JP2954034B2 - 単一キャリア型固体放射線検出装置 - Google Patents
単一キャリア型固体放射線検出装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般にイオン化放射
線の検出器に関するものであり、特にイオン化放射線の
固体検出器に関する。
線の検出器に関するものであり、特にイオン化放射線の
固体検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体半導体装置によりイオン化放射線
（ガンマ線、ｘ線およびその他のエネルギを有する粒
子）を検出する最も一般的な技術は、二端子装置に依存
している。これに関して、本発明の発明者であるDavid
R.Rhiger氏による米国特許第5,391,882 号明細書が参照
される。固体検出器において、イオン化放射線は、半導
体材料内において電子・ホール対を生成し、電界の影響
の下にそれらがその各コンタクト端子に向かって（電子
は正の端子に、ホールは負の端子に向かって）移動す
る。しかしながら、ホールの移動度は電子のほぼ10分の
１であるため、ホールは負のコンタクトに到達する前に
容易にトラップされる可能性がある。これは、結果的に
不完全な電荷収集として知られている望ましくない状態
を発生させる。
（ガンマ線、ｘ線およびその他のエネルギを有する粒
子）を検出する最も一般的な技術は、二端子装置に依存
している。これに関して、本発明の発明者であるDavid
R.Rhiger氏による米国特許第5,391,882 号明細書が参照
される。固体検出器において、イオン化放射線は、半導
体材料内において電子・ホール対を生成し、電界の影響
の下にそれらがその各コンタクト端子に向かって（電子
は正の端子に、ホールは負の端子に向かって）移動す
る。しかしながら、ホールの移動度は電子のほぼ10分の
１であるため、ホールは負のコンタクトに到達する前に
容易にトラップされる可能性がある。これは、結果的に
不完全な電荷収集として知られている望ましくない状態
を発生させる。
【０００３】さらに詳細に述べるならば、発明者に知ら
れている全ての固体放射線検出器において、吸収された
放射線は、電子・ホール対すなわち電荷キャリアを生成
する。例えば、 100ｋｅＶのガンマ線は、II−VI族の合
金半導体材料ＣｄＴｅにおいて吸収された場合に、１次
光・電子からカスケード効果により約22,000個の電子・
ホール対を生成する。生成される電子・ホール対の個数
は、ガンマ線のエネルギに正比例する。その後、電荷キ
ャリアは、それらの各コンタクトに向かって電界中をド
リフトする。コンタクトに接続されている外部回路の中
の信号は、与えられた電界がエネルギを与えられて電荷
キャリアを移動させた結果発生する。例えば、電子が 2
00ボルトの電位差を通過したとき、電界から 200ｅＶの
エネルギを抽出する。電界のこのエネルギを置換して一
定の供給電圧電位を維持するために、外部回路における
電圧源は検出器コンタクトへの電流を生成する。検出器
内の電荷キャリアの運動に応答して流れるこの電流が、
外部回路における信号を構成する。ガンマ線によって生
成されたあらゆるキャリアがその発生点からその各コン
タクトに向かって移動またはドリフトすることができた
ときに、全出力信号が生成される。これが、 100％の電
荷収集効率の最も望ましい状態である。この場合、入っ
て来た同じエネルギの全てのガンマ線が結果的に同じ振
幅の出力信号（パルス）を生成する（電荷生成メカニズ
ムの統計による小さい拡散を除いて）。多数のパルスを
パルス振幅に対して座標で示した場合、非常に狭いピー
クが表わされる。高い分解能のスペクトル測定を実行す
る場合、 100％の電荷収集状態が正確で繰り返しの可能
な結果を得るために重要な必須条件である。
れている全ての固体放射線検出器において、吸収された
放射線は、電子・ホール対すなわち電荷キャリアを生成
する。例えば、 100ｋｅＶのガンマ線は、II−VI族の合
金半導体材料ＣｄＴｅにおいて吸収された場合に、１次
光・電子からカスケード効果により約22,000個の電子・
ホール対を生成する。生成される電子・ホール対の個数
は、ガンマ線のエネルギに正比例する。その後、電荷キ
ャリアは、それらの各コンタクトに向かって電界中をド
リフトする。コンタクトに接続されている外部回路の中
の信号は、与えられた電界がエネルギを与えられて電荷
キャリアを移動させた結果発生する。例えば、電子が 2
00ボルトの電位差を通過したとき、電界から 200ｅＶの
エネルギを抽出する。電界のこのエネルギを置換して一
定の供給電圧電位を維持するために、外部回路における
電圧源は検出器コンタクトへの電流を生成する。検出器
内の電荷キャリアの運動に応答して流れるこの電流が、
外部回路における信号を構成する。ガンマ線によって生
成されたあらゆるキャリアがその発生点からその各コン
タクトに向かって移動またはドリフトすることができた
ときに、全出力信号が生成される。これが、 100％の電
荷収集効率の最も望ましい状態である。この場合、入っ
て来た同じエネルギの全てのガンマ線が結果的に同じ振
幅の出力信号（パルス）を生成する（電荷生成メカニズ
ムの統計による小さい拡散を除いて）。多数のパルスを
パルス振幅に対して座標で示した場合、非常に狭いピー
クが表わされる。高い分解能のスペクトル測定を実行す
る場合、 100％の電荷収集状態が正確で繰り返しの可能
な結果を得るために重要な必須条件である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】100％の電荷収集状に
近付くために態解決すべき１つの問題は、半導体材料内
におけるトラップのために、全ての電荷キャリアがそれ
らの各コンタクトに到達できないことにより生じる。電
子およびホールに対する各トラップ時間ｔe およびｔh
を、電荷キャリアがトラップに陥るまで存続している平
均時間と定義する。エネルギ図に関して、このようなト
ラップは、半導体材料の伝導帯と価電子帯との間のギャ
ップに位置される。電荷キャリアは、トラップされてし
まうと、トラップから後で放出されるか、或は逆の極性
の電荷キャリアと再結合される。いずれの場合も、電荷
キャリアが外部回路中の信号に与える影響は大幅に遅延
されるか、或は完全に除去される。
近付くために態解決すべき１つの問題は、半導体材料内
におけるトラップのために、全ての電荷キャリアがそれ
らの各コンタクトに到達できないことにより生じる。電
子およびホールに対する各トラップ時間ｔe およびｔh
を、電荷キャリアがトラップに陥るまで存続している平
均時間と定義する。エネルギ図に関して、このようなト
ラップは、半導体材料の伝導帯と価電子帯との間のギャ
ップに位置される。電荷キャリアは、トラップされてし
まうと、トラップから後で放出されるか、或は逆の極性
の電荷キャリアと再結合される。いずれの場合も、電荷
キャリアが外部回路中の信号に与える影響は大幅に遅延
されるか、或は完全に除去される。
【０００５】量的には、２種類の電荷キャリア間の相違
を次のように説明することができる。所定の半導体材料
において、電子およびホールは移動度μe およびおよび
μhをそれぞれ有する。強度Ｅの電界の影響下におい
て、それら各ドリフト速度は、 ｖe ＝μe Ｅ、およびｖh ＝μh Ｅ になる。トラップ時間のために、各ドリフト長（Ｌ）
（各キャリアが移動できる平均距離）は以下のように与
えられる： Ｌe ＝ｖe ｔe ＝μe ｔe Ｅ、および Ｌh ＝ｖh ｔh ＝μh ｔh Ｅ ２つのドリフト長を比較した場合、電子の移動度はホー
ルのそれよりほぼ10倍大きく、電子のトラップ時間Ｌe
はホールのトラップ時間Ｌh より２乃至５倍長いことを
認識しなければならない。したがって、Ｌe はＬh の約
20乃至50倍の大きさである。例えば、II−VI族化合物半
導体材料ＣｄＺｎＴｅに対して、μe ｔe 積の典型的な
値は１×10-3cm2 ／Ｖである。
を次のように説明することができる。所定の半導体材料
において、電子およびホールは移動度μe およびおよび
μhをそれぞれ有する。強度Ｅの電界の影響下におい
て、それら各ドリフト速度は、 ｖe ＝μe Ｅ、およびｖh ＝μh Ｅ になる。トラップ時間のために、各ドリフト長（Ｌ）
（各キャリアが移動できる平均距離）は以下のように与
えられる： Ｌe ＝ｖe ｔe ＝μe ｔe Ｅ、および Ｌh ＝ｖh ｔh ＝μh ｔh Ｅ ２つのドリフト長を比較した場合、電子の移動度はホー
ルのそれよりほぼ10倍大きく、電子のトラップ時間Ｌe
はホールのトラップ時間Ｌh より２乃至５倍長いことを
認識しなければならない。したがって、Ｌe はＬh の約
20乃至50倍の大きさである。例えば、II−VI族化合物半
導体材料ＣｄＺｎＴｅに対して、μe ｔe 積の典型的な
値は１×10-3cm2 ／Ｖである。
【０００６】1000Ｖ／cmの典型的な電界強度により、Ｌ
e ＝１cmであることが容易に認められる。このドリフト
長は、 0.1または 0.2cmの典型的なＣｄＺｎＴｅガンマ
線検出器の厚さに比較して長いため、電子は非常に高い
効率で収集されることができる。しかしながら、ホール
は、電子よりはるかに小さいドリフト長のために、トラ
ップされる前に検出器の厚さよりかなり短い距離しか移
動できない。その結果検出器における電荷キャリアの収
集が不完全になり、出力信号において予測できないエラ
ーが発生し、したがって理想的な急峻なピークにはほど
遠いパルスの高さスペクトルの広がりが生じる。
e ＝１cmであることが容易に認められる。このドリフト
長は、 0.1または 0.2cmの典型的なＣｄＺｎＴｅガンマ
線検出器の厚さに比較して長いため、電子は非常に高い
効率で収集されることができる。しかしながら、ホール
は、電子よりはるかに小さいドリフト長のために、トラ
ップされる前に検出器の厚さよりかなり短い距離しか移
動できない。その結果検出器における電荷キャリアの収
集が不完全になり、出力信号において予測できないエラ
ーが発生し、したがって理想的な急峻なピークにはほど
遠いパルスの高さスペクトルの広がりが生じる。
【０００７】不完全な電荷キャリア収集の問題を克服す
ることを試みた３つの通常の方法が認識されている。第
１の方法は、平均電荷キャリア速度を増加するように電
界強度を高めることである。しかしながら、電界強度の
増加は固体検出器の漏洩電流も増加させる。第２の方法
は、負のコンタクトの近くでイオン化放射線を吸収し、
それによってホールが収集されるまでに移動しなければ
ならない距離を減少することである。しかしながら、こ
の方法は高エネルギの放射線（例えば、約20ｋｅＶを越
えるガンマ線）を検出する場合には適さないことが認め
られている。第３の方法は、負のコンタクトの付近での
み非常に大きい電界強度を生成するために半導体材料に
対して平坦ではない形状を使用することである。しかし
ながら、この方法は困難で高価な装置製造技術を必要と
する。
ることを試みた３つの通常の方法が認識されている。第
１の方法は、平均電荷キャリア速度を増加するように電
界強度を高めることである。しかしながら、電界強度の
増加は固体検出器の漏洩電流も増加させる。第２の方法
は、負のコンタクトの近くでイオン化放射線を吸収し、
それによってホールが収集されるまでに移動しなければ
ならない距離を減少することである。しかしながら、こ
の方法は高エネルギの放射線（例えば、約20ｋｅＶを越
えるガンマ線）を検出する場合には適さないことが認め
られている。第３の方法は、負のコンタクトの付近での
み非常に大きい電界強度を生成するために半導体材料に
対して平坦ではない形状を使用することである。しかし
ながら、この方法は困難で高価な装置製造技術を必要と
する。
【０００８】図１には、通常のフリッシュ(Frisch)グリ
ッドイオン室の三端子検出器（固体検出器ではない）が
概略的に示されている。これに関して、文献（G.F.Knol
l ，John Wiley & Sons による“Radiation Detection
and Measurement ”,Secondedition, 149-157頁）を参
照してもよい。グリッドを有するイオン室または管１
は、陰極２と陽極３との間に低圧ガスを含む。フリッシ
ュグリッド４として知られている中間グリッドは、管１
を２つの領域に分割する。遮蔽（示されていない）を使
用することによって、入射したガンマ線は陰極２とフリ
ッシュグリッド４との間の領域だけを照射し、ここにお
いてそれは気体分子から自由電子および正イオンを発生
する。正イオンは、電池５ａおよび５ｂにより陰極２に
与えられた負の電位に向かって移動する。イオンはゆっ
くり収集され、その再結合の割合が大きいために、それ
らは合計出力およびタイミングの点において信号に悪影
響を及ぼす。しかしながら、電子はフリッシュグリッド
４に向かって引きつけられ、それを通過して、陰極に関
して正の陽極３に向かってドリフトし続ける。陽極３と
フリッシュグリッド４との間の抵抗ＲL の両端間で外部
信号（パルス出力）が得られ、その結果電子だけがこの
回路からの出力信号に影響を与える。すなわち、イオン
のドリフトに対応した出力パルスにおける遅い立上がり
が取除かれ、信号立上がり時間が著しく速い電子のもの
に対応する。各電子はフリッシュグリッド４と陽極３と
の間の同じ電位差を通過し、出力パルスに対して同様に
影響を与えるため、パルス振幅は元の電子・イオン対の
形成の位置とは無関係のものにされる。この場合、パル
ス振幅は入射した粒子またはイオン化放射線の軌道に沿
って形成されたイオン対の合計数に比例する。
ッドイオン室の三端子検出器（固体検出器ではない）が
概略的に示されている。これに関して、文献（G.F.Knol
l ，John Wiley & Sons による“Radiation Detection
and Measurement ”,Secondedition, 149-157頁）を参
照してもよい。グリッドを有するイオン室または管１
は、陰極２と陽極３との間に低圧ガスを含む。フリッシ
ュグリッド４として知られている中間グリッドは、管１
を２つの領域に分割する。遮蔽（示されていない）を使
用することによって、入射したガンマ線は陰極２とフリ
ッシュグリッド４との間の領域だけを照射し、ここにお
いてそれは気体分子から自由電子および正イオンを発生
する。正イオンは、電池５ａおよび５ｂにより陰極２に
与えられた負の電位に向かって移動する。イオンはゆっ
くり収集され、その再結合の割合が大きいために、それ
らは合計出力およびタイミングの点において信号に悪影
響を及ぼす。しかしながら、電子はフリッシュグリッド
４に向かって引きつけられ、それを通過して、陰極に関
して正の陽極３に向かってドリフトし続ける。陽極３と
フリッシュグリッド４との間の抵抗ＲL の両端間で外部
信号（パルス出力）が得られ、その結果電子だけがこの
回路からの出力信号に影響を与える。すなわち、イオン
のドリフトに対応した出力パルスにおける遅い立上がり
が取除かれ、信号立上がり時間が著しく速い電子のもの
に対応する。各電子はフリッシュグリッド４と陽極３と
の間の同じ電位差を通過し、出力パルスに対して同様に
影響を与えるため、パルス振幅は元の電子・イオン対の
形成の位置とは無関係のものにされる。この場合、パル
ス振幅は入射した粒子またはイオン化放射線の軌道に沿
って形成されたイオン対の合計数に比例する。
【０００９】図２において信号対時間の特性曲線で示さ
れているように、信号は電子群がグリッドと陽極との間
をドリフトしているときにのみ現れる。図２において、
ｎ0ｅは電子の個数であり、ｙは入射した放射線が吸収
される位置のフリッシュグリッド４からの距離である。
ｄはフリッシュグリッド４と陽極３と間の間隔であり、
Ｃはフリッシュグリッド４と回路接地点の間のキャパシ
タンスであり、ｖ￣は電子の速度である。
れているように、信号は電子群がグリッドと陽極との間
をドリフトしているときにのみ現れる。図２において、
ｎ0ｅは電子の個数であり、ｙは入射した放射線が吸収
される位置のフリッシュグリッド４からの距離である。
ｄはフリッシュグリッド４と陽極３と間の間隔であり、
Ｃはフリッシュグリッド４と回路接地点の間のキャパシ
タンスであり、ｖ￣は電子の速度である。
【００１０】イオン化放射線によって生成された電荷キ
ャリアを分離するために共平面電極を使用した多端子固
体検出器が記載されている文献（P.N.Luke氏による“Si
ngle-polarity charge sensing in ionization detecto
rs using coplanar electrodes”，Apply.Phys.Lett.65
(22),2884-2886，1994年11月28日）が参照される。この
装置において、交互に配置された共平面グリッド電極が
ＣｄＺｎＴｅ検出器の表面に設けられ、共通した電極が
反対側に設けられている。この方法に対して認められる
欠点には、電界の不均一性と、小さい画素寸法を有する
イオン化放射線検出器のアレイ（例えば２次元アレイ）
の製造にこの装置の幾何学形状を適用する困難さが含ま
れる。さらに、共平面回路全体における漏洩電流が出力
信号に影響を与える。
ャリアを分離するために共平面電極を使用した多端子固
体検出器が記載されている文献（P.N.Luke氏による“Si
ngle-polarity charge sensing in ionization detecto
rs using coplanar electrodes”，Apply.Phys.Lett.65
(22),2884-2886，1994年11月28日）が参照される。この
装置において、交互に配置された共平面グリッド電極が
ＣｄＺｎＴｅ検出器の表面に設けられ、共通した電極が
反対側に設けられている。この方法に対して認められる
欠点には、電界の不均一性と、小さい画素寸法を有する
イオン化放射線検出器のアレイ（例えば２次元アレイ）
の製造にこの装置の幾何学形状を適用する困難さが含ま
れる。さらに、共平面回路全体における漏洩電流が出力
信号に影響を与える。
【００１１】本発明の第１の目的は、不完全な電荷キャ
リア収集の問題を克服し、さらに均一な電界という利点
を提供するイオン化放射線用の固体検出器を提供するこ
とである。本発明の第２の目的は、三端子であってグリ
ッドを有するイオン化放射線用の固体検出器を提供する
ことである。本発明の第３の目的は、グリットと陽極端
子との間の比較的薄い層からの漏洩電流だけが出力信号
に影響を与えることができる、三端子でグリッドを有す
る固体検出器を提供することである。本発明のさらに別
の目的は、三端子でグリッドを有するイオン化放射線用
の固体検出器のアレイを提供し、このようなアレイを動
作させる方法および製造する方法を提供することであ
る。
リア収集の問題を克服し、さらに均一な電界という利点
を提供するイオン化放射線用の固体検出器を提供するこ
とである。本発明の第２の目的は、三端子であってグリ
ッドを有するイオン化放射線用の固体検出器を提供する
ことである。本発明の第３の目的は、グリットと陽極端
子との間の比較的薄い層からの漏洩電流だけが出力信号
に影響を与えることができる、三端子でグリッドを有す
る固体検出器を提供することである。本発明のさらに別
の目的は、三端子でグリッドを有するイオン化放射線用
の固体検出器のアレイを提供し、このようなアレイを動
作させる方法および製造する方法を提供することであ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記およびその他の問題
は、ＣｄＺｎＴｅのようなほぼ真性のII−VI族化合物半
導体材料の第１の層を含む三端子固体イオン化放射線検
出器によって克服され、本発明の目的が達成される。第
１の層は、入射したイオン化放射線に応答して、電子・
ホール対を生成する。さらに、検出器はII−VI族化合物
半導体材料の第２の層および第１の層の第１の表面と第
２の層の第１の表面との間に設けられたII−VI族化合物
半導体材料の第３の層を含んでいる。第３の層は、グリ
ッド層として機能する。第１の電気コンタクトは第１の
層の第２の表面に結合され、第２の電気コンタクトは第
２の層の第２の表面に結合され、第３の電気コンタクト
は第３の層に結合されて、検出器の間に電界を設定する
外部回路に検出器を接続する。電界は、グリッド層から
第１のコンタクトに向かってホールをドリフトさせ、一
方電子はグリッド層に向かってドリフトし、それを通過
し、第２の層を通って第２のコンタクトに向かってドリ
フトして、検出可能な出力信号パルスを生成する。グリ
ッド層が存在するために、電子だけが出力パルスに影響
を与える。グリッド層は、電子がグリッド層内において
少数電荷キャリアである導電型を有している。グリッド
層と第１の層との間の境界には、そうでなければ第３の
グリッド層からまたはそれを通過して第１の層に到達す
るホールに対するバリアとして機能するエネルギギャッ
プが存在する。
は、ＣｄＺｎＴｅのようなほぼ真性のII−VI族化合物半
導体材料の第１の層を含む三端子固体イオン化放射線検
出器によって克服され、本発明の目的が達成される。第
１の層は、入射したイオン化放射線に応答して、電子・
ホール対を生成する。さらに、検出器はII−VI族化合物
半導体材料の第２の層および第１の層の第１の表面と第
２の層の第１の表面との間に設けられたII−VI族化合物
半導体材料の第３の層を含んでいる。第３の層は、グリ
ッド層として機能する。第１の電気コンタクトは第１の
層の第２の表面に結合され、第２の電気コンタクトは第
２の層の第２の表面に結合され、第３の電気コンタクト
は第３の層に結合されて、検出器の間に電界を設定する
外部回路に検出器を接続する。電界は、グリッド層から
第１のコンタクトに向かってホールをドリフトさせ、一
方電子はグリッド層に向かってドリフトし、それを通過
し、第２の層を通って第２のコンタクトに向かってドリ
フトして、検出可能な出力信号パルスを生成する。グリ
ッド層が存在するために、電子だけが出力パルスに影響
を与える。グリッド層は、電子がグリッド層内において
少数電荷キャリアである導電型を有している。グリッド
層と第１の層との間の境界には、そうでなければ第３の
グリッド層からまたはそれを通過して第１の層に到達す
るホールに対するバリアとして機能するエネルギギャッ
プが存在する。
【００１３】本発明の好ましい実施形態において、グリ
ッド層はｐ型のＨｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅの実質的に連続し
た層から構成され、ここでｘはほぼ 0.5乃至ほぼ 0.9の
範囲の値を有する。
ッド層はｐ型のＨｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅの実質的に連続し
た層から構成され、ここでｘはほぼ 0.5乃至ほぼ 0.9の
範囲の値を有する。
【００１４】本発明の別の実施形態において、グリッド
層は穴を有するパターンで配置されたドーパントを含む
領域、或は穴を有するパターンで配置された導体を含む
領域から構成されることができる。
層は穴を有するパターンで配置されたドーパントを含む
領域、或は穴を有するパターンで配置された導体を含む
領域から構成されることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の詳細な説明および添付図
面から上記およびその他の特徴がさらに明らかになるで
あろう。最初に、本発明の内容はイオン化放射線の固体
検出器に一般的に適用可能であることを注目すべきであ
る。検出層を製造するのにここにおいて好ましい半導体
材料はＣｄＺｎＴｅであるが、ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅＳ
ｅ、ＨｇＩ2 、ＧａＡｓ等の他の組成の半導体も使用さ
れることができる。Ｈｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅは、ｘの値を
大きくして、結果的な検出器を低温で動作させる限りに
おいて使用されることができる。ここにおいて好ましい
動作温度は、ＳｉおよびＧｅのような元素半導体から構
成された検出器が動作しない、室温等の低温範囲より高
いものであるが、それに限定されるものではない。しか
しながら、適切に冷却された場合、検出器の半導体材料
はＳｉまたはＧｅ、或はＳｉ／Ｇｅ合金であることがで
きる。
面から上記およびその他の特徴がさらに明らかになるで
あろう。最初に、本発明の内容はイオン化放射線の固体
検出器に一般的に適用可能であることを注目すべきであ
る。検出層を製造するのにここにおいて好ましい半導体
材料はＣｄＺｎＴｅであるが、ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅＳ
ｅ、ＨｇＩ2 、ＧａＡｓ等の他の組成の半導体も使用さ
れることができる。Ｈｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅは、ｘの値を
大きくして、結果的な検出器を低温で動作させる限りに
おいて使用されることができる。ここにおいて好ましい
動作温度は、ＳｉおよびＧｅのような元素半導体から構
成された検出器が動作しない、室温等の低温範囲より高
いものであるが、それに限定されるものではない。しか
しながら、適切に冷却された場合、検出器の半導体材料
はＳｉまたはＧｅ、或はＳｉ／Ｇｅ合金であることがで
きる。
【００１６】図３は、適切な動作電圧が印加された状態
における、図４に断面図で示された固体のイオン化放射
線検出器10の半導体エネルギバンドプロフィールの図で
ある。図３において、ＥC およびＥV は、伝導帯エッジ
および価電子帯エッジをそれぞれ表している。ＥF はフ
ェルミレベルであり、電界がゼロまたはほぼゼロの領域
だけに示されている。
における、図４に断面図で示された固体のイオン化放射
線検出器10の半導体エネルギバンドプロフィールの図で
ある。図３において、ＥC およびＥV は、伝導帯エッジ
および価電子帯エッジをそれぞれ表している。ＥF はフ
ェルミレベルであり、電界がゼロまたはほぼゼロの領域
だけに示されている。
【００１７】図４を参照すると、金属および半導体材料
の種々の層は次のとおりである。金属陰極コンタクト12
は第１のｐ型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層14および第２の
ｐ型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層16の下に位置しており、
これらの層14および層16がほぼ10μｍの厚さを有する組
成が傾斜分布を有するｐ型Ｈｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅ複合コ
ンタクト層17を形成している。例えば、層14においてｘ
の値は0.2 に等しく、層16ではｘの値はほぼ0.8 乃至ほ
ぼ1.0 の間で変化してもよい。ここにおいて好ましい組
成が傾斜分布のコンタクト層システムを説明するため
に、上記の米国特許第5,391,882 号明細書を参照するこ
とができる。
の種々の層は次のとおりである。金属陰極コンタクト12
は第１のｐ型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層14および第２の
ｐ型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層16の下に位置しており、
これらの層14および層16がほぼ10μｍの厚さを有する組
成が傾斜分布を有するｐ型Ｈｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅ複合コ
ンタクト層17を形成している。例えば、層14においてｘ
の値は0.2 に等しく、層16ではｘの値はほぼ0.8 乃至ほ
ぼ1.0 の間で変化してもよい。ここにおいて好ましい組
成が傾斜分布のコンタクト層システムを説明するため
に、上記の米国特許第5,391,882 号明細書を参照するこ
とができる。
【００１８】イオン化放射線検出層18は、複合コンタク
ト層17上に重なっている。本発明の好ましい実施形態に
おいて検出層18は真性またはほぼ真性のＣｄ1-y Ｚｎy
Ｔｅから構成され、典型的に1000μｍの厚さを有してい
る。検出層18において、ｙの値はほぼ0.04乃至ほぼ0.2
に等しいことが好ましく、この層はドープされていない
（真性）か、或はいずれかの導電型に非常に軽くドープ
されている。検出層18上には、ここではグリッドと呼ん
でいる“グリッド”層20が重なっており、この実施形態
では、この層20は例えば0.1 μｍ乃至５μｍの範囲の厚
さを有し、ここでは１μｍが好ましい厚さである連続し
た薄い層であることが好ましい。グリッド層20は、例え
ばｐ型のＨｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅ（例えば、１cm3 当たり
1017個のドーパント原子）から構成され、ここでｘはほ
ぼ0.5 乃至ほぼ0.9 の範囲の値を有する。グリッドバイ
アスの電圧源にグリッド層20を結合するために金属コン
タクト22がグリッド層20に結合される。
ト層17上に重なっている。本発明の好ましい実施形態に
おいて検出層18は真性またはほぼ真性のＣｄ1-y Ｚｎy
Ｔｅから構成され、典型的に1000μｍの厚さを有してい
る。検出層18において、ｙの値はほぼ0.04乃至ほぼ0.2
に等しいことが好ましく、この層はドープされていない
（真性）か、或はいずれかの導電型に非常に軽くドープ
されている。検出層18上には、ここではグリッドと呼ん
でいる“グリッド”層20が重なっており、この実施形態
では、この層20は例えば0.1 μｍ乃至５μｍの範囲の厚
さを有し、ここでは１μｍが好ましい厚さである連続し
た薄い層であることが好ましい。グリッド層20は、例え
ばｐ型のＨｇ(1-x) Ｃｄx Ｔｅ（例えば、１cm3 当たり
1017個のドーパント原子）から構成され、ここでｘはほ
ぼ0.5 乃至ほぼ0.9 の範囲の値を有する。グリッドバイ
アスの電圧源にグリッド層20を結合するために金属コン
タクト22がグリッド層20に結合される。
【００１９】グリッド装置20上には、ｎ型のＣｄＴｅま
たはＣｄＺｎＴｅから成る軽くドープされたドリフトま
たは信号層24が重なっている。信号層24の厚さは、10μ
ｍ乃至100 μｍの範囲であり、それによって信号層24を
検出層18より著しく薄くする（例えば、大きさが１桁以
上小さい）ことが好ましい。信号層24上には、第１のｎ
型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層26および第２のｎ型ＨｇＣ
ｄＴｅコンタクト層28が重なっており、これらの層がほ
ぼ10μｍの厚さを有する複合傾斜組成分布のｎ型Ｈｇ
(1-x) Ｃｄx Ｔｅの複合コンタクト層29を形成してい
る。例えば、層26においてｘの値はほぼ0.8 からほぼ0.
9 まで変化し、一方層28ではｘの値はほぼ0.2 に等し
い。ここにおいて好ましい傾斜組成分布のコンタクト層
システムを説明するために、上記の米国特許第5,391,88
2 号明細書を参照することができる。金属層30（例え
ば、Ａｕの層）は陽極電極として機能し、使用中陰極コ
ンタクト12に関して正の電位に維持される。陰極コンタ
クト12と陽極コンタクト30との間の電位差によって、グ
リッド層20に対してほぼ垂直の方向に検出器10を横切っ
て電界が設定される。特に、電池38ａとして概略的に示
された第１のバイアス電圧源は、陰極コンタクト12とグ
リッドコンタクト22との間に接続され、一方電池38ｂと
して概略的に示された第２の独立したバイアス電圧源は
グリッドコンタクト22と陽極コンタクト30との間に接続
される。
たはＣｄＺｎＴｅから成る軽くドープされたドリフトま
たは信号層24が重なっている。信号層24の厚さは、10μ
ｍ乃至100 μｍの範囲であり、それによって信号層24を
検出層18より著しく薄くする（例えば、大きさが１桁以
上小さい）ことが好ましい。信号層24上には、第１のｎ
型ＨｇＣｄＴｅコンタクト層26および第２のｎ型ＨｇＣ
ｄＴｅコンタクト層28が重なっており、これらの層がほ
ぼ10μｍの厚さを有する複合傾斜組成分布のｎ型Ｈｇ
(1-x) Ｃｄx Ｔｅの複合コンタクト層29を形成してい
る。例えば、層26においてｘの値はほぼ0.8 からほぼ0.
9 まで変化し、一方層28ではｘの値はほぼ0.2 に等し
い。ここにおいて好ましい傾斜組成分布のコンタクト層
システムを説明するために、上記の米国特許第5,391,88
2 号明細書を参照することができる。金属層30（例え
ば、Ａｕの層）は陽極電極として機能し、使用中陰極コ
ンタクト12に関して正の電位に維持される。陰極コンタ
クト12と陽極コンタクト30との間の電位差によって、グ
リッド層20に対してほぼ垂直の方向に検出器10を横切っ
て電界が設定される。特に、電池38ａとして概略的に示
された第１のバイアス電圧源は、陰極コンタクト12とグ
リッドコンタクト22との間に接続され、一方電池38ｂと
して概略的に示された第２の独立したバイアス電圧源は
グリッドコンタクト22と陽極コンタクト30との間に接続
される。
【００２０】装置は平坦であり（グリッドコンタクト22
のために設けられている部分を無視する）、その結果装
置10を横切る電界がほぼ均一になることに留意すべきで
ある。さらに、陰極／グリッド間の電界強度は、グリッ
ド／陽極間の電界強度と異なってもよいことに留意すべ
きである。
のために設けられている部分を無視する）、その結果装
置10を横切る電界がほぼ均一になることに留意すべきで
ある。さらに、陰極／グリッド間の電界強度は、グリッ
ド／陽極間の電界強度と異なってもよいことに留意すべ
きである。
【００２１】隣接した半導体材料中へのキャリアの注入
を遮断または妨害する極性のショッツキ障壁を形成する
金属薄膜コンタクトとコンタクト層17および29を置換す
ることは、本発明の技術的範囲内である。
を遮断または妨害する極性のショッツキ障壁を形成する
金属薄膜コンタクトとコンタクト層17および29を置換す
ることは、本発明の技術的範囲内である。
【００２２】検出器10は、外部読取り回路（示されてい
ない）が２つのコンタクト電極12および30並びにグリッ
ド層コンタクト22に接続されている三端子装置であるこ
とが容易に理解できる。動作中、陰極コンタクト12はグ
リッドコンタクト22に関して負の状態で数百ボルトに維
持され、陽極コンタクト30はグリッドコンタクト22に関
して正の電位に維持されていることが好ましい。
ない）が２つのコンタクト電極12および30並びにグリッ
ド層コンタクト22に接続されている三端子装置であるこ
とが容易に理解できる。動作中、陰極コンタクト12はグ
リッドコンタクト22に関して負の状態で数百ボルトに維
持され、陽極コンタクト30はグリッドコンタクト22に関
して正の電位に維持されていることが好ましい。
【００２３】使用中コリメータ32は本質的に検出器10の
一部分を形成するものではないが、それは開口32ａを有
しており、入射した高エネルギイオン化放射線34が検出
層18に入ることを可能にするように位置されることがで
きる。その代わりに、約10ｋｅＶより大きいエネルギを
有する放射線は、層12、14および16から構成された比較
的薄い陰極領域を透過して検出層18に入ってもよい。図
５のａおよびｂに示されているように、検出器のアレイ
領域を構成する場合には、この後者の動作モードが好ま
しい。
一部分を形成するものではないが、それは開口32ａを有
しており、入射した高エネルギイオン化放射線34が検出
層18に入ることを可能にするように位置されることがで
きる。その代わりに、約10ｋｅＶより大きいエネルギを
有する放射線は、層12、14および16から構成された比較
的薄い陰極領域を透過して検出層18に入ってもよい。図
５のａおよびｂに示されているように、検出器のアレイ
領域を構成する場合には、この後者の動作モードが好ま
しい。
【００２４】以下、上述された種々の層の機能を説明す
る。図３に示されているように検出層18内において入射
したイオン化放射線が吸収され、電子・ホール対が生成
される。ホールは、電池38ａおよび38ｂとして概略的に
示された電圧源によって検出器10を横切って設定された
電界においてドリフトする。ホールは、グリッド層20に
関して負にバイアスされたｐ型コンタクト層17に向かっ
てドリフトする。一方、電子はｐ型グリッド層20を通っ
て拡散し、この層20内において少数キャリアであり、続
いてそれらは、グリッド層20に関して正であるｎ型コン
タクト層29に達するまで信号層24を通って電界内におい
て再びドリフトする。
る。図３に示されているように検出層18内において入射
したイオン化放射線が吸収され、電子・ホール対が生成
される。ホールは、電池38ａおよび38ｂとして概略的に
示された電圧源によって検出器10を横切って設定された
電界においてドリフトする。ホールは、グリッド層20に
関して負にバイアスされたｐ型コンタクト層17に向かっ
てドリフトする。一方、電子はｐ型グリッド層20を通っ
て拡散し、この層20内において少数キャリアであり、続
いてそれらは、グリッド層20に関して正であるｎ型コン
タクト層29に達するまで信号層24を通って電界内におい
て再びドリフトする。
【００２５】図４において明白であるように、グリッド
層20が存在しているために、速い電子（Ｉe ）による第
１の電流は、負荷抵抗ＲL を含む第１の回路を流れる。
電子Ｉe によって負荷抵抗ＲL の両端間において発生さ
れたパルスは、出力信号（パルス出力）である。遅いホ
ール（Ｉh ）による第２の電流、およびグリッド20に到
達する前の電子は、第２の回路を通って流れる。このよ
うにして、ホール電流の効果は、グリッド／陰極回路に
トラップされることによってパルス出力から取除かれ
る。これは所望される結果である。
層20が存在しているために、速い電子（Ｉe ）による第
１の電流は、負荷抵抗ＲL を含む第１の回路を流れる。
電子Ｉe によって負荷抵抗ＲL の両端間において発生さ
れたパルスは、出力信号（パルス出力）である。遅いホ
ール（Ｉh ）による第２の電流、およびグリッド20に到
達する前の電子は、第２の回路を通って流れる。このよ
うにして、ホール電流の効果は、グリッド／陰極回路に
トラップされることによってパルス出力から取除かれ
る。これは所望される結果である。
【００２６】この点で、バイポーラ接合トランジスタと
の部分的な類似性を持たせることができる。すなわち、
グリッド層20はトランジスタのベースに類似し、信号層
24がトランジスタの逆バイアスされたベース・コレクタ
接合の空乏領域に類似するものとみなすことができる。
しかしながら、トランジスタにおいて少数キャリアは順
方向バイアスされたエミッタ・ベース接合によってベー
スに注入され、一方本発明の検出器10では、少数キャリ
アは検出層18から注入される。この類似性の重要な点
は、注入されたキャリアが少数キャリアとして狭い領域
（すなわち、グリッド層20）を透過して拡散し、その後
狭い領域の反対側の電界によって掃出されることが可能
なことである。
の部分的な類似性を持たせることができる。すなわち、
グリッド層20はトランジスタのベースに類似し、信号層
24がトランジスタの逆バイアスされたベース・コレクタ
接合の空乏領域に類似するものとみなすことができる。
しかしながら、トランジスタにおいて少数キャリアは順
方向バイアスされたエミッタ・ベース接合によってベー
スに注入され、一方本発明の検出器10では、少数キャリ
アは検出層18から注入される。この類似性の重要な点
は、注入されたキャリアが少数キャリアとして狭い領域
（すなわち、グリッド層20）を透過して拡散し、その後
狭い領域の反対側の電界によって掃出されることが可能
なことである。
【００２７】示された実施形態に対して、グリッド層20
は、電子がこのグリッド層内で少数キャリアであるよう
にｐ型半導体材料であることが重要である。さらに、電
子が無視できる程度の再結合でグリッド層18を透過して
拡散できるように、この層18は著しく薄くなければなら
ない。この点に関して、室温でのＨｇＣｄＴｅにおける
電子の拡散長Ｌdif は、10-7秒の再結合寿命および1000
cm2 Ｖ-1秒-1の移動度を仮定することによって控え目に
評価されることができる。Ｌdif が（ｋＴμeτe ）／
ｑの平方根に等しく、ここにおいてｋがボルツマン定数
であり、Ｔが絶対温度であり、μe が電子移動度であ
り、τe が電子寿命であり、ｑが電子の電荷である関係
によると、これはほぼ16μｍのＬdif に対する値を生じ
る。グリッド層20がＬdif と比較して薄い限り、電子は
あまり損失を受けずにそれを通過することができる。
は、電子がこのグリッド層内で少数キャリアであるよう
にｐ型半導体材料であることが重要である。さらに、電
子が無視できる程度の再結合でグリッド層18を透過して
拡散できるように、この層18は著しく薄くなければなら
ない。この点に関して、室温でのＨｇＣｄＴｅにおける
電子の拡散長Ｌdif は、10-7秒の再結合寿命および1000
cm2 Ｖ-1秒-1の移動度を仮定することによって控え目に
評価されることができる。Ｌdif が（ｋＴμeτe ）／
ｑの平方根に等しく、ここにおいてｋがボルツマン定数
であり、Ｔが絶対温度であり、μe が電子移動度であ
り、τe が電子寿命であり、ｑが電子の電荷である関係
によると、これはほぼ16μｍのＬdif に対する値を生じ
る。グリッド層20がＬdif と比較して薄い限り、電子は
あまり損失を受けずにそれを通過することができる。
【００２８】さらに、グリッド層20は、グリッド層20中
に出入りする漏洩電流がグリッド層の平面において電位
差を生成しないように十分な導電性を有していなければ
ならないことが認められる。例えば、ＣｄＺｎＴｅのｐ
−ｉ−ｎガンマ線検出器に対する典型的な値である１ｎ
Ａの漏洩電流を仮定し、さらにグリッド層20にわたって
均一な電位からの最大１ｍＶのずれしか許容しないとす
ると、シート抵抗は106 Ωより小さいことが好ましい。
１μｍのグリッド層20の厚さを仮定すると、このシート
抵抗の値は1015cm-3以上のｐ型ドーピングレベルで容易
に実現できる。
に出入りする漏洩電流がグリッド層の平面において電位
差を生成しないように十分な導電性を有していなければ
ならないことが認められる。例えば、ＣｄＺｎＴｅのｐ
−ｉ−ｎガンマ線検出器に対する典型的な値である１ｎ
Ａの漏洩電流を仮定し、さらにグリッド層20にわたって
均一な電位からの最大１ｍＶのずれしか許容しないとす
ると、シート抵抗は106 Ωより小さいことが好ましい。
１μｍのグリッド層20の厚さを仮定すると、このシート
抵抗の値は1015cm-3以上のｐ型ドーピングレベルで容易
に実現できる。
【００２９】グリッド層20のバンドギャップは検出層18
のバンドギャップより小さくなければならないため、図
３に示されているように、これら２つの層の間の境界に
おける価電子帯にバリアが生じることが認められる。こ
のバンドギャップ差によって生成されたバリアは、多数
キャリア（すなわちホール）が検出層18中に注入され
て、漏洩および雑音を生じさせることを阻止するように
機能する。他方、グリッド層20と信号層24との間の境界
の伝導帯にはバリアがほとんど或は全く存在してはなら
ない。それは、このようなバリアの存在が電子の流れを
妨害するためである。信号層24を軽くドープしてｎ型に
することにより、電子に対するバリアの不存在が確実に
なる。
のバンドギャップより小さくなければならないため、図
３に示されているように、これら２つの層の間の境界に
おける価電子帯にバリアが生じることが認められる。こ
のバンドギャップ差によって生成されたバリアは、多数
キャリア（すなわちホール）が検出層18中に注入され
て、漏洩および雑音を生じさせることを阻止するように
機能する。他方、グリッド層20と信号層24との間の境界
の伝導帯にはバリアがほとんど或は全く存在してはなら
ない。それは、このようなバリアの存在が電子の流れを
妨害するためである。信号層24を軽くドープしてｎ型に
することにより、電子に対するバリアの不存在が確実に
なる。
【００３０】最後に、検出層18および信号層24の厚さに
注意しなければならない。検出層18の厚さは 100μｍ乃
至10,000μｍ（１cm）以上であり、典型的な値は1000μ
ｍ乃至2000μｍである。検出層18の厚さは、検出層18を
構成するＣｄＺｎＴｅ半導体材料における典型的なガン
マ線の吸収長によって決定される。イオン化放射線は、
ｐ型コンタクト層17を通って、すなわち図４において入
射した放射線34に関して示されているように側面から検
出器10に入るか、或は高エネルギ源（例えば、＞ 500ｋ
ｅＶ）に対しては陽極コンタクト30を通って検出器10に
入る。この後者の構造において、放射線は信号層24およ
びグリッド層20を通過し、比較的厚い検出層18において
吸収される。これら種々の構造のいずれでも、あるイオ
ン化放射線は信号層24に到達し、および、または吸収さ
れ、これは望ましくないことである。しかしながら、信
号層24におけるイオン化放射線の吸収は、10μｍ乃至 1
00μｍのように信号層24を比較的薄くすることによって
最小にされることができる。
注意しなければならない。検出層18の厚さは 100μｍ乃
至10,000μｍ（１cm）以上であり、典型的な値は1000μ
ｍ乃至2000μｍである。検出層18の厚さは、検出層18を
構成するＣｄＺｎＴｅ半導体材料における典型的なガン
マ線の吸収長によって決定される。イオン化放射線は、
ｐ型コンタクト層17を通って、すなわち図４において入
射した放射線34に関して示されているように側面から検
出器10に入るか、或は高エネルギ源（例えば、＞ 500ｋ
ｅＶ）に対しては陽極コンタクト30を通って検出器10に
入る。この後者の構造において、放射線は信号層24およ
びグリッド層20を通過し、比較的厚い検出層18において
吸収される。これら種々の構造のいずれでも、あるイオ
ン化放射線は信号層24に到達し、および、または吸収さ
れ、これは望ましくないことである。しかしながら、信
号層24におけるイオン化放射線の吸収は、10μｍ乃至 1
00μｍのように信号層24を比較的薄くすることによって
最小にされることができる。
【００３１】図４は単一の検出器を示しているが、図５
のａおよびｂに示されているように、例えば高品質のＣ
ｄＺｎＴｅの単一のウェハまたは基体上に検出器の１次
元および２次元アレイもまた製造されることができる。
分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、気相エピタキシ（Ｖ
ＰＥ）、金属・有機化学蒸気付着（ＭＯＣＶＤ）または
液相エピタキシ（ＬＰＥ）等の適切な成長プロセスの１
つまたはそれらの組合わせによって種々のコンタクト、
グリッドおよび信号層がＣｄＺｎＴｅ基体上に形成され
る。ＭＢＥは、半導体材料の薄く高品質の層を形成する
ことができるためここにおいて好ましい成長技術であ
る。しかしながら、例えばＬＰＥによってグリッド層20
を成長させ、その後信号層24を成長させる前にグリッド
層を所望の厚さに薄くすることが本発明の技術的範囲内
において可能である。
のａおよびｂに示されているように、例えば高品質のＣ
ｄＺｎＴｅの単一のウェハまたは基体上に検出器の１次
元および２次元アレイもまた製造されることができる。
分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、気相エピタキシ（Ｖ
ＰＥ）、金属・有機化学蒸気付着（ＭＯＣＶＤ）または
液相エピタキシ（ＬＰＥ）等の適切な成長プロセスの１
つまたはそれらの組合わせによって種々のコンタクト、
グリッドおよび信号層がＣｄＺｎＴｅ基体上に形成され
る。ＭＢＥは、半導体材料の薄く高品質の層を形成する
ことができるためここにおいて好ましい成長技術であ
る。しかしながら、例えばＬＰＥによってグリッド層20
を成長させ、その後信号層24を成長させる前にグリッド
層を所望の厚さに薄くすることが本発明の技術的範囲内
において可能である。
【００３２】図５のａおよびｂは、イオン化放射線検出
器または画素10の２次元アレイ40を示す。この実施形態
において、検出層18のＣｄＺｎＴｅ材料は、全ての検出
器に共通しており、一方信号層24およびその上に重なっ
ているコンタクト層29は、１以上の反応性イオンエッチ
ング、イオン研磨、または湿式化学エッチング等によっ
て複数のメサ構造42に分離される。その代わりとして、
パターン化された付着技術によってメサ構造42を形成す
ることができる。各メサ構造42は、外部読取り集積回路
（示されていない）に個々のイオン化放射線検出器のア
レイ40をインターフェイスし、ハイブリッド化する通常
のＩｎバンプ44のような電気接続部を含んでいる。これ
に関して、G.Kramer氏他による米国特許第5,379,336 号
明細書（“Hybridized Semiconductor Pixel Detector
Arrays for use in Digital Radiography ”）が参照さ
れる。
器または画素10の２次元アレイ40を示す。この実施形態
において、検出層18のＣｄＺｎＴｅ材料は、全ての検出
器に共通しており、一方信号層24およびその上に重なっ
ているコンタクト層29は、１以上の反応性イオンエッチ
ング、イオン研磨、または湿式化学エッチング等によっ
て複数のメサ構造42に分離される。その代わりとして、
パターン化された付着技術によってメサ構造42を形成す
ることができる。各メサ構造42は、外部読取り集積回路
（示されていない）に個々のイオン化放射線検出器のア
レイ40をインターフェイスし、ハイブリッド化する通常
のＩｎバンプ44のような電気接続部を含んでいる。これ
に関して、G.Kramer氏他による米国特許第5,379,336 号
明細書（“Hybridized Semiconductor Pixel Detector
Arrays for use in Digital Radiography ”）が参照さ
れる。
【００３３】図５のａおよびｂの実施形態において、グ
リッド金属22および陰極金属12は、全ての検出器に共通
に結合され、グリッド金属22はメサ構造42の間に配置さ
れ、その下に位置するグリット層20に接触している。そ
の代わりに、グリッド金属22はアレイのエッジおよび、
またはアレイ内の数か所のみでグリット層20と接触する
ことができる。
リッド金属22および陰極金属12は、全ての検出器に共通
に結合され、グリッド金属22はメサ構造42の間に配置さ
れ、その下に位置するグリット層20に接触している。そ
の代わりに、グリッド金属22はアレイのエッジおよび、
またはアレイ内の数か所のみでグリット層20と接触する
ことができる。
【００３４】図５のａおよびｂを参照すると、メサ構造
42の表面は、誘導体材料（例えば、酸化物）または比較
的広いバンドギャップの半導体材料で形成された層43に
よりパッシベートされることが認識されなければならな
い。このようにして、グリッド金属22はパッシベーショ
ン層43上に形成され、パッシベーション層43内に適切に
形成された開口を通ってグリット層20に接触する。
42の表面は、誘導体材料（例えば、酸化物）または比較
的広いバンドギャップの半導体材料で形成された層43に
よりパッシベートされることが認識されなければならな
い。このようにして、グリッド金属22はパッシベーショ
ン層43上に形成され、パッシベーション層43内に適切に
形成された開口を通ってグリット層20に接触する。
【００３５】この実施形態において、入射したイオン化
放射線は、上述されたように陰極金属12を通って導入さ
れることができる。
放射線は、上述されたように陰極金属12を通って導入さ
れることができる。
【００３６】アレイ40の個々の検出器または画素の寸法
は、意図する用途におけるイオン化放射線の予測エネル
ギおよび１次光電子の横方向の拡散度の関数である。一
例として、イオン化放射線が約 140ｋｅＶのエネルギを
有する核医学用には、 375μｍのピッチ（中心間の間
隔）が個々の検出器に適切であり、一方低エネルギの診
断用ｘ線用に対しては、検出器ピッチは著しく小さい。
は、意図する用途におけるイオン化放射線の予測エネル
ギおよび１次光電子の横方向の拡散度の関数である。一
例として、イオン化放射線が約 140ｋｅＶのエネルギを
有する核医学用には、 375μｍのピッチ（中心間の間
隔）が個々の検出器に適切であり、一方低エネルギの診
断用ｘ線用に対しては、検出器ピッチは著しく小さい。
【００３７】本発明の上記の実施形態は、グリッド層20
として半導体材料の層（すなわち、ＨｇＣｄＴｅの層）
を使用しているが、異なる方法でグリッド層20を形成す
ることが本発明の技術的範囲内において可能であること
に留意すべきである。例えば、パターン化されたイオン
注入動作の結果として、或はイオンビーム書込みによっ
てグリッド層20が形成されることができる。この場合、
ｎ型信号層24の第１の比較的薄い部分は、例えばＭＢＥ
によって付着されることができる。次に、この構造は真
空状態のＭＢＥ成長室から真空状態のイオン注入室に移
され、Ａｓのような適切なｐ型ドーパントの穴を有する
パターン（例えば、直交するように配置された線形のア
レイ）が、ｎ型信号層24の第１の部分に注入される。結
果的なパターン化されドープされた領域がグリッド層20
を形成する。その後、この構造は信号層24を所望の厚さ
に成長させるために再びＭＢＥ成長室に戻される。移送
動作中に真空状態から構造を取出す必要がないことが認
められる。
として半導体材料の層（すなわち、ＨｇＣｄＴｅの層）
を使用しているが、異なる方法でグリッド層20を形成す
ることが本発明の技術的範囲内において可能であること
に留意すべきである。例えば、パターン化されたイオン
注入動作の結果として、或はイオンビーム書込みによっ
てグリッド層20が形成されることができる。この場合、
ｎ型信号層24の第１の比較的薄い部分は、例えばＭＢＥ
によって付着されることができる。次に、この構造は真
空状態のＭＢＥ成長室から真空状態のイオン注入室に移
され、Ａｓのような適切なｐ型ドーパントの穴を有する
パターン（例えば、直交するように配置された線形のア
レイ）が、ｎ型信号層24の第１の部分に注入される。結
果的なパターン化されドープされた領域がグリッド層20
を形成する。その後、この構造は信号層24を所望の厚さ
に成長させるために再びＭＢＥ成長室に戻される。移送
動作中に真空状態から構造を取出す必要がないことが認
められる。
【００３８】熱拡散プロセスによってパターン化された
固体ソースからドーパントの化学種を導入することも本
発明の技術的範囲内において可能である。
固体ソースからドーパントの化学種を導入することも本
発明の技術的範囲内において可能である。
【００３９】重なる信号層24の成長前に検出層18の表面
で金属等の適切な導体をスパッタリングするか、或は蒸
着させることによって穴を有する導電性パターンを形成
することが本発明の技術的範囲内において可能である。
この場合、導電性のグリッドパターンがグリッド層20と
して機能する。
で金属等の適切な導体をスパッタリングするか、或は蒸
着させることによって穴を有する導電性パターンを形成
することが本発明の技術的範囲内において可能である。
この場合、導電性のグリッドパターンがグリッド層20と
して機能する。
【００４０】最後の２つの実施形態において、電子は図
３および４に関して説明されたように連続した半導体層
を通ってドリフトするのとは対照的にグリッドパターン
の開口を通ってドリフトする。
３および４に関して説明されたように連続した半導体層
を通ってドリフトするのとは対照的にグリッドパターン
の開口を通ってドリフトする。
【００４１】以上、本発明をその好ましい実施形態に関
して図示および説明してきたが、当業者は本発明の技術
的範囲を逸脱することなく形態および細部の変更が可能
なことを理解するであろう。
して図示および説明してきたが、当業者は本発明の技術
的範囲を逸脱することなく形態および細部の変更が可能
なことを理解するであろう。
【図１】通常のイオン化放射線検出器の、特に入射した
放射線から自由電子および正イオンを生成するために低
圧ガスを使用するグリッドを有するイオン室およびイオ
ンの出力信号に対する影響を取除くフリッシュグリッド
の概略図。
放射線から自由電子および正イオンを生成するために低
圧ガスを使用するグリッドを有するイオン室およびイオ
ンの出力信号に対する影響を取除くフリッシュグリッド
の概略図。
【図２】図１のグリッドを有するイオン室からの出力パ
ルスの図。
ルスの図。
【図３】本発明の固体のイオン化放射線検出器における
半導体材料の種々の層に関する半導体エネルギバンドプ
ロフィールを示したエネルギバンドの概略図。
半導体材料の種々の層に関する半導体エネルギバンドプ
ロフィールを示したエネルギバンドの概略図。
【図４】本発明による固体のイオン化放射線検出器の１
実施形態の拡大断面図。
実施形態の拡大断面図。
【図５】本発明によるイオン化放射線検出器のアレイの
拡大平面図および側面図。
拡大平面図および側面図。
フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・アール・ライガー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93111、サンタ・バーバラ、ヤプル・ア ベニュー 4969 (56)参考文献 特開 昭58−118163（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−156368（ＪＰ，Ａ) Ｗ．Ｊ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ ｅｔ ａ ｌ．，”ＨｇＣｄＴｅ／ＣｄＺｎＴｅ Ｐ−▲Ｉ▼−Ｎ Ｈｉｇｈ−Ｅｎｅｒｇ ｙ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｓ”，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍａｔｅ ｒ．，Ｖｏｌ．25，Ｎｏ．８，ｐｐ. 1286−1292（1996) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01T 1/00 - 7/12 H01L 27/14 - 27/148 H01L 31/08 - 31/119 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 入射したイオン化放射線に応答して電子
・ホール対を生成する半導体材料から成る第１の層と、 半導体材料から成る第２の層と、 第１の層の第１の表面と第２の層の第１の表面との間に
挿入されている電極手段と、 ホールが前記電極手段から遠ざかるように移動し、電子
が前記電極手段に向かって移動し、この電極手段および
第２の層を通って移動して検出可能な出力信号を生成す
るように第１の層と第２の層を横切って電界を設定する
手段とを含んでいることを特徴とするイオン化放射線検
出器。 - 【請求項２】 前記電極手段は半導体材料の第３の層か
ら構成され、この第３の層は電子が少数電荷キャリアで
あるような導電型を有している請求項１記載のイオン化
放射線検出器。 - 【請求項３】 前記第３の層は、実質的に全ての注入さ
れた電子が前記第３の層を通って前記第２の層中に到達
する厚さを有している請求項２記載のイオン化放射線検
出器。 - 【請求項４】 前記電界設定手段は、前記第１の層の第
２の表面に隣接した第１のコンタクト領域と、前記第２
の層の第２の表面に隣接した第２のコンタクト領域とか
ら構成されており、前記第１のコンタクト領域は前記電
極手段に関して負にバイアスされ、前記第２のコンタク
ト領域は前記電極手段に関して正にバイアスされている
請求項１記載のイオン化放射線検出器。 - 【請求項５】 前記電極手段は半導体材料の第３の層か
ら構成され、前記第３の層のバンドギャップエネルギ
は、前記第１の層と前記第３の層との間の境界部で前記
第１の層のバンドギャップエネルギより小さく、前記第
３の層のバンドギャップエネルギは前記第２の層と前記
第３の層との間の境界部で前記第２の層のバンドギャッ
プエネルギ以下である請求項１記載のイオン化放射線検
出器。 - 【請求項６】 前記第１の層、前記第２の層および前記
電極手段は、II−VI族合金半導体材料からそれぞれ構成
されている請求項１記載のイオン化放射線検出器。 - 【請求項７】 前記電極手段は、ｐ型のＨｇ(1-x) Ｃｄ
x Ｔｅの実質的に連続した層から構成され、ここにおい
てｘはほぼ0.5 乃至ほぼ0.9 の範囲の値を有している請
求項１記載のイオン化放射線検出器。 - 【請求項８】 前記第１の層および前記第２の層はII−
VI族合金半導体材料からそれぞれ構成され、ここで前記
電極手段は穴を有するパターンで配置されたドーパント
または穴を有するパターンで配置された導体を含む領域
から構成されている請求項１記載のイオン化放射線検出
器。 - 【請求項９】 入射したイオン化放射線に応答して電子
・ホール対を生成する半導体材料から成る前記第１の層
と、 半導体材料から成る前記第２の層と、 前記第１の層の前記第１の表面と前記第２の層の前記第
１の表面との間に設けられた前記電極領域と、 前記第１の層の第２の表面に結合された第１の電気コン
タクト手段と、前記第２の層の第２の表面に結合された
第２の電気コンタクト手段と、前記電極領域に結合され
た第３の電気コンタクト手段とを含み、 それらのコンタクト手段は、ホールが前記電極領域から
前記第１の電気コンタクト手段の方向にドリフトし、電
子が前記電極領域に向かってドリフトし、この電極領域
と前記第２の層を通って前記第２のコンタクト手段に向
かってドリフトして検出可能な出力信号を生成するよう
に前記検出器を横切って電界を設定する外部回路に接続
され、 前記第２の層および前記第２の電気コンタクト手段が、
複数の分離した第２の層の部分および対応した第２の電
気コンタクト手段の部分とに分離され、それぞれが前記
電極領域の下に位置する部分および前記第１の層の下に
位置する部分と組合せられてイオン化放射線検出器画素
を形成しているイオン化放射線検出器のアレイとして構
成されている請求項１記載のイオン化放射線検出器。 - 【請求項１０】 イオン化放射線を吸収して、半導体材
料から成る第１の層中に電子・ホール対を生成し、第１
の層の第１の表面と第２の層の第１の表面との間に挿入
されている電極によって半導体材料から成る第２の層か
ら第１の層が分離され、ホールが電極から遠ざかるよう
にドリフトし、電子が電極手段に向かってドリフトし、
この電極および第２の層を通ってドリフトして検出可能
な出力信号を生成するように第１の層と第２の層を横切
って電界を設定し、検出可能な出力信号に対するホール
の影響が最小にされるステップを含んでいるイオン化放
射線検出器の動作方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/525,998 US5627377A (en) | 1995-09-07 | 1995-09-07 | Single carrier-type solid-state radiation detector device |
| US525998 | 1995-09-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09171081A JPH09171081A (ja) | 1997-06-30 |
| JP2954034B2 true JP2954034B2 (ja) | 1999-09-27 |
Family
ID=24095505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8238146A Expired - Lifetime JP2954034B2 (ja) | 1995-09-07 | 1996-09-09 | 単一キャリア型固体放射線検出装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5627377A (ja) |
| EP (1) | EP0777277B1 (ja) |
| JP (1) | JP2954034B2 (ja) |
| DE (1) | DE69617608T2 (ja) |
Families Citing this family (34)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL119478A (en) * | 1996-10-23 | 2000-08-13 | Israel Atomic Energy Comm | Method and system for obtaining x-ray single photon spectroscopic data using room-temperature solid state detectors by measuring the induced electron current |
| US5777338A (en) * | 1996-12-11 | 1998-07-07 | Regents Of The University Of Michigan | Ionization detector, electrode configuration and single polarity charge detection method |
| FR2757685B1 (fr) * | 1996-12-24 | 1999-05-14 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de detection de rayonnements ionisants a semi-conducteur de haute resistivite |
| US6169287B1 (en) * | 1997-03-10 | 2001-01-02 | William K. Warburton | X-ray detector method and apparatus for obtaining spatial, energy, and/or timing information using signals from neighboring electrodes in an electrode array |
| US6218668B1 (en) * | 1997-07-08 | 2001-04-17 | The Regents Of The University Of California | Coplanar interdigitated grid detector with single electrode readout |
| US6175120B1 (en) | 1998-05-08 | 2001-01-16 | The Regents Of The University Of Michigan | High-resolution ionization detector and array of such detectors |
| AU8292898A (en) * | 1997-07-10 | 1999-02-08 | Regents Of The University Of Michigan, The | High-resolution ionization detector and array of such detectors |
| US6420710B1 (en) * | 1997-08-14 | 2002-07-16 | Commissariat A L'energie Atomique | Device for spectrometric measurement in the field of gamma photon detection |
| US6255708B1 (en) * | 1997-10-10 | 2001-07-03 | Rengarajan Sudharsanan | Semiconductor P-I-N detector |
| US6168967B1 (en) * | 1997-11-26 | 2001-01-02 | The Regents Of The University Of California | Reduction of surface leakage current by surface passivation of CdZn Te and other materials using hyperthermal oxygen atoms |
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| WO2002004983A1 (en) * | 2000-07-10 | 2002-01-17 | Mamea Imaging Ab | Method and arrangement relating to x-ray imaging |
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