DE1614222B2 - Halbleitervorrichtung zum detektieren und/oder messen von strahlung - Google Patents

Halbleitervorrichtung zum detektieren und/oder messen von strahlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung zum Detektieren und/oder Messen von Strahlung, mit einer Einkristallscheibe eines Halbleitermaterials mit Diamantstruktur, deren beide einander gegenüberliegende Hauptflächen mit Elektroden versehen sind, wobei die Normale der Scheibe in einer irrationalen Richtung orientiert ist. Es sei bemerkt, daß der Ausdruck »Diamantstruktur« sich in diesem Falle nicht nur auf Kristalle bezieht, in denen nur eine Atomsorte auftritt, sondern auch auf Kristalle, in denen zwei Atomsorten auftreten, wie bei der Zinkblendestruktur oder auch mehr als zwei Atomsorten.
Eine solche Halbleitervorrichtung ist insbesondere zum Detektieren und/oder Messen energiereicher geladener Teilchen geeignet; sie wird im folgenden Teilchendetektor genannt. Ein solcher Teilchendetektor ist im allgemeinen dazu bestimmt, über seine Elektrode mit einer solchen Spannung verbunden zu werden, daß sich zwischen den Elektroden eine Verarmungsschicht bildet, und in die Bahn oder Bahnen der zu detektierenden Teilchen derart gebracht zu werden, daß diese annähernd senkrecht die Scheibe treffen. Wenn der Detektor von einem Teilchen getroffen wird, gibt dieses eine bestimmte Energie ab, worauf die in Form von Elektronen und Löchern ausgelöste Ladung in Form eines Impulses in dem mit den Elektroden verbundenen Stromkreis gemessen werden kann.
Es war im allgemeinen üblich, die Scheiben des Halbleitermaterials, meist Silizium oder Germanium, in Form von Platten durch Sägen in einer zu der Achse eines in der [lll]-Richtung hochgezogenen Einkristallstabs senkrechten Richtung herzustellen. Dies gründete sich im wesentlichen auf die rein technologische Erwägung, daß solche Stäbe bei der Herstellung weniger Schwierigkeiten bereiten als in anderen Richtungen hochgezogene Stäbe.
Wegner, Erginsoy und Gibson in I.E.E.E. Trans. Nuclear Science NS-12 (1965) haben bereits darauf hingewiesen, daß eine erhebliche Streuung der durch die eingestrahlten Teilchen abgegebenen Energie auftritt. Dies wurde dem Umstand zugeschrieben, daß die Strahlungsrichtung der Teilchen mit der Richtung von Kanälen im Gitter des Halbleitermaterials zusammenfallen, aber auch von ihr abweichen kann, so daß ein Teilchen, dessen Richtung mit der eines Kanals zusammenfällt, weniger Energie abgeben würde als ein Teilchen, bei dem dies nicht der Fall ist. Mit Rücksicht darauf wurde empfohlen, die Scheibe in der Weise aus einem Stab zu schneiden, daß die Richtung der Teilchen nicht mit einer Kristallfläche mit niedrigem Index z. B. mit den (11O)-, (111)-, und (100)-Flächen zusammenfallen könnte.
Weiter wurde empfohlen, die Scheibe senkrecht zu einer Achse zu schneiden, die um etwa 20° in bezug auf die [100]-Achse in Richtung auf die [110]-Achse und um etwa 8° in bezug auf die [110]-Achse in Richtung auf die [111]-Achse gedreht ist, wobei erwartet wurde, daß nur eine geringe Streuung der von den Teilchen abgegebenen Energie auftreten würde, und zwar auch dann, wenn die Richtung, in der die Teilchen die Scheibe treffen würden, Abweichungen bis zu etwa 5° in bezug auf die Normale der Scheibe aufweisen würde.
Es ergibt sich nun aber die Schwierigkeit, daß solche Scheiben senkrecht zu einer Linie gesägt werden müssen, die einen Winkel von etwa 35° mit der Achse eines in der [lll]-Richtung hochgezogenen Stabs einschließt. Infolgedessen geht an jedem Ende des Stabs eine verhältnismäßig große Menge Material verloren. Weiterhin haben die auf diese Weise aus dem Stab gesägten Scheiben eine elliptische Gestalt. Wenn diese an die übliche runde Gestalt der Teilchendetektoren angepaßt werden sollten, würde man aufs neue Material verlieren, wobei außerdem eine zusätzliche Bearbeitung notwendig wäre, was die Gefahr einer Beschädigung der Scheiben mit sich bringen würde. Es sei hier bemerkt, daß das in diesen Detektoren verwendete Halbmaterial einen äußerst hohen Reinheitsgrad haben muß, so daß es erheblich kostspieliger ist als das z. B. zur Herstellung von Transistoren verwendete Material.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die durch den Kanalisierungseffekt beim Einfall der Strahlungsteilchen in kristallographisch ausgezeichneten Richtungen eines Einkristalls verursachten Unterschiede in der Energieübertragung auf die Vorrichtung möglichst gering werden, gleichzeitig aber das Halbleitermaterial, aus dem die Vorrichtung hergestellt wird, möglichst optimal ausgenutzt und der Fertigungsaufwand möglichst gering wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die irrationale Richtung (A)nm einen Winkel von 1° von der [432]-Richtung des Einkristalls in Richtung auf die [111]-Richtung abweicht, wobei die Abweichung der Normalen von der irrationalen Richtung höchstens 5°, rings um diese irrationale Richtung, beträgt.
Eine Berechnung zeigt, daß bei auf diese Weise orientierten Scheiben die Energie, welche von Teilchen abgegeben wird, die in nicht zu stark von der Normalen abweichenden Richtungen eingestrahlt werden, wenig Unterschiede aufweist. Wenn in Zusammenhang mit der Anwendung des Teilchendetektors erwartet werden kann, daß die Teilchen nicht alle in der gleichen Richtung eingestrahlt werden und die Richtungen z. B. Unterschiede von 3° aufweisen können, so wird vorzugsweise die maximale Abweichung der Normalen von der irrationalen Richtung nicht größer als 2° gewählt. Wenn noch größere Abweichungen erwartet werden sollen, so läßt man vorzugsweise die Normale
der Scheibe im wesentlichen mit dieser irrationalen Richtung zusammenfallen.
Solche Scheiben werden aus einem in der [111]-Richtung hochgezogenen Stab senkrecht zu einer Linie gesägt werden, die einen Winkel von etwa 14° mit der Achse des Stabs einschließt. Diese Scheiben sind nur so geringfügig elliptisch, daß der Unterschied zwischen der langen und der kurzen Achse nur einige Prozent beträgt. Beim Sägen tritt nur geringer Materialverlust an den Enden des Stabs auf, während die Scheiben meistens ohne weitere Veränderung der Form und somit ohne weiteren Materialverlust in die üblichen Fassungen eingebaut werden können.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Teilchendetektor und den damit zu verbindenden elektrischen Stromkreis,
F i g. 2 schematisch die erfindungsgemäß gewählte Orientierung der in dem Teilchendetektor verwendeten Halbleiterscheibe,
F i g. 3 die Orientierung nach F i g. 2 in gnomischer Projektion und
F i g. 4 perspektivisch eine Abbildung eines Teilchendetektors mit Mehrfachelektroden.
Der Teilchendetektor nach F i g. 1 enthält eine Einkristallscheibe 1 aus η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 5000 Ohm ■ cm. Auf der Oberseite ist eine aus reinem Gold bestehende Elektrode 2 durch Aufdampfen angebracht, die gestrichelt angedeutet ist, während auf die Unterseite eine aus reinem Aluminium bestehende Elektrode 3 aufgedampft ist, die auch gestrichelt dargestellt ist. Auf dem sehr hochohmigen Silizium bildet die aus Gold bestehende Elektrode einen Schottky-Übergang, während die Elektrode 3 einen ohmschen Übergang bildet. Mit diesen Elektroden ist ein Stromkreis mit einer Spannungsquelle 4 verbunden, deren Spannung derart geregelt wird, daß die an der Elektrode 2 gebildete Verarmungsschicht nahezu den ganzen Raum zwischen den Elektroden beansprucht. Die Dicke der Scheibe ist für die Erfindung nicht wesentlich. Meistens werden für den angegebenen Zweck Scheiben mit einer Dicke von 25 bis 300 μίτι verwendet. Der Stromkreis enthält weiter eine Meß vorrichtung 5 zum Zählen und/oder Analysieren der Impulse, die beim Einstrahlen energetisch aufgeladener Teilchen z. B. Alpha-Teilchen, Deuteronen und Protonen entstehen, die in diesem Falle die Elektrode 2 in Richtung des Pfeiles 6 treffen und in die Scheibe 1 eindringen.
Die Scheibe 1 wurde aus einem in üblicher, für die Erfindung nicht wesentlicher Weise hergestellten Einkristallstab mit einem Querschnitt von 25 mm gesägt. Die Achse des Stabs war, wie bei solchen Stäben üblich ist, in der [lll]-Richtung des Kristallgitters orientiert.
Die Lage, in der die Scheibe aus dem Stab gesägt wurde, ist in F i g. 2 veranschaulicht. Diese Figur zeigt perspektivisch eine imaginäre Kugel um einen Siliziumkristall. Von der Mitte 0 her sind Linien parallel zu verschiedenen Kristallrichtungen wie die mit den Indizen [111], [100] und [110] bezeichneten Linien gezogen. Außerdem sind Schnitte von Kristallflächen und_ der Kugel z.B. der (121)-Fläche und der (102)-Fläche gezeichnet. Die [432]-Richtung ist die Schnittlinie der (l2l)-Fläche mit der (102-Fläche). Die erwähnte irrationale Richtung liegt dabei in der (l2l)-Fläche um einen Winkel von 1° in Richtung auf die [111]-Achse verschoben und wird durch A bezeichnet.
In der gnomischen Projektion nach Fig.3 mit [100] als Mittelpunkt sind auch einige Kristallrichtungen angedeutet und die erwähnte irrationale Richtung ist wieder mit A bezeichnet.
F i g. 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung in einem Teilchendetektor, der dazu dient, die Orientierung von an verschiedenen Stellen des Detektors einfallenden Teilchen in einfacher Weise nachweisbar zu machen. Dieser Detektor besteht aus einer Scheibe von Halbleitermaterial 11, auf deren obere Fläche eine Anzahl paralleler Streifen 12 aus reinem Gold aufgedampft sind. Auf die untere Seite ist eine Anzahl paralleler Streifen 13 aus reinem Aluminium aufgedampft. Die Streifen sind durch nicht überzogene Bahnen mit einer Breite von etwa 100 μπι gegeneinander isoliert. Zu diesem Zweck wurde während des Aufdampfens ein Raster paralleler, dünner Metalldrähte auf die Scheibe gelegt, während als Quelle des zu verdampfenden Metalls ein Draht benutzt wurde, der parallel zu den Drähten des Rasters in einem Abstand über diesen aufgespannt wurde, um durch Parallaxe hervorgerufene Schatten zu vermeiden. Die verschiedenen Streifen der oberen und der unteren Seite können mit einer nicht dargestellten Vorrichtung verbunden werden. Diese Meßvorrichtung kann außer anderen Daten auch angeben, an welcher Stelle ein Teilchen die Scheibe trifft, da der bei diesem Auftreten erzeugte Impuls lediglich in denjenigen Streifen 12 bzw. 13 auftritt, die sich am Auftreffpunkt kreuzen. Infolge der Orientierung des Kristallgitters der Scheibe gemäß der Erfindung werden, trotz der Unterschiede zwischen den Einfallsrichtungen dieser Teilchen, die Werte der Impulse einen geringen Unterschied aufweisen unabhängig davon, ob die Teilchen die Scheibe in der Mitte oder am Rande treffen. Selbstverständlich sollen diese Richtungen nicht zu stark verschieden sein. Durch Anwendung eines den Durchmesser des Bündels der einfallenden Teilchen begrenzenden Kollimators in einem hinreichenden Abstand von der Scheibe, z. B. in einem Abstand von 80 mm bei einem Bündeldurchmesser von 2 mm, kann leicht gesichert werden, daß die Richtung, in der die Randzone der Scheibe getroffen wird, nicht mehr als etwa 5° von der Richtung verschieden ist, in der die Teilchen die Mitte der Scheibe treffen. Letztere Richtung fällt naturgemäß gewöhnlich mit der Normalen der Scheibe zusammen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Halbleitervorrichtung zum Detektieren und/oder Messen von Strahlung, mit einer Einkristallscheibe eines Halbleitermaterials mit Diamantstruktur, deren beide einander gegenüberliegende Hauptflächen mit Elektroden versehen sind, wobei die Normale der Scheibe in einer irrationalen Richtung orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die irrationale Richtung (A) um einen Winkel von 1° von der [432]-Richtung des Einkristalls in Richtung» auf die flll]-Richtung abweicht, wobei die Abweichung der Normalen von der irrationalen Richtung höchstens 5°, rings um diese irrationale Richtung, beträgt.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Abweichung der Normalen von der irrationalen Richtung nicht größer als 2° ist.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale der Scheibe im wesentlichen mit der genannten irrationalen Richtung zusammenfällt.
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