DE3418778A1

DE3418778A1 - Ccd-halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3418778A1
Application number: DE19843418778
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. 8048 Haimhausen Kemmer; Gerhard Dr. 8000 München Lutz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-19
Filing date: 1984-05-19
Publication date: 1985-11-21

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein CCD-Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges CCD-Halbleiterbauelement ist aus dem Artikel Semiconductor Drift Chamber" von E. Gatti und P. Rehak (Brookhaven National Laboratory 33523) bekannt. Bei diesem CCD-Halbleiterbauelement werden die Majoritätsträger in Potentialmulden nahe der einen Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers gespeichert. Variiert man eine an Elektroden der Struktur angelegte Spannung in entsprechender Weise wie bei herkömmlichen CCD-Elementen mit Minoritätsträgerspeicherung, so kann man bei dem CCD-Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Majoritätsträger von einer Potentialmulde bzw. von einem Potentialminimum in das nächste taktweise verschieben.
Bei dem bekannten Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird den Minoritätsträgern keine Beachtung geschenkt.
Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß eine zusätzliche Verwertung der Minoritätsträgersignale dem bekannten CCD-halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Reihe von zusätzlichen Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Deshalb soll erfindungsgemäß ein CCD-Halbleiterbauelement geschaffen werden, das zusätzlich das Auslesen eines von den Minoritätsträgern erzeugten Signals erlaubt.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, einerseits die Signale auszuwerten, die von den in das oder die Potentialminima aus dem gesamten Halbleiterkörper fließenden Majoritätsträger (Elektronen) erzeugt werden, und andererseits die Signale, die von den zu den beiden Hauptoberflächen fließenden Minoritätsträger erzeugt werden, in irgendeiner Weise auszuwerten. Dabei wird durch das Potentialmaximum für die Minoritästräger sichergestellt, daß die an den beiden Hauptoberflächen anstehenden Minoritätsträgersignale einem bestimmten Teil des Halbleiterkörpers zugeordnet werden können (in Richtung senkrecht zur Hauptoberfläche).
Das erfindungsgemäße CCD-Halbleiterbauelement hat insbesondere dann, wenn es als Detektor für Teilchen oder elektromagnetische Strahlung verwendet wird, eine Reihe von Vorteilen: Beispielsweise kann das Minoritätsträgersignal ohne Verzögerung ausgelesen werden, so daß zusätzlich zu dem CCD-Signal der Majoritätsträger ein schnelles Signal zur Verfügung steht, das z.B. als Triggersignal verwendet werden kann.
Eine streifen- oder matrixförmige Ausbildung der Elektroden auf der anderen Hauptoberfläche gestattet darüberhinaus eine ortsauflösung des von den Minoritätsträgern erzeugten Signals in Richtung der Hauptoberfläche (Anspruch 3).
Hierdurch wird eine Zuordnung der langsam aus lesbaren CCD-Signale zu den schnellen Minoritätsträger-Signalen möglich, die beispielsweise partielles Lesen, d.h. das Überspringen ~leerer" CCD-Zellen erlaubt, so daß die Auslesegeschwindigkeit drastisch erhöht werden kann. Ferner können beispielsweise Signale von ~unerwünschten" Ereignissen während der Auslesezeit ausgeschieden werden.
In jedem Falle hat das erfindungsgemäße CCD-Halbleiterbauelement die Vorteile, daß das voll depletierte Volumen große Signale für durchlaufende Teilchen bzw. Strahlung ergibt, und daß die Signale dennoch nahe der Oberfläche gespeichert werden.
Die streifen- oder matrixförmige Struktur auf der einen der beiden Hauptoberflächen kann eine MIS-Struktur und insbesondere eine MOS-Struktur oder eine ~Bipolar"-Struktur sein, d.h. sie kann aus pn-übergängen bestehen. Natürlich können auch Schottky-Übergänge, heterogene Übergänge etc. verwendet werden.
Die Verwendung einer MIS-Struktur (Anspruch 2) hat den Vorteil, das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement als CCD-Element sowohl für die Majoritätsträger als auch für die Minoritätsträger betreiben zu können. Man erhält dadurch zwei ~Ladungsbilder". Dabei wird das "Ladungsbild" der Majoritätsträger durch im gesamten Halbleiterkörper erzeugte Majoritätsträger hervorgerufen, während das "Ladungsbild" der Minoritätsträger nur von den Minoritätsträgern erzeugt wird, die durch die einfallende Strahlung zwischen der Hauptoberfläche mit MiS-Struktur und dem Potentialminimum für die Majoritätsträger erzeugt werden. Damit erlaubt ein Vergleich der beiden 5Ladungsbilder" beispielsweise eine Diskriminierung unterschiedlicher Eindringtiefen. Verwendet man das erfindungsgemäße CCD-Element beispielsweise als Detektor für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung und fällt die Strahlung durch die Hauptoberfläche ein, auf der sich die MIS-Struktur befindet, so gibt das Ladungsbild der Majoritätsträger das vom sichtbaren Licht und vom Infrarotlicht erzeugte Bild wieder, während das Ladungsbild der Minoritätsträger im wesentlichen das vom sichtbaren Licht erzeugte Bild wiedergibt.
Ferner ist es möglich, MIS- und Bipolarstrukturen alternierend und in Richtung der Normalen der Hauptoberfläche versetzt anzuordnen; hierdurch können die CCD-Zellen sehr dicht gepackt werden. Diese Anordnung ist darüberhinaus technologisch sehr einfach herzustellen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen CCD-Halbleiterbauelements, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel, und Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Fig.1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes CCD-Halbleiterbauelement. Das CCD-Element weist einen n-leitenden Halbleiterkörper n auf, auf dessen Hauptoberfläche 1 sich eine CCD-Struktur und auf dessen Hauptoberfläche 2 sich eine Gegenelektrodenstruktur befindet, die ein schnelles Auslesen der Minoritätsträgersignale und Löschen der Signale beider Ladungsträgerarten gestattet, um ein ~Vollaufen" der CCD-Zellen zu verhindern.
Die CCD-Struktur auf der Hauptoberfläche 1 besteht aus alternierend in Richtung der Oberflächennormalen versetzt angeordneten Elektroden 31,32,... in bzw. auf einer Oberflächenoxidschicht 3 (MOS-Elektroden). An die Elektroden 31,32,... werden taktweise sich ändernde Spannungen 01 und 02 angelegt, die ein Verschieben der Majoritätsträger (Elektronen) und der Minoritätsträger (Löcher) in jeweils entgegengesetzter Richtung zu Leseelektroden ne bzw. pe gestatten, an die Auslesespannungen +U bzw. -U angelegt sind.
Die taktweise Variation der angelegten Spannungen ist bekannt, so daß auf sie im vorliegenden Falle nicht näher eingegangen werden muß. Im Gegensatz zu den bekannten CCD-Elementen ermöglicht jedoch die zwei- oder dreiphasige Variation der Spannung das gleichzeitige Verschieben sowohl der Majoritätsträger als auch der Minoritätsträger in entgegengesetzter Richtung den den jeweiliigen Ausleseelektroden ne bzw. pe.
Die gezeigte Anordnung hat den weiteren Vorteil, daß die versetzte Anordnung der einzelnen Elektroden eine dichte Anordnung der einzelnen CCD-Elemente gestattet.
Auf der zweiten Hauptoberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 befindet sich eine streifenförmige Struktur, die alternierend aus p+ und n+ -dotierten Gebieten besteht. durch diese Struktur wird zum einen die vollständige Verarmung des Körper n an Majoritätsträgern möglich. Zum anderen gestattet die p+-Gebiete das schnelle Auslesen der Minoritätsträger, die in dem Teit des Körpers n zwischen der Hauptoberfläche 2 und dem Potentialminimum für die Majoritätsträger beispielsweise durch einfallende Strahlung erzeugt worden sind.
Die zwischen den p+-Gebieten angeordneten n+-Gebiete gestatten zum Löschen der CCD-Zellen das schnelle Absaugen der gespeicherten Majoritätsträger. Hierzu ist normalerweise die Spannung -(U-dU) geringfügig weniger negativ als die Spannung -U, so daß durch diese Vorspannung des pn-Übergangs in Sperrichtung die Injektion von Majoritätsträgern verhindert wird. Zum schnellen Absaugen der Elektronen wird die Spannung (-U-dU) kurzzeitig auf den Wert 0 oder einen Wert größer Null angehoben, so daß die Elektronen in die n+-Gebiete fließen können.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die verschiedensten Merkmale kombiniert, von denen natürlich zur Realisierung des erfindungsgemäßen Grundgedankens nur ein Teil erforderlich ist. Ferner ist es möglich, die MIS-Elektroden zum Teil oder vollständig z.B. durch pn-Übergänge zu ersetzen.
Fig. 2 zeigt ein derartiges Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 für die selben Elemente verwendet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich auf der Hauptoberfläche 1 abwechselnd p-Gebiete p1, p2,...
und MOS-Strukturen, d.h. auf Oxidschichten SiO2 aufgedanpfte Aluminiumschichten Al. Bei einem derartigen CCD-Element können lediglich die Majoritätsträger geschiben werden, die Minoritätsträgersignale werden anderweitig beispielsweise über die STruktur auf der Hauptoberfläche 2 ausgelesen.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem auf der Hauptoberfläche 1 streifenförmige p+-Gebiete angeordnet sind. Diese p+-Gebiete sind flach, aber hoch dotiert. Durch senkrecht zu den p+-Gebieten in der Hauptoberfläche verlaufende n+-Gebiete, die tief, aber schwach dotiert sind, werden bevorzugte Schiebrichtungen definiert. Sieht man in den n+-Gebieten einseitig zu den p+-Gebieten Bereiche 4 höherer Dotierung vor, ist ein Schieben der Majoritätsträger nur noch in Richtung des Pfeils in Fig. 2 möglich.
Vorstehend sind Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden.

Claims

CCD-Halbleiterbauelement Patentansprüche CCD-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, der auf einer seiner beiden Hauptoberflächen eine streifenförmige oder matrixförmige Struktur sowie mindestens ein Gebiet des ersten Leitfähigkeitstyps zum Sammeln der Majoritätsträger und auf der anderen Hauptoberfläche mindestens eine Gegenelektrode aufweist, die eine vollständige Depletierung und Speicherung der Majoritätsträger ermöglichen, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich mindestens eine Elektrode vorgesehen ist, die ein Auslesen eines von den Minoritätsträgern erzeugten Signals erlaubt.
2. CCD-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die streifenförmige oder matrixförmige Struktur eine MIS-Struktur ist.
3. CCD-Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß auf der anderen Hauptoberfläche streifenförmige Elektroden vorgesehen sind, die ein schnelles, ortsabhängiges Auslesen eines von den Minoritätsträgern erzeugten Signals gestatten.
4. CCD-Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den streifenförmigen oder matrixförmigen Elektroden auf der anderen Hauptoberfläche Löschelektroden zum Absaugen der Majoritätsträger vorgesehen sind.
5. CCD-Element nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Struktur auf der einen Hauptoberfläche Streifen eines zum Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sind, zu denen senkrecht in der Hauptoberfläche Streifen mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem des Halbleiterkörpers verlaufen, so daß Schieberichtungen ausgezeichnet sind.
6. CCD-Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Streifen mit dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie dem des Halbleiterkörpers angrenzend an die senkrecht zu ihnen verlaufenden Streifen des anderen Leitfähigkeitstyps eine höhere Dotierung aufweisen, so daß eine Schiebrichtung ausgezeichnet ist.
7. CCD-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Hauptoberfläche eine Struktur vorgesehen ist, die als Minoritätsträger-CCD betreibbar ist.
8. CCD-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmige oder matrixförmige Struktur auf der einen Hauptoberfläche aus alternierend und in Richtung der Flächennormale versetzt gegeneinander angeordneten MIS-Strukturen und pn-Übergängen besteht.