Brevet FR2144537A1 — publié le 19730216

La présente invention concerne un dispositif de détection destiné à la mesure et à l'analyse de rayonnements ionisants et de particules d'énergie élevée constitué d'un corps monocristal lin semiconducteur à partir d'une face duquel s'ouvre un évide ment dont la paroi et le fond sont recouverts d'au moins une pre mière région d'un premier type de conduction, ladite première région étant séparée d'au moins une seconde région d'un second type de conduction opposé au premier par une région intermédiaire intrinsèque, des contacts étant réalisés sur lesdites régions de types de conduction opposés. On qualifiera ci-après d'intrinsèque tout semiconducteur dans lequel les densités d'électrons et de trous sont à peu près égales dans des conditions d'équilibre thermique, qu'il s'agisse d'un semiconducteur presque pur ou qu'il s'agisse d'un semiconducteur comportant simultanément des impuretés donnant les deux types de conduction dans une proportion telle que celles-ci se compensent. efl sssit que, pour obtenir le maximum d'efficacité d'un détec teur, il faut que la zone de haute résistivitd dans laquelle sont engendrées lesFpaires électron-trou par les rayonnements ou par ticules soit la plus grande possible. C'est pourquoi on utilise généralement des détecteurs de structure N.I.P. Ces détecteurs peuvent #tre planaires où cylindriques à couches coaxiales ou eneQre cylindriques dits "en puits" en raison de la présence d'une cavité généralement cylindrique et coaxiale. Généralement, les détecteurs puits servent à mesurer des 'rayonnements ou radiations émis par une source déposée au fond dudit puits mais on saint que, maintenant, on utilise ces détecteurs dans les mêmes applications que les détecteurs classiques à con dition de leur faire subir quelques adaptations. Cependant les détecteurs présentent un inconvénient, à savoir que la prise de contact sur la pellicule métallique ou semicon ductrice recouvrant les parois de la cavité est très difficile en raison de la minceur de ladite pellicule. De plus, la section de ladite pellicule, là où celle-ci af fleure la surface externe du détecteur, se prête mal au décapage et, en conséquence, se trouve mal définie, provoquant ainsi la création de courants de fuite de surface importants. L'un des buts de la présente invention est l'obtention d'un détecteur de rayonnements ionisants et de particules dont le volume utile et la surface de la fente d'entrée soient les plus grands possible et dont les prises de contact puissent être faci- lement réalisées. En effet, la présente invention concerne un dispositif de détection semiconducteur destiné à la mesure et à l'analyse de rayon nements ionisants et de particules d'énergie élevée constitué dtun corps monocristallin semiconducteur à partir d'une face duquel s'ouvre un évidement dont la paroi et le fond sont recouverts dtau moins une première région d'un premier type de conduction, ladite première région étant séparée d'au moins une seconde région d'un second type de conduction opposé au premier par une région inter- médiaire intrinsèque, des contacts étant réalisés sur lesdites régions de types de conduction opposés, remarquable en ce que la première région comprend, autour dudit évidement et tapissant au moins une partie de celui-ci, une zone de m#me premier type de conduction supportant le contact et ayant la forme d'une couche épaisse. Dans ces conditions, les plages de prises de contact sur la paroi ou le pourtour de l'évidement peuvent titre beaucoup plus grandes et plus épaisses que dans le cas habituel. De ce fait, les contacts sont meilleurs et plus faciles à réaliser. De plus, la périphérie de l'évidement étant bien définie et ne nécessitant pas de décapage, on réduit considérablement les possibilités de création de courants de fuite en cet endroit. Avantageusement, la couche épaisse support de contact selon l'invention, s'étend le long de la face dans laquelle s'ouvre ledit évidement au moins sur une partie de ladite face. Cette disposition permet une meilleure accessibilité de la couche épaisse et permet aussi d'utiliser un procédé de réalisation simple. Dans une forme de réalisation préférentielle, ltévidement des dispositifs selon la présente invention est constitué d'au moins deux parties sensiblement coaxiales et de dimensions différentes disposées dans le prolongement l'une de l'autre dans la direction de l'axe du puits, la partie la moins profonde étant recouverte de la couche épaisse et ayant une section de dimensions moins importantes que celles de la partie la plus profonde, l'épaulement formé par la différence de dimensions desdites deux parties constituant la limite de ladite couche épaisse. Dans un tel dispositif, le courant électrique sur la couche du premier type de conduction effectué sur la couche épaisse est de bonne qualité ; il ne masque pas la face externe du détecteur ou la région active de l'évidement. Celle-ci est en fait, le plus souvent, la partie la plus profonde dudit évidement. Dans une forme de réalisation particulière qui constitue une variante de la présente invention, un dispositif ayant la forme préférentielle énoncée ci-dessus, comporte d'une part une gorge annulaire s'ouvrantsur la partie latérale dudit détecteur en séparant, en deux zones du second type de conduction, la région dudit second type de conduction et, en deux zones intrinsèques, la région intermédiaire et pénètrant jusque dans la couche épaisse du premier type de conduction, et comporte d'autre part, un contact sur la dite couche épaisse et un contact sur chacune des zones dudit second type de conduction séparées par ladite gorge. Cette forme de réalisation offre de multiples possibilités elle permet, en effet, non seulement d'obtenir un détecteur de type classique ou un détecteur puits, mais également un ensemble de deux détecteurs distincts et très rapprochés l'un de l'autre qui peuvent être utilisés par exemple en spectrométrie et notamment dans le cas de montages dits anti-Compton. En effet, les détecteurs selon l'invention présentent l'avantage d'avoir une structure et une homogénéité identiques et d'être très voisins l'un de l'autre, conditions nécessaires au bon fonc- tionnement d'un dispositif de détection anti-Compton. Dans ces conditions, la présente invention concerne, en outre, une application particulière du détecteur selon l'invention, dans un dispositif de détection anti-Compton dans lequel la couche épaisse du premier type de conduction est reliée électriquement à travers un amplificateur, à un appareillage de mesure des rayonnements et dont chacune des deux zones du second type de conduction est reliée, à travers un amplificateur, à un appareillage dit de coIncidence somme, ledit appareillage et celui de mesure de mesure de l'énergie étant reliés à un dispositif d'analyse par l'intermédiaire d'un système électronique fonctionnant en tout ou rien. La présente invention concerne également le procédé d'obtention des dispositifs selon l'invention. Selon ce procédé, dans un corps semiconducteur monocristallin d'un premier type de conduction et de forme sensiblement cylindrique et à partir d'une première base dudit corps cylindrique, on creuse un puits sensiblement cylindrique et coaxial audit corps puis on dépose sur la seconde base et sur toute la face latérale dudit corps cylindrique une couche d'ions lithium que l'on fait diffuser jusqu a ce que les ions lithium soient à une distance de la paroi cylindrique dudit puits égale à l'épaisseur de la couche épaisse désirée du premier type de conduction, enfin, à la surface de ladite couche épaisse, on dispose, au moins sur une partie de ladite couche, une pellicule métallique présentant une bonne conductibilité électrique à partir de laquelle on crée la connexion de sortie. Pour obtenir un dispositif selon la forme préférentielle de réalisation, on creuse, d'abord, à partir d'une première base dudit corps cylindrique, un puits sensiblement cylindrique et coaxial audit corps cylindrique d'une profondeur égale à la hauteur de la partie la moins profonde supportant la couche épaisse, puis on dépose sur la seconde base et sur toute la face latérale dudit corps une couche d'ions lithium que l'on fait diffuser Jusqutà ce que les ions lithium soient à une distance de la paroi cylindrique dudit puits égale à l'épaisseur de la couche épaisse support de contact selon l'invention, puis, à partir de la partie supérieure dudit puits, on crée la partie profonde de l'évidement, en éliminant autour de la partie inférieure dudit puits des lits de substance semiconductrice enveloppant ladite partie inférieure et ayant au moins l'épaisseur de la couche épaisse selon l1inven- tion, puis, on dépose sur les parois de ladite partie profonde dudit évidement un mince couche d'un corps donnant le premier type de conduction et, à la surface de la couche épaisse, une couche métallique présentant une bonne conductibilité électrique à partir de laquelle on crée la connexion de sortie. Ce procédé permet non seulement d'améliorer la qualité des contacts mais également d'augmenter l'efficacité du détecteur lorsque celui-ci est utilisé notamment en détecteur puits, c'est à-dire lorsque la source à analyser est disposée au fond dudit puits. Pour obtenir la forme particulière de réalisation mentionnée ci-dessus, après diffusion des ions lithium et à partir de la paroi latérale du cylindre, on creuse une gorge annulaire pénétrant Jusque dans la couche épaisse du premier type de conduction entourant la partie supérieure de l'évidement. L'ouverture d'une telle gorge est facilement réalisable par les techniques modernes de rodage. Elle permet de diviser le corps cylindrique en au moins deux détecteurs voisins l'un de l'autre mais correctement isolés, et aussi de les intégrer dans des enseMbles de mesures spéciaux, notamment dans les spectromètres anti-Compton. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés b titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'lnvention peut entre réalisée. Les figures 1 et 2 représentent sch4matiquement > en coupe, deux étapes de réalisation d'un détecteur selon l'invention. La figure 3 représente également schématiquement et en coupe une variante du détecteur selon l'invention ayant la forme de réalisation particulière. Il est à noter que, sur les dessins, les dimensions ne sont pas proportionnées ceci afin de rendre les figures plus claires. Le détecteur illustré par les figure 1 et 2 est constitué d'un corps semiconducteur cylindrique 1 comportant un premier évidement 2 de m#me axe que le cylindre. La paroi externe du corps 1 est recouverte d'une couche 4 de type N s'il s'agit d'un détecteur de type N.I.P., cas le plus fréquent, ladite couche étant utilisée pour l'obtention de la région intrinsèque 5, elle-même limitée par la couche épaisse 6 de type P. Le détecteur comporte également un second évidement eylindrtue 7 de même axe que le premier et situé dans son prolongement, mais de dimensions très différentes notamment en ce qui concerne la section. Les parois de cet évidement sont recouvertes d'une couche 8 de même type que la couche épaisse 6 donc de type P. Les couches 6 et 4 sont reliées à l'extérieur par les connexions métalliques de sortie portant respectivement les références 9 et 10. A titre d'exemple non limitatif, on décrit ci-dessous llob- tention d'un détecteur au germanium, de type dit N.I.P. Pour obtenir ce dispositif, on part d'un lingot monocristallin, de germanium de type P, auquel on donne une forme cylindrique. A partir de l'une des faces planes du corps cylindrique 1 ainsi formé, on creuse un évidement 2. Sur les parois externes 3 du corps cylindrique 1, on dépose une couche 4 de lithium. Ce dépôt peut être obtenu par les méthodes classiques de métallisation ou par badigeonnage du lithium en suspension dans l'huile. L'opération suivante consiste à entratner le lithium dans le matériau d'origine.Cette opération est effectuée par polarisation inverse de la couche 4 et dudit matériau d'origine de type P, après l'opération de diffusion. Selon la présente invention, cette opération est limitée et contrôlée de manière telle que l'on obtienne une couche intrinsèque 5 et, le long des parois de l'évidement 2, une couche épaisse 6 de type P. Pour limiter la surface de cette couche 6, à partir de la partie inférieure de l'évidement 2, on creuse un nouvel évidement 7 dont la section est celle de l'évidement 2 augmentée d'une quantité au moins égale à l'épaisseur de la couche 6. On badigeonne ensuite les parois de ce nouvel évidement 7 d'une mince pellicule 8 de type P, constituée, par exemple, de l'alliage eutectique de gallium et d'indium. Les contacts 9 et 10 sont alors disposés par des moyens class#iques respectivement sur la couche la plus épaisse de type P et sur la couche 4 de type N Généralement, l'épaisseur de la couche 6 est comprise dans une gamme de 100 microns à 1 mm et se situe de préférence aux environs de 500 microns. La figure 3 illustre la variante de réalisation selon laquelle après avoir creusé un évidement 7, on creuse également, à partir de la paroi latérale du corps cylindrique, une gorge transversale et annulaire 11. Cette gorge 11 a pour but de diviser le bloc cylindriqueendeux détecteurs reliés par une région commune de type P sur laquelle est effectuée la prise de contact 9, les prises de contact 10 et 12 étant réalisées sur les deux portions distinctes de la couche 4 de type N+. Ainsi, les deux détecteurs peuvent être utilisés dans des ensembles de spectrométrie anti-Compton. Il va de soi que, dans les exemples précédemment décrits, la structure pourrait titre inversée, la couche 4 étant de type P et les couches 6 et 8 de type N. Dans ce cas il y aurait lieu de prévoir le déport et la diffusion du lithium à partir des parois des évidements 2 et 7. - REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection semiconducteur destiné à la mesure et à l'analyse de rayons ionisants et de particules d'énergie élevée constitué d'un corps monocristallin semiconducteur à partir d'une face duquel s'ouvre un évidement dont la paroi et le fond sont recouverts d'au moins une première région d'un premier type de conduction, ladite première région étant séparée d'au moins une seconde région d'un second type de conduction opposé au premier par une région intermédiaire intrinséque, des contacts étant réalisés sur lesdites régions de types de conduction opposés, caractérisé en ce que la première région comprend, autour dudit évidement et tapissant au moins une partie de celui-ci, une zone du même premier type de conduction supportant le contact et ayant la forme d'une couche épaisse. 2.- Dispositif de détection semiconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement du dispositif selon l'invention est constitué d'au moins deux parties sensiblement coaxiales et de dimensions différentes disposées dans le prolongement l'une de l'autre dans la direction de l'axe du puits, la partie la moins profonde étant recouverte de la couche épaisse et ayant une section de dimensions moins importantes que celles de la partie la plus profonde, l'épaulement formé par la différence des dimensions desdites deux parties constituant la limite de ladite couche épaisse. 3.- Dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une gorge annulaire s'ouvrant sur la paroi latérale du détecteur, en séparant en deux zones du second type de conduction,la région dudit second type de conduction et, en deux zones intrinsèques, la région intermédiaire et pénétrant jusque dans la couche épaisse du premier type de conduction et en ce qu'il comporte également un contact sur ladite couche épaisse et un contact sur chacune des zones dudit second type de conduction séparées par ladite gorge. 4.- Procédé de réalisation d'un dispositif de détection selon la revendication 1 selon laquelle dans un corps semiconducteur monocristallin d'un premier type de conduction et de forme sensiblement cylindrique, on creuse, à partir d'une première face plane base du cylindre, un évidement sensiblement cylindrique et coaxial audit corps dudit cylindre, puis on dépose, surla paroi dudit évidement, une couche du même premier type de conduction, et sur la seconde face plane et sur la face latérale dudit corps cylindrique, une couche d'ions lithium que l'on fait diffuser, caractérisé en ce qu'on limite la profondeur de diffusion au lithium sur ladite face latérale dudit détecteur à une distance de la paroi cylindrique dudit puits égale à l'épaisseur de la couche épaisse selon l'invention et, en ce que, à la surface de ladite couche épaisse, on dispose, au moins sur une partie de ladite couche, une pellicule métallique présentant une bonne conductibilité électrique à partir de laquelle on crée la connexion de sor tire. 5.- Procédé selon la revendication 4, de réalisation d'un dispositif de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on donne d'abord au puits une prdbndeur égale à la hauteur de la partie la moins probnde de l'évidement puis on effectue le dépit de lithium et la diffusion de celui-ci, en ce que, à partir de la partie intérieure dudit puits, on crée la partie profonde de l'évidement, en éliminant autour de la partie inférieure dudit puits des lits de substance semiconductrice enveloppant ladite partie inférieure et ayant au moins ltépaisseurde la couche épaisse résiduelle non diffusée, en ce que l'on dépose, sur les parois de ladite partie profonde dudit évidément,une mince couche d'un corps donnant le premier type de conduction et enfin en ce que l'on dispose, à la surface de la couche épaisse, une couche métallique présentant une bonne conductibilité électrique à partir de laquelle on crée la connexion de sortie. 6.- Procédé selon la revendication 5 de réalisation d'un dispositif de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que, après la création de la partie profonde de l'évidement, on creuse à partir de la paroi latérale du corps cylindrique, une gorge annulaire et transversale d'une profondeur supérieure à la somme de l'épaisseur de la seconde région du second type de conduction et de l'épaisseur de la région intermédiaire intrinsèque. 7.-Dispositif de détection anti-Compton, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur selon la revendication 3 dont la couche épaisse du premier type de conduction est reliée électriquement, à travers un amplificateur, à un appareillage de mesure d'énergie des rayonnements et dont chacune des deux zones du second type de conduction est reliée, à travers un amplificateur à un appareillage dit de coTncidence somme, ledit appareillage et celui de mesure d'énergie étant reliés à un dispositif d'analyse par l'intermédiaire d'un système électronique fonctionnant en tout ou rien.