DE19620641C1 - Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung - Google Patents

Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine bidirektionale horizontale Ladungsübertragungs­ einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich für einen Spiegelbildsensor eignet und Signal­ ladungen in entgegengesetzter Richtung übertragen kann.
Im allgemeinen muß ein horizontaler Ladungsübertragungskanal schnell getaktet werden, um innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts Ladungen auslesen zu können, die in paralleler Form aus vertikalen Ladüngsüber­ tragungskanälen kommen.
Aus diesem Grunde wird im Gegensatz zum vertikalen Ladungsüber­ tragungskanal der horizontale Ladungsübertragungskanal zweiphasig getaktet.
Eine konventionelle horizontale ladungsgekoppelte Einrichtung (nach­ folgend als HCCD beschrieben) mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist z. B. aus Electronic Engineering, Dezember 1980, S. 31 bis 40, bekannt und wird im weiteren unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.
Die Fig. 1A zeigt einen Querschnitt durch einen Aufbau einer konventionellen HCCD, während in Fig. 1B deren Potentialprofile zu erkennen sind.
Die konventionelle HCCD enthält eine P-Typ Wanne in einem N-Typ Halbleitersubstrat, während sich eine BCCD 1 in einem vorbestimmten Bereich der P-Typ Wanne befindet, wobei die BCCD 1 als horizontaler Ladungsübertragungskanal verwendet wird. Bei der BCCD 1 handelt es sich um eine vergrabene ladungsgekoppelte Einrichtung (Buried Charge Coupled Device). Auf der auf dem N-Typ Halbleitersubstrat liegenden BCCD 1 befindet sich eine Gateisolationsschicht 3 auf deren gesamten Oberfläche; Polygates 4a und 4b befinden sich der Reihe nach abwech­ selnd nebeneinanderliegend auf der Gateisolationsschicht 3 und sind gegeneinander elektrisch isoliert. Darüber hinaus liegen unterhalb der jeweiligen Polygates Barrierenbereiche 2 innerhalb der BCCD 1. Die jeweiligen Polygates 4a, 4b sind paarweise elektrisch miteinander verbunden und empfangen jeweils ein Taktsignal HO1 oder HO2. Ein jeweiliger Barrierenbereich 2 kommt dabei unter jeweils einem Polygate 4b zu liegen, während den Polygates 4a ein solcher Barrierenbereich 2 nicht gegenüberliegt.
Entsprechend der Fig. 1B bildet die konventionelle HCCD mit dem oben beschriebenen Aufbau infolge der Barrierenbereiche 2 stufenförmige Potentialwannen zur Ladungsübertragung in einer Richtung, auch wenn derselbe Takt angelegt wird. Da sich der Boden der Potentialwanne in einem energiemäßig niedrigen Zustand befindet, werden in ihr Elektronen gesammelt. Das bedeutet, daß sich Elektronen an der unteren Seite der Potentialwanne des (vierten) Polygates ansammeln, das zum Zeitpunkt t=1 mit dem Taktsignal HO2 versorgt wird.
Zum Zeitpunkt t=2 wird eine hohe Spannung an das erste und das zweite Polygate angelegt, um den Energiepegel der unteren Seiten des ersten und zweiten Polygates herabzusetzen. Darüber hinaus wird eine niedrige Spannung an das dritte und vierte Polygate geliefert, um deren Energie­ pegel anzuheben.
Allerdings können die im Bereich der unteren Potentialwanne des vierten Polygates gesammelten Elektronen infolge des unterhalb des dritten Polygates vorhandenen Barrierenbereichs 2 nicht nach links wandern.
Wird der Energiepegel des fünften und sechsten Polygates allmählich herabgesetzt, um die Barrierenschicht rechts vom vierten Polygate zu beseitigen, so können Elektronen zu den unteren Seiten des fünften und sechsten Polygates wandern, die jetzt einen niedrigen Energiepegel aufweisen.
Wird dann die Vorspannung des fünften und sechsten Polygates hinreichend angehoben, bildet sich die stufenförmige Potentialwanne erneut aus, um den Platz der sich gesammelten Elektronen von der unteren Seite des vierten Polygates zur unteren Seite des sechsten Polygates zu verschieben.
Zum Zeitpunkt t=3 werden das erste, das zweite, das fünfte und das sechste Polygate mit einer niedrigen Spannung versorgt, während am dritten, vierten, siebten und achten Polygate eine hohe Spannung anliegt, so daß dasselbe Ergebnis wie bei t=0 erhalten wird.
Eine Periode des Taktpulses umfaßt das Intervall von t=1 bis t=3. Während dieser einen Periode wandern Elektronen von der unteren Seite des vierten Polygates zur unteren Seite des achten Polygates.
Beim konventionellen HCCD, das zweiphasig mit den Taktsignalen HO1 und HO2 angesteuert wird, ist es jedoch nachteilig, daß sich die Barrieren­ schicht bei jedem der Polygates I und II ausbildet, also unter jedem Poly­ gate 4b, um einen Ladungstransport in nur einer Richtung durch den zweiphasigen Takt zu ermöglichen. Die konventionelle HCCD läßt sich daher nicht als Spiegelbildsensor verwenden, bei dem ein bidirektionaler Ladungstransport nötig ist.
Darüber hinaus ist aus der DE 44 33 869 A1 die Weiterbildung einer konventionellen HCCD bekannt, bei der bidirektionaler Ladungstransport möglich ist. Dieser wird dadurch ermöglicht, daß jeder Gate-Elektrode ein MOS-Schalttransistor zugeordnet ist. Nach­ teilig an dieser bekannten HCCD ist ihr aufwendiger Aufbau.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Über­ tragungseinrichtung so weiterzubilden, daß ein bidirektionaler Ladungs­ transport auf einfache Weise möglich ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach der Erfindung enthält einen Ladungsübertragungsbereich in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats: eine Mehrzahl von wiederholt angeordneten ersten, zweiten, dritten und vierten Polygates oberhalb des Ladungsübertragungsbereichs; und eine Isolationsschicht zur Isolation der Polygates auf dem Ladungsübertragungsbereich. Die erfindungs­ gemäße Ladungsübertragungseinrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, daß unterschiedliche Signalpegel eines ersten Taktsignals an die ersten und zweiten Polygates einerseits sowie unterschiedliche Signal­ pegel eines zweiten Taktsignals an die dritten und vierten Polygates andererseits anlegbar sind, wodurch sich einerseits jeweils unterschied­ liche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs bilden, die an den unteren Seiten der das erste Taktsignal erhaltenen Polygates liegen, während sich andererseits jeweils unterschiedliche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs bilden, die an den unteren Seiten der das zweite Taktsignal erhaltenen Polygates liegen.
Bei der Erfindung erfolgt also eine Dualisierung einer an die Polygates angelegten Spannung zur Bildung einer Potentialstufe, so daß es nicht erforderlich ist, eine Barrierenschicht mittels eines Ionenimplantations­ prozesses herzustellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1A einen Querschnitt durch eine konventionelle HCCD;
Fig. 1B Potentialprofile der konventionellen HCCD;
Fig. 2 einen Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaus einer HCCD nach der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3A und 3B Potentialprofile der erfindungsgemäßen HCCD.
Eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Struktur einer HCCD nach der vorliegenden Erfindung, während die Fig. 3A und 3B Potentialprofile der erfindungsgemäßen HCCD erkennen lassen.
Um eine bidirektionale, horizontale Ladungsübertragung zu ermöglichen, werden bei der Ladungsübertragungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung Vorspannungen an die Polygates angelegt, um Potential­ barrierenschichten zu erzeugen, und zwar ohne Implantation von Ionen, z. B. Borionen, im Bereich der unteren Seiten eines im Ladungsüber­ tragungsbereich liegenden Polygates.
Die Vorspannung zur Erzeugung einer Potentialbarriere kann von außen zugeführt oder durch Interne Spannungsaufteilung erzeugt und dann angelegt werden.
Die bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist den nachstehend beschriebenen Aufbau auf.
Zunächst wird auf einem N-Typ Halbleitersubstrat eine P-Typ Wanne gebildet. In einem vorbestimmten Bereich der P-Typ Wanne kommt dann eine BCCD 20 zu liegen, die als Kanal zur Übertragung von Signalladungen in beiden Richtungen dient. Mehrere erste, zweite, dritte und vierte Polygates 22a und 22b liegen abwechselnd nebeneinander auf einer Gateisolationsschicht 21, die ihrerseits auf der BCCD 20 zu Gateisolationszwecken angeordnet ist.
Wie die Fig. 2 erkennen läßt, sind innerhalb der BCCD 20 keine Barrieren­ schichten durch Ionenimplantation gebildet, um einen stufenförmigen Potentialverlauf infolge unterschiedlicher Potentialpegel zu erhalten. Aus diesem Grunde kann ein bidirektionaler Ladungstransport durchgeführt werden, und zwar über eine geeignete Taktsteuerung, wie nachfolgend beschrieben wird.
Das erste und das zweite Polygate werden mit Signalen unterschiedlicher Pegel während desselben Takts HO1 versorgt, während das dritte und das vierte Polygate mit Signalen unterschiedlicher Pegel im selben Takt HO2 versorgt werden. Die Potentialpegel an den unteren Seiten des ersten und des zweiten Polygates einerseits oder des dritten und vierten Polygates andererseits, die jeweils mit demselben Takt versorgt werden, unter­ scheiden sich somit voneinander, so daß eine Ladungsübertragung erfolgt.
Zu dieser Zelt haben die Taktsignale HO1 und HO2 unterschiedliche Phasen zueinander.
Im nachfolgenden werden Signalleitungen zur Lieferung der Taktsignale zum ersten, zweiten, dritten und vierten Polygate näher beschrieben.
Das Taktsignal HO1 wird an die jeweiligen ersten Polygates über eine erste Signalleitung und an die jeweiligen zweiten Polygates über eine zweite Signalleitung angelegt, und zwar über jeweilige Kondensatoren, die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
Ferner wird das Taktsignal HO2 an die jeweiligen dritten Polygates über eine dritte Signalleitung und an die jeweiligen vierten Polygates über eine vierte Signalleitung angelegt, und zwar auch über jeweilige Kondensatoren, die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
Die jeweiligen Kondensatoren haben dabei eine solche Speicherkapazität, daß sie innerhalb der Einheiten der Taktsignale HO1 oder HO2 nicht hinreichend bzw. vollständig aufgeladen werden können.
Die ersten, zweiten, dritten und vierten Signalleitungen haben Spannungseingangsanschlüsse A, B, C und D zur Änderung der Pegel der Taktsignale HO1 oder H2, wobei die Spannungseingangsanschlüsse A und C einerseits oder B und D andererseits jeweils mit einer Spannung des­ selben Pegels versorgt werden.
Die Übertragungsrichtung der Ladungen läßt sich umkehren, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Spannung an die Spannungs­ eingangsanschlüsse A und C einerseits oder B und D andererseits angelegt wird.
Die Betriebsweise der bidirektionalen, horizontalen Ladungsüber­ tragungseinrichtung nach der Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben.
Liegt die Spannung zur Änderung des Taktpegels von HO1 und HO2 an den Spannungseingangsanschlüssen A und C an, so wandern die Ladungen in Fig. 3A nach rechts.
Mit anderen Worten wird zum Zeitpunkt t = 1 die untere Seite des vierten Polygates der Boden der Potentialwanne.
Zum Zeitpunkt t = 2 beaufschlagt die hohe Spannung die ersten und zweiten Polygates, um deren Energiepegel herabzuziehen, während die niedrige Spannung an den dritten und vierten Polygates anliegt, um deren Energiepegel anzuheben.
Die angesammelten Elektronen an der unteren Seite des vierten Polygates, daß das Taktsignal HO2 empfängt, das aufgrund der am Spannungs­ eingangsanschluß A anliegenden Spannung geändert wurde, wandern nach rechts, und zwar infolge der Barrierenschicht, die an der unteren Seite des dritten Polygates erzeugt wird.
Der Taktpegel der Signale HO1 und HO2 wird durch die an den Spannungs­ eingangsanschlüssen A und C anliegende Spannung geändert, wie oben beschrieben, um die Potentialbarrierenschicht an der unteren Seite der ersten und dritten Polygates zu erhalten.
Demzufolge wandern die Ladungen nur nach rechts in Fig. 3A.
Wird eine Spannung zur Änderung der Taktpegel der Signale HO1 und HO2 an die Spannungseingangsanschlüsse B und D angelegt, so wandern Ladungen nur nach links in Fig. 3B.
Zum Zeitpunkt t = 1 wird die untere Seite des fünften Polygates (das ein Signal mit demselben Pegel wie das erste Polygate erhält) der Boden der Potentialwanne.
Zum Zeitpunkt t = 2 liegt eine hohe Spannung am fünften Polygate und am sechsten Polygate an, die mit dem Signal desselben Pegels wie das erste und das zweite Polygate versorgt werden, um den Energiepegel herab­ zuziehen, während das siebte und das achte Polygate. die mit dem Signal desselben Pegels wie das dritte und vierte Polygate versorgt werden, mit einer niedrigen Spannung beaufschlagt werden, um den Energiepegel anzuheben.
Die gesammelten Elektronen im Bereich der unteren Seite des fünften Polygates können somit nicht nach rechts wandern, da hier eine Potential­ barriere vorhanden ist.
Wird der Energiepegel des dritten und vierten Polygates herabgesetzt, um die Potentialbarriere an der linken Seite des fünften Polygates zu eliminieren, so können an der unteren Seite des fünften Polygates angesammelte Elektronen zur unteren Seite des dritten und vierten Polygates wandern, die den niedrigen Energiepegel aufweisen.
Wird der Energiepegel des dritten und vierten Polygates hinreichend weit abgesenkt, so bildet sich wiederum die stufenartige Potentialwanne aus, so daß deren Boden sich von der unteren Seite des fünften Polygates zur unteren Seite des dritten Polygates verschiebt.
Zum Zeitpunkt t = 3 liegt die niedrige Spannung am ersten, zweiten, fünften und sechsten Polygate an, während die hohe Spannung am dritten, vierten, siebten und achten Polygate anliegt. Der sich einstellende Zustand ist somit identisch mit demjenigen zum Zeitpunkt t = 1.
Nimmt t die Werte von 1 bis 3 an, so wird dadurch eine Periode des Takt­ pulses beschrieben. Während dieser Periode wandern Elektronen vom fünften Polygate zum ersten Polygate. Sie wandern also von rechts nach links in Fig. 3B.
Bei der bidirektionalen, horizontalen Ladungsübertragungseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau werden Barrierenschichten im Ladungsübertragungsbereich durch externe oder interne Vorspannungen erzeugt, und nicht durch Ionenimplantationsprozesse. Demzufolge lassen sich die Potentialstufen wirksamer einstellen, während andererseits der Herstellungsprozeß der Ladungsübertragungseinrichtung vereinfacht wird.
Die Ladungsübertragungsrichtung läßt sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung in einfacher Weise dadurch ändern, daß das angelegte Taktsignal verändert wird, und zwar durch Spannungen, die einerseits an Spannungseingangsanschlüsse A und C bzw. andererseits an Spannungs­ eingangsanschlüsse B und D angelegt werden. Durch diese Spannungen wird die Amplitude des Taktsignals verändert. Dadurch läßt sich die erfindungsgemäße Einrichtung zur Bildung eines Spiegelbildsensors usw. heranziehen, bei dem eine bidirektionale Ladungsübertragung erforderlich ist.
Im einzelnen sind die in den Fig. 2, 3A und 3B gezeigten Polygates 1 bis 8 wie folgt beschaltet: Die Polygates 1 und 5 sind mit einer Signalleitung a verbunden, die über einen Kondensator K1 das Taktsignal HO1 empfängt. Dieses Taktsignal HO1 wird über einen weiteren Kondensator K2 auf eine Signalleitung b gekoppelt, mit der die Polygates 2 und 6 verbunden sind. An der den Polygates zugewandten Seite der Kondensatoren K1 und K2 sind die Signalleitungen a und b jeweils mit dem Spannungseingangs­ anschluß C und D verbunden.
Dagegen sind die Polygates 3 und 7 mit der Signalleitung c verbunden, die über einen Kondensator K3 das Taktsignal HO2 empfängt. Dieses Taktsignal HO2 wird über einen weiteren Kondensator K4 auf eine Signal­ leitung d gekoppelt, mit der die Polygates 4 und 8 verbunden sind. An der den Polygates zugewandten Seite der Kondensatoren K3 und K4 sind die Signalleitungen c und d jeweils mit dem Spannungseingangsanschluß A und B verbunden.

Claims (11)

1. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung, enthaltend:
  • - einen Ladungsübertragungsbereich (20) in einer Oberfläche eines Halbleiterstubstrats;
  • - eine Mehrzahl von wiederholt angeordneten ersten, zweiten, dritten und vierten Gate-Elektroden aus Polysilizium, sogenannten Polygates (1 bis 4) oberhalb des Ladungsübertragungsbereichs (20); und
  • - eine Isolationsschicht (21) zur Isolation der Polygates auf dem Ladungsübertragungsbereich (20);
dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsübertragungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß
  • - unterschiedliche Signalpegel eines ersten Taktsignals (HO1) an die ersten und zweiten Polygates (1, 2) einerseits sowie unterschiedliche Signalpegel eines zweiten Taktsignals (HO2) an die dritten und vierten Po­ lygates (3, 4) andererseits anlegbar sind;
  • - wodurch sich einerseits jeweils unterschiedliche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs (20) herausbilden, die an den unteren Seiten der das erste Taktsignal erhaltenen ersten und zweiten Polygates (1, 2) liegen, und sich andererseits jeweils unterschiedliche Potentialpegel in Gebieten des Ladungsübertragungsbereichs (20) herausbilden, die an den unteren-Seiten der das zweite Taktsignal (HO2) erhaltenen dritten und vierten Polygates (3, 4) liegen.
2. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Ladungsüber­ tragungsbereich (20) keine durch Ionenimplantation erzeugten Barrieren­ schichten aufweist.
3. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste - Taktsignal (HO1) an die jeweiligen, ersten Polygates (1) über eine erste Signalleitung (a) und über eine zweite Signalleitung (b) an die jeweiligen zweiten Polygates (2) angelegt wird, und zwar über jeweils einen Kondensator (K1, K2), die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
4. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Takt­ signal (HO2) an die jeweiligen dritten Polygates (3) über eine dritte Signal­ leitung (c) sowie an die jeweiligen vierten Polygates (4) über eine vierte Signalleitung (d) angelegt wird, und zwar über jeweilige Kondensatoren (K3, K4), die dieselbe Speicherkapazität aufweisen.
5. Bidirektionale horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnete daß das erste und das zweite Taktsignal zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen.
6. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit den ersten und dritten Signalleitungen (a, c) verbundene Spannungseingangsanschlüsse (C, A) zum Empfang einer Spannung zur Änderung der Pegel der angelegten ersten und zweiten Taktsignale aufweist.
7. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit den zweiten und vierten Signalleitungen (b, d) verbundene Spannungseingangsanschlüsse (D, B) zum Empfang einer Spannung zur Änderung der Pegel der angelegten ersten und zweiten Taktsignale aufweist.
8. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ eingangsanschlüsse (C, A) der ersten und dritten Signalleitungen (a, c) mit einer Spannung desselben Pegels versorgt werden.
9. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ eingangsanschlüsse (D, B) der zweiten und vierten Signalleitungen (b, d) mit einer Spannung desselben Pegels versorgt werden.
10. Bidirektionale, horizontale Ladungsübertragungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnete daß eine Umkehr der Ladungsübertragungsrichtung durch selektive Spannungszufuhr zu den Spannungseingangsanschlüssen der ersten und dritten Signalleitungen sowie zu jenen der zweiten und vierten Signalleitungen erfolgt.
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