DE2553686C2 - Eindimensionaler optoelektronischer Sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen eindimensionalen optoelektronischen Sensor, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial eine Reihe von in Abständen angeordneten MIS-Kondensaiorcn als Bildpunkte angeordnet sind und bei dem ein Überlaufkan.i! zum Schutz gegen Überbestrahlcn vorhanden ist.

Eindimensionale Sensoren der eingangs genannten Ali sind bekannt. Beispielsweise wird cm solcher eindimensionaler Sensor in der Veröffentlichung »Charge Coupled Device Scanner Having Simultaneous Readout. Optical Scan and DaI₁I Rate Enhancement^ von W. E. B a η k ο w s k i und I. D. T ;ir t a m e 11 a in IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 16. Nr. I, Juni 1M73. S. 173-1 74 beschrieben. Allgemein ist ein solcher Sensor so aufgebaut, dall auf der Oberfläche des Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial wenigstens eine lichtdurchlässige elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, auf dui eine Reihe von in Abständen angeordneten Elektroden aus elektrisch leitendem oder halbierendem Material aufgebracht ist. wobei die Elektroden alle über eine elektrische Leitung miteinander verbunden sind. |eweils eine Elektrode mit dem darunterliegenden iloiierien Kanalbereich und der dazwischenliegenden elektrisch isolierenden Schicht bilden einen MIS-Komlensaior. Dabei sei hier und im folgenden das Wort MIS-Kondensator im erweiterten Sinne derart verslanden, ti.iß die Kondensatorelektrode auf der elektrisch isolierenden Schicht nicht nur aus Metall sondern auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Polysilizium bestehen kann. Zur bessere!] Ausnutzung des einfallenden Lichtes bei der Belichtung werden die Elektroden nämlich vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material hergestellt. Polykristailines Silizium ist ein solches Material. In praktischen Eällcn ist ein solcher eindimensionaler Sensor beispielsweise so aufgebaut, daß auf der elektrisch isolierenden Schicht ein durchgehender Streifen .ms polykristallinen! Silizium aufgebracht ist. Unter diesem Streifen ist an den Stellen, an denen sich die Elektroden der MIS-Kondensatoren befinden, die elektrisch isolierende Schicht dünner als in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Substratanschluß und Polysili/iiimsireifeii können so unter den Elektroden Potentialmulden für die vom Licht erzeugten Informationsladungsträgcr erzeugt werden. Ein solcher Sensor wird, wie in der genannten Druckschrift angegeben, zweckmäßigerweise parallel ausgelesen. Dazu ist jeder Bildpunkt des Sensors über einen Eiin-Ausschalter mit einem Speicherplatz eines Ausleseschieberegisters verbunden. Als Ausleseschieberegister wird vorzugsweise eine iadungsgekoppelte Ladungsverschiebevorrichtung verwendet, die auf der Oberfläche des Substrats integriert ist. Aus Designgründen wird nun die Auflösung des Sensors ίο durch die Speicherplatzdichte des Schieberegisters bestimmt. Nach der genannten Veröffentlichung kann man nun die Informationsdichte eines solchen Sensors um den Faktor 2 erhöhen, wenn man an beiden Längsseiten des Sensors ein solches Ausleseschieberegister anordnet, und wenn man die Bildpunkte der Reihe nach abwechselnd an einen Speicherplatz des einen und einen Speicherplatz des anderen Schieberegisters anschließt.

Bei Sensoren tritt allgemein das Problem auf, daß durch Überbestrahlen eines ßildpunktcs mehr Ladungsträger erzeugt werden, als in der Potentialmulde festgehalten werden können. Diese zuviel erzeugten Ladungsträger breiten sich im Substrat aus und können bei Nachbarbildpunkten zu Informationsverlälschungen führen. Es ist daher zweckmäßig und vorteilhaft, wenn bei Sensoren Schutzvorrichtungen gegen Überbestrahlen .'orgesehen sind. Eine bekannte Schutzvorrichtung für einen vorstehend beschriebenen Sensor besteht aus einem Überiaufkanal, der seitlich entlang der Biklpimkireihe in einem Abstand vorbeigeführt wird und der zuviel er/eugie Ladungsträger sammelt und abführt. In der Veröffentlichung »Blooming Suppression in Charge-Coupled Aica Imaging Devices,, von C. H. S eq ti i η in BST), Oktober 1972. S. 1923 bis 1926 ist eine Seiisoranordniing mit einem solchen Überlaufkanal angegeben. Dieser Überiaufkanal besieht dort aus einem eiügegengc-otzt zum Substrat dotierten Kanal mil Anschliil.ikonuiM, der an der Subsiratobcrl'lächc an einer Längsseite des Sensors in einem Abstand entlanggeführt ist. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannut!·.¹ zwischen Substratanschluß und Anschlußkontaki des dotierten Kanals wird darm eine tiefe Potcntialniuldr· für die Informationsladungsträger erzeugt, die von den Potcntialmulden in den Bildpunkien durch eine l'otentialschvvelle getrennt ist. Zuviel erzeugte Ladungsträger fließen über diese Poientialschwelle hinweg in die Potentialmulde des Kanals ab und werden dort abgeführt. Ein solcher Sensor mit Überlaufkanal kann nun jedoch nur an der anderen Längsseite parallel ausgelesen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor mil Überiaufkanal der eingangs genannten Art anzugeben, der un beiden Längsseiten parallel auslcsbar ist.

Ü5 Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Überiaufkanal mäanderförmig ausgebildet ist und daß in jeder Mäanderbuchi nur ein Bildpunkt mit Abstand zum Überlaufkanal angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist dieser Ülx-rlaufkanal als eine mit einem Anschlußkor,· 'o takt versehene, entgegengesetzt zum Substrat dotierte Leitung an der Substratoberfläche ausgebildet.

Damit ist ein eindimensionaler Sensor geschaffen, der einen Schutz gegen Überbestrahlen aufweist und der dennoch an beiden Längsseiten parallel auslesbar ist. (>5 Dadurch kann die Packungsdichte um den Faktor 2 erhöht werden. Seine Herstellung erfordert gegenüber herkömmlichen Sensoren mit Überlaufkanal keine zusätzlich C11 Verfahrensschritte.

Die Erfindung wird prinzipiell und anhand eines Ausfuhrlingsbeispieles in den Figuren näher erläutert.

Fig. I zeigt den Prinzipaufbau eines erfindungsgemä-Ben-Sensors.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors \i\ einer 1 lersieliungszw ischenstufe.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht das vervollständigte Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mit zwei -Xuslescschieberegistern.

In der Fig. 1 ist in Diuufischt der prinzipielle Aulbau eines erfindungsgemäßen Sensors dargestellt. Die Bildpunkte 11 bis !6 des Sensors bestehen aus MIS-Kondensatorcn auf einer Oberfläche eines gemeinsamen dotierten Substrats 1. leder MIS kondensator ist so gebildet, daß auf dem Substrat cine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist. auf der eine Kondensatorelektrode aus eic!.irisch leitendem Material liegt. Die Gegenelektrode eines seichen MtS-Kondensa'ors befindet sich unter dieser einen kondensatorelektrode, an der /ur elektrisch isolierenden Schicht angrenzenden Oberllächc des Substrats. Die kondensatorelekiroden auf der Oberfläche der elektric!-, isolierenden Schicht aller MiS-kondcnsaioren smd durch eine elektrische Leitung 10 miteiu.un.ic verbunden. An der Oberfläche des Substrats ist nun wuterhin ein niäanderförmig ausgebildeter Oberlaufkanal 2 vorhanden, wobei in jeder Maanderbucht nu- ein Bildpunkt mit Abstand zu diesem angeordnet ist. Iv de Fig. 1 ist weiterhin entlang jeder Sciisoriängsseite ic ein Auslescschieberegister 20 bzw. 30 ivm den Speicherplätzen 23 bis 27 bzw. 32 bis 38 angerd:■.■: jeder Bildpunkt des Sensors ist über die geöffnete Seite der ihn teilweise umgebenden Mäanderbucht in einef. Speicherplatz des auf dieser Seite hege den Auslese-Schieberegisters auslesbar. In der F i g. 1 sind danach die Bildpunkte 12. 14 und 16 in die Speichc-plätze 32. 54 ;:nd 36 des Ausleseschieberegistcrs 30 und die Rüdpunkte Il 13, 15 und 17 in die Speicherplätze 21. 23. 25 und 27 de-Ausleseschieberegistcrs 20 auslesbar. IS is-, also d'c m der eistgenannten Veröffentlichung angegebene vorteilhafte Anordnung gegeben, mittels der die Informationsdichte des Sensors verdoppelt werden kann ; id es lsi dennoch ein Schutz gegen liherbes:rahlen \oir,.,n· den.

Γ ι g. - zeigt nun eine I lerMcllungs/w vchcisiuk eiiiebevorzugten Ausführiingsbeispieles e::.cr Scnsorat'ordnuns: nach I" i g. 1. Auf der ebenen Obertlache dedotierten Substrats I. beispielsweise p-doiier'.s.s si!;zium. ist zunächst eine lichidufehids-igc. eick::is_Ln isolierende Schicht 100. beispielsweise Siliziumdiode! aufgebracht. Diese eleki-isch isolic: ende SLiIi₁'-.'. we;s; Bereiche dünnerer und dickerer Schichtdicke a·.· wodurch ein Oberflachenprol'i mit ['höhunger '.inc Vertiefungen gegeben ist. Dieses Obert:.:chenproli. de: elektrisch isolierenden Schicht ist nur, -o ausgebildet. daß die Bildpunkte 11 bis 17 durch Vertiefung*, η definiert sind. Der C)bcrkii]fk:in,v ist aN eⁱⁿe. i-P't'·.■·.··. ·■■-aeselzt z.iiiv. Substrat dotierte Leitung a:· de:' .s ,!>■.. a'.-oberfläche unter der elektrisch .-olie: vV'dc" S^ me"· ausgebildet und sei: mäanderfonviige: N etv.ii,· ■·■ "de-Ii ü. 2 durch den gestrichelt umrahmter ;v.:'k::ctl^p" Bereich angedeutet. Über den die B;^:.;;\:■■■.-·* de'i":i renden Vertiefungen ist auf der elek;· -^- - McrenJ.' Scliicht ein durchgehender Streifen 11(1 . .- hiVidi::v lässigem elektrisch leitendem Materia'.. r-ei-P'eisw e>. polvkr'Mallincm Silizium, aulgehrachi D:e elektric".

isolierende Schicht weist entlang jeder Längsseite der Bildpunkireihe bzw. des Streifens 11 je eine kanalanige Vertiefung 200 bzw. 300 auf. Jede dieser Vertiefungen diem zur Definition des Übenragungskanals je einer ladungsgekoppehen Übertragungsvorrichtung, die ais Ausleseschieberegister verwendet wird, jeder Bildpunkt ist an der geöffneien Seite der Mäanderbucht durch eine kanalartige Vertiefung mit der auf dieser Seite liegenden Vertiefung, die den Übertragungskanal der ladungsgekoppelt"! Übertragungsvorrichtung deliniert. verbunden. In der F i g. 2 sind dieie kanalartigen \ erliefungen mn den Bezugszeichen 111 bis 171 versehen.

In der F ι g. 3 is: nun in Draufsicht das vervollständigte •\usführungs!--eisp;el nach F i g. 2 mn den beiden ladungsgekoppelt Verschiebevorrichtungen als Ausleseschicberegister dargestellt. Diese beiden Auslese schieberegister bestehen hier aus ladungsgekoppelten \erschiebe\o; richtungen für Zwei- oder Vier-Phasen-Betrieb. Dazu sind über den I'bertra^ungskanä.cn 200 bzw. 300 zunächst Klektroden 202 und 204 bzw. 302 Lind 304 aus PoIv silizium auf der eltrisch isolierenden Schicht ausgebracht. Über den Zwischen!;;:, en zwischen diesen Klekiroden sind von diesen isoliert, weitere Flektn-den 201 und 203 bzw. 301 und 303 vorhanden. Die in · gleichen Bezugs/eichen versehende'· Lick·.·-;·- den smd durch je cmc zugehörige elektrische Taktieilung 2010 bis 2040 bzw. 3010 bis 3040 miteiriandc \e"'"nndcn. Diese 1 aktleitungen sind ais streiten ans Ck-¹¹¹IScIi leitendem Material ausgebildet. Wenn man ••'eh . ' den Zwei-Phasen-Betrieb beschrank;, geringen ;·■ ;;r.d 'ur - eh zwei Taktieitungen pro Au deseseiveheregister Ks wären dann beispielsweise icwci'¹· die lick· ode- p.lare 201 und 202. 301 und 302. 203 und 204 und ,he Flektroden 303 und 304 an je eine Ta.ktleüung a'iziisci'-iiel.k-n. Ks ist jedoch gunstig, ν ;er Taktlen.ingcn pri > Xus.esesv. hieberegistc^r zu ν erw enden, da mar ii,r\!; ¹¹IeIiI" I reihen betr." Betrieb hat. Die Vuslesesclvel'-c" egi- -!c könne¹' Ja":.! ' ainl^eh ie nach Bedarf im Zwei- · >Jer \ ¹C -!'hasen-Beiner betrieben werden, jede der i lek-. roden 202 bzw. 302 überdeckt bis 1, -st an den: streifen IK) :-eran je einen der kanäle 111 bis 161 I be: die Zwischenräume ζ wichen diesen Sfeifcn 110 und diesen I eKtroden 202 bzw. 302 -: v.··- diH'ii Hektr.'dcn und den Sfeilen isoliert je eine suvilenk-r m-.:e Γί-ansferelekn-ode 320 bzw 330 geführ;.

D<:r in I ι g. J da.rgL-ie 'e Sensor wird ^λ orz .g-w eise -<· ncrgestelit. dai< ..", einer Oberfläche eines p-(n-)dotier'en siliziunisiii-s.iats mit einer Dotierung -on hoPiCisw eise ld- Hi 'cm *..n niaanderforny.g ·. er-.au!e:-de" VcIe¹¹ '"'.!-..-'s Ionenimplantation "de; nintels IV' -mn b ■ ■·;: e "er Dotierung '.p- , e^pielswe:-e }>' ' oder g·-. ''idoiien wird. Als Irplanta-

iii 'nssto'le koiiiu" beispielsweise Phosphi.r-(Bor-)-l.'ne' als D)IiUS, -^-,,¹V' beispielsweise Phosphori Iv '-!Atome verv·. . de; weden. Aul dieser ()ber!u;che wirü eine Siliziivd· .\ids_L!-.k Iu von einer Schishidicke ·.■>" z.B. ^: .Liii er/c'.;gt. Diese Si'-icht wird in Jen (■■.■"■ce-- 200. 300. Ill h:<. 171 dvd 11 "-s 17 auf C"ie Wdiu.v ■>■'■ -.— abgeatzt. A .! viiL-Si.:" ( ;!:e^-:.a· .:-.c we-dc", J:·. 1 ■" . ■ ■ de- 202 und 204 Ivw 302 "J J(M : de" ve k ..-.del: Tak" eiiungeV 2020 ..-J

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in den Stellen Kontaktlöcher erzeugt, an denen die \nschlußkontakte für die Taktlcitungen 2020, 2040, J020 und 3040. für den Streifen 110 und für den Überlaufkanal sich befinden (in der Regel an einem Ende). Abschließend werden auf der Oberfläche die s Elektroden 201 und 203 bzw. 301 und 303 mit den sie verbindenden Taktleitungen 2010, 2030, 3010 und 3030. die Transferelcklrodcn 320 und 330 und die Anschlußkontakte durch Aufbringen einer Metallagc, beispielsweise durch Bedampfen der Oberfläche mit Aluminium unter Verwendung von Bedampfungsmasken erzeugt.

Typische Lateralabmessungen für den in Fig. 3 dargestellten Sensor sind: Größe der Bildpunkte 10x10 μΐη², Abstand zwischen den Bildpunkten 8 μηι. Abstand des Überlaufkanals von einem Bildpunkt 2 μηι. Breite des Überlaufkanals 4 μηι. Breite der Übertragungskanäle der ladungsgckoppelten Übertragungsvorrichtungen 20 μηι, seitlicher Absland eines solchen Übertragungskanals von einem Bildpunki 24 μηι. Breite der Elektroden 201 und 203 9 μηι. Breite der Elektroden 202 und 204 13 μηι. Abstand zwischen den Elektroden 202 und 204 bzw. 302 und 304 5 μηι. Breite der Kanäle Ul bis 171 5 μηι. Breite der Taktlcitungen 2010, 2030, 3010 und 3030 5 μηι. Breite der Transferclcktrodcn 320 und 330 9 um. Breite des Polysiliziumstreifens 110 15 μηι. Zwischenraum zwischen Polysiliziumsireifcn 110 und den Elektroden 202 bzw. 302 5 μηι.

Die in F i g. 3 dargestellte Sensoranordnung wird beispielsweise so betrieben, daß an den Streifen 110 eine Spannung angelegt wird, so daß Potentialmulden unter den Bildpunkten 11 bis 17 für die durch Belichtung erzeugten Ladungsträger erzeugt werden. An die elektrischen Leitungen 2010 bis 2040 und 3010 bis 3040 werden entsprechend dem Zwei-Phasen-Betrieb oder dem Vier-Phascn-Betricb Taktspannungen Φι und <I>₂ oder '/>, bis Φ< angelegt. Der Übertragungskanal 10 wird durch Anlegen einer entsprechenden Spannung von seinen Majoritätsladungsträgern ausgeräumt, so daß für die vom Licht erzeugten Ladungsträger eine tiefe Potentialmuldc in seinem Bereich vorhanden ist, die durch eine Potentialschwclle im Zwischenraum zwischen Bildpunkt und Kanal von der Potentialmulde im Bildpunktbereich selbst getrennt ist. Während der Bildaulnahmezcit werden die Transfcrelektrodcn 320 und 330 Spannungen angelegt, die eine Potcntialschwel-Ic /wischen Bildpunklbcrcich und Übertraglingskanal der ladungsgekoppelten Übenragungsvorrichiimgen erzeugen. Ausgelesen wird der Sensor, wenn unter den Elektroden 202 eine tiefste Potentialmuldc vorhanden ist. Zum Auslesen werden an dicTransfcrclcktroden 320 bzw, 330 solche Spannungen angelegt, daß die vorher vorhandenen Potentialschwcllen zwischen Bildpunktbereich und Übertragungskanal aufgebaut wird und ein Ladungslluß in die Potcntialmuldc unter den Elektroden 202 bzw. 302 ermöglicht wird. Die in die Übertragungsvorrichtung^ eingclescncn Ladungen werden seriell ausgeschoben. Erst nachdem sämtliche Ladungen ausgeschoben sind, darf erneut ausgelesen werden. Sämtliche Spannungen beziehen sich auf eine am Substraiansehluß anliegende Bezugsspannung (0 Volt). Beim Betrieb eines Sensors nach Fig. 3 mit den angegebenen Abmessungen können beispielsweise folgende Spannungswerte verwendet werden: Spannungen am Streifen 110 5 Volt, Spannungen am Übcrlaufkanal 10 Volt. Spannung an den Transferelektrodcn 320 bzw. 330 während der Bildaufnahme 0 Voll, während des Auslesens 6 Volt, Taktspannungen für die beiden Übertragungsvorrichtungen 0 Voll und 10 Volt.

Es sei darauf hingewiesen, daß dir in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform eine bevorzugte Ausführungsform darstellt. Es sind jedoch eine Reihe von anderen Ausführungsformen möglich. So können beispielsweise für die Ausleseschieberegister vorteilhaft Übertragungsvorrichtungen verwendet werden, bei denen die Phasen einstellbar sind oder nicht nur durch unterschiedliche dicke Isolierschichten (wie im Ausführungsbeispiel), sondern durch Dotierungen unter bestimmten Elektroden erfolgt. Eine solche Übertragungsvorrichtung ist beispielsweise in der DT-OS 23 51 393 dargestellt und beschrieben. Auch ladungsgekoppelt Übertragungsvorrichtungen für den Drei-Phasen-Betrieb können als Ausleseschieberegister verwendet werden. Der Überlaufkanal kann anstatt einer diffundierten Leitung auch als elektrische Leitung auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht hergestellt werden. Näheres über ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtungen, ihren Aufbau und ihren Betriet kann aus der DT-OS 22 01 150 und aus der DT-OS 23 51 393 entnommen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Eindimensionaler optoelektrischer Sensor, bei dem auf einer Oberflüche eines Substrats aus dotiertem Halbleitermaterial eine Reihe von in Abfänden angeordneten MIS-Kondensatoren als Bildpunkte angeordnet sind und bei dem ein Überlaufkanal zum Schutz gegen Überbeslrahlen vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet. dal3 der Überiaufkanal mäanderförmig ausgebildet ist und daß in jeder Mäanderbucht nur ein Bildpunkt mit Abstand zum I Iberlaufkanal angeordnet ist.

2. Eindimensionaler optoelektronischer Sensor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufkanal als eine mit einem Anschlußkontakt versehene, entgegengesetz! zum Substrat dotierte Leitung an der Substratoberfläche ausgebildet ist.