JPH0728032B2

JPH0728032B2 - 電荷結合素子

Info

Publication number: JPH0728032B2
Application number: JP1124674A
Authority: JP
Inventors: 恭志渡辺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-05-18
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH02303135A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は電荷結合素子に関し、特に信号出力回路部に
おける信号電荷の転送効率を改善したものである。

［従来の技術］電荷転送素子（CTD）として代表的なチャージ・カップ
ルド・ディバイス（CCD）は、周知のようにMOS構造の半
導体基板表面側に形成された空乏化領域（空乏層）に信
号電荷が注入され、半導体基板表面に薄い絶縁膜を介し
て被着形成された電極に印加されるクロックの電圧を順
次周期的に変化させて、この空乏化領域の電位を周期的
に変化させることによって、注入された信号電荷を転送
するように構成されている。

そして、CCDに形成される転送チャネルは、一般に信号
電荷と逆符合の不純物が高濃度に注入されたチャネルス
トップ領域（不活性領域）を形成することによって、転
送チャネルの幅を規制している。チャネルストップ領域
は半導体基板と導通状態となるように構成されており、
このチャネルストップ領域は通常、基準電位、通常は接
地電位（GND）となされている。

さて、このような構造のCCDにおいて、その信号出力部
近傍の転送チャネルは、第８図Ａのように構成されてい
る場合が多い。

同図において、１は転送チャネル（活性領域）で、転送
チャネル１の外側はチャネルストップ領域で（１点鎖線
領域）２となされている。３は下側電極、４は上側電極
である。５はドレイン領域で、信号電荷の検出部として
機能し、信号電荷が電圧に変換されて取り出される。６
はバッファアンプである。

転送チャネル１の領域は転送方向に対して狭くなされて
いるが、これは検出部５での容量をできるだけ小さくし
て、電荷・電圧の変換効率を上げるためである。すなわ
ち、検出部５での信号電荷量をΔＱ、検出容量をＣ、出
力される信号電圧をΔＶとしたとき、信号電圧ΔＶは、 ΔＶ＝ΔQ/C で表わされるから、検出容量Ｃをできるだけ小さくした
方が、変換効率を高めることができる。そのため、図の
ように検出部５での転送チャネル幅を狭くしている。

［発明が解決しようとする課題］上述したように、チャネルストップ領域２は半導体基板
と導通状態にあり、基準電位に固定されているため、転
送チャネルの幅方向におけるポテンシャル分布は、第８
図Ｂに示すように、その両端が接地電位に固定された井
戸型となる。

このポテンシャルは信号電荷に対するものであり、電子
を信号とする場合には、ポテンシャルの方向は負電圧方
向になる。

同図Ｂは、同図ＡのI-I線上〜III-III線上における断面
のポテンシャル分布状態を示すもので、夫々の電極3,4
に印加される電圧は同一であるものとする。

転送チャネル１の幅がW1からW3へと狭くなるにつれて、
チャネル中央付近のポテンシャル井戸は次第にΔφ１、
Δφ２と浅くなる。

このようにポテンシャル井戸が次第に浅くなるのは、転
送チャネル１の幅方向における両端が接地電位に固定さ
れているために、中央付近のポテンシャル井戸が、狭チ
ャネル効果によって幅方向に引っ張られるためで、幅方
向に引っ張られる程度は転送チャネル１のチャネル幅が
狭い程大きくなる。

ポテンシャル井戸の深さが転送チャネル１のチャネル幅
によって変わると、これによって転送方向に対しポテン
シャルの障壁が形成され、信号電荷の転送不良、これに
伴なう出力信号の周波数応答やS/Nの劣化を惹起する。

そこで、この発明はこのような課題を解決したもので、
ポテンシャル障壁を無くして転送効率を改善した転送チ
ャネル構造を提案するものである。

［課題を解決するための手段］上述の課題を解決するため、この発明においては、信号
出力部付近における転送チャネル幅が、信号電荷の転送
方向に対して次第に幅狭となるようになされた電荷結合
素子において、転送チャネル幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何
れか一方の電位障壁領域の電位が、上記転送方向に対し
て次第に深くなるようになされたことを特徴とするもの
である。

電位障壁領域の電位を深くする手段としては、電位障壁
領域自体の幅をコントロールする他に、電位障壁領域自
体の幅を狭チャネル効果が現われる程度に狭く形成する
と共に、この電位障壁領域を挟んで転送チャネルの反対
側に擬似転送チャネル領域を設け、この擬似転送チャネ
ル領域自体のチャネル幅を転送方向に向かって次第に拡
張するように構成してもよい。

［作用］電位障壁領域自体の幅を信号電荷の転送方向に向かって
次第に拡げれば、電位障壁領域の電位が転送方向に対し
て次第に深くなる。

この電位の深化によって、転送チャネルの狭チャネル効
果が打ち消されるから、転送方向に対するポテンシャル
の障壁が発生しない。

［実施例］以下、この発明に係る電荷結合素子の一例を、第１図以
下を参照して詳細に説明する。

この発明は、転送方向に対して転送チャネルのチャネル
幅がそれ以前の転送チャネルのチャネル幅より狭くなる
ような構造のCCDを対象とする。

そして、第３図に示すように、転送チャネルのチャネル
幅が狭くなり始めた転送チャネルの両側若しくは片側の
電位障壁領域の電位を、転送チャネル１のチャネル幅が
W1からW3へと狭くなるにつれ、ΔV1、ΔV2と転送方向に
向かって次第に深くしていく。そうすると、転送チャネ
ル１自体に狭チャネル効果が作用しても、この作用を打
ち消すだけの電位が転送チャネルの両側若しくは片側か
ら作用するため、中央付近のポテンシャル井戸の転送方
向における深さは転送チャネル１のチャネル幅の変化に
拘らずほぼ一定となる。

転送チャネルの片側の電位障壁領域の電位のみを、転送
チャネル１のチャネル幅がW1からW3へと狭くなるにつ
れ、ΔV1、ΔV2と転送方向に向かって次第に深くして
も、その作用はほぼ同様である。

第１図はこのようなポテンシャル関係を具現するための
具体例の一つである。

同図において、転送チャネル１は次第に狭められて信号
電荷の検出部（クロスハッチングの領域）５に連結され
ている。3,4は転送電極である。

本例では転送チャネル１本来のチャネル幅Ｔの両側にチ
ャネルストップ領域（１点鎖線領域）２が形成されると
共に、幅狭に形成された転送チャネル１の両側に、チャ
ネル幅Ｔと同じになるようにバリア領域（図ではハッチ
ング領域として図示）20が形成される。したがって、バ
リア領域20は転送方向に対して次第に幅広に形成されて
いることになる。

バリア領域20によって転送チャネル１の実質的なチャネ
ル幅が規制される。バリア領域20は転送チャネル１に対
して一定の電位差が付与されている。電位差は後述する
ように半導体基板内のポテンシャル構造より得ている。

第２図は第１図ＡのII-II線上の断面図である。なお、
本図を含め以下の説明では信号電荷が電子の場合及び埋
込みチャネル構造の場合について述べる。

その場合には、図のようにＰ型半導体基板11に対してそ
の表面側に、チャネル幅Ｔの領域にわたり所定の濃度を
もってドープされたＮ層12によって転送チャネル１が形
成される。Ｎ層12の両側には夫々P⁺層13が形成され、こ
れがチャネルストップ領域２として機能する。

Ｎ層12の表面には所定の領域内にＰ型不純物16が所定量
ドープされて、これがバリア領域20として使用される。
Ｐ型不純物16をドープすることによって、この領域20が
信号電荷に対するバリアとして作用する。

半導体基板11の表面はSiO2などの絶縁層14を介して転送
電極４が被着形成されている。

さて、このようにバリア領域20を形成した場合、バリア
領域20によって形成される電位障壁部の電位は、検出部
５に向かって次第に深くなる。そして、転送方向に対し
てチャネル幅が狭くなるように形成された転送チャネル
１とは逆に、転送方向に向かってバリア領域20が幅広に
形成されているため、バリア領域20内では狭チャネル効
果が転送チャネル１の領域内とは逆に働く。

そのため、狭チャネル化された転送チャネル１でのポテ
ンシャルの分布は第１図Ｂのようになる。同図Ｂの曲線
Ｉは同図ＡのI-I線上断面のポテンシャル分布であり、
曲線IIはII-II線上断面のポテンシャル分布である。

同図Ｂからも明らかなように、中央付近のポテンシャル
分布が一様になって、検出部５に向かって生ずるポテン
シャルの障壁がなくなる。

第４図以下はこの発明の他の実施例を示すものである。
第２図はバリア領域も埋込みチャネル型のCCDの場合で
あったが、第４図はバリア領域を表面チャネル型CCDと
した例である。

その場合には、第１図II-II線上断面図は第４図のよう
になる。Ｎ層17によって転送チャネル１が形成され、こ
のＮ層17とP⁺層13との間がバリア領域20となる。Ｎ層17
とP⁺層13との間の半導体基板11の表面側は何もドープさ
れない表面チャネル構造である。

このようなCCDにおいても、Ｎ層17の領域を転送方向に
向かって幅狭にすれば、上述したと同様な作用となる。

第５図に示す実施例は、バリア領域20と擬似転送チャネ
ル21とによって、電位障壁領域における電位をコントロ
ールするようにしたものである。

同図Ａに示すように、転送チャネル１に隣接してこれと
平行に、所定の幅をもってバリア領域20が形成されると
共に、バリア領域20の外側でチャネル幅Ｔを越えないよ
うに転送チャネル１とは反対側に擬似転送チャネル21の
領域が形成される。

擬似転送チャネル21は転送チャネル１と同一ないしこれ
に近い電位を形成するためで、擬似転送チャネル21の出
力端側には夫々ドレイン領域として形成された排出ドレ
イン22が設けられる。夫々の排出ドレイン22には端子23
より所定の直流電圧VDが印加され、擬似転送チャネル21
内の電荷が排出される。

第６図は第５図ＡのII-II線上の断面図で、本例ではバ
リア領域も埋込みチャネル型のCCDの場合を示す。バリ
ア領域20にはＰ型不純物16がドープされている。

図の例では、擬似転送チャネル21と転送チャネル１とは
同電位となっている。

第５図のように本例では、バリア領域20に挟まれた転送
チャネル１のチャネル幅が次第に狭められると共に、バ
リア領域20自身の幅は一定のまま擬似転送チャネル21の
チャネル幅が転送方向に対して次第に拡げられるような
構成となっている。

このように構成すると、バリア領域20と擬似転送チャネ
ル21との共働で、電位障壁領域の電位がコントロールさ
れる。すなわち、擬似転送チャネル21内では、内部に形
成された転送チャネル１とは狭チャネル効果が逆に作用
して狭いバリア領域の電位を転送方向に対して次第に引
下る。そのため、この引下られた分だけ中央付近のポテ
ンシャル井戸が深められるから、第５図Ｂに示すように
中央付近での転送方向におけるポテンシャル分布が一様
になる。

第７図Ａは、第５図Ａの構成に対してバリア領域20の
み、その幅を転送方向に対して狭くなるようにした場合
である。

こうすると、バリア領域20のバリアの高さ自身が転送方
向に対して次第に狭められる。その結果、ポテンシャル
の分布は第７図Ｂのように、特に転送チャネル１の中央
付近では強力に一様化ないしは転送方向にむしろ深化さ
れるようになる。

第７図Ｂでは検出部５側がむしろ深化した場合を例示し
ている。

第６図及び第７図においても、バリア領域を表面チャネ
ルとした場合に適用することができる。

なお以上の説明では、信号電荷が電子の場合及び埋込み
チャネル構造の場合について述べたが、本発明ではこれ
らに限定されるものではなく、信号電荷が正孔の場合、
あるいは表面チャネル構造の場合でも同様に議論するこ
とが可能である。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、転送チャネル
幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何れか一方の電
位障壁領域の電位が、転送方向に対して次第に深くなる
ようにしたものである。

これによれば、転送チャネルの中央付近でのポテンシャ
ル障壁が完全になくなるから、転送された信号電荷の殆
どを信号検出部によって電圧に変換して取り出すことが
できる。したがって、電荷転送が円滑となり、出力信号
の周波数応答やS/Nを従来よりも大幅に改善できる特徴
を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａはこの発明に係る電荷結合素子転送チャネルの
一例を示す構成図、同図Ｂはそのポテンシャル分布図、
第２図は第１図ＡのII-II線上断面図、第３図は電位障
壁領域の電位コントロール状態を示す図、第４図は第２
図と同様な断面図、第５図及び第７図は夫々第１図と同
様な断面図とポテンシャル分布図、第６図は第５図Ａの
断面図、第８図は従来例を示す第１図と同様な断面図と
ポテンシャル分布図である。１……転送チャネル 3,4……転送電極５……信号検出部 11……半導体基板 12,17……Ｎ層 13……P⁺層 16……Ｐ型不純物 20……バリア領域 21……擬似転送チャネル 22……排出ドレイン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】信号出力部付近における転送チャネル幅
が、信号電荷の転送方向に対して次第に幅狭となるよう
になされた電荷結合素子において、転送チャネル幅を規定する電位障壁領域の少なくとも何
れか一方の電位障壁領域の電位が、上記転送方向に対し
て次第に深くなるようになされたことを特徴とする電荷
結合素子。