JP6493158B2 - Ｘ線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムドリフト領域を有するＸ線検出器に関する。

物質から放出される物質固有のＸ線、γ線、紫外線、赤外線、可視光線などの放射線を分析するために、放射線を検出する検出器が用いられている。例えばＸ線の検出には、シリコン（Ｓｉ）基板にリチウム（Ｌｉ）をドリフトさせたリチウムドリフト領域を有するＸ線検出器（以下において、「Ｓｉ（Ｌｉ）検出器」という。）が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。Ｓｉ（Ｌｉ）検出器は、ｐ型半導体領域、リチウムドリフト領域及びｎ型半導体領域により形成されるｐ−ｉ−ｎ接合を有する半導体積層体を有する。

Ｓｉ（Ｌｉ）検出器の半導体積層体のｎ型半導体領域が露出する端面に、ｎ側電極が配置される。一方、リチウムドリフト領域とｐ型半導体領域が露出する半導体積層体の他方の端面に、ｐ側電極が配置される。Ｓｉ（Ｌｉ）検出器では、リチウムドリフト領域とｐ側電極との接合面に形成されるショットキー接合の界面状態を改善するために、リチウムドリフト領域の露出面をエッチングすることが行われてきた（例えば、非特許文献１参照。）。

特許第４３５６４４５号

T. Aramaki等、「Antideuterons as an Indirect Dark Matter Signature:Si(Li) Detector Development and a GAPS Balloon Mission」、Advances in Space Research 46 (2010)、p.1349-1353

Ｘ線検出器によって得られる試料のスペクトル特性では、通常、試料の特性Ｘ線を示す単一のピークが表れる。しかしながら、Ｓｉ（Ｌｉ）検出器により得られた試料のスペクトル特性では複数のピークが表れることがあった。このため、正確な測定に支障をきたす問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、リチウムドリフト領域を含むＳｉ（Ｌｉ）検出器であって、単一の特性Ｘ線スペクトルが得られるＸ線検出器を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（ア）ｐ型半導体領域、ｐ型半導体領域と下部の側面が接するリチウムドリフト領域、及びリチウムドリフト領域の上面に積層されたｎ型半導体領域によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成された半導体積層体と、（イ）半導体積層体の下面に互いに隣接して露出するｐ型半導体領域の露出面とリチウムドリフト領域の露出面に連続して配置されたｐ側電極と、（ウ）ｎ型半導体領域の上面に配置されたｎ側電極とを備え、半導体積層体の下面が、ｐ型半導体領域とリチウムドリフト領域の全面に亘って平坦であり、且つ、ｐ型半導体領域に配置されたｐ側電極であるリング電極のｐ型半導体領域に接する面に対向する表面と、リチウムドリフト領域に配置されたｐ側電極でるウィンドウ電極のリチウムドリフト領域に接する面に対向する表面とが、同一平面レベルに位置するＸ線検出器が提供される。

本発明によれば、リチウムドリフト領域を含むＳｉ（Ｌｉ）検出器であって、単一の特性Ｘ線スペクトルが得られるＸ線検出器を提供できる。

本発明の実施形態に係るＸ線検出器の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器のｐ側電極方向から見た平面図である。 比較例のＸ線検出器の構成を示す模式的な断面図である。 比較例のＸ線検出器のｐ側電極を示す模式図である。 セグメント化されていない比較例のＸ線検出器によって得られるスペクトル特性を示すグラフである。 セグメント化された比較例のＸ線検出器によって得られるスペクトル特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器のｐ側電極を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器とセグメント化されていない比較例のＸ線検出器によってそれぞれ得られるスペクトル特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器をセグメント化させた場合のスペクトル特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その１）。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その２）。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その３）。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その４）。 本発明の実施形態に係るＸ線検出器の製造方法を説明するための模式的な断面図である（その５）。 本発明の実施形態の変形例に係るＸ線検出器のｐ側電極の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態の変形例に係るＸ線検出器のｐ側電極の他の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものである。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係るＸ線検出器１は、図１に示すように、ｐ型半導体領域１１、リチウムドリフト領域１２及びｎ型半導体領域１３によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成された半導体積層体１０を備える。更に、Ｘ線検出器１は、半導体積層体１０の下面に互いに隣接して露出するｐ型半導体領域１１の露出面とリチウムドリフト領域１２の露出面に連続して配置されたｐ側電極２０と、ｎ型半導体領域１３の上面に配置されたｎ側電極３０とを備える。

図１に示すように、リチウムドリフト領域１２の下部の側面がｐ型半導体領域１１と接している。また、ｎ型半導体領域１３がリチウムドリフト領域１２の上面に積層されている。Ｘ線検出器１は平面視で円形状であり、半導体積層体１０の下面の中央領域に露出するリチウムドリフト領域１２の露出面の周囲に、ｐ型半導体領域１１の露出面が配置されている。

図１に示したＸ線検出器１は、ｐ型半導体領域１１としてｐ型Ｓｉ層、リチウムドリフト領域１２としてシリコン基板にリチウムをドリフトさせたリチウムドリフト層、ｎ型半導体領域１３として高濃度ｎ⁺層のＬｉ拡散層を使用したＳｉ（Ｌｉ）検出器である。

Ｘ線検出器１では、半導体積層体１０の下面が、ｐ型半導体領域１１とリチウムドリフト領域１２の全面に亘って平坦である。この平坦な半導体積層体１０の下面と接して、ｐ側電極２０が、ｐ型半導体領域１１の露出面とリチウムドリフト領域１２の露出面に連続して配置されている。ｐ側電極２０は、リチウムドリフト領域１２の露出面に配置されたウィンドウ電極２１と、ｐ型半導体領域１１の露出面に配置されたリング電極２２とを有する。

図２示すように、ｐ側電極２０の中央領域に円形状のウィンドウ電極２１が形成され、ウィンドウ電極２１の周囲に円環形状のリング電極２２が形成されている。なお、図１は図２のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。検出対象のＸ線は、ウィンドウ電極２１から入射する。リング電極２２は、検出対象のＸ線が照射されない領域である。例えば、照射領域以外を遮蔽するコリメータ（図示略）によってリング電極２２が覆われる。

Ｘ線検出器１では、ｎ側電極３０とｐ側電極２０との間に高電圧を印加することにより、ウィンドウ電極２１から入射したＸ線がリチウムドリフト領域１２で吸収される。リチウムドリフト領域１２で吸収されたＸ線は、電子と正孔として電荷の形でリング電極２２とｎ側電極３０で取り出され、外部に電流パルスとして検出される。このように、Ｘ線検出器１は、照射されたＸ線のエネルギーを電気信号に変換する半導体検出器である。なお、図１に示したＸ線検出器１はトップハット型であり、ｎ側電極３０、ｎ型半導体領域１３及びｎ型半導体領域１３から連続的に構成されるリチウムドリフト領域１２の大部分の上部構造物の外縁部が、ｐ型半導体領域１１やｐ側電極２０の外縁部よりも内側に位置する。

なお、図１に示すように、トップハット型を形成するための溝４０の外側に外縁部を残すように、半導体積層体１０を形成してもよい。外縁部を残すことにより、例えば外縁部の外側からＸ線検出器１を挟んで保持することによって移動が容易になるなどの利点がある。

従来、図３に示す比較例のＸ線検出器１Ａのように、半導体積層体１０の下面においてリチウムドリフト領域１２の露出した領域の表面がエッチングされている。これは、検出対象のＸ線に対する有感領域であるリチウムドリフト領域１２とｐ側電極２０との接合面に形成されるショットキー接合の界面状態を改善するためである。一方、ｐ型半導体領域１１の露出面はエッチングされない。

このため、リチウムドリフト領域１２の露出面が、周囲のｐ型半導体領域１１の露出面よりも凹んだ構造である。このように、リチウムドリフト領域１２が露出した領域のみについて半導体積層体１０の下面をエッチングする比較例の構造では、薄くした中央領域とその周囲の領域との間で半導体積層体１０の下面に段差が生じる。これに加え、ウィンドウ電極２１の膜厚は、Ｘ線の吸収が少ないように２０ｎｍ〜４０ｎｍと非常に薄く形成される。このため、例えば図４に示すように、ｐ側電極２０が、リチウムドリフト領域の露出面とｐ型半導体領域１１の露出面との境界に生じる段差で分離されてしまう。つまり、ウィンドウ電極２１とリング電極２２とが分離される。なお、ウィンドウ電極２１は例えば膜厚２０ｎｍ程度のニッケル（Ｎｉ）膜２０１であり、リング電極２２は例えば膜厚２００ｎｍの金（Ａｕ）膜２０２と膜厚２０ｎｍ程度のＮｉ膜２０１を積層した構造である。

図４に示したようにｐ側電極２０が分離されることを、以下において「セグメント化」という。セグメント化されたＸ線検出器を用いた解析では、以下に説明するように、本来は単一のピークが表れるスペクトル特性に複数のピークが発生するという問題が生じる。

図３に示した比較例のＸ線検出器１Ａを使用して、アンチモン（Ｓｂ）の試料についての解析結果であるスペクトル特性を、図５と図６に示す。ここで「スペクトル特性」とは、検出された電荷の個数をエネルギーの大きさごとに集計した特性であり、横軸がエネルギーのチャンネル、縦軸が集計された個数に対応するＸ線の強度である。

図５は、セグメント化されていないＸ線検出器１Ａを使用した解析結果であり、ＳｂＫａのピークを示す単一のメインピークＰ１が表れている。一方、図６にセグメント化されたＸ線検出器１Ａを使用した解析結果を示す。図６に示すように、メインピークＰ１以外のピークとして、ＳｂＫａピークの分裂ピークＰ２、分裂ピークＰ３がスペクトル特性に表れている。

上記の現象、即ち、ｐ側電極２０がセグメント化されていない場合にはメインピークのみが表れ、セグメント化された場合にメインピーク以外にも分裂ピークが表れる現象は、本発明者らが鋭意研究を重ねて得られた新たな知見である。この新たな知見が得られるまでは、完成したＸ線検出器を使用したＸ線解析の結果を確認した後、スペクトル特性に分裂ピークが表れるＸ線検出器を不良品として廃棄する必要があった。このため、製造コストが高かった。

また、本発明者らが上記の新たな知見を得る前は、単一ピークが得られる正常品が経時変化によって分裂ピークが発生する不良品になる可能性などが検討されていた。しかし、スペクトル特性に分裂ピークが発生する原因がｐ側電極２０のセグメント化であることが見出されたことにより、経時変化が原因でないことを明確にすることができた。

図１に示したＸ線検出器１では、半導体積層体１０の下面がｐ型半導体領域１１とリチウムドリフト領域１２の全面に亘って平坦である。このため、図７に示すように、リング電極２２とウィンドウ電極２１とが分離されるセグメント化が生じない。図７に示した例は、リング電極２２とウィンドウ電極２１が同一構成であり、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉ膜２０１と膜厚２００ｎｍのＡｕ膜２０２を積層した構造である。

Ｘ線検出器１を使用して得られた酸化マンガン（ＭｎＯ）の試料についての解析結果であるスペクトル特性を、図８に特性Ｓ１として示す。特性Ｓ１には、ＭｎＯのピークを示す単一のメインピークＰ１が表れている。比較のため、セグメント化されていない図３に示した比較例のＸ線検出器１Ａを使用して得られた同一試料のスペクトル特性を図８に特性Ｓ２０として示す。特性Ｓ１と特性Ｓ２０のピークは一致する。つまり、リチウムドリフト領域１２の露出面をエッチングしないＸ線検出器１によっても、比較例と同等のスペクトル特性が得られている。

一方、Ｘ線検出器１を使用してセグメント化の影響を調べた結果を図９に示す。図９の特性Ｓ１はＸ線検出器１を使用して得られたＭｎＯのスペクトル特性である。図９の特性Ｓ２１は、ｐ側電極２０をリチウムドリフト領域１２に配置された領域とｐ型半導体領域１１に配置された領域とに分離してセグメント化させたＸ線検出器１を使用して得られたＭｎＯのスペクトル特性である。このセグメント化は、半導体積層体１０の下面の全面に亘って連続的に形成したｐ側電極２０の一部をリング状に削除することによって行った。特性Ｓ１では単一のメインピークＰ１が表れているのに対し、セグメント化させた場合の特性Ｓ２１では複数のピークが表れている。なお、本発明者らは、セグメント化されたｐ側電極２０を金属膜で連結することによって、スペクトル特性に表れるピークが単一になることを確認した。

以上に説明したように、スペクトル特性に複数のピークが表れる現象は、電極のセグメント化に起因することが本発明者らによって見出された。図１に示したＸ線検出器１では、リチウムドリフト領域１２の露出面のみをエッチングすることなく、ｐ型半導体領域１１の露出面とリチウムドリフト領域１２の露出面とが全面に亘って平坦である。このため、リング電極２２とウィンドウ電極２１とが分離することなく、セグメント化が生じない。その結果、スペクトルピークが分裂するＸ線検出器が製造されることを防ぐことができる。このように、本発明の実施形態に係るＸ線検出器１によれば、リチウムドリフト領域１２を含むＳｉ（Ｌｉ）検出器であって、単一の特性Ｘ線スペクトルが得られるＸ線検出器を提供することができる。

図面を参照して、図１に示したＸ線検出器１の製造方法の例を以下に説明する。なお、以下に述べるＸ線検出器１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることはもちろんである。

まず、図１０に示すように、ｐ型Ｓｉ基板１００の上面にＬｉ膜２００を蒸着する。次いで、Ｌｉ膜２００のＬｉを熱拡散させて、図１１に示すように、ｎ型半導体領域１３（リチウム拡散層）を形成する。その後、Ｌｉ膜２００を除去し、図１２に示すようにｎ側電極３０をｎ型半導体領域１３上に形成する。例えば、ニッケル（Ｎｉ）膜／金（Ａｕ）膜をｎ型半導体領域１３の上面に蒸着する。

次に、トップハット型のための加工を行う。即ち、図１３に示すように、ｎ側電極３０、ｎ型半導体領域１３及びｐ型Ｓｉ基板１００の上部の一部について外周領域に超音波研削加工などによって溝４０を形成する。溝４０よりも外側の領域については、ｐ型Ｓｉ基板１００のみを残す。

その後、ｎ型半導体領域１３とｐ型Ｓｉ基板１００の底面との間に電界を印加してＬｉをドリフトさせ、リチウムドリフト領域１２を形成する。図１４に示すように、ｐ型Ｓｉ基板１００の中央領域は下面までＬｉがドリフトされてリチウムドリフト領域１２が形成され、Ｌｉがドリフトされないｐ型Ｓｉ基板１００の下部の周囲がｐ型半導体領域１１として残る。このように、トップハット型を採用することによって、ｐ型Ｓｉ基板１００のリチウムドリフト領域１２が形成された領域の残余の領域をｐ型半導体領域１１とする。

ｐ型半導体領域１１の下面とリチウムドリフト領域１２の下面をエッチングにより表面処理する。これにより、下面を滑らかに仕上げると共に、リチウムドリフト領域１２とウィンドウ電極２１との接合面に形成されるショットキー接合の界面状態を改善する。この表面処理した下面にｐ側電極２０を形成することにより、図１に示したＸ線検出器１が完成する。ｐ側電極２０には、例えばニッケル（Ｎｉ）膜／金（Ａｕ）膜を使用する。

＜変形例＞
外部との電気接続のためにボンディングワイヤなどが配置されるリング電極２２には、一定の膜厚が必要である。一方、Ｘ線が入射されるウィンドウ電極２１の膜厚は薄いことが好ましい。このため、ウィンドウ電極２１の膜厚をリング電極２２の膜厚よりも薄くしてもよい。例えば、図１５に示すように、ウィンドウ電極２１を膜厚２０ｎｍ程度のＮｉ膜２０１で形成する。一方、リング電極２２を、ｐ型半導体領域１１に接して形成した膜厚２０ｎｍ程度のＮｉ膜２０１の上に膜厚２００ｎｍ程度のＡｕ膜２０２を積層して形成する。これにより、ウィンドウ電極２１でのＸ線の吸収が抑制され、低エネルギーのＸ線の検出感度を向上させることができる。

なお、図１６に示すように、Ａｕ膜２０２とＮｉ膜２０１の形成する順序を図１５に示した構造と逆にしてもよい。つまり、リング電極２２は、ｐ型半導体領域１１に接して形成したＡｕ膜２０２の上にＮｉ膜２０１を積層した構造を採用可能である。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、トップハット型を形成するための溝４０の外側に外縁部を残す構造を示したが、溝４０の外側に半導体領域を残さずにリチウムドリフト領域１２やｎ型半導体領域１３の側面を外部に露出させてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…Ｘ線検出器
１０…半導体積層体
１１…ｐ型半導体領域
１２…リチウムドリフト領域
１３…ｎ型半導体領域
２０…ｐ側電極
２１…ウィンドウ電極
２２…リング電極
３０…ｎ側電極

Claims (2)

1. ｐ型半導体領域、前記ｐ型半導体領域と下部の側面が接するリチウムドリフト領域、及び前記リチウムドリフト領域の上面に積層されたｎ型半導体領域によってｐ−ｉ−ｎ接合が形成された半導体積層体と、
   前記半導体積層体の下面に互いに隣接して露出する前記ｐ型半導体領域の露出面と前記リチウムドリフト領域の露出面に連続して配置されたｐ側電極と、
   前記ｎ型半導体領域の上面に配置されたｎ側電極と
   を備え、前記半導体積層体の前記下面が、前記ｐ型半導体領域と前記リチウムドリフト領域の全面に亘って平坦であり、且つ、前記ｐ型半導体領域に配置された前記ｐ側電極であるリング電極の前記ｐ型半導体領域に接する面に対向する表面と、前記リチウムドリフト領域に配置された前記ｐ側電極であるウィンドウ電極の前記リチウムドリフト領域に接する面に対向する表面とが、同一平面レベルに位置することを特徴とするＸ線検出器。
2. 前記ｐ側電極が平面視で円形状であり、
   前記ｐ側電極が、前記リチウムドリフト領域の前記露出面に配置された平面視で円形状のウィンドウ電極と、前記ウィンドウ電極の周囲で前記ｐ型半導体領域の前記露出面に配置された平面視で円環形状のリング電極とを有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。

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