DE2414753A1

DE2414753A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2414753A1
Application number: DE19742414753
Authority: DE
Inventors: Leonard Jan Maria Esser
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1975-06-05
Also published as: JPS5242673B2; NL7316495A; CH571755A5; IT1010702B; FR2253276A1; CA1015451A; GB1470441A; DE2414753C2; FR2253276B1; ES424446A1; AU6688374A; JPS5087286A

Description

PHN 7261

Günther μ. david veec/v

Pafenfassessor
Anmelder: N. V. philips· GLOEILAMPENFABRIEKEN ο / 1 / ί c ο

Akte, Wt/ Uni 2414753

Anmeldung vom» l£ _t 1 7-f

"Halbleiteranordnung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine ladungsgekoppelte Anordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei ■Mittel zur Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung vorgesehen sind und diese Schicht eine Dicke und eine Dotierungskonzentration aufweist, die derartig sind, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Halbleiterschicht eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe örtlich Information in Form von aus MajoTitätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht eingeführt wird, während weiter Mittel vorhanden sind,

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rait deren Hilfe diese Information anderswo in der Schicht ausgelesen wird, wobei wenigstens auf einer Seite der Schicht ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht angebracht ist, mit deren Hilfe die Ladung durch die Halbleiterschicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung zu den Auslesemitteln transportiert werden kann.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die

'ladungsgekoppelte Anordung dieser Art, die den Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 24 12 699.6 der" Anmelderin "bildet.

Beim Betrieb dieser ladungsgekoppelten Anordnung kann eine erhebliche Verbesserung erzielt werden, wenn die Information einem Hintergrundsignal derart überlagert wird, dass während jeder Übertragung von Ladung von einer kapazitiven Speicherstelle auf die nächste kapazitive Speicherstelle mindestens eine gewisse minimale dur.ch das Hintergrundsignal bestimmte Ladungsmenge am Transportvorgang beteiligt ist. Der überraschende Effekt dieser Verbesserung besteht u.a. darin, dass dieser Betriebsmodus in den ladungsgekoppelten Anordnungen, in denen der Ladungstransport in dem Inneren oder der Masse der Halbleiterschicht erfolgt, zu welcher Art ladungsgekoppelter Anordnungen auch die vorliegende Anordnung gehört, im allgemeinen keine Verbesserung ergibt. · .

Nach der Erfindung ist eine ladungsgekoppelte Anordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht

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von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei Mittel zur Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung vorhanden sind und diese Schicht eine Dicke und eine Dotierungskonzentration aufweist, die derartig sind, dass mit Hilfe einer elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Halbleiterschicht eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfte örtlich Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht eingeführt wird, während weiter Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe diese Information anderswo in der Schicht ausgelesen wird, wobei auf wenigstens einer Seite der Schicht eine Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der HaIbleiterschiclit angebracht ist, mit deren Hilfe die Ladung durch die Halbleiterschicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung zu den Auslesemitteln transportiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht wenigstens örtlich unter dem Elektrodensystem mit einer Oberflächenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp versehen ist, die höher als der angrensende Teil der Halbleiterschicht dotiert ist und sich, nur über einen Teil der Dicke der Schicht"in der Halbleiterschicht erstreckt, wobei Glieder zur örtlichen Einführung einer konstanten Menge an Majoritätsladungsträgern als Hintergrundmenge vorhanden sind, und wobei die Information als eine der Hintergrundmenge überlagerte Menge an Majoritätsladungsträgern und zusammen mit dieser Hintergrundmenge zu

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den Auslesemitteln transportiert wird.

"Wenn die Anordnung als (Bild-)Sensor ausgeführt ist, können die Mittel z.B. Durch eine Hilfsstrahlungsquelle gebildet werden, die die Anordnung gleichmässig, also mit einer an allen Stellen gleichen Intensität, bestrahlt, wobei diese Hilfsstrahlung entweder kontinuierlich oder vor, während oder nach der Integrationsperiode auf die Anordnung einfallen kann. Vorzugsweise wird im Falle eines (Bild-)Sensors das Hintergrundsignal als elektrisches Signal zugeführt. Eine besondere Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe periodische Signale dem Elektrodensystem zugeführt werden die den Ladungstransport steuern, wobei Eingangsmittel vorhanden sind, mit deren Hilfe während jeder Periode der dem Elektrodensystem zugeführten Signale ein Hintergrundsignal Mitteln zur örtlichen Einführung von Majoritätsladungsträgern zugeführt wird, wodurch während jeder Periode eine konstante Menge an Majoritatsladungstragern in die Halbleiterschicht eingeführt wird, die die Hintergrundmenge bildet, der die Information in Form weiterer zugeführter Ladungsträger überlagert wird.

Auch können elektrische Eingangssignale der Anordnung zugeführt werden. Die betreffende bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass weiter Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe elektrische Signale, die Information darstellen, wenigstens einem Teil der Mittel zur ort-

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liehen Einführung von Majoritätsladungsträgern zugeführt werden.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Draufsicht auf einen Teil einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,

Fig.- 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 durch clie Anordnung nach Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1 und weiter noch einen schematischen Querschnitt durch einen Teil der Anordnung nach Fig. 1, der einen elektrischen Eingang für (die ladungsgekoppelte Anordnung enthält, und

Fig;, h als Funktion der Zeit Takt spannungen, die dem Elektrodensystem der Anordnung nach den Figuren 1 bis zugeführt werden können.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine ladungsgekoppelte Ano-ardnung dargestellt (als "charge-coupled device" und als "charge transfer device" oder als CCD bzw. CTD bezeichnet), die von einem in der niederländischen Patentanmeldung 7· 11:4.770 beschriebenen Typ ist. Die Anordnung enthält einen Kalbleiterkörper 1 (siehe Figuren 2, 3) mit einer Halbleiterscliicht 2 aus η-leitendem Silicium.

Ausgenommen etwa zum Einführen und zum Auslesen der durch die Anordnung zu transportierenden Ladung kann die HaIbleitefschicht 2 wenigstens beim Betrieb gegen die Umgebung

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isoliert werden. Zu diesem Zweck sind Mittel vorhanden, die z.B. durch die Isolierschicht 12 gebildet werden, mi.t deren Hilfe die Schicht 2 auf der Seite 3 gegen die Umgebung isoliert ist, während auf der gegenüberliegenden Seite bzw. den Seitenflächen die Schicht 2 von beim Betrieb gesperrten pn-Übergängen 13 bzw. 14 isoliert werden kann. Die Isolierung kann aber auch auf andere Weise erhalten werden. So kann z.B. die p-leitende Isolierzone 15 (siehe Fig. 2), die den pn-Übergang 14 mit der Schicht 2 bildet, völlig oder teilweise durch eine Schicht aus Isoliermaterial, z.B. Siliciumoxid, ersetzt werden, die über einen Teil ihrer Dicke in die Schicht 2 versenkt ist. In Fig. 1 ist der pn-übergang 14, der also die laterale Begrenzung der Schicht 2 bildet, mit gestrichelten Linien angegeben.

Die Schicht 2 weist eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Schicht 2 eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag gebildet werden kann. Ein derartiger Durchschlag kann z.B. aus einer Lawinenvervielfachung in der Schicht 2 bestehen. Weiter sind Mittel* zur örtlichen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht 2 vorhanden. Diese Mittel können z.B.' einen an eine elektrische Signalquelle anzuschliessenden Kontakt auf der Halbleiterschicht enthalten. Die genannten Mittel können aber auch eine elektromagnetische Strahlungsquelle enthalten,

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■wobei von dieser Quelle emittierte Strahlung nach Absorption in der HalbOLeiterschicht 2 in Ladungsträger umgewandelt wird.

In diesem Zusammenhang sind unter Majoritätsladungsträgern bewegliche Ladungsträger von dem Typ zu verstehen, der in der Halbleiterschicht 2 -in thermischem Gleichgewicht ist und beim Fehlen elektrischer Felder eine Mehrheit bildet.

Fig. 3 zeigt neben dem rechten Teil, der den Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1 darstellt, im linken Teil schematisch im Schnitt den Eingang der ladungsgekoppelten Anordnung. Hier befindet sich der genannte Kontakt auf der Halbleiterschicht 2, der durch die leitende Schicht 101 gebildet wird. Nötigenfalls ist unter dieser leitenden Schicht 101 eine hölier dotierte Kontaktzone 102 vom ersten Leitfähigkeit styp vorhanden, um eine ohmsehe Verbindung zwischen der leitenden Schicht 101 und der Halbleiterschicht 2 zu erhalten. Die Oberflächenkonzentration der Dotierung in dieser Zone 102

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liegt z.B. zwischen 10 und 10 Atomen/cm .

Weiter sind Mittel vorhanden, mit deren Hilfe diese Ladung anderswo in der Schicht 2 ausgelesen wird. Diese Mittel, die in den Figuren nicht dargestellt sind, können z.B. einen c-Jsmschen Anschlusskontakt erhalten.

Auf der Seite 3 der Halbleiterschicht 2 ist ein Elektrodensystem ^—11 zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Schicht 2 angebracht, mit deren Hilfe die Ladung durch die Halbleiterschicht 2 in einer zu der Schicht 2 parallelen Richtung zu· den genannten Auslesemitteln trans-

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portiert iverden kann.

Das Elektrodensystem kann z.B. eine piezoelektrische Schicht enthalten, mit deren Hilfe eine akustische Welle in eine elektrische Welle umgewandelt.werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält da.s Elektrodensystem aber eine Anzahl Elektroden 4-11, die durch eine sperrende SiIiciumoxidschicht 12 von der Halbleiterschicht 2 getrennt sind. Die Schicht 12, die meist durchsichtig ist, ist in Fig. 1 " der Deutlichkeit halber nicht dargestellt.

Die Ränder der Elektroden 4, 6, 8 und 10, die, vie aus Fig. 3 ersichtlich ist, unter den Elektroden 5, 7, 9 und 11 liegen, sind in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angegeben. Wie aus den Figuren 1 und 3 ersichtlich ist, erstrecken sich die Elektroden 4-11 in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung über die ganze Breite der Halbleiterschicht 2,

Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, ist die Halbleiterschicht 2 unter den Elektroden 4-11 mit einer nleitenden Oberflächenzone 17 versehen, die höher als der angrenzende Teil 19 der Halbleiterschicht 2 dotiert ist.

Die Oberflächenzone 17 erstreckt sich, wie in den Figuren 2 und 3 deutlich angegeben ist, nur über einen Teil der Dicke der Halbleiterschicht 2 in dieser Schicht.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschicht 2 mit'einer schichtförmigen Oberflächenzone 17 versehen, die sich praktisch über die ganze Oberfläche 18 der

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Halbleiterschicht 2 erstreckt.

Dabei können die Oberflächenzone 17 und der angrenzende Teil 19 der Halbleiterschicht 2 einfach durch aufeinander angebrachte η-leitende epitaktische Schichten mit voneinander verschiedenen Dotierungskonzentrationen gebildet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der niedriger dotierte Teil 19 der Schicht 2 in Form einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat 20 aus p-leitendem Silicium abgelagert, während eine höher dotierte Oberflächenzone 17 in Form einer zweiten epitaktischen Schicht auf dem niedriger dotierten Gebiet 19 abgelagert ist.

\i±e in den Figuren 1 und 3 gezeigt ist, überlappen sich die Elektroden 4-11 teilweise, wodurch die gegenseitigen effektiven Abstände der Elektroden sehr klein sein können. Ein derartiges Elektrodensystem kann durch an sich bekannte Techniken erhalten werden, wobei für die Elektroden h, 6, und 10 z.B. polykristallines Silicium und für die Elektroden ■5» 7» 9 und 11 ein Metall, z.B. Aluminium, verwendet wird. Die gegenseitige elektrische Isolierung zwischen den Elektroden h, 6, 8 und 10 einerseits und den Elektroden 5, 7» und 11 andererseits kann dadurch erhalten werden, dass das polykristalline Silicium teilweise oxidiert wird, wodurch die Siliciumoxidschicht 21 erhalten wird.

Wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, sind die Elektroden in vier Gruppen unterteilt, wobie die Elektroden h und 8 zu einer ersten Gruppe Von mittels der TaktSpannungsleitung

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22 miteinander verbundenen Elektroden, die Elektroden 5 und

9 zu einer zweiten Gruppe von mittels der Taktleitung 23 miteinander verbundenen Elektroden, die Elektroden 6 und zu einer dritten Gruppe von mittels der Taktspannungsleitung Zh miteinander verbundenen Elektroden und die Elektroden 7 und 11 zu einer vierten Gruppe von mittels der Taktspannungsleitung 25 miteinander verbundenen Elektroden gehören.

Zwischen den zu der Leitung 2h gehörigen und den zu der Leitung 25 gehörigen Elektroden ist eine schematisch dargestellte Gleichspannungsquelle 26 eingeschaltet, während zwischen den zu der Leitung 22 gehörigen und den zu der Leitung 23 gehörigen Elektroden eine schematisch dargestellte Gleichspannungsquelle 27 eingeschaltet ist. Die Spannungsquellen 26'um.d 27 liefern je eine Spannung von etwa 5 V· Die Spannungsquellen 26 und 27 führen eine Asymmetrie in dem System und damit eine Vorzugsrichtung für den Ladungstransport herbei, wodurch die Anordnung als eine zweiphasige Iadungsgekoppelte Anordnung betrieben werden kann. Beim Betrieb werden z.B. die Taktspannungsleitungen 22 und 2.h mit nicht dargestellten Spannungsquellen verbunden, mit deren Hilfe die in Fig. h daxgestellten Taktspannungen V„₂ bzw. V„. an die Taktleitungea 22 bzw. 24 angelegt werden können. Die Taktspannungen V„p und V^i weisen je zwei Pegel, und zwar einen niedrigen Pegel von etwa 0 V und einen hohen Pegel -von etwa

10 V", auf, wobei der Pegel von 0 V dem an das Substrat 20 angelegten Potential entspricht. Naturgemäss können statt der

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in Fig. h dargestellten Rechteckspannungen auch andere Taktspannungen verwendet werden, z.B. Spannungen, die mehr als zwei Pegel aufweisen, oder Spannungen, die als Funktion der Zeit eher einen sägezahnförmigen Charakter aufweisen. Die Halbleiterschicht 2 wird z.B. über den Ausgangskontakt an einen Pegel von etwa 20 V gelegt, wodurch beim Fehlen von Information darstellenden Ladungsträgern bei den gegebenen SpannungsρegeIn der Elektroden 4-11 und des Substrats 20 die Halbleiterschicht 2 über ihre ganze Dicke erschöpft ist. Wird nun ein Signal in Form von Majoritätsladungsträgern, als in Form von Elektronen, der Halbleiterschicht 2 zugeführt, so wird dieses Signal in einem Teil der Halbleiterschicht' 2 gespeichert, der einer Elektrode mit der höchsten positiven Spannung gegenüber liegt. Zu dem Zeitpunkt t (siehe Fig. k), zu dem die Elektrode 6 auf 10 V steht, steht die Elektrode infolge der Spannungsquelle 26 auf dem höchsten Potential und ist der dieser Elektrode gegenüber liegende Teil, der schematisch von den gestrichelten Linien 16 umgeben ist, mit signalbildenden Majoritätsladungsträgern, also Elektronen, ausgefüllt.

Die Spannung, die an die Elektrode 7 angelegt werden soll, um die in dem Gebiet 16 gespeicherte Ladungsmenge zusammenzuhalten, hängt nicht nur von der Grosse der Ladung, sondern auch von dem Abstand zwischen der Ladung und der Elektrode ab. Je nach dem dieser Abstand grosser ist, was bedeutet, dass die Ladung kapazitiv weniger stark mit der Elek-

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trode gekoppelt ist, soll diese Spannung grosser sein. Indem nun an der Oberfläche 18 der Halbleiterschicht 2 die höher dotierte Oberflächenschicht 17 angebracht wird, wird erreicht, dass der grösste Teil der Ladung in der Nähe der Oberfläche 18 und somit in unmittelbarer Nähe der Elektrode 7 konzentriert wird, wo die kapazitive Kopplung mit der Elektrode 7 sehr stark ist. Dadurch kann die ladungsgekoppelte Anordnung mit kleineren Taktspannungen - bei einer gleichen Ladungsmenge - als bei Anwendung einer homogen dotierten epitaktischen Schicht 2 betrieben werden. Ausserdem wird durch die höhere Dotierung der Schicht 17 die Ladung zwar in unmittelbarer Nähe, aber in einem endlichen Abstand von der Oberfläche 18 konzentriert, wodurch - wenigsten falls die Halbleiteranordnung aicht im Anreicherungsmodus betrieben wird die Möglichkeit, dass Ladung in Einfangzentren (traps) eingefangen wird, an der Oberfläche 18 erhablich verringert wird.

Zu dem in Fig. h mit t bezeichneten Zeitpunkt sinkt die Spannung ^nU auf 0 V herab, während V„„ den Pegel von 10 V erreicht. Dadurch werden die in dem Teil 16 der HaIbleiterschiciit 2 gespeicherten Elektronen zu dem von den gestrichelten Linien 28 umgebenen Teil der Halbleiterschicht 2, der der Elektrode 9 gegenüber liegt, transportiert, wobei das Gebiet 16 im wesentlichem von der Oberfläche 18 zu dem Substrat 20 erschöpft wird. Die Transportgeschwindigkeit kann ■ - bei einer liohen Transportausbeute — sehr gross sein, infolge der Tatsache, dass, obwohl die kapazitive Kopplung

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zwischen der Ladung und den Elektroden infolge der höheren Dotierungskonzentration der Oberfläche 17 gross ist, die Transportgeschwindigkeit im wesentlichen durch -die letzten Bruchteile noch zu übertragender Ladung bestimmt wird. Diese letzten Bruchteile werden tief im inneren der Halbleiterschicht 2 übertragen, sind dadurch nur schwach mit den Elektroden gekoppelt und können demzufolge verhältnismässig schnell übertragen werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der niedriger dotierte angrenzende Teil 19 der Schicht 2 eine Dicke von etwa 5 /Um und eine Dotierungskonzentration von

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etwa 5 · 10 Atomen/cm auf, während die höher dotierte Oberflächenzone 17 eine Dicke von etwa 0,3 /um und eine Dotie-

16 T

rungskonzentration von etwa h . 10 Atomen/cm aufweist. Die Breite der Halbleiterschicht 2 quer zu der Ladungstransportrichtung betragb etwa 20 /um und die Breite der Elektroden h~^^ in der Ladungstransportrichtung etwa 10 ,um. Die Ladungsmenge, die dabei pro Stufe (Bit) der ladungsgekoppelten Anordnung gespeichert werden kann, beträgt etwa 0,15 pC, wobei zu bemerken ist, dass diese Menge etwa die maximale Ladung ist, bei der bei den gegebenen Spannungen noch keine Verwaschung (smear) der Ladung auftritt. Etwa 80/o dieser Ladung kann in der hochdotierten Oberflächenzone 17» also sehr nahe bei den Elektroden, gespeichert werden wodurch für diesen Bruchteil verhältnismässig wenig Spannung benötigt' wird, während nur etwa 20^o in dem niedriger dotierten angrenzenden

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Teil 19, also in grösserer Entfernung von den Elektroden, gespeichert werden kann.

Obgleich oben bereits ein möglicher Betriebsm'odus beschrieben wurde, kann durch das Treffen weiterer Massnahmen · die Trasnportausbeute noch weiter erhöht werden. Bei diesem bevorzugten Betriebsmodus sind Glieder zur örtlichem Einführung einer konstanten Menge an Majoritatsladungsträgern in die Halbleiterschicht 2 als Hintergrundmenge vorhanden, wobei die Information als der Hintergrundmenge überlagerte Menge an Majoritätsladungsträgern und zusammen mit dieser Hintergrundmenge zu den Auslesemitteln transportiert wird. Als Hintergrundmenge wird also eine Reihe gleich grosser Ladungspakete zugeführt, wobei jedem dieser Ladungspakete gegebenenfalls ein Information darstellendes Signal in Form eines aus weiteren eingeführten Ladungsträgern bestehenden Ladungspakete zugesetzt wird.

Fie die meisten ladungsgekoppelten Anordnungen kann auch die vorliegende Anordnung als (Bild)Sensor ausgebildet werden. In diesem Falle fällt auf an sich bekannte Weise Strahlung auf die Anordnung ein, wobei das Bild durch Absorption von Strahlung und Erzeugung von Elektron-Lock-Paaren in ein dem Bild entsprechendes Ladungsmuster, das an einer oder mehreren der kapazitiven Speicherstellen gespeichert ist, umgewandelt wird. Meistens wird nach einer gewissen Integrationszeit das dann gebildete Ladungsmuster zu den Auslesemitteln transportiert und sequentiell ausgelesen.

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Bei dem vorliegenden Sensor können die obengenannten Glieder zur örtlichen Einführung einer konstanten Menge an Majoritätsladungsträgern aus einer (nicht dargestellten) Hilfsstrahlungsquelle bestehen, die die ladungsgekoppelte Anordnung gleichmässig, also mit e.iner gleichmässigen Intensität, bestrahlt. Eine derartige Hilfsstrahlung kann sowohl kontinuierlich sein als auch periodisch vor, während oder nach der Integrationsperiode angewendet werden. Es ist wichtig, dass wenigstens beim Transportvorgang zu den Auslesemitteln jedes der Information darstellenden Ladungspakete einer vorzugsweise für jedes dieser Pakete gleichen Hintergrundmenge an Majoritätsladungsträgern überlagert ist.· In diesem Falle wird dieses von der Hilfsstrahlungsquelle zugeführte Hintergrundsignal an den (oder einem Teil der) kapazitiven Ladungsspeicherstellen der ladungsgekoppelten Anordnung in Hintergrundladungspakete umgewandelt.

Vorzugsweise wird im Falle eines Sensors, wobei also die Information auf andere Weise als in Form elektrischer Signale zugeführt wird, ein elektrisches Hintergrundsignal verwendet, z.B. auf die nachstehend noch zu beschreibende Weise, lan allgemeinen können die Information darstellenden Signale und das Hintergrundsignal je für sich auf verschiedene Weise,,z.B. auf elektrischem oder optischem Wege oder durch Druck oder Wärme, zugeführt werden. Weiter kann die genannte" überlagerung" von Information und Hintergrund Sowohl bereits ausserhalb des Halbleiterkörpers der Anordnung als

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auch erst ±n diesem Körper bewirkt werden.

Nun wird beispielsweise eine ladungsgekoppelte Anordnung nach der Erfindung, bei der die Information in Form, elektrischer Signale zugeführt wird, beschrieben. Dies lässt sich z.B. in einer in Fig. 3 gezeigten Anordnung erzielen. Das Substrat 20 ist z.B. mit einem Punkt von Bezugspotential verbunden. Dies ist im linken Teil der Figur schematisch mit einem Anschluss 103 angegeben, der mit Erde verbunden ist. Weiter ist eine schematisch dargestellte TaktSpannungsquelle. 104 mit den Leitungen 22 und 24 verbunden. Diese Taktspannungsquelle lOh liefert z.B. Taktsignale V_?? und VpA » die um eine halbe Periode gegeneinander verschoben sind. Sie sind z.B. etwa rechteck- oder trapezförmig und variieren z.B. zwischen einem Höchstwert von etwa +3 V" und einem Mindestwert von etwa. -7 V. Die Gleichspannungsquellen 26 und 27 .liefern in diesem Falle z.B. eine Spannung von etwa 7 V.

Die Halbleiterschicht 2 ist z.B. über den in Fig. nicht dargestellten Ausgangskontakt auf der Schicht 2, der am Ende der ladungsgekoppelten Anordnung angebracht ist, an eine Spannung von etwa 20 V angelegt. Schematisch ist dies im rechten Teil der Fig. 3 mit einem Anschluss 105 und einer mit diesem verbundenen. Spannungsquelle 106 angegeben. In dieser Verbindungsleitung kann ein Widerstand 107 aufgenommen sein, wobei elektrische Ausgangssignale z.B. einer Klemme 108 entnommen werden können.

Am Eingangsende der ladungsgekoppelten Anordnung,

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das im linken Teil der Fig. 3 dargestellt ist, befindet sich ein Eingangskontakt 101, 102, der mit einer Eingangsklemme 109 verbunden ist. Zwischen der Eingangsklemme 109 ^und dem Substratanschluss 103 sind eine Eingangssignalspannungsquelle 110 und eine mit dieser in Reihe liegende regelbare Spannungsquelle 111 angeordnet. Die Quelle 110 liefert das elektrische Eingangssignal, das die eingehende Information darstellt. Mit Hilfe der Quelle 111 wird dem Eingangssignal ein Hintergrundsignal zugesetzt. Über der Quelle 110 kann erwünscht enf alls ein Schalter 114 angeordnet werden.

Neben dem Eingangskontakt 1C1, 102 befindet sich eine Eingangstorelektrode 112 auf der Isolierschicht. In diesem Falle ist diese Elektrode aus polykristallinem Silicium hergestellt, wobei die darauffolgende Metallelektrode 113 mit der Leitung 25 und über die Spannungsquelle 26 also auch mit der TaktSpannungsleitung 2h verbunden ist.

In diesem Falle gehören die Eingangsklemme 109, der •Eingangskontakt 101, 102 und die Eingangselektrode 112 sowohl zu den Mitteln zur örtlichen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht als auch zu den Gliedern zur örtlichen Einführung einer konstanten Menge an Majoritätsladungsträgern als Hintergrundmenge.

Nachdem die Halbleiterschicht 2 auf übliche Weise durch das Anlegen von Taktspannungen und/oder Hilfsspannungen praktisch völlig erschöpft ist, d.h., dass daraus praktisch

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alle beweglichen Ladungsträger entfernt sind, wird vorzugsweise eine Reihe von Hintergrundimpulsen zugeführt. Wenn der Schalter 114 geschlossen und zugleich der Eingangselektrode 112 eine geeignete Spannung, z.B. eine zwischen -7 V und +3 V variierende Rechteckspannung, zugeführt wird, wird das Hintergrundsignal in eine Reihe von Paketen von Majoritätsladungsträgern umgewandelt, die von dem Eingangskontakt 101, 102 zu der Speicherstelle unter der Elektrode 113 fliessen und dann mit Hilfe der Taktspannungen V_„ und V_?i weiter zu den Auslesemitteln hin transportiert werden. Der der Eingangselektrode 112 zugeführte Spannungsimpuls erreicht in diesem Falle seinen höchsten Spannungswert innerhalb der Zeitdauer, in der auch die Tafctspannung ^ ο U. i^¹¹*⁶*¹ höchsten Spannungswert erreicht. Diese Spannungsimpulse für die Eingangselektrode können mit Hilfe einer mit der Eingangstorelektrode 112 verbundenen Spannungsquelle 115 zugeführt werden. ¥enn, wie dies meistens der Fall ist, während jeder Periode der Taktspannungen Ixiformation zugeführt werden muss, kann die Eingangselektrode 112 aber auch mit der Leitung 2k verbunden Aver den.

Die Pakete von Majoritätsladungsträgern, die auf diese Weise mit Hilfe eines Hintergrundsignals erhalten werden, bilden je eine Hintergrundmenge, der die Information in Form weiterer zugeführter Majoritätsladungsträger überlagert werden kann. Zu diesem Zweck wird einfach nach einiger Zeit der Schalter 114 geöffnet.

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Naturgemäss kann statt einer Gleichspannung auch eine impulsförmige Spannung als Hintergrundsignal angewendet werden.

Im vorliegenden Beispiel kann bei den angegebenen Dotierungskonzentrationen und Spannungen an jeder der Speicherstellen eine nahezu einer Anzahl von Ladungsträgern von 5 · 10 Atomen/cm unter der betreffenden Metallelektrode. Etwa 80$ dieser Menge befindet sich in der Hoher dotierten Oberflächenschicht 17» während sich etwa 20$ im niedriger dotierten Teil 19 der Halbleiterschicht 2 befindet.

Mit Hilfe der regelbaren Spannungsquelle 111 kann die Grosse der Hintergrundmenge abgeregelt werden. Bei·einer optimalen Einstellung wird die Hintergrundmenge 10 bis 50$ der obengenannten maximalen gespeicherten Menge an Ladungsträgern betragen.

Bekanntlich ist einer der wichtigen Parameter ladungsgekoppelter Anordnungen die sogenannte Übergangsunwirksamkeit (transfer inefficiency), wobei die Summe von "transfer inefficiency" und Transportausbeute gleich 1 ist. Durch Anwendung einer Hintergrundmenge wird die "transfer inefficiency"' herabgesetzt .. Der Fachmann kann auf verhältnismässig einfache Weise durch Versuche die Grosse der Hintergrundmenge bestimmen, bei der die "transfer inefficiency" praktisch einen Mindestwert erreicht. Eine weitere Vergrösserung der Hintergrundmenge wird dann im- algemeinen nicht oder praktisch nicht zweckdienlich sein. Je nach der Anwendung

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kann auch mit einer geringeren Hintergrundmenge gearbeitet werden, wobei ein Kompromiss zwischen der "transfer inefficiency" und dem zwischen der Hintergrundmenge und der maximalen Menge verbleibenden Signalraum erreicht wird.

Es dürfte einleuchten, dass die Hintergrundpakete auch auf andere an sich bekannte Weise zugeführt werden können, wobei andere Mittel und Glieder erforderlich sein können. Z.B. können das Eingangssignal und das Hintergrundsignal der Eingangstorelektrode 112 zugeführt werden, wobei an den Kontakt 101, 102 eine konstante oder eine impulsförmige Spannung angelegt wird. Auch kann mit zwei aufeinanderfolgenden Eingangstorelektroden gearbeitet werden. Der Kontakt 101, .102 liegt dann z.B. an einer festen Spannung; die erste Elektrode wird mit einer Taktspannung betrieben, die bestimmt, zu welchen Zeitpunkten Majoritätsladungsträger eingeführt werden können, während die zweite Eingangstorelektrode das Hintergrundsignal mit dem ihm überlagerten Eingangssignal empfängt, wobei die Spannung an dieser zweiten Torelektrode die Menge an Majoritätsladungsträgern bestimmt, die in die zugehörige kapazitive Speicherstelle, also in die darunter liegende Potentialmulde, aufgenommen werden kann. Weiter können das Eingangssignal und das Hintergrundsignal auch an verschiedenen Stellen liegenden und/oder verschieden ausgebildeten (elektrischen) Eingängen zugeführt werden. Der hier beschriebene Betriebsmodus mit einem Hintergrundsignal ist an sich für ladungsgekoppelte Anordnungen bekannt, in

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denen die Ladungsspeicherung und der Ladungstransport an und längs der Halbleiterschicht stattfinden. In diesem Falle wird das Hintergrundsignal aber aus ganz anderen Gründen verwendet, wobei auch die Effekte, auf die sich die ¥irkung gründet, ganz verschieden sind. Im allgemeinen muss sogar gesagt werden, dass die Anwendung eines Hintergrundsignals in ladungsgekoppelten Anordnungen, in denen der Ladungstransport im Inneren oder in der Masse des Halbleiterkörpers stattfindet, praktisch keine Verbesserung ergibt und im Gegenteil meistens ungünstig ist.

'Der vorliegenden Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass unter sehr bestimmten Bedingungen die Anwendung eines Hintergrundsignals in ladungsgekoppelten Anordnungen mit innerem Transport aber wohl eine Verbesserung ergibt, und zvar wenn die Halbleiterschicht mit einer oder mehreren holier dotierten, unter den Elektroden liegenden Oberflächenzonen versehen ist, wobei dann ausserdem die Effekte, auf die sich diese Verbesserung gründet, andersartig sind.

ZuF Erläuterung sei folgendes erwähnt. Bekanntlich wird bei ladungsgekoppelten Anordnungen die Transportgeschwindigkeit des Übertragungsvorgangs in hohem Masse durch einen verhältnismässig kleinen letzten Teil des zu transportierenden Pakets von Ladungsträgern bestimmt, welcher letzte Teil yerhältnismässig langsam übertragen wird. Bei den ladungsgekoppelten Anordnungen mit an der Oberfläche erfolgen-

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dem Ladungstransport findet dieser letzte Teil des Ladungstransports meistens mittels eines immer verhältnismässig "langsamen Diffusionsvorgangs statt. Eine zu schnelle Unterbrechung des Transportvorgangs, also eine zu hohe Taktfrequenz, ergibt eine unvollständige Übertragung der Ladungspakete und somit auch ein Übersprechen zwischen aufeinanderfolgenden Paketen, weil die zurückgebliebenen Ladungsträger in ein oder mehrere aufeinanderfolgende Pakete aufgenommen werden. Der Einfluss dieses Effekts kann in diesen Anordnungen mit Oberflächentransport dadurch verringert·werden, dass jedem Paket von Information darstellender Ladung eine Hintergrundmenge an Ladungsträgern zugesetzt wird. Es hat sich herausgestellt, dass, solange die Menge am Transportvorgang beteiligter Ladung nicht zu klein ist, der beim Unterbrechen des Tränsportvorgangs zurückbleibende Teil -der Ladung in absoluten Sinne nur in geringen Masse von der Grosse der ursprünglich vorhandenen zu transportierenden Menge Ladung abhängig ist. Wird also eine "1" durch eine gewisse Höchstmenge Ladung und eine "0" durch eine minimale, der Hintergrundmenge gleiche Ladungsmenge dargestellt, so werden nach jeder Übertragung einer "1" praktisch eine gleiche Anzahl Ladungsträger als nach Übertragung einer "0" an der ursprünglichen Speicherstelle zurückbleiben, wobei diese zurückbleibende Anzahl praktisch gleich gross wie·die Anzahl Ladungsträger ist, die das transportierte Ladungsträgerpaket an der nächsten Speicherstelle in Form von von

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dem vorangelienden Paket zurückgebliebenen Ladungsträgern aufnimmt. Daneben wird bei diesem Betriebsmodus, bei dem bei jede'r Übertragung Ladung transport wird, der nachteilige Einfluss, den die Oberflächenzustände in diesen Anordnungen ausüben können,- in erheblichem Masse dadurch verringert, dass an jeder der Speicherstellen praktisch stets Ladungsträger an der Oberfläche unter dem Elektrodensystem gespeichert sind.

Eine andere Möglichkeit zur Umgehung dieser Beschränkung der Taktfrequenz besteht darin, dass der Transport von Ladungsträgern nicht an der Halbleiteroberfläche, sondern möglichst im dem Inneren oder der Masse des Halbleiterkörpers stattfindet. Dadurch, dass sich die Ladungsträger in einiger Entfernung von der Halbleiteroberfläche befinden, kann vermieden werden, dass der Transport des letzten Teiles jedes Ladungspaketes mittels eines aus der Natur verhältnismässig langsamen Diffusionsvorgangs stattfinden muss.

In dieser Ausführungsform mit Transport in der Masse findet der ietzte Teil des Transports (auch) unter dem Einfluss der mit den isolierten Elektroden in dem Halbleiterkörper erzeugten elektrischen Felder statt. Dieser Ietzte Teil des Transports erfolgt dadurch erheblich schneller, wodurch die zulässige maximale Taktfrequenz erheblich grosser ist und durch. Anwendung von Hintergrunladung keine oder nur eine vemacIsXässigbare weitere Erhöhung dieser Taktfrequenz erreicht werden kann. Ausserdem ist auf diese ¥eise auch der Einfluss der· Oberflächenzentren beseitigt, weil die Ladungs-

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träger in diesem Falle ja gerade von der Halbleiteroberfläche entfernt gehalten werden.

In den Anordnungen mit Transport in der Masse ist die Transportausbeute wenigstens in einem Teil des für Anwendung in Betracht kommenden Taktfrequenzbereiches durch das Vorhandensein von Einfangzentren im Halbleitermaterial beschränkt. Diese Massenzentren sind mehr oder weniger homogen in der Halbleiterschicht verteilt und weil das Volumen, das eine gespeicherte Ladungsmenge einnimmt, mit der Grosse dieser Ladung zunimmt, wird die Anwendung von Hintergrundladung auf die störende "Wirkung dieser Massenzentren keinen oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss ausüben. Die Tatsache, dass Hintergrundladung in den Anordnungen mit Oberflächentransport Oberfläch^nzentren wohl beeinflusst, ist ja ^arauf zurückzuführen, dass diese Zentren gerade an derselben Stelle konzentriert sind, an der die gespeicherte Ladung sich vorzugsweise befindet, und zwar direkt an der Halbleiteroberfläche und möglichst nahe bei den Elektroden.

Der günstige Einfluss der Hintergrundladung beruht bei der vorliegenden Anordnung mit Transport in der Masse darauf, dass durch das Anbringen eines höher dotierten Teiles die gespeicherte Ladung nicht homogen über das von dem Paket eingenommene Volumen verteilt ist, während dieser höher dotierte Teil andererseits praktisch keine Änderung in der annahmeweise homogenen Verteilung der Massenzentren herbeiführt. Fie bereits erwähnt wurde, ist 20$ der Ladung in dem verhalt-

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nismässig hochohmigen Teil 19 der Halbleiterschicht 2 gespeichert, wodurch dieser Teil der Ladung ein verhältnismässig grosses Volumen einnimmt. Der übrige Teil (80$) der Ladung befindet sich in der höher dotierten Zone und nimmt ein verhältnismässig kleines Volumen ein. Wenn nun die Potentialmulde unter der Elektrode der betreffenden Speicherstelle eine derartige Form ausweist, dass das Potentialminimum für die Majoritätsladungsträger in dem hochohmigen Teil 19 liegt, wird dieser hochohmige Teil der Speicherstelle stets zuerst ausgefüllt werden.* Dadurch kann mit einer verhältnismässig geringen Menge Ladung, der Hintergrundladung, bereits der grösste Teil des Volumes der Speicherstelle ausgefüllt werden, wodurch dann ausserdem der Einfluss des grössten Teiles der Massenzentren beseitigt oder wenigstens erheblich verringert ist.

In vielen Fällen wird jedoch das Potentialminimum an einer Speicherstelle nicht in dem hochohmigen Teil 19» sondern in dem niederohmigen Teil 17 liegen. Dies bedeutet, dass die Hintergrundladung grösstenteils in dem niederohmigen Teil 17 gespeichert wird, so dass der obengenannte Effekt dann nicht auftritt. Trotzdem ergibt die Anwendung von Hintergrundladung auch in diesem Falle eine erhebliche Verbesserung. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich die Stelle des Potentialminimums während des Transportvorgangs zu dem Hochohmigen Teil 19 verschiebt. Die Anordnung ist ja derart eingerichtet, dass der letzte Teil jedes Ladungs-

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paketes in der Masse in vernaltnismässig grosser Entfernung von den Elektroden transportiert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird sich also auch, eine etwaige Hintergrundladung vorzugsweise in dem hochohinigen Teil 19 befinden und dadurch ein verhältnismässig grosses Volumen einnehmen. Die Hintergrundmenge muss also vorzugsweise derart gross gewählt werden, dass mit dieser Menge derjenige' Teil des hochohmigen Teiles 19 j der zu irgendeinem Zeitpunkt beim Betrieb unter irgendeiner Elektrode vorzugsweise ausgefüllt wird, weil darin das Potentialminimum vorhanden ist, praktisch völlig von der Hintergrundladung eingenommen werden kann. Auf diese Weise wird auch hier mit einer verhältnismässig geringen Menge Ladung ein verhältnismässig grosser Teil der Massenzentren beseitigt. -" ·

Für andere Ausführungsformen der ladungsgekoppelten Anordnung, die vorteilhaft auf die obenbeschriebene Weise verwendet werden können, sei auf die vorerwähnte deutsche Patentanmeldung P 24 12 699. 6 verwiesen. Im allgemeinen gilt, dass diejenigen ladungsgekoppelten Anordnungen mit Transport in der Masse, deren zu den kapazitiven Speicherstellen gehörige Halbleitergebiete, in denen die Ladungsträger gespeichert werden, verschiedene Teile mit erheblich voneinander verschiedenen Dotierungskonzentrationen aufweisen, wodurch die gespeicherte Ladung nicht homogen über das von der gespeicherten Ladung eingenommene Volumen verteilt ist, vor-, zugsweise mit Mitteln versehen sind, durch die eine Hinter-

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grundmenge in Form von Paketen von Ladungsträgern zugeführt ■warden, die zusammen mit einer Menge Information darstellender Ladungsträger transportiert werden können.

Die beschriebene Halbleiteranordnung kann völlig auf übliche Weise hergestellt werden, vobei in diesem Zusammenhang auf die deutschen Patentanmeldungen
P 22 52 148.2 und P 24 12 699.6 der Anmelderin
verwiesen wird.

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PATENTANSPRÜCHE:

/ 1 .J Ladungsgekoppelte Anordnung mit einem Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei Mittel zur Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung vorgesehen sind und diese Schicht eine Dicke und eine Dotierungskonzentration aufweist, die derartig sind, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Halbleiterschicht eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei Mittel zur ortlichen Einführung von Information in Form von aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiters chiclit und Mittel zum Auslesen dieser Information anderswo in. der Schicht vorgesehen sind, und wobei auf wenigstens einer Seite der Schicht ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht vorhanden ist, mit deren Hilfe die Ladung durch die HaIbleiterschieht in einer Richtung parallel zu der Schicht zu den Auslesemitteln transportiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht wenigstens örtlich unter dem Elektrodensystem mit einer Oberflächenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp versehen ist, die höher als der angrenzende Teil der Halbleiterschicht dotiert ist und sich nur über einen Teil der Dicke der Schicht in der Halbleiterschicht erstreckt, wobei Glieder zur örtlichen Einführung einer konstanten Menge an Majoritätsladungsträgern als Hintergrundmenge vorgesehen sind, und wobei die Information als der Hinter-

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grundmenge überlagerte Menge an Majoritätsladungsträgern und zusammen mit dieser Hintergrundmenge zu den Auslesemitteln transportiert wird.

2. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Glieder vorgesehen sind, mit deren Hilfe periodische Signale dem Elektrodensystem zugeführt werden, die den Ladungstransport steuern, wobei Eingangsglieder vorgesehen sind, mit deren Hilfe während jeder Periode der dem Elektrodensystem zugeführten Signale ein Hintergrundsignal Mitteln zur örtlichen Einführung von Majoritätsladungsträgern zugeführt wird, wodurch während jeder Periode eine konstante Menge an Majoritätsladungsträgern in die Halbleiterschicht eingeführt wird, die die Hintergrundmenge bildet, der die Information in Form weiterer zugeführter Ladungsträger überlagert werden kann.

3. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiter Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe elektrische Signale, die Information darstellen, wenigstens einem Teil der Mittel zur örtlichen Einführung von Majoritätsladungsträgern zugeführt werden.

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