專利名稱:聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)及光讀出和/或?qū)懭朐O(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及一種輻敏半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括一半導(dǎo)體本體和一電路，該半導(dǎo)體本體在一基本平坦的表面上提供至少兩個(gè)子元件，該子元件構(gòu)成輻敏的二極管，二極管與半導(dǎo)體本體部分毗鄰，子元件間的距離應(yīng)足夠小，以使子元件間的半導(dǎo)體本體因在二極管兩端加上一反向電壓而完全被耗盡區(qū)耗盡，以便抑止子元件間的電荷轉(zhuǎn)移;該電路用以在輻敏二極管兩端施加反向電壓，以及用以檢測(cè)在該耗盡區(qū)所組成的二極管輻敏區(qū)中由輻射所產(chǎn)生的光電電流。
上述類型的輻敏半導(dǎo)體器件例如被用于圖像再現(xiàn)的光敏電路裝置中和用于跟蹤或定位光束(或一種不同類型的輻射束)的設(shè)備中。其他的輻射檢測(cè)應(yīng)用屬于光譜分析的范圍，特別是從200-1100毫微米的波長(zhǎng)范圍和例如軟X射線的波長(zhǎng)中。此外，這樣的器件被用以檢測(cè)微粒子輻射(例如電子α粒子或高能粒子)。另外，這樣的半導(dǎo)體器件(具體地說是在可見光的波長(zhǎng)范圍內(nèi))被用在測(cè)量定位檢測(cè)設(shè)備，例如用于彎曲測(cè)量或例如用于自動(dòng)裝配線中。
本發(fā)明還涉及裝有這樣一種輻敏檢測(cè)器的聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)，也涉及在一記錄載體的輻射記錄表面中用以讀出和/或記錄信息的裝有這樣一種聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備。
一種在開頭一段所規(guī)定的半導(dǎo)體器件是從申請(qǐng)人的荷蘭專利申請(qǐng)第8003906(PHN9796)號(hào)在1982年2月1日中公開給公眾審查而公知的。所說申請(qǐng)敘述了一種包括四個(gè)相對(duì)于一公共中心對(duì)稱安置的輻敏二極管的象限式二極管。當(dāng)該象限式二極管暴露在一輻射束時(shí)，在四個(gè)二極管中就產(chǎn)生電流，每一個(gè)二極管電流的大小依賴于入射到相關(guān)二極管的輻敏面積的輻射量。二極管電流間的差值代表入射到相對(duì)于公共中心的象限式二極管上輻射束位置的特征。上述專利申請(qǐng)也敘述一種使用象限式二極管的聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)以檢測(cè)一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)〔例如用在電視唱片的小型唱片(Compact-Disc)〕的輻射反射(或第一)平面和聚焦(或第二)平面間的偏差。已知的象限二極管的作用是非?？焖俚模哂斜榈姆直媛屎透叩妮椛潇`敏度，但在組裝期間正確聚焦時(shí)，二極管必須裝成使入射到半導(dǎo)體表面的輻射束有關(guān)四個(gè)象限式二極管精確地對(duì)中。鑒于所需公差(諸象限彼此相隔約5微米)，這樣一種有相應(yīng)對(duì)焦的組裝過程是有困難的和花時(shí)間的。
相似的組裝問題也出現(xiàn)在聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中，其中在從輻射反射表面反射的輻射束路徑中安置有一分束分件，繼而是包括有多個(gè)檢測(cè)器的輻敏檢測(cè)系統(tǒng)，每一檢測(cè)器包括兩個(gè)相鄰的細(xì)長(zhǎng)二極管，由分束元件形成的分束應(yīng)入射到二極管間的輻敏邊界區(qū)域。在后一個(gè)提到的情況下，通過將這些邊界區(qū)域彼此成銳角安置，在正確聚焦時(shí)，有可能留心做到使由分束形成在檢測(cè)平面上的輻射點(diǎn)中心位于邊界區(qū)域上。就如申請(qǐng)人的荷蘭專利申請(qǐng)第8202058(PHN10361)中更詳細(xì)地?cái)⑹瞿菢?，通過用機(jī)械方式移動(dòng)檢測(cè)器平板，可得一正確的初步調(diào)節(jié)。然而，這種機(jī)械調(diào)節(jié)會(huì)隨時(shí)間和/或溫度變化，因而需要對(duì)檢測(cè)平面作冗長(zhǎng)乏味的重復(fù)調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一個(gè)在開頭段落中所說明的一類半導(dǎo)體器件，它特別適用于像聚焦誤差檢測(cè)一類的系統(tǒng)，使得能夠從實(shí)質(zhì)上簡(jiǎn)化零值的調(diào)節(jié)。此外，像這樣一種半導(dǎo)體器件也適用于上述以外的那些場(chǎng)合。在開頭段落中所說明的一類半導(dǎo)體器件，達(dá)到本目的，就在于該電路包括根據(jù)控制信號(hào)在二極管兩端施加不同反向電壓的裝置，以便調(diào)節(jié)二極管輻敏區(qū)域間的邊界。
本發(fā)明根據(jù)事實(shí)承認(rèn)，通過在二極管兩端施加不同反向電壓來移動(dòng)相鄰二極管的輻敏區(qū)域間的邊界，使得簡(jiǎn)單的電子零值調(diào)節(jié)成為可能，在光電式聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中使用輻敏器件時(shí)，這種調(diào)節(jié)法可以代替錯(cuò)綜復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)。
輻敏半導(dǎo)體器件可以表征為該電路包括至少一個(gè)微分放大器，這種微分放大器被反饋，而且是用以將輻射所產(chǎn)生的其中一個(gè)光電電流轉(zhuǎn)換為一測(cè)量信號(hào)，為此，其中一個(gè)子元件被耦合到微分放大器的反相輸入端以將待轉(zhuǎn)換的電流施加到所說輸入端，該電路還包括施加電壓的裝置，這個(gè)電壓的幅度取決于微分放大器非反相輸入端的控制信號(hào)。這個(gè)實(shí)施例利用反饋微分放大器的特性，反饋的結(jié)果是反相輸入端上的電壓取決于非反相輸入端上的電壓。這就使二極管兩端上的反向電壓差能調(diào)節(jié)到一個(gè)取決于控制信號(hào)的所需數(shù)值以在非反相輸入端上變化電壓。
另一實(shí)施例的特征是有一個(gè)用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的第二微分放大器，這個(gè)測(cè)量信號(hào)是第一微分放大器的輸出電壓和第一微分放大器非反相輸入端上的控制電壓之間的電壓差，為此，將第二微分放大器的一個(gè)輸入端耦合到第一微分放大器的輸出端，并為此使電路包括將一個(gè)正比于控制電壓的電壓施加到第二微分放大器另一輸入端的裝置。在這個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)與控制信號(hào)無關(guān)的測(cè)量信號(hào)以一簡(jiǎn)單方法從第一微分放大器的輸出信號(hào)導(dǎo)出。
一個(gè)用于檢測(cè)在一反射檢測(cè)表面和一導(dǎo)引輻射束指向檢測(cè)表面用的物鏡系統(tǒng)聚焦平面和反射檢測(cè)表面之間的用于檢測(cè)偏差的光電子聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)第一輻敏檢測(cè)器和一個(gè)第二輻敏檢測(cè)器、一個(gè)分束元件、一個(gè)第一電路和一個(gè)第二電路;第一和第二輻敏檢測(cè)器各包括至少兩個(gè)在一半導(dǎo)體本體表面上的彼此實(shí)際上被安置成相互平行的子元件，這兩個(gè)子元件與這個(gè)半導(dǎo)體本體的相鄰部分構(gòu)成彼此相鄰接的兩個(gè)二極管;該分束元件用以將檢測(cè)表面所反射的輻射束在所說檢測(cè)器相鄰接二極管邊界區(qū)域中分別分離成入射到第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器的第一分束和第二分束;該第一電路用以在二極管兩端施加一反向電壓;該第二電路用以從分束在二極管中所產(chǎn)生的光電電流導(dǎo)出一聚焦誤差信號(hào);該檢測(cè)系統(tǒng)的特征在于該第一電路包括調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)控制信號(hào)，通過在第一檢測(cè)器的二極管兩端和第二檢測(cè)器的二極管兩端所產(chǎn)生的不同反向電壓來調(diào)節(jié)在二極管輻敏區(qū)之間的邊界，該檢測(cè)系統(tǒng)還包括一控制裝置，用以從這樣產(chǎn)生的光電電流導(dǎo)出邊界調(diào)節(jié)裝置用的控制信號(hào)，使得在位于遠(yuǎn)離輻射束入射位置之間的中心的第一檢測(cè)器的那個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流加上位置接近所說中心的第二檢測(cè)器的那個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流之和，對(duì)另兩個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流之和基本上維持相等。操作期間，在這樣一種光電子聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中的二極管間的邊界位置要自動(dòng)調(diào)節(jié)得使光電電流的第一個(gè)總和等于第二個(gè)總和，這意味著邊界自動(dòng)地調(diào)節(jié)到相對(duì)于半導(dǎo)體器件上的分束入射位置之間的中心的對(duì)稱位置。在組裝后，這就大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
另一個(gè)用以檢測(cè)一反射檢測(cè)表面和一使輻射束導(dǎo)向該檢測(cè)表面的物鏡系統(tǒng)聚焦平面之間偏差的光電子聚焦檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例包括一個(gè)輻敏檢測(cè)器、一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、一個(gè)象散元件、一個(gè)第一電路和一個(gè)第二電路;該輻敏檢測(cè)器包括四個(gè)相對(duì)于半導(dǎo)體本體表面上的一個(gè)公共中心對(duì)稱配置的子元件，這四個(gè)子元件和所說半導(dǎo)體本體的相連接部分構(gòu)成四個(gè)相連接的輻敏二極管;該光學(xué)系統(tǒng)用以將檢測(cè)表面所反射的輻射束導(dǎo)向檢測(cè)器的輻敏二極管;該象散元件要安置在檢測(cè)表面和檢測(cè)器之間的光路中;該第一電路用以在二極管兩端施加反向電壓;該第二電路用以從在二極管中產(chǎn)生的光電電流中導(dǎo)出一聚焦誤差信號(hào);該檢測(cè)系統(tǒng)的特征在于該第一電路包括根據(jù)控制信號(hào)通過在對(duì)角線相對(duì)放置的二極管兩端產(chǎn)生不同的反向電壓來調(diào)節(jié)輻敏二極管間的邊界的裝置，所說檢測(cè)系統(tǒng)還包括一個(gè)控制裝置以導(dǎo)出根據(jù)在二極管中產(chǎn)生的光電電流的控制信號(hào)，使得在對(duì)角線上相對(duì)的二極管中所產(chǎn)生的光電電流基本上維持彼此相等。在這樣一種聚焦檢測(cè)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體器件輻敏區(qū)之間的邊界以這樣的方式自動(dòng)地調(diào)節(jié)，使得在入射到半導(dǎo)體器件位置處，輻射束的重心與輻敏區(qū)域間的邊界交點(diǎn)重合。在利用這樣一種聚焦檢測(cè)電路時(shí)，半導(dǎo)體器件可以裝得很簡(jiǎn)單，只需保證輻射束是這樣入射到半導(dǎo)體器件上，其重心落在邊界的電子調(diào)節(jié)范圍內(nèi)即可。
通過實(shí)例，參看圖1至10，將更詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明的實(shí)施例及其另有的優(yōu)點(diǎn)，這些圖是圖1和2是本發(fā)明半導(dǎo)體器件的輻敏元件;
圖3a、3b和3c說明在二極管輻敏區(qū)間邊界位置上的輻敏元件的輻敏二極管的反向電壓不同的影響，圖4和5是本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，圖6和7展示本發(fā)明的一個(gè)聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)，圖8和10展示本發(fā)明的另一個(gè)聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)，圖9用于闡明示于圖8和10的實(shí)施例。
諸圖示意性地不按比例畫出，為清楚地見，特別是在各橫剖面圖中夸大地示出了厚度方向的尺寸。一般說來，相同導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)以相同方向劃線。通常，實(shí)施例的相似元件有相同的參考號(hào)碼，在某些情況下，為清楚起見在參考號(hào)碼后附有尾標(biāo)。
圖1和2示出使用于本發(fā)明半導(dǎo)體器件的輻敏元件，圖1是平面圖，而圖2是取自線Ⅱ-Ⅱ的剖面圖。輻敏元件1包括一低阻抗襯底2，其上有外延層3。此外，輻敏元件在基本上平坦的表面4上備有互相隔離的整流結(jié)5(5A，5B)。為此，元件1的表面4備有P型表面區(qū)6(6A，6B)，該P(yáng)型表面區(qū)與外延層3構(gòu)成整流結(jié)5(pn結(jié))。元件1的表面4還覆蓋有鈍化的氧化硅抗反射層7。在該層7中，為接點(diǎn)9(9A，9B)形成接觸孔8。與襯底2的接觸是通過在元件下側(cè)的一個(gè)接觸金屬表面10來提供的。電壓VA和VB分別用電壓源11A和11B分別加在接觸金屬表面10和接點(diǎn)9A及9B之間，以使整流結(jié)5A和5B反偏。結(jié)果，在外延層3和相關(guān)表面區(qū)6中靠近各個(gè)整流結(jié)5處建立起一個(gè)耗盡區(qū)，它在圖2中以虛線表示。當(dāng)耗盡區(qū)伸入外延層3時(shí)，這些區(qū)以的參考號(hào)碼(12A，12B)表示。電場(chǎng)線13代表在耗盡區(qū)12中的主要電場(chǎng)12。
當(dāng)能量足夠高(至少要等于半導(dǎo)體材料的帶隙寬度)的光或輻射入射到元件1的表面4上時(shí)，附加的栽流子(空穴和電子)就會(huì)在半導(dǎo)體本體中產(chǎn)生。在耗盡區(qū)中，這些附加載流子因主要電場(chǎng)的結(jié)果被排出去，從而提供通過相關(guān)pn結(jié)的光電電流。
子元件間的距離是那樣的小，以致在輻敏二極管兩端加上一個(gè)反向電壓時(shí)，位于相鄰子元件間的區(qū)域可以被與子元件相關(guān)的耗盡區(qū)耗盡。
在位于耗盡區(qū)12A和12B間的界面處，電場(chǎng)線被偏移，以致電場(chǎng)使產(chǎn)生在耗盡區(qū)中的載流子實(shí)際上總是移向相應(yīng)的pn結(jié)(耗盡區(qū)12A和12B間的邊界記有參考號(hào)碼15)。載流子就是以這種方式提供在這個(gè)pn結(jié)中所產(chǎn)生的光電電流。在pn結(jié)5A和5B中所產(chǎn)生的光電電流分別以IA和IB表示。當(dāng)垂直入射到表面4的輻射中心與邊界15重合時(shí)，這樣產(chǎn)生的光電電流IA和IB將基本上彼此相等。如果入射輻射束的位置稍為對(duì)邊界15偏離，IA和IB間就會(huì)出現(xiàn)差別。
圖3A展示電流IA和IB作為輻射束相對(duì)于邊界15的入射位置X的函數(shù)的變化，這里的反向電壓VA和VB彼此相等。圖中的參考號(hào)碼16代表一輻射束，例如一激光束，它在半導(dǎo)體本體的表面4上移動(dòng)。當(dāng)輻射束16位于a點(diǎn)處時(shí)，在pn結(jié)5A下面產(chǎn)生的光電電流幾乎只在平行于表面4的這個(gè)結(jié)的平坦部分中產(chǎn)生。這樣就產(chǎn)生通過這個(gè)結(jié)的數(shù)值為IO的電流IA。通過相鄰pn結(jié)5B的電流IB是小得可以忽略的。由于在表面區(qū)6A中復(fù)合的結(jié)果(如果適用，也有一小部分在外延層3的非耗盡部分復(fù)合)，故不是所有由輻射束16產(chǎn)生的載流子都有助于點(diǎn)a的光電電流。此外，入射的輻射被鈍化層7反射一小部分，并在這輻射到達(dá)pn結(jié)5A的耗盡區(qū)前，在表面區(qū)6A中被稍微吸收。如果輻射束是在點(diǎn)b的位置，pn結(jié)5A的彎曲影響而變得可以覺察。表面4和耗盡區(qū)間的距離比較短，故只有較少的載流子因復(fù)合而損失，而且，在表面區(qū)6A也吸收較少的輻射。在層7是恒定的厚度條件下，這將導(dǎo)致對(duì)光電電流的附加貢獻(xiàn)。然而，在表面區(qū)6A和6B之間，層7呈現(xiàn)變厚的部分36，其厚度要選擇得使大部分的光在這變厚的部分被反射，以保證電流IA基本上維持不變。
輻射束16一到達(dá)實(shí)際上位于兩表面區(qū)之間的中途的點(diǎn)C，輻射束16的一部分輻射就會(huì)穿透耗盡層12B。由于主要電場(chǎng)，這部分輻射所產(chǎn)生的載流了主要被轉(zhuǎn)移到pn結(jié)5B，使得電流IA減少，同時(shí)，電流IB增加。當(dāng)輻射束16再移動(dòng)時(shí)，電流IB迅速增至數(shù)值IO，與此同時(shí)電流IA基本上減至零。
在圖3A中解釋的事例中，電壓VA和VB是彼此相等的。在那事例中，輻敏區(qū)間的邊界15是位于表面區(qū)6A和6B之間的中間。
電流IA主要是由邊界15左邊的耗盡區(qū)12A中所產(chǎn)生的載流子產(chǎn)生的，而電流IB主要是由耗盡區(qū)12B中產(chǎn)生的載流子產(chǎn)生的。如果VA和VB彼此不相等，耗盡區(qū)12A和12B就不再對(duì)于表面區(qū)6A和6B之間的中心對(duì)稱，這意味著二極管輻敏區(qū)之間的邊界15偏離了表面區(qū)6A和6B間的中心。對(duì)于VA大于VB和VA小于VB的情況下，圖3B和3C分別示意性地代表耗盡區(qū)12A和12B相對(duì)于子元件6A和6B之間的中心的位置，以及電流IA和IB的相應(yīng)變化。
從圖3A、3B和3C顯然可以看出，由子元件6和外延層3構(gòu)成的二極管輻敏區(qū)之間的邊界15依賴于反向電壓VA和VB之間的差別量。
圖4展示本發(fā)明的器件實(shí)施例。圖中參考號(hào)碼20是在輻敏元件1的輻敏二極管兩端施加不同反向電壓VA和VB用的偏置電路，該二極管是由表面區(qū)6A和6B以及外延層3構(gòu)成的。電路20包括一個(gè)反相輸入端被連接到表面區(qū)6A的接點(diǎn)9A的運(yùn)算放大器21。運(yùn)算放大器21的非反相輸入端被連接到一輸入端22。運(yùn)算放大器21的輸出端經(jīng)一電阻23而耦合到其反相輸入端。放大器21的輸出端被連接到包括一個(gè)運(yùn)算放大器24以及電阻器25、26、27和28的微分放大器的反相輸入端40。該微分放大器的非反相輸入端41則連接到輸入接線端22。運(yùn)算放大器24的輸出端被連接到一輸出端29。
表面區(qū)6B的觸點(diǎn)9B被連接到運(yùn)算放大器30的反相輸入端，其輸出端經(jīng)一電阻器31也被連接到反相輸入端。輸入接線端22上的控制信號(hào)PE通過包括一個(gè)運(yùn)算放大器32以及電阻器33和34的反相放大器反相，并實(shí)質(zhì)上被加到運(yùn)算放大器30的非反相輸入端和加到包括一個(gè)運(yùn)算放大器35以及包括電阻器36、37、38和39的微分放大器的非反相輸入端42。運(yùn)算放大器30的輸出端被連接到包括運(yùn)算放大器35的微分放大器的反相輸入端43。運(yùn)算放大器35的輸出端被連接到輸出端44。
此外，通過一電壓源(未示出)使金屬化層10保持在恒定電壓VBIAS。作為安排在運(yùn)算放大器21兩端的反饋電阻23的一個(gè)結(jié)果，是使運(yùn)算放大器21的反相輸入端和非反相輸入端的電壓基本上彼此相等，以使接點(diǎn)9A和金屬化層10之間的電壓差等于VBlAS-Vpe，其中Vpe是控制信號(hào)PE的電壓幅值。運(yùn)算放大器30的非反相輸入端上的電壓的-Vpe，使得接點(diǎn)9B和金屬化層10之間的電壓差等于VBlAS+Vpe。作為接點(diǎn)9A和9B之間的電壓差2Vpe的一個(gè)結(jié)果，元件1的二極管的輻敏區(qū)之間的邊界15相對(duì)于表面區(qū)6A和6B之間的中心移動(dòng)了一個(gè)由控制信號(hào)PE所確定的距離。如果輻射束入射到表面4，就會(huì)在耗盡區(qū)12A和12B中產(chǎn)生光電電流IA和IB，電流IA和IB之間的比例是由入射輻射束相對(duì)于邊界15的位置確定的。通過運(yùn)算放大器21和30分別將電流IA和IB轉(zhuǎn)換為電壓Vma和電壓Vmb。
電壓Vma包括一個(gè)由控制信號(hào)PE所確定的分量和一個(gè)由電流IA所確定的分量。通過運(yùn)算放大器24，它是作為一個(gè)微分放大器而設(shè)的，在輸出端29上產(chǎn)生一電壓Vma，其中由PE所確定的分量被消去，使得電壓Vma正比于電流IA。同理，在輸出端44上產(chǎn)生了正比于電流IB的電壓Vmb。
當(dāng)上述輻敏元件1和相關(guān)的調(diào)節(jié)電路20一起裝在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，有可能在組裝后，通過一控制信號(hào)PE在接點(diǎn)9A和9B之間施加這樣的一個(gè)電壓差，使邊界15與輻射束入射到輻敏元件上的位置中心重合。在光電子設(shè)備中的這樣一種輻敏元件的對(duì)準(zhǔn)是因?yàn)樵谘b配這個(gè)設(shè)備和正確調(diào)節(jié)例如一物鏡系統(tǒng)的聚焦后，入射束的位置就由測(cè)量Vma和Vmb之間的電壓差來量度。根據(jù)這個(gè)測(cè)量的結(jié)果，接點(diǎn)9A和9B之間的電壓差可以通過改變控制信號(hào)PE的幅值VPE這樣來調(diào)節(jié)，使得電壓差Vma-Vmb表明IA等于IB(校準(zhǔn)點(diǎn))。
當(dāng)接點(diǎn)9A和9B之間的電壓差維持不變時(shí)，Vma和Vmb之間的電壓差就是輻射束入射處的位置相對(duì)于和邊界15位置相應(yīng)的所說校準(zhǔn)點(diǎn)偏離的一個(gè)量度。電壓差△Vm＝(Vma-Vmb)接下去可以用作控制信號(hào)。偏差△Vm相應(yīng)于輻射束的入射位置關(guān)于邊界15被調(diào)節(jié)位置的具體偏離。這樣得出的一個(gè)控制系統(tǒng)可以有寬裕的公差來安裝，而且它幾乎完全由電氣或電子方法來校準(zhǔn)。
圖5展示使用一象限式二極管47的本發(fā)明的半導(dǎo)體器件。這樣一個(gè)二極管包括四個(gè)表面區(qū)6F、6G、6H和6I。他們被對(duì)稱地設(shè)置于一個(gè)公共中心50的位置上。
表面區(qū)6F和6G以及表面區(qū)6H和6I和接點(diǎn)9F和9G以及接點(diǎn)9H和9I被連接到前述類型的調(diào)節(jié)電路20A和調(diào)節(jié)電路20B的輸入接線端。如果由表面區(qū)6F、6G、6H和6I以及與外延層3一起形成的輻敏二極管兩端的電壓彼此相等的話，則在輻射束關(guān)于表面區(qū)對(duì)中時(shí)光電電流IF、IG、IH和II就基本上相等。裝配期間的失調(diào)(其結(jié)果是在調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)后輻射束的中心入射在位置50′處)，可以像本文前述那樣，通過調(diào)節(jié)電路20A和20B的輸入端22A和22B上的控制信號(hào)PE1和PE2加以改正。在正確調(diào)節(jié)控制信號(hào)PE1和PE2之后，輻敏區(qū)之間的邊界15C和15D就以這樣一種方式移動(dòng)，使得邊界15C和15D的交點(diǎn)與入射輻射的中心重合。
根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體器件可以例如使用在如圖6所示的一個(gè)聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中。圖6展示一小部分的圓盤狀記錄載體61的徑向橫剖面。反射輻射的信息結(jié)構(gòu)位于該記錄載體的上側(cè)，并包括有大批沒有示出的安置在信息軌道62。信息結(jié)構(gòu)是由一個(gè)輻射源63，例如一半導(dǎo)體二極管激光器所產(chǎn)生的讀出射束b來掃描的。一透鏡64將發(fā)散的射束變?yōu)檫@樣一種橫剖面的平行射束，使得物鏡系統(tǒng)65的光瞳以適當(dāng)?shù)姆绞絹硖畛?。于是這個(gè)物鏡系統(tǒng)在信息結(jié)構(gòu)上形成最小尺寸的輻射點(diǎn)Vi。
讀出射束是從信息結(jié)構(gòu)反射的，且當(dāng)記錄載體相對(duì)于讀出射束移動(dòng)時(shí)，被反射的射束依照記錄在記錄載體的信息時(shí)間調(diào)制。為了從輻射源所發(fā)射的射束分離被調(diào)制的射束，將一射束分離棱鏡66安置在輻射源和物鏡系統(tǒng)之間。這個(gè)棱鏡可以包括兩個(gè)在其間插有射束分離層69的棱鏡拼件67和68。參考號(hào)碼70和71分別表示棱鏡66的入射面和出射面。層69可以是半透明的鏡。為了將讀出裝置中的輻射損失減至最小，可以使用一個(gè)對(duì)偏整敏感的分離層。于是，應(yīng)該將一個(gè)λ/4的平板72安置在物鏡系統(tǒng)和棱鏡66之間，λ是讀出射束b的波長(zhǎng)。這棱鏡根據(jù)讀出射束橫移兩次，并旋轉(zhuǎn)射束的偏振平面總計(jì)90°。于是，由輻射源所發(fā)射的射束幾乎全部都由棱鏡發(fā)送出去，而被調(diào)制的射束則幾乎全部反射向一個(gè)輻敏檢測(cè)系統(tǒng)73，這個(gè)系統(tǒng)供給一個(gè)按照存儲(chǔ)在記錄載體中的信息來調(diào)制的信號(hào)。
為了產(chǎn)生能提供指示大小和在物鏡系統(tǒng)聚焦平面和信息結(jié)構(gòu)的平面之間偏移方向的聚焦誤差信號(hào)，將一屋脊型棱鏡74安置在射束分離棱鏡66的出射面71上，該輻敏檢測(cè)系統(tǒng)73例如包括如參考圖1和2所述的兩個(gè)輻敏器件。在圖7中說明了聚焦誤差檢測(cè)的原理，這兩個(gè)器件有著參考號(hào)碼76和77。這個(gè)圖特別展示取自圖6中線Ⅺ-Ⅺ的半導(dǎo)體器件的剖面圖，并示意地展示出為置零而設(shè)置的調(diào)節(jié)電壓差用的輔助電子電路。
棱鏡74的折射邊75平行伸到讀出裝置的圖6中的光軸00′。
屋脊棱鏡將射束b分成分別入射在器件76和77上的兩個(gè)分束b1和b2。
圖6說明讀出射束準(zhǔn)確地聚焦在信息結(jié)構(gòu)平面上。讀出裝置可以結(jié)構(gòu)成使被反射的射束的焦點(diǎn)準(zhǔn)確地位于檢測(cè)器76、77的輻敏元件1的表面上。在正確聚焦的情況下，以射束b1和b2形成在檢測(cè)器76和77上的輻射點(diǎn)V1和V2的中心間的距離是a。
在聚焦錯(cuò)誤的情況下，在相對(duì)于有關(guān)的檢測(cè)器的分束b1和b2里的能量分布發(fā)生變化，這種變化也可以認(rèn)為是由分束所形成的輻射點(diǎn)V1和V2相對(duì)于檢測(cè)器的一個(gè)位移。如果來自輻射源的射束焦點(diǎn)位于信息結(jié)構(gòu)平面之上，則將射束b1和b2向內(nèi)移，使半導(dǎo)體區(qū)6A和6D比半導(dǎo)體區(qū)6B和6C(于是輻射點(diǎn)V1′和V2′間的距離為a′)接收較少的輻射能量。如果由輻射源發(fā)射的射束焦點(diǎn)位于信息結(jié)構(gòu)平面之下，則情況相反，這時(shí)半導(dǎo)體區(qū)6B和6C比半導(dǎo)體區(qū)6A、6D和19(于是輻射點(diǎn)V1″和V2″間的距離為a″)接收較少的輻射能量。
為了清楚起見，圖7所示輻射點(diǎn)V1、V1′和V1″以及V2、V2′和V2″的位置以平行于邊界15的方向移動(dòng)。必須注意，事實(shí)上當(dāng)聚焦改變時(shí)，輻射點(diǎn)在這個(gè)方向上的位置是沒有改變的。如果輻敏區(qū)之間的邊界15A和15B是以這樣的方式來調(diào)節(jié)，使得在正確聚焦的情況下，輻射點(diǎn)V1和V2的中心分別與邊界15A和15B重合，因而，根據(jù)關(guān)系式Sr＝K｛(IA+ID)-(IB+IC)｝(其中K是常數(shù))，從與表面區(qū)6A、6B、6C和6D相關(guān)的光電電流IA、IB、IC和ID導(dǎo)出聚焦誤差Sr的量度，這是完全可能的。
邊界15C和15D的正確調(diào)節(jié)可從調(diào)節(jié)邊界間的距離和一個(gè)這樣的調(diào)節(jié)獲得，后一個(gè)調(diào)節(jié)保證當(dāng)邊界間的距離保持不變時(shí)，這些邊界15要調(diào)節(jié)成使它們的位置相對(duì)于以射束b1和b2在檢測(cè)器76和77上所形成的輻射點(diǎn)間的中心對(duì)稱。
邊界關(guān)于輻射點(diǎn)之間的所說中心的一個(gè)對(duì)稱位置完全可以通過電流IA、IB、IC和ID來確定。這是因?yàn)椴钪?IA+IC)-(IB+ID)足以代表邊界15A和15B間的中心和輻射點(diǎn)間的中心之間的距離差。
圖7也展示一個(gè)控制系統(tǒng)，它根據(jù)(IA+IC)-(IB+ID)的差值將邊界15A和15B相對(duì)于輻射點(diǎn)間的中心自動(dòng)對(duì)稱化。這個(gè)控制系統(tǒng)包括一個(gè)部件，用以確定由偏置電路20和20C所形成的(IA+IC)-(IB+ID)差值的一個(gè)量度VE;加法電路80和81及一微分放大器83，以及一個(gè)包括控制電路80的部件，用以從信號(hào)VE導(dǎo)出調(diào)節(jié)電路20和22C用的控制信號(hào)PE，調(diào)節(jié)時(shí)要使得(IA+IC)-(IB+ID)之差保持等于零。因?yàn)樵谶@個(gè)控制系統(tǒng)中，在兩個(gè)控制輸入端22和22C上的信號(hào)PE的幅度變化導(dǎo)致一相似的電壓變化，故邊界15A和15B都以一相同的方向并根據(jù)控制信號(hào)PE的幅度變化在基本上相同的距離上移動(dòng)，使得邊界15A和15B間的距離基本上與控制信號(hào)PE無關(guān)。
邊界15A和15B間的距離可以通過提供一個(gè)在輸入端22和22C之間的電壓差而加以調(diào)節(jié)。這一點(diǎn)例如可以通過安置在控制電路84的輸出端和控制輸入端22C之間的連接物-一個(gè)加法器電路88而獲得。這個(gè)加法器電路88的其中一個(gè)輸入端被連接到控制電路84的輸出端。另一個(gè)輸入端則連接到一個(gè)用以調(diào)節(jié)控制輸入端22和22C間的電壓差的電位器89。此外，圖7中所示的裝置包括加法器電路85和86，以及一個(gè)差分電路87。差分電路87以通常方式產(chǎn)生一個(gè)聚焦誤差信號(hào)Sf;該關(guān)系式為Sf＝(Vma+Vmd)-(Vmb+Vmc)＝K｛(IA+ID)-(IB+IC)｝式中K是一個(gè)常數(shù)。
聚焦誤差信號(hào)Sf代表邊界15A和15B之間的距離以及輻射點(diǎn)V1和V2的中心點(diǎn)之間的距離，該差值在邊界15A和15B間的距離的正確調(diào)節(jié)情況下是正比于聚焦誤差的。
如果在圖6和7中所示的聚焦誤差檢測(cè)器件(它包括用電調(diào)節(jié)邊界的檢測(cè)器)已經(jīng)裝配起來，該系統(tǒng)可以例如通過電位器89正確調(diào)節(jié)邊界15A和15B之間的距離，于是可以自動(dòng)得到邊界相對(duì)于輻射點(diǎn)之間的中心的所需對(duì)稱。然而，也可以其它方式得到邊界間的正確距離，例如，在前述荷蘭專利申請(qǐng)8202058中敘述的機(jī)械調(diào)節(jié)器件來取得。
根據(jù)本發(fā)明的一種半導(dǎo)體器件也可以被使用在例如圖8中所示的象散型聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中。圖中的參考號(hào)碼91指一個(gè)從一輻射源94產(chǎn)生的讀出射束93照明的記錄載體。一物鏡系統(tǒng)95使讀出射束聚焦以在形成信息結(jié)構(gòu)的記錄載體91的表面上形成一讀出點(diǎn)V。輔助透鏡96的焦距要選擇得使物鏡系統(tǒng)的光瞳適當(dāng)?shù)靥畛?。讀出射束是從記錄載體反射的，然后根據(jù)存儲(chǔ)在待讀出的軌跡部分的信息加以調(diào)制。為了分離發(fā)射的(非調(diào)制的)和被反射的(調(diào)制的)讀出射束，在輻射路徑中安置一個(gè)射束分離器98。該射束分離器將被調(diào)制的讀出射束引導(dǎo)到前面敘述過的檢測(cè)器47，該檢測(cè)器被連接到導(dǎo)出聚焦誤差信號(hào)Sf用的檢測(cè)電路100。
為了要能夠測(cè)得聚焦誤差，在射束分離器98后面的輻射路徑中安置一個(gè)呈柱面透鏡的像散元件101。一像散系統(tǒng)具有兩個(gè)像散焦線而不是一個(gè)焦點(diǎn)，從軸向方向看，該焦線占有不同的位置且彼此垂直伸展。因此，通過物鏡系統(tǒng)95和柱面透鏡101，將兩條焦線102和103分配到讀出點(diǎn)V。輻敏檢測(cè)器47被安置在一平面上。它沿光軸看去位于焦線102和103之間，而適宜處在一個(gè)這樣的地點(diǎn)，其在與讀出點(diǎn)V相關(guān)的圖像點(diǎn)的兩互相垂直方向上的距離與在正確聚焦時(shí)的最佳距離相等。
為了使圖像點(diǎn)V′的形狀從而聚焦的程度能夠加以確定，使用了參考圖5所敘述的檢測(cè)器47，該檢測(cè)器包括四個(gè)安置在X-Y坐標(biāo)系的四個(gè)象限中。圖9a、9b和9c從取自圖8中線92、92′展示檢測(cè)器47，各種要投射在檢測(cè)器上的圖像點(diǎn)V′的形狀是對(duì)物鏡系統(tǒng)和軌跡平面之間的距離的不同數(shù)值而言的。X軸和Y軸向柱面透鏡的軸線105即向像散焦線102和103作45°角的延伸，而X軸按平行實(shí)際的軌跡方向延伸。
圖9a說明物鏡系統(tǒng)和軌跡平面間的距離是正確的情況。如果這個(gè)距離過大，焦線102和103就會(huì)移近柱面透鏡101。于是，檢測(cè)器47比起離焦線102來要更靠近焦線103。圖像點(diǎn)V′于是具有如圖9b中所示的形狀。如果物鏡系統(tǒng)和軌跡平面間的距離太小，焦線102和103就會(huì)遠(yuǎn)離柱面透鏡，而且焦線102比起離焦線103要更靠近檢測(cè)器47。圖像點(diǎn)V′于是具有如圖9C中所示的形狀。
檢測(cè)電路包括一個(gè)自動(dòng)偏置電路(見圖10)，該自動(dòng)偏置電路將邊界15C和15D移動(dòng)的結(jié)果，使輻射點(diǎn)V′與邊界15C和15D的交點(diǎn)重合。這個(gè)電路包括一個(gè)用以建立接點(diǎn)9F和9G間電壓差的第一部件，以及一個(gè)用以建立接點(diǎn)9H和9I間電壓差的第二部件。第一部件包括調(diào)節(jié)電路20A、一個(gè)用以輸出信號(hào)Vmf和Vmg導(dǎo)出電流IF和IG間差值的量度VE1的微分放大器120，以及一個(gè)用以從量度VE1導(dǎo)出一個(gè)加到調(diào)節(jié)電路20A的輸入端22A的信號(hào)PE1的控制電路121，以便將IF和IG間的差值減至最小。第二部件包括調(diào)節(jié)電路20B、一個(gè)用以從輸出信號(hào)Vmh和Vmi導(dǎo)出電流IH和II間差值量度VE2的微分放大器122，以及一個(gè)用以導(dǎo)出一個(gè)加到電路20B的輸入端22B的信號(hào)PE2的控制電路123，以便將電流IH和II間的差值減至最小。
通過圖10中所示的電路，檢測(cè)器47被完全自動(dòng)地調(diào)節(jié)成使IF和IG間的差值以及IH和II間的差值減至最小，這意味著邊界15C和15D間的交點(diǎn)與入射射束的中心重合。此外，檢測(cè)電路100包括一個(gè)第一加法器電路124、一個(gè)第二加法器電路125以及一個(gè)差分電路126，用以根據(jù)關(guān)系式Sf＝Vmf+Vmg-Vmh-Vmi導(dǎo)出聚焦誤差信號(hào)Sf。
當(dāng)使用以電氣調(diào)節(jié)檢測(cè)器的輻敏器之間的邊界的檢測(cè)電路時(shí)，安裝有檢測(cè)器的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)電路可以非常簡(jiǎn)單地進(jìn)行，唯一所需的就是輻射束中心入射到檢測(cè)器的位置應(yīng)該位于檢測(cè)器電子調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。此外，這樣的一種自動(dòng)調(diào)節(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是聚焦器件的參數(shù)變化小，其結(jié)果是輻射束入射到檢測(cè)器位置的最后變化，對(duì)檢測(cè)器輻敏區(qū)域間的邊界的正確調(diào)節(jié)不會(huì)有不利的影響。
必須注意的是，對(duì)于聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)法來說，也可能使用圖2和5中所示以外的檢測(cè)器。任何一個(gè)檢測(cè)器，只要能使各自二極管的輻敏區(qū)域之間的邊界以電子方式調(diào)節(jié)，原則上就適用于可自動(dòng)調(diào)節(jié)的聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)。一適用的檢測(cè)器例子在申請(qǐng)人的荷蘭專利申請(qǐng)第8501489中已加以說明。
本文所描述的聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)沒有利用光信息結(jié)構(gòu)的，或聚焦在表面上進(jìn)行的特殊性。因此，聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)可以使用在，例如顯微鏡各種需要精確聚焦的裝置中。
權(quán)利要求
1.一種輻敏半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括一半導(dǎo)體本體和一電路，該半導(dǎo)體本體在一基本平坦的表面上提供至少兩個(gè)了元件，該子元件構(gòu)成輻敏二極管，二極管間有毗鄰的半導(dǎo)體本體部分，子元件間的距離應(yīng)足夠小，以使子元件間的半導(dǎo)體本體因在二極管兩端加上一反向電壓而完全被耗盡區(qū)耗盡，以便抑止子元件間的電荷轉(zhuǎn)移；該電路用以在輻敏二極管兩端施加反向電壓，以及用以檢測(cè)在該耗盡區(qū)所組成的二極管輻敏區(qū)中由輻射所產(chǎn)生的光電電流；該輻敏半導(dǎo)體器件的特征在于該電路包括根據(jù)一控制信號(hào)將不同反向電壓施加在二極管兩端上的裝置，以便調(diào)節(jié)該二極管輻敏區(qū)之間的邊界。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1中所要求的一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，該電路包括至少一個(gè)微分放大器，這種微分放大器被反饋，而且是用以將輻射所產(chǎn)生的其中一個(gè)光電電流轉(zhuǎn)換為一測(cè)量信號(hào)，為此，其中一個(gè)子元件被耦合到微分放大器的反相輸入端以將待轉(zhuǎn)換的電流施加到所說輸入端，該電路還包括施加電壓的裝置，該電壓的幅度取決于微分放大器非反相輸入端的控制信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的一種半導(dǎo)體器件，其特征在于該半導(dǎo)體器件有一個(gè)用以產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的第二微分放大器，這個(gè)測(cè)量信號(hào)是第一微分放大器的輸出電壓和第一微分放大器非反相輸入端上的控制電壓之間的電壓差量，為此，將第二微分放大器的一個(gè)輸入端耦合到第一微分放大器的輸出端，并為此使電路包括將一個(gè)正比于控制電壓的電壓施加到第二微分放大器另一輸入端的裝置。
4.一種光電子聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)，用以在一光學(xué)系統(tǒng)中檢測(cè)某一元件和一物鏡系統(tǒng)的聚焦平面之間的偏差，特別用在一讀出具有光可讀出信息結(jié)構(gòu)的記錄載體用的設(shè)備或一用以光讀出一記錄載體中的信息的設(shè)備，這種聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)的特征是它包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求
1、2或3中所提出的一個(gè)半導(dǎo)體器件。
5.一個(gè)用于檢測(cè)在一反射檢測(cè)表面和一導(dǎo)引輻射束指向檢測(cè)表面用的物鏡系統(tǒng)聚焦平面之間的偏差的光電子聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)第一輻敏檢測(cè)器和一個(gè)第二輻射檢測(cè)器、一個(gè)分束元件、一個(gè)第一電路和一個(gè)第二電路;該第一和第二輻敏檢測(cè)器各包括至少兩個(gè)在一半導(dǎo)體本體表面上的彼此實(shí)際上被安置成相互平行的子元件，這兩個(gè)子元件與這個(gè)半導(dǎo)體本體的相鄰部分構(gòu)成彼此相鄰接的兩個(gè)二極管;該分束元件用以將檢測(cè)表面所反射的輻射束在所說檢測(cè)器鄰接二極管邊界區(qū)域中分別分離成入射到第一檢測(cè)器和第二檢測(cè)器的第一分束和第二分束;該第一電路用以在二極管的端施加一反向電壓;該第二電路用以從分束在二極管中所產(chǎn)生的光電電流導(dǎo)出一聚焦誤差信號(hào);該檢測(cè)系統(tǒng)的特征在于該第一電路包括調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)控制電壓，通過在第一檢測(cè)器的二極管兩端和第二檢測(cè)器的二極管兩端所產(chǎn)生的不同反向電壓來調(diào)節(jié)在二極管輻敏區(qū)之間的邊界，該檢測(cè)系統(tǒng)還包括一控制器件，用以從這樣產(chǎn)生的光電電流導(dǎo)出邊界調(diào)節(jié)裝置用的控制信號(hào)，使得在位于遠(yuǎn)離輻射束入射位置之間的中心的第一檢測(cè)器的那個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流加上位置接近所說中心的第二檢測(cè)器的那個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流之和，對(duì)另兩個(gè)二極管中所產(chǎn)生的光電電流之和基本上維持相等。
6.一個(gè)用以檢測(cè)一反射檢測(cè)表面和一使輻射束導(dǎo)向該檢測(cè)表面的物鏡系統(tǒng)聚焦平面之間偏差的光電子聚焦檢測(cè)系統(tǒng)包括一個(gè)輻敏檢測(cè)器、一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)、一個(gè)象散元件、一個(gè)第一電路和一個(gè)第二電路;該輻敏檢測(cè)器包括四個(gè)相對(duì)于半導(dǎo)體本體表面上的一個(gè)公共中心對(duì)稱配置的子元件，這四個(gè)子元件和所說半導(dǎo)體的相連部分構(gòu)成四個(gè)相鄰接的輻敏二極管;該光學(xué)系統(tǒng)用以將檢測(cè)表面所反射的輻射束導(dǎo)向檢測(cè)器的輻敏二極管;該象散元件要安置在檢測(cè)表面和檢測(cè)器之間的光路中;該第一電路用以在二極管兩端施加反向電壓;該第二電路用以從在二極管中產(chǎn)生的光電電流中導(dǎo)出一聚焦誤差信號(hào);該檢測(cè)系統(tǒng)的特征在于該第一電路包括根據(jù)控制信號(hào)通過在對(duì)角線相對(duì)放置的二極管兩端產(chǎn)生不同的反向電壓來調(diào)節(jié)輻敏二極管間的邊界的裝置，所說檢測(cè)系統(tǒng)還包括一個(gè)控制器件以導(dǎo)出根據(jù)在二極管中產(chǎn)生的光電電流的控制信號(hào)，使得在對(duì)角線上相對(duì)的二極管中所產(chǎn)生的光電電流基本上維持彼此相等。
7.一個(gè)用以將光讀出和/或記錄信息入/出一記錄載體的設(shè)備，其特征在于它包括權(quán)利要求
4、5或6中任一權(quán)利要求
所要求的一個(gè)光電子聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)。
專利摘要
一個(gè)位敏輻射檢測(cè)器(1)，它在一平面表面上包括至少兩個(gè)相鄰的反偏輻敏二極管，該檢測(cè)器(1)包括一偏置電路(20)，用以在二極管兩端上建立反向電壓的差值，以調(diào)節(jié)二極管輻敏區(qū)之間的邊界(15)。為了調(diào)節(jié)邊界(15)相對(duì)于輻射束入射到檢測(cè)器(1)上地點(diǎn)的位置，可用由輻射束在輻敏二極管中所產(chǎn)生的光電電流，以將邊界的實(shí)際位置和所需的邊界位置相比較。位敏輻射檢測(cè)器(1)特別適用于光讀出和/或?qū)懭朐O(shè)備的聚焦誤差檢測(cè)系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G11B7/13GK87104584SQ87104584
公開日1988年1月13日 申請(qǐng)日期1987年6月29日
發(fā)明者威廉·杰勒德·奧費(fèi)爾 申請(qǐng)人:菲利浦光燈制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan