CN1890773A - 用于减少电子轰击器件中的光晕的表面结构 - Google Patents

用于减少电子轰击器件中的光晕的表面结构 Download PDF

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Abstract

一种电子检测器件，包括用于提供电子源的阴极(6、50)和与阴极相对设置并用于接收从阴极发射的电子的阳极(8、80、83、86、89)。阳极包括用于减少电子检测器件的输出信号中的光晕的纹理表面。该纹理表面可包括凹陷(85)或倒置锥体(87)。

Description

用于减少电子轰击器件中的光晕的表面结构
技术领域
本发明大体上涉及电子检测器件，特别涉及用于减少在放大接收信号时由电子检测器件产生的光晕(halo)的表面结构。
发明背景
电子检测器件或电子轰击器件依赖于高能电子通过级联或撞击过程产生增益。这些高能电子的一个结果是它们在与器件的电子收集表面撞击时可能被反向散射的可能性。反向散射电子产生信号和空间分辨率的损失。
存在一种使用高能电子轰击表面从而产生增益并且放大小的信号的器件。这种器件的例子是混合光电二极管(HPD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)、电子轰击CCD(EBCCD)、电子轰击金属-半导体-金属(MSM)真空光电管(MSMVPT)、雪崩光电二极管(APD)和电阻性阳极。对于EBAPS和EBCCD的情况，空间分辨率对于保持图像质量是极为重要的。信号强度也是用于低光水平成像的一个因素。尽管空间分辨率对于HPD和MSMVPT来说较不重要，信号完整性是最重要的因素，因为这些器件需要单一光子检测和高速度。即使这样，空间分辨率对于分段光电二极管也是很重要的。
使用高能电子的结果是一小部分一次电子被反向散射。如果反向散射的电子不着落在检测器上，则信号被损失了，但是没有空间退化。然而，如果反向散射的电子再次着落到检测器上，则信号水平保持不变，但是它在空间上偏离了原始撞击点。
通常，这些轰击器件具有平坦的半导体表面，并且高能电子撞击这些平坦表面。一部分高能电子被反向散射。反向散射的电子可以认为被反射，就象光从太阳能电池的表面反射一样。在太阳能电池中，使用抗反射涂层(ARC)来减少光的反射。然而，电子轰击器件不能使用ARC，这是因为ARC使入射信号的功率衰减，并且因此减少了器件的增益。对太阳能电池技术中的ARC的一种替代技术是采用纹理(textured)表面。使用纹理表面，以减少从高效太阳能电池的表面的反射。
在设计太阳能电池时有三个目的：(1)减少正面反射，(2)增加路径长度，和(3)捕获从背面反射的弱吸收光。然而，在电子轰击表面的情况下，最后一个目的不适用，因为高能电子的路径长度非常短。尽管纹理表面已经成功地用在太阳能电池领域中以提高光吸收，但是纹理表面尚未用在电子轰击器件中以减少电子的反向散射和减少输出图像中的光晕。
在1999年12月21日发布的美国专利No.6005239中，Suzuki等人公开了一种图像增强器，其包括透明入口面板和光纤块。该光纤块由束在一起的很多光纤构成，并且设置成与入口面板相对。在入口面板和光纤块之间形成真空气氛。光纤块设有凹陷(pit)，其中每个凹陷包括光纤的芯部的端面，该端面从光纤的包层部分的端面凹入。包层部分从凹陷的芯部的表面突出，由此形成凹陷。相应地，Suzuki等人教导在光纤块中形成凹陷，所述光纤块由捆在一起的很多光纤构成，用于减少输出光的光晕现象。
存在着减少电子轰击器件如HPD、EBAPS、EBCCD、MSMVPT、APD、和电阻性阳极等的光晕现象的需求。还存在着减少这些器件中的电子反向散射的需求，由此增加增益。本发明专注于这些需求。
发明内容
为了满足这个和其它需要，并鉴于其目的，本发明提供一种电子检测器件，其包括用于提供电子源的阴极、以及与阴极相对设置并用于接收从阴极发射的电子的阳极。阳极包括用于减少电子检测器件的输出信号中的光晕的纹理表面。
在本发明的一个实施例中，纹理表面包括形成在阳极中的多个凹陷。多个凹陷中的一个成形为阱，其具有由阳极中的纵向壁形成的顶部开口，并且阱的底表面设置成比顶部开口在纵向上离阴极更远。多个凹陷以从1.0微米变到30.0微米的间距值彼此横向地间隔开，并包括从0.5的深度与间距比变化到2.0的深度与间距比的纵向深度。多个凹陷彼此间隔开，从而在阳极中形成从70％变化到90％的开口面积比(OAR)。
包括凹陷的电子检测器件可以是混合光电二极管(HPD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)、电子轰击电荷耦合二极管(EBCCD)、电子轰击金属-半导体-金属真空光电管(MSMVPT)、雪崩光电二极管(APD)或电阻性阳极。
在本发明的另一实施例中，电子检测器件包括用于提供电子源的阴极、和与阴极相对设置并用于接收从阴极发射的电子的阳极。阳极包括顶表面，并且该顶表面包括多个开口，每个开口由倒置锥体的底部限定，用于减少电子检测器件的输出信号中的光晕。倒置锥体的底部在阳极的顶表面基本上是正方形，并且形成在阳极中的壁从该底部延伸，从而形成倒置锥体的顶点，该顶点设置成比倒置锥体的底部在纵向上离阴极更远。倒置锥体的底部是6微米正方形，并且倒置锥体的顶点在纵向上距离所述底部4.091微米。
包括倒置锥体的电子检测器件可以是混合光电二极管(HPD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)、电子轰击电荷耦合二极管(EBCCD)、电子轰击金属-半导体-金属真空光电管(MSMVPT)、雪崩光电二极管或电阻性阳极。
应该理解的是，前面的对本发明总的说明和下面的详细说明都是示意性的，而非限制性的。
附图简述
从下面结合附图对本发明的详细说明可以更好地理解本发明。附图中包含以下附图：
图1是示出用于结合本发明实施例的电子检测器件的示意图；
图2是示出用于结合本发明实施例的具有设置在阴极和阳极之间的微通道板(MCP)的图1的电子检测器件的示意图；
图3a-3d是根据本发明实施例的如图1所示的阳极结构的纹理表面的放大图；
图4是根据本发明实施例的反向散射电子的部分与入射能量的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图5是根据本发明实施例的每入射电子的增益与入射能量的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图6a-6b是根据本发明实施例的能量分布与光晕能量和初级能量的比的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图7是根据本发明实施例的光晕增益与总增益的比和入射能量的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图8a-8f是根据本发明实施例的在使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟中获得的结果的显示上的图像的照片；
图9a-9f是根据本发明实施例的在使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟中获得的附加结果的显示上的图像的照片；
图10是根据本发明实施例的反向散射电子的部分和深度与间距比的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图11是根据本发明实施例的每入射电子的增益和深度与间距比的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；
图12是根据本发明实施例的光晕增益与总增益的比和深度与间距比的曲线，示出使用图3a-3c所示的纹理表面的模拟的结果；以及
图13a-13b是根据本发明实施例的在使用图3b所示的纹理表面的模拟中获得的结果的显示上的图像的照片。
发明详述
如将要解释的，通过向器件的电子收集表面提供纹理表面，本发明减少了电子的反向散射，减少了光晕现象并且增加了电子轰击器件的增益。
参见图1，示出了电子轰击器件，一般表示为5。该器件包括被真空间隙7空间地分开的阴极6和阳极8。阳极用作电子收集点。
应该理解的是，通过负电子亲合表面(NEA)、正电子亲合表面(PEA)、热离子发射或场发射中的任一种，电子从阴极6发射到真空间隙7中。阴极和阳极之间的电场(未示出)朝向阳极8使电子加速。具有各个电位的额外电极(未示出)也可以设置在阴极和阳极之间，以便聚焦电子。这些电极不改变电子的总着落(landing)电位。在撞击阳极的表面时，一次电子通过散射事件与阳极的材料相互作用，所述散射事件将在下面讨论。
由于一次电子损失能量，因此产生一些二次粒子，如由撞击电离产生的x射线和电子空穴对。在撞击电离期间一次电子损失的能量大约等于形成阳极的材料的带隙的三倍。电子的方向也改变，因为电子被散射，导致电子可能从材料射出的可能性，因此导致反向散射事件。反向散射的概率与阳极的材料特性、电子的撞击能量和电子的入射角相关。此外，空间定位的损失与被撞击的电子源(阴极)和电子漏(阳极)之间的距离相关。
发明人模拟了从各个阳极表面发生的电子反向散射并发现反向散射电子的能量可以从大约50eV到高达近似于一次电子能量。该能量包括由于散射造成的纵向和横向分量。在电子离开阳极材料时，电子的轨迹受到阴极和阳极之间的电位的影响，该电位迫使电子朝向阳极向下返回。电子运行的横向距离取决于电子离开阳极材料的角度、电子的能量、阴极到阳极的电压以及阴极和阳极之间的间隔。
发明人还发现在近似等于一次电子的能量下电子运行的第一撞击最大横向距离是从阴极到阳极的距离的两倍。在超出初始范围的范围内可能发生多次撞击。大部分电子运行的距离小于这个最大距离。应该理解，这些电子在图像增强器中被称为光晕电子。就是说，在明亮点源周围形成光晕或光环。如在本说明书中使用的，光晕电子表示被反向散射的电子。
接着参见图2，其示意性地示出了结合本发明的图像增强管。如图所示，图像增强器70包括光电阴极50，该光电阴极50具有输入侧50a和输出侧50b。图像增强器70还包括微通道板(MCP)57和成像器64。MCP 57包括输入侧57a和输出侧57b，成像器64包括输入侧64a和输出侧64b。应该理解，光电阴极50和成像器64分别对应图1所示的阴极6和阳极8。MCP 57设置在真空间隙中，所述真空间隙形成在容纳了光电阴极50和成像器64的外壳(未示出)中。尽管所示MCP 57设置在光电阴极50和成像器64之间，但是应该理解，MCP 57也可以被省掉，如图1所示。
成像器64或阳极8可以是任何类型的固态电子传感器。例如，它们可包括成像CCD器件或CMOS传感器、或非成像传感器，如MSM、APD、或电阻性阳极。
在工作时，来自图像60的光61经过光电阴极50的输入侧50a进入图像增强器70。光电阴极50将进入的光变为电子62，其从光电阴极50的输出侧50b输出。从光电阴极50射出的电子62通过MCP 57的输入表面57a进入通道57c。电子62轰击MCP 57的输入表面57a之后，在MCP 57的多个通道57c内产生二次电子。对于通过输入表面57a进入的每个电子，MCP 57可以在每个通道57c中产生几百个电子。因此，离开通道57c的电子63的数量明显大于进入通道57c的电子62的数量。增强数量的电子63通过MCP 57的输出侧57b离开通道57c，并撞击成像器64的电子接收表面64a。成像器64的输出可以储存在寄存器中，然后转移到读出寄存器，被放大和显示在视频显示器65上。
参见图3a-3d，示出了本发明的四个实施例，每个用作用于成像器64(图2)或阳极8(图1)的电子收集板。每个实施例包括不同的表面几何形状。例如，图3a示出包括平坦硅层82的电子收集板80，平坦硅层82具有500厚的顶部涂覆铝层81。顶部涂覆层81还可以是500厚的金层。
图3b示出包括被刻蚀到平坦硅层84的顶表面中的多个凹陷(或阱)85的电子收集板83。图3c示出包括被刻蚀到平坦硅层88的顶表面中的多个倒置锥体87的电子收集板86。下面讨论图3b的凹陷几何形状和图3c的倒置锥体几何形状的尺寸。
图3d示出包括被刻蚀到平坦硅层90的顶表面中的多个倒置四面体91的电子收集板89。每个倒置四面体具有相对于每个四面体的底部以90°取向的三个垂直平面。这种结构已经通过超声波切割技术形成在Si表面上。此时这种技术或其相关激光切割在经济上讲都不是可行的，尽管将来价格可能变得有竞争力。为了经济地制造这种几何形状，向硅的适当晶体取向施加各向异性刻蚀。当向晶粒在(111)方向上取向的多晶硅施加各向异性刻蚀时，已经证实了形成倒置的四面体。在将晶片进行各向异性刻蚀之前，需要光刻步骤来获得该表面上的规则重复图形。用于在(111)硅上形成三个垂直面的掩模图形在以下文章中有记载：名称为“A New Texturing Geometry forProducing High Efficiency Solar Cells with no AntireflectionCoatings，”由A.W.Smith和A.Rohatgi在Solar Energy Materialsand Solar Cells，1993年，第29卷，第51-65页上发表的。这里引入这篇文章作为参考。三个垂直面的顶点直接位于掩模图形的最厚区域之下，并且可能需要一些顶点位于氧化物的切割部分(cutting)之下。
图3c的倒置锥体几何形状可以通过使用矩形掩模以与倒置四面体几何形状相似的方式形成，所述矩形掩模具有用于形成相对于该结构的底部以53.75°取向的四个平面的几何形状。
发明人从图3b的凹陷几何形状和图3c的倒置锥体几何形状模拟了电子运动和电子的反向散射。还检查了图3a的平坦表面几何形状(具有铝覆盖层的硅和具有金覆盖层的硅)、以及没有任何覆盖层的平坦硅表面(这里称为裸硅或平坦硅)，以便提供用于凹陷几何形状和倒置锥体几何形状的参考。下面讨论该模拟和模拟的结果。
被选择用于测试反向散射电子减少和光晕效应减少的假设的第一纹理几何形状是倒置锥体结构。选择这种结构是因为很容易利用一个光刻步骤和一个各向异性刻蚀在硅中形成它。选择的第二个几何形状是光纤捆的光学块中的刻蚀凹陷结构，依照由Suzuki等人在美国专利No.6005239中提出的用于图像增强器的结构(在本说明书的背景技术部分中所述的)。第二几何形状具有优于倒置锥体结构的优点，因为可以改变凹陷结构中的凹陷深度与间距纵横比。
为了模拟电子运动和电子散射，将两个计算机模型组合在一起。第一个是用于高能电子模拟的Monte Carlo模型，如由Joy在MonteCarlo Modeling for Electron Microscopy and Microanalysis，Oxford University Press Inc.，NY，NY，1995中教导的，这里引入其作为参考。当电子处于材料中时，这个模型提供电子的散射和能量损失机理。当电子离开材料时，假设散射电子的方向余弦是电子运行的方向。为了有助于分析，监测电子能量。如果能量下降到50电子伏(eV)以下，则假设电子被吸收。然而，如果电子被反向散射，则其路径被第二模型跟踪，直到电子再次撞击表面并再次进入阳极材料为止。
第二模型处理阳极材料外部的电子，因此不包括散射事件。在模拟的这个阶段，假如阳极纹理不显著影响场，则电子表现为射线。采用用于评估在太阳能电池中光捕获的技术来模拟具有一些改变的电子捕获，所述技术如由A.W.Smith和A.Rohatgi在Solar EnergyMaterials and Solar Cells，1993年第29卷，第37-49页的题为“RayTracing Analysis of the Inverted Pyramid Texturing Geometry forHigh Efficiency Silicon Solar Cells，”的文章中所公开的。这里引入这篇文章作为参考。
然而，来自在硅单元中使用的技术的第二模型的修改是十分基本的。首先，一次电子只有纵向分量。当电子射出阴极时，如果阴极和阳极之间的场远大于电子的横向速度分量，则这个假设是有效的。其次，电子不象光那样被反射，并且电子的反射角不等于电子的入射角。而是，在电子离开阳极材料时，反向散射的电子的方向余弦由MonteCarlo规则给出。第三，忽略了阳极的纹理结构内的场。假如阳极的纹理几何形状的特征远小于阴极到阳极的间隔，则这是有效的。这些假设允许电子作为射线被处理，直到电子到达纹理结构的顶部为止。
电子在其路径中遇到的面的数量也被记录(见下表1)。只要电子保持在纹理结构中，它就可能撞击尽可能多的表面，这取决于散射。然而，如果电子到达该结构的顶部，则电子象自由飞行那样被处理，即象炮弹那样。自由飞行结束时，记录电子的撞击能量和位置。记录高达五次自由飞行，以便确定多次撞击的效果。
然而，为了公平地比较如图3a-3c所示的不同的结构，只有反向散射系数是不够的。碰撞电离事件的数量或者产生的二次电子的数量也被编录在模拟中。因此，对于纹理几何形状、具有铝几何形状的平面和具有金覆盖几何形状的平面，比较使用几个不同入射能量电子在入射点上和光晕点上的增益。收集的附加数据是第一次反向散射之后在碰撞点上的电子的能量。在电子被反向散射之前其撞击的纹理几何形状内的表面的数量也被记录下来。最后，记录反向散射电子的撞击点，以提供图像图形。
在平坦几何形状和倒置锥体几何形状中，在任何硅区中都发生碰撞电离。在凹陷几何形状中，仅在下部的硅而不在凹陷的壁中考虑撞击过程。排除这些壁的根本原因是：产生的载流子扩散到基底材料概率低，更可能的结果是它们可能在壁表面复合。尽管在壁中忽略增益，在模拟中考虑一次电子的能量损失。然而，由于几个因素而忽略了由一次电子从这些表面产生的二次电子。二次电子具有低能量，因此不会在横向方向上运行很远，因为阴极和阳极之间存在高场。这种低能量还意味着二次电子不能产生增益。最后，表面特征也抑制了二次电子运动。
在模拟期间，在以原点为中心，代表纹理几何形状的6微米平方中开始1千万个电子轨迹。阴极和阳极的平坦表面之间的间隔保持恒定在0.01cm。这个间隔控制首先或者任何随后的反向散射电子在再次撞击阳极表面之前可能横向运行的最大距离。
改变阳极的凹陷几何形状，如下所述。然而，一般情况下，凹陷几何形状是6微米平方并具有改变的深度。在凹陷几何形状中，间距尺寸是6微米平方并具有84％的开口面积比(OAR)。如果阳极的结构是合理的，则OAR可以在90％或更高的范围内；并且如果增益和信噪比不如结构那样重要，则OAR可以下降到70％或更低。刻蚀凹陷深度从1.5变到30微米。另一方面，倒置锥体几何形状为6微米平方并具有4.091微米的深度。
为了保证任何光晕减少不是因为阴极和阳极之间的间隔减小而引起的，还对于被选能量和高度在1微米(μm)的凹陷间距下进行模拟，如下所述。应该理解的是，凹陷间距定义为从凹陷正方形的中心到下一凹陷正方形的中心的距离。在模拟期间，电子能量也从1keV变化为20keV，以评估开始电子能量的作用。为了进行比较，还对平坦几何形状模拟了相同能量条件。该模拟在三维空间中进行。
现在将讨论模拟结果。参见图4，其中示出了对于图3a-3c(图3a示出用铝或金层81覆盖的平面硅结构82；和没有层81的平面硅82，其在图4中被称为裸硅。图3b示出其中凹陷比(深度与间距比)包括0.5、1.0和2.0的凹陷几何形状。图3c示出倒置锥体)中所示的七种不同结构的作为入射能量函数的反向散射电子的部分。相应地，七种结构包括裸硅、铝覆盖的硅、金覆盖的硅、具有0.5的凹陷比的硅层、具有1.0的凹陷比的硅层、具有2.0凹陷比的硅层和具有倒置锥体的硅层。
如图4所示，在用于三种平面几何形状的低入射能量水平下，反向散射系数表示阳极的顶部材料层。在铝覆盖的硅的情况下，反向散射系数快速地与下层硅层平衡。然而，对于金覆盖的硅，反向散射系数经历了初始下降，然后变平。随着入射能量继续增加，电子穿透金，经历硅，并导致反向散射系数下降。
进一步检查图4，还可以理解到，随着入射能量增加，纹理几何形状在减少反向散射系数的效果上稍差。在更高的入射能量，电子更可能被散射出阳极的纹理几何形状。
与平面结构相比，纹理几何形状(图4的3-凹陷比和倒置锥体)拥有较低的反向散射系数，并且倒置的锥体具有最低的反向散射系数。然而，应该理解的是，最终的反向散射系数远小于利用考虑光作为光的射线的光捕获几何形状从经验中所预期的值。在光线的情况下，例如，如果反射系数为20％，则双反弹反射将为4％，三反弹将为0.8％。相反，观察到的反向散射系数比光捕获几何形状低一个数量级(对于倒置锥体来说，为0.03％)，因为电子的行为不象光线。一旦电子进入材料，则由于散射而损失掉对于电子先前轨迹历史的认识。这种轨迹历史的损失导致反射系数降低。
这还可以在表1中观察到，其示出了在被吸收或反向散射之前被电子撞击的表面的数量。在模拟中在六微米平方中开始1千万个电子轨迹，如上所述。在表中示出了两个不同几何形状，即倒置锥体结构和凹陷比为1的凹陷结构。对于每个几何形状还包括两个不同的入射能量。
  撞击面的数量            5keV            15keV
  倒置锥体   凹陷比＝1   倒置锥体   凹陷比＝1
  1   6907859   8577490   6997113   7659824
  2   2351387   1053421   2258504   1167258
  3   509673   282491   484361   706220
  4   164780   67949   171405   315435
  5   49116   15024   59234   109643
  6   13082   2982   20138   31314
  7   3253   534   5622   7924
  8   682   96   1654   1885
  9   145   10   559   387
  10   23   3   210   110
表1.在不同表面几何形状和不同入射能量下由电子撞击的面的数量
仍然参见表1，可以观察到在只撞击一个面之后，一小部分电子被反向散射。在这些纹理几何形状中、在正常入射下，这个结果对于光线是不可能的。在该表中还可以观察到：在被反向散射出纹理表面之前，非常小的一部分入射电子撞击5个或以上的平面。这个结果对于光线在这些几何形状中也是不可能的。
接下来参见图5，其中示出了在其入射点上每入射电子的增益。对于铝和金覆盖的硅的情况，存在在实现增益之前必须被克服的无效(dead)电压。铝覆盖硅的增益快速接近裸硅情况。在凹陷情况下，在等于OAR的增益中存在一个近似恒定的偏移。然而，随着凹陷变深和能量增加，这趋于分离。然而，倒置锥体结构总是展示出作为所有入射能量的函数的在电子入射点上的最高增益。
接着，参见图6a和6b，其中示出了对于6种不同几何形状(0.5的凹陷比未示出)的标准化到一次电子能量的在第一反向散射碰撞点上的电子能量分布。图6a示出了在5keV入射能量时的结果，图6b示出在15keV入射能量时的结果。
在图6a和6b的说明中，在圆括号中列举的是对于每种几何形状的反向散射能量的平均值。纹理几何形状(凹陷和倒置锥体)的反向散射碰撞能量分布比平坦表面几何形状的低。如图6a和6b所示的趋势，以及图4所示的较低的反向散射结果和图5所示的一次电子增益，揭示了几件事情。首先，由于在一次电子离开区域之前通过碰撞电离在纹理表面的局部区域中产生更多的电子，并且在反向散射事件中包含较少能量，因此在碰撞部位由碰撞电离产生较少的电子。其次，由于反向散射系数较低，因此较少的电子用于产生光晕，由此使光晕强度减弱。最后，由于较低的反向散射电子能量，阳极电位使得将电子反向下拉到阳极，由此减小了反向散射电子运行的距离。此外，由于凹陷或倒置锥体的壁减少了逸出角，因此可以实现进一步减小明亮斑点的径向距离，如下所示。
下面参见图7，其中示出了对于七种不同结构的作为入射能量的函数的光晕增益与总增益的比。如图所示，与平面硅几何结构中的光晕相比，对于纹理几何形状来说光晕较小，并且不那么明亮。应该理解的是，铝和金覆盖硅开始也具有较低的光晕增益，尽管，将记起一次电子增益由于无效电压也是很低的。随着凹陷深度增加(0.5、1.0和2.0的凹陷比)，图7所示的三个凹陷几何结构各具有减小的光晕增益。随着入射能量增加，这些凹陷几何结构在光晕增益与总增益的比上也保持相对恒定。另一方面，倒置锥体几何结构在低能量下具有非常低的光晕强度，但是随着入射能量增加，光晕强度也增加。图7所示的最好趋势可能是具有2.0的深度与间距比的凹陷几何结构。
接着参见图8a-8f，其中示出了使用5keV入射能量的对于六种不同结构的光晕图形的空间趋势。在这些图中仅对第一象限示出了空间输出。其它三个象限的空间输出可以通过对称性来构成，因为它们与第一象限所示的相同。
如这些曲线所示，对铝覆盖结构将强度标准化，并将强度数字化为用于显示的12位灰度级。在顶部右侧，图8a-8f中的每个的插入物显示了每个光晕的径向趋势。对于平面(裸)硅的曲线示出了强度减少的近似饱和的中心区域。对于金覆盖的结构，图8b的曲线示出随机圆形图形。尽管该图形没有完全显示出来，但是这些点是非常强的。如图所示，所有的平面几何结构都具有达到阴极与阳极间距两倍的径向距离。初始半径外部的光晕是由于电子的多次碰撞或者由于二次光晕产生的。
被覆盖的平坦样品(图8b-8c)显示出在极限半径附近的高强度，因为只有最高能量的反向散射电子到达这个距离。对于两个凹陷几何结构的情况(图8d-8e)，强度小于覆盖的铝样品的情况，并且尺寸稍小。此外，随着深度与间距比增加，强度作为半径的函数而减小。还应该理解的是，对于凹陷几何结构的径向强度插入物(insert)不同于平坦几何结构的径向强度插入物，并显示出连续减小的趋势。然而，与其它五种几何结构的任何一种相比，倒置锥体的情况(图8f)具有小得多的半径和较低的强度。
想起前面关于电子的轨迹历史损失的讨论，对于纹理表面的图8d-8f所示的结果也支持以下结论：在这些纹理表面中损失了电子的轨迹历史。在所有情况下，在电子散射中不会出现任何角度相关性。另一方面，由于几何结构和入射电子的方向，如果电子在纹理结构中保持它们的轨迹历史，则将发展出不同的图形。由于凹陷和锥体结构的对角线比它们的间距尺寸长，因此光晕图形将导致偏离圆形图形。由于图8d-8f所示的图形保持它们的圆形图形，因此它支持以下结论：在反向散射电子的运动方向上不存在轨迹历史。
图9a-9f示出对于与如图8a-8f所示相同的结构几何形状的空间图形的结果，除了现在入射粒子能量为15keV不同之外。平坦(裸)硅、铝覆盖的硅和两个凹陷几何结构(图9a、c、d和e)示出与对应的图8a、c、d和e所示的基本相同的形状和强度分布。然而，对于图9b所示的金覆盖的硅平坦几何结构，现在图形被完全显现出来。该图形显示在小于0.02cm的半径的第一次碰撞的高强度，并且示出在大于0.02cm的外半径的二次碰撞。这显示出重原子量单位(AMU)金金属在硅中的材料下捕获电子。不幸地是，得到的强度高，使金覆盖的硅不能用于成像应用。
在图9f的倒置锥体几何结构的情况下，与图8f的倒置锥体几何结构相比，强度和半径增加了，并且接近于深度与间距比为1.0的凹陷的强度和半径。
图10示出了凹陷结构在两个不同间距(6微米间距和1微米间距)和在5keV和15keV的两个不同入射能量下的作为深度与间距比的函数的电子反向散射部分。图10还示出了倒置锥体几何结构在6微米间距和5keV入射能量下的作为深度与间距比的函数的反向散射的部分。
图10示出了随着深度与间距比增加，反向散射的部分减小，并对于凹陷几何结构表现出渐进于0.05的值，而与间距值无关。此外，对于倒置锥体几何结构，反向散射的部分减小到0.002的值。
图11示出了凹陷结构在两个不同间距(6微米间距和1微米间距)和在两个不同入射能量5keV和15keV下的作为深度与间距比的函数的每入射电子的增益。图11还示出了倒置锥体几何结构在6微米间距和5keV入射能量下的作为深度与间距比的函数的每电子的增益。
图11表明每入射电子的增益对于低入射能量来说是恒定的，而与间距无关。然而，在较高的入射能量，观察到取决于间距的差别，尽管趋势与深度与间距比改变的趋势相同。
图12示出了凹陷结构在两个不同间距(6微米间距和1微米间距)和在两个不同入射能量5keV和15keV下的作为深度与间距比的函数的光晕增益与总增益的比。图12还示出了倒置锥体几何结构在6微米间距和5keV入射能量下的作为深度与间距比的函数的光晕增益与总增益的比。
图12表明对于考虑的所有几何结构来说，光晕增益与总增益的比减小。当然，光晕增益与总增益的比减小是理想的。为了保证间距不对光晕尺寸的减小起作用，发明人在模拟中考虑了具有1微米间距的凹陷。对于具有1微米间距的凹陷绘制了图13a-13b，并且可以与对于具有6微米间距的凹陷的图8d和8e进行对比。这个比较表明对于相同的深度与间距比产生相同的光晕尺寸，而与间距值无关。因此，间距值对光晕尺寸的减小不起作用。
如图3b和3c所示，阳极的纹理几何结构可以用于减小电子轰击器件中的光晕的强度和半径。粒子轨迹的历史由于材料中的散射而损失，并且这在减少反向散射系数时带来一些优点。改进的幅度取决于入射能量和纹理几何结构的深度与间距比。模拟还显示出纹理几何结构减小了光晕半径，并且尺寸的减小取决于几何结构的深度与间距比。
还表明使用高AMU材料确实可以捕获硅中的电子。然而，由于顶部金材料的较高的反向散射系数，产生具有特性光晕半径的明亮光晕。在平坦未涂覆的硅和覆盖铝的硅之间观察到非常小的差别。平坦几何结构中都不能提供光晕半径的减小。
尽管这里参照一些具体实施例说明和介绍了本发明，但是本发明不限于这里所示的细节。而是，在不脱离本发明精神的情况下在权利要求的等效内容的范围内可以在细节上做出各种修改。

Claims (20)

1、一种电子检测器件，包括：
用于提供电子源的阴极，和
与所述阴极相对设置并用于接收从所述阴极发射的电子的阳极，
其中所述阳极包括用于减少所述电子检测器件的输出信号中的光晕的纹理表面。
2、根据权利要求1所述的电子检测器件，其中：
所述纹理表面包括形成在所述阳极中的多个凹陷。
3、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中：
所述多个凹陷中的一个凹陷成形为阱，该阱具有由所述阳极中的纵向壁形成的顶部开口，并且
所述阱的底表面设置成在纵向上比所述顶部开口离所述阴极更远。
4、根据权利要求3所述的电子检测器件，其中：
所述阱的顶部开口基本上是正方形开口，并且所述阱的底表面在尺寸上基本上与所述正方形开口相似。
5、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中：
所述多个凹陷以从1.0微米变化到30.0微米的间距值彼此横向地间隔开，并且
包括从0.5的深度与间距比变化到2.0的深度与间距比的纵向深度。
6、根据权利要求5所述的电子检测器件，其中：
所述多个凹陷彼此间隔开，以便在所述阳极中形成范围在70％和90％之间的开口面积比(OAR)。
7、根据权利要求5所述的电子检测器件，其中：
所述阳极和阴极包括电位差，以便给发射的电子提供初始能量值，该能量值在1keV和20keV之间变化。
8、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中该电子检测器件是混合光电二极管(HPD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)、电子轰击电荷耦合二极管(EBCCD)、电子轰击金属-半导体-金属真空光电管(MSMVPT)、雪崩光电二极管(APD)和电阻性阳极中的一种。
9、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中：
在所述阴极和阳极之间设置微通道板(MCP)。
10、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中：
所述阳极由半导体材料形成，并且没有抗反射涂层(ARC)。
11、根据权利要求2所述的电子检测器件，其中：
所述阴极和阳极之间的纵向距离大于彼此横向间隔开的所述多个凹陷的间距值。
12、一种电子检测器件，包括：
用于提供电子源的阴极，和
与所述阴极相对设置并用于接收从所述阴极发射的电子的阳极，
其中所述阳极包括顶表面，并且
所述顶表面包括多个开口，每个开口由倒置锥体的底部限定，用于减少所述电子检测器件的输出信号中的光晕。
13、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中：
所述倒置锥体的所述底部在所述阳极的顶表面上基本上是正方形，并且
形成在所述阳极中的壁从该底部延伸，以形成所述倒置锥体的顶点，该顶点设置成在纵向上比所述倒置锥体的底部离所述阴极更远。
14、根据权利要求13所述的电子检测器件，其中：
所述倒置锥体的所述底部是6微米正方形，并且
所述倒置锥体的顶点在纵向上设置成距离所述底部为4.091微米。
15、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中：
所述多个开口以6.0微米的间距在横向上彼此间隔开，并且形成范围在70％和90％之间的OAR。
16、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中：
所述阳极和阴极包括电位差，以便给发射的电子提供初始能量值，该能量值在1keV和20keV之间变化。
17、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中该电子检测器件是混合光电二极管(HPD)、电子轰击有源像素传感器(EBAPS)、电子轰击电荷耦合二极管(EBCCD)、电子轰击金属-半导体-金属真空光电管(MSMVPT)、雪崩光电二极管(APD)和电阻性阳极中的一种。
18、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中：
在所述阴极和阳极之间设置微通道板(MCP)。
19、根据权利要求12所述的电子检测器件，其中：
所述阳极由半导体材料形成，并且没有抗反射涂层(ARC)。
20、一种电子检测器件，包括：
用于提供电子源的阴极，和
与所述阴极相对设置并用于接收从所述阴极发射的电子的阳极，
其中所述阳极包括纹理表面，用于减少所述电子检测器件的输出信号中的光晕，并且
该纹理表面包括多个凹陷和多个倒置锥体之一。
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