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Optoelektronischer Sensor
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Die erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, der auf einem
Halbleiterkörper pro Sensorelement einen MIS-Kondensator mit einer entgegengesetzt
dotierten vergrabenen Schicht zum Sammeln von optisch arzeugten Ladungsträgern und
ein Aus@@@register mit einem zwe ten MIS-Kondensator mit entgegensetzter dotiert.
vergrabener Schicht zur Aufnahme der Ladungsträger aus dem @ensotelement enthält,
wobei die beiden MIS-Kondensator ohne Verwedung einer Torelektrode dadurch miteinander
gekoppelt sind, daß die vergraben Schicht unmittelhe@ aneirander angrezen.
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Ein derartiger optoelektronischer sensor ist bereits aus der Firmenschrift
"Physics and Aplications of Charge-Coupled-Devices" von S.@. Amello, Fairchild Camera
and Instrumt Corporation, Palo Alto, California, bekkant.
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Als ASensorzelle dient ein spezieller Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator
("MIS"-Kondensator), bei dem die Elektrode lichtdurchlässig ist und eine unter einer
Isolatorschicht liegende, schwach n-dotierte Schicht an der Oberfläche eines p-dotierten
Substrates überdeckt. Wird an die Fotoelektrode eine posEtie Spannung angelegt,
so verarmt die Oberfläche des Halbleitersubstrates an p-Ladungsträgern (Majoritätsträgern
bezilglich des Substrstes) und an der Oberfläche entsteht eine tiefe Potentialmulde
für
die Minoritätsträger. R@@@@@chtsinfall erzeugte Minoritätsträger
werden daher unter der Fotoelektrode gesammels Neben der Sensorzelle ist ein zweiter
MIS-kondensator engeordnet, der als Speicherelement Teil eines z.B. nach dem BCCD-Prinzip
aufgebauten Schieberegister sein kann. Die Elektrode des zweiten MIS-Kondensators
(im @elganden Auslesselektrode genennt) überdeckt eine stärker n-dotierte Oberfläche
des p-dotierten Substrates. Zur Koppelung der Sensorzelle an das Ausleseregister
ist nun @@@@@, wie bei anderen bekannten Sensoren, zwischen der Fotoelektrode und
der Ausleseelektrode eine getrennt an@@@@@euende Torelektrode verge sehen, vielmehr
wird die schwacher getierte Schicht dera ausgedennt, daß sie sich nich nur @@@@erhalb
@@@ Fotoelektrode befindet, sondern auch noch dis unter die Ausleseelektrode reicht.
In diesem @@@@@@@gsbereich,der dem eine schwächer dotierte vergrabere @@nicht der
Ausleseelektrode gegenüberliegt. hernscht deber für die Minoritätsträger ein höheres
Potential als @@tar der Auslesselektrode dieser Übergangsbereich stell @@@@@@@@@@@
die Majoritätsträger gegenüber der stärker Gotierch Schicht unter der Ausleseelektrode
einen Potentialwal der. Liegenden der Fotoelektrode und der Ausleseelektrode positive
Spannungen etwa gleicher Größenordnung an, so @@e@@@ der Potentialwall die beiden
Kondensatoren vone@@@@@@@ Erh@ht man jedoch die Spannung an der Ausleseelektrode,
so kann der Potentialwall im Übergangsgebiet soweit abgesenkt werden, daß die Minoritätsträger
aus dem Kondensator des Sensorelementes in das Ausleseregister übertrenten.
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Da bei dieser bekannten Anordnung keine Torelektrode zwischen Sensorelement
und Ausleseregister benötigt wird, wird eine bessere Flächenausnutzung erreicht.
Nachteilig ist jedoch, daß verschieden stark dotierte vergrabene Schichten hergestellt
werden müssen, was einen zusätzlichen Herstellungsschritt erfordert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine andere Bauweise für
einen derartigen Sensor anzugeben, zu dessen Herstellung Verfahrensschritte nötig
sind, die sich mit den Verfahrensschritten leicht kombinieren lassen, die zur Herstellung
der anderen Teile des Sensors, insbesondere des Ausleseregisters, ohnehin benötigt
werden.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß bei einem optoelektronischen
Sensor je anfangs angegebenen Art die vergrabenen Schichten als einheitlich dotierte
Schickt im Halbleiter ausgebildet sind, und daß die Isolatorschicht zwischen der
Elektrode der Sensorzelle und dem Halbleitermaterial eine zur Auslesezelle hin abnehmende
Dicke aufweist.
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Dies ermöglicht es, ähnlich wie zwischen den Elementen einer ladungsgekoppelten
Schaltung (CCD) die Ladungsträger von dem Sensorelement in das Ausleseregister zu
verschieben.
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Die vergrabene Schicht kann durch Umdotierung eines Teiles der Oberfläche
des Halbleiterkörpers in einem Schritt hergestellt werden, während die unterschiedliche
Dicke der Isolatorschicht z.B. gleichzeitig mit der Herstellung des Ausleseregisters
geschaffen werden kann. Besonders vorteilhaft ist ea, wenn als Ausleseregister eine
ladungsgekoppelte Schaltung mit vergrabener Schicht (BCCD) verwendet wird, deren
Herstellung z.B. mit der Herstellung eines MOS-Kondensators mit unterschiedlich
dicker SiO-Trennschicht vollständig kompatibel ist.
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Anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und 6 Figuren sei das
Wesen der Erfindung noch näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf die umdotierten Gebiete eines eindimensionalen
Sensors nach der Erfindung. Mit 1 ist dabei der Sensorbereich bezeichnet, der eine
Reihe voneinander getrennter, hintereinander angeordneter vergrabener Schichten
2
und 3 enthält. 4 und 5 bezeichnen die vergrabenen Schichten für zwei Auslesekanäle
nach dem BCCD-Prinzip. 6 und 7 sind übergangbereiche, die die vergrabenen Schichten
der Sensorzellen abwechselnd mit der vergrabenen Schicht eines der Auslesekanäle
verbinden. Die als "vergrabenen Schichten" bezeichneten Gebiete 2 bis 7 sind umdotierte
Gebiete an der Oberfläche des Halbleiterkörpers, die mit einheitlicher Dicke in
einem einzigen Herstellungsgang erzeugt wurden, z.B. durch Ionendiffusion oder Ionenimplantation.
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Fig. 2 reigt einen Querschnitt durch die Anordnung entlang dem Schnitt
II-II in Fig. 1. Mit 20 ist die lichtdurchlässige Sensorelektrode, die z.B. aus
Polysilizium bestehen kann, und mit 21 die Elektrode des Auslesekanals bezeichnet.
An der Oberfläche des Halbleiterkörpers 22, der bei diesem Ausführungsbeispiel aus
p-dotiertom Silizium besteht, befindet sich eine n-dotierte Siliziunschicht 23,
die sich als einheitliche Schicht unter den Elektroden 20 und 21 erstreckt. Die
Elektroden 20 und 21 sind gegenüber der Schicht 23 durch eine SiO2-Schicht 24 isoliert.
Unterhalb der Sensorelektrode 20 ist auf der der Ausleseelektrode 21 abgewandten
Seite die SiO2-Schicht dicker als auf der der Elektrode 21 zugewandten Seite. Vorteilhaft
nimmt die Schichtdicke in einer einzigen Stufe diskontinuierlich zur Ausleseelektrode
21 hin ab, z.B. von 600 nm im dickeren Teil 40 auf 60 nm im dünneren, dem Ausleseregister
benachbarten Teil 41.
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Neben dieser Sensorzelle befindet sich, durch p-dotiertes Substrat
bzw. SiO2 getrennt, die umdotierte Schicht 25 und die Elektrode 26 des zweiten BCCD-Ausleseregisters
5, die zum Auslesen der benachbarten Sensorzellen 3 bei der zeilenhaften Anordnung
nach Fig. 1 dienen. Fig. 3 zeigt eine mit diesem zweiten BCCD-Register 5 gekoppelte
Sensorzelle 3 im Querschnitt entlang der Linie III-III.
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Liegt an der Sensorelektrode 20 eine positive Spannung von beispielsweise
5 V, so werden in der vergrabenen Schicht unter dem dicken Teil (40) der Isolatorschicht
die optisch
erzeugten (negativen) Ladungsträger gesammelt. Fig.
4 zeigt schematisch den Verlauf des Potentials 9 unterhalb der Elektroden 20 und
21 für den Fall, daß an der Ausleseelektrode eine geringe (Kurve 30) oder höhere
(Kurve 31) Spannung anliegt.
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Unter den dünn rein Teil (41) der Isolierschicht entsteht eine Potentialschwelle,
die ein Ausdiffundieren der Ladungsträger verhindert. Durch Anlegen eines zusätzlichen
Spannungsimpulses an die Sensorelektrode wird jedoch das Potential unter der Sensorelektrode
angehoben und die Schwelle unter dem dUnneren Teil der Isolierschicht angeglichen.
Bei niedrigerer Spannung an der Ausleseelektrode (Fig. 5) bleiben die Ladungen unter
der Sensorelektrode erhalten. Da sich Sensorelektrode und Auseelktrode überlappen,
können bei höherer Spannung an der Ausleseelektrode (Fig. 6) die Ladungsträger nun
in die unter der Ausleseelektrode gelegene vergrabene Schicht bis auf einen konstanten
Rest abfließen.
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Ohne Verwendung einer Torelektrode sind Sensorzellen und Ausleseregister
also voneinander getrennt, solange an der Sensorelektrode nur eine geringe Spannung
anliegt. So können also gleichzeitig die optisch erzeugten Ladungsträger in Kondensator
der Sensorzelle gesammelt und unabhängig davon der Inhalt des Ausleseregisters zum
Ausgang verschoben werden.
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Um dagegen den Inhalt einer Sensorzelle ins Aus register zu übernehmen,
werden die Sensorelektrode und die dazugehörige Ausleseelektrode gleichzeiting angesteuert.
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Fig. 7 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie VII-VII der Fig.
1 durch ein ladungsgekoppeltes Ausleseregister mit vergrabener Schicht nach der
Al-Si-Gate-Technik. Entsprechend Fig. 2 ist mit 22 wieder der Halbleiterkörper,
mit 23 die vergrabene Schicht (in Fig. 1 mit 4 bezeichnet) an der Halbleiteroberfläche
und mit 70 die SiO2-Schicht bezeichnet. Die aus den Sensorzellen auslesenen Ladungspakete
werden in bekannter Weise unter den Silizium-Elektroden 71 und den Aluminium-Elektroden
72 entlang geschoben. Die zum Betrieb der Ausleseregister benötigten Ublichen Eingangs-
und Ausgangsstufen sowie die Steuerleitungen zur Ansteuerung der
Elektroden
sind nicht dargestellt. Der Sensor kann natürlich auch aus einem n-dotierten Substrat
mit p-dotierter Schicht an der Oberfläche aufgebaut sein.
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2 Patentansprüche 7 Figuren
L e e r s e i t e