DE3047216C2

DE3047216C2 - CCD-Bildabtaster mit Ladungsübertragung nach dem Zwischenspaltenprinzip und Verfahren zu seinem Betreiben

Info

Publication number: DE3047216C2
Application number: DE3047216A
Authority: DE
Inventors: Shigehiro Nara Miyatake
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1979-12-15
Filing date: 1980-12-15
Publication date: 1983-02-03
Also published as: GB2065974B; DE3047216A1; JPS5685981A; GB2065974A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß jede Speicherelektrode (34,42) zusätzlich zum Kanalbereich (38) noch den OberflächenkanaJ (28) bis zur Kante des zugeordneten PN-Photosensorelements (14) hin überdeckt

2. CCD-Bildabtaster nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden eines matrixförmigen Bildabtasters eine Mehrzahl von vertikalen CCD-Schieberegistern (10) vorhanden ist

3. Verfah;*n zum Betreiben eines Bildabtasters nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß C

— jeder Speicherelektrode (42) nacheinander drei Spannungen niedrigen, mittleren und hohen Pegels zugeführt werden,

— dabei die Spannung mittleren Pegels so gewählt ist daß bei ihrem Anliegen Ladungen aus dem PN-Photosensorelement (14) die Potentialsperre (16) nicht Oberwinden können,

— dabei die Spannung mit hohem Pegel zo gewählt ist daß bei ihrem Anliegen Ladungen aus dem PN-Photosensorelement (14) die Potentialsperre (16) überwinden,

— und daß die Spannung V2 an einer zweiten, in Schieberichtung hinter einer ersten Speicherelektrode (42) liegenden Speicherelektrode tief gewählt wird, wenn an der ersten Speicherelektrode die Spannung mit hohem Pegel angelegt wird (F ig. 8, F ig. 11).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswerte für den hohen, mittleren und niederen Pegel 11 V, 6 V bzw. 0 V sind.

Die Erfindung betrifft einen CCD-Bildabtaster (CCD = Charge-Coupled-Device), also einen photoelektrischen Bildabtaster mit Ladungsverschiebeelementen, der außerdem eine Mehrzahl von Photosensorelementen mit PN-Übergang enthält, die im folgenden als »PN-Photosensoren« bezeichnet werden. Zur gattungsgemäßen Definition der hier in Rede stehenden CCD-Bildabtastcr wird auf den Oberbegriff des

Patentanspruchs 1 verwiesen.

Ein CCD-Bildabtaster, der noch nicht alle Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruchs aufweist ist zum Beispiel aus »Rundfunktechnische Mitteilungen 21 (1977), Heft 2, Seite 82« bekannt Sensorelemente sind von den CCDs getrennt und liegen in Spalten zwischen der. CCD-Kanälen. Dies ist die generelle Anordnung eines CCD-Bildabtasters mit Ladungsübertragung nach dem Zwischenspaltenprinzip. Zwischen jedem Sensor element und dem jeweiligen zugehörigen abgedeckten CCD-Register ist eine Torelektrode vorhanden, mittels der die Information aus den Sensorelementen in die CCD-Register übertragen wird

Ein CCD-Bildabtaster mit dem soeben angegebenen

is prinzipiellen Aufbau ist genauer in der DE-OS 28 42 346 geschrieben. Die Sensorelemente sind MOSFET-Sensorelemente. Jede Grundzelle des Aufbaus weist drei Elektroden auf, und zwar eine Torelektrode über dem MOSFET und zwei Speicherelektroden längs des

CCD-Registers.

Sowohl bei dem CCD-Bildabtaster gemäß dem genannten Zeitschrifienartikei wie auch bei dem gemäß der genannten Offenlegungsschrift ist zu den Speicherelektroden für jedes Sensorelement zusätzlich eine Torelektrode erforderlich. Diese Torelektroden sind zusätzlich zu den ohnehin schon zweitägigen Speicherelektrodenschichten erforderlich, die unvermeidbarerweise für den Schiebebetrieb des Schieberegisters benötigt werden. Es wird also eine dreilagige Elektro denanordnung erforderlich.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen CCD-Bildabtaster mit Ladungsübertragung nach dem Zwischenspaltenprinzip und mit hoher Empfindlichkeit zu schaffen, der sich mit hoher Integrationsdich- te herstellen läßt und eine geringere Elektrodenzahl für die Ladungsübertragung bzw. den Schieberegisterbetrieb benötigt als vergleichbare Bildabtaster nach dem Stand der Technik. Insbesondere soll auch eine kostengünstige Serienherstellung ermöglicht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch I angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet Erfindungsgemäß sind bei einem CCD-Bildabtaster der oben beschriebenen Art die PN-Photosensorelemente Über eine Oberflächenkanal-Potentialsperre mit einem versenkten Kanalbereich des CCD-Halbleiterbauelements verbunden. Eine über dem versenkten Kanalbercich aufgebrachte Polysilizium-Speicher- oder

so -registerelektrode erstreckt sich bis zu dem erwähnten

Oberflächenkanal, der zwischen dem versenkten Kanal

und dem PN-Photosensor liegt, wodurch sich die

Cbertrag-Gate-Elektrode vermeiden läßt Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäß konstru·

ierte Aufnahme-Zelleneinheit in Vertikalausrichtung Schieberegister mit 488 Schieberegisterelementen, die zu 385 Spalten geordnet sind, so daß sich insgesamt eine 488 · 385'CCD'Bildsensormatrix mit Ladungsübertragung nach dem Zwischenspaltenprinzip ergibt

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die PolysiliziunvSpeicherelektrode mit einem Signal mit drei Ansteuerpegeln gespeist. Der erste und zweite Ansteuerpegel dient als Taktimpuls für den Schiebebetrieb. Der dritte Pegel dient als Zeitsteuersignal zur Übertragung der in den Photosensoren durch Lichteinwirkung angesammelten Ladungen in die vertikalen CCD-Schieberegister. Die Ausgangssignale der vertikalen CCD-Schieberegister gelangen in Parallelform in ein

horizontales CCD-Schieberegister, welches seinerseits Ober einen Ausgangsverstärker ein Video-Ausgangssignal abgibt

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F ί g. 1 das Blockschaltbild eines bekannten CCD-Bildabtasters mit Zwischenspalten-Ladungsübertragung einschließlich der im Bildsbtaster-Halbleiterbaustein enthaltenen PN-Photosensorelemente;

Fig.2 die Schnittdarstellung einer einzelnen Zelle des herkömmlichen CCD-Bildabtasters nach F i g. 1;

Fig.3 die zeitbezogene Paralleldarstellung von Steuer- oder Treibersignalen, welche beim herkömmlichen CCD-Bildabtaster nach F i g. 1 erforderlich sind;

F i g. 4 in Blockbilddarstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen CCD-Bildabtasters mit. Zwischenspalten-Ladungsübertragung;

Fig.5 die Draufsicht auf einen Abschnitt des CCD-Bildabtasters nach F i g. 4 zur Erläuterung wesentlicher Einzelheiten;

F i g. 6 eine Schnittdarstellung, gesehen in Richtung der Pfeile an der Schnittführungslinie VI-VI in F i g. 5;

F i g. 7 die Schnittdarstellung, gesehen in Richtung der Pfeile an der Schnittführungslinie VII-VII in F i g. 5;

Fig.8 die zeitbezogene Darstellung von Treiberoder Steuersignalen für den CCD-Bildsensor nach Fig. 4;

Fig.9 und 10 die zeitbezogene Darstellung eines anderen Beispiels von Treibersignalen für den CCD-Bildsensor nach F i g. 4 und

F i g. 11 in schematischer Darstellung die Potentialverhältnisse am PN-Übergang, dem Oberflächenkanal sowie dem versenkten Kanal beim CCD-Bildabtaster gem. F i g. 4.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, soll zunächst unter Bezug auf die F i g. 1 bis 3 ein herkömmlicher CCD-Bildabtaster mit PN-Photosensorelementen beschrieben werden, bei dem ein Ladungsübertrag während der Zwischenzeilendauer erfolgt

Die scherr !tische Darstellung der Fig.], die in Draufsicht-Blockschaltbilddarstellung den erwähnten bekannten CCD-Bildabtaster zeigt, weist eine Mehrzahl von vertikalen CCD-Schieberegistern 10 auf, deren endseitig verfügbare Daten in Parallelform in ein CCD-Horizontalschieberegister 12 gelangen. Jedes CCD-Speichsrelement 100 eines einzelnen CCD-Vertikalschieberegisters 10 ist mit einem PN-Photosensorelement 14 über eine Potentialsperre 16 und ein Übertragoder Transfer-Gate 18 verbunden. Das CCD-Vertikalschieberegister 10 umfatfi beispielsweise 488 CCD-Speicherelemente 100. Jeweils zwei benachbarte CCD-Speicherelei.iente 100 im Vertikalschieberegister 10 sind miteinander verbunden und bilden ein Speicherelement für einen Bildpunkt Die jeweils ungeradzahligen CCD-Speicherelemente 100 werden durch ein erstes Taktsignal Φν\ gespeist Ein zweites Taktsignal Φ V₂ mit zum ersten Taktsignal Φν, entgegengesetzter Phase (vgl. Fig.3) gelangt auf die geradzahligen CCD-Speicherelemente 100. Dem Horizontalschieberegister 12 werden Taktsignale Φ«, und ΦH₂ zugeführt und am Ausgang erscheinen über einen Ausgangsverstärker 20 Videoausgangssignale.

Die Fig. 2 läßt den konstruktiven Aufbau einer Einzelzelle erkennen. Eine N+ -Diffusionsschicht 22 und eine N--Diffusionsschicht 24 sind auf ein P-Typ-Halbleitersubstrat 26 unter Einhaltung eines festgelegten Abstands aufgebracht un* bilden ein Photosensorelement 14 mit PN-Übergang und einen versenkten Kanalbereich für das CCD-Speicherelement 100, Zwischen den Diffusionsschichten 32 und 24 liegt ein OberfJächenkanal 28, der als Potentialsperre 16 wirkt Eine lichtdurchlässige Isolationsschicht 30 aus SiO₂ ist auf dem Halbleitersubstrat 26 aufgebracht und überdeckt die Substratoberfläche. Eine Polysilizium-Transfergateelektrode 32 ist über dem Kanalbereich 28 aufgebracht Eine Polysilizium-Speicherelektrode 34 ist

ίο über der N^Diffusionsschicht 24 und über dem Oberflächenkanal 28 aufgetragen. Die Speicherelektrode 34 überdeckt also den versenkten Kanalbereich und erstreckt sich über die Transfergateelektrode 3Z Das erwähnte erste bzw. zweite Taktsignal Φν, bzw. Φ V₁ beaufschlagt die Speicherelektrode 34 um einen Schieberegisterbetrieb zu ermöglichen. Ein Übertrag-Taktsignal Φτα wird der Transfergateelektrode 32 zugeführt um den Ladungsübertrig von den im PN-Übergang des Photosensorelements 14 durch Lichteinwirkung entstandenen Ladungen zum versenkten Kanal des CCD-Speicherelement? 100 zu bewirken. Eine lichtiindurchlässige Aluminiumschutzschicht 36 überdeckt das Substrat ausgenommen die N+-Diffusionsschicht 22.

Bei diesem bekannten CCD-Bildsensor wird außer der Transfergateelektrode 32 auch die zweilagig ausgebildete Speicherelektrode 34 benötigt Dies bedeutet daß eine Polysilizium-Elektrodenschicht in drei Lagen aufgebracht werden muß. Dadurch wird die Herstellung vergleichsweise kompliziert und teuer.

Mit der Erfindung läßt sich die Transfergateelektrede 32 vermeiden.

Die F i g. 4 bis 7 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen CCD-Bildabtasters für Zwischenzeilen-Ladungsübertragung gemäß der Erfindung. Die aus den F i g. 1 und 2 bereits bekannten Teile sind mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet

Das CCD-Vertikalschieberegister 10 umfaßt 488 CCD-Speicherelemente 100. Weiterhin sind 385 solcher CCD-Vertikalschieberegister 10 in Farallelform mit dem CCD-Horizontalschieberegister 12 verbunden, so daß sich insgesamt eine 488 · 385-Matrixanordnung eines Bildsensors ergibt Zwischen einem einzelnen CCD-Speicherelement 100 und dem ihm zugeordneten PN-Photosensorelement 14 liegt wiederum die Potentialsperre 16. Ein erstes Taktsignal <t>v\ speist die ungeradzahligen CCD-Speicherelemente 100 und ein zweites Taktsignal Φ V₂ wird in Gegenphase zum ersten Taktsignal Φν, den ungeradzahligen CCD-Speicherelementen 100 zugeführt (vgl. F i g. 8). Die Frequenz der beiden Taktsignale Φν, und Φ V₂ wird vorzugsweise zu 15,75 kHz gewählt, während die Betriebsfrequenz der Taktsignsle Φ«, und ΦH₂ für das Horizontalschieberegister zu 7,15 MHz gewählt wird.

Die Fig.5 bis 7 lassen den konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemsßen CCD-Bildabtasten, in Einzel· heiten erkennen. Die N--Diffusionsschicht 24 ist auf dem P-Typ-Halbleitersubstrat 26 aufgebracht um den versenkten Kanalbereich 38 für das CCD-Vertikalschie-

eo beregister 10 zu bilden. Die N+'Diffusionsschicht 22 liegt ebenfalls über dem P-Typ-Halbleitersubstrat 26, so daß sich das PN-Photosensorelement 14 ergibt Die N + -Diffusionsschicht 22 und die N--Difiusionsschicht 24 sind räumlich voneinander getrennt, wobei zwischen beiden der Oberflächenkanal 28 entsteht. Ein Kanalbegrenzer oder Kanaisloppei 40 ist zwischen zwei benachbarten PN-Photosensorelementen 14 und zwischen einem ieweilieen PN-Photosensorelement 14 und

dem angrenzenden versenkten Kanalbereich 38 ausgebildet, der dem betreffenden Photosensorelement 14 nicht zugeordnet ist. Der versenkte Kanalbereich 38 ist so gewählt, daß sein Potential stets höher liegt als das des Oberflächenkanals 28, wie das Potentialschaubild der F i g. 11 zeigt.

Die gesamte Oberfläche des Halbleitersubstrats 26 ist durch die transparente SiOj-lsolationsschicht 30 überdeckt. Über der Isolationsschicht 30 liegt eine erste Polysilizium-Speicherelektrode 42, welche den versenkten Kanalbereich 38 und den Oberflächenkanal 28 überdeckt. Außerdem ist über der Isolationsschicht 30 eine zweite Polysilizium-Speicherelektrode 44 aufgebracht, welche den versenkten Kanalbereich 38 überdeckt, der von der ersten Speicherelektrode 42 nicht erfaßt wird. Die erste und die zweite Speicherelektrode 42 und 44 überlappen sich geringfügig, wie die Fig. 7 erkennen läßt und sie sind in Vertikalrichtung hintereinander ausgerichtet, um das CCD-Vertikalschieheregister 10 zu erhalten. Die lichtundurchlässige Aluminiumschicht 36 überdeckt die erste und zweite Speicherelektrode 42 und 44.

Die benachbarte erste und zweite Speicherelektrode 42 und 44 sind miteinander verbunden und erhalten das gleiche Taktsignal Φν, oder Φν₂. Insbesondere wird ein bestimmtes Paar aus erster und zweiter Speicherelektrode 42, 44 mit dem ersten Taktsignal Φν, versorgt, während das angrenzende Paar aus erster und zweiter Speicherelektrode 42, 44 mit dem zweiten Taktsignal Φ vi beaufschlagt wird, wie die F i g. 7 erkennen läßt. Das erste und zweite Taktsignal Φ ν, und Φ V₂ wird jeweils mit drei unterschiedlichen Ansteuerpegeln zugeführt, was anhand der Fig.8 erläutert wird. Zum Zeitpunkt eines hohen Signalpegels werden im PN-Photosensorelement 14 durch Lichteinwirkung angesammelte Ladungen in den versenkten Kanalbereich 38 des CCD-Speicherelements 100 übertragen. Der jeweils mittlere Pegel und der niedere Pegel dienen als Schiebetaktsignal des CCD-Vertikalschieberegisters 10, um die gespeicherten Ladungen in Richtung auf das CCD-Horizontalschieberegister 12 zu übertragen. Beim Auftreten des Zwischenpegels bzw. des niedrigen Pegels werden die im PN-Photosensorelement 14 aufgrund von Lichteinwirkung gesammelten Ladungen nicht in den versenkten Kanalbereich 38 übertragen. Zu bevorzugende Spannungswerte für den hohen, mittleren bzw. niederen Pegel sind 11 V, 6 V bzw. OV.

Es ist bekannt, wie und weshalb sich elektrische Ladungen im Photosensorelement 14 mit PN-Übergang aufgrund eines auftreffenden Lichtstrahls sammeln. Die so gesammelten Ladungen werden in den versenkten Kanalbereich 3» übertragen, wenn das Taktsignal Φν, oder Φν₂ hohen Signalpegel aufweist (tu— tu. to—f23. h2—h3 .·.; vgl. Fig.8), da in diesem Fall die Potentialpege! der Potentialsperre 16 hochliegen. Aus den Fig.4 und 8 ist ersichtlich, daß die in den ungeradzahligen CCD-Speicherelementen 100 zugeordneten Photosensorelementen 14 gesammelten Ladungen in den versenkten Kanalbereich 38 übertragen werden, wenn das erste Taktsignal Φν, mit hohem Signalpegel vorliegt. Das Potential am PN-Übergang wird auf das Potential der Potentialsperre 16 zurückgesetzt, sobald der Übertragvorgang beendet ist. Die so übertragenen Ladungen werden sodann innerhalb des ίο CCD-Vertikalschieberegisters 10 zum CCD-Horizontalschieberegister 12 hin verschoben in Abhängigkeit von der Umschalt- oder Wiederholungsfrequenz Niedrigpegel/Zwischenpegel des ersten bzw. zweiten Taktsignals Φ vi bzw. Φ V₁- Der Schiebevorgang ist beendet, bis das zweite Taktsignal Φνι wieder hohen Signalpegel zeigt. Das Photosensorelement 14 sammelt erneut elektrische Ladung an, bis der nächste Hochpegel des ersten Taktsignals Φ v, erscheint.

Die in den geradzahligen CCD-Speicherelementen 100 zugeordneten Photosensorelementen 14 gesammelten Ladungen werden in den versenkten Kanalbereich 38 übertragen, sobald das zweite Taktsignal Φν₂ hohen Signalpegel aufweist. Sodann werden die übertragenen Ladungen im CCD-Vertikalschieberegister 10 gegen das CCD-Horizontalschieberegister 12 in Abhängigkeit von der Wiederholungsrate oder der Frequenz der Umschaltung »Niedrigpegel/Hochpegel« des ersten bzw. zweiten Taktsignals Φ ν, bzw. Uv₂ verschoben. Der Schieb^vorgang ist abgeschlossen, sobald das erste Taktsignal Φν, den nächsten Hochpegel zeigt. In den PN-Photosensorelementen 14 beginnt die Ladungsansammlung erneut, sobald der erwähnte Übertragvorgang beendet ist und die Ladungsansammlung dauert an, bis der nächste Hochpegel des zweiten Taktsignals Φ V₂ erscheint.

Diese Betriebsabläufe wiederholen sich und führen durch das erläuterte Zeilensprungverfahren zu einem entsprechenden Videoausgangssignal am Ausgang des Verstärkers 20.

Der Betrieb des CCD-Bildabtasters ist jedoch nicht auf die zweiphasige Betriebsweise mit Zeilensprung beschränkt. Es läßt sich mit entsprechender Anpassung ebenso eine dreiphasige oder vierphasige Ansteuerung verwirklichen. Auch sind die Taktsignale Φν, und Φν₂ nicht auf die in Fig.8 dargestellte Signalform beschränkt. Die Fig.9 zeigt vielmehr ein anderes Beispiel für den Signalverlauf der Taktsignale Φν, bzw. Φ V₂. die sich ebenso für den CCD-Bildabtaster gemäß F i g. 4 eignen.

so Die Fig.8 veranschaulicht Taktsignale Φν, und Φν₂. die sich bei Zeilensprungbetrieb auch für eine Bild- bzw. Halbbildspeicherung (Rahmenspeicherung) eigr>~n. Ein anderes Beispiel für den Verlauf der Taktsignale Φ v, und ΦV₁ zeigt die Fig. 10, die sich ebenfalls für die HaIb- oder Feldspeicherung bei Zeilensprungbetrieb eignen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. CCD-Bildabtaster mit Ladungsübertragung nach dem Zwischenspaltenprinzip mit

— mindestens feinem vertikalen CCD-Schieberegister mit einer Mehrzahl von CCD-Speicherelementen (100) längs eines versenkten Kanalbereichs (38),

— einer Mehrzahl von Speicherelektroden (34) zum Verschieben von Ladung längs eines vertikalen CCD-Schieberegisters, von denen jeweils eine einem Speicherelement (100) zugeordnet ist,

— einer Mehrzahl von Photosensorelementen (14) mit PN-Übergang, von denen jeweils eines einem CCD-Speicherelement (100) zugeordnet ist,

— einem potentialsperrenden Oberflächenkanal (28) zwischen einem PN-Photosensorelement (14) undeinem CCD-Speicherelement (100),