DE2901735A1

DE2901735A1 - Festkoerperabbildungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2901735A1
Application number: DE19792901735
Authority: DE
Inventors: Norio Koike; Masaharu Kubo; Shinya Ohba; Iwao Takimoto; Shuhei Tanaka
Original assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Denshi KK; Hitachi Ltd
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE2901735C2; JPS6017196B2; NL7900496A; GB2013026A; FR2415398A1; FR2415398B1; US4223330A; CA1129081A; JPS5498521A; GB2013026B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verwendung in Fernsehkameras usw. Sie richtet sich insbesondere auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, welche eine Anzahl von Bildelementen sowie Horizontal- und Vertikalabtastschaltungen aufweist, die in einem Hauptflächenbereich eines Halbleiterkörper angeordnet sind.

Im einzelnen bezieht sie sich auf eine Festkörpervorrichtung, welche Bildelemente aufweist, bei welchen aus Photodioden darin gespeicherte optische Information ausgelesen wird.

Eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung zur Verwendung in einer Fernsehkamera muß ein Auflösungsvermögen besitzen, das demjenigen einer Bildaufnahmeröhre gleichwertig ist, wie sie heute für das Fernsehen verwendet wird. Sie muß daher ungefähr 500 χ 500 photoelektrische Wandlerelemente, Schalttransistoren für die X-Y-Adressierung, welche den photoelektrischen Wandlerelementen entsprechen, und eine X-Abtastschaltung und eine Y-Abtastschaltung, welche die Schalttransistoren ein- und ausschalten und jeweils aus ungefähr 500 Stufen bestehen, aufweisen. Dementsprechend wird eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung üblicherweise unter Verwendung der MOS-LSI-Technologie hergestellt, mit welcher sich vergleichsweise einfach eine hohe Integrationsdichte erreichen läßt.

Fig. 1 dient der Erläuterung der Grundzüge einer solchen bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtung. In der Figur bezeichnet 1 eine Horizontalabtastschaltung für die X-Adressierung, während 2 eine Vertikalabtastschaltung für die Y-Adressierung bezeichnet. 3 bezeichnet einen Vertikal-

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schalttransistor, welcher durch die Schaltung 2 ein- und ausgeschaltet wird und als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ausgebildet ist (im folgenden als "MOST" abgekürzt) . 4 bezeichnet eine Photodiode, welche den Sourceübergang des Schalttransistors 3 ausnützt. Bei 5 ist eine Vertikalausgangsleitung gezeigt, an welche die Drains der Schalttransistoren 3 gemeinsam angeschlossen sind. 6 bezeichnet einen Horizontalschalttransistor, welcher durch die Horizontalabtastschaltung ein- und ausgeschaltet wird.

Er ist als MOST ausgebildet, dessen Drain mit einer Horizontalausgangsleitung 7 und dessen Source mit der Vertikalausgangsleitung 5 verbunden ist. Eine Video-Spannungsquelle 8 ist über einen Widerstand 9 mit der Horizontalausgangsleitung 7 verbunden. Die Horizontal- und Vertikalabtastschaltung schalten die Schalttransistoren 6 und 3 aufeinanderfolgend ein und aus, um über den Widerstand 9 Photoströme aus den Photodioden, die in einer zweidxmensionalen regelmäßigen Gruppierung angeordnet sind, auszulesen. Da die Signale der Photodioden dem optischen Bi Id eines darauf projizierten Objekts entsprechen, läßt sich mit obigem Vorgang ein Video-Signal herleiten. Ein Merkmal der Festkörper-Abbildungsvorrichtung dieser Art besteht in einer einfachen Integration dank der Tatsache, daß die Sources der Schalt-MOSTs für die photoelektrische Wandlung verwendet werden können und daß die MOS-Schieberegister ebenfalls als Abtastschaltungen verwendet werden können.

Bei der oben beschriebenen Festkörper-Abbildungsvorrichtung besteht jedoch das Problem, daß Ladungen, die durch Photoanregung im Bereich intensiven einfallenden Lichts erzeugt werden, in die Umgebung überströmen, mit dem Ergebnis, daß weiße Flecken, die die Diffusion wiedergeben, sich auf einem Monitor ausbreiten und daß ein vertikaler weißer Streifen erscheint. Der weiße Fleck entspricht dem Fall,

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daß überströmende Ladungen in die angrenzende Photodiode diffundiert sind, während der vertikale Streifen dem Fall entspricht, daß Ladungen in die Vertikalausgangsleitungen diffundiert sind. Insbesondere der Vertikalstreifen ist ein wiedergegebenes Bild, welches im tatsächlichen optischen Abbild nicht enthalten ist, und führt damit zu einem unnatürlichen Eindruck. Diese Erscheinung wird allgemein als "Blooming" bezeichnet und stellt einen ernsten Umstand dar, der die Praktikabilität dieser Festkörper-Abbildungsvorrichtung beeinträchtigt. Beispielsweise kann die Vorrichtung nicht im Freien verwendet werden, wo die Intensität des einfallenden Lichts hoch ist. Selbst im Inneren eines Gebäudes tritt das Blooming-Phänomen auf, wenn Metall mit einem hohen Reflexionsfaktor, ein weißer Gegenstand usw.

aufgenommen werden. Deshalb ist das Anwendungsfeld stark eingeschränkt.

Als Ergebnis einer Messung an einem Flächensensor, der zu Versuchszwecken hergestellt worden ist j haben die Erfinder herausgefunden, daß das Blooming auf die im folgenden beschriebene Ursache zurückgeht. Fig. 2A zeigt eine Schnittansicht eines Bildelements, welches eine Grundeinheit des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus bildet. 10 bezeichnet einen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps (beispielsweise des P-Leitungstyps), in welchem die Elemente integriert sind. 11 bezeichnet einen Vertikalschalt-MOST, welcher aus einem Isolationsfilm 12, einer Gate-Elektrode 13, einer Source 14 und einer Drain 15 aufgebaut ist. Source und Drain sind aus Diffusionsschichten eines Fremdstoffes eines zweiten Leitungstyps (beispielsweise des N-Leitungstyps) aufgebaut. Ein Source-übergang (NP-übergang) wird als Photodiode verwendet. Die Drain ist mit einer Aluminium-Verbindungsleitung 16 für eine Vertikalausgangsleitung verbunden.

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Die Fign. 2B, 2C und 2D sind zur Figur 2A gehörige Energieband-Diagramme. In den Diagrammen betrifft "C.B." Elektronen bzw. bezeichnet ein Leitungsband, während "V.B." Löcher betrifft bzw. ein Valenzband bezeichnet. ' Wenn der Schalt-MOST 11 durch einen von der Vertikalabtastschaltung gelieferten Impuls des Pegels "1" leitend gemacht wird _F wird die Photodiode 14 durch die Video-Spannungsguelle 8 auf eine Video-Spannung V_v aufgeladen. Wenn der Impuls auf Pegel "0" zurückkehrt, wird die Spannung der Diode, die durch die auf dem einfallenden Licht basierenden photoangeregten Ladungsträger rückwärts vorgespannt ist, entladen. Im Anfangszustand bei Beginn der Entladung werden die Potentiale der Photodiode und der Drain in der in Fig. 2B dargestellten Situation gehalten.

Hierbei bezeichnet V, eine eingebaute Spannung (im allgemeinen +0,8 V oder dergleichen), welche durch den Diodenübergang ausgebildet wird. V_p /"qi>\ bezeichnet die "0"-Pegel-Spannung des Abtastimpulses, wobei diese Spannung dem Auslege- bzw. rechnerischen Wert von 0,5 V bis 1,0 V einer Polaritätsinverterschaltung, die den Bildabtaster bildet, entspricht. Wenn das Potential der Photodiode um -0,5 V bis -1,0V ansteigt, wird die Diodenspannung entsprechend der einfallenden Lichtmenge entladen und das Potential V_v» (V_v' < V_v) der Diode (Schicht 14) nimmt ab (Fig. 2C). Wenn die Lichtmenge weiter zunimmt, überschreitet das Diodenpotential V_v" (V_v" < V_v') das Potential des Halbleiterkörpers (Fig. 2D) und die in der Diode erzeugten Elektroden durchlaufen eine unter dem Gate des MOST 11 liegenden Abschnitt und fließen in die mit der Signalausgangsleitung verbundene Drain 15.

Andererseits hält das Potential der Drain 15 einen Wert von V +Vj₃-Vp ("Q") über die ganzen Zeiten hinweg, weil eine zur Vertikalausgangsleitung mit den damit ge-

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meinsam verbundenen Drains parasitäre Kapazität mehrere zehnmal größer als die Ladungsspeicherkapazität der Photodiode ist und während jeder Horizontalabtastdauer auf die Video-Spannung aufgeladen wird. Dementsprechend wirkt die Drain bzw. die Vertikalausgangsleitung als Speicherkapazität, die Ladungen absorbiert, welche als Folge des Potentialanstiegs der Diode nicht in der Diode gespeichert werden können, und führt damit das Blooming herbei.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung zu schaffen, welche eine Einrichtung zur Unterdrückung des auf intensives einfallendes Licht zurückgehenden Blooming aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung gelöst, welche in einer Rauptfläche eines Halbleitersubstrats eines bestimmten Leitungstyps in zwei Dimensionen angeordnete photoelektrische Wandlerelfimente, Vertikalschalt-MOS-Feldeffekttransistoren und Horizontalschalt-MOS-Feldeffekttransistoren, welche die photoelektrischen Wandlerelemente auswählen, und Vertikal- und Horizontal-Abtastschaltungen, welche die Schalttransistoren ein- und ausschalten, aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vertikalschalt-MOS-Feldeffekttransistoren, welche nicht ausgewählt sind, in einen tieferen Abschaltzustand gelegt werden, das heißt, daß die Abschnitte der Hauptfläche des Halbleitersubstrats, die unter den Gate-Elektroden dieser Vertikalschalt-MOS-Feldeffekttransistoren liegen, auf einen Ladungsanhäufungspegel gesetzt werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

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Fig. 1 ein schematisches Schaltbild, welches den allgemeinen Aufbau einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung zeigt,

Fig. 2a eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines

Bildelements (Photodiode und Vertikalschalt-MOST) einer bekannten Festkörper-Abbildungsvorrichtung zeigt,

Fign. 2B, graphische Darstellungen von Energiebändern im ^{C un} in Fig. 2A gezeigten Bildelement, wobei Fig. 2B den Anfangszustand der Photodiode, Fig. 2C den entladenen Zustand der Photodiode und Fig. 2D den Zustand beim Auftreten des Blooming zeigt, 15

Fig. 3 eine Schnittansicht des Aufbaus eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung -gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4A ein schematisches Schaltbild, welches den Aufbau

einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4B eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements der Festkörper-Abbildungs

vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4C ein schematisches Schaltbild, welches ein Beispiel einer Vertikalabtastschaltung zur Verwendung in

der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

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Fig. 4D eine graphische Darstellung, welche Abtast-Ausgangsimpulse der Abtastschaltung der Fig. 4C zur Verwendung in der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4E eine graphische Darstellung von Energiebändern

im Bildelement der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei der entladene Zustand einer Photo

diode gezeigt ist, und

Fig. 5 eine Schnittansicht, welche den Aufbau eines Bildelements einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung

zeigt.

Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen beschrieben.

Mit den folgenden Ausführungsformen werden Abbildungsvorrichtungen aus N-Kanal-MOSTs beschrieben, das gleiche gilt jedoch auch für Abbildungsvorrichtungen aus P-Kanal- ■ MOSTs, wenn die verschiedenen anzulegenden Spannungen sowie die Polaritäten der Leitungstypen umgekehrt werden.

Ferner wird in der folgenden Darstellung von MOSTs ausgegangen, die Erfindung läßt sich aber auch auf Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MISFETs) ausdehnen, bei welchen ein von einem Oxidfilm verschiedener Isolationsfilm (beispielsweise aus S13S4) als Gate-Isolationsfilm verwendet wird.

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Ausführungsform 1:

Fig. 3 zeigt eine erste Ausfuhrungsform einer Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung. 17 bezeichnet ein Siliziumsubstrat des N-Leitungstyps. 18 und 19 bezeichnen trog-diffundierte Schichten des P-Leitungstyps, welche in einem Oberflächenbereich des Substrats 17 ausgebildet sind und von welchen der Trog 18 für die Integration von Auswahl3chalttransistoren und Photodioden darin und der Trog 19 für die Integration von Abtastschaltungen darin dient. Bei 20 und 22 sind Elektroden (üblicherweise aus Aluminium) gezeigt, mit denen die einzelnen P-Diffusions schichten 18 und 19 auf bestimmte Spannungen gelegt werden. Die Elektroden 20 und 22 liegen über in Teilen eines Isolationsfilms 21 vorgesehenen Ätzlöchern in Berührung mit P-diffundierten Schichten 23 und 24, die in ihrer Fremdstoffkonzentration höher als die P-diffundierten Schichten 18 und 19 liegen. Ein MOST 25 ist ein Vertikal schal t-MOST, welcher aus einer Gate-Elektrode 26 (üblicherweise aus polykristallinem Silizium), einer mit einer Signalausgangsleitung 27 (üblicherweise aus Aluminium) verbundenen Drain 28 und einer Source 29 aufgebaut ist. Die Source 29 des MOST 25 wird als Photodiode ausgenützt. Die Drain 28 und die Source 29 sind hier aus N-diffundierten Schichten ausgebildet, deren Fremdstoffkonzentration höher liegt als diejenige der trog-diffundierten Schichten des P-Leitungstyps. Die Photodiode 29 und der MOST 25 bilden ein Bildelement.

Der Blooming-Unterdrückungseffekt dieser Abbildungsvorrichtung wird nun erläutert. Da der P-Diffusionstrog 19, in welchem die Abtastschaltungen integriert sind, keine Beziehung zur Unterdrückung des Blooming hah, wird dieser üblicherweise über die Elektrode 22 an Erdpotential (0 V) gelegt. Im Gegensatz dazu liegt an dem P-Diffusionstrog 18,

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in welchem die einzelnen Photodioden integriert sind, eine positive Spannung V_a, um einen Abschnitt unterhalb der Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST auf einen Ladungsanhäufungspegel zu setzen.
Die Spannung V muß jedoch niedriger als die in Video-Spannung V_v sein, um zu verhindern, daß die übergänge zwischen dem Trog und der Source 29, der als Photodiode dient, und zwischen dem Trog und der Drain 28 zur Lieferung eines Signals in einen vorwärtsvorgespannten Zustand fallen. Ferner wird eine positive Spannung, die höher als die an den P-diffundierten Trog 18 gelegte ist, an das Substrat 17 gelegt, um den übergang zwischen dem Trog 18 und dem Substrat 17 in einen sperrvorgespannten Zustand zu legen (die Elektrode zum Anlegen der Spannung an das Substrat ist in der Figur weggelassen). Dementsprechend wird die Energie von Elektronen unterhalb der Gate-Elektrode, verglichen mit der entsprechenden Energie in der Photodiode, um eine Spannung o^rV_w selbst in dem Fall höher, wenn die Photodiode durch einfallendes Licht vollkommen entladen worden ist.

^{= v}a ^{+ V}b - ^Vp(»0»)

Mit Wahl von V zu +0,5 V und mit den am meisten üblichen Werten

für V"k und ^vn(»o") ^von 0,8 V bzw. 1,0 V ergibt sich aus Gleichung(1) ein Wert von 0,3 V für die Spannung cTv_w· Andererseits ist die Anzahl n_e von Elektronen, welche"die Spannung 0^rV_w übersteigen können und durch den unter der Gate-Elektrode 26 liegenden Abschnitt in die Signalliefer-Drain 28 fließen, durch die folgende Gleichung gegeben, wenn ng die Anzahl der in der Photodiode 29 erzeugten Elektronen bezeichnet:

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^Vw ⁿe ^{= n}O ^{exp (}~ k~T⁾

wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatür bezeichnet. Für <fV_w = 0,3 V und Raumtemperatur (T ^ 300K) ergibt sich für die Anzahl von einfließenden Elektronen im Verhältnis zur Anzahl der erzeugten Elektronen also für n_e/ ng durch Auswertung der Gleichung (2) ein Wert von 4,5 · 10~~ Durch Anlegen der positiven Spannung von ungefähr 0,5 V an den Trog, wie gemäß der Erfindung, läßt sich die Anzahl der Elektronen, die in die Signalliefer-Drain fließen, auf ungefähr 1/10000 der Anzahl im Rahmen des Standes der Technik senken, so daß es möglich wird, das Auftreten des Blooming-Phänomens in augenfälliger Weise zu verhindern.

Wenn die Fremdstoffkonzentration des Substrats in der oben beschriebenen Abbildungsvorrichtung ungefähr 10^^ Atome/cm³ beträgt, ist es wünschenswert, daß die !'-Fremdstoffkonzentration der Tröge 18 und 19 3·10¹⁵-5·10¹⁶ Atome/cm³ beträgt, daß die Fremdstoffkonzentration der P-diffundierten Schichten 23 und 24 ungefähr 10¹⁸ Atome/cm³ beträgt, um einen ausreichenden Kontakt mit den entsprechenden Elektroden 20 und 22 herzustellen, und daß die N-Fremd-

1Q 20 stoffkonzentration der Source und der Drain 10 - 10 Atome/cm³ beträgt. Diese Zahlen sind Werte, wie sie gegenwärtig bei der Herstellung von Komplementär- MOS-ICs verwendet werden, so daß sich die beschriebene Abbildungsvorrichtung leicht nach den Herstellungsverfahren von Komplementär- MOS-Vorrichtungen herstellen läßt.

Bei dieser Ausführungsform wurde der Fall betrachtet, daß die Abtastschaltung und die Photodiode in getrennten Trögen, die in ein und demselben Substrat vorgesehen sind, integriert sind, um die Funktion der Abtastschaltung nicht zu beeinträchtigen. Das Blooming läßt sich natürlich aber

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selbst dann unterdrücken, wenn die Tröge nicht vorgesehen sind und sowohl die Abtastschaltung als auch die Photodiode in einem Substrat des P-Leitungstyps integriert sind. In diesem Fall wird eine positive Spannung an das Substrat gelegt. Es muß verhindert werden, daß der übergang zwischen der Source oder Drain, die die Abtastschaltung bilden, und dem Substrat in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, und die Obergrenze der angelegten Spannung kann die eingebaute Spannung (0,8 V) nicht überschreiten. Dementsprechend ist der Aufbau der Abbildungsvorrichtung einfacher als der Trogaufbau gemäß Fig. 3, in welchem Maße auch das Herstellungsverfahren vereinfacht ist. Der Blooming-Unterdrückungseffekt ist jedoch geringer.

Ausführungsform 2;

Bei der vorstehenden Ausführungsform 1 wird das Blooming durch Anlegen einer positiven Spannung an dem im Substrat ausgebildeten Trog oder an das Substrat selbst unterdrückt.

Eine ähnliche Unterdrückung des Blooming läßt sich selbst dann durchführen, wenn, umgekehrt wie bei dem vorstehenden System, eine negative Spannung an die Gate-Elektrode des Vertikalschalt-MOST gelegt wird, das heißt, die "0"-Pegel-Spannung des Abtastimpulses, welchen der Vertikalabtaster liefert, wird bezüglich des Substrats zu einer negativen Spannung gemacht.

Die Fign. 4A bis 4D zeigen einen weiteren Aufbau der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung. In Fig. 4A bezeichnet 30 eine Vertikalabtastschaltung, 31 eine Referenzspannungsquelle für die Schaltung 30 und 32 eine Verbindungsleitung zum Anlegen einer Referenzspannung. MOSTs sind Vertikalschalt-MOSTs, deren Gates34 mit Ausgangsleitungen Oyi, 0y2 ··· der entsprechenden Stufen der Abtastschaltung verbunden sind. Eine Diode 35 ist eine Photodiode, wel-

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ehe die Source des Schalttransistors 33 ausnützt. 36 bezeichnet die Drains der Schalt-MOSTs 33, wobei diese gemeinsam mit einer Vertikalausgangsleitung 37 verbunden sind. Fig. 4B zeigt den Schnittaufbau (d,h., den integrierten Schaltungsaufbau) der in Fig. 4A gezeigten Schaltungsanordnung. Ein MOST 33' ist ein Vertikalschalt-MOST, welcher eine Gate-Elektrode 34' (üblicherweise aus polykristallinem Silizium) hat. Bei 35' ist eine Source gezeigt, welche aus einer Diffusionsschicht ausgebildet ist, welche einen Leitungstyp (beispielsweise N-Typ) hat, der demjenigen eines Substrats 38 (beispielsweise P-Siliziumsubstrat) entgegengesetzt ist, und eine Photodiode bildet. Bei 36' ist eine Drain gezeigt, welche als Diffusionsschicht mit dem gleichen Leitungstyp, wie ihn der Diodenbereich hat, ausgebildet und mit einer Vertikalausgangsleitung (üblicherweise aus Aluminium) 37' verbunden ist. 32' bezeichnet eine Verbir.dungsleitung zum Anlegen einer Referenzspannung (üblicherweise aus Aluminium), wobei diese Verbindungsleitung mit einer N-Diffusionsschicht 3 9 verbunden ist, welche als Source (oder Drain) eines MOST (siehe Fig. 4C) dient, der den Vertikalabtaster 30 aufbaut. 40 bezeichnet einen Isolationsfilm (aus SiÜ2 oder dergleichen). Fig. 4C zeigt ein Beispiel für die in Fig. 4A dargestellte Vertikalabtastschaltung 30. 41 bezeichnet eine Polaritätsumkehrschaltung, welche aus einer Serienschaltung, bestehend aus einem Last-MOST 42 und einem Treiber-MOST 43, aufgebaut ist. Ein MOST 44 ist ein übertragungs-MOST, welcher durch zwei Phasen von Taktimpulsen, die durch Taktimpulsgeneratoren 45 und 46 erzeugt werden, ein- und ausgeschaltet wird. 47 bezeichnet eine Spannungsquelle, welche die Last-MOSTs betreibt und die "1"-Pegel-Spannung der an den Ausgängen Oy], O_y2 > ··· der einzelnen SLufen erhaltenen Abtastimpulse steuert. 48 bezeichnet eine Referenzspannungsquelle, welche mit den Sources (oder' Drains)der Treiber-MOSTs gemeinsam verbunden ist und eine

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neue "O"-Pegel-Spannung ^ντντ(»ο") der Abtastimpulse setzt. Ein durch einen Eingangsimpulsgenerator 49 erzeugter Eingangsimpuls wird dem übertragungs-MOST 44 der ersten Stufe der Schaltung eingegeben. Durch Aufgabe der Taktimpulse auf die entsprechenden Stufen der Abtastschaltung wird der Eingangsimpuls in Abtastimpulse P . , ^P _V9' ··· umgewandelt, welche immer um eine Dauer des Taktimpulses verzögert sind und an den Ausgängen O ., O 2/ ··· der einzelnen Stufen (Fig. 4D) erhalten werden. Wegen des Last-MOST mit niedrigem g_m (Steilheit) stimmt dabei die Anstiegszeit mit der Ladeimpulsform überein, während die Abfallzeit wegen des Treiber-MOST mit hohem g_m mit der Entladeimpulsform übereinstimmt. Die "1""Pegelspannung ist gleich einem Wert, der durch das Abziehen der Schwellenspannung V^ des Last-MOST von der durch die Spannungsquelle 47 gelieferten Spannung ^Vdd 9^ewonnen wird. Sei ß_R das g -Verhältnis zwischen dem Tj. eiber-MO ST und dem Last-MOST, dann ist die "0"-Pegel-Spannung Vp znQii» durch die folgende Gleichung gegeben:

^Vp("0") = ^Vdd * "ßi" <³⁾

Im allgemeinen ist V-, -, ungefähr 10 V und ß_R ungefähr 10 bis 20 V, so daß die Spannung V_p/iiQn\ von 0 V um ungefähr 0,5 bis 1,0 V ansteigt. Wenn die Spannung V_s der Referenzspannungsquelle auf einen negativen Wert eingestellt wird, kann die Komponente des Anstiegs der Spannung V_p ("Q") weggehoben werden, wobei bei Einstellung der Spannung V auf eine unter -0,5 V liegende negative Spannung die Komponente des Anstiegs der Spannung Vp (»ο") ϊ-^η vollkommener Weise weggehoben werden kann. Sei V_n("o") die neue "O"-Pegel-Spannung dank des Vorsehens der Referenzspannungsquelle, dann gilt,daß V^j (»q") = = Vp zn Qπ \ - Vg. Indem man V_s in Minusrichtung tiefer macht,

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kann dementsprechend V_n^"ο") noch weiter abgesenkt werden. Aufgrund des Vorhandenseins des Übergangs 39 ist es jedoch unmöglich eine Spannung anzulegen, deren Absolutwert größer als derjenige der eingebauten Spannung (ungefähr 0,8 V) des Übergangs ist. In diesem Zustand nimmt die Oberfläche des Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode den Ladungsanhäufungspegel an. Dementsprechend wird die Energie des Gate-Bereichs für Elektronen vergleichen mit derjenigen der Photodiode um ^V_g selbst dann höher, wenn die Photodiode durch das einfallende Licht vollkommen entladen worden ist (V_v = 0 V) (siehe Fig. 4E).

-^rVs = -^Vs ^{+ V}b - ^Vp(»0») ⁽⁴⁾ 15

Bei Wahl der Spannung der Referenzspannungsquelle zu -0,5 V und dar Werte von V_b und V (»o») zu 0,8 V bzw. 1,0 V wird nach Gleichung (4) die Differenzspannung ^V₀ 0,3 V. Daher kann ähnlich wie im Fall der Ausführungsform der Fig. 3 die Anzahl der in die signalliefernde Drain fließenden Elektronen auf ungefähr 1/10000 derjenigen im Stande der Technik vermindert werden. Das eben beschriebene System ist auch auf die Abbildungsvorrichtung des in Fig. 3 gezeigten Trogaufbaus anwendbar. Durch Einstellen der Spannung des Trogs 19 auf einen tieferen Wert in Minusrichtung als die Spannung des Trogs 18 läßt sich ein größerer Effekt hinsichtlich der Unterdrückung des Blooming erreichen. Das heißt, es kann, wenn V^ die Potentialdifferenz des Troges 19 in Bezug auf den Trog 18 bezeichnet, eine Differenzspannung ifv_ gemäß der folgenden Gleichung erreicht werden, und man erzielt einen Unterdrückungseffekt, der im Ausmaß von V-, größer ist, ohne daß man durch die Referenzspannung beschränkt ist, welche auf ungefähr 0,8 V begrenzt ist.

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^Vs ^{+ V}d ^{+ V}b - ^V _P(»O")

Ausführungsform 3;
5

Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird die Flächedes Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode auf den Anreicherungspegel derart gesetzt, daß (1) eine positive Spannung an den Trog angelegt wird, in dem die Photodiode integriert ist oder daß (2) die Abtastschaltung mit einer Referenzspannungsguelle versehen und die "O"-Pegel-Spannung des Abtastimpulses auf einen negativen Wert gesetzt wird. Außer über die Spannungseinstellung läßt sich praktisch das gleiche Potential wie der Anreicherungspegel derart ausbilden, daß, wie in Fig. dargestellt, die Fremdstoffkonzentration der Fläche des Substrats unter der Gate-Elektrode hoch gemacht wird, um dadurch die Löcher der Majoritätsträger zu vermehren. 50 bezeichnet eine P-Fremdstoffschicht, welche in der Oberfläche des Substrats 38 unter der Gate-Elektrode 34' ausgebildet ist und eine größere P-Fremdstoffkonzentration hat als das Substrat. Die Fremdstoffschicht 50 läßt sich einfach durch ein Ionenimplantationsverfahren nach Vollendung der Herstellung einer Source und einer Drain und vor der Ausbildung der Gate-Elektrode ausbilden und kann ihre Fremdstoffkonzentration bei ungefähr 3 · 10^ Atome/cm³ höher als die Fremdstoff konzentration des Substrats (üblicherweise ungefähr 10*'^ Atome/cm³ ) eingestellt haben. Mit Erhöhung der Konzentration dieser Fremdstoffschicht kann der Ansammlungsgrad intensiviert und der Effekt der Erfindung verstärkt werden. Da jedoch ein MOST 33' bei der üblichen "1"-Pegel-Spannung (ungefähr 10 V) arbeiten muß, ist es günstig, die Schwellenspannung des MOST 33'

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auf unter ungefähr 2 V einzuschränken, und zweckmäßig, die Fremstoffkonzentratxon auf unter ungefähr 10' Atome/cm³ einzuschränken.

Wie oben im einzelnen in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben, kann die Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung augenfällig vermindern oder vollkommen verhindern, daß Elektronen aus einer Photodiode über einen Abschnitt unter einer Gate-Elektrode in eine Drain zur Lieferung eines Ausgangssignals fließen, und zwar dadurch (i) daß eine positive Spannung an einen Trog, indem die Photodiode integriert ist, gelegt wird oder (ii) daß die "0"-Pegel-Spannung eines Vertikalabtastxmpulses auf einen negativen Wert eingestellt wird oder (iii) daß die Fremdstoffkonzentration des unter der Gate-Elektrode liegenden Ab-Schnitts eines Vertikalschalt-MOST höher als diejenige des Substrats gemacht wird. Ferner kann, was die Herstellung der Festkörper-Abbildungsvorrichtung gemäß der Erfindung anbelangt, die Ausführungsform der Fig. 3 ohne weiteres nach genau dem gleichen Verfahren hergestellt werden, wie es das herkömmliche Herstellungsverfahren für Komplementär-MOS-Transistoren ist, die Ausführungsform der Fign. 4A bis 4D nach dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für N-Kanal-MOS-Transistoren und die Ausführungsform der Fig. 5 nach dem Herstellungsverfahren für N-Kanal-MOS-Transistoren mit zusätzlicher Ionenimplantation oder dergleichen.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurden N-Kanal-MOSTs als die konstituierenden Elemente betrachtet. Geht man von P-Kanal-MOSTs als den konstituierenden Elementen aus, müssen die Leitungstypen von Fremdstoffen des Trogs, des Substrats, der Source und der Drain sowie die Polaritäten der anzulegenden Spannungen umgekehrt werden. Natürlich ist die Erfindung auch auf eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung anwendbar, welche eine Photodiode und einen MOST für einen photoelektrischen Wandlerabschnitt und eine

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BBD (bucket brigade device = Eimerketten-Schaltung) als Abtastschaltung, usw. verwendet.

Das Verfahren der Ableitung von Signalen ist nicht auf das System der Fig. 1 beschränkt, es ist vielmehr manchmal eine Anzahl von Signalleitungen 7 vorgesehen (beispielsweise sind drei Signalleitungen für das Licht der Primärfarben vorgesehen, wenn die Vorrichtung für eine Farbfernsehrkamera verwendet wird).

Abhängig vom Abtastsystem oder dem Signalableitungssystem ist der Horizontal-MOST 7 manchmal in jeder photoelektrischen Wandlereinheit (Bildelement) vorgesehen und ein weiterer Schalt-MOST zwischen dem Vertikalschalt-MOST 3 und der Vertikalabtastschaltung 2 angeordnet.

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PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHU BEL-HOPF EBBIN6HAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 9ü Of 6O, D-800O MÖNCHEN 95

28U173S

HITACHI₇ LTD. und

HITACHI DENSHI KABUSHIKI KAISHA 17. Januar 1979

Festkörperabbildungsvorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

Festkörperabbildungsvorrichtung, welche in einem Hauptflächenbereich eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps eine Anzahl von in zwei Dimensionen angeordneten photoelektrischen Wandlerelementen, eine Anzahl von Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und eine Anzahl von Horizontalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren, welche die photoelektrischen Wandlerelemente auswählen, und Vertikal- und Horizontal-

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an- und

abtastschaltungen, welche die Schalttransistoren einausschalten, aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die nicht ausgewählten Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (25, 33') in einen tieferen .Abschaltzustand setzt, das

heißt, eine Einrichtung, wslche die unter den Gateelektroden (26, 34') der nicht ausgewählten Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren liegenden Hauptflächenbereiche in einen Ansammlungspegel setzt.
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2. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die photoelektrischen Wandlerelemente und die Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (25) in einem Trogbereich

(18) angeordnet sind, welcher in einem Hauptflächenbereich des Substrats (17) vorgesehen ist und einen zu dem des Substrats entgegengesetzten Leitungstyps hat, und daß die Einrichtung zum Setzen in einen Ansammiungspegel eine Einrichtung zum Anlegen einer bestimmten Spannung an den Trogbereich ist.

3. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (25) N-Kanalelemente sind, daß der Trogbereich (18) ein P-Leitungsbereich ist und daß die an den Trogbereich zu Ie-

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gende Spannung eine positive Spannung ist, welche niedriger als eine Video-Spannung und eine an das Substrat gelegte Spannung ist.

4. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschal t-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren P-Kanal-Elemente sind/ daß der Trogbereich ein N-Leitungsbereich ist und daß die an den Trogbereich zu legende Spannung eine negative Spannung ist, welche höher als eine Videospannung und eine an das Substrat gelegte Spannung ist.

5. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Legen der unter den Gate-Elektroden der Vertikalschal t-Metall-Isolator- Halbleiter-Feldeffekttransistor en liegenden Hauptflachenbereichein einen Ansammlungspegel eine Einrichtung zum Anlegen einer bestimmten Spannung an das Substrat ist.

6. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren N-Kanal-Elemente sind, daß das Substrat P-Leitungstyp hat und daß die an das Substrat zu legende Spannung eine posi-

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2 3 ΰ 17 3 S

tive Spannung ist, deren Absolutwert höchstens 0,8 V beträgt.

7. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren P-Kanal-Elemente sind, daß das Substrat N~Leitungstyp hat und daß die an das Substrat zu legende Spannung eine negative Spannung ist, deren Absolutwert höchstens 0,8 V beträgt.

8. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Legen der unter den Gate-Elektroden (34") der Vertikal schalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (33¹) liegenden Hauptflächenbereiche des Halbleiter-Substrats (38) in einem Ansammlungspegel eine Einrichtung zum Anlegen einer "O"-Pegel-Spannung eines bestimmten Wertes an die Gate-Elektroden der Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren ist (Fig. 4B).

9. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschalt-Metal1-1solator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (33¹) N-Kanal-Eleraente sind, daß das Substrat (38) P-Leitungstyp hat und daß die bestimmte Spannung eine negative Spannung ist, deren Absolutwert höchstens 0,8 V beträgt.

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0O. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren P-Kanal-E leinen te sind, daß das Substrat N-Leitungstyp hat und daß die bestimmte Spannung eine positive Spannung ist, deren Absolutwert höchstens 0,8 V beträgt.

11. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Legen der unter den Gate-Elektroden (34') der Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistören liegenden Hauptflächenbereiche des Halbleitersubstrats (38) in einen Ansammlungspegel die Tatsache umfaßt, daß eine Fremdstoffkonzentration der unter den Gate-Elektroden lieqenden Hauptflächenbereiche des Halbleitersubstrats höher als dieieniqe des Substrats gemacht ist (Fia. 5).

12. Festkörper-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Fremdstoffkonzentration der unter den Gate-Elektroden (34') der Vertikalschalt-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (33') liegenden Hauptflächenbereiche des Halbleitersubstrats (38) in einen Bereich zwischen 3 · 10^ und 10^ Atome/cm³ fällt.

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