DE2924569C2

DE2924569C2 - Halbleiterdetektor aus hochreinem Grundmaterial, insbesondere Germanium

Info

Publication number: DE2924569C2
Application number: DE2924569A
Authority: DE
Inventors: Davor 5170 Jülich Protic; Georg Dr. 5353 Mechernich Riepe
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1983-12-08
Also published as: GB2057758A; FR2459554A1; DE2924569A1; FR2459554B1; GB2057758B; IL60322A; IL60322A0; JPS568886A; CA1144663A; US4415916A

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

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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 10^l3/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 10^H Ionen/cm² liegenden Dosis und hoher Energie, während bei der zweiten Phosphor-Implantation mit höchstens 20 keV und zumindest 10^H 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 10^M 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 - 10^M/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

Patentansprüche:

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 10^M Ionen/cm² und einer Energie im Bereich bis 20 keV vorgenommen ist