DE2508108C3 - Halbleiterbauelement zur Ladungsverschiebung und Anwendung - Google Patents

Halbleiterbauelement zur Ladungsverschiebung und Anwendung

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DE2508108C3 DE19752508108 DE2508108A DE2508108C3 DE 2508108 C3 DE2508108 C3 DE 2508108C3 DE 19752508108 DE19752508108 DE 19752508108 DE 2508108 A DE2508108 A DE 2508108A DE 2508108 C3 DE2508108 C3 DE 2508108C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zur Ladungsverschiebung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip, bei dem Ladungsverschiebeelemente aufeinanderfolgend längs einer Reihe vorgesehen sind, die Elektroden aufweisen, die auf einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten elektrisch isolierenden Schicht mit unterschiedlichen Dicken angeordnet sind und bei dem die Ladungsverschiebeelemente im Halbleitersubstrat Gebiete mit einer zum Halbleitersubstrat entgegengesetzten Dotierung aufweisen.
Halbleiterbauelemente zur Ladungsvcrschiebung, auch ladungsgckoppcltc halbleiterbauelemente (Charge-Coupled-Devices) genannt, sind bekannt. In der Veröffentlichung von W. S. Bo>ie. G. E. Smith, in Bell System Technical journal, April 19?"j, ist auf den Seiten 587 bis 593 ein solches Bauelement beschrieben. Dieses Bauelement besieht im wesentlichen aus einem Halbleiterkörper, einer darauf aufgebrachten elektrisch isolierenden Schicht und auf dieser Schicht aufgebrachten Metallelcktrodcn. Diese Metallclektroden sind durch Abstände voneinander getrennt. Das Prinzip solcher Ladungsverschiebcbauelcmcntc beruht darauf, Minoritätsladungsträgcr durch Anlegen einer Spannung an eine Metallelektrode an der Oberfläche des Halbleiterkörper zu speichern und diese Minoritätsladungsträgcr durch Anlegen entsprechender Spannungen von einer Elektrode zur nächsten Elektrode zu verschieben. Mit solchen Ladungsverschiebebauelementcn können besonders gut Schieberegister aufgebaut werden.
In der DE-OS 22 31 565 ist ein Halbleiterbauelement zur Ladungsvcrschiebung der eingangs genannten Art beschrieben. Hier werden zwei Taktspannungen an die Elektroden gelegt. Es handelt sich um ein sogenanntes /weiphasigcs Bauelement. Bei diesen bekannten Bauelementen besteht ein Problem darin, itiiü die Zuführung der Anstcucrleilungcn für die verschiedenen Taklspanntingcn zu den einzelnen Vcrschiebeclcmentcn bzw. Elektroden schwierig ist.
In der TR-OS 21 59 280 ist ein ähnliches Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem der obcrflächcnnahc Bereich des HalbleilersiiliMrales unterhalb der Elektroden von dem gleichen l.eilfähigkeitstyp wie das Halbleitersubstrat ist. Der spezifische Widerstand
dieses Bereiches fällt jedoch längs einer zur Oberfläche parallelen Richtung von einem hohen auf einen niedrigeren Wert ab und die einzelnen durch schmale Spalte getrennten Elektroden sind alle miteinander verbunden und an eine Taktspannung gelegt, so daß es sich hier um ein einphasiges Bauelement handelt.
Ein Nachteil der vorgenannten bekannten Ladungsverschiebebauelemente besteht darin, daß zwischen den Gateelektroden verhältnismäßig schmale Spalte benötigt werden. Die Breite dieser Spalte darf nur etwa 3 μπι betragen. Über diese schmalen Spalte hinweg erfolgt die Ladungsübertragung mit Hilfe sogenannter elektrischer Randfelder. Die Randfelder bei p-Kanal-Ladungsverschiebeanordnungen werden beispielsweise durch die positiven Grenzflächenladungen im Gateoxid geschwächt Bei breiteren Spalten, z. B. bei Spalten die 6 μπι brei! sind, wie sie heute bei der Halbleiterfertigung angewandt werden, ist die horizontale Reichweite der Randfelder nicht mehr ausreichend, und die Übertragungseigenschaften werden durch Potentialschwellen bis zur Funktionsunfähigkeit verschlechtert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, ein Halbleiterbauelement zur Ladungsverschiebung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip anzugeben, das im Einphasenbetrieb betrieben und bei dem keine schmalen Spalte zwischen den Elektroden benötigt werden.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs bereits erwähnten Halbleiterbauelement entweder dadurch gelöst, daß für jeweils ein Ladungsverschiebeelement die elektrisch isolierende Schicht vier Bereiche unterschiedlicher Dicken aufweist, daß die erste Dicke größer als die zweite Dicke, die zweite Dicke größer als die dritte Dicke und die dritte Dicke größer als die vierte Dicke ist, daß der zweite Bereich der zweiten Dicke an den ersten Bereich der ersten Dicke angrenzt, daß der dritte Bereich der dritten Dicke an den /weiten Bereich der zweiten Dicke angrenzt und daß der vierte Bereich der vierten Dicke an den dritten Bereich der dritten Dicke angrenzt, daß unterhalb des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs in dem Halbleitersubstrat das entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat dotierte Gebiet vorgesehen ist und daß auf der elektrisch isolierenden Schicht eine durchgehende Elektrode für die Ladungsverschicbcelcmcnic einer Reihe angeordnet ist, oder dadurch, daß für jeweils ein l.adungsverschiebcclcmcni die elektrisch isolierende Schicht einen ersten Bereich einer ersten Dicke, einen zweiten Bereich einer zweiten Dicke, der an den ersten Bereich angrenzt, einen dritten Bereich der zweiten Dicke, der an den zweiten Bereich angrenzt und einen vierten Bereich der ersten Dicke, der an den dritten Bereich angrenzt, aufweist, daß die /weite Dicke größer als die erste Dicke ist, daß jeweils unterhalb eines ersten Bereichs ein entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat dotiertes erstes Gebiet vorgesehen ist, daß jeweils unterhalb eines zweiten Bereichs ein entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat dotiertes /weites Gebiet vorgesehen ist, daß das erste Gebiet und das zweite Gebiet vorgesehen ist, daß das erste Gebiet und eins /weile Gebiet aneinander grenzen, daß das erste Gebiet niedriger dotiert ist als das zweite Gebiet und daß auf der elektrisch isolierenden Schicht für die l.adungsverschicbcelcmente einer Reihe eine durchgehende Elektrode angeordnet ist, die oberhalb der ersten und /weiten Gebiete Öffnungen aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgcmäOcn Halbleiterbauelements besteht darin, daß sowohl die bei den bisher bekannten Aiisfiihriingsformen vorhandenen Schwierigkeiten, die die Herstellung schmaler Spalte, die Herstellung eines Bereiches mit unterschiedlicher Dotierungskonzentration oder die Herstellung einzelner Elektroden in mehreren Meuiilagen betreffen, entfallen.
Vorteilhafterweise genügt zur Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements ein einziger Takt, der von rechteckiger oder von sinusförmiger Form sein kann. Eine komplizierte Takiansieuerung mit mehreren zeitlich versetzten Takten entfällt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren erläutert.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Die Fig. 2 zeigt den Potentialverlauf ψ bei U\>0. wobei LJ\ die zwischen der Elektrode und dem Substrat anliegende Spannung ist.
Die Fig. S zeigt den Potentialverlauf r/' bei
Die Fig.4 zeigt in schematischer uarsieiiung einen Schnitt durch ein weiteres Alisführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Die F i g. 5 zeigt die Aufsicht auf einen flächenhaften. zeilenad' ^ssierten Sensor, der mit Elektroden des in der F i g. 4 dargestellten Bauelements aufgebaut ist.
In der Fig. 1 ist das Substrat mit 6 bezeichnet. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Substrat um ein p- oder n-Silizium-Substrat. Auf dem Substrat 6 ist die elektrisch isolierende Schicht 7, die vorzugsweise aus S1O2 besteht, aufgebracht. Diese elektrisch isolierende Schicht 7 weist unterschiedliche Bereiche 1 bis 4 unterschiedlicher Dicken 10 bis 40 auf. Ein Ladungsverschiebeelement besteht aus den Bereichen 1 bis 4. Dabei weist der Bereich 1 die Dicke 10, der Bereich 2 die Dicke 20, der Bereich 3 die Dicke 30 und der Bereich 4 die Dicke 40 auf, wobei die Dicke 10 größer als die Dicke 20, die Dicke 20 größer als die Dicke 30 und die Dicie 30 größer als die Dicke 40 ist. Beispielsweise beträgt die Dicke 10 1200 nm, die Dicke 20 400 nm. die Dicke 30 20OiIiH und die Dicke 40 100 nm. Auf der elektrisch isolierenden Schicht 7 ist in der aus der Figur ersichtlichen Weise die Elektrode 5 aufgebracht. Diese Elektrode überdeckt den gesamten Kanal, in dem Ladungen verschoben werden. Vorzugsweise besteht diese Elektrode aus Aluminium. Unterhalb der Bereiche I und 2 befindet sich an der Oberfläche des Halbleitersubstralcs ein entgegengesetzt zu dem Halbleitersubstrat 6 dotiertes Gebiet 8. Vorzugsweise reicht dieses Gebiet bis zu I μηι in das Substrat hinein. Die Dicke des Gebietes ist durch das Bezugszeichen 80 angegeben. Im Beispiel handelt es sich bei diesem Gebir-i um ein n-dotiertcs Gebiet.
Im folgenden soll nun die Funktionsweise der Ladungsverschiebung des Bauclements naeli der Fi g. I im Zusammenhang mit den F i g. 2 und 3 erläutert werden. Beim Betrieb werden zunächst die gegendotierten Gebiete 8 verarmt. Dies geschieht dadurch, daß die Taktspanniingen hinreichend groß gewählt werden und daß das, in der F i g. 1 nicht dargestellte Ausgangsgebiet des Bauelements an eine ausreichend hohe Vorspannung geleg1 wird. Dabei werden die Takispannungen zwischen die Elektrode 5 und den Substratanschluß 9 angelegt. 1st /wischen der Elektrode 5 und dem Halbleitersubstrat 6 iiuch eine ausreichende Spannungsdifferenz vorhanden, so liegt das Potcntialmaximum der Bereiche I und 2 an der Oberfläche.
Im folgenden wird nun an die F.leklrode 5 ein
reehtcekförmiger oder ein sinusförmiger l'aki angelegt. Bei entsprechend··! Wahl der Sehalüingsp.iramcler. w ic der Dotierungen und der Isolatordicken ist eine Taklspannung von 20 V und eine Vorspannung von 2> V am Ausgang ausreichend. In der F ig, 2 lsi der ί l'olentialvcrlauf für eir.cn kleineren Sp.iniiungsweri / ■ dieses Taktes und in der I i g. 3 für einen größeren Wen lh angegeben. Beispielsweise beträgt der Spannimgswert U] nach der F i g. 2 3 V und der grellere Spannungswcrt (/> nach der I i g. i \ri\. Bei einem in kleineren llektrodenpolential ll\ liegt das absolute Maximum des Poteniialverlaufes der vier Bereiche, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist. unter dem Bereich 2. Bei dem größeren Llektrodenpotential lh dagegen hegt das absolute Maximum, wie aus der F i g. 3 ersichtlich ist, η unter dem Bereich 4. Das Potentialmaximum der Bereiche 1 und 3 ist immer absolut kleiner als das der benachbarten Bereiche 2 und 4. so dall die Bereiche I und 3 Sehwellen darstellen, die ein Zurückfließen der Ladung verhindern. Dabei liegen diese Schwellen Jo zwischen abgebender und aufnehmender Elektrode immer zwischen den Poicntialmaxima beider Gebiete, so daß die Ladung bei einem Wechsel derTaktspannung /um nächsten Gebiet weiterfließen kann.
In der Fig.4 ist ein Alisführungsbeispiel der Ji Erfindung dargestellt, bei dem in dem vorzugsweise p-doticrtcn Substrat 60 aneinander grenzende unterschiedlich stark, entgegengesetzt /um Substrat dotierte Gebiete 81 und 82 vorgesehen sind. Dabei ist das Gebiet 81 weniger stark dotiert als das Gebiet 82. Bcispielswci- <" se ist bei einem p-dotierten Substrat 60 mit der Dotierung von lO'^cni ' das Gebiet 81 mit einer Konzentration von /V/, = 10''cm ' und das Gebiet 82 mit einer Konzentration von /V,> = 10"1CiIi ' dotiert. Vorzugsweise reichen die Gebiete 81 und 82 bis zu ti 1000 nm in das Substrat hinein. Diese Dicke der Gebiete ist durch das Bezugs/eichen 83 angegeben. Auf dem Substrat 60 ist in aus der Figur ersichtlicher Weise die elektrisch isolierende Schicht 70. die vorzugsweise aus SiO: besteht, aufgebracht. Ein Ladungsverschiebccle- "·
10 und 20 sind an der Oberfläche zum Substrat entgegengesetzt dotiert. Sie unterscheiden sich durch die verschiedenen Doticrungskonzentrationcn ri\ im Gebiet 81 und Π: im Gebiet 82. Die Bereiche 30 und 40 ■<"> werden durch die über ihnen liegenden Isolatordicken 31 und 21 bestimmt. Sämtliche Bereiche der Isolierschicht 70. ausgenommen die Bereiche oberhalb der dotierten Gebiete 81 und 82 sind mit der Elektrode 51 versehen. Vorrjgsweise besteht diese Elektrode 51 aus » Aluminium.
Im folgenden soll nun die Funktionsweise des Bauelements nach der Fig.4 beschrieben werden. Werden beim Betrieb die beiden Gebiete 81 und 82 verarmt, so liegt das Maximum des Potentials unter dem ϊ=> Bereich 20. Das Potentialmaximum qm. das bei beiden Gebieten an der Oberfläche liegt, berechnet sich nach der Formel
In dieser Formel bedeuten:
• n, = Konzentration der festsitzenden Ladungsträger "">
im η-dotierten Gebiet
= absolute Dielektrizitätskonstante
= 1.602· 1019As. Betrag der Elemenienladung ι s. ■=■■ relative Dielektrizitätskonstante des Siliziums // -■- Tiefe der undoticrten (iebieie /Vi = Konzentralion der lesisii/eiiden l.ailiingsirägei im p-dotierten (iebiet.
Die Voraussetzung dafür, dal! beide Gebiete 81 und 82 völlig von Ladungsträgern verarmt sind. ist. dall (Lis Potentialmaxinuim unter dem Bereich 30 bei einem anliegenden Llcktrodenpolential lh an der Lleklmde 51 absolut großer ist als d.is Maximum unterhalb des Bereiches 20.
Nach dem Anlegen tier I"akisp;Innungen werden die Bereiche 10 und 20 verarmt, indem die vorhandene Ladung durch die CX D-Funktion zum Ausgang verschoben wird. Das absolute Maximum dieser beiden Bereiche liegt dann auf Grund der stärkeren Dotierung immer im Bereich 20. Durch Ändern der Tiiklspannung von (Ί aiii (Λ kann nun das Oberiiachcnpotentiai der Bereiche 30 und 40 so beeinflußt in ι ilen, daß es absolut größer als das Potential vom Bereich 20 wird. Line im Bereich 20 gespeicherte Ladung wird dann zum Bereich 40 fließen. Beim Zurückschalten der Taktspannung von lh auf i/| wird das Potential im Bereich 40 absolut kleiner als das Potential im Bei eich 10. so daß die Ladung nach dem Bereich 20 abfließen kann, wobei die Schwelle unter dem Bereich 30 ein Zurückfließen der Ladung- verhindert.
In der F i g. 5 ist ein fläclK-nhafter zeilenadressierter lichtempfindlicher Sensor dargestellt, der mil Bauelementen nach cl'.:m Ausführungsbeispiel der I i g. 4 aufgebaut ist. Der Einfachheit halber wurde in dieser Figur die Isolierschicht 70 nicht eingezeichnet. Einzel heilen der F i g. 5. die bereits im Zusammenhang mit der F i g. 4 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugs/eichen. Wie aus der Figur ersichtlich ist. besteht der Sensor aus mehreren parallelen CCD-Kanälen zur Bildaufnahme. Zu jedem Kanal gehört eine Elektrode 51. die lediglich an den Stellen, unter denen sich in dem Substrat die dotierten Gebiete 81 und 82 befinden, unterbrochen ist. Mit dem Bc/ugs/eichcn 95 ist ein AiislpsprPüister hp/oichnet I Iber die Schalter 11 werden die Taktspannungen an die Elektroden 51 der ein/einen Kanäle angelegt. In dem Punkt 96 wird die Versorgungsspannung an die Elektrode 91 des Ausleseregisters 95 angelegt. Das Ausleseregister enthält ebenso w ic die einzelnen Kanäle höher dotierte Gebiete 92 und niedriger dotierte Gebiete 93. die aneinander grenzen. Dabei ist die Elektrode oberhalb dieser Gebiete 92 und 93 ausgespart.
Im folgenden soll nun die Funktion des in dt. Fig. 5 dargestellten Sensors beschrieben werden. Zu Beginn des Betriebes sind alle η-dotierten Gebiete 81,82,92,93 verarmt. In diesen Bereichen kann sich daher entsprechend dem einfallenden Licht 98 Ladung bilden und diese Ladung wird dann durch die angelegten Taktspannungen zum Ausgang hin verschoben.
Die Information der einzelnen Register wird von einem an sich bekannten Ausgangsregister übernommen und zu einer Ausleseschahung geschoben.
Vorteilhafterweise ist pro Bildaufnahmekanal nur eine Ansteuerleitung, die der Elektrode 51 entspricht notwendig. Mit dem vorgeschlagenen Halbleiterbauele ment zur Ladungsverschiebung kommt man daher vorteilhafterweise mit wenigen Taktleitungen und mil einer einfachen Taktansteuerung aus. Daraus resultier] ein geringer Platzbedarf.
Die oben angeführten Ausführungsbeispiele der Fi g. 1 und 4 bezogen sich auf p-dotierte Halbleitersub-
7 8
stritte und auf η-dotierte Gebiete 8 bzw. 81, 82, 92 und Metall, beispielsweise aus Aluminium, als auch aus
93. Die entgegrngeset/.ten Dotierungen, also ein dotiertem Silizium bestehen. Die in den Beispielen
n-doticrles Substrat und p-dotierte Gebiete sind ebenso abgestuft angegebenen Übergänge können dabei auch
möglich. linear ausgeführt werden.
Die F.lektroden 5 bzw. 51 und 91 können sowohl aus '.
Hierzu 2 Blatt Zeichnuiicen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Halbleiterbauelement zur Ladungsverschiebung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip, bei dem s Ladungsverschiebeelemente aufeinanderfolgend längs einer Reihe vorgesehen sind, die Elektroden aufweisen, die auf einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten elektrisch isolierenden Schicht mit unterschiedlichen Dicken angeordnet sind, und bei dem die Ladungsverschiebeelemente im Halbleitersubstrat Gebiete mit einer zum Halbleitersubstrat entgegengesetzten Dotierung aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß für jeweils ein Ladungsverschiebeelement die elektrisch isolierende Schicht (7) vier Bereiche (1 bis 4) unterschiedlicher Dicken (10, 20, 30, 40) aufweist, daß die erste Dicke (10) größer als die zweite Dicke (20). die zweite Dick» (20) größer als die dritte Dicke (30) und die dritte Dicke (30) größer als die vierte Dicke (40) ist, daß der zweite Bereich (2) der zweiten Dicke (20) an den ersten Bereich (I) der ersten Dicke (10) angrenzt, daß der dritte Bereich (3) der dritten Dicke (30) an den zweiten Bereich (2) der zweiten Dicke (20) angrenzt und daß der vierte Bereich (4) der vierten Dicke (40) an den dritten Bereich (3) der dritten Dicke (30) angrenzt, daß unterhalb des ersten Bereichs (10) und des zweiten Bereichs (20) in dem Halbleitersubstrat (6) das entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat (6) dotierte Gebiet (8) vorgesehen m ist und daß auf der elektrisch isolierenden Schicht (7) für die Ladungsverschi-ebeeler· ,ente einer Reihe eine durchgehende Elektrode (5) angeordnet ist (F i g. 1).
    2. Halbleiterbauelement zur I ^dungsverschiebung nach dem Charge-Coupled-Device-Prinzip, bei dem r> Ladungsverschiebeelemente aufeinanderfolgend längs einer Reihe vorgesehen sind, die Elektroden aufweisen, die auf einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten elektrisch isolierenden Schicht mit unterschiedlichen Dicken angeordnet sind, und bei -to dem die Ladungsverschiebeelemente im Halbleitersubstrat Gebiete mit einer zum Halbleitersubstrat» entgegengesetzten Dotierung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils ein Ladungsverschiebeelement die elektrisch isolierende Schicht r. (70) einen ersten Bereich (10) einer ersten Dicke (21). einen zweiten Bereich (20) einer zweiten Dicke (31). der an den ersten Bereich (10) angrenzt, einen dritten Bereich (30) der zweiten Dicke (31), der an den zweiten Bereich angrenzt und einen vierten ">" Bereich (40) der ersten Dicke (21), der an den dritten Bereich angrenzt, aufweist, daß die zweite Dicke (31) größer als die erste Dicke (21) ist, daß jeweils unterhalb des ersten Bereichs (10) ein entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat (60) dotiertes erstes >"> Gebiet (81) vorgesehen ist, daß jeweils unterhalb des zweiten Bereichs (20) ein entgegengesetzt zum Halbleitersubstrat (60) dotiertes zweites Gebiet (82) vorgesehen ist, daß das erste Gebiet (81) und das zweite Gebiet (82) aneinandergrenzen, daß das erste w> Gebiet (81) niedriger dotiert ist als das zweite Gebiet (82), und daß auf der elektrisch isolierenden Schicht (70) für die Ladungsvcrsehicbcclemenle einer Reihe eine durchgehende Elektrode (51) vorgesehen ist, die oberhalb der ersten Gebiete (81) und der /weiten h"> Gebiete (82) Öffnungen aufweist (!·' i g. 4).
    i. Halbleiterbauelement nach Anspruch I oder 2, xliiduri'h gekennzeichnet, daß das Substrat (6,60) mis
    Silizium besteht.
    4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (7. 70) aus Siliziumdioxid besteht.
    5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5,51) aus Aluminium oder aus dc.iertem Silizium besteht.
    6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge der elektrisch isolierenden Schicht (7,70) zwischen Bereichen unterschiedlicher Dicke linear ausgeführt sind.
    7. Anwendung von Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 2 bis 6 in einem lichtempfindlichen Sensor, wobei in den ersten und zweiten Gebieten (68, 82) durch einfallendes Licht Ladungsträger erzeugbar sind.
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