DE3486284T2

DE3486284T2 - Sichtbarmachungs/Infrarot-Bildgerät mit einer Stapelzellenstruktur.

Info

Publication number: DE3486284T2
Application number: DE3486284T
Authority: DE
Inventors: Nozomu C O Patent Divis Harada; Okio C O Patent Divisi Yoshida
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-19
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2004-12-15
Also published as: EP0146375A3; DE3486284D1; JPH0135549B2; US4651001A; EP0146375B1; EP0146375A2; JPS60130274A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Festkörper-Bilderfassungsgerät und insbesondere einen Festkörper- Bildsensor mit Lichtempfindlichkeit bzw. mit lichtempfindlicher Reaktion auf eine Vielzahl verschiedener Wellenlängenbereiche, wie z. B. die Wellenlängenbereiche von sichtbarem Licht und Infrarotlicht.
Obwohl vorrangig für militärische Zwecke entwickelt, sind Infrarot-Bilderfassungsgeräte in industriellen, kommerziellen und wissenschaftlichen Anwendungen von Bedeutung. So wurden z. B. Infrarot-Bilderfassungssysteme, welche einen Festkörper- Infrarotbildsensor enthalten, zur Verwirklichung von photographischen Luftnachtaufnahmen entwickelt.
Wie allgemein bekannt ist, umfaßt ein Festkörper-Bilderfassungsgerät lichtempfindliche Zellen, welche auf einem Halbleitersubstrat in einer Matrixform angeordnet sind. Wenn eine Vielzahl von Bestrahlungslichtkomponenten mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen (z. B. sichtbares Licht und Infrarotlicht) unter Verwendung eines Festkörper-Bilderfassungsgeräts wie einem Ladungsverschiebeelement (im folgenden als CCD für charge coupled device bezeichnet) erkannt werden, werden CCD's für Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts und des Infrarotlichts verwendet. In diesem Fall wird ein Bildsensorchip erstellt, bei dem je eine lichtempfindliche Zelle für sichtbares Licht und für Infrarotlicht nebeneinander ausgeformt sind.
Ein dem letztgenannten Typ ähnliches Gerät, das jedoch nur zwischen verschiedenen Wellenlängen sichtbarer Strahlung unterscheiden kann, ist in der US-Patentschrift US 4 404 586 beschrieben. Die Verwendung von Schottky-Photodioden zur Infraroterkennung ist aus Optical Engineering, Bd. 21, Nr. 5, Sept.-Okt. 1982, Seiten 945-950 bekannt. Bei all solchen bereits bekannten Geräten wird die Pixeldichte als Eingangslicht eines Wellenlängenbereichs in unerwünschter Weise halbiert, da lichtempfindliche Abschnitte, die unabhängig voneinander Lichtkomponenten unterschiedlicher Wellenlängenbereiche erkennen, benachbart auf einem einzigen Substrat ausgeformt sind. Mit anderen Worten, man kann nicht gleichzeitig Bilder hoher Dichte als Eingangslicht mit zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen erhalten.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Festkörper-Bilderfassungsgerät bereitzustellen, bei dem lichtempfindliche Zellen, die unabhängig voneinander Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängenbereiche erkennen, mit hoher Dichte auf einem einzigen Substrat ausgeformt sind und die ein sichtbares Bild guter Qualität erzielen können.
Die vorliegende Erfindung stellt deshalb ein Festkörper-Bilderfassungsgerät bereit, welches folgendes umfaßt:
ein halbleitendes Substrat, eine Sensoreinrichtung für sichtbares Licht zur optischen Erkennung einer sichtbaren Lichtkomponente in dem von einem Bild empfangenen Licht, eine Sensoreinrichtung für Infrarotlicht zur optischen Erkennung einer Infrarotlichtkomponente im empfangenen Licht, wobei die Sensoreinrichtung für sichtbares Licht eine erste halbleitende Schicht enthält, welche oberhalb des Substrats, jedoch diesem gegenüber isoliert ist, und welche für die Infrarotlichtkomponente zur Erzeugung eines entsprechenden ersten elektrischen Ladungspakets oder Signals durch photoelektrische Wandlung durchlässig ist, und die Sensoreinrichtung für Infrarotlicht eine zweite halbleitende Schicht umfaßt, welche in der Oberfläche des Substrats so ausgebildet ist, daß sie die erste Schicht überlappt, um eine gestapelte Sensorstruktur zu bilden, und welche die die erste Schicht passierende Infrarotlichtkomponente optisch empfängt, um durch photoelektrische Wandlung ein entsprechendes zweites elektrisches Ladungspaket oder Signal zu erzeugen, und eine gemeinsame mit der ersten und zweiten Schicht verbundene Ausleseeinrichtung im Substrat zum Auslesen der ersten und zweiten Ladungspakete oder Signale vorgesehen ist, einschließlich eines in diesem Substrat ausgeformten gemeinsamen Übertragungskanalabschnitts zur funktionalen Übertragung der ersten und zweiten Ladungspakete oder Signale, so daß sie ausgelesen werden.
Die Stapelstruktur des ersten und zweiten lichtempfindlichen Abschnitts trägt zu einer höheren Integration dieser Abschnitte bei, welche Lichtkomponenten der verschiedenen Wellenlängenbereiche erkennen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise Draufsicht eines lichtempfindlichen Abschnitts eines Bilderfassungsgeräts für sichtbares/Infrarotlicht gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Bilderfassungsgeräts für sichtbares/Infrarotlicht entlang Linie II-II in der Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Bilderfassungsgeräts für sichtbares/Infrarotlicht entlang Linie III-III in der Fig. 1;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Hauptteils eines Systems zur Erfassung von Bildern unter Infrarotlicht und sichtbarem Licht;
Fig. 5A und 5B Wellenformdiagramme eine Bildsignals zur Erläuterung eines Leseverfahrens der Infrarotlicht- und sichtbaren Licht-Bildsignale vom Bilderfassungsgerät für sichtbares/Infrarotlicht gemäß Fig. 1;
Fig. 6 eine Teilschnittansicht einer Struktur eines Hauptteils des Bilderfassungsgeräts für sichtbares/ Infrarotlicht gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der zusätzlich eine optische Filterschicht vorgesehen ist;
Fig. 7 eine Teilschnittansicht einer Struktur des Hauptteils einer Modifikation des Bilderfassungsgeräts für sichtbares/Infrarotlicht gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine perspektivische Teilschnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen Aufbaus, bei dem zusätzlich eine Einrichtung zur Kühlung eines Infrarot-Bilderfassungsabschnitts auf eine geeignete Temperatur mittels Flüssigstickstoff vorgesehen ist; und
Fig. 9 eine perspektivische Teilschnittansicht einer Modifikation des Bilderfassungsgeräts für sichtbares/ Infrarotlicht gemäß Fig. 8.
Es sei nunmehr auf die Fig. 1 verwiesen, in der ein Bilderfassungsgerät wie z. B. ein CCD als eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung teilweise dargestellt ist. Dieses CCD-Element umfaßt ein CCD des Zwischenzeilen-Übertragungstyps (im folgenden als "IT-CCD" (für interline-transfer) bezeichnet). Das IT-CCD besitzt eine zwei verschiedenen Lichtwellenlängenbereichen entsprechende Lichtempfindlichkeit. Bei den im folgenden zu beschreibenden Ausführungsformen besitzt ein Bilderfassungsgerät Lichtempfindlichkeiten bezüglich zweier Bestrahlungslicht-Wellenlängenbereiche, d. h. der Wellenlängenbereiche des sichtbaren und des Infrarotlichtes. Das IT-CCD kann deshalb nicht nur ein sichtbares Bild erkennen, sondern unter Infrarotlicht auch ein nichtsichtbares.
Entsprechend der teilweisen Draufsicht in der Fig. 1 sind zwei Zellen 10a und 10b aus einer Vielzahl lichtempfindlicher Zellen, welche in einer Matrix auf einem Halbleitersubstrat, wie z. B. einem Siliziumsubstrat 12, angeordnet sind, teilweise dargestellt. Die beiden Zellen 10a und 10b sind entlang einer CCD-Übertragungsrichtung angeordnet. Die beiden Zellen 10a und 10b bilden eine Stufe des CCD-Elements.
Die Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang einer Linie II-II in der Draufsicht gemäß Fig. 1. Das Substrat 12 ist z. B. aus Silizium des p-Leitfähigkeitstyps ausgebildet. Eine n&spplus;-Halbleiterschicht 14 ist auf dem Substrat 12 ausgeformt. Die n&spplus;-Halbleiterschicht 14 dient als ein vertikaler CCD-Übertragungskanal zum Lesen der Ladungspakete oder Signalladungen, welche durch die photoelektrische Wandlung des Bestrahlungslichtes generiert werden. In einer Pixelzone des Substrats 12 ist eine Platin-Silizium-Verbundschicht (im folgenden als "Pt-Si-Schicht" bezeichnet) 16 neben der n&spplus;- Schicht 14 ausgeformt. Die Pt-Si-Schicht 16 besteht aus einer Schottky-Diode Lichtempfindlichkeit gegenüber Infrarotbestrahlung. Die Schottky-Diode 16 dient als der erste infrarotempfindliche Abschnitt im Pixel des Bildsensors.
Ein Gate-Isolierfilm oder eine isolierende Schicht 18 aus einem Siliziumoxidmaterial ist, wie in der Fig. 2 gezeigt, auf dem Substrat 12 aufgebracht. Eine leitende Schicht 20a ist auf dem Gate-Isolierfilm 18 so ausgeformt, daß sie die n&spplus;-Schicht 14 überlagert. Die leitende Schicht 20a fungiert als eine Übertragungsgateelektrode. Weiterhin ist eine Gate- Isolierung oder isolierende Schicht 22 auf einer solchen Struktur gestapelt. Im Resultat liegt die Übertragungsgateelektrodenschicht 20a zwischen den isolierenden Schichten 18 und 22. Mit anderen Worten, die Gateelektrodenschicht 20a ist elektrisch gegenüber dem Substrat 12 und den Schichten 14 und 16 isoliert.
Der erste bestrahlungslichtempfindliche Abschnitt 16 zur Erkennung von Infrarotstrahlung ist auf dem Substrat 12 ausgeformt. Seine Oberfläche ist durch die isolierenden Schichten 18 und 22 bedeckt. Eine transparente Elektrode 24 aus In&sub2;O&sub3; ist auf der isolierenden Schicht 22 so ausgeformt, daß sie eine Pixelzone abdeckt. Die transparente Elektrode 24 dient als eine Pixelelektrode. Eine lichtelektrisch leitende oder amorphe Siliziumschicht 26, welche als ein zweiter lichtempfindlicher Abschnitt dient, ist auf dieser Struktur ausgebildet. Die amorphe Siliziumschicht 26 reagiert empfindlich auf einen vorgegebenen Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und erkennt so sichtbare Strahlung. Eine weitere transparente Elektrode 28 aus In&sub2;O&sub3; ist auf der Oberfläche der amorphen Siliziumschicht 26 ausgeformt. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der erste lichtempfindliche Abschnitt 16 zur Erkennung nur der Infrarot-Bildstrahlung und der zweite lichtempfindliche Abschnitt 26 zur Erkennung nur der sichtbaren Bildstrahlung auf dem Substrat 12 in der beschriebenen Reihenfolge gestapelt sind (Zweischichtstruktur).
Wie in der Fig. 3 dargestellt, ist in die isolierenden Schichten 18 und 22 eine Öffnung 30 eingeformt. Eine n&spplus;-Halbleiterschicht 32 ist auf der Oberfläche des Substrats 12 in Übereinstimmung mit der Position der Öffnung 30 ausgeformt. Die n&spplus;-Schicht 32 befindet sich neben der in der Fig. 2 dargestellten Schottky-Diode 16 und dient als eine Ladungsspeicherdiode. Da die darunterliegende transparente Elektrode 24 als eine Pixelelektrode auf den isolierenden Schichten 18 und 22 aufgebracht ist, ist sie elektrisch mit der n&spplus;-Schicht 32 verbunden, wie in der Fig. 3 gezeigt.
In der Fig. 3 ist eine in der Zelle 10a vorgesehene zweite Übertragungsgateelektrode mit dem Bezugszeichen 20b gekennzeichnet. Die zweite Übertragungsgateelektrode 20b ist in den isolierenden Schichten 18 und 20 auf die gleiche Weise eingebettet wie die ersten Übertragungsgateelektrode 20a. Die Struktur der angrenzenden Zelle 10b entspricht derjenigen der Zelle 10a, so daß auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
Vom Bild kommendes Licht 40 passiert die amorphe Siliziumschicht 28, wie in der Fig. 2 oder 3 dargestellt. In diesem Fall absorbiert die amorphe Siliziumschicht 26 als der zweite lichtempfindliche Abschnitt eine Wellenlängenkomponente des sichtbaren Lichts (λ = 0,4 bis 0,7 um) im Eingangsbildlicht 40, wodurch Signalladungen (in diesem Falle Elektronen) generiert werden. Die Signalladungen oder Elektronen werden durch ein in der amorphen Siliziumschicht aufgrund der zwischen der oberen und unteren transparenten Elektrode 28 und 24 anliegenden Spannung erzeugtes elektrisches Feld in Richtung der Elektrode 24 verschoben. Eine Wellenlängenkomponente des Infrarotlichts im Eingangsbildlicht 40, dem die sichtbare Wellenlängenkomponente entzogen ist, passiert die Pixelelektrode 24 und tritt in die Pt-Si-Schicht 16 als dem ersten lichtempfindlichen Abschnitt ein, womit sie der Bilderfassungsoperation unterzogen wird. Es sollte beachtet werden, daß trotz einer natürlichen Absorption einer Infrarotlichtwellenlängenkomponente in der Pixelelektrode 24 die Absorptionsmenge sehr klein ist und vernachlässigt werden kann.
Wenn bei dem Bilderfassungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lichteinstrahlung erfolgt, wird die im Eingangsbildlicht enthaltene Infrarotlichtkomponente mit einer größeren Wellenlänge als die des sichtbaren Lichts durch den ersten lichtempfindlichen Abschnitt 16 erkannt, welcher unmittelbar auf dem Substrat 12 ausgeformt ist, während die im Eingangslicht enthaltene Wellenlängenkomponente des sichtbaren Lichts durch den zweiten lichtempfindlichen Abschnitt 26 erkannt wird, welcher auf dem ersten lichtempfindlichen Abschnitt 16 gestapelt angebracht ist. Wird ein positives Übertragungsimpulssignal an die Übertragungsgateelektrode 20a gelegt, werden die durch photoelektrische Wandlung erzeugten und vom ersten lichtempfindlichen Abschnitt, d. h. der Pt-Si- Schicht 16, gespeicherten Signalladungen zur n&spplus;-Schicht 14 übertragen und ausgelesen. In diesem Fall erfolgt die Übertragungsoperation der Signalladungen an die n&spplus;-Schicht 14 durch sequentielles Anlegen vierphasiger negativer Taktimpulse Φ1, Φ2, Φ3 und Φ4 an die Übertragungsgateelektrode 20a und an deren benachbarte Übertragungsgateelektroden.
In der Zwischenzeit sind die dem Bild des sichtbaren Lichts entsprechenden in der amorphen Siliziumschicht 26 durch Absorption des sichtbaren Lichts erzeugten Signalladungen in Richtung der Pixelelektrode 24 gewandert und werden in einer aus der n&spplus;-Schicht 32 bestehenden Speicherdiode gespeichert. Die in der n&spplus;-Schicht 32 gespeicherten Signalladungen werden an die n&spplus;-Schicht 14 übertragen, indem in gleicher Weise wie bei der Pt-Si-Schicht 16 ein positives Impulssignal an die Übertragungsgateelektrode 20b gelegt wird, und aus der n&spplus;- Schicht 14 ausgelesen.
Gemäß der ersten Ausführungsform besteht eine Stufe des CCD- Elements aus zwei benachbarten lichtempfindlichen Zellen. Wenn die positiven Impulse an die zweite Übertragungsgateelektrode 20b jeder dieser beiden Zellen 10a und 10b gelegt werden, werden die in der amorphen Siliziumschicht 26 auf der Pixelelektrode 24 erzeugten Signalladungen durch die zweite Übertragungsgateelektrode 20b ausgelesen. Wenn andererseits die positiven Impulse an die erste Übertragungsgateelektrode 20a der Zellen 10a und 10b gelegt werden, werden die in der Pt-Si-Schicht 16 jedes Pixels erzeugten Signalladungen durch die erste Übertragungsgateelektrode 20a ausgelesen.
Die Pixelelektrode 24, welche mit der die Ladungsspeicherdiode umfassende n&spplus;-Schicht 32 verbunden ist, besteht aus einem Material, das Lichtkomponenten des Infrarotwellenlängenbereichs durchlassen kann. Die als der zweite lichtempfindliche Abschnitt zur Erfassung der Komponenten des sichtbaren Lichts dienende amorphe Siliziumschicht 26 ist auf der Pt-Si-Schicht 16 gestapelt, welche als der erste lichtempfindliche Abschnitt zur Erfassung von Infrarotlicht dient (Zweischichtstruktur). Aus diesem Grund kann die Packungsdichte der beiden lichtempfindlichen auf dem Substrat 12 mit identischer Fläche ausgeformten Abschnitte mit unterschiedlichen Lichtempfindlichkeitsbereichen im wesentlichen gegenüber der dem Stand der Technik entsprechenden verdoppelt werden, bei der zwei Zellen mit unterschiedlichen Lichtempfindlichkeitsbereichen abwechselnd auf der einzigen Oberfläche des Substrats 12 angeordnet sind. Im Resultat kann die Dichte der beiden Zellen mit unterschiedlichen Lichtempfindlichkeitsbereichen auf dem Substrat 12 im wesentlichen verdoppelt werden.
Hinsichtlich der sichtbaren Lichtkomponente des Eingangslichts dient die durchgängig ausgeformte amorphe Siliziumschicht 26 selbst als ein lichtempfindlicher Abschnitt. Deshalb kann die Größe der Öffnung 30 in den isolierenden Schichten 18 und 22, welche zur Verbindung der Pixelelektrode 24 mit der in der Oberflächenzone des Substrats 12 vorgesehenen Speicherdiode 32 erforderlich ist, auf einem Minimum gehalten werden. Als Ergebnis kann ein CCD-Chip mit Lichtempfindlichkeit sowohl für sichtbares als auch Infrarotlicht eine höhere Integration aufweisen, obwohl der erste und zweite lichtempfindliche Abschnitt in einer Pixelzellzone gepackt sind.
Die Fig. 4 zeigt die CCD-Anordnung, d. h. das Bilderfassungsgerät einschließlich des unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschriebenen Bildsensors für sichtbares/Infrarotlicht. Die Fig. 4 zeigt hauptsächlich die Bildsignalausgangsoperation des Bildsensors für sichtbares/Infrarotlicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Fig. 4 ist das Sensorinnere schematisch dargestellt. Das Bilderfassungsgerät gemäß Fig. 4 führt die Zeilensprung-Abbildungsoperation entsprechend einem Fernsehsystem durch, bei dem eine Bildposition so eingestellt ist, daß sie ein aus zwei Feldern (Feld A und B) bestehendes Bild aufweist.
Eine Vielzahl von Einheitszellen, von denen jede, wie in der Fig. 1 gezeigt, zwei Pixel umfaßt, ist in einer Matrix angeordnet. In der Fig. 4 sind nur vier Zellen 10a, 10b, 10a' und 10b' dargestellt. Wie oben beschrieben, hat jede der Zellen 10a, 10b, 10a' oder 10b' einen lichtempfindlichen Abschnitt für sichtbares Licht (oder die amorphe Siliziumschicht 26) und einen infrarotlichtempfindlichen Abschnitt (oder die Pt- Si-Schicht 16). Die lichtempfindlichen Abschnitte, welche die unterschiedlichen Wellenlängen des im Eingangslicht enthaltenen Lichts erfassen, sind in einer Pixelzone des Substrats 12 gestapelt, um eine "Zweischichtstruktur" zu erzeugen. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Zellen in der Fig. 4 der Einfachheit halber so dargestellt sind, als wären sie in derselben Ebene des Substrats 12 angeordnet. Aus demselben Grund ist in der Fig. 4 der auf sichtbares Licht empfindliche Abschnitt 26 mit "V" und der infrarotlichtempfindliche Abschnitt 16 mit "R" gekennzeichnet. Eine Zelle 10a eines Zellenpaares umfaßt deshalb einen lichtempfindlichen Abschnitt für sichtbares Licht V1 und einen infrarotlichtempfindlichen Abschnitt R1, während die andere Zelle 10b einen lichtempfindlichen Abschnitt für sichtbares Licht V2 und einen infrarotlichtempfindlichen Abschnitt R2 umfaßt. Es ist zu beachten, daß ein horizontales CCD-Schieberegister 52 auf dem Substrat 12 und in der Endstufe der Übertragungsgateelektroden vorgesehen ist.
Ein CCD-Treiber 54 ist elektrisch mit dem Bildsensor dieser Ausführungsform verbunden. Der CCD-Treiber 54 dient zur Steuerung der Bilderfassungsoperation des IT-CCD-Bildsensors als Reaktion auf ein Synchronisierimpulssignal, welches von einem Synchronisiersignalgenerator 56 erzeugt wird. Ein Bilderfassungssignal (CCD-Ausgangssignal) vom IT-CCD-Bildsensor wird über eine Verstärkerschaltung 58 an einen Ausgangsanschluß 59 gelegt.
Werden positive Impulse Φ1 und Φ2 an die entsprechenden ersten Gateelektroden des lichtempfindlichen Zellenpaares 10a und 10b gelegt, so wird aus den für sichtbares Licht empfindlichen Abschnitten V1 und V2 ein Bildsignal des sichtbaren Lichts ausgelesen. Wenn dagegen positive Impulse Φ2 und Φ4 an die entsprechenden zweiten Übertragungsgateelektroden 20b des lichtempfindlichen Zellenpaares 10a und 10b gelegt werden, so kann ein Bildsignal des Infrarotlichts aus den infrarotlichtempfindlichen Abschnitten R1 und R2 ausgelesen werden. Eine solche Ausleseoperation wird synchron mit dem Synchronisierimpulssignal vom Synchronisiersignalgenerator 56 unter der Steuerung des CCD-Treibers 54 ausgeführt. Deshalb wird, wie in der Fig. 5A gezeigt, nur ein Bildsignal des sichtbaren Lichts SV in einer in einer Positionsperiode tF1 enthaltenen A-Feld-Periode ta1 ausgelesen, und nur ein Infrarotlicht-Bildsignal SR wird in der folgenden in dieser Positionsperiode tF1 enthaltenden B-Feld-Periode ausgelesen. In der folgenden Positionsperiode tF2 wird die gleiche Operation wie in der Positionsperiode tF1 abgewickelt. Ein solches Signalausleseverfahren eignet sich für die Verarbeitung des Bildes unter sichtbarem Licht in einer Feldperiode (ta) sowie für die Verarbeitung und Berechnung des Infrarotlichtbildes in der anderen Feldperiode (tb).
In der Bildsignalausleseoperation können, wie in der Fig. 5B gezeigt, die Bildsignale des sichtbaren und Infrarotlichts in der Feldperiode ta oder tb gleichzeitig ausgelesen werden. In diesem Fall wird ein Bildsignal SV+R des, sichtbaren/Infrarotlichts von jedem Pixel erzeugt, welches aus den Bildsignalen SV und RS des sichtbaren und Infrarotlichts besteht, wodurch ein CCD-Bildsensor verwirklicht wird, der in der Lage ist, einen breiteren Wellenlängenbereich zu erfassen.
Entsprechend diesem Bildsensor für sichtbares/Infrarotlicht bilden zwei Pixel ein vertikales CCD-Element. Wie dem Fachmann hinreichend bekannt, werden aus diesem Grund (I) Bildsignale von den beiden in senkrechter Richtung angeordneten Pixeln in einer Stufe des CCD-Elements ausgelesen, und (II) wird die Zeilensprung-Bilderfassungsoperation zwischen dem Bildsignal dieser Feldperiode und dem Bildsignal der folgenden Feldperiode ausgeführt, wodurch man die gleiche Anzahl von Leer-Abtastpunkten wie die ursprünglichen Pixel des Bildsensors erhält. Als Ergebnis kann die Auflösungsverschlechterung eines reproduzierten Bildes vermieden werden.
Die Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Bildsensors für sichtbares/Infrarotlicht gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 6 entspricht der Fig. 2, und gleiche Bezugszeichen wie in der Fig. 2 kennzeichnen in der Fig. 6 identische Teile.
Gemäß dieser Ausführungsform ist ein optischer Filterfilm oder ein Bandpaßfilter 60 auf der Gateisolierschicht 22 so ausgeformt, daß es die Schottky-Diode 16 abdeckt. Der optische Filterfilm 60 soll eine Lichtkomponente eines gewünschten Wellenlängenbereichs durchlassen, d. h. die Infrarotlichtkomponente. Wenn der optische Filterfilm 60 zum Durchlaß beispielsweise der Lichtkomponente des 4 um-Wellenlängenbereichs eingestellt ist, so besteht er aus mehreren Schichten Ge und ZnSe. Das untere transparente Substrat 24 erstreckt sich über den Filterfilm 60. Mit anderen Worten, der optische Filterfilm 60 ist zusätzlich so vorgesehen, daß er zwischen der isolierenden Schicht 22 und der transparenten Elektrode 24 zu liegen kommt. Der Filterfilm 60 ist zwischen dem für sichtbares Licht empfindlichen Abschnitt und dem infrarotlichtempfindlichen. Abschnitt als eine untere Schicht vorgesehen, welche zur Bildung des Infrarot-Bilderfassungsabschnitts gestapelt sind.
Wenn das die sichtbaren und Infrarotlichtkomponenten enthaltende Eingangslicht 40 auf diesen Bildsensor einstrahlt, werden den Komponenten des sichtbaren Lichts in der überlagernden amorphen Siliziumschicht 26 absorbiert. Die amorphe Siliziumschicht 26 erfaßt das sichtbare Licht. Andere Lichtkomponenten als die des sichtbaren Lichts erreichen die Filterschicht 60. Die Filterschicht 60 ist nur für Infrarotlichtkomponenten des Eingangslichts durchlässig und absorbiert andere Lichtkomponenten, z. B. Ultraviolettstrahlung und dergl., die dann ausgefiltert werden. Als Ergebnis wird nur ein reines Infrarotlichtbild in die Pt-Si-Schicht 16 eingestrahlt. Somit kann man ein gutes Infrarotlichtbildsignal erhalten, bei dem das Hintergrundrauschen auf einem Minimum gehalten wird.
Die Fig. 7 zeigt eine Modifikation der optischen Filterschicht 60. Wenn die Filterschicht 60 wie oben beschrieben aus einer mehrfachen Ge-ZnSe-Schicht aufgebaut ist, haben Ge und ZnSe, da es sich um Halbleitermaterialien handelt, einen geringeren Widerstand als die amorphe Siliziumschicht 26 zur Erfassung der sichtbaren Lichtkomponenten. In der Fig. 7 kennzeichnet deshalb 62 eine Schicht, welche aus mehreren Ge- ZnSe-Schichten aufgebaut ist. Die Schicht 62 dient nicht nur als Filterschicht, sondern auch als eine transparente Elektrode. Mit dieser Modifikation lassen sich die gleichen technischen Vorteile wie mit derjenigen gemäß Fig. 6 verwirklichen.
Die Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines weiteren Bildsensors für sichtbares/Infrarotlicht, welcher jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entspricht. Ein transparentes Substrat 70 bietet für die Lichtkomponenten eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs höhere Durchlässigkeit. Zwei lichtempfindliche Substrate (die im folgenden als erstes bzw. zweites lichtempfindliches Substrat bezeichnet werden) oder Bilderfassungsabschnitte für sichtbares und Infrarotlicht 72 und 74 sind mittels Haftschichten 76a und 76b auf der oberen und unteren Oberfläche des Substrats 70 einander gegenüberliegend verklebt. Die Positionen der lichtempfindlichen Substrate 72 und 74 sind deckungsgleich. Das lichtempfindliche Substrat 72 ist aus amorphem Silizium geformt. Das lichtempfindliche Substrat 72 umfaßt eine Vielzahl gegenüber sichtbarem Licht lichtempfindlicher Zellen 78, welche in einer Matrix angeordnet sind. Das lichtempfindliche Substrat 72 erfaßt das im Eingangslicht 80 enthaltene Bild des sichtbaren Lichts. Das lichtempfindliche Substrat 74 hat eine Vielzahl gegenüber Infrarotlicht lichtempfindlicher Zellen 82, welche in einer Matrix angeordnet sind. Das lichtempfindliche Substrat 74 erfaßt das im Eingangslicht 80 enthaltene und durch das transparente Substrat 70 eingehende Bild des Infrarotlichts. Aus diesem Grund müssen die Haftschichten 76a und 76b aus Materialien bestehen, die Infrarotlicht durchlassen können.
Entsprechend diesem Bildsensor werden die im Eingangslicht 80 enthaltenen Komponenten des sichtbaren Bildes durch das lichtempfindliche Substrat 72 absorbiert. Andere Lichtkomponenten des Eingangslichts 80 gelangen durch das transparente Substrat 70 und die Haftschichten 76a und 76b auf das lichtempfindliche Substrat 74. Die Infrarotlichtbildkomponenten des Eingangslichts 80 werden durch das lichtempfindliche Substrat 74 absorbiert. Besteht das lichtempfindliche Substrat 74 beispielsweise aus einem Verbindungshalbleitermaterial, wie InSB, CdHgTe oder dergl., so werden im Substrat 74 Signalladungen als Reaktion auf die Einstrahlung des Eingangslichts 80 generiert.
Keramikplatten 84 und 86 sind auf jeder Oberfläche des transparenten Substrats 70 so ausgeformt, daß sie das erste bzw. zweite lichtempfindliche Substrat 72 bzw. 74 umgeben. Metallische Verdrahtungsstrukturen 88 und 90 zur Signalübertragung sind auf den Keramikplatten 84 und 86 ausgeformt. Das erste und zweite lichtempfindliche Substrat 72 und 74 sind elektrisch über Verbindungsdrähte 92a und 92b mittels des bekannten Drahtverbindungsverfahrens mit den Verdrahtungsstrukturen 88 bzw. 90 verbunden.
Ein Gehäuse 94 ist auf der Oberfläche der Keramikplatte 86 (d. h. dem zweiten lichtempfindlichen Substrat 74 des transparenten Substrats 70) angebracht. Eine Abdeckplatte 96 ist mit der Oberfläche des Gehäuses 94 so verklebt, daß ein Raum 98 begrenzt wird, welcher vom transparenten Substrat 70 und dem Gehäuse 94 eingeschlossen ist. Der geschlossene Raum 98 kapselt flüssigen Stickstoff 100, welcher das zweite lichtempfindliche Substrat 74 auf die Temperatur des Flüssigstickstoffs herunterkühlt. Andererseits wird das erste lichtempfindliche Substrat 72, welches bezogen auf das zweite lichtempfindliche Substrat 74 auf der gegenüberliegenden Oberfläche des transparenten Substrats 70 angeordnet ist, in einer Trockenstickstoffgasatmosphäre stabil gehalten. Die Temperatur dieser Stickstoffgasatmosphäre wird durch-das Betriebsverhalten des ersten lichtempfindlichen Substrats 72 bestimmt. In einer solchen Struktur zur Kühlung der lichtempfindlichen Substrate 72 und 74 bildet sich ein Temperaturgradient zwischen den lichtempfindlichen Substraten 72 und 74 mit dem dazwischenliegenden transparenten Substrat heraus.
Es ist sehr wichtig, die Pt-Si-Schottky-Diodenzone auf eine Temperatur nahe der von Flüssigstickstoff herunterzukühlen und den Flug von Dunkelstrom in der Pt-Si-Schottky-Diodenzone zu unterdrücken, so daß eine Struktur gemäß obiger Beschreibung zum Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird. Die Steuerung des Dunkelstromflusses in der Pt-Si-Schottky-Diodenzone, d. h. im infrarotlichtempfindlichen Abschnitt 74 kann das S/N-Verhältnis bzw. den Rauschabstand des davon erhaltenen Infrarotbildsignals verbessern. Es sollte beachtet werden, daß bei Kühlung des Bilderfassungsabschnitts für sichtbares Licht 72 auf eine niedrige Temperatur wie oben beschrieben, dies nicht nur in einer guten Steuerung des Dunkelstroms, sondern auch in einer unerwünschten Verschlechterung der Bildqualität bedingt durch die Erzeugung von Nachbildern und/oder Brennen bzw. Brandstellen auf dem wiedergegebenen Abbild resultiert. Eine derartige Bildverschlechterung ergibt sich, da die durch eingestrahltes Licht erzeugten Signalladungen auf Anlagerungsniveau im amorphen Siliziummaterial festgehalten werden. Amorphes Silizium hat eine höhere Haftdichte, im allgemeinen eine einige hundert- oder tausendfache Trap- bzw. Fangstellendichte, als das einkristalline Silizium. Aus diesem Grund ist das Problem von Nachbildern und/oder Brennen bzw. Brandstellen aufgrund der Anlagerung von Ladungen bei niedrigen Temperaturen im Bilderfassungsbetrieb sehr schwerwiegend.
Entsprechend dieser Anordnung mit der speziellen Kühlkonfiguration liegt der auf sichtbares Licht empfindliche Bilderfassungsabschnitt 72 gegenüber dem infrarotlichtempfindlichen Bilderfassungsabschnitt 74, der direkt durch Flüssigstickstoff gekühlt wird, wobei sich zwischen beiden Abschnitten das transparente Substrat 70 befindet, in einer Stickstoffgasatmosphäre, wodurch sich ein Temperaturgradient bildet. Dieser Temperaturgradient verläuft so, daß er in Richtung des Bilderfassungsabschnitts für sichtbares Licht 72 höher ist (z. B. so einzustellen, daß er im Abschnitt 72 innerhalb des Bereichs zwischen -10º und 20º abfällt). Die Temperatur des Sensorabschnitt 72 kann deshalb des Anlagerungsphänomen der Ladungen, welches das Auftreten von Nachbildern und/oder Brennen bzw. Brandstellen verursacht, wirksam begrenzen. Außerdem ist der Flug des Dunkelstroms im obigen Temperaturbereich vernachlässigbar. Aus diesem Grund können die durch den Dunkelstrom bedingten Rauschkomponenten, Bilddefekte und dergl. verringert werden, was zu einer Verbreiterung des Dynamikbereichs der erhaltenen Bildsignals führt.
Die Dicke des transparenten Substrats 70 kann durch Änderung der Temperatur der Trockenstickstoffgasatmosphäre geändert werden. Die Dickenänderung des transparenten Substrats 70 ist für die Korrektur der Bildschärfe sehr wichtig, welche zwischen der Brennweite des sichtbaren und der des Infrarotbildes wechselt. Es ist bekannt, daß sich die Brennebene eines Infrarotbildes gegenüber derjenigen des sichtbaren Bildes in Ausbreitungsrichtung des Lichts verschiebt. Das Bilderfassungsgerät für sichtbares/Infrarotlicht der Zweischichtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Problem wirksam lösen. Der Grund dafür liegt darin, daß die Temperatur der Trockenstickstoffgasatmosphäre geändert werden kann, so daß die Dicke des transparenten Substrats 70 geeignet zur Korrektur von Bildschärfefehlern ist, während der Temperaturgradient zwischen den lichtempfindlichen Substraten 72 und 74 konstant gehalten wird. In diesem Fall kann das im Eingangslicht enthaltene sichtbare Bild präzise auf dem oberen Sensorabschnitt 72 fokussiert werden, und das verbleibende Infrarotbild wird vom dickengeregelten transparenten Substrat 70 durchgelassen. Danach kann es auf dem unteren Sensorabschnitt 74 fokussiert werden. Gemäß dem Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels können deshalb die entsprechenden lichtempfindlichen Substrate 72 und 74 wirksam auf die jeweils gewünschten Temperaturen heruntergekühlt werden, und sowohl die sichtbaren Bilder als auch die Infrarotbilder sind präzise fokussiert, wodurch eine höhere Auflösung und eine gute Bildwiedergabe gegeben sind.
Die Fig. 9 zeigt eine Modifikation der Ausführung gemäß Fig. 8. Eine Zweischichtstruktur aus Bilderfassungsabschnitten für sichtbares und Infrarotlicht 112 und 114 ist auf der Oberfläche eines isolierenden Substrats 110 angebracht, welches dünner ist als das transparente Substrat 70. Ein transparentes Substrat 116 ist zwischen den Bilderfassungsabschnitten für sichtbares und Infrarotlicht 112 und 114 mittels Haftschichten 118a und 118b verklebt. Die Zweischichtstruktur der Bilderfassungsabschnitt 112 und 114 ist mittels einer Haftschicht 119 mit der Oberfläche des isolierenden Substrats 110 verklebt. Ein Keramikplattenelement 120 und ein Wandelement 122 sind aneinandergrenzend ausgeformt, so daß die sie Bilderfassungsabschnitte 112 und 114 auf dem isolierenden Substrat 110 umgeben. Verdrahtungsstrukturen 124 und 126 stellen die elektrische Verbindung zwischen den Verdrahtungsstrukturen (nicht dargestellt) auf den Bilderfassungsabschnitten 112 und 114 bzw. den Elementen 120 und 122 her. Eine aus isolierendem Material geformte Schicht 130 mit gleichmäßiger Wärmeleitung ist in einem in die Elemente 120 und 122 eingeformten Raum eingebettet. Wie aus der Fig. 9 deutlich zu ersehen ist, steht die Schicht 130 in direktem Kontakt mit den entsprechenden Seitenflächen der Bilderfassungsabschnitt 112 und 114. Verbindungsdrähte 126 zur Verbindung des Infrarotbilderfassungsabschnitts 114 mit dem Plattenelement 120 sind in der isolierenden Schicht 130 eingebettet.
Ein Gehäuse 132 ist auf der unteren Fläche des isolierenden Substrats 110 angebracht. Eine Abdeckplatte 134 ist mit der Oberfläche des Gehäuses 132 so verklebt, daß sie einen geschlossenen Raum 136 begrenzt. Der geschlossene Raum 136 kapselt den Flüssigstickstoff 100, wodurch der infrarotlichtempfindliche Bilderfassungsabschnitt 114 über die isolierende Schicht 110 indirekt auf die Temperatur des Flüssigstickstoffs von 77 K oder darunter heruntergekühlt wird. Ein derartiger Aufbau dient wie beim dritten Ausführungsbeispiel zur Erzielung eines mäßigen Temperaturgradienten zwischen den Bilderfassungsabschnitten für sichtbares und Infrarotlicht. Darüber hinaus ist ein solcher Aufbau günstig, wenn die jeweiligen Kühltemperaturen nahe beieinanderliegen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele dargestellt und erläutert worden ist, liegen für den Fachmann offensichtliche Änderungen und Modifikationen durchaus innerhalb des Rahmen der Erfindung.
So dient z. B. in den obigen Ausführungsformen das IT-CCD als ein Signalladungsausleseabschnitt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. So können beispielsweise andere Geräte, etwa ein Ladungsaktivierungsgerät des X-Y- Adressierungstyps (CPD), eingesetzt werden. Obwohl für den Bilderfassungsabschnitt für sichtbares Licht die amorphe Siliziumschicht vorgesehen ist, und die Pt-Si-Schottky-Diode als Bilderfassungsabschnitt für Infrarotlicht dient, können auch andere Halbleiterschichten, wie eine lichtelektrische Schicht z. B. aus Se-As-Te, ZnSe-ZnCdTe oder dergl. anstelle des amorphen Siliziums verwendet werden. Analog können anstelle der Pt-Si-Schottky-Diode andere Halbleiterübergangsstrukturen, z. B. Pd&sub2;Si, IrS&sub2;, Pt&sub2;Si, NiSi, SWi&sub2;, TiSi&sub2; oder dergl. verwendet werden.

Claims

1. Festkörper-Bilderfassungsgerät (10), welches folgendes umfaßt:

- ein halbleitendes Substrat (12);

- eine Sensoreinrichtung für sichtbares Licht (26) zur optischen Erkennung einer sichtbaren Lichtkomponente in dem von einem Bild empfangenen Licht;

- eine Sensoreinrichtung für Infrarotlicht (16) zur optischen Erkennung einer Infrarotlichtkomponente im empfangenen Licht, wobei

- die Sensoreinrichtung für sichtbares Licht eine erste halbleitende Schicht (26) enthält, welche oberhalb des Substrats (12), jedoch diesem gegenüber isoliert ist, und welche für die Infrarotlichtkomponente zur Erzeugung eines entsprechenden ersten elektrischen Ladungspakets oder Signals durch photoelektrische Wandlung durchlässig ist,

- und die Sensoreinrichtung für Infrarotlicht eine zweite halbleitende Schicht (16) umfaßt, welche in der Oberfläche des Substrats (12) so ausgebildet ist, daß sie die erste Schicht überlappt, um eine gestapelte Sensorstruktur zu bilden, und welche die die erste Schicht (26) passierende Infrarotlichtkomponente optisch empfängt, um durch photoelektrische Wandlung ein entsprechendes zweites elektrisches Ladungspaket oder Signal zu erzeugen; und

- eine gemeinsame mit der ersten und zweiten Schicht verbundene Ausleseeinrichtung (14, 20) im Substrat zum Aus lesen der ersten und zweiten Ladungspakete oder Signale vorgesehen ist, einschließlich eines in diesem Substrat (12) ausgeformten gemeinsamen Übertragungskanalabschnitts (14) zur funktionalen Übertragung der ersten und zweiten Ladungspakete oder Signale, so daß sie ausgelesen werden.

2. Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ausleseeinrichtung eine zweiteilige Gateelektrode (20a, 20b) umfaßt, welche oberhalb des Übertragungskanalabschnitts (14) ausgeformt ist und mit jedem Teil sowohl den ersten als auch den zweiten Abschnitt (16, 26) teilweise überlappt, wobei die Gateelektrode die Übertragung der ersten und zweiten Ladungspakete oder Signale an den Übertragungskanalabschnitt als Reaktion auf von der Gateelektrode empfangene Impulssignale steuert.

3. Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die zweite halbleitende Schicht (16) eine Photodiode des Schottky-Typs mit einem Schottky- Übergangsaufbau darstellt.

4. Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die zweite halbleitende Schicht (26) aus einem amorphen Halbleitermaterial besteht.

5. Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß es eine auf dem Substrat in einer solchen Weise ausgeformte isolierende Schicht (18, 22) umfaßt, daß die erste Schicht (26) auf der isolierenden Schicht angeordnet und die zweite Schicht (16) durch die isolierende Schicht bedeckt ist, so daß die ersten Schicht gegenüber der zweiten Schicht elektrisch isoliert ist.

6. Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß es eine Halbleiter- Diffusionsschicht (32) umfaßt, welche neben der zweiten Schicht (16) so ausgeformt ist, daß eine Speicherdiode für elektrische Ladung gebildet wird.

7. Gerät gemäß Anspruch 5 oder 5, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Schicht (18, 22) eine auf der Diffusionsschicht (32) positionierte Öffnung (30) aufweist und die Sensoreinrichtung für sichtbares Licht eine auf der isolierenden Schicht (18, 22) ausgeformte und über die in die isolierende Schicht (18, 22) eingeformte Öffnung in elektrischen Kontakt mit der Halbleiter-Diffusionsschicht (32) gebrachte Pixelelektrode (24) enthält.

8. Gerät gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß es eine optische Filtereinrichtung (60, 62) umfaßt, welche zwischen der ersten und zweiten halbleitenden Schicht zur Filterung der von der ersten Schicht (26) übertragenen Bildlichtkomponente ausgeformt ist, wodurch nur die im Eingangslicht zur zweiten Schicht (16) enthaltene Infrarotbildlichtkomponente übertragen wird.