DE2015537A1

DE2015537A1 - Lichtempfindliche Festkörper-Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE2015537A1
Application number: DE19702015537
Authority: DE
Inventors: Robert Leroy Richardson Tex. Williams (V.St.A.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1969-04-03
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1970-10-15
Also published as: NL7004618A; GB1309123A; JPS4938846B1; FR2042840A5; US3623027A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Häuser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Patentanwälte Telegramme: Labyrinth MOnchen

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

8000 München 60,

Er nsbergerstrasse 19

-1 APR. 1978

Unser Zeichen: T 86l

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED

13500 North Central Expressway Dallas, Texas/V.St„A.

Lichtempfindliche Pestkörper-Speichervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Informationsspeichern rrichtung und insbesondere auf eine Speicherplatte mit einer einzigen pn-übergangszone In einer Informatlonespeieheranlage.

Eine Anzahl von verschiedenen elektronischen Kameras

Bu/ku

ist

ist für das Fernsehen und verwandte Übertragungsanlagen für optische Bilder und andere Daten entwickelt worden. Von diesen Geräten weist die Vidikonröhre die Vorteile hoher Empfindlichkeit, geringer Baugröße und einfachen mechanischen Aufbaus auf. Bei einer Art von Vidikonröhre wird eine Speicherplatte verwendet, welche aus einer Siliciumscheibe besteht, in der eine Matrix von pn-übergangszonendioden ausgebildet ist. VidikonrÖhrei dieser Bauart verwenden die Matrix von diskreten pn-übergangszonen zur Umwandlung eines optischen Bildes in eine gespeicherte Ladungsverteilung, welche periodisch von einem Elektronenbündel abgetastet und gelöscht wird. Das Löschen der Ladungsverteilung durch das Elektronenbündel erzeugt das Videosignal.

Grundsätzlich besteht die Speicherplatte mit einer pn-Ubergangszone aus einem Halbleiterträger, der auf einer Seite von einer thermisch gewachsenen SiUciumdioxydschicht bedeckt ist. Durch Photomasken- und Ätzverfahren wird ein Muster von öffnungen in der Siliciumdioxydschlcht ausgebildet, so daß der Träger freigelegt wird. Die Matrix von pn-übergangszonen wird durch die öffnungen in der Siliciumdioxydschicht durch Niederschlags- und Diffusionsverfahren gebildet.

Einem zu speichernden Bild zugeordnetes Licht fällt auf die Speicherplatte ein und wird absorbiert, wodurch Elektronen-Lochpaaie erzeugt werden. Durch geeignete Wahl der Dicke der Speicherplatte und des Absorptionskoeffizienten des Speicherplattenmaterials werden die meisten Elektronen-Lochpaare nahe der Einfallsfläche erzeugt. Die

Löcher 009842/16 4 5

Löcher diffundieren sodann zum Verarmungsbereich der Dioden in der Matrix, wobei die Dioden um einen zur Lichtintensität proportionalen Betrag entladen werden. Leider diffundieren nicht alle Löcher zum Verarmungsbereich und dadurch wird ein Verlust an Lichtempfindlichkeit und Auflösung infolge von Rekombination und Diffusion hervorgerufen.

Ein anderer Nachteil von in der oben beschriebenen Weise hergestellten Speicherplatten für Vldikonröhren besteht darin, daß die Siliciumdioxydschicht einen hohen spezifischen Widerstand besitzt (10¹^ Ohm je 9,29 m² bzw. 1 square). Diese Schicht mit hohem Widerstand verhindert eine Ableitung der Ladung von der Schicht zu den pn-übergangszonen,· die für den Betrieb dieser Anordnungen wesentlich ist. Infolgedessen behält die Siliciumdioxydschicht einen geladenen Zustand und es werden schlechte Bilder erzeugt.

Um das Problem der Ladungsbeibehaltung in der Siliciumdioxydschicht zu überwinden, wurde eine Schicht aus Antimontrisulfid von einer erhitzten Quelle auf die Siliciumdioxydschicht aufgedampft. Um den richtigen spezifischen Widerstand für die gewünschte Ableitung der Ladung zu erzielen, war eine 1 000 2 dicke Schicht erforderlich. Diese dicke Schicht kann eine unzulässige Verzögerung in der Ladungsableitung hervorrufen und einen schlechten Kontrast ergeben. .

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Speicherplatte in einer Informationsspeicheranlage, bei der eine

gute 009842/1645

gute Ladungstrennung auftritt. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Speicherplatte in einer Informationsspeicheranlage, bei der Einfangwirkungen für die Minoritätsträger möglichst gering sind. Ferner bezweckt die Erfindung eine bessere Auflösung und Empfindlichkeit einer Speichervorrichtung in einer Informationsspeicheranlage. Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Speicherplatte mit einer einzigen pn-übergangszone in einer Informationsspeicheranlage.

Erfindungsgemäß weist eine Speicherplatte zur Informationsspeicherung in Form einer elektronischen Ladungsverteilung, die sich entsprechend der darauf einfallenden Lichtmenge ändert, einen Halbleiterträger mit hohem spezifischem Widerstand auf. Eine einzige pn-übergangszone wird durch Diffusion oder epitaktische Verfahren ausgebildet, welche sich über den aktiven Bereich auf einer Oberfläche des Halbleiterträgers mit hohem spezifischem Widerstand erstreckt. Die auf dem Träger mit hohem Widerstand gebildete pn-übergangszone bildet einen Verarmungsbereich in dieser Übergangszone, welcher durch ein abtastendes Elektronenbündel ausgedehnt werden kann. Um den aktiven Bereich der Speicherplatte zu begrenzen und diesen Bereich zu isolieren, umgibt ein Schutzring den Bereich der aktiven pn-übergangszone. Dieser Schutzring kann gleichzeitig mit der pn-übergangszone ausgebildet werden.

Anhand der Efeuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

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Figur 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektronischen Kamera gemäß einer Anwendungsform der Erfindung,

Figur 2 einen Schnitt durch eine Speicherplatte mit einem Verarmungsbereich in Form einer dicken Schicht und

Figur 3 einen Schnitt durch eine Speicherplatte mit einem Verarmungsbereich in Form einer dünnen Schicht.

Die Erfindung wird zwar in bezug auf die Speicherplatte einer Vidikonröhre beschrieben. Es ist jedoch zu bemerken, daß Speicherplatten mit einer einzigen pn-übergangszone auch bei Bildspeicheröhren, Bildwandlerröhren oder dergleichen angewendet werden können»

In Figur 1 ist eine Fernsehkamera in stark vereinfachter Form allgemein mit 10 bezeichnet. Die Fernsehkamera ist von bekannter Bauweise mit Ausnahme der optischen Bildspeichervorrichtung 12, die gewöhnlich als Speicherplatte bezeichnet wird. Die Speicherplatte 12 ist in einer evakuierten Röhre Ik angeordnet. Ein optisches Bild kann auf die Speicherplatte 12 durch ein Fenster 16 mittels eines Linsensystems 18 fokussiert werden. Ein Elektronenbündel 20 mit geringer Energie tritt von einer Kathode 22 durch eine mit einer öffnung versehene Anode 24 und tastet aufgrund einer bekannten Ablenkeinrichtung 26 die Fläche der Speicherplatte 12 ab. Elektronen von der Kathode 22 werden durch das positive Potential der mit einem Gitter 25 verbundenen Spannungsquelle 28 auf die erforderliche Energie beschleunigt. Es wird ein durch

einen 0098A2/1645

einen Belastungswiderstand 30 fließender Strom erzeugt, wenn das Elektronenbündel auf die Speicherplatte trifft, wodurch ein Videoausgangssignal am Kondensator 32 erzeugt wird, wie weiter unten ausführlicher erläutert. Die Speicherplatte 12 ist durch eine Spannungsquelle 31 auf eine positive Spannung vorgespannt.

Die Speicherplatte 12 ist aus einer monolithischen Scheibe eines Halbleitermaterialbereichs 3¹I hergestellt, wie in Figur 2 gezeigt. Normalerweise kann das Halbleitermaterial 34 p-Silicium mit einem hohen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1 000 0hm · cm oder darüber sein. Eine pn-übergangszone ist im Material 3*1 durch Oberflächendiffusion einer n-Verunreinigung 36 gebildet. Die pn-übergangszone kann auch durch andere bekannte Verfahren, wie epitaktisches Aufwachsen eines Kristalls auf das Material J>k, gebildet sein. Durch Photomasken- und Ätzverfahren wird ein Schutzring 38 aus η-Material um den n-Verunreinigungsbereich gebildet und kann sich tiefer in den p-Bereich 34 erstrecken als der Bereich 36· Der Ohmsche Kontakt zur Speicherplatte 12 wird durch bekannte Mittel 40 hergestellt. Um zu gewährleisten, daß unerwünschte Stromquellen auf der Seite des Elektronenstrahls im Bereich 34 nicht auftreten, ist eine Schicht^mit hohem spezifischen Widerstand auf demselben ausgebildet.

Bei Betrieb wirkt die Speicherplatte 12 als optische Bildspeichervorrichtung während Jeder Abtaetperiode des Elektronenbündels 20, welche normalerweise die gleiche 1st, wie sie beim kommerziellen Fernsehen verwendet wird. Wenn das Elektronenbündel die Speicherplatte 12 abtastet, wächst die

Verarmungsschicht 009842/ 1 6A5

Verarmungsschicht 35. zwischen den Bereichen J>k und 36 von der pn-übergangszone in den p-Bereich 3¹*· Wenn die Spannungsquelle 28 eine ausreichend hohe Vorspannung erzeugt, dehnt das Elektronenbündel 20 den Verarmungsbereich 35 bis zur Elektronenstrahlseite der Speicherplatte 12 aus. Die dadurch erhaltene Verarmungsschicht wirkt als Dielektrikum in einem Kondensator, wobei die Elektronenstrahlseite des Halbleitermaterial 3^ als eine Platte und die pn-übergangszone als andere Platte wirkt. Die Kapazität der pn-übergangszone wird durch das abtastende Elektronenbündel 20 geladen und sucht diese Ladung während der Abtastperiode auf einem hohen Wert zu halten, obwohl die Ladung um einen Betrag vermindert * wird, der von der Sperrleitfähigkeit und Sperrkapazität oder der RU-Zeitkonstante der Sperrschicht abhängt.

Das auf die Speicherplatte 12 durch das Abbildungssystem 18 fokussierte einfallende Licht erzeugt Elektronen-Lochpaare im n-Bereich 36 proportional zu der auf die Speicherplatte einfallenden Lichtmenge. Eine Ladungstrennung erfolgt an der pn-übergangszone\ wobei die Elektronen im n-Bereich 36 zurückbleiben. Die Löcher wandern jedoch auf die p-Selte der Übergangszone und vermindern die gespeicherte Ladung um einen proportionalen Betrag. Wenn das Elektronenbündel 20 während der nächsten Abtastperiode abermals vorbeistreicht, wird der der Elektronen-' beschleßung unterworfene örtliche Bereich wieder auf einen Betrag geladen, welcher von der Spannungsquelle 28 und dem Belastungswiderstand 30 bestimmt wird. Dadurch wird ein Strom im Belastungswiderstand 30 proportional zur Lichtmenge hevorgerufen, wodurch eine Videoausgangsspannung am Kondensator 32 erzeugt wird.

Von QQ9842/1645

Von besonderer Bedeutung ist, daß infolge des Anwachsens des ganzen p-Bereichs 34 zu einer Verarmungsschicht und infolge des Stattfindens einer Ladungstrennung an der pn-übergangszone kein Einfangen der Träger stattfindet und die Ladungsabführung infolge von absorbierten Photonen genauer zu der auf die Speicherplatte einfallenden Lichtmenge proportional ist. Da kein Einfangen der Träger stattfindet, kann eine Speicherplatte mit einer einzigen Übergangszone auch eine sehr hohe Auflösung infolge einer minimalen Ladungsausbreitung durch seitliche Diffusion besitzen, während die Ladungen sich durch die Verarmungsschicht bewegen.

Der Schutzring 38 dient zum Isolieren der Randableitung und zur Begrenzung des aktiven Mittelteils der Speicherplatte 12. Der Schutzring 38 kann durch eine geeignete, mit der Leitung 39 verbundene Einrichtung geerdet oder vorgespannt werden. Eine Leitung 37 stellt ein übliches Mittel zum Anschließen der Speicherplatte an den Videokreis, wie den Widerstand 30 und den Kondensator 32, dar.

Die In Figur 2 dargestellte Speicherplatte kann als Speicherplatte mit dicker Verarmungsschicht bezeichnet werden. Das bedeutet, daß der Bereich 34 dicker ist als der Bereich 36. In Figur 3 ist eine Speicherplatte mit einem dünnen Verarmungsbereich 42 dargestellt. Zur Herstellung der in Figur 3 dargestellten Speicherplatte läßt man ein p-Material mit hohem spezifischen Widerstand epitaktisch auf das n-Halbleitermaterial 44 aufwachsen, so daß der Bereich 42 gebildet wird. Ein Schutzring 46 kann sodann in der Speicherplatte so ausgebildet werden, daß er sich

durch QQ9842/1645

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durch die pn-übergangszone erstreckt und den aktiven Bereich begrenzt und isoliert* Wiederum wird die Oberfläche der Speicherplatte, welche der Eierktronens-ferahlbeschie^ung ausgesetzt ist,, so> behandelt-,, daß eine Schicht 4? mit hohem spezifischem Widerstand gebildet wird, um ein mögliches, Entstehen von unerwünschten Stromq-uellen möglichst zu vermeiden..

Wenn das Elektronenbündel ZQ die Oberfläche des p-Berelches abtastet * wächst die Verarmungsachicht der* pn-übergjängszone hauptsächlich in dem Bereich 42, wie oben bei der in Figur 2 dargestellten Speicherplatte erläutert. Nahe der Oberfläche des: Bereichs; 4.4; absorbierte Photonen erzeuge*¹ Elektron-Lochpaare, welche in die pn-übergangszone diffundieren, wo sich die Elektron-Lochpaare trennen. Sie Löcher wandern weiter dur/ch die Verarmungsschicht in den Bereich 4;2 zu. der mit Elektronen geladenen Oberfläche 48. Die vom Licht, erzeugten Löcher im Bereich 44 bewirken, daß die tibtergangszone zum Potential der Spannungsquelle 31 zurückkehrt.- Das abtastende Elektronenbündel 20 muß sodann wieder Elektronen an der Übergangsζone ablagern, um dieselbe auf ein Ladungspotential zurückzubringen. Diese abermalige Ablagerung von Elektronen erzeugt, wie oben erläutert, einen Strom im Belastungswiderstand 30» welcher proportional zu der auf die Speicherplatte 12 einfallenden Lichtmenge ist, wodurch eine Videoausgangsspannung am Kondensator 32 erzeugt wird.

Das Halbleitermaterial von Speicherplatten mit dicker oder mit dünner Verarmungsschicht wird normalerweise so gewählt, daß es am wirksamsten auf den Jeweils interessi-

renden 009 842/1645

- ίο -

renden Teil des Lichtenergiespektrums anspricht. Silicium, Germanium und Galliumarsenid sind von besonderer Bedeutung. Die Verunreinigungskonzentration des Halbleitermaterials sollte für die meisten Anwendungen so gewählt werden, daß die längstmögliche Speicherzeit, d. h. ein minimaler Dunkelstrom erzielt wird: Bei einer Ausführungsform einer Speicherplatte mit dicker Verarmungsschicht wurde p-Galliumarsenid mit hohem spezifischen Widerstand, dotiert mit Chrom, als Halbleitermaterial gewählt.

Man ließ einen n-Berelch epitaktisch auf das Galliumarsenid aufwachsen, um eine einzige pn-Übergangszone zu erzeugen, welche sich über die gesamte Oberfläche der Speicherplatte erstreckt. Die epitaktisch aufgewachsene n-Schicht bildet einen Bereich mit niedrigem spezifischen Widerstand zur Erzielung eines guten elektrischen Kontakts zur Speicherplatte 12.

Bei einer vorbestimmten Anwendung wird durch die gewünschte Empfindlichkeit der Speicherplatte festgelegt, ob eine Speicherplatte mit dicker Verarmungsschicht oder eine Speicherplatte mit dünner Verarmungsschicht zu verwenden ist. Eine dicke Verarmungsschicht hat eine niedrige Kapazität und eine hohe Empfindlichkeit für geringe einfallende Lichtmengen. Anderersei te erzeugt eine dünne Verarmungsschicht eine hohe Kapazität und eine geringe Empfindlichkeit für große einfallende Lichtmengen. Je dicker die Verarmungsschicht 1st, ein desto höheres Kathodenpotential muß verwendet werden, um die Verarmungsschtht bis zu der dem Elektronenbündel 20 ausgesetzten Oberfläche wachsen

zu 009842/16 4 5

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zu lassen. Eine Speicherplatte, die einen Verarmungsbereich mit.einem spezifischen Widerstand von IO 000 Ohm · cm aufweist und 0,076 mm (3 mils) dick ist, arbeitet bei einem Kathodenpotential von etwa 3 V. Mit dem gleichen spezifischen Widerstand erfordert eine 0,25^ mm (10 mils) dicke Speicherplatte etwa 30 V Vorspannung an der Spannungsquelle 31.

Die Erfindung ist zwar anhand einer Elektronenbündel-Abtastanlage beschrieben worden, es ist jedoch festzustellen, daß die beschriebenen Speicherplatten auch in anderen Speicherplatten-Abtastanlagen verwendet werden können.

Fat ent angprüche 098A2/16A5

Claims

Patentansprüche

Speichervorrichtung in einer Informationsanlage, in der Daten in Form einer elektrischen Ladungsverteilung gespeichert werden, die sich entsprechend der auf die Speichervorrichtung einfallenden Lichtmenge ändert, gekennzeichnet durch einen Halbleiterträger mit hohem spezifischen Widerstand und eine einzige pn-übergangszone, welche sich über den aktiven Bereich einer Oberfläche des Trägers erstreckt und mit diesem einen Verarmungsbereich erzeugt, welcher durch ein abtastendes Elektronenbündel anwächst.
2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzring die einzige pn-übergangszone umgibt, so daß der aktive Bereich der Speichervorrichtung isoliert ist.
3. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterträger mit hohem spezifischen Widerstand aus p-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1 000 Ohm · cm ist.
4. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-übergangszone durch Diffundieren einer n-Verunreinigung in einen p-Träger gebildet ist.
5. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich

net

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net» daß der Träger mit hohem spezifischen Widerstand aus mit Chrom dotiertem Galliumarsenid besteht..

6* Speichervorrichtung nach Anspruch, 1,, dadlurch gekennzeichnet, daß die pnHßbergarig&zöne durch epltakt !seiles? Aufwachse«; eines Kristalls gefcild^et ist un^l sich iifceir eißer ü&b ealliuraörsenidferägews

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