DE2932174A1 - Elektronischer festkoerperdetektor aus halbleitermaterial zum nachweis und zur messung von roentgenstrahlung - Google Patents

Elektronischer festkoerperdetektor aus halbleitermaterial zum nachweis und zur messung von roentgenstrahlung

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Description

  • Elektronischer Festkörperdetektor aus Halbleitermaterial
  • zum Nachweis und zur Messung von PLöntgenstrah1ung.
  • Die vorliegende Patentanmeldung betrifft einen ele#roschen Festkörperdetektor zum Nachweis und zur Messung von Röntgenstrahlen, insbesondere im Wellenlängenbereich von 0,1 nm bis 23 nin, bestehend aus einem, mit Elektroden versehenen Halbleitermaterialkörper.
  • Röntgenstrahlendetektoren mit Halbleitermaterialkörpern sind bereits bekannt, z. B. aus der DE-AS 21 28 488 und der DE-AS 10 61 451. Bei beiden Druckschriften wird einkristallines Silizium als Festkörperdetektormaterial verwendet, entweder als Grenzschichtdetektor oder als mit einer pn-Schicht versehenes Fotoelement. Röntgendetektoren aus einkristallinem Halbleitermaterial zeichnen sich aber durch eine starke Röntgenalterung aus.
  • Durch die Erfindung soll das technische Problem eines elektronischen Festkörperdetektors für Röntgenstrahlung im oben angegebenen Wellenlängenbereich zur Energie- dosisbestimmung in direktem (elektronischem) und indirektem (elektrostatischen) elektrischen Meßverfahren bei geringer Röntgenalterung gelöst werden.
  • Solche technischen Probleme treten auf, wenn eine hohe Orts-, Zeit- und Amplitudenauflösung beim Nachweis von weichem Röntgenlicht verlangt wird, und wenn man gleichzeitig ein alterungsfreies Verhalten anstrebt, wie z. B.
  • beim Röntgenbildwandler oder beim elektronischen Festkörperersatz der konventionellen Röntgenfilme.
  • Bisher wurde das technische Problem in Teilaspekten gelöst durch Verwendung von 1. gasgefullten Ionisationskammern und Proportionalzählrohren, 2. Szintillatoren mit nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfachern (Photomultiplier), 3. einkristallinen Festkörperdetektoren höchster chemischer Reinheit und Kristallperfekiton (wie auch in der DE-AS 10 61 451 und der DE-AS 21 28 488 beschrieben) 4. Röntgenfilmen.
  • Sieht man von den Röntgenfilmen ab, welche für sehr weiches Röntgenlicht unempfindlich sind, so haben alle Detektoren einen hohen Herstellungspreis. Außerdem können sie nur mit großem meßtechnischen Aufwand betrieben werden. Ihre Verwendbarkeit ist begrenzt im Hinblick auf die Betriebstemperatur, Einbaulage relativ zur Schwerkraft, Betrieb in elektrischen und magnetischen Störfeldern, Schallfeldern, in speziellen Atmosphären, z. B.
  • im Vakuum. Ihr Gesamtvolumen ist groß relativ zum Meßvolumen.
  • Die einkristallinen Festkörperdetektoren, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 21 28 488 bekannt sind, nehmen eine Sonderstellung ein, da sie in Prinzip für das gesamte Röntgenspektrlm meßtechnisch einsetzbar sind, im Gebiet der weichen Röntgenstrahlung (Wellenlänge größer 0,5 nm) jedoch mit dem Nachteil der Röntgenalterung.
  • Diese ist dadurch bedingt, daß mit zunehmender Energiedosis die irreversiblen chemischen und strukturellen Anderungen in der Kristallstrukturperfektion zunehmen.
  • Der Preis der einkristallinen Festkörperdetektoren liegt sehr hoch, da sie immer Unikate sind.
  • In letzter Zeit wurden Anwendungen bekannt (P. A. Sullivan, ~X -Ray Lithography System, complete with interdigital transducer master, Report AFCRL-TR-75-0573 (2Tov. 1975) pp. 55-60), bei denen einkristalline Silizium-Planar-Photodioden als Röntgendetektoren verwendet wurden, speziell als integrale Energiedosis- und Energiedosisleistungsmesser für die Röntgenlithographie. Eigene Messungen an solchen Photodioden zeigen, daß diese einkristallinen Siliziumdetektoren einer starken Röntgenalterung unterliegen und daher in der Röntgenmeßtechnik nur sehr bedingt einsetzbar sind.
  • Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht aber nicht nur in der Herstellung eines elektronischen Festkörperdetektors mit geringer Röntgenalterung, sondern auch in der Herstellung eines Röntgendetektors mit relativ niedrigem Herstellpreis, der mit relativ geringen Aufwand betrieben werden kann. Außerdem soll seine Herstellung sowohl in Mikrobauweise, als auch in großflächigen Film- oder Foliengeometrien möglich sein.
  • Diese Aufgabe wird durch einen elektronischen Festkörperdetektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Festkörper mindestens teilweise aus amorphen Halbleitermaterial besteht. Dabei liegt es im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß der Halbleiterkörper aus amorphem Silizium oder amorphem Germanium besteht. Es ist aber ebenso gut möglich, daß der Halbleiterkörper aus einem amorphen Verbindungshalbleiter wie Cadmiumtellurid, Galliumarsenid oder Arsenselenid hergestellt ist.
  • Amorph bedeutet im Sinne des Anmeldungsgegenstandes eine mittlere atomare Kohärenzlänge im Festkörper von c 1,5 nm, das heißt, es existiert im Festkörper eine gestörte, nicht ideale Translationssymrnetrie bei gleichzeitiger Verreckung der idealisierten (kristallinen) Atomlagen in der kristallographischen bzw. chemischen Einheitszelle.
  • Als Röntgendetektor tritt der amorphe Festkörper in Wechselwirkung mit der Röntgenstrahlung, wobei in primären physikalischen Prozessen elektromagnetische Energie auf die Atome des Detektors übertragen wird und im nachfolgenden Prozeß schritten werden auch noch andere Energieformen, wie chemische Bindungs-, strukturelle Kristallgitter- und Gitterwärmeenergie erzeugt. Dies führt zu den beobachtbaren Veränderungen des Festkörpers durch Röntgenstrahlung. Im elektronischen Röntgendetektor tragen nur die primären physikalis#hen Absorptionsprozesse zur messbaren Veränderung, das heißt zur Signalbildung bei.
  • Das Ausmaß dieser Veränderungen hängt ab von der Menge der pro Masseneinheit des bestrahlten Festkörpers Ubertragenen Energie (Energiedosis), unter Umständen auch von der Zeit, in welcher eine bestimmte Energiedosis übertragen wird(Energiedosisleistung). Die Energiedosis und damit auch die spektrale RögenempfindlicnXeit wird hauptsächlich durch das Absorptionsvermögen für die auffallende Röntgenstrahlung bestimmt. Im Wellenlängenbereich der maximalen spektralen Empfindlichkeit ist auch die Energiedosis am größten und die Röntgenstrahlen wer- den dicht unter der Oberfläche des Festkörpers in einem kleinen Volumen absorbiert. Eine kürzerwellige (energiereichere) Röntgenstrahlung dringt in den gleichen westkörper tiefer ein, gleichzeitig nimmt die Energiedosis und mit ihr die Röntgenempfindlichkeit ab.
  • Beim elektronischen Röntgendetektor geht man von dem bekannten Effekt aus, daß durch die im Festkörper absorbierte Röntgenenergiedosis Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband energetisch angehoben werden. Dieser Effekt ist ein atomarer Effekt und daher von der strukturellen Anordnung der Atome im Festkörper unabhängig, das heißt, er ist sowohl bei kristallin geordneten, sowie ungeordneten (amorphen) Festkörpern prinzipiell gleichermaßen vorhanden. Die Röntgenenergie dosis verursacht im Festkörper eine zur Energie und Intensität der Röntgenstrahlung proportionale freie elektrische Ladung, welche mittels bekannter Methoden und Meßverfahren als elektrische Leitfähigkeitsänderung oder als elektromotorische Kraft bzw. elektrischer Strom meßbar ist.
  • Eigene experimentelle Untersuchungen zeigen, daß 1. die durch Röntgenstrahlung im amorphen Silizium verursachten reversiblen elektronischen Veränderungen meßtechnisch durch Widerstands- und E Messungen erfaßbar sind.
  • 2. Die elektrisch meßbaren Veränderungen in einem hinreichend weiten Bereich im linearen Zusammenhang mit der eingestrahlten Röntgenleistung (bei konstanter Energie) stehen.
  • 3. Die elektrisch meßbaren Alterungseffekte durch Einwirken von besonders weichen Röntgenstrahlen im amorphen Silizium mindestens um zwei Größenordnungen kleiner als im kristallinen Silizium sind.
  • 4. Es technologisch möglich ist, elektronische Dünnschichtröntgendetektoren (Dicke im Bereich von 0,1 bis 100 /um) durch Glimmentladungs-CVD (= chemical-vapordeposition) einfach und preiswert herzustellen (andere Standardverfahren wie z. B. Aufdampfen oder Sputtern sind nach dem bekannten Stand der Technik ebenfalls geeignet).
  • 5. Es technologisch möglich ist, amorphe elektronische Röntgendetektoren auf nahezu jedem Substrat und in beliebig vorgegebenen dreidimensionalen Formen (auch als Folien) herzustellen.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen, in welchen mit amorphen Glimmentladungssilizium verschiedene Meßanordnungen auf ihre Röntgenempfindlichkeit untersucht worden sind.
  • Figur 1 zeigt eine Widerstandsanordnung (sogenannte Gap-Anordnung siehe Pfeil 1), welche aus einem hochisolierenden Träger 2 (Corning-Glas) 10 x 10 x 1,5 mm3 besteht, auf dem zwei Aluminiumelektroden 3 und 4 in einer Schichtdicke von 0,4 #um aufgedampft sind. Uber diese Anordnung (2, 3, 4) ist eine amorphe Siliziumschicht 5 mit einer Schichtdicke von 1 /um und einem spezifischen Widerstand von 2 x 10 9 Ohm~1 cm 1 in einem Glimmentladungs-CVD-Verfahren abgeschieden worden, wobei als Reaktionsgas Silan verwendet wird. Die Hochfrequenzleistung bei der Abscheidung betrug 3,8 Watt, die Substrattemperatur 2440C der Abscheidedruck lag bei 20 Pa und die Abscheidezeit betrug 120 Minuten. Zwischen den Elektroden 3 und 4 kann ein elektrischer Widerstand mit einem konventionellen Meßgerät gemessen werden. Um den spezifischen Widerstand der amorphen Siliziumschicht 5 zu erniedrigen, und dadurch einfache Ohmmeter zu verwenden, wird bei der Herstellung der amorphen Siliziumschicht 5 ein Dotierstoff zugeführt.
  • Diese sogenannte "GapanorEnung" der Widerstandsmessung kann durch eine sogenannte "Sandwich"-Anordnung, wie n Figur 2 dargestellt, ersetzt werden. Dabei wird auf ein, z. B. aus Stahl von 1 mm Dicke bestehendes Metallteil 6 als Trägerelektrode eine amorphe Siliziumschicht 7 als Röntgendetektor abgeschieden und darauf eine weitere, z. B. aus Aluminium bestehende Metallschicht 8 in einer Schichtdicke von kleiner 100 nm als Gegenelektrode aufgebracht. Bei Verwendung entsprechender Gegenelektrodenmaterialien ist eine Selektion von bestimmten Energie-und Intensitätsbereichen sowie einer Energieschwelle gegeben.
  • In Figur 3 wird zum Nachweis der Röntgenempfindlichkeit eine Diodenanordnung verwendet, welche folgender::iaßen aufgebaut ist: Auf eine einkristalline (100)-orientierte Siliziumscheibe 10 von 300 /um Dicke und einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm . cm wird eine undotierte, amorphe Silizium schicht 11 in einer Schichtdicke von 1 /um abgeschieden und als Gegenelektrode 12 Gold in einer Schichtdicke von kleiner 100 rirn aufgedampft. Zwischen den beiden Elektroden 10 und 12 kann ähnlich dem photovoltaischen Effekt ein Strom gemessen werden, der von der eingestrahlten Röntgenleistung abhängig ist.
  • Die Dotierbarkeit des amorphen Silizium gestattet auch den Aufbau einer Schottky-Diode, wie er in Figur 4 dargestellt ist. Dabei ist mit dem Bezugszeichen 15 die Trägerelektrode aus Metall, mit 16 die amorphe Siliziumschicht mit Ladungsträger verarmter Randschicht 17 und mit 18 die aus Gold bestehende Gegenelektrode bezeichnet. Durch die Verwendung von Platin oder Iridium anstelle von Gold wird der Meßstrom vergrößert.
  • Der Röntgen-Festkörperdetektor auf der Basis von amorphem Halbleitermaterial hat gegenüber den bekannten Röntgendetektoren viele Vorteile: Der amorphe Röntgendetektor kann ein mikroskopisch kleines Bauvolumen besitzen, das heißt, bei Dicken- und Lateralabmessungen bis herab zu einigen Mikron-Netern (10 6m) oder weniger ist er im Gebiet des langwelligen Röntgenlichts noch fuxuktionstüchtig. Auch lassen sich amorphe Detektoren auf nahezu jedem Substrat und In beliebig vorgegebenen dreidimensionalen Formen (auch als Folien) herstellen. Damit sind hochintegrierte zweidimensionale Röntgendetektor-Arrays möglich. Jeder mikroskopisch kleine Einzeldetektor ist von den Nachbardetektoren elektrisch isolierbar, so daß Ubersprecherscheinungen vermieden werden.
  • Der Einsatz des amorphen Halbleiterdetektors liegt sowohl auf dem Gebiet der technisch wirtschaftlichen Anwendung in der Röntgen- und Elektronenstrahllithographie zur Energiedosis- und Energiedosisleistungsmessung, als auch auf dem Gebiet der medizinisch-technischen Anwendung als Belichtungsmesser für Röntgenlicht in Diagnose- und Therapiegeräten, Orts- und Personendosimetrie, Strahlenschutzkontrolle und Feststellung der Strahlene.osition in Kontroll- und Uberwachungsbereichen, zur allgemeInen Umweltüberwachung für weiche ionisierende und Röntgenstrahlung und Röntgenbildschirmwandler für elektrische Bildschirmverstärker.
  • Auch als Ersatz für OED (= ortsempfindliche Detektoren) in der Röntgenanalytik ist er anwendbar.
  • 11 Patentansprüche 4 Figuren

Claims (11)

  1. Patentansprüche.
    #lektronischer Festkörperdetektor ZtL~ jiachweis und zur Messung von Röntgenstranlung, insoesondere der Tjellen längen im Bereich von 0,1 nm bis 23 nm, bestehend aus einem mit Elektroden versehenen Halbleitermaterialkörper, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , daß der Festkörper mindestens teilweise aus amorphen Halbleitermaterial besteht.
  2. 2. Festkörperdetektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c n n e t , daß der Halbleitermaterialkörper aus amorphe Silizium oder aus amorphem Germanium besteht.
  3. 3. Festkörzerdetektor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e r n z e i c h n e t , daß der HalbleItermaterialkörper aus einer durch Glimmentladung hergestellten amorphen Siliziumschicht besteht, wobei die Schichtdicke im Bereich von 0,1 /um bis 100 /um, vorzugsweise im Bereich von 1 lum, liegt.
  4. 4. Festkörperdetektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halb' eitermaterialkörper aus einem amorphen Verbindungshalbleiter, wie Cadmiumtellurid, Galliumarsenid oder Arsenselenid besteht.
  5. 5. Festkö.rperdetektor nach Anspruch 1 bis 4, d a -d u r c h g e k e n nz e i c h n et , daß das amorphe Halbleitermaterial dotiert ist.
  6. 6. Festkörperdetektor nach Anspruch 1 bis 5, d adurch gek e n n z e i c h n e t , daß als Trägerelektrode einkristalline Schichten aus Silizium, aus Aluminium oder atanl und als Gegenelektrode aufge- dampfte Schichten aus Altuniniuiri, Gold, Platin oder Iridium vorgesehen sind.
  7. 7. Festkörperdetektor nach Anspruch 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als Wjderstandsmeßanordnung geschaltet ist.
  8. 8. Festkörperdetektor nach Anspruch 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als Diodenrneßanordnung geschaltet ist.
  9. 9. Festkörperdetektor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als Schottkydiode aufgebaut ist.
  10. 10. Festkörperdetektor nach Anspruch 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als elektronischer Dünnschicht-Röntgendetektor in Mikrobauweise hergestellt ist.
  11. 11. Festkörperdetektor nach Anspruch 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als elektronischer Röntgendetektor auf einem Substrat strukturiert oder als Folie hergestellt ist.
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