Brevet FR2145372A1 — publié le 19730223

La présente invention concerne un dispositif de détection semiconducteur pour rayonnements ionisants, notamment pour la spectrométrie de rayons y, comportant deux détecteurs semi-conducteurs de type NIP, dont l'un enveloppe l'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 rencontrés. Cette diminution de fréquence est d'autant plus importante que l'énergie et l'impulsion des photons sont grandes; c'est pourquoi l'effet Compton est particulièrement sensible dans le cas de rayons Xoude rayons y. L'effet Compton observé dans tous les détecteurs pour les rayons X ou y, ne fournit aucune information spectroscopique et peut meme 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 coîncidence de telle sorte que les impulsions provenant de chacun d'entre eux ne peuvent être 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 conduction 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 déjà 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 semi-conducteur généralement de type P, on creuse un trou central qui traverse ledit cylindre 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. Dans ce dispositif connu, le fait d'avoir un trou central le traversant de part en part diminue le volume utile de chacun de ses détecteurs, donc son efficacité. De plus, pour la même raison, le dispositif n'est pas parfaitement adapté à l'analyse de sources de rayonnements dans un mode de spectrométrie dit en coincidence. En effet, si l'on place une source dans le trou central, cette source n'étant que partiellement enveloppée par le dispositif de détection, les rayonnements ne seront pas tous captés et les résultats fournis par le dispositif ne seront donc que partiels. La présente invention remédie à ces inconvénients en permettant une augmentation sensible du volume utile des détecteurs, augmentation qui, en fait, n'est limitée que par l'état actuel des techniques de réalisation de lingots de matériaux semi-conducteurs. Elle s'appuie sur les progrès réalisés dans les techniques de diffusions et sur les possibilités de contrôle de leur profondeur. La présente invention concerne un dispositif de détection semiconducteur pour rayons ionisants, notamment pour la spectrométrie de rayons y, comportant deux détecteurs semi-conducteurs de type NIP dont l'un enveloppe l'autre, remarquable en ce que les deux détecteurs sont formés dans un seul bloc semi-conducteur et présentent une configuration dite de type puits. Avantageusement, le bloc semi-conducteur a une forme cylindrique et les deux détecteurs sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre. Il pourrait éventuellement être avantageux de donner au bloc semi-conducteur la forme d'un parallélépipède droit à base quelconque, mais de préférence, rcctangulaire, carrée ou hexagonale. Un tel dispositif présente ainsi les avantages liés d'une part à la structure NIP des détecteurs et, d'autre part, à leur disposition l'un à l'intérieur de l'autre En effet, la structure NIP permet d'obtenir des volumes utiles importants et le fait de pouvoir contrôler d'une manière précise les profondeurs de diffusion permet d'avoir deux détecteurs très voisins l'un de l'autre séparés par une très faible couche inactive et ainsi une absorption parasite des photons réduite. Avantageusement, le matériau semi-conducteur initial du bloc est de type de conduction P, les régions de type N et les régions intrinsèques étant obtenues à partir d'un dépôt de lithium effectué sur les surfaces externes du dispositif. La réalisation d'un tel dispositif est simple et aisée, notamment en ce qui concerne l'élaboration des couches intrinsèques par entraînement de lithium. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures la et lb représentent deux étapes de la fabrication d'un dispositif selon l'invention. Les dimensions sur les dessins sont considérablement exagérées et non proportionnées afin de rendre les figures plus claires. Si lton se reporte tout d'abord à la figure lb, on constate que le dispositif semi-conducteur selon l'invention est de structure NIPIN et comporte une couche commune lb de type de conduction P, une première couche 4 de type N+, une région 8 intermédiaire intrinsèque, une seconde couche 7 de type N+ et une autre région intermédiaire 9 également intrinsèque. Les couches lb, 8 et 4 forment un premier détecteur du dispositif selon l'invention, le second étant constitué par les couches lb, 9 et 7. Pour obtenir ce dispositif, on part d'un bloc semi-conducteur la provenant par exemple du lingot mono cristallin de germanium de type P, à partir de l'une des faces 2 duquel on creuse un évidement 3. Sur les parois latérales et le fond dudit évidement 3, on dépose des impuretés de lithium en forte concentration, donc de type N , que l'on fait diffuser pour obtenir la couche 4. Simultanément et par le même procédé, on réalise, à partir des parois latérales et du fond du bloc la, la couche 7 également de type N+. Ce stade des opérations est illustré par la figure la. On polarise ensuite en inverse le bloc la et les couches 4 et 7, préalablement obtenues. En choisissant d'une manière appropriée les conditions de polarisation et la durée de l'entraînement du lithium, on obtient la structure illustrée par la figure lb dans la de quelle un reliquat lb du bloc là constitue la couche commune/ type P et isole 11 une de l'autre deux couches intrinsèques 8 et 9 obtenues par l'entraînement du lithium dans le bloc la. Grâce au contrôle de la diffusion, il est aisé de laisser seulement une couche mince lb de type de conduction P et ainsi d'éviter la formation d'un écran au passage des photons. Ce dispositif présente donc l'avantage d'une part, d'être constitué de deux détecteurs de structure NIP et de volume utile important, d'autre part de pouvoir être réalisé facilement. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif de détection semi-conducteur pour rayonnements ionisants puur la spectrométrie de rayons y comportant deux détecteurs semi-conducteurs de type NIP dont l'un enveloppe l'autre, ca ractérisé en ce que les deux détecteurs sont formés dans un seul bloc semi-conducteur et présentent une configuration dite de type puits. 2.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc semi-conducteur et les couches formant la structure NIP ont une forme cylindrique. 3.- Dispositif de détection seîon/de'esnrSeemvbenl#ications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux détecteurs sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre. l'ensemble 4.- Dispositif de détection selon/des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bloc semi-conducteur est formé dans un monocristal de germanium. 5.- Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière semi-conductrice dudit bloc est de type de conduction initial P et en ce que la couche de type de conduction N et la couche intrinsèque sont formées à partir d'impuretés de lithium.