JP2608311B2 - イオン化粒子検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般的にはイオン化した粒子の検出器に関
するものであり、さらに特定化すれば半導体材料内に作
られるダイオード型の検出器に関するものである。

従来技術 そのような検出器は既に、電子、陽子、アルフア粒
子、Ｘ線またはガンマ線その他のような、イオン化した
粒子の検出あるいは分光分析に広く用いられている。こ
のように、それらは化学および医学分野における分析作
業のみならず、物理学、天体物理学および原子核工学の
ような別分野においても、研究における道具として極め
て有用なものとなつている。これらの検出器は、わずか
に不純物添加された半導体材料（一般的にはシリコン）
からなつており、そこでは２つの導電々極間にダイオー
ドが形成されている。外部電圧は、ダイオードに逆バイ
アスを与えるように、そして検出器の感応領域を構成す
る空乏域を半導体内に生じさせるように、電極間に加え
られる。一方向性の空間的分解能が必要とされる適用に
おいては、１つの電極が複数の並列電極に分割されて、
望ましい空間的識別性が得られるようにされる。この型
式の検出器をいくつか組合せたアレーは、多次元的空間
における分解能を得ることができる。しかし、このこと
は粒子エネルギーが十分に大きくて、極めて小さなエネ
ルギーロスを伴つてこれら検出器を通過することができ
る場合にのみ可能である。

これら検出器において必要とされる一般的特性は効
率、即ち、検出器に達した各粒子に関して検知可能な電
気的インパルスを得ることのできる能力、および検出速
度である。これらの特性は、材料、構造または用いられ
た製造方法などのいずれかに特有の、一定数のパラメー
ターに関連しているものである。要求されている重要な
特性ないし性能の中でも、特に次の事項、即ち基板にお
ける低添加材料濃度、高成極電圧、低漏れ電流、低レベ
ルのトラツプ電荷、および時間ならびに被曝量に関する
性能安定度には注意すべきである。

今日知られている検出器は、要求されている特性の総
てを持ち合わせることにおいて失敗しているか、または
その構造が複雑であるため結果的に製造コストが高くつ
くかのいずれである。

発明の目的 よつて、本発明の目的は、従来技術による検出器に比
して改善された特性を持つ、イオン化粒子検出器を提供
することである。

本発明の別の目的は、放射条件下の使用においても、
より延長された期間にわたつて電気的特性を安定に維持
できる検出器を提供することである。

発明の構成 これらの目的は、請求範囲記載の構成要件により達成
される、即ち検出器の感応部分を構成する空乏領域を作
り上げる、一般的な逆バイアスされた接合部のほかに、
この検出器が、空乏領域の拡張を制限するように働くｎ
型領域を含んでいるという事柄に基づいて達成される。

この特別な特徴点は、効率および拡散抵抗のような、
必要とされる機能特性を同時に確保しつつ本発明による
構造を、相応の公知検出器よりも問題点の少ないものと
している。

本発明の他の目的、特徴点および利点は本発明の実施
例に関する以下の説明によつてさらに明らかとなるであ
ろうが、前記説明は単なる例としての、添付図面を参照
しながら行なわれる。

実施例 第１図に例として示されている構造は、従来技術によ
つて知られている検出器である。これは極めてわずかの
ｎ型不純物を持つ、モノクリスタルのシリコンチツプ１
から作られている。４×10³オーム・cmの標準抵抗が、
大きな空乏領域を得るように適している。高濃度のp⁺不
純物を含む領域３を有する、１連の並列（平行）な、ま
た等距離のバンドは、ｎ型基板と共に必要なだけの数量
の検出ダイオードを形成する。p⁺型領域３はアルミニウ
ム接続部４および結線７を通して外部バイアス源（示さ
れていない）の負側端子に接続される。酸化シリコンあ
るいは他の適当な誘電材料の不活性層２は、金属化処理
によつて覆われていない領域を覆つている。基板１はま
た、基板よりもさらに多量に不純物添加されたn⁺型拡散
領域５および金属層６と結線８を通して、前に述べた外
部バイアス源の正側端子に接続される。

動作においては、p⁺領域と、n^-基板とで構成される各
ダイオードは十分に高い電圧（標準的には100ボルトの
オーダー）で逆バイアスされるので、空乏領域は基板の
厚さ全体にわたつて広がつている。イオン化された粒子
が検出器を通ると、それは電子・正孔ペアを作り、それ
らは電極（4,6）に集められて、適切な回路によつて検
出され得る電流を生じさせる。

そのような検出器の空間的分解能は、バンド（3,4）
の数の、またそれらバンドの幅の関数である。１連の、
20ミクロンの幅を持つバンドからなる検出器は、Ｂ・ヒ
ヤムス他による論文中に開示されている。

接合毎の低漏洩電流や、１つのダイオードから他への
良好な電気的デツカプリングなどの長所を持つているに
もかかわらず、第１図の検出器は、不十分な放射抵抗を
有している点で、不都合がある。この不十分な放射抵抗
は検出器の性能の劣化を生じさせ、（また特に、漏洩電
流を増加させ、そして接合部の支持電圧ないし耐電圧を
低下させ）、そのことが検出器の稼動寿命を短かくする
こととなる。この低放射抵抗は原理的には、接合部の曲
面の、小さな半径によるものであつて、それがブレーク
ダウン効果を生じさせるものとなつており、また、各接
合部の周辺対表面比が高いこと、さらにまた、酸化物２
におけるあるいはこの酸化物２とシリコン１との間のイ
ンターフエースにおける電荷のトラツプによるものでも
ある。

放射に対する抵抗を改善する目的で、第２図に示した
構造が以前に提案されたが、この図の中では第１図にお
けると同様な部分には同じ参照番号が付されている。第
１図における複数のp⁺領域３は、第２図においては単独
のp⁺領域３に置換されている。この結果、空間的分解能
は電極８に接続されている、複数のn⁺領域５によつて確
保されることになる。第１図の場合における接合部の高
曲率に関連した問題が、第２図の構造では部分的に解決
されていることは容易に理解できる。しかし、領域５の
間での良好な電気的デカツプリングを得るためには、そ
してその結果として良好な空間分解能を得るためには、
逆バイアスされたｐ−ｎ接合部によつて作られる空乏領
域がn⁺領域の底にまで延びる必要がある。しかし、この
条件は、もし空乏領域がシリコン１と酸化層９との間の
インターフエースにまで達すると、接合部の漏洩電流が
増加し、結果として検出器の感度を損つてしまう点で、
臨界的なものである。第２図の例において重要と考えら
れる別のパラメーターは、検出器の対向面の平行性であ
る。この点に関しては、もし検出器の対向する面が完全
に平行でなければ、空乏領域がチツプの１つのエリアを
横切つてn⁺領域にまで延びるが、しかし別のエリアでは
横切らないということが生じ得るのである。同じ効果
は、チツプ中の不純物添加の均等性の欠陥によつても生
じ得るのであつて、このことは局部的に全体空乏を起こ
させるものであるが、これ自体は単に部分的な事柄であ
る。加えて、n⁺領域５相互間にp⁺の不純物添加を持つ領
域10を挿入することも提案された。この解決策は領域５
の相互間のデカツプリングを改善はするが、しかしこれ
は検出器の構造を複雑にすることになる。この解決法は
また、良好な空間的分解能を保持しながらも、結線８の
数量を減少させる目的から、隣接領域５相互間に存在す
る容量性結合を利用するという適用方法には不適当なも
のである。最後に、これは与えられた表面積におけるバ
ンド５の数において制限を生じさせるものとなる。

第３図に示した実施例には、本発明の特長と、強調さ
れるべきその利点が図示されている。第２図の場合と同
様に、接合部の全表面積に比して、ほんの小さな曲率の
領域が存在するような、p⁺型注入を持つ単独の、広い領
域３による利点を得ることができる。本発明によれば、
順バイアスされたｐ−ｎダイオードがチツプのp⁺領域に
対向する側に設けられる。これらのダイオードは、n⁺添
加領域15を得るための第１注入と、その次にp⁺添加領域
11を得るための第２注入とによつて形成される。第３図
に示される構造は、第４図ａから第４図ｅを参照しなが
らその製造方法が後に説明されるのであるが、空乏領域
の深さに関しての、第２図の構造におけると同様の臨界
性を示すものではない。この条件においては、n⁺添加領
域15は空乏領域に対する制限バリアを構成する。チツプ
中における、表面相互間の平行性の、また添加の均等性
のどのような欠陥であつても、この構造の特性には影響
することがなく、加えてこれらは酸化層９においてトラ
ツプされる電荷に関しても無感応のままである。この構
造の別の利点は、低漏洩電流、２つの隣接領域間に高程
度の容量性結合を確保しながらのp⁺領域11相互間の良好
な電気的デカツプリング、その電気的特性における良好
な安定性、そして全体的に放射に対する良好な抵抗など
である。第２図に示した公知の構造と比較すると、本発
明の構造もまた「ガード」（第２図におけるp⁺不純物添
加領域10のような領域）を必要としないという長所を持
つており、１方このことは多数の検出領域11が設けられ
得ることを示し、他方では検出領域11相互間における高
程度の容量性結合が得られることとなつて、その結果と
して空間分解能を損うことなく、外部的結線の数を減ら
すことができる。

第４図ａから第４図ｅは、本発明による検出器の製造
方法を概略的に説明した図である。わずかに不純物添加
されたシリコン（４×10³オーム・cmの標準的抵抗を持
つ）のチツプ１は、１方の側において、ヒ素（As）の注
入を受けてｎ型の不純物添加領域５を生じさせる（第４
図ａ）。酸化シリコン（SiO₂）２が次に、チツプの両面
上に熱成長または沈着によつて作られる（第４図ｂ）。
第４図ｃは、酸化層に写真平板法（ホトリソグラフイ
ー）によつて作られた開口20および21を示している。次
にp⁺領域３と11とが、開口20および21それぞれを横断す
るように、ホウ素注入によつて形成される（第４図
ｄ）。ホウ素注入段階の終わりに、素子の両面は２′で
示されるように沈着された酸化物（SiO₂）の新しい層
で、および／または別の誘電物質で覆われ、この層には
それぞれp⁺領域３およびp⁺領域11のための接続部４およ
び６を形成するために、開口が設けられる。第４図ｅは
金属化の後の素子を示している。

本発明は特定の１つの実施例に関して説明されている
が、しかし、本発明の範囲から離れることなく、変更あ
るいは変形が可能であることは理解されるであろう。

発明の効果 本発明によれば、従来検出器に比して改善された特性
を持つ、イオン化粒子検出器が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によつて知られている１つの実施例を
示す図であり、第２図は従来技術によつて知られている
別の実施例を示す図であり、第３図は本発明の特徴点を
具体化した１つの実施例を示す図であり、第４図は、第
３図に示した構造を製造する際の異なる段階を示す図で
ある。 １……シリコンチツプ、２……不活性層、３……p⁺領
域、４……接続部、５……n⁺領域、６……金属層、7,8
……結線、９……酸化層、10……p⁺領域、11……p⁺領
域、15……n⁺領域、20,21……開口

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】わずかなｎ型不純物が添加されたシリコン
   基板（１）中に、基板よりもさらに強度に不純物添加さ
   れて、前記基板の第１面の部分にわたつて広がり、基板
   の第１面と共にp⁺−ｎ型接合部を形成する、p⁺型の第１
   の幅広い領域（３）と、実質的に前記第１の領域と類似
   の長さであつて、前記第１面に対向するよう前記基板の
   第２面の部分にわたつて長さ方向に広がり、互いに等距
   離でしかも相互に平行ないし並列的なバンドを形成す
   る、複数の、不純物添加された第２領域（5,11）とを有
   する、イオン化された粒子の検出器において、さらに、
   同じｎ型ではあるが基板よりもさらに強く不純物添加さ
   れ、前記第２面の表面全体にわたつて広がる第３領域
   （15）を有し、また前記第２領域（11）は前記第３領域
   内に形成されて、前記第３領域のそれとは反対の型の不
   純物によつて不純物添加されていることを特徴とするイ
   オン化粒子検出器。
2. 【請求項２】１方では基板、および他方では前記第１領
   域によつて形成される前記p⁺−ｎ接合部が、前記接合部
   の下に形成される空乏領域が前記第３領域にまで広がる
   ように逆バイアスされ、また１方では前記第３領域、お
   よび他方では前記第２領域によつて形成されるダイオー
   ドが順バイアスされるような、特許請求の範囲第１項記
   載の、イオン化粒子検出器。