DE3902969A1 - Protective layer for electrically active passivation layers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht für elektroaktive Passivierschichten von Germanium-Röntgendetektoren sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a protective layer for electroactive Passivation layers of germanium x-ray detectors and a Process for their production.
pin-Dioden aus Germanium (Ge) eignen sich in besonderer Weise als hochempfindliche Detektoren für Röntgenstrahlung. Zum Schutz gegen oberflächlich generierte Dunkelströme, vor allem im Bereich nicht-implantierter Flächen am Rand, benötigen diese Dioden elektroaktive Passivierschichten, da Germanium - trotz eines vergleichsweise niedrigen optischen Bandabstandes von 0,66 eV - elektrisch aktive Restverunreinigungen von nur ca. 1010 cm-3 aufweist. Die Passivierschichten müssen dabei eine hohe Defektdichte (< 1018 cm-3) und eine Isolation 109Ω×cm aufweisen.Germanium (Ge) pin diodes are particularly suitable as highly sensitive detectors for X-rays. To protect against superficially generated dark currents, especially in the area of non-implanted areas at the edge, these diodes require electroactive passivation layers, because germanium - despite a comparatively low optical bandgap of 0.66 eV - electrically active residual impurities of only approx. 10 10 cm - 3 has. The passivation layers must have a high defect density (<10 18 cm -3 ) and an insulation of 10 9 Ω × cm.
Elektroaktive Passivierschichten für Ge-Röntgendetektoren be stehen vorteilhaft aus GeO x , welches durch eine naßchemische Behandlung der Ge-Oberfläche mit Flußsäure/Salpetersäure gebil det wird. Diese Schichten zeigen - aufgrund einer hohen Isola tion und einer hohen Defektzustandsdichte (im band gap) - spe ziell für Germanium gute elektroaktive Passiviereigenschaften; sie sind aber gegen Feuchteeinwirkung instabil und auch wasser durchlässig. Deshalb ist eine weitere Schicht erforderlich, nämlich eine Schutzschicht.Electroactive passivation layers for Ge X-ray detectors are advantageously made of GeO x , which is formed by a wet chemical treatment of the Ge surface with hydrofluoric acid / nitric acid. These layers show - due to high insulation and a high defect density (in the band gap) - good electroactive passivation properties especially for germanium; but they are unstable against moisture and also permeable to water. Another layer is therefore required, namely a protective layer.
Schutzschichten für elektroaktive Passivierschichten von Ge- Röntgendetektoren müssen eine Reihe von Bedingungen erfüllen. Sie müssen Homogenität durch amorphe Struktur aufweisen und für Röntgenstrahlen durchlässig sein; außerdem muß eine einwand freie Haftung auf Ge bzw. GeO x gewährleistet sein. Diese Schichten müssen ferner einen hohen elektrischen Widerstand und gute mechanische Eigenschaften, wie hohe Härte, sowie eine gute chemische Stabilität besitzen; darüber hinaus müssen sie eine niedrige Wasserpermeation aufweisen, d.h. es darf keine Was seraufnahme oder -abgabe stattfinden, und es darf kein Eindif fundieren von Wasserstoff in das Germanium erfolgen.Protective layers for electroactive passivation layers of Ge X-ray detectors have to meet a number of conditions. They must be homogeneous due to the amorphous structure and be transparent to X-rays; In addition, perfect liability on Ge or GeO x must be guaranteed. These layers must also have high electrical resistance and good mechanical properties, such as high hardness, and good chemical stability; in addition, they must have a low water permeation, ie there must be no water uptake or release, and there must be no diffusion of hydrogen into the germanium.
Zum mechanischen Schutz von elektroaktiven GeO x -Schichten in pin-Germaniumdioden dienen insbesondere aufgedampfte SiO- Schichten (siehe dazu: "J. Electrochem. Soc.", Vol. 123 (1976), No. 9, Seiten 1398 ff.). Derartige Schichten sind jedoch feuch teempfindlich und können - aufgrund ausgeprägter Isoliereigen schaften - einen Einfluß äußerer Ladungen auf die Diodeneigen schaften nicht verhindern. Schichten aus a-Si:H bzw. a-Ge:H, die ebenfalls als Schutz für die Passivierschicht dienen kön nen (siehe: "IEEE Transactions on Nuclear Science", Vol. NS-27 (1980), No. 1, Seiten 247 ff.), weisen einen relativ hohen Per meationskoeffizienten für Wasser auf.Evaporated SiO layers are used in particular for mechanical protection of electroactive GeO x layers in pin germanium diodes (see: "J. Electrochem. Soc.", Vol. 123 (1976), No. 9, pages 1398 ff.). However, such layers are damp teempfindlich and can - due to pronounced properties Isoliereigen - an influence of external loads on the diodes intrinsic properties do not prevent. Layers made of a-Si: H or a-Ge: H, which can also serve as protection for the passivation layer (see: "IEEE Transactions on Nuclear Science", Vol. NS-27 (1980), No. 1, pages 247 ff.), Have a relatively high permeation coefficient for water.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzschicht für elektro aktive Passivierschichten von Germanium-Röntgendetektoren an zugeben, welche die Passivierschichten mechanisch und chemisch schützt, d.h. insbesondere als Feuchtesperre wirkt, und auch sonst alle Anforderungen erfüllt, die an eine derartige Schutz schicht gestellt werden.The object of the invention is to provide a protective layer for electro active passivation layers of germanium x-ray detectors admit the passivation layers mechanically and chemically protects, i.e. in particular acts as a moisture barrier, and also otherwise meets all the requirements for such protection layer.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schutz schicht aus einer dünnen Schicht aus amorphem, wasserstoffhal tigem Kohlenstoff (a-C : H) besteht.This is achieved in that the protection layer of a thin layer of amorphous, hydrogen-containing carbon (a-C: H).
Amorpher, wasserstoffhaltiger Kohlenstoff, kurz a-C : H, ist ein Kohlenstoffmaterial, bei dem ein amorphes Kohlenstoffnetzwerk vorliegt. Aufgrund seiner mechanischen Härte wird dieses Koh lenstoffmaterial auch als diamantartiger Kohlenstoff bezeichnet (siehe beispielsweise: "IDR - Industrie Diamanten Rundschau", Bd. 18 (1984) Nr. 4 Seiten 249 ff.). Diese amorphe Modifika tion von Kohlenstoff erhält ihre besonderen Eigenschaften, wie optische Transparenz, Mikrohärte, chemische Resistenz und elek trische Isolation, durch das Nebeneinander von tetraedrischer (sp3-) und trigonaler (sp2-) Hybridisierung sowie durch den Einbau von Wasserstoff (etwa 10 bis 40 Atom-%).Amorphous, hydrogen-containing carbon, or aC: H for short, is a carbon material with an amorphous carbon network. Because of its mechanical hardness, this carbon material is also referred to as diamond-like carbon (see, for example: "IDR - Industrie Diamanten Rundschau", Vol. 18 (1984) No. 4 pages 249 ff.). This amorphous modification of carbon gets its special properties, such as optical transparency, microhardness, chemical resistance and electrical isolation, through the juxtaposition of tetrahedral (sp 3 -) and trigonal (sp 2 -) hybridization as well as through the incorporation of hydrogen (e.g. 10 to 40 atomic%).
Die erfindungsgemäße Schutzschicht für elektroaktiv passivierte Ge-Röntgendetektoren in Form von a-C : H-Dünnschichten, die vor zugsweise eine Dicke etwa zwischen 0,05 und 3 µm aufweisen, er füllt die an sie gestellten Forderungen in hohem Maße. Bei die sen Schichten lassen sich die elektrischen Eigenschaften, ins besondere der spezifische elektrische Widerstand, sowie der optische Bandabstand - durch Wahl der Herstellungsbedingungen - in einem weiten Bereich steuern. Da mit a-C : H eine zusätzliche Ladungsabschirmung erfolgt, kann auf diese Weise die elektro aktive Passivierwirkung der darunterliegenden Passivierschicht, die insbesondere eine GeO x -Schicht ist, noch verstärkt werden.The protective layer according to the invention for electroactive passivated Ge X-ray detectors in the form of aC: H thin layers, which preferably have a thickness of approximately between 0.05 and 3 μm, fulfills the demands placed on them to a high degree. By selecting the production conditions - - At the sen layers, the electrical properties, in particular, the electrical resistivity and the optical band gap can be controlled in a wide range. Since aC: H provides additional charge shielding, the electroactive passivation effect of the underlying passivation layer, which is in particular a GeO x layer, can be further enhanced in this way.
Die erfindungsgemäßen Schutzschichten aus a-C : H weisen, insbe sondere gegenüber aufgesputterten Kohlenstoffschichten, ferner den Vorteil auf, daß sie - selbst bei geringer Dicke ( 100 nm) - einen sehr niedrigen Permeationskoeffizienten für Wasser be sitzen: 0,3×10-12 m2×s-1 gegenüber 5,4×10-12 m2×s-1. Der Grund hierfür liegt darin, daß sie pinhole-frei abgeschieden werden können und - wegen ihrer amorphen Struktur - keine mikroskopi schen Inhomogenitäten, wie Korngrenzen und dergleichen, enthal ten.The protective layers of aC: H according to the invention, in particular compared to sputtered carbon layers, also have the advantage that - even with a small thickness (100 nm) - they have a very low permeation coefficient for water: 0.3 × 10 -12 m 2 × s -1 versus 5.4 × 10 -12 m 2 × s -1 . The reason for this is that they can be deposited pinhole-free and - because of their amorphous structure - contain no microscopic inhomogeneities such as grain boundaries and the like.
Die Schichten aus a-C : H zeigen darüber hinaus insbesondere eine außerordentlich gute Haftung auf Substraten, die aus Elementen der 4. Hauptgruppe des Periodensystems bestehen, und zwar in folge der Bildung von Carbiden. Insofern ergibt die Abscheidung von a-C : H auf Ge-Oberflächen eine sehr stabile Bindung zwischen diesen beiden Stoffen. Bemerkenswert ist schließlich auch noch die sich infolge der diamantähnlichen Struktur ergebende hohe Härte, Kratzfestigkeit, Abriebfestigkeit und chemische Stabili tät der Schichten aus a-C : H. Sie stellen dadurch einen hervor ragenden Schutz für darunter angeordnete Substratflächen dar. Außerdem ist bei a-C : H, im Gegensatz zu a-Si : H bzw. a-Ge : H, der eingebaute Wasserstoff sehr fest gebunden, so daß daraus kein Wasserstoff in die zu schützende Ge-Röntgendiode eindif fundieren kann.The layers of a-C: H also show one in particular extremely good adhesion to substrates made of elements the 4th main group of the periodic table, namely in follow the formation of carbides. In this respect, the separation results of a-C: H on Ge surfaces a very stable bond between these two substances. Finally, it is also remarkable the high resulting from the diamond-like structure Hardness, scratch resistance, abrasion resistance and chemical stability layers of a-C: H. They make one stand out excellent protection for underlying substrate surfaces. In addition, a-C: H, in contrast to a-Si: H or a-Ge: H, the built-in hydrogen bound very tightly, so that from it no hydrogen penetrate into the Ge X-ray diode to be protected can substantiate.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzschicht erfolgt in der Weise, daß auf eine elektroaktive Passivierschicht durch eine Hochfrequenz-Niederdruck-Plasmaabscheidung gasförmiger Kohlenwasserstoffe eine dünne Schicht aus amorphem, wasser stoffhaltigem Kohlenstoff aufgebracht wird. Die Plasmaabschei dung erfolgt dabei vorzugsweise mittels Radiofrequenz (RF), d.h. im Bereich zwischen 0,1 und 100 MHz, sie kann aber auch mittels Mikrowellen (MW) erfolgen, d.h. im Bereich zwischen 0,1 und 1000 GHz.The protective layer according to the invention is produced in the way that through an electroactive passivation layer a high frequency low pressure plasma deposition gaseous Hydrocarbons a thin layer of amorphous, water carbon containing is applied. The plasma rejection This is preferably done by means of radio frequency (RF), i.e. in the range between 0.1 and 100 MHz, but it can also by means of microwaves (MW), i.e. in the range between 0.1 and 1000 GHz.
Als gasförmige Kohlenwasserstoffe dienen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Schutzschicht vorteilhaft Alkane, d.h. gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan und Propan; dabei wird Methan bevorzugt. Daneben können aber auch Alkene, d.h. ungesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie Ethen und Propen, eingesetzt werden, sowie Acetylen, Cyclo alkane, d.h. gesättigte cyclische Kohlenwasserstoffe, wie Cy clohexan, und - im dampfförmigen Zustand - aromatische Kohlen wasserstoffe in Form von Benzol und Benzolderivaten. Die Koh lenwasserstoffe der vorstehend genannten Art können einzeln oder im Gemisch zum Einsatz gelangen. Den Kohlenwasserstoffen können ferner Wasserstoff und/oder Edelgase, wie Helium und Argon, zugegeben werden.Alkanes, ie saturated aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane and propane, are advantageously used as gaseous hydrocarbons in the production of the protective layer according to the invention; methane is preferred. In addition, alkenes, ie unsaturated aliphatic hydrocarbons, such as ethene and propene, can also be used, as well as acetylene, cycloalkanes, ie saturated cyclic hydrocarbons, such as cyclohexane, and - in the vapor state - aromatic hydrocarbons in the form of benzene and benzene derivatives. The Koh lenwasserstoffe of the type mentioned above can be used individually or in a mixture. Hydrogen and / or noble gases such as helium and argon can also be added to the hydrocarbons.
In Hochfrequenzentladungen, insbesondere mit RF-Anregung, bil det sich bei unterschiedlich großen Innenelektroden der Entla dungseinrichtung (Flächenverhältnis 0,5, vorzugsweise zwi schen 0,25 und 0,05) - aufgrund von Raumladungen - eine im Takt der Hochfrequenz (HF) pulsierende Gleichstrom-Spannungskompo nente (Vorspannung bzw. "self bias potential") bis zu etwa 1 kV aus. Diese DC-Spannungskomponente überlagert sich der HF-Wech selspannung und macht die kleinere Elektrode zur Kathode. Da durch werden die geladenen C x H y -Teilchen, die durch Ionisie rung und Fragmentierung des Reaktionsgases entstehen, zur Ka thode hin beschleunigt und auf dem vor der Kathode angeordneten Substrat mit hoher kinetischer Energie - unter Bildung von a-C : H - abgeschieden. Ein "self bias"-Effekt der vorstehend genannten Art ist, wenngleich - wegen des Fehlens von Innen elektroden - in sehr viel geringerem Ausmaß, auch bei MW-in duzierten Abscheideplasmen wirksam, weil zwischen Plasma und Substratfläche in jedem Fall eine Potentialdifferenz besteht.In high-frequency discharges, in particular with RF excitation, is formed with differently sized internal electrodes of the discharge device (area ratio 0.5, preferably between 0.25 and 0.05) - due to space charges - a pulsing in time with the high frequency (HF) DC voltage component (bias or "self bias potential") up to about 1 kV. This DC voltage component is superimposed on the HF alternating voltage and makes the smaller electrode the cathode. Since by the charged C x H y particles, which tion by Ionisie and fragmentation of the reaction gas arise Thode to Ka accelerated towards and on which is arranged in front of the cathode substrate with high kinetic energy - with the formation of aC: - deposited H. A "self bias" effect of the aforementioned type is effective, although - because of the lack of internal electrodes - to a much lesser extent, even with MW-induced deposition plasmas, because there is a potential difference between the plasma and the substrate surface.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung noch näher erläutert.Using an exemplary embodiment, the invention will explained in more detail.
In eine Apparatur zur Plasmaabscheidung von a-C : H mittels RF- Anregung in Form eines zylindrischen Glasgefäßes wird Methan CH 4 (als Reaktionsgas) bei einem Druck von 100 Pa eingeleitet. Das Reaktionsgas gelangt in das sich zwischen zwei ungleichen Elektroden (Flächenverhältnis 1 : 4) ausbildende Plasma mit einem Volumen von ca. 400 cm3. Die beiden Elektroden sind mit einem RF-Generator verbunden (ν = 13,56 MHz). Aufgrund der ungleichen Elektroden entsteht zwischen diesen eine - sich der RF-Spannung überlagernde - self bias-DC-Spannung, wobei die kleinere Elek trode, welche die zu beschichtenden Substrate trägt, zur Katho de wird.Methane C H 4 (as reaction gas) at a pressure of 100 Pa is introduced into an apparatus for the plasma deposition of aC: H by means of RF excitation in the form of a cylindrical glass vessel. The reaction gas enters the plasma with a volume of approx. 400 cm 3 which is formed between two different electrodes (area ratio 1: 4). The two electrodes are connected to an RF generator ( ν = 13.56 MHz). Due to the unequal electrodes, a self-bias DC voltage is generated between them, which overlaps the RF voltage, the smaller electrode, which carries the substrates to be coated, becoming the cathode.
Bei einer Hochfrequenz-Leistungsdichte von ca. 2,2 W×cm-2, be zogen auf die Kathodenfläche, entsteht zwischen den beiden Elektroden eine self-bias-DC-Spannung von ca. 500 V. Unter die sen Bedingungen erhält man bei einem CH4-Massedurchfluß von 9×104Pa×cm3×s-1 nach 2 min (Abscheiderate: ca. 4 nm×s-1) eine ca. 0,5 µm dicke pinhole-freie a-C : H-Schicht mit einem spezifi schen elektrischen Widerstand < 1010Ω×cm bei Raumtemperatur und einem optischen Bandabstand von ca. 1,0 eV. Es können dabei sowohl ebene Substrate beschichtet als auch Ge-Röntgendioden stirnseitig an den Kanten der Kontakte mit a-C : H abgedeckt wer den.With a high-frequency power density of approx. 2.2 W × cm -2 , referred to the cathode surface, a self-bias DC voltage of approx. 500 V is generated between the two electrodes CH 4 mass flow of 9 × 10 4 Pa × cm 3 × s -1 after 2 min (deposition rate: approx. 4 nm × s -1 ) an approx. 0.5 µm thick pinhole-free aC: H layer with a specific electrical resistance <10 10 Ω × cm at room temperature and an optical band gap of approx. 1.0 eV. Both flat substrates can be coated and Ge X-ray diodes can be covered with aC: H on the front of the contacts.
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ID=6373226
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE3902969A Withdrawn DE3902969A1 (en) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | Protective layer for electrically active passivation layers |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3902969A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0526817A1 (en) * | 1991-08-05 | 1993-02-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Radiation detector |
| EP0527373A1 (en) * | 1991-08-05 | 1993-02-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Detector system |
| DE4428524A1 (en) * | 1994-08-11 | 1997-12-04 | Eupec Gmbh & Co Kg | Semiconductor component with passivation layer |
-
1989
- 1989-02-01 DE DE3902969A patent/DE3902969A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0526817A1 (en) * | 1991-08-05 | 1993-02-10 | Siemens Aktiengesellschaft | Radiation detector |
| EP0527373A1 (en) * | 1991-08-05 | 1993-02-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Detector system |
| DE4428524A1 (en) * | 1994-08-11 | 1997-12-04 | Eupec Gmbh & Co Kg | Semiconductor component with passivation layer |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |