DE202017007025U1

DE202017007025U1 - Ionisierungsstrahlungssensor auf Basis des im Zonen-Floating-Verfahren erhaltenen Siliziums mit N-Typ-Leitfähigkeit

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Publication number: DE202017007025U1
Application number: DE202017007025.1U
Authority: DE
Original assignee: Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo "intersoft Evraziya"; Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo Intersoft Evraziya
Current assignee: Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo "intersoft Evraziya"; Publichnoe Aktsionernoe Obschestvo Intersoft Evraziya
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2019-03-17
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: CN109690356A; WO2017200416A1; RU2634324C1; US20190148580A1; US10797195B2

Abstract

Der Ionisierungsstrahlungssensor beinhaltet eine n+-i-p+-Struktur, die ein i-Bereich in Form eines hochohmigen niedrigdotierten Einkristallsubstrats aus dem im Zonen-Floating-Verfahren erhaltenen hochreinen Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit einschließt. Auf deren vorderen Seite ist eine Empfindlichkeitszone in Form von mindestens einem n+-Bereich ausgeführt, deren äußere Oberfläche mit einer Siliziumdioxid-Maskenschicht, Al-Metallisierung und einer äußeren Passivierungsschicht versehen ist, die aufeinanderfolgend abgebracht sind, wobei an der Gegenseite des erwähnten Substrats aufeinanderfolgend eine Schicht des starkdotierten Siliziums, die das p+-Bereich bildet, angefertigt ist und die Al-Metallisierung aufgetragen ist, indem durch das Substrat mit obig genannten Schichten eine n+-i-p+-Diode gebildet wird, wobei unter der Siliziumdioxidbeschichtung an der Vorderseite des Substrats um die Empfindlichkeitszone herum mindestens ein Paar von p+- und n+-Abschirmringen mit Luftspalt dazwischen angefertigt ist. Die oben genannte Siliziumdioxidbeschichtung ist mit Löchern, die Kontakt des n+-Empfindlichkeitsbereichs zur Al-Metallisierung ermöglichen, ausgeführt, während die äußere Passivierungsschicht mit Löchern für Pinanschlüsse ausgeführt ist.

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente, die Ionisierungsstrahlung in das elektrische Signal, dessen Messung den Strahlenpegel sowie die abbekommene Dosis von Gamma-, Protonen-, Elektronen- und Alphastrahlungen ermitteln lässt, wandeln. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf halbleitende Fühlelemente (Sensoren bzw. Detektoren), die sich eine Diode bzw. eine n-i-p--Diodenmatrix zur Verwendung in verschiedenen Strahlpegelmesssystemen darstellen: Dosimetern, Anzeigern der Strahlungbelastungsniveauüberschreitung und Aktivitätsmessgeräten, die u.a. für persönliche Strahlungskontrolle sowie für radiologische Gefahrenmeldung eingesetzt werden. Gegenwärtig entwickeln sich p-i-n- und n-i-p-Dioden-Techniken unter Einbeziehung moderner Errungenschaften der Mikroelektronik weiter.
Hintergrund der Erfindung
Die Halbleitersensoren auf p-i-n-Diodenbasis sind als Teilchenzähler sowie als Geräte zur Teilchenenergiemesser (Spektrometer) mit großer Auflösung weit verbreitet. Deren Arbeitsweise basiert auf folgendem Prinzip: wenn das ionisierende Teilchen durch den Sensor (Fühlelement) durchtritt, sammelt sich die im Zählerstoff induzierte Ladung an Elektroden.
Ein wichtiges Merkmal von Halbleiterzählern ist ihr kleines Außenmaß. Dadurch konnten die Einsatzfähigkeiten solcher Sensoren außer dem Gebiet des physikalischen Experimentes auch auf den technischen Bereich, wie Geräte für die Fertigungskontrolle, sowie auf den medizinischen Bereich weiterverbreitet werden.
Es ist ein Sensor, der die n-i-p-Struktur beinhaltet, bekannt. In diesem bekannten Gerät wird die Aufgabe der Lichtregistrierung gelöst, und zwar durch Einsatz der inneren Verstärkung in Elementen, wobei als Substrat (i-Bereich) amorphes Silizium verwendet wird, während die p- und n-Bereiche Polykristallsilizium darstellen. Im Endeffekt stellt dieses bekannte Gerät eine Matrix von TFT-Feldeffekttransistoren ( US7514762 ) dar.
Im Endeffekt ist mit diesem Gerät eine Wandlung der Ionisierungsstrahlung in das elektrische Signal, dessen Messung den Strahlenpegel sowie die abbekommene Dosis von Gamma-, Protonen-, Elektronen- und Alphastrahlungen ermitteln lässt, unmöglich.
Aus dem Stand der Technik ist auch ein mittels Planartechnik hergestellter halbleitender rauscharmer Siliziumdetektor auf p-i-n-Diodenbasis bekannt. Da sind Verfahren der Herstellung von Detektoren für Strahlungsnachweis, die p-n-Halbleiterübergänge aufweisen, mittels Planartechnik präsentiert. Die obigen Konstruktionen von planaren Halbleiterdioden haben jedoch eine andere Ausführung ( US 4442592 ).
Als Nachteile dieses bekannten Gerätes gelten niedrige Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Registrierung, daher muss man, damit eine effektive Empfindlichkeit und hohe Geschwindigkeit der Registrierung des gesamten Gamma-Strahlungsspektrums gewährleistet werden kann, das Volumen des Halbleiters ausdehnen. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, dass der Gamma-Quant in den Halbleiter trifft und sich in ihm streut, erhöht, was auch entsprechenderweise eine Erhöhung der Zahlrate von Strahlungsstromteilchen zur Folge hat.
Am nächsten steht ein Ionisierungsstrahlungs-Matrix-Sensor, der eine mittels Planartechnik hergestellte p-i-n-Struktur darstellt, die ein hochohmiges Substrat aus dem im Zonen-Floating-Verfahren (FZ) erhaltenen hochreinen Silizium mit n-Typ-Leitfähigkeit beinhaltet, auf deren vorderen (bzw. Bedien-) Seite p-Bereiche im Ionenimplantationsverfahren geformt sind, eine SiO₂-Maskenschicht gezogen ist, Al-Metallisierung und eine Passivierungsschicht (Deckschicht) aufgetragen sind. Dabei liegen mindestens zwei p-Bereiche im zentralen Teil des Substrats, sie decken den meisten Teil der Oberfläche, indem sie das Empfindlichkeitsbereich des Sensors bilden, dabei sind mindestens zwei p-Bereiche als kreisförmige Elemente (Abschirmringe) ausgeführt. Diese Abschirmringe liegen konzentrisch im Unempfindlichkeitsbereich des Substratrandgebiets, wobei eine Senkung des Oberflächenstromwerts und ein allmählicher Potentialabfall vom Empfindlichkeitsbereich hin zum Randgebiet des Geräts möglich sind. In der SiO₂-Schicht sind Löcher zwecks Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (Al-Metallisierung) und dem p-Bereich geformt; in der Passivierungsschicht über dem im zentralen Teil des Substrat liegenden p-Bereich sind Löcher für Pinanschlüsse geformt. Auf der Seite, die der Vorderseite des Substrats gegenüberliegt, ist eine Schicht des n-Bereiches und des Metalls aufgebracht.
Die Anzahl der das Empfindlichkeitsbereich des Sensors bildenden p-Bereichen ist als gleich 2ⁿ, wobei n=1÷8, realisiert, dabei sind die p-Bereiche vorwiegend rechteckig und sind unter einander galvanisch nicht gekoppelt und flächengleich. Die Anzahl von Löchern für Pinanschlüsse entspricht der Anzahl dieser p-Bereiche.
Die Löcher für Pinanschlüsse sind an den Rändern des Substrats im Unempfindlichkeitsbereich des Substrats angeordnet. Dabei besitzen die das Empfindlichkeitsbereich des Sensors bildenden p-Bereiche profilierte rillenförmige Gebiete an den Rändern, die Formierung von inaktiven Zonen zur Anbringung von Löchern für Pinanschlüsse ermöglichen.
Die Gesamtfläche der Löcher für Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (der Al-Metallisierung) und dem p-Bereich ist kleiner als 1 % der Fläche des Sensorempfindlichkeitsbereiches, dadurch wird verhindert, dass Aluminium ins Silizium diffundiert.
In diesem Gerät wird ausschließlich Monosilizium verwendet, als Substrat wird eine Scheibe aus dem im Zonen-Floating-Verfahren erhaltenen hochreinen Silizium (RU 2551257 -Prototyp) verwendet.
Die Nachteile des bekannten Sensors sind: eine bedeutsam lange Zeit der Strahlenbelastungsmessung, große Abmessungen und großes Gewicht des Sensors, unzureichende Empfindlichkeit, beschränktes Bereich von registrierbaren Energien, darüber hinaus ist es unmöglich damit verschiedene Arten der Ionisierungsstrahlung zu registrieren.
Offenbarung
Die Aufgabe der Erfindung ist einen effizienten Sensor (ein Fühlelement) zur Registrierung der Ionisierungsstrahlung von geladenen Teilchen und Gamma-Quanten aller Art in einem breiten Bereich der Energien und Strömen zu entwickeln. Der Struktur nach stellt der Sensor einen bzw. mehrere n-i-p-Diode mit elektrisch gemeinsamem p-Bereich dar.
Als technisches Ergebnis, das die Lösung der gestellten Aufgabe sicherstellt, und auf dessen Erreichung die angemeldete Erfindung gerichtet ist, gelten: eine Verkürzung der Strahlenbelastungsmesszeit, eine bedeutsame Reduzierung der Sensorgröße und des Sensorgewichtes, eine Erweiterung des Bereiches von registrierbaren Energien und eine Registrierbarkeit von verschiedene Arten der Ionisierungsstrahlung bei gleichzeitiger Senkung des Rauschpegels und Erhöhung der Sensorempfindlichkeit.
Mit der vorgelegten Erfindung wird die Aufgabe, durch Umpolung der Diode das Gerät effizienter funktionieren zu lassen, gelöst. Es ist bekannt, dass als registrierbare Hauptkomponente des Sensors vom p-i-n-Typ die Löcherkomponente gilt, die Löcherbeweglichkeit im Silizium ist etwa dreimal niedriger als Elektronenbeweglichkeit. Dementsprechend ist die Zeit der Ladungssammlung, mit anderen Worten die Dauer des beim Durchtritt des Teilchens entstandenen Stromimpulses (unter sonst gleichen Bedingungen: spezifischer Widerstand des Materials, angelegte Spannung, Sensordicke, Außenbedingungen) für den angemeldeten Sensor mit n-i-p-Struktur dreimal kleiner als beim auf Basis des Sensors mit p-i-n-Struktur ausgeführten Prototyp ist. Außerdem wird auch die Wahrscheinlichkeit der Impulsfolgenüberlappung bedeutsam niedriger, somit lässt die Erfindung die Aufgabe der bedeutsamen (um das 3-fache) Erhöhung der erreichbaren Zahlrate lösen. Das Gerät ist für Registrierung jeder Ionisierungsstrahlung bis auf die Neutronenstrahlung, insbesondere der Röntgen- und niederenergetischen Gammastrahlung sowie der geladenen Teilchen aller Art (Elektronen, Positronen, Protonen, Alphateilchen, Ionen u.a.) bestimmt. Die untere Grenze der Energie von registrierbaren Teilchen ist max. 1.000 eV, in der Praxis bestimmt sie sich nach dem Rauschpegel der elektronischen Ermittlungstechnik. Die obere Grenze des sich auf die Registrierung bezogenen Energiebereiches besteht nicht, für hochenergetische (relativistische, mit Energie über 2- bis 2,5 Ruhmassen) Teilchen hängt die Energiefreisetzung im Sensor von der Energie fast nicht, der durchschnittliche Wert der Ionisationsverluste beträgt 388 eV/µm bzw. 194 keV für den Sensor mit 500 µm Dicke.
Das Kurzbeschreibung der Erfindung besteht darin, dass der Ionisierungsstrahlungssensor eine mittels Planartechnik hergestellte n+-i-p+-Struktur beinhaltet, die ein i-Bereich in Form eines hochohmigen niedrigdotierten Einkristallsubstrats aus dem im Zonen-Floating-Verfahren erhaltenen hochreinen Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit einschließt. Auf dessen vorderen Seite ist eine Empfindlichkeitszone in Form von mindestens einem n+-Bereich ausgeführt, deren äußere Oberfläche mit einer Siliziumdioxid-Maskenschicht, Al-Metallisierung und einer äußeren Passivierungsschicht versehen ist, die aufeinanderfolgend abgebracht sind, wobei an der Gegenseite des erwähnten Substrats aufeinanderfolgend eine Schicht des starkdotierten Siliziums, die das p+-Bereich bildet, angefertigt ist und die Al-Metallisierung aufgetragen ist, indem durch das Substrat mit obig genannten Schichten eine n+-i-p+-Diode gebildet wird, wobei unter der Siliziumdioxidbeschichtung an der Vorderseite des Substrats um die empfindliche Zone herum mindestens ein Paar von p+- und n+-Abschirmringen mit Luftspalt dazwischen angefertigt ist. Die oben genannte Siliziumdioxidbeschichtung ist mit Löchern, die Kontakt des n+-Empfindlichkeitsbereichs zur Al-Metallisierung ermöglichen, ausgeführt, während die äußere Passivierungsschicht mit Löchern für Pinanschlüsse ausgeführt ist.
Die Empfindlichkeitszone der n+-i-p+-Diode wird vorzugsweise als eine Matrix ausgeführt, in der die Anzahl von unter einander galvanisch nicht gekoppelten n+-Bereichen gleich 2^k ist, wobei k eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich Null ist.
Die n+-Bereiche werden vorzugsweise in rechteckiger Form ausgeführt.
Die n+-Bereiche werden vorzugsweise gleichflächig ausgeführt.
Der Sensor wird vorzugsweise mit Löchern für Pinanschlüsse ausgeführt, deren Anzahl der Anzahl von n+-Bereichen gleich ist.
Die Löcher für Pinanschlüsse werden vorzugsweise im Randgebiet in der inaktiven Zone des Substrats, die von der empfindlichen Zone der n+-i-p+-Diode getrennt ist, angebracht.
Die inaktive und die aktive Zonen der n+-i-p+-Diode sind durch im Substrat gemachte Rillen voneinander getrennt.
In einzelnen Fällen der Verwertung werden Aufbauelemente mittels Planartechnik unter Verwendung des Kontaktbelichtungsverfahrens hergestellt.
In einzelnen Fällen der Verwertung werden Aufbauelemente mittels Planartechnik unter Verwendung des Projektionsbelichtungsverfahrens hergestellt.
Die Gesamtfläche der in der Siliziumdioxidbeschichtung gemachten Löchern bleibt vorzugsweise unter 1 % der Fläche der empfindlichen Zone, bei der Auswahl muss man davon ausgehen, dass eine Diffusion des Aluminiums in Silizium verhindert werden muss.
Der Sensor wird vorzugsweise mit einer Gesamtanzahl der p+- und n+-Abschirmringe ausgeführt, die gleich vier ist, dabei haben die oben genannten Abschirmringe in einem Abstand voneinander zu liegen, der umso größer wird, je näher sie zum Randgebiet des Substrats sind, die Passivierungsschicht ist dabei aus Phosphorsilikatglas hergestellt.
Figurenliste
Die Erfindung wird durch folgende Zeichnungen näher erläutert, wo:

auf der 1 das angemeldete Gerät schematisch dargestellt ist, und zwar in der Aufsicht, es geht um die Variante der Sensorausführung mit zwei n+-Empfindlichkeitsbereichen, die die Empfindlichkeitszone des Sensors bilden. Die 2 und 3 sind Schnittzeichnungen A-A und B-B der 1; Auf der 4 ist der vergrößerte Teil C der 1 dargestellt; Die 5 - ist eine Schnittzeichnung von D-D der 4.; Auf der 6 ist eine Variante der Sensorausführung dargestellt, wobei die Empfindlichkeitszone des Sensors aus acht n-Bereichen geformt ist, und zwar in der Aufsicht; Die 7 ist eine Schnittzeichnung von E-E der 6.

Als Positionen auf den Figuren sind folgende Elemente bezeichnet: 1 - i-Bereich - hochohmiges Substrat aus Silizium mit n-Typ-Leitfähigkeit, niedrigdotiert; 2 - das im zentralen Teil des Substrat liegende n+-Bereich, das die Empfindlichkeitszone des Sensors bildet; 3 - sich abwechselnde p+- und n+-Bereiche, die Abschirmringe darstellen; 4 - eine Schicht (Beschichtung) aus SiO₂; 5 - Al-Metallisierung, die eine der Sensorelektroden bildet; 6 - eine Passivierungsschicht (Deckschicht) aus Phosphorsilikatglas (SiO₂+P₂O₅); 7 - Löcher für Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (der Al-Metallisierung) und dem n-Bereich sind in der SiO_2--Schicht geformt; 8 - Löcher für Kontakt mit dem n+-p-Bereich während der Prüfung, die in der Passivierungsschicht über dem +-Bereich des zentralen Teils jedes Matrixelementes angebracht sind; 9 - Löcher für Pinanschlüsse; 10 - p+-Bereich,das auf der Gegenseite der Substrats liegt; 11 - Al-Metallisierung auf der Gegenseite der Substrats, die die zweite Sensorelektrode bildet, 12 - rillenförmige Gebiete der n-Bereiche, deren Rillen Formierung von inaktiven Zonen zur Anbringung von Löchern für Pinanschlüsse 9, wobei einer davon als Anode (A) und die andere Seite als Kathode (K) bezeichnet wird, ermöglichen.
Die Struktur des n+-i-p+-Sensors, deren Basis eine bipolare Diode ist, baut sich darauf auf, dass es zwischen dem Bereich 2 der elektronischen n-Typ-Leitfähigkeit und dem Bereich 10 der p-Typ-Löcherleitfähigkeit das Substrat 1, und zwar ein undotierter Halbleiter mit (positiver) p-Typ-Löcherleitfähigkeit (i-Bereich) liegt.
Ausführung der Erfindung
Der angemeldete Ionisierungsstrahlungs-Matrix-Sensor (Fühlelement) stellt eine mittels Planartechnik hergestellte n+-i-p+-Struktur dar (das i-Bereich stellt das schwach dotierte Akzeptorsilizium dar). Der Sensor beinhaltet ein hochohmiges Substrat aus dem im Zonen-Floating-Verfahren (FZ) erhaltenen hochreinen Silizium mit (positiver) p-Typ-Leitfähigkeit, auf dessen Vorderseite (Bedienseite) n+-Bereiche 2, 3, die Schicht 4 (Beschichtung) aus Si0₂, Al-Metallisierung 5, eine Passivierungsschicht (Deckschicht) 6 aus Phosphorsilikatglas (SiO₂+P₂O₅) angebracht sind. Die Schichtdicken werden durch Herstellungstechnik bestimmt und betragen in der Regel max. 0,5 +-1,1 µm.
Auf der Substratvorderseite 1 sind:

• die n-Bereiche 2 im Ionenimplantationsverfahren hergestellt;
• die Maskenschicht SiO₂ (Schicht 4) gezogen;
• die Al-Metallisierung 5 angebracht;
• die Passivierungsschicht (Deckschicht) 6 angebracht.

2

3

1

In der Schicht 4 aus SiO₂ sind Löcher 7 für Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (der Al-Metallisierung) und den n-Bereichen geformt, in der Passivierungsschicht über den im zentralen Teil des Substrat liegenden n-Bereichen sind ein Loch 8 für Berührung mit dem Kontakt jedes n⁺-p^- Bereiches während der Prüfung und Löcher 9 für Pinanschlüsse geformt. Auf dem Substrat 1 ist auf der Seite, die der Vorderseite gegenüberliegend ist, die Schicht 10 des p+-Bereiches, stark dotiert bis 10²⁰ Atome des Akzeptormaterials je cm³ mit 2÷4 µm Dicke, sowie die Schicht 11 der Al-Metallisierung mit 0,9 ÷ 1,1 µm Dicke untergebracht.
Die Gesamtfläche der Löcher 7 für Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (der Al-Metallisierung) und dem n-Bereich bleibt unter 1 % der Fläche der Empfindlichkeitszone des Detektors, dadurch wird verhindert, dass Aluminium ins Silizium diffundiert.
Die Anzahl der die Matrix - die Empfindlichkeitszone des Sensors - bildenden n+-Bereichen 2 ist als gleich 2^k realisiert, wobei k gleich 0 - ein Bereich - sein kann, und die obere Grenze durch die Aufgabe und die Abmessungen des Sensors bestimmt wird und nur durch Herstellungsmöglichkeiten begrenzt ist. Die n+-Bereiche 2 haben dabei vorwiegend rechteckige Formen und sind unter einander galvanisch nicht gekoppelt und flächengleich in Ausführung. Die Anzahl von Löchern 9 für Pinanschlüsse entspricht der Anzahl der n+-Bereiche 2.
Die Anzahl dieser n+-Bereiche 2 kann sich von 1 bis 1024 unterscheiden. Die oben genannte Anzahl der unabhängigen Bereiche 2 kann auch größer sein, deren Anzahl wird nur durch eine zumutbare Notwendigkeit der Rauschpegelminderung und somit durch eine Steigerung der Anzahl von Ermittlungskanälen bestimmt. Es liegt nahe, dass eine Steigerung der Anzahl von Ermittlungskanälen zur grundsätzlichen Steigerung des Energieverbrauchs eines Dosimeters bzw. Aktivitätsmessgerätes führt, so ist es ratsam sich auf eine geringe Anzahl der Bereiche 2, die als Matrixelemente (4 oder 8) dienen, zu beschränken; sollte es um Geräte für Fachanwendung bzw. festinstallierte Geräte mit einer großen Sensorgesamtfläche, wo eine hohe Genauigkeit der Ermittlung erforderlich ist, gehen, so kann die Kanalanzahl bedeutsam gesteigert werden. Der aktuelle Elektronikmarkt bietet einkristalline Verstärker mit bis 128 Kanälen.
Die Löcher 9 für Pinanschlüsse sind an den Rändern des Substrats in der Unempfindlichkeitszone des Substrats angeordnet. Dabei besitzen die die Empfindlichkeitszone des Sensors bildenden n+-Bereiche 2 profilierte rillenförmige Gebiete in Form einer Reihe von Rillen 12 an den Rändern, die Formierung von inaktiven Zonen zur Anbringung von Löchern für Pinanschlüsse ermöglichen.
Die Gesamtfläche der Löcher 9 für Sicherstellung des Kontakts zwischen dem Metall (der Al-Metallisierung) und dem n+-Bereich 2 bleibt unter 1 % der Fläche der Empfindlichkeitszone des Sensors, dadurch wird verhindert, dass Aluminium ins Silizium diffundiert.
Als Substrat wird eine Scheibe aus dem im Zonen-Floating-Verfahren (FZ) erhaltenen hochreinen Silizium mit spezifischem Widerstand 3 + 12 kOhm-cm mit 250 ÷ 1000 µm Dicke verwendet. Die Anzahl von kreisförmigen Elementen (Abschirmringen) 3 ist als 4 ausgewählt (zwei vom n+-Typ und zwei vom p+-Typ), sie liegen in so einem Abstand voneinander, der umso größer wird, je näher sie zum Randgebiet des Substrats sind. Die Anzahl und die Konfiguration der Abschirmringe 3 werden mit Rücksicht auf die Besonderheiten des Herstellungsverfahrens bestimmt. Das System der Abschirmringe muss einen allmählichen Potentialabfall vom aktiven Bereich hin zum Sensorrand sicherstellen. Mindestens zwei n+-Bereiche und zwei p+-Bereiche der Abschirmringe 3, die in Form der kreisförmigen Elemente ausgeführt sind, sind in der Unempfindlichkeitszone im Randgebiet des Substrats 1 um die n+-Bereiche 2 angeordnet, sie stellen eine Senkung des Oberflächenstromwerts und ein allmählicher Potentialabfall vom Empfindlichkeitsbereich hin zum Randgebiet des Geräts sicher.
In einer Variante der Sensorausführungen ist die Breite von kreisförmigen Elementen 3 gleich 25 µm ausgewählt, dabei ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Element 3 gleich 40 µm, zwischen dem zweiten und dem dritten gleich 50 µm, zwischen dem dritten und dem vierten gleich 70 µm, wobei das erste Element 3 im Abstand von 40 µm von der Grenze des empfindlichen p-Bereiches liegt 10. Allerdings können die angegebenen Daten auch in einem breiten Bereich ganz unterschiedlich sein. Die Genauigkeit der vorgegebenen Abmessungen bei der Sensorherstellung wird durch die Genauigkeit der Herstellung von Photomasken bestimmt und beträgt ±0,1 µm.
Die Außenmaße der wirksamen Fläche werden durch Abmessungen der Scheibe 1 bestimmt und können z.B. für Scheiben mit 150 mm Durchmesser bis 102×102 mm² betragen, dabei betragen die Außenmaße der aktiven Zone 100×100 mm², die Sensordicke 250 ÷ 1000 µm (wird durch die Dicke der Scheibe 1 bestimmt), das von den kreisförmigen Elementen 3 besetzte Bereich beträgt max. 1 mm entlang der Randlinie des Substrats 1. Durch diese Sensorbauweise wird ermöglicht, dass folgende elektrische Eigenschaften erreicht werden können: der Sperrpolungswert von 40 ÷ 200 V zur Erreichung des Betriebes im Vollverarmungsmodus je nach dem spezifischen Widerstand und der Dicke des Sensors; Arbeitsbetrieb, der sich durch Sperrpolung bei der Vorrverarmung kennzeichnet; Betriebsspannung, die aus dem Wert der Vollverarmungsspannung (V_VV) : VBetr. =V_VV+20 V ermittelt wird; Durchbruchspannung min. - 2-V_VV; Dunkelstrom bei Betriebsspannung max. - 200 nA/cm; dabei werden die aufgelisteten Parameter bei der Temperatur 20±2°C gemessen.
Die angemeldeten Sensoren werden mittels Planartechnik hergestellt, die eine Gesamtheit von Produktionsschritten, in denen Strukturen der planaren Halbleitersensoren nur von einer Seite der aus dem Siliziumeinkristall bis 150 mm Durchmesser geschnittenen Scheibe geformt werden, darstellt. Die Erfindung kann unter anderem mittels einer Technik, die der in Druckschriften von Kemmer (Kemmer J. „Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process» // Nuclear Instruments and Methods. - 1980. -V.169. - P.499-502.) dargestellten Technik nahe liegt, verwertet werden.
Die Planartechnik basiert darauf, dass in der oberflächennahen Substratschicht Bereiche mit verschiedenen Leitfähigkeitstypen oder mit verschiedenen Konzentrationen des Fremdstoffes einer Art, die in ihrer Gesamtheit die Sensorstruktur bilden, geschaffen werden. Die Strukturbereiche werden durch lokale Fremdstoffbeimischung (mittels Diffusion aus Dampfphase bzw. des Ionenimplantationsverfahrens), die durch eine mit Hilfe des Belichtungsverfahrens geformte Maske (in der Regel aus der SiO₂-Schicht) durchgeführt wird, geschaffen. Indem man folgegemäß Vorgänge der Oxydation (Schaffung der SiO₂-Schicht), der Photolithographie und der Fremdstoffbeimischung vornimmt, bekommt man ein dotiertes Bereich jeder gewünschten Konfiguration, sowie Bereiche mit anderen Leitfähigkeitstypen (oder anderen Fremdstoffkonzentrationen). Die planare Technik ermöglicht gleichzeitig in einem Herstellungsverfahren eine große Anzahl (bis einige Hunderte wenn nicht Tausende) identischer diskreter Halbleiterbauelemente (z.B. Sensoren) oder integrierter Schaltkreise auf einer Scheibe herzustellen. Durch die Gruppenbearbeitung werden eine gute Reproduzierbarkeit der Geräteparameter und eine hohe Produktionsleistung bei relativ geringen Produktkosten sichergestellt.
Die Arbeitsweise des Sensors der Ionisierungsstrahlung ist wie folgt.
Die Funktion des Sensors basiert darauf, dass beim Anlegen der Offsetspannung das i-Bereich völlig von Trägern verarmt wird, so hört die Diode auf den Strom durchzulassen (sperrt). Tatsächlich dient das i-Bereich bei der Sperrpolung als Isolator, da keine freien Ladungsträger vorhanden sind, daher wird der Förderstromwert so gut wie verschwindend.
Die Ionisierungsstrahlung (Quanten) bildet beim Durchtritt durch das i-Bereich eine Ionisierungswolke ihren Verlauf entlang, dadurch entstehen Elektron-Loch-Paare. Die Ladungsträger, die in das elektrische Feld geraten, fangen an sich in Richtung der hochdotierten p+- und n+-Bereichen 10 und 2 zu bewegen, indem sie einen elektrischen Stromimpuls herstellen, der vom Außenkreis detektiert werden kann. Die Leistungsfähigkeit einer bipolaren Diode richtet sich nach der Wellenlänge, der Intensität und der Modulierfrequenz der einfallenden Strahlung.
Wenn die Quanten der Röntgen- und der niederenergetischen Gammastrahlung das Sensormaterial treffen, kommen sie sich mit ihm in Wechselwirkung, durch die im Ergebnis - je nach der Energie des einfallenden Quants: ein Fotoelektron, eines Compton-Elektron bzw. ein Elektron-Positron-Paar entsteht. Die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses beträgt 1 ÷ 3 %, da es jedoch darauf Rücksicht zu nehmen ist, dass eine Wahrscheinlichkeit der Registrierung eines geladenen Teilchens (Elektrons, Positrons, Protons, Alphateilchens usw.) gleich 1 ist, reicht das für eine sichere Registrierung der ionisierenden Gammastrahlung auch in Höhe der Hintergrundstrahlung mit Genauigkeit nicht schlechter als 20 % für 1 ÷ 2 Minuten der Messung völlig aus. Die geladenen Teilchen dringen in den Empfindlichkeitsbereich des Sensors durch und erzeugen in ihm Elektron-Loch-Paare. Die Ladungsträger (Elektronen) lösen sich, sozusagen, unter dem Einfluss des zum Halbleitersensor angelegten elektrischen Felds, d.h. sie versetzen sich zu Elektroden. Im Endeffekt entsteht im Außenkreis des Halbleiterdetektors ein elektrischer Impuls, der durch einen ladungsempfindlichen Vorverstärker registriert wird, in ein Spannungsgefälle an seinem Ausgang umgewandelt und anschließend in die Signalverarbeitungseinheit (nicht abgebildet) weitergeleitet wird.
Zwecks Prüfung der Sensor-Funktionsfähigkeit wurden Prüfungsmodelle mit 2, 4 und 8 Elementen (Bereichen 2) der Matrix hergestellt, in denen der Halbleitersensor (Detektor) eine hochvoltige n+-i-p+-Diode in Form einer mittels Planartechnik hergestellten einseitigen Struktur auf einem Substrat aus dem im Zonen-Floating-Verfahren (FZ) erhaltenen hochreinen Silizium mit spezifischem Widerstand: 3 ÷ 4 kOhm-cm, mit Außenmassen 12 × 12 mm und 450 µm Dicke darstellt. Ein flächenförmiger n+-p~Signalübergang stellt ein Ionenimplantationsbereich vom n+-Typ, die eine erhöhte Konzentration von Phosphoratomen ausweist, dar. Um den flächenförmigen n⁺-p^--Signalübergang, der den meisten Teil des Substrats deckt (die Größe des aktiven Bereiches betrug 10 × 10 mm, wobei die Größe des jeweiligen p-Bereiches 50, 25 und 12,5 mm² entsprechend betrug), sind abschirmende kreisförmige p+-p^- und n⁺-p^--Übergänge angebracht, die in der gleichen Weise ausgeführt sind, wie der im zentralen Teil des Substrats liegende flächenförmige n⁺-p^- Signalübergang. Das mit Abschirmringen gedeckte Bereich betrug max. 1 mm entlang der Randlinie. Metallelektroden sind aus Aluminium hergestellt. Auf dem Substrat ist auf der Seite, die der Vorderseite gegenüberliegend ist, die p+-Schicht 10, stark dotiert (bis 10²⁰ Atome des Akzeptormaterials (Bor) je cm³ mit 2÷4 µm Dicke sowie die Schicht 11 der Al-Metallisierung mit 0,9 ÷ 1,1 µm Dicke untergebracht.
Bei der Herstellung des Sensors mittels Planartechnik wurde ein Satz aus 5 Arbeitsmaskenkopien (MK) für Kontaktbelichtung verwendet. Die erste davon ist die Maskenkopie für Formung des n+-Bereiches, die zweite für Formung von abschirmenden hochdotierten konzentrischen p+-Bereichen, die dritte für Formung von Kontakten zum n+-Bereich der Diode und den Abschirmringen im Randgebiet auf der Scheibenvorderseite, die vierte für Al-Metallisierung, die fünfte für Formung von Kontakten zur Metallisierung. Die Masken sind in der Ordnung aufgelistet, in der Sie im Herstellverfahren verwendet werden. Dabei betrug die Mindestbreite der Randgebietsringe in der ersten und in der zweiten MK 25 µm; in der dritten MK für Formung von Kontakten zum n+-Bereich der Diode und den Abschirmringen im Randgebiet auf der Scheibenvorderseite betrug die Mindestbreite des Kontakts: 25x25 µm²; im Randgebiet zu den Abschirmringen hin: 10×40 und 40×10 µm²; in der vierten MK für Al-Metallisierung betrug die Mindestbreite der Ringe im Diodenrandgebiet 20 µm; die Abmessungen der fünften MK für Formung von Kontakten zum Metallisierungszentralbereich haben keine kritische Bedeutung.
Die hergestellten Geräte hatten folgende elektrische Daten:

Arbeitsbetrieb - Sperrpolung bei der Vollverarmung.
Die Betriebsspannung wird aus dem Wert der Vollverarmungsspannung (V_VV) - Vbetr=V_VV+20 V) ermittelt;
Durchbruchsspannung min. - 2- V_VV;
Dunkelstrom bei Betriebsspannung max. 200 nA/cm²;
Alle Messungen wurden unter der Temperatur von 20±2°C durchgeführt. Auf der Scheibe sind Teststrukturen zur Ermittlung des spezifischen Widerstands des p-Bereiches nach Vierpunktverfahren angebracht. Der Anschluss von Abschirmringen wurde nicht vorgesehen, deren Hauptaufgabe ist zu verhindern, dass vom n+-Bereich zum Sensorrand hin aufgrund des induzierten Potenzials ein Oberflächenstrom entsteht.

Wie aus den angeführten Beispielen ersichtlich ist. wurde im Ergebnis der Erfindungsverwertung eine Verkürzung der Zeit der Strahlenbelastungsmesszeit, eine bedeutsame Reduzierung der Sensorgröße und des Sensorgewichtes, eine Erweiterung des Bereiches von registrierbaren Energien und eine Registrierbarkeit von verschiedenen Arten der Ionisierungsstrahlung bei gleichzeitiger Senkung des Rauschpegels und Erhöhung der Sensorempfindlichkeit sichergestellt.
Der Sensor ist gegen alle Arten der Ionisierungsstrahlung außer Neutronen empfindlich, die untere Grenze der Energie von registrierbaren Teilchen ist
max. 1.000 eV, in der Praxis bestimmt sie sich nach dem Rauschpegel der elektronischen Ermittlungstechnik. Die obere Grenze des sich auf die Registrierung bezogenen Energiebereiches besteht nicht, für hochenergetische (relativistische, mit Energie über 2- bis 2,5 Ruhmassen) einfach geladene Teilchen hängt die Energiefreisetzung im Sensor von der Energie fast nicht, der durchschnittliche Wert der Ionisationsverluste beträgt 388 eV/µm bzw. 194 keV für den Sensor mit 500 µm Dicke. Die Energiefreisetzung von mehrfach geladenen Ionen ist dem Quadrat des Ladungswertes direkt proportional. Für moderne Elektronik bietet eine Registrierung des Signals mit so einem Niveau keine besondere Schwierigkeit.
Das Herstellungsverfahren vom Ionisierungsstrahlungssensor mittels Planartechnik sieht eine Fertigung des aus 5 Arbeitsmaskenkopien für Kontakt- bzw. Projektionsbelichtung bestehenden Satzes vor. Die erste Maskenkopie ist die für Formung des n+-Bereiches bestimmt, die zweite für Formung von abschirmenden Elementen vom p+-Typ, die dritte für Formung von Kontakten zum n+-Bereich der Diode und den Abschirmringen im Randgebiet auf der Scheibenvorderseite, die vierte für Al-Metallisierung, die fünfte für Formung von Kontakten zur Metallisierung.
Ein Sensor, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann in verschiedenen tragbaren autonomen Geräten für Registrierung und/oder Messung der Ionisierungsstrahlung eingesetzt werden. Dabei kennzeichnet sich der Sensor durch folgende Merkmale: geringe Außenmaße in Verbindung mit einem breiten operativen Temperaturbereich, eine hohe Zahlrate und Empfindlichkeit, eine hohe Strahlungsbeständigkeit, ein breites Messbereich, kein Wartungsbedarf, geringer Energieverbrauch, Unterspannungsversorgung und reduzierte Rauscheigenschaften.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7514762 [0004]
US 4442592 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kemmer J. „Fabrication of low noise silicon radiation detectors by the planar process» // Nuclear Instruments and Methods. - 1980. -V.169. - P.499-502. [0042]

Claims

Der Ionisierungsstrahlungssensor beinhaltet eine n+-i-p+-Struktur, die ein i-Bereich in Form eines hochohmigen niedrigdotierten Einkristallsubstrats aus dem im Zonen-Floating-Verfahren erhaltenen hochreinen Silizium mit p-Typ-Leitfähigkeit einschließt. Auf deren vorderen Seite ist eine Empfindlichkeitszone in Form von mindestens einem n+-Bereich ausgeführt, deren äußere Oberfläche mit einer Siliziumdioxid-Maskenschicht, Al-Metallisierung und einer äußeren Passivierungsschicht versehen ist, die aufeinanderfolgend abgebracht sind, wobei an der Gegenseite des erwähnten Substrats aufeinanderfolgend eine Schicht des starkdotierten Siliziums, die das p+-Bereich bildet, angefertigt ist und die Al-Metallisierung aufgetragen ist, indem durch das Substrat mit obig genannten Schichten eine n+-i-p+-Diode gebildet wird, wobei unter der Siliziumdioxidbeschichtung an der Vorderseite des Substrats um die Empfindlichkeitszone herum mindestens ein Paar von p+- und n+-Abschirmringen mit Luftspalt dazwischen angefertigt ist. Die oben genannte Siliziumdioxidbeschichtung ist mit Löchern, die Kontakt des n+-Empfindlichkeitsbereichs zur Al-Metallisierung ermöglichen, ausgeführt, während die äußere Passivierungsschicht mit Löchern für Pinanschlüsse ausgeführt ist.
Der Sensor nach Anspruch 1, wobei die Empfindlichkeitszone der n+-i-p+-Diode als eine Matrix, in der die Anzahl von unter einander galvanisch nicht gekoppelten n+-Bereichen gleich 2^k ist, wobei k eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich Null ist. ausgeführt ist.
Der Sensor nach Anspruch 2, wobei die n+-Bereiche in rechteckiger Form ausgeführt sind.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 2 bzw. 3, wobei die n+-Bereiche werden gleichflächig ausgeführt sind.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er sich durch die Ausführung mit Löchern für Pinanschlüsse, deren Anzahl der Anzahl von n+-Bereichen gleich ist, kennzeichnet.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Löcher für Pinanschlüsse im Randgebiet in der inaktiven Zone des Substrats, die von der Empfindlichkeitszone der n+-i-p+-Diode getrennt ist, angebracht sind.
Der Sensor nach Anspruch 6., wobei die inaktive und die Empfindlichkeitszone der n+-i-p+-Diode voneinander durch im Substrat gemachten Rillen getrennt sind.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 7, wobei Aufbauelemente mittels Planartechnik unter Verwendung des Kontaktbelichtungsverfahrens hergestellt werden.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 7, wobei Ausbauelemente mittels Planartechnik unter Verwendung des Projektionsbelichtungsverfahrens hergestellt werden.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 7, wobei die Gesamtfläche der in der Siliziumdioxidbeschichtung gemachten Löchern unter 1 % der Fläche der Empfindlichkeitszone bleibt und unter der Bedingung, dass eine Diffusion des Aluminiums in Silizium verhindert werden muss, ausgewählt ist.
Der Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einer Gesamtanzahl der p+- und n+-Abschirmringe gleich vier ausgeführt ist, dabei liegen die oben genannten Abschirmringe in so einem Abstand voneinander, der umso größer wird, je näher sie zum Randgebiet des Substrats sind.
Der Sensor gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, 7, 11, wobei die Passivierungsschicht aus Phosphorsilikatglas hergestellt ist.