DE2628820C2

DE2628820C2 - Ladungsgekoppelter Halbleiter-Bildaufnehmer

Info

Publication number: DE2628820C2
Application number: DE2628820A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Alex Shelburne Vt. Patrin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-07-10
Filing date: 1976-06-26
Publication date: 1983-11-17
Also published as: IT1063308B; DE2628820A1; CA1037600A; FR2317772B1; US3996600A; JPS5527502B2; JPS5211715A; FR2317772A1; GB1547260A

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß das gesamte Halbleiter-Teilgebiet vom zweiten Leitungstyp in aneinander grenzende Zonen (16, 18) eingeteilt ist, die sich bis zum Halbleitersubstrat (14) erstrecken, hiermit einen PN-Übergang bilden und abwechselnd einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand, nämlich z. B. 2 Hern und z. B. 50 Ωαη, aufweisen,

— daß diesen Zonen (16, 18) jeweils eine der Elektroden (16a bis 16d) eines ersten Teils der oberhalb der Isolierschicht (20) angebrachten Elektroden (22) zugeordnet ist,

— während je eine der Elektroden des zweiten Teils zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden (z. B. 16a und 1\,d) des ersten Teils liegt,

— daß zur Verwendung im Vier-Phasen-Taktbetrieb als ladungsgekoppelter Halbleiter-Bildaufnehmer alle Elektroden (22) in Vierergruppen (Φι, Φ₂, Φ* Φ*) zusammengefaßt sind, so daß die Elektroden einer Vierergruppe eine nach der anderen in zyklisch aufeinanderfolgenden Zeiten mit Taktsignalen beaufschlagbar sind,

— daß das Halbleiter-Teilgebiet vom zweiten Leitungstyp mit einer Polarität, die der Polarität der Taktsignale entgegengesetzt gerichtet ist, geringfügig gegen Masse vorgespannt ist (Vl) und

— daß gleichzeitig mit der Belichtung des ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehmers zwecks Bilderfassung das Halbleiter-Substrat (14) in Sperrichtung vorgespannt ist (V2 in F i g. 4),

— während das Halbleitersubstrat (14) nach Unterbrechen des Lichteinfalls auf den ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehmer zum Auslesen der Bildinformation aus dem hierbei als Schieberegister zu betreibenden ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehmer auf Massepotential gelegt ist.

2. Ladungsgekoppelter Halbleiter-Bildaufnehmer nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß während der Bilderfassung das an ein P-Ieitendes Halbleitersubstrat (14) angelegte Potential (V2)

— 20 V beträgt, während das N-Ieitende Halbleiter-Teilgebiet auf positivem Potential (V 1) liegt.

Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer wie er dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente speichern und übertragen Information in Form elektrischer Ladungen. Üblicherweise bestehen sie aus einem Halbleitersubstrat mit einem Isolierschichtüberzug, auf dessen freier Oberfläche Metallelektroden angebracht sind. In einer ersten Ausführungsform, wie sie ^. B. der

ίο Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, April 1970. Seiten 587—593 zu entnehmen ist, ist der Halbleiter homogen dotiert, wobei Zonen von demgegenüber unterschiedlichem Leitungstyp lediglich zum Injizieren oder Entnehmen der Ladung erforderlich

is £^;nd. Eine zweite Ausführungsform, wie sie in der Zeitschrift »Elektronik«, Band 23, Heft Nr. 1, Seiten 3—8 (1974) beschrieben ist, weist Zonen unterschiedlichen Leitungstyps auch unterhalb der Elektroden auf, um entweder Übertragungsverluste weitgehend

zu vermeiden oder die Übertragungsrichtung festzulegen. Zum Betrieb dieser als Schieberegister anzusehenden Anordnungen wird eine Gleichspannung zwischen den Elektroden und dem Halbleitersubstrat angelegt, welche ausreicht, die Halbleiteroberflächenbereiche zu verarmen; gleichzeitig werden aufeinanderfolgend Taktsignale in gleichen, fest vorgegebenen Phasenabständen jeweils zugeordneten Elektroden, die entsprechend gruppenweise zusammengefaßt sind, zugeführt. Unter Einwirkung der angelegten Vorspannung und der Taktsignale werden so die Minontätsladungsträger an der Halbleiteroberfläche zur Halbleiter-Isolatorgrenzfläche hingezogen und streben danach, sich in den hierbei unterhalb der Elektroden ausgebildeten Potentialmulden anzusammeln. Unter dem Einfluß der Taktsignale wandern die Minoritätsladungsträger vom Gebiet unterhalb einer Elektrode zum Gebiet unterhalb der nächsten Elektrode weiter, so wie sich aufeinanderfolgend Potentialmulden unterhalb der aneinandergereihten Elektroden ausbilden.

Eine grundsätzlich andere Art von halbleiter-Bildaufnehmern, die zwar ohne weiteres r.icht als iadungsgekoppelte Anordnungen zu betreiben sind, jedoch strukturmäßig diesen nahekommen, ist der DE-OS 24 01 533 zu entnehmen. Hier sind oberhalb des Halbleiterkörpers, bestehend aus einem Substrat mit darüberliegendem Teilgebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp, jedoch hiervon durch eine Isolierschicht getrennt, mehrere Gateelektroden aufgebracht, die aber alle miteinander Jeitend verbunden sind, um den

5J jeweiligen Ladungszustand unterhalb der Gate-Elektroden durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung auszulesen. Mittel zum Verhindern von Überstrahlungseffekten oder nachteiligen Wirkungen, die örtlich begrenzt durch übermäßige Belichtung einzelner Halbleiter-Bildaufnehmer-Oberflächenbereiche auftreten können, werden hierin jedoch nicht erwähnt, oder als zu behebende Schwierigkeit herausgestellt. Gänzlich anders liegt der Sachverhalt beim Einsatz von Ladungsverschiebe-Bauelementen.

Ein großes Problem beim Verwenden von ladungsgekoppelten Halbleiterschieberegistern zur Bildabtastung besteht darin, daß immer nur eine beschränkte Ladungsmenge in jeweils einer Potentialmulde angesammelt werden kann. Ist die innerhalb einer Potentialmulde angesammelte Ladung zu groß, z. B. unter Einfluß einfallenden Lichtes sehr starker Intensität, dann fließt diese Überschußladung in benachbarte Potentialmulden ab. Dieses als Überstrahlungseffekt bekanntgewordene

Phänomen läßt einen ladupgsgekoppelten Bildaufnehmer unter Einwirken starker Lichtintensität ebenso ansprechen wie auf eine mehr oder weniger diffuse Lichtquelle, so daß vergleichbare Erscheinungen auftreten und die Bildaufnahme entsprechend verwaschen wird.

Zum Vermeiden dieser störenden Oberstrahlungseffekte müssen Maßnahmen getroffen werden, den Oberlauf an jeweiligen Überschuß-Ladungsträgern zu übernehmen. In bekannter Weise kann dabei so vorgegangen werden, daß zusätzlich Elektroden benachbart zu den Elektroden angebracht werden, die dem ladungsgekoppelten Schieberegister zugeordnet sind. Diese zusätzlichen Elektroden übernehmen dann jeweils die an den Elektroden des Schieberegisters auftretenden Uberschußladungen. Die Aufnahmefähigkeit der jeweiligen zusätzlichen Elektrode für an der zugeordneten Schieberegisterelektrode auftretende Oberschußiadungen beruht darauf, daß ein Teil der jeweiligen zusätzlichen Elektrode gleichzeitig eine in Sperricbtung vorgespannte Haibleilerzone zur Ableitung von Überschußladungen überdeckt.

Eine derartige Lösung des Problems hat aber Nachteile zur Folge, die sich so zusammenfassen lassen: Die Erfordernis zusätzlicher Elektroden beansprucht mehr Platz an der Halbleiteroberfläche, so daß ein so ausgestatteter Halbleiter-Bildaufnehmer nahezu doppelt so groß wird, wie es an sich ohne Zusatzelektroden erforderlich wäre; weiterhin ergibt sich das Erfordernis eines zusätzlichen Metallisierungsniveaus. In der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Oktober 1972, Seilen 1923—1926 ist ein entsprechendes Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei auch ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt wird, bei dem in die Substratoberfläche unterhalb der Isolierschicht Diffusionszonen eingebracht sind. Auch hierfür gelten die oben aufgeführten Nachteile, wobei sich außerdem noch herausstellt, daß zur Herstellung komplizierte und aufwendige Verfahrensschritte anzuwenden sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehmer mit Maßnahmen zur Aufnahme von bei örtlichen Überstrahlungen auftretenden Überschußladungsträgern bereitzustellen, welcher keine Elektroden zusätzlich zu den Schieberegisterelektroden erfordert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Dank der Erfindung werden, ohne daß zusätzliche Elektroden zwischen den Schieberegisterelektroden erforderlich sind, bei Überstrahlung auftretende Überschußladungsträger über jeweils benachbarte Zonenabschnitte in das Halbleiter-Substrat abgeleitet.

In der nachfolgenden Ausführungsbeispiels-Beschreibung wird die Erfindung anhand unten aufgeführter Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehrners,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Anordnung nach F i g. 1 längs der dort angedeuteten Schnittlinie 2-2,

Fig.3 einen ähnlichen Querschnittsausschnitt wie Fig. 2, jedoch mit Andeutung der Verarmungszonenverteilung bei an der Halbleiterzone anliegendem positiven Potential und am Halbleiter-Substrat anliegendem Erdpotential.

Fig.4 einen ähnlichen Querschnittsausschnitt wie Fig. 2 jedoch mit Andeutung der Verarmungszonen

verteilung bei an der Halbleiterzone anliegendem positiven und am Halbleiter-Substrat anliegendem negativen Potential.

Der ladungsgekoppelte Halbleiter-Bitdaufnehmer, nachstehend kurz Bildaufnehmer genannt, enthält, wie in Fig. 1 angedeutet ein in einen Halbleiter 12 eingebrachtes Schieberegister 10. Die Darstellung nach F ig. 2 zeigt daß das Schieberegister aus dem Halbleitersubstrat 14, vorzugsweise P-Ieitendes Silicium mit spezifischem Widerstand von z. B. 2 Qcm, und dementsprechend einer N-Ieitenden Halbleiterzcne, gebildet aus einer Reihe von N-Zonenabschniti:en, besteht Diese N-Zonenabschnitte lassein sich in an sich bekannter Weise, z. B. durch Einbringen von Arsen oder Phosphor, mittels Ionenimplantation oder durch Diffusionsverfahren ausbilden. Diese Halbleiterzone besteht aus einander abwechselnden, unmittelbar aufeinanderfolgenden N--Zonenabschnitten 16 und N-Zonenabschnitten 18. zwischen denen also keineZwischenräume gelassen sind. Wie bereits aus der ttezeichnung zu ersehen, besitzen die N--Zonen^isdhnitte und die N-Zonenabschnitte unterschiedliche StQ₁ Stellenkonzentrationen, wobei die Störstellenkonzentrationswerte vom jeweils gewählten Entwurfskonzept abhängig sind. Als Normalwerte können ein spezifischer Widerstand von z. *~. 50Ωαη für die N--Zonenabschnitte und ein spezifischer Widerstand von z. B. 2 Qcm für die N-Zonenabschnitte angesehen werden. Eine dünne Isolierschicht 20 überdeckt dann zumindest die Halbleiteroberfläche im Bereich der Halbieiterzone. Diese Isolierschicht 20 kann aus Siliciumoxid oder einem anderen geeigneten Material, wie z. B. einer Kombination von Siliciumnitrid und Siliciumoxid bestehen, wobei die Dicke in der Größenordnung von 100 nm liegt. Die Elektroden 22 des Schieberegisters können aus irgendeinem geeigneten leitenden Material wie z. B. Aluminium oder polykristallinem Silicium bestehen.

Die dargestellten Anordnungen weisen eine Zweiniveau-Metallisierung für einen Vier-Phasen-Betrieb auf. Die Schieberegisterwirkung im ladungsgekoppelten Halbleiter-Bildaufnehmer ergibt sich durch aufeinanderiolgendes Anlegen eines vierphasigen Taktsignals an die Elektroden, die entsprechend diesen Phasen gruppenweise zusammengefaßt sind. Die Elektroden für die Phasen Φ 2 und Φ 4 können aus einer semitransparenten polykristallinen Siliciumauflage und die Elektroden für die Phasen Φ 1 und Φ 3 aus Aluminium bestehen. Die Anwendung von semitransparenten Elektroden gestattet eine Bilderzeugung an der Oberfläche der N-Ieitenden Halbleiterzone. Sind hingegen sämtliche Elektroden bei in Projektion abstandsloser Aufeinanderfolge, wie z. B. in F i g. 2 gezeigt, völlig lichtundurchlässig ausgebildet, dann müßte die Bilderzeugung über die R'tck-iiie des Halbleitersubstrats erfolgen, wobei natürlich die Halbleitersubstrat-Gesamtdicke in diesem Falle dementsprechend kleinzuhalten wäre. Oa übliche Taktsignalverfahren Anwendung finden, erübrigt sich eine diesbezügliche nähere Beschreibung. Die Vier-Phasen-Taktperiode jedenfalls ist in den Zeichnungen durch die Vier-Taktphasen Φ 1,Φ 2, Φ 3, Φ 4 angedeutet.

Im hier gezeigten System erfaßt jeweils ein Satz, bestehend aus vier Schieberegiäterelektrodtn. ein Informationsbit, d. h. ein derartiger Elektrodensatz bestimmt die für die Bildauflösung maßgebende kleinste Einheit. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die ^2-Elektroden während des Lichterfassungsintervalls in besonderer Weise ausgenutzt, wie es nachstehend im einzelnen noch erläutert wird.

Würde der hier beschriebene Bildaufnehmer in an sich bekannter Weise gesteuert, dann müßte während des Lichterfassungsintervalls das Taktsignal in Phase Φ 2 einen Spannungswert aufweisen, der zur tiefsten Potentialmulde unterhalb der zugeordneten Elektroden ί führte, so daß die elektrische Ladung unterhalb jeweils benachbarter Elektroden von hier in die unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten Elektroden fließen würde. Während eines Zeitintervalls, bei dem die den Phasen Φ i, Φ 3, und Φ 4 zugeordneten Elektroden aufm Erdpotential und die den Phasen Φ 2 zugeordneten Elektroden auf einem Potential — V liegen, müßte das Halbleiter-Substrat 14 auf Erdpotential gelegt sein und die Halbleiterzone mit den Zonenabschnitten 16, 18 auf geringfügig positivem Potential liegen, wobei Verar- r> mungszonen unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten Elektroden zuriickblieben. deren Profile sich aus den kreuzschraffierten Bereichen 24 in F i g. 3 ergeben. Würde bei einer derartigen Sachlage z. B. auf Elektrode 16a ein Lichteinfall sehr starker Intensität zu verzeich- -·» nen sein, dann hätte dies einen derart starken Ladungsaufbau zur Folge, daß die Speicherkapazität der unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten Elektrode I6a liegenden Potentialmulde überschritten würde. Die sich dabei ergebende ÜberschuDladung müßte sich dann : > höchstwahrscheinlich unter Herbeiführen des unerwünschten Überstrahlungseffekts in die unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten Elektrode 16i> liegenden Potentialmulde ergießen.

Unter Zuhilfenahme der Fig. 4 läßt sich leicht J" erkennen, in welcher Weise vorliegender Bildaufnehmer zu betreiben ist, um diese unerwünschten Überstrahlungseffekte zu vermeiden. Alle Bedingungen sind die gleichen, wie sie oben im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben sind, mit der Ausnahme allerdings. r> daß jetzt das Substrat 14 durch negatives Potential V2 in Sperrichtung vorgespannt ist. Im bevorzugten Äusführungsbeispiei beträgt Vi z. B. 3 V und V2 z. B. — 20 V. In diesem Falle werden die Verarmungsgebiete in den N--Zonenabschnitten. nämlich die im Bereich -»o der P- N--Übergänge und die im Bereich der Halbleiteroberfläche, jeweils aufeinander zu in solchem Ausmaß ausgeweitet, daß sie nahezu ineinander übergehen, wobei sich das in Fig.4 durch die kreuzschraffierten Flächenbereiche angedeutete Verar- ■>"> mungsschicht-Profil ergibt. Die durch die Felder in den Verarmungsgebieten auf die Minoritätsladungsträger in den betreffenden N- und N'-Zonenabschnitten ausgeübten Kräfte wirken in die durch die Pfeile in Fig.4 angedeuteten Richtungen. Dies hat zur Folge, daß eine w starke Ladungsanhäufung in einer unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten Elektrode 16a liegenden Potentialmulde, wie sie infolge örtlich einfallenden Lichtes starker Intensität auftritt, die Tendenz hat, über die unterhalb der der Phase Φ 4 zugeordneten Elektroden I6cund 16c/liegenden Zonenabschnitte zum Halbleiter-Substrat 14 abzufließen anstatt wie bisher die unterhalb der der Phase Φ 2 zugeordneten benachbarten Elektrode I6d liegende Potentialmulde aufzufüllen. Hierdurch läßt sich also wirksam der Überstrahlungscffekt vorhindern, der sonst zwangsläufig auftreten würde, wenn der Bildaufnehmer gemäß Fig. 3 betrieben würde. Nach Fortfall der Einstrahlung fällt das Potential V2 wieder auf Erdpotential zurück und die Information kann aus dem Schieberegister unter Anwenden des an sich bei ladungsträgergekoppelien Halbleiterbauelementen bekannten Mehrphasenbetriebes ausgeschobcii werden.

Beim erfindungsgemäßen Bildaufnehmer befinden sich die die Lichtstrahlung erfassenden Zonenabschnitts-Elektroden oberhalb der stärker dotierten Zonenabschnitte N. die jeweils von schwächer dotierten 7rmrn:ih*;rhninpn N ~ umuphpn sind

Zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Bildaufnehmers läßt sich mit einem P-Substrat beginnen, auf das eine Epitaxieschicht als N-Ieitende Halbleiterzone aufgebracht wird. Durch Ionenimplantation oder mit Hilfe von Diffusionsverfahren lassen sich dann hierin, wie gewünscht. N~-Zonenabschnitte einbringen. Alternativ könnte natürlich auch eine N -leitende Epitaxieschicht aufgebracht werden, in die dann dr"rh Ionenimplantation oder Diffusionsverfahren die N-Zonenabschnitte einzubringen wären. Soll statt eines linearen Bildaufnehmers ein Flächenbildaufnehmer erstellt werden, dann mi'-ßten die N-- oder N-Abschnitte entsprechend streifenförmig ausgelegt werden.

In Anwendung eines abgewandelten Herstellungsverfahrens könnten in ein P-Ieitendes Halbleiter-Substrat mittels Ionenimplantation oder Diffusionsverfahren auch direkt sich in dessen Oberflächenschicht aneinander reihende N- und N--Zonenabschnitte in Form von Zellen oder Streifen eingebracht werden. Obgleich der oben beschriebene Bildaufnehmer alternative N-- und N-Zonenabschnitte in einem P-Ieitenden Halbleiter-Substrat aufweist, läßt sich der erfindungsgemäße Bildaufnehmer auch durch eine P-Ieitende Halbleiterzone mit abwechselnden P-- und P-Zonenabschnitten auf einem N-leitenden Halbleiter-Substrat realisieren.

Bei geeigneter Wahl der Vorspannung V2 läßt sich eine Grundladung mittels der Spannungswerte bei Φ4-Ρ1ΐ35εη fortwährend beibehalten. Eine derartige Maßnahme könnte sehr viel wirkungsvoller als eine solche sein, bei der die der Phase Φ 4 zugeordneten Elektroden nur während des Lichterfassungsinte. valls zur Ladungsansammlung vorgespannt werden, da hierbei in vorteilhafter Weise Oberflächenzustände nicht wieder aufgefüllt zu werden brauchen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Bildaufnehmer, bestehend

— aus einem Halbleitersubstrat vom ersten Leitungstyp mit einem spezifischen Widerstand νοηζ.Β.2Ωαη,

— mit einem sich hierüber erstreckenden Halbleiter-Teilgebiet vom zweiten Leitungstyp mit hierin enthaltenen, nebeneinanderliegenden, von derTeilgebiets-Oberfiäche ins Halbleiterinnere reichenden, jedoch gegenüber ihrer Umgebung unterschiedlich dotierten Zonen vom zweiten Leitungstyp und

— mit einer die Teilgebiets-Oberfläche überdekkenden Isolierschicht,

— die ihrerseits oberhalb der Zonen angebrachte und diesen zugeordnete Elektroden trägt,