DE2623541C3

DE2623541C3 - Bildaufnahmeanordnung und photoempfindliches Element für eine solche Anordnung

Info

Publication number: DE2623541C3
Application number: DE2623541A
Authority: DE
Inventors: Marnix Guillaume Collet; Johannes Gerrit Van Santen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1980-11-06
Also published as: AU503110B2; CA1065978A; JPS5615593B2; BR7603624A; NL180157B; FR2314584B1; DE2623541A1; GB1557238A; CH609490A5; ES448628A1; FR2314584A1; US4724470A; DE2623541B2; IT1061529B; NL7506795A; MX157678A; NL180157C; SE414355B; JPS51150288A; SE7606438L

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildaufnahmeanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung betrifft weiter ein photoempfindliches Element, das sich zur Anwendung in einer solchen Bildaufnahmeanordnung eignet.

Auf dem Ladungsübertragungsprinzip basierende Bildaufnahmeanordnung sind allgemein bekannt. Derartige Anordnungen können statt mit Hilfe eines Elektronenstrahls auch dadurch elektrisch ausgelesen werden, daß die Ladungspakete, die Informationen über die Menge örtlich absorbierender Strahlung enthalten, schrittweise durch das Register geschoben und sequentiell am Ausgang des Registers ausgelesen werden. Das Ladungsübertragungsregister kann z. B. durch ein sogenanntes Eimerkettenregister oder durch eine ladungsgekoppelte Anordnung gebildet werden.

Bildaufnahmeanordnungen der eingangs beschriebenen Art, in denen die photoempfindlichen Elemente und das Ladungsübertragungsregister voneinander getrennt sind, werden auch als Biidaufnahmeanordnungen vom »Interline«-Typ (Zwischenzeilentyp) bezeichnet; eine Matrixstruktur dieses Typs enthält eine Anzahl von Zeilen photoempfindlicher Elemente mit zwischen den jeweiligen Zeilen einem zugehörgen Ladungsübertragungsregister. Diese Anordnungen tinterscheiden sich von einem anderen Typ von Bildaufnahmeanordnungen, in denen die Funktionen von Ladungsübertragung und eines photoempfindlichen Elements nicht getrennt sind, sondern in denen das Ladungsübertragungsregister zugleich die photoempfindlichen Elemente liefert. Trennung dieser Funktionen weist jedoch mehrere Vorteil auf; insbesondere ist es in einer Bildaufnahmeanordnung vom »Interline«-Typ möglich, genau definierte Integrationszeiten dadurch zu erzielen, daß nach jeder Halbbildzeit die in den photoempfindlichen Elementen gespeicherten Ladungspakete gleichzeitig für das Auslesen in das Ladungsübertragungsregister eingeführt werden, das gegen Strahlung abgeschirmt sein kann. Außerdem können die Parameter der photoempfindlichen Elemente und des Ladungsübertragungsregisters unabhängiger voneinander gewählt werden, was im Zusammenhang mit einer günstigen Wirkung der Anordnung sehr vorteilhaft sein kann.

Trotzdem tritt auch in Bildaufnahmeanordnungen -dieses Typs oft der Nachteil auf, daß die Möglichkeiten in bezug auf die Wahl der Parameter, insbesondere der photoempfindlichen Elemente, manchmal noch zu beschränkt sind, um eine optimale Wirkung der Anordnung zu erzielen. So ist es z. B. bekannt, photoempfindliche Elemente mit einer isolierten Gate-Elektrode auf der Oberfläche des Körpers anzuwenden, die gegen das Halbleitermaterial durch eine zwischenliegendt Isolierschicht aus z. B. Siliziumoxid isoliert ist. Mit Hilfe dieser isolierten Gate-Elektrode kann in dem darunterliegenden Halbleitergebiet ein Verarmungsgebiet induziert werden, in oder nahe bei dem durch Absorption von Strahlung Ladungsträger erzeugt und gespeichert werden können. Die Empfindlichkeit einer derartigen Anordnung kann aber im Falle von Beleuchtung über die genannte Oberfläche durch die isolierte Gate-Elektrode beeinträchtigt werden. Bei Anwendung einer Metallschicht als isolierte Gate-Elektrode soll diese Metallschicht im allgemeinen sehr dünn sein, weil sie sonst für Strahlung undurchlässig wird. Das Anbringen dünner Metallschichten erfordert oft einen zusätzlichen Verfahrensschritt während des Herstellungsvorganges.

Verwendung von Halbleitermaterial, z. B. polykristallinem Silizium, statt Metall hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit der Anordnung für ein großes Gebiet des Spektrums verbessert werden kann. Dadurch, daß jedoch der Absorptionskoeffizient von Silizium für Strahlung kürzerer Wellenlänge verhältnismäßighoch ist, ist diese Verbesserung für blaues Licht nur gering.

Absorption (und/oder Reflexion) durch die isolierten Elektroden kann durch Bestrahlung auf der Rückseite des Halbleiterkörpers verhindert werden. Dazu ist jedoch meist ein zusätzlicher Schritt während des Herstellungsvorgangs erforderlich, durch den (wenigstens stellenweise) der Halbleiterkörper auf der Rückseite über einen derartigen Abstand, z. B. mittels Ätzung entfernt wird, daß einfallende Strahlung bis

in das Verarmungsgebiet oder wenigstens bis in die Nähe dieses mit Hilfe der isolierten Elektroden induzierten Verarmungsgebietes eindringen kann.

Statt photoempfindlicher Elemente mit isolierten Elektroden können auch photoempfindliche Dioden in Form von Zonen vom zweiten dem der Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitungstyp verwendet werden, die mit der Halbleiterschicht photoempfindliche pn-Übergänge bilden, wie bei einem Silizium-Vidikon üblich ist. Die Dioden können dadurch elektrisch aufgeladen werden, daß über den pn-Übergängen eine Spannung in der Sperrichtung angelegt wird, wonach sie durch Absorption einfallender Strahlung entladen werden können, wobei Ladungsträger erzeugt werden, die Information über die (örtliche) Intensität der Strahlung erteilen können.

Photodioden weisen aber den Nachteil auf, daß ihre Ladungsspeicherkapazität oft verhältnismäßig gering ist, d. h., daß in den Dioden weniger Ladung gespeichertwerden kann als mit Rücksicht auf das Ladungsübertragungsregister erwünscht wäre. Die wichtigste Ursache davon ist, daß die elektrische Feldstärke über eine Isolierschicht, z. B. aus Siliziumoxid, die in den meisten Fällen für den Durchschlag im Ladungsübertragungsregister entscheidend ist, im allgemeinen größer als die Feldstärke im Halbleitermaterial selbst sein kann; Lawinenvervielfachung in dem Halbleitermaterial tritt im allgemeinen bereits bei verhältnismäßig niedrigen Feldern auf, wodurch die günstige Wirkung der verhältnismäßig großen Dielektrizitätskonstante auf die Diodenkapazität völlig beseitigt wird.

Vergrößerung der Ladungsspeicherkapazität der Photodioden durch Vergrößerung der Oberfläche der pn-Übergänge führt häufig zu einer unerwünschten Herabsetzung des Auflösungsvermögens der Bildaufnahmeanordnung und/oder zu einer unerwünschten Vergrößerung des Halbleiterkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildaufnahmeanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß ihre Empfindlichkeit auch für kurzwelliges Licht (Glas) verhältnismäßig groß ist und sie zugleich eine verhältnismäßig große Ladungsspeicherkapazität aufweist.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß die zwei Hauptfunktionen des photoempfindlichen Elements - und zwar die Erzeugung von Ladungsträgern und die Speicherung der erzeugten Ladungsträger - voneinander getrennt werden können und daß, indem das photoempfindliche Element in einzelne Teilelemente für jede der genannten Funktionen aufgespaltet wird, das photoempfindliche Element optimaler entworfen und/oder betrieben werden kann als photoempfindliche Elemente, in denen diese Funktionen nicht voneinander getrennt sind.

Die genannte Aufgabe wird in Anwendung dieser Erkenntnisse erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß die Photodioden im wesentlichen wenigstens nur nach dem Absorbieren von Strahlung und zur üjmit gepaarten Erzeugung von Ladungsträgern dienen, während die Speicherung dieser Ladungsträb5 ger im wesentlichen in dem an die Photodiode grenzenden Gebiet unter der isolierten Gate-Elektrode stattfindet, wird einerseits die Ladungsspeicherkapazität der photoempfindlichen Elemente nicht durch

Durchschlagserscheinungen in den Photodioden beschränkt, während die Empfindlichkeit der Anordnung andererseits nicht durch die isolierte Gate-Elektrode verringert wird.

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

Fig. I eine Draufsicht auf einen Teil einer linienförmigen Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

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

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie IV-IV,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweidimensionalen Ausführungsform einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Querschnitt längs der Linie VI-VI durch diese Anordnung,

Fig. 7 einen Querschnitt längs der Linie VII-VII durch die Anordnung nach Fig. 5,

Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII durch die Anordnung nach Fig. 5, und

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine linienförmige Bildaufnahmeanordnung oder einen Zeilensensor nach der Erfindung zum Auffangen eines zellenförmigen Strahlungsbildes und zur Umwandlung dieses Bildes in ein elektrisches Signal. Das Strahlungsbild, das über der Oberseite der Anordnung eingefangen werden kann, ist im Querschnitt nach Fig. 2 schematisch durch die Pfeile 1 angegeben. Die Anordnung enthält einen Siliziumhalbleiterkörper 2, aber dieser Körper kann statt aus Silizium auch aus anderen geeigneten Halbleitermaterialien bestehen. Der Körper 2 enthält eine an die Oberfläche 3 grenzende Schicht 4, die im wesentlchen n-ieitend ist.

In der Schicht 4 ist eine Reihe 5 photoempfindlicher Elemente angeordnet, die je einfallende Strahlung 1 absorbieren und in Ladungsträger umwandeln können, die während einer Integrationszeit oder Halbbildzeit in den photoempfindlichen Elementen in Form von Ladungspaketen gespeichert werden können, bevor sie ausgelesen werden.

Zum Auslesen ist die Schicht 4 mit Auslesemitteln versehen, die u. a. ein Ladungsübertragungsregister 6 enthalten Im vorliegenden Ausführungsbeispie! wird dieses Ladungsübertragungsregister durch eine ladungsgekoppelte Anordnung mit Massentransport (bulk transport) gebildet, die in der Literatur auch als PCCD oder als BCCD bezeichnet wird. Naturgemäß können auch andere Typen von Ladungsübertragungsregistern, wie Eimerkettenspeicher oder ladungsgekoppelte Anordnungen mit Oberflächentransport, verwendet werden. Das Ladungsübertragungsregister enthält eine Reihe von Elektroden 8, 9 und 10, die auf einer auf der Oberfläche 3 des Körpers 2 liegenden Isolierschicht 7 angebracht sind, die die Elektroden von dem unterliegenden Halbleitermaterial trennt.

Es sei bemerkt, daß die Elektroden 8 und 9 tatsächlich durch die hervorragenden Teile zweier kammförmiger Elektrodenstrukturen gebildet werden, deren streifenförmige Basisteile, die die Elektroden miteinander verbinden, der Deutlichkeit halber ebenfalls mit den Bezugsziffern 8 bzw. 9 bezeichnet sind..Die Elektroden 10, die nachstehend noch näher beschrieben werden, werden durch eine einzige streifenförmige leitende Schicht gebildet, die sich über wenigstens praktisch die ganze Oberfläche des Ladungsübertraguingsregisters erstreckt. Ferner sei bemerkt, daß die aninahmeweise durchsichtige Isolierschicht 7, die gewöhnlich aus Silizium besteht, aber die auch aus andern ren Materialien hergestellt sein kann, der Deutlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt ist.

Die Elektroden 8, 9, 10 bilden mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial der Haibleiterschicht 4 eine Reihe von Kapazitäten, über die die in den photoempfindiichen Elementen 5 durch Erzeugung von Ladungsträgern erhaltene Information in Form von Ladungspaketen zu dem Ausgang 11 weitergeschoben werden kann, an dem die Ladungspakete sequentiell ausgelesen und in ein Videosignal umgewandelt werden können.

Die Bildaufnahmeanordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gehört daher zu dem Typ von Sensoren, in denen die photoempfindlichen Elemente (lateral) von dem Ladungsübertragungsregister getrennt sind. Dieser Typ von Bildaufnahmeanordnungen weist im Vergleich zu Bildaufnahmeanordnungen, in denen das Ladungsübertragungsregister zugleich die photoempfindlichen Elemente liefert, wesentliche Vorteile auf, u. a. den Vorteil, daß nach

jo jeder Halbbildzeit die Ladungspakete in das Ladungsübertragungsregister eingeschoben und damit gegen einfallende Strahlung 1 beim Auslesen abgeschirmt werden können. Zu diesem Zweck sind die Elektroden in Form eines langgestreckten Streifens ausgebildet, der praktisch die ganze Oberfläche des Ladungsübertragmngsregisters bedeckt. Mit Vorteil kann dabei der Streifen 10 aus einem reflektierenden Material, z. B. Aluminium, hergestellt sein.

Nach der Erfindung enthalten die photoempfindlichen Elemente der Reihe 5 je eine Photodiode mit einer an die Oberfläche 3 grenzenden p-ieitenden Oberflächenzonen 12, die mit der n-Ieitenden Halbleiterschicht 4 einen photoempfindlichen pn-Übergang 13 bildet. Außerdem enthalten die photoempfindlichen Elemente je eine Gate-Elektrode 14, die auf der auf der Oberfläche 3 liegenden Isolierschicht 7 angebracht ist und neben der entsprechenden Photodiode liegt, und wenigstens auf die Oberfläche 3 gesehen, an diese Diode grenzt. Im hier beschriebenen Ausführungsbeicoiel sind die Gate-Elektroden 14 als pin nniintprhrorlipnpr lnnoo#>cfrpf»iitf»r ^trf»ifpn ans Ipi-_OD —

tendem Material ausgebildet, aber es leuchtet ein, daß die Gate-Elektroden 14 auch in Form einer Anzahl voneinander getrennter Schichten aus einem leitenden Material angebracht werden können.

Die Gate-Elektroden 14 bilden zusammen mit dem darunterliegenden Material der Halbleiterschicht 4 eine Reihe von Kapazitäten, in denen Ladungsträger, die durch Absorption von Strahlung in und/oder nahe

bei den pn-Übergängen 13 erhalten werden, während des Halbbildintervalls gespeichert werden können, bevor sie zu der Ladungsübertragungsanordnung 6 befördert werden.

Die p-leitenden Zonen 12 sind mit einem elektrisehen Anschluß 15, 16 versehen, während die Gate-Elektrode(n) 14 mit einem elektrischen Anschluß 17 versehen ist (sind). Über diese Anschlüsse können in den Zonen 12 und an die Gate-Elektroden 14 - unab-

hängig voneinander — Spannungen angelegt werden, die mit Rücksicht auf eine befriedigende Wirkung der Anordnung erwünscht sind. Wie aus den Figuren hervorgeht, sind die p-Ieitenden Oberflächenzonen 12 nicht mit je einem gesonderten Anschluß, sondern mit einem allen Zonen 12 der Reihe 5 gemeinsamen Anschluß versehen. So bildet ebenfalls der Anschluß 7 einen den Gate-Elektroden 14 gemeinsamen Anschluß.

Der gemeinsame Anschluß 15, 16 der p-leitenden Oberflächenzonen wird durch ein angrenzendes p-leitendes Oberflächengebiet 15 gebildet, das sich von der Oberfläche 3 bis zu der der Oberfläche 3 gegenüberliegenden Seite der Schicht 4 erstreckt. Auf dieser Seite ist das p-leitende Gebiet mit dem p-leitenden Teil 16 (weiter als Substrat bezeichnet) des Halbleiterkörpers verbunden, das mit der η-leitenden Halbleiterschicht 4 den pn-übergang 18 bildet und mit dem p-leitenden Oberflächengebiet 15 einen Teil des elektrischen Anschlusses 15, 16 der p-leitenden Oberflächenzonen 12 bildet.

Die Ladungsspeichergebiete der photoempfindlichen Elemente werden durch die Teile der Halbleiterschicht 4 gebildet, die unter den p-leitenden Oberflächenzonen 12 und der angrenzenden Gate-Elektrode

14 liegen. Dazu sind die Dicke und die Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht 4 an der Stelle der Photodioden 12 und der Gate-Elektroden 14 derartig niedrig gewählt, daß Verarmungsgebiete gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke der Halbleiterschicht 4 erstrecken und Ladungsspeicherräume für Elektronen bilden.

Das Gebiet 15 bildet außerdem eine laterale Begrenzung der photoempfindlichen Elemente. Die gegenseitige Begrenzung zwischen den photoempfindlichen Elementen wird durch die sich von dem Gebiet

15 her lateral in der Schicht 4 erstreckenden p-leitenden Finger 19 gebildet, die sich von der Oberfläche 3 her ebenfalls bis zu dem Substrat 16 erstrecken. Die Finger 19 erstrecken sich von dem Gebiet 15 her unterhalb der Gate-Elektroden 14 bis zu dem Ladungsübertragungsregister 6. Die Ladungsspeicherstellen unter den Gate-Elektroden 14 - die vorzugsweise zwischen den Photodioden 12 und dem Ladungsübertragungsregister liegen, um eine möglichst gedrängte Struktur in der Längsrichtung der Zeile zu erhalten -werden ebenfalls voneinander durch die p-leitenden Finger 19 getrennt.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Anordnung nach dem vorliegenden Beispiel weist das Hälbleiiersubsirai 16 eine Dicke νΰπ etwa 250 μΐη und eine Dotierungskonzentration von etwa 2 ■ 10'⁴ Atomen/cm³ auf. Die übrigen Abmessungen sind annahmeweise genügend groß, um die Anordnung völlig enthalten zu können. Die η-leitende Halbleiterschicht 4 wird in diesem besonderen Beispiel durch eine auf dem Substrat 16 niedergeschlagene epitaktische Schicht mit einer Dicke von etwa 2 μΐη und einer Dotierungskonzentration von etwa 10" Atomen/cm³ gebildet. Statt durch Epitaxie könnte eine derartige Schicht naturgemäß auch durch Ionenimplantation geeigneter Atome, z. B. von Arsen, in dem Substrat 16 erhalten werden.

Das p-leitende Gebiet 15, dessen Dotierungskonzentration nicht kritisch ist, kann durch Diffusion von Boratomen von der Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 her erhalten werden. Zugleich mit dem p-leitenden Gebiet 15 kann das p-leitende Isoliergebiet 20 derart diffundiert werden, daß es einen Teil der lateralen Begrenzung des Ladungsübertragungsregisters bildet.

Die p-leitenden Oberflächenzonen 12 können z. B.

^r> durch Implantation einer p-leitenden Verunreinigung in der epitaktischen Schicht 4 mit einer Implantationsdosis von etwa 10¹⁴ Atomen/cm² und einer Implantationstiefe von etwa 0,3 μΐη erhalten werden. Ebenfalls durch Ionenimplantation kann in der Laie dungsübertragungsanordnung die Dotierungskonzentration des Oberflächengebietes 21 der epitaktischen Schicht 4 an der Oberfläche 3 mit einer Implantationsdosis von etwa 2 ■ H)¹² Atomen/cm-und einer Implantationstiefe von etwa 0,3 μΐη erhöht werden. Das stärker dotierte Gebiet 21 erstreckt sich, wie aus Fig. 4 hervorgeht, längs praktisch der ganzen Oberfläche des Ladungsübertragungsregisters und dient, wie u. a. in der DT-OS 2412699 beschrieben ist, zur Erhöhung der Speicherkapazität der Iadungsgekoppelten Anordnungen. In Fig. 1 ist das höher dotierte Gebiet 21 mit gestrichelten Linien angedeutet.

Die isolierende Siliziumoxidschicht 7 weist eine Dicke von etwa 0,1 μΐη auf. Die Elektroden 14,9 und 8 werden durch die Schichten aus dotiertem polykristallinem Silizium gebildet, die nacheinander angebracht und auf übliche Weise durch photolithographisches Ätzen gemäß einem Muster bearbeitet werden. Die gegenseitige Isolierung der unterschiedlichen Teilschichten wird durch Siliziumoxid gebildet, das durch teilweise Oxidation der polykristallinen Siliziumschichten erhalten ist. Die Elektrode 10 des Ladungsübertragungsregisters wird durch eine Aluminiumschicht gebildet. Zugleich mit dieser Elektrode können auch Kontakte, wie z. B. der Ausgangskontakt 11 (siehe Fig. 4) angebracht werden.

Beim Betrieb wird das Substrat z. B. an ein Bezugspotential, z. B. Erde (0 V) gelegt, während an die epitaktische Schicht 4 über den Ausgangskontakt 11 eine Spannung von etwa 16 V angelegt wird und an die Elektroden 8, 9 und 10 der ladungsgekoppelten Anordnung Taktspannungen angelegt werden, die zwischen 1,5 V und —8 V variieren. An die Elektroden 14 werden Taktspannungen angelegt, die zwisehen 11 V und 1,5 V variieren.

Bei diesen Spannungen wird das ganze Gebiet der epitaktischen Schicht 4, das von den photoempfindlichen Elementen und von dem Ladungsübertragungsregister bestrichen wird, erschöpft werden, d. h., daß

ohne Erzeugung von Elektronen praktisch alle in die-Sciii Gebiet vorhandenen Elektronen über den Ausgangskontakt 11 abgeführt werden. Während der sogenannten Integrationsperiode wird an die Elektrode 14 eine Spannung von etwa + 11 V angelegt, während an die p-Ieitenden Zonen 12 über die p-leitenden Zonen 15 und das p-leitende Substrat 16 eine Spannung von 0 V angelegt wird. Unter den p-leitenden Zonen 12 und den Elektroden 14 wird ein Potentialmuster (für Elektronen) erhalten, das in Fig. 2 mit gestrichel-

bo ten Linien 22 angegeben ist und das ein Minimum 23 unter der Gate-Elektrode 14 aufweist. Die Strahlung 1 fällt auf die Photodioden 12 ein und erzeugt in der Nähe der gesperrten pn-Übergänge 13 Loch-Elektron-Paare. Dadurch, daß über den Zonen 12

b5 keine Elektroden vorhanden sind, ist auch die Empfindlichkeit für Licht geringerer Wellenlänge (blaues Licht) verhältnismäßig groß. Von den erzeugten Elektron-Loch-Paaren werden die Löcher zu den p-

leitenden Zonen 12 und 15 und/oder zu dem Substrat 16 abgeführt. Die erzeugten Elektronen können in den Potentialsenken 23 zu den Zonen 12 gesammelt werden. Die Ladungsspeicherkapazität unter den Elektroden 14 beträgt etwa 10¹² Elektronen/cm² und ist erheblich größer als die Ladungsspeicherkapazität unter den p-leitenden Zonen 12, die etwa nur 2 · 10" Elektronen/cm² beträgt. Die Anordnung kombiniert daher eine große Lichtempfindlichkeit mit einer großen Ladungskapazität pro Oberflächeneinheit dadurch, daß die Funktionen von Absorption von Strahlung und Speicherung von Ladungsträgern voneinander getrennt werden.

Nach der Halbleiterperiode kann die Spannung an den F.lektroden 14 auf etwa +1,0V herabgesetzt werden, während zugleich die Spannung an der nächstliegenden Elektrode der ladungsgekoppelten Anordnung, z. B. an der Elektrode 8 in Fig. 2, auf 1,5 V erhöht wird, während die übrigen Elektroden eine Spannung von -8,5 V aufweisen. Die Elektronen, die in den photoempfindlichen Elementen der Reihe 5 erzeugt und gespeichert sind, werden dann auf die ladungsgekoppelte Anordnung übertragen. Die Ladungspeicherkapazität in dem Ladungsübertragungsregister pro Einheitszelle ist bei den angelegten Spannungen von der gleichen Größenordnung wie die der photoempfindlichen Elemente.

Durch das übliche Ladungstransportverfahren können die in den unterschiedlichen photoempfindlichen Elementen erzeugten Elektronen paketweise zu dem Ausgang 11 befördert und dort sequentiell ausgelesen werden. Der Ladungstransport erfolgt im wesentlichen in dem Inneren der Halbleiterschicht 4 und daher in einem endlichen Abstand von der Oberfläche 3, wodurch Verlust an Information infolge von Oberflächenzuständen vermieden wird.

Es sei bemerkt, daß in der hier beschriebenen Anordnung das Ladungsübertragungsregister 6 nur zum Auslesen der erzeugten Ladung dient und nicht selber die photoempfindlichen Elemente liefert. Dadurch ist es möglich, das Register 6 mit einer für Strahlung undurchlässigen Schicht zu überziehen, die in dem Ausführungsbeispiel durch die Elektrode 10 gebildet wird. Die Ladungspakete, die nach der Halbbildperiode in das Register 6 eingeschoben werden, können mit Vorteil beim Auslesen gegen Strahlung 1 abgeschirmt werden. Eine »Verschmierung« zwischen den Ladungspaketen während des Auslesens wird dadurch in diesem Typ von Bildaufnahmeanordnungen wenigstens größtenteils vermieden.

Wie bereits bemerkt wurde, ist die hier beschriebene Anordnung ein Zeilensensor zum Auffangen eines zellenförmigen Strahlungsbildes. Um die Gedrängtheit der Anordnung in der Längsrichtung der Zelle möglichst groß zu machen, sind die Photodioden 12 und die zugehörigen Gate-Elektroden in einer 'Richtung quer zu der Längsrichtung der Zeile nebeneinander derart angeordnet, daß die Gate-Elektroden 14 zwischen den Dioden 12 und der Ladungsübertragungsanordnung 6 liegen.

Die Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann zu einem zweidimensionalen Bildsensor dadurch erweitert werden, daß einfach eine Anzahl der hier dargestellten Zeilensensoren nebeneinander angebracht werden. Eine derartige Anordnung bietet wesentliche Vorteile, u. a. in jenen Fällen, in denen die Anzahl von Bildpunkten in der Längsrichtung der Zeilen größer als in der Richtung quer zu der Längsrichtung ist.

In jenen Fällen, in denen die Anzahl von Bildpunkten in der genannten Längsrichtung kleiner als oder sogar von derselben Größenordnung wie die Anzahl von Bildpunkten in der anderen Richtung ist, ist es zu bevorzugen, die Anordnung in der genannten anderen Richtung möglichst gedrängt zu machen. An Hand der Fig. 5 bis 8 wird ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Bildsensors nach der Erfin-

Ki dung, in dem die Dichte von Bildpunkten in einer Richtung quer zu der Längsrichtung der Zeilen größer als in dem Zeilensensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel sein kann. Der Einfachheit halber sind in diesem Ausführungsbeispiel entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.

Die Anordnung enthält eine Anzahl praktisch paralleler Reihen oder Zeilen 5 photoempfindlicher Elemente, die ein zweidimensionales Mosaik bilden.

2« In Fig. 5, die eine Draufsicht auf einen Teil der Anordnung ist, sind zwei dieser Reihen dargestellt. Mit Hilfe dieses Mosaiks photoempfindlicher Elemente kann ein zweidimensionales Strahlungsbild 1 in ein zweidimensionales Muster von Ladungspaketen umgewandelt werden, die je ein Maß für die Intensität der Strahlung sind, die während einer gewissen Zeit, der Halbbildzeit, örtlich auf die Anordnung einfällt. Zum Auslesen dieser Ladungspakete sind in der Halbleiterschicht 4 zwischen den Reihen photoempfindlicher Elemente eine Anzahl von Ladungsübertragungsregistern 6 derart angeordnet, daß neben jeder Zeile 5 photoempfindlicher Elemente ein zugehöriges Ladungsübertragungsregister 6 liegt.

Die photoempfindlichen Elemente enthalten, wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, je eine Photodiode in Form einer in der epitaktischen n-leitenden Schicht 4 angebrachten p-leitenden Oberflächenzone 12 und eine angrenzende isolierte Gate-Elektrode 14, die sich neben der p-leitenden Zone 12 und auf der die Oberfläche 3 bedeckenden isolierenden Oxidschicht 7 befindet. Der Deutlichkeit halber ist die Oxidschicht 7 in der Draufsicht nach Fig. 5 nicht dargestellt, während die p-leitenden Zonen 12 wieder mit gestrichelten Linien in dieser Figur angedeutet sind. Die p-leitenden Zonen 12 sind wieder mit elektrischen Anschlüssen in Form p-leitender Oberflächengebiete 15 versehen, die sich von der Oberfläche 3 der epitaktischen Schicht 4 bis zu dem p-leitenden Substrat 16 erstrecken. Über das Substrat 16 kann an die p-leitenden Zonen 12 eine geeignete Spannung, z. B. Erdpotential, angelegt werden.

Wie aus der Draufsicht nach Fig. 5 und aus dem Schnitt nach Fig. 8 hervorgeht, sind die isolierten Gate-Elektroden 14 nicht, wie bei dem Zeilensensor nach dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, neben den Photodioden 12, sondern zwischen den Photodioden 12 gelegen, wodurch die gegenseitigen Abstände der Reihen 5 photoempfindlicher Elemente mit Vorteil verhältnismäßig klein sein können.

to Die Ladungsübertragungsregister 6, die aus ladungsgekoppelten Anordnungen mit Massentransport bestehen, sind praktisch mit der ladungsgekoppelten Anordnung 6 bei dem Sensor nach dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel identisch.

Die Elektroden, die mit 10 bezeichnet sind, erstrekken sich je quer über die Oberfläche der ladungsgekoppelten Anordnungen und schirmen die ladungsgekoppelten Anordnungen gegen die Strahlung 1 ab.

II

Die Elektroden 10 können außerhalb des in den Figuren gezeigten Teiles miteinander verbunden sein. Die Elektroden 8 und 9 erstrecken sich je streifenförmig in einer Richtung quer zu den Ladungstransportrichtungen über den Halbleiterkörper 2 und bilden ge- ^r> meinsam Elektroden für die Anzahl ladungsgekoppelter Anordnungen 6. Wie aus der Draufsicht nach Fig. 5 hervorgeht, weisen die Elektroden 8 Verjüngungen an der Stelle der photoempfindlichen Elemente 12 auf, wodurch in dem Leitermuster an der i<> Stelle der p-leitenden Zonen 12 Öffnungen erhalten werden, über die einfallende Strahlung bis in das Halbleitermaterial eindringen kann.

Beim Betrieb können an die verschiedenen Zonen und Elektroden die gleichen Spannungen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel angelegt werden. In Fig. 8 ist mit der gestrichelten Linie 24 das Potentialmuster, das in der Halbleiterschicht 4 an der Stelle einer Zeile 5 photoempfindlicher Elemente gebildet wird, schematisch angegeben. Die Potentialminima 25 unter den Gate-Elektroden 14 bilden Speicherräume für Elektronen, die in und/oder nahe bei den p-leitenden Zonen 12 erzeugt werden. Nach der Integrationszeit werden die in den Potentialminima 25 gesammelten Ladungspakete gleichzeitig auf die zugehörige ladungsgekoppelte Anordnung übertragen. Auf an sich bekannte Weise können die Ladungspakete dann über die ladungsgekoppelten Anordnungen zu Auslesegliedern weitergeschoben werden. Diese Ausleseglieder können u. a. eine weitere Ladungstransportvorrichtung 6 enthalten, die schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Die Vorrichtungen 6 sind je elektrisch mit dem Register 26 verbunden, was schematisch mit den Pfeilen 27 angegeben ist, welche Verbindungen mit Hilfe der Elektroden 10 gesteuert werden können. Über die Verbindungen 27 können Ladungspakete von den Vorrichtungen 6 gleichzeitig auf das Register 26 übertragen und dann durch das bekannte Ladungsübertragungsverfahren zu dem Ausgang 28 transportiert und dort sequentiell ausgelesen werden. Wenn alle Ladungspakete ausgelesen sind, kann eine nächstfolgende Reihe von Ladungspaketen von den Vorrichtungen 6 auf die Vorrichtung 26 übertragen und dann ausgelesen werden.

Es ist einleuchtend, daß sich die Erfindung nicht auf die hier gegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern daß im Rahmen der Erfindung für

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35 den Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

Die elektrischen Anschlüsse der p-leitenden Zonen 12 können statt einer ohmschen Verbindung mit den p-leitenden Oberflächengebieten 15 und dem p-leitenden Substrat 16 auch einen gleichrichtenden Übergang enthalten.

Fig. 9 zeigt eine solche Anordnung im Schnitt. Diese Anordnung entspricht größtenteils der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel und ist daher der Einfachheit halber wieder mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Ein wichtiger Unterschied mit der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die p-leitenden Oberflächenzonen 12 nicht mehr mit den p-leitenden Gebieten 15 verbunden, sondern von diesen Gebieten lateral getrennt und naturgemäß auch von den hier nicht dargestellten p-leitenden Fingern 19 getrennt sind. In jeder p-leitenden Zone 12 ist ein η-leitendes Oberflächengebiet 31 angebracht, das mit einem Kontakt 32 zum Anlegen einer geeigneten Spannung versehen ist. Das η-leitende Gebiet 31, das einen gleichrichtenden pn-Ubergang 30 mit der p-leitenden Zone 12 bildet, kann als der Emitter eines Phototransistors betrachtet werden, dessen Basis durch die p-leitende Zone 12 und dessen Kollektor durch das unterliegende Gebiet der epitaktischen Schicht 4 gebildet wird. Beim Betrieb kann bei einfallender Strahlung der Übergang 30 proportional zu der Menge einfallender Strahlung Elektronen injizieren. Diese injizierten Elektronen können auf die bereits beschriebene Weise unter der Gate-Elektrode 14gesammelt werden. Eine derartige Struktur weist den Vorteil auf, daß die durch Absorption von Strahlung erzeugten Elektronen um den Verstärkungsfaktor des Transistors verstärkt werden, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung beträchtlich vergrößert wird.

Weiter können die Leistungstypen der verschiedenen Zonen und Gebiete umgekehrt werden. Auch können statt ladungsgekoppelter Anordnungen mit Massentrar.sport ladup.gsgekoppelte Anordnungen mit Oberflächentransport verwendet werden, wobei statt durch Elektronen die datenhaltigen Ladungspakete durch erzeugte Löcher gebildet werden können. Statt ladungsgekoppelter Anordnungen können auch Ladungsübertragungsregister vom Eimerkettenspeichertyp Anwendung finden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bildaufnahmeanordnung zum Auffangen eines Strahlungsbildes und zur Umwandlung dieses Bildes in ein elektrisches Signal, die einen Halbleiterkörper (2) mit einer an eine Oberfläche (3) grenzenden Schicht (4) von im wesentlichen dem einen Leitungstyp enthält, in dem eine Reihe (5) photoempfindlicher Elemente liegt, die einfal- !ende Strahlung (1) absorbieren und in Ladungsträger umwandeln können, die während eines Halbbildzeitintervalles in den photoempfindlichen Elementen gespeichert werden können, wobei die Schicht mit Mitteln zum Auslesen der in den pho- π toempfindlichen Elementen gespeicherte*! Ladungsträger versehen sind, welche Mittel ein Ladungsübertragungsregister (6) mit einer Reihe von Elektroden (8,9,10) enthalten, die auf der Oberfläche der Schicht liegen, von der Schicht durch 2» einen sperrenden Übergang (7) getrennt sind und mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial eine Reihe von Kapazitäten bilden, in denen die in den photoempfindlichen Elementen durch Erzeugung von Ladungsträgern erhaltene Informa- 2^r> tion in Form von Ladungspaketen zu einem Ausleseglied (11) weitergeschoben werden kann, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe nach jedem Halbbildzeitintervall die Ladungsträger von den photoempfindlichen EIe- jo menten (5) in das Ladungsübertragungsregister (6) eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die photoempfindlichen Elemente (5) je eine Photodiode (13) mit einer an die Oberfläche des Körpers grenzenden Oberflächenzone y, (12) vom zweiten dsm einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp, die mit der Halbleiterschicht (4) vom einen Leitungstyp einen photoempfindlichen pn-Übergang bildet, iowie eine nächstliegende Gate-Elektrode (14) in Form einer w leitenden Schicht enthalten, die auf einer auf der Oberfläche liegenden Isolierschicht (7) angebracht und von dieser Oberfläche durch diese zwischenliegende Isolierschicht getrennt ist und mit dem darunterliegenden Material der Halbleiter- v> schicht eine Kapazität bildet, in der durch Absorption von Strahlung erhaltene Ladung in der Photodiode während des Halbbildzeitintervalls gespeichertwerden kann, ehe sie in die Ladungsübertragungsanordnung eingeführt wird. ■-,()

2. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzone (12) und die Gate-Elektrode (14) jedes der photoempfindlichen Elemente (5) mit elektrischen Anschlüssen (17 bzw. 16,15) versehen sind, ys

3. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzonen (12) vom zweiten Leitungstyp mit einem ersten gemeinsamen Anschluß (15, 16) versehen sind, während die Gate-Elektroden (14) der pho- <,(> toempfindlichen Elemente mit einem zweiten gemeinsamen Anschluß (17) versehen sind.

4. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und die Dotierungskonzentration der Halbleiter- _fa5 schicht (4) derart sind, daß in der Halbleiterschicht an der Stelle der Photodioden (13) und der isolierten Gate-Elektroden (14) Verarmungsgebiete gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke der Halbleiterschicht (4) erstrecken und Ladungsspeicherräume für Ladungsträger bilden, die Majoritätsladungsträger in Halbleitermaterial vom genannten Leitungstyp bilden.

5. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (4) auf der der Oberfläche (3) gegenüberliegenden Seite von einem Teil (16) des Halbleiterkörpers (weiter aJs Substrat bezeichnet) vom zweiten Leitungstyp begrenzt wird, der mit der Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp einen pn-Übergang (18) bildet.

6. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (16) einen Teil des gemeinsamen elektrischen Anschlusses der Obeiflächenzonen (12) vom zweiten Leitungstyp bildet.

7. Bildaufnahmeanordung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierten Gate-Elektroden (14), auf die Oberfläche gesehen, zwischen den Photodioden (13) und dem Ladungsübertragungsregister (6) liegen (Fig. 1).

8. Photoempfindliches Element, das sich zur Anwendung in einer Bildaufnahmeanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche eignet und einen Halbleiterkörper (2) mit einem an eine Oberfläche grenzenden Gebiet vom einen Leitungstyp enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das photoempfindliche Element eine Photodiode in Form einer in dem Gebiet (4) angebrachten Oberflächenzone (12) vom zweiten Leitungstyp, die mit dem Gebiet vom einen Leitungstyp einen photoempfindlichen pn-Übergang (13) bildet und mit einem elektrischen Anschluß versehen ist, sowie eine Gate-Elektrode (14) in Form einer leitenden Schicht enthält, die über dem Gebiet angebracht und von diesem Gebiet durch eine zwischenliegende Isolierschicht (7) getrennt ist und mit dem darunterliegenden Material des Gebietes eine Kapazität bildet, in der Ladungsträger, die in der Photodiode beim Betrieb erzeugt werden, gespeichert werden können.