DE2743245A1 - Ladungsgekoppeltes bauelement - Google Patents

Ladungsgekoppeltes bauelement

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DE2743245A1 DE19772743245 DE2743245A DE2743245A1 DE 2743245 A1 DE2743245 A1 DE 2743245A1 DE 19772743245 DE19772743245 DE 19772743245 DE 2743245 A DE2743245 A DE 2743245A DE 2743245 A1 DE2743245 A1 DE 2743245A1
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Description

inen
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeic
Berlin und München . VPA 77 P 7 1 3 6 BRD
Ladungsgekoppeltes Bauelement.
Die Erfindung betrifft ein ladungsgekoppeltes Bauelement, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
In der Literatur ist verschiedentlich vorgeschlagen worden, als Halbleitermaterial für ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) Galliumarsenid zu verwenden. Aufgrund der Tatsache, daß Ladungsträger in Galliumarsenid gegenüber Silizium eine höhere Beweglichkeit und einen größeren Diffusionskoeffizienten besitzen, sind für solche ladungsgekoppelte Bauelemente auf GaI-liumarsenid kleinere Ladungstransportzeiten zu erwarten als für auf Silizium aufgebaute ladungsgekoppelte Elemente (AEU, Bd.29, 1975, Heft 6, S. 286 bis 288). Es wurde vorgeschlagen, solche, auf Galliumarsenid aufgebaute ladungsgekoppelte Bauelemente nicht nach Art von MOS-Kondensatoren auszuführen, sondem als Elektroden Schottky-Kontakte vorzusehen (Proc. of the IEEE, Nov.1972, S.1444 bis 1445; Proc. of the Intern. Conf. on Technology and Applications of Charge Coupled Devices, Edinburgh, Sept.1974, S.270 bis 273). Gemäß diesen Vorschlägen wird für derartige Bauelemente das Prinzip des peristaltisehen CCD (Electronic Letters 8, Dez.1972, S.620 bis 621) oder Bulk Channel CCD (Bell System Techn. Journ., Sept.1972, S.1635-1640) angewendet. Dabei werden Majoritätsladungsträger, beispielsweise Elektronen in einem η-leitenden Gebiet, transportiert. Im η-leitenden Gebiet wird durch Anlegen' einer Sperrspannung zwischen einem p-leitenden Substrat und
SIz 1 BIa / 16.9.1977
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der η-leitenden Schicht ein Potentialtopf erzeugt, in dem Ladung gespeichert wird. Die Verwendung eines p-Substrates für ladungsgekoppelte Bauelemente auf Galliumarsenid hat jedoch den Nachteil, daß die für die Signalverarbeitung erforderlichen Auslese- und Verstärkerschaltungen wegen der parasitären Kapazität des zwischen der η-leitenden Schicht und dem p-leitenden Substrat vorliegenden pn-überganges verhältnismäßig langsam werden, und daß dadurch die Geschwindigkeitsvorteile, die aufgrund der höheren Beweglichkeit der Ladungsträger in Galliumarsenid an sich vorliegen, wieder verlorengehen.
Ladungsgekoppelte Elemente auf Silizium-Halbleitern arbeiten heute durchwegs mit MOS-Kondensatoren. Eine erfolgreiche Übertragung dieses Prinzips auf ladungsgekoppelte Elemente auf Galliumarsenid ist bisher daran gescheitert, daß die Grenzfläche zwischen GaAs und einem unter einer CCD-Elektrode befindlichen Dielektrikum nicht eine erforderliche geringe Termdichte aufweist. Dadurch wird es unmöglich, die Raumladungszonenbreite im GaAs in der gewünschten Weise zu beeinflussen oder Inversionsschichten an der Halbleiteroberfläche zu erzeugen. Eine weitere Folge der zu hohen Termdichte ist die an MIS-Strukturen auf GaAs beobachtete Frequenzabhängigkeit und Hysterese der Kapazität, die sich für einen Betrieb von CCD-Schaltungen nachteilig auswirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, für ein ladungsgekoppeltes Bauelement (CCD) auf einem GaAs-Halbleiter einen Aufbau anzugeben, bei dem die gegenüber Silizium höhere Beweglichkeit der Ladungsträger in GaAs auch für eine höhere Ladungstransportgeschwindigkeit zwischen den CCD-Elektroden ausgenutzt werden kann, und das insbesondere auch im Herstellungsverfahren kompatibel mit der bei GaAs-Bauelementen angewendeten MESFET-Technologie (IEEE Journ. of Solid-state Circuits, SC-9, Nr.5, Okt.1974, S.269-276) ist, so daß mit derartigen ladungsgekoppelten Bauelementen auch schnelle periphere Elemente für diese CCD-Schaltungen integriert aufgebaut werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentanspru-
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' Ό-
ches 1 näher angegebenes ladungsgekoppeltes Bauelement gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung befindet sich der aktive Teil des ladungsgekoppelten Bauelementes in einer η-leitenden GaAs-Schicht, die sich auf einem semiisolierenden Galliumarsenid-Substrat befindet bzw. auf einer gegenüber der aktiven Schicht schwächer n-dotierten GaAs-Schicht, die sich selbst wiederum auf einem semiisolierenden GaAs-Substrat befindet. Ein solcher Aufbau hat den Vorteil, daß keine pn-Grenzschicht zum Substrat vorhanden ist, die aufgrund ihrer parasitären Kapazität die Ladungstransportzeit des ladungsgekoppelten Bauelementes nachteilig beeinflussen kann. Dieser Vorteil kommt auch den peripheren Schaltungen zur Signalverarbeitung zugute, die üblicherweise zusammen mit dem CCD auf demselben Chip hergestellt werden.
Weitere Vorteile sind die Kompatibilität des Herstellprozesses mit der üblichen Technologie zur Herstellung von Feldeffekttransistoren auf GaAs sowie der einfache Aufbau, der keine kritischen Justier- oder Ätzprozesse erfordert.
Gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung sind für die CCD-Elektroden Schottky-Kontakte vorgesehen, die sich leicht herstellen lassen. Als Material für solche Schottky-Kontakte kann beispielsweise Al oder Schichtfolgen (TiPtAu, WoPtAu) verwendet werden. Nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Bauelementes bestehen die CCD-Elektroden aus flachen, p+-dotierten Gebieten innerhalb der η-dotierten GaAs-Schicht. Die Verwendung von derartigen p+-Kontakten hat gegenüber der Ausführungsform, bei der für die CCD-Elektroden Schottky-Kontakte verwendet werden, den Vorteil, daß die Dioden des CCD in Flußrichtung mit einem höheren Spannungshub betrieben werden können, und daß kleinere Sperrströme auftreten. Die Tiefe der
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p+-dotierten Gebiete beträgt bis zu 500 nm, vorzugsweise etwa 100 nm.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Iadungsgekoppelten Bauelementes befindet sich zwischen dem semiisolierenden Substrat und der η-dotierten Schicht, die die aktive Schicht des Bauelementes darstellt, eine weitere, niedrig dotierte η-leitende Schicht. Mit einer solchen Zwischenschicht wird der Einfluß von tiefen Haftstellen (traps), die an der Grenzfläche zu dem semiisolierenden Substrat vorliegen können, herabgesetzt. Derartige Haftstellen können sich nachteilig auswirken, indem sie einen unvollkommenen Ladungstransport zwischen den einzelnen CCD-Elektroden sowie ein erhöhtes Rauschen hervorrufen. Die Dicke der schwach η-dotierten Zwischenschicht zwischen dem semiisolierenden Substrat und der η-dotierten, aktiven Schicht beträgt beispielsweise 3/um.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren dargestellt und näher erläutert. 20
Fig.1 zeigt als Ausführungsbeispiel ein Lay-out eines 3-phasi-
gen, 4-stufigen CCD,
Fig.2 zeigen schematisch AusfUhrungsbeispiele von erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Bauelementen, und in Fig.5 ist schematisch der Verlauf von an die Elektroden des CCD angelegten Taktspannungen sowie der Ausgangsspannung 0. dargestellt.
Fig.1 zeigt schematisch ein Lay-out für ein erfindungsgemäßes ladungsgekoppeltes Bauelement. Es besteht aus einer Eingangselektrode 5 und einer Ausgangselektrode 6 aus GeAuCrAu (Schichtfolge), die einen ohmschen Übergang mit dem aus GaAs bestehenden Halbleiter bilden. Auf die Elektrode 5 folgt eine Eingangselektrode 10, mit der der Ladungstransport aus der Anschlußelektrode 5 in das CCD gesteuert wird. Auf die Anschlußelektrode 10 folgen in einer Reihe weitere Elektroden 11, 12,
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13; 21, 22, 23; 31, 32, 33; 41, 42, 43, die diejenigen Elektroden des CCD darstellen, zwischen denen entsprechend dem Taktprogramm Ladungen verschoben werden. Das ladungsgekoppelte Bauelement ist ein 3-phasiges CCD mit vier Stufen, so daß an die Elek-
troden 11,21,31,41, an die Elektroden 12, 22, 32, 42 unlttrfiTe-T 13, 23, 33, 43 jeweils der gleiche Taktimpuls gelegt wird. Dementsprechend haben diese Elektroden eine gemeinsame Ansteuerleitung. Auf die letzte Verschiebe-Elektrode 43 des CCD folgt vor der Ausgangselektrode 6 eine weitere Elektrode 50, mit der die Ladungsentnahme aus dem CCD gesteuert wird.
In Fig.2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Bauelementes schematisch dargestellt. Es besteht aus einem semiisolierenden Galliumarsenid-Substrat 1, auf das eine η-leitende Schicht 3 mit einer Dotierung von (Nn-N.) = 1.10 'cm J und einer Dicke d von etwa 0,2 /um aufgebracht ist. Dabei bedeutet Nn die Donatorendichte und NA die Akzeptorendichte. Diese Schicht 3 kann beispielsweise als epitaktische Schicht aufgebracht werden, aus der dann einzelne, jeweils eine CCD-Schaltung enthaltende Inseln herausgeätzt werden. Am Rand der CCD-Elektroden befindet sich eine Eingangselektrode 5 und eine Ausgangselektrode 6, die sperrfreie Kontakte mit der Schicht 3 bilden. In der Fig.2 sind von den Verschiebe-Elektroden eines 4-stufigen CCD nur die Elektroden 11, 12, 13 der ersten und 41, 42, 43 der letzten Stufe dargestellt. Diese Verschiebe-Elektroden sind in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 als Schottky-Kontakte ausgebildet. Sie bestehen beispielsweise aus auf der Schicht 3 aufgebrachten Al- oder TiPtAu-Elektroden. Zwischen der Eingangs-Anschlußelektrode 5 und der ersten Verschiebe-Elektrode 11 befindet sich eine weitere, ebenfalls als Schottky-Kontakt ausgebildete Elektrode 10, mit der die Ladungszufuhr in die erste Stufe des CCD gesteuert wird, und am Ausgang befindet sich zwischen der letzten Elektrode 43, der letzten vierten Stufe und dem Ausgangsanschluß 6 ebenfalls eine weitere Schottky-Elektrode 50, mit der die Ladungsentnahme aus der letzten Stufe gesteuert wird. Mit der Ausgangs-Elektrode 6 ist eine Ausleseschaltung 80
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verbunden, die aus zwei Feldeffelcttransistoren 81 , 82 und einem Widerstand S3 besteht. Der Feldeffekttransistor 82 bildet mit dem Widerstand 83, der auf der einen Seite an Masse gelegt ist und an der anderen Seite mit der Source-Elektrode 322 dieses FeIdeffekttransistors verbunden ist, einen Source-Folger. Der Ausgang A der Ausleseschaltung ist mit der Source-Elektrode 822 verbunden. Die Drain-Elektrode 821 dieses Feldeffekttransistors 82 ist mit einer Versorgungsspannung U-^ verbunden. Die Gate-Elektrode dieses Feldeffekttransistors 82 ist mit der Ausgangs-Elektrode 6 des CCD verbunden. Wenn an der Ausgangs-Elektrode 6 Ladungen eintreffen, wird das Potential der Gate-Elektrode 823 des Feldeffekttransistors 82 verändert, so daß der Transistor 82 aufgeschaltet wird und an dem Ausgang A ein Spannungssprung auftritt. Um die Gate-Elektrode 823 des Feldeffekttransi- stors 82 wieder rücksetzen zu können, ist diese Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode des anderen Feldeffekttransistors 81 verbunden. Die Source-Elektrode 811 dieses Feldeffekttransistors 81 ist mit einer Referenzspannungsquelle UR - verbunden. Die Rücksetzoperation wird über die Gate-Elektrode 813 des Feldeffekttransistors 81 mit Hilfe eines Rücksetzimpulses R gesteuert. Mittels dieses Rücksetzimpulses R wird der Feldeffekttransistor 81 geöffnet und dadurch die Gate-Elektrode 823 sowie die Anschlußelektrode 6 des CCD auf das Referenzpotential gelegt. Am Ende des Rücksetζimpulses R ist somit die Anschluß-Elektrode 6 sowie die Gate-Elektrode 823 des Feldeffekttransistors 82 in einen Zustand gebracht, der eine erneute Bewertung der aus dem CCD an der Anschluß-Elektrode β eintreffenden Ladungen ermöglicht.
Die Fig.3 zeigt ein v/eiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Bauelementes, das im wesentlichen der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform entspricht. Im Unterschied zu der dort dargestellten Ausführungsform befindet sich jedoch zwischen dem semiisolierenden Substrat 1 und der nleitenden Schicht 3 eine weitere, gegenüber der Schicht 3 schwäeher η-leitende Schicht 2. Diese Schicht 2 hat beispielsweise
13 -3 eine Ladungsträgerkonzentration von<10 cm und eine Dicke
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.40-
von 3OOO nm. Die Schicht 2 kann beispielsweise zusammen mit der Schicht 3 in der Weise hergestellt werden, daß auf das semiisolierende Galliumarsenid-Substrat 1 eine epitaktische Schicht mit der für die Schicht 2 vorgesehenen Ladungsträgerkonzentration abgeschieden wird. Sodann kann beispielsweise mittels Ionenimplantation der für die Schicht 3 vorgesehene Anteil dieser epitaktischen Schicht stärker dotiert werden, so daß die
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vorgesehene Ladungsträgerkonzentration von etwa 1·10 cm erreicht wird. Die Einführung der niedriger dotierten Schicht 2 zwischen dem semiisolierenden Substrat und der für das CCD aktiven Schicht 3 setzt den nachteiligen Einfluß tiefer Haftstellen, die an der Grenzfläche zwischen dem semiisolierenden Substrat und der darauf abgeschiedenen epitaktischen Schicht auftreten können, auf die Funktion des CCD herab. Derartige Haftstellen erweisen sich als nachteilig, da sie einen unvollkommenen Ladungstransport und ein erhöhtes Rauschen in dem CCD hervorrufen.
Für die Anordnung der Elektroden sowie für die Ausleseschaltung gilt für das in Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel das gleiche, was bereits im Zusammenhang mit dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
In Fig.4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen ladungsgekoppelten Bauelementes dargestellt. In diesem Beispiel sind die CCD-Elektroden keine Schottky-Kontakte, sondern es sind p+-dotierte Kontakte als Elektroden des CCD vorgesehen. Diese p+-dotierten Kontakte bestehen aus p+-dotierten Gebieten 101, 111, 121, 131, 411, 421, 431, 501, die beispielsweise 100 nm tief in die η-dotierte Schicht 3 hineinreichen. Auf diesen p+-dotierten Gebieten befinden sich dann Anschluß-Elektroden, die beispielsweise aus TiPtAu bestehen. Die Verwendung von derartigen p+-Kontakten anstelle von Schottky-Kontakten hat zur Folge, daß die aus diesen p+-dotierten Gebieten und der η-leitenden Schicht 3 gebildeten Dioden gegenüber Dioden, die aus Schottky-Kontakten bestehen, in Flußrichtung mit einem er-
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höhten Spannungshub und mit kleineren Sperrströmen betrieben werden können. Für die Ansteuerung und die Funktion der einzelnen Elektroden sowie für die Ausleseschaltung gilt für das Ausführungsbeispiel nach Fig.4 das gleiche, was bereits für das Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ausgeführt wurde.
Fig.5 stellt ein Beispiel für ein Taktprogramm für ein erfindungsgemäßes ladungsgekoppeltes Bauelement dar. Mit 0^ sind Taktimpulse bezeichnet, die an die Elektroden 11, 21, 31, 41 des als Beispiel gewählten 3-phasigen, 4stufigen CCD gelegt werden. Mit 0..Q ist ein Impuls bezeichnet, mit dem der Eingang des CCD geöffnet wird, so daß aus der Eingangs-Elektrode 5 Ladungen in das CCD fließen können. Mit 0A sind Impulse bezeichnet, die am Ausgang A der Ausleseschaltung auftreten. In dem gewählten Beispiel eines 3-phasigen, 4-stufigen CCD sind entsprechend der Stufenzahl vier Taktimpulse 0^ notwendig, um nach öffnen des CCD-Einganges mit dem Impuls 01Q einzelne Ladungspakete durch die einzelnen Stufen zu transportieren, so daß bei einem fünften Taktimpuls 01 am Ausgang A der Leseschaltung ein erster Impuls 0A erscheint.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt beispielsweise die Länge der einzelnen Elektroden in der YerSchieberichtung des CCD 5/um, der Abstand (die Spaltbreite) zwischen den einzelnen Elektroden 2/um und die Gate-Breite (senkrecht zur Yerschieberichtung) etwa 200/um. Die Dicke und die Dotierung der n-Schicht ist so gewählt, daß beim Anlegen einer Spannung Yp zwischen der Eingangs-Elektrode 5 und den die Ladungsverschiebung bewirkenden Elektroden (10 bis 50) die η-leitende Schicht 3 von Elektronen ausgeräumt ist. Die Spannung Yp kann etwa zwischen -10 Volt und 0 YoIt variieren. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde Yp = 2 YoIt gewählt. Wenn alle Elektroden des CCD an der Spannung Vp liegen, so ist die ganze n-leitende Schicht 3 ausgeräumt. Erhöht man die Spannung an der Elektrode 10 und 11, so fließen Elektronen von dem Anschlußkontakt 5 in das Halbleiter-Gebiet unter den Gate-Elektroden 10 und 11. Wird
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an die Elektrode 10 wieder die Spannung ¥p gelegt, so ist also unter der Elektrode 11 ein Elektronenpaket gespeichert. Erhöht man nun die Spannung an der Elektrode 12 und senkt man die Spannung an der Elektrode 11, so fließen die Elektronen, die sich in dem Gebiet unter der Elektrode 11 befinden, in das Gebiet, das sich unter der Elektrode 12 befindet. Das Elektronenpaket wird in ähnlicher Weise von der Elektrode 12 zur Elektrode 13, von der Elektrode 13 zu der Elektrode 21 und so fort weitertransportiert, bis es am Ausgang hinter der Elektrode 50 den zweiten ohmsehen Kontakt 6 erreicht, der mit der Leseschaltung verbunden ist.
14 Patentansprüche
5 Figuren
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Leerseite

Claims (14)

te η-tr -ρ r U ch e2743245ans77 P 7 1 3 6 BROP a
1.jLadungsgekoppeltes Element (CCD), bei dem sich auf einem Halbleiterkörper aus Galliumarsenid in Reihe angeordnete Elektroden mit Sperreigenschaften befinden, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper ein semiisolierendes GaAs-Substrat (1) aufweist, auf dem sich eine η-leitende Schicht (3) aus GaAs mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1.10 5 bis 5*10 cnT^ befindet, und daß die Elektroden (10 bis" 13, 21 bis 23,. 31 bis 33, 41 bis 43, 50) mit dieser η-leitenden Schicht (3) einen sperrenden Übergang bilden.
2. Ladungsgekoppeltes Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (10 bis 13, 21 bis 23, 31 bis 33, 41 bis 43, 50) (Fig.2) Schottky-Elektroden sind.
3. Ladungsgekoppeltes Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schottky-Elektroden aus Al oder einer Schichtfolge von TiPtAu oder WoPtAu bestehen.
4. Ladungsgekoppeltes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden stark p-dotierte Gebiete (101 bis 131, 411 bis 431, 501, Fig.4) aufweisen, die sich an der Oberfläche der η-leitenden Schicht (3) befinden, an denen Anschluß-Elektroden (10 bis 13, 41 bis 50) angebracht sind.
5. Ladungsgekoppeltes Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sich die stark p-dotierten Gebiete bis etwa 500 mn, vorzugsweise etwa 100 nm, in die Tiefe der η-leitenden Schicht (3) hinein erstrecken.
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ORIGINAL INSPECTED
•a·
6. Ladungsgekoppeltes Element nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß am Anfang und am Ende der Reihe der Elektroden jeweils wenigstens eine, gegenüber der η-leitenden Schicht nicht-sperrende Anschluß-Elektrode (5, 6) ist.
7. Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Elektroden zwischen 0,5 und 2,5/um beträgt.
8. Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die 3reite der Elektroden in Querrichtung zu der Richtung der Elektrodenreihe etwa 200/um beträgt.
9. Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der Elektroden etwa 5/um beträgt.
10.Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der nleitenden Schicht (3) etwa 0,2/um beträgt.
11.Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die n-leitende Schicht (3) mit einem oder mehreren der Elemente Schwefel, Selen, Siliziuia, Zinn dotiert ist.
12.Ladungsgekoppeltes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die n-leitende Schicht (3) eine Dotierstoffkonzentration zwischen 1·10 und 5.1O17 cm"3 besitzt.
13.Ladungsgekoppeltes Element nach einem d_e.r Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß sich zwischen
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·3·
dem semiisolierenden Substrat (1) und der η-leitenden Schicht (3) eine v/eitere, schv/ach η-dotierte Schicht (2) befindet.
14. Ladungsgekcppeltes Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (2) eine Ladungs-
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trägerkonzentration von <10 cm aufweist.
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