DE3326924A1

DE3326924A1 - Festkoerper-ccd-bildsensor

Info

Publication number: DE3326924A1
Application number: DE19833326924
Authority: DE
Inventors: Toshimasa Hachioji Tokyo Akagi; Tomoji Ishii; Yoshinori Kamiina Nagano Ohta; Atsushi Ina Nagano Yusa
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1982-07-26
Filing date: 1983-07-26
Publication date: 1984-02-02
Also published as: JPH0410785B2; DE3326924C2; US4717945A; JPS5919480A

Description

DIPL.-ING. GERHARD I'UIS (19J2-I971)

lA-57 437

D-SOOO MÜNCHEN 90

Olympus Optical schvfeigerstrasse 2

Company Limited, _TELEFUN; ^₆₆₂₀₅₁

Tokyo, Japan Telegramm: protectpatent

TELEX: 524070

Festkörper-CCD-Bildsensor

Die Erfindung betrifft einen FestkÖrper-CCD-Bildsensor mit Verschlußfunktion, der eine Anzahl ladungsgekoppelter Bauelemente (nachfolgend als CCD-Bauelemente bezeichnet) mit Selbstabtast- und lichtelektrischer Wandlungsfunktion aufweist, sowie ein ladungsgekoppeltes Bauelement für einen solchen Bildsensor.

Da ein CCD-Bauelement Licht in ein elektrisches Ladungssignal umwandeln und die Signal ladung speichern und übertragen kann, findet sie weitverbreitete Anwendung als Bildsensor mit Selbstabtastung. Für die Verwendung eines CCD-Bauelements als Bildsensor ist bereits vorgeschlagen worden, dem CCD-Bildsensor selbst durch Steuern einer Ladungsspeicherperiode in einer Lichtempfangszone, die die lichtelektrische Wandlung vornimmt, mittels einer außerhalb angeordneten Steuereinheit Verschlußfunktion zu geben. Hierbei ist eine Ladungsübertragungs- bzw. Transferzone und eine Abflußsenkenzone über Gate-Elektroden neben der Lichtempfangszone angeordnet. Die Verschlußfunktion wird dadurch erreicht, daß die während der der Verschlußgeschwindigkeit (Verschlußöffnungszeit) entsprechenden Zeitspanne gespeicherte Ladung an die Ladungsübertragungszone weitergegeben wird, während die im Verlauf der übrigen Zeitspanne erzeugte Ladung an die Abflußsenke abgegeben wird. Die Abfluß-

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senkenzone (nachfolgend als OFD-Zone (overflow drain zone) bezeichnet) ist nach zwei Arten zu unterscheiden, nämlich einem Quertyp, bei dem die OFD-Zone auf dem Substrat der Lichtempfangszone seitlich benachbart ist, und einem Vertikaltyp, bei dem die OFD-Zone in Richtung der Dickenerstreckung des Substrats angeordnet ist. Bei der Vertikal-OFD-Zone wird die gespeicherte Ladung in das Substrat entladen, so daß eine hohe Empfindlichkeit und hohe Flächenintegration gegenüber dem Quertyp zu erzielen ist.

Wenn nun ein CCD-Bildsensor mit vertikaler OFD-Zone Verschlußfunktion erhalt, stellen sich bestimmte Nachteile ein.

Zunächst soll ein typischer Aufbau eines CCD-Bildsensors mit vertikaler OFD-Zone anhand von Fig. 1 näher erläutert werden. Gemäß Fig. 1 ist auf einem Substrat 1 aus einem üblichen η-leitenden Halbleitermaterial eine p-leitende Potentialelektrode 2 durch Ionenimplantation, beispielsweise von Bor, flächig ausgebildet. Diese Potentialelektrode 2 hat Bereiche geringerer Abmessung in vertikaler Richtung des Substrats 1. über jedem dünnen Bereich der Potentialelektrode 2 befindet sich eine Lichtempfangszone 3, während auf dem übrigen dicken Bereich ein Vertikalübertragungsbereich 4 und ein Transferbzw. Ubertragungs-Gate 5 nebeneinander angeordnet sind. Die Lichtempf<-ngszone 3 besteht aus einer Photodiode in Form eines Überganges zwischen der Potentialelektrode 2 und einer η -Oberflächenzone 6, die durch Diffusion in die Oberfläche des dünnen Bereichs der Potentialelektroden 2 gebildet ist. Die Vertikalübertragungsbereiche 4 sind in die Potentialelektrode mittels einer Vielzahl von Verschiebe- bzw. Schiftelektroden 8 induziert, die über einer Isolierschicht 7 von bestimmter Dicke oberhalb der Elektrode 2 ausgebildet sind. Diese Verschiebeelektroden 8 sind in Richtung senkrecht zur Ebene der Zeichnung nebeneinander ausgerichtet. Das Ubertragungs-Gate 5 zum Steuern der Ladungsübertragung aus der Lichtempfangszone 3 an den Vertikalübertragungsbereich 4 wird in einen Bereich der Potential-

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elektrode 2 zwischen der Lichtempfangszone 3 und dem Vertikalübertragungsbereich 4 mittels einer Ubertragungs-Gate-Elektrode

9 induziert, die auf der Isolierschicht 7 oberhalb der Potentialelektrode 2 ausgebildet ist. Ferner ist ein Kanalbegrenzer

10 vorgesehen, der Leckverluste an gespeicherter Ladung aus der jeweiligen Lichtempfangszone 3 an benachbarte Vertikalübertragungsbereiche 4 verhindert und meistens aus einer ρ -Diffusionszone besteht. Schließlich ist noch eine Lichtabschirmschicht 11 vorgesehen, die alle Oberflächen außerhalb der Lichtempfangszone 3 gegenüber dem Einfall von Licht schützt.

Der bekannte Bildsensor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet wie folgt. Zunächst sei angenommen, daß eine Rückwärtsvorspannung V zwischen der p-leitenden Potentialelektrode 2 und dem η-leitenden Substrat 1 anliegt, wie Fig. 1 zeigt, und daß die p-leitende Elektrode 2 sich im Verarmungszustand befindet. Die Verteilung des Elektrodenpotentials 0, von der Lichtempfangszone 3 zum Substrat 1 betrachtet, entspricht der in Fig. 2 gezeigten Kurve a. Wenn dann Licht 12 auf die Lichtempfangszone 3 trifft, werden Elektronen-Loch-Paare in der η -Oberflächenzone 6 erzeugt, wobei die Anzahl der Paare der Menge des einfallenden Lichts entspricht. Die dabei erzeugten Elektronen werden in der η -Oberflächenzone 6 gemäß einem elektrischen Feldgradierten gespeichert und die dabei erzeugten Löcher über die p-leitende Elektrode 2 an Erde entladen. Das Potential der η -Oberflächenzone 6 sinkt dabei entsprechend der Zunahme der gespeicherten Elektronen, bis schließlich das Potential eine Verteilung entsprechend der Kurve b in Fig. 2 hat. Gleichzeitig wird das Potential der Potentialelektrode 2 gering. Wenn die Potentialdifferenz zwischen der η -Oberflächenzone 6 und der Potentialelektrode 2 im wesentlichen einem Diffusionspotential 0, entspricht, fließt die in der η -Oberflächenzone 6 gespeicherte Ladung in das n-leitende Substrat 1 ab, weil an der η -Oberflächenzone 6 und der Potentialelektrode 2 eine Vorwärtsvorspannung anliegt. Auf diese Weise dient das η-leitende Substrat 1 als Abflußsenke für

- ir - 57 437

- 3-

das Abfließen der Ladung aus der Lichtempfangszone 3. Hierbei muß die Einrichtung so konstruiert sein, daß die gespeicherte Ladung nicht in den Vertikalübertragungsbereich 4 fließt. Das kann z.B. dadurch geschehen, daß in einem Bereich der Potentialelektrode 2 unmittelbar unterhalb der Vertikalübertragungsbereich 4 eine höhere Akzeptorkonzentrat.ion vorgesehen wird als in der Lichtempfangszone 3.

Um mit dem vorstehend beschriebenen CCD-Bildsensor eine Verschlußfunktion zu erzielen, werden abwechselnd zwei Taktimpulse 0. und 0₂ gemäß Fig. 3A und 3B an jede von mehreren Verschiebebzw. Schiftelektroden 8 angelegt. Eine bestimmte Impulsspannung

V mit feiner Impulsbreite T„ gemäß Fig. 3C wird in einem gegebenen Intervall (z.B. einer Teilbildabtastperiode T) an die Ubertragungs-Gate-Elektrode 9 angelegt. Die Impulsbreite T bezeichnet eine Periode, während der das in der Lichtempfangszone 3 gespeicherte Ladungssignal durch das geöffnete Ubertragungs-Gate 5 an die Vertikalübertragungsbereich 4 weitergegeben wird. Ferner wird an das η-leitende Substrat 1 in einem vorherbestimmten Intervall (z.B. einer Teilbildabtastperiode T-.) eine Spannung V „ angelegt, die größer ist als eine Referenzspannung

V .. Die Potentialverteilung während einer Zeitspanne T_, während der die Spannung V _ anliegt, entspricht der in Fig. 2 gezeigten Kurve c. Hierbei wird die Potentialschwelle oder Potentialbam ^re zwischen der η -leitenden Diffusions-Oberflachenzone 6 und der Potentialelektrode 2 geringer als das Diffusionspotential, so daß ein Teil der gespeicherten Ladung in das η-leitende Substrat 1 abfließt. Während einer Zeitspanne T., während der die Referenzspannung V - am Substrat 1 anliegt, wird das Ladungssignal immer gespeichert. Deshalb kann die Ladungsspeicherperiode T., d.h. die Verschlußgeschwindigkeit auf einen willkürlichen Wert innerhalb der einen Teilbildabtastperiode T₁ eingestellt werden, indem das Verhältnis zwischen den Zeitspannen T. und T der Vorspannung am Substrat 1 und an der Elektrode 2 von außen geändert wird, wie Fig. 3D zeigt. Ferner wird die während der Zeitspanne T. entsprechend der

- Jg- - 57

Verschlußöffnung gespeicherte Ladung während der Zeitpsanne T~, während der das Ubertragungs-Gate geöffnet ist, an die Vertikalübertragungszone 5 und weiter an einen hier nicht gezeigten Vertikalübertragungsbereich mit Hilfe der Taktimpulse 0.. und 0~ übertragen.

Da bei dem vorstehend beschriebenen CCD-Bildsensor mit vertikaler OFD-Zone der Entladevorgang der Signalladung aus der η Oberflächenzone 6 an das η-leitende Substrat 1 während der Zeitspanne T_ über die Potential schwelle zwischen der η -Oberflächenzone 6 und der Potentialelektrode 2 erfolgt, bleibt eine beträchtliche Menge der Signalladung selbst dann in der η -leitenden Zone 6, wenn eine hohe Rückwärtsvorspannung an das n-leitende Substrat 1 angelegt wird. Wenn diese Restladung einen hohen Wert erreicht, schmälert das die Empfindlichkeit des Sensors entsprechend, und wenn die verbliebenen Mengen jedes Bildelements, aus denen der Bildsensor besteht, sich voneinander unterscheiden, schwankt die Empfindlichkeit von Bildelement zu Bildelement entsprechend.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen Festkorperbildsensor mit Verschlußfunktion zu schaffen, bei dem nahezu die gesamte, in einer Lichtempfangszone nach dem Auslesen des Ladungssignals verbleibende Restladung während einer vorherbestimmten Zeitspanne abfließen kann, so daß der Bildsensor eine hohe und gleichmäßige Empfindlichkeit erhält.

Ein diese Aufgabe lösender CCD-Bildsensor und ein CCD-Bauelement für diesen sind mit ihren Ausgestaltungen in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung besteht der Halbleiterkörper aus einem Halbleitersubstrat mit hoher η-Dotierung und einer Epitaxialschicht mit geringer p-Dotierung, in der eine hoch n-dotierte Oberflächenzone in Form einer Diffusionszone vorgesehen ist.

- jg- - · 57 437

- M.

Es wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Bildsensors gemäß der Erfindung eine an das Substrat und die Epitaxialschicht angelegte Vorspannung synchron mit der an eine Steuer-Gate-Elektrode angelegten Steuerspannung geändert.

Gemäß der Erfindung besteht in dem CCD-Festkörper-Bildsensor mit vertikaler OFD-Zone die Lichtempfangszone aus einer ρ -Schicht auf der Hauptoberfläche des η -Substrats und einer in der ρ -Schicht vorgesehenen n-Diffusionszone. Die Steuer-Gate__Elektrode zum Steuern der Potentialschwelle zwischen der η -Diffusionszone und der ρ -Eoutaxialschicht ist der Lichtempfangszone benachbart angeordnet. Sie dient zum Speichern und Entladen der Signalladung in der Lichtempfangszone durch das Steuern der an die Steuer-Gate_Elektrode angelegten Steuerspannung oder sowohl der Steuerspannung als auch der an das η-Substrat angelegten Spannung. Vor dem Ladungsspeichervorgang, d.h. wenn der Rückstellvorgang durchgeführt wird (Schließen des Verschluses), kann die Potentialschwelle der Lichtempfangszone ausreichend niedrig eingestellt werden, und es kann im wesentlichen die. gesamte in der Lichtempfangszone gespeicherte Ladung in die Abflußsenke abgegeben werden. Infolgedessen wird das Verhältnis zwischen der Signal- und Dunkelstromkomponente (Rauschabstand) verbessert, und auch die spektrale Empfindlichkeit und der dynamische Bereich kann um mehr als 10 bis 20 % im Vergleich zum herkömmlichen CCD-Bildsensor mit vertikaler OFD-Zone verbessert werden.

Da die Lichtempfangszone auf der Epitaxial-Silizium-p -Schicht gebildet ist, die nahezu den spezifischen Eigenwiderstand hat, ist die Flächenkapazität der die Lichtempfangszone bildenden Photodiode klein, wodurch die Lichtansprechgeschwindigkeit verbessert wird. Für den Fall, daß die Größe der Potentialschwelle der Lichtempfangszone durch die an das Substrat angelegte Vorspannung und die durch die an die Steuer-Gate-Elektrode angelegte Spannung hervorgerufene elektrostatische Induktion gesteuert wird, kann die an das Substrat angelegte Rückwärtsvor-

- <Γ - 57

- 41.

spannung, d.h. die Speisespannung, kleiner gewählt werden, als wenn die in der Lichtempfangszone gespeicherte Ladung nur dadurch entladen wird, daß die an das Substrat angelegte Rückwärtsvorspannung auf konventionelle Weise gesteuert wird.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines bekannten CCD-Bildsensors mit OFD-Zone;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Potentialverteilungen in Richtung der Dickenerstreckung des Substrats des in Fig. 1 gezeigten CCD-Bildsensors;

Fig. 3A bis 3D schematische Darstellungen des Verlaufs der an den in Fig. 1 gezeigten CCD-Bildsensor angelegten Spannung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Hauptteil eines Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung;

Fig. 5 und 6 Querschnitte längs der Linie V-V bzw. VI-VI in Fig. 4;

Fig. 7A bis 7E schematische Darstellungen des Verlaufs der an den Bildsensor gemäß Fig. 4 bis 6 angelegten Spannung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Potentialverteilungen in Richtung der Dickenerstreckung des Substrats des Bildsensors gemäß der Erfindung.

-'57

- 4S-

Fig. 7A bis 7E schematische Darstellungen von Wellenformen der an den Bildsensor gemäß Fig. 4 bis 6 angelegten Spannung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Potentialverteilungen in Richtung der Tiefe eines Substrates des Bildsensors gemäß der Erfindung.

In den Fig. k bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung gezeigt. Fig. k zeigt den Hauptbereich einer Lichtempfangszone und einer Vertikalübertragungszone. In Fig. 5 und 6 sind Querschnitte längs der Linie V-Y bzw. VI-VI in Fig. 4 zu sehen. In Fig. h bis 6 ist ein gemeinsames Halbleitersubstrat in Form eines Substrates 21 gezeigt, welches beispielsweise ein η -leitender Silizium-Einkristall ist, auf dem eine Epitaxial-

Siliziumschicht in Form einer p~-Schicht 22 vorgesehen ist, deren Verunreinigungskonzentration ICT bis ICj Atome · cm ^J beträgt und die auf einer Hauptfläche des Substrats 21 vorgesehen ist. Auf der p~-Schicht 22 sind mehrere Lichtempfangszonen 23 ausgebildet, die jeweils ein Bildelement darstellen und in Matrixform in vorherbestimmtem Raster angeordnet sind, wobei CCD-Vertikalübertragungszonen 25 zur vertikalen Übertragung von in den Lichtempfangszonen 23 gespeichertfco Ladungen dienen. Die Vertikalübertragungsbereiche 25 sind neben einer Vielzahl Lichtempfangszonen 23 angeordnet. Ferner sind Übertragungs-Gates 2k vorgesehen, die die gespeicherten Ladungen aus den Lichtempfangszonen 23 an die zugehörigen Vertikalübertragungsbereiche

25 weitergeben und an einer Seite jeder Lichtempfangszone 23 vorgesehen sind. Die Lichtempfangsζone 23 besteht aus der p~-Schicht 22 sowie einer η -Oberflächenzone 26, die durch Diffundieren von η-Verunreinigungen, wie Phosphor, und Arsen,in einen bestimmten Bereich der p~-Schicht 22, nämlich der Epitaxial — Siliziumschicht mit nahezu dem spezifischen Eigenwiderstand gebärdet ist.Das Übertragungs-

- ff -

Gate 2k ist mittels einer Gate-Elektrode 29 geschaffen, die oberhalb einer p-leitenden Potential-Elektrode 27 mittels einer Isolierschicht 28, z.B. aus SiO,, bestimmter Dicke vorgesehen ist. Die Potentialelektrode 27 ist in der p~-Schicht 22 der η -leitenden Oberflächenzone 26 der Lichtempfangszone 23 benachbart ausgebildet. Die Übertragungs-Gate-Elektrode 29 ist z.B. von einem polykristallinen Silizium oder einem Metallfilm mit hohem Schmelzpunkt, z.B. Wolfram, Molybdän usw. gebildet. Der Vertikalübertragungsbereich 25 ist mittels einer Vielzahl von Verschiebeelektroden 30 induziert, die längs einer vertikalen Linie oberhalb der Potentialelektrode 27 mittels der Isolierschicht 28 von vorherbestimmter Dicke angeordnet sind. Jeder der in vertikaler Richtung miteinander ausgerichteten Lichtempfangsζonen 23 gegenüber ist die genannte Vertikalübertragungszone 25 angeordnet. In der Zeichnung ist nicht dargestellt, daß z.B. jede zweite der Verschiebeelektroden 30 einen gemeinsamen Anschluß hat und an sie die Taktimpulse jö, bzw. /L angelegt werden. Ferner ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Steuer-Gate 3I zum Steuern des Potentials der p~-Schicht 22, d.h. der Potentialschwelle der Lichtempfangsζone 23 beispielsweise in Form einer ρ -Diffusionsζone vorgesehen, die die Lichtempfangszone 23 im wesentlichen umgibt, wie Fig. 4 zeigt. Am Steuer-Gate 31 ist eine Elektrode 32 vorgesehen, die aus Aluminium besteht. Das Steuer-Gate 31 dient nicht nur zum Steuern des Potentials der p~-Schicht 22, sondern auch als Kanalbegrenzer, . um Leckverluste der gespeicherten Ladung zwischen den Bildelementen zu verhindern. Um zu verhindern, daß Licht auf andere Bereiche als die Lichtempfangsζone 23 fällt, ist eine Lichtabschirmschicht 33 vorgesehen, die beispielsweise aus Aluminium besteht.

Als nächstes soll die Arbeitsweise des Festkörper-Bildsensors gemäß der Erfindung näher erläutert werden.

Zunächst werden zum Antrieb des Vertikalubertragungsbereichs

** 57 ^37

. /is*

dieser ladungsgekoppelten Einrichtung mit Hilfe von zweiphas.igen Taktimpulsen die in Fig. 7A und 7B gezeigten Taktimpulse Ji₁ und JO₂ jeweils an jede zweite Verschiebe- bzw. Schiftelektrode angelegt, und eine vorherbestimmte Impulsspannung V. wird in einem vorherbestimmten Intervall, z.B. in einer Teilbildperiode Τ·> gemäß Fig. 7C an die Übertragungs-Gate-Elektrode 29 angelegt. Synchronisiert mit der Impulsspannung V₊ am

₊ χ

Übertragungs-Gate liegen am η -Substrat 21 bzw. am Steuer-Gate 31 Impulsspannungen V_ bzw. V₀₀. gemäß Fig. 7D und 7E

S Cg

an. Die in Fig. 7D und 7E zu erkennende Zeitspanne T^ bezeichnet eine Periode, während der keine Signalladung in der Lichtempfangszone 23 gespeichert wird, d.h. eine Zeitspanne, die der Verschlußschließdauer entspricht, während der die Signalladung in der Lichtempfangsζone 23 an das Substrat 21 entladen wird, welches dann als Abflußsenke dient. Während dieser Zeitspanne T- werden vorherbestimmte Spannungen V₂ und

V__ . die größer sind als entsprechende Referenzspannungen ^c&2

■fr
V bzw. V an das η'-Substrat 21 bzw. das Steuer-Gate 31

^sl ^C1

angelegt. Die Zeitspanne T^ bezeichnet eine Ladungsspeicherperiode entsprechend der Verschlußöffnungszeit. Während dieser Zeitspanne Ti, werden die Referenzspannungen V , und V

₊ H- S± CgI

an das η -Substrat 21 bzw. das Steuer-Gate 3I angelegt. Angenommen Ci e Referenzspannungen V und V betragen +15 V bzw. -5 V, dann sind die an das n+-Substrat 21 bzw. das Steuer-Gate 3I angelegten Spannungen V₀ bzw. V +30 V

^S2 ^c&2

bzw. 0 V.

Wenn bei dem vorstehend beschriebenen Spannungszustand Licht auf die Lichtempfangszone 23 auftrifft, verhält sich die Signalladung so, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, die die Verteilung des Elektronenpotentials in Richtung der Tiefe des Substrats wiedergibt. In Fig. 8 bezeichnet eine Kurve a die Potentialverteilung für den Fall, daß keine Restladung übrigbleibt, wenn die Rofercn/.snannungV an das

- si

57 ^37

- 21 -

η -Substrat 21 angelegt wird, während eine Kurve b die Potentialverteilung für den Fall zeigt, daß Restladung verbleibt, wenn die Spannung V an das Steuer-Gate

Cgi

31 angelegt wird. Da am Steuer-Gate y± eine negative Vorspannung (z.B. -5 V) anliegt, nimmt das Potential der p~- Schicht 22 aufgrund elektrostatischer Induktion ab, und die Potentialschwelle zwischen der p~-Schicht 22 und der η Oberflächenzone 26 steigt im Vergleich zu dem Zustand ohne Vorspannung. Wenn im Gegensatz dazu positive Vorspannung V

+ ^s

an das η -Substrat 21 angelegt wird, sinkt die Potentialschwelle entsprechend ab. Die Größe der Potentialschwelle kann also auf einen geeigneten Wert festgesetzt werden, der ausreicht, um nur überschüssige Ladung in das Substrat zu entladen, wie durch die Kurve b in Fig. 8 angedeutet. Dies geschieht durch entsprechende Wahl der Referenzspannungen V und V . Die Werte der während der Zeitspanne T^ der Ladungsspeicherung angelegten Referenzspannungen V und

V gemäß Fig. 7D und 7E sind so gewählt, daß der genannte cgn

Zustand erreicht wird. Wenn im Gegensatz dazu die in der η -Oberflächenzone 26 gespeicherte Signalladung zur Substratseite hin entladen werden soll, wird die an das Steuer-Gate 31 angelegte Spannung auf 0 V eingestellt oder eine positive Vorspannung angelegt, und ferner wird die am η -Substrat anliegende Rückwärtsvorspannung erhöht bis zu dem Wert V_

^S2 Die bei diesem Fall eintretende Potentialverteilung ist durch eine Kurve c in Fig. 8 wiedergegeben, und die Potentialschwelle zwischen der η -Oberflächenzone 26 und der p~- Schicht 22 sinkt im Vergleich zu dem Fall (Kurve d in Fig.8), daß nur die Rückwärtsvorspannung V^_n am η -Substrat 21 an-

^S2 -f. liegt. Folglich kann die gesamte in der η -Oberflächenzone gespeicherte Signalladung in das η -Substrat 21 abgegeben werden. Gemäß Fig. 7D und 7E sind die Spannungen V und

^S2

V während der Zeitspanne T^ so eingestellt, daß der genannte Zustand erreicht wird. Es bleibt also keinerlei Restladung in der Lichtempfangszone 23ι und der Verschluß wird

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vollkommen geschlossen.

Da die Signalladung in der Lichtempfangsζone durch Einstellen der an das Steuer-Gate 31 und das η -Substrat 21 angelegten Spannungen auf die Referenzspannungen V und V

cg]_ si

und die höheren Spannungen V bzw. V abwechselnd ge-

cg2 S2

speichert und vollkommen entladen werden kann, ist es möglich, durch Andern der entsprechenden Spannungsdauer die Ladungsspeicherperiode, d.h. die Dauer der Verschlußöffnung willkürlich innerhalb der vorherbestimmten Zeitspanne, d.h. einer Teilbildabtastperiode T-, festzulegen. So kann gemäß der Erfindung die gewünschte Verschlußfunktion verwirklicht werden, wobei keine Signalladung in der Lichtempfangszone verbleibt, so daß eine hohe und gleichmäßige Empfindlichkeit erreichbar ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die pulsierende Rückwärtsvorspannung am η -Substrat 21 an. Es ist aber auch möglich, die Verschlußfunktion dadurch zu verwirklichen, daß immer eine Vorspannung in Form eines Gleichstroms der Größe V an das η -Substrat 21 angelegt

^sl

wird. Da in diesem Fall die Potentialschwelle der Lichtempfangszone nur durch die an das Steuer-Gate 31 angelegte Vorspannui.^ V vermindert werden muß, muß der Wert der

gi
Vorspannung V während der Zeitspanne T~ höher eingestellt werden als für den Fall, daß die Steuerspannung V am Steuergate Jl zusätzlich zu der Vorspannung V am nf-Substrat 21 anliegt. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Übertragungsgate und die ladungsgekoppelte Vertikalübertragungszone der von der Lichtempfangszone gelieferten Signalladung in Oberflächenkanalbauweise ausgeführt. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Bauweise beschränkt, sondern läßt sich auch in Massenkanalbauweise realisieren. Die Übertragungs-Gate-Elektrode und die Verschiebeelektrode sind beim vorstehend beschriebenen Aus-

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führungsbeispiel getrennt angeordnet. Es ist aber auch möglich, die gleiche Funktion dadurch zu erzielen, daß diese Elektroden gemeinsam vorgesehen werden und daß die Wellenform der an die Vertikalübertragungszone angelegten Taktimpulse entsprechend geändert wird.

L e e r s e 11 e

Claims

Ansprüche :

Festkörper-CCD-Bildsensor mit Verschlußfunktion, der eine Vielzahl von ladungsgekoppelten Bauelementen mit vertikaler Abflußsenke aufweist,
gekennzeichnet
durch die Kombination folgender Merkmale:

a) ein Halbleitersubstrat (21) einer bestimmten Leitfähigkeit;

b) eine Epitaxialschicht (22) der komplementären Leitfähigkeit auf einer Hauptoberfläche des Substrats;

c) Oberflächenzonen (26) der einen Leitfähigkeit in einem Oberflächenbereich der Epitaxialschicht (22) , die jeweils zusammen mit einer unterhalb von ihr liegenden Zone der Epitaxialschicht eine Lichtempfangszone (23) bilden;

d) Potentialelektroden (27) der komplementären Leitfähigkeit in der Epitaxialschicht, die jeweils zu den entsprechenden Oberflächenzonen (26) benachbart angeordnet sind und zur übertragung eines in der entsprechenden Oberflächenzone (26) gespeicherten Ladungssignals dienen;

e) Steuer-Gate-Zonen (31) der komplementären Leitfähigkeit in der Epitaxialschicht, die jeweils am Rande einer Oberflächenzone (26) angeordnet sind;

Ο O L O Ό L

- 2 - 57

f) eine Einrichtung zum Anlegen einer Steuerspannung an die Steuer-Gate-Zonen (31) zur Steuerung einer Potentialschwelle zwischen der Qberflächenzone (26) und der Epitaxialschicht (22) in solcher Weise, daß während einer ersten Zeitspanne, die einer Verschlußschließzeit entspricht, die in der Oberflächenzone (26) gespeicherte Signalladung in das Substrat entladbar ist und während einer zweiten Zeitspanne, die einer Verschlußöffnungszeit entspricht, das Ladungssignal in der Oberflächenzone (26) speicherbar ist.
2. Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Potentialelektrode (27) und die Steuer-Gate-Zonen (31) zu aneinander gegenüberliegenden Seiten der Oberflächenzone (26) vorgesehen sind.
3. Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Oberflächenzone (26) eine im-wesentlichen rechteckige Oberflächengestalt hat, daß jede Potentialelektrode (27) längs einer Seite der Oberflächenzone (26) und jede Steuer-Gate-Zone (31) längs den übrigen Seiten der Oberflächenzone (26) ausgebildet ist.
4. Bildsensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (21) eine hohe η-Dotierung hat und die Epitaxialschicht (22) von einer epitaxial gewachsenen Schicht gebildet ist, die eine geringe p-Dotierung hat.
5. Bildsensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenzone (26) von einer Diffusionszone mit hoher η-Dotierung gebildet ist.

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6. Bildsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuer-Gate-Zone (31) von einer Diffussionszone gebildet ist, die eine hohe p-Dotierung hat.
7. Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiefe der eindiffundierten Steuer-Gate-Zone (31) größer ist als die Tiefe der eindiffundierten Oberflächenzone (26).
8. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Vertikalübertragungsgate (24) eine Übertragungs-Gate-Elektrode (29) aufgebracht ist.
9. Bildsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Übertragungs-Gate-Elektrode (29) aus polykristallinem Silizium gebildet ist.
10. Bildsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Übertragungs-Gate-Elektrode (29) aus einem Metallfilm gebildet ist, der einen hohen Schmelzpunkt hatund insbesondere aus Wolfram oder Molybdän besteht.
11. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung an das Substrat (21) und die Epitaxialschicht (22) vorgesehen ist.
12. Bildsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannung synchronisiert mit der an die Steuer-Gate-Zonen (31) angelegten Steuerspannung anlegbar ist.

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13. Bildsensor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet ,

daß die Vorspannung Gleichspannung von vorherbestiranmter Amplitude ist.
14. CCD-Bauelement mit vertikaler Abflüßsenke zur Verwendung in einem Festkörper-Bildsensor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
gekennzeichnet,

durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) ein Halbleitersubstrat (21) einer bestimmten Leitfähigkeit;

b) eine Epitaxial schicht (22) der komplementären Leitfähigkeit auf einer Hauptoberfläche des Substrats;

c) eine Oberflächenzone (26) der einen Leitfähigkeit in einem Oberflächenbereich der Epitaxialschicht, die gemeinsam mit einer unterhalb der Oberflächenzone liegenden Zone der Epitaxialschicht eine Lichtempfangszone (23) bildet;

d) eine Potentialelektrode (27) der komplementären Leitfähigkeit in der Epitaxialschicht neben der Oberflächenzone (26) zur übertragung des in der Oberflächenzone gespeicherten Ladungssignals;

e) eine Steuer-Gate-Zone (31) der einen Leitfähigkeit in der Epitaxialschicht neben der Oberflächenzone (26) und

f). einen Leiter, mit dem die Steuer-Gate-Zone (31) mit einer Spannungsquelle verbindbar und eine Spannung zum Steuern einer Potentialschwelle zwischen der Oberflächezone und der Epitaxialschicht derart zuführbar ist, daß während einer ersten Zeitspanne entsprechend einer Verschlußschließzeit die in der Oberflächenzone gespeicherte Signalladung in das Substrat entladbar ist und während einer zweiten Zeitspanne entsprechend einer Verschlußöffnungszeit das Ladungssignal in der Oberflächenzone (26) speicherbar ist.

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15. CCD-Bauelement nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitersubstrat (21) eine hohe n-dotierung hat, die Epitaxialschicht (22) von einer epitaxial gewachsenen Schicht mit geringer p-Dotierung und die Oberflächenzone (26) von einer Diffusionszone mit hoher n-Dotierüng gebildet ist.