JP3036258B2 - 半導体放射線検出器 - Google Patents
半導体放射線検出器Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非晶質シリコンと結晶
シリコンとのヘテロ接合を用いた半導体放射線検出器に
関する。
シリコンとのヘテロ接合を用いた半導体放射線検出器に
関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体接合に電圧を印加することによっ
て生成された空乏層に直接γ線、α線、β線、Ｘ線が、
あるいはそれらによって生ずる二次電子線が入射するこ
とによって起こる導電率の変化に伴う電流の変化を、電
気信号として取出す放射線検出器として、空乏層生成の
ためにｐｎ接合を用いるもののほかに、非晶質シリコン
(以下ａ−Siと記す) と単結晶シリコン (以下ｃ−Siと
記す) との間のヘテロ接合を利用したものが、Proc. 4t
h Sensor Synposium、Tsukuba (Institute of Electric
al Engineers of Japan 、Tokyo.1984) p.105 に矢部ら
によって発表されている。図２はそのような放射線検出
器の構造を示し、高抵抗率のｐ形ｃ−Si基板１の上にａ
−Si膜２を形成し、ａ−Si膜２の表面に上面電極４を、
基板１の裏面にｐ+ 層３を介して下面電極５をそれぞれ
Alで形成したものである。そして電極３が正、電極５が
負となる逆バイアスをヘテロ接合に印加して空乏層６を
生成する。
て生成された空乏層に直接γ線、α線、β線、Ｘ線が、
あるいはそれらによって生ずる二次電子線が入射するこ
とによって起こる導電率の変化に伴う電流の変化を、電
気信号として取出す放射線検出器として、空乏層生成の
ためにｐｎ接合を用いるもののほかに、非晶質シリコン
(以下ａ−Siと記す) と単結晶シリコン (以下ｃ−Siと
記す) との間のヘテロ接合を利用したものが、Proc. 4t
h Sensor Synposium、Tsukuba (Institute of Electric
al Engineers of Japan 、Tokyo.1984) p.105 に矢部ら
によって発表されている。図２はそのような放射線検出
器の構造を示し、高抵抗率のｐ形ｃ−Si基板１の上にａ
−Si膜２を形成し、ａ−Si膜２の表面に上面電極４を、
基板１の裏面にｐ+ 層３を介して下面電極５をそれぞれ
Alで形成したものである。そして電極３が正、電極５が
負となる逆バイアスをヘテロ接合に印加して空乏層６を
生成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような高比抵抗単
結晶のｐ形ｃ−Siとａ−Si膜とのヘテロ接合を用いた半
導体放射線検出器においては、不純物をドープしないａ
−Si膜が用いられてきた。これは、ｐ形ｃ−Siと接合を
形成するためにａ−Si膜としてはｎ形層が必要である
が、ａ−Si膜は不純物をドープしない状態でｎ形となる
こと、および電極形成部の下のヘテロ接合形成部の抵抗
成分を限度以下にし、しかも、電極形成されていない部
分の膜は単結晶シリコンの表面保護膜として、表面漏洩
電流を制限させる働きをさせるため、比抵抗が108 〜10
10Ωcmであることが望ましく、この条件を満たす膜が得
られるためであった。ところが、実際に検出器を製造す
ると、ｃ−Siのライフタイムから予想される逆方向漏洩
電流に近い逆方向漏洩電流をもつ非常に優れた特性のも
のから、この漏洩電流とは桁違いに大きい漏洩電流をも
つものまで、特性のばらつきが非常に大きく、良品率も
低い状態であった。
結晶のｐ形ｃ−Siとａ−Si膜とのヘテロ接合を用いた半
導体放射線検出器においては、不純物をドープしないａ
−Si膜が用いられてきた。これは、ｐ形ｃ−Siと接合を
形成するためにａ−Si膜としてはｎ形層が必要である
が、ａ−Si膜は不純物をドープしない状態でｎ形となる
こと、および電極形成部の下のヘテロ接合形成部の抵抗
成分を限度以下にし、しかも、電極形成されていない部
分の膜は単結晶シリコンの表面保護膜として、表面漏洩
電流を制限させる働きをさせるため、比抵抗が108 〜10
10Ωcmであることが望ましく、この条件を満たす膜が得
られるためであった。ところが、実際に検出器を製造す
ると、ｃ−Siのライフタイムから予想される逆方向漏洩
電流に近い逆方向漏洩電流をもつ非常に優れた特性のも
のから、この漏洩電流とは桁違いに大きい漏洩電流をも
つものまで、特性のばらつきが非常に大きく、良品率も
低い状態であった。
【０００４】本発明の目的は、上記の問題を解決し、逆
方向漏洩電流の大きなばらつきを無くして、ｃ−Siのラ
イフタイムから予想される逆方向漏洩電流に近い逆方向
漏洩電流を高い確率で実現する半導体放射線検出器を提
供することにある。
方向漏洩電流の大きなばらつきを無くして、ｃ−Siのラ
イフタイムから予想される逆方向漏洩電流に近い逆方向
漏洩電流を高い確率で実現する半導体放射線検出器を提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、ｐ形の高抵抗率ｃ−Si基板の上にｎ形
のａ−Si膜が被着し、ｃ−Si基板裏面およびａ−Si膜表
面それぞれに接触する電極を有する半導体放射線検出器
において、ａ−Si膜のｃ−Si基板との界面近傍にアクセ
プタがドープされたものとする。そして、ドープされた
アクセプタがほう素であること、そのほう素濃度が10〜
500ppmであること、ａ−Si膜がグロー放電によるＣＶＤ
法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜50
ppm であること、またａ−Si膜がＥＣＲプラズマＣＶＤ
法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜50
0ppmであることが有効である。さらに、ｃ−Si基板の電
極と接触する側の表面層にｐ形の低抵抗率の層が形成さ
れ、ａ−Si膜はその層のためのアクセプタのドーピング
の前に成膜されたことが有効である。
めに、本発明は、ｐ形の高抵抗率ｃ−Si基板の上にｎ形
のａ−Si膜が被着し、ｃ−Si基板裏面およびａ−Si膜表
面それぞれに接触する電極を有する半導体放射線検出器
において、ａ−Si膜のｃ−Si基板との界面近傍にアクセ
プタがドープされたものとする。そして、ドープされた
アクセプタがほう素であること、そのほう素濃度が10〜
500ppmであること、ａ−Si膜がグロー放電によるＣＶＤ
法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜50
ppm であること、またａ−Si膜がＥＣＲプラズマＣＶＤ
法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜50
0ppmであることが有効である。さらに、ｃ−Si基板の電
極と接触する側の表面層にｐ形の低抵抗率の層が形成さ
れ、ａ−Si膜はその層のためのアクセプタのドーピング
の前に成膜されたことが有効である。
【０００６】
【作用】従来技術の場合に、逆方向漏洩電流が大きくま
たばらついた原因は次のように考えられる。高抵抗率ｐ
形ｃ−Siとａ−Si膜が接触してヘテロ接合を形成する場
合に、高抵抗率ｐ形ｃ−Siの仕事関数とａ−Siの仕事関
数との差によって、ｃ−Siの界面近傍のエネルギー帯に
曲がりが生ずる。ノンドープのａ−Siとの接触の場合に
はこの曲がりが大きくて、ｐ形ｃ−Siのａ−Siとの界面
近傍をｎ形に変え、界面に低抵抗のバイパスを形成する
ことになり、これが大きな逆方向漏洩電流を生じ、大き
なばらつきの原因となっている。従って、この高抵抗率
ｐ形ｃ−Siの界面近傍のエネルギー帯の曲がりを小さく
し、界面のバイパス形成を無くすれば、問題が解決する
はずである。その手段が高抵抗率ｐ形ｃ−Siとの界面近
傍のａ−Si膜にアクセプタをドープし、ａ−Si膜の仕事
関数を大きくすることである。この場合に、ａ−Si膜が
ｐ形に変わるとｃ−Si内での空乏層の拡がりに影響が出
て、放射線センサとしての特性に影響するので、ａ−Si
膜がｐ形に変わらない範囲でのアクセプタのドーピング
が行われる。
たばらついた原因は次のように考えられる。高抵抗率ｐ
形ｃ−Siとａ−Si膜が接触してヘテロ接合を形成する場
合に、高抵抗率ｐ形ｃ−Siの仕事関数とａ−Siの仕事関
数との差によって、ｃ−Siの界面近傍のエネルギー帯に
曲がりが生ずる。ノンドープのａ−Siとの接触の場合に
はこの曲がりが大きくて、ｐ形ｃ−Siのａ−Siとの界面
近傍をｎ形に変え、界面に低抵抗のバイパスを形成する
ことになり、これが大きな逆方向漏洩電流を生じ、大き
なばらつきの原因となっている。従って、この高抵抗率
ｐ形ｃ−Siの界面近傍のエネルギー帯の曲がりを小さく
し、界面のバイパス形成を無くすれば、問題が解決する
はずである。その手段が高抵抗率ｐ形ｃ−Siとの界面近
傍のａ−Si膜にアクセプタをドープし、ａ−Si膜の仕事
関数を大きくすることである。この場合に、ａ−Si膜が
ｐ形に変わるとｃ−Si内での空乏層の拡がりに影響が出
て、放射線センサとしての特性に影響するので、ａ−Si
膜がｐ形に変わらない範囲でのアクセプタのドーピング
が行われる。
【０００７】
【実施例】本発明の一実施例の半導体放射線検出器も図
２に示した断面構造をもつが、厚さ400 μｍで抵抗率10
〜20ｋΩcmのｐ形ｃ−Si基板１の鏡面側にＤＣプラズマ
ＣＶＤ法で厚さ１μｍのａ−Si膜２が成膜されている。
電極５が基板１にオーミック接触をとるために、ｐ+ 層
３がＤＣプラズマドーピングによりジボラン (Ｂ2Ｈ6 )
をイオン化して形成してある。電極４および５は約１
μｍ厚のアルミ蒸着膜からなり、電極５は全面形成し、
電極４はマスク蒸着により必要な有感部のみに成膜して
いる。この素子に電極４に正、電極５に負になるよう電
圧を印加すると、空乏層６が形成され、この空乏層内で
放射線が生成した正孔電子対を電流として取り出して、
放射線を電流信号として取り出すことができる。本発明
により、モノシラン (SiＨ4 ) と水素の混合ガスを用い
てＤＣプラズマＣＶＤ法によりａ−Si膜２の成膜を行う
前に、反応ガス中にＢ2 Ｈ6 を添加することにより、ａ
−Si膜２のｃ−Si基板１との界面近傍にほう素がドーピ
ングされる。もし、同一のプラズマ装置を用いてａ−Si
膜２の成膜のためのプラズマＣＶＤと、ｐ+ 層３の形成
のためのプラズマドーピングを行う場合、ｐ+ 層３形成
を行ったのちの装置でａ−Si膜２の成膜を行うと、装置
の壁面等に付着したＢ2 Ｈ6 分子が反応ガスに混合して
ほう素のドーピングが行われる。しかし、ａ−Si膜２の
成膜前にｐ + ３の成膜を行うと、Ｂ2 Ｈ6 イオンが基板
１のａ−Si膜２に接するべき表面側に廻り込んで付着す
るため、良好なヘテロ接合が形成できない。従って、同
一プラズマ装置で交互にａ−Si膜の成膜とほう素ドーピ
ングを行う場合、同一の素子についてはａ−Si膜の成膜
を先に行うことが必要である。
２に示した断面構造をもつが、厚さ400 μｍで抵抗率10
〜20ｋΩcmのｐ形ｃ−Si基板１の鏡面側にＤＣプラズマ
ＣＶＤ法で厚さ１μｍのａ−Si膜２が成膜されている。
電極５が基板１にオーミック接触をとるために、ｐ+ 層
３がＤＣプラズマドーピングによりジボラン (Ｂ2Ｈ6 )
をイオン化して形成してある。電極４および５は約１
μｍ厚のアルミ蒸着膜からなり、電極５は全面形成し、
電極４はマスク蒸着により必要な有感部のみに成膜して
いる。この素子に電極４に正、電極５に負になるよう電
圧を印加すると、空乏層６が形成され、この空乏層内で
放射線が生成した正孔電子対を電流として取り出して、
放射線を電流信号として取り出すことができる。本発明
により、モノシラン (SiＨ4 ) と水素の混合ガスを用い
てＤＣプラズマＣＶＤ法によりａ−Si膜２の成膜を行う
前に、反応ガス中にＢ2 Ｈ6 を添加することにより、ａ
−Si膜２のｃ−Si基板１との界面近傍にほう素がドーピ
ングされる。もし、同一のプラズマ装置を用いてａ−Si
膜２の成膜のためのプラズマＣＶＤと、ｐ+ 層３の形成
のためのプラズマドーピングを行う場合、ｐ+ 層３形成
を行ったのちの装置でａ−Si膜２の成膜を行うと、装置
の壁面等に付着したＢ2 Ｈ6 分子が反応ガスに混合して
ほう素のドーピングが行われる。しかし、ａ−Si膜２の
成膜前にｐ + ３の成膜を行うと、Ｂ2 Ｈ6 イオンが基板
１のａ−Si膜２に接するべき表面側に廻り込んで付着す
るため、良好なヘテロ接合が形成できない。従って、同
一プラズマ装置で交互にａ−Si膜の成膜とほう素ドーピ
ングを行う場合、同一の素子についてはａ−Si膜の成膜
を先に行うことが必要である。
【０００８】図１は、ａ−Si膜２とｐ+ 層３の形成を同
一プラズマ装置で交互に行う方法で行った素子の、ａ−
Si膜２とｃ−Si基板１との界面の図２Ａ−Ａ線断面にお
けるほう素濃度を、ａ−Si膜２の表面からの二次イオン
質量分析 (ＳＩＭＳ) によって得た結果である。図１か
ら、ａ−Si膜２のｃ−Si基板１との界面近傍に明らかに
ほう素が含まれていることが分かる。濃度は10〜20ppm
である。この濃度は、グロー放電ＣＶＤ成膜によるａ−
Si膜の文献によれば、ａ−Siがｎ形で高抵抗率である領
域であり、フェルミレベルがノンドープのａ−Siのそれ
から0.１〜0.２eV、荷電子帯側に移動する領域である。
この素子の逆方向漏洩電流は、結晶のライフタイムと印
加電圧から推定できる空乏層６の厚さ及び電極４の面積
から推定できる逆方向漏洩電流に近い素子が高い良品率
(50％以上) で得られる。前工程でｐ+ 層形成をしてい
ない装置で成膜したａ−Si膜を使用した素子は、逆方向
漏洩電流が大きくなって充分な素子特性が得られない。
一プラズマ装置で交互に行う方法で行った素子の、ａ−
Si膜２とｃ−Si基板１との界面の図２Ａ−Ａ線断面にお
けるほう素濃度を、ａ−Si膜２の表面からの二次イオン
質量分析 (ＳＩＭＳ) によって得た結果である。図１か
ら、ａ−Si膜２のｃ−Si基板１との界面近傍に明らかに
ほう素が含まれていることが分かる。濃度は10〜20ppm
である。この濃度は、グロー放電ＣＶＤ成膜によるａ−
Si膜の文献によれば、ａ−Siがｎ形で高抵抗率である領
域であり、フェルミレベルがノンドープのａ−Siのそれ
から0.１〜0.２eV、荷電子帯側に移動する領域である。
この素子の逆方向漏洩電流は、結晶のライフタイムと印
加電圧から推定できる空乏層６の厚さ及び電極４の面積
から推定できる逆方向漏洩電流に近い素子が高い良品率
(50％以上) で得られる。前工程でｐ+ 層形成をしてい
ない装置で成膜したａ−Si膜を使用した素子は、逆方向
漏洩電流が大きくなって充分な素子特性が得られない。
【０００９】以上の結果より、高抵抗率ｐ形ｃ−Si基板
上にａ−Si膜を生成してヘテロ接合を形成する放射線セ
ンサでは、その界面近傍のａ−Si膜にはアクセプタがド
ープされ、フェルミレベルが制御されることが重要であ
ることが分かる。上記の実施例は、ＤＣプラズマＣＶＤ
法の場合について述べたが、ＲＦプラズマＣＶＤ法の場
合はもちろん、他のａ−Si形成技術においても同様の考
え方は有効である。例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の
場合においても同様に実施できる。この場合は、現状の
技術レベルではドーピング効果がグロー放電ＣＶＤ法ほ
どには制御できていないので、ａ−Si膜にドープされる
ほう素濃度がより高い濃度まで必要になり、10〜500ppm
程度となる。
上にａ−Si膜を生成してヘテロ接合を形成する放射線セ
ンサでは、その界面近傍のａ−Si膜にはアクセプタがド
ープされ、フェルミレベルが制御されることが重要であ
ることが分かる。上記の実施例は、ＤＣプラズマＣＶＤ
法の場合について述べたが、ＲＦプラズマＣＶＤ法の場
合はもちろん、他のａ−Si形成技術においても同様の考
え方は有効である。例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法の
場合においても同様に実施できる。この場合は、現状の
技術レベルではドーピング効果がグロー放電ＣＶＤ法ほ
どには制御できていないので、ａ−Si膜にドープされる
ほう素濃度がより高い濃度まで必要になり、10〜500ppm
程度となる。
【００１０】また、ａ−Si膜のｃ−Si基板との界面近傍
にアクセプタをドーピングする方法は、同一プラズマ装
置を交互に使用する方法に限定されず、界面近傍のａ−
Si膜に必要な濃度のアクセプタがドープされるならばど
のような方法をとってもよいことは当然である。
にアクセプタをドーピングする方法は、同一プラズマ装
置を交互に使用する方法に限定されず、界面近傍のａ−
Si膜に必要な濃度のアクセプタがドープされるならばど
のような方法をとってもよいことは当然である。
【００１１】
【発明の効果】以上、説明してきたように、本発明によ
れば、高抵抗率ｐ形ｃ−Si基板上に生成されるａ−Si膜
の界面近傍のフェルミレベルが素子特性、特に逆方向漏
洩電流に大きな影響を持ち、適当量のアクセプタをドー
プすることが必要不可欠であるを突き止め、それを制御
することにより、優れた特性の半導体放射線検出素子が
高い良品率で得られるようになった。
れば、高抵抗率ｐ形ｃ−Si基板上に生成されるａ−Si膜
の界面近傍のフェルミレベルが素子特性、特に逆方向漏
洩電流に大きな影響を持ち、適当量のアクセプタをドー
プすることが必要不可欠であるを突き止め、それを制御
することにより、優れた特性の半導体放射線検出素子が
高い良品率で得られるようになった。
【図１】本発明の一実施例の放射線検出器のａ−Si膜厚
さ方向のほう素濃度分布図
さ方向のほう素濃度分布図
【図２】本発明の実施される放射線検出器の一例の断面
図
図
１ 高抵抗率ｐ形単結晶シリコン基板 ２ ｎ形非晶質シリコン膜 ３ ｐ+ 層 ４ 電極 ５ 電極 ６ 空乏層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/00 H01L 31/08 - 31/119
Claims (6)
- 【請求項１】ｐ形の高抵抗率単結晶シリコン基板の上に
ｎ形の非晶質シリコン膜が被着し、単結晶シリコン基板
裏面および非晶質シリコン膜表面それぞれに接触する電
極を有するものにおいて、非晶質シリコン膜の単結晶シ
リコン基板との界面近傍にアクセプタがドープされたこ
とを特徴とする半導体放射線検出器。 - 【請求項２】ドープされたアクセプタがほう素である請
求項１記載の半導体放射線検出器。 - 【請求項３】ドープされたほう素濃度が10〜500ppmであ
る請求項２記載の半導体放射線検出器。 - 【請求項４】非晶質シリコン膜がグロー放電によるＣＶ
Ｄ法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜
50ppm である請求項３記載の半導体放射線検出器。 - 【請求項５】非晶質シリコン膜がＥＣＲプラズマＣＶＤ
法によって成膜され、ドープされたほう素濃度が10〜50
0ppmである請求項３記載の半導体放射線検出器。 - 【請求項６】単結晶シリコン基板の電極と接触する側の
表面層にｐ形の低抵抗率の層が形成され、非晶質シリコ
ン膜はその層のためのアクセプタのドーピングの前に成
膜された請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体放
射線検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4268994A JP3036258B2 (ja) | 1992-10-08 | 1992-10-08 | 半導体放射線検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4268994A JP3036258B2 (ja) | 1992-10-08 | 1992-10-08 | 半導体放射線検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06120550A JPH06120550A (ja) | 1994-04-28 |
| JP3036258B2 true JP3036258B2 (ja) | 2000-04-24 |
Family
ID=17466191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4268994A Expired - Fee Related JP3036258B2 (ja) | 1992-10-08 | 1992-10-08 | 半導体放射線検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3036258B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10217426B4 (de) * | 2002-04-18 | 2006-09-14 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Ortsauflösender Detektor für die Messung elektrisch geladener Teilchen und Verwendung des Detektors |
| KR100689177B1 (ko) | 2002-10-07 | 2007-03-08 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 방사선 검출기 |
-
1992
- 1992-10-08 JP JP4268994A patent/JP3036258B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06120550A (ja) | 1994-04-28 |
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