JP2014235167A - 放射線シールドを有する半導体検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体放射線検出器のアノード領域の近傍において,放射線により誘発された欠陥による誘電損失の増加を防止し,経年劣化を抑えた半導体放射線検出器を提供する．【解決手段】半導体放射線検出器は、半導体材料からなるバルク層１０１と,そのバルク層１０１の第１面にあるフィールド電極１０２と,放射線により誘発された信号電荷を前述のバルク層１０１から収集する収集電極１０３とから構成され,放射線シールド２０１が第１面と反対側のバルク層１０１の第２面に存在し,収集電極の位置と選択的にオーバラップしている．【選択図】図２

Description

本発明は、半導体放射線検出器の一般的技術分野に関し、特に、本発明は、より正確で、より信頼性が高く、より頑強な半導体放射線検出器を製造するための工夫（task）に関する。

ドリフト検出器は、半導体放射線検出器であり、そこでは、半導体材料のブロック内に生成される横断方向の電場が放射線で誘導された信号電荷を収集電極に移動する。広く知られているＳＤＤまたはシリコンドリフト検出器では、半導体材料が高純度のシリコンで非常にリーク電流が小さく、その表面で横断電場が同心のリング状またはアーク状のフィールド電極により生成される。収集電極（collection electrode）は、電極リングの共通の中心部近傍に位置するアノードである。

ＳＤＤの２つの基本的な電極のレイアウトは知られている。より慣例的なＳＤＤは、リング状で、収集アノードはその中心に配されている。最近では、幅広で尖った先端を有する、いわゆる液滴型（droplet-shaped）のＳＤＤが提案されている。電極のリングは大きな端部を通って外側に広がる一方、収集アノードは相対的に狭い端部に近接して配されている。

典型的には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む増幅器は、同じ半導体材料の部分に直接作り込まれるか、または例えばＳＤＤチップの表面のパッドに接触させてバンプボンディングにより、ＳＤＤと結合される。ＳＤＤ内の電極リングは、ｐ⁺の半導体導電型であり、これらはイオン注入により作られる。典型的には二酸化シリコンからなる電気絶縁層が、ＳＤＤチップの、電極リング、収集アノード、および（もしあるなら）増幅器を有する側を覆う。

放射線検出器の役目は、放射線を吸収することであるが、全ての半導体デバイスと同様に、吸収された電離放射線により経時的に悪影響を蒙る。放射線誘導された（放射線により誘発された）エージングの例としては、イオン注入されたｐ⁺リングの間のＳｉＯ₂−Ｓｉ界面で発生した表面電流が放射線により増加する。また、前述の表面電流に関連するとは思われない他の種類の放射線により誘発されたエージングは、経時的に発生し、測定精度を弱め、結局は検出器全体の交換が必要となる。

種々の発明の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために簡略化した概要が次に示される。概要は、本発明の広範に亘る全体を示すものではない。基本となる、重要な要素を特定することが意図されるものではなく、発明の範囲を規定するものでもない。次の概要は、ただ単に、本発明の例示する実施形態のより詳細な説明の序章として簡略化した形で発明のいくつかの概念を表しているだけである。

本発明の第１の態様による半導体放射線検出器は、
半導体材料のバルク層と、
前記バルク層の第１面に設けられる、フィールド電極および放射線により誘発された信号電荷を前記バルク層から収集する１個の収集電極の配列と、
前記バルク層の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記収集電極の位置と選択的にオーバラップする放射線シールドと、
を有している。

本発明の目的によれば、アノード領域の近傍における放射線により誘発された欠陥による誘電損失が増加するのを防止するか、もしくは減ずることにより、エージングによる悪影響が避けられるかまたは少なくとも著しく減ぜられる。さらに最も有利な点は、増幅器内で自然に発生する放射線により誘発された１／ｆノイズの増加が、防止されるか減ぜられることである。

本発明のこれら、および更なる目的と利点は、入射する放射線に対して、少なくともアノード領域（またはさらに一般的には収集電極領域）をシールドすることにより達成される。さらに大きな利点として、もし、アノード領域に隣接して増幅器がある場合には、その同じ放射線シールドが、また、増幅器を保護する。そのシールドは、相対的に重い材料の層を含んでも良い。それにより、アノードや増幅器の領域に入射してくる放射線の進行を遮断する。

この特許出願で示される本発明の例示的な実施形態は、添付される特許請求の範囲の適用に、限定を加えるように解釈されてはならない。「含む」という動詞は、引用されていない特徴の存在を除外しないという非限定（open limitation）の用語として、本特許出願で用いられている。従属請求項での特徴部分は、別段の記載がない限り、相互に自由に組み合せられる。

本発明の特徴部分として考慮される新規性のある特徴部分は、添付された特許請求の範囲に規定されている。しかし、発明それ自身は、その構成および動作の方法に関する両方ともが、追加的な目的および利点と共に、添付図面との関連で、次の特定の実施形態の説明からよく理解されるであろう。

シリコンドリフト検出器を説明する図である。 半導体放射線検出器における放射線シールドの原理を説明する図である。 他の半導体放射線検出器における放射線シールドの原理を説明する図である。 他の半導体放射線検出器における放射線シールドの原理を説明する図である。 層状の放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 層状の放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 層状の放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 層状の放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 分離して支持された放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 分離して支持された放射線シールドの構造的解決例を示す図である。 液滴型（droplet-formed）の検出器における放射線シールドを説明する図である。

図１は、ＳＤＤの一般的構造を示すよく知られた一部切欠した図である。このＳＤＤは、半導体放射線検出器の一例として用いられ、半導体材料のバルク層１０１を有している。このバルク層の第一面、ここでは上面側において、半導体放射線検出器は、同心のフィールド電極１０２と中心に設けられた収集電極１０３の配列を有している。バルク層１０１はｎ^-半導体導電型高純度シリコンからなるものであっても良く、その場合には、フィールド電極１０２はｐ⁺半導体導電型のイオン注入であっても良い。ｎ^-半導体導電型バルク層１０１内での信号電荷は、電子であり、収集電極の役目は、放射線により誘導された信号電荷を収集することである。その理由のため、収集電極１０３はアノードと呼ばれるかもしれない。それは、例えば環状のイオン注入されたｎ⁺型の半導体領域であってもよい。

半導体放射線検出器は、また、アノードに隣接して増幅器を有している。図１の場合は、増幅器は、同じチップに直接作り込まれた電界効果トランジスタを備える。符号１０４は、電界効果トランジスタのソース、ドレイン、ゲートを構成するイオン注入領域を一般的に示している。底面（背面）側のコンタクト層１０５は、バルク層の底面に形成される、例えばｐ⁺型半導体のイオン注入層また金属層であっても良く、バルク層の反対面をカバーしている。

図２は、収集電極１０３のすぐ近傍を放射線により誘発されたダメージから護るための放射線シールドを用いる原理を模式的に示した図である。本発明を導く検討段階で、入射する放射線に長引いた露出をすることは収集電極の近傍、特にアノードと最も内部のフィールド電極との間に位置する半導体材料に誘電損失を増大させることが見出された。図２に、模式的に示される原理は、バルク層１０１の他方側、すなわちアノードが位置する側と反対の側に放射線シールド２０１が置かれていることを含んでいる。これは、放射線が来る側であるが、いわゆる背面照射される放射線検出器と考える。

放射線シールドがバルク層の他面側にあるということは、バルク層のその表面への放射線シールドの正確な関係とは何かについていかなる特定の立場を取るものでもない。放射線シールドをバルク層の表面に対して配置する種々の変形的な実施形態をより詳細に後述する。

放射線シールド２０１は、選択的に収集電極１０３の位置とオーバラップする。オーバラップとは、入射する放射線が収集電極のあるバルク層側に主として進む方向に放射線シールドの外形を投射したときに、投影外形が、増加する誘電損失が観察される領域の大部分を投影された外形が覆うことを意味する。これは、収集電極の領域と共に、収集電極を最も近いフィールド電極から分離する誘電体材料の領域のことである。選択的にオーバラップするとは、放射線シールドが入射する放射線を、バルク層の他の部分のできるだけ広い範囲に届かせることを意味する。放射線シールドは、収集電極の領域およびその近傍を陰にするが大き過ぎないように設計される。例えば、同心リング状のフィールド電極の場合には、最内周のフィールド電極よりも外にはシールド効果は及ばない。

半導体放射線検出器は、増幅器を含むかもしれない。その増幅器は、収集電極に隣接した電界効果トランジスタを含んでも良い。そのような場合は、放射線シールドを増幅器の主要部の位置ともオーバラップさせられるという利点がある。もし、増幅器の一部が、検出器が測定しようとする入射線のエネルギーにより、放射線誘導される損傷を受けやすいの場合には、この点で、特に重要である。例えば図３に示される構造では、収集電極１０３はリング状アノードであり、その内部に一体的にＦＥＴが作り込まれており、ＦＥＴはまとめて３０１として符号づけられたソース、ゲート、ドレインを有している。収集電極１０３は、それらの１つ、例えばゲート領域に導電的に結合されている。盆状の領域３０２は、ＦＥＴを半導体材料の他の部分から分離している。図３に模式的にのみ示されているシールド３０３は、充分に大きくして収集電極の位置および増幅器の位置の両方を覆っている。

図４は、さらに模式的に示された例で、収集電極１０３と隣接して設けられている増幅器は、分離されたチップ４０１として作られたＦＥＴで、バンプ接合により機械的、電気的に主たる検出器チップに接続されている。このように、分離チップ４０１は、ＦＥＴを構成するイオン注入された領域より遙かに大きくてもよいが、ＦＥＴ領域は放射線照射による１／ｆノイズを増加しがちなので、シールド４０２（再度模式的にのみ示されている）は実際の増幅器の位置を覆うだけで十分である。

放射線シールドの効果的な大きさと収集電極および恐らく増幅器の位置とのオーバラップに関する上述の考慮は、放射線シールドが実際にどのように組み込まれるかという以下の実施例にも適用される。

図５は、本発明の一実施形態による放射線シールドを含む半導体放射線検出器の模式的断面図である。バルク層１０１と背面側のコンタクト層１０５が示されているが、バルク層の正面側の電極構造は図の簡略化のため省略されている。放射線シールド５０１は、バルク層１０１を含む材料と同じ１枚の材料の表面に直接付着された材料層である。特に、図５では、前述の「１枚の材料」は、検出器チップであり、そこには背面側のコンタクト層１０５がバルク層１０１の一表面に形成されている。放射線シールド５０１は、背面側コンタクト層１０５の表面に薄膜堆積技術により被覆層として形成されても良い。あるいは、一片の材料が接着剤または他の方法で背面側のコンタクト層に貼り付けられても良い。例えば接着剤を用いて、予め箔に形成された一片を適当な場所に貼り付けるか、箔が適当な場所にハンダ付けしても良い。

図６に示される実施形態では、背面側のコンタクト層１０５が、同様にバルク層１０１の背面側の表面に形成されている。放射線シールドは、背面側コンタクト層１０５上に積層された層内の１つの層６０１である。積層された他の層は、種々の機能を有していても良いが、これに限定されない。たとえば層間の付着性を強めたり、２次的放射線を吸収したり、放射線シールドの吸収スペクトラムを明確にする機能である。

図７は、ここまで論じてきた概念の重要な一般化のいくつかを示す。まず第１に、放射線シールド７０１は、連続的である必要はなく、開口部を有していても良い。これは、収集電極（図示せず）は環状であり、その内部に増幅器の有意義な部分がないまたは放射線シールドが増幅器をシールドする必要がない場合である。結果的に放射線シールド７０１は、環状形でも良い。第２に、検出器チップの背面側に放射線シールド以外の他の層がある場合、全ての層が横断面で同じ寸法を有する必要はない。この例では、電気的絶縁層７０２が、背面側のコンタクト層１０５の実質的に全面をカバーし、したがって横断面で放射線シールド７０１の寸法より実質的に大きい。

図８は、他の代替の実施形態を示す図である。ここでは、放射線シールド８０１がバルク層１０１と背面側コンタクト層１０５との間に位置している。これは、製造プロセスで、まず、放射線シールドが、バルク層の背面側に、好ましくは薄膜堆積技術により形成され、その後に、背面側コンタクト層が形成される。

放射線シールドは、検出器チップの背面側と直接接触している必要はない。図９および図１０は、いくつかの構造例を示しており、そこでは、放射線シールドがバルク層の第２面に支持されて、空間により離れて分離した材料片である。図９の実施形態は、中心部の放射線シールド９０２から径方向の外側に延びる３個の支持スポークを有している。支持スポークの遠端部は検出器チップのエッジ、または他の取り囲む構造に接合されており、その結果、放射線シールド９０２は、少なくとも収集電極（図９には図示せず）の場所と選択的にオーバラップする場所で保持されている。材料の硬さ、要求されたシャドウの最小化、および要求された構造的安定性などの因子により、１つまたは２つ以上のそのような支持スポークがあるかもしれない。図１０の実施形態では、半導体チップの表面に、放射線シールド１００１をその直接下側のスポットに接続する垂直な支持により同じ効果が達成される。

放射線シールドの材料および厚さは、一連の基準により選択されるべきである。第１に、放射線シールドは、半導体放射線検出器の使用中に最も普通に遭遇するようなエネルギー範囲内の入射する放射線を効果的に減衰すべきである。第２に、実際に入射する放射線の検知と干渉するほどの相当量の２次放射線を生じさせないことである。第３に、放射線シールドの材料は、検出器チップを製造し、放射線検出器の組み立てを完成させるために用いられるプロセスに適合し得る必要がある。放射線の減衰が効果的であるためには、放射線シールドがアルミニウムよりも重い（すなわち原子番号の大きい）材料を含むべきである。放射線シールドの好ましい材料は、限定されないが、金、白金、パラジウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、インジウム、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、およびビスマスなどの相対的に重い金属を含む。

ここまで説明した実施形態は、バルク層が円盤形状でフィールド電極が同心リングの組を構成し、その結果特定の大きさのそれぞれのフィールド電極は大きさの小さい他の全てのフィールド電極を取り囲む構成を想定していた。また、収集電極は、フィールド電極の中心点とバルク層側面の中心点の共通中心点またはその近傍にあることを仮定していた。このような構成では、従来技術の検出器の収集電極領域は、放射線により誘発されるエージングを受けやすい。実際の検出器では検出器チップのディスク形状は必ずしも円形である必要はない。たとえば矩形や、六角形や、八角形でも良い。あるいは、また、他の形状でも良い。また、フィールド電極も必ずしも円形リングである必要はない。フィールド電極が、例えば六角形や八角形の検出器も知られている。

液滴型の検出器では、検出器は、大きな末端と尖った端部とを有しており、収集電極はその尖った端部に位置しており、放射線窓のエッジはアノード領域を何らかの方法（放射線窓のエッジが同じ構造の大きな他の部分もまた、カバーするため選択的ではないが）でカバーするので、分離した放射線シールドの必要はない。しかしながら、アノード領域またはその近傍が、上述のような放射線により誘発される不利な影響が実際に起こるほどに検出器の活性領域の方向まで延びることは可能である。

図１１は、上述の原理が液滴型検出器に適用される方法を説明する図である。検出器チップ１１０１は液滴状であり、尖った端部またはその近傍に収集電極領域１１０２を含んでいる。完成された検出器組立体では、放射線窓１１０３が検出器チップ１１０１の上に置かれる。その放射線窓は、主として全ての放射線を減衰する材料のフレーム内に支持された、減衰を無視できる程度の窓箔を含んでいる。上述の原理に従って、フレームは、完成した放射線検出器組立体の状態で、収集電極１１０２と選択的にオーバラップするように形成された延出部１１０４を含んでいる。

Claims (12)

1. 半導体材料のバルク層と、
   前記バルク層の第１面に設けられる、フィールド電極および放射線により誘発された信号電荷を前記バルク層から収集する１個の収集電極の配列と、
   前記バルク層の前記第１面と反対側の第２面に設けられ、前記収集電極の位置と選択的にオーバラップする放射線シールドと、
   を有する半導体放射線検出器。
2. 前記収集電極に隣接して設けられる増幅器を含み、前記放射線シールドが該増幅器の主要部の位置とオーバラップする請求項１記載の半導体放射線検出器。
3. 前記放射線シールドが、前記バルク層を含む材料と同じ１枚の表面に直接接着された材料層である請求項１記載の半導体放射線検出器。
4. 前記バルク層の前記第２面側表面に背面側コンタクト層が設けられ、前記放射線シールドが、前記背面側コンタクト層上の被覆層である請求項３記載の半導体放射線検出器。
5. 前記バルク層の前記第２面側表面に背面側コンタクト層が設けられ、前記放射線シールドが、前記背面側コンタクト層上の積層体中の１層である請求項３記載の半導体放射線検出器。
6. 前記バルク層の前記第２面側表面に背面側コンタクト層が設けられ、前記放射線シールドが、前記背面側コンタクト層に接着され、または付着された材料の一片である請求項３記載の半導体放射線検出器。
7. 前記放射線シールドが、前記バルク層の前記第２面側に支持され、空間スペースにより前記バルク層から分離された材料の一片である請求項１記載の半導体放射線検出器。
8. 前記放射線シールドから外方に延びる１つまたは２つ以上の支持スポークを含む請求項７記載の半導体放射線検出器。
9. 前記放射線シールドがアルミニウムよりも重い材料からなる請求項１記載の半導体放射線検出器。
10. 前記放射線シールドが、金、白金、パラジウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、インジウム、スズ、タンタル、タングステン、イリジウムおよびビスマスから選ばれる１種の金属である請求項９記載の半導体放射線検出器。
11. 前記放射線シールドが、異なる材料の多層からなり、該材料の１つが金、白金、パラジウム、ジルコニウム、モリブデン、銀、インジウム、スズ、タンタル、タングステン、イリジウムおよびビスマスから選ばれる１種の金属である請求項９記載の半導体放射線検出器。
12. 前記バルク層が円盤のような形状であり、
    前記フィールド電極が１組の同心リングを構成し、特定のサイズのそれぞれのフィールド電極はそれより小さいサイズの全ての他のフィールド電極を取り囲んでおり、
    収集電極が、フィールド電極の中心点および前記バルク層の側面の中心点の両方である共通の中心点にあり、またはそれに近接している請求項１記載の半導体放射線検出器。

Images