DE1764066B1 - Kernstrahlungsdetektor aus Diamant und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Kernstrahlungsdetektor aus Diamant und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
1 2
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kern- Behandlung mit ultraviolettem Licht; Anlegen eines
strahlungsdetektor, bestehend aus einem Diamant- gepulsten Feldes; /^-Strahlung; thermische Behandkörper
mit zwei an gegenüberliegenden Flächen des- lung. Alle diese Verfahren können den Raumseiben
angebrachten Kontakten, von denen einer für ladungseffekt im Kristall nicht beseitigen, dienen also
das Anlegen eines positiven Potentials und der andere 5 nur zu kurzzeitigen Depolarisationen.
zum Anlegen eines negativen Potentials dient, wobei Ferner ist bekannt, ein Kernstrahlungsdetektor der
die Dicke des zwischen beiden Kontakten liegenden eingangs genannten Art, bestehend aus einem Dia-Arbeitsbereiches
des Diamantkörpers nicht größer als mantkörper mit zwei Kontakten auf gegenüberliegendie
Weglänge der Ladungsträger im Diamantkörper den Seiten (»Industrial Diamond Review«, Bd. 16
unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes io [Neue Serie], 1956, S. 12 bis 14, 31, 32, 54, 55, 93,
ist. 114, 116, 133 bis 135, 152 bis 154, 174 und 175). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Aus dieser Literaturstelle entnimmt man auch die
Herstellung eines solchen Detektors. ableitbare Regel, daß die Dicke des zwischen beiden
Kernstrahlungsdetektoren, die aus einem natür- Kontakten liegenden Arbeitsbereiches des Diamantlichen
Diamantkristall mit verringertem Stickstoff- 15 körpers die Weglänge der Ladungsträger im Kristall
gehalt (die Konzentration der Stickstoffatome ist ge- nicht übersteigen soll. Die Kontakte werden durch
wohnlich geringer als 1019 cm"3) bestehen, der mit Aufbringen (eventuell Aufdampfen) von Metall oder
elektrischen Kontakten versehen ist, sind allgemein kollodialer Graphitsuspension hergestellt. Sie dienen
bekannt. Wenn an die Kontakte eine Potentialdiffe- zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den Krirenz
angelegt und der Kristall von einer beliebigen 20 stall. Durch Felderhöhung wird versucht, auf die
Seite mit Kernteilchen bestrahlt wird, entstehen in Polarisation Einfluß zu nehmen. Dabei erhalten die
ihm Stromimpulse. Diese Stromimpulse rufen im Ladungsträger eine solche Geschwindigkeit, daß sie
äußeren Stromkreis Spannungsimpulse hervor, die die Fangstellen im Kristall passieren. Die Literaturverstärkt und von einer entsprechenden Apparatur stelle enthält die abschließende Feststellung, daß das
registriert werden. 25 Problem nicht befriedigend gelöst ist. Die Detektoren
In der Natur kommt nur eine geringe Anzahl von sind schwer einstellbar, nur für geringe Energien ge-Diamantkristallen
vor, die geeignet sind, auf diese eignet, die Effektivität der Zählung ist beschränkt.
Weise als Kernstrahlungsdetektor zu dienen; jedoch Eine Diffusion von Donator- oder Akzeptormatesind
die Eigenschaften dieser Detektoren verschieden- rial in Si oder Ge (Grundmaterial höchster Reinartig und nicht steuerbar. Derartige Detektoren ver- 30 heit) — wie sie z. B. aus den Literaturstellen
fügen über eine schlechte Zählausbeute, sammeln die »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 40, 1966,
Ladungsträger, die im Kristall durch die einfallende S. 277 bis 290; deutsche Auslegeschrift 1236 668
Kernstrahlung entstanden sind, unvollständig und und »Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften«,
haben ein niedriges Energieauflösungsvermögen. Da Bd. 34, 1962, S. 324 und 331, bekannt ist, läßt sich
diese Kristalle zudem einen hohen spezifischen Wider- 35 auf Diamanten nicht übertragen. Der reale Kristall
stand aufweisen, entsteht in ihnen außerdem eine enthält vielfältige Abweichungen von der strengen
elektrische Polarisation, durch die sich ihre Eigen- Gitterperiodizität. Es ist nur bekannt, Aluminium
schäften als Detektoren bei Bestrahlung verschlech- mittels Diffusion in den Diamanten einzuführen
tern. Die bekannten Verfahren zur Beseitigung der (W. S. Wasilow u.a.: »Halbleiterdiamanten, die im
Polarisation durch Erwärmung oder Bestrahlung mit 40 Verfahren des Ionenbeschusses erhalten worden
Licht einer bestimmten Wellenlänge sind praktisch sind«; »Festkörperphysik«, Bd. 8, 1964/1966; desungeeignet
und wenig wirksam. Aus diesen Gründen gleichen »International Conference on Applications
fanden Detektoren auf Diamantenbasis bisher kaum of Ion Beams to Semiconductor Technology«, Grepraktische
Anwendung. noble 1967, S. 353. Die letztgenannten Literatur-Anregungen für die Verwendung von Diamanten- 45 stellen beschäftigen sich nur mit der Möglichkeit der
kristallen zur Strahlungsüberwachung sind dem Buch Erzeugung von hochwertigen Schichten vom Leitvon
G. Dearnaley und D. C. Northrop: »Semi- fähigkeitstyp η und p. Für den Aufbau eines Detekconductor
Counters for Nuclear Radiations«, 2. Auf- tors finden sich keine Anregungen,
lage, 1966, S. 111 und 113, zu entnehmen. Die Hin- Die bekannten Detektoren aus Diamant polariweise
zur Beseitigung der Polarisation beziehen sich 50 sieren sich — wie vorstehend ausgeführt ist — durchauf
die Behandlung mit Licht. Die in dieser Literatur- weg bei Bestrahlung, was mit der Zeit zu einer Verstelle
weiterhin auf den Seiten 146, 169, 172 und 173 ringerung der Impulsamplitude und der Zählausbeute
beschriebenen Detektoren mit Silizium als Grund- führt.
material weisen einen pn-übergang auf der nicht be- Mit der Erfindung soll ein Detektor auf Diamantenstrahlten
Seite auf. Die Spannung wird so an den 55 basis angegeben werden, der unter Verwendung von
Detektor gelegt, daß auf die Feldverteilung im Ar- hochohmigen Diamantkristallen und folglich ohne
beitsbereich des Detektors Einfluß genommen wird. Verstärkung des Rauschpegels bei Zimmertemperatur
Die Neutralisierung der Ladungsträger gegenteiliger und höheren Temperaturen einwandfrei arbeitet und
Polarität tritt bei Siliziumdetektoren als Problem gar dabei eine gute Zählausbeute liefert, die Ladungsnicht
auf. 60 träger vollständig sammelt und ein hohes Energie-Weiterhin sind die speziellen Vorzüge eines Dia- auflösungsvermögen besitzt und dessen Eigenschaften
manten für in der Medizin eingesetzte Detektoren auch bei längerer Bestrahlung unverändert bleiben,
bekannt (»Instruments and Experimental Techni- Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde,
ques«, 1961, S. 1048; übersetzt aus »Priborv i durch besondere Ausbildung des Diamantkristalls
Tekhnika Eksperimenta«, Nr. 6, Nov.-Dez. 1961, 65 und seiner Kontakte zu erreichen, daß das angelegte
S. 5 bis 13). Dort werden zusammenfassend folgende elektrische Feld ein vollständiges Sammeln der
Verfahren zur Beseitigung der Polarisation genannt: Ladungsträger gewährleistet, daß eine gute Zählaus-Vorherige
langzeitige Bestrahlung mit Elektronen; beute und ein hohes Energieauflösungsvermögen er-
reicht und daß eine elektrische Polarisation verhindert wird.
Dies wird bei einem Kernstrahlungsdetektor der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß der auf der Strahlungseinfallseite des Diamantkörpers angeordnete Kontakt als Sperrkontakt
für die im Diamant wirksamen Ladungsträger ausgebildet ist und daß der dem Sperrkontakt gegenüberliegende
Kontakt aus einem solchen Material besteht und mit dem Diamantkörper derart verbunden
ist, daß er bei angelegtem elektrischen Feld als Ladungsträgerinjektor wirkt.
Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung derartiger Detektoren angegeben werden.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Detektor auf der Basis von Diamant weist einige Vorteile auf, die
seinen Einsatz in den für ihn typischen Anwendungsgebieten, z. B. in der Medizin, und besonders bei
hohen Temperaturen ermöglichen. Wesentlich ist die Beseitigung bzw. fortlaufende Neutralisierung der
Polarisation. Der Sperrkontakt auf der bestrahlten Seite gewährleistet ein ausreichend starkes Feld in
der Ionisierungszone und verhindert eine doppelte Injektion in den Kristall. Der erfindungsgemäße Aufbau
des Detektors sichert eine vollständige Sammlung der Ladungsträger; Nachteile durch den Raumladungseffekt
sind vermieden. Gegenüber den einzigen ebenfalls bei hohen Temperaturen einsetzbaren
Detektoren aus SiC weist der erfindungsgemäß ausgebildete Detektor ein besseres Energieauflösungsvermögen,
eine höhere Zählausbeute und einen breiteren Bereich auf, in dem er zuverlässig arbeitet.
Wenn der Detektor aus einem Diamanten hergestellt wird, in welchem die Weglänge der Elektronen
größer ist als die der Defektelektronen, so soll der Kontakt an der unbestrahlten Seite des Diamantkörpers
Defektelektronen injizieren, und an ihn wird ein positives Potential angelegt. Wenn hingegen der
Detektor aus einem Diamanten hergestellt wird, in welchem die Weglänge der Elektronen kleiner ist als
die der Defektelektronen, so soll der Kontakt an der unbestrahlten Seite Elektronen injizieren, und an ihn
wird ein negatives Potential angelegt.
Für den Fall, daß die Forderung nach vollständigem Sammeln der Ladungsträger lediglich bei einer
sehr geringen Plattenstärke des Diamantkristalls erfüllbar ist, ist es zur Erhöhung der mechanischen
Festigkeit des Detektors vorteilhaft, in einer dicken Kristallplatte eine Vertiefung anzubringen, deren
Bodendicke höchstens gleich der Weglänge der Ladungsträger ist.
Wie Versuche gezeigt haben, können als Materialien, die in Verbindung mit Diamant einen Kontakt,
den Defektelektronen injizierenden Kontakt bilden, Silber, Gold, Platin oder Graphit verwendet
werden. Eine mit Aluminium oder Bor dotierte Oberflächenschicht der Diamantkristallplatte kann gleichfalls
als Kontakt dienen.
Als Material, das in Verbindung mit Diamant einen Elektronen injizierenden Kontakt bildet, kann Graphit
verwendet werden. Ein solcher Kontakt kann aber auch von einer Oberflächenschicht der Diamantkristallplatte, die mit Phosphor, Lithium oder Kohlenstoff
dotiert ist, gebildet werden.
Als Materialien, die einen Sperrkontakt gewährleisten, können Gold, Silber oder Platin verwendet
werden. Ein solcher Kontakt kann jedoch auch mit einer graphitierten Oberfläche der Diamantkristallplatte oder mit einer mit Bor, Aluminium, Phosphor,
Lithium und Kohlenstoff dotierten Oberflächenschicht der Platte erzeugt werden. Die Bildung eines Sperr-
und eines Injektionskontaktes wird nicht nur durch Verwendung von einem der angegebenen Materialien,
sondern auch durch Anlegen eines Potentials der entsprechenden Polarität gewährleistet und kann
ebenso durch Störung der Kristallstruktur an der Oberfläche der Platte erreicht werden, wie z. B. im
Falle der Graphitierung.
Der Sperrkontakt kann durch Metallaufsprühen erzeugt werden. Ein solcher Kontakt arbeitet jedoch
nicht zuverlässig. Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren
für den vorgeschlagenen Detektor anzugeben. Die Lösung geht davon aus, daß aus einem Diamantkristall
ein Körper, dessen Stärke die Weglänge der Ladungsträger im Kristall nicht übersteigt, ausge-
ao schnitten und dieser an seinen gegenüberliegenden Flächen mit Kontakten versehen wird, und besteht
erfindungsgemäß darin, daß der Kristallkörper im Vakuum bei einer Temperatur von 1000 bis 1300° C
geglüht und anschließend auf der einen Fläche mit einem Sperrkontakt und auf der anderen Fläche mit
einem Injektorkontakt versehen wird. Vorteilhaft wird durch das Glühen die Lebensdauer der Ladungsträger
erhöht. Um die Geschwindigkeit der Oberflächenrekombination der Ladungsträger zu verringern,
kann man vor dem Anbringen der Kontakte nötigenfalls die geglühte Platte des Diamantkristalls
durch Erhitzen in einem sauerstoffhaltigen Medium ätzen.
Zur Bildung des Sperrkontaktes und des Injektionskontaktes trägt man auf beide Seiten der Kristallplatte eine Silber-, Gold- oder Platinpaste auf und
erhitzt die Platte bis zu einer Temperatur von 500 bis 700° C und hält sie 2 bis 3 Stunden auf dieser
Temperatur, um das Metall einzubrennen.
Zur Herstellung des Sperrkontaktes und des Injektionskontaktes kann man auf beide Seiten der
Kristallplatte eine Lösung der Salze eines der Metalle Gold, Silber oder Platin auftragen und die
Platte im Verlauf weniger Minuten bis auf eine Temperatur von 500 bis 7000C erhitzen, um die
betreffenden Metallverbindungen zu reduzieren.
Zur Herstellung eines Graphitkontaktes, der Elektronen
und Defektelektronen injiziert, trägt man auf eine Seite der Diamantkristallplatte eine kolloidale
Graphitsuspension auf und erhitzt die Platte ungefähr drei Stunden lang im Vakuum bis auf eine Temperatur
von 500 bis 600° C.
Zur Herstellung des Sperrkontaktes dampft man im Vakuum auf eine Seite der Diamantkristallplatte
Gold, Silber oder Platin auf. In einer Reihe von Fällen graphitisiert man die Diamantkristallplatte
zur Herstellung des Sperrkontaktes vorteilhaft in einem Vakuum von 0,1 Torr durch ungefähr 30 Minuten
langes Erhitzen auf eine Temperatur von 1000 bis 1300° C.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Detektor,
F i g. 2 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Detektor, der eine mit Kontakten versehene Diamantkristallplatte mit einer Vertiefung enthält.
5 6
Der Detektor (F i g. 1) wird von einer Platte 1 ge- verbunden ist, begrenzt. Somit entsteht durch die
bildet, die an den gegenüberliegenden Seiten mit Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit und
Kontakten 2 und 3 versehen ist. Die Platte besteht folglich auch kein Rauschen. Bei einer Störung des
aus einem Diamanten, in welchem die Weglänge der Feld- und Ladungsgleichgewichtes innerhalb des
Elektronen größer als die der Defektelektronen ist. 5 Kristalls infolge einer Polarisation, die durch die ein-Deshalb
ist der Kontakt 2 aus Silber hergestellt, das fallende Kernstrahlung hervorgerufen wurde, stellen
in Verbindung mit einem derartigen Diamanten beim jedoch die vom Kontakt 2 injizierten Ladungsträger
Anlegen eines positiven Potentials Defektelektronen den ursprünglichen stationären Zustand des Kristalls
injiziert. Der gegenüberliegende Kontakt 3, der aus wieder her. Da die erhöhte Bedeutung der Feldstärke
Gold gefertigt wurde, ist beim Anlegen eines nega- io in der Ionisationszone bei Verwendung eines Detektiven
Potentials ein Sperrkontakt in bezug auf die tors zur Registrierung von Kernstrahlung mit geringer
Ladungsträger. Eindringtiefe die Verluste im Elektronenlochplasma Die Kernstrahlung, die von der Seite des Sperr- verringert, wird der Sperrkontakt zweckmäßig an der
kontaktes 3 her auf den Detektor auftrifft, ruft eine bestrahlten Seite der Platte 1 angebracht.
Ionisation in der Diamantkristallplatte hervor. Die 15 Die Ladungsträger, in diesem Falle Defekteleksich
infolge der Ionisation bildenden Ladungsträger, tronen, die sich im angelegten Feld zum Sperrnämlich
Elektronen und Defektelektronen, bewegen kontakt 3 bewegen, können ebenfalls an den Haftsich
unter der Einwirkung des angelegten Feldes zu stellen aufgefangen werden. Allerdings befinden sich
den Kontakten. Dabei bewegen sich die Elektronen diese aufgefangenen Defektelektronen in einer Ionizum
Kontakt 2 und die Defektelektronen zum Kon- 20 sationszone und können von Ladungsträgern mit
takt 3. entgegengesetztem Vorzeichen, d. h. von Elektronen
Die Dicke der Kristallplatte 1 ist nicht größer als neutralisiert werden.
die Weglänge der Ladungsträger im Diamantkristall Dadurch, daß die Dicke der Diamantkristallplatte
unter der Einwirkung des angelegten Feldes. Für nicht größer als die Weglänge der Ladungsträger ist,
Detektoren, die die Ladungsträger vollständig sam- 25 und dadurch, daß das Kontaktsystem entsprechendermein
sowie ein hohes Energieauflösungsvermögen weise ausgewählt ist. sammelt der erfindungsgemäß
und eine gute Zählausbeute aufweisen sollen, muß ausgebildete Detektor die Ladungen vollständig und
die Bedingung d < δ — μτΕ eingehalten werden, wird auch bei längerer Bestrahlung nicht polarisiert,
worin μ die Beweglichkeit der Ladungsträger, τ die Analog dazu kann ein Detektor aus Diamant-Lebensdauer
der Ladungsträger, E die Stärke des 30 kristall hergestellt werden, in welchem die Weglänge
angelegten Feldes, δ die Entfernung, die von den der Elektronen geringer als die der Defektelektronen
Ladungsträgern unter der Einwirkung des angelegten ist. Ein solcher Detektor unterscheidet sich vom zuFeldes
zurückgelegt wird, und d die Plattendicke des vor beschriebenen dadurch, daß der Kontakt an der
Diamantkristalls ist. bestrahlten Seite in bezug auf die Elektronen der
Es ist bekannt, daß in Diamanten, in denen die 35 Sperrkontakt ist und an ihn ein positives Potential
Konzentration der Stickstoffatome, die durch die op- angelegt wird, während der gegenüberliegende Kontische
Absorption bei einer Wellenlänge von 7,8 μΐη takt Elektronen injiziert und an ihn ein negatives
bestimmt wird, niedriger als 1019 cm~3 ist, die Be- Potential angelegt wird.
weglichkeit der Elektronen bei Zimmertemperatur Der in Fig. 2 gezeigte Detektor ist aus einer
ungefähr 2000 cm2/Vsec und die der Defektelektro- 4° Diamantkristallplatte, deren Dicke um vieles größer
nen 1500 cm2/Vsec beträgt. Die Lebensdauer der als die Weglänge der Ladungsträger ist, angefertigt.
Ladungsträger in reinsten Diamantkristallen liegt im Infolgedessen wird in der Diamantkristallplatte eine
Bereich von 10~9 bis 10~8 Sekunden. Untersuchun- Vertiefung erzeugt, deren Bodendicke nicht größer
gen haben ergeben, daß sich in starken elektrischen als die Weglänge der Ladungsträger ist. Dieser
Feldern bei Zunahme des Feldes die Beweglichkeit 45 Detektor arbeitet analog dem oben angeführten, verder
Elektronen und der Defektelektronen im Diamant fügt aber über eine erhöhte mechanische Festigkeit
verringert, und zwar zunächst proportional E~m und infolge des stärkeren Umfangsbereichs und ist in
dann, beginnend bei einer Feldstärke von 10* V/cm, seiner Handhabung bedeutend bequemer,
proportional E~1 für Elektronen bei Zimmertempe- Der oben beschriebene Diamantdetektor ist aus
ratur. Somit trifft für die Driftgeschwindigkeit, die 50 natürlichem Diamant mit einem Stickstoffgehalt von
gleich μΕ ist, in starken Feldern Sättigung ein, deren weniger als 1019 Atome cm~3 hergestellt. Die AusGrenzwert für Elektronen bei Zimmertemperatur wahl der Kristalle für die Detektorherstellung wird
gleich 107 cm/Sek. ist. Folglich beträgt bei einer nach Abschätzung der mittleren Lebensdauer der
Lebensdauer der Ladungsträger von 10~8 Sekunden Ladungsträger im Kristall durch Messen des Photodie
optimale Dicke der Diamantkristallplatte für 55 stromes bei einer Wellenlänge von 250 miim durcheinen
alle Ladungsträger sammelnden Detektor 0,2 geführt. Die Photoleitfähigkeit hat bei der Wellenbis
0,3 mm. Bei kürzerer Lebensdauer der Ladungs- länge von 250 mum Störstellencharakter, und der
träger muß die Diamantkristallplatte eine geringere optische Absorptionskoeffizient der Proben liegt bei
Dicke haben, die nach der oben angeführten Formel dieser Wellenlänge im Intervall von 5 bis 15 cm"1,
bestimmt wird. 60 Unter diesen Bedingungen kann man mit einer Ge-Bei der Bewegung der Elektronen zum Kontakt 2 nauigkeit von 50% davon ausgehen, daß das Licht
bleibt ein kleiner Teil an Haftstellen, die im Kristall in den Kristallen vollständig absorbiert wird,
immer anwesend sind, haften. Infolgedessen wird die Somit kann man aus der Größe des Photostromes
Diamantkristallplatte polarisiert. Der injizierende die für den Kristall maßgebende mittlere Lebens-Kontakt
2 ist zur Beseitigung der Polarisation vor- 65 dauer abschätzen, ohne den Absorptionskoeffizienten
gesehen. Weil im Diamant tiefliegende Haftstellen zu messen. Für die Herstellung von Detektoren werexistieren,
sind die Injektionsströme vom Kontakt 2 den Kristalle mit einer mittleren Lebensdauer von
durch die Raumladung, die mit diesen Haftstellen mehr als 10 ~9 Sekunden ausgesucht.
Die auf diese Weise ausgesuchten Kristalle werden in Platten mit einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm zerschnitten.
Nach dem Schneiden werden die Kristalle in einem Vakuum von 10~6Torr 6 bis 8 Stunden
lang bei einer Temperatur von 1000 bis 1300° C geglüht. Durch die Wärmebehandlung wird die Lebensdauer
der Ladungsträger wesentlich erhöht.
Die Lebensdauer der Ladungsträger in den geglühten Platten schätzt man nach der zuvor erwähnten
Methode bei Wellenlängen von 225 und 220 πΐμΐη ίο
ab. Bei diesen Wellenlängen beginnt im Diamant die Kantenabsorption. Die entsprechenden Absorptionskoeffizienten betragen 20 bzw. 1000 cm"1. Aus der
Größe des Photostromes bei der Wellenlänge von 225 πΐμπι wird die für den Kristall maßgebende mittlere
Lebensdauer abgeschätzt, während man bei der Wellenlänge von 220 πΐμΐη (die Eindringtiefe des
Lichtes beträgt ungefähr 20 μΐη) den Einfluß der Oberflächenrekombination auf die Größe der Photoleitfähigkeit
abschätzt. ao
Für die weitere Bearbeitung sucht man Platten mit einer mittleren Lebensdauer von etwa 10~8 Sekunden
und mehr aus.
In einer Reihe von Fällen erweist sich die Oberflächenrekombination
als wesentlich. Eine Verringerung der Oberflächenrekombinationsrate wird durch
Ätzen der Proben mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 800 bis 900° C unter atmosphärischen Bedingungen
im Verlaufe einiger Minuten erreicht. Wenn die Diamantplatte nach dem Zerschneiden,
Glühen und Ätzen dicker ist als für das vollständige Sammeln der Ladungen notwendig ist, vermindert
man die Dicke der Platte beispielsweise durch Polieren, Schleifen oder Ätzen bis zum gewünschten Wert.
Nach einer solchen mechanischen Bearbeitung wird die Kristallplatte wieder der oben angeführten
Wärmebehandlung und Ätzung unterworfen.
Auf eine derart vorbereitete Platte trägt man die Kontakte auf. Das einfachste Herstellungsverfahren
zur Bildung eines Kontaktes, der Defektelektronen injiziert, besteht im Auftragen von Silberpaste auf
der einen Seite der Platte, die anschließend unter Atmosphärendruck bei einer Temperatur um 600° C
2 bis 3 Stunden lang eingebrannt wird. Zur Herstellung des Sperrkontaktes auf der gegenüberliegenden
Seite der Platte dampft man im Vakuum bei Zimmertemperatur Gold auf.
Auf analoge Weise kann man einen Kontakt, der Defektelektronen injiziert, auf der einen Seite der
Platte durch Einbrennen einer Paste aus Gold oder Platin herstellen. Außerdem kann man einen Kontakt,
der Defektelektronen injiziert, durch Reduktion von Platin, Silber oder Gold aus einer Lösung ihrer
Salze bilden, indem man die Diamantkristallplatte, auf die die Lösung aufgetragen wird, einige Minuten
lang bis auf eine Temperatur von 500 bis 7000C
erhitzt.
Zur Herstellung eines Graphitkontaktes, der Elektronen und Defektelektronen injiziert, trägt man auf
eine Seite der Diamantkristallplatte eine kolloidale Graphitsuspension auf und erhitzt die Platte im
Vakuum ungefähr 3 Stunden lang auf 500 bis 6000C.
Dann dampft man an der gegenüberliegenden Seite zur Herstellung eines Sperrkontaktes Gold auf.
In einigen Fällen wird der Sperrkontakt auch so hergestellt, daß man die Diamantkristallplatte durch
Erhitzen in einem Vakuum von 0,1 Torr bei einer Temperatur von 1000 bis 1300° C ungefähr 30 Minuten
graphitisiert. Danach entfernt man die entstandene Graphitschicht von einer Seite, trägt darauf
eine kolloidale Graphitsuspension auf und erhitzt die Platte im Vakuum bis auf eine Temperatur von 500
bis 600° C, um den injizierenden Kontakt herzustellen. Ebenso kann man den injizierenden Kontakt
nach Entfernung der obenerwähnten Schicht herstellen, indem man in der oben angegebenen Weise
im Vakuum eine Paste aus Silber einbrennt.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Kernstrahlungsdetektor aus Diamant besitzt eine Reihe von Vorzügen.
Er kann Kernteilchen mit einer Reichweite bis zu 2 · 10~2 cm registrieren und ist bei Zimmertemperatur
und höheren Temperaturen funktionsfähig. Außerdem weist er ein hohes Energieauflösungsvermögen,
das bei Zimmertemperatur 7% beträgt, sowie eine Zählausbeute von 100% auf und gewährleistet eine vollständige Sammlung der Ladungsträger,
wobei er sich auch bei langanhaltender Bestrahlung nicht polarisiert.
Claims (21)
1. Kernstrahlungsdetektor, bestehend aus einem Diamantkörper mit zwei an gegenüberliegenden
Flächen desselben angebrachten Kontakten, von denen einer für das Anlegen eines positiven
Potentials und der andere zum Anlegen eines negativen Potentials dient, wobei die Dicke des
zwischen beiden Kontakten liegenden Arbeitsbereiches des Diamantkörpers nicht größer als die
Weglänge der Ladungsträger im Diamantkörper unter der Wirkung des angelegten elektrischen
Feldes ist, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Strahlungseinfallseite des Diamantkörpers
(1) angeordnete Kontakt als Sperrkontakt (3) für die im Diamant wirksamen Ladungsträger
ausgebildet ist, daß der dem Sperrkontakt (3) gegenüberliegende Kontakt (2) aus einem solchen
Material besteht und mit dem Diamantkörper (1) derart verbunden ist, daß er bei angelegtem elektrischen
Feld als Ladungsträgerinjektor wirkt.
2. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 mit einem Körper aus einem Diamant, in dem die
Weglänge der Elektronen größer als die der Defektelektronen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ladungsträger injizierende Kontakt (2) aus einem Material besteht, das in Verbindung mit
dem Diamant als Defektelektroneninjektor wirkt, und daß dieser Kontakt (2) zum Anlegen des
positiven Potentials dient.
3. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 mit einem Körper aus einem Diamant, in dem die
Weglänge der Elektronen kleiner als die der Defektelektronen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ladungsträger injizierende Kontakt (2) aus einem Material besteht, das in Verbindung
mit dem Diamant als Elektroneninjektor wirkt, und daß dieser Kontakt (2) zum Anlegen des
negativen Potentials dient.
4. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantkörper
(1') auf der mit der einen (2') der Elektroden versehenen Seite eine Vertiefung aufweist und daß
seine Dicke zwischen dem Boden der Vertiefung
109 532/238
und der anderen Elektrode (3) nicht größer ist als die Weglänge der Ladungsträger im Diamant
(Fig. 2).
5. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) aus einer durch Erhitzen des Diamants gebildeten Graphit-Oberflächenschicht des Diamantkörpers
(1) besteht.
6. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträger
injizierende Kontakt (2) aus Graphit besteht.
7. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3)
und der Defektelektronen injizierende Kontakt (2) aus Silber bestehen.
8. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) und der Defektelektronen injizierende Kontakt (2) aus Gold bestehen.
9. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, ao dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3)
und der Defektelektronen injizierende Kontakt (2) aus Platin bestehen.
10. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) «5
und der Defektelektronen injizierende Kontakt
(2) durch Dotierung der betreffenden Oberflächenschichten des Diamantkörpers (1) mit Bor
gebildet sind.
11. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) und der Defektelektronen injizierende Kontakt (2) durch Dotierung der betreffenden Oberflächenschichten
des Diamantkörpers (1) mit Aluminium gebildet sind.
12. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) und der Elektronen injizierende Kontakt (2) durch Dotierung der betreffenden Oberflächenschichten
des Diamantkörpers mit Phosphor gebildet sind.
13. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) und der Elektronen injizierende Kontakt (2) durch Dotierung der betreffenden Oberflächenschichten
des Diamantkörpers mit Lithium gebildet sind.
14. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt
(3) und der Elektronen injizierende Kontakt (2) so durch Einlagerung von Kohlenstoff in die betreffenden
Oberflächenschichten des Diamantkörpers (1) gebildet sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kernstrahlungsdetektors nach einem der Ansprüche 1
bis 14, bei dem ein aus Diamant in einer Stärke, die die Weglänge der Ladungsträger im Diamant
nicht übersteigt, hergestellter Körper an gegenüberliegenden Flächen mit Kontakten versehen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper im Vakuum bei einer Temperatur von 1000 bis
1300° C geglüht und anschließend auf der einen Fläche mit einem Sperrkontakt und auf der anderen
Fläche mit einem Injektorkontakt versehen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der geglühte Diamantkörper
zur Verringerung der Oberflächenrekombinationsrate vor dem Anbringen der Kontakte durch Erhitzen
in einem sauerstoffhaltigen Medium geätzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf beide Kontaktflächen des
Diamantkörpers eine eines der Metalle Silber, Gold oder Platin enthaltende Paste aufgetragen
und anschließend der Körper bis auf eine Temperatur von 500 bis 700° C erhitzt und das Metall
der Paste zur Herstellung des Kontaktes und des Injektionskontaktes eingebrannt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf beide Kontaktflächen des
Diamantkörpers eine Lösung eines Salzes der Metalle Silber, Gold oder Platin aufgetragen und
anschließend der Körper bis auf eine Temperatur von 500 bis 700° C erhitzt wird, wobei das Metall
zur Herstellung des Sperrkontaktes und des Injektionskontaktes reduziert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Fläche des Diamantkörpers
der Sperrkontakt aufgebracht und anschließend auf die gegenüberliegende Fläche eine
kolloidale Graphitsuspension aufgetragen wird und daß der Körper dann zur Bildung des Injektionskontaktes
im Vakuum bis auf eine Temperatur von 500 bis 600° C erhitzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantkörper zur Herstellung
des Sperrkontaktes durch Erhitzen im Vakuum oberflächlich graphitisiert wird und daß
anschließend von einer der Flächen die Graphitschicht entfernt und statt dessen eine kolloidale
Graphitsuspension aufgetragen wird, worauf die Platte zur Herstellung des Injektionskontaktes
im Vakuum bis auf eine Temperatur von 500 bis 600° C erhitzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantkörper zur Herstellung
des Sperrkontaktes durch Erhitzen im Vakuum oberflächlich graphitisiert und daß anschließend
von einer der Flächen die Graphitschicht entfernt und statt dessen eine Silber-,
Gold- oder Platinpaste aufgetragen wird, worauf der Körper im Vakuum bis auf eine Temperatur
von 500 bis 7000C erhitzt und das Metall der
Paste zur Herstellung des Injektionskontaktes eingebrannt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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