JP2009041942A - 半導体放射線検出器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板1上には絶縁層3を介して配線層4a、4b、4cが形成され、ダイオード構造が放射線検出素子51として形成された半導体チップ20をベア状態のままで半導体基板1上に実装し、半導体チップ20が実装される半導体基板1の材質と半導体チップ20の材質とを同一とする。
【選択図】 図1
Description
ここで、放射線の検出方式として半導体式を用いた場合、放射線検出素子にて検出される信号の電荷量が1fCオーダと非常に小さいため、マイクロフォニック雑音と呼ばれる振動により誤動作することがある。
図5において、半導体チップ20には、ダイオード構造を構成するP型半導体層21およびN型半導体層22が放射線検出素子として形成されている。そして、P型半導体層21の裏面にはP側電極24が形成されるとともに、N型半導体層22上には端部を避けるようにしてN側電極23が形成されている。
そして、放射線検出素子は、導電性ペースト126にてセラミックパッケージ121内に接着固定され、P側電極24は導電性ペースト126を介してインナー電極122に接続されるとともに、放射線検出素子のN側電極23はボンディングワイヤ128を介してインナー電極123に接続されている。そして、セラミックパッケージ121には蓋128が取り付けられることで、放射線検出素子がセラミックパッケージ121内に封止されている。
そこで、本発明の目的は、放射線検出素子にかかる熱応力を緩和しつつ、小型化および低価格化を実現することが可能な半導体放射線検出器を提供することである。
また、請求項3記載の半導体放射線検出器によれば、前記プリアンプは、前記半導体基板上に実装されたトランジスタ素子と、前記半導体基板上に実装され、前記トランジスタ素子とともに積分器を構成するコンデンサ素子と、前記半導体基板上に実装され、前記プリアンプを構成する抵抗素子とを備えることを特徴とする。
また、請求項5記載の半導体放射線検出器によれば、前記コンデンサ素子は、前記半導体基板に形成された拡散層と、前記絶縁層を介して半導体基板上に形成された配線層とでキャパシタ電極が構成され、前記半導体基板上に形成された絶縁層を薄膜化することでキャパシタ絶縁層が構成されていることを特徴とする。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る半導体放射線検出器の概略構成を示すブロック図、図1(b)は、図1(a)の放射線検出素子の実装状態を示す断面図である。
図1(a)において、半導体放射線検出器には、放射線を検出する放射線検出素子51、放射線検出素子52にて検出された信号を積分するプリアンプ52およびコンデンサ53、プリアンプ52にて積分された信号を増幅するリニアアンプ54、リニアアンプ54から出力された信号を閾値と比較するコンパレータ55、コンパレータ55からの比較結果に基づいて被ばく放射線量を算出するCPU56が設けられている。ここで、プリアンプ52およびコンデンサ53は、放射線検出素子52にて検出された信号を積分する積分器を構成することができる。
そして、放射線検出素子51にて検出された信号は、プリアンプ52に送られ、プリアンプ52およびコンデンサ53からなる積分器にて増幅される。なお、一般的なICやLSIの信号レベルが2.5〜5V程度であるのに対し、半導体放射線検出器では、放射線検出素51子にて検出される信号の電荷量が1fCオーダであるため、コンデンサ53の容量が1pFで1mV、コンデンサ53の容量が10pFで0.1mVと非常に小さな値になる。
図2において、半導体チップ20には、ダイオード構造を構成するP型半導体層21およびN型半導体層22が図1の放射線検出素子51として形成されている。そして、P型半導体層21の裏面にはP側電極24が形成されるとともに、N型半導体層22上には端部を避けるようにしてN側電極23が形成されている。
また、半導体チップ30には、コレクタ層32、ベース層33およびエミッタ層34が形成され、コレクタ層32の裏面にはコレクタ電極31が形成され、ベース層33上にはベース電極35が形成され、エミッタ層34上にはエミッタ電極36が形成されている。
ここで、半導体基板11と半導体チップ20の材質は、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、GaP、GaNまたはZnSeなどを用いることができ、半導体チップ20が実装される半導体基板11の材質と半導体チップ20の材質とが同一とすることができる。例えば、半導体基板11の材質がSiの場合、半導体チップ20の材質としてSiを用いることができる。また、絶縁層13の材質としては、例えば、SiO2、SiONまたはSi3N4を用いることができる。また、配線層14a〜14fの材質としては、例えば、AlやCuなどを用いることができ、ボンディングワイヤ41a〜41cとしては、例えば、AuワイヤやAlワイヤなどを用いることができる。
なお、図2の実施形態では、バイポーラトランジスタが形成された半導体チップ30をベア状態で半導体基板11上に実装する方法について説明したが、パッケージ化されたトランジスタ素子を半導体基板11上に実装するようにしてもよい。
図3(a)において、フォトリソグラフィー技術およびイオン注入技術を用いて、As、P、Bなどの不純物を半導体基板11に選択的にイオン注入することにより、半導体基板11に拡散層12を形成する。
次に、図3(b)に示すように、半導体基板11の表面の熱酸化を行うことにより、半導体基板11上に絶縁層13を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、絶縁層13のハーフエッチングを行うことにより、絶縁層13の一部を薄膜化し、半導体基板11上にキャパシタ絶縁層13aを形成する。さらに、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、絶縁層13をパターニングすることにより、拡散層12の一部を露出させる開口部を形成する。
次に、図3(d)に示すように、CVDやスパッタなどの方法にて、抵抗となる合金層を半導体基板11上に積層する。そして、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて合金層をパターニングすることにより、配線層14b、14cの間に跨るように配置された抵抗層15を半導体基板11上に形成する。
次に、図3(f)に示すように、ボンディングワイヤ41aを介して半導体チップ20のN側電極23を配線層14bに接続し、ボンディングワイヤ41bを介して配線層14cを半導体チップ30のベース電極35に接続し、ボンディングワイヤ41cを介して半導体チップ30のエミッタ電極36を配線層14eに接続する。
図4において、半導体チップ20には、ダイオード構造を構成するP型半導体層21およびN型半導体層22が図1の放射線検出素子51として形成されている。そして、P型半導体層21の裏面にはP側電極24が形成されるとともに、N型半導体層22上には端部を避けるようにしてN側電極23が形成されている。
一方、半導体基板51上には絶縁層53が形成されるとともに、絶縁層53上には配線層54a〜54eが形成され、半導体チップ20、抵抗素子61、トランジスタ素子62およびコンデンサ素子63が半導体基板51上に実装されている。
なお、抵抗素子61、トランジスタ素子62およびコンデンサ素子63はディスクリート素子を用いることができ、トランジスタ素子62および抵抗層61は、図1のプリアンプ52を構成することができ、コンデンサ素子63は図1のコンデンサ53を構成することができる。
52 プリアンプ
53 コンデンサ
54 リニアアンプ
55 コンパレータ
56 CPU
1、11、51 半導体基板
12 拡散層
3、13、53 絶縁層
13a キャパシタ絶縁層
4a、4b、4c、14a〜14f、54a〜54e 配線層
15 抵抗層
20、30 半導体チップ
21 P型半導体層
22 N型半導体層
23 N側電極
24 P側電極
25 空乏層
26a、26b 41a〜41c、71 ボンディングワイヤ
31 コレクタ電極
32 コレクタ層
33 ベース層
34 エミッタ層
35 ベース電極
36 エミッタ電極
61 抵抗素子
62 トランジスタ素子
63 コンデンサ素子
Claims (5)
- 絶縁層を介して配線層が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上にベア状態で実装され、ダイオード構造が放射線検出素子として形成された半導体チップと、
前記半導体チップと前記配線層とを接続するボンディングワイヤとを備え、
前記半導体基板の材質と前記半導体チップの材質とが同一であることを特徴とする半導体放射線検出器。 - 絶縁層を介して配線層が形成された半導体基板と、
前記半導体基板上にベア状態で実装され、ダイオード構造が放射線検出素子として形成された半導体チップと、
前記半導体基板上に実装され、前記放射線検出素子にて検出された信号を積分するプリアンプとを備え、
前記半導体基板の材質と前記半導体チップの材質とが同一であることを特徴とする半導体放射線検出器。 - 前記プリアンプは、
前記半導体基板上に実装されたトランジスタ素子と、
前記半導体基板上に実装され、前記トランジスタ素子とともに積分器を構成するコンデンサ素子と、
前記半導体基板上に実装され、前記プリアンプを構成する抵抗素子とを備えることを特徴とする請求項2記載の半導体放射線検出器。 - 前記トランジスタ素子は、パッケージ化されたリード端子と前記配線層とが接続されるようにして、前記半導体基板上に実装されていることを特徴とする請求項3記載の半導体放射線検出器。
- 前記コンデンサ素子は、前記半導体基板に形成された拡散層と、前記絶縁層を介して半導体基板上に形成された配線層とでキャパシタ電極が構成され、前記半導体基板上に形成された絶縁層を薄膜化することでキャパシタ絶縁層が構成されていることを特徴とする請求項3または4記載の半導体放射線検出器。
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