專利名稱：繞行轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件ccd的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面陣電荷耦合器件，具體涉及一種采用繞行轉(zhuǎn)移方式的面陣電荷耦合器件CCD。
背景技術(shù)：
像感電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是依靠高度集成分立的MOS電容之間的耗盡層耦合而工作的，信號電荷包完成光積累后由原來位置經(jīng)柵極電壓控制而轉(zhuǎn)移到輸出口讀出電路，把一維或二維圖像信息轉(zhuǎn)換為時間的一維函數(shù)，完成圖像采集。
目前已經(jīng)研制出的行間轉(zhuǎn)移型、幀場轉(zhuǎn)移型和垂直行型面陣CCD，其工作原理如周祖成、茅於海編著的《電荷耦合器件在信號處理圖像傳感中的應(yīng)用》所述，三種面陣CCD結(jié)構(gòu)雖然都具有較低轉(zhuǎn)移損失和能夠應(yīng)用電子快門的優(yōu)勢，但是存在以下缺點(diǎn)(1)由于光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)分立，轉(zhuǎn)移區(qū)占據(jù)了器件探測的一部分感光面積，造成了分辨率和圖像探測靈敏度的降低；(2)列向轉(zhuǎn)移區(qū)和行向轉(zhuǎn)移區(qū)分立，分立的列向轉(zhuǎn)移區(qū)和行向轉(zhuǎn)移區(qū)在一種工作頻率時，容易造成信號電子周期性的滯留，或者必須有兩種頻率相差很大的控制波源來分別驅(qū)動，不論哪種情況，行列轉(zhuǎn)移控制脈沖時間相差都不易對稱，從而帶來噪聲；(3)由于輸出信號為時間不連續(xù)的有一定占空比的電壓或電流波形，造成轉(zhuǎn)移速度低；(4)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)CCD結(jié)構(gòu)的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供了一種采用繞行轉(zhuǎn)移方式的面陣電荷耦合器件CCD。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，繞行轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件CCD，包括硅襯底、硅襯底上氧化生長的SiO2絕緣層，以及在SiO2絕緣層上排列布置的MOS感光單元鋁柵電極，MOS感光單元鋁柵電極的排列布置為與相數(shù)相同個數(shù)的MOS感光單元鋁柵電極組成一位，構(gòu)成一個工作單元，每個工作單元橫向周期排列，MOS感光單元鋁柵電極之間為溝道，每行的MOS感光單元鋁柵電極之間由溝阻隔開，奇數(shù)MOS感光單元鋁柵電極行的行尾端與緊接的偶數(shù)行的行尾端不進(jìn)行高摻雜，溝道相通，偶數(shù)MOS感光單元鋁柵電極行的行始端與緊接的奇數(shù)行的行始端不進(jìn)行高摻雜，溝道相通，根據(jù)工作脈沖為幾相將整個面陣按MOS感光單元鋁柵電極的列向平均分為幾個區(qū)，每個區(qū)的尾端設(shè)置有浮置柵輸出放大器，各區(qū)的浮置柵輸出放大器的輸出端并接。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，MOS感光單元鋁柵電極的行向間隙寬度L小于3μm。
本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明將光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵和轉(zhuǎn)移區(qū)模擬移位寄存器組合在一起，簡化了現(xiàn)有技術(shù)CCD的內(nèi)置結(jié)構(gòu)。
(2)簡化驅(qū)動脈沖的同步驅(qū)動通路，減少了CCD中的不對稱和結(jié)構(gòu)單元之間時間延遲的缺點(diǎn)，降低了輸入噪聲。
(3)只需一種工作波源。
(4)感光面積可以在器件光照面積中占到接近2/3，提高探測靈敏度，降低電子在Si襯底內(nèi)的遷移噪聲。
(5)分區(qū)采集光信號，而各區(qū)信號并行輸出，使器件總體轉(zhuǎn)移次數(shù)降低，提高轉(zhuǎn)移效率；并且輸出信號為時間連續(xù)函數(shù)，提高了器件的輸出速度。
(6)采用機(jī)械快門控制信號積累時間，可方便適用于不同光照強(qiáng)度等級的應(yīng)用場合，更加有利于專業(yè)攝影的需求。
(7)實(shí)現(xiàn)了成本低和高效工作的設(shè)計(jì)目的。


圖1是現(xiàn)有的三相行間轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件CCD結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的繞行轉(zhuǎn)移面陣CCD一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的行端局部結(jié)構(gòu)放大示意圖；圖4是圖2的側(cè)面剖視圖，其中，a是光照積累階段CCD每一位的前兩個感光單元同時采集光信號；b是預(yù)備轉(zhuǎn)移階段結(jié)束時A區(qū)每一位的第一個感光單元收集電子信號包；c是預(yù)備轉(zhuǎn)移階段結(jié)束時B區(qū)每一位的第二個感光單元收集電子信號包；d是預(yù)備轉(zhuǎn)移階段結(jié)束時C區(qū)每一位的第三個感光單元收集電子信號包；圖5是本發(fā)明對三相時鐘脈沖的一個周期的量化說明曲線圖；圖6是本發(fā)明CCD結(jié)構(gòu)的輸出信號波形圖。
圖中，1.水平轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器，2.垂直轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器，3.MOS感光單元鋁柵電極，4.A區(qū)浮置柵輸出放大器，5.B區(qū)浮置柵輸出放大器，6.C區(qū)浮置柵輸出放大器，7.浮置柵輸出放大器并聯(lián)輸出口，8.溝道，9.溝阻，10.SiO2絕緣層，11.MOS電容器勢阱，12.光生信號電子，13.P型硅襯底，14.光信號。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
面陣CCD結(jié)構(gòu)，是在P型硅襯底13上氧化生長一層SiO2絕緣層10，在SiO2絕緣層10上采用交疊柵工藝制作的MOS感光單元鋁柵電極3，MOS感光單元鋁柵電極3加壓后形成MOS電容器勢阱11，MOS電容器勢阱11內(nèi)是光生信號電子12。
圖1顯示的是一種現(xiàn)有的三相行間轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)，MOS感光單元鋁柵電極3組成光敏區(qū)，光敏區(qū)和垂直轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器2之間是轉(zhuǎn)移柵區(qū)，在器件的每一列中，光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵區(qū)、垂直轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器2橫向依次排列，而水平轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器1設(shè)置在每一列的端口，每一垂直轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器2對應(yīng)水平轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器1中的一個MOS單元，這樣的單元是中間間隔相同的兩個單元排列的。MOS感光單元鋁柵電極3完成信號電荷包光照積累后，由轉(zhuǎn)移柵控制同時轉(zhuǎn)到垂直轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器2中，再由列向三相時鐘控制脈沖控制逐行轉(zhuǎn)向水平轉(zhuǎn)移模擬移位寄存器1中，然后，由行向三相時鐘控制脈沖控制逐個轉(zhuǎn)移輸出。
本發(fā)明的繞行轉(zhuǎn)移面陣CCD結(jié)構(gòu)，每三個MOS感光單元鋁柵電極3組成一位，構(gòu)成器件的一個工作單元，每個工作單元橫向周期排列，行之間由溝阻9隔開，電荷包轉(zhuǎn)移通道由摻雜濃度不同所形成的溝道8與溝阻9構(gòu)成，奇數(shù)MOS感光單元鋁柵電極3行的行尾端與緊接的偶數(shù)行的行尾端不進(jìn)行高摻雜，溝道相通，同樣，偶數(shù)MOS感光單元鋁柵電極3行的行始端與緊接的奇數(shù)行的行始端不進(jìn)行高摻雜，溝道相通，根據(jù)工作脈沖為幾相將整個面陣按MOS感光單元鋁柵電極3的列向平均分成幾個區(qū)，在每個區(qū)的尾端設(shè)置浮置柵輸出放大器，各區(qū)的浮置柵輸出放大器的輸出端并接在一起。
圖2是本發(fā)明提供的一種三相CCD實(shí)施例。每三個MOS感光單元鋁柵電極3組成一位，構(gòu)成器件的一個工作單元，將整體面陣按列向平均分為A、B、C三個區(qū)，每個區(qū)的尾端設(shè)置浮置柵輸出放大器，分別為A區(qū)浮置柵輸出放大器4、B區(qū)浮置柵輸出放大器5和C區(qū)浮置柵輸出放大器6，其相應(yīng)的信號讀出出口分別為d1、d2、d3，并且A區(qū)浮置柵輸出放大器4、B區(qū)浮置柵輸出放大器5和C區(qū)浮置柵輸出放大器6都將信號并聯(lián)到浮置柵輸出放大器并聯(lián)輸出口7，該器件的總信號讀出電路出口d直接并接在三個浮置柵輸出放大器d1，d2，d3的輸出端。如圖3所示，在每一區(qū)中，奇數(shù)MOS感光單元鋁柵電極3行的行尾端與緊接的偶數(shù)行的行尾端不進(jìn)行高摻雜，溝道8相通，同樣，偶數(shù)MOS感光單元鋁柵電極3行的行始端與緊接的奇數(shù)行的行始端不進(jìn)行高摻雜，溝道8相通。MOS感光單元鋁柵電極3分行向的間隙寬度L小于3μm，列向間隙寬度由摻雜工藝精度決定，端部的電極可以適當(dāng)增加寬度。
其工作原理如下信號分別在A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)中獨(dú)立繞行，即在每一區(qū)中，每位信號電荷逐位推進(jìn)，每一MOS感光單元鋁柵電極3的行的末端與下一行的始端相接，應(yīng)用三相控制時鐘，分別由信號讀出端結(jié)構(gòu)A區(qū)浮置柵輸出放大器4、B區(qū)浮置柵輸出放大器5和C區(qū)浮置柵輸出放大器6讀出，因?yàn)槿N讀出信號相位不同，信號電荷包從出口以兩個空包、一個信號包間隔地讀出來，最后，總信號讀出電路出口d直接并接在三個浮置柵輸出放大器的輸出端d1、d2、d3，總信號讀出電路出口d的輸出信號就成了沒有空包的連續(xù)的模擬信號。
本發(fā)明將現(xiàn)有技術(shù)中的三個區(qū)光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵區(qū)和模擬移位寄存器設(shè)計(jì)在一起，采用特有的MOS感光單元鋁柵電極3排列布置方式把三區(qū)的功能由一種結(jié)構(gòu)分三個工作階段分時來完成。3個工作階段為信號電荷包光照積累、預(yù)備轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移輸出。
(1)信號電荷包光照積累如圖4a，光信號14從P型硅襯底13底部方向入射，發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)，產(chǎn)生電子-空穴對，這時相線￠1，￠2同時為高電平，所連接的MOS電容器感光單元形成連通深耗盡層，對P型硅中的少子電子進(jìn)行捕獲，而積累時間可由機(jī)械快門和拍照相線控制脈沖共同調(diào)節(jié)控制，但積累時間不應(yīng)超過硅的存儲時間TT=2τ0NAni]]>其中τ0為耗盡的電子壽命，NA為摻雜濃度，ni為本征半導(dǎo)體濃度。
由于三相CCD的三個感光單元為一位，而有兩個同時感光，所以這種方式的探測率(定義為光敏區(qū)所占器件光照面積的比值)接近2/3，比現(xiàn)有的最高探測率1/4(二相線CCD)有較大的提高，因此本發(fā)明所提出的CCD結(jié)構(gòu)會達(dá)到高分辨率和高的圖像探測靈敏度。
(2)預(yù)備轉(zhuǎn)移本發(fā)明面陣CCD的預(yù)備轉(zhuǎn)移階段的目的是為轉(zhuǎn)移輸出時三路信號并接做準(zhǔn)備。這時，機(jī)械快門關(guān)閉。預(yù)備轉(zhuǎn)移階段完成圖2中的A，B，C三區(qū)每位信號電荷包初始位置的確定。具體地說，就是在A區(qū)中第一相電極下存儲電荷包，如圖4b所示；B區(qū)第二相電極下存儲電荷包，如圖4c所示；C區(qū)第三相電極下存儲電荷包，如圖4d所示。
辦法是A區(qū)中相線￠2變?yōu)榈碗娖剑?不變；B區(qū)中相線￠1變?yōu)榈碗娖剑?不變；C區(qū)中相線￠3變?yōu)楦唠娖胶螅?、￠2變?yōu)榈碗娖剑瑥亩鴺?gòu)成預(yù)備轉(zhuǎn)移相線脈沖。
(3)轉(zhuǎn)移輸出繞行轉(zhuǎn)移面陣CCD的電荷包轉(zhuǎn)移通道是由摻雜濃度不同所形成的溝道與溝阻構(gòu)成，如圖3所示。根據(jù)柵壓VG、表面勢VS和本征半導(dǎo)體摻雜濃度NA之間的關(guān)系VG=Vs+(2ϵsϵ0eNAVsCox2)1/2]]>式中，εs為硅的介電常數(shù)，ε0為SiO2的介電常數(shù)，e為電子電量(取正值)，Cox為每單位柵面積下的MOS電容值，可知，在器件襯底的相應(yīng)部位做更高摻雜，便會建立起勢壘而形成溝阻，以限定CCD溝道。信號包被相線控制只能通過溝道向一個方向轉(zhuǎn)移，而不能偏移。
我們對該器件三相轉(zhuǎn)移工作脈沖進(jìn)行了量化討論，如圖5所示，設(shè)矩形脈沖上升沿和下降沿時間同為t，占空比為8∶7，而且矩形脈沖高電平中點(diǎn)為初相位，則可以得到￠1相線初相為0，￠2相線初相為5t，￠3相線初相為10t，而脈沖周期為15t。在每一位中，信號電荷包從第一個MOS電容器向第二個MOS電容器轉(zhuǎn)移發(fā)生在t至4t之間，從第二個MOS電容器向第三個MOS電容器轉(zhuǎn)移發(fā)生在6t至9t之間，從第三個MOS電容器向下一位第一個MOS電容器轉(zhuǎn)移發(fā)生在11t至14t之間，也可以分別參照圖4中的c、d、b所示。
三個浮置柵輸出放大器d1，d2，d3輸出端直接并聯(lián)，最終輸出時間的連續(xù)信號包函數(shù)，如圖6所示，是由器件的三個部分輸出信號以CCD轉(zhuǎn)移周期1/fc為時間間隔交疊起來，即信號頻率變?yōu)?fc，因此提高了轉(zhuǎn)移速度。
這樣輸出的信號與通用顯示器模式不符，有以下兩種解決途徑(1)改進(jìn)DSP數(shù)字信號處理器，使輸出信號與顯示器逐行/隔行掃描工作模式相符。
(2)制作出與器件配套的顯示器，這樣便實(shí)現(xiàn)了一整套的成像系統(tǒng)。
綜上，本發(fā)明的繞行轉(zhuǎn)移面陣CCD實(shí)現(xiàn)了精簡結(jié)構(gòu)，且只需一種工作波源，只需普通CCD的制作方法即可完成，實(shí)現(xiàn)了低成本易制作的目的。
權(quán)利要求
1.一種繞行轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件CCD，包括硅襯底、硅襯底上氧化生長的SiO2絕緣層(10)，以及在SiO2絕緣層(10)上排列布置的MOS感光單元鋁柵電極(3)，其特征在于，所述的MOS感光單元鋁柵電極(3)的排列布置為與相數(shù)相同個數(shù)的MOS感光單元鋁柵電極(3)組成一位，構(gòu)成一個工作單元，每個工作單元橫向周期排列，MOS感光單元鋁柵電極(3)之間為溝道(8)，每行的MOS感光單元鋁柵電極(3)之間由溝阻(9)隔開，奇數(shù)MOS感光單元鋁柵電極(3)行的行尾端與緊接的偶數(shù)行的行尾端不進(jìn)行高摻雜，溝道(8)相通，偶數(shù)MOS感光單元鋁柵電極(3)行的行始端與緊接的奇數(shù)行的行始端不進(jìn)行高摻雜，溝道(8)相通，根據(jù)工作脈沖為幾相將整個面陣按MOS感光單元鋁柵電極(3)的列向平均分為幾個區(qū)，每個區(qū)的尾端設(shè)置有浮置柵輸出放大器，各區(qū)的浮置柵輸出放大器的輸出端并接。
2.按照權(quán)利要求1所述的繞行轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件CCD，其特征在于，所述的MOS感光單元鋁柵電極(3)的行向間隙寬度小于3μm。
全文摘要
本發(fā)明公開的繞行轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件CCD，包括P型硅襯底、SiO
文檔編號H01L27/148GK1921133SQ200610104588
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月18日
發(fā)明者獨(dú)育飛, 唐遠(yuǎn)河, 劉鍇, 寧輝, 張磊, 李皓偉 申請人:西安理工大學(xué)