DD247327A1

DD247327A1 - Ueberlaufanordnung fuer ladungssammelnde halbleitergebiete

Info

Publication number: DD247327A1
Application number: DD28846486A
Authority: DD
Inventors: Burghard Korneffel
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1986-03-31
Publication date: 1987-07-01
Also published as: FR2596583B1; DE3707534A1; JPS62238663A; FR2596583A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Ueberlaufanordnung fuer ueberschuessige Ladungstraeger in Ladungssammelgebieten. Solche Anordnungen finden Verwendung in Festkoerper-Bildaufnahmeeinrichtungen, insbesondere optisch sensitiven CCD-Zeilen und CCD-Matrizen. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, mit herkoemmlicher Technologie eine Ueberlaufanordnung mit wesentlich verringertem Platzbedarf zu schaffen. Bei der erfindungsgemaessen Ueberlaufanordnung ist neben einem ersten Halbleitergebiet mit einem Volumenkanal oder einem, vorzugsweise flach eingebrachten Diodengebiet unmittelbar ein zweites Halbleitergebiet mit tiefliegendem Volumenkanal, bei welchem die tiefliegende Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp nach oben hin, das heisst, in Richtung Halbleiteroberflaeche, vorzugsweise durch ein Kanal-Stopper-Gebiet, welches sich an der Grenzlinie zum ersten Halbleitergebiet bis zur Halbleiteroberflaeche erstreckt, begrenzt ist, positioniert, wobei die Potentialverlaeufe in beiden Halbleitergebieten so eingestellt sind, dass in derjenigen Distanz zur Oberflaeche, wo im ersten Halbleitergebiet das elektrische Feld zwischen ionisierten Dotanden und dem Substrat vorhanden ist, im zweiten Halbleitergebiet das zum eben erwaehnten Feld gegensaetzlich gerichtete elektrische Feld zwischen Kanal-Stopper-Gebiet und ionisierten Dotanden herrscht.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Überlaufanordnung für überschüssige Ladungsträger in Ladungssammelgebieten. Solche Anordnungen finden Verwendung in Festkörper-Bildaufnahmeeinrichtungen, insbesondere optisch sensitiven CCD-Zeilen und CCD-Matrizen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei optisch sensitiven CCD-Zeilen und CCD-Matrizen werden die fotogenerierten Ladungsträger in Potentialmulden gesammelt, nach Ablauf der Lichtintegrationszeit in CCD-Schieberegister eingelesen und von diesen zu Ladungsdetektoren transportiert. Fließen in eine Potentialmulde Ladungsträger hinein, so verringert sich die energetische Tiefe dieser Mulde, bis schließlich ab einer maximalen Flächenladungsdichte die Mulde verschwindet. Weitere im Bereich der (ehemaligen) Mulde generierte Ladungsträger werden nicht mehr gespeichert, sondern fließen ins angrenzende Halbleitervolumen und in dort vorhandene, noch nicht gefüllte Potentialmulden. Dieser Effekt stellt sich in optischen Sensorahordnungen als „Aufblühen" („blooming") von überbelichteten Bildpunkten dar.

Es wird daher versucht, überschüssige Ladungsträger noch vordem Grenzfall, da die Potentialmulde völlig „eingeebnet" ist, in Absaugkanäle überfließen zu lassen. Bekannt sind vor allem zwei Grundprinzipien geworden, das Überfließen in einen seitlich vom Sammelgebiet angebrachten Absaugkanal und das Überfließen in ein unter dem Sammelgebiet angeordnetes Gebiet. Das Überfließen in die Tiefe ist das platzsparendste Verfahren, bedingt jedoch einen komplizierten Aufbau mit aufwendiger Technologie und ergibt eine Beschneidung der spektralen Empfindlichkeit im langwelligen Teil des Spektrums. Das laterale „Anti-Blooming" ist im Aufbau und in derTechnologie der üblichen CCD-Technologie angepaßt. In den bekannten Anordnungen werden dazu jedoch wenigstens zwei zusätzliche Gebiete mit entsprechendem Platzbedarf benötigt, nämlich ein Potentialbarrierengebiet, oft durch eine Elektrode elektrisch kontrolliert, und ein Abflußgebiet (Anti-blooming-drain).

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, mit relativ einfachem Aufbau und üblicher Technologie die Mängel des Standes der Technik zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Überlaufanordnung mit wesentlich verringertem Platzbedarf zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine neuartige Anordnung gewählt, die bei überraschend kleinem Platzbedarf ein Überlaufen von überschüssiger Ladung ermöglicht.

Zur Realisierung der Überlaufanordnung wird erfindungsgemäß neben ein erstes Halbleitergebiet mit einem Volumenkanal oder einem, vorzugsweise flach eingebrachten Diodengebiet unmittelbar ein zweites Halbleitergebiet mit tiefliegendem Volumenkanal positioniert. Der tiefliegende Volumenkanal ist nach oben hin, das heißt, in Richtung Halbleiteroberfläche, vorzugsweise durch ein Kanalstoppergebiet begrenzt, wobei an der Grenzlinie zum ersten Halbleitergebiet sich dieses Kanalstoppergebiet bis an die Halbleiteroberfläche erstreckt. Unter Kanalstoppergebiet wird ein ausreichend hoch dotiertes Gebiet vom Substratleitungstyp verstanden. Im Grenzbereich zwischen beiden Halbleitergebieten findet sich folgendes

Phänomen: Zwischen beiden Halbleitergebieten entsteht im Betriebsfall, d.h. bei teilweiser oder völliger Verarmung beider Kanalgebiete bzw. bei Polung des Diodengebietes in Sperrichtung, in Abhängigkeit von den in beiden Halbleitergebieten realisierten Potentialverläufen eine Potentialbarriere. Hält man in einem der beiden Halbleitergebiete den Potentialverlauf fest, und speichert in das andere Halbleitergebiet fortlaufend Ladung ein, so wird die Potentialbarriere entsprechend kleiner, um bei maximalem Füllungswert gänzlich zu verschwinden und den gewünschten Überlauf zu ermöglichen. Zu näheren Erklärung der erfindungsgemäßen Überlaufanordnung wird vom bevorzugten Anwendungsfall ausgegangen, nämlich der Speicherung der Ladung im „obenliegenden" Volumenkanal oder im flach eingebrachten Diodengebiet des ersten Halbleitergebietes und der Überlauf in den tiefliegenden Volumenkanal des zweiten Halbleitergebietes. Zur Realisierung eines Volumenkanals wird in das Halbleitersubstrat eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp eingebracht. Der „obenliegende" Volumenkanal des ersten Halbleitergebietes kann entweder durch eine darüber (isoliert) angeordnete Elektrode oder durch eine in die Oberfläche eingebrachte flache Kanalstopperschicht kontrolliert sein. Der tiefliegende Volumenkanal des zweiten Halbleitergebietes wird, wie bereits oben erwähnt, vorzugsweise von einem in einer gewissen Distanz zur Oberfläche angeordneten Kanalstoppergebiet kontrolliert. Das Diodengebiet wird bekannterweise durch eine Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp realisiert.

Bei Verarmung des Volumenkanals an Ladungsträgern bilden sich elektrische Felder sowohl zwischen den ionisierten Dotanden und dem Substrat als auch zwischen den ionisierten Dotanden und der Elektrode bzw. der Kanal-Stopper-Zone aus. Es entsteht die für Volumenkanäle typische Potentialmulde. Werden in diese Potentialmulde Ladungsträger (vom Leitungstyp der Dotierungszone) eingespeichert, so werden die Verarmungsgebiete verkleinert, dadurch die elektrischen Felder zur Elektrode bzw. zur Kanal-Stopper-Zone und zum Substrat in ihrer Ausdehnung verringert und in ihrer Stärke geschwächt und folglich die energetische Tiefe der Mulde verkleinert.

Beim in Sperrichtung gepolten Diodengebiet bildet sich ein elektrisches Feld zwischen Dotierungszone und Substrat aus. Werden in das Diodengebiet Ladungsträger eingespeichert, so wird dieses elektrische Feld in seiner Ausdehnung verringert und in seiner Stärke geschwächt, und folglich die Potentialdifferenz zwischen Dotierungszone und Substrat verkleinert. Die in den tiefliegenden Volumenkanal einströmenden Ladungsträger (vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp) werden aus ihm durch bekannte Methoden abgesaugt, beispielsweise dadurch, daß er an einer Stelle mit einem in Sperrichtung gepolten Diodengebiet (Drain) verbunden ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Tiefstpunktwert des Potentials im Volumenkanal bei völliger Verarmung durch das Dotierungsprofil und bei teilweiser Verarmung durch das Potential des angeschlossenen Drains bestimmt ist.

Erfindungsgemäß werden die Potentialverläufe in den beiden Halbleitergebieten so eingestellt, daß in derjenigen Distanz zur Oberfläche, wo im ersten Halbleitergebiet das elektrische Feld zwischen ionisierten Dotanden und dem Substrat vorhanden ist, im zweiten Halbleitergebiet das elektrische Feld zwischen Kanal-Stopper-Zone und ionisierten Dotanden herrscht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Richtung dieser beiden erwähnten Felder gegensätzlich ist.

Im unmittelbaren Grenzbereich zwischen beiden Halbleitergebieten stoßen die unterschiedlichen Potentialverläufe aneinander. Würde man den Potentialveriauf nur eindimensional betrachten, so kann man beide Potentialkurven übereinander projizieren und fände einen Schnittpunkt beider Kurven. DieiPotentialdifferenz zwischen diesem Schnittpunkt und dem tiefsten Punkt der Mulde im Volumenkanal des ersten Halbleitergebietes bzw. die Potentialdifferenz zwischen diesem Schnittpunkt und dem Sperrpotential des Diodengebietes ergäbe die Höhe der Potentialbarriere vom Speichergebiet im ersten Halbleitergebiet zum tiefliegenden Volumenkanal des zweiten Halbleitergebietes. Mit sich ändernder Ladungsmenge im Speichergebiet ändert sich sowohl das Potential im Speichergebiet als auch der Potentialwert dieses Schnittpunktes. Die Potentialdifferenz jedoch und damit die Barriere wird um so kleiner, je mehr Ladung ins Speichergebiet gelangt. Mit weiter ansteigender Ladung im Speichergebiet geht schließlich die Barrierenhöhe gegen Null, weitere ins Speichergebiet eingebrachte Ladung fließt in den tiefliegenden Volumenkanal über.

Der Potentialwert im Schnittpunkt ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit vom Potentialtiefpunkt im tiefliegenden Volumenkanal, der seinerseits bei teilweiser Verarmung vom Potential eines angeschlossenen Drains abhängt. Vergrößert man im tiefliegenden Volumenkanal die Potentialdifferenz zwischen Potentialtiefpunkt und Substrat, so verkleinert sich die oben definierte Barrierenhöhe und das Überlaufen setzt eher ein.. Verkleinert man die Potentialdifferenz, so setzt Überlauf erst bei größeren Flächenladungsdichten ein. Man kann somit die Höhe der Potentialbarriere und damit den Einsatzpunkt des Überlaufens steuern. In Wirklichkeit ist der Potentialverlauf zweidimensional zu betrachten. Das führt gegenüber dem eindimensionalen Modell zu einer niedrigeren Potentialbarriere infolge von zwischen beiden Halbleitergebieten verlaufenden Feldkomponenten. In einem zweiten Anwendungsfall kann die Ladung in dem tiefliegenden Volumenkanal des zweiten Halbleitergebietes eingespeichert werden und der Überlauf in den Volumenkanal bzw. das Diodengebiet des ersten Halbleitergebietes erfolgen. Mechanismus und Wirkungsweise sind dem oben geschilderten so ähnlich, daß der Fachkundige keine weiteren Erläuterungen benötigt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Überlaufanordnung liegt im geringen Platzbedarf. Ein gesondert gesteuerter Transferbereich wird nicht benötigt. Dertiefliegende Volumenkanal benötigt in der bevorzugten Ausführung keine Elektrode. Die technologische Realisierung kann sehr einfach gestaltet werden. Beispielsweise kann die Dotierungszone und auch die eventuell verwendete flache Kanal-Stopper-Schicht zur Realisierung des Volumenkanals im ersten Halbleitergebiet großflächig, also auch in dem zweiten Halbleitergebiet, eingebracht werden. Über eine Maske, welche z. B. die den Volumenkanal des ersten Halbleitergebietes kontrollierende Elektrode sein könnte, werden dann sehr tief Dotanden vom zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp und mitteltief Dotanden vom Substratleitungstyp implantiert.

-Die Dotanden vom Substratleitungstyp realisieren die den tiefliegenden Volumenkanal nach „oben" hin begrenzende Kanal-Stopper-Zone und kompensieren gleichzeitig die großflächig eingebrachte Dotierungszone für den Volumenkanal im ersten Halbleitergebiet.

Ein weiterer Vorteil ist die gleichzeitige effektive Möglichkeit zur Trennung mehrerer Ladungssammelgebiete voneinander. Wird beispielsweise zwischen zwei der Ladungssammlung dienenden Volumenkanälen ein tiefliegender Volumenkanal positioniert, so wirkt für beide Sammelgebiete der Überlaufmechanismus und beide Gebiete sind außerdem voneinander getrennt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 a: Erfindungsgemäße Überlaufanordnung für ein einzelnes Ladungssammelgebiet Fig. 1 b: Lateraler Verlauf der Potential-Tiefstpunktwerte für die Anordnung nach Fig. 1a Fig.2 a: Erfindungsgemäße Überlaufanordnung für zwei benachbarte Ladungssammelgebiete Fig.2 b: Lateraler Verlauf der Potential-Tiefstpunktwerte für die Anordnung nach Fig. 2a Fig.3 : Potentialverläufe

Im Ausführungsbeispiel wird ein p-leitendes Substrat verwendet. Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit n-leitenden Substraten realisierbar. Die entsprechend einzubringenden Dotierungen sind dann jeweils vom entgegengesetzten Leitungstyp. Der Aufbau der Überlaufanordnung ist in Fig. 1 a für ein einzelnes Ladungssammelgebiet und in Fig. 2a für zwei benachbarte Ladungssammelgebiete, welche alle in diesem Beispiel durch einen Volumenkanal mit überdeckender flacher Kanal-Stopper-Schicht realisiert werden, dargestellt. Das erste Halbleitergebiet ist mit 8 und das zweite mit 9 gekennzeichnet. Das p-leitende Halbleitersubstrat 10 ist mit einem Gateisolator 13 überzogen. Zur seitlichen Begrenzung aktiver Gebiete dient das Feldisolatorgebiet 11 mit der darunterliegenden p-Dotierung 12. Der Volumenkanal des ersten Halbleitergebietes 8 wird durch die n-Dotierung 15 und die darüberliegende flache p-dotierte Kanal-Stopper-Schicht 14 realisiert. Im zweiten Halbleitergebiet 9 wird der tiefliegende Volumenkanal durch die tiefliegende n-Dotierung 17 und die darüber positionierte p-dotierte Kanal-Stopper-Zone 16 gebildet.

In Fig. 1 bund 2b sind die jeweiligen Potential-Tiefstpunktwerte in ihrem lateralen Verlauf gemäß der Fig. 1 a und 2a dargestellt. Im „leeren" Volumenkanal von Gebiet 8 erreicht das Potential den Wert 20, in den p-Zonen 12,14 und 16 wird das Substratpotential 19 gehalten. Der tief liegende Volumenkanal von Gebiet 9 wird über ein angeschlossenes n⁺-Gebiet, welches in der Zeichnung nicht dargestellt ist, auf dem Potential 18 gehalten. Mit 21 ist der Extremwert des Potentials der Barriere für den leeren Volumenkanal von Gebiet 8 bezeichnet.

22 kennzeichnet den entsprechenden Extremwert für den teilweise gefüllten Volumenkanal, wobei in ihm derTiefstpunktwert 24 erreicht wird. Für eine Auffüllung des Volumenkanals mit Elektronen, die einen Tiefstpunktwert 25 bedingt, verschwindet die Potentialbarriere im Punkt 23.

Weitere in den Volumenkanal von Gebiet 8 hineingebrachte Elektronen fließen nunmehr in den tiefliegenden Volumenkanal von Gebiet 9 hinein.

In Fig. 2 b ist dieser Zustand für das linke Sammelgebiet durch den Pfeil 27 symbolisch dargestellt. Die überschüssigen Elektronen seien hier beispielsweise durch eine starke Bestrahlung mit Photonen der Energie h_v generiert (siehe Fig. 2 a). Im rechten Sammelgebiet (Fig.2a, 2b) sei infolge schwächerer Bestrahlung der Überlauf noch nicht eingetreten. In Fig.3 sind die verschiedenen Potentialverläufe eingetragen und übereinander projiziert. Man erkennt dabei deutlich das Zustandekommen der Potentialbarriere. Mit 31f32 und 33 sind die bei der Darlegung des Wesens der Erfindung erläuterten Schnittpunkte zwischen beiden Potentialverläufen in eindimensionaler Betrachtung bezeichnet. Die besonders dargestellten „gekrümmten" Linien mit den jeweiligen Barrierenpotentialen 21,22 und 23 zeigen die Projektion des Potentialverlaufes, wie sie aufgrund der zwischen beiden Halbleitergebieten verlaufenden Feldkomponenten entsteht. Die Barrierenhöhe kann durch Modifikation des Potentialwertes 18 geändert werden, was wiederum über die Spannung des an den tiefliegenden Volumenkanal angeschlossenen Drains möglich ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Tiefe der Potentialmulde im Gebiet 9 einen maximalen Wert 26, den sie bei völliger Verarmung an Ladungsträgern erreicht, nicht überschreiten kann.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Überlaufanordnung für ladungssammelnde Halbleitergebiete, gekennzeichnet dadurch, daß neben einem ersten Halbleitergebiet mit einem Volumenkanal oder einem, vorzugsweise flach eingebrachten Diodengebiet unmittelbar ein zweites Halbleitergebiet mit tiefliegendem Volumenkanal, bei welchem die tiefliegende Dotierungszone vom zum Substrat umgekehrten Leitungstyp nach oben hin, das heißt, in Richtung Halbleiteroberfläche, vorzugsweise durch ein Kanal-Stopper-Gebiet, welches sich an der Grenzlinie zum ersten Halbleitergebiet bis zur Halbleiteroberfläche erstreckt, begrenzt ist, positioniert, wobei die Potentialverläufe in beiden Halbleitergebieten so eingestellt sind, daß in derjenigen Distanz zur Oberfläche, wo im ersten Halbleitergebiet das elektrische Feld zwischen ionisierten Dotanden und dem Substrat vorhanden

. ist, im zweiten Halbleitergebiet das zum eben erwähnten Feld gegensätzlich gerichtete elektrische Feld zwischen Kanal-Stopper-Gebiet und ionisierten Dotanden herrscht.
2. Überlaufanordnung für ladungssammelnde Halbleitergebiete nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Volumenkanal vom ersten Halbleitergebiet mit überdeckender flacher Kanal-Stopper-Schicht ausgeführt ist.
3. Liberlaufanordnung für ladungssammelnde Halbleitergebiete nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß der Volumenkanal vom ersten Halbleitergebiet mit überdeckender Elektrode ausgeführt ist.
4. Überlaufanordnung für ladungssammelnde Halbleitergebiete nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Ladungsträger im ersten Halbleitergebiet gesammelt werden und der Überlauf in den tiefliegenden Volumenkanal des zweiten Halbleitergebietes erfolgt.