Brevet FR2711430A1 — publié le 19950428

La présente invention concerne un dispositif à diamant pour détecter des rayonnements tels des rayons a, des rayons ss, des rayons y, un rayonnement de neutrons et des rayons X pour mesurer par exemple les épaisseurs et les densités de matériaux, un niveau de fer fondu, et plus particulièrement un détecteur de rayonnement utilisant des films de diamant fortement orientés. Les détecteurs de rayonnement à semi-conducteur sont caractérisés par une efficacité de détection élevée, une petite dimension, une excellente résolution, et une linéarité excellente entre l'énergie incidente et la sortie formant signal, et par conséquent sont utilisés dans les domaines de l'ingénierie, l'espace, la médecine et l'agriculture, autres que le domaine de la physique nucléaire. En tant que types de détecteurs de rayonnement à semi-conducteur utilisés, il existe le type à jonction, le type à migration de lithium, le type à Ge ou Si de pureté élevée, et le type semi-conducteur composé. Dans les détecteurs du type à jonction, une jonction p-n est formée en utilisant des semi-conducteurs tels que le Si, et une couche de déplétion est formée par une polarisation inverse au niveau de la jonction. Le rayonnement qui pénètre dans le détecteur engendre des paires d'électron-trou dans la couche de déplétion. Les paires d'électron-trou sont ensuite attirées vers les électrodes dans le champ électrique existant à l'intérieur du semi-conducteur, et sont mesurées en tant que signal électrique. Dans les détecteurs du type à migration de lithium, du Si ou du Ge du type p est dopé à l'aide de lithium, qui est une impureté du type n, pour former une zone intrinsèque. Ceci permet à l'épaisseur de la couche de déplétion d'être plus importante que dans les détecteurs du type à jonction. Cependant, les détecteurs du type à migration de lithium doivent être refroidis même lorsqu'ils ne sont pas en fonctionnement. Dans les détecteurs à Ge/Si à pureté élevée, un monocristal de Si ou de Ge à pureté très élevée est utilisé pour éviter le dopage au lithium existant dans les détecteurs du type à migration de lithium. Les détecteurs du type semi-conducteur composé fonctionnent au niveau d'une température plus élevée que la température ambiante. Par comparaison avec les détecteurs du type à déplétion ayant une épaisseur de couche de déplétion plus petite qu'environ 1 mm, les détecteurs à Ge/Si à pureté élevée peuvent avoir une zone intrinsèque plus épaisse du fait de leur encombrement, et par conséquent des sensibilités de détection plus importantes. Cependant, il est difficile d'obtenir du Si et du Ge de pureté élevée ayant des résistances suffisamment élevées. Les détecteurs doivent être refroidis pour réduire le bruit thermique pendant le fonctionnement. En outre, les vitesses du porteur saturé pour ces matériaux sont très petites, et par conséquent, les vitesses de réponse sont faibles. Pour remédier à ces inconvénients, un détecteur de rayonnement utilisant un diamant monocristallin a été proposé, par exemple dans la Publication de Brevet Japonais non-examiné nO SHO 62-198 780. Cependant un tel détecteur est trop coûteux lorsqu'une qualité uniforme, une épaisseur suffisante et une surface importante sont requises. Récemment, des films polycristallins en diamant ont pu être facilement déposés par synthèse en phase vapeur. Cependant, dans le cas où les films polycristallins en diamant sont utilisés pour un détecteur de rayonnement, la vitesse de réponse et la sensibilité sont trop faibles du fait que la mobilité du porteur est faible ce qui est dû à la présence de limites de grain dans le film polycristallin, et les porteurs sont piégés par les limites de grain. Afin de résoudre ces problèmes, une technique est proposée dans la Publication de Brevet Japonais nonexaminé nO HEI 4-145 668, dans laquelle des particules de diamant sont mises à croître sous une forme de colonne pour réduire les limites de grain dans la direction de l'écoulement de courant. En outre, la surface de croissance est polie pour améliorer la sensibilité. Dans cette technique, cependant, le film de diamant a une rugosité de surface importante et nécessite donc d'être poli. Pour cette raison, le rendement est faible et il est difficile de commander l'épaisseur du film. I1 en résulte que les caractéristiques du détecteur ne sont pas uniformes. Un but de la présente invention consiste à fournir un détecteur de rayonnement utilisant des films de diamant fortement orientés ayant des surfaces cristallines constituant une surface lisse fortement orientée, ce qui élimine les effets des limites de grain, ayant par conséquent une sensibilité et une vitesse de réponse analogues ou plus importantes qu'un détecteur en diamant monocristallin, et qui peut être fabriqué à faible coût. Conformément à la présente invention, il est fourni un détecteur de rayonnement utilisant des films de diamant fortement orientés, comportant : une couche de détection de rayonnement constituée de diamant, et au moins deux électrodes destinées à appliquer une tension à la couche de détection de rayonnement, dans lequel la couche de détection de rayonnement est un film de diamant fortement orienté constitué par synthèse en phase vapeur, dans lequel plus de 50% de la surface superficielle du film de diamant est constitué de faces cristallines [100] ou [111] de diamant, et les différences ((x, Ass, ) existant entre les deux ensembles d'angles d'Euler fa, B, y), exprimant les orientations cristallines des faces cristallines adjacentes [100] ou [111], satisfont simultanément les relations lAal Le détecteur de rayonnement de la présente invention utilise un film de diamant fortement orienté, et est caractérisé par une faible densité de limites de grain et de défauts cristallins, et par une surface de film très plane. En conséquence, les porteurs (charges) engendrés par le rayonnement dans le film de diamant fortement orienté s'écoulent vers les deux électrodes sans être piégés par les limites de grain et les défauts. Ainsi, les mobilités des porteurs, la sensibilité, la réponse et la reproductibilité sont élevées. Puisqu'un film de diamant fortement orienté est utilisé, il n'est pas nécessaire de polir la surface du film. Par conséquent, le champ électrique est uniforme à l'intérieur du film, la variation en fonction de la position est négligeable, et les caractéristiques du détecteur peuvent être uniformes entre détecteurs. En outre, il est possible de fabriquer un détecteur de rayonnement ou un substrat de surface importante ayant un diamètre de 2,54 mm (1 pouce) ou plus grand. Le film de diamant fortement orienté est formé par synthèse en phase vapeur, et plus de 50% de la surface superficielle du film de diamant est constituée de l'une quelconque des faces [100] ou [111] de diamant. De plus, les différences (Aa, Ass, Ay} entre deux ensembles d'angles d'Euler (a, ss, y), exprimant les orientations cristallines des faces adjacentes [100] ou [111], satis font simultanément aux relations |#&alpha;| Les figures la et lb représentent la structure superficielle du film de diamant fortement orienté ayant des faces [100]. Les axes X et Y sont définis à l'intérieur de la surface du film, et l'axe Z est perpendiculaire à la surface du film. Les angles d'Euler exprimant les orientations des ième et jème faces sont définis par C ssi, Bi , et face ssj, yj}, respectivement, et leurs différences d'angle sont définies par {ha, Ass, Ay}. Ici, les angles d'Euler fa, ss, y} expriment l'orientation obtenue en faisant tourner la face cristalline de référence successivement autour des axes Z, Y et X par rapport aux coordonnées de référence, sur des angles a, ss, y, respectivement. Selon la présente invention, le film de diamant fortement orienté doit satisfaire simultanément aux rela tions |#&alpha;| De manière analogue, pour les films de diamant ayant une orientation [111], les mobilités des porteurs sont élevées lorsque la valeur absolue de chaque différence d'angle est de 10 ou plus petite. Un tel film de diamant fortement orienté peut être déposé sur un substrat de silicium fini de manière analogue à un miroir par irradiation de micro-ondes vers le gaz source contenant du méthane, tout en appliquant une polarisation négative sur le substrat. Dans la présente invention, plus de 50% de la surface du film de diamant doit être recouverte à l'aide de faces [100] ou [111]. Même dans le film de diamant fortement orienté représenté sur la figure lb, il existe des limites de grain entre les cristaux de diamant, cependant, puisque les faces cristallines sont fortement orientées, et que par conséquent les différences d'angle entre les faces cristallines sont très petites, les dispersions des porteurs au niveau des limites de grain sont réduites de manière importante. De plus, puisque la densité de défauts est également faible dans les films de diamant fortement orientés, le piégeage des porteurs est réduit. Pour cette raison, les caractéristiques électriques des films de diamant fortement orientés sont nettement meilleures que celles des films de diamant polycristallins habituels. Une telle amélioration des caractéristiques électriques peut être obtenue uniquement lorsque la zone couverte est de 50% ou plus, et lorsque les va leurs absolues de Irai, | Ass l et 1 IAyI sont 10 ou plus petites. Puisque le film de diamant fortement orienté peut être déposé sur une pastille de silicium ayant un diamètre de plusieurs centimètres (plusieurs pouces), il n'y a pas de limite pour la surface contrairement à un diamant monocristallin. On va maintenant décrire la présente invention, à titre d'exemple uniquement, en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures la et lb définissent les orientations des faces cristallines d'un film de diamant fortement orienté selon la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe représentant un détecteur de rayonnement selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3 est une vue en coupe représentant un détecteur de rayonnement selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 4 est une vue en coupe représentant un détecteur de rayonnement selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 5 est une vue représentant l'agencement d'un dispositif de mesure de niveau destiné à me surer le niveau de coke dans un haut fourneau, utilisant le détecteur de rayonnement selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 6 est une vue représentant l'agencement d'un autre dispositif de mesure de niveau destiné à mesurer le niveau de coke dans un haut fourneau, utilisant le détecteur de rayonnement selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 7 est une vue représentant l'agencement d'un autre dispositif de mesure de niveau destiné à détecter le coke d'un haut fourneau, similaire à celui de la figure 6, - la figure 8 est une vue représentant l'agencement d'un autre dispositif de mesure de niveau destiné à mesurer le coke d'un haut fourneau, similaire à celui de la figure 6, - la figure 9 est une vue représentant l'agencement d'un autre dispositif de mesure de niveau destiné à mesurer le coke d'un haut fourneau, similaire à celui de la figure 6, - la figure 10 est une vue représentant l'agencement d'un autre dispositif de mesure de niveau destiné à mesurer le coke d'un haut fourneau, similaire à celui de la figure 6, - la figure 11 est une vue de dessus, représentant un détecteur de rayonnement selon un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention, et - la figure 12 est une microphotographie obtenue par balayage électronique d'un film de diamant fortement orienté ayant une orientation du type [100]. Les modes de réalisation de la présente invention vont être décrits en détail en se reportant aux dessins annexés. La figure 2 représente un détecteur de rayonnement, dans lequel un film de diamant fortement orienté 2 est formé sur un substrat 3, et une électrode 1 est formée sur le film de diamant fortement orienté 2. La figure 3 représente un détecteur de rayonnement, dans lequel une couche semi-conductrice 4 de diamant est formée sur un substrat 3, un film de diamant fortement orienté non-dopé (à résistance élevée) est disposé en couche sur la couche semi-conductrice 4 de diamant, et une couche semi-conductrice 4 de diamant est déposée en couche sur le film de diamant fortement orienté 2, et une électrode 1 est formée sur la structure en trois couches constituée du film de diamant fortement orienté 2 et des deux couches semi-conductrices 4 de diamant. Dans ce détecteur de rayonnement, la couche semiconductrice 4 de diamant est agencée entre l'électrode 1 et le film de diamant fortement orienté 2, de sorte que la résistance de contact de l'électrode 1 est réduite et par conséquent la vitesse de réponse est améliorée. La figure 4 représente un détecteur de rayonnement, dans lequel après la formation de la structure en couches représentée sur la figure 3, le substrat 3 est enlevé et une électrode 1 est formée sur la surface inférieure de la couche semi-conductrice 4 de diamant, à la place du substrat enlevé 3. Dans ce détecteur de rayonnement, deux électrodes 1 et 1' sont formées pour maintenir entre elles la structure en trois couches constituée du film de diamant fortement orienté 2 et des deux couches semi-conductrices 4 de diamant. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent. On va tout d'abord décrire un Exemple 1. Dans l'étape 1 de cet Exemple 1, on a utilisé une pastille de silicium découpée d'orientation [100] ayant un diamètre de 2,54 cm (1 pouce). Elle a été placée dans un appareil à micro-ondes pour dépôt chimique en phase vapeur, et traitée par plasma micro-ondes pendant 15 minutes, en utilisant un gaz source de 2% en volume de méthane et 98% en volume d'hydrogène, au niveau d'une pression de gaz de 3333 Pa (25 Torr), d'un débit d'écoulement gazeux de 300 cm3/min., d'une température de substrat de 6500C. La puissance entrée par micro-ondes était d'environ 1000 W, et a été ajustée de manière précise pour maintenir la température du substrat à 7000C. En même temps, une polarisation négative a été appliquée au substrat à l'aide d'une densité de courant de 10 mA/cm2 Dans l'étape 2, la synthèse du film de diamant a été poursuivie pendant 80 heures en utilisant un gaz source constitué de 0,5% en volume de méthane, de 99,4% en volume d'hydrogène et 0,1% en volume d'oxygène au niveau d'une pression de gaz de 4000 Pa (30 Torr), d'un débit d'écoulement gazeux de 300 cm3/min., et d'une température de substrat de 8000C. On a obtenu un film de diamant fortement orienté ayant une épaisseur d'environ 20 um. L'observation au microscope électronique a montré que 98% de la surface du film était recouverte à l'aide de faces cristallines [100] (voir figure 12). A partir de la photographie de la coupe du film, il a été confirmé que la différence de hauteur entre les faces cristallines était de 0,1 um ou plus petite. L'orientation de chaque face du type [100] a été déterminée en prenant deux photographies au microscope électronique le long de deux directions écartées de + 10 par rapport à la direction perpendiculaire à la surface du spécimen. Les différences d'angle entre des faces cristallines adjacentes étaient IAaI a Dans l'étape 3, la partie centrale du substrat a été enlevée par attaque chimique et le substrat restant a été utilisé en tant que cadre destiné à supporter le film de diamant. Des électrodes métalliques ont ensuite été déposées sur chaque face du film de diamant. Dans un cas en variante, le substrat a été supprimé, et des électrodes métalliques ont été agencées sur les deux côtés de la surface du film de diamant. On va maintenant décrire un Exemple 2. Dans l'étape 1, un film de diamant non-dopé ayant des faces cristallines [100] fortement orientées a été formé sur une pastille de silicium du type n à résistance élevée (ayant un diamètre de 2,54 cm (1 pouce), une résistance de 1000 fl x cm ou plus) en ayant une épaisseur de 20 um, par utilisation d'un dispositif de dépôt en phase vapeur par plasma micro-ondes dans les mêmes conditions que dans les étapes 1 et 2 de l'Exemple 1. A ce moment, le dépôt a été réalisé en utilisant un gaz additionné de diborane (B2H6) selon une quantité de 5 ppm, en formant ainsi un film de diamant semi-conducteur orienté. En outre, dans l'étape 2, un film de diamant fortement orienté isolant a été déposé sur le film de diamant semi-conducteur fortement orienté, de manière à ne pas perturber l'orientation, pendant 80 heures en utilisant un gaz source constitué de 0,5% en volume de méthane, 99,4% en volume d'hydrogène et 0,1% en volume d'oxygène au niveau d'une pression de gaz de 4000 Pa (30 Torr), d'un débit d'écoulement gazeux de 300 cm /min., et d'une température de substrat de 800"C. On a obtenu un film de diamant fortement orienté ayant une épaisseur totale d'environ 40 um. Un film de diamant semi-conducteur du type p a été en outre déposé sur le film de diamant fortement orienté, pendant 30 minutes, en utilisant un gaz source constitué de 0,5% en volume de méthane, 99,5% en volume d'hydrogène et 1 ppm de diborane (B2H6) au niveau d'une pression de gaz de 4000 Pa (30 Torr), d'un débit d'écoulement gazeux de 300 cm/min., et d'une température de substrat de 8000C. I1 en a résulté le dépôt d'une couche de film semi-conducteur du type p ayant une épaisseur de 0,1 um, qui avait la même forme superficielle que celle du film fortement orienté sous-jacent. Dans l'étape 3, de manière analogue à l'Exemple 1, seule la partie centrale du substrat a été enlevée et le substrat restant a été utilisé en tant que cadre pour supporter le film de diamant. Des électrodes métalliques ont ensuite été déposées de chaque côté du film de diamant. Dans un cas en variante, le substrat a été enlevé, et des électrodes métalliques ont été agencées de chaque côté de la surface du film de diamant. On va maintenant décrire un Exemple 3. Le détecteur fabriqué dans l'Exemple 2 a été agencé dans un dispositif de mesure à rayons y destiné à détecter le niveau du coke dans un haut fourneau. Les figures 5 à 10 représentent les agencements des dispositifs de mesure de niveau. Dans un dispositif de mesure de niveau du type surveillant un point fixe (représenté sur la figure 5), une source 11 de rayons y est fixée sur un premier côté du haut fourneau et un détecteur 12 de rayons y est fixé à l'opposé de la source 11 de rayons y. Lorsque le niveau du coke est élevé jusqu'à la position de la source 11 de rayons y et du détecteur 12 de rayons y, il peut être détecté. Dans un dispositif de mesure de niveau d'un autre type (représenté sur la figure 6), des rails de guidage 14 sont agencés verticalement, en s'étendant le long des deux côtés du haut fourneau, et la source 11 de rayons y et le détecteur 12 de rayons y sont agencés de manière à se déplacer le long des rails de guidage 14. En déplaçant verticalement la source 11 de rayons y et le détecteur 12 de rayons y d'une manière synchronisée, par l'intermédiaire d'un servomécanisme 13, le niveau du coke peut être détecté à partir du changement abrupt d'atténuation des rayons y. Dans un dispositif de mesure de niveau du type à transmission représenté sur la figure 7, la source 11 de rayons y et le détecteur 12 de rayons y sont agencés de telle sorte que la direction reliant leurs parties opposées est basculée par rapport à la surface du coke pour détecter la quantité de rayons y transmise à travers le coke par le détecteur 12, en rendant ainsi possible de détecter le déplacement ou le changement de niveau de coke. Dans un dispositif de mesure de niveau du type à irradiation représenté sur la figure 8, une source linéaire 15 de rayons y est agencée parallèlement à la direction de la profondeur du haut fourneau et le détecteur 12 est agencé à l'opposé de la source 15 de rayons y. Les rayons y transmis sont détectés par le détecteur 12, en identifiant ainsi le niveau du coke. Dans un dispositif de mesure de niveau représenté sur la figure 9, à la place de la source linéaire 15 de rayons y représentée sur la figure 8, plusieurs sources 16 de rayons y, analogues à des points, sont agencées. Dans un dispositif de mesure de niveau représenté sur la figure 10, le détecteur 17 est linéaire. Ce dispositif de mesure de niveau peut détecter le déplacement ou le changement de niveau du coke comme sur les figures 8 et 9. Dans chaque dispositif de mesure de niveau, les rayons y émis à partir de la source de rayonnement 11, 15 ou 16 entrent dans le coke, et l'atténuation des rayons y est mesurée par le détecteur 12 ou 17. En utilisant, pour le détecteur, des films de diamant fortement orientés selon le mode de réalisation de la présente invention, le rayonnement peut être détec té avec une sensibilité élevée et une vitesse de réponse élevée. La présente invention n'est pas limitée aux mode de réalisations décrits ci-dessus. Par exemple, comme représenté sur la figure 11, des électrodes 21 et 22 peuvent être formées sur la surface de croissance d'un diamant en ayant une forme analogue à un peigne. Dans cette structure, il n'est pas nécessaire d'enlever le substrat. En rétrécissant de manière suffisante un espace existant entre les électrodes 21 et 22 en forme de peigne, on permet aux porteurs de traverser les limites de grain du diamant et on évite les effets des limites de grain. Comme décrit ci-dessus, on utilise dans la présente invention un film de diamant fortement orienté en tant que couche de détection de rayonnement, et en conséquence un détecteur de rayonnement en diamant ayant une sensibilité élevée et une vitesse de réponse élevée, qui est opérationnel dans des environnements sévères tels que des environnements corrosifs et à haute température. Puisque le film de diamant fortement orienté réduit de manière importante les effets des limites de grain, il a des caractéristiques analogues à celles d'un diamant monocristallin. En outre, il peut fournir un détecteur de rayonnement qui est peu coûteux, et petit, et a une qualité uniforme, par comparaison avec un détecteur en diamant monocristallin. REVEND ICAT IONS 1. Détecteur de rayonnement utilisant du diamant comportant une couche (2) de détection de rayonnement constituée de diamant, et un élément détecteur de rayonnement ayant au moins deux électrodes (1, 1') destinées à appliquer une tension à la couche de détection de rayonnement, caractérisé en ce que la couche (2) de détection de rayonnement est un film de diamant fortement orienté constitué par synthèse en phase vapeur, 50% ou plus de la surface superficielle du film de diamant étant constitués de faces cristallines [100] de diamant, et les différences {tua, Ass, y} existant entre deux ensembles d'angles d'Euler fa, ss, y), exprimant les orientations cristallines des faces cristallines adjacentes [100], satisfont simultanément les relations IAaI 2. Détecteur de rayonnement utilisant du diamant comportant une couche (2) de détection de rayonnement constituée de diamant, et un élément détecteur de rayonnement ayant au moins deux électrodes (1, 1') destinées à appliquer une tension à la couche de détection de rayonnement, caractérisé en ce que la couche (2) de détection de rayonnement est un film de diamant fortement orienté constitué par synthèse en phase vapeur, 50% ou plus de la surface superficielle du film de diamant étant constitués de faces cristallines [111] de diamant, et les différences fAa, Ass, Ay} existant entre les angles d'Euler B, ss, y), exprimant les orientations cristallines des faces cristallines adjacentes [111], sa tisfont simultanément les relations IaI 3. Détecteur de rayonnement utilisant du diamant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche détectrice de rayonnement (2) comporte une ou plusieurs couches semi-conductrices (4) de diamant disposées en couche sur l'une des surfaces dudit film de diamant fortement orienté (2) ou sur les deux surfaces, et lesdites électrodes (1, 1') sont formées sur lesdites couches semi-conductrices de diamant.