DE60221638T2

DE60221638T2 - Verfahren und gerät zur herstellung eines gaas-detektors für röntgenstrahl- erfassung und bildaufnahme

Info

Publication number: DE60221638T2
Application number: DE60221638T
Authority: DE
Inventors: Jacques Bourgoin
Original assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Current assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: DE60221638D1; WO2002061852A1; EP1358683A1; ES2290268T3; US7217324B2; EP1358683B1; US20040069213A1; FR2820243A1; ATE369630T1; FR2820243B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen GaAS-Detektors zur Röntgenstrahlenerfassung für die medizinische Bildaufnahme sowie die Bildaufnahme für gewisse industrielle Anwendungen (wie etwa die Inspizierung von Gepäck an Flughäfen).
Es gibt zwei Kategorien von Röntgenphotonendetektoren zusätzlich zur photographischen Platte. Die erste setzt eine photoempfindliche Schicht (zum Beispiel Phosphor) ein, welche die Röntgenphotonen in sichtbare Photonen umwandelt, wobei die Photonen dann unter Benutzung von darauf anwendbaren Techniken erfasst werden. Die zweite macht Gebrauch von Halbleitermaterialien, welche die Röntgenphotonen direkt in Elektronen umwandeln, wodurch ein direktes Erlangen des Bildes in Digitalformat ermöglicht wird. Letztgenannte Detektoren weisen viele Vorteile auf, welche die photoempfindlichen Schichten berücksichtigen. Sie ermöglichen das Erlangen von Bildern mit einer höheren Rate und ihre Leistungen (Sammlungsgrad oder -empfindlichkeit, Geräusche, Dynamik, Erlangungsgeschwindigkeit) sind besser. Gegenwärtig ist das einzige Halbleitermaterial, das angepasste elektronische Eigenschaften und die notwendige Dicke (ein paar 100 μm, um die Röntgenphotonen wirksam zu absorbieren) aufweist, CdTe. Infolge der kleinen Größe der verfügbaren Kristalle ist die Implementierung dieses Materials in der Röntgenbildaufnahme auf industriellem Maßstab/Niveau nicht möglich.
Heute ist eine neue Generation von großflächigen elektronischen Detektoren zur medizinischen Bildaufnahme bekannt. Diese Generation benutzt einen Szintillator (Zäsium-Iod), der die Röntgenphotonen in sichtbare Photonen umwandelt, die dann von einer Matrix von Fotoleiterpixeln erfasst werden, welche auf einer Schicht amorphem Si (a-Si) (General Electric, Canon, Trixell) bereitgestellt sind. Die globale Ausgabe ist jedoch nicht optimal. Diese Detektoren ermöglichen lediglich eine Reduktion im Bereich eines Faktors 5 der Bestrahlungsdosierung des Patienten im Vergleich zu der photographischen Platte. Zur Annäherung an die Grenzen der Röntgenphotonenerfassung und zur korrekten Bildauf nahme wird ein Halbleitermaterial benötigt, das die folgenden Anforderungen erfüllt:

– ein großes Material mit einer hohen Atomnummer Z
– ein kostengünstiges Material, für welches eine gut beherrschte Mikroelektronik-Technologie vorhanden ist,
– ein Material von guter Qualität, d.h. das wenige einheitlich verteilte Fangstellen und Defekte enthält.

CdTe und InP entsprechen nicht einem oder einer Vielzahl dieser Kriterien und sind daher nicht geeignet. Übrig bleibt GaAs, nicht in massiver Form (d.h. durch die Czochralski-Zucht (Cz) oder Vertical Gradient Freeze (VGF) erhalten), da es dann zu viele Fangstellen enthält, die auf nicht homogene Weise verteilt sind. Übrig bleibt lediglich GaAs, das mittels Epitaxiewachstum gezüchtet wurde, das relativ rein sein kann und sehr einheitliche elektronische Eigenschaften aufweist.
Außerdem gibt es bewährte Epitaxiewachstumstechniken, wie etwa VPE („Vapor Phase Epitaxy” – Gasphasen-Epitaxie) oder CVD („Chemical Vapor Deposition” – chemische Gasphasenabscheidung). Dank diesen Techniken werden dann die Epitaxieschichten durch das Transportieren des Gases, das die Bestandteile der zu bildenden Schicht enthält, zu einem Substrat erhalten, wo sie abgebaut werden und mit der Oberfläche eine Reaktion eingehen. Der Faktor, der das Wachstum des Films begrenzt, ist der Transport dieser Gase zum Substrat, die Wachstumsgeschwindigkeit ist langsam (ungefähr] bis 5 μm pro Stunde) und sehr große Volumen an Gas sind nötig, um eine dicke Schicht (mehrere hundert μm) zu erhalten. Infolgedessen weisen diese Techniken, zusätzlich zum teuren Aspekt, d.h. große Volumen der nötigen Gase, Preis des Reaktors, Betriebszeit, Sammlung und Zerstörung von Restgasen, bedeutende Risiken auf, die mit den Gasen, die eingesetzt werden, einhergehen, und zwar für die Leute wie auch für die Umwelt.
Diese Techniken ermöglichen das Erhalten von Schichten, die eine gute globale Homogenität der elektrischen Eigenschaften aufweisen, welche, so erhalten, alle nötigen Charakteristiken aufweisen, um gute Detektoren zu erhalten (Owens et al. [J. Appl. Phys.; 86 (1999) 4341]), jedoch ist die Wachstumsrate niedrig (bestenfalls 5 μm.h^–1) und ermöglicht somit nicht das Erhalten von ausreichend dicken Schichten zum wirksamen Absorbieren der Röntgenphotonen unter angemessenen industriellen Herstellungsbedingungen.
Das Dokument A. Owens et al., Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Abschnitt A, Bd. 442, Nr. 1-3, 360-363 (2000) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines GaAs-Detektors. Das Dokument 5,725,659 beschreibt ein anderes Verfahren zur Herstellung eines GaAs-Geräts.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Gerätes mit einfachem Design und einfacher Betriebsart, das umweltfreundlich, schnell und kostengünstig ist, zur Verwirklichung von elektronischen Detektoren unter Benutzung von GaAs-Epitaxieschichten, die zur Erfassung von Röntgenstrahlen, insbesondere zur Bildaufnahme, benutzt werden können.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen GaAs-Detektors für die Röntgenstrahlenerfassung und Bildaufnahme, wie in Anspruch 1 beschrieben.
Die Ansprüche 2-6 definieren besonders bevorzugte Ausführungsformen.
Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Herstellung eines elektronischen GaAs-Detektors zur Röntgenstrahlenerfassung und Bildaufnahme, wie in Anspruch 7 beschrieben.
Die Ansprüche 8-10 definieren besonders bevorzugte Ausführungsformen.
Der derart verwirklichte Detektor kann alleine zur Röntgenphotonenerfassung benutzt werden, deren Energie zwischen 20 und 60 keV liegt. Dieser Detektor kann auch für höhere Energien von Röntgenphotonen benutzt werden, jedoch reduziert der niedrigste Absorptionskoeffizient von GaAs für diese Energien dessen Empfindlichkeit. Er kann vorzugsweise zur medizinischen Bildaufnahme und für gewisse industrielle Anwendungen (zum Beispiel: Inspizierung von Gepäck an Flughäfen) implementiert werden.
Die Erfindung wird genauer unter Bezugnahme auf die beigelegten Ansprüche beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung der aufeinanderfolgenden Schritte 1a), 1b), 1c), 1d), 1e), 1f) und 1g) ist, welche zur Verwirklichung des Röntgenstrahlendetektors nach der Erfindung führen;
2 eine schematische Darstellung des Gerätes zum Wachstum von Epitaxieschichten nach der Erfindung ist;
Eine der erforderlichen Bedingungen zur Anwendung elektronischer Detektoren zur Bildaufnahme besteht darin, dass die Größe des Halbleitermaterials, auf das die Detektoren gelegt werden, groß genug sein soll. Dennoch ist die Herstellung großer Epitaxieschichten mit dem Vorhandensein von monokristallinen Stäben mit großem Durchmesser verbunden, wobei Substrate von guter kristallographischer Qualität geschnitten werden können. Außerdem müssen diese Schichten mit Materialien verwirklicht werden, deren Atomnummer Z hoch ist (d.h. jene, für welche die Absorption der Röntgenphotonen bedeutend ist: InP, CdTe, GaAs), d.h. jene, für welche es breite Kristalle gibt. Unter diesen Materialien ermöglicht GaAs das Erhalten von Substraten, die einen Durchmesser von bis zu fünfzehn Zentimetern aufweisen. CdTe-Kristalle gibt es nur mit kleineren Ausmaßen (Durchmesser von ein paar Zentimetern) und InP-Kristalle sind Kristalle mit einer Durchschnittsgröße, mit einem Durchmesser im Bereich von 5 Zentimetern. GaAs hat den Vorteil, dass, zusätzlich zu seinen inhärenten Eigenschaften, die bei InP und CdTe mehr oder weniger herkömmlich sind (Bandlücke 1,4 eV, guter Absorptionskoeffizient bis zumindest 60 keV, hohe Mobilität der Ladungsträ ger), die mikroelektronischen Technologien für ein derartiges Material in der Industrie bereits standardisiert sind. Daher ist das Material, das für das Züchten der Epitaxieschichten benutzt wird, GaAs.
Nach der Erfindung, wie in 1 dargestellt, umfasst das Verfahren, das zur Herstellung von auf GaAs basierenden Röntgenstrahlendetektoren führt, die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte. Der erste Schritt 1a) besteht im Züchten von Epitaxieschichten 1 mit einer Dicke d', die von der Energie der Photonen, die auf einem Substrat von n⁺ (oder p⁺) 2 erfasst werden sollen, abhängt. Das abgelagerte Material 1 ergibt sich nicht aus der Benutzung einer herkömmlichen Technik zum Züchten von Epitaxieschichten (VPE oder CVD). Tatsächlich ist mit den letztgenannten Techniken der Faktor, der das Wachstum der Schicht 1 begrenzt, der Transport von Gasen, welche die Bestandteile der auf dem Substrat 2 zu bildenden Schicht enthält. Daher bleibt die Wachstumsrate niedrig (bestenfalls 5 μm.h^–1). Dennoch erfordert die Erfassung von Röntgenphotonen das Züchten von Epitaxieschichten 1 mit einer Dicke von mindestens 100 μm. Die herkömmlichen Techniken erlauben daher nicht das Erhalten, innerhalb einer angemessenen Frist, des Wachstums einer Epitaxieschicht 1, die dick genug ist, um die Röntgenphotonen wirksam zu absorbieren. Das Wachstum des Epitaxiematerials 1 ergibt sich daher aus einem Verfahren, das es zum Ziel hat, den Transport der Gase zum Substrat 2 zu unterdrücken, um eine schnellere Wachstumsrate bereitzustellen. Nach der Erfindung und 2a) hängt also die Rate 3, mit der das Material vom Ausgangspunkt 1 zum Substrat n⁺ (oder p⁺) 2 transportiert wird, nur von den Geschwindigkeiten der chemischen Reaktionen zwischen dem Ausgangsmaterial 4, dem Substrat 5 und dem Reaktionsgas 6 ab. Dazu wird ein Ausgangsmaterial 7, das dieselbe chemische Zusammensetzung aufweist wie das Material 1, um (GaAs) zu züchten, somit unbeabsichtigt dotiert und somit sogenannt halbisolierend, mit einer Heizeinrichtung 8 auf eine Temperatur T₁ > 600 °C (vorzugsweise zwischen 750 und 850 °C) erhitzt. Diese Heizeinrichtung 8 besteht aus einem Metallwiderstand, der mit Bornitrid beschichtet ist, aber von anderer Beschaffenheit sein kann (Graphitband usw.), solange er die Verschmutzung auf das Maximum der zu züchtenden Schicht durch Unreinheiten begrenzt. Das Reaktionsgas 6, H₂O, das unter Teildruck von 500 bis 600 ppm ist, interagiert chemisch mit dem Ausgangsmaterial 7, das auf die Temperatur T₁ erhitzt wurde, während flüchtige Produkte kreiert werden. Diese flüchtigen Verbindungen werden von dem Druckgradienten 3 zu einem Substrat n⁺ (oder p⁺) 2 transportiert, mittels der Heizeinrichtung 9, die mit der ersten identisch ist, auf eine Temperatur T₂ < T₁ (vorzugsweise um zumindest 50 °C niedriger) erhitzt. Die flüchtigen Produkte werden dann an der Oberfläche des Substrats n⁺ (oder p⁺) 2 wieder zusammengesetzt, um GaAs 5 und das gasförmige H₂O 6 neu zu bilden. Letztgenanntes ist wiederum verfügbar, um an dem Reaktionsvorgang teilzunehmen. Es ist ein geschlossenes System: daher ist es weder nötig eine kontinuierliche Lieferung von Reaktionsgas noch eine kontinuierliche Lieferung von Wasserstoff zu haben. Ein Ring von Quarz, Bornitrid oder Graphit 10 mit einer Dicke d zwischen 1 und 2 mm für ein Substrat mit einem Durchmesser Φ von ungefähr 5 cm, trennt das Substrat n⁺ (oder p⁺) 2 vom Ausgangsmaterial 7 und gewährleistet ihre Wärmeisolierung. Wenn die Größe des Substrats größer ist, sollte d erhöht werden (wobei d im Bereich von 3-4 mm für Φ = 10 cm ist).
Aufgrund des relativ geringen Temperaturunterschieds zwischen dem Ausgangsmaterial 7 und dem Substrat 2, die durch den kurzen Abstand zwischen den Elementen auferlegt ist, geschieht das Wachstum der Epitaxieschicht 1 unter Bedingungen, die nahe dem Reaktionsgleichgewicht zwischen dem Kristall und dem Reaktionsgas liegen. Da das System von dem Ring 10 umgeben ist, ist das jeweilige Druckverhältnis der flüchtigen Produkte, die von den chemischen Reaktionen abgeleitet sind, derart, dass die stöchiometrischen Bedingungen aufrechterhalten werden. Während also des Abbaus von GaAs 4 durch H₂O 6, durch die folgende Gleichung gegeben: GaAs(s) + H₂O(g) → Ga₂O(g) + As₂(g) + H₂(g) existiert ein direktes Verhältnis zwischen dem Druck von Ga₂O und As₂. Daher ist es nicht nötig, einen höheren Druck als As₂(g) hinsichtlich desjenigen von Ga₂O(g) wie in Techniken zum Züchten von Epitaxieschichten einzuführen.
Die Wachstumsrate der Epitaxieschichten 1 hängt hier lediglich von den jeweiligen Temperaturen T₁ und T₂ des Ausgangsmaterials 7 und des Substrats n⁺ (oder p⁺) 2, von dem Teildruck p des Reaktionsgases 6 ab.
Das Ausgangsmaterial ist unbeabsichtigt dotiert: es enthält Dotiersubstanzen der Art p und n in Konzentration von 10¹⁵-10¹⁶ cm^–3, die jeweils hauptsächlich C und Si nach der Literatur sind. Das derart erhaltene Material enthält daher auch diese Unreinheiten aber in anderen Größenverhältnissen, da der Transport dieser Unreinheiten von deren Beschaffenheit abhängt.
Nach dem Züchten der Epitaxieschicht 1 wird die Dicke des Substrats 2 durch mechanisch-chemisches Polieren (Schritt 2, 1b)) reduziert, um ihre Dicke auf ungefähr 10 μm zurück zu bringen. In einem dritten Schritt (1c)) werden Ionen Hg⁺ oder Be⁺, bzw. Si⁺ implantiert, mit Energien zwischen 10 und 200 keV (vorzugsweise um 100 keV) und typischen Dosen (im Bereich von 10¹⁴ Atomen/cm²), um eine dotierungsgesteuerte Schicht 11 (mehr als 10¹⁸ cm^–3) der Art p⁺ bzw. n⁺ zu bilden. Auf die Implantation folgt ein schnelles Thermofixieren bei einer gegebenen Temperatur (ungefähr 850 °C) und für eine vorher festgelegte kurze Zeitdauer (10 s). Somit wurde eine Kreuzung p⁺/i/n⁺ hergestellt. Galvanisch leitende Verbindungen 12 (Schritt 4, 1d)) werden dann durch Verdampfung auf beide Seiten einer vergoldeten Legierung gegeben, gefolgt von Tempern bei einer Temperatur im Bereich von 400 °C und für eine vorher festgelegte Zeitdauer (300 s). Diese Legierung ist zum Beispiel AuGe oder NiAu für die Kontakte n⁺ und TiPtAu oder AuZn für die Kontakte p⁺. Auf diesen Schritt folgt Maskierung durch Photolithographie, chemisches Beizen (Schritt 5, 1e)), um Pixel zu bilden.
Diese Pixel 13, die durch Lithographie hergestellt wurden, weisen Flächenausdehnungen von im Allgemeinen 50 bis 150 μm² (für medizinische Anwendungen) auf, die auf einer Seite oder Linien derselben Dimension auf jeder der Seiten in Quadratur (1e)) gemacht sind. Diese Schritte werden durch Passivierung der gebeizten Oberflächen (zum Beispiel durch Ablagerung von Siliciumnitrid (Schritt 6, 1f)), gefolgt von einer Öffnung zu den Pixeln hin durch ein neues Beizen nach der Photolithographie (Schritt 7, 1g)) vervollständigt, um die Kontakte zu nehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Restdotiersubstanz des Epitaxiematerials 1 reduziert, um die Breite W der Raumladung zu erhöhen, so dass sie die ganze Dicke der Schicht in Anspruch nimmt. Tatsächlich kann die Restdotiersubstanz auch derart sein, dass die maximale Anwendungsspannung V_m (d.h. die Durchschlagsspannung) nicht ausreicht, um die vollständige Depletion der Struktur zu erhalten. Zum Beispiel kann eine Schicht, die anfänglich 1 × 10¹⁴ cm^–3 Restdotiersubstanzen besitzt, lediglich über einer Zone, die so groß wie W = 23 μm für eine Spannung von 40 V ist, einer Depletion unterzogen werden. Wenn die Schicht eine Dicke von 100 μm aufweist, wird infolgedessen nur ein Viertel davon aktiv sein. Die Lösung nach der Erfindung umfasst also das Einführen von Defekten in die Schicht in einheitlicher Konzentration, um die Restträger zu fangen. Eine Art, um diese Defekte einzuführen, besteht in der einheitlichen Bestrahlung der ganzen Oberfläche des Materials mittels einer Elektronenquelle von ungefähr 1 MeV. In unserem obigen Beispiel ermöglicht das Einführen einer 10¹⁴ cm^–3 Defekt-Konzentration durch diese Bestrahlung den vollständigen Ausgleich zu den Restdotiersubstanzen und daher das Erhalten der Depletion über der ganzen Dicke der Schicht. Zur minimalen Einführung von Defekten, um eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Leistungen des Detektors auszuüben, wird die Kapazität eines der Pixel des Detektors im Vergleich zur Bestrahlungsdosis gemessen, um diese Dosis zu stoppen, sobald der Wert der Kapazität demjenigen der Dicke der Schicht (1) entspricht.
Diese Bestrahlung kann durchgeführt werden, sobald der Detektor fertig ist oder sogar montiert und an seinen elektronischen Kreislauf angeschlossen ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Herstellung eines elektronischen GaAs-Detektors zur Röntgenstrahlenerfassung und Bildaufnahme. Nach der Erfindung und 2 umfasst dieses Gerät eine Kammer 14 aus Edelstahl, in welcher Mittel zum Züchten der Schichten angeordnet sind. Diese Kammer umfasst eine Anordnung von Verbindungen, die das Einführen gereinigten Wasserstoffs nach Vakuumpumpen und Evakuieren nach der Ablagerung der chemischen Reagenzien, die von dem Abbau von GaAs 4 durch H₂O 6 abgeleitet sind, ermöglicht, um diese zu behandeln. Die Evakuierung und das Vakuum werden mittels einer primären Pumpe verwirklicht. Diese Kammer 14 umfasst auch eine Anordnung von Verbindungen, die das Bereitstellen elektrischer Kontakte zwischen den Stromversorgungsquellen, den Temperatur-Ablesegeräten und der Innenseite des Gerätes ermöglichen.
Die Mittel zum Vergrößern der Schichten werden von einem Stativ 15 getragen, das aus k-Füssen besteht, die aus Edelstahl gefertigt sind (wobei k ≥ 3). Dieses Stativ ermöglicht das thermische Isolieren der Kammer 14 gegenüber dem Rest des Gerätes. Auf diesem Stativ 15 ist eine erste Edelstahlplatte 16 montiert, die als eine Basis für die Zuchtmittel dient. Diese Zuchtmittel umfassen eine erste Quarzplatte 17, die das thermische Isolieren der Edelstahlbasis 16 gegenüber der Heizmittel ermöglicht. Diese Heizmittel umfassen eine erste Heizeinrichtung 8, die durch die Verbindungen 21 mit Strom versorgt wird. Die Heizeinrichtung 8 besteht aus einem Metallwiderstand, der mit Bornitrid beschichtet ist. Ein erster Edelstahlwafer 18 mit einer Dicke im Bereich von einem Millimeter, ermöglicht das Messen der Temperatur der Heizeinrichtung 8. Diese Temperaturmessung steuert die Temperatureinstellung des Gerätes. Der Wafer 18 umfasst einen Kanal 19, um Temperaturmessmittel in diesen einzuführen, zum Beispiel ein Thermoelement 20. Die erste Heizeinrichtung 8 ermöglicht das Erhitzen auf eine Temperatur T₂ > 600 °C, ein Substrat n⁺ (oder p⁺) 2. Auf diesem Substrat ist ein Ring 10 platziert, der unter den beschriebenen Versuchsbedingungen inert ist (d.h. T_i > 600 °C, wobei i = 1,2) und eine Dicke d im Bereich von ein paar Millimetern aufweist. Er trennt und isoliert das Substrat n⁺ (oder p⁺) 2 thermisch von einem Ausgangsmaterial 7. Um nicht gleichmäßige Ablagerungsbedingungen zu vermeiden, wird die Parallelität des Ausgangsmaterials 7 und des Substrats n⁺ (oder p⁺) 2 durch den inerten Ring 10 gewährleistet, besser als innerhalb von 0,1 mm. Der inerte Ring 10, ein Ring aus Quarz, Bornitrid oder Graphit, gewährleistet auch die gasförmige Permeabilität zwischen dem Raum, in dem die Reaktionen geschehen, und der Innenatmosphäre des Gerätes, gereinigtem H₂ unter einem Druck im Bereich der Atmosphäre und H₂O 6 unter einem Teildruck p im Bereich von 300 bis 900 ppm nach der erforderten Wachstumsgeschwindigkeit. Da der inerte Ring 10 keine perfekte Dichtheit gewährleistet, können H₂O 6 und das gereinigte H₂ passieren.
Eine zweite Heizeinrichtung 9, die mit Strom 22 versorgt wird, ermöglicht das Erhitzen des Ausgangsmaterials 7 auf eine Temperatur T₁ > T₂. Der Temperaturunterschied zwischen T₁ und T₂ ist vorzugsweise größer als 50 °C. Ein zweiter Edelstahlwafer 23 mit einer Dicke im Bereich von einem Millimeter, der einen Kanal 24 umfasst, um in diesem Temperaturmessmittel 25, zum Beispiel ein Thermoelement, unterzubringen, ermöglicht das Überprüfen der Temperatur der zweiten Heizeinrichtung 9. Die Stromversorgungs- und Messkabel 20', 21', 22' und 25' betreffen Elemente des Gerätes, welche die entsprechende Zahl aufweisen. Eine zweite Quarzplatte 26 ist auf dem Edelstahlwafer 23 platziert und wird zur thermischen Isolierung einer zweiten Edelstahlplatte 27 und der Kammer 14 von den Heizmitteln benutzt. Diese zweite Edelstahlplatte 27 begünstigt aufgrund des Gewichtes, das sie ausübt, auch einheitliche Ablagerungsbedingungen, während sie gleichzeitig während des Erhitzens einen engen Kontakt zwischen dem inerten Ring 10, dem Substrat n⁺ oder p⁺ 2 und dem Ausgangsmaterial 7 gewährleistet.
Dieses Verfahren kann vorteilhafterweise zur Herstellung von Detektoren benutzt werden, welche GaAs benutzen, da dieses Material in dem Energiebereich: 20-60 keV besonders wirksam ist. Dieser Energiebereich eignet sich besonders für die medizinische Bildaufnahme (Mammographie, Zahnpflege usw.) und gewisse industrielle Anwendungen (Beispiel: Inspizierung von Gepäck an Flughäfen). Was die medizinische Bildaufnahme betrifft, so sollte der beschriebene Detektor zur Reduzierung der Dosis an Röntgenstrahlung um einen Faktor 10 hinsichtlich herkömmlicher Techniken führen. Es können auch bessere Auflösung und höhere Dynamik bereitgestellt werden (Owens et al. [J. Appl. Phys.; 86 (1999) 4341]), wodurch eine Verbesserung des Bildkontrasts und eine Erhöhung der Anzahl an Farbtönen ermöglicht wird. Die Geschwindigkeit zum Erhalten des Bildes sollte auch sehr schnell hinsichtlich der gegenwärtigen fortgeschrittenen Techniken sein.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen GaAs-Detektors zur Röntgenstrahlenerfassung und Bildaufnahme, wobei zunächst eine Epitaxieschicht auf einem Substrat n⁺ (oder p⁺) gezüchtet wird, um ein Halbleitermaterial zu bilden, das eine gewisse Restdotiersubstanz umfasst, wobei der Schritt des Züchtens der Epitaxieschicht, in der die Dicke der anfallenden Epitaxieschicht nicht ausreicht, um die Röntgenphotonen wirksam zu absorbieren, die Schritte umfasst, welche bestehen aus: – Gewährleisten der Parallelität und der thermischen Isolierung zwischen dem Substrat n⁺ (oder p⁺) und dem Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsmaterial ein Wafer ist, der in einen Block (Ingot) aus halbisolierendem GaAs, das unbeabsichtigt dotiert ist, geschnitten ist, wobei das Ausgangsmaterial und das Halbleitermaterial dieselbe Beschaffenheit aufweisen; – Erhitzen des Ausgangsmaterials auf eine erste Temperatur T₁ >6 00°C; – Erhitzen des Substrats n⁺ (oder p⁺) auf eine zweite Temperatur T₂, wobei die zweite Temperatur T₂ kleiner ist als die erste Temperatur T₁; – chemisches Interagieren lassen eines Reaktionsgases mit dem Ausgangsmaterial mit der Temperatur T₁, um flüchtige Produkte zu kreieren; – Transportieren der flüchtigen Produkte zum Substrat n⁺ (oder p⁺) mittels eines Druckgradienten zwischen dem Ausgangsmaterial mit der Temperatur T₁ und dem Substrat n⁺ (oder p⁺) mit der Temperatur T₂; – chemisches Interagieren lassen der flüchtigen Produkte an der Oberfläche des Substrats n⁺ (oder p⁺) mit der Temperatur T₂, so dass das Reaktionsgas und das Halbleitermaterial zusammengesetzt werden, wobei sich das Herstellungsverfahren durch folgende Schritte fortsetzt, die bestehen aus: – Verringern der Dicke des Substrats durch mechanischchemisches Polieren, Bilden einer Struktur p⁺/i/n⁺ durch das Implantieren der Ionen p⁺ (oder n⁺) auf einer Außenseite des Halbleitermaterials, Tempern der Struktur p⁺/i/n⁺ auf eine Temperatur θ₁ während einer Zeitdauer t₁, – Erstellen der galvanisch leitenden Verbindungen (ohmsche Leiter) auf den beiden Seiten der Struktur p⁺/i/n⁺, – Erstellen der einzelnen Detektoren durch Maskierung, Passivierung und ohmsches Beizen; wobei dieses Verfahren auch einen Schritt umfasst, der aus dem Reduzieren der Restdotiersubstanz der Epitaxieschicht besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwirklichen der galvanisch leitenden Verbindungen (12) durch Verdampfung einer Legierung auf Goldbasis, gefolgt von Tempern durchgeführt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Restdotiersubstanz durch einheitliche Bestrahlung mit ungefähr 1 MeV Elektronen und bei einer Dosis, die wie folgt angepasst ist, reduziert wird: die Kapazität eines einzelnen Detektors wird nach der Dosis gemessen und die Bestrahlung wird angehalten, wenn die Kapazität derjenigen der Dicke der Schicht (1) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d' der Schicht von der Energie der Röntgenphotonen, die absorbiert werden sollen, abhängt, und dass sie zwischen 100 μm und 1 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgas (6) H₂O unter Teildruck von mehreren hundert ppm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wachstum unter gereinigter Wasserstoffatmosphäre im Bereich von Atmosphärendruck stattfindet.
Gerät zur Herstellung eines elektronischen GaAs-Detektors zur Röntgenstrahlenerfassung und Bildaufnahme, umfassend: – eine Kammer (14), – k-Füsse (wobei k ≥ 3), wobei die Füße ein Stativ (15) bilden und die Kammer (14) gegenüber dem Rest des Gerätes thermisch isolieren, – eine erste Platte (16), die auf dem Stativ (15) montiert ist und als Basis für den Rest des Gerätes dient, – eine erste inerte Platte (17), die der thermischen Isolierung der Basis (16) für die Heizmittel dient, – einen ersten Wafer (18), der einen Kanal (19) umfasst, um in diesem Temperaturmessmittel (20) unterzubringen, – Heizmittel, die eine erste Heizeinrichtung (8) umfassen, die mit einem Strom (21) versorgt wird und ein Substrat n⁺ (oder p⁺) (2) auf eine Temperatur T₂ > 600 °C erhitzen, – einen inerten Ring (10) mit einer Dicke d im Bereich von ein paar Millimetern, der das Substrat n⁺ (oder p⁺) (2) und ein Ausgangsmaterial (7) trennt und thermisch isoliert, – eine zweite Heizeinrichtung (9), die mit Strom (22) versorgt wird und das Ausgangsmaterial (7) auf eine Temperatur T₁, > T₂ erhitzt, – einen zweiten Wafer (23), der einen Kanal (24) umfasst, um in diesem Temperaturmessmittel (25) unterzubringen, – eine zweite inerte Platte (26), die für die thermische Isolierung einer zweiten Platte (27) des Restes des Gerätes dient.
Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelität des Ausgangsmaterials (7) und des Substrats n⁺ (oder p⁺) (2) über 0,1 mm durch den inerten Ring (10) mit der Dicke d im Bereich von ein paar Millimetern gewährleistet wird.
Gerät nach Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der inerte Ring (10) die gasförmige Permeabilität zwischen dem Raum, in dem die Reaktionen geschehen, und der Innenatmosphäre des Gerätes, gereinigtes H₂, das H₂O (6) enthält unter kontrolliertem Druck ermöglicht.
Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (14) mittels einer Pumpe (28) evakuiert wird, bevor das gereinigte H₂ eingeführt wird und nach der Ablagerung der Epitaxieschicht, um die Produkte, die aus der Reaktion (6) abgeleitet sind, zu filtern.