JP2002311146A - 高エネルギー線検出器及び装置 - Google Patents
高エネルギー線検出器及び装置Info
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Abstract
検出器及び高エネルギー線検出装置を提供する。 【解決手段】 この検出器PD1は、高エネルギー線の
入射に応答してキャリアを発生する半導体基板1sを備
え、半導体基板1sの一方面(第1表面とする)側にキ
ャリアを収集するためのアノード電極1a及びカソード
電極1cを配置し、これらの電極1a,1cの一方を半
導体基板1sを貫通する導電体CDTを介して半導体基
板1sの他方面(第2表面とする)側に接続してなる。
半導体基板1sは高エネルギー線の入射に応答してキャ
リア(電子・正孔)を発生するが、アノード電極1a及
びカソード電極1cは共に半導体基板の一方面側に設け
られているので、バンプを介して同一面側に位置する配
線パターンに接続することが出来る。これを二次元状に
配置した場合には検出器間の不感領域を小さくすること
ができる。
Description
線、γ線等の高エネルギー線を検出するための高エネル
ギー線検出器及び装置に関する。
は、エネルギー線の多くが半導体基板を透過することが
知られている。そこで、エネルギー線の実効的吸収領域
を増加させるため、複数の半導体基板を重ね合わせる等
の試みが行われている。例えば、特開平4−34308
6号公報に記載の装置は、積層される基板周辺部の厚み
を薄くすることによりエネルギー線入射方向(積層方
向)におけるワイヤボンディングによるデッドスペース
をなくし、高密度に積層することを可能にした優れた装
置である。
数の検出器を、ワイヤーボンディングのスペースをなく
し高密度に並べ、検出器間の不感領域を小さくすること
ができれば、高エネルギー線の入射位置或いはその一次
元又は二次元的広がりにより構成される入射像を高分解
能で検出することができる。
高エネルギー線検出器においては、半導体基板の一方面
側の電極はバンプを介して同一面側に位置する配線パタ
ーンに接続することができるが、他方面側の電極はボン
ディングワイヤを介して配線パターンに接続しなければ
ならない。このような接続は、検出器間の不感領域を小
さくすることが出来ない。
及びカソード電極を設け、それぞれの電極に接続される
半導体層を、この同一面側に共に配置する手法が、可視
光像検出器には用いられてきた。ところが、高エネルギ
ー線の検出においては、実効的高エネルギー線吸収領域
を増加させるため、半導体基板内の空乏層を基板厚み方
向の略全域に広げる必要があり、このような電極の同一
面側配置の構成は採用することができなかった。
たものであり、エネルギー線入射方向(積層方向)にお
けるワイヤーボンディングのスペースをなくし高密度に
並べ、検出器間の不感領域を小さくすることが出来る高
エネルギー線検出器及び高エネルギー線検出装置を提供
することを目的とする。
め、本発明に係る高エネルギー線検出器は、高エネルギ
ー線の入射に応答してキャリアを発生する半導体基板を
備える高エネルギー線検出器において、前記半導体基板
の一方面側に前記キャリアを収集するためのアノード及
びカソード電極を配置し、これらの電極は前記半導体基
板の一方面側から前記半導体基板を貫通する導電体を介
して前記半導体基板の他方面側に接続してなる。
体基板は高エネルギー線の入射に応答してキャリア(電
子・正孔)を発生するが、これらのキャリアはアノード
及びカソード電極に収集され、キャリア流量の示す電流
が高エネルギー線の入射強度に対応することとなる。ア
ノード及びカソード電極は共に半導体基板の一方面側に
設けられているので、バンプを介して同一面側に位置す
る配線パターンに接続することが出来る。これを二次元
状に配置した場合にはエネルギー線入射方向(積層方
向)におけるワイヤーボンディングのスペースをなくし
高密度に並べ、検出器間の不感領域を小さくすることが
できる。
る導電体を介して半導体基板の他方面側に接続されてい
るので、アノード及びカソード電極に所定電位を与える
と、半導体基板の一方及び他方の面双方に、この電位を
与えることができる。なお、導電体とは金属であっても
よいが、高濃度に不純物を添加した半導体であってもよ
い。高エネルギー線検出器の半導体基板は、逆バイアス
電圧等が与えられることにより使用されるので、前記所
定電位は半導体基板に逆バイアス電圧等が印加されるよ
うに設定される。
しては、PN接合構造が好ましいが、ショットキ接触構
造を用いることもできる。
を介してアノード又はカソード電極が接続されている
が、この接続構造は、他方面へのワイヤーボンディング
による電極への直接接触構造と比較すると、半導体基板
の一方面から他方面に上記貫通導電体を介してアノード
又はカソード電極が接続されている構造のほうが電流通
過経路全体の抵抗値が高くなり、この抵抗値を提供する
部分に半導体基板への印加電圧が消費され、空乏層形成
に寄与する電圧成分が減少する。勿論、印加電圧を上昇
させれば空乏層を基板厚み方向の略全域に広げることが
できるが、これは消費電力の増加、抵抗部分における発
熱、発熱による温度特性の変化を生じさせる。高エネル
ギー線の検出においては、極めて精密な測定が要求され
るため、かかる抵抗成分は減少させられることが望まし
い。
おいては、半導体基板の前記他方面側に、高エネルギー
線の主吸収領域よりも高いキャリヤ濃度の半導体層を設
け、この半導体層に導電体を接続することとした。低い
印加電圧で空乏層を形成するためには半導体基板を高抵
抗とすればよいが、上記抵抗成分の減少の観点から、導
電体に接続される基板他方面側の半導体層は、半導体基
板よりも高いキャリア濃度を有することとし、この半導
体層の平面形状はベタ型、格子(網目)状、螺旋状、或
いは同心円状などのパターンを有してもよい。
は、アノード及びカソード電極がバンプを介して支持基
板上に形成されたパターン配線に接続されている場合に
エネルギー線入射方向(積層方向)におけるワイヤーボ
ンディングのスペースをなくし高密度に並べ、検出器間
の不感領域を小さくすることができる。
複数配置してなる高エネルギー線検出装置は、個々の検
出器からの出力信号を独立に取出すことにより高エネル
ギー線の入射位置或いはその一次元又は二次元像を検出
することができる。
ギー線検出器及び当該検出器を二次元状に複数配列して
なる高エネルギー線検出装置について説明する。なお、
同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略す
る。
ー線検出装置の斜視図、図2は図1に示した装置を矢印
II方向から見た当該装置の側面図である。
は、高エネルギー線検出装置を構成する検出器PD1〜
PD9が複数取付けられ、これらは二次元状に配置され
ている。本検出器においては、アノード及びカソード電
極がバンプを介して支持基板上に形成されたパターン配
線に接続されているので、積層させることができる。同
図においては、2層の積層されるユニットを示すが、こ
れは3層以上であってもよい。
出器PD1〜PD9からの出力信号をパターン配線PW
1〜PW9を介して独立に取出すことにより高エネルギ
ー線の入射位置或いはその一次元又は二次元像を検出す
ることができる。なお、各パターン配線PW1〜PW9
は、厚さ15μmのバンプ(バンプ電極)Bを介して検
出器PD1〜PD9のアノード及びカソード電極のいず
れか一方にそれぞれ接続されており、パターン配線PW
Gはアノード及びカソード電極の他方に接続されてい
る。個々の検出器PD1〜PD9の構造は同一である。
したがって、以下では、1つの検出器PD1の構造につ
いて説明する。
面図を図3に示す。なお、断面図においては内部構造を
分かり易く説明するため必要に応じてハッチングの記載
を省略する。この検出器PD1は、高エネルギー線の検
出に用いられる高エネルギー線検出器であり、縦横の寸
法は11mm×11mm、厚さは0.5mmである。
応答してキャリアを発生する半導体基板1sを備えてお
り、半導体基板1sの一方面(第1表面とする)側にキ
ャリアを収集するためのアノード電極1a及びカソード
電極1cを配置し、アノード電極1aを半導体基板1s
を貫通する導電体CDTを介して半導体基板1sの他方
面(第2表面とする)側に接続してなる。
り、第2表面は基板上面である。なお、説明において、
エネルギー線が入射する側を第2表面とする。
て上述のパターン配線に接続される。バンプBは、Ni
/Auからなる。
体基板1sは高エネルギー線の入射に応答してキャリア
(電子・正孔)を発生するが、これらのキャリアはアノ
ード及びカソード電極に収集され、キャリア流量の示す
電流が高エネルギー線の入射強度に対応することとな
る。アノード電極1a及びカソード電極1cは共に半導
体基板の一方面側に設けられているので、バンプを介し
て同一面側に位置する配線パターンに接続することが出
来る。これを二次元状に配置した場合には基板の平面方
向(二次元方向)に複数の検出器を、ワイヤーボンディ
ングのスペースをなくし高密度に並べ、検出器間の不感
領域を小さくすることができる。
を有しており(PN接合ダイオード)、このダイオード
に逆バイアスを印加することにより、接合界面から広が
る空乏層(エネルギー線主吸収領域)を形成する。
側をカソード(N型半導体)とし、他方をアノードと
し、それぞれのキャリアを収集する電極をカソード電極
1c、アノード電極1aとして説明する。
一方(電極1a)は、半導体基板1sを貫通する導電体
CDTを介して半導体基板1sの第2表面側に接続され
ているので、アノード及びカソード電極1a,1cに所
定電位を与えると、半導体基板1sの第1及び第2表面
の双方に、この電位を与えることができる。なお、導電
体CDTは、金属であってもよいが、高濃度に不純物を
添加した半導体であってもよい。また、本例においては
貫通孔の直径は約100μmに設定される。高エネルギ
ー線検出器PD1の半導体基板1sは、上述のように逆
バイアス電圧が与えられることにより使用される。半導
体基板1sの第1及び第2表面双方を介して逆バイアス
電圧を印加すると、半導体基板1s内に形成される空乏
層は基板厚さ方向の略全域に広げることができる。
る。低濃度N型半導体基板1iの第2表面側に高濃度P
型半導体層(拡散層)1pが、第1表面側に高濃度N型
半導体層(拡散層)1nが位置し、これらはPIN構造
を構成している。
れた補助電極1a’に電気的及び物理的に接続されてお
り、補助電極1a’は導電体CDTを介して第1表面側
のアノード電極1aに電気的に接続されている。アノー
ド電極1a、カソード電極1c、補助電極1a’はAl
からなる。
れたカソード電極1cに電気的及び物理的に接続されて
いる。
1表面に設けられた絶縁膜ISTのコンタクトホール内
に形成されている。また、絶縁膜ISTは導電体CDT
が埋め込まれる貫通孔の内面を構成するように延びてお
り、導電体CDTと周囲の半導体材料とを絶縁してい
る。なお、絶縁膜ISTはSiO2又はSiNxからな
る。また、補助電極1a’がエネルギー線入射部(検出
領域10mm×10mm)を被覆してもよい。
する金属製遮光(蔽)膜1shが設けられており、遮光
膜1shは、P型半導体層1pの周囲に設けられた高濃
度N型半導体コンタクト層1ctに電気的に接続され、
遮光膜1shには必要に応じて接地電位が与えられる。
もちろん、遮光膜1shを導電体CDTに電気的に接続
してもよい。なお、遮光膜1shは、厚さ1μmのAl
からなる。
の接合界面からチップのエッジにまで空乏層が広がるの
を抑制するチャネルストッパとして機能する。チップの
ダイシング時においてはチップエッジに結晶欠陥が発生
し、これがノイズの原因となっている。本例では、コン
タクト層1ctがチャネルストッパとして機能している
ので、このような原因によるノイズを抑制することがで
きる。コンタクト層1ctの幅は、空乏層がエッジに到
達しない程度に設定される。
造としては、上記の如くPN接合構造が好ましいが、シ
ョットキ接触構造を用いることもできる。
は以下の通りである。
用いることができるが、高濃度に不純物が添加されるこ
とにより低抵抗化された多結晶Si等を用いてもよい。
する。
第1表面側にN型半導体層1nを形成する。これは第1
表面からN型不純物を拡散させることによって形成して
もよいが、イオン注入法を用いることもできる。
を形成する。これは第2表面からN型不純物を拡散させ
ることによって形成してもよいが、イオン注入法を用い
ることもできる。
ンタクト層1ctの内側に、P型半導体層1pを形成す
る。これは第2表面からP型不純物を拡散させることに
よって形成してもよいが、イオン注入法を用いることも
できる。
貫通孔を複数形成する。貫通孔の形成にはICP(誘導
結合プラズマ)エッチング等のドライエッチングを用い
る。
通孔の内壁を熱酸化することによって、SiO2からな
る絶縁膜ISTを形成する。
電体CDTを埋め込む。
ホールを形成し、コンタクトホール内にAlを蒸着する
ことにより、補助電極1a’及び遮光膜1shを形成す
る。
ホールを形成し、コンタクトホール内にAlを蒸着する
ことにより、アノード及びカソード電極1a,1cを形
成する。
にバンプBを形成し、これを配線基板SP上のパターン
配線に取付ける。
を1つずつ配線基板SP上に取付けることにより、図1
に示した検出装置を製造することができる。
線検出器について説明する。
る。本検出器PD1は、第1の実施形態におけるN型半
導体層1nとP型半導体層1pの位置を入れ替えること
により、エネルギー線の主吸収領域を構成するPN接合
界面を基板下面(第1表面)側に位置させ、当該検出器
を、裏面側からエネルギー線が入射する裏面入射型検出
器としたものであり、説明において断りのない限り、そ
の構成、材料や不純物濃度、逆バイアス電圧の印加等に
ついては、第1の実施形態のものと同一である。
を第2表面とするので、上述の実施形態と同様に、第1
表面は基板下面であり、第2表面は基板上面である。
替えによって、アノード及びカソード電極1a,1cの
位置が入れ替わり、貫通孔内に位置する導電体CDT
は、カソード電極1cを第2表面に接続することとな
る。アノード及びカソード電極1a,1cは、バンプB
によって上述の配線パターンに接続される。導電体CD
Tの配置される貫通孔の内面には、上述の絶縁膜IST
に代えて高濃度にN型不純物が添加された高濃度N型半
導体領域がコンタクト層1ctから延びて位置する。ま
た、第1表面上にはパッシベーション膜(絶縁膜)PV
が形成され、そのコンタクトホール内にアノード及びカ
ソード電極1a,1cが形成される。
電体CDTによるP型半導体層1pとN型半導体層1n
との電気的接続を抑制するように貫通孔内に絶縁膜IS
Tを形成したが、本例では半導体層1i、N型半導体層
1n及びコンタクト層1ctが共に同一導電型であるた
め、このような絶縁処理を行わなくても良いという利点
がある。勿論、行ってもよい。
置することになったので、チャネルストッパとしても機
能するコンタクト層1ctはP型半導体層1pの周囲を
囲むように第1表面側に位置し、上記貫通孔はコンタク
ト層1ctを貫通している。P型半導体層1pの寸法は
縦横が10mm×10mmに設定される。
及び遮光膜1shを一体化してなる補助電極1c’によ
って被覆され、補助電極1c’は導電体CDTに電気的
及び物理的に接続され、導電体CDTを介して基板表面
側のカソード電極1cに電気的に接続されている。基板
上面側に位置することとなったN型半導体層1nは網目
等のパターンを有し、N型半導体層1nは基板上面側に
位置するアキュムレーション層1ac内に位置する。な
お、補助電極1c’は、第2表面を被覆しており、全面
被覆しても良いし、N型半導体層1nの形状に略一致す
るパターンを有し、これに重なるように半導体層1n上
に位置させても良い。
いては、半導体基板1sの第2表面側に、高エネルギー
線の主吸収領域1iよりも高いキャリヤ濃度であって所
定パターンを有する半導体層1nを設け、この半導体層
1nに導電体CDTを電気的に接続している。
キャリア濃度を低くすればよいので、半導体基板1sに
おける高エネルギー線の主吸収領域1iは比較的低いキ
ャリア濃度に設定されるが、上述の抵抗成分減少の観点
から、導電体CDTに接続される基板裏面側の半導体層
1nは、これよりも高いキャリア濃度を有することと
し、この半導体層1nの平面形状は格子(網目)状、螺
旋状、或いは同心円状などの所定パターンを有すること
とした。
した高エネルギー線によって入射面表面近傍で発生した
キャリアも検出したく、再結合を抑制するよう、半導体
基板1sよりも高く、半導体層1nよりも低いキャリア
濃度を有し、半導体基板1sの第2表面における露出面
から基板内部に向かう深さを有するアキュムレーション
層1acを形成し、前記アキュームレーション層1ac
内に、半導体層1nは形成されている。
非結合手が表面準位を形成すると共に多くの欠陥準位が
存在し、半導体内部においては不整合原子が再結合中心
を形成する傾向にあるが、これらの物理的要因は入射線
に応じて発生したキャリアの再結合確率を増加させてし
まう。アキュムレーション層は、その形成時においては
不整合原子のゲッタリングを促進させ、形成後において
は露出表面近傍におけるキャリアの再結合を抑制する。
低下が目的ではないので、上述のような機能を奏するよ
う、前記半導体層1nよりも低いキャリア濃度を有する
こととし、内部に半導体層1nが形成されていることと
した。なお、本例におけるアキュムレーション層1ac
はSiからなり、厚みはN型半導体層1nよりも薄く設
定される。
N型半導体層1nの平面図である。N型半導体層1nの
1つの格子の幅は20μmであり、補助電極1c’によ
り被覆される。これにより直列抵抗を更に下げることが
でき、より高速な応答が実現できる。
について説明する。
1表面の周辺領域及び第2表面の周辺領域及び検出領域
内のパターン形成領域にコンタクト層1ct及びN型半
導体層1nを形成する。これは第1及び第2表面からN
型不純物を拡散させることによって形成してもよいが、
イオン注入法を用いることもできる。これらの厚さは共
に1.0μmとする。
ンタクト層1ctの内側に、P型半導体層1pを形成す
る。これは第2表面からP型不純物を拡散させることに
よって形成してもよいが、イオン注入法を用いることも
できる。
貫通孔を複数形成する。貫通孔の形成にはICPエッチ
ング等のドライエッチングを用いる。
することにより、コンタクト層1ctを貫通孔内面にも
形成し、周囲の低濃度N型半導体層1iと共にハイロー
接合を形成する。
た貫通孔内に埋め込む。
ション層1acを形成する。これは第2表面からN型不
純物を拡散させることによって形成してもよいが、イオ
ン注入法を用いることもできる。
STを形成し、第1表面上の絶縁膜ISTにコンタクト
ホールを形成し、コンタクトホール内にAlを蒸着する
ことにより、アノード電極及びカソード電極1a、1c
を形成し、第2表面上の絶縁膜ISTの所定領域内及び
N型半導体層1nのパターン形状に併せた領域内にコン
タクトホールを形成し、コンタクトホール内にAlを蒸
着することにより、補助電極1c’を形成する。
形成する。パッシベーション膜PVはSiO2からな
り、この形成にはCVD(化学的気相成長)法を用い
る。
電気的な接続をとるための開口部を形成し、続いて、ア
ノード及びカソード電極1a,1c上にバンプBを形成
し、これを配線基板SP上のパターン配線に取付ける。
を1つずつ配線基板SP上に取付けることにより、図1
に示した検出装置を製造することができる。
線検出器PD1によれば、デッドスペースを低減するこ
とにより、高分解能の高エネルギー線検出装置を提供す
ることができる。なお、上記半導体材料におけるN型及
びP型の導電型は、反転させることもできる。
ば、デッドスペースを低減することにより、高分解能の
高エネルギー線検出装置を提供することができる。
装置の側面図である。
平面図である。
1c…カソード電極,1ct…コンタクト層,1sh…
金属製遮光膜,1p…P型半導体層,1n…N型半導体
層,1i…半導体層,1c’…補助電極,1a’…補助
電極,B…バンプ,IST…絶縁膜,PD1…半導体エ
ネルギー線検出器,PV…絶縁膜,PW1…パターン配
線,PWG…パターン配線,SP…支持基板。
Claims (3)
- 【請求項1】 高エネルギー線の入射に応答してキャリ
アを発生する半導体基板を備える高エネルギー線検出器
において、前記半導体基板の一方面側に前記キャリアを
収集するためのアノード及びカソード電極を配置し、こ
れらの電極の一方を前記半導体基板を貫通する導電体を
介して前記半導体基板の他方面側に接続してなる高エネ
ルギー線検出器。 - 【請求項2】 前記アノード及びカソード電極はバンプ
を介して支持基板上に形成されたパターン配線に接続さ
れていることを特徴とする請求項1に記載の高エネルギ
ー線検出器。 - 【請求項3】請求項1に記載の高エネルギー線検出器を
二次元状に複数配置してなる高エネルギー線検出装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2001119742A JP4653336B2 (ja) | 2001-04-18 | 2001-04-18 | エネルギー線検出器及び装置 |
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