Brevet FR2481521A1 — publié le 19811030

L'invention concerne une rétine photosensible à retat solide. Une telle rétine ou cible est de celles utilisées dans les tubes de prise de vues, les caméras de télévision en parficulier Dans de tels tubes, elle est généralement associée à un faisceau délections qui en assure la lecture, c9est-à-dire celle du relief de charges crêté à sa surface par la lumière incidente. C'est notamment le cas des vidicons. Différents types de rétines sont connus de Part On peut citer les rétines en nnatériaux amorphes ou polycristallins, comme certains sels de sélénium, tellure et arsenic, séléniure ou tellurure de cadmium, tellurure ou séléniure de zinc, ou l'oxyde de aplomb. D'autres rétines utilisent comme matériau constitutif des matériaux monocristallins, tels le silicium ou l'arseniure de gallium. Les matériaux amorphes ou polycristallins sont déposes en couches minces, avec une épaisseur de l'ordre de quelques microns, sur des substrats transparents qui constituent les faces avant des tubes de prise de vues Les couches sont continues, ce qui est favorable, toutes choses égales par ailleurs, à une bonne résolution. Les matériaux monocristallins sont utilises, eux, en tranches, ou plaquettes, d'une epaisseur atteignant couramment la dizaine de microns au moins, sur lesquelles sont réalisées des mosaïques de contacts redresseurs. Ces derniers matériaux sont souvent préférés aux matériaux amorphes ou polycristallins cites précédement, car il est aisé avec eux de réaliser des détecteurs de haute sensibilité. De plus, de telles plaquettes conduisent å des cibles auto-supportées de manipulation facile. Mais la structure en mosaïque des contacts redresseurs nuit à leur résolution. La rétine de l'invention a une structure composite résultant de l'association de deux éléments à l'état solide, appliques l'un contre l'autre. L'un d'eux est une plaquette d'ion monocristal de silicium, l'autre consiste en une couche mince amorphe recouvrant la plaquette sur l'une de ses faces. Ainsi se trouvent réunies dans la rétine de l'invention une bonne résolution et une bonne sensibilité, d'où il résulte une amélioration des résultats d'ensemble par rapport aux rétines de l'art antérieur. L'invention concerne une rétine photosensible à l'état solide, comprenant une plaquette de silicium monocristallin sur l'une des faces de laquelle a lieu l'impact des photons incidents en provenance d'une image, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, appliquée sur la face opposée de la plaquette, une couche de silicium amorphe hydrogéné. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui montrent, les mêmes repères désignant les mêmes éléments: - Figures 1 et 2: des représentations schématiques de la rétine de l'invention; - Figure 3 : un exemple de dispositif optique utilisant une rétine photosensible selon l'art connu; - Figure 4 : une adaptation du dispositif optique de la figure précédente au moyen d'une cible selon l'invention. Il est connu que le silicium monocristallin dans lequel on a développé une zone désertée de ses porteurs libres est un détecteur de lumière. I1 est connu également que le silicium amorphe allié à l'hydrogène, de type n ou p selon la nature des impuretés employées pour le dopage, peut avoir une très forte résistivité, supérieure à îo9fl x cm, pouvant aller jusqu'à 1013ex cm, pour certaines concentrations en impuretés. L'association d'une plaquette de silicium monocritallin de type n et d'une couche mince de silicum amorphe hydrogéné de type opposé, déposée sur l'une des faces de la plaquette, donne naissance à une hétérojonction à l'interface des deux matériaux. La polarisation en inverse de cette hétérojonction, à l'aide d'une source de tension extérieure, entraîne l'apparition au sein du matériau monocritallin d'une zone désertée par les porteurs libres dans laquelle règne un champ électrique. En fonctionnement les paires électrons-trous, créées dans cette zone désertée par les photons d'une image incidente, sont séparées par le champ électrique. Les trous sont draines vers le silicium amorphe hydrogéné, tandis que les électrons gagnent la surface du silicium monocristallin exposée au flux de photons incidents . Un relief de charge correspondant aux différences d'intensité lumineuse des points de l'image est créé au sein de la rétine sur la face opposée. Une telle rétine est représentée schématiquement sur la figure 1, dans laquelle le repère 1 désigne la plaquette de silicium monocristallin, de type n dans l'exemple, le repère 2, la couche de silicium amorphe hydrogéné, de type p, et 3 Phétérojonction à l'interface entre ces deux éléments, étant entendu que l'invention s'applique aussi au cas ou ces deux types, choisis pour fixer les idées, seraient intervertis.Sur la figure, les flèches L désignent le flux de photons incidents en provenance de l'image; les signes + et - cerclés représentent les porteurs libres, trous et électrons respectivement, créés dans la rétine par ces photons, et les petites flèches le sens dans lequel ils se déplacent dans la zone désertée lorsque l'hétérot jonction 3 est polarisée comme indiqué par la source de tension V. La ligne en pointillés marque la limite au-dessous de laquelle s'étend la zone désertée dans le silicium monocristallin dans lequel est taillée la plaquette 1 cette limite dépend notamment de la valeur de la tension V. L'ensemble décrit forme la cible 10 de l'invention. Celle-ci est représentée plus en détail sur la figure 2, dans le cas d'une lecture par faisceau d'électrons comme celui cité plus haut; comme usuellement pratiqué dans la technique de l'état solide une zone 4, plus fortement dopée (n+) que le reste de la plaquette I, assure le contact de celle avec la source de tension V. En plus, sur la face opposée de la cible, celle qui reçoit le faisceau d'électrons de lecture F, une couche, dite couche d'acceptance, est prévue pour améliorer cette lecture. Cette couche, qui porte le repère 5 sur la figure consiste en un film d'un matériau semiconducteur,le trisulfure d'antimoine Sb2 S3, par exemple d'une épaisseur de 5 nanomètres à 1 micromètre. Elle a pour rôle, notamment, d'interdire l'émission d'électrons secondaires par la couche de silicium amorphe hydrogéné 2, sous l'impact des électrons du faisceau F, et de freiner ces derniers. D'autres dispositions, connues de l'art, sont également possibles qui utilisent la rétine photosensible de l'invention. Parmi elles, celle où la rétine reçoit; sur la face tournée vers l'image, ou la scène, objet de la prise de vues, un autre faisceau d'électrons engendré par une photocathode placée sur le trajet des photons incidents. Cette photocathode est celle d'un tube intensificateur d'image. Un système optique électronique concentre le faisceau sur les différents points de la cible où il inscrit un relief électrique correspondant à l'image.Dans ce cas, la face de la cible qui reçoit ce faisceau est recouverte d'une couche de métal de très faible épaisseur, généralement inférieure à 1000 angstroms, comme celle des écrans cathodoluminescents. Ces exemples montrent certaines des adaptations à faire subir aux rétines photosensibles suivant l'application qui en est faite. Toutes ces adaptations sont réalisables sur la rétine de l'invention, dont les applications sont les mêmes que celles des rétines de l'art antérieur. L'intérêt de la struture composite de l'invention tient dans le fait que la présence de la couche amorphe de silicium hydrogéné, par sa grande résistivité, empêche la diffusion latérale des charges porteuses du signal engendrées par la lumière incidente ; les points de limage se trouvent ainsi bien séparés, et la résolution améliorée, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à une monarque, comme dans le cas de rétines en silicium monocristallin. Cette amélioration se répercute, toutes choses égales par ailleùrs, sur les caractéristiques du dispositif auquel est incorporée la rétine. On donne ci-dessous, à titre indicatif, un procédé de préparation, selon les techniques connues de l'état solide, de la rétine de l'invention, telle que représentée sur la figure 2. On découpe et l'on polit un disque de silicium monocristallin, de type n dans l'exemple, dune épaisseur de l'ordre de 100 micro mètres et, de préférence, supérieure à cette valeur. On procède ensuite à l'amincissement de la partie centrale du disque, jusqu'à une épaisseur comprise entre 5 et 20 micromètres ; cette partie constitue la zone utile de la cible, ou la rétine proprement dite, bordée d'un anneau plus épais qui-assure la rigidité mécanique de la pièce et en fait un ensemble auto-supporté. L'une des faces reçoit ensuite un fort dopage de type n, obtenu par implantation d'ions et recuit, ou diffusion: partie repèré 4 sur la figure 2. Puis l'on dépose sur la face opposée du disque la couche, 2 de silicium amorphe hydrogéné, sur une épaisseur comprise entre 5 nanomètres et 5 micromètres.Ce déport a lieu, par exemple, par pulvérisation cathodique de silicium en présence d'hydrogène ou par décomposition de silane, composé hydrogéné de silicium de formule SiH4, dans un réacteur à plasma; n dans le réacteur sont ajoutés les éléments assurant la conductivité de type p requise. Enfin, on dépose sur la couche 2 ainsi Normée du sulfure d'antimoine pour former la couche dite d'acceptance 5, sur une épaisseur de 5 nanomètres à 1 micromètre. La cible ainsi préparée est prête pour l'incorporation au tube ou au dispositif auquel elle est destinée. On décrit ci-dessous un autre exemple d'application de la rétine de l'invention. Cet exemple est celui d'un relais optique représenté schérnatiquement sur la figure 3. I1 s'agit d'un relais à cristaux liquides, dans lequel le contraste d'une lame de cristal liquide est commandé par un photosenseur placé devant la lame, sur le trajet de la lumière incidente venant de l'image.Une lumière auxiliaire, ou de lecture, arrivant de l'autre coté de la lame utilise ce contraste pour la formation d'une image correspondant à limage incidente. Dans le relais en question, le photosenseur est constitué par une rétine telle que celles auxquelles se rapporte l'invention. Un séparateur est nécessaire pour soustraire celui-ci à la lumière de lecture ; les signaux du photosenseur sont transmis au cristal liquide dans les conditions connues de l'art. Sur la figure 3, on retrouve, avec ses repères, la rétine photosensible 10 ; la lame de cristal liquide et le séparateur optique portent respectivement les repères 20 et 30;le tout est pris entre deux dalles de verre 40 et 42 exposées l'une à la lumière incidente L, et l'autre à la lumière de lecture L1. Une électrode 50, transparente à la lumière de lecture, est appliquée sur la face extrème de la lame 20 pour les besoins de la polarisation appliquée, comme indiqué sur la figure, entre la rétine 10 et la lame 20. On a admis, dans la représentation de la figure 3, que la rétine 10 était conforme à l'invention, alors que toute autre rétine du même genre de l'art antérieur pourrait aussi bien convenir à la réalisation d'un tel dispositif. Par contre la rétine de l'invention, dans une de ses variantes qui va être décrite, permet la réalisation aisée de relais optiques de ce genre fonctionnant en alternatif et, non plus avec une tension de polarisation V continue, comme dans le cas de la figure 3 précédente. La figure 4 représente un tel relais. La rétine de l'invention comporte alors deux hétérojonctions résultant de la présence sur les deux faces de la plaquette de monocristal 1 de couches 2 et 12 de silicium amorphe hydrogéné ; l'ensemble forme la cible 11 ; les hétérojonctions sont représentés en 3 et 13. Le dispositif comporte une seconde électrode transparente 51 du côté de la dalle 40, pour l'application de la tension alternative V ; quant à la couche 12 elle est réalisée avec une épaisseur suffisament faible pour qu'elle présente une bonne transparence à la lumière d'inscription L. On obtient ainsi, pour en rester aux conditions des exemples précédents (plaquette 1, de type n), une structure p- n- p dont l'une ou l'autre des jonctions p - n se trouve polarisée en inverse à chaque alternance de la tension V. En outre, le séparateur 30 de la figure précédente est ici remplacé par un miroir diélectrique 31 qui arrête la lumière de lecture L1. Un tel miroir est constitué, comme on sait, de plusieurs couches superposées de deux diélectriques différents, comme la silice et l'alumine par exemple, d'épaisseurs choisies de manière a arrêter les différentes composantes du spectre de L1. Son épaisseur totale est de l'ordre du micromètre. Un tel miroir assure en fonctionnement un couplage capacitif entre la rétine 11 et la lame de cristal liquide 20 et évite, de ce fait, l'emploi de plots ou points matérialisés pour l'application du signal de la rétine sur la lame de cristal liquide. Ces points sont répartis habituellement dans les dispositifs connus suivant une mosaique. I1 n'y a donc plus de trace d'une telle mosaïque dans l'image. On décrit dRessuss à l'aide de la figure 5, une application particulière de l'une des variantes de la rétine de l'invention. De façon générale, celle-ci , dans l'une ou l'autre de ses variantes, convient aux applications habituelles des rétines photosensibles de l'art antérieur, les tubes du type vidicon en particulier. REVENDICATIONS 1. Rétine photosensible à l'état solide, comprenant une plaquette de silicium monocristallin (1) sur l'une des faces de laquelle a lieu l'impact des photons incidents (L) en provenance d'une image, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, appliquée sur la face opposée de la plaquette, une couche de silicium amorphe hydrogéné (2). 2. Rétine photosensible à l'état solide suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, sur la face de ia plaquette recevant l'impact des photons, une deuxième couche de silicium amorphe hydrogéné (12), transparente aux photons incidents. 3. Rétine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en oe que la (ou les) couche (s) de silicium amorphe hydrogéné présente (nt) une résistivité supérieure à lo9Q x cm. 4. Rétine suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, recouvrant la couche en silicium amorphe hydrogène (2), un film (5) en un matériau semi-conducteur, Sb2 S3 notamment sur une épaisseur de 5 à 1000 nanomètres. 5. Tube vidicon caractérisé en ce qu'il comporte une rétine suivant la revendication 1. 6. Relais optique composé d'une rétine photosensible (10), d'un séparateur optique (30) et d'une lame de crystal liquide (20), serrés les uns contre les autres entre deux dalles transparentes (40, 42) et exposé, par l'une de ces dalles, à l'impact de photons incidents (L), et par l'autre à une lumière de lecture (L1), dont le contraste en chaque point de la lame dépend du signal reçu du point correspondant de la rétine, lorsqu'une différence de potentiel continue est appliquée entre les faces extrêmes de la rétine et de la lame, caractérisé en ce que la rétine est une rétine suivant la revendication 1. 7. Relais optique composé d'une rétine photosensible (10), d'un séparateur optique (30) et d'une lame de crystal liquide (20), serrés les uns contre les autres entre deux dalles transparentes (40, 42) et exposé, par l'une de ces dalles, à l'impact des photons incidentes (L), et par l'autre à une lumière de lecture (L1), dont le contraste en chaque point de la lame dépend du signal reçu du point corses pondant de la rétine, lorsqu'une différence de potentiel alternative est appliquée entre les faces extrêmes de la rétine et de la lame, caractérisé en ce que la rétine est une rétine suivant la revendication 2, et en ce que le séparateur optique est un miroir diélectrique.