Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur mit einem Ladungsübertragungskanal für Taktfrequenzen im Bereich ab 100 MHz, vorzugsweise ab 250 MHz, besonders bevorzugt bis 400 MHz.

Bei Taktfrequenzen über 100 MHz, speziell über 250 MHz und insbesondere bis 400 MHz können vermehrt Verluste beim Transport der Ladungsträger durch einen Ladungsübertragungskanal auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ladungsübertragung bei Taktfrequenzen über 100 MHz, vorzugsweise ab 250 MHz, besonders bevorzugt bis 400 MHz bereitzustellen.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Halbleiterstruktur der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Die erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung verwendet unter anderem einen Ladungsträgerkanal. Ein Ladungsübertragungskanal kann eine Überlappung der möglichen elektrostatischen Wirkung von aneinander angrenzenden Gattern mit einer Leitungsschicht in einem Halbleiter sein. Der Ladungsübertragungskanal kann so das Schnittvolumen aus der Projektion der elektrostatischen Wirkung der Gatter auf die Volumenstruktur der Leitungsschicht sein.

Die Leitungsschicht, in welcher der Ladungsträgertransport bzw. die Ladungsträgerübertragung stattfindet, kann in einem Halbleitersubstrat liegen und unterschiedlich zum umgebenden Halbleitersubstrat dotiert sein, sodass sich Ladungsträger in der Leitungsschicht bewegen können und nicht in das umgebende Halbleitersubstrat austreten. Eine Leitungsschicht kann vergraben sein oder an der Oberfläche des Halbleitersubstrats liegen.

Die Gatter können Elektroden sein, welche entlang der Leitungsschicht angeordnet und durch eine dünne, nichtleitende Trennschicht von der Leitungsschicht getrennt sind, sodass sich eine Potentialänderung der Gatter als Änderung des elektrischen Feldes im überlappend zugeordneten Bereich der Leitungsschicht auswirkt. Die Gatter können durch eine dünne Trennschicht isoliert auf dem Halbleitersubstrat liegen.

Ladungsträger können Elektronen oder Löcher sein.

Durch entsprechende Potentialänderungen angrenzender Gatter können Ladungsträger im Ladungsübertragungskanal transportiert werden, sodass der Ladungsübertragungskanal als Leitungskanal für einen gerichteten Fluss von Ladungsträger wirken kann. Die Potentialänderung folgt im Allgemeinen einer Taktfrequenz. Die Potentialänderungen können dabei einer Taktfrequenz folgen. Die Taktfrequenz bestimmt die Geschwindigkeit des Ladungstransports und damit die zeitliche Auflösung und Leistungsfähigkeit umgebender oder angeschlossener Systeme wie etwa Sensoren oder Recheneinheiten.

Grenzen, Form und Verlauf der Gatter, der Leitungsschicht und des Ladungsübertragungskanals sind stets in Draufsicht von den Gattern her in Richtung der Leitungsschicht angegeben, soweit im Einzelfall nicht anders genannt ist. Der Verlauf des Ladungsübertragungskanals und räumliche Relationen sind stets in Richtung des Ladungsträgerflusses im Ladungsübertragungskanal angegeben, soweit im Einzelfall nicht anders genannt ist.

Falls die Breite des Verlaufs der aneinander gereihten Gatter schmaler ist als die Breite des Verlaufs der zugeordneten Leitungsschicht, dann sind die Grenzen der Breite des Verlaufs des Ladungsübertragungskanals durch die Grenzen des Verlaufs der Breite der aneinandergereihten Gatter gegeben. Falls die Breite des Verlaufs der aneinandergereihten Gatter breiter ist als die Breite des Verlaufs der zugeordneten Leitungsschicht, dann sind die Grenzen der Breite des Verlaufs des Ladungsübertragungskanals durch die Grenzen des Verlaufs der Breite der zugeordneten Leitungsschicht gegeben.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde erkannt, dass bei höheren Taktfrequenzen ab 150 MHz oder 250 MHz oftmals ein Teil der unter einem Gatter befindlichen Ladungsträger bei entsprechender Potentialänderung nicht wie gewünscht zum nächsten Gatter übertritt; in vorteilhafter Weise kann dieser Effekt durch die erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung reduziert bzw. vermieden werden. Die erfindungsgemäße Ladungsübertragungsvorrichtung ist eine Ladungsübertragungsvorrichtung mit einem Ladungsübertragungskanal in einem Halbleitersubstrat mit einer dotierten Leitungsschicht zur beweglichen Aufnahme der Ladungsträger mit einer Abfolge von mindestens zwei elektrisch getrennten Gattern welche benachbart aufeinander folgen zur Verschiebung der Ladungsträger in der Leitungsschicht in eine Flussrichtung wobei der Ladungsübertragungskanal durch Überlappung der möglichen elektrostatischen Wirkung der Gatter mit der Leitungsschicht ausgebildet ist und mit einem Taktgeber mit einer Taktfrequenz von über 100 MHz, insbesondere von über 150 MHz, über 200 MHz oder ungefähr oder über 250 MHz oder bis 300 MHz oder 400 MHz welcher die Gatter mit Potentialänderungen in Taktfrequenz beaufschlagt zum Transport von Ladungsträgern in der Taktfrequenz von benachbarten Bereichen der Überlappung von benachbarten Gattern mit der Leitungsschicht zu benachbarten Bereichen der Überlappung von benachbarten Gattern mit der Leitungsschicht, was dem Transport über eine CCD-Struktur entspricht,, wobei der Ladungsübertragungskanal einen Mündungsbereich aufweist welcher in Flussrichtung an einer seitlichen Aussengrenze des Ladungsübertragungskanals angeordnet ist und welcher sich mindestens teilweise über die Bereiche von genau zwei benachbarten Gates des Ladungsübertragungskanals erstreckt um dem Ladungsübertragungskanal von einem an den Mündungsbereich angrenzenden Bereich ausserhalb des Ladungsübertragungskanals, insbesondere von einem zweiten Ladungsträgerkanal, Ladungsträger zuzufuhren und um insbesondere den Rücklauf (Spill Back) oder der Flusswiderstand oder der Verlust der Ladungsträger in Flussrichtung des Ladungsübertragungskanals oder des dem Ladungsübertragungskanals Ladungsträger zufuhrenden Bereichs, insbesondere eines zweiten Ladungsübertragungskanals, zu reduzieren.

Dieser erfmdungsgemäße Ladungsübertragungskanal kann den Vorteil ausbilden, dass Ladungsträger mit weniger Widerstand und/oder weniger Verlusten fliessen können.

Vorzugsweise ist die Länge des Mündungsbereichs entlang des Leitungskanals kleiner als die Länge des Bereichs der zugeordneten zwei benachbarten Gatter entlang des Ladungsübertragungskanals und insbesondere 25095%, 35085%, 45075%, 55065%, oder 60% der Länge des Bereichs der zugeordneten zwei benachbarten Gatter entlang des Ladungsübertragungskanals entspricht, um eine möglichst verlustfreie Übergabe der Ladungsträger von Gatter zu Gatter zu ermöglichen. Ferner können für die Verringerung der Verluste auch folgende Maßnahmen getroffen werden:

Vorzugsweise grenzt der Mündungsbereich mit seiner Länge entlang des Leitungsübertragungskanals über eine grössere Länge an den Bereich des entgegen der Flussrichtung liegenden zugeordneten Gates (versetzt) an als an den Bereich des in Flussrichtung liegenden zugeordneten Gates und grenzt insbesondere mehr als 50%, mehr als 60%, zwischen 60% und 75%, oder zu 2/3 an den Bereich des entgegen der Flussrichtung liegenden zugeordneten Gates an.

Vorzugsweise weist der Mündungsbereich eine Ausbuchtung auf in welcher der Querschnitt zur Flussrichtung zuerst zunimmt (insbesondere um mehr als 20%, 40%, 80% oder 100%) und dann wieder abnimmt (insbesondere um mehr als 20%, 40%>, oder 80%), welche sich in ihrer Länge in Flussrichtung mindestens, im Wesentlichen oder genau über den Mündungsbereich erstreckt, wobei die Länge der Ausbuchtung in Flussrichtung kleiner ist als die Breite der Zunahme des Querschnitts, insbesondere kleiner 50%, kleiner 25%, oder kleiner 12%, und wobei die Ausbuchtung insbesondere im Wesentlichen rechteckig ist.

Vorzugsweise weist der Ladungsübertragungskanal einen Bereich einer Verengung auf in welchem der Querschnitt in Flussrichtung abnimmt und welcher entgegen der Flussrichtung vor der Mündungsstelle und mindestens teilweise im Bereich des einen entgegen der Flussrichtung liegenden zugeordneten Gates angeordnet ist und insbesondere abgeschrägt und/oder trichterförmig ausgefuhrt ist um insbesondere den Rücklauf (Spill Back) oder der Flusswiderstand oder der Verlust der Ladungsträger in Flussrichtung zu reduzieren.

Vorzugsweise ist das Halbleitersubstrat p+ dotiert und/oder die Leitungsschicht schwach n- dotiert und/oder sind die Gatter aus Metall gebildet und/oder ist zwischen den Gattern und der Leitungsschicht eine nichtleitende Schicht angeordnet und/oder die Gatter sind untereinander elektrisch isoliert getrennt. Überblick über die Zeichnungen:

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei einander entsprechende Elemente. Es zeigen:

Fig. 1 Leitungsübertragungskanal in Schnitt entlang Flussrichtung

Fig. 2 Leitungsübertragungskanal im Schnitt senkrecht Flussrichtung

Fig. 3 Leitungsübertragungskanal mit Verengung in Draufsicht Fig. 4 Leitungsübertragungskanal mit Ausbuchtung in Draufsicht

Fig. 5 Leitungsübertragungskanal mit Einmündung in Draufsicht

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt einen Ladungsübertragungskanal 10 in Seitenansicht entlang der Flussrichtung 31 der Ladungsträger der folgenden Figuren. Der Aufbau ist analog CCD Technologie. Das umgebende Halbleitersubstrat 20 ist p+ dotiert. Im Halbleitersubstrat 20 ist eine vergrabene Leitungsschicht 30 angeordnet. Die Leitungsschicht ist schwach n- dotiert. Dies hat zur Folge, dass in der Leitungsschicht Elektronen als Ladungsträger frei beweglich sind und nicht in das Halbleitersubstrat eindringen. Auf der Leitungsschicht ist eine Isolationsschicht 43 aufgebracht und darauf sind Gatter 40, 41, 50 aus Metall angeordnet. Die Gatter sind durch Zwischenräume elektrisch voneinander getrennt. Der nicht dargestellte Taktgeber beaufschlagt die benachbarten Gatter wechselweise mit einem positiven Potential in einer Taktfrequenz von 250 MHz, sodass Leitungselektronen in der Leitungsschicht von einem Gatter zum nächsten angezogen und so in Flussrichtung verschoben werden. Die Taktfrequenz könnte auch lediglich über 100 MHz, über 150 MHz oder über 200 MHz betragen. Im Allgemeinen ist die Taktfrequenz nicht höher als 300 MHz. Die Leitungselektronen können beispielsweise photoinduzierte Elektronen aus einem an den Leitungskanal angeschlossenen Bildsensor sein.

Das Halbleitersubstrat 20 ist p+ dotiert und die Leitungsschicht 30 ist n- dotiert. Die Isolationsschicht 43 ist aus SiO2 und die Gatter sind aus Metall gebildet.

Fig. 2 zeigt den Ladungsübertragungskanal in Seitenansicht senkrecht zur Flussrichtung der Ladungsträger der folgenden Figuren. Die Leitungsschicht 30 ist vergraben, sodass im sie von oben und der Seite vom Halbleitersubstrat 20 umfasst ist. Halbleitersubstrat 20 und Leitungsschicht 30 sind nach oben mit einer Isolationsschicht versehen. Die Gatter 40, 41, 50 sind im Bereich über der Leitungsschicht 30 auf der Isolationsschicht 43 angeordnet. Die Gatter sind entlang der Flussrichtung in der Breitenausdehnung schmäler als die Leitungsschicht ausgeführt.

Fig. 3 zeigt einen Ladungsübertragungskanal in Draufsicht. Im Halbleitersubstrat 20 ist die Leitungsschicht 30 eingebettet. Die darüber liegende Isolationsschicht ist nicht gezeigt. Über dem Bereich der Leitungsschicht 30, durch die nicht gezeigte Isolationsschicht getrennt, sind die Gatter 40, 50, 41 in Flussrichtung 31 der Elektronen und mit Abständen 42 elektrisch getrennt angeordnet. Insgesamt zeigen die Gatter in Flussrichtung eine Verengung des Querschnitts. Das erste Gatter 40 weist deinen breiten Querschnitt auf, während das letzte Gatter 41 einen vergleichsweise schmäleren Querschnitt aufweist. Die beiden Gatter 50 weisen einen sich in Flussrichtung 31 verengenden Querschnitt auf. Das sich verengende Gatter 50 weist in Flussrichtung 31 zunächst einen breiten Bereich mit konstantem Querschnitt ohne Verengung 51 auf, dann einen im Querschnitt schmäler werdenden Bereich mit Verengung 52 und darauf einen schmäleren Bereich mit wieder konstantem Querschnitt ohne Verengung 51. Das Gatter 50 weist dabei Bereiche mit konstantem Querschnitt am Übergang zu den benachbarten Gattern auf. Der entgegen der Flussrichtung angeordnete Bereich mit konstantem Querschnitt ohne Verengung ist kürzer als der in Flussrichtung angeordnete Bereich mit konstantem Querschnitt ohne Verengung. Dadurch ist der schmäler werdende Bereich mit Verengung 52 aus der Mitte des Gatters 50 entgegen der Richtung der Flussrichtung verschoben angeordnet. Der schmäler werdende Bereich mit Verengung 52 ist beidseitig abgeschrägt ausgeführt, sodass er eine trichterförmige Form aufweist. Durch die so gezeigte Ausführung einer Verengung kann der Rücklauf (Spill Back) und/oder der Flusswiderstand und/oder die Verluste der Ladungsträger in Flussrichtung minimiert werden.

Fig. 4 zeigt die Gatter eines Ladungsübertragungskanals in Draufsicht. Die unter den Gattern befindliche Leitungsschicht ist nicht dargestellt. Die maximale Breite der in Flussrichtung zu Beginn und am Ende der gezeigten Gatterabfolge liegenden Gatter 40 bildet die typische Breite des Querschnitts des Leitungsübertragungskanals. Demgegenüber weisen die zwei Gatter 60 einen zusammenhängenden Bereich einer Ausbuchtung 61 auf bei welchem der Querschnitt im Vergleich zur typischen Breite um die Breite 62 etwa 25 % vergrössert ist. Unmittelbar der Ausbuchtung weist das erste Gatter 60 mit der Ausbuchtung eine Verengung 62 auf, bei welcher der Querschnitt des Ladungsübertragungskanals im Vergleich zur typischen Breite schmäler ist. Dadurch ist der Eintritt in die Ausbuchtung schmaler als der Austritt aus der Ausbuchtung. Die Verengung 62 ist bereits beim in Flussrichtung vorhergehenden Gatter 40 ausgefiihrt, welches durch einen richterförmigen Bereich den Querschnitt vom typischen Querschnitt auf den reduzierten Querschnitt der Verengung verringert. Durch die so gezeigte Ausführung einer Ausbuchtung kann der Rücklauf (Spill Back) und/oder der Fluss widerstand und/oder die Verluste der Ladungsträger in Flussrichtung minimiert werden.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der Gatter eines Leitungsübertragungskanals mit einem rechten und einem linken seitlichen Mündungsbereich 70 in Draufsicht. Ein erster Ladungsübertragungskanal ist in Flussrichtung 31 der Ladungsträger durch die Abfolge der Gatter 40, 71, 72 und 40 gebildet. Die unter den Gattern befindliche Leitungsschicht ist nicht dargestellt. Die Gatter 71 und 72 weisen Ausbuchtungen senkrecht zur Flussrichtung in Richtung der Gatter 73 auf bei der der erste Ladungsübertragungskanal einen erhöhten Querschnitt in Bezug auf die vorherigen und nachfolgenden Gatter 40 aufweist. Ein zweiter Ladungsübertragungskanal ist in Flussrichtung 32 der Ladungsträger durch die Abfolge der Gatter 73 auf 71 und 72 jeweils rechts und links vom ersten Ladungsübertragungskanal gebildet. Die Ladungsträger der zweiten Ladungsträgerkanäle fliessen vom Gatter 73 teilweise in das Gatter 71 und teilweise in das Gatter 72 um sich dann zusammen mit den Ladungsträgern des ersten Ladungsträgerübertragungskanals in dessen Flussrichtung 31 weiter zu bewegen. Der Mündungsbereich 70 ist durch den Übergang zwischen dem ersten Gatter 73 des zweiten Ladungsübertragungskanals ausserhalb des ersten Ladungsübertragungskanals und den beiden angrenzenden Gattern 71 und 72 des ersten Ladungsübertragungskanals gebildet. Der Querschnitt des Mündungsbereichs 70 entspricht etwa 60% der Länge der beiden angrenzenden Gatter 71 und 72 in Flussrichtung. Insgesamt überlappt der Mündungsbereich mit dem entgegen der Flussrichtung 31 liegenden angrenzenden Gatter 71 des ersten Ladungsübertragungskanals zu 2/3 und mit dem in Flussrichtung 31 liegenden angrenzenden Gatter 72 des ersten Ladungsübertragungskanals zu 1/3. Somit ist der Mündungsbereich in Bezug auf die beiden angrenzenden Gatter des ersten Ladungsübertragungskanals entgegen der Flussrichtung 31 verschoben. Durch die so gezeigte Ausführung eines Mündungsbereichs kann der Rücklauf (Spill Back) und/oder der Flusswiderstand und/oder die Verluste der Ladungsträger in Flussrichtung minimiert werden.

Fig. 6 zeigt die Anordnung von Figur 5, wobei das erste Gatter 50 eine Verengung aufweist. Durch die so gezeigte Ausführung eines Mündungsbereichs kann der Rücklauf (Spill Back) und/oder der Flusswiderstand und/oder die Verluste der Ladungsträger in Flussrichtung weiter minimiert werden.

Bezugszeichenliste :

10 Ladungsübertragungskanal

20 Halbleitersubstrat

30 Leitungsschicht

31 Flussrichtung

32 Flussrichtung 0 Gatter, breit 1 Gatter, schmal 2 Isolierender Abstand zwischen den Gattern 3 Isolationsschicht 0 Gatter mit Verengung 1 Bereich ohne Verengung 2 Bereich mit Verengung 0 Gatter mit Ausbuchtung 1 Bereich mit Ausbuchtung 2 Breite der Ausbuchtung 2 Verengung 0 Mündungsbereich 1 Erstes Gatter des ersten Leitungskanals mit Mündungsbereich2 Zweites Gatter des ersten Leitungskanals mit Mündungsbereich 3 Gatter eines weiteren Leitungskanals