DE2630388A1 - CHARGE-MOUNTED TRANSFER DEVICE AND PROCEDURE TO ITS OPERATION - Google Patents

CHARGE-MOUNTED TRANSFER DEVICE AND PROCEDURE TO ITS OPERATION

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DE2630388A1 DE19762630388 DE2630388A DE2630388A1 DE 2630388 A1 DE2630388 A1 DE 2630388A1 DE 19762630388 DE19762630388 DE 19762630388 DE 2630388 A DE2630388 A DE 2630388A DE 2630388 A1 DE2630388 A1 DE 2630388A1
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Description

2.6303832.630383

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser ZeichenSIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark

Berlin und München Tg ρ 7 0 7 3 BRDBerlin and Munich Tg ρ 7 0 7 3 FRG

Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung und Verfahren zu ihrem Betrieb ^ Charge coupled device and method for its operation ^

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine ladungsgelcoppelte Verschiebevorrichtung, bei der auf einer Oberfläche eines mit einem Substratanschluß versehenen Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial wenigstens eine Reihe von dicht nebeneinander angeordneten Isoliersebichtkondensatoren oder Sperrschichtkondensatoren vorhanden ist.The present invention "relates to a charge gel coupled device Displacement device in which on a surface of a substrate provided with a substrate connection made of doped Semiconductor material at least one row of insulating layer capacitors or arranged close to one another Junction capacitors is present.

Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtungen der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Verschiebevorrichtungen, die nur mit Isolierschichtkonöensatoren aufgebaut sind, sind beispielsweise in der DT-OS 2 201 150 ausführlich dargestellt und beschrieben. Als Informationsladungstrager dienen dort Minoritätsladungsträger, die in den Isolierschichtkondensatoren in Verarmungsrandschichten an der Oberfläche des Substrats unter den Kondensatorelektroden gespeichert sind und die der Reihe nach von Kondensator zu Kondensator v/eitertransportiert werden. Die Verarmungsrandschichten werden durch Anlegen von Taktspannungen zwischen den Kondensatorelektroden und dem Substratanschluß erzeugt.Charge-coupled displacement devices of the aforementioned Kind are well known. Shifting devices that are only constructed with insulating layer cone capacitors are For example, in DT-OS 2 201 150 shown in detail and described. Serve as information load carriers there Minority charge carriers that are in the insulating layer capacitors in depletion skin layers on the surface of the substrate are stored under the capacitor electrodes and transported in sequence from capacitor to capacitor will. The depletion edge layers are created by applying clock voltages between the capacitor electrodes and the Substrate connection generated.

Es sind auch ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen als Informationsladungstrager Majoritätsträger dienen. Bei diesen Verschie-bevorrichtungen findet der Ladungstransport nicht an derThere are also charge coupled devices of the Known type mentioned in which as an information load carrier Majority bearers serve. With these shifting devices, the charge transport does not take place on the

Ed 17 Sti / 28.6.76 709882/0309Ed 17 Sti / 6/28/76 709882/0309

-2--2- 76 P 70 73 BRD76 P 70 73 FRG

Oberfläche des Substrats sondern im Inneren eines entgegengesetzt zum Substrat dotierten Bereiches unter der Reihe statt. Solche Verschiebevorrichtungen sind unter der Bezeichnung BCCD (Buried Channel Charge-Coupled Device) bekannt. Eine solche Verschiebevorrichtung wird beispielsweise in "New Structures for Charge-üoupled Device" von F. Schuermeyer et al in Proceedings of the IEEE, ϊΓον. 1972, S. 1444 - 1445 beschrieben. Dort werden Sperrschichtkondensatoren verwendet, die entweder aus einem echten pn-übergang (dort mit DJCCD bezeichnet) oder aus einem. Schottky-Kontakt (dort mit SBCCD bezeichnet) gebildet sind. Es können aber ebenso Isolierschichtkondensatoren verwendet.werden. Hohe Beweglichkeit der Informationsladungsträger im Inneren des Substrats, kein Einfluß der Haftstellen an der Oberfläche und ein günstigerer Einfluß der tangentialen Randfelder beim Ladungstransport sind Vorteile einer solchen Verschiebevorrichtung gegenüber denen, die Minoritätsladungsträger als Informationsladungsträger an der Halbleiteroberfläche transportieren. Surface of the substrate but in the interior of an opposite to the substrate doped area under the row instead of. Such shifting devices are under the designation BCCD (Buried Channel Charge-Coupled Device) known. Such a displacement device is for example in "New Structures for Charge-coupled Device" by F. Schuermeyer et al in Proceedings of the IEEE, ϊΓον. 1972, Pp. 1444-1445. There junction capacitors are used, which either consist of a real pn junction (labeled there with DJCCD) or from a. Schottky contact (referred to there as SBCCD) are formed. But it can insulating film capacitors are also used. High mobility of the information carriers inside the Substrate, no influence of the adhesion points on the surface and a more favorable influence of the tangential edge fields at Charge transport are advantages of such a displacement device compared to those using minority charge carriers as information charge carriers transport on the semiconductor surface.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mittels der Majoritätsladungsträger als Informationsladungen ohne eine entgegengesetzt zum Substrat dotierte Schicht verwendet werden können.The object of the present invention is to provide a charge-coupled displacement device of the type mentioned at the beginning to be indicated by means of the majority load carrier as information loads can be used without a layer doped opposite to the substrate.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung vorhanden ist, mittels der eine Verarmungsrandsehiebt erzeugbar ist, die einen als Übertragungskanal dienenden Bereich des Substrats unter der Reihe, im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung gesehen, umschließt und vom übrigen Substrat trennt.The object is achieved in that there is a device by means of which an impoverishment edge can be generated is, which serves as a transmission channel area of the substrate under the row, in cross section perpendicular to Seen in the longitudinal direction of the row, encloses and separates from the rest of the substrate.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Vorrichtung darin, daß der Bereich des Substrats unter der Reihe,im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung gesehen, durch ein entgegengesetzt zum Substrat dotiertes Ge-In a preferred embodiment, the device is that the area of the substrate under the Row, seen in cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row, through a gene doped opposite to the substrate

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"biet, das einen Anschlußkontakt aufweist, umschlossen und vom übrigen Substrat getrennt ist. Vorzugsweise liegt der besagte Bereich an der Substratoberflache. Vorzugsweise ist dabei der besagte Bereich höher dotiert als das übrige Substrat."bid, which has a connection contact, enclosed and is separate from the rest of the substrate. Said area is preferably located on the substrate surface. Preferably the said area is more heavily doped than the rest of the substrate.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Vorrichtung darin, daß das Substrat unter der Reihe eine höher dotierte Schicht aufweist und daß seitlich der Schicht beidseitig je eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Verarmungsrandschicht vorhanden ist. Vorzugsweise liegt die Schicht an der Substratoberfläche.In a further preferred embodiment, the device is that the substrate under the Row has a more highly doped layer and that side of the layer on both sides each have a device for producing a Depletion edge layer is present. Preferably the Layer on the substrate surface.

Vorzugsweise besteht dabei die Vorrichtung zum Erzeugen einer Verarmungsrandschicht aus einem mit einem Substratanscbluß versehenen, entgegengesetzt zum Substrat dotierten Gebiet oder aus einer Schottky-Elektrode oder aus einem Isolierschichtkondensator.In this case, the device for producing a depletion edge layer preferably consists of one with a substrate connection provided, opposite to the substrate doped region or from a Schottky electrode or from a Insulated capacitor.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird allgemein so betrieben, daß mittels der Vorrichtung die besagte Verarmungsrandschicht erzeugt wird, daß zum Speichern von Majoritätsladungsträgern im Übertragungskanal unter einer Elektrode zwischen diese und dem Substratanschluß eine Spannung TJ aus einem Spannungsbereich angelegt wird, wobei der Spannungsbereich einerseits begrenzt ist durch die Spannung U^, bei der eine von der Elektrode erzeugte Verarmungsrandschicht den als Übertragungskanal dienenden Bereich zum Verschwinden bringt und andererseits durch die Spannung Up, bei der das von der Elektrode erzeugte Oberflächenpotential durch die besagte Verarmungsrandschicht hindurchgreift und somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Übertragungskanal und dem übrigen Substrat herstellt, und daß zum Entladen des Kanalbereiches unter der Elektrode die Spannung zwischen dieser und dem Substratanschluß betragsmäßig größer oder gleich ILj mit der Polarität von TJ^ gewählt wird. Vorteilhafterweise wird für den Fall, daß die höher dotierte Schicht an der Oberfläche des Substrats liegt,A device according to the invention is generally operated in such a way that, by means of the device, said depletion edge layer is generated that for storing majority charge carriers in the transmission channel under an electrode between a voltage TJ from a voltage range is applied to this and the substrate connection, the voltage range being limited on the one hand by the voltage U ^, at the one depletion edge layer produced by the electrode, the area serving as a transmission channel disappears brings and on the other hand through the tension Up, where the surface potential generated by the electrode extends through said depletion edge layer and thus a Establishes electrical connection between the transmission channel and the rest of the substrate, and that for discharging the Channel area under the electrode, the voltage between the latter and the substrate connection is greater or greater in magnitude is chosen equal to ILj with the polarity of TJ ^. Advantageously is for the case that the more highly doped layer is on the surface of the substrate,

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die Spannung IT so gewählt, daß eine geringe Verarmungsrandschicht, die nicht bis zur besagten Verarmungsrandschicht heranreicht, vorhanden ist»the voltage IT is chosen so that a slight depletion edge layer, which does not reach up to the said impoverishment marginal layer is present »

Vorteilhaft kann eine erfindungsgemäße Verschiebevorrichtung als optoelektronischer Sensor verwendet werden, wobei dabei lichtdurchlässige Bereiche an oder in der Reihe vorhanden sind,A displacement device according to the invention can advantageously be used as an optoelectronic sensor, with there are translucent areas on or in the row,

Die erfindungsgemäße Verschiebevorrichtung und ihre bevorzugten Ausführungsformen entsprechen in der Betriebsweise einem BCCD. Es ist verhindert oder kann verhindert werden, daß die Informationsladungon die Halbleiteroberfläche berühren. Somit sind geringe ÜbertragungsVerluste und hohe Grenzfrequenzen möglich.The displacement device according to the invention and its preferred embodiments correspond to one in the mode of operation BCCD. The information charge is prevented or can be prevented from contacting the semiconductor surface. Consequently are low transmission losses and high limit frequencies possible.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Verschiebevorrichtungen kann einfacher gestaltet werden als die von BCCD's, da der Maskenschritt zur Herstellung eines entgegengesetzt zum Substrat dotierten Kanalbereiehes nicht notwendig ist.The manufacture of the sliding devices according to the invention can be made simpler than that of BCCD's because the masking step for making one is opposite to the Substrate doped channel region is not necessary.

Bei Verwendung der Verschiebevorrichtung als optoelektronischer Sensor besteht ihr Vorteil ia günstigen Anti-Blooaing-Verhaltsn. Ein als Bildpunkt dienender Kanalbereich unter einer Elektrode kann durch Erzeugen einer nahezu beliebig großen Verarmungsrandschicht unter den benachbarten Elektroden in Kanallängsrichtung und seitlich durch die besagte Verarmungsrandschicht praktisch isoliert werden. Zuviel im Bildpunkt erzeugte Informationsladungen fließen über die besagte Verarraungsrandschicht ins übrige Halbleitersubstrat ab. Ein v/eiterer Vorteil ist dabei, daß die Diffusion von Ladungsträgern aus dem übrigen Halbleitersubstrat zu entfernten Bildpunkten nicht mehr möglich ist. Durch die besagte Verarmungsrandschicht sind die Bildpunkte auch völlig vom übrigen Substrat getrennt. Die Folge ist eine verbesserte Auflösung des Sensors.When the displacement device is used as an optoelectronic sensor, its advantage is generally favorable anti-blooming behavior. A channel area under an electrode serving as a pixel can be created almost as desired large depletion edge layer under the adjacent electrodes in the longitudinal direction of the channel and laterally through said depletion edge layer practically isolated. Too much information charges generated in the image point flow over said one Verarraungsrandschicht from in the rest of the semiconductor substrate. Another advantage is that the diffusion of charge carriers from the rest of the semiconductor substrate to removed pixels is no longer possible. Through the said impoverishment edge layer the pixels are also completely separated from the rest of the substrate. The result is an improved resolution of the sensor.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments in the figures.

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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschiebevorrichtung senkrecht zur Reihenlängsrichtung.Figure 1 shows a cross section through an embodiment a displacement device according to the invention perpendicular to the longitudinal direction of the rows.

Figur 2 zeigt in drei Diagrammen I "bis III den örtlichen Verlauf des Potentials zwischen einer Elektrode und dem Substratanschluß senkrecht zur Substratoberflache für verschiedene Betriebszustände.Figure 2 shows in three diagrams I "to III the local Course of the potential between an electrode and the substrate connection perpendicular to the substrate surface for different operating states.

Figur 3 zeigt im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung eine Variante der Ausführungsform mit Schottky-Elektroden.FIG. 3 shows a variant of the embodiment with a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row Schottky electrodes.

Figur 4 zeigt im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung eine Variante der Ausführungsform mit Isolierschichtkondensatoren.FIG. 4 shows a variant of the embodiment with a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row Insulated film capacitors.

Figur 5 zeigt im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschiebevorrichtung, "bei der ein entgegengesetzt zum Substrat dotiertes Gebiet den Bereich des Übertragungskanals umschließt.FIG. 5 shows an embodiment of an inventive embodiment in cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row Displacement device "in which a region doped opposite to the substrate denotes Area of the transmission channel encloses.

Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung längs der Elektrodenreihe.Figure 6 shows a section through an inventive Device along the row of electrodes.

In der Figur 1 ist auf einer Oberfläche des Substrats 1 aus dotiertem Halbleitermaterial,beispielsweise p-dotiertes Silizium mit der Dotierung 5 . 10 ^"cm , mit dem Substratanschluß 11 eine elektrisch isolierende Schicht 2, beispielsweise aus Siliziumdioxid der Schichtdicke 60 nm, aufgebracht. Diese elektrisch isolierende Schicht trägt eine Reihe von Elektroden, von der eine dieser Elektroden in der Figur im Querschnitt dargestellt ist und mit dem Bezugszeichen versehen ist. Diese Elektroden der Elektrodenreihe können beispielsweise aus Aluminium oder Polysilizium (z.B. bei Sensoren) sein. Die Elektrode 3 weist einen Anschlußkontakt 31 zum Anlegen einer Spannung zwischen Substratanschluß und ihr auf. In der Praxis sind die Elektroden an Taktleitungen angeschlossen, an die in an sich bekannter Weise Taktspannungen während des Betriebes angelegt werden. Unter der Elektrode ist das Substrat hier an der Oberfläche (dies istIn the figure 1 is on a surface of the substrate 1 made of doped semiconductor material, for example p-doped Silicon with the doping 5. 10 ^ "cm, with the substrate connection 11 an electrically insulating layer 2, for example made of silicon dioxide with a layer thickness of 60 nm, is applied. This electrically insulating layer carries a number of electrodes, one of which is shown in the figure is shown in cross section and is provided with the reference number. These electrodes of the electrode row can for example made of aluminum or polysilicon (e.g. for sensors). The electrode 3 has a connection contact 31 for applying a voltage between the substrate terminal and her. In practice, the electrodes are on clock lines connected, to which clock voltages are applied in a manner known per se during operation. Under the Electrode is the substrate here on the surface (this is

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jedoch nicht notwendig) bis zu einer vorgebbaren Tiefe T, z.B. 1 /Um, höher dotiert ist, z.B. 5 . 10 cm , als im übrigen Substrat. Diese höher dotierte Schicht ist in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Der gestrichelt umrahmte Bereich 5 an der Substratobbrfläcbe und der Dicke t unter der Elektrode 3 "bildet den Bereich des Übertragungskanals. Entlang jeder Längsseite des Übertragungskanals ist je ein entgegengesetzt zum Substrat dotierter streifenförmiger Bereich 6 bzw. 7 entlanggeführt. Jeder dieser streifenförmigen Bereiche weist einen hier nicht gezeichneten, vorzugsweise obmschen Anscblußkontakt auf. Die Vorrichtung zum Erzeugen der Verarmungsrandschicht, die den Bereich des Übertragungskanals umschließt und vom übrigen Substrat trennt, ist in der Figur 1 durch die beiden streifenföruiigen Bereiche 6 und 7 und dem dazwischenliegenden höher dotierten Bereich 4 gegeben. Die seitlich außerhalb liegenden höher dotierten Bereiche 400 sind nicht notwendig, jedoch ist es bei der Herstellung einfacher, die gesamte Oberfläche des Substrats durch einen einzigen Diffusions- oder Implantationsschritt höher zu dotieren. Man erspart sich dadurch einen Maskenschritt.but not necessary) is more highly doped up to a predefinable depth T, e.g. 1 / µm, e.g. 5. 10 cm than in remaining substrate. This more highly doped layer is provided with the reference number 4 in FIG. The dashed framed area 5 on the substrate surface and the thickness t under the electrode 3 ″ forms the area of the transmission channel. Along each long side of the transmission channel is depending a strip-shaped one doped opposite to the substrate Area 6 or 7 guided along. Each of these strip-shaped areas has a preferably not shown here Obmschen connection contact. The device for generating the depletion edge layer, which encloses the area of the transmission channel and separates it from the rest of the substrate, is in the Figure 1 through the two strip-shaped areas 6 and 7 and given the more highly doped region 4 in between. The laterally outside, more highly doped regions 400 are not necessary, but it is easier to manufacture the entire surface of the substrate by a single one Doping diffusion or implantation step higher. Man This saves a mask step.

Die Funktionsweise der Vorrichtung zum Erzeugen der besagten Verarmungsrandschicht ist folgende: Durch Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem Substratanschluß und dem Anschlußkontakt des streifenförmigen Bereiches 6 bzw. 7 wird um diesen herum eine Verarinungsranä schicht erzeugt. Vergrößert man die Spannung betragsmäßig, so wird die Breite dieser Verarmungsrandschicht größer. Die Breite dieser Verarmungsrandschicht hängt aber auch von der den streifenförmigen Bereich umgebenden Dotierung des Substrats ab. Diese Breite ist bei fester Sperrspanaung kleiner bei höherer umgebender Dotierung des Substrats und größer bei kleinerer Dotierung. Durch Wahl einer geeignet hohen Sperrspannung zwischen Substratanschluß und ohmschen Anschlußkontakt des Streifens 6 und /oder des Streifens 7 kann man erreichen, daß die erzeugten Verärmungsrandschichten im übrigen Substrat, also außerhalb der Bereiche 4» verschmelzen, während im Bereich 4 zwischen den beiden strei-The operation of the device for generating said The depletion edge layer is as follows: By applying a reverse voltage between the substrate connection and the connection contact of the strip-shaped area 6 or 7, a Verarinungsranä layer is generated around this. If you enlarge the In terms of voltage, it becomes the width of this depletion edge layer greater. However, the width of this depletion edge layer also depends on the area surrounding the strip-shaped area Doping of the substrate. With a fixed blocking voltage, this width is smaller when the surrounding doping is higher Substrate and larger with smaller doping. By choosing a suitably high reverse voltage between the substrate connection and ohmic connection contact of the strip 6 and / or the strip 7 can be achieved that the generated edge layers in the rest of the substrate, ie outside the areas 4 », while in area 4 between the two

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fenförmigen Bereichen β und 7 an der Oberfläche des Substrats ein neutraler Substratbereich.verbleibt. In der Figur 1 sind die Verhältnisse durch die gestrichelten Linien 12 und 13 schematiscb dargestellt. Die Verarmungsrandschicbt ist durch den einfach zusammenhängenden Bereich, der von den gestrichelten Linien 12 una 13 eingeschlossen ist, gegeben. Vorausgesetzt ist hier der Einfachheit halber, daß die Sperrspannung an "beiden streifenförraigen Bereichen 6 und 7 gleich groß ist. Der zwischen der Substratoberflache und der gestrichelten Linie 12 liegende Pereich der Tiefe t "bildet den verbleibenden neutralen Substratbereich, der den schon mit 5 bezeichneten Bereich des Übertragungskanals bildet. Er ist von der besagten Verarmung srand schicht umschlossen und vom übrigen Substrat getrennt. Die Ausdehnung des Übertragungskanals 5 kann durch Variation der Sperrspannung innerhalb gewisser Grenzen verändert werden.fen-shaped areas β and 7 on the surface of the substrate a neutral substrate area remains. In FIG. 1, the relationships are shown schematically by the dashed lines 12 and 13 shown. The impoverishment edge is through the simply connected area, which is enclosed by the dashed lines 12 and 13, given. Provided is here for the sake of simplicity that the reverse voltage at "both strip-shaped areas 6 and 7 is the same. The between the substrate surface and the dashed line 12 lying area of depth t "forms the remaining neutral one Substrate area which forms the area of the transmission channel already designated by 5. He is from the said impoverishment srand layer enclosed and separated from the rest of the substrate. The expansion of the transmission channel 5 can by Variation of the reverse voltage can be changed within certain limits.

Die Betriebsweise der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung sei anhand der Figur 2 näher erläutert. Es sei zunächst bemerkt, daß man unter einer Elektrode der Elektrodenreihe eine Verarmungsrandschicht an der Substratoberfläche dadurch erzeugen kann, daß man zwischen Substratanschluß und Elektrode eine Spannung geeigneter Polarität und Größe anlegt. In der Figur 2 ist nun in drei Diagrammen der Potentialverlauf in der elektrisch isolierenden Schicht und im Substrat zwischen einer Elektrode (in der Figur 2 die Elektrode 3) und dem Substratanschluß für verschiedene Betriebszustände dargestellt. Diagramm I gibt qualitativ den Potentialverlauf für den Fall an, daß Informationsladungen unter der Elektrode gespeichert sind. Die Kurve 21 gibt den örtlichen Verlauf des Potentials in der elektrisch isolierenden Schicht und im Substrat an. An die Elektrode 3 ist eine solche Spannung U angelegt, daß eine geringe Verarmungsrandschicht an der Substratoberfläche unter der Elektrode vorhanden ist (die Pfeilrichtung weist in Richtung wachsender Spannungsbeträge, die Polarität der Spannung U gegenüber der Bezugsspannung am Substratanschluß ist posirtiv bei p-dotiertem Substrat und negativ bei n-dotiertem Substrat zu wählen). Die gespeicherten ladungen befinden sichThe mode of operation of the device shown in FIG. 1 will be explained in more detail with reference to FIG. Let it be first notes that under one electrode of the electrode row, a depletion edge layer is thereby created on the substrate surface can produce that a voltage of suitable polarity and magnitude is applied between the substrate connection and the electrode. In FIG. 2 is now in three diagrams the potential profile in the electrically insulating layer and in the substrate between an electrode (electrode 3 in FIG. 2) and the substrate connection for different operating states. Diagram I qualitatively indicates the potential profile in the event that information charges are stored under the electrode are. The curve 21 indicates the local course of the potential in the electrically insulating layer and in the substrate. At the electrode 3 is applied such a voltage U that a small depletion edge layer on the substrate surface below of the electrode is present (the direction of the arrow points in the direction of increasing amounts of voltage, the polarity of the voltage U compared to the reference voltage at the substrate connection is positive in the case of a p-doped substrate and negative in the case of an n-doped substrate Substrate to choose). The stored charges are in

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zwischen den Punkten 211 und 212. Die besagte Verarmungsrandscbicht erstreckt sich von Punkt 212 bis Punkt 213. Durch die geringe Verarraungsrandschicht an der Oberfläche des Substrats, die sich im Diagramm ι von der Substratoberfläche bis zu Punkt 211 erstreckt, wird verhindert, daß die gespeicherten ladungen die Halbleiteroberfläche berühren. Dadurch können die Übertragungsverluste erheblich verkleinert werden und es können hohe Grenzfreq.uenzen bei der Ladungsübertragung erreicht werden. Zum Entladen wird nun c7ie Spannung an der Elektrode betragsmäßig so weit erhöht, bis sich die geringe Yerarmungsrandschicht so weit vergrößert hat, daß sie mit der besagten Verarmung-srandschicht sich vereinigt, d.h. der neutrale Kanalbereich verschwunden ist. Diagramm II zeigt den Potentialverlauf in Kurve 22 für diesen EaIl. Dies ist allerdings nur möglich, wenn die Schaltungsgeometrie so gewählt wurde, daß eine Elektrodenspannung, die betragsmäßig kleiner ist als der Spannungsbetrag an den entgegengesetzt zum Substrat dotierten Streifen 6 bzw. 7 ausreicht, um die gespeicherten Ladungsträger abfließen zu lassen. Die Ladungen fließen dann entweder unter benachbarte Elektroden oder aber ins Substrat ab. Wird nun die Spannung an der Elektrode 3 wieder auf den niedrigeren Wert II abgesenkt, so bildet sich eine Potentialsenke. Diagramm III zeigt in der Kurve 32 den Potentialverlauf . Es muß dabei aber darauf geachtet werden, daß zwischen dieser Senke und dem übrigen Halbleitersubstrat immer noch eine ausreichend hohe Potentialschwelle vorhanden ist. In diese Potentialsenke kann nun Ladung von einer anderen Elektrode her übertragen werden. Damit kann die erfindungsgemäße Verschiebevorrichtung in herkömmlicher Weise betrieben werden, wenn man entsprechende Takte an die Elektroden anlegt. Typische Spannungswerte sind: Vorspannung an den entgegengesetzt zum Substrat dotierten Streifen 10 V und Spannungen an den Elektroden der Reihe zwischen 0 V und 10V (bezogen auf Substratanschluß).between points 211 and 212. Said depletion edge layer extends from point 212 to point 213. The small amount of depletion edge layer on the surface of the substrate, which extends in diagram ι from the substrate surface to point 211, prevents the stored charges touch the semiconductor surface. As a result, the transfer losses can be reduced considerably and high limit frequencies can be achieved in the charge transfer. For unloading c 7 he voltage at the electrode is now increased in amount so far, until the low Yerarmungsrandschicht has increased so far that they srandschicht-depletion with said united, that is, the neutral channel region has disappeared. Diagram II shows the potential profile in curve 22 for this EaIl. However, this is only possible if the circuit geometry has been chosen so that an electrode voltage which is smaller in magnitude than the voltage on the strips 6 or 7 doped opposite to the substrate is sufficient to allow the stored charge carriers to flow away. The charges then flow either under neighboring electrodes or into the substrate. If the voltage at the electrode 3 is now lowered again to the lower value II, a potential sink is formed. Diagram III shows the potential profile in curve 32. Care must be taken to ensure that a sufficiently high potential threshold is still present between this depression and the rest of the semiconductor substrate. Charge from another electrode can now be transferred into this potential well. The displacement device according to the invention can thus be operated in a conventional manner if appropriate clocks are applied to the electrodes. Typical voltage values are: bias voltage on the strips doped opposite to the substrate 10 V and voltages on the electrodes of the series between 0 V and 10 V (based on the substrate connection).

In der Figur 3 ist im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung eine Variante der Ausführungsform nach Figur dargestellt. Die streifenförmigen Bereiche 6 und 7 in Figur 1 sind hier durch Schottky-Elektroden 61 und 71 ersetzt.In FIG. 3, the cross section is perpendicular to the longitudinal direction of the rows a variant of the embodiment shown in FIG. The strip-shaped areas 6 and 7 in FIG 1 are replaced by Schottky electrodes 61 and 71 here.

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Wichtig ist dabei, daß der Oberflächenbereich des Substrats unterhalb der Schottky-Elektroden nicht höher dotiert ist, sondern die übrige Substrataotierung aufweist, d.h. die Bereiche 400 dürfen nicht an den Bereich 4 heranreichen.It is important that the surface area of the substrate below the Schottky electrodes is not more highly doped, but has the remaining substrate doping, i.e. the Areas 400 must not come close to area 4.

In der Figur 4 ist eine weitere Variante der Verschiebevorrichtung nach Figur 1 dargestellt. Die beiden streifenförmigen Gebiete 6 und 7 sind hier durch zwei Isolierschichtkondensatoren mit den Elektrodenstreifen 62 und 72, die sich auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 2 befinden, gebildet. Die Elektrodenstreifen sind durch je eine weitere elektrisch isolierende Schicht 200 bzw. 300 von den Elektroden der Reihe getrennt. Wichtig ist auch hier, daß der Oberflächenbereich des Substrats unterhalb dieser Elektroden 62 bzw. 72 die Substratdotierung aufweist, also nicht höher dotiert ist.In the figure 4 is a further variant of the displacement device shown in FIG. The two strip-shaped areas 6 and 7 are here by two insulating layer capacitors with the electrode strips 62 and 72, which are are on the surface of the electrically insulating layer 2 is formed. The electrode strips are through each another electrically insulating layer 200 or 300 separated from the electrodes of the series. It is also important here that the surface area of the substrate below these electrodes 62 and 72 has the substrate doping, so it is not more highly endowed.

Die Betriebsweise der in Figur 3 und Figur 4 dargestellten Varianten ist analog der zur Vorrichtung nach Figur 1 beschriebenen. The mode of operation of the variants shown in FIG. 3 and FIG. 4 is analogous to that described for the device according to FIG.

In der Figur 5 ist im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschiebevorrichtung dargestellt, bei der der Bereich des Übertragungskanals durch ein entgegengesetzt zum Substrat dotiertes Gebiet umschlossen und vom übrigen Substrat getrennt ist. Dieses Gebiet ist in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Es ist mit einem hier nicht gezeichneten Anschlußkontakt versehen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen Substratanschluß und diesem Anschlußkontakt kann die Verarmungsrandschicht erzeugt werden, die den Übertragungskanal umschließt und vom übrigen Substrat trennt. In der Figur 5 ist diese Verarmungsrandschicht durch das Gebiet innerhalb der beiden gestrichelt gezeichneten Linien 51 und 52 angedeutet. Zweckmäßig ist es auch hier wiederum, wenn der Bereich 4 des Substrats, der von dom Gebiet 50 umschlossen wird, höher dotiert ist als dasIn FIG. 5, the cross section is perpendicular to the longitudinal direction of the rows an embodiment of an inventive Displacement device shown in which the area of the transmission channel through an opposite to the substrate doped area is enclosed and separated from the rest of the substrate. This area is given the reference number in FIG 50 provided. It is provided with a connection contact not shown here. By creating a A suitable voltage between the substrate connection and this connection contact can generate the depletion edge layer which encloses the transmission channel and separates it from the rest of the substrate. This depletion edge layer is shown in FIG indicated by the area within the two dashed lines 51 and 52. It is useful here again, if the region 4 of the substrate, which is enclosed by the region 50, is more highly doped than that

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übrige Substrat. Die Betriebsweise dieser Vorrichtung entspricht wiederum genau der. zur "Vorrichtung nach Figur 1 "beschriebenen.remaining substrate. The operation of this device again corresponds exactly to the. for the "device according to FIG. 1".

Figur 6 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung längs der Elektrodenreihe, mittels der die Anti-Blooming-Eigenschaft bei der Verwendung der Vorrichtung als optoelektronischer Sensor näher erläutert wird.FIG. 6 shows a section through a device according to the invention along the row of electrodes, by means of which the Anti-blooming property when using the device as an optoelectronic sensor is explained in more detail.

Die elektrisch isolierende Schicht 2 und die Elektroden 20, 3 und 40 bestehen aus lichtdurchlässigen Materialien. In der Figur 6 ist nun angenommen, daß sich die Vorrichtung in Bildaufnahmezustand befindet, d.h. jeweils ein Kanalbereich unter bestimmten Elektroden (in der Figur 6 die Elektrode 3, im allgemeinen die Elektroden, die mit einer bestimmten Taktleitung verbunden sind) dienen als Sensorelemente, in denen die vom Licht erzeugten Ladungsträger gesammelt und gespeichert v/erden. Wie schon früher erwähnt, wird dabei zwischen die betreffende Elektrode (Figur 6 die Elektrode 3) und dem Substratanschluß 11 eine solche Spannung angelegt, daß der unter der Elektrode befindliche Oberflächenbereich des Substrats (in der Figur 6 der gestrichelt umrahmte Bereich 500) verarmt ist und eine Potentialsenke darstellt. Dieser Bereich ist zunächst nur von der besagten Verarmungsrandschicht, die durch die besagte Vorrichtung erzeugt wird, umgeben. Zur Isolierung des Bildpunktes in Janallängsrichtung wird zwischen die Elektroden 20 und 40 und dem Substratanschluß 11 eine solche Spannung angelegt, daß eine große Verarmungsrandschicht, die von der Substratoberfläche her tief in das Substrat sich erstreckt, erzeugt wird. Die resultierende· Verarmungsrandschicht erstreckt sich in der Figur 6 zwischen der gestrichelten Linie 600 und der Substratoberfläche bzw. der gestrichelten Linie 601. Zuviel im Bildpunkt 500 erzeugte Informationsladungsträger fließen im wesentlichen senkrecht zur Reihenlängsrichtung durch den dünneren Teil der Verarmungsrandschicht in das übrige Substrat ab. Ein Informationsladungsfluß in Reihenlängsrichtung wirdThe electrically insulating layer 2 and the electrodes 20, 3 and 40 consist of light-permeable materials. In Figure 6 it is now assumed that the device is in the image recording state, i.e. one channel area at a time under certain electrodes (in Figure 6 the electrode 3, generally the electrodes with a certain Clock line are connected) serve as sensor elements in which the charge carriers generated by the light are collected and stored v / earth. As mentioned earlier, between the relevant electrode (FIG. 6, electrode 3) and the substrate terminal 11 is applied such a voltage that the surface area of the located under the electrode Substrate (in FIG. 6, the area 500 framed by dashed lines) is depleted and represents a potential well. This The area is initially only from the said depletion edge layer, which is generated by the said device, surround. To isolate the image point in the longitudinal direction of the Janal is applied between the electrodes 20 and 40 and the substrate terminal 11 such a voltage that a large Depletion edge layer, which extends from the substrate surface deep into the substrate, is generated. The resulting Depletion edge layer extends in FIG. 6 between the dashed line 600 and the Substrate surface or the dashed line 601. Too much information charge carriers generated in image point 500 flow essentially perpendicular to the longitudinal direction of the row through the thinner part of the depletion edge layer into the remainder of the substrate away. An information charge flow in the longitudinal direction of the row is

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durch den tiefen Teil der Verarmungsrandschicht unter den Elektroden 20 und 40 verhindert. Die tiefe Verarmungsrandschicht verhindert auch die Diffusion von Informationsladungsträgern aus dem übrigen Halbleitersubstrat zu entfernten Bildpunkten. Zum Auslesen der gespeicherten Information wird die Vorrichtung in an sich bekannter Weise als ladungsgekoppelte Verschiebevorj?ichtung betrieben, d.h. die vom Licht erzeugten Ladungsträger werden einfach in Reihenlängsrichtung ausgeschoben (Sensoren der genannten Art sind auch unter dem Begriff CCD-Sensoren bekannt).through the deep part of the depletion marginal layer under the Electrodes 20 and 40 prevented. The deep marginal layer of impoverishment also prevents the diffusion of information charge carriers from the rest of the semiconductor substrate to removed pixels. For reading out the stored information the device is operated in a manner known per se as a charge-coupled displacement projection, i.e. the Charge carriers generated by the light are simply pushed out in the longitudinal direction of the row (sensors of the type mentioned are also known as CCD sensors).

Es sei darauf hingewiesen, daß alle bekannten Betriebsweisen für ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtungen, wie z.B. Zwei-Phasen-, Drei-Phasen-Betrieb usw., in der hier beschrie benen Vorrichtung möglich sind. Dies gilt auch für die eventuell dafür notwendigen unterschiedlichen Reihenstrukturen, wie z.B. gestufte Isolierschichten unter den Elektroden bei bestimmten Verschiebevorrichtungen für Zwei-Phasen-Betrieb.It should be noted that all known modes of operation for charge coupled device displacement devices, e.g. Two-phase, three-phase operation, etc., are possible in the device described here enclosed. This also applies to the eventual The different series structures required for this, such as stepped insulating layers under the electrodes certain shifting devices for two-phase operation.

9 Patentansprüche
6 Figuren
9 claims
6 figures

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Claims (9)

Pat entansprüch ePatent claims e \1„; Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung, bei der auf einer Oberfläche eines mit einem Substratanschluß versehenen Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial wenigstens eine Reihe von dicht nebeneinander angeordneten Isoliei-scbichtkondensatoren oder Sperrschichtkondensatoren vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung vorhanden ist, mittels der eine Verarmungsrandschicht erzeugbar ist, die einen als Übertragungskanal dienenden Bareich (5) des Substrats unter der Reihe, im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung gesehen, umschließt und vom übrigen Substrat trennt.\1"; Charge coupled device, in which on a Surface of a substrate provided with a substrate connection made of doped semiconductor material at least one row of insulating layer capacitors arranged close to one another or junction capacitors is present, characterized in that a device is present, by means of which a depletion edge layer can be generated, which serves as a transmission channel Bareich (5) of the substrate under the row, seen in cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row, encloses and from the rest Substrate separates. 2. Ladungsgekoppelt© Verschiebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung darin besteht, daß der Bereich des Substrats unter der Reihe, im Querschnitt senkrecht zur Reihenlängsrichtung gesehen, durch ein entgegengesetzt zum Substrat dotiertes Gebiet (50), das einen Anschlußkontakt aufweist, umschlossen und vom übrigen Substrat getrennt ist.2. Charge coupled © displacement device according to claim 1, characterized in that the device consists in the fact that the area of the substrate under the row, seen in cross section perpendicular to the longitudinal direction of the row, by a region (50) which is doped opposite to the substrate and has a connection contact and is enclosed by the remaining substrate is separated. 3. Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß das Substrat unter der Reihe eine höher dotierte Schicht (4) aufweist und daß seitlich der Schicht beidseitig je eine Vorrichtung (6, 7» 61» 71, 62, 72) zum Erzeugen einer Verarmungsrandschicht vorhanden ist.3. Charge-coupled displacement device according to claim 1, characterized in that the substrate has a more highly doped layer (4) below the row and that side of the layer has a device on both sides (6, 7 »61» 71, 62, 72) to create a depletion edge layer is available. 4. Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich des Substrats unter der Reihe höher dotiert ist als das Substrat.4. Charge-coupled displacement device according to claim 2, characterized in that the region of the substrate under the row is more highly doped than the substrate. 5. Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung, nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Erzeugen einer Vorarmungsrandschicht aus einem mit einem5. Charge-coupled displacement device according to claim 3, characterized in that the device for creating a preheating skin from one with one 709882/0309709882/0309 ' ORIGINAL iNSPECTED'ORIGINAL iNSPECTED -15- 76 P 7 0 7 3 BRD-15- 76 P 7 0 7 3 FRG Substratansohluß versehenen,, entgegengesetzt zum Substrat dotierten Gebiet (6, 7) oder aus einer Scbottky-Elektrode (61, 71) oder aus einem Isolierschichtkondensator (62, 72) gebildet ist.Substrate base provided, opposite to the substrate doped region (6, 7) or from a Scbottky electrode (61, 71) or from an insulating layer capacitor (62, 72) is formed. 6. ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 59 dadurch gekennseichnet , daß der als Übertragungslcanal dienende Bereich unter der Reihe bzw. die höher dotierte Schicht an der Substratoberfläche liegen.6. Charge-coupled displacement device according to one of claims 1 to 5 9, characterized in that the region serving as the transmission channel is below the row or the more highly doped layer is on the substrate surface. 7. Verfahren zum Betrieb einer ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtung nach" einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß mittels der Vorrichtung die besagte Verarmungsrandschicht erzeugt wird, daß zum Speichern von Majoritätsladungsträgern im Übertragungskanal unter einer Elektrode zwischen diese und den Substratanschluß eine Spannung U aus einem Spannungsbereich angelegt wird, wobei der Spannungsboreich einerseits begrenzt ist durch die Spannung TL , bei der eine von der Elektrode erzeugte Verarmunscsrandscbicht die besagte Verarmungsranäschicbt berührt und andererseits durch die Spannung TJ2, bei der das von der Elektrode erzeugte Oberflächenpotential durch die besagte Verarmungsrandschicht hindurchgreift und somit eine elektrisch Verbindung zwischen dem Üb ertragungs~ kanal und dem übrigen Substrat herstellt, und daß zum Entladen des Kanalbereiches unter der Elektrode die Spannung zwischen dieser und dem Substratanschluß betragsmäßig größer oder gleich IT.| mit der Polarität von IL gewählt wird.7. The method for operating a charge-coupled displacement device according to "one of claims 1 to 6, characterized in that said depletion edge layer is generated by means of the device that for storing majority charge carriers in the transmission channel under an electrode between this and the substrate terminal a voltage U from a Voltage range is applied, the voltage range being limited on the one hand by the voltage TL at which a depletion edge layer generated by the electrode touches the said depletion layer and on the other hand by the voltage TJ 2 at which the surface potential generated by the electrode reaches through the said depletion edge layer and thus establishes an electrical connection between the transmission channel and the rest of the substrate, and that, for discharging the channel area under the electrode, the voltage between the electrode and the substrate connection is greater than or equal to IT. | with the Polarity of IL is chosen. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung U so gewählt wird, daß eine geringe Verarraungsrandschicht, die nicht bis zur besagten Verarmungsrandschicht heranreicht, vorhanden ist.8. The method according to claim 7, characterized in that that the voltage U is chosen so that a small depletion edge layer, which does not go up to the said depletion edge layer reaches, is present. 9. Ladungsgekoppelte Verschiebevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennseichnet , daß sie als optoelektronischer Sensor verwendet wird, wobei dabei die elektrisch isolierende Schicht und die Elektroden aus lichtdurchlässigem Material bestehen.9. Charge-coupled displacement device according to one of the claims 1 to 6, characterized in that it is used as an optoelectronic sensor, in which case the electrically insulating layer and the electrodes consist of translucent material. 709882/0309709882/0309
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