DE2131755A1 - Verfahren zum Herstellen von Teilchendetektoren aus Halbleiter mit NIP-Struktur ohne tote Zone und danach hergestellte Detektoren - Google Patents

Description

Verfahren zum Herstellen von Teilchendetektoren aus Halbleiter mit NIP-Struktur ohne tote Zone und danach hergestellte Detektoren

Die Frfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterdetektoren, die insbesondere, Jedoch nicht ausschließlich, für Nuklearteilchen großer Energie verwendbar sind, sowie die durch Anwendung dieses Verfahrens erhaltenen Detektoren.

Halbleiterdetektoren auf Basis von Silizium oder Germanium bestehen aus einem PN- oder NIP-Übergang, der invers polarisiert ist, wie Pig. 1 zeigt. Die Zonen 11 des Typs N und 12 df.s Typs P sind mit den positiven bzw. negativen Anschlüssen einer rrleichspannungsquelle 13 verbunden. Die Breite der Raumladungszone 14 ist eine Punktion der Amplitude dieser Polarisationsspannung. Die in diese Detektoren eindringenden geladenen Teilchen geben, wie in Pig. 1 durch die Pf-eile dargestellt ist, ihre Energie an Elektronen-Loch-Paare ab, die

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durch das Feld gesammelt werden, das in der Raumladungszone herrscht. Die von den in den Zonen 11 und 12 bleibenden Teilchen abgegebene Energie wird nicht erfaßt. Diese Zonen stellen daher sogenannte tote Zonen, die auch Fenster genannt werden (z.B. Eintrittsfenster an der N-Seite und Ausgangsfenster an der P-Seite), dar. Daraus folgt, da.3 zum Messen der gesamten Energie der Teilchen die Halbleiterdetektoren einerseits ein Eingangsfenster, durch das die Teilchen eintreten, von möglichst geringer Stärke und andererseits eine ausreichende Wanddicke (Nutzzone 14) zum Absorbieren der gesamten Energie aufweisen müssen.

Die Detektoren des Typs PN mit Oberflächenbarriere weisen wohl ein sehr dünnes Eingangsfenster der Größenordnung von 100 $ auf, jedoch ungünstigerweise ist die Raumladungszone zu wenig tief, nämlich unterhalb 3 mm* um Teilchen großer Energie angemessen zu sein. Was die diffundierten PN-Übergänge betrifft, so weisen diese ebenfalls eine ungenügende Raumladungszone auf.

Die Detektoren des Typs NIP weisen im Gegensatz dazu eine durch die Intrinsikzone (intrinseque) I dargestellte Nutzzone von größerer Dicke (bis zu 1 cm für Silizium und 2 cm für Germanium) auf, und man kann also hier die energiereichen Teilchen anhalten, doch bedeutet die Zone N ein wesentliches Fenster, das sich mit der gegenwärtigen Technik nicht auf weniger als 75 /U verringern läßt. Das andere Fenster auf der P-Seite läßt sich auf die Wanddicke des Ohmschen Kontakts begrenzen. Wenn man also die Teilchen von hinten (P-Seite) eindringen läßt, genügen diese bekannten NIP-Detektoren für die Teilchen mittlerer Energie (Protonen von 40 MeV in Silizium und 60 MeV in Germanium für 1 em Nutζzone).

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Für die Teilchen großer Energie wäre es bequem, die Detektoren zu stapeln, da ihre Nutztiefe einzeln unzureichend ist, und die Summe der erhaltenen Erfassungswerte zu bilden. Es ist daher notwendig, die Wanddicke der Fenster vernachlässigbar dünn zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Halbleiterdetektor und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, die besser als die bekannten Lösungen den Erfordernissen der Praxis entsprechen, insbesondere also einen dicken Detektor ohne tote Zone zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen von Trilchendetektoren aus Halbleiter mit NIP-Struktur mit dem Kennzeichen gelöst, daß man die N-Zone eines mit Lithium diffundierten und durchwanderten NIP-Detektors abschleift, auf dem verbleibenden IP-Körper durch Aufdampfen im Vakuum eine Metallschicht nur auf der Intrinsik-I-Zone niederschlägt und in diese Zone durch die Metallschicht Lithiumionen implantiert.

Nach der Erfindung wird ebenfalls ein Detektor mit NIP-Struktur mit dem Kennzeichen vorgeschlagen, daß er eine dicke Intrinsik-I-Halbleitertablette umfaßt, die von einer Halbleiterkrone vom P-Typ umgeben und einerseits auf ihrer Eingangsseite nacheinander mit einer implantierten Lithiumschicht und einer metallischen Schicht vernachlässigbarer Wanddicken für die den Detektor durchlaufenden Teilchen und andererseits auf ihrer Ausgangsseite mit einer einfachen, der genannten identischen metallischen Schicht überzogen ist, wobei die metallischen Schichten den Ohmschen Kontakt an den Eingangsund Ausgangsseiten bilden.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Pig, 1 sehr schematisch einen invers polarisierten bekannten Detektor, wobei die Pfeile die zu messenden Teilchen andeuten;

Pig. 2 einen bekannten NIP-Detektor, der thermisch diffundiert ist, im Schnitt nach einer Fbene durch seine Achse;

Pig, j5 ausgehend von Fig. 2 die Herstellung eines NIP-Detektors, der nach dem Verfahren gemäß der Frfindung implantiert wird; und

Fig. 4 einen fertigen implantierten NIP-Detektor im Schnitt nach einer durch seine Achse gehenden Ebene.

Da die Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung von den bekannten NIP-Detektoren ausgeht, sollen die allgemeinen Einzelheiten davon kurz erläutert werden. Am mittleren Teil eines Halbleiterkörpers des P-Typs, der vorher oberflächenbehandelt und in Fig. 2 mit 15 bezeichnet ist, schlägt man im Vakuum eine Lithiumschicht ("Verunreinigung des N-Typs) nieder. Ein NP-Übergang wird dann durch thermische Diffusion erzeugt. Die erhaltene N-Diffusionsschicht 16 kann (im Fall vin Si) nicht unter 75 /U sein und stellt die insbesondere im Fall der Stapelung mehrerer Detektoren störende tote Zone dar. Der folgende Arbeitsschritt besteht darin, die Lithiumionen durch den ganzen mittleren Teil I7 wandern zu lassen, indem man ein umgekehrtes elektrisches Feld anlegt und eine solche Temperatur einwirken läßt, daß die Beweglichkeit des Lithiums ausreichend ist. Die Lithiumionen kompensieren in dieser Zone 17 genau die Akzeptoren und bilden so eine dicke Intrinsik-I-Zone (bis zu 1 cm für Si und 2 cm für Ge). Um korrekt zu kollektieren, müssen die

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Elektroden der Detektoren Ohmisch sein, und zu diesem Zweck schlägt man an ihrer Eingangs- und Ausgangsoberfläche zwei metallische Kontakte 18 und 19, allgemein aus Gold nieder. Zum Betrieb dieser Einheit als Detektor von Teilchen werden die Plus- und Minus-Anschlüsse einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle mit den Kontakten 18 bzw. I9 verbunden. Es ist ebenfalls zu erwähnen, daß man eine Nut 20 aushöhlt, um den Kurzschluß zwischen der diffundierten N-Schicht 16 und der P-Krone I5 zu vermeiden. Wie schon angegeben, besitzt daher dieser Detektor eine ausreichend dicke Nutzzone für Protonen von 40 bis 60 MeV. Für höhere Energien erlaubt das zu erhebliche Eingangsfenster (über 75 Ai) jedoch nicht die Stapelung mehrerer Detektoren.

Aus diesen Gründen schlägt die Erfindung vor, nach der bekannten Herstellung eines NIP-Detektors die eindiffundierte N-Zone durch eine sehr dünne implantierte Schicht aus Lithiumionen zu ersetzen. Diese Implanation ist nach bekannten Verfahren unmöglich, die alle zu einem Erhitzen des Körpers am Schluß der Behandlung und folglich zu einer Dislokation an der Oberfläche aufgrund der Implantation führen. Denn diese Erhitzung begünstigt die Diffusion der Lithiumionen.

Es wird nunmehr als Beispiel die Herstellung eines NIP-Detektors aus Silizium nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Die Fig. 5 und 4, wo gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2 versehen sind, zeigen sehr schematisch die Herstellung eines solchen implantierten NIP-Detektors, ausgehend von dem bekannten NIP-Detektor nach Fig. 2 auf Siliziumbasis. Man schleift nach der strichpunktierten Linie 21 die diffundierte N-Zone 16 völlig in einer genügenden Schichtdicke ab, z.B. einer Dicke von 100 /U, wenn das Eingangsfenster 75 yu dick war. Man schlägt anschließend

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im Vakuum eine in Pig. 4 mit 22 bezeichnete Metallschicht nieder. Dann wird die N-Zone 23 durch Implantation von Lithiumionen in den Siliziumkörper durch diese metallische Schicht hergestellt. Um ein äußerst dünnes, nahezu gleich Null dünnes Fenster zu haben, ist es nötig, daß die Dicke der metallischen Schicht 22 dem mittleren projizierten Durchlaufweg von Lithiumionen in dieser Schicht entspricht. Als Punktion der Natur des gewählten Metalls geht die Energie des verwendeten Lithium bündeis von 1 bis zu mehreren keV. Die metallische Schicht begrenzt beim Diffundieren und Verlangsamen der Lithiumionen die Schaden in den Oberflächenschichten des Kristallgitters und begünstigt die Kanalisation der Ionen (die kanalisierten Ionen dislozieren das Gitter nicht).

Eine besonders vorteilhafte Herstellungsweise nach der Erfindung besteht darin, die Implantation durch eine Goldschicht vorzunehmen. Tatsächlich soll die Schicht 22 einerseits als Kollektorelektrode für den fertigen Detektor und andererseits dazu dienen, einen guten Kontakt am Silizium zu sichern und allen physikalischen und chemischen Behandlungen während und nach der Implantation zu widerstehen.

Man muß offenbar erneut eine Nut 24 (Fig. 4) aushöhlen, um den Kurzschluß zwischen der Krone 15 vom P-Typ ufld der implantierten Zone 23 vom N-Typ zu vermeiden. Der so hergestellte implantierte NIP-Detektor aus Silizium weist angenähert folgende Maßeauf:

Dicke der implantierten N-Schicht 23: unter 1 ,u;

Dicke der Goldschicht 22: I85 8 für Lithiumionen von l8,5keV.

Diese Dicke kann bis auf 100 8 verringert werden, wenn die Energie des Ionenbündels verringert wird;

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Tiefe der Nutzzone: bis zu 1 cm für Silizium; Dicke des Kontakts I9: 100 8;

2 nutzbare Kingangsoberflache: 1 bis mehrere cm ·

Unter den erfindungsgemäß erzielten Vorteilen kann man vor allem die Tatsache aufführen, daß dieses Implantationsverfahren sicher und reproduzierbar ist, da es jedes Glühen vermeidet und so das Kristallgitter praktisch an der Oberfläche nicht disloziert wird« Außerdem ist dank der Abwesenheit einer Totzone ein Stapeln mehrerer Detektoren möglich, wodurch die Messung von Kernteilchen sehr großer Energie durchführbar wird.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   I₀ Verfahren zur Herstellung von Teilchendetektoren aus Halbleiter mit NIP-Struktur, dadurch gekennzeichnet, da? man die N-Zone eines mit Lithium diffundierten und durchwanderten NIP-Detektors abschleift, auf dem verbleibenden IP-Körper durch Aufdampfen im Vakuum eine Metallschicht nur auf der Intrinsik-' I-Zone niederschlägt und in diese Zone durch die Metallschicht Lithiumionen implantiert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Metallschicht dem mittleren projizierten Durchlaufweg der Lithiumionen in dieser Schicht entspricht.
3. 3. Teilchendetektor aus Halbleiter mit NIP-Struktur, der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine dicke Tablette (17) aus I-HaIbleiter aufweist, die von einer halbleitenden Krone (I5) vom P-Typ umgeben und einerseits auf ihrer Eingangsseite nacheinander mit einer implantierten Lithiumschicht (23) und einer metallischen Schicht (22) vernachlässigbarer Wanddicken für die den Dtektor durchlaufenden Teilchen und andererseits auf ihrer Ausgangsseite mit einer einfachen, der genannten identischen metallischen Schicht (I9) überzogen ist, wobei die metallischen Schichten den Ohmschen Kontakt an den Eingangsund Ausgangsseiten bilden.
4. 4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die m etallischen Schichten (22, I9) aus Gold sind.

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   -Q-
5. 5« Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (17) aus Silizium ist.
6. 6. Detektor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die P-Typ-Krone (15) von der implantierten Schicht (2j5) durch eine Nut (24) getrennt ist.
7. 7. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Stapel mehrerer Detektoren nach einem der Ansprüche 3 bis besteht.

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