DE3687536T2

DE3687536T2 - Nichtzerstoerendes auslesen eines latenten elektrostatischen bildes welches auf isolierendem material gebildet wurde.

Info

Publication number: DE3687536T2
Application number: DE8686301228T
Authority: DE
Inventors: Emil Kamienicki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-04-03
Filing date: 1986-02-20
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2006-02-21
Also published as: CN1007292B; CA1251256A; US4873436A; JPS61292069A; EP0200300B1; CN86102223A; US4663526A; DE3687536D1; AU595180B2; MX161936A; ATE84880T1; US4847496A; EP0200300A1; AU5321886A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Anordnung und ein Verfahren zum nichtzerstörenden Auslesen eines latenten elektrostatischen Bildes, welches auf einem isolierendem Material gebildet wurde. Genauer gesagt, bestätigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zum Auslesen der Position und Größe der auf einer Scheibe oder Schicht aus isolierendem Material angesammelten Ladungen (Oberflächendichte der elektrostatischen Ladungen), was sowohl die mit den angesammelten Ladungen verbundene Erzeugung einer Oberflächenverarmungsschicht auf der Scheibe oder Schicht eines Halbleitermaterials durch Induktion als auch die nachfolgende Bestimmung der Position und Größe der angesammelten Ladungen auf dem Halbleitermaterial mit Hilfe des Oberflächen-Fotospannungs-Effekts einschließt.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft zum Auslesen eines latenten elektrostatischen Bildes, welches auf einem Isolator durch Belichtung mit Röntgenstrahlen gebildet wurde, ist aber nicht ausschließlich auf elektrostatische Bilder begrenzt, die durch diese Art der Strahlung entstehen.
In einer Anzahl von Fällen, wie in der Reifenherstellung, dem Weben, Drucken, bei der Handhabung flüssiger Brennstoffe oder elektrischer Geräte, sind elektrostatische Aufladungen ungewollt und unerwünscht. In anderen Fällen, wie z. B. in der Elektrofotografie, ist die Ansammlung von elektrostatischen Ladungen (d. h. statische Elektrizität) nützlich und wird verwendet, um ein latentes elektrostatisches Bild eines Objektes zu erzeugen, das anschließend entwikkelt wird. In beiden Fällen ist es jedoch oft notwendig, die Position und Größe der elektrostatischen Ladung exakt bestimmen zu können.
Es gibt eine Anzahl bekannter Verfahren zur Messung der elektrostatischen Ladung. Frühere Techniken zum Nachweis statischer Elektrizität machten z. B. Gebrauch vom Goldblättchen-Elektroskop, von Mark-Kügelchen und sehr leichten Materialien wie Zigarettenasche. Diese Verfahren besitzen nur historischen Wert. Derzeit werden elektrostatische Ladungen allgemein durch Messungen des elektrostatischen Oberflächenpotentials bestimmt. Das kann z. B. durch Gebrauch eines Elektrometers (Voltmeter mit hoher Eingangsimpedanz) zur Messung des Wechselsignals geschehen, das auf einer Referenzelektrode induziert wird. Das Wechselsignal kann bei diesem Verfahren durch periodisches Einführen einer elektrischen Abschirmung in den Raum zwischen der Referenzelektrode und der zu messenden Oberfläche erzeugt werden. Das elektrometrische Verfahren ist nichtzerstörend und zur Messung der Größe einer elektrostatischen Ladung geeignet. Die Bestimmung der Verteilung der Ladung erfordert jedoch die langsame und unhandliche mechanische Abtastung der zu untersuchenden Oberfläche mit einer spitzen Referenzelektrodenanordnung oder die Verwendung eines Elektrodenarrays.
Es gibt eine Anzahl zerstörender Verfahren zur Bestimmung der Ladungsverteilung. Klassische Beispiele sind die Vidicon-Röhre und die Elektrofotografie. Bei einer Vidicon- Röhre wird das Ladungsverteilungsmuster in einem Halbleitertarget gespeichert. Zur Bestimmung der Ladungsverteilung wird die Veränderung des Elektronenstrahlstromes gemessen, wenn das Target durch einen Elektronenstrahl abgetastet wird. In der Elektrofotografie wird die Ladungsverteilung auf einer xerografischen Platte (d. h. das auf einer xerografischen Platte gebildete latente elektrostatische Bild bestimmt durch die Verteilung der Tonerpartikel, die von der xerografischen Platte während des Entwicklungsprozesses von den Ladungen angezogen werden.
Die ursprüngliche Technik der nichtzerstörenden Messung von Aufladungen in einer isolierenden Schicht unter Verwendung von Halbleitern, wird in breitem Maße auf dem Gebiet der elektronischen Geräte, insbesondere der Computerspeicher angewendet. In diesem Falle erfolgt die Bestimmung der in einem Einzelelement gespeicherten Ladung durch Messung der Veränderung des Stromes in dem leitenden Kanal unter der Oberfläche des Halbleiters.
Über die Oberflächenfotowechselspannung wurde in einem Aufsatz von E.O.Johnson von den RCA Laboratorien, betitelt "Groß-Signal-Oberflächen-Fotospannung untersucht am Germanium", Physical Review, Vol. 111. No. 1, pp. 153-166, 1958 geschrieben. Der Aufsatz diskutiert die Beziehung zwischen Oberflächenfotospannung und Oberflächenpotential und der daraus folgenden Raumladung im Halbleiter.
Das fotovoltaische Verhalten des Halbleiters InSb ist für die Bestimmung der Ladungsverteilung verwendet worden, die durch elektromagnetische Strahlung in dem Halbleiter induziert wurde. Dieses wurde von R.J. Phelen, Jr., and 3.0. Dimmock, in einem Artikel mit dem Titel "Abbildung und Speicherung mit einer gleichmäßigen MOS-Struktur", Applied Physics Letters, Vo. 11, No. 11, pp. 359-361, 1967, beschrieben. Das auf eine gleichmäßige MOS-Struktur (ein halbdurchsichtiger Metallfilm - Oxidschicht - InSb-Sandwich) projizierte Bild veränderte den Oberflächenverarmungsbereich im Halbleiter. Die in der Verarmungsschicht gespeicherte Ladung wurde durch die Messung der fotovoltaischen Reaktion bestimmt, die sich bei Sättigung dieser Schicht durch einen "Lese"-Photonenstrahl ergibt. Die wenige Mikron starke Verarmungsschicht ist die einzige aktive Struktur.
In letzter Zeit ist gezeigt worden, daß die durch einen hochfrequent modulierten Lichtstrahl niedriger Intensität, dessen Photonenenergie gleich oder größer dem Bandabstand des Halbleiters ist, erzeugte Oberflächenfotowechselspannung entgegengesetzt proportional zur Kapazität der Halbleiterverarmungsschicht und folglich proportional zur Ladungsdichte in dieser Schicht ist. Weiterhin wurde gefunden, daß unter geeigneten Bedingungen das gemessene Signal nur wenig vom Abstand zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode abhängt. Das wurde von E. Kamieniecki in einem Aufsatz mit dem Titel "Bestimmung der Oberflächen-Raumladungs- Kapazität durch Benutzung einer Lichtsonde", Journal of Vacuum Science & Technology, Vol. 20, No. 3, pp 811-814, 1982; und im Aufsatz mit dem Titel "Oberflächenmeßkapazität: Anwendung beim Halbleiter/Elektrolytsystem", Journal of Applied Physics, Vol. 54, No. 11, pp 6481-6487, 1983, erörtert.
Als allgemeine Schlußfolgerung aus den bisherigen Untersuchungen existiert eine Korrelation zwischen der lokalen Größe der Ladung in der Verarmungsschicht an der Halbleiteroberfläche und der Oberflächenfotowechselspannung. Die Oberflächenfotowechselspannung ist hierbei definiert als Schwankung des Oberflächenpotentials, das durch einen periodisch oder nichtperiodisch intensitätsmodulierten Photonenstrahl induziert wurde. Dieser Photonenstrahl kann die Entstehung von Ladungsträgern an der Vorderfläche der Verarmungszone verursachen, oder, wenn die Beleuchtung von hinten (Rückseite) erfolgt, die Entstehung im Bulk und ihre Diffusion (Wanderung) in Richtung der Verarmungszone bewirken.
Im US-Patent 3,859,527 von G.W.Lockey wird eine Anordnung und ein Verfahren zur Aufzeichnung von Bildern in Aufzeichnungsmedien veröffentlicht, wobei diese Bilder mit Hoch- Energie-Strahlungs-Mustern korrespondieren. Ein Zwischenspeichermedium, wie etwa ein infrarotanregbarer Phosphor oder ein thermolumineszentes Material, wird dem einfallenden Hoch-Energie-Strahlung-Muster ausgesetzt. Einige Zeit nach der Belichtung scannt ein dünner langwelliger oder Wärmestrahl den Schirm ab und setzt die gespeicherte Energie als Licht frei. Ein geeigneter Sensor empfängt das vom Schirm emittierte Licht und erzeugt elektrische Energie entsprechend des empfangenen Lichtes. Die mit der elektrischen Energie übertragene Information wird durch Scannen eines Informations-Speichermediums mit einem Lichtstrahl, der entsprechend der elektrischen Energie intensitätsmoduliert ist, in ein aufgezeichnetes Bild umgewandelt.
Interessante Artikel zur Gas-Ionografie, manchmal unter Bezugnahme auf die Elektronenradiologie, bei der Röntgen- Photonen von einem hochkomprimierten Gas zwischen den parallelen Platten einer Ionenkammer absorbiert und die erzeugten Ionen an einer isolierenden Folie gesammelt werden, die eine der Platten bedeckt, sind "Leistungsfähigkeit und Auflösung der Ionografie in der diagnostischer Radiologie" von A.Fenster, D. Plewes und K.E.Johns in Medical Physics, Vol. 1, No. 1 1974, Seite 1-10; "Gasionisationsverfahren zur Herstellung elektrostatischer Bilder in der Radiografie" von K.E. Hohns u. a. , British Journal of radiology, September 1974, Seite 319-329; "Ladungscharakteristiken der ionografischen latenten Bilder", E.G. Fallone und E.B.Podgorsak, Medical Physics, 11(2), Mar./Apr., 1984, pages 137-144; "Flüssigkeits-Ionografie für die diagnostische Radiologie", A. Fenster und H. E. Johns, Medical Physics, Vol. 5, No. 5, Sept/Oct. 1974, Seite 262-265; und "Theoretische und experimentelle Bestimmung der Empfindlichkeit und Kantenverbesserung in der Xeroradiografie und Ionografie" D.Plewes und H.E.Johns, Medical Physics, 7(4), Juy/aug. 1980, Seite 315-323.
Im US-A-4319284 wurde eine Anordnung zum kontinuierlichen Auslesen der grafischen Informationen veröffentlicht, die als Ladungsmuster auf einem dielektrischen Film vorliegen; sie enthält ein integriertes Array von Feld-Effekt-Bauelementen, wobei jedes eine Quelle und eine Senke in Serie mit jeweils einer p-n Foto-Diode besitzt. Eine Vorspannung ist über die Feld-Effekt-Bauelemente, die jeweiligen Fotodioden und eine Lastimpedanz angeschlossen. Ein Scanner bewegt einen Lichtspot über das Fotodioden-Array und bewirkt einen Stromfluß durch jene Feld-Effekt-Bauelemente, welche durch Ladungen auf dem dielektrischen Film leitend gemacht werden und so ein Video-Signal an der Lastimpedanz erzeugen.
In US-A-3746867 wird die einfallende Strahlung (Einschreibestrahlung) auf eine Metall-Isolator-Halbleiter-Schichtanordnung gerichtet, die einen Fotodetektor in elektrischer Verbindung mit Mitteln zur Speicherung elektrischer Ladungen darstellt, so daß der Betrag der in der Schichtanordnung gespeicherten Ladung verändert und damit eine Veränderung der elektrischen Reaktion der Schichtanordnung auf eine andere auf ihn gerichtete Strahlung (Auslesestrahlung) verursacht wird. Auf diese Weise werden die durch die Einschreibstrahlung dargestellten Informationen in der Schichtanordnung gespeichert und später werden diese gespeicherten Informationen durch die Auswertung der elektrischen Reaktion auf die Auslesestrahlung gelesen.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Auslesen von auf einem Isolator angesammelten Ladungen angegeben, wobei der Isolator eine Frontfläche und eine Rückfläche besitzt, und das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
a) das Vorsehen eines Halbleiters mit nur einer Dotierungssubstanz, wobei der eine Frontfläche und eine Rückfläche besitzt,
b) das Positionieren des Halbleiters in hinreichender Nähe zu dem Isolator, aber nicht im Kontakt mit ihm, so daß eine einzelne Verarmungsschicht in den Halbleiter induziert wird, wobei die Verarmumgsschicht zu den auf dem Isolator angesammelten Ladungen in Beziehung steht; und
c) das Detektieren der Größe und Lage der in den Halbleiter induzierten Ladungen unter Nutzung des Oberflächen-Foto-Effektes durch
i) Anordnung einer Referenzelektrode
ii) Beleuchtung des Halbleiters mit Licht einer Photonenenergie, die zur Wechselwirkung mit dem Halbleiter führt; und
iii) Detektieren der elektrischen Signale, die zwischen der Referenzelektrode und dem Halbleiter erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des Auslesens der auf einem Isolator gesammelten Ladungen, wobei die Anordnung aufweist:
a) einen Halbleiter, der eine einzige Dotierungssubstanz besitzt und der an einer Seite des Isolators in relativ geringem Abstand zu ihm, aber nicht im Kontakt mit ihm angeordnet ist, so daß eine einzelne Verarmungsschicht auf ihm induziert wird, die mit den auf dem Isolator angesammelten Ladungen in Beziehung steht;
b) eine Referenzelektrode an der anderen Seite des Isolators; und
c) Detektiermittel für die Größe und Lage der auf dem Halbleiter induzierten Ladungen unter Ausnutzung des Oberflächen-Foto-Effekts, wobei diese Detektiermittel enthalten
i) Mittel zum Scannen des Halbleiters mit einem Lichtstrahl, wobei der Lichtstrahl ein elektrisches Signal zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode entsprechend den auf dem Halbleiter induzierten Ladungen erzeugt, und
ii) Mittel zum Detektieren des elektrischen Signals.
Entsprechend einer Ausführungsform enthält die Anordnung eine Scheibe oder Schicht eines Halbleitermaterials, die Referenzelektrode, eine Lichtquelle, eine fokussierende Optik, einen Scanner und eine Verstärkungselektronik.
Die Erfindung stellt ein neues und verbessertes Verfahren und eine Anordnung zum Auslesen eines latenten elektrostatischen Bildes, das auf einer Scheibe oder einer Schicht von isolierendem Material gebildet wurde, dar. Die Methode ist nichtzerstörend.
Das latente elektrostatische Bild kann als analoges elektrisches Signal ausgelesen werden.
Beispiele der Erfindung werden nun mit Verweis auf die Zeichnungen beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen stellen gleiche Ziffern gleiche Teile dar:
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Isolators, auf dem sich ein latentes elektrostatisches Bild befindet, sowie eine Ausleseeinrichtung und Referenzelektrode, die entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung für das Auslesen des auf dem Isolator befindlichen latenten elektrostatischen Bildes konstruiert wurden.
Fig. 2 zeigt die Ladungsverteilung zwischen dem Halbleiterteil der Ausleseeinrichtung und der Referenzelektrode in Fig. 1 auf Grund eines negativ geladenen, beliebig angeordneten dünnen Isolator;
Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) sind Querschnittsansichten von Kombinationen aus Referenzelektrode und Ausleseeinrichtung entsprechend Fig. 1 mit verschiedenen Isolatoranwendungen;
Fig. 4 ist eine nützliche elektrische Ersatzschaltung zum Verständnis der Erfindung;
Fig. 5 ist eine nützliche elektrische Ersatzschaltung zum Verständnis der Erfindung;
Fig. 6 ist eine nützliche Grafik zum Verständnis der Erfindung;
Fig. 7 ist eine nützliche elektrische Ersatzschaltung zum Verständnis der Erfindung;
Fig. 8(a) und 8(b) sind teilweise gebrochene Draufsichten von verschiedenen Anwendungen der Referenzelektrode in der Anordnung gemäß Ausführungsform;
Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform eines Photoempfängers, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 10 ist ein Schema einer Ausführungsform der Anordnung zum Ausüben der Erfindung;
Fig. 11 ist die Querschnittsansicht des Teiles einer anderen Ausführungsform der Anordnung zur Ausüben der Erfindung;
Fig. 12 ist die Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Photoempfängers, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 13 ist die Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Photoempfängers, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist.

Detailierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungformen

Die wichtigsten Bestandteile der Anordnung sind eine Ausleseeinrichtung (1), eine Referenzelektrode (2), ein Beleuchtungssystem (3), ein Scanner (4) und ein elektronisches Nachweissystem (5).
Die Ausleseeinrichtung beinhaltet eine Scheibe oder Schicht eines Halbleitermaterials. Das Beleuchtungssystem enthält eine Lichtquelle, eine fokussierende Optik und einen Lichtmodulator.
Die Ausleseeinrichtung kann fest an dem isolierenden Material angebracht oder von ihm getrennt sein.
Das Halbleitermaterial, das in Form einer Scheibe (Wafer) oder in Form einer Schicht (Film) vorliegen kann, ist an der hinteren oder seitlichen Oberfläche mit einem elektrischen Kontakt versehen. Die Vorderseite des Halbleiters kann unbedeckt bleiben oder zum elektrischen Schutz mit einer schützenden Isolationsschicht abgedeckt werden. Beispiele für verwendbare Halbleitermaterialien sind kristallines, polykristallines oder amorphes Silizium oder Siliziumlegierungen. Die schützende Isolationsschicht kann z. B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitride bestehen. In einigem Abstand gegenüber der Vorderseite des Halbleiters ist die leitende Referenzelektrode angeordnet. Der Halbleiter kann mittels des Beleuchtungssystems entweder von der Vorderseite durch die Referenzelektrode hindurch oder von der Rückseite beleuchtet werden. Im Falle der Beleuchtung von der Vorderseite müssen beide, die Referenzelektrode und das schützende isolierende Material, im Falle der Beleuchtung von der Rückseite müssen der hintere elektrische Kontakt und jede Halterung oder Unterlage des Halbleiters für das verwendete Licht durchlässig sein. Im Falle der frontalen Beleuchtung wird Licht, dessen Photonenenergie größer als der Bandabstand des Halbleiters ist, wegen der hohen Effektivität bevorzugt. Im Falle der Beleuchtung von der Rückseite soll die Energie der Photonen vergleichbar sein mit dem Energieabstand, so daß sie den Halbleiter bis nahe an die vordere Oberfläche durchdringen und Ladungsträger in die Verarmungsschicht liefern können.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die anschließend beschrieben wird, ist das die zu ermittelnde Ladungsverteilung tragende Isolationsmaterial (Isolator) wesentlich dünner als der Abstand zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode, und in einer anderen Ausführungsform ist die Dicke des Isolationsmaterials vergleichbar mit dem Abstand.
In der oben bezeichneten ersten Ausführungsform ist der Körper des isolierenden Materials, dessen gespeichertes Ladungsmuster zu messen ist, so angeordnet, daß sein Abstand vom Halbleiter viel kleiner ist, als sein Abstand von der Referenzelektrode.
Für bestimmte Anwendungen, wie die Bestimmung des Dichtemusters der auf der Oberfläche des Isolators vorhandenen Ladung und die Wanderung dieser Ladungen durch den Isolator (z. B. bei Beleuchtung von fotoleitenden Isolatoren, wie etwa selenhaltigen Legierungen), kann dieses isolierende Material auf der Vorderseite des Halbleiters aufgebracht sein, z. B. durch Abscheiden auf die isolierende Schutzschicht. Der Effekt der Ladungswanderung durch den Isolator kann durch die Messung der gesamten in dem Isolator angesammelten Ladung bestimmt werden, nach dem die auf der dem Halbleiter gegenüberstehenden Oberfläche des Isolators verbleibende Ladung beseitigt wurde. Solche Ladungen können durch Verwendung einer Bürste oder einer Glimmentladung, wie in der Xerografie praktiziert wird, entfernt werden.
Die Erfindung kann auch zur Messung der Ladung verwendet werden, die direkt auf einer Schicht eines isolierenden Materials (z. B. eines Schutzisolators) abgelagert wurde, welche durch Mittel, etwa wie der Abscheidung, auf dem Halbleiter erzeugt wurde. Die Ablagerung der Ladung kann durch Röntgenbestrahlung eines Gases, wie Luft, Xenon oder Freon erzeugt werden.
In der vorher genannten zweiten Ausführungsform ist der Halbleiter dicht an der einen Seite der Schicht oder Platte des isolierenden Materials angeordnet und die leitende Referenzelektrode ist eng an der Gegenseite der Schicht oder Platte des isolierenden Materials positioniert. Wenn die Ladung auf der einen Seite dieser isolierenden Schicht gebildet wird und dann, wie im xerografischen Prozeß, in bestimmte Positionen an die entgegengesetzte Oberfläche wandert, wird die Ladung, die sich auf der nahe der leitenden Referenzelektrode angeordneten Oberfläche des Isolators befindet, durch die Ladung der Referenzelektrode neutralisiert, und nur die Ladungen, die sich auf der dem Halbleiter benachbarten Oberfläche befindet, wird im Halbleiter die entgegengesetzte Ladung induzieren. In diesem Falle erlaubt das Verfahren dieser Erfindung die Bestimmung des Ladungsdichtemusters an nur einer Oberfläche, nämlich der Oberfläche, die nahe am Halbleiter angeordnet ist, und es erlaubt folglich die Bestimmung des Effektes der Ladungswanderung in dem Isolator.
In dem Falle der frontalen Beleuchtung muß der auszumessende Isolator für das verwendete Licht durchlässig (oder halbdurchlässig) sein und das verwendete Licht darf keine Umverteilung der Ladung in dem Isolator verursachen. Das ist nicht erforderlich in dem Falle der Beleuchtung von hinten, vorausgesetzt, daß die Beleuchtung bei der Messung nicht in den Isolator eindringt.
Der Nachweis der in dem isolierenden Material angesammelten elektrostatischen Ladung entsprechend des Verfahrens dieser Erfindung erfordert das Vorhandensein einer Verarmungsschicht im Halbleiter. Das kann durch die Verwendung einer schützenden isolierenden Schicht realisiert werden, die entweder vorgeladen wird (durch externe Mittel) oder die in sich eine geeignete Ladung besitzt. Die in dem auszumessenden Isolator angesammelte Ladung wird nur die vorher entstandene Verarmungsschicht verändern. Das Vorhandensein einer Verarmungsschicht kann auch durch die Verwendung eines Halbleiters des geeigneten Leitungstyps erreicht werden, der die Bildung einer Verarmungsschicht infolge induzierter Ladung zuläßt. In diesem Fall muß ein n-Typ Halbleiter für den Nachweis negativer Ladungen und ein p-Typ Halbleiter für den Nachweis positiver Ladungen verwendet werden. In jedem Fall muß der Ladungsaufbau in den Oberflächenzustände (Grenzschichtzustände) des Halbleiters gering genug sein, um eine Veränderung der Verarmungsschicht durch die im Halbleiter induzierte Ladung zuzulassen.
Das elektrische Ausgangssignal, das beim Auslesen der auf dem Halbleiter angesammelten Ladung erzeugt wird, entsteht durch die intensitätsmodulierte Beleuchtung im ladungsempfindlichen Teil der Ausleseeinrichtung, d. h. zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode. In Abhängigkeit von den Erfordernissen können verschiedene Kombinationen von Scanmodus und Modulation verwendet werden. Im Falle des Rasterscannings kann das Licht periodisch (z. B. sinusförmig) moduliert oder es kann unmoduliert sein. Das unmodulierte Licht wird sich in Wirklichkeit wie impulsmoduliert verhalten, da jedes Flächenelement nur für eine kurze Zeit beleuchtet wird.
In der Betriebsart Spannungsmessung arbeitet die Sonde mit einer hohen Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems. In der Betriebsart Strommessung ist die Eingangsimpedanz des elektronischen Systems niedriger als die Ausgangsimpedanz des Halbleiter-Referenzelektrode-Systems. In der Betriebsart Spannungsmessung muß die Zeitkonstante der Sonde einschließlich des Eingangs des elektronischen Nachweissystems größer sein als die Periodedauer (oder effektive Impulslänge) der Lichtmodulation, aber sie muß klein genug sein, um die Aufladung des Halbleiters (Bildung der Verarmungsschicht) zu erlauben. Zeitkonstanten zwischen Sekunden und Millisekunden sind angemessen.
Fig. 1 zeigt nun eine vergrößerte Ansicht des Querschnitts eines Isolators IM, auf dem ein latentes elektrostatisches Bild gebildet sein mag (durch beliebige bekannte nicht dargestellte Mittel), eine Ausleseeinrichtung 11 und eine Referenzelektrode 12 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Ausleseeinrichtung 11 enthält eine Halbleiterplatte 13, die an ihrer oberen vorderen Oberfläche 14 mit einer Schicht 15 eines schützenden transparenten isolierenden Materials bedeckt ist. Die schützende isolierende Schicht 15 dient als elektrischer Schutz (Sperrkontakt) gegen die Injektion von Ladungen aus dem Halbleiter 13 in den Körper des isolierenden Materials IM, dessen elektrostatische Ladungsverteilung ausgelesen werden soll. Die Referenzelektrode 12 ist oberhalb und räumlich getrennt vom Halbleiter 13 angeordnet. Der Körper des isolierenden Materials IM, auf dem die zu messende elektrostatische Ladung gebildet wird, ist im Raum zwischen Halbleiter 13 und der Referenzelektrode 12 angeordnet. Die Referenzelektrode 12 enthält eine optisch transparente leitende Schicht 17 (oder eine in Sektoren eingeteilte leitende Schicht, z. B. Streifen) auf einem transparenten Substrat 18. Alternativ kann die Referenzelektrode 12 ein leitendes Drahtgewebe enthalten. Die Halbleiterplatte 13 ist durch einen schichtförmigen elektrischen Kontakt 21 an der Rückseite 20 der Halbleiterplatte 13, elektrisch mit einer Zuleitung 19 verbunden. Eine andere elektrische Zuleitung 23 ist mit der leitenden Schicht 17 der Referenzelektrode 12 verbunden. Die Ausleseeinrichtung 11 kann von vorne (oben) durch die Referenzelektrode 12 hindurch beleuchtet werden (gescannt) werden, wie mit Pfeil A gezeigt.
In einer konstruierten und getesteten Ausführungsform der Ausleseeinheit 11 wurde ein kristalliner Silizium-Wafer als Halbleiterplatte 13 verwendet. Sowohl n-Type als auch p-Typ Silizium wurden eingesetzt und getestet. Die n-Typ Silizium Wafer waren Einkristalle nach Czochalski oder 1,1,1-Orientierung mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 5-7 Ohm cm. Die p-Typ-Silizium-Wafer waren ebenfalls Einkristalle nach Czochalski oder 1,1,1-Orientierung mit einem spezifischen Widerstand von 7-14 Ohm cm. Ein 1000 bis 3000 starker Siliziumoxid-Überzug wurde als schützender Isolator verwendet.
Anstelle einkristallinen Siliziums können andere Materialien als Halbleiter 13 verwendet werden, z. B. mikrokristallines Silizium, amorphes (hydrogeniertes oder natürliches) Silizium und Silizium-Germanium-Legierungen. Diese Materialien sind, wie später erläutert wird, besser für die Konstruktion der Ausleseeinrichtung geeignet, weil die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in diesen Materialien kürzer als in Einkristallen ist. Die polykristallinen, mikrokristallinen und amorphen Materialien können außerdem in größeren Abmessungen als Einkristalle hergestellt werden. Die mögliche Auswahl für die schützende Isolatorschicht 15 umfaßt aufgetragenes oder durch chemische Reaktion (z. B. Oxidation) gebildetes Siliziumoxid (SiO2) und Siliziumnitrid (Si3N4) sowie n-Typ oder p-Typ amorphes Silizium mit Siliziumnitrid.
Die Referenzelektrode 12, die in der konstruierten Ausführungsform verwendet wurde, war ein Gewebe aus nichtrostendem Stahldraht mit einer Anzahl Maschen pro linearem Inch im Bereich 150·150 bis 400·400 und mit entsprechenden Öffnungen im Bereich 0,1-0,4 mm. Einige Tests wurden auch unter Verwendung von Indium-Zinn-Oxid-Filmen (IZO), die auf der Oberfläche der Glaseinfassung des Halbleiters 13 aufgebracht waren, durchgeführt. Die Referenzelektrode 13 war vom Halbleiter durch einem Abstand d vom etwa 0,5 mm oder weniger getrennt. Dieser Abstand d kann in Abhängigkeit von den verwendeten Elektroniken und dem Typ der Anwendung bis auf einige Millimeter vergrößert werden.
Die für die Beleuchtung des Halbleiters in den erfindungsgemäß konstruierten Ausführungsformen verwendeten Lichtquellen waren lichtemittierende Dioden (LED), die Licht von 585 und 700 Nanometer (nm) emittierten, He-Ne-Laser (633 nm, 13 mW) und Laserdioden (820 nm, 10 mW). Das Licht des He-Ne- Lasers wurde mit Hilfe eines akusto-optischen Modulators moduliert. Die LED und die Laserdiode wurden über geeignete Stromversorgung moduliert. Die Ausleseeinrichtung 11 wurde von oben, wie Pfeil A zeigt, beleuchtet.
Kontakt 21 sollte eher in Form eines Punktes, als einer Schicht sein und sich besser an der Seite des Halbleiters 13, als hinter dem Halbleiters 13 befinden.
Der Halbleiter 13 kann auch von der Rückseite (d. h. vom Boden), wie Pfeil B zeigt, beleuchtet werden. Diese letztere Anordnung erfordert jedoch, daß das Substrat, auf dem der Halbleiter erzeugt wird (wenn der Halbleiter 13 nur eine Schicht ist), optisch transparent ist und daß der elektrische Kontakt 21 am Halbleiter das Licht nicht behindert, so daß das Licht auf die Bodenfläche des Halbleiters 13 treffen kann. Die Wellenlänge des anregenden Lichtes muß dem Bandabstand des Halbleiters 13 so angepaßt werden, daß die Erzeugung von Ladungsträgern in dem Halbleiter 13 nahe genug an der vorderen (d. h. oberen), aktiven Oberfläche des Halbleiters 13 geschieht.
Für einige Anwendungen (z. B. mit einem photoleitenden Isolator) muß gesichert werden, daß das Licht nicht durch den Halbleiter 13 hindurchtritt, oder, wenn es tatsächlich hindurchtritt, daß es nicht die Ladung im Isolator umverteilt.
Fig. 2 zeigt die Ladungsverteilung zwischen Halbleiter 13 und Referenzelektrode 12, die durch eine angesammelte negative Ladung in einem dünnen Schichtisolator IMI, der zwischen Halbleiter 13 und Referenzelektrode 12 angeordnet ist, induziert wird. Zum Erhalt dieser Verteilung werden beide, der Halbleiter 13 und die Referenzelektrode 12, zuerst mit Masse verbunden. Die Verteilung folgt aus der Theorie, die für den Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Kondensator entwickelt wurde, insbesondere aus einem Artikel "Das Ionen-Transport-Phänomen in Isolationsfilmen" von E.H. Snow, A.S.Grove, B.E.Deal und C.T.Sah in Journal or Applied Physics, Volume 36, Number 3, pp 1664-1673, 1965. Aus diesen Überlegungen folgt, daß eine negative Ladung Q in der isolierenden Schicht IM mit vernachlässigbarer Dicke im Halbleiter 13 eine positive Ladung der Größe
QS = - (X&sub2;/X&sub0;)Q
induziert und in der Referenzelektrode 12 eine positive Ladung der Größe:
QR=- (X&sub1;/X&sub0;)Q
wobei X&sub0; der Abstand zwischen Halbleiter 13 und Referenzelektrode 12, X&sub1; der Abstand zwischen dem Isolator IMT und dem Halbleiter 13 und X&sub2; der Abstand zwischen dem Isolator IMT und der Referenzelektrode 12 ist. Wenn die im Isolator IMT angesammelte Ladung positiv ist, werden die im Halbleiter 13 und der Referenzelektrode 12 induzierten Ladungen negativ sein.
Die vorliegende Erfindung schließt die Bestimmung der in der isolierenden Schicht IM angesammelten Ladungen durch Messung der im Halbleiter 13 induzierten Ladung ein. Dafür muß, wie aus den obigen Gleichungen folgt, die zu bestimmende Ladung nahe am Halbleiter 13 und fern von der Referenzelektrode 12 lokalisiert sein oder zumindest müssen alle Abstände genau bekannt sein. Einige der möglichen Konfigurationen des Isolators IM sind in der Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) gezeigt.
Alle Ladungsverteilungen, die in Fig. 3(a)-3(c) gezeigt werden, sind aufgebaut worden, nachdem der Halbleiter 13 und die Referenzelektrode 12 geerdet wurden. Das gestattet den Abfluß der Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen aus diesen Elektroden.
In Fig. 3(a) ist ein Isolator IM in Form eines dünnen isolierenden Films relativ nahe an dem Halbleiter 13 (der eine schützende isolierende Schicht enthalten kann, die nicht gezeigt ist) und relativ fern von Referenzelektrode 12 angeordnet. In dieser Konfiguration wird die meiste Ladung im Halbleiter 13 induziert. Wenn der Abstand zwischen Halbleiter 13 und Referenzelektrode 12 z. B. 1mm beträgt und der Isolator IM&sub1; einen Abstand von 0,001 mm vom Halbleiter 13 hat, dann wird nur 0,001 der insgesamt induzierten Ladung in der Referenzelektrode 12 induziert werden. Diese Konfiguration kann durch Erzeugung des Isolators IM&sub1; als ein Film auf dem Halbleiter 13 realisiert werden. Ein anderes Beispiel für eine solche Konfiguration kann durch die Messung der Ladung, die direkt auf die isolierende Schicht IM&sub1; aufgebracht wurde, realisiert werden.
Fig. 3(b) zeigt eine Anordnung, in der der Isolator IM&sub2; eine relativ dicke Platte ist, bei der nur eine Oberfläche geladen wird. In dieser Konfiguration ist die geladene Oberfläche der isolierenden Platte IM&sub2; nahe am Halbleiter 13 angeordnet und der Abstand der Referenzelektrode 12 von der entgegengesetzten (ungeladenen) Oberfläche des Isolators IM&sub2; ist unkritisch. Die effektive Arbeitsweise der Ausleseeinrichtung ist in dieser Konfiguration ähnlich der in Fig. 3(a) gezeigten mit der Ausnahme, daß die Ladung nicht in dem dünnen Film, sondern in einer dünnen Schicht der dicken isolierenden Platte IM&sub2; angesammelt wird. Die Bedingungen für die Anordnung dieser Schicht sind die gleichen, wie sie in Fig. 3(a) erläutert wurden. Wenn der Isolator IM&sub2; ein fotoleitender Isolator ist, kann diese Situation durch Beleuchtung (oder Bestrahlung mit Röntgen- oder Gammastrahlen) und Abtrennung der Ladungen durch ein hohes elektrisches Feld realisiert werden. Darauffolgend kann die Ladung von einer der Oberflächen entfernt werden. Materialien, für die diese Konfiguration von Interesse sein könnte, sind fotoleitende Isolatoren wie Selen oder Selenlegierungen, wie sie in der Xerografie oder Xeroradiografie verwendet werden.
Fig. 3(c) zeigt eine Anordnung mit einem Isolator IM&sub3; in Form einer relativ dicken isolierenden Platte, deren beide Oberflächen geladen sind. In dieser Konfiguration sind sowohl Halbleiter 13 als auch Referenzelektrode 12 nahe an den gegenüberliegenden Seiten der isolierenden Platte IM&sub3; in einer Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen Halbleiter 13 und Referenzelektrode 12 viel größer ist, als die Abstände von den jeweiligen Oberflächen der isolierenden Platte IM&sub3;. In dieser Konfiguration wird die größtmögliche Ladung im Halbleiter 13 durch die an derjenigen Oberfläche des Isolators IM&sub3; gesammelte Ladung induziert, die nahe bei ihm angeordnet ist, und die Ladung, die an der entgegengesetzten Oberfläche der isolierenden Platte IM&sub3;(oder dicken Schicht) angesammelt wurde, wird durch die in der Referenzelektrode 12 induzierten Ladung neutralisiert. Da das erfindungsgemäße Verfahren den Halbleiter zum Bestimmen der Ladung benutzt, wird nur die Ladung gemessen, die sich an der dem Halbleiter 13 nächstliegenden Oberfläche des Isolators befindet. Deshalb gestattet das Verfahren dieser Erfindung die Messung der an der Oberfläche näher zum Halbleiter angesammelten Ladungen und die Vernachlässigung der Ladungen an der entgegengesetzten Oberfläche.
Die Abtrennung der Ladungen, wie in Fig. 3(c) gezeigt, kommt zum Beispiel in den fotoleitenden Isolatoren vor, die in der Xerografie und Xeroradiografie verwendet werden.
Zum Gegenstand der Oberflächenfotospannung gibt es eine umfangreiche theoretische und experimentelle Literatur. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gestattet die Oberflächenfotowechselspannung (die als durch Lichtmodulation der Oberflächenpotentialschwelle induzierte Spannungs- oder Stromänderungen definiert werden kann) die Bestimmung der in der Verarmungsschicht angesammelten Ladung, die sich an der Oberfläche des Halbleiters gebildet hat. Die Verarmungsschicht und die mit ihr verbundene Oberflächenpotentialschwelle werden gebildet, um die Ladung zu neutralisieren, welche in der an die Oberfläche angrenzenden isolierenden Schicht oder an der Isolator-Halbleiter-Grenzschicht vorhanden ist. Die Amplitudenmodulation der Oberflächenpotentialschwelle, die durch intensitätsmoduliertes Licht mit einer Photonenenergie, die größer ist als der Bandabstand des Halbleiters, erzeugt wird, ist eine Funktion der Ladungsdichte in der Verarmungszone. Deshalb gestattet die Messung der Oberflächenfotowechselspannung entsprechend des Verfahrens dieser Erfindung die Bestimmung der Ladung, welche in der an die Halbleiteroberfläche angrenzenden isolierenden Schicht oder an der Halbleitet-Isolator-Grenzschicht angesammelt wurde.
In der folgenden theoretischen Analyse werden zwei verschiedene Anordnungen betrachtet. Erstens, die Bestimmung der mittleren Ladung über den gesamten Isolator durch Verwendung einer gleichmäßigen Beleuchtung der Halbleiteroberfläche, und zweitens, die Darstellung der Ladungsverteilung durch Verwendung eines scannenden Laserstrahles, der auf die Halbleiteroberfläche fokussiert wird.
Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Halbleiter kann entweder vom n-Typ oder p-Typ sein. Schwerpunktmäßig wird ein n-Typ Halbleiter betrachtet. Im Bulk des Halbleiters ist die positive Ladung der ionisierten Donatoren durch die freien Elektronen im Leitungsband neutralisiert. Die isolierende Schicht, die an den Halbleiter angrenzt, ist negativ geladen. Die Anwesenheit dieser Ladung führt zur Bildung einer positiv geladenen, von Elektronen verarmten Zone (Raumladungs- Verarmungszone). Die Anwesenheit nichtkompensierter Ladung in dem Halbleiter führt zu einer Änderung im elektrostatischen Potential und zur Bildung einer elektrostatischen Potentialschwelle an der Oberfläche. In einkristallinem Silizium kann die Höhe dieser Potentialschwelle 0,5 V übersteigen. Im n-Typ Silizium mit einer Konzentration der Donatorstörstellen von 10¹&sup5; pro cm³ wird die Breite des Raumladungszone, die der Schwellenhöhe von 0,5 Volt entspricht, 0,8 um und die Ladungsdichte in dieser Zone δ*10¹&sup0; q/cm² sein.
Jetzt sollen die Prinzipien der Messung der Oberflächenfotospannung im n-Typ Halbleiter unter Verarmungsbedingungen diskutiert werden.
Bei Beleuchtung mit Licht, dessen Photonenenergie größer als der Bandabstand des Halbleiters ist, werden Elektronen- Löcher-Paare in der Raumladungsverarmungszone erzeugt. Auf Grund der Anwesenheit eines elektrischen Feldes in der Raumladungszone fließen die fotogenerierten Elektronen in Richtung des Bulks des Halbleiters und die Löcher in Richtung der Oberfläche. Durch diesen Prozeß wird die Gesamte- (Netto)-Ladung im Halbleiter nicht verändert, aber das zusätzliche elektrische Feld, das mit der Auftrennung der fotogenerierten Elektronen-Löcher-Paare verbunden ist, verringert das elektrische Feld in der Raumladungszone und senkt die Oberflächenpotentialschwelle. Diese Veränderung wird Oberflächenfotospannung genannt (wie vorher beschrieben).
Der Effekt der Fotogeneration der Ladungsträger wird durch ihre Rekombination beeinträchtigt. Wegen der höheren Defektedichte an der Oberfläche (wenn sie nicht passiviert wird) als im Bulk, ereignet sich die Rekombination der fotogenerierten Ladungsträger grundsätzlich an der Oberfläche. Die Rekombinationsrate wird durch eine Wahrscheinlichkeit begrenzt, mit der Elektronen (infolge der thermischen Anregung) die Schwelle überwinden und die Oberfläche erreichen. Deshalb gilt normalerweise, je niedriger die Schwelle, um so höher ist die Rekombinationsrate.
Bei konstanter Intensität und kleiner Eindringtiefe des auftreffenden Lichtes (bei Beleuchtung von der Vorderseite, d. h. wie durch Pfeil A in Fig. 1 gezeigt) ist die Generationsrate der Löcher an der Oberfläche unabhängig von der Höhe der Schwelle. Daher wird die Beziehung zwischen der Oberflächenfotospannung und der Höhe der Oberflächenpotentialschwelle nur durch die Rekombinationsrate bestimmt. Je niedriger die Potentialschwelle, um so niedriger die Oberflächenfotospannung. Daher kann die Oberflächenfotospannung zum Messen der Höhe der Oberflächenpotentialschwelle verwendet werden. Weiterhin kann, weil die Höhe der Oberflächenpotentialschwelle, VS, und die Ladungsdichte, Qsc, in der Raumladungszone zusammenhängen, Qsc Vs/½, ( siehe S.M.Sze, "Physik der Halbleiteranordnung", Wiley & Sons, New York, 1969), die Oberflächenfotospannung zur Messung der Ladungsdichte in der Raumladungszone verwendet werden.
Es wurde früher ermittelt, daß die durch moduliertes Licht niedriger Intensität in einem Halbleiter induzierte Oberflächenfotowechselspannung, SVs, umgekehrt proportional zur Halbleiterverarmungsschicht-Kapazität Csc ist. Siehe E. Kamieniecki "Bestimmung der Oberflächenraumladungs-Kapazität unter Verwendung einer Lichtsonde", Journal of Vacuum Science and Technology, Vol. 20, No. 3, pp 811-814, 1982; und "Oberflächenmeßkapazität: Anwendung beim Halbleiter/Elektrolytsystem", Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 11, pp. 6481-6487, 1983. Da die Verarmungsschichtkapazität umgekehrt proportional zur Ladungsdichte in der Verarmungsschicht ist, führt das zu der Gleichung, daß die Oberflächenfotowechselspannung proportional zur Ladungsdichte in der Verarmungsschicht ist,
δVs= A * Qsc (1)
wobei der Faktor A proportinal zum auftreffenden Photonenfluß dividiert durch die Frequenz der Lichtmodulation ist und von weiteren Parametern des Systems, wie Wellenlänge des auftreffenden Lichtes und Dotierungskonzentration des Halbleiters abhängt. In ähnlicher Weise kann gezeigt werden, daß für hohe Intensitäten des auftreffenden Lichtes die Oberflächenfotowechselspannung durch die Beziehung δVs ln(1 + B * Qsc) (2)
gegeben ist, wobei B ein Proportionalitätsfaktor ähnlich A in Gleichung (1) ist.
Das Ersatzschaltbild für die Oberflächenverarmungsschicht, wenn die Oberflächenfotowechselspannung gemessen wird, zeigt Fig. 4.
Das Ersatzschaltbild für die Oberflächenverarmungsschicht in dem Fall, daß eine Kleinsignal-Oberflächenfotowechselspannung mit einem elektronischen Nachweissystems hoher Eingangsimpedanz (Source-Folger) gemessen wird, ist im Artikel von E. Kamieniecki "Oberflächenmeßkapazität: Anwendung beim Halbleiter/Elektrolytsystem", Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 11, pp. 6481-6487, 1983, erörtert worden.
Wie bereits vorher erläutert wurde, ist die Raumladungszone im n-Typ Halbleiter bei Dunkelheit arm an freien Elektronen, d. h. er ist ein Isolator. Die fotogenerierte Ladung sammelt sich an zwei Kanten der Zone, die Löcher an der Oberfläche und die Elektronen an der entgegengesetzten Kante dieser Zone. Bei niedrigen Beleuchtungsintensitäten, oder exakter, bei der Injektion einer niedrigen Ladung durch einen einzelnen Beleuchtungszyklus (Impuls), ist die Veränderung der Breite dieser Zone, w, unbedeutend. Unter solchen Bedingungen kann die Raumladungszone durch die Raumladungs-Kapazität pro Flächeneinheit C = &epsi;s/w dargestellt werden, wobei &epsi; die Dielektrizitätskonstante des Halbleiters ist. Die Gesamtkapazität der Verarmungsschicht ist Csc = S*C , wobei S die Fläche des ladungsempfindlichen Elements (der kleinsten Fläche des Halbleiters oder der Referenzelektrode) ist. Die Fotogeneration der Ladungsträger liefert den Strom Jh zur Ladung dieses Kondensators. Die Rekombination der Ladungsträger verringert die Ladungsrate der Raumladungskapazität und kann durch einen parallel liegenden Widerstand, R, dargestellt werden. Mit der oberen Bezeichnung kann die Beziehung zur Ermittlung der Wechselspannungskomponente der Oberflächenfotospannung, δVs, die mit einem elektronischen Nachweissystem hoher Eingangsimpedanz (keine Last, kein Eingangsstrom) gemessen wird, für sinusförmig modulierte Beleuchtung in der Form:
geschrieben werden, wobei τ = RCsc, ω = 2nf und ν = V-1 ist.
Für hohe Frequenzen der Lichtmodulation, d. h. ωτ» 1, vereinfacht sich diese Beziehung auf
Die Gültigkeit dieser Beziehungen für höhere Frequenzen (über 100 kHz) ist für mehrere Materialien, einschließlich einkristallinem Silizium und Galliumarsenid, experimentell bestätigt worden.
Das Ersatzschaltbild des Grundsystems der Oberflächenfotowechselspannung mit beliebiger Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems wird in einem Artikel von E. Kamieniecki "Oberflächenmeßkapazität: Anwendung beim Halbleiter/Elektrolytsystem", Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 11, pp. 6481-6487, 1983, diskutiert.
In Fig. 5 ist Zsc die Impedanz der Raumladungszone, Zi die Kopplungsimpedanz zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode und ZL die Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems. Der Strom durch die Last ist durch die Gleichung gegeben:
Bei unendlicher Kopplungsimpedanz ( Fall Fig. 5), Zi, ist die Foto-Leerlaufspannung
δVs=Jh Zsc (5)
Damit ist die Wechselspannung über die Lastimpedanz ZL durch:
gegeben.
Für hinreichend hohe Frequenzen, so daß die kapazitiven Komponenten der Impedanzen viel kleiner als die Widerstandskomponenten sind, wird die obige Gleichung vereinfacht zu
CL die Lastkapazität und Ci und Csc die entsprechende Kopplungs- und Raumladungskapazität ist. Die experimentelle Bestätigung der Abhängigkeit (7) wird im nächsten Bild gezeigt.
Die Abhängigkeit des gemessenen Signals der Oberflächenfotowechselspannung von der Gesamtkapazität von n-GaAs in der Konfiguration der Fig. 1 bei verschiedenen Abständen zwischen dem Halbleiter und der Referenzelektrode, die durch die Verwendung verschieden dicker isolierender Materialien erreicht wurde, ist in Fig. 6 gezeigt. Die durchgehende Linie wurde mit Gleichung (7) gemäß Artikel von E.
Kamienicki "Oberflächenmeßkapazität: Anwendung beim Halbleiterf Elektrolytsystem", Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 11, pp. 6481-6487, 1983, berechnet.
In einem praktischen System ist Ci < Csc. Wenn ein elektronisches Nachweissystem hoher Eingangsimpedanz mit CL < Ci verwendet wird, folgt aus den obigen Zusammenhängen und aus den Ergebnissen der Fig. 6, daß die gemessene Fotospannung nur gering von Ci und damit vom Abstand zwischen der Halbleiteroberfläche und der Referenzelektrode abhängt.
Eine Alternative zu Spannungsmessungen ist die Strommessung mit einem elektronischen Nachweissystem niedriger Eingangsimpedanz, bei dem ZL « Zi ist. Bei hinreichend hohen Frequenzen, bei denen die kapazitiven Komponenten der Impedanzen wesentlich niedriger als die Widerstandskomponenten sind, vereinfacht sich Gleichung (4) zu
JL = Jh(1+Csc/Ci)&supmin;¹ (8)
In einem praktischen System, in dem die Kopplungskapazität wesentlich kleiner als die Raumladungskapazität ist:
JL = Jh Ci/Csc (9)
Für Silizium mit einer Dotierungskonzentration von 10¹&sup5; cm&supmin;³, einer Raumladungskapazität pro Flächeneinheit von Csc* 10&supmin;&sup8; F/cm², einem Abstand zwischen Halbleiter und Referenzelektrode von 1 mm und der Kopplungskapazität pro Flächeneinheit von Ci* 10&supmin;¹¹ F/cm², ist
JL 10&supmin;³Jh (10)
Jh hängt mit der auftreffenden Lichtintensität durch die Gleichung Jh = gΦS (11)
zusammen.
Aus den Zusammenhängen (10) und (11) ergibt sich der für einen gleichmäßig beleuchteten Halbleiter gemessene Strom zu
JL 5 nA bei ΦS = 10 uW, und
JL 5 uA bei ΦS = 10 mW.
Alle obigen Überlegungen beziehen sich auf eine gleichmäßige Beleuchtung der gesamten Vorderseite des Halbleiters, die sich unter der Referenzelektrode befindet.
Wenn der Halbleiter mit einem kleinen Lichtspot beleuchtet wird, werden die erzeugten Ladungsträger nicht nur auf die Spotfläche begrenzt sein. Auf Grund von Diffusion werden sich die fotoangeregten Ladungsträger, die sich an der Oberfläche angesammelt haben (Löcher im n-Typ Halbleiter), auf eine Fläche ausbreiten, die durch die Diffusionslänge der Ladungsträger an der Oberfläche (parallel zur Oberflächenebene) bestimmt ist.
Folgt man den Lehren aus dem Artikel von D. G. Avery und J. B. Hunn "Die Verwendung eines modulierten Lichtspots bei Halbleitermessungen", Proceeding of the Physicals Society (London), Vol. B69, pp. 918-921, 1955, ergibt sich die effektive Diffusionslänge im Falle eines intensitätsmodulierten Lichtspots durch die Beziehung:
L²h = (Dhτ)/(1+Jωτ) (12)
wobei Dh der Diffusionskoeffizient der Löcher und τ die Oberflächen-Rekombinationszeit ist. Vernachlässigt man die Verringerung der Ladungsträgerbeweglichkeit an der Oberfläche, ergibt sich der Diffusionskoeffizient der Löcher in einem n-Si Einkristall zu Dh 10 cm²/s. Mit τ in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5; Sekunden liegt die Diffusionslänge der Löcher in Silizium, wenn unmoduliertes Licht (ω=0) verwendet wird, in der Größenordnung von 100 um.
Die Verwendung von intensitätsmoduliertem Licht ergibt eine Erhöhung der Auflösung der Messungen. Eine Erhöhung der Auflösung der Messungen kann auch durch Verringerung von r erreicht werden.
Folglich ist die erhältliche Auflösung abhängig von der Modulationsfrequenz des beleuchtenden Lichtstrahls. Bei Verwendung eines Halbleiters aus kristallinem oder amorphem Silizium wurde bei Beleuchtung durch einen mit 80 kHz modulierten Lichtstrahl eine Auflösung besser als 0,1 mm erreicht.
Im Falle der Beleuchtung von hinten sind die Bedingungen ähnlich, aber mit drei Zusätzen oder Unterschieden. Erstens, die in die Verarmungsschicht wandernden Ladungsträger werden vom Bulk des Halbleiters geliefert, wo sie durch die Bestrahlung erzeugt werden. Zweitens, die erzeugte Fotospannung ist geringer als im Falle der Beleuchtung von vorne, weil einige der Ladungsträger rekombinieren, bevor sie die Verarmungsschicht erreichen. Drittens, um eine hohe Auflösung zu erhalten, sollte die Dicke der Halbleiterschicht kleiner sein, als bei der Beleuchtung von vorne.
Das Ersatzschaltbild des Grundsystems der Oberflächenwechselfotospannung mit beliebiger Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems für lokale Beleuchtung der Halbleiteroberfläche mit einem fokussierten Lichtspot ist in Fig. 7 gezeigt.
Im Falle der lokalen Erzeugung von Ladungsträgern (durch die Beleuchtung mit einem fokussierten Spot) auf einer Fläche, die kleiner als die Oberfläche des Halbleiters unter der Referenzelektrode ist, hängen Zsc und Zi der Fig. 5 mit einer Fläche zusammen, die durch das Ausmaß des Spots und die Oberflächendiffusion der fotogenerierten Löcher begrenzt wird. (Z und Zi in Fig. 7) Der dunkle Teil des ladungsempfindlichen Elementes verringert die Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems. Deshalb wird Zi + Zsc in Gleichung (6) ersetzt durch Zie + Z (Impedanz der Spotzone). Bei Spannungsmessungen ist die Eingangsimpedanz des elektronischen Nachweissystems hoch; deshalb kann ZL in Gleichung (6) durch die Gesamtimpedanz des dunklen Teils des Empfängers ersetzt werden. Wenn s die Fläche des beleuchteten Teiles (plus Diffusion) ist und S die Gesamtfläche des Empfängers (viel größer als s), dann stellt die Lastimpedanz nur einen Anteil (s/S) der Impedanz der beleuchteten Fläche dar, vorausgesetzt, daß die Änderung der Gesamtimpedanz der beleuchteten Fläche durch die Beleuchtung vernachlässigbar ist (d. h. wenn Z » Z ).
Die Ausgangsspannung wird um denselben Faktor verringert. Folglich wird
δVm = (s/S) δVS (13)
Der Faktor s/S verringert die Nachweisempfindlichkeit. In der Betriebsart Strommessung kann die Lastimpedanz des elektronischen Nachweissystems gleich der Impedanz des unbeleuchteten Teiles des ladungsempfindlichen Elementes gemacht werden, und damit viel kleiner als Z in Fig 7. Unter solchen Bedingungen wird der durch das elektronische Detektorsystem erfaßte Strom nur um den Faktor zwei im Vergleich zur gleichmäßigen Beleuchtung verringert (Gleichung (10)), wenn die Gesamtbeleuchtung des Halbleiters die selbe bleibt. Es ist jedoch auch in der Betriebsart Strommessung zu erwarten, daß sich die Leistungsfähigkeit des System verringert, wie das Verhältnis der Spotfläche zur Gesamtfläche des Halbleiters abnimmt.
Die Leistungsfähigkeit der Ausleseapparatur und insbesonderen die Empfindlichkeit in der Betriebsart Spannungsmessung kann durch Teilung der Referenzelektrode in Sektoren verbessert werden.
In den Figs. 8(a) und 8(b) sind einige alternativ mögliche Konfigurationen der Referenzelektrode 12 dargestellt.
In Fig. 8(a) enthält die Referenzelektrode 12-1 eine Vielzahl leitender Streifen 12-11 an der oberen Oberfläche eines transparenten Substrates 12-12. Die Breite der Streifen 12-11 ist etwa die gleiche, wie der Durchmesser des Spots des Lichtstrahls (plus Diffusion), wo er auf die Referenzelektrode 12-1 auftrifft. In diesem Falle entspricht S der Fläche nur eines Streifens (Sektors) und dadurch vergrößert sich der Faktor s/S.
In Fig. 8(b) enthält die Referenzelektrode 12-2 eine Vielzahl von leitenden Streifen 12-21 mit einer Breite viel kleiner als der Durchmesser des Spots des Lichtstrahles, die zwischen einem transparenten Substrat 12-22 und einer gleichmäßigen Schicht fotoleitenden isolierenden Materials 12-23 angeordnet sind. Diese isolierende Schicht 12-23 wird in der beleuchteten Fläche leitend und stellt so einen elektrischen Kontakt zum entsprechenden Streifen her. In diesem Falle wird, wenn die Fläche der verbundenen Streifen vernachlässigt werden kann, der Faktor s/S annähernd 1. Wenn als aktive Halbleiterelektrode dotiertes amorphes Silizium verwendet wird, könnte die isolierende Schicht 12- 23 aus undotiertem, hochohmigem, amorphem Silizium bestehen.
Verweisend auf Fig. 9, die die Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Fotoempfängers 41 zeigt, enthält der Fotoempfänger als kompakte Einheit eine Ausleseeinrichtung und einen fotoleitenden Isolator.
Zum Fotoempfänger 41 gehört ein Substrat 43 aus einem leitenden Material. Eine Schicht halbleitenden Materials 45, die z. B. eine einkristalline (z. B. Silizium) oder eine amorphe Schicht (z. B. Si oder Si-Ge-Legierung) sein kann, wird durch irgendein konventionelles Mittel auf die obere Oberfläche des Substrates 43 aufgetragen. Eine schützende isolierende Schicht 47, zum Beispiel aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, wird auf Schicht 45 abgeschieden und eine fotoleitende isolierende Schicht 49, zum Beispiel aus einer Selenlegierung, wird auf Schicht 47 gebildet. Beispiele für andere fotoleitende isolierende Schichten, die verwendet werden können, sind amorphe oder polykristalline Quecksilberjodide oder Bleihalide, wie PbI2.
Zur Nutzung des Fotoempfänger 41 wird eine vorher (z. B. durch eine Glimmentladung) geladene fotoleitende Schicht 49 mit einem Muster einer Strahlung, etwa Röntgenstrahlung, belichtet, das auf ihr ein latentes Ladungsbild erzeugt.
Die auf der Halbleiterschicht 45 durch das latente Ladungsbild induzierte Oberflächenverarmungsschicht wird durch Scannen des Halbleiters 45 mit einem Lichtstrahl und durch Messung der Ausgangsfotospannung, die sich über dem Halbleiter 45 und der Referenzelektrode (nicht gezeigt) bildet, ausgelesen. Der Halbleiter 45 kann entweder von oben oder von unten gescannt werden. Wenn von oben gescannt wird, sollte das Scannerlicht eine Wellenlänge besitzen, welche die fotoleitende isolierende Schicht nicht beeinflußt. Wenn von unten gescannt wird, muß das Substrat 43 transparent sein.
Betrachten wir jetzt Fig. 10, in der eine Ausführung eines Gerätes 51 zur praktischen Anwendung der Erfindung dargestellt ist.
Ein intensitätsmodulierter Lichtstrahl aus der Laserdioden- Lichtquelle 53, die von einer modulierten Stromversorgung 54 gespeist wird, wird mit der Linse 55 durch die leitende Elektrode 12 hindurch auf die Halbleiterschicht im Fotoempfänger 41 fokussiert. Beispiele von einigen aber nicht all den anderen Lichtquellen, die verwendet werden können, sind eine Lichtemitterdiode (LED), ein Helium-Neon-Laser (He-Ne) oder ein Helium-Cadmium-Laser (He-Cd). Wenn eine LED eingesetzt wird, kann die Modulation des Lichtstrahles durch Verwendung einer modulierten Stromversorgung erreicht werden. Bei Einsatz eines Gaslasers wird die Modulation des Lichtstrahls durch einen externen Lichtmodulator, wie z. B. einen akusto-optischen Modulator, erreicht.
Bevor er die Halbleiterschicht erreicht, wird der intensitätsmodulierte Lichtstrahl durch einen xy-Scanner 57 abgelenkt, der ein optischer xy-Galvanometer-Scanner Modell No. XY100PD, hergestellt durch General Scanning Inc. Watertown, MA, sein kann. Das resultierende Ausgangsfotospannungs- Signal, das sich über der leitenden Elektrode 12 und dem Halbleiterempfänger 41 bildet, wird durch einen Verstärker in der Elektronik 59 verstärkt, durch ein Digitalisiergerät 61 digitalisiert und dann in einen Computer 63 eingegeben, der es verarbeiten, speichern und/oder auf einem Monitor 65 anzeigen kann.
In Fig. 11 wird eine Anordnung gezeigt, bei der der Halbleiter 45 von hinten anstatt von vorne beleuchtet wird.
In Fig 12, in der eine andere Ausführung eines Fotoempfängers gezeigt wird, ist der Fotoempfänger durch die Referenzziffer 141 gekennzeichnet. Der Fotoempfänger 141 enthält einen Halbleiter-Wafer 145 (der aus Silizium sein kann), auf dessen oberer Oberfläche eine schützende isolierende Schicht 147 (die aus Siliziumoxid sein kann) und eine fotoleitende isolierende Schicht 149 (die aus Selen sein kann) abgeschieden wurden.
In Fig. 13, in der eine andere Ausführung eines Fotoempfängers gezeigt wird, ist der durch die Referenzziffer 241 gekennzeichnete Fotoempfänger empfindlich auf Röntgen- oder eine andere ionisierende Strahlung. Der Fotoempfänger 241 enthält eine Ausleseanordnung 244, die aus einem Halbleiter-Wafer 245 (der aus Silizium sein kann) besteht, auf dem eine schützende isolierende Schicht 247 (die aus Siliziumoxid sein kann) aufgebracht wurde. Die Ausleseanordnung 244 ist durch einen ein Gas (wie Luft oder Freon oder Xenon) enthaltenden Zwischenraum von einer Metall-Elektrode 251 (die aus Aluminium, Blei oder Wolfram sein kann) getrennt. Bei Verwendung des Fotoempfängers 241 wird zuerst eine hohe Spannung zwischen Elektrode 251 und Halbleiter 245 angelegt. Wenn der Fotoempfänger dann z. B. mit Röntgenstrahlen belichtet wird, bilden die Photonen oder strahlungsinduzierten Fotoelektronen in dem Gas Ionen, welche durch das elektrische Feld an der Oberfläche des schützenden Isolators 247 angelagert werden.
Es ist zu beachten, daß es bei allen Ausführungsformen der Erfindung, in denen der Isolator (IM oder 49) fotoleitend ist, wesentlich ist, daß der Ausleselichtstrahl nicht die Ladungsverteilung auf dem fotoleitenden Isolator stört. Dieses gilt unabhängig davon, ob der Halbleiter von vorne oder von hinten beleuchtet wird. Das kann realisiert werden durch geeignete Wahl sowohl der Arbeitswellenlängen des beleuchtenden Lichtstrahles als auch der besonderen Materialien, die für die fotoleitenden isolierenden und halbleitenden Schichten verwendet werden.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll nur als Beispiel dienen, und Fachleute werden in der Lage sein, ohne Abweichung von der vorliegenden Erfindung zahlreiche Variationen und Modifikationen von ihr herzustellen. Es ist beabsichtigt, daß all diese Variationen und Modifikationen im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen, wie es in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Auslesen von auf einem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen, wobei der Isolator (IM, 49, 149, 249) eine Frontfläche und eine Rückfläche besitzt,und das Verfahren beinhaltet:

a) das Vorsehen eines Halbleiters (13, 45, 145, 245) mit einer einzelnen Dotierungssubstanz, wobei der Halbleiter eine Frontfläche und eine Rückfläche besitzt;

b) das Positionieren des Halbleiters (13, 45, 145, 245) in hinreichender Nähe zu dem Isolator (IM, 49, 149, 249) aber nicht im Kontakt mit ihm, so daß eine einzelne Verarmungsschicht in den Halbleiter (13, 45, 145, 245) induziert wird, und diese Verarmungsschicht in Beziehung zu den auf dem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen steht; und

c) Detektieren der Größe und Lage der in dem Halbleiter (13, 45, 145, 245) induzierten Ladungen unter Nutzung des Oberflächen-Fotovoltaischen- Effektes durch

i) Anordnung einer Referenzelektrode (12)

ii) Beleuchtung des Halbleiters (13, 45, 145, 245) mit Licht einer Photonenenergie, die zur Wechselwirkung mit dem Halbleiter führt; und

iii) Detektieren der elektrischen Signale, die zwischen der Referenzelektrode (12) und dem Halbleiter erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem das Licht die Form eines Strahles hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Lichtstrahl ein scannender Lichtstrahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Lichtstrahl intensitätsmoduliert ist.

51 Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Lichtstrahl von hinten auf den Halbleiter (13, 45, 145, 245) auftrifft.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Lichtstrahl von vorne durch die Referenzelektrode (12) und durch den Isolator hindurch auftrifft.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Isolator (IM, 49, 149, 249) fotoleitend ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ferner die so erzeugten elektrischen Signale digitalisiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die auf dem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen durch Strahlung gebildet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die auf dem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen durch Bestrahlung gebildet werden.

11. Anordnung zur Verwendung beim Auslesen der auf einem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen, wobei die Anordnung aufweist:

a) einen Halbleiter (13, 45, 145, 245), der eine einzige Dotierungssubstanz besitzt und an einer Seite des Isolators (IM, 49, 149, 249) in relativ geringem Abstand zu ihm, aber nicht im Kontakt mit ihm angeordnet ist, so daß eine einzige Verarmungsschicht auf ihm induziert wird, die mit den auf dem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen in Beziehung steht;

b) eine Referenzelektrode (12) an der anderen Seite dieses Isolators (IM, 49, 149, 249); und

c) Detektiermittel für die Größe und Lage der auf dem Halbleiter (13, 45, 145, 245) induzierten Ladungen unter Ausnutzung des Oberflächen-Fotovoltaischen- Effekts, wobei diese Detektiermittel enthalten

i) Mittel (59) zum Scannen des Halbleiters (13, 45, 145, 245) mit einem Lichtstrahl, wobei der Lichtstrahl ein elektrisches Signal zwischen dem Halbleiter (13, 45, 145, 245) und der Referenzelektrode (12) entsprechend den auf dem Halbleiter (13, 45, 145, 245) induzierten Ladungen erzeugt, und

ii) Mittel zum Detektieren des elektrischen Signals.

12. Anordnung nach Anspruch 11, bei dem der Halbleiter (145, 245) die Form eines Wafers besitzt.

13. Anordnung nach Anspruch 12, bei dem der Halbleiter (13, 45) die Form eines Filmes besitzt.

14. Anordnung nach Anspruch 13, bei dem sowohl der Halbleiter (45) als auch der Isolator (49) Filme auf einem Substrat (43) darstellen.

15. Anordnung nach Anspruch 14, bei dem die auf dem Isolator (IM, 49, 149, 249) angesammelten Ladungen durch Belichtung mit Röntgenstrahlen gebildet werden.

16. Anordnung nach Anspruch 11, bei dem die Referenzelektrode (12) enthält:

a) ein transparentes nichtleitendes Substrat (12-12) und

b) eine Vielzahl von parallelen Streifen (12-11) aus leitendem Material auf diesem Substrat (12-12).

17. Anordnung nach Anspruch 11, bei dem die Referenzelektrode (12) enthält:

a) ein Substrat (12-22) aus einem transparenten nichtleitenden Material,

b) eine gleichmäßige Schicht (12-23) aus einem fotoleitenden isolierenden Material auf der Oberseite des Substrats und

c) eine Vielzahl von parallelen Streifen (12-21) aus leitendem Material, die zwischen dem Sustrat und der Schicht aus fotoleitendem isolierendem Material angeordnet sind.