DE2313254A1

DE2313254A1 - Photoelektrisches umsetzungselement fuer farbbildaufnahme- bzw. -abtastroehren und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2313254A1
Application number: DE2313254A
Authority: DE
Inventors: Tohru Itoh; Shuji Kubo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1972-03-17
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1973-09-27
Also published as: CA969596A; US3860956A; GB1401743A

Description

PATENTANWALTSBÜRO TlEDTKE - BüHLING " KlNNE

TEL. (0611) 53 9653-56 TELEX: 524 845 ti pat CABLE ADDRESS: Germaniapatent München

8000 München 2

Bavariaring 4 Postfach 202403 ^l6· ^März 1973

Matsushita Electric Industrial.Company, Ltd, Osaka, Japan

Photoelektrisches Umsetzungselement für Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhren und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein photoelektrisches Umsetzungselement für Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhren, nämlich ein sog. Farbtarget bzw. eine Farbauftreffelektrode, und zwar im einzelnen ein Target bzw. eine Auftreffelektrode für eine Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhre, bei der keine Farbfilter verwendet werden; weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Targets bzw. dieser Auftreffelektrode.

Bei einer konventionellen Auftreffelektrode für eine Farbbildaufnahmeröhre wird ein photoelektrisch leitfähiges Material als Auftreffelektrode benutzt, und an der

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Dtutsdw Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Sank (München) Kto. 3838844 Poitscheck (München) Kto. 67043404

Beleuchtungsseite sind auf der Oberfläche Farbfilter vorgesehen, die nur grün (G) bzw. rot (R) bzw. blau (B) durchlassen, so daß auf diese Weise die Lichtanteile, welche dem grün, dem rot und dem blau entsprechen, in den entsprechenden Bildelementen in elektrische Signale umgesetzt werden, vronach jedes Farbsignal wiedererkannt wird und auf diese Weise Farbbilder erzeugt werden. Jedoch ergeben sich bei dieser Technik einige Schwierigkeiten bei der Herstellung wirksamer Farbfilter, die nur eine der Farben grün, rot oder blau durchlassen, und es ergeben sich weitere Schwierigkeiten, wenn eine Mehrzahl von diesen Farbfiltern in Übereinstimmung miteinander angeordnet werden soll.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Auftreffelektrode für eine Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhre zur Verfügung gestellt, in welcher photoelektrische Umsetzungselemente, die für grün, rot, und blau empfindlich sind, als die die Bildelemente bildenden Umformungselemente benutzt werden, ohne daß die Notwendigkeit besteht, auf der Auftreffelektrodenoberflache drei Farbfilter vorzusehen.

Gemäß der Erfindung wird ein photoelektrxsches Umsetzungselement für eine Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhre zur Verfügung gestellt, das eine Siliciumunterlage vom N-Typ umfaßt; sowie eine Siliciumschicht vom P-Typ, die auf der Unterlage vom N-Typ vorgesehen und beispielsweise durch epitaxiales Wachsen ausgebildet-worden ist; und eine Siliciumschicht vom N-Typ, die auf der Schicht vom P-Typ vorgesehen und

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beispielsweise durch Diffusion ausgebildet worden ist; wobei die erste P-N-Verbindung, die zwischen der Schicht vom N-Typ und cer Schicht vom P-Typ ausgebildet ist, in einem konstanten Abstand von der Oberfläche des Elements unabhängig von den Farben liegt; und wobei ferner die zweite P-N-Verbindung, die zwischen der Schicht vom P-Typ und der Unterlage vom N-Typ ausgebildet ist, in drei unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche liegt, und zwar in Übereinstimmung mit dem aufzunehmenden grün _y rot oder blau, so daß das Element die maximale spektrale Empfindlichkeit für eine der jeweiligen einzelnen Farben besitzt; und wobei schließlich zwei Elektroden an der Schicht vom N-Typ bzw. der Schicht vom P-Typ vorgesehen sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der Durchlässigkeit der Lichtarten und der Tiefe, ausgehend von der Oberfläche, veranschaulicht;

Fig. 2a zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines

photoelektrischen N-P-N-Umsetzungselements gemäß der Erfindung;

Fig. 2b zeigt eine Charakteristik des Energiebands der Anordnung nach Fig. 2a;

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Fig, 2c zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines

. photoelektrischen P-N-P-Umsetzungselements gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2d zeigt eine Charakteristik des Energiebands der Anordnung nach Fig. 2c;

Fig. 3 zeigt eine spektrale Charakteristik des Elements nach Fig. 2a;

Fig, 4 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Farbauftreffelektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der

in Fig. 4 dargestellten Auftreffelektrode gemäß der Erfindung;

Fig. 6 zeigt Schritte eines anderen Verfahrens

zur Herstellung einer Farbauftreffelektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine Charakteristik des Spektrums der

Auftreffelektrode gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung;

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Pig. 8 zeigt eine Farbaufnahme- bzw. -abtast- -

schaltung bzw. -röhre gemäß der Erfindung; und

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer Abtasteinrichtung, die in Verbindung mit einer Auftreffelektrode nach der Erfindung benutzt werden kann.

Bisher war ein photoelektrisches Halbleiter-Umsetzungselement unter Verwendung eines PN-übergangs bekannt. In diesem Element erreicht ein durch Lichtbestrahlung erzeugter Minoritätsträger eine Elektrode durch den PN-Übergang, indem er zu einem Majoritätsträger wird, so daß man auf diese V/eise einen Signalstrom erhält. Um in photoelektrischen Halbleiter-Umsetzungselementen mit PN-Übergang Licht wirksam in elektrische Energie umzusetzen, ist folgendes erforderlich:

(1) Das eintreffende Licht muß wirksam auf das

Umsetzungselement projiziert werden, so daß es Elektron-Loch-Paare erzeugt; und

(2) der durch die Lichtenergie erzeugte Minoritätsträger muß ohne Verlust durch den PN-Übergang geführt werden,

Wenn Licht auf eine Substanz geworfen bzw. projiziert wird, hängt die Lichtabsorption in der Hauptsache im wesentlichen von der Wellenlänge des Lichts ab; und Licht, das eine kurze Wellenlänge hat, wird in der Nähe der Oberfläche absor-

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biert, während Licht, welches eine lange Wellenlänge besitzt, an einer tiefen Stelle in der Substanz absorbiert wird,

Fig. 1 veranschaulicht die' Stelle, an welcher die Lichtenergie in Elektron-Loch-Paare umgesetzt wird, d.h. die Bedingungen der Absorption mit Bezug auf den Absorptionskoeffizienten von Silicium gegenüber sichtbarem Licht. Gemäß der Fig. 1 werden 90 % des ankommenden Lichtes bis zu einem Abstand von 5 Mikron von der Oberfläche absorbiert, wenn das Licht eine Wellenlänge von 0,6 Mikron besitzt. Es ist daher festzustellen, daß sichtbares Licht mit kürzerer Wellenlänge in der Nähe der Oberfläche des Kristalls in Ladungsträger .umgewandelt wird, während sichtbares Licht mit einer längeren Wellenlänge sowie das Licht im nahen Infrarot im Inneren des Kristalls in Ladungsträger umgewandelt wird. Aufgrund dieser Verhältnisse kann man durch Kontrolle der Stellen, an denen die Lichtanteile jeder Wellenlänge absorbiert werden, sowie derjenigen Stellen, an denen die von der Absorption resultierenden Ladungsträger den PN-Übergang effektiv bzw. wirksam überqueren, zu photoelektrischen Umsetzungselementen gelangen, von denen jedes eine spezielle Spitzen-Wellenempfindlichkeit für rot, grün oder blau hat.

Bei der vorliegenden Erfindung wird es durch eine Kombination der drei auf diese V/eise hergestellten unterschiedlichen photoelektrischen Umsetzungselemente ermöglicht, daß eine Auftreffelektrode besondere Empfindlichkeiten gegenüber rot, grün und blau besitzt.

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Nachstehend wird zunächst ein photoelektrisches Umsetzungselement erläutert, das beispielsweise nur für blau empfindlich ist. In diesem Element ist der erste PN-Übergang an der Stelle ausgebildet, die sich in der Nähe der Oberfläche befindet, auf welcher das ankommende Licht projiziert wird und wo die Umsetzung stattfindet. Der zweite PN-Übergang ist innerhalb des Kristalls ausgebildet und wirkt als internes Potentialfeld zur Entfernung unerwünschter Ladungsträger, die durch das Licht erzeugt worden sind, welches eine große Wellenlänge besitzt.

In Fig. 2a ist ein grundsätzlicher Aufbau des für blau empfindlichen Umsetzungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Hier wird ein NPN-Element erläutert. Auf dem Siliciumträger 1 vom N-Typ ist eine Silieiumschicht 2 vom P-Typ ausgebildet, die eine Dicke von

2 Mikron besitzt und durch ein epitaxiales Wachstumsverfahren gebildet wurde. Die Silieiumschicht 3 vom N-Typ, die auf der . Schicht 2 vom P-Typ ausgebildet ist, wurde durch Diffusion hergestellt und besitzt eine Dicke von ungefähr 0,3 Mikron. Der erste PN-Übergang 4 ist zwischen der P-Schicht 2 und der N-Schicht 3 ausgebildet, während der zweite PN-Übergang 5 zwischen dem N-Träger 1 und der P-Schicht 2 ausgebildet ist. Die Elektroden 7 und 8 sind aus der Oberfläche der Schicht

3 vom N-Typ bzw. der Schicht 2 vom P-Typ herausgeführt. Das Element wird mit Licht 6 beleuchtet, das von links nach rechts eingestrahlt wird, so daß in diesem Falle die N-Schicht 3 beleuchtet wird. Der erste PN-Übergang 4, der in der Nähe der

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Oberfläche des Elements ausgebildet ist, wird für eine photoelektrische Umsetzung benutzt.

Da es schwierig ist, mit der gegenwärtigen Halbleitertechnik einen übergang sehr nahe an der Oberfläche auszubilden, werden diejenigen Lichtanteile des sichtbaren Lichts,, die unterhalb der Wellenlänge von 0,6 Mikron liegen, in der Nähe des ersten Übergangs 4 in elektrische Signale umgesetzt, während diejenigen Lichtanteile, die eine große Wellenlänge besitzen, sowie infrarotes Licht, an einer tiefen Stelle umgesetzt werden, nachdem sie durch den ersten PN-Übergang 4 hindurchgegangen sind. Infolgedessen wird der größte Anteil der Umsetzung bei einer großen Wellenlänge durch einen Minoritätsträger ausgeführt, der an einer von der Oberfläche aus gesehen tiefen Stelle erzeugt und zurück zum ersten PN-Übergang 4 diffundiert wird, wo er den übergang 4 überquert. Zwei Elektroden 7 und b sind an der Schicht vom P-Typ bzw. an der Schicht vom N-Typ vorgesehen.

Um nun in diesem Falle zu verhindern, daß der zurückdiffundierte Minoritätsträger durch den ersten PN-Übergang 4 hindurchgeht, ist der zweite PN-Übergang 5 vorgesehen, so daß infolge dessen der unerwünschte Minoritätsträger zum zweiten übergang 5 geleitet und die Empfindlichkeit für das Licht mit einer großen Wellenlänge herabgesetzt wird.

In Fig. 2b ist eine Charakteristik des Energiebandes

des Elements der Fig. 2a veranschaulicht, welches das Fermi-

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niveau 11, das Leitungsband 12 und das besetzte Band 13 aufweist. Die beiden Sperrschichten 9 und 10 sind zwischen der N-Schicht 3 und der P-Schicht 2 bzw. zwischen der P-Schicht

2 und dem N-Träger 1 angeordnet, wobei die erwähnten Schichten jeweils den Schichten der Fig. 2a entsprechen. Da die Elektroden 7 und ö aus den Schichten 3 und 2 herausgeführt sind_A trägt bei dem N-P-N-Aufbau nur der Träger zu einem Signalstrom bei, welcher die Sperrschicht 9 überquert. Der Minoritätsträger (Löcher), der optisch in der N-Schicht 1 erzeugt wird, verbleibt in der besetzten Schicht der P-Schicht 2 und überquert niemals, die Sperrschicht 9. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die an tieferen Stollen im N-Träger 1 erzeugten Träger nicht zum Stromfluß beitragen. Nur der Träger, welcher an der Stelle.nahe dem übergang 4 der P-Schicht 2 und der N-Schicht

3 erzeugt worden ist, trägt zum Strom bei. Obwohl vorstehend der N-P-N-Aufbau im obigen Falle näher erläutert worden ist, gilt das gleiche für einen P-N-P-Aufbau.

In Fig. 2c ist ein photoelektrisches P-N-P-Umsetzungselement veranschaulicht, wobei die gleichen Eezugszeichen für den P-Träger, die N-Schicht und die P-Schicht benutzt sind, wie in Fig. 2a, diesen Bezugszeichen jedoch noch ein ^f zugefügt worden ist. Die Fig. 2d zeigt eine Charakteristik des Energiebands der Anordnung nach Fig. 2c. Die beiden Sperrschichten, die denjenigen der Fig. 2b entsprechen, sind auch dargestellt.

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Um ein Element herzustellen, das nur für blau, nicht jedoch für grün und rot empfindlich ist, sollte der zweite übergang 5 an einer Stelle ausgebildet werden, welche einen Abstand von 2 bis 4 Mikron von der Oberfläche hat. Die Tiefe des ersten Übergangs ist konstant innerhalb von 0,3 Mikron bis 0,5 Mikron gemacht, und zwar unabhängig von den zu empfangenden Farben. Die spektrale Charakteristik dieses Elements ist in Fig. 3 dargestellt.

Um als nächstes ein Umsetzungselement herzustellen, das eine maximale Empfindlichkeit für grün besitzt und im wesentlichen nicht für rot empfindlich .ist, sollte der zweite PN-Übergang 5 an einer tieferen Stelle ausgebildet werden, so daß.es dadurch ermöglicht wird, daß das Element eine große Empfindlichkeit für Lichtanteile mit einer großen Wellenlänge besitzt. In diesem Falle kann die Tiefe des zweiten Übergangs 5 bis 7 Mikron von der Oberfläche liegen. Die Tiefe des ersten Übergangs ist die gleiche wie im Falle des Blau-Elements, was bereits erläutert worden ist.

Um in entsprechender Weise ein Umsetzungselement herzustellen, das für rot empfindlich ist, kann die Tiefe des zweiten Übergangs 5 von 10-12 Mikron von der Oberfläche aus betragen.

Wie bereits erläutert wurde, können die drei unterschiedlichen Arten von Umsetzungselementen, wie beispielsweise das eine spektrale Spitzenempfindlichkeit für rot aufweisende

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Element, das eine spektrale Spitzenempfindlichkeit für blau besitzende Element und das eine spektrale Spitzenempfindlichkeit für grün aufweisende Element gemäß der Erfindung durch Veränderung des Abstands zwischen der Oberfläche des Elements und dem zweiten übergang hergestellt werden. Ausgehend von diesen Verhältnissen kann eine Parb-Auftreffelektrode für eine einzelne Farbaufnahme- bzw. -abtaströhre dadurch hergestellt werden, daß man jedes der drei unterschiedlichen Elemente in entsprechender V/eise anordnet und diese Elemente in einem einzigen Halbleiterträger einarbeitet bzw. aufnimmt.

In Fig. ¹I ist ein Verfahren zur Herstellung der Farb-Auftreffelektrode veranschaulicht. Ein Siliciumeinkristall 20 vom ,P-Typ, der 50 ό und 1/100-^-cm besitzt, wird graviert, so daß unterschiedliche Ausnehmungen ausgebildet werden, die jeder der Umsetzungstiefen für grün, rot und blau entsprechen. Die Ausnehmung 21 entspricht dem rot und besitzt eine Tiefe von 12 Mikron, während die Ausnehmungen 22 dem grün entsprechen und eine Tiefe von 7 Mikron besitzen und Ausnehmung 23 dem ' blau entspricht und eine Tiefe von *! Mikron hat (Pig. 2a). Die Breite der Ausnehmungen beträgt 15 Mikron und der Abstand derselben beträgt 60 Mikron.

Das in Fig. *J veranschaulichte Kristallelement dient nur zu Er läuterung zwecken, so daß die relativen Längen nicht richtig sind. Der mit As dotierte Siliciumkristallfilm, nämlich die epitaxial aufgewachsene Schicht 2*J, die einen relativen Widerstand von 0,1 Ohm-cm besitzt, ist über der gesamten Ober-

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fläche von 15 Mikron (Fig. 4b) ausgebildet. Als nächstes wird die epitaxial .gewachsene Schicht 2k über der gesamten Oberfläche durch chemisches Atzen in einer maximalen Höhe von 17 Mikron entfernt, und die Oberfläche wird so flach bzw.. eben wie möglich gemacht (Fig. kc). Entsprechend besitzt jeder der freigelegten Bereiche 25, 26 und -27, welche epitaxiale Schichten sind, eine Breite von jeweils 15 Mikron. Die Tiefe jedes Bereichs beträgt 10 Mikron für rot, 5 Mikron für grün und 2 Mikron für blau'. Der nächste Verfahrensschritt besteht darin, einen Siliciumoxydfilm 28 von 3000 A durch ein thermisches Oxydierungsverfahren über die gesamte Oberfläche aufzubringen (Fig. ¹Jd). Die öffnung 29 im SiO₂, die 5 Quadratmikron besitzt, ist in der Mitte jedes bloßgelegten Bereichs mittels Ätzen mit photowiderstandsfähiger Schicht in einem regelmäßigen Abstand von 15 Mikron ausgebildet (Fig. ^l\e).

Dann wird der P-Bereich 30 durch Erhitzung unter Bordampf oder Dampf einer Borverbindung bei ungefähr 1000⁰C und außerdem durch Diffundieren der öffnung von SiO„ in Inseln 30 ausgebildet (Fig. ^f). Die Tiefe des PN-ubergangs ist 0,5 Mikron. Wenn die Dichte der Oberfläche groß ist, besteht die Tendenz, daß die Empfindlichkeit für kürzere Wellenlängen

IQ schlechter wird, so daß die Bor-Oberflächendichte 10 bis

20 "3 ~

10 pro cm·^ betragen sollte. Nach Entfernung der Borglasschicht, die zur Zeit der Bordiffusion gebildet wird, werden die Elektroden 31, 32 und 33 aus den Bereichen 25, 26 und vom N-Typ, welche dem R, G und B entsprechen (Fig.

herausgeführt und mit dem Streifen bzw. dem bloßgelepten

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Bereich vom N-Typ verbunden.

Für die DrahtaLektroden wird Aluminium benutzt. Der Endverfahrensschritt besteht darin, einen Halbleiter 35, beispielsweise mittels Antimontrisulfid, in der Dicke von 300 Ä über die gesamte Oberfläche aufzudampfen, um zu verhindern, daß der SiOp-FiIm durch Elektronen verändert wird, die aufgrund eines Elektronenstroms emittiert worden sind (Fig. *ig). In Fig. 5 ist eine auf diese V/eise erzeugte Auftreffelektrode veranschaulicht, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung der Auftreffelektrode wird anhand von Fig. 6 erläutert. Bei diesem Verfahren besitzt die Ausnehmung für R eine Tiefe von 8 Mikron, die Ausnehmung für G weist eine Tiefe von 3 Mikron auf, und für B ist keine Ausnehmung ausgebildet (Fig. 6a). Die Breite der Ausnehmungen beträgt 60 Mikron, und der regelmäßige Abstand ist 60 Mikron. Die epitaxial aufgewachsene Schicht 2k wird in einer Höhe von 15 Mikron über der gesamten Oberfläche ausgebildet (Fig. 6b).

Als nächstes wird die epitaxiale Schicht gleichmäßig von der Oberfläche entfernt, und zwar soweit wie möglich durch chemisches Ätzen, derart, daß an den dünnsten Stellen eine 2 Mikron dicke epitaxiale Schicht zurückbleibt (Fig. 6c). Die Bereiche, die R, G und B entsprechen, sind 10 bzw. 5 bzw. 2 Mikron dick. 309839/090Λ

Als nächstes wird ein Siliciumoxydfilm 2b von ungefähr 3OÜ0Ä Dicke mittels eines thermischen OxydierungsVerfahrens über der gesamten Siliciumoberflache ausgebildet (Fig. bd) Die SiÖp-öffnung in Form eines Quadrats von 30 Mikron wird im Zentrum jeder Reihe (Fig. 6e) ausgebildet. Die öffnung v/ird durch ein Photo-Atzverfahren gebildet. Die Siliciumöffnung wird weiterhin unter Bordampf auf eine Temperatur von 100O⁰C erhitzt, und Bor wird in die Öffnung diffundiert, und es werden Bereiche 30 vom P-Typ ausgebildet (Fig. 6f). Die Tiefe des Übergangs ist 0,5 Mikron. Wenn die durch Diffusion erzeugte Dichte an der Oberfläche groß ist, dann wird die Empfindlichkeit für kürzere Wellenlängen verschlechtert, so daß die

IQ 10 3 Bor-Oberflächendichte 10 ^y bis .10 /cm betragen muß.

Der nächste Verfahrensschritt besteht darin, den Siliciumoxydfilm einschließlich des Borglases durch ein chemisches Ätzverfahren zu entfernen. Danach wird ein Siliciumoxydfilm 31 von 2000 ft Dicke mittels eines Erhitzungs-Oxydierungsverfahrens über der gesamten Oberfläche der Unterlage erzeugt (Fig. 6g). Daraufhi η xvird eine Mehrzahl von Löchern auf dem Siliciumoxydfilm der endgültigen Inselbereiche 30-E des P-Typs vorgesehen, und es werden die Ausgangsansehlußelektroden 32 und die Ladungsübertragungselektroden 33 durch ein Ktzen mittels photowiderstandsfähiger Schicht vorgesehen (Fig. 6h).

Bei dem vorbeschriebenen Ausfüiirungsbeispiel wird der Abstand zwischen der Kristalloberfläche and dem zweiten Über-

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gang verändert, damit man jeweils Elemente für R, G und B erhält, die für diese Farben eine besondere Empfindlichkeit besitzen; und die Bereiche 25, 26 und 27 vom N-Typ sollten jeweils durch chemisches Ätzen, epitaxiale Verfahren oder chemische Ktztechniken unterschiedlich ausgebildet werden. Es wird nämlich in dem Bereich, welcher dem grün entspricht, Aluminium auf einer flachen bzw. ebenen Unterlage vom P-Typ diffundiert, und auf dem Bereich, der dem blau entspricht, wird Bor selektiv zur Diffusion gebracht. In dem Bereich, der dem rot entspricht, wird keine Diffusion ausgeführt. Eine epitaxiale Schicht von M-Typ läßt man darauf aufwachsen. Während des epitaxialen Aufwachsers tierden Aluminium und Bor in den Bereichen in die epitaxiale Schicht diffundiert. Aluminium hat eine größere Diffusionsgeschwindigkeit als Bor. Der Abstand von der Oberfläche der aufgewachsenen Schicht zum ersten Übergang und. jede der ^ufwaehszeiten sind wie folgt definiert:

10 Mikron für rot
5 Mikron für grün
2 Mikron für blau

Die Spitze der spektralen Empfindlichkeit der X-Zelle liegt bei einer Lichtwellenlänge von 0,^5 u und die Empfindlichkeit beträgt 0,03^1 ,uA/uVJ cip . Die Spitze der spektralen Empfindlichkeit der Y-Zelle liegt bei 0,55 Mikron, und

; beträgt 0,062 ι 309839/0984

die Lichtempfindlichkeit beträgt 0,062 uA/uW cm .

Die Lichtempfindlichkeit der Y-Zelle bei der Lichtwellenlänge von 0,^5 Mikron ist etwa gleich derjenigen der X-Zelle bei einer Wellenlänge von 0,^5 Mikron. Die Spitze der spektralen Empfindlichkeit der Z-Zelle liegt bei 0,65 Mikron,

und die Lichtempfindlichkeit dieser Zelle beträgt 0,1 μΑ/uW cm Die Lichtempfindlichkeit der beiden Zellen für 0,45 Mikron und 0,55 Mikron ist gleich der Lichtempfindlichkeit der X-Zelle und der Y-Zeile. In Fig. 7 ist eine Charakteristik der spektralen Empfindlichkeiten der drei unterschiedlichen Elemente X, Y und Z wiedergegeben, wobei jedes dieser Elemente eine maximale spektrale Empfindlichkeit besitzt, und zwar das eine für rot, das andere für grün und das dritte für blau. Infolgedessen ergeben sich Verhältnisse, welche sich durch die folgenden Gleichungen ausdrücken lassen:

Z = R + G + B ·

Y = G + B (1)

X = B

Daher läßt sich jede Komponente R, G und B durch die folgenden Gleichungen aus den spektralen Lichtempfindlichkeit scharakteristika yon X, Y und Z ausdrücken,

B = X ,

G=Y-X (2)

R = Z-Y .

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Bezüglich der Lichtempfindlichkeit der Silicium-P-N-Übergangs-Diode läßt sich theoretisch die folgende Gleichung aufstellen:

R=G=B" (3)

Jedoch wurde gefunden, daß die tatsächliche Lichtempfindlichkeit der Diode, wie sie gemessen worden ist, der folgenden Beziehung entspricht:

R > G> B

Der Grund für diese Verhältnisse läßt sich aus folgenden Überlegungen ableiten:

(1) Je kürzer die Wellenlänge wird, um so größer wird die Reflektionswirksamkeit der Siliciumoberflache.

(2) Je kürzer die Wellenlänge des Lichtes wird, um so mehr wird der Minoritätsträger an der Stelle in der Nähe der Oberfläche erzeugt, und um so größer wird die Wahrscheinlichkeit einer Auslöschung aufgrund einer Rekombination an der Oberfläche.

Damit nun die Gleichung (¹O der Gleichung (3) angenähert wird, ist folgendes erforderlich:

(1) Es wird ein Antireflektionsschirm auf die Silicium-309 8 39/0 984

oberfläche aufgedampft. Beispielsweise SiO in einer Dicke von etwa 500 ί? durch Beschichtung aufgebracht.

(2) Es 'sollten keine Kristallfehlstellen auf der dem ankommenden Licht zugewandten Oberfläche des Siliciums ausgebildet werden.

Wenn jede der X, Y und Z-Zellen auf einem einzelnen Siliciumträger durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird, werden die X, Y und Z-Zellen geprüft und entsprechende Ausgangssignale erzeugt, und es wird ein arithmetischer "Vorgang, wie er durch die Gleichung (2) verkörpert wird, in einer arithmetischen Schaltung ausgeführt. Wenn R, G und B eine gleiche Lichtintensität haben, wird die Gleichung (¹O verwirklicht, so daß es erforderlich ist, die Signale zum Zwecke der Anpassung an die menschliche visuelle Empfindlichkeit einzustellen.

t -

Dementsprechend sollte eine Schaltung für die Korrektur der Signale eine Operation ausführen, welche zu den Größen ^R»^ciG, ßB führt, worin «\ und ß jeweils Koeffizienten sind.

Es sei nunmehr auf Fig. 8 Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer einzelnen Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhre mit der Auftreffelektrode veranschaulicht ist. Die Farbbildaufnahmeröhre 40 ist eine Iconoscopröhre, die eine Farb-Auftreffelektrode 41 umfaßt, Vielehe von einem Elektronenstrahl abgetastet wird, der seinerseits von der Kathode

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emittiert und mittels einer an sich bekannten Technik in Übereinstimmung mit der Abtastrahmenlinie abgelenkt wird. Da die Kathode 42 in geeigneter V/eise in einer versetzten Lage angeordnet ist, wird das Bild 43 durch die Linse 44 und nach Durchgang durch den transparenten Bereich 45 der Röhre auf die Abtastelektrode 4l projiziert, wo es durch scharfe Einstellung direkt entworfen ist und vom Elektronenstrahl abgetastet werden kann.

Die durch die Beleuchtung der Auftreffelektrode hervorgerufenen Ladungsträger werden als elektrischer Strom abgenommen bzw. festgestellt, wenn der Elektronenstrahl die Auftreffelektrode erreicht, und an den Enden der Ausgangswiderstände 47, 48 und 49 werden Ausgangsspannungen erzeugt. Die Ausgangsspannungen werden an den Anschlüssen 50, 51 und 52 als X-Signal bzw. Y-Signal bzw, Z-Signal abgenommen. Das Bezugszeichen 53 ist einer Vorspannungsquelle zugeordnet.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurde auf den Fall Bezug genommen, in dem Licht vom ersten übergang her projiziert wird. Wenn jedoch das Licht vom zweiten übergang oder von der Unterlage her eingeführt wird, dann wird die Spannungscharakteristik zu einer solchen, bei der die kürzere Wellenlänge abgeschnitten wird, und die X-Zelle umfaßt dann ein Signal, das R, G und B aufweist, während die Y-Zelle dann ein Signal umfaßt, das R und G aufweist, wohingegen die Z-Zelle nur R umfaßt.

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-. 20 -

In Pig. 9 ist ein Blockschaltbild einer Abtasteinrichtung veranschaulicht, die eine photoelektrische Umsetzungsmatrix 71 von der in Fig. 5 dargestellten Art besitzt, sowie einen Generator 72 zum Erzeugen eines vertikalen Abtastsignals, ein trberführungstor 73_S einen Ausgangswiderstand 74 und einen Ausgangsverstärker 75. Wenn die elektrischen Ladungen, die sich in der Matrix angesammelt haben, übertragen werden sollen, dann betreibt der Generator 72 das spezielle Übertragungstor 73 zum Zvrecke der Abtastung, und die Ladungen werden zum Ausgangswiderstand 74 übertragen. In diesem Falle werden die Ladungen, wenn horizontale Zeitgeberimpulse angewandt werden, nacheinander in den Ausgangsverstärker 75 gelegt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Wirkungen und Vorteile der Erfindung insbesondere in folgendem bestehen:

(1) Die Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhre kann als Einzelröhre hergestellt werden.

(2) Die Farbfilter und der Signalindex können eingespart werden.

(3) Die Auftref!'elektrode läßt sich durch die

gegenwärtige Technik zur Herstellung integrierter Schaltungen, wie beispielsweise die Silicium-Planartechnik in leichter und einfacher V/eise hergestellen, so daß die Auftreffelektrode wirtschaftlich erzeugt werden kann und ein geeig-

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netes Objekt für die Massenproduktion darstellt sowie weiterhin eine gute Stabilität besitzt.

Da die Auftreffelektrode ein Einkristall ist, wird ein Durchschmelzen bzw. Ausbrennen des Flecks verhindert, und der/-Wert des Bildes ist nahezu 1.

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Claims

Patentansprüche

Photoelektrisches Umsetzungselement für Farbbildaufnahme- bzw, -abtaströhren, gekennzeichnet durch einen Siliciumträger (1) vom N-Typ; eine Siliciumschicht (2) vom P-Typ, die auf dem Träger vom N-Typ vorgesehen und beispielsweise durch epitaxiales Aufwachsen ausgebildet ist; und eine Siliciumschicht (3) vom N-Typ, die auf der Schicht vom P-Typ vorgesehen und beispielsweise durch Diffusion ausgebildet ist; wobei sich der erste PN-Übergang (¹I), der zwischen der Schicht vom N-Typ und der Schicht vom P-Typ angeordnet ist, unabhängig von den Farben in einem konstanten Abstand von der Oberfläche des Elements befindet, während der zweite PN-Übergang (5), der zwischen der Schicht vom P-Typ und dem Träger vom N-Typ ausgebildet ist, in drei unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche in Übereinstimmung mit dem zu empfangenden grün, rot oder blau angeordnet ist, so daß das Element eine maximale spektrale Empfindlichkeit jeweils für eine der einzelnen Farben besitzt; und wobei ferner zwei Elektroden (7, 8) an bzw. in der Schicht vom N-Typ bzw, der Schicht vom P-Typ vorgesehen sind.
2. Photoelektrisches Umsetzungselement nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Schicht (2) vom P-Typ eine Dicke von 2 Mikron und die Schicht (3) vom N-Typ eine Dicke von 0,3 Mikron besitzt.

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3. Photoelektrisches Umsetzungselement nach Anspruch

1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß das Element aus' einer Schicht (I¹, 2', 3^!) vom P-N-P-Typ besteht,
4. Photoelektrisches Umsetzungselement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste PN-Übergang (4, V) in einem Abstand von 0,3 bis 0,5 Mikron und der zweite PN-Übergang (5, 5') für blau in einem Abstand von

2 bis 4 Mikron, für grün in einem Abstand von 5 bis 9 Mikron und für rot in einem Abstand von 10 bis 12 Mikron von der Oberfläche angeordnet ist.
5. Photoelektrische Umsetzungsauftreffelektrode

für Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhren, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl von Dreifarben-Umsetzungseleinentennach Anspruch 1 umfaßt, die in einem einzelnen bzw. einzigen Halbleiterträger (20) in der Form einer Matrix eingearbeitet sind.
6. Photoelektrische Umsetzungsauftreffelektrode

für Farbbildaufnahme- bzw. -abtaströhren, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Dreifarben-Umsetzungselementen gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, die in einem einzelnen"bzw, einzigen Halbleiterträger (20) in der Form einer Matrix eingearbeitet sind μηά eine Mehrzahl von elektrischen Leitungsdrähten (31, 32, 33) bzw. elektrischen Leitern, die mit jedem der Grün·^, bzw. Rot- bzw. Blau-Umsetzungselementen verbunden sind, so daß sie von diesen Elementen die umgesetzten Signale aufnehmen

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bzw. ableiten können.
7. Farbfernsehkamera, insbesondere mit einer photoelektrischen Umsetzungsauftreffelektrode nach Anspruch 5 oder 6',mit einer Stromversorgung,- einer Kathode, einer Ablenkeinrichtung und einer Abtasteinrichtung, g e k e η η zeichnet durch eine Färb-Auf treff elektrode (¹Il), die eine Mehrzahl von Dreifarben-Umsetzungselementen (X, Y, Z) aufweist, welche in einem einzigen bzw.. einzelnen Halbleiterträger (2.0) in der Form einer Matrix eingearbeitet bzw. angeordnet sind, wobei jede Farbgruppe dieser Elemente mit der einzigen Stromversorgung (53) jeweils durch Widerstände (47, 48, 49) verbunden isi:, und wobei ferner drei unterschiedliche Ausgänge mit jeder Gruppe dieser unterschiedlichen Farbumsetzungselemente jeweils verbunden sind, so daß die elektrischen Signale davon aufgenommen und die Größen

B=X . '·

G = Y-X.

R=Z-Y

berechnet werden können, wobei B blaue Farbe, G grüne Farbe und R rote Farbe jeweils bedeuten.
8. Verfahren zur Herstellung der Farbauftreffelektrode nach Anspruch 5 oder 6, welche eine Mehrzahl von photoelektrischen Farbumsetzungselementen aufweist, die in einem einzelnen baw. einzigen bzw. Einkristall-Halbleiterträger eingearbeitet bzw. angeordnet sind, gekennzeichnet durch die folgenden

Verfahrensschritte Ausbildung von Ausnehmungen, die drei unter-

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schiedliche Tiefen besitzen, welche rot, grün und blau entsprechen; Aufwachsen einer epitaxialen Schicht über die gesamte Oberfläche Oberfläche; Ätzen der Schicht um eine vorbestimmte Tiefe; Beschichtung der gesamten Siliciumoberfläche durch SiO₂ mit 3OOO S; Ausbildung von quadratischen oder rechteckigen Öffnungen in der SiO„-Beschichtung; Diffusion von Bor in bzw. an den Öffnungen und Herstellung einer diffundierten Schicht bzw. einer Diffusionsschicht; Vorsehen einer Mehrzahl von Leitungsdrähten bzw. elektrischen Leitern von jedem der Elemente; und Beschichtung der gesamten Oberfläche mit einem Halbleiterfilm von 300 8.
9. Verfahren zur Herstellung einer Farbauftreffelektrode nach Anspruch 8, dadurch gek ennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Ausbildung von Ausnehmungen die Herstellung von Ausnehmungen von jeweils 4 Mikron für blau, von jeweils 7 Mikron für grün und von jeweils 12 Mikron für rot von der Oberfläehe aus umfaßt; und daß der Verfahrens-

schritt zur Diffusion von SiO₂ die Erhitzung von SiO₂ auf 1000⁰C unter Bordampf umfaßt.
10. Verfahren zur Herstellung einer Farbauftreffelektrode nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß das epitaxiale Aufwachsen in einer Dicke von 15 Mikron vorgenommen wird.
11. Verfahren zur Herstellung von Farbauftreffelek-

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troden nach Anspruch* 8, dadurch g e ken η ζ e i c Ü η e t, daß die Ausnehmung für blau nicht ausgebildet sondern die ursprüngliche Oberfläche als Bezugsniveau für blau verwendet wird; und daß das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt zur Ausbildung eines SiIi ciumoxydfilirs von 3000 S über die gesamte Oberfläche des Trägers nach Entfernen des Bors umfaßt.

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SI-

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