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Dokumentenidentifikation DE69324997T2 30.09.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0597620
Titel Ladungsgekoppelte Farbbildaufnahmevorrichtung und Bildherstellungsverfahren
Anmelder Xerox Corp., Rochester, N.Y., US
Erfinder Mantell, David A., Rochester, New York 14610, US
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69324997
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 02.11.1993
EP-Aktenzeichen 933087546
EP-Offenlegungsdatum 18.05.1994
EP date of grant 19.05.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.1999
IPC-Hauptklasse H01L 27/148

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ladungsgekoppelte Anordnung (charge-coupled array CCD) mit mehrschichtigem Aufbau zum Abbilden von Vollfarbbildern.

Ladungsgekoppelte Anordnungen (CCD's) werden im allgemeinen als Schichtstrukturen definiert, die selektiv Ladungen in bestimmten Bereichen halten, wobei die Struktur selbst als Schieberegister zum selektiven seriellen Auslesen von Daten in Form der geladenen Bereiche dienen kann. Diskrete Bereiche innerhalb der CCD speichern Ladungen, da das elektrische Potential in dem speziellen Bereich, der die Ladung speichert, niedriger ist als in dem umgebenden Material. Wenn die Ladungen als serielles Signal ausgelesen werden sollen, kann die Ladung in jedem Bereich von einem Bereich auf seinen Nachbarn übertragen werden, indem das daran und an seinem Nachbarn anliegende Potential in geeigneter Weise geändert wird, so daß Ladung aus einem Bereich zum nächsten fließt. Indem Ladungen an eine lineare Reihe von Elektroden in der Anordnung angelegt werden, wobei dies normalerweise mit einer gewissen zeitlichen Überlappung beim Laden benachbarter Elektroden geschieht, kann bewirkt werden, daß sich einzelne Ladungspakete in der CCD bewegen. Das System zum Übertragen diskreter Ladungen von einem Bereich zum nächsten, bis die Ladungen als serielles Signal ausgelesen werden, ist im allgemeinen als "Eimerketten"-Ausleseverfahren bekannt. Ein früheres Patent, das die Schieberegisterfunktion einer CCD beschreibt, ist US-A- 3,758,794.

Eine spezielle CCD ist die lichtempfindliche bzw. "bilderzeugende" CCD, bei der diskrete Ladungsbereiche, die als serielle Signale ausgelesen werden können, zunächst in der CCD durch Fokussierung von Licht in Bildaufbau auf die Struktur erzeugt werden. Bei bestimmten Materialien, wie beispielsweise Aluminium, Gallium und Arsenverbindungen und Kombinationen in einer geordneten Kristallstruktur, erzeugen auf das Material fokussierte Photonen Elektron-Loch-Paare in Bereichen, die der Verteilung von Licht in dem Bild entsprechen. So bildet die CCD eine lineare Anordnung von Photosensoren, auf die schmale Bereiche eines Bildes aufgezeichnet werden können, wobei die CCD das Bild betreffende Daten ausgeben kann. Derartige CCD's, z. B. monochrome CC's, werden verbreitet in Faxgeräten, digitalen Kopierern und anderen Scannern eingesetzt. Typische Beispiele für eine derartige Bilderzeugnis-CCD sind in US-A-3,971,003, US-A- 4,658,278 sowie US-A-4,667,213 dargestellt.

US-A-4,61 3,895 offenbart ein Bilderfassungselement in einer Festkörper-Bilderzeugungsvorrichtung, das mit einer Vielzahl übereinanderliegender Kanäle versehen ist, die in entsprechenden Abständen zu einer Lichtaufnahmefläche der Vorrichtung angeordnet sind, wobei jeder der Kanäle aufgrund der unterschiedlichen Absorption von Licht durch einen Halbleiter eine andere Spektralcharakteristik aufweist. Indem die Kanäle so angeordnet werden, wird aus der Vorrichtung ein Farbabbildungssensor mit optimierter Auflösung. Der oberste Kanal, d. h. der Kanal, der am nächsten an der Oberfläche der Vorrichtung liegt, kann entweder ein "Oberflächen"-Kanal oder ein "verdeckter" Kanal sein, wobei die unteren Kanäle verdeckte Kanäle sind. Je nach dem Aufbau des Elementes können entweder Elektronen oder Löcher als Photoladungen in entsprechenden übereinander liegenden Kanälen akkumuliert werden. Die Farb-Photoladungen, die in entsprechenden Kanälen eines derartigen Bilderfassungselementes erzeugt werden, werden durch eine Mehrfach-Schichtkanal-Signalverarbeitungsvorrichtung wie eine Mehrfach-Kanal-CCD in einer Vielzahl übereinanderliegender Kanäle bewegt, so daß für die Festkörper-Abbildungsvorrichtungen keine speziellen Zeitsteuerschaltungen erforderlich sind, um Phasenunterschiede zwischen den Farbsignalen zu korrigieren, die durch eine gemeinsamen Punkt innerhalb eines Bildes entstehen.

US-A-5,138,416 offenbart ein mehrschichtiges Farb-Photosensorelement, das aus AIII- IV-Legierungs-Halbleitern besteht. Ladung wird von dem Photosensorelement entsprechend einer Zeitdauer gesammelt, die rotes, grünes und blaues Licht für den Weg durch die Schichten hindurch benötigt. Es sind keine Filter oder zusätzliche Speicher oder Strukturierungen des mehrschichtigen Halbleiters beim Aufwachsen erforderlich, um Farbauszüge auf Pixel-Basis zu erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine lichtempfindliche ladungsgekoppelte Anordnung geschaffen, die eine Vielzahl belichtbarer Bildbereiche auf einer Hauptoberfläche aufweist und die umfaßt: eine erste lichtempfindliche Schicht parallel zur Hauptoberfläche, die ein Material mit einer zugehörigen Bandlückenenergie umfaßt, durch düe Elektron-Loch-Paare in einem Bereich derselben erzeugt werden, der Licht in einem vorgegebenen ersten Wellenlängenbereich ausgesetzt ist; eine zweite lichtempfindliche Schicht parallel zur Hauptoberfläche, die ein Material mit einer Bandlückenenergie umfaßt, durch die Elektron-Loch-Paare in einem Bereich derselben erzeugt werden, der Licht in einem vorgegebenen zweiten Wellenlängenbereich, der sich von dem ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, ausgesetzt ist; eine erste Grenzschicht, die zwischen der ersten lichtempflindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist und ein Material umfaßt, das eine höhere Bandlückenenergie aufweist als das Material der ersten lichtempfindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht; sowie eine Reihe von Elektroden, die auf der Hauptoberfläche angeordnet sind, wobei jede Elektrode einem belichtbaren Bildbereich entspricht und die Elektroden das Verschieben von Bilddaten in der ersten lichtempfindlichen Schicht und der zweiter lichtempfindlichen Schicht an den diskreten belichtbaren Bildbereichen in der Anordnung ermöglichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird des weiteren ein Verfahren zum Ableiten von Farbkomponentendaten eines Bildes gemäß dem Anspruch 10 der beigefügten Ansprüche geschaffen.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den Schritt des Anlegens einer zweiten Ausgleichsspannung an die Elektrode am Ende der linearen Anordnung, um Zugriff auf die Elektron-Loch-Paare in der ersten Schicht zu bewirken.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren des weiteren die Schritte des Herstellens einer dritten Schicht in der linearen ladungsgekoppelten Anordnung, die Elektron-Loch-Paare erzeugt, wenn sie Licht einer dritten Wellenlänge ausgesetzt ist, wobei die dritte Wellenlänge sich von der ersten und der zweiten Wellenlänge unterscheidet und die dritte Schicht von der ersten und von der zweiten Schicht durch eine zweite Grenzschicht getrennt ist und der Belichtungsschritt Elektron-Loch-Paare in der dritten Schicht proportional zu den Komponenten von Licht der dritten Wellenlänge, die von ihr empfangen werden, erzeugt.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren des weiteren den Schritt des Anlegens einer dritten Ausgleichsspannung an die Elektrode am Ende der linearen Anordnung, um Zugriff auf die Elektron-Loch-Paare in der dritten Schicht, die mit einem einzelnen Pixel verbunden sind, zu bewirken.

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Schnittansicht, die die Schichten einer linearen ladungsgekoppelten Abbildungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Energiepegel verschiedener Schichten in der ladungsgekoppelten Anordnung als Funktion der Tiefe zeigt; und

Fig. 3A-C eine Reihe vergleichender Diagramme, die die Auswirkungen einer Ausgleichsspannung auf die Energien verschiedener Schichten in der ladungsgekoppelten Anordnung der vorliegenden Erfindung darstellen.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines Teil der mehrschichtigen Struktur einer CCD gemäß der vorliegenden Erfindung. Abschnitt 10 zeigt den Bereich um eine Reihe diskreter Positionen in einer linear angeordneten CCD herum, die einzelne Pixel darstellen. Zu jedem diskreten Bereich, der zu einem Pixel gehört, gehört eine Elektrode, die funktionell auf der Oberfläche desselben angeordnet ist, wie mit 12a, 12b und 12c dargestellt ist, wobei eine letzte Elektrode in der Reihe mit 12z gekennzeichnet ist. Diese Elektroden können transparent sein oder auf andere Weise so aufgebaut sein, daß sie das auf die CCD 10 von der Oberseite der Darstellung auftreffende Licht nicht stören, wie dies für den Fachmann auf der Hand liegt. Die CCD ist von der oberen Fläche nach unten wie folgt schichtweise aufgebaut: Eine obere isolierende Schicht 13, eine Schicht 14 mit hoher Bandlücke, eine Blau-Erfassungsschicht 16, eine erste Grenzschicht 18 mit großer Bandlücke, eine Grün-Erfassungsschicht 20, eine zweite Grenzschicht 22 mit großer Bandlücke, eine Rot-Erfassungsschicht 24, eine dritte Grenzschicht 26 mit großer Bandlücke sowie der Grundhalbleiter 28, auf dem alle Schichten angeordnet sind. Obwohl die Elektroden 12a... 12z auf einer isolierenden Schicht 13 angeordnet sind, durchdringt das zur jeder Elektrode gehörende elektrische Feld auf in der Technik bekannte Weise die isolierende Schicht 13.

Bei einem ersten Belichtungsschritt, so beispielsweise in einem Faxgerät oder einem digitalen Kopierer wird die Oberseite der CCD-Struktur mehrfarbigem Licht ausgesetzt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Ein Pixel von Bilddaten ist jeder Elektrode 12a, 12b, usw. in der Anordnung zugeordnet. Es ist jedoch anzumerken, daß zu jedem Pixel mit jeder der drei Primärfarben verbundene Daten gehören. In den Bilddaten sind Informationen bezüglich relativen Anteile des Blau-Signals, des Grün-Signals und des Rot- Signals dieses speziellen Abschnittes des Bildes, den das Pixel erzeugt, enthalten. Das auftreffende Licht dringt in die mehrschichtige Struktur so ein, daß bei jedem Pixel die Blau-Komponente des Lichts die Blau-Schicht 16 der Struktur beeinflußt, die Grün- Komponente Schicht 20 beeinflußt und die Rot-Komponente Schicht 24 beeinflußt. Bei lichtempfindlichen Abbildungs-CCD's erzeugt die mit dem Licht verbundene Energie bestimmte Mengen an Elektron-Loch-Paaren bzw. "Ladungspaketen" in der lichtempfindlichen Schicht der Struktur. So werden die entsprechenden Schichten in der mehrschichtigen Struktur von CCD 10, die für einzelne Primärfarben empfindlich sind, beim Auftreffen von Licht erregt (das heißt: Ladungspakete mit einer bestimmten Ladungsgröße werden erzeugt), und zwar in dem Maß, in dem die einzelnen Primärfarben in dem Licht in dem speziellen Pixel vorhanden sind. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die lichtempfindlichen Schichten in CCD 10 so angeordnet sind, daß die Schichten, für die längere Wellenlängen des Lichtes, d. h. Grün und Rot, erforderlich sind, entsprechend tiefer in der mehrschichtigen Struktur angeordnet sind. Aus diesem Grund wird kurzwelliges Licht mit höherer Energie, wie beispielsweise Blau, in oberen Schichten absorbiert, während längerwelliges Licht mit niedrigerer Energie durch diese oberen Schichten hindurchgeht und in die mehrschichtige Struktur bis zu einer Schicht eindringt, in der die spezielle Wellenlänge des Lichtes die Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren bewirkt. Auf diese Weise ist eine Farbtrennung für jedes Pixel möglich.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die erforderliche Elektronen-Spannung zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in verschiedenen Schichten der mehrschichtigen Struktur der CCD 10 als Funktion der Tiefe die in der jeweiligen Schicht darstellt. Es ist zu sehen, daß vorgegebene Elektronen-Spannungen für Blau-, Grün- und Rot-Pegel mit zunehmender Tiefe der Struktur erforderlich sind. Wichtig ist auch die Tatsache, daß die dazwischen liegenden Schichten mit hoher Bandlückenenergie in der Struktur, d. h. die Grenzschichten 18, 22 und 26, auch bei der höchsten Energie jeder der lichtempfindlichen Schichten 16, 20 bzw. 24 keine Elektron-Loch-Paare erzeugen. Diese Grenz schichten mit hoher Bandlückenenergie bilden Sperren zwischen den verschiedenen lichtempfindlichen Schichten, die Elektron-Loch-Paare bei niedrigeren Energien erzeugen. Die lichtempfindlichen Schichten sind, wie in Fig. 2 dargestellt, in energetischem Sinne in "Senken" angeordnet, so daß die Ladungspakete in jeder einzelnen lichtempfindlichen Schicht durch Schichten mit hoher Bandlücke elektrisch isoliert sind, die auf beiden Seiten an jede Schicht angrenzen. Der Zweck der "Senken" besteht darin, die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in jeder lichtempfindlichen Schicht daran zu hindern, daß sie in benachbarte lichtempfindliche Schichten fließt, die für andere Farben empfindlich sind. Auf diese Weise kann jede einzelne lichtempfindliche Schicht in der Struktur als unabhängige CCD arbeiten, wie dies weiter unten erläutert ist.

Wenn die CCD belichtet worden ist, so beispielsweise als Teil eines Zyklus, bei dem die lineare Anordnung der CCD in einer Zeilen-Abtast-Abildungseinrichtung mit einer Reihen von Zeilenbildern belichtet worden ist, die ein vollständiges Bild herstellen, beginnt eine Ausleseschritt, bei dem die Ladungswerte in jeder der lichtempfindlichen Schichten der CCD mit dem bekannten "Eimerketten"-Verfahren ausgelesen werden, um eine Reihe von Signalen am Ende der CCD herzustellen. Bei der dargestellten Ausführung kann die Reihe von der Elektroden 12a, 12b... 12z mit einer Externen Schaltung (nicht dargestellt) versehen sein, um entsprechende Spannungen an diskrete Bereiche der Anordnung anzulegen, so daß die Elektroden 12a, 12b, ... 12z das Verschieben von Ladungspaketen über die Anordnung ermöglichen. Bei der Mehrfarb-CCD der vorliegenden Erfindung wirkt jede lichtempfindliche Schicht als unabhängige CCD, und bei denn Ausleseschritt entstehen drei parallele Datenströme, wobei jeder Datenstrom für eine Farbe eines bestimmten Pixel steht. Dieses Eimerketten-Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß eine Reihe von Potentialen an die Elektroden, wie beispielsweise 12a, 12b und 12c in einer Abfolge angelegt wird, so daß durch Verringerung des Potentials an einer Seite eines bestimmten Pixels sich das Ladungspaket in einem bestimmten Pixel-Bereich der CCD über die Länge eines Pixel bewegt. Dieser Prozeß wird, wie in der Technik bekannt ist, solange wiederholt, bis alle Bilddaten in der Form diskreter Ladungspakete, die zu jedem Pixel gehören, am Ende der CCD ausgelesen worden sind.

Bei der Mehrfarb-CCD der vorliegenden Erfindung entstehen bei diesem Verfahren des Anlegens von Spannungen in Abfolge an verschiedene der Elektroden entlang der Linie der CCD, wie bereits erwähnt, drei Ströme von Ladungspaketen, die sich parallel über die entsprechenden Schichten der CCD bewegen. Das heißt, der Strom von Bilddaten durch die lichtempfindliche Schicht 16 wird als eine Reihe der Blau-Komponente der Pixel über die Zeile gelesen, Schicht 20 ist die Grün-Komponente jedes Pixels usw. Diese drei parallelen Datenströme durch die CCD können ihrerseits aus der gesamten CCD in einer Reihenfolge ausgelesen werden, bei der die Farbkomponenten jedes Pixels als Dreiergruppen von jeweils drei Ladungspaketen ausgelesen werden, wobei jede Dreiergruppe die drei Primärfarbkomponenten für jedes Pixel darstellt. Dieses sequentielle Auslesen der Pixel aus den lichtempfindlichen Schichten in einer Abfolge kann ohne weiteres ausgeführt werden, indem an die CCD am Erde der linearen Anordnung eine Reihe von Ausgleichsspannungen angelegt wird, die bewirken, daß die Potentialsperren mit hoher Bandlückenenergie zwischen den Senken, die zu der Farbe in jedem Pixel gehören, so weit durchbrochen werden, daß das Paket von Elektron-Loch-Paaren in jeder Zelle aus der Schicht "befreit" werden kann und gemessen sowie in ein (normalerweise digitales) Signal umgewandelt werden kann. Das heißt, durch das Anlegen der Ausgleichsspannung wird die Auswirkung der Sperren mit hoher Bandlückenenergie aufgehoben, um auf die separaten Ladungspakete in jeder lichtempfindlichen Schicht zuzugreifen, wenn die Daten ausgelesen werden.

Am Ende der CCD-Anordnung 10 hinter der letzten Elektrode 12z befindet sich ein Ausgangsanschluß 32 in Form eines metallischen Einsatzes, der, wie dargestellt, in einer Öffnung angeordnet ist, die in der isolierenden Schicht 13 ausgebildet ist. Die elektronische Schaltung, die erforderlich ist, um die in Fig. 13 dargestellte Spannungssequenz zu erzeugen, und die dazugehörenden elektronischen Einrichtungen zur Erfassung können an anderer Stelle auf dem Substrat oder getrennt von der CCD-Struktur als Teil der Bildverarbeitungsschaltung vorhanden sein. Als Alternative dazu kann auch, wie auf dem Gebiet der CCD's bekannt, eine entgegengesetzt dotierte Schicht (nicht dargestellt) zwischen der Schicht 14 und dem Ausgangsanschluß 32 vorhanden sein, die als Diode wirkt und je nach Bedarf ein Ladungspaket vorübergehend erhält, während eine Reihe von Ladungspaketen durch eine externe elektronische Einrichtung aus der Vorrichtung ausgelesen wird.

Ausgangsanschluß 32 wirkt als Schnittstelle zwischen der CCD und anderen elektronischen Bauteilen, die zum Verarbeiten der ausgelesenen Ladungspakete eingesetzt werden. Normalerweise gehört zu derartigen Bauteilen ein Zähler bzw. A/D-Wandler zum Messen des Betrags einzelner Ladungspakete und Umwandeln dieser Beträge in digitale Signale. Wenn Ladungspakete aus einer Schicht am Ende der Anordnung 10 freigesetzt werden, wandern diese Ladungspakete zu Ausgangsanschluß 32. Die letzte Elektrode in der Reihe, die als Elektrode 12z dargestellt ist, dient dazu, dem letzten Pixelbereich der CCD eine Ausgleichsspannung zuzuführen, um je nach dem Betrag der Ausgleichsspannung ein Ladungspaket oder ein anderes aus einer ausgewählten Schicht 16, 20 bzw. 24 "zu befreien".

Fig. 3A, 3B und 3C stellen die Auswirkungen des Anlegens von Ausgleichsspannungen in Abfolge zur Befreiung der Ladungspakete in verschiedenen Schichten zum Auslesen dar. Jede Fig. 3A, 3B und 3C stellt das Ionisierungspotential jeder Schicht als Funktion der Tiefe derselben in der Struktur wie in Fig. 2 dar. Das externe Anlegen der Ausgleichsspannung über Elektrode 12z bewirkt die Verringerung der Sperren zwischen den Senken. In Fig. 3A ist das Ionisierungspotential der Schichten mit hoher Bandlückenenergie mit der mit E gekennzeichneten unterbrochenen Linie dargestellt, die auch als oberste der Sperren zwischen den Senken in Figur. 2 dargestellt ist. Die Ausgleichsspannungen verringern diese Sperren zunehmend, indem Schichten mit hoher Bandlückenenergie erregt werden, so daß die Ladung in jeder Schicht nacheinander zu Ausgangsanschluß 32 "entweichen" kann. In Fig. 3A ist mit durchgehenden Linien die Auswirkung des Anlegens einer Ausgleichsspannung V&sub1; dargestellt, deren Betrag bewirkt, daß die Potentialsperre an der an die für blaues Licht empfindliche Schicht 16 angrenzende Schicht geringer ist als das Potential der Elektron-Loch-Paare in der für blaues Licht empfindlichen Schicht 16. Vergleicht man Fig. 3A mit Fig. 1, wird deutlich, daß durch das Anlegen von Ausgleichsspannung V&sub1; das Potential in der Bandlückenschicht 14 niedriger ist als das in der für blaues Licht empfindlichen Schicht 16. Aus diesem Grund wird jedes Elektron-Loch-Paar, das in der lichtempfindlichen Schicht 16 für ein bestimmtes Pixel erzeugt wird, freigesetzt und über Ausgangsanschluß 32 ausgelesen, da es zu dieser Freisetzung am Ende der Anordnung 10 kommt. So bildet die Information für das Blau-Pixel in zeitlicher Abfolge das erste Element der Dreiergruppe von Pixel- Daten für dieses spezielle Pixel.

Fig. 3B zeigt das Potential als Funktion der Tiefe bei Anlegen einer zweiten Ausgleichsspannung V&sub2;. Die Linie V&sub2; ist auch als die unterbrochene Linie in Fig. 3A zu sehen.

Spannung V&sub2; hat einen Betrag, der bewirkt, daß das Potential in Bandlückenschicht 18 geringer ist als in der lichtempfindlichen Schicht 20 für die Grünkomponenten des Pixels. Aufgrund dieses niedrigeren Potentials entweichen die Elektron-Loch-Paare in Schicht 20 zu Ausgangsanschluß 32. So können nach dem Anlegen der Ausgleichsspannung V&sub2; die Elektron-Loch-Paare, die sich auf die Grün-Komponente des Pixels 10 beziehen, ausgelesen werden.

Fig. 3C zeigt die Auswirkung einer dritten Ausgleichsspannung V&sub3;, durch die das Potential in Bandlückenschicht 22 niedriger wird als das Potential in der für rotes Licht empfindlichen Schicht 24. Auch hier kann das in der lichtempfindlichen Schicht 24 für ein bestimmtes Pixel erzeugte Ladungspaket, das die Rot-Komponente für dieses Pixel darstellt, über Ausgangsanschluß 32 ausgelesen werden. Insgesamt ermöglicht das senquentielle Anlegen von schrittweise höheren Ausgleichsspannungen das Auslesen der Elektron-Loch-Paare für jede lichtempfindliche Schicht für ein bestimmtes Pixel in geordneter Reihenfolge zum Messen und darauffolgenden Umwandeln in ein digitales Signal zur anschließenden Bildverarbeitung. Wenn die erste Dreiergruppe von Farbdaten für eine Pixel ausgelesen worden ist, wird die angelegte Ausgleichsspannung auf 0 gesetzt, das nächste Pixel wird zum Ende der CCD bewegt, und der Auslesezyklus beginnt von vorne.

Um die gewünschte Struktur von Schichten zu erzeugen, die für bestimmte Primärfarben empfindlich sind, stehen viele mögliche Materialien mit direktem Bandabstand zur Verfügung, so beispielsweise (AlxGa1-x)yIn1-yAS. Es ist auch möglich, Materialien mit indirektem Bandabstand für die lichtempfindlichen Schichten 16, 20 und 24 einzusetzen, so beispielsweise geordnete Kristalle von AlxGa, xAs. Das Verhältnis von Aluminium zu Gallium in dieser geordneten Kristallstruktur (als x gegeben) kann entsprechend der Empfindlichkeit für eine bestimmte Energie verändert werden, die zu einer gewünschten Wellenlänge für eine bestimmte Schicht gehört. Der Einsatz von Materialien mit indirektem Bandabstand ist möglich, da eine erhebliche Zunahme der Absorption von Energien an und über dem direkten Bandabstand des Materials vorliegt. Der geringe Betrag der Absorption unterhalb des direkten Bandabstandes kann korrigiert werden, wenn die Signale ausgelesen und in digitale Form umgewandelt werden.

Die besten bekannten Verhältnisse von Aluminium zu Gallium sind in der untenstehenden Tabelle für eine gewünschte Wellenlängenempfindlichkeit dargestellt.

Für die Grenzschichten 18, 22 und 26 ist eine kristalline Struktur vorteilhaft, die einen erheblich höheren Energiepegel als die photoempfindlichen Schichten hat, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist. Diese Schichten hoher Energien sind erforderlich, um die Potentialwälle zwischen den entsprechenden Senken zu bilden, die die photoempfindlichen Schichten darstellen. Das bevorzugte Material für diese Grenzschichten mit großer Bandlücke ist ein geordnetes Kristall aus Galliumphosphid (GaP). Es ist des weiteren wichtig, daß die Unterschiede der Zusammensetzung der Schichten genutzt werden, um die farbliche Unterscheidung der Schichten zu erleichtern, die es ihrerseits ermöglicht, daß die lichtempfindlichen Schichten im wesentlichen gleiche Dicke haben. Bei Strukturen nach dem Stand der Technik wurden verschiedenes Schichten für verschiedene Farben empfindlich gemacht, in dem die speziellen Schichten mit unterschiedlicher Dicke versehen wurden.


Anspruch[de]

1. Lichtempfindliche, ladungsgekoppelte Anordnung (10), die eine Vielzahl belichtbarer Bildbereiche auf einer Hauptoberfläche aufweist und die umfaßt

eine erste lichtempfindliche Schicht (16) parallel zur Hauptoberfläche, die ein Material mit einer zugehörigen Bandlückenenergie umfaßt, durch die Elektron- Loch-Paare in einem Bereich derselben erzeugt werden, der Licht in einem vorgegebenen ersten Wellenlängenbereich (B) ausgesetzt ist;

eine zweite lichtempfindliche Schicht (20) parallel zur Hauptoberfläche, die ein Material mit einer zugehörigen Bandlückenenergie umfaßt, durch die Elektron- Loch-Paare in einem Bereich derselben erzeugt werden, der Licht in einem vorgegebenen zweiten Wellenlängenbereich (G), der sich von dem ersten Wellenlängenbereich unterscheidet, ausgesetzt ist;

eine erste Grenzschicht (18), die zwischen der ersten lichtempflindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist und ein Material umfaßt, das eine höhere Bandlückenenergie aufweist als das Material der ersten lichtempfindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht; sowie

eine Reihe von Elektroden (12a, 12b, 12c, 12d), die auf der Hauptoberfläche angeordnet sind, wobei jede Elektrode einem belichtbaren Bildbereich entspricht und die Elektroden das Verschieben von Bilddaten in der ersten lichtempfindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht an den diskreten belichtbaren Bildbereichen in der Anordnung ermöglichen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die erste fotoempfindliche Schicht (16) sich näher an der Oberfläche der Anordnung befindet als die zweite Oberfläche, und der erste Wellenlängenbereich (B) kürzere Wellenlängen enthält als der zweite Wellenlängenbereich (G).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, die des weiteren einen einheitlichen Leiter umfaßt, der an einem Ende derselben an die erste lichtempfindliche Schicht, die zweite lichtempfindliche Schicht und die Sperrschicht angrenzend angeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 wobei die erste lichtempfindliche Schicht und die zweite lichtempfindliche Schicht im wesentlichen die gleiche Dicke haben.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste lichtempfindliche Schicht und die zweite lichtempfindliche Schicht verschiedene relative Anteile von Aluminium und Gallium und/oder Aluminium, Gallium und Arsenid enthalten.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Grenzschicht Galliumphosphid umfaßt.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des weiteren eine Elektrode zum Anlegen einer Ausgleichsspannung an einen Teil der Anordnung umfaßt, wobei die Bandlückenenergie der Sperrschicht selektiv verringert werden kann.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des weiteren umfaßt:

eine dritte lichtempfindliche Schicht (24), die Elektron-Loch-Paare in einem Bereich derselben erzeugt, der Licht in einem vorgegebenen dritten Wellenlängenbereich (R) ausgesetzt wird, der sich von dem ersten Wellenlängenbereich und dem zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet; und

eine zweite Grenzschicht (22), die zwischen der ersten lichtempfindlichen Schicht und der zweiten lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist und keine Elektron- Loch-Paare erzeugt, wenn sie Licht des ersten Wellenlängenbereiches, des zweiten Wellenlängenbereiches und des dritten Wellenlängenbereiches ausgesetzt ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei die erste, die zweite und die dritte lichtempfindliche Schicht jeweils weiter von der belichtbaren Oberfläche der Anordnung entfernt angeordnet und jeweils für Licht längerer Wellenlänge empfindlich sind.

10. Verfahren zum Herleiten von Farbkomponentendaten eines Bildes, das die folgenden Schritte umfaßt:

Herstellen einer linearen ladungsgekoppelten Anordnung, die eine Hauptoberfläche, eine Gruppe belichtbarer Bildbereiche auf der Hauptoberfläche, eine Reihe von Elektroden (12, 12b, 12c, 12d) die auf der Hauptoberfläche angeordnet sind, wobei jede Elektrode einem belichtbaren Bildbereich entspricht, eine erste Schicht (16) parallel zur Hauptoberfläche, wobei die Schicht ein Material mit einer zugehörigen Bandlückenenergie umfaßt, durch die Elektron-Loch-Paare hergestellt werden, wenn sie Licht einer ersten Wellenlänge (B) ausgesetzt wird, eine zweite Schicht (20) parallel zur Hauptoberfläche, wobei die Schicht ein Material mit einer zugehörenden Bandlückenenergie umfaßt, durch die Elektron- Loch-Paare hergestellt werden, wenn sie Licht einer zweiten Wellenlänge (G) ausgesetzt wird, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, sowie eine Grenzschicht (18) enthält, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die Grenzschicht ein Material umfaßt, das eine höhere Bandlückenenergie aufweist als die erste Schicht und die zweite Schicht;

Belichten der linearen ladungsgekoppelten Anordnung, so daß Elektron-Loch- Paare in belichtbaren Bereichen in der ersten und der zweiten Schicht proportional zu den Komponenten von Licht der ersten und der zweiten Wellenlänge, die darauf auftreffen, erzeugt werden;

Anlegen einer Ausgleichsspannung an eine Elektrode an einem Ende der linearen Anordnung, um Zugriff auf die Elektron-Loch-Paare in der zweiten Schicht, die zu einem einzelne Pixel gehören, zu bewirken; und

Anlegen einer Reihe von Verschiebespannungen an die Reihe von Elektroden auf der linearen ladungsgekoppelten Anordnung, um zu bewirken, daß die Elektron- Loch-Paare zu einem Ausgangsanschluß (32) wandern.







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