DE4134011C2

DE4134011C2 - CCD-Bildwandler

Info

Publication number: DE4134011C2
Application number: DE4134011A
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: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2011-10-15
Also published as: KR930008528B1; JPH0714999A; DE4134011A1; KR920008949A

Description

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildwandler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein CCD-Bildwandler wird im allgemeinen so gebildet, daß eine Vielzahl von Fotoempfängern und eine Vielzahl von Signalverschiebungsbereichen auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial wie Siliciumoxid angeordnet wird. Als die Fotoempfänger können Elemente gewählt werden, die eine Bildaufnahme vom sichtbaren Bereich bis zum Infrarotbereich zu ermöglichen.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild des Aufbaus eines gattungsgemäßen CCD-Bildwandlers (EP-0 390 205 A2). Dabei hat der konventionelle CCD-Bildwandler einen n-leitenden HCCD-Bereich und eine Vielzahl von n-leitenden vertikalen bzw. VCCD- Bereichen, und an jeden dieser Bereiche ist jeweils eine Reihe von n-leitenden Fotodioden PD gekoppelt. Jede der n- leitenden Fotodioden PD ist mit dem n-leitenden VCCD-Bereich so gekoppelt, daß eine davon ausgehende Bildsignalladung zu dem n-leitenden VCCD-Bereich übertragen wird. Außerdem sind die n-leitenden VCCD-Bereiche mit dem n-leitenden HCCD-Bereich so verbunden, daß die von den VCCD-Bereichen übertragenen Signalladungen zu dem n-leitenden HCCD-Bereich übertragen werden, und zwar aufgrund von ersten bis vierten VCCD-Taktsignalen V01-V04, wobei ein Taktsignal jeweils einer Phase entspricht. Mit dem n-leitenden HCCD-Bereich ist ein Abtastverstärker gekoppelt, der Zustände der Signalladungen abtastet und die Abtastzustände der Signalladungen um einen vorbestimmten Verstärkungsfaktor verstärkt.

Der Betrieb des konventionellen CCD-Bildwandlers mit dem obigen Aufbau gemäß Fig. 4 wird nachstehend beschrieben.

Zuerst erzeugen die n-leitenden Fotodioden PD bei Empfang von einer Abbildung entsprechendem Licht der jeweiligen Lichtintensität entsprechende Signalladungen. Die von den n-leitenden Fotodioden PD erzeugten Signalladungen werden über Transfergates (nicht gezeigt) zu den n-leitenden VCCD- Bereichen übertragen (vgl. US 4 473 836). Dann übertragen die n-leitenden VCCD-Bereiche die von den Fotodioden PD übertragenen Signalladungen zu dem n-leitenden HCCD-Bereich 3, und zwar gleichzeitig aufgrund des ersten bis vierten VCCD- Taktsignals V01-V04. Die zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 übertragenen Bildsignalladungen werden dann aufgrund von HCCD- Taktsignalen H01 und H02 von zwei Phasen zum Ausgang des n- leitenden HCCD-Bereichs 3 übertragen. Die am Ausgang des n- leitenden HCCD-Bereichs 3 ankommenden Signalladungen werden über ein Ausgabegatter zu einem periodisch vorgeladenen Diffusionsgebiet 4, auch "floating diffusion region" genannt, (Fig. 5) übertragen. Dann erfolgt durch den Abtastverstärker eine Abtastung der im Float-Diffusionsbereich 4 gespeicherten Signalladungen, und der Abtastverstärker liefert dem Abtastergebnis entsprechende Informationen in Form von Ausgangsspannungen (vgl. EP 0 390 205).

Fig. 5 zeigt im Schnitt den Aufbau der Endstufe des n- leitenden HCCD-Bereichs von Fig. 4. Auf einem n-leitenden Substrat 1 ist eine p-leitende Potentialwelle 2 geformt, auf deren Oberfläche der n-leitende HCCD-Bereich 3 zur horizontalen Übertragung der Signalladungen, das n⁺-leitende periodisch vorgeladene Diffusionsgebiet 4 zur vorübergehenden Speicherung der übertragenen Signalladungen und ein n⁺-leitender Reset-Drain 5 zum Löschen der vorübergehend im n⁺-leitenden Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen gebildet sind. Auf der Oberseite des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 sind wiederum erste Steuerelektroden 6 und zweite Steuerelektroden 7 gebildet. In Teilen des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 unter den zweiten Steuerelektroden 7 sind n^-leitende Ionen- Sperrschichten 12 geformt, die Potentialschwellen zum leichteren Übertragen der Signalladungen bilden. Auf der Oberseite des Ausgangs des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 ist ein Ausgabegatter 8 gebildet, an das eine konstante Vorspannung zur Bildung von konstanten Potentialschwellen für die Übertragung der Bildsignalladungen vom n-leitenden HCCD- Bereich 3 zum Float-Diffusionsbereich 4 angelegt wird. Auf der Oberseite zwischen dem Diffusionsgebiet 4 und dem Reset-Drain 5 ist eine Resetelektrode 9 geformt, zur Übertragung der im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen zum Reset-Drain 5, aufgrund eines Reset- Taktsignals R01, um das Potential des Diffusionsgebiets 4 in den Ausgangszustand zurückzubringen.

Mit dem Diffusionsgebiet 4 ist der Eingang des Abtastverstärkers gekoppelt (nicht gezeigt), um die Größe der im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen abzutasten und Spannungsinformationen entsprechend dem Abtastergebnis auszugeben. Dabei können die Materialien der ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 jeweils Polysilicium sein.

Nachstehend wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 der Betrieb des so aufgebauten konventionellen CCD-Bildwandlers beschrieben.

Fig. 6 zeigt ein Potentialprofil für den Aufbau von Fig. 5.

Die von den Fotodioden PD erzeugten Signalladungen werden durch die n-leitenden VCCD-Bereiche zum n-leitenden HCCD- Bereich 3 übertragen. Die zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 übertragenen Signalladungen werden von den ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 aufgrund der Taktsignale H01 und H02 zum Ausgang des CCD-Bildwandlers übertragen, wie Fig. 6 zeigt.

Da das Ausgabegate 8 am Ausgang des n-leitenden HCCD- Bereichs 3 durch die Konstantspannung vorgespannt ist, wird das Potential am Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 beim Anlegen von Hochpegel-Taktsignalen H01 und H02 an die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 niedrig, so daß die Signalladungen nicht über die Potentialschwellen des Ausgabegates 8 weitergeleitet werden. Andererseits wird bei Anlegen von Niedrigpegel-Taktsignalen H01 und H02 an die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 das Potential am Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 hoch, so daß die Signalladungen die Potentialschwellen des Ausgabegates 8 passieren können. Infolgedessen werden die Signalladungen vom n-leitenden HCCD-Bereich 3 zum periodisch vorgeladenen Diffusionsgebiet 4 übertragen.

Die übertragenen Signalladungen werden in dem Diffusionsgebiet 4 vorübergehend gespeichert. Dann tastet der Abtastverstärker die Größe der im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen ab und liefert Spannungsinformationen entsprechend dem Abtastergebnis. Die Resetelektrode 9 entlädt die im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen durch den Reset-Drain 5 aufgrund des Reset-Taktsignals R01.

Der konventionelle CCD-Bildwandler mit dem vorgenannten HCCD- Bereich 3 weist jedoch den Nachteil auf, daß zwischen dem Diffusionsgebiet 4 und dem Ausgabegate 8 sowie zwischen dem Diffusionsgebiet 4 und der Resetelektrode 9 eine hohe elektrostatische Kapazität vorhanden ist wie beispielsweise zwischen der Gate-Elektrode und den Source-/Drain-Elektroden eines Transistors. Diese elektrostatische Kapazität verschlechtert die Empfindlichkeit des Float- Diffusionsbereichs 4. Die Beziehung zwischen der elektrostatischen Kapazität C, der Ladungsänderung ΔQ und der Spannungsänderung ΔV kann durch folgende Gleichung wie folgt definiert werden:

ΔV=ΔQ/C

Gemäß der obigen Gleichung nimmt die Spannungsänderung ΔV mit zunehmender elektrostatischer Kapazität C ab, obwohl die Ladungsänderung ΔQ konstant ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines CCD- Bildwandlers, bei dem die Empfindlichkeit bei vereinfachtem Aufbau erhöht ist.

Die Erfindung ist in Anspruch 1 gekennzeichnet, weitere Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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 eine Schnittdarstellung, die den Aufbau des Ausgangsteils eines n-leitenden HCCD-Bereichs bei einem CCD-Bildwandler gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Potentialprofil für die Konstruktion von Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm der Potentialverteilung entlang der Linie A-A′ von Fig. 1.

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines konventionellen CCD-Bildwandlers von einem mit Zeilenübertragung arbeitenden Typ;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung, die den Aufbau des Ausgangsteils eines n-leitenden HCCD-Bereichs von Fig. 4 zeigt; und

Fig. 6 ein Potentialprofil, das der Konstruktion von Fig. 5 entspricht;

Fig. 1 zeigt im Schnitt den Aufbau des Ausgangsteils des n- leitenden HCCD-Bereichs 3 eines erfindungsgemäßen CCD-Bildwandlers. Dabei ist auf einem n-leitenden Substrat 1 eine p-leitende Potentialwelle 2 geformt, und auf deren Oberfläche sind der n-leitende HCCD- Bereich 3 zur horizontalen Übertragung von Signalladungen, ein n⁺-leitendes Diffusionsgebiet 4 zur vorübergehenden Speicherung der übertragenen Signalladungen und ein n⁺- leitender Reset-Drain 5 zum Löschen der vorübergehend im n⁺-leitenden Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen gebildet. Auf der Oberseite des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 sind erste Steuerelektroden 6 und zweite Steuerelektroden 7 geformt. In Teilen des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 unter den zweiten Steuerelektroden 7 sind n^-- leitende Ionen-Sperrschichten 12 zur Bildung von Potentialschwellen zum Zweck der leichteren Übertragung der Signalladungen gebildet. Am Ausgang des n-leitenden HCCD- Bereichs 3 ist eine p-leitende Ionen-Sperrschicht 13 zur Bildung einer Potentialschwelle geformt. Auf der Oberseite zwischen der "floating diffusion region" 4 und dem Reset-Drain 5 ist eine Resetelektrode 9 geformt, um die in dem Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen aufgrund eines Reset-Taktsignals R01 zum Reset-Drain 5 zu übertragen und das Potential des Diffusionsgebiets 4 in den Ausgangszustand zurückzustellen. Dabei werden an die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 HCCD-Taktsignale H01 und H02 angelegt. Mit dem Diffusionsgebiet 4 ist der Eingang des Abtastverstärkers verbunden (nicht gezeigt), um die Größe der im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen abzutasten und entsprechend dem Abtastergebnis Spannungsinformationen auszugeben. Dabei können die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 aus Polysilicium bestehen.

Der Betrieb des so aufgebauten CCD-Bildwandlers wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 im einzelnen beschrieben.

Fig. 2 zeigt ein Potentialprofil, das die Übertragung der Signalladungen vom HCCD-Bereich 3 zu dem Diffusionsgebiet 4 verdeutlicht. Die von den Fotodioden PD erzeugten Signalladungen werden durch die n-leitenden VCCD-Bereiche zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 übertragen. Die zum n-leitenden HCCD-Bereich 3 übertragenen Signalladungen werden von den ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 aufgrund der Taktsignale H01 und H02 zum Ausgang des CCD- Bildwandlers übertragen, wie Fig. 2 zeigt.

Da die p-leitende Ionen-Sperrschicht 13 am Ausgang des n- leitenden HCCD-Bereichs 3 mit einer Konstantspannung vorgespannt ist, wird das Potential am Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 niedrig, wenn Hochpegel-Taktsignale H01 und H02 an die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 angelegt werden, so daß die Signalladungen den Potentialwall der p-leitenden Ionen-Sperrschicht 13 nicht passieren können. Wenn andererseits Niedrigpegel-Taktsignale H01 und H02 an die ersten und zweiten Steuerelektroden 6 und 7 angelegt werden, wird das Potential am Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs 3 hoch, so daß die Signalladungen über die Potentialschwelle der p-leitenden Ionen-Sperrschicht 13 gelangen können. Infolgedessen werden die Signalladungen aus dem n-leitenden HCCD-Bereich 3 zu dem Diffusionsgebiet 4 übertragen. Die übertragenen Signalladungen werden in dem Diffusionsgebiet 4 vorübergehend gespeichert. Dann tastet der Abtastverstärker den Wert der im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen ab und liefert dem Abtastergebnis entsprechende Ausgangsspannungsinformationen. Die Resetelektrode 9 entlädt die im Diffusionsgebiet 4 gespeicherten Signalladungen durch den Reset-Drain 5 aufgrund des Reset-Taktsignals R01.

Fig. 3 zeigt ein Verteilungsdiagramm des Potentials entlang der Linie A-A′ von Fig. 1, d. h. um die p-leitende Sperrschicht 13 herum. Durch die Bildung einer Übergangszone zwischen dem n- leitenden HCCD-Bereich 3 und der p-leitenden Ionen- Sperrschicht 13 übersteigt das höchste Potential einen Pinch- off-Spannungspegel nicht.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann anstelle der p-leitenden Ionen-Sperrschicht 13 eine n^--leitende Ionen-Sperrschicht am Ausgang des n-leitenden HCCD- Bereichs 3 gebildet werden. Die n^--leitende Ionen-Sperrschicht wird gebildet durch Vermindern der Konzentration von n- leitenden Störstellen in dem Teil des Ausgangs des n-leitenden HCCD-Bereichs 3, der der p-leitenden Ionen-Sperrschicht 13 entspricht. Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der Erfindung zum Zweck der Bildung des Potentialwalls am Ausgang des n-leitenden HCCD-Bereichs die p- leitende Ionen-Sperrschicht 13 anstelle des Ausgabegates gebildet. Daher ist beim CCD-Bildwandler gemäß der Erfindung die elektrostatische Kapazität an dem Diffusionsgebiet verringert und damit die Empfindlichkeit des CCD-Bildwandlers erhöht. Außerdem ist es nicht notwendig, eine konstante Vorspannung an seinen Ausgang anzulegen.

Claims

1. CCD-Bildwandler
mit mindestens einem lichtempfindlichen Bauelement (PD) eines bestimmten Leitungstyps, das dem auftreffenden Licht entsprechende Signalladungen erzeugt,
mit mindestens einem vertikalen CCD-Bereich (VCCD-Bereich) eines bestimmten Leitungstyps, der die Signalladungen weiterleitet, und
mit einem horizontalen CCD-Bereich (3) (HCCD-Bereich) eines bestimmten Leitungstyps zur Übertragung der Signalladungen, bei dem im Bereich seines Ausganges am Übergang zu einem periodisch vorgeladenen Diffusionsgebiet (floating diffusion region 4) eine Potentialschwelle aufbaubar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialschwelle durch eine Ionen-Sperrschicht (13) ohne ein durch eine konstante Vorspannung beaufschlagten Ausgabegate gebildet ist, so daß die Kapazität zwischen dem Ausgangsbereich des horizontalen CCD-Bereichs (3) und dem periodisch vorgeladenen Diffusionsgebiet (floating diffusion region 4) verringert ist.

2. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Sperrschicht (13) einen anderen Leitungstyp als der betreffende horizontale CCD-Bereich (3) aufweist.

3. CCD-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Sperrschicht (13) denselben Leitungstyp wie der betreffende horizontale CCD-Bereich (3), aber eine niedrigere Störstellenkonzentration als der betreffende horizontale CCD-Bereich (3) aufweist.