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Sensorzelle für einen optoelektronischen Sensor
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Die Erfindung betrifft eine Sensorzelle für einen optoelektronischen
Sensor mit einem Halbleiterkörper aus dotiertem Substrat, einem elektrischen Anschluß
für das Substrat, einer die Oberfläche des Halbleiterkörpers wenigstens teilweise
überdeckenden Isolierschicht und einer darüber angeordneten lichtdurchlässigen Elektrode
mit einem Elektrodenkontakt.
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Ein derartige bekannte Sensorzelle kann z.B. aus einem n-dotiertem
Substrat bestehen, dessen Oberfläche von einer SiO2-Isolierschicht und einer Elektrode
aus Polysilizium überdeckt ist. Wird an das Substrat eine negative, an die Elektrode
eine positive Spannung angelegt, so verarmen die negativen Ladungsträger (Xajoritätsträger)
an der Oberfläche des Substrats und es entsteht eine Potentialmulde, in der sich
optisch erzeugte Minoritätsträger sammeln. Durch Absenken des Elektrodenpotentials
können die gesammelten Minoritätsträger ins Substrat abgegeben werden, so daß der
entstehende Stromstoß am Substrat anschluß proprotional der integrierten Intensität
des eingefallenen Lichtes ist. Um aus derartigen Sensorzellen einen zweidimensionalen
Sensor aufzubauen, werden Zellen in Reihen und Spalten angeordnet, wobei zum Auslesen
der
in einer definierten Zelle gesammelten Ladungsträger eine meist
aufwendige Ansteuerung der einzelnen Zellen nötig ist, deren Leiterbahnen eine entsprechend
große Flache erfordern. Ferner treten bei solchen Sensoren häufig Informationsverluste
durch "blooming" auf.
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Bei ladungsgekoppelten Verschiebevorrichtungen sind bereits Zellen
bekannt, bei denen als Informationsladungsträger Majoritätsträger des Substrates
dienen. Die Ladungen werden dabei nicht an der Oberfläche des Substrats, sondern
im Inneren eines entgegengesetzt zum Substrat dotierten Bereiches unter den Elektroden
gesammelt. Solche Verschiebevorrichtlmgon sind unter der Bezeichnung BCCD bekannt.
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Zu ihrem Aufbau werden Sperrschichtkondensatoren verwendet, die entweder
aus einem echten pn-Ubergang oder aus einem Schottky-Kontakt gebildet sind. Es können
aber auch Isolierschichtkondensatoren verwendet werden. Dadurch kann gegenüber Zellen,
bei denen Minoritätsladungsträger als Informationsladungsträger an der Halbleiteroberfläche
gesammelt werden, die Beweglichkeit der Informationsladungsträger im Inneren des
Substrate erhöht und der Einfluß der Haftstellen an der Oberfläche verringert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorzelle für einen
optoelektronischen Sensor anzugeben, der ein der Intensität des eingefallenen Lichtes
proportionales Signal erzeugt, wobei zu Jeder Zelle beiden Zellen einer ganzen Reihe
ein direkter, rascher, raumsparender Zugriff vorhanden ist.
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Dies wird erreicht durch eine Sensorzelle der eingangs angegebenen
Art, bei der die Sensorzelle an der Halbleiteroberfläche seitlich durch zwei parallele,
entgegengesetzt zum Substrat dotierte streifenförmige Bereiche mit elektrischen
Anschlüssen begrenzt ist. Das Substrat ist im Oberflächenbereich zwischen den streifenförmigen
Bereichen stärker dotiert als im Subetratinneren und die lichtdurchlässige
Elektrode
erstreckt sich über den Oberflächenbereich von einem streifenförmigen Bereich bis
zum anderen.
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Vorteilhaft erstreckt sich die Isolierschicht mit einheitlicher Dicke
über die ganze Oberfläche. Die Isolierschicht kann aber vorteilhaft auch die lichtdurchlässige
Elektrode nur gegenüber den streifenförmigen Bereichen, im folgenden Streifen genannt,
isolieren, während zwischen der Elektrode und der Halbleiteroberfläche ein Schottky-Kontakt
besteht.
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Bevor#ugt ist in der Mitte zwischen den beiden Streifen ein dritter
entgegengesetzt zum Substrat dotierter, paralleler Streifen mit einem Elektrodenkontakt
vorgesehen.
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Weitere Einzelheiten der Sensorzelle und bevorzugte Verfahren zum
Betrieb der Sensorzelle nach der Erfindung werden anhand zweier Ausführungsbeispiele
und mehrerer Figuren näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Sensorzelle mit durchgehender
Isolierschicht gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 und 3 den Potentialverlauf im Halbleiterkörper im stärker dotierten
Oberflächenbereich als Funktion des Abstandes von der Halbleiteroberfläche bei verschiedenen
Betriebszuständen während eines bevorzugten Betriebsverfahrens.
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Fig. 4 den zeilenhaften Aufbau eines Sensors mit Sensorzellen gemäß
der Erfindung.
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Fig. 5 bis 8 den Potentialverlauf analog zu den Fig. 2 und 3 bei einem
anderen Betriebsverfahren.
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Fig. 9 und 10 ein weiteres Betriebsverfahren.
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Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel der Sensorzelle mit Schottky-Kontakt
gemäß der Erfindung.
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Fig. 12 und 13 den Potentialverlauf bei einem bevorzugten Betrieb
der Sensorzelle nach Fig. 11.
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Die Sensorzelle nach Fig. 1 besteht aus einem auf einen Substratkontakt
1 aufgebrachten Halbleiterkörper 2 aus dotiertem Substrat, zwei zur Zeichenebene
senkrechten entgegengesetzt dotierten Streifen 3 und 4 an der Oberfläche des Substrats,
einer sich über die gesamte Oberfläche mit gleichmäßiger Dicke erstreckenden Isolierschicht
5, (vorzugsweise aus Silo2) und einer darüber angeordneten, sich von Streifen 3
bis zum Streifen 4 erstreckende, lichtdurchlässige Elektrode 6 (vorzugsweise aus
Polysilizium) mit einem Elektrodenanschluß 7. Die Oberfläche des Halbleiterkörpers
ist ferner, insbesondere im Bereich 8 zwischen den Streifen 3 und 4 im gleichen
Sinne wie das Innere des Halbleitersubstrates 2, Jedoch stärker dotiert. Vorteilhaft
kann das Substrat aus p-dotierten Silizium mit der Dotierung 5 ~ 1014 cm3 bestehen,
dessen Oberfläche durch Eptaxie oder lonenimplantation auf einer Tiefe von etwa
1 /um p+-dotiert ist mit 5 . 1015 cm 3. Die Streifen 3 und 4 können anschließend
mit einer Breite und Tiere von etwa 3 bis 5 lum durch lonenimplantation n+-dotiert
werden.
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Die Dicke der SiO2-Schicht beträgt vorteilhaft etwa 60 nm.
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Natürlich können Substrat, Halbleiteroberfläche und Streifen auch
Jeweils entgegengesetzt dotiert sein.
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Der Streifen 3, im folgenden als Masseleitung bezeichnet, und der
Streifen 4, im folgenden als Bitleitung bezeichnet, sind mit in der Figur nicht
dargestellten elektrischen Anschlüssen versehen.
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Im folgenden werden vier Varianten zum Betrieb der Sensor zelle nach
der Erfindung vorgeschlagen. Ausgangspunkt ist dabei ein Zustand, bei dem die beiden
Streifen gegenüber dem Substrat derart vorgespannt sind, daß von ihnen eine Verarmungsrandschicht
im Substrat erzeugt wird, die den stärker dotierten Oberflächenbereich in einer
senkrecht zu den Streifen liegenden Ebene umschließt. Der Rand dieses Verarmungsbereiches
ist in Fig. 1 durch die Linien 10 und 11 gekennzeichnet. Die MaJoritätaträger des
Substrates (bei den angegebenen Dotierungen also die positiven Ladung
träger)
sind am Übertreten in die Streifen durch einen Potentialanstieg gehindert. Gegenüber
dem Substrat stellt der Verarmungsbereich eine Potentialschwelle dar. Die Fig. 2
und 3 zeigen schematisch in Potentialverlauf w im Oberflächenbereich 8, in Abhängigkeit
vom Abstand x von der Elektrode 6, wobei Fig. 2 bei geringerer, Fig. 3 bei höherer
(positiver) Vorspannung der Kanäle gegenüber dem Substrat gilt. Die Potentialschwellen
sind dabei durch die Linien 15 und 16 angedeutet. Voraussetzung für die Ausbildung
der Potentialschwelle ist, daß an der Elektrode 7 eine Spannung UE anliegt, die
so klein ist, daß noch kein monotoner Potentialabfall zum Substrat hin auftritt.
In den Fig. 2 und 3 sind diese oberen Grenzspannungen U1 bzw. U3 und die dazugehörigen
Potentialverläufe mit 17 bzw. 18 bezeichnet. Die Elektrodenspannung darf aber auch
nicht so klein (so stark negativ) sein, daß durch das entstehend. elektrische Feld
der Potentialwall im Substrat so weit abgebaut würde, daß Ladung aus dem Substrat
durch die Verarmungsiohicht zur Oberfläche fließen könnte, was bei den unteren Grenzspannungen
U2 bzw. U4 der Fall ist (Kurven 19 und 20). Liegt die Elektrodenspannung außerhalb
des Bereiches, 80 ist ein Übertritt von Ladungen aus dem Substrat bzw. ins Substrat
möglich. Bei dazwischenlieg.nden Spannungen herrscht Jedoch im Oberflächenbereich
8 eine Potentialmulde, in der die bei Lichteinfall erzeugten Ladungsträger gesammelt
werden.
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Zum Auslesen der von den optisch erzeugten Ladungsträgern gebildeten
Information kann nun die Elektrodenspannung und gegebenenfalls auch die Vorspannung
an wenigstens einem der Streifen so verändert werden, daß Ladungsträger durch die
Verarmungsgrenzschicht hindurchtreten können. Vorteilhaft kann dabei wenigstens
einer der Streifen auf konstantem Potential liegen, wodurch an dieser Seite eine
definierte Begrenzung der Sensorzelle möglich ist.
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Typischerweise kann am Anschluß des Streifens 3, im folgenden als
Masseleitung bezeichnet, gegenüber dem Substrat eine konstante Spannung von +10
V liegen. Zum Sammeln der Ladung liegt während der Integrationszeit bei Lichteinfall
auch am Streifen 4, als Bitleitung bezeichnet, dieselbe Vorspannung. Die Elektrodenspannung
UE kann z.B. zwischen 0 und +5 V liegen. Dadurch wird entsprechend Fig. 3 ein nicht
verarmter Bereich im Oberflärhenbereich 8 definiert, in dem die optisch erzeugten
Ladungsträger eingeschlossen sind.
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Wird nun die Elektrodenspannung über die obere Grenzspannung U3 angehoben,
z.B. auf +30 V, so fließt die gesammelte Ladung ins Substrat ab und kann dort auf
bekannte Weise ausgelesen werden. Genausogut kann aber auch das Potential an den
Streifen abgesenkt werden. Wird die Potentialschwelle durch Absenken des Bitleitungs-Potentials
erniedrigt und die Elektrodenspannung gleichzeitig etwas über die zu der niedrigeren
Potentialschwelle (Fig. 2) gehörende Grenzspannung U1 angehoben, so wird bei einem
Sensor, der aus in Reihen und Spalten angeordneten Sensorzellen besteht, durch Absenken
des Bitleitungspotentials einer Spalte und Erhöhen des Elektrodenpotentials einer
Zeile genau eine Sensorzelle ausgelesen.
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Vorteilhaft enthält die Sensorzelle nach Fig. 4 spiegelsy-etrisch
um die Bitleitung angeordnet einen zweiten stärker dotierten Übergangsbereich 22
mit einer zweiten Masseleitung 23, wobei sich die Elektrode 24 bis zu der anderen
Masseleitung 23 erstreckt. Die Sensor#elle ist dann seitlich durch die beiden Masseleitungen
3 und 23 mit konstantem Potential begrenzt und das erhaltene Signal verdoppelt sich.
Die Masselsitungen 3 und 23 einer Sensorzelle können dann gleichzeitig als Masseleitung
der nächsten Zelle dienen. Die Elektrode kann sich dabei durchgehend über alle Sensorzellen
einer Reihe als gemeinsame Elektrode erstrecken. Die seitliche Begrenzung durch
die Masseleitungen
verhindert dabei weitgehend ein "blooming" in
die seitlich benachbarten Sensorzellen.
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Da bei dieser Betriebsweise die Ladung von einer kleinen auf eine
große Kapazität umgeladen wird, ergibt sich ein kleines Signal. Man kann aber die
gleiche Anordnung auch so betreiben, daß die Ladung in getrennten: Leitungen gesammelt
wird. Zur Erläuterung dieser Variante wird von einem Zustand ausgegangen, bei dem
Masseleitung und Bitleitung ungefähr auf gleicher, gegenüber dem Substratpotential
etwas erhöhten Spannung liege. An der Sensorelektrode liegt mittlere Spannung.
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Fig. 5 zeigt wieder den Potentialverlauf, wie er sich dabei vcn der
Oberfläche ins Substratinnere fortschreitend im Bereich 8 ergibt. In der entstehenden
Potentialmulde können die optisch erzeugten Ladungsträger gesammelt werden.
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Der Potentialverlauf 30 liegt vor im Falle, daß in der Potentialmulde
keine Ladungsträger vorhanden sind, der Verlauf 32 bei Vorhandensein optisch erzeugter
Ladungen. Wird nun die Elektrodenspannung abgesenkt, so ergeben sich die in Fig.
6 gezeigten Potentialverläufe. Dabei kommt es schließlich, insbesondere wenn gleichzeitig
das Potential der Bitleitung erhöht wird, aufgrund der hohen Dotierungen zwischen
den p@-dotierten Gebieten des Bereiches 8 und dem n+-dotierten Streifen 4 der Bitleitung
zu einem Zenerdurchbruch und es fließen von der Bitleitung her Ladungen in das Gebiet
8 ein. Durch das Einfließen dieser Ladung erhöht sich Jedoch das Potential der Potentialsenke,
so daß der Durchbruch automatisch beendet wird, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Insgesamt
fließen also von der Bitleitung umsomehr Ladungen zu, Je weniger Ladungsträger optisch
erzeugt wurden. An der Bitleitung kann daher als Information ein Signal entnommen
werden, das der Menge der optisch erzeugten Ladungsträger komplimentär ist. Das
Masseleitungs-Potential wird dabei konstant gehalten.
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Anschließend an dieses Auslesen müssen die nunmehr im Gebiet 8 vorhandenen
Ladungsträger ins Substrat entleert werden.
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Dazu wird das Elektrodenpotential so weit angehoben, daß ein monotones
Potentialgefälle von der Oberfläche bis in das Innere des Substrates hinein entsteht,
das zum Abfließen der Ladung ins Substrat führt. Die Elektrodenspannung muß hierzu
weniger erhöht werden, wenn gleichzeitig das Bitleitungs-Potential erniedrigt wird
(Fig. 8).
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Bei einer zeilenartigen Anordnung der Zellen nach Fig. 4 kann vorteilhaft
mit einem einzigen Takt der Elektrodenspannung die Information einer ganzen Zeile
in die entsprechenden Bitleitungen ausgelesen werden.
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Die Sensorzelle gemäß der Erfindung kann aber auch vorteilhaft in
der im folgenden erläuterten Weise betrieben worden. Es wird wieder von einem Ausgangszustand
mit entleerten Gebiet 8 ausgegangen, in dem entsprechend der einfallenden Lichtintensität
optisch erzeugte Ladungsträger erzeugt werden.
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Bitleitung und WoHleitung liegen zunächst auf gleichem Potential und
an der Elektrode liegt eine kleine bis mittlere Spannung an. Zum Auslesen der Information
wird das Potential der Bitleitung soweit abgesenkt oder angehoben, daß ein monotones
Potentlalgefälle von der Bitleitung über den Oberflächenbereich zur Masseleitung
hin entsteht, falls im Bereich 8 genügend Ladung gesammelt ist. Es kommt zu einem
Stromfluß zwischen Bitleitung und Masseleitung, der umso größer ist, Je mehr optisch
erzeugte Ladungsträger im Bereich 8 gesammelt wurden. Um den Stromfluß zu ermöglichen,
kann dabei gleichzeitig die Elektrodenspannung erhöht werden.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen die Abhängigkeit des Stromflusses von der
gesammelten Ladung: hoher Strom bei viel Ladung (Fig. 9) bzw. gesperrter Zustand
bei wenig Ladung. Anschließend kann die gesammelte Ladung ins Substrat entleert
werden, wie bereits bei der vorangehenden Variante beschrieben wurde.
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Es wird hierbei also nicht eine - relativ kleine- Ladungsmenge als
Signal ausgelesen, vielmehr findet in Jedem Element eine Stromverstärkung statt.
Nach diesem Vorgang werden die optisch erzeugten Ladungen aus dem Bereich 8 entfernt,
indem die Elektrodenspannung stark angehoben und gleichzeitig die Spannung an der
Bitleitung wieder abgesenkt wird, so daß die Ladungsträger ins Substrat abfließen.
Zwar können z.B. aufgrund von Schwankungen der Isolierschichtdicke in den einzelnen
Sensorzellen Exemplarstreuungen auftreten, die in die Stromverstärkung und in die
Bildqualität eingehen. Bei entsprechend sorgfältiger Herstellung können Jedoch besonders
vorteilhafte Sensoren hergestellt werden.
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In Fig. 11 ist eine andere Ausführungsform einer Sensorzelle dargestellt.
Auch diese Zelle besteht aus einem dotierten Substrat 60 mit einem Substratanschluß
61, einer stärker als das Substratinnere dotierten Schicht 62 an der Substratoberfläche
und zwei parallelen, tiefer als die Schicht 62 ins Substratinnere eindringende umgekehrt
dotierte Streifen 63 und 64 und eine lichtdurchlässige Sensorelektrode 65. Die Elektrode
65 ist Jedoch nur gegenüber den Streifen 63 und 64 durch eine Isolierschicht 66
isoliert.
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Am Oberflächenbereich 67 zwischen den Streifen 63 und 64 liegt die
Elektrode 65 direkt an der Substratoberfläche an und bildet einen Schottky-Kontakt.
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Zum Sammeln der optisch erzeugten Ladungen wird an die Elektrode eine
positive Spannung UE gelegt. Dann entsteht an der Oberfläche des Substrats eine
Verarmungszone, so daß keine Ladung in die Elektrode abfließen kann. Die Streifen
63 und 64 sind ebenfalls soweit positiv gegenüber dem Substrat vorgespannt, daß
die von ihnen ausgehende Verariungsrandschicht den stärker dotierten Oberflächenbereich
67 zwischen den beiden Streifen umschließt. Der Potential verlauf ist in Fig. 12
dargestellt. Die in diesem Bereich gesammelte Ladung kann also weder ins Substrat,
noch zur
Elektrode abfließen. Um die Ladung auszulesen, wird an
die Elektrode eine negative Spannung gelegt (Fig. 13). Dann kann die Ladung aus
dem p+ -dotierten Gebiet 67 in die Elektrode 65 fließen und von dort ausgelesen
werden. Die Verarmungsrandschicht der Streifen 63 und 64 verhindert dabei ein Nachfließen
der Ladung aus dem Substrat. Dabei ist es vorteilhaft, die p+-dotierte Schicht nicht
direkt an die Oberfläche zu legen, damit sich an der Oberfläche die von den Streifen
63 und 64 ausgehende Verarmungsrandschichten in einer schwächer dotierten Substratschicht
vereil?n können.
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Um eine Zeile eines aus derartigen Zellen aufgebauten Sensors auszulesen,
wird Spalte um Spalte das Potential an den Streifen 63 und 64 soweit abgesenkt,
daß im Zusammenwirken mit der negativen Spannung der Elektrode 65 genau das Element
ausgelesen wird, das zwischen zwei derartigen Kanälen mit verringertem Potential
liegt. Bei den anderen Zellen bewirken die Verarmungszonen eine Abtrennung der stärker
dotierten Schichten 62 gegenüber den Elektroden.
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Der besondere Vorteil dieses Elementes liegt in den kleinen Abmessungen.
Pro Element ergibt sich nur ein Flächenbedarf von etwa 100 /um.
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12 Patentansprüche 13 Figuren
L e e r s e i t e