DE2325102A1 - Verfahren zum herstellen von halbleiterdetektoren und danach hergestellte halbleiterdetektoren - Google Patents
Verfahren zum herstellen von halbleiterdetektoren und danach hergestellte halbleiterdetektorenInfo
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Description
Pst© ntan watte
Dip?.-'"**- R· CSüTZ sen*
Dip?-in-. ::. i^P;t£CHT
■ör.-irt-j. K.. O SI üi T Z jr.
• Mfi»eheη £2, etaioedortrtr. 18
• Mfi»eheη £2, etaioedortrtr. 18
410-20.759P
17. Mai 1973
COMMISSARIAT AL1 ENERGIE ATOMIQUE
Paris (Frankreich)
Verfahren zum Herstellen von Halbleiterdetektoren und danach hergestellte Halbleiterdetektoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterdetektoren für die Teilchenlokalisierung
mit einem eine Vorderseite und eine Rückseite aufweisenden Plättchen aus Halbleitermaterial sowie auf nach
einem solchen Verfahren hergestellte Halbleiterdetektoren.
Das Grundprinzip für Halbleiterdetektoren zur Teilchenfeststellung
ist bekannt. Man schafft,dazu entweder eine Zone mit Eigenleitfähigkeit oder durch Anlage eines erheblichen
elektrischen Feldes eine an Leitungsträgern verarmte
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Zone, in der einfallende Teilchen Elektron-Loch-Paare erzeugen.
Der sich daraus ergebende Strom ermöglicht es, das Auftreten eines einfallenden Teilchens zu erkennen. Für den Fall
von Lokalisierungsdetektoren besteht die Rückseite des Detektors aus einem Widerstand. Durch Messung beispielsweise einer Potentialdifferenz
kann man auf die Lage der Auftreffstelle des einfallenden Teilchens rückschließen. Mit anderen Worten ausgedrückt
bildet ein solcher Detektor eine Leitung mit konstanter Verteilung, die durch die durch die geometrischen Abmessungen
des Detektors festgelegte Kapazität und den rückseitigen Widerstand gekennzeichnet ist.
Derartige Detektoren sind bereits bekannt. Für die Herstellung des rückseitigen Widerstandes sind bislang im wesentlichen
zwei hauptsächliche Verfahren im Einsatz:
Nach dem ersten Verfahren wird zur Schaffung des Widerstandes
eine Schicht aus Nickel-Chrom oder aus Wismuth aufgedampft.
Diese Widerstandsschicht ist jedoch sehr zerbrechlich
und sie oxidiert auch leicht. Ihr Widerstandswert variiert daher im Verlaufe der Zeit, und die mit ihrer Hilfe
durchführbaren Messungen sind daher nur wenig zuverlässig.
Bei dem zweiten Verfahren wird als Widerstand im Inneren des Detektors eine nicht verarmte Siliziumschicht beibehalten.
Die Dicke'einer Verarmungszone ist bekanntlich eine Funktion
des Ausdrucks jfΦ · V, wobei Λ für den spezifischen Widerstand
des Kristalls und V für die zur Erzeugung der Verarmungszone angelegte elektrische Spannung stehen. Wenn der inverse
Strom durch den Detektor - entweder mit der Temperatur oder mit dem Vakuum - variiert, so variiert auch die am Detektor
anliegende Spannung und damit die Dicke der Verarmungszone
und entsprechend auch die der nicht verarmten Zone. Die Dicke der den Widerstand bildenden Siliziumschicht ist daher von
einem Augenblick zum anderen verschieden voneinander. Außerdem können im Silizium Unregelmäßigkeiten in der Homogenität
auftreten, die zu einem erheblichen balÄstischen Fehler führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem sich Halbleiterdetektoren herstellen
lassen, die von den oben erwähnten Nachteilen frei sind.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der
eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die eine Seite des aus dotiertem Halbleitermaterial bestehenden Plättchens durch eine darauf aufgebrachte, dünne
Metallschicht hindurch mit Ionen beschossen wird, die eine
der Dotierung des Plättchens gleichartige Dotierung ergeben, daß das Plättchen thermisch geglüht wird und daß auf die mit
Ionen beschossene Seite des Plättchens mindestens zwei Metallkontakte
aufgebracht werden.
Eine erste Aüsführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß von einem Plättchen aus n-leitendem
Halbleitermaterial ausgegangen wird, daß auf einer Seite '
dieses Plättchens eine dünne, p-leitende Schicht erzeugt und auf diese eine dünne Metallschicht aufgebracht wird, daß
der Ionenbeschuß auf der anderen Seite des Plättchens vorgenommen wird, auf die auch die Metallkontakte aufgebracht werden,
und daß zwischen der Metallschicht auf der einen Seite des Plättchens und einem der Metallkontakte auf der anderen
Seite des Plättchens eine inverse Potentialdifferenz von
solcher Größe angelegt wird, daß die gesamte p-leitende Zone von den Ladungsträgern verlassen wird.
' Eine zweite AusführungsVariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß von einem Plättchen aus pleitendem
Halbleitermaterial ausgegangen wird und daß gleichzeitig mit dem Glühen des Plättchens an seiner Vorderseite
Lithium eindiffundiert wird, dessen Ionen so einwandern,
daß sich eine Zentralschicht aus eigenleitendem Halbleitermaterial,
und eine η-leitende Oberflächenschicht ergeben.
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Pur die Realisierung des aktiven Teils des Detektors
wird also entweder durch Anlage einer inversen Potentialdifferenz an den pn-übergang zur Schaffung einer Verarmungszone
- bei Detektoren mit einer Dicke von weniger als 2 mm eine Oberflächenpotentialbarriere erzeugt (erste Äusführungsvariante),
oder man hat - für Detektoren mit einer Dicke zwischen 2 mm und 3 cm - eine Zone mit Eigenleitfähigkeit,
die eine Bestimmung der Lage von energiereichen Teilchen ermöglicht (zweite AusführüngsVariante).
Ein nach der ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbarer Halbleiterdetektor ist bevorzugt
dadurch gekennzeichnet, daß er von seiner Vorderseite zu seiner Rückseite eine sehr dünne Metallschicht, eine Schicht
aus p-leitendem Halbleitermaterial, eine dicke Schicht aus
n-leitendem Halbleitermaterial, eine dünne Schicht aus stark mit η-leitenden Verunreinigungen dotiertem Halbleitermaterial
und mindestens zwei Metallkontakte sowie eine Einrichtung zum Anlegen einer inversen Potentialdifferenz zwischen der Metallschicht
auf der Vorderseite und einem der Metallkontakte auf
der Rückseite aufweist.
Ein nach der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbarer Halbleiterdetektor ist bevorzugt
dadurch gekennzeichnet, daß er von seiner Vorderseite zu seiner Rückseite eine dünne Schicht aus η-leitendem Halbleitermaterial,
eine-dicke Schicht aus einem Halbleitermaterial mit Eigenleitfähigkeit, eine dünne Schicht aus
stark mit p-leitenden Verunreinigungen dotiertem Halbleitermaterial
und mindestens zwei darauf aufgebrachte Metallkontakte aufweist.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführüngsform eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Halbleiterdetektors weist das
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Plättchen aus Halbleitermaterial die Form eines langge-' streckten Stäbchens auf und sind die elektrischen Kontakte
an den Enden dieses Stäbchens auf dessen Rückseite angeordnet. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist das Plättchen aus Halbleitermaterial als Kreisscheibe ausgebildet, und von den Metallkontakten ist der eine im
Zentrum und der andere als Kreisring am Umfang der ebenen
Rückseite dieser Kreisscheibe angeordnet. Bei einer dritten Ausführungsform ist das Plättchen aus Halbleitermaterial
als rechtwinkliges Parallelepiped ausgebildet und sind auf seiner Rückseite drei Metallkontakte angeordnet, von denen
jeder an einer anderen Ecke der entsprechenden Parallelepipedfläfhe
liegt. '."'"-·
Als Grundmaterial für das den Hauptteil eines erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektors darstellende Plättchen
aus Halbleitermaterial ist Silizium bevorzugt;.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr *auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß hergestellte und ausgebildete
.Halbleiterdetektoren veranschaulicht sind. Dabei zeigen in der Zeichnung:
Fig. I einen Schnitt durch einen nach der ersten Aus-·
führungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellten Halbleiterdetektor,
Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt durch einen gemäß
der zweiten AusführungsVariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergestellten Halbleiterdetektor,
Fig. 3 ein Beispiel für die Anbringung der elektrischen
Verbindungen für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektor von zylindrischer Form und
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-Fig. 4 ein Beispiel für die Anbringung der elektrischen
Anschlüsse bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektor von parallelepipediseher
Form,
Der in Fig. 1 dargestellte, nach der ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Halbleiterdetektor
hat als Grundkörper ein Plättchen 2- aus nleitendem
Silizium mit hohem spezifischem Widerstand. Auf der Vorderseite dieses Detektors ist mit bekannten Mitteln
eine sogenannte Inversionsschicht" in Form einer dünnen Schicht 4 aus p-leitendem Halbleitermaterial erzeugt, während der Rest
6 des Plättchens 2 in η-leitendem Zustand verblieben ist,
Durch Ionenimplantation ist auf der Rückseite des dargestellten Detektors eine dünne Widerstandsschicht erzeugt worden,
die durch eine starke η-leitende Dotierung erhalten worden ist. Für die Realisierung dieser Ionenimplantation wird
im Vakuum eine dünne Aluminiumschicht mit sehr genau kontrollierter Dicke aufgedampft. Durch diese dünne Metallschicht hindurch
wird eine Implantation von Phosphorionen vorgenommen, wobei in einem ersten Schritt die Rückseite des Detektors einem Beschüß
mit 10 ^ bis ]0 J Phosphorionen einer Energie zwischen 20 und
j50 keV je cm Oberfläche ausgesetzt und anschließend das gesamte
Halbleiterplättchen 2 bei einer Temperatur von weniger als 600°C thermisch geglüht wird. Auf diese Weise erhält man
eine Widerstandsschicht 10 von dank der Ionenimplantation durch eine Aluminiumschicht hindurch vorgegebener und konstanter
Dicke. Auf der Vorderseite des Plättchens 2, also auf die pleitende Schicht 4 wird im Vakuum eine dünne Metallschicht 12
aufgedampft. Als Material für die Ausbildung dieser Metallschicht 12 ist Gold bevorzugt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante der
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Erfindung besitzt das Plättchen 2 die Form eines langgestreckten
Stäbchens. An beiden Enden dieses Stäbchens wird auf der Rückseite des Piättehens 2 je ein elektrischer
Kontakt l4 bzw. 36 aufgebracht,
Ziar Aktivierung des in Fig, I dargestellten Detektors
wird an dessen np-übergang eine inverse Gleichspannung angelegt,
indem beispielsweise der elektrische Kontakt 14 mit Masse verbunden und die Metallschicht 12 auf ein Potential
-V gebracht wird, um eineOberflächenpotent!albarriere zu
schaffen; die Größe des Potentials V hängt dabei selbstverständlich
von der Dicke des Oetektors ab. Beispielsweise kann die anzulegende Potentialdifferenz in der Größenordnung
von 300 bis 500 Volt liegen. Das durch einfallende Teilchen
entstehende Signal wird zwischen den elektrischen Kontakten l4 und l6 abgenommen.
Die einfallenden Teilchen erzeugen bei ihrem Eindringen in die Verarmungszone am pn-übergang Elektron-Loch-Paare,
die zur Entstehung eines Stromes führen.
Für die Messung des Abstandes χ zwischen der Auftreffstelle eines Teilchens und dem elektrischen Kontakt l6 kann
man entweder die Zeit messen, die zwischen dem Eintreffen eines Teilchens und dem Augenblick verstreicht, in dem am
Kontakt 16 ein Impuls auftritt, oder man kann die an den beiden elektrischen Kontakten l4 und I6 auftretenden Spannungen
miteinander vergleichen. Die erste Bestimmungsmethode beruht darauf, daß sich der Detektor wie eine Leitung mit
konstanter Verteilung verhält, die durch die durch die geometrischen Abmessungen des Detektors festgelegte Kapazität
und den rückwärtigen Widerstand an der Widerstandsschicht 10
gekennzeichnet ist. Die zweite Bestimmungsmöglichkeit ergibt sir-h daraus, daß jede der beiden miteinander zu vergleichenden
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dem Abstand proportional ist, der 4Ie -AsiCtpeff-Stelle
FSr das Teilchen won dem entsprechenden elektrischen
Anschluß IH- oder 16 trennt.
Der in. Fig* 2 im Schnitt därgestellte Halbleiterdetektor
ist nach der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens hergesteilt. Als Ausgangskörper dient dabei ein
Plättchen l8 aus p-leitendem Silizium mit einem Widerstand
von 1000 Ohm. to der Rückseite des Piättchens l8 ist dureh.
Implantation von Borionen durch eine dünne Goldschicht hindüreh
eine Implantationsschicht 21 ausgebildet, wobei diese '
Ionenimplantation in der oben für die erste AusführungsVariante
4es erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen Weise erfolgt
und die zu implantierenden· Ionen wiederum eine Energie
zwischen 20 und JO teeV aufweisen.
An der Vorderseite 20 des Plättchens l8 ist durch Hochtemperatur diffusion von Lithium eine n-leitende Zone 22 ausgebildet,
von der eine Einwanderung von Lithium in die anschließende Zone 24 ausgeht, durch die die ursprüngliche
p-leitende Dotierung in diesem Bereich kompensiert wird und
eine Zone mit Eigenleitfähigkeit entsteht. Dieses Ergebnis wird dadurch erhalten, daß an das Plättchen l8 eine passende
Potentialdifferenz angelegt und das Plättchen l8 auf passender
Temperatur gehalten wird. Dieses Verfahren selbst ist an sich bekannt. Der Glühvorgang für die Implantation von Bor
wird selbstverständlieh gleichzeitig mit der Diffusion des
Lithiums vorgenommen.
Schließlich wird an beiden Enden auf der Rückseite des
Plättchens. l8 je ein Metallkontakt 26 bzw. 28 aufgebracht.
Die Bestimmung der Auftreffstelle von Teilchen auf dem
Detektor von Fig. 2 wird wiederum nach einer der beiden oben
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beschriebenen Methoden vorgenommen.
In der vorstehenden Beschreibung ist als Beispiel für das verwendete Halbleitermaterial Silizium genannt, jedoch
eignen sich selbstverständlich auch andere Halbleitermaterialien für die Durchführung der Erfindung.
In Fig. 3 ist eine Variante für die geometrische Form
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektors dargestellt. Der in Fig. 3 gezeigte Detektor besitzt statt der
vorstehend beschriebenen Form eines langgestreckten Stäbchens, die eine Lokalisierung einfallender Teilchen längs einer Achse
ermöglicht, die-Form eines Zylinders. Die ebene Rückseite des Detektors 30* die dessen Widerstandsteil bildet, ist mit zwei
elektrischen Kontakten 32 und 34 versehen, die durch Metallabscheidung
erhalten werden können. Dabei weist der erste Kontakt 32 nur einen geringen Durchmesser auf1" und nimmt das
Zentrum der ebenen Rückseite des Detektors ein. Der zweite Kontakt 34 weist die Form eines Kreisringes auf, der längs
des Außenumfangs des Detektors 30 auf dessen Rückseite aufgebracht
ist. Mit dieser Anordnung der Metallkontakte 32 und ist eine Teilchenlokalisierung entlang von Radien möglich.
Bei einer in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsvariante für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektor
besitzt dieser Detektor die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds 36, von dem in Fig. 4 die Rückseite sichtbar
ist. Diese Rückseite ist als Widerstandsschicht ausgebildet, und auf ihr sind drei' Metallkontakte 38, 40 und 42 aufgebracht,
von denen jeder an einer anderen Ecke des die Rückseite des
Parallelepipeds 36 bildenden Rechtecks liegt. Anhand der an
den einzelnen Metallkontakten 38, 40 und 42 eiltreffenden
elektrischen ^ignale kann man mit Hilfe eines Koordinatenkreuass
die Lage der Auftreffstelle der einfallenden Teilchen entlang von zu den Reehteckseiten parallel verlaufenden y- und z-Achsen
feststellen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der nach diesem Verfahren herstellbaren Halbleiterdetektoren
liegen ohne weiteres auf der Hand. Bei der Durchführung des Verfahrens wird teilweise mit erprobten klassischen
Technologien wie der Einwanderung von Lithium oder der Ausbildung von Oberflächenbarrieren gearbeitet. Das Verfahren
der Ionenimplantation durch eine Metallschicht hindurch ermöglicht die Erzielung einer Widerstandsschicht von genau
definierter Geometrie. Dies ist eine unabdingbare Voraussetzung, um eine genaue Lokalisierung der Auftreffstelle
der einfallenden Teilchen zu erreichen.
Den erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterdetektoren stehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten offen. Beispielsweise
kann auf die Teilchenerkennung in der Kernphysik ver-"wiesen
werden. Die erfindungsgemäßen Halbleiterdetektoren können mit Vorteil außerdem auf medizinischem oder industriellem
Gebiet eingesetzt werden. Sie können dann beispielsweise als Detektoren zur Bestimmung von in einen zu untersuchenden
Körpern eingebrachten radioaktiven Markierisotopen dienen.
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Claims (9)
1. !verfahren zum Herstellen von Halbleiterdetefctoren für
die Teilehenlolcalisierung mit einem eine- Vorderseite und
eine Rückseite aufweisenden Plättehen aus Halbleitermaterial,
dadurch g e k e η η ζ e lehnet,
daß die eine Seite des aus dotiertem Halbleitermaterial bestehenden PlEttchens durch eine darauf aufgebrachte,
dünne Metallschicht' hindurch mit Ionen beschossen wird»
die eine der Dotierung des Plattchens gleichartige Dotierung
ergeben,, daß das Plättehen thermisch geglüht wird
und daß auf die mit Ionen beschossene Seite des Flittchens mindestens zwei Metallkontakte aufgebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß von einem Plättchen aus n-leitendem Halbleitermaterial ausgegangen wird, daß auf einer Seite dieses Plattchens eine
dünne, p-1eitende Schicht erzeugt und auf diese eine dünne
Metallschicht aufgebracht wird, daß der Ionenbesehuß auf
der anderen Seite des Plättchens vorgenommen wird, auf die auch die Metallkontakte aufgebracht werden, und daß zwischen
der Metallschicht auf der einen Seite des Plättchens und einem der Metallkontakte auf der anderen Seite des Plättchens
eine inverse Potentialdifferenz von solcher Größe angelegt wird, daß die gesamte p-leitende Zone von den Ladungsträgern ·
verlassen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
von einem Plättchen aus p-leitendem Halbleitermaterial ausgegangen
wird und daß gleichzeitig mit dem .Glühen des Plättehens
an seiner Vorderseite Lithium eindiffundiert wird,, dessen Ionen
so einwandern, daß sich eine Zentralschicht aus eigenleitendem
Halbleitermaterial und eine η-leitende OberflächensGhicht er^
geben.
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4. Halbleiterdetektor mit Herstellung nach dem Verfahren ' ·
nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er von seiner Vorderseite zu seiner Rückseite eine sehr dünne Metallschicht
(12), eine Schicht (4) aus p-leitendem Halbleitermaterial, eine dicke Schicht (6) aus η-leitendem Halbleitermaterial,
eine dünne Schicht (10) aus stark mit n-leitenden Verunreinigungen dotiertem Halbleitermaterial und mindestens
zwei Metallkontakte (l4 und 16) sowie eine Einrichtung zum Anlegen einer inversen Potentialdifferenz zwischen der Metallschicht
(12) auf der Vorderseite und einem der Metallkontakte (14 oder l6) auf der Rückseite aufweist. (Fig. l).
5. Halbleiterdetektor mit Herstellung nach dem Verfahren nach Anspruch 3>
dadurch gekennzeichnet, daß er von seiner Vorderseite (20) zu seiner Rückseite eine dünne Schicht (22) aus
η-leitendem Halbleitermaterial, eine dicke Schicht (24) aus einem Halbleitermaterial mit Eigenleitfähigkeit, eine dünne
Schicht (21) aus stark mit p-leitenden Verunreinigungen dotiertem Halbleitermaterial und mindestens zwei darauf aufgebrachte
Metallkontakte (26 und 28) aufweist.(Fig. 2)
6. Halbleiterdetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Plättchen'(2; l8) aus Halbleitermaterial die Form eines langgestreckten Stäbchens aufweist und die
elektrischen Kontakte (l4A 16; 26, 28) an den Enden dieses
Stäbchens (2, l8) auf dessen Rückseite angeordnet sind,
7. Halbleiterdetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Plättchen (30) aus Halbleitermaterial als Kreisscheibe ausgebildet und von den Metallkontakten
(32 und 34) der eine (32) im Zentrum und der andere (34) als Kreisring am Umfang der ebenen Rückseite dieser Kreisscheibe
angeordnet ist.
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8. Halbleiterdetektor nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet,
daß das Plättchen (36) aus Halbleitermaterial
als rechtwinkliges Parallelepiped ausgebildet ist und auf seiner Rückseite drei Metallkontakte (38, 40 und 42) angeordnet
.sind, von denen jeder an einer anderen Ecke der entsprechenden Parallelepipedfläche liegt.
9. Halbleiterdetektor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
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