(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーミック接続の電荷注入電極の後段に、第１相のクロック信号で駆動され且つストレージゲート電極およびバーチャルゲート電極からなるショットキー接続の第１相転送電極と該第１相のクロック信号と逆相の第２相のクロック信号で駆動され且つストレージゲート電極およびバーチャルゲート電極からなるショットキー接続の第２相転送電極を、交互に電荷転送方向に配置し、両転送電極の少なくとも一方の相の電極をフローティングにした２相駆動型の電荷結合装置において、
前記電荷注入電極と初段の前記第１相転送電極との間に、前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号で駆動され且つショットキー接続でストレージゲート構成の取込電極を電荷転送方向に２個並べて配置し、
前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号が一方の極性から他方の極性の方向に変化する途中で前段側の前記取込電極の下層チャネルが後段側の前記取込電極の下層チャネルよりも後にピンチオフ状態を脱し、且つ前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号が前記他方の極性から前記一方の極性の方向に変化するとき前段側の前記取込電極の下層チャネルが後段側の前記取込電極の下層チャネルより先にピンチオフ状態に入るようにし、後段側の前記取込電極の下に蓄積された電荷が逆流することなくその後段の前記第１相転送電極に転送されるようにしたことを特徴とする電荷結合装置。
【請求項２】
前記前段側の取込電極に印加するクロック信号を、前記後段側の取込電極に印加するクロック信号に対して負方向のバイアスを加え且つその振幅を２倍にした内容のクロック信号としたことを特徴とする請求項１に記載の電荷結合装置。
【請求項３】
前記前段側の取込電極に印加するクロック信号のバイアス量を、前記後段側の取込電極に印加するクロック信号の振幅の1/2に設定したことを特徴とする請求項２に記載の電荷結合装置。
【請求項４】
前記後段側の取込電極に印加するクロック信号を、前記第２相のクロック信号としたこと特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電荷結合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１相の転送電極をフローティングにして使用する２相駆動型の電荷結合装置に係り、特に入力信号の大きさとそれを取り込んだ信号電荷量との間の直線性（リニアリティ）を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４に従来の２相駆動型ＨＥＭＴ ＣＣＤの電荷入力部付近の断面図を示す。図４において、１０はGaAs半絶縁性基板、１１は厚さ約0.1μｍのAlGaAsのバッファ層、１２は厚さ約１３０オングストロームのノンドープInGaAsのチャネル層、１３は厚さ約５０オングストロームのAlGaAsのスペーサ層、１４はSiを約３×１０17cm-3ドープした３００オングストロームのn-AlGaAsの電子供給層、１５は厚さ約３００オングストロームのノンドープAlGaAs層、１６は厚さ約６００オングストロームのノンドープGaAs層である。
【０００３】
１７はAuGe/Ni/Auからなるオーミック接続の電荷注入電極、１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂはTi/Pt/Auからなるショットキー接続の電極である。電極１８ａと１８ｂで第１相の転送電極１８が、電極１９ａと１９ｂで第２相の転送電極１９が、電極２０ａと２０ｂで第１相の転送電極２０が形成されている。このように、転送電極は第１相と第２相が電荷転送方向に交互に複数個形成されている（図示せず）。
【０００４】
ここで、電極１８ｂ，１９ｂ，２０ｂはストレージゲート電極と呼ばれ、ノンドープGaAs層１６上に直接配置することにより、電荷を蓄積するためにピンチオフ電圧を負に設計してある。一方、電極１８ａ，１９ａ，２０ａはバーチャルゲート電極と呼ばれ、ノンドープGaAs層１６を取り除いたノンドープAlGaAs層１５上に直接配置することにより、ピンチオフ電圧をストレージゲート電極よりも正方向（負又は正）に設計してある。
【０００５】
よって、例えば第１相の転送電極１８にクロック信号を印加したとき、そのクロック信号の電圧が正方向に変化すると、まずストレージゲート電極１８ｂがピンチオフ状態を脱し、その後にバーチャルゲート電極１８ａがピンチオフ状態を脱する。逆に、そのクロック信号の電圧が負方向に変化するときは、まずバーチャルゲート電極１８ａがピンチオフ状態となり、その後にストレージゲート電極１８ｂがピンチオフ状態となる。第２相の転送電極１９も同じである。このように動作するので電荷の逆流が防止される。
【０００６】
２１は電荷注入電極１７に接続された入力信号源、２２は第１相の転送電極１８，２０にクロック信号φ１を印加するクロック信号源、２３は第２相の電極１９にクロック信号φ２を印加するクロック信号源で、両クロック信号源２２，２３の出力クロック信号はその位相が１８０度異なっている。２４はクロック信号源２３の出力クロック信号φ２’から直流分の影響を除去するためのコンデンサである。
【０００７】
トランスバーサルフィルタを分割電極型で作製しようとする場合、第２相の転送電極１９をフローテイングにする必要があり、そのためにコンデンサ２４が挿入されており、その容量値は第２相の転送電極（図示した１９以外に多数ある）の合計容量にほぼ等しい値に設定される。よって、コンデンサ２４にかかる電圧分を余分に供給する必要があるので、クロック信号源２３の出力クロック信号φ２’の最大振幅はクロック信号源２２の出力クロック信号φ１の最大振幅の約２倍に設定される。これにより、第１相の転送電極（１８，２０等）に印加されるクロック信号φ１と第２相の転送電極（１９等）に印加されるクロック信号φ２の振幅が同一になる。
【０００８】
図５に、この２相駆動型ＨＥＭＴ ＣＣＤの初段のストレージゲート電極１８ｂに電荷が注入される場合のポテンシャル井戸の変化の状態(a)とクロック信号φ１，φ２、φ２’の波形(b)を示す。第１相のクロック信号φ１の電圧が正方向に上昇しバーチャルゲート電極１８ａのピンチオフ電圧以上になると、オーミック電極１７から入力信号電圧の大きさに応じた電荷量が初段のバーチャルゲート電極１８ａの下層のチャネルを横切って、ストレージゲート電極１８ｂ下に予めできている深いポテンシャル井戸に注入される（ｔ＝ｔ１）。この注入された信号電荷量の大きさは、入力信号電圧の大きさ、バーチャルゲート電極１８ａ下層のチャネル・コンダクタンス、および注入時間（又はクロック信号周波数）によって、ダイナミックに決まる。そして、ｔ＝ｔ２ではバーチャルゲート電極１８ａはピンチオフ電圧になりピンチオフ状態となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この電荷注入の手法では入力信号電圧と蓄積される信号電荷量との関係の直線性が良くないという問題がある。これは第１相電極１８のバーチャルゲート１８ａの部分が非線形に動作するためである。
【００１０】
図６は、クロック信号源２２から出力するクロック信号φ１の振幅を0.9ＶPP、クロック信号源２３から出力するクロック信号φ２’の振幅を1.8ＶPP（但し、クロック信号φ１の振幅は0.9ＶPP）、それぞれのクロック信号周波数を２００MHzとしたとき、入力信号電圧と蓄積される電荷量をデバイスシミュレーションで求めた結果である。この図６から明らかなように、入力信号電圧の変化に対して蓄積される信号電荷量の変化の直線性が非常に悪い。
【００１１】
本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、その目的は、入力信号電圧の変化に対して蓄積される信号電荷量の変化の直線性を改善し、しかも余分なクロック信号源を特別には必要としないようにした電荷結合装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の発明は、オーミック接続の電荷注入電極の後段に、第１相のクロック信号で駆動され且つストレージゲート電極およびバーチャルゲート電極からなるショットキー接続の第１相転送電極と該第１相のクロック信号と逆相の第２相のクロック信号で駆動され且つストレージゲート電極およびバーチャルゲート電極からなるショットキー接続の第２相転送電極を、交互に電荷転送方向に配置し、両転送電極の少なくとも一方の相の電極をフローティングにした２相駆動型の電荷結合装置において、前記電荷注入電極と初段の前記第１相転送電極との間に、前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号で駆動され且つショットキー接続でストレージゲート構成の取込電極を電荷転送方向に２個並べて配置し、前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号が一方の極性から他方の極性の方向に変化する途中で前段側の前記取込電極の下層チャネルが後段側の前記取込電極の下層チャネルよりも後にピンチオフ状態を脱し、且つ前記第２相のクロック信号と同相のクロック信号が前記他方の極性から前記一方の極性の方向に変化するとき前段側の前記取込電極の下層チャネルが後段側の前記取込電極の下層チャネルより先にピンチオフ状態に入るようにし、後段側の前記取込電極の下に蓄積された電荷が逆流することなくその後段の前記第１相転送電極に転送されるように構成した。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記前段側の取込電極に印加するクロック信号を、前記後段側の取込電極に印加するクロック信号に対して負方向のバイアスを加え且つその振幅を２倍にした内容のクロック信号とした。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明において、前記前段側の取込電極に印加するクロック信号のバイアス量を、前記後段側の取込電極に印加するクロック信号の振幅の1/2に設定した。
【００１５】
第４の発明は、第１乃至３のいずれかの発明において、前記後段側の取込電極に印加するクロック信号を、前記第２相のクロック信号とした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のひとつの実施形態の電荷結合装置を示す断面図である。図１において、１０はGaAs半絶縁性基板、１１は厚さ約0.1μｍのAlGaAsのバッファ層、１２は厚さ約１３０オングストロームのノンドープInGaAsのチャネル層、１３は厚さ約５０オングストロームのAlGaAsのスペーサ層、１４はSiを約３×１０17cm-3ドープした３００オングストロームのn-AlGaAsの電子供給層、１５は厚さ約３００オングストロームのノンドープAlGaAs層、１６は厚さ約６００オングストロームのノンドープGaAs層、１７はAuGe/Ni/Auからなるオーミック接続の電荷注入電極、１８、１９はTi/Pt/Auからなるショットキー接続の転送電極、２１は電荷注入電極１７に接続された入力信号源、２２は第１相の転送電極１８にクロック信号φ１を印加するクロック信号源、２３は第２相の転送電極１９にクロック信号を印加するクロック信号源、２４はクロック信号源２３の出力クロック信号の直流分の影響を除去するコンデンサであり、これらは図４に示したものと同じである。
【００１７】
本実施形態では、電荷注入電極１７と第１相の転送電極１９との間において、電荷転送方向の前段から後段方向にかけて、ノンドープGaAs層１６の上面にTi/Pt/Auからなるショットキー接合で且つストレージゲート構成の取込電極２５，２６を順次形成する。そして、前段の取込電極２５にはコンデンサ２７を介してクロック信号源２３のクロック信号を印加し、後段の取込電極２６にはコンデンサ２４を介してクロック信号源２３のクロック信号を印加する。さらに、前段の取込電極２５には直流電源２８の電圧を抵抗２９を介して印加する。
【００１８】
つまり、前段の取込電極２５には、クロック信号源２３のクロック信号φ２’を、クロック信号φ１，φ２の最大振幅の約半分の大きさのレベルで負方向にバイアスした内容のクロック信号φ０を印加させる。前記の場合と同様に、クロック信号源２２から出力するクロック信号φ１の振幅を0.9ＶPP、クロック信号源２３から出力するクロック信号φ２’の振幅を1.8ＶPPとするときは、クロック信号φ０としては、直流電源２８と抵抗２９によって-0.45Ｖのバイアスを印加した振幅1.8ＶPPの信号とする。
【００１９】
図２はクロック信号によってポテンシャルの井戸が変化する状態(a)とクロック信号φ１，φ２、φ０の波形(b)を示す図である。この図２からも分かるように、クロック信号φ０、φ２が負から正に向けて変化するときは、後ろの取込電極２６の方が前段の取込電極２５に比べて先にピンチオフ電圧以上になり、正から負に変化するときは前段の取込電極２５の方が後段の取込電極２６に比べて先にピンチオフ電圧以下に達しさらに負方向に深くなるので、取込電極２６の下に蓄積された電荷が逆流することなくその後段の第１相の転送電極１８に転送される。
【００２０】
また、初段の取込電極２５はバーチャルゲート電極と同じ動作を呈するが、実体はストレージゲート電極であるので、後段の取込電極２６の下に蓄積される電荷の量は、注入時間やチャネルコンダクタンスに影響されることなく、入力信号電圧の大きさのみによって決まるため、線形性が大幅に改善される。さらに、取込電極２６と初段の転送電極１８のクロック信号電圧は正確な逆相関係にあるので、バーチャルゲート電極１８ａにおける非線形動作は起こらない。以上から、電荷注入電極１７に注入される入力信号とそれを取り込んで転送される電荷との間は良好な直線性を呈するようになる。
【００２１】
図３に本実施形態による電荷注入手法で求めたデバイスシミュレーション結果を示す。この図から、入力信号電圧の大きさと蓄積される信号電荷の量との線形性が大幅に改善されていることが分かる。
【００２２】
なお、前段の取込電極２５には特別にクロック信号φ０を作製して印加しても良いが、前述したように、クロック信号源２３の出力クロック信号φ２’を負方向にバイアスさせた信号を印加するようにすれば、新たにクロック信号源を備える必要はない。
【００２３】
なお、以上では第２相の転送電極１９をフローティングとしたが、第１相の転送電極１８についても、同様にクロック信号供給源２２の出力側に直流カット用のコンデンサを接続してフローティングにしてもよい。この場合は、そのコンデンサでの電圧損失分を考慮して、クロック供給源２２の出力クロック信号レベルを高くする必要がある。
【００２４】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、入力信号電圧に対する蓄積電荷量の直線性を良好にすることができると共に、余分なクロック信号源を必ずしも設ける必要がないという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の電荷結合装置の断面図である。
【図２】  図１の電荷結合装置のポテンシャルの井戸の変化(a)と電極に印加するクロック信号の波形(b)の説明図である。
【図３】  図１の電荷結合装置の入力信号電圧に対する蓄積電荷量の特性図である。
【図４】  従来の電荷結合装置の断面図である。
【図５】  図４の電荷結合装置のポテンシャルの井戸の変化(a)と電極に印加するクロック信号の波形(b)の説明図である。
【図６】  図４の電荷結合装置の入力信号電圧に対する蓄積電荷量の特性図である。
【符号の説明】
１０:GaAs半絶縁性基板、１１:AlGaAsのバッファ層、１２:チャネル層、１３：AlGaAsのスペーサ層、１４:AlGaAsの電子供給層、１５:ノンドープAlGaAs層、１６:ノンドープGaAs層、１７:オーミック接続の電荷注入電極、１８，１９，２０:ショットキー接続の転送電極、２１:入力信号源、２２：φ１のクロック信号源、２３:φ２’のクロック信号源、２４：コンデンサ、２５，２６：ショットキー接続の取込電極、２７：コンデンサ、２８：直流電源、２９：抵抗。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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