DE2553738A1

DE2553738A1 - Verfahren zur verbesserung der elektrischen leitfaehigkeit von diamanten

Info

Publication number: DE2553738A1
Application number: DE19752553738
Authority: DE
Inventors: Leon Ampeir Vermeulen
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1974-12-04
Filing date: 1975-11-29
Publication date: 1976-06-10
Also published as: GB1528477A; FR2293798A1; JPS5185496A; NL7514180A; US4045674A; ZA747725B

Description

PATEMTANWALT

HELMUT GÖRTZ

6 Frankfurt cm Main 70
Schnsckenhofsfr. 27 - Tel. 617079

26. November 1975 Gzm/Ra.

De Beers Industrial Diamond Division Limited, Johannesburg

Verfahren zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Diamanten

Die Erfindung betrifft Diamanten des Typs Hb.

Vier Grundtypen von Diamantpartikeln sind bekannt. Diese Typen werden als Ia, Ib, Ha und Hb bezeichnet. Die Typen Ia, Ib und Ha sind alle isolierend oder elektrisch nicht-leitend, während der Typ Hb ein Halbleiter ist. Diamanten des Typs Ia enthalten Stickstoffaggregate, die im Gitter verteilt sind. Diamanten des Typs Ib enthalten im Gitter substitutionellen Stickstoff. In Diamanten des Typs Ha ist kein Stickstoff zu entdecken. Diamanten des Typs Hb enthalten im Gitter substitutionelle Boratome und sind p-Halbleiter.

Die Erfindung betrifft nur Diamanten des Typs Hb, die synthetischen oder natürlichen Ursprungs sein können. Im Fall synthetischer Diamanten sind die Partikel im wesentlichen frei von Metalleinschlüssen, da die Erfindung die Bestrahlung der Partikel umfaßt.

Es ist bekannt, daß Diamanten des Typs Hb dadurch elektrisch nicht-leitend gemacht werden können, daß sie mit einer Strahlung bestrahlt werden, die atomare Versetzungen hervorrufen kann. Die Bestrahlung besteht im allgemeinen aus einem Bombar-

B U y 8 2 4 / U 7 3 8

dement mit Elektronen hoher Energie (die Bestrahlungsenergie ist größer als 0,3 MeV). Die Dosis oder der Flux der Bestrahlung wird entsprechend dem gewünschten Ausmaß der atomaren Versetzungen und entsprechend der Strahlungsenergie variieren.

Im allgemeinen wird der Flux so beschaffen sein, daß wenigstens

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10 atomare Versetzungen pro Kubikzentimeter in dem Diamanten induziert werden.

Es wurde nun entdeckt, und diese Entdeckung bildet die Grundlage der vorliegenden Erfindung, daß Diamanten des Typs Hb, die elektrisch nicht-leitend gemacht wurden, durch ionisierende Strahlung elektrisch leitend gemacht werden können. Solange die Diamanten der ionisierenden Strahlung ausgesetzt sind, sind sie elektrisch leitend. Sobald die Bestrahlung eingestellt wird, werden die Diamanten wieder nicht-leitend. Wenn daher ein elektrisches Potential an einen derartigen Diamanten angelegt wird, variiert der durch den Diamanten fließende Strom mit der Intensität der ionisierenden Strahlung, mit weicher der Diamant bestrahlt wird. In der vorliegenden Erfindung wird einerseits ein Verfahren angegeben, wie ein elektrischer Strom zum Fließen durch einen Körper gebracht werden kann, der aus einem Diamanten des Typs Hb besteht und mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen hervorrufen kann; das Verfahren besteht aus folgenden Schritten: Anlegen eines elektrischen Potentials an den Körper und Bestrahlen des Körpers mit ionisierender Strahlung, während ein elektrisches Potential am Körper aufrechterhalten wird. Die ionisierende Strahlung kann «Κ-, ß-, }f - oder Röntgenstrahlung oder Licht der Wellenlänge zwischen 10 000 % und 2 200 % sein.

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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise verwendet werden; eine besondere Anwendung betrifft den Nachweis ionisierender Strahlung. Der Nachweis kann darin bestehen, daß das Vorhandensein von ionisierender Strahlung sichergestellt wird oder daß ionisierende Strahlung gezählt wird oder daß eine Schaltungsfunktion ausgeführt wird. Der Ausdruck "nachweisen", wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet alle genannten Formen des Nachweises. Demnach impliziert die Erfindung andererseits ein Verfahren zum Nachweis ionisierender Strahlung, das folgende Verfahrensschritte einschließt:

(1) Anlegen eines elektrischen Potentials an einen Körper, bestehend aus einem Diamanten des Typs Hb, der mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann,

(2) Bestrahlung des Körpers mit der ionisierenden Strahlung, während ein elektrisches Potential an den Körper angelegt wird und

(3) Überwachung (monitoring) des elektrischen Stromes, der durch den Körper flidßt. Zur Überwachung des elektrischen Stromes, der durch den Diamantkörper fließt, kann irgendeine geeignete bekannte Vorrichtung benützt werden.

Der Diamantkörper kann aus einer ganzen Diamantpartikel bestehen. Vorzugsweise besteht der Diamantkörper nur aus einem Teil der Diamantpartikel. Dieser Teil kann die Form eines Bandes haben, das vorzugsweise eine geringe Breite hat. Die Breite des Bandes ist vorzugsweise nicht größer als 1 mm.

Der Körper ist vorzugsweise schmal und das elektrische Potential wird vorzugsweise an den schmalen Bereich des Körpers

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angelegt. So kann z.B. der Körper die Form eines dünnen rechteckigen Blocks haben; in·diesem Fall wird das elektrische Potential vorzugsweise an eine Seite des Blocks angelegt.

Ein Diamant mit leitenden und nicht-leitenden Teilen kann dadurch hergestellt werden, daß der Diamant in geeigneter Weise maskiert wird; so wird nur die Fläche oder die Flächen jener Zone oder jenes Teils auf der Partikel freigelegt, die nichtleitend werden soll. Zum Maskieren eignet sich irgendein Metall, wie z.B. Blei. Die maskierte Diamantpartikel wird dann einer Strahlung ausgesetzt, die atomare Versetzungen induzieren kann, und zwar bei einem Flux, der ausreicht, um den freigelegten Teil elektrisch nicht-leitend zu machen. Je nach der Energie der Strahlung kann es notwendig sein, mehr als eine Fläche der Zone freizulegen, die nicht-leitend gemacht werden soll, um das erwünschte Resultat zu erzielen. Die Maske wird dann entfernt, und es bleibt eine Diamantpartikel zurück, die einen elektrisch leitenden und einen elektrisch nicht-leitenden .Teil aufweist. Wenn die Partikel mit ionisierender Strahlung bestrahlt wird, wird die Partikel als Ganzes elektrisch leitend und dieser Zustand bleibt bestehen, solange bestrahlt wird.

Andererseits betrifft die Erfindung ein Element mit variablem Widerstand, bestehend aus einem Körper aus Diamant, der mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann und der so zwischen ein Paar Elektroden montiert ist, daß ein elektrisches Potential an ihn angelegt werden kann und Bestrahlung mit ionisierender Strahlung vorgenommen werden kann. Die Diamantpartikel kann mittels bekannter Vorrichtungen und Verfahren zwischen das Elektrodenpaar montiert wer-

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den. Der elektrische Strom, der durch das Element fließt, wird entsprechend der Intensität der ionisierenden Strahlung, mit der bestrahlt wird, und entsprechend der Umgebungstemperatur variieren.

Der Körper ist vorzugsweise schmal und er kann so zwischen die Elektroden montiert werden, daß das elektrische Potential an seinen schmalen Teil (section) angelegt werden kann. Je schmaler der Teil ist, desto stärker ist für ein gegebenes angelegtes Potential das elektrische Feld an diesem Teil. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Anspringens (response) und die Empfindlichkeit des Elementes gesteigert.

Der Körper ist vorzugsweise nur ein Teil einer Diamantpartikel; der Teil erstreckt sich über den ganzen Stromweg zwischen den Elektroden, wodurch ein Kurzschluß vermieden wird. Der Teil kann - wie oben beschrieben - die Form eines Bandes haben.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das auf den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Diamantpartikel und

Fig. 2 eine Diamantpartikel, die zwischen ein Elektrodenpaar montiert ist.

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Beide Figuren sind schematisch.

Eine Diamantpartikel des Typs Hb wurde rechteckig zugeschnitten. Der zurechtgeschnittene Diamant wurde dann mit einer Bleihülle maskiert, um nur ein schmales Band im Zentrum des Diamanten freizulassen. Das Band hatte eine Breite von 1 mm. Der maskierte Diamant wurde dann mit Elektronenstrahlen der

Ί V Ί ft Energie 2 MeV bestrahlt. Der Flux betrug 10 ' bis 10 Elektronen/cm~, wodurch 10 bis 10 atomare Versetzungen pro cnr in dem exponierten Band des Diamanten induziert wurden. Die Maske wurde dann entfernt und der daraus resultierende Diamant ist auf Fig. 1 dargestellt. Der Diamant hatte Endzonen 10, 12, die elektrisch leitend waren. Der Diamant hat auch ein zentrales Band 14, das elektrisch nicht-leitend und tiefblau gefärbt war. Der Diamant als Ganzes war ein empfindlicher Photoleiter, denn wenn er mit ionisierender Strahlung bestrahlt wurde, wurde er als Ganzes elektrisch leitend.

Die Diamantpartikel war zwischen ein Paar Elektroden 16 eingeklemmt, wie auf Fig. 2 gezeigt. Der Diamant war so montiert, daß das Band 14 zwischen den Elektroden 16 lag. Ein elektrisches Potential von 300 Volt wurde in Abwesenheit irgendwelcher nachweisbarer ionisierender Strahlung an die Elektroden gelegt. Der Widerstand des Diamanten erwies sich als sehr hoch (in der

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Größenordnung von 6x10 0hm). Der Diamant wurde dann mit weißem Licht hoher Intensität bestrahlt und dieselbe Spannung wurde an die Elektroden gelegt. Ein elektrischer Strom von 0,1 uA floß solange durch den Diamanten, wie mit weißem Licht bestrahlt wurde. Sobald die Bestrahlung mit weißem Licht ein-

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gestellt wurde, nahm der Widerstand seinen früheren hohen Wert wieder an.

Es ist zu beachten, daß sich das Band über den ganzen Weg des Stromflusses erstreckt, wodurch ein Kurzschluß vermieden wird.

Die gezeichnete Ausführungsform zeigt die Lage des Bandes in der Mitte der Partikel. Mit derselben Wirkung kann sich das Band an irgendeiner anderen Stelle zwischen den Enden oder an einem der Enden befinden.

Der erfindungsgemäße Diamant kann für den Nachweis von Licht oder geladenen Partikeln oder irgendeiner anderen ionisierenden Strahlung benützt werden. Er besitzt viele Vorteile gegenüber anderen halbleitenden Diamantpartikeln und Germanium- und Silicium-Halbleitern. Was andere halbleitende Diamanten anbetrifft, so hat er den Vorteil eines viel größeren Verhältnisses Signal/Rauschen. Bezüglich Germanium- und Silicium-Halbleitern hat er die Vorteile, daß er nicht von Übergangszonen abhängt und daß er erfolgreich bei höheren Temperaturen betrieben werden kann als solche Halbleiter.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren» bei dem ein elektrischer Strom durch einen Körper aus einem Diamanten des Typs IXb fließt, der mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anlegen eines elektrischen Potentials an den Körper und Bestrahlung des Körpers mit einer ionisierenden Strahlung, während das elektrische Potential am Körper aufrechterhalten wird.
2.)Verfahren zum Nachweis ionisierender Strahlung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Anlegen eines elektrischen Potentials an einen Körper aus einem Diamanten des Typs Hb, der mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann, Bestrahlung des Körpers mit der ionisierenden Strahlung,während ein elektrisches Potential an den Körper gelegt ist und der durch den Körper fließende elektrische Strom überwacht wird.
3. Verfahren nach Apspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung, die atomare Versetzungen induzieren kann, aus Elektronenstrahlung besteht, deren Energie größer als 0,3 MeV ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flux der Strahlung, welche die atomaren Versetzungen induzieren kann, so groß ist, daß wenigstens

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10 Defekte pro cm in dem Diamantkörper geschaffen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung cK-, ß-, If- oder Röntgenstrahlung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierende Strahlung Licht der Wellenlänge 10 000 % bis 2 200 2 ist.
7. Eine Diamantpartikel des Typs Hb, gekennzeichnet durch einen Teil, der mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann.
8. Eine Diamantpartikel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil ein Band ist.
9. Eine Diamantpartikel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Bandes schmal ist.
10. Eine Diamantpartikel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Bandes nicht größer als 1 mm ist.
11. Eine Diamantpartikel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung Elektronenstrahlung mit einer Energie größer als 0,3 MeV ist.*
12. Ein Element mit variablem V/iderstand, gekennzeichnet durch einen Körper aus Diamant, welcher mit einer Strahlung bestrahlt worden ist, die atomare Versetzungen induzieren kann und der so zwischen ein Paar Elektroden montiert ist, daß an ihn ein elektrisches Potential angelegt werden kann und Bestrahlung mit ionisierender Strahlung vorgenommen werden kann.
13. Ein Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper schmal ist und so, zwischen die Elektroden montiert ist, daß das elektrische Potential an dessen schmalen Teil angelegt werden kann.
14. Ein Element nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper Teil einer Diamantpartikel ist
und sich über den ganzen Stromweg zwischen den Elektroden erstreckt.
15. Ein Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil ein Band ist und die Diamantpartikel derart zwischen die Elektroden montiert ist, daß ein elektrisches
Potential an ihre Breite angelegt werden kann.
16. Ein Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Bandes schmal ist.
17. Ein Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite nicht größer als 1 mm ist.