JP5533296B2

JP5533296B2 - 半導体ｘ線検出素子、その製造方法および半導体ｘ線検出用センサ

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Publication number: JP5533296B2
Application number: JP2010131607A
Authority: JP
Inventors: 実山田; 勝島田; 淳藤井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: JP2011257255A

Description

本発明は、半導体Ｘ線検出素子、その製造方法および半導体Ｘ線検出用センサに関する。さらに詳しくは、ドリフト層を厚くしても半導体Ｘ線検出素子の信号取出し電極側の底面にまでドリフト層が広がることがない半導体Ｘ線検出素子およびその製造方法に関する。さらに、検出したＸ線スペクトルに不純線が出ることがない半導体Ｘ線検出用センサに関する。

従来、円柱状のｐ型半導体結晶（以下、タブレットという）の一方の底面の中央部分にリチウムを拡散させたｎ＋層およびｎ面電極を設け、ｎ＋層およびｎ面電極の周縁部を削るように溝を設けてｎ＋層およびｎ面電極の面積を小さくし、逆バイアスを加えてリチウムをドリフトさせてほぼ円柱状（球から平行な２面を切り取った形状）のｉ層を形成し、ｉ層の周面をほぼ覆うようにｐ層を残し、最後にｐ型半導体タブレットの他方の底面にｐ面電極を形成する半導体Ｘ線検出素子の製造方法が知られている（特許文献１参照。）。

国際公開第ＷＯ２００７／１３８７４５号公報

上記従来の半導体Ｘ線検出素子の製造方法では、ｉ層を厚くすると、ｐ型半導体タブレットの半径方向へのリチウムのドリフトも広がるため、ｉ層がｐ型半導体タブレットのｎ面電極側の底面にまで広がり、製造された半導体Ｘ線検出素子のｎ面電極側の底面の周縁部を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子を保持することが出来なくなる問題点があった（そうするとリーク電流が増えるなどの不都合を生じる。）。
このため、従来の半導体Ｘ線検出素子を用いた半導体Ｘ線検出用センサでは、半導体Ｘ線検出素子のｐ面電極側の周縁部を素子ホルダに当接し、信号取出し線を兼ねた金属製ピンで半導体Ｘ線検出素子のｎ面電極を押して、挟むように半導体Ｘ線検出素子を保持していた。
しかし、半導体Ｘ線検出素子を透過したＸ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点があった。
そこで、本発明の目的は、ドリフト層（ｉ層）を厚くしても半導体タブレット（ｐ型半導体タブレット）の信号取出し電極（ｎ面電極）側の底面にまでドリフト層（ｉ層）が広がることがない半導体Ｘ線検出素子およびその製造方法を提供することにある。さらに、検出したＸ線スペクトルに不純線が出ることがない半導体Ｘ線検出用センサを提供することにある。

第１の観点では、本発明は、円柱状の半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）が設けられ、前記凹部（９）の底面の中央部分にｎ面電極（３）が設けられていることを特徴とする半導体Ｘ線検出素子（１０）を提供する。
上記第１の観点による半導体Ｘ線検出素子（１０）では、凹部（９）を取り巻くように残っている半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）は、半導体タブレット（３０）の他方の底面からｎ面電極（３）よりも段差をもって離れている。このため、ドリフト層（１）を厚くしてドリフト層（１）が半導体タブレット（３０）の半径方向へ広がっても、凹部（９）を取り巻くように残っている半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）にまではドリフト層（１）が広がらない。よって、凹部（９）を取り巻くように残っている半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持することが出来るようになる（そうしてもリーク電流が増えるなどの不都合を生じなくなる。）。従って、金属製ピンを用いずに、例えばワイヤをｎ面電極（３）に接続できるようになり、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。
なお、十分な段差を得るために、凹部（９）の深さは０．５ｍｍ以上とするのが好ましい。

第２の観点では、本発明は、円柱状のｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）を設け、前記凹部（９）の底面にリチウムを拡散させたｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）を設け、逆バイアスを加えてｉ層（１）を形成し、さらに前記ｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）の面積を小さくしてｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）を形成することを特徴とする半導体Ｘ線検出素子の製造方法を提供する。
上記第２の観点による半導体Ｘ線検出素子の製造方法では、凹部（９）の底面の中央部分にｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）が設けるので、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）は、ｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）よりもｐ型半導体タブレット（３０）の他方の底面から段差をもって離れている。このため、ｉ層（１）を厚くしてｉ層（１）がｐ型半導体タブレット（３０）の半径方向へ広がっても、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）にまではｉ層（１）が広がらない。よって、凹部（９）を取り巻くように残っている半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持することが出来るようになる（そうしてもリーク電流が増えるなどの不都合を生じなくなる。）。従って、金属製ピンを用いずに、例えばワイヤをｎ面電極（３）に接続できるようになり、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。
さらに、面積を小さくする前のｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）で逆バイアスを加えるため速やかにｉ層（１）を形成できる上に、その後でｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）の面積を小さくするため、素子容量が小さくなり、高分解能を達成することが出来る。

第３の観点では、本発明は、円柱状のｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）が設けられ、前記凹部（９）の底面の中央部分にｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）が設けられ、前記ｐ型半導体タブレット（３０）はｉ層（１）の周りをｐ層（５）が取り巻く構造であり、前記凹部（９）を取り巻く底面であるリング状肩部（５ａ）および該リング状肩部（５ａ）の反対面に相当するリング状底部（５ｂ）の全部または一部はｐ層（５）であることを特徴とする半導体Ｘ線検出素子（１０）を提供する。
上記第３の観点による半導体Ｘ線検出素子（１０）では、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）は、半導体タブレット（３０）の他方の底面からｎ面電極（３）よりも段差をもって離れている。このため、ｉ層（１）を厚くしてｉ層（１）がｐ型半導体タブレット（３０）の半径方向へ広がっても、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）にまではｉ層（１）が広がらない。よって、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持することが出来るようになる（そうしてもリーク電流が増えるなどの不都合を生じなくなる。）。従って、金属製ピンを用いずに、例えばワイヤをｎ面電極（３）に接続できるようになり、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点による半導体Ｘ線検出素子（１０）の前記リング状肩部（５ａ）および前記リング状底部（５ｂ）のｐ層（５）の部分で前記半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持したことを特徴とする半導体Ｘ線検出用センサ（１００）を提供する。
上記第４の観点による半導体Ｘ線検出用センサ（１００）では、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持するので、金属製ピンを用いる必要がなくなり、例えばワイヤをｎ面電極（３）に接続できるようになる。よって、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による半導体Ｘ線検出用センサ（１００）において、前記半導体Ｘ線検出素子（１０）の前記ｎ面電極（３）にワイヤ（２１）を接続したことを特徴とする半導体Ｘ線検出用センサ（１００）を提供する。
上記第５の観点による半導体Ｘ線検出用センサ（１００）では、凹部（９）を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持し、金属製ピンを用いずにワイヤをｎ面電極（３）に接続する。この結果、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。

本発明の半導体Ｘ線検出素子によれば、円柱状の半導体タブレットの一方の底面の中央部分に円柱状の凹部を設け、その凹部の底面の中央部分にｎ面電極を設けているので、ドリフト層を厚くしても半導体タブレットのｎ面電極側の底面にまでドリフト層が広がることがなくなる。
本発明の半導体Ｘ線検出用センサによれば、凹部を取り巻くように残っているｐ型半導体タブレットの一方の底面を素子固定具で押して半導体Ｘ線検出素子を挟むように保持するので、金属製ピンを用いる必要がなくなり、例えばワイヤをｎ面電極に接続できるようになる。よって、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を解消できる。

実施例１に係る半導体Ｘ線検出素子を示す断面図である。実施例１に係る半導体Ｘ線検出素子の製造方法を示すフロー図である。ｐ型半導体タブレットの断面図である。凹部形成工程の前段を示す説明図である。凹部形成工程の後段を示す説明図である。ｎ＋層形成工程を示す説明図である。ｎ面電極形成工程の前段を示す説明図である。ｎ面電極形成工程の後段を示す説明図である。ｉ層形成工程の前段を示す説明図である。ｉ層形成工程の後段を示す説明図である。ｎ＋層とｎ面電極の面積縮小工程を示す説明図である。ｐ面電極（Ａｕ）形成工程を示す説明図である。入射窓形成工程を示す説明図である。ｐ面電極（Ｎｉ）形成工程を示す説明図である。保護膜形成工程を示す説明図である。実施例２に係る半導体Ｘ線検出用センサの要部を示す断面図である。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る半導体Ｘ線検出素子１０を示す断面図である。
この半導体Ｘ線検出素子１０は、円柱状のｐ型半導体タブレット３０の一方の底面の中央部分に設けられた円柱状の凹部９と、凹部９の底面の中央部分に設けられたｎ＋層２およびｎ面電極３と、ｐ型半導体タブレット３０の中心部に形成された略円柱状のｉ層１と、ｉ層１の周りを取り巻くｐ層５と、ｐ型半導体タブレット３０の一方の底面の中央部分に設けられたＸ線入射窓６と、Ｘ線入射窓６を取り巻く底面に形成されたｐ面リング電極４と、ｐ型半導体タブレット３０の一方の底面に形成されたｐ面電極７と、ｎ面電極３の部分を除く凹部９の表面を覆う保護膜８とを具備している。
なお、５ａは、凹部９を取り巻く底面であるリング状肩部である。また、５ｂは、リング状肩部５ａに対向するリング状底部である。

数値例を示すと、ｐ型半導体タブレット３０の直径は約１０ｍｍであり、ｐ型半導体タブレット３０の厚さは約４ｍｍであり、凹部９の直径は約７ｍｍであり、凹部９の深さは約１．１ｍｍであり、ｎ+層２およびｎ面電極３の直径は約１ｍｍであり、Ｘ線入射窓６の直径は約７ｍｍであり、Ｘ線入射窓６の深さは約０．１ｍｍである。

図２は、半導体Ｘ線検出素子１０を製造する過程を示すフロー図である。
ステップＳ１では、図３に示すごとき円柱体のｐ型半導体タブレット３０の上面に、図４に示すごとき円柱状の凹部９０を超音波加工で作る。凹部９０の直径は約５．８ｍｍであり、凹部９０の深さは約０．５ｍｍである。次いで、図５に示すように、弗硝酢酸でエッチングして凹部９０の表面の超音波によるダメージ層を除去し、凹部９を形成する。エッチングして除去する深さを例えば約０．３ｍｍとすると、凹部９の直径は約６．４ｍｍになり、凹部９の深さは約０．８ｍｍになる。なお、エッチングしたくない部分にはワックスなどを用いてマスクをしておく。
ｐ型半導体タブレット３０は、例えばｐ型Ｓｉウエハを半導体Ｘ線検出素子１０の外形（タブレット）にくり抜き、両底面を鏡面研磨したものである。

ステップＳ２では、凹部９の表面にＬｉを真空蒸着し、Ｌｉを熱拡散させて、図６に示すようにｎ⁺層９１を形成する。Ｌｉ拡散の深さは約０．１ｍｍである。その後、凹部９の表面に残った余分なＬｉを、弗硝酢酸でエッチングして、除去する。

ステップＳ３では、凹部９の表面に例えばＮｉとＡｕを連続した真空蒸着により、図７に示すようにｎ面電極９２を形成する。

ステップＳ４では、図８に示すように、凹部９の側面のｎ＋層９１およびｎ面電極９２を超音波加工により除去し、さらに弗硝酢酸でエッチングして超音波によるダメージ層を除去する。弗硝酢酸によるエッチングは例えば１０分間程度行う。エッチングして除去する深さを例えば約０．３ｍｍとすると、凹部９の直径は約７ｍｍになり、凹部９の深さは約１．１ｍｍになる。

ステップＳ５では、温度を上げながら逆バイアスを加えてＬｉをドリフトさせ、図９に示すようにほぼ円柱状（球から平行な２面を切り取った形状）のｉ層９３を形成する。ｉ層９３の周りにはｐ層５をドーナツ状に残す。

ステップＳ６では、ｉ層の露出面積が所望の面積になるようにｐ型半導体タブレット３０の底面を研磨し、図１０に示すようにｉ層１を形成する。例えば、ｉ層の露出面積が２０平方ｍｍになるようにｐ型半導体タブレット３０の底面を０．５ｍｍ程度研磨する。

ステップＳ７では、ｎ⁺層９１およびｎ面電極９２の周縁部分を超音波加工および弗硝酢酸エッチングにより除去し、図１１に示すように面積を小さくしたｎ⁺層２およびｎ面電極３を形成する。ｎ⁺層２およびｎ面電極３の小さくした面積は例えば３平方ｍｍとする。

ステップＳ８では、図１２に示すように、ｐ型半導体タブレット３０の底面にＡｕを真空蒸着し、ｐ面電極９４を形成する。

ステップＳ９では、図１３に示すように、例えばエッチングによりＸ線入射窓６を形成する。これにより、ｐ面電極９４は、ｐ面リング電極４になる。

ステップＳ１０では、図１４に示すように、ｐ型半導体タブレット３０の底面にＮｉを真空蒸着し、ｐ面電極７を形成する。

ステップＳ１１では、図１５示すように、例えばシリコン系樹脂を塗布し、保護膜８を形成する。

実施例１の半導体Ｘ線検出素子１０によれば、リング状肩部５ａは、半導体タブレット３０の他方の底面からｎ面電極３よりも段差をもって離れている。このため、ｉ層１を厚くしてｉ層１がｐ型半導体タブレット３０の半径方向へ広がっても、リング状肩部５ａにまではｉ層１が広がらなくなる。

−実施例２−
図１６は、実施例２に係る半導体Ｘ線検出用センサ１００の要部断面図である。
この半導体Ｘ線検出用センサ１００は、実施例１に係る半導体Ｘ線検出素子１のリング状底部５ｂをＢＮ素子ホルダ１１に当接し、リング状肩部５ａをＢＮ素子固定具１２で押して、ＢＮ素子固定具１２に内蔵されている金属リング１３によって挟むように半導体Ｘ線検出素子１０を保持すると共に、ｎ面電極３にＡｕワイヤ２１を接続してＦＥＴチップ２２への信号取出しを行った構成である。

実施例２に係る半導体Ｘ線検出用センサ１００によれば、Ａｕワイヤ２１をｎ面電極３に接続し、金属製ピンを用いないので、Ｘ線が金属製ピンに入射し、その部分で発生した金属ピンを構成する元素の特性Ｘ線が逆に半導体検出素子に入射することにより、検出したＸ線スペクトルに不純線が出てしまう問題点を生じなくなる。また、Ａｕワイヤ２１を接続しうる最小の面積にまでｎ面電極３の面積を小さくできるため、分解能を向上可能になる。

−実施例３−
高純度・高抵抗Ｓｉ結晶の円柱状のタブレットを用い、例えばボロンをタブレットの周面から拡散させてドーナツ状のｐ層５を形成し、ｐ層５で囲むように円柱状のｉ層１を残してもよい。

本発明の半導体Ｘ線検出素子および半導体Ｘ線検出用センサは、エネルギー分散型Ｘ線分析装置の検出器として利用することが出来る。

１ｉ層
２ｎ＋層
３ｎ面電極
４ｐ面リング電極
５ｐ層
５ａリング状肩部
５ｂリング状底部
６Ｘ線入射窓
７ｐ面電極
８保護膜
９凹部
１０半導体Ｘ線検出素子
１１ＢＮ素子ホルダ
１２ＢＮ素子固定具
１３金属リング
２１Ａｕワイヤ
１００半導体Ｘ線検出用センサ

Claims

円柱状の半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）が設けられ、前記凹部（９）の底面の中央部分にｎ面電極（３）が設けられており、前記凹部（９）を取り巻くように残っている半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）は半導体タブレット（３０）の他方の底面からｎ面電極（３）よりも段差をもって離れていて、前記半導体タブレット（３０）の一方の底面（５ａ）にまではドリフト層（１）が広がっていないことを特徴とする半導体Ｘ線検出素子（１０）。
円柱状のｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）を設け、前記凹部（９）の底面にリチウムを拡散させたｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）を設け、逆バイアスを加えてｉ層（１）を形成し、さらに前記ｎ＋層（９１）およびｎ面電極（９２）の面積を小さくしてｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）を形成することを特徴とする半導体Ｘ線検出素子の製造方法。
円柱状のｐ型半導体タブレット（３０）の一方の底面の中央部分に円柱状の凹部（９）が設けられ、前記凹部（９）の底面の中央部分にｎ＋層（２）およびｎ面電極（３）が設けられ、前記ｐ型半導体タブレット（３０）はｉ層（１）の周りをｐ層（５）が取り巻く構造であり、前記凹部（９）を取り巻く底面であるリング状肩部（５ａ）および該リング状肩部（５ａ）の反対面に相当するリング状底部（５ｂ）の全部または一部はｐ層（５）であり、前記リング状肩部（５ａ）はｐ型半導体タブレット（３０）の他方の底面からｎ面電極（３）よりも段差をもって離れていて、前記リング状肩部（５ａ）にまではｉ層（１）が広がっていないことを特徴とする半導体Ｘ線検出素子（１０）。
請求項３に記載の半導体Ｘ線検出素子（１０）の前記リング状肩部（５ａ）および前記リング状底部（５ｂ）のｐ層（５）の部分で前記半導体Ｘ線検出素子（１０）を挟むように保持したことを特徴とする半導体Ｘ線検出用センサ（１００）。
請求項４に記載の半導体Ｘ線検出用センサ（１００）において、前記半導体Ｘ線検出素子（１０）の前記ｎ面電極（３）にワイヤ（２１）を接続したことを特徴とする半導体Ｘ線検出用センサ（１００）。