DE1232275B - Halbleiter-Strahlungsdetektor aus einer A -B-Verbindung fuer die Gamma-Spektroskopie - Google Patents

Halbleiter-Strahlungsdetektor aus einer A -B-Verbindung fuer die Gamma-Spektroskopie

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DE1232275B
DE1232275B DEA42226A DEA0042226A DE1232275B DE 1232275 B DE1232275 B DE 1232275B DE A42226 A DEA42226 A DE A42226A DE A0042226 A DEA0042226 A DE A0042226A DE 1232275 B DE1232275 B DE 1232275B
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James Wakefield
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
GOIt
Deutsche KL: 21g-18/02
Nummer: 1232 275
Aktenzeichen: A 42226 VHI c/21 g
Anmeldetag: 1. Februar 1963
Auslegetag: 12. Januar 1967
Die Erfindung betrifft Halbleiter-Strahlungsdetektoren aus einer Am-Bv-Verbindung, d. h. einer Verbindung aus Elementen der HI. und V. Gruppe des Periodischen Systems, für die Spektroskopie einzelner Gammaquanten.
In der kernphysikalischen Meßtechnik werden in immer größerem Umfang Halbleiter-Strahlungsdetektoren verwendet, vorzugsweise solche, die aus Germanium, Silizium oder einer Ani-Bv-Verbindung aufgebaut sind und einen pn- oder einen pin-Übergang aufweisen. Welcher von diesen bekannten Strahlungsdetektoren verwendet wird, richtet sich nach der speziellen Meßaufgabe, die gelöst werden soll.
Die Möglichkeit, einen Halbleiter-Strahlungsdetektor zum Nachweis von geladenen Teilchen zu verwenden, beruht auf folgendem: Ein Halbleiter-Strahlungsdetektor enthält vorzugsweise einen pn- oder einen pin-Übergang, der in Sperrichtung vorgespannt ist, so daß sich im Bereich des pn- oder des pin-Überganges eine Verarmungszone bildet. Dringt nun ein geladenes Teilchen in diese Verarmungszone ein, so ruft es in dieser Zone Ionisationen hervor. Die dabei entstehenden Ladungsträger werden durch die Feldstärke in der Verarmungszone abgesaugt und können als Impuls (sofern es sich um Ionisationen durch Einzelteilchen handelt) oder als Strom (sofern der Strahlungsdetektor einem Teilchenstrom ausgesetzt ist) gemessen werden. Wenn eine Strahlung nachgewiesen werden soll, die keine geladenen Teilchen enthält, also beispielsweise Gammastrahlung oder eine Neutronenstrahlung, so muß man dafür sorgen, daß durch Wechselwirkungen aus diesen Strahlen geladene Teilchen entstehen.
Meßaufgaben, die bisher unter Verwendung von Halbleiter-Strahlungsdetektoren mit pn-übergang gelöst worden sind, sind die folgenden:
1. Nachweis und Spektroskopie einzelner schwerer geladener Teilchen, wie Alphateilchen, Deuteronen oder Protonen. Hierzu sind die Halbleiter-Strahlungsdetektoren vorzüglich geeignet, da die Reichweite solcher schweren Teilchen im Halbleitermaterial nur kurz und damit die Ionisierungsdichte sehr hoch ist, so daß das schwere geladene Teilchen innerhalb der Verarmungszone vollständig abgebremst werden kann und dabei innerhalb der Verarmungszone eine Ladungsmenge durch Ionisation freisetzt, die proportional zur Energie des schweren geladenen Teilchens ist. Die hierzu verwendeten Halbleiterdetektoren sind üblicherweise Detektoren aus Germanium oder Silizium mit einem pn-übergang. Um den Meßbereich solcher Detektoren auch auf Teilchen höchster Energien auszudehnen, sind auch solche pn-Übergänge zu Halbleiter-Strahlungsdetektor aus einer
Am-Bv-Verbindung für die
Gamma-Spektroskopie
Anmelder:
Associated Electrical Industries Limited, London
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Parkstr. 13
Als Erfinder benannt:
Robert Lindsay Rouse, Reading, Berkshire;
James Wakefield, Woolhampton, Berkshire
(Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 2. Februar 1962 (4145) - -
pin-Übergängen verbreitert worden, beispielsweise im Fall von Silizium durch EindifEundieren von Lithium und anschließendes Driften der Lithiumionen bei höheren Temperaturen unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes.
2. Dosimetrie von Teilchenströmen. Die Dosimetrie von Röntgen- und Elektronenstrahlen, die bisher bekanntgeworden ist, beruht auf einer dis/dx-Messung und auf einer Aufsummierung der Energiebeträge, die von den einzelnen Teilchen in dem Halbleiter-Strahlungsdetektor als Ionisation abgegeben werden. Für diese Meßaufgabe ist die Verwendung von Halbleiterdetektoren aus einer Ain~Bv-Verbindung mit einem pn-übergang bekanntgeworden. Da bei solchen Dosimetern nur die differentiellen Energieverluste gemessen werden, die die Teilchen in dem pn-übergang erleiden, kommt es auf die Ausdehnung der Übergangszone am pn-übergang nicht an.
3. Nachweis und Dosimetrie von Neutronen. Hier wird die Erscheinung ausgenutzt, daß Neutronen in dem Material des Halbleiter-Strahlungsdetektors Kernreaktionen hervorrufen können. Man wird daher den Halbleiter-Strahlungsdetektor aus Elementen aufbauen, die einen möglichst großen Wirkungsquerschnitt gegenüber Neutronen haben. Es ist daher bekanntgeworden, Neutronen mit Halbleiter-Strahlungsdetektoren aus einer Indium enthaltenden A111-Bv-Verbindung über die in dem Indium induzierte
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Radioaktivität nachzuweisen. Weiterhin ist es hierfür denen diese Effekte hervorgerufen werden. Bei einem bekannt, einen Halbleiterdetektor aus einer Bor ent- Material mit niedriger Kernladungszahl herrscht der haltenden Ani-Bv-Verbindung herzustellen. Hier er- Compton-Effekt vor, während bei einem Material
folgt der Neutronennachweis durch den Nachweis mit hoher Kernladungszahl der Photoeffekt die vorvon Alphateilchen, in die das Bor nach dem Einfang 5 herrschende Größe ist.
von thermischen Neutronen zerfällt. Weiterhin ist es Wenn es also gelingt, einen Halbleiter-Strahlungsbekannt, den Nachweis schneller Neutronen über den detektor aus einem Material von hoher Kernladungs-Nachweis von schweren geladenen Teilchen zu füh- zahl herzustellen, müßte dieser Halbleiter-Strahlungsren, die durch np-Prozesse oder n-Alphaprozesse im detektor zu Spektroskopie einzelner Gammaquanten Material des Halbleiter-Strahlungsdetektors selbst 10 besonders geeignet sein.
erzeugt werden. Schließlich ist es auch bekannt, einen Ziel der Erfindung ist ein solcher Strahlungs-Halbleiter-Strahlungsdetektor einem Neutronenstrom detektor.
auszusetzen, der in dem Detektor irreversible Ände- Es wurden bereits die K- und die L-Konversionsrungen des Kristallgefüges hervorruft. Die Neutronen- elektronen von Cs137 mit einem Halbleiter-Strahlungsdosis wird dann aus den Änderungen der elektrischen 15 detektor aus Silizium gemessen, dessen Verarmungs-Eigenschaften des Strahlungsdetektors bestimmt. schicht etwa 2,3 mm tief war. Wenn auch die Energie-Aus dieser Aufstellung geht hervor, daß eine der auflösung, wie sie aus diesen Messungen entnommen vornehmsten Meßaufgaben der kernphysikalischen werden kann, recht gut ist, tragen diese Messungen Meßtechnik, nämlich die Spektroskopie einzelner zur Spektroskopie einzelner Gammaquanten nichts Gammaquanten mit Halbleiterdetektoren noch nicht 20 bei, da bei diesen Messungen die Schwierigkeiten befriedigend gelungen ist. Hierfür gibt es in der nicht auftraten, die entstehen, wenn ein Gamrnaquant Hauptsache zwei Gründe. Der eine Grund liegt darin, seine gesamte Energie an ein geladenes Teilchen abdaß die Reichweite der Sekundärelektronen in Fest- geben soll.
körpern verhältnismäßig groß ist, so daß die Reich- Es wurden auch bereits die Gammastrahlen von weite dieser leichten Teilchen üblicherweise die Dicke 25 Cr51, I131 und Cs137 mit einem Halbleiter-Strahlungsder Verarmungsschicht im pn-übergang von Halb- detektor aus Silizium gemessen, dessen Verarmungsleiterdetektoren übersteigt. Dieses gilt um so mehr, schicht 1,4 mm tief war. Die Meßergebnisse zeigen je niedriger die Ordnungszahl der Atome ist, aus nur einen verschwindend kleinen Anteil von Photodenen der Halbleiterdetektor besteht. Der zweite effekten in Silizium, so daß der Nachweis einzelner Grund liegt in der Natur der Wechselwirkung zwi- 30 Gammaquanten auf Grund dieser Messungen mit sehen Gammaquanten und Materie, da nur dann eine Halbleiter-Strahlungsdetektoren als wenig erfolgverquantitative Spektroskopie einzelner Gammaquanten sprechend bezeichnet werden muß.
möglich ist, wenn die gesamte Energie des Gamma- Es wurde auch über Versuche berichtet, einzelne quants auf ein geladenes Teilchen übertragen wird. Gammaquanten in einem Körper aus Gallium-Arsenid Es sind drei Arten von Wechselwirkungen zwischen 35 nachzuweisen, der keinen pn-übergang enthielt. Bei Gammaquanten und Materie bekannt. Das sind: diesen Versuchen wurden einzelne Ladungsimpulse I der Compton-Effekt beobachtet. Diese Versuche stellten ein Analogon zu II* der Photoeffekt ' ^en bekannten Kristallzählern dar, die keinen Ein-J1J* (jje Paarbildung'. gang ίη die kemPnys*kaJ'scne Meßtechnik gefunden
40 haben. Es ist hier auch schwierig, die zur Ionen-
Die Paarbildung kann bei der augenblicklichen Sammlung notwendigen Feldstärken im Halbleiter-Betrachtung außer Acht gelassen werden, da der körper hervorzurufen, da die Dielektrizitätskonstante Paarbildungsquerschnitt erst bei solchen Gamma- in einem solchen Halbleiterkörper sehr hoch ist.
energien einen merklichen Wert annimmt, bei denen Die Erfindung betrifft nun einen Halbleiter-Strahdie Elektronen, die durch die Paarbildung erzeugt 45 lungsdetektor aus einer AUI-BV-Verbindung, d. h. werden, eine Reichweite von 1 cm und mehr in einer Verbindung aus Elementen der III. und Materie haben, so daß die Wahrscheinlichkeit, durch V. Gruppe des Periodischen Systems, für die Spektro-Paarbildung erzeugte Elektronen in der Verarmungs- skopie einzelner Gammaquanten, der dadurch geschieht eines Halbleiter-Strahlungsdetektors total zu kennzeichnet ist, daß der Detektor einen pn-übergang absorbieren, außerordentlich gering ist. 50 mit einer durch Lithiumdiffusion und Ionendrift her-Von den anderen beiden Wechselwirkungsarten gestellten tiefen Verarmungszone aufweist und daß führt nur der Photoeffekt auf Elektronen, deren die Ordnungszahl der einen Komponente der AIirBv-Energie im wesentlichen gleich der Gammaenergie Verbindung größer als 32 ist.
ist, während der Compton-Effekt, da er ein reiner Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, Streuprozeß ist, auf eine zwar bekannte, aber sehr 55 den Halbleiter-Strahlungsdetektor aus Aluminiumbreite Energieverteilung der ausgelösten Elektronen Antimonid oder Indium-Phosphid herzustellen,
führt. Das bedeutet, daß es zwar möglich ist, durch Die Verwendung solcher Am-Bv-Verbindungen die Beobachtung eines durch Photoeffekt freigesetzten als Halbleiter-Strahlungsdetektoren ist nun aus zwei Elektrons die Energie des auslösenden Gammaquants Gründen besonders vorteilhaft. Einmal ist der Enerzu bestimmen, daß es aber nicht möglich ist, durch 60 gieabstand zwischen dem Valenz- und dem Leitungs-Beobachtung der Energie eines durch Compton- band in diesen Halbleitern größer als in Silizium oder Effekt freigesetzten Elektrons auf die Energie des Germanium, so daß das Rauschen in solchen Halbprimären Gammaquants zu schließen, da nicht be- leiter-Strahlungsdetektoren niedriger ist. Halbleiterkannt ist, welche Energie das Gammaquant nach Strahlungsdetektoren aus einer Am-Bv-Verbindung dem Compton-Streuprozeß besitzt. 65 können daher ohne zusätzliche Kühlung verwendet Nun ist es bekannt, daß die relativen Wirkungs- werden. Zum anderen können Am-Bv-Verbindungen querschnitte für Photo- und für Compton-Effekt aus Elementen hergestellt werden, deren Kernladungs-Funktionen der Kernladungszahl der Atome sind, an zahlen die von Silizium oder Germanium übersteigen.
Dadurch wird der Wirkungsquerschnitt für Photo- Fuß 7 angebracht, der an der Grundplatte festgemacht
effekt gegenüber dem Compton-Streuquerschnitt ist und auch dazu dient, über einen Kontaktarm 12
relativ vergrößert. Folgende Zahlen mögen hier als eine Verbindung mit der p-Schicht des Halbleiters
Beispiel dienen: Germanium: Z = 32, Energieabstand herzustellen. Der Kontakt an der η-Schicht kann mit
der Bänder = 0,72 V; Aluminium-Antimonid: Anti- 5 Hilfe eines kupfernen Stabes 8 und einer Blattfeder-
mon Z = 51, Energieabstand der Bänder = 1,65 V; verbindung 9 hergestellt sein. Der Kupferstab 8 wird
Indiumphosphid: Indium Z = 49, Energieabstand der von einer isolierenden Keramikbuchse 10 durch die
Bänder = 1,25 V. Hüllenwand hindurchgeführt und von dieser getragen.
Die Halbleiter-Strahlungsdetektoren nach der Er- Die Hülle wird mit einem reaktionsunfähigen Gas,
findung weisen eine durch Lithiumdiffusion und io z. B. trockenem Argon oder trockener Luft, gefüllt
Ionendrift hergestellte tiefe Verarmungszone am pn- oder völlig evakuiert und dann mit einer dünnen
Übergang auf. Die Verbreiterung der Verarmungszone Platteil verschlossen, die vorzugsweise aus Alumi-
mittels Lithiumdiffusion und Ionendrift ist bisher nur nium oder einem anderen Material von geringer
in Verbindung mit Halbleitern aus Silizium bekannt- Dichte besteht. Der Übergang wird nun durch einen
geworden. Daher wird anschließend noch beschrie- 15 Ionendriftvorgang verbreitert, so daß sich ein pin-
ben, wie. dieses von Silizium her bekannte Verfahren Halbleiterbauelement ergibt. Während sich die An-
auf Ara-Bv-Verbindungen übertragen werden kann. Ordnung auf einer erhöhten Temperatur befindet,
Zum besseren Verständnis der Halbleiter-Strah- wird nämlich am Übergang eine Sperrspannung an-
lungsdetektoren nach der Erfindung sowie ihrer Her- gelegt, damit der Erschöpfungsbereich allmählich an
stellung seien die Zeichnungen näher erläutert. 20 Dicke zunimmt. Gleichzeitig ist es wichtig, ein ther-
Fig. IA zeigt den Grundriß eines Ausgangs- misches »Weglaufen« zu vermeiden. Wenn der Sperr-
Halbleiterplättchens; strom bei einer vorgegebenen Temperatur zunimmt
Fig. IB ist eine Ansicht des in Fig. IA darge- und die Sperrspannung bei zunehmender Dicke des
stellten Plättchens von der Seite; Erschöpfungsbereiches ebenfalls zunimmt, während
F i g. 2 zeigt schematisch ein Heizgerät, mit dem 25 der Strom in einem weiten Bereich der Dicke propor-
ein pn-übergang durch Diffusion von Lithium aus- tional ist, wird ein zusätzlicher Strom verbraucht. Die
gebildet werden kann; Temperatur und somit der Sperrstrom im Erschöp-
F i g. 3 ist ein Vertikalschnitt durch den einge- fungsbereich steigt somit noch weiter an, so daß das
kapselten Detektor; System instabil wird und »wegläuft«. Um dieses ther-
Fig. 4 ist eine Ansicht des Detektors von oben, 30 mische Weglaufen zu vermeiden, ist in Fig. 5 eine
wenn der Deckel entfernt ist; Schaltung zur Strombegrenzung angegeben. Gemäß
Fig. 5 ist eine elektrische Schaltung zur Ausfüh- Fig. 5 ist ein zu überwachendes Halbleiterelement rung des Driftvorganges. 19 in Reihe mit einem Widerstand R2 und Relais-Gemäß einem bei Silizium bekannten Verfahren kontakten RL' an die Plus- und Minusklemme einer wird zuerst ein pn-übergang in einem kreisrunden 35 Gleichspannungsquelle angeschlossen, die normalerp-Halbleiterplättchen (Fig. 1) ausgebildet. Eine weise etwa 500 V liefert und als Sperrspannung am kreisrunde Lithiumschicht von etwa 1,5 cm Durch- pn-übergang angelegt wird. Die am Widerstand R2 messer wird auf die eine Breitseite des Plättchens in entwickelte Spannung wird über einen Widerstand einer Vakuumauf dampf anlage aufgedampft. Die R1 dem Gitter einer Röhre Vl zugeführt, die in Lithiumschicht ist durch Punkte in Fig. IA ange- 40 ihrem Anodenkreis eine RelaisspuleRL enthält;zwideutet und hat vorzugsweise eine Dicke von 1 μ. sehen der Anode und dem Gitter liegt ein Konden-Ohne das Plättchen aus dem Vakuum der Auf dampf- sator C1, so daß die Schaltung als Millerintegrator anlage herauszunehmen, wird eine Aluminiumschicht arbeitet. Zu Anfang sind die Relaiskontakte RL' genach einem bekannten Verfahren auf des Lithium schlossen; die Gleichspannung in Sperrichtung am aufgedampft, damit eine Oxydation des Lithiums 45 pn-übergang bewirkt, daß der Übergang »wegzulauverhindert wird, wenn es aus der Aufdampfanlage fen« beginnt und der Strom somit zunimmt. Eine zuherausgenommen wird. nehmende Spannung tritt am Widerstand R2 auf, der
Gemäß Fig. 2 wird das Halbleiterplättchen 1 der Röhre Vl eine zunehmende Eingangsspannung
dann auf eine Temperatur gebracht, die so hoch ist, zuführt; der Millerintegrator hat die Eigentümlich-
daß das Lithium in den Halbleiter eindiffundiert 50 keit, daß
und annähernd 400° C in einer reaktionsunfähigen
Atmosphäre betragen kann, wobei das Plättchen i?0 =——-—/i^-d ί + Konstante
z. B. in eine Siliziumdioxydröhre 2 hineingelegt ist, -^i C1 J
durch die gasförmiges Argon strömt. Die Erwärmung
kann mit Hilfe eines röhrenförmigen elektrischen 55 ist, wo E0 und E1 die Ausgangsspannung bzw. die
Ofens 3 erfolgen und einige Minuten lang dauern, Eingangsspannung des Millerintegrators bedeuten,
während das Lithium durch einen normalen thermi- Wenn die Spannung am Widerstand R2 zunimmt,
sehen Diffusionsprozeß in den Halbleiter eindiffun- fällt die Anoden-Kathoden-Spannung der Röhre ab,
diert. Die Diffusion soll sich über eine Strecke von so daß die Relaisspule mehr Strom zieht, bis sich die
etwa 300 bis 500 μ ausdehnen. Da das Lithium ein 60 Kontakte RL' öffnen. Die Spannung am Widerstand
Donator ist, wird ein pn-Ubergang im p-Halbleiter R2 ist nun Null, so daß der Strom in der Relaisspule
ausgebildet. Wenn dieser pn-Ubergang in dem Platt- RL abfällt und sich die Kontakte wieder schließen,
chen ausgebildet ist, wird es in einer Hülle unterge- Somit wird der Durchschnittsstrom konstant gehal-
bracht, wie in den F i g. 3 und 4 zu sehen ist. Die ten, und der mittlere, in der Vorrichtung verbrauchte
Hülle kann aus einer kupfernen Grundplatte 4 auf- 65 Strom bleibt ebenfalls konstant,
gebaut sein, an der eine dünne, rechteckige, kupferne Nach dem Driftvorgang kann die Vorrichtung in
Seitenwand 5 angeschweißt und befestigt ist. Ein eine chemische Ätzlösung gelegt werden, die von
Halbleiter 6 ist auf einem angehobenen kupfernen ihrer Oberfläche Verunreinigungen entfernt, damit
der Sperrstrom der Vorrichtung auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Nun ist die Vorrichtung gebrauchsfertig. Der Sperrstrom des Übergangs soll geringer als 10~8 A sein; das durch diesen Strom bewirkte Rauschen ist vernachlässigbar.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Halbleiter-Strahlungsdetektor aus einer A111-By-Verbindung, d. h. einer Verbindung aus Elementen der ΙΠ. und V. Gruppe des Periodischen Systems für die Spektroskopie einzelner Gammaquanten, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor einen pn-übergang mit einer durch Lithiumdiffusion und Ionendrift hergestellten tiefen Verarmungszone aufweist und daß die Ordnungszahl der einen Komponente der Ara-Bv-Verbindung größer als 32 ist.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des Halbleiterdetektors Aluminium-Antimonid ist.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial des Halbleiterdetektors Indium-Phosphid ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1014 670; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1744 070;
»Zeitschrift für Naturforschung«, Bd. 11a, 1956, Nr. 5, S. 420 bis 422, und Nr. 6, S. 434 bis 439;
»Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 12, 1961, Nr. 1, S. 60 bis 66;
»Nucleonics«, Bd. 16, 1958, Nr. 10, S. 103;
»Review of Scientific Instruments«, Bd. 32, 1961, Nr. 7, S. 865/866;
»Nature«, Bd. 187, 1960, S. 405.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 757/312 1.67 © Bundesdruckerei Berlin
DEA42226A 1962-02-02 1963-02-01 Halbleiter-Strahlungsdetektor aus einer A -B-Verbindung fuer die Gamma-Spektroskopie Pending DE1232275B (de)

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