本文作者是Nobukazu Teranishi, Akiyoshi Kohno, Yasuo Ishihara, Eiji Oda 和 Kouichi Arai，均来自日本电气株式会社（Nippon Electric Co., Ltd.）的微电子研究实验室。该研究论文发表于1982年的IEEE国际电子器件会议（IEDM）的技术文摘集中。
该研究属于半导体器件物理与固态图像传感器技术领域。长期以来，人们普遍认为固态图像传感器不会出现图像滞后（image lag）现象。然而，作者们在采用n+p-结光电二极管（photodiode, PD）的行间转移CCD（interline CCD, IL-CCD）图像传感器中，观察到了具有长时间常数的不良图像滞后。图像滞后是指在上一帧曝光后，残留的信号电荷在后续帧中被误读出的现象。在低照度成像时，滞后信号相对于有效信号的占比会增大，从而严重劣化再生图像的质量。因此，如果能消除图像滞后，将能显著扩展图像传感器的低照度工作下限，这对于IL-CCD这种具有低噪声、擅长弱光成像的传感器而言意义重大。本研究旨在阐明这种图像滞后的产生机理，并基于此提出一种新型的无图像滞后光电二极管结构。为此，研究还包括了图像滞后的测量方法以及实验验证。
本研究的工作流程主要包含三个核心部分：图像滞后的实验测量与特性表征、滞后机理的理论建模与分析、以及新型光电二极管结构的提出与验证。
第一部分：图像滞后的实验测量 实验对象是采用传统n+p-结光电二极管的IL-CCD单元。研究者设计了一套测量方法来量化图像滞后。如图2所示，测量过程以周期循环进行：首先，在连续的16个场周期（field period）中，于信号积累期间点亮一次闪光灯，提供一个标准的输入信号Vin（通常设定为100mV）；随后，在接下来的16个场周期中，关闭闪光灯。这个循环被重复进行，以测量信号衰减后的残留滞后（decay lag）和信号建立时的滞后（build-up lag）。同时，实验中还使用了微型灯泡提供恒定的弱背景光Vbias，以研究背景电荷的影响。 实验揭示了图像滞后的几个关键特征： 1. 当背景光关闭时，衰减滞后会持续超过10个场周期（图3）。 2. 输入信号增大时，衰减滞后的量会增加直至饱和（图4）；而输入信号减小时，滞后与信号之比会增大，这意味着在低照度下图像质量会变得更差。 3. 增加背景光照明可以减弱建立滞后和衰减滞后，尤其是第三个场周期之后的衰减滞后。 4. 在将背景电荷（包括暗电流）保持恒定的条件下，温度变化对图像滞后的影响很小。 5. 电荷转移时间ttr在0.5μs到350μs之间变化时，图像滞后的量没有改变。 基于图像滞后既不依赖温度也不依赖转移时间这一事实，研究者排除了电荷在光电二极管中被陷阱俘获是滞后主要原因的可能性。
第二部分：图像滞后机理的理论建模 为了定量解释实验现象，作者提出了一种基于MOSFET亚阈值电流公式的分析模型。图1(b)展示了一个IL-CCD单元的电势分布。当信号电子在光电二极管中积累时，PD电势φ_pd处于低电平φ_initial。当转移栅（transfer gate, TG）开启，电子开始从PD向垂直CCD（V-CCD）转移。在初始阶段，由于φ_pd远低于TG沟道电势φ_tg，转移速度很快。然而，随着φ_pd逐渐接近φ_tg，转移速度减慢。最终，当φ_pd大于某个临界值φ_subth（定义为φ_tg减去一个与费米势相关的偏移量）时，电荷转移受限于微小的亚阈值电流。因此，在有限的转移时间ttr内，一部分信号电子无法被转移出去，残留在PD中。这些残留电子将在后续场周期的转移中被读出，表现为图像滞后。 在分析中，输入信号Vin、背景光Vbias和第n场的衰减滞后Vlag被测量为PD上的电压变化。研究者推导了描述电荷转移电流i的公式（公式(2)），以及φ_pd随时间变化的方程（公式(3)）。通过对公式进行积分求解，得到了计算第n场衰减滞后的解析表达式（公式(5)）和饱和滞后表达式（公式(6)）。 该模型的计算结果（如图3和图4中的曲线所示）在没有使用任何拟合参数的情况下，与所有实验结果（包括建立滞后的结果）达到了定量的吻合，从而验证了模型的正确性。模型还解释了关键实验现象：滞后量与转移时间ttr无关，这是因为当ttr延长n倍时，由于φ_pd在整个操作过程中的漂移，转移电流i会减小到1/n，使得在ttr内转移的电荷总量保持不变；同时，在室温附近，滞后量对温度的依赖性也较弱，这与实验观察一致。
第三部分：新型无滞后光电二极管结构的提出与验证 为了从根本上消除图像滞后，作者提出了一种p+np-结构的光电二极管。图5展示了该结构单元和其电势分布。该设计的核心思想是：通过降低PD中n型区的掺杂浓度（donor concentration），使得耗尽整个n型区所需的PD电势φ_dep小于前述的亚阈值临界电势φ_subth。这样，在电荷转移过程中，PD电势可以始终保持在足够低的水平，确保所有信号电子在器件进入亚阈值工作状态之前，就以“完全转移模式”被快速转移走，从而避免了电荷残留。 此外，在n型区表面形成p+层带来了多重优势：1) PD电容显著增加，因为n型区与p+层形成了额外的pn结，提升了电荷存储容量；2) p+层阻止了硅-二氧化硅界面被耗尽，使得信号电子不与界面接触，从而避免了界面陷阱对电子的俘获；3) 由界面处产生-复合中心引起的暗电流得以保持极低的水平。 研究者制作了具有p+np-结构PD的IL-CCD，并进行了测试。图6显示了存储电子数Vst和衰减滞后随转移栅沟道电势φ_tg的变化关系。当φ_tg较小时（如3V），图像滞后特性与传统PD类似。随着φ_tg增加，Vst在φ_tg=6V时达到饱和，这表明此时PD中的整个n型区已被完全耗尽。当φ_tg大于等于6V时，第一场和第二场的衰减滞后值减少了一半，并且从第三场开始观察不到衰减滞后。这证实了在φ_tg≥6V的条件下，电子转移进入了完全转移模式，图像滞后被有效消除。
研究结论： 本研究在采用n+p-结光电二极管的行间转移CCD图像传感器中发现并阐明了一种具有长时间常数的、有害的图像滞后现象。基于亚阈值电流分析的理论模型成功定量解释了所有实验结果：在信号电子从PD向V-CCD转移的最后阶段，PD与TG沟道之间的电势差Δφ趋近于零，转移由微小的亚阈值电流主导，导致部分电子在有限时间内无法转移，残留电子在后续场中作为滞后信号被读出。 为消除此滞后，研究者提出了p+np-结构的光电二极管。该结构通过降低n型区掺杂浓度，使得即使在n型区完全耗尽时，Δφ仍能保持足够大，从而让信号电子在亚阈值条件开始之前就以完全转移模式被转移。n型区表面的p+层增强了电荷存储能力，并消除了界面处载流子俘获和暗电流产生的问题。 最终，采用新结构的传感器即使在低照度下，图像滞后在实际应用中也变得可忽略不计，从而显著扩展了IL-CCD图像传感器的低照度工作极限。
研究亮点： 1. 重要发现： 首次在IL-CCD中明确指出并系统研究了由电荷转移末期的亚阈值电流限制导致的图像滞后机理，纠正了“固态传感器无图像滞后”的普遍误解。 2. 理论创新： 创造性地将MOSFET的亚阈值电流理论应用于CCD电荷转移过程的分析，建立了一个能精确定量预测图像滞后行为的物理模型，且未经参数拟合即与实验完美吻合。 3. 技术创新： 提出了具有p+np-结和低掺杂n型区的创新性光电二极管结构。该设计从物理原理上规避了亚阈值电流瓶颈，实现了完全电荷转移，是解决此类图像滞后问题的根本性方案。 4. 应用价值： 所提出的解决方案直接提升了IL-CCD图像传感器的低照度性能，对推动当时固态摄像技术在安防、医疗、科研等弱光领域的应用具有重要的实用价值。 5. 研究完整性： 工作流程完整，从问题现象的实验表征，到物理机理的理论建模与验证，再到最终解决方案的提出与实现，形成了一个闭环的、严谨的科学研究范例。