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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Detektoren für
ionisierende Partikel allgemein und betrifft im einzelnen einen Detektor
vom Diodentyp, ausgebildet aus einem Halbleitermaterial.
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Solche Detektoren werden bereits in großem Umfang für die
Detektion oder Spektroskopie von ionisierenden Partikeln verwendet, wie
Elektronen, Protonen, α-Partikeln, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen
usw.. Sie bilden demgemäß extrem wertvolle Werkzeuge sowohl für die
Forschung in den verschiedensten Gebieten, wie Physik, Astrophysik oder
Nuklearphysik, wie auch für Analysen in chemischen oder medizinischen
Techniken. Diese Detektoren bestehen aus einem schwach dotierten
Halbleitermaterial (allgemein aus Silicium), in dem eine Diode
ausgebildet wird zwischen zwei leitenden Elektroden. Eine äußere
Spannung wird an die Elektroden derart angelegt, daß die Diode in
Sperrrichtung vorgespannt wird und in dem Halbleiter eine Verarmungszone
geschaffen wird, die die sensible Zone des Detektors bildet. Bei
Anwendungen, wo eine räumliche Auflösung gemäß einer Richtung
erforderlich ist, wird eine der Elektroden in eine Mehrzahl paralleler
Elektroden unterteilt, was die gewünschte räumliche Diskriminierung
sicherstellt. Die kombinierte Verwendung von mehreren Detektoren dieses
Typs ermöglicht eine Auflösung in einem Raum mit mehreren Dimensionen.
Diese letztere ist jedoch nur möglich für Partikel mit einer hinreichend
hohen Energie, daß sie diese Detektoren mit einem sehr geringen
Energieverlust durchlaufen.
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Die allgemein erforderlichen Charakteristiken dieser
Detektoren sind der Wirkungsgrad, d.h. die Gewinnung eines genügenden
elektrischen Impulses für jedes den Detektor durchsetzende Partikel, und
die Geschwindigkeit der Detektion. Diese Charakteristiken stehen in
Verbindung mit einer bestimmten Anzahl von Parametern, die entweder
spezifisch für das verwendete Material sind oder abhängen von der
Struktur oder den eingesetzten Herstellungsverfahren. Man kann unter den
erforderlichen Eigenschaften als wichtigste nennen: die geringe
Konzentration der Dotierung des Substrats, die hohe
Polarisationsspannung, der geringe Leckstrom, der geringe Anteil
eingefangener Ladungen und die Stabilität des Verhaltens in Abhängigkeit
von der Zeit und von Bestrahlungen.
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Die gegenwärtig bekannten Detektoren weisen entweder nicht die
Gesamtheit der erforderlichen Eigenschaften auf oder haben eine
komplizierte Struktur, was ihre Herstellungskosten erhöht.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor für
ionisierende Partikel mit verbesserten Eigenschaften relativ zu den
Detektoren nach dem Stand der Technik.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist ein Detektor, dessen
elektrische Eigenschaften stabil bleiben während einer langen Periode
der Anwendung unter Bestrahlung.
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Diese Ziele werden realisiert mit den kennzeichnenden Mitteln
des Patentanspruchs 1. Der Detektor umfaßt darüberhinaus die
konventionelle Sperrschicht, die, in Sperr-Richtung polarisiert, eine
Verarmungszone erzeugt, welche die empfindliche Partie des Detektors
bildet, wobei eine n dotierte Zone als Grenze zu der Verarmungszone
dient.
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Diese besondere Ausbildung macht die Struktur gemäß der
Erfindung weniger kritisch als bestimmte bekannte Detektoren, während
zugleich die erforderlichen Eigenschaften sichergestellt werden, wie
Wirkungsgrad und Verhalten unter Bestrahlung.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels, welche Beschreibung nur als Beispiel zu verstehen
ist, und in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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die Figur 1 ein Beispiel einer bekannten Ausführungsform nach
dem Stand der Technik zeigt;
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die Figur 2 ein weiteres Beispiel einer bekannten
Ausführungsform nach dem Stand der Technik zeigt;
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die Figur 3 ein Beispiel einer Ausführung gemäß den Merkmalen
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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die Figuren 4a bis 4e verschiedene Etappen der Herstellung der
Vorrichtung nach Figur 3 zeigen.
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Das Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 1, zeigt einen
bekannten Detektor nach dem Stand der Technik. Er wird hergestellt
ausgehend von einem monokristallinen Siliciumplättchen 1, das sehr
schwach endotiert ist. Ein typischer spezifischer Widerstand von 4 x 10
Ohm cm erlaubt die Gewinnung einer erheblichen Verarmungszone. Eine
Serie paralleler und gleich beabstandeter Bänder, gebildet von Zonen 3,
die stark p dotiert sind, bilden mit dem Substrat 1 vom Typ n ebenso
viele Detektordioden. Die Zonen 3 vom Typ p+ werden mit der negativen
Klemme einer äußeren (nicht dargestellten) Polarisationsquelle verbunden
über Aluminiumkontakte 4 und Anschlüsse 7. Eine Passivierungsschicht 2
aus Siliciumoxid oder einem anderen Dielektrikum deckt die nicht durch
die Metallisierung geschützten Zonen ab. Das Substrat 1 ist ferner
verbunden mit der positiven Klemme der oben erwähnten äußeren
Polarisationsquelle über eine Diffusionszone 5 vom Typ n+, stärker
dotiert als das Substrat, einer Metallisierung 6 und einem Anschluß 8.
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Im Betrieb wird jede Diode gebildet von einer Zone p+ und dem
Sustrat n- in Sperr-Richtung polarisiert mit einer hinreichend hohen
Spannung (typischerweise in der Größenordnung von 100 V), daß die
erzeugte Verarmungszone sich über die gesamte Dicke des Substrats
erstreckt. Wenn ein ionisierendes Partikel den Detektor durchquert,
erzeugt es Elektron-Loch-Paare, die demgemäß an den Elektroden 4, 6
gesammelt werden und zu einem Strom führen, der von einem entsprechenden
Schaltkreis erfaßt werden kann. Die räumliche Auflösung eines solchen
Detektors ist eine Funktion der Anzahl von Bändern 3, 4 und des Abstands
dieser Bänder. Ein Detektor mit einer Serie von Bändern mit einem
Abstand von 20 Mikrometern ist in dem Artikel von B. Hyams und anderen,
NUKLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RECHERCHE, Band 205, Nr. 1/2,
Januar 1983, S. 99-105, beschrieben.
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Der Detektor der Figur 1 weist zwar den Vorteil eines geringen
Sperrschichtleckstroms und eine gute elektrische Entkopplung einer Diode
von der anderen auf, jedoch auch den Nachteil eines schlechten
Verhaltens gegenüber Bestrahlung. Dieses schlechte Verhalten gegenüber
Bestrahlung signalisiert eine Verschlechterung der Eigenschaften des
Detektors (insbesondere Erhöhung des Leckstroms und Absenkung der
Ladespannung der Sperrschicht) und infolgedessen eine Beschränkung
seiner Lebensdauer. Dieses schlechte Verhalten gegenüber Bestrahlung
beruht hauptsächlich auf den erheblichen Krümmungen der Sperrschichten,
was zu einem Phänomen des Durchschlags führt, in erhöhtem Maße am Umfang
der Oberfläche jeder Sperrschicht, wie auch zu einem Einfangen von
Ladungen im Oxid 2 oder an der Grenzschicht zwischen diesem Oxid 2 und
dem Silicium 1.
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Um das Verhalten unter Bestrahlung zu verbessern, wurde eine
Struktur vorgeschlagen, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, bei der die
analogen Elemente bezüglich jener nach Figur 1 die gleichen
Bezugszeichen tragen. Die Mehrzahl von p+ Zonen 3 der Figur 1 ist
ersetzt durch eine einzige p+ Zone 3 in der Figur 2. Die räumliche
Auflösung wird demgemäß sichergestellt durch die Mehrzahl von n+ Zonen
5, verbunden mit den Elektroden 8. Man kann leicht erkennen, daß das
Problem in Verbindung mit der starken Krümmung der Sperrschichten im
Falle der Figur 1 hier teilweise in der Struktur nach Figur 2 gelöst
ist. Um jedoch eine gute elektrische Entkopplung zwischen den Zonen 5 zu
gewährleisten und demzufolge eine gute räumliche Auflösung, ist es
erforderlich, daß die Verarmungszone, erzeugt durch die Sperrvorspannung
der p-n Sperrschicht total ist. Diese Bedingung ist aber kritisch, weil,
wenn die Verarmungszone die Grenzschicht zwischen dem Silicium 1 und der
Oxidschicht 9 erreicht, dies zu einer Erhöhung des Leckstroms der
Sperrschicht führt, was einen Verlust an Empfindlichkeit des Detektors
zur Folge hat. Ein anderer Parameter, der in dem Beispiel der Figur 2
von Bedeutung ist, ist die Parallelheit der einander gegenüberliegenden
Seiten des Detektors. Wenn diese nämlich nicht genau parallel sind, kann
es geschehen, daß die Verarmungszone total ist auf einem Teil des
Plättchens, aber nicht total auf einem anderen Teil. Das gleiche
Phänomen kann ebenfalls vorliegen wegen Inhomogenitäten der Dotierung in
einem Plättchen, was lokal zu einer Totalverarmung führt, während sie
nur partiell an anderen Stellen ist. Es wurde übrigens vorgeschlagen, p+
dotierte Zonen 10 zwischen den n+ Zonen 5 einzufügen. Diese Lösung sorgt
für eine gute Entkopplung zwischen den Zonen 5, macht jedoch die
Detektorstruktur komplizierter. Darüberhinaus steht diese Lösung der
Anwendung entgegen, die darin besteht, die kapazitive Kopplung, die
zwischen benachbarten Zonen 5 besteht, auszunutzen mit dem Ziel, die
Anzahl der Anschlüsse 8 zu verringern unter Beibehaltung einer guten
räumlichen Auflösung. Darüberhinaus stellt sie eine Beschränkung der
Anzahl von Bändern 5 dar.
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Das in Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht,
die verschiedenen Charakteristiken der Erfindung vorzustellen und deren
Vorteile zu unterstreichen. Wie im Falle der Figur 2 wird mit Vorteil
von einer einzigen und breiten implantierten Zone 3 vom Typ p+ Gebrauch
gemacht, die gegenüber der Gesamtfläche der Sperrschicht geringe
Krümmungszonen aufweist. Gemäß der Erfindung werden auf der der p+ Zone
des Plättchens gegenüberliegenden Seite in Durchlaßrichtung polarisierte
p-n Dioden ausgebildet. Diese Dioden werden realisiert durch eine erste
Implantierung zum Herstellen einer n+ dotierten Zone 15, gefolgt von
einer zweiten Implantierung zum Herstellen p+ dotierter Zonen 11. Die in
Figur 3 dargestellte Struktur und demgemäß das Verfahren der Herstellung
werden später unter Bezugnahme auf Figuren 4a bis 4e beschrieben und
weisen nicht dieselbe Empfindlichkeit wie die Struktur der Figur 2
bezüglich der Tiefe der Verarmungszone auf. Die n+ dotierte Zone 15
bildet nämlich eine Begrenzung der Ausdehnung der Verarmungszone. Der
Parallelitätsfehler zwischen den Seiten ist ohne Einfluß auf die
Charakteristiken dieser Struktur, die im übrigen in gleicher Weise
unempfindlich bleibt gegen eingefangene Ladungen im Oxid 9. Die weiteren
Vorteile dieser Struktur sind: eine geringer Leckstrom, eine gute
elektrische Entkopplung zwischen den p+ Zonen 11, wie auch eine erhöhte
kapazitive Kopplung zwischen zwei benachbarten Zonen, eine gute
Stabilität der elektrischen Eigenschaften und in allgemeiner Weise ein
gutes Verhalten gegenüber Bestrahlungen. Gegenüber der bekannten
Struktur der Figur 2 weist die Struktur gemäß der Erfindung im übrigen
den Vorteil auf, daß sie keine "Wache" erfordert (p+ dotierte Zonen 10
in Figur 2), was es ermöglicht, einerseits eine große Anzahl von
Erfassungszonen 11 zu realisieren und andererseits den Vorteil der
erhöhten kapazitiven Kopplung zwischen den Erfassungszonen 11 nutzen zu
können zum schließlichen Verringern der Anzahl der äußeren Anschlüsse
ohne Verlust an räumlicher Auflösung.
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Die Figuren 4a bis 4e ermöglichen, kurz das
Herstellungsverfahren eines Detektors gemäß der Erfindung zu
beschreiben. Das Plättchen 1 aus schwach dotiertem Silicium (typischer
spezifischer Widerstand 4 x 10³ Ohm cm) erhält auf einer Seite eine
Arsenimplantierung (As) zum Herstellen der n dotierten Zone 15 (Figur
4a). Ein Siliciumoxid (SiO&sub2;) 2 wird danach thermisch aufwachsen gelassen
oder auf beiden Seiten des Plättchens niedergeschlagen (Figur 4b). Die
Figur 4c zeigt die Fenster 20 und 21, geöffnet in den Oxidschichten
durch Photolithographie. Die p+ Zonen 3 und 11 werden danach durch
Bohrimplantierung durch die Fenster 20 bzw. 21 hergestellt (Figur 4d).
Nach Abschluß der Bohrimplantierung werden die beiden Seiten der
Komponente erneut mit einer Oxidschicht abgedeckt (SiO&sub2;) und/oder einem
anderen deponierten Dielektrikum 2', durch welches Fenster geformt
werden zum Herstellen der Kontakte 4 und 6 zu der p+ Zone 3 bzw. zu den
p+ Zonen 11. Die Figur 4e zeigt die Komponente nach Metallisierung.