专利名称：绕行转移面阵电荷耦合器件ccd的制作方法
技术领域：
本发明属于光学图像数据处理技术领域，涉及一种面阵电荷耦合器件，具体涉及一种采用绕行转移方式的面阵电荷耦合器件CCD。
背景技术：
像感电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是依靠高度集成分立的MOS电容之间的耗尽层耦合而工作的，信号电荷包完成光积累后由原来位置经栅极电压控制而转移到输出口读出电路，把一维或二维图像信息转换为时间的一维函数，完成图像采集。
目前已经研制出的行间转移型、帧场转移型和垂直行型面阵CCD，其工作原理如周祖成、茅於海编著的《电荷耦合器件在信号处理图像传感中的应用》所述，三种面阵CCD结构虽然都具有较低转移损失和能够应用电子快门的优势，但是存在以下缺点(1)由于光敏区和转移区分立，转移区占据了器件探测的一部分感光面积，造成了分辨率和图像探测灵敏度的降低；(2)列向转移区和行向转移区分立，分立的列向转移区和行向转移区在一种工作频率时，容易造成信号电子周期性的滞留，或者必须有两种频率相差很大的控制波源来分别驱动，不论哪种情况，行列转移控制脉冲时间相差都不易对称，从而带来噪声；(3)由于输出信号为时间不连续的有一定占空比的电压或电流波形，造成转移速度低；(4)结构复杂，制作成本较高。
发明内容
为了解决现有技术CCD结构的上述缺陷，本发明的目的是提供了一种采用绕行转移方式的面阵电荷耦合器件CCD。
本发明所采用的技术方案是，绕行转移面阵电荷耦合器件CCD，包括硅衬底、硅衬底上氧化生长的SiO2绝缘层，以及在SiO2绝缘层上排列布置的MOS感光单元铝栅电极，MOS感光单元铝栅电极的排列布置为与相数相同个数的MOS感光单元铝栅电极组成一位，构成一个工作单元，每个工作单元横向周期排列，MOS感光单元铝栅电极之间为沟道，每行的MOS感光单元铝栅电极之间由沟阻隔开，奇数MOS感光单元铝栅电极行的行尾端与紧接的偶数行的行尾端不进行高掺杂，沟道相通，偶数MOS感光单元铝栅电极行的行始端与紧接的奇数行的行始端不进行高掺杂，沟道相通，根据工作脉冲为几相将整个面阵按MOS感光单元铝栅电极的列向平均分为几个区，每个区的尾端设置有浮置栅输出放大器，各区的浮置栅输出放大器的输出端并接。
本发明的特点还在于，MOS感光单元铝栅电极的行向间隙宽度L小于3μm。
本发明的有益效果是(1)本发明将光敏区、转移栅和转移区模拟移位寄存器组合在一起，简化了现有技术CCD的内置结构。
(2)简化驱动脉冲的同步驱动通路，减少了CCD中的不对称和结构单元之间时间延迟的缺点，降低了输入噪声。
(3)只需一种工作波源。
(4)感光面积可以在器件光照面积中占到接近2/3，提高探测灵敏度，降低电子在Si衬底内的迁移噪声。
(5)分区采集光信号，而各区信号并行输出，使器件总体转移次数降低，提高转移效率；并且输出信号为时间连续函数，提高了器件的输出速度。
(6)采用机械快门控制信号积累时间，可方便适用于不同光照强度等级的应用场合，更加有利于专业摄影的需求。
(7)实现了成本低和高效工作的设计目的。
图1是现有的三相行间转移面阵电荷耦合器件CCD结构示意图；图2是本发明提供的绕行转移面阵CCD一种实施例结构示意图；图3是图2的行端局部结构放大示意图；图4是图2的侧面剖视图，其中，a是光照积累阶段CCD每一位的前两个感光单元同时采集光信号；b是预备转移阶段结束时A区每一位的第一个感光单元收集电子信号包；c是预备转移阶段结束时B区每一位的第二个感光单元收集电子信号包；d是预备转移阶段结束时C区每一位的第三个感光单元收集电子信号包；图5是本发明对三相时钟脉冲的一个周期的量化说明曲线图；图6是本发明CCD结构的输出信号波形图。
图中，1.水平转移模拟移位寄存器，2.垂直转移模拟移位寄存器，3.MOS感光单元铝栅电极，4.A区浮置栅输出放大器，5.B区浮置栅输出放大器，6.C区浮置栅输出放大器，7.浮置栅输出放大器并联输出口，8.沟道，9.沟阻，10.SiO2绝缘层，11.MOS电容器势阱，12.光生信号电子，13.P型硅衬底，14.光信号。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
面阵CCD结构，是在P型硅衬底13上氧化生长一层SiO2绝缘层10，在SiO2绝缘层10上采用交叠栅工艺制作的MOS感光单元铝栅电极3，MOS感光单元铝栅电极3加压后形成MOS电容器势阱11，MOS电容器势阱11内是光生信号电子12。
图1显示的是一种现有的三相行间转移面阵CCD结构，MOS感光单元铝栅电极3组成光敏区，光敏区和垂直转移模拟移位寄存器2之间是转移栅区，在器件的每一列中，光敏区、转移栅区、垂直转移模拟移位寄存器2横向依次排列，而水平转移模拟移位寄存器1设置在每一列的端口，每一垂直转移模拟移位寄存器2对应水平转移模拟移位寄存器1中的一个MOS单元，这样的单元是中间间隔相同的两个单元排列的。MOS感光单元铝栅电极3完成信号电荷包光照积累后，由转移栅控制同时转到垂直转移模拟移位寄存器2中，再由列向三相时钟控制脉冲控制逐行转向水平转移模拟移位寄存器1中，然后，由行向三相时钟控制脉冲控制逐个转移输出。
本发明的绕行转移面阵CCD结构，每三个MOS感光单元铝栅电极3组成一位，构成器件的一个工作单元，每个工作单元横向周期排列，行之间由沟阻9隔开，电荷包转移通道由掺杂浓度不同所形成的沟道8与沟阻9构成，奇数MOS感光单元铝栅电极3行的行尾端与紧接的偶数行的行尾端不进行高掺杂，沟道相通，同样，偶数MOS感光单元铝栅电极3行的行始端与紧接的奇数行的行始端不进行高掺杂，沟道相通，根据工作脉冲为几相将整个面阵按MOS感光单元铝栅电极3的列向平均分成几个区，在每个区的尾端设置浮置栅输出放大器，各区的浮置栅输出放大器的输出端并接在一起。
图2是本发明提供的一种三相CCD实施例。每三个MOS感光单元铝栅电极3组成一位，构成器件的一个工作单元，将整体面阵按列向平均分为A、B、C三个区，每个区的尾端设置浮置栅输出放大器，分别为A区浮置栅输出放大器4、B区浮置栅输出放大器5和C区浮置栅输出放大器6，其相应的信号读出出口分别为d1、d2、d3，并且A区浮置栅输出放大器4、B区浮置栅输出放大器5和C区浮置栅输出放大器6都将信号并联到浮置栅输出放大器并联输出口7，该器件的总信号读出电路出口d直接并接在三个浮置栅输出放大器d1，d2，d3的输出端。如图3所示，在每一区中，奇数MOS感光单元铝栅电极3行的行尾端与紧接的偶数行的行尾端不进行高掺杂，沟道8相通，同样，偶数MOS感光单元铝栅电极3行的行始端与紧接的奇数行的行始端不进行高掺杂，沟道8相通。MOS感光单元铝栅电极3分行向的间隙宽度L小于3μm，列向间隙宽度由掺杂工艺精度决定，端部的电极可以适当增加宽度。
其工作原理如下信号分别在A区、B区、C区中独立绕行，即在每一区中，每位信号电荷逐位推进，每一MOS感光单元铝栅电极3的行的末端与下一行的始端相接，应用三相控制时钟，分别由信号读出端结构A区浮置栅输出放大器4、B区浮置栅输出放大器5和C区浮置栅输出放大器6读出，因为三种读出信号相位不同，信号电荷包从出口以两个空包、一个信号包间隔地读出来，最后，总信号读出电路出口d直接并接在三个浮置栅输出放大器的输出端d1、d2、d3，总信号读出电路出口d的输出信号就成了没有空包的连续的模拟信号。
本发明将现有技术中的三个区光敏区、转移栅区和模拟移位寄存器设计在一起，采用特有的MOS感光单元铝栅电极3排列布置方式把三区的功能由一种结构分三个工作阶段分时来完成。3个工作阶段为信号电荷包光照积累、预备转移和转移输出。
(1)信号电荷包光照积累如图4a，光信号14从P型硅衬底13底部方向入射，发生内光电效应，产生电子-空穴对，这时相线￠1，￠2同时为高电平，所连接的MOS电容器感光单元形成连通深耗尽层，对P型硅中的少子电子进行捕获，而积累时间可由机械快门和拍照相线控制脉冲共同调节控制，但积累时间不应超过硅的存储时间TT=2τ0NAni]]>其中τ0为耗尽的电子寿命，NA为掺杂浓度，ni为本征半导体浓度。
由于三相CCD的三个感光单元为一位，而有两个同时感光，所以这种方式的探测率(定义为光敏区所占器件光照面积的比值)接近2/3，比现有的最高探测率1/4(二相线CCD)有较大的提高，因此本发明所提出的CCD结构会达到高分辨率和高的图像探测灵敏度。
(2)预备转移本发明面阵CCD的预备转移阶段的目的是为转移输出时三路信号并接做准备。这时，机械快门关闭。预备转移阶段完成图2中的A，B，C三区每位信号电荷包初始位置的确定。具体地说，就是在A区中第一相电极下存储电荷包，如图4b所示；B区第二相电极下存储电荷包，如图4c所示；C区第三相电极下存储电荷包，如图4d所示。
办法是A区中相线￠2变为低电平，￠1不变；B区中相线￠1变为低电平，￠2不变；C区中相线￠3变为高电平后，￠1、￠2变为低电平，从而构成预备转移相线脉冲。
(3)转移输出绕行转移面阵CCD的电荷包转移通道是由掺杂浓度不同所形成的沟道与沟阻构成，如图3所示。根据栅压VG、表面势VS和本征半导体掺杂浓度NA之间的关系VG=Vs+(2ϵsϵ0eNAVsCox2)1/2]]>式中，εs为硅的介电常数，ε0为SiO2的介电常数，e为电子电量(取正值)，Cox为每单位栅面积下的MOS电容值，可知，在器件衬底的相应部位做更高掺杂，便会建立起势垒而形成沟阻，以限定CCD沟道。信号包被相线控制只能通过沟道向一个方向转移，而不能偏移。
我们对该器件三相转移工作脉冲进行了量化讨论，如图5所示，设矩形脉冲上升沿和下降沿时间同为t，占空比为8∶7，而且矩形脉冲高电平中点为初相位，则可以得到￠1相线初相为0，￠2相线初相为5t，￠3相线初相为10t，而脉冲周期为15t。在每一位中，信号电荷包从第一个MOS电容器向第二个MOS电容器转移发生在t至4t之间，从第二个MOS电容器向第三个MOS电容器转移发生在6t至9t之间，从第三个MOS电容器向下一位第一个MOS电容器转移发生在11t至14t之间，也可以分别参照图4中的c、d、b所示。
三个浮置栅输出放大器d1，d2，d3输出端直接并联，最终输出时间的连续信号包函数，如图6所示，是由器件的三个部分输出信号以CCD转移周期1/fc为时间间隔交叠起来，即信号频率变为3fc，因此提高了转移速度。
这样输出的信号与通用显示器模式不符，有以下两种解决途径(1)改进DSP数字信号处理器，使输出信号与显示器逐行/隔行扫描工作模式相符。
(2)制作出与器件配套的显示器，这样便实现了一整套的成像系统。
综上，本发明的绕行转移面阵CCD实现了精简结构，且只需一种工作波源，只需普通CCD的制作方法即可完成，实现了低成本易制作的目的。
权利要求
1.一种绕行转移面阵电荷耦合器件CCD，包括硅衬底、硅衬底上氧化生长的SiO2绝缘层(10)，以及在SiO2绝缘层(10)上排列布置的MOS感光单元铝栅电极(3)，其特征在于，所述的MOS感光单元铝栅电极(3)的排列布置为与相数相同个数的MOS感光单元铝栅电极(3)组成一位，构成一个工作单元，每个工作单元横向周期排列，MOS感光单元铝栅电极(3)之间为沟道(8)，每行的MOS感光单元铝栅电极(3)之间由沟阻(9)隔开，奇数MOS感光单元铝栅电极(3)行的行尾端与紧接的偶数行的行尾端不进行高掺杂，沟道(8)相通，偶数MOS感光单元铝栅电极(3)行的行始端与紧接的奇数行的行始端不进行高掺杂，沟道(8)相通，根据工作脉冲为几相将整个面阵按MOS感光单元铝栅电极(3)的列向平均分为几个区，每个区的尾端设置有浮置栅输出放大器，各区的浮置栅输出放大器的输出端并接。
2.按照权利要求1所述的绕行转移面阵电荷耦合器件CCD，其特征在于，所述的MOS感光单元铝栅电极(3)的行向间隙宽度小于3μm。
全文摘要
本发明公开的绕行转移面阵电荷耦合器件CCD，包括P型硅衬底、SiO
文档编号H01L27/148GK1921133SQ200610104588
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月18日 优先权日2006年9月18日
发明者独育飞, 唐远河, 刘锴, 宁辉, 张磊, 李皓伟 申请人:西安理工大学