DE2341855B2 - Eimerketten-ladungstransport-halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Eimerketten-Ladungstransport-Halbleiterbauelement mit einem eine Hauptfläche aufweisenden Halbleiterkörper, einer Mehrzahl in Abstand voneinander längs einer Bahn an dieser Hauptßäche im Halbleiterkörper angeordneter lokalisierter Zonen mit gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, einer auf dieser Hauptfläche und den Zonen angeordneten Isolierschicht und einer Mehrzahl im Abstand voneinander lokalisierter Elektroden, die auf der Isolierschicht angeordnet und zu den lokalisierten Zonen so ausgerichtet sind, daß jeweils eine elektrode sich über den Zwischenraum zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen sowie über eine Zone des Paares weiter als über dessen andere erstreckt.

Wie auf diesem Gebiet inzwischen wohl bekannt ist, funktionieren die Ladungsiransport-Bauelemente des Eimerkettentyps durch selektives Übertragen von Paketen oder NichtVorhandensein von Paketen beweglicher Ladungsträger der Reihe nach von Zone zu Zone entlang der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, der einen Leitfähigkeitstyp und eine Mehrzahl in Abstand voneinander liegender lokalisierter Zonen des anderen Leitfähigkeitslyps aufweist. In diesen Bauelementen wird jede Zone als eine Potentialmulde betrieben, deren Grenze durch den die Zone begrenzenden pn-übergang festgelegt ist.

Konzeptionell einfach kann man sich die Ladungstransport-Bauelemente vom Eimerkettentyp als eine Kaskade von IGFETS (Insulated Gate Field Transistor) vorstellen, in der jede der Oberflächenzonen als Drain eines bestimmten IGFET und als Source des nächstfolgenden IGFET dient. Zu irgendeinem gegebenen Arbeitszeitpunkt kann dann ein Paar aufeinanderfolgender Zonen als Source bzw. Drain eines IGFET aufgefaßt werden, und die darüberliegende Transportelektrode kann als die Gate-Elektrode des IGFET aufgefaßt werden.

Bekanntlich ist ein bedeutender Faktor bei der Signalverschlechterung in solchen Bauelementen das, was als »dynamischer Drain-Leitwert« bezeichnet worden ist, ein Rückkoppelungseffekt, der zu einer Vergrößerung des effektiven Abstandes zwischen Source und Drain während eines Transportvorgangs führt und auf der Verringerung der Drain-Spannung während des Tranportes von Ladungsträgern hierin beruht. Dieser Effekt ist von C. N. Berglund und R. J. Strain bei einem Eimerketten-Ladungstransport-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art beschrieben worden in dem Artikel »Fabrication and Performance Considerations of Charge Transfer Dynamic Shift Registers«, der in Bell System Technical Journal, Band 51, Nr. 3, März 1972, Seite 655, erschienen ist.

Eine Methode zur bedeutenden Reduzierung des Effektes des dynamischen Drainleitwertes wurde von F L. I. Sangster in dem Artikel »Integrated Bucket-Brigade Delay Line Using MOS Tedrodes« Ijeschrieben, der in Philips Technische Rundschau, Band 31, 1^97O> Seite 270, erschienen isi. Sangsters Methode umfaßt die Verdoppelung der Zahl der IGFETS pro Bit gespeicherter Information und weist auf die Verwendung einer Leiterbahn zur Vorspan-

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Elektroden selber und haben demzufolge auch völlig anders geartete Funktion, nämlich der Signalverschlechterung bei der Übertragung entgegenzuwirken. Die vorliegende Erfindung beruht einmal auf der Erkenntnis, daß Sangsters zusätzliche Leitungsbahn vermieden werden kann, sofern seine zugefügten Transistoren so aufgebaut sind, daß sie eine Potentialschwelle erzeugen, die von der der ursprünglichen Ladungstransporttransistoren verschieden ist und

nung der hinzugefügten IGFETS zusätzlich zu dem io beruht auf der weiteren Erkenntnis, daß durch Verl^iterbahnenpaar auf, das normalerweise zur Kop- Wendung der Potentialschwellen unterschiedlicher pelung von Taktsignalen auf die Eimerbrigaden- Höhe !sangsters hinzugefügte Oberflächenzonen auch Elektroden verwendet wird. Anders ausgedrückt um- eliminiert werden können.

faßt Sangster Methode üie Verwendung der doppelten Diese Differenz in der Höhe der Potentialschwellen

Anzahl von Oberfiächenzonen pro Bit gespeicherter 15 reduzier* im Verein mit einem praktisch abrupten Informationen und eine 5O°/otige Erhöhung der Lei- Übergang dazwischen die Rückkoppelung der Spanterbatinenzahl, die zur Herbeiführung eines plan- nung von der übernehmenden Zone (Drain) zur mäßigen Informationstransportes durch das Bauele- übergebenden Zone (Source) genauso wirksam wie ment verwendet wird. Diese Methode wird für viele Sangsters Zwei-Transistor-pro-Bit Aufbau, und zwar Anwendungen als übermäßig komplex betrachtet und 20 ohne dessen oben beschriebene übermäßige Kombringt zusätzlich eine größere Abmessung pro Bit plexheit.
gespeicherter Information mit sich. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, bei der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt Eimerketten-Ladungstransport-Halbleiterbauelemen- Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Teils eines

ten die Bit-Speicherstellendichte zu erhöhen und die 25 grundsätzlichen bekannten Eimerkettenbauelementes Gesamtanordnung zu vereinfachen, wobei der be- entlang des Informationskanals, schriebene Rückkopplungseffekt zwischen Source und
Drain während des Transportvorganges verringert
werden soll.

Diese Aufgabe ist bei dem Eimerketten-Ladungstransport-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch separate, einem jeden Zwischenraum zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen zugeordnete Einrichtungen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Potentialschwellen unterschiedlicher Höhe im Halbleiterkörper in dem Zwischenraum derart, daß die Potentialschwellen vom in Richtung der Ladungsträgertransport hinteren zum vorderen Teil des Zwischenraums abnehmen und ein

praktisch abrupter Übergang zwischen aufeinander- 40 tionskanals eines Teils eines Eimerketten-Bauelemenfolgenden Potentialschwellen vorhanden ist. tes gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.

Nicht unerwähnt bleiben soll, daß es für die durch Es sei darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung

Ladungskopplung eine Ladung übertragenden Halb- und besseren Klarheit der Darstellung und Erläuleiterbauelemente (sogenannte CCD's=charge cou- terung die Figuren nicht unbedingt maßstabsgerecht pled device) bekannt ist, im Innern des Halbleiterkör- 45 sind.

pers Potentialschwellen durch Elektroden zu erzeu- In Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht längs des Ingen, die auf einer eine Oberfläche des Halbleiterkör- formationskanals eines Teils 11 eines grundsätzlichen pers bedeckenden Isolierschicht mit unterschiedlichen bekannten Eimerketten-Bauelementes gezeigt, wie es Dicken liegen. (Vergl. IEEE J. of Solid-State-Circuits, beispielsweise im US-Patent 36 60 697 offenbart ist. Band5Cbis6, 1971, Nr. 5, S. 314 bis 322). Bei diesen 50 Wie dargestellt ist, umfaßt der Teil 11 ein Speicher-Halbleiterbauelementen hat aber der Halbleiterkör- medium, den Halbleiterkörper 12, der beispielsweise per keine lokalisierte Zonen des entgegengsetzten Lei- n-halbleitend ist und über dem eine Isolierschicht 13, tungstyps, wie diese beim Eimerketten-Halbleiter- typischer Siliciumoxid, gebildet ist. Über der Isolierbauelement vorhanden sind. Die Abstufung der Elek- schicht 13 ist eine Mehrzahl von Elektroden 14 M, troden dient dort zu dem ausschließlichen Zweck, 55 15M, UN und ISN angeordnet, von denenjede in die Übertragungsrichtung für den Ladungstransport "" ^---<"■- ■—■ * x^u^_ov.i

zu fixieren. Alternativ hierzu ist es für CCD's auch bekannt (vgl. Applied Physics Letters, Band 19, 1971,

Nr. 12, S. 520 bis 522), solche Potentialschwellen „ _

durch Bereiche hoher Dotierungskonzentrationen zu 60 deutet ist, sind die Oberflächenzonen 18 und 19 stark erzeugen. Demgegenüber ist das Eimerketten-La- dotiert p-halbleitend.

dungstransport-Halbleiterbauelement, auf das die Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die Elektroden und

vorliegende Erfindung gerichtet ist, von Hause aus in die lokalisierten Zonen zueinander m einem solchen seiner Übertragungsrichtung fixiert, benötigt also zu Verhältnis angeordnet sind, daß jede Elektrode bediesem Zweck keine gesonderten Mittel. Die bei der 65 trächtlich mehr über die rechts darunterliegende Zone Erfindung vorgesehenen Potentialschwellen liegen im als über die links darunterliegende Zone reicht. Spe-Zwischenraum zwischen den Transportelektroden und zielkr ausgedrückt überdeckt beispielsweise die Eleknirht wie bei den bekannten CCD's unterhalb der trodc 15 M einen beträchtlich größeren Teil der Zone

F i g. 2 eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals eines Eimerkettenbauelementes gemäß eines ersten zu beschreibenden Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 ein Diagramm, in dem typische Oberfläche npotentiale im Aufbau der Fig. 2 beim Anlegen typischer Arbeitsspannungen dargestellt sind,

F i g. 4 A eine vergrößerte Ansicht eines besonders wichtigen Teils des Aufbaus der F i g. 2,

F i g. 4 B ein Diagramm, in dem typische Oberflächenpotentiale dargestellt sind, die beim typischen Betrieb des Aufbaus der Fig. 2 und 4A auftreten, wobei eine Arbeitsspannung angelegt ist und

F i g. 5 eine Querschnittsansicht längs des Informa-

Eins»zu-Eins-Übereinstimmung mit einer Mehrzahl lokalisierter Zonen 18M, 19M, 18N und 19N angrenzend an die Oberfläche des Halbleiterkörpers

ausgerichtet ist. Wie in der Zeichnung weiter ange-

armungsbereich in seiner Breite und verlängert den Kanal effektiv, womit der Übertragungsleitwert sukzessiv verringert wird und gleichzeitig den Transport der restlichen Ladungen immer schwieriger wird.

Es ist leicht einzusehen, daß diese Wirkung sich mit zunehmender zu transportierender Ladung erhöht. So wird beispielsweise ein relativ großes Ladungsträgerpaket, das möglicherweise eine »Eins« darstellt, mehr gedämpft als ein relativ kleines Ladungsträgerpaket, das eine »Null« repräsentiert. Da die Wirkung nicht gleichmäßig ist, kann eine beträchtliche Signalverschlechterung resultieren.

Da, wie oben ausgeführt, die Arbeitsweise des Aufbaus der F i g. 1 nicht direkt analog mit der IGFET-

19 M (rechts darunterliegend) als der Zone 18 M (links darunterliegend).

Ein Paar Leiterbahnen 16 und 17 sind je mit jeder zweiten Elektrode verbunden, d. h., Leiterbahn 16 ist mit der Elektrode 14 und Leiterbahn 17 mit der Elektrode 15 verbunden. Im Betrieb werden zwei Phasen-Taktspannungen V₁ und V₂ über die Leiterbahnen 16 und 17 an die Elektroden 14 bzw. 15 angelegt. Bekanntlich sind die Spannungen V₁ und V₂ vorteilhafterweise ausreichend groß, um die Halbleiteroberfläche des Teils 11 immer in Verarmung zu halten, um die Wirkungen der Oberflächenzustände auf die zu transportierende Ladung minimal zu machen.

In einer Taktphase, beispielsweise wenn die Ampli- 15 Arbeitsweise ist, da ja keine direkte elektrische Vertude von V₁ größer als die von V₂ ist, erhalten die bindung zu den Zonen existiert, und da es außerdem Zonen 18 unter den Elektroden 14 ein viel größeres viel einfacher für die folgende Beschreibung ist, wird Oberflächenpotential, als die Zonen 19 unter den die Verwendung der IGFET-Terminologie an dieser Elektroden 15. Als Folge dieser beabsichtigten einge- Stelle abgebrochen. Statt dessen werden die lokalisierbauten Differenz im Oberflächenpotential, das von ao ten Zonen als »Ladungsspeicherplätze« und die der asymmetrischen Anordnung der Elektroden be- Kanalbereiche zwischen Zonen entlang der Oberzüglich der Zonen herrührt, werden bewegliche La- fläche als »Transportbereiche« bezeichnet. Zusätzlich dungsträger, die sich vor dem Anlegen dieser momen- ist die Verwendung der Ausdrücke »vorn« und tan beschriebenen Taktphase in den Zonen 19 befan- »hinten« nützlich, was auf die Bewegungsrichtung den, von ihrer jeweiligen Zone 19 in die in Fig. ! »5 der die Signalinformation darstellenden beweglichen unmittelbar rechts liegende Zone 18 transportiert. Ladungsträger bezogen ist. Da durch die eingebaute Aus der obigen Beschreibung des Aufbaus und der Asymmetrie im Aufbau der F i g. 1 festgelegt 1st, daß Arbeitsweise ist zu ersehen, daß jedes Paar benach- diese Richtung die des Transports nach rechts ist, barter Zonen, z.B. 18M und 19M, 19M und 18N weiden die am weitesten rechts liegenden Teile und 18 N und 19 N aufgefaßt werden kann als Source 30 irgendeines besonderen Merkmals als vordere Teile und Drain eines IGFET (Insulated Gate Field Effect und die am meisten links liegenden Teile als die hin· Transistor). In einem solchen Zusammenhang kann teren Teile bezeichnet.

dann der Oberflächenteil des η-leitenden Halbleiter- Unter Beachtung dieser Terminologie und der

körpers 11 zwischen einem jeden Teil benachbarter obigen Beschreibung des grundsätzlichen bekannten

Zonen aufgefaßt werden als der Kanal eines IGFET. 35 Eimerketten-Bauelementes und seiner Probleme wird

Man wird jedoch sehen, daß keine Drain- und als nächstes der in F i g. 2 dargestellte Aufbau be Source-Elektroden vorhanden sind, welche die Spannungen an den Source- und Drain-Zonen aufrechterhalten, wenn der Transport der Ladungsträger
vorangeht. Wenn Ladungsträger in eine Zone trans- 40
portiert werden, verringert sich als Folge davon der
Betrag des Oberflächenpotentials in dieser Zone und
demgemäß die Spannung der Zone selbst, während
ein jeder nachfolgender beweglicher Ladungsträger

in diese eintritt. In einem Aufbau der in F i g. 1 dar- 45 der Oberfläche des Körpers 22 und den Zonen 2i

gestellten Art erzeugt dieses abnehmende Potential und 29 ist eine Isolierschicht 23 ungleichmäßige!

eine effektive Längenzunahme des IGFET-Kanals Dicke angeordnet, und über der Isolierschicht 23 be-

und macht es somit schwieriger für weitere Ladungen, findet sich eine Mehrzahl von Elektroden 24 und 25

transportiert zu werden. Dies ist der Effekt, der oben Wie man sehen kann, umfaßt jede Elektrode zwe als »dynamischer Drain-Leitwert« bezeichnet wor- 5° unterschiedliche Teile, wobei der vordere Teil mi

den ist. dem Zusatz B und der hintere Teil mit dem Zusatz Λ

Diesen Kanalverlängerungseffekt kann man ver- gekennzeichnet ist.

stehen, wenn man bedenkt, daß die in den Zonen 18 Spezieller ausgedrückt, ist eine Mehrzahl von Elek

und 19 induzierten Spannungen typischerweise von troden 24 und 25 in Eins-zu-Eins-Übereinstimmun] einer Polarität sind, die zur Erzeugung einer Sperr- 55 mit der Mehrzahl lokalisierter Zonen 28 und 29 ange

Vorspannung an den diesen Zonen zugeordneten pn- ordnet Wie zu ersehen ist reicht der vordere Tei

Übergängen ausreicht Als Folge davon erstreckt sich 24 MB der Elektrode 24 über einen großen Prozent

ein Verarmungsbereich von der Zone in alle Richtun- satz der Zone 28 M und erstreckt sich auch etwa bi

gen und, was wichtig ist, nach links in F i g. 1 in den in die Mitte über dem Raum zwischen der Zone 28 Λ Kanalbereich. Die Wirkung dieser Ausdehnung des 60 und der direkt vorausgehenden p-leitenden Zone. De

Verarmungsbereiches in den Kanal ist eine effektive hintere mit 24MA bezeichnete Teil der Elektrod

Verringerung der Kanallänge. Wie es für IGFETS be- 24 M reicht im wesentlichen lediglich über die hinter

kannt ist erzeugt eine Verringerung der Kanallänge Hälfte des Zwischenraums, d. h. des Transportbe

einen höheren Ubertragungsleitwert welcher für eine reichs, zwischen der Zone 28 M und der direi gegebene angelegte Spannung einen leichteren Trans- 65 vorausgehenden Zone.

port der Ladungsträger von Source nach Drain ermög- In gleicher Weise umfaßt jede der Elektroden 25M

licht Verringert sich der Betrag des Oberflächenpo- 24 N und 25/V Teile A und B analog zu den b«

tentials in den Dramzonen, verringert sich der Ver- sehriebenen Teilend und B der Elektrode24M.

g rgestellte Aufbau be trachtet, eine Querschnittsansicht längs des Informationskanals eines Teils 21 eines Eimerketten-Bauelements gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels.

Wie gezeigt ist, umfaßt der Teil 21 einen Halbleiterkörperteil 22, der beispielsweise n-halbleitend ist und angrenzend an dessen Oberfläche eine Mehrzahl p-leitender lokalisierter Zonen 28 und 29 umfaßt, die den Zonen 18 und 19 in Fig. 1 entsprechen. Ubei

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Für den Betrieb ist bei Zuführung von Zwei-Pha- 52 und 53 beruht auf den relativen Konzentrationen

sen Taktspannungen F₁ und F₂ über Leitungsbahnen der Donatoratome im Transportbereich und der Ak-

26 und 27 an die Elektroden 24 und 25 eine typische zeptoratome im Speicherplatz 28 M. Natürlich ist die-

Oberflächenpotentialverteilung (beim Nichtvorhan- selbe physikalische Struktur unter jeder Elektrode

densein Signalinformation darstellender beweglicher 5 wiederholt oder kann wiederholt werden, und so sind

Leitungsträger) chematisch im Diagramm der Fi g. 3 die Potcntialschwellen unter der Elektrode 25 M und

dargestellt. In Fig. 3 ist die Größe des Oberflächen- anderen Elektroden ähnlich wie diejenigen unter der

potentials 151 im Aufbau der Fig. 2 in Abwärts- Elektrode 24M. Eine solche Beziehung ist in Fig. 3

richtung zunehmend dargestellt, wobei ein willkürlich dargestellt.

gewählter Nullbezugspegel an der Basis des Pfeils 31 io In Fig. 4A ist eine vergrößerte Ansicht eines beangenommen wird. Wie ersichtlich ist, steht die hori- sonders wichtigen Teils des Aufbaus der F ι g. 2 darzontale Abmessung des Diagramms von F i g. 3 in gestellt, wobei ein typischer Transportbereich die Übereinstimmung mit der horizontalen Abmessung Mitte bildet. Fig. 4B ist ein mit Fig. 4 A fluchtendes Aufbaus nach Fig. 2. Wie man weiter sehen des Diagramm und zeigt typische Oberflächenpotenkann, ist am Diagramm der F i g. 3 angenommen, daß 15 tiale5, die bei typischem Betrieb des Aufbaus der der Betrag der Spannung F₂ größer als der der Span- F i g. 2 und 4 A auftreten,
nung F₁ ist. Wie man sehen kann, stellt die Struktur der

Im Betrieb erzeugt eine an die Elektrode 24 M F i g. 4 A gerade eine vergrößerte Ansicht desjenigen angelegte Spannung unter dem Teil 24MA eine erste Teils der Fig. 2 dar, der den am meisten rechts lie-Potentialschwelle51, deren Betrag kleiner als der 20 genden Teil der Zone28M, den Transportbereich einer zweiten Potentialschwelle 52 unter dem hin- zwischen den Zonen 28 M und 29 M, den am weiteren Teil desjenigen Teils der Elektrode 24 MB ist, testen links liegenden Teil der Zone 29 M und die der nicht über der Zone 28 M liegt, wobei der klei- Isolierschicht 23 und den darüberliegenden Eleknere Betrag auf dem größeren Abstand des Teils trodenaufbau umfaßt. Wie ersichtlich ist, schließt der 24 MA \ on der Halbleiteroberfläche beruht. Bei dem 25 Transportbereich zwischen den Zonen 28 M und 29 M in Fig. 2 dargestellten Leitfähigkeitstyp des Halb- zwei Teile ein, die mit Π bzw. Γ2 bezeichnet sind, leiterkörpers sind die Spannungen F₁ und F₂ ty- Tl ist derjenige Teil, vorteilhafterweise etwa die pischerweise negativ, um einen Betrieb im Ver- Hälfte, der Transportzone, der am nächsten an Zone armungsmodus zu bewirken, in diesem Fall tendieren 28 M liegt und unter dem am weitesten links liegendie negativ ionisierten Akzeptoren in der Zone 28M 30 den Teil der Elektrode 25M liegt, wobei dieser Teil dazu, die größte des Obenflächenpotentials in der mit 25MA bezeichnet ist. Der Teil 25MA ist in negativen Richtung zu erhöhen. größerem Abstand angeordnet, d. h. über einer

Im anderen Halb-Bit, d.h. im Transportbereich größeren Isolierschichtdicke, als der Teil 25MB, der

und in dem der Elektrode 25M zugeordneten Spei- über der anderen Hälfte Γ2 der Transportzone

cherplatz 29 M sind die Oberflächenpotentiale in 35 liegt.

F i g. 3 unter der Annahme gezeichnet, daß F₂ aus- Wie in F i g. 4 B dargestellt ist, erzeugt das Anlegen reichend größer als F₁ ist, so daß die Mindestgröße einer Spannung an die Elektrode 25 M eine Oberdes durch die hintere Kante 25 MA der Elektrode flächenpotentialverteilung im Transportbereich, wel- 25M verursachten Potentialschwelle 54 von größerem eher zwei Potentialschwellen unterschiedlicher Höhe Betrag ist als das dem vorderen Teil der dem Halb- 4° 54 und 55 in den Bereichen Γ1 bzw. T2 umfaßt. Bit direkt vorausgehenden Transportzone zugeord- und es existiert ein relativ abrupter Übergang zwineten Potentialschwelle 52. Genauer gesagt, die sehen den beiden Potentialschwellen, der auf dem durch die Spannung F₂ unter der Elektrode 25 M ver- relativ abrupten Übergang zwischen den unterschiedursachte Potentialverteilung entspricht derjenigen liehen Isolierschichtdicken beruht. Wie oben erunter der Elektrode 24 M, mit der Ausnahme, daß sie 45 wähnt worden ist, sind sowohl das Vorhandensein in Richtung erhöhter Anziehung für bewegliche Trä- der beiden Potentialschwellen als auch die Existenz ger verschoben ist. des relativ abrupten Übergangs dazwischen aus noch

Wie dargestellt ist, ist die Potentialschwelle 53 der zu erklärenden Gründen wichtig.

Zone 28 M praktisch gleich der Potentialschwelle 54 Zunächst sei jedoch bemerkt, daß das Vorhandendes hinteren Teils der nachfolgenden Transportzone, 50 sein der zwei Potentialschwellen unterschiedlichei was auf der reichlichen Menge beweglicher Ladungs- Höhe im Transportbereich eines Aufbaus, wie er ir träger in der stark dotierten Zone28M beruht. Wie Fig. 4A dargestellt ist, lediglich auf der Tatsache man sehen kann, wiederholt sich das Potentialdia- beruht, daß der Elektrodenteil 25 MA über einengramm mit Zwei-Eleklroden-Periodizität, beispiels- dickeren Isolierschichtbereich angeordnet ist und des weise von der hinteren Kante der Elektrode 24 Λί zur 55 halb einen größeren Abstand von einer Halbleiterhinteren Kante von 24 N. oberfläche aufweist als der Elektrodenteil 25 ΛίΒ

Αβ diesem Punkt «ei darauf hingewiesen, daß die Wie im einschlägigen Stand der Technik bekannt ist relativen Petentialunterschiedc innerhalb eines gege- resultiert diese beschriebene Differenz im Oberbenen Halb-Bit* konstant bleiben und durch den flächenpotential, das durch Anlegen einer gleichförphysikaUechen Aufbau festgelegt sind. Genauer ge- 60 migen Spannung an die Elektrode 25M verursach! sagt, der Unterschied zwischen der Potentialschwelle wird, aus dem unterschiedlichen Abstand der Teile Sl und der Potentialschwelle 51 wird, unter An- von 25 M von der Halbleiteroberfläche und erzeug nähme vollständiger Entleerung im Bereich von 51, darunter entsprechend Potentialschwellen unterlediglich durch die Differenz in der Oxyddicke unter schiedlicher Höhe. Somit kann man sagen, daß dei der Elektrode24M verursacht Die Abruptheit des 65 Aufbau nach Fig.4A den Teilen Γ1 und Γ2 zuÜbergangs von Sl zu Sl beruht auf der Abruptheit geordnete Potentialschwellen unterschiedlicher Höhe im Übergang von den dickeren zu den dünneren aufweist und ferner einen Telativ abrupten Übergang Oxydteilen. Der Unterschied im Potential zwischen dazwischen hat.

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Mit besonderer Bezugnahme auf Fig. 4B wird lungsmäßigen Unterschieden in den Oxyddicken unter nun die Wichtigkeit der beiden Potentialschwellen den Elektrodenteilen erreicht werden Terschiedliche? Höhe im Verein mit einem relativ Dk Gesamtlange des Kanalbereichs d -^ de^ Ababrupten Übergang dazwischen erklärt. Zuerst Se₁ stand zwischen der Zone 28 M und der Zone 29M₁ bemerkt daß der Strom, d. h. die Flußrate von Lei- 5 sollte vorzugswise so groß sein, daß die Verarmungs- ?ungs rHgern,durci,den Transportbereich für irgend- bereich XD2 von der Zone 29 M sich nie vollständig eine gegebene, an die darüberliegende Elektrode an- b_1S zur rechten Kante des Verarmungsberdches XD1 eeleete Spannung durch den Teil des Transport- erstreckt, selbst unter den größten erwarteten zugebereichs begrenzt ist der die größere Potential- führten Betriebsspannungen, da ansonsten der bttekt ■chwelle aufweist. Somit wird in den Fig.4A und io zweiter Ordnung nicht voll erreicht wird. Auch sollte 4 B die Stromflußrate durch den Transportbereich die Breite des Halbkanals Γ1 so groß sein, daß die durch den hinteren Teil Π des Transportbereichs be- linke Kante des Verarmungsbereichs XD1 sich nie trenzt Da der Stromfluß solchermaßen begrenzt ist, bis zur Zone 28 M erstreckt.

fcaben Längenvariationen des dem Bereich Tl zu- Als Beispiel der relativen Abmessungen und Ab-

»eordneten Halbkanals auf Grund von Variationen 15 stände, wie sie in dem Aufbau der soweit beschneder Verarmungsbreite, in Fig. 4B mit XD2 bezeich- benen Art anwendbar sind, kann das folgende als met die ihrerseits auf Variationen der Potential- derzeit typisch betrachtet werden. Der Halbleiterich'welle 56 beruhen, die durch den Übergang von be- körperteil 22 kann auf eine Konzentration von weglichen Ladungsträgern in die Zone 29 M verur- 10¹⁶ Donatoren pro Kubikzentimeter dotiert werden »acht werden, sehr geringe Wirkung auf die Leichtig- 20 und die p-leitenden lokalisierten Zonen auf eine mögkeit, mit welcher der Strom durch den gesamten liehst zweckmäßig erreichbare Konzentration, ty-Transportbereich fließen kann. Dies beruht natürlich pischerweise wenigstens 10¹⁹ Akzeptoren pro Kubikdarauf, daß der Stromfluß prinzipiell durch den Halb- Zentimeter. Die Zonen 28 und 29 können seitliche kanal Tl begrenzt ist, der lediglich in zweiter Ord- Abmessungen längs des Kanals von 40 Mikrometer nung durch Spannungsvariationen bei 56 beeinflußt 35 aufweisen und der Abstand zwischen den Zonen wipd. kann ungefähr 10 Mikrometer betragen. Die Isolier-

Unter Beachtung des Obigen werden nun einige schicht 23 kann 1000 Angström-Silicium-Oxyd in den andere herausragende Eigenschaften der Struktur und dünneren Teilen und 3000 Angström-Silicium-Oxyd der Oberflächenpotentialverteilung, wie sie in den in den dickeren Teilen aufweisen, d. h. unter den hin-Fig. 4A und 4B dargestellt sind, behandelt. Als 30 teren Kanten wie 25MA der Elektroden. Mit diesen erstes ist der Oberflächenpotentialübergang zwischen Abmessungen können die Elektroden eine seitliche den Bereichen Π und Γ2 als relativ abrupt beschrie- Abmessung längs des Kanals von 40 Mikrometern ben und in Fig. 4B dargestellt worden. Der Abrupt- haben, mit 10 Mikrometer-Abständen dazwischen, heitsgrad führt nicht selbst zu einer präzisen Quanti- um eine einfache Herstellung zu ermöglichen. Ein fizierung. Auf Grund eines Unterschiedes zwischen 35 solcher Aufbau kann mit Taktspannungen V₁ und V₂ den Potentialschwellen 54 und 55 tritt jedoch im von 10 bzw. 20 Volt betrieben werden. Übergangsbereich zwischen diesen zwei Potential- In F i g. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel ge-

schwellen ein elektrisches Feld auf, und auf Grund zeigt, in welchem die Potentialschwellen unterschieddieses elektrischen Feldes ergibt sich eine Ver- licher Höhe längs des Kanals durch Unterschiede in armungszone, deren Breite in Fig. 4B mit XDl an- 40 der Kanaldotierung an Stelle den Unterschieden in gegeben ist. Alles, was man über den Abruptheits- den Isolierschichtdicken erzeugt werden. Genauer gegrad, der im Übergang zwischen den Potentialschwel- sagt, stellt 6er Aufbau der F i g. 5 eine Querschnittslen 54 und 55 erwünscht ist, sagen kann, ist, daß ein ansieht längs des Informationskanals eines Teils 31 solcher Übergang ausreichend abrupt sein soll, um eines solchen Bauelementes dar. Wie gezeigt ist, umein elektrisches Feld ausreichender Stärke zur Her- 45 faßt das Teil 31 einen Halbleiterkörperteil 32, beistellung einer Verarmungszone XD1 zu erzeugen, so spielsweise n-halbleitend, und weist an dessen Oberdaß die Konzentration beweglicher Träger im Kanal- flächen angrenzend eine Mehrzahl p-leitender lokabereich an der linken Kante des Verarmungsbereiches lisierter Zonen 38 und 39 gleich den Zonen 18, 19, ATDl, bezogen auf die Konzentration solcher Träger 28 und 29 in den vorausgehenden Figuren auf. Über |n der linken Kante des Bereiches Γ1, d.h. benach- 50 der Oberfläche des Halbleiterkörpers 32 und den »art der rechten Kante der Zone 28 M, effektiv nach Zonen ist eine Isolierschicht 33 praktisch gleicb-NuIl geht Nur wenn diese Bedingung erfüllt wird, mäßiger Dicke angeordnet, und darüber befindet sich lyird der Effekt zweiter Ordnung der Variationen eine Mehrzahl Elektroden 34 und 35. Wie man sehen lter Potentialschwelle S6 auf den obenerwähnten kann, unterscheidet sich Fig.5 von Fig. 1 lediglich t&ertragungsleitwert erreicht SS darin, daß in Fig. 5 die hintere Hälfte eines jeden

Die Größe der Differenz zwischen den Potential- Transportbereicb.es eine η-leitende Zone 40 oder 41 Schwellen S 4 und 55 ist auch von Wichtigkeit, führt umfaßt, die stärker dotiert ist als der Halbleiterkör· ifcber auch nicht zu einer präzisen Quantifizieniag. per 32.

JSlan glaubt jedoch, daß diese Differenz wenigstens kT Wenn über die Leiterbahnen 36 und 37 negativ«

sein sollte, was bei 300⁰C etwa 26 · 10-³VoIt ist, 60 Spannungen auf die Elektroden geführt werden, er lind daß sie nicht größer sein sollte, als die Größe der zeugt das Vorhandensein stärker dotierter n-leitendei !Differenz zwischen den Potentialschwellen 53 und Zonen 40 und 41 in den Transportbereichen bekannt 56, wie durch die angelegten Spannungen V₁ und V₂ lieh darunter eine Potentialschwelle, die höher al! verursacht werden, wobei letztere Differenz typischer- diejenige im weniger stark dotierten Bereich ist weise im Bereich von 10 Volt liegt In der Praxis wird €5 d. h. im vorderen Teil der Transportbereiche. Diesi eine Differenz von etwa 1 oder 2 Volt zwischen den Differenz der Höhe der Potentialschwellen resultier Potentialschwellen 54 und SS praktikabel gehalten. von der Wirkung der ionisierten Donatordotierstoff Diese Differenz kann leicht mit einfachen herste!- in den stärker dotierten Zonen 40 und 41. Wie dei

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mit diesem Gebiet Befaßten klar ist, hat das Vorhandensein der Zonen 4Oi und 41 die Folge, daß der Aufbau nach F i g. 5 Potentialverteilungen erzeugt, die der stufenförmigen Isolatorstruktur der F i g. 2 und 4 A gleich ist. Deshalb wird eine weitergehende ausführliche Beschreibung des Aufbaus nach F i g. 5 für nicht notwendig gehalten.

Es ist offensichtlich, daß eine große Vielzahl anderer Methoden angewendet werden kann, um die Potentialschwelien unterschiedlicher Höhe in jedem \o Transportbereich bereitzustellen. Beispielsweise können die Elektroden aus aneinandergrenzenden Segmenten unterschiedlicher Metalle gebildet werden, die unterschiedliche Verhaltensfunktionen haben, oder die Isolierschicht kann Teile geeigneter unterschiedlicher dielektrischer Konstanten aufwei-

sen, oder die Elektroden können aus sich überlappenden, isolierten Metallen (oder anderen leitenden Matrialien wie Silicium) gebildet sein mit einer Vorspannung zwischen zugeordneten Teilen.

Schließlich können Transportbereiche mit mehr als zwei Potentialschwellen unterschiedlicher Höhe verwendet werden. Wenn drei verwendet werden, wird der Rückkoppeleffekt auf einen Effekt dritter Ordnung reduziert. Werden vier verwendet, wird eine Reduzierung auf einen Effekt vierter Ordnung erzielt, usw. Allerdings erhöht eine Vergrößerung der Anzahl von Pottntialschwellen unterschiedlicher Höhe die Bauelemer.tgröße und bringt beträchtliche fabrikatorische Probleme mit sich. Demgemäß ist die Verwendung lediglich zweier solcher Bereiche als mit derzeitiger Technologie vorteilhaftester Kompromiß anzusehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Eimerketten-Ladungstransport-Halbleiterbauelement mit einem eine Hauptfläche aufweisenden Halbleiterkörper, einer Mehrzahl in Abstand voneinander längs einer Bahn an dieser Hauptfläche im Halbleiterkörper angeordneter lokalisierter Zonen mit gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, einer auf dieser Hauptfläche und den Zonen angeordneten Isolierschicht und einer Mehrzahl im Abstand voneinander lokalisierter Elektroden, die auf der Isolierschicht angeordnet und zu den lokalisierten Zonen so ausgerichtet sind, daß jeweils eine Elektrode sich über den Zwischenraum zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen sowie über eine Zone des Paares weiter als über dessen andere erstreckt, gekennzeichnet durch separate, einem jeden Zwischenraum Zwischen einem Paar aufeinanderfolgender Zonen !zugeordnete Einrichtungen (24MA, 24MB; ZSMA, 25MB; 4OM, 41M, 41L) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Potentialschwellen (S₁, S₂; S_v S₅) unterschiedlicher Höhe im Halbleiterkörper (22, 32) in dem Zwischenraum (T₁, T₂), derart, daß die Höhe der Potentialschwellen (S₁, S₂; S₄, S₅) vom in Richtung der Ladungsträgertransport hinteren (Γ1) zum vorderen Teil (T 2) des Zwischenraums abnimmt und ein praktisch abrupter übergang zwischen aufeinanderfolgenden Potentialschwellen (Sj S₂; S₄, S₅) vorhanden ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Potentialschwel len unterschiedlicher Höhe aus fcinem über dem hinteren Teil (Γ1) des Zwischenraums angeordneten Isolierschichtteil besteht, der dicker ist als der über dem vorderen Teil (T 2) des Zwischenraums angeordnete Isolierschichtteil (F i g. 2 und 4 a).

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Potentialschwellen unterschiedlicher Höhe aus einer im hinteren Teil des Zwischenraums angeordneten Zone (4OM, 41M, 41L) mit größerer Dotierstoffkonzentration als im vorderen Teil des Zwischenraums besteht (F i g. 5).

4. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an die Mehrzahl lokalisierter Elektroden angeschlossener Schaltungsmittel (26, 27; >6, 37) zum Zuführen von Zweiphasenspannungen (Kj, K₂), deren Größe und Polarität zum Inlormationstransport ausreicht, nicht aber dazu, eine Verarmungsschicht sich von einer lokalisierten Zone (28, 29, 38, 39) bis in die Mitte des Zwischenraums zwischen dieser Zone und der in Richtung des Ladungsträgertransports direkt Vorausgehenden Zone erstrecken zu lassen.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel ein Paar Leiterbahnen (26, 27, 36, 37) umfassen und daß jede zweite Elektrode (24MA, B; 24NA, B; 34M; 34N) mit der einen (26, 36) und die restlichen Elektroden (25ΜΛ, B; 2SNA, B; 3SM; 2SN) mit der anderen (27, 37) Leiterbahn je gemeinsam verbunden sind.

6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (22, 32) aus Silicium und die Isolierschicht (23, 33) aus Siliciumoxyd besteht.

7 Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Poteutialschwellen (S₁, S.; S₄, S₅) unterschiedlicher Höhe vorhanden sind.