JP2008546177A - 高性能のＣｄｘＺｎ１−ｘＴｅ（０≦ｘ≦１）のＸ線及びγ線の放射線検出器およびその製造方法 - Google Patents

高性能のＣｄｘＺｎ１−ｘＴｅ（０≦ｘ≦１）のＸ線及びγ線の放射線検出器およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、II-VI化合物で形成された結晶基板と、 基板の一面の相当な部分を覆う第１電極とを備える放射線検出器である。複数の第２電極、分割電極が、第１電極の反対側の基板の表面上に間隔を空けて設けられている。保護層が、第１電極の反対側の基板の表面上の第２電極間に堆積されている。また、本発明は、前記放射線検出器を形成する方法でもある。

Description

本発明は、高性能の室温半導体のX線及びγ線の放射線検出器及びその製造方法である。本発明を、半絶縁性のCdxZn1-xTe（0≦x≦1）の放射線検出器に関連して説明しているが、本発明は半絶縁特性を有するいずれのII-VI化合物にも適用できるものである。従って、本発明は、半絶縁性もしくは高比抵抗の半導体材料を必要とするいずれの非線形のもしくは電気光学の装置もしくは用途に適用できる。0≦x≦1の濃度又はモル分率の範囲は、CdTe（x=1）及びZnTe（x=o）を含む任意のZnのパーセンテージを有するCdZnTeを包含するものである。
図１を参照すれば、典型的な先行技術の放射線検出器１は、CdZnTe結晶などの適したII-VI化合物より形成された基板２と、基板２の片面を覆う連続電極４と、基板２の側面の周囲に導電性バンドを形成する側面電極６と、連続電極４の反対側の基板２の表面上の１又は複数の分割電極８とを備える。先行技術及び本発明を説明するために、放射線検出器１及び放射線検出器１’（本明細書に記載）を、複数の分割電極８を備えるものとして説明する。しかしながら、放射線検出器１及び／又は放射線検出器１’は望ましい場合には単一の電極８のみを備えてもよいので、このことは本発明を制限するものではない。
使用にあたって、検出器１は、典型的には分割電極８からの放射事象信号の取得を促進する適したパターンの導体（図示せず）を有する担体又は基板１２に結合されている。より詳細には、検出器１の分割電極８は、結合バンプ（bonding bump）１６を介して検出器１の分割電極８の構造に合う基板１２の電極パッド１４に結合されている。各結合バンプ１６は内側バンプ（in bump）、低温ハンダバンプ、導電接着バンプなどであるがこれらに限定されない。
分割電極８は、任意のサイズ及び構造のピクセル、ストリップ、グリッド、ステアリンググリッド（steering grid）、棒又はリングであってもよい。分割電極８は互いに関連してバイアスをかけてもよいし、バイアスをかけなくてもよい。
検出器１の実施態様の例は、側面電極６のような側面電極によって囲まれ、それによって257番目の電極を定める16x16の二次元配列で配置されている分割電極８のような256の等しいサイズの電極を備える。
検出器１は、連続電極４及び分割電極８へ流れるように基板２の容積内で放射事象によって生成した荷電粒子（電子及び空孔）を引き起こす１又は複数の電圧を連続電極４と分割電極８との間に印加することによって作動する。分割電極８を、基板１２を介して適切な読み出し回路に連結して、生成した荷電粒子の動作から、更なる処理のための読み出し回路によって調整された電気信号に、各分割電極８内で生成した電荷又は電流を変換する。望ましくは、基板２の容積内で電界分布を最適化し、結果として検出器１の性能を最適化するように、側面電極６にバイアスをかける。
先行技術の検出器１において直面する問題としては、側面電極６が存在しても存在していなくても、分割電極８の対の間及び／又は連続電極４と１又は複数の分割電極８との間の容認できない低い破壊電圧が挙げられる。先行技術の検出器１における別の問題は、動作中に容認できない高いレベルの漏れ電流が流れ、それによって検出器１の性能に悪影響を及ぼす可能性があることである。
従って、少なくとも上記の問題点とあるいは他の問題点を克服する改良された検出器が提供されることが望ましい。
本発明は、高性能の室温半導体のX線及びγ線放射線検出器及びその製造方法である。本発明は、優れた性能及び長期間安定性を有する検出器を提供する。
本発明に従う検出器は、その側面に、非常に低い側面の漏れ電流、非常に高い側面の破壊電圧、優れた物理的な及び化学的な安定性、及び連続してバイアスをかけた条件下で優れた長期間安定性を示す保護層を備えることができる。
検出器は、分割電極間に、非常に低い表面の漏れ電流、非常に高い表面の破壊電圧、優れた物理的な及び化学的な安定性、及び連続してバイアスをかけた条件下で優れた長期間安定性を示す保護層を備えることができる。
検出器は、連続電極を備えることができる。また、検出器は、検出器が非常に低いバルクの漏れ電流、非常に高いバルクの破壊電圧、優れた物理的な及び化学的な安定性、及び連続してバイアスをかけた条件下で優れた長期間安定性を示すことできるようにする優れた電流遮断特性を有する絶縁体−導体電極を備えることもできる。
検出器は、電極の検出器表面への優れた接着特性を示すことができ、それによって、表面汚染による電極の層間剥離をなくすことができる。
検出器は、薄く、高い電気的絶縁の層で形成することができる。
検出器は、下記の薄いフィルムの堆積と表面改質技術との独特な組み合わせを利用することによって製造することができる。
・紫外線及びオゾンの表面エッチング及び酸化の組み合わせ；
・原子状水素の表面エッチング；
・絶縁窒化物（AlN、Si3N4もしくは同様のもの）又は酸化物（Al2O3、SiO2、TeO2、CdO、CdTeO3、ZnOもしくは同様のもの）、オキシナイトライド（AlONもしくは同様のもの）及びセレニド（ZnSeもしくは同様のもの）のフィルムのパルスDC反応性スパッタリング；
・Pt、Au、In、Ti、Ni、Fe、Ta、Pd、Al、Ag、Cr、Mo、W、Zn、Te又はそれらの２種、３種もしくは４種のいずれの組み合わせの単層又は複層の金属電極のスパッタリング又は蒸着；
・分割電極形成のためのフォトリソグラフィー
検出器は、II-VI化合物で形成された結晶基板と、基板の一面の相当な部分を覆う第１電極とを備える。複数の第２の分割電極を、第１電極の反対側の基板の表面上に間隔を空けて設ける。保護層を、第１電極の反対側の基板の表面上に、第２電極の間に堆積させる。
保護層は、トンネル電流がそれを通じて流れることが可能となる厚さを有する酸化物フィルムであってもよい。保護層の厚さは、#250オングストロームであってもよく、望ましくは#100オングストロームであり、より望ましくは#25オングストロームである。また、保護層は、基板と各第２電極との間にも堆積させてもよい。
保護層は、II-VI化合物の天然酸化物から形成された第１の絶縁フィルムと第１のフィルムをオーバーレイする第２の絶縁フィルムとを含んでもよい。第２の絶縁フィルムは窒化物フィルム、オキシナイトライドフィルム又は酸化物フィルムであってもよい。
また、保護層は、基板の側面の少なくとも一部を覆ってもよい。側面電極を、基板の側面の少なくとも一部覆う保護層上に堆積させてもよい。
また、保護層を第１電極と基板の一面との間に堆積させてもよい。
検出器を形成する方法は、（a）II-VI化合物で形成された結晶基板上に保護層を形成することと、（b）基板の第１の表面上の保護層に一連の孔を形成することと、（c）各孔に、かつ基板の第１の表面上の保護層上へ導体材料を堆積させることと、（d）基板の第１の表面上の保護層上へ堆積させた導体材料を選択的に除去し、導体材料を保護層の各孔に残存させ、保護層の各孔における導体材料を、基板の第１の表面上の保護層の各他の孔におけるの導体材料と分離することとを含む。
前記方法において、各孔に堆積された導体材料は、基板の第１の表面及び基板の第１の表面上の薄い酸化物の層の少なくとも一つと接触していてもよい。
前記方法は、さらに、第１の表面の反対側の基板の第２の表面から保護層の少なくとも一部を除去し、それによって基板の第２の表面の少なくとも一部を露出させ、基板の第２の表面の露出した部分の上に導体材料を堆積させることを含んでもよい。
前記方法は、さらに、基板の側面上の保護層上へ導体材料を堆積させることを含んでもよい。
保護層は、II-VI化合物の天然酸化物から形成された第１の絶縁フィルムと第１のフィルムをオーバーレイする第２の絶縁フィルムとを含んでもよい。ステップ（b）は、第２のフィルムに一連の孔を形成することを含んでもよく、ステップ（c）は、各孔における第１のフィルムの露出した表面上に導体材料を堆積させることを含んでもよい。
第２のフィルムの少なくとも一部を第１の表面の反対側の基板の第２の表面から除去し、それによって、基板の第２の表面上の第１のフィルムの表面の少なくとも一部を露出させてもよい。次に、導体材料を、基板の第２の表面上の第１のフィルムの露出した表面上に堆積させてもよい。望ましくは、第１のフィルムが、トンネル電流がそれを通じて流れることができるようにする厚さを有する。第１のフィルムの厚さは、#250オングストロームであってもよく、望ましくは#100オングストロームであり、より望ましくは#25オングストロームである。
本発明を図２〜７を参照して説明する。図において、同様の符号は同様の要素に相当する。
図２を参照すれば、本発明従う放射線検出器１'を形成する方法は、その表面から切断、ラッピング及び機械的な研磨の損傷を除去するように、適切な方法でCdZnTeの基板などの基板２をエッチングすることを含む。本発明を説明するために、以下、基板２をCdZnTeから製造すると仮定する。しかしながら、これは本発明を制限するものと解釈されるものではない。
基板２は、適したウェットエッチング又はドライエッチングの技術のいずれも利用してエッチングすることができる。適したウェットケミカルエッチング溶液の例としては、臭素メタノール溶液又は臭素エタノール溶液が挙げられる。基板２のエッチングの間に、薄く、少し酸化したアモルファスのTeフィルム２０が典型的には基板２上に形成される。
図３を参照し、引き続き図２を参照すれば、適した技術を用いて、酸化したTeフィルム２０と、もし存在するのであれば、如何なる炭化水素の汚染も基板２から除去する。その後、Cd(Zn)TeOx、TeOx、CdO又はZnOなどのCdZnTeの天然酸化物の薄い酸化物フィルム２２をUV/オゾン酸化によって基板２上に形成する。このフィルム２２は、絶縁性が高く、低い漏れ電流、高い破壊電圧及び優れた長期間安定性をもたらす。しかしながら、フィルム２２は、典型的には、例えば#25オングストロームと薄く、従って、望ましくは、検出器１'の最終的な実施態様において更なる保護を必要とする。
窒化物（AlN、Si3N4又は同様のもの）、オキシナイトライド又は酸化物フィルムなどの電気的絶縁フィルム２４（500〜5000オングストローム）はフィルム２２上に堆積されて、更なる加工の間および検出器１’の動作の間、損傷から保護する。望ましくは、絶縁フィルム２４を、電気的絶縁性が高く、低ストレスのフィルムを提供する条件下でのパルスDC反応性スパッタリングによって堆積する。
他のフィルムが充分であると考えられる場合、フィルム２２及びフィルム２４のいずれか一つを、基板２の上面３０及び／又は基板２の側面２８周辺から省略することができる。例えば、基板２の上面３０及び側面２８の周辺の一つ又は両方においてフィルム２４を省略でき、そうするとフィルム２２が単独の絶縁フィルムとなる。別の方法として、基板２の上面３０及び側面２８の周辺の一つ又は両方においてフィルム２２を省略でき、そうするとフィルム２４が単独の絶縁フィルムとなる。さらに別の代替手段では、フィルム２２及び／又はフィルム２４のいずれの組み合わせも、基板２の上面３０、側面２８及び／又は下面３２上に要望通り使用することができる。本発明を説明するために、フィルム２２及びフィルム２４を基板２上に堆積させるものとして説明する。しかしながら、これは、本発明を限定するものとして解釈されるものではない。
図４を参照し、引き続いて図３を参照すれば、フォトレジストなどの保護フィルム２６を、基板２の側面２８及び上面３０上に存在する絶縁フィルム２４の一部の上に堆積させる。その後、フィルム２２及び２４を、基板２の下面から除去し（化学−機械的研磨、ウェットもしくはドライのケミカルエッチング、ドライ（イオンもしくはプラズマ）エッチング又は任意の他の適した及び／もしくは望ましい堆積技術によって）、連続電極４を、スパッタリング、蒸着又は任意の他の適した及び／もしくは望ましい堆積技術によって下面３２上に蒸着させる。望ましいのであれば、連続電極４の堆積の前に、下面３２をUVオゾン酸化単独によって又はそれに続けて原子状水素クリーニングを行うことによってクリーニングしてもよい。
図５を参照し、引き続いて図４を参照すれば、次に、一連の孔３４を、フォトリソグラフィー化学処理によってなどの本技術分野において既知の方法で、基板２の上面３０上に存在する保護フィルム２６に形成し、各孔３４と一直線上のフィルム２２及び２４を１種又は複数の適した溶媒によって除去する。保護フィルム２６がフォトレジストである場合、孔３４を、フォトレジストの可溶部分を選択的にエッチングすることによって、保護フィルム２６に形成する。ポジティブ又はネガティブフォトレジストをこのために使用することができる。
概して、ポジティブフォトレジストは、紫外線（UV）光などの光に曝されるフォトレジストの各部分がフォトレジスト顕色剤に可溶となり、曝されていないフォトレジストの部分が、フォトレジスト顕色剤に不溶のままであるものである。ネガティブレジストは、光に曝されるフォトレジストの各部分がフォトレジスト顕色剤に不溶となり、曝されていないフォトレジストの部分が、フォトレジスト顕色剤に可溶であるものである。
次に、UV/オゾン酸化を、各孔３４において露出されている基板２の上面３０に施して、上面３０からフォトレジストの微量の残留物を除去する。UV/オゾン酸化の間、薄い酸化物層３５（仮想線で示される）が各孔３４において露出されている上面３０上に形成される。望ましいのであれば、特に制限されないが、大気との接触による表面の再酸化を避けるように、インサイチュでスパッタリングチャンバーなどの電極堆積チャンバー内で望ましくは行われる原子状水素エッチングなどの任意の適切なエッチング技術を利用して、薄い酸化物層３５を除去することができる。
図６を参照し、引き続いて図５を参照すれば、次に、導電性金属などのコンダクタ３６を、上面３０をオーバーレイする保護フィルム２６の一部の上及び各孔３４に、前記コンダクタ３６が薄い酸化物層３５と接するか、又は薄い酸化物層３５が存在しない場合には各孔３４において露出されている上面３０の一部と接するように堆積させる。望ましくは、コンダクタ３６を、スパッタリング又は熱蒸着もしくは同様のものなどの任意の他の適した真空蒸着技術によって堆積させる。
図７を参照し、引き続いて図６を参照すれば、最後に、保護フィルム２６と、その上のコンダクタ３６の任意の部分を除去して、薄い酸化物層３５又は表面３０上の各コンダクタ３６が対応する分割電極８を定める検出器１’を形成する。分割電極８及び／又は連続電極４の各々は、金属、金属合金又は任意の適した導電性の材料もしくは合金で製造することができる。分割電極８及び／又は連続電極４の各々は、単独のコンダクタ又はコンダクタの複数の層を積み重ねたものであってもよい。
図７に示す検出器１’は、表面３２上の連続電極４と、表面３０（又は薄い酸化物層３５）上の分割電極８と、分割電極８の間の保護層として作用する、表面３０上のフィルム２２及び／又は２４と、同様に保護層として作用する、基板２の側面２８上のフィルム２２及び／又はフィルム２４とを備える。
検出器１’の別の構成において、側面電極４０（図７中の仮想線で示される）を基板２の側面２８上の保護層上に堆積させて、当該電極が基板２から電気的に絶縁されるようにすることができる。側面電極４０に、基板２に関連して任意の適した方法でバイアスをかけて、電荷収集が最適化され、最適な性能が達成されるように基板２の容量における電界分布を調整することができる。基板２の側面２８上の側面電極４０の高さ及び／又は位置を最も良好で可能な検出器性能を達成するように最適化することができる。
図８を参照し、引き続いて図２〜７を参照すれば、検出器１’の別の構造において、薄い酸化物フィルム２２を基板２上に維持することができる。その後、分割電極８を、基板２の上面３０をオーバーレイするフィルム２２の一部の上に、もし存在するのであればフィルム２４において形成された孔を介して堆積させることができる。望ましくは、各分割電極８を、図６と関連して上述したように、保護フィルム２６における各孔３４にコンダクタ３６を堆積させることによって形成する。その後、保護フィルム２６、及びその上のコンダクタ３６の任意の一部を除去する。フィルム２４における孔を介して基板２の表面３０をオーバーレイするフィルム２２上に堆積された分割電極８を有する検出器１’の実施態様を図８に示す。図８に示す検出器１’の実施態様は、下面３２をオーバーレイするフィルム２２の一部の上に堆積された連続電極４も備えることができるし、または別の方法として、該連続電極４を備えることができる。
フィルム２２が厚すぎなければ（例えば、#250オングストローム、望ましくは#100オングストローム、より望ましくは#25オングストローム）、電流が、基板２と連続電極４との間に、及び／又は基板２と各分割電極８との間に、いわゆるトンネル電流によって流れることができる。望ましいのであれば、図８に示す検出器１’の実施態様は、基板２の側面２８上の保護層上に堆積された側面検出器４０（仮想線で示される）も備えることができる。
本発明を好ましい実施態様を参照して説明した。前記詳細な説明を読み、理解することにより、修正及び変更を思い付くことができることは明らかである。例えば、本発明を、基板２の上面３０上の分割電極を参照して説明したが、基板２の上面３０及び下面３２上に分割電極８を形成するために、先行技術を適用し、必要であれば先行技術に修正を加えることができることが想定される。本発明は、特許請求の範囲又はその均等の範囲内に入る限り、そのような修正及び変更のすべてを含むものであると解釈されるものである。
図１は、基板に結合した先行技術の放射線検出器の横断面図である。 図２は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図３は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図４は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図５は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図６は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図７は、本発明における放射線検出器を形成する方法の横断面図である。 図８は、本発明の別の放射線検出器の横断面図である。
符号の説明
１ 放射線検出器
２ 基板
４ 連続電極
６ 側面電極
８ 分割電極
１２ 基板
１４ 電極パッド
１６ 結合バンプ
２０ 酸化Teフィルム
２２ 酸化物フィルム
２４ 電気的絶縁フィルム
２６ 保護フィルム
２８ 基板の側面
３０ 基板の上面
３２ 基板の下面
３４ 孔
３５ 薄い酸化物層
３６ コンダクタ
４０ 側面電極

Claims (17)

  1. II-VI化合物で形成された結晶基板と、
    基板の一面の相当な部分を覆う第１電極と、
    第１電極の反対側の基板の表面上に間隔を空けて設けられている複数の第２電極と、
    第１電極の反対側の基板の表面上の第２電極間にある保護層とを備える放射線検出器。
  2. 保護層が、トンネル電流がそれを通じて流れることが可能となる厚さを有する酸化物フィルムである請求項１記載の放射線検出器。
  3. さらに、基板と各第２電極との間に保護層を備える請求項２記載の放射線検出器。
  4. 保護層が、II-VI化合物の天然酸化物から形成された第１の絶縁フィルムと第１のフィルムをオーバーレイする第２の絶縁フィルムとを含む請求項１記載の放射線検出器。
  5. 第２の絶縁フィルムが、窒化物フィルム、オキシナイトライドフィルム及び酸化物フィルムの一種である請求項４記載の放射線検出器。
  6. さらに、基板の側面の少なくとも一部を覆う保護層を備える請求項１記載の放射線検出器。
  7. さらに、基板の側面の少なくとも一部覆う保護層上に側面電極を備える請求項６記載の放射線検出器。
  8. さらに、第１電極と基板の一面との間に保護層を備える請求項１記載の放射線検出器。
  9. （a）II-VI化合物で形成された結晶基板上に保護層を形成することと、
    （b）基板の第１の表面上の保護層に一連の孔を形成することと、
    （c）各孔に、かつ基板の第１の表面上の保護層上へ導体材料を堆積させることと、
    （d）基板の第１の表面上の保護層上へ堆積させた導体材料を選択的に除去し、導体材料を保護層の各孔に残存させ、保護層の各孔における導体材料を、基板の第１の表面上の保護層の各他の孔における導体材料と分離することとを含む放射線検出器を形成する方法。
  10. 各孔に堆積された導体材料が、基板の第１の表面及び基板の第１の表面上の薄い酸化物の層少なくとも一つと接触する請求項９記載の方法。
  11. さらに、第１の表面の反対側の基板の第２の表面から保護層の少なくとも一部を除去し、それによって基板の第２の表面の少なくとも一部を露出させることと、
    基板の第２の表面の露出した部分の上に導体材料を堆積させることとを含む請求項９記載の方法。
  12. さらに、基板の側面上の保護層上へ導体材料を堆積させることを含む請求項９記載の方法。
  13. 保護層が、さらに、II-VI化合物の天然酸化物から形成された第１の絶縁フィルムと第１のフィルムをオーバーレイする第２の絶縁フィルムとを含み、
    ステップ（b）が、第２のフィルムに一連の孔を形成することを含み、
    ステップ（c）が、各孔における第１のフィルムの露出した表面上に導体材料を堆積させることを含む請求項９記載の方法。
  14. さらに、第２のフィルムの少なくとも一部を第１の表面の反対側の基板の第２の表面から除去し、それによって、基板の第２の表面上の第１のフィルムの表面の少なくとも一部を露出させることと、
    導体材料を、基板の第２の表面上の第１のフィルムの露出した表面上に堆積させることとを含む請求項１３記載の方法。
  15. 第１のフィルムの厚さが、#250オングストローム、望ましくは#100オングストローム、より望ましくは#25オングストロームを有する請求項１４記載の方法。
  16. さらに、導体材料を堆積させる前に、基板の第２の表面の露出した部分を原子状水素でエッチングすることを含む請求項１１記載の方法。
  17. さらに、ステップ（c）の前に、保護層の各穴における基板の露出した第１の表面を原子状水素でエッチングすることを含む請求項９記載の方法。
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