DE2653128C2 - Charge-coupled device - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine ladungsgekoppelte Anordnung zur Umwandlung eines elektromagnetischen Strahlungsmusters in einem gewissen Wellenlängenbereich, insbesondere, aber nicht ausschließlich eines Infrarotstrahlungsmusters, in elektrische Signale.The invention relates to a charge-coupled device for converting an electromagnetic radiation pattern in a certain wavelength range, in particular but not exclusively an infrared radiation pattern, into electrical signals.
Ladungsgekoppelte Anordnungen für Abbildungszwecke sind nun allgemein bekannt und finden bereits als Bildsensoren in experimentellen Fernsehkameras Anwendung.Charge-coupled devices for imaging purposes are now well known and are already used as image sensors in experimental television cameras.
Ladungsgekoppelte Anordnungen der zuerst vorgeschlagenen Art basierten auf der Speicherung in Verarmungszonen und dem Transport in der Nähe der Oberfläche einer Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp diskreter Ladungspakete in Form von Minoritätsladungsträgern. Wenn somit eine n-leitende Schicht verwendet wird, werden Löcher gespeichert und transportiert. Solche Anordnungen werden im allgemeinen als Oberflächenkanal-CDD's bezeichnet. In einer späteren Entwicklungsstufe wird ein verbesserter Wirkungsgrad der Ladungsübertragung zwischen benachbarten Speicherstellen in einer Struktur erhalten, in der Majoritätsladungsträger gespeichert und transportiert werden, wobei dieser Transport über das Innere der Halbleiterschicht stattfindet. Diese Anordnungen, die manchmal als "Bulk"- oder " Buriedchannel"-CCD's bezeichnet werden, sind in der britischen Patentschrift Nr. 14 14 183 beschrieben. Eine derartige Anordnung enthält einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp, wobei Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe wenigstens beim Betrieb die Halbleiterschicht elektrisch gegen ihre Umgebung isoliert wird, wobei diese Schicht eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, daß eine Verarmungszone über die ganze Dicke der Halbleiterschicht mittels eines elektrischen Feldes unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann. Die Anordnung enthält weiter Mittel zur örtlichen Einführung von Information in Form aus Majoritätsladungsträgern bestehender Ladung in die Halbleiterschicht und Mittel zum Auslesen dieser Information anderswo in der Schicht, wobei ein Elektrodensystem wenigstens auf einer Seite der Schicht vorhanden ist, mit dessen Hilfe auf kapazitivem Wege elektrische Felder in der Halbleiterschicht erzeugt werden, durch die die Ladung zu den Auslesemitteln über das Innere der Halbleiterschicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung transportiert werden kann. Eine derartige Anordnung kann für Abbildungszwecke ausgebildet werden, wobei die örtliche Einführung von Information in Form von Majoritätsladungsträgern die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch die Absorption einfallender Strahlung in der Nähe von in der Halbleiterschicht nahe bei dem Elektrodensystem gebildeten Verarmungszone umfaßt.Charge coupled devices of the type first proposed were based on the storage in depletion regions and transport near the surface of a semiconductor layer of one conductivity type of discrete charge packets in the form of minority carriers. Thus, when an n-type layer is used, holes are stored and transported. Such devices are generally referred to as surface channel CCD's. In a later stage of development, improved efficiency of charge transfer between adjacent storage locations is obtained in a structure in which majority carriers are stored and transported, this transport taking place via the interior of the semiconductor layer. These devices, sometimes referred to as "bulk" or "buried channel" CCD's, are described in British Patent Specification No. 14 14 183. Such an arrangement comprises a semiconductor body with a semiconductor layer of one conductivity type, means being provided for electrically isolating the semiconductor layer from its surroundings at least during operation, said layer having a thickness and doping concentration such that a depletion zone can be obtained over the entire thickness of the semiconductor layer by means of an electric field while avoiding breakdown. The arrangement further comprises means for locally introducing information in the form of charge consisting of majority charge carriers into the semiconductor layer and means for reading this information elsewhere in the layer, an electrode system being provided on at least one side of the layer, by means of which electric fields are capacitively generated in the semiconductor layer, through which the charge can be transported to the readout means via the interior of the semiconductor layer in a direction parallel to the layer. Such an arrangement can be designed for imaging purposes, the local introduction of information in the form of majority charge carriers comprising the generation of electron-hole pairs by the absorption of incident radiation in the vicinity of a depletion zone formed in the semiconductor layer close to the electrode system.
Um die bekannten ladungsgekoppelten Anordnungen für Abbildungszwecke verwenden zu können, ist es notwendig, daß die Photonenenergie der einfallenden Strahlung größer als der Bandabstand des Halbleitermaterials ist. Dadurch kann z. B. sichtbare Strahlung mit einer 1,1 eV überschreitenden Energie unter Verwendung einer Silicium-CCD detektiert werden, wobei sowohl die Oberflächenkanal- als auch die "Bulk"- oder "Buried channel"-Konfigurationen für diesen Zweck geeignet sind.In order to use the known charge-coupled devices for imaging purposes, it is necessary that the photon energy of the incident radiation is greater than the band gap of the semiconductor material. This allows, for example, visible radiation with an energy exceeding 1.1 eV to be detected using a silicon CCD, with both the surface channel and the "bulk" or "buried channel" configurations being suitable for this purpose.
Zur Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters wurden ladungsgekoppelte Anordnungen in vielen verschiedenen Formen vorgeschlagen, wie z. B. bereits beschrieben wurde in dem Artikel "Application of Charge-Coupled Devices to Infrared Detection and Imaging" von A.J. Steckl et. al, veröffentlicht in CCD 74, International Conference, Technology and Application of Charge Coupled Devices, September '74, pg. 256/279. Bei einer sogenannten "Hybrid" -Ausführung werden die Detektions- und Signalverarbeitungsvorgänge in gesonderten, aber integrierbaren Teilen mittels einer Matrix von Infrarotdetektionselementen durchgeführt, die je für sich mit einem Silicium-CCD-Schieberegister verbunden sind. In diesem Falle dient die Silicium-CCD als eine Signalverarbeitungsanordnung, die geeignete Vorgänge durchführt. Bei einer anderen sogenannten " monolithischen" Ausführung werden die Detektions- und Signalverarbeitungsvorgänge in demselben Teil des Halbleiterkörpers durchgeführt. Bei einer vorgeschlagenen Ausführung einer "monolithischen" CCD für Infrarotabbildung sind die Wirkung und Struktur im wesentlichen denen einer Silicium-Oberflächenkanal-CCD ähnlich und basieren auf der Erzeugung von Verarmungszonen in der Nähe der Halbleiteroberfläche, wo photoerzeugte Minoritätsladungsträger aufgefangen werden. Die Anordnung unterscheidet sich von üblichen Silicium-Abbildungs-CCD's in bezug auf das Material der Halbleiterschicht. Dieses Material muß derart gewählt werden, daß die Absorptionsspitze in dem Infrarotbereich liegt, wobei der Bandabstand des Halbleitermaterials kleiner als die Energie der Infrarotphotonen ist. Daher ist die Wahl des Materials auf gewisse Halbleitermaterialien mit geringem Bandabstand der binären und ternären III-V, II-VI- und IV-VI-Verbindungen beschränkt. Dies ist in gewissem Maße nachteilig, weil die Verarbeitungstechnologie bei diesen Materialien nicht so weit wie in Silicium entwickelt ist, wobei es einleuchtend ist, daß obgleich die grundlegende Ladungsspeicherung und -übertragung einer CCD nicht von dem Vorhandensein eines pn-Übergangs abhängig zu sein braucht, es trotzdem in vielen praktischen Ausführungsformen erforderlich ist, Zonen einzubauen, deren Leitungstyp dem der Schicht entgegengesetzt ist, in der Ladungsspeicherung und -transport stattfinden.Charge-coupled devices in many different forms have been proposed for imaging an infrared radiation pattern, as already described in the article "Application of Charge-Coupled Devices to Infrared Detection and Imaging" by A.J. Steckl et al, published in CCD 74, International Conference, Technology and Application of Charge Coupled Devices, September '74, pg. 256/279. In a so-called "hybrid" design, the detection and signal processing operations are carried out in separate but integrable parts by means of a matrix of infrared detection elements, each of which is individually connected to a silicon CCD shift register. In this case, the silicon CCD serves as a signal processing device which performs appropriate operations. In another so-called "monolithic" design, the detection and signal processing operations are carried out in the same part of the semiconductor body. In a proposed design of a "monolithic" CCD for infrared imaging, the action and structure are essentially similar to those of a silicon surface channel CCD and are based on the creation of depletion regions near the semiconductor surface where photogenerated minority carriers are trapped. The arrangement differs from conventional silicon imaging CCDs with respect to the material of the semiconductor layer. This material must be chosen such that the absorption peak lies in the infrared region, the band gap of the semiconductor material being smaller than the energy of the infrared photons. Therefore, the choice of material is limited to certain narrow band gap semiconductor materials of the binary and ternary III-V, II-VI and IV-VI compounds. This is to some extent disadvantageous because the processing technology in these materials is not as advanced as in silicon, and it is clear that although the basic charge storage and transfer of a CCD may not depend on the presence of a pn junction, it is nevertheless necessary in many practical embodiments to incorporate regions whose conductivity type is opposite to that of the layer in which charge storage and transport take place.
Bei einer anderen vorgeschlagenen "monolithischen" Ausführung einer Infrarot-CCD-Abbildungsanordnung basiert die Wirkung auf der Anhäufung von Majoritätsladungsträgern (Elektronen) an der Oberfläche einer n-leitenden Siliciumschicht und deren Übertragung in der Nähe der Oberfläche, wobei diese Elektronen von tiefliegenden Donatorniveaus ausgelöst werden, die durch eine ganze n-leitende Siliciumschicht hindurch erhalten werden. Die Wirkung dieser Anordnung erfordert Abkühlung auf eine niedrige Temperatur, um die thermische Erzeugung von Majoritätsladungsträgern auf ein Mindestmaß zu beschränken, während sich die einem üblichen Oberflächenkanal-Element inhärenten Nachteile in bezug auf den Ladungsübertragungsgrad und die Arbeitsgeschwindigkeit sich stark bemerkbar machen.In another proposed "monolithic" design of an infrared CCD imaging device, the effect is based on the accumulation of majority charge carriers (electrons) at the surface of an n-type silicon layer and their transfer near the surface, these electrons being released from deep donor levels maintained throughout an n-type silicon layer. The operation of this arrangement requires cooling to a low temperature to minimize the thermal generation of majority carriers, while the disadvantages in terms of charge transfer efficiency and operating speed inherent in a conventional surface channel device are strongly felt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithische Ausführung einer Infrarot-CCD-Abbildungsanordnung aus Silicium zu schaffen, bei der die Ladungsübertragung statt in einem Oberflächenkanal im Volumen des Siliciumkörpers stattfindet.The invention is based on the object of creating a monolithic design of an infrared CCD imaging device made of silicon, in which the charge transfer takes place in the volume of the silicon body instead of in a surface channel.
Nach der Erfindung enthält eine ladungsgekoppelte Anordnung zur Umwandlung eines elektromagnetischen Strahlungsmusters in einem gewissen Wellenlängenbereich in elektrische Signale einen Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp und ist sie dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zu derjenigen Art ladungsgekoppelter Anordnungen gehört, worin Musterinformation in Form diskreter Pakete von Majoritätsladungsträgern erzeugt und über das Innere der Halbleiterschicht zu Mitteln zum Auslesen der Ladung transportiert werden kann, wobei die Schicht eine Konzentration mindestens einer Dotierungsverunreinigung, die den einen Leitungstyp bestimmt, und eine Konzentration mindestens einer Tiefniveauverunreinigung der hier definierten Art aufweist, mit deren Hilfe Zentren zum Einfangen von Majoritätsladungsträgern erhalten werden, die nach Erregung durch Strahlung im genannten Wellenlängenbereich ausgelöst werden können, wobei die Dotierungsverunreinigungskonzentration und die Tiefniveauverunreinigungskonzentration derart angebracht sind, daß Verarmungszonen gebildet werden können, die sich über die Dicke der Schicht erstrecken, wobei Durchschlag vermieden wird, was nur darauf zurückzuführen ist, daß nahezu alle Tiefniveauzentren innerhalb der Verarmungszonen mit den einen Leitungstyp bestimmenden Majoritätsladungsträgern vollbesetzt sind.According to the invention, a charge-coupled device for converting an electromagnetic radiation pattern in a certain wavelength range into electrical signals comprises a semiconductor body with a semiconductor layer of one conductivity type and is characterized in that the device belongs to the type of charge-coupled device in which pattern information in the form of discrete packets of majority charge carriers can be generated and transported via the interior of the semiconductor layer to means for reading out the charge, the layer having a concentration of at least one doping impurity determining the one conductivity type and a concentration of at least one deep-level impurity of the type defined here, by means of which centers for capturing majority charge carriers are obtained which can be released after excitation by radiation in the said wavelength range, the doping impurity concentration and the deep-level impurity concentration being arranged in such a way that depletion zones can be formed which extend over the thickness of the layer, whereby breakdown is avoided, which is only due to the fact that almost all deep-level centers are within the Depletion zones are fully occupied with the majority charge carriers that determine a conduction type.
Unter dem Ausdruck "Tiefniveauverunreinigung" ist hier eine Verunreinigung zu verstehen, die in einem gegebenen Ladungszustand in der Masse des Halbleitermaterials in thermischem Gleichgewicht ist und deren Ladungszustand in einem erschöpften Gebiet zu einem gleichbleibenden Zustand übergeht. Dies bedeutet, daß das Energieniveau einer Tiefniveauverunreinigung in n-leitendem Material unter dem Ferminiveau (des Halbleitermaterials im Gleichgewicht) in der oberen Hälfte des Bandabstandes und das Energieniveau einer Tiefniveauverunreinigung in p-leitendem Material über dem Ferminiveau (des Halbleitermaterials im Gleichgewicht) in der unteren Hälfte des Bandabstandes liegen muß.The term "low-level impurity" is used here to mean an impurity which is in thermal equilibrium in the bulk of the semiconductor material in a given charge state and whose charge state changes to a constant state in a depleted region. This means that the energy level of a low-level impurity in n-type material must be below the Fermi level (of the semiconductor material in equilibrium) in the upper half of the band gap and the energy level of a low-level impurity in p-type material must be above the Fermi level (of the semiconductor material in equilibrium) in the lower half of the band gap.
Eine derartige Anordnung, in der der Ladungstransport über das Innere der Halbleiterschicht stattfindet und in der die Erzeugung der Ladungspakete auf Erregung von Majoritätsladungsträgern, die in die Tiefniveauzentren eingefangen sind, und auf ihre Abgabe an die Potentialminima in der Schicht eher als auf der normalen Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch Absorption von Strahlung basiert, weist wesentliche Vorteile auf, wenn es erwünscht ist, eine monolithische ladungsgekoppelte Anordnung zur Umwandlung eines Strahlungsmusters in einem gegebenen Wellenlängenbereich in elektrische Signale zu bilden. Obgleich somit in den meisten Fällen eine Abkühlung des Halbleiterkörpers erforderlich ist, ist es nicht mehr unbedingt notwendig, ein Halbleitermaterial mit einem Energiebandabstand zu verwenden, der kleiner als die Photonenenergie der einfallenden Strahlung ist, für die die Anordnung empfindlich sein soll. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, daß für eine Infrarot-Abbildungs-CCD Silicium mit der ihm inhärenten fortgeschrittenen Technologie verwendet werden kann, wobei die Tiefniveauverunreinigungskonzentration derart gewählt wird, daß eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung in einem gewissen Wellenlängenbereich erhalten wird.Such an arrangement, in which the charge transport takes place across the interior of the semiconductor layer and in which the generation of the charge packets is based on excitation of majority charge carriers trapped in the deep level centers and on their release to the potential minima in the layer rather than on the normal generation of electron-hole pairs by absorption of radiation, has significant advantages when it is desired to form a monolithic charge-coupled device for converting a radiation pattern in a given wavelength range into electrical signals. Although cooling of the semiconductor body is thus required in most cases, it is no longer absolutely necessary to use a semiconductor material with an energy band gap smaller than the photon energy of the incident radiation to which the device is to be sensitive. In particular, there is the advantage that silicon with its inherent advanced technology can be used for an infrared imaging CCD, the low level impurity concentration being selected such that sensitivity to infrared radiation in a certain wavelength range is obtained.
Bei einer Anordnung nach der Erfindung wird die Tiefniveauverunreinigungskonzentration in der Schicht höher als der Wert sein, der für eine Schicht aus dem gleichen Halbleitermaterial und der gleichen Dicke mit nur einer Dotierungsverunreinigungskonzentration, die den einen Leitungstyp bestimmt, dem Wert entspricht, mit dem die höchsterzielbare Größe der Nettoladung in der Masse der Schicht erhalten wird, mit der es in einem gleichbleibenden Zustand noch möglich ist, Verarmungszonen zu bilden, die sich unter Vermeidung von Durchschlag über die ganze Dicke der Halbleiterschicht erstrecken. Es sei erwähnt, daß wenigstens in dieser Hinsicht die Anordnungsstruktur von vorher vorgeschlagenen ladungsgekoppelten Anordnungen verschieden ist, bei denen der Ladungstransport über das Innere der Halbleiterschicht erfolgt, wobei diese Schicht mehr als eine Verunreinigungskonzentration enthält.In a device according to the invention the deep level impurity concentration in the layer will be higher than the value which, for a layer of the same semiconductor material and of the same thickness with only one doping impurity concentration determining the one conductivity type, corresponds to the value with which the highest attainable magnitude of the net charge in the bulk of the layer is obtained with which it is still possible in a steady state to form depletion zones which extend over the whole thickness of the semiconductor layer while avoiding breakdown. It should be noted that at least in this respect the device structure differs from previously proposed charge-coupled devices in which the charge transport takes place via the interior of the semiconductor layer, which layer contains more than one impurity concentration.
In der Praxis hängt die höchsterzielbare Größe der Nettoladung, die in der Masse der Schicht bestehen kann, von dem besonderen Material der Schicht vom einen Ladungstyp ab. Für eine Siliciumschicht in einer Anordnungsstruktur, bei der die Schicht von gegenüberliegenden Hauptflächen her erschöpft werden kann, muß jedoch die Größe der Nettoladung weniger als 4 · 1012/cm2 betragen. Wie nachstehend im Detail beschrieben werden wird, wird zur zweckmäßigen Umwandlung einfallender Strahlung der Wert der Tiefniveaukonzentration derart gewählt, daß die Größe der Nettoladung in einem gleichbleibenden Zustand den genannten Grenzwert beträchtlich überschreitet, d. h., daß im beschriebenen Beispiel einer Anordnung mit einer derartigen Siliciumschicht, die von gegenüberliegenden Hauptflächen her erschöpft werden kann, der Wert der Tiefniveaukonzentration derart gewählt wird, daß eine Nettoladung in einem gleichbleibenden Zustand erhalten wird, die erheblich größer als 4 · 1012/cm2 ist.In practice, the highest achievable magnitude of net charge which can exist in the bulk of the layer will depend on the particular material of the one-charge type layer. However, for a silicon layer in an array structure in which the layer can be depleted from opposite major surfaces, the magnitude of the net charge must be less than 4 x 10 12 /cm 2 . As will be described in detail below, in order to efficiently convert incident radiation, the value of the deep level concentration is chosen such that the magnitude of the net charge in a steady state considerably exceeds the said limit, that is, in the described example of an array having such a silicon layer which can be depleted from opposite major surfaces, the value of the deep level concentration is chosen such that a net charge in a steady state is obtained which is considerably greater than 4 x 10 12 /cm 2 .
Die Wirkung einer Anordnung nach einer Erfindung basiert u. a. auf der Fähigkeit, die Halbleiterschicht während einer Strahlungsintegrationsperiode völlig zu erschöpfen, ohne daß Lawinendurchschlag auftritt, was daher bedeutet, daß während einer Strahlungsintegrationsperiode ein Ungleichgewichtszustand vorliegt und die Nettoladung innerhalb der Verarmungszonen unter der genannten höchsterzielbaren Größe gehalten werden muß. Selbstverständlich kann der Fall betrachtet werden, der nicht im Rahmen der Erfindung liegt und in dem die Gesamtanzahl an Verunreinigungen, d. h. die Summe der Dotierungs- und Tiefniveauverunreinigungen, derart beschränkt wird, daß in einem gleichbleibenden Zustand die genannte höchsterzielbare Größe der Nettoladung nicht überschritten werden kann; eine solche Struktur wäre jedoch nicht besonders empfindlich und würde eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit aufweisen.The effect of a device according to an invention is based, inter alia, on the ability to completely deplete the semiconductor layer during a radiation integration period without avalanche breakdown occurring, which therefore means that during a radiation integration period a non-equilibrium state exists and the net charge within the depletion zones must be kept below the said highest achievable value. Of course, the case can be considered, which does not lie within the scope of the invention, in which the total number of impurities, i.e. the sum of the doping and deep level impurities, is limited in such a way that in a steady state the said highest achievable value of the net charge cannot be exceeded; such a structure would, however, not be particularly sensitive and would have a low response speed.
Die Anordnungsstruktur nach der Erfindung basiert u. a. auf der Erkenntnis, daß die Quantumausbeute der Anordnung von der Anzahl von Majoritätsladungsträgern abhängig ist, die in in die Schicht eingebaute Tiefniveauzentren eingefangen werden, und daß, indem eine sehr große Anzahl der genannten Tiefniveauzentren gebildet werden und beim Betrieb über eine genügend kurze Periode integriert wird, damit die Anzahl derartiger Zentren, die einen eingefangenen Majoritätsladungsträger auslösen und daher die Nettoladung in den Verarmungsgebieten vergrößern, nicht zur Folge hat, daß die genannte höchsterzielbare Größe der Nettoladung in den Verarmungszonen überschritten wird, eine hohe mit "Bulk"- oder "Buried channel"-CCD-Betrieb verträgliche Empfindlichkeit erhalten werden kann. In Theorie wäre, wenn die Anzahl von Tiefniveauzentren, wie bereits erwähnt, derart beschränkt werden würde, daß, sogar in einem gleichbleibenden Zustand, die genannte höchsterzielbare Größe der Nettoladung nicht überschritten werden könnte, eine sehr lange Integrationsperiode möglich. Bei einer derartigen verhältnismäßig geringen Anzahl von Tiefniveauzentren zum Abfangen der Strahlung würde aber der größte Teil der Eingangsstrahlung verloren gehen, d. h. nicht von den Tiefniveauzentren abgefangen werden.The device structure according to the invention is based, inter alia, on the recognition that the quantum yield of the device depends on the number of majority charge carriers which are trapped in deep level centers built into the layer, and that by forming a very large number of said deep level centers and integrating them during operation over a sufficiently short period so that the number of such centers which trigger a trapped majority charge carrier and therefore increase the net charge in the depletion regions does not result in the said highest achievable size of the net charge in the depletion regions being exceeded, a high sensitivity compatible with "bulk" or "buried channel" CCD operation can be obtained. In theory, if the number of deep level centers were limited, as already mentioned, in such a way that, even in a steady state, the said highest achievable size of the net charge could not be exceeded, a very long integration period would be possible. However, with such a relatively small number of low-level centers to intercept the radiation, most of the input radiation would be lost, i.e. would not be intercepted by the low-level centers.
Der Wirkung einer Anordnung nach der Erfindung liegt auch die Anforderung zugrunde, daß thermisch induzierte Änderungen im Ladungszustand der Tiefniveauzentren mit einer niedrigeren Rate als die optisch induzierten Änderungen stattfinden, d. h., daß die Erzeugung freier Majoritätsladungsträger innerhalb der Verarmungszonen durch Strahlungsanregung mit einer bedeutend höheren Rate als im Falle thermischer Anregung erfolgen muß. Dies hängt in gewissem Maße von der Wahl der besonderen Tiefniveauverunreinigung und der Betriebstemperatur ab, wie nachstehend im Detail beschrieben werden wird.The operation of a device according to the invention is also based on the requirement that thermally induced changes in the charge state of the low-level centers take place at a lower rate than the optically induced changes, i.e. that the generation of free majority charge carriers within the depletion zones by radiation excitation must take place at a significantly higher rate than in the case of thermal excitation. This depends to some extent on the choice of the particular low-level impurity and the operating temperature, as will be described in detail below.
Verschiedene Möglichkeiten gibt es für die Anbringung der Dotierungsverunreinigungskonzentration und der Tiefniveauverunreinigungskonzentration. Bei einer Ausführungsform ist die Tiefniveauverunreinigungskonzentration größer als die Dotierungsverunreinigungskonzentration. Bei einer solchen Ausführungsform wird die Tiefniveauverunreinigungskonzentration einen Tiefniveaudonator in einer n-leitenden Schicht oder einen Tiefniveauakzeptor in einer p-leitenden Schicht enthalten. Bei dieser Ausführungsform ist der Ladungszustand der Tiefniveauzentren in den Verarmungszonen im Gleichgewicht neutral, d. h., daß ein Donatorzentrum mit einem einzigen eingefangenen Elektron oder ein Akzeptorzentrum mit einem einzigen eingefangenen Loch sich in einem neutralen Zustand befindet und durch optische Anregung in einen positiven bzw. negativen Ladungszustand übergehen kann. Auch ist es möglich, Zentren anzuwenden, die zwei Träger einfangen können, während die optische Anregung derart sein kann, daß nur ein Träger des Zentrums verloren geht, wobei diese Zentren sogenannte doppelnegative oder doppelpositive Zentren sind.There are various possibilities for applying the doping impurity concentration and the low-level impurity concentration. In one embodiment, the low-level impurity concentration is greater than the doping impurity concentration. In such an embodiment, the low-level impurity concentration will comprise a low-level donor in an n-type layer or a low-level acceptor in a p-type layer. In this embodiment, the charge state of the low-level centers in the depletion zones is neutral in equilibrium, i.e. a donor center with a single trapped electron or an acceptor center with a single trapped hole is in a neutral state and can change to a positive or negative charge state by optical excitation, respectively. It is also possible to use centers that can capture two carriers, while the optical excitation can be such that only one carrier of the center is lost, these centers being so-called double-negative or double-positive centers.
Bei einer anderen Ausführungsform nach der Erfindung ist die Dotierungsverunreinigungskonzentration größer als die Tiefniveauverunreinigungskonzentration, die als eine ausgleichende Verunreingiung angebracht ist. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Tiefniveauverunreinigungskonzentration einen Tiefniveauakzeptor in einer n-leitenden Schicht oder einen Tiefniveaudonator in einer p-leitenden Schicht enthalten. In dieser Ausführungsform ist der Ladungszustand der Tiefniveauzentren in der Verarmungszone im Gleichgewicht negativ bzw. positiv, d. h., daß ein Akzeptorzentrum mit einem einzigen eingefangenen Elektron sich in einem negativen Ladungszustand und ein Donatorzentrum mit einem einzigen eingefangenen Loch sich in einem positiven Ladungszustand befindet und durch optische Anregung in einen neutralen Zustand übergehen kann. Bei dieser Ausführungsform kann sich auch die Möglichkeit ergeben, Verunreinigungen anzuwenden, mit denen sogenannte doppelnegative oder doppelpositive Zentren erhalten werden.In another embodiment according to the invention, the doping impurity concentration is greater than the low-level impurity concentration, which is applied as a balancing impurity. In such an embodiment, the low-level impurity concentration may comprise a low-level acceptor in an n-type layer or a low-level donor in a p-type layer. In this embodiment, the charge state of the low-level centers in the depletion zone is negative or positive in equilibrium, i.e. an acceptor center with a single trapped electron is in a negative charge state and a donor center with a single trapped hole is in a positive charge state and can be converted to a neutral state by optical excitation. In this embodiment, it may also be possible to use impurities with which so-called double-negative or double-positive centers are obtained.
Bei gewissen Ausführungsformen der Anordnung wird die Tiefniveauverunreinigungskonzentration durch mindestens ein Tiefniveauverunreinigungselement gebildet, das in das Kristallgitter wenigstens eines Teiles der Schicht vom einen Leitungstyp eingeführt wird. Verschiedene Elemente können, in Abhängigkeit von dem Halbleitermaterial und dem Wellenlängenbereich der Strahlung, verwendet werden, aber die Empfindlichkeit wird definitionsgemäß auf einen Wellenlängenbereich beschränkt sein, der Energiewerten entspricht, die den Energiebandabstand des Halbleitermaterials unterschreiten.In certain embodiments of the device, the low level impurity concentration is formed by at least one low level impurity element introduced into the crystal lattice of at least a portion of the one conduction type layer. Various elements may be used depending on the semiconductor material and the wavelength range of the radiation, but the sensitivity will by definition be limited to a wavelength range corresponding to energy values below the energy band gap of the semiconductor material.
Bei anderen Ausführungen der Anordnung wird die Tiefniveauverunreinigungskonzentration durch Störstellen gebildet, die in das Kristallgitter wenigstens eines Teiles der Schicht vom einen Leitungstyp eingeführt sind. Derartige Störstellen, die Tiefniveauzentren erzeugen, können durch Beschädigung durch Strahlung, z. B. durch Protonen- oder Elektronenbeschuß, gebildet werden. Die Störstellen können als ausgleichende Zentren wirken.In other embodiments of the device, the low-level impurity concentration is formed by impurities introduced into the crystal lattice of at least a portion of the layer of one conductivity type. Such impurities, which produce low-level centers, can be formed by damage caused by radiation, e.g. by proton or electron bombardment. The impurities can act as equalizing centers.
Die Schicht vom einen Leitungstyp kann einen ersten Teil, in dem Transport freier Majoritätsladungsträger stattfinden kann, und einen zweiten Teil enthalten, in dem Erzeugung freier Majoritätsladungsträger durch Strahlung im genannten Wellenlängenbereich erfolgen kann, wobei die Tiefniveauverunreinigungskonzentration nahezu auf den zweiten Teil der Schicht beschränkt ist. Bei einer derartigen Ausführung erfolgt der Ladungsträgertransport über einen inneren Teil der Schicht, der nahezu von dem Teil der Schicht getrennt ist, in dem die freien Ladungsträger durch Strahlungserregung erzeugt werden. Im Rahmen der Erfindung liegen aber auch Anordnungen, in denen die Tiefniveauverunreinigungskonzentration nicht auf die genannte Weise lokalisiert wird und der Ladungstransport über einen inneren Teil der Schicht stattfindet, in dem die Tiefniveauverunreinigungskonzentration vorhanden ist.The layer of one conductivity type can contain a first part in which the transport of free majority charge carriers can take place and a second part in which the generation of free majority charge carriers by radiation in the wavelength range mentioned can take place, the low-level impurity concentration being almost limited to the second part of the layer. In such an embodiment, the charge carrier transport takes place via an inner part of the layer which is almost separated from the part of the layer in which the free charge carriers are generated by radiation excitation. However, the invention also includes arrangements in which the low-level impurity concentration is not localized in the manner mentioned and the charge transport takes place via an inner part of the layer in which the low-level impurity concentration is present.
Wenn die Tiefniveauverunreinigungskonzentration auf nahezu einen Teil der Schicht, und zwar den zweiten Teil, wie in der oben beschriebenen Ausführung, beschränkt ist und wenn eine solche Tiefniveauverunreinigungskonzentration als eine ausgleichende Verunreinigungskonzentration angebracht ist, muß die Dotierungsverunreinigungskonzentration in dem verbleibenden Teil der Schicht vom einen Leitungstyp, d. h. in dem ersten Teil in der oben beschriebenen Ausführung, einen genügend niedrigen Wert aufweisen, damit der genannte Höchstwert der Nettoladung nicht überschritten wird.When the low level impurity concentration is limited to substantially a portion of the layer, namely the second portion in the embodiment described above, and when such low level impurity concentration is appropriate as a compensating impurity concentration, the doping impurity concentration in the remaining portion of the layer of one conductivity type, i.e. in the first portion in the embodiment described above, must have a sufficiently low value so that the said maximum value of the net charge is not exceeded.
Verschiedene Konfigurationen eines einen Teil der Anordnung bildenden Elektrodensystems in bezug auf die Lage des Schichtteils oder der Schichtteile mit der Tiefnievauverunreinigungskonzentration sind möglich. So ist in einer ersten Ausführung ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht, mit deren Hilfe diskrete Majoritätsladungsträgerpakete, die von anregender Strahlung ausgelöst werden, in Verarmungsgebiete eingeführt und zu dem Ladungslesemitteln transportiert werden, auf einer Hauptseite der Schicht vorhanden, während der genannte zweite Schichtteil mit der Tiefniveauverunreinigungskonzentration an die Schichtoberfläche auf dieser einen Hauptseite grenzt. Diese Struktur läßt sich bei der Herstellung leicht verwirklichen und es können verschiedene alternative Verfahren zum Anbringen der Tiefniveauverunreinigungskonzentration verwendet werden, wie nachstehend noch beschrieben werden wird.Various configurations of an electrode system forming part of the arrangement with respect to the position of the layer part or parts with the deep-level impurity concentration are possible. Thus, in a first embodiment, an electrode system for capacitive generation of electric fields in the Semiconductor layer by means of which discrete majority charge carrier packets triggered by exciting radiation are introduced into depletion regions and transported to the charge reading means, on one main side of the layer, while said second layer part with the deep level impurity concentration is adjacent to the layer surface on said one main side. This structure can be easily implemented during manufacture and various alternative methods for applying the deep level impurity concentration can be used, as will be described below.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht, mit deren Hilfe diskrete Majoritätsladungsträgerpakete, die durch anregende Strahlung ausgelöst werden, in Verarmungsgebiete eingeführt und zu den Ladungslesemitteln transportiert werden, auf einer Hauptseite der Schicht vorhanden, während der zweite Schichtteil, der die Tiefniveauverunreinigungskonzentration enthält, an die Schichtoberfläche auf der gegenüberliegenden Hauptseite der Schicht grenzt. In dieser Ausführungsform können durch die Positionierung des Elektrodensystems und des zweiten Schichtteiles auf einander gegenüberliegenden Hauptseiten der Schicht andere Merkmale in bezug auf die Struktur und die Herstellung mit Vorteil benutzt werden.In a second embodiment, an electrode system for capacitively generating electric fields in the semiconductor layer, by means of which discrete majority charge carrier packets triggered by exciting radiation are introduced into depletion regions and transported to the charge reading means, is present on one main side of the layer, while the second layer part containing the low level impurity concentration adjoins the layer surface on the opposite main side of the layer. In this embodiment, by positioning the electrode system and the second layer part on opposite main sides of the layer, other features relating to the structure and the manufacture can be used to advantage.
Bei einem Beispiel der genannten zweiten Ausführungsform wird eine vergrößerte Ladungsverarbeitungskapazität der Anordnung mit einer Struktur erhalten, in der die Schicht vom einen Leitungstyp ein stärker dotiertes Oberflächengebiet enthält, das sich neben der einen Hauptseite erstreckt, wobei sich dieses stärker dotierte Oberflächengebiet über nur einen Teil der Dicke der Schicht erstreckt und in einiger Entfernung von dem Teil liegt, der die Tiefniveauverunreinigungskonzentration enthält. Für weitere Erklärung des Mechanismus, mit dessen Hilfe die Ladungsverarbeitungskapazität einer "Buried Channel"- oder "Bulk"-CCD durch die Anbringung einer solcher stärker dotierten Oberflächenschicht vergrößert wird, sei auf die sich auf den gleichen Gegenstand beziehende britische Patentanmeldung Nr. 24 624/73 verwiesen.In an example of the second embodiment mentioned, an increased charge handling capacity of the device is obtained with a structure in which the layer of one conductivity type includes a more heavily doped surface region extending adjacent to the one major side, this more heavily doped surface region extending over only a portion of the thickness of the layer and being located some distance from the portion containing the deep level impurity concentration. For further explanation of the mechanism by which the charge handling capacity of a buried channel or bulk CCD is increased by the provision of such a more heavily doped surface layer, reference is made to British Patent Application No. 24 624/73 relating to the same subject matter.
In der genannten ersten sowie in der genannten zweiten Ausführungsform dieser Anordnung kann die Schicht vom einen Leitungstyp an ein Oberflächengebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp grenzen, wobei sich das Elektrodensystem auf der Hauptseite der Schicht befindet, die von dem Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp abgekehrt ist.In said first as well as in said second embodiment of this arrangement, the layer of one conductivity type can adjoin a surface region of the opposite conductivity type, wherein the electrode system is located on the main side of the layer which faces away from the region of the opposite conductivity type.
Das genannte Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp, das einen pn-Übergang mit der Schicht vom einen Leitungstyp bildet, der für wenigstens einen Teil der Isolierung der Schicht gegen ihre Umgebung beim Betrieb der Anordnung sorgt, kann als ein Substrat vom genannten entgegengesetzten Leitungstyp vorhanden sein, auf dem die genannte Schicht vom einen Leitungstyp vorhanden ist. Bei einem Beispiel der genannten zweiten Ausführungsform der Anordnung ist jedoch das Gebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp als eine Oberflächenschicht, z. B. eine diffundierte Oberflächenschicht, auf der genannten Hauptseite vorhanden, die in diesem Falle den Halbleiterkörper bildet. Bei dieser Ausführungsform kann die Tiefniveauverunreinigungskonzentration in einem Teil angebracht werden, der sich über einen wesentlichen Teil der Dicke der Schicht erstreckt und es wegen der großen Anzahl von Tiefniveauverunreinigungseinfangzentren, die dadurch erzeugt werden, gestattet, eine hohe Detektionsfähigkeit zu erhalten.Said region of opposite conductivity type forming a pn junction with the layer of one conductivity type providing at least part of the insulation of the layer from its environment during operation of the device may be present as a substrate of said opposite conductivity type on which said layer of one conductivity type is present. However, in an example of said second embodiment of the device, the region of opposite conductivity type is present as a surface layer, e.g. a diffused surface layer, on said main side, which in this case forms the semiconductor body. In this embodiment, the deep level impurity concentration can be provided in a part extending over a substantial part of the thickness of the layer and, due to the large number of deep level impurity trapping centers thereby created, allows a high detection capability to be obtained.
Bei einem Beispiel einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, bei dem Tiefniveauverunreinigungskonzentration größer als die Dotierungsverunreinigungskonzentration ist, besteht die Schicht aus p-leitendem Silicium, enthält die Tiefniveauverunreinigungskonzentration wenigstens eines der Elemente Indium und Thallium und wird eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 µm erhalten. Bei einem anderen Beispiel, in dem die Tiefniveauverunreinigungskonzentration die Dotierungsverunreinigungskonzentration überschreitet, besteht die Schicht aus p-leitendem Silicium und wird die Tiefniveauverunreinigungskonzentration durch Gallium gebildet und liefert eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm. Bei Anwendung einer n-leitenden Siliciumschicht in einer Anordnung, in der die Tiefniveauverunreinigungskonzentration die Dotierungsverunreinigungskonzentration überschreitet, ist die Tiefniveauverunreinigung derart, daß sie Donatorzustände hervorruft. Ein derartiges Beispiel ist Schwefel.In one example of a charge coupled device according to the invention, in which the low level impurity concentration is greater than the dopant impurity concentration, the layer is made of p-type silicon, the low level impurity concentration contains at least one of the elements indium and thallium and a sensitivity to infrared radiation in the wavelength range between 3 and 5 µm is obtained. In another example, in which the low level impurity concentration exceeds the dopant impurity concentration, the layer is made of p-type silicon and the low level impurity concentration is formed by gallium and provides a sensitivity to infrared radiation in the wavelength range between 8 and 14 µm. When an n-type silicon layer is used in a device in which the low level impurity concentration exceeds the dopant impurity concentration, the low level impurity is such as to give rise to donor states. One such example is sulfur.
Es wurde bereits auf erfindungsgemäße Anordnungen verwiesen, in denen die Dotierungsverunreinigungskonzentration größer als die Tiefniveauverunreinigungskonzentration ist, die als eine ausgleichende Verunreinigungskonzentration angebracht ist. Eine derartige ausgleichende Verunreinigungskonzentration kann durch Akzeptoren in der oberen Hälfte des Bandabstandes oder Donatoren in der unteren Hälfte des Bandabstandes erhalten werden. Diese Verunreinigungen können dotierende Verunreinigungen oder Störstellen sein, aber müssen Energieniveaus aufweisen, die in einem geeigneten Abstand von dem Rand des Bandes, und zwar dem Rand des Leitungsbandes in n-leitendem Silicium und dem Rand des Valenzbandes in p-leitendem Silicium, liegen, um die gewünschte Empfindlichkeit für Strahlung in dem besonderen Wellenlängenbereich zu erhalten, in dem die Anordnung betrieben werden soll. Bei Anwendung einer Siliciumschicht ist eine geeignete ausgleichende Verunreinigung Gold, das ein Ausgleichsniveau von 9,35 eV von dem Rand des Valenzbandes in p-leitendem Silicium an aufweist und eine Empfindlichkeit für Strahlung von Wellenlängen zwischen 1,1 und etwa 3,5 µm liefert. Gold liefert auch ein Ausgleichsniveau von 0,55 eV von dem Rand des Leitungsbandes in n-leitendem Silicium an und ergibt eine Empfindlichkeit für Strahlung von Wellenlängen zwischen 1,1 und etwa 2,25 µm. Auch können ausgleichende Zentren durch Störstellenniveaus erhalten werden, die durch Beschädigung durch Strahlung herbeigeführt werden. Protonen können z. B. ausgleichende Zentren in n-leitendem Silicium mit einem Niveau von nahezu 0,4 eV von dem Rand des Leitungsbandes an erzeugen und eine Empfindlichkeit für Strahlung von Wellenlängen zwischen 1,1 und etwa 3 µm liefern.Reference has already been made to devices according to the invention in which the dopant impurity concentration is greater than the low level impurity concentration which is appropriate as a compensating impurity concentration. Such a compensating impurity concentration can be obtained by acceptors in the upper half of the band gap or donors in the lower half of the band gap. These impurities can be doping impurities or impurities but must have energy levels which are at an appropriate distance from the edge of the band, namely the edge of the conduction band in n-type silicon and the edge of the valence band in p-type silicon, in order to obtain the desired sensitivity to radiation in the particular wavelength range in which the device is to be operated. When a silicon layer is used, a suitable balancing impurity is gold, which has a balancing level of 9.35 eV from the edge of the valence band in p-type silicon and provides sensitivity to radiation of wavelengths between 1.1 and about 3.5 µm. Gold also provides a balancing level of 0.55 eV from the edge of the conduction band in n-type silicon and gives sensitivity to radiation of wavelengths between 1.1 and about 2.25 µm. Balancing centers can also be obtained from impurity levels induced by radiation damage. For example, protons can create balancing centers in n-type silicon with a level of nearly 0.4 eV from the edge of the conduction band and provide sensitivity to radiation of wavelengths between 1.1 and about 3 µm.
Die Tiefniveauverunreinigungskonzentration kann als eine ionenimplantierte Konzentration vorhanden sein. Die Anwendung von Ionenimplantation zum Erhalten der Tiefniveauverunreinigungskonzentration ist vorteilhaft, weil dadurch ein Verunreingigungselement oder -elemente in gleichmäßiger Verteilung über ein bestimmtes Gebiet angebracht werden können, was bei einer Abbildungsanordnung besonders wünschenswert ist, während diese Elemente genau auf den gewünschten Teil der Schicht beschränkt werden, wobei gleichzeitig eine genügende Anzahl Majoritätsladungsträgereinfangzentren angebracht werden kann. Diese Beschränkung kann bei denjenigen Ausführungsformen der Anordnung von Bedeutung sein, deren Wirkung durch das Vorhandensein etwaiger Ladungseinfangzentren im inneren Teil der Schicht, in dem der Ladungstransport stattfindet, beeinträchtigt werden kann.The low level impurity concentration may be present as an ion implanted concentration. The use of ion implantation to obtain the low level impurity concentration is advantageous because it allows an impurity element or elements to be placed in a uniform distribution over a given area, which is particularly desirable in an imaging device, while allowing these elements to be placed precisely at the desired part of the layer, whereby at the same time a sufficient number of majority charge carrier capture centers can be provided. This limitation can be of importance in those embodiments of the arrangement whose effect can be impaired by the presence of any charge capture centers in the inner part of the layer in which the charge transport takes place.
Außerdem gestattet Ionenimplantation die Einführung von Verunreinigungselementen mit einer normalerweise verhältnismäßig niedrigen Löslichkeit in dem festen Halbleitermaterial.In addition, ion implantation allows the introduction of impurity elements with a normally relatively low solubility in the solid semiconductor material.
Da der optische Querschnitt von Tiefniveauzentren klein sein wird, um die freien Majoritätsladungsträger durch Strahlungsanregung zu erhalten, ist es erwünscht, daß der Wert pro Quadratzentimeter der Tiefniveauverunreinigungszentren mindestens 5 · 1012 und sogar 1016/cm2 beträgt. In der Praxis läßt sich eine solche Konzentration in einer dünnen Schicht wegen der Beschränkungen der Löslichkeit der Tiefniveauverunreinigungen im betreffenden festen Halbleitermaterial schwer erhalten. Wenn jedoch hohe Konzentrationen verwendet werden, ergibt sich das Problem, daß, wenn der Ladungszustand einer wesentlichen Fraktion der Tiefniveauverunreinigungen in den Verarmungszonen geändert wird, es nicht möglich wäre, die Halbleiterschicht unter Vermeidung von Durchschlag völlig zu erschöpfen, und eine solche Schichterschöpfung ist eine grundlegende Anforderung für die befriedigende Ladungsübertragungswirkung der ladungsgekoppelten Anordnung. In der Praxis wird dieses Problem bei Anwendung derart hoher Konzentrationen dadurch vermieden, daß die Integrationsperiode, d. h. die Periode, in der die Strahlung auf einen besonderen abbildenden Teil der Schicht zwischen aufeinanderfolgenden Erfrischungsschritten in denen die Tiefniveauzentren mit Majoritätsladungsträgern ergänzt werden, auffallen kann, derart gesteuert wird, daß in der genannten Periode bei maximaler Strahlungsintensität nicht mehr als eine gewisse Anzahl der Zentren, z. B. nicht mehr als 1012 Zentren/cm2, ihren Ladungszustand ändern werden.Since the optical cross section of deep level centers will be small in order to obtain the majority free carriers by radiation excitation, it is desirable that the value per square centimeter of the deep level impurity centers be at least 5 x 10 12 and even 10 16 /cm 2 . In practice, such a concentration is difficult to obtain in a thin layer because of the limitations of the solubility of the deep level impurities in the solid semiconductor material concerned. However, if high concentrations are used, the problem arises that if the charge state of a substantial fraction of the deep level impurities in the depletion regions is changed, it would not be possible to completely deplete the semiconductor layer without causing breakdown, and such layer depletion is a fundamental requirement for the satisfactory charge transfer performance of the charge coupled device. In practice, this problem is avoided when using such high concentrations by controlling the integration period, ie the period in which the radiation can impinge on a particular imaging part of the layer between successive refreshment steps in which the low-level centers are supplemented with majority charge carriers, in such a way that in said period at maximum radiation intensity not more than a certain number of the centers, eg not more than 10 12 centers/cm 2 , will change their charge state.
So ist es beim Betrieb einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung notwendig, periodisch den Halbleiterschichtteil mit der Tiefniveauverunreinigungskonzentration dadurch zu erfrischen, daß die Tiefniveauzentren mit Majoritätsladungsträgern ergänzt werden.Thus, when operating a charge-coupled device according to the invention, it is necessary to periodically refresh the semiconductor layer portion with the low-level impurity concentration by supplementing the low-level centers with majority charge carriers.
Die Halbleiterschicht kann weiter Elektrodenmittel erhalten, durch die die Tiefniveauzentren mit Majoritätsladungsträgern ergänzt werden können. Bei anderen Ausführungsformen kann, wie nachstehend beschrieben wird, die Ergänzung durch eine geeignete Konfiguration der für den Betrieb der Anordnung verwendeten Schaltung erfolgen.The semiconductor layer may further comprise electrode means by which the deep level centers can be supplemented with majority charge carriers. In other embodiments, as described below, the supplementation may be carried out by a suitable configuration of the circuit used to operate the device.
Bei einer Weiterbildung der Anordnung enthält die Halbleiterschicht eine Eingangsstufe zum Erzeugen von Majoritätsladungsträgerpaketen, die in einer zu der Schicht parallelen Richtung transportiert werden können, während die Schaltung zur periodischen Ergänzung der Tiefniveauzentren mit Majoritätsladungsträgern Mittel enthält, mit deren Hilfe der Eingangsstufe Signale zur periodischen Einführung erfrischender Ladungspakete von Majoritätsladungsträgern einer derartigen Größe zugeführt werden, daß sie während ihres Transports durch die Schicht wenigstens bis in den Teil der Schicht mit der Tiefniveauverunreinigungskonzentration gelangen.In a further development of the arrangement, the semiconductor layer contains an input stage for generating majority charge carrier packets which can be transported in a direction parallel to the layer, while the circuit for periodically replenishing the deep-level centers with majority charge carriers contains means by means of which signals are fed to the input stage for periodically introducing refreshing charge packets of majority charge carriers of such a size that, during their transport through the layer, they reach at least as far as the part of the layer with the deep-level impurity concentration.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtSome embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. It shows
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine ladungsgekoppelte Anordnung nach der Erfindung zur Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters, Fig. 1 is a plan view of a charge-coupled device according to the invention for imaging an infrared radiation pattern,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 2 is a section through the arrangement according to Fig. 1 along the line II-II of Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie III-III der Fig. 1, Fig. 3 is a section through the arrangement according to Fig. 1 along the line III-III of Fig. 1,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere ladungsgekoppelte Anordnung nach der Erfindung zur Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters, Fig. 4 is a cross-sectional view of another charge-coupled device according to the invention for imaging an infrared radiation pattern,
Fig. 5 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 4 längs der Linie V-V der Fig. 4, und Fig. 5 is a cross-section through the arrangement according to Fig. 4 along the line VV of Fig. 4, and
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Wellenformen des Potentials, das an die Elektroden der Anordnung nach Fig. 4 und 5 beim Betrieb zur Abbildung eines Infrarotstrahlungsmusters, angelegt wird. Fig. 6 is a graphical representation of the waveforms of the potential applied to the electrodes of the arrangement of Figs. 4 and 5 when operating to image an infrared radiation pattern.
Fig. 1 bis 3 zeigen eine vereinfachte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Infrarotabbildungsanordnung, deren elementare Abbildungsteile die Form einer linearen Matrix aufweisen. Im Rahmen der Erfindung liegen natürlich auch Anordnungen, in denen die elementaren Abbildungsteile die Form einer zweidimensionalen Matrix aufweisen ( sogenannte Gebietabbildungsvorrichtungen), aber der Deutlichkeit der Illustrierung und Beschreibung der Anordnungsstruktur nach der Erfindung halber wird die Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 mit linearer Matrix beschrieben. Fig. 1 to 3 show a simplified embodiment of a charge-coupled infrared imaging device, the elementary imaging parts of which have the form of a linear matrix. Of course, the invention also includes devices in which the elementary imaging parts have the form of a two-dimensional matrix (so-called area imaging devices), but for the sake of clarity in the illustration and description of the device structure according to the invention, the embodiment according to Fig. 1 to 3 with a linear matrix will be described.
Die Anordnung enthält einen Halbleiterkörper 1 aus Silicium mit einer p-leitenden Halbleiterschicht 2, die an die Oberfläche 3 grenzt und sich auf einem n-leitenden Substrat 4 befindet. Das Substrat 4 weist eine Dicke von 200 µm und einen spezifischen Widerstand von 10 Ω · cm auf. Die Schicht 2 weist eine Dicke von 6 µm auf und enthält einen an die Oberfläche grenzenden Teil 5, in dem sich eine ionenimplantierte Indiumkonzentration befindet. Die Schicht 2 ist mit Bor in einer nahezu gleichmäßigen Konzentration von 1015 Atomen/cm-3, d. h. nahezu gleich 6 · 1011 Verunreinigungen/cm2 in jeder Fläche der Schicht, dotiert. Die ionenimplantierte Indiumkonzentration erstreckt sich bis zu einer Tiefe von der Oberfläche 3 her von 2 µm und die Spitzenkonzentration liegt auf einer Tiefe von 0,25 µm von der Oberfläche her. Die zur Bildung der ionenimplantierten Indiumkonzentration verwendete Dosis beträgt 5 · 1014/cm2.The device comprises a semiconductor body 1 made of silicon with a p-type semiconductor layer 2 adjacent to the surface 3 and located on an n-type substrate 4. The substrate 4 has a thickness of 200 µm and a resistivity of 10 Ω cm. The layer 2 has a thickness of 6 µm and includes a portion 5 adjacent to the surface in which there is an ion-implanted indium concentration. The layer 2 is doped with boron in a nearly uniform concentration of 10 15 atoms/cm -3 , that is, nearly equal to 6 10 11 impurities/cm 2 in each area of the layer. The ion-implanted indium concentration extends to a depth from the surface 3 of 2 µm and the peak concentration is at a depth of 0.25 µm from the surface. The dose used to form the ion-implanted indium concentration is 5 · 10 14 /cm 2 .
Das n-leitende Substrat 4 bildet zusammen mit dem pn-Übergang zwischen dem Substrat 4 und der Schicht 2 einen Teil von Mitteln zur Isolierung des Halbleiters 2 gegen seine Umgebung wenigstens beim Betrieb der Anordnung. Die genannten Isoliermittel enthalten außerdem eine Isolierschicht 7 aus Siliciumoxid auf der Oberfläche 3 und ein n-leitendes Oberflächengebiet 8, das, wie in der Draufsicht nach Fig. 1 dargestellt ist, seitlich die p-leitende Schicht 2 umgibt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Gebiet 8 ein n&spplus;-diffundiertes Gebiet, das sich über die ganze Dicke der Schicht 2 bis in das Substrat 4 erstreckt. Für die elektrische Isolierung der Schicht 2 ist der pn-Übergang zwischen dem Gebiet 8 und der Schicht 2 vorteilhafterweise in der Sperrrichtung vorgespannt, wobei die Verbindung mit dem Gebiet 8 über einen Anschluß mit dem Substrat 4 hergestellt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann statt des Gebiets 8 eine versenkte Isolierschicht verwendet oder ein n-leitendes Gebiet angebracht werden, das sich von der Oberfläche 3 der Schicht über nur einen Teil der Dicke der Schicht 2 erstreckt. Im letzteren Falle wird die Anordnung mit derartigen angelegten Potentialen betrieben, daß die zu dem Substrat/Schicht-pn-Übergang zwischen dem n-leitenden Oberflächengebiet und der p-leitenden Schicht 2 gehörigen Verarmungsgebiete die Isolierung vervollständigen.The n-conducting substrate 4, together with the pn junction between the substrate 4 and the layer 2, forms part of means for isolating the semiconductor 2 from its environment, at least during operation of the device. The said insulating means also comprise an insulating layer 7 of silicon oxide on the surface 3 and an n-conducting surface region 8 which, as shown in the plan view of Fig. 1, laterally surrounds the p-conducting layer 2. In the present embodiment, the region 8 is an n+ diffused region which extends over the entire thickness of the layer 2 into the substrate 4. For the electrical insulation of the layer 2, the pn junction between the region 8 and the layer 2 is advantageously biased in the reverse direction, the connection to the region 8 being made via a connection to the substrate 4 . In other embodiments, a recessed insulating layer may be used instead of the region 8 or an n-conducting region may be provided which extends from the surface 3 of the layer over only a part of the thickness of the layer 2 In the latter case, the device is operated with such applied potentials that the depletion regions associated with the substrate/layer pn junction between the n-conducting surface region and the p-conducting layer 2 complete the insulation.
Die Dicke und die Bordotierung der p-leitenden Schicht 2 sind derart, daß mittels eines elektrischen Feldes ein Verarmungsgebiet erzeugt werden kann, das sich über die ganze Dicke der Schicht 2 erstreckt, wobei Durchschlag vermieden wird. Durch Anwendung einer derartigen Schicht 2, die beim Betrieb gegen die Umgebung isoliert werden kann, kann Ladung in Form von Majoritätsladungsträgern hauptsächlich (es handelt sich hier insbesondere um die letzten Fraktionen zwischen Speicherstellen zu übertragender Ladungspakete) über den inneren Teil der Schicht transportiert werden.The thickness and the boron doping of the p-conductive layer 2 are such that a depletion region can be created by means of an electric field which extends over the entire thickness of the layer 2 , whereby breakdown is avoided. By using such a layer 2 , which can be insulated from the environment during operation, charge in the form of majority charge carriers can be transported mainly (in particular the last fractions of charge packets to be transferred between storage locations) over the inner part of the layer.
Die Ladung, die die Musterinformation bildet, wird in Verarmungsgebiete eingeführt, die in dem Teil der Schicht 2, der unter dem Oberflächenteil 5 liegt, von durch die ionenimplantierte Indiumverunreinigungskonzentration gebildeten tiefen Akzeptorniveaus her erzeugt werden. Bei der Betriebstemperatur sind nahezu all diese Verunreinigungen entionisiert und bilden die genannten tiefen Akzeptorniveaus Einfangzentren für Löcher, die nach Anregung durch Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 µm ausgelöst werden können. Die Ausdehnung des Oberflächenteils 5 und die angelegten Potentiale an verschiedenen Teilen der Anordnung, wie nachstehend beschrieben, sind derart, daß die Potentialminima in den Verarmungsgebieten, die in der Schicht 2 erzeugt werden, sich an Stellen befinden, die von dem Oberflächenteil 5 getrennt sind. So kann, vorausgesetzt, daß der Umfang eines Musterinformation darstellenden Ladungspakets einen gewissen Wert nicht überschreitet, der durch andere Merkmale des Vorgangs bestimmt wird, wie nachstehend beschrieben wird, der Transport der Musterinformation darstellende Ladungspakete über einen inneren Teil der Schicht erfolgen, ohne daß dabei die Ladungspakete zu dem Oberflächenteil 5 gelangen, der die durch die implantierte Indiumkonzentration gebildeten Einfangzentren enthält. So kann Musterinformation in Form diskreter Majoritätsladungsträgerpakete in Speicherstellen in der Schicht 2 erzeugt werden, wenn einfallende Infrarotstrahlung in dem genannten Wellenlängenbereich bis in den Oberflächenteil 5 eindringt. In der vorliegenden Ausführungsform, in der die Schicht 2 mit Akzeptorverunreinigungen, sowohl in der Hauptmasse der Schicht als auch in dem Oberflächenteil 5, dotiert wird, bedeutet dies, daß die über die Tiefniveauzentren erzeugte Musterinformation, die in Speicherstellen in der Schicht eingeführt und dann durch die Schicht hindurch transportiert wird, die Form von Löchern aufweist.The charge forming the pattern information is introduced into depletion regions created in the part of layer 2 underlying surface portion 5 from deep acceptor levels formed by the ion-implanted indium impurity concentration. At the operating temperature, almost all of these impurities are deionized and said deep acceptor levels form trapping centers for holes which can be triggered upon excitation by infrared radiation in the wavelength range between 3 and 5 µm. The extent of surface portion 5 and the applied potentials at different parts of the device, as described below, are such that the potential minima in the depletion regions created in layer 2 are located at locations separated from surface portion 5 . Thus, provided that the size of a charge packet representing pattern information does not exceed a certain value determined by other features of the process, as described below, the transport of the charge packets representing pattern information can take place over an inner part of the layer without the charge packets reaching the surface part 5 containing the capture centers formed by the implanted indium concentration. Thus, pattern information in the form of discrete majority charge carrier packets can be generated in storage locations in the layer 2 when incident infrared radiation in the wavelength range mentioned penetrates into the surface part 5. In the present embodiment, in which the layer 2 is doped with acceptor impurities, both in the bulk of the layer and in the surface part 5 , this means that the pattern information generated via the deep level centers, which is introduced into storage locations in the layer and then transported through the layer, has the form of holes.
An einem Ende der Schicht liegt ein stärker dotiertes p-leitendes Oberflächengebiet 10, auf dem ein Eingangsanschlußleiter 9 vorhanden ist. Am anderen Ende der Schicht liegt ein stärker dotiertes p-leitendes Oberflächengebiet 12, auf dem ein Ausgangsanschlußleiter 11 vorhanden ist. Der Eingangsanschlußleiter 9 und das Oberflächengebiet 10 gestatten eine weitere Einführung von Löchern in die Schicht 2, wobei diese Einführung und der anschließende Transport durch die Schicht, wie nachstehend beschrieben wird, derart erfolgen, daß periodisch die tiefen Akzeptorniveaus, die durch die ionenimplantierte Indiumkonzentration gebildet werden, mit Löchern ergänzt werden. Der Ausgangsleiter 11 und das Oberflächengebiet 12 werden als Teil von Mitteln zum Auslesen des Umfangs der Ladungspakete und zur Entfernung der Ladungspakete aus der Schicht verwendet, aber dieser Teil des Betriebs wird nicht im Detail beschrieben, weil er auf übliche Weise durchgeführt werden kann.At one end of the layer there is a more heavily doped p-type surface region 10 on which there is an input lead 9. At the other end of the layer there is a more heavily doped p-type surface region 12 on which there is an output lead 11. The input lead 9 and surface region 10 allow further introduction of holes into the layer 2 , this introduction and subsequent transport through the layer, as described below, being such that holes are periodically added to the deep acceptor levels formed by the ion-implanted indium concentration. The output lead 11 and surface region 12 are used as part of means for reading out the extent of the charge packets and removing the charge packets from the layer, but this part of the operation will not be described in detail because it can be carried out in a conventional manner.
Auf der Oberfläche der Schicht 2 liegt ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Schicht 2, mit deren Hilfe Musterinformation darstellende Ladungspakete aufgefangen und dann zu den Auslesemitteln (11, 12) in einer zu der Schicht parallelen Richtung transportiert werden können. Das Elektrodensystem enthält eine Vielzahl von Elektroden 13 in Form leitender Schichten, die von der Halbleiterschicht 2 durch die Siliciumoxidschicht auf der Oberfläche 3 getrennt sind. Die Anordnungsstruktur ist in bezug auf die betreffende Einflassrichtung des Strahlungsmusters auf geeignete Weise eingerichtet. So werden, wenn z. B. das aufzuzeichnende Infrarotstrahlungsmuster auf die obere Fläche gerichtet werden soll, das Material und die Dicke der Elektroden derart gewählt, daß eine Übertragung der genannten Strahlung ermöglicht wird; die Elektroden können z. B. aus polykristallinem Silicium bestehen. Auch kann bei Anwendung eines Siliciumkörpers mit den genannten Abmessungen das Strahlungsmuster auf die Unterseite des Körpers gerichtet werden, weil Infrarotstrahlung im genannten Wellenlängenbereich durch das Substrat 4 und die Schicht 2 übertragen wird und den Teil 5 mit Tiefniveauverunreinigungszentren erreicht.On the surface of the layer 2 there is an electrode system for capacitively generating electric fields in the layer 2 , with the aid of which charge packets representing pattern information can be captured and then transported to the readout means ( 11, 12 ) in a direction parallel to the layer. The electrode system contains a plurality of electrodes 13 in the form of conductive layers which are separated from the semiconductor layer 2 by the silicon oxide layer on the surface 3. The arrangement structure is arranged in a suitable manner with respect to the relevant direction of incidence of the radiation pattern. Thus, if, for example, the infrared radiation pattern to be recorded is to be directed onto the upper surface, the material and thickness of the electrodes are selected such that transmission of the said radiation is enabled; the electrodes can, for example, consist of polycrystalline silicon. Also, when using a silicon body with the dimensions mentioned, the radiation pattern can be directed to the underside of the body because infrared radiation in the wavelength range mentioned is transmitted through the substrate 4 and the layer 2 and reaches the part 5 with low-level impurity centers.
In einer zu der betreffenden Ladungstransportrichtung senkrechten Richtung erstrecken sich die Elektroden über die ganze Breite der Halbleiterschicht 2, wie in Fig. 1 und 3 dargestellt ist. Die Anordnung nach den Fig. 1 bis 3 wird als eine Dreiphasen-CCD betrieben, in der die Elektroden 13 in drei Guppen an Taktleitungen Φ 1, Φ 2 und Φ 3 zum Anlegen von Taktspannungen angeschlossen sind.In a direction perpendicular to the relevant charge transport direction, the electrodes extend over the entire width of the semiconductor layer 2 , as shown in Fig. 1 and 3. The arrangement according to Figs. 1 to 3 is operated as a three-phase CCD in which the electrodes 13 are connected in three groups to clock lines Φ 1 , Φ 2 and Φ 3 for applying clock voltages.
Es dürfte jedoch einleuchten, daß die Elektrodenkonfiguration bei einer Anordnung nach der Erfindung von der Konfiguration der dargestellten Anordnung verschieden sein kann; z. B. können die Elektroden aus polykristallinem Silicium auf verschiedenen Niveaus und in gegenseitiger Überlappung gebildet werden; die Elektroden können auf Isolierschichtteilen verschiedener Dicke angebracht werden, und es können andere bekannte Mittel verwendet werden. Außerdem kann die Anordnung für Zweiphasen- oder Vierphasenbetrieb ausgebildet werden.It will be appreciated, however, that the electrode configuration in an arrangement according to the invention may be different from the configuration of the arrangement shown; for example, the polycrystalline silicon electrodes may be formed at different levels and in mutual overlap; the electrodes may be mounted on insulating layer portions of different thicknesses; and other known means may be used. In addition, the arrangement may be designed for two-phase or four-phase operation.
Für eine vollständige Beschreibung der Ladungsübertragungswirkung einer ladungsgekoppelten Anordnung, bei der der Transport über das Innere der Halbleiterschicht stattfindet, sei auf die britische Patentschrift 14 14 183 verwiesen. Nun wird die Wirkungsweise der Anordnung nach den Fig. 1 bis 3, sofern es die Bildung ein Infrarotstrahlungsmuster darstellender elektrischer Signale anbelangt, beschrieben.For a full description of the charge transfer effect of a charge coupled device in which the transport takes place via the interior of the semiconductor layer, reference is made to British Patent Specification 14 14 183. The operation of the device according to Figs. 1 to 3 as regards the formation of electrical signals representing an infrared radiation pattern will now be described.
Das Substrat 4 wird an ein Bezugspotential, z. B. Erdpotential, gelegt, während eine Spannung von nahezu -10 V an die Schicht 2, z. B. über den Eingangskontakt 9, angelegt wird. Die an die Leitungen Φ 1, Φ 2 und Φ 3 angelegten Taktspannungen ändern sich z. B. zwischen +20 V und +5 V. Ausgehend von der Situation, in der die freien Majoritätsladungsträger, d. h. uneingefangene Löcher, aus der Schicht 2 entfernt werden, kann berechnet werden, daß für Löcher Potentialminima in den erschöpften Teilen der Halbleiterschicht unter den Elektroden 13 auf einer Tiefe von nahezu 5 µm erhalten werden. Bei diesen Potentialminima können Ladungspakete in Form von Löchern, die durch Anregung durch Infrarotstrahlung von den durch die ionenimplantierte Indiumkonzentration in dem Oberflächenteil 5 erzeugten Tiefniveauzentren herausgelöst werden, eingeführt werden. Bei jedem elementaren Abbildungsteil (Bit), der unter einer Gruppe dreier benachbarter Elektroden 13 definiert wird, können die von der anregenden Strahlung ausgelösten und in den Potentialmulden gesammelten Löcher unter einer der Elektroden, z. B. der an der Leitung Φ 3, an die die niedrigste Spannung angelegt wird, angeschlossenen Elektrode, konzentriert werden. Durch passende Wahl der danach an die Elektroden angelegten Taktspannungen können die genannten Ladungspakete, die z. B. unter den an die Leitung Φ 3 angeschlossenen Elektroden gesammelt werden, zu einem Gebiet unter den nächstfolgenden Elektroden transportiert werden, usw. Auf diese Weise werden die Ladungspakete, die anfänglich unter den an die Leitung Φ 3 angeschlossenen Elektroden gesammelt werden, nacheinander auf die Auslesemittel (11, 12) übertragen, wo sie beseitigt werden. Der Ladungstransport der letzten Fraktionen der Ladungspakete kann in einem verhältnismäßig großen Abstand von den Elektroden 13 und auch von dem Oberflächenteil 5 erfolgen.The substrate 4 is connected to a reference potential, e.g. earth potential, while a voltage of almost -10 V is applied to the layer 2 , e.g. via the input contact 9. The clock voltages applied to the lines Φ 1 , Φ 2 and Φ 3 vary, e.g. between +2 0 V and +5 V. Starting from the situation in which the free majority charge carriers, i.e. uncaptured holes, are removed from the layer 2 , it can be calculated that potential minima for holes are obtained in the depleted parts of the semiconductor layer under the electrodes 13 at a depth of almost 5 µm. 3 , to which the lowest voltage is applied. By suitable choice of the clock voltages subsequently applied to the electrodes, said charge packets collected, for example, under the electrodes connected to the line Φ 3 , can be transported to a region under the next electrodes, and so on. In this way, the charge packets initially deposited under the electrodes connected to the line Φ 3 can be concentrated . 3 connected electrodes are transferred one after the other to the reading means ( 11, 12 ) where they are eliminated. The charge transport of the last fractions of the charge packets can take place at a relatively large distance from the electrodes 13 and also from the surface part 5 .
Die Anordnung wird in einem zyklischen Modus betrieben, in dem am Anfang einer Bildperiode die Tiefniveauzentren zunächst mit Majoritätsladungsträgern ergänzt werden. Dann folgt in der genannten Periode eine Abbildungsintegrationsperiode, in der Musterinformation in diskrete Ladungspakete umgewandelt wird, die in Verarmungsgebieten, die unter den Elektroden 13 gebildet werden, und in jedem Bit, das in den Verarmungsgebieten unter den an die Taktleitung Φ 3 angeschlossenen Elektroden gesammelt wird, vorhanden sind, wobei diese Ladungspakete einen Umfang aufweisen, der von der gesamten lokalen Intensität während der Integrationsperiode der einfallenden Infrarotstrahlung in dem betreffenden Oberflächenteil 5 der Schicht unter den Elektroden 13 dieses Abbildungsbits abhängig ist. Anschließend werden in der genannten Bildperiode die Musterinformation darstellenden Ladungspakete nacheinander auf die Auslesemittel übertragen und vor dem Anfang der nächsten Bildperiode aus der Schicht entfernt.The device is operated in a cyclic mode in which, at the beginning of an image period, the low-level centers are first supplemented with majority charge carriers. Then, in said period, an image integration period follows in which pattern information is converted into discrete charge packets present in depletion regions formed under the electrodes 13 and in each bit collected in the depletion regions under the electrodes connected to the clock line φ 3 , these charge packets having a size which is dependent on the total local intensity during the integration period of the incident infrared radiation in the relevant surface part 5 of the layer under the electrodes 13 of this image bit. Then, in said image period, the charge packets representing pattern information are transferred one after the other to the readout means and removed from the layer before the beginning of the next image period.
Die erste Stufe, und zwar die Ergänzung der Tiefniveauzentren in dem Oberflächenteil 5 mit Löchern, wird in dieser Ausführungsform durchgeführt, indem zu große Ladungspakete am Eingang (9, 10) eingeführt und auf den Ausgang übertragen werden. Unter dem Ausdruck "zu große Ladungspakete" sind hier Ladungspakete einer derartigen Größe zu verstehen, daß sie, wenn sie durch die Schicht hindurchgehen, teilweise in den Oberflächenteil 5 gelangen und dort Löcher an die unbesetzten Tiefniveaus abgeben.The first stage, namely the supplementation of the deep level centers in the surface part 5 with holes, is carried out in this embodiment by introducing excessively large charge packets at the entrance ( 9, 10 ) and transferring them to the exit. The expression "excessively large charge packets" is to be understood here as charge packets of such a size that, when they pass through the layer, they partially reach the surface part 5 and there release holes to the unoccupied deep levels.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Tiefniveaus dadurch ergänzt, daß alle Elektroden 13 gleichzeitig an Erdpotential gelegt werden, um die Verarmungsgebiete, einschließlich der in dem Oberflächenteil 5 gebildeten Teile derselben, zu entladen.In another embodiment, the deep levels are supplemented by simultaneously connecting all electrodes 13 to ground potential in order to discharge the depletion regions, including the parts thereof formed in the surface part 5 .
Da der hohe Photonenfluß in dem Infrarotbereich des Spektrums auftritt, kann in vielen Fällen die Bildperiode verhältnismäßig kurz sein; z. B. kann im Falle einer linearen Matrix von 100 Bits die Bildperiode 100 µsec betragen und von dieser Periode beträgt die Integrationsperiode 95 µsec. Die wirkliche Bildperiode wird durch eine Anzahl von Faktoren für jeden Einzelfall, einschließlich der Art und Konzentration der Tiefnieveauverunreinigung, bestimmt. So kann die Bildperiode z. B. maximal 40 msec und minimal 10 µsec betragen.Since the high photon flux occurs in the infrared region of the spectrum, in many cases the frame period can be relatively short; e.g. in the case of a linear matrix of 100 bits the frame period may be 100 µsec and of this period the integration period is 95 µsec. The actual frame period is determined by a number of factors for each individual case, including the type and concentration of the deep level contamination. For example, the frame period may be a maximum of 40 msec and a minimum of 10 µsec.
In jedem Sonderfall, in dem eine Siliciumschicht verwendet wird, kann die Nettoladung innerhalb der Verarmungsgebiete nahezu 4 · 1012/cm2 nicht überschreiten, weil dann das Durchschlagfeld überschritten werden würde. Die Dauer der Abbildungsintegrationsperiode, die einen Teil der Bildperiode bildet, wird im Zusammenhang mit der Konzentration der Tiefniveauverunreinigung derart gewählt, daß, wenn Infrarotstrahlung maximaler Intensität in dieser ganzen Periode auf jeden elementaren Abbildungsteil unter einer ein Bit bildenden Gruppe von Elektroden 13einfällt, das Ladungspaket, das in dem Teil der Schicht unter dem Oberflächenteil 5 erzeugt wird, auf diesen Teil beschränkt wird und während des anschließenden Transports zu den Auslesemitteln nicht an den Oberflächenteil 5, der die Einfangzentren enthält, gelangen wird.In any special case where a silicon layer is used, the net charge within the depletion regions cannot exceed nearly 4 x 10 12 /cm 2 because then the breakdown field would be exceeded. The duration of the image integration period forming part of the image period is chosen in connection with the concentration of the low level impurity such that when infrared radiation of maximum intensity in this whole period is incident on each elementary image part under a group of electrodes 13 forming a bit, the charge packet generated in the part of the layer under the surface part 5 will be confined to this part and will not reach the surface part 5 containing the capture centers during the subsequent transport to the readout means.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand der Fig. 4 bis 6 beschrieben. In dieser Anordnung sind denen der Fig. 1 bis 3 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Hauptunterschied besteht darin, daß die p-leitende epitaktische Siliciumschicht 2 eine viel größere Dicke und verschiedene Verunreinigungsverteilungen aufweist. So weist die Schicht 2 eine Dicke von insgesamt 35 µm auf und enthält Bor durch die ganze Dicke in einer Hintergrundkonzentration von 1014 Atomen/cm-3. Die Schicht 2 enthält einen ersten Teil 16 mit einer Dicke von nahezu 25 µm, der an das Substrat 4 grenzt und als eine Tiefniveauverunreinigung eine Indiumkonzentration von 5 · 1016 cm-3 enthält, was einem Wert von 1,25 · 1014 Verunreinigungen/cm2 entspricht. Neben der Oberfläche 3 der Schicht 2 und von dem indiumhaltigen Teil 16 durch einen nahezu nur die Hintergrundborkonzentration enthaltenden Teil 17 getrennt, ist ein stärker dotierter Teil 18 mit einer Dicke von nahezu 1 µm vorhanden, der eine zusätzliche diffundierte Konzentration eines geeigneten Akzeptors, z. B. Bor, in einer Konzentration von 5 · 1015 cm-3 enthält. In dieser Anordnung wird die Isolierung zum Teil mit Hilfe der n&spplus;-Oberflächenzone 19 erhalten, die sich nur teilweise durch die Schicht 2 erstreckt, dadurch, daß eine geeignete Sperrvorspannung über dem pn-Übergang zwischen der Zone 19 und der Schicht 2 angelegt wird, damit die zu diesem Übergang gehörige Verarmungszone sich wenigstens bis zu der zu dem in der Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang zwischen dem n-leitenden Substrat 4 und der p-leitenden Schicht 2 gehörigen Verarmungszone erstreckt.A further embodiment of the invention will now be described with reference to Figs. 4 to 6. In this arrangement, parts corresponding to those in Figs. 1 to 3 are designated by the same reference numerals. The main difference is that the p-type epitaxial silicon layer 2 has a much greater thickness and different impurity distributions. Thus, layer 2 has a total thickness of 35 µm and contains boron throughout its thickness at a background concentration of 10 14 atoms/cm -3 . Layer 2 contains a first portion 16 with a thickness of almost 25 µm which borders on substrate 4 and contains as a low level impurity an indium concentration of 5 x 10 16 cm -3 which corresponds to a value of 1.25 x 10 14 impurities/cm 2 . Adjacent to the surface 3 of layer 2 and separated from the indium-containing portion 16 by a portion 17 containing almost only the background boron concentration, there is a more heavily doped portion 18 with a thickness of almost 1 µm containing an additional diffused concentration of a suitable acceptor, e.g. boron, in a concentration of 5 x 10 15 cm -3 . In this arrangement, the isolation is obtained in part by means of the n+ surface region 19 which extends only partially through layer 2 , by applying a suitable reverse bias across the pn junction between region 19 and layer 2 so that the depletion region associated with this junction extends at least as far as the depletion region associated with the reverse biased pn junction between the n-type substrate 4 and the p-type layer 2 .
Diese Anordnung kann auf ähnliche Weise wie die vorhergehende Ausführungsform betrieben werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Elektrodenstruktur vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 µm übertragen werden kann. Die Anordnungsstruktur kann aber leicht derart abgeändert werden, daß eine Struktur erhalten wird, in der das Strahlungsmuster von der Substratseite ab gerichtet wird.This arrangement can be operated in a similar manner to the previous embodiment. In this embodiment, the electrode structure is advantageously designed such that infrared radiation in the wavelength range between 3 and 5 µm can be transmitted. However, the arrangement structure can easily be modified to obtain a structure in which the radiation pattern is directed away from the substrate side.
Fig. 6 zeigt die Wellenformdiagramme der Spannungen, die an die Leitungen Φ 1, Φ 2, Φ 3 angelegt werden, und der Spannung der Eingangselektrode V in . In diesem Betriebsmodus bestimmt normalerweise das an das p&spplus;-Gebiet 10 angelegte Potential das an die Schicht 2 angelegte Potential und beträgt gegenüber dem geerdeten Substrat -50 V. Zum Ergänzen der Tiefnieveauverunreinigungszentren mit Majoritätsladungsträgern wird das Potential V in zeitweilig auf das Substratpotential gebracht. Während dieser mit t ri bezeichneten Periode werden die durch die Indiumkonzentration gebildeten Tiefniveauzentren mit Löchern ergänzt, was darauf zurückzuführen ist, daß die Verarmungszonen in der Schicht völlig entladen sind. Nach der Periode t ri wird die CCP für eine mit t rs bezeichnete Periode zurückgesetzt, in der nahezu alle freien Majoritätsladungsträger aus der Schicht entfernt werden. Am Ende der Periode t rs werden die Spannungen an den Leitungen Φ 1, Φ 2 und Φ 3 auf konstanten Pegeln gehalten während einer Periode t im , in der die Abbildung des Infrarotmusters stattfindet und die aus Löchern bestehenden Ladungspakete, die, wie oben beschrieben, von der anregenden Strahlung erzeugt werden, unter den an Φ 3 angeschlossenen Elektroden in jedem Teil gesammelt werden. Dann werden diese Ladungspakete in einer Ausleseperiode t ro zu der Ausgangselektrode 12 transportiert und mittels nicht dargestellter Mittel ausgelesen. Die Taktspannungen an den Leitungen Φ 1, Φ 2, Φ 3 werden entsprechend einer Anzahl verschiedener Faktoren gewählt und können in einem Beispiel zwischen 5 und 25 V variieren. Wenn es erwünscht ist, die Ladungspakete der Oberfläche 3 näher zu bringen, können niedrigere Taktspannungen verwendet werden, und in einem anderen Beispiel sind diese Spannungen negativ in bezug auf das Substrat. Fig. 6 shows the waveform diagrams of the voltages applied to the lines Φ 1 , Φ 2 , Φ 3 and the input electrode voltage V in . In this mode of operation, the potential applied to the p+ region 10 normally determines the potential applied to the layer 2 and is -50 V with respect to the grounded substrate. To supplement the deep level impurity centers with majority carriers, the potential V in is temporarily brought to the substrate potential. During this period, designated t ri , the deep level centers formed by the indium concentration are replenished with holes, which is due to the depletion zones in the layer being completely discharged. After the period t ri , the CCP is reset for a period designated t rs , during which almost all free majority charge carriers are removed from the layer. At the end of the period t rs , the voltages on the lines Φ 1 , Φ 2 and Φ 3 are maintained at constant levels during a period t im , during which the imaging of the infrared pattern takes place and the charge packets consisting of holes, generated by the exciting radiation as described above, are collected under the electrodes connected to Φ 3 in each part. Then, in a readout period t ro , these charge packets are transported to the output electrode 12 and read out by means not shown. The clock voltages on the lines Φ 1 , Φ 2 and Φ 3 are maintained at constant levels during a period t im , during which the imaging of the infrared pattern takes place and the charge packets consisting of holes, which are generated by the exciting radiation as described above, are collected under the electrodes connected to Φ 3 in each part. Then, in a readout period t ro , these charge packets are transported to the output electrode 12 and read out by means not shown. 1 , Φ 2 , Φ 3 are chosen according to a number of different factors and may vary in one example between 5 and 25 V. If it is desired to bring the charge packets closer to the surface 3 , lower clock voltages may be used and in another example these voltages are negative with respect to the substrate.
Es ist einleuchtend, daß unterschiedliche dem Fachmann bekannte Herstellungstechniken bei der Bildung der bisher beschriebenen Ausführungsformen und bei anderen nachstehend zu beschreibenden Abwandlungen verwendet werden können. Bei der Herstellung der an Hand der Fig. 4 und 5 beschriebenen Ausführungsform kann die die Schichtteile 16, 17 und 18 enthaltende p-leitende Schicht in zwei Stufen angebracht werden. So kann der Schichtteil, in dem die Tiefniveauverunreinigung angebracht werden muß, zunächst durch Epitaxie auf dem Substrat 4 und dann durch Ionenimplantation oder Diffusion die Tiefniveauverunreinigung in diesem Schichtteil angebracht werden, wonach der verbleibende Schichtteil durch einen zweiten epitaktischen Ablagerungsschritt angebracht wird, wobei der stärker dotierte Oberflächenteil 18 z. B. durch einen nachfolgenden Diffusionsschritt angebracht wird. Auch kann, statt die Tiefniveauverunreinigung durch Ionenimplantation oder Diffusion anzubringen, der epitaktische Schritt derart durchgeführt werden, daß die Tiefniveauverunreinigung zugleich mit z. B. dem Hintergrundverunreinigungselement, das die Leitfähigkeit des genannten Schichtteils bestimmt, abgelagert wird.It will be appreciated that various manufacturing techniques known to those skilled in the art may be used in forming the embodiments described so far and in other modifications to be described below. In producing the embodiment described with reference to Figs. 4 and 5, the p-type layer comprising the layer portions 16, 17 and 18 may be provided in two stages. Thus, the layer portion in which the deep-level impurity is to be provided may first be epitaxially deposited on the substrate 4 and then the deep-level impurity may be provided in this layer portion by ion implantation or diffusion, after which the remaining layer portion is provided by a second epitaxial deposition step, the more heavily doped surface portion 18 being provided, for example, by a subsequent diffusion step. Also, instead of providing the deep-level impurity by ion implantation or diffusion, the epitaxial step may be carried out in such a way that the deep-level impurity is provided at the same time as, for example, the deep-level impurity. B. the background impurity element which determines the conductivity of said layer part.
Es leuchtet ein, daß es für den gewünschten Betrieb der beschriebenen Anordnung notwendig sein wird, den Halbleiterkörper abzukühlen. Die wirkliche Betriebstemperatur wird durch die Art der Tiefniveauverunreinigung bestimmt. Es ist wesentlich, daß die thermische Anregungsgeschwindigkeit der Tiefniveauzentren viel niedriger als die optische Anregungsgeschwindigkeit ist. So wird für eine Silicium-Infrarot-Abbildungsanordnung für Betrieb im Bereich von 3 bis 5 µm durch Abkühlung auf 77°K ein akzeptabler Betrieb erhalten, wenn eine p-Kanal-CCD mit Thallium als Tiefniveauverunreinigung verwendet wird. Das bereits beschriebene alternative Element Indium kann eine weitere Kühlung notwendig machen. Für eine Siliciumanordnung für Betrieb im Wellenlängenbereich zwischen 8 und 14 µm kann für eine befriedigende Wirkung eine Kühlung auf eine niedrige Temperatur, z. B. auf 20°K, erforderlich sein. Eine derartige Kühlung wird jedoch als durchaus akzeptabel betrachtet mit Rücksicht auf die Tatsache, daß durch Anwendung der Anordnungsstruktur nach der Erfindung, in der eine eigenleitend dotierte Halbleiterschicht aus einem gewissen Material z. B. Silicium, verwendet wird, die Empfindlichkeit der Anordnung effektiv auf einen Wellenlängenbereich erweitert wird, in dem die Photonenenergie wesentlich geringer als der Bandabstand des Halbleitermaterials ist.It will be appreciated that for the desired operation of the device described it will be necessary to cool the semiconductor body. The actual operating temperature will be determined by the nature of the low level impurity. It is essential that the thermal excitation rate of the low level centers be much lower than the optical excitation rate. Thus for a silicon infrared imaging device for operation in the 3 to 5 µm range, acceptable operation is obtained by cooling to 77°K when using a p-channel CCD with thallium as the low level impurity. The alternative element indium already described may require further cooling. For a silicon device for operation in the 8 to 14 µm wavelength range, cooling to a low temperature, e.g. 20°K, may be necessary for satisfactory operation. Such cooling is, however, considered to be quite acceptable in view of the fact that by employing the device structure according to the invention in which an intrinsically doped semiconductor layer of some material, e.g. B. silicon, the sensitivity of the device is effectively extended to a wavelength range in which the photon energy is significantly lower than the band gap of the semiconductor material.
Obgleich die beschriebenen Ausführungsformen elementare lineare Matrizen sind, leuchtet es ein, daß eine Anordnung nach der Erfindung eine komplexere Konfiguration aufweisen kann. So kann eine sogenannte Gebietabbildungsvorrichtung gebildet und können unterschiedliche Mittel zum Auslesen der Ladung der in üblichen Abbildungs-CCD's verwendeten Art Anwendung finden; z. B. kann ein Sensor außerdem eine maskierte Matrix von Elementen enthalten, deren Anzahl der der in dem Abbildungsteil des Sensors verwendeten Elemente entspricht, wobei die maskierte Matrix mit der Abbildungsmatrix verbunden ist und als Speicher dient, der über eine Reihe/Parallel-CCD- Umwandlungsstufe ausgelesen wird.Although the embodiments described are elementary linear arrays, it will be appreciated that an arrangement according to the invention may have a more complex configuration. Thus, a so-called area imaging device may be formed and various means for reading out the charge of the type used in conventional imaging CCDs may be used; e.g. a sensor may also include a masked array of elements corresponding in number to the elements used in the imaging part of the sensor, the masked array being connected to the imaging array and serving as a memory which is read out via a series/parallel CCD conversion stage.
Zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nun beschrieben, die Abwandlungen der an Hand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform sind. In der ersten der genannten weiteren Ausführungsformen wird die Tiefniveauverunreinigung als eine ausgleichende Tiefniveaudonatorverunreinigung durch die ganze Schicht 2 hindurch angebracht, die stärker mit Bor in einer Konzentration von 5 · 1016 Atomen/cm-3, was nahezu 2 · 1013 Atomen cm2 entspricht, als in der an Hand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform dotiert ist. Die Schichtdicke ist in dieser Ausführungsform geringer, und zwar 4 µm. Die Tiefniveauverunreinigungskonzentration wird durch Gold gebildet, das durch Ionenimplantation in einer der Borkonzentration nahezu gleichkommenden Menge in die Schicht eingeführt worden ist. In anderen Hinsichten ist die Struktur der nach den Fig. 1 bis 3 ähnlich. Die Wirkungsweise unterscheidet sich jedoch wenigstens darin, daß der Transport von Strahlung erzeugter freier Majoritätsladungsträger durch einen Teil der Siliciumschicht stattfindet, in dem die durch das Gold gebildeten Tiefniveaueinfangzentren vorhanden sind.Two further embodiments of the invention will now be described which are modifications of the embodiment described with reference to Figs. 1 to 3. In the first of said further embodiments the low level impurity is applied as a compensating low level donor impurity throughout the layer 2 which is more heavily doped with boron in a concentration of 5 x 10 16 atoms/cm -3 , which corresponds almost to 2 x 10 13 atoms cm 2 , than in the embodiment described with reference to Figs. 1 to 3. The layer thickness in this embodiment is less, namely 4 µm. The low level impurity concentration is formed by gold which has been introduced into the layer by ion implantation in an amount almost equal to the boron concentration. In other respects the structure is similar to that of Figs. 1 to 3. However, the mode of operation differs at least in that the transport of free majority charge carriers generated by radiation takes place through a part of the silicon layer in which the deep-level capture centers formed by the gold are present.
Bei dieser Ausführungsform ergeben die ausgleichenden durch das Gold gebildeten Tiefniveauzentren eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,1 und nahezu 3,5 µm.In this embodiment, the compensating deep level centers formed by the gold provide sensitivity to infrared radiation in a wavelength range between 1.1 and almost 3.5 µm.
Bei einer zweiten weiteren Ausführungsform, die eine Weiterbildung der an Hand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsform ist, werden die Leitungstypen alle umgekehrt, so daß das Substrat 4 aus p-leitendem Silicium und die Schicht 2 aus n-leitendem Silicium besteht und die Isolierzone 8 vom p-Typ ist. Die n-leitende Schicht, die in dieser Ausführungsform eine Dicke von 4 µm aufweist, ist nahezu gleichmäßig mit Phosphor in einer 4 · 1013 Atomen/cm2 entsprechenden Konzentration dotiert. Die Tiefniveauverunreinigungskonzentration wird durch ausgleichende Störstellen gebildet, die im Kristallgitter der Schicht durch Protonenbeschuß erzeugt werden. Der Protonenbeschuß ist derart optimiert, daß eine Störstellendichte erhalten wird, die sich mit der Tiefe in der Schicht ändert und eine Spitzenkonzentration in der Nähe der Phosphorkonzentration aufweist, wobei der neben der Oberfläche 3 sofort unter der Isolierschicht 7 liegende Teil der n-leitenden Schicht eine viel niedrigere Störstellendichte aufweist, derart, daß die Phosphorkonzentration in diesem Gebiet, und zwar über einen Abstand von nahezu 0,1 µm von der Oberfläche 3, relativ unkompensiert ist. In dieser Ausführungsform ergeben die von den Störstellen erzeugten Tiefniveauzentren eine Empfindlichkeit für Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 1,1 und nahezu 3 µm.In a second further embodiment, which is a further development of the embodiment described with reference to Figs. 1 to 3, the conduction types are all reversed, so that the substrate 4 consists of p-conductive silicon and the layer 2 of n-conductive silicon and the insulating zone 8 is of the p-type. The n-conductive layer, which in this embodiment has a thickness of 4 µm, is almost uniformly doped with phosphorus in a concentration corresponding to 4 x 10 13 atoms/cm 2 . The low-level impurity concentration is formed by compensating impurities which are generated in the crystal lattice of the layer by proton bombardment. The proton bombardment is optimized in such a way that an impurity density is obtained which changes with the depth in the layer and has a peak concentration near the phosphorus concentration, the part of the n-conductive layer lying next to the surface 3 immediately below the insulating layer 7 having a much lower impurity density, such that the phosphorus concentration in this region, and is relatively uncompensated over a distance of almost 0.1 µm from the surface 3. In this embodiment, the low-level centers generated by the impurities result in a sensitivity to infrared radiation in a wavelength range between 1.1 and almost 3 µm.
In dieser Struktur ergibt die relativ unkompensierte Oberflächensicht nahezu die gleichen Vorteile einer höheren Ladungsverarbeitungskapazität wie die stärker dotierte Oberfläche 18 in der an Hand der Fig. 4 bis 6 beschriebenen Ausführungsform.In this structure, the relatively uncompensated surface area provides nearly the same benefits of higher charge handling capacity as the more heavily doped surface 18 in the embodiment described with reference to Figs. 4 to 6.
Bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen ist es auch möglich, die Tiefniveauverunreinigung in Form einer Anzahl diskreter sich auf demselben Pegel in der Schicht erstreckenden Teile statt eines ununterbrochenen Schichtteiles anzubringen, wobei sich diese diskreten Teile örtlich fluchtrecht zu den an der Hauptfläche der Schicht angebrachten Elektroden erstrecken.In any of the embodiments described, it is also possible to provide the low level contamination in the form of a number of discrete portions extending at the same level in the layer instead of one continuous layer portion, said discrete portions extending locally flush with the electrodes provided on the main surface of the layer.
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