DE2924569C2 - Halbleiterdetektor aus hochreinem Grundmaterial, insbesondere Germanium - Google Patents
Halbleiterdetektor aus hochreinem Grundmaterial, insbesondere GermaniumInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf insbesondere aus Germanium gebildete Halbleiterdetektoren mit einem in hochreinem Grundmaterial durch Phosphor-Implantation mit anschliessender Temperung erzeugten N hoch +-Kontakt, und zwar insbesondere auf entsprechende Grossflaechendetektoren. Die erfindungsgemaessen Halbleiterdetektoren sind gekennzeichnet durch eine Phosphor-Implantation mit einer moeglichst geringen, unter 10 hoch 14 Ionen/cm hoch 2 liegenden Dosis und hoher Energie vorzugsweise zusammen mit einer zweiten Phospor-Implantation mit hoechstens 20 kv und zumindest 10 hoch 14 Ionen/cm hoch 2. Die erzeugten Detektoren erweisen sich als relativ spannungsfest und haltbar. mit einem aufgebrachten Membranfilter mit einer Porengroesse
Description
25
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdetektor aus hochreinem Grundmaterial, insbesondere
Germanium, mit einem durch Phosphor-Implantation mit anschließender Temperung erzeugten η+-Kontakt.
Halbleiterdetektoren aus hochreinem Germanium, die speziell einen durch B-lmplantation erzeugten
ρ+-Kontakt und einen durch eindiffundiertes Lithium oder durch P-Implantation erzeugten η+ -Kontakt
haben, sind bekannt (siehe IEEE Trans. Nucl. Sei,
Bd. NS-24, Nr. 1, 1977, S. 64-67 und S. 161-164 sowie Nucl. Instr. Meth., Bd. 101,1972, S. 31 -37).
Da Lithium im Halbleitergitter eine erhebliche Beweglichkeit besitzt, die für die Anwendung von
Strahlungsdetektoren über lange Zeiten hinweg von Nachteil ist, richtet sich das Hauptaugenmerk der
Entwicklung auf Detektoren mit P-implantiertem η+ -Kontakt. So werden von H. Herzer u. a. (Nucl. Instr.
and Meth., Bd. 101,1972, S. 31 -37) Ge-Halbleiterdetektoren
beschrieben, die aus hochreinem Germanium durch B-Implantation mit 101 Von2 und 10—20keVohne
Temperung einerseits sowie durch P-Implantation mit lO'Vcm2 und 4 keV mit anschließender Temperung bei
3000C auf der η+-Kontaktseite erzeugt wurden.
Von G. S. Hubbard u.a. wird in den IEEE Trans. Nucl. Sei., Bd. NS-24, Nr. 1, 1977, S. 161-164
über P-Implantationen in Germanium mit 25 keV und 1013— io'6/crn2 berichtet, wobei die mit lO'Vcm2
implantierte Schicht als elektrisch nicht aktiv bezeichnet wurde.
Von der Anmelderin selbst wurden in den IEEE Trans. Nucl. Sei, Bd. NS-24, Nr. 1, 1977, S. 64-67
Untersuchungen an Halbleiterdetektoren mitgeteilt, die durch B-Implantation mit 20 keV und lO'Vcm2 ohne
Tempern sowie P-Implantation mit 20 keV und lO'Vcm2 und Temperung bei 400°C erhalten worden waren. Im
Rahmen dieser Untersuchungen wurde auch festgestellt, daß eine 4 mm dicke Diode mit einem durch
P-Implantation mit 20 keV und 10l3/cm2 erzeugten
n + -Kontakt und B-Implantation auf der p+-Kontaktseite mit einer Spannung von bis zu 2300 V betrieben
werden konnte, wobei die Totschicht des p + -Kontaktes
auf 0,13 Jim reduziert war.
Schwierigkeiten ergaben sich jedoch bei der Übertragung
der zuletzt erwähnten Technologie auf Detektoren mit größeren Rächen und größeren Dicken. Selbst
bei Detektoren mit kleinen Abmessungen war keine ausreichende Langzeitstabilität der Kontakte zu erreichen.
Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht daher darin, einen Halbleiterdetektor nach dem
Oberbegriff, wie er aus den IEEE Trans. Nucl. ScL, Bd. NS-24, Nr. 1, 1977, S. 64-67 bekannt ist, dahingehend
zu verbessern, daß er mit hohen Feldstärken belastbare und stabile n+-Kontakte aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Halbleiterdetektor dadurch gekennzeichnet, daß der
η+-Kontakt aus einer durch eine erste Phosphor-Implantation
mit relativ niedriger Dosis und relativ hoher Energie erzeugten, weit in das Grundmaterial hineinreichenden
Phosphordotierung und einer weiteren durch eine anschließende zweite Phosphor-Implantation mit
relativ hoher Dosis und relativ niedriger Energie in einem flachen Bereich unter der Oberfläche des
Detektors erzeugten Phosphordotierung gebildet ist
Solche Detektoren, deren n+-Kontakt durch Kombination
einer (ersten) P-Implantation mit relativ geringer Dosis und hoher Energie mit einer weiteren P-Implantation
mit hoher Dosis aber geringer Energie erhalten wird, haben einen »hochspannungsfesten« n+-Kontakt
mit guter Langzeitstabilität (der bis zu Feldstärken von mehr als 5 kV/cm betrieben werden kann) und können
mit reproduzierbarer Qualität erhalten werden. Als Grund dafür kann angenommen werden, daß die erste
Implantation eine durch Tempern weitgehend ausgeheilte Gitter-Struktur hinterläßt und damit hohe Felder
erreichen läßt. Für diese dotierte Schicht ermöglicht die Zweitimplantation die Erzeugung eines Ohmschen
Kontaktes, der sowohl Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit gewährleistet. Die dabei in einem flachen
Bereich unter der Oberfläche des Detektors erzeugten Gitterstörungen (amorphe Schicht) lassen sich zwar nur
schwer durch Tempern ausheilen, beeinträchtigen aber nicht die Funktion des η + -Kontaktes.
Die Erfindung ist insbesondere bei Großflächendetektoren vorteilhaft
Zweckmäßigerweise erfolgt die erste Phosphor-Implantation mit einer möglichst geringen, unter
10H Ionen/cm2 liegenden Dosis und hoher Energie,
während bei der zweiten Phosphor-Implantation mit höchstens 20 keV und zumindest 10H Ionen/cm2 gearbeitet
wird.
Ganz allgemein soll die mit geringer Dosis realisierte (erste) Phosphor-Implantation mit so hoher Energie
erfolgen, daß — wie angegeben — eine möglichst weit in das Grundmaterial hineinreichende relativ flach
verlaufende P-Dotierung erzielt wird, wobei jedoch eine zu starke Verbreiterung der Totschicht vermieden
werden soll. Vorzugsweise erfolgt die Erstimplantation daher mit einer Dosis von etwa 1013 Ionen/cm2 und einer
Energie im Bereich von 20 bis etwa 40 keV und die zweite Phosphor-Implantation mit einer Dosis von
zumindest 1014 Ionen/cm2 und einer Energie im Bereich
bis 20 keV.
Als p+-Kontakt kann eine Oberflächensperrschicht
(Metallbedampfung) vorgesehen werden. Bevorzugt wird jedoch ein durch B-Implantation erzeugter
ρ+ -Kontakt gewählt, der insbesondere durch B-Implantation mit etwa 20 keV und 10M Ionen/cm2 in bekannter
Weise erzeugt ist.
H ers tellungsbeispiel
Ausgehend von hochreinem Germanium mit einer wirksamen Fremdstoffkonzentration um 1,5 - 1010Cm-3
wurden rechteckige Dioden mit 30 · 95 - 10 mm3 sowie
Detektoren mit Dicken zwischen 2 ccd 16 mm und einem Durchmesser von etwa 40 mm hergestellt
Alle η+-Kontakte wurden durch P-Implantation bei
Zimmertemperatur mit nachfolgender Temperung bei 4000C hergestellt Die Ionenenergien lagen bei der
ersten Implantation mit 1013/cm2 zwischen 20 und
40keV, bei der zweiten Implantation mit 3 - 10M/cm2
zwischen 10 und 20 keV. Die p+-Kontakte wurden durch B-Implantation mit 20keV und lO'Vcm2 ohne
Temperung erzeugt
Alle auf diese Weise hergestellten Detektoren
können bis zu hohen Oberspannungen — in den meisten Fällen von mehr als 1000 V — betrieben werden. Damit
sind Werte gemeint um die die zur völligen Verarmung einer Diode erforderliche Spannung überschritten wird.
Daraus ergeben sich auch am Rückkontakt (zum Beispiel der ρ+-Kontakt für Grundmaterial vom p-Typ)
hohe Feldstärken, die zu einer Reduktion der »toten Zonen« führen. Die Dicken dieser »toten Zonen« liegen
nach unseren Messungen auf beiden Seiten unter 03 Rm.
Daher lassen sich diese Detektoren als echte Transmissions-Detektoren einsetzen.
Nach den bisher bekannten Technologien (zum Beispiel Hubbard u.a.) lassen sich nicht Detektoren
herstellen, die bis zu derart hohen Überspannungen betrieben werden können und derart geringe »tote
Zonen« auf beiden Kontaktseiten aufweisen.
Die Zeichnung zeigt die schematische Darstellung eines montierten Transmissions-Detektors aus hochreinem
Germanium, verwendet als 4£-Detektor bei der Spektrometrie von geladenen Teilchen.
Der von links kommende, durch Pfeile angedeutete Teilchenstrahl 1 passiert unter Energieverlust den
beidseitig implantierten Detektor 2, der zwischen zwei Metallringen 3 montiert ist
In der Ausschnitt-Darstellung eines Kontaktes ist
unten das Implantationsprofil 4 und darüber die daraus resultierende »tote Zone« 5 angedeutet
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Halbleiterdetektor aus hochreinem Grundmaterial, insbesondere Germanium, mit einem durch
Phosphor-Implantation mit anschließender Temperung erzeugten η+-Kontakt, dadurch gekennzeichnet,
daß der n+-Kontakt aus einer durch eine erste Phosphor-Implantation mit relativ niedriger
Dosis und relativ hoher Energie erzeugten, weit in das Grundmaterial hineinreichenden Phosphordotierung und einer weiteren, durch eine anschließende
zweite Phosphor-Implantation mit relativ hoher Dosis und relativ niedriger Energie in einem flachen
Bereich unter der Oberfläche des Detektors (2) erzeugten Phosphordotierung gebildet ist
2. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Phosphor-Implantation
mit einer Dosis von etwa 1013 Ionen/cm2 und
einer Energie im Bereich von 20 bis etwa 40 keV und die zweite Phosphor-Implantation mit einer Dosis
von zumindest 10M Ionen/cm2 und einer Energie im
Bereich bis 20 keV vorgenommen ist
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