JP2004342995A - Semiconductor radiation detector - Google Patents

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JP2004342995A JP2003140610A JP2003140610A JP2004342995A JP 2004342995 A JP2004342995 A JP 2004342995A JP 2003140610 A JP2003140610 A JP 2003140610A JP 2003140610 A JP2003140610 A JP 2003140610A JP 2004342995 A JP2004342995 A JP 2004342995A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor radiation detector that can improve its detection sensitivity without complicating the structure of a device and increasing cost. <P>SOLUTION: A p-n joint part between a p-type diffusion layer 2 and an n-type silicon substrate 1 is formed in an element formation area divided by an element isolation area 5 on the surface of a semiconductor substrate 1, and a radiation sensitive area is formed by the p-n joint part. An aluminum electrode 3 for signal detection is in ohmic-contact with the sensitive area and it is extended to the opposite-side area of the sensitive area adjoining to the element isolation area 5. Then, a silicon oxide film 4 is formed between the aluminum electrode 3 and the silicon substrate 1 in areas other than the sensitive area, and a MOS structure is formed of the aluminum electrode 3, the silicon oxide film 4 and the silicon substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、pn接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感部を有する半導体放射線検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7は従来の半導体放射線検出器を示す断面図である。従来の半導体検出器は、例えばn型シリコン基板21の表面にp型の拡散層22が形成されており、このp型拡散層22の上の部分を除いた基板表面上にシリコン酸化膜24が形成されている。そして、このシリコン酸化膜24及びシリコン基板21上に、上部アルミニウム電極23が形成されており、従って、上部アルミニウム電極23は拡散層22とオーミック接触している。この場合、上部アルミニウム電極23が拡散層22に接続する部分が放射線の有感領域に相当する。この有感領域以外のシリコン基板21上の部分はシリコン酸化膜24で覆われており、上部アルミニウム電極23は有感領域(拡散層22)以外の部分ではシリコン酸化膜24によりシリコン基板21から絶縁されている。そして、拡散層22の外周にはシリコン基板21よりも高濃度のn型の拡散層がチャネルストッパー25として形成されている。また、シリコン基板21の下面には、アルミニウム電極27が形成されている。
【0003】
このように構成された半導体放射線検出器においては、アルミニウム電極23とアルミニウム電極27との間に、アルミニウム電極23が負となる電圧を印加すると、アルミニウム電極27に接続されたn型のシリコン基板21と、アルミニウム電極23にオーミック接続されたp型の拡散層22との間に逆バイアスが印加され、p型拡散層22の下に空乏層26が広がる。そして、空乏層26に放射線が入射すると、放射線は空乏層26内で電子・正孔対のキャリア(電荷)を発生させ、発生した電子・正孔対は空乏層26の電界により分離され、アルミニウム電極23,27に電流が流れて検出される。
【0004】
なお、以上の説明はシリコン基板21がn型の場合であるが、p型の場合であっても、拡散層22及びチャネルストッパー25(n型拡散層)の極性と、印加電圧の極性を変えることにより、同様の機能を有する半導体放射線検出器を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような半導体放射線検出器において、放射線の入射に伴って発生する電子・正孔対の数は入射する放射線のエネルギーで決まるため、より高感度な検出器を実現するためには、一般的には、空乏層の広がり幅又は電界を制御して発生した電子・正孔対を効率的に分離することと、再結合及び欠陥へのトラップを低減して電子・正孔対の消滅を防止することが必要である。しかしながら、これらの対策には限界があり、従来、既にこの限界に近い対策がとられている。
【0006】
一方で、検出信号を増大させる方法として、発生した電子及び正孔を高電界で加速し、その結果、十分高いエネルギーを得た電子・正孔がSi原子に衝突することにより、新たな電子・正孔対を発生させることも考案されているが、信号レベルの安定性及び長期的な信頼性の観点では望ましくない。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、デバイス構造を複雑にすることなく、また、コストを上昇させることなく、検出感度を高めることができる半導体放射線検出器を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体放射線検出器は、半導体基板の表面の素子分離領域により区画された素子形成領域に形成されたpn接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感領域と、この有感領域に接触した信号検出用の電極と、前記素子分離領域に隣接する前記有感領域の反対側の領域に形成され前記信号検出用の電極と電気的に接続された配線電極と、この配線電極と前記半導体基板との間に設けられた絶縁膜と、を有し、前記配線電極、前記絶縁膜及び前記半導体基板からMOS構造が形成されていることを特徴とする。
【0009】
この半導体放射線検出器において、前記配線電極は、前記信号検出用の電極と同一工程で形成されたものであることが好ましい。
【0010】
また、前記素子分離領域は、例えば、前記半導体基板と同一導電型で且つ半導体基板よりも高濃度の拡散層であるチャネルストッパーであるか、前記半導体基板とは絶縁膜を介して絶縁され、前記半導体基板と同一電位を印加されたフィールドプレートである。しかし、本発明においては、素子分離の方法は、上記態様に限らず、種々の態様が可能である。
【0011】
なお、素子形成領域が素子分離領域により区画されているということは、素子形成領域が素子分離領域に囲まれていることを意味しない。即ち、前記素子分子領域は前記有感領域を必ずしも取り囲む必要は無く、空乏層が延びない等、素子分離が必要でない方向については素子分離領域を設けなくてもよい。しかし、前記MOS構造と有感領域との間には素子分離領域を設けることが必要である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。n型シリコン基板1の表面にp型の拡散層2が設けられており、このp型拡散層2の上部を除くシリコン基板1の表面上に、シリコン酸化膜4が形成されている。そして、このシリコン酸化膜4及びシリコン基板1上に、上部アルミニウム電極3が形成されており、この上部アルミニウム電極3は拡散層2上にシリコン酸化膜4が形成されていないので、拡散層2に対し、オーミック接触している。この場合に、上部アルミニウム電極3が拡散層2にオーミック接触している部分が放射線の有感領域に相当する。よって、この有感領域以外のシリコン基板1の上はシリコン酸化膜4で覆われており、この有感領域以外の部分では、上部アルミニウム電極3はシリコン酸化膜4によりシリコン基板1から絶縁されている。
【0013】
また、拡散層2を取り囲むようにして、シリコン基板1よりも高濃度のn型の拡散層がチャネルストッパー5として形成されている。このチャネルストッパー5に囲まれた領域が、チャネルストッパー5により素子分離された素子形成領域である。そして、アルミニウム電極3は、シリコン基板1の表面上におけるチャネルストッパー5の外側、つまり拡散層2の反対側の領域にまで延長して形成されており、シリコン基板1におけるチャネルストッパー5に隣接する領域上にまで形成されている。これにより、このチャネルストッパー5の外側の領域に、上部アルミニウム電極3と、シリコン酸化膜4と、シリコン基板1とからなるMOS構造が形成されている。シリコン基板の下面には、下部アルミニウム電極8が形成されている。
【0014】
次に、上述の如く構成された本実施形態の半導体放射線検出器の動作について説明する。下部アルミニウム電極8に接触したn型のシリコン基板1と、p型の拡散層2との間に逆バイアスを印加すると、拡散層2の下に空乏層6が拡がる。このとき、上部アルミニウム電極3に印加する電圧は、下部アルミニウム電極8を接地してシリコン基板1を接地する(0Vとする)場合には、負の電圧である。そして、放射線が空乏層6に入射すると、この放射線は空乏層6内で電子・正孔対のキャリア(電荷)を発生させ、発生した電子・正孔対は空乏層6の電界により分離され、アルミニウム電極3,8間に電流が流れて検出信号を発生させる。
【0015】
このように、半導体検出器を動作させるために、上記逆バイアス電圧を印加すると、上部アルミニウム電極3と、シリコン酸化膜4と、シリコン基板1とで構成されるMOS構造において、チャネルストッパー5に囲まれた素子形成領域の外側のシリコン基板1の表面にも空乏層7が拡がる。上部アルミニウム電極3の印加電圧が前記MOS構造の閾値電圧を超える場合、つまり、印加電圧の絶対値が閾値電圧の絶対値より大きくなる場合には、空乏層7の表面には反転層が形成され、更に電圧を印加(絶対値を増加)しても、それ以上空乏層7は拡がらない。
【0016】
次に、上述の如く、本発明の半導体放射線検出器により放射線の検出感度を向上させることができるという動作原理について説明する。放射線が半導体の有感領域に入射することにより生成する電子・正孔対が検出信号を発生させるという半導体放射線検出器の基本原理は、従来技術と同様である。しかし、本発明においては、放射線の有感領域を区画する素子分離領域であるチャネルストッパー5に隣接する領域に設けられたMOS構造の作用が付加される。
【0017】
半導体デバイスのシミュレーション技術により、半導体素子の電気的な特性を数値解析する(例えば、「檀良 編著、産業図書株式会社 発行、プロセス・デバイスシミュレーション技術」)。このデバイスシミュレーション法におけるデバイスシミュレータを使用して、本願発明者らが解析した結果について、図2及び図3を使用して説明する。解析に使用したデバイス構造は以下のとおりである。厚さが500μmで、抵抗率が250Ω・cmのn型シリコン基板61の表面上に、厚さが400nmのシリコン酸化膜62が形成されており、このシリコン酸化膜62の上にアルミニウム電極63が形成されている。また、シリコン基板61の下面にはアルミニウム電極64がオーミック接触している。
【0018】
そして、MOS構造の上部アルミニウム電極63に、図3に示すように、電圧71を印加する。このとき、下部アルミニウム電極64はゼロ電位(接地)にする。上部アルミニウム電極63への印加電圧71は、時間ゼロ(0)、1ナノ(1n)秒、2ナノ(2n)秒、3ナノ(3n)秒及びそれ以降を、夫々−50V、−49.9V、−49.9V、−50Vとし、半導体シミュレータを使用して過渡解析を実施した。この過渡解析は、図3の印加電圧71を与えたときに定常状態に戻るのに充分な時間として、10マイクロ秒まで行った。結果として、上部電極63に流れる電流を時間で積分して得られる電荷は、デバイスの平面視において、表面面積の単位面積あたり、約24ピコC/平方センチメートル(ピコは10の−12乗)であり、電流がMOS構造から外部に流出する方向となった。但し、電流の方向は一定ではなく、電流がMOS構造に上部電極から流入する方向から、外部に流出する方向へと変化する。電流を時間積分すると、結果的にMOS構造から上部電極63を通じて外部に流出する電荷が勝っていた。更には、一般的に、半導体放射線検出器の信号検出部は、抵抗と容量(コンデンサ)とが並列に接続された構成とするが、この容量成分はローパスフィルタとして作用するため、信号の高周波成分は減衰し、上部電極からMOS構造に流入する電流成分は、より高周波成分を含むため、この上部電極からMOS構造に流入する電流成分は検出信号への寄与が小さくなり、その結果、上部電極を通してMOS構造から流出する電流成分が、検出信号に寄与し、より有効に作用する。
【0019】
以上の説明は、MOS構造自体の動作を説明したものである。次に、このMOS構造を併設した本発明の半導体放射線検出器の動作について説明する。図1に示す本実施形態の半導体放射線検出器において、n型のシリコン基板1を接地し、上部アルミニウム電極3に例えば−50Vを印加すると、空乏層6が拡がる。その空乏層6にアルファ線等の放射線が入射したとき、電子・正孔対が生成し、空乏層6の電界によって分離され、発生した正孔はp型拡散層2を経て、上部アルミニウム電極3に流出する。一方、発生した電子は基板下面のアルミニウム電極8から流出する。発生した電子が基板下面から流出するため、電流は電子と反対の方向にアルミニウム電極8からアルミニウム電極3に向けて流れる。この電流によって、シリコン基板1の上部は、基板底部(0V)よりも電圧が下がる。つまり、負の電位となる。仮に、上部アルミニウム電極3の電圧が−50Vに固定されていた場合には上部アルミニウム電極3/シリコン酸化膜4/シリコン基板1で構成されるMOS構造で、図2及び図3を参照して説明したように、上部電極3に図3の電圧71を印加したのと同じ方向にパルス状の電圧が印加されることになる。更に、一般的に、上部アルミニウム電極3は抵抗を介して電圧が印加される。抵抗の外部に−50Vという固定の電圧を印加するとき、外部に流出する電流により、上部電極3は−50Vよりも浅い電圧(絶対値が50よりも小さい負の電圧)となり、このことも図3の印加電圧71と同じ方向のパルス電圧の印加に相当する。従って、図1の上部アルミニウム電極3/シリコン酸化膜4/シリコン基板1で構成されるMOS構造には、図2及び図3で説明したのと同様の現象が起きる。パルス電圧の形状(時間、パルス電圧の高さ)は図2及び図3で行ったシミュレーションとは異なることが予想されるが、図1のアルミニウム電極3には、放射線により発生した正孔による信号電流に、MOS構造から同じ方向の変位電流の信号が加わることになり、上部アルミニウム電極から検出される放射線の信号が増強される。
【0020】
上述の如く、本実施形態においては、素子形成領域に空乏層6が形成されると共に、素子形成領域の外側にも空乏層7が形成されるため、放射線の検出電流が増幅され、検出感度を高めることができる。
【0021】
なお、上記第1の実施形態は、シリコン基板1がn型の場合であるが、p型の場合であっても、拡散層2及びチャネルストッパー5(n型拡散層)の極性と、印加電圧の極性を変えることにより、同様の機能を有する半導体放射線検出器を得ることができる。
【0022】
また、上記第1の実施形態においては、上部電極3はアルミニウム配線としたが、これに限らず、拡散層2とオーミックコンタクトがとれる配線材料であればよい。
【0023】
また、上記第1の実施形態は、拡散層2の表面全面を上部アルミニウム電極3により被覆したが、拡散層2と電気的接続がとれる限り、拡散層2の全部でなく一部を覆うように、アルミニウム電極3を形成してもよい。
【0024】
また、上記第1の実施形態は有感部に空乏層を形成する手段として、pn接合を設けたが、これに限らずショットキー接合を設けてもよい。具体的には、n型シリコン基板の場合には、上部電極として金等を使用し、p型シリコン基板の場合には上部電極としてアルミニウム等を使用することによりショットキー接合を形成できる。
【0025】
また、上記第1の実施形態は、空乏層7の上部の配線を、拡散層2にオーミック接触する上部アルミニウム電極3と同時に形成したが、半導体放射線検出器のデバイス構造としては、必ずしもこれらを同時に形成しなくてもよく、別工程で形成した後、両者を電気的に接続してもかまわない。但し、製造コストの観点からは、空乏層7の上部の配線は、拡散層2にオーミック接触する上部アルミニウム電極3と同時に形成する配線を使用した方が好ましい。
【0026】
また、上記第1の実施形態は、絶縁膜4としてシリコン酸化膜を使用しているが、電気的に絶縁性を有する限り、シリコン酸化膜に限定されず、シリコン窒化膜等の他の絶縁膜、又は、複数の絶縁体の積層膜でもかまわない。但し、シリコン基板の表面と接する絶縁膜は、界面での欠陥密度を抑制する必要があるため、熱酸化したシリコン酸化膜であることが好ましい。
【0027】
次に、本発明の第2の実施形態について図4を参照して説明する。本実施形態が図1に示す実施形態と異なる点は、素子分離領域として、図1のチャネルストッパー(拡散層)の代わりに、フィールドプレートを使用した点である。この素子分離領域以外の構成は図1の第1実施形態と同様である。
【0028】
n型シリコン基板31の表面にp型拡散層32が形成されており、このp型拡散層32とアルミニウム電極33とのオーミック接触領域を除くシリコン基板31の表面上には、シリコン酸化膜34が形成されている。このシリコン酸化膜34内には、平面視で拡散層32を取り囲む位置に、素子分離領域としてのフィールドプレート35が形成されている。このフィールドプレート35は通常アルミニウムで形成されるが、配線材料であれば、アルミニウムに限定されず、種々の材料で形成することができる。なお、アルミニウム電極33は拡散層32とのオーミック接触領域から、フィールドプレート35を超えて拡散層32の反対側の領域まで延在している。また、シリコン基板31の下面にもアルミニウム電極38が形成されている。
【0029】
本実施形態においては、フィールドプレート35にシリコン基板31と同一電位の電圧を印加することにより、フィールドプレート35は素子分離の機能を発揮する。そこで、アルミニウム電極34に逆バイアスの電圧を印加することにより、フィールドプレート35により素子分離された素子領域に空乏層36が形成され、放射線がこの空乏層36に入射した場合に、電子・正孔対が発生し、検出電流がアルミニウム電極34に流れる。この場合に、フィールドプレート35に仕切られた素子領域の外側にも、アルミニウム電極33が形成されているので、この領域に構成されるMOS構造においても空乏層37が形成される。
【0030】
上述の如く、フィールドプレート35の外側にアルミニウム電極33が延びて形成されているので、本実施形態においても、前述の作用により、放射線により発生した正孔による信号電流に、MOS構造から同じ方向の変位電流の信号が加わることになり、検出電流の増幅作用が得られ、極めて高い放射線検出精度を得ることができる。
【0031】
フィールドプレート35が素子分子の機能を果たすためには、フィールドプレート35には、通常、シリコン基板31と同一電位の電圧を印加するが、フィールドプレート35の直下のシリコン基板31を反転させない電位であれば、必ずしもシリコン基板31と同一電位にする必要はない。なお、シリコン基板31を反転させる上部アルミニウム電極33の電圧は、シリコン基板31の濃度、絶縁膜(シリコン酸化膜34)の誘電率と膜厚、及び上部アルミニウム電極33の仕事関数の関数として実用上問題ない精度で予測できる。また、導電型の極性、空乏層を形成するための接合の種類、上部電極及び絶縁体の材質などは、上記第1実施形態と同様である。
【0032】
なお、上記実施形態においては、半導体基板として、シリコン基板を使用してが、このシリコン基板に限らず、ダイヤモンド又はSiC等の半導体基板を使用しても良い。
【0033】
次に、図5を参照して、本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウトパターンの一例について説明する。図5の例は、円形の領域41がシリコン酸化膜がない開口部であり、有感領域である。この有感領域41以外の領域は、シリコン基板上にシリコン酸化膜が設けられている。有感領域41を取り囲む環状領域42は素子分離領域である。太枠43で囲まれた領域の全面にはアルミニウム電極が設けられている。環状領域42の外側にはこの環状領域42に隣接する環状領域44が設けられており、この環状領域44がMOS構造となっている。なお、図5に示すレイアウトパターンは円形であるが、これに限らず、有感領域41を取り囲む環状の素子分離領域44の外側にこれに隣接するように配置すれば、矩形等の他の形状で構成してもよい。
【0034】
また、図6を参照して、本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウトパターンの他の例について説明する。有感領域となる領域51は矩形であり、絶縁膜(シリコン酸化膜)に設けられた開口部である。領域51以外の領域にはシリコン基板上にシリコン酸化膜が設けられている。太枠で囲まれた領域53の全面にはアルミニウム電極が設けられており、このアルミニウム電極が設けられた領域は、有感領域51の1辺から一方向に延出している。そして、この延出領域と有感領域51との間に、素子分離領域52が設けられている。この素子分離領域52の外側に延出する領域54においてMOS構造が設けられている。この図6に示すように、素子分離領域52及びMOS構造は、必ずしも有感領域51を取り囲む必要はない。
【0035】
【実施例】
以下、本発明の範囲に入る実施例の効果について、シミュレーションした結果について説明する。このシミュレーションに使用した半導体放射線検出器の構造は、図1に示したものである。この半導体シミュレーションは下記表1に示す条件で実施した。また、各層の平面レイアウト形状は図5に示す同心円状のものである。
【0036】
【表1】

Figure 2004342995
【0037】
上部アルミニウム電極3を−50Vに保持して、エネルギー1MeVのアルファ線が半導体検出器の中央に垂直方向に入射した状況を、シミュレーションにより解析した。その結果、MOS構造を有する本発明の実施例のデバイス構造では、従来のMOS構造を有しない場合に比較して信号強度である電荷量が20%多いという結果を得た。このシミュレーション例では、有感領域の開口部の面積に対し、MOS構造の領域は36%を占めるが、実際の半導体放射線検出器の面積は、この例よりも大きく、1%程度の面積の増加でも、20%程度の信号増強効果が得られる。
【0038】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、デバイス構造を複雑にすることなく、また製造コストを上昇させることなく、放射線の検出感度を著しく高感度にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。
【図2】本発明の動作原理を説明するためのシミュレーションに関するMOS構造を示す断面図である。
【図3】本発明の動作原理を説明するためのシミュレーションに関する印加電圧を示すグラフ図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る半導体放射線検出器を示す断面図である。
【図5】本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウト形状の一例を示す模式図である。
【図6】本発明の半導体放射線検出器の各層の平面レイアウト形状の他の例を示す模式図である。
【図7】従来の半導体放射線検出器を示す断面図である。
【符号の説明】
1、21、31、61;n型シリコン基板
2、22、32;p型拡散層
3、23、33、63;上部アルミニウム電極
4、24、34、62;シリコン酸化膜
5、25;チャネルストッパー
6、7、26、36、37;空乏層
8、27、38、64;下部アルミニウム電極
35;フィールドプレート
41、51;有感領域
42、52;素子分離領域
43、53;上部アルミニウム電極成膜領域
44、54;MOS構造形成領域
71;シミュレーションで上部電極に印加した電圧[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor radiation detector having a radiation sensitive part composed of a pn junction or a Schottky junction.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a sectional view showing a conventional semiconductor radiation detector. In the conventional semiconductor detector, for example, a p-type diffusion layer 22 is formed on the surface of an n-type silicon substrate 21, and a silicon oxide film 24 is formed on the substrate surface excluding a portion above the p-type diffusion layer 22. Is formed. Then, an upper aluminum electrode 23 is formed on the silicon oxide film 24 and the silicon substrate 21, so that the upper aluminum electrode 23 is in ohmic contact with the diffusion layer 22. In this case, a portion where the upper aluminum electrode 23 is connected to the diffusion layer 22 corresponds to a radiation sensitive region. The portion on the silicon substrate 21 other than the sensitive region is covered with the silicon oxide film 24, and the upper aluminum electrode 23 is insulated from the silicon substrate 21 by the silicon oxide film 24 in the portion other than the sensitive region (diffusion layer 22). Have been. An n-type diffusion layer having a higher concentration than the silicon substrate 21 is formed as a channel stopper 25 on the outer periphery of the diffusion layer 22. On the lower surface of the silicon substrate 21, an aluminum electrode 27 is formed.
[0003]
In the semiconductor radiation detector configured as described above, when a voltage that causes the aluminum electrode 23 to be negative is applied between the aluminum electrode 23 and the aluminum electrode 27, the n-type silicon substrate 21 connected to the aluminum electrode 27 And a reverse bias is applied between the p-type diffusion layer 22 and the p-type diffusion layer 22 ohmically connected to the aluminum electrode 23, and the depletion layer 26 spreads below the p-type diffusion layer 22. When radiation enters the depletion layer 26, the radiation generates carriers (charges) of electron-hole pairs in the depletion layer 26, and the generated electron-hole pairs are separated by the electric field of the depletion layer 26, and A current flows through the electrodes 23 and 27 and is detected.
[0004]
Although the above description is for the case where the silicon substrate 21 is n-type, the polarity of the diffusion layer 22 and the channel stopper 25 (n-type diffusion layer) and the polarity of the applied voltage are changed even when the silicon substrate 21 is p-type. Thus, a semiconductor radiation detector having a similar function can be obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In semiconductor radiation detectors as described above, the number of electron-hole pairs generated with the incidence of radiation is determined by the energy of the incident radiation. Effectively controls the width of the depletion layer or the electric field to efficiently separate the generated electron-hole pairs, and reduces recombination and trapping to defects to prevent annihilation of the electron-hole pairs. It is necessary to. However, these countermeasures have limitations, and countermeasures close to these limits have already been taken.
[0006]
On the other hand, as a method of increasing the detection signal, generated electrons and holes are accelerated by a high electric field, and as a result, electrons and holes having sufficiently high energy collide with Si atoms, thereby generating new electrons and holes. The generation of hole pairs has also been devised, but is not desirable from the viewpoint of signal level stability and long-term reliability.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor radiation detector that can increase detection sensitivity without complicating a device structure and without increasing costs. Aim.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor radiation detector according to the present invention includes a radiation sensitive region including a pn junction or a Schottky junction formed in an element formation region defined by an element isolation region on a surface of a semiconductor substrate; The contacted signal detection electrode, a wiring electrode formed in a region opposite to the sensitive region adjacent to the element isolation region and electrically connected to the signal detection electrode, An insulating film provided between the semiconductor substrate and the wiring substrate, wherein a MOS structure is formed from the wiring electrode, the insulating film, and the semiconductor substrate.
[0009]
In this semiconductor radiation detector, it is preferable that the wiring electrode is formed in the same step as the signal detection electrode.
[0010]
Further, the element isolation region is, for example, a channel stopper of the same conductivity type as the semiconductor substrate and a diffusion layer having a higher concentration than the semiconductor substrate, or is insulated from the semiconductor substrate via an insulating film, This is a field plate to which the same potential as that of the semiconductor substrate is applied. However, in the present invention, the element isolation method is not limited to the above-described embodiment, and various embodiments are possible.
[0011]
Note that the fact that the element formation region is partitioned by the element isolation region does not mean that the element formation region is surrounded by the element isolation region. That is, the device molecule region does not necessarily surround the sensitive region, and the device isolation region may not be provided in a direction in which device isolation is not required, for example, a depletion layer does not extend. However, it is necessary to provide an element isolation region between the MOS structure and the sensitive region.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor radiation detector according to an embodiment of the present invention. A p-type diffusion layer 2 is provided on the surface of an n-type silicon substrate 1, and a silicon oxide film 4 is formed on the surface of the silicon substrate 1 except for the upper part of the p-type diffusion layer 2. The upper aluminum electrode 3 is formed on the silicon oxide film 4 and the silicon substrate 1, and the upper aluminum electrode 3 is formed on the diffusion layer 2 because the silicon oxide film 4 is not formed on the diffusion layer 2. On the other hand, ohmic contact is made. In this case, a portion where the upper aluminum electrode 3 is in ohmic contact with the diffusion layer 2 corresponds to a radiation sensitive region. Therefore, the silicon substrate 1 other than the sensitive region is covered with the silicon oxide film 4, and the upper aluminum electrode 3 is insulated from the silicon substrate 1 by the silicon oxide film 4 in the portion other than the sensitive region. I have.
[0013]
An n-type diffusion layer having a higher concentration than the silicon substrate 1 is formed as a channel stopper 5 so as to surround the diffusion layer 2. The region surrounded by the channel stopper 5 is an element formation region where elements are separated by the channel stopper 5. The aluminum electrode 3 is formed to extend outside the channel stopper 5 on the surface of the silicon substrate 1, that is, to a region on the opposite side of the diffusion layer 2, and is formed in a region adjacent to the channel stopper 5 in the silicon substrate 1. It is formed up to the top. As a result, a MOS structure including the upper aluminum electrode 3, the silicon oxide film 4, and the silicon substrate 1 is formed in a region outside the channel stopper 5. A lower aluminum electrode 8 is formed on the lower surface of the silicon substrate.
[0014]
Next, the operation of the semiconductor radiation detector of the present embodiment configured as described above will be described. When a reverse bias is applied between the n-type silicon substrate 1 in contact with the lower aluminum electrode 8 and the p-type diffusion layer 2, the depletion layer 6 expands below the diffusion layer 2. At this time, the voltage applied to the upper aluminum electrode 3 is a negative voltage when the lower aluminum electrode 8 is grounded and the silicon substrate 1 is grounded (set to 0 V). When the radiation is incident on the depletion layer 6, the radiation generates carriers (charges) of electron-hole pairs in the depletion layer 6, and the generated electron-hole pairs are separated by the electric field of the depletion layer 6, A current flows between the aluminum electrodes 3 and 8 to generate a detection signal.
[0015]
As described above, when the above-mentioned reverse bias voltage is applied to operate the semiconductor detector, when the MOS structure including the upper aluminum electrode 3, the silicon oxide film 4, and the silicon substrate 1 is surrounded by the channel stopper 5, The depletion layer 7 also spreads on the surface of the silicon substrate 1 outside the element formation region. When the applied voltage of the upper aluminum electrode 3 exceeds the threshold voltage of the MOS structure, that is, when the absolute value of the applied voltage is larger than the absolute value of the threshold voltage, an inversion layer is formed on the surface of the depletion layer 7. Even if a voltage is further applied (the absolute value is increased), the depletion layer 7 does not spread any further.
[0016]
Next, a description will be given of the operation principle that the semiconductor radiation detector of the present invention can improve the radiation detection sensitivity as described above. The basic principle of a semiconductor radiation detector in which electron-hole pairs generated by radiation incident on a sensitive region of a semiconductor generate a detection signal is the same as in the prior art. However, in the present invention, the function of the MOS structure provided in a region adjacent to the channel stopper 5 which is an element isolation region for partitioning a radiation sensitive region is added.
[0017]
Numerical analysis of the electrical characteristics of a semiconductor element is performed by a semiconductor device simulation technique (for example, "Process and Device Simulation Technology", edited by Danyo, published by Sangyo Tosho Co., Ltd.). The results of analysis performed by the present inventors using a device simulator in this device simulation method will be described with reference to FIGS. The device structure used for the analysis is as follows. A silicon oxide film 62 having a thickness of 400 nm is formed on a surface of an n-type silicon substrate 61 having a thickness of 500 μm and a resistivity of 250 Ω · cm, and an aluminum electrode 63 is formed on the silicon oxide film 62. Is formed. An aluminum electrode 64 is in ohmic contact with the lower surface of the silicon substrate 61.
[0018]
Then, a voltage 71 is applied to the upper aluminum electrode 63 having the MOS structure as shown in FIG. At this time, the lower aluminum electrode 64 is set to zero potential (ground). The voltage 71 applied to the upper aluminum electrode 63 is -50 V, -49.9 V at time zero (0), 1 nano (1 n) seconds, 2 nano (2 n) seconds, 3 nano (3 n) seconds and thereafter. , -49.9 V, and -50 V, and a transient analysis was performed using a semiconductor simulator. This transient analysis was performed up to 10 microseconds as a time sufficient to return to a steady state when the applied voltage 71 of FIG. 3 was applied. As a result, the charge obtained by integrating the current flowing through the upper electrode 63 with time is about 24 pico C / cm 2 (pico is 10 −12) per unit area of the surface area in plan view of the device. Then, the current flowed out of the MOS structure to the outside. However, the direction of the current is not constant, but changes from the direction in which the current flows into the MOS structure from the upper electrode to the direction in which the current flows out. When the current was integrated over time, the electric charge flowing out of the MOS structure to the outside through the upper electrode 63 was superior. Further, in general, the signal detector of the semiconductor radiation detector has a configuration in which a resistor and a capacitor (capacitor) are connected in parallel. However, since this capacitance component acts as a low-pass filter, a high-frequency component of the signal is used. Is attenuated, and the current component flowing from the upper electrode into the MOS structure contains a higher frequency component, so that the current component flowing from the upper electrode into the MOS structure has a smaller contribution to the detection signal, and as a result, The current component flowing out of the MOS structure contributes to the detection signal and acts more effectively.
[0019]
The above description describes the operation of the MOS structure itself. Next, the operation of the semiconductor radiation detector of the present invention provided with this MOS structure will be described. In the semiconductor radiation detector of this embodiment shown in FIG. 1, when the n-type silicon substrate 1 is grounded and, for example, -50 V is applied to the upper aluminum electrode 3, the depletion layer 6 expands. When radiation such as alpha rays is incident on the depletion layer 6, electron-hole pairs are generated, separated by the electric field of the depletion layer 6, and the generated holes pass through the p-type diffusion layer 2 and the upper aluminum electrode 3 Leaked to On the other hand, the generated electrons flow out of the aluminum electrode 8 on the lower surface of the substrate. Since the generated electrons flow out from the lower surface of the substrate, the current flows from the aluminum electrode 8 to the aluminum electrode 3 in a direction opposite to the electrons. Due to this current, the voltage at the top of the silicon substrate 1 is lower than that at the bottom (0 V) of the substrate. That is, the potential becomes negative. If the voltage of the upper aluminum electrode 3 is fixed to -50 V, a MOS structure composed of the upper aluminum electrode 3 / silicon oxide film 4 / silicon substrate 1 will be described with reference to FIGS. As described above, the pulse voltage is applied to the upper electrode 3 in the same direction as the voltage 71 shown in FIG. Further, generally, a voltage is applied to the upper aluminum electrode 3 via a resistor. When a fixed voltage of -50 V is applied to the outside of the resistor, the current flowing out causes the upper electrode 3 to have a voltage shallower than -50 V (a negative voltage whose absolute value is smaller than 50). 3 corresponds to the application of a pulse voltage in the same direction as the applied voltage 71. Therefore, the same phenomenon as that described with reference to FIGS. 2 and 3 occurs in the MOS structure composed of the upper aluminum electrode 3 / silicon oxide film 4 / silicon substrate 1 in FIG. The shape of the pulse voltage (time, height of the pulse voltage) is expected to be different from the simulations performed in FIGS. 2 and 3, but the aluminum electrode 3 in FIG. The displacement signal in the same direction is added to the current from the MOS structure, and the radiation signal detected from the upper aluminum electrode is enhanced.
[0020]
As described above, in the present embodiment, since the depletion layer 6 is formed in the element formation region and the depletion layer 7 is formed outside the element formation region, the radiation detection current is amplified and the detection sensitivity is reduced. Can be enhanced.
[0021]
In the first embodiment, the silicon substrate 1 is n-type. However, even if the silicon substrate 1 is p-type, the polarity of the diffusion layer 2 and the channel stopper 5 (n-type diffusion layer) and the applied voltage By changing the polarity of the semiconductor radiation detector, a semiconductor radiation detector having the same function can be obtained.
[0022]
Further, in the first embodiment, the upper electrode 3 is an aluminum wiring, but is not limited to this, and may be any wiring material that can make ohmic contact with the diffusion layer 2.
[0023]
In the first embodiment, the entire surface of the diffusion layer 2 is covered with the upper aluminum electrode 3. However, as long as the diffusion layer 2 can be electrically connected to the diffusion layer 2, the upper aluminum electrode 3 covers not all but part of the diffusion layer 2. , An aluminum electrode 3 may be formed.
[0024]
In the first embodiment, a pn junction is provided as a means for forming a depletion layer in a sensitive portion. However, the present invention is not limited to this, and a Schottky junction may be provided. Specifically, a Schottky junction can be formed by using gold or the like as the upper electrode in the case of an n-type silicon substrate and using aluminum or the like as the upper electrode in the case of a p-type silicon substrate.
[0025]
In the first embodiment, the wiring above the depletion layer 7 is formed at the same time as the upper aluminum electrode 3 that is in ohmic contact with the diffusion layer 2. It is not necessary to form them, and they may be electrically connected after they are formed in different steps. However, from the viewpoint of manufacturing cost, it is preferable to use a wiring formed at the same time as the upper aluminum electrode 3 in ohmic contact with the diffusion layer 2 as the wiring above the depletion layer 7.
[0026]
In the first embodiment, a silicon oxide film is used as the insulating film 4. However, the insulating film 4 is not limited to the silicon oxide film as long as it has electrical insulating properties. Alternatively, a stacked film of a plurality of insulators may be used. However, the insulating film in contact with the surface of the silicon substrate is preferably a thermally oxidized silicon oxide film because it is necessary to suppress the defect density at the interface.
[0027]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that a field plate is used as an element isolation region instead of the channel stopper (diffusion layer) in FIG. The configuration other than the element isolation region is the same as that of the first embodiment in FIG.
[0028]
A p-type diffusion layer 32 is formed on the surface of n-type silicon substrate 31, and a silicon oxide film 34 is formed on the surface of silicon substrate 31 excluding an ohmic contact region between p-type diffusion layer 32 and aluminum electrode 33. Is formed. In the silicon oxide film 34, a field plate 35 as an element isolation region is formed at a position surrounding the diffusion layer 32 in plan view. The field plate 35 is usually formed of aluminum, but is not limited to aluminum as long as it is a wiring material, and can be formed of various materials. Note that the aluminum electrode 33 extends from an ohmic contact region with the diffusion layer 32 to a region on the opposite side of the diffusion layer 32 beyond the field plate 35. An aluminum electrode 38 is also formed on the lower surface of the silicon substrate 31.
[0029]
In the present embodiment, by applying a voltage having the same potential as that of the silicon substrate 31 to the field plate 35, the field plate 35 exhibits a function of element isolation. Then, by applying a reverse bias voltage to the aluminum electrode 34, a depletion layer 36 is formed in the element region separated by the field plate 35. When radiation enters the depletion layer 36, electrons and holes are generated. A pair is generated and a detection current flows to the aluminum electrode 34. In this case, since the aluminum electrode 33 is formed outside the element region partitioned by the field plate 35, the depletion layer 37 is also formed in the MOS structure formed in this region.
[0030]
As described above, since the aluminum electrode 33 is formed to extend outside the field plate 35, also in the present embodiment, the signal current due to the holes generated by the radiation is applied to the signal current from the MOS structure in the same direction by the above-described operation. The signal of the displacement current is added, so that the detection current can be amplified, and extremely high radiation detection accuracy can be obtained.
[0031]
In order for the field plate 35 to function as an element molecule, a voltage of the same potential as that of the silicon substrate 31 is normally applied to the field plate 35, but a potential that does not invert the silicon substrate 31 immediately below the field plate 35 is applied. In this case, the potential does not necessarily need to be the same as that of the silicon substrate 31. The voltage of the upper aluminum electrode 33 for inverting the silicon substrate 31 is practically a function of the concentration of the silicon substrate 31, the dielectric constant and thickness of the insulating film (silicon oxide film 34), and the work function of the upper aluminum electrode 33. Can be predicted with no problematic accuracy. The polarity of the conductivity type, the type of junction for forming the depletion layer, and the materials of the upper electrode and the insulator are the same as those in the first embodiment.
[0032]
In the above embodiment, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this silicon substrate, and a semiconductor substrate such as diamond or SiC may be used.
[0033]
Next, an example of a planar layout pattern of each layer of the semiconductor radiation detector of the present invention will be described with reference to FIG. In the example of FIG. 5, the circular region 41 is an opening without a silicon oxide film, and is a sensitive region. In regions other than the sensitive region 41, a silicon oxide film is provided on a silicon substrate. The annular area 42 surrounding the sensitive area 41 is an element isolation area. An aluminum electrode is provided on the entire surface surrounded by the thick frame 43. An annular region 44 adjacent to the annular region 42 is provided outside the annular region 42, and the annular region 44 has a MOS structure. Although the layout pattern shown in FIG. 5 is circular, the present invention is not limited to this. If the layout pattern is arranged outside the annular element isolation region 44 surrounding the sensitive region 41 so as to be adjacent thereto, other shapes such as a rectangle may be used. May be configured.
[0034]
Another example of the planar layout pattern of each layer of the semiconductor radiation detector of the present invention will be described with reference to FIG. The region 51 to be a sensitive region is rectangular and is an opening provided in an insulating film (silicon oxide film). In a region other than the region 51, a silicon oxide film is provided on a silicon substrate. An aluminum electrode is provided on the entire surface of the region 53 surrounded by the thick frame, and the region provided with the aluminum electrode extends in one direction from one side of the sensitive region 51. An element isolation region 52 is provided between the extension region and the sensitive region 51. A MOS structure is provided in a region 54 extending outside the element isolation region 52. As shown in FIG. 6, the element isolation region 52 and the MOS structure need not necessarily surround the sensitive region 51.
[0035]
【Example】
Hereinafter, a result of a simulation of the effect of the embodiment falling within the scope of the present invention will be described. The structure of the semiconductor radiation detector used in this simulation is shown in FIG. This semiconductor simulation was performed under the conditions shown in Table 1 below. The plane layout of each layer is a concentric circle shown in FIG.
[0036]
[Table 1]
Figure 2004342995
[0037]
With the upper aluminum electrode 3 held at -50 V, the situation where alpha rays having an energy of 1 MeV were vertically incident on the center of the semiconductor detector was analyzed by simulation. As a result, in the device structure according to the embodiment of the present invention having the MOS structure, the charge amount as the signal intensity was increased by 20% as compared with the case where the device had no conventional MOS structure. In this simulation example, the area of the MOS structure occupies 36% of the area of the opening of the sensitive area. However, a signal enhancement effect of about 20% can be obtained.
[0038]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the radiation detection sensitivity can be significantly increased without complicating the device structure and increasing the manufacturing cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor radiation detector according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a MOS structure related to a simulation for explaining the operation principle of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing applied voltages for a simulation for explaining the operation principle of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a semiconductor radiation detector according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of a planar layout shape of each layer of the semiconductor radiation detector of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a planar layout shape of each layer of the semiconductor radiation detector of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a conventional semiconductor radiation detector.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31, 61; n-type silicon substrates 2, 22, 32; p-type diffusion layers 3, 23, 33, 63; upper aluminum electrodes 4, 24, 34, 62; silicon oxide films 5, 25; 6, 7, 26, 36, 37; depletion layers 8, 27, 38, 64; lower aluminum electrode 35; field plates 41, 51; sensitive regions 42, 52; element isolation regions 43, 53; Regions 44 and 54; MOS structure formation region 71; Voltage applied to upper electrode in simulation

Claims (4)

半導体基板の表面の素子分離領域により区画された素子形成領域に形成されたpn接合部又はショットキー接合部からなる放射線有感領域と、この有感領域に接触した信号検出用の電極と、前記素子分離領域に隣接する前記有感領域の反対側の領域に形成され前記信号検出用の電極と電気的に接続された配線電極と、この配線電極と前記半導体基板との間に設けられた絶縁膜と、を有し、前記配線電極、前記絶縁膜及び前記半導体基板からMOS構造が形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。A radiation sensitive region formed of a pn junction or a Schottky junction formed in an element formation region defined by an element isolation region on the surface of the semiconductor substrate; a signal detection electrode in contact with the radiation sensitive region; A wiring electrode formed in a region opposite to the sensitive region adjacent to the element isolation region and electrically connected to the signal detection electrode; and an insulation provided between the wiring electrode and the semiconductor substrate. And a film, wherein a MOS structure is formed from the wiring electrode, the insulating film, and the semiconductor substrate. 前記配線電極は、前記信号検出用の電極と同一工程で形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体放射線検出器。2. The semiconductor radiation detector according to claim 1, wherein the wiring electrode is formed in the same process as the signal detection electrode. 前記素子分離領域は、前記半導体基板と同一導電型で且つ半導体基板よりも高濃度の拡散層であるチャネルストッパーであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体放射線検出器。3. The semiconductor radiation detector according to claim 1, wherein the element isolation region is a channel stopper having the same conductivity type as the semiconductor substrate and a diffusion layer having a higher concentration than the semiconductor substrate. 4. 前記素子分離領域は、前記半導体基板とは絶縁膜を介して絶縁され、前記半導体基板と同一電位を印加されたフィールドプレートであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体放射線検出器。3. The semiconductor radiation detector according to claim 1, wherein the element isolation region is a field plate that is insulated from the semiconductor substrate via an insulating film, and is applied with the same potential as the semiconductor substrate. 4. .
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