DE102014118917B4

DE102014118917B4 - Detektoren aus hochreinem Germanium

Info

Publication number: DE102014118917B4
Application number: DE102014118917.5A
Authority: DE
Inventors: Qingjun Zhang; Yuanjing Li; Zhiqiang Chen; Yulan Li; Qiufeng MA; Ziran Zhao; Yinong Liu; Jianping Chang
Original assignee: Nuctech Co Ltd
Current assignee: Nuctech Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2034-12-18
Also published as: CN104749606A; CN111211197A; DE102014118917A1; US20150219773A1; US9261610B2

Abstract

HPGe-Detektor, der Folgendes umfasst:
einen HPGe-Einkristall (1) mit einer freiliegenden Oberfläche eines intrinsischen Bereichs (11);
eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (9), die mit einer ersten Kontaktelektrode (12) bzw. einer zweiten Kontaktelektrode (13) des HPGe-Einkristalls (1) verbunden sind; und
einen leitfähigen Schutzring (3), der in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) um die erste Elektrode (2) herum angeordnet ist zur Unterteilung der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) in einen inneren Bereich (111) und einen äußeren Bereich (112),
wobei der leitfähige Schutzring (3) in einer Rinne (4) in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) angeordnet ist, wobei die Rinne (4) die erste Elektrode (2) umgibt,
wobei der leitfähige Schutzring (3) ein massiver Metallring oder eine plattierte Metallschicht ist, der bzw. die zu der Rinne (4) in Bezug auf die Größe passt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Halbleiterstrahlungsdetektoren, und insbesondere Detektoren aus hochreinem Germanium (HPGe).
Beschreibung des Standes der Technik
Mit fortdauernder Entwicklung der Halbleiterherstellungstechnologie wurde ein Einkristall an HPGe mit einem großen Volumen und guter Leistung erfolgreich hergestellt, so dass HPGe-Detektoren eine gute Energieauflösung und einen relativ hohen Nachweiswirkungsgrad besitzen. Der HPGe-Detektor kann verwendet werden zum Beispiel zum Messen von gamma-Strahlen, Röntgenstrahlen, zum Nachweisen von dunkler Materie, Strahlungsbildgebungstechniken und dergleichen. Er wurde weit angewendet in Anwendungen, wie zum Beispiel der Zerfallsschemaforschung, der Messung des Koeffizienten der inneren Konversion, neutraler Reaktion, der Messung neutraler kurzer Lebensdauer, der Aktivierungsanalyse, der neutralen Brennstoffforschung, dem Nachweis von Minen, der Forschung feiner Strukturen von Atomkernen, dem Nachweis dunkler Materie und dergleichen.
Das Rauschen von dem Detektor selbst ist einer der entscheidenden Faktoren, der die Energieauflösung des HPGe-Detektors einschränkt. Das Rauschen rührt hauptsächlich von dem Sperrstrom bzw. dem reversen Leckstrom her und beeinflusst unmittelbar die Energieauflösung und die Empfindlichkeit des Detektors. Darüber hinaus ist der Nachweis des Sperrstroms ein einfaches Verfahren zum Identifizieren eines Vorgangs und Bestimmen der Qualität von Produkten. Im Allgemeinen sollte ein guter HPGe-Detektor einen Sperrstrom von weniger als 10 pA haben. Es ist jedoch nicht einfach, den Sperrstrom auf dieses Niveau zu senken. Daher beschäftigen sich viele Forscher für Detektoren intensiv mit der Verringerung des Sperrstroms.
Der Sperrstrom hat drei Quellen bzw. Ursachen, den Massenleckstrom (Bulk-Leckstrom), den Diffusionsleckstrom und den Oberflächenleckstrom.
Der Massenleckstrom ist ein Strom, der durch Elektronen und Löcher, die durch thermische Aktivierung erzeugt werden, verursacht wird. Da der HPGe-Einkristall einen geringen Abstand zwischen den Energiebändern hat, können HPGe-Detektoren in der Praxis auf einen Temperaturbereich von 70 K bis 100 K gekühlt werden, um die Auflösung zu verbessern. Innerhalb dieses Temperaturbereichs kann der Massenleckstrom vernachlässigbar sein. Der Diffusionsleckstrom ist ein Strom, der durch Dotierungskontakt verursacht wird. Im Fall, dass eine Minderheit der (Ladungs-)Träger eine sehr lange Lebensdauer hat, wird sich der Diffusionsstrom nicht ändern bei variierender Sperrspannung und kann somit auch vernachlässigbar sein. Der Oberflächenleckstrom ist ein Strom, der mit einem Oberflächenzustand des HPGe-Einkristalls nach einem Verpackungsvorgang zusammenhängt und er wird an einer Oberflächenschicht erzeugt. Üblicherweise nimmt der Oberflächenleckstrom mit zunehmender Sperrspannung zu. Somit kann der Oberflächenleckstrom nicht vernachlässigt werden und er ist die Hauptquelle bzw. Hauptursache für den Leckstrom der Detektoren.
Aus dem Stand der Technik zur Reduzierung des Oberflächenleckstroms der Detektoren ist das direkteste und wichtigste Schema ein Oberflächenreinigungsverfahren, bei dem eine Menge an komplexen Vorgängen verwendet werden, um eine ideale Oberfläche zu reinigen, um die Oberfläche strikt in einem hochohmigen Zustand (einem Zustand mit hohem Widerstand) zu halten. Jedoch selbst wenn das strengste Reinigen im Voraus durchgeführt wurde, da das Kristallgitter an der Kristalloberfläche endet, hat jedes Germaniumatom in der äußersten Schicht der Oberfläche ein ungepaartes Elektron, d.h. es hat eine ungesättigte Bindung. Auf Grund dieser ungesättigten Bindungen kann die Kristalloberfläche in der Praxis oft mit einem winzigen Oxidationsfilm gebildet sein oder kann andere Atome oder Moleküle darauf adsorbieren, was die Oberflächenkonfiguration kompliziert macht. Aus der Forschung weiß man, dass eine saubere (reine) Oberfläche, ohne dass irgendwelche Atome oder Moleküle adsorbieren, selbst im Hochvakuum eine kurze Zeit lang beibehalten werden kann und dass nach einigen Stunden die Oberfläche mit einer einlagigen Schicht an Atomen darauf gebildet wird. Neben dem Oberflächenzustand, der durch die obige nicht abgesättigte Bindungsstelle an der Oberfläche verursacht wird, sind auch Oberflächenzustände auf Grund von Faktoren, wie zum Beispiel Kristalldefekte oder Adsorption von diversen geladenen Teilchen, in der Oberfläche vorhanden. Faktoren, wie zum Beispiel die adsorbierten diversen Teilchen, mobile Ionen, feste Ladungen und Fallen in der Oxidationsschicht der Oberfläche können die Verringerung des Oberflächenwiderstands von HPGe-Halbleitern verursachen und somit ein elektrisches Feld in der Oberflächenschicht erzeugen. Diese Faktoren werden die Merkmale auf der Oberfläche des Halbleiters in einer beträchtlichen Weise negativ beeinflussen, insbesondere den Oberflächenleckstrom erhöhen, was zu einer Verringerung der Auflösung und zu Blind- bzw. Fehlsignalen führt.
Eine weitere Technologie zur Reduzierung des Oberflächenleckstroms der Detektoren ist die Oberflächenpassivierungstechnologie, d.h. eine Schicht an Passivierungsfilm mit einer Funktion des Blockierens geladener Teilchen, wie zum Beispiel einen Film aus amorphem Germanium, ein Germaniumoxidfilm oder ein Germaniumdioxidfilm, wird auf der sauberen (reinen) HPGe-Halbleiteroberfläche abgeschieden. Die Passivierungstechnologie hat einen positiven Effekt auf die Kontrolle des Oberflächenleckstroms. Jedoch hat sie auch einige Nachteile. Zunächst nimmt die Dicke der toten Schicht zu, selbst auf einige Hunderte an Millimetern bei manchen Anwendungen; zweitens ist das Abscheidungskontaktverfahren von dem amorphen Germanium oder dem Germaniumoxidfilm schwierig und sehr kompliziert.
Glenn F. Knoll gibt in dem Buch „Radiation detection and measurement“, 4. Auflage, einen Überblick über Germanium-Detektoren zur Detektion von γ-Strahlung und beschreibt darin unter anderem das Vorsehen eines Schutzrings in einem Planartyp-Germanium-Detektor zur Unterdrückung von Leckstrom. Des Weiteren werden Strahlungsdetektoren zur Detektion ionisierender Strahlung in der US 6,002,134 beschrieben. Die US 2011/0298131 A1 offenbart Germanium-Halbleiter-Detektoren mit Kontakten aus Yttrium als Loch- bzw. Elektronenbarriere. Die US 2005/0023475 A1 offenbart einen Schutzring für einen Photon-zu-Elektron-Umwandlungsdetektor. Die WO 2011/049832 A2 offenbart einen Strahlungsdetektor aus einem Halbleitermaterial mit einem Schutzring, der durch Dotierung des Halbleitermaterials gebildet wird.
Angesichts des Obenstehenden bedarf es einer Lösung, den Oberflächenleckstrom von HPGe stabil und effizient durch ein einfaches Verfahren zu unterdrücken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen HPGe-Detektor bereitzustellen, der den HPGe-Oberflächenleckstrom effizient verringern kann, um die Genauigkeit des Detektors zu verbessern.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wie folgt implementiert werden:

Die vorliegende Erfindung stellt einen HPGe-Detektor bereit, der Folgendes umfasst:
- einen HPGe-Einkristall mit einer freiliegenden Oberfläche eines intrinsischen Bereichs;
- eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die mit einer ersten Kontaktelektrode bzw. einer zweiten Kontaktelektrode des HPGe-Einkristalls verbunden sind; und
- einen leitfähigen Schutzring, der in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs um die erste Elektrode herum angeordnet ist zur Unterteilung (bzw. zur (Auf-Trennung) der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs in einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich,
- wobei der leitfähige Schutzring in einer Rinne in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs angeordnet ist, wobei die Rinne die erste Elektrode umgibt,
- wobei der leitfähige Schutzring ein massiver Metallring oder eine plattierte Metallschicht ist, der bzw. die zu der Rinne in Bezug auf die Größe passt.

In einer Ausführungsform kann der leitfähige Schutzring das im Wesentlichen gleiche elektrische Potential wie die erste Elektrode haben.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Rinne eine Breite von weniger als 200 Mikrometern haben.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Rinne eine Tiefe zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometern haben.
In einer weiteren Ausführungsform kann der HPGe-Detektor ferner einen Vorverstärkungsschaltkreis umfassen, wobei der leitfähige Schutzring und ein hochohmiger Eingang des Vorverstärkungsschaltkreises äquipotential sind.
Insbesondere kann der HPGe-Einkristall ein N-Typ Kristall aus hochreinem Germanium oder ein P-Typ HPGe-Einkristall sein.
Insbesondere kann der HPGe-Detektor ein Koaxialtypdetektor (ein Detektor vom Koaxialtyp) oder ein Punktelektrodentypdetektor (ein Detektor vom Punktelektrodentyp) sein und die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs ist eine Endfläche (eine Stirnfläche) des HPGe-Einkristalls, wobei die erste Elektrode mit der ersten Kontaktelektrode an einem zentralen Loch oder einem zentralen Punkt der Endfläche verbunden ist, die zweite Elektrode mit einer äußeren umlaufenden (umfänglichen, peripheren) Oberfläche des HPGe-Einkristalls verbunden ist, der leitfähige Schutzring nahe zu (bzw. in der Nähe) der ersten Elektrode ist und von der ersten Elektrode elektrisch isoliert ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Verhältnis von Radius des leitfähigen Schutzrings zu dem der geschützten Endfläche gleich oder weniger als 1/3 sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der leitfähige Schutzring einen Mittelpunkt (bzw. ein Zentrum) haben, der (bzw. das) im Wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zentrum der Endfläche ist.
Insbesondere kann der HPGe-Detektor ein Planartypdetektor (ein Detektor vom Planartyp) sein und die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs ist eine äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls, wobei die erste Elektrode bzw. die zweite Elektrode mit zwei Endflächen des HPGe-Einkristalls verbunden sind (bzw. jede von der ersten und der zweiten Elektrode mit jeweils einer Endfläche des HPGe-Einkristalls verbunden ist) und der leitfähige Schutzring in der äußeren umlaufenden Oberfläche angeordnet ist, nahe zu der ersten Elektrode und von der ersten Elektrode elektrisch isoliert.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Teil der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs zwischen dem leitfähigen Schutzring und der ersten Elektrode eine Fläche haben, die gleich oder weniger als 1/3 der Gesamtfläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der leitfähige Schutzring im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des HPGe-Einkristalls sein.
In jeder von den obigen Ausführungsform kann der Leckstrom, der von der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs des HPGe-Detektors abgeleitet ist bzw. herrührt, von dem Nachweisstrom (Detektionsstrom) des HPGe-Detektors durch den in der Oberfläche bereitgestellten leitfähigen Schutzring abgetrennt werden, wodurch die Störung des Oberflächenleckstroms unterdrückt wird. Der HPGe-Detektor kann in Bezug auf die Nachweisgenauigkeit signifikant verbessert werden und hat eine einfache Struktur.
Figurenliste

1a und 1b sind eine strukturelle schematische Ansicht bzw. ein entsprechendes Schaltbild eines koaxialen HPGe-Detektors vom P-Typ aus dem Stand der Technik.
1c und 1d zeigen einen HPGe-Detektor mit einem leitfähigen Schutzring in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2a-c zeigen schematisch strukturelle Ansichten eines HPGe-Detektors vom Koaxialtyp in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3a-c zeigen schematisch strukturelle Ansichten eines HPGe-Detektors vom Punktelektrodentyp in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4a-c zeigen schematisch strukturelle Ansichten eines HPGe-Detektors vom Planartyp in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt schematisch eine Ansicht eines elektrischen Anschlusses des HPGe-Detektors in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und soll nicht auf die hierin dargelegte Ausführungsform beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die vorliegende Erfindung gründlich und vollständig ist und sie werden das Konzept der Offenbarung einem Fachmann vollständig vermitteln.
1a und 1b sind eine strukturelle schematische Ansicht bzw. ein entsprechendes Schaltbild eines koaxialen HPGe-Detektors vom P-Typ aus dem Stand der Technik. Der HPGe-Detektor beinhaltet einen HPGe-Einkristall 1 und eine erste Elektrode 2. Der HPGe-Einkristall 1 weist eine freiliegende Oberfläche eines intrinsischen Bereichs 11 und eine erste Kontaktelektrode 12 auf, die mit der ersten Elektrode 2 verbunden ist. Bei dem HPGe-Detektor vom Koaxialtyp ist die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 eine Endfläche des HPGe-Einkristalls 1. Typischerweise kann der HPGe-Einkristall 1 eine zylindrische Form haben. Der HPGe-Detektor kann ferner mit einer zweiten Elektrode 9 ausgestattet sein, die mit einer zweiten Kontaktelektrode 13 des HPGe-Einkristalls 1 verbunden ist. In einem Beispiel ist die zweite Kontaktelektrode 13 eine äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1. Die erste Elektrode 2 kann mit der Niederspannungsseite einer Stromversorgung (bzw. eines Netzteils) 6 elektrisch verbunden sein und die äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1 ist mit der Hochspannungsseite der Stromversorgung 6 elektrisch verbunden. In der Praxis werden oft Schaltkreiseinheiten bzw. Schaltungseinheiten, wie zum Beispiel Verstärkungsschaltkreise, zwischen der ersten Elektrode 2 und der Niederspannungsseite der Stromversorgung 6 benötigt, um die Detektionsgenauigkeit und Stabilität zu verbessern. Aus Gründen einer zweckmäßigen Beschreibung werden diese Schaltkreiseinheiten hierin weggelassen und nur ein Galvanometer 7 ist gezeigt.
Das Grundprinzip des HPGe-Detektors wird wie folgt beschrieben: Eine Spannung wird an beiden Elektroden des HPGe-Einkristalls angelegt, um ein elektrisches Feld dazwischen zu bilden. Wenn die einfallende gammaStrahlung und Röntgenstrahlen in den intrinsischen Bereich eintreten, werden Elektron-Lücke Paare (bzw. Elektron-Loch Paare) unter Bildung eines Ionenstroms unter dem elektrischen Feld erzeugt. Die Energiedetektion (bzw. der Energienachweis) der auf den HPGe-Detektor gestrahlten Strahlung kann gemacht werden, indem der Ionenstrom detektiert wird. Das bedeutet, der HPGe-Detektor wandelt die Energiedetektion des Strahlungsstrahls in die Detektion des Ionenstroms I_ion um. Der HPGe-Einkristall weist den intrinsischen Bereich auf. Der sogenannte intrinsische Bereich bedeutet einen Bereich, in dem der obige Ioneneffekt erzeugt werden kann. Die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs bedeutet eine Oberfläche des intrinsischen Bereichs, die nach außen freiliegend ist und die kontaminiert oder passiviert sein kann. Als ein Beispiel wird in 1a - 1d die Detektion des Ionenstroms I_ion mit dem Galvanometer 7 gemacht. Wie in 1b gezeigt, wird der Innenwiderstand des HPGe-Einkristalls 1 durch R_bulk dargestellt; der Oberflächenwiderstand der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 wird durch R_surf dargestellt; und der Oberflächenleckstrom über den Oberflächenwiderstand ist I_surf . In dieser Weise ist bei dem HPGe-Detektor aus dem Stand der Technik der Detektionsstrom, der durch das Galvanometer 7 detektiert wird, I_meas = I_ion + I_surf, wobei I_ion ein gewünschtes Stromsignal ist, das die Strahlungsenergie repräsentiert, und der Oberflächenleckstrom I_surf ein Störsignal ist. Da die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 freiliegend ist, kann sie leicht kontaminiert werden und der kontaminierte lokale Teilbereich hat einen relativ kleinen Oberflächenwiderstand R_surf und somit hat der Oberflächenleckstrom I_surf eine größere Amplitude. Somit kann der Messstrom I_meas signifikant beeinflusst werden.
1c und 1d zeigen einen HPGe-Detektor mit einem leitfähigen Schutzring in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu 1a und 1b unterscheidet sich der HPGe-Detektor in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hauptsächlich dadurch von dem HPGe-Detektor aus dem Stand der Technik, dass er den leitfähigen Schutzring 3 aufweist. Der leitfähige Schutzring 3 ist in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 um die erste Elektrode 2 herum angeordnet. Der leitfähige Schutzring 3 unterteilt die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 in einen inneren Bereich und einen äußeren Bereich. Der Oberflächenwiderstand des inneren Bereichs, der durch den leitfähigen Schutzring 3 umgeben ist, wird durch R₁ dargestellt. Der Oberflächenwiderstand des äußeren Bereichs der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 außerhalb des leitfähigen Schutzrings 3 wird durch R₂ dargestellt. Es ist erwünscht, dass die Dicke des leitfähigen Schutzrings 3 die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 vollständig in zwei Bereiche, d.h. den inneren Bereich und den äußeren Bereich, unterteilen bzw. trennen kann. Der leitfähige Schutzring 3 ist mit der Seite des Galvanometers 7 in der Nähe der Niederspannungsseite der Stromversorgung elektrisch verbunden. In diesem Fall sind die Oberflächenleckströme, die den Oberflächenwiderständen R₁ bzw. R₂ der beiden Bereiche entsprechen, I_surf1 und I_surf2. I_surf2 wird nicht durch das Galvanometer 7 fließen. Somit wird er nicht den Detektionsstrom I_meas beeinflussen. Das heißt, der durch die Stromversorgung 6 verursachte Oberflächenleckstrom ist von dem Detektionsstrom abgetrennt. Für I_surf1 , da die Spannungen an beiden Enden des Oberflächenwiderstands R₁ (d.h. die erste Elektrode 2 und der leitfähige Schutzring 3) einen winzigen Unterschied aufweisen oder im Wesentlich gleich sind, wird der Oberflächenleckstrom I_surf1 des inneren Bereichs, der durch den leitfähigen Schutzring 3 umgeben ist, auch sehr klein sein. Zum Beispiel beträgt der Spannungsabfall über dem Oberflächenwiderstand R₁ , der durch ein Elektrometer oder ein Piko-Amperemeter gemessen wird, weniger als 1 mV. Somit ist der Oberflächenleckstrom I_surf1 , der über dem R₁ erzeugt wird, im Wesentlichen klein. Und in dem Detektorgerät in der Praxis muss das Detektionssignal im Allgemeinen in einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) zugeführt werden, um verstärkt zu werden. Das Eingangsende von dem JFET hat einen niedrigeren Spannungsabfall, typischerweise weniger als 100 µV, und somit erzeugt es einen kleineren Strom I_surf1 . In dieser Weise ist fast der gesamte Detektionsstrom I_meas durch das Galvanometer 7 der gewünschte Ionenstrom I_ion .
Es kann von dem Obigen verstanden werden, dass die Verwendung der Anordnung des leitfähigen Schutzrings 3 in effizienter Weise den nachteiligen Einfluss des Oberflächenleckstroms auf den Detektionsstrom des HPGe-Detektors unterdrückt werden kann.
2 - 4 zeigen schematisch Strukturen der HPGe-Detektoren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 2a-c zeigen einen HPGe-Detektor vom Koaxialtyp. 3a-c zeigen einen HPGe-Detektor vom Punktelektrodentyp. 4a-c zeigen einen HPGe-Detektor vom Planartyp. Zunächst wird der in 2a-c gezeigte HPGe-Detektor vom Koaxialtyp besprochen. 2a zeigt den HPGe-Einkristall 1, der mit der ersten Elektrode 2 verbunden ist, wobei der HPGe-Einkristall 1 die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 (oder genannt als eine Oberfläche mit hohem Widerstand) aufweist (der leitfähige Schutzring 3 ist nicht gezeigt). Um den leitfähigen Schutzring 3 zweckmäßig anzuordnen, wird eine Rinne 4, die die erste Elektrode 2 umgibt, in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 angeordnet, zum Beispiel kann sie durch einen Ätzvorgang gebildet werden. Wie in 2b veranschaulicht, ist der leitfähige Schutzring 3 in der Rinne 4 angeordnet. Zum Beispiel kann der leitfähige Schutzring 3 ein massiver (fester) Metallring sein. Der massive Metallring passt zu der Rinne 4 in Bezug auf die Größe, um in der Rinne 4 eingebettet zu werden. Alternativ kann der leitfähige Schutzring 3 auch in der Form einer plattierten Metallschicht sein. Das Metall kann zum Beispiel Kupfer, Gold, Silber oder dergleichen sein. 2b ist eine Frontansicht, die die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 mit der Rinne 4 zeigt. 2c ist eine Frontansicht, die die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 mit der Rinne 4, in der der leitfähige Schutzring 3 eingebettet wurde, zeigt.
Als ein Beispiel kann die Rinne 4 eine Breite von weniger als 200 Mikrometern oder von weniger als 100 Mikrometern oder von weniger als 50 Mikrometern oder von weniger als 10 Mikrometern oder von weniger als 1 Mikrometer haben. Die Rinne 4 hat eine Tiefe, die sicherstellt, dass die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11, die kontaminiert sein kann oder Defekte aufweisen kann, ausreichend durch den leitfähigen Schutzring 3 in den inneren Bereich 111 und den äußeren Bereich 112 unterteilt bzw. abgetrennt ist. Als ein Beispiel kann die Tiefe der Rinne 4 zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometern betragen. Als ein Beispiel kann der leitfähige Schutzring 3 so konfiguriert sein, dass der leitfähige Schutzring 3 und die erste Elektrode 2 im Wesentlichen das gleiche elektrische Potential haben.
In einem Beispiel, wie in 5 gezeigt, kann der HPGe-Detektor ferner einen Vorverstärkungsschaltkreis 8 umfassen. Der leitfähige Schutzring 3 und ein hochohmiger Eingang 81 des Vorverstärkungsschaltkreises 8 sind miteinander elektrisch verbunden und haben die gleiche Spannung. Auf diese Weise wird der von der ersten Elektrode 2 (ab)geführte Ionenstrom von dem durch die Hochspannungsquelle 61 (oder die Hochspannungsseite der Stromversorgung 6) erzeugten Oberflächenleckstrom abgetrennt. Es gibt einen hohen Isolierungswiderstand zwischen dem leitfähigen Schutzring 3 und der ersten Elektrode 2. Und der leitfähige Schutzring 3 und die erste Elektrode 2 sind nahezu bei der gleichen Spannung. Daher ist der Oberflächenleckstrom zwischen ihnen winzig. In einem Beispiel kann der hochohmige Eingang 81 des Vorverstärkungsschaltkreises 8 mit der Niederspannungsseite der Stromversorgung 6 oder einer Erdungsleitung 62 elektrisch verbunden sein.
In einem Beispiel, im Fall dass der HPGe-Detektor ein koaxialer HPGe-Detektors vom P-Typ ist, ist die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 eine Endfläche des HPGe-Detektors, die erste Elektrode 2 erstreckt sich von einem zentralen Loch der Endfläche heraus und der leitfähige Schutzring 3 ist in der Nähe der ersten Elektrode 2 und ist von der ersten Elektrode 2 elektrisch isoliert. Da der Schutzring 3 in der Nähe der ersten Elektrode 2 ist, kann er die Fläche des geschützten intrinsischen Bereichs, d.h. den äußeren Bereich 112 der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11, vergrößern. Der innere Bereich 111 der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 kann eine verringerte Empfindlichkeit auf Grund der nahen Potentiale des leitfähigen Schutzrings 3 und der ersten Elektrode 2 haben, um den Oberflächenleckstrom zu unterdrücken. Da der Oberflächenwiderstand der Fläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 außerhalb des leitfähigen Schutzrings 3 den Detektionsstrom nicht beeinflusst, ist es erwünscht, dass die Fläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 außerhalb des leitfähigen Schutzrings 3 so groß wie möglich ist, so dass mehr Orte mit niedrigen Oberflächenwiderständen aus dem leitfähigen Schutzring 3 heraus fallen. Als ein Beispiel ist das Verhältnis von Radius r2 des leitfähigen Schutzrings 3 zu Radius r1 der Endfläche gleich oder weniger als 1/3. Selbstverständlich ist dies nicht notwendig. Stattdessen kann der Flächenbereich des geschützten intrinsischen Bereichs erforderlichenfalls auch geeignet erweitert sein; zum Beispiel kann das Verhältnis von Radius r2 des leitfähigen Schutzrings 3 zu Radius r1 der Endfläche gleich oder weniger als 1/2 sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird zu würdigen wissen, dass alle Ausführungsformen, die den durch den leitfähigen Schutzring 3 zu schützenden intrinsischen Bereich enthalten, ungeachtet seiner Größe, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fallen.
In einem Beispiel hat der leitfähige Schutzring 3 einen Mittelpunkt, der im Wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zentrum der Endfläche ist, wie in 2a-c veranschaulicht.
3a-c zeigen einen HPGe-Detektor vom Punktelektrodentyp. Der HPGe-Detektor vom Punktelektrodentyp unterscheidet sich von dem obigen HPGe-Detektor vom Koaxialtyp nur darin, dass die erste Elektrode 2 des HPGe-Detektors vom Punktelektrodentyp direkt an dem zentralen Punkt auf der Endfläche des HPGe-Kristalls wie die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 angeordnet ist, anstatt dass sie in das zentrale Loch der Endfläche eingefügt ist, wie in dem in 2a-c gezeigten HPGe-Detektor vom Koaxialtyp. Daher können diverse Merkmale in dem obigen Detektor aus hochreinem Germanium vom Koaxialtyp, zum Beispiel der leitfähige Schutzring 3, die Rinne 4, direkt in dem HPGe-Detektor vom Punktelektrodentyp verwendet werden.
4a-c zeigen einen HPGe-Detektor vom Planartyp. Er unterscheidet sich von dem obigen HPGe-Detektor vom Koaxialtyp darin, dass die erste Elektrode 2 in der Form einer Ebene ist und die erste Elektrode und die zweite Elektrode 9 an zwei Endflächen des HPGe-Einkristalls jeweils angeordnet sind. Die beiden Endflächen des HPGe-Einkristalls bilden zwei Kontaktelektroden jeweils und die äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1 bildet die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11. In dem HPGe-Detektor vom Planartyp in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der leitfähige Schutzring 3 auf der äußeren umlaufenden Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1 angeordnet, wie in 4a-c gezeigt. Da die erste Elektrode 2 auf der oberen Endfläche des HPGe-Einkristalls 1 angeordnet ist, kann der leitfähige Schutzring 3 auf der äußeren umlaufenden Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1 immer noch als die erste Elektrode 2 umgebend angesehen werden. Der leitfähige Schutzring 3 trennt auch die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 in den inneren Bereich 111 und den äußeren Bereich 112. In der Ausführungsform ist der innere Bereich 111 der Abschnitt (mit einer Höhe von h1, wie in 4 gezeigt) der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 zwischen dem leitfähigen Schutzring 3 und der ersten Elektrode 2; und der äußere Bereich 112 ist der Abschnitt (mit eine Höher von h2, wie in 4 gezeigt) der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 zwischen dem leitfähigen Schutzring 3 und einer weiteren Endfläche, die der mit der ersten Elektrode 2 bereitgestellten Endfläche gegenüberliegt bzw. entgegengesetzt ist. Um die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 klarer darzustellen, zeigen 4b und 4c die ausgebreitete äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls 1.
Ähnlich wie bei dem HPGe-Detektor vom Koaxialtyp kann bei dem HPGe-Detektor vom Planartyp in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der leitfähige Schutzring 3 auch in der Nähe der ersten Elektrode 2 und von der ersten Elektrode 2 elektrisch isoliert sein, so dass die Fläche des geschützten intrinsischen Bereichs so viel wie möglich vergrößert werden kann. Zum Beispiel kann der leitfähige Schutzring 3 so gelegen sein, dass die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 eine Fläche zwischen dem leitfähigen Schutzring 3 und der ersten Elektrode 2 hat, die gleich oder weniger als 1/3 der Gesamtfläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 ist. Selbstverständlich ist dies nicht notwendig. Stattdessen kann die Fläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 zwischen dem leitfähigen Schutzring 3 und der ersten Elektrode 2 auch gleich oder weniger als 1/2 der Gesamtfläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 sein. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird zu würdigen wissen, dass alle Ausführungsformen, die den durch den leitfähigen Schutzring 3 zu schützenden intrinsischen Bereich enthalten, ungeachtet seiner Größe, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fallen.
In einem Beispiel kann bei dem HPGe-Detektor vom Planartyp der leitfähige Schutzring 3 im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse des HPGe-Einkristalls 1 sein. Es sei darauf hingewiesen, dass, auch wenn der HPGe-Detektor vom Planartyp in Bezug auf die Struktur etwas verschieden von dem HPGe-Detektor vom Koaxialtyp ist, diverse Merkmale in dem obigen HPGe-Detektor vom Koaxialtyp, zum Beispiel die Rinne 4, der massive Metallring oder die leitfähige Schicht, die als den leitfähigen Schutzring 3 verwendet werden, in dem HPGe-Detektor vom Planartyp in einer ähnlichen Art und Weise verwendet werden können.
Es sei darauf hingewiesen, dass, auch wenn die HPGe-Detektoren vom Koaxialtyp, vom Punktelektrodentyp und vom Planartyp verschiedene Strukturen haben, sie alle mit dem Schaltkreis durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode 9 verbunden sind und sie alle das gleiche grundsätzliche Arbeitsprinzip und die gleiche Funktion haben. Daher können die Schaltungsprinzipien, Strukturen und Elemente für den HPGe-Detektor, die unter Bezugnahme auf den HPGe-Detektor vom Koaxialtyp erklärt wurden, auch bei den HPGe-Detektoren vom Punktelektrodentyp und vom Planartyp angewendet werden.
Auch wenn der HPGe-Einkristall 1, wie er in 2 - 4 gezeigt ist, eine zylindrische Form hat, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Stattdessen kann der HPGe-Einkristall 1 auch andere Formen haben, zum Beispiel ein durchgehender Schaft mit doppelt freiliegenden Enden oder ein Quader.
Bei dem HPGe-Detektor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der HPGe-Einkristall 1 ein P-Typ HPGe-Einkristall sein oder er kann ein N-Typ HPGe-Einkristall sein. Bei dem P-Typ HPGe-Einkristall kann die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 als P-Oberfläche bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu kann bei dem N-Typ HPGe-Einkristall die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs 11 als N-Oberfläche bezeichnet werden.
Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt wurde, sind die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen nur veranschaulichend und sollen die vorliegende Erfindung nicht einschränken.
Auch wenn manche Ausführungsformen des allgemeinen erfinderischen Konzepts veranschaulicht und erklärt wurden, werden es Fachleute auf dem Gebiet zu würdigen wissen, dass Modifikationen und Variationen bei diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne die Prinzipien und den Geist des allgemeinen erfinderischen Konzepts der Offenbarung zu verlassen, dessen Umfang durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.

Claims

HPGe-Detektor, der Folgendes umfasst: einen HPGe-Einkristall (1) mit einer freiliegenden Oberfläche eines intrinsischen Bereichs (11); eine erste Elektrode (2) und eine zweite Elektrode (9), die mit einer ersten Kontaktelektrode (12) bzw. einer zweiten Kontaktelektrode (13) des HPGe-Einkristalls (1) verbunden sind; und einen leitfähigen Schutzring (3), der in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) um die erste Elektrode (2) herum angeordnet ist zur Unterteilung der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) in einen inneren Bereich (111) und einen äußeren Bereich (112), wobei der leitfähige Schutzring (3) in einer Rinne (4) in der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) angeordnet ist, wobei die Rinne (4) die erste Elektrode (2) umgibt, wobei der leitfähige Schutzring (3) ein massiver Metallring oder eine plattierte Metallschicht ist, der bzw. die zu der Rinne (4) in Bezug auf die Größe passt.
HPGe-Detektor nach Anspruch 1, wobei der leitfähige Schutzring (3) das im Wesentlichen gleiche elektrische Potential wie die erste Elektrode (2) hat.
HPGe-Detektor nach Anspruch 1, wobei die Rinne (4) eine Breite von weniger als 200 Mikrometern hat.
HPGe-Detektor nach Anspruch 1, wobei die Rinne (4) eine Tiefe zwischen 1 Mikrometer und 10 Mikrometern hat.
HPGe-Detektor nach Anspruch 1, wobei der HPGe-Detektor ferner einen Vorverstärkungsschaltkreis (8) umfasst, wobei der leitfähige Schutzring (3) und ein hochohmiger Eingang (81) des Vorverstärkungsschaltkreises (8) äquipotential zueinander elektrisch verbunden sind.
HPGe-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der HPGe-Einkristall (1) ein N-Typ HPGe-Einkristall oder ein P-Typ HPGe-Einkristall ist.
HPGe-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der HPGe-Detektor ein Koaxialtypdetektor oder ein Punktelektrodentypdetektor ist und die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) eine Endfläche des HPGe-Einkristalls (1) ist, die erste Elektrode (2) mit der ersten Kontaktelektrode (12) an einem zentralen Loch oder einem zentralen Punkt der Endfläche verbunden ist, die zweite Elektrode (9) mit einer äußeren umlaufenden Oberfläche des HPGe-Einkristalls (1) verbunden ist und der leitfähige Schutzring (3) nahe zu der ersten Elektrode (2) ist und von der ersten Elektrode (2) elektrisch isoliert ist.
HPGe-Detektor nach Anspruch 7, wobei ein Verhältnis von Radius des leitfähigen Schutzrings (3) zu dem der geschützten Endfläche gleich oder weniger als 1/3 ist.
HPGe-Detektor nach Anspruch 7, wobei der leitfähige Schutzring (3) einen Mittelpunkt hat, der im Wesentlichen in Übereinstimmung mit dem Zentrum der Endfläche ist.
HPGe-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der HPGe-Detektor ein Planartypdetektor ist und die freiliegende Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) eine äußere umlaufende Oberfläche des HPGe-Einkristalls (1) ist, die erste Elektrode (2) bzw. die zweite Elektrode (9) mit zwei Endflächen des HPGe-Einkristalls (1) verbunden sind und der leitfähige Schutzring (3) in der äußeren umlaufenden Oberfläche angeordnet ist, nahe zu der ersten Elektrode (2) und von der ersten Elektrode (2) elektrisch isoliert.
HPGe-Detektor nach Anspruch 10, wobei der Teil der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) zwischen dem leitfähigen Schutzring (3) und der ersten Elektrode (2) eine Fläche hat, die gleich oder weniger als 1/3 der Gesamtfläche der freiliegenden Oberfläche des intrinsischen Bereichs (11) ist.