NL8000998A - Vaste stof opneemcamera met een halfgeleidende photogevoelige trefplaat. - Google Patents

Description

·%, ..... — PHN 9684 1 "N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Vast stof opneemcamera met een halfgeleidende photogevoelige trefplaat".

De uitvinding heeft betrekking op een vaste stof opneemcamera omvattende een photogevoelige trefplaat met een halfgeleiderlichaam dat aan een oppervlak is voorzien van een aantal ladingsopslagcapaciteiten waarin tijdens bedrijf ladingsdragers van het eerste type, die plaatse-5 lijk in het halfgeleiderlichaam door absorptie van invallende straling worden gegenereerd, gedurende een zekere integratieperiode kunnen worden opgeslagen en geïntegreerd, waarbij verder middelen aanwezig zijn om te voorkomen dat exces ladingsdragers die bij plaatselijke overbelichting worden gegenereerd zich in het halfgeleiderlichaam van een volle ladings-10 opslagcapaciteit naar naburige opslagcapaciteiten verspreiden.

De photogevoelige trefplaat kan bijvoorbeeld van het ladings- gekoppelde type zijn, dat uit de literatuur algemeen bekend is. Een der- ·* gelijke inrichting bevat een reeks achterelkaar gelegen, klokspannings-elektroden, waaraan tijdens bedrijf klokspanningen kunnen worden aange-15 legd waardoor in het, onder de klokspanningselektroden gedefinieerde la-dingstransportkanaal een trein van ladingspakketjes naar een uitleesor-gaan kan worden geschoven en daar sequentieel worden uitgelezen. De ladingspakketjes kunen in het CCD zelf worden gegenereerd en opgeslagen door in het CCD gedurende een zekere integratieperiode een patroon te 20 induceren van, onderling door barrières gescheiden, potentiaalkuilen die toegankelijk zijn voor invallende straling. Op deze wijze kan een stra-lingspatroon omgezet worden in een patroon van ladingspakketten die door integratie van de plaatselijke opgewekte photostromen in de potentiaalkuilen zijn verkregen. Na afloop van de integratieperiode kunnen de la-25 dingspakketjes op ladingsgekoppelde wijze naar een uitleesorgaan worden getransporteerd.

Een bekend probleem bij dit type trefplaten kan zich voordoen bij overbelichting, waarbij een zo grote overmaat van ladingsdragers wordt gevormd dat lading van een volle potentiaalkuil verder diffundeert 30 naar naburige, nog niet volle potentiaalkuilen. Dit, vaak met "blooming" aangegeven, verschijnsel heeft in ladingsgekoppelde inrichtingen de neiging in eerste instantie de potentiaalkuilen in eenzelfde CCD-lijn te vullen. Een puntvormige overbelichting zal hierdoor bij het weergeven 80 0 0 9 98 A ♦ PHN 9684 2 van het opgenomen beeld in een zeer hinderlijke, zich verticaal over het beeld uitstrekkende witte lijn resulteren.

In het artikel "Blooming Suppression in Charge Coupled Area Imaging Devices" van C.H. Sêquin, gepubliceerd in The Bell System Tech-5 nical Journal van oktober 1972, pg. 1923-1926, wordt een photogevoelige trefplaat beschreven waarin tussen de CCD-registers afvoerkanalen zijn aangebracht, die via overloopbarrières van de CCD-kanalen zijn gescheiden. Doordat deze overloopbarrières iets lager zijn dan de potentiaal-barrières tussen opeenvolgende potentiaalkuilen in de CCD-kanalen, zul-10 len overtollige ladingsdragers, alvorens zich over een CCD-kanaal uit te spreiden, via de overloopbarrières en de afvoerkanalen verwijderd kunnen worden.

Met deze methode kan op zeer effectieve wijze "blooming" worden voorkomen. Door de aanwezigheid echter van de afvoerzones en de mid-15 delen voor het vormen van de overloopbarrière zal de sensor groter en complexer worden. Bovendien dragen de tussen de CCD gelegen delen van het halfgeleiderlichaam, die een relatief groot deel van het photogevoelige oppervlak in beslag nemen, niet bij tot de photogevoeligheid zodat het voordeel van anti-blooming voor een belangrijk deel weer te niet 20 wordt gedaan door vermindering van oplossend vermogen en gevoeligheid.

In het artikel "Control of Blooming in Charge Coupled Imagers" van W.F. Kosonocky et.al., R.C.A. Review, Vol. 35, 1974, pg. 3/24 wordt een "anti-blooming" methode beschreven waarbij, bij toepassing van een CCD met een oppervlaktekanaal, de oppervlaktegebieden ter plaatse van 25 de potentiaalbarrières tussen de potentiaalkuilen in de integratieperio-de in accumulatie worden gebracht, dat wil zeggen in een toestand waarbij een overmaat van ladingsdragers van het andere type aanwezig is.

Deze methode heeft het voordeel dat de sensor niet vergroot of complexer gemaakt wordt. De effectiviteit van de methode zal echter la-30 ger zijn dan die van de eerst besproken methode, aangezien door diffusie toch een zekere mate van blooming kan blijven voorkomen. Bovendien kan deze methode alleen worden toegepast bij een CCD-sensor met oppervlakte-kanalen.

Opgemerkt wordt dat het verschijnsel van "blooming" ook bij 35 andere dan de hier beschreven inrichting kan voorkomen, zoals bij la-dingsgekoppelde sensors van het inter-lijn type of bij zogenaamde xy-sensors waarin het uitlezen plaatsvindt door de photoelementen in de x-en de y-richting te selecteren. Hoewel de uitvinding in het bijzonder 80 0 0 9 98 m # k, PHN 9684 3 van belang is voor de hiervoor beschreven opneemsensor waarin de generatie en integratie van photostromen in de ladingsgekoppelde inrichting zelf plaatsvindt, zijn de inzichten waarop de uitvinding berust, in principe ook bij opneemcamera1s met andere photogevoelige trefplaten waarin 5 het verschijnsel van blooming kan optreden, toepasbaar.

De uitviriding beoogt onder andere een vaste stof opneemcamera aan te geven waarin op effectieve wijze "blooming wordt voorkomen, onder vermijding van een extra grote en/of complexe photogevoelige tref-plaat. De uitvinding beoogt verder een vaste stof camera aan te geven 10 waarmee onder vermijding van "blooming" verschijnselen een stralings-beeld met een hoog oplossend vermogen in electrische signalen kan worden omgezet.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat ladingsdragers niet alleen via afvoerzones en uitwendige geleiders, maar ook 15 ter plaatse in het halfgeleiderlichaam via zogenaamde invangcentra of diepe energietoestanden kunnen worden afgevoerd.

Een vaste stof opneemcamera van de in de aanhef beschreven soort is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat bij elke ladings-opslagcapaciteit een tot genoemde middelen behorende, klokelektrode aan-20 wezig is die op een, het oppervlak bedekkende isolerende laag is aangebracht en die is verbonden met een spanningsbron die zodanige spanningen levert dat gedurende de genoemde integratieperiode het onder de klokelektrode gelegen oppervlaktegebied van het halfgeleiderlichaam afwisselend zodanig in inversie en in accumulatie wordt gebracht dat daardoor in de 25 ene toestand exces ladingsdragers in dit oppervlaktegebied kunnen worden opgezameld en door middel van recombinatie via in het oppervlaktegebied aanwezige oppervlaktetoestanden, met ladingsdragers van het andere type, die in de andere toestand kunnen worden ingevangen, worden afgevoerd.

Doordat voor anti-blooming gebruik gemaakt kan worden van de klokelek-30 troden van de CCD-lijn zelf zijn geen extra middelen vereist tussen de CCD-lijnen, zodat een hoog effectief gebruik van het photogevoelige oppervlak kan worden gemaakt.

Een gunstige uitvoering, waarbij een voldoende hoge overbelichting, bij de gebruikelijke dichtheid van oppervlaktetoestanden en 35 bij de gebruikelijke lijn-uitleestijden, kan worden verkregen, is daardoor gekenmerkt, dat de ladingsopslagcapaciteiten deel uitmaken van een systeem van volgens lijnen en kolommen geranschikte fotogevoelige elementen die lijn voor lijn kunnen worden uitgelezen en dat genoemde span- 800 0 9 98 PHN 9684 4 ningsbron een spanning aan de klokelektrode levert waardoor het oppervlak-tegebied onder de klokelektrode tenminste een keer per lijnuitleestijd van de ene toestand naar de andere toestand wordt gebracht.

een verder gunstige uitvoering, waarin stoorsignalen tenge-5 volge van het omschakelen tussen inversie en accumulatietoestanden bij het weergeven van het opgenomen beeld worden vermeden, is daardoor gekenmerkt dat het tijdstip waarop de genoemde klokelektrode van de ene naar de andere toestand wordt geschakeld in de lijn-terugslagtijd valt.

De uitvinding zal nu nader worden beschreven aan de hand van 10 enkele uitvoeringsvoorbeelden en de bijbehorende schematische tekening waarin

Fig. 1 schematisch een opneemcamera volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 2 een doorsnede van de photogevoelige trefplaat zoals 15 in de camera volgens Fig. 1 toegepast, voorstelt;

Fig. 3 een doorsnede van de photogevoelige trefplaat toegepast in de camera volgens Fig. 1, weergeeft;

Fig. 4 de klokspanningen toont die tijdens bedrijf van de camera worden aangelegd als functie van de tijd; 20 Fig. 5 potentiaalprofielen die in het ladingsgekoppelde kanaal tijdens bedrijf worden gevormd, weergeeft;

Fig. 6 het verband toont tussen de concentratie aan opper-vlaktetoestanden en de oxydatietemperatuur T

Fig. 7 potentiaalprofielen in het CCD-kanaal toont, wanneer 25 de ladingsgekoppelde inrichting volgens de Fig. 1-3 op een andere manier worden bedreven en

Fig. 8 klokspanningen toont die hierbij aan de klokspannings-elektroden worden aangelegd.

Fig. 9 in doorsnede een uitvoeringsvorm met een oppervlakte-30 kanaal toont;

Fig. 10 potentiaalprofielen in het CCD-kanaal van de inrichting volgens Fig. 9 weergeeft.

In Fig. 1 toont schematisch een camera volgens de uitvinding door de onderbroken lijn 10 aangegeven, met binnen de lijn 10, de photo-35 gevoelige trefplaat 11 en de bijbehorende klokgeneratoren 12, 13, 14 en 15. Andere, bij een vaste stofopneemcamera gebruikelijke onderdelen, voor bijvoorbeeld ^-correctie, lenzen, diafragma's enzovoort, waarop de uitvinding geen betrekking heeft, zijn duidelijkheidshalve weggelaten.

80 0 0 9 SS

PHN 9684 5

De trefplaat 11 wordt gevormd door een photogevoelige half-geleiderinrichting van een type waarbij een ingevangen stralingspatroon wordt omgezet in een patroon van ladingspakketten door gegenereerde ladingsdragers van een bepaald type gedurende een zekere integratieperio-5 de te integreren in een mozaiek van ladingsopslagcapaciteiten. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is de sensor van het ladingsgekoppelde type en bevat een aantal naast elkaar gelegen ladingsgekoppelde inrichtingen 16. In Fig. 1 zijn slechts 5 van deze ladingsgekoppelde lijnen weergegeven, in werkelijkheid echter zal het aantal echter veel groter 10 zijn, en voor televisietoepassingen minstens 300 bedragen. De klokspan-ningselektroden zijn in Fig. 1 schematisch door de lijnen 0^, 02 en 0^ aangegeven.

De sensor behoort tot het op zichzelf bekende "frame-field transfer" type, en omvat twee sekties; beeldsektie A en geheugensektie B 15 met een aantal verticale CCD-lijnen en een horizontale uitlees CCD-lijn C. Het om te zetten beeld wordt ingevangen in de A-sektie. Het ladings-patroon dat tijdens de integratieperiode in de A-sektie ontstaat wordt na de integratieperiode snel in de B-sektie geschoven. Vervolgens kan het ladingspatroon lijn voor lijn in het C-register worden geschoven. De uit-20 gangssignalen kunnen aan de.uitgangsklem 17 worden uitgelezen. Tijdens het uitlezen kan een beeld in de A-sektie worden opgenomen.

De sensor 11 is verder voorzien van middelen om te voorkomen dat in het A-register exces ladingsdragers die bij plaatselijke overbelichting worden gegenereerd van een volle ladingsopslagplaats naar na-25 burige opslagcapaciteiten diffunderen.("blooming"). Volgens de uitvinding, omvatten deze middelen een met elke ladingsopslagcapaciteit geassocieerde · klokelektrode die met een spanningsbron 12 is verbonden die zodanige spanningen levert dat gedurende de integratieperiode het onde.r deze elektroden gelegen oppervlaktegebied van het halfgeleiderlichaam althans bij 30 overbelichting afwisselend in inversie en in accumulatie kan worden gebracht. In een van deze toestanden, afhankelijk van het type ladingsdragers, zullen exces ladingsdragers in dit oppervlaktegebied worden opgezameld. Door recombinatie via ter plaatse aanwezige oppervlaktetoestan-den, met ladingsdragers van het andere type die in de andere toestand 35 worden ingevangen kunnen de excesladingsdragers dan worden afgevoerd.

Zoals uit Fig. 3 die een doorsnede van een deel van de A-sektie dwars op de ladingstransportrichting weergeeft, zijn de CCD-kana-len 16 onderling slechts door kanaalbegrenzende gebieden 18 van elkaar 800 0 9 98 PHN 9684 6 * te gescheiden. Afvoerzones tussen de CCD-kanalen 16, zoals bij bekende anti-blooming methoden gebruikelijk zijn en relatief veel ruimte in het half-geleiderlichaam in beslag nemen, zijn in de camera volgens de uitvinding niet nodig, waardoor met voordeel een compacte sensor met een relatief 5 grote dichtheid van photogevoelige elementen kan worden toegepast.

In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld vormen de klokelek-troden samen met onderliggende delen van de CCD-kanalen de photogevoelige elementen. De photogevoelige elementen kunnen echter uiteraard ook een matrix van rijen en kolommen vormen waarbij de CCD-kanalen tussen de ko-10 lommen van photogevoelige elementen zijn gerangschikt. Ook is de uitvinding niet beperkt tot CCD-sensoren maar ook toepasbaar in sensoren waarin de photogevoelige elementen bijvoorbeel door middel van XY-selectie uitgelezen worden.

De ladingsgekoppelde inrichtingen kunnen een oppervlakteka-15 naai omvatten maar zijn hier van het bulk of begraven kanaal type, waarin het ladingstransport in de vorm van meerderheidsladingsdragers (ten opzichte van het geleidingstype van de transportkanalen 16) op afstand van het oppervlak van het halfgeleiderlichaam plaatsvindt. De kanaalge-bieden 16 zijn daartoe aan de onderzijde begrensd door de gesperde pn-20 overgang 19 die de kanaalgebieden 16 met het gebied 20 van het tegengestelde geleidingstype vormen. De zone 20 kan zich als substraat over de gehele dikte of over praktisch de gehele dikte van het halfgeleiderlichaam uitstrekken en door middel van epitaxie of dotering van de kanaalgebieden 16 worden voorzien. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld 25 echter bevat het halfgeleiderlichaam een substraat 21 van hetzelfde geleidingstype als de kanaalgebieden 16, terwijl het gebied 20 slechts een zone tussen het substraat 21 en de kanaalgebieden 16 vormt. Toepassing van deze 3-lagen struktuur heeft het voordeel dat ladingsdragers die op grote afstand van het boven-oppervlak worden gegenereerd niet, tengevol-30 ge van diffusie in het halfgeleiderlichaam, terecht kunnen komen in ver-derweg gelegen ladingsopslagplaatsen.

In een specifieke uitvoeringsvorm bevat het halfgeleiderlichaam een substraat 21 van een n-type silicium, met een dikte van ongeveer 3001urn en een soortelijke weerstand van 1-30 ohm cm. De kanaalge-35 bieden 16 die eveneens van het n-type zijn hebben bijvoorbeeld een dikte van.ongeveer 1-3/urn en een doteringsconcentratie van 10"^ - 10"^ atomen/ 3 ' cm . Deze kanaalgebieden zijn van het substraat 21 geïsoleerd door de tussenliggende p-type laag 20 met een dikte van 2-5^um en een doterings- 80 0 0 9 98 PHN 9684 ' 7 é 4 14 15 3 concentratie van 5.10 - 4.10 atomen/cm , en onderling door de p-type gebieden 18. De p-type gebieden 18 kunnen zich met voordeel over de gehele dikte van de kanalen 16 tot aan de zone 20 uitstrekken. Bij voorkeur strekken de zones 18 zich echter slechts over een deel van deze dikte 5 uit en zijn door een tussenliggend n-type gebied van de zone 20 gescheiden. Ladingsdragers die plaatselijk worden gegenereerd zullen hierdoor niet verdwijnen maar kunnen naar de CCD-kanalen 16 aan weerszijden van de p-type zones 18 stromen.

De gebieden 16, 18 en 20 kunnen op, op zichzelf algemeen be-10 kende wijze die niet verder behoeven te worden beschreven, worden aangebracht. Op het oppervlak van het halfgeleiderlichaam is een laag 22 van siliciumoxyde gegroeid met een dikte van ongeveer 700 R. Op deze laag zijn de klokspanningselektroden 23,24,25,23^24^251 en 2311 aangebracht. (Zie Fig. 2) De elektroden 23,24,25 zijn met de kloklijnen 0^, 02 en 0-j 15 van de A-sektie verbonden en strekken zich dwars over het sensor deel A uit in een richting loodrecht op de ladingstransportrichting. In een specifieke uitvoeringsvorm zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage...........(PHN 9683) waarvan de inhoud bij referentie in deze aanvra ge wordt geïncorporeerd, kunnen bijvoorbeeld de elektroden 02 in de 20 in de Fig. aangegeven richting zijn aangebracht, terwijl de elektroden 0j zich dwars hierop, en evenwijdig aan de ladingstransportrichting uitstrekken, waardoor tussen de elektroden lichtdoorlatende vensters en daarmee een verbeterde blauw-gevoeligheid kunnen worden verkregen. De e-lektroden 23', 24' en 25' zijn verbonden door de kloklijnen 0^', 02' en 25 0^·. in de B-sektie; elektrode 23'' is een van de klokelektroden van het C-register dat de kloklijnen 02"", 02" en 0^"die slechts in Fig. 1 zijn weergegeven, bevat. Tussen de B-sektie en het C-register kan indien gewenst, nog een extra overdrachtselektrode 0γβ worden aangebracht, die . het transport tussen de B-sektie en het C-register stuurt. Deze elektro-30 de is volgens het schema in Fig. 1 met een afzonderlijke spanningsbron 15 verbonden maar nog ook met een van de kloklijnen 02% 02" en 0jn zijn verbonden.

Opgemerkt wordt dat in de figuren de klokelektroden eenvou-digheidshalve zijn aangegeven als naast elkaar gelegen geleidende lagen, 35 het zal zonder meer duidelijk zijn dat in werlkelijkheid, waarbij voor de elektroden meerlaagspolykristallijne silicium lagen worden toegepast, de elektroden elkaar zullen overlappen, zoals in CCD-technieken algemeen gebruikelijk is.

800 0 9 98 PHN 9684 8

Zoals uit Fig. 2 verder blijkt, is boven de B-sektie en het C-register een stralingsafschermende laag 26 aangebracht. Deze laag kan bijvoorbeeld van Al zijn die door de oxydelaag 27 van de onderliggende klokelektroden is geïsoleerd. Desgewenst mag deze afschermingslaag, die 5 de invallen straling tegenhoudt waardoor geen of althans praktisch geen straling in het onderliggende gedeelte van het halfgeleiderlichaam kan worden geabsorbeerd, deel uitmaken van de klokelektroden.

Het uitgangsregister C (Fig. 1) bevat verder een uitgangs-trap met een n+- contactzone 28 die via een voorschakelspanningsbron 29 10 en via de weerstand 30 met aarde en met de uitgangsklem 17 is verbonden.

Uiteraard kunnen ook andere, op zichzelf bekende uitgangstrap-pen worden toegepast, zoals bijvoorbeeld source- volger schakelingen.

Tijdens bedrijft wordt aan de kanaalgebieden 16 een voor-spanning van bijvoorbeeld +5V via de uitgangszone 28, en aan de p-type 15 zone 20 een negatieve voorspanning van -5V aangelegd. De kanalen 16 kunnen dan geheel gedepleerd worden waardoor zoals algemeen bekend, de inrichting gereed is voor ladingstransport in de bulk of begraven-kanaal modus. In Fig. 2 is deze voorspanning schematisch door de spanningsbron 31 aangegeven. Het n-type substraat 21 kan ten opzichte van de p-type laag 20 20 eveneens aan een positieve voorspanning 32 worden gelegd. De waarde van deze spanning, die voornamelijk ertoe dient om ladingsdragers die in het gebied 21 worden gegenereerd, af te voeren, bedraagt bijvoorbeeld +5V.

In Fig. 4 zijn schematisch de klokspanningen aangegeven die tijdens bedrijf aan de klokelektroden worden aangelegd. Tijdens de in-25 tegratieperiode van tg tot t^ wordt een stralingsbeeld dat op de beeld-sektie A invalt, omgezet in een patroon van ladingspakketten. Als inte-gratiepoorten (d.i. het stelsel klokelektroden waaronder de gegenereerde lading wordt geïntegreerd) worden bij wijze van voorbeeld de met 0^ verbonden klokelektroden gekozen, die op een vaste spanning van bijvoorbeeld 30 IV worden gelegd.

In de geheugensektie kan tegelijkertijd een patroon van ladingspakketten, dat met een vorig stralingspatroon correspondeert, zijn opgeslagen. Dit ladingspatroon kan lijn voor lijn in het C-register worden ingecoerd, waarbij telkens een lijn parallel in het C-register wordt 35 gevoerd, bijvoorbeeld via de overdrachtspoort TG. De ladingspakketten van·deze lijn kunnen 'in horizontale richting naar de uitgang 28 worden getransporteerd en daar sequentieel worden uitgelezen. Intussen kan het in de B-sektie opgeslagen ladingspatroon 1 trap worden verplaatst, en 80 0 0 9 98 PHN 9684 9 kan een volgende lijn onder de overdrachtspoortTG worden gebracht. Deze lijn kan in het C-register worden geschoven, wanneer de ladingspakketten van de voorgaande lijn zijn uitgelezen. De frequentie van de klokspan-ningen 0^", 02", 0-j" die aangewend worden ten behoeve van het transport g in het C-register, zal, (bij een lengte van N-bits van het C-register)

Nx zo hoog zijn als de frequentie van de klokspanningen van de B-sektie.

Bij een sensor van ongeveer 300 kolommen, zal N ongeveer 300 zijn, hetgeen betekent dat het transport in het C-register ongeveer 300x sneller dan in dë B-sektie dient plaats te vinden. Eenvoudigheidshalve zijn in 10 Fig. 4 klokspanningen 0^”, 02", 0-j" getekend met een frequentie die slechts enkele malen hoger is dan die van den klokspanningen 0^' - 0^ ’; het zal echter duidelijk zijn dat dit verschil in werkelijkheid veel groter gedacht dient te zijn.

In dezelfde tijd dat het in de geheugensektie B opgeslagen 15 ladingspatroon lijn voor lijn wordt uitgelezen, wordt in de beeldsektie A een nieuw ladingspatroon gegenereerd.. Hiertoe worden de elektroden 25, die met 0^ zijn verbonden op een vaste positieve potentiaal gelegd, bijvoorbeeld IV. De klokspanningselektroden 23 staan op bijvoorbeeld -4V en de elektroden 24 die bij gebruikelijke camera’s met beeld-sensoren 20 van de hier beschreven soort, op een vaste potentiaal worden gehouden, variëren in de onderhavige camera volgens de uitvinding tussen twee niveaus, bijvoorbeeld tussen -4V en +6Volt.

In Fig. 5 is schematisch een deel van het potentiaal profiel getekend dat in de CCD-kanalen ontstaat als gevolg van de spanningen die 25 tijdens de integratieperiode van de elektroden in de beeldsektie A worden aangelegd op drie verschillende tijdstippen. Doordat aan de elektroden 25 +1V wordt aangelegd, ontstaan onder deze elektroden potentiaalputten waarin de gegenereerde ladingspakketten worden opgeslagen. Op t^ is aan de elektroden 23 die met de kloklijn 0^ zijn verbonden een spanning van 30 -4V aangelegd en aan de elektroden 24 (02) een spanning van +6 Volt. In het CCD-kanaal ontstaat dan het potentiaalprofiel als geschètst in Fig.

5a, met een potentiaalput onder de integratiepoort 25, een overloop barrière onder de klokelektroden 23 en een diepere put onder de klokelektro-den 24.

35 De hier genoemde waarden van aangelegde spanningen zijn zo- zodanig dat ook het minimum van de relatief diepe (lege) potentiaalput onder de elektroden 24 op een bepaalde afstand van het oppervlak is gelegen. Bij zwakke belichting (aangegeven door de straling 32) worden 80 0 0 9 98 9 * PHN 9684 10 zo weinig ladingsdragers gegenereerd dat de ladingspakketten geheel in de potentiaalput onder de elektroden 24 kunnen worden opgeslagen op een afstand van het oppervlak. Hierbij gaat geen lading verloren. Bij overbelichting echter wordt het ladingspakket zo groot dat wanneer het onder 5 elektrode 24 wordt verzameld voor accumulatie aan het oppervlak onder de elektrode 24 zorgt. Het ladingspakket is daarbij echter nog niet zo groot dat de elektroden over de barrière onder de elektrode 23 kunnen lopen en zo naburige potentiaalkuilen kunnen vullen. In Fig. 5 is het potentiaalprofiel weergegeven op t^ onder de elektrode 24, in een rich-10 ting dwars op het oppervlak. Curve A stelt de potentiaal voor bij zwakke intensiteit van de invallende straling. In dit geval worden de elektronen 50 opgeslagen op een eindige afstand van het grensvlak tussen de oxydelaag 22 en het n-type kanaal 16. Curve B geeft het potentiaalprofiel weer bij overbelichting. Aan het grensvlak kan nu accumulatie van 15 elektronen plaatsvinden, en afvoer van lading door middel van recombi-natie. Deze overloop (blooming) kan voorkomen worden door volgens de uitvinding te bewerkstelligen dat ladingsdragers worden ingevangen door diepe oppervlaktetoestanden. Door vervolgens (Fig. 5b) aan de elektrode een spanning van -4 V aan te leggen, ontstaat onder deze elektroden een 20 inversielaagje, in Fig. 5 schematisch door de gaten voorstellende kruisjes 33 weergegeven. Tengevolge van deze inversielaag 33 kunnen de oppervlaktetoestanden die een elektron hadden ingevangen, nu gaten invangen (recombinatie van ingevangen elektronen). Op t^ is weer een spanning van +6 V aan de elektroden 24 aangelegd waardoor onder deze elektroden weer 25 accumulatie kan optreden, en de oppervlaktetoestanden' die een gat hadden ingevangen nu een elektron kunnen invangen.

Op deze wijze kunnen exces ladingsdragers, ontstaan tengevolge van plaatselijke overbelichting, worden afgevoerd door middel van recombinatie, door de oppervlaktegebieden onder de elektroden 24 naast de 30 integratieelektroden 25 afwisselend in inversie en accumulatie te brengen. In principe kan hierbij volstaan worden met slechts één elektrode, bijvoorbeeld de elektrode 24, die afwisselend in accumulatietoestand en inversietoestand wordt geschakeld, terwijl de elektrode 23 op een vaste potentiaal wordt gehouden. Met voordeel echter kan de elektrode 23 in 35 tegenphase met 24 geschakeld worden tussen bijvoorbeeld -4 en -6 V, zoals. in. Fig. 4 met onderbroken lijnen is aangegeven. In dat geval behoeven de, voor de inversielagen 33 benodigde gaten niet telkens door de p-type gebieden 18,20 geleverd te worden, maar kunnen afwisselend tussen 80 0 0 9 98 ♦ t PHN 9684 11 de elektroden 23 en 24 worden heen en weer geschoven. Hierdoor kunnen problemen, die veroorzaakt zouden kunnen vi/orden door de relatief hoge weerstand in het gebied 20 en de frequentie eigenschappen van de inrichting zouden kunnen verminderen, worden voorkomen.

5 De mate van overbelichting die getolereerd kan worden, hangt o.a. af van de concentratie aan oppervlaktetoestanden en van de frequentie waarmee de oppervlaktegebieden onder de elektroden 24 in accumulatie en inversietoestand worden geschakeld, l/oor het weergeven van maximaal wit in een scene kunnen in de integratieputjes: ongeveer 1011 elektro-2 10 nen/cm worden opgeslagen. De dichtheid van oppervlaktetoestanden (die bruikbaar zijn voor het hier beschreven doel) bedraagt in de huidige 10 2 stand van de techniek ongeveer 10 /cm . eV.

Binnen de verboden bandafstand zijn in hoofdzaak slechts die diepe toestanden bruikbaar die een voldoende lange generatietijd 15 (^·|Ν exp - Ec ~ ^t i hebben, zodat de ingevangen ladingsdragers niet c kT ) weer terstond naar de geleidingsband c.q. de valentieband overgaan. Voor siliicum betekent dit dat de toestanden binnen energiebanden van 0.10 - 0.15 el/ van de geleidingsband c.q. de valentieband niet of minder effectief zijn. De totale concentratie aan geschikte niveau's bedraagt derhal-20 ve ongeveer 10 /cm . Dit betekent dat, als per lijn tijd het oppervlak éénmaal van inversie in accumulatie v.v. wordt gebracht, bij een sensor met 300 lijnen, 300 x 10^ = 30.10^ elektronen kunnen worden afgevoerd.

Voor een gebruikelijke sensor kan dus een overbelichting met een factor van ongeveer 30 getolereerd worden, hetgeen voor veel toepassing zeer re-25 delijk is. Een hogere factor kan op een eenvoudige wijze verkregen worden door het aantal malen dat de anti-blooming elektroden 24 gedurende de integratieperiode worden geschakeld te verhogen. Een andere manier, die met voordeel kan worden toegepast bestaat uit het verhogen van de concentratie van oppervlaktetoestanden. De kwaliteit van de ladingsge-30 koppelde inrichting behoeft hierdoor niet of althans nauwelijks nadelig te worden beïnvloed aangezien het ladingstransport kan plaatsvinden op een diepte in het halfgeleiderlichaam waar de oppervlaktetoestanden niet meer effectief zijn.

De concentratie oppervlaktetoestanden - die met de zich ver-35 beterende technieken in de toekomst steeds lager zal worden - kan op verschillende manieren op een voor het doel van de onderhavige uitvinding gewenst niveau worden gebracht. Volgens een eerste methode kan het halfgeleiderlichaam aan een oxydatiebehandeling worden onderworpen 800 0 9 98 PHN 9684 12 bij een geschikt gekozen temperatuur, bijvoorbeeld lager dan 1100°C en bijvoorbeeld tussen 800°C en 1100°C.. Het empirisch verband tussen de concentratie Ngg van oppervlaktetoestanden en de oxydatietemperatuur is in Fig. 6 weergegeven. Uit deze figuur blijkt, in het algemeen, dat deze 5 concentratie bij stijgende temperauur afneemt, waardoor, door middel van een geschikte oxydatietemperatuur een gewenste waarde van Ngg kan worden verkregen.

Een andere manier ter verkrijging van diepe niveau's bestaat uit dotering met een verontreiniging, hetzij plaatselijk, hetzij over het 10 gehele oppervlak van de ladingsgekoppelde inrichting. Een geschikte verontreiniging die met voordeel kan worden toegepast is bijvoorbeeld S, dat een niveau op een diepte van 0.25 eV van de valentieband geeft en door middel van ionenimplantatie in elke gewenste concentratie kan worden aangebracht. Een andere geschikte doteerstof is P^. (0.37 van geleidingsband) 15 Een verder voordeel van deze verontreinigingen is dat ze geen energie-niveau's rond het intrinsieke niveau introduceren, zodat hun bijdrage tot de lekstroom van de trefplaat gering is.

Voor de hier beschreven anti-blooming methode, zijn tenminste drie elektroden per bit vereist, éên voor de integratie van de gegene-20 reerde ladingsdragers, en tenminste één die afwisselend tussen inversie en accumulatie wordt geschakeld, en één die voor de scheiding tussen de ladingspakketten zorgt.

Aan de hand van Fig. 7 en 8 wordt aangetoond dat voor de anti-blooming ook de integratieelektrode zelf kan worden gebruikt, waardoor 25 per bit slechts twee elektroden nodig zijn en de sensor ook als een 2-phasig CCD zou kunnen worden bedreven. Ter illustratie van de werking van een dergelijke opneemcamera, zal worden uitgegaan van een soortgelijke trefplaat als in het voorgaande uitvoeringsvoorbeeld waarbij echter wordt aangenomen dat onder elke elektrode een zwaarder en een minder 30 zwaar n-gedoteerd gebied aanwezig is zoals bij 2-pasen uitvoeringen gebruikelijk is. Aan de integratieelektroden 25, waaronder de gegenereerde photostromen worden geïntegreerd, wordt gedurende de integratieperiode niet een constante spanning, maar een klokspanning aangelegd, terwijl aan de elektroden 24 een constante spanning wordt aangelegd. In Fig. 8 35 zijn de spanningen 0p schematisch aangegeven. De in het halfgeleider-lichaam gevormde potentiaalprofielen zijn schematisch in Fig. 7 weergegeven. In verticale richting is de potentiaal (naar beneden) uitgezet, en in horizontale richting de afstand tot het oppervlak van het halfgeleider- 80 0 0 9 98 PHN 9684 13 laag, waarbij achtereenvolgens een elektrode (24 of 25), de oxydelaag 22, het n-type kanaal 16, het p-type gebied 20, en het n-type substraat 21 kunnen worden onderscheiden. De elektroden 24, die dienen om achtereenvolgende ladingspakketten van elkaar te scheiden worden op een vaste, ten 5 opzichte van het n-kanaal 16 negatieve potentiaal gezet waardoor in het lichtgedoteerde deel van het kanaal onder deze elektroden de potentiaal volgens het profiel 40 (LFig. 7) wordt verkregen. Aan de elektrode 25 wordt afwisselend dezelfde en een veel positievere spanning aangelegd.

Bij dezelfde spanning wordt onder de elektrode 25 in het lichtgedoteerde 10 deel het profiel volgens curve 40 verkregen, in het zwaarder gedoteerde deel een profiel volgens de curve 41. Het vlakke deel in curve 41 geeft aan dat onder de elektrode 25 een ladingspakket aanwezig is. Bij beide curven (40 en 41) is de potentiaal aan het oppervlak gelijk aan die in de laag 20, zodat het oppervlak van de laag 16 ter plaatse geïnverteerd 15 is en de oppervlakteteostanden met gaten worden gevuld. Wanneer een positieve spanning op de elektroden 25 wordt aangelegd, ontstaan de poten-tiaalprofielen 42 en 43 voor respektievelijk het lichtergedoteerde en het zwaarder gedateerde deel onder deze elektrode. Curve 43 geeft een overbelichte toestand weer waarin het gevormde signaalpakket zo groot is 20 dat de elektronen tot aan het oppervlak komen (accumulatie). Het positieve spanningsniveau wordt zodanig gekozen dat pas dan accumulatie optreedt als een pakket van maximale grootte (maximaal wit) aanwezig is. Dit spanningsniveau wordt bij voorkeur niet te hoog gekozen omdat in dat geval het potentiaalminimum zou kunnen samenvallen met het oppervlak van het 25 halfgeleiderlichaam, waardoor ook reeds bij kleine ladingspakketten elektronen verloren zouden gaan. Een geschikte waarde voor dit spanningsniveau kan door de vakman in elk specifiek geval op eenvoudige wijze worden bepaald.

De uitvinding is niet beperkt tot de hier beschreven uitvoe-30 ringsvoorbeelden. Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvinding voor de vakman nog veel variaties mogelijk zijn.

Zo kunnen bijvoorbeeld in plaats van ladingstransportinrich-tingen met bulk transport, ook ladingsgekoppelde inrichtingen met opper-vlaktetransport toegepast worden. In dit geval worden de geïntegreerde 35 photostromen gevormd door - ten opzichte van het geleidingstype van het halfgeleiderlichaam -'minderheidsladingsdragers.

Fig. 9 geeft in doorsnede een deel weer van de beeld-sektie A van de halfgeleiderinrichting. Het (n-type) CCD-kanaal wordt nu in het, 80 0 0 9 98 PHN 9684 14 aan het oppervlak grenzende p-type gebied 20 geïnduceerd door aan de klok-elektroden 23-25 ten opzichte van de potentiaal van de laag 20, positieve spanningen aan te leggen. Fig. 10 toont de oppervlaktepotentialen in het in Fig. 9 getoonde deel.

5 Een overmaat aan gegenereerde ladingsdragers kan afgevoerd worden door de elektroden 24 naast de integratie-elektroden 25 in inversie te brengen, (Fig. 10a), waardoor het teveel aan elektronen (in geval van een n-kanaalinrichting) kan worden ingevangen door oppervlaktetoe-standen. Deze ingevangen ladingsdragers kunnen vervolgens recombineren 10 met gaten door de genoemde, naast de integratie-elektroden gelegen klok-spanningselektroden 24, in accumulatie te brengen (Fig. 10b). Bij voorkeur wordt aan de genoemde naastliggende elektroden 24 (inversietoestand) een minder positieve spanning aangelegd dan aan de integratieelektroden, zodat in dit geval niet het gehele ladingspakket wordt verschoven naar 15 deze naastliggende elektroden maar slechts een deel, bijvoorbeeld het deel boven maximaal wit. Deze voorkeursuitvoering heeft onder andere het voordeel dat bij kleine ladingspakketten geen ladingsdragers nodeloos verloren gaan.

In de beschreven uitvoeringsvoorbeelden kunnen de geleidings-20 typen - uiteraard onder aanpassing van de te gebruiken spanningen - omgekeerd worden.

25 30 35 800 0 9 98

Claims (17)

1. Vast stof opneemcamera omvattende een fotogevoelige trefplaat met een halfgeleiderlichaam dat aan een oppervlak is voorzien van een aantal ladingsopslagcapaciteiten waarin tijdens bedrijf ladingsdragers van 5 het eerste type, die plaatselijk in het halfgeleiderlichaam door absorptie van invallende straling vi/orden gegenereerd, gedurende een zekere Integra tieperiode kunnen worden opgeslagen en geïntegreerd, waarbij verder middelen aanwezig zijn om te voorkomen dat excesladingsdragers die bij pllatselijke overbelichting worden gegenereerd zich in het halfgeleider-10 lichaam van een volle ladingsopslagcapaciteit naar naburige opslagcapaciteiten verpreiden, met het kenmerk dat bij elke ladingsopslagcapaciteit een tot genoemde middelen behorende, klokelektrode aanwezig is die op een, het oppervlak bedekkende isolerende laag is aangebracht en die is verbonden met een spanningsbron die zodanige spanningen levert dat gedu-15 rende de genoemde integratieperiode het onder de klokelektrode gelegen oppervlaktegebied van het halfgeleiderlichaam afwisselend zodanig in inversie en in accumulatie wordt gebracht dat daardoor in de ene toestand excesladingsdragers in dit oppervlaktegebied' kunnen worden opgezameld en door middel van recombinatie via in het oppervlaktegebied aanwezige opper-20 vlaktetoestanden, met ladingsdragers van het andere type, die in de andere toestand kunnen worden ingevangen, worden afgevoerd.

2. Vast stof opneemcamera volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ladingsopslagcapaciteiten deel uitmaken van een systeem van volgens lijnen en kolommen gerangschikte fotogevoelige elementen die lijn 25 voor lijn kunnen worden uitgelezen en dat genoemde spanningsbron een spanning aan de klokeelektrode levert waardoor het oppervlaktegebied onder de klokelektrode tenminste een keer per lijn uitleestijd van de ene toestand naar de andere toestand wordt gebracht.

3. Vaste stof opneemcamera volgens een der voorgaande conclusies, 30 met het kenmerk, dat het tijdstip waarop de geoemde klokelektrode van de ene naar de andere toestand wordt geschakeld in de lijn-terugslag tijd valt.

4. Vaste stof opneemcamera volgens een van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de trefplaat een aan het oppervlak van het halfgelei-35 derlichaam aangebrachte ladingsgekoppelde inrichting bevat met behulp waarvan de in de ladingsopslagcapaciteiten opgeslagen ladingen in de vorm van ladingspakketten naar een uitleesorgaan kunnen worden getransporteerd.

5. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 4, met het kenmerk, 800 0 9 98 PHN 9684 16 dat de ladingsgekoppelde inrichting een reeks klokspanningselektroden bevat die op de isolerende laag zijn aangebracht en tevens met de onderliggende delen van het halfgeleiderlichaam de genoemde ladingsopslagcapaci-teiten vormen waarin gedurende de integratieperiode de gegenereerde foto-5 stromen worden geïntegreerd.

6. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 5, met het kenmerk dat de genoemde klokelektroden met behulp waarvan de onderliggende opper-vlaktegebieden van het halfgeleiderlichaam in accumulatie en inversie kunnen worden gebracht, gevormd worden door klokspanningselektroden van 10 de ladingsgekoppelde inrichting met behulp waarvan de ladingspakketten naar het uitleesorgaan kunnen worden getransporteerd.

7. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 2 en 6, met het kenmerk, dat de trefplaat een aantal ladingsgekoppelde inrichtingen bevat die met een aantal naast elkaar gelegen, zich in het halfgeleiderlichaam 15 in de kolomrichting uitstrekkende ladingstransportkanalen die in het halfgeleiderlichaam ten hoogste door een tussenliggende, de ladingstransportkanalen begrenzende zone van elkaar zijn gescheiden.

8. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 5 of 7, met het kenmerk, dat de ladingsgekoppelde inrichting behoort tot de groep van 20. of meer phasen ladingsgekoppelde inrichtingen waarbij van elke trap een eerste elektrode tijdens de integratieperiode gebruikt kan worden als elektrode van een ladingsopslagcapaciteit, een tweede, aangrenzende, elektrode om het onderliggende oppervlaktegebied van het halfgeleiderlichaam afwisselend in inversie en accumulatie te bréngen, en een derde elektrode 25 om ladingspakketten van naast elkaar gelegen trappen onderling te isoleren.

9. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 8, met het kenmerk dat in het tijdsinterval waarin het onder de tweede elektrode gelegen oppervlaktegebied in de genoemde ene toestand verkeert, aan de tweede 30 elektrode een zodanige spanning wordt aangelegd dat onder de tweede elektrode een potentiaalput wordt gevormd die dieper is dan de potentiaalput onder de genoemde eerste elektrode waardoor (althans het grootste) deel van de onder de eerste elektrode opgeslagen lading in het aangrenzende oppervlaktegebied wordt overgeheveld.

10. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 8, met het ken merk dat de trefplaat een ladingsgekoppelde inrichting met een opper-vlaktekanaal bevat waarbij de oppervlaktegebieden onder de genoemde klokelektroden in de eerste toestand in inversie en in de tweede toestand in 80 0 0 9 98 PHN 9684 17 accumulatie kunnen \i/orden gebracht, waarbij de spanning op de eerste elektrode zodanig is dat een pakket overeenkomend met een lichtniveau waarbij geen overbelichting optreedt geheel onder deze elektrode blijft opgeslagen.

11. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk dat de trefplaat een ladingsgekoppelde inrichting met een bulk-of een begraven kanaal omvat waarbij de oppervlaktegebieden onder de genoemde klokelektroden in de eerste toestand in accumulatie en in de tweede toestand in inversie kunnen worden gebracht.

12. Vaste stof opneemcamera volgens een van de conclusies 8-11, met het kenmerk dat verder middelen aanwezig met behulp waarvan de ladingsdragers van het andere type die in de oppervlaktegebieden in de genoemde andere toestand onder de tweede elektroden worden opgeslagen naar de aangrenzende oppervlaktegebieden onder de derde elektrode kunnen wor-15 den overgeheveld wanneer de oppervlaktegebieden onder de tweede elektroden in de genoemde ene toestand overgaan.

13. Vaste stof opneemcamera volgens een of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam een verhoogde concentratie aan oppervlaktetoestanden met energieniveau's die tenminste 20 0.15 eV van een van beide bandkasten en van het intrinsieke niveau ver wijderd zijn vertoont.

14. Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 13, met het kenmerk dat de genoemde verhoogde concentratie gevormd wordt door in het halfgeleiderlichaam aangebrachte verontreinigingen. .25 15. · Vaste stof opneemcamera volgens conclusie 14, met het ken merk dat de genoemde verontreinigingen gevormd worden door zwavelatomen.

16. Vaste stof opneemcamera volgens een of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam is voorzien van middelen waarmee ladingsdragers van het genoemde ene type die op relatief 30 grote afstand van het oppervlak worden gegenereerd kunnen worden afgevoerd.

17. Vaste stof opneemcamera volgens conclusies 11 en 16, met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam een substraat van het ene geleidings-type met een daarop'aangebrachte, aan het oppervlak grenzende laag van 35 het ene geleidingstype met de ladingsgekoppelde inrichting omvat, waarbij het substraat en de genoemde laag onderling zijn gescheiden door een tussenliggende laag van het andere geleidingstype.

18. Vaste stof opneemcamera volgens conclusies 10 en 16, met het 800 0 9 98 5 PHN 9684 18 kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam een substraat van het andere gelei-dingstype met een daarop aangebrachte oppervlaktelaag van het ene gelei-dingstype omvat. 10 15 20 25 30 35 80 0 0 9 98