Brevet FR2699736A1 — publié le 19940624

TRANSISTOR A VIDE POSSEDANT UNE GRILLE OPTIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL TRANSISTOR La présente invention se rapporte à un transistor à vide possédant une grille optique et à un procédé pour la fabrication d'un tel transistor, et plus particulièrement à un transistor à vide dans lequel un champ électrique est appliqué à deux électrodes adjacentes sous un état de vide ou un état d'atmosphère et des photons possédant un ou plusieurs seuil(s) d'énergie sont irra- diés à partir d'une grille optique vers l'une des électrodes pour émettre des électrons à partir de celle-ci et un procédé de fabrication du transistor à vide avec une grille optique. De date récente, les dispositifs électriques ont connu plus ample développement en accord avec un développement de la physique des semiconducteurs solides, et l'on aura de plus en plus besoin dans de tels dispositifs électriques de renchérir en matière de vitesses, d'intégrations et de fiabilité élevées. Le développement continu de tels dispositifs électriques a été limité par des techniques de travail minutieuses, et des obstacles divers surviennent donc dans la fabrication de ces disposi- tifs électriques. En particulier, dans la fabrication de dispositifs électriques à semiconducteurs, la mobilité des électrons se déplaçant dans un dispositif devient une unité physique significative comme facteur déterminant les caractéristiques électriques de tels dispositifs à semiconducteurs, maté- riaux électriques et analogues, en raison d'un transfert des électrons qui est déterminé par un phénomène de diffusion comme cela est bien connu dans cette technique. Dans le cas o un substrat de silicium est utilisé dans la fabrication de tels transistors, la mobilité des charges électriques dans le substrat de silicium est déterminée préalablement et par conséquent la performance des transistors est également déterminée. La Figure 1 est une vue en coupe montrant la structure d'un transistor à semiconducteur à grille isolée par oxyde métallique (transistor MOS) conventionnel utilisant un substrat de sili- cium Sur la Figure 1, la référence numérique 5 représente un substrat de silicium, les réfé- rences numériques 2 et 3 représentent respectivement les régions de source et de drain, et la ré- férence numérique 1 représente une électrode de grille formée sur le substrat 5 entre les régions 2 et 3 Une couche d'isolation 4 de grille est formée entre l'électrode de grille 1 et le substrat 5. Lors du fonctionnement d'un tel transistor MOS, le substrat de silicium 5 sert uniquement de moyens de support, et le transfert des électrons est effectué dans l'électrode de grille 1 et dans une région de canal du substrat 5 qui est formée au-dessous de la couche d'isolation 4 de grille. Pour surmonter ces limites à l'égard de la mobilité des électrons dans la région de canal du semiconducteur du transistor montré sur la Figure 1, il est nécessaire que les électrons soient transférés dans un canal en état de vide ou d'atmosphère d'un tel transistor sans rapport à la dif- fusion ci-dessus mentionnée, et la mobilité des électrons à cet égard n'est déterminée que par un champ électrique appliqué de façon externe, obtenant de ce fait des caractéristiques de fonction- nement à vitesse élevée. Le but de la présente invention est de fournir un transistor à vide possédant une grille op - tique, et un procédé de fabrication d'un tel transistor, dans lequel le transfert des électrons est effectué en région de vide ou d'atmosphère et seulement commandé par un champ électrique ap- pliqué de façon externe, pour améliorer en cela la mobilité des électrons. Pour atteindre le but ci-dessus mentionné, le transistor à vide possédant une grille optique selon un aspect de la présente invention comprend un substrat de silicium, une couche d'isola- tion déposée sur ledit substrat de silicium, la couche d'isolation possédant une partie en creux formée par un procédé de corrosion, une source optique pour irradier le signal optique et servir de dite grille optique, deux électrodes formées sur ladite couche d'isolation et séparées l'une de l'autre par un vide ou une atmosphère, l'une d'entres elles reçoit le signal optique et est une électrode émettrice d'électrons pour émettre d'électrons, et l'autre est une électrode collectrice d'électrons pour collecter les électrons émis par ladite électrode émettrice d'électrons, ladite électrode émettrice d'électrons étant formée au dessous de ladite source optique sous un vide ou une atmosphère et connectée à la terre, et ladite électrode collectrice d'électrons étant connectée à une alimentation, dans lequel la quantité d'écoulement de courant dans ladite électrode collectri- ce d'électrons est réglée par l'intensité du signal optique provenant de ladite source optique. Dans la construction, chacune des extrémités opposées desdites électrodes séparées par la partie en creux a une structure en forme de pointe et est électriquement isolée de l'autre, et ladite source optique est faite d'un laser ou d'une photodiode. De plus, le procédé pour fabriquer un transistor à vide possédant une grille optique, dans lequel un signal optique est irradié à partir d'une grille optique, comprend les étapes consistant à: préparer un substrat de silicium, former une couche d'isolation sur ledit substrat de silicium, former un dessin d'électrodes sur ladite couche d'isolation pour former une électrode émettrice d'électrons comme électrode de source et une électrode collectrice d'électrons comme électrode de drain, corroder ladite couche d'isolation entre lesdites électrodes collectrice et émettrice d'électrons pour former une partie en creux dans ladite couche d'isolation et pour isoler de façon spatiale lesdites électrodes de source et de drain par la partie en creux, et former une sour- ce optique par dessus ladite électrode émettrice d'électrons seulement, ladite source optique ser- vant de dite grille optique. Cette invention sera mieux comprise et ses objectif et avantage apparaîtront à un homme de l'Art en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue en coupe d'un transistor à semiconducteur à grille isolée par oxyde métallique (transistor MOS) conventionnel, la Figure 2 est un schéma fonctionnel montrant que des électrons sont transférés à travers une région de vide ou d'atmosphère, en se servant du principe de l'effet photo-électrique utilisé dans la présente invention, les Figures 3 A à 3 D sont des vues en coupe montrant les étapes de fabrication du transistor avec une grille optique selon la présente invention, et la Figure 4 est un schéma fontionnel montrant le principe d'un circuit dans lequel le tran- sistor à vide de la présente invention est mis en application. Il va être décrit ci-après que des électrons sont transférés à travers une région de vide ou d'atmosphère, en se servant du principe de l'effet photo-électrique proposé par Einstein. Comme montré sur la Figure 2, sous un état de vide ou un état d'atmosphère une première électrode conductrice 6 utilisée en tant qu'électrode émettrice d'électrons est isolée de façon spa- tiale d'une deuxième électrode conductrice 7 utilisée en tant qu'électrode collectrice d'électrons, et une source optique 8 utilisée en tant qu'électrode irradiant le signal optique est formée au-des- sus de la première électrode conductrice 6 Selon cette configuration, lorsque le signal optique possédant un seuil d'énergie ou plus est irradié à partir de la source optique 8 sur une surface de la première électrode conductrice 6, des électrons sont émis de la surface de la première électro - de conductrice et sont fournis à la deuxième électrode conductrice 7 La deuxième électrode conductrice 7 collecte alors les électrons émis. En se référant maintenant aux Figures 3 A à 3 D, les étapes de fabrication du transistor à vide muni d'une grille optique selon un exemple de la présente invention vont être explicitées ci- après. Comme montré sur la Figure 3 A, une couche isolante 10 est formée sur la surface princi- pale d'un substrat de silicium 9 Par la suite, un dessin d'électrodes qui est défini par une élec- trode émettrice d'électrons 11 (ci-après référencée comme "une électrode émettrice") et une élec- trode collectrice d'électrons 12 (ci-après référencée comme "une électrode collectrice")r est formé sur la couche isolante 10 Ces électrodes 11 et 12 sont chacune faite de silicium polycris- tallin, d'un métal, d'un genre de métal ou analogue. En se référant à la Figure 3 C, une partie de la couche isolante 10 entre les électrodes 11 et 12 est éliminée par un procédé de corrosion humide ou un procédé de corrosion à sec, comme cela est bien connu dans cette technique, chacune des électrodes 11 et 12 possédant ainsi une structure adoptant une forme de pointe provoquée par la partie en creux corrodée entre ces dernières, la structure en forme de pointe signifiant ici que les extrémités opposées des élec- trodes 11 et 12 ressortent en pointe grâce à la partie en creux Par exemple, dans la couche iso- lante 10 la partie en creux est formée lorsque la couche isolante 10 est éliminée par le procédé de corrosion, et les extrémités opposées des électrodes 11 et 12 sont isolées l'une de l'autre de façon spatiale par la partie en creux - Sur la Figure 3 D, une source optique 13 est formée au-dessus de l'électrode émettrice 11 sous un état de vide ou un état d'atmosphère Cette source optique 13 fonctionne comme une grille optique pour irradier un signal optique, et est faite d'un laser ou d'un dispositif émetteur de lumière tel qu'une photodiode, pour fournir le signal optique irradié à une surface supérieure de l'électrode émettrice 11 à travers une région de vide ou une région d'atmosphère. La Figure 4 est un schéma fonctionnel pour expliquer le principe d'un circuit possédant le transistor à vide avec une grille optique, dans lequel l'électrode émettrice 11 est mise à la terre et l'électrode collectrice 12 est connectée à une alimentation comme source de commande, pour établir un champ électrique prédéterminé entre les électrodes 11 et 12. En se référant à la Figure 4, quand un signal optique est produit à partir de la grille optique 13 sur l'électrode émettrice 11, des électrons sont émis à partir de la surface supérieure de 1 ' - électrode émettrice 11 par le principe de l'effet photo-électrique et introduits dans l'électrode collectrice 12 Le courant circule alors entre l'électrode émettrice 11 et l'électrode collectrice 12. Ici, la quantité de courant circulant dans l'électrode collectrice 12 est déterminée et réglée par va- riation de l'intensité du signal optique irradié. Comme décrit ci-dessus, le transistor à vide muni d'une grille optique selon la présente in- vention possède des caractéristiques de fonctionnement à vitesse élevée, par le fait que la vitesse de fonctionnement du transistor à vide y est déterminée par la vitesse de transmission de la grille optique La raison pour laquelle le transistor à vide peut fonctionner avec une plus grande vites - se, comparé au dispositif semiconducteur, c'est-à-dire à état solide, conventionnel, est que la mobilité des électrons entre l'électrode émettrice d'électrons et l'électrode collectrice d'électrons est encore améliorée en raison du trajet de transfert des électrons sous un état de vide ou sous un état d'atmosphère Le transistor à vide possède également des caractéristiques d'ampleur en ce que la quantité d'écoulement de courant peut être modifiée par variation de l'intensité du si- gnal optique qui est irradié à partir de la grille optique Additionnellement, le transistor à vide possédant les caractéristiques ci-dessus mentionnées peut être appliqué à un élément de base pour circuits logiques optiques. On comprendra que d'autres modifications variées seront évidentes à, et pourront être réa- lisées aisément par des hommes de l'Art sans s'éloigner du champ ni de l'esprit de cette inven- tion En conséquence, l'étendue des revendications annexées n'est intentionnellement pas limi- tée à la description ici développée, les revendications devant plutôt être analysées comme enve- loppant toutes les caractéristiques de nouveauté brevetable qui résident dans la présente inven- tion, en incluant toutes caractéristiques qui pourraient être traitées comme équivalentes par des -hommes de l'Art qui concerne cette invention. RE VENDIC AT IO NS 1 Transistor à vide possédant une grille optique, dans lequel un signal optique est irradié à partir de la grille optique, le transistor comprenant: un substrat de silicium ( 9); une couche isolante ( 10) déposée sur ledit substrat de silicium, la couche isolante possé- dant une partie en creux formée par un procédé de corrosion; une source optique ( 13) pour irradier le signal optique et servir de dite grille optique; deux électrodes formées sur ladite couche isolante et séparées l'une de l'autre par un vide ou une atmosphère, l'une reçoit le signal optique et est une électrode émettrice d'électrons ( 11) pour émettre des électrons, et l'autre est une électrode collectrice d'électrons ( 12) pour collecter les électrons émis à partir de ladite électrode émettrice d'électrons; ladite électrode émettrice d'électrons étant formée au-dessous de ladite source optique sous un vide ou une atmosphère et connectée à la terre; et ladite électrode collectrice d'électrons étant connectée à une alimentation, dans lequel une quantité de courant circulant dans ladite électrode collectrice d'électrons est réglée par l'intensité du signal optique provenant de ladite source optique. 2 Transistor selon la Revendication 1, dans lequel chacune des extrémités opposées des- dites électrodes séparées par la partie en creux possède une structure en forme de pointe et est électriquement isolée de l'autre. 3 Transistor selon la Revendication 1, dans lequel ladite source optique ( 13) est faite d'un laser ou d'une photodiode. 4 Procédé de fabrication d'un transistor à vide possédant une grille optique, dans lequel un signal optique est irradié à partir d'une grille optique, le procédé comprenant les étapes de: préparer un substrat de silicium ( 9); former une couche d'isolation ( 10) sur ledit substrat de silicium; former un dessin d'électrodes sur ladite couche d'isolation pour former une électrode émet- trice d'électrons ( 11) comme électrode de source et une électrode collectrice d'électrons ( 12) comme électrode de drain; corroder ladite couche d'isolation entre lesdites électrodes collectrice et émettrice d'élec- trons pour former une partie en creux dans ladite couche d'isolation et pour isoler de façon spa- tiale lesdites électrodes de source et de drain par la partie en creux, et former une source optique au-dessus de ladite électrode émettrice d'électrons seulement, ladite source optique servant de dite grille optique.