Brevet FR2222660A1 — publié le 19741018

La présente invention concerne un dispositif détecteur dtir- radiation constitué par un corps semiconducteur comportant deux régions de type de conductivité opposé au sien, situées de part et d'autre d'une zone dudit corps sous jacente à une couche superfieielle isolante recouverte d'une mince couche métallique, ledit dispositif comportant des moyens pour appliquer une tension entre lesdites régions et une tension entre ladite couche métallique et une région, et des moyens pour mesurer le courant passant entre lesdites régions. La plupart des dispositifs de mesure d'irradiation connus sont utilisables dans la gamme de rayonnement d'énergie comprise entre 30-KeV environetplusieurs MeV et pour des débits de dose 4 allant jusqu'à 104 rads par heure, et beaucoup nécessitent une me- sure immédiate ou un enregistrement simultané. L'utilisation de ces dispositifs pour des rayonnements de faible énergie est limitée par la nature et l'épaisseur des fenêtres d'entrée. Le niveau de bruit important dans ces dispositifs oblige à les utiliser à température trés basse, dans un cryostat sous vide et les fenêtres d'entrée doivent etre épaisses : leur absorption des rayonnements d'énergies au dessous de 30 Kev est prohibitive. En outre certains de ces dispositifs nécessitent des polarisations sous tension élevée, incompatibles avec les mesures biologiques in vivo. On a cherehé à utiliser, pour les rayonnements d'énergie inférieure à 30 KeV, les dispositifs ayant une structure de transistor à effet de champ à électrode de porte isolée, dit MOSFET dans la littérature anglo-saxonne. La surface de l'électrode de porte d'un tel dispositif est soumise à l'irradiation à mesurer, le rayonnement ionisant crée des paires électrons trous à son passage dans le diélectrique situé sous cette électrode. Des porteurs de même polarité sont piégés et stockés prés de l'interface diélectrique-semiconducteur et provoquent dans ce dernier la modification de la conductivité d'une zone superficielle constituant un canal où circule le courant allant de l t électrode dite source a l'électrode dite drain. Mais les dosimètres de ce type utilisés jusqu'ici présentent la structure plane classique des transistors à effet de champ à porte isolée et de fait ne sont pas particulièrement adaptés à certaines catégories de mesures comme les mesures biologiques in vivo, les mesures d'irradiation dans un fluide en mouvement. Les dispositifs à effet de champ MOSFET connus ont un encombrement important, relativement à la surface utile exposée au rayonnement. Un des buts de la présente invention est de fournir un moyen de mesurer des doses de rayonnements ou X de l'ordre de 102 à 10 5 rads dans le domaine des énergies inférieures à 50 KeV. Un autre but de l'invention est de fournir un moyenode mesurer des doses d'irradiation à l'intérieur d'organes vivants. Un autre but de l'invention est de fournir un moyen de mesurer des doses d'irradiation reçues dans un courant de fluide, liquide ou gazeux. Un des buts de l'invention est de fournir un dispositif métalisolant-semiconducteur, à effet de champ et à porte isolée, susceptible de recevoir et d'absorber dans de bonnes conditions d'efficacité, les rayonnements du milieu dans lequel il est introduit. Selon l'invention, le dispositif détecteur d'irradiation constitué par un corps semiconducteur comportant deux régions de type de conductivité opposé au sien, situé de part et d'autre d'une zone dudit corps sous jacente à une couche superficielle isolante recouverte d'une couche mince métallique, ledit dispositif comportant des moyens pour appliquer une tension entre lesdites régions et une tension entre ladite couche métallique et une région, et des moyens pour mesurer le courant passant entre lesdites régions, est remarquable principalement en ce que ledit corps a une structure de révolution, la surface recouverte de couche isolante et d'une couche métallique étant cylindrique, et lesdites régions étant en forme d'anneaux de même axe que ledit corps, situés aux deux extrémités du cylindre. La forme cylindrique du corps du dispositif permet de donner à celui-ci un petit diamètre sans trop diminuer la surface exposée aux radiations qui est sensiblement égale à la surface totale extérieure du canal entre source et drain; ce canal a, dans le cas de l'invention, une forme tubulaire. Dans une première forme de réalisation, le corps du dispositif est un cylindre plein, dont la longueur est sensiblement plus grande que le diamètre. Par exemple le diamètre extérieur est de 1 à 2 mm et la longueur de 5 mm ou davantage. Dans une autre forme de réalisation, le corps du dispositif a une structure tubulaire. Le dispositif à structure tubulaire peut présenter une couche isolante et une couche métallique, soit sur sa surface cylindrique externe, soit sur sa surface cylindrique interne. Dans le premier cas, le dispositif se présente comme le précédent, et les deux régions de type de conductivité opposé à celui du corps affleurent à la surface cylindrique externe, sous la couche isolante. Le trou central peut servir au passage de conducteurs de connexion par exemple. Dans le second cas, les deux régions de type de conductivité opposé à celui du corps affleurent à la surface cylindrique interne sous la couche isolante.Le dispositif est ainsi plus particulièrement destiné à mesurer des irradiations de corps longilignes ou filiformes qui peuvent y etre introduits, ou celles-de fluides, par lesquels il peut être traversé. Les matériaux semiconducteurs utilisés pour la réalisation de ces dispositifs sont choisis en fonction de leur faculté à recevoir une couche isolante d'épaisseur adaptée à l'énergie du rayonnement à mesurer et de qualité présentant une bonne efficacité de piégeage des porteurs de charge. Le silicium convient particulièrement, et il se prete à la formation de régions de type de conductivité opposé et notamment de régions de type N dans un matériau de type P, il peut être recouvert d'oxyde de silicium SiO2, par divers procédés de technique éprouvée. La couche d'oxyde de silicium est de préférence réalisée par oxydation thermique du silicium. La couche métallique doit permettre d'obtenir un bon contact avec le conducteur de polarisation et doit laisser passer le maximum de rayonnement. Avantageusement, on utilise l'aluminium déposé par évaporation sous vide, ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 100 Angsvroms.Les régions annulaires de type N sont réalisées par diffusion de phosphore dans un silicium primitivement dopé au bore. Pour effectuer une mesure de dose, le dispositif est placé de façon à exposer la couche métallique aux radiations, pendant un temps déterminé t, une tension étant appliquée à la couche métallique. On mesure ensuite le courant. entre les deux régions faisant office de source et de drain, pour différentes valeurs de la tension entre ces deux régions et différentes valeurs de la polarisation de la couche métallique, et on compare les valeurs 'inten- sité de ce courant aux valeurs mesurées dans les mêmes conditions avant l'irradiation. Le dispositif est avantageusement étalonné au moyen d'un appareil étalon de sensibilité voisine. Le dispositif selon l'invention est applicable à la mesure de dose d'irradiation en particulier dans la gamme de 102 à 105 rads, pour des rayonnements d'énergie allant de 1 KeV à 30 KeV. Le dispositif est également applicable à la mesure de débits de dose. Une des applications particulières du dispositif est la mesure de l'irradiation d'un fluide aprés passage de ce fluide au voisinage d'une source radioactive : des mesures de dose de durée constante sont faites périodiquement. L'invention sera mieux comprise grace à la description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple. La figure 1 est une coupe schématique d'un dispositif cylindrique. La figure 2 est une coupe schématique d'un dispositif tubulaire. Les figures 3 et 4 sont des coupes partielles montrant le détail de prises de contact. Le dispositif montré sur la figure 1 est formé d'un cylindre 1 de silicium de type de conductivité P, d'axe de révolution AA. A ses deux extrémités, le cylindre 1 comporte des régions annulaires 2 et 3 de type de conductivité N, obtenues par exemple par diffusion. La surface du cylindre 1 est recouverte d'une couche isolante 4 d'oxyde de silicium SiO2, exeepté sur deux plages annulaires de la surface des régions 2 et 3 qui sont recouvertes de dépôts métalliques 5 et 6 sur lesquels peut être pris un contact non redresseur. La couche isolante 4 est recouverte d'une couche métallique 7 sur toute sa surface cylindrique située en regard du silicium de type P. L'anneau 2 étant considéré comme l'électrode source, l'anneau 3 comme l'électrode drain et la couche 7 comme électrode porte, une tension de polarisation est appliquée entre source S- et porte P et le courant passant entre source S et drain D peut être mesuré en fonction de la tension appliquée entre source S et drain D, avant, pendant et aprés irradiation de la surface cylindrique du dispositif. Le dispositif représenté en coupe sur la figure 2 comporte les mêmes éléments que le précédent. Il est constitué d'un tube cylindrique 11, en silicium de type de conductivité P, d'axe de révolution BB. A ses deux extrémités le tube 11 comporte des régions an nulaires 12 et 13 de type de conductivité N, obtenues par exemple par diffusion. La surface intérieure, et aussi le plus souvent la surface extérieure et celle des extrémités dans un but de passivation, est recouverte d'une couche isolante 14 d'oxyde de silicium SiO2, excepté sur deux plages annulaires de la surface des régions 12 et 13 qui sont recpuvertes de dépôts métalliques 15 et 16 sur lesquels peut être pris un contact non redresseur. La couche isolante 14 est recouverte d'une couche métallique 17 sur toute sa surface cylindrique située, à l'intérieur du tube 11, en regard du silicium de type P.L'anneau 12 étant considéré comme l'électrode source, l'anneau 13 comme électrode drain et la couche 17 comme électrode porte, une tension de polarisation peut être mesurée en fonction de la tension appliquée entre source, en S, et drain, en D, avant, pendant et aprés irradiation de la surface cylindrique interne du dispositif. Les régions de type de conductivité opposé à celui du corps du dispositif peuvent présenter différentes formes, en dehors de celle qui est schématisée sur les figures 1 et 2. Il en est de meme des dépôts métalliques de prise de contact sur ces régions. Sur la figure 3, on a représenté en 31 une des régions annulaires d'extrémité, formée d'une partie cylindrique 32 et d'une partie plane 33. On retrouve sur cette vue partielle, la couche isolante 34 appliquée sur la surface cylindrique du corps cylindrique 35, la couche passivante 36 appliquée sur la surface sensiblement plane de l'extrémité du cylindre, la couche métallique 37 appliquée sur la couche 34, en regard de la partie du cylindre 35 distincte des régions annulaires d'extrémités, et le dépôt métallique 38 destiné à la prise de contact sur la région 31. Sur la figure 4, on a représenté en 41 une des régions annulaires du dispositif; cette région a une forme d'anneau cylindrique obtenue par diffusion à faible profondeur sur une bande de la surface cylindrique du corps 42. Cette surface cylindrique reçoit par ailleurs une couche isolante 43, recouverte d'une couche métallique 44. Un dépôt métallique 45 sert à la prise de contact sur la région 41. Le reste de la surface du corps du dispositif est recouvert d'une couche passivante 46. Un dispositif selon l'invention peut être réalisé selon les procédés connus ressortant de la fabrication des dispositifs semiconducteurs. Par exemple, on part d'un barreau de silicium de type P, dopé au bore, d'une résistivité de 50 à 100 ~# cm, de 2 mm de diamètre et de 5 mm de long, poli, décapé, dégazé. Ce cylindre est recouvert d'une couche de 0,8 U environ de Si 02 par chauffage à 1000 C pendant 4 heures dans une atmosphère d'oxygène. Une surface annulaire de 500 p de largeur est enlevée de cette couche de Si 02, à chaque extrémité du cylindre, par attaque à l'acide fluorhydrique. La couche restante de Si 02 servant de masque, on effectue ensuite une diffusion de phosphore à partir de PO Cl3 à 9000 C pendant 2 heures. L'opération suivante est une évaporagion sous vide o d'aluminium qui permet d'obtenir une couche de 100 A d'épaisseur sur la surface cylindrique du dispositif en regard de la région de type P d'une part, en regard des régions de type N d'autre part, le reste de la surface étant protégé par un masque adéquat, qui peut être ensuite éliminé. Des conducteurs métalliques, sont fixés par alliage sur chacune des trois couches d'aluminium déposées. Ces conducteurs peuvent être des fils d'aluminium. Les extrémités du cylindre peuvent être avantageusement protégées au moyen de capuchon en une matière thermo-durcissable, isolante, permettant la manipulation ou la fixation du dispositif. REVENDICATIONS 1.- Dispositif détecteur d'irradiation constitué par un corps semiconducteur comportant deux régions de type de conductivité opposé au sien, situées de part et d'autre d'une zone dudit corps sous jacente à une couche superficielle isolante recouverte d'une couche mince métallique, ledit dispositif comportant des moyens pour appliquer une tension entre lesdites régions et une tension entre ladite couche métallique et une région, et des moyens pour mesurer le courant passant entre lesdites régions, caractérisé en ce que ledit corps a une structure de révolution, la surface recouverte de couche isolante et d'une couche métallique étant cylindrique, et lesdites régions étant en forme d'anneaux de même axe que ledit corps, situés aux deux extrémités du cylindre. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps est un cylindre plein. 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps a une structure tubulaire. 4.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface recouverte d'une couche isolante est la surface intérieure du corps tubulaire. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps est en silicium de type P, la couche isolante en bioxyde de silicium, la couche métallique en aluminium.