NL8601746A - Beeldsensoren met ladingsgekoppelde inrichtingen. - Google Patents

Description

*'·«. '1

Beeldsensoren met ladingsgekoppelde inrichtingen.

Deze uitvinding heeft betrekking op beeldsensoren met ladingsgekoppelde inrichtingen (CCD-beeld-sensoren).

Een CCD-beeldsensor omvat een 5 rij van halfgeleiderkanalen, gevórmd op een substraat, voor het opslaan en overdragen van electrische'lading. Elk kanaal omvat een aantal elementen, begrensd door een ermee verbonden electrode-samenstel, waaraan electrische potentialen aangelegd kunnen worden om te veroorzaken dat electrische ladingen, opgeslagen in het 10 kanaal, van element naar element langs het kanaal overgedragen worden. Bij het gebruiken wordt licht, dat een beeld weergeeft, gefocusseerd op de rij teneinde te veroorzaken dat door licht opgewekte lading van een voorafbepaalde polariteit zich ophoopt in enkele elementen van de rij in een met het beeld overeenkomend 15 patroon. De opgehoopte lading die het beeld weergeeft wordt dan uitgelezen door de lading langs de kanalen over te brengen naar een uitleesgedeelte van de sensor.

Een bekend probleem, dat opdoemt bij het gebruiken van CCD-beeldsensoren,is , dat, indien meer 20 lading in een element opgewekt wordt door licht gericht op het - * 7 /, »

- J J j J *V

P 'ï -2- element dan opgeslagen kan worden in dat element, overtollige lading naar aangrenzende elementen overstroomt, waarbij dit verschijnsel bekend is als waasvorming.

Algemeen bekend is het verschaffen 5 van een zogenoemde afvoer tegen waasvorming in een CCD-beeldsensor, die dient voor het afvoeren van overtollige door licht opgewekte lading, voordat deze aangrenzende elementen kan bereiken. De vorm van de gebruikte afvoer tegen waasvorming hangt af van de vorm van de CCD-rij. In een CCD-beeldsensor van het zogenoemde 10 roosteroverdracht-formaat, waarin de kanalen van de rij evenwijdig ten opzichte van elkaar aangebracht worden, kan een afvoerstelsel tegen waasvorming verschaft worden in de opening tussen elk aangrenzend paar kanalen. Het afvoerstelsel omvat een geschikt gedoteerd halfgeleidergebied via het-welk overtollige door 15 licht opgewekte lading uit de inrichting zal stromen, bij voorkeur stromende naar aangrenzende elementen. Teneinde een dergelijke voorkeursstroom te bereiken omvat het stelsel eveneens organen voor het leveren van een potentiaalbarrière tussen elk element waardoor licht opgewekte lading zich verzamelt en de afvoer-20 gebieden, welke barrière lager is dan de potentiaalbarrières langs elk kanaal, welke de elementen begrenzen waarin de door licht opgewekte lading zich verzamelt.

In de roosteroverdracht-formaat -CCD-beeldsensoren van het zogenoemde type met ingebrachte kanalen, 25 dat wil zeggen roosteroverdrachtsensoren van het type waarin lading opgeslagen en overgedragen wordt juist onder het oppervlak van het halfgeleidersubstraat,is gevonden dat de afvoer tegen waasvorming zijn uitwerking verliest bij grote optische overbelasting, dat wil zeggen overbelasting in het gebied van 30 honderd keer de optische belasting vereist om een element volledig te laden.

Het is doel van de onderhavige uitvinding een CCD-sensor voor roosteroverdracht met ingebrachte *3 £ Λ -17/,,¾ •v ii ' j -ƒ

If « -3- kanalen te verschaffen, waarin dit probleem verkleind wordt.

In overeenstemming· met de onderhavige . uitvinding wordt een CCD-beeldsensor voor roorsteroverdracht met ingebrachte kanalen verschaft, omvattende een afvoerstelsel 5 tegen waasvorming, waarin het ophopen van lading in het afvoerstelsel van lading met polariteit tegengesteld aan die welke afgevoerd is door het afvoerstelsel in een mate die voldoende is om te interfereren met de werking tegen waasvorming nagenoeg voorkomen wordt.

10 In één uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding wordt de sensor gedragen op een substraat en banen worden verschaft waarlangs de lading met tegengestelde polariteit zal stromen naar het substraat teneinde het ophopen in de genoemde mate te voorkomen.

' 15 In één bijzonder uitvoeringsvoorbeeld omvat de sensor meerdere kanalen voor het opslaan en overdragen van lading, aangebracht op het substraat evenwijdig met tussenruimte ten opzichte van een afvoerstelsel tegen het vormen van waas, dat aangebracht is tussen elk paar kanalen, waarbij elk 20 afvoerstelsel een geschikt gedoteerd halfgeleidermateriaal van geleidingstype tegengesteld aan die van het substraat omvat, welke strook grenst aan het geschikt gedoteerde halfgeleider-gebied van het afvoerstelsel op één zijde van het kanaal, maar dat met tussenruimte ten opzichte van het gebied van het 25 afvoerstelsel op de andere zijde van het kanaal aangebracht is.

De uitvinding zal nu verder toegelicht worden en een CCD-beeldsensor in overeenstemming met de uitvinding zal bij wijze van voorbeeld beschreven worden onder verwijzing naar de begeleidende tekeningen, waarin: 30 figuur 1 een schematisch bovenaanzicht is van een bekende CCD-beeldsensor voor roosteroverdracht met ingebrachte kanalen, die een afvoer tegen waaswerking omvat; figuur 2 schematisch in perspectivisch 3i) Λ ·? * v v V . . *» ï' '» -4- aanzicht een gedeelte van de sensor uit figuur 1 geeft; de figuren 3, 4 en 5 schematisch de werking van de sensor uit de figuren 1 en 2 tonen; en figuur 6 een schema is dat een 5 CCD-beeldsensor in overeenstemming met de uitvinding en de werking hiervan toont»

Onder verwijzing naar de figuren 1 en 2 omvat een CCD-beeldsensor voor roosteroverdracht met ingebrachte kanalen, omvattende een afvoerstelsel tegen waaswerking, in zijn 10 bekende vorm een rij kanalen 1 voor het vastzetten en overbrengen van lading, naast elkaar aangebracht op een halfgeleidersubstraat 3. In de tekening wordt een betrekkelijk klein aantal kanalen slechts getoond vanwege het vereenvoudigen. Elk kanaal 1 omvat een keten van elementen voor het opslaan van electrische lading, 15 die begrensd worden door twee drie-fasige electrodesamenstellen 5 en 7, waarvan de electrodes zich uitstrekken over het substraat-oppervlak in een richting loodrecht op de lengterichting van de kanalen 1.

Eén helft van de rij, de bovenste 20 helft in figuur 1, is open voor licht en vormt een beeldgedeelte 9 van de sensor. De andere helft van de rij wordt afgeschermd van het licht en vormt een opslaggedeelte 11 van de sensor.

Bij het einde van hetopslaggedeelte 11 op afstand van het beeldgedeelte 9 wordt op het substraat 3 25 een uitleesgedeelte 13 van de sensor gevormd, samengesteld uit een volgend kanaal voor het opslaan en overbrengen van lading, dat zich dwars op de kanalen 1 van het opslaggedeelte 11 uitstrekt en dat zijn eigen electrodesamenstel 15 heeft.

De sensor omvat verder klokpulsopwek-30 organen (niet getoond) voor het aanleggen van drie-fasige klok-pulsen 10, S0 en R0 aan de electrodesamenstellen 5, 7 en 15 van respecitevelijk het beeldgedeelte, het opslaggedeelte en het uitleesgedeelte van de sensor,en een versterker 17, die het O, -3 i I --3 w' 1 J -J ’ ƒ .Λ t> a·/ .v · r - ';j, £ -4 -5- electrische uitgangssignaal van het uitleesgedeelte versterkt.

Bij het werken van de sensor wordt een optisch beeld dat omgezet moet worden in een electrisch signaal gefocusseerd op het beeldgedeelte 9 van de sensor.

5 Het opvallend licht veroorzaakt dat electrische ladingen opgewekt worden in de elementen van het beeldgedeelte 9 en opgeslagen worden in die elementen welke voorgespannen worden via een ermee verbonden electrodesamenstel 5 in een opslagmode.

Vandaar hoopt een patroon van opgeslagen lading, overeenkomende 10 met het beeld, zich op in het beeldgedeelte 9. Dit ladings-patroon wordt dan snel overgebracht naar het opslaggedeelte 11 door het aanleggen van geschikte klokpulsen 10, S0 aan de electrodesamenstellen 5 en 7 van de beeld- en opslaggedeelten.

Terwijl een volgend ladingspatroon zich verzamelt in het beeld-15 gedeelte 9 wordt het ladingspatroon dat opgeslagen is in het opslaggedeelte 11 onder het besturen van klokpulsen S0 en R0 welke aangelegd zijn aan de opslagbesturings- en uitleesgedeelten, overgedragen aan en uitgelezen door het uitleesgedeelte 13, lijn voor lijn, teneinde een electrisch uitgangssignaal te 20 vormen dat het beeld weergeeft. Men zal begrijpen dat elke lijn van het ladingspatroon gevormd wordt door ladingen in een verschillende reeks overeenkomende elementen van de naast elkaar liggende kanalen 1.

De vorm van de rij voor het 25 opslaan en overbrengen van lading en het mechanisme voor het opslaan en overbrengen van lading zal nu verder beschreven worden.

Bij wijze van voorbeeld zal een rij beschreven worden waarin de ladingsdragers die opgeslagen en overgebracht worden electronen zijn. Men zal echter begrijpen dat in andere sensoren gaten 30 in plaats van electronen de ladingsdragers kunnen zijn.

Onder verwijzing nu naar figuur 3 omvat elk kanaal 1 van de rij een strook 19 van licht gedoteerd n- type halfgeleidermateriaal dat zich in het substraat 3 uitstrekt Λ Λ A A Ί K Λ r £ f -6- vanaf één van de hoofdzijden hiervan, welke hoofdzijde een dunne laag van isolerend materiaal 21 draagt. De isolerende laag 21 wordt bedekt door een gedoteerde polykristallijne structuurlaag,die de electrodesamenstellen 5 en 7 vormt, onder 5 de n-type stroken 19 ligt het substraat 3, bestaande uit licht gedoteerd p-type materiaal.

In het beeldgedeelte van de rij tussen elk paar aangrenzende kanalen 1, dat wil zeggen de stroken 19, bevindt zich een afvoerstelsel tegen waaswerking omvattende een 10 strook 25 van n-type materiaal, dat de afvoer van het samenstel vormt, en op elle zijde van elke afvoer 25 bevindt zich een dunne p-type strook 27 die de zogenoemde barriëregebieden van het stelsel vormt.

Bij het einde van het beeldgedeelte 15 9 op afstand van het opslaggedeelte 11 worden de afvoerkanalen 25 verbonden door een gemeenschappelijke verbinding 29 waaraan een geschikte voorspanning VABD aangelegd wordt.

In het opslaggedeelte 11 zijn de barrièrelagen 27 aanwezig maar worden de afvoerkanalen 25 20 weggelaten. Rond de buitenrand van de gehele rij en het uitleesgedeelte 13 bevindt zich een p-type kanaal-einde-gedeelte 31, waarbij het kanaaleindegedeelte 31 zich uistrekt in het p-type substraat 3 en relatief hoog gedoteerd is.

in werking vinden het verzamelen 25 en/of opslaan van lading in een element van een kanaal plaats wanneer de electrode die over dat element ligt zich op een relatief hoge potentiaal V ten opzichte van de potentiaal V van de electrodes die over de aangrezende elementen liggen bevindt.

30 In figuur 4 geeft de doorgetrokken lijn 33 aan hoe de maximum potentiaal varieert in de lengterichting van een kanaal 1, waarbij de electronenladingsdragers ' - « 7 ' 4

* - CV u * Λ* Q

-7- zich verzamelen in de potentiaalputten 35 onder de electrodes 5 bij een hoge potentiaal v .

H

Men zal begrijpen dat in figuur 4 lijn 33 alleen maar aangeeft de verandering van de potentiaal 5 langs de kanaallengte en niet de diepte in het substraat aangeeft waarbij de piekpotentialen optreden, waarbij de piekpotentialen in feite optreden in de n-type strook 19. Ladingsoverdracht wordt bewerkstelligd door de electrode potentialen te verwisselen, waarbij zo potentiaalputten 35 veroorzaakt worden en waarbij 10 daarom veroorzaakt wordt dat de ladingen die daarin verzameld zijn zich verplaatsen langs de kanalen 1.

Men zal begrijpen dat de aanwezigheid van n-type stroken 19 in de kanalen veroorzaakt dat het verzamelen en overdragen van lading plaatsvindt onder het 15 substraatoppervlak, zodat de sensor van het zogenaamde type met ingebracht kanaal is.

In de beeld- en opslaggedeelten wordt voorkomen dat verzamelde lading zijwaarts ontsnapt vanuit één kanaal naar een ander kanaal dankzij de potentiaalbarriêres, 20 ingesteld door de p-type barriêregebieden 27. Dit wordt getoond door de lijnen 37 en 39 in figuur 3 die de maximum potentiaal-variatie tonen langs een enkele electrode van het electrodesamenstel 5, waarbij de doorgetrokken lijn 37 de potentiaal-variatie laat zien wanneer de electrode zich op .25 een hoge potentiaal V bevindt, waarbij de stippellijn 39 de potentiaal-variatie laat zien wanneer de electrode zich op een lage potentiaal V bevindt, en waarbij de potentiaalbarriêres aangegeven worden met 41.

Men zal begrijpen, dat, zoals in het 30 geval van lijn 33 in figuur 4, de lijnen 37 en 39 in figuur 3 niet de diepte aangegeven waarbij de potentialen in het substraat 3 optreden.

Rond de rand van de rij en het uitlees- C< -t **> v it w I .

-8- gedeelte 15 vervult het kanaaleindegebied 31 een soortgelijke functie voor de barrièregebieden 27.

Wanneer de electronenladingsdragers zich verzamelen in een potentiaalput 35 neemt de piekpotentiaal 5 in de put af wanneer de lading zich ophoopt, in het beeldgedeelte, onder omstandigheden van optische overbelasting, indien de hoeveelheid lading, door licht opgewekt en verzameld in een element, de piekpotentiaal in de put verkleineÜ' tot een waarde gelijk aan de piekpotentiaal 43 onder een aangrenzende electrode bij de lage potentiaal V , ontsnapt dan lading uit de put naar andere elementen in de rij waarbij het het verschijnsel bekend als waasvorming veroorzaakt. Het stelsel tegen waasvorming voorkomt dit dankzij het feit dat de potentiaalbarrières 41, opgewekt door de barrièregebieden 27 positiever zijn dan de 15 piekpotentiaïen 43 in de kanalen onder de electrodes bij lage

potentiaal V . Als resultaat stroomt overtollige lading over V L

de potentiaalbarrières 41 in de afvoer 25 en dan uit de inrichting vandaan via de ABD-verbinding in plaats van langs de kanalen 1. Men zal bij deze verbinding begrijpen dat de voor-20 spanning aangelegd aan dfe afvoerkanalen 25 zodanig moet zijn teneinde een hogere piekpotentiaal op te wekken onder de • afvoerkanalen dan onder de barrièregebieden 27. Men zal verder begrijpen dat de. potentiaalbarrières 41 aangrenzend aan de afvoerkanalen 25 opgewekt zouden kunnen worden door geschikt 25 voorgespannen electrodes in plaats van door p-type barrièregebieden 27, of door een verandering van dikte van de isolerende laag 21 boven de barrièregebieden. Bij een beeldsensor met een structuur als tot hier beschreven is typisch gevonden dat het afvoer-stelsel tegen waasvorming ophoudt effectief te werken bij over-30 belastingen van meer dan ongeveer honderd keer de optische belasting vereist om een potentiaalput 35 volledig met lading te vullen.

η λ 0 1 7 4$ y v i ƒ 4 & -9-

De uitvinder heeft ontdekt dat dit verlies aan werkzaamheid het gevolg is van opeenhoping van ladingsdragers van polariteit tegengesteld aan die van de ladingsdragers opgeslagen in de potentiaalputten 35 van de 5 kanalen, dat wil zeggen in het onderhavige voorbeeld tengevolge van het opeenhopen van gaten. Men zal begrijpen dat dergelijke gaten door licht ontstaan tijdens de werking op dezelfde wijze als de electronenladingsdragers.

Het mechanisme waardoor het 10 ophopen van gaten de de werkzaamheid tegen de waasvorming verkleint zal nu beschreven worden onder verwijzing naar figuur 5 die overeenkomt met figuur 3.

Wanneer gaten door licht ontstaan zullen zij de neiging hebben zich op te hopen in gebieden met 15 tenminste positieve voorspanning, dat wil zeggen onder gedeelten van de barrièregebieden27 welke onder die electrodes van het electrodesamenstel 5 liggen die zich bij de lagere potentiaal V bevinden. Het ophopen van gaten veroorzaakt dat de potentiaal in de halfgeleider positief toeneemt, zodat bij toenemende 20 opeenhoping van gaten de barrièrepotentiaal 27 onder de laag voorgespannen electrodes 5 zal stijgen totdat hij gelijk is aan de piekpotentiaal 43 onder de delen van de laag voorgespannen electrodes die over de kanalen liggen. Verdere opeenhoping van gaten zal dan plaatsvinden, zoals aangegeven 25 bij 45 in figuur 5, langs degehele lengte van de laag voorgespannen electrodes behalve in de afvoergebieden 25 en zal de barrière/kanaalpotentiaal doen toenemen, zoals aangegeven door de onderbroken lijnen 49a, 49B en 49C in figuur 5, totdat hij gelijk is aan de barrièrepotentiaal 41 onder de 30 hoog voorgespannen electrodes 5. Overtollige electronen die zich ophopen in de potentiaalputten 35 in de kanaalgebieden onder de hoog voorgespannen electrodes zullen dan niet langer bij voorkeur naar de afvoerkanalen 25 stromen en vandaar zullen > Λ «ij -7 ƒ e <# *· » * -10- zij langs de kanelen 1 stromen en waasvorming veroorzaken. Verdere opeenhoping van gaten zal de barrièrepotentiaal 41 doen beginnen te stijgen onder de hoog voorgespannen electrodes waardoor de diepte van de potentiaalputten 35 in de kanalen 5 1 waar de electronenladingsdragers zich ophopen zo verkleind wordt, zodat de hoeveelheid lading die opgeslagen wordt, verkleind wordt. Dit geeft aanleiding tot een vermindering van helderheid in het midden van een overbelast gebied van een beeld,dat een ander verschijnsel is dat waargenomen is bij 10 waasvorming.

Men zal begrijpen dat bij rooster-overdracht overtollige gaten verwijderd worden uit het beeld-gedeelte zodat de overbelastingseffecten niet cumulatief zijn van veld tot veld.

15 In overeenstemming met de onder havige uitvinding wordt het verkleinen van de uitwerking tegen het vormen van waas tengevolge van ophoping van gaten verhinderd door de opbouw van de sensor te wijzigen teneinde het ophopen van gaten bij optische overbelasting te voorkomen in zodanige 20 mate om te interfereren met de werking tegen de vorming van waas.

In een sensor van de hierboven beschreven vorm onder verwijzing naar de figuren 1-3 kan dit bijvoorbeeld bereikt worden zoals getoond in figuur 6 door 25 het vormen van n-type stroken 19 in het beeldgedeelte 19 zodat op één zijde 53 zij ophouden dichtbij de aangrenzende afvoer 25 tegen waasvorming, en door het weglaten van de barriêrelaag 27 op die zijde van elke strook 19. Door licht opgewekte gaten 51 zullen zich nu niet langer ophopen onder 30 het barriêregebied 27 in een mate voldoende om de barrièrepotentiaal te doen stijgen en om te interfereren met de werking tegen de waasvorming, zoals hierboven beschreven, omdat een gebied met lagere positieve voorspanning nu in het substraat 3 ö o 0 1 / 4 o -livers chaft wordt onder de electrode 5 tussen de zijde 53 van de strook 19 en het aangrenzende afvoerkanaal 15, waarbij zo een baan verschaft wordt voor gaten 51 om naar het substraat 3 te stromen, zoals aangegeven door lijn 55 in figuur 6.

5 Men zal begrijpen dat het afvoeren van overtollige electronenladingsdragers teneinde de werking tegen waasvorming te vermijden nu nog op succesvolle wijze zal plaatsvinden vanaf elk kanaal l naar de afvoer 25 op de zijde van het kanaal waar een barrière laag 27 nog aanwezig 10 is.

Men zal begrijpen,dat, alhoewel de strook 19 moet ophouden dichtbij de afvoer 25 op één zijde het weglaten van de barriêrelaag 27 op die zijde van de strook 19, alhoewel te prefereren, niet essentieel is.

15 In een sensor volgens de uitvinding is typisch gevonden dat het stelsel tegen de vorming van waas geheel effectief bij alle in de praktijk voorkomende over-belastingen, dat wil zeggen bij overbelastingen die aanzienlijk groter zijn dan de overbelasting waarbij de uitwerking verloren 20 gaat in bekende sensoren. De grens aan de overbelastingswerking van de inrichting wordt nu in het algemeen aangelegd door factoren welke niet verbonden zijn met het afvoerstelsel tegen de vorming van waas, dat wil zeggen het oppikken van valse ladingssignalen gedurende de roosteroverdrachtwerking.

25 Men zal begrijpen dat in CCD-beeld- sensoren met een vorm verschillend van die welke hierboven beschreven is door middel van het voorbeeld onder verwijzing naar de figuren 1 - 3,de wijziging van de opbouw, waardoor het ophopen van gaten voorkomen wordt, een andere vorm kan aannemen 30 ten opzichte van die welke bij wijze van voorbeeld. beschreven is.

-f.· Λ Λ J *7 f ,·ν * D ij : ? -} ύ

Claims (4)

1. CCD-beeldsensor voor rooster- overdracht met ingebrachte kanalen, omvattende een afvoerstelsel (25, 27) tegen waasvorming, met het kenmerk, dat hij zo opgebouwd is dat het ophopen in het afvoerstelsel van lading met 5 polariteit tegengesteld aan die welke afgevoerd is door het afvoerstelsel in een mate die voldoende is om te interfereren met de werking tegen de vorming van waas nagenoeg voorkomen wordt.

2. Sensor volgens conclusie 1, 10 gedragen op een substraat (3), met het.kenmerk, dat banen verschaft worden waarlangs de lading met tegengestelde polariteit naar het substraat zal stromen om ophoping in de aangegeven mate te voorkomen. ‘

3. Sensor volgens conclusie 2, 15 gekenmerkt door meerdere kanalen (1) voor het opslaan en overdragen van lading aangebracht op het substraat evenwijdig met tussenruimte ten opzichte van een afvoerstelsel (25, 27) tegen het vormen van waas, dat aangebracht is tussen elk aangrenzend paar kanalen (1), waarbij elk afvoerstelsel (25, 27) 20 een geschikt gedoteerd halfgeleidergebied (25) omvat en waarbij elk kanaal (1) een strook halfgeleidermateriaal (19) bevat van geleidingstype tegengesteld aan die van het substraat (3), welke strook (19) grenst aanhet geschikt gedoteerde halfgeleidergebied (25) van het afvoerstelsel op een zijdevan het kanaal 25 (1) maar met tussenruimte ten opzichte van het gebied (25) van het C ^ ' :* y !) v j ·/ ··'» * =ψ -13- afvoerstelsel op de andere zijde van het kanaal (1) aangebracht is.

4. Sensor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat elk afvoerstelsel (25, 27) tegen de vorming 5 van waas verder een barriêrelaag (27) omvat op die zijde alleen vandat gebied (25), dat grenst aan de strook (19), -o-o-o-o-o-o-o-o-o-o-o- i f <) 7 ; } w ü V 1 y O