JP2013057598A - 半導体ストリップ検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な検出効率を維持しつつ、電極間の浮遊容量から生じるノイズを低減できる半導体ストリップ検出器を提供する。
【解決手段】放射線を検出する半導体ストリップ検出器１００であって、半導体で一体に形成され、放射線が入射される基板１１０と、基板１１０の主面上に互いに平行に設けられた複数のストリップ状電極１２１−１〜１２１−ｎからなる第１の電極群１２１と、基板１１０の主面に対する第１の電極群１２１の複数のストリップ状電極１２１−１〜１２１−ｎの正射影と同一の軸線上に設けられた複数のストリップ状電極１２２−１〜１２２−ｎからなる第２の電極群１２２と、を備え、第１および第２の電極群１２１、１２２は、いずれも長手方向長さと電極間長さの比が１０以上となるように形成されている。これにより、検出範囲を維持しつつ、ノイズを十分に低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線を検出する半導体ストリップ検出器に関する。

シリコン・ストリップ検出器（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｒｉｐ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＳＳＤ）は、ｎ型半導体ウェハーの表面にストリップ状に細長いＰ型半導体層を形成し、その上にアルミニウム電極を設けた構造の固体検出器であり、入射する荷電粒子または放射線の検出が可能である。特に、近年ではＸ線回折の分野で高速測定や一次元測定の用途に使われている。

このようなシリコン・ストリップ検出器では、周囲の熱が原因となってストリップ状の電極にリーク電流が発生し、ノイズが生じる。また、電極間の浮遊容量により、リーク電流が発生し、これもノイズの原因となっている。生じたノイズは検出値のエネルギー分解能を低下させる。このような検出器のノイズ対策を課題とする先行技術として、以下のようなものが知られている。

もっとも一般的なものは、ペルチェ素子や液体窒素などでシリコン・ストリップ検出素子を冷却する技術である。しかし、これには冷却によって結露の問題が生じたり、コスト増になるなどのデメリットがある。これに対し、特許文献１記載の半導体検出器は、半導体素子を黒燐で形成することによって、半導体検出器のエネルギー分解能を決定する２つのゆらぎΔＥｄ、ΔＥｐを小さくし、エネルギー分解能を改善している。特許文献２記載の半導体放射線検出器は、検出器のリーク電流に起困する電子雑音を除去するために、入力信号の波高値に対して閾値を持たせた閾値増幅器を設けている。

特許文献３記載の半導体センサは、導電層をシールドケースと接続することにより半導体センサが振動してもシールドケースと同電位に保ち、両者間の浮遊容量を小さくしており、振動により正負各電極への電荷の出入りを低減し振動ノイズの発生を軽減している。特許文献４記載の電離箱検出器は、各分割電極に接続された複数の信号線の近傍に複数のダミー信号線を配置することによって、信号線から出力される信号から、ダミー信号線に生じたノイズを引き算し、信号線に重畳されたノイズを相殺している。

特開平１０−３３５６９１号公報 特開２０００−３５６６８０号公報 特開２００８−２０９２９４号公報 特開２０１０−１５６６７１号公報

しかしながら、上記のような従来のノイズ対策をストリップ検出器に適用しても、ストリップ状の電極間の浮遊容量を原因とするノイズを十分に低減できない。これに対し、リーク電流の大きさは電極間容量の大小と相関があることから、ストリップ状の電極を短くする方法が考えられるが、電極を短くすれば、Ｘ線検出面積が小さくなり、検出効率の悪化を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、十分な検出効率を維持しつつ、電極間の浮遊容量から生じるノイズを低減できる半導体ストリップ検出器を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係る半導体ストリップ検出器は、放射線を検出する半導体ストリップ検出器であって、半導体で一体に形成され、放射線が入射される基板と、前記基板の主面上に互いに平行に設けられた複数のストリップ状電極からなる第１の電極群と、前記基板の主面に対する前記第１の電極群の複数のストリップ状電極の正射影と同一の軸線上に設けられた複数のストリップ状電極からなる第２の電極群と、を備え、前記第１および第２の電極群は、いずれも長手方向長さと電極間長さの比が１０以上となるように形成されていることを特徴としている。

このように、本発明の半導体ストリップ検出器は、複数のストリップ状電極の正射影と同一の線上に設けられた複数の電極群を備えている。これにより、検出範囲を維持しつつ、電極群あたりの電極長さを小さくし、電極間の浮遊容量を小さくすることで、それにより生じるノイズを十分に低減できる。その結果、エネルギー分解能を向上できる。

（２）また、本発明に係る半導体ストリップ検出器は、前記第１および第２の電極群が、いずれも前記基板の同一の主面上に設けられていることを特徴としている。これにより、半導体製造プロセスにより、一体で基板上に各ストリップ状電極が同一の軸線上に設けられた複数の電極群を容易に形成することができ、製造コストを低減できる。また、電極群の間の空隙を十分に小さくすることができる。

（３）また、本発明に係る半導体ストリップ検出器は、前記第１および第２の電極群が、１ｍｍ以下の空隙を挟んで隣り合って設けられていることを特徴としている。これにより、たとえば電極群が一つだけ設けられた検出器を複数繋げて作製した検出器と比較して、電極群の間の不感領域を十分に小さくでき、不感領域の影響を低減できる。

（４）また、本発明に係る半導体ストリップ検出器は、前記第１の電極群が、前記第２の電極群が設けられている主面とは異なる主面に設けられていることを特徴としている。これにより、異なる主面に設けられた電極群の間では、電極群の主面に対する正射影の空隙をゼロにできる。

（５）また、本発明に係る半導体ストリップ検出器は、互いに前記第１の電極群と第２の電極群の関係にある電極群を３以上備えることを特徴としている。これにより、同じ検出範囲に対して電極群１つあたりの電極長さをさらに小さくすることができ、さらにノイズを低減できる。

本発明によれば、十分な検出効率を維持しつつ、電極間の浮遊容量から生じるノイズを低減できる。その結果、検出値のエネルギー分解能を向上できる。

実施形態１に係る半導体ストリップ検出器および読み取り回路を示す斜視図である。 実施形態１に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。 実施形態１に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。 実施形態１に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。 検出された信号を処理する回路を示すブロック図である。 実施形態２に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。 実施形態２に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。 実施形態２に係る半導体ストリップ検出器を示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（検出器および読み出し回路）
図１は、半導体ストリップ検出器１００および読み取り回路５３１、５３２を示す斜視図である。また、図２〜図４は、半導体ストリップ検出器１００を示す断面図である。図２は、図１に示す断面Ａによる断面図、図３は、図１に示す断面Ｂによる断面図、図４は、図１に示す断面Ｃによる断面図である。

半導体ストリップ検出器１００は、ストリップ状に形成されたｐｎ接合面を有し、放射線を検出する半導体検出器である。用いられる半導体は、シリコン半導体であることが好ましいが、その他の材料であってもよい。検出される放射線は、Ｘ線またはγ線が好ましく、半導体ストリップ検出器１００は、特にＸ線回折の分野で回折線の位置や強度を検出するのに有効である。半導体検出器では、逆バイアスをかけられ拡大された空乏層を放射線が通過する時、軌跡に沿って電子−ホールペアが生成される。この生成された電子やホールを分離し、その電荷量を電極で読み出すことによって放射線を検出できる。

図１〜図４に示すように、半導体ストリップ検出器１００は、基板１１０、電極群１２１（第１の電極群）、電極群１２２（第２の電極群）および電極１３０、を備えている。基板１１０は、半導体で一体に形成され、放射線の入射により電荷の移動を生じさせる。基板１１０は、バルク体１１５およびストリップ体１１１−１〜１１１−ｎ、１１２−１〜１１２−ｎを有している。バルク体１１５は、たとえばｎ型半導体で形成され、ストリップ体１１１−１〜１１１−ｎ、１１２−１〜１１２−ｎはｐ型半導体で形成されている。この場合には、両者間にｐｎ接合面が形成される。

電極群１２１は、基板１１０の主面上に互いに平行に設けられた複数のストリップ状電極１２１−１〜１２１−ｎからなる。なお、主面とは、板状体の最も広い面をいう。また、電極群１２２も同様に、基板１１０の主面上に互いに平行に設けられた複数のストリップ状電極１２２−１〜１２２−ｎからなる。ストリップ状電極１２２−１〜１２２−ｎは、基板１１０の主面に対する第１の電極群１２１の複数のストリップ状電極１２１−１〜１２１−ｎの正射影と同一の軸線上に設けられている。

ストリップ状電極１２１−１とストリップ状電極１２２−１は、基板１１０主面上の同一軸線上に設けられ、ストリップ状電極１２１−２とストリップ状電極１２２−２等の関係も同様である。すなわち、半導体ストリップ検出器１００は、平行に設けられたストリップ状電極が分割された構造を有している。これにより、検出範囲を維持しつつ、電極群あたりの電極長さを小さくできる。そして、ストリップ状電極間の浮遊容量を小さくすることで、それにより生じるノイズを十分に低減できる。なお、各ストリップ状電極は、対応するストリップ体の上に重ねて形成されており、幅、ピッチ、長手方向長さ等の寸法は同じに設計されている。

電極群内の各ストリップ状電極の長さは、同じであり、ストリップ状電極の長手方向の電極群の長さは、各ストリップ状電極の長さを意味する。また、電極間の長さ（ピッチ）も、電極群内で同一である。検出したい範囲をカバーできる長さのストリップを中央で分割した形状であることが好ましい。たとえば検出範囲として２０ｍｍ必要な場合に、各ストリップ状電極の長さを１０ｍｍとして２つの電極群を設けることができる。また、電極群１２１、１２２は、いずれも長手方向長さと電極間長さの比（ピッチ比）が１０以上となるように形成されている。したがって、電極群は微細に分割されたピクセルディテクターのような電極構造を有するわけではない。なお、電極幅については後述する。

図１〜図４に示すように、電極群１２１、１２２は、いずれも基板１１０の同一の主面上に設けられていることが好ましい。これにより、半導体製造プロセスにより、一体で基板１１０上に各ストリップ状電極を容易に形成することができ、製造コストを低減できる。また、電極群の間の空隙を十分に小さくすることができる。

電極群１２１、１２２は、１ｍｍ以下の空隙１５０を挟んで隣り合って設けられている。したがって、たとえば電極群が一つだけ設けられた一般的な検出器を複数繋げて検出器を作製しても、電極群の間の不感領域を十分に小さくできず、不感領域の影響を免れない。

読み出し回路５３１、５３２は、電極群毎に複数設けられ、電極群から信号を読み出す。読み出し回路は複数必要になるが、集積回路で構成できるため、検出器の構成上大きな負担とはならない。図１に示す例では、読み出し回路５３１は、それぞれ第１の電極群１２１の各ストリップ状電極１２１−１〜１２１−ｎとワイヤ・ボンディング５２１−１〜５２１−ｎで接続されている。

また、読み出し回路５３２は、それぞれ第２の電極群１２２の各ストリップ状電極１２２−１〜１２２−ｎとワイヤ・ボンディング５２２−１〜５２２−ｎで接続されている。放射線が基板１１０に入射したときには、その位置に最も近いストリップ状電極に電荷が流れ、読み出し回路５３１により、その位置および強度を検出できる。

なお、上記のような半導体ストリップ検出器１００は、上記のような複数の電極群を設けるように決定した設計に基づいて、通常の半導体製造プロセスにより作製することができる。

（信号の処理回路）
次に、半導体ストリップ検出器１００で検出された信号の処理回路について説明する。図５は、検出された信号を処理する処理回路５００を示すブロック図である。図５に示すように、処理回路５００は、読み出し回路５３１、５３２、カウンター５４１、５４２、制御回路５５０を有している。

読み出し回路５３１、５３２は、それぞれ第１の電極群１２１、第２の電極群１２２から信号を読み出す。読みだされた信号は、カウンター５４１、５４２に入力され、カウンター５４１、５４２は、入力されたパルス信号の回数をカウントする。制御回路５５０は、カウントされた回数について、異なる電極群間で同一軸上のストリップ状電極でカウントされた回数を足し合わせる。分割された電極群で検出、カウント等を行ない、その後カウント数を足し合わせることで、ノイズが大幅に低減できる。その結果、検出面積を損なわずにエネルギー分解能の良い検出器を実現できる。なお、カウント数の足し合わせは、制御回路５５０で行なっても良いし、ソフトウェア上で行なっても良い。

（電極幅の影響の検証）
上記の例では、ストリップ状電極の電極幅を特に特定していないが、これを特定することが不要であることを説明する。同一の主面上に２つの電極群を設けた半導体ストリップ検出器を、下表のようにストリップ状電極長さ、ピッチ、電極幅を設計して２種類作製した。いずれの半導体ストリップ検出器についても電極長さおよびピッチは同一に設計し、電極幅すなわち電極間のギャップを変えた。そして、それぞれの半導体ストリップ検出器の電極群について、電極間の静電容量を測定した。静電容量の測定は、JIS C 5101-1に準拠した方法で行なった。

その結果、表１に示すように、電極幅２６μｍの場合の静電容量は、２．６２ｐＦであったのに対してほぼ半分の電極幅１５μｍの場合の静電容量は、２．１４ｐＦとなり、静電容量の差は、２０％程度であり、効果は薄い。したがって、電極間のギャップの差は、電極間の静電容量に劇的に寄与しないため、別の方法が求められる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、電極群１２１と電極群１２２とが、同一の主面上に設けられているが、各電極群が設けられている主面が異なっていてもよい。図６〜図８は、半導体ストリップ検出器２００を示す断面図である。図６は、ストリップ状電極の軸上に沿った断面の断面図、図７は、図６に示す断面Ｄの断面図、図８は、図６に示す断面Ｅの断面図である。

図６〜図８に示すように、半導体ストリップ検出器２００では、基板２１０、第１の電極群２２１、第２の電極群２２２および電極２３１、２３２を備えている。基板２１０は、バルク体２１５およびストリップ体２１１−１〜２１１−ｎ、２１２−１〜２１２−ｎを有している。第１の電極群２２１は、ストリップ状電極２２１−１〜２２１−ｎからなる。また、第１の電極群２２２は、ストリップ状電極２２２−１〜２２２−ｎからなる。

半導体ストリップ検出器２００では、電極群２２１（第１の電極群）が、電極群２２２（第２の電極群）の設けられている主面とは異なる主面に設けられている。これにより、異なる主面に設けられた電極群２２１、２２２の間では、主面に対する正射影について生じる隣り合う電極群同士の空隙（たとえば図１に示す空隙１５０に相当）をゼロにできる。なお、図６に示す方向Ｆは、基板２１０の主面に対する法線方向を示しており、半導体ストリップ検出器２００では、空隙をゼロにする設計が可能であることが分かる。半導体ストリップ検出器２００は、半導体製造プロセスの多層技術を応用することで形成することができる。

［その他の実施形態］
なお、以上の実施形態では、半導体ストリップ検出器は２つの電極群を有しているが、互いに第１の電極群と第２の電極群の関係にある電極群を３以上備えていてもよい。これにより、同じ検出範囲に対して電極群１つあたりの電極長さを小さくすることができ、さらにノイズを低減できる。

１００ 半導体ストリップ検出器
１１０ 基板
１１１−１〜１１１−ｎ、１１２−１〜１１２−ｎ ストリップ体
１１５ バルク体
１２１ 電極群（第１の電極群）
１２１−１〜１２１−ｎ ストリップ状電極
１２２ 電極群（第２の電極群）
１２２−１〜１２２−ｎ ストリップ状電極
１３０ 電極
１５０ 空隙
２００ 半導体ストリップ検出器
２１０ 基板
２１１−１〜２１１−ｎ、２１２−１〜２１２−ｎ ストリップ体
２１５ バルク体
２２１ 電極群（第１の電極群）
２２１−１〜２２１−ｎ ストリップ状電極
２２２ 電極群（第２の電極群）
２２２−１〜２２２−ｎ ストリップ状電極
２３１、２３２ 電極
５００ 処理回路
５２１−１〜５２１−ｎ ワイヤ・ボンディング
５２２−１〜５２２−ｎ ワイヤ・ボンディング
５３１、５３２ 読み出し回路
５４１、５４２ カウンター
５５０ 制御回路

Claims (5)

1. 放射線を検出する半導体ストリップ検出器であって、
   半導体で一体に形成され、放射線が入射される基板と、
   前記基板の主面上に互いに平行に設けられた複数のストリップ状電極からなる第１の電極群と、
   前記基板の主面に対する前記第１の電極群の複数のストリップ状電極の正射影と同一の軸線上に設けられた複数のストリップ状電極からなる第２の電極群と、を備え、
   前記第１および第２の電極群は、いずれも長手方向長さと電極間長さの比が１０以上となるように形成されていることを特徴とする半導体ストリップ検出器。
2. 前記第１および第２の電極群は、いずれも前記基板の同一の主面上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体ストリップ検出器。
3. 前記第１および第２の電極群は、１ｍｍ以下の空隙を挟んで隣り合って設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体ストリップ検出器。
4. 前記第１の電極群は、前記第２の電極群が設けられている主面とは異なる主面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体ストリップ検出器。
5. 互いに前記第１の電極群と前記第２の電極群の関係にある電極群を３以上備えることを特徴とする請求項１記載の半導体ストリップ検出器。

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