專利名稱:形成在絕緣材料上的靜電潛象的無損讀出的制作方法
本發(fā)明總的來說涉及用于無損地讀出形成在絕緣材料上的靜電潛像的裝置和方法。更具體地，本發(fā)明是關(guān)于讀出絕緣材料片或?qū)由戏e累的電荷(靜電荷面密度)的位置和大小的方法和裝置，它涉及產(chǎn)生同半導(dǎo)體材料片或?qū)由戏e累的感應(yīng)電荷有關(guān)的表面耗盡層，然后用表面光電壓效應(yīng)確定半導(dǎo)體材料上積累的電荷的位置和大小。
本發(fā)明對(duì)于讀出由X射線輻射形成在絕緣體上的靜電潛像是特別有用的，但不僅僅限于由上述形式的輻射形成的靜電潛像。
在某些情形中，如輪胎制造，編織，印刷，加工液體燃料或電子器件當(dāng)中，積累的靜電荷是有害的和不希望的。在另一些情形中，例如在電子照像技術(shù)中，靜電荷的積累(即靜電)是有益的，并用于形成物體的靜電潛像，然后顯現(xiàn)出來。然而在這兩方面中，都需要精確確定靜電荷的位置和大小。
有一些已知的不同用于測(cè)量靜電荷的方法。早期用于檢測(cè)靜電荷的技術(shù)是利用例如金箔驗(yàn)電器，木髓球，和極輕的物質(zhì)如煙灰等。這些方法只有歷史上的價(jià)值?，F(xiàn)在，靜電荷通常由測(cè)量在表面上的靜電勢(shì)來確定。例如可用靜電計(jì)(高輸入阻抗電壓計(jì))測(cè)量參考電極上感應(yīng)的交流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。在上述方法中交流信號(hào)可通過將電屏蔽周期性地引入?yún)⒖茧姌O和待測(cè)表面之間的空間來產(chǎn)生。電測(cè)方法是無損的并便于測(cè)量靜電荷的大小。然而確定電荷分布需要對(duì)要研究的表面用小孔徑參考電極進(jìn)行緩慢而不方便的機(jī)械掃描，或要利用電極陣。
有一些確定電荷分布的無損方法。典型的例子是光導(dǎo)攝象管和電子照像術(shù)。在光導(dǎo)攝象管中，電荷分布圖形存貯在半導(dǎo)體靶上。電荷分布是由在用電子束掃描靶子時(shí)測(cè)量電子束流的變化而確定的。在電子照象術(shù)中，在靜電印刷面上的電荷分布(即在靜電印刷面上形成的靜電潛像)，在顯像過程中，通過被電荷吸引到靜電印刷面上的調(diào)色劑粒子的分布而確定。
用半導(dǎo)體對(duì)積累在絕緣層中的電荷進(jìn)行無損測(cè)量的現(xiàn)有技術(shù)主要用在電子器件領(lǐng)域內(nèi)，特別是在計(jì)算機(jī)存貯上。在這種情況下，確定存貯在單個(gè)元素中的電荷是通過測(cè)量在半導(dǎo)體表面下形成的導(dǎo)電通道中的電流變化而完成的。
關(guān)于交流表面光電壓，在1958年“物理評(píng)論”(Physical Review)，第111卷，第1期，第153至166頁，RCA實(shí)驗(yàn)室E.O.Johnson的題為“用鍺對(duì)大信號(hào)表面光電壓的研究(Large-Signal Surface Photovoltage Studies With Germanium)”的文章中進(jìn)行了描述。該文章討論了半導(dǎo)體中表面光電壓和表面電勢(shì)及因此產(chǎn)生的空間電荷之間的關(guān)系。
半導(dǎo)體銻化銦的光電壓響應(yīng)已用于確定半導(dǎo)體中電磁輻射引起的電荷分布。這在1967年的“應(yīng)用物理通訊”(Applied Physics Letters)，第22卷，第11期，第359至第361頁R.J.Phelen，Jr.和J.O.Dimmock的題為“用均勻MOS結(jié)構(gòu)成像和存貯(Imagingand Storage With a Uniform MOS Struc-ture)”的文章中進(jìn)行了描述。投射到均勻MOS結(jié)構(gòu)(半透明金屬膜-氧化層-銻化銦夾層結(jié)構(gòu))上的像使半導(dǎo)體的表面耗盡區(qū)域發(fā)生變化。存貯在耗盡層中的電荷通過測(cè)量由“讀”光子束引起該層飽合所造成的光伏響應(yīng)而確定。只有幾微米厚的耗盡層是有效結(jié)構(gòu)。
最近，已證明由具有與半導(dǎo)體帶隙相當(dāng)或超過帶隙的光子能量的，經(jīng)高頻調(diào)制的低強(qiáng)度光束所引起的交流表面光電壓正比于半導(dǎo)體耗盡層電容的倒數(shù)，因而正比于該層中的電荷密度。而且，已發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)條件下測(cè)得的信號(hào)對(duì)于半導(dǎo)體和參考電極間距離的依賴很微弱。關(guān)于這一點(diǎn)，E.Kamieniecki在其所著的下述兩篇文章中進(jìn)行了討論，即1982年的“真空科學(xué)與技術(shù)雜志”(Journal of Vacuum Science & TechnoLogy)，第20卷，第3期，第811至814頁的題為“用光探針確定表面空間電荷電容(Determinat-ion Of Surface Space Charge Capacitance Using Light Probe)”的文章和1983年“應(yīng)用物理雜志”(Journal of Applied Physics)，第54卷，第11期，第6481頁至6487頁題為“表面電容測(cè)量在半導(dǎo)體/電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用(Surface Measured CapacitanceApplication to Semicoductor/ELectrolyte System)”的文章。
至今研究的總的結(jié)論是在半導(dǎo)體表面上的耗盡層中局部的電荷大小和交流表面光電壓之間存在相互關(guān)系。在此交流表面光電壓定義為由強(qiáng)度調(diào)制(周期性或非周期性)的光子束引起的表面電勢(shì)的變化。此光子束可使在耗盡區(qū)的前表面生成載流子，或當(dāng)由背面(反面)照射時(shí)在體內(nèi)生成載流子并使載流子向耗盡區(qū)擴(kuò)散(遷移)。
在G.W.Luckey的美國(guó)專利第3，859，527號(hào)中公開了用于在存貯介質(zhì)中存貯圖像的裝置和方法，上述圖像相應(yīng)于高能輻射圖形。將暫存介質(zhì)(如紅外激發(fā)的硫或熱致發(fā)光材料)暴露在高能輻射入射圖形下。暴露一段時(shí)間間隔后，用小區(qū)域長(zhǎng)波輻射或熱束掃描該屏使以光的形式釋放存貯的能量。用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器接收由屏發(fā)射的光并產(chǎn)生相應(yīng)于接收光的電能。由電能攜帶的信息通過用光束來掃描信息存貯介質(zhì)而轉(zhuǎn)換為存貯的像，上述光束是根據(jù)電能進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的。
有關(guān)氣體電離照像術(shù)(gas ionography)，有時(shí)也稱為電子放射學(xué)，其中X射線由在電離室的平行板之間的高壓氣體吸收，而產(chǎn)生的離子則由覆蓋在其中一塊板上的絕緣箔收集有關(guān)這方面的文章包括，刊在1974年“醫(yī)學(xué)物理”(Medical Physics)第1卷，第1期，第1至10頁，A.Fenster，D.Plewes和H.F.Johns的“診斷放射學(xué)中離子照像術(shù)的效率和分辨率(Efficien-cy and ResoLution of Ionography in Diagnostic RadioLogy)”;刊在1974年9月號(hào)“英國(guó)放射學(xué)雜志”(British Journal of Radiology)第519頁至529頁H.E.Hohns等人的“放射照像術(shù)中形成靜電像的氣體電離法(Gas Ionization Methods of ELectrostatic Image Formation in Radiography)”;刊在1984年“醫(yī)學(xué)物理”第11(2)卷，3-4月號(hào)第137至144頁;B.G.Fallone和E.B.Podgorsak的“離子照相的潛像的充電特性(Charging Characteristics of Ionographic Latent Images)”;刊在1974年“醫(yī)學(xué)物理”第5卷，第5期，9-10月號(hào)第262頁至265頁，A.Fenster和H.E.Johns的“用于診斷放射學(xué)的液體離子照相術(shù)(Liquid Ionog-raphy FOr Diagnostic Radiology)”;刊在1980年“醫(yī)學(xué)物理”第7(4)卷，7-8月號(hào)第315頁至323頁，D.Plewes和H.E.Johns的“靜電放射照相術(shù)和離子照相術(shù)中靈敏度和邊緣增強(qiáng)的理論與實(shí)驗(yàn)確定”(Theoretical and Exper-imental Determination of Sensitivty and Edge Enhancement in Xeroradiography and Ionography)。
根據(jù)本發(fā)明讀出形成在絕緣材料片或?qū)拥谋砻嫔匣騼?nèi)部的靜電潛像的方法包括提供相當(dāng)靠近絕緣材料的半導(dǎo)體材料片或?qū)?，以通過感應(yīng)而在半導(dǎo)體材料片或?qū)由袭a(chǎn)生表面耗盡層，然后測(cè)量當(dāng)用合適波長(zhǎng)的強(qiáng)度調(diào)制的光束來掃描半導(dǎo)體材料時(shí)，在半導(dǎo)體材料上產(chǎn)生的交流表面光電壓。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，用于讀出積累在絕緣材料片或?qū)由系碾姾傻难b置包括半導(dǎo)體材料片或?qū)?，參考電極，光源，光學(xué)聚焦系統(tǒng)，掃描器和電子放大線路。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供新的改進(jìn)的方法和裝置，用于讀出形成在絕緣材料片或?qū)由系撵o電潛像。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供如前所述的無損的方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供如前所描述的方法和裝置，其中靜電潛像作為模擬電信號(hào)被讀出。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供新的改進(jìn)的讀出部件。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供新的和改進(jìn)的光接收器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可重復(fù)使用的固體光接收器，它能夠存貯X射線潛像。
各種目的和優(yōu)點(diǎn)將從下面的說明書中顯示出來。在說明書中，根據(jù)參考構(gòu)成說明書的一部分的附圖，在其中以圖的形式說明，實(shí)施方案得到更充分詳細(xì)的描述，以使得在該技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)的本專業(yè)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，應(yīng)該了解的是，不脫離本發(fā)明的范圍，其它實(shí)施方案可利用且可作出結(jié)構(gòu)的改變。所以，下面的詳細(xì)說明書不包含限制的意義，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求
書確定。
在圖中，相同的參考數(shù)字代表相同的部分。
圖1是絕緣體，讀出部件和參考電極的剖視圖，在上述絕緣體上可形成靜電潛像，而上述讀出部件和參考電極是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)造的，用來讀出在絕緣體上形成的靜電潛像。
圖2顯示了圖1中的讀出部件的半導(dǎo)體部分和參考電極之間由任意放置的帶負(fù)電的薄絕緣體造成的電荷分布;
圖3(a)、3(b)和3(c)是具有不同絕緣體結(jié)構(gòu)的圖1中所描述的參考電極和讀出部件的組合的剖視圖;
圖4是有助于理解本發(fā)明的等效電路;
圖5是有助于理解本發(fā)明的等效電路;
圖6是有助于理解本發(fā)明的曲線圖;
圖7是有助于理解本發(fā)明的等效電路;
圖8(a)和8(b)是本發(fā)明的裝置中參考電極可供選擇的結(jié)構(gòu)的部分剖視的俯視圖;
圖9是根據(jù)本發(fā)明制造的光接收器的一個(gè)實(shí)施方案的剖視圖;
圖10是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置的實(shí)施方案的示意圖;
圖11是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置的另一實(shí)施方案的一部分的剖視圖;
圖12是根據(jù)本發(fā)明制造的光接收器的另一實(shí)施方案的剖視圖;
圖13是根據(jù)本發(fā)明制造的光接收器的另一實(shí)施方案的剖視圖。
本發(fā)明的目的在于發(fā)明(Ⅰ)用于讀出積累在絕緣材料片或?qū)由系碾姾煞植己痛笮?更確切地說是表面分布)的裝置及(Ⅱ)讀出絕緣材料片或?qū)由系碾姾煞植紙D形的方法。
該裝置的主要部分是(1)讀出部件，(2)參考電極，(3)光照系統(tǒng)，(4)掃描器和(5)電子探測(cè)系統(tǒng)。
讀出部件包括半導(dǎo)體材料片或?qū)印９庹障到y(tǒng)包括光源，光學(xué)聚焦系統(tǒng)和光調(diào)制器。
讀出部件可固定在絕緣材料上，或與絕緣材料分開。
在半導(dǎo)體材料的背面或側(cè)面具有電氣觸點(diǎn)，上述半導(dǎo)體材料的形狀可以是片狀(薄片)或?qū)訝?薄膜)。半導(dǎo)體的前表面可不進(jìn)行覆蓋，或?yàn)榱穗姺雷o(hù)，可覆蓋保護(hù)絕緣層。作為例子，半導(dǎo)體材料可用單晶、多晶或非晶硅，或硅的合金，保護(hù)絕緣層可用氧化硅或氮化硅。置于半導(dǎo)體前面距前表面一定距離處的是導(dǎo)體參考電極。半導(dǎo)體可用來自光照系統(tǒng)的光從前面經(jīng)過參考電極或從背面照射(即掃描)。在從前面照射的情況下，參考電極和保護(hù)絕緣材料對(duì)于所用的光必須是透明的，而在從背面照射的情況下，背面的電氣觸點(diǎn)及用于半導(dǎo)體的任何支持物或襯底對(duì)于所用的光必須是透明的。在前照射的情況下，為了提高效率，所用光的光子能量最好超過半導(dǎo)體帶隙。在從背面照射的情況下，光子能量須與能隙相差不大，使其能穿過半導(dǎo)體到距前表面足夠近之處，以提供耗盡層中的載流子。
在后面要描述的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，待測(cè)的具有電荷分布的絕緣材料(絕緣體)比半導(dǎo)體和參考電極之間的縫隙薄得多，而在另一個(gè)實(shí)施方案中，絕緣材料的厚度與縫隙相差不大。
在前面提到的第一個(gè)實(shí)施方案中，積累了待測(cè)電荷圖形的絕緣材料所處的位置與半導(dǎo)體的距離遠(yuǎn)小于到參考電極的距離。對(duì)于某些應(yīng)用，如確定位于絕緣體表面上的電荷密度圖形及電荷跨過絕緣體的遷移(如在用光照光導(dǎo)電性絕緣體例如含硒的合金的情況下)，這個(gè)絕緣材料甚至可附著在半導(dǎo)體的前表面上，例如通過沉積在保護(hù)絕緣層上。移去留在與半導(dǎo)體相對(duì)的絕緣體表面上的電荷后，電荷跨過絕緣體的遷移的效應(yīng)可由測(cè)量積累在絕緣體上的總電荷而確定。上述電荷可象在靜電印刷術(shù)中應(yīng)用的那樣，用刷子或交流電暈放電移去。
本發(fā)明也可用于測(cè)量直接沉積在絕緣材料層(如保護(hù)絕緣體)上的電荷，上述絕緣材料層是由各種方法例如沉積法在半導(dǎo)體上形成的。電荷的沉積可由X射線輻照氣體，如空氣，氙或氟利昂來實(shí)現(xiàn)。
在上面提到的第二個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體置于靠近絕緣材料層或平面的一邊，而參考導(dǎo)電電極位于靠近絕緣材料層或平面的相反一邊。如果電荷形成在這個(gè)絕緣層的一邊，然后象靜電印刷過程那樣，某些位置上的電荷遷移到相反的表面上，位于靠近導(dǎo)電參考電極的絕緣體表面上的電荷就會(huì)被參考電極上的電荷中和掉，并且只有位于與半導(dǎo)體相鄰的表面上的電荷導(dǎo)致半導(dǎo)體中感生相反的電荷。在這種情況下，本發(fā)明的方法將可用于確定只位于一個(gè)表面(即處于靠近半導(dǎo)體的那個(gè)表面)上的電荷密度圖形，并且由此可用于確定絕緣體中的電荷遷移效應(yīng)。
在前照射的情況下，測(cè)量中的絕緣體對(duì)于所用的光須是透明的(或半透明的)，而且所用的光必須在這個(gè)絕緣體中不造成任何的電荷重新分布。這一點(diǎn)在背照射的情況下是不需要的，假如光照不穿過在測(cè)量中的絕緣體。
根據(jù)本發(fā)明的方法檢測(cè)絕緣材料中積累的靜電荷要求在半導(dǎo)體中存在耗盡層。這可通過使用預(yù)先充電的(通過外部裝置)或引入適量電荷的保護(hù)絕緣層來實(shí)現(xiàn)。在測(cè)量中的絕緣體中積累的電荷只改變預(yù)先建立的耗盡層。耗盡層的存在也可通過使用能因感應(yīng)電荷而形成耗盡層的具有合適類型電導(dǎo)率的半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，n型半導(dǎo)體可用于檢測(cè)負(fù)電荷，而P型半導(dǎo)體用于檢測(cè)正電荷。在任何情況下，在半導(dǎo)體表面(界面)態(tài)上積累的電荷須足夠低，以便于因半導(dǎo)體中感應(yīng)的電荷改變耗盡層。
在讀出半導(dǎo)體上積累的電荷產(chǎn)生的輸出電信號(hào)是通過在讀出裝置的電荷敏感部分里(即半導(dǎo)體和參考電極之間)用強(qiáng)度調(diào)制光照生成的。根據(jù)需要可使用掃描模式和調(diào)制的不同組合。在光柵的情況下，掃描光可周期性地調(diào)制(如正弦型調(diào)制)也可不調(diào)制。非調(diào)制的光實(shí)際上類似脈沖調(diào)制的特性，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)域元素只照射很短的時(shí)間。
在電壓模式中，探頭同高輸入阻抗的電子探測(cè)系統(tǒng)一起操作。在電流模式中，電子系統(tǒng)的輸入阻抗地半導(dǎo)體-參考電極系統(tǒng)的輸出阻抗低。在電壓模式中，包括電子探測(cè)系統(tǒng)的輸入的探頭的時(shí)間常數(shù)要比光調(diào)制的周期(或有效脈沖寬度)長(zhǎng)，但又要足夠短，以便能給半導(dǎo)體充電(形成耗盡層)。時(shí)間常數(shù)應(yīng)介于秒和毫秒之間。
現(xiàn)在參考圖1，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的絕緣體IM和讀出部件11及參考電極12的放大的剖視圖，在上述IM上可形成靜電潛像(通過各種已知的方法，未畫出)。
讀出部件11包括半導(dǎo)體片13，它用透明的保護(hù)絕緣材料層15蓋在其上表面或前表面14上。保護(hù)絕緣層15作為電保護(hù)(阻斷接觸)以防半導(dǎo)體13將電荷注入絕緣材料IM的體內(nèi)，上述IM的靜電荷分布是待讀出的。參考電極12置于半導(dǎo)體13之上并留出間隔。將一塊在其上形成待測(cè)靜電荷的絕緣材料IM置于半導(dǎo)體13與參考電極12之間的間隔內(nèi)。參考電極12包括在透明襯底18上的透光的導(dǎo)電層17(或分成組的-如一系列條狀的導(dǎo)電層)。另外，參考電極12可包括導(dǎo)線網(wǎng)。半導(dǎo)體片13通過電氣觸點(diǎn)21同引線19電連接。上述電氣觸點(diǎn)21是層狀的，在半導(dǎo)體片13的背面20上。另一個(gè)電引線23連到參考電極12的導(dǎo)電層17上。讀出部件11可從前面(上面)穿過參考電極12照射(掃描)，如箭頭A所示。
在已實(shí)際建立和檢驗(yàn)的讀出部件11的實(shí)施方案中，晶態(tài)硅薄片用作半導(dǎo)體片13。n型和p型硅都已使用和檢驗(yàn)。n型硅薄片是單晶Czochralski或(111)取向并且電阻率在5到7歐姆/厘米范圍內(nèi)。P型硅也是單晶Czochralski或(111)取向并且電阻率在7到14歐姆/厘米范圍內(nèi)。1000到3000埃的氧化硅覆蓋層用作保護(hù)絕緣體。
除了用單晶硅外，作為例子，其它可用作半導(dǎo)體13的可能材料是微晶硅、非晶(氫化的或摻氫)硅和硅-鍺合金。這些材料，如后面所解釋的，用于制做讀出部件可能更好，因?yàn)樵谶@些材料中少數(shù)載流子的壽命比在單晶中短。多晶、微晶和非晶材料也可比晶態(tài)薄片的尺寸造得更大。絕緣保護(hù)層15可能的選擇包括由沉積或化學(xué)反應(yīng)(如氧化)形成的氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)及帶氮化硅的n型或p型非晶硅。
在制成的實(shí)施方案中所用的參考電極12是不銹鋼線網(wǎng)，每線性吋的網(wǎng)眼數(shù)在150×150到400×400的范圍內(nèi)，開口分別在0.1到0.04毫米范圍內(nèi)。某些測(cè)試也使用氧化銦錫(ITO)膜，沉積在朝向半導(dǎo)體13的玻璃表面上。參考電極12與半導(dǎo)體13分開距離d大約0.5毫米或更小。該距離d，根據(jù)電子學(xué)和應(yīng)用的類型，可擴(kuò)大到幾個(gè)毫米。
本發(fā)明的制成的實(shí)施方案中用于照射半導(dǎo)體的光源是發(fā)光在585和700毫微米的發(fā)光二極管(LED)及氦氖(633毫微米15毫微瓦)和二極管(820毫微米，10毫瓦)激光器。來自氦氖激光器的光用聲光調(diào)制器調(diào)制。LED和二極管激光器用合適的電源調(diào)制。讀出部件11從頂部照射，如箭頭A所示。
觸點(diǎn)21可具有點(diǎn)的形狀而不是層狀，并且可在半導(dǎo)體13的側(cè)面而不是在半導(dǎo)體13的背面。
半導(dǎo)體13也可從背面(即底部)照射。如箭頭B所示。然而后者的結(jié)構(gòu)要求在其上形成半導(dǎo)體的襯底(如果半導(dǎo)體13只是一層)是透光的，而且接在半導(dǎo)體上的電氣觸點(diǎn)21不阻擋光，以使光可射到半導(dǎo)體13的底面上。激發(fā)光的波長(zhǎng)必須符合半導(dǎo)體13的帶隙，即半導(dǎo)體13中載流子的產(chǎn)生要足夠接近于半導(dǎo)體13的前部(即頂部)的有效表面。
對(duì)于某些應(yīng)用(如使用光導(dǎo)電性絕緣體時(shí))須保證光沒有透過半導(dǎo)體13，或者在光實(shí)際透過了時(shí)，須保證其不在絕緣體中引起電荷的重新分布。
圖2顯示在半導(dǎo)體13和參考電極12間由積累在薄層絕緣體IMT上的負(fù)電荷感應(yīng)的電荷分布，上述薄層絕緣體IMT位于半導(dǎo)體13和參考電極12之間。為建立這個(gè)分布，半導(dǎo)體13和參考電極12都首先接地。這個(gè)分布是根據(jù)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)電容而發(fā)展的理論得出的，特別是在1965年“應(yīng)用物理通訊”，第36卷，第5期，第1664頁至1673頁，E.H.Snow，A.S.Grove，B.E.Deal和C.T.Sah的文章“絕緣膜中的離子輸運(yùn)現(xiàn)象(Ion Transport Phenomena in Insulating Films)”中。根據(jù)他們的研究，厚度可忽略的絕緣層IM中的負(fù)電荷Q將在半導(dǎo)體13中感應(yīng)出正電荷，其大小為Qs＝-(X2/X0)Q
而在參考電極12中感應(yīng)出正電荷的大小為QR＝-(X1/X0)Q其中X0為半導(dǎo)體13與參考電極12間的距離，X1為絕緣體IMT與半導(dǎo)體13間的距離，X2為絕緣體IMT與參考電極12間的距離。如果積累在絕緣體IMT中的電荷是正的，那么在半導(dǎo)體13和參考電極12中感應(yīng)的電荷就是負(fù)的。
本發(fā)明涉及通過測(cè)量半導(dǎo)體13中的感應(yīng)電荷來確定積累在絕緣層IM中的電荷。這樣，按照上面等式，待定電荷須靠近半導(dǎo)體13并遠(yuǎn)離參考電極12，或至少所有的距離都確切地知道。某些可能的絕緣體IM的結(jié)構(gòu)顯示在圖3a、3b和3c中。
顯示在圖3a至3c中的所有電荷分布是在將半導(dǎo)體13和參考電極12接地后建立的。這樣可使相反符號(hào)的電荷從這些電極上流出。
圖3(a)中，絕緣薄膜形式的絕緣體IM位于離半導(dǎo)體13(它可包括保護(hù)絕緣層，未畫出)相對(duì)很近并且與參考電極12相對(duì)較遠(yuǎn)之處。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，大部分電荷感應(yīng)在半導(dǎo)體13中。例如，如果半導(dǎo)體13和參考電極12間的距離為1毫米，而絕緣體IM1是在距半導(dǎo)體0.001毫米處，則只有總感應(yīng)電荷的0.001感應(yīng)在參考電極12中。這種結(jié)構(gòu)可通過將絕緣體IM1在半導(dǎo)體13上制成薄膜來實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)例子是通過測(cè)量直接存貯在絕緣層IM1上的電荷來實(shí)現(xiàn)。
圖3(b)說明這樣一種方案，其中絕緣體IM2是個(gè)相對(duì)較厚的片并且只有一個(gè)表面帶有電荷。在這種結(jié)構(gòu)中絕緣片IM2的帶電表面靠近半導(dǎo)體13，而從絕緣體的相對(duì)(不帶電的)表面到參考電極12的距離沒有嚴(yán)格要求。除了電荷積累在厚絕緣片IM2的薄層上而不是薄膜上以外，這種結(jié)構(gòu)中的讀出部件的實(shí)際操作與圖3(a)所示的相似。該薄層的安置條件與圖3(a)所討論的相同。如果絕緣體IM2是光導(dǎo)電性絕緣體，那么該條件可通過照射(或用X射線或伽瑪射線輻照)和靠高強(qiáng)度電場(chǎng)分離電荷來實(shí)現(xiàn)。接著，一側(cè)表面所帶的電荷就可移走。這種結(jié)構(gòu)所需的材料是光導(dǎo)電性絕緣體，例如硒或硒的合金，它們用于靜電印刷術(shù)及干式射線照相術(shù)。
圖3(c)所示的方案是絕緣體IM3的形式為兩個(gè)表面都帶有電荷的相對(duì)較厚的絕緣片。在此結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體13和參考電極12以這樣的方式安置在絕緣片IM3相對(duì)的兩側(cè)附近，使得半導(dǎo)體13與參考電極12間的距離遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體13和參考電極分別到絕緣片IM3兩表面的距離。在這種結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體13中的大部分電荷是由絕緣片IM2靠近半導(dǎo)體13的那個(gè)表面上積累的電荷感應(yīng)的，而絕緣片IM3(或厚層)的相反表面上積累的電荷由參考電極12上感應(yīng)的電荷所中和。由于本發(fā)明的方法是利用半導(dǎo)體來確定電荷，因此只有絕緣體上靠近半導(dǎo)體13的那個(gè)表面上的電荷能被測(cè)量到。所以本發(fā)明的方法能夠測(cè)量靠近半導(dǎo)體的那個(gè)表面上積累的電荷而不必考慮其相反表面上的電荷。
圖3(c)所示的電荷分離發(fā)生在例如靜電印刷術(shù)和干式射線照相術(shù)所使用的光導(dǎo)電性絕緣體中。
關(guān)于表面光電壓方面有廣泛的理論和實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)。在本發(fā)明的方法中，交流表面光電壓(可定義為由表面勢(shì)壘光調(diào)制引起的電壓或電流的變化)能確定半導(dǎo)體表面形成的耗盡層中積累的電荷。形成耗盡層和與其相伴的表面勢(shì)壘以中和與表面相鄰的絕緣層中或絕緣體-半導(dǎo)體界面上的電荷。由光子能量超過半導(dǎo)體帶隙的強(qiáng)度調(diào)制的光引起的表面勢(shì)壘高度的調(diào)制幅度是耗盡區(qū)里電荷密度的函數(shù)。因而，根據(jù)本發(fā)明的方法對(duì)交流表面光電壓進(jìn)行測(cè)量可確定與半導(dǎo)體表面相鄰的絕緣層中或半導(dǎo)體-絕緣體界面上積累的電荷。
在下面的理論分析中，將考慮兩種不同的方案。第一種是用均勻照射半導(dǎo)體表面來確定整個(gè)絕緣體上的平均電荷，第二種是用聚焦在半導(dǎo)體表面上的掃描激光束測(cè)繪出電荷的分布。
本發(fā)明的方法中所用的半導(dǎo)體既可以是n型，也可以是p型的。為了集中注意力，這里將考慮n型半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體體內(nèi)電離施主的正電荷被導(dǎo)帶中的自由電子所中和。與半導(dǎo)體相鄰的絕緣層帶負(fù)電荷。由于此負(fù)電荷的存在導(dǎo)致耗盡電子的帶正電荷的區(qū)域(空間電荷-耗盡區(qū))的形成。半導(dǎo)體中未被補(bǔ)償電荷的存在導(dǎo)致了靜電勢(shì)的變化并在表面形成了靜電勢(shì)壘。單晶硅中此勢(shì)壘的高度可超過0.5伏特。在施主雜質(zhì)濃度等于1015/立方厘米的n型硅中，與勢(shì)壘高度等于0.5伏特相應(yīng)的空間電荷區(qū)的寬度是0.8微米，這個(gè)區(qū)域中的電荷密度是8×1010電子電量/平方厘米。
現(xiàn)在討論在耗盡條件下n型半導(dǎo)體表面光電壓的測(cè)量原理。
在光子能量超過半導(dǎo)體帶隙的光照射下，在空間電荷-耗盡區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于空間電荷區(qū)中有電場(chǎng)存在，光生電子將流向半導(dǎo)體體內(nèi)，而空穴流向表面。半導(dǎo)體里總的(凈)電荷不會(huì)因該過程而發(fā)生變化，但伴隨光生電子-空穴對(duì)的分離而產(chǎn)生的附加電場(chǎng)減弱了空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)，并且降低了表面勢(shì)壘。這個(gè)變化叫表面光電壓(如前面所描述的)。
載流子的光生效應(yīng)會(huì)受到載流子復(fù)合的抑制。由于在(沒有鈍化的)表面缺陷密度高于體內(nèi)，因而光生載流子的復(fù)合主要發(fā)生在表面。復(fù)合率受電子克服勢(shì)壘(靠熱激發(fā))并到達(dá)表面的概率限制。因此，通常勢(shì)壘越低。復(fù)合率越高。在強(qiáng)度恒定和穿透深度很小的入射光下(當(dāng)從下面照射時(shí)，即由圖1的箭頭A所示)，表面上空穴的產(chǎn)生率與勢(shì)壘高度無關(guān)。所以，表面光電壓與表面勢(shì)壘高度的關(guān)系僅由復(fù)合率控制。勢(shì)壘越低，表面光電壓越低。因此表面光電壓能用來測(cè)量表面勢(shì)壘的高度。而且，由于表面勢(shì)壘高度Vs與空間電荷區(qū)中的電荷密度Qsc有關(guān)系Qsc∝｜Vs｜
(參見S.M.Sze所著Wiley & Sons公司1969年在紐約出版的“半導(dǎo)體器件物理(Physics of Semiconductor Devices)”一書)，所以表面光電壓可用來測(cè)量空間電荷區(qū)中的電荷密度。
早在以前人們就得出，由低強(qiáng)度調(diào)制光在半導(dǎo)體中引起的交流表面光電壓δVs與半導(dǎo)體耗盡層電容Csc的倒數(shù)成正比。參見E.Kamieniecki的文章，刊在1982年“真空物理與技術(shù)雜志”(Journal of Vacuum Science & Technology)第20卷，第3期，第811頁至814頁，“利用光探針確定表面空間電荷電容(Determination of Surface Space Charge Capacitance Using Light Probe)”;以及刊在“應(yīng)用物理雜志”，1983年，第54卷，第11期，第6481頁至6487頁，“測(cè)量表面電容在半導(dǎo)體/電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用”。由于耗盡層電容與耗盡層中的電荷密度成反比，這就導(dǎo)致等式中交流表面光電壓正比于耗盡層中的電荷密度。
δVs＝A＊Qsc (1)其中因子A正比于入射光子通量除以光調(diào)制頻率，并且依賴于系統(tǒng)的其它一些參數(shù)加入射光波長(zhǎng)和半導(dǎo)體的摻雜濃度。類似地，可證明對(duì)于高強(qiáng)度的入射光，交流表面光電壓由下列關(guān)系式給出δVs∝ln(1+B＊Qsc) (2)其中B是與等式(1)中的A相似的比例因子。
測(cè)量交流表面光電壓時(shí)的表面耗盡層等效電路如圖4所示。
使用高輸入阻抗電子探測(cè)系統(tǒng)(源極跟隨器)測(cè)量小信號(hào)交流表面光電壓時(shí)的表面耗盡層等效電路在E.Kamieniecki的文章“表面電容測(cè)量在半導(dǎo)體/電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用”中進(jìn)行了討論，參見1983年“應(yīng)用物理雜志”，第54卷，第11期，第6481至6487頁。
正如以前所討論的，無光照的n型半導(dǎo)體中空間電荷區(qū)里自由電子被耗盡，也就是說空間電荷區(qū)是絕緣的。光生電荷積累在此區(qū)域的兩邊，空穴在表面而電子在此區(qū)域相對(duì)的一邊。在一個(gè)光照周期(脈沖)之中，在低強(qiáng)度光照，或更確切地說在少量電荷注入下，空間電荷區(qū)寬度W的變化可以忽略。在此條件下，空間電荷區(qū)可用每單位面積的空間電荷電容Cs*c＝∈s/W來表示，其中∈s是半導(dǎo)體的介電常數(shù)。耗盡層總電容為Csc＝S×Cs*c，其中S是電荷感受元件的面積(半導(dǎo)體或參考電極的最小面積)。載流子的光生效應(yīng)提供了上述電容的充電電流Jh，載流子的復(fù)合降低了對(duì)空間電荷電容的充電速率，并可用一個(gè)并聯(lián)電阻R來表示。在上述標(biāo)記下，當(dāng)使用高輸入阻抗電子探測(cè)系統(tǒng)(無負(fù)載、無輸入電流)對(duì)正弦調(diào)制光照下的表面光電壓交流部分δVs進(jìn)行測(cè)量時(shí)，表面光電壓的交流部分可用下列關(guān)系式描述
在光調(diào)制頻率很高時(shí)，即wτ＞＞1時(shí)，上述關(guān)系式可簡(jiǎn)化為δVs＝-jJh/wCsc。對(duì)于包括單晶硅和砷化鎵在內(nèi)的若干種材料，在較高頻率下(大約100千赫茲)這些關(guān)系式的適用性已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
有關(guān)與任意輸入阻抗電子探測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)的基本交流表面光電壓系統(tǒng)的等效電路的討論，可參見1983年“應(yīng)用物理雜志”第54卷，第11期，第6481至6487頁，E.Kamieniecki的文章“表面電容測(cè)量在半導(dǎo)體/電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用”。
在圖5中，Zsc是空間電荷區(qū)的阻抗，Zi是半導(dǎo)體與參考電極之間的耦合阻抗，ZL是電子探測(cè)系統(tǒng)的輸入阻抗。通過負(fù)載的電流由下式給出JL＝Jh(1+(Zi+ZL)/Zsc)-1(4)在耦合阻抗(見圖5)Zi無窮大時(shí)，開路光電壓為δVs＝JhZsc (5)所以，負(fù)載阻抗ZL兩端的交流電壓為δVm＝δVs(1+(Zi+Zsc)/ZL)-1(6)對(duì)于在頻率足夠高以至于阻抗的電容性部分比起電阻性部分小得多的情況下，上述等式簡(jiǎn)化為δVm＝δVs(1+CL/CT)-1(7)其中CT＝(1/Ci+1/Csc)-1CL是負(fù)載電容，Ci與Csc分別是耦合與空間電荷電容。依賴關(guān)系(7)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)如下一個(gè)圖所示。
對(duì)于在半導(dǎo)體與參考電極間放入不同厚度絕緣材料所形成的不同間隔，并具有圖1所示結(jié)構(gòu)的n型砷化鎵，其總電容與測(cè)得的交流表面光電壓信號(hào)的相互關(guān)系如圖6所示。其中實(shí)線是根據(jù)等式(7)計(jì)算出來的，參見1983年“應(yīng)用物理雜志”第54卷，第11期，第6481至6487頁，E.Kamieniecki的文章“表面電容測(cè)量在半導(dǎo)體/電解質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用”。
在實(shí)際系統(tǒng)中Ci＜＜Csc。如果使用具有CL＜＜Ci的高輸入阻抗電子探測(cè)系統(tǒng)，那么由前面的關(guān)系式及圖6的結(jié)果可得出，測(cè)得的光電壓對(duì)Ci的依賴很小，因而也就對(duì)半導(dǎo)體表面與參考電極間的距離依賴很小。
除了電壓測(cè)量以外，另一個(gè)方法是使用低輸入阻抗的電子探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量電流，此時(shí)ZL＜＜Zi。在頻率足夠高以致阻抗的電容部分比電阻部分小得多的條件下，等式(4)簡(jiǎn)化為JL＝Jh(1+Csc/Ci)-1(8)在實(shí)際系統(tǒng)中，耦合電容要比空間電荷電容小得多。
JL＝Jh Ci/Csc (9)對(duì)于摻雜濃度為1015/立方厘米的硅來說，每單位面積的空間電荷電容
≈10-8法拉/平方厘米，而對(duì)半導(dǎo)體與參考電極間有1毫米空隙，每單位面積的耦合電容
≈10-11法拉/平方厘米。
JL≈10-3Jh (10)Jh與入射光強(qiáng)通過下列等式相聯(lián)系Jh＝qΦS (11)由關(guān)系式(10)和(11)，半導(dǎo)體在均勻光照下所測(cè)得的電流JL≈5μA 當(dāng)ΦS＝10μω時(shí)JL≈5μA 當(dāng)ΦS＝10mω時(shí)所有的上述考慮都是讓光從位于參考電極之下的半導(dǎo)體的整個(gè)表面的前面均勻照射的。
如果照射在半導(dǎo)體上的只是一個(gè)小光斑，那么產(chǎn)生的載流子將不僅僅被限制在小光斑的范圍內(nèi)。由于擴(kuò)散，表面上積累的光生載流子(在n型半導(dǎo)體中是空穴)會(huì)擴(kuò)散到由表面上的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度所限制的區(qū)域中(與表面平行)按照D.G.Avery和J.B.Hunn發(fā)表在“物理學(xué)會(huì)文集(倫敦)”(Proceeding of Physical Society(London))1955年第B68卷，第918頁至921頁題為“半導(dǎo)體測(cè)量中調(diào)制光斑的利用(The Use Of A Modu-lated Light Spot In Semiconductor Measurement-s)”一文的觀點(diǎn)，在強(qiáng)度調(diào)制光斑的情況下有效擴(kuò)散長(zhǎng)度由下列關(guān)系式給出L2h＝(Dhτ)/(1+Jωτ) (12)其中Dh是空穴擴(kuò)散系數(shù)，τ是表面復(fù)合時(shí)間。如果忽略表面上載流子遷移率的減小，n型單晶硅中空穴的擴(kuò)散系數(shù)為Dh≈10〔厘米〕2/秒。當(dāng)τ為10-5秒量級(jí)并且使用非調(diào)制光(ω＝0)時(shí)，在硅中觀察到的空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度具有100微米量級(jí)。
使用強(qiáng)度調(diào)制的光能提高測(cè)量分辨率。還可通過減小τ來提高測(cè)量分辨率。
因而，所獲得的分辨率依賴于照射光束的調(diào)制頻率。使用半導(dǎo)體為晶體硅或非晶硅并在頻率為80千赫茲的強(qiáng)度調(diào)制光束照明下已達(dá)到高于0.1毫米的分辨率。
在背照射情況下考慮與前面相似，但有三點(diǎn)補(bǔ)充或不同。第一，進(jìn)入耗盡層的載流子是半導(dǎo)體體內(nèi)由于光照產(chǎn)生的載流子來提供的。第二，所產(chǎn)生的光電壓不及正照射情況的效率高，因?yàn)橐恍┹d流子在到達(dá)耗盡層之前復(fù)合掉了。第三，為了獲得高分辨率半導(dǎo)體層的厚度應(yīng)比正照射的情況下小。
在用聚焦光斑對(duì)半導(dǎo)體表面進(jìn)行局域照射時(shí)使用任意輸入阻抗的電子探測(cè)系統(tǒng)的情況下，基本交流表面光電壓系統(tǒng)的等效電路如圖7所示。
在(由聚焦光斑照射引起的)局域產(chǎn)生載流子的范圍比參考電極下的半導(dǎo)體表面小的情況下，圖5中的Zsc和Zi將與光斑大小和光生空穴表面擴(kuò)散所限定的范圍相關(guān)聯(lián)(圖7中的
和Zi)。電荷感受元件的黑暗部分使得電子探測(cè)系統(tǒng)的輸入阻抗降低。因而，等式(6)中的Zi+Zsc將由
(光斑區(qū)域的阻抗)代替。在電壓測(cè)量時(shí)，電子探測(cè)系統(tǒng)的輸入阻抗高，故(6)式中的ZL可用接收器黑暗部分的總阻抗代替。如果s是光照部分(加上擴(kuò)散)的面積，S是接收器的總面積(比s大得多)，在假設(shè)光照時(shí)光照區(qū)域的總阻抗變化可以忽略的情況下(即
)，那么負(fù)載阻抗僅為光照區(qū)域阻抗的(s/S)。輸出電壓也減小相同的因子。所以，δVm＝(s/S)δVs (13)因子s/S減小了探測(cè)的靈敏度。
在電流測(cè)量模式下，可使電子探測(cè)系統(tǒng)的負(fù)載阻抗等于電荷感受元件的無光照部分的阻抗，因而也就比圖7中的
小得多。在此條件下電子探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的電流只比均勻照射時(shí)〔等式(10)〕減少一半，如果兩種情況下半導(dǎo)體總光照保持相同的話。但是，即便在電流模式，系統(tǒng)的性能也被認(rèn)為隨著光斑面積與半導(dǎo)體總面積比率的減少而降低。
讀出裝置的性能，尤其是電壓測(cè)量模式的靈敏度可通過將參考電極分成區(qū)域來提高。
圖8(a)和8(b)所示的是參考電極12的某些可供選擇的結(jié)構(gòu)。
圖8(a)中的參考電極12-1包括大量的導(dǎo)體條12-11，它們位于透明襯底12-12上面。這些導(dǎo)體條12-11的寬度大約與射在參考電極12-1上的光斑(加上擴(kuò)散)的直徑相同。在此種情況下，S僅相應(yīng)于一個(gè)條(部分)的面積，因而s/S增加了。
圖8(b)中，參考電極12-2具有大量的寬度比光斑直徑小得多的導(dǎo)體條12-21，它們夾在透明襯底12-22與光導(dǎo)電性絕緣材料構(gòu)成的均勻?qū)?2-23之間。此絕緣層12-23在光照區(qū)域具有導(dǎo)電性并與相應(yīng)的導(dǎo)體條形成電接觸。在這種情況下，如果接觸的導(dǎo)體條的面積可忽略，因子s/S就將接近于1。如果用摻雜非晶硅作為靈敏的半導(dǎo)體電極，那么絕緣層12-23可以是未摻雜的高阻的非晶硅。
現(xiàn)在參見圖9，這是按照本發(fā)明的原理制成的光接收器41的一個(gè)實(shí)施方案的剖視圖，這個(gè)光接收器作為一個(gè)單元包括讀出裝置和光導(dǎo)電性絕緣體。
光接收器41包括由導(dǎo)體材料制成的襯底43。將半導(dǎo)體材料層45，例如單晶(如硅)或非晶(如硅或硅鍺合金)層，通過某種常規(guī)方法沉積在襯底43的上表面上。保護(hù)絕緣層47，例如氧化硅或氮化硅，沉積在層45上，然后將光導(dǎo)電性絕緣層49，如硒合金，做在層47上面。其它可以應(yīng)用的光導(dǎo)電性絕緣層的例子是非晶或多晶的碘化汞或鉛的鹵化物，如碘化鉛(PbI2)。
在使用光接收器41時(shí)，把(如通過電暈放電的方法)預(yù)先充有電荷的光導(dǎo)電性絕緣層49暴露在輻射(如X射線輻射)的圖形之下，這樣將在其上面形成電荷潛像。由電荷潛像在半導(dǎo)體層45上感應(yīng)出來的表面耗盡層可通過用光束對(duì)半導(dǎo)體45掃描和測(cè)量半導(dǎo)體45與參考電極(未畫出)間的輸出光電壓來讀出。既可以從半導(dǎo)體11的頂上，也可以從其底下掃描。如果從頂部掃描，掃描光所具有的波長(zhǎng)應(yīng)不與光導(dǎo)電性絕緣層49相互作用。如果從底部掃描，襯底43必須透明。
圖10所示的是實(shí)施本發(fā)明的裝置51的一個(gè)實(shí)施例。
靠調(diào)制電源54提供能量的二極管激光光源53產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制光束由透鏡55聚焦，經(jīng)傳導(dǎo)電極12照在光接收器41的半導(dǎo)體層上。另外一些，但不是全部的，可能使用的光源的例子包括發(fā)光二極管(LED)，氦氖(He-Ne)激光器和氦鎘(He-Cad)激光器。如果使用發(fā)光二極管，光束的調(diào)制靠使用調(diào)制的電源來實(shí)現(xiàn)。如果使用氣體激光器，光束的調(diào)制靠外部光調(diào)制器如聲-光調(diào)制器來完成。在到達(dá)半導(dǎo)體層之前，X-Y掃描器57使得強(qiáng)度調(diào)制光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，掃描器可以是麻省水城(Watertown，MA.)的General Scanning有限公司制造的XY光電流計(jì)，掃描器型號(hào)為XY100PD.傳導(dǎo)電極12與光接收器41間產(chǎn)生的最終的輸出光電壓信號(hào)經(jīng)電子學(xué)裝置59中的放大器放大，由數(shù)字轉(zhuǎn)換器61數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)63，在計(jì)算機(jī)中可進(jìn)行處理，貯存和/或在監(jiān)視器65上顯示。
圖11所示的方案中光是從半導(dǎo)體45的背面而不是從其正面照射的。
圖12所示的是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的光接收器的另一實(shí)施方案，此光接收器由參考數(shù)字141標(biāo)志。光接收器141包括半導(dǎo)體片145(它可以是硅)，在其上部表面沉積一層保護(hù)絕緣層147(可以是氧化硅)和一層光導(dǎo)電性絕緣層149(可以是硒)。
圖13是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的光接收器的另一實(shí)施方案，此光接收器對(duì)X射線或任何其它的離子輻射敏感，它由參考數(shù)字241標(biāo)志。光接收器241包括讀出部件244，它由半導(dǎo)體片245(可以是硅)及沉積在其上面的保護(hù)絕緣層247(可以是氧化硅)組成。讀出裝置244與金屬電極251(可以是鋁鉛合金或鎢)之間由充有氣體(如空氣、氟利昂或氙)的空隙隔開。在使用光接收器241時(shí)，首先在電極251與半導(dǎo)體245間加一高電壓。然后當(dāng)光接收器受到輻照(如X射線輻射)時(shí)，光子或由輻射引起的光電子在氣體中造成離子，它們受電場(chǎng)作用沉積在保護(hù)絕緣體247的表面上。
值得注意的是，本發(fā)明所有的實(shí)施方案中絕緣體(IM或49)是光導(dǎo)電性的，因而重要的是讀出光束不能干擾光導(dǎo)電性絕緣體中的電荷分布。無論是從半導(dǎo)體正面還是其背面照射都是如此。這可通過適當(dāng)選擇照射光束的工作波長(zhǎng)以及光導(dǎo)電性絕緣層和半導(dǎo)體層所用的特殊材料來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的實(shí)施方案僅僅是作為舉例，對(duì)于那些精通本技術(shù)領(lǐng)域：
的人，在不背離本發(fā)明精神的情況下能做出許多的變化與變型。所有這些變化與變型都將包括在所附的權(quán)利要求
所確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.讀出積累在絕緣體上的電荷的方法，所述絕緣體具有前表面和背面，所述方法的特征在于包括a)備有半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體具有前表面和背面，b)將所述半導(dǎo)體置于離所述絕緣體足夠近之處，以使得在所述半導(dǎo)體中感應(yīng)耗盡層，所述耗盡層同所述絕緣體上積累的電荷有關(guān)，c)探測(cè)積累在半導(dǎo)體上的電荷的數(shù)量和位置。
2.權(quán)利要求
1的方法，其特征在于積累在半導(dǎo)體上的電荷的數(shù)量和位置是用表面光電壓效應(yīng)探測(cè)的。
3.權(quán)利要求
2的方法，其特征在于探測(cè)積累在半導(dǎo)體上的電荷的數(shù)量和位置包括a)備有參考電極，b)用光子能量與所述半導(dǎo)體相互作用的光照射所述半導(dǎo)體，c)探測(cè)所述參考電極和所述半導(dǎo)體之間產(chǎn)生的電信號(hào)。
4.權(quán)利要求
3的方法，其特征在于所述光的形式是光束。
5.權(quán)利要求
4的方法，其特征在于所述光束是掃描光束。
6.權(quán)利要求
5的方法，其特征在于所述光束是強(qiáng)度調(diào)制的。
7.權(quán)利要求
6的方法，其特征在于光束從背面照射在所述半導(dǎo)體上。
8.權(quán)利要求
6的方法，其特征在于光束穿過參考電極并穿過絕緣體從前面照射。
9.權(quán)利要求
7的方法，其特征在于所述絕緣體是光導(dǎo)電性的。
10.權(quán)利要求
9的方法，進(jìn)一步包括所產(chǎn)生的電信號(hào)數(shù)字化。
11.權(quán)利要求
10的方法，其特征在于積累的電荷是通過輻射形式在絕緣體上的。
12.權(quán)利要求
11的方法，其特征在于積累的電荷是由于被輻照形成在絕緣體上的。
13.用于讀出絕緣體上積累的電荷的裝置，所述裝置的特征在于包括a)置于所述絕緣體的一邊并且與其很接近的半導(dǎo)體，以使得半導(dǎo)體上感應(yīng)出的耗盡層與所述絕緣體上積累的電荷有關(guān);b)位于所述絕緣體另一邊的參考電極，c)用光束對(duì)所述半導(dǎo)體掃描的裝置，所述光束在所述半導(dǎo)體與所述參考電極間產(chǎn)生相應(yīng)于所述半導(dǎo)體上感應(yīng)電荷的電信號(hào)，d)探測(cè)上述電信號(hào)的裝置。
14.權(quán)利要求
13的裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體具有薄片形狀。
15.權(quán)利要求
14的裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體具有薄膜形狀。
16.權(quán)利要求
15的裝置，其特征在于所述的半導(dǎo)體和絕緣體都是襯底上的薄膜。
17.權(quán)利要求
16的裝置，其特征在于通過X射線輻照在所述絕緣體上形成積累電荷。
18.用于讀出絕緣體上積累的電荷的讀出部件，其特征在于包括a)半導(dǎo)體，b)所述半導(dǎo)體上面的保護(hù)絕緣層。
19.光接收器，其特征在于包括a)半導(dǎo)體，b)所述半導(dǎo)體上面的保護(hù)絕緣體，c)所述保護(hù)絕緣體上面的光導(dǎo)電性絕緣體。
20.權(quán)利要求
12的裝置，其特征在于參考電極包括a)透明的非導(dǎo)電襯底，b)所述襯底上大量的由導(dǎo)電材料做成的平行條。
21.權(quán)利要求
12的裝置，其特征在于參考電極包括a)透明非導(dǎo)電材料制成的襯底，b)所述襯底頂部的一層均勻的光導(dǎo)電性絕緣材料，c)夾在所述襯底與所述光導(dǎo)電性絕緣材料層之間的多個(gè)由導(dǎo)電材料制成的平行條。
22.光接收器，其特征在于包括a)半導(dǎo)體材料襯底，b)在所述襯底上面的保護(hù)絕緣層，c)與所述襯底分開的金屬電極。
專利摘要
描述了用于無損讀出在絕緣材料片或?qū)由闲纬傻撵o電潛象的方法和裝置。半導(dǎo)體材料片或?qū)又糜谂c絕緣材料相當(dāng)接近的位置上。形成在絕緣材料上的靜電潛象在半導(dǎo)體材料的表面生成感應(yīng)產(chǎn)生的表面耗盡層。當(dāng)用合適波長(zhǎng)的低強(qiáng)度調(diào)制光束掃描半導(dǎo)體時(shí)，在半導(dǎo)體材料上積累的電荷的位置及其分布作相應(yīng)于半導(dǎo)體材料上感生的交流表面光電壓的模擬信號(hào)讀出，模擬信號(hào)的大小依賴于局部電荷密度。然后將所得到的模擬電信號(hào)數(shù)字化，處理，貯存和/或顯示。
文檔編號(hào)G03G15/00GK86102223SQ86102223
公開日1986年11月5日 申請(qǐng)日期1986年4月1日
發(fā)明者埃米爾·卡米恩尼克基 申請(qǐng)人:埃米爾·卡米恩尼克基導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan