DE2636927C1 - Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Detektorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Detektorelement, das in Abhängigkeit von einfallender optischer Strahlung elektrische Ladungen erzeugt, und mit einer Schaltungsanordnung aus ladungsgekoppelten Bauelementen, die aus einem mit einem ersten Leitungstyp dotierten Halbleiter-Substrat, einer auf das Substrat aufgebrachten, mit einem zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp dotierten, monolithischen Epitaxialschicht, einer die Epitaxialschicht bedeckenden Isolierschicht aus einem dielektrischen Material und in der Isolierschicht angeordneten Elektroden besteht und deren Bauelemente zueinander und zum Detektorelement derart angeordnet sind, daß die im Detektorelement erzeugten Ladungen unter dem Einfluß von an die Elektroden angelegten periodischen Spannungen durch die Epitaxialschicht hindurch einem Verbraucher zuführbar sind.

Eine solche Halbleiteranordnung ist aus der DE-OS 24 39 799 bekannt. Bei der bekannten Anordnung ist die Epitaxialschicht durch Isolierzonen in zueinander parallele Streifen unterteilt. Ebenso sind auch die Elektroden in Form paralleler Streifen ausgebildet, die zu den von der Epitaxialschicht gebildeten leitenden Streifen senkrecht angeordnet sind. An den Stellen, an denen ausgewählte Elektroden die leitenden Streifen der Epitaxialschicht kreuzen, können Potentialmulden erzeugt werden, welche die Ladung aufnehmen, die durch eine Belichtung der gesamten Halbleiteranordnung erzeugt werden. Nach einer zur Ladungsintegration ausreichenden Zeit können die Ladungen aus der Halbleiteranordnung mittels an die Elektroden angelegter periodischer Spannungen einer Speichermatrix zugeführt werden, aus der dann die Ladungen in einer gewünschten Folge dem Verbraucher zuführbar sind.

Bei der bekannten Anordnung dient die gesamte Epitaxialschicht nicht nur zur Ladungsübertragung, sondern auch als Detektorelement. Dabei dienen die zur Ladungsübertragung dienenden Potentialmulden gleichzeitig zur Ansammlung der durch die Belichtung bedingten Ladungen. Daher muß bei dieser Anordnung eine Belichtung zur Ladungsansammlung mit einer Ladungsübertragung abwechseln, wenn nicht die Ladungen während der Übertragung auf den Verbraucher durch eine fortdauernde Belichtung verfälscht werden sollen. Weiterhin sind Ladungsspeicher erforderlich, welche die Ladungen des von der Halbleiteranordnung empfangenen Bildes vollständig aufnehmen, um beispielsweise eine serielle Weiterverarbeitung der Daten zu ermöglichen. Da endlich die Epitaxialschicht sowohl als Detektorelement als auch zur Ladungsübertragung dient, kann ihre Dotierung weder dem einen noch dem anderen Zweck optimal angepaßt werden.

Aus der DE-OS 24 45 490 ist eine ähnliche Halbleiteranordnung bekannt, bei der jedoch die Detektorelemente und die zur Ladungsübertragung dienenden Bereiche durch dotierte Schichten an der Oberfläche eines Halbleiter- Substrates gebildet sind und nicht in einer Epitaxialschicht. Ferner sind hier zur Bildung eines Zeilenabtasters in dem Substrat nur auf einer Geraden mehrere Detektorelemente nebeneinanderliegend angeordnet, und es ist jedem der nebeneinanderliegenden Detektorelemente ein zur Ladungsübertragung dienendes ladungsgekoppeltes Bauelement zugeordnet, das sich in einer zu der von den Detektorelementen gebildeten Linie senkrechten Richtung erstreckt. Diese zur Ladungsübertragung dienenden Bauelemente geben die Ladungssignale parallel in ein gemeinsames, in Reihe geschaltetes, ladungsgekoppeltes Schieberegister ein. Hier ist die zur Ladungsübertragung dienende Schicht ebenso wie bei der vorher beschriebenen bekannten Halbleiteranordnung die Epitaxialschicht zur Erzeugung eines Leitfähigkeitstyps dotiert, der zu dem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, den das Substrat durch seine Dotierung aufweist.

Die beiden bekannten Anordnungen gehören zu der Art, bei der die Photodetektoren von Teilen der gleichen Halbleiter- Schicht gebildet werden, in der sich auch die ladungsgekoppelten Bauelemente befinden. Daher ist es nicht möglich, eine solche Anordnung sowohl bezüglich der Ausbildung der Detektoren als auch der ladungsgekoppelten Bauelemente optimal auszubilden. Eine solche Möglichkeit besteht dagegen bei Anordnungen, bei denen besondere Detektoren auf einem Halbleiter-Substrat befestigt sind, das die ladungsgekoppelten Bauelemente enthält. Die getrennte Herstellung der Detektoren und der ladungsgekoppelten Bauelemente und die Vereinigung der Detektoren mit den ladungsgekoppelten Bauelementen erfordert jedoch einen sehr hohen Arbeitsaufwand und führt zu Anordnungen, die einen größeren Platzbedarf haben als solche, bei denen Detektoren und ladungsgekoppelte Bauelemente in der gleichen Halbleiter-Schicht integriert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sie die gleichen vorteilhaften Eigenschaften hat wie Anordnungen, die von getrennten Detektoren Gebrauch machen, aber ebenso einfach herstellbar sind und den gleichen geringen Platzbedarf haben wie Anordnungen, bei denen die Detektoren und die ladungsgekoppelten Bauelemente in der gleichen Halbleiter-Schicht integriert sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Detektorelement von einem Abschnitt des fotoleitend dotierten Substrats gebildet wird, über dem sich eine die Epitaxialschicht und die Isolierschicht durchsetzende Öffnung befindet, durch die hindurch die Oberfläche des Detektorelementes für optische Strahlung zugänglich ist, und daß an der Oberfläche der Öffnung eine mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat, jedoch stärker dotierte Zone angeordnet ist, welche das Detektorelement mit der im Bereich der Öffnung angrenzenden Oberfläche der Epitaxialschicht verbindet.

Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist es möglich, das Substrat in einer für die Funktion des Detektorelements optimalen Weise zu dotieren, weil die Ladungsübertragung nicht in dem Substrat, sondern an der zur Isolierschicht benachbarten Oberfläche der Epitaxialschicht stattfindet, die ihrerseits in einer für die Ladungsübertragung optimalen Weise dotiert sein kann. Bei dem Substrat kann es sich insbesondere um zur Erzeugung einer Störstellenleitung dotiertes Silicium handeln, das aufgrund des gewählten Dotierungsmittels für die spezielle Wellenlänge der zu empfangenden Infrarotsignale empfindlich ist. Die in den Detektorelementen erzeugten Ladungen werden über die die Epitaxialschicht durchsetzenden, stärker dotierten Zonen durch direkte Injektion in die ladungsgekoppelten Bauelemente übertragen, die ihrerseits einen Transport der Ladung längs der Epitaxialschicht bewirken. Bei dieser Schicht kann es sich um eine mit Phosphor oder Arsen dotierte Schicht vom n-Typ handeln, während als Substrat mit Gallium dotiertes Silicium vom p-Typ verwendet werden kann. Bei niedrigeren Temperaturen (4 bis 20 K) werden die Träger im Substrat im Dotierungsniveau eingefroren. Daher erzeugen Infrarotsignale mit Wellenlängen, bei denen die einfallende Energie gleich oder größer ist als die Ionisationsenergie des Dotierungsniveaus, Träger im Detektorbereich. Diese erzeugten Träger werden in CCD-Schieberegister injiziert, die in der Epitaxialschicht gebildet sind, und an deren Ausgang festgestellt. Solche Anordnungen sind von besonderem Interesse im Bereich der Wellenlängen von 3 bis 5 µm und 8 bis 15 µm für Flugzeug- oder Raketen-Verfolgungssysteme.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können zur Bildung eines Zeilenabtasters in dem Substrat mehrere auf einer Geraden nebeneinanderliegende Detektorelemente angeordnet, und es kann die Isolierschicht mit einer für die optische Strahlung undurchlässigen Schutzschicht bedeckt sein, durch die sich die in der Epitaxialschicht und in der Isolierschicht vorhandenen Öffnungen für die Detektorelemente hindurch erstrecken. Die Öffnungen für benachbarte Detektorelemente sind dabei durch Abschnitte der Schutzschicht getrennt.

Das Substrat kann auf der der Epitaxialschicht abgewandten Seite mit einer Detektor-Elektrodenschicht versehen sein, die aus einem mit dem ersten Leitungstyp stärker dotierten Abschnitt des Substrates besteht. Dabei können sich die Detektorelemente von der Detektor-Elektrodenschicht durch das Substrat hindurch bis zu der zugeordneten Öffnung in der Epitaxialschicht erstrecken. Dabei ist dann die Detektor-Elektrodenschicht an eine Spannung mit einer ersten Polarität und die Epitaxialschicht an Masse angelegt. Um ein optisches Übersprechen zwischen den Detektorelementen zu verhindern, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf der Detektor-Elektrodenschicht eine optische Koppelschicht und darauf eine optische Absorptionsschicht angeordnet sein.

Ähnlich wie bei bekannten Halbleiteranordnungen dieser Art kann auch bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung jedem der nebeneinanderliegenden Detektorelemente ein zur Ladungsübertragung dienendes ladungsgekoppeltes Bauelement zugeordnet sein, das sich in einer zu der von den Detektorelementen gebildeten Linie senkrechten Richtung erstreckt. Auf diese Weise wird ein besonders gedrängter Aufbau erzielt. Dabei können die zur Ladungsübertragung dienenden Bauelemente die Ladungssignale parallel in ein gemeinsames, in Reihe geschaltetes, ladungsgekoppeltes Schieberegister eingeben, aus dem dann die Ladungen zur seriellen Verarbeitung nacheinander ausgetaktet werden können. Dabei besteht auch die Möglichkeit, in den zur Ladungsübertragung dienenden Bauelementen einen Substraktionskreis vorzusehen, der es ermöglicht, eine einen gleichförmigen Bildhintergrund darstellende Gleichstromkomponente von dem übertragenen Ladungssignal zu entfernen, um auf diese Weise die Bildqualität zu erhöhen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Bilderzeugers,

Fig. 2 ein Diagramm von Signalen, die in der Ausführungsform nach Fig. 1 sowie nach den Fig. 3 bis 5 vorkommen,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterplättchen, das die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 und zusätzliche Subtraktionskreise enthält,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 durch die Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch die Anordnung nach Fig. 3 und

Fig. 6 ein Diagramm der Empfindlichkeit der Vorrichtung nach Fig. 1 als Funktion des Abstandes vom Zentrum eines Detektorelementes.

Bei einer als Ausführungsbeispiel gewählten Ausführungsform, deren Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt ist und deren körperlichen Aufbau die Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen, verbindet eine fächerförmige Dünnschicht-Metallisierung die acht Elemente einer Detektorgruppe mit den Eingängen der ladungsgekoppelten Bauelemente. Die aktive Fläche 10 jedes Detektorelementes beträgt bei diesem Beispiel 0,175×0,3 mm². Durch den Pfeil 11 angedeutete Infrarotstrahlung fällt auf die Detektorelemente 10 ein, und es wird der durch Photonen erzeugte Strom integriert und unter einer Speicherelektrode 12 gespeichert. Jedem Detektorelement 10 ist eine solche Speicherelektrode 12 zugeordnet. Die Ausgangsladung jedes Detektorelementes wird dem Hauptkanal-Schieberegister 14 zugeführt, wenn das Potential der zugeordneten Übertragungs-Gate-Elektrode, das an den Anschluß 34 angelegt wird, negativ getaktet wird. Dann wird die Ladung längs der einander überlappenden Aluminium-Polysilicium-Gate-Elektroden des CCD-Registers einem MOS-Ausgangs- und Rückstellkreis 15 zugeführt. Eine Schaltung bekannter Art zum Abführen überstrahlender Ladungen und Überlastungsschutz kann in der Praxis bei jeder Ausführungsform am Anschluß 50 vorgesehen werden. Ein sogenannter "fast zero"-Strom, der dazu dient, dem Register 14 fortlaufend eine Mindestladung zuzuführen, wird von einer Quelle 51 geliefert. Die Extrinsic-Silicium-Testanordnung, die vorstehend als Beispiel beschrieben wurde, wurde unter Verwendung eines Substrates 26 hergestellt, das mit 3×10¹⁶ Galliumatomen pro cm³ dotiert war. Die acht Detektorelemente umfassende Anordnung wurde auf einem mit flüssigem Helium gekühlten Finger in einem evakuierten Metall-Dewar angeordnet. Ein Heizelement und ein Temperaturfühler am Gehäuse der Detektoranordnung gestattete es, die Betriebstemperatur auf einen Wert zwischen 6 und 30 K einzustellen. Ein langer Metallschirm, der durch flüssiges Helium gekühlt war, hatte eine Öffnung, welche den Hintergrund- Photonenfluß begrenzte. Ein schmalbandiges Spektralfilter, dessen Durchlaßbereich einen Mittenwert von 14,5 µm aufwies, verhinderte ein Passieren von Photonen sichtbarer und kurzwelliger Strahlung. Unter diesen Bedingungen ergaben Signal- und Rauschmessungen einen befriedigenden Betrieb der Anordnung, deren Aufbau in den Fig. 3, 4 und 5 veranschaulicht ist. Fig. 6 zeigt ein Diagramm der gemessenen Detektorempfindlichkeit und der berechneten relativen Detektorempfindlichkeit als Funktion des Abstandes von der Mitte eines Detektorelementes.

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird durch Anlegen einiger der Signale gesteuert, die in Fig. 2 graphisch dargestellt sind. Das Signal Φ₁₆ wird dem Leiter 16 zugeführt, der mit jeder zweiten Elektrode des CCD 14 verbunden ist, während das Signal Φ₁₇ an den Leiter 17 angelegt ist, der mit den übrigen jeweils zweiten Elektroden des CCD-Schieberegisters 14 verbunden ist. Die beiden Signale bilden ein Taktsignal zur seriellen Übertragung der Ladung, die von den Detektoren parallel empfangen wird, in bekannter Weise durch das Register. Alle die in Fig. 2 dargestellten Signale sind abgebrochen wiedergegeben, um die Darstellung ihres zeitlichen Verlaufs und ihrer Relativstellung zu vereinfachen. In der Praxis kann die Frequenz der Signale Φ₁₆ und Φ₁₇ in den beiden dargestellten Ausführungsbeispielen etwa das Zehnfache der Frequenz der anderen Treibspannungen betragen. Beispielsweise kann die Frequenz der Signale Φ₁₆ und Φ₁₇ 10 kHz betragen, während alle anderen Spannungen eine Frequenz von 1 kHz aufweisen. Alle Signale haben jedoch in bezug aufeinander die Gestalt, die in dem in Fig. 2 dargestellten einzigen Zyklus veranschaulicht ist. Die bei der Anordnung nach Fig. 1 von den Detektoren 10 der zugeordneten Speicherelektrode 12 zugeführte Ladung wird bei Anliegen der Spannung Φ₃₄ an den Anschluß 34 auf das Schieberegister 14 übertragen. Der Anschluß 34 ist mit einer Übertragungs-Gate- Elektrode 34′ in jedem ein Detektorelement mit dem Register verbindenden Kreis verbunden, wie es Fig. 4 zeigt. Die Ladung wird demnach in das Register 14 parallel eingelesen und aus dem Register durch Anlegen der Spannungen Φ₁₆ und Φ₁₇ an die Leiter 16 und 17 seriell ausgelesen, wie es oben beschrieben wurde. Das Hinzufügen eines Subtraktionskreises zu dieser Grundanordnung bildet einen Schutz gegen einen Ladungsüberschuß bei Vorliegen einer Umgebung mit einer starken Infrarot-Hintergrundstrahlung. Ein solcher Subtraktionskreis ist jedoch für die Wirkungsweise der Grundschaltung nicht erforderlich.

Eine ins einzelne gehende Darstellung einer Vorrichtung, welche die gesamte Schaltungsanordnung nach Fig. 1 und zusätzliche eine Subtraktionsschaltung umfaßt, ist in den Fig. 3, 4 und 5 wiedergegeben. Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Halbleiterchips, das teilweise aufgebrochen ist, um die vergrabenen Elektroden freizulegen und die allgemeine Anordnung der monolithischen Detektorgruppe zu veranschaulichen. Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie 4-4 durch eines der Detektorelemente 10.

Es ist ersichtlich, daß diese Detektorelemente in einem Halbleitersubstrat 26 gebildet sind und sich vollständig durch das Substrat erstrecken. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestand das Substrat 26 aus einem mit Galliumionen in einer Konzentration von beispielsweise 3×10¹⁶ Ionen pro cm³ dotierten Silicium. Auf einer Fläche des Substrats 26 ist eine Epitaxialschicht 27 aus Silicium vom n-Typ gebildet, in der sich zum Detektorelement 10 reichende Öffnungen befinden, in deren Bereich eine p⁺-Diffusionsschicht 10a erzeugt worden ist. Über der Epitaxialschicht 17 befindet sich eine Schicht 18 aus einem isolierenden Material, durch welche sich die zum Detektor führenden Öffnungen hindurch erstrecken. Auf der Isolierschicht 18 befindet sich zur Abschirmung gegen Strahlung eine Schutzschicht 19, die ebenfalls im Bereich der Detektoröffnung durchbrochen ist. Die Schutzschicht dient dazu, die Öffnungen der Detektorelemente zu definieren und zu verhindern, daß Strahlung irgendwelche anderen Stellen des Substrats erreicht. Die Schutzschicht kann aus einer Aluminiumschicht bestehen. Um jedoch ein optisches Übersprechen infolge von Reflexionen zwischen der Schutzschicht und optischen Komponenten zu reduzieren, wird ein absorbierendes Material, wie beispielsweise ein Polyimidlack, bevorzugt. Ein optisches Übersprechen infolge von Reflexionen an der Rückfläche des Substrats 26 können ebenfalls ein Problem bilden. Daher ist mit der Rückseite des Substrats eine optische Absorptionsschicht 20 gekoppelt. Diese optische Absorptionsschicht 20 befindet sich über einer optischen Koppelschicht 21, die ihrerseits wiederum einer p⁺-Diffusionsschicht 22 überlagert ist, die an der Rückseite des Substrats 26 gebildet wurde. Die Diffusionsschicht 22 ist mit einer positiven Spannung +V verbunden. Die Epitaxialschicht 27 ist mit Masse 23 verbunden.

In der Isolierschicht 18 ist eine Anzahl Elektroden angeordnet. Die von den an diese Elektroden angelegten Spannungen erzeugten Felder wirken mit der Epitaxialschicht 27 bei der Funktion der ladungsgekoppelten Schaltungsanordnung zusammen. Von jedem der Detektorelemente 10 führt ein Ladungsübertragungsweg senkrecht zur Reihe der Detektorelemente fort zu dem ladungsgekoppelten Schieberegister 14, das sich hinten am Chip parallel zur Reihe der Detektorelemente befindet, um die Signalausgabe zu bewirken.

Wird der eine, in Fig. 4 im Schnitt dargestellte Übertragungsweg als Beispiel betrachtet, so ist ersichtlich, daß die Infrarotstrahlung 11 durch eine Öffnung in der Schutzschicht 19, der Isolierschicht 18 und der Epitaxialschicht 27 einfällt und auf die Schicht 10a des Detektorelementes 10 auftrifft und dadurch im Detektorelement 10 eine Ladung erzeugt. Neben dem Detektorelement 10 befindet sich eine Vorspann-Elektrode 30, an die eine negative Vorspannung von einer Batterie 30a angelegt ist. Fortschreitend in Richtung auf das CCD-Schieberegister 14 folgt als nächste Elektrode nach der Vorspann- Elektrode 30 die erste Übertragungs-Gate-Elektrode 31, die von einer Bucket-Speicherelektrode 32 gefolgt wird. Beiden Elektroden 31 und 32 wird eine Gleichspannung Φ₃₂ zugeführt. In der Praxis können diese Elektroden miteinander verbunden sein, wie es Fig. 4 zeigt. Als nächstes folgt die Elektrode 33, bei der es sich um eine Steuer- Gate-Elektrode für den Subtraktionskreis handelt und der wiederum die Elektrode 12 folgt, bei der es sich um eine Signalspeicherelektrode für den Schutzkreis handelt, an die das Signal Φ₁₂ angelegt wird. An die Elektrode 33 kann entweder das Signal Φ₃₃ oder eine einstellbare Gleichspannung angelegt werden. Der Elektrode 12 folgt dann eine zweite Übertragungs-Gate-Elektrode 34′, die der Eingangselektrode 16′ des CCD-Schieberegisters 14 für diesen speziellen Weg benachbart ist.

Der Zweck des Subtraktionskreises, dessen Anwendung nicht unbedingt erforderlich ist, besteht darin, den Hintergrund oder die Gleichspannungskomponente des Ladungssignals zu reduzieren, das dem Schieberegister 14 zugeführt wird, um die Anforderungen bezüglich der Ladungsbehandlung, die an das Schieberegister zu stellen sind, zu reduzieren und mit dem eine Überstrahlung verhindernden Kreis am Anschluß 50 zusammenzuwirken, sofern einer vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird unter Anwendung der Steuerspannungen Φ₃₂, Φ₁₂ und Φ₃₃, die in Fig. 2 veranschaulicht sind, von dem Speichertopf für die Hintergrundladung unter der Elektrode 32 ein fester Betrag der Ladung während jedes Zyklus abgezogen. Um das Abziehen der Ladung zu ermöglichen, ist, wie in Fig. 5 gezeigt ist, zwischen der Elektrode 32 und der zu einem benachbarten Detektorelement gehörenden Elektrode 32′ eine Möglichkeit geschaffen, Ladung in eine Subtraktionsleitung 40 abzuziehen, die mit einem p⁺-Diffusionsbereich 41 in der Epitaxialschicht 27 verbunden ist. Die Ladung wird von dem Bereich unter der Speicherelektrode 32 auf das Ableitsystem 40, 41 in Abhängigkeit von der Wirkung von Ableit- Steuerelektroden 42 und 42′ abgeleitet, die der Elektrode 32 bzw. 32′ zugeordnet sind. Den Elektroden 42 und 42′ wird die Spannung Φ₄₂ zugeführt. Es ist zu beachten, daß bei dieser Anordnung eine einzige Ableitelektrode 41 zwei benachbarten Ladungsflußwegen für zwei benachbarte Detektorelemente zugeordnet ist. Es versteht sich, daß jeweils ein Paar Ladungsflußwege eine gleiche Anordnung aufweist. Die Leitung 40 ist mit einer negativen Spannungsquelle verbunden, um die Ladung abzuführen, die ihr über die Steuerelektroden 42 und 42′ zugeführt wird. Eine nicht dargestellte Elektrode, die mit der Überstrahlungs- Schutzleitung (Anschluß 50) verbunden ist, kann den Elektroden 12 in einer Weise zugeordnet sein, die der Zuordnung der Elektroden 41 und 42 zu den Elektroden 32 entspricht.

Es ist zu bemerken, daß die Detektorelemente 10 mit der an einer Seite dazu angeordneten Vorspannelektrode 30 bei der allgemeinen Anordnung der in den Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichten monolithischen, ebenen Detektorgruppe so vorgespannt sind, daß sie als Photoleiter arbeiten. Nach einer gewissen Integrationsperiode, deren Dauer durch das Signal Φ₃₁ bestimmt wird, füllt die von den Detektorelementen erzeugte Ladung den Hintergrunds- Ladungstopf unter der Elektrode 32 des Subtraktionskreises über die erste Übertragungs-Gate-Elektrode 31. Die Signalladung fließt dann über die Potentialsperre des Subtraktionskreises hinweg, die von der Steuer- Gate-Elektrode 33 kontrolliert wird, und fließt in den Signalspeicherabschnitt unter der Elektrode 12. Die zweite Übertragungs-Gate-Elektrode 34′ gibt dann die Ladung in das CCD-Schieberegister ein, in dem sie zu dessen Ausgangsende verschoben wird, wie es oben anhand Fig. 1 verschoben wurde.

Wie der Querschnitt nach Fig. 4 zeigt, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Silicium-Substrat 26 gleichförmig als Extrinsic-Photoleiter dotiert. Die Epitaxialschicht 27 ist vom n-Leitungsfähigkeitstyp und kann mit Phosphor dotiert sein, um ein Ausfrieren der Träger bei den Betriebstemperaturen zu verhindern. Diese Schicht wird für die CCD-Schaltungsanordnung benutzt. Die CCD-Schaltungsanordnung ist ein Zweiphasen-CCD und arbeitet mit den die beiden Phasen definierenden Signalen Φ₁₆ und Φ₁₇, die in Fig. 2 dargestellt sind. Das CCD wird mit überlappenden Aluminium- und Silicium-Gate-Elektroden hergestellt. Um die optische Fläche der Detektorelemente zu definieren, wird eine Strahlungsschutzschicht 19 benutzt, wie es oben beschrieben wurde. Die Strahlenschutzschicht kann aus Aluminium bestehen, jedoch wird vorzugsweise ein Polyimidlack verwendet.

Die Funktion der Vorrichtung wird weiterhin anhand Fig. 4 besser verständlich. Die Epitaxialschicht 27 ist mit Masse verbunden, während eine positive Spannung an die p⁺-Schicht 22 auf der Rückseite des Substrats 26 angelegt ist. Wenn die in Fig. 2 dargestellten Spannungen an die Gate- Elektroden der CCD-Anordnung angelegt werden, überträgt der p-Kanal des CCD Löcher von den p⁺-Bereichen 10a, die sich an der Vorderfläche des Detektorelementes 10 befinden, zum CCD-Ausgang. Die p⁺-Bereiche 10a werden in bezug auf die Epitaxialschicht 27 und die rückwärtige p⁺-Schicht 22 negativ vorgespannt. Das elektrische Feld über den Detektorelementen 10 fegt die Löcher, die von der im Bereich des Detektorelementes absorbierten Strahlung erzeugt wurden, in das CCD. Bei den angegebenen Polaritäten müssen die in Fig. 2 dargestellten Betriebsspannungen ins Negative gehen. Wären bei entsprechender Dotierung die Polaritäten umgekehrt, so versteht es sich, daß ins Positive gehende Spannungen benutzt werden müßten.

Claims (8)

1. Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Detektorelement, das in Abhängigkeit von einfallender optischer Strahlung elektrische Ladungen erzeugt, und mit einer Schaltungsanordnung aus ladungsgekoppelten Bauelementen, die aus einem mit einem ersten Leitungstyp dotierten Halbleiter-Substrat, einer auf das Substrat aufgebrachten, mit einem zum Substrat entgegengesetzten Leitungstyp dotierten, monolithischen Epitaxialschicht, einer die Epitaxialschicht bedeckenden Isolierschicht aus einem dielektrischen Material und in der Isolierschicht angeordneten Elektroden besteht und deren Bauelemente zueinander und zum Detektorelement derart angeordnet sind, daß die im Detektorelement erzeugten Ladungen unter dem Einfluß von an die Elektroden angelegten periodischen Spannungen durch die Epitaxialschicht hindurch einem Verbraucher zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (10) von einem Abschnitt des fotoleitend dotierten Substrats (26) gebildet wird, über dem sich eine die Epitaxialschicht (27) und die Isolierschicht (18) durchsetzende Öffnung befindet, durch die hindurch die Oberfläche des Detektorelementes (10) für optische Strahlung zugänglich ist, und daß an der Oberfläche der Öffnung eine mit dem gleichen Leitungstyp wie das Substrat, jedoch stärker dotierte Zone (10a) angeordnet ist, welche das Detektorelement (10) mit der im Bereich der Öffnung angrenzenden Oberfläche der Epitaxialschicht verbindet.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Zeilenabtasters in dem Substrat (26) mehrere auf einer Geraden nebeneinanderliegende Detektorelemente (10) angeordnet sind und die Isolierschicht (18) mit einer für die optische Strahlung undurchlässigen Schutzschicht (19) bedeckt ist, durch die sich die in der Epitaxialschicht (27) und in der Isolierschicht (18) vorhandenen Öffnungen für die Detektorelemente (10) hindurch erstrecken, und daß die Öffnungen für benachbarte Detektorelemente (10) durch Abschnitte der Schutzschicht (19) getrennt sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (26) auf der der Epitaxialschicht (27) abgewandten Seite mit einer Detektor- Elektrodenschicht (22) versehen ist, die aus einem mit dem gleichen Leitungstyp wie das Substrat, jedoch stärker dotierten Abschnitt des Substrats (26) besteht, und daß sich die Detektorelemente (10) von der Detektor-Elektrodenschicht (22) durch das Substrat (26) hindurch bis zur Epitaxialschicht (27) erstrecken.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Elektrodenschicht (22) an eine Spannung mit einer ersten Polarität und die Epitaxialschicht (27) an Masse (23) angelegt ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Detektor-Elektrodenschicht (22) eine optische Koppelschicht (21) und darauf eine optische Absorptionsschicht (20) angeordnet ist, um ein optisches Übersprechen zwischen den Detektorelementen (10) zu verhindern.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der nebeneinanderliegenden Detektorelemente (10) ein zur Ladungsübertragung dienendes ladungsgekoppeltes Bauelement zugeordnet ist, das sich in einer zu der von den Detektorelementen (10) gebildeten Linie senkrechten Richtung erstreckt.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ladungsübertragung dienenden Bauelemente die Ladungssignale parallel in ein gemeinsames, in Reihe geschaltetes, ladungsgekoppeltes Schieberegister (14) eingeben.

8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ladungsübertragung dienenden Bauelemente einen Subtraktionskreis (40, 41, 42) zum Entfernen einer einen gleichförmigen Bildhintergrund darstellenden Gleichstromkomponente von dem übertragenen Ladungssignal umfassen.