Brevet FR2041718A1 — publié le 19710205

La présente invention concerne un dispositif de détection semi-conducteur pour rayonnements ionisants, notamment pour la spectrométrie des rayons > , comportant deux détecteurs semi-conducteurs de type NIP dont l'un entoure 1' autre. On sait que lorsque des photons entrent en collision avec des électrons relativement libres, il se produit une diffusion, appelée effet Compton, entraînant une diminution de fréquence des photons diffusés. Cette diminution de fréquence est due au fait que, lors de la collision, les photons cèdent une partie de leur énergie et de leur impulsion aux électrons qu'ils ont rencontré. Cette diminution de fréquence est d'autant plus importante que l'énergie et l'impulsion des photons sont grandes ; c'est pourquoi il est particulièrement sensible dans le cas de rayons X ou de rayons L'effet Compton, observé dans tous les détecteurs pour rayons X ou , ne fournit aucune information spectroscopique et peut même masquer certains rayons de faible énergie. En conséquence, il y a lieu de l'éliminer ou, tout au moins, de le rendre le plus faible possible devant le pic d'énergie totale du spectre correspondant aux rayons que l'on veut détecter. Pour ce faire, on met en oeuvre habituellement une méthode selon laquelle deux détecteurs sont disposés le plus près possible l'un de l'autre et dans le circuit d'entrée d'un spectromètre à coincidence de telle sorte que les impulsions provenant de chacun d'entre eux ne peuvent etre additionnées et analysées que dans la mesure où elles sont en concordance. Les détecteurs semi-conducteurs utilisés à cette fin ont généralement une structure NIP, c'est-à-dire qu'ils comportent une région de type de conductivité N, une région intrinsèque I, formée par compensation au lithium-lorsque le matériau de base est de type P, et enfin une région de type P. Pour être efficaces, ces détecteurs doivent avoir une région intrinsèque importante car c'est elle qui constitue le volume utile du détecteur et une région P de faible épaisseur pour éviter une absorption trop importante de photons dans cette région. On connaît déåà un grand nombre de dispositifs de spectrométrie constitués de deux détecteurs de type NIP associés. On connaît, en particulier, des dispositifs de forme cylindrique, notamment celui de Palms, qui comporte dans un seul bloc semi-conducteur monolithique deux détecteurs dont l'un est situé à l'intérieur de l'autre et que l'on réalise de la manière suivante : dans un cylindre d'un matériau semiconducteur habituellement de type P, on creuse un trou central qui le traverse de part en part. On élabore ensuite les deux détecteurs par dépôts et diffusions de lithium à partir de la surface extérieure du bloc semi-conducteur et de la paroi du trou central. Un tel dispositif est, par exemple, disposé sensiblement transversalement aux rayons à détecter. Dans ce dispositif connu, il reste, entre les deux détecteurs, une région intermédiaire non compensée par le lithium,donc de type P. L'épaisseur de cette région variant entre 2 et 3 mm forme un volume inutile important qui provoque l'absorption d'un grand nombre de photons réduisant ainsi la sensibilité du dispositif et annihilant les avantages dus au choix de cette structure. En outre, étant donné que la prise de contact dans la région P est généralement très localisée, la régsa-j-ition du potentiel, lors de la formation de la région in rnnsèqüe, risque de ne pas être parfaite et de renare ainsi cette dernière peu homogène. La présente invention remédie à ces inconvénients en permettant la réduction de l'épaisseur des régions inactives sans pour cela réduire le volume utile. Au contraire, celui-ci peut même être augmenté si nécessaire et dans des proportions qui ne se trouvent limitées que par l'état actuel des techniques de réalisation de lingots de matériaux semi-conducteurs. Elle s'appuie sur les possibilité offertes par les techniques nouvelles de réalisation et de rectification de cylindres en matériau semi-conducteur et d'évidements, notamment circulaires, de dimensions parfaitement définies dans des tolérances réduites. Selon l'invention, le dispositif de détection semiconducteur pour rayonnements ionisants, notamment pour la spectrométrie de rayons Wr, comportant deux détecteurs semiconducteurs de type NIP dont l'un entoure l'autre, est caractérisé en ce que chacun de ces détecteurs est formé dans un bloc semi-conducteur comportant trois couches sensiblement annulaires et concentriques, respectivement de types N, I et P, l'un desdits blocs étant logé dans un trou de l'autre bloc, trou dont l'axe est au moins approximativement parallèle aux axes des couches des deux blocs, tandis que les couches en regard des deux blocs sont du même type de conductivité. Avantageusement, les deux blocs ont une forme cylindrique et sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre, leurs couches étant également coaxiales. Il pourrait éventuellement être avantageux de leur donner la forme d'un parallélé pinède droit notamment à base rectangulaire, carrée ou hexagonale. Un tel dispositif présente ainsi les avantages liés, d'une part, à la structure NIP des détecteurs, à leur forme cylindrique (c'est-à-dire, en particulier, un grand volume utile pour chacun des détecteurs) et, d'autre part, à leur disposition l'un à l'intérieur de l'autre. En outre, il est beaucoup plus facile de réaliser deux détecteurs indépendamment l'un de l'autre, puis de les associer, que de les réaliser simultanément dans un meme bloc et il est beaucoup plus aisé d'en vérifier la qualité. Avantageusement, le matériau semi-conducteur initial des deux blocs est de type de conductivité P, la région de type N et la région intrinsèque étant obtenues à partir d'un dépôt de lithium et la région de type P destinée à la prise de contact est formée à partir d'une mince pellicule métallique, notamment d'un alliage de gallium et d'indium utilisé dans sa composition eutectique. Ainsi, dans un tel dispositif, le reliquat des matériaux de type P présent dans le dispositif de Palms est remplacé par deux couches minces obtenues, par exemple, par diffusion superficielle de l'eutectique GaIn, d'une épaisseur totale inférieure à la dizaine de microns. De ce fait, l'absorption parasite des photons est réduite et la sensibilité et l'efficacité du détecteur sont augmentées. Cependant, chacune des couches métalliques reste suffisamment épaisse pour assurer un contact solide et uniforme, ce- qui est particulièrement intéressant pour obtenir une bonne répartition du potentiel lors de l'entrainement du lithium. Enfin, la réalisation d'un tel dispositif est simplifiée en raison de la possibilité de réaliser l'entrainement du lithium sans difficulté, ledit entrainement du lithium pouvant s'effectuer jusque dans la région de type P trop fortement dopée, cependant, pour être.compensée, La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 et 2 sont des vues en perspective avec arrachement partiel de chacun des deux détecteurs du dispositif selon 1' invention. La figure 3 représente, également en perspective et avec arrachement partiel, un dispositif de détection conforme à l'invention. Dans l'exemple décrit ci-après, les détecteurs ont une forme cylindrique. Ils sont élaborés à partir de lingots de germanium de type P avec dépôt de lithium et de GaIn dans sa composition eutectique. Il va de soi qu'il est possible de les réaliser selon le même procédé suivant une autre forme et avec des matériaux différents et bien appropriés. Les dimensions sur les dessins sont considérablement exagérées et non proportionnées, en particulier dans le sens de l'épaisseur,afin de rendre les figures plus claires. Le détecteur D1 montré par la figure 1 est obtenu à partir d'un lingot monocristallin de germanium de type P. Par meulage et rectification, on obtient un bloc cylindrique dans lequel on creuse un évidement 1, également cylindrique et de même axe que ledit bloc. Sur la face 2 de cet évidement, on dépose une mince couche 3 de l'alliage eutectique de gallium et d'indium. Ce dépôt, de quelques microns d'épaisseur est obtenu par frottement, à l'aide d'un coton par exemple, de la face 2 avec ledit alliage qui se trouve liquide à la température ambiante. Il permet de former une couche de type P. On badigeonne ensuite la face extérieure 4 du bloc avec du lithium en suspension dans de l'huile, ce qui permet d'obtenir une fine pellicule 5 de type N. Après diffusion du lithium dans le matériau de base de type P, il suffit de polariser les couches 3 et 5 en inverse pour obtenir l'entraînement d'ions lithium à travers la région 6 primitivement de type P et la transformation de celle-ci en région intrinsèque ou compensée. L'obtention du détecteur cylindrique D2 de petit diamètre, illustré par la figure 2, s'effectue suivant les mêmes techniques, mais, dans ce cas, une couche 7 d'alliage GaIn recouvre la surface extérieure du bloc tandis qu'une pellicule 8 de lithium est déposée sur la surface d'un évidement 10, de forme cylindrique et de meme axe que le bloc D2 . La région intrinsèque 9 est également obtenue par polarisation inverse des couches 7 et 8. Le diamètre extérieur du détecteur D2 est légèrement inférieur au diamètre de l'évidement 1 du détecteur D1, de façon à permettre une introduction aisée de l'un dans l'autre. La figure 3 montre schématiquement le dispositif de détection conforme à l'invention. Le détecteur D2 est introduit dans l'évidement 1 du détecteur D1, le centrage de l'un dans l'autre étant obtenu par la fixation des contacts solidaires du boîtier enveloppant le dispositif mais non représentés sur les figures : l'un est inséré dans'évidement 10 pratiqué dans le détecteur D2 et l'autre, serré sur la couche 5 du détecteur D1, l'enveloppe partiellement, voire même complètement.Le diamètre extérieur du détecteur D2 étant inférieur au diamètre inté--.eur de D1, il existe entre les deux détecteurs un intervalle 11 qui, étant vide de toute matière, n'absorbe pas les photons et dans lequel on glisse un dispositif d'entretoises de dimensions réduites qui, d'une part, établit une liaison électrique entre la couche 3 et la couche 7 et qui, d'autre part, garantit le centrage d'un détecteur par rapport à l'autre. Dans une forme actuelle du dispositif conforme à l'invention, le diamètre extérieur du détecteur D1 est de 40 mm, le diamètre extérieur de D2 est de 15 mm, le diamètre de l'évidement 10 est de 4 mmLet l'épaisseur de l'interstice 11 de 1 mm, la longueur totale du dispositif étant de 50 mm. Il va de soi que l'un des avantages de l'invention est de pouvoir réaliser un dispositif de spectrométrie dans toutes les dimensions que l'on désire sans aucune limitation et d'augmenter ainsi considérablement le champ. d'exploitation des dispositifs de spectrométrie de type NIP. On remarquera également que l'efficacité d'un tel dis- positif est considérablement améliorée étant donné l'augmentation appréciable de volume utile et la diminution de la région inactive de type P (en effet la somme des épaisseurs des couches 3 et 7 atteint à peine 10 p et l'intervalle 11 n'intervient pas dans le parcours des photons.). REVENDICATIONS 1.- Dispositif de détection semi-conducteur pour rayonnements ionisants, not & ent pour la spectrométrie de rayons r comportant deux détecteurs semi-conducteurs de type N I P dont l'un entoure l'autre, caractérisé en ce que chacun de ces détecteurs est formé dans un bloc semi-conducteur comportant trois couches sensiblement annulaires et concentriques, respectivement de types N, I et P, l'un desdits blocs étant logé dans un trou de l'autre bloc, trou dont l'axe est au moins approximativement parallèle aux axes des couches des deux blocs, tandis que les couches en regard des deux blocs sont du même type de conductivité. 2.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits blocs et les couches concentriques sont cylindriques. 3,- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux détecteurs sont disposés coaxialement, leurs couches étant également coaxiales. 4.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des blocs est formé dans un monocristal de germanium. 5.- Dispositif de détection selon la rever-rcation 1, caractérisé en ce que la matière semi-conductrlc desdits blocs est de type de conductivité initial P et en ce que la couche de conductivité intrinsèque I est compensée au lithium. 6.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de type P des détecteurs sont formées par dopage par une pellicule métallique, par exemple en eutectique gallium-indium. 7.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches des deux blocs en regard sont de type P. 8.- Dispositif de détection selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la somme des épaisseurs des couches P en regard des blocs est inférieure à 10 p. 9.- Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à partir de deux monocristaux semi-conducteurs, on usine deux blocs dont l'un est percé d'un trou pour le logement de l'autre, après quoi l'on forme dans chacun desdits blocs trois couches sensiblement annulaires et concentriques, respectivement de types N, I et P, puis l'on introduit l'un des blocs dans le trou de l'autre et on fixe ces blocs l'un par rapport à l'autre. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, lors de leur usinage, les deux blocs, en matière semi-conductrice de type P, sont chacun percés d'un trou, puis la surface extérieure du petit bloc et la paroi du trou du grand sont revêtues d'une couche de l'eutectique gallium-indium, tandis que la surface extérieure du grand bloc et la paroi du trou du petit sont recouvertes-d'une suspension de lithium, après quoi l'on fait diffuser les ions lithium par polarisation électrique et l'on assemble lesdits blocs.