FR2523371A1 - Element photoconducteur en carbure de silicium amorphe hydrogene et cellule de retine video utilisant un tel element - Google Patents

Element photoconducteur en carbure de silicium amorphe hydrogene et cellule de retine video utilisant un tel element Download PDF

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Abstract

ELEMENT PHOTOCONDUCTEUR ET CELLULE DE RETINE VIDEO. L'ELEMENT PHOTOCONDUCTEUR COMPREND DEUX ELECTRODES 33, 37 ET UNE COUCHE 35 DE CARBURE DE SILICIUM AMORPHE HYDROGENE. UN TEL ELEMENT PRESENTE UNE CAPACITE DU FAIT DE LA FORTE RESISTIVITE DU MATERIAU PHOTOCONDUCTEUR. APPLICATION A LA REALISATION DE RETINES VIDEO.

Description

La présente invention a pour objet un élément photoconducteur et une cellule de rétine vidéo utilisant un tel élément. Elle trouve une application en électronique et notamment dans la réalisation de caméras électroniques.
Les dispositifs du genre rétines vidéo, sont essentiellement de trois types
a) le tube vidicon, dans lequel un faisceau d'électrons vient lire ltétat de charge d'un point photoconducteur situé sur un subtrat isolant recouvert d'une électrode transparente ; le photoconducteur le plus couramment utilisé est Sb2S3 ;
b) le dispositif à transfert de charges, dans lequel des charges sont déplacées sous un système d'électrodes déposées sur un substrat de silicium monocristallin, à partir d'un point photosensible de très petites dimensions ;
c) la rétine vidéo en couches minces, utilisant un substrat de silicium amorphe hydrogéné (air) constituant à la fois l'élément photoconducteur et le circuit de commande.
Ces dispositifs présentent tous des inconvénients
a) le tube vidicon nécessite une haute tension et son encombrement est très important,
b) les dispositifs à transfert de charges nécessitent une optique de très haute qualité, donc chère et par ailleurs le silicium monocristallin est peu sensible dans le bleu,
c) l'utilisation de a-SiH nécessite l'emploi d'une capacité de stockage ; comme ce dernier dispositif est, par ailleurs, assez proche de l'invention il va être décrit en détail à l'aide de la figure 1.
Le dispositif représenté comprend un substrat 1 en silicium recouvert d'une couche 2 d'oxyde de silicium SiO2. De part et d'autre se trouvent deux structures analogues, l'une 3 constituant un élément photoconducteur et l'autre 4 constituant un transistor à effet de champ (FET). Chaque structure comprend une couche de silicium amorphe 5 de type n surmontée de couches 6 et 7 en a-Si de type n . Une couche 8 de SiO2 recouvre l'ensemble, avec des ouvertures pour des contacts électriques 9 et 11 constitués par une couche d'aluminium. Celle-ci s'étend entre l'élément photoconducteur 3 et le transistor 4 pour former un condensateur 13. Par ailleurs, une grille métallique 15 complète le transistor 4 ; mais une telle couche métallique n'existe pas entre les plots 9 et 11 de l'élément photoconducteur pour permettre à la lumière de venir frapper la couche 5 en aSiH (flèches 16).
Le schéma électrique d'un tel circuit est représenté sur la figure 2. Il s'agit essentiellement d'un élément photoconducteur 3, dont une électrode est reliée à un plot d'entrée porté à un potentiel Vo et l'autre à un condensateur 13 et d'un transistor à effet de champ 4 dont la grille est reliée à une connexion 17 portée à un potentiel Vc de commande. Le principe de fonctionnement de ce circuit est le suivant. Selon le potentiel Vc appliqué sur la grille du transistor 4, le transistor est bloqué ou passant.
Dans l'état bloqué, le condensateur 13 se charge par le courant qui passe à travers l'élément photoconduc tqur 3 du fait de la tension Vo. Le courant de charge, donc la tension de charge, dépend de l'intensité du rayonnement lumineux frappant l'élément 3. Dans l'état passant, le transistor 4 lit la tension de charge du consensateur. Lorsque la constante de temps du circuit formé par le condensateur 13 et de l'élément résistif 3 excède la période des impulsions de commande de lecture, le courant passant à travers le transistor FET est proportionnel à l'intensité du rayonnement lumineux.
Un tel dispositif est décrit dans l'article de M.MATSUMURA et al., intitulé "Amorphous-Silicon
Image Sensor ICt, publié dans la revue IEEE EDL1 (1980) pages 182-184.
L'invention a justement pour but de remédier à l'inconvénient de ces dispositifs en permettant de les simplifier, notamment par la suppression du condensateur de stockage, ou, plus exactement, dans son intégration à l'élément photoconducteur.
Ce but est atteint, selon l'invention, par l'utilisation d'un matériau photoconducteur particulier qui est le carbure de silicium amorphe hydrogéné.
Il a en effet été trouvé par les demandeurs que le carbure de silicium amorphe hydrogéné présentait une résistivité suffisamment grande pour que la capacité interne d'un élément photoconducteur puisse constituer la capacité de stockage d'une cellule élémentaire de rétine vidéo.
A titre d'exemple, la résistivité et la photoconductivité du carbure de silicum amorphe hydrogéné varient de la manière suivante en fonction de la concentration en carbone :
Photoconductivité en
-C Résistivité 12-1,,-1 à 0,6- sous
Si+C (Jl.cm) 1015 photons/cm2/s
0 4.109 3.10-7
10 % lolo 8. 10-8
20 % 2.1011 2.10
Pour éviter que la photoconductivité ne tombe à des valeurs trop faibles, on utilise de préférence un carbure de silicium avec une proportion de carbone inférieure à 25 % et par exemple comprise entre 5 et 20 %.
Naturellement, le matériau photoconducteur de l'invention peut être employé dans des structures qui ne sont pas nécessairement des rétines vidéo avec capacité de stockage, mais plus simplement comme resistance dont la valeur décroît sous illumination.
De façon précise, la présente invention a donc pour objet un élément photoconducteur, comprenant une couche de matériau photoconducteur, relié à deux contacts métalliques formant électrodes et qui est caractérisé en ce que le matériau photoconducteur est en carbure de silicium amorphe hydrogéné.
L'invention a également pour objet une cellule de rétine vidéo comprenant un transistor à effet de champ associé à l'élément photoconducteur en question.
Les caractéristiques de l'invention apparateront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins qui font suite aux figures 1 et 2 déjà décrites et sur lesquels
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un élément photoconducteur conforme à l'invention,
- la figure 4 représente un second mode de réalisation d'un élément photoconducteur selon l'invention,
- la figure 5 représente, en coupe, une cellule de rétine vidéo conforme à l'invention,
- la figure 6 représente le schéma électrique équivalent de la cellule précédente et montre l'organisation d'une rétine vidéo à plusieurs cellules,
- la figure 7 (a à m) représente les étapes d'un procédé de fabrication d'une cellule.
L'élément photoconducteur représenté sur la figure 3 comprend un substrat isolant 21 sur lequel est déposée une couche 23 en carbure de silicium amorphe hydrogéné, et deux électrodes 25 et 27 sur lesquelles des connexions peuvent venir se souder.
Un tel élément fonctionne de manière classique. Sous illumination 29, la résistance entre les électrodes 25 et 27 est amoindrie, ce qui peut être mis en évidence par des circuits connus non représentés.
L'invention trouve surtout son intérêt dans des modes de réalisation tels que celui de la figure 4. Il s'agit d'une structure transverse. L'élément représenté comprend un substrat isolant transparent 31, par exemple en verre, une couche conductrice transparente 33, une couche de carbure de silicium amorphe hydrogéné 35 et une couche métallique 37. La lumière traverse le support 31 et l'électrode transparente 33.
L'intérêt d'un tel dispositif est non seulement qu'il est photoconducteur, mais encore qu'il constitue un condensateur du fait de la forte résistivité du carbure de silicium amorphe en l'absence d'éclairement. En présence de rayonnement, la résistivité est abaissée. Un tel élément se comporte donc comme un condensateur en parallèle sur une résistance, dont la valeur dépend de l'intensité lumineuse. Sous illumination, le condensateur se décharge à travers la couche photoconductrice.
A titre explicatif il peut être indiqué que pour une surface d'électrode de 10-2mm, photoconductrice.la résistance dans l'obscurité d'un élément tel que celui de la figure 4, dont l'épaisseur de photoconducteur est de 0,6 IL est de 5.1011sol. Sous éclairement cette résis tance chute à une valeur de l'ordre de 109 A. La capa- cité interne de élément photoconducteur est de l'ordre de lOpF. -
La possibilité d'intégrer le condensateur dans l'élément photoconducteur est appliquée avec profit dans une cellule de rétine vidéo telle que celle qui est représentée sur la figure 5. Une telle cellule utilise un transistor en couches minces (TCM) en a-Si sur substrat isolant.Telle que représentée, la cellule comprend un substrat transparent 10, par exemple en verre, une électrode source 12 et une électrode drain 12', une couche 16 en a-Si, une couche de silice 20, une couche métallique de grille 24, une couche de SiO2 28, tous ces moyens formant le TCM. Par ailleurs, la cellule comprend une couche conductrice transparente 33 déposée sur le substrat 10 et en contact avec la source 12, une couche 35 de carbure de silicium amorphe hydrogéné, et une couche métallique 37 de contact, ces moyens constituant à la fois l'élément photoconducteur et la capacité de stockage.
Le schéma électrique équivalent est représenté sur la figure 6. Il comprend un transistor 40, un condensateur 42 avec en parallèle une photorésistance 44. Le drain du transistor est relié à une ligne de commande 46 et la grille 24 à une autre ligne de commande 48. Dans l'état bloqué du transistor, le condensateur 42 reste chargé lorsque le matériau photoconducteur est dans l'obscurité et il se décharge lors de l'illumination dudit matériau. Dans l'état passant, le transistor est parcouru par un courant qui recharge le condensateur. Le courant de charge (et non plus de décharge comme dans l'art antérieur de la figure 2) reflète donc l'intensité du rayonnement.
Pour constituer une rétine complète, il suffit de juxtaposer sous forme de matrice une pluralité de cellules telles que décrites. C'est ce que représente encore la figure 6, avec des cellules 50, 51, 52,... sur une première ligne, 60, 61, 62,... sur une seconde, etc... Toutes ces cellules élémentaires sont lues séquentiellement grâce à des impulsions appli quées sur leur transistor et délivrées d'une part par un générateur de balayage horizontal 100 et, d'autre part, par un générateur de balayage vertical 110.
A titre explicatif, la figure 7 représente différentes étapes (a) à (m) d'un processus de réalisation possible d'une cellule selon l'invention.
Les différentes opérations effectuées sont les suivantes : - 1) - préparation d'un substrat de verre 10, (par
exemple de la marque Corning 7059) ; net
toyage physico-chimique classique (a) ; dépôt sur tout le substrat d'une couche 12
de métal, d'épaisseur comprise entre 500 et
o o
2000 A et de préférence voisine de 1000 A ;
ce métal doit servir aux contacts source et
drain ; un alliage nickel-chrome peut être
utilisé, qui forme un siliciure à basse tem
pérature (4000C) (b) ; - 3) - photogravure de la couche de NiCr pour défi
nir le canal 14 des futurs transistors et
les diverses connexions entre les transis
tors ; cette opération nécessite un premier
masque et conduit au produit représenté
en (c) ; dépôt d'une couche de silicium par plasma en
phase gazeuse réactive (CVD-plasma) à une
température comprise entre 4000 et 6000C et
de préférence voisine de 500 0C ; une couche
de siliciure 18 se forme à la surface de la
couche 12 photogravée dépôt d'une couche de silice 20 par la même
méthode, à la même température ou à une tem
pérature plus basse (e) ; - 6) - dans le cas où on veut obtenir du silicium
polycristallin, l'échantillon est alors
soumis au rayonnement 22 d'un laser ou d'un
tube éclairs, soit in situ (de préférence)
soit à l'extérieur du réacteur de
dépôt (f) - 7) - dépôt d'une couche métallique de grille 24,
par exemple en aluminium ou en silicium très
dopé, (par CVD plasma), sur toute la surface
de l'échantillon (g) t - 8) - à l'aide d'un second masque, on réalise une
photogravure du sandwich grille 24-isolant
20-semiconducteur 16, sans attaquer la cou
che de siliciure 18 formée sur le nickel
chrome (h) ; cette opération peut être réa
lisée par voie humide ou sèche ; dans cette
dernière solution, la sélectivité est faci
le à réaliser. La grille de silicium permet
d'effectuer une sous gravure contrôlée du
silicium, ce qui diminue le courant de fuite
grille-drain et grille-source ; - .9) - le composant est soumis à une post-hydrogé
nation (symbolisée par les flèches 26 sur la
figure i) pour diminuer le nombre de défauts
et améliorer les interfaces. Cette opéra
tion s'effectue dans un plasma d'hydrogène à
4000C. La pression d'hydrogène est par exem
ple de 0,1 torr, la puissance RF de 20 W.
L'hydrogénation est complète au bout de
15 mn. Bien que les quantités d'hydrogène
introduites dans le silicium au cours de
cette opération soient faibles (envi
ron 1%), les propriétés électroniques s'en
trouvent fortement améliorées : la photo
conductivité apparaît, la mobilité est aug
mentée de plus d'un facteur 10, le nombre de
liaisons pendantes du silicium passe de
1019 cm -a quelques 1016 cm-3; - 10) - dépôt sur le substrat 10 d'une couche con
ductrice transparente 33 par exemple en ~~~(j) (i);; - 11) - passivation par une couche de SiO2 28 dépo
sée par CVD plasma et réalisation de fenê
tres pour les diverses connexions nécessai
res à la réalisation du circuit (k) ; dépôt du matériau photoconducteur 35 en
aSiCH (1) dépôt de la couche métallique de
contact 37 (m).

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Elément photoconducteur, comprenant une couche de matériau photoconducteur (23, 35) relié à deux contacts métalliques formant électrodes (25, 27, 33, 37), caractérisé en ce que le matériau photoconducteur est en carbure de silicium amorphe hydrogéné.
2. Elément photoconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (33, 37) recouvrent le matériau photoconducteur (35), l'une au moins (33) étant transparente.
3. Elément selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition du carbure de silice amorphe hydrogéné correspond à un pourcentage de carbone compris entre 5 et 20%.
4. Cellule de rétine vidéo comprenant un transistor à effet de champ possédant une source (12) et un drain (12') déposés sur un substrat isolant (10) et un canal (16) formé d'une couche mince semiconductrice surmontée d'une couche isolante (20), elle-même recouverte d'une grille métallique (24) et comprenant en outre un condensateur et un élément photoconducteur, tous deux intégrés sur le substrat isolant, caractérisé en ce que l'ensemble condensateur-élément photoconducteur est constitué par l'élément de la revendication 2, la couche métallique transparente formant la première électrode (33) de l'élément photoconducteur étant déposée sur le substrat isolant (10), cette électrode (33) étant reliée à la source (12) ou au drain du transistor, ce dernier étant entouré d'une couche isolante (28), le matériau photoconducteur (35) étant déposé sur cette couche isolante et étant recouvert d'une couche métallique (37) formant la seconde électrode de l'élément photoconducteur, le condensateur étant constitué par les deux dites électrodes (33, 37) de l'élément photoconducteur.
5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que le canal semiconducteur (16) est en silicium amorphe hydrogéné.
6. Cellule selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le substrat (10) est en verre.
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