DE2158605C3 - Ladungsgekoppelter Halbleiter-Datenspeicher - Google Patents

Description

gegeneinander, so daß sie sich kombinieren und neutralisieren. Da die Dotierungs- und die Akzeptorionen im Material unbeweglich sind, werden sie derselben 4° durch die Rekombination der Defektelektronen und der Elektronen nicht kompensiert, und das Feld dieser nicht kompensierten Ionen reicht aus, um zusätzliche Defektelektroden und Elektronen zurückzuweisen und so einen Raumladungs- oder Vergleicher Frequenz und im wesentlichen entgegen- 45 armungsbereich zu bilden. Auf der Steuerung der gesetzter Phase an die Elektroden, derart, daß Größe dieses Verarmungsbereiches beruht bekannteine in der Richtung des Ladungstransportes lieh die Funktion des Transistors und der Diode, früher liegende Elektrode (20 a) spannungsfrei Im USA.-Patent 3192 400 ist dargelegt, wie in

wird, nachdem an der nächsten nachfolgenden solche Raumladungsbereiche injizierte Ladungen beElektrode (21a) Spannung angelegt ist (T 3, 50 einflußt werden können. Dieses Patent sieht einen T 4, T S). Halbleiter mit PN-Übergang und mehreren Kontak-

5. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 ten am Halbleiter vor, die durch den Raumladungsbis 4, gekennzeichnet durch eine Eingangselek- bereich in der Nähe des Überganges so beeinflußt trode (28) zum Einspeichern binärer Information werden, daß eine Ladung in den Halbleiter von einer In Form von eine Binärzahl darstellenden Ladun- 55 Elektrode injiziert und durch die andere Elektrode gen (42), die in die Verarmungsbereiche (48 bis moduliert werden kann, wodurch die Übergangszeit 52) injiziert werden, sowie durch eine Ausgangselektrode (30) zum Auslesen der Information,

nachdem die diese darstellenden Ladungen den Speicher durchlaufen haben.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangselektrode (28) an eine im Halbleiterkörper gebildete Diode angeschlossen ist und daß über eine Gate-Elektrode der Ladungstransport von der Diode in den Halbleiterkörper steuerbar ist.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, da-

der injizierten Träger auf ihrem Weg zum Kollektor des Halbleiters verändert wird.

Weiterhin ist bekannt, daß in einem Halbleiter ein begrenzter Bereich mit einer Art von Leitfähigkeit vom nichtleitenden in den leitenden Zustand gebracht werden kann, wenn eine entsprechende Spannung an die Oberfläche des Halbleiters angelegt wird. Auf dieser Erscheinung beruhen Elemente, wie z. B. Metalloxydhalbleiter oder Feldeffekttransistoren (FET).
Eine Vorrichtung, die diese Erscheinung für die

durch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode gesteuerte Bewegung von Ladungen ausnutzt, ist im

USA.-Patent 33 78 688 beschrieben. Dieses Patent beschreibt eine Anordnung von lichtempfindlichen Dioden, die durch einen Metalioxydschalter mittels überlappender und sich fortbewegender Inversionsbereiche adressiert wird. Dieses Patent zeigt im be- sonderen, daß durch Überlappung von zwei Inversionsbereichen und Erweiterung des einen Bereiches bei gleichzeitiger Verkleinerung des anderen eine bewegliche Schicht zwischen mehreren Photodioden und MOS-Einheiten gebildet werden kann, die in \o demselben HalbSeiter ausgebildet sind. Außerdem sagt das Patent allgemein, daß Spannungsgradienteneinrichtungen, Inversionsplatten und Isolierschichten dazu benutzt werden können, um zwei sich fortbewegende überlappende Bereiche zu bilden und so wahlweise getrennte Übergänge zur Bewegung von Ladungen im Halbleiter zu verbinden.

Die USA.-Patente 34 49 647, 33 74 406 und 33 74 407 zeigen verschiedene Einrichtungen zur Erzeugung von abgestuften und abgeschrägten Inver- ao sionsbereichen innerhalb von FETs durch Erzeugung von abgestuften Oxydrampen oder abwechselnden Isolierschichten gleicher Dicke mit unterschiedlichen dielektrischen Konstanten. In diesen Patenten wird mit derartig ausgelegten Inversionsbereichen der as Stromfluß zwischen Source und Drain eines FET mit Hilfe der Abklemmpegel dieser Einheiten gesteuert.

In jüngster Zeit wurden in der Fachliteratur Halbleiter ohne feste PN-Ubergänge beschrieben, die die Eigenschaft des Halbleitermaterials ausnutzen, zusammen mit entsprechenden Elektroden an der Oberfläche des Halbleiters Ladungen im Halbleiter zu transportieren. Diese übergangslosen Elemente, welche auch als ladungsgekoppelte Elemente bekannt sind, arbeiten grundsätzlich wie folgt.

Durch das Anlegen von drei ph äsen verschobenen Spannungen derselben Intensität an einen monolithischen Körper aus einem Halbleitermaterial werden innerhalb dieses Körpers drei verschiedene, genau abgegrenzte Verarmungsbereiche mit drei verschiedenen Feldinlensitäten entsprechend den drei verschiedenen angelegten Spannungen erzeugt. Ladungen, die in solche Bereiche eingeführt werden, werden unter Einfluß der drei !Felder durch den Halbleiter transportiert. Durch entsprechende Steuerung der drei verschiedenen angelegten Spannungen können die Ladungen umlaufen gelassen, gespeichert oder in ihrer Bewegung durch den Halbleiter verzögert werden.

Der DT-OS 21 53 675 ist in diesem Zusammenhang ein Vorschlag für ein sogenanntes ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der oben erläuterten gattungsmäßigen Art zu entnehmen, bei dem eine gleichmäßig dicke Isolierschicht zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrodenmetallisierung vorgesehen ist. Damit ergibt sich jedoch das nachteilige Erfordernis, daß entsprechend der Anzahl unterschiedlicher Verarmungsgebiete bzw. deren Stufungen mehrere unterschiedliche Elektrodenspannungen vorgesehen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ladungsgekoppelte Halbleiteranordnung zur Informationsspeicherung und -Übertragung anzugeben, die eine hohe Bitdichte sowie einen einfachen Aufbau aufweist und insbesondere mit weniger Spannung auskommt als der erforderlichen Anzahl unterschiedlicher Verarmungsgebiete entsprechen würde.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen vor. Zusammengefaßt nutzt die vorliegende Erfindung die Tatsache aus, daß bei gleicher gemeinsamer Elektrodenspannung unter einem dickeren Isolierschichtgebiet ein Verarmungsgebiet geringerer und unter einem dünneren Isolierschichtgebiet ein Verarmungsgebiet höherer Feldstärke entsteht, so daß ζ. B. ein zum Ladungstransport geeignetes vierfach abgestuftes Verarmungsgebiet mit nur zwei Elektrodenspannungen erzielbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, daß die isolierende Schicht auf dem von den Ladungen zu durchlaufenden Weg an einem Rand jeder Elektrode dicker ist als an dem gegenüberliegenden Rand derselben Elektrode und daß Mittel zur Erzeugung und zum Anlegen zweier elektrischer Impulszüge gleicher Frequenz und im wesentlichen entgegengesetzter Phase an die Elektroden vorgesehen sind, derart, daß eine in der Richtung des Ladungstransportes früher liegende Elektrode spannungsfrei wird, nachdem an der nächsten nachfolgenden Elektrode Spannung angelegt ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine derartige Halbleiteranordnung gekennzeichnet durch eine Eingangselektrode zum Einspeichern binärer Information in Form von eine Binärzahl darstellenden Ladungen, die in die Verarmungsbereiche injiziert werden, sowie durch eine Ausgangselektrode zum Auslesen der Information, nachdem die diese darstellenden Ladungen den Speicher durchlaufen haben.

Schließlich besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß der von den Ladungen zu durchlaufende Weg mäanderartig gefaltet ist, indem die Isolierschicht orthogonal zu den Elektroden verlaufende, in ihrer Längsrichtung versetzte Erhöhungen bildet, deren eines Ende je derart unter einer Elektrode liegt, daß sich die Ladungen um dasselbe herumbewegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anschließend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung einer zwei phasigen Schieberegisteranordnung,

' Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 inFig. 1,

F i g. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der F i g. 1 mit einem Ladungsinjektor,

F i g. 4 die wichtigsten Masken für die Herstellung eines Ausführungsbeispieles,

F i g. 5 die an die Elektroden der in F i g. 1 gezeigten Anordnung angelegten Spannungsimpulse,

Fig. 6 A bis 6 D eine idealisierte Schnittansichl der in Fig. 1 gezeigten Anordnung entlang der Linie 6-6 und die Arbeitsweise der Vorrichtung,

F i g. 7 ein Schaltbild einer Einrichtung zum Abfühlen und Regenerieren der transportierten Ladungen und

F i g. 8 die Verwendung der in F i g. 1 gezeigter Vorrichtung als gepufferter Schieberegisterspeicher In den Fig. 1. 2 und 3 ist ein monokristalline: Körper 10 aus Halbleitermaterial, wie z.B. N-lei tendem Silizium gezeigt, der vorzugsweise einen Wi derstandswert von 10 bis 20 Ohm · cm aufweist Obwohl in der Beschreibung immer auf ein N-leiten des Halbleitermaterial Bezug genommen wird, kam natürlich auch P-leitendes Material verwende werden.

5 ^J 6

Mit bekannten Verfahren wird ein kleiner räum- sollten vorzugsweise über eine Reihe von Rippei

Hch begrenzter P-Bereich 11, wie er in Fig. 3 dar- 18 b bis 18/ in ungefähr rechten Winkeln und s<

gestellt ist, in einer Ecke des Körpers 10 ausgebildet, angeordnet wenden, daß sie die gesamte Oberflächi

von dem er durch einen PN-Übergang 12 getrennt einer jeden Erhebung 16 und im wesentlichen aucl

ist, welcher als Ladungsinjektor dienen soll. Die 5 jeder Vertiefung 17 gemäß Darstellung in Fig. 2 be

Ladungsinjektion kann aber genauso z. B. durch decken. So wird auf der Oberfläche des Körpers eir

einen Punktkontakt auf der Oberfläche des Körpers ineinander verflochtenes Elektrodennetz geschaffen,

10 erfolgen. das eine Vielzahl von Absätzen enthält und der dar-

Eine Schicht 14 aus isolierendem und passivieren- unterliegenden Oxydoberfläche entspricht. Als Ma-

dem Material, wie z. B. Siliziumdioxyd, mit einer io tcrial für die Elektroden wird vorzugsweise Alumi-

Dicke von etwa 8000 A wird dann thermisch in einer nium verwendet mit einer Dicke von etwa 9000 A,

Dampfatmosphäre nach bekannter Art aufgewachst. welches mit etwa 45 A/sec in einem Vakuum von

Bei Bedarf können solche Überzüge auch durch 5· 10"· Torr aufgedampft werden kann. 1500A

pyrolithischen Niederschlag oder mit bekannten dieses Aluminiums können auf das Plättchen bei

Sprühverfahren aufgebracht werden. 15 einer Temperatur von ungefähr 200° C niederge-

Nach dem Niederschlag oder der Bildung der schlagen werden, während die übrigen 4500 A bei

Schicht 14 wird mit einer Maskenreihe, wie sie in einer Plättchentemperatur von weniger als 100° C

F i g. 4 gezeigt ist, die Oberfläche dieser Schicht ge- niedergeschlagen werden können,

formt, indem eine Reihe von miteinander verbun- Bei Bedarf kann ein 1,5 μΐη dicker Film aus Quarz

denen Rillen 15 a bis 15/ mit dazwischen liegenden ao jetzt über die Aluminiumverbindungen gesprüht

Erhöhungen 18 a bis 18 g gebildet werden. Die so werden, entsprechend dem USA.-Patent 33 69991.

geschaffenen Erhebungen 16 und Vertiefungen 17 Dieser Isolierfilm kapselt den darunterliegenden

bilden eine versetzte Reihe, über der Elektroden- Halbleiter und die Aluminiumverbindungen ab und

bereiche 20 und 21 gebildet werden. schützt sie vor Korrosion und vor Verunreinigungen

Die in F i g. 4 gezeigte Maske 22 ist die erste in »5 der Oberfläche. Der Wärmeausdehnungskoeffizient

der Reihe und wird mit bekannten photolithogra- dieses Quarzes ist kleiner als der von Silizium, und

phischen Ätzverfahren zur Erzeugung der Erhebun- die bei der Abkühlung entstehende Pressung des

gen 18 α bis 18 g benutzt. Gemäß der Darstellung Quarzfildes macht diesen besonders widerstands-

in Fig. 1 verlaufen die Erhebungen 18a bis 18/ nur fähig.

zu einem Teil über die Oberfläche des Körpers. Die 30 Nach dem Niederschlag der Elektroden werden

Erhebungen 186, tSd und 18/ gehen von der rech- 1500 A Chrom, Kupfer, Gold, Blei und Zinn durch

ten Kante aus, während die Erhebungen 18 a, 18 c die vierte Maske 25 der in F i g. 4 gezeigten Reihe

und 18 e von der linken Kante ausgehen, so daß auf bestimmte Punkte der Elektroden niedergeschla-

beide miteinander eine gitterartige Struktur bilden. gen, um geeignete Anschlußbahnen 31, 32, 33, 34

Die Erhebung 18 g läuft über die ganze Oberfläche 35 und 35 zu erstellen.

der Einheit. In einem Ausführungsbeispiel werden Die Arbeitsweise des in F i g. 1 gezeigten Schiebedie gewünschten Konturen in der Schicht 14 durch registers wird am besten im Zusammenhang mit den den folgenden Schritt erzeugt. F i g. 5 wnd 6 A bis 6 D erklärt. F i g. 5 zeigt zwei Nachdem die Schicht 14 am Anfang einmal er- Impulszüge 40 und 41 mit den Spitzenspannungen zeugt wurde, werden die Erhöhungen 18 a bis 18 # 40 V-I und V-I, die während des Betriebes der Einheit durch Entfernen der gesamten Oxydschicht 14 zwi- an die Elektroden 20 bzw. 21 angelegt werden. Die sehen den Erhöhungen gebildet. Nach der Reinigung Spannungszüge 40 und 41 sind für das beschriebene wird das Plättchen wieder in ähnlicher Weise oxy- Ausführungsbeispiel im wesentlichen negative Rechtdiert, um eine dünnere Schicht von etwa 2000 A eckimpulise gleicher Amplitude mit Abfallzeiten von Dicke zwischen den Erhöhungen zu bilden. Nach 45 30 Nanosekunden tmd Arstiegszeiten von 150 Nanodem Aufwachsen dieser zweiten Oxydschicht wird Sekunden. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 sind d^;e mit der in der Reihe der Fig. 4 gezeigten zweiten Impulszüge 40 und 41 etwa 180° gegeneinander Maske 23 das Muster zwischen den Erhöhungen phasenverschoben. Wenn der Körper 10 p-leitend dadurch abgegrenzt, daß das Oxyd schachbrettartig und nicht η-leitend ist, müssen natürlich an Stelle der weggefitzt und so eine Reihe von Erhebungen 16 50 negativen Spannungen positive verwendet werden, gebildet wird. Nach diesem Ätzschritt wird das Platt- Die Fig. 6 A bis 6D zeigen idealisierte Querdien wieder gereinigt und eine dritte Oxydation ge- schnitte eines Teiles der kompletten in Fig. 1 genauso vorgenommen, wie es oben beschrieben zeigten Einheit entlang der Linien 6-6 und die im werde, um das Oxyd in den jetzt frei liegenden Halbleiterkörper 10 durch die Spannungszüge 40 und Vertiefungen 17 zwischen den Erhebungen 16 auf 55 41 gebildeten Veramungsbereicbe. In diesen Figuren ungefähr 500 A anwachsen zu lassen, damit der Bo- werden dieselben Zahlen verwendet wie in Fi g. 1. den der Vertiefungen überzogen wird. Nach diesem Am Anfang erhiüt die Injektorelektrode 28 ein letzten Aufwachsen des Oxyds wird ein Kontaktloch geeignetes Signal, wodurch Ladungsträger, in diesem 26 im Oxyd 14 Eber dem diffundierten Bereich 11 FaO Defektelektronen, in den Körper 10 injiziert' geöffnet, damh eine Elektrode 28 an den Bereich «o werden. Die entstehenden Ladungen sind als Kreuze Il angebrac&t werden kann. Mit der in der Reihe 42 dargestellt, und es wird angenommen, daß das tor Fig. 4 gezeigten dritten Maske 24 werden jetzt Vorhandensein von Ladungen in der Binärsprache Se Elektroden 20 und 21 in Form von Streifen auf eine »1« and das Fehlen eitler Ladung eine »0« darter Oberfläche des Körpers ausgebildet Gleichzeitig stellt

«erden auf der Oxydoberfache eine Injektionselek- 63 . Zar Zeit T-9 Hegt keine Spannung an den Elek-

rode 28, eine Gateelektrode 29 und eine Detektor- troden 20 oder 21 an, und die ganze Einheit befindet

ilektrode 3· ausgebildet sich auf Erdpotential. Zur Zeit Γ-l beginnt die Elek-

Dk so niedergeschlagenen Elektroden 20 und 21 trode 2ff und somit auch die Elektroden 20 a.

und 20 c zur Spannung V-I hin abzufallen. Zur Zeit ganz unter der Rinne 17 a gesammelt und der Im-Γ-2 liegt die gesamte Spannung V-X an der Elek- puls 41 wird an die Elektrode 21 ange egt, die dann trode 20. Das Anlegen dieser Spannung V-X erzeugt anfängt, zur Spannung V-I hin abzufallen Zur Zeit Verarmungsbereiche 50, 51 und 52 im Körper 10 T-A ist die Spannung V-I ganz an die Elektrode 21 unter den Elektroden 20 a, 20 b bzw. 20 c gemäß 5 und somit die Elektroden 21 β und 21 b angelegt. Darstellung in Fig. 6 A. Diese Bereiche sind abge- Das Anlegen der gesamten Spannung V-I erzeugt stuft durch die Formgebung der die Oberfläche des ebenfalls abgestufte Verarmungsbereiche in dem Körpers 10 überziehenden Oxydschicht 14. Wenn Körper unter den Elektroden 21 β und 21 6 ähnlich eine Spannung z. B. an die in Fig. 6 A gezeigte den Bereichen, die ,m Zusammenhang mit dem AnElektrode 20 a angelegt wird, wird das elektrische i. legen des Impulses 40 an die Elektroden 20 a, 20 6 Feld unterhalb des dickeren Oxydteils, nämlich dem und 20 c beschrieben wurden. Gemäß der Darstel-Teil 16a, kleiner als unterhalb des dünneren Oxyd- lung in Fig. 5 beginnt der Impuls 49 zur Zeit Γ-4 teils XTa, und somit tritt in dem Halbleiterkörper von dem vollen negativen Spannungswert V-X nach unter den Erhebungen 16 ein seichterer Verarmungs- Erdpotential hin anzusteigen. Obwohl der Impuls bertch auf und ein tieferer unter den Vertiefungen 15 40 anfängt, kleiner «werden, existiert ,mrner noch 17. Dadurch erhält der Verarmungsbereich die ab- der Verarmungsbereich 59 ™ Korper 10 im.einer gestufete Form, die in den Figuren dargestellt ist. Intensität, welche ausreicht, die Ladungen 42 im

Gleichzeitig mit dem Anlegen der vollen Span- Körper zu halten, und zwar unter der Rinne 17 a

nung K-I an die Elekt^en 20«, 20b und 20c wird Die Abfallzeiten der Impulse 40 und 41 sind klei-

zuZeit 7-2 die Gateelektrode 29 so vorgespannt, *. ner als ihre Anstiegszeit*! und somit wird zur Zeit

daß ein iLersionsbeS 54 zwischen dem d'iffun- T-^ die volle Spannung K-2 des mputo 41 an die

vom Injektorbereich 11 in den Verarmungsbereich 54 gemäß deiDarstellung in F1.& 6 B Zum^ Zeit

50. Wegen des im Verarmungsbereich 50 bestehen- punkt Γ-5 steht das Feld mit größerer^Jtensrtat

den einsehen Potentialfe.de,^andern diese La- ^^^XS^S^^

ßPW

den einsehen Potentialfe.de,^and ^^^^XS^S^^ düngen 42 m den Bereich mit der g oßten PeW 3 α Verarmungsbereich 50 in den nächsten bestarke d.h. zu dem Teil des Verarmungsbereiches J^^ _Verarrtf_ungsbereich 53 beginnt, nachdem unter der Rinne 17 α ₄, _der Bereich 53 die volle Intensität erreicht hat und Die Übergangszeit der injizierten Ladungen 42 vom oer Bereiches 50 abzufallen beginnt. Injektorbere.ch 11 auf ihren endgult.'gen RuhepUte d.™ _{42 werden aus dem Berdch 50 in}

unter der Rinne 17« wird nur durch *« »"Ä ³⁵ ^ Bereich 53 bewegt und im Körper 10 transpor-

keit und d.e Intens.tat des im Verarmungsbereicn u _Rinnß ^ ^^ ^

50 ex.st.crenden Feldes begrenzt. Bei Bedarikönnen »ertvon der^ ^ ^^ ^ ^ ^ ^

diese Ladungen 42 hier fur eine Zeit gespeicnen *: ~. -17/,

werden, die etwa gleich der Erzeugungszeit der La- ^r Kinne . Spannung V-I des

düngen im Material ist. Diese ^^^^^ *° _Imp_ULfil immer noch vollständig _ω den Elek-

kanntlich vom ^w'^dei?^tan^dswert..^des^S '^. roden 21 α und 21 b, und die Spannung 40 beginnt

den im Korper durch die an d.e ^{E Λι}™^⁰™. "_on Erdpotential zu ihrem Spitzenwert K-I abzu-

nung angelegten Spannungen erzeugten feldern ao ^^ ^ _{daß m diesem Zeitpun}kt im Körper die

^ha"S'S· ,. . . , ... , _adun. _4S Feldbedingungen vorliegen, die in F i g. 6 C gezeigt Diese Erzeugungszeit der transportierten Ladun 45 ma ^,^ _{Bedin gen sind} ähnlich wie gen wird nicht kritisch, weil die gespeicherte La- sma^ B Bedingungen, jedoch räumdung verschwindet, sondern weil unerwünschte La- ψν*Σ ^ _Ei_ek_lrod_e verschoben,
düngen erzeugt werden und die Verarmungsbereicrie ncn ^ ^_{7 emicht der} impuls 40 wieder seinen füllen, die leergelassen vrarden, um eine »υ« aarzu- „ · _{ert v}_i _und der Impuls 41 beginnt von seistellen. Wenn solche leeren Bereiche mit d.esen 50 ^gg^ Tl _nach Eidpotent^ hin anzuonerwünschten Ladungen gefüllt werden, zeigen sie ""P¹* _{z ωι r}.g befindet sich der Impuls 4i faschlicherweise eine »1« an. Somit ist die Speicher- ««f^ _{ffl Spitzenwe}rt K-I, während der Imzeit der Einheit begrenzt durch die Erzeugungszeit J⁰P₄^_{85 Erdpot}ential noch nicht erreicht hat und dieser unerwünschten Ladungen, und die gespei- f ähnlicher Zustand wieder erreicht wird cherte Information muß daher kontinuierlich gelesen, 55 «mm ^ _{Fi 6B} gezeigt ist, wobei die Ladung gelöscht und neu erzeugt werden, um die Erzeugung wre^ ^_0nJj_0n' ^ _einen Elektrodenabstand weiter· von Fhlil hid d V

gt und neu erzeugt , ^ ^_0nJj_0n ^ _einen Elektr

von Fehlersignalen zu verhindern. opwandert ist Die jetzt vorhandenen Verannungs-

Die Existenz der injizierten Ladungen 42 unter ge. _ta ^_{örper 10} si_{nd m} F i g. 6 D gezeigt Die

er Rinne 17 a verändert die Kontur des Verarmungs- ??™belche 55 56 und 57 die unter de«

~.v ^Aiattnz. uct uiju.is.iiww -~ ,°~7 „„_ hereiche im Körper lw srau m rifruu ₆ΜΛ.·_βν »^«

der Rinne 17 α verändert die Kontur des Verarmung*- ?F™^«rsbereiche 55, 56 und 57, die unter de« bereiches 50, der durch die angelegte Spannung K-I «> ^^^ ₂9o, 206 und 20 c durch Anlegen dei erzeugt wurde, indem der tiefste Absatz 48 des Yer- _^_mn_ y.\ erzeugt wurden, haben ihre größtt amnmgsbereiches 50 nach oben zur Übergangsstelle op» «^ ^ Bereiche 53 und 54, die unter der zwischen Oxydschicht und Körper gezogen wira. l^L·^^ 21 α und 216 durch Anlegen der Span-Wenn die injizierten Ladungen 42 ganz unter der e« ^₂ ^^ ^^ _nehmen ab. Die Ladungei Rinne 17 a gesammelt werden, wird der Boden des 05 π »^^ _{m noch} ^n₀J₃I _m den nächsten benachtieferen Verarmungsbereichs-Absatzes 48 auf die *^ Verarmungsbereich 56 bewegt Somit wan-Höhe der gestrichelten linien 49 angehoben. _ Ladungen 42 aus ihrer Lage unter dei

Zur Zeit Γ-3 sind die injizierten Ladungen 4Z aera 609631/175

Rinne 17ft durch den Körper 10 unter den Kamm 16 c und kommen im Bereich unter der Rinne 17 c zur Ruhe.

Zur Zeit T-9 beginnt der Spannungszug 41 wieder zur Spannung V-I hin abzufallen, und der Zyklus hat einen Punkt ähnlich dem zur Zeit 7-3 erreicht. Die Wiederholung des Zyklus geht weiter, und die Ladungen 42 werden im Körper 10 durch die gesteuerte Erzeugung und Ausweitung der Verarmungsbereiche transportiert.

Da gemäß Darstellung in Fig. 6 D die Intensität des im Verarmungsbereich 53 existierenden Feldes wesentlich niedriger ist als die des im Verarmungsbereich 56 befindlichen Feldes, wandern die Ladungen 42 nicht rückwärts zum Verarmungsbereich 55, und somit wird durch die mit Hilfe der Formgebung der Oberfläche des Oxydes gesteuerte Abstufung der Verarmungsbeieiche ein Fluß der Ladungen 42 nur in Richtung der größeren Feldintensität veranlaßt.

Im Zusammenhang mit Fig. 1 wird anschließend die Bedeutung der Erhöhungen 18 a bis 18 g, das Transportieren der injizierten Ladungen 42 um Ecken herum und der Vorteil eines mit zwei Spannungen und Oxydkonturen arbeilenden Systems beschrieben. In Fig. 1 bilden die Erhöhungen 18a und 18 ft zwischen sich eine Rille 15«. Wie in F i g. 1 gezeigt ist, ist der Anschlußpunkt der Elektrode 20 über der Oberfläche der Erhöhung 18 a ausgebildet, und die separaten Finger 20 a, 20 ft und

20 c laufen an der Seite der Erhöhung 18 nach unten über die Rille 15 a und die Erhöhung 18 ft. Die Finger 20 α, 20 ft und 20 c überqueren weiterhin die Erhöhungen 18 c, 18 d, 18 e und 18/ sowie die Rillen 15ft, 15c, 15a¹, 15«? und 15/, bis sie schließlich auf der Erhöhung 18g enden. Die Finger 21a und

21 ft der anderen Elektrode 21 liegen zwischen den Fingern 20 a, 20 ft und 20 c und überqueren die Erhöhungen 18 ft bis 18 g und die Rillen 15 a bis 15/ in entgegengesetzter Richtung, so daß sie in der Rille 15 a enden.

Da die Erhöhungen, z.B. 18a und 18ft, wesentlich dicker sind als die Erhebungen 16 und die Vertiefungen 17 der Rille 15 a, wird im wesentlichen der ganze Einfluß der an die Elektroden 20 und 21 angelegten Spannungen in den Erhöhungen absorbiert. Dadurch wird im Teil 10 des Halbleiterkörpers ein kleinster Verarmungsbereich gebildet, der klein ist im Vergleich zu den Bereichen, die unier den Erhebungen und Vertiefungen der Rillen gebildet werden, so daß er als Sperre für die Ladungen dient und ihre Wanderung zwischen den einzelnen Vertiefungen verhindert. Daher läßt sich lediglich in den vertieften Bereichen eine Auswirkung der Elektroden beobachten.

Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die Erhebung 16e sich um das Ende der Erhöhung 18 ft an der einen Seite und die Vertiefung 17/ sich an der anderen Seite der Erhöhung 18 b erstreckt Wenn die injizierten Ladungen 42 die Elektrode 20 c erreichen, finden sie einen im Körper unter der Erhebung 16 e erzeugten Verarmungsbereich, der um das Ende der Erhöhungen 18 b herum verläuft Die Elektrode 20 c ist an diesem Punkt über der Erhebung 16 e angeordnet, kreuzt die Erhöhungen 18 a und führt um das Ende der Erhöhung 18 6 und über die Vertiefung 17 / hinaus. Somit folgen die an dem unter der Erhebung 16 e liegenden Verarmungsbereich ankommenden Ladungen diesem Bereich um das Ende der Erhöhung 18 ft herum, bis sie in einem Bereich mit größerer Feldintensität unter der Vertiefung 17/ ankommen. Dieser Durchgang um das Ende der Erhöhung 18 ft kehrt die Flußrichtimg der injizierten Ladungen 42 um, so daß sie unier dem Einfluß der an die Elektroden angelegten Spannungen die Rille 15 ft in cntgegcgesetzter Richtung durchlaufen wie die Rille 15«. Gemäß Darstellung in Fig. I sind Erhebungen und Vertiefungen in der Rille 15 &

ίο gegenüber denen in den Rillen 15 a und 15 c versetzt. In der Rille 15 ft liegen die Erhebungen den Vertiefungen in der Rille 15 a und den Vertiefungen in der Rille 15 c gegenüber, die Vertiefungen in Rille 15 ft liegen gegenüber den Erhöhungen in den Rillen

15 a und 15 ft. Durch diese Anordnung von Erhebungen und Vertiefungen in den Rillen kann der von den injizierten Ladungen durchlaufene Weg gefaltet und dadurch seine Länge auf einer kleinen Fläche stark vergrößert werden.

»ο Das mit zwei Spannungen arbeitende System gestattet also eine Anordnung größerer Dichte in einem Halbleiterkörper, ohne daß die Elcktrodcnfinger isoliert oder gekreuzt werden müssen, wie es bei bisher üblichen Systemen mit drei Spannungen erforderlich

ist. Außerdem wäre bei einem solchen mit drei Spannungen arbeitenden System eine große Anzahl zusätzlicher Verarbeitungsschritte komplizierter Maskicrungs- und Niederschlagsverfahren erforderlich. Die vorliegende Erfindung liefert also ein Ladungs-

Übertragungs-System mit einem Minimum an Verarbeitungsschritten und gestattet eine unbegrenzte Ausdehnung der Einheit durch einfache Vergrößerung ihrer Länge und Breite. Das mit zwei Spannungen arbeitende Ladungs-Übertragungs-System

läßt sich auch auf andere Art verwirklichen. Die abgestufte Oxydanordnung kann z. B. durch einen Isolator gleichmäßiger Dicke ersetzt werden, der sich aus abwechselnden Bereichen mit unterschiedlichen dielektrischen Konstanten zusammensetzt, die par-

allel zur Flußrichtung der Ladungen angeordnet sind. Dadurch ist die dielektrische Konstante der Isolierschicht und nicht ihre Abmessung abgestuft. Außerdem können die abrupten Abstufungen der Fig. 1 ersetzt werden durch eine abgeschrägte Struktur, so

daß sich die Dicke kontinuierlich parallel zur Wanderungsrichtung der Ladungen ändert.

Am Ende der Rille 15/ erreichen die injizierten Ladungen auch das Ende der in F i g. I gezeigten Anordnung im Vertiefungsbereich 17 n. Das bedeu-

tet, daß alle übertragenen Ladungen sich schließlich unter dem Teil der Elektrode 20 a sammeln, der in diese Vertiefung 17 η hineinreicht. Um die durch die Ladung gespeicherte Information nutzen zu können, muß sie abgefühlt, gemessen oder regeneriert wer-

den. Das kann mit der in F i g. 7 gezeigten Schaltung erfolgen.

Gemäß F i g. 1 ist eine Enddetektorelektrode 30 über die Erhöhung 18 £ und in der Vertiefung 1?« niedergeschlagen, so daß eine Spannung an die Elek-

trade 30 angelegt werden kann, die größer ist als die an die Elektrode ZO α angelegte Spannung, wenn Ladungen in die Vertiefung 17 η unter der Elektrode 20 a eingeführt werden. Diese größere Spannung veranlaßt eine übertragung der unter der Elektrode

20 a liegenden Ladungen in das unter der Elektrode 30 existierende Feld. Wenn die Elektrode 30 mit einer materialverschiedenen Diode gekoppelt ist, die auf der Oberfläche des Körpers 10 ausgebildet ist

können die Ladungen abgefühlt werden. Die Abfühluiig erfolgt dadurch, daß das Potentialloch in der Vorwärlseharakteristik der materialvcrschiedenen Diode mit Trägern gefüllt wird und dadurch eine Änderung in der Strom-Spannungs-Charaktcristik der materialverschiedenen Diode hervorruft.

In der Schaltung der Fig. 7 ist die malerialverschicdene Diode 60 mit dem geerdeten Halbleiter 10 der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, mit dem Gate

61 und der Source 62 eines P-Kanal-FET 63 und über einen Widerstand 64 mit einer Spannungsquelle 75 verbunden, die einen negativen Spannungsimpuls V-3 erzeugt. Der Drain 65 des FET 63 wiederum ist mit dem Gate 66 eines zweiten P-Kanal-FET 67, mit einem Kondensator 68 und über einen Widerstand 70 mit einer positiven Spannungsquelle 69 verbunden. Die Source 71 des FET 67 ist außerdem mit derselben positiven Spannungsquelle 67 verbunden, während der Drain 72 des FET 67 an die Anode einer Diode 74 angeschlossen ist, deren Kathodc mit dem anderen Anschluß des Kondensators 68 und mit Erde verbunden ist.

Wenn in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung die Ladung 42 fehlt, leitet die malerialverschiedene Diode 60 gut. Wenn also der negative Spannungs- »5 impuls V-3 über den Widerstand 64 angelegt wird, wenn keine Ladungen unter der Elektrode 30 vorhanden sind, bleibt der FET 63 der in Fig. 7 gezeigten Schaltung abgeschaltet, und es fließt kein Strom durch die Detektor-Injektordiode 74. Wenn jedoch unter der Elektrode 30 Ladungen vorhanden sind, nimmt die materialverschiedene Diode 60 einen Zustand hoher Impedanz an, so daß der negative Spannungsimpuls V-3 an Gate 61 und Source 62 des FET 63 voll wirksam wird. Dadurch wird der FET 63 leitend, und das Gate 66 des FET 67 geht ebenfalls auf die Spannung V-3, und der FET 67 schaltet ein, so daß Strom durch die Detektor-Injektor-Diode 74 fließt.

Durch Verbindung des Gates 61 mit der Source

62 des FET 63 wirkt dieser als Diode und verlängert den Effekt des angelegten negativen Spannungsimpulses V-3 an das Gate 66 des FET 67. Der Widerstand 70 und der Kondensator 68 liefern gemeinsam eine ft-C-Zeitkonstante zur Rückstellung des Gates 66 des FET 67 auf einen positiven Signalpegel und schalten somit die Schaltung ab, nachdem der negative Spannungsimpuls V-3 auf Erdpotential zurückgefallen ist.

Der auf diese Weise durch die Diode 74 erzeugte Stromfluß zeigt die Anwesenheit von injizierten Ladungen 42 unter der Detektorelektrode 30 an. Wenn die in F i g. 7 gezeigte Schaltung zur Regenerierung benutzt wird, wird die Diode 74 mit dem Bereich 11 und dem Tor 29 der in F i g. 1 gezeigten Anordnung verbunden, um durch den Bereich 11 erneut Ladungen in die Anordnung zu injizieren. Die somit durch die Ladungen dargestellte Information kann konstant regeneriert und in der Schaltung umlaufen gelassen werden.

Wenn die Schaltung als Detektor benutzt werden soll, kann mit dem Stromfluß durch die Diode 74 und gleichzeitigem Anlegen eines negativen Spannungsimpulses V-3 an die materialverschiedene Diode 60 eine binäre »I« und durch Fehlen des Stromflusses und somit Fehlen von Ladungen eine binäre »0« festgestellt werden.

Eine zweite, einfachere Abfühlschaltung, die nicht dargestellt ist, umfaßt einen p-Bereich, der unter der Detektorelektrode 30 ausgebildet ist und von einer Spannungsquelle in Sperrichtung vorgespannt wird. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der in Sperrrichtung vorgespannten Diode wird durch die injizierten Ladungen 42 geändert.

Eine weitere Abfühlschaltung kann entweder eine in Sperrichtung vorgespannte Punktkontaktdiode oder einen Kondensator im Bereich der Vertiefung 17 η an Stelle der oben beschriebenen materialverschiedenen oder diffundierten Diode enthalten. Die Messung der echten Ladung kann natürlich bei jedem der oben beschriebenen Schaltkreise auf bekannte Art erfolgen.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung eignet sich besonders für einen gepufferten Schieberegisterspeicher. Ein aus mehreren solchen Anordnungen bestehender Speicher wird bei Kopplung der Einheiten zu der in F i g. 7 gezeigten Schaltung zum Umlauf-Schieberegister-Speicher mit schnellem Zugriff. Er gestattet einen sehr hohen Grad der Schaltungsintegration und liefert somit eine große Dichte von Speicherbits in einem einzigen integrierten Schaltungsplättchen.

Ein derartiger Speicher ist in F i g. 8 dargestellt. Mehrere die Anordnung der F i g. 7 umfassende Umlauf-Schieberegister 80 sind mit einem Pufferregister 81 durch Eingabe-Ausgabe-Schaltungen 82 verbunden. Ein Taktgeber 83 steuert die Schieberegister 80 und das Pufferregister 81.

Im Betrieb gelangen die Daten seriell über die Leitung 84 in das Pufferregister 81. Parallele Eingaben von einem Bit eines jeden Datenwortes werden auf das Schieberegister 80 über die Eingabe-Ausgabe-Schaltungen 82 geleitet. Zum Auslesen laufen die Daten in das Pufferregister 81 in paralleler Form aus dem Schieberegister 80 und werden von dort seriell ausgelesen.

Obwohl bei der Beschreibung der Erfindung ein geerdeter Halbleiter vorausgesetzt wurde, kann ein verbesserter Betrieb in einigen Fällen erzielt werden, wenn dei Körper 10 des Halbleitermaterials relativ zur Erde etwas positiv vorgespannt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

(30) mit einer im Halbleiterkörper gebildeter Diode gekoppelt ist. 8. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Ladungen (42) zu durchlaufende Weg mäanderartig gefaltet ist, indem die Isolierschicht (14) orthogonal zu den Elektroden (20 a, 20 b, 20 c; 21a, 21 b) verlaufende, in ihrer Längsrichtung versetzte Erhöhungen (18 α bis 18 g) bildet, deren eines Ende (15 a bis 15/) je derart unter einer Elektrode liegt, daß sich die Ladungen um dasselbe herumbewegen. Patentansprüche:

1. Ladungsgekoppelte Halbleiteranordnung zur Informationsspeicherung und -übertragung an der ,Oberfläche eines Halbleiterkörpers verfügbarer beweglicher Ladungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes aus einer im wesentlichen dreischichtigen Struktur, nämlich einem Halbleiterkörper, einer diesen bedeckenden Isolierschicht sowie einer darauf vorgesehenen Metallisierung zur zeitlich veränderlichen Ausbildung von Verarmungsgebieten im HalWeiterkörper,

dadurchgekennzeichnet, daß über dem .

vorgesehenen Ladungsweg im Halbleiterkörper (10) auf dessen Oberfläche eine Isolierschicht

(14) mit aneinandergrenzenden Isolierschicht- Die Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte

gebieten (16, 17) unterschiedlicher Dicke vorge- Halbleiteranordnung zur Informationsspeicherung sehen ist, daß mindestens je zwei angrenzende und -übertragung an der Oberfläche eines Halbleiter-Isolierschichtgebiete unterschiedlicher Dicke von ao körpers verfügbarer beweglicher Ladungen unter einer zusammenhängenden, über die Stufungs- Einwirkung eines elektrischen Feldes aus einer im kante(n) reichenden Elektrodenmetallisierung be- wesentlichen dreischichtigen Struktur, nämlich einem deckt sind, daß die durch zwei an die Elektroden- Halbleiterkörper, einer diesen bedeckenden Isoliermetallisierung angelegte Spannungen im Halb- schicht sowie einer darauf vorgesehenen Metallisieleiterkörper entsprechend den Isolierschicht- 25 rung zur zeitlich veränderlichen Ausbildung von Ver-

ebit t ggebieten im Halbleiterkörper

stufungen erzeugten Verarmungsgebiete unterschiedlicher Tiefe bzw. Feldstärke in der Riehtung anwachsen, in der die Ladungen im Halbleiterkörper bewegt werden sollen.

g
armungsgebieten im Halbleiterkörper.

Die vorliegende Erfindung liegt demnach allgemein auf dem Gebiet monolithisch integrierter Halbleitervorrichtungen, bei denen im Halbleiter selbst fhhl d i

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- 3» Ladungen erzeugt, aufrechterhalten und transportiert kennzeichnet, daß die Isolierschichtgebiete (16, werden, ohne daß PN-Übergänge erforderlich sind.

Bei Halbleitervorrichtungen mit PN-Übergang difundiert beim Übergang von P-leitendem Material zu N-leitendem Material ein Teil der Defektelektronen im P-Material und einige Elektronen im N-Material im unmittelbaren Bereich des Überganges

17) entlang eines vorgesehenen Ladungsweges abwechselnd vorzugsweise zwei unterschiedliche Dicken aufweisen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (14) auf dem von den Ladungen zu durchlaufenden Weg an einem Rand jeder Elektrode (20, 21) dicker ist (16 a bis 16 c) als an dem gegenüberliegenden Rand Elektrode.

4. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung und zum Anlegen zweier elektrischer Impulszüge

Bereich