Brevet FR2476944A1 — publié le 19810828

La présente invention a pour objet un relais op- toélectronique intégré utilisant un semiconducteur à pho- toconductivité persistante et une matrice de tels relais. Elle trouve une application en commutation de signaux électriques. La fonction de commutation est en général rem- plie par des relais électromécaniques ou électromagnéti- ques. Ces dispositifs ne donnent pas entièrement satisfac- tion car ils sont encombrants et nécessitent des énergies d'alimentation non négligeables. La présente invention a justement pour objet un élément de commutation qui évite ces inconvénients. A cette fin, l'invention fait appel à la technologie des semiconducteurs qui permet des intégrations poussées et ne requiert que de faibles énergies de commande et de main- tien. L'élément essentiel du relais de l'invention est une couche d'un matériau présentant le phénomène de photo- conductivité persistante. Ce phénomène est décrit, dans ses aspects théoriques, notamment dans les articles sui- vants: - R.J. HELSON, Appl. Phys. Lett. 31, 5, 351, 1977; - D.V. LANG, R. A. LOGAN, Phys. Rev. Lett. 39, 10, 635, 1977; - U. PIEKARA, J.M. LANGER, Sol. -Stat. Comm. 23, 583, 1977; - R. LEGROS, Y. MARFAING, R. TRIBOULET, J. phys. Chem. So- lids, 39, 179, 1978; - B. BALLAND, G. VINCENT, D. BOIS, Appl. Phys. Lett. 34, 108, 1979. L'utilisation d'un corps présentant de la photo- conductivité persistante pour réaliser un dispositif opto- électronique n'est pas nouvelle en soi. La demande de bre- vet français 2 396 420 déposée le 29 juin 1977 et intitu- lée "Matériau transparent photoconducteur, son procédé de fabrication et des dispositifs d'application" décrit par exemple un "dispositif à mémoire" utilisant comme matériau photoconducteur un oxyde amorphe sousstoechiométrique d'un métal appartenant au groupe VI et plus particulière- ment un oxyde de tungstène. Un tel dispositif présente de nombreux inconvé- nients du fait de l'utilisation de ce type d'oxyde comme matériau photoconducteur: tout d'abord il ne se prête pas à une intégration de ses éléments et il est donc encom- brant; ensuite, le rayonnement d'excitation est nécessai- rement situé dans l'ultraviolet, ce qui rend la source d'excitation délicate à mettre en oeuvre; enfin, l'échauffement de la couche photoconductrice, grâce auquel on peut effacer la conductivité du matériau, ne peut être obtenu que par un moyen distinct de ladite source d'ultra- violet. Tous ces inconvénients sont évités dans le dis- positif de l'invention grâce à l'utilisation d'une part de matériaux semiconducteurs pour réaliser la couche photo- conductrice, le- substrat et les sources d'excitation, (ce qui permet l'intégration de tous ces éléments à l'aide de techniques connues, comme I'épitaxie, l'implantation io- nique, le dopage, etc...), et d'autre part d'une diode électroluminescente à semiconducteur qui remplit simulta- nément les deux rôles de source d'excitation photonique provoquant l'apparition d'une conductivité persistante dans la couche semiconductrice et de source thermique per- mettant d'effacer ladite conductivité. De façon plus précise, l'invention a pour objet un relais optoélectronique intégré qui est du genre de ceux qui comprennent: une couche de matériau à photocon- ductivité persistante, cette couche étant déposée sur un substrat et étant munie de deux contacts électriques, une source de rayonnement optique dirigé sur ladite couche,. une enceinte apte à porter ladite couche à une température o a lieu le phénomène de photoconductivité persistante, et une source de rayonnement thermique apte à échauffer ladite couche pour en supprimer la conductivité, ce relais étant caractérisé en ce que le substrat est en un premier matériau semiconducteur rendu isolant, ladite couche est en un second matériau semiconducteur et est déposée sur le substrat et en ce que lesdites sources sont constituées par une même diode à base d'un troisième semiconducteur, cette diode étant intégrée audit substrat en regard de ladite couche et étant apte à émettre un rayonnement opti- que lorsqu'elle est polarisée en direct et un rayonnement thermique lorsqu'elle est polarisée en inverse. De toute façon, les caractéristiques et avanta- ges de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre expli- catif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins sur lesquels: - - la figure 1 représente en coupe et de façon schématique un relais conforme à l'invention; - la figure 2 représente, en coupe, un mode de réalisation particulier des contacts déposés sur la couche photoconductrice; - la figure 3 représente, en coupe, un mode par- ticulier de réalisation d'une pluralité de relais déposés sur un même substrat; - la figure 4 représente en vue de dessus, une matrice de relais conformes à l'invention. Le relais représenté sur la figure 1 comprend une couche 10 d'un matériau semiconducteur présentant le phénomène de photoconductivité persistante; ce matériau est par exemple Al xGa 1XAs, GaAs _XPX, Cal-xZ x t ( est inférieur à 1), CdTe, CdF2, GaSb, CdS, etc... ces se- miconducteurs étant dopés par des impuretés telles que Te, Se..., In. La couche 10 est reliée à chacune de ses extré- mités à des contacts électriques 20-22 reliés à des bornes d'accès 24 et 26. La couche photoconductrice est déposée sur l'une des faces d'un substrat 12 qui est constitué par un matériau semiconducteur rendu isolant (GaAs par exem- ple). L'autre face de ce substrat est pourvue, juste en regard de la couche 10, d'une diode 14 susceptible d'émet- tre un rayonnement électromagnétique 15 ou un flux de phonons 16, selon les conditions de commande délivrées par un circuit 18. Plus précisément, lorsque la diode est po- larisée en direct elle se comporte en diode électrolumi- nescente et lorsqu'élle est polarisée en inverse, elle constitue une source thermique. Un tel type de diode peut être obtenu avec des composés ternaires comme Ga nl y As. L'ensemble de ces moyens est placé dans une-enceinte 25 maintenue à une température suffisamment basse pour que le phénomène de photoconductivité persistante puisse avoir lieu. Le fonctionnement de ce dispositif- est le sui- vant. A basse température le matériau de la couche 10 est isolant, les électrons étant tous piégés dans les impure- tés servant de dopant au matériau (Te, Se,... par-exemple dans le cas de Ga 1XAlxAs). L'impédance entre les contacts et 22 est donc grande: le relais est ouvert et l'impé- dance -est infinie entre les bornes 24 et 26. Lorsque la diode 14 est commandée en régime d'émission de rayonnement électromagnétique, le flux de photons émis qui, après avoir traversé le substrat, atteint la couche 10, induit dans celle-ci des transitions électroniques: les élec- trons piégés-sont alors portés dans la bande de- conduction du matériau o ils occupent un état métastable. La durée de vie de cet état est grande à la température considérée (plusieurs jours au-dessous de 500K). La conductivité du matériau de la couche 10 se maintient après que la diode 14 a été arrêtée. L'impédance entre les bornes-24 et 26 est et demeure faible: le relais est donc fermé. Il peut être ouvert à nouveau sous l'effet d'un- échauffement momentané du matériau de la couche 10, car la durée de vie dudit état métastable décroît exponentielle- 24 76944 ment avec la température. Cet échauffement est obtenu en polarisant en inverse la diode 14 pour lui faire émettre un flux de chaleur. A titre explicatif, les caractéristiques d'un relais conforme à l'invention peuvent être les suivantes: - photoconducteur persistant: Ga xAI xAs avec x = 0,35, dopé n par Te à une concentration de 1017cm3; contacts 20 et 22: alliés par diffusion et soudure à l'étain; préparation de la couche photoconductrice: par épitaxie liquide ou par épitaxie vapeur par la technique des or- ganométalliques; - substrat 12: monocristal de GaAs dopé au chrome et donc semi-isolant (résistivité supérieure à 109Q/cm a 300 K) + - diode 14: jonction p -n de Ga(ly) InyAs avec y nue par épitaxie liquide (ou gazeuse). Le côté p est dopé jusqu'à dégénérescence (> 1017cm-3) par diffusion de zinc à travers un masque dans la couche n. La teneur (y) en indium est choisie pour que le maximum du spectre d'-émission colncide avec le maximum de la bande d'absorption de l'impureté Te dans Ga lxAlxAs. L'énergie des photons est d'environ 1,1 eV pour y = 0,3. L'émis- sion thermique est obtenue en polarisant la diode en inverse pour déclencher un processus d'avalanche; - température de fonctionnement requise: 50 K; pour des raisons de facilité d'emploi un cryogénérateur à 15 K peut être utilisé; - dimensions latérales moyennes de chaque relais: selon les besoins, entre quelques microns et quelques centai- nes de microns. La figure 2 illustre un mode particulier de réa- lisation des contacts électriques dans lequel des couches et 32 conductrices sont déposées sur la couche 10, dans des directions rectangulaires, une couche isolante 34 les isolant l'une de l'autre. La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un support comprenant une rangée de relais. Sur cette figure, chaque couche photoconductrice 10 est en contact sur sa face supérieure avec une bande métallique 40 et, sur sa face inférieure, avec une bande conductrice 42 obtenue par implantation ionique dans le substrat de GaAs pour le ren- dre conducteur. Le dispositif à relais des figures 2 et 3 peut être étendu à deux dimensions pour constituer une matrice de relais qui se présente, en vue de dessus, comme illus- tré sur la figure 4. Cette matrice comprend n bandes ver- ticales de connexion 50 et m bandes horizontales de con- nexion 52 et nxm relais 54 disposés à l'intersection de ces bandes. L'un des réseaux de bandes conductrices 42-52 peut être obtenu par implantation ionique dans le substrat avant croissance épitaxiale de la couche photoconductrice., C'est l'utilisation de semiconducteurs qui permet de sim- plifier la réalisation d'une telle matrice. REVENDICATIONS 1. Relais optoélectronique intégré comprenant: une couche (10) d'un matériau à photoconductivité persis- tante, cette couche étant déposée sur un substrat (12) et étant munie de deux contacts électriques (20, 22), une source de rayonnement optique dirigée sur ladite couche, une enceinte (25) apte à porter ladite couche à une tempé- rature o a lieu le phénomène de photoconductivité persis- tante, et une source de rayonnement thermique apte à échauffer ladite couche pour en supprimer la conductivité, caractérisé en ce que le substrat (12) est en un premier matériau semiconducteur rendu isolant, ladite couche (10) est en un second matériau semiconducteur et est déposée sur le substrat et en ce que lesdites sources sont consti- tuées par une même diode (14) à base d'un troisième semi- conducteur, cette diode. étant intégrée audit substrat en regard de ladite couche et étant apte à émettre un rayon- nement optique (15) lorsqu'elle est polarisée en direct et un rayonnement thermique (16) lorsqu'elle est polarisée en inverse. 2. Relais selon.la revendication 1, caractérisé en ce que le semiconducteur constituant la couche à photo- conductivité persistante est pris dans le groupe qui con- tient Al xGaxAs, s-xZn Te, (avec x CdTe, CdF2, GaSb, CdS. 3. Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est en GaAs semi-isolant. 4. Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que la diode est une jonction p±n de Ga1 In As avec y 5. Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts électriques sont constitués par deux bandes conductrices croisées (30 et 32) déposées sur le substrat et la couche 10, ces bandes étant isolées l'une de l'autre par une couche isolante (34). 6. Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des contacts est constitué par une zone conductrice (42) obtenue par implantation dans le substrat et l'autre contact par une couche conductrice obtenue par dépôt (couche métallique ou équivalente) (40). 7. Matrice de commutation, caractérisée en ce qu'elle comprend nm relais (54) selon la revendication 1, les contacts étant constitués par n bandes conductrices parallèles (50) croisées avec m autres bandes conductrices parallèles (52).