DE2811961A1 - Farbbildabtasteinrichtung - Google Patents

Farbbildabtasteinrichtung

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Description

Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika
Farbbildabtasteinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Farbbildabtasteinrichtung in Festkörper technik, wie sie beispielsweise zur zeilenweisen Abtastung eines Bildes für Videoaufzeichnungen oder Fernseh-Anwendungen verwendbar ist.
Aus der US-Patentschrift 3,985,449 ist eine Festkörper-Farbbildabtasteinrichtung bekannt, welche eine Anordnung von Halbleite rphotoelemen ten verwendet, wobei jedes Element einen Wellenlängenbereich erfaßt, welcher von der Vorspannung abhängt, die dem Element zugeführt wird. Das Abtasten der drei Grundfarben kann erreicht werden, indem dasselbe Element nacheinander bei drei unterschiedlichen Vorspannungen betrieben wird, oder indem eine Gruppe von drei Elementen verwendet wird, wobei jedes Element mit einer unterschiedlichen Vorspannung betrieben wird. Der Stand der Technik zeigt, daß es vorteilhaft ist, eine Gruppe von drei Elementen zu verwenden, um die Färb informationen der drei Grundfarben gleichzeitig zu erhalten.
Obwohl eine Anordnung von Gruppen aus jeweils drei Elementen gemäß US-PS 3,985,449 funktionsfähig ist, arbeitet diese nicht zufriedenstellend. Da drei Abtastpunkte verwendet werden, um die Information für einen einzelnen Bildpunkt zu erhalten, ist die Auflösung nur ein Drittel der Auflösung, die erreicht werden kann, wenn nur ein Abtastpunkt verwendet wird. Ferner ist der Wirkungsgrad der Anordnung deshalb schlecht, weil nur ein
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Färb anteil des einfallenden Lichtes auf ein bestimmtes Photoelement zur Erzeugung eines Signals benutzt wird. Der Rest des auf ein solches Photoelement fallenden Lichtes geht verloren. Die Anordnung ist daher weniger empfindlich, als wenn das gesamte, auf jedes einzelne Photoelement einfallende Licht zur Erzeugung eines Signals verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Farbbildabtasteinrichtung in Festkörpertechnik, die Auflösung für alle drei Grundfarben zu verbessern, den Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit zu steigern, wobei die Farbinformationen für einen Bildpunkt gleichzeitig verfügbar sein sollen. •Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Halbleiterscheibe wechselweise Schichten aus Silizium mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in Form von übereinanderliegenden Kanälen eingelagert sind, von denen jeder Kanal in Abhängigkeit seiner Entfernung von der Bildempfangs oberfläche für Licht eines einzigen vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfindlich ist.
Bei einer ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD = Charge Coupled Device) sind unterhalb der Gate-Elektroden in bestimmten Tiefen Kanäle eingebettet, wobei die Tiefe der Kanäle den Absorptionskoeffizienten bestimmter Spektralfarben zugeordnet sind. Durch eine derartige Einlagerung von Kanälen erhält man eine Farbbildabtasteinrichtung mit optimaler Auflösung. Hierbei sind die Farbinformationen für einen Abtastpunkt gleichzeitig verfügbar, so daß keine besonderen Maßnahmen zur Korrektur von Phasenunterschieden zwischen unterschiedlichen Farbsignalen eines Abtastpunktes erforderlich sind.
Da die Kanäle übereinander angeordnet sind, ist die Auflösung die gleiche, wie für eine einfarbige Bildwandlereinrichtung, welche Einzelbildpunkte verwendet. Da ferner jedes Licht, das
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nicht in einem Kanal zur Erzeugung eines Bildsignals absorbiert wird, in einem darunterliegenden Kanal absorbiert wird, wird alles Licht zur Erzeugung von Bildsignalen verwendet, so daß kein Licht verlorengeht und die Empfindlichkeit der Anordnung wesentlich gesteigert ist.
In der vorliegenden Erfindung wird eine ladungsgekoppelte Einrichtung mit eingebetteten Kanälen (BCCD = Buried-Channel Charge Coupled Device) mit drei Kanälen verwendet, welche durch sechs Siliziumhalbleiterschichten von wechselweise unterschiedlichem Dotierungstyp gebildet werden. Durch das Festlegen der Dicken der ersten und zweiten Schicht, derart, daß das Eindringen einer ersten Farbe in die dritte und weitere Schichten infolge ihrer speziellen Absorption verhindert wird und durch das Festlegen der Dicken der ersten bis vierten Schicht, derart, daß das Eindringen einer zweiten Farbe in die fünfte und sechste Schicht infolge ihrer Absorption verhindert wird, wird eine drei-kanalige farbempfindliche BCCD erreicht. Angenommen, die erste, dritte und fünfte Schicht ist p-dotiert und die zweite, vierte und sechste Schicht ist jeweils η-dotiert (die sechste Schicht kann aus dem Halbleitersubstrat bestehen) , erstreckt sich ein erster Signalkanal von der Oberfläche der Einrichtung bis zu einer Ebene innerhalb der η-dotierten zweiten Schicht, wobei die p-dotierte erste Schicht eventuell vorhandene Signalladungen trägt; entsprechend erstreckt sich ein zweiter Signalkanal von einer Ebene innerhalb der η-dotierten zweiten Schicht bis zu einer Ebene innerhalb der η-dotierten vierten Schicht, wobei die dazwischenliegende p-dotierte dritte Schicht eine zweite, Signalladungen tragende Schicht bildet; schließlich erstreckt sich ein dritter Signalkanal von einer Ebene innerhalb der η-dotierten vierten Schicht bis in die n-dotierte sechste Schicht, wobei die dazwischenliegende p-dotierte fünfte Schicht eine dritte, Signalladungen tragende Schicht bildet. Obwohl jeder der drei Signalkanäle eine Breite hat, die benach-
barte, nicht signaltragende Schichten einschließt, driften die durch Photonen erzeugten Signalladungsträger, welche innerhalb der nicht signaltragenden Schichten erzeugt werden, selektiv zu den entsprechenden signaltragenden Schichten und werden dort weiterverarbeitet.
Wenn z. B. die erste, zweite und dritte Farbe blau, grün und rot ist, driften alle durch Photonen innerhalb des ersten Kanals durch blaue, grüne und rote Strahlung erzeugten Ladungsträger zur ersten Schicht, um hier durch die auf der Oberfläche der Einrichtung liegenden Gate-Elektroden verarbeitet zu werden. Entsprechend driften alle durch Photonen innerhalb des zweiten Kanals durch grüne und rote Strahlung erzeugten Ladungsträger zur dritten Schicht, um dort durch die Gate-Elektroden weiterverarbeitet zu werden. Weiterhin driften alle durch Photonen innerhalb des dritten Kanals durch rote Strahlung erzeugten Ladungsträger zur fünften Schicht, um dort durch die Gate-Elektroden weiterverarbeitet zu werden. Hierdurch werden die Gate-Elektroden der BCCD für alle drei Kanäle gemeinsam verwendet und alle drei Farbsignale werden gleichzeitig und in genauer Phasenlage zueinander verarbeitet, da die drei Farbbpunkte übereinanderliegen, anstatt seitlich nebeneinander.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen
Fig. 1a die in der Halbleiterscheibe angeordneten Siliziumschichten mit einem lagegerecht dargestellten Energiebanddiagramm bei angelegter Spannung in schematischer Darstellung;
Fig. 1b das Energiebanddiagramm gemäß Fig. 1a ohne angelegte Spannung in schematischer Darstellung;
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Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 im Schnitt;
Fig. 4 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 im Schnitt entlang der Linie 4-4 und
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Ansicht.
Der Aufbau einer Mehrfachkanal BCCD entsprechend der Erfindung wird anhand der Fig. 1a, welche ein Energiebanddiagramm darstellt, beschrieben. Ausgehend von einer ursprünglich n-dotierten Halbleiterscheibe oder einem Substrat (sechste Schicht), mit einer Dotierung von z. B. 2 χ 10^4 Donatoratomen pro cm , wird ein p-dotierter Bereich von z. B. 1 um Dicke (fünfte Schicht) durch Ionenimplantation erzeugt, wobei die Dotierung des p-dotierten Bereichs z. B. 0,6 χ 10^ Atome pro cm3 beträgt, Dann wird eine η-dotierte Epitaxials chicht von beispielsweise 2 um Dicke auf den p-dotierten Bereich durch Erhitzen der Siliziumscheibe in einer Arsen-dotierten Silanatmosphäre aufgetragen. Die Dotierung der Epitaxialschicht beträgt z. B. 0,8 χ 10^6 Atome pro cm . Dann wird ein p-dotierter Bereich von z.B. 1 um Dicke und einer Dotierung von 1 χ 10^ Atomen pro cm3 in der η-dotierten Epitaxialschicht durch Ionenimplantation erzeugt, um zwei Schichten, d. h. die dritte und vierte Schicht zu bilden, wobei jede Schicht z. B. 1 um dick ist. Danach wird wiederum eine η-dotierte Epitaxialschicht auf die p-dotierte dritte Schicht durch Erhitzen der Siliziumscheibe in einer Arsen-dotierten Silanatmosphäre aufgetragen, wobei diese Epitaxialschicht eine Dicke von z. B. 1,3 um aufweist. Durch Ionenimplantation in eine Tiefe von z. B. 0,3 um (Dotierung 3,5 χ 10^6 Boratome pro cm3) in die Epitaxialschicht,
wird diese in zwei Schichten unterteilt, wobei die eine Schicht eine Dicke von z. B. 0,3 um und die andere eine Dicke von z. B. 1 um aufweist (dies ist die erste und zweite Schicht der erfindungsgemäßen Einrichtung). Dann wird auf die Oberfläche eine Gate-Oxidschicht 10 aufgetragen, auf welcher dann transparente, elektrisch leitende Gate-Elektroden 12 angebracht werden.
Die Herstellung der Gate-Oxidschicht und der leitenden Gate-Struktur wird durch den Typ der ladungsgekoppelten Einrichtung (CCD) bestimmt: Zweiphasig, dreiphasig, vierphasig oder Interline Verschiebungstyp. Diese Möglichkeiten des Aufbaus sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Für die verschiedenen Schichten müssen geeignete elektrische Anschlüsse vorgesehen werden. Diese werden außerhalb des Bereichs der Gate-Elektroden hergestellt, insbesondere außerhalb der Ladungsabflußelektrode, am Eingangs- oder Ausgangsende jeder Photoelement- oder Gate-Elektrodenzeile. Bei einem derartigen elektrischen Kontakt sind die p-dotierten ersten, dritten und fünften Schichten in Sperrichtung gepolt in bezug auf die zweite und vierte Schicht und das Substrat. (Das Substrat, die zweite und vierte Schicht liegen z. B. auf Massepotential und die erste, dritte und fünfte Schicht werden auf negativem Potential in bezug auf die zweite und vierte Schicht und das Substrat gehalten.) Das Energiebanddiagramm ohne Vorspannung ist in Fig. 1b gezeigt. Durch Anlegen einer Sperrspannung werden alle beweglichen Ladungsträger von den Schichten abgezogen, wodurch sich das Energiebanddiagramm nach Fig. 1a ergibt. Die genaue Form des Energiebanddiagramms hängt in kritischer Weise .von der Dotierung der verschiedenen Schichten und des Substrats, der Dicke der Gate-Oxidschicht und der Vorspannung der Ladungsabflußelektroden ab. Wenn diese Parameter bekannt sind, kann das Energiebanddiagramm nach Methoden des Standes der Technik erhalten werden.
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Die Schichtdicken und Dotierungen in Fig. 1a mit einer Gate-Oxidschicht dicke von 0,2 um und mit einer kleinen negativen Vorspannung, ergeben relative Minima im Energiebanddiagramm bei etwa 0,7 um und 2,6 um unterhalb der Gate-Oxidschicht. Der erste photoempfindliche Kanal ist ungefähr 0,7 um breit und ist begrenzt durch den Zwischenraum zwischen der Oxidschicht 10 und dem ersten Energiebandminimum, d. h. dem der Oxidschicht am nächsten liegenden Minimum. Der zweite photoempfindliche Kanal ist etwa 1,9 um breit und ist begrenzt durch die beiden Potentialminima. Der dritte photoempfindliche Kanal ist über 10 um breit und wird nach Fig. 1a auf der linken Seite durch das zweite Energiebandminimum und auf der rechten Seite einige um innerhalb des Substrats begrenzt, was hauptsächlich von der Diffus ions länge der Minoritätsträger abhängt.
Die Bildabtasteinrichtung, welche durch die oben beschriebene BCCD gebildet wird, wird von der Gateseite mittels Licht angestrahlt. Sowohl die isolierende Gate-Oxidschicht, als auch die Gate-Elektrode sind praktisch durchsichtig für sichtbares Licht. Photonen im sichtbaren Spektrum werden im wesentlichen vollkommen in der Schichtstruktur absorbiert, da für den Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,7 um die Eindringtiefe zwischen 0,2 um und 5 um liegt. Blaues Licht (0,40 bis 0,49 um) wird hauptsächlich in dem 0,7 um breiten, der Gate-Oxidschicht am nächsten gelegenen Kanal absorbiert. Grünes Licht wird hauptsächlich innerhalb der beiden der G ate-Oxidschicht am nächsten gelegenen Kanäle absorbiert. Nur rotes Licht dringt tiefer als bis zur Grenze zwischen dem zweiten und dritten Kanal bei 2,6 um ein und wird daher innerhalb des dritten Kanals absorbiert.
Bei einer p-Kanal Anordnung erzeugt ein Absorptionsvorgang ein Loch als Signalladung. Das Loch wird an der Stelle oder Tiefe
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im Halbleiter erzeugt, an welcher der AbsorptionsVorgang stattfindet. Wenn ein Signalloch 14 im ersten Kanal entsteht (durch ein rotes, grünes oder blaues Photon), driftet es zu dem Potentialwall 16 des ersten Kanals; entsprechend driftet ein in dem zweiten Kanal durch ein grünes oder rotes Photon erzeugtes Signalloch 18 zu dem Potentialwall 20 des zweiten Kanals; ein im dritten Kanal (durch ein rotes Photon) erzeugtes Signalloch 22 driftet zum Potentialwall 24 des dritten Kanals. Die Signalladung addiert sich in den Kanälen entsprechend der auf die Fläche unter der Gate-Elektrode einfallenden Lichtmenge auf.
Das elektrostatische Potential der drei Potentialwälle, in welchen die Signalladungen addiert werden, kann durch die Spannung an der Gate-Elektrode gesteuert werden. In vorteilhafter Weise werden die zu allen drei Farbkanälen gehörenden Potentialwälle durch eine einzige Gate-Spannung gesteuert, wodurch die Signallöcher gleichzeitig bewegt werden können. Die Löcher können z. B. von einem Bereich unterhalb eines Gates zu einem Bereich unterhalb eines benachbarten Gates verschoben werden, wie das bei normalen ladungsgekoppelten Einrichtungen (CCD) aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Gemäß Fig. 2 bis 4 weist eine erfindungsgemäße Drei-Phasen-Linear-BCCD-Bildwandlereinrichtung eine η-dotierte Siliziumscheibe (Chip) 26 auf, in welche eine p-dotierte Schicht 28 ionenimplantiert ist. Auf eine η-dotierte Epitaxials chicht 30, welche auf die Schicht 28 aufgebracht wurde, wurde eine p-dotierte Schicht 32 ionenimplantiert; eine auf die Schicht 32 aufgebrachte η-dotierte Epitaxials chicht 34 enthält eine pdotierte ionenimplantierte Schicht 36. Wie anhand der Fig. 1a erläutert wurde, sind die Schichten 28, 32 und 36 z. B. 1 um,
1 um und 0,3 um dick; die Epitaxialschichten 30 und 34 sind
2 um und 1,3 um dick.
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Die Oberfläche der Anordnung ist mit einer transparenten Oxidschicht 38 von SiO2 bedeckt, welche die Gate-Oxidschicht darstellt, die wiederum mit einer linearen Anordnung von transparenten Gate-Elektroden 40 bedeckt ist, die zum Zweck der Ladungsverschiebung in geeigneter Weise miteinander verbunden sind.
Die Schicht 36 ragt an jedem Ende in Richtung der Seite X der Anordnung heraus. Entsprechend ragt die Schicht 28 an jedem Ende in Richtung auf die Seite Y der Anordnung heraus. Die Schicht 32 ragt an jedem Ende der Anordnung in Richtung der Seiten Z-Z heraus.
Stark p-dotierte Diffusions ζonen 42, 44 und 46, welche als Verbindungsleitungen dienen, führen durch Fenster in der nichtleitenden Oxidschicht 38 zu den zugehörigen p-dotierten Schichten 28, 32 und 36. Auf den Diffusions ζonen 42, 44 und 46 sind Metallkontakte 48, 50 und 52 angeordnet. Eine kanalbegrenzende Diffusions ζone 47, welche nur in Fig. 2 gezeigt ist, begrenzt die durch die Gate-Elektroden 40 zu verarbeitenden, durch Photonen erzeugten Ladungen.
Ein typsiches Anwendungsgebiet für die Einrichtung gemäß Fig. 2 bis 4 wäre die zeilenweise Bildabtastung. Bei einer typischen Arbeitsweise der Anordnung würden an die Kontakte 48, 50 und 52 negative Spannungen angelegt. Durch diese Spannungen werden bewegliche Ladungsträger von den durch die Schichten 28, 32 und 36 gebildeten signalverarbeitenden Kanälen zurückgehalten und das Energiebandprofil gemäß Fig. 1a erzeugt. Nach einer Zeitdauer, während welcher die durch Photonen erzeugten Löcher in den durch die Schichten 28, 32 und 36 gebildeten Kanälen, z. B. unter der Gate-Elektrode 4OA, gesammelt wurden (welche bisher an null VpIt lag), wird eine negative Spannung an die Gate-Elektrode 4OA angelegt, während die Gate-Elektrode 4OB gleich-
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zeitig auf null Volt gelegt wird. Hierdurch, werden die Signallöcher in jedem der durch die Schichten 2 8, 32 und 36 gebildeten Kanäle gleichzeitig von dem Bereich unter der Gate-Elektrode 4OA zu dem Bereich unter der Gate-Elektrode 40B verschoben.
Wie schon anfangs bemerkt, bietet die vorliegende Erfindung viele Verbesserungen gegenüber den bisher bekannten Festkörper-Farbbildabtasteinrichtungen, insbesondere verbesserte räumliche Auflösung und höheren Quantenwirkungsgrad.
Da die abgetasteten "übereinanderliegenden" Farbsignale gleichzeitig aus der Einrichtung austreten, können sie an eine Matrixschaltung angelegt werden, die in bekannter Weise die entsprechenden Anteile für die einzelnen Farben aussondert. In Fig. 2 ist eine solche Matrixschaltung vereinfacht dargestellt.
Die Erfindung wurde im einzelnen in bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch liegen auch andere Varianten und veränderte Ausführungsformen im Bereich des vorliegenden Erfindungsgedankens. Während z. B. in Fig. 2 bis 4 eine zeilenweise Bildabtasteinrichtung dargestellt ist, kann das Prinzip der Erfindung auch bei einer flächenweisen Bildabtastanordnung verwendet werden, wie das z. B. in Fig. 5 gezeigt ist. Während außerdem in Verbindung mit Fig. 1 bis 4 eine p-Kanal-Anordnung beschrieben ist, kann genauso gut eine n-Kanal-Anordnung entsprechend Fig. 1 bis 4 verwendet werden, wobei alle Dotierungs typen in Fig. 1 bis 4 umgekehrt und Gate-Spannung und Vorspannung positiv werden. Obwohl außerdem eine Drei-Kanal-Anordnung beschrieben ist, liegt entsprechend eine Anordnung mit beliebiger Kanalzahl im Bereich der Erfindung, vorausgesetzt natürlich, daß die Kanäle auf unterschiedliche Farben ansprechen. Wenn erforderlich, können außerdem Filter über der Einrichtung angeordnet werden, um die Lichtempfangsfähigkeit der Einrichtung z. B. auf den sichtbaren Spektral-
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bereich zu begrenzen. Obwohl ferner in Fig. 2 bis 4 eine Drei-Phasen-Anordnung gezeigt ist, sind auch Zwei- oder Vier-Phasen-Anordnungen, wie auch Bildwandlereinrichtungen vom Interline-Transfer-Typ im Bereich der Erfindung eingeschlossen.
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Claims (5)

17. März 1978
Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York Vereinigte Staaten won Amerika
Patentansprüche
Faxbbildabtasteinrichtung mit einer Bildempfangsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Halbleiterscheibe (26) wechselweise Schichten (28, 30, 32, 34, 36) aus Silizium mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in Form von übereinanderliegenden Kanälen (16, 20, 24) eingelagert sind, von denen jeder Kanal in Abhängigkeit seiner Entfernung von der Bildempfangsoberfläche für Licht eines einzigen vorbestimmten Wellenlängenbereichs empfindlich ist.
2. Faxbbildabtasteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei übereinanderliegend eingelagerte Kanäle (16, 20, 24) , von denen der der Bildempfangsoberfläche am nächsten liegende Kanal (16) auf rotes, grünes mnd blaues Licht empfindlich ist, der ¥oa der BiIdempfangsoberfläche am weitesten entfernte Kanal (24) iur auf rotes Licht empfindlich ist, und der dazwischen liegende mittlere Kanal (20) nur auf rotes und grünes Licht empfindlich ist.
3. Farbbildabtasteinrichtumg mach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheibe sechs Siliziumschichten (26, 28, 30, 32, 34, 36} "ran abwechselnd entgegengesetztem E.citfähigkeitstyp- aufweist, wobei die erste, der Bildempfangsoberf lache am nächsten gelegene Schicht (36) eine
Dicke von weniger als etwa 0,7 um aufweist, die erste, zweite und dritte Schicht (36, 34, 32) eine Gesamtdicke von weniger als etwa 2,6 um aufweisen und die erste, zweite, dritte und vierte Schicht (36, 34, 32, 30) eine Gesamtdicke von mehr als 2,6 um aufweisen.
4. Farbbildabtasteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe (26) ein nichtleitender Überzug (10, 38) aus transparentem Material aufgebracht ist, und daß auf diesem nichtleitenden Überzug transparente Elektroden (12, 40) in zeilenförmiger Anordnung vorgesehen sind, die zum Zweck der Ladungsverschiebung in geeigneter Weise miteinander verbunden sind.
5. Farbbildabtasteinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, dritte und fünfte Schicht (36, 32, 28) über stark dotierte Diffusionsζonen (46, 44, 42) mit metallischen Kontakten (48, 50, 52) verbunden sind, an welche eine an sich bekannte Matrixschaltung anschaltbar ist.
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DE2811961A 1977-03-24 1978-03-18 Farbbildabtasteinrichtung in Festkörpertechnik Granted DE2811961B2 (de)

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