DE2806858A1

DE2806858A1 - Halbleiter-strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE2806858A1
Application number: DE19782806858
Authority: DE
Inventors: Tetsuji Kobayashi; Noboru Matsuo; Tohru Sugita
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-02-17
Filing date: 1978-02-17
Publication date: 1978-08-24
Also published as: DE2806858C2; US4210805A; GB1559664A

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tokyo Shibaura Electric Co₉, Ltd. Tel.: 089/982085-87

älex: 0529802 hrrt siegramme: ellipsoi

17. Feb. 1978

Kawasaki-Shi, Japan Telex: 0529802 hnkld

^c Telegramme: ellipsoid

Halbleiter-Strahlungsdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Strahlungsdetektor und betrifft insbesondere eine auf einem Silizium« substrat aufgebaute Detektor- bzw» Meßvorrichtung zur Messung von Strahlung, beispielsweise von RSntgen- od®r Gammastrahlung.

Bisher wurden für die Messung bzw. Bestimmung von Strahlung häufig ein lonisationskammerdetektor und ein Seintillations-Photoelektronenvervielfacherdetektor benutzt. Dies© Detektoren besitzen jedoch den Nachteil, daß sie sperrig aufgebaut und schwer sind. In jüngster Zeit werden deshalb häufig Halbleiter-Strahlungsdetektoren als leichte, miniaturisierte Geräte verwendet. Bei einem typischen Detektor dieser Art ist ein Detektor-, Meß- oder Fühlelement vorgesehen, das durch Eindiffundieren eines Fremdatoms in ein Einkriatall-Siliziumsubstrat vom n-Leit(fähigkeits)typ unter Bildung einer p-Typ-Schicht mit einem pn-übergang zwischen dem Substrat und der p-Typ-Schicht hergestellt wird.

Bei der Strahlungsmessung wird das Meßelement mit einer Hochspannung von z.B. -1000 V beschickt, um eine Verarmungsschicht

809834/0739

zu bilden. Wenn in diesem Zustand eine Strahlung auf das Meßelement auftrifft, werden Elektronenloch- bzw. -mangelstellenpaare angeregt, und die Elektronen werden entsprechend dem inneren Feld von der Substratseite und über die Elektronenmangelstellen von der Seite der p-Typ-Schicht her abgenommen, so daß ein Ausgangssignal entsprechend der einfallenden Strahlungsmenge erhalten wird.

Ein solcher Halbleiter-Strahlungsdetektor besitzt unabhängig von seiner geringen Größe die folgenden Nachteile:

1. Für die Messung von Strahlung geringer Energie oder geringer Menge (rate) sind ein rauscharmer Detektor und Verstärker erforderlich, während außerdem eine eine Vorspannung anlegende Stromquelle nötig ist, wodurch das Meßgerät teuer wird.

2. Der Leckstrom und der Dunkelstrom des Meßelements müssen verringert werden, wodurch die einfache Herstellung des Strahlungsdetektors beeinträchtigt wird.

3. Da das Meßelement an einer Hochspannung liegen muß, erfährt es erhebliche Verschlechterungen seiner Eigenschaften, insbesondere eine Herabsetzung der Aushaltespannung, d.h. der Spannung, die es auszuhalten vermag.

4. Im Betrieb muß das Meßelement in einem Vakuumbehälter angeordnet sein und mit einem Kühlmittel, wie flüssigem Stickstoff, gekühlt werden. Hierfür sind somit ein Kühlbehälter, das Kühlmittel und ein Aufnahmebehälter erforderlich, so daß das Gerät sperrig wird.

5· Infolge mechanischer Schwingungen und Stöße ist dieses Gerät mit höherem Rausch- bzw. Störsignalpegel behaftet.

809834/0739

6. Da das Ausgangssignal in Form von Impulswellen geliefert wird, ist das Gerät bei großer Strahlungsmenge, z.B. bei Röntgen-Strahlung in einer Dosis von 10 - 100 R/min, nicht betriebsfähig.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Halbleiter-Strahlungsdetektors, der niedriges Gewicht besitzt und kostensparend herstellbar ist, der keine von außen her erfolgende Vorspannung und Kühlung benötigt und der langfristige Messungen auch großer Strahlungsmengen durchzuführen gestattet, ohne dabei eine Verschlechterung seiner Eigenschaften zu erleiden.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiter-Strahlungsdetektor der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Detektoreinheit mit einem Meßelement in Form eines Einkristall-Siliziumsubstrats mit einer Fremdatomkonzentration von weni-

Λΐί *5 Λΐχ t

ger als 1 χ 10 Atome/cnr (1x10 cm"^), einer auf der einen Fläche des Substrats unter Bildung einer Oberflächensperre oder -sperrschicht damit ausgebildeten Metallschicht und einer an der anderen Fläche des Substrats ausgebildeten Elektrodenschicht, und durch eine an die Metallschicht und an die Elektrodenschicht des Meßelements angeschlossene Ausgangsschaltung zur Abnahme eines Ausgangssignals entsprechend der auf die Detektoreinheit auftreffenden Strahlungsmenge.

Beim erfindungsgemäßen Halbleiter-Strahlungsdetektor ist eine Metallschicht auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat mit einer Fremdatomkonzentration von weniger als 10 Atome/cm (spezifischer Widerstand von mehr als 300 0hm/cm) unter Bildung einer Oberflächensperre zwischen Schicht und Substrat ausgebildet. Infolgedessen kann eine einfallende Strahlungsmenge ohne die Notwendigkeit für die Anlegung einer Vorspannung zwischen Metallschicht und Substrat gemessen werden.

809834/0730

Die Oberflächensperre oder -sperrschicht kann entweder in unmittelbarer Berührung mit der Metallschicht und dem genannten Substrat oder unter Zwischenfügung einer dünnen Zwischenschicht (einer Dicke von unter 50 Ä) zwischen beiden ausgebildet sein. Wenn die Fremdatomkonzentration des Einkristall-Siliziumsubstrats mehr als 10 Atome/cnr beträgt, ist es unmöglich, Strahlung mit geringer Energie oder in geringer Menge mit praktisch ausreichender Meßempfindlichkeit zu messen. Vorzugsweise beträgt die Ladungsträgerlebensdauer des Substrats mehr als 200 us und vorteilhaft mehr als 500 us.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiter-Strahlungsdetektors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der Beziehung zwischen Meßausgang und Strahlungsmenge,

Fig. 4 bis 12 perspektivische Darstellungen abgewandelter Ausführungsformen des Meßelements gemäß Fig. 1,

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Strahlungsdetektors mit Meßelement,

Fig. 14 bis 18 perspektivische Darstellungen verschiedener weiterer Abwandlungen des Meßelements gemäß Fig. 13,

Fig. 19 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

809834/0739

280685

Figo 20 bis 22 perspektivisch© Darstellungen Abwandlungen des Meßel@m@nts gemäß Figo 19_P

Fig«, 23 ein© schematise*!© Darstellung ®±η@τ vierten führungsform der Erfindung₂

Figo 24 ein© perspektivische Darstellung ©iner

gemäß Figo 22

Figo 25 Ms 28 a«seiiaand@rg©2©g<sn@

h
mit ©ingebatstüm ¥l@B®lm-

in M©ß@l©asat 50 ©la

51 vom p~L®it(fihi|jk@itg)typ mit

bzw«, planen Flä©Ii©ß_o Das Substrat 31 ist so aus gebildet @s @in©n sp@2ifis©h©n ¥id©rstand von ©twa 300 Ohm/em (Fr®md= atomkonsantration von 1 sj 10 Atois©/cnr) und ein© Ladiaigs·= trägerlebensdatatr von 200 _s vorziagstjdis© 500 ns besitzto Von der einen breiteren Fläeh© her ist Bor hohen Reinheitsgrads unter Bildung einer dünnen p⁺-Leittyp«Schicht 32 in das Substrat 31 eindiffundiert, während auf seine andere breitere Fläche Aluminium unter Bildung einer Metallschicht 33 aufgedampft ist. Hierdurch wird zwischen dem Substrat 31 und der Metallschicht 33 eine Oberflächensperre bzw· -sperrschicht gebildet. Vor der Ausbildung der Metallschicht auf der Substratoberfläche kann ein Oxidfilm beispielsweise durch Ätzen vollständig von dieser Oberfläche abgetragen werden« Erfindungsgemäß kann jedoch der Oxidfilm auch auf der Substratoberfläche belassen werden, wenn seine Dicke (nur) so groß ist, daß er die Oberflächensperre nicht behindert. Auf die p⁺-Schicht 32 wird zur Bildung einer ohmschen Elektrodenschicht 34 Gold aufgedampft. Die Metalle für die Oberflä-

809834/0739

chensperre und für die ohmsche Elektrodenschicht 32 sind Jedoch nicht auf Aluminium bzw. Gold beschränkt, vielmehr können auch andere Metalle, wie Titan und Nickel, benutzt werden, wie sie auf diesem Fachgebiet üblicherweise für die Ausbildung einer solchen Oberflächensperre bzw. einer solchen ohmschen Elektrode verwendet werden.Bei Verwendung beispielsweise eines n-Typ-Einkristall-Siliziumsubstrats kann Gold für die Ausbildung einer Oberflächensperre und Aluminium für die Herstellung einer ohmschen Elektrode eingesetzt werden. Im Fall eines Metalls, wie Aluminium, das beim Aufdampfen auf ein solches Substrat einen ohmschen Kontakt herstellt, ist für diesen Zweck eine Schicht mit hoher Fremdatomkonzentration nicht unbedingt nötig. Bei dem dargestellten Meßelement 30 ist die ohmsche Elektrode 34 mit Masse 35 verbunden, während die Metallschicht 33 an einen Meßverstärker 36 angeschlossen ist. Wenn aus den durch die Pfeile A, B bzw. C in Fig. 1 angedeuteten Richtungen Strahlung auf das Meßelement 30 auf trifft, mißt das Meßelement 30 eine darin induzierte elektromotorische Kraft (EMK). Der Meßverstärker 36 besteht aus einem Operationsverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand von 10' Ob*. Die nicht-invertierende Eingangs klemme des Meßverstärkers ist an Masse gelegt, und seine invertierende Eingangs klemme ist mit der Metallschicht 33 des Meßelements verbunden.

Fig. 2 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem Meßausgang und der einfallenden Strahlungsmenge für den Fall, daß ein Einkristall-Siliziumsubstrat 31 mit rechteckiger Form einer Größe von 17x15x2mm und einer Ladungsträgerlebensdauer von etwa 500 us als Meßelement verwendet wird. Gemäß Fig. 2 wird als Strahlung eine Röntgenstrahlung mit einer Energie von 70 KeV gemessen, welche in den Richtungen A, B und C gemäß Fig. 1 auf das Meßelement auftrifft. In der graphischen Darstellung von Fig. 2 ist der Ausgang bzw. das Ausgangssignal des Meßverstärkers auf der Ordinate aufgetra-

809834/0739

gen, während die einfallende Strahlungsmenge auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Linien A, B und C veranschaulichen die Ausgangskennlinie der in der betreffenden Richtung auf das Meßelement fallenden Röntgenstrahlung. Wenn die Strahlungs-

menge im Bereich von 1 bis 10 R/min liegt, ändern sich die Ausgangsspannungen proportional zur Strahlungsmenge bzw. -dosis, auch wenn die Röntgenstrahlung auf die eine Seitenfläche des Meßelements 30, d.h. in Richtung A, auf die Metallschicht 33 des Meßelements, d.h. in Richtung B, bzw. auf die ohmsehe Elektrodenschicht 34 des Meßelements 30, d.h. in Richtung C, auftrifft. Diese Tatsache geht aus Fig. 2 deutlich hervor. Auch bei einer hohen Strahlungsmenge in der Größenordnung von 1 - 100 R/min werden, obgleich in Fig. 2 nicht veranschaulicht, der £.trahlungsmenge praktisch proportionale Ausgangsspannungen erhalten, ohne daß die Eigenschaften bzw. die Kennlinie des Meßelements beeinträchtigt werden. Fig. 3 veranschaulicht zum Vergleich die Beziehung zwischen einem Meßausgang und der Strahlungsmenge für einen beim selben Verfahren wie in Fig. 2 durchgeführten Versuch, bei dem als Meßelement ein Siliziumeinkristall mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm/cm und einer Ladungsträgerlebensdauer von etwa 100 us verwendet wird«, Aus Fig. 3 geht hervor, daß bei größerer Strahlungsmenge dieselbe Ausgangskennlinie wie in Fig. 2 erhalten wird, daß bei einer Strahlungsmenge von unter 500 R/min keine geradlinige Ausgangsänderung erzielt wird und daß bei einer Strahlungsmenge von unter 80 mR/min tatsächlich keine Ausgangsgröße gemessen werden kann, da diese Größe lediglich einem Dunkelstoß entspricht.

Die Fig. 4 bis 6 veranschaulichen abgewandelte Ausführungsformen des Meßelements 30. Dabei sind das Einkristall-Siliziumsubstrat 31, die Metallschicht 33 und die ohmsche Elektrodenschicht 34 in verschiedenen Konfigurationen ausgeführt. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 4 ist eine Metallschicht 33

*mR/min

8 09834/0739

auf der einen Schmalseite eines rechteckigen Siliziumsubstrats 31 ausgebildet, während auf der gegenüberliegenden Schmalseite des Substrats 31 eine ohmsche Elektrodenschicht 34 vorgesehen ist. Bei der Abwandlung gemäß Fig. 5 ist eine Metallschicht 33 auf der größeren Seitenfläche eines halbkreisförmigen Einkristall-Siliziumsubstrats 3I ausgebildet, und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats 31 ist eine ohmsche Elektrodenschicht 34 vorgesehen. Das Meßelement 31 gemäß Fig. 6 besteht aus einem halbkreisförmigen Einkristall-Siliziumsubstrat 31, das auf der einen, flachen Schmalseite einer Metallschicht 33 und auf der anderen, halbkreisförmigen Schmalseite eine ohmsche Elektrodenschicht 34 aufweist.

Obgleich die die Oberflächensperrschicht bildende Metallschicht bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bzw. Abwandlungen praktisch auf der gesamten Oberfläche einer Seite oder Fläche des Substrats ausgebildet ist, kann sie auf noch näher zu erläuternde Weise auch in einem Muster ausgebildet sein.

Das Meßelement 30 gemäß Fig. 7 weist auf der einen größeren bzw. Hauptfläche eines rechteckigen Eingriffsteil-Siliziumsubstrats 31 eine Metallschicht 33 und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats eine ohmsche Elektrodenschicht 34 auf. Bei diesem Meßelement 30 wird die Strahlung auf seine eine Seitenfläche gerichtet. Die Metallschicht 33 besitzt eine kamm- bzw. fingerartige Konfiguration mit einem Basisteil 33b und mehreren Fingern 33a, die in der Einfallsrichtung der Strahlung auf vorbestimmte Abstände voneinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird eine kamm- bzw. fingerartige Oberflächensperre bzw. -sperrschicht zwischen der Metallschicht 33 und dem Substrat 31 gebildet. Der Abstand zwischen den Fingern 33a der Metallschicht 33, d.h. die Breite der zwischen den Fingern 33a der Metallschicht

809834/0739

d.h. die Breite der zwischen den Fingern 33a der Metallschicht 33 verbleibenden streif©nförmigen Qberfläehenbereiehe, wird so festgelegt, daß er praktisch gleich groß oder kleiner ist als die Länge L = VdF (D -Diffusionskoeffizientj X « Ladungsträgerlebensdauer) , über welch® die Ladungsträger eindiffimdiert sind.

Mit dem Meßelement gemäß Figo 7 kann die Strahlung ELt prak~ tisch derselben Anspreche bsw_o Maßempfindlichkeit wie b©im Gegenstück gemäß Fig. 1 gemessen warden, obgleich die Ober·= flächensperre nicht ©in® voll© Oberfläche des M@ßel©m©ats bedeckt. Außerdem ist di© Oberfläche d@r Qb©rfläch@nsperr@ kleiner als bei der Vorrichtung gomiß Fig_o 1, so daß d@r Leckstrom bzw« Streustrom imd di© elektrostatische Kapazität des Meßelements beispielsweise ©twa halb so groß wi© beim Meßelement gemäß Figo 1 ausgelegt vmr&®n körnen tand daß das Signal/-Rauschen-Verhältnis (Störabstand) grißer sein kann als beim Meßelement gemäß Fig_o 1_O Ditses Meß©l©m©at vermag dah©r Strah~ lung in geringerer Meng© od©r mit- niedrig©rer Energie wirksam und mit besserer Genauigkeit zu m@sa©n_o AuBerd@m ist hierbei die Oberfläche der Oberfläch©nsp©rre kleinere wodurch eine höhere Produktionsleistung und geringere Fertigungskosten gewährleistet werden_o

Beim Meßeleaent gemäß Fig_o 8 ist auf d©r ©inen größeren bzw_e Hauptfläche eines Substrats 31 eine Metallschicht 33 ausgebildet, wäh3?encjfeuf die ander© Hauptfläeh® d©s Substrats ©ine ohmsche Elektrodenschicht 34 aufgedampft ist. Die ein© Oberflächensperre bzw. -sperrschicht bildende Metallschicht 33 weist einen Basisteil 33b sowie von dessen beiden Seiten ausgehende Finger 33a auf.

Beim Meßelement gemäß Fig. 9 ist auf die eine Hauptfläche des Substrats 31 ein© Metallschicht 33 aufgebracht. Die Metallschicht 33, die eine Oberflächensperre bildet, besitzt eine rechteckige Spiralform.

809834/0739

Das Meßelement 30 gemäß Fig. 10 trägt eine gitterartige Metallschicht 33.

Beim Meßelement 30 gemäß Fig. 11 ist auf der einen Hauptfläche eines kreisrunden Einkristall-Siliziumsubstrats 31 eine kreisspiralige Metallschicht ausgebildet, während auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats eine ohmsche Elektrodenschicht 34 vorgesehen ist.

Das Meßelement gemäß Fig. 12 trägt auf der einen Hauptfläche eines Einkristall-Siliziumsubstrats 31 eine kamm- bzw. fingerförmige Metallschicht 33. Auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats ist eine ebenfalls kamm- bzw. fingerförmige ohmsehe Elektrodenschicht 34 ausgebildet. Die fingerartige Metallschicht 33 ähnelt dabei bezüglich ihrer Form der fingerartigen Elektrodenschicht 34. Die Finger der Elektrodenschicht 34 brauchen dabei nicht notwendigerweise auf die Finger der Metallschicht 33 ausgerichtet zu sein.

Obgleich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen bzw. Abwandlungen jeweils ein einzelnes bzw. einziges Meßelement auf einem Einkristall-Siliziumsubstrat ausgebildet ist, können auch mehrere Meßelemente auf einem einzigen Substrat ausgebildet oder mehrere Einkristall-Siliziumsubstrate mit jeweils einem Meßelement miteinander kombiniert werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist ein rechteckiges Einkristall-Siliziumsubstrat 31 vorgesehen, das einen spezifischen Widerstand von etwa 300 Ohm/cm und eine Ladungsträgerlebensdauer von etwa 500 ps besitzt. Auf die eine breitere bzw. Hauptfläche des Substrats 31 sind vier streifenförmige Metallschichten 33 in vorbestimmten Querabständen aufgebracht. Die Metallschichten 33 können auf der einen Oberfläche des Substrats durch selektives Aufdampfen von beispielsweise Aluminium ausgebildet werden. Wahlweise kann auf die eine Gesamt-

809834/0739

fläche des Substrats Aluminium aufgedampft werden, worauf die mit Aluminium bedampfte Fläche des Substrats zur Ausbildung der streifenförmigen Metallschichten 33 selektiv geätzt wird. Eine gemeinsame ohmsche Elektrodenschicht 34 aus z.B. Gold ist auf der anderen Hauptfläche des Substrats vorgesehen. Diese ohmsche Elektrodenschicht 34 ist dabei mit Masse 35 verbunden. Die Metallschichten 33 sind über zugeordnete Schalter 37 mit einem gemeinsamen Meßverstärker verbunden. Bei dieser Ausführungsform sind vier Meßelement© 30 vorgesehen, welche die einzeln auf der einen Oberfläche des Substrats 31 ausgebildeten vier Metallschichten 33 umfassen.

Die Detektorvorrichtung gemäß Fig. 13 wird, wie durch die Pfeile in Fig. 13 angedeutet, von oben her mit der Strahlung beaufschlagt. Dabei können von jedem der vier Meßelemente selektiv Ausgangssignale abgenommen werden, so daß eine Ausgangssignalgröße entsprechend dem Querschnitt der einfallenden Strahlung erhalten wird. Dies bedeutet, daß Lage und Größe eines wirksamen Abschnitts des Strahlungsdetektors durch selektives Öffnen und Schließen der vier Schalter entsprechend gewählt werden können. Die vier Meßelemente sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert, so daß selbst dann, wenn bestimmte Meßelemente angesteuert werden, ihre Meßausgänge keiner Beeinflussung durch einen Streustrom und elektrostatische Kapazität aufgrund der restlichen Meßelemente unterworfen sind.

Bei der Meßvorrichtung gemäß Fig. 14 sind auf der einen Hauptfläche eines Einkristall-Siliziumsubstrats 31 vier streifenförmige Metallschichten 33 und auf der anderen Hauptfläche des Substrats 31 vier voneinander unabhängige ohmsche Elektrodenschichten 34 ausgebildet. Die Metallschichten sind dabei einzeln mit Meßverstärkern 36 verbunden, deren Ausgänge über Meßschalter 37 mit einer gemeinsamen Ausgangs-

809834/0739

klemme verbunden sind. Die ohmschen Elektrodenschichten 34 sind einzeln mittels Schaltern 38 an Masse 35 angeschlossen. Die Schalter 38 an der Seite der ohmschen Elektrodenschichten 34 sind (mechanisch) mit den betreffenden Meßschaltern 37 an der Seite der Metallschichten 33 gekoppelt. Eine derartige Meßvorrichtung wird durch Streustrom und elektrostatische Kapazität noch weniger beeinflußt. Bei dieser Ausführungsform sind mehrere ohmsche Elektrodenschichten, im vorliegenden Fall vier ohmsche Elektrodenschichten, vorgesehen, deren Zahl derjenigen der Metallschichten entspricht. Infolgedessen werden die Signale der Meßausgänge nach reihenweiser Addition bzw. Zusammenlegung als ein Ausgangssignal abgenommen.

Das Meßelement gemäß Fig. 15 weist vier auf Abstand voneinander angeordnete Metallschichten 33 auf der einen Schmalfläche eines rechteckigen Einkristall-Siliziumsubstrats 31 und eine gemeinsame ohmsche Elektrodenschicht 34 auf der gegenüberliegenden Schmalfläche des Substrats 31 auf.

Beim Meßelement gemäß Fig. 16 sind vier Metallschichten 33 auf der einen Hauptfläche eines halbkreisförmigen Substrats 31 und eine ohmsche Elektrodenschicht 34 auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats 31 ausgebildet.

Das Meßelement gemäß Fig. 17 umfaßt vier Metallschichten 33 auf der einen (schmäleren) Flachseite eines halbkreisförmigen Substrats 31 und eine auf der gegenüberliegenden, gekrümmten Fläche des Substrats ausgebildete ohmsche Elektrodenschicht 34.

Beim Meßelement gemäß Fig. 18 sind vier Metallschichten 33 auf der einen Hauptfläche eines scheibenförmigen Einkristall-Siliziumsubstrats 31 ausgebildet, während auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Substrats eine gemeinsame ohmsche Elektrodenschicht 34 vorgesehen ist.

809834/0739

Obgleich bei den Strahlungsdetektoren gemäß den PIg₀ 13 bis 18 die vier Meßelemente 30 jeweils auf dsm Einkristall Siligiurasubstrat abgebildet sind₉ ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt,, Je nach d©m vorgesehenen Einsatzzweck kann vielmehr ©in© entsprechend© Anzahl von M©ß©l©meat@n

den Figo 19 bis 24 sind mehrere Meß©l©M©nt® nebeneinander bzw» aneinander anliegend miteinander verbunden Bei dies@n Ausführungsformen könnea, df"io MpiR^T (Ρ>ϊη(8>γι ■{■.<& τ»·} f>Vi4* vmsv» Ίτ* (SIiTi(Si¹Ir¹ daü "ηyi /b¹®im Ι?^>ίΉο ^ηΐΥΐίΙίίΐτ^Ώ

auch In Matrixform angeordnet s©in_o Die M@ßvorr^>iehtimg©n bzwο Strahlungsdetektoren gemäß den Figo 19 bis 24 bieten dieselben ¥orteile uie die Vorrichtungen gemäß den FIg₀ 13 bis 18 und sind außerdem einem weiten Anwendungsgebiet zugänglichο

Die Yorrlehtung gemäß Figo 19 umfaßt einea Maßabschaitt mit acht M©ßel©menten 3O₉ die in einer Matrixform angeordnet slndp bei welcher sich vier Meßslemente in einer R@ihs bzw_o Zeile und zwei Elemente In eiser Spalte b@find©n_o Das Meßelement 30 besteht aus einem rechteekigen_p stabföralgen Ein= kristall-'Siliziumsubstrat 31» auf dessen einer Seitenfläche ein® Metallschicht 33 und auf dess©n gegenüberliegender Seltenfläch© ©ine obasche Elektrodensehieht 34 ausgebildet ist_o Di© jeweiligen Element© jeder Reih© bsw_o Zeile sind mit ihren ohmschen Elektroden 34 flächig miteinander verbunden ₉ während die Substrate 31 der M©ßel©mente in d©r Spalt© bzw_o lotrechten R@ih© endweis© iait©Inand©r verbunden sindL Die Rücken an Rücken liegenden Meßel©mente 30 sind an ihren ©hsa~ sehen Elektroden 34 elektrisch miteinander verbunden^ und zwar mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebmitt©ls _t etwa eines elektrisch leitenden Epoxyharzes, eines Indium-Lötmetails bzw. einer Au-Si-Legierung. Die einander ©ndmise zugewandten Meßelemente 30 sind mit Hilfe eines an sich bekannten,

009834/0739

_₁₈_ 280B858

isolierenden Klebmittels 39 gegeneinander elektrisch isoliert. Hierbei bilden zwei Rücken an Rücken aneinander liegende Meßelemente 30 jeweils einen Satz, so daß insgesamt vier Sätze von Meßelementen vorgesehen sind. Die ohmsche Elektrodenschicht 34 jedes Satzes liegt an Masse. Die Metallschichten 33 der einzelnen Meßelementsätze sind jeweils über Schalter 37 mit einem gemeinsamen Meßverstärker 36 verbunden.

Bei den Meßvorrichtungen gemäß Fig. 20 und 21 sind acht Meßelemente 30 auf die in Fig. 19 gezeigte Weise unter Bildung einer kreisförmigen rzw. einer halbkreisförmigen Einheit miteinander verbunden.

Bei der Meßvorrichtung gemäß Fig. 22 sind vier Meßeiemente 30 mit Hilfe eines isolierenden Klebmittels endweise bzw. mit ihren Stirnflächen einander zugewandt zusammengesetzt, so daß sie eine Meßeinheit bilden. Das Meßelement 30 trägt eine ohmsche Elektrodenschicht 34 auf der Oberseite eines trapezförmigen Einkristall-Siliziumsubstrats 31 und eine Metallschicht 33 auf der Bodenfläche bzw. Unterseite dieses Substrats. Die ohmschen Elektrodenschichten 34 der Meßelemente 30 liegen an Masse, während ihre Metallschichten über Meßverstärker 36 und Schalter 37 mit einer gemeinsamen Ausgangsklemme verbunden sind. Zwei derartige Meßeinheiten können auf die in Fig. 23 gezeigte Weise in einer Matrixanordnung zusammengesetzt werden. Hierbei werden die Ausgangssignale der einzelnen Meßelemente wie bei der in Fig. 23 bzw. 22 gezeigten Meßeinheit abgenommen. Die Meßelemente gemäß Fig. 22 können auch so ausgebildet sein, daß sie eine halbkreisförmige Meßeinheit gemäß Fig. 24 bilden.

Im folgenden sind nunmehr verschiedene Mechanismen zur Aufnahme oder Halterung der vorstehend beschriebenen Meßelemente bzw. Meßvorrichtungen erläutert.

809834/0739

Der Mechanismus gemäß Fig. 25 eignet sich für ein Meßelement 3O₉ das gemäß Fig_o 1 ein rechteckiges, plattenfömiges Einkristall-Siliziumsubstrat 31 aufweist, auf dessen breiteren bzw« Hauptflächen einmal eins Metallschicht 33 und zum anderen eine ohmsche Elektrodenschicht 34 ausgebildet sind« Das Meßelement 30 wird ein© Ausnehmung ain©s recht©ckig©n_p rahmenförmigen Halters 40 mit einer Dicke entsprechend derjenigen des Meßelements 30 eingesetzt, dessen Ausnehmung am oberen Ende offen ist₀ Der Halter 40 besteht aus einem isolierenden Werkstoff, wie Kunstharz, und das M@ß©lement 30 wird an drei Seiten mit der Innenfläch© des Halters 40 derart verklebt, daß seine Oberseite unverklebt bleibt und nach oben hin freiliegto Die obere Stirnfläche des Halters 40 ist so bemessen, daß sie bündig mit der Oberseite des Meßelements 30 abschließt Die Strahlung trifft dabei auf die Oberseite des Meßelements 30 auf„ Auf der Metallschicht 33 des Meßelements 30 ist eine Ausgangsansehlußelektrodenschicht 41 ausgebildet, die einen längs der Außenfläch® des Halters 40 nach unten herabgezogenen Fortsatz bzw_o Vorsprung aufweist. An der ohmschen Elektrodenschicht 34 des Meßelements 30 ist eine plattenförmige Masseanschlußelektrodenschicht 42 angebracht, welche die eine Außenfläche des Hal~ ters 40 vollständig bedeckt und sich weiter in Aufwärts» richtung erstreckt. Auf diese Weise wird ©ine Detektoreinheit gebildet. Eine Anzahl solcher Detektoreinheiten wird auf die in Fig. 25 gezeigte Weise so angeordnet, daß ihr© Oberseiten in die Einfallsrichtung der Strahlung weisen. Diese Detektoreinheiten werden zur Bildung eines Mehrkanal-Strahlungsdetektors in ein Metallgehäuse 43 eingesetzt. In den einander zugewandten Innenflächen des Gehäuses 43 sind paarweise angeordnete Leitnuten 44 vorgesehen, in die jeweils eine Detektoreinheit einschiebbar ist. Hierdurch wird eine einwandfreie bzw. zwangsläufige Ausrichtung jeder Detektoreinheit gewährleistet. An der Bodenwand des Gehäuses 43 sind diese durchsetzende Anschlüsse 45 befestigt, die je-

809834/0739

weils gegenüber dem GeMuse 43 elektrisch isoliert sind. Der nach unten gerichtete Portsatz der Ausgangsanschlußelektrodenschicht 41 ^eder Detektoreinheit wird zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem betreffenden Anschluß 45 kontaktiert. Der Anschluß 45 ist seinerseits mit einem entsprechenden Meßverstärker 36 verbunden. Die Masseanschlußelektrodenschicht 42 der Detektoreinheit ist über das Gehäuse 43 geerdet, wenn die Detektoreinheit in die zugeordneten, gegenüberstehenden Nuten des Gehäuses so eingesetzt ist, daß diese Schicht 42 mit dem Gehäuse in Berührung steht. Die Masseanschlußelektrodenschicht 42 besteht aus Al, Ti, ¥ oder Mo, und beide Seiten des hochgezogenen Abschnitts dieser Elektrodenschicht sind durch Stützwände 46 gehaltert. Auf diese Weise wird ein Kollimator gebildet. Bei dem beschriebenen Strahlungsdetektor entfällt die Notwendigkeit für Elektrodenanschlußverfahren, wie Leitungsverbindung und Löten, so daß verbesserte Stabilität und Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Außerdem läßt sich die Detektoreinheit ohne weiteres mit hoher Produktionsleistung und niedrigen Fertigungskosten herstellen und zusammensetzen. Da das Meßelement und der Halter jeweils dieselbe Dicke besitzen, kann die Dicke der Detektoreinheit insgesamt verkleinert sein. Die Detektoreinheiten sind dabei in die zugeordneten, einander gegenüberstehenden, paarweise vorgesehenen Nuten des Gehäuses eingesetzt und mit engem gegenseitigen Abstand genau ausgerichtet, wodurch eine hohe lagenmäßige Auflösung gewährleistet wird.

Bei der in Fig. 26 dargestellten Detektoreinheit weist die Ausgangsanschlußelektrodenschicht 41 an der einen Seite einen Fortsatz auf, wobei ein mit einem entsprechenden Meßverstärker 36 verbundener Anschluß 45 in eine zugeordnete Leitnut 44 des Gehäuses 43 hineinragt. Wenn die Detektoreinheit in die beiden zugeordneten, gegenüberstehenden Leitnuten des Gehäuses eingesetzt wird, komat der Fortsatz der Ausgangs-

809834/0739

anschlußelektrodenschicht 41 in Andruckberührung mit diesem Anschluß 45. Bei dieser Ausführungsform ragt die Masseanschlußelektrodenschicht 42 nicht nach oben über di@ Dstektoreinheit hinaus, so daß kein Kollimator vorgesehen ist_o

Bei der Ausführungsform gemäß Fig_o 27 besteht j©d@ Detektoreinheit aus mehreren Detektorelementen 30 der Art gemäß Fig. 13. Die Ausgangsklemmen= bzw. Ausgangsanschlußalektrodenschichten 41 sind dabei jeweils an den Metallsehiehten 33 der Meßelement© angebracht. Der Fortsatz jeder Elektrodenschicht 41 erstreckt sich längs d@r einen Seitenfläche eines Halters 40. Vier Anschluss© bzw_o Klemmen 45 durchsetzen den Boden des Gehäuses 43 in d©r Weise, daß sie in vorbestimmten Abständen zwischen zwei ©inander gegenüberstehenden Leitnuten des Gehäuses 43 angeordnet sind_e Aa der.Außenseite das Gehäuses 43 sind die vier¹ Anschlüsse 45 jeweils über Sehalter 37 mit einem gemeinsamen Meßverstärker 36 verbunden,. Wenn die Detektoreinheit in das zugeordnete Paar von Leitnuten des Gehäuses 43 eingeschoben wird, kommen die Fortsätze der Ausgangsanschlußelektrodenschichten 41 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit den Anschlüssen 45 in Berührung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 28 weist ein Halter 40 für eine Detektoreinheit, welcher dieselbe Dicke besitzt wie letztere, an jeder Seite einen lotrecht verlaufenden abgestuften Abschnitt 40a auf. Diese Abschnitte werden in zwei gegenüberstehende 44 eines Gehäuses 43 eingesetzt; so daß die Detektoreinheit in diesem Gehäuse 43 festgelegt ist. Die Detektoreinheiten können unter Verwendung entsprechender Halter 40 in dichtgedrängter Anordnung in das Gehäuse 43 eingesetzt werden.

Obgleich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen für jede Detektoreinheit ein Meßelement bzw. vier und acht Meßelemente vorgesehen sind, ist die Erfindung nicht hierauf

809834/0739

beschränkt. Die Zahl der Meßelemente kann vielmehr entsprechend dem vorgesehenen Einsatzzweck der Detektoreinheit variiert werden. Darüber hinaus ist auch der Meßverstärker nicht unbedingt nötig, vielmehr können Bauteile, die eine geeignete Verstärkerfunktion besitzen, in Kombination miteinander verwendet werden.

Die Ausgangsschaltung kann durch eine vorspannungslose Schaltung gebildet sein, die keine Vorspannung über das Meßelement bzw. die Meßelemente anlegt.

Obgleich das Gehäuse bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht, kann es auch aus einem Isoliermaterial hergestellt sein. In diesem Fall werden die ohmsehe Elektrodenschicht und die Metallschicht jeweils mit Hilfe von das Gehäuse durchsetzenden elektrischen Klemmen bzw. Anschlüssen angeschlossen.

809834/0739

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd. Tel, 089/982085-87

Kawasaki -Shi, Japan Telex: 0529802 hnkld

17. Fab, 1978 Patentansprüche

/ί.^Halbleiter-Strahlungsdetektor, gekennzeichnet durch eine Detektoreinheit mit einem Meßelement (30) in Form eines Einkristall-Siliziumsubstrats (31) mit einer Fremdatomkonzentration von weniger als 1 χ 10 Atome/cnr (1x10 cm~^), einer auf der einen Fläche des Substrats unter Bildung einer Oberflächensperre oder -sperrschicht damit ausgebildeten Metallschicht (33) und einer an der anderen Fläche des Substrats ausgebildeten Elektrodenschicht (34), und durch eine an die Metallschicht und an die Elektrodenschicht des Meßelements angeschlossene Ausgangsschaltung zur Abnahme eines Ausgangssignals entsprechend der auf die Detektoreinheit auftreffenden Strahlungsmenge .
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht in unmittelbarer Berührung mit dem Einkristall-Siliziumsubstrat steht.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht unter Zwischenfügung eines Siliziumoxidfilms mit einer Dicke von unter 50 A am Ein-Kristall-Siliziumsubstrat angebracht ist_e

vI/Bl/ro BU9S34/Q738 ORIGINAL [NSPECTED
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkristall-Siliziumsubstrat eine Fläche,
auf welcher die Metallschicht ausgebildet ist, und eine
gegenüberliegende Fläche aufweist, an welcher die Elektrodenschicht vorgesehen ist.
5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkristall-Siliziumsubstrat eine zwischen
Metallschicht und Elektrodenschicht gelegene Strahlungseinfallsfläche aufweist.
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung einen Meßverstärker zur
Verstärkung eines Ausgangssignals des Meßelements aufweist.
7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine vorspannungslose
Schaltung ist, die keine Vorspannung über das Meßelement anlegt.
8. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit mehrere nebeneinander angeordnete und elektrisch voneinander isolierte Meßelemente umfaßt und daß die AusgangsschaltungmLt den betreffenden Meßelementen verbundene Meßverstärker und Schalter aufweist, mit denen die betreffenden Meßelemente selektiv
ein- und abschaltbar sind.
9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente jeweils In vorbestimmten Abständen auf dem Einkristall-Siliziumsubstrat derart ausgebildete Metallschichten aufweisen, daß zwischen dem
Substrat und der betreffenden Metallschicht jeweils eine Oberflächensperre bzw. -sperrschicht vorhanden ist.

809834/0738
10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Meßelemente eine Anzahl von nebeneinander angeordneten Einkristall-Siliziumsubstraten, jeweils auf der einen Fläche jedes Substrats unter Herstellung einer Oberflächensperre an diesem vorgesehene Metallschichten, jeweils an der gegenüberliegenden Fläche jedes Substrats ausgebildete Elektrodenschichten und ein zwischen die einzelnen Meßelemente eingefügtes, elektrisch isolierendes Klebmittel zur Verbindung der Meßelemente unter gegenseitiger elektrischer Isolierung aufweisen.
11. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit mindestens vier Meßelemente mit je einem zugeordneten Einkristall-Siliziumsubstrat, die in zwei Reihen nebeneinander angeordnet sind, jeweils auf der einen Fläche jedes Substrats ausgebildete Metallschichten zur Herstellung einer Oberflächensperre zwischen der betreffenden Metallschicht und dem zugeordneten Substrat, jeweils an der gegenüberliegenden Fläche des betreffenden Substrats ausgebildete Elektrodenschichten und ein zwischen die einzelnen Substrate eingefügtes, elektrisch isolierendes KLebmittel aufweist und daß die Elektrodenschichten der Substrate der ersten Reihe Rükken an Rücken mit den Elektrodenschichten der Substrate der zweiten Reihe verbunden bzw. verklebt sind.
12. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse vorgesehen ist, in welchem mehrere Detektoreinheiten in vorbestimmten gegenseitigen Abständen angeordnet sind, und daß mehrere Klemmen bzw. Anschlüsse das Gehäuse durchsetzen und mit den betreffenden Detektoreinheiten elektrisch verbunden sind.

809834/0730
13. Strahlungsdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse elektrisch leitend und elektrisch mit der Elektrodenschicht oder der Metallschicht der Meßelemente der Detektoreinheiten verbunden ist und daß die Anschlüsse unter elektrischer Isolierung gegenüber dem Gehäuse elektrisch mit der jeweiligen anderen, nicht mit dem Gehäuse verbundenen Schicht des betreffenden Meßelements verbunden sind.
14. Strahlungsdetektor nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektrodenschichten der Meßelemente sämtlich unter Bildung eines Kollimators in der Strahlungseinfallsrichtung erstrecken.

809834/0738