DE2623541A1

DE2623541A1 - Bildaufnahmeanordnung

Info

Publication number: DE2623541A1
Application number: DE19762623541
Authority: DE
Inventors: Marnix Guillaume Collet; Johannes Gerrit Van Santen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1976-12-30
Also published as: MX157678A; IT1061529B; FR2314584A1; CA1065978A; SE7606438L; CH609490A5; GB1557238A; BR7603624A; AU1452676A; AU503110B2; NL180157C; SE414355B; JPS51150288A; DE2623541B2; US4724470A; JPS5615593B2; DE2623541C3; NL7506795A; ES448628A1; NL180157B

Description

PIIN-. 8044.

Va/EVII.

1.5.1976.

"Bildaufnahmeanordnung"

Die Erfindung besieht sich auf eine Bildaufnahmeanordnung zum Auffangen eines Strahlungsbildes und zur Umwandlung dieses Bildes in ein elektrisches Signal, die einen Halbleiterkörper mit einer an eine OberfISehe grenzenden Schicht von im wesentlichen dem einen Leitungs— typ enthält, in dem eine Reihe photoempfindlicher Elemente liegt, die je einfallende Strahlung absorbieren und in Ladungsträger umwandeln können, die während eines gewissen Zeitintervalls, das weiter als Halbbildzeit bezeichnet wird, in den photoempfindlichen Elementen gespeichert v/erden können, wobei die Halbleiterschicht mit Mitteln zum Auslesen der in den photoempfindlichen Elementen

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gespeicherten Ladungsträgex* versehen ist, welche Mittel ein Ladungsübertragungsregister mit einer Reihe von Elektroden enthalten, die auf der Oberfläche der Schicht angebracht und von der Schicht durch einen sperrenden Uebergang getrennt sind und die mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial eine Reihe von Kapazitäten bilden, in : denen die durch Generation von Ladungsträgern in den photoempfindlichen Elementen erhaltene Information in Form von Ladungspaketen weitergeschoben werden kann, wobei weiter Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe nach jedem Halbbildintervall die Ladungsträger in den photoempfindlichen Elementen in das Ladungsübertragungsregister eingeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein photoempfindliches Element, das sich zur Anwendung in einer Bildaufnahmeanordnung der obenbeschriebenen Art eignet,

Auf dem Ladungsübertragungsprinzip basierende Bildaufnahmeanordnungen sind allgemein bekannt. Derartige Anordnungen können statt mit Hilfe eines Elektronenstrahls auch dadurch elektrisch ausgelesen werden, dass die Ladungspakete, die Informationen über die Menge örtlich absorbierender Strahlung enthalten, schrittweise durch das Register geschoben und sequentiell am Ausgang des Registers ausgelesen werden. Das Ladungsübertragungsregister kann z»B. durch ein sogenanntes Eiraerkettenregister

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oder durch eine ladungsgekoppelte Anordnung gebildet werden. Bildaufnahmeanordnungen der eingangs beschriebenen Art, in denen die photoempfindlichen Elemente und das Ladungsübertragungsregister, voneinander getrennt sind, werden auch als Bildaufnahmeanordnungen vom "Interline"-Typ (Zwischenzeilentyp) bezeichnet; eine Matrixstruktur dieses Typs enthält eine Anzahl von Zeilen photoempfindlicher Elemente mit zwischen den jeweiligen Zeilen einem zugehörigen Ladungsübertragungsregister· Diese Anordnungen unterscheiden sich von einem anderen Typ von Bildaufnahmeanordnungen, in denen die Funktionen von Ladungsübertragung und eines photoempfindlichen Elements nicht getrennt sind, sondern in denen das Ladungsübertragungsregister zugleich die phot ο empfind Ii ch en Elemente liefert. Trennung dieser/ Funktionen weist jedoch mehrere Vorteile auf; insbesondere ist es in einer Bildaufnahmeanordnung vom "Interline"-Typ möglich, genau definierte Integrationszeiten dadurch zu erzielen, dass nach jeder Halbbildzeit die in den photoempfindlichen Elementen gespeicherten Ladungspakete gleichzeitig für das Auslesen in das Ladungsübertragungsregister eingeführt werden, das gegen Strahlung abgeschirmt sein kann· Ausserdem können die Parameter der photoempfindlichen Elemente und des Ladungsübertragungsregisters unabhängiger voneinander gewählt werden, was im Zusammenhang mit einer günstigen Wirkung der Anordnung sehr vorteilhaft sein kann.

Ln kann.

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Trotzdem tritt auch in Bildaufnahmeanordnungen dieses Typs oft der Nachteil auf, dass die Möglichkeiten in bezug auf die Wahl der Parameter insbesondere dear photoempfindlichen Elemente.manchmal noch zu beschränkt sind, um eine optimale Wirkung der Anordnung zu erzielen. So ist es z.B. bekannt, photoempfindliche Elemente mit einer isolierten Gate-Elektrode auf der Oberfläche des Kb'rpers anzuwenden, die gegen das Halbleitermaterial durch eine zwischenliegende Isolierschicht aus z.B. Siliziumoxid.isoliert ist. Mit Hilfe dieser isolierten Gate-Elektrode kann in dem darunterliegenden Halbleitergebiet ein Verarmungsgebiet induziert werden, in oder nahe bei dem durch Absorption von Strahlung Ladungsträger erzeugt und gespeichert werden können. Die Empfindlichkeit einer derartigen Anordnung kann aber im Falle von Beleuchtung über die genannte Oberfläche durch die isolierte Gate-Elektrode beeinträchtigt werden. Bei Anwendung-einer Metallschicht als isolierte Gate-Elektrode soll diese Metallschicht im allgemeinen sehr dünn sein, weil sie sonst für Strahlung undurchlässig wird. Das Anbringen dünner Metallschichten erfordert oft einen zusätzlichen . Verfahrensschritt während des Herstellungsvorganges.

Verwendung von Halbleitermaterial, z.B. polykristallinen! Silizium, statt Metall hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit der Anordnung für ein grosses Gebiet

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des Spektrums verbessert werden kann. Dadurch, dass jedoch der Absorptionslcoeffizient von Silizium für Strahlung kürzerer Wellenlänge verhältnisraässig hoch ist, ist diese Verbesserung für blaues Licht nur gering.

Absorption (und/o'der Reflexion) durch die isolierten Elektroden kann durch Bestrahlung auf der Rückseite des Halbleiterkörpers verhindert werden. Dazu ist jedoch meist ein zusätzlicher Schritt während des Herstellungsvorgangs erforderlich, durch den (wenigstens stellenweise) der Halbleiterkörper auf der Rückseite über einen derartigen Abstand, z.B. mittels Aetzung entfernt wirdj dass einfallende Strahlung bis in das Verarmungsgebiet oder wenigstens bis in die Nähe dieses mit Hilfe der isolierten Elektroden induzierten Verarmungsgebietes eindringen kann.

Statt photoempfindlicher Elemente mit isolierten Elektroden können auch photoempfindliche Dioden in Form von Zonen vom zweiten dem der Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitungstyp verwendet werden, die mit der Halbleiterschicht photοempfindliehe pn-Uebergänge bilden, wie bei einem Silizium-Vidikon üblich ist. Die Dioden können dadurch elektrisch aufgeladen werden, dass über den pn-Uebergangen eine Spannung in der Sperrichtung angelegt wird, wonach sie durch Absorption einfallender Strahlung entladen werden können, wobei Ladungsträger erzeugt werden, die Information über die (örtliche) Intensität der Strahlung erteilen können.

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Photodioden weisen aber den Nachteil auf, dass ihre LadungsSpeicherkapazität oft verhältnismässig gering ist, d.h.», dass in den Dioden weniger Ladung gespeichert werden kann als mit Rücksicht auf das Ladungsübertragungs— register erwünscht wäre. Die wichtigste Ursache davon ist, dass die elektrische Feldstärke über eine Isolierschicht, z.B. aus Siliziumoxid, die in den meisten Fällen für den Durchschlag im Ladungsübertragungsregister entscheidend ist, im allegemeinen grosser als die Feldstärke im Halbleitermaterial selber sein kann; Lawinenvervielfachung in dem Halbleitermaterial tritt im allgemeinen beröits bei verhältnismässig niedrigen Feldern auf, wodurch die günstige Wirkung der verhältnismässig grossen Dielektrizitätskonstante auf die Diodenkapazität völlig beseitigt wird.

Vergrösserung der LadungsSpeicherkapazität der Photodioden durch Vergrösserung der Oberfläche der ρη-Uebergänge führt häufig zu einer unerwünschten Herabsetzung des Auflösungsvermögens der Bildaufnahmeanordnung und/oder zu einer unerwünschten Vergrösserung des Halbleiterkörpers.

Die vorliegende Erfindung bezweckt u.a., eine Bildaufnahmeanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, deren Empfind Ii chic ei t auch für kurzwelliges Licht verhältnismässig gross ist und die eine verhältnismässig grosse LadungsSpeicherkapazität aufweist, wodurch die Anordnung auch bei grösseren Intensitäten der einfallenden

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Strahlung noch mit Vorteil ohne Verlust von Information verwendet werden kann.

Ausserdem bezweckt die Erfindung, ein photoempfindliches Element anzugeben, das sich zur Anwendung in einer derartigen Bildaufnahmeanordnung eignet» und das eine verhältnismässig grosse Empfindlichkeit für kurzwelliges Licht (Blau) mit einer verhältnismässig grossen LadungsSpeicherkapazität kombiniert.

Die Erfindung gründet sich u.a. auf die Erkenntnis, dass die zwei Hauptfunktionen des photoempfindlichen Elements ~ und zwar die Erzeugung von Ladungsträgern und die Speicherung der erzeugten Ladungsträger - voneinander getrennt werden können und dass, indem das photoempfindliche Element in einzelne Teilelemente für jede der genannten Funktionen aufgespaltet wird, das photoempfindliche Element optimaler entworfen und/oder betrieben werden kann als photoempfindliche Elemente, in denen diese Funktionen nicht voneinander getrennt sind.

Daher ist eine Bildaufnahmeanordnung der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung.dadurch gekennzeichnet, dass die photoempfindlichen Elemente je eine Photodiode mit einer an die Oberfläche des Körpers grenzenden Oberflächenzone vom zweiten dem genannten einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp, die mit der Halbleiterschicht vom einen Leitungstyp einen photοempfindlichen pn-Uebergang

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bildet, sowie eine angrenzende Gate-Elektrode in Form einer leitenden Schicht enthalten, die auf* der Oberfläche angebracht vaxd von dem Halbleitermaterial durch eine zwischenliegende Isolierschicht getrennt ist und mit dem darunterliegenden Material der Halbleiterschicht eine Kapazität bildet, in der Ladungsträger, die beim Betrieb durch Absorption von Strahlung in der Photodiode erhalten werden, in dem Halbbildintervall gespeichert werden können, bevor sie in das Ladungsübertragungsregister eingeführt werden. Dadurch, dass die Photodioden im wesentlichen wenigstens nur noch zum Absorbieren von Strahlung und zur damit gepaarten Erzeugung von Ladungsträgern dienen, während die Speicherung dieser Ladungsträger im wesentlichen in dem an die Photodiode grenzenden Gebiet unter der isolierten Gate-Elektrode stattfindet, wird einerseits die Ladungsspeicherkapazität der photoempfindliehen Elemente nicht durch Durchschlagerscheinungen in den Photodioden beschränkt, während die Empfindlichkeit der Anordnung andererseits nicht durch die isolierte Gate-Elektrode verringert wird.

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 linienförmigen Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

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

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

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

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweidimensionalen Ausführungsform einer Bildaufnahmeanordnung nach der Erfindung,

Fig» 6 einen Querschnitt längs der Linie VI-VI durch diese Anordnung,

Fig. 7 einen Querschnitt längs der Linie VII-VII durch die Anordnung nach Fig. 51

Fig. 8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII durch die Anordnung nach Fig. 5» vxLd

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine linienförmige Bildaufnahmeanordnung oder einen Zeilensensor nach der Erfindung zum Auffangen eines zellenförmigen Strahlungsbildes und zur Umwandlung dieses Bildes in ein elektrisches Signal. Das Strahlungsbild, das über der Oberseite der Anordnung eingefangen werden kann, ist im Querschnitt nach Fig. 2 schematisch durch die Pfeile t angegeben. Die Anordnung enthält einen Siliziumhalbleiterkörper 2, aber dieser Körper kann statt aus Silizium auch aus anderen geeigneten Halbleitermaterialien bestehen.

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Der Körper 2 enthält eine an die Oberfläche 3 grenzende Schicht 4, die im wesentlichen η-leitend ist.

In der Schicht 4 ist eine Reihe 5 photoempfindlicher Elemente angeordnet _% die je einfallende Strahlung absorbieren und in Ladungsträger umwandeln können, die während einer Integrationszeit oder Halbbildzeit in den photoempfindlichen Elementen in Form von Ladungspaketen gespeichert werden können, bevor sie ausgelesen werden.

Zum Auslesen ist die Schicht 4 mit Auslesemitteln versehen, die u.a. ein Ladungsübertragungsregister 6 enthalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dieses Ladungsübertragungsregister durch eine ladungsgekoppelte Anordnung mit Massentransport (bulk transport) gebildet, die in der Literatur auch als PCCD oder als BCCD bezeichnet wird. Naturgemäss können auch andere Typen von Ladungsübertragungsregistern, wie Eimerkettenspeicher oder ladungsgekoppelte Anordnungen mit Oberflächentransport, verwendet werden. Das Ladungsübertragungsregister enthält eine Reihe von Elektroden 8, 9 voasl 10, die auf einer auf der Oberfläche 3 des Körpers 2 liegenden Isolierschicht 7 angebracht sind, die die Elektroden von dem unterliegenden Halbleitermaterial trennt.

Es sei bemerkt, dass die Elektroden 8 und 9 tatsächlich durch die hervorragenden Teile zweier kararnförmiger Elektrodenstrukturen gebildet werden, deren

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streifenfSrmige Basisteile, die die Elektroden miteinander verbinden, der Deutlichkeit halber ebenfalls mit den Bezugsziffern 8 bzw. 9 bezeichnet sind. Die Elektroden 10, die nachstehend noch. näher beschrieben werden, werden, durch eine einzige streifenförmige leitende Schicht gebildet, die sich über wenigstens praktisch die ganze Oberfläche des Ladungsubertragungsregisters erstreckt. Ferner sei bemerkt, dass die annahmeweise durchsichtige Isolierschicht die gewöhnlich aus Siliziumoxid besteht, aber die auch aus anderen Materialien hergestellt sein kann., der Deutlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt ist;

Die Elektroden 8, 9» 10 bilden mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial der Halbleiterschicht h eine Reihe von Kapazitäten, über die die in den photoempfindlichen Elementen 5 durch Erzeugung von Ladungsträgern erhaltene Information in Form von Ladungspaketen zu dem Ausgang 11 weitergeschoben werden kann, an dem die Ladungspakete sequentiell ausgelesen und in ein Videosignal umgewandelt werden können.

Die Bildaufnahmeanordnung nach dem vorliegenden AusfUhrungsbeispiel gehört daher zu dem Typ von Sensoren, in denen die photoempfindlichen Elemente (lateral) von dem Ladungsübertragungsregister getrennt sind. Dieser Typ von Bildaufnahmeanordnungen weist im Vergleich zu ■ Bildaufnahmeanordnungen, in denen das Ladungsübertragungsregister

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zugleich, die photοempfindlichen Elemente liefert, wesentliche Vorteile auf, u.a. den Vorteil, dass nach jeder Halbbildzeit die Ladungspakete in das Ladungsübertragungsregister eingeschoben und damit gegön einfallende Strahlung 1 beim Auslesen abgeschirmt werden können. Zu diesem Zweck sind die Elektroden in Form eines langgestreckten Streifens ausgebildet, der praktisch, die ganze Oberfläche des Ladungstibertragungsregisters bedeckt. Mit Vorteil kann dabei der Streifen 10 aus einem reflektierenden Material, z.B. Aluminium, hergestellt sein.

Nach der Erfindung enthalten die photoempfindlichen Elemente der Reihe 5 je eine Photodiode mit einer an die Oberfläche 3 grenzenden p-leitenden Oberflächenzone:i 12, die mit der η-leitenden Halbleiterschicht Λ einen photoempfindlichen pn-Uebergang 13 bildet. Ausserdem enthalten die photoempfindlichen Elemente je eine Gate-Elektrode 14, die auf der auf der Oberfläche 3 liegenden Isolierschicht angebracht ist und neben der entsprechenden Photodiode liegt, und wenigstens auf die Oberfläche 3 gesehen, an diese Diode grenzt. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Gate-Elektroden 14 als ein-^ununterbrochener langgestreckter Streifen aus leitendem Material ausgebildet, aber es leuchtet ein, dass die Gate-Elektroden Ik auch in Form einer Anzahl voneinander getrennter Schichten aus einem leitenden Material angebracht werden können.

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Die Gate-Elektroden 14 bilden zusammen mit dem darunterliegenden Material der Halbleiterschient k eine Reihe von Kapazitäten, in denen Ladungsträger, die durch Absorption von Strahlung in und/oder nahe bei den pn-Uebergangen 13 erhalten werden, währendiides Halbbildintervalls gespeichert werden können, bevor sie zu der Ladungsübertragungsa-nordnung befördert werden.

Die p-leitenden Zonen 12 sind mit einem elektrischen Anschluss 15» 16 versehen, während die Gate-Elektrode(n) 14 mit einem elektrischen Anschluss 17 versehen ist (sind). Ueber diese Anschlüsse können an die Zonen 12 und an die Gate-Elektroden 14 - unabhängig voneinander - Spannungen angelegt werden, die mit Rücksicht auf eine befriedigende Wirkung der Anordnung erwünscht sind, "Wie aus den Figuren hervorgeht, sind die p-leitenden Oberflächenzonen 12 nicht mit je einem gesonderten Anschluss, sondern mit einem allen Zonen 12 der Reihe 5 gemeinsamen Anschluss versehen. So bildet ebenfalls der Anschluss 7 einen den Gate-Elektroden 14 gemeinsamen Anschluss.

Der gemeinsame Anschluss 15» 16 der p-leitenden Oberflächenzonen \vurd durch ein angrenzendes p-leitendes Oberflächengebiet 15 gebildet, das sich von der Oberfläche bis zu der der Oberfläche 3 gegenüber liegenden Seite der Schicht h erstreckt. Auf dieser Seite ist das p-leitende Gebiet mit dem p-leitenden Teil 16 (weiter als Substrat

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bezeichnet) des Halbleiterkörpers verbunden, das mit der η-leitenden Halbleiterschicht 4 den pn-Uebergang 18 bildet und mit dem p-leitenden Oberflächengebiet 15 einen Teil des elektrischen Anschlusses 151 16 der p-leitenden Oberflachenzonen 12 bildet..

Die Ladungsspeichergebiete der photoempfindliehen Elemente werden durch die Teile der Halbleiterschicht 4 gebildet, die unter den p-leitenden Oberflächenzonen 12 und der angrenzenden Gate-Elektrode 14 liegen« Dazu sind die Dicke und die Dotierungskonzentration der Halbleiter·- schicht 4 an der Stelle der Photodioden 12 und der Gate-Elektroden i4 derart niedrig gewählt, dass Verarmungsgebiete gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke der Halbleiterschicht 4 erstrecken und Ladungsspeicherräume für Elektronen bilden.

Das Gebiet 15 bildet ausserdem eine laterale Begrenzung der photοempfindliehen Elemente. Die gegenseitige Begrenzung zwischen den photoempfindlichen Elementen wird durch die sich von dem Gebiet 15 her lateral in der Schicht 4 erstreckenden p-leitenden Finger 19 gebildet, die sich von der Oberfläche 3 her ebenfalls bis zu dem Substrat 16 erstrecken. Die Pinger Λ^ erstrecken sich von dem Gebiet 15 her unterhalb der Gate-Elektroden bis zu dem Ladungsübertragungsregister 6. Die Ladungsspeicherstellen unter den Gate-Elektroden 14 - die vorzugsweise

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zwischen den Pliotodioden 12 und dem LadungsUbertragungsregister liegen, um eine möglichst gedrängte Struktur in der Längsrichtung der Zeile zu erhalten — werden ebenfalls voneinander durch die p-leitenden Finger 1° getrennt.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Anordnung nach dem vorliegenden Beispiel weist das Halbleitersubstrat eine Dicke von .etwa 250 /um und eine Dotierungskonzentration

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von et^ra 2.10 Atomen/cm auf. Die übrigen Abmessungen sind annahmeweise genügend gross, um die Anordnung völlig enthalten zu können. Die η-leitende Halbleiterschicht h wird in diesem besonderen Beispiel durch eine auf dem Substrat 16 niedergeschlagene epitaktische Schicht mit einer Dicke von etwa 2 /um und einer Dotierungskonzentration von etwa 10 Atomen/cm gebildet. Statt durch Epitaxie könnte eine derartige Schicht naturgemäss auch durch Ionenimplantation geeignet ei" Atome, z.B. von Arsen, in dem Substrat 16 erhalten werden.

Das p-leitende Gebiet 15» dessen Dotierungskonzentration nicht kritisch ist, kann durch Diffusion · von Boratomen von der Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 her erhalten werden. Zugleich mit dem p-leitenden Gebiet kann das p-leitende Isoliergebiet 20 derart diffundiert werden, dass es einen Teil - der lateralen Begrenzung des Ladungsübertragungsregisters bildet.

Die p-leitenden Oberflächenzonen 12 können z.B.

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durch Implantation einer p-leitenden Verunreinigung in der epitaktischen Schicht K mit einer Implantationsdosis

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von etwa 10 Atomen/cm und einer Implantationstiefe von etwa 0,3/um erhalten werden. Ebenfalls durch Ionenimplantation kann in der Ladungsttbertragungsanordnung die Dotierungskonzentration des Oberflächengebietes 21 der epitaktIschen Schicht h an der Oberfläche 3 mit einer Implantations-

12 2

dosis von etwa 2 . 10 Atomen/cm und einer Implantationstiefe von etwa 0,3 /um erhöht werden. Das stärker dotierte Gebiet 21 erstreckt sich, wie aus Fig. 4 hervorgeht, längs praktisch der ganzen Oberfläche des Ladungsübertragungsregisters und dient, wie u.a. in der DT-OS 2k 12 699 beschrieben ist, zur Erhöhung der Speicherkapazität der ladungsgekoppelten Anordnungen» In Fig. 1 ist das höher dotierte Gebiet 21 mit gestrichelten Linien angedeutet.

Die isolierende Siliziumoxidschicht 7 weist eine Dicke von etwa 0,1 /um auf. Die Elektroden 14, 9 und werden durch die Schichten aus dotiertem polykristallinem Silizium gebildet, die nacheinander angebracht und auf Übliche Weise durch photolithographisches-Aetzeirrgemäss einem Muster bearbeitet werden. Die gegenseitige Isolierung der unterschiedlichen Teilschichten wird durch Siliziumoxid gebildet, das durch teilweise Oxidation der polykristallinen Siliziumschichten erhalten ist. Die Elektrode 10 des Ladungstibertragungsregisters wird durch

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eine Aluminiums chi clvt gebildet. Zugleich mit dieser Elektrode können auch Kontakte, wie z.B. der Ausgangskontakt 11 (siehe Fig. 4) angebracht werden.

Beim Betrieb wird das Substrat z.B. an ein Bezugspotential, z.B. Erde (θ V) gelegt, während an die epitaktische Schicht 4 über den Ausgangskontakt 11 eine Spannung von etwa 16 V angelegt wird und an die Elektroden 8, 9 und 10 der ladungsgekoppelten Anordnung Taktspannungen angelegt werden, die zwischen 1,5 V und -8 V variieren. An die Elektroden 14 werden Taktspannungen angelegt, die zwischen 11 V und 1,5 V variieren.

Bei diesen Spannungen wird das ganze Gebiet

der epitaktischen Schicht 4, das von den photoempfindlichen Elementen und von dem LadungsUbertragungsregister bestrichen wird, erschöpft werden, d.h., dass ohne Erzeugung von Elektronen praktisch alle in diesem Gebiet vorhandenen Elektronen über den Ausgangskontakt 11 abgeführt werden, Während der sogenannten Integrationsperxode oder Halbbildperiode wird an die Elektrode 14 eine Spannung von etwa +11 V angelegt, während an die p-leitenden Zonen 12 über die p-leitenden ZonenJ.15 und das p-leitende Substrat 16 eine Spannung von 0 V angelegt wird. Unter den p-leitenden Zonen 12 und den Elektroden 14 wird ein Potentialmvister (für Elektronen) erhalten, das in Fig. 2 mit gestrichelten Linien 22 angegeben ist und das

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ein Minimum 23 unter der Gate-Elektrode 14 aufweist. Die Strahlung 1 fällt auf die Photodioden 12 ein und erzeugt in. der Nähe der gesperrten pn-TTebergänge 13 Loch—Elektron—Paare. Dadurch} dass über den Zonen 12 keine Elektroden vorhanden sind, ist auch die Empfindlichkeit für Licht geringerer Wellenlänge (blaues Licht) verhältnismässig gross· Von den erzeugten Elektron-Loch—Paaren werden die Löcher zu den p-leitenden Zonen 12 und 15 und/oder zu. dem Substrat 16 abgeführte Die erzeugten Elektronen können in den Potentialsenken 23 zu den Zonen gesammelt werden. Die LadungsSpeicherkapazität unter

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den Elektroden lh beträgt etwa 10 Elektronen/cm und ist erheblich grosser als die LadungsSpeicherkapazität unter den p—leitenden Zonen 12, die etwa nur 2 . 10 Elek-

tronen/cm beträgt. Die Anordnung kombiniert daher eine grosse Lichtempfindlichice it mit einer grossen Ladungskapazität pro Oberflächeneinheit dadurch, dass die Funktionen von Absorption von Strahlung und Speicherung von Ladungsträgern voneinander getrennt werden.

Nach der Halbbildperiode kann die Spannung an den Elektroden 14 auf etwa +1,0 V herabgesetzt werden, während zugleich die Spannung an der nächstliegenden Elektrode der ladungsgekoppelten Anordnung, z.B. an der Elektrode 8 in Fig. 2, auf 1,5 V erhöht wird, während die übrigen Elektroden eine Spannung von -8,5 V aufweisen.

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Die Elektronen- die in den photoempfindlichen Elementen der Reihe 5 erzeugt und gespeichert sind, werden dann auf die ladungsgekoppelte Anordnung übertragen. Die LadungsSpeicherkapazität in dem Ladungsübertragungsregister pro Einheitszelle ist bei den angelegten Spannungen von der gleichen G-rössenordnung wie die der photoempfindlichen Elemente.

Durch das -übliche Ladungstransportverfahren können die in den unterschiedlichen phot ο empfindlichen Elementen erzeugten Elektronen paketweise zu dem Ausgang befördert und dort sequentiell ausgelesen werden. Der Ladungstransport erfolgt im wesentlichen in dem Inneren der Halbleiterschicht 4 und daher in einem endlichen Abstand von der Oberfläche 3, wodurch Verlust.an Information infolge von Oberflächenzuständen vermieden wird.

Es sei bemerkt, dass in der hier beschriebenen Anordnung das Ladungsübertragungsregister· 6 nur zum Auslesen der erzeugten Ladung dient und nicht selber die photοempfindlichen Elemente liefert. Dadurch ist es möglich, das Register 6 mit einer für Strahlung undurchlässigen Schicht zu überziehen, die in dem Äusfuhrungsbeispiel durch die Elektrode 10 gebildet wird. Die Ladungspakete, die nach der Halbbildperiode in das Register 6 eingeschoben werden, können mit Vorteil beim Auslesen gegen Strahlung 1 abgeschirmt werden. Eine

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"Verschmierung" zwischen den Ladungspaketen während des Auslesens wird dadurch in diesem Typ von Bi ldaufnahine anordnungen wenigstens grösstenteils vermieden.

Wie bereits bemerkt wurde, ist die hier beschriebene Anordnung ein Zeilensensor zum Auffangen eines zellenförmigen Strahlungsbildes. Um die Gedrängtheit der Anordnung in der Längsrichtung der Zeile möglichst gross zu machen, sind die Photodioden 12 und die zugehörigen Gate-Elektroden in einer' Richtung quer zu der Längsrichtung der Zeile nebeneinander derart angeordnet, dass die Gate-Elektroden 14 zwischen den Dioden 12 und der Ladungsübertragungsanordnung 6 liegen.

Die Anordnung nach dem vorliegenden Ausführungs~ beispiel kann zu einem zweidimensionalen Bildsensor dadurch erweitert werden, dass einfach eine Anzahl der hier dargestellten Zeilensensoren nebeneinander angebracht werden. Eine derartige Anordnung bietet wesentliche Vorteile, u.a. in jenen Fällen, in denen die Anzahl von Bildpunkten in der Längsrichtung der Zeilen grosser als in der Richtung quer zu der Längsrichtung ist.

In jenen Fällen, in denen die Anzahl von Bildpunkten in der genannten Längsrichtung kleiner als oder sogar von derselben Grössenordnung wie die Anzahl von Bildpunkten in der anderen Richtung ist, ist es zu bevorzugen, die Anordnung in der genannten anderen Richtung

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möglichst gedrängt zu machen. An Hand der Fig. 5 bis 8 wird ein Ausführungsbeispiel eines zweidimensionalen Bildsensors nach der Erfindung, in dem die Dichte von Bildpunlcten in einer Richtung quer zu der Längsrichtung der Zeilen grosser als in dem Zeilensensor nach dem ersten Ausführungsbeispiel sein kann. Der Einfachheit halber sind in diesem Ausführungsbeispiel entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffem wie im ersten Ausführungsbeispiel versehen.

Die Anordnung enthält eine Anzahl praktisch

paralleler Reihen oder Zeilen 5 photoempfindlicher Elemente, die ein zweidimensionales Mosaik bilden. In Fig. 5» die eine Draufsicht auf einen Teil der Anordnung ist, sind zwei dieser Reihen dargestellt. Mit Hilfe dieses Mosaiks photoempfindlicher Elemente kann ein zweidimensionales Strahlungsbild 1 in ein zweidimensionales Muster von Ladungspaketen umgewandelt werden, die je ein Mass für die Intensität der Strahlung sind, die während einer gewissen Zeit, der Halbbildzeit, örtlich auf die Anordnung einfällt. Zum Auslesen dieser Ladungspakete sind in der Halbleiterschicht 4 zwischen den Reihen photοempfindlicher Elemente eine Anzahl von Ladungsübertragungsre'gistern derart angeordnet, dass neben jeder Zeile 5 photoempfindlicher Elemente ein zugehöriges Ladungsübertragungsregister 6 liegt,

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Die photoempfindlichen Elemente enthalten, wie in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, je eine Photodiode in Form einer in der epitaktischen n-leitenden Schicht 4 angebrachten p-leitenden Oberflächenzone 12 und eine angrenzende isolierte Gate-Elektrode 14, die sich neben der p-leitenden Zone 12 und auf der die Oberfläche bedeckenden isolierenden Oxidschicht 7 befindet. Der Deutlichkeit halber ist die Oxidschicht 7 in der Draufsicht nach Fig. 5 nicht dargestellt, während die p-leitenden Zonen 12 wieder mit gestrichelten Linien in dieser Figur angedeutet sind. Die p-leitenden Zonen 12 sind wieder mit elektrischen Anschlüssen in Form p-leitender Oberflächengebiete 15 versehen, die sich von der Oberfläche der epitalctischen Schicht 4 bis zu dem p-leitenden Substrat 16 erstrecken, Ueber das Substrat 16 kann an die p-leitenden Zonen 12 eine geeignete Spannung, z.B. Erdpotential, angelegt v/erden.

Wie aus der Draufsicht nach Fig. 5 und aus dem Schnitt nach Fig. 8 hervorgeht, sind die isolierten Gate-Elektroden 14 nicht, wie bei dem Zeilensensor nach dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, neben den Photodioden 12, sondern zwischen den Photodioden 12 gelegen, wodurch die gegenseitigen Abstände der Reihen 5 photoempfindlicher Elemente mit Vorteil verhältnismässig klein sein können.

Die Ladungsübertragungsregister 6, die aus

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ladungsgekoppelten Anordnungen mit Massentransport bestehen, sind praktisch mit der ladungsgekoppelten Anordnung 6 bei dem Sensor nach dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel identisch.

Die Elektroden, die mit 10 bezeichnet sind, erstrecken sich je quer über die Oberfläche des ladungsgekoppelten Anordnungen und schirmen die ladungsgekoppelten Anordnungen gegen die Strahlung 1 ab. Die Elektroden 10 können ausserhalb des in den Figuren gezeigten Teiles miteinander verbunden sein. Die Elektroden 8 und 9 erstrecken sich je streifenförmig in einer Richtung quer zu den Ladungstransportrichtungen über den Halbleiterkörper 2 und bilden gemeinsame Elektroden für die Anzahl ladungsgekoppelter Anordnungen 6. Wie aus der Draufsicht nach Fig. 5 hervorgeht, weisen die Elektroden 8 Verjüngungen an der Stelle der photoempfindlichen Elemente 12 auf, ■wodurch in dem Leitermuster an der Stelle der p-leitenden Zonen 12 Oeffnungen erhalten werden, über die einfallende Strahlung bis in das Halbleitermaterial eindringen kann»

Beim Betrieb können an die verschiedenen Zonen und Elektroden die gleichen Spannungen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel angelegt werden. In Fig. 8 ist mit der gestrichelten Linie Zk das Potentialmuster, das in der Halbleiterschicht k an der Stelle einer Zeile photoempfindlicher Elemente gebildet wird, schematisch

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angegeben. Die Potentialminima 25 unter den Gate-Elektroden 14 bilden Speicherräume für Elektronen, die in und/oder nahe bei den p-leitenden Zonen 12 erzeugt werden. Nach der Integrationsζext werden die in den Potentialminima 25 gesammelten Ladungspakete gleichzeitig auf die zugehörige ladungsgekoppelte Anordnung übertragen. Auf an sich bekannte Weise können die Ladungspakete dann über die ladungsgekoppelten Anordnungen zu Auslesegliedern weitergeschoben werden. Diese Ausleseglieder können u.a. eine weitere Ladungstransportvorrichtung 6 enthalten, die schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Die Vorrichtungen sind je elektrisch mit dem Register 26 verbunden, was schematisch mit den Pfeilen 27 angegeben ist, welche Verbindungen mit Hilfe der Elektroden 10 gesteuert werden können, Ueber die Verbindungen 27 können Ladungspakete von den Vorrichtungen 6 gleichzeitig auf das Register tibertragen und dann durch das bekannte Ladungstibertragungsverfahren zu dem Ausgang 28 transportiert und dort sequentiell ausgelesen werden. Wenn alle Ladungspakete ausgelesen sind, kann eine nächstfolgende Reihe von Ladungspaketen von den Vorrichtungen. 6 auf die Vorrichtung übertragen und dann ausgelesen werden.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die hier gegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den

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Fachmann noch viele Abwandlungen möglich sind.

Die elektrischen Anschlüsse der p-leitenden. Zonen 12 können statt einer ohmschen Verbindung mit den p—leitenden Oberflächengebieten 15 und dem p-leitenden Substrat 16 auch einen gleichrichtenden Uebergang enthalten,

Fig. 9 zeigt eine solche Anordnung im Schnitt. Diese Anordnung entspricht grösstenteils der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel und ist daher der Einfachheit halber wieder mit den gleichen Bezugsziffern versehen« Ein wichtiger Unterschied mit der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die p-leitenden Oberflächenzonen 12 nicht mehr mit den p—leitenden Gebieten 15 verbunden, sondern von diesen Gebieten lateral getrennt und naturgemäßs auch von den hier nicht dargestellten p-leitenden Fingern 19 getrennt sind. In jeder p-leitenden Zone 12 ist ein n-leitendes Oberflächengebiet 31 angebracht, das mit einem Kontakt zum Anlegen einer geeigneten Spannung versehen ist. Das η-leitende Gebiet 31» das einen gleichrichtenden pn-Uebergang 30 mit der p-leitenden Zone 12 bildet, kann als der Emitter eines Phototransistors betrachtet werden, dessen Basis durch die p-leitende Zone 12 und dessen Kollektor durch das unterliegende Gebiet der epitaktischen Schicht h gebildet wird. Beim Betrieb kann bei einfallender Strahlung der Uebergang 30 proportional zu der Menge

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einfallender Strahlung Elektronen injizieren. Diese injizierten Elektronen können auf die bereits beschriebene ¥eise unter der Gate-Elektrode 14 gesammelt werden. Eine derartige Struktur weist den Vorteil auf, dass die durch. Absorption von Strahlung erzeugten Elektronen um den Verstärkungsfaktor des Transistors verstärkt werden, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung beträchtlich vergrossert wird,

¥eiter können die Leistungstypen der verschiedenen Zonen und Gebiete umgekehrt werden. Auch können statt ladungsgelcoppelter Anordnungen mit Massentransport ladungs— gekoppelte Anordnungen mit Oberflächentransport verwendet werden, wobei statt durch Elektronen die datenhaltigen Ladungspakete durch erzeugte Löcher gebildet werden können. Statt ladungsgekoppelter Anordnungen können auch Ladungsübertragungsregister vom Eimerkettenspeichertyp Anwendung finden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1 . Bildaufnahmeanordnung zum Auffangen eines Strahlungsbildes und zur Umwandlung dieses Bildes in ein elektrisches Signal, die einen Halbleiterkörper mit einer an eine Oberfläche grenzenden Schicht von im wesentlichen dem einen Leitungstyp enthält, in dem eine Reihe photoempfindlicher Elemente liegt, die je einfallende Strahlung absorbieren und in Ladungsträger umwandeln können, die während eines Halbbildzeitintervalls in den photoempfindlichen Elementen gespeichert werden können, wobei die Schicht mit Mitteln zum Auslesen der in den photoempfindlichen Elementen gespeicherten Ladungsträger versehen sind, welche Mittel ein Ladungsübertragungsregister mit einer Reihe von Elektroden enthalten, die auf der Oberfläche der Schicht liegen, von der Schicht durch einen sperrenden TJebergang getrennt sind und mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial eine Reihe von Kapazitäten bilden, in denen die in den photοempfindlichen Elementen durch Erzeugung von Ladungsträgern erhaltene Information in Form von Ladungspaketen zu einem Ausleseglied weitergSschoben werden kann, wobei weiter Mittel vorgesehen sind--i-mit deren Hilfe nach jedem Halbbildzeitintervall die Ladungsträger von den photoempfindlichen Elementen in das Ladungsübertragungsregister eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die photοempfindliehen Elemente je eine Photodiode mit

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einer an die Oberfläche des Körpers grenzenden Oberflächenzone vom zureiten dem einen Leitungsdiyp entgegengesetzten Leitungstyp, die mit der Halbleiterschient vom einen Leitungstyp einen photoempfindlichen pn-Uebergang bildet, sowie eine angrenzende Gate-Elektrode in Form einer leitenden Schicht enthalten, die auf einer auf der Oberfläche liegenden Isolierschicht angebracht und von dieser¹ Oberfläche durch diese zwischenliegende Isolierschicht getrennt ist und mit dem darunterliegenden Material der Halbleiterschicht eine Kapazität bildet, in der durch Absorption von Strahlung erhaltene Ladung in der Photodiode während des Halbbild-« zeitintervalls gespeichert werden kann, ehe sie in die Ladungsübertragungsanordnung eingeführt wird, 2» Bildaufnahmeänordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenzone und die Gate-Elektrode jedes der photoempfindlichen Elemente mit elektrischen Anschlüssen versehen sind.

3· Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp mit einem ersten gemeinsamen Anschluss versehen sind, während die Gate-Elektroden der photοempfindliehen Elemente mit einem zweiten gemeinsamen Anschluss versehen sind .

4. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und die Dotierungs-

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konzentration der Halbleiterschicht derart sind, dass in der Halbleiterschicht an der Stelle der Photodioden und der isolierten Gate-Elektroden Verarmungsgebiete gebildet werden können, die sich über die ganze Dicke der Halbleiterschicht erstrecken und Ladungsspeicherräume für Ladungsträger bilden, die Majoritätsladungsträger in Halbleitermaterial vom genannten Leitungstyp bilden.

5» Bildaufnahmeanordnung' nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht auf der der Oberfläche gegenüber liegenden Seite von einem Teil des Halbleiterkörper (waiter als Substrat bezeichnet) vom zweiten Leitungstyp begrenzt wird, der mit der Halbleiter· schicht vom einen Leitungstyp einen pn-Uebergang bildet.

6. Bildaufnahmeanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen Teil des gemeinsamen elektrischen Anschlusses der Oberflächenzonen vom zweiten Leitungstyp bildet.

7. Bildaufnahmeanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierten Gate-Elektroden, auf die Oberfläche gesehen, zwischen den Photodioden und dem Ladungsübertragungsregister liegen.

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8. Photoerapfxndliches Element, das sich zur Anwendung in einer Bildaufnahmeanordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche eignet und einen Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche grenzenden Gebiet vom einen Leitungstyp enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das . pho to empfindliche Element eine Photodiode in Form einer in dem Gebiet angebrachten Oberflächenzone vom zweiten Leitungstyp, die mit dem Gebiet vom einen Leitungstyp einen pho to empfind liehen pn-Uebergang bildet und mit einem elektrischen Anschluss versehen ist, sowie eine angrenzende Gate-Elektrode in Form einer leitenden Schicht enthält, die über dem Gebiet angebracht und von diesem Gebiet durch eine zwischenliegende Isolierschicht getrennt ist und mit dem unterliegenden Material des Gebietes eine Kapazität bildet, in der Ladungsträger, die in der Photodiode beim Betrieb erzeugt werden, gespeichert werden können«

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