DE69110797T2 - Bildsensor. - Google Patents

Description

• Die Erfindung behandelt einen Bildsensor und insbesondere einen Bildsensor mit doppelten horizontalen Verschieberegistern.
• Halbleiter-Bildsensoren des Zwischenzeilentyps enthalten normalerweise eine Matrix aus Fotodetektoren in Spalten und Zeilen. Ein sogenanntes vertikales Schieberegister ist neben jeder der Fotodetektorenspalten angeordnet, und in den Fotodetektoren erzeugte Ladungsträger werden zu jedem Abtastzeitpunkt an die vertikalen Schieberegister übertragen. Das erkannte Bild wird anshließend gleichzeitig ausgeschoben und jeweils zeilenweise zu einem horizontalen Schieberegister übertragen. Das horizontale Schieberegister übergibt die in jeder Zeile enthaltenen Ladungsträger an eine Signalverarbeitungsschaltung, bevor die nächste Zeile eingeschoben wird.
• Eines der Probleme bei Anordnungen der eingangs beschriebenen Art ist die Bereitstellung einer schnellen und wirksamen übertragung von Ladungsträgern von den Fotodetektoren zur Signalverarbeitungsschaltung. Eine teilweise Lösung dieses Problems besteht in der Bereitstellung von doppelten horizontalen Verschieberegistern, beispielsweise entsprechend der Darstellung in US-A-4,750,042. Der in diesem Patent beschriebene Bildsensor umfaßt eine Vielzahl von lichtempfangenden, in einer Matrix angeordneten Elementen, sowie vertikale CCD-Elementen zur Überagung von Ladungsträgern, die in den lichtempfangenden Elementen aus der Matrix erzeugt worden sind, und zwei horizontale Verschieberegister, die über ein Verschiebe-Gate mit dem bildempfangenden Abschnitt verbunden sind. Die beiden horizontalen Verschieberegister sind parallel zueinander über eine Gate- Elektrode verbunden, so daß die Ladungsträger zwischen den Registern übertragen werden können. Wenn beide Register voll sind, werden die Ladungsträger über gewöhnliche Taktsignale zur Ausgangsschaltung übertragen. Ein Nachteil des in diesem Patent beschriebenen Bildsensors besteht darin, daß zwischen den beiden horizontalen Verschieberegistern getrennte Gate-Elektroden erforderlich sind. Dadurch wird die Herstellung der Einrichtung schwieriger, und auch die Steuerung der Einrichtung wird erschwert, da für jede der Gate-Elektroden getrennte Taktsignale bereitgestellt werden müssen.
• US-A-4,750,042 beschreibt einen horizontalen Übertragungsabschnitt für eine Halbleiter-Bildaufnahmematrix, In der die parallelen Signale zunächst von einer ersten horizontalen CCD- Anordnung gelesen werden. Eine zweite horizontale CCD-Anordnung ist parallel zur ersten Anordnung ausgerichtet und hat eine tiefere Potentialmulde. Ein Nachteil einer derartigen Einrichtung liegt in ihrer Komplexität.
• EP-A-0 303 846 beschreibt eine ladungsgekoppelte Einrichtung mit einem Parallel-Seriell-Umsetzerabschnitt. Hinsichtlich der eingangs erwähnten Probleme wird keine Lösung vorgeschlagen.
• Eine Zielsetzung der Erfindung besteht laut Anspruch 1 darin, die eingangs beschriebenen Probleme nach dem bisherigen Stand der Technik zu überwinden und einen verbesserten Bildsensor bereitzustellen.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Bildsensor einen Abbildungsbereich, der eine Matrix aus lichtempfindlichen Elementen zur Aufnahme von Ladungsträgern und Spalten von CCD- Elementen enthält, um Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich heraus zu übertragen. Die Ladungsträger werden auf zwei horizontale Zweiphasen-Schieberegister übertragen, die für die Übertragung der Ladungsträger zu einer Ausgangsschaltung eingerichtet sind. Die beiden Schieberegister sind über übertragungsbereiche verbunden, die zwischen den Registern an allen anderen Speicherbereichen der Register angeordnet sind.
• Ladungsträger in einer Zeile aus Ladungsträgern können über eine Gate-Struktur, die als angrenzender Teil der Gate-Elektrode des zweiten Registers ausgebildet ist, durch die Übertragungsbereiche von einem ersten Register zum zweiten Register verschoben werden.
• Bei der Übertragung der Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich wird eine Reihe van Ladungsträgern in das erste horizontale Register verschoben. Ladungsträger in einer Hälfte der Speicherbereiche im ersten Register werden anschließend durch die Übertragungsbereiche zum zweiten horizontalen Register übertragen. Die Ladungsträger im ersten Register werden dann so verscheben, daß sie mit den Ladungsträgern im zweiten Register ausgerichtet sind, und die Ladungsträger In beiden Registern Werden anschließend gleichzeitig ausgelesen.
• Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung hinsichtlich bereits bekannter Flächensensoren besteht darin, daß die Gate- Elektroden zwischen dem Abbildungsbereich und den horizontalen Schieberegistern sowie zwischen den beiden horizontalen Schieberegistern eliminiert werden. Die Übertragung von Ladungsträgern zwischen Registern erfolgt mittels eines Verschiebe-Gates, das einen relativ breiten Übertragungsbereich und eine im Übertragungsbereich implantierte Sperrschicht enthält. Der breite Übertragungsbereich hat die Funktion, potentielle Sperrschichden zu eliminieren, die durch Schmalbandeffekte bewirkt werden können. Die Erfindung kann sowohl mit Flächensensoren als auch mit linearen Sensoren verwendet werden; weiter kann sie mit unterschiedlichen Architekturen eingesetzt werden, einschließach Architekturen mit Zwischenzeilenstrukturen und Vollformatarchitekturen.
• Die Übertragungsbereiche zwischen den beiden horizontalen Schieberegistern sind jeweils den anderen Speicherbereichen in den Registern benachbart angeordnet, und somit ist der erfindungsgemäße Bildsensor besonders geeignet zur Verwendung zum Austakten einer einzelnen Datenzeile aus zwei Schieberegistern. Ferner erfolgt die Übertragung aus den vertikalen Schieberegistern in die horizontalen Schieberegister mit einer minimalen Anzahl von Taktimpulsen, so daß der Zeitraum verringert wird, der für den Abschluß der übertragung erforderlich ist. Diese Reduzierung ist wesentlich, da die Übertragung normalerweise während der besonders bei HDTV-Systemen relativ kurzen horizontalen Rücklaufzeit erfolgt.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
• Fig. 1 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Bildsensors;
• Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnitts der horizontalen Schieberegister;
• Fig. 3 einen Querschnitt einer Einrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik;
• Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
• Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 2;
• Fig. 6 ein Zeitdiagramm mit der Wiedergabe der Signalsequenen, die an den Bildsensor abgegeben werden, um Ladungsträger in die horizontalen Schieberegister und zwischen den Schieberegistern zu übertragen;
• Fig. 7 und 8 schematische Diagramme mit der Darstellung der Übertragung von Ladungsträgern zwischen dem Abbildungsbereich und den horizontalen Schieberegistern sowie zwischen den Schieberegistern während eines Zyklus.
• In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß hergestellter Bildsensor 10 dargestellt. Der Bildsensor 10 hat einen Abbildungsbereich 12, der in Spalten und Zeilen angeordnete lichtempfindliche Elemente 14 enthält. Neben jeder Spalte aus Elementen 14 befindet sich ein vertikales Schieberegister 15 zum Empfang von Ladungsträgern von den Elementen 14 und zur Übertragung der Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich 12. Die Ladungsträger werden aus dem Bereich 12 in zwei horizontale Schieberegister 20 und 22 übertragen. Die Schleberegister 15, 20 und 22 sind ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD-Elemente). Entsprechend der im folgenden wiedergegebenen ausführlichen Beschreibung werden Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich 12 jeweils zeilenweise in das Register 20 übertragen. Aus dem Register 20 kann die Hälfte der Ladungsträger in das Register 22 verschoben werden. Wenn sowohl das Register 20 als auch das Register 22 die Ladungsträger in einer Zeile enthalten, können die Ladungsträger über die Pufferverstärker 24 und 26 zu einer (nicht dargestellten) Ausgangsschaltung verschoben werden.
• In Fig. 3 ist eine Anordnung nach dem bisherigen Stand der Technik zur Übertragung von Ladungsträgern zwischen Schieberegistern wiedergegeben. Eine Einrichtung 30 in Fig. 3 umfaßt ein p-leitendes Substrat 32, das einen darin ausgebildeten n-leitenden Kanal 34 hat. Auf dem Substrat 32 ist eine Isolierschicht 36 aus Siliziumdioxid ausgebildet. Eine Elektrode 38 eines CCD-Elements in einem ersten Register 39 ist an einer Seite einer Einrichtung 30 dargestellt, und eine Elektrode 40 eines CCD-Elements in einem zweiten Register 41 ist an einer gegenüberliegenden Seite der Einrichtung 30 dargestellt. Zwischen den Elektroden 38 und 40 befindet sich eine Gate-Elektrode 42. Bei der Übertragung von Ladungsträgern von einem CCD- Element Im ersten Register 39 zu einem CCD-Element im zweiten Register 41 ist die Elektrode 38 ausgeschaltet, und die Elektroden 40 und 42 sind eingeschaltet. Ein Potentialprofil 45, das während der Übertragung der Ladungsträger e&supmin; in der Einrichtung 30 erzeugt wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Das Kanalpotential φCH nimmt in der durch den Pfeil angegebenen Richtung zu. Wie eingangs erwähnt wurde, besteht ein Nachteil einer Einrichtung dieser Art in der Notwendigkeit, die separate Gate- Elektrode 42 und ein Taktsignal für die Elektrode 42 bereitzustellen, um eine Übertragung von Ladungsträgern aus einem Register in ein anderes Register zu erreichen.
• In. Fig. 4 ist ein Querschnitt durch die Register 20 und 22 dargestellt, der entlang der Linie 4-4 in Fig. 2 vorgenommen wurde. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, enthält ein Substrat 50 einen Kanal 52. Das Substrat 50 kann beispielsweise p-leitendes Material sein, und der Kanal 52 kann n-leitend sein. Eine Isolierschicht 54 ist auf dem Substrat 50 ausgebildet. Eine Elektrode 56 im Register 20 und eine Elektrode 58 im Register 22 sind über der Isolierschicht 54 ausgebildet. Die Elektroden 56 und 58 können beispielsweise aus Polysilizium ausgebildet sein. Eine implantierte p-leitende Sperrschicht 60 ist im Kanal 52 ausgebildet, um ein Verschiebe-Gate 62 zu bilden, das mit der Elektrode 58 arbeitet. Bei einer derartigen Anordnung entfällt die Notwendigkeit einer getrennten Verschiebe-Gate-Elektrode, die in der in Fig. 3 wiedergegebenen Einrichtung nach dem bisherigen Stand der Technik dargestellt ist. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung ist ein echter Zweiphasen-CCD-Prozeß, das heißt, daß für jede Phase lediglich eine einzelne Polysiliziumebene erforderlich ist. Ein Potentialprofil 64b zur übertragung van Ladungsträgern aus dem Register 20 in das Register 22 ist in Fig. 8 wiedergegeben. Das Potentialprofil 64b wird erzeugt, wenn die Spannung an der Elektrode 56 abgeschaltet und die Spannung an der Elektrode 58 eingeschaltet wird.
• Ladungsträger werden von den vertikalen Registern 15 im Abbildungsbereich 12 durch Verschiebe-Gates 65 (Fig.4) und Verschiebe-Gates 67 und 68 (Fig.5) zum Register 20 übertragen. Die Bauart des Gates 65 und der Gates 67 und 68 ähnelt der des Versehiebe-Gates 62. In Fig.4 arbeiten eine implantierte Sperrschicht 66 und eine Elektrode 56 im Gate 65 auf die gleiche Weise wie das Implantat 60 und die Elektrode 58 im Gate 62. In Fig.5 arbeiten die implantierten Sperrschichten 66 und 69 mit den Elektroden 56 bzw. 57 auf die gleiche Weise wie das Implantat 60 und die Elektrode 58. Infolge der Struktur der Verschiebe-Gates 65, 67 und 68 werden für diese Verschiebe-Gates keine separaten Gate-Elektroden benötigt.
• Die Struktur, die die Implementierung des doppelten horizontalen Registerschemas in der erfindungsgemäßen echten Zweiphaseneinrichtung ermöglicht, ist in Fig. 5 wiedergegeben. Ohne die Ausdehnung der Elektrode 56 zwischen die Elektrode für φV2 und die Elektrode 57 für φH2A wäre die Taktphase φV2 des letzten vertikalen Schieberegisters mit φH2A elektrisch kurzgeschlossen, da sie durch die gleiche Ebene von Gate-Elektrodenmaterial ausgebildet sind. Weiter ist unter der Elektrode 56 das Implantat 66 erforderlich, um die Erzeugung einer Potentialmulde oder -tasche unter der Elektrode 56 zu verhindern, wodurch sich eine schlechte Übertragungswirkung vom Register 15 zum Register 20 ergeben würde. Ein weiteres wesentliches Element der in Fig. 5 wiedergegebenen Struktur ist das Implantat 69, das beim horizontalen Auslesen der Register 20 und 22 das "Rücklaufen" in das Register 15 verhindert. Denn wenn φH1A (Elektrode 56) "hoch" und φH2A (Elektrode 57) "niedrig" ist, würde es beim Fehlen des Implantats 69 zu einem "Rücklaufen" kommen.
• Ein wesentliches Merkmal der beschriebenen Mittel zum Übertragen von Ladungsträgern vom Register 20 zum Register 22 ist in Fig. 2 dargestellt. Entsprechend der Darstellung in dieser Abbildung ist ein übertragungsbereich 70 zwischen den Registern 20 und 22 breiter ausgelegt als ein benachbarter Speicherbereich 72 im Register 20. Falls die Breite des Übertragungsbereichs 70 kleiner oder gleich der Breite des Speicherbereichs 72 wäre, würde zwischen dem Speicherbereich 72 und dem Übertragungsbereich 70 eine Potentialsperrschicht vorliegen. Eine derartige Potentialsperrschicht wird durch drei Faktoren verursacht. Zwei der Faktoren stehen in Zusammenhang mit der Festlegung der (nicht dargestellten) Kanalsperren. Beim Aufziehen der lokalen Feldisolierung für die Kanalsperren greifen der "Vogelschnabel" und das Bor in den aktiven Kanalbereich über, so daß dessen Breite effektiv reduziert wird. Diese Faktoren wirken zusammen mit dem dritten Faktor, dem elektrostatischen Effekt, und bilden so die Potentialsperrschicht. Infolge der Verbreiterung des Bereichs 70 entfällt die Potentialsperrschicht, und eine wirksame Übertragung von Ladungsträgern kann erfolgen.
• Bei der Erfindung sind neben allen anderen Speicherbereichen 72 Übertragungsbereiche 70 ausgebildet. In Fig. 5 ist ein entlang der Linie 5-5 aus Fig. 2 angefertigter Querschnitt wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß eine Kanalsperre 76 zwischen den Registern 20 und 22 durch einen "p+"-Bereich 77 und eine dicke Isolierschicht 78 gebildet wird. Eine Kanalsperre 76 ist jeweils zwischen zwei Übertragungsbereichen 62 angeordnet.
• Die Übertragung von Ladungsträgern zu den Registern 20 und 22 sowie zwischen den beiden Registern kann mit Bezugnahme auf Fig. 6-8 dargestellt werden. In Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm der für den Sensor 10 bereitgestellten Signale für die Übertragung van Ladungsträgern vom Abbildungsbereich 12 zum Register 20 und vom Register 20 zum Register 22 wiedergegeben. In Fig. 7 und 8 ist die Übertragung der Ladungsträger für die Zeiten t&sub1;-t&sub3; dargestellt. Potentialprofile 63a-63c werden während der Zeiten t&sub1;-t&sub3; an dem in Fig. 5 wiedergegebenen Querschnitt erzeugt, und Potentialprofile 64a-64c werden während der Zeiten t&sub1;-t&sub3; an dem in Fig. 4 wiedergegebenen Querschnitt erzeugt.
• In Fig. 6 stellen φV1 und φV2 Taktsignale zu den vertikalen CCD-Registern 15 im Abbildungsbereich 12 dar, und φH1A, φH1B und φH2 stellen Taktsignale zu den Registern 20 und 22 dar. Zum Zeitpunkt t&sub1; ist φV2 "niedrig" und φV1, φ1A, φH1B und φH2 sind "hoch". Zum Zeitpunkt t&sub1; wird ein Ladungsträgerpaket Q&sub1; unter eine Gate-Elektrode 57 im horizontalen Schieberegister 20 bewegt, und ain Ladungsträgerpaket Q&sub2; ,wird unter eine Gate- Elektrode 56 im Register 20 bewegt. Zum Zeitpunkt t2 werden φH1A und φH2 "niedrig", und das Ladungsträgerpaket Q&sub2; wird unter die Elektrode 58 im Register 22 bewegt; Q&sub1; ist wegen der Kanalsperre 76 unter der Elektrode 57 eingegrenzt. Zum Zeitpunkt t&sub3; wird φH1A "hoch", und das Ladungsträgerpaket Q&sub1; wird unter die Elektrode 56 im Register 20 bewegt. Nach dem Zeitpunkt t&sub3; werden φH1A, φH1B, φH2 entsprechend der Darstellung zyklisch wiederholt, um die Ladungsträgerpakete Q&sub1; und Q&sub2; aus den Registern 20 und 22 zu bewegen. Hierbei ist der Hinweis wichtig, daß φH1A und φH1B während dieses Zeitraums gleichzeitig getaktet werden und daß die durch das Implantat 60 geschaffene Potentialsperrschicht die Trennung der Ladungsträgerpakete Q&sub1; und Q&sub2; zwischen den Registern 20 und 22 aufrechterhält.
• Die hier beschriebene Anordnung von horizontalen Registern kann zum parallelen Auslesen einer vollständigen Signalladungszeile mit einem Datendurchsatz, der 30 Bildfelder pro Sekunde übersteigt, verwendet werden. infolge der Eliminierung des separatan Verschiebe-Gates zwischen den horizontalen Registern im Bildsensor 10 sind nur drei Takte erforderlich, um beide Register zu betreiben. Für Fachleute ist leicht ersichtlich, daß die Grundzüge der Erfindung in einer Einrichtung mit mehr als zwei horizontalen Registern verwendet werden können.

Claims (1)

1. Bildsensor mit

einem Abbildungsbereich (12), der ein aus einem Halbleitermaterial bestehendes Substrat aufweist und der in dem Halbleitermaterial Mittel (14,15) umfaßt zum Sammeln von Ladungsträgern um zum übartragen der Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich (12),

mindestens zwei Schieberegistern (20,22), die nebeneinander dem Abbildungsbereich (12) benachbart angeordnet sind and von denen das eine (20) eine Reihe von Speicherbereichen (72) zum Aufnehmen von aus dem Abbildungsbereich (12) stammenden Ladungsträgern umfaßt,

Mitteln (62,70) zum Steuern der Ladungsträgerübertragung von einem Schieberegister (20) zum anderen (22),

einem Mittel (58), das die Übertragung von Ladungsträgern von einem Schieberegister (20) zum anderen (22) bewirkt, und

Mitteln (φH1A, φH1B, φH2) zum Takten der Schieberegister (20, 22), um die Ladungsträger von den Schieberegistern zu einer Ausgangsschaltung zu übertragen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen bestimmten Speicherbereichen (72) benachbarten Übertragungsbereich (70) sowie ein den übrigen Speicherbereichen benachbartes Mittel (76) aufweist, um die Übertragung der Ladungsträger von einem Schieberegister zum anderen zu blockieren, und daß jeder Übertragungsbereich (70) eine implantierte Sperrschicht (60) umfaßt.

Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übertragungsbereich (70) jedem zweiten Speicherbereich (72) im Schieberegister benachbart ist.

3. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Registern (20, 22) um CCD Schieberegister handelt.

4. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsbereiche (70) breiter sind als die Speicherbereiche (72)

5. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieberegister (20,22) gleichzeitig getaktet werden, um die Ladungsträger von den Schieberegistern (20, 22) an eine Ausgangsschaltung zu übertragen.

6. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14, 15) zum Sammeln und Übertragen der Ladungsträger eine Matrix aus fotoelektrischen Wandlerelementen (14) aufweisen.

7. Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14, 15) zum Sammeln und Übertragen der Ladungsträger Spalten von CCD Schieberegistern (15) aufweisen, die Ladungsträger von den Wandlerelementen (14) empfangen.

8. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die implantierte Sperrschicht (60) in einem vergrabenen n-leitenden Kanal ausgebildet ist und aus einem p-leitenden Material besteht.

9. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (58) im anderen Schieberegister (22) eine Elektrode (58) aufweist.

10. Bildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Elektrode (58) im anderen Schieberegister (22) über die implantierte Sperrschicht (60) erstreckt.

11. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Übertragen der Ladungsträger aus dem Abbildungsbereich (12) vertikale CCD Elemente (15) aufweisen, daß Mittel (65, 67, 68) vorgesehen sind, die die Übertragung der Ladungsträger von den vertikalen CCD Elementon (15) zum einen Schieberegister (20) steuern, und daß die Mittel (65, 67, 68) einigen der vertikalen CCD Elementen (15) benachbart einzelne Verschiebe-Gates (65) und jedem der anderen vertikalen CCD Elemente (15) benachbart jeweils zwei Verschiebe-Gates (67, 68) umfassen.

12. Bildsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Schieberegister (20) einen ersten Satz Elektroden (56) aufweist, die in den einzelnen Verschiebe-Gates (65) und in einem (67) der jeweils zwei Verschiebe-Gates ansprechbar sind, und einen zweiten Satz Elektroden (57), die in dem anderen (68) der jeweils zwei Verschiebe-Gates ansprechbar sind.

13. Bildsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verschiebe-Gate (65, 67, 68) eine ihm zugeordnete implantierte Sperrschicht (66, 69) aufweist.