JPH0644578B2 - 電荷転送素子 - Google Patents

電荷転送素子

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JPH0644578B2
JPH0644578B2 JP59271546A JP27154684A JPH0644578B2 JP H0644578 B2 JPH0644578 B2 JP H0644578B2 JP 59271546 A JP59271546 A JP 59271546A JP 27154684 A JP27154684 A JP 27154684A JP H0644578 B2 JPH0644578 B2 JP H0644578B2
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JP
Japan
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charge transfer
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channel region
type semiconductor
potential
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雅章 木股
夏朗 坪内
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D44/00Charge transfer devices
    • H10D44/40Charge-coupled devices [CCD]
    • H10D44/45Charge-coupled devices [CCD] having field effect produced by insulated gate electrodes 
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D44/00Charge transfer devices
    • H10D44/40Charge-coupled devices [CCD]
    • H10D44/45Charge-coupled devices [CCD] having field effect produced by insulated gate electrodes 
    • H10D44/462Buried-channel CCD
    • H10D44/468Four-phase CCD
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/17Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
    • H10D62/213Channel regions of field-effect devices
    • H10D62/335Channel regions of field-effect devices of charge-coupled devices

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は電荷転送素子に関し、特に低温での転送効率
を改善した電荷転送素子に関するものである。なおこゝ
で低温とは、液体窒素付近あるいはそれ以下の温度のこ
とをいう。
[従来の技術] 近年量子形の赤外検出器とシリコン電荷転送素子を組み
合わせた赤外線イメージセンサの開発が盛んになってき
ているが、これらの赤外線イメージセンサは、検出器の
暗電流を減らし十分なS/N比を得るために、通常液体
窒素温度(77K)付近の低温で使用される。このた
め、こうしたイメージセンサを構成する電荷転送素子
(Charge-Coupled Device:以下CCDと略記する)も
低温で動作させる必要がある。従来からイメージセンサ
に用いるCCDには、高速・高転送効率・低雑音といっ
た優れた特性を持った埋め込みチャンネルCCD(Buri
ed-Channel CCD:以下BCCDと略記する)が選ば
れてきた(BCCDに関しては、R.H.Walden et a
l.Bell Syst.Tech.J.Vcl.51(1972) pp.1635−1640参照)。
第5図(a)は、従来用いられてきた4相駆動方式のn
チャンネルBCCDの平面図であり、第5図(b)は第
5図(a)のA−A線断面図である。初めに、この電荷
転送素子の構成について説明する。第5図(a),
(b)において、p形シリコン基板130上にn形不純
物領域120が形成されており、この領域の不純物濃度
は、通常p形シリコン基板130の不純物濃度より1桁
程度高い濃度となっている。n形不純物領域120上に
ゲート酸化膜110が形成されており、ゲート酸化膜1
10上に互いに隔てて複数のゲート電極21,31,4
1,51,22,32,42,52が形成されている。
10は転送チャンネル領域で、通常厚いシリコン酸化膜
または高濃度p形不純物領域を周辺に設けることによっ
てチャンネルを制限する。ゲート電極21,22はクロ
ックバスライン70を通して第1相のクロックに、ゲー
ト電極31,32はクロックバスライン80を通して第
2相のクロックに、ゲート電極41,42はクロックバ
スライン90を通して第3相のクロックに、ゲート電極
51,52はクロックバスライン100を通して第4相
のクロックに接続される。
次に、この電荷転送素子の動作について説明する。第5
図のような構造を持ったnチャンネルBCCでは、各ゲ
ート電極下のn形不純物領域120の中で電子に対する
ポテンシャルの最小値を生じる。この最小値はゲート電
位に依存して変化し、ゲート電位が高いほどそのポテン
シャルは低くなる。クロックバスライン70,80,9
0,100につながる第1,第2,第3,第4相のクロ
ックがそれぞれπ/4ずつ位相がずれ、常に1相以上が
高電位となるように駆動すると、位相のずれが第1クロ
ック→第2クロック→第3クロック→第4クロックの順
になっている場合、図中の矢印方向へ信号電荷を転送す
ることができる。
このようなBCCDにおいて、赤外線イメージセンサが
動作するような液体窒素温度付近の低温では、Japanese
Journal of Applied Physics vol.22.No.
6(1983),pp.975−980に示されているよ
うに温度の下降とともに転送損失は急激に増大する。こ
の様子を第6図に示す。これは、BCCDでn形不純物
領域120を形成する不純物レベルへのキャリアの凍結
現象に起因するものである。
[発明が解決しようとする問題点] 以上のように、従来のBCCDでは、低温において不純
物レベルへのキャリアの凍結現象に起因する転送効率の
劣化が起こり、このことはイメージセンサの多画素化に
対して大きな問題となっていた。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、低温においても十分な転送効率が得られる電
荷転送素子を提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] この発明に係る電荷転送素子は、第1導電形半導体基板
上に形成される第2導電形半導体領域のチャンネル領域
の電位を電荷転送方向と垂直な方向に変化させるように
したものである。
[作用] この発明においては、第2導電形半導体領域のチャンネ
ル領域の電位を電荷転送方向と垂直な方向に変化させる
ことにより、この垂直方向のチャンネル領域内の電界を
強くし、この電界によって不純物レベルの電界方向のバ
リヤを低下させ、キャリアの放出時定数を短くしてキャ
リアの凍結現象をなくす。
[実施例] 以下、この発明の実施例を図によって説明する。なお、
この実施例の説明において、第5図(a),(b)およ
び第6図の説明と重複する部分については適宜その説明
を省略する。
第1図は、この発明の一実施例であるBCCDの平面図
である。また、第2図(a)は第1図のB−B線断面図
であり、第2図(b)は第2図(a)断面のチャンネル
領域の電子に対するポテンシャルを示す図である。第1
図および第2図(a)において、この実施例の構成が第
5図(a),(b)の構成と異なる点は以下の点であ
る。チャンネル領域において電荷転送方向(第1図中の
矢印方向)と垂直方向に電子に対するポテンシャルの変
化をつけるために、p形シリコン基板130上に、n形
不純物領域121とこれより不純物濃度の薄いn形不純
物領域140とを上記垂直方向に交互に並んで形成し、
第2図(b)に示すように、薄いn形不純物領域140
のポテンシャルがn形不純物領域121のポテンシャル
より浅くなっている点である。なお、150はチャンネ
ル分離用の厚いシリコン酸化膜である。
第3図(a)はこの発明の他の実施例であるBCCDの
断面図であり、第3図(b)は第3図(a)断面のチャ
ンネル領域の電子に対するポテンシャルを示す図であ
る。n形不純物領域120上に、ゲート酸化膜111と
これより膜厚が薄いゲート酸化膜340とが電荷転送方
向と垂直な方向に交互に並んで形成されており、第3図
(b)に示すように、ゲート酸化膜340下のチャンネ
ル領域のポテンシャルがゲート酸化膜111下のチャン
ネル領域のポテンシャルより浅くなっている。
次に、上記の構造のBCCDを用いることにより低温に
おける転送効率が改善される理由について説明する。前
述したように、赤外イメージセンサの動作する温度付近
での転送効率の劣化は、n形不純物領域120,121
を形成している不純物レベルへのキャリアの凍結による
が、この劣化は不純物レベルからのキャリアの放出時定
数を短くすることによって改善することができる。すな
わち、電荷転送過程中に放出され主信号に加わった電荷
は転送効率の損失とならないので、キャリアの放出時間
を短くし、できるだけ多くの電荷が短時間に放出され主
信号に加わるようにすることが転送効率の改善に有効で
ある。こうした電荷トラップからの放出時定数τは、
一般に次式で表わされる。
τ=[σ・vth・N・exp(−E/kT)]
−1ここで、σはトラップの捕獲断面積,vthは平均
熱速度,Nは有効状態密度,Eはトラップのエネル
ギ順位(伝導体から測ったもの),kはボルツマン定
数,Tは温度である。
上式より明らかなように、τはEの強い関数となっ
ている。τを短くするにはEを小さくすることが有
効である。第4図は強電界中でのEの実効的な低下を
説明する図である。図において、電界のない場合、不純
物レベル(この場合ドナーレベル)600に捕獲された
電子が放出されるとき400のようなポテンシャルを感
じる。この場合のトラップレベルは図中に示したE
なる。ここで、外部電界εEF700が存在すると、こ
の部分のポテンシャルは500に示すようになり、電界
方向のバリヤはΔEだけ小さくなりE′となる。こ
のときのバリヤの低下ΔEは次式のようになる。
ここで、qは電子の電荷,εSIはシリコンの誘電率で
ある。
したがって、この発明のBCCDを用いれば、従来の電
荷転送方向の電界以外に、これと垂直方向にチャンネル
領域のポテンシャルの変化に基づく電界が加わり、上記
説明に従って実効的なトラップレベルが低下し、キャリ
アの放出時定数が短くなってBCCDの転送効率が改善
される。
なお、上記実施例では4相駆動方式のBCCDについて
説明したが、他の駆動方式のBCCDについても上記実
施例と同様の効果が得られる。
また、上記実施例ではチャンネル領域の電位変化を与え
る薄いn形不純物領域140はチャンネル方向に平行で
一様な幅となっているが、この領域は任意の形でよく、
連続的である必要もない。要はチャンネル領域の電荷転
送方向と垂直な任意の1断面内でその電位に複数個の極
大・極小が存在すればよく、またこの極大・極小はそれ
ぞれ値が異なっても上記実施例と同様な効果を奏する。
また、上記実施例ではnチャンネルBCCDの場合につ
いて説明したが、pチャンネルBCCDの場合でも全く
同様な構造が製作可能であり、この場合についても上記
実施例と同様の効果を奏する。
また、上記実施例では転送チャンネル領域の不純物濃度
あるいはゲート酸化膜の膜厚が段階的に変わるようにし
ているが、これらを連続的に変化するようにしても上記
実施例と同様の効果が得られるものである。
[発明の効果] 以上のようにこの発明によれば、第1導電形半導体基板
上に形成される第2導電形半導体領域のチャンネル領域
の電位を電荷転送方向と垂直な方向に変化させるように
したので、この垂直方向のチャンネル領域内の電界が強
くなり、このためその不純物レベルに捕獲されたキャリ
アの放出時定数が短くなって低温においても十分な転送
効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の一実施例であるBCCDの平面図
である。 第2図(a)は第1図のB−B線断面図であり、第2図
(b)は第2図(a)断面のチャンネル領域の電子に対
するポテンシャルを示す図である。 第3図(a)はこの発明の他の実施例であるBCCDの
断面図であり、第3図(b)は第3図(a)断面のチャ
ンネル領域の電子に対するポテンシャルを示す図であ
る。 第4図は、この発明のBCCDにおける強電界中でのト
ラップレベルEの実効的な低下を説明する図である。 第5図(a)は従来のBCCDの平面図であり、第5図
(b)は第5図(a)のA−A線断面図である。 第6図は、従来のBCCDにおける温度と転送損失との
関係を示す図である。 図において、10は転送チャンネル領域、21,22,
31,32,41,42,51,52,220はゲート
電極、70,80,90,100はクロックバスライ
ン、110,111はゲート酸化膜、340は薄いゲー
ト酸化膜、120,121はn形不純物領域、140は
薄いn形不純物領域、130はp型シリコン基板、15
0は分離用酸化膜である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電形半導体基板と、 前記第1導電形半導体基板上に形成され、前記第1導電
    形と逆の、不純物が拡散された第2導電形半導体領域
    と、 前記第2導電形半導体領域上に形成されるゲート絶縁膜
    と、 前記ゲート絶縁膜上に互いに隔てて形成される複数のゲ
    ート電極とを備える低温下で動作させる電荷転送素子に
    おいて、 前記第2導電形半導体領域のチャンネル領域の電位を信
    号電荷転送方向と垂直な方向のチャネル全領域にわたっ
    て変化させるとともに、前記垂直な方向のチャネル全領
    域内の電界を強くしたことを特徴とする低温下で動作さ
    せる電荷転送素子。
JP59271546A 1984-12-21 1984-12-21 電荷転送素子 Expired - Lifetime JPH0644578B2 (ja)

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JP59271546A JPH0644578B2 (ja) 1984-12-21 1984-12-21 電荷転送素子
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JPS61148876A JPS61148876A (ja) 1986-07-07
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ID=17501570

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DE (1) DE3544450A1 (ja)
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