DE2334116C3 - Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement - Google Patents

Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement

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DE2334116C3 DE19732334116 DE2334116A DE2334116C3 DE 2334116 C3 DE2334116 C3 DE 2334116C3 DE 19732334116 DE19732334116 DE 19732334116 DE 2334116 A DE2334116 A DE 2334116A DE 2334116 C3 DE2334116 C3 DE 2334116C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art
Ein Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement zur Bildaufzeichnung mit allen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen ist aus der US-Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices«. Bd. ED-18. 1971. Nr. II. Seiten 986-992 bekannt. Dabei sind Mittel zum Aufbau eines Potentials im Halbleiterkörper zwischen den knegrationsbereichen vorgesehen, nämlich Elektroden, die auf der Oxidschicht jeweils zwischen den die Integrationsbereiche im Halbleiterkörper erzeugenden Elektroden angeordnet sind.
Ferner ist es aus den US-Zeitschriften »Applied Physics Letters«. Bd. 19. 1971. Nr. 12. Seiten 520-522 und »IEEE Journal of Solid-State Circuits«. Bd. SC-6. 1971. Seiten 314—322 bei Ladungsübertragung*-Halbleiterbauelementen bekannt derartige Mittel durch Sperrschichtbereiche gleichen Leitfähigkeitstyps, die im Halbleiterkörper an der mit der Oxidschicht bedeckten Oberfläche zwischen den Integrationsbereichen angeordnet sind und durch Elektroden die auf einem verdickten Abschnitt zwischen den integrationsbercichen angeordnet sind, zu bilden. Die zur Festlegung der Übertragungsrichtung dienenden Sperrschichtbereiche sind indessen bei den bekannten Halbleiterbauelementen asymmetrisch, d. h. an einem Rand jeder Elektrode angeordnet, so daß nach Anlegen einer 2phastgen Taktspannung effektiv nur an einer Seite jedes Integrationsbereiches ein Sperrschichtbereich vorhanden ist. Hierdurch können überschüssige Ladungsträger, die zum Beispiel bet Verwendung derartiger Bauelemente zur Bildaufzeichnung durch Licht mit hoher Intensität erzeugt werden, über den Übertragungskanal in benachbarte Integrationsbereiche fließen, was /ur Ausbildung von weißen Flecken in den benachbarten Integrationsbereichen führt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Halbleiterbauelementes der eingangs erwähnten Art. bei dem während des Integrationsbetriebs das Abfließen von überschüssigen Ladungsträgern in benachbarte Integrationsbereiche vermieden wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelementes gemäß Patentanspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2—11 gekennzeichnet.
Durch die Ausbildung von Ablaufbereichen und durch die Erzeugung von geeignet bemessenen Potential-
schwellen zwischen den Ablaufbereichen und den Integrationsbereichen fließen überschüssige Ladungsträger in die Ablaufbereiche und nicht in benachbarte Integrationsbereiche. Hierdurch können die eingangs erwähnten weißen Recken bei der Bildaufzeichnung vollständig vermieden werden.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausruhrungsbeispiele näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes;
F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1;
Fig.3 und 4 Schnitte durch jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rauelementes;
F i g. 5 eine Draufsicht auf einen Teil eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Bauelementes und
F i g. 6A und 6B Schnitte längs den Linien SA, 6BSA, 6ßinFig.5.
Das in F i g. 1 dargestellte Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement enthält einen Abbildungsbereich IA in dem Ladung in Abhängigkeit von einfallendem Licht gesammelt wird, sowie einen Speicher- und Auslesebereich SRA, der gegenüber dem Licht abgeschirmt ist und zu dem die Ladung zur Ablesung übertragen wird, um ein »Verschmieren« zu vermeiden. Jedoch kann die Erfindung auch bei anderen Ladungsübertragungs-Bauelementen vom Typ der ladungsgekoppelten Schaltungen oder der Eimerkettenschaltungen verwendet werden.
Das zur Bildaufzeichnung vorgesehene Bauelement umfaßt grundsätzlich einen Halbleiterkörper 10, beispielsweise aus Silizium, eine den Halbleiterkörper bedeckende Isolierschicht U, beispielsweise aus SiO2 sowie auf der Isolierschicht U angebrachte Elektroden für die Ladungsspeicherung und -übertragung innerhalb des Halbleiterkörpers. Bei der dargestellten Halbleiterstruktur sind fingerartige Fortsätze an den Elektroden Φι» Φα. Φι* Φ2* Φιγ und Φ gebildet Mit Ausnahme der letzten Zeile des veranschaulichten Bauelementes bildet jeder Fortsatz 'm Halbleiterkörper unter sich eine Zeile « von Integrations- bzw. Ladungsübertragungsbereichen, die durch vertikale Streifen eines Dotierungsbereiches 12 in einzelne Bereiche aufgeteilt sind, die ihrerseits gesonderte Matrixspalten von Integrations- bzw. Ubertragungsbereichen 13 in dem Halbleiterkörper bilden. Der Dotierungsbereich 12 vird nachstehend näher erläutert. In der letzten Zeile der Anordnung stellt jeder Fortsatz eine besondere Elektrode dar. Die dritte und fünfte Elektrode in dieser Zeile ist mit der Elektrode Φ\γ durch eine nicht dargestellte, diffundierte Unterkreuzung verbunden. Diese Zeile ist so ausgebildet, daß Ladungsträger nach rechts zu einem Ausgangselement übertragen werden, welches durch einen ebenfalls nicht veranschaulichten, diffundierten Bereich in dem Halbleiterkörper gebildtt wird. Dieser Bereich ist zur Sammlung der Ladungsträger über eine Leitung 14 in Sperrichtung vorgespannt.
Auf die vorgenannte Weise umfabt das veranschaulichte Bauelement eine Anordnung von 3 χ 12 Ladungsübertragungs-Bereichen und eine Auslesezeile von sechs Ladungsübertragungs-Elektroden. Die ersten sechs Zeilen umfassen den Abbildungs- bzw. Integrationsbereich und die letzten sieben Zeilen, welche gegen einfallendes Licht abgeschirmt sind, umfassen den Speicher- und Auslesebereich. (Die ersten drei Zeilen des Abbildungsbereiches sind in F i g. 1 nicht dargestellt.) Während einer Inte^rationsperiode wird entweder die Elektrode Φι, oder die Elektrode Φ2, auf einem konstanten Potential ^,gehalten, um Ladungsträgerpakete in den Integrationsbereichen unterhalb der damit gekoppelten Fortsätze zu sammeln. Die dazwischenliegenden Zeilen werden auf einem niedrigen Restpotential Vr gehalten. Das gesamte Bild wird anschließend zu dem Speicherbereich SRA durch entsprechende Impulstastung der Elektroden Φα Φα Φίί und Φ* mit den Potentialen Vr und Vp übertragen. Jede Ladungszeile wird danach aufeinanderfolgend zu der Auslesezeile durch Impulstastung der Elektroden Φι» Φι* und ΦιΓ übertragen und seitlich durch Impulstastung der Elektroden Φ und Φ-u ausgelesen. Die Vorspannungsquellen der genannten Elektroden sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht veranschaulicht
Die Erfindung wird am besten durch die F i g. I und 2 erläutert Zum besseren Verständnis ist der Halbleiterkörper p-leitend gewählt obgleich ebensogut auch ein η-leitender Halbleiterkörper vorgesehen werden kann, wenn zugleich die anderen veranschaulichten Polaritäten umgekehrt werden. Gemäß F i g. 1 ist ein einen Ablaufbereich 15 bildender erster Lotierungsbereich aus η+-leitendem Material in dem Halbleiterkörper gebildet Der Ablaufbereich 15 verläuft in Form von vertikalen Streifen durch die gesamte Länge des Abbildungsbereiches, so daß eine enge Nachbarschaft zu jeder» Integrationsbereich des Halbleiterkorpers gegeben ist Der Ablaufbereich 15 wird durch eine schematisch als Batterie dargestellte Spannungsquelle 16 in Sperrichtung vorgespannt so daß der Ablaufbereich 15 Ladungsträger, im vorliegenden Beispielsfalle Elektronen, anzieht In den Abschnitten zwischen den Integrationsbereichen und dem Ablaufbereich 15 liegt ein zweiter ρ+-leitender Dotierungsbereich 12. Da dieser Dotierungsbereich unter anderem zur Festlegung der Ladungsübertragungskanäle dient, verläuft der ρ+-Dotierungsbereich über die gesamte Länge des Bauelementes.
Die Wirkungsweise der vorstehend erwähnten Dotierungsbereiche ist anhand von Fig.2 dargestellt. Die gestrichelte Linie 17 veranschaulicht den Verlauf des Potentials an der Halbleiteroberfläche längs einer Zeile des Bauelementes. Die Elektrode Φι, wird im Integrationsbetrieb auf ein konstantes Potential Vp vorgespannt Da das mit Pfeilen angedeutet-; Licht lediglich auf den zweiten Integrationsbereich dieser Zeile fällt, sammeln sich dort Elektronen an, während der erste und dritte Integrationsbereich leer bleiben. Sobald sich im zweiten Integrationsbereich Ladungen ansammeln, nimmt das Potential an der Oberfläche ab. Solange das Potential an der Stelle ψ5 größer als das Schwellwertpotential Vrist. bleibt die Ladung auf diesen Integrationsbereich beschränkt. Ist jedoch das Licht so intensiv, daß das Potential if's kleiner oder gleich dem Schwellwertpotential ψτ ist, so fließt bei bekannten Bauelementen die Ladung in die benachbarten Bereiche über. Statt dieses unerwünschten Vorganges wird, wie bereits erwähnt, bei den erfindungsgemäßen Bauelementen die überschüssige Ladung durch das Potential Vo des AblaufbereicHs 15 angezogen. Auf diese Weise werden Verzerrungen des aufgezeichneten Bildes bzw. die erwähnten weißen Flecken vermieden. Die überschüssigen Ladungsträger werden auch daran gehindert, in benachbarte Zeilen der Integrationsbereiche überzufließen (d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Bildebene von F i g. 2), da daf Schwellwertpotential ψτ auf einen höheren Wert als dasjenige Potential eingestellt wird, das durch die Elektrode Φι/ erzeugt wird, die während des Integrationsbetriebs auf einem
Restpotential gehalten wird. Während des Übertra- wobei die Streifen in gleicher Weise wie der gungsbetriebs, wenn also die Elektrode Φ,, mit dem Dotierungsbereich 12 in Fig. 1 vertikal nach unten Potential Vp impulsgetastet wird, wird die in dem verlaufen. Die Streifen sind an einem Ende des Integrationsbereich vorhandene Ladung zu einer Bauelementes mit einer nicht dargestellten Spannungsbenachbarten Zeile übertragen. Allgemein ergibt sich, 5 quelle verbunden, die im vorliegenden Beispielsfalle daß der Ablaufbereich 15 einen Ablauf für überschüssige eine positive, konstante Vorspannung erzeugt, deren Ladungsträger bildet, während der zweite Dotierungs- Amplitude zur Erzeugung des gewünschten Oberfläbereich 12 das gewünschte Schwellwertpotential ψτ an chenpotentials ψτ an den Rändern der Integrationsbeder Halbleiteroberfläche aufrechterhält, so daß wäh- reiche ausreichend groß gewählt ist. Bei dem Bauele-Vend des Integrationsbetriebs überschüssige Ladungs- io ment wird eine zweite Isolierschicht 19 über der träger zu dem Ablauf und nicht zu benachbarten Schwellwertelektrode 18 niedergeschlagen, um diese Integrationsbereichen abfließen. gegenüber den Ladungsübertragungs-Elektroden Φ2, zu
Jeder Dotierungsbereich kann durch ein übliches isolieren.
Diffusions- oder ionenimplantationsverfahren gebildet Das in F i g. 5 veranschaulichte Bauelement stellt ein werden. In vorteilhafter Weise kann man gleichzeitig 15 Übertragungs- und Speicherbauelement zur Abbildung mit der Diffusion der Ausgangsdioden die Dotierungen von Linien dar, wobei eine Ladung in einer Zeile des ersten Diffusionsbereiches 15 eindiffundieren und unterhalb der Elektrode Φι (Abbildungsbereich) inteanschließend den zweiten Dotierungsbereich 12 durch griert wird und anschließend über den Bereich unterhalb Ionenimplantation einer Fläche herstellen, die den der Elektrode Φ? in den Bereich unterhalb der letzten ersten Dotierungsbereich überlappt. Da der erste 20 Zeile übertragen wird, die die Elektroden <PXr und <Pir Bereich wesentlich stärker als der zweite Bereich umfaßt. Die letzteren drei Elektroden überdecken dotiert ist, hält der erste Bereich die richtige Polarität diesen Bereich, der gegenüber dem einfallenden Licht aufrecht. Zur Dotierung des ersten Bereiches können abgeschirmt ist und den Auslesebereich umfaßt. Es beliebige bekannte Donatoren vorgesehen werden, werden wiederum Ladungsträgerpakete durch seitliche beispielsweise Phosphor oder Arsen, während der 25 Übertragung zu einem Ausgangselement, z. B. 14. zweite Bereich beliebige bekannte Akzeptoren enthal- ausgelesen. Ebenso sind zur Festlegung der Übertraten kann, beispielsweise Bor. Die Dotiemngskonzentra- gungskarSle diffundierte Bereiche 24 mit p*-Leitfähigtion des ersten Bereiches 15 beträgt vorzugsweise etwa keit (für einen p-Halbleiterkörper) vorgesehen.
10I9cm-J, obgleich ein weiter Konzentrationsbereich Zur Verhinderung des Überfließens von überschüssizulässig ist. solange die Konzentration in dem ersten 30 gen Ladungsträgern ist bei dem vorliegenden Ausfüh-Dotierungsbereich größer ist als die Konzentration in rungsbeispiel ein einziges Band eines η * -dotierten dem zweiten Dotierungsbereich. Die Dotierungskon- Bereiches 20 (bei p-leitendem Halbleiterkörper) vorgezentration des zweiten Dotierungsbereiches 12 soll sehen, welches wiedemm durch eine Spannungsquelle zumindest dem zehnfachen Wert der Dotierungskon- 21 in Sperrichtung vorgespannt ist. um bewegliche zentration des Halbleiterkörpers entsprechen, um die 35 Ladungsträger zu sammeln. Ferner überdeckt eine gewünschte Verarmung der Halbleiteroberfläche in einzige Metallelektrode 22 die Isolierschicht in dem diesen Bereichen entsprechend den vorstehend erwähn- Abschnitt zwischen dem Abbüdungsbereich und dem ten Gesichtspunkten sicherzustellen. In einem üblichen Dotierungsbereich 20. Die Elektrode 22 wird durch die Bauelement, bei dem das Potential V„ zu 20 Volt und das Spannungsquelle 23 auf einem konstanten positiven Potential Vr zu 2 Volt gewählt werden, liegt die *o Potential VT gehalten. Gemäß F i g. 6A wird diese Dotierungskonzentration des zweiten Dotierungsberei- konstante Vorspannung wiederum so gewählt, daß das ches 12 in der Größenordnung von 10'6cm-J. Eine Oberflächenpotential ψτ an der darunterliegenden Bestimmung der erforderlichen Dotiemngskonzentra- Halbleiteroberfläche größer als das Potential unter der tion liegt im üblichen Fachwissen, so daß ein näheres benachbarten Elektrode Φ2 ist. wenn es auf dem Eingehen hierauf entbehrlich ist 45 Restpotential während des Integrationsbetriebs gehal-Zur Erzielung des gewünschten Oberflächenpoten- ten wird, so daß die überschüssigen Ladungsträger in tials zwischen den Ablauf- und Integrationsbereichen den Bereich 20 und nicht in den Aiislescbereich des gibt es zahlreiche andere Möglichkeiten. In F i g. 3 und 4 Bauelementes fließen. Wenn die Elektrode Φι zur sind zwei Querschnitte durch alternative Ausführungs- Übertragung der Ladungszeile zu dem Auslesebereich beispiele dargestellt Gemäß F i g. 3 ist ein fingerartiger, so impulsgetastet wird, wird gemäß F i g. 6B ein Pote. rial metallischer Fortsatz auf einer Isolierschicht 11 mit größer als das Oberflächenpotential ψτ aufgebaut, so abgestuftem Aufbau niedergeschlagen, der durch daß keine Ladung zu dem Ablaufbereich während des bekannte photolithographische Ätzverfahren erzielt Auslesens übertragen wird.
werden kann. Der Potentialverlauf 17 ist im wesentli- Die Elektrode 22 kann durch einen horizontalen chen mit dem Potentialverlauf des Bauelementes nach 55 Streifen mit p+-Dotierung innerhalb des Halbleiterkör-F i g. 2 identisch. Die Dicke der abgestuften Isolier- pers ersetzt werden, um das erforderliche Oberflächenschicht ist so gewählt, daß das Oberflächenpotential ψτ potential ψτ zu erzeugen. Ferner ist es möglich, den entsprechend den vorstehenden Ausführungen gebildet Ablaufbereich durch eine entgegengesetzt vorgespannwird. Wenn beispielsweise das Potential Vp zu 20 V und te Metallelektrode zu bilden, weiche mit ihrem einen das Potential Vr zu 2 V gewählt werden, so beträgt der 60 Ende die Isolierschicht und einen kleinen n+-Dotiedicke Abschnitt der Isolierschicht etwa das 5fache des rungsbereich überdeckt und damit eine Diode bildet dünnen Abschnitts. Die Metallelektrode erzeugt zur Ladungssammlung Gemäß F ig. 4 wird eine gesonderte Schwellwertelek- einen Verarmungsbereich in dem darunterliegenden trode 18 verwendet, um das gewünschte Oberflächenpo- Halbleiterkörper, während durch die genannte Diode tential ψΓ aufrechtzuerhalten. Die Elektrode 18 besteht 65 Ladungsträger aus dem Halbleiterkörper entfernt aus einem Muster eines leitenden Materials, das auf der werden.
Isolierschicht 11 in Form von Streifen aufgebracht ist
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Ladungsübertragungs-Halbleiterbauelement zur Bildaufzeichaung. mh einem Halbleiterkörper. > einer Isolierschicht, weiche zumindest einen Teil einer ebenen Oberfläche des Halbleiterkörpers überdeckt, und mit Metallelektroden auf der Isolierschicht, die so angeordnet und mit Potentialen beaufschlagt sind, daß örtlich festgelegte Integra- to tionsbereiche im Halbleiterkörper gebildet werden» in denen bewegliche, in Abhängigkeit von auf den Halbleiterkörper fallendem licht erzeugte Ladungsträger gesammelt werden und durch die die beweglichen Ladungsträger in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der mit der Isolierschicht bedeckten Oberfläche zu einem im Halbleiterkörper angeordneten Ausgangsbereich übertragen werden, bei dem fer. ^r Begrenzungsmittel zum Erzeugen von PotentiafschweHen für die beweglichen La- ja dungsträger der Integrationsbereiche vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ablaufbereich (15, 20) für die beweglichen Ladungsträger im Halbleiterkörper benachbart zu den Integrationsbereichen angeordnet ist und daß ■«· die von den Begrenzungsmittein erzeugten Potentialschwellen zwischen dem Ablaufbereich und den Integrationsbereichen liegen und so bemessen sind, daß während des Integrationsbetriebs in den Integrationsbe-eichen vorhandene überschüssige to bewegliche Ladungsträger sich zu dem Ablaufbereich (15,20) -bewegen.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Leit:ahigkeitstyp des Ablaufbereiches (15, 20) dem Leitfähigkeitstyp des «'· Halbleiterkörpers entgegengesetzt ist und daß am Ablaufbereich eine Vorspannung in Sperrichtung anliegt
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die die Potentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel einen Bereich (12) mit gleichem Leitfähigkeitstyp und mit zumindest 1Ofach höherer Dotierungskonzentration wie der Halbleiterkörper umfassen, welcher zwischen den Integrationsbereichen und dem Ablaufbereich angeordnet ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die die Potentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel einen den Bereich zwischen den Integrationsbereichen το und dem Ablaufbereich überdeckenden, verdickten Abschnitt der Isolierschicht (11) umfassen.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die die Putentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel >5 eine den Ablaufbereich überdeckende Metallelektrode (18) umfassen.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die die Potentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel no eine den Bereich zwischen den Integrationsbereichen und dem Ablaufbereich (20) überdeckende Metallelektrode (22) umfassen.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektroden (Φα, Φι) in einer zweidimensionalen Anordnung so angebracht sind, daß eine Matrix von Integrationsbereichen gebildet ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet daß die Ablaufbereiche und die die Potentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel längs der Matrixspalten verlaufen.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Metallelektroden (Φι) derart angeordnet sind, daß eine Zeile von IntegratJonsbereichen gebildet iA
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch Z dadurch gekennzeichnet daß der Ablaufbereich (15) und die die Potentialschwellen erzeugenden Begrenzungsmittel streifenförmig angeordnet sind.
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