DD299929A7

DD299929A7 - Method for producing a semiconductor-based nuclear-beam detector

Info

Publication number: DD299929A7
Application number: DD183689A
Authority: DD
Inventors: Claus Hamann; Manfred Starke; Klaus Matauschek
Original assignee: Claus Hamann; Manfred Starke; Klaus Matauschek
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1975-01-20
Publication date: 1992-05-14

Abstract

Patentanspruch 1: Verfahren zur Herstellung eines Kernstrahlungsdetektors auf Halbleiterbasis mit einer organischen Oberflächenschutzschicht auf der Austrittsfläche des pn- oder pin-Überganges, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernstrahlungsdetektor in einen evakuierten Rezipien gebracht wird, der auf eine Temperatur zwischen 70 Grad C und 160 Grad C erhitzt und mit dem Dampf eines aromatischen Nitrils oder eines substituierten heterozyklischen Monomers gefüllt wird, wobei die Polymerisation des Monomers in an sich bekannter Weise mithilfe einer Glimmentladung erfolgt und der Partialdruck des Monomers so einzustellen ist, dass eine stabile Glimmentladung aufrechterhalten wird und der Dampfdruck des Monomers, der der eingestellten Temperatur entspricht, nicht überschritten wird.Claim 1: A method for producing a semiconductor-based nuclear radiation detector with an organic surface protective layer on the exit surface of the pn or pin junction, characterized in that the nuclear radiation detector is placed in an evacuated recipient which is at a temperature between 70 degrees C and 160 degrees C. is heated and filled with the vapor of an aromatic nitrile or a substituted heterocyclic monomer, wherein the polymerization of the monomer in a conventional manner using a glow discharge and the partial pressure of the monomer is adjusted so that a stable glow discharge is maintained and the vapor pressure of the monomer , which corresponds to the set temperature, is not exceeded.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kernstrahlungsdetektors auf Halbloiterbasis mit einer Oberflächenschutzschicht, die eine Stabilisierung der elektrischen Eigenschaften gegenüber Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und Lagerungseinflüssen bewirkt.The invention relates to a method for producing a half-radiator based nuclear radiation detector with a surface protective layer which effects a stabilization of the electrical properties against moisture, temperature fluctuations and bearing influences.

Es ist bekannt, bei Kernstrahlungsdotektoren auf Halbleiterbasis die Austrittsfläche des pn- oder pin-Überganges mit Hilfe von Siliziumdioxid-Schichten gegenüber Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Herstellunc dieser Schichten muß mit Hilfe komplizierter Hochfrequenz-Zerstäubungsanlagen vorgenommen werden, um die Temperaturbelastung des Bauelementes während des Herstellungsprozesses niedrig zu halten und brauchbare Schutzschichten zu erhalten. Trotzdem verursachen derartige Schichten als Folge von eingebauten elektrischen Ladungen an der Oberfläche des Bauelementes eine Umkehrung des Leitfähigkeitstyps des Grundmaterial. Diese wird als Inversionsschicht bezeichnet. Da auf Grund ihres Funktionsprinzips Kernstrahlungsdetektoren aus Material mit einem hohen spezifischen Widerstand, d.h. niedriger Fremdstoffdotierung, hergestellt werden, neigen derartige Bauelemente stärker als andere zur Bildung von Inversionsschichten. Ferner wirken sich durch Ad- oder Desorptionsvorgänge bedingte geringfügige Konzentrationsänderungen in der Schutzschicht oder an der Grenzfläche Schutzschicht-Halbleiteroberfläche stärker aus als bei anderen Bauelementen. Die Inversionsschicht führt zu einem erhöhten Sperrstrom, der die für die Messung von Kernstrahlung wichtigen Kenndaten wie das Energieauflösungsvermögen negativ beeinflußt.It is known to protect the exit surface of the pn or pin junction by means of silicon dioxide layers against environmental influences in semiconductor-based nuclear radiation detectors. The production of these layers must be carried out with the aid of complicated high-frequency sputtering systems in order to keep the temperature stress of the device during the manufacturing process low and to obtain useful protective layers. Nevertheless, as a result of built-in electrical charges on the surface of the device, such layers cause a reversal in the conductivity type of the base material. This is called an inversion layer. Because of their functional principle, nuclear radiation detectors are made of high resistivity material, i. low impurity doping, such devices tend more than others to form inversion layers. Furthermore, slight changes in concentration in the protective layer or at the interface protective layer semiconductor surface caused by adsorption or desorption processes have a stronger effect than with other components. The inversion layer leads to an increased reverse current, which adversely affects the important for the measurement of nuclear radiation characteristics such as the energy resolution.

Die Ausbildung der Inversionsschicht ist stark exemplarabhängig. Ferner ist die Oxidschicht innerhalb eines Volumens nicht völlig wassei dampfdicht, so daß kein völliger Schutz erreicht wird.The formation of the inversion layer is strongly copy-dependent. Furthermore, the oxide layer is not completely vapor-tight within a volume, so that complete protection is not achieved.

Dies zeigt sich auch bei den übrigen bekannten Schutzüberzügen. Mit Hilfe von Silanen erzeugte Silikonüberzüge sind nahezu wirkungslos, obwohl sie bei anderen Halbleiterbauelementen erfolgreich eingesetzt werden. Silikon- oder Polyurethanlacke liefern entweder zu starke Inversionsschichten oder die mit ihnen geschützten Kernstrahlungsdetektoren unterliegen bei der Lagerung starken Veränderungen. Die ebenfalls bekannten Überzüge auf der Basis von Silikonkautschukpotymerisaten sind nur für Temperaturen bis +3O⁰C geeignet. Beim Betrieb oder der Lagerung bei höheren Temperaturen treten irreversible Änderungen der Sperrströme auf. Dies trifft auch auf aus der Dampfphase erzeugte Polymerschichten zu, bei denen von Paraxylylen oder Monochlorparaxylylen ausgegangen wurde. Obwohl die Durchlässigkeit für Dämpfe und Gase besonders des sich bildenden Polychlorparaxylylen sehr niedrig ist, gewährt auch dieser Stoff keinen ausreichenden Schutz gegen Feuchtigkeit. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Glimmpolymerisation. Dabei wird ebenfalls aus der Dampfphase unter Einwirkung einer Glimmentladung auf der zu schützenden Oberfläche eine dünne Polymorsuhicht erzeugt. Da die bisher bekannten Schichten, die z. B. unter Verwendung von Styrol als Monomer erzeugt wurden, dip oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich Feuchtigkeits- und Temperaturempfindlichkeit in starkem Maße zeigen, konnten sie als Schutzüberzüge für Kernstrahlungsdetektoren nicht eingesetzt werden.This is also evident in the other known protective coatings. Silicone coatings produced with the help of silanes are almost ineffective, although they are successfully used in other semiconductor devices. Silicone or polyurethane coatings either provide too strong inversion layers or the nuclear radiation detectors protected by them undergo significant changes during storage. The also known coatings based on Silikonkautschukpotymerisaten are suitable only for temperatures up to + 3O ⁰ C. During operation or storage at higher temperatures irreversible changes in the reverse currents occur. This is also true for polymer layers produced from the vapor phase which were based on paraxylylene or monochlorparaxylylene. Although the permeability to vapors and gases, especially of the forming polychloro paraxylylene, is very low, this material also does not provide adequate protection against moisture. Another known method is glow polymerization. In this case, a thin Polymorsuhicht is also generated from the vapor phase under the action of a glow discharge on the surface to be protected. Since the previously known layers z. For example, when using styrene as a monomer, as shown above, the above-described drawbacks in moisture and temperature sensitivity, they could not be used as protective coatings for nuclear radiation detectors.

Zweck der Erfindung ist, mit geringem ökonomischem Aufwand ohne Einsatz komplizierter Einrichtungen einen Schutzüberzug auf Kernstrahlungsdetektoren zu erzeugen, der einen ausreichenden Schutz gegen Umgebungseinflüsse gewährt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das gegenüber den bekannten Methoden Kernstrahlungsdetektoren mit einer verringerten Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit liefert, wobei deren Kenndaten innerhalb eines großen Temperaturbereiches über einen langen Zeitraum stabil sind. Ferner sollen die Kernstrahlungsdetektoren einen niedrigen Sperrstrom, eine hohe Sperrspannung und eine niedrige Rauschspannung aufweisen.Purpose of the invention is to produce a protective coating on nuclear radiation detectors, which provides adequate protection against environmental influences with little economic effort without the use of complicated facilities. The invention has for its object to provide a method which provides over the known methods nuclear radiation detectors with a reduced sensitivity to moisture, their characteristics are stable over a long period of time within a wide temperature range. Furthermore, the nuclear radiation detectors should have a low reverse current, a high blocking voltage and a low noise voltage.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kernstrahlungsdetektors auf Halbleiterbasis mit einer organischen Oberflächenschutzschicht auf der Austrittsfläche des pn· oder pin-Überganges dadurch gelöst, daß der zu schützende Kernstrahlungsdetektor in einen evakuierten Rezipienten gebracht wird, der anschließend auf eine Temperatur zwischen 70°C und 1G0°C erhitzt wird. Der Rezipient wird anschließend mit dem Dampf eines aromatischen Nitrils oder eines substituierten heterozyklischen organischen Monomers gefüllt. Mit Hilfe einer Glimmentladung wird auf der Obe/fläche des Kernstrahlungsdetektors einer Polymorschicht abgeschieden. Der Partialdruck des Monomers im Rezipienten ist so ζ j wählen, daß eine Glimmentladung aufrechterhalten werden kann und daß er den Dampfdruck des Monomers, der der eingeteilten Temperatur entspricht, nicht überschreitet, um eine Kondensation zu vermeiden.According to the invention, this object is achieved by a method for producing a semiconductor-based nuclear radiation detector with an organic surface protective layer on the exit surface of the pn or pin junction, by bringing the nuclear radiation detector to be protected into an evacuated recipient, which is subsequently heated to a temperature between 70 ° C and 1G0 ° C is heated. The recipient is then filled with the vapor of an aromatic nitrile or a substituted heterocyclic organic monomer. With the help of a glow discharge, a polymer layer is deposited on the surface of the nuclear radiation detector. The partial pressure of the monomer in the recipient should be such that a glow discharge can be maintained and that it does not exceed the vapor pressure of the monomer corresponding to the divided temperature to avoid condensation.

Innerhalb der aromatischen Nitrile hat sich Phthalodinitril als besonders geeignet e^r wiesen, wenn f.s bei einer Temperatur von 140*C bis 16O⁰C polymerisiert wird. Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften wird erreicht, wenn der Kernstrahlungsdetektor mit der so erzeugten Oberflächenschutzschicht 20 bis 40 Stunden an der Luft einer Temperatur von 100⁰C bis 11Q⁰C ausgesetzt wird.Within the aromatic nitriles to phthalonitrile has shown to be particularly suitable e ^r when fs is polymerized at a temperature of 140 * C to 16O ⁰ C. A further improvement of the properties is achieved when the nuclear radiation detector is exposed with the surface protection layer thus produced in the air at a temperature of 100 ⁰ C to 11Q ⁰ C for 20 to 40 hours.

Die Vorteile der Erfindung kommen darin zum Ausdruck, daß die mit diesem Verfahren hergestellten Kernstrahlungsdetektoren gegenüber dem Umgebungsklima bis zu einer relativen Luftfeuchte von 80% nur geringe, reversible Änderungen der Kennwei te zeigen. Auch bei der Lagerung im Temperaturbereich von -60°C und +65⁰C können keine irreversiblen Änderungen der Kennwerte beobachtet werden. Dies trifft auch auf Wechseltemperaturbeanspruchungen in diesem Boreich zu. Weiterhin ist hervorzuheben, daß die Durchbruchspannung eines erfindungsgemäß hergestellten Kernstrahtungsdetoktors im Temperaturbereich unterhalb -20°C wesentlich höher liegt als bei den mit herkömmlichen Verfahren hergestellten Kernstrahlur.gsdetektoren. Von weiterem Vorteil ist, daß die erforderlichen Kosten für eine Anlage zur erfindungsgemäßen Herstellung etwa um den Faktor 10 niedriger liegen, als bei einer herkömmlichen Hochfrequenz-Zerstäubungsanlage zur Erzeugung von Silizium-Dioxidschichten.The advantages of the invention are expressed by the fact that the nuclear radiation detectors produced by this method over the ambient climate up to a relative humidity of 80% show only small, reversible changes of Kennwei te. Even when stored in the temperature range of -60 ° C and +65 ⁰ C no irreversible changes in the characteristics can be observed. This also applies to alternating temperature stresses in this Boreich. Furthermore, it should be emphasized that the breakdown voltage of a Kernstrahtungsdetorktor according to the invention in the temperature range below -20 ° C is substantially higher than in the Kernstrahlur.gsdetektoren produced by conventional methods. Another advantage is that the required costs for a plant for the production according to the invention are about 10 times lower than in a conventional high-frequency sputtering plant for the production of silicon dioxide layers.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Sie betrifft die Herstellung eines gedrifteten Si(LI)-Kernstrahlungsdetektors, der eine Sillzium-pin-Diode darstellt. In bekannter Weise wird nach dem Eindiffundieren von Lithium in die Stirnfläche einer p-Si-Schelbe von 1 kn/cm Leitfähigkeit die Austrittsfläche des pn-Überganges chemisch überätzt. Nach dem raschen Unterbrechen des Ätzvorganges mit deionisiertem Wasser, dem Spülen in deionisiertem Wasser und dem Entfernen der Wasserreste durch Zentrifugieren wird die ^j erhaltene n⁺p-Struktur gemäß der Erfindung in einen Rezipienten gebracht, dar evakuiert und anschließend auf eine Temperatur von 14O⁰C bis 16O⁰C erhitzt wird. Darauffolgend wird Phthalodinitril-Dampf in die Apparatur eingelassen. Der einzustellende Druck beträgt 1-2 Torr. Gleichzeitig ist der Pump*Organg mit einem gedrosselten Ventil fortzusetzen, um eine ständige Zuführung von frischem Dampf zu gewährleisten. An die im Rezipienten befindlichen Netzelektroden ist eine 50-Hz-Wechselspannung anzulegen, die innerhalb des Entladungsraumes eine Feldstärke von etwa 1 kV /cm erzeugt. Im Entladungsraum findet eine Aufspaltung der Moleküle des Phthalodinitrils statt, die an der Oberfläche der etwa in 1 cm Entfernung von den Netzelektroden angeordneten Kernstrahlungsdetektoren sorbiert und unter Einwirkung (!er Glimmentladung polymerisiert wercen. Innerhalb von 3 bis 5min scheidet sich eine genügend dicke Polymerschicht ab. Nach Entnehmen der Kernstrahlungsdotektoren aus dem Rezipienten werden diese bei einer Temperatur von 120⁰C etwa 24 h an Luft ausgeheizt. Nach dieser Präparation kann der Kernstrahlungsdetektor in bekannter Weise dem Driftprozeß unterworfen werden. Die sich ausbildondo Polymerschicht ist frei von Nadellöchern, auch wenn zwischen dem Ätzvorgang und dem Einbringen der Scheibe in den Rezipienten keine völlige Staubfreiheit gewährleistet werden kann. Trotz der vorhandenen Wasserdampfdurchlässigkeit der ausgebildeten Polymerschicht ist der Kernstrahlungsdetektor gegen Umgebungsfeuchtigkeit nahezu unempfindlich, da sich die Grenzfläche Polymer-Silizium auf Grund eines bisher ungeklärten Mechanismus in einem solchen energetischen Zustand befindet, daß Wasserdampf, der in die Polymerschicht eindringt oder diese durchdringt, keine Inversionsschicht hervorruft. Dies wird auch dadurch bestätigt, daß der Einfluß der Schichtdicke vernachlässigt werden kann, wenn diese 0,5Mm übersteigt.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. It relates to the fabrication of a buried Si (LI) nuclear radiation detector which represents a silicon-pin diode. In known manner, after the diffusion of lithium into the end face of a p-Si Schelbe of 1 kn / cm conductivity, the exit surface of the pn junction is chemically over-etched. After rapidly stopping the etching with deionized water, rinsing in deionized water and removing the water residues by centrifugation, the n ⁺ p structure obtained according to the invention is placed in a recipient, evacuated and then heated to a temperature of 14O ⁰ C is heated to 16O ⁰ C. Subsequently, phthalonitrile vapor is introduced into the apparatus. The pressure to be set is 1-2 Torr. At the same time, the pumping process should be continued with a throttled valve to ensure a constant supply of fresh steam. At the network electrodes located in the recipient, a 50 Hz AC voltage is applied, which generates a field strength of about 1 kV / cm within the discharge space. In the discharge space, a splitting of the molecules of the phthalonitrile takes place, which sorbs on the surface of the nuclear radiation detectors located approximately 1 cm away from the mesh electrodes and polymerizes under the influence of (glow discharge.) A sufficiently thick polymer layer separates within 3 to 5 minutes. After removing the nuclear radiation detectors from the recipient, they are baked in air for about 24 hours at a temperature of 120 ^° C. After this preparation, the nuclear radiation detector can be subjected to the drifting process in a known manner Despite the presence of water vapor permeability of the formed polymer layer of the nuclear radiation detector is almost insensitive to ambient moisture, since the interface Polym Because of a hitherto unexplained mechanism, silicon is in such an energetic state that water vapor which penetrates or penetrates the polymer layer does not cause an inversion layer. This is also confirmed by the fact that the influence of the layer thickness can be neglected if it exceeds 0.5 μm.

Claims

1. ancestor for producing a semiconductor radiation detector based on semiconductor with an organic surface protective layer on the exit surface of the pn or pin junction, characterized in that the nuclear radiation detector is placed in an evacuated recipient, which is heated to a temperature between 7O ⁰ C and 160 ° C. and is filled with the vapor of an aromatic nitrile or a substituted heterocyclic monomer, wherein the polymerization of a monomer in a conventional manner by means of a glow discharge and the partial pressure of the monomer is adjusted so that a stable glow discharge is maintained and the vapor pressure of the monomer , which corresponds to the set temperature, is not exceeded.

2. The method according to claim 1, characterized in that is polymerized as the organic monomer phthalodinitrile at a temperature of 14O ⁰ C to 160 ⁰ C and a pressure of 1 to 2 Torr and the nuclear radiation detector with the resulting polymer layer 20 to 40h at the Air of a Tömperaturvon 100 ⁰ C to 14O ⁰ C is exposed.