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DE2527657A1 - Optoelektronischer sensor - Google Patents

Optoelektronischer sensor

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DE2527657A1
DE2527657A1 DE19752527657 DE2527657A DE2527657A1 DE 2527657 A1 DE2527657 A1 DE 2527657A1 DE 19752527657 DE19752527657 DE 19752527657 DE 2527657 A DE2527657 A DE 2527657A DE 2527657 A1 DE2527657 A1 DE 2527657A1
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light
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Siemens Corp
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, bei dem auf einer Oberfläche einer dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial mit wenigstens einem Anschlußkontakt wenigstens eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die entsprechend einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung wenigstens eine Reihe von durch Spalte voneinander getrennte Elektroden trägt.
Ein Sensor der eingangs genannten Art wird so betrieben, daß seine Oberfläche belichtet wird und daß unter bestimmten Elektroden Potentialmulden für die vom Licht erzeugten Ladungsträger durch Anlegen entsprechender Spannungen an diese Elektroden erzeugt werden. Die vom Licht erzeugten Ladungsträger sammeln sich in diesen Potentialraulden. Die gesammelten Ladüngen werden dann wie bei einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung (siehe'Oharge-Coupled Digital Circuits" von W. F. Kosonocki und J.E. Carnes in IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.SC.6 Nr. 5, Oct. 1971) durch Anlegen von Taktspannungen an die Elektroden der Reihe ausgelesen. In einem solchen Sensor sind verschiedene Signalverfälschungen möglich:
a) Wenn bei der Bildaufnahme das Licht tief im Substrat Ladungsträger freisetzt, dann besteht die Gefahr, daß diese Ladungsträger zu entfernten Potentialmulden diffundieren und dadurch die Bildinformation verfälscht wird.
b) Eine weitere Signalverfälschung ist das Verschmieren (smearing), wenn während des Auslesens weiterhin Licht in den Bereich unter der Elektrodenreihe fällt. Dabei erhalten z.B. alle Ladungen, die unter einem hell beleuchteten Punkt durchgeschoben wurden, eine kleine zusätzliche Ladungsmenge.
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c) Eine andere Signalverfälschung ist das Überstrahlen (blooming). Oberstrahlen tritt auf, wenn vom Licht mehr Ladungsträger erzeugt werden, als in einer Potentialmulde gehalten werden können. Die zuviel erzeugten Ladungsträger fließen dann aus der Potentialmulde heraus in benachbarte Potentialmulden bzw. in Potentialmulden von benachbarten Elektrodenreihen.
Die unter a) beschriebene Fehlerursache wird in einem optischen Sensor der eingangs genannten Art, der entsprechend einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung ausgelesen wird, dadurch vermieden, daß man die Schichtdicke der Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial kleiner als 10/um wählt. Ein solcher optischer Sensor wird in der Veröffentlichung "Carrier Diffusion Degradation of Modulation Transfer Function in Charge-Coupled Images" von D.H. Seib in IEEE Vol.ED-21, Nr. 3, 1974, S. 210-217, beschrieben.
Das Verschmieren kann dadurch vermieden werden, daß man den optischen Sensor nicht entsprechend einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung ausliest, sondern daß die im Sensor gespeicherten Informationsladungsträger parallel in eine dem Licht nicht zugängliche ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtung eingelesen und von dort seriell entnommen werden. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in der Veröffentlichung "Charge-Coupled Device Scanner Having Simultaneaus Readout, Optical Scan an Data Rate Enhancement" von W.E.Bankowski und J.D.Tartamella in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol.16,· Fr. 1, Juni 1973, S. 173-174, beschrieben.
Überstrahlen kann dadurch vermieden werden, daß neben den Elektrodenreihen Überlaufkanäle im Substrat angebracht werden, in die die zuviel erzeugten Ladungsträger einfließen und aus ihnen abgeführt werden. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Veröffentlichung "Blooming Suppression in Charge-Coupled Area Imaging Devices" von CH. Sequin in BSTJ, Oct. 1972, S. 1923-1926 beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die unter a), b) und c) genannten Signalverfälschungen ohne den großen herkömmlichen Zusatzaufwand vermieden werden können.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf der Rückseite der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial ganzflächig wenigstens eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die ganzflächig eine Rückseitenelektrode aus lichtdurchlässigen!, elektrisch leitendem Material trägt.
Es ist dabei zweckmäßig und vorteilhaft, wenn die dünne Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial über eine Diode, die bei ndotierter dünner Schicht einem np-Übergang und bei p-dotierter dünner Schicht einem pn-übergang entspricht, mit der Rückseitenelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Vorzugsweise ist dabei die Diode und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dünner Schicht und Rückseitenelektrode dadurch gebildet, daß unter der Rückseite der dünnen Schicht wenigstens ein begrenzter, entgegengesetzt zur dünnen Schicht dotierter Bereich vorhanden ist, der über einen Ohmschen Kontakt durch ein Kontaktloch in der elektrisch isolierenden Schicht mit der Rückseitenelektrode elektrisch leitend verbunden ist.
Vorzugsweise wird die Schichtdicke der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial kleiner als 10 /Um gewählt.
Um die bei der Bildaufnahme unter a) auftretende Signalverfälschung, die durch Diffusion verursacht wird, zu vermeiden, wird der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor so betrieben, daß 'zwischen dem Anschlußkontakt der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial und der Rüokseitenelektrode eine solche Spannung angelegt ward, daß von der Rückseite her eine Majoritätsträger-Verarmungsrandschicht entsteht. Der Sensor kann dabei von der Elektrodenreihe her oder von der Rückseite her belichtet werden. Es kann dabei die spektrale
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Empfindliehkeit des Sensors variiert werden. Es ist "bekannt, daß langwelliges Licht tiefer in das Substrat eindringt als kurzwelliges Licht. Also werden bei einer entsprechenden Verarmungsrandschicht von der Rückseite her "bei Belichtung von der Elektrodenreihe her, vorwiegend die vom kurzwelligen Licht erzeugten Ladungsträger und bei Belichtung von der Rückseite her, die vom langwelligen Licht erzeugten Ladungsträger gesammelt. Beim Auslesen werden dann im ersten Pail die vom kurzwelligen Licht erzeugten Ladungsträger und im zweiten Fall die vom langwelligen Licht erzeugten Ladungsträger ausgelesen.
Verschmieren während der Übertragung kann beim erfindungsgemäßen Sensor vorteilhaft vermieden v/erden, wenn man ihn so betreibt, daß von der Rückseite her belichtet wird und daß während des Auslesens zwischen den Anschlußkontakt der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial und der Rückseitenelektrodeveine solche Spannung angelegt wird, daß von der Rückseite her eine Verarmungsrandschicht in der dünnen Schicht erzeugt wird, wobei der Spannungsbetrag dadurch begrenzt ist, daß diese Yerarmungsrandschicht nicht bis zu den von den Taktimpulsen an der Elektrodenreihe erzeugten Potentialmulden hindurchgreifen darf.
Überstrahlen wird bei einem erfindungsgemäßen Sensor vorteilhaft vermieden, wenn man ihn so betreibt, daß zwischen dem Anschlußkontakt der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial und der Rückseitenelektrode eine solche Spannung angelegt wird, daß von der Rückseite her eine Verarmungsrandschicht erzeugt wird, die bis an die Oberfläche der dünnen Schicht unter der Elektrodenreihe durchgreift und daß während der Bildaufnahme und während der Übertragung zwischen dem Anschlußkontakt der dünnen, Schicht und den Elektroden der Elektrodenreihe eine Spannung gleicher Polarität angelegt wird.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß ohne großen Schaltungsaufwand lediglich durch einfache Betriebsmaßnahmen
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sämtliche Möglichkeiten der Signalverfälschung vermieden werden können. Weiter kann die spektrale Empfindlichkeit des Sensors variiert werden.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt im Querschnitt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors.
Figur 2 zeigt im Querschnitt einen Teilausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Sensor mit dem örtlichen Verlauf von Begrenzungslinien der Verarmungsrandschichten beim Betrieb zur Vermeidung von .Diffusionen«
Figur 3 zeigt ira Querschnitt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Sensor mit Begrenzungslinien für Verarmuiigsrandschichten während der Bildaufnahme und während des Auslesens beim Betrieb zur Vermeidung des Verschmierens.
Figur 4 zeigt in einem Diagramm den örtlichen Verlauf des Potentials fi zwischen der Rückseitenelektrode und den Elektroden der Reihe senkrecht zur dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial.
In der Figur 1 ist auf der dünnen Schicht 1 aus dotiertem Halbleitermaterial, die vorzugsweise eine Schichtdicke von weniger als 10/Utn aufweist, eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht 2 aufgebracht. Auf dieser Schicht 2 ist eine Reihe von durch Spalte voneinander getrenntetvElektroden 21 bis 25 aufgebracht. Auf der Rückseite der dünnen. Schicht 1 ist ebenfalls eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht 3 ganzflächig aufgebracht. Diese Schicht 3 trägt ganzflächig eine lichtdurchlässige Elektrode aus elektrisch leitendem Material. Die dünne Schicht 1 weist zusätzlich wenigstens einen Anschlußkontakt 11 auf. Beim Betrieb wird von der Rückseitenelektrode 4 aus, wie nachstehend angeführt, stets eine Verarroungsrandschicht in der dünnen Schicht 1 erzeugt. Von dieser Verarmungsrandschicht sollen störende ladungsträger abgesaugt werden. Diese Ladungsträger müssen jedoch abgesaugt werden, da sie sich sonst an der Rückseite VPA 9/710/5048 609852/0577
der dünnen Schicht ansammeln und diese Verarmungsrandschicht abhauen. Dies geschieht am besten über eine geeignet vorgespannte Diode. In der Figur 1 ist diese Diode sehr einfach dadurch realisiert, daß unter der Rückseite ein begrenztes entgegengesetzt zum Substrat dotiertes Gebiet 5 vorbanden ist, welches durch ein Kontaktloch über einen ohmschen Kontakt 41 mit der Rüokseitenelektrode verbunden ist.
Um während der Bildaufnahme die Signalverfälschungen durch Diffusion zu vermeiden, wird zwischen der Rückseitenelektrode 4 und der dünnen Schicht 1 aus dotiertem Halbleitermaterial eine solche Spannung angelegt, daß von der Rückseitenelektrode her eine Yerarraungsrandschicht in der dünnen Schicht 1 vorhanden ist. In der Figur 2 ist dazu im Querschnitt ein Ausschnitt aus dem in Figur 1 dargestellten Sensor nochmals gezeichnet. Beispielsweise unter der Elektrode 23 wird durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen ihr und der dünnen Schicht eine Potentialmulde für die vom licht erzeugten Minoritätsträger erzeugt. Unter dieser Elektrode 23 ist dann eine Verarmungsschicht, die durch die gestrichelte Linie 202 begrenzt ist, vorhanden. Von der Rückseitenelektrode 4 her wird ebenfalls eine Verarmungsrandschicht erzeugt, die "sich über die gesamte Sensorfläche erstreckt und die durch die gestrichelte Linie 201 begrenzt ist. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die von der Rückseitenelektrode her aufgebaute Verarmungsrandschicht nicht in die unter der Elektrode 23 durchgreift. Die vom Licht innerhalb der von der Rückseitenelektrode her aufgebauten Verarmungsrandschicht freigesetzten Ladungsträger werden nun über die Diode abgesaugt und wandern nicht in die Verarmungsrandschicht unter der Elektrode 23. Dadurch kann die Signalverfälschung durch Diffusion der Ladung zu entfernten Senken weitgehend vermieden werden. Dabei ist es gleichgültig, ob der Sensor von der Elektrodenreihe oder von der Rückseitenelektrode her beleuchtet wird. Allerdings ist ein Unterschied in der spektralen Empfindlichkeit zwischen der Belichtung von der Elektrodenreihe her und von der Rückseitenelektrode her vorhanden. Es ist bekannt, daß langwelligeres
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Licht tiefer in äas Halbleitermaterial eindringt als kurzwelligeres Licht. Wird von der Elektrodenreihe her belichtet, so werden unter der Oberfläche mehr Ladungsträger durch kurzwelliges Licht erzeugt als durch langwelliges Licht. In der von der Rückseitenelektrode erzeugten Verarmungsrandschicht dringt mehr langwelligeres Licht ein, so daß dort mehr Ladungsträger durch langwelligeres Licht erzeugt werden als durch kurzwelliges Licht. Da die erzeugten Ladungsträger in der von der Rückseitenelektroäe erzeugten Verarmungsrandschicht abgesaugt werden, sammeln sich in der Verarroungsrandschicht unter der Elektrode 23 überwiegend Ladungen, die durch kurzwelliges Licht erzeugt worden sind. Beim Auslesen erhält njan daher dann vorwiegend von kurzwelligem Licht erzeugte Ladungsträger. Genau umgekehrt sind die Verhältnisse bei der Belichtung von der Rückseitenelektrode her. Die strichpunktierte Linie 203 in der Figur 2 gibt lediglich eine weitere Möglichkeit, die von den Elektroden her aufgebaute Verarraungszone einzustellen, an.
Verschmieren kann während des Auslesens bei der Belichtung von der Rückseitenelektrode her verringert werden. In der Figur 3 ist dazu nochmal im Querschnitt der in Figur 1 dargestellte Sensor gezeichnet. Während der Bildaufnahme wird beispielsweise unter den Elektroden 22 und 25 jeweils eine verhältnismäßig tiefe Verarmungsrandschicht erzeugt. Biese beiden Verarmungsrandschichten sind durch die gestrichelten Linien 301 und 302 begrenzt. Von der Rückseitenelektrode 4 her wird eine verhältnismäßig schmale Verarmungsrandschicht, die sich über die gesamte Sensorfläche erstreckt, erzeugt. Sie ist durch die gestrichelte Linie 303 begrenzt. Diese Verarmungsrandschicht soll'dabei vorteilhafterweise nicht bis zu den Verarmungsrand-schichten unter den Elektroden 22 und 25 durchgreifen. Die Ladungsträger, die vom Licht in der dünnen Schicht zwischen den Verarmungssohiehten erzeugt werden, können zu den Verarmungsschiohten unter den Elektroden 22 und 25 diffundieren. Beim Auslesen werden nun an die Elektroden 21 bis 26 entspre-
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chend dem Betrieb einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung (siehe vorstehend genannte Veröffentlichung) Taktimpulse angelegt, die unter den Elektroden Verarmungsschichten erzeugen, die weniger tief unter die dünne Schicht 1 reichen. Dagegen wird von der Rückseitenelektrode her eine Verarmungsrandschicht erzeugt, die tief in die dünne Schicht 1 hineinreicht. Dabei ist wieder ein Durchgreifen dieser Verarmungsrandschicht bis zu den Verarmungsschichten unter den Elektroden zu vermeiden. Alle in der Verarmungsrandschicht erzeugten Ladungsträger werden abgesaugt und beeinflussen daher die Ladungsträger in den Verarmungsschichten unter den Elektroden nicht. Die Grenze der Verarmungsrandschicht beim Auslesen wird von der strichpunktierten Linie 304 angegeben. Die strichpunktierten Linien 305 und 306 geben die Grenzen der Verarmungsschichten unter den Elektroden, die durch die !Paktimpulse erzeugt werden, an. Es ist dabei Drei-Phasen-Betrieb angenommen (ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtungen können beispielsweise in Zwei-, Drei- und Vier-Phasen-Betrieb betrieben werden. Übertragungsvorrichtungen für Zwei-Phasen-Betrieb sind im allgemeinen so aufgebaut, daß die Elektroden der Reihe in Reihenlängsrichtung abwechselnd auf dünnerer und dickerer elektrisch isolierender Schicht liegen. "Für den Sensor is-6 Jede Übertragungsvorrichtung und jede Betriebsweise geeignet, wenn dafür gesorgt ist, daß lichtdurchlässige Stellen vorhanden sind, durch die Licht in die Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial eindringen kann.).
Um Überstrahlen zu vermeiden, wird an die Rückseitenelektrode ein so großes Potential gelegt, daß die von dieser Elektrode her entstehende Verarmungsrandschicht bis an die Oberfläche der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial unter der Elektrodenreihe durchgreift. Die zum Sammeln der Ladungsträger notwendigen Verarmungsschichten unter den Elektroden der Elektrodenreihe werden dadurch erzeugt, daß an diese Elektroden eine Spannung mit gleicher Polarität angelegt wird. In der Figur 4 ist dazu in einem Diagramm der örtliche Verlauf
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des Potentials φ zwischen der Rückseitenelektrode und den Elektroden der Reihe in der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial, senkrecht zu dieser Schicht dargestellt. Die Kurve 40 gibt den örtlichen Potentialverlauf für den Pail an, daß die darüber befindliche Elektrode der Elektrodenreihe auf dem Potential der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial liegt. Die Kurve 50 gibt den Örtlichen Verlauf für den Fall an, daß die darüber befindliche Elektrode auf einer Spannung gleicher Polarität liegt. Die Verarmungsscbichten unter den Elektroden sind dabei nicht durch eine neutrale Zone, durch die die Ladungsträger diffundieren können, sondern durch eine Yerarmungsrandschicht rait nach unten gerichtetem Feld getrennt. Zuviel erzeugte ladungsträger werden zur Rückseite abgeführt. Das Überstrahlen sowie das Verschmieren können daher vermieden werden, in dem bei der Bildaufnahme unter den Elektroden, unter denen die Ladung gesammelt wird, große Verarmungsscbichten geschaffen werden, an den übrigen Elektroden hingegen die von der Rückseitenelektrode her erzeugte Verarmungsrandschicht an die Oberfläche der dünnen Schicht unter diesen Elektroden durchgreift. Beim Auslesen wird die Tiefe dor Verarmungsschichten verringert, so daß der Verschmierungseffokt ebenso wie im Fall der Figur 3 beschrieben, nahezu unterdrückt wird.
4 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (4)

Patenta n Sprüche
1.)Optoelektronischer Sensor, bei dem auf einer Oberfläche einer dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial mit wenigstens einem Anschlußkontakt eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die entsprechend einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung wenigstens eine Reihe von, durch Spalte voneinander getrennte Elektroden trägt, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Rückseite der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial ganzflächig wenigstens eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht (3) aufgebracht ist, die ganzflächig eine Rückseitenelektrode (4) aus lichtdurchlässigem, elektrisch leitendem Material trägt.
2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dünne Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial über eine Diode, die bei n-dotierter dünner Schicht einem np-Übergang und bei p-dotierter dünner Schicht einem pn-übergang entspricht, mit der Rückseitenelektrode elektrisch leitend verbunden ist.
3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Diode und die elektrisch leitende Verbindung zwischen dünner Schicht und Rückseitenelektrode dadurch gebildet ist, daß unter der Rückseite der dünnen Schicht wenigstens ein begrenzter, entgegengesetzt zur dünnen Schicht dotierter Bereich vorhanden ist, der über einen ohmschen Kontakt durch ein Kontaktloch in der elektrisch isolierenden Schicht mit der Rückseitenelektrode elektrisch leitend verbunden ist.
4. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichtdicke der dünnen Schicht aus dotiertem Halbleitermaterial kleiner als 10/Um ist.
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