JP2010045377A - 微細構造を有する両面型位置検知型検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】光子及び／又は荷電粒子の位置及び／又はエネルギーを測定するための検出器を提供すること。
【解決手段】上記検出器は半導体材料でできている複数のダイオードとｎ−接点（１）とｐ−接点（４）を有し、上記ｎ−接点はｎ−層を個々のセグメントに細分化することにより得られる。ｎ−層の上記セグメントは幅が２０〜５００μｍである。上記検出器は半導体材料の一面にイオンを分散してｎ−層を作ることによって作られる。金属層はその上に蒸着される。リソグラフィーによってセグメント化されたセグメント間をエッチングして溝を形成する。本発明の検出器は高性能でとりわけ高い位置分解能と高い計測速度を可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は光子及び／又は荷電粒子の位置及び／又はエネルギーを測定するための検出器に関する。上記検出器はケイ素等の半導体材料でできている。多様なダイオードは半導体材料とセグメント化されたｎ−接点とｐ−接点を備えている。

ケイ素でできている上述のタイプの検出器は特許文献１により公知である。

この様な検出器は原理としては以下のように機能する。荷電粒子又は光子（例えばＸ線量子又はγ線量子（γ−量子）等）はケイ素でできた検出器上に衝撃を与える。荷電粒子とケイ素の間又は光子とケイ素の間の相互作用を確実にするため、格子原子に結合していない移動性の正孔対、即ち移動性電荷キャリアをシリコン中で生じさせる。結果として生じる正孔対の数は荷電粒子又は光子を当てることにより放出されるエネルギーに比例する。

検出器はダイオード並びに連結したｐ−接点及びｎ−接点を含有し、使用中電圧は遮断されている。移動性の電荷キャリアは電圧が遮断されている検出器の電場中のｐ−接点とｎ−接点上に集められる。集められた電荷は上述の荷電粒子又は光子のエネルギーを算定するための尺度である。

本発明は、更に細分化されたｎ−接点とｐ−接点を有する検出器に関する。上記接点は微細構造を有する。従って、比較的大きなｎ−接点とｐ−接点は、各素子が独立した検出器として作用するように多くの素子に更に細分化されている。素子が個々に読み取りができるように、各素子は電荷感応性の増幅器と接続されている。その細分化によって荷電粒子又は光子が検出器上で衝突した位置を決定することができる。細分化が微細になればなるほど、位置の解像度が良好になる。

一つ一つの素子に結合している増幅器は、装置によって決まる最大計測速度までしか有効に機能しない。これにより単位時間当たりに測定することのできる荷電粒子又は光子は制限される。検出器が独自の増幅器と接続されているｎ個の素子に細分化されている場合には、ｎ倍の計測速度を達成することができる。従って細分化が微細になればなるほど、可能な計測速度が高くなる。

Ｓｉ（Ｌｉ）検出器は、シリコン製の比較的厚い（２〜１０ｍｍ）ＰＩＮダイオードである。薄い（＜１μｍ）ｐ−接点はホウ素の注入又は金の蒸着によって得られる。厚め（１０〜５００μｍ）のｎ−接点はリチウム分散によって作られる。２〜３ミリ厚のｉ−領域は、原料中のアクセプターをリチウムイオンが補償するドリフト過程により得られる。

おおよそ１ｍｍ厚までの、両方の接点が微細構造になっている位置検知用シリコン検出器は市販されている。ｐ^＋−側に上述の細分化部位又は構造を有し、２ｍｍより厚い一次元Ｓｉ（Ｌｉ）細板（ストリップ）状検出器は公知である。さらに、アナログ方式の検出器（非セグメント式）を用いて２次元の位置を検知するのは現状の技術である。接点が比較的粗く（２ｍｍ以上）細分化されている両面型デジタル位置検知型Ｓｉ（Ｌｉ）検出器は１９７３年に公知となっている［ＮＩＭ １１２（１９７３）４４５］。

公知のＳｉ（Ｌｉ）検出器はＬｉが分散された接点上に微細構造を有していない。１００〜５００μｍ厚のＬｉ−接点を鋸で加工するか又は削り機で削ることによりセグメント化又は細分化を行う上記で用いた方法では１ｍｍより小さい構造は作ることができない。従ってこれらの検出器は粒子の速度が低く、比較的低い位置分解能での使用に限られる。それに加えて、粒子同定／エネルギー測定を組み合わせた場合において狭いダイナミック・レンジしか有さない。

ＷＯ９７／３３３０２

本発明の目的はｐ−接点とｎ−接点を有するダイオードを備えた高性能の検出器を供給することである。

本発明の目的は主請求項の特徴を有する検出器及び従属項の特徴を有する方法によって達成される。有利な実施形態は従属項から明らかである。

請求項に記載の電荷粒子又は光子を測定するための検出器はｐ−接点とｎ−接点を伴った複数のダイオードを有する。上記ｐ−接点とｎ−接点は個々のセグメントに更に細分化されたｐ−層とｎ−層を備えている。ｎ−層のセグメントは２０〜１０００μ幅である。とりわけ、ほんの５００μｍ幅しかないセグメントである。

従来技術とは対照的に、より問題が生じやすいｎ−層での十分に小さいセグメント化を首尾よく行うことができる。より小さくなったこの構造のおかげで、技術の現状と比較して上述した改良が達成できる。その結果、原則として、本発明の検出器によって、測定において、とりわけ計測速度を高くし位置解像度を改良する事ができる。

上記検出器はとりわけケイ素製である。ｎ−接点は、好ましくはリチウムでドープされており、例えばリチウムをシリコン中へ分散させることにより得ることができた。とりわけ、ｐ−面もまた比較的小さなセグメントを有している。これらの幅は、好ましくは１０００μｍ以下、特に５００μｍである。

本発明の更なる実施形態によれば、ｎ−層は１０００μｍ（とりわけ５００μｍ以下）×１０００μｍ以下のセグメントにさらに細分化される。達成可能な下限はおよそ２０μｍ×２０μｍである。

良好な位置解像度を達成するために、ｐ−側とｎ−側のどちらか一つは細板（ストリップ）状に形成されている。ｐ−側の細板はｎ−側の細板に対して直交して配置されている。

ｐ−側に対してもこれに対応する細分化が好適である。

特にｎ−接点としては、セグメントは幅１０〜５０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍの細長い溝によって分離されている。これは本発明に記載の製造方法により得られるものである。

シリコン中の、例えば１０ｍｍまでの範囲の荷電粒子は本発明の検出器によって同定することができる。粒子が検知器中に止まった場合には、その軌道の終点で最大数の電荷キャリア対が生じる。そこから正電荷は一方の接点にドリフトし、負に荷電したキャリアはもう一方にドリフトする。到達時間の差は粒子が止まった位置を算定するための尺度である。その結果、ドリフト時間と、それに対応する情報として有用な上記の差が確認される。例えば、粒子が検出器の表面で直接止まった時には、あるタイプの電荷キャリアは事実上即座に接点に達し、他のタイプの電荷キャリアはまず他方の接点にドリフトしなければならない。このようにして、到達時間の差から止まった粒子の侵入深さ又はケイ素中を粒子が進んだ進路の長さに関する更なる情報が得られる。

荷電粒子に対しては、上述の侵入深さは粒子のエネルギーに依存する。粒子のエネルギーをその侵入深さに対してプロットすると各タイプの粒子に対して特有の特徴的な曲線が得られる。個々の粒子はこれらの曲線を作成することにより同定可能である。従って粒子はドリフト時間の差を測定することにより首尾よく同定することが可能である。本発明の検出器によって、現状の技術に比べて広いダイナミック・レンジを達成することができる。従って本発明の検出器はそのような測定において検出器に課せられる要求に特に好適に応えるものである。

検出器のｎ−接点の個々のセグメントは個別的に読み取ることができる。これにより、例えば５００μｍ×１００μｍよりも良好な、非常に優れた位置解像度が得られる。これを達成するために、ｎ−側の細板形のセグメントは５００μｍ幅である。それからｐ−側の細板形のセグメントは１００μｍ幅である。ｐ−側の細板はｎ−側の細板に対して直交するように配列されている。達成できる最大位置解像度は細板形セグメントの幅に直接的に関係する。更に、上記計測器は高計測速度で機能させることができる。

目的にかない、不明瞭さも解消できる高速位置検知（典型的には１００ｎｓ）は本発明の検出器を用いることにより可能である。同時に衝突した二以上の粒子は通常難なく検知できる。時間分解能＜１００ｎｓ ＦＷＨＭでセグメント毎に個別のドリフト時間を測定することによる三次元位置検知（Δｚ−１００μｍ）が可能である。そのような三次元位置検知は例えば「ニュークリア・インスツルメンツ・アンド・メソッヅ・イン・フィジクス・リサーチ」 “Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ”、セクションＡ、４５２（２０００年）、１５５〜１６６頁、「直交細板型ゲルマニウム線検出器における三次元位置検知及び場の形成」（“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｓｈａｐｉｎｇ ｉｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ−ｓｔｒｉｐ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ−ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”）、Ｍ．Ａｍｍａｎ、Ｐ．Ｎ．Ｌｕｋｅから公知である。

１００μｍより小さい構造を備えたｐ^＋−注入型接点のセグメント化は現状の技術に準拠する。例えば、「ＧＥＭ検出システムのゲルマニウムウォール」（“Ｔｈｅ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ＧＥＭ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ”）、Ｓ．Ｉｇｅｌ、Ａ．Ｈａｍａｃｈｅｒ、Ｋ．Ｋｉｌｉａｎ、Ｈ．Ｍａｃｈｎｅｒ、Ｄ．Ｐｒｏｔｉｃ、Ｒ．Ｖ．Ｓｒｉｋａｎｔｉａｈ、Ａｃｔａ Ｐｈｙｓｉｋａ Ｐｏｌｏｎｉｋａ Ｂ、Ｎｏ．２−３、Ｖｏｌ．２６に記載されている。

ｎ^＋−接点の微細構造は、Ｌｉ分散の結果得られるものよりかなり厚く、それ故により問題が生じやすいものの、以下の方法によって作られる。２０〜３０μｍ厚のＬｉ−分散型接点をＬｉの分散により作る。ｎ^＋−接点を作るためのそのようなプロセスの実行に関する詳細は、例えば、「無定形ケイ素の不動態化物を用いたＳｉ（Ｌｉ）Ｘ線検出器」（“Ｓｉ（Ｌｉ）Ｘ−ｒａｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ”）、Ｊ．Ｔ．Ｗａｌｔｏｎ、Ｒ．Ｈ．Ｐｅｈｌ、Ｙ．Ｋ．Ｗｏｎｇ、Ｃ．Ｐ．Ｃｏｒｋ、 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．ＮＳ−３１、ＮＯ．１、Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８４、３３１−３３５頁に見ることができる。これには、Ｌｉでドープされた１０μｍ厚の接点が記載されている。上記厚みは直接的に関与するパラメータを調節することにより所定の方法で変更することができる。考慮すべきパラメータは、とりわけケイ素表面にリチウムを載せる方法、分散中の設定温度及び継続時間である。一旦冷却が起こると、実際には分散は終わる。温度を高め、及び／又は、継続時間を長くするとでより厚い接点が得られる。更に、所望のｎ−接点の厚みは表面層を取り除くことにより本発明に従って所定の方法で設定することができる。

個々の検出器のセグメントは深さ約３０μｍで幅約３０μｍの細長い溝により分離されている。溝は光リソグラフィーにより位置決めされ、プラズマエッチングにより作られる。個々の工程は以下のようなものでもよい。注入によりドーピングを行った後、ドープした層を蒸着により電気伝導性材料でコートする。電気伝導性材料としてはアルミニウムが有利であることが分かっている。感光性レジストは蒸着層に適用できる。所望の構造はマスクを用いて曝露することによりあらかじめ決めることができる。感光性レジストを現像する。このようにして得られたアルミニウム層への進入路を通じてここでアルミニウムを除去し、その後シリコン材料が所望の深さになるまでエッチングを続ける。感光性レジストを除去し、残ったアルミニウムのセグメントを電気的に接着する。

この技術により、１０００μｍより小さい構造を難なく作ることができる。これは大体［ＮＩＭ ２２６（１９８４）、１０３−１０６］、［ＮＩＭ Ａ ４６２／３ ３６４（２００１）］において公知である。

本発明によれば、比較的厚く、両面に微細構造を有する検出器を得ることができる。

６０×６０ｍｍ^２で５ｍｍ厚のＳｉ（Ｌｉ）ダイオード

［実施例１］
Ｓｉ（Ｌｉ）検出器は比較的厚い（２−１０ｍｍ）ケイ素のＰＩＮダイオードである。薄い（＜１μｍ）ｐ−接点はホウ素の注入又は金の蒸着により作られる。厚め（１０〜５００μｍ）のｎ−接点はリチウム分散によって作られる。２〜３ｍｍ厚のｉ−領域は原料中のアクセプターをリチウムイオンが補償するドリフト過程により得られる。

６０×６０ｍｍ^２で５ｍｍ厚のＳｉ（Ｌｉ）ダイオードはこのようにして作られる。上記ダイオードは図に示してある。Ｌｉ−分散型接点（１、８）の厚みは３０μｍである。０．３μｍ厚の、蒸着されたアルミニウム層（７）は、Ｌｉ−分散層の伝導性を増加させる。

溝（６、１０）、又は、位置検知型構造体は光リソグラフィーによって位置決めされた。この場合、５０×５０ｍｍ^２の領域に５０個の細板（約１ｍｍ幅）がある。アルミニウム層を分解した後、引き続いてプラズマエッチングを行うことにより、深さ約４０μｍで約５０μｍの溝を作る。このようにして個々の検出素子は溝によって分離される。この方法により、どのような所望の形の位置検知型構造体も作ることができる。例えばらせん状の形をしたセグメントも可能である。ｐ^＋−側（４、１０、１１）の構造物も同様の方法で作る。

表示番号は以下の物を表す。１：ｎ^＋−接点（リチウム分散によって作ったもの）。２：構造体（この場合では、１ｍｍ周期で５０個の細板からなり、細板の長さは５０ｍｍである）。３：リチウム分散型接点のガードリングである。４：ｎ^＋−接点と同一の構造体を有する（ｎ^＋−接点の構造体と直交する）ｐ^＋−接点（ホウ素注入により作られたもの）。５：検出素子（この場合、９５０μｍ幅の細板）。６：溝（この場合は幅５０μｍで深さ４０μｍ）。７：アルミニウム層。８：リチウム分散によって作られた接点。９：リチウムで補償されたケイ素。１０：溝（この場合は幅２０μｍで深さ５μｍ）。１１：検出素子（この場合９８０μｍ幅の細板）。

本発明によれば、比較的厚く、両面に微細構造を有する検出器を得ることができる。

１ ｎ^＋−接点
２ 構造体
３ リチウム分散型接点のガードリング
４ ｎ^＋−接点と同一の構造体を有する（ｎ^＋−接点の構造体と直交する）ｐ^＋−接点
５：検出素子
６：溝
７：アルミニウム層
８：リチウム分散によって作られた接点
９：リチウムで補償されたケイ素
１０：溝
１１：検出素子

Claims (9)

1. 光子及び／又は荷電粒子の位置及び／又はエネルギーを測定するための検出器であって、半導体材料で作られた複数のダイオードとｎ−接点とｐ−接点を有し、前記ｎ−接点はｎ−層を個々のセグメントに更に細分化することにより得られる検出器であって、前記ｎ−層の各セグメントは幅が少なくとも２０μｍであり、前記ｎ−接点はＬｉ分散により製造された接点の表面層を取り除くことにより１０〜３０μｍ厚としたものであることを特徴とする検出器。
2. 半導体材料はケイ素である、請求項１に記載の検出器。
3. ｎ−接点とｐ−接点のセグメントは細板（ストリップ）状に形成され、ｐ−接点のセグメントは幅が５００μｍ以下であり、ｎ−接点の細板状セグメントと直交するよう配置されている請求項１又は２に記載の検出器。
4. ｎ−接点のセグメントは１０００μｍ×１０００μｍ以下の大きさである請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出器。
5. ｎ−接点のセグメントは、１０〜５０μｍ幅の溝によって他のセグメントと分離されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出器。
6. ｎ−接点は、その上部に蒸着された金属層を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の検出器。
7. 各ｎ−接点はそれぞれ増幅器と接続されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出器。
8. 光子及び／又は荷電粒子の位置及び／又はエネルギーを測定するための検出器であって、半導体材料で作られた複数のダイオードとｎ−接点とｐ−接点を有し、前記ｎ−接点はｎ−層を個々のセグメントに更に細分化することにより得られ、前記ｎ−層の各セグメントは幅が少なくとも２０μｍであり、前記ｎ−接点はＬｉ分散により製造された１０〜３０μｍ厚のものであり、
   半導体材料の片側にＬｉイオンの分散によりｎ−接点を製造し、
   続いて前記ｎ−接点の表面層を取り除くことにより所望の厚さのｎ−接点を製造し、
   その上に金属層を蒸着し、
   セグメント用リソグラフィーによるエッチングでｎ−接点に溝を形成することにより製造されることを特徴とする検出器。
9. 半導体材料の片側にＬｉイオンの分散によりｎ−接点を製造する工程は、約１５０℃で行われるものである、請求項８に記載の検出器。

Images