DE2606308A1

DE2606308A1 - Optoelektronischer halbleitersensor

Info

Publication number: DE2606308A1
Application number: DE19762606308
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Hoffmann; Rudolf Dipl Ing Koch; Hans-Joerg Dr Pfleiderer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2606308C2

Description

Optoelektronischer Halbleitersensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Halbleitersensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei xy-adressierten Sensoren ist, wie in der Veröffentlichung Carnes, J.E. "Charge coupled imaging: state of the art" ESSDERC 1973, Solid State Devices, 1973, Seiten 83 - 108 beschrieben ist, das Signal-Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) von dem Verhältnis der Elementkapazität zur Kapazität der Ausleseleitung abhängig.
Da das Signal-Rauschverhältnis bei steigender Bildpunkteanzahl immer ungünstiger wird, wird die maximale Bildpunkteanzahl begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optoelektronischen Halbleitersensor anzugeben, bei dem die oben geschilderten Nachteile vermieden sind.
Diese Aufgabe wird durch einen wie eingangs bereits erwähnten optoelektronischen Halbleitersensor gelöst, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß dadurch, daß die Ladung beispielsweise in MOS-Kondensatoren integriert wird und praktisch verlustlos über MOS-Leitungen unter die CCD-Elektroden transportiert wird, ein Ausfall eines Bildpunktes nicht den Ausfall des gesamten Sensors zur Folge hat.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt I-I durch einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleitersensor und den Verlauf des Oberflächenpotentials in den verschiedenen Betriebszuständen.
Die Fig. 2 zeigt das Layout einer erfindungsgemäßen Schaltung nach der Fig. 1.
In der Fig. 1 ist das halbleitende Substrat, auf dem der erfindungsgemäße optoelektronische Halbleitersensor aufgebaut ist, mit 1 bezeichnet. Vorzugsweise besteht dieses Substrat aus Silizium.
Auf dem Substrat 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 11 die vorzugsweise aus Si02 besteht, aufgebracht. Mit dem Bezugszeichen 2 ist der CCD-Verschiebekanal, der sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt, bezeichnet. Eine in der Fig. 1 dargestellte Elektrode dieses Kanals 2 ist mit 21 bezeichnet. Die Elektrode 21 weist einen Anschluß 22 auf. Von der Elektrode 21 isoliert ist neben dieser die Gateelektrode 31 angeordnet, die einen Anschluß 32 aufweist. Von der Gateelektrode 31 isoliert ist neben dieser die Speicherelektrode 41 vorgesehen. Diese ist, unmittelbar mit der MOS-Leiterbahn 51 verbunden. Die Länge der MOS-Leitung 51 ist durch das Bezugszeichen 54 angegeben. Die MOS-Leitung 51 weist jeweils an einem Ende einen Anschluß 52 bzw. 53 zum Anlegen von Potentialen auf. Von der MOS-Leitung 5 elektrisch isoliert ist neben dieser die Zeilenansteuerungselektrode 61 angeordnet.
Schließlich ist neben dieser elektrisch isoliert in aus der Figur ersichtlichen Weise die Sensorelektrode 71 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei der Elektrode 21 und bei der MOS-Leiterbahn 51 um Elektroden der ersten Ebene, die vorzugsweise aus Silizium bestehen. Dasselbe gilt für die Elektrode 71. Bei den Elektroden 31 und 61 handelt es sich dann um Elektroden der zweiten Ebene, die vorzugsweise aus Aluminium bestehen.
Im folgenden soll nun die Funktion des erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleitersensors näher erläutert werden. In der älteren Patentanmeldung P 25 23 683.3 (unser Zeichen VPA 75 P 7075) ist die Funktion einer MOS-Leitung erläutert. Dabei wird mit Hilfe dieser MOS-Leitung durch Anlegen von unterschiedlichen Potentialen an die jeweiligen Enden der MOS-Leitung in einer unterhalb der MOS- Leitung befindlichen Verarmungszone ein Driftfeld erzeugt, das ein in der Verarmungszone eintretendes Ladungspaket nahezu verlustlos transportiert. Dabei wird das Ladungspaket entlang der Halbleiteroberfläche transportiert. Wird das Ladungspaket am Ende der MOS-Leitung unter einer Speicherelektrode gesammelt, so läßt sich die Ladung nahezu verlustlos von einem Ort zu einem anderen übertragen. In der Figur ist eine solche Speicherelektrode am Ende der MOS-Leitung 54 mit 41 bezeichnet. Für den Ladungstransport ist wesentlich, daß die Leitungskapazität keinen Einfluß auf die übertragene Ladung hat. Infolge der unvermeidlichen Diffusion und der selbstinduzierenden Drift strebt das transportierte Ladungspaket auseinander und entspricht der zeitliche Verlauf des Stromes an der Speicherelektrode 41 nicht mehr dem Stromimpuls am Leitungseingang 52. Die Zeitkonstante, die für den Transport maßgeblich ist, kann nach der Formel T = L21/u abgeschätzt werden. In dieser Formel bedeuten dabei: L die Weglänge, die das Ladungspaket zurücklegen muß, j~ den Unterschied des Oberflächenpotentials zwischen den Punkten 52 und 53 zwischen denen das Ladungspaket transportiert wird und u die Beweglichkeit der Ladungsträger. Als Abschätzung gilt dabei, daß das Maximum des Ladungspakets nach der Zeit T nach Durchlaufen der Länger (Fig. 1) die Speicherelektrode 41 erreicht. Als weitere grobe Abschätzung gilt, daß das Ladungspaket eine zeitliche Ausdehnung derselben Größenordnung T aufweist. Sollen auch die Ladungsreste erfaßt werden, so ergibt sich dann eine Laufzeit von etwa 1,5 T.
Für ein Fernsehbild ist beispielsweise eine Zeilenfrequenz von 16 kHz vorgeschrieben, was einer Zeit von 64 /us entspricht. Mit 2 5 entspricht. Mit einer Beweglichkeit von /u =500 cm /es und einem Potentialunterschied vona&=10Vzwischenden Punkten 52 und 53 kann eine Länge der MOS-Leitung von ungefähr 5 mm abgeschätzt werden. Nach dem obigen Modell ist dann die Ladung in einem Zeitraum von 64 /us nahezu vollständig von dem Anfang 52 der MOS-Leitung in die Speicherelektrode 43 übertragen. Die Laufzeit auf der Leitung kann ausgeglichen werden, indem die Zeilen um die halbe Laufzeit früher angesteuert werden. Die Länge 54 der MOS-Leitung legt den nutzbaren Frequenzbereich fest. Für den Aufbau einer Fernsehkamera wird daher vorgeschlagen, die Sensoren 7 einer Zeile mitels vieler parallel verlaufender Leitungen 5 auszulesen und die Ladung in Speicherelektroden 4 zu sammeln, von denen aus die Ladung weiter über die Gateelektroden 31 an Elektroden 21 des CCDs 2 gegeben werden.
In der Fig. 1 ist der Verlauf des Oberflächenpotentials im Ruhezustand mit 8 bezeichnet und durch eine durchgehende Linie dargestellt. Dabei befindet sich unterhalb der Sensorelektrode 71 eine Potentiarmulde, in der Ladungsträger angesammelt werden können.
Unterhalb der Zeilenansteuerungselektrode 61 befindet sich ein Potentilberg, der zunächst ein Abfließen von unterhalb der Sensorelektrode 71 befindlichen Ladungsträger verhindert. Durch Anlegen von unterschiedlichen Potentialen an die Anschlüsse 52 und 53 der Elektrode 51 der MOS-Leitung 5 wird unterhalb der MOS-Leitung 5 ein Driftfeld erzeugt, das dem in der Fig. 1 dargestellten Oberflächenpotential entspricht. Unterhalb der Speicherelektrode 41 herrscht das dem Punkt 53 entsprechende Oberflächenpotential. Unterhalb der Gateelektrode 31 befindet sich im Ruhezustand ein Potentialwall 10. Unterhalb der CCD-Elektrode 21 befindet sich beispielsweise schon eine Potentialmulde zum späteren Aufnehmen der transportierten Ladung. Beim Auslesen und Sammeln der Ladung wird durch Anlegen eines Potentials an die Zeilenansteuerelektrode 61 der dort bislang herrschende Potentialwall abgebaut, so daß die in der bislang unterhalb der Sensorelektrode 71 bestehenden Potentialmulde befindliche Ladung an das Driftfeld der MOS-Leitung 5 gelangt und unter die Speicherelektrode 41 verschoben wird. Der zum Auslesen und Sammeln der Ladung unter der Elektrode 41 maßgebliche Potentialverlauf ist in der Fig. 1 mit 9 bezeichnet und durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Zur weiteren Verschiebung der dann dort befindlichen Ladung unter die Elektrode 21 des CCDs 2 wird an die Gateelektrode 31 ein solches Potential angelegt, daß der bislang darunter bestehende Potentialwall verschwindet, so daß zwischen der Speicherelektrode 41 und der CCD-Elektrode 21 ein Potentialgefälle, das durch eine strich-punktierte Linie 10 dargestellt ist, aufgebaut wird, über das die unterhalb der Speicherelektrode 41 befindliche Ladung unter die -Elektrode 21 gelangen kann.
In der Fig. 2, in der auch der in der Fig. 1 dargestellte Schnitt I-I eingetragen ist, ist das Layout einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleiteranordnung in einer Zweilagen-Technologie, beispielsweise in der Aluminium-Silizium-Gate-Technologie, dargestellt. Dabei bedeuten Flächen, die nicht schraffiert sind,Aluminiumelektroden bzw. Leiterbahnen, Flächen die rechts-schraffiert sind Siliziumelektroden bzw. Leiterbahnen, Flächen die durch eine strichlierte Linie umrandet sind ein Dünnoxid und Flächen mit Kreisen Kontaktlöcher zwischen Silizium-und Aluminium-Belegungen. Einzelheiten der Fig. 2, die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurden, sind entsprechend bezeichnet.
Nach der Fig. 2 ergibt sich, bei der Annahme, daß die Elektroden 71 und 61 und die MOS-Leiterbahn 51 jeweils 5 um breit sind und bei einer Justiertoleranz von 2 #um auf jeder Seite eine Spaltenbreite von 19 /um. Die Zeilenbreite beträgt, bei einer Breite der Leitung 62 von 5 1um, bei einer Breite der Elektrode 61 von 5 um und bei einer Justiertoleranz von 2 /um auf jeder Seite, 14 um Damit wird ein Bildpunktverhältnis von etwa 4:3 erreicht.
Mit einer Gesamtlänge von 4,2 mm für die MOS-Leitung 5 sind demnach gerade die halbe Zeilenzahl eines Fernsehbildes mit ca. 300 Zeilen möglich. Die letzten Endes gewünschte Auflösung von 600 Zeilen ist mit Leiterbahnbreiten von 2,5 um möglich.
Eine längere MOS-Leitung kann dann zugelassen werden, wenn die geraden Zeilen der Sensoren unter einer rechts verlaufenden Leiterbahn und die ungeraden Zeilen unter einer links von einer Spalte verlaufenden Leiterbahn ausgelesen werden. Da in diesem Fall die doppelte Zeit zur Verfügung steht, könnte eine längere Leitung zugelassen werden.
Die Anordnung nach der Fig. 2 ist deshalb besonders vorteilhaft, da parallel zur Sensorelektrodenbahn ein an sich bekannter Überlaufkanal geführt werden kann, der Überschußladungen aufnehmen kann. Auf diese Weise kann ein störendes Blooming weitgehend unterdrückt werden. Dabei wird unter "Blooming" ein Abfließen von überschüssiger Ladung an benachbarte Bildpunkte verstanden.
Vorteilhafterweise tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung kein Schmiereffekt auf, wie er bei CCD-Sensoren nach dem bildorganisierten Prinzip eine Fehlerquelle darstellt.
Die oben erwähnten Störeffekte sind in dem Buch Charge Transfer Devices", Carlo H. Sequin und Michael F. Tompsett, Bell Telephone Laburatories Murray Hill, New Jersey, Academic Press. Inc.
New York, San Francisco, London 1975 näher beschrieben.
7 Patentansprüche 2 Figuren L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Optoelektronischer Halbleitersensor, bei dem auf einer halbleitenden Schicht eine elektrisch isolierende Schicht mit darauf befindlichen Elektroden aufgebracht ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß neben jeder Sensorelektrode (71) elektrisch von dieser isoliert eine Zeilenansteuerungselektrode (61) vorgesehen ist, daß neben der Zeilenansteuerungselektrode (61) elektrisch von dieser isoliert eine Leiterbahn (51) einer MOS-Leitung (5) vorgesehen ist, daß die MOS-Leiterbahn (51) an jeweils einem Ende einen Anschluß (52, 53) aufweist, daß an dem der Zeilenansteuerungselektrode am entferntesten Ende der MOS-Leiterbahn (51) eine Speicherelektrode (41) vorgesehen ist, wobei diese Speicherelektrode (41) mit dem der Zeilenansteuerungselektrode (61) entferntesten Ende der MOS-Leiterbahn (51) elektrisch in Verbindung steht, daß neben der Speicherelektrode (41) elektrisch von dieser isoliert eine Gateelektrode (31) vorgesehen ist und daß neben der Gateelektrode (31) elektrisch von dieser isoliert eine CCD-Elektrode (21) vorgesehen ist.
2. Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Sensorelektroden (71) zeilenförmig angeordnet sind und daß jeder Sensorelektrode (71) eine Zeilenansteuerungselektrode (61), eine MOS-Leiterbahn (51), eine Speicherelektrode (41), eine Gateelektrode (31) und eine CCD-Elektrode (21) zugeordnet ist.
3. Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die halbleitende Schicht (1) aus Silizium besteht.
4. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht aus SiO2 besteht.
5. Halbleitersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die CCD-Elektrode (21), die MOS-Leiterbahn (51), die dazugehörige Speicherelektrode (41) und die Sensorelektrode (71) auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet sind und aus Silizium bestehen und daß die Gateelektrode (31) und die Zeilenansteuerungselektrode (61) in einer zweiten Ebene auf einer elektrisch isolierenden Schicht (11'), welche auf der Sensorelektrode (71), der MOS-Leiterbahn (51), der Speicherelektrode (41), der CCD-Elektrode (21) und den nicht von diesen Elektroden bedeckten Bereichen der elektrisch isolierenden Schicht (11) aufgebracht ist, in einer zweiten Ebene angeordnet sind und aus Aluminium bestehen.
6. Halbleitersensor nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die weitere elektrisch isolierende Schicht (11') aus SiO2 besteht.
7. Verfahren zum Betrieb eines Halbleitersensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Ruhezustand an der Sensorelektrode (71) ein Potential anliegt, welches unter dieser Elektrode eine Potentialmulde zur Aufnahme von Ladungen erzeugt, daß an die Zeilenansteuerungselektrode (61) ein Potential angelegt wird, das unterhalb dieser Elektrode einen Potentialberg, der ein Abfließen von unterhalb der Sensorelektrode (71) befindlichen Ladungen verhindert, erzeugt, daß an die Enden der MOS-Leiterbahn (51) Potentiale angelegt werden, die unterhalb der Leiterbahn (51) ein Potentialgefälle hervorrufen, daß an die Gateelektrode (31) ein Potential angelegt wird, das neben der Speicherelektrode (41) einen Potentialberg erzeugt, daß beim Auslesen an die Zeilenansteuerungselektrode (61) ein Potential angelegt wird, das den unter dieser Elektrode im Ruhezustand befindlichen Potentialberg abbaut, so daß unter der Sensorelektrode (71) befindliche Ladungen über das Potentialgefälle unterhalb der MOS-Leiterbahn (51) zur Speicherelektrode (41) hin abfließen können und dort gesammelt werden, daß zum Verschieben der Ladung unter die CCD-Elektrode (21) an die Elektrode (32) und an die Elektrode (21) Potentiale angelegt werden, die den Potentialberg unterhalb der Elektrode (31) abbauen und zur CCD-Elektrode (21) hin ein Potentialgefälle (10) bewirken, über das die unterhalb der Speicherelektrode (41) befindliche Ladung unter die CCD-Elektrode (21) abfließen kann.