JP4200213B2 - 広域エネルギーレンジ放射線検出器 - Google Patents
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Description
この技術は、Ｘ線のような高エネルギーの電磁波を検出する半導体素子に関する。
これまで、軟Ｘ線に対してはＳi(シリコン)、硬Ｘ線に対してはＣdＴe(カドミウム・テルル)を主材料とする半導体素子により、検出素子を構成していた(特許文献１参照)。
しかしながら、軟Ｘ線及び硬Ｘ線の双方に対して良好な感度を得ることは困難であった。
一方で、ＣdＴeは結晶の機械的強度が弱いため、微細なチップに加工し平面上に２次元に配列することが困難である。そのため、図６に示されるようにＳi基板３上に接着層５を介してＣdＴe基板４を固定し、機械的強度を保ったうえで切断加工を行っていた。この技術においては、切断後の加工に際し接着層が障害となり、接着層を除去するなどの手間がかかっていた。このため製造段階で工程が複雑になり、コスト面での不利な状況が存在した。
特表平１０−５１２３９８号
しかしながら、軟Ｘ線及び硬Ｘ線の双方に対して良好な感度を得ることは困難であった。
一方で、ＣdＴeは結晶の機械的強度が弱いため、微細なチップに加工し平面上に２次元に配列することが困難である。そのため、図６に示されるようにＳi基板３上に接着層５を介してＣdＴe基板４を固定し、機械的強度を保ったうえで切断加工を行っていた。この技術においては、切断後の加工に際し接着層が障害となり、接着層を除去するなどの手間がかかっていた。このため製造段階で工程が複雑になり、コスト面での不利な状況が存在した。
この発明では、広域エネルギーレンジのためにタンデム構造を採用することを提案する。
図１のようにＳi基板３とＣdＴe(またはＣdＺnＴe)基板４とをタンデムに配置し、Ｓi基板３側からＸ線を入射すると、軟Ｘ線１はＳi基板３の内部で吸収されるが、硬Ｘ線２はＳi基板３を透過しＣdＴe(またはＣdＺnＴe)基板４の内部に浸透し消滅する。それぞれの基板に電極を設けることにより、Ｘ線の消滅に伴う電荷を検出できる。
さらに、この発明ではＳi基板３とＣdＴe基板４との間にＩn(インジウム)を間挿して一体化を図ることにより、強度を高めるとともに各検出素子を分離独立できる構造を提案する。強度が高まれば、切削又はエッチングなどの機械的あるいは化学的処理により、ＣdＴe基板に分離帯を設ける加工を行い得る。この加工により各検出素子を電気的に分離独立できるため、２次元画像センサとして利用できる。
図１のようにＳi基板３とＣdＴe(またはＣdＺnＴe)基板４とをタンデムに配置し、Ｓi基板３側からＸ線を入射すると、軟Ｘ線１はＳi基板３の内部で吸収されるが、硬Ｘ線２はＳi基板３を透過しＣdＴe(またはＣdＺnＴe)基板４の内部に浸透し消滅する。それぞれの基板に電極を設けることにより、Ｘ線の消滅に伴う電荷を検出できる。
さらに、この発明ではＳi基板３とＣdＴe基板４との間にＩn(インジウム)を間挿して一体化を図ることにより、強度を高めるとともに各検出素子を分離独立できる構造を提案する。強度が高まれば、切削又はエッチングなどの機械的あるいは化学的処理により、ＣdＴe基板に分離帯を設ける加工を行い得る。この加工により各検出素子を電気的に分離独立できるため、２次元画像センサとして利用できる。
この発明では、IV族の半導体としてＳi(シリコン)を軟Ｘ線検出に用いるとともに、II−VI族の半導体としてＣdＴe(カドミウム・テルル)またはＣdＺnＴe(カドミウム・ジンク・テルル)を硬Ｘ線検出に用いるものとする。この２材料をIII族のＩn(インジウム)で接着する。
接合時において、接合面にＩnをはさみ込み加熱圧着することにより、ＣdＴe側はｎ型半導体となり、Ｓi側はｐ型半導体となる。
タンデム構造を採用する際に、接着材料としてＩnを用いることによって、両半導体における不純物金属としての効果をも有することとなり、ＣdＴe−ｐｉｎ(ｐ型−insulator−ｎ型)半導体と、Ｓi−ｐｉｎ半導体とを直列に接続する構造が容易に作成できる。
この発明の広域エネルギーレンジ放射線検出器は、ＣｄＴｅ基板、Ｉｎの拡散によりｎ型となったｎ型ＣｄＴｅ層、Ｉｎ層、Ｉｎの拡散によりｐ型となったｐ型Ｓｉ層、Ｓｉ基板をこの順に有し、ＣｄＴｅ基板におけるＩｎ層と反対側の外面から、Ｓｉ基板の一部にかけて分離帯が設けられ、Ｓｉ基板側は機械的に結合された状態で共通端子に接続され、分離帯によって複数の検出素子に分離されたＣｄＴｅ基板側は個々の信号端子に接続されて、１次元あるいは２次元センサーとして配列されてなることを特徴とする。
接合時において、接合面にＩnをはさみ込み加熱圧着することにより、ＣdＴe側はｎ型半導体となり、Ｓi側はｐ型半導体となる。
タンデム構造を採用する際に、接着材料としてＩnを用いることによって、両半導体における不純物金属としての効果をも有することとなり、ＣdＴe−ｐｉｎ(ｐ型−insulator−ｎ型)半導体と、Ｓi−ｐｉｎ半導体とを直列に接続する構造が容易に作成できる。
この発明の広域エネルギーレンジ放射線検出器は、ＣｄＴｅ基板、Ｉｎの拡散によりｎ型となったｎ型ＣｄＴｅ層、Ｉｎ層、Ｉｎの拡散によりｐ型となったｐ型Ｓｉ層、Ｓｉ基板をこの順に有し、ＣｄＴｅ基板におけるＩｎ層と反対側の外面から、Ｓｉ基板の一部にかけて分離帯が設けられ、Ｓｉ基板側は機械的に結合された状態で共通端子に接続され、分離帯によって複数の検出素子に分離されたＣｄＴｅ基板側は個々の信号端子に接続されて、１次元あるいは２次元センサーとして配列されてなることを特徴とする。
II-VI族半導体であるＣdＴeまたはＣdＺnＴeの基板にＩnを薄く蒸着し、エキシマレーザーでのドーピングまたは加熱による拡散ドーピングにより、ｎ型ＣdＴeまたはＣdＺnＴe層を形成する。他の面には金(Ａu)又はプラチナ(Ｐt)などによるショットキー接合、またはアンチモン(Ｓb)などのＶ族元素の拡散によるｐ型のＣdＴeまたはＣdＺnＴe層を形成する。
また一方で、IV族であるＳiの基板にＩnを薄く蒸着し、エキシマレーザーでのドーピングまたは加熱による拡散ドーピング処理により、ｐ型Ｓi層を形成する。このとき、Ｓiのｐ型ドーピングはあらかじめＩn以外のボロン(Ｂ)などの不純物によってｐ型を形成しておいたものを用いてもよい。他の面にはあらかじめ燐(Ｐ)などにより、ｎ型のＳi層が形成されているものを用いる。
Ｓi基板のｐ型層と、ＣdＴe基板(またはＣdＺnＴeの基板)のｎ型層とを加熱しながら張り合わせると、Ｉnを接着層として、Ｓi基板とＣdＴe基板(またはＣdＺnＴeの基板)とが結合される。これにより、ＣdＴeとＳiの２つのｐｉｎダイオードがシリーズ接続された構造体が形成される。Ｉn層の反対側にはｐ型のＳi層及びｎ型ＣdＴe層を形成するものであってもよい。この場合には、ｎ型ＣdＴeとｐ型Ｓiによりｎｉｎ−ｐｉｐダイオードが形成された構造体となる。
また一方で、IV族であるＳiの基板にＩnを薄く蒸着し、エキシマレーザーでのドーピングまたは加熱による拡散ドーピング処理により、ｐ型Ｓi層を形成する。このとき、Ｓiのｐ型ドーピングはあらかじめＩn以外のボロン(Ｂ)などの不純物によってｐ型を形成しておいたものを用いてもよい。他の面にはあらかじめ燐(Ｐ)などにより、ｎ型のＳi層が形成されているものを用いる。
Ｓi基板のｐ型層と、ＣdＴe基板(またはＣdＺnＴeの基板)のｎ型層とを加熱しながら張り合わせると、Ｉnを接着層として、Ｓi基板とＣdＴe基板(またはＣdＺnＴeの基板)とが結合される。これにより、ＣdＴeとＳiの２つのｐｉｎダイオードがシリーズ接続された構造体が形成される。Ｉn層の反対側にはｐ型のＳi層及びｎ型ＣdＴe層を形成するものであってもよい。この場合には、ｎ型ＣdＴeとｐ型Ｓiによりｎｉｎ−ｐｉｐダイオードが形成された構造体となる。
構造体形成の一例を図を参照しながら説明する。
形成に用いる２つの基板を図２の左に示す。図２の左上がＳi基板３上にＩn層６を蒸着したものを示している。図２の左下がＣdＴe基板４上にＩn層６を蒸着したものを示している。それぞれのＩn面を張り合わせて加熱すると、Ｉn層６を接着層として、Ｓi基板３とＣdＴe基板４とが結合される。この段階での構造体を図２の右に示す。Ｉnは、Ｓi基板３とＣdＴe基板４とに拡散し、それぞれｐ型層とｎ型層を形成する。Ｉn層の反対側にはｎ型のＳi層及びｐ型ＣdＴe層を形成する。
最初のＩnの蒸着は片方の基板にのみ施されるものであってもよい。
また、この場合においてもＩn層の反対側にはｐ型のＳi層及びｎ型ＣdＴe層を形成するものであってもよい。
形成に用いる２つの基板を図２の左に示す。図２の左上がＳi基板３上にＩn層６を蒸着したものを示している。図２の左下がＣdＴe基板４上にＩn層６を蒸着したものを示している。それぞれのＩn面を張り合わせて加熱すると、Ｉn層６を接着層として、Ｓi基板３とＣdＴe基板４とが結合される。この段階での構造体を図２の右に示す。Ｉnは、Ｓi基板３とＣdＴe基板４とに拡散し、それぞれｐ型層とｎ型層を形成する。Ｉn層の反対側にはｎ型のＳi層及びｐ型ＣdＴe層を形成する。
最初のＩnの蒸着は片方の基板にのみ施されるものであってもよい。
また、この場合においてもＩn層の反対側にはｐ型のＳi層及びｎ型ＣdＴe層を形成するものであってもよい。
次に、この構造体を用いるＸ線検出方法を述べる。
ｎ型のＳi層９及びｐ型ＣdＴe層１０を形成後の構造体を図３に示す。構造体から信号を取り出すために、ｎ-Ｓi層９(Ｓi基板のｎ型層)を信号端子１１へ接続し、ｐ-ＣdＴe層１０(カドミウム・テルル基板のｐ型層)を他の信号端子１２へ接続する。
信号端子１１を経由してＳi基板のｎ型層９に正電位を、信号端子１２を経由してＣdＴe基板のｐ型層１０に負電位を印加し、両ｐｉｎダイオードに逆バイアスを与える。Ｘ線又はガンマ線をシリコン(Ｓi)側から入射すると、軟Ｘ線は主としてシリコン３で吸収され、硬Ｘ線はＣdＴe４で吸収される。これにより、各Ｘ線は吸収された半導体層内で電子と正孔とを発生させて消滅し、外部に信号を出力することとなる。
このように、タンデム構造を採用したことにより、ワイドレンジの検出器となる。また、静電容量が小さくなり、高感度の素子が得られる。
ｎ型のＳi層９及びｐ型ＣdＴe層１０を形成後の構造体を図３に示す。構造体から信号を取り出すために、ｎ-Ｓi層９(Ｓi基板のｎ型層)を信号端子１１へ接続し、ｐ-ＣdＴe層１０(カドミウム・テルル基板のｐ型層)を他の信号端子１２へ接続する。
信号端子１１を経由してＳi基板のｎ型層９に正電位を、信号端子１２を経由してＣdＴe基板のｐ型層１０に負電位を印加し、両ｐｉｎダイオードに逆バイアスを与える。Ｘ線又はガンマ線をシリコン(Ｓi)側から入射すると、軟Ｘ線は主としてシリコン３で吸収され、硬Ｘ線はＣdＴe４で吸収される。これにより、各Ｘ線は吸収された半導体層内で電子と正孔とを発生させて消滅し、外部に信号を出力することとなる。
このように、タンデム構造を採用したことにより、ワイドレンジの検出器となる。また、静電容量が小さくなり、高感度の素子が得られる。
次に、上記検出器を２次元センサーとするときの製造法について述べる。
ＣdＴe基板は結晶の機械的強度が弱いため、微細なチップに加工し平面上に２次元に配列することが困難であった。この発明で得られるＣdＴe基板とＳi基板の積層構造は、Ｓi基板がＣdＴe基板の支持層となっており強靭である。したがって、２次元配置構造とする際には、切削又はエッチングなどの機械的あるいは化学的処理により、ＣdＴe基板側からＳi層の一部までの分離帯を設ける加工を行い得る。これにより、平面上に分離された検出素子が２次元に配列した構造が容易に作成できる。
このような加工を行った検出器の断面図を図４に示す。Ｓi側に共通端子１３を設け、ＣdＴe側からは分離帯１４により分離された個々の検出素子から信号線を引き出して信号端子１２に接続する。
この信号線の引出しは、セラミック基板上に配線を行い、ＣdＴeの各素子に対応するバンプを金属あるいは導電性接着剤で形成したものを、検出器に圧接することにより行うのがよい。セラミック基板上の配線は、所望により１層または多層基板とする。
図４のようなＳiの壁面の露出は暗電流の増加を招くので、あらかじめＳi基板３に切削加工を施し、作成された溝にＳiＯ2を埋設あるいは酸化反応によりＳiＯ2を溝の壁面に形成してなる基板に、Ｉn層６を設けたＣdＴe基板４を張り合わせて加熱した後に、さらにＣdＴe基板４に対し切削加工を施して分離帯１４を作成する方法も考えられる。この模式図を図５に示す。
ＣdＴe基板は結晶の機械的強度が弱いため、微細なチップに加工し平面上に２次元に配列することが困難であった。この発明で得られるＣdＴe基板とＳi基板の積層構造は、Ｓi基板がＣdＴe基板の支持層となっており強靭である。したがって、２次元配置構造とする際には、切削又はエッチングなどの機械的あるいは化学的処理により、ＣdＴe基板側からＳi層の一部までの分離帯を設ける加工を行い得る。これにより、平面上に分離された検出素子が２次元に配列した構造が容易に作成できる。
このような加工を行った検出器の断面図を図４に示す。Ｓi側に共通端子１３を設け、ＣdＴe側からは分離帯１４により分離された個々の検出素子から信号線を引き出して信号端子１２に接続する。
この信号線の引出しは、セラミック基板上に配線を行い、ＣdＴeの各素子に対応するバンプを金属あるいは導電性接着剤で形成したものを、検出器に圧接することにより行うのがよい。セラミック基板上の配線は、所望により１層または多層基板とする。
図４のようなＳiの壁面の露出は暗電流の増加を招くので、あらかじめＳi基板３に切削加工を施し、作成された溝にＳiＯ2を埋設あるいは酸化反応によりＳiＯ2を溝の壁面に形成してなる基板に、Ｉn層６を設けたＣdＴe基板４を張り合わせて加熱した後に、さらにＣdＴe基板４に対し切削加工を施して分離帯１４を作成する方法も考えられる。この模式図を図５に示す。
ここでは、２次元配列として説明したが、１次元配列であっても可能なことは説明するまでもなく自明である。
また、II−VI族の半導体としてＣdＴeを、IV族の半導体としてシリコンを用いるものとして説明したが、他にII−VI族の半導体としてＣdＺnＴeなどが利用できる。また、IV族の代わりにIII−Ｖ族であるＧaＡsの表面のドーピング処理をあらかじめ行っておくことにより、Ｉnを介しての接着とタンデム構造を採用する広域レンジの検出器構成として利用できる。
また、II−VI族の半導体としてＣdＴeを、IV族の半導体としてシリコンを用いるものとして説明したが、他にII−VI族の半導体としてＣdＺnＴeなどが利用できる。また、IV族の代わりにIII−Ｖ族であるＧaＡsの表面のドーピング処理をあらかじめ行っておくことにより、Ｉnを介しての接着とタンデム構造を採用する広域レンジの検出器構成として利用できる。
これまでに説明した構造のＸ線検出素子により、軟Ｘ線から硬Ｘ線、ガンマ線まで広域のエネルギー幅における電磁波が検出可能となる。また、機械的強度が弱いII−VI族の半導体に対し分割構造が容易に作成可能であるので、２次元画像検出素子としての製造が低コストで可能となる。
１ 軟Ｘ線
２ 硬Ｘ線
３ Ｓｉ(シリコン)基板
４ ＣｄＴｅ(カドミウム・テルル)基板
５ 接着層
６ Ｉｎ(インジウム)層
７ ｐ−Ｓｉ(ｐ型シリコン)層
８ ｎ−ＣｄＴｅ(ｎ型カドミウム・テルル)層
９ ｎ−Ｓｉ(ｎ型シリコン)層
１０ ｐ−ＣｄＴｅ(ｐ型カドミウム・テルル)層
１１，１２ 信号端子
１３ 共通端子
１４ 分離帯
１５ ＳiＯ2(酸化シリコン)
２ 硬Ｘ線
３ Ｓｉ(シリコン)基板
４ ＣｄＴｅ(カドミウム・テルル)基板
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８ ｎ−ＣｄＴｅ(ｎ型カドミウム・テルル)層
９ ｎ−Ｓｉ(ｎ型シリコン)層
１０ ｐ−ＣｄＴｅ(ｐ型カドミウム・テルル)層
１１，１２ 信号端子
１３ 共通端子
１４ 分離帯
１５ ＳiＯ2(酸化シリコン)
Claims (2)
- ＣｄＴｅ基板、Ｉｎの拡散によりｎ型となったｎ型ＣｄＴｅ層、Ｉｎ層、Ｉｎの拡散によりｐ型となったｐ型Ｓｉ層、Ｓｉ基板をこの順に有し、
前記ＣｄＴｅ基板におけるＩｎ層と反対側の外面から、前記Ｓｉ基板の一部にかけて分離帯が設けられ、
前記Ｓｉ基板側は機械的に結合された状態で共通端子に接続され、
前記分離帯によって複数の検出素子に分離された前記ＣｄＴｅ基板側は個々の信号端子に接続されて、１次元あるいは２次元センサーとして配列されてなる、
広域エネルギーレンジ放射線検出器。 - 前記ＣｄＴｅに替えて、ＣｄＺｎＴｅとする請求項１に記載の広域エネルギーレンジ放射線検出器。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003418086A JP4200213B2 (ja) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 広域エネルギーレンジ放射線検出器 |
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