DE1800578B2 - Strahlungsdetektor - Google Patents

Strahlungsdetektor

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zum ortsabhängigen Detektieren und/oder Messen von Strahlung, insbesondere Teilchenstrahlung, enthaltend eine Halbleiterplatte mit einem gleichrichtenden Übergang, bei dem eine der großen Oberflächen der Platte mit einer Elektrode versehen ist, während die Platte auf der gegenüberliegenden Seite eine Widerstandsschicht mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als dem der Platte aufweist, die auf der von der Platte abgewandten Seite mit wenigstens zwei Elektroden versehen ist.
Ein solcher Detektor ist bekannt aus »Nuclear Instruments and Methods« (1966), 190- 194.
Die Bestimmung des Auftreffpunktes der Teilchen beruht auf einem bekannten Effekt, dem sog. lateralen photovoltaischen Effekt, nach dem ein geladenes Teilchen, das einen Halbleiterübergang durchsetzt, Elektronenlöcherpaare bildet, die nicht nur einen transversalen Strom zwischen den zwei Seiten des Überganges, sondern auch laterale Ströme liefern. Mit diesen, in einer homogenen Kollektorschicht, deren Widerstand schwach und linear sein muß, auftretenden lateralen Strömen, die in Form von Spannungsimpulsen auf an geeigneten Stellen an dieser Schicht angeordneten Kontaktelektroden übertragen werden können, kann die Stelle des Teilchens bestimmt werden, denn es besteht ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Amplitude der erhaltenen Signale und dem Abstand vom Auftreffpunkt auf diesen Kontakten.
Es ist auch bekannt, daß das Verhältnis und die Zeit der Sammlung der Träger sowie der Wert der empfangenen Spannung nicht nur von der Art der Kollektorschicht, sondern auch von der Tiefe der Erschöpfungszone abhängt, also von der in der Sperrichtung angelegten Polarisationsspannung und vom spezifischen Widerstand des den Detektor bildenden Halbleitermaterials: es ist daher zum Aufrechterhalten einer guten Genauigkeit der Messung, insbesondere in dem Falle, in dem die Teilchen nicht senkrecht auf die Oberfläche des Detektors auftreffen, notwendig, diese Tiefe zu beschränken.
Die Strahlungsdetektoren, mit denen der Auftreffpunkt der Teilchen bestimmt werden kann, sind folgendermaßen aufgebaut:
Eine Halbleiterplatte mit einem Übergang bildet den Körper der Vorrichtung und sorgt für die mechanische Festigkeit des Systems.
Auf dieser Platte sind mehrere Elektroden angeord- ·"· net. Die erste ist auf die Auftrefffläche der Teilchen angeordnet, welche Fläche zuvor mit einer dünnen Schicht aus einem leitenden Metall bedeckt ist, während wenigstens zwei Elektroden auf der gegenüberliegenden Fläche angeordnet sind.
ι» Bei anderen, z. B. aus »IEEE-Transactions on Nuclear Science« NS 12, Nr. 1, 1965, S. 247-254, bekannten Detektoren nimmt die Tiefe der Erschöpfungszone nicht die ganze Dicke der Halbleiterplatte ein; diese nicht erschöpfte Schicht spielt die Rolle eines
π Widerstandes. Diese Detektoren haben einige Nachteile:
Die Kollektorschicht hat den spezifischen Widerstand der Basisplatte, der nichi notwendig auch der optimale Wert für den Widerstand der Kollektorschicht ist.
Bei Detektoren mit großen Abmessungen ist es schwer, einen homogenen Kristall und daher eine Schicht mit linearem Widerstand zu erhalten;
die Tiefe der Erschöpfungszone muß bestimmt sein, weshalb es notwendig ist, der Polarisationsspannung
-'■) einen genauenWert aufzuerlegen und diesen dauernd zu kontrollieren.
Bei späteren Detektoren (siehe den eingangs genannten Stand der Technik) nimmt die Erschöpfungszone die ganze Dicke der Platte ein und die
in Kollektorschicht wird durch Niederschlagen eines Metalles oder einer Metall-Legierung auf der Fläche der genannten Platte, die der eintreffenden Strahlung gegenüberliegt, angeordnet. Auch diese Detektoren haben Nachteile:
iri Die Wahl der verwendbaren Metalle zur Bildung der Kollektorschicht ist beschränkt.
Ein homogener Niederschlag, der nach Art, Dicke und also Widerstand konstant ist, ist schwer anzuordnen und zu reproduzieren.
Das Haften des Niederschlages auf der Platte ist
- unsicher und wegen der Unterschiede, die zwischen den Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente bestehen, bleiben die Stoßfestigkeit und die Festigkeit gegen Wärmebehandlungen nur mittelmäßig:
·!"> Die Notwendigkeit, eine gute mechanische Festigkeit aufrechtzuerhalten, fordert die Anwendung von dicken Platten, also von tiefen Erschöpfungszonen, die in bestimmten Fällen eine Ungenauigkeit in die Messung einführen.
to Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der zur Erzieleung hoher mechanischer Festigkeit und guter Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturänderungen eine möglichst homogene und gut haftende Wider-
Ti Standsschicht aufweist, die leicht reproduzierbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Detektor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Widerstandsschicht eine epitaxiale Halbleiterschicht ist.
wi Der Detektor nach der Erfindung hat folgende Vorteile.
Die in den letzten Jahren in der Technik der epitaxialen Niederschläge gemachten Fortschritte machen es jetzt möglich, eine sehr homogene Schicht
hr> niederzuschlagen und zu reproduzieren.
Das Material, die Dicke, die Dotierung und der spezifische Widerstand der Kollektorschicht können abhängig von der Platte oder vom Substrat gewählt
werden und können leicht gemäß der erwünschten Charakeristiken des Detektors geändert werden.
Die Qualität der mechanischen Verbindung zwischen der Kollektorschicht und dem Substrat ist ausgezeichnet, was der Tatsache zu verdanken ist, daß die Epitaxialschicht, die man auf dem Substrat anwachsen läßt, ein Ganzes mit dem Substrat bildet, wodurch einerseits ein uniformer und genügender Kontakt und andererseits eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit und Festigkeit gegen thermische Behandlungen erhalten wird, was die Zuverlässigkeit des Detektors bedeutend erhöht.
Die Polarisationsspannung des Detektors kann höher gewählt werden als zur Bildung der Erschöpfungszone in der ganzen Dicke der Platte erforderlich ist und braucht nicht mehr auf einem sehr genauen Wert gehalten und also nicht mehr von einem Gerät ausgezeichneter Qualität geliefert zu werden. Außerdem verbessert die Tatsache, daß die Spannung bedeutend erhöht werden kann, die Sammluigszeit.
Die mechanische Fesfigkeit des Systems kann durch die Halbleiterplatte mit einem hohen spezifischen Widerstand gesichert werden, aber in einer Abwandlung der vorliegenden Erfindung kann sie auch durch die Epitaxialschicht selbst gebildet werden, der man dann eine große Dicke gibt. Bei dieser Abwandlung kann also die Anfangsplatte dünner gemacht werden und kann man die zurückbleibende dünne Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand als Erschöpfungszone verwenden und bereits durch die Dicke dieser Schicht eine Verbesserung der Genauigkeit der Messung erhalten.
Die Erfindung wird an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Detektors nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Detektors nach der Erfindung.
Der in F i g. 1 dargestellte Detektor ist eine Halbleiterdiode mit einem Übergang mit überlagerten aufeinanderfolgenden Schichten; eine erste dünne Schicht 1 aus einem Edelmetell, durch die die zu delektierenden Teilchen treten, und deren Richtung in der Figur mit dem Pfeil F bezeichnet ist, dient als Kontaktelektrode; eine der unterliegende Schicht 2 ist eine Inversionsschicht, die in einem oxydierenden Medium auf einer Siliziumplatte 3 vom η-Typ mit hohem Widerstand, die auch die mechanische Festigkeit sichert, angeordnet ist. Die Schicht 2 und die Platte 3 bilden also einen scharfen Übergang, der durch die Linie
4 dargestellt ist. Eine unter der Platte 3 liegende Schicht
5 ist eine epitaxiale Widerstandsschicht vom η+ Typ, die dünner, stärker dotiert und daher von einem schwächeren spezifischen Widerstand ist. Teile 6 und 7 eus einem Edelmetall, die auf der Fläche der Schicht 5 gegenüber der Platte 3 anhaften, bilden Kontaktelektroden. Eine umgekehrte Polarisationsspannung wird zwischen die Elektroden 1 einerseits und 6 und 7 andererseits angelegt, wodurch der Detektor mit einem Kondensator vergleichbar ist, dessen Dielektrikum die so gebildete Erschöpfungszone sein würde. Wenn ein Teilchen auf die Detektoroberfläche auftrifft, durchsetzt es die Schicht 1 ohne daß es merkbar absorbiert wird, wegen der sehr kleinen Dicke dieser Schicht; beim Eindringen in den Kristall erzeugt es eine Ladung an den Klemmen des »Kondensators, des Detektors, und diese Ladung erscheint gleichzeitig in Form von Sienalen an den Elektroden 1, 6 und 7. Die Summe der empfangenen Signale an den Elektroden 6 und 7 ist gleich dem an der Elektrode 1 empfangenen Signal aber von entgegengesetzter Polarität. Eine geeignete äußere Vorrichtung verstärkt und mißt diese Signale, wodurch auf bekannte Weise der Auftreffpunkt der Teilchen bestimmt wird.
Die Herstellung einer solchen Vorrichtung ist einfach: sie besteht darin, daß man nach dem bekannten Epitaxial-Niederschlagsverfahreti auf einer Fläche einer
lu einkristallen η-Typ Siliziumplatte oder eines Substrats vom η-Typ von einem starken spezifischen Widerstand (300 bis lOOOOOhmcm) mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 μΐη, eine dünne Schicht 5 vom η +Typ, die stark dotiert und also von einem schwachen spezifischen Widerstand ist (10 bis 102Ohm · cm), die schließlich die Kollektorschicht bildet, anwachsen läßt.
Die Dotierungskonzentration der Schicht 5 ist vorzugsweise wenigstens in der Größenordnung von 1014 bis IO17 At. pro cm3, und als Dotierung wird vorzugsweise Phosphor verwendet. Das Verfahren, daß bei einer Temperatur von etwa 1300°C während einiger Minuten durchgeführt wird, liefert so eine Dicke von 10 μπι auf der Schicht 5.
Auf der anderen Fläche des Substrats 3 wird der
2r> Übergang 4 durch Bloßlegen des Kristalles und verlängerte Oxydation an der Luft angeordnet, wodurch die Umkehrschicht 5 erhalten wird, wobei das Bloßlegen des Kristalles durch eine chemische Reinigung mittels eines Bades, das zum Beispiel Salpetersäure, Fluorwas-
H) serstoffsäure und Essigsäure enthält, durchgeführt werden kann.
Die Elektroden 1,6 und 7 werden dann nach bereits in
der Halbleitertechnik bekannten Verfahren angeordnet.
Die dielektrische Schicht des Detekiors wird dadurch
jr> erhalten, daß eine Polarisationsspannung in der Sperrichtung, deren Größe von der Dicke des Substrats und der nachgesuchten Sammlungszeit abhängig ist, an der Kristall angelegt wird.
Mit einer nach obigem Verfahren hergestellten
■to Vorrichtung können wegen der Linearität des durch die Epitaxialschicht gebildeten Widerstandes genaue Messungen durchgeführt werden. Außerdem kann durch die Tatsache, daß ein Substrat mit einem hohen spezifischen Widerstand gewählt wird, daß ein scharfer Übergang
•Γ) gebildet wird und daß eine Spannung angelegt wird, die sehr viel höher ist als der zum Erschöpfen der ganzen Dicke des genannten Substrats erforderliche Wert, die Sammlungszeit der Träger auf etwa 0.1 ns gebracht werden, und daher kann diese Vorrichtung bis auf
w Frequenzen in der Größenordnung von 10 GHz verwendet werden.
In der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform erhält der Detektor die Teilchen (Pfeil F) durch eine dünne, als Elektrode dienende Metallschicht 11;
rn eine unterliegende Schicht 12 ist gleich der Schicht 2 aus Fig. 1 und bildet mit einer Platte oder einem Substrat 13 von geringer Dicke einen durch die Linie 14 bezeichneten scharfen Übergang, wobei die genannte Platte 13 in diesem Fall aus η-Typ Silizium mit einem
ho hohen spezifischen Widerstand besteht. Eine Schicht 15 stellt üie Epitaxialschicht n+ dar, die als Träger dient und auf der die Elektroden 16 und 17 angeordnet sind. Bei der Herstellung dieses Detektors kann als Aiisgangsmaterial ein Substrat 13 von einem hohen
iv"> spezifischen Widerstand und mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 μΐη verwendet werden, auf einer deren Flächen man eine Epitaxialschicht 15 mit einem niedrigem spezifischen Widerstand aber mit
großer Dicke von der Größenordnung von 150 bis 200 μίτι anwachsen läßt.
Das Substrat 13 wird dann durch mechanisches Schleifen und chemische Behandlung auf der der Schicht 15 gegenüberliegenden Fläche dünner gemacht, so daß nur eine dünne Schicht von z.B. 10 μπι Dicke zurückbleibt. Die chemische Behandlung bildet dann die Inversionsschicht 12, die man durch Aussetzen an der Luft verbessern kann. Dann werden mit den üblichen Verfahren die Elektroden 11,16 und 17 angeordnet.
Diese zweite Ausführungsform weist eine zusätzlichen Verbesserung des Detektors auf: es ist tatsächlich bekannt, daß es aus Gründen der Montage odei Zuverlässigkeit (insbesondere Durchschlag) wichtig ist
ί eine ganz erschöpfte Zone zu erhalten wobei nur eine Spannung mit beschränktem Wert verwendet wird Diese Ausführungsform bietet diese Möglichkeit, da die Zone mit einem hohen spezifischen Widerstand vor sehr geringer Dicke und also mit einer schwacher
κι Spannung erschöpft ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Detektor zum ortsabhängigen Detektieren und/oder Messen von Strahlung, insbesondere Teilchenstrahlung, enthaltend eine Halbleiterplatte mit einem gleichrichtenden Übergang, bei dem eine der großen Oberflächen der Platte mit einer Elektrode versehen ist, während die Platte auf der gegenüberliegenden Seite eine Widerstandsschicht mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als dem der Platte aufweist, die auf der von der Platte abgewandten Seite mit wenigstens zwei Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wideirstandsschicht eine epitaxiale Halbleiterschicht ist.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der "latte mindestens 300 Ohm · cm und der spezifische Widerstand der Widerstandsschicht höchstens 10 Ohm · cm betrag!.
DE1800578A 1967-10-09 1968-10-02 Strahlungsdetektor Expired DE1800578C3 (de)

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DE1800578B2 true DE1800578B2 (de) 1978-02-09
DE1800578C3 DE1800578C3 (de) 1978-10-19

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JP (1) JPS4725400B1 (de)
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