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DE2421210A1 - Ladungsgekoppelte halbleiteranordnung - Google Patents

Ladungsgekoppelte halbleiteranordnung

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Publication number
DE2421210A1
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Authority
DE
Germany
Prior art keywords
charge
photosensitive element
potential
semiconductor
semiconductor material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE2421210A
Other languages
English (en)
Inventor
Gilbert Frank Amelio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fairchild Semiconductor Corp
Original Assignee
Fairchild Camera and Instrument Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fairchild Camera and Instrument Corp filed Critical Fairchild Camera and Instrument Corp
Publication of DE2421210A1 publication Critical patent/DE2421210A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/10—Integrated devices
    • H10F39/12—Image sensors
    • H10F39/15—Charge-coupled device [CCD] image sensors
    • H10F39/158—Charge-coupled device [CCD] image sensors having arrangements for blooming suppression
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/28—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors
    • H10F30/2823—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors the devices being conductor-insulator-semiconductor devices, e.g. diodes or charge-coupled devices [CCD]

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

FRIEDRICH B. FISCHER ™* podünkuchhn PATENTANWALT SAARSTRASSE 71
Fairchild Camera and Instrument F 7479
Corporation Dr.F/Wi
464 Ellis Street 2421210
Mountain View, California 94040
USA
Ladungsgekoppelte Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf ladungsgekoppelte Halbleiterbauelemente, und sie bezieht sich insbesondere auf ladungsgekoppelte Halbleiteranordnungen, bei denen eine Sättigung der lichtempfindlichen Elemente dadurch verhindert wird, daß überschüssige Ladung vor der Sättigung der Elemente aus diesen abfließen kann? die Erfindung bezieht sich auch auf die Herstellung und den Betrieb solcher Halbleiteranordnungen.
In einer ladungsgekoppelten Halbleiteranordnung (charge coupled device -CCD) wird eine durch auftreffendes Licht erzeugteTFotoladung in Potentialtöpfen in der Nähe der Oberfläche der Halbleiteranordnung gespeichert. Das Halbleitermaterial, in dem ein bestimmter Ladungsbetrag durch auftreffendes Licht erzeugt wird, wird zusammen mit der darüber angeordneten Isolation und der entsprechenden Elektrode auch als Fotosensor oder als lichtempfindliches Element bezeichnet. Die gespeicherte Ladung weist Minoritätsträger auf im Vergleich zu dem Leitfähigkeitstyp der in dem
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Substrat, welches die Potentialtöpfe enthält, vorherrschenden Dotierung. Die Potentialtöpfe befinden sich unter einer optisch transparenten Elektrode, und sie sind an zwei ihrer vier Seiten durch sogenannte Channel Stop-Diffusionen begrenzt; auf den anderen beiden Seiten sind sie parallel zu der Oberfläche durch ein gattiertes CCD-Analog-Schieberegister und durch eine dritte Channel Stop-Diffusion begrenzt. Nach oben ist die Begrenzung durch Isolierstoff und nach unten durch Halbleitermaterial gebildet. In der zur Halbleiteroberfläche senkrechten Achse wird der Potentialtopf gebildet durch die parabolischen Potentialprofile, welche durch die Feldlinien gebildet werden, die auf den Donatoren und Akzeptoren in der implantierten Schicht bei Anordnungen mit vergrabenem Kanal (oder dem Oberflächengebiet des Halbleitermaterials, wenn ein vergrabener Kanal nicht verwendet wird) bzw. dem Halbleitermaterial enden. Wenn dieser dreidimensionale Topf mit Ladung gesättigt wird, werden Ladungsträger von dem gewünschten Sammelpunkt in dem lichtempfindlichen Element abfließenj es tritt ein Überfließen (Blooming) auf. Als "Blooming" wird die Ausbreitung der in einem lichtempfindlichen Element ursprünglich gespeicherten Ladung bezeichnet| sie erfolgt derart, daß die Ladung und in benachbarten lichtempfindlichen Elementen gespeicherte Ladungen -sich gegenseitig beeinflussen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung, bei der das Auftreten des Blooming durch Abfließen der überschüssigen Ladungsträger aus einem Potentialtopf unmittelbar vor der Sättigung des Topfes verhindert wird, und welche eine Steuerung und Überwachung der Belichtungszeit ermöglicht, während derer der Potentialtopf Ladung speichert.
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Gemäß der Erfindung ist ein lichtempfindliches Element in einer CCD-Anordnung von einem LadungssenkengeMet in dem Halbleitermaterial durch eine Potentialsperre getrennt. Die Potentialsperre wird periodisch gesenkt und ermöglicht dadurch, daß in dem lichtempfindlichen Element erzeugte Ladung zu dem Gebiet der Ladungssenke weitergeleitet wird. Während derjenigen Zeit, in der Ladung in dem lichtempfindlichen Element bei auftreffender Strahlung, z.B. Lichtstrahlung, zu speichern ist, wird die Potentialsperre zwischen der Ladungssenke und dem lichtempfindlichen Element angehoben. Die in dem lichtempfindlichen Element gespeicherte Ladung wird dann von dem lichtempfindlichen Element in ein anderes Gebiet des Halbleitermaterials, welches Teil einer Transportanordnung ist, weiterleitet, Die Gatterung der Ladung aus dem lichtempfindlichen Element zu der Transport anordnung kann entweder durch Verv/endung eines besonderen Weitergabegatters oder durch Verwendung einer Weitergabeanordnung ohne Gatter erfolgen; eine bevorzugte Ausführungsform der letzteren Anordnung ist in der USA-Patentanmeldung Serial Number 357 760 beschrieben, welche am 7. Mai 1973 unter der Bezeichnung "Transfer Gate-less Photosensor Configuration" für Gilbert F. Amelio angemeldet wurde.
Alternativ ist vorgesehen, daß die Potentialsperre zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Ladungssenke auf einem festen Niveau gehalten wird, welches so gewählt ist, daß überschüssige Ladung in dem Potentialtopf über einem vorgegebenen Betrag zu der Ladungssenke weitergeleitet wird, nicht aber zu den benachbarten lichtempfindlichen Elementen. Auf diese Weise wird das Auftreten des Blooming-Effekts verhindert.
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Figuren 1a, 1b, 1c und 1d zeigen im Schnitt ein lichtempfind-liches Element mit dem zugehörigen Belichtungs-Steuergatter, dem Senkengebiet, dem Fotogatter, dem Weiterleitung sgatter und dem Transportgatter, welche auf einem Substrat aus Halbleitermaterial angeordnet, jedoch diesem Material gegenüber isoliert sind, wobei verschiedene Potentiale in den Gebieten aus Halbleitermaterial unter den verschiedenen Gattern bestehen. Anhand dieser Figuren wird die Arbeitsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben.
Figuren 2a und 2b dienen zur Erläuterung der Arbeitsweise der in den Figuren 1a - 1d dargestellten Anordnung zur Eliminierung des Blooming-Effekts.
Figur 3 zeigt im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend im Zusammenhang mit ladungsgekoppelten Halbleiteranordnungen beschrieben, welche in Silizium als Halbleitermaterial ausgebilää sindj die Erfindung kann jedoch auch unter Verwendung anderer Materialien, welche zur Herstellung ladungsgekoppelter Anordnungen geeignet sind, angewandt werden. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen werden, daß ein Siliziumsubstrat vom p-Leitfähigkeitstyp verwendet wird, jedoch ist es auch möglich, zur Anwendung der Erfindung Halbleitermaterial vom entgegengesetzten Leitungstyp zu benutzen.
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Wie aus Figur 1a hervorgeht, enthält ein Halbleiterplättchen 10 ein Siliziumsubstrat 11, welches den p-Leitfähigkeitstyp besitzt und auf dem eine Isolation 12 ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Isolation 12 eine Schicht aus Siliziumdioxid auf, jedoch können erforderlichenfalls auch andere Stoffe als Isolation verwendet werden, und die Isolation kann aich aus mehreren Isolierstoffen bestehen. Die Isolation 12 muß wenigstens gegenüber der auftreffenden Strahlung durchlässig sein, welche die Ladung in demjenigen Teil des Substrats 11 erzeugen soll, welcher zu dem lichtempfindlichen Element gehört.
Auf der oberen Fläche der Isolation 12 sind mehrere leitfähige Gatter ausgebildet. Das Potential in dem Gebiet des Halbleitermaterials unterhalb jedes Gatters wird dadurch geändert, daß das Potential auf dem betreffenden Gatter geändert wird. Transportgatter 13a steuert den Transport von Ladung von der Anordnung (die entweder linear oder flächenhaft sein kann) zur weiteren Verarbeitung außerhalb des Halbleiterkörpers, welcher das lichtempfindliche Element enthält. Weitergabegatter 13b steuert die Weiterleitung von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu dem Gebiet in der Transportanordnung unterhalb des Transportgatters 13a. Fotogatter 13c ist ein Teil des lichtempfindlichen Elements und steuert das Potential in dem Gebiet des Halbleitermaterials 11, welches sich unmittelbar unter Fotogatter 13c befindet. Belichtungsgatter 13d steuert das Potential zwischen dem Gebiet des Halbleitermaterials in dem lichtempfindlichen Element unter Fotogatter 13c und einer Ladungssenke. Vorzugsweise enthält die Ladungssenke eine an Gegenspannung liegende Diode, welche aus einem Gebiet 15 mit n-H-Leit- fähigkeit besteht, das von dem p-Halbleitermaterial 11 durch pn-übergang 15a getrennt ist. Die in den Figuren 1a bis 1d, 2a und 2b dargestellten Halbleiteranordnungen sind identisch, und
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sie unterscheiden sich nur in den Potentialen, welche in den Gebieten des Halbleitermaterials 11 wirksam sind. In diesen ■ Figuren sind die Potentiale durch Potentiallinien 16 dargestellt, und die Potentiale in verschiedenen Gebieten des Halbleitersubstrats 11 werden durch Teile der Linie 16 wiedergegeben, welche als Bezugszeichen die Zahl 16 mit einem nachfolgenden Buchstaben erhalten. Ein gegebenes Potential, welches einem bestimmten Gebiet in Substrat 11 zugeordnet ist, hat in den verschiedenen Figuren die gleiche Zahl und den gleichen Buchstaben.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Änderung von Potentialen auf den verschMenen Gattern 13a - 13d zur Durchführung der elektronischen Belichtungssteuerung beschrieben. Da in der dargestellten Anordnung die durch auftreffende Strahlung erzeugten Minoritätsträger Elektronen sind, entspricht einAnheben.des Potentials einer Spannungssenkung und umgekehrt.
Figur 1a zeigt das fotoempfindliche Element vor der Feststellung des Betrages der auftreffenden Strahlung. Die Potentiale auf den verschiedenen Gattern sind so bemessen, daß das Potential in dem Halbleitermaterial, in dem die Diode ausgebildet ist (also das Potential im n+-Gebiet 15)» niedrig ist, wie aus dem Linienteil 16a hervorgeht. Das Potential am Belichtungsgatter 13d liegt über dem Potential der Diode 15» es ist durch Linienteil 16b wiedergegeben. Das Potential in dem Halbleitermaterial unterhalb des Fotogatters 13c liegt auf einem noch höheren Niveau, wie der Linienteil 16c zeigt. Elektronen 17a werden daher aus dem Gebiet unterhalb des Fotogatters 13c in das Gebiet unterhalb des Belichtungsgatters 13d und dann zur Diode 15 weitergegeben. Die Potentiale in dem Halbleitermaterial
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unterhalb des Weitergabegatters 13b und des Transportgatters 13a liegen über dem Potential unter Fotogatter 13c, wie durch Linien 16d dargestellt ist. Der gestrichelte Linienteil 16d endet in einem Channel'Stop-Gebiet aus Halbleitermaterial 14 mit der Leitfähigkeit
Wenn die Potentiale in dem Halbleitermaterial entsprechend der Darstellung in Figur 1a verteilt sind, befindet sich das lichtempfindliche Element im Bereitschaftszustand, und in dem Halbleitermaterial unter Fotogatter 13c erzeugte Ladung wird zur Senkendiode 15 weitergeleitet.
Wenn die durch auftreffende Strahlung erzeugte Ladung integriert werden soll, wird das Potential in dem Halbleitermaterial unter Belichtungsgatter 13d auf die durch die gestrichelte Linie 16e (Figur 1b) dargestellte Lage angehoben, indem das Potential am Gatter 13d entsprechend angehoben (also die Spannung gesenkt) wird. Alle anderen Potentiale in dem Halbleitermaterial bleiben im wesentlichen gleich. Licht, welches auf das Halbleitermaterial in dem Gebiet unter Fotogatter 13c auftrifft, erzeugt dann eine durch Elektronen 17 angedeutete Ladung in dem Potentialtopf, welcher durch den gestrichelten Linienteil 16c wiedergegeben ist. Die in diesem Potentialtopf erzeugten Elektronen bleiben unterhalb des Fotogatters 13c infolge der Anwesenheit der Potentialsperre, welche durch die gestrichelten Linienteile 16e und 16d wiedergegeben ist.
Am Ende der Belichtung wird die unterhalb des Fotogatters 13c erzeugte Ladung in das Gebiet des Halbleitermaterials unter Transportgatter 13a weitergeleitet. Dies erfolgt dadurch, daß das Potential des Halbleitermaterials unter Fotogatter 13c in die durch den Linienteil 16f (Figur 1c) dargestellte Lage
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angehoben wird, während, das Potential des Halbleitermaterials unter dem Weitergabegatter 13b in die durch den gestrichelten Linienteil 16g angedeutete Lage abgesenkt wird, und das Potential des Halbleitermaterials unter dem Transportgatter 13a wird in die durch den gestrichelten Linienteil 16h dargestellte Lage noch weiter abgesenkt. Das Potential auf dem Belichtungsgatter 13d bleibt erhalten, so daß das Potential in dem Halbleitermaterial unterhalb dieses Gatters auf derjenigen Höhe bleibt, wie es durch den Linienteil I6e angedeutet ist. Die Ladung 17» welche zunächst in dem Potentialtopf unterhalb des Fotogatters 13c erzeugt wurde, gelangt dadurch in das Gebiet des Halbleitermaterials unter Transportgatter 13a.
Die Ladung 17 unter Transportgatter 13a (Figur 1d) wird in dieser Lage gehalten durch Anheben des Potentials an Elektrode 13b, so daß in dem Halbleitermaterial unter Elektrode 13b das durch den gestrichelten Linienteil 16j (Figur 1d) dargestellte Niveau besteht. Zugleich wird das Potential des Halbleitermaterials unter Elektrode 13c in die durch den gestrichelten Linienteil 16c angedeutete Höhe abgesenkt, und das Potential des Halbleitermaterials unter dem Belichtungsgatter 13d wird auf eine noch geringere Höhe abgesenkt, wie die gestrichelte Linie 16b (Figur 1d) zeigt. Die unter dem Fotogatter 13c erzeugte Ladung 17d wirddaher sofort in die Ladungssenke weitergeleitet, welche das ^-Halbleitermaterial 15 enthält. Dabei bleibt die vorher in das Gebiet unterhalb des Transportgatters 13a weitergeleitete Ladung 17 unter dem Transportgatter 13a und wartet darauf, daß sie aus dem Halbleitersubstrat 11 entfernt wird.
Figur 2a zeigt, wie die anhand der Figuren 1a - 1d dargestellte Belichtungssteuerung zur Beseitigung des Blooming-Effekts ausgenutzt wird. Bei dieser Arbeitsweise kann Ladung bis zu einer
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gewissen Höhe in dem durch den gestrichelten Linienteil 16c (Figur 2a) unterhalb des Fotogatters 13c dargestellten Potentialtopf gespeichert -werden. Das Potential des Halbleitermaterials unter dem Belichtungsgatter 13d wird in einer Höhe gehalten, welche entsprechend der Darstellung durch Linienteil 16k über dem unter Fotogatter 13.c bestehenden Potential liegt. Das Potential unter Belichtungsgatter 13d ist jedoch etwas niedriger als das Potential unter dem Weitergabegatter 13b. Der Potentialtopf unter dem Fotogatter wird daher einen bestimmten Ladungsbetrag halten. Jede zusätzliche Ladung über der Kapazität des Potentialtopfes wird jedoch nicht in dem Topf zurückgehalten, sondern weitergegeben zur Senkendiode. Diese Ladung wird nicht zu den benachbarten lichtempfindlichen Elementen weitergeleitet, und zwar aufgrund des höheren Potentials, welches den Potentialtopf umgibt und das von dem hohen Potential auf Weitergabegatter 13b und den Gebieten höherer Leitfähigkeit 18c und 18d (Figur 2b) erzeugt ist.
Figur 2b zeigt die Halbleiteranordnung gemäß Figur 2a in einem Schnitt entlang der Fotogatter-Elektrode 13c. Diese Darstellung zeigt die in Potentialtöpfen 16c und 36c gespeicherte Ladung entlang der Fotogatter-Elektrode 13cj dabei darf gleichzeitig keine Ladung in den anderen Potaattaltöpfen 6c und 26c gespeichert werden. Während der Periode, in der die Ladung von den Potentialtöpfen 16c und 36c zu einer Transportanordnung (von der nur ein Transportgatter 15a in Figur 2a gezeigt ist) und durch die Transportanordnung nach außen weitergegeben wird, kann daher das Potential an den Belichtungsgattern, welche den Potentialtöpfen 16c und 36c zugeordnet sind, so eingestellt werden, daß in diesen Teilen der Bildanordnung Ladung gespeichert werden kann. Die Transpartanordnung kann daher verwendet werden, um Ladung, welche in jedem zweiten Potentialtopf über
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die Länge einer linearen Anordnung erzeugt ist, aus der Anordnung abzuleiten, während in den übrigen Potentialtöpfen entlang der Anordnung Ladung erzeugt wird. Diese Ausbildung ist daher besonders zweckmäßig für den Zweiphasenbetrieb, wie er in der genannten USA-Patentanmeldung 357 760 (Amelio) beschrieben ist.
Das Belichtungsgatter 13d (Figuren 1a - 1d und Figur 2a) ermöglicht, daß die Belichtungszeit eines gegebenen fotoempfindlichen Elements gesteuert werden kann. Die Belichtungszeit kann variiert werden als Funktion der Intensität der auftreffenden Strahlung, und dadurchteinn der dynamische Bereich eines gegebenen lichtempfindlichen Elements in beachtlichem Umfang geändert werden entsprechend der Intensität der auftreffenden Strahlung. Dadurch ist es möglich, daß ein gegebenes lichtempfindliches Element und die lineare oder flächenhafte Anordnung, zu der es gehört, in einer großen Zahl von Anwendungsmöglichkeiten benutzt werden kann, ohne daß strukturelle oder andere Modifikationen erforderlich wären. Bei Anwendung der Belichtungssteuerung kann die Integrationszeit in der gewünschten Weise variiert werden. Ohne die Belichtungssteuerung isb die Integrationszeit gleich der Gesamt-Abtastperiode der Anordnung. Es ist daher möglich, einen weiten Bereich der Lichtintensität zu verarbeiten, indem die erfindungsgemäße Anordnung ohne Sättigung der lichtempfindlichen Elemente verwendet wird.
Bei der Arbeitsweise der Blooming-Kontrolle wird das Belichtungsgatter (z.B. Gatter 13d) auf einen nur geringen Wert eingestellt (sein Potential wird also unter das des Weitergabegatters 13b herabgesetzt), so daß überschüssige Träger zu der Senkendiode 15 abgeleitet werden und nicht das benachbarte lichtempfindliche Element (z.B. Element 6c oder 26c in Figur 2b) füllen. Auf diese Weise ist es den Potentialtöpfen unter
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dem Fotogatter nicht möglich, die volle Sättigung zu erreichen, und es kann daher auch kein Blooming eintreten. Daher kann man mit'einem Bild arbeiten, dessen Kontrastbereich weit über dem dynamischen Bereich der Anordnung liegt, ohne daß eine Zerstörung der Auflösung zu befürchten ist.
Das in den Figuren 1a - 1d, 2a und 2b dargestellte Äusführungsbeispiel bezieht sich im wesentlichen auf eine aktive Struktur, da die Belichtungssteuerung mit äußeren Spannungen vorgenommen wird. Eine passive Struktur kann man dadurch erhalten, daß man das Belichtungsgatter 13d durch ein Gebiet ersetzt, welches eine höhere Leitfähigkeit als das Halbleitersubstrat 11 aufweist, aber den gleichen Leitfähigkeitstyp besitzt. Ein solches Gebiet ist in Figur 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Subsrat 11 ein p+-Gebiet 19 ausgebildet, welches eine höhere Leitfähigkeit als das Substrat 11 hat, aber den gleichen Leitfähigkeitstyp besitzt. Das durch den gestrichelten Linienteil 16m angedeutete Potential in dem Halbleitermaterial unter dem p+-Gebiet 19 wird der Höhe nach über dem Potential gehalten, welches durch die gestrichelte Linie 16c in dem Halbleitermaterial unter Fotogatter 13c dargestellt ist, jedoch unterhalb der maximalen Höhe, bis zu der dieses Potential und das Potential unter dem Weitergabegatter 13b ansteigen können, indem die Spannungen an Fotogatter 13c und Weitergabegatter 13b herabgesetzt werden. Die Elektrode 13c erstreckt sich über das p+-Gebiet 19» und dadurch ist sichergestellt, daß das Potential des Halbleitermaterials unter Gebiet 19 stets um einen im wesentlichen festen Betrag über dem Potential in dem Halbleitermaterial unter demjenigen Teil der Elektrode 13c liegt, welcher sich nicht über Gebiet 19 befindet. Die in Figur 3 dargestellte Halbleiteranordnung arbeitet daher in der Anti— Blpoming-Betriebsweise, aber sie hat zugleich nicht die
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Vielseitigkeit, welche die in Figur 1a dargestellte Anordnung "besitzt, und zwar z.B. aufgrund der Möglichkeit der Änderung der an das Belichtungsgatter 13d angelegten Spannung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 bestimmt die Störstoffkonzentration in den Gebieten 19 und den benachbarten Gebieten des Substrats 11 die relativen Höhen der durch die Linien 16m und 16c wiedergegebenen Potentiale. Wie bei der in Figur 2a dargestellten Anordnung gelangen überschüssige Ladungsträger aus dem Potentialtopf 16c zur Senkendiode 15. Da jedoch bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ein implantiertes asymmetrisches Potential zur Anti-Blooming-Steuerung verwendet wird, ist eine veränderbare Steuerung der Belichtung nicht anwendbar.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkte So ist bei der in den Figuren 1a bis 1d, 2a und 2b dargestellten Ausführungsform keine Isolierung über dem n+-Gebiet 15 vorhanden. In der Praxis befindet sich eine Isolierung 12 auf der Oberfläche des Substrats 11 über Gebiet 15. Durch ein in der Isolierung.12 ausgebildetes Fenster_kann Gebiet 15 in bekannter Weise kontaktiert werden. Zusätzlich können die Elektroden 13a, 13b, 13c und 13d mit einer weiteren Isolierung bedeckt werden, beispielsweise Isolierung 20 (Figur 3). Die Isolierung 20 kann eine Schicht aus Siliziumnitrid aufweisen.
Auch ist, wie beschrieben, vorgesehen, daß die Ladungssenke ein Gebiet 15 aufweist, welches gegenüber Substrat 11 die entgegengesetzte Leitfähigkeit hat; stattdessen können auch andere geeignete Maßnahmen zur Darstellung einer Ladungssenke angewendet werden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen und Betriebsverfahren können sowohl bei linearen als auch bei flächenhaften CCD—Anordnungen verwendet werden. Bei einer flächenhaften Anordnung ist bei der erfindungsgemäßen Struktur jedoch ein größerer Halbleiterchip erforderlich, und die möglche Linienauflösung ist geringer.
Alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung arbeiten mit einem vergrabenen Kanal, wie es in der USA-Patentanmeldung Serial No. 296 507, angemeldet am 10. Oktober 1972, beschrieben ist. Ein vergrabener Kanal ist für eine einwandfreie Arbeitsweise jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Das p-Gebiet 19 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 (welches bei einer bevorzugten Ausführungsform durch Ionenimplantation gebildet sein kann) hat eine Störstoffkonzentration von
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etwa 3 x 10 Atomen/ccm. Bei der gleichen Ausführungsform hat das p-Channel-Stop-Gebiet 14 eine Störstoffkonzentration von
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etwa 10 - 10 y Atomen/ccm.
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Claims (9)

  1. Ansprüche
    f 1yHalbleiteranordnung mit einem Ladung s spei eher zur Speicherung von Ladung, welche proportional der auf den Ladungsspeicher auftreffenden Lichtmenge ist, und einer Einrichtung zur Weiterleitung der gespeicherten Ladung zur weiteren Verarbeitung, gekennzeichnet durch
    ein lichtempfindliches Element mit einem ersten Gebiet aus Halbleitermaterial, über dem sxii eine erste Elektrode befindet, welche von dem Halbleitermaterial durch eine Isolation getrennt ist, wobei das lichtempfindliche Element einen bestimmten Ladungsbetrag enthalten kann,
    ein benachbartes Gebiet aus Halbleitermaterial zur Aufnahme des Ladungsbetrages aus dem lichtempfindlichen Element,
    eine erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Weiterleitung des Ladungsbetrages aus dem lichtempfindlichen Element in das benachbarte Gebiet,
    eine Ladungssenke zur Aufnahme überschüssiger, in dem lichtempfindlichen Element erzeugter Ladung, und
    eine zweite Steuereinrichtung zur Steuerung der Weiterleitung der Ladung von dem lichtempfindlichen Element zu der Ladungssenke.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung eine leitfähige Belichtungselektrode aufweist, welche auf der Isolation zwischen der ersten Elektrode und der Ladungssenke derart angeordnet ist, daß sie das Potential in dem Halbleitermaterial unter der
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    Belichtungselektrode durch Änderung des Potentials auf der Belichtungselektrode steuert, so daß die Weitergabe von Ladung von dem lichtempfindlichen Element zur Ladungssenke gesteuert wird.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungssenke ein Gebiet entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweist, welches in dem Halbleitermaterial neben der Isolation ausgebildet isto
  4. 4. Halbleiteranordnung nach*Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine höhere Störstoffkonzentration als die Störstoffkonzentration in dem Halbleitermaterial besitzt.
  5. 5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Weiterleitung des Ladungsbetrages aus dem lichtempfindlichen Element in das benachbarte Gebiet eine Elektrode aufweist, welche auf der Isolation zwischen der ersten Elektrode und dem benachbarten Gebiet angeordnet ist.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung zur Steuerung der Weiterleitung von Ladung ein zweites Gebiet aus Halbleitermaterial aufweist, welches höher dotiert ist als das Halbleitermaterial, jedoch den gleichen Leitfähigkeitstyp hat, und welches zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Ladungssenke ausgebildet ist.
  7. 7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein Gebiet entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, welches sich von der Ladungssenke in
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    ein Channel-Stop-Gebiet in dem an die Isolation angrenzenden Halbleitermaterial erstreckt, wobei das Gebiet entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps einen vergrabenen Kanal aufweist.
  8. 8. Verfahren zur Anwendung eines lichtempfindlichen Elements in einer ladungsgekoppelten Halbleiteranordnung, gekennzeichnet durch
    Freigabe der Weiterleitung in dem lichtempfindlichen Element gespeicherter Ladung zu einem Ladungssenken-Gebiet durch Herabsetzen des Potentials in einem ersten Zwischengebiet in dem Halbleitermaterial zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Ladungssenke,
    Anheben des Potentials in dem ersten Halbleiterzwischengebiet zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Ladungssenke auf eine solche Höhe, daß eine vorgegebene Ladungsmenge in dem lichtempfindlichen Element gespeichert werden und in dem lichtempfindlichen Element erzeugte überschüssige Ladung zu dem Ladungssenkengebiet weitergeleitet werden kann,
    am Ende einer vorgegebenen Zeit Weiterleitung der in dem lichtempfindlichen Element gespeicherten Ladung in ein benachbartes Gebiet aus Halbleitermaterial durch Herabsetzen des Potentials des benachbarten Halbleitergebiets und des Potentials eines zweiten Halbleiter-Zwischengebiets zwischen dem benachbarten Halbleitergebiet und dem lichtempfindlichen Element auf Werte, welche unter dem Potential des lichtempfindlichen Elements liegen, und
    Anheben des Potentials des zweiten Halbleiter-Zwischengebiets auf ein Potential über dem Potential des benachbarten Halbleitergebiets bei Abschluß der Weiterleitung der in dem lichtempfindlichen Element gespeicherten Ladung in das benachbarte Halbleitergebiet.
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  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Verfahrensschritt der Weiterleitung der in dem lichtempfindlichen Element gespeicherten Ladung, die am Ende einer gegebenen Zeit erfolgt, das Potential des lichtempfindlichen
    Elements angehoben und gleichzeitig die Potentiale des benachbarten Halbleitergebiets und eines zväten Zwischen-Halbleitergebiets zwischen dem benachbarten Halbleitergebiet und dem
    lichtempfindlichen Element auf Werte herabgesetzt werden, welche unter dem Potential des lichtempfindlichen Elements liegen.
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    Hf
    Leerseite
DE2421210A 1973-05-21 1974-05-02 Ladungsgekoppelte halbleiteranordnung Withdrawn DE2421210A1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US362131A US3866067A (en) 1973-05-21 1973-05-21 Charge coupled device with exposure and antiblooming control

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2421210A1 true DE2421210A1 (de) 1974-12-12

Family

ID=23424804

Family Applications (1)

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