DE4200560A1 - Ccd-sensormatrix fuer ionisierende strahlung - Google Patents

Description

CCD-Matritzen werden vielfach zur Detektion elektromagnetischer Strahlung eingesetzt. Am bekanntesten ist die Gruppe der optischen Sensormatritzen (z. B. DD 2 53 710, US-PS 42 29 752), welche in Videoanwendungen und in der optischen Strahlungsmeßtechnik zur Anwendung kommen. Grundlagen und Einsatzgebiete sowie grundlegende Charakteristiken von Siliziumsensoren für ionisierende Strahlung werden von M. Frank und W. Stolz beschrieben in:
"Festkörperdosimetrie ionisierender Strahlung"
BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft
Leipzig, 1969.

Setzt man bekannte CCD-Matritzen einer hochenergetischen Strahlung aus, so kommt es i.a. zu Degradationserscheinungen, da einerseits die Teilchen mit ihrem Eindringen Kristallstörungen verursachen und andererseits nach dem Eindringen teilweise in dem elektrisch aktiven Gebiet verbleiben und je nach Art der Teilchen die Dotierung des Halbleiters verändern können.

Zur Trennung der einzelnen CCD-Kanäle werden i.a. Kanalstoppergebiete eingesetzt, die nicht an freibeweglichen elektrischen Ladungsträgern verarmen und über denen sogenanntes Feldoxid, eine dicke Siliziumoxidschicht, liegt. Derartige Trenngebiete benötigen eine relativ große Chipfläche und verringern die erzielbare Ladungstransportkapazität der CCD-Schieberegister.

Bekannte CCD-Schieberegister werden mit Gateelektroden aus polykristallinem Silizium realisiert (DD 2 35 963). Eine solche Schicht kann bei einer geforderten Leitfähigkeit eine Mindestdicke nicht unterschreiten. Ähnliches gilt für Gateschichten aus Indium-Zinn-Oxid, die auch gelegentlich in optischen Strahlungssensoren verwendet werden. Derartige über den eigentlich sensitiven Gebieten liegende Schichten führen aber bei einer Bestrahlung mit ionisierenden Partikeln dazu, daß Teile dieser Strahlung mit bestimmten Energiebereichen diese Schichten gar nicht durchdringen können und damit das nachweisbare Energiespektrum nicht vollständig ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Beschreibung einer Anordnung zur Detektion ionisierender Strahlung, die die Nachteile bekannter Anordnungen weitgehend vermeidet.

Wesen der Erfindung

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine CCD-Sensormatrix mit Einphasenschieberregistern beschrieben, die erfindungsgemäß keine in die Tiefe reichenden Kanalstoppergebiete im sensitiven Bereich besitzt, bei der große Flächenanteile einer Matrixzelle keine leitfähigen Gateschichten aufeisen und die verbleibende Fläche einer Matrixzelle mittels einer äußerst dünnen Metallgateschicht gesteuert wird.

Kerngedanken der Erfindung sind neben den in ihrer Schichtdicke minimierten Deckschichten eine Begrenzung des generationsaktiven Gebietes in die Tiefe, die Integration von chipumfassenden Drainkanälen für parasitäre generierte Ladungen sowie die Anordnung von Überlaufgebieten für überschüssige generierte Ladungsträger, die in ihrem Potential festgelegt sind und Anschlußgebiete für die Aufnahme und Weiterleitung überschüssiger generierter Ladungsträger besitzen.

Bei der Bestrahlung von Silizium mit hochenergetischen Partikeln, werden diese über Wechselwirkungen mit dem Gitter des Siliziumeinkristalles abgebremst, bis sie entweder in dem Trägermaterial verbleiben oder die gesamte Dicke der Halbleiterprobe durchdrungen haben. Entlang des Weges, den das Teilchen durch den Halbleiter, beginnend bei der Grenzschicht des Siliziumeinkristalles bis zu der Stelle an der das Teilchen die gesamte kinetische Energie abgegeben hat, zurücklegt, werden auf Grund der Energieabgabe Ladungsträgerpaare innerhalb eines zylindrischen Halbleitervolumens generiert. Diese Ladungsträger werden i.a. von einem elektrischen Feld im Sensor je nach Ladung getrennt und die Minioritätsladungsträger als Signalladung gesammelt. Majoritätsladungs­ träger fließen i.a. über das Substrat ab.

Für Partikel bestimmter Energiebereiche sind die von einem einzelnen Teilchen generierten Signalladungsmengen sehr groß. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das generationsaktive Halbleitervolumen zu begrenzen. Eine solche Begrenzung wird mittels einer Dotierungszone vom Substratleitungstyp größerer Konzentration, einer sogenannten Tiefenbarrierendotierungszone, erreicht. Diese Tiefenbarrierendotierungs­ zone ist in einer Tiefe des Halbleiterkristalls angeordnet, die flacher als die mittlere Reichweite des größten Teiles der einfallenden Partikel ist, tief genug jedoch, um in dem darüber befindlichen Halbleitervolumen CCD- Transportregister anzuordnen. Auf Grund des Konzentrationsunterschiedes zwischen der Substratdotierung und der Tiefenbarrierendotierungszone wird eine kleine Potentialbarriere aufgebaut, die verhindert, daß die unterhalb der Tiefenbarrierendotierungszone generierten Minoritäts­ ladungsträger nach dem Abklingen der Anfangsverteilung in die darüber befindlichen Potentialmulden gelangen. Eine solche Tiefenbarrieren­ dotierungszone hat mehrere Vorteile:

• - Die Menge der insgesamt gesammelten Signalladung wird kleiner, da nur das zwischen der Halbleiteroberfläche und der Tiefenbarrierendotierungszone liegende Halbleitervolumen zur Signalgeneration beiträgt.
• - Die Ladungstransportkapazität der CCD-Schieberegister vergrößert sich, da die Kapazität der gespeicherten Signalladungen in Richtung zum Substrat hin mit dieser Tiefenbarrierendotierungszone wächst.
• - Partikel, die im Trägermaterial unterhalb dieser Tiefen­ barrierendotierungszone verbleiben, beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Bauelementes nicht. Damit reduzieren sich die durch die Bestrahlung zu erwartenden Degradationseffekte.

Für den Ladungstransport in vertikaler Richtung existieren n CCD- Vertikalschieberegister. Die damit existierenden Potentialmulden dienen gleichzeitig als Sensorpotentialmulden um die generierten Signalladungsträger zu sammeln. Am Ende der CCD- Vertikalschieberegister werden die transportierten Signalladungspakete in ein CCD-Horizontalschieberegister übergeben. Eine Zelle der Sensormatrix (oder auch Matrixzelle) enthält neben dem Drainkanal auch Potentialtrenngebiete, Überlaufgebiete und Anschlußgebiete sowie die Zelle eines CCD-Vertikalschieberegisters. Diese Zelle unterteilt sich in zwei Stufen, eine nicht mit einer Gateelektrode bedeckte erste Stufe und eine gategesteuerte zweite Stufe. Der Begriff Stufe nimmt hier Bezug auf eine Potentialstufe, da jede einzelne Stufe einen Barrierenbereich und einen Ladungsspeicherbereich besitzt, zwischen denen sich ohne eine eingespeicherte Signalladung eine Potentialstufe für Signalladungsträger befindet. Derartige eingebaute Potentialstufen ermöglichen bekannterweise den Ladungstransport in eine damit festgelegte Ladungstransportrichtung.

Die einfallenden Partikel müssen vor dem Eindringen in das generationsaktive Halbleitervolumen verschiedene Deckschichten durchdringen. Dicke und Beschaffenheit dieser Deckschichten beeinflussen die Empfindlichkeit des Sensors erheblich. Aus diesem Grunde ist das CCD-Schieberegister, welches gleichzeitig als sensitives Gebiet genutzt wird, als Einphasen-CCD-Schieberegister ausgeführt. Das hat den Vorteil, daß große Teile der aktiven Gebiete keine leitfähigen Deckschichten aufweisen, sondern nur die äußerst dünne Schicht des Gateisolators. Diese Gebiete werden in ihrem Potential von einer sehr flach angeordneten Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit einer hohen Konzentration kontrolliert unter der sich vergrabene Kanaldotierungszonen, üblicherweise Dotierungszonen mit einer Leitfähigkeit umgekehrt zu der des Substrates, für einen Barrierenbereich und für einen Ladungsspeicherbereich einer solchen ersten Stufe befinden. Die gategesteuerten Bereiche werden von einer Metallgateschicht bedeckt, deren Dicke erfindungsgemäß in der Größenordnung der Dicke des Gateisolators, möglichst jedoch noch darunter liegt. Auf Grund der Wahl eines Metalls als Gatematerial kann trotz der geringen Dicke noch eine ausreichende Leitfähigkeit erzielt werden. Analog zu den schon beschriebenen ungesteuerten Bereichen befindet sich im Gebiet unter der Metallgateelektrode ein Barrierenbereich und ein Speicherbereich die ebenfalls vergrabene Kanaldotierungszonen besitzen, welche eine zweite Stufe bilden. Gesteuerte und nicht gesteuerte Stufen grenzen direkt aneinander, so daß mittels einer solchen Anordnung von erster und zweiter Stufe eine CCD-Schieberegisterzelle gebildet wird. Die aneinandergrenzenden CCD-Schieberegisterzellen ermöglichen einen Ladungstransport der im CCD-Schieberegister befindlichen Ladungsträger. Außerdem sorgen die Potentialmulden der CCD- Schieberegister für eine Sammlung der Signalladungsträger im Falle des Durchganges eines Ladung generierenden Teilchens durch das entsprechende Halbleitervolumen. Genauere Simulationsrechnungen bezüglich der flächenbezogenen Ladungsspeicherfähigkeit der ersten und der zweiten Stufe haben gezeigt, daß die erreichbaren maximalen Werte nicht gleich sind. Deshalb wird erfindungsgemäß eine unsymmetrische Flächenaufteilung im Layout zwischen den Speicherbereichen der ersten und der zweiten Stufe realisiert. Damit wird erreicht, daß beide Stufen ein annähernd gleichgroßes Ladungspaket bei maximal gefüllter Potentialmulde speichern können und die Gesamttransportkapazität gegenüber einer symmetrischen Flächenaufteilung wächst.

Neben den CCD-Transportkanälen befinden sich sehr schmale, nur von den Überlaufgebieten unterbrochene, Potentialtrenngebiete neben denen sich Drainkanäle befinden. Drainkanäle sind flach angeordnete Dotierungszonen mit einer hohen Dotandenkonzentration und einer zum Substratleitungstyp umgekehrten Leitfähigkeit, die vorzugsweise nicht an freibeweglichen Ladungsträgern verarmen und an einem der äußeren Ränder der Sensormatrix leitfähig kontaktiert sind. Die Potentialtrenngebiete enthalten nur Dotierungszonen des Substratleitungstypes mit einer schwachen Konzentration. Aus diesem Grund kann nicht von Kanalstoppergebieten gesprochen werden, da diese Gebiete, bis auf eine spezielle Stelle, bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Sensormatrix wegen der geringen lateralen Maße und der schwachen Dotandenkonzentration im allgemeinen vollständig an freibeweglichen Ladungsträgern vom Substratleitungstyp verarmen, insbesondere jedoch dort, wo sie von den vertikal durchgehenden Metallgateelektroden überdeckt werden.

Da jedoch in diesen Potentialtrenngebieten keine Dotierungszonen mit einer zum Substratleitungstyp umgekehrten Leitfähigkeit existieren und mittels der Gateelektrode exakt die gleichen Gatepotentiale wie in anderen Gebieten der Matrixzelle anliegen, ist in allen Betriebsweisen eine Potentialbarriere zwischen den CCD-Ladungstransportkanälen und den Drainkanälen gewährleistet. An einer Stelle, wo die Potentialtrenngebiete nicht von der Gatemetallschicht überdeckt werden, wird mittels des Layoutes der Zelle eine breitere Anordnung gewählt. Diese Stelle kann zum Beispiel auf das doppelte der sonst realisierten Breite dieser Potentialtrenngebiete vergrößert werden. Dadurch werden an den entsprechenden Stellen auf Grund der Wirkung der äußeren elektrischen Potentiale diese Bereiche nicht mehr vollständig an freibeweglichen Ladungsträgern verarmen, womit ein leitender Anschluß der im Schieberegister der ersten Stufe befindlichen, sehr flach angeordneten Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit einer hohen Konzentration ermöglicht wird.

Die Potentialtrenngebiete, die längs zwischen CCD-Transportkanal und Drainkanal verlaufen, werden unterbrochen von Überlaufgebieten. Diese Überlaufgebiete weisen Dotierungszonen auf, die analog zu den im Barrierenbereich der ersten Stufe existierenden Dotierungszonen sind, jedoch eine geringfügig größere Konzentration der Kanaldotierungszonen besitzen. Damit liegt der Potentialmuldentiefstpunkt in diesen Gebieten einige Millivolt unter dem Potentialmuldentiefstpunkt des Barrierenbereiches der ersten Stufe, wobei vorausgesetzt wird, daß sich in diesen Gebieten keine Ladungsträger befinden.

Der leitfähige Anschluß zwischen dem Überlaufgebiet und dem Drainkanal wird vermittels von Anschlußgebieten erreicht. Diese Anschlußgebiete enthalten Dotierungszonen des Speicherbereiches der ersten Stufe bis auf die sehr flach angeordnete Dotierungszone vom Substratleitungstyp mit einer hohen Konzentration.

Überschüssige generierte Ladungsträger, die in das Gebiet des Speicherbereiches der ersten Stufe gelangen, fließen damit nicht entgegen der Ladungstransportrichtung in das CCD-Schieberegister sondern in die Überlaufgebiete und von dort aus über die Anschlußgebiete in die Drainkanäle ab.

Eine Matrixzelle enthält also die Zelle eines CCD-Schieberegisters mit erster und zweiter Stufe, zwei angrenzende Potentialtrenngebiete mit mindestens einer entsprechenden Verbreiterung, ein oder zwei Überlaufgebiete jeweils mit dem dazugehörigen Anschlußgebiet und mindestens einen Drainkanal. Diese Matrixzellen werden in einer Matrix mit n Zeilen und m Spalten ohne Zwischenraum angeordnet und bilden den sensitiven Bereich.

Daran schließt sich ein Horizontalschieberegister mit m+i Schieberegisterzellen an. Es existieren i.a. einige sogenannte Leerzellen oder auch Dunkelzellen, deren Anzahl hier mit i bezeichnet sei und die der Überbrückung einer Distanz zwischen der ersten Horizontalschieberegisterzelle, welche Signalladungen aus den vertikalen Schieberegistern erhält, und dem Ladungsdetektor dienen. Der Ladungsdetektor sorgt für eine niederohmige Bereitstellung eines zu den ankommenden Ladungspaketen möglichst proportionalen Spannungssignales am Signalausgang des Bauelementes.

Die kammförmig in den sensitiven Bereich ragenden Drainkanäle werden vorzugsweise auch in den äußeren Bereichen rings um den sensitiven Bereich sowie neben dem Horizontalregister angeordnet, um eventuell im äußeren Bereich generierte Ladungsträger vom sensitiven Bereich abzuschirmen.

Zum Betrieb einer solchen Sensormatrix werden einige Gleichspannungen sowie die Taktspannungen für die Vertikalregister, für das Horizontalregister und für das Rücksetzen des Ladungsdetektors nach jeder Ankunft eines Ladungspaketes benötigt.

Mit jedem Taktimpuls des Vertikaltaktes werden in der gesamten Sensormatrix die Signalladungspakete in einer Matrixzelle um genau eine Zelle weitergereicht, bis sie den unteren Rand der Sensormatrix erreichen. Dort angelangt, werden sie ebenfalls mittels des Vertikaltaktes in das Horizontalschieberegister übergeben. Danach werden m+i Impulse des Horizontaltaktes benötigt, um alle Signalladungspakete bis zum Ladungsdetektor zu transportieren.

Wenn auf eine Ortsauflösung des Signales verzichtet wird, welches bei sehr geringer Bestrahlungsdichte und statistischer Auswertung als möglich erscheint, und nur die Energieauflösung einzelner Teilchen gemessen werden soll, so kann die Horizontaltaktspannung identisch mit der Vertikaltaktspannung sein.

Ausführungsbeispiel

Im Ausführungsbeispiel wird von einem p-leitenden Si-Substrat 10 ausgegangen. Selbstverständlich ist die Erfindung auch mit n-leitenden Substraten und überhaupt mit anderen Halbleitermaterialien realisierbar. Die entsprechenden einzubringenden Dotierungszonen sind dann jeweils vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp.

Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale Skizze aus dem sensitiven Gebiet einer erfindungsgemäßen Sensormatrix.

Fig. 2 zeigt ein zweidimensional berechnetes Potentialfeld aus dem Bereich eines völlig verarmten Potentialtrenngebietes mit darüberliegender Metallgateelektrode.

Fig. 3 zeigt ein zweidimensional berechnetes Potentialfeld aus dem Bereich eines nicht verarmten Potentialtrenngebietes, welches einen leitfähigen Anschluß zu der p- Dotierungszone 17 realisiert.

Fig. 4 zeigt ein zu Fig. 3 gehöriges zweidimensional berechnetes Feld der Substratladungsträgerdichte.

Der in Fig. 1 dargestellte Schichtaufbau kann bezüglich der Maße in Y- Richtung nicht den realen Verhältnissen entsprechen, da bei einer maßstabsgerechten Darstellung kaum alle Schichten und Gebiete qualitativ dargestellt werden können. Insbesondere ist die Dicke der dargestellten Metallgateelektroden 16, wie auch die Dicke des Gateisolators 15 aus Darstellungsgründen zu groß. Die relevanten Schichtdicken werden deshalb an den entsprechenden Stellen explizit erwähnt.

Fig. 1 enthält eine Ansicht aller in einer Matrixzelle befindlichen sowie die an diese Matrixzelle angrenzenden Gebiete als auch die zugehörigen, erforderlichen Dotierungszonen.

Ganzflächig ist im sensitiven Gebiet die Tiefenbarrierendotierungszone 11 vom Substratleitungstyp angeordnet. Diese Dotierungszone besitzt eine hohe Konzentration der Dotanden und dient der Begrenzung des generationsaktiven Halbleitervolumens. Minioritätsladungsträger, die unterhalb dieser Tiefenbarrierendotierungszone 11 generiert werden, können nach dem Abklingen der anfänglichen Ladungsverteilung nicht über die Potentialbarriere gelangen, welche sich auf Grund des Konzentrationsunterschiedes zwischen der Konzentration der Tiefenbarrierendotierungszone 11 und der Konzentration des Substratmateriales 10 aufbaut. Die Größe der Potentialdifferenz U_barr kann folgendermaßen abgeschätzt werden:

U_barr = ((k _* T)/q) _* in(C/C_sub) (1)

Dabei bedeuten:

k - Boltzmann Konstante
T - absolute Temperatur
q - Elementarladung eines Elektrons
C - Dotierungskonzentration des Substrates
C₀ - Konzentrationsmaximum der Tiefenbarrieren­ dotierungszone

In dem über der Tiefenbarrierendotierungszone 11 befindlichen Halbleitervolumen sind weitere Dotierungszonen angeordnet. Die erste Stufe des CCD-Schieberegisters wird gebildet von dem Barrierenbereich der ersten Stufe 27 und dem Ladungsspeicherbereich der ersten Stufe 26. Die flache Dotierungszone vom Substratleitungstyp 17, welche nicht an freibeweglichen Ladungsträgern verarmt und eine leitfähige Verbindung zu den Ladungsträgern des Substrates besitzt und damit Substratpotential führte. Überdeckt die Gebiete der ersten CCD-Schieberegisterstufe sowie die Überlaufgebiete 28. Unter dieser Dotierungszone 17 befinden sich jeweils Dotierungszonen mit einer zum Substrat umgekehrten Leitfähigkeit 18, 22 und 19. Die zweite Stufe des CCD-Schieberegisters befindet sich unter einem Teil der Metallgateelektrode 16, von der sie gesteuert wird. Dazu sind dort eine Kanaldotierungszone 12 mit einer zum Substrat umgekehrten Leitfähigkeit im Ladungsspeicherbereich und zusätzlich eine Dotierungszone 21 vom Substratleitungstyp im Barrierenbereich angeordnet, wobei ganzflächig unter den Metallgateelektroden 16, mit einer Dicke von ca. 20 nm bis 30 nm der Gateisolator 15, dessen Dicke ca. 20 nm bis 40 nm betragt, angeordnet ist.

Werden keine Signalladungsträger transportiert, so sind die Dotierungszonen 12, 18 und 22 vollständig an freibeweglichen Ladungsträgern verarmt. Im Bereich der ersten Stufe werden in diesem Fall die Potentiale vollständig von den realisierten Dotierungszonen festgelegt. Insbesondere bildet sich in dem Bereich zwischen den Dotierungszonen 18 und 22 auf Grund der unterschiedlichen Dotandenkonzentrationen eine Potentialstufe, wie sie für einen CCD-Betrieb erforderlich ist. Dabei besitzt das Potential im Bereich des Potentialmuldentiefstpunktes des Barrierenbereiches 27 einen Wert von ca. 5 V und in dem dazugehörigen Ladungsspeicherbereich (ohne Signalladung) einen Wert von ca. 7 V.

Die Kristallpotentiale der zweiten Stufe ( ohne Signalladungen ) sind abhängig von der angelegten Gatespannung. Auch hier wird jedoch durch die Wirkung der ebenfalls völlig an freibeweglichen Ladungsträgern verarmten Dotierungszone 21 eine Potentialstufe zwischen dem Barrierenbereich und dem Ladungsspeicherbereich realisiert, welche einerseits in ihrer Größe nur wenig von der angelegten Gatespannung abhängig ist und andererseits in der gleichen Größenordnung wie die in der ersten Stufe realisierte Potentialstufe liegt. Befinden sich Signalladungsträger im CCD-Schieberegister, so werden sie sich entweder im Ladungsspeicherbereich der ersten Stufe oder im Ladungsspeicherbereich der zweiten Stufe befinden. Der genaue Aufenthaltsort ist abhängig von dem jeweiligen momentan anliegenden Gatepotential. Mit einer Low-Taktspannung ( ca. 0 V . . . -1 V) an der Metallgateelektrode 16 wird das Potential im Ladungsspeicherbereich der zweiten Stufe kleiner als das Potential des direkt daneben befindlichen Barrierenbereiches der ersten Stufe. Signalladungsträger, die sich im Bereich des Ladungsspeicherbereiches der zweiten Stufe befinden werden deshalb auf Grund dieses Potentialanstiegs über das Barrierenpotential der direkt angrenzenden ersten Stufe in Ladungstransportrichtung 23 bis in den Ladungsspeicherbereich dieser ersten Stufe fließen, denn dort herrscht bei dieser Low-Taktspannung das höchste erreichbare Potentialniveau. In die entgegengesetzte Richtung wird auf Grund des noch niedrigeren Potentiales des dort angeordneten Barrierenbereiches ein Ladungsträgertransport verhindert.

Mit einer High-Taktspannung (ca. 8 V . . . 10 V ) an der Metallgateelektrode 16 werden dagegen die Potentiale der zweiten Stufe höher als die Potentiale der ersten Stufe. Entgegengesetzt zur Ladungstransportrichtung kann jedoch kein Ladungstransport stattfinden, da das Potential des Barrierenbereiches der ersten Stufe dies verhindert. Entsprechend fließen die Signalladungsträger in Ladungstransportrichtung 23 über den Barrierenbereich der zweiten Stufe bis in den Ladungsspeicherbereich dieser zweiten Stufe. Damit ist der Transportzyklus geschlossen. Ein vollständiger Impuls bewirkt folglich den Weitertransport eines Signalladungspaketes um genau eine Zelle des CCD- Schieberegisters, wobei wie beschrieben zwei Einzeltransfers dieses Ladungspaketes ausgeführt werden.

Jeder Einzeltransfer eines Ladungspaketes ist zeitabhängig und mit sehr kleinen systematischen Verlusten verbunden. In gewöhnlichen CCD- Schieberegistern mit vergrabenen Kanälen liegen diese Verluste bei ca. 10^-6 bis 10^-5 je Einzeltransfer.

Zwischen den einzelnen CCD-Schieberegistern befinden sich Drainkanäle, welche mittels der Dotierungszone 14 definiert werden. Außerdem sind die Flächen der Drainkanalbereiche 24 dargestellt. Die Dotierungszone 14 besitzt eine zum Substrat umgekehrte Leitfähigkeit und eine sehr hohe Dotandenkonzentration. Aus diesem Grunde wird die Dotierungszone 14 nicht an freibeweglichen Ladungsträgern verarmen. Die Drainkanäle sind außerhalb des sensitiven Gebietes der erfindungsgemäßen Sensormatrix leitfähig kontaktiert und mit einer entsprechenden Drainspannungsquelle (ca. 8 V bis 10 V) niederohmig verbunden.

Um einen Ladungsträgeraustausch zwischen den Drainkanälen und den Gebieten des CCD-Schieberegisters zu verhindern befinden sich zwischen beiden die Potentialtrenngebiete 25. Im Bereich dieser Gebiete befinden sich erfindungsgemäß keine Dotierungszonen mit einer zum Substrat umgekehrten Leitfähigkeit. Die dargestellte Dotierungszone 13 vom Substratleitungstyp besitzt erfindungsgemäß nur eine sehr schwache Dotandenkonzentration. Diese Dotierung kann zum Beispiel gleichzeitig mit der Realisierung der Dotierungszone 21 erzeugt werden. Auf Grund der niedrigen Dotandenkonzentration verarmen die Potentialtrenngebiete bei dem Betrieb der Sensormatrix im allgemeinen vollständig an freibeweglichen Ladungsträgern. Das resultierende Potential ist jedoch niedrig genug, um in allen auftretenden Betriebsfallen einen Ladungsträgeraustausch zwischen den Drainkanälen und dem CCD- Schieberegister zu verhindern. An der Stelle 30 innerhalb einer jeden Matrixzelle existiert jedoch ein spezielles Potentialtrenngebiet, welches mittels des Layoutes breiter als die übrigen Potentialtrenngebiete gestaltet wurde. An der gekennzeichneten Stelle 30 können deshalb die äußeren elektrischen Felder keine vollständige Verarmung erzwingen und die bis in dieses Gebiet überlappende Dotierungszone 17 erhält hier ihre leitfähige Verbindung zum Substratpotential, während zwischen den CCD- Kanaldotierungszonen und den Drainkanälen eine Potentialtrennung realisiert wird.

Die von einem Teilchen generierten Ladungsträger werden entsprechend den elektrischen Feldern getrennt und ein Teil davon gelangt bis in die Ladungsspeicherbereiche des CCD-Schieberegisters. Ist die gesamte gesammelte Ladungsmenge größer als das maximale Ladungsspeichervermögen des CCD-Schieberegisters, so fließen normalerweise auch Ladungsträger entgegen der Ladungstransportrichtung über die Barrierenbereiche. Um einen solchen unerwünschten Ladungstransport zu verhindern, sind zwischen den Drainkanälen und dem CCD-Schieberegister Überlaufgebiete 28 und Anschlußgebiete 29 angeordnet. Die Dotierungszonen in einem Überlaufgebiet entsprechen im wesentlichen den Dotierungszonen eines Barrierenbereiches der ersten Stufe des CCD-Schieberegisters, wobei die Dotandenkonzentration der Dotierungszone 19 geringfügig größer als die der Dotierungszone 22 ist. Damit ist auch das Potential dieses Gebietes einige Millivolt (ca. 250 mV bzw. etwa 10 * kT) höher als in den Barrierenbereichen 27. Sollte sich das Potential eines Ladungsspeicherbereiches 26 auf Grund von überschüssigen einströmenden Signalladungsträgern unzulässig verringern, so kommt es also zunächst zu einem Abfluß dieser Ladungsträger über das Überlaufgebiet, noch bevor ein Transport entgegen der Ladungstransportrichtung 23 über den Barrierenbereich 27 möglich ist.

In den Anschlußgebieten befinden sich Dotierungszonen 20 mit einer zum Substrat umgekehrten Leitfähigkeit. Da diese Gebiete nicht von der p- Dotierungszone 17 überdeckt werden, bewirken die dort existierenden Dotandenkonzentrationen, daß dort ständig freibewegliche Ladungsträger vorhanden sind, die auf Grund des Anschlusses an den Drainkanal auch dessen Potential führen. Die aus den Überlaufgebieten kommenden überschüssigen Ladungsträger werden von den Anschlußgebieten weitergeleitet und fließen über die Drainkanäle ab.

Die Anordnung von Anschlußgebieten ist erforderlich, um unerwünschte und unkontrollierte Durchbrüche zu vermeiden, die sich bei einem direkten Kontakt zwischen den Dotierungszonen 17 und 14 ergeben können, da beide unterschiedliches Potential führen und nicht an freibeweglichen Ladungsträgern verarmen.

Fig. 2 verdeutlicht die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Potentialtrenngebiete zwischen dem Drainkanal, symbolisch dargestellt als Gebiet 45, und dem Ladungspeichergebiet der zweiten Stufe, ebenfalls symbolisch als Gebiet 44 dargestellt. In dem symbolisch als das Gebiet 46 dargestellten Bereich befindet sich erfindungsgemäß nur die Substratdotierung und die sehr schwache p-Dotierungszone 13. Das Potential der Ladungsträger in dem Drainkanal liegt bei ca. 10 V. Dieser Bereich ist auf der Potentialfläche mit der Ziffer 41 gekennzeichnet. An der Metallgateelektrode liegt ein Potential von ca. 4.5 V. Damit befinden sich sowohl das Potential des Barrierenbereiches als auch das Potential des Ladungsspeicherbereiches dieser Stufe etwa auf den gleichen Werten wie die Potentiale in den entsprechenden Bereichen der ersten Stufe. Der Ladungsspeicherbereich der zweiten Stufe ist jedoch mit Signalladungsträgern gefüllt. Diese Signalladungsträger befinden sich in dem mit Ziffer 42 auf der Potentialfläche gekennzeichnetem Bereich. Die Kante 40 des Potentialfeldes der Fig. 2 läßt den eindimensional zu erwartenden Potentialverlauf im zweiten Ladungsspeicherbereich erkennen. Zu bemerken sind hier die zum Substratkontakt ( mit OV) hin sichtbare Tiefenpotentialbarriere 47 für die aus dem Substrat kommenden Signalladungsträger und die leichte Krümmung des Potentiales zur Halbleiteroberfläche hin. Es werden also gerade so viele Signalladungsträger gespeichert, daß noch keine Oberflächenberührung dieser Ladungsträger zustande kommt. Die Potentialmulde ist damit nahezu vollständig gefüllt.

In dem Bereich 43 der Potentialfläche befindet sich die Potentialbarriere für Elektronen. Der niedrigste Wert dieser Potentialbarriere befindet sich direkt an der Halbleiteroberfläche. Etwas tiefer bildet das Potential einen Extremwert. Dieser Potentialhügel wird auf Grund der in der Tiefe geringer werdenden p-Dotierung und den von beiden Seiten durchgreifenden Potentialfeldern der vergrabenen n-Dotierungszonen gebildet. Die gespeicherten Ladungsträger aus dem Bereich 42 können auf Grund der Wirkung des dazwischen befindlichen Potentialhügels nicht zu dem Gebiet 41 des Drainkanales abfließen und Ladungsträger des Drainkanales nicht in den Ladungsspeicherbereich gelangen.

Die in Fig. 2 abgebildete Potentialfläche ist für Gatepotentiale und Strukturmaße berechnet worden, die den sogenannten schlechtesten Fall darstellen. Für alle anderen Fälle wird die Potentialbarriere für Elektronen als Signalladungsträger entweder größer oder sie bleibt zumindest annähernd gleich groß. Mit einem niedrigeren Gatepotential setzt der Ladungstransfer in die folgende Stufe des CCD-Schieberegisters ein und die Potentialbarriere wird durch die abfließenden Signalladungen größer. Mit einem größeren Gatepotential verändern sich die Potentialverhältnisse zwischen dem Bereich 42 und dem Bereich 43 kaum, da sich die Ladungsträgerbilanzen nur sehr wenig ändern und beide Bereiche gleiches Gatepotential erhalten. Das elektrische Feld zwischen den mit Ziffer 41 und 43 gekennzeichneten Bereichen auf der Potentialfläche wird dagegen in diesem Fall geringer. Auf Grund des damit geringeren zweidimensional wirkenden Durchgriffes vergrößert sich die existierende Potentialbarriere für Signalladungsträger zwischen dem Potential des Ladungsspeicherbereiches der zweiten Stufe und dem Barrierenpotential des Potentialtrenngebietes.

In Fig. 3 wird schließlich eine Potentialfläche gezeigt, die den leitfähigen Anschluß der p-Dotierungszone 17 mit dem Potential 52 an das Substratpotential 53 darstellt. Auf dieser Potentialfläche sind mit der Ziffer 50 der Bereich eines Drainkanales und mit der Ziffer 51 der Kanalbereich eines daneben befindlichen Ladungsspeicherbereiches einer ersten Stufe gekennzeichnet. Das dazwischen befindliche Potentialtrenngebiet wird nicht von einer leitfähigen Schicht bedeckt. Im Bereich des Drainkanales wird ein Potential von ca. 10 V erreicht, in dem Bereich des leeren Ladungsspeichers ein Potential von ca. 8.5 V. In der Fig. 3 ist deutlich zu erkennen, daß in dem Halbleitermaterial, in dem Bereich 54 des Potentialtrenngebietes, welches der Stelle 30 (aus Fig. 1) entspricht, keine Potentialbarriere existiert. Zwischen dem p-Substrat und der Halbleiteroberfläche besteht eine leitende Verbindung, so wie es für die Kontaktierung der p-Dotierungszone 17 erforderlich ist. Dieser Sachverhalt wird durch die Darstellung der Fig. 4 bestätigt. Dort wird die zu der aus Fig. 3 bekannten Rechnung gehörige Dichte der freibeweglichen Substratladungsträger dargestellt. In dem Bereich 60 eines Drainkanales sowie in dem Kanalbereich 61 des Ladungsspeicherbereiches ist die Konzentration dieser Ladungsträger naturgemäß sehr klein, nahezu Null. Im Bereich 65 entspricht die Konzentration im wesentlichen derjenigen Konzentration die die Tiefenbarrierendotierungszone 11 besitzt. In dem darüber befindlichen Bereich 62 sinkt die Konzentration etwa auf einen Wert, wie er im Substrat zu finden ist, um dann im Bereich 63 der Halbleiteroberfläche ungefähr die relativ schwache Konzentration der p- Dotierungszone 13 zu erreichen. Die dort befindlichen Ladungsträger vom Substratleitungstyp besitzen einen direkten Kontakt mit den Ladungsträgern der p-Dotierungszone 17 im Bereich 64, welche vom gleichen Leitungstyp sind. Auf Grund dieser lückenlosen Kette aneinandergrenzender und on Null verschiedener Konzentrationen der Ladungsträger vom Substratleitungstyp wird ein leitfähiger Anschluß der p- Dotierungszone 17 erreicht.

Claims (3)

1. CCD-Sensormatrix für ionisierende Strahlung und mit Einphasenschieberegistern, gekennzeichnet dadurch, daß der leitfähige Anschluß der flachen Dotierungszone vom Substratleitungstyp, welche das Potential der ersten Stufe kontrolliert, mittels Potentialtrenngebieten realisiert wird, welche einerseits neben der Substratdotierung nur Dotierungszonen mit der Leitfähigkeit des Substrates und einer schwachen Dotandenkonzentration aufweisen, die weitgehend von freibeweglichen Ladungsträgern verarmen und damit auch nicht als Kanalstoppergebiete bezeichnet werden können und die andererseits an mittels Layoutverbreiterung definierten stellen, welche nicht von leitenden Gateschichten bedeckt werden nicht vollständig an freibeweglichen Ladungsträgern verarmen womit im Bereich dieser Stellen eine leitende Verbindung zwischen der flachen Dotierungszone hoher Dotandenkonzentration vom Substratleitungstyp, welche große Teile der CCD-Kanalgebiete kontrolliert und den freibeweglichen Ladungsträgern des neutralen Substrates existiert, wobei gleichzeitig große Flächenanteile einer Matrixzelle keine Leitfähigen Gateschichten aufweisen und die verbleibende Fläche einer Matrixzelle mit einer äußerst dünnen leitfähigen Metallgateschicht bedeckt ist und die in ihrer Ausdehnung minimierte Deckschichten sowie eine Tiefenbarrierendotierungzone vom Substratleitungstyp mit größerer Konzentration der Dotanden in einer Kristalltiefe, welche einerseits flach genug angeordnet ist, damit das darüber befindliche Halbleitergebiet für große Teile der ionisierenden Strahlung transparent ist, andererseits jedoch die Existenz von CCD-Transportregistern in dem darüberliegenden Halbleitervolumen ermöglicht, aufweist, wobei in dem Bereich dieser Tiefenbarrierendotierungszone eine kleine Potentialbarriere für freibewegliche Ladungsträger mit einer zum Substrat umgekehrten Leitfähigkeit angeordnet ist.

2. CCD-Sensormatrix für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß chipumfassende Drainkanäle für parasitäre generierte Ladungen sowie zugehörige in ihrem Potential festgelegte Überlaufgebiete angeordnet sind und zwischen diesen beiden Elementen Anschlußgebiete auf dem Chip existieren.

3. CCD-Sensormatrix für ionisierende Strahlung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß eine unsymmetrische Flächenaufteilung der Ladungsspeicherbereiche der beiden CCD-Stufen einer Matrixzelle, entsprechend der unterschiedlich großen Ladungsspeicherkapazität der ersten und der zweiten Stufe realisiert ist.