JPS588150B2 - 電荷結合半導体装置の動作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１導電型の半導体層を有する半導体本体と、
半導体層に電荷形態の情報を局部的に導入する手段と、
半導体層上の任意位置の上記電荷を読取る手段とを具え
、上記半導体層の少くとも一側上にクロツク電圧を供給
する電極層区域を配置しこのクロック電圧により上記電
荷を半導体層を経て層に平行な方向に移送するようにし
たシフトレジスタを構成する電荷結合半導体装置の動作
方法に関するものである。

ここに「クロツク電圧」と称するは半導体層中を電荷移
送の方向に平行に進行する交番電圧を意味するものとす
る。

このようなクロック電圧は普通電圧パルスであるが、そ
の微係数（ｄｖ／ｄｔ）を広い範囲で変化させることが
できる。

上記のクロツク電圧供給電極層区域を普通、障壁層によ
り半導体層から離間されクロック電圧源に接続された電
極をもって構成する。

しかし、この電極層区域を正弦波を伝播してこれを圧電
効果によりクロツク電圧に変換し得る圧電材料の層とす
ることもできる。

この種装置は、例えばオーディオまたはビデオ周波信号
用の遅延線に使用され、例えば「エレクトロニクス（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」１９７０年５月１１日、第１
１２頁等に記載されており、一般に、電荷形態の信号を
装置、例えばシフトレジスタに供給し、一連の順次段を
経て移送し、この際電荷を各段毎に特定時間蓄積し、か
くして信号を出力端まで移送するという原理に基づくも
のである。

シフトレジスタを良好に作動させるためには、何よりも
まず移送効率をできるだけ高くすること、すなわちある
段から次の段への遷移毎に、例えば電荷キャリヤの再結
合または上記の最初の段への電荷の残留が原因となって
失われる情報形成電荷の量を最小にすることが望ましい
。

また他に重要な点として移送時間、すなわち電荷をある
段から次の段に移送するのに必要な時間がある。

後に詳細に説明するように移送時間は特に単位時間当り
シフトレジスタに供給し得る信号数、従ってシフトレジ
スタにより処理し得る最大周波数を決定する要素であり
、できるだけ短くするのが好ましい。

上述した既知の装置の作動はさらに、少数電荷キャリヤ
の形態の情報形成電荷を蓄積し移送する表面に隣接した
空乏領域を半導体層内に形成し得るという原理に基づく
ものである。

この目的のために、例えば半導体層をｎ型珪素で形成す
る場合には、半導体層を電極に対し正バイアス電圧とし
て空乏領域を形成し、情報をシフトレジスタに正孔の形
態で供給し、この正孔を電極および半導体層間の電圧に
より主として半導体層および絶縁層間の界面に位置させ
る。

この既知の装置においては、電荷（正孔形態の）のシフ
トレジスタのある段（空乏領域）から次の段（空乏領域
）への移送は、上記領域に関連した電極間に接続した電
圧源を用いて第２段の区域に位置する絶縁層および半導
体本体間の界面に電位部を形成することによって行う。

移送中、第１段に蓄積され第２段の付近に位置する正孔
が電位部に流入しこの結果第１段に濃度勾配が形成され
る。

この濃度勾配および関連するドリフト電界の作用によっ
て第１段の電荷を第２段方向へ移送する。

「Ｉ．Ｅ．Ｅ．Ｅ．インターナショナル・ソリツドステ
ート・サーキット・コンファレンス」１９７１年第１５
８〜１５９頁に記載されているように、主に移送速度を
決定する上述した電荷の運動を有効拡散係数を用いた拡
散式により記述することができ、この式は電荷キャリヤ
の移動度にほぼ比例し、電荷に無関係な拡散定数と上記
のドリフト電界により生じる電荷の運動を決定する電荷
に依存する部分とからなる。

これらの既知の装置において、移送時に電荷キャリヤを
主に半導体層の表面に沿って移送する結果、その移動度
が多分表面準位により影響されるため比較的低くなるの
で移送時間が悪影響を受ける。

例えば珪素の場合、表面における電子および正孔双方の
移動度は半導体本体の内部における移動度より約１／２
低く、この結果表面に沿っての拡散係数も半導体層の内
部における拡散係数より約１／２小さい。

さらに、電荷の総量に強く依存するドリフト電界成分も
電荷濃度が比較的高い場合のみは移送全体に大きく貢献
するが、多量の電荷が移送されるに従って上記成分は減
少し、この結果移送は最終的にはほぼ拡散のみによって
決まる。

このことは特に実際に電荷濃度が高過ぎない場合には、
移送時間は主にこれから移送すべき最後の残留電荷によ
って決まり、この最終の残留電荷を移送するには既に移
送済みの電荷の量に比較して不均衡な程長い時間が必要
であることを意味する。

場合によっては、最後の残留電荷を移送せずに移送効率
の一部を犠性にして移送時間を著しく短縮することがで
きる。

しかし、このように電荷を残留させると、シフトレジス
タを経て移送すべき連続した情報形成電荷の間にクロス
トークが生じ、この結果シフトレジスタに供給し得る信
号の周波数範囲が限定されるという欠点がある。

さらに極めて多くの場合に例えば極めて多数の段を有す
る遅延線においては移送効率を極めて高くして情報の過
大な損失を防止する必要がある。

上述した欠点は、半導体本体の内部の表面からある距離
の個所に電荷パケットを画成することにより少なくとも
局部的に除去することができる。

しかしこの場合には蓄積容量が比較的小さいためこの電
荷結合半導体装置によっては比較的小さな電荷パケット
しか処理することができない。

本発明の目的は、電荷移送を前述した既知の装置とは異
なる原理に従って行い、かつ通常の温度および圧力条件
下で情報形成電荷移送用半導体装置、特にシフトレジス
タを動作させる方法を提供せんとするにある。

本発明の他の目的は、移送時間が極めて短くしかも移送
効率が高く、さらに表面電荷結合装置を経て処理される
電荷パケットと同程度の大きさの比較的大きな電荷パケ
ットを輸送し得るように電荷結合半導体装置を動作させ
る方法を提供せんとするにある。

本発明は特に、電荷の移送を部分的にのみ表面に沿って
行うと共に部分的に半導体層の内部を経て行うようにす
れば、特定の利点、例えば移送時間の著しい短縮を達成
することができるという事実に基づくものである。

本発明は、１導電型の半導体層を有し、該半導体層は、
その厚さおよび不純物濃度を、この半導体層に対し直角
方向に電界を印加して電子なだれの倍増の発生とは無関
係に半導体層の厚さ全体に亘り空乏領域を形成し得るよ
うに定めた半導体本体と；半導体層およびその第１部分
に情報電荷を局部的に導入する第１手段と；半導体層の
第２部分にて電荷を読取る第２手段と；少くとも動作中
は前記第１および第２手段を除く前記半導体層をその周
囲から完全に分離して、少くとも動作中半導体本体内で
前記半導体層を横方向に制限して画成する第３の構成手
段と；前記半導体層の少くとも１表面に設けられ、電圧
を受けて半導体層内に電界を発生し、これにより画成さ
れた電荷蓄積部に電荷を蓄積し得ると共に半導体層に平
行な方向に半導体層の前記第１部分から第２部分に電荷
を移送し得るようにした多数の電極層区域と、半導体層
およびこれら電極層区域の各々の間に位置する各別の絶
縁層区域とから成り、これら電極層区域および絶縁層区
域を電荷移送の方向に対し直角を成す方向および半導体
層の表面に平行な方向において少くとも半導体層のほぼ
全体の幅に亘り延在させた第４手段とを具えて成る電荷
結合半導体装置を、前記電荷蓄積部への電荷の蓄積中は
電荷が前記半導体層の表面に少くとも部分的に隣接して
蓄積され、かつ一方の電荷蓄積部から次の電荷蓄積部へ
の電荷の移送中は前記一方の電荷蓄積部に蓄積された電
荷が半導層の表面から半導体層の内部にはね返えされて
、主として該半導体層の内部を経て半導体層と各絶縁層
区域との間の界面における次の電荷蓄積部へと移送され
るように前記電極層区域にクロツク電圧を供給して動作
させることを特徴とする。

本発明の好適例においては、上記電極層区域を障壁層に
より半導体層から離間した電極により形成する。

電極を例えば半導体層と相俟ってｐｎ接合の形態の障壁
層を構成する半導体層とは反対導電型の半導体領域によ
って形成することもできる。

さらに、逆方向にバイアスされた整流金属一半導体接合
、すなわち所以ショットキー接合の形態の障壁層を使用
することもでき、この場合には電極を、ショットキー接
合の形成に適当な金属層を半導体層の表面上に直接設け
ることによって形成する。

ここに「電極」および「障壁層」と称するは、電極と半
導体層とを相互に電気絶縁した任意の電極形態を意味す
るものとする。

しかし、電極を導電層、例えば金属層で形成するのが好
ましく、また例えば不純物多量添加半導体層、例えば不
純物多量添加珪素を絶縁材料の障壁層、例えば酸化珪素
により半導体材料から離間して電極を形成することもで
きる。

半導体層を周囲部分から絶縁する方法は種々知られてお
り、例えば半導体層の全側面を絶縁材料の層によって囲
むか、または少くともその一側を絶縁材料で被覆し残り
の側面を半導体層とは反対導電型の半導体領域でまたは
障壁ｐｎ接合を介して作動状態で常時存在する空乏領域
で、またはこれらの手段の組合せにより画成する。

本発明方法に係る半導体装置においては、半導体層を周
囲部分から絶縁し、またこれに前述した既知の装置の場
合と同様に入力および出力端の接続部以外には接続導体
を設けないので、情報形成電荷キャリヤに作用する外部
電界は電極相互間のクロツク電圧によって決まることに
なる。

さらに、前述した既知の装置の場合とは対称的に半導体
層を周囲部分から絶縁するので、本発明の半導体装置の
半導体層内にクロツク電圧により形成される電界を適当
に配向して情報形成電荷を電極により誘引することなく
反撥するようにし、しかも電荷を半導体層内に保留し得
るようにすることができる。

このようにすれば電荷キャリヤをある段から次の段へ移
送する速度を増大することができる。

さらに、クロツク電圧供給部材および電極をそれぞれ電
荷移送方向に交差する方向に半導体層に貫通させるので
、シフトレジスタ内に存在する情報形成電荷を、半導体
層の厚さ全体に亘って半導体層の幅全体を経ての電荷移
送方向に交差する方向に延在する空乏領域内の電界によ
って相互に離間することができる。

従って本発明によれば、情報形成電荷を各段ごとにシフ
トレジスタのある段から次の第２段へ部分的に半導体層
の内部を経て移送することができ、このことは前述した
既知のシフトレジスタの場合に電荷移送が半導体層と絶
縁層との界面に沿って行われるのとは対称的である。

この結果、本発明に係るシフトレジスタにおける移送時
間を前記の既知装置の場合より著しく短かくすることが
できる。

さらに、上記の第１段から第２段への電荷移送中に、情
報形成電荷と第１段に関連した電極との間の距離が一層
増大し絶縁層の厚さの数倍の長さにまで達し得るので、
移送中の容量結合が著しく増大し、この結果移送時間は
大幅に短縮される。

電荷パケットの電荷蓄積は表面に隣接し電極から比較的
僅かの距離の個所で行われるため電荷パケットは半導体
層の内部の電極から比較的長い距離の個所に画成される
電荷パケットよりも大きくなる。

本発明に係る電荷結合半導体装置においては、情報形成
電荷キャリヤを少数電荷キャリヤで構成し、これを例え
ば、ほとんどすべての多数電荷キャリヤをまず半導体層
から、例えば移送（桁送り）空乏領域によって除去した
後にシフトレジスタに供給することができる。

しかし、本発明に係る電荷結合半導体装置、特にシフト
レジスタの好適例においては、半導体層にクロツク電圧
供給電極層区域によりクロック電圧を供給することによ
って、半導体層の多数の領域を囲みこれらを相互に分離
する空乏領域を形成し、多数電荷キャリヤの形態の情報
形成電荷を上記半導体層の領域内に蓄積する。

ここに「多数電荷キャリヤ」と称するは、電気的に中性
な平衡状態で反対極性の電荷キャリヤ（すなわち、所以
少数電荷キャリヤ）の濃度の少なくとも１０２倍、好ま
しくは１０４倍以上の濃度を有する電荷キャリヤを意味
するものとする。

加うるに電子の移動度は一般に正孔の移動度より大きい
ので、少くともｎ型層を使用する場合には前述の既知装
置に比較して移送時間は一層短縮される。

シフトレジスタの第１段を成す領域内に蓄積された多数
電荷キャリヤを、電極を介してクロツク電圧を供給して
上記領域を空乏化することによってシフトレジスタの次
の第２段に移送することができる。

電極の寸法および相互間隔を適当に選択して電荷移送が
ほぼ完全にクロツク電圧により半導体層内に形成する電
界の影響下で行われるようにする。

従って、本発明に係る電荷結合半導体装置の好適例にお
いては、電極の幅および連続する２電極間のピッチ間隔
を半導体層の厚さと同程度またはそれ以下とする。

上記好適例にあっては、電界を形成した結果生じるドリ
フト電界成分により全電荷移送時に拡散電流成分を制御
することができ、この結果移送時間はさらに短縮される
。

また各電荷キャリヤは移送過程の終端方向に向けて印加
電界の作用を受けるので、本例における移送効率は極め
て高くなる。

電極を各別に電圧源に接続する必要はなく、例えば各段
毎に同時に情報を含有し得る半導体本体の領域に属する
電極を１個の導体で相互接続し、この導体に共通電位を
付与する。

第１段から次の第２段への電荷移送中、第１段に蓄積さ
れた電荷がこの第１段に隣接するシフトレジスタの前の
段に逆流しないようにする必要がある。

従って、本発明に係る電荷結合半導体装置の好適例にお
いては、電極を少くとも３群に細分割し、これら電極が
第１、第２および第３群に交互に属するようにするとと
もに同一群に属する電極を導体により相互接続する。

電極を少くとも３群に細分割すれば、電極を経て供給さ
れ電荷キャリヤを次の段の方向へ駆動する電界によって
電荷がある段から前の段に逆流するのを防止することが
できる。

本発明によれば、既知の装置に対して有利なシフトレジ
スタの作動上の利点が得られるだけでなく、構造を種々
に変形することもでき、それぞれ有利に製造することが
できる。

本発明に係る電荷結合半導体装置の第１形態の好適例に
おいては、すべての電極を半導体層の一側上に設ける。

この場合、情報形成多数電荷キャリヤを含有し空乏領域
にかこまれる領域が半導体層の厚さを貫通して形成され
、電荷移送は主に表面に平行な方向に半導体層の内部を
経て行われる。

上記好適例においては、半導体層のみで形成した半導体
本体を使用することができ、この半導体層を入力または
出力部材以外はすべて絶縁材料で完全にかこむ。

機械的剛性を大きくするために、半導体層を絶縁材料の
支持体上に設けるのが有利である。

しかし、本発明の他の好適例においては、半導体本体の
表面に隣接し反対導電型の第２領域と相俟ってｐｎ接合
を形成する１導電型の層状領域の島状部分をもって半導
体層を形成する。

この好適例ではシフトレジスタを、例えばシフトレジス
タの入力段または出力段を構成し、通常の方法で半導体
本体に設け得る、例えばトランジスタ、ダイオード、レ
ジスタ等の他の回路素子と共に有利に集積化することが
できる。

半導体層を、例えば反対導電型の基体上に設けた１導電
型のエピタキシャル層内に位置する島をもって形成する
ことができ、この島を底部が基体およびエピタキシャル
層間のｐｎ接合の空乏領域よりなり、直立壁部がエピタ
キシャル層および反対導電型の絶縁領域間の空乏領域よ
りなる凹状絶縁領域によってかこむ。

しかし特に電極にクロツク電圧を供給しても絶縁領域内
にまったく反転が生じないという利点を有する好適例に
おいては、島状部分の直立壁部を少くとも部分的に絶縁
材料、例えば酸化珪素の層よりなる半導体層内に少くと
もその厚さの一部にわたって埋設された絶縁領域に隣接
させる。

酸化珪素層を半導体層の表面から半導体層の厚さ全体を
経て反対導電型の領域まで延在させることができる。

しかし、埋設酸化珪素層を半導体層の表面から半導体層
の厚さの一部にわたってのみ延在させ、さらにこの酸化
物に隣接し反対導電型の領域まで延在する反対導電型の
領域によって絶縁領域を形成することもできる。

この場合には、作動中に半導体層の情報含有領域をかこ
む空乏領域は反対導電型の領域に隣接する。

この結果、反対導電型の領域から発生する少数電荷キャ
リヤが作動中に空乏領域内の半導体層と絶縁層との界面
に累積するようになる。

この電界累積により空乏領域内で導電型の反転が起るの
で、電荷累積を有利に防止するために、本発明に係る電
荷結合半導体装置の好適例においては、半導体本体の反
対導電型の領域に接続導体を設けて反対導電型の領域を
電圧源に接続し、かくして作動中の反転を防止する。

本発明に係る電荷結合半導体装置の第２形態の好適例に
おいては、半導体層の互に反対側に位置する２側面上に
電極を設け、この電極を障壁層、好ましくは絶縁層によ
って半導体材料から離間しかつ相互にほぼ平行に配置す
る。

上記好適例では情報形成電荷のシフトレジスタのある段
から次の段への移送には半導体層に平行な移送成分に加
えて半導体層を横断する方向の移送成分も含まれ、従っ
て電荷は半導体層の一方の主表面から他方へ交互に移動
する。

この形態の装置では、電荷密度が高過ぎない場合には、
情報形成電荷を含有する領域を半導体層の厚さ全体にわ
たって延在させる必要はなく、半導体層の一部にわたっ
て延在させるだけでよい。

この点に関しては図面を用いて後述する。

上記好適装置の利点の一つとして、構造を極めてコンパ
クトにすることができ、この結果単位長さ当り多数の段
を有する遅延線を得ることができる。

簡単な例では、半導体層の一側上に設ける電極の幅およ
び電極間のピッチ間隔を反対側面上に設ける電極の幅お
よび電極間のピッチ間隔と等しくする。

対称性に従って、半導体層の一側上に設ける電極を半導
体層の反対側面上に設ける電極に対し半ピッチ間隔だけ
ずらせて位置させるのが好ましい。

移送時間がさらに短いという利点を有する本発明の他の
好適例においては、主表面を横断する方向に見て半導体
層の一側上に設ける電極を反対側面上に設ける２つの並
列電極に部分的にオーバーラップさせる。

この好適例では半導体層の両側上に設ける電極を相互に
オーバーラップさせるので、２つの順次の段間の距離は
半導体層の厚さにほぼ等しくなり、この結果前述した第
１の形態の装置に比較して２つの連続する電極に同一電
圧を供給した場合の半導体層内に生じる電界が移送範囲
の全体にわたって存在するようになり、さらに電荷キャ
リヤを移送する距離は極めて小さくなる。

この形態の半導体装置では、電極を４群に細分割し、同
一群に属する電極を相互接続し、半導体層の一側上にそ
れぞれ交互に一方の群に属する２群の電極を設けるのが
好ましい。

上記好適例の利点として、電極を半導体層の同一側面上
で相互に交差せぬ導体によって相互接続することができ
る。

電極を半導体層の互に反対側に位置する２側面に設ける
本発明の半導体装置のさらに他の好適例においては、電
荷移送の方向に交差する方向に見て半導体層の一側上に
設ける電極を半導体層の反対側面上に設ける電極に相対
させて位置させる。

この形態の半導体装置においては、電荷移送方向に交差
する方向に見て互に相対して位置する電極に同一極性で
好ましくは同値の電圧を供給し得る手段を設けるのが好
ましい。

この好適例では電極を、例えば数群の電極に細分割し、
同一群に関連した電極をクロツク導線により相互接続し
、かつ相対して位置する電極が同一群に属するように構
成する。

この形態の半導体装置においては、情報形成電荷の移送
時の電荷移送は主に半導体層に平行な方向に行われる。

本発明に係る電荷結合半導体装置のさらに他の形態の好
適例においては、半導体層に交差する２群の電極を設け
、これら２群の電極を障壁層、例えば絶縁層により相互
にかつ半導体材料から離間し、同一群に属する電極を相
互にほぼ平行にするとともに他群の電極に交差させて配
置する。

この形態のシフトレジスタは、前述した第１の形態の装
置に類似の作動をなす２つの装置の組合せとして考える
ことができる。

電極の交差区域において、情報形成電荷キャリヤを蓄積
し得る半導体層内には情報形成電荷キャリヤに対する最
小の電位エネルギーが形成される。

電極を経て供給する電界によって電荷キャリヤを相互に
交差する、好ましくは相互にほぼ直角に延在する２方向
に移送することができる。

この種の半導体装置を、例えば２次元シフトレジスタと
して有利に使用することができ、この場合の電荷移送は
上記２方向よりなる成分、または上記２方向のいずれか
一方のみの成分を呈する。

前述した通り、本発明に係る電荷結合半導体装置におい
ては多数電荷キャリヤの形態の情報を半導体層を経て移
送することができる。

情報形成電荷を半導体層の端部で読取り、除去するのが
当然でありかつ好ましいが、場合によってはシフトレジ
スタの入力端へ返還することもできる。

このことは種々の方法で行うことができる。

本発明に係る電荷結合半導体装置の好適例においては、
電荷移送方向に見て、障壁層により半導体層から離間さ
れ、絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を構
成する補助電極を最後の電極の後方に設け、ゲート電極
と上記の最後の電極との間に位置する半導体層の領域に
よりトランジスタのソース領域を構成し、ゲート電極の
後方に位置する半導体層の領域によりドレイン領域を構
成し、このドレイン領域を情報形成電荷キャリヤ用の流
去導体をなす導体に接続する。

ゲート電極を絶縁層、例えば酸化珪素層で半導体層から
絶縁する場合には、製造が極めて容易で当業界で「深空
乏層形電界効果トランジスタ」として知られるｐｎ接合
のない形態のトランジスタを得ることができる。

この種の電界効果トランジスタは、多数電荷キャリヤに
より情報形成電荷を形成する場合には、本発明に係る電
荷結合半導体装置に組込んで使用することができる。

かくすれは電荷キャリヤをシフトレジスタの最終段階か
ら電界効果トランジスタの隣接するソース領域に移送し
、次いでここから流去することができる。

情報読取りのために、トランジスタのソース領域を、例
えば導体により、例えば半導体層から絶縁された半導体
本体の島状部分に設けたｐｎダイオードによって構成し
た回路素子に接続することができる。

しかし、本発明に係る電荷結合半導体装置のさらに他の
好適例においては、トランジスタのソース領域を第２の
絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極に導電接
続し、上記第２のトランジスタを半導体層から絶縁する
とともにこのトランジスタにソース領域およびドレイン
領域を設け、これら両領域の中間のチャンネル領域の導
電率を半導体層を経て移送する電荷キャリヤの情報形成
量の目安とする。

この第２の電界効果トランジスタも前述した「深空乏層
形ＦＥＴ」形態のものとし、ソース領域、ドレイン領域
ならびにソースおよびドレイン領域間の領域を半導体層
と同一導電型とするのが好ましい。

本発明に係る電荷結合半導体装置、特にシフトレジスタ
のさらに他の好適例においては、クロツク電圧供給電極
層区域を少くとも１個の電圧源に接続し、この結果、半
導体層の厚さ全体にわたって延在しかつ情報の蓄積され
た半導体層の１個以上の領域を画成する作用をなす局部
的空乏領域を一時的に形成する。

ここに「情報」と称するは半導体層の特定領域内に可動
電荷キャリヤの形態で蓄積された電荷の量（またはその
不在）を意味し、特殊な場合には電荷「０」も情報とみ
なすことができる。

情報形成電荷を半導体層の１導電型に属する一定量の多
数電荷キャリヤにより形成するのが有利である。

例えば半導体層を、例えば燐原子を不純物添加した珪素
のようなｎ型層によって形成する場合には、情報形成電
荷を電子とする。

この場合電子の移動度が正孔の移動度より大きいので、
少くともｎ型層を使用すれば、ｎ型層を使用する場合に
正孔を情報キャリヤとして使用する既知の装置に比較し
て移送時間は著しく短縮される。

本発明に係る電荷結合半導体装置のさらに他の好適例に
おいては、クロツク電圧を供給することによって半導体
層に電界を形成し、この結果多数電荷キャリヤが少くと
も多数の上記領域内に累積する。

ここに「多数電荷キャリヤの累積」と称するは、電気的
に中性な状態にある半導体層の所定不純物添加濃度に依
存する電荷キャリヤの濃度より大きい濃度を有する半導
体層内の多数電荷キャリヤの少くとも局部的な濃度を意
味する。

少くとも多数の上記情報含有領域内にて、情報形成電荷
を上記クロツク電圧供給電極の下の半導体層の表面に少
くとも部分的に、好ましくはほぼ全体的に位置させるの
が有利である。

移送時には情報形成電荷を表面から完全にまたは少くと
も部分的に除去して半導体層の表面におけるよりも迅速
な移送が可能な半導体層の内部に移すことができる。

移送時間を著しく短くするために、情報形成電荷を移送
する間に情報含有領域内の上記電極層区域によって電界
を形成するのが好ましく、かくして電荷キャリヤを上記
領域から次の領域に移送する。

このようにして、例えば上記部材を絶縁層により半導体
層から離間した金属電極で形成する場合には、情報含有
領域に属する電極に電圧を供給することができ、この結
果上記電極に上記電圧が存在するとき上記領域は多数電
荷キャリヤを完全に空乏化され、従って上記電荷キャリ
ヤは上記領域から追出される。

本発明に係る電荷結合半導体装置のさらに他の好適例に
おいては、電極層区域を障壁層により半導体層から離間
した電極とし、第１時点で連続する４個の電極（以下第
１、第２、第３および第４電極と称する）に電圧を供給
し、この結果第１および第３電極に対向する半導体層内
に空乏領域を形成し、この領域により第２電極に対向し
て位置し情報形成電荷キャリヤを蓄積した半導体領域を
かこむようにし、次いで第２時点で第２電極と第３電極
との間の電圧差の極性を反転し、この結果上記電荷キャ
リヤを上記半導体領域から第３電極に対向して位置する
領域の方向へ排除し、第２および第４電極に対向して位
置する空乏領域間の上記領域に蓄積し得るようにする。

上記好適例では、電荷結合半導体装置を、例えば３クロ
ツク電圧源によって作動させることができ、従って３相
系とみなすことができる。

本発明に係る電荷結合半導体装置の他の形態の好適例に
おいては、電極層区域を障壁層により半導体層から離間
した１列の電極とし、第１時点で連続する５個の電極（
以下第１、第２、第３、第４および第５電極と称する）
に電圧を供給し、この結果第３および第４電極に対向す
る半導体層内に半導体層全体にわたって交差して延在す
る空乏領域を形成し、可動電荷キャリヤの形態の情報搬
送電荷を少くとも第２電極に対向して位置する領域内に
存在せしめ、次いで第２時点で第１電極と第３電極との
間および第２電極と第３電極との間の電圧差の極性を反
転し、この結果上記電荷キャリヤを第２電極に対向して
位置する領域から排除し、少くとも部分的に第３電極に
対向して位置する領域を経て第４電極に対向して位置す
る領域に流入させ、情報搬送電荷を第２電極に対向して
形成され半導体層に交差して延在する空乏領域と第５電
極に対向して形成され半導体層に交差して延在する空乏
領域との間に囲み込み、第１電極に対向して位置する領
域が電荷キャリヤをほぼ全く含有しなくなる時点で初め
て第２電極に対向して形成される空乏領域を第２電極に
対向して位置する領域全体に広げるようにする。

第１電極に対向して位置する領域は第２電極に対向して
位置し情報搬送電荷が排除される領域より迅速に完全に
空乏化されるので、この系は非対称となり電荷移送の移
送方向が決定される。

この結果、後述する図面の説明から明らかなように、上
記形態の好適半導体装置を２クロツク電圧源によって作
動させることができ、２相系とすることができる。

上述した非対称性を、例えば半導体層の表面上に厚さの
不均一な絶縁層を設けることによって達成することがで
きる。

本発明のさらに他の好適例においては、第１電極を直流
電圧源を経て第２電極に接続し、かくして第１および第
２電極間ならびに第３および第４電極間に生じる直流電
圧差それぞれによって、最初に空乏領域が第１および第
３電極それぞれに対向して形成され半導体層中に交差し
て延在するときにのみ第２および第４電極に対向して半
導体層内にそれぞれ形成されるべき空乏領域をこれら電
極に対向して位置する領域全体に広げ得るようにする。

半導体層を、例えばｎ型半導体材料で形成する場合には
、第１および第３電極を上記直流電圧源の負端子に接続
し、第２および第４電極を正端子に接続する。

例えば、第２電極に負電圧を供給することによって、第
２電極に対向させて空乏領域を形成することができる。

しかし、直流電圧源により第１電極は一層大きな負電位
をとるので、半導体層中に交差して延在する空乏領域は
第２電極に対向する個所よりも第１電極に対向する個所
に迅速に形成される。

本発明に係る電荷結合半導体装置のさらに他の好適例に
おいては、互に反対側に位置する側面上に設けた電極に
電圧を供給することによって、情報形成電荷キャリヤを
半導体層の一側から半導体層の他側に交互に横断させ、
電荷移送が半導体層の横断時に少くとも多数回、半導体
層に交差する移送成分に加えて半導体層に平行な移送成
分をも呈し得るようにする。

次に本発明を図面につき説明する。

図面はすべて線図的概略図であり、寸法通りではない。

対応部分にはすべて同一符号を付して示してある。

第１図に本発明に係る第１の形態の電荷結合半導体装置
、本例ではシフトレジスタの一部を示し、第２図および
第３図にそれぞれ第１図の■−■線および■−■線断面
図を示す。

電荷結合半導体装置を、ｎ型珪素の半導体層２を有する
半導体本体１をもって構成する。

この半導体装置にはさらに、電荷形態の情報を半導体層
２に局部的に導入する手段および半導体層２上の任意位
置の電荷を読取る手段を設けるが、これらについては後
述する。

半導体層２上、特に層２の少くとも一側３上にクロツク
電圧を供給する部材を配置するが、この部材を障壁層７
により半導体層２から離間した電極４，５および６をも
って構成する。

本例では障壁層７を酸化珪素の絶縁層によって形成する
。

また電極４，５および６をアルミニウムの金属細条によ
って形成してこれによりクロック電圧を供給するように
し、この結果電荷を半導体層２を経て層２に平行な方向
に移送し得るようにする。

本発明によれば、上記電荷の導入および除去時以外は、
半導体層２を周囲部分から少くとも作動中は絶縁し、こ
の結果半導体層２中に存在し上記電荷に作用する電界を
主に電極４，５および６に供給するクロツク電圧によっ
て決定し得るようにする。

第１図および第３図に示すように、電荷移送方向に交差
する方向に、電極４，５および６を少くとも半導体層２
を横切って延在させる。

本例では半導体層２の厚さを約５μｍ、不純物添加濃度
を約１０１５原子／ｃｍ３とする。

この厚さおよび不純物添加濃度は十分小さいので、半導
体層２にこの層２に交差させて適当な強度の電界を印加
しても、層２の厚さ全体にわたって空乏領域を形成し、
しかも同時に電子なだれ増倍が起らないようにすること
ができる。

本例では、電極を一側上にのみ、すなわち半導体層２の
一側３に設ける。

半導体層２を、半導体本体１の表面１２に隣接しかつｐ
型珪素の第２領域９と相俟ってｐｎ接合１０を形成する
ｎ型珪素の層状領域８の島状部分によって形成する。

層状領域８を、基体を形成する第２領域９上に通常の方
法で堆積させたエピタキシャル層とする，島状部分２の
直立壁部を、エピタキシャル層８中にその厚さの少くと
も一部にわたって埋設した酸化珪素の層によって少くと
も部分的に形成した絶縁領域１１によってかこむ。

本例では絶縁領域１１全体を、半導体本体１の表面１２
からエピタキシャル層８の厚さ全体を貫通して延在し基
体中にまで達する酸化珪素の層によって形成する。

さらに酸化物層１１をほぼその厚さ全体にわたって半導
体本体内に埋設するのでほぼ平担な表面が得られる。

従って、半導体層２は埋設酸化珪素層１１、障壁ｐｎ接
合１０および絶縁層７によって周囲部分から効果的に絶
縁されている。

さらに、上述したシフトレジスタを同一半導体本体内に
て他の回路素子、例えばトランジスタ、レジスタ等と集
積化することも容易である。

本例では電極４，５および６を３群に細分割してあり、
第１群に属する電極を４で示し、第２群に属する電極を
５で示し、第３群に属する電極を６で示してある。

群構成を適当に選択して電極が交互に第１、第２および
第３群に属する電極となるようにする。

さらに同一群に属する電極を相互接続し導体１３，１４
および１５によって接点表面１６，１７および１８に接
続してクロツク電圧を供給し得るようにする。

電極６は埋設酸化物層１１により半導体層２から絶縁さ
れた島４０内に設けた不純物添加濃度がエピタキシャル
層８より高い低オーム接触性ｎ型半導体領域１９を経て
導体１５に接続する（第１図および第３図参照）。

半導体領域１９は導体１３を横切るが、導体からは絶縁
層７により離間されている。

この絶縁層７には一方では電極６にかつ他方では共通導
体１５に接触させるための開孔を設ける。

シフトレジスタにはさらに半導体層２を経て移送される
一定量の情報形成電荷の読取りおよび除去を行う手段を
設ける。

この目的のために、半導体層２から絶縁層７により離間
され絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を形
成する補助電極２０を電荷移送方向に見て最後の電極４
の後方に設ける。

第２図に示すようにゲート電極２０と上記最後の電極４
との間の半導体層２に不純物多量添加ｎ型領域２５を設
け、これにより電界効果トランジスタのソース領域を構
成し、またゲート電極２０の後方の不純物多量添加ｎ型
領域２２によってドレイン領域を構成する。

このドレイン領域２２を導体２１に接続し、導体２１を
外部導体接続用の接点パツド２３に接続し、かくして情
報形成電荷を流去し得るようにする。

上記の電界効果トランジスタにはｐｎ接合が全く存在せ
ず、従ってその製造は著しく簡単である。

さらに、他の電極２４を半導体層２から絶縁層７によっ
て離間し、これをゲート電極２０と上記最後の電極４と
の間に設ける。

作動中この電極２４に一定電位を供給して参照電圧を得
るようにする。

トランジスタのソース領域２５を絶縁層７の開孔を介し
て導体２６に、従って第２絶縁ゲート電界効果トランジ
スタのゲート電極２７に接続する。

第１図から明らかなように第２電界効果トランジスタ２
８を半導体本体１の島内に設け、ゲート電極２７以外は
半導体層２から絶縁する。

第２トランジスタ２８をソース領域２９およびドレイン
領域３０をもって構成し、これら領域それぞれに接続導
体３１および３２を設ける。

これらの中間のチャンネル領域の導電率を半導体層２を
経て移送される電荷キャリヤの情報形成量の目安とする
がこれについては後述する。

第２トランジスタ２８のソース領域２９およびドレイン
領域３０ならびにソース領域とドレイン領域との間の領
域の導電型を半導体層２と同一導電型にし、従って上述
したトランジスタの場合と同様にすべてｎ型珪素で構成
する。

シフトレジスタにはさらに情報形成電荷を導入する手段
を設ける。

この目的のために、第１図および第２図に示すように、
半導体層２の他端に接続導体３３を設け、この導体３３
を絶縁層７の開孔を介して低オーム接触ｎ型接点領域３
４に接続する。

接続導体３３を外部信号源、例えば電圧源に接続するこ
とができ、供給する信号をシフトレジスタによって遅延
させるようにする。

第１図および第２図に示すように、導体３３と最初の電
極４との間に電極３５を設ける。

この電極３５を所望により共通導体１５に接続すること
ができる。

しかし、本例では電極３５を接点パッド３６に接続し、
これによって電極３５を別の外部電圧源に接続し得るよ
うにする。

第１〜３図に示す電荷結合半導体装置の作動について第
４〜６図を用いて説明する。

まず、電荷キャリヤをシフトレジスタのある段から次の
段へ移送する方法について説明する。

この目的に沿って、第５図および第６図に第２図の電荷
結合半導体装置の一部を示す。

これら部分は少数の電極４，５，６をもって構成される
。

同一群に属する電極を相互に接続する導体１３，１４お
よび１５を略線図示してある。

これらの導体を用いて、電極４１５および６にそれぞれ
クロツク電圧Ｖ４，Ｖ５およびＶ６を供給する。

この電圧の変化を時間の関数として第４図に示す。

第４図から明らかなように、各電圧Ｖ４，Ｖ５およびＶ
６は参照電位、例えば接地電位に対し３つのレベル、す
なわち約５Ｖの正電圧ＶＡ、約−５Ｖの負電圧ＶＢおよ
び電圧ＶＡとＶＢの中間の約０Ｖの電圧ＶＣを呈する。

この電圧差（ＶＡ−ＶＢ）および（ＶＡ−ＶＣ）は、第
５図に示すような半導体層２の厚さ全体にわたって延在
する２つの空乏領域４１を半導体層２内に形成するのに
適当な大きさである。

さらに電極４，５および６を電荷移送方向に交差する方
向に半導体層２の幅全体にわたって延在させるので、空
乏領域４１によって相互に絶縁されかつ絶縁層７に隣接
する半導体層２の多数の領域４２をかこむことになる。

本例では多数電荷キャリヤ、従って電子よりなる情報形
成電荷を領域４２に蓄積する。

情報搬送半導体層を絶縁し、かつ作動中に電極によりｐ
型基体から正孔が誘引され空乏領域４１に集合し、この
結果正孔と情報形成電子とが再結合するおそれを防止す
るために、ｐ型基体９を接続導体４３を経て電圧源４４
に接続する。

この結果基体９の電位は電極４，５および６に対して十
分に負となり上記の電荷集合を防止することができる。

簡潔にするために、第５図および第６図において基体９
と半導体層２との間の障壁ｐｎ接合１０を１本の直線で
略線図示してある。

しかし、実際には基体９と半導体層２との間の接合には
空乏層が存在し、この空乏層が部分的に基体中に、また
部分的に半導体層中に延在している。

従って空乏領域４１は直線１０まで完全に延在すること
はなく、基体９と半導体層２との間の上記空乏層まで延
在するだけである。

第４図において、出発時点を、例えばｔ０とｔ１との間
の１時点とすると、電極４は正電圧ＶＡにあり、また電
極５および６はそれぞれ電圧ＶＢおよびＶＣにあり、こ
の結果第５図に示す状態が得られる。

情報形成量の電子が空乏領域４１によって相互に絶縁さ
れた領域４２中に存在するものと考えられる。

ｔ＝ｔ２の時点で、電極４は接地電位ＶＣに、電極５は
正電圧ＶＡに、また電極６は負電圧ＶＢになる。

ここで電極４および５間の電圧差の符号が変る結果、領
域４２に存在した電子はこの領域から排除され、隣接す
る電極５の方向に流れる。

この結果領域４２は空乏化し、電極５の下に位置し領域
４２に隣接する隣接空乏領域４１の部分は領域４２から
発生する電子で充填される。

本例では半導体装置を３つの電圧レベルＶＡ，ＶＢおよ
びＶＣを呈するクロツク電圧によって作動させるが、本
発明においては、２つのレベルしかもたないクロック電
圧によって、例えばレベルＶＣをレベルＶＢに等しく電
荷移送を生起させるに十分な大きさのものとすることに
よって本発明に係る半導体装置を作動し得ること勿論で
ある。

しかし本例では電極６を予防手段として電極４に対し別
の負電圧ＶＢとして電荷移送中に電子が反対方向に流れ
るのを防止する。

電極のクロツク電圧が変化すると、半導体層２内の正孔
パターンは、第６図に示すように、電極間のピッチ間隔
の距離だけ移行する。

同様に、第４図のｔ３で示される時点で、電極６が正電
圧ＶＡに、電極４が負電圧ＶＢに、また電極５が接地電
圧ＶＣになり、領域４２内に蓄積された電子を電極５か
ら電極６の方向に移送して電荷を再び移送する。

このようにして電荷を半導体層２を経てこの層２に平行
な方向にシフトレジスタの出力端まで順次移送すること
ができる。

電荷移送は主に半導体材料の内部を経て行われるので、
移送時間は主に半導体材料の内部での電荷キャリヤの移
動度によって決まる。

珪素の場合、材料内部での移動度は半導体層２の表面に
沿っての移動度より１〜３倍大きく、従って本発明に係
る半導体装置における移送時間は電荷移送がすべて表面
に沿って行われる既知のシフトレジスタにおける移送時
間より著しく短かくなる。

さらに、電極と電荷キャリヤとの間の平均距離が、この
距離が絶縁層７の厚さに等しい上記の既知装置の場合よ
り長いので、移送時間はさらに著しく短縮され、電荷キ
ャリヤと電極との間の容量結合は小さくなる。

次に情報形成電荷を形成する電子をシフトレジスタに導
入する方法について説明する。

この目的に沿って第７図に第２図の半導体装置の一部分
、すなわち入力端を構成する部分を示す。

第７図に示すように、電極３３を信号源４５および電圧
源４６を経て接地し、一方電極３５を標本化電圧源４７
を経て接地する。

電圧源４６により供給する電圧Ｅ１を３Ｖとする。

電圧源４７により第４図に示すと同様に、接地電位に対
し＋５Ｖから−５Ｖの間の電圧パルスＥ２を供給する。

この場合にも出発時点を第４図のｔ０時とし、このとき
電極４は正電圧ＶＡ、電極５は負電圧ＶＢにある。

従って電極５の下に半導体層２の厚さ全体にわたって延
在する空乏領域４１が位置する。

電圧ＶＡ，Ｅ，およびＥ２を適当に選択して、電極３５
がその最高電位に達したとき、第７図に示すように電極
４の下に位置する半導体層２の部分５０を層２の厚さの
少くとも一部にわたって延在するチャンネル４９を経て
電圧源４５に接続し得るようにする。

従って領域５０中の電子密度を決定する領域５０の電位
はＥ１＋ＶＳに等しくなる。

ここにＶＳは信号源４５により供給される電圧を示す。

時点ｔ１で電極３５はその最小電位となり、この結果空
乏領域４８が電極３５の下に形成され、半導体層２の厚
さ全体にわたって延在し、かくして信号源４５と半導体
層２の領域５０とは相互に絶縁される。

このようにして領域５０中に蓄積され信号ＶＳを形成し
得る電子は、前述したところと同様に半導体層２を経て
移送される。

次に半導体層２を経て移送される電荷を読取り、流去す
る方法を第８図を用いて説明する。

第８図に第２図に示す半導体層２の右端に位置するシフ
トレジスタの出力端を構成する半導体装置の一部を示す
。

第８図にはさらに絶縁ゲート電界効果トランジスタ２８
をも略線図示してあり、このトランジスタ２８のゲート
電極２７を半導体層２内に位置する絶縁ゲート「深空乏
層形電界効果トランジスタ」（２５，２０，２２）のソ
ース領域２５に導電接続する。

第８図は電極４が接地電位ＶＣ、電極６が負電圧ＶＢで
ある状態を示す。

同時に、絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極
を構成する電極２０を適当な負電位として半導体層２内
に空乏領域５２を形成する。

この空乏領域５２は半導体層２の厚さ全体にわたって延
在し、従ってこの領域によってトランジスタのソース領
域２５をドレイン領域２２から離間する。

ソース電極２５を具える半導体層２の空乏領域４１と５
２との間の部分には、情報形成量の電子が蓄積され、こ
の一定電位に規定された電極２４と共働してソース領域
２５の電位を決定する。

この電位によってソース領域２９およびドレイン領域３
０を電圧源（図示せず）に接続したトランジスタ２８の
チャンネルの導電率が決まる。

トランジスタ２８を流れる電流を半導体層２中の電子の
量によって制御し、従ってこの電流を半導体層２を経て
移送される信号の目安とすることができる。

読取り終了後、電極２０の電圧を減少させてソース領域
２５とドレイン領域２２との間に導電チャンネルを形成
すれば、この導電チャンネルを経てソース領域２５内に
蓄積した電荷をドレイン領域２２へ、さらに導体２１へ
流去することができる。

上記実施例においては、電極４，５および６を３群に細
分割してこれらをそれぞれクロツク電圧源に接続した。

しかし、本発明に係る半導体装置を２クロック電圧源に
よって作動させることも可能であり、この例を次に示す
。

第９図に第２図に対応する本発明に係る半導体装置の他
の実施例を示す。

本例では２群の電極をクロツク電圧源に接続する。

本例の半導体装置を、上記実施例の半導体層２と同一厚
さ、同一不純物添加濃度のｎ型珪素の半導体層９０をも
って構成する。

半導体層９０に電極９２，９３，９４および９５を設け
、酸化珪素層９１によって半導体層９０から絶縁する。

電極を４群に細分割し、同一群に属し従って同一符号を
付した電極９２，９３，９４および９５を接続線９６，
９７，９８および９９により略線図示した導体によって
それぞれ相互に接続する。

電極９２および９３間に電圧源１００を、電極９４およ
び９５間に電圧源１０１をそれぞれ組込み、この際電極
９２および９４を電圧源の負端子に接続するとともに電
極９３および９５を正端子に接続する。

上記電圧源を接続すると、電極９２および９４の下の半
導体層９０には、それぞれ電極９３および９５の電圧に
従って半導体層９０の厚さ全体にわたって延在するかま
たは厚さの一部に延在する空乏領域１０２および１０４
が形成される。

この空乏領域１０２および１０４を第９図に破線で示す
。

例えば電極９５を正電位にすると、空乏領域１０３は小
さくなり、この結果、空乏領域は半導体層９０の厚さ全
体にわたって延在し得なくなり第９図に破線１０４で示
すように半導体層９０の一部にわたって延在するのみと
なる。

電極９３を負電位にすると電極９３の下の領域１０５に
蓄積された電子は空乏領域１０４の最下部に沿って電極
９５の下の領域１０６に導入される。

この領域１０６は半導体層９０の厚さ全体にわたって延
在する空乏領域１０２によって相互に絶縁されている。

領域１０５を空乏化する上記の電荷移送中に電荷キャリ
ヤは主に半導体層９０の内部を経て移送される。

上述した本発明に係る電荷結合半導体装置の第２の実施
例には構造を極めてコンパクトにし得るという利点があ
り、この点について第１０図を参照して説明する。

この実施例では、第１０図の半導体装置の部分的断面図
に示すように、半導体６０の互に反対側に位置する２側
面６１および６２に電極６３，６４，６５および６６を
設ける。

電荷移送の方向に交差する方向に、電極６３，６４，６
５および６６をこの場合にも半導体層６０に交差させて
完全に横切らせて延在させ、かつ障壁層６７により半導
体層６０から離間させる。

本例でも、電極をアルミニウムの金属細条で、障壁層を
酸化珪素の絶縁層でそれぞれ形成する。

電極６３，６４，６５および６６を相互にほぼ平行に延
在させる。

本例では、電極６３および６５の幅ならびに電極６３お
よび６５間のピッチ間隔をそれぞれ電極６４および６６
の幅ならびに電極６４および６６間のピッチ間隔と等し
くする。

特に対称にするために、半導体層６０の一側６２上に設
けた電極６４および６６を、半導体層６０の他側６１上
に設けた電極６３および６５に対し半ピッチ間隔だけず
らせて配置する。

さらに、本例では主表面６１，６２に交差する方向に見
た場合に、半導体層６０の一側６１上に設けた電極、例
えば電極６３が反対側６２上に設けた２つの並列した電
極６４および６６に部分的にオーバーラップするように
電極を位置させる。

このようにすれば半導体装置の順次の２段間の距離は半
導体層６０の厚さにほぼ等しくなり、従って電荷移送を
制御する電界を著しく大きくすることができる一方、さ
らに電荷キャリヤを移送すべき距離は極めて小さくなる
。

電極６３，６４，６５および６６を４群に細分割し、第
１群に属する電極を６３、第２群に属する電極を６４、
第３群に属する電極を６５、第４群に属する電極を６６
とする。

同一群に属する電極をそれぞれ相互に、第１０図に略線
図示した導体６８，６９，７０および７１によって接続
する。

側面６１および６２にはそれぞれ２群の電極のみを設け
る。

すなわち一側６１に電極６３および６５を設け、他側６
２に電極６４および６６を設ける。

この結果、前述した実施例とは対照的に、半導体層のい
ずれの側でも相互に交差させる必要のない導体によって
電極を相互に接続することができる。

本例では半導体層６０をｎ型珪素層とし、その厚さを約
７μとし、不純物添加濃度を４×１０１４原子／ｃｍ３
とする。

次にこの半導体装置の作動原理を第１０図および第１１
図を用いて説明する。

第１１図に電極６３，６４，６５および６６それぞれに
供給するクロツク電圧Ｖ６３，Ｖ６４，Ｖ６５およびＶ
６６を時間の関数として示す。

前記実施例の場合と同様に、情報形成電荷を電子により
形成すれば、例えば前述実施例にて記載したと同様の方
法で電子を第１０図の半導体装置の入力端（図示せず）
に供給し、出力端（図示せず）から流去することができ
る。

出発時点を、例えば第１１図の時点ｔ０とすると、この
とき電極６３は残りの電極６４，６５および６６に対し
正電位にある。

このように一方の電極６３と他方の残りの電極との間に
電圧差があると、情報形成電子は電極６３によって誘引
され、電極６３に隣接する領域７２（破線図示）内に蓄
積される。

かくすると、領域７２をかこむ半導体材料は空乏化し、
従って領域７２は相互に絶縁される。

時点ｔ１（第１１図参照）で電極６４が電極６３，６５
および６６に対し正電位となり、この結果、領域７２内
に蓄積された電子は電極６４によって誘引され、電極６
４に隣接する領域７３（破線図示）内に蓄積される。

第１１に示すクロツク電圧の後続位相において電子は同
様の態様で電極６４から電極６５の方向に、次いで電極
６５から電極６６の方向に移送される。

従ってシフトレジスタのある段から次の段への情報形成
電荷の移送には、半導体層６０に平行な移送成分以外に
半導体層６０に交差する移送成分もあり、電荷は２つの
主表面６１および６２のいずれか一方から他方に交互に
移送される。

電荷移送が完全に半導体層６０の内部を経て行われるの
で、本例の半導体装置における移送時間は極めて短かい
。

さらに電極を部分的にオーバーラップさせた結果として
シフトレジスタの順次の段に属す電極間、例えば電極６
３および６４間の距離が半導体層６０の厚さに等しいの
で、移送距離はほぼ半導体層６０の厚さによってのみ決
まる。

本発明のさらに他の実施例を第１２図および第１３図に
示す。

本例ではｎ型珪素の半導体層８０に交差する２群の電極
を設ける。

一方の群に属する電極を８１、他方の群に属する電極を
８２とする。

電極８１および８２をアルミニウムの導電細条で形成し
、酸化珪素の障壁層８３によって半導体層８０から離間
する。

本例では電極８１および８２をそれぞれ半導体層８０の
互に反対側に位置する２つの主表面８４および８５に設
ける。

この種の半導体装置は、例えば前述した装置の２個の組
合せとみなされ、その作動は前記第１実施例の装置と同
一である。

従ってこの場合、半導体層８．０を双方の装置に対して
共通とし、電極８１を一方の装置の電極とし、電極８２
を他方の装置の電極とする。

同一群に属する電極に第４図に示すと同様にクロツク電
圧を設定することができ、従って負電圧を有する２つの
電極毎にこれら２つの電極に対し正電圧を有する１つの
電極が後続するよう設定する。

電極を経て半導体層８０に印加する電界を変化させ、こ
れに従って情報形成電子を半導体層８０の正電圧電極間
の距離が最短の個所、すなわち交差点に移送する。

電極８１および８２のクロツク電圧を別個にまたは同時
に作動させることによって、情報形成電荷を半導体層８
０を経て、例えば電極８１に平行な方向に、または電極
８２に平行な方向に、または電極８１および８２に平行
な２成分よりなる適当な他の方向に移送することができ
る。

本発明に係る電荷結合半導体装置、特にシフトレジスタ
のさらに他の実施例を第１４図に示す。

第１４図は第１０図に示した実施例の断面図に相当する
部分断面図であり、本例では半導体層１１０の互に反対
側に位置する２側面１１１および１１２に電極１１３，
１１４および１１５を設け、これら電極を相互に平行に
延在させかつ電荷移送方向に交差する方向に見て半導体
層１１０を交差横断させる。

電極１１３，１１４および１１５を酸化珪素の障壁層１
１６によって半導体層１１０から離間する。

半導体層１１０を第１０図に示すシフトレジスタの半導
体層６０とほぼ同一のものとすることができる。

前記実施例の場合と同様に電極を、例えばアルミニウム
の導電層で形成することができる。

第１０図に関して記載した実施例とは対照的に、電荷移
送方向に交差する方向に見て、半導体層の一側、例えば
側面１１１上に設ける電極が他側１１２に設ける同一群
の電極と反対側位置になるように電極１１３，１１４お
よび１１５を設ける。

本例では半導体層１１０の両側に互に正しく対向して延
在するように設けられ、それぞれ同一符号を付した電極
１１３，１１４および１１５をそれぞれクロツク電圧供
給導線１１７，１１８および１１９により相互に接続す
る。

上記導線により同一極性で同値の電圧を互に反対側に位
置する電極双方に任意の時点で供給することができる。

本例では電極１１３，１１４および１１５を３群に細分
割し、第１群に属する電極１１３をクロツク導線１１７
により相互接続し、第２群に属する電極１１４をクロツ
ク導線１１８により相互接続し、第３群に属する電極１
１５をクロツク導線１１９により相互接続する。

クロツク導線１１７，１１８および１１９を経て、例え
ば第４図に示す電圧Ｖ４，Ｖ，およびＶ６を電極１１３
，１１４および１１５にそれぞれ供給し、例えば第４図
の時点ｔ０で電極１１４を電圧レベルＶＡに、電極１１
３をレベルＶｃに、電極１１５をレベルＶＢにする。

情報搬送多数電荷キャリヤを電極１１４間の半導体領域
１２０内に蓄積することができ、この領域１２０は電極
１１３問および電極１１５間の半導体層１１０中に半導
体層１１０の厚さ全体にわたって延在する空乏領域１２
１によってかこまれる。

第４図に示す時点ｔ１で電極１１５を正電圧レベルＶＡ
に電極１１４をそれより低い電圧レベルＶＣにして電極
１１４間に蓄積された電子を電極１１５間に移送し蓄積
し、かくして情報をシフトレジスタの次の段に到達させ
る。

本発明は上述した実施例のみに限定されることなく、本
発明の要旨を逸脱せぬ範囲内で種々の変形を行い得るこ
と明らかである。

例えば、ｎ型半導体層の代りにｐ型半導体層を使用する
ことができ、この場合には情報形成電荷として正孔形態
の多数電荷キャリヤを半導体層を経て移送する。

さらに、半導体層を珪素以外の他の半導体材料、例えば
ゲルマニウムまたは■−■化合物により形成することも
できる。

また、電極を半導体層から離間させる絶縁層を酸化珪素
以外の材料、例えば窒化珪素または酸化アルミニウム、
または種々の絶縁材料の層を積層した複合体で構成する
ことができる。

さらに、例えば前記第１実施例において、作動時に半導
体層２内に存在する電界、従って情報形成電子および電
極間の容量結合を基体９の電位によって制御することが
できる。

半導体層の互に反対側に位置する２側面に電極を設ける
場合には、半導体層を１導電型のエピタキシャル層を同
一導電型の基体上に設けた形態として使用し、少くとも
一側上に設ける電極を基体とエピタキシャル層との間の
界面に設ける反対導電型の埋設層によって形成するのが
一層有利である。

この場合、例えば、基体に上記電極に対し十分高い逆電
圧を設定すれば、基体および電極間に形成される空乏層
の働きによって、基体とエピタキシャル層との間に導通
が起るのを防止することができる。

所望に応じて上記埋設層を表面に接続し、ここで通常の
方法にて半導体層の能動部分の外部で、例えば拡散層に
より接点を形成することができる。

さらに、放射により電荷キャリヤを発生させることによ
って電荷キャリヤを半導体層中に導入することもでき、
この場合には少数電荷キャリヤを形成する正孔を基体を
経て流去することができ（例えば第２図参照）、発生し
た電子は半導体層２に残留する。

情報搬送電荷の導入および読取りを行う方法としては、
前記実施例に記載した方法の外に、当業者に公知で既知
のシフトレジスタに使用されている多くの他の方法を使
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に係る電荷結合半導体装置の第１実
施例を示す平面図、第２図および第３図はそれぞれ第１
図を■−■線および■−■線に沿って見た断面図、第４
図は第１図の電荷結合半導体装置の電極に供給するクロ
ツク電圧を時間の関数として示すパルス図、第５図およ
び第６図は第２図の電荷結合半導体装置の特定部分に関
し作動中の２時点での状態を示す断面図、第７図は第２
図の電荷結合半導体装置の入力端部分に関し作動中の状
態を示す断面図、第８図は第２図の電荷結合半導体装置
の出力端部分に関し作動中の状態を示す断面図、第９図
は本発明に係る電荷結合半導体装置の第２実施例を第２
図に対応する部分について示す断面図、第１０図は本発
明に係わる電荷結合半導体装置の第２実施例の変形例を
示す断面図、第１１図は第１０図に示す電荷結合半導体
装置の電極に供給するクロツク電圧を時間の関数として
示すパルス図、第１２図は本発明に係る電荷結合半導体
装置の第３実施例を示す平面図、第１３図は第１２図を
■■−■■線に沿って見た断面図、第１４図は本発明に
係る電荷結合半導体装置の第４実施例を示す断面図であ
る。 １・・・・・・半導体本体、２，６０，８０，９０，１
１０・・・・・・半導体層、４〜６，６３〜６６，８１
〜８２，９２〜９５，１１３〜１１５・・・・・・電極
、７，６７，８３，９１，１１６・・・・・・障壁層、
８・・・・・・ｎ型層状領域、９・・・・・・第２領域
、１０・・・・・・ｐｎ接合、１１・・・・・・絶縁領
域、１２，６１，６２，８４，８５，１１１，１１２・
・・・・・半導体層の表面、１３〜１５，２１，２６，
３１〜３３，４３，６８〜７１，９６〜９９，１１７〜
１１９・・・・・・接続導体、１６〜１８・・・・・・
接点表面、１９，３４・・・・・・低オーム接触ｎ型領
域、２０，２７・・・・・・ゲート電極、２２，３０・
・・・・・ドレイン電極、２３，３６・・・・・・接点
パッド、２４，３５・・・・・・電極、２５，２９・・
・・・・ソース領域、２８・・・・・・第２トランジス
タ、４０・・・・・・島、４１，５２，１０２〜１０４
，１２１・・・・・・空乏領域、４２，５０，７２，７
３，１０５，１０６，１２０・・・・・・半導体層の領
域、４４，４６，４７，１００，１０１・・・・・・電
圧源、４５・・・・・・信号源、４９・・・・・・チャ
ンネル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （ａ） １導電型の半導体層を有し、該半導体
   層は、その厚さおよび不純物濃度を、この半導体層に対
   し直角方向に電界を印加して電子なだれの増倍の発生と
   は無関係に半導体層の厚さ全体にわたり空乏領域を形成
   し得るように定めた半導体本体と； （ｂ） 半導体層およびその第１部分に情報電荷を局
   部的に導入する第１手段と； （ｃ）半導体層の第２部分にて前記電荷を読取る第２手
   段と； （ｄ） 少なくとも動作中は前記第１および第２手段
   を除く前記半導体層をその周囲から完全に分離して、少
   なくとも動作中半導体本体内で前記半導体層を横方向に
   対して制限して画成する第３の構成手段と； （ｅ） 前記半導体層の少なくとも１表面に設けられ
   、電圧を受けて半導体層内に電界を発生し、これにより
   画成された電荷蓄積部に電荷を蓄積し得ると共に半導体
   層に平行な方向に半導体層の前記第１部分から第２部分
   に電荷を移送し得るようにした多数の電極層区域と、半
   導体層およびこれらの電極層区域の各々の間に位置する
   各別の絶縁層区域とから成り、これら電極層区域および
   絶縁層区域を電荷移送方向に対して直角を成す方向およ
   び半導体層の表面に平行な方向において少なくとも半導
   体層のほぼ全体の幅に亘り延在させた第４手段； とを具えて成る電荷結合半導体装置を、 前記電荷蓄積部への電荷の蓄積中は電荷が半導体層と前
   記絶縁層区域との間の界面に少なくとも部分的に蓄積さ
   れ、かつ一方の電荷蓄積部から次の電荷蓄積部への電荷
   の移送中は前記一方の電荷蓄積部に蓄積された電荷が半
   導体層の表面から半導体層の内部にはね返され、主とし
   て該半導体層の内部を経て半導体層と各絶縁層区域との
   間の界面における前記次の電荷蓄積部への移送されるよ
   うに前記電極層区域にクロツク電圧を供給して動作させ
   ることを特徴とする電荷結合半導体装置の動作方法。