DE19821293C2 - Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung - Google Patents

Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung, um radioaktive Strahlung zu detektieren, insbesondere eine Halbleiter- Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung zum Detektieren einer großen Menge einer Gesamtdosis radioaktiver Strahlung.
In den Bereichen der Raumfahrtindustrie und der Atomkraftindustrie ist eine Halblei­ ter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung, die einen MOS-Transistor oder ähnliches verwendet, weit verbreitet, um eine große Menge (bis 106 Gy) einer Ge­ samtdosis radioaktiver Strahlung zu detektieren. Die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung wird detektiert, indem die Änderung der elektrischen Eigenschaften des De­ tektionselementes detektiert wird, wenn das Element radioaktive Stahlung aufnimmt.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen, vom Prinzip beispielsweise aus dem US-Patent 4,213,045 bekannten Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung mit einem MOS-Transistoraufbau. Wie in Fig. 1 gezeigt, dienen in dieser Vorrichtung zwei n-Typ-Diffusionsfilme 2a bzw. 2b, die in einem p-Typ- Halbleitersubstrat 1 ausgebildet sind, als Source und Drain. In einem Kanalbereich zwischen den beiden n-Typ-Diffusionsfilmen 2a und 2b ist eine Gate-Elektrode 4 auf einer Gate-Elektroden-Isolierschicht 3 ausgebildet, die von dem Kanalbereich unter- und der Gate-Elektrode überdeckt wird. Über diesen Elementen ist ein Isolierfilm 7 aufgebracht und Elektroden 5 und 6 sind derart ausgebildet, daß sie mit den Diffusi­ onsfilmen 2a und 2b verbunden sind.
Die Elektroden 5 und 6 werden mit positiver Spannung und die Gate-Elektrode wird mit negativer Spannung versorgt. Durch Anschließen der Spannungen auf diese Wei­ se, wird eine Sperrschicht zwischen den beiden n-Typ-Diffusionsfilmen 2a und 2b ausgebildet. Wenn radioaktive Strahlung auf die Sperrschicht trifft, tritt Ionisation in der Sperrschicht auf und erzeugt positive und negative Ladungen. Die positiven und negativen Ladungen ändern den Wert des zwischen den Elektroden 5 und 6 fließende elektrischen Stromes. Durch Detektieren der Änderung des Wertes des elektrischen Stromes kann die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung, die auf das Element trifft, ermittelt werden.
In der DE 42 29 315 A1 ist ein Röntgendetektorelement offenbart, das aus min­ destens einem fotoleitenden plättchenförmigen Halbleiterkörper aus einem Verbin­ dungshalbleitermaterial und aus Elektroden auf beiden Hauptflächen besteht. Zur Ver­ größerung der Strahleneintrittsfläche an der Stirnseite des Halbleiterkörpers werden mehrere mit Elektroden versehene Halbleiterkörper stapelförmig übereinander aufge­ baut und elektrisch miteinander verschaltet.
In dem US-Patent 5,339,066 ist eine Widerstandsbank zur Energiemessung offenbart, bei der Widerstände in einer Bohrung eines würfelförmigen Körpers übereinander ein­ gebracht und parallel verschaltet sind. Durch Widerstandsmessung vor und nach ei­ nem Ereignis kann die Energie gemessen werden.
Beim Detektieren der Dosis radioaktiver Strahlung unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter-Detektionsvorrichtungen für radioaktive Strahlung, die den oben beschrie­ benen Aufbau haben, werden jedoch einige Probleme auftreten: Das Ausgangssignal des Detektionselementes, d. h. die elektrischen Eigenschaften des Elementes werden auch aufgrund der Temperaturänderung des Elementes geändert. Deshalb wird nicht nur die aufgrund der radioaktiven Strahlung, sondern auch gleichzeitig auch die auf­ grund der Temperaturänderung auftretende Änderung der Eigenschaften des Elemen­ tes detektiert werden und somit kann die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung wegen der Temperaturänderung nicht fehlerfrei detektiert werden.
Folglich kann unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter-Detektionsvorrichtungen für radioaktive Strahlung die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung in dem Umfeld wie Raumfahrt- oder Atomkraftindustrie Einrichtungen, in dem die Umgebungstempe­ ratur oder die Intensität der radioaktiven Strahlung sich im Laufe der Zeit oder mit sich verkleinernder/vergrößernder Fläche ändern wird, nicht mit hoher Genauigkeit detektiert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Halbleiter-Vor­ richtung zur Verfügung zu stellen, die eine Hochpräzisions-Detek­ tion der Gesamtdosis radioaktiver Strahlung ermöglicht, ohne von der Temperaturänderung in der Umgebung, in welcher die radioaktive Strahlung detektiert wird oder von der Hitze, die durch eine Ände­ rung der Intensität der radioaktiven Strahlung erzeugt wird, be­ einflußt zu werden.
Die erfindungsgemäße Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radio­ aktive Strahlung enthält ein isolierendes Substratteil, eine Mehr­ zahl von Halbleiter-Dünnschichten, die auf dem isolierenden Sub­ stratteil ausgebildet sind und von einem Leitfähigkeitstyp sind und in den Änderungsraten des Widerstandswertes aufgrund von Tem­ peraturänderungen gleich sind und in der Dicke verschieden sind, so daß sie sich in der Größe der Änderung des Widerstandswertes unterscheiden, der mit der Änderung der Gesamtdosis der radioakti­ ven Strahlung korrespondiert, wobei die Gesamtdosis der radioakti­ ven Strahlung auf der Basis eines Verhältnisses der Widerstands­ werte der Halbleiter-Dünnschichten detektiert wird.
Zusätzliche Aufgabe und Vorteile der Erfindung werden in der nach­ stehenden Beschreibung erläutert und werden zum Teil anhand der Beschreibung deutlich oder können durch Anwendung der Erfindung erfahren werden. Die Aufgabe und Vorteile der Erfindung können aufgrund der Einrichtungen und Zusammenstellungen, auf die vorste­ hend besonders hingewiesen wurde, realisiert und erhalten werden.
Die beigefügten Figuren, die in der Beschreibung enthalten sind und einen Teil von ihr bilden, stellen gegenwärtig bevorzugte Aus­ führungsformen der Erfindung dar und sie dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung, und der nachstehenden detaillier­ ten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine herkömmliche Halbleiter- Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung.
Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Halbleiter-Detek­ tionsvorrichtung für radioaktive Strahlung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Obenansicht einer Halbleiter-Detektions­ vorrichtung für radioaktive Strahlung gemäß einer Verkörperung der vorliegenden Erfindung.
Die Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird unten unter Be­ zugnahme auf die Figuren beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Halbleiter-Detektions­ vorrichtung für radioaktive Strahlung gemäß einer Verkörperung der vorliegenden Erfindung und Fig. 3 zeigt eine Obenansicht dersel­ ben. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist eine isolierende Schicht 12 aus SiO2 auf dem Substrat 11, das aus monokristallinem Si besteht, aus­ gebildet, um somit ein isolierendes Substrat zu bilden. Auf der isolierenden Schicht 12 sind zwei p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b, die eine gleiche Trägerdichte haben und sich voneinander in der Dicke unterscheiden, ausgebildet. Die beiden p-Typ-Si-Dünn­ schichten 13a und 13b sind mit einer isolierenden Zwischenschicht- Dünnschicht 14 überdeckt, die aus SiO2, Si3N4, PSG oder dergleichen besteht und mit der CVD-Technik aufgebracht wird.
Jede der p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b ist an beiden Enden mit zwei Kontaktlöchern versehen, die in der isolierenden Zwischenschicht-Dünnschicht 14 ausgebildet sind. Indem die Kon­ taktlöcher mit einem Leiter, beispielsweise Aluminium gefüllt wer­ den, erhält man Elektroden 15a und 15b, die mit der p-Typ-Si-Dünn­ schicht 13a verbunden sind und Elektroden 16a und 16b, die mit der p-Typ-Si-Dünnschicht 13b verbunden sind. Die beiden dicht beiein­ anderliegenden Elektroden 15b und 16a werden miteinander durch eine Leitung 17, die aus Aluminium oder dergleichen besteht, ver­ bunden, so daß die p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b in Reihe geschaltet sind.
Die Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung, die den oben genannten Aufbau hat, kann so ausgebildet werden, daß sie z. B. die folgenden Abmessungen hat: Die p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b sind mit einer Dicke um 5 µm bzw. um 0,5 µm ausgebil­ det und haben voneinander einen Abstand von etwa 10 µm. Die Elek­ troden 15a und 15b, mit denen die p-Typ-Si-Dünnschicht 13a verse­ hen ist, haben eine Tiefe von ungefähr 500 µm und die Elektroden 16a und 16b, mit denen die p-Typ-Si-Dünnschicht 13b versehen ist, haben eine Tiefe von ungefähr 500 µm.
Wie oben anhand eines Beispieles beschrieben, ist die Halbleiter- Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung bemerkenswert kom­ pakt ausgebildet, um die Temperaturverteilung in der Detektions­ vorrichtung selbst zu egalisieren, sie wird beispielsweise in ei­ ner Herstellungs-Technik gemäß den folgenden Verfahren (a) und (b) hergestellt:
  • a) Zuerst wird eine Si-Aktivschicht eines p-Typ-Wafers, der innen eine aus SiO2-gebildete isolierende Schicht aufweist (z. B. ein SOI [Silicon On Insulator] Wafer), geätzt, so daß zwei inselartige p- Typ-Si-Dünnschichten gebildet werden. Eine der inselförmigen p- Typ-Si-Dünnschichten wird danach durch mechanisches Polieren oder Plasmapolieren selektiv poliert.
    Auf den beiden inselartigen p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b, die auf diese Weise ausgebildet werden, wird eine isolierende Dünnschicht 14 durch CVD-Technik oder dergleichen aufgebracht. In die isolierende Dünnschicht 14 werden zwei Paare von Kontakt­ löchern eingebracht, die beide Enden jedes der p-Typ-Si-Dünn­ schichten 13a und 13b erreichen. Danach wird ein Leiter, bei­ spielsweise Al aufgebracht, um die Kontaktlöcher zu füllen und so gestaltet, daß vier Elektroden 15a, 15b, 16a und 16b ausgebildet werden. Die Elektroden 15b und 16a, die dicht beieinander liegen, werden miteinander durch eine Leitung 17, die aus Al oder derglei­ chen besteht, verbunden.
  • b) Als erster Schritt wird eine Si-Aktivschicht eines p-Typ-Wa­ fers, der innen eine aus SiO2 gebildete isolierende Schicht auf­ weist (z. B. ein SOI [Silicon On Insulator] Wafer), geätzt, um die inselförmige p-Typ-Si-Dünnschicht 13a auszubilden. Als nächstes läßt man p-Typ-Si, das die gleiche Zusammensetzung wie die p-Typ- Si-Dünnschicht 13a hat, auf der isolierenden Schicht 12 durch epi­ taxiales Wachstum aufwachsen. Das aufgebrachte p-Typ-Si wird ge­ ätzt, um eine andere p-Typ-Si-Dünnschicht, d. h. eine p-Typ-Si- Dünnschicht 13b, auszubilden. Der sich anschließende Prozeß ist derselbe, wie oben beschrieben.
Die Wirkungsweise der oben genannten Halbleiter-Detektionsvorrich­ tung für radioaktive Strahlung gemäß der Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Die Elektrode 15a wird von außen mit einer Spannung versorgt und die Elektrode 16b wird geerdet. Die Elektrode 15b ist der Aus­ gangspol dieser Vorrichtung. Der Ausgangswert liegt in der Diffe­ renz zwischen den Potentialen der Elektroden 15a und 16b, und ist die Teilspannung der an der Elektrode 15a angelegten Spannung, die durch den Spannungsabfall an den p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b hervorgerufen wird.
Wenn die erfindungsgemäße Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung radioaktive Strahlung absorbiert, wird eine Menge von feststehender positiver Ladung, die mit der Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung korrespondiert, in der isolierenden Schicht 12 und der isolierenden Dünnschicht 14 erzeugt. Die fest­ stehende positive Ladung erhöht den Widerstandswert des Bereiches, der mit der isolierenden Schicht 12 und der isolierenden Dünn­ schicht 14 verbunden ist. Im Verhältnis zum Ansteigen der Gesamt­ dosis der radioaktiven Strahlung steigt der Widerstandswert der p- Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b an.
Die Widerstands-Änderungsrate der p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b ändert sich entsprechend der Dicke. Die Widerstands-Änderungs­ rate der p-Typ-Si-Dünnschicht 13b, die eine Dicke um 0,5 µm hat, ist größer als die der p-Typ-Si-Dünnschicht 13b, die eine Dicke um 5 µm hat. Genauer gesagt, wenn die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung 10 6 Gy ist, ist die Widerstands-Änderungsrate der p-Typ- Si-Dünnschicht 13b 10 mal größer als die der p-Typ-Si-Dünnschicht 13a.
Aufgrund der Differenz zwischen den Widerstands-Änderungsraten der p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b kann die Gesamtdosis der radio­ aktiven Strahlung gemessen werden, indem der Ausgang der Elektrode 15b als Teilspannung der an der Elektrode 15a angelegten Spannung durch die p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b detektiert wird.
Auch beim Detektionselement der vorliegenden Erfindung kann ein Detektionsfehler beim Detektieren der Ausgangsspannung auftreten, der durch Abweichungen der Änderungsrate des Widerstandswertes aufgrund von Temperaturänderungen der p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b verursacht wird. Das Detektionselement der vorliegenden Erfindung ist jedoch wie oben beschrieben in einer solchen kompak­ ten Größe ausgebildet, daß die Temperaturen der die p-Typ-Si-Dünn­ schichten 13a und 13b als gleich angesetzt werden.
Desweiteren werden die p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b des De­ tektionselementes der vorliegenden Erfindung im gleichen Herstel­ lungsschritt ausgebildet und sie haben somit die gleiche Träger­ dichte. Deshalb kann der Fehler in der Änderungsrate des Wider­ standswertes der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die durch Temperaturänderung verursacht werden können, auf 100 ppm/°C oder weniger gedrückt werden: Eine vernachlässigbare Größe in Anbe­ tracht der Widerstands-Änderungsrate der p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b aufgrund der Änderung der Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung.
Wie oben beschrieben detektiert die erfindungsgemäße Vorrichtung die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung als Änderung des Ver­ hältnisses der Widerstandswerte zweier p-Typ-Si-Dünnschichten, deren Änderungsrate des Widerstandswertes aufgrund von Temperatur­ änderungen gleich ist und die in der Dicke verschieden voneinander sind. Deshalb kann durch Anwendung des erfindungsgemäßen Elementes die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung mit hoher Genauigkeit detektiert werden unter geringem Einfluß von Fehlern, die durch Temperaturänderungen des Detektionselementes verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Aus­ führungsform beschränkt. In der oben erwähnten Ausführungsform werden die beiden p-Typ-Si-Dünnschichten 13a und 13b, die in der Dicke verschieden sind, zur Detektion verwendet. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung kann auch durch Verwendung von zwei unter­ schiedlich dicken n-Typ-Si-Dünnschichten erreicht werden, wenn die beiden n-Typ-Si-Dünnschichten gleiche Trägerdichte haben. Die An­ zahl der gebildeten Si-Dünnschichten ist nicht auf zwei be­ schränkt, denn der gleiche Effekt kann auch durch Verwendung von mehr als zwei Si-Dünnschichten erreicht werden. Desweiteren kann die Vorrichtung in einer Größe hergestellt werden, die verschieden von der in der beispielhaften Ausführungsform erläuterten ist.
Wie oben beschrieben, weist das erfindungsgemäße radioaktive Strahlungs-Detektionselement ein isolierendes Substrat und eine Mehrzahl von Halbleiter-Dünnschichten auf, die die gleiche Leitfä­ higkeit haben und die gleiche Änderungsrate aufgrund von Tempera­ turänderungen des Widerstandswertes haben und unterschiedliche Dicke haben, so daß die Widerstands-Änderungsraten, die mit der Stärke der radioaktiven Strahlung korrespondieren, sich voneinan­ der untscheiden. Auf der Basis des Verhältnisses der Widerstands­ werte der Halbleiter-Dünnschichten ermittelt die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung. Der detektierte Wert ist somit nicht beeinflußt von der Tempera­ turänderung des Detektionselementes oder der Hitze, die durch ei­ nen Wechsel der Intensität der radioaktiven Strahlung erzeugt wird. Als Ergebnis kann eine Hochpräzisionsdetektion erreicht wer­ den.
Folglich kann durch Verwendung der erfindungsgemäßen Halbleiter- Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung die Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung mit hoher Präzision detektiert werden, sogar in einer Umgebung, in der die Umgebungstemperatur oder die Intensität der radioaktiven Strahlung sich im Laufe der Zeit än­ dert oder die Fläche vergrößert/verkleinert wird.
Zusätzliche Vorteile und Modifikationen, werden Fachleuten sofort deutlich. Deshalb ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten nicht auf hier gezeigte und beschriebene spezifische Details und dargestellte Ausführungsformen, begrenzt. Folglich können viele Variationen durchgeführt werden, ohne sich vom Wesen und Bereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts zu lösen, das in den bei­ gefügten Ansprüchen und deren Äquivalenzbereichen definiert ist.

Claims (5)

1. Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung, mit
einem isolierenden Substratteil (11, 12),
einer Mehrzahl von Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b), die auf dem isolierenden Substratteil (11, 12) ausge­ bildet sind, wobei die Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b), einen Leitfähigkeitstyp haben und in der Ände­ rungsrate des Widerstandswertes aufgrund von Temperatur­ änderungen gleich sind und unterschiedliche Dicken ha­ ben, um sich so in der Größe der Änderung des Wider­ standswertes, der mit der Änderung der Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung korrespondiert, zu unterscheiden,
Mitteln zur Detektion der Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung auf der Basis eines Verhältnisses der Wider­ standswerte der Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b).
2. Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b), die den einen Leitfähig­ keitstyp haben, zwei Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b), die den einen Leitfähigkeitstyp haben, sind.
3. Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Halbleiter-Dünnschichten (13a, 13b) die den einen Leitfähig­ keitstyp haben aus p-Typ-Si gebildet wird.
4. Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substratteil (11, 12) ein auf dem Si aus SiO2 ausgebildetes Teil aufweist.
5. Halbleiter-Detektionsvorrichtung für radioaktive Strahlung mit
einem Substrat (11),
einer isolierenden Schicht (12), die auf dem Substrat (11) ausgeformt ist,
p-Typ-Si-Dünnschichten (13a, 13b), die auf der isolie­ renden Schicht (12) ausgebildet sind und in der Änderungsrate des Widerstandswertes aufgrund von Tempe­ raturänderungen gleich sind und unterschiedliche Dicken haben, um sich so in der Änderung des Widerstandswertes zu unterscheiden, der mit der Änderung der Gesamtdosis der radioaktiven Strahlung korrespondiert,
einer isolierenden Dünnschicht (14), die die p-Typ-Si- Dünnschichten (13a, 13b) überdeckt,
Elektroden (15a, 15b, 16a, 16b), die in Kontaktlöchern eingebracht sind, welche in der isolierenden Dünnschicht (14) ausgebildet sind, und die beide Enden der p-Typ-Si- Dünnschichten (13a und 13b) erreichen, und
einer Al-Verbindung (17), die die Elektroden (15b und 16a), die dicht beieinander liegen, miteinander verbin­ det.
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