JPH02303135A - 電荷結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は電荷結合素子に関し、特に信号出力回路部に
おける信号電荷の転送効率を改善したものである。

［従来の技術］ 電荷転送素子（ＣＴＤ）として代表的なチャージ・カッ
プルド・ディバイス（ＣＣＤ）は、周知のようにＭＯ３
構造の半導体基板表面側に形成された空乏化領域（空乏
層）に信号電荷が注入され、半導体基板表面に薄い絶縁
膜を介して被着形成された電極に印加されるクロックの
電圧を順次周期的に変化させて、この空乏化領域の電位
を周期的に変化きせることによって、注入された信号電
荷を転送するように構成されている。

そして、ＣＣＤに形成される転送チャネルは、一般に信
号電荷と逆符合の不純物か高濃度に注入されたチャネル
ストップ領域（不活性領域）を形成することによって、
転送チャネルの幅を規制している。チャネルストップ領
域は半導体基板と導通状態となるように構成されており
、このチャネルストップ領域は通常、基準電位、通常は
接地電位（ＧＮＤ）　となされている。

ざて、このような構造のＣＣＤにおいて、その信号出力
部近傍の転送チャネルは、第８［ｍＡのように構成され
ている場合が多い。

同図において、１は転送チャネル（活性領域）で、転送
チャネル１の外側はチャネルストップ領域（１点鎖線領
域）２となされている。３は下側電極、４は上側電極で
ある。５はドレイン領域で、信号電荷の検出部として機
能し、信号電荷が電圧に変換されて取り出される。６は
バッファアンプである。

転送チャネル１の領域は転送方向に対して狭（なされて
いるが、これは検出部５での容量をできるだけ小ざくし
て、電荷・電圧の変換効率を上げるためである。すなわ
ち、検出部５での信号電荷量をΔＱ１検出容量をＣ１出
力される信号電圧をΔＶとしたとき、信号電圧ΔＶは、 八Ｖ＝ΔＱ／Ｃ で表わされるから、検出容量Ｃをできるだけ小きくした
方が、変換効率を高めることができる。そのため、図の
ように検出部５での転送チャネル幅を狭くしている。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したように、チャネルストップ領域２は半導体基板
と導通状態にあり、基準電位に固定されているため、転
送チャネルの輻方向におけるポテンシャル分布は、第８
図Ｂに示すように、その両端が接地電位に固定された井
戸型となる。

このポテンシャルは信号電荷に対するものであり、電子
を信号とする場合には、ポテンシャルの方向は負電圧方
向になる。

同図Ｂは、同図ＡのＩ−Ｉ線上〜ＩＩＩ　−ＩＩＩ線上
における断面のポテンシャル分布状態を示すもので、夫
々の電極３．４に印加される電圧は同一であるものとす
る。

転送チャネル１の幅がＷｌからＷ３へと狭くなるにつれ
て、チャネル中央付近のポテンシャル井戸は次第にΔφ
１、Δφ２と浅くなる。

このようにポテンシャル井戸が次第に浅くなるのは、転
送チャネル１の幅方向における両端が接地電位に固定さ
れているために、中央付近のポテンシャル井戸が、狭チ
ャネル効果によって幅方向に引っ張られるためで、幅方
向に引っ張られる程度は転送チャネル１のチャネル幅が
狭い程大きくなる。

ポテンシャル井戸の深ざが転送チャネル１のチャネル幅
によって変わると、これによって転送方向に対しポテン
シャルの障壁が形成され、信号電荷の転送不良、これに
伴なう出力信号の周波数応答やＳ／Ｎの劣化を惹起する
。

そこで、この発明はこのような課題を解決したもので、
ポテンシャル障壁を無くして転送効率を改善した転送チ
ャネル構造を提案するものである。

［課題を解決するための手段］ 上述の課題を解決するため、この発明においては、信号
出力部付近における転送チャネル幅が、信号電荷の転送
方向に対して次第に幅狭となるようになされた電荷結合
素子において、 転送チャネル幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何
れか一方の電位障壁領域の電位が、上記転送方向に対し
て次第に深くなるようになきれなことを特徴とするもの
である。

電位障壁領域の電位を深くする手段としては、電位障壁
領域自体の幅をコントロールする他に、電位障壁領域自
体の幅を狭チャネル効果が現われる程度に狭く形成する
と共に、この電位障壁領域を挟んで転送チャネルの反対
側に擬（ロ転送チャネル領域を設け、この擬似転送チャ
ネル領域自体のチャネル幅を転送方向に向かって次第に
拡張するように構成してもよい。

［作　用１ 電位障壁領域自体の幅を信号電荷の転送方向に向かって
次第に拡げれば、電位障壁領域の電位が転送方向に対し
て次第に深くなる。

この電位の深化によって、転送チャネルの狭チャネル効
果が打ち清きれるから、転送方向に対するポテンシャル
の障壁が発生しない。

［実　施　例］ 以下、この発明に係る電荷結合素子の一例を、第１図以
下を参照して詳細に説明する。

この発明は、転送方向に対して転送チャネルのチャネル
幅がそれ以前の転送チャネルのチャネル幅より狭くなる
ような構造のＣＣＤを対象とする。

そして、第３図に示すように、転送チャネルのチャネル
幅が狭くなり始めた転送チャネルの両側若しくは片側の
電位障壁領域の電位を、転送チャネル１のチャネル幅が
ＷｌからＷ３へと狭くなるにつれ、Δｖ１、△ｖ２と転
送方向に向かって次第に深くしていく。そうすると、転
送チャネル１自体に狭チャネル効果が作用しても、この
作用を打ち消す１＝けの電位か転送チャネルの両側若し
くは片側から作用するため、中央付近のポテンシャル井
戸の転送方向における深ざは転送チャネル１のチャネル
幅の変化に拘らずほぼ一定となる。

転送チャネルの片側の電位障壁領域の電位のみを、転送
チャネル１のチャネル幅がＷｌからＷ３へと狭くなるに
つれ、Δ■１、Δ■２と転送方向に向かって次第に深く
しても、その作用はほぼ同様である。

第１図はこのようなポテンシャル関係を具現するための
具体例の一つである。

同図において、転送チャネル１は次第に狭められて信号
電荷の検出部（クロスハツチングの領域）５に連結され
ている。３，４は転送電極である。

本例では転送チャネル１本来のチャネル幅Ｔの両側にチ
ャネルストップ領域（１点鎖線領域）２が形成されると
共に、幅狭に形成された転送チャネル１の両側に、チャ
ネル幅Ｔと同じになるようにバリア領域（図ではハツチ
ング領域として図示）２０が形成される。したがって、
バリア領域２０は転送方向に対して次第に幅広に形成さ
れていることになる。

バリア領域２０によって転送チャネル１の実質的なチャ
ネル幅が規制される。バリア領域２０は転送チャネル１
に対して一定の電位差か付与されている。電位差は後述
するように半導体基板内のポテンシャル構造より得てい
る。

第２図は第１図ＡのＩＩ　−１１線上の断面図である。

なお、本図を含め以下の説明では信号電荷か電子の場合
及び埋込みチャネルｔｉ造の場合について述べる。

その場合には、図のようにＰ型半導体基板１１に対して
その表面側に、チャネル幅Ｔの領域にわたり所定の濃度
をもってドープされｔこ８層１２によって転送チャネル
１か形成される。８層１２の両側には夫々Ｐ＋層１３が
形成され、これがチャネルストップ領域２として機能す
る。

８層１２の表面には所定の領域内にＰ型不純物１６が所
定量ドープされて、これがバリア領域２０として使用さ
れる。Ｐ型不純物１６をドープすることによって、この
領域２０が信号電荷に対するバリアとして作用する。

半導体基板１１の表面は５ｉ０２などの絶縁層１４を介
して転送電極４が被着形成されている。

ざて、このようにバリア領域２０を形成した場合、バリ
ア領域２０によって形成される電位障壁部の電位は、検
出部５に向かって次第に深くなる。

そして、転送方向に対してチャネル幅が狭くなるように
形成された転送チャネル１とは逆に、転送方向に向かっ
てバリア領域２０が幅広に形成されているため、バリア
領域２０内では狭チャネル効果が転送チャネル１の領域
内とは逆に働く。

そのため、狭チャネル化された転送チャネル１でのポテ
ンシャルの分布は第１図Ｂのようになる。

同図Ｂの曲線Ｉは同図ＡのＩ−１線上断面のポテンシャ
ル分布であり、曲線１■ばＩＩ　−１１線上断面のポテ
ンシャル分布である。

同図Ｂからも明らかなように、中央付近のボテンシャル
分布が一様になって、検出部５に向かって生ずるポテン
シャルの障壁かなくなる。

第４図以下はこの発明の他の実施例を示すものである。

第２図はバリア領域も埋込みチャネル型のＣＣＤの場合
であったか、第４図はバリア領域を表面チャネル型ＣＣ
Ｄとした例である。

その場合には、第１図ＩＩ　−１１線上断面図は第４図
のようになる。８層１７によって転送チャネル１が形成
され、この８層１７と２１層１３との間がバリア領域２
０となる。８層１７とＰ”ｉ１３との間の半導体基板１
１の表面側は何もトープされない表面チャネル構造であ
る。

このようなＣＣＤにおいても、８層１７の領域を転送方
向に向かって幅狭にすれば、上述したと同様な作用とな
る。

第５Ｚに示す実施例は、バリア領域２０と擬似転送チャ
ネル２１とによって、電位障壁領域における電位をコン
トロールするようにしたものである。

同図Ａに示すように、転送チャネル１に隣接してこれと
平行に、所定の幅をもってバリア領域２０が形成される
と共に、バリア領域２０の外側でチャネル幅Ｔを越えな
いように転送チャネル１とは反対側に擬似転送チャネル
２１の領域が形成される。

擬似転送チャネル２１は転送チャネル１と同一ないしこ
れに近い電位を形成するためで、擬似転送チャネル２１
の出力端側には夫々ドレイン領域として形成された排出
ドレイン２２が設けられる。

夫々の排出ドレイン２２には端子２３より所定の直流電
圧ＶＤが印加され、擬似転送チャネル２１内の電荷が排
出きれる。

第６図は第５図へのＩＩ　−ＩＩ綿線上断面図で、本例
ではバリア領域も埋込みチャネル型のＣＣＤの場合を示
す。バリア領域２０にはＰ型不純物１６がドープされて
いる。

図の例では、擬似転送チャネル２１と転送チャネル１と
は同電位となっている。

第５図のように本例では、バリア領域２ｏに挟まれた転
送チャネル１のチャネル幅が次第に狭められると共に、
バリア領域２０自身の幅は一定のまま擬似転送チャネル
２１のチャネル幅が転送方向に対して次第に拡げられる
ような構成となっている。

このように構成すると、バリア領域２０と擬似転送チャ
ネル２１との共働で、電位障壁領域の電位がコントロー
ルされる。すなわち、擬似転送チャネル２１内では、内
部に形成きれた転送チャネル１とは狭チャネル効果が逆
に作用して狭いバリア領域の電位を転送方向に対して次
第に引下る。そのため、この引下られた分だけ中央付近
のポテンシャル井戸が深められるから、第５図Ｂに示す
ように中央付近での転送方向におけるポテンシャル分布
が一様になる。

第７図Ａは、第５図Ａの構成に対してバリア領域２０の
み、その幅を転送方向に対して狭くなるようにした場合
である。

こうすると、バリア領域２０のバリアの高さ自身が転送
方向に対して次第に狭められる。その結果、ポテンシャ
ルの分布は第７図Ｂのように、特に転送チャネル１の中
央付近では強力に一様化ないしは転送方向にむしろ深化
されるようになる。

第７図Ｂでは検出部５側がむしろ深化した場合を例示し
ている。

第６図及び第７図においても、バリア領域を表面チャネ
ルとした場合に適用することができる。

なお以上の説明では、信号電荷が電子の場合及び埋込み
チャネル構造の場合について述べたが、本発明ではこれ
らに限定されるものではなり、信号電荷が正孔の場合、
あるいは表面チャネル構造の場合でも同様に議論するこ
とが可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、転送チャネル
幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何れか一方の電
位障壁領域の電位が、転送方向に対して次第に深くなる
ようにしたものである。

これによれば、転送チャネルの中央付近でのポテンシャ
ル障壁が完全になくなるがら、転送された信号電荷の殆
どを信号検出部によって電圧に変換して取り出すことが
できる。したがって、電荷転送が円滑となり、出力信号
の周波数応答やＳ／Ｎを従来よりも大幅に改善できる特
徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａはこの発明に係る電荷結合素子転送チャネルの
一例を示す構成図、同図Ｂはそのポテンシャル分布図、
第２図は第１（３）ＡのＩＩ　−ＩＩ線上断面図、第３
図は゛電位障壁領域の電位コントロール状態を示す図、
第４図は第２図と同様な断面図、第５区及び第７図は夫
々第１図と同様な断面図とポテンシャル分布図、第６図
は第５図Ａの断面図、第８図は従来例を示す第１図と同
様な断面図とポテンシャル分布図である。 １・・・転送チャネル ３．４・・・転送電極 ５・・・信号検出部 １１・・・半導体基板 １２．１７・・・Ｎ層 １３・・・Ｐ＋層 １６・・・Ｐ型不純物 ２０・・・バリア領域 ２１・・・擬似転送チャネル ２２・・・ｊ非出ドレイン 特許出願人　シャープ　株式会社 第１図 第３図 ＩＩ−Ｉｔ　ｍ五７４ａ　＃７ 第２図 ト■、積上辱ゑ２ 第４図 第５図 第７区 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号出力部付近における転送チャネル幅が、信号
   電荷の転送方向に対して次第に幅狭となるようになされ
   た電荷結合素子において、 転送チャネル幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何
   れか一方の電位障壁領域の電位が、上記転送方向に対し
   て次第に深くなるようになされたことを特徴とする電荷
   結合素子。