DE2542156B2

DE2542156B2 - Eindimensionaler optoelektronischer sensor

Info

Publication number: DE2542156B2
Application number: DE19752542156
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Dr.-Ing 8011 Zorneding; Mauthe Manfred Dipl.-Ing 8000 München Pfleiderer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-22
Filing date: 1975-09-22
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2542156C3; DE2542156A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen eindimensionalen optoelektronischen Sensor, bei dem auf einem Substrat aus dotiertem Halbleitermaterial mit Substratanschluß, das wenigstens eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht trägt, eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen aufgebracht ist, bei dem eine Auslesevorrichtung zum Auslesen der im Sensor gespeicherten Information vorhanden ist, bei dem entlang einer Längsseite der Reihe von lichtempfindlichen Elementen ein Überlaufkanal zum Aufnehmen und Abführen von zuviel erzeugten lnformationsladungsträgern vorhanden ist, bei dem an einem Ende eine Ausgangsdiode vorgesehen ist und bei dem über dem Zwischenraum zwischen der Reihe von lichtempfindlichen Elementen und dem Überlaufkanal, von diesen elektrisch isoliert, wenigstens eine streifenförmige Überlauftransferelektrode mit einem Anschlußkontakt zum Anlegen wenigstens zweier, verschieden große Potentialschwellen für die Minoritätsträger unter dieser Elektrode erzeugenden Spannungen angeordnet ist.

Eindimensionale Sensoren der eingangs genannten Art sind bekannt. Beispielsweise wird ein solcher eindimensionaler Sensor in der Veröffentlichung »Charge-Coupled Device Scanner Having Simultaneous Readout, Optical Scan and Data Rate Enhancement« von W.F.Bankowski und J.D. Tartamelle in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 16, Nr. 1, Juni 1973, S. 173 _ 174 beschrieben. Allgemein müssen bei Sensoren Schutzmaßnahmen gegen Überbelichten vorgenommen

ίο werden. Zu starke Belichtung eines Sensors führt nämlich dazu, daß mehr Ladungsträger erzeugt werden, als in den lichtempfindlichen Elementen festgehalten werden können. Diese zuviel erzeugten Ladungsträger breiten sich im Substrat aus und führen bei den benachbarten lichtempfindlichen Elementen zur Informationsverfälschung. In der Veröffentlichung »Blooming Suppression in Charge- Coupled Area Imaging Devices« von C. H. Sequ i η in BSTJ, Okt. 1972, S. 1923—1926 wird eine Schutzmaßnahme für Sensoren angegeben. Dort werden durch einen seitlieh entlang der Sensoren geführten dotierten Kanal als Überlaufkanal die zuviel erzeugten Ladungsträger gesammelt und abgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen

Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem zum Schutz gegen Überstrahlen kein dotierter Kanal als Überlaufkanal notwendig ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Überlaufkanal durch eine auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachte streifenförmige Elektrode, an der während des Betriebes eine Spannung anliegt, die eine Majoritätsträger-Verarmungsschicht unter dieser streifenförmigen Elektrode erzeugt, gebildet ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dabei so ausgebildet, daß die Reihe von lichtempfindlichen Elementen so aufgebaut ist, daß die lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht unter den Stellen, wo sich die lichtempfindlichen Elemente befinden, eine dünnere Schichtdicke als zwischen den lichtempfindlichen Elementen aufweist, und daß darauf in Reihenlängsrichtung ein durchgehender Streifen aus lichtdurchlässigem leitendem Material aufgebracht ist. Vorzugsweise besteht dabei der Streifen aus lichtdurchlässigem leitendem Material aus Polysilizium.

Der erfindungsgemäße Sensor kann auf homogen dotiertem Substrat hergestellt werden. Es werden dabei bis auf eine Diode an einem Ende des Überlaufkanals keine zusätzlichen Dotierungen benötigt. Der Sensor kann vollständig in einer für Sensoren allgemein vorteilhaften Aluminium-Silizium-Gate-Technologie hergestellt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Sensors.

Fig.2 zeigt einen Querschnitt längs der Schnittlinie I -I in der F i g. 1 und unter den Elektroden den örtlichen Verlauf des Oberflächenpotentials bei verschiedenen Betriebsbedingungen.

F i g. 3 zeigt sechs Impulsdiagramme über die Zeit f.

In der Fig. 1 ist in Draufsicht ein Ausfpührungsbeispiel eines in einer Aluminium-Silizium-Gate-Technologie hergestellten Sensors dargestellt. Die Reihe von lichtempfindlichen Elementen befindet sich im langge-

strichelt umrahmten Bereich 1. Der Überlaufkanal befindet sich unter der streifenförmig ausgebildeten Elektrode 2. Die lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht weist Stellen 11 bis 14 auf, in denen die

Schichtdicke dieser elektrisch isolierenden Schicht kleiner ist als außerhalb. Darüber ist ein Streifen 10 aus Polysilizium geführt. Die Ausleseanordnung besteht aus einem parallel einlesbaren Daten-Schieberegister. Dieses Daten-Schieberegister besteht aus einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung für Zwei-Phasen-Betrieb. Die eigentliche Übertragungsvorrichtung befindet sich im langgestrichelt umrahmten Bereich 3. Sie ist dadurch gebildet, daß über dem Übertragungskanal zunächst die Elektroden 32 und 34, die aus Polysilizium ι ο bestehen, auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht sind. Über den Zwischenräumen dieser Elektroden sind Aluminiumelektroden 31 und 33 auf dickerer elektrisch isolierender Schicht aufgebracht. Die jeweiligen Elektroden 31, 32, 33 und 34 sind durch einsprechende elektrische Leitungen 311, 321, 331 und 341 elektrisch leitend miteinander verbunden. Dabei bestehen die Leitungen 321 und 341 aus Polysilizium, während die übrigen Leitungen aus Aluminium bestehen. Die gesamte Anordnung in der Fig. 1 ist auf gemeinsam dotiertem Substrat, das eine zusammenhängende elektrisch isolierende Schicht trägt, die wenigstens im Bereich der lichtempfindlichen Elemente lichtdurchlässig ist, aufgebracht. Die elektrisch isolierende Schicht weist innerhalb des durch die durchgezogene Linie 6 umrahmten Bereiches eine dünnere Schichtdicke auf als außerhalb. Dieser Bereich enthält auch die Stellen 11 bis 14 des Sensors, die dessen lichtempfindliche Elemente bilden. Die Elektroden 32 des Daten-Schieberegisters sind aus Platzgründen bis fast an diese Stellen herangeführt. Die Zwischenräume zwischen den Stellen U bis 14 und den Elektroden 32 des Daten-Schieberegisters sind durch die zweite Transferelektrode 9 überdeckt, die von dem Polysiliziumstreifen 10 und der Elektrode 32 durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Der Zwischenraum zwischen der Elektrode 2, unter der sich der Überlaufkanal befindet, und dem Streifen 10 des Sensors ist durch die Transferelektrode 7 überdeckt, die von den Elektroden ebenfalls durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennt ist. Die beiden Transferelektroden 7 und 9 sind im Ausführungsbeispiel aus Aluminium hergestellt. An einem Ende der Elektrode 2 befindet sich die Diode 8, die dadurch gebildet ist, daß das überragende Stück 81 des Überlaufkanals entgegengesetzt zum Substrat dotiert ist. Die gesamte Anordnung kann auch so hergestellt werden, daß wenigstens außerhalb des Sensorbereiches 1 nur der durch die durchgezogene Linie 6 umrahmte Bereich dotiertes Halbleitermaterial enthält. Auf unterschiedliche Schichtdicke der elektrisch isolierenden Schicht kann dann wenigstens außerhalb des Sensorbereiches verzichtet werden.

In der Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Anordnung längs der Schnittlinie 1-1 dargestellH. Auf einem Substrat 20 aus dotiertem Halbleitermaterial, beispielsweise p-dotiertes Silizium, mit einem Substratanschluß 201, ist eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht 26, beispielsweise aus Siliziumdioxid, aufgebracht. Diese elektrisch isolierende Schicht ist innerhalb der Begrenzungslinien 6 in Fig. 1 dünner als außerhalb. Auf diese elektrisch isolierende Schicht ist ein die Sensorelektrode bildender Streifen 10 aus lichtdurchlässigem leitendem. Material, eine Elektrode 32 des Daten-Schieberegisters und die Elektrode 2, unter der sich der Überlaufkanal befindet, aufgebracht. Auf diese Elektroden ist eine zweite lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht 27, beispielsweise ebenfalls aus Siliziumdioxid, aufgebracht, die über dem Zwischenraum zwischen der Elektrode 2 und dem Streifen 10, die Transferelektrode 7 und über dem Zwischenraum zwischen dem Streifen 10 und der Elektrode 32 die zweite Transferelektrode 9 trägt. In der Fig.2 ist im Substrat jeweils der Verlauf des Oberflächenpotentials 0 bei verschiedenen Betriebsbedingungen gezeichnet. Die Kurve 28 gibt den Verlauf des Oberflächenpotentials 0 während der Belichtung, die Kurve 29 den Verlauf des Oberflächenpotentials 0 während des Auslesens des Sensors an. Zunächst wird während des Betriebes an die Elektrode 2 eine feste Gleichspannung angelegt, die darunter eine andauernde Potentialmulde für die Informationsladungsträger erzeugt. Während der Belichtung wird durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an den Streifen 10 unter der Stelle 12 in Fig. t eine Potentialmulde für die Informationsladungsträger erzeugt, in der die durch Licht erzeugten Ladungsträger gespeichert werden. An die Elektrode 7 wird während dieser Zeit eine betragsmäßig kleinere Spannung als an den Streifen 10 und die Elektrode 2 angelegt. Dadurch ist unter der Elektrode 7 eine kleine Potentialschwelle für die Informationsladungsträger vorhanden, über die zuviel erzeugten Ladungsträger in die Potentialmulde unter der Elektrode 2 fließen können. Weiter wird während dieser Zeit an die zweite Transferelektrode 9 die Spannung 0 Volt oder eine negative Spannung bei p-dotiertem Substrat bzw. eine positive Spannung bei η-dotiertem Substrat angelegt, so daß darunter eine auch für die zuviel erzeugten Ladungsträger unüberwindliche Potentialschwelle erzeugt wird. Es können somit keine Informationsladungsträger unter die Elektroden 32 des Daten-Schieberegisters gelangen, während zuviel erzeugte Ladungen über die niedrigere Potentialschwelle unter der Elektrode 7 in die Potentialmulde unter der Elektrode 2 abfließen und von dort über die in Sperrichtung vorgespannte Diode 8 in F i g. 1 abgeführt werden können. Die Kurve 29 gibt den örtlichen Verlauf des Oberflächenpotentials während des Auslesens an. Beim Auslesen des Sensors wird die Spannung an dem Streifen 10 verringert, beispielsweise nahe oder auf 0 Volt gebracht. Gleichzeitig wird an die Transferelektrode 7 die Spannung 0 Volt oder eine negative Spannung bei p-dotiertem Substrat bzw. eine positive Spannung bei η-dotiertem Substrat angelegt. Dadurch wird erreicht, daß unter der Transferelektrode 7 eine Potentialschwelle für die Informationsladungsträger vorhanden ist, die das Abfließen der unter dem Streifen 10 gespeicherten Ladungsträger in den Überlaufkanal unter der Elektrode 2 verhindern. An die zweite Transferelektrode 9 wird gleichzeitig eine Spannung angelegt, die so gewählt wird, daß keine Potentialschwelle darunter vorhanden ist und somit die gespeicherten Ladungen unter die Elektrode 32 des Daten-Schieberegisters fließen können. Das Auslesen hat dabei in einem solchen Zeitintervall zu erfolgen, in dem gerade unter den Elekiroden 32 Potentialmulden für die Informationsladungsträger vorhanden sind.

In der F i g. 3 ist in sechs Impulsdiagrammen über die Zeit t ein Impulsfahrplan für den Betrieb des Sensors dargestellt. Es ist dabei ein p-dotiertes Substrat vorausgesetzt. Im Diagramm 1 sind die Taktimpulse für die Elektroden 31 und 33 und im Diagramm II die Taktimpulse für die Elektroden 32 und 34 dargestellt. Die Taktimpulse des Diagramms Il sind gegenüber denen des Diagramms I um eine Impulsbreite phasenverschoben. Im Diagramm III sind zeitlich

zugeordnet die Spannungen an dem die Sensorelektrode bildenden Streifen 10 dargestellt. Die beiden Diagramme IV und V zeigen die Spannungen am Transfergate 7 und am zweiten Transfergate 9. Diagramme IV gibt die Spannung an der Elektrode 2 an. Zum Zeitpunkt Ti seien die Ladungen der Sensoren parallel in das Daten-Schieberegister transportiert worden. Besitzt der Fotosensor N Elemente, so wird mit N-Takten T die Information seriell ausgehen. Nach Beginn des Taktes N+1 können dann wieder Ladungen ausgelesen werden. Das Auslesen geschieht dabei in dem Zeitintervall, in dem an den Elektroden 32 ein Taktimpuls anliegt. In diesem Zeitintervall wird an den die Sensorelektrode bildenden Streifen 10 die Spannung 0 Volt, an das Transfergate 7 eine negative Spannung und an das zweite Transfergate 9 eine positive Spannung angelegt, die jedoch kleiner ist als die Taktspannung an der Elektrode 32. Ist das Auslesen beendet, werden an die Sensorelektrode und an die Transferelektrode 7 positive Spannungen angelegt, wobei die Spannung an der Sensorelektrode größer als die an der Transferelektrode 7 gewählt wird. An die

ίο zweite Transferelektrode 9 wird eine kleine negative Spannung angelegt. Sämtliche angegebenen Spannun gen beziehen sich auf ein Bezugspotential, auf welche: der Substratanschluß 201 gelegt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Eindimensionaler optoelektronisch Sensor, bei dem auf einem Substrat aus dotiertem HalD-leitermaterial mit Substratanschluß, das wenigstens eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht trägt, eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen aufgebracht ist, bei dem eine Auslesevorrichtung zum Auslesen der im Sensor gespeicherten Information vorhanden ist, bei dem entlang einer Längsseite der Reihe von lichtempfindlichen Elementen ein Überlaufkanal zum Aufnehmen und Abführen von zuviel erzeugten lnformationsladungstragern vorhanden ist, bei dem an einem Ende eine Ausgangsdiode vorgesehen ist und bei dem über dem Zwischenraum zwischen der Reihe von lichtempfindlichen Elementen und dem Überlaufkanal, von diesen elektrisch isoliert, wenigstens eine streifenförmige Überlauftransferelektrode mit einem Anschlußkontakt zum Anlegen wenigstens zweier, verschieden große Potentialschwellen für die Minoritätsträger unter dieser Elektrode erzeugenden Spannungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufkanal durch eine auf der elektrisch isolierenden Schicht aufgebrachte streifenförmige Elektrode (2), an der während des Betriebes eine Spannung anliegt, die eine Majoritätsträger-Verarmungsschicht unter dieser streifenförmigen Elektrode erzeugt, gebildet ist.

2. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von lichtempfindlichen Elementen so aufgebaut ist, daß die lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht unter den Stellen (11 bis 14), wo sich die lichtempfindlichen Elemente befinden, eine dünnere Schichtdicke als zwischen den lichtempfindlichen Elementen aufweist, und daß darauf in Reihenlängsrichtung ein durchgehender Streifen (10) aus lichtdurchlässigem leitendem Material aufgebracht ist

3. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen aus lichtdurchlässigem leitendem Material aus Polysilizium besteht.