DE4133996A1

DE4133996A1 - Ccd-bildwandler

Info

Publication number: DE4133996A1
Application number: DE4133996A
Authority: DE
Inventors: Hun Jun Jung
Original assignee: Goldstar Electron Co Ltd
Current assignee: Intellectual Ventures II LLC
Priority date: 1990-10-13
Filing date: 1991-10-14
Publication date: 1992-04-16
Anticipated expiration: 2011-10-15
Also published as: JP2858179B2; DE4133996C2; US5233429A; KR920008947A; JPH06181302A; KR930008527B1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein einen CCD-Bildwandler (CCD= ladungsgekoppeltes Bauelement), insbesondere mit verbessertem Aufbau eines vertikalen CCD- bzw. VCCD-Bereichs.

Ein Festkörperbildwandler ist im allgemeinen dadurch geformt, daß auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial wie Siliciumoxid eine Vielzahl von Fotoempfängern und eine Vielzahl von Fotoabtastern angeordnet ist. Für die Fotoempfänger können Elemente gewählt sein, um eine Bildaufnahme vom sichtbaren Bereich bis zum Infrarotbereich zu ermöglichen.

Beispielsweise kann ein Festkörperbildwandler einen MOS- Schalter, ein ladungsgekoppeltes Bauelement usw. aufweisen. Das ladungsgekoppelte Bauelement besteht aus einem vertikalen bzw. VCCD-Bereich und einem horizontalen bzw. HCCD-Bereich.

Ein CCD-Bildwandler, der unter Anwendung von ladungsgekoppelten Bauelementen arbeitet, wandelt typischerweise Lichtenergie durch den Fotoempfänger in ein elektrisches Signal um, wobei der lichtelektrische Wirkungsgrad für Infrarot-Wellenlängen, in denen der Betrag der Lichtenergie klein ist, sehr niedrig ist. Bildsignalladungen vom Infrarot-Typ werden also nicht vollständig zum VCCD-Bereich übertragen, was die Erzeugung eines perfekten Bildes erschwert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild, das den Aufbau eines konventionellen CCD-Bildwandlers vom Typ mit Übertragung zwischen den Leitungen zeigt. Dabei hat der konventionelle CCD-Bildwandler einen n-leitenden HCCD-Bereich 3 und eine Vielzahl von n-leitenden VCCD-Bereichen 2, an die jeweils eine Serie von n-leitenden Fotodioden 1 einzeln gekoppelt ist. Jede der n-leitenden Fotodioden 1 ist mit dem n- leitenden VCCD-Bereich 2 so gekoppelt, so daß eine davon abgegebene Bildsignalladung in einer einzigen Richtung zu dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 übertragen wird. Außerdem sind die n-leitenden VCCD-Bereiche 2 mit dem n-leitenden HCCD-Bereich 3 derart gekoppelt, daß die von den Fotodioden 1 übertragenen Signalladungen zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 gleichzeitig aufgrund von vorbestimmten Taktsignalen übertragen werden. An den Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 ist ein Abtastverstärker 4 gekoppelt, der Zustände der Signalladungen abtastet und die Abtastzustände der Signalladungen um einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie a-a′ von Fig. 1. Wie diese Zeichnung zeigt, ist auf einem n-leitenden Substrat 5 eine p-leitende Mulde 6 geformt, auf der die n- leitende Fotodiode 1 in einem gewünschten Abstand von dem n- leitenden VCCD-Bereich 2 gebildet ist. Auf der Oberseite zwischen der n-leitenden Fotodiode I und dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 ist eine Transfergateelektrode 7 gebildet, und auf dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 ist eine Gateelektrode 8 gebildet. Eine p⁺-leitende Ionenschicht 9 ist unter dem n- leitenden VCCD-Bereich 2 ihn umgebend gebildet.

Die p⁺-leitende Ionenschicht 9 soll Störungen wie etwa ein Überstrahlen verhindern, das auftritt, wenn aus einer Verschmierung resultierende elektronische Überschußsignalladungen zu dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 übertragen werden.

Ferner ist auf der Oberfläche der n-leitenden Fotodiode 1 eine dünne p⁺-leitende Ionenschicht 10 gebildet, um die Oberfläche mit einer Anfangsvorspannung zu beaufschlagen.

Bevorzugt bestehen die Transfergateelektrode 7 und die Gateelektrode 8 aus Polysilicium-Materialien. Isolationsschichten (nicht gezeigt) sind jeweils zwischen der Transfergateelektrode 7, der Gateelektrode 8 und der Oberfläche der p-leitenden Mulde 6 gebildet. Dieses Verfahren ist in "Transaction on Electron Devices", IEEL Aug. 1985, S. 1448, 1458, 1496, beschrieben.

Fig. 3 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie b-b′ von Fig. 2 und zeigt eine vertikale Potentialverteilung unter der Bedingung, daß die Ladungen e in dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 enthalten sind.

Die Bildsignalladungen e werden von den n-leitenden Fotodioden 1 zum n-leitenden VCCD-Bereich 2 beim Anlegen einer hohen Spannung an die Transfergateelektrode 7 verschoben. Zu diesem Zeitpunkt verhindert die zwischen dem n-leitenden VCCD-Bereich 2 und der p-leitenden Mulde 6 gebildete p⁺-leitende Ionenschicht 9, daß die p-leitende Mulde vollständig verarmt, was in der höheren Potentialschwelle resultiert. Infolgedessen werden die aus einem Verschmieren resultierenden Überschußladungen nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 2 verschoben.

Fig. 4 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie c-c′ von Fig. 2, das einen Zustand zeigt, in dem die p- leitende Mulde 6 vollständig verarmt ist, und zwar aufgrund von physikalischen Eigenschaften des pn-Übergangs beim Anlegen einer hohen Spannung an das n-leitende Substrat 5, so daß eine niedrigere Potentialschwelle erhalten wird.

Wenn starke Lichtenergie zu der n-leitenden Fotodiode 1 übertragen wird, so daß die Signalladungen von der n- leitenden Fotodiode 1 zu hoch werden, gelangen Überschußladungen e′ über die p-leitende Mulde 6 zum n- leitenden Substrat 5. Dabei ist die Tiefe der p-leitenden Mulde 6 zwischen der n-leitenden Fotodiode 1 und dem n- leitenden Substrat 5 gering, so daß die Überschußladungen e nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 2 verschoben werden, sondern ohne weiteres in die p-leitende Mulde 6 absorbiert werden. Die p-leitende Mulde ist nämlich dazu ausgelegt, einen Überlaufabzug zu verhindern. Um diese Wirkung zu erzielen, kann der Teil des n-leitenden Substrats 5 unter der n-leitenden Fotodiode 1 höher als sonstige Bereiche gemacht sein, und der Teil der n-leitenden Fotodiode 1 kann tiefer gemacht sein. Da zu diesem Zeitpunkt in dem n-leitenden VCCD- Bereich 2 eine gewünschte Potentialschwelle, die aus der p⁺- leitenden Ionenschicht 9 resultiert, gebildet ist, wie Fig. 3 zeigt, werden die Überschußladungen e′ von der n-leitenden Fotodiode 1 nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 2 übertragen.

Der konventionelle CCD-Bildwandler weist jedoch die folgenden Nachteile auf.

Erstens hat zwar die p⁺-leitende Ionenschicht 9 unter dem n- leitenden VCCD-Bereich 2 gemäß Fig. 2 die Wirkung, ein aus einem Verschmieren resultierendes Überstrahlen in gewissem Umfang zu verhindern, aber die Überschußladungen können nicht vollständig zum n-leitenden Substrat 5 verschoben werden, so daß die Überschußladungen zu dem n-leitenden VCCD-Bereich einer anderen Zelle verschoben werden, was in dem Überstrahlen resultiert.

Da zweitens die p-leitende Mulde 6 in dem Teil zwischen der n-leitenden Fotodiode 1 und dem n-leitenden Substrat 5 zur besseren Absorption der Überschußladungen e′ flachvertieft geformt ist, werden Bildsignalladungen vom Infrarot-Typ langer Wellenlänge nicht vollständig zum n-leitenden VCCD- Bereich 2 übertragen, sondern teilweise in das n-leitende Substrat 5 absorbiert.

Drittens ist es schwierig, ein Substrat bereitzustellen, das in Teilen so geätzt ist, daß die obigen Forderungen erfüllt werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD- Bildwandlers mit verbessertem Aufbau eines VCCD-Bereichs, der einen durch Fehlerladungen oder Überschußladungen aufgrund eines Verschmierens bedingten Überlaufabzug vollständig verhindern kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen CCD-Bildwandler mit einem n-leitenden Fotoempfangsbereich, einem n-leitenden VCCD-Bereich und einem n-leitenden HCCD- Bereich, wobei der CCD-Bildwandler aufweist: eine unter dem n-leitenden VCCD-Bereich gebildete und ihn umgebende p- leitende Schicht; eine unter der p-leitenden Schicht diese umgebende n-leitende Schicht; eine unter der n-leitenden Schicht diese umgebende p-leitende Mulde; und ein unter der p-leitenden Mulde gebildetes n-leitendes Substrat, wobei an das Substrat eine Blendenspannung (shutter voltage) angelegt wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild, das den Aufbau eines konventionellen CCD-Bildwandlers mit Übertragung zwischen den Zeilen zeigt;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie a-a′ von Fig. 1;

Fig. 3 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie b-b′ von Fig. 2;

Fig. 4 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie c-c′ von Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen CCD-Bildwandler gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie d-d′ von Fig. 5;

Fig. 7 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 5; und

Fig. 8 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 5 bei angelegter Blendenspannung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird zuerst der Aufbau des CCD- Bildwandlers beschrieben.

Fig. 5 ist ein Schnitt durch den CCD-Bildwandler. Dabei ist auf einem n-leitenden Substrat 13 eine p-leitende Mulde 14 gebildet, auf der eine n-leitende Fotodiode 15 und ein n- leitender VCCD-Bereich 16 gebildet sind, die voneinander einen gewünschten Abstand haben. Auf der Oberseite ist zwischen der n-leitenden Fotodiode 15 und dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 eine Transfergateelektrode 17 gebildet, und eine Gateelektrode 18 ist auf dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 gebildet. Eine p-leitende Ionenschicht 19 ist unter dem n- leitenden VCCD-Bereich 16 diesen umgebend gebildet. Außerdem ist unter der p-leitenden Ionenschicht 19 sie umgebend eine n-leitende Zonenschicht 20 gebildet.

Die p-leitende Ionenschicht 19 soll Störungen wie etwa ein Überstrahlen verhindern, das auftritt, wenn aus einer Verschmierung resultierende überschüssige elektronische Signalladungen zu dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 übertragen werden, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wurde. Auch absorbiert die n-leitende Ionenschicht 20 diejenigen Überschußsignalladungen, deren Übertragung zum n- leitenden VCCD-Bereich die p-leitende Ionenschicht 19 nicht verhindern kann, und verhindert eine Übertragung der Überschußsignalladungen zum n-leitenden VCCD-Bereich 16. Infolgedessen verhindert die n-leitende Ionenschicht 20 einen Überlaufabzug.

Ferner ist auf der Oberfläche der n-leitenden Fotodiode 15 eine dünne p⁺-leitende Ionenschicht 21 zum Anlegen einer Anfangsvorspannung an die Oberfläche gebildet.

Bevorzugt sind die Materialien der Transfergateelektrode 17 und der Gateelektrode 18 Polysiliciummaterialien. Isolationsschichten (nicht gezeigt) sind zwischen der Transfergateelektrode 17, der Gateelektrode 18 und der Oberfläche der p-leitenden Mulde 14 gebildet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6-8 wird nachstehend der Betrieb des CCD-Bildwandlers mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.

Fig. 6 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie d-d′ von Fig. 5, das eine vertikale Potentialverteilung unter der Bedingung zeigt, daß die Ladungen e in dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 enthalten sind.

Die Bildsignalladungen e werden von den n-leitenden Fotodioden 15 zum n-leitenden VCCD-Bereich 16 verschoben, wenn an die Transfergateelektrode 17 eine hohe Spannung angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die aus einer Verschmierung resultierenden unerwünschten Ladungen nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 16 verschoben, sondern von der n- leitenden Zonenschicht 20 eingefangen.

Wie Fig. 5 zeigt, wird an das Substrat typischerweise eine Blendenspannung Vst angelegt, aber gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann sie auch an die n- leitende Ionenschicht 20 angelegt werden. Dabei wird der Zeitraum, in dem die Blendenspannung angelegt wird, in einem Bereich zwischen 1/60 und 1/2000 s bestimmt und typischerweise verkürzt, um die Erzeugung der Überschußsignalladungen e′ durch den Einfall von zu viel Licht zu verhindern.

Fig. 7 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 5, das den Zustand zeigt, daß die p-leitende Mulde 14 aufgrund von physikalischen Eigenschaften des pn- Übergangs beim Anleegen einer hohen Spannung an das n- leitende Substrat 13 vollständig verarmt ist, was in der niedrigeren Potentialschwelle resultiert.

Wenn starke Lichtenergie auf die n-leitende Fotodiode 15 übertragen wird, so daß die Signalladungen von der n- leitenden Fotodiode 15 zu groß sind, gehen die Überschußsignalladungen e′ über die untere p-leitende Mulde 14 zur n-leitenden Ionenschicht 20. Da die n-leitende Ionenschicht 20 den Überlaufabzug verhindert, ist somit der Teil der p-leitenden Mule 14 zwischen der n-leitenden Fotodiode 15 und dem n-leitenden Substrat 13 hinsichtlich seiner Konzentration und Tiefe nicht eingeschränkt. Außerdem kann ein ebenes n-leitendes Substrat verwendet werden.

Fig. 8 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 5 bei angelegter Blendenspannung. Wie das Diagramm zeigt, ist beim Anlegen der Blendenspannung an die n-leitende Ionenschicht 20 die Potentialschwelle der p- leitenden Mulde 14 noch niedriger, so daß die Überschußsignalladungen vollständig aus dem n-leitenden Substrat 13 entfernt werden. Durch Anlegen der Blendenspannung Vst an die n-leitende Ionenschicht 20 werden also mit anderen Worten die Bildsignalladungen vom Infrarot- Typ langer Wellenlänge an einer Übertragung zum n-leitenden Substrat gehindert. Daher kann der fotoelektrische Wirkungsgrad im Infrarot-Wellenlängenbereich, in dem die Lichtenergie gering ist, gesteigert werden. Außerdem kann die Konzentration der p-leitenden Mulde so geändert werden, daß sie an die Vermeidung des Überlaufabzugs angepaßt wird, und zwar unabhängig vom fotoelektrischen Wirkungsgrad im Infrarotbereich.

Wie vorstehend beschrieben, bietet der CCD-Bildwandler gemäß der Erfindung folgende Vorteile:

Erstens kann die n-leitende Ionenschicht die aus einer Verschmierung resultierenden Überschußladungen absorbieren, so daß die Überschußladungen von der p-leitenden Mulde nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich übertragen werden; infolgedessen wird das Auftreten von Störungen verhindert.

Zweitens brauchen Konzentration und Tiefe der p-leitenden Mulde nicht zum Zweck der Erhöhung des fotoelektrischen Wirkungsgrads im Infrarotbereich eingeschränkt zu werden, was in einer größeren Konstruktionsfreiheit für den Bildwandler resultiert.

Drittens hat das Anlegen der Blendenspannung an die n- leitende Ionenschicht die Auswirkung einer Steigerung des fotoelektrischen Wirkungsgrads im Infrarotbereich.

Claims

1. CCD-Bildwandler mit einem n-leitenden Fotoempfangsbereich (15), einem n-leitenden VCCD-Bereich und einem n-leitenden HCCD-Bereich, gekennzeichnet durch
eine unter dem n-leitenden VCCD-Bereich (16) gebildete und ihn umgebende p-leitende Schicht (19);
eine unter der p-leitenden Schicht (19) gebildete und sie umgebende n-leitende Schicht (20);
eine unter der n-leitenden Schicht (20) gebildete und sie umgebende p-leitende Mulde (14); und
ein unter der p-leitenden Mulde (14) gebildetes n-leiten des Substrat (13), das mit einer Blendenspannung beaufschlag bar ist.

2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß auf der n-leitenden Schicht (20) eine Elektrode gebildet ist, um die Blendenspannung (Vst) an die n-leitende Schicht anzulegen.

3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die p-leitende Schicht (19) eine höhere Störstellen konzentration als die p-leitende Mulde (14) hat.

4. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Störstellenkonzentration der n-leitenden Schicht (20) niedriger als diejenige des n-leitenden Fotoempfangsbereichs (15) und des n-leitenden VCCD-Bereichs (16) und höher als diejenige des n-leitenden Substrats (13) ist.