DE2543083C3

DE2543083C3 - Bildsensor sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Bildsensors

Info

Publication number: DE2543083C3
Application number: DE2543083A
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr.-Ing. 8000 Muenchen Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-26
Filing date: 1975-09-26
Publication date: 1979-01-11
Also published as: US4084190A; DE2543083A1; DE2543083B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bildsensors.

4i) Für Bildsensoren benötigt man eine einfache Technologie, die eine geringe Defektdichte der größflächigen Arrays zu erreichen gestattet. Des weiteren soll sich ein punktförmiger Defekt, der einen Sensor oder ein Auswahlelement unbrauchbar macht, 4i nur als punktförmiger Bilddefekt und nicht als Defekt einer Bildzeile oder eines Bildfeldes bemerkbar machen. Die CCD-Prinzipien, ein Beispiel dazu ist in der Veröffentlichung »Carrier Diffusion Degradation of Modulation Transfer Function in Charge-Coupled ίο Images« von D. H. S e i b in IEEE VoI. ED-21, Nr. 3,1974, S. 210 —217 angegeben, erfüllen diese Anforderungen nicht. Dagegen bietet das in der Veröffentlichung »Charge Injection Imaging« von G. J. Michon und A. K. B u r k e, Digest ISSCC 1973, S. 138 angegebene Prinzip -)ί mit punktweiser Auslese einen ersten Ansatz zur Lösung dieser Probleme. Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, daß das ausgelesene Signal als Strom an einer Substratelektrode auftritt, die eine relativ große Kapazität gegenüber Masse aufweist Dabei ist die μ auftretende Signalspannung relativ klein, da die Substratkapazität proportional zur Anzahl der integrierten Sensorelemente wächst Dies hat zur Folge, daß die Auflösung bzw, die Empfindlichkeit des Sensors bei gegebener Empfindlichkeit des Signalverstärkers bed's grenzt ist,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bildsensor anzugeben, bei dem die beim Auslesen relevante Kapazität klein gehalten Werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf einem elektrisch isolierenden Substrat ein oder mehrere, in Abständen nebeneinander verlaufende Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial aufgebracht sind, die jeweils über Schaltmittel auf ein gegenüber dem "> Bezugspotential des Gehäusebodens definiertes Potential legbar sind, daß jeder dieser Streifen ganz mit mindestens einer Schicht aus lichtdurchlässigem, elektrisch isolierenden Material bedeckt ist und daß auf der Oberfläche quer über alle diese Streifen ein oder in mehrere, in Abständen nebeneinander verlaufende Elektrodenstreifen aus elektrisch leitendem Material aufgebracht sind, die jeweils an eine in den Streifen Inversionsrandschichten ausbildende, auf das Bezugspotential bezogene Spannung schaltbar sind. 1>

Mit dem erfindungsgemäßen Bildsensor wird die beim Auslesen relevante Kapazität durch die Kapazitäten eines Substratstreifens gegenüber den Elektrodenstreifen einerseits und dem Gehäuse andererseits reduziert Die gegenseitige Kapazität der Streifen kann .><> klein gehalten werden.

Vorteilhat'terweise besteht jeder Streifen aus einer epitaktischen Halbleiterschicht Der Sensor kann dadurch problemlos in einer epitaktischen Halbleiter-Film-Technologie hergestellt werden. Vorzugsweise r> besteht die epitaktische Halbleiterschicht aus Silizium. Die elektrisch isolierende Schicht besteht dabei vorzugsweise aus Siliziumdioxid und die Elektrodenstreifen bestehen vorzugsweise aus Polysilizium. Das elektrisch isolierende Substrat besteht vorzugsweise aus m Saphir oder aus Spinell.

Vorteilhaft ist es, wenn über einer Streifenlängshälfte eines jeden Streifens die elektrisch isolierende Schicht wenigstens unter den Elektrodenstreifen eine dünnere Schichtdicke als sonst aufweist. Günstig ist es dabei, η wenn die Schichtdicke der Streifen weniger als 0,8 μΐη beträgt Zur Verbesserung des Leitverhaltens ist es dabei wiederum vorteilhaft, wenn jeder Streifen unter der dickeren elektrisch isolierenden Schicht höher dotiert ist

Beim erfindungsgemäßen Sensor kann die Signalspannung so groß gemacht werden, daß sie in einem oder mehreren, auf dem Chip befindlichen Leseverstärkem weiterverarbeitet werden kann. Eine vorteilhafte Ausführung besteht dabei darin, daß ieder Streifen über 4i je eine Trenn- und Verstärkerstufe an einen Paralleleingang eines analogen Parallel-Serien-Schieberegisters angeschlossen ist Vorzugsweise besteht das Schieberegister aus einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung, -in

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Streiten über mindestens einen Schalttransistor mit einem Anschlußkontakt zur Abnahme des Ausgangssignals verbunden und die Steuerelektrode eines jeden Schalttransistors ist an einen Parallelausgang « einer Zeilenauswahlschaltung angeschlossen. Vorzugsweise werden als Schalttransistoren M IS-Schalttransistoren verwendet. Vorzugsweise sind die Streifen wenigstens über ein Verstärkerelement mit dem Ansehlußkontakt verbunden, m

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und Verfahren zu ihrem Betrieb gehen aus weiteren Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert In der b5

F i g. 1 ist in Draufsicht der Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors dargestellt)

Fig.2 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I in der F ig. 1;

Fig.3 zeigt in Draufsicht eine Variante eines Bildsensors nach F i g. 1;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie H-II in Fig. 1, für den Fall, daß die elektrisch isolierende Schicht in einer Streifenlängshälfte unter den Streifen aus elektrisch isolierendem Material dünner ist als sonst;

F i g. 5 zeigt für diesen Fall einen Querschnitt längs der Schnittlinie HI-III;

F i g. 6 zeigt schematisch in Draufsicht einen Sensor, bei dem die Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial über je eine Trenn- und Signalverstärkerstufe an einen Paralleleingang eines Parallel-Serien-Schieberegisters angeschlossen ist;

F i g. 7 zeigt schematisch in Draufsicht einen Sensor mit einer Zeilenauswahlschaltung;

F i g. 8 zeigt eine Ausführungsform einer Trenn- und Verstärkerstufe;

F i g. 9 zeigt Spannungsdiagramrr. iber die Zeit ι

In der Fig. 1 sind die in Abständen sebeneinandcrliegenden Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial mit den Bezugszeichen 11 bis 14 versehen. Sie sind auf einem Substrat 10 aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht Jeder dieser Streifen 11 bis 14 ist ganz mit einer hier nicht gezeichneten, lichtdurchlässigen elektrisch isolierenden Schicht bedeckt Quer über sämtliche Streifen 11 bis 14 sind die in Abständen nebeneinander verlaufenden Elektrodenstreifen 1 bis 4 aus elektrisch leitendem Material auf der Oberfläche aufgebracht. Die eigentlichen Sensorelemente sind durch die Flächenstücke 111 bis 414 gegeben.

In der F i g. 2 ist ein Querschnitt durch den in F i g. 1 dargestellten Bildsensor entlang der Schnittlinie 1-1 dargestellt. Auf dem elekirisch isolierenden Substrat 10, beispielsweise Spinell oder Saphir, ist der Streifen 12, beispielsweise p-dotiertes Silizium, aufgebracht. Der Streifen 12 ist ganz mit einer IichtourchUssigen elektrisch isolierenden Schicht 20, beispielsweise aus Siliziumdioxid, bedeckt Auf dieser Schicht 20 sind die Ele.ttrodenstreifen 1 und 2, beispielsweise aus polykristallinem Silizium, aufgebracht.

In der F i g. 3 ist in Draufsicht ei/ie Variante eines Sensors nach F i g. 1 dargestellt Sie unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten Form dadurch, daß die elektrisch isolierende Schicht über einer Streifenlängshälfte eines Streifens eine dünnere Schichtdicke unter den Elektrodenstreifen aufweist. Diese Gebiete dünnerer elektrisch isolierender Schicht sind in der F i g. 3 gestrichelt umrahm? und mit den Bezugszeichen 311 bis 344 versehen.

In der Fig.4 ist ein Querschnitt entlang der Sehn -.ti;nie H-II durch den in Fig. 3 gezeigten Sensor dargestellt. Unter den Elektrodenstreifen 1 und 2 ist die Schichtdicke der slektrisch isolierenden f>chicht 20 kleiner als außerhalb.

In der Fig.5 ist dazu ein Querschnitt entlang der Schnittlinie IH-III in F i g. 3 dargestellt Der Streifen 11 ist im Bereich Jl unter der dickeren elektrisch isolierenden Schicht 20 höher dotiert als außerhalb. Dies dient zum Sammeln der Ladungsträger beim Auslesen und zur Verbsserung des Leitverhaltens. In der in F i g. 3 Und den Fig.4 und 5 dargestellten Variante wird die Schichtdicke der Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial vorzugsweise dünnnerer als die Dicke der maximalen Sperrschicht, die durch Taktspannungen an den Streifen 1 bis 4 erzeugt wird, gewählt.

In der F i g. 6 ist jeder Streifen 11 bis 14 des Sensors

nach Fig. 1 bzw. seiner Variante nach Fig.3 über je eine Trenn- und Signalverstärkerstufe 51 bis 54 mit einem Paralleleingang 55 bis 58 eines analogen Schieberegisters 59, beispielsweise eine ladungsgekoppelte Übertragungsvorrichtung als Parallel-Serienwandler verbunden. Die Trenn- und Signalverstärkerstufen und das analoge Schieberegister können auf dem Chip integriert werden.

In der F i g. 7 ist jeder Streifen 11 bis 14 über je einen Scbalttransistor 61 bis 64 mit dem Eingang 651 eines Signalverstärkers 65 verbunden, dessen Ausgang 652 den Signalausgang bildet. Jeder Steuerelektrodeneingang eines jeden Schalttransistors 61 bis 64 ist an einen Paralleleingang 66 bis 69 einer Zeilenauswahlschaltung 60, die beispielsweise aus einem digitalen Parallel-Se· rien-Schieberegister bestehen kann, verbunden. Die Schalttransistoren 61 bis 64 sind vorteilhaft MIS-Transistoren. Die Schalttransistoren 61 bis 64. der Signalverstärker 65 und die Zeilenauswahlschaltung 60 können auf dem Chip integriert werden.

In der F i g. 8 ist als Beispiel eine besonders geeignete Trenn- und Signalverstärkerstufe für den in Fig. 5 dargestellten Bildsensor gezeigt. Sie besteht aus einem Differenzverstärker 70 mit zwei Differenzeingängen 71 und 73 und dem Ausgang 701, bei dem der eine Differenzeingang 71 über einen Schalttransistor 72, dessen TorelektrodenanschluD mit 721 bezeichnet I¹U, mit dem zugehörigen Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial elektrisch leitend verbunden ist und bei dem der andere Differenzeingang 73, ebenfalls über einen Schalttransistor 74, dessen Torelektrodenanschluß mit 741 bezeichnet ist, mit dem zugehörigen Streifen elektrisch leitend verbunden ist. Die Differenzeingänge 71 und 73 des Differenzverstärkers sind über je einen Kondensator 710 und 730 mit dem Gehäuseboden verbunden. Außerdem ist der Streifen über einen weiteren Schalttransistor 78, dessen Torelektrodenanschluß mit 781 bezeichnet ist, mit einem Anschlußkontakt 79 verbunden. Die Schalttransistoren 72, 74 und 78 sind vorzugsweise M IS-Transistoren.

Ein erfindungsgemäßer Sensor wird im allgemeinen so betrieben, daß die Streifen durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung an sie auf ein definiertes Potential U\ gegenüber dem Bezugspctential Uo (in der Regel Masse) des Gehäusebodens gebracht werden. Um dies durchzuführen, ist es am einfachsten, wenn jeder Streifen über je einen Schalttransistor mit einer entsprechenden Spannungsquelle verbunden ist Durch Anlegen eines Impulses an die Torelektrode des Schalttransistors wird dieser kurzzeitig in leitenden Zustand gebracht, so daß der betreffende Streifen kurzzeitig an U₁ liegt Spätestens danach wird an einen Elektrodenstreifen eine Spannung Uc bezüglich Uo angelegt, die so groß ist, daß sich im Streifen eine Inversionsrandschicht durch Belichtung ausbilden kann. Nach der Ausbildung dieser Inversionsrandschicht wird an den Elektrodenstreifen eine Spannung U_g bezüglich Uo angelegt, die die Inversionsrandschicht verschwinden läßt, wobei die zum Ladungsausgleich notwendige Ladungsmenge AQ vom Streifen geliefert wird. Die dadurch in jeweils einem solchen Streifen erzeugte Spannungsänderung AU=AQ/Csu& wobei Csub die Kapazität des Kondensators, der vom Streifen über das Substrat 10 mit dem Gehäuseboden gebildet wird, bedeutet, bildet das Ausgangssignai. Die vorstehend angegebenen Verfahrensschritte werden nacheinander für jeden Elektrodenstreifen einzeln wiederholt Wie schon erwähnt, ist die Kapazität Csub im Vergleich zu herkömmlichen Bildsensoren klein, so daß im Vergleich zu diesen ein großes Ausgangssignal AU erhalten wird. Das Ausgangssignal wird über mindestens einen

·, Verstärker verstärkt und weiterverarbeitet. Bei einer Schichtdicke der Streifen von weniger als 0,8 μηι wählt man vorzugsweise Ua betragsmäßig so groß, daß die Inversionsrandschicht sich über die gesamte Schichtdikke des Streifens erstreckt

ίο Am Beispiel der Trenn- und Verstärkerstufe nach Fig.8 sei eine praktische Durchführung des Betriebsverfahrens näher erläutert. In Fig.9 sind dazu Spannungsdiagramme über die Zeit t aufgetragen. Das Spannungsdiagramm 90 gibt dabei an die Elektrodenstreifen anzulegenden Spannungen Uc und U_g an. Das Spannungsdiagramm 91 gibt die Spannungen am Streifen an. An einem Elektrodenstreifen liegt bis zum Zpiiniinlct T< Hip Sⁿ2P.nung Ucund bis zum Zeitpunkt Tj die Spannung U_g=Q Volt In der Zeitspanne T₃- T₂ liegt .in die Spannung Uc an einem nächsten Elektrodenstreifen, während in der anschließenden Zeitspanne Ta - Ts auch dort die Spannung U_g=0 Volt anliegt, usw. Mindestens in den Zeitspannen, an denen die Spannung Uc an einem Elektrodenstreifen liegt, wird der Sensor belichtet Vor 2·ϊ dem Zeitpunkt 71 wird ein Vorbereitungstakt Φι, der mit dem Zeitpunkt 7Ί oder kurz davor endet, an die Torelektrode des Transistors 74 angelegt. Dieser Vorbereitungstakt öffnet den Schalttransistor 74 und lädt die Kapazität 730 auf die Spannung des Streifens

κι aus dotiertem Halbleitermaterial auf Dadurch liegt der Differenzeingang 73 auch nach Beendigung des Taktes auf dieser Spannung. Zum Zeitpunkt 71 wird die durch Belichten erzeugte Inversionsrandschicht im Streifen unter dem Elektrodenstreifen zum Verschwinden

r, gebracht, wodurch die Spannungsänderung Δ U erzeugt wird. Mit dem Zeitpunkt 71 oder kurz danach wird ein Signaltakt Φι an die Torelektrode des Schalttransistors 72 angelegt und so die Spannungsänderung Δ U auf den zweiten Differenzeingang 71 des Differenzverstärkers gegeben und zum Ausgangssignal verstärkrt Der durchgezogen gezeichnete Teil der Kurve 91 während der Zeitspanne Ti— 71 gilt für den Fall, daß das Sensorelement nicht belichtet wurde und sich somit keine oder eine sehr schwache Inversionsrandschicht ausgebildet hat Der gestrichelt gezeichnete Teil der Kurve 91 in diesem Bereich gilt für den Fall, daß voll belichtet wurde und sich somit eine starke Inversionsrandschicht ausgebildet hat Zum Zeitpunkt T> wird an einen nächsten Elektrodenstreifen die Spannung Ug angelegt und somit erneut eine Inversionsrandschicht i;i den Streifen erzeugt Nach dem Zeitpunkt T₂ wird zunächst an die Torelektrode des Schalttransistors 78 ein Rücksetztakt Φ« angelegt, der den Streifen auf das Potential U\, auf das der Anschluß 79 zu legen ist, bringt Danach wiederholen sich die vorher beschriebenen Vorgänge entsprechend.

Der in F i g. 6 dargestellte Sensor wird so betrieben, daß die Streifen über die Trenn- und Verstärkerstufen parallel in Speicherzellen des Parallel-Serien-Schiebere-

Hi gisters ausgelesen werden und die im Schieberegister abgespeicherte Information seriell ausgelesen wird.

Der in Fig.7 dargestellte Bildsensor wird so ausgelesen, daß die Schalttransistoren 61 bis 64 über die Zeilenauswahlschaltung nacheinander geöffnet werden

to und so die einzelnen Streifen nacheinander ausgelesen werden, wobei das Ausgangssignal über den Verstärker 65 verstärkt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bildsensor, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem elektrisch isolierenden Substrat (10) ein oder mehrere, in Abständen nebeneinander verlaufende Streifen (11 bis 14) aus dotiertem Halbleitermaterial aufgebracht sind, die jeweils über Schaltmittel auf ein gegenüber dem Bezugspotential (U0) des Gehäusebodens definiertes Potential (U 1) legbar sind, daß jeder dieser Streifen ganz mit mindestens einer Schicht (20) aus lichtdurchlässigem, elektrisch isolierenden Material bedeckt ist und daß auf der Oberfläche quer über alle diese Streifen ein oder mehrere, in Abständen nebeneinander verlaufende Elektrodenstreifen (1 bis 4) aus elektrisch leitendem Material aufgebracht sind, die jeweils an eine in den Streifen (11 bis 14) Inversionsrandschichten ausbildende, auf das Bezugspotential bezogene Spannung (Lio^schaltbar sind.

α.. uiiuScnsor nacii i-insprucu i, uauurcn gciccnnzeichnet, daß jeder Streifen (11 bis 14) aus einer epitaktischen Halbleiterschicht besteht

3. Bildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen (11 bis 14) aus Silizium besteht.

4. Bildsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat aus Saphir oder Spinell besteht.

5. Bildsensor nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, <j_aß die Streifen aus elektrisch leitendem Material aus polykristallinen! Silizium bestehen.

6. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über einer Streifenlängshälfte eines jeden Streifens die elektrisch isolierende Schicht wenigstens unter den Elektrodenstreifen eine dünnere Schichtdicke als sonst aufweist.

7. Bildsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen aus dotiertem Halbleitermaterial unter der dickeren elektrisch isolierenden Schicht höher dotiert ist.

8. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen an einen Eingang wenigstens einer Verstärkerstufe angeschlossen ist.

9. Bildsensor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen über je eine Trenn- und Verstärkerstufe (51 bis 54) an einen Paralleleingang (55 bis 58) eines analogen Parallel-Serien-Schieberegisters (59) angeschlossen ist.

10. Bildsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister aus einer ladungsgekoppelten Übertragungsvorrichtung besteht

11. Bildsensor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streifen über je einen Schalttransistor (71 bis 74) mit einem Eingang

(751) eines Signalverstärkers (75), dessen Ausgang

(752) den Signalausgang bildet, verbunden ist und daß jede Steuerelektrode eines jeden Schalttransistors (71 bis 74) an einen Pärällelaüsgang (66 bis 69) einer Zeüenauswahlschältung (60) angeschlossen ist

12. Bildsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalttransistoren MIS-Schalttransistoren sind,

13. Verfahren zum Betrieb eines Bildsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich

net, daß die Streifen (U bis 14) durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung an sie auf das Potential U\ gelegt werden, daß spätestens danach an einen Elektrodenstreifen (1 bis 4) die Spannung Ug angelegt wird, daß nach Ausbildung der Inversionsrandschicht an den Elektrodenstreifen eine Spannung Ug bezüglich Ua angelegt wird, die die Inversionsrandschicht verschwinden läßt, wobei die zum Ladungsausgleich notwendige Ladungsmenge Q von dem Streifen geliefert wird, daß die dadurch in jeweils einem solchen Streifen erzeugte Spannungsänderung Δ U= Δ Q/CsuB, wobei Csub die Kapazität des Kondensators, der von einem Streifen über das Substrat (10) mit dem Gehäuseboden gebildet wird, bedeutet, als Ausgangssignal abgenommen wird und daß die vorstehend angegebenen Verfahrensschritte nacheinander für jeden Elektrodenstreifen einzeln wiederholt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, für einen Bildsensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (11 bis 14) über die Trenn- und Verstärkerstufen parallel in die Speicherzellen des Parallel-Serien-Schieberegisters (59) ausgelesen werden und die im Schieberegister abgespeicherte Information seriell ausgelesen wird.

15. Verfahren nach Anspruch M, für einen Bildsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Schalttransistoren (61 bis 64) über die Zeüenauswahlschältung nacheinander geöffnet werden und so die einzelnen Streifen (11 bis 14) nacheinander ausgelesen werden, wobei das Ausgangssignal über den Verstärker (65) verstärkt wird.