DE2502481C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen. Das Halbleiterbauelement findet Anwendung in der Elektronik, besonders bei der Herstellung von Schieberegistern, Verzögerungsleitungen, Speichern, optischen Speicher, usw.

Ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente (in der angelsächsischen Nomenklatur "Charge-coupled devices" oder abgekürzt CCD), im folgenden noch als CCD-Gebilde bezeichnet, sind Halbleitersysteme, in denen man Ladungen in Potentialtöpfen speichert, die an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats erzeugt sind, und in denen man diese Ladung durch Verschieben der Potentialtöpfe überträgt. Diese CCD-Gebilde weisen ganz schematisch ein dotiertes Halbleitermaterial als Halbleitersubstrat, eine Schicht aus isolierendem Material und eine Anordnung von metallischen Elektroden auf, die auf die entsprechenden Potentiale gebracht sind. Diese Struktur ist also vom Typ Metall-Isolator-Halbleiter, wobei der Isolator besonders ein Oxid sein kann. Die auf diese Weise in solchen CCD-Gebilden verschobenen Ladungen sind die Minderheitsträger des Halbleitersubstrats, beispielsweise die Löcher, wenn die Halbleiter vom n-Typ ist.

Eine Beschreibung der allgemeinen Eigenschaften solcher CCD- Gebilde findt sich in zwei Originalartikeln, beide veröffentlicht in "Bell System Technical Journal", Band 49, 1970, und zwar "Charge-coupled semiconductor devices" von W.S. Boyle und G.E. Smith auf Seite 587-593 und "Experimental Verification of the charge-coupled devices concept" von G.F. Amelio, M.F. Tompsett und G.E. Smith auf Seite 593-600.

In diesen CCD-Gebilden muß man den einseitig gerichteten Ladungstransport sicherstellen und dazu asymmetrische Potentialtöpfe für die Minderheitsladungsträger erzeugen, die stromabwärts tiefer als stromaufwärts sind. Zur Erzeugung solcher Töpfe sind zahlreiche Mittel bekannt.

Beispielsweise verwendet man in der aus DE-OS 21 07 110 bekannten Informations-Speicherbaueinheit drei Taktgeber, die jeder durch drei einander kreuzende Steuerleitungen mit einer von drei Elektroden verbunden sind. Um die Zahl der Taktgeber und der zugehörigen Steuerleitungen auf zwei zu verringern, kann man im Halbleitersubstrat unter einer Elektrode eine Oberflächenschicht ausbilden, deren Dotierung unter der stromaufwärts liegenden Kante der Elektrode stärker ist als unter dem Rest der Elektrode. Damit erhält man ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art, wie es unter anderem in der DE-OS 22 31 616 beschrieben ist. In dieser DE-OS sind auch ebenso wie in der Veröffentlichung mit dem Titel "One-phase CCD: a new approach to charge-coupled device clocking" in IEEE Journal of Solid-State Circuits, Februar 1972, Seiten 92-93 ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente mit nur einer Steuerleitung beschrieben.

Alle diese Maßnahmen, welche eine einseitige Richtung des Ladungstransports gewährleisten, sind in der Durchführung sehr komplex.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art einfacher und vor allem einfacher herstellbar auszubilden.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement vorgeschlagen, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wie aus dem Folgenden ersichtlich, bietet das erfindungsgemäße ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement zahlreiche Vorteile, besonders dadurch, daß es durch sehr einfache Verfahren herstellbar ist und als Halbleiterbauelement bessere Leistungen aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm der Energieverteilung der verschiedenen Bänder der beiden Halbleitermaterialien, die gemeinsam benutzt werden, um die einseitige Richtung des Ladungsträgertransports zu gewährleisten;

Fig. 2 einen Schnitt einer Zone eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements, in der ein asymmetrischer Oberflächenpotentialtopf erzeugt ist, indem man in eine erstes Halbleitermaterial ein solches aus einem zweiten Halbleitermaterial mit vom ersten Halbleitermaterial verschiedenem verbotenem Band eingebracht hat (Fig. 2a), und das Profil des durch diese Einbringung erhaltenen Oberflächenpotentials (Fig. 2b);

Fig. 3 die Anwendung der Maßnahme nach Fig. 2 bei einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement mit nur einer Steuerleitung (Fig. 3a), und das Profil des Oberflächenpotentials längs dieses Halbleiterbauelements (Fig. 3b);

Fig. 4 die Anwendung der Ausbildung nach Fig. 2 bei einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen.

In der folgenden Beschreibung sei nur zur Erläuterung der Fall angenommen, daß die Halbleitermaterialien vom n-Typ sind, wo die Minderheitsladungsträger Löcher sind, welche im beschriebenen Halbleiterbauelement transportiert werden.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die Energieverteilung der verschiedenen Bänder zweier Halbleitermaterialien mit zwei verschiedenen breiten verbotenen Bändern. Der linke Teil der Figur entspricht einem Halbleitermaterial SC ₁, das ein Leitungsband mit der Energie E _c1 und ein Valenzband mit der Energie E _v1 hat. Der rechte Teil der Figur entspricht einem Halbleitermaterial SC ₂, dessen Leitungsband die Energie E _c2 und dessen Valenzband die Energie E _v2 hat. An der Verbindungsstelle dieser beiden Halbleitermaterialien stimmen bei erreichtem Gleichgewicht die Fermi-Niveaus überein, deren Energien mit E _F bezeichnet sind. Die Eigenleitungs- Energien E _i sind definitionsgemäß die mittleren Energien zwischen den Energien des Leitungsbandes und des Valenzbandes.

Aus klassischen Betrachtungen der Halbleitertheorie ergibt sich, daß die Lage des Fermi-Niveaus bezüglich des Valenzbandes durch die folgende Beziehung definiert ist:

worin E _g gleich der Breite des verbotenen Bandes, d. h. E _c - E _v , k die Boltzman-Konstante, T die absolute Temperatur, N _c eine Konstante, die nur von der Temperatur und der Masse der Ladungsträger abhängt, und N _D die Dichte der negativen Ladungsträger sind.

Wenn die Energie des Valenzbandes des Halbleitermaterials 2 über der Energie des Valenzbandes des Halbleitermaterials 1 liegen soll, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

worin N _D1 und N _D2 die Dotierungen der Halbleitermaterialien SC ₁ und SC ₂ angeben. Die Ungleichung (1) ist äquivalent der Ungleichung

Wenn die Dotierungen N _D1 und N _D2 und die Konstanten N _c1 und N _c2 nahe beieinanderliegen, ist die Ungleichung (2) erfüllt, sobald die Energien der verbotenen Bänder E _g1 und E _g2 ein wenig verschieden sind, was in der Praxis der Fall ist. Beispielsweise hat man im Fall des Paares Silicium und Germanium E _g -Werte von 1,1 eV bzw. 0,7 eV, was zu einem Abstand der Werte der verbotenen Bänder von 0,4 eV führt. Bei einem solchen Paar von Halbleitermaterialien ist der Exponentialausdruck der Beziehung (2) sehr klein, und wenn die Dotierungen N _D und die Konstanten N _c sich nicht wesentlich voneinander unterscheiden, ist die Ungleichung erfüllt.

Die Situation der Valenzbänder ist dann die in Fig. 1 gezeigte. Daraus ergibt sich, daß die Löcher des Halbleitermaterials SC ₁, also die im ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement transportierten Ladungen, vom Valenzband des Halbleiters 1 zum Valenzband des Halbleiters 2 gezogen werden. Man hat also, wie beabsichtigt, ein auf die Minderheitsladungsträger in einer Richtung wirkendes Feld erzeugt.

Fig. 1 betrifft einen allgemeinen Fall, jedoch ist leicht ersichtlich, daß bei nahe beieinanderliegenden Dotierungen und Konstanten N _c , wenn also N _D1 # N _D2 und N _c1 # N _c2 ist, die Energien E _c1 und E _c2 der Leitungsbänder sehr nahe benachbart sind. Ebenso kann man durch Berechnung des Abstandes zwischen der Fermi-Energie und der Eigenleitungs-Energie feststellen, daß die beiden Eigenleitungs-Energien der Halbleitermaterialien SC ₁ und SC ₂ in dem besonderen Fall zusammenfallen, wo

was man auch schreiben kann:

worin n _i die Dichte der Ladungen im Leitungsband (oder die ihr gleiche Zahl von Löchern im Valenzband) für den entsprechenden eigenleitenden Halbleitermaterialien ist.

Aus Obigem ergibt sich, daß die Dotierungsbedingungen der beiden Halbleitermaterialien nicht kritisch sind, wenn der Abstand der Energie des verbotenen Bandes genügend groß ist. In der Praxis kann man vorteilhafterweise vorsehen, daß die beiden Dotierungen nahe beianderliegen, was die Herstellung vereinfacht.

Fig. 2a zeigt im Schnitt eine Zone eines ladungsgekoppelten Halbleiterbauelements, indem durch Einführung eines ersten Halbleitermaterials SC ₁ in einen Bereich, der aus einem zweiten Halbleitermaterial SC ₂ mit einer vom ersten Halbleitermaterial verschiedenen Breite des verbotenen Bandes besteht, ein asymmetrischer Potentialtopf erzeugt wurde. Für Fig. 2 wurde angenommen, daß das Halbleitermaterial SC ₂ stromabwärts bezüglich der Transportrichtung D der Minderheitsladungsträger angeordnet ist. Entsprechend dem Schema der Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Halbleitermaterial SC ₂ dasjenige mit einem verbotenen Band mit geringerer Breite ist, beispielsweise Germanium, wenn SC ₁ Silicium ist. Die Vorrichtung weist außer den beiden Halbleitermaterialien SC ₁ und SC ₂ eine beliebige Isolierschicht 10 auf, welche andere nicht gezeigte und für ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente charakteristische Vorrichtungen tragen kann.

Fig. 2b zeigt das Profil des Oberflächenpotentials V _s längs der in Fig. 2a gezeigten Zone. Dieses Potential ist das der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial und dem Isolator 10. Da die Minderheitsladungsträger in das Halbleitermaterial SC ₂ gezogen werden, ist der Potentialtopf auf dem Niveau dieses Halbleitermaterials SC ₂ tiefer als im Rest der Zone. Man hat daher im Betrieb ein Profil wie in Fig. 2b gezeigt. Die Einführung eines zweiten Halbleitermaterials SC ₂ mit einem weniger breiten verbotenen Band in ein Halbleitermaterial SC ₁ ist also ein Mittel, um einen Potentialtopf mit einem asymmetrischen Oberflächenpotential zu erzeugen, das stromabwärts tiefer als stromaufwärts ist und so den einseitig gerichteten Ladungstransport in einem ladungsgekoppelten Halbleiterbauelement gewährleistet.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die Anwendung einer solchen Maßnahme bei ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen.

Fig. 3 zeigt ein ladungsgekoppeltes Haltleiterbauelement mit einer einzigen Steuerleitung. Fig. 3a, die einen Schnitt eines solchen Bauelements darstellt, zeigt ein erstes Halbleitermaterial SC ₁, auf dem eine Isolierschicht 12 und Elektroden 14 angeordnet sind, die alle über einen Leiter 16 mit einer Spannungsquelle 18 verbunden sind, welche eine zyklisch zwischen zwei Grenzwerten V ₁, und V ₂ wechselnde Spannung V _G liefert. Das Bauelement der Fig. 3a weist außerdem einerseits unter den Elektroden einen Bereich 20, der von einem zweiten Halbleitermaterial SC ₂ gebildet ist und andererseits in dem Intervall zwischen den Elektroden eine gleiche Region 2, die vom gleichen Halbleitermaterial SC ₂ gebildet ist, auf.

Das Oberflächenpotential an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial SC ₁ und dem Isolator 12 verändert sich längs des Bauelements in der in Fig. 3b gezeigten Weise. Für einen bestimmten Wert der Spannung V _G beobachtet man unter jeder Elektrode einen asymmetrische Potentialtopf, der entsprechend den Eigenschaften der unter den Elektroden liegenden Zone mit zwei Halbleitermaterialien stromabwärts tiefer als stromaufwärts ist. Die Tiefe dieser Töpfe hängt von der an die Elektroden 14 angelegten Spannung V _G ab. In Fig. 3b sind zwei Werte dieses Potentials für die Grenzwerte V ₁ und V ₂ der Spannung V _G gezeigt. Im Zwischenelektrodenraum beobachtet man ebenfalls einen asymmetrischen Potentialtopf, der aus den gleichen Gründen stromabwärts tiefer als stromaufwärts ist, jedoch ist dieser Topf permanent, da das Oberflächenpotential im Zwischenelektrodenraum in weitem Maß unabhängig von dem an die Elektroden angelegten Potential ist und sich, wenn die Oberflächenwiderstände geeignet gewählt sind, nach Verlauf einer genügenden Zeit auf den Mittelwert zwischen V ₁ und V ₂ einstellt. Es sei bemerkt, daß man auch einen zweiten Satz von Elektroden benutzen kann, die zwischen die ersten Elektroden eingesetzt und durch eine entsprechende Leitung 16 mit einer Spannungsquelle verbunden sind, die konstant diesen Mittelwert hat. Die Vorrichtung ist dann sofort betriebsbereit, jedoch komplizierter.

Das beschriebene ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement arbeitet wie folgt: Wenn die angelegte Spannung V _G ≈ V ₁ ist (im allgemeinen ist diese Spannung negativ für ein Substrat von n-Typ), haben die unter den Elektroden erzeugten Potentialtöpfe ihre größte Tiefe, und die positiven Ladungen sind dort in der stromabwärts liegenden Zone gefangen. Wenn die Spannung V _G den Wert V ₂ annimmt, verringert sich die Tiefe der Potentialtöpfe unter den Elektroden 14, und die dort gegebenenfalls festgehaltenen Ladungen werden in den permanenten asymmetrischen Potentialtopf des stromabwärts unmittelbar benachbarten Zwischenelektrodenraums transportiert. Diese Ladungen werden in den unter der folgenden Elektrode erzeugten Potentialtopf transportiert, wenn die Spannung V _G wieder den Wert V ₁ annimmt.

Die Spannung V _G kann von beliebiger Form und beispielsweise rechteckig sein. Die einzigen zu erfüllenden Bedingungen sind, daß die Werte von V ₁ und V ₂ so sind, daß die Mindesttiefe des Potentialtopfs stromabwärts von den Elektroden geringer als die Tiefe des Potentialtopfs stromaufwärts vom Zwischenelektrodenraum und die maximale Tiefe des Potentialtopfs stromaufwärts von den Elektroden größer als die Tiefe des Potentialtopfs stromabwärts vom Zwischenelektrodenraum ist. Unter diesen Bedingungen kann der Ladungstransport richtig im Verlauf eines Spannungszyklus zunächst von der unter den Elektroden liegenden Zone zum Zwischenelektrodenraum und dann vom gleichen Zwischenelektrodenraum zu der unter der folgenden Elektrode liegenden Zone stattfinden.

Die beschriebene Maßnahme zur Ausbildung der einseitigen Richtung des Ladungstransports ist nicht nur für ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einer einzigen Steuerleitung sondern auch beispielsweise für ein ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen anwendbar, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieses Bauelement weist ein Substrat aus einem ersten Halbleitermaterial SC ₁ und eine Isolierschicht 30 auf, auf der die Elektroden 32 und 34 abgeschieden sind, die jeweils über Leitungen 32′ bzw. 34′ mit zwei Taktgebern 32″ und 34″ verbunden sind. Die Maßnahme zur Ausbildung der einseitigen Richtung des Ladungstransportes besteht darin, daß unter dem stromabwärts liegenden Ende jeder der Elektroden Bereiche 40 angeordnet sind, die aus einem zweiten Halbleitermaterial SC ₂ bestehen, dessen verbotenes Band weniger breit ist als das des Halbleitermaterials SC ₁. Unter diesen Bedingungen werden unter jeder Elektrode asymmetrische Potentialtöpfe erzeugt, die stromabwärts tiefer als stromaufwärts sind, und das so hergestellte Bauelement arbeitet wie jedes ladungsgekoppelte Halbleiterbauelement mit zwei Steuerleitungen, vergl. z. B. die bereits genannte DE-OS 22 31 616.

In den beiden beschriebenen ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen mit einer oder zwei Steuerleitungen kann man stets durch eine Kompensation an der Gesamtheit des Halbleitersubstrats die Spannung V _s so einstellen, daß die entsprechenden Werte von V ₁ und V ₂ bezüglich der Masse symmetrisch sind. Wenn angenommen beispielsweise der Halbleiter vom n-Typ ist, kann man zu diesem Zweck auf dem Halbleiter gleichmäßig eine Schicht vom p-Typ, z. B. durch Ionenimplantation von Bor abscheiden. Außer dem Vorteil, daß man bezüglich der Masse symmetrische Spannungen hat, kann man bei dieser Abwandlung den Kanal, in dem die Minderheitsladungsträger strömen, "eingraben", um so Rekombinationen an der Oberfläche des Halbleiters zu vermeiden und die Leistung des Bauelements zu verbessern.

Ein erster Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist, daß sie zu planaren ladungsgekoppelten Halbleiterbauelementen, also solchen ohne Stufe, führt, für welche die Technologie im Vergleich mit äquivalenten bekannten Bauelementen sehr vereinfacht ist. Ein zweiter Vorteil ist, daß man sehr einfach ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente mit einer einzigen Steuerleitung herstellen kann. In allen Fällen erfordert die erfindungsgemäße Lösung keine Beachtung kritischer Dotierungsbedingungen. Diese Dotierungen können besonders auch stärker sein, was den Einfluß von Rekombinationen der Ladungsträger begrenzt.

Um das aus zwei Halbleitermaterialien bestehende Halbleitersubstrat herzustellen, kann man offensichtlich Kristalle zweier verschiedener Halbleitermaterialien von unterschiedlicher Breite des verbotenen Bands nebeneinander anordnen oder in einen Kristall eines ersten Typs von Halbleitermaterial mit größerer Abmessung eine Folge von Kristallen des anderen Typs von Halbleitermaterial mit geringer Breite des verbotenen Bands einführen. Diese Herstellungsweisen sind jedoch eher theoretisch als praktisch. Am bequemsten erhält man das gewünschte Ergebnis, indem man von einem Kristall mit großen Abmessungen eines ersten Typs von Halbleitermaterial ausgeht und örtlich in einer Folge von Zonen geringer Breite die Breite des verbotenen Bandes dieses Halbleitermaterials durch Einbau von Atomen des anderen Typs von Halbleitermaterial modifiziert. Die Breite des verbotenen Bandes der so hergestellten Zonen kann auf diese Weise fortschreitend modifiziert werden, bis man im Maximum die Breite des verbotenen Bands des Halbleitermaterials des zweiten Typs erhält. Das kann durch Diffusion, jedoch noch viel einfacher durch Ionenimplantation geschehen.

Das gegebene Beispiel von Silicium und Germanium ist nicht das einzig vorstellbare, und besonders kann man in einem Substrat von Silicium Zonen erzeugen, die aus einer Halbleiterverbindung vom Typ III-V, wie GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb oder vom Typ II-VI, wie CdSe, CdTe, ZnSe, ZnTe, bestehen. Im letztgenannten Fall genügt es, zwei aufeinanderfolgende Implantationen von Ionen der beiden Bestandteile der Halbleiterverbindung durchzuführen.

Schließlich werden die besten Leistungen der beschriebenen Bauelemente erhalten, indem man die Technik Silicium auf Isolator benutzt.

Claims (3)

1. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat, das aus einem ersten dotierten Halbleitermaterial besteht, einer Anordnung von längs einer Reihe aufeinanderfolgenden und vom Halbleitersubstrat durch eine dünne Isolierschicht isolierten Metallelektroden mit Vorrichtungen, welche Minderheitsladungsträger unter mindestens der ersten Elektrode einspeisen, mit Vorrichtungen, welche die Gegenwart von Ladungen unter mindestens der letzten Elektrode nachweisen, mit einer Spannungsquelle und mindestens einer Steuerleitung, wodurch die Elektroden zyklisch wechselnd auf geeignete Potentiale gebracht werden, um mit halbleitenden Zonen, die in Beziehung zu den Elektroden in der unter der Isolierschicht liegenden Oberflächenzone des Halbleitersubstrats angeordnet sind und eine andere Zusammensetzung als das Halbleitersubstrat haben, derart, daß asymmetrische Potentialtöpfe für die Minderheitsladungsträger erzeugt werden, die in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen jeweils aus einem flacheren und einem darauf folgenden tieferen Abschnitt bestehen und so die einseitige Richtung des Transports der Ladungsträger längs der Reihe gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (20, 22, 40) von einem zweiten Halbleitermaterial (SC ₂ ) gebildet sind, dessen verbotenes Band eine andere Breite als das verbotene Band des ersten Halbleitermaterials (SC ₁ ) hat, das das Substrat bildet, und daß das Halbleitermaterial (SC ₂ ) mit geringerer Breite des verbotenen Bandes in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen auf das andere Halbleitermaterial (SC ₁ ) folgt.

2. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Steuerleitungen (32′, 34′) aufweist, die je mit einer von zwei Elektroden (32, 34) verbunden sind, und daß die vom zweiten Halbleitermaterial (SC ₂ ) mit geringerer Breite des verbotenen Bandes gebildeten Zonen (40) unter dem in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen stromabwärts liegenden Teil jeder Elektrode (32, 34) angeordnet sind (Fig. 4).

3. Ladungsgekoppeltes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine einzige Steuerleitung (16) aufweist und daß die vom zweiten Halbleitermaterial (SC ₂ ) mit geringerer Breite des verbotenen Bandes gebildeten Zonen (20, 22) unter dem in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen stromabwärts liegenden Teil der Elektroden (14) und unter dem in Richtung des Ladungsträgertransports gesehen stromabwärts liegenden Bereich eines Zwischenraumes zwischen den Elektroden (14) angeordnet sind (Fig. 3).