DE2216060C3

DE2216060C3 - Ladungsgekoppeltes Bauelement mit einem planaren Ladungsspeichermedium

Info

Publication number: DE2216060C3
Application number: DE19722216060
Authority: DE
Inventors: Willard Sterling Summit Boyle; Robert Harold South Plainfield Krambeck; George Elwood Murray Hill Smith
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1971-04-06
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1980-01-03
Also published as: FR2132441B1; IT954399B; DE2216060B2; JPS522793B1; AU4079372A; SE383573B; NL167056B; NL7204528A; IE36249B1; DE2216060A1; FR2132441A1; CH544375A; IE36249L; ES401458A1; HK35176A; BE781627A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein ladungsgekoppeltes Bauelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art

Bei bekannten ladungsspeichernden Halbleiter-Bauelementen (Literaturstellen »Bell System Technical Journa!«, April 1970, Seiten 587 bis 593 und »Bell Laboratories Record«, Seiten 188 bis 189, Juni/Juli 1970) werden Minoritätsladungsträger in Potentialmulden bzw. Potentialminima längs der Oberfläche von p- oder η-leitenden Halbleiterschichten gespeichert und durch fortlaufende Verschiebung der Potentialmulden von einer Speicherstelle zur nächstfolgenden benachbarten Speicherstelle übertragen. Zur Erzeugung der Potentialmulden sind an der Oberfläche der speichernden Halbleiterschicht eine Vielzahl von Metallelektroden isoliert angebracht, die in einer bestimmten Sequenz mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Beispielsweise wird an die erste, vierte, siebte usw. Elektrode das Potential - 2 V angelegt, während an die zweite, fünfte, achte usw. Elektrode iowie an die dritte, sechste, neunte usw. Elektrode das Potential — I V angelegt wird. Der Potentialverlauf längs der Oberfläche der speichernden Halbleiterschicht weist dadurch periodische Minima auf, welche unterhalb der mit dem Potential -2 V beaufschlagten Elektroden liegen. Injiziert man Minoritätsladungsträger in die speichernde Halbleiterschicht, so sammeln sich diese in den erwähnten Potentialminima bzw, -mulden an, während die Abschnitte der Halbleiterschicht zwischen den Potentialmulden im wesentlichen frei von Minoritätsladungsträgern sind. Zur Verschiebung der auf diese Weise gespeicherten Minoritätsladungsträger von den Speicherplätzen unterhalb der ersten, vierten, siebten usw. Elektrode in die jeweils benachbarten Speicher' platze unterhalb der zweiten, fünften, achten usw. Elektrode werden die letztgenannten Elektroden mit dem Potential -3 V beaufschlagt, wodurch neue Potentialminima unterhalb der letztgenannten Elektroden entstehen, iü welche die in den bisherigen Potentialminima gespeicherten Minoritätsladungsträger abfließen. Nach erfolgtem Abfluß wird an die erslc, vierte, siebte usw. Elektrode das Potential - I V und an die zweite, fünfte, achte usw. Elektrode das Potential -2 V angelegt, womit die Verschiebung der Speicherplätze um jeweils eine Elektrodenbreite abgeschlossen ist

Die bekannten Bauelemente, welche entsprechend ihrer vorstehend erläuterten Wirkungsweise als ladungsgekoppelte Bauelemente bezeichnet werden, werden hauptsächlich als Schieberegister mit serieller Informationseingabe für elektrische Informationsverarbeitungseinrichtungen sowie ais Schieberegister mit paralleler Informationseingabe für Bildaufzeichnungseinrichtungen, z. B. Fernsehkameras, verwendet Diese Bauelemente müssen indessen nach einer gewissen Anzahl von Übertragungsvorgängen regeneriert wer-

■5 den, da sich die Anzahl der Minoritätsladungsträger infolge Rekombination laufend verringert. Die der Erfindung vorangegangenen Versuche mit bekannten ladungsgekoppelten Bauelementen haben gezeigt, daß an den krist.allographisch inhomogenen Berührungsflächen der speichernden Halbteiteri-hicht mit den Isolierschichten zwischen den Metalle'ektroden und der Halbleiterschicht Kristallgitterdefekte bzw. Ladungsträgertraps vorhanden sind, welche die Minoritätsladungsträger einfangen und damit deren Rekombination verursachen.

Weiterhin müssen bei den bekannten Bauelementen die Abstände zwischen benachbarten Metallelektroden sehr gering bemessen werden, um eine sichere Verschiebung der Minoritätsladungstr^-ger von einem Speicherplatz in den nächstfolgenden, benachbarten Speicherplatz zu gewährleisten. Die hierdurch bedingten Toleranzen erfordern eine hohe Fertigungsgenauigkeit, was zu Lasten der im Sinne einer Massenfertigung erwünschten niedrigen Herstellungskosten geht

Weiterhin ist die Übertragungsgeschwindigkeit der Minoritätsladungsträger bei den bekannten ladungsgekoppelten Bauelementen infolge ihrer geringen Diffusionsgeschwindigkeit unbefriedigend, was einer Verwendung dieser Bauelemente als Schieberegister in Datenverarbeitungsanlagen entgegensteht. Es ist zwar gruadsätzlich möglich, die Übertragungsgeschwindigkeit durch Anlegen von Driftfeldern zu erhöhen, doch erweist es sich als außerordentlich schwierige Driftfelder im Bereich der Oberfläche der speichernden Halbleiterschicht wirksam auszubilden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein ladungsgekoppeltes Bauelement der eingangs .erwähnten Art zu schaffen, das bei einer vergleichsweise unkomplizierten Herstellbarkeit und einer erhöhten

Übertragungsgeschwindigkeit eine wesentliche Steigerung der Lebensdauer der zu speichernden und zu übertragenden Ladungsträger ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelementes gemäß Anspruch I sind in den Ansprüchen 2 bis 19 gekennzeichnet.
Durch die Ver'jgerung der Speicherplätze von der kristallographisch inhomogenen Oberfläche der speichernden Halbieiterschicht in deren homogenes Inneres wird die Rekombinationshäufigkeit der gespeicherten Ladungsträger infolge von Gitterfehlstellen u. ä. wesentlich verringert und damit die Lebensdauer der gespeicherten Ladungsträger im Durchschnitt erheblich gesteigert Weiterhin können Beschleunigungsfelder für die gespeicherten Ladungsträger im Inneren der speichernden Halbleiterschicht durch Schaffung von

geeigneten Feldstärkeprofilen zwischen den einzelnen Elektroden erzeugt und damit die Übertragungsgeschwindigkeiten erhöht werden.

Schließlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Bauelement möglich, die Abstände zwischen den Elektroden zu vergrößern und damit die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit zu senken. Bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes können die Isolierschichten zwischen den Metallelektroden und der speichernden Halbleiterschicht weggelassen werden, was neben einer Verringerung des baulichen Aufwandes die Ausbildung von Driftfeldern für die gespeicherten Ladungsträger erleichtert.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt

Γ J g. in CiPi uaMuCrniGuCii CiHCS cCVOrZügiCn ÄUSfün-

rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelementes bei fehlender Vorspannung,

F i g. 1B ein Bändermodell eines gleichen Bauelementes wie gemäß Fig. IA, jedoch bei angelegter Vorspannung,

F i g. 2 ein Bändermodell eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelementes, bei dem die speichernde Halbleiterschicht zu beiden Seiten durch eine Metall-Isolator-Sperrschicht abgeschlossen ist,

F i g. 3 ein Bändermodell eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit einem tiefgelegten Kanal zur Ladungsspeicherung,

Fig.4 ein Bändermodell einer zusammengesetzten Halbleiterstruktur zwecks Schaffung tiefgelegter Kanäle an beiden Seiten des Bauelementes.

Fig. 5 einen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelementes mit einem einzigen Ladungsträgerkanal gemäß F i g. 1A und 1B,

Fig. 6 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Bauelement zur Veranschaulichung des der Erfindung zugrundeliegenden Ladungsträßeranreicherungsmechanismus.

F i g. 7 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines ähnlichen Bauelementes wie gemäß F i g. 5. jedoch mit der Möglichkeit zur Kompensation der Ladungsträger-Rekombination an den großen Potentialmulden zwischen den Elektroden.

F i g. 8 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelementes, bei dem die speichernde Halbleiterschicht gegenüber den Treiberelektroden durch jeweils eine Schottky-Sperrschicht isoliert ist, und

F i g. 9 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelementes, bei dem die speichernde Halbleiterschicht gegenüber den Treiberelektroden durch jeweils einen pn-Obergang isoliert ist.

Bei einem herkömmlichen ladungsgekoppelten Bauelement erfolgt die Speicherung und Übertragung von Ladungen an der Halbleiter-Isolator-Zwischenfläche. Infolge der kristallographisch heterogenen Aasbildung dieser Zwischenfläche ist diese keine günstige Steile für diesen Vorgang. Bei den erfindungsgemäßen Bauelementen wird ein derartiges Energieprofil gewählt, daß das als Senke wirkende Energieminimum von der genannten Zwischenfläche an eine homogene Schicht zwischen der Halbleiter- und der Isolatorschicht verlegt ist.

Das in Fig. IA dargestellte Bändermodell eines MIS-(Metall-lsolator-Semiconductor-)Bauelementes
enthält eine Metallschicht IO in Form einer üblichen Metallelektrode, mittels welcher die Speicherung und Übertragung der Ladungsträger steuerbar ist. Auf der Metallschicht 10 ist eine herkömmliche Isolierschicht 11 und auf dieser eine p-leitende Speicherschicht 14 angebracht. Zwischen der Speicherschicht 14 und einer n-leitenden Halbleiterschicht 12 ist eine Sperrschicht 13, ίο beispielsweise ein pn-Übergang, vorgesehen. Es versteht sich, daß anstelle der in Fig. IA dargestellten Leitungstypen ebensogut die komplementären Leitungstypen vorgesehen werden können.

Das Bändermodell nach Fig. IA zeigt das Bauelement im thermischen Gleichgewicht, wobei die freie positive Ladung in der p-leitenden Speicherschicht 14

einer bestimmten negativen Ladung in der n-leitenden

£u5wi --

Das Bändermodell nach F i g. IB zeigt den Zustand des Bauelementes gemäß Fig. IA nach Entfernen der freien Ladung von der p-leitenden Schicht 14; hierfür wurde die Schicht 14 mit einer gegenüber der η-leitenden Schicht 12 negativen Vorspannung beaufschlagt. Bei richtiger Auslegung in der nachstehend

erwähnten Weise weiden durch die negative Restladung die Energiebänder in der gezeigten Weise verbofein, so daß in dem Mittelteil der Speicherschicht 14 ein tiefgelegter Kanal für positive Ladungen entsteht. Wenn eine freie positive Ladung, z. B. ein Loch, in die Speicherschicht injiziert wird, so driftet dieses an die Stelle des Potentialminimums in einer Tiefe W unterhalb der Elektrode 10, wodurch die freie Ladung elektrisch im Inneren der Schicht 14 eingeschlossen bzw. gespeichert wird.

F i g. 2 stellt ein ähnliches Bändermodell wie F i g. 1B dar. wobei jedoch anstelle des in Fig. IA. IB vorgesehenen pn-Übergangs zwei Metall-Isolator-Sperrschichten 21,22 bzw. 23,24 an den beiden planaren Oberflächen der Speicherschicht 20 vorgesehen sind.

Wenn die Speicherschicht 20 von Ladungsträgern entleert wird, ist diese hinsichtlich der Energieverteilung der Speicherschicht 14 gemäß F i g. IB qualitativ gleichwertig.

F i g. 3 zeigt ein Bändermodell eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauelementes, bei dem das Speichermedium an beiden Seiten durch einen pn-Übergang isoliert ist. Auch hier ist als Grundstruktur ein Metall-Isolator-Halbleiter mit einer Metallschicht 30 und einer Isolierschicht 31 vorhanden.

Der Halbleiter ist jedoch in Form einer npn-S^ruktur mit einer η-leitenden Schicht 32, einer p-leitenden Schicht 33 (Speicherschicht) und einer n-leitenden Schicht 34 ausgebildet Das Energieprofil der Schicht 33 gleicht demjenigen der Schichten 14 und 20 gemäß

F i g. 1B bzw. F i g. 2. Die npn-Struktur gemäß F i g. 3 kann verbreitert werden, um durch Schaffung von parallelen, tiefgelegten Kanälen durch die doppelte Schichtisolation hindurch einen Doppelkanalbetrieb an beiden Seiten eines einzigen Bauelementes zu erzielen.

Beispielsweise werden unter Verwendung einer npnpn-Struktnr zwei parallele p-Ieitende Kanäle isoliert

Eine andere Halbleiterstruktur für ein Vielkanal-Bauelement ist an Hand des Bändermodells gemäß F i g. 4 veranschaulicht Bei diesem Bauelement sind zwei voneinander isolierte, parallele Kanäle durch Verwendung einer pnp-Struktur vorgesehen. Die beiden p-leitenden Speicherschichten 40, 41 sind gegeneinander durch die n-feitende Schicht 42 isoliert Die anderen

Sperrschichten sind MlS-Sperrschichten, die durch Metallschichten 43, 44 sowie Isolierschichten 45, 46 gebildet sind. Das gekrümmte Energieprofil der Speicherschichten, welches den Erfindungsgedanken wiedergibt, ergibt sich selbsttätig bei Anlegen einer geeigneten Vorspannung. Bei dem in F i g. 4 dargestellter· Vielkanal-Bauelement besteht die Möglichkeit, elektrische Überkreuzungen und Verbindungen herzustellen.

Das im Schnitt dargestellte Bauelement gemäß F i g. 5 enthält eine Speicherschicht 50 in Form einer p-leitenden Halbleiterschicht, die in bevorzugter Weise aus Silicium mit einem normalen Widerstandswert von 0,1 bis 100 Ohm · cm besteht. Die Speicherschicht 50 ist an ihrer Oberseite mit einer Isolierschicht 51 versehen und an ihrer Unterseite durch einen pn-Übergang 52 isoliert, welcher in herkömmlicher Weise hergestellt ist

15

LyEIdUUIgVJILIIIt

Bauelement enthält ferner Treiberelektroden 54,55,56, welche über Leitungen 57, 58, 59 mit einem Taktgeber verbunden sind. Eine Gleichspannungsquelle 60 dient zur Vorspannung der Speicherschicht 50 über die Elektrode 61 gegenüber der n-leitenden Schicht 53, so daß die Minoritätsträger in der Speicherschicht 50 im wesentlichen entfernt werden. Die Elektrode 61 kann einen Schottky-Kontakt umfassen, oder es kann ein ρ+ -Bereich unterhalb der Elektrode 61 vorgesehen werden, um einen ohmschen Kontakt zu ermöglichen. Das Bauelement ist danach betriebsbereit für den .ekannten. herkömmlichen ladungsgekoppelten Betrieb, wobei jedoch eine Ausnahme dahingehend besteht, daß die Informationen bzw. Ladungsträger innerhalb des Grundkörpers der Speicherschicht und nicht an deren Oberfläche gespeichert und übertragen werden.

Die Ladungsträgeranreicherung bzw. Feldsteigerung bei der Ladungsübertragung innerhalb des Bauelementes nach Fig. 5 ist in Fig. 6 näher veranschaulicht. Wenn an die Elektrode 54 eine Spannung Vund an die Elektrode 55 eine größere Spannung, 7. B. 2 V, angelegt wird, so entspricht das Feldprofil annähernd der gestrichelten Linie 63. Obgleich das Feldprofil aus Gründen einer besseren Anschaulichkeit lediglich in der Schicht 53 angedeutet ist, so verläuft es auch in der Schicht 50 in gleicher Weise. Da die Ladungsträger innerhalb des Grundkörpers der Speicherschicht liegen, können sie durch den Feldgradienten beeinflußt werden. Bei der Ladungsübertragung innerhalb eines bekannten ladungsgekoppelten Bauelementes liegen die Ladungsträger so nahe an der Zwischenfläche zwischen den Schichten 50 und 51. daß für einen wirksamen Feldgradienten eine außergewöhnlich dicke Isolierschicht oder außergewöhnlich kleine Elektroden nebst entsprechend geringer Abstandsgebung erforderlich sind. Der Abstand zwischen den Elektroden 54, 55, 56 kann bei dem Bauelement nach F i g. 5 und 6 infolge des Speichermechanismus größer gewählt werden als bei den bekannten ladungsgekoppelten Bauelementen, wodurch sich erhebliche Vorteile bei der Fertigung der Bauelemente ergeben. Indessen können zu große Elektrodenabstände zu einer »Sperrung« der gespeicherten Ladungsträger infolge großer Potentialmulden zwischen den Elektroden führen. Wie sich durch Versuche herausgestellt hat, verteilt sich eine in die Speicherschicht gemäß Fig.5 injizierte Ladung nicht gleichmäßig, da die Bereiche zwischen den Elektroden ein geringeres Potential als die Elektroden selbst aufweisen und deshalb Ladungsträger ansaugen. Es ist deshalb günstig, feste Ladungen in die Halbleiterstruktur einzufügen, um diese Schwierigkeit zu beseitigen. Bei dem Bauelement gemäß Fig.5 und 6 saugen die Bereiche zwischen den Elektroden positive Ladungsträger an. Dieser Vorgang kann durch Einfügen von festen positiven Ladungen in oder nahe diesen Bereichen kompensiert werden. Hierzu können in bekannter Weise positive Ionen in die Isolierschicht und/oder die Halbleiterschicht in den Bereich zwischen den Elektroden unter Verwendung von Masken implantiert werden. Die Ladungsmenge sollte ausreichend sein, um annähernd ein gleichförmiges elektrisches Feld längs der Halbleiteroberfläche aufzubauen, wenn eine der Speichervorspannung entsprechende Vorspannung an die Elektroden 54 bis 56 gelegt wird. Dies kann bei einem einfachen Bändermodell mit Hilfe der Beziehung

P=E-E

berechnet werden, wobei Pdie erforderliche elektrische Verschiebung in Coulomb/cm², ε die dieelektrische Konstante des Isolators und E das elektrische Feld darstellt. In diesem Fall sollte sich E dem elektrischen Feld unter der Elektrode bzw. dem Wert K/c/annähern, wobei V die Speicherspannung an der Elektrode und d die Dicke des Isolators unterhalb der betreffenden Elektrode ist.

Eine andere Möglichkeit der Kompensation der Potentialmulden zwischen den Elektroden ist anhand von Fig. 7 erläutert. In dieser Figur ist ein Ausschnitt aus dem Bauelement nach F i g. 5 dargestellt, wobei jedoch zusätzlich zu den diskreten Elektroden 54 bis 56 eine kontinuierliche Elektrode 70 vorgesehen ist, die über die gesamte aktive Oberfläche verläuft. Die Elektrode 70 ist gegenüber den Elektroden 54 bis 56 durch eine Isolierschicht 71 isoliert. Da die Abschnitte der Elektrode 70 in den Bereichen zwischen den Elektroden 54 bis 56 näher an der Halbleiterschicht 50 liegen als die Abschnitte über den Elektroden 54 bis 56. kann durch Anlegen einer positiven Spannung an die Elektrode mit Hilfe der Spannungsquelle 72 eine feste positive Ladung an die Halbleiter-Isolator-Zwischenfläche angelegt werden. Die geeignete Bemessung der Spannungen und Isolierschichtdicken kann aus den vorstehenden mathematischen Beziehungen erhalten werden.

Anstelle der in Fig. 7 angedeuteten Elektrode 70 können zur Beseitigung der Potentialmulden zwischen den Elektroden 54 bis 56 mehrere, übereinandergeschichtete Metallisierungen, vorzugsweise vier Metallschichten mit dazwischen angeordneten Isolierschichten vorgesehen werden. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß die erwähnten Schwierigkeiten mit den Potentialmulden zwischen den Treiberelektroden bei Isolierung der Speicherschicht mit Hilfe von pn-Übergängen an beiden Seiten nicht auftreten.

Zur Bemessung der durchschnittlichen Elektrodendurchmesser Xp (F i g. 6) wurde empirisch gefunden, daß für eine wirksame Übertragung der Information mit Unterstützung des elektrischen Feldes der Ladungsträgeranreicherung folgende Ungleichung gilt:

100 ^< Jr, ^<

wobei Wdie Kanaltiefe ist. Die Schicht, in welcher sich der Ladungsträgerkanal befindet, sollte dick genug sein, um dielektrische Durchbrüche zu vermeiden, jedoch gerade noch ausreichend dünn, um praktikable Treiberspannungen an den Treiberelektroden zu ermöglichen.

Für eine Siliciumdioxidschicht auf einer Siliciumschicht liegt ein günstiger Bereich zwischen 0,02 und 1 Mikron. Wenn insbesondere die SiCh-Schicht eine Dicke von 0,1 Mikron aufweist, und die Trägerkonzentration in einer Speicherschicht von 5 μ Dicke in der Größenordnung von lO'Vcm-³ liegt, so fallen die entsprechenden TreiberspannungSn in den zweckmäßigen Bereich von 0 bis 50 Volt, z. D. 0,5 und 10 Volt bei dem in Fig. 5 dargestellten Treibersystem mit den drei Leitungen 57 bis 59.

Weiterhin können geeignete Dotierungskonzentrationen als Funktion der Dicke der Speicherschicht 50 wie folgt bemessen werden:

Zur Vermeidung eines Durchbruchs ist die Dotierungsschicht Na der Speicherschicht 50 durch folgenden näherungsweisen Ausdruck gegeben:

15

w²

wobei finder Bandabstand in eV, K_s die Dielektrizitätskonstante und Wdie Kanaltiefe bedeutet. Für Silicium gilt:

25

Bei einer Kanaltiefe von z.B. IO-³cm beträgt die maximale Trägerkonzentration

Na = 2,5 · lO'Vcm-A

30

Die untere Grenze wird normalerweise durch die Intrinsic-Trägerkonzentration gebildet.

Zur Aufrechterhaltung der Ladung, welche die von dem Bauelement zu übertragende Information darstellt, wäre es normalerweise ausreichend, das Speichermedium so auszubilden, daß die Energiedifferenz zwischen den gespeicherten Ladungsträgern in dem Grundkörper und an der Oberfläche zu groß ist, um durch thermische Anregung überwunden zu werden. Die spezifische Energiedifferenz entspricht dabei dem Ausdruck kT, wobei k die Boltzmann-Konstante und Γ die absolute

L>ICd UCUCUlCL,

j:- l-,: _n:_nn~

Sperrschichten an pder Elektrode isoliert ist. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt, daß bei Verwendung einer Schottky-Sperrschicht oder eines pn-Übergangs zur Isolierung des Kanals gegenüber den Treiberelektroden die dazwischenliegenden Isolierschichten, beispielsweise die Isolierschicht 31 gemäß F i g. 3, entbehrlich sind. Daher können bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.8 die Elektroden 81 bis 83 unmittelbar an der η-leitenden Speicherschicht 84 angebracht sein. Die Speicherschicht 84 ist an ihrer Unterseite durch das p-leitende Substrat 85 isoliert, welches mit der Speicherschicht 84 den pn-übergang 86 bildet. Da die Elektroden 81 bis 83 keine ohmschen Kontakte darstellen sollen, muß die Elektrode 87, welche zur Vorspannung der Speicherschicht 84 mittels der Gleichspannungsquelle 88 dient, einen stärker dotierten Bereich 89 ähnlich dem Bereich 52 gemäß Fig.6 aufweisen. Auch bei dem in Fig.8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Treiberelektroden über Leitungen mit einer nicht dargestellten Taktspannungsquelle verbunden.

Als Material für die Treiberelektroden 81 bis 83 können alle Metalle verwendet werden, die mit der Speicherschicht 84 eine Schottky-Sperrschicht bilden. Bei Verwendung von Silicium als Speicherschichtmaterial eignen sich Cu, Mo, No, W, die sechs Metalle der Platingruppe oder Gemische hiervon als Elektrodenmaterial. Die Dicke der Elektroden ist dabei unkritisch. Als Folge der üblichen Herstellungsverfahren werden die Metallelektroden innerhalb von Maskenfenstern einer Isolierschicht 90 ausgebildet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Isolation der Speicherschicht 84' mit Hilfe von pn-Übergängen erzielt wird, ist in Fig.9 veranschaulicht. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen dem Aufbau des Bauelementes nach Fig.8, wobei einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind unterhalb der Treiberelektroden SV bis 83' eindiffundierte p-leitende Beziehe 91 «"^»•»aooUor« <wolr>K<k -J R mitt*»lc Pliffιici*-vn /Hii!*r»K Ah*

erfindungsgemäßen Bauelement mit Silicium als Halbleitermaterial gespeicherten Ladungsträger normalerweise in einer Tiefe von mindestens 30 Ä gegenüber der Silicium-Isolator-Zwischenfläche vorliegen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt dieser Abstand 0,01 bis 10 Mikron.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 wurden folgende speziellen Abmessungen gewählt:

Xs = 1 · 10-³cm
Xp = 1 · 10-³cm
Y₁ r= 1 · 10-5 cm
Ys =5,0· 10-« cm
N_A = 2 · 10¹⁵Cm-³

55 Maskenfenster der Isolierschicht 90' vor Aufbringung der Elektroden 8Γ bis 83' hergestellt werden können. Ebensogut kann auch eine Implantation erfolgen, sofern die Elektroden 81' bis 83' eine geeignete lonendurchlässigkeit gegenüber der Isolierschicht 90' besitzen. Infolge der Isolation der Speicherschicht durch einen pn-Übergang anstelle einer MOS- oder einer Schottky-Sperrschicht sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.9 die thermisch erzeugten Ladungsträgerströme gering.

Anstelle der Leitungstypen der Halbleiterschichten gemäß F i g. 8 und 9 können selbstverständlich auchdie komplementären Leitungstypen vorgesehen werden. Die erforderlichen Dotierungsparameter für diese Strukturen ergeben sich aus folgenden Beziehungen:

N_D V

IU" cm-5VoIt
Vb =20Volt
W «4 cm-³

60 Na = 10'Vcm³
Nd = 1016/cm³
Tiefe der η-leitenden Schicht ■■

10-*cm

In F i g. 8 und 9 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele veranschaulicht, bei denen der tiefgelegte Kanal gegenüber den Treiberelektroden durch einzelne In bevorzugter Weise ist die Dotierungsdichte des p-leitenden Halbleitersubstrates geringer als diejenige der n-Ieitenden Speicherschicht

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Ladungsgekoppelt«» Bauelement mit einem planaren Ladungsspeichermedium, mit einer· Vielzahl von Tre'ifaerelektroden zur Erzeugung einer Vielzahl von diskreten Speicherplätzen innerhalb des Speichermediums, mit Mitteln zur sequentiellen Beaufschlagung der Treiberelektroden mit einer Vorspannung, um eine steuerbare Verschiebung von ι ο Informationen darstellenden Ladungsträgern zwischen den diskreten Speicherplätzen hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden planaren Oberflächen des Speichermediums (14; 20; 33; 40; 41; 50; 84; 84') mit jeweils einer elektrischen Sperrschicht verbunden sind und daß Kontaktmittel vorgesehen sind zum Anlegen einer elektrischen Vorspannung an zumindest eine der beiden Sperrschichten, um die Speicherung und Übertragung der Ladungsträger im Inneren des Speichermediums zu gewährleisten.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmittel (61) zur Vorspannung des Speichermediums (50) in solcher Weise ausgebildet ist, daß ein Oberfluß freier Energiezustände innerhalb des Speichers mit Durchschnittsenergien geschaffen wird, die sich von denjenigen der Zustände an den Grenzflächen um einen größeren Wert als kT unterscheiden, wobei k die Boitzmannkonstante und 7"die Temperatur darstellt

3. Baueleirent nach Anspruch 1, mit einer ersten Halbleiterschicht des einen Leitungstyps und mit einer Isolierschicht, wobei die Treiberelektroden auf der Isolierschicht angebracht sied, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium eine zweite Halbleiterschicht (50) des entgegengesetzten Leitungstyps vorgesehen ist, daß die zweite Halbleiterschicht (50) auf der ersten Halbleiterschicht (53) angeordnet ist, daß die Isolierschicht (51) die zweite Halbleiterschicht (50) im wesentlichen überdeckt und daß die Kontaktmittel (61) zur Beaufschlagung der ersten Halbleiterschicht (53) mit einer Vorspannung bezüglich der zweiten Halbleiterschicht versehen sind.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silicium vorgesehen ist.

5. Bauelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (71), welche die Treiberelektroden überdeckt, eine leitende Schicht (70) auf so der Isolierschicht und Elemente zur Vorspannung der leitenden Schicht

6. Bauelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mehrere Treiberelektroden auf der Isolierschicht mit Elementen zur aufeinanderfolgenden Vorspannung der Elektroden.

7. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn· zeichnet, daß die freien Energiezustände in einem Abstand W innerhalb der Halbleiterspeicherschicht, gemessen von der Oberfläche der Isolierschicht, gelegen sind, wobei die folgende Beziehung erfüllt wird:

TÖÖ

wobei Xp die Durchschnittsbreite der Treiberelektroden ist.

8, Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterspeicherschicht eine Dotierungsdichte aufweist, welche folgende Beziehung erfüllt;

\4/7

wobei Eg die Bandbreite des Halbleiters in eV und K₁ die Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht darstellt

9. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Halbleiterspeicherschicht (33) von einem ersten Leitfähigkeitstyp, welche an beiden Hauptflächen durch eine Halbleiterisolierschicht (32, 34) eines zweiten Leitfähigkeitstyps begrenzt ist, eine Isolierschicht (31), welche eine der Isolierschichten überdeckt, mehrere ladungsgekoppelte Treiberelektroden in Anordnung auf der Isolierschicht, Elemente zur Vorspannung der Speicherschicht gegenüber den Isolierschichten, Elemente zur steuerbaren Einführung freier Ladungsträger in die Speicherschicht entsprechend der Eingangsformation und Elemente zur Anzeige des Vorliegens oder Nichtvorliegens der freien Ladungsträger in der Speicherschicht

10. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (42) von einem Leitfähigkeitstyp, weiche an gegenüberliegenden Seiten durch Speicherschichten (40, 41) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps begrenzt ist, und durch eine Isolierschicht (43, 44), welche die Räche jeder der Speicherschichten begrenzt.

11. Bauelement nach Anspruch 10,gekennzeichnet durch Elemente zur Verbindung der ersten und zweiten Speicherschicht.

12. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Speicherschicht (84) von einem bestimmten Leitfähigkeilrtyp, ek'e Halbleiterschicht (85) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, weiche die erste Schicht überdeckt, mehrere im Abstand befindliche Treiberelektroden (81—83), welche an der Speicherschicht liegen, wobei jede der Treiberelektroden mit der Speicherschicht eine Schottky-Schranke bildet, Elemente (87) zur Vorspannung der Speicherschicht gegenüber der ersten Halbleiterschicht und Elemente zur aufeinanderfolgenden Vorspannung der Treiberelektroden.

13. Bauelement nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (90), welche die im Abstand befindlichen Teile der Speicherschicht zwischen den Treiberelektroden überdeckt.

14. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (85) p-leitend und die Speicherschicht (84) η-leitend ist.

15. Bauelement nach Anspruch 12, wobei der Halbleiter aus Silicium besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberelektroden (81-83) ein Metall aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Mo, W, Ni, den sechs zur Platingruppe gehörigen Metallen und Gemischen hiervon umfassen und daß die Scholtky-Schranke eine Metall/Silicid/Silicium-Zwischenfläche umfaßt.

16. Bauelement nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine erste Halbleiterschicht (85') eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine zweite Speicherschicht (84') des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, welche die erste Schicht überdeckt, mehrere gesonderte

Verunreinjgungsberejche (91) t|e? ersten Leitf&higkeitstyps, welche in die Speicherschacht (84') eingeformt sind, mehrere Treiberelektroden (81'— 83'), welche auf den Verunreinigungsbereichen ausgebildet sind, Elemente (88') zu der Vorspannung der ersten Schicht gegenüber der Speicherschicht (84') und Elemente zur aufeinanderfolgenden Vorspannung der Treiberelektroden.

17. Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp p-Ieitend ist und daß der Speicherhalbleiter n-leitend ist

18. Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungsdichte der Speicherschicht (84') größer als diejenige der ersten Schicht (85') ist

19. Bauelement nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch ein fünf Schichten umfassendes Halbleitergebilde mit schichtweise wechselndem Leitfähigkeitstyp, wobei die Mittelschicht und jede der Außenschichten zur Begrenzung von Zwischenspeicher-Schichten vorgesehen sind.