包括在具有硼层的硅衬底上的场发射极阵列的光电阴极制造技术

一种光电阴极利用一体地形成于硅衬底上的场发射极阵列FEA来增强光电子发射，且利用直接安置在所述FEA的输出表面上的薄硼层来阻止氧化。所述场发射极是通过具有安置成二维周期性图案的各种形状(例如，角锥体或经修圆晶须)的突出部形成，且可经配置而以反向偏置模式操作。任选栅极层经提供以控制发射电流。任选第二硼层形成于经照射(顶部)表面上，且任选抗反射材料层形成于所述第二硼层上。在相对的所述经照射表面与所述输出表面之间产生任选外部电位。通过特殊掺杂方案且通过施加外部电位而形成n型硅场发射极与p‑i‑n光电二极管膜的任选组合。所述光电阴极形成传感器及检验系统的部分。

A photocathode consisting of a field emitter array on a silicon substrate with a boron layer

A photocathode is used to enhance photoelectron emission by using a field emitter array FEA formed on silicon substrate. The thin boron layer directly placed on the output surface of the FEA is used to prevent oxidation. The field emitter is formed by the various parts, such as pyramid or repaired circular whisker, which are arranged into two dimensional periodic patterns, and can be operated in reverse biased mode by configuration. The optional gate layer is provided to control the emission current. The second boron layer is chosen to form on the surface of the irradiated (top), and the selection of the anti reflective material layer is formed on the second boron layer. An optional external potential is generated between the relative irradiated surface and the output surface. Through a special doping scheme by applying an external potential and form n type silicon field emission electrode and P I optionally combined N photodiode film. The photoelectric cathode forms a sensor and a part of the inspection system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括在具有硼层的硅衬底上的场发射极阵列的光电阴极优先权申请本申请案主张2015年5月21日提出申请的标题为“包括在具有硼层的硅衬底上的场发射极阵列的光电阴极(PHOTOCATHODEINCLUDINGFIELDEMITTERARRAYONASILICONSUBSTRATEWITHBORONLAYER)”的美国临时专利申请案62/164,975的优先权，且所述美国临时专利申请案以引用的方式并入本文中。相关申请案本申请案与标题为“光电倍增管、图像传感器以及使用PMT或图像传感器的检验系统(PhotomultiplierTube,ImageSensor,andanInspectionSystemUsingaPMTorImageSensor)”且由庄(Chuang)等人在2014年3月5日提出申请的美国专利申请案14/198,175(公开为2014/0291493)有关，且与标题为“包括具有硼层的硅衬底的光电阴极(PhotocathodeIncludingSiliconSubstratewithBoronLayer)”且由庄(Chuang)等人在2013年7月22日提出申请的美国专利申请案13/947,975(公开为2014/0034816)有关。这两个申请案以引用的方式包括于本文中。
本专利技术一般来说涉及结合半导体晶片、光罩或光掩模检验系统一起使用的低光感测检测器(传感器)，且更明确地说涉及在用于此类检验系统的所述传感器中利用的光电阴极。
技术介绍
光电阴极是通常用于光检测装置(例如光电倍增管、图像增强器及电子轰击CCD(EBCCD))中的带负电荷电极。光电阴极包含光敏化合物，当被光量子(光子)撞击时，由于光电效应所述光敏化合物响应于每一所吸收光子而产生一个(或多个)电子。现代光电阴极中所使用的光敏化合物通常包含碱金属，这是因为其低功函数允许电子从光电阴极容易地逸出以供由主机图像传感器装置的其它结构检测。例如GaAs及InGaAs的化合物半导体还用于制造光电阴极，尤其用于制造红外线敏感装置。过去已制造硅光电阴极，但硅光电阴极未发现有显著商业用途，这是因为尽管硅在俘获光时是高效的，但所产生电子中的极少电子能够从硅逸出，从而导致低总体效率。光电阴极一般来说划分为两个广泛群组：透射光电阴极及反射光电阴极。透射光电阴极通常形成于面对待测量的光源的窗的表面(例如，玻璃)上，且离开光电阴极的电子通过光电阴极的输出表面以供检测(即，电子移动远离光源)。反射性光电阴极通常形成于不透明金属电极基极上，其中光进入“经照射”表面且电子从同一“经照射”表面离开。尽管反射光电阴极简化了下文所论述的光电阴极厚度与敏感性之间的一些权衡，但其不适合用于例如图像增强器及EBCCD装置的成像装置中(尽管其可适合用于一些光电倍增管配置中)。因此，在下文论述中，术语“光电阴极”仅是指透射光电阴极，除非另有规定。光电阴极通常形成或安装在适合主机传感器的壳体(例如，真空管)上，且所述传感器壳体经定位使得经照射表面面对目标光源(即，使得光电阴极定位于光源与主机传感器的电子-测量结构之间)。当光子被光电阴极吸收时，平均约50％的所产生电子将朝向光电阴极的经照射侧行进(即，面对光源、光子穿过其进入光电阴极的侧)。另外50％的光电子将行进到光电阴极的输出表面，且如果所述光电子具有充足能量，那么其将被朝向传感器的电子-测量结构发射。当从光电阴极的输出表面发射电子时，其通常将通过主机传感器内的电场朝向阳极加速，从而产生指示一或多个光子的俘获的对应可测量电压或电流。光电倍增管是包括光电阴极、阳极及一系列倍增极(电极)的真空光电管，其中每一倍增极均比其前一者处于相继更正电位，使得阳极处于高于上一倍增极的电位的正电位。从光电阴极发射的光电子通过光电阴极-倍增极电场加速且通常将撞击倍增极，此致使发射多个次级电子，所述次级电子通过后续倍增极-倍增极电场加速。几乎所有这些次级电子均将撞击另一倍增极且产生更多电子。最终，电子将通常在通过多个倍增极的多个放大级之后到达阳极。因此，每当光子被吸收且沿正确方向发射光电子时，光电倍增管均产生电流脉冲(即，电荷)。由于所产生电荷等于许多电子上的电荷，因此当增益足够高时可产生高于电子器件的噪声水平的电荷。因此，光电倍增管可为对电磁光谱的紫外线、可见及近红外线范围内的光的极其敏感的检测器。这些检测器将由入射光产生的电流在多个倍增极级中倍增多达一亿倍，从而使得(举例来说)当光的入射通量极低时能够检测个别光子。图像增强器是另一类型的真空管传感器装置，其利用磷光体来增加光学系统中的所检测到光的强度以便促进(举例来说)低光过程的视觉成像或用于将例如近红外线或短波红外线的非可见光源转换成可见光源。在典型图像增强器中，从光电阴极发射的光电子朝向涂覆有磷光体的透明阳极加速，使得光电子以高能量(通常约1keV到约20keV)撞击所述磷光体，从而致使所述磷光体产生许多光子。在一些图像增强器中，微通道板放置在光电阴极与磷光体之间以便从每一光电子产生多个次级电子。甚至在不具有微通道板的情况下，还可针对每一所吸收光子而在图像增强器的输出处产生多个光子。经发射光子通过光学器件(例如光纤束或透镜)经引导到图像传感器。由于每一所吸收光子可产生许多输出光子，因此可检测并测量极低光水平，在一些情况下甚至可能是单光子。EBCCD是以类似于图像增强器的方式操作的另一传感器。替代作为输出的磷光体屏幕，使用例如CCD的图像传感器来检测从光电阴极发射且通过电场加速的电子。在EBCCD中，通常使用约2kV或更多的电位差在光电阴极与CCD之间产生电场，借此由光电阴极发射的光电子被加速且以高能量撞击CCD，从而在CCD内侧产生多个电子，所述多个电子接着被俘获。由于针对经检测的每一光子产生多个电子，因此CCD的读出及暗噪声不如原本对光子的直接检测重要。如与图像增强器相比，EBCCD避免用以将光从磷光体转移到图像传感器所需的光学器件的成本，且还避免由那些光学器件导致的图像分辨率的降级。图12展示常规EBCCD50，EBCCD50包含：壳体52，其包括窗53；光电阴极54，其安置在窗53的内侧表面上；及电荷耦合装置(CCD)55，其安置在壳体52的下部端处，使得光电阴极54通过真空间隙56与CCD55分离。通过将相对于CCD55的电压为负的电压施加到光电阴极54而在所述光电阴极与所述CCD之间产生电场。传入光子61穿过窗53进入且被光电阴极54吸收，从而致使产生光电子。当光电子62具有充足能量以穿过光电阴极54的输出侧逸出(即，在图中向下)时，其进入间隙区域56。由于CCD55相对于光电阴极54处于通常2kV或更多的正电位，因此光电子62被朝向CCD55加速，使得其实现大于约2keV的能量，借此光电子通常将在CCD55内侧产生多个电子。在CCD55内侧产生的电子接着经发射(例如，通过引脚57)到处理系统(未展示)，所述处理系统经配置以产生相关联图像或与所检测到的光电子相关联的其它资料。现有技术光电阴极需要在与吸收光子及发射光电子相关联的冲突要求之间作出艰难权衡。良好光电阴极需要具有在所关注波长处吸收光子的高概率，及从所述所吸收光子产生一个(或多个)光电子的高概率。良好光电阴极还需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电阴极，其包含：硅衬底，其具有相对的第一表面及第二表面且包括多个一体式场发射极突出部，每一所述场发射极突出部具有一体地连接到所述硅衬底的固定部分且从所述第二表面延伸到尖端部分，及大体上纯硼层，其气密地安置在至少每一所述场发射极突出部的所述尖端部分上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.21 US 62/164,975;2016.05.20 US 15/160,5051.一种光电阴极，其包含：硅衬底，其具有相对的第一表面及第二表面且包括多个一体式场发射极突出部，每一所述场发射极突出部具有一体地连接到所述硅衬底的固定部分且从所述第二表面延伸到尖端部分，及大体上纯硼层，其气密地安置在至少每一所述场发射极突出部的所述尖端部分上。2.根据权利要求1所述的光电阴极，其中所述硅衬底进一步包含掺杂剂，所述掺杂剂经配置使得在所述光电阴极的操作期间，每一所述场发射极突出部作为场发射极以反向偏置模式操作。3.根据权利要求1所述的光电阴极，其中所述多个场发射极突出部在所述第二表面上布置成二维周期性图案。4.根据权利要求1所述的光电阴极，其中所述大体上纯硼层具有处于大约1nm到5nm的范围内的厚度。5.根据权利要求1所述的光电阴极，其中每一所述场发射极突出部包含角锥体形结构。6.根据权利要求1所述的光电阴极，其中每一所述场发射极突出部包含圆锥体形结构及圆晶须形结构中的一者。7.根据权利要求1所述的光电阴极，其进一步包含至少一个栅极结构，所述至少一个栅极结构安置在所述输出表面上方且邻近于所述多个场发射极突出部中的至少一者的所述尖端部分定位并且与所述尖端部分间隔开。8.根据权利要求1所述的光电阴极，其进一步包含直接安置在所述硅衬底的所述第一表面上的第二大体上纯硼层。9.根据权利要求8所述的光电阴极，其进一步包含安置在所述第二大体上纯硼层上的抗反射层。10.根据权利要求1所述的光电阴极，其进一步包含经配置以跨越所述硅衬底施加外部电位差的导电结构。11.根据权利要求4所述的光电阴极，其中所述第一表面完全安置在所述硅衬底的p掺杂区域上，且所述第二表面及所述多个场发射极突出部完全安置在所述硅衬底的n掺杂区域上，且其中所述p掺杂区域及所述n掺杂区域经配置以形成p-i-n光电二极管，当跨越所述硅衬底施加至少100伏特的外部电位差时，所述p-i-n光电二极管在雪崩倍增条件下操作。12.根据权利要求1所述的光电阴极，其中所述硅衬底包括p型梯度扩散区域，所述p型梯度扩散区域从所述第一表面朝向所述第二表面延伸，使得所述p型梯度扩散区域在接近所述第一表面定位的所述硅衬底的部分中比在远离所述第一表面安置的所述硅衬底的部分中具有更高p型掺杂剂浓度。13.一种传感器，其用于响应于被引导到所述传感器的接收表面上的光子而产生电信号，所述传感器包含：光电阴极，其邻近于所述接收表面而安置且经配置以响应于所述光子通过所述接收表面且进入所述光电阴极中而发射光电子，所述光电阴极包括：硅衬底，其具有相对的第一表面及第二表面且包括多个一体式场发射极突出部，每一所述场发射极突出部具有一体地连接到所述硅衬底的固定部分且从所述第二表面延伸到尖端部分，及大体上纯硼层，其气密地安置在至少每一所述场...

【专利技术属性】
技术研发人员：勇霍·庄，约翰·费尔登，银英·肖李，刘学峰，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US