DE69838026T2

DE69838026T2 - Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines optischen Signals mit Hilfe einer solchen Vorrichtung

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Publication number: DE69838026T2
Application number: DE69838026T
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokohama-shi Miida
Original assignee: Innotech Corp
Current assignee: Innotech Corp
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: EP0978878A3; CN1255870C; ATE366461T1; DE69838026D1; EP0978878B1; HK1024103A1; CN1241037A; US6512547B1; EP0978878A2; CN1495873A; KR20000010501A; US6051857A; HK1066100A1; CN1138306C; KR100309626B1; TW418533B

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine MOS-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit Schwellenwert-Modulation für die Anwendung in Videokameras, elektronischen Kameras, Bildeingabekameras, Scannern und Faxvorrichtungen und ein Verfahren zum Erfassen optischer Signale mittels solcher Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Halbleiter-Bildsensoren waren in den meisten Bildeingabevorrichtungen weit verbreitet, da sie mittels hochentwickelter Feinmuster-Verfahren in Massenproduktion erzeugt werden können. Insbesondere werden ladungsgekoppelte Bauelemente (nachfolgend als CCDs (charge coupled devices) bezeichnet) in verschiedenen Arten von Bildvorrichtungen wie Videokameras und Faxvorrichtungen verwendet, da sie eine hohe Fotoempfindlichkeit und niedrige Rauschpegel haben.
Es ist jedoch bekannt, dass CCDs Nachteile haben, so dass sie

(1) einen hohen Energieverbrauch und eine hohe Betriebsspannung erfordern;
(2) ein ziemlich kompliziertes Herstellungsverfahren erfordern und im Vergleich zu CMOS-Vorrichtungen kostspielig sind; und
(3) anders als CMOS-Vorrichtungen nicht einfach eine komplexe periphere Schaltung dafür aufnehmen können.

Wegen dieser zu lösenden Behinderungen von CCDs und wegen der jüngsten Verbreitung eines Bedarfs an Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen auf dem Markt, haben MOS-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen sehr viel Aufmerksamkeit erlangt. Zusätzlich hat der jüngste Fortschritt von Submikrometer-CMOS-Technologien die Durchführbarkeit der Herstellung von Submikrometer-Bildaufnahmevorrichtungen bewiesen.
Es sollte jedoch angemerkt werden, dass herkömmliche MOS-Bildsensoren gegenüber CCD-Bildsensoren im Leistungsverhalten minderwertig sind. Zum Beispiel haben MOS-Bildsensoren den Nachteil von willkürlichem Rauschen und Festmuster-Rauschen. Damit müssen diese grundsätzlichen Probleme überwunden werden, damit MOS-Bildsensoren verwendbar sind.
Andererseits hat die Mikrolinsen-Technologie die maßstabgerechte Verkleinerung einer fotoempfindlichen Fläche möglich gemacht. Verschiedene Feinfertigungs-Technologien (Mikro-Technologien) haben es möglich gemacht, einen integrierten Transistorverstärker zu entwerfen, der zwei oder drei Transistoren für jeden Pixel umfasst, so dass sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit einer MOS-Vorrichtung ergibt. Damit ist es durch die Anwendung einer solchen integrierten Schaltungstechnologie nun möglich, thermisches Rauschen (kTC-Rauschen), das in X oder Y-MOS-Schaltern erzeugt wird, und Festmuster-Rauschen auf Grund der strukturellen Ungleichförmigkeit der Bauelemente zu verringern.
Daher hat ein Typ von aktiven CMOS-Bildsensoren, die mit einem in jedem Pixel des Fotodetektionsteils mittels einer Mikro-Technologie gefertigten Transistorverstärker ausgerüstet sind, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Aktive CMOS-Bildsensoren erfordern keine spezielle Technologie. Das heißt, sie machen es möglich, durch gewöhnliche CMOS-Technologie periphere CMOS-Schaltungen und das lichtempfindliche Element auf dem einzelnen Chip einfach zu integrieren, so dass sie bei niedrigen Kosten hergestellt werden können. Zusätzlich haben sie den Vorteil, dass sie bei einer niedrigen Betriebsspannung arbeiten und weniger Energie verbrauchen.
Damit wird erwartet, dass CMOS-Bildsensoren in naher Zukunft eine wichtige Rolle in Einchip-Kameras spielen, die mit einer leistungsstarken Signalverarbeitungs-Schaltung ausgestattet sind.
Entwicklungen von aktiven CMOS-Bildsensoren werden in den folgenden Verweisen erörtert.

(1) Die frühen japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 60-140 752, 60-206 063 und 6-120 473 offenbaren Ladungs-Modulations-Vorrichtungen (charge modulation device – CMD). Eine CMD verwendet einen fotoempfindlichen Flächenwandler, der CCD-ähnliche Merkmale hat. Die Gate-Elektrode des MOS-Transistors hat einen Foto-Gate-Elektrodenaufbau, um seinen Füllfaktor zu erhöhen, der ein Verhältnis einer Lichtübertragungsfläche zu einer Gesamtfläche ist, die aus der Lichtübertragungsfläche und einer lichtabschirmenden Fläche besteht. Diese Vorrichtung ist angepasst, um einen Strom zu regeln, der durch den MOS-Transistor geführt wird, indem foto-erzeugte Ladungen in einer Oberfläche einer Si-Schicht unter der Foto-Gate-Elektrode des MOS-Transistors gespeichert werden.
(2) Die frühe japanische Patentveröffentlichung Nr. 64-149 959 offenbart eine Hauptvolumen-ladungsmodulierte Vorrichtung (bulk charge modulated device – BCMD) gemäß 1. In dieser Vorrichtung hat, ebenfalls um den Füllfaktor zu erhöhen, die Gate-Elektrode 7 des MOS-Transistors einen Foto-Gate-Elektrodenaufbau und enthält eine Schicht (nachfolgend als eine Ladungsspeicherschicht bezeichnet), zur Speicherung von foto-erzeugten Ladungen. Die Ladungsspeicherschicht ist in einer Quellen- bzw. Well-Schicht vom p-Typ 3 auf einer Schicht vom n-Typ 2 und unter der Foto-Gate-Elektrode 7 gemäß 1A ausgebildet. Es wird angemerkt, dass in diesem Beispiel die Ladungsspeicherschicht in der Well-Schicht vom p-Typ 3 unter dem Kanalbereich 9 ausgebildet ist, so dass das Einfangen der foto-erzeugten Ladungen auf Oberflächen-Einfang-Pegel in einem Schnittstellenteil zwischen der Schicht vom n-Typ 9 und einer Gate-Oxidschicht 6 in Kontakt mit der Schicht 9 unterdrückt wird. Infolgedessen kann das Rauschen, das durch die in den Oberflächen-Einfang-Pegeln eingefangenen, foto-erzeugten Ladungen verursacht wird, unterdrückt werden. Der MOS-Transistor gemäß 1A enthält außerdem ein Substrat vom p⁺-Typ 1, auf dem die Schicht vom n-Typ 2 ausgebildet ist, einen Source-Diffusionsbereich 4 und einen Drain-Diffusionsbereich 5, die auf der Well-Schicht vom p-Typ 3 an den beiden Seiten der Gate-Elektrode 7 ausgebildet sind, und eine Konstantstromquelle 8.
(3) Die frühe japanische Patentveröffentlichung Nr. 2-304 973 offenbart eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung vom Schwellenwertspannungs-Modulationstyp, die einen ringförmigen Gate-Elektrodenaufbau hat, in dem ein Source-Diffusionsbereich am Mittelteil ausgebildet ist, der von der ringförmigen Gate-Elektrode umgeben ist, wobei ein Drain-Diffusionsbereich so ausgebildet ist, dass er den Source-Diffusionsbereich und die ringförmige Gate-Elektrode umgibt. Der Drain-Diffusionsbereich erstreckt sich außerdem zum Licht-Detektionsteil und dient als eine stark dotierte, vergrabene Schicht für eine vergrabene Fotodiode. Dieses Beispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Foto-Abtastvorrichtung außerhalb des Transistors angeordnet ist und dass ein möglicherweise minimaler Bereich für Signalladungen zur Verfügung gestellt wird, der in einem Well-Bereich unter dem Kanalbereich liegt und sich längs der gesamten Länge des Kanalbereiches erstreckt, aber nur einen Teil der gesamten Kanalbreite einnimmt.

In dieser Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung treten die foto-erzeugten Ladungen, das heißt Elektronen-Loch-Paare, in der vergrabenen Fotodiode auf, indem sie mit Licht bestrahlt werden, wobei die Ladungen von einem Typ dieser Paare in der Fotodiode gespeichert werden und zu einer Substratvorspannung oder einer Änderung des Potenzials des Substrats führen. Die Vorspannung wird beim Regeln der Schwellenwertspannung des MOS-Transistors verwendet. Diese Bildaufnahmevorrichtung ist besonders nützlich, wenn die Lichtintensität schwach ist, wobei nur eine kleine Menge von Ladungen durch Licht erzeugt wird. Die foto-erzeugten Ladungen werden im möglicherweise minimalen Bereich gesammelt, um die Ungleichförmigkeit der Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung und das damit verbundene Festmuster-Rauschen zu unterdrücken.
Es verbleibt jedoch in CMD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen noch ein Problem des Zufallsrauschens. Das Zufallsrauschen wird durch das Einfangen oder Zerstreuen von foto-erzeugten Ladungen im Oberflächenbereich des Halbleiters verursacht, das durch die oben erwähnten Modifikationen nicht vollständig entfernt werden kann, da eine fotoelektrische Umwandlung in der CMD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mittels Ladungen in der Nähe der Oberfläche des Halbleiters durchgeführt wird.
Die BCMD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 1A wird in einer Source-Folgerverbindung bzw. -Schaltung verwendet. Da in diesem Fall die Ladungsspeicherschicht 3 im gesamten Kanalbereich unter der Foto-Gate-Elektrode 7 liegt, ist es schwierig, den Transistor in einem ausreichend gesättigten Zustand anzusteuern. Folglich arbeitet der Transistor nach einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Trio denbereiches gemäß 1B, wobei damit die BCMD-Bildaufnahmevorrichtung ein Problem dahingehend aufwirft, dass die foto-erzeugten Ladungen nicht linear zur Spannung durch die Source-Folgerverbindung zum MOS-Transistor umgewandelt werden können.
Es wird angemerkt, dass die Potenzialveränderung keine lineare Funktion der fotoerzeugten Ladungen ist, da die Ladungsträger in der Ladungsspeicherschicht 3 über den Kanalbereich unter der Foto-Gate-Elektrode 7 verteilt sind und da der Kanalbereich als ein Ganzes zu einer Modulation eines Stroms dort hindurch beiträgt. Da überdies die sich ergebende Kapazität auf der Grundlage der Gate-Oxidschicht über der Ladungsspeicherschicht 3 relativ groß ist, so ist die Umwandlungswirksamkeit eher niedrig.
Des Weiteren haben sowohl die CMD- als auch die BCMD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen jeweils einen Foto-Gate-Aufbau, der den Nachteil einer Verschlechterung der Spektralempfindlichkeit gegenüber Licht hat, was durch mehrfache Interferenz von einfallendem Licht verursacht wird, die zu einer Foto-Abtastvorrichtung mit einem MOS-Aufbau gehört.
Der Foto-Gate-Elektrodenaufbau stellt ein weiteres Problem dahingehend dar, dass er ein spezielles, komplexes Verfahren bei der Ausbildung einer dünnen, transparenten Foto-Gate-Elektrode benötigt.
In einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bereich von minimalem Potenzial, das in einem Well-Bereich ausgebildet ist und sich teilweise längs der Breite des Kanalbereiches und längs der gesamten Länge des Kanalbereiches erstreckt, nimmt der Transistor die triodenartige Strom-Spannungs-Kennlinie an, die für eine lineare Ladungs-Spannungs-Umwandlung der foto-erzeugten Ladungen durch eine Source-Folgerverbindung zum MOS-Transistor nicht adäquat ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung zu stellen, in der es nur geringes Rauschen gibt, das durch Einfangen und Zerstreuen von foto-erzeugten Ladungsträgern in der Halbleiter-Oberfläche der Vorrichtung verursacht wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einer verbesserten Spektralempfindlichkeit gegenüber Licht zur Verfügung zu stellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einer linearen Ladungs-Spannungs-Umwandlungs-Kennlinie für eine fotoerzeugte Ladung zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung zu stellen, die darin eine Foto-Abtastvorrichtung hat, die durch ein gewöhnliches CMOS-Verfahren hergestellt werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Lichtdetektionsverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine solche Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung verwendet, wie sie oben beschrieben wurde.
Nach einer Verfassung der vorliegenden Erfindung ist eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit mehreren Pixeleinheiten ausgerüstet, die jeweils eine Fotodiode und einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate- bzw. Steuerelektrode (IGFET für insulated gate field effect transistor) enthalten,
wobei die Fotodiode ein Substrat mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, eine Halbleiterschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist und einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat, einen Quellen- bzw. Well-Bereich, der auf der Halbleiterschicht ausgebildet ist und den ersten Leitfähigkeitstyp hat, einen Verunreinigungs- bzw. Störstellen- bzw. Fremdatom-Bereich aufweist, der auf der Oberfläche des Well-Bereiches ausgebildet ist und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat, und wobei der Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode einen Senken- bzw. Drain-Bereich, der auf der Oberfläche des Well-Bereiches ausgebildet ist, sich bis zu dem Störstellenbereich erstreckt und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat, einen Quellen- bzw. Source-Bereich, der auf der Oberfläche des Well-Bereiches ausgebildet, im Abstand von dem Drain-Bereich angeordnet ist und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat, eine Steuer- bzw. Gate-Elektrode, die auf einer Gate-Isolierungsschicht ausgebildet ist, die auf dem Well-Bereich und zwischen dem Drain-Bereich und dem Source-Bereich ausgebildet ist, und eine stark dotierte, vergrabene Schicht aufweist, die in dem Well-Bereich in der Nähe des Source-Bereiches und unter der Gate-Elektrode ausgebildet ist, wobei die stark dotierte, vergrabene Schicht mit Fremdatomen bzw. Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Konzentration als der Well-Bereich dotiert ist.
Der stark dotierte Bereich als die Ladungsträger-Tasche ist vom Drain-Bereich für injizierte Ladungsträger getrennt, um zu einer effizienten Schwellenwertspannung der MOS-Transistormodulation beizutragen.
Wenn zum Beispiel eine ringförmige Gate-Elektrode verwendet wird, ist der Source-Diffusionsbereich in der Oberflächenschicht eines Well-Bereiches in einem Mittelbereich ausgebildet, der von der ringförmigen Gate-Elektrode umgeben ist, wobei der Drain-Diffusionsbereich in der Oberflächenschicht des Well-Bereiches ausgebildet ist, der die ringförmige Gate-Elektrode umgibt, wobei die stark dotierte, vergrabene Schicht im Well-Bereich unter der Gate-Elektrode ausgebildet ist, so dass sie den Source-Diffusionsbereich umgibt.
In dieser Anordnung hat die stark dotierte, vergrabene Schicht ein niedrigstes Potenzial für Löcher über den ganzen Well-Bereich, wenn die stark dotierte, vergrabene Schicht vom p-Typ in einem Well-Bereich vom p-Typ ausgebildet ist. Andererseits hat die stark dotierte, vergrabene Schicht ein höchstes Potenzial für Elektronen über den ganzen Well-Bereich, wenn die stark dotierte, vergrabene Schicht vom n-Typ in einem Well-Bereich vom n-Typ ausgebildet ist.
Der Störstellen-Diffusionsbereich der Fotodiode wird mit dem Drain-Diffusionsbereich des Feldeffekttransistors (FET) kombiniert, so dass sich die Fotodiode und der FET den gleichen Well-Bereich teilen können. Die stark dotierte, vergrabene Schicht ist in der Nähe des Source-Diffusionsbereiches ausgebildet.
Da die stark dotierte, vergrabene Schicht in der Nähe des Source-Diffusionsbereiches angeordnet ist, werden Ladungen, die im Well-Bereich der Fotodiode erzeugt werden, leicht in der stark dotierten, vergraben Schicht gesammelt.
Mit anderen Worten, wenn der Well-Bereich ein p-Typ ist und ein MOS-Transistor mit n-Kanal als ein optischer Signaldetektions-Transistor verwendet wird, dann werden Löcher verwendet, wobei der Source-Diffusionsbereich auf ein niedrigeres elektrisches Potenzial eingestellt wird als der Drain-Diffusionsbereich. Wenn alternativ der Well-Bereich ein n-Typ und der Signaldetektions-Transistor ein MOS-Transistor mit p-Kanal ist, dann sind die foto-erzeugten Ladungen Elektronen, wobei der Source-Diffusionsbereich auf ein höheres Potenzial eingestellt wird als der Drain-Diffusionsbereich. Wenn damit an den Drain-Diffusionsbereich eine positive oder negative Betriebsspannung VDD und an die Gate-Elektrode eine niedrigere Spannung angelegt wird, dann wird in der Well-Schicht ein elektrisches Feld erzeugt, um so entweder Löcher oder Elektronen der foto-erzeugten Ladungen zu beschleunigen, damit sie sich vom Drain-Diffusionsbereich des FET, d. h. dem Störstellen-Diffusionsbereich der Fotodiode, zum Source-Diffusionsbereich bewegen.
Eine Initialisierung der Bildaufnahmevorrichtung stößt aus der Halbleiterschicht und dem Substrat die foto-erzeugten Ladungen, die nach einem Lesevorgang verbleiben, und Löcher oder Elektronen aus, die in den Akzeptoren oder den Donatoren im Well-Bereich und der anderen Halbleiterschicht verbleiben, um die Akzeptoren oder die Donatoren zu neutralisieren. Den neuen Ladungen werden im Well-Bereich der Fotodiode foto-erzeugt. Die Spannung, die anschließend an die Elektrode und die Bereiche wie oben beschrieben angelegt wird, wird bewirken, dass die neuen fotoerzeugten Ladungen zur stark dotierten, vergrabenen Schicht übertragen und darin gespeichert werden. Sobald die Ladungen in der stark dotierten, vergrabenen Schicht gesammelt sind, können sie auf Grund des niedrigeren Potenzials, das sie da haben, nicht einfach aus der stark dotierten, vergrabenen Schicht herauskommen oder diffundieren. Damit werden die foto-erzeugten Ladungen in der stark dotierten, vergrabenen Schicht effektiv gespeichert.
Die foto-erzeugten Ladungen, die in der stark dotierten, vergrabenen Schicht gespeichert sind, können von dort durch Anlegen einer Spannung, die höher ist als die Betriebsspannung, an die Gate-Elektrode, den Drain-Diffusionsbereich und den Source-Diffusionsbereich entfernt werden, um dadurch das elektrische Feld durch den Well-Bereich zu verstärken.
Wenn die foto-erzeugten Ladungen in der stark dotierten, vergrabenen Schicht gespeichert sind, wird das Fermi-Niveau in der stark dotierten, vergrabenen Schicht geändert, wobei die Raumladung darin entsprechend der Menge der gespeicherten Ladungen abnimmt, so dass die Schwellenwertspannung des Transistors gesenkt ist. Wenn zur gleichen Zeit die gespeicherten Ladungen in der stark dotierten, vergrabenen Schicht zunehmen, werden Ladungsträger mit dem entgegengesetzten Leitungstyp relativ zu den gespeicherten Ladungen in der stark dotierten, vergrabenen Schicht im Kanalbereich entsprechend dem Ladungserhaltungsgesetz erzeugt, wobei dadurch direkt über der stark dotierten, vergrabenen Schicht teilweise ein Inversionsbereich erzeugt wird, so dass eine Kanalleitfähigkeit darin erhöht ist.
Da die foto-erzeugten Ladungen in keinem Bereich außer der stark dotierten, vergrabenen Schicht auf Grund eines hohen Potenzials außerhalb der stark dotierten, vergraben Schicht gespeichert werden, wird in einer Oberflächenschicht des Well-Bereiches unter der Gate-Elektrode kein weiterer Inversionsbereich, außer darin direkt auf der stark dotierten, vergrabenen Schicht, ausgebildet, wobei darin aber ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird (dieser Bereich wird als Bereich mit starkem elektrischen Feld bezeichnet).
Wegen dieses im gleichen Kanalbereich ausgebildeten Inversionsbereiches und Bereiches mit starkem elektrischen Feld wird der Transistor im gesättigten Zustand funktionsfähig. Wenn damit der Source-Elektrode des in einer Source-Folgerverbindung verwendeten Transistors ein konstanter Strom zugeführt wird, folgt der Transistor der Änderung der Schwellenwertspannung des Transistors und ändert dementsprechend das Potenzial im Source-Diffusionsbereich.
Da der Transistor zusätzlich im gesättigten Zustand arbeiten kann, hängt der dort hindurch geleitete Strom nur von der Spannungsdifferenz zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Diffusionsbereich ab. Dementsprechend hängt die Änderung des Source-Potenzials nur von der gespeicherten Ladungsmenge der foto-erzeugten Ladungen ab.
Durch Ausgabe dieses Source-Potenzials als ein Videosignal kann eine vorteilhafte, lineare, fotoelektrische Ladungs-Spannungs-Umwandlung erreicht werden.
Da die Menge der in der stark dotierten, vergrabenen Schicht gespeicherten Ladungen durch die im Inversionsbereich induzierten Ladungen ausgeglichen wird, ist die Menge der in der stark dotierten, vergrabenen Schicht gespeicherten Ladungen die gleiche wie die der Ladungen, die der Gate-Isolierungsschicht (die als Kondensator wirkt) zugeführt wird. Folglich entspricht die Ausgabe des Transistors einer Änderung der Schwellenwertspannung.
Die injizierten Ladungsträger werden durch die verteilte Kapazität zu jedem Transistor-Knotenpunkt geteilt und reagieren außerdem auf andere Kapazitätskomponenten wie der Kapazität für die Drain-Elektrode und das Substrat, wobei der Verlust der Schwellenwert-Modulationsempfindlichkeit bewirkt wird. Daher sollte sich der stark dotierte Bereich in der Nähe der Gate-Elektrode und getrennt von der Drain-Elektrodenkante befinden, um die Modulationsempfindlichkeit zu steigern.
Die Ladungsspeicherung der foto-erzeugten Ladungen für den Kondensator der Gate-Isolierungsschicht ist durch die Kapazität der Gate-Isolierungsschicht direkt über der stark dotierten, vergrabenen Schicht begrenzt, die als die Ladungsträger-Tasche wirkt. Daher wird die Detektionsempfindlichkeit des Bildsensors anhand der Dicke der Gate-Isolierungsschicht, der Fläche und der Tiefe der stark dotierten, vergrabenen Schicht bestimmt. Darüber hinaus kann die Kapazität als konstant angesehen werden, so dass der Bildsensor eine empfindliche Detektion von Licht basierend auf einer ausgezeichneten, linearen Ladungs-Spannungs-Übertragungs-Kennlinie ermöglicht.
Wenn im Allgemeinen eine Oberfläche der Halbleiterschicht verarmt ist, wirkt der verarmte Bereich als Barriere für Löcher.
Wenn der Transistor eine gewöhnliche Foto-Gate-Elektrode hat, würde die Oberfläche der mit den foto-erzeugten Ladungen gefüllten Halbleiterschicht ein elektrostatisches Gleichgewicht erreichen. Dann würde der Sensor den Nachteil eines ernsthaften Problems wie einer Erzeugung von Dunkelstrom auf Grund einer thermischen Erregung und einer Potenzial-Modulation auf Grund der Ansammlung von parasitären Löchern haben.
Andererseits ist der Kanalbereich des Transistors der Erfindung angepasst, einen Verarmungszustand darin nach der Initialisierung des Transistors zur Überstreichung von Restladungen zu halten. Da zusätzlich der Transistor von Licht abgeschirmt ist, werden darin keine nennenswerten Ladungsträger gebildet. Sollten bestimmte Ladungsträger auf der Oberfläche der Halbleiterschicht im Transistor eingefangen werden, könnten sie die Potenzialbarriere nicht überwinden, um zu einem Dunkelstrom oder Rauschen auf der Oberfläche zu werden.
Kurz gesagt bewirkt die vorliegende Erfindung, dass die foto-erzeugten Ladungen, die einen Strom durch einen Detektionstransistor regeln, in einem isolierten Bereich im Well-Bereich, der unter einem Kanalbereich liegt, gespeichert werden, so dass die Ladungen nicht mit einer Oberflächenschicht eines MOS-Transistors zusammenwirken.
Durch Sammeln der foto-erzeugten Ladungen in der Nachbarschaft des Source-Diffusionsbereiches ist es möglich, die Schwellenwertspannung des Transistors zu regeln, wobei dadurch die Realisierung eines idealen, durch Schwellenwertspannung modulierten CMOS-Bildsensors mit einer linearen Reaktion und einer hohen Detektionsempfindlichkeit ermöglicht wird, ohne ein nennenswertes Rauschen zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1A einen Querschnitt eines Hauptteils einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einem BCMD-Aufbau nach dem Stand der Technik;
1B eine grafische Darstellung, die eine Strom-Spannungs-Kennlinie der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach 1A zeigt;
2 eine Draufsicht, die eine Schaltungsanordnung für eine Pixeleinheit einer erfindungsgemäßen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau einer Pixeleinheit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach 2 längs der Linie A – A von 2 zeigt;
4A eine ausführliche Querschnittsansicht, die einen Aufbau in der Ladungsträger-Tasche und ihre umgebende Fläche in einer Pixeleinheit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 zeigt;
4B eine Querschnittsansicht, die eine äquivalente Schaltung um den Gate-Bereich zeigt, der den Ladungsträger-Taschenbereich enthält.
5 eine Querschnittsansicht der Linie B – B von 2, die einen Aufbau einer Fotodiode in der Pixeleinheit nach 2 zeigt;
6 eine Querschnittsansicht der Linie C – C von 2, die einen Aufbau eines CMOS-Transistors für die Licht-Abtastung in einer Pixeleinheit nach 2 zeigt;
7A einen Schaltplan der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach 2;
7B ein Zeitdiagramm für die Wirkungsweise der Schaltung gemäß 7B;
8A ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie D – D von 5 während einer Initialisierungsperiode des Vorgangs;
8B ein Diagramm, das ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie E – E von 5 während einer Initialisierungsperiode des Vorgangs zeigt;
9A ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie D – D von 5 während einer Ladungsperiode des Vorgangs;
9B ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie E – E von 5 während einer Ladungsperiode des Vorgangs;
10A ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie D – D von 5 während einer Leseperiode des Vorgangs;
10B ein Potenzialprofil längs des Querschnitts der Linie E – E von 5 während einer Leseperiode des Vorgangs;
11 eine grafische Darstellung, die eine Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOS-Transistors mit optischer Signaldetektion in einer Pixeleinheit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 zeigt;
12A ein Oberflächenpotenzialprofil im Kanalbereich der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 unmittelbar nach deren Initialisierung;
12B ein Oberflächenpotenzialprofil im Kanalbereich der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2, wenn Licht abgeschirmt ist;
12C ein Oberflächenpotenzialprofil im Kanalbereich einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach dem Stand der Technik nach einer Bestrahlung mit Licht;
13A eine Ladungsverteilung in der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 während der Ladungs- und Lese-Vorgänge;
13B eine Querschnittsansicht eines Teils des MOS-Transistors gemäß 6 in der Nachbarschaft einer Ladungsträger-Tasche, die beim Erläutern von 13A nützlich ist;
14 eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Aufbau einer Pixeleinheit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
2 ist eine Draufsicht, die eine Schaltungsanordnung einer Pixeleinheit eines CMOS-Bildsensors entsprechend dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Gemäß 2 enthält eine Pixeleinheit 101 eine Fotodiode 111 und einen Foto-Detektor 112 zum Erfassen eines Lichtsignals, der ein angrenzend an die Fotodiode 111 angeordneter MOS-Transistor ist. Die Fotodiode 111 und der MOS-Transistor 112 teilen einen Quellen- bzw. Well-Bereich 15, so dass der Well-Bereich 15 einerseits für die Fotodiode 111 als Bereich zur Erzeugung von Ladungen dient, wenn sie mit Licht bestrahlt wird, und andererseits als Gate-Bereich für den MOS-Transistor 112 dient.
Die Fotodiode 111 hat einen Verunreinigungs- bzw. Störstellen- bzw. Fremdatom-Diffusionsbereich 17, der als eine Einheit bildend mit einem Drain-Diffusionsbereich 17a des MOS-Transistors 112 auf dem Well-Bereich 15 ausgebildet ist. Der Drain-Diffusionsbereich 17a ist so ausgebildet, dass er eine ringförmige Gate-Elektrode 19 umgibt. Im Mittelbereich, der von der ringförmigen Gate-Elektrode 19 umgeben ist, ist ein Source-Diffusionsbereich 16 ausgebildet. Im Well-Bereich 15, der unter der ringförmigen Gate-Elektrode 19 liegt und den Source-Diffusionsbereich 16 umgibt, befindet sich eine Ladungsträger-Tasche (stark dotierte, vergrabene Schicht) 25.
Es sollte verständlich sein, dass eine Störstellen-Schicht vom n-Typ (die Störstellen-Schicht mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp) im Kanalbereich des MOS-Transistors 112 ausgebildet ist, so dass der Kanalbereich verarmt oder umgewandelt ist, während der MOS-Transistor 112 in Betrieb ist.
Der Drain-Diffusionsbereich 17a ist mit einer Speiseleitung für Drain-Spannung (VDD) 22 verbunden, wobei die Gate-Elektrode 19 mit einer Speiseleitung für ein vertikales Abtastsignal (VSCAN) 21 und der Source-Diffusionsbereich 16 mit einer vertikalen Ausgangsleitung 20 verbunden ist.
In Bereichen außer dem Lichtabtast-Fenster 24 der Fotodiode 111 wird ein Signallicht durch eine metallische, lichtabschirmende Schicht 23 abgeschirmt.
Es wird jetzt der Anordnungsaufbau des CMOS-Bildsensors der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die im oberen Abschnitt von 3 gezeigte Abbildung ist ein Querschnitt, der einen Aufbau des erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensors zeigt, der einem Querschnitt an Linie A – A von 2 entspricht. Die im unteren Abschnitt von 3 gezeigte Abbildung zeigt ein Potenzialprofil längs der Oberfläche des Halbleitersubstrats.
Die im oberen Teil von 4A gezeigte Abbildung ist ein ausführlicher Querschnitt eines Bereiches, der um die Ladungsträger-Tasche 25 im Well-Bereich 15 unter dem Kanalbereich zentral angeordnet ist. Die im unteren Teil von 4A gezeigte Abbildung zeigt ein Potenzialprofil längs einer Ebene, die der Linie F – F des oberen Teils von 4A entspricht, die mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats in einem Fall parallel ist, wenn foto-erzeugte Löcher in der Ladungsträger-Tasche 25 gespeichert sind.
Eigentlich werden die injizierten Ladungsträger von den Kapazitäts-Komponenten für die einzelnen Transistor-Knotenpunkte geteilt, die gemäß 4B die Kapazität für die Source-Elektrode (Csp), die Kapazität für das Substrat (Cbp), die Kapazität für die Drain-Elektrode (Cdp) und die Kapazität für die Gate-Elektrode (Cgp) sind. Unter diesen Faktoren sollte die Cgp mit Ausnahme der Csp, die der Ausgangs-Knotenpunkt ist, um die Potenzial-Reaktion für die injizierten Ladungsträger zu erhöhen, ein dominierender Faktor sein. Folglich sind die injizierten Ladungsträger am stark dotierten Bereich durch Reduzierung der Cbp und Cdp scharf verteilt, was durch Trennen des stark dotierten Bereiches von der Drain-Elektrodenkante und dem Substrat realisiert werden kann. Währenddessen kann außerdem die Empfindlichkeit an der kleineren Fläche des hoch dotierten Bereiches erhöht werden, da die Erfassungskapazität (Cgp) ebenfalls durch die Fläche des hoch dotierten Bereiches bestimmt wird.
5 und 6 sind Querschnitte an den Linien B – B bzw. C – C von 2.
Gemäß dem oberen Abschnitt von 3 ist auf einem Siliziumsubstrat vom p-Typ 11 eine Siliziumschicht vom n-Typ 12 epitaxial aufgewachsen und bildet ein Halbleitersubstrat der Erfindung.
Auf der Schicht vom n-Typ 12 ist ein Quellen- bzw. Well-Bereich 15 ausgebildet. Zwischen zwei benachbarten Pixeln ist eine Feld-Isolierungsschicht 14 und ein Diffusionsbereich zur Trennung der Elemente 13 ausgebildet, der unter der Feld-Isolierungsschicht 14 liegt.
Es wird jetzt mit Bezug auf 3 und 5 die Fotodiode 111 ausführlich beschrieben.
Die Fotodiode 111 besteht hauptsächlich aus dem Well-Bereich 15 und einem Störstellen-Diffusionsbereich 17, der auf der Oberfläche der Siliziumschicht vom n-Typ 12 ausgebildet ist, so dass er den größten Teil des Well-Bereiches 15 bedeckt. Das heißt, die Fotodiode 111 hat einen vergrabenen Aufbau für Löcher, in dem die Löcher hauptsächlich im Well-Bereich 15 unter dem Störstellen-Diffusionsbereich 17 erzeugt werden.
Der Störstellenbereich 17 ist mit der Speiseleitung für die Drain-Spannung (VDD) 22 verbunden und auf ein positives Potenzial vorgespannt, wodurch das Sammeln von Löchern, die durch einfallendes Licht erzeugt werden, im Well-Bereich 15, der unter dem Störstellen-Diffusionsbereich 17 liegt, erleichtert wird, wobei dadurch Rauschen verringert wird, indem es keine Wechselwirkung mit der Halbleiteroberfläche gibt, in der viele Oberflächen-Einfang-Pegel existieren.
Mit Bezug auf 3 und 6 wird ein n-MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion 112 ausführlich beschrieben. Der MOS-Transistor 112 hat einen Aufbau, in dem die ringförmige Gate-Elektrode 19 vom Drain-Diffusionsbereich vom n⁺-Typ 17a umgeben ist, der mit dem Störstellen-Diffusionsbereich vom n⁺-Typ 17 einstückig ausgebildet ist. Der Source-Diffusionsbereich vom n⁺-Typ 16 ist im Mittelbereich, umgeben von der Gate-Elektrode 19, ausgebildet. Die Gate-Elektrode 19 ist auf einer Gate-Isolierungsschicht 18 ausgebildet, die auf dem Well-Bereich 15 aufgebracht ist und sich zwischen dem Drain-Diffusionsbereich 17a und dem Source-Diffusionsbereich 16 erstreckt. Die Oberflächenschicht des Well-Bereiches 15, der unter der Gate-Elektrode 19 liegt, dient als der Kanalbereich.
Die Ladungsträger-Tasche vom p⁺-Typ 25 ist im Well-Bereich 15 derart ausgebildet, dass die Ladungsträger-Tasche 25 den Source-Diffusionsbereich 16 umgibt und sich nur teilweise längs der Länge des Kanalbereiches erstreckt. Diese Ladungsträger-Tasche vom p⁺-Typ 25 kann zum Beispiel durch ein Ionenimplantationsverfahren hergestellt werden. Es sollte angemerkt werden, dass die Ladungsträger-Tasche 25 im Well-Bereich 15 so ausgebildet ist, dass sie eher unter dem Kanalbereich als im Oberflächenkanalbereich selbst liegt. Die Ladungsträger-Tasche 25 braucht nicht so ausgebildet sein, dass sie über dem Kanalbereich liegt. Um den Kanalbereich zu sätzlich bei einer normalen Betriebsspannung umgekehrt oder verarmt zu halten, ist es notwendig, eine Störstellenschicht 15a zu bilden, indem eine geeignete Konzentration von Störstellen vom n-Typ im Kanalbereich eingeführt wird.
Die oben beschriebene Ladungsträger-Tasche vom p⁺-Typ 25 hat für foto-erzeugte Löcher ein niedrigeres Potenzial als für Elektronen, so dass foto-erzeugte Löcher in der Ladungsträger-Tasche 25 gesammelt werden, wenn an den Drain-Diffusionsbereich 17a eine hohe Spannung angelegt wird. Die Abbildung veranschaulicht eine Weise, in der foto-erzeugte Löcher in der Ladungsträger-Tasche 25 angesammelt werden.
Im unteren Abschnitt von 3 wird ein Potenzialprofil gezeigt, wenn foto-erzeugte Löcher in der Ladungsträger-Tasche 25 angesammelt werden, so dass Elektronen in den Kanalbereich induziert werden, d. h. ein Inversionsbereich darin gebildet wird. Die Anordnung des Elements in der Nähe der Ladungsträger-Tasche 25 im Well-Bereich 15 unter dem Kanalbereich und das zugehörige Potenzialprofil werden in 4 gezeigt.
Als Nächstes wird nun mit Bezug auf 7A und 7B der CMOS-Bildsensor beschrieben, der die oben beschriebenen Pixeleinheiten nutzt. 7A zeigt einen Schaltplan für den erfindungsgemäßen CMOS-Bildsensor. Der CMOS-Bildsensor hat ein zweidimensionales Feld von Pixeleinheiten, die gemäß 7A in einer Matrixform, d. h. in Reihen und Säulen angeordnet sind. In dem Beispiel gemäß 7A umfasst der Bildsensor der Einfachheit halber eine 2×2-Matrix.
Auf einer Seite der Pixelmatrix ist eine Treiberschaltung zum vertikalen Abtasten 102 angeordnet, um die Matrix mit vertikalen Abtastsignalen (VSCAN) zu versorgen, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Matrix eine VDD Abtast-Treiberschaltung 103 angeordnet ist, um die Matrix mit einer Drain-Spannung VDD zu versorgen.
Die Drain-Elektroden der MOS-Transistoren 112 in den Pixeleinheiten 101 in jeder Reihe sind mit der VDD-Abtast-Treiberschaltung 103 über zu der Reihe gehörenden Spannungs-Speiseleitungen 22a und 22b verbunden, um die Drain-Spannung VDD zu empfangen. Die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren 112 in den Pixeleinheiten 101 in jeder Reihe sind mit der Treiberschaltung zum vertikalen Abtasten 102 über zu der Reihe gehörenden Leitungen für vertikale Abtastsignale 21a und 21b verbunden, um das vertikale Abtastsignal VSCAN zu empfangen.
Die Source-Elektroden der MOS-Transistoren 112 in den Pixeleinheiten 101 in jeder Säule sind mit den zur Säule gehörenden vertikalen Ausgangsleitungen 20a und 20b verbunden.
Die vertikalen Ausgangsleitungen 20a und 20b sind mit den jeweiligen Drain-Elektroden (Eingänge für ein Lichtdetektionssignal) 28a und 29a der MOS-Transistoren verbunden, die als Säulenschalter 105a bzw. 105b für die jeweiligen Säulen dienen. Die Gate-Elektroden (Eingänge für ein horizontales Abtastsignal) der Schalter 105a und 105b sind mit einer horizontalen Abtast-Treiberschaltung 104 für horizontale Abtastsignale (HSCAN) verbunden.
Die Source-Elektroden (Eingänge für ein Lichtdetektionssignal) 28c und 29c der Schalter 105a bzw. 105b sind mit einem Videosignalausgang 107 über eine gemeinsame, konstante Stromversorgungsquelle 106 verbunden. Mit anderen Worten, die Source-Elektrode des MOS-Transistors 112 in jeder Pixeleinheit 101 ist mit der konstanten Stromversorgungsquelle 106 verbunden, um eine Source-Folgerschaltung zu bilden. Damit werden die Gate-Source-Spannung und die Hauptvolumen-Source-Spannung des Transistors durch die konstante Stromversorgungsquelle (Lastschaltung) 106 bestimmt.
Die MOS-Transistoren 112 in den Pixeleinheiten werden nacheinander durch das vertikale Abtastsignal (VSCAN) und das horizontale Abtastsignal (HSCAN) aktiviert, was zu einer Folge von Videosignalen (Vout) führt, die die Mengen des durch die Dioden 111 in den jeweiligen Pixeln empfangenen Lichts darstellt.
Da, wie oben beschrieben, jede Pixeleinheit 101 aus einer Fotodiode 111 und einem MOS-Transistor 112 besteht, können die Pixel der Bildaufnahmevorrichtung durch ein CMOS-Verfahren zusammen mit den Abtast-Treiberschaltungen 102 – 104 und anderen peripheren Schaltungen einschließlich der konstanten Stromversorgungsquelle 106 auf dem gleichen Halbleitersubstrat gemeinsam integriert werden.
7B ist ein Zeitdiagramm für verschiedene Eingangs-/Ausgangssignale, die für den Betrieb des CMOS-Bildsensors der Erfindung erforderlich ist. Dieses Zeitdiagramm wird auf einen Bildsensor angewandt, der Well-Bereiche vom p-Typ 15 und Lichtdetektions-Transistoren vom n-MOS-Typ 112 hat.
Diese Bildaufnahmevorrichtung hat einen Zyklus, der aus den Stufen der Überstreichung (Initialisierung), der Erzeugung von Foto-Ladungsträgern, der Ladungsspeicherung und des Lesens besteht.
Während des Zyklus variiert das elektrische Potenzial in jedem der Well-Bereiche 15 in den Pixeleinheiten 101, wie unten mit Bezug auf 8, 9 und 10 ausführlich beschrieben wird. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des MOS-Transistors für die Lichtdetektion 112 in jeder Pixeleinheit 101 wird mit Bezug auf 11 verständlich.
In jeder der 8 – 10 stellt die Ordinate das Potenzial dar, während die Abszisse die Tiefe von der Oberfläche des Substrats darstellt. 8A, 9A und 10A stellen die Potenzialverteilungen an Linie D – D von 5 an den Stufen der Überstreichung (Initialisierung), der Ladungsspeicherung bzw. des Lesens des Zyklus dar. Ähnlich dazu stellen 8B, 9B und 10B die Potenzialverteilungen an Linie E – E von 6 an den Stufen der Überstreichung (Initialisierung), der Ladungsspeicherung bzw. des Lesens des Zyklus dar.
In der Überstreichungsperiode werden Ladungen, die im Halbleiter nach dem Lesen verbleiben, Löcher und Elektronen, die die Akzeptoren und Donatoren neutralisieren, und Löcher und Elektronen, die in den Oberflächenzuständen eingefangen wurden, aus dem Halbleiter ausgestoßen. Dieser Vorgang, der als Initialisierung bezeichnet wird, wird für jede Reihe durchgeführt.
Ein wichtiger Aspekt des Überstreichungsvorgangs ist es, die Ladungsträger-Tasche 25 für die nächsten darin zu speichernden, foto-erzeugten Ladungen zu löschen. Mit anderen Worten, es ist beabsichtigt, nur die foto-erzeugten Ladungen als ein Videosignal zu erfassen, wobei das Aufnehmen von Rauschen auf Grund von Restladungen vermieden wird.
Bei diesem Vorgang wird an den Drain-Diffusionsbereich 17a, an die Gate-Elektrode 19 und den Source-Diffusionsbereich 16 eine Spannung angelegt, die größer ist als die normale Betriebsspannung. Dies geschieht, indem VDD von etwa +5 Volt an den Drain-Diffusionsbereich 17a über die VDD-Speiseleitungen 22a und 22b und etwa +5 Volt an die Gate-Elektrode 19 über die VSCAN-Speiseleitungen 21a und 21b angelegt wird. An den Source-Diffusionsbereich 16 wird ebenfalls die gleiche Spannung (+5 Volt) wie an den Drain-Diffusionsbereich 17a angelegt, da der Kanalbereich durch die Gate-Spannung leitend gemacht wird.
Gemäß 8A und 8B wirkt diese Spannung als Umkehr-Vorspannung über den pn-Übergang, so dass das elektrische Feld im Well-Bereich 15 auf das p⁺-Substrat 11 durch n-und p-Bereiche gerichtet ist, wodurch die Löcher, die im Well-Bereich 15 und anderen Abschnitten im Halbleiter verbleiben, durch das p⁺-Substrat 11 überstrichen werden, während Elektronen, die im Halbleiter verbleiben, durch den Source-Diffusionsbereich 16 und den Drain-Diffusionsbereich 17 überstrichen werden. Es sollte erkannt werden, dass besonders die foto-erzeugten Ladungen, die in der Ladungsträger-Tasche 25 gespeichert sind, von dort nicht durch übliche Gate- und Drain-Spannungen ausgestoßen werden können, um den Transistor zu sättigen, sondern dass die Ladung aus der Ladungsträger-Tasche 25 durch Anlegen einer Gate-Spannung und einer Drain-Spannung ausgestoßen werden kann, die zum Beispiel um 5 Volt höher sind als die üblichen Spannungen.
Der Well-Bereich 15 wird verarmt, wenn die Restladungen überstrichen sind.
Wie oben beschrieben wurde, ist der oben erwähnte Initialisierungsvorgang ideal zur Überstreichung von Ladungen, um Bildsignale zu erhalten, da er keine Ladung zurücklässt, die zu einem thermischen Rauschen (kTC-Rauschen) oder einer thermischen Fluktuation der Ladungsträger-Dichte führt.
Man würde erkennen, dass die Initialisierung mittels einer im Substrat realisierten, chipintegrierten Verstärkungsschaltung ausgeführt werden kann, da kein Strompfad bei der Initialisierung beteiligt ist.
Die Ladungsperiode wird benötigt, um eine Ladung durch Lichtstrahlung zu erzeugen und die Ladungen in der Ladungsträger-Tasche 25 zu speichern. Während der La dungsperiode kann eine elektronische, reihenartige Blende verwendet werden, um nur eine entsprechende Pixelreihe bei einem gegenwärtig vor sich gehenden horizontalen Abtastvorgang zu aktivieren.
In diesem Fall wird eine Spannung von etwa 2 bis 3 Volt an jedem der Drain-Diffusionsbereiche 17 der MOS-Transistoren 112 in allen Pixeleinheiten 101 angelegt, um so die MOS-Transistoren über VDD-Speiseleitungen 22a und 22b vor der Lichtbestrahlung zu aktivieren. Gleichzeitig wird eine niedrige, aber ausreichende Spannung an jede der Gate-Elektroden der MOS-Transistoren in jeder Säule über VSCAN-Speiseleitungen 21a und 21b angelegt, um die MOS-Transistoren abzuschalten. Damit ist der Ladungsspeichervorgang für alle Sensoren durchgeführt, die mit den jeweiligen horizontalen Abtastsignal-Leitungen verbunden sind.
Durch die mit der Spannung versorgten Diffusionsbereiche 17a werden die Mehrheits-Ladungsträger (Löcher) im Well-Bereich vom p-Typ 15 zum p⁺-Substrat 11 überstrichen, so dass der Well-Bereich 15 verarmt ist und nur eine negativ geladene Raum-Ladungsschicht von Akzeptoren zurücklässt.
Wenn ein Pixel durch Licht bestrahlt wird, werden Elektronen-Loch-Paare im Well-Bereich 15 der mit dem Pixel verbundenen Fotodiode 111 erzeugt.
In dem Zustand, dass die Gate-Elektrode des MOS-Transistors auf ein niedriges Potenzial eingestellt ist, werden die foto-erzeugten Elektronen aus dem Drain-Diffusionsbereich 17 durch die Drain-Spannung herausgetrieben, während die fotoerzeugten Löcher durch das niedrige Potenzial im Source-Diffusionsbereich 16 zum Source-Diffusionsbereich 16 hin angezogen werden, bis sie in der Ladungsträger-Tasche 25 eingefangen oder gespeichert sind, wo das Potenzial gemäß 9A und 9B minimal ist.
Da die Ladungsübertragung der foto-erzeugten Ladungen während der Ladungs-Speicherperiode nur im Well-Bereich vom p-Typ 15 durchgeführt wird, wird die Ladungsübertragung nicht durch den Oberflächenzustand des Halbleiters beeinflusst, wobei daher kein Rauschen erzeugt wird.
Es wird angemerkt, dass die Oberfläche des Transistors für die Löcher eine Barriere wird, wenn sie verarmt ist.
In einer Konfiguration einer Foto-Gate-Elektrode nach dem Stand der Technik gemäß 12C ist die Oberfläche des Halbleiters mit foto-erzeugten Ladungen angefüllt, die sich im elektrostatischen Gleichgewicht befinden und eine Quelle von Dunkelstrom und parasitären Löchern sein können, die wiederum ein Potenzialmodulations-Problem aufwerten.
In dem hier gezeigten Beispiel ist im Gegenteil der Kanalbereich des Transistors verarmt und bleibt gemäß 12A nach der Initialisierung so. Da darüber hinaus die Gate-Elektrode und der Bereich in der Nähe von Licht abgeschirmt sind, wird keine überschüssige Ladungsträger-Schicht erzeugt. Wenn folglich die Ladungsträger in der Oberfläche des Transistors gemäß 12B eingefangen werden, können sie die Barriere nicht überwinden, so dass sie zu einem Dunkelstrom oder Rauschen durch die Oberfläche werden.
Die Lese-Periode wird benötigt, um Videosignale (Vout) auszulesen, die zu den in den jeweiligen Pixeln gespeicherten, foto-erzeugten Ladungen gehören. Das Videosignal Vout kann durch Aktivieren des MOS-Transistors zur optischen Signaldetektion 112 gelesen werden, der als ein Source-Folger verbunden ist.
In diesem Fall wird jede der Drain-Elektroden des MOS-Transistors 112 in jeder Reihe mit einer Spannung von etwa 2 bis 3 Volt über VDD-Speiseleitungen 22a und 22b versorgt, wobei jede der Gate-Elektroden des MOS-Transistors 112 in jeder Reihe mit einer Spannung von etwa 2 bis 3 Volt über VSCAN-Speiseleitungen 21a und 21b versorgt wird, so dass die MOS-Transistoren 112 in einem gesättigten Zustand arbeiten. Die Source-Elektroden des MOS-Transistors zur Fotodetektion 112, die mit der konstanten Stromversorgung 106 verbunden sind, werden mit einem konstanten Strom versorgt.
Ein foto-erzeugter Ladungsträger wird in der Ladungsträger-Tasche 25 in einem Zeitraum unmittelbar vor einer Leseperiode gespeichert.
Wenn die foto-erzeugten Ladungsträger in der Ladungsträger-Tasche 25 gespeichert sind, dann ist das Fermi-Niveau im Well-Bereich 15 im Verhältnis zur darin gespeicherten Ladungsmenge verändert. Daraufhin nehmen die Raum-Ladungen ab und senken die Schwellenwertspannung des Transistors. Gleichzeitig wird gemäß dem Ladungserhaltungssatz ein Inversionsbereich über der Ladungsträger-Tasche 25 gebildet, in dem die gleiche Menge von Elektronen wie von in der Ladungsträger-Tasche 25 gespeicherten Löchern erhöht wird, so dass er zu einem Anstieg einer Kanalleitfähigkeit führt. In diesem Fall ist das Oberflächenpotenzial direkt über der Ladungsträger-Tasche 25 in einer Richtung der Kanallänge annähernd konstant, wobei Elektronen-Ladungsträger in der gleichförmigen Dichte verteilt werden.
Da andererseits die Raumladungsdichte in der Seite des Drain-Diffusionsbereiches 17a des Well-Bereiches 15 ausreichend niedrig ist, wird in der Seite des Drain-Diffusionsbereiches 17a des Kanalbereiches kein Inversionsbereich erzeugt, wobei stattdessen ein Bereich eines starken elektrischen Feldes darin erzeugt wird.
Wegen des in einem Teil des Kanalbereiches erzeugten Inversionsbereiches und des starken Feldbereiches an dessen anderen Teil, ist der MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion 112 nun gemäß 11 in einem gesättigten Zustand funktionsfähig.
Wenn daher eine Reihe von üblichen Betriebsspannungen an die jeweiligen Elektroden des MOS-Transistors zur optischen Signaldetektion 112 angelegt wird, ist der Transistor im gesättigten Zustand aktiviert. Der Transistor 112, der mit der konstanten Stromquelle verbunden ist, arbeitet als ein Source-Folger: er vermindert die Differenz zwischen dem Gate- und dem Source-Potenzial über deren negative Rückkopplung, so dass ein konstanter Strom durch den Transistor fließt, wobei dadurch das Source-Potenzial gemäß 10A und 10B angehoben wird. Die Änderung des Source-Potenzials wird von Ausgabe 107 als dessen Videosignal ausgelesen.
Der oben beschriebene Lesevorgang kann wie folgt interpretiert werden. Da der MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion 112 in einem gesättigten Bereich gemäß 11 arbeitet, wird die Drain-Source-Potenzialdifferenz durch das Potenzial im Well-Bereich 15 unter der Gate-Elektrode 19 bestimmt. Die Potenzialdifferenz führt zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zum Source-Diffusionsbereich 16 im Well-Bereich vom p-Typ 15.
Obwohl die foto-erzeugten Löcher das Fermi-Niveau in der Nachbarschaft des Source-Diffusionsbereiches 16 anheben, wird die Höhe der Potenzialbarriere beibehalten, da der Strom durch die konstante Stromquelle 106 bestimmt wird. Folglich tritt im Source-Potenzial Vs eine Veränderung auf, die der Spannungsdifferenz entspricht, die gemäß 10A und 10B mit der durch die Injektion von foto-erzeugten Löchern neutralisierten Raumladung verbunden ist. Mit anderen Worten, das Hauptvolumen-Potenzial des Halbleiters kann durch die foto-erzeugten Löcher verändert werden, so dass die Ausgabe des Source-Folgers verändert wird.
Auf diese Weise ist es möglich, ein Videosignal (Vout) zu erhalten, das zur Menge des einstrahlenden Lichts proportional ist. Da in diesem Fall die foto-erzeugten Löcher und die im Inversionsbereich erscheinenden Elektronen quantitativ ausgeglichen sind, ist die Menge der foto-erzeugten Ladungen die gleiche wie die Ladungen, die in der Gate-Isolierungsschicht 18 (die als Kondensator wirkt) induziert werden, vorbei die Änderung der Schwellenwertspannung erfasst werden kann. Gemäß 13A und 13B ist die Aufladung durch die foto-erzeugten Ladungen auf die Gate-Isolierungsschicht 18 über der Ladungsträger-Tasche 25 begrenzt, so dass die Detektionsempfindlichkeit des Fotosensors anhand der Dicke der Gate-Oxidschicht 18 und der Fläche und der Tiefe der Ladungsträger-Tasche 25 bestimmt werden kann. Eine Linearität der Ladungs-Spannungs-Umwandlung des Fotosensors ist gut, da die foto-erzeugten Ladungen in einem begrenzten Bereich der Ladungsträger-Tasche 25 gespeichert sind.
Da zusätzlich die Detektionskapazität als konstant angesehen werden kann, ermöglicht sie eine sehr empfindliche Detektion der Foto-Ladungsträger auf der Basis einer äußerst linearen Ladungs-Spannungs-Umwandlung.
Mit Bezug auf 7A und 7B wird jetzt die Wirkungsweise der mit der Fotodetektion verbundenen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung beschrieben.
Bei der Fotodetektion werden die Ladungen, die im Well-Bereich und anderen Abschnitten des Halbleiters verbleiben, durch deren Initialisierung überstrichen, wie zuvor beschrieben wurde.
Als Nächstes wird eine niedrige Spannung an die Gate-Elektrode 19 des Transistors angelegt; die Spannung VDD im Bereich von etwa 2 bis 3 Volt wird an den Drain-Diffusionsbereich 17a zur Aktivierung des Transistors angelegt, die bewirkt, dass der Well-Bereich verarmt und zu einem elektrischen Feld führt, das vom Drain-Diffusionsbereich 17a zum Source-Diffusionsbereich 16 gerichtet ist.
Bei Lichtbestrahlung werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt, wobei die Löcher in den Gate-Bereich injiziert und in der Ladungsträger-Tasche 25 gespeichert werden. Die gespeicherten Löcher begrenzen die Breite der Verarmungsschicht, die sich vom Kanalbereich zum Substrat 11 erstreckt, wobei das Potenzial in der Nähe des Source-Diffusionsbereiches 16 verändert ist, so dass die Schwellenwertspannung des MOS-Transistors 112 durch die Ladungsträger in der Tasche 25 geändert wird.
Wenn an die Gate-Elektrode 19 eine Spannung von etwa 2 – 3 Volt und an den Drain-Diffusionsbereich 17a eine Spannung VDD von etwa 2 – 3 Volt angelegt wird, um zu ermöglichen, dass der MOS-Transistor 112 in einem gesättigten Zustand arbeiten kann, wird in einem Inversionsbereich des Kanalbereiches ein schwaches elektrisches Feld ausgebildet, wobei ein starkes elektrisches Feld im Rest des Kanalbereiches ausgebildet wird.
Wenn in diesem Stadium der Source-Diffusionsbereich 16 des MOS-Transistors 112 mit der konstanten Stromquelle 106 verbunden ist, bildet der MOS-Transistor 112 eine Source-Folgerschaltung, wobei dadurch sein Source-Potenzial und infolgedessen die Ausgangspannung variiert, die der Änderung des durch die foto-erzeugten Löcher verursachten Schwellenwertes des MOS-Transistors folgt. Demzufolge erhält man ein Videosignal entsprechend der Menge des eingestrahlten Lichts.
Wie oben beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß eine ideale CMOS-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung gestellt werden, in der foto-erzeugte Ladungen überstrichen (initialisiert), gespeichert und gelesen werden können, ohne durch Rauschquellen in den Kanalbereichen und der Halbleiteroberfläche beeinflusst zu werden.
Man wird sich erinnern, dass die Ladungsträger-Tasche 25 unter dem Kanalbereich ausgebildet ist, wobei ein Inversionsbereich in einem Teilbereich des Kanalbereiches ausgebildet ist und der Rest des Kanalbereiches mit einem starken elektrischen Feld beaufschlagt ist, so dass der Transistor aktiviert werden kann, um in einem gesättigten Zustand zu arbeiten. Darüber hinaus ist der MOS-Transistor in einem Source-Folger geschaltet, wobei seine Source-Spannung der Änderung der Schwellenwertspannung folgt, die den gespeicherten, foto-erzeugten Ladungen entspricht. Damit kann durch Lesen der Source-Spannung eine gute lineare Ladungs-Spannungs-Umwandlung erreicht werden.
Dieses Merkmal der Erfindung kann besser eingeschätzt werden, wenn es mit herkömmlichen BCMD-Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen verglichen wird, die eine triodenartige Strom-Spannungs-Kennlinie haben und daher Schwierigkeiten haben, in gesättigten Zuständen zu arbeiten oder eine lineare fotoelektrische Umwandlung zu erreichen.
Nach der Erfindung hat ein Fotosensor eine Fotodiode 111 und getrennt davon einen MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion 112. Dementsprechend kann eine Verschlechterung der Spektralempfindlichkeit, die durch mehrfache Interferenz von einfallendem Licht verursacht wird, die auf der Foto-Gate-Elektrode stattfindet, verhindert werden.
Durch die einfache Kombination der Fotodiode 111 und des MOS-Transistors zur optischen Signaldetektion 112 kann der Füllfaktor des Fotosensors verbessert werden.
Festmuster-Rauschen kann ebenfalls durch Variieren der Gate-Spannung des Source-Folgers unterdrückt werden, wie oben beschrieben wurde, um so die Verstärkung des Source-Folgers und der Source-Kapazität zu regulieren.
Bei den vorhergehenden Beispielen wird ein optisches Signal durch Ausbildung einer Ladungsträger-Tasche vom p⁺-Typ 25 in einem n-MOS-Transistor (MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion) 112 erreicht, um foto-erzeugte Löcher zu speichern. Es wird jedoch für den Fachmann verständlich sein, dass die Detektion des optischen Signals ebenso gut durch Ausbildung einer Ladungsträger-Tasche vom n⁺-Typ in einem p-MOS-Transistor (MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion) erfasst werden kann, um foto-erzeugte Elektronen zu speichern.
Bei dem Beispiel gemäß 7A ist die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung angepasst, um eine Gate-Spannung von etwa +5 Volt an die Gate-Elektrode 19 während einer Überstreichungs-Periode anzulegen, wodurch der Kanalbereich leitend gemacht wird, um dadurch auf den Source-Diffusionsbereich 16 die gleiche Spannung von etwa + 5 Volt zu beaufschlagen, die an den Drain-Diffusionsbereich 17a angelegt wird. Alternativ kann der Source-Diffusionsbereich 16 mit einer Energiequelle über eine Schaltanordnung in der Weise verbunden werden, dass die Energiequelle den Source-Diffusionsbereich 16 nur während einer Überstreichungs-Periode mit einer Spannung von etwa +5 Volt versorgt.
Mit Bezug wiederum auf 7A wird eine konstante Stromquelle als eine Lastschaltung gezeigt. Der Lastwiderstand kann durch einen kapazitiven Lastwiderstand mittels eines Kondensators ersetzt werden. In dem Fall wird der Kondensator geladen, wenn sich die Source-Spannung durch foto-erzeugte Ladungen ändert, die sich in der Ladungsträger-Tasche sammeln. Die Spannung über den Kondensator kann als ein Videosignal ausgelesen werden. Des Weiteren kann an Stelle eines solchen kapazitiven Lastwiderstands auch eine Lastschaltung mit hoher Impedanz verwendet werden, um einen Source-Folger zu bilden.
Man kann damit sehen, dass durch die vorliegende Erfindung eine neue und nützliche Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit Schwellenwertspannungs-Modulation zur Verfügung gestellt wurde, die einen gemeinsamen Well-Bereich, der von einer Fotodiode und einem FET mit isolierter Gate-Diode geteilt wird, und eine stark dotierte, vergrabene Schicht (Ladungsträger-Tasche) enthält, die in dem Well-Bereich unter dem Kanalbereich und in der Nähe des Source-Diffusionsbereiches des FET ausgebildet ist.
Demzufolge werden die foto-erzeugten Ladungen, die in der Fotodiode erzeugt werden, von dort in die Ladungsträger-Tasche des Transistors durch ein Hauptvolumen der Halbleiterschicht übertragen und anschließend in der Ladungsträger-Tasche gespeichert, um dadurch den Schwellenwert des Transistors zu ändern.
Diese Anordnung erleichtert über die gesamte Signaldetektion hinweg die Unterdrückung von sowohl dem thermischen Rauschen (kTC-Rauschen) als auch dem Rauschen, das durch Ladungseinfänge auf den Halbleiteroberflächen entsteht, die aus den zuvor erwähnten Schritten besteht: Überstreichung (Initialisierung), fotoelektrische Umwandlung, Speichern der foto-erzeugten Ladungen in der Ladungsträger-Tasche und Auslesen der Spannung.
Damit stellt die Erfindung eine rauscharme Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zur Verfügung, die mit MOS-Bildsensoren mit einem überlegenen Leistungsverhalten gegenüber herkömmlichen CCD-Bildsensoren ausgestattet ist.
Es sollte wiederum erkannt werden, dass nach der Erfindung die Ladungsträger-Tasche eines MOS-Transistors unter dem Kanalbereich des Transistors zur Verfügung gestellt wird. Die Ladungsträger-Tasche ermöglicht eine geteilte Bildung eines Inversionsbereiches und eines starken Feldbereiches um den Inversionsbereich herum im Kanalbereich, so dass der Transistor in einem gesättigten Zustand funktionsfähig ist.
Zusätzlich ist der Transistor in einer Source-Folgerschaltung enthalten, wobei seine Source-Elektrode mit einer Lastschaltung mit hoher Impedanz wie einer konstanten Stromquelle verbunden ist, so dass die foto-erzeugte Ladungsmenge vorteilhafterweise linear zu einer Änderung der Schwellenwertspannung des Transistors umgewandelt werden kann, die als eine Änderung der Source-Spannung erfasst werden kann. Sie ermöglicht eine gute lineare Licht-Spannungs-Umwandlung.
Die Erfindung kann durch eine einfache Kombination aus einer Fotodiode und einem MOS-Transistor zur optischen Signaldetektion ausgeführt werden. Damit kann die Erfindung einen verbesserten Füllfaktor davon zur Verfügung stellen.
Das Merkmal der Erfindung, dass die Verstärkung des Source-Folgers und der Source-Kapazität einfach reguliert werden kann, erleichtert die Unterdrückung von Festmuster-Rauschen.
Die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung der Erfindung kann günstig bei niedrigen Kosten hergestellt werden, da sie mit peripherer Schalttechnik auf dem gleichen Substrat mittels der herkömmlichen CMOS-Fertigungstechnologie integriert werden kann.
Obwohl überdies das ausführliche Beispiel der vorliegenden Erfindung im obigen, bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann ein anderes moduliertes Beispiel gemäß 14 ebenfalls in Betracht gezogen werden.
In 14 ist es ein unterschiedlicher Punkt von 2 bis 6, durch einen Aufbau in der Weise versehen zu sein, dass ein Signallicht direkt zu einem Gate-Bereich 15 durch eine Gate-Elektrode 19a gelangt. Mit anderen Worten, es wird keine Fotodiode zur Verfügung gestellt, wobei ein Lichtabtast-Fenster 24a zum Teil über der Gate-Elektrode 19a zur Verfügung gestellt und in anderen Bereichen das Signallicht durch eine lichtabschirmende Schicht 23a abgeschirmt wird.
Es wird der gleiche Vorteil wie der des obigen Ausführungsbeispiels auch anhand des Aufbaus von 14 erreicht, da ein Fotosensor nach 14 eine Ladungsträger-Tasche 25 in einem Well-Bereich 15 in der Nähe des Source-Bereiches 16 unter einer Gate-Elektrode 19a hat.

Claims

Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die mit mehreren Pixeleinheiten ausgerüstet ist, die jeweils eine Fotodiode und einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate- bzw. Steuerelektrode (IGFET für insulated gate field effect transistor) enthalten, wobei die Fotodiode aufweist: ein Substrat (11) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine Halbleiterschicht (12), die auf dem Substrat (11) ausgebildet ist und einen zweiten Leitfähigkeitstyp hat; einen Quellen- bzw. Well-Bereich (15), der auf der Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist und den ersten Leitfähigkeitstyp hat; einen Verunreinigungs- bzw. Störstellen- bzw. Fremdatom-Bereich (17), der auf der Oberfläche des Well-Bereiches (15) ausgebildet ist und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat, und wobei der Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode aufweist: einen Senken- bzw. Drain-Bereich (17a), der auf der Oberfläche des Well-Bereichs (15) ausgebildet ist, sich bis zu dem Störstellenbereich (17) erstreckt und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat; einen Quellen- bzw. Source-Bereich (16), der auf der Oberfläche des Well-Bereiches (15) ausgebildet, im Abstand von dem Drain-Bereich (17a) angeordnet ist und den zweiten Leitfähigkeitstyp hat; eine Steuer- bzw. Gate-Elektrode (19), die auf einer Gate-Isolierungsschicht (18) ausgebildet ist, die auf einem Gate-Bereich ausgebildet ist, welcher der Well-Bereich (15) zwischen dem Drain-Bereich (17a) und dem Source-Bereich (16) ist; und eine stark dotierte, vergrabene Schicht (25), die in dem Well-Bereich (15) in der Nähe des Source-Bereiches (16) und unter der Gate-Elektrode (19) ausgebildet ist, wobei die stark dotierte, vergrabene Schicht (25) mit Fremdatomen bzw. Störstellen des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Konzentration als der Well-Bereich (15) dotiert ist.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die stark dotierte, vergrabene Schicht bzw. Einbettungsschicht (25) über der gesamten Breite eines Kanalbereiches (15a) ausgebildet ist, der sich zwischen dem Source-Bereich (16a) und dem Drain-Bereich (17a) erstreckt.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Elektrode (19) ringförmig ist; der Source-Bereich (16) auf der Oberfläche des Well-Bereiches (15) ausgebildet ist und an dem Mittelbereich, der von der ringförmigen Gate-Elektrode (19) umgeben ist, unterliegt; der Drain-Bereich (17a) auf der Oberfläche des Well-Bereiches (15) ausgebildet ist, der die Gate-Elektrode (19) umgibt; und die stark dotierte, vergrabene Schicht (25) in dem Well-Bereich (15) ausgebildet ist, der den Source-Bereich (16) umgibt.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Elektrode (19) und ihr benachbarter Bereich gegen Licht abgeschirmt sind.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode in einer Source-Folgerverbindung bzw. -Schaltung verwendet wird, und der Source-Bereich (16) des Transistors mit einer Lastschaltung (106) verbunden ist.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Source-Bereich (16) in der Source-Folgerschaltung mit einem Ausgang (107) für ein Video-Signal verbunden ist.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pixel so angeordnet sind, dass sie eine Matrix bilden.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 7, wobei mehrere Schalter (105a, 105b) jeweils einen Eingang (25a, 29a) für ein Fotodetektionssignal, der mit mehreren vertikalen Ausgangsleitungen (20a, 20b) verbunden ist, die jeweils mit den Source-Bereichen (16) des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode verbunden sind, die zu einer Spalte der Matrix gehören, einen Ausgang (28c, 29c) für ein Fotodetektionssignal und einen Eingang (28b, 29b) für ein horizontales Abtastsignal haben; eine Abtastschaltung (103) für eine Drain-Spannung, um selektiv für jede Reihe der Matrix eine Drain-Spannung zuzuführen, die mit mehreren Speiseleitungen (22a, 22b) für eine Drain-Spannung verbunden sind, die jeweils mit dem Drain-Bereich (17a) der Feldeffekttransistoren (112) mit isolierter Gate-Elektrode verbunden sind, die zu einer Reihe der Matrix gehören, um eine Drain-Spannung auf die Drain-Regionen (17a) zu übertragen; eine Treiberschaltung (102) für ein vertikales Abtastsignal, um selektiv jeder Reihe der Matrix ein vertikales Abtastsignal zuzuführen, die mit mehreren Speiseleitungen (21a, 21b) für ein vertikales Abtastsignal verbunden ist, die mit den Gate-Elektroden (19) der Feldeffekttransistoren (112) mit isolierter Gate-Elektrode verbunden sind, die zu einer Reihe der Matrix gehören, um ein vertikales Abtastsignal auf die Gate-Elektroden (19) zu übertragen; eine Treiberschaltung (104) für ein horizontales Abtastsignal, um selektiv ein horizontales Abtastsignal jeder Spalte der Matrix zuzuführen, die mit mehreren Speiseleitungen (27a, 27b) für horizontale Abtastsignale verbunden ist, die jeweils dem Eingang für das horizontale Abtastsignal (28b, 29b) der Schalter (105a, 105b) ein horizontales Abtastsignal zur Auswahl einer der vertikalen Ausgangsleitungen (20a, 20b) übermittelt; und eine Lastschaltung (106) zur Bildung einer Source-Folgerschaltung, wenn sie mit einem der Feldeffekttransistoren (112) mit isolierter Gate-Elektrode (19) gekoppelt wird, der durch die Treiberschaltungen für die horizontalen und vertikalen Abtastsignale (103, 104) ausgewählt wird, die mit einer gemeinsamen horizontalen Ausgangsleitung (26) verbunden ist, die mit den Ausgängen (28a, 29a) für das Fotodetektionssignal der Schalter (105a, 105b) verbunden ist, und wobei der Quellen- bzw. Source-Anschluss der Source-Folgerschaltung angepasst ist, um ein Videosignal zur Verfügung zu stellen.
Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung eine monolithische integrierte Schaltung ist.
Verfahren zum Erfassen eines optischen Signals mit den Schritten: Erzeugen von Elektronen und Löchern in einem Well-Bereich (15) vom p-Typ durch ein Signallicht; Übertragen der Löcher der foto-erzeugten Elektronen und Löcher zu einer stark dotierten, vergrabenen Schicht (25) vom p-Typ, die in der Nähe eines n-Typ Source-Bereiches (16) eines Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode vergraben ist, die in dem Well-Bereich (15) vom p-Typ ausgebildet ist, wobei die vergrabene Schicht stärker dotiert ist als der Well-Bereich (15) vom p-Typ, um die übertragenen Löcher in der stark dotierten, vergrabenen Schicht (25) anzusammeln, um dadurch die Schwellspannung des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode entsprechend der Menge der angesammelten Löcher zu variieren; und Auslesen der Änderung der Schwellspannung als Menge des empfangenen Signallichtes.
Verfahren zur Erfassung eines optischen Signals mit den Schritten: Erzeugen von Elektronen und Löchern in einem Well-Bereich vom n-Typ durch ein Signallicht; Übertragen der Elektronen der foto-erzeugten Elektronen und Löcher zu einer stark dotierten, vergrabenen Schicht vom n-Typ, die in der Nähe eines Source-Bereiches vom p-Typ eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuer- bzw. Gate-Elektrode vergraben ist, die in dem Well-Bereich vom n-Typ ausgebildet ist, wobei die vergrabene Schicht stärker dotiert ist als der Well-Bereich vom n-Typ, um die übertragenen Elektroden in der stark dotierten vergrabenen Schicht anzusammeln, um dadurch die Schwellspannung des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode entsprechend der Menge der angesammelten Elektronen zu variieren; und Auslesen der Änderung der Schwellspannung als Menge des empfangenen Signallichtes.
Verfahren zur Erfassung von optischen Signalen durch die Verwendung einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat (11), der Well-Bereich (15) und die stark dotierte vergrabene Schicht (25) jedes Feldeffekttransistors vom p-Typ sind, während die Halbleiterschicht (12) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der Störstellenbereich (17), der Drain- Bereich (17a) und der Source-Bereich (16) des Feldeffekttransistors vom n-Typ sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anlegen einer Spannung, die höher als die Betriebsspannung des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode ist, an den Störstellenbereich (17), den Drain-Bereich (17a), die Gate-Elektrode (19) und den Source-Bereich (16), um den Well-Bereich (15) und die stark dotierte vergrabene Schicht (25) zu initialisieren, wodurch Löcher aus dem Well-Bereich (15) und der stark dotierten vergrabenen Schicht (25) durch das Halbleitersubstrat (11) ausgestoßen und Elektronen aus dem Well-Bereich (15) durch den Störstellenbereich (17), den Drain-Bereich (17a) und den Source-Bereich (16) ausgestoßen werden, wodurch der Well-Bereich (15) und die stark dotierte, vergrabene Schicht (25) verarmt werden; Erzeugen von Löchern und Elektronen in dem Well-Bereich (15) durch Bestrahlen der Fotodioden; Anlegen einer Betriebsspannung an den Störstellenbereich (17) und den Drain-Bereich (17a) und Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode (19) in der Weise, dass das Potential des Gate-Bereichs (15) des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode niedriger wird als das Potential der Fotodiode, wodurch die fotoerzeugten Löcher durch das Hauptvolumen des Well-Bereiches (15) übertragen und sie in der stark dotierten vergrabenen Schicht (25) angesammelt werden; Anlegen einer Betriebsspannung an den Drain-Bereich (17) und die Gate-Elektrode (19), wodurch ein Inversionsbereich mit einem schwachen elektrischen Feld längs einer Länge eines Kanal-Bereichs zwischen dem Drain-Bereich (17a) und dem Source-Bereich (16) über der stark dotierten vergrabenen Schicht (25) gebildet wird, die mit den foto-erzeugten Löchern aufgeladen wird, und Aufbauen eines starken elektrischen Feldes längs der Längsrichtung des Kanal-Bereiches mit Ausnahme des Inversions-Bereiches; Anlegen einer Betriebsspannung an den Drain-Bereich (17) und die Gate-Elektrode (19) in der Weise, dass der Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode im gesättigten Zustand betreibbar wird; Betreiben des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode, um eine Source-Folgerschaltung zu bilden, wodurch die Änderungen der Schwellspannung des Feldeftekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode aufgrund der foto-erzeugten Löcher, die sich in der stark dotierten vergrabenen Schicht (25) ansammeln, in eine Änderung im Potential des Source-Bereiches (16) des Feldeffekttransistors umgewandelt wird, wobei das Potential des Source-Bereichs (16) die Menge der foto-erzeugten Ladung darstellt und die festgestellte bzw. erfasste Lichtmenge angibt.
Verfahren zur Erfassung von optischen Signalen durch Verwendung einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat, der Well-Bereich und die stark dotierte vergrabene Schicht jedes Feldeffekttransistors vom n-Typ sind, während der Halbleiter mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, der Störstellenbereich, der Drain-Bereich und der Source-Bereich des Feldeffekttransistors vom p-Typ sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anlegen einer Spannung, die höher als die Betriebsspannung des Feldeffekttransistors ist, an den Störstellenbereich, den Drain-Bereich, die Gate-Elektrode und den Source-Bereich, um den Well-Bereich und die stark dotierte, vergrabene Schicht zu initialisieren, wodurch Elektronen aus dem Well-Bereich und der stark dotierten, vergrabenen Schicht durch das Halbleiter-Substrat ausgestoßen und Löcher aus dem Well-Bereich durch den Störstellenbereich, den Drain-Bereich und den Source-Bereich ausgestossen werden, wodurch der Well-Bereich und die stark dotierte vergrabene Schicht verarmt werden; Erzeugen von Löchern und Elektronen in dem Well-Bereich durch Bestrahlen der Fotodioden; Anlegen einer negativen Spannung, die größer ist als die Betriebsspannung, an den Störstellenbereich und den Drain-Bereich, die Gate-Elektrode und den Source-Bereich in der Weise, dass das Potential des Gate-Bereiches des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode höher wird als das Potential der Fotodiode, wodurch die foto-erzeugten Elektronen durch den Well-Bereich übertragen werden und sich in der stark dotierten vergrabenen Schicht ansammeln; Anlegen einer Betriebsspannung an den Drain-Bereich und die Gate-Elektrode, wodurch ein Inversions-Bereich mit einem schwachen elektrischen Feld längs der Länge eine Kanal-Bereiches zwischen dem Drain-Bereich und dem Source-Bereich über der stark dotierten vergrabenen Schicht gebildet werden, die mit den foto-erzeugten Elektronen aufgeladen wird, und Aufbauen eines starken elektrischen Feldes längs der Längsrichtung des Kanal-Bereiches mit Ausnahme des Inversionsbereiches; Anlagen einer Betriebsspannung an den Drain-Bereich und die Gate-Elektrode in der Weise, dass der Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode im gesättigten Zustand betreibbar ist; Betreiben des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode, um eine Source-Folgerschaltung zu bilden, wodurch eine Änderung in der Schwellspannung des Feldeffekttransistors mit isolierter Gate-Elektrode aufgrund der foto-erzeugten Elektroden, die sich in der stark dotierten vergrabenen Schicht sammeln, in eine Änderung des Potential des Source-Bereiches des Feldeffekttransistors umgewandelt wird, wobei das Potential des Source-Bereiches die Menge der foto-erzeugten Ladungen darstellt und die erfasste Lichtmenge angibt.