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，本發明是關于讀出絕緣材料片或層上積累的電荷(靜電荷面密度)的位置和大小的方法和裝置，它涉及產生同半導體材料片或層上積累的感應電荷有關的表面耗盡層，然后用表面光電壓效應確定半導體材料上積累的電荷的位置和大小。
本發明對于讀出由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量靜電荷的方法。早期用于檢測靜電荷的技術是利用例如金箔驗電器，木髓球，和極輕的物質如煙灰等。這些方法只有歷史上的價值。現在，靜電荷通常由測量在表面上的靜電勢來確定。例如可用靜電計(高輸入阻抗電壓計)測量參考電極上感應的交流信號來實現。在上述方法中交流信號可通過將電屏蔽周期性地引入參考電極和待測表面之間的空間來產生。電測方法是無損的并便于測量靜電荷的大小。然而確定電荷分布需要對要研究的表面用小孔徑參考電極進行緩慢而不方便的機械掃描，或要利用電極陣。
有一些確定電荷分布的無損方法。典型的例子是光導攝象管和電子照像術。在光導攝象管中，電荷分布圖形存貯在半導體靶上。電荷分布是由在用電子束掃描靶子時測量電子束流的變化而確定的。在電子照象術中，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色劑粒子的分布而確定。
用半導體對積累在絕緣層中的電荷進行無損測量的現有技術主要用在電子器件領域內，特別是在計算機存貯上。在這種情況下，確定存貯在單個元素中的電荷是通過測量在半導體表面下形成的導電通道中的電流變化而完成的。
關于交流表面光電壓，在1958年“物理評論”(Physical Review)，第111卷，第1期，第153至166頁，RCA實驗室E.O.Johnson的題為“用鍺對大信號表面光電壓的研究(Large-Signal Surface Photovoltage Studies With Germanium)”的文章中進行了描述。該文章討論了半導體中表面光電壓和表面電勢及因此產生的空間電荷之間的關系。
半導體銻化銦的光電壓響應已用于確定半導體中電磁輻射引起的電荷分布。這在1967年的“應用物理通訊”(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結構成像和存貯(Imagingand Storage With a Uniform MOS Struc-ture)”的文章中進行了描述。投射到均勻MOS結構(半透明金屬膜-氧化層-銻化銦夾層結構)上的像使半導體的表面耗盡區域發生變化。存貯在耗盡層中的電荷通過測量由“讀”光子束引起該層飽合所造成的光伏響應而確定。只有幾微米厚的耗盡層是有效結構。
最近，已證明由具有與半導體帶隙相當或超過帶隙的光子能量的，經高頻調制的低強度光束所引起的交流表面光電壓正比于半導體耗盡層電容的倒數，因而正比于該層中的電荷密度。而且，已發現在適當條件下測得的信號對于半導體和參考電極間距離的依賴很微弱。關于這一點，E.Kamieniecki在其所著的下述兩篇文章中進行了討論，即1982年的“真空科學與技術雜志”(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“表面電容測量在半導體/電解質系統中的應用(Surface Measured CapacitanceApplication to Semicoductor/ELectrolyte System)”的文章。
至今研究的總的結論是在半導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系。在此交流表面光電壓定義為由強度調制(周期性或非周期性)的光子束引起的表面電勢的變化。此光子束可使在耗盡區的前表面生成載流子，或當由背面(反面)照射時在體內生成載流子并使載流子向耗盡區擴散(遷移)。
在G.W.Luckey的美國專利第3，859，527號中公開了用于在存貯介質中存貯圖像的裝置和方法，上述圖像相應于高能輻射圖形。將暫存介質(如紅外激發的硫或熱致發光材料)暴露在高能輻射入射圖形下。暴露一段時間間隔后，用小區域長波輻射或熱束掃描該屏使以光的形式釋放存貯的能量。用適當的探測器接收由屏發射的光并產生相應于接收光的電能。由電能攜帶的信息通過用光束來掃描信息存貯介質而轉換為存貯的像，上述光束是根據電能進行強度調制的。
有關氣體電離照像術(gas ionography)，有時也稱為電子放射學，其中X射線由在電離室的平行板之間的高壓氣體吸收，而產生的離子則由覆蓋在其中一塊板上的絕緣箔收集有關這方面的文章包括，刊在1974年“醫學物理”(Medical Physics)第1卷，第1期，第1至10頁，A.Fenster，D.Plewes和H.F.Johns的“診斷放射學中離子照像術的效率和分辨率(Efficien-cy and ResoLution of Ionography in Diagnostic RadioLogy)”;刊在1974年9月號“英國放射學雜志”(British Journal of Radiology)第519頁至529頁H.E.Hohns等人的“放射照像術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“醫學物理”第11(2)卷，3-4月號第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“醫學物理”第5卷，第5期，9-10月號第262頁至265頁，A.Fenster和H.E.Johns的“用于診斷放射學的液體離子照相術(Liquid Ionog-raphy FOr Diagnostic Radiology)”;刊在1980年“醫學物理”第7(4)卷，7-8月號第315頁至323頁，D.Plewes和H.E.Johns的“靜電放射照相術和離子照相術中靈敏度和邊緣增強的理論與實驗確定”(Theoretical and Exper-imental Determination of Sensitivty and Edge Enhancement in Xeroradiography and Ionography)。
根據本發明讀出形成在絕緣材料片或層的表面上或內部的靜電潛像的方法包括提供相當靠近絕緣材料的半導體材料片或層，以通過感應而在半導體材料片或層上產生表面耗盡層，然后測量當用合適波長的強度調制的光束來掃描半導體材料時，在半導體材料上產生的交流表面光電壓。
根據本發明的實施方案，用于讀出積累在絕緣材料片或層上的電荷的裝置包括半導體材料片或層，參考電極，光源，光學聚焦系統，掃描器和電子放大線路。
本發明的一個目的是提供新的改進的方法和裝置，用于讀出形成在絕緣材料片或層上的靜電潛像。
本發明的另一個目的是提供如前所述的無損的方法。
本發明的又一個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被讀出。
本發明的又一個目的是提供新的改進的讀出部件。
本發明的再一個目的是提供新的和改進的光接收器。
本發明的另一個目的是提供可重復使用的固體光接收器，它能夠存貯X射線潛像。
各種目的和優點將從下面的說明書中顯示出來。在說明書中，根據參考構成說明書的一部分的附圖，在其中以圖的形式說明，實施方案得到更充分詳細的描述，以使得在該技術領域：
內的本專業人員能夠實現本發明，應該了解的是，不脫離本發明的范圍，其它實施方案可利用且可作出結構的改變。所以，下面的詳細說明書不包含限制的意義，并且本發明的范圍由所附的權利要求
書確定。
在圖中，相同的參考數字代表相同的部分。
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本發明的一個實施方案構造的，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體部分和參考電極之間由任意放置的帶負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構的圖1中所描述的參考電極和讀出部件的組合的剖視圖;
圖4是有助于理解本發明的等效電路;
圖5是有助于理解本發明的等效電路;
圖6是有助于理解本發明的曲線圖;
圖7是有助于理解本發明的等效電路;
圖8(a)和8(b)是本發明的裝置中參考電極可供選擇的結構的部分剖視的俯視圖;
圖9是根據本發明制造的光接收器的一個實施方案的剖視圖;
圖10是用于實現本發明的裝置的實施方案的示意圖;
圖11是用于實現本發明的裝置的另一實施方案的一部分的剖視圖;
圖12是根據本發明制造的光接收器的另一實施方案的剖視圖;
圖13是根據本發明制造的光接收器的另一實施方案的剖視圖。
本發明的目的在于發明(Ⅰ)用于讀出積累在絕緣材料片或層上的電荷分布和大小(更確切地說是表面分布)的裝置及(Ⅱ)讀出絕緣材料片或層上的電荷分布圖形的方法。
該裝置的主要部分是(1)讀出部件，(2)參考電極，(3)光照系統，(4)掃描器和(5)電子探測系統。
讀出部件包括半導體材料片或層。光照系統包括光源，光學聚焦系統和光調制器。
讀出部件可固定在絕緣材料上，或與絕緣材料分開。
在半導體材料的背面或側面具有電氣觸點，上述半導體材料的形狀可以是片狀(薄片)或層狀(薄膜)。半導體的前表面可不進行覆蓋，或為了電防護，可覆蓋保護絕緣層。作為例子，半導體材料可用單晶、多晶或非晶硅，或硅的合金，保護絕緣層可用氧化硅或氮化硅。置于半導體前面距前表面一定距離處的是導體參考電極。半導體可用來自光照系統的光從前面經過參考電極或從背面照射(即掃描)。在從前面照射的情況下，參考電極和保護絕緣材料對于所用的光必須是透明的，而在從背面照射的情況下，背面的電氣觸點及用于半導體的任何支持物或襯底對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明的一個實施方案中，待測的具有電荷分布的絕緣材料(絕緣體)比半導體和參考電極之間的縫隙薄得多，而在另一個實施方案中，絕緣材料的厚度與縫隙相差不大。
在前面提到的第一個實施方案中，積累了待測電荷圖形的絕緣材料所處的位置與半導體的距離遠小于到參考電極的距離。對于某些應用，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(如在用光照光導電性絕緣體例如含硒的合金的情況下)，這個絕緣材料甚至可附著在半導體的前表面上，例如通過沉積在保護絕緣層上。移去留在與半導體相對的絕緣體表面上的電荷后，電荷跨過絕緣體的遷移的效應可由測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中應用的那樣，用刷子或交流電暈放電移去。
本發明也可用于測量直接沉積在絕緣材料層(如保護絕緣體)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，氙或氟利昂來實現。
在上面提到的第二個實施方案中，半導體置于靠近絕緣材料層或平面的一邊，而參考導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，位于靠近導電參考電極的絕緣體表面上的電荷就會被參考電極上的電荷中和掉，并且只有位于與半導體相鄰的表面上的電荷導致半導體中感生相反的電荷。在這種情況下，本發明的方法將可用于確定只位于一個表面(即處于靠近半導體的那個表面)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。
在前照射的情況下，測量中的絕緣體對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絕緣體中不造成任何的電荷重新分布。這一點在背照射的情況下是不需要的，假如光照不穿過在測量中的絕緣體。
根據本發明的方法檢測絕緣材料中積累的靜電荷要求在半導體中存在耗盡層。這可通過使用預先充電的(通過外部裝置)或引入適量電荷的保護絕緣層來實現。在測量中的絕緣體中積累的電荷只改變預先建立的耗盡層。耗盡層的存在也可通過使用能因感應電荷而形成耗盡層的具有合適類型電導率的半導體來實現。在這種情況下，n型半導體可用于檢測負電荷，而P型半導體用于檢測正電荷。在任何情況下，在半導體表面(界面)態上積累的電荷須足夠低，以便于因半導體中感應的電荷改變耗盡層。
在讀出半導體上積累的電荷產生的輸出電信號是通過在讀出裝置的電荷敏感部分里(即半導體和參考電極之間)用強度調制光照生成的。根據需要可使用掃描模式和調制的不同組合。在光柵的情況下，掃描光可周期性地調制(如正弦型調制)也可不調制。非調制的光實際上類似脈沖調制的特性，因為每個區域元素只照射很短的時間。
在電壓模式中，探頭同高輸入阻抗的電子探測系統一起操作。在電流模式中，電子系統的輸入阻抗地半導體-參考電極系統的輸出阻抗低。在電壓模式中，包括電子探測系統的輸入的探頭的時間常數要比光調制的周期(或有效脈沖寬度)長，但又要足夠短，以便能給半導體充電(形成耗盡層)。時間常數應介于秒和毫秒之間。
現在參考圖1，其中顯示了根據本發明的一個實施方案的絕緣體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包括半導體片13，它用透明的保護絕緣材料層15蓋在其上表面或前表面14上。保護絕緣層15作為電保護(阻斷接觸)以防半導體13將電荷注入絕緣材料IM的體內，上述IM的靜電荷分布是待讀出的。參考電極12置于半導體13之上并留出間隔。將一塊在其上形成待測靜電荷的絕緣材料IM置于半導體13與參考電極12之間的間隔內。參考電極12包括在透明襯底18上的透光的導電層17(或分成組的-如一系列條狀的導電層)。另外，參考電極12可包括導線網。半導體片13通過電氣觸點21同引線19電連接。上述電氣觸點21是層狀的，在半導體片13的背面20上。另一個電引線23連到參考電極12的導電層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。
在已實際建立和檢驗的讀出部件11的實施方案中，晶態硅薄片用作半導體片13。n型和p型硅都已使用和檢驗。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。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。1000到3000埃的氧化硅覆蓋層用作保護絕緣體。
除了用單晶硅外，作為例子，其它可用作半導體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，因為在這些材料中少數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薄片的尺寸造得更大。絕緣保護層15可能的選擇包括由沉積或化學反應(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。
在制成的實施方案中所用的參考電極12是不銹鋼線網，每線性吋的網眼數在150×150到400×400的范圍內，開口分別在0.1到0.04毫米范圍內。某些測試也使用氧化銦錫(ITO)膜，沉積在朝向半導體13的玻璃表面上。參考電極12與半導體13分開距離d大約0.5毫米或更小。該距離d，根據電子學和應用的類型，可擴大到幾個毫米。
本發明的制成的實施方案中用于照射半導體的光源是發光在585和700毫微米的發光二極管(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制器調制。LED和二極管激光器用合適的電源調制。讀出部件11從頂部照射，如箭頭A所示。
觸點21可具有點的形狀而不是層狀，并且可在半導體13的側面而不是在半導體13的背面。
半導體13也可從背面(即底部)照射。如箭頭B所示。然而后者的結構要求在其上形成半導體的襯底(如果半導體13只是一層)是透光的，而且接在半導體上的電氣觸點21不阻擋光，以使光可射到半導體13的底面上。激發光的波長必須符合半導體13的帶隙，即半導體13中載流子的產生要足夠接近于半導體13的前部(即頂部)的有效表面。
對于某些應用(如使用光導電性絕緣體時)須保證光沒有透過半導體13，或者在光實際透過了時，須保證其不在絕緣體中引起電荷的重新分布。
圖2顯示在半導體13和參考電極12間由積累在薄層絕緣體IMT上的負電荷感應的電荷分布，上述薄層絕緣體IMT位于半導體13和參考電極12之間。為建立這個分布，半導體13和參考電極12都首先接地。這個分布是根據為金屬-氧化物-半導體(MOS)電容而發展的理論得出的，特別是在1965年“應用物理通訊”，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現象(Ion Transport Phenomena in Insulating Films)”中。根據他們的研究，厚度可忽略的絕緣層IM中的負電荷Q將在半導體13中感應出正電荷，其大小為Qs＝-(X2/X0)Q
而在參考電極12中感應出正電荷的大小為QR＝-(X1/X0)Q其中X0為半導體13與參考電極12間的距離，X1為絕緣體IMT與半導體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，那么在半導體13和參考電極12中感應的電荷就是負的。
本發明涉及通過測量半導體13中的感應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體13并遠離參考電極12，或至少所有的距離都確切地知道。某些可能的絕緣體IM的結構顯示在圖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體13和參考電極12接地后建立的。這樣可使相反符號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位于離半導體13(它可包括保護絕緣層，未畫出)相對很近并且與參考電極12相對較遠之處。在這個結構中，大部分電荷感應在半導體13中。例如，如果半導體13和參考電極12間的距離為1毫米，而絕緣體IM1是在距半導體0.001毫米處，則只有總感應電荷的0.001感應在參考電極12中。這種結構可通過將絕緣體IM1在半導體13上制成薄膜來實現。這種結構的另一個例子是通過測量直接存貯在絕緣層IM1上的電荷來實現。
圖3(b)說明這樣一種方案，其中絕緣體IM2是個相對較厚的片并且只有一個表面帶有電荷。在這種結構中絕緣片IM2的帶電表面靠近半導體13，而從絕緣體的相對(不帶電的)表面到參考電極12的距離沒有嚴格要求。除了電荷積累在厚絕緣片IM2的薄層上而不是薄膜上以外，這種結構中的讀出部件的實際操作與圖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)和靠高強度電場分離電荷來實現。接著，一側表面所帶的電荷就可移走。這種結構所需的材料是光導電性絕緣體，例如硒或硒的合金，它們用于靜電印刷術及干式射線照相術。
圖3(c)所示的方案是絕緣體IM3的形式為兩個表面都帶有電荷的相對較厚的絕緣片。在此結構中，半導體13和參考電極12以這樣的方式安置在絕緣片IM3相對的兩側附近，使得半導體13與參考電極12間的距離遠大于半導體13和參考電極分別到絕緣片IM3兩表面的距離。在這種結構中，半導體13中的大部分電荷是由絕緣片IM2靠近半導體13的那個表面上積累的電荷感應的，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上感應的電荷所中和。由于本發明的方法是利用半導體來確定電荷，因此只有絕緣體上靠近半導體13的那個表面上的電荷能被測量到。所以本發明的方法能夠測量靠近半導體的那個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)所示的電荷分離發生在例如靜電印刷術和干式射線照相術所使用的光導電性絕緣體中。
關于表面光電壓方面有廣泛的理論和實驗文獻。在本發明的方法中，交流表面光電壓(可定義為由表面勢壘光調制引起的電壓或電流的變化)能確定半導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壘以中和與表面相鄰的絕緣層中或絕緣體-半導體界面上的電荷。由光子能量超過半導體帶隙的強度調制的光引起的表面勢壘高度的調制幅度是耗盡區里電荷密度的函數。因而，根據本發明的方法對交流表面光電壓進行測量可確定與半導體表面相鄰的絕緣層中或半導體-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體表面來確定整個絕緣體上的平均電荷，第二種是用聚焦在半導體表面上的掃描激光束測繪出電荷的分布。
本發明的方法中所用的半導體既可以是n型，也可以是p型的。為了集中注意力，這里將考慮n型半導體。在半導體體內電離施主的正電荷被導帶中的自由電子所中和。與半導體相鄰的絕緣層帶負電荷。由于此負電荷的存在導致耗盡電子的帶正電荷的區域(空間電荷-耗盡區)的形成。半導體中未被補償電荷的存在導致了靜電勢的變化并在表面形成了靜電勢壘。單晶硅中此勢壘的高度可超過0.5伏特。在施主雜質濃度等于1015/立方厘米的n型硅中，與勢壘高度等于0.5伏特相應的空間電荷區的寬度是0.8微米，這個區域中的電荷密度是8×1010電子電量/平方厘米。
現在討論在耗盡條件下n型半導體表面光電壓的測量原理。
在光子能量超過半導體帶隙的光照射下，在空間電荷-耗盡區產生電子-空穴對。由于空間電荷區中有電場存在，光生電子將流向半導體體內，而空穴流向表面。半導體里總的(凈)電荷不會因該過程而發生變化，但伴隨光生電子-空穴對的分離而產生的附加電場減弱了空間電荷區中的電場，并且降低了表面勢壘。這個變化叫表面光電壓(如前面所描述的)。
載流子的光生效應會受到載流子復合的抑制。由于在(沒有鈍化的)表面缺陷密度高于體內，因而光生載流子的復合主要發生在表面。復合率受電子克服勢壘(靠熱激發)并到達表面的概率限制。因此，通常勢壘越低。復合率越高。在強度恒定和穿透深度很小的入射光下(當從下面照射時，即由圖1的箭頭A所示)，表面上空穴的產生率與勢壘高度無關。所以，表面光電壓與表面勢壘高度的關系僅由復合率控制。勢壘越低，表面光電壓越低。因此表面光電壓能用來測量表面勢壘的高度。而且，由于表面勢壘高度Vs與空間電荷區中的電荷密度Qsc有關系Qsc∝｜Vs｜
(參見S.M.Sze所著Wiley & Sons公司1969年在紐約出版的“半導體器件物理(Physics of Semiconductor Devices)”一書)，所以表面光電壓可用來測量空間電荷區中的電荷密度。
早在以前人們就得出，由低強度調制光在半導體中引起的交流表面光電壓δVs與半導體耗盡層電容Csc的倒數成正比。參見E.Kamieniecki的文章，刊在1982年“真空物理與技術雜志”(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“應用物理雜志”，1983年，第54卷，第11期，第6481頁至6487頁，“測量表面電容在半導體/電解質系統中的應用”。由于耗盡層電容與耗盡層中的電荷密度成反比，這就導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制頻率，并且依賴于系統的其它一些參數加入射光波長和半導體的摻雜濃度。類似地，可證明對于高強度的入射光，交流表面光電壓由下列關系式給出δVs∝ln(1+B＊Qsc) (2)其中B是與等式(1)中的A相似的比例因子。
測量交流表面光電壓時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系統(源極跟隨器)測量小信號交流表面光電壓時的表面耗盡層等效電路在E.Kamieniecki的文章“表面電容測量在半導體/電解質系統中的應用”中進行了討論，參見1983年“應用物理雜志”，第54卷，第11期，第6481至6487頁。
正如以前所討論的，無光照的n型半導體中空間電荷區里自由電子被耗盡，也就是說空間電荷區是絕緣的。光生電荷積累在此區域的兩邊，空穴在表面而電子在此區域相對的一邊。在一個光照周期(脈沖)之中，在低強度光照，或更確切地說在少量電荷注入下，空間電荷區寬度W的變化可以忽略。在此條件下，空間電荷區可用每單位面積的空間電荷電容Cs*c＝∈s/W來表示，其中∈s是半導體的介電常數。耗盡層總電容為Csc＝S×Cs*c，其中S是電荷感受元件的面積(半導體或參考電極的最小面積)。載流子的光生效應提供了上述電容的充電電流Jh，載流子的復合降低了對空間電荷電容的充電速率，并可用一個并聯電阻R來表示。在上述標記下，當使用高輸入阻抗電子探測系統(無負載、無輸入電流)對正弦調制光照下的表面光電壓交流部分δVs進行測量時，表面光電壓的交流部分可用下列關系式描述
在光調制頻率很高時，即wτ＞＞1時，上述關系式可簡化為δVs＝-jJh/wCsc。對于包括單晶硅和砷化鎵在內的若干種材料，在較高頻率下(大約100千赫茲)這些關系式的適用性已被實驗所證實。
有關與任意輸入阻抗電子探測系統相應的基本交流表面光電壓系統的等效電路的討論，可參見1983年“應用物理雜志”第54卷，第11期，第6481至6487頁，E.Kamieniecki的文章“表面電容測量在半導體/電解質系統中的應用”。
在圖5中，Zsc是空間電荷區的阻抗，Zi是半導體與參考電極之間的耦合阻抗，ZL是電子探測系統的輸入阻抗。通過負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，開路光電壓為δVs＝JhZsc (5)所以，負載阻抗ZL兩端的交流電壓為δVm＝δVs(1+(Zi+Zsc)/ZL)-1(6)對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，上述等式簡化為δVm＝δVs(1+CL/CT)-1(7)其中CT＝(1/Ci+1/Csc)-1CL是負載電容，Ci與Csc分別是耦合與空間電荷電容。依賴關系(7)的實驗證實如下一個圖所示。
對于在半導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所示結構的n型砷化鎵，其總電容與測得的交流表面光電壓信號的相互關系如圖6所示。其中實線是根據等式(7)計算出來的，參見1983年“應用物理雜志”第54卷，第11期，第6481至6487頁，E.Kamieniecki的文章“表面電容測量在半導體/電解質系統中的應用”。
在實際系統中Ci＜＜Csc。如果使用具有CL＜＜Ci的高輸入阻抗電子探測系統，那么由前面的關系式及圖6的結果可得出，測得的光電壓對Ci的依賴很小，因而也就對半導體表面與參考電極間的距離依賴很小。
除了電壓測量以外，另一個方法是使用低輸入阻抗的電子探測系統測量電流，此時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)簡化為JL＝Jh(1+Csc/Ci)-1(8)在實際系統中，耦合電容要比空間電荷電容小得多。
JL＝Jh Ci/Csc (9)對于摻雜濃度為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，而對半導體與參考電極間有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與入射光強通過下列等式相聯系Jh＝qΦS (11)由關系式(10)和(11)，半導體在均勻光照下所測得的電流JL≈5μA 當ΦS＝10μω時JL≈5μA 當ΦS＝10mω時所有的上述考慮都是讓光從位于參考電極之下的半導體的整個表面的前面均勻照射的。
如果照射在半導體上的只是一個小光斑，那么產生的載流子將不僅僅被限制在小光斑的范圍內。由于擴散，表面上積累的光生載流子(在n型半導體中是空穴)會擴散到由表面上的載流子擴散長度所限制的區域中(與表面平行)按照D.G.Avery和J.B.Hunn發表在“物理學會文集(倫敦)”(Proceeding of Physical Society(London))1955年第B68卷，第918頁至921頁題為“半導體測量中調制光斑的利用(The Use Of A Modu-lated Light Spot In Semiconductor Measurement-s)”一文的觀點，在強度調制光斑的情況下有效擴散長度由下列關系式給出L2h＝(Dhτ)/(1+Jωτ) (12)其中Dh是空穴擴散系數，τ是表面復合時間。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散系數為Dh≈10〔厘米〕2/秒。當τ為10-5秒量級并且使用非調制光(ω＝0)時，在硅中觀察到的空穴擴散長度具有100微米量級。
使用強度調制的光能提高測量分辨率。還可通過減小τ來提高測量分辨率。
因而，所獲得的分辨率依賴于照射光束的調制頻率。使用半導體為晶體硅或非晶硅并在頻率為80千赫茲的強度調制光束照明下已達到高于0.1毫米的分辨率。
在背照射情況下考慮與前面相似，但有三點補充或不同。第一，進入耗盡層的載流子是半導體體內由于光照產生的載流子來提供的。第二，所產生的光電壓不及正照射情況的效率高，因為一些載流子在到達耗盡層之前復合掉了。第三，為了獲得高分辨率半導體層的厚度應比正照射的情況下小。
在用聚焦光斑對半導體表面進行局域照射時使用任意輸入阻抗的電子探測系統的情況下，基本交流表面光電壓系統的等效電路如圖7所示。
在(由聚焦光斑照射引起的)局域產生載流子的范圍比參考電極下的半導體表面小的情況下，圖5中的Zsc和Zi將與光斑大小和光生空穴表面擴散所限定的范圍相關聯(圖7中的
和Zi)。電荷感受元件的黑暗部分使得電子探測系統的輸入阻抗降低。因而，等式(6)中的Zi+Zsc將由
(光斑區域的阻抗)代替。在電壓測量時，電子探測系統的輸入阻抗高，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(加上擴散)的面積，S是接收器的總面積(比s大得多)，在假設光照時光照區域的總阻抗變化可以忽略的情況下(即
)，那么負載阻抗僅為光照區域阻抗的(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減小了探測的靈敏度。
在電流測量模式下，可使電子探測系統的負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系統測得的電流只比均勻照射時〔等式(10)〕減少一半，如果兩種情況下半導體總光照保持相同的話。但是，即便在電流模式，系統的性能也被認為隨著光斑面積與半導體總面積比率的減少而降低。
讀出裝置的性能，尤其是電壓測量模式的靈敏度可通過將參考電極分成區域來提高。
圖8(a)和8(b)所示的是參考電極12的某些可供選擇的結構。
圖8(a)中的參考電極12-1包括大量的導體條12-11，它們位于透明襯底12-12上面。這些導體條12-11的寬度大約與射在參考電極12-1上的光斑(加上擴散)的直徑相同。在此種情況下，S僅相應于一個條(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體條12-21，它們夾在透明襯底12-22與光導電性絕緣材料構成的均勻層12-23之間。此絕緣層12-23在光照區域具有導電性并與相應的導體條形成電接觸。在這種情況下，如果接觸的導體條的面積可忽略，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體電極，那么絕緣層12-23可以是未摻雜的高阻的非晶硅。
現在參見圖9，這是按照本發明的原理制成的光接收器41的一個實施方案的剖視圖，這個光接收器作為一個單元包括讀出裝置和光導電性絕緣體。
光接收器41包括由導體材料制成的襯底43。將半導體材料層45，例如單晶(如硅)或非晶(如硅或硅鍺合金)層，通過某種常規方法沉積在襯底43的上表面上。保護絕緣層47，例如氧化硅或氮化硅，沉積在層45上，然后將光導電性絕緣層49，如硒合金，做在層47上面。其它可以應用的光導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，把(如通過電暈放電的方法)預先充有電荷的光導電性絕緣層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。由電荷潛像在半導體層45上感應出來的表面耗盡層可通過用光束對半導體45掃描和測量半導體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應不與光導電性絕緣層49相互作用。如果從底部掃描，襯底43必須透明。
圖10所示的是實施本發明的裝置51的一個實施例。
靠調制電源54提供能量的二極管激光光源53產生的強度調制光束由透鏡55聚焦，經傳導電極12照在光接收器41的半導體層上。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。如果使用發光二極管，光束的調制靠使用調制的電源來實現。如果使用氣體激光器，光束的調制靠外部光調制器如聲-光調制器來完成。在到達半導體層之前，X-Y掃描器57使得強度調制光束發生偏轉，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，掃描器型號為XY100PD.傳導電極12與光接收器41間產生的最終的輸出光電壓信號經電子學裝置59中的放大器放大，由數字轉換器61數字化后送入計算機63，在計算機中可進行處理，貯存和/或在監視器65上顯示。
圖11所示的方案中光是從半導體45的背面而不是從其正面照射的。
圖12所示的是根據本發明設計的光接收器的另一實施方案，此光接收器由參考數字141標志。光接收器141包括半導體片145(它可以是硅)，在其上部表面沉積一層保護絕緣層147(可以是氧化硅)和一層光導電性絕緣層149(可以是硒)。
圖13是根據本發明設計的光接收器的另一實施方案，此光接收器對X射線或任何其它的離子輻射敏感，它由參考數字241標志。光接收器241包括讀出部件244，它由半導體片245(可以是硅)及沉積在其上面的保護絕緣層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，首先在電極251與半導體245間加一高電壓。然后當光接收器受到輻照(如X射線輻射)時，光子或由輻射引起的光電子在氣體中造成離子，它們受電場作用沉積在保護絕緣體247的表面上。
值得注意的是，本發明所有的實施方案中絕緣體(IM或49)是光導電性的，因而重要的是讀出光束不能干擾光導電性絕緣體中的電荷分布。無論是從半導體正面還是其背面照射都是如此。這可通過適當選擇照射光束的工作波長以及光導電性絕緣層和半導體層所用的特殊材料來實現。
本發明的實施方案僅僅是作為舉例，對于那些精通本技術領域：
的人，在不背離本發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利要求
所確定的本發明的范圍內。
權利要求
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)備有半導體，所述半導體具有前表面和背面，b)將所述半導體置于離所述絕緣體足夠近之處，以使得在所述半導體中感應耗盡層，所述耗盡層同所述絕緣體上積累的電荷有關，c)探測積累在半導體上的電荷的數量和位置。
2.權利要求
1的方法，其特征在于積累在半導體上的電荷的數量和位置是用表面光電壓效應探測的。
3.權利要求
2的方法，其特征在于探測積累在半導體上的電荷的數量和位置包括a)備有參考電極，b)用光子能量與所述半導體相互作用的光照射所述半導體，c)探測所述參考電極和所述半導體之間產生的電信號。
4.權利要求
3的方法，其特征在于所述光的形式是光束。
5.權利要求
4的方法，其特征在于所述光束是掃描光束。
6.權利要求
5的方法，其特征在于所述光束是強度調制的。
7.權利要求
6的方法，其特征在于光束從背面照射在所述半導體上。
8.權利要求
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.權利要求
7的方法，其特征在于所述絕緣體是光導電性的。
10.權利要求
9的方法，進一步包括所產生的電信號數字化。
11.權利要求
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體，以使得半導體上感應出的耗盡層與所述絕緣體上積累的電荷有關;b)位于所述絕緣體另一邊的參考電極，c)用光束對所述半導體掃描的裝置，所述光束在所述半導體與所述參考電極間產生相應于所述半導體上感應電荷的電信號，d)探測上述電信號的裝置。
14.權利要求
13的裝置，其特征在于所述半導體具有薄片形狀。
15.權利要求
14的裝置，其特征在于所述半導體具有薄膜形狀。
16.權利要求
15的裝置，其特征在于所述的半導體和絕緣體都是襯底上的薄膜。
17.權利要求
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)半導體，b)所述半導體上面的保護絕緣層。
19.光接收器，其特征在于包括a)半導體，b)所述半導體上面的保護絕緣體，c)所述保護絕緣體上面的光導電性絕緣體。
20.權利要求
12的裝置，其特征在于參考電極包括a)透明的非導電襯底，b)所述襯底上大量的由導電材料做成的平行條。
21.權利要求
12的裝置，其特征在于參考電極包括a)透明非導電材料制成的襯底，b)所述襯底頂部的一層均勻的光導電性絕緣材料，c)夾在所述襯底與所述光導電性絕緣材料層之間的多個由導電材料制成的平行條。
22.光接收器，其特征在于包括a)半導體材料襯底，b)在所述襯底上面的保護絕緣層，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層上形成的靜電潛象的方法和裝置。半導體材料片或層置于與絕緣材料相當接近的位置上。形成在絕緣材料上的靜電潛象在半導體材料的表面生成感應產生的表面耗盡層。當用合適波長的低強度調制光束掃描半導體時，在半導體材料上積累的電荷的位置及其分布作相應于半導體材料上感生的交流表面光電壓的模擬信號讀出，模擬信號的大小依賴于局部電荷密度。然后將所得到的模擬電信號數字化，處理，貯存和/或顯示。
文檔編號G03G15/00GK86102223SQ86102223
公開日1986年11月5日 申請日期1986年4月1日
發明者埃米爾·卡米恩尼克基 申請人:埃米爾·卡米恩尼克基導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan