DE4133996C2

DE4133996C2 - CCD-Bildwandler

Info

Publication number: DE4133996C2
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: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-10-15
Also published as: US5233429A; JPH06181302A; DE4133996A1; JP2858179B2; KR920008947A; KR930008527B1

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildwandler (CCD = ladungsgekoppeltes Bauelement) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus der US-PS 4 951 104 bekannt ist.

Ein CCD-Bildwandler, der unter Anwendung von ladungsgekoppelten Bauelementen arbeitet, wandelt typischerweise Lichtenergie durch eine Fotodiode in ein elektrisches Signal um, wobei der lichtelektrische Wirkungsgrad für Infrarot-Wellenlängen, in denen der Betrag der Lichtenergie klein ist, sehr niedrig ist.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild, das den üblichen Aufbau eines CCD-Bildwandlers vom Typ mit Übertragung zwischen den Leitungen zeigt. Dabei hat der 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 Fotodiodenbereichen 1 einzeln gekoppelt ist. Jede der n-leitenden Fotodiodenbereiche 1 ist mit dem n-leitenden VCCD- Bereich 2 so gekoppelt, daß eine davon abgegebene Bildsignal ladung 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 Fotodiodenbereichen 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 die Signalladungen abtastet und verstärkt.

Aus der US-PS 4 951 104 ist bekannt, daß auf einem n- leitenden Substrat eine p-leitende Schicht geformt ist, in der ein n-leitender Fotodiodenbereich in einem gewünschten Abstand von dem n-leitenden VCCD-Bereich gebildet ist. Auf der Oberseite befinden sich über dem n-leitenden VCCD-Bereich Gateelektroden. Eine p-leitende Zwischenschicht ist unter dem n-leitenden VCCD-Bereich, ihn umgebend, gebildet.

Wenn viel Licht auf die Fotodiode fällt, so daß die Signalladung auf der Fotodiode zu groß wird, gehen die Überschußsignalladungen e^- über die p-leitende Schicht zum n-leitenden Substrat. Dadurch wird verhindert, daß Überschußsignalladungen in den VCCD- Bereich gelangen. Dies wird bei herkömmlichen CCD-Bildwandler mitunter dadurch unterstützt, daß der Bereich der p-leitenden Schicht unterhalb des n-leitenden Fotodiodensbereichs dünner ist als die übrigen Bereiche; vgl. US-PS 4 947 224. Bevor Überschußsignalladungen also in den VCCD-Bereich ungewollt überlaufen (überstrahlen), werden sie über die p leitende Schicht zum n-leitenden Substrat abgeleitet.

Die konventionellen CCD-Bildwandler weisen jedoch u. a. die folgenden Nachteile auf:

Die p-leitende Zwischenschicht unter dem n-leitenden VCCD- Bereich hat zwar die unterstützende Wirkung, daß ein Überstrahlen in gewissem Umfang verhindert wird, doch die Überschußsignalladungen gelangen nicht vollständig zum n- leitenden Substrat sondern auch zu dem n-leitenden VCCD-Bereich einer anderen Zelle. Dadurch resultiert ein Überstrahlen.

Die p-leitende Schicht ist bei herkömmlichen CCD-Bildwandlern in dem Teil zwischen dem n-leitenden Fotodiodenbereich und dem n- leitenden Substrat zur besseren Übertragung der Überschußladungen e^- dünner als in den übrigen Bereichen. Dadurch wird Infrarot-Strahlung nicht vollständig in der Fotodiode absorbiert, sondern gelangt teilweise in das n-leitende Substrat.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD- Bildwandlers mit verbessertem Aufbau des CCD-Bereichs, der ein ungewolltes Überlaufen von Überschußsignalladungen in den CCD- Bereich vollständig verhindern kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für den eingangs genannten CCD-Bildwandler durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines CCD-Bildwandlers mit Übertragung zwischen den Zeilen;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen CCD-Bildwandler entlang der Linie a-a′ von Fig. 1.

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

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

Fig. 5 ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 2 bei angelegter Blendenspannung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird zuerst der Aufbau des CCD- Bildwandlers beschrieben.

Fig. 2 ist ein Schnitt durch den CCD-Bildwandler. Dabei ist auf einem n-leitenden Substrat 13 eine p-leitende Schicht 14 gebildet, in der ein n-leitender photoempfindlicher Bereich 15 (Fotodiode) und ein n-leitender Kanal 16 (VCCD- Bereich) gebildet sind, die voneinander einen gewünschten Abstand haben. Auf der Oberseite ist zwischen der Fotodiode 15 und dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 eine Transfergateelektrode 17, und auf dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 eine Gateelektrode 18 gebildet. Eine p-leitende Zwischenschicht 19 ist unter dem n-leitenden VCCD-Bereich 16, diesen umgebend, gebildet. Außerdem ist unter der p-leitenden Zwischenschicht 19 sie umgebend eine n-leitende Trennschicht 20 gebildet.

Die p-leitende Zwischenschicht 19 soll Störungen wie etwa ein Überstrahlen verhindern, das auftritt, wenn überschüssige elektronische Signalladungen (Verschmierung der Bildsignalladungen) zu dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 übertragen werden. Auch absorbiert die n-leitende Trennschicht 20 diejenigen Überschußsignalladungen, deren Übertragung zum n-leitenden VCCD-Bereich 16 die p-leitende Zwischenschicht 19 nicht verhindern kann, und verhindert dadurch eine Übertragung der Überschußsignalladungen zum n-leitenden VCCD-Bereich 16.

Ferner ist auf der Oberfläche der Fotodiode 15 eine dünne p⁺-leitende Schicht 21 gebildet.

Bevorzugt bestehen die Transfergateelektrode 17 und die Gateelektrode 18 aus Polysilicium. Isolationsschichten (nicht gezeigt) sind zwischen der Transfergateelektrode 17, der Gateelektrode 18 und der Oberfläche der p-leitenden Schicht 14 gebildet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3-5 wird nachstehend der Betrieb des CCD-Bildwandlers mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.

Fig. 3 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie d-d′ von Fig. 2, 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 Fotodioden 15 zum n-leitenden VCCD-Bereich 16 verschoben, wenn an die Transfergateelektrode 17 eine hohe Spannung angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt verhindert die zwischen dem n-leitenden VCCD-Bereich 16 und der p-leitenden Schicht 14 gebildete p⁺-leitende Zwischenschicht 19, daß die p-leitende Schicht vollständig verarmt, was in der höheren Potentialschwelle resultiert. Infolgedessen werden die aus einem Überstrahlen (Verschmierung) resultierenden unerwünschten Ladungen nicht zum n-leitenden VCCD-Bereich 16 verschoben, sondern von der n-leitenden Trennschicht 20 eingefangen.

Wie Fig. 2 zeigt, wird an das Substrat typischerweise eine Blendenspannung V_st angelegt, aber gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann sie auch an die n- leitende Trennschicht 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. 4 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 2, das den Zustand zeigt, daß die p-leitende Schicht 14 aufgrund von physikalischen Eigenschaften des pn-Übergangs beim Anlegen einer hohen Spannung an das n-leitende Substrat 13 vollständig verarmt ist, was in der niedrigeren Potentialschwelle resultiert.

Wenn viel Licht auf die Fotodiode 15 fällt, so daß die Signalladungen von der Fotodiode 15 zu groß sind, gehen die Überschußsignalladungen e⁻ über die untere p-leitende Schicht 14 zur n-leitenden Trennschicht 20. Da die n-leitende Trennschicht 20 somit den Überlauf verhindert, ist der Teil der p-leitenden Schicht 14 zwischen dem leitenden Fotodiodenbereich 15 und dem n-leitenden Substrat 13 hinsichtlich seiner Konzentration und Tiefe nicht eingeschränkt. Außerdem kann ein ebenes n-leitendes Substrat 13 verwendet werden.

Fig. 5 ist ein Potentialprofil-Diagramm entlang der Linie f-f′ von Fig. 2 bei angelegter Blendenspannung. Wie das Diagramm zeigt, ist beim Anlegen der Blendenspannung an die n-leitende Trennschicht 20 die Potentialschwelle der p-leitenden Schicht 14 nicht mehr vorhanden, so daß alle Signalladungen vollständig entfernt werden. Daher kann der fotoelektrische Wirkungsgrad im Infrarot- Wellenlängenbereich, in dem die Lichtenergie gering ist, gesteigert werden. Außerdem kann die Konzentration der p- leitenden Schicht 14 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 Trennschicht 20 die aus einer Verschmierung resultierenden Überschußladungen absorbieren, so daß die Überschußladungen von der p-leitenden Schicht 14 nicht zu einem anderen n-leitenden VCCD-Bereich 16 übertragen werden; infolgedessen wird das Auftreten von Störungen verhindert.

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

Drittens steigert das Anlegen der Blendenspannung an die n-leitende Trennschicht 20 den photoelektrischen Wirkungsgrad des CCD-Bildwandlers im Infrarotbereich.

Claims

1. CCD-Bildwandler, bei dem auf einem n-leitenden Substrat (13) eine p-leitende Schicht (14) liegt, in der voneinander getrennte, n-leitende photoempfindliche Bereiche (15) und n- leitende CCD-Kanäle (16) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder CCD-Kanal (16) durch eine Doppelschicht von der p- leitenden Schicht (14) getrennt ist, daß die Doppelschicht aus einer Aufeinanderfolge einer p- leitenden Zwischenschicht (19) und einer n-leitenden Trennschicht (20) besteht und daß die Trennschicht (20) einen Anschluß für eine Spannungsquelle aufweist.

2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Zwischenschicht (19) eine höhere Störstellenkonzentration als die p-leitende Schicht (14) aufweist.

3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Trennschicht (20) eine niedrigere Störstellenkonzentration als der n-leitende CCD-Kanal (16) und als der n-leitende photoempfindliche Bereich (15), aber eine höhere Störstellenkonzentration als das n-leitende Substrat (13) aufweist.