CN1324714C - 半导体能束探测元件 - Google Patents

Abstract

光电二极管阵列(1)包括P⁺扩散层(4、5)和N⁺沟道阻挡层(6、7)以及N⁺扩散层(8)。P⁺扩散层(4、5)和N⁺沟道阻挡层(6、7)设置在半导体衬底(3)的背面一侧。N⁺沟道阻挡层(6)设置在相邻的P⁺扩散层(4、5)之间，具有网格状以隔离P⁺扩散层(4、5)。N⁺沟道阻挡层(7)在P⁺扩散层阵列的外侧与N⁺沟道阻挡层(6)接连起来被设置成框状。N⁺沟道阻挡层(7)的宽度被作成为比N⁺沟道阻挡层(6)的宽度宽。闪烁体光学性地连接到半导体衬底(3)的入射面上。

Description

半导体能束探测元件

技术领域

本发明涉及用来探测放射线等能束的半导体能束探测元件。

背景技术

作为该种半导体能束探测元件，例如人们知道在特开平5-150049号公报中公开的那种元件。在该特开平5-150049号公报中公开的半导体能束探测元件，具有N型硅晶片，在该硅晶片的表面上形成多个沟部，使之位于各个沟部的底部那样地形成P型扩散层。然后，在硅晶片的表面一侧形成由铝等的金属形成的电极，并电连到P型扩散层的一部分上。在背面一侧在整个面上形成由铝等的金属构成的电极。此外，使得插入到每个沟部内那样地固定闪烁体。

但是，在上述那样构成的半导体能束探测元件的情况下，由于在闪烁光(放射线)的入射面一侧(硅晶片的表面一侧)设置有电极，故在已设置有电极的部分处的闪烁光的探测是不可能的，在半导体能束探测元件中，要扩大可以探测闪烁光部分的面积存在着一个界限。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而发明的，课题是提供可以扩大能够探测能束的部分的面积的半导体能束探测元件。

为了解决上述课题，本发明的半导体能束探测元件它具备由第1导电类型的半导体构成的半导体衬底，上述半导体衬底具有入射规定波长区域的能束的入射面，在半导体衬底的入射面的背面一侧，设置有：由第2导电类型的半导体构成的第2导电类型的扩散层；由杂质浓度比半导体衬底还高的第1导电类型的半导体构成的第1导电类型的扩散层，其特征在于，上述第1导电类型的扩散层包围上述第2导电类型的扩散层的周围。

由于在半导体衬底的入射面的背面一侧，设置有第2导电类型的扩散层和第1导电类型的扩散层，故可以扩大能够探测能束的部分的面积而无须在半导体衬底的入射面一侧设置电极。

在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：在半导体衬底的入射面一侧光学性地连接有闪烁体。

由于在半导体衬底的入射面一侧光学性地连接有闪烁体，故可以扩大能够探测闪烁光的部分的面积。

在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：在半导体衬底内，在从半导体衬底的背面开始到入射面为止都已耗尽化的完全耗尽化状态下，在上述半导体衬底的端部存在从半导体衬底的背面开始到入射面为止未耗尽化的区域。

采用在半导体衬底内，在从半导体衬底的背面开始到入射面为止都已耗尽化的完全耗尽化状态中，当通过第1导电类型的扩散层加上偏置电压时，在第1导电类型的扩散层的下方相邻的耗尽层就会连起来，因而变得不能继续给第1导电类型的的扩散层加上偏置电压。但是，采用在半导体衬底内，在从半导体衬底的背面开始到入射面为止都已耗尽化的完全耗尽化状态中，设置从半导体衬底的背面开始到入射面为止未耗尽化的区域的办法，即便是在第1导电类型的扩散层的下方相邻的耗尽层连起来之后，仍可以继续通过从半导体衬底的背面开始到入射面为止未耗尽化的区域加上偏置电压，可以使半导体衬底的耗尽化进一步增加。其结果是在半导体能束探测元件中，可以抑制能束的探测灵敏度和应答速度的降低。

在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：第1导电类型的扩散层，包括设置在第2导电类型的扩散层之间，用来隔离第2导电类型的扩散层的第1部分第1导电类型的扩散层；在第2导电类型的扩散层阵列的外侧，设置宽度形成得比第1部分第1导电类型的扩散层还宽的第2部分第1导电类型的扩散层。

归因于第1导电类型的扩散层，包括设置在第2导电类型得扩散层之间，用来隔离第2导电类型的扩散层的第1部分第1导电类型的扩散层；在第2导电类型的扩散层阵列的外侧，设置宽度形成得比第1部分第1导电类型的扩散层还宽的第2部分第1导电类型的扩散层，就可以简易且以低造价实现可以设置在半导体衬底内，在从半导体衬底的背面开始到入射面为止都已耗尽化的完全耗尽化状态中，设置从半导体衬底的背面开始到入射面为止未耗尽化的区域的构成。

此外，在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第2部分第1导电类型的扩散层的宽度之和，被设定为与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第1部分第1导电类型的扩散层的宽度之和相等。

采用把与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第2部分第1导电类型的扩散层的宽度之和，被设定为与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第1部分第1导电类型的扩散层的宽度之和相等的办法，含有与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的单位区域的宽度，就变得和含有与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的单位区域的宽度相等。借助于此，特别是在并设多个设置有第2导电类型的扩散层和第1导电类型的扩散层的情况下，所有的单位区域的宽度都相等，因而可以进一步扩大能够探测能束的部分的面积。

此外，在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：第2部分第1导电类型的扩散层，设置在半导体衬底的端部。

采用半导体衬底的端部设置第2部分第1导电类型的扩散层的办法，在半导体能束探测元件中，结果就变成为在第2部分第1导电类型的扩散层的下方存在着不形成耗尽层的区域，就可以抑制归因于把耗尽层连接到半导体衬底的端部而产生的漏电流的增大。

此外，在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：第2导电类型的扩散层是以规定的间隔排列多个，在第2导电类型的扩散层之间，设置用来隔离第2导电类型的扩散层的第1部分第1导电类型的扩散层，在第2导电类型的扩散层阵列的外侧设置宽度形成得比第1部分第1导电类型的扩散层还宽的第2部分第1导电类型的扩散层。

由于在半导体衬底的入射面的背面一侧，设置第2导电类型的扩散层、第1部分第1导电类型的扩散层、和第2部分第1导电类型的扩散层，故可以扩大能够探测能束的部分的面积而不会在能束的入射面一侧产生因电极取出而形成的失效区域。

当通过第1导电类型的扩散层加上偏置电压时，在第1导电类型的扩散层的下方相邻的耗尽层就会连起来，因而变得不能继续给第1导电类型的扩散层加上偏置电压。但是，由于在半导体衬底的入射面的背面一侧，设置第2导电类型的扩散层、第1部分第1导电类型的扩散层、和第2部分第1导电类型的扩散层，故即便是在第1导电类型的扩散层的下方相邻的耗尽层连起来之后，仍可以继续通过从半导体衬底的背面开始到入射面为止未耗尽化的区域加上偏置电压，可以使半导体衬底的耗尽化进一步发展。其结果是在半导体能束探测元件中，可以抑制能束的探测灵敏度和应答速度的降低。

此外，在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第2部分第1导电类型的扩散层的宽度之和，被设定为与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第1部分第1导电类型的扩散层的宽度之和相等。

采用把与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第2部分第1导电类型的扩散层的宽度之和，被设定为与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的宽度及第1部分第1导电类型的扩散层的宽度之和相等的办法，含有与第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的单位区域的宽度，就变得和含有与第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的单位区域的宽度相等。借助于此，特别是在并设多个设置有第2导电类型的扩散层和第1导电类型的扩散层的情况下，所有的单位区域的宽度都相等，因而可以进一步扩大能够探测能束的部分的面积。

此外，在本发明的半导体能束探测元件中，其特征还在于：第2部分第1导电类型的扩散层，设置在半导体衬底的端部。

采用半导体衬底的端部设置第2部分第1导电类型的扩散层的办法，在半导体能束探测元件中，结果就变成为在第2部分第1导电类型的扩散层的下方存在着不形成耗尽层的区域，就可以抑制归因于把耗尽层连接到半导体衬底的端部而产生的漏电流的增大。

附图说明

图1的斜视图示出了能束探测元件。

图2的平面图示出了含于能束探测元件内的背面入射式的光电二极管阵列。

图3的概略图示出了含于能束探测元件内的背面入射式的光电二极管阵列的剖面构造。

图4的概略图示出了含于能束探测元件内的背面入射式的光电二极管阵列的剖面构造。

图5的概略图示出了含于能束探测元件内的背面入射式的光电二极管阵列的剖面构造。

图6的平面图示出了把含于能束探测元件内的背面入射式的光电二极管阵列矩阵状地并列排列起来的状态。

具体实施方式

参看附图对本发明实施形态的能束探测元件进行说明。另外，在各个图中，决定对于同一要素或具有同一功能的要素使用同一标号，省略重复的说明。

能束探测元件R，如图1所示，具有光电二极管阵列1和闪烁体2，作为放射线探测器发挥作用。闪烁体2构成为光学连接到光电二极管阵列1的一面(入射面)，在放射线入射到闪烁体2上时产生的闪烁光向光电二极管阵列1入射。另外，也可以作成为使得在闪烁体2放射线入射的面上，蒸镀上Al、Cr等，形成透过入射进来的放射线，反射来自闪烁体2的闪烁光的反射膜。

其次，根据图2和图3对光电二极管阵列1的构成进行说明。在本实施形态中，作为光电二极管阵列1使用光电二极管个数为25(5×5)的完全耗尽型背面入射式光电二极管阵列。

背面入射式的光电二极管阵列1，如图2和图3所示，具备半导体衬底3，在该半导体衬底3上形成有光电二极管阵列。半导体衬底3由晶片厚度0.3mm，电阻率5kΩ·cm的高阻N型硅衬底构成。

光电二极管阵列1，包括：作为第2导电类型的扩散层的P⁺扩散层4、5，作为第1部分第1导电类型的扩散层的N⁺沟道阻挡层6，作为第2部分第1导电类型的扩散层的N⁺沟道阻挡层7，N⁺扩散层8，由铝等形成的布线9，和AR(反射防止)涂敷层10。P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6、7，设置在闪烁光从闪烁体2入射进来的半导体衬底3的入射面的背面一侧。N⁺扩散层8设置在闪烁光从闪烁体2入射进来的半导体衬底3的入射面一侧，在该N⁺扩散层8的外侧设置AR(反射防止)涂敷层10。N⁺扩散层8由杂质浓度比半导体衬底3高的第1导电类型的半导体构成，其表面浓度被作成为1.0×10¹⁹cm^-3左右。闪烁体2光学性地连接到与半导体衬底3的设置有P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6、7的面相反的背面(入射面)上。

P⁺扩散层4、5表面浓度被作成为1.0×10²⁰cm^-3左右，隔以规定的间隔(在本实施形态中，约为500微米)排列5×5(25)个。

N⁺沟道阻挡层6由杂质浓度比半导体衬底3高的第1导电类型的半导体构成，N⁺沟道阻挡层6的表面浓度，被作成为1.0×10¹⁹cm^-3左右。此外，N⁺沟道阻挡层6设置在相邻的P⁺扩散层4、5之间，使得对P⁺扩散层4、5进行隔离那样地呈现网格状。P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6之间的间隔，被作成为大约150微米左右。N⁺沟道阻挡层6的宽度被设定为约200微米左右。

N⁺沟道阻挡层7由杂质浓度比半导体衬底3高的第1导电类型的半导体构成，N⁺沟道阻挡层7的表面浓度，被作成为1.0×10¹⁹cm^-3左右。此外，N⁺沟道阻挡层7设置在P⁺扩散层4、5阵列的外侧，与N⁺沟道阻挡层6接连起来设置成框状。P⁺扩散层5和N⁺沟道阻挡层7之间的间隔，被作成为大约300微米左右。从包含于N⁺沟道阻挡层7的P⁺扩散层5到半导体衬底3端部的距离为900微米左右。N⁺沟道阻挡层7的宽度被设定为约600微米左右，N⁺沟道阻挡层7被作成为宽度比N⁺沟道阻挡层6宽。

与N⁺沟道阻挡层7相邻的P⁺扩散层5，和与N⁺沟道阻挡层7不相邻的P⁺扩散层4比较，其宽度被设定得短。与N⁺沟道阻挡层7相邻的P⁺扩散层5的宽度，和N⁺沟道阻挡层7的宽度之和，被设定为跟与N⁺沟道阻挡层7不相邻的P⁺扩散层4和N⁺沟道阻挡层6的宽度之和相等。借助于此，尽管P⁺扩散层5的面积比P⁺扩散层4的面积小，包括P⁺扩散层5在内的光电二极管单位单元(单位区域)的宽度与包括P⁺扩散层4在内的光电二极管单位单元(单位区域)的宽度变成为相等，光电二极管阵列1中的光电二极管单位单元(单位区域)的面积变成为全都相等。

在电连到每一个P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6、7上的各个布线9上边，形成有突点11。P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6、7的电连，在半导体衬底3的与入射面相反的背面一侧进行。突点11借助于输出读出电路(未画出来)和倒扣芯片键合技术进行连接。

其次，根据图4和图5对上述构成的光电二极管阵列1的动作进行说明。

首先，在给N⁺沟道阻挡层6、7加上正的偏置电压使用光电二极管阵列1的情况下，在半导体衬底3上形成与偏置电压的大小对应的耗尽层12。在光电二极管阵列1中，当通过N⁺沟道阻挡层6、7加上偏置电压时，在加上了完全耗尽化的途中的100V左右的状态下，如图4所示，在N⁺沟道阻挡层6的下方相邻的耗尽层12彼此间连起来，变成为给N⁺沟道阻挡层6不能加上上边所说的100V以上的偏置电压的状态。另外，在使用与半导体衬底3同一电阻率5kΩ·cm的高阻N型硅衬底的PIN型光电二极管中，通常采用加上110V到120V左右的偏置电压的办法，就可以实现完全耗尽化。

但是，由于宽度比N⁺沟道阻挡层6还宽的N⁺沟道阻挡层7在P⁺扩散层4、5阵列的外侧被设置为与N⁺沟道阻挡层6连接，故在N⁺沟道阻挡层7的下方在与一直到半导体衬底3的入射面一侧为止之间，作为未耗尽化的区域存在着未形成耗尽层12的区域13。因此，由于在N⁺沟道阻挡层7的下方在与一直到半导体衬底3的入射面一侧为止之间，设置有未耗尽化的区域存在着未形成耗尽层12的区域13，故即便是在N⁺沟道阻挡层6的下方相邻的耗尽层12彼此间连起来之后，由于可以通过N⁺沟道阻挡层7给N⁺扩散层8加上偏置电压，故可以进一步推进半导体衬底3内的耗尽化。

由于即便是耗尽层12达到了N⁺扩散层8后仍可以继续施加偏置电压，故可以减小或消除N⁺沟道阻挡层6下方的失效区域(耗尽层12)。归因于施加200V左右的偏置电压，如图5所示，结果就变成为耗尽层12扩展到半导体衬底3的整个入射面(N⁺扩散层8)，半导体衬底3变成为完全耗尽化的状态。在半导体衬底3已完全耗尽化的状态下，如图5所示，结果就变成为在N⁺沟道阻挡层7的下方，在与一直到半导体衬底3的入射面位置之间设置未形成耗尽层12的区域13。

在耗尽层12已到达半导体衬底3的N⁺扩散层8的状态下，当闪烁光从闪烁体2向半导体衬底3的入射面入射时，就可以高速地探测在光电二极管阵列1中，在耗尽层12内发生的光电流。此外，由于含有P⁺扩散层4、5的光电二极管单位单元被配设为矩阵状(多沟道化)，故结果就变成为在光电二极管阵列1中也可以探测闪烁光的入射位置。

当耗尽层12连到半导体衬底3的端部上时，结果变成为漏电流增大。但是，由于把N⁺沟道阻挡层7的宽度作成为比N⁺沟道阻挡层6的宽度宽，故结果就变成为在N⁺沟道阻挡层7的下方存在着未形成耗尽层12的区域13。借助于此，在半导体衬底3的端部中就可以抑制漏电流的增大。

如上所述，在能束探测元件R中，具有光电二极管阵列1和闪烁体2，在光电二极管阵列1中的与半导体衬底3的入射面相反的背面一侧，设置P⁺扩散层4、5和N⁺沟道阻挡层6、7。闪烁体2被光学性地连接到半导体衬底3的入射面一侧上。如上所述，由于在半导体衬底3的入射面一侧不设置电极，故可以扩大作为可以探测放射线的部分的面积而不会发生因取出电极而产生的失效区域。

此外，由于在半导体衬底3的入射面一侧不设置电极，故可以使半导体衬底3的入射面一侧平坦化，可以容易地光学性连接闪烁体2。

当通过N⁺沟道阻挡层6施加偏置电压时，在N⁺沟道阻挡层6的下方相邻的耗尽层12就会连起来，变得不能给N⁺沟道阻挡层6施加更大的偏置电压。但是，由于在光电二极管阵列1的半导体衬底3上设置有N⁺沟道阻挡层7，结果就变成为在N⁺沟道阻挡层7的下方一直到与半导体衬底3的入射面一侧为止之间都设置未形成耗尽层12的区域13。借助于此，即便是在N⁺沟道阻挡层6的下方相邻的耗尽层12彼此间连起来之后，也可以通过N⁺沟道阻挡层7继续给N⁺扩散层8加上偏置电压，故可以进一步推进半导体衬底3内的耗尽化，半导体衬底3的完全耗尽化成为可能。其结果是在光电二极管阵列1中，可以抑制能束的探测灵敏度和应答速度的降低。

此外，由于在P⁺扩散层4、5的外侧设置宽度比N⁺沟道阻挡层6的宽度还宽的N⁺沟道阻挡层7，故在从设置了N⁺沟道阻挡层6、7的面到入射面之间的半导体衬底3的部分中，可以设置未形成耗尽层12的区域13，结果是可以简易且低价格地实现可以得到未形成耗尽层12的区域13的构成。

另外，光电二极管阵列1，可以在耗尽层12已基本上扩展到整个半导体衬底3的入射面(N⁺扩散层8)上的完全耗尽化的状态下使用。在该完全耗尽化的状态下，耗尽层12在N⁺沟道阻挡层6的下方已完全连起来，耗尽层12的边缘一直达到了半导体衬底3的端部附近。一直到该半导体衬底3的端部附近的耗尽层12的扩展，由于可以借助于要施加的偏置电压进行调节，故即便是减小P⁺扩散层5也可以使耗尽层12一直扩展到半导体衬底3的端部附近。借助于此，结果就变成为即便是在把P⁺扩散层5的宽度(面积)设定得比P⁺扩散层4的宽度还小的情况下，在耗尽层12中发生的载流子仍可以收集到P⁺扩散层5内。结果是可以抑制光电二极管阵列1的有效区域的减少，可以抑制对光电二极管阵列1的闪烁体光的受光灵敏度施加的影响。

此外，光电二极管阵列1，如图6所示，也可以把多个光电二极管阵列1并设成矩阵状地使用。

采用把与N⁺沟道阻挡层7相邻的P⁺扩散层5的宽度和N⁺沟道阻挡层7的宽度之和，设定为与N⁺沟道阻挡层7不相邻的P⁺扩散层4的宽度和N⁺沟道阻挡层6的宽度之和相等的办法，如图6所示，就变成为含有P⁺扩散层5的光电二极管单位单元(单位区域)的宽度a与含有P⁺扩散层4的光电二极管单位单元(单位区域)的宽度a相等。借助于此，光电二极管阵列1中的光电二极管单位单元(单位区域)的面积全都变成为相等。结果是在矩阵状地配设多个光电二极管阵列1的情况下，就可以大面积地容易地探测能束，同时，还可以准确地探测能束的入射位置。

另外，N⁺沟道阻挡层7也可以设置在任何一个N⁺沟道阻挡层6的位置(光电二极管单位单元间的位置)上而并非一定要设置在半导体衬底3的端部不可。但是，N⁺沟道阻挡层7的下方的区域13由于未耗尽化，故结果变成为在光电二极管阵列1的光电二极管单位单元之间存在着失效区域。因此，为了避免在光电二极管阵列1的光电二极管单位单元之间存在失效区域和在半导体衬底3的端部处发生漏电流这2个现象的发生，理想的是把N⁺沟道阻挡层7设置在半导体衬底3的端部。

本发明并不限定于上边所说的实施形态，也可以适宜变更上边所说的数值等进行设定。此外，也可以把本发明应用于放射线探测器以外的各种半导体能束探测元件。

本发明可以在放射线探测器等的半导体能束探测元件中利用。

Claims (5)

1.一种半导体能束探测元件，其特征在于，

具备由第1导电类型的半导体构成的半导体衬底，

上述半导体衬底具有入射规定波长区域的能束的入射面，

在与上述半导体衬底的上述入射面相反的背面一侧，设置有由第2导电类型的半导体构成的多个第2导电类型的扩散层；和由杂质浓度比上述半导体衬底高的第1导电类型的半导体构成的第1导电类型的扩散层；

上述第1导电类型的扩散层，包含，

设置在所述第2导电类型的扩散层之间，用于分离所述第2导电类型的扩散层的第1部分的第1导电类型的扩散层，和

设置在所述第2导电类型的扩散层排列的外侧，宽于所述第1部分的第1导电类型的扩散层而形成的第2部分的第1导电类型的扩散层。

2.根据权利要求1所述的半导体能束探测元件，其特征在于：在上述半导体衬底的上述入射面一侧光学性地连接有闪烁体。

3.根据权利要求1所述的半导体能束探测元件，其特征在于：在上述半导体衬底内，在相对于上述半导体衬底的上述入射面从上述背面开始到上述入射面为止都已耗尽化的完全耗尽化状态下，在上述半导体衬底的端部存在相对于上述半导体衬底的上述入射面从上述背面开始到上述入射面为止未耗尽化的区域。

4.根据权利要求1所述的半导体能束探测元件，其特征在于：与上述第2部分第1导电类型的扩散层相邻的第2导电类型的扩散层的宽度和上述第2部分第1导电类型的扩散层的宽度之和，被设定为与上述第2部分第1导电类型的扩散层不相邻的第2导电类型的扩散层的宽度和上述第1部分第1导电类型的扩散层的宽度之和相等。

5.根据权利要求1所述的半导体能束探测元件，其特征在于：上述第2部分第1导电类型的扩散层设置在上述半导体衬底的端部。

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