DE2439799A1 - Ladungsgekoppelte anordnung - Google Patents

Description

GÜNTHER M. DAVID

Va/EVH, 25.6.1974,

Anmelder: ,\^!.V. ^H .!.^Ί3' GLOcILAfVlPENFABRlEKEH ■ 2439799

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^Anmeldun9

Ladungsgekoppelte Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine ladungsgekoppelte Anordnung, insbesondere einen Bildsensor zur Umwandlung eines elektromagnetischen Signals in ein elektrisches Signal, mit einem Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei Mittel zur elektrischen Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung vorgesehen sind und diese Schicht eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes, unter Vermeidung eines Durchschlags, über die ganze Dicke der Halbleiterschicht eine Erschöpfungszone, erhalten werden kann, wobei auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers ein. Elektrodensystem zvtr kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht

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vorhanden ist, wodurch örtlich in der Halbleiterschicht durch eine Potentialsperre voneinander getrennte Potentialmulden gebildet werden, in denen Information in Form elektrischer Ladung gespeichert werden kann, die aus Majorität sladungsträgern besteht, die in dem Halbleiterkörper . unter der Einwirkung von Strahlung erzeugt werden können, wobei mittels des Elektrodensystems weitere elektrische Felder zum Transportieren der Ladung durch die Halbleiterschicht in einer zu der Schicht parallelen Richtung zu Mitteln zum Auslesen der Ladung erzeugt werden können.

Dabei erfolgt der Ladungstransport wenigstens xier letzte: Bruchteile der zu übertragenden Ladungsmengen im Inneren der Halbleiterschicht. Die Transportausbeute und die Transportgeschwindigkeit können dadurch im Vergleich zu der Transportausbeute bzw. der Transportgeschwindigkeit in ladungsgelcoppelten Anordnungen, in denen der Ladungstransport völlig an der Oberfläche des Haibleiterkörpers stattfindet, verhältnismässig hoch sein.

Es sei bemerkt, dass unter "Majoritätsladungsträgern" nachstehend derjenige Typ Ladungsträger zu verstehen ist, deren-Konzentration beim Fehlen elektrischer Felder in der Halbleiterschicht grosser, z.B. zehnmal oder vorzugsweise eogar mindestens hundertmal grosser als die Konzentration von Ladungsträgern vom anderen Typ, den sogenannten Minoritätsladungsträgern, ist.

Eine ladung-3gekoppelte Anordnung der eingangs erwähnten

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• · PHN. 7048.

Art ist u.a. in der deutschen Patentanmeldung P 22 52 148.8 und in der deutschen Patentanmeldung P 24 .12 699*6 beschrieben«

Das Elektrodensystem wird, wie in den vorgenannten Patentanmeldungen bereits beschrieben ist, in den meisten Fällen durch eine Anzahl hintereinander liegender Elektroden gebildet, die aus einem geeigneten leitenden Material bestehen, das von dem Halbleiterkörper durch eine zwischenliegende Sperrschicht aus Isoliermaterial getrennt ist.

Der Halbleiterkörper kann eine epitaktische Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp enthalten, die auf einem Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp angebracht ist, wobei die Halbleiterschicht durch einen inseiförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet wird. Die die Halbleiter schicht isolierenden Mittel können eine Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthalten, die, auf die Oberfläche gesehen, die Halbleiterschicht praktisch völlig umgibt. In der epitaktischen Schicht können eine Anzahl derartiger Halbleiterschichten gebildet werden, die zueinander praktisch parallel sind und voneinander durch die genannten Isolierzonen getrennt sind, wobei sich die Elektroden in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung über alle Halbleiterschichten erstrecken und jeweils mit der unterliegenden Halbleiterschicht eine ladungsgekoppelte Anordming bilden können. Eine"derartige Struktur kann z.B. als zweidimensionals Aufnähmeelement in Kameraröhren verwendet werden, wobei ein «weidimensionales Strahlungsmuster,

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das auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers projiziert wird, in ein zweidimensionales Muster von Ladungspaketen umgewandelt wird, die in den Potentialmulden gebildet bzw. gespeichert werden.können.

Dabei sei bemerkt, dass unter den Ausdrücken "Potentialmulde" und ifPotentialsperre¹¹ zu verstehen ist, dass ein an der betreffenden Stelle vorhandener Majoritätsladungsträger ein Minimum bzw, ein Maximum an potentieller Energie aufweist.

Es ist einleuchtend, dass die. maximale Grosse der Ladungspakete ausser durch die lateralen Abmessungen der Halbleiterschicht und die Breite der Elektroden u.a. auch durch die Tiefe der Potentialmulden und/oder die Höhe der Potentialsperre bestimmt wird. Im allgemeinen ist die maximale Ladungsmenge durch die für das Ausfüllen der Potentialmulde benötigte Ladungsmenge gegeben. In dem Falle, in dem die Anzahl verfügbarer Majoritätsladungsträger infolge örtlicher. Ueberbelichtung grosser als die maximale Menge ist, können die Ueberschussladungsträger nicht mehr an den betreffenden Stellen gespeichert werden» aber sie werden als Ueberschussladungsträger durch die Haibleitorschicht zu einer folgenden nicht ganz ausgefüllten Potentialmulde fliessen und dort gespeichert werden. Bei sehr starker Ueberbelichtung kann sich sogar die ganze Halbleiterechicht füllen.

, Daher hat eine derartige nur sehr örtliche Ueberbelichtung bei. z.B. Fernsehanwendüngen gegebenenfalls zur /, /

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s.f Folge, dass auf dem Schirm ein verhältnismässig grosser ¹^ >i

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weisser Strich oder eine weisse Fläche gebildet wird. Dieser Effekt, der auch als "blooming" (Ueberstrahlen)bezeichnet wird, beeinträchtigt, wie sich herausgestellt hat, in der Praxis dip Wirkung der Anordnung oft in erheblichem Masse.

Auch bei anderen Anwendungen, z.B. digitalen Anwendungen, kann eine solche Verwaschung von Ladungsträgern infolge örtlicher Ueberbelichtung die ¥irkung der Anordnung beeinträchtigen.

" Die vorliegende Erfindung hat daher u.a. den Zweck, eine ladungsgekoppelte Anordnung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in der die Verwaschung von Ueberschussladungsträgern durch die Halbleiterschicht infolge örtlicher Ueberbelichtung'wenigstens grösstenteils,vermieden wird, wobei unter "Ueberschussladungsträgern" die Anzahl Ladungsträger zu verstehen ist, die neben der maximalen Anzahl Ladungsträger, bei der gerade noch kein "Blooming"-Effekt auftritt, verfügbar ist.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwaschung von Ladungsträgern über die Halbleiterschicht infolge örtlicher Ueberbelichtung dadurch vermieden werden kann, dass diese Ladungsträger aus der Halbleiterschicht in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung abgeführt werden, indem an den Seiten der Halbleiterschicht wenigstens stellenweise ein Ueberlauf für Ladungsträger eingebaut wird,

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Daher ist eine ladungsgekoppelte Anordnung der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper zum Abführen von Ueberschussmajoritätsladungsträgern aus der Halbleiterschicht eine Abflusszone vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält, die sich neben und parallel zu der Halbleiterschicht in dem Halbleiterkörper erstreckt und von der Halbleiterschicht elektrisch mit Hilfe der genannton, die Halbleiterschicht isolierenden Mittel getrennt werden kann wobei zwischen der Halbleiterschicht und der Abflusszone eine Potentialsperre gebildet werden kann, die wenigstens stellenweise niedriger als die genannte Potentialsperre zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden in der Halbleiterschicht ist.

Dadurch, dass daher die Potentialsperre zwischen der Ilalbleiterschicht und der Abflusszone mittels der Isolierinittel genügend niedrig gewählt wird, kann örtlich wenigstens ein durch diese Sperre gebildeter Ueberlauf erhalten werden, wodurch Ueberschussraajoritätsladungsträger über diesen Ueberlauf in der Abflusszone abgeführt werden können, bevor eine Verwaschung derselben über die Halbleiterschicht stattfindet.

Bei Absorption von Strahlung z.B. in der Halbleiterschicht während einer Integrationsperiode werden auss'er Majoritätsladungsträgern auch Minoritätsladungsträger erzeugt. In den Falle, in dem die Anordnung im Anhäufungsraodus'betrieben wird, wobei die MajoritätsladungstrUger an den Stellen

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der Potentialmulden vom Elektrodensystem angezogen werden und an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angesammelt werden können, können die Minoritätsladungsträger - die dabei vom Elektrodensystem abgestossen .werden - z.B. über das Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp abgeführt werden» In dem Falle jedoch, in dem die Anordnung derart betrieben wird, dass die erzeugten Majoritätsladungsträger auch während der Integrationsperiode - in der das Strahlungsmuster aufgenommen wird - im Inneren der Halbleiterschicht gespeichert ι

werden, können die erzeugten Minoritätsladungsträger teilweise zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers gezogen und dort angesammelt werden, statt direkt Über das Substrat abgeführt zu werden.

Daher ist eine erste Art bevorzugte Ausftihrungsforra

einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung dadurch ge-

ι ·

kennzeichnet, dass die die Halbleiterschicht isolierenden Mittel eine Halbleiterzone,· die nachstehend als Isolierzone bezeichnet wird, vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthalten, die sich, auf die Oberfläche gesehen, parallel zu und neben der Halbleiterßchicht in dem Halbleiterkörper erstreckt und die Halbleiterschicht und die Abflusszone lateral voneinander trennt und die wenigstens örtlich zum Abführen von Ueberschussmajoritätsladungsträgero Kanäle vom erstell Leitfähigkeit styp aufweist, die die Halbleiterschicht und die. Abflusszone miteinander verbinden und eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweißen, dass über die ganze

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Dicke des Kanals eine Erschöpfungszone mit einem elektrischen Feld angelegt werden kann, um eine Potentialsperre zwischen der' Halbleiterschicht und der Abflusszone zu erhalten, die niedriger als die genannte Potentialsperre in der Halbleiterschicht zwischen aufeinanderfolgenden Potentialmulden ist. Die H8he dieser verhältnismässig niedrigen Potentialsperre kann u.a, mittels des Potentials der Isolierzone eingestellt werden, indem an diese Zone eine Spannung angelegt wird, bei der die pn-Uebergänge zwischen den Kanälen und dieser Zone in der Sperrichtung vorgespannt werden. Bei dieser Spannung können erzeugte Minoritätsladungsträger über diese Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp abgeführt werden,

. Es sei bemerkt, dass die genannte Halbleiterzone daher zur Isolierung der Halbleiterschicht, zum Erhalten eines Ueberlaufs für Ueberschussmajoritätsladungsträger und «um Abführen erzeugter Minoritätsladungsträger dienen kann. Eine einfache bevorzugte Ausführungsforra einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht durch ein Oberflächengebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, das an die genannte Oberfläche des Halbleiterkörper» grenset und das. auf der der Oberfläche gegenüber liegenden Seit· über einen pn-Uebergang in ein Gebiet vom iweiten Leitfähigkeitstyp (nachstehend als Substrat bezeichnet) übergeht, wobei sich die genannte Isolieraone von der Oberfläche bis in das Substrat .erstreckt. Eine derartige Struktur kann z.B.

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dadurch erhalten werden, dass, ausgehend von einem Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp, darin das Oberflächengebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp durch örtliche Ionenimplantation angebracht wird. Die Abflusszone und die Kanäle können ebenfalls durch Ionenimplantation in dem Substrat angebracht werden, wobei die HaIbleiterschicht und die Abflusszone lateral voneinander durch einen zwischenliegenden Teil vom zweiten Leitfähigkeitstyp des Substrats getrennt werden, der die genannte Isolierzone bildet, in der örtlich die Kanäle angebracht werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine Oberflächenschicht, z.B. eine epitaktische Schicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, enthält, die auf einem Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp angebracht ist, wobei die Halbleiterschicht durch einen inselförmigen Teil der epitaktischen Schicht und die genannte Isolierzone durch eine Oberflächenzone vom zweiten Leitfähigkeit styp gebildet wird, die sich über die ganze Dicke der Oberflächenschicht erstreckt und, auf die Oberfläche gesehen, örtlich Unterbrechungen aufweist, die die Kanäle zwischen der Halbleiterschicht und der durch ein Oberflächengebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildeten Abflusszone bilden. Dadurch, dass sich die Isolierzone bis in das Substrat erstreckt, ist es trotz der Unterbrechungen nicht erforderlich, dass die gesonderten Teile der Isolierzone je für sich

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kontaktiert werden, sondern das Substrat kann einen elektrischen geraeinsamen Anschluss für diese Teile der Isolierzone zum Anlegen einer Sperrspannung an die Isolierzone bilden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass, auf die Oberfläche gesehen, sich das Elektrodensystem bis oberhalb der Unterbrechungen in der Isolierzone erstreckt, wodurch die zum Erhalten der Potentialsperre in den Unterbrechungen zwischen der Halbleiterschicht und der Abflusszone anzulegenden elektrischen Felder wenigstens teilweise mit Hilfe des genannten Elektrodensystems erhalten werden können. Indem an die Isolierzone eine Spannung in der Sperrichtung angelegt wird, kann in der bevorzugten Ausführungsform·das Potential in den Unterbrechungen dann in bezug auf das Potential (für MajoritStsladungsträger) in benachbarten Teilen der Halbleiterschicht erhöht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, die u.a. den Vorteil aufweist, dass die Struktur sehr gedrSngt sein kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusszone durch eine OberflSchenzone vom ersten LeitfShigkeitstyp gebildet wird, die in dem Halbleiterkörper, ausgenommen an den Stellen der Kanäle zwischen der Abflusszone und der Halbleiterschicht, von der Isblierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp umgeben wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungaform, die xi.a. vorteilhaft in denjenigen Fällen angewendet werden kann,

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in denen an die Gedrängtheit der Struktur weniger strenge Anforderungen gestellt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusszone ebenfalls durch einen inselförmigen Teil der Oberflächenschicht gebildet wird, der, ausgenommen an den Stellen der genannten Unterbrechungen, von einer Inselisolierung umgeben wird. Vorteilhafterweise kann zur Herabsetzung des Widerstandes der Abflusszone in der Insel eine hochdotierte Oberflächenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp angebracht werden. Die hochdotierte Zone kann in

einem endlichen Abstand von der Isolierzone angebracht sein, ohne dass die Durchschlagspannung zwischen der Abflusszone und der Isolierzone beeinträchtigt -wird.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsforra einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, die u.a. den Vorteil aufweist, dass Verlust an Information darstellenden

Majoritätsladungsträgern während des Ladungstransports über die Abflusszone auf einfache Weise vermieden werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vprgesehen sind, mit deren Hilfe beim Transportieren der elektrischen Ladung durch die Halbleiterschicht an die Abflusszone eine Spannung angelegt werden kann, wodurch die Potentialsperre in den Kanälen zwischen der Abflusszone und der Halbleiterschicht erhöht und das Abfliessen von Majoritätsladungsträgern in der Abflusszone verhindert .wird. In dieser Ausfuhrungsform wird die Möglichkeit benutzt, das Potential in den Kanälen über das Potential der Abflusszone zu beeinflussen.

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Eine zweite Art bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschibht und die Abflusszone voneinander durch ein Zwischengebiet vom ersten Leitfähigkeit styp getrennt werden, das eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke des Zwischengebietes eine ErschSpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei auf der Oberfläche des Körpers eine Elektrode (weiter als Zwischenelektrode bezeichnet) vorhanden ist, mit deren Hilfe im Zwischengebiet kapazitiv ein elektrisches Feld zum Erhalten der genannten Potentialeperre zwischen der Abflusszone und der Halbleiterschicht erzeugt werden kann, welche Halbleiterschicht auf der gegenüberliegenden Seite von einer Zone vom zweiten Leitfähigkeit styp begrenzt wird, die sich, auf die Oberfläche gesehen, neben der Halbleiterschicht im Halbleiterkörper erstreckt.

In einer derartigen bevorzugten Ausführungeform wird die Halbleiterschicht auf der Seite in der Nähe der Abflusszone daher nicht von einer Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp begrenzt» Beim ersten Anblick kann eine derartige Struktur nicht oder wenigstens kaum als Bildsensor verwendet werden, infolge der Tatsache, dass erzeugte Minoritätsladungsträger teilweise von der genannten Elektrode angezogen werden, wodurch ja eine Potentialsperre für Majoritätsladungsträger und damit eine Potentialmulde für Minoritätsladungsträger

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gebildet wird. Die von der Elektrode angezogenen Minoritätsladungsträger werden sich daher beim ersten Anblick an der Stelle des Halbleitergebietes zwischen der Halbleiterschicht und der Abfluss zone ansammeln und damit die Wirkung der Anordnung beeinträchtigen können.

Die Erfindung gründet sich aber weiter auf die überraschende Erkenntnis, dass die Minoritätsladungsträger aus diesem Halbleitergebiet über die Halbleiterschicht in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung zu der gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschicht in dem Oberflächengebiet vom zweiten Leitfähigkeitstyp geführt und dort abgeführt werden können; Ein derartiger Ladungstransport von Minoritätsladungsträgern ist über die Halbheiterschicht an der Stelle möglich, an der in der Schicht die Potentialsperre für Majoritätsladungsträger vorhanden ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine an die Oberfläche grenzende Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp enthält, in der sich die HaIbleiterschicht und die Abflusszone befinden, wobei auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine weitere Elektrode angebracht ist, die sich, auf die Oberfläche gesehen, praktisch parallel zu der Zwischenelektrode und zu der Abflusszone erstreckt, wobei die Abflusszone, auf die Oberfläche gesehen, zwischen den Elektroden liegt und mit Hilfe elektrischer Felder, die

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mittels der Elektroden, in der Oberflächenschicht erzeugt werden können, gegen angrenzende Teile der Oberflächenschicht isoliert werden kann. Die Oberflächenschicht kann z.B. durch eine epitaktische Schicht,gebildet werden, die auf einem Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp angebracht ist. Die Abflusszone kann durch einen inseiförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet werden, der von einer schalenförmigen Isolierung umgeben ist, deren Boden durch das Substrat und deren vorstehende Wände durch die mittels der Elektroden in der epitaktischen Schicht induzierten elektrischen Felder gebildet werden. Zur Herabsetzung des Widerstandes der Abflusszone kann die Insel mit einer hochdotierten niederohmigen Oberflächenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp versehen sein. Diese Zone kann durch das Anbringen einer Verunreinigung erhalten werden, wobei die Elektroden eine Maske bilden und aus diesem Grunde z.B. aus Schichten polykristallinen Siliciums hergestellt sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,-in der ausser einem befriedigenden Abfluss von Ueberschussmajoritätsladungsträgern auch ein befriedigender Abfluss erzeugter Minoritäts~ iadungsträger erzielbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe zwischen der zu den Isoliermitteln gehörigen Zwischenelektrode und der ebenfalls zu den Isoliermitteln gehörigen Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein Spanixungsunterschied angelegt

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wird, bei dem Minoritätsladungsträger von der Abflusszone zu der Isolierzone in einer Richtung quer zu der Ladungs- -i^{. transportrichtung fliessen, und zwar an der Stelle der genannten Zivis eh. en. zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden liegenden Potentialsperre in der Halbleiterschicht.

Eine weitere bevorzugte Ausftihrungsforra einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, in der ein etwaiger Verlust an Information enthaltender Ladung auf einfache Weise vermieden werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe während des Transports der elektrischen Ladung durch die Halbleiterschicht an die Zwischenelektrode eine Spannung angelegt werden kann, wodurch die Potentialsperre in dem genannten Zwischengebiet zwischen der Halbleiterschicht und der Abflusszone erhöht und das Abfliessen von Majoritätsladungsträgern aus der Halbleiterschicht in die Abflusszone verhindert wird«

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, in der Ueberschusamajoritätsladungsträger Über eine verhältnismäßig niedrige Potentialsperre abgeführt werden können und ausserdem ein befriedigender Abfluss erzeugter Minoritätsladungsträger erzielbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht durch ein OberfISchengebiet vom ersten Leitfähigkeit styp gebildet wird, das an die genannt· Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzt und auf der gegenüberliegenden Seite über einen pn-Uebergang in ein Gebiet (weiter al·

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Substrat bezeichnet) vom zweiten Leitfähigkeitstyp übergeht, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe während der Integrationsperiode oder wenigstens vor dem Transport der erzeugten Majoritätsladungsträgor zu den genannten Auslesemitteln wenigstens zeitweilig eine Spannung an das Elektrodensystem angelegt werden kann, wodurch in der Halbleiterschicht in der Dickenrichtung der Schicht gesehen? das Potential für Majoritätsladungsträger an der Stelle der Oberfläche ein Minimum aufweist und wodurch Minoritätsladungsträger, die unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung in der Nähe der genannten Oberfläche erzeugt werden, über die Halbleiterschicht in das Substrat fliessen können.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie III-III durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig, 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V durch die Anordnung nach Fig. 1, .

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Fig. 6 den Verlauf des Potentials längs der Linie III-III in Figo 1 beim Betrieb der Anordnung,

Fig. 7 den Verlauf des Potentials längs der Linie V-V in Fig. 1 beim Betrieb der Anordnung,

Fig. 8 einen Querschnitt entsprechend dem Querschnitt nach Fig. 2 durch eine zweite AusfUhrungsform einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren

ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 10 einen Querschnitt längs der Linie X-X in Fig, 9 durch die Anordnung nach Fig. 9t

Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linie XI-XI durch die Anordnung nach Fig. 9» Fig. 12 einen Querschnitt längs der Linie XII-XII

durch die Anordnung nach Fig. 9» ι ^:

Fig. 13 einen Querschnitt längs der Linie XIII-XIII

durch die Anordnung nach Fig, 9»

Fig. 14 den Verlauf des Potentials längs der Linie XII-XII in Fig, 9 beim Betrieb der Anordnung,

Fig. 15 den Verlauf des Potentials längs der Linie X-X in Fig, 9 beim Betrieb der Anordnung,

Fig. 16 den Verlauf des Potentials längs der Linie XI-XI in Fig. 9 beim Betrieb der Anordnung, und

Fig. 17 schematisch eq.nen Teil einer anderen ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung, Es sei bemerkt,.dass die Figuren nicht masstäblich

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gezeichnet und dass gewisse Teile der gezeigten Strukturen im Vergleich zu anderen Teilen der Deutlichkeit halber übertrieben gross dargestellt sind.

Pig» 1 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer ladungsgekoppelten Anordnung, die u.a, als zweidimensionaler Bildsensor in Kameraröhren zur Umwandlung elektromagnetischer Signale in elektrische Signale verwendet werden kann»

Die Anordnung enthält einen Siliciumkörper 1 mit darin einer Anzahl Halbleiterschichten 2 aus n-leitendem 'Silicium. Diese Schichten 2, von denen in den Fig. 1 und nur vier dargestellt sind, bilden eine Anzahl paralleler Zeilen des Bildaufnähmeelements oder -sensors.

Die Halbleiterschichten 2 „können gegen die Umgebung mit Hilfe von Mitteln isoliert Airerden, zu denen u.a. die auf der Oberfläche 3 de3 Halbleiterkörpers 1 angebrachte 'Isolierschicht H aus Siliciumoxid sowie der pn-Uebergang'5 auf der der Oberfläche 3'gegenüber liegenden Seite der Halbleiterschichten 2 gehören. Zu diesen weiter als Isoliermittel bezeichneten Mitteln gehören auch die Trennisolierungen 6, 7» mit deren Hilfe die Halbleiterschichten dadurch gegeneinander isoliert werden können, dass über den pn-Uebergangen zwischen den Halbleiterschichten 2 und den Isolierzonen 6_f eine Spannung genügender Grosse in der Sperrichtung angelegt wird.

Der Bildsensor gehört zu dem Typ ladungsgekoppelter Anordnungen, in denen Information in Form von MajoritSts-

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ladungsträger^, im wesentlichen im Innern des HalbleiterkSrpers transportiert und/oder gespeichert werden kann. Zu diesem Zweck weist jede Schicht 2 eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der betreffenden Schicht 2 eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann.

Auf der Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 ist ein Elektrodensystem vorhanden, das eine Anzahl hintereinander liegender Elektroden enthält, von denen in den Figuren die Elektroden 12-18 dargestellt sind. Die Elektroden, die im

vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Isolierschicht h gegen das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers 1 isoliert werden, können von diesem Material auch mittels eines gleichrichtenden Uebergangs, z.B, eines Schottky-Uebergangs, getrennt werden.

Mit Hilfe des Elektrodensystems können in Jeder Halbleiterschicht 2 kapazitiv elektrische Felder erzBugt werden, wodurch in der betreffenden Schicht 2 örtlich Potentialmulden, die voneinander durch eine Potentialsperre getrennt werden, gebildet werden.

In den Potentialmulden kann dann Information in Form elektrischer Ladung gespeichert werden, die aus MajoritHtsladungsträgern besteht, die in dem Halbleiterkörper unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung 8 erzeugt werden können. Die elektromagnetische Strahlung 8, die auf den

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Halbleiterkörper einfällt, kann ein Strahlungsbild erzeugen, das mit Hilfe schematisch dargestellter Mittel 9 (siehe Fig. 2;) . _f die z.B.' ein Linsensystem oder eine Blende enthalten können, auf die Oberfläche 3 des Körpers 1 projiziert wird, ■

Mittels des Elektrodensyst eins 12-18 können nach der Aufnahme des Strahlungsbildes oder -musters 8 in den Halbleiterschichten 2 "weitere elektrische Felder zum Transportieren der Ladung durch die Schichten 2 in einer Richtung parallel zu den Schichten zu Mitteln 10 (siehe Fig. 1) zum Auslesen der Ladung erzeugt werden. Diese Mittel, die nicht den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden und daher nur schematisch in Form eines Blockschaltbildes dargestellt sind, können z.B. eine durch eine ladungsgekoppelte Anordnung gebildete Speichermatrix enthalten. Die in den Halbleiterschichten 2 erzeugten Ma joritätsladungstrclger können in Form von Ladungspaketen, der.en Grosse' ein Mass für die Menge Strahlung 8 ist, die jeweils örtlich in den Schichten 2 absorbiert ist, in der Speichermatrix transportiert und dort weiter ausgelesen werden, wie in Fig. 1 schematisch mit den Pfeilen 11 angedeutet, ist, Während diese Ladungspakete z.B. reihonrncissig ausgelesen werden, kann in den genannten Ualbleiterschichten 2 wieder ein neues Strahlungsmuster aufgenommen worden. Es sei bemerkt, dass die Ausleseniittol 10 in den Fig. 2, 3 und h der Deutlichkeit halber nicht dargestellt sind,

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Ausserdem sei noch, bemerkt, dass in Fig. 1 die Oxidschicht h nicht dargestellt ist, während die Ränder der Elektroden 13» 15 und 17» die unter den Rändern der Elektroden 12, 14, 16 und 18 liegen, mit gestrichelten Linien angegeben sind.

Zur Vermeidung von Uebersprechen zwischen den Informationspaketen in aufeinanderfolgenden Potentialmulden in einer Halbleiterschicht 2, wobei infolge der örtlichen Ueberbelichtung während der Aufnahme des Strahlungsmusters eine Potentialmulde völlig ausgefüllt wird, und wobei Majoritätsladungsträger au benachbarten Potentialmulden fliessen würden, enthält der Halbleiterkörper 1 eine η-leitende Abflusszone 1,9 zum Abführen von Ueberschussmajoritätsladungsträgern aus den"Schichten 2,

Vie τι»a, aus Fig. 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die Abflusszone 19 neben und'parallel zu den Halbleiterschichten 2 in dem Halbleiterkörper 1. Es sei bemerkt, dass die Zone 19 eine den in der Mitte der Figur liegenden Schichten zu beiden Seiten der Isolierzone 17 gemeinsamen Abflusszone bildet und dass die Abflusszonen zum Abführen von Ueberschussmajoritätsladungsträgern aus den Schichten 2, die nur teilweise am linken und rechten Rand des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Teiles angegeben sind, nicht mehr in den Figuren dargestellt sind.

Die Abflusszone 19'kann elektrisch von einer benachbarten Schi eilt 2 mit Hilfe der die Schichten 2 isolierenden

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Mittel getrennt werden, rait denen zwischen der betreffenden Schicht 2 und. der Abflusszone 19 eine Potentialsperre gebildet werden kann, die wenigstens örtlich niedriger als die genannte Potentialsperre zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden in der Halbleiterschicht 2 ist.

Wie nachstehend noch hervorgehen wird, wenn näher auf die Wirkung der Anordnung eingegangen wird, wirkt die verhältnismässlg niedrige Potentialsperre (für Majoritätsladungsträger) 'als ein Ueberlauf,ubar den überschüssige

Majoritätsladungsträger in die Abflusszone geführt und/oder dort abgeführt werden können, bevor die Potentialmulden in der Halbleiterschicht 2 völlig ausgefüllt werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ausserdem ein befriedigender Abfluss erzeugter Minoritätsladungsträger dadurch erhalten v/erden, dass die die Halbleiterschichten

isolierenden Mittel eine p-leitende Halbleiterzone 7 (weiter als Isolierzone bezeichnet) enthalten. Diese Isolierzone erstreckt sich, auf die Oberfläche gesehen, parallel zu und neben den Halbleiterschichten 2 und bildet eine laterale Trennung zwischen den Kalbleiterschichten 2 und der Abflusszone 19· Zum Erhalten des genannten Ueberlaufs zum Abführen der UeberschussmajoritUtsladungsträger aus den angrenzenden Halbleiterschichten 2 ist die Isolierzone 7 örtlich mit Kanälen 20 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschicht 2 und die Abflusszone 19, somit vom n-Leitfähigkeitstyp, vorsehen, Dis Kanäle 20 verbinden die Halbleiterschichten 2

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- 23 - 25.6.7*l·.

und die Abflusszone 19 örtlich miteinander und weisen, auf die Oberfläche 3 gesehen, eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass über die ganze Dicke der Kanäle 20 eine Erschöpfungszone mit einem elektrischen Feld gebildet werden kann, um die verhältnismässig niedrige Potential-' sperre zwischen der Halbleiterschicht 2 und der Abflusszone zu erhalten, die niedriger als die genannte Potentialsperre zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden in der Halbleiterschicht ist. In dieser Ausführungsform können daher die Ueberschussmajoritätsladungsträger über die Kanäle in der Isolierzone abgeführt werden, während erzeugte Minoritätsladungsträger über die Isolierzone selber abgeführt werden können.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Schichten 2 durch η-leitende Oberflächengebiete gebildet, die an die Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 grenzen und die auf der gegenüberliegenden Seite über den pn-Uebergang in ein p-leitendes Gebiet 21, weiter als Substrat bezeichnet, übergehen, wobei sich die Isolierzone 7 von der Oberfläche bis'in.-das Substrat 21. erstreckt.

Die die Halbleiterschichten bildenden Oberflächengebiete bestehen dabei aus inseiförmigen Teilen einer n-leitonden epitaktischen Siliciumschicht .22, die auf dem p--leitenden Siliciumsubstrat 21 angebracht ist.

Die Isclierzone 7 wird durch eine p-leitende Oberflächenzcne gebildet, die sich über die ganze Dicke der

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PIIX. 70'-: 0« ~ 24 - . £5,6.7^;+.

epitaktischen Schicht 22 erstrockt und, auf die Oberfläche gesehen, örtlich Unterbrechungen aufweist, die die genannten Kanäle 20 zwischen der Halbleiterschicht 2 und der Abflusszone 19 bilden. Das Substrat 21 kann als ein gemeinsamer elektrischer Anschluss für die von den Kanälen 20 unter« brochenen Teile der.Isolierzone 7 verwendet werden, wodurch, trotz der Unterbrochungen 20, die Verdrahtung dennoch einfach gehalten werden kann.

Vie weiter, o.a. aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird die Abfluss zone 1J? durch eine i-n der epitakti'schen Schicht angebrachte η-leitende OberfIJichenzone gebildet. Diese Oberflcichenzone wird, ausgenommen an den Stellen der Unterbrechungen 20 in der Isolierzone 7 zwischen den Halbleiterschichten 2 und der Abflusszone 19» in dem Halbleiterkörper völlig von der p-leitenden Isolierzone 7 umgeben. Dadurch kann die Struktur der Anordnung gedrängt sein, was vorteilhaft ist, weil es oft erwünscht ist, dass die Anzahl strahlungsempfindlicher Aufnahmeelemente pro Oberflächeneinheit möglichst gross ist. Die Gedrängtheit der Anordnung wird ausserdem noch durch Anwendung der Oberflächenzonen 6 als Isolierzonen vergrössert, die sich nur über einen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht 22 im Halbleiterkörper erstrocken. Dadurch, dass an die Zonen 6 eine genügend grosse Spannung angelegt wird, kann in den mit 23 (siehe Fig. 2) bezeichneten Gebieten der epitaktischen -Schicht 22 eine Erschöpfimgszone mit einem elektrischen Feld gebildet werden, das die Halbleiterschichten 2 gegeneinander isoliert«

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- Fmr. 70-1-8. - 25 - 25.6.74.

Die Elektroden 12-18, die ein allen Halbleiterschichten 2 gemeinsames Elektrodensystem bilden, erstrecken sich, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, über allen Halbleiterschichten in einer Richtung quer zu der Ladungstransportrichtung in den Schichten 2 über den Halbleiterkörper 1 und sind von diesem Körper durch die Siliciumoxidschicht 4 getrennt. Die ElektiOden 13» 15» 17 usw. werden durch Schichten aus polykristallinem Silicium gebildet, die, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, völlig in die Siliciumoxid» schicht 4 eingebettet sind, naturgemäss ausgenommen an den Stellen etwaiger elektrischer Anschlüsse, Die Elektroden 12, 14, 16, 18 usw., die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Aluminium hergestellt sind, aber die naturgemäss auch aus einem anderen geeigneten Material bestehen können, überlappen, auf die Oberfläche 3 gesehen, teilweise die Elektroden 13» 15» 17 ίχώ-ü- sind von diesen Elektroden durch die Isolierschicht 4 getrennt.

Die Elektroden 12, 14, 16 und 18 sind, wie u.a. in Fig. 3 dargestellt ist, über in der epitaktischen Schicht angebrachten Oberflächenzonen 24 gelegen, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie und.eine höhere'Dotierung als die epitaktische Schicht 22 aufweisen. Derartige Zonen, die u,a. den Gegenstand der bereits genannten deutschen Patentanmeldung P 24 12 699.6 bilden, bewirken einerseits zusammen mit der darüber gelegenen Elektrode, dass eine verhältnismäsGxg grosse Kapazität erhalten wird, wodurch, die Virkving der Anordnung günstig beeinflusst wird, während sie anderer-

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PIK-T. ■ - 26 - " 25*6.7^.

seits bewirken, dass die Anordnung mit nur zwei Taktspannungs· quellen als ein Zweiphasensystem betrieben werden kann, wobei z.B. die Elektroden 13, 14, 17 und 18 mit einer Taktspannungsquelle und die Elektroden 12, 15 und 16 mit der anderen TaktSpannungsquelle verbunden werden.

Für die Herstellung der ladungsgekoppelten Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können in der Halbleitertechnologie allgemein übliche Techniken verwendet werden. ·

Dabei wird von dem p-leitenden Siliciumsubstrat 21 ausgegangen, dessen Dicke etwa 200 /tun beträgt und das eine Akzeptorkonzentration von etwa 2 . 10 Atomen/cm aufweist.

Auf dem Substrat 21 wird die η-leitende epitaktische

Siliciumschicht" 22 mit einer Dicke von etwa 5/van und einer

lh- " Dotierungskonzentration von etwa z.B. 6 · 10 Donatoratoraen/cm niedergeschlagen. Die lateralen Abmessungen des Substrats und der epitaktischen Schicht werden weiter als genügend gross vorausgesetzt, um die ganze Anordnung einschliesslich etwaiger weiterer Schaltungselemente enthalten zu können.■

Durch die üblichen Photomaskierungstechniken können in der Schicht 22 die p-leitenden Isolierzonen 6 und 7 angebracht werden, wobei vorteilhafterweise die Oberflächenkonzentration der Zone 7 genügend niedrig gewählt werden kann, um die Durchschlagspannung des pn-Uebergangs zwischen dex* Isoli orzona 7 u··^ der n-leitenden Abfltiss^one zu erhöhen,

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• - 27 - ' 25.6.7*U

welche Zone danach in der Isolierfolie 7 mit Hilfe der ■ üblichen Maskierungs- und Dotierungstechnilcen angebracht werden kann.

Auf der Oberfläche 3 des Halble.iterkörpers 1 werden dann die Elektroden 13» 15» 17 usw. durch Ablagerung polykristallinen Siliciums auf der Oxidschicht k mit einer Dicke von etwa 0,1 /um angebracht;, Diese Elektroden bilden eine Maske bei dem anschliessenden Dotierungsschritt, bei dem z.B. mittels Ionenimplantation von Donatoren die höher

dotierten n-lextenden Oberfl'ichenzonen 24 angebracht werden« Die Dicke der Oberflächenzonen 24 beträgt etwa 0,5/um und die Dotierungskonzentration etwa 10 Atome/cm . Bei diesen Dicken und Dotierungskonzentrationen wird jeweils weitaus der g-rcJsste Teil der Information dax-st el lend en Majoritätsladungsträger beim Betrieb in den Gebieten 24 und somit sehr nahe bei der Oberfläche 3 gespeichert werden können,

Nach dem Anbringen der Oberflächenzonen 24 können " weiter auf übliche Weise die Aluminiumelektroden 12, 14, 16, 18 USV/, gegebenenfalls zugleich mit weiteren auf dem Halbleiterkörper anzubringenden Verdrahtungen angebracht werden.

Nun wird auch an Hand der Pig. 6 und 7 die Wirkung der ladungsgekoppelten Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel näher auseinandergesetzt. In diesen Figuren ist der Verlauf des Potentials 0 als Funktion der Koordinaten χ bzw, y dargestellt, wobei χ eine Stelle längs der Linie JHI-III in Fxg„ 1 und y eine Stelle längs der Linie V-V in Fig, 1 darstellt,

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- ²⁸ - ' 25.6.7**.

Es sei angenommen, dass das Potential des Substrats als Bezugspegel betrachtet und praktisch 0 V gleichgesetzt wird. Falls nun an die Halbleiterschichten 2 z.B. über die Ausgangskontakte eine Spannung von etwa 20 V und an die Elektroden eine Spannung von etwa 10 V angelegt wird, können die Halbleiterschichten 2 über ihre ganze Dicke erschöpft werden. Aus einer Analyse des Verlaufs des Potentials 0 geht hervor, dass, in der Dickenrichtung gesehen, ein Potentialminimum (für Elektronen) in einem Abstand von etwa-2/tun von der· Oberfläche 3 des Halbleiterkb'rpers 1 auftritt. Ausserdem stellt sich heraus, dass in diesem Abstand des Potentialminimum unter den Elektroden 12, 14, 16 und 18 etwa um k V niedriger als das Minimum unter den Elektroden 13» 15 und liegt, was auf das Vorhandensein der höher dotierten n-leitenden Gebiete unter den Gebieten 12, ik_f 16 und 18 zurückzuführen ist.

Daher vird in einem Abstand von etwa 2 /um von der Oberfläche 3 der in Fig. 6 dargestellte Potentialverlauf als Funktion der Stelle χ mit Potentialmulden 25 erhalten, welche Mulden unter den höher dotierten Gebieten 2k und unter, den Aluminiumelektrode!! 12, I*+, 16 und 18 liegen, während die gebildete Potentialsperren 28 unter den polykristallinen. Elektroden 13» 15 und 17 liegen und in bezug auf die Potentialmulden eine Höhe von etwa k V aufweisen.

Während der Aufnahme des Strahlungsmusters 8 kann das fiuf zunehmende .Signal unter allen Aluminiumelektrode!! 12, Ik, 16, 18, unter denen sich eine Potentialiuuldc befindet,

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PHN". 70 it C.

- 29 - 25.6.74.

integriert werden, wie in Fig. 6 dargestellt ist, wobei die in den Schichten 2 erzeugten Elektronen in der am nächsten liegenden Potentialmulde angesammelt v/erden.

Um zu vermeiden, dass infolge örtlicher Ueberbelichtung der Anordnung eine oder mehrere Potentialmulden derart weit mit Elektronen ausgefüllt werden, dass eine Verwaschung von Ladimg über die Schichten 2 auftritt, muss die Potentialsperre von der betreffenden Halbleiterschicht 2 zu der Abflusszone 10 örtlich etwas niedriger als 4 V sein. Dies wird dadurch erreicht, dass die Isolierzone 7 unter den Aluminium« elektroden 12, lh, 16, 18 usw. örtlich mit- den schmalen Unterbrechungen 20 versehen wird, die eine Breite von etwa 5/um aufweisen. Das Potential in den Unterbrechungen hängt ausser von dieser Breite auch noch u.a, von der Spannung an den Elektroden 12, 14, 16 usw., der Spannung am Substrat 21, der Dotierungskonzentration in, den Unterbrechungen und dem Potential, in der Abflusszone 19 ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem die Dotierungskonzentration in den Unterbrechungen 20 praktisch gleich der Dotierungskonzentration unter den Elektroden 12, 14, 16 usw. ist, kann in den Unterbrechungen 20 eine Potentialsperre von etwa 3»8 V erhalten werden, wenn B.n die Abflusszone 19 eine Spannung von etwa 40 V angelegt wird.

Es sei bemerkt, dass diese Po.tentialsperre insbesondere über die Isolierzone 7 .dadurch gebildet wird, dass die rii'citc der Unterbrechungen bei den gegebenen Spamnmgen

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PHj\^T.70'i8 - 30 - . 25.6.7²U

genügend gering gewählt wird.

Das.Potentialmuster, das auf diese ¥eise längs der Linie V-V in Fig. 1 erhalten werden kann, ist "schematisch in Fig. 7 dargestellt. In dieser Figur sind mit 25 Potentialinulden bezeichnet, die in den zu beiden Seiten der Abflusszone 19 liegenden Halbleiterschichten 2 und unter der Elektrode 14 gelegen sind* Die Potentialniulden 25 "werden auf der linken und auf der rechten Seite der Figur in hohen Potentialsperren 26. begrenzt, die mittels der Isolierzonen 6 '

erhalten werden können, z.B. dadurch, dass diese Zonen leitend mit dem Substrat 21 - und somit mit der Isolierzone 7 ~ verbunden werden. Die Potentialmulden 25 werden auf der Innenseite von den Potentifilsperren 27 in den Unterbrechungen begrenzt» Diese Potentialsperren sind um etwa 0,2 V niedriger als die in Fig. 6 dargestellten Potentialsperren 28 zwischen

aufeinanderfolgenden Potentialmulden 25 in derselben Halbleiterschicht 2, Dadurch können Elektronen, bevor sie von einer völlig oder nahezu völlig ausgefüllten Potentialmulde zu einer benachbarten Potentialmulde 25 fliessen, über die niedrigere Potentialsperre 27 in die durch die Abflusszone gebildete Potentialmulde 29 fliessen und dann über die Abflusszone 19 abgeführt werden. Dadurch kann das Auftreten von "Blooming" vorteilhaft vermieden werden, Ausserdem können alle Löcher, die trotz.des Vorhandenseins der Potentialsperren 27 ~ die Potentialmulden für Löcher bilden - erzeugt v.-exdoa, dadurch abgeführt vrer-den» dass die Löcher, die in

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PRIv. 7048. - 31 - · - 25.6.7^.

oder nahe bei den Potentialsperren 27 erzeugt werden, über die angrenzende Isolierzone 7i die mit dem Substrat 21 verbunden ist, abgeführt werden können.

Nach der Aufnahme und der Integration des Strahlungs· musters 8 können die Ladungen, die in zwei angrenzenden Potentialmulden 25 gespeichert sind, zusammengefügt werden, wonach die Anordnung als eine zweiphasige ladungsgekoppelte Anordnung betrieben werden kann, um die Ladung zu den Auslesemitteln 10 zu transportieren« Während des Transports kann vorteilhaft die Potentialsperre 27 in den Unterbrechungen 20 z.B. dadurch erhöht werden, dass die an die Abflusszone 19 angelegte Spannung herabgesetzt wird, um einen überflüssigen Ladungsverlust zu verhindern. Die Spannung an der Abflusszone 19 kann z.B. über die schematisch in Pig. dargestellte Anschlussklemme 80 auf etwa 15 V herabgesetzt werden.

In Fig. 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer ladungsgekoppelten Anordnung nach der Erfindung dargestellt. Diese Anordnung, deren in Fig. 8 gezeigter Querschnitt dem Quersclmntt nach Fig. 2 im ersten Ausführungsbeispiel entspricht, ist, abgesehen von einer geringen Abänderung, praktisch gleich der ladungsgekoppelten Anordnung nach dem vorangehenden Ausführungsbeispiel, Der Einfachheit halber sind in beiden Aueführungsformen entsprechende Teile somit mit den gleichen Beimgsziffern·bezeichnet.

Die ladiuigsijekoppelte Anordnung unterscheidet sich

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.7048. - 32 -· 25.6.74.

von der Anordnung nach dem vorangehenden AusfUhrungsbeispiel darin, dass die Abflusszone 19 nicht durch eine in der Isolierzone 7 angebrachte η-leitende Oberflächenzone, sondern durch einen inseiförmigen Teil 31 gebildet wird, der, ausgenommen an den Stellen der Unterbrechungen 20 in der Isolierzone 7t von der Isolierzone 7 umgeben wird. In der Insel 31 kann zur Herabsetzung des Widerstandes eine hochdotierte η -Oberflächenzone 32 z.B. mittels Diffusion einer geeigneten Donatorverunreinigung angebracht werden. Diese Zone grenzt nicht an die Isolierzone 7 und übt demzufolge keinen oder nahezu keinen Einfluss auf die Durchschlagspannung des pn-Uebergangs zwischen der p-leitenden Isolierzone 7 und der η-leitenden Insel 31 aus.

Die Anordnung kann auf gleiche Weise wie die ladungsgekoppelte Anordnung nach dem vorangehenden AusfUhrungsbeispiel hergestellt und betrieben werden, wobei die Zone(n) ebenfalls wieder als Isolierzone(n) für die Schichten, als Mittel zur Bildung von Potentialmulden.27 (siehe Pig, 7)» Über die überschüssige Elektronen abgeführt werden können, und .als Abfluss für erzeugte Löcher dient (dienen),

• Pig, 9 ist eine Draufsicht auf .einen Teil eines Ausführungsbeispiels eines zweiten Typs ladungsgekoppelter Anordnung nach der Erfindung»

Die Anordnung, die u.a₄ wieder als Bildsensor (oder -aufnahmeelement) in Kameraröhren verwendet'werden kann, enthält einen SiliciumkÖrper 41 mit einer Anzahl nebeneinander

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. · . ■ . PH?«.70*10..

- 33 - - 25.6.74.

liegender Halbleiterschichten 42 aus η-leitendem Silicium, Von diesen Schichten 42, die je eine Zeile des Sensors bilden, sind in den Figuren nur vier dargestellt.

Die Halbleiterschichten 42 können gegen die Umgebung mit Hilfe von Mitteln isoliert werden, zu denen u.a. die. auf der Oberfläche 43 des Körpers 41 angebrachte Isolierschicht 44 aus Siliciumoxid sowie der pn^ITebergang 45 auf den der Oberflache 43 gegenüber liegenden Seiten der Halbleiterschichten 42 gehören. Zu diesen Isolierinitteln gehören weiter die p-leitenden Isolierzonen 46, die, wenn sie an"eine genügend hohe Sperrspannung angelegt wird, die Schichten lateral voneinander trennen können. Zu diesen Mitteln gehören im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch die·Elektroden 47j mit denen in dem Körper 41 Felder induziert werden können, die die Schichten 42 lateral begrenzen (siehe die Fig. 9f und 11). .

Der Sensor gehört wieder zu dem Typ ladungsgekoppelter Anordnungen', in denen Information in Form von Ma.joritäts— ladungsträgern im wesentlichen über das Innere der Halbleiterschichten 42 transportiert und/oder darin gespeichert werden kann. Zu diesem Zweck weist jede Schicht 42 eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der Schichten 42 eine ErscliÖpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann.

Auf der Oberfläche 43 des Körpers 41 ist ausser dan

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• - 34 - · 25.6.7h.

Elektroden 47 ein Elektrodensystem vorhanden, das eine Anzahl hintereinander liegender Elektroden enthält) von denen in den Fig. 9-13 nur die Elektroden 52 - 58 dargestellt sind. Diese Elektroden werden durch die Isolierschicht hh von dem Körper 4i sowie von den zu den Isoliermitteln gehörigen Elektroden 47 getrennt, wie u.a. aus den Fig, 10, 11 und 13 ersichtlich ist.

Mit Hilfe der Elektroden können in den Schichten

kapazitiv elektrische Felder induziert werden, wodurch in

den Schichten 42 örtlich Potentialmulden gebildet werden, die durch Potsntialsperren voneinander getrennt sind. In diesen Potentialmulden kann dann Information in Form von Ladung gespeichert werden, die aus Majoritätsladungsträgern besteht,, die in den Schichten 42 unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung, die in Fig. 10 schematisch mit den Pfeilen 48 angegeben ist und auf die Oberfläche 43 des Köi>pers 41 einfällt, erzeugt werden können.

Nach der Aufnahme (integration) der Strahlung 48 können mit Hilfe des genannten Elektrodensystems in den Schichten 42 weitere elektrische Felder zum Transportieren der Ladung durch die Schichten 42 in einer Richtung parallel zu diesen Schichten zu Mitteln 50 zum Auslesen der Ladung erzeugt werden. Diese Mittel 50 sind in Fig. 9 nur schematisch durch ein Blockschaltbild dargestellt und können z,B,

auch eine dxirch eine ladungsgekoppelte Anordnung gebildete Speichermatrix enthalten. Die in den Schichten 42 erzeugten

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- 35 - 25.6.7²U

Majoritätsladungsträger können in Form von Ladungspaketen, deren Grosse ein Mass für die Menge Strahlung 48 ist, örtlich in den Halbleiterschichten.42 während der Integrationaperiode absorbiert ist, in-dieser Speichermatrix 50 transportiert werden, was schematisch mit den Pfeilen 51 angegeben wird, Während dann die Ladungspakete z.B. reihenmässig ausgelesen werden, kann in den Halbleiterschichten ein neues Strahlungsmuster aufgenommen werden.

Die Auslesemittel 50 sind der Deutlichkeit halber nicht in den Querschnitten nach den Fig. 12 und 13 dargestellt.

Zur Vermeidung von Uebersprechen zwischen Informations· paketen in aufeinanderfolgenden Potentialmulden in derselben Halbleiterschicht 42, wobei infolge örtlicher Ueberbelichtung soviel Ladungsträger erzeugt werden, dass die zugehörige Potentialmulde nicht nur völlig ausgefüllt wird, sondern auch eine. Verwaschung einer Anzahl Elektronen selber über die Schicht stattfindet, die dann in benachbarte Potentialmuldeii gelangen, enthält der Halbleiterkörper 41 eine η-leitende 'Abflusszone 59 zum Abführen überschüssiger Elektronen aus den Schichten 42. Die Zone 59 bildet eine den zu beiden Seiten dieser Zone liegenden Schichten 42 gemeinsame Abflusszone, Es ist naturgeraäss einleuchtend, dass die Anordnung mehrere solcher Abflusszonen 59 u.a. für die nur teilweise in Fig. 9 dargestellten Schichten 42 auf der linken bzw, der rechten Seite der Figur, enthält, die in den Figuren nicht gezeigt sind,

809810/0774 .

fun.704ε, - 36 - ' 25.6.74.

Die Abflusszone 59 kann elektrisch von den angrenzenden Schichten 42 mit Hilfe der Isoliermittel 47 getrennt werden, mit deren Hilfe zwischen den Schichten 42 und der _ Abflusszone 59 eine Potentialsperre (für Elektronen) gebildet werden kann, die niedriger als die genannte Potentialsperre in einer Schicht 42 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden in dieser Halbleiterschicht 42 ist» Diese verhctltnismässig niedrige Potentialsperre kann als Ueberlauf dienen, über den überschüssige Elektronen in die Abfluss-

zone 59 geführt werden können, wobei dann keine Verwaschung dieser Elektronen über die Halbleiterschicht 42 stattfindet.

Die Halbleiterschichten 42 und die Abflusszone 59 werden durch ein η-leitendes Zwischengebiet 60 lateral voneinander ge.trennt, das daher den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterschichten und die Abflusszone 59 auf-

i ·

weist. Das Zwischengebiet 60 weist eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf, dass mit Hilfe eines elektri- " sehen Feldes über die ganze Dicke des Zwischengebietes eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann.

Auf der Oberfläche 43 des Körpers 41 sind Elektroden 4*7 weiter als Zwischenelektroden bezeichnet, vorhanden, die durch die zwischenliegende Oxidschicht 44 von dem Halbleitermaterial getrennt sind. Mit Hilfe der Elektroden 47t die über den Zwischengebieten 60 liegen, kann kapazitiv in den Λ Zwischengebieten 60 ein elektrisches Feld erzeugt werden,

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FHKT. 7048. -.- 37 - ' 25.6.74.

um die genannte Potentialsperren zwischen den Halbleiterschichten 42 und der Abflusszone 59 zu. erhalten.

Auf den Seiten, die, auf die Oberfläche 43 gesehen, der Abflusszone 59 gegenüber liegen, werden die Halbleiterschichten 42 von Zonen 46 begrenzt. Diese Zonen bilden p-leitende Isolierzonen, die sich, auf die Oberfläche 43 gesehen, neben den Halbleiterschichten 42 parellel zu der Ladungstransportrichtung in dem Halbleiterkörper 4i erstrecken. Ueb'er diese Isolierzonen können, wie nachstehend noch hervorgehen wird, erzeugte Minoritätsladungsträger, also Löcher, abgeführt werden.

Der Halbleiterkörper 41 enthält eine an die Oberfläche 43 grenzende η-leitende Oberflächenschicht, die durch die η-leitende epitaktische Schicht 62 mit darin den Halbleiterschichten 42 und der Abflusszone 59 gebildet wird, bie. epitaktische Schicht 62 ist auf einem Substrat 61 ans p~leitendem Silicium angebracht, das die pn-Uebergänge 45 · mit den Halbleiterschichten 42 bildet.

Auf der Oberfläche 43 des Körpers 41 sind, wie aus den Fig. 9-11 hervorgeht, zwei Elektroden 47 angebracht, die von dem unterliegenden Halbleitermaterial durch die Isolierschicht 44 getrennt sind. Die Elektroden erstrecken sich, auf die Oberfläche 43 gesehen, praktisch parallel zueinander und zu der Abflusszone 59 über dem Körper 41 . Die Abflusszone 59 ist, auf die Oberfläche 43 gesehen, zwischen den Elektroden 47 angebracht und kann jnit Hilfe

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PHN.7048, - 38 - · 25.0.7*.-

elektrischer Felder, die mittels der Elektroden 47 in der epitaktischen Schicht 62 an den Stellen der Gebiete erzeugt werden können, gegen angrenzende Teile der epitaktischen Schicht 62 isoliert werden. Die Abflusszono 59 wird dann durch einen inseiförmigen Teil der epitaktischen Schicht gebildet, dessen vorstehende Wände von Erschöpfungszonen begrenzt werden, die mit Hilfe der Elektroden 47 gebildet werden. Zur Herabsetzung.des Widerstandes der Abflusszone kann in der epitaktischen Schicht eine η -Oberflächenzone

angebracht sein.

In Fig. 11 sind weiter Mittel dargestellt, die die Spannungsquellen enthalten, mit deren Hilfe an die Elektroden 47 "und an die p-leitenden Isolierzonen 46 Spannungen angelegt werden können, wobei das Oberflächenpotentia.l (für Löcher) an der Stelle der Zonen 46 niedriger als das Oberflächenpotent ial (für Löcher) unter den Elektroden 47 ist, wodurch Löcher von der Abflusszone 59 zu den p-leitenden Zonen 46 über die Potentialsperre (für Elektronen) in die Halbleiterschicht 42 fliessen können und über die Zonen 46 abgeführt werden.

Die Elektroden 52-58 bilden ein den Halbleiter-. schichten 42 gemeinsames Elektrodensystem und erstrecken sich in einer Richtung qiier zu der Ladungstransportrichtung über alle Schichten 4.?, Die Elektx-oden 53, 55, 57 usw., die in Fig. 9 niit gestrichelten Linien angegeben sind, werden durch polykristalline SiIJ ciumschichten gebildet,

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PHN₁,70^8. - 39 -" . 25.6.7^.

die in die Oxidschicht ΊΛ eingebettet sind und an ihren RSndern von .den Elektroden 52, 5h, 56 und 58 überlappt werden.

Die Elektroden 52, 5*1» 56 und 58, die aus Aluminium bestehen, sind, wie aus den Pig·, 10 und 12 ersichtlich ist, über in der epitaktischen Schicht angebrachten höher dotierten Oberflächenzonen ^h befindlich. Die Zonen 7^·» die sich nur über einen verhältnisiuässig geringen Teil der Dicke der epitaktischen Schicht 62 in dieser Schicht erstrecken, bilden !einerseits eine grosse Kapazität zusammen mit den darüber liegenden Elektroden und erzielen damit eine befriedigende Wirkung der Anordnung, Dadurch, dass die Zonen "Jh andererseits nur zu jeder zweiten Elektrode vorhanden sind, wird ausserdem erreicht, dass die Anordnung als ein Zweiphasensystem betrieben werden k_ann, wobei z.B. die Elektroden 53» 5^» 57 und 58 mit einer ersten TaktSpannungsquelle und die

ι .

Elektroden 52, 55» 56 mit einer zweiten TaktSpannungsquelle verbunden werden, um die Ladung durch die Schichten k2 hindurchzutransportieren, ■

Die zu den Isoliermitteln gehörigen Elektroden, die durch die Oxidschicht kk von den Elektroden 52-58 getrennt werden, können ebenfalls durch Schichten polykristallinen Siliciums gebildet werden.

Für die Herstellung der Anordnung können in der Halbleitertechnologie allgemein bekannte Techniken Anwendung, finden. Es wird von dem p-leitenden Substrat 61 augegangen, dessen Dicke etwa 200/um und dessen Akzeptorkonzentration

14 3
etwa 2 , 10 Atome/cm beträgt»

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- 4o -' 25.6.7**.

Auf dem Substrat 61 wird die η-leitende epitaktische Siliciumschicht 62 mit einer Dicke von etwa 5/um und einer Donatorkozentration von etwa 6 · 10 Atomen/cm angewachsen*

Mit Hilfe der üblichen Photomaskierungstechniken können in der Schicht 62 die p-leitenden Isolierzonen 46 angebracht werden«

Anschliessend werden auf die Oberfläche 43 der epitaktischen Schicht 62 die Elektroden 47 mittels Ablagerung polykristallinen Siliciums auf der isolierenden Oxidschicht angebracht, deren Dicke etwa 0,1 /um betrögt» Die Elektroden können als Maske zum Anbringen der niederohmigen n-leitenden Oberflächenzone 72 verwendet werden, die in der Draufsicht nach Pig. 9 mit einer stirLchpunktierten Linie angegeben ist*

Indem die Elektroden 47 etwas oxidiert werden, kann eine Oxidschicht erhalten werden, in die die Elektroden 47 praktisch völlig eingebettet sind* Die ebenfalle aus polykristallinen Siliciumschichten bestehenden Elektroden 53» 55» 57» die danach angebracht werden können, werden dadurch gegen die Elektroden 47 isoliert.

Die Elektroden 53» 55» 57 können wieder als Maske bei dem anschliessend durchgeführten Dötierungsschritt verwendet werden, bei dem durch Ionenimplantation die η-leitenden OberflKchenzonen 7^ angebracht werden, die, auf die Oberfläche 43 gesehen, zwischen den Elektroden 53t 55» liegen*

Die Dicke und die Dotierungskonzentration der \t

«■■ · '

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PENT.7O48.

" - in - 25.6.74.

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Oberflüchenzonen betragen etwa Q,5,xsm bzw. etwa 10 Atome/cm , Bei diesen Dicken und Dotierungskonzentrationen kann jeweils der grösste Teil der Information darstellenden Ladung in den Gebieten 74 und daher in der Nähe der Oberfläche 43 gespeichert werden, während der Ladungstransport ebenfalls grösstenteils an oder nahe bei der Oberfläche stattfindet und nur die letzten Bruchteile der noch zu übertragenden Ladung in grosserer Entfernung von der Oberfläche transportiert werden können.

Nach dem Anbringen der Oberflächenzonen 74 können die Elektroden 52, 54, 56, 58 durch Niederschlagen von Aluminiumschichten angebracht werden. Die Elektroden 53» 55» 57 einerseits und die Elektroden 52, 54, 56, 58 andererseits werden durch eine zwischenliegende Oxidschicht gegeneinander isoliert, die z.B. dadurch erhalten werden kann, dass vor den) Niederschlagen des Aluminiums .die polykristallinen Silicium- · elektroden 53» 55» 57 etwas oxidiert v/erden.

Nun wird an Hand der Fig. 1-4, 15 und 16 die Wirkung der ladungsgekoppelten Anordnung nach dem·vorliegenden Ausführungsbeispiel näher auseinandergesetzt. In diesen Figuren ist der Verlauf des Potentials 0 als Funktion der Koordinaten χ und y dargestellt, wobei χ (siehe Fig. 14) eine Stelle längs der Linie XII-XII in Fig. 9 darstellt. In Fig. 15 stellt y eine Stelle längs der Linie X-X und in Fig. 16 eine Stelle längs der Linie XI-XI der Fig. 9 dar.

Das Potential des Substrats 61 wird als Bezugspegel

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PHN.7048.

' - 42 - 25.6.74.

betrachtet und der Einfachheit halber 0 V gleichgesetzt. An die Halbleiterschichten 42 und an die Elektroden 52-58 werden, wie im vorangehenden Ausführungsbeispiel, Spannungen von etwa +20 V bzw» +10 V angelegt« Bei diesen Spannungen v/erden die Halbleiterschichten über ihre ganze Dicke erschöpft. Das Potentialminimuni (für Elektronen) liegt bei diesen Spannungen in einem Abstand von etwa 2 /um von der Oberfläche 43« Auf dieser Tiefe liegt das Potential 0 unter den Elektroden 52, 54, 56, 58, wie sich herausstellt, um etwa 4 V niedriger als untei' den Elektroden 53» 55 t 57, was auf das Vorhandensein der Gebiete 74 zurückzuführen ist. Auf diese Weise wird der in Fig. 14 dargestellte Potentialverlauf mit Potentialmulden 65 unter den Aluminiumelektroden und mit Potentialsperren 68 unter den polykristallinen Siliciumelektroden erhalten.

Um Verwaschving von Elektronen infolge örtlicher Ueberbelichtung zu vermeiden, muss die Potenfcialsperre für Elektronen zwischen den Halbleiterschichten 42 und der Abflusszone 59 etwas niedriger als 4 V sein» Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem das Halbleitergebiet 60 unter den Elektroden 47 die gleiche Zu sanir^ens et ζ tuig wie das Halbloitergebiet unter den Elektroden 53» 55» 51 aufweist, welches letztere Halbleitergebiet aus dem Halbleitermaterial der epitaktischen Schicht besteht, kann eine Potentialsperre der gewünschten Hc5he dadurch erhalten werden, dass an die l·: 1 el;troden 47 eine Spam.uiif.; nlcchen 10 V und 15 V, z.B.

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eine Spannung von 10,4 V,angelegt wird. Dadurch wird die Potentialsperre für Elektronen unter den Elektroden 47 etwas niedriger als die Potentialsperre 68 unter den Elektroden 53, 55, 57 sein und z.B. etwa 3,8 V betragen.

Das auf diese Weise längs der Linie X-X in Fig. erhaltene Potentialmuster ist in Fig. 15 dargestellt. In dieser Figur sind mit 65 wieder die Potentialmulden in den Halbleiterschichten 42 bezeichnet. Diese Mulden v/erden auf der linken Seite und auf der rechten Seite der Figur von hohen Potentialsperren 66 begrenzt, die mit. Hilfe der Isolierzonen k6 z.B. dadurch erhalten werden können, dass diese Zonen mit dem Substrat 61 verbunden werden»

Die Potentialmulden 65 werden auf der Innenseite von den verhRltnismässig niedrigen Potentialsperren 67 begrenzt, die mittels der Elektroden hj erhalten sind und eine ΗοΊιθ von etwa 3»8 V aufweisen und damit also um etwa 0,2 V niedriger als die Potentialsperre 68 sind, die eine Trennung zwischen zwei Potentialmulden 65 in derselben Schicht 42 bilden. Dadurch können überschüssige Elektronen, bevor sie aus·einer völlig angefüllten Potentialmulde 65 über die Potentialsperre 68 in benachbarte Potentialmulden fliessen, über die niedrigere Potentialsperre 67 in die Ab.flusszone geführt und dort abgeführt werden. Dadurch kann "Blooming" vermieden werden. Die Abflusszone 59 kann dabei auf einfache Weis© auf ein derartiges Potential eingestellt werden, dass eine tiefe Potentialmulde 69 erhalten wird, wobei erwünschten-

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PHH.70!8.

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falls die Höhe der Sperre 67 über das Potential der Abflusszone 59 noch, geändert werden kann.

Im vorliegenden Ausftthrungsbeispiel werden die Halbleiterschichten 42 auf einer Seite, und zwar unter den Elektroden 47» von Erschöpfungszonen und nicht von üblicheren Isolierzonen vom zweiten Leitfähigkeitstyp begrenzt. Beim ersten Anblick scheint eine derartige Isolierung, die auf einer Seite völlig von einem Erschöpfungsgebiet begrenzt wird, in einer ladungsgekoppelten Anordnung der beschriebenen Art Schwierigkeiten in bezug auf einen befriedigenden Abfluss erzeugter Minoritätsladungsträger zu ergeben. Da die Potentialsperre 67 einer Potentialmulde für Löcher entspricht, werden Löcher, die unter den Elektroden 47 oder in der Nähe der Potentialmulden 65 erzeugt werden, von den Elektroden 47 angezogen»

Dadurch, dass jedoch die Elektroden 53, 55» 57 8^ einer negativen Spannung dn bezug auf die Elektroden 47 liegen, können diese Löcher anschliessend von den Elektroden 531 55t 57 angezogen und dann über die Isolierzonen 46, die infolge der TaktSpannungsquellen das negativste Potential aufweisen, abgeführt werden. Zur Verdeutlichung iet in Fig, 16 der Verlauf des Oberflächenpotentials 0 länge der Linie XI-XI in Fig. 9 dargestellt, wobei zu bemerken ist, dass das Potential für Löcher gleich —0 ist.

Nach der Aufnahme (integration) der elektromagnetischen Strahlung 48 können die in den Potentialmulden eeepeicherten

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Ladungspakete., paarweise zusammengefügt werden, wonach die Anordnung als eine zveiphasige ladungsgekoppelte Anordnung betrieben werden kann, um die Ladung zu den Auslesemitteln zu transportieren, wie u.a. in der bereits genannten deutschen Patentanmeldung P 2k 12 699.6 beschrieben ist. Dabei kann vorteilhaft die Potentialsperre erhöht werden, z.B. dadurch, dass die an die Abflusszone 59 angelegte Spannung herabgesetzt wird, wodurch ein überflüssiger Verlust von Ladung während des Transports vermieden werden kann. Eine derartige Erhöhung kann im vorliegenden Atisfüh.rungsboispiel einfacher dadurch erhalten werden, dass die Spannung an den Elektroden kj über die in Fig. 11 schematisch dargesteilen Anschlussklemmen 81 auf einen geeigneten Wert herabgesetzt wird.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen AusfUhrungsbeispiele beschränkt, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

So können statt Halbleiterschichten mit einer profilierten Dotierungskonzentration auch Halbleiterschichten mit z.B. einer gleichmässigen Dotierungskonzentration verwendet werden. Eine laduiigsgekoppelte Anordnung mit einer derartigen Halbleiterschicht kann als ein dreiphasiges System oder als zweiphasiges S3^rstem betrieben v/erden, wobei mit Hilfe äusserer Spamrungsquelleii die notwendige Asymmetrie im Systeia erhalten wird,

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PHW. 70'48. -- he - ' ?.5.6_tlh.

Statt bei zweidimensionalen Aufnahmeelementen mit einer Anzahl nebeneinander liegender Halbleiterschichten kann die Erfindung auch vorteilhaft bei z.B. einem eindimensionalen oder linearen Bildaufnahmeelement, angewandt werden.

Weiter leuchtet es ein, dass statt der genannten Materialien oder Materialien der genannten Zusammensetzungen auch andere geeignete Materialien oder Zusammensetzungen verwendet werden können,·So können z.B. die Leitfähigkeitstypen in den AusfUlirungsbeispielen umgekehrt v/erden, wobei die Polaritäten der anzulegenden Potentialunterschiede naturgemäßs auch umgekehrt werden sollen. Weiter können diese Halbleiterschichten, statt aus Inseln in einer epitaktischen Schicht zu bestehen, auch z.B. durch Ionenimplantation erhalten werden.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden

die Anordmuigen derart betrieben, dass während der Integration des Strahlungsmusters die erzeugten Majoritä'tslad^mgsträger im Inneren und in einem endlichen Abstand von der Oberfläche des Körpers gespeichert werden. Die Anordnungen können aber auch derart betrieben werden, dass die MajoritätsladungstrUger wenigstens teilweise an der Oberfläche gespeichert werden, Ztir Verdeutlichung zeigt Fig. 17 schematisch einen Teil einer ladungsgekoppelt©!! Anordnung nach der Erfindung, deren Struktur praktisch gleich der der Anordnungen der vorangehenden Ausführungsbeispiele sein kann. Der Deutlichkeit halber sind entsprechende Teile in dieser Figur mit den

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gleichen Bezugsziffern wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet» . .

Die Anordnung enthält eine η-leitende Halbleiterschicht 2, die durch einen inseiförmigen Teil in der n-leitenden epitaktiechen Schicht 22, die auf dem p-leitenden Substrat 21 angebracht ist, gebildet wird. In dieser Figur ist weiter die durch die Oxidschicht k von der Schicht (2, 22) getrennte Elektrode 80 dargestellt, die eine der Elektroden 12-18 im ersten Ausführungsbeispiel bilden kann, Weiter sind in der Figur der elektrische Anschluss 81 mit der Elektrode 80 und der elektrische Anschluss 82 mit dem Substrat 21 dargestellt. Diese Anschlüsse bilden z,B, zusammen mit nicht dargestellten Spannungsquellen einen Teil von Mitteln, mit deren Hilf« während der Integrationsperiode oder wenigstens ehe die integrierten Majoritätsladungsträger

ι ■

zu den genannten Auslesemitteln transportiert werden, wenigstens zeitweilig eine Spannung "angelegt wird, wodurch, in der z-Richtung gesehen, in der Haibleiterschicht (2, 22) das Potential 0 für Elektronen an der Stelle der Oberfläche ein Minimum aufweist, wie mit den Kurven 90 und 91 angegeben wird. Löcher, die unter dem Einfluss elektromagnetischer. Strahlung in der Nähe der Oberfläche 3 erzeugt werden ( und V. deren Potential mit -0 bezeichnet ist), können dabei direkt über die Halbleiterschicht (2,· 22) in das Substrat 21 fliessen und dort abgeführt werden.

Die Löcher brauchen in diesem AusftilirungsbetBpiel

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- 48 - ' 25.6.7^.

nicht über eine p-leitende Isolierzone in das Substrat geführt zu werden.

Die Kurve 90 in Fig. 17 stellt z,B. den Verlauf des Potentials 0 unter einer der Elektroden 12, 14, 16, 18 an der Stelle einer Potentialmulde dar, in der Information darstellende Elektronen gespeichert werden können, während die Kurve 91 den Verlauf (in senkrechter Richtung) des Potentials 0 unter den Elektroden 13, 15, 17 an der Stelle

einer Potentialsperre in der Halbleiterschicht 2 darstellt, ι
die zwei aufeinanderfolgende Potentialmulden voneinander

trennt,

Die in den Potentialmulden 90 gespeicherten Elektronen können wenigstens zeitweilig an die Oberfläche 3 grenzen und können erwünschtenfalls wieder zu dem Inneren der Schicht transportiert werden, nachdem die erzeugten Löcher zu dem

Substrat 21 abgeflossen sind,

Ueberschüssige Elektronen, die durch örtliche Ueberbelichtung erzeugt werden, können auf die bereits an Hand des ersten Ausführungsbeispiels beschriebene Weise über die Kanäle 20 zu der AbfItisszone abgeführt werden.

Nach der Integration des Strahlungsmusters kann die Information darstellende Ladung z.B. völlig über das Innere der Ilalbleiterscbicht 2 zu den Auslesemitteln transportiert werden.

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Claims (1)

1. PH-T, - Λ9'- ' 25.6

   PATEXTANS PRUECITE ί

   1, j Ladungsgekoppelte Anordnung, insbesondere Bildsensor, zur Umwandlung eines elektromagnetischen Signals in ein elektrisches Signal, mit einein Halbleiterkörper mit einer Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, wobei Mittel zur elektrischen Isolierung der Halbleiterschicht gegen die Umgebung vorgesehen sind und diese Schicht eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration auf Aireist, dass mit HiITe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke der

   Halbleiterschicht eine Erschöpfimgsxoiie unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei auf einer Ober·- fläche des Itfilbleiterkörpers ein Elektrodensystem zur kapazitiven Erzeugung elektrischer Felder in der Halbleiterschicht vorhanden ist, woduz-ch örtlich in der Halbleiterschicht durch eine Potentialsperre voneinander getrennte Potentia!mulden gebildet werden, in denen Information in Form elektrischer Ladung ige speichert werden kann, die avis MajoritätsladungstrKgera besteht, die unter dein Einfluss von Strahlung in dem Halbleiterkörper erzeugt werden können, und wobei mittels des Elektrodensystems weiter Glektz*ische Felder zum Transportieren der Ladung durch die Kalbleiterschicht in einer Richtung· parallel zu der Schicht zu Mitteln zum Auslesen der Ladung erzeugt werden können, dadurch gekennzeichnet _t dass der Halbleiterkörper zum Abfuhren von UeberschussmajoritfltsladungstrSgftrn aus der Halbleiterschicht eine Abflusszone vo;.i orston J.eiti'ähigkei-·; vi.yp onth"".!t,

   S09B10/0774

   PFSi. - 50 - 25.6.74.

   die sich neben der Halbleiterschicht im Halbleiterkörper erstreckt und von der Ilalbleiterschicht elekbrisch mit Hilfe der genannten die Ilalbleiterschicht isolierenden Mittel getrennt werden kann wobei zwischen der Ilalbleiterschicht und der Abflusszone· eino Potentialsperre gebildet werden kann, die wenigstens örtlich niedriger als die genannte Potentialsperr© zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden in der Halbleiterschicht ist,

   2. Ladungsgeicoppelte Anordnung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass die die Halbleiterschiorrb isolierenden Mittel eine Halbleiterzone (weiter als Isolierzone bezeichnet) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthalten, die sich, auf die Oberfläche gesehen, parallel zu und neben der Halbleiter— schicht im Halbleiterkörper erstreckt und die Halbleiterschicht und die Abflusszone lateral voneinander trennt und zum Abführen von Ueberschussmajoritätslaclirngstrügern örtliche Kanäle vom ersten Leitffihigkeitstyp aufweist, die die Halbleiter schicht raid die Abflusszone miteinander verbinden und die eine derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweisen, dass über ihre ganze Dicke eine Erschöpfungszone mit einem elektrischen TeId gebildet werden kann, um eine Potential sperre zwischen der Halbieiterscnickt -und der Abflusszone zu erhalten, die niedriger· als die genannte X^Jotentialsperre zwischen zvei 'aufeinanderfolgenden Potential«· mulden in der Halbleiterschicht ist.

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   - 51 - 25.6.7^.

   3 β Ladungsgekoppelte Anordnung nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht durch ein Oberflächengebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, das an die genannte Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzt und das auf der gegenüberliegenden Seite über einen pn-Uebergang in ein Gebiet vom zrweiten Leitfähigkeitstyp (weiter als Substrat bezeichnet) übergeht, wobei die genannte Isolierzone sich von der Oberfläche bis in das Substrat erstreckt,

   h_t Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 3 ι dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine Oberflächenschicht, z,B. eine epitaktische Schicht vom ersten Leitfähigkeit styp, die auf einem Substrat vom zweiten Leitfähigkeitstyp angebracht ist, enthält, wobei die genannte Halbleiterschicht durch einen inseiförmigen Teil der Oberflächenschicht und die genannte Isolierzone durch eine Oberflächen- · zone vom .zweiten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, die sich über die ganze Dicke der Oberflächenschicht erstreckt und, auf die Oberfläche gesehen, örtlich Unterbrechungen aufweist, die die Kanäle zwischen der Halblei'terschicht und der Abflusszone, die aus einem Oberflächengebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp besteht, bilden,

   5. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, dass, auf die Oberfläche gesehen, sich das Elektrodensystem bis oberhalb der Unterbrechungen erstreckt,

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   - "52 - 25.6.7^.

   wodurch die zum Erhalten der genannten Potentialsperren in den Unterbrechungen zwischen der Abflusszone und der Halbleiterschicht anzulegenden elektrischen Felder wenigstens teilweise mit Hilfe des genannten Elektrodensystems erzeugt werden können«

   6» Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch h oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die. Abflusszone durch eine Oberflächenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp gebildet -wird, die in dem Halbleiterkörper, ausgenommen an den Stellen der

   Kanäle z%vaschen der Abflusszone und der Halbleiterschicht, völlig von dor Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp umgeben ist,

   7. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusszone ebenfalls durch einen inseiförmigen Teil der Oberflächenschicht gebildet wird, der, ausgenommen an den Stellen der genannten Unterbrechungen, von einei· Inselisolierung umgeben ist,

   8, Ladungsgekoppelte Anordnung nach einem oder mehreren der: "vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe während des Transports der elektrischen Ladung durch die Halbloiterschicht

   an die Abflusszone eine Spannung angelegt werden kann, wodurch die Potentialsperre in den Kanälen zwischen der Abflusszone und der Halbleiterschicht erhöht und das Abfliessen von Majoritätsladungsträgern in die Abflusszone ιV verhindert wird·

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   ' . ' PIPT. 704S.

   9. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht und die Abflusszone voneinander durch ein Zwischengebiet vom ersten Leitfähigkeit styp getrennt werden, das eine· derartige Dicke und Dotierungskonzentration aufweist, dass mit Hilfe eines elektrischen Feldes über die ganze Dicke des Zwischengebietes eine Erschöpfungszone unter Vermeidung von Durchschlag erhalten werden kann, wobei auf der Oberfläche des Körpers eine, als' Zwischenelektrode bezeichnete, Elektrode vorhanden ist, mit deren Hilfe im Zwischengebiet kapazitiv ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, um die genannte Potentialsperre zwischen der Halbleiterschicht und der Abflusszone

   zu erhalten, wobei die Halbleiterschicht auf der Seite, die, auf die Oberfläche gesehen, der Abflusszone gegenüber liegt, von einer Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp begrenzt wird, die sich neben der Halbleiterschicht im Halbleiterkörper erstreckt,

   10. . Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine an die Oberfläche grenzende Oberflächenschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp mit darin der Halbleiterschicht und der Abflusszone enthält, wobei auf der .Oberfläche des Halbleiterkörpsrs eine weitere Elektrode angebracht ist, die sich, auf die Oberfläche gesehen, praktisch 'parallel zu der Zwischenelektrode erstreckt, wobei die Abfluss stone, auf die Oberfläche gesehen, zwischen diesen Elektroden liegt wid mit Hilfe

   609810/0774 ·

   PKN.70*0»

   ■ ■- 5h - 25.6.1h.

   elektrischer Felder , die von diesen Elektroden in der Oberflächenschicht erzeugt werden können, gegen angrenzende Teile der Oberflächenschicht isoliert werden kann» 11. Ladungsgekoppelte Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet_s dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe zwischen der zu den isolierenden Mitteln gehörigen Zwischenelektrode und der ebenfalls zu den isolierenden Mitteln gehörigen Isolierzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein Spannungsimterschied angelegt wird, bei dem Minoritäts— ladungsträger von dear Abflusszone zu der Isolierzone, und zwar an der Stelle der genannten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Potentialmulden liegenden Potentialsperre in der Halbleiterschicht fliessen.

   12» Ladungsgekoppelte Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, mit deren Hilfe während des Transports der elektrischen Ladung durch die Halbleiterschicht an die Zwischenelektrode eine Spannung angelegt werden kann, wodurch die Potentialsperre in dem genannten Zwischengebiet zwischen der Halbleiterschicht und der Abflusszone erhöht und das Abfliessen von Majoritätsladungsträgern aus der Halbleiterschi cht void die Abflusszone verhindert wird, 13· Ladungsgekoppelte Anordnung nach einem oder mehrei-en der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht durch ein Oberflächengebiet vom ersten LeitfKhigUeit ctyp gebildet' wird., das an die genannt ο Oberfl äciie

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   - 55 » 25.6.7^. .

   des Halbleiterkörpers grenzt und das auf der gegenüberliegenden Seite über einen pn-Uebergang in ein Gebiet (weiter als Substrat bezeichnet) vom zweiten Leitfähigkeitstyp übergeht, wobei Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe während der Integrationsperipde oder wenigstens bevor die erzeugten Majoritätsladungsträger zu den genannten Auslesemitteln transportiert werden, wenigstens zeitweilig eine Spannung an das Elektrodensystem angelegt werden kann, wodurch in der Halbleiterschicht das Potential für Majoritäts· ladungsträger an der Stelle der Oberfläche ein Minimum aufweist, wodurch Minoritätsladungsträger, die unter dem Einfluss elektromagnetischer Strahlung in der Nähe der genannten Oberfläche erzeugt werden, über die Halbleiterschicht in das Substrat fliessen können.

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