JP3093799B2 - 電荷収集能を高めた半導体放射線検出器 - Google Patents
電荷収集能を高めた半導体放射線検出器Info
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明はイオン化放射線を検知するための装置及び方
法に関し、特に低エネルギーテーリング効果を低減する
ための電荷収集能を高めた半導体放射線検出器に関する
ものである。
法に関し、特に低エネルギーテーリング効果を低減する
ための電荷収集能を高めた半導体放射線検出器に関する
ものである。
2.関連技術の説明 室温での動作が可能であること、小形サイズ、耐久
性、その他、半導体デバイス固有の特徴により、イオン
化放射線の検知に高抵抗率の半導体放射線検出器が広く
利用されている。このような検出器は、医療診断画像、
核廃棄物監視、産業工程監視、宇宙天文学を含む幅広い
範囲で利用されている。イオン化放射線はアルファ粒子
又はベータ粒子のような粒子放射線と、ガンマ線又はｘ
線のような電磁放射線の両方を含む。
性、その他、半導体デバイス固有の特徴により、イオン
化放射線の検知に高抵抗率の半導体放射線検出器が広く
利用されている。このような検出器は、医療診断画像、
核廃棄物監視、産業工程監視、宇宙天文学を含む幅広い
範囲で利用されている。イオン化放射線はアルファ粒子
又はベータ粒子のような粒子放射線と、ガンマ線又はｘ
線のような電磁放射線の両方を含む。
従来の半導体放射線検出器は一般に「プラナー」検出
器と呼ばれる。第1A図に示すように、このようなプラナ
ー検出器100の構造は一般に、２つの電極を形成するた
めに平板の対向する２面を金属で覆った半導体結晶102
の平板と、カソード104とアノード106とから成る。ある
構造では、アノード106が外部信号調整回路構成108と地
面110と接続し、カソード104が外部電圧源111と接続し
ている。電極104、106にかかるバイアス電圧は内部電界
を生じる。半導体結晶102の平板に吸収されたイオン化
放射線112によって半導体結晶102内に生じた電子及び正
孔雲は、それぞれアノード106とカソード104の電極へ輸
送される。これら可動電子及び正孔雲は、外部回路111
に電荷パルス信号を生じる。
器と呼ばれる。第1A図に示すように、このようなプラナ
ー検出器100の構造は一般に、２つの電極を形成するた
めに平板の対向する２面を金属で覆った半導体結晶102
の平板と、カソード104とアノード106とから成る。ある
構造では、アノード106が外部信号調整回路構成108と地
面110と接続し、カソード104が外部電圧源111と接続し
ている。電極104、106にかかるバイアス電圧は内部電界
を生じる。半導体結晶102の平板に吸収されたイオン化
放射線112によって半導体結晶102内に生じた電子及び正
孔雲は、それぞれアノード106とカソード104の電極へ輸
送される。これら可動電子及び正孔雲は、外部回路111
に電荷パルス信号を生じる。
イオン化放射線112によって生じた電子及び正孔の全
てが各々の電極に到達するとすると（つまり電子はアノ
ード106に到達し、正孔はカソード104に到達する）、出
力電荷信号が結晶102内で生じたエネルギーと全く等し
くなる。生じた電荷がイオン化放射線112のエネルギー
と直接比例するため、半導体放射線検出器100はイオン
化放射線112のエネルギーを測定する手段を提供する。
このエネルギーの測定は放射線検出器の重要な機能であ
る。
てが各々の電極に到達するとすると（つまり電子はアノ
ード106に到達し、正孔はカソード104に到達する）、出
力電荷信号が結晶102内で生じたエネルギーと全く等し
くなる。生じた電荷がイオン化放射線112のエネルギー
と直接比例するため、半導体放射線検出器100はイオン
化放射線112のエネルギーを測定する手段を提供する。
このエネルギーの測定は放射線検出器の重要な機能であ
る。
しかしながら、プラナー放射線検出器には重大な欠点
がある。バルク半導体結晶102の移動特性の制限のため
に、概して、いくつかの電子及び正孔が各々の電極に輸
送される際にトラップされて失われてしまう。従って、
出力電荷信号の振幅が、イオン化放射線が吸収される結
晶内での位置に依存するようになる。一般に、振幅はイ
オン化放射線112によって生じた電荷よりも小さく、そ
の結果、解像度及びピーク効果の減少と同様にエネルギ
ー測定の正確性が低減する。放射線検出器におけるこの
電荷の損失（又はトラッピング）により、「低エネルギ
ーテーリング（low−energy tailing effect）」として
知られる非対称なスペクトルのピーク形状を引起こして
しまう。
がある。バルク半導体結晶102の移動特性の制限のため
に、概して、いくつかの電子及び正孔が各々の電極に輸
送される際にトラップされて失われてしまう。従って、
出力電荷信号の振幅が、イオン化放射線が吸収される結
晶内での位置に依存するようになる。一般に、振幅はイ
オン化放射線112によって生じた電荷よりも小さく、そ
の結果、解像度及びピーク効果の減少と同様にエネルギ
ー測定の正確性が低減する。放射線検出器におけるこの
電荷の損失（又はトラッピング）により、「低エネルギ
ーテーリング（low−energy tailing effect）」として
知られる非対称なスペクトルのピーク形状を引起こして
しまう。
上述したように半導体放射線検出器では、イオン化が
起こると電子がアノード106へ輸送され、正孔はカソー
ド104へ輸送される。カソード104を放射線源に向けた典
型的な試験的配置では、ある蓄積期間にかけ多くのイオ
ン化が起こり、その結果得られた電荷信号パルスが検出
されヒストグラムに表示される。低エネルギーテーリン
グを生じない理想的な検出器においては、全てのパルス
がイオン化放射線112のエネルギーと直接比例する。こ
れにより、カウント／チャネルと電荷信号パルス振幅の
関係が第２図のヒストグラムに示すようになる。第２図
からわかるように、エネルギーヒストグラムにテーリン
グは見られない。これはエネルギーピーク（又は「フォ
トピーク」）202が、イオン化放射線112のエネルギー準
位と等しい信号エネルギー準位Ｅにおいて縦の直線を描
くためである。従って、全ての電荷信号がイオン化放射
線112のエネルギー準位Ｅと等しい振幅を有し、どの単
一パルスにおいても電荷は失われない。
起こると電子がアノード106へ輸送され、正孔はカソー
ド104へ輸送される。カソード104を放射線源に向けた典
型的な試験的配置では、ある蓄積期間にかけ多くのイオ
ン化が起こり、その結果得られた電荷信号パルスが検出
されヒストグラムに表示される。低エネルギーテーリン
グを生じない理想的な検出器においては、全てのパルス
がイオン化放射線112のエネルギーと直接比例する。こ
れにより、カウント／チャネルと電荷信号パルス振幅の
関係が第２図のヒストグラムに示すようになる。第２図
からわかるように、エネルギーヒストグラムにテーリン
グは見られない。これはエネルギーピーク（又は「フォ
トピーク」）202が、イオン化放射線112のエネルギー準
位と等しい信号エネルギー準位Ｅにおいて縦の直線を描
くためである。従って、全ての電荷信号がイオン化放射
線112のエネルギー準位Ｅと等しい振幅を有し、どの単
一パルスにおいても電荷は失われない。
第３図の曲線Ａ及びＢは、非理想的な検出器における
低エネルギーテーリングの仮定の２例を示す。曲線Ａ
は、吸収率が非常に低い結晶を使用した際に見られる、
結晶全体にかけてイオン化放射線が一定に吸収された場
合を示している。曲線Ｂは、カソード付近では吸収の度
合が大きく、イオン化が結晶内のカソードと逆方向に向
かって移動すると指数関数的に減衰するといったより一
般的な状況を示す。両曲線ＡとＢにおいて、（振幅
「Ｅ」における）総電荷収集と、低エネルギー「テー
ル」304、306とに関連した最大信号302が存在する。
低エネルギーテーリングの仮定の２例を示す。曲線Ａ
は、吸収率が非常に低い結晶を使用した際に見られる、
結晶全体にかけてイオン化放射線が一定に吸収された場
合を示している。曲線Ｂは、カソード付近では吸収の度
合が大きく、イオン化が結晶内のカソードと逆方向に向
かって移動すると指数関数的に減衰するといったより一
般的な状況を示す。両曲線ＡとＢにおいて、（振幅
「Ｅ」における）総電荷収集と、低エネルギー「テー
ル」304、306とに関連した最大信号302が存在する。
第４図もヒストグラムを示すが、このヒストグラムは
コバルト−57（「57Co」）放射線源からのガンマ線で放
射したカドミウム亜鉛テルル化物（CdZnTe）から成る実
際の半導体放射線検出器の低エネルギーテーリングを示
している。この検出器は範囲寸法が6.1mm×6.1mm、厚さ
3mmであった。また、バイアス電圧は−500Vであった。
第４図のエントリーは電子ノイズ、第３図の仮想曲線の
プロットにおいて考慮されなかった効果によって広が
る。第３図の曲線Ａ、Ｂと同様に、第４図のヒストグラ
ムは著しい低エネルギーテール404を示す。
コバルト−57（「57Co」）放射線源からのガンマ線で放
射したカドミウム亜鉛テルル化物（CdZnTe）から成る実
際の半導体放射線検出器の低エネルギーテーリングを示
している。この検出器は範囲寸法が6.1mm×6.1mm、厚さ
3mmであった。また、バイアス電圧は−500Vであった。
第４図のエントリーは電子ノイズ、第３図の仮想曲線の
プロットにおいて考慮されなかった効果によって広が
る。第３図の曲線Ａ、Ｂと同様に、第４図のヒストグラ
ムは著しい低エネルギーテール404を示す。
半導体検出器には低エネルギーテーリングの有害な効
果があるため、この問題を解決するための多大な努力が
為されてきた。半導体検出器のテーリング効果を低減す
るための方法の１つは、イオン化放射線が吸収される場
所での信号パルス電荷振幅の依存を低減するというもの
である。これは、原則として、その電極の前の電荷雲に
より１つの電極に電荷が誘導された範囲を短距離に制限
することにより達成される。これが達成されると、イオ
ン化によって生じた電荷雲が、電荷雲が電極に非常に接
近するまで、ほとんど電極に電荷を誘導せず、接近する
と電荷雲は本質的に電荷の全てを電極に誘導する。この
方法は、１つのキャリアタイプ（例えば電子）の輸送特
性が別のタイプのもの（例えば正孔）よりも極めて優れ
た半導体において非常に有用である。これらの輸送特性
は「移動度−寿命積」と呼ばれる。１タイプキャリア
（例えば正孔）の輸送特性の、別のタイプキャリア（例
えば電子）の輸送特性に対する比率は「移動度−寿命積
比率」と呼ばれる。従って、上述した一般的な方法は全
ての移動度−寿命積比率について有用であるが、小さな
移動度−寿命積で割った大きなの移動度−寿命積の比率
を有する半導体において最も有用である。10よりも大き
な移動度−寿命積比率を有する半導体は、カドミウム亜
鉛テルル化物、カドミウムテルル化物ヨウ化水銀を誘導
する。
果があるため、この問題を解決するための多大な努力が
為されてきた。半導体検出器のテーリング効果を低減す
るための方法の１つは、イオン化放射線が吸収される場
所での信号パルス電荷振幅の依存を低減するというもの
である。これは、原則として、その電極の前の電荷雲に
より１つの電極に電荷が誘導された範囲を短距離に制限
することにより達成される。これが達成されると、イオ
ン化によって生じた電荷雲が、電荷雲が電極に非常に接
近するまで、ほとんど電極に電荷を誘導せず、接近する
と電荷雲は本質的に電荷の全てを電極に誘導する。この
方法は、１つのキャリアタイプ（例えば電子）の輸送特
性が別のタイプのもの（例えば正孔）よりも極めて優れ
た半導体において非常に有用である。これらの輸送特性
は「移動度−寿命積」と呼ばれる。１タイプキャリア
（例えば正孔）の輸送特性の、別のタイプキャリア（例
えば電子）の輸送特性に対する比率は「移動度−寿命積
比率」と呼ばれる。従って、上述した一般的な方法は全
ての移動度−寿命積比率について有用であるが、小さな
移動度−寿命積で割った大きなの移動度−寿命積の比率
を有する半導体において最も有用である。10よりも大き
な移動度−寿命積比率を有する半導体は、カドミウム亜
鉛テルル化物、カドミウムテルル化物ヨウ化水銀を誘導
する。
半球形状を有する半導体検出器を採用する上述の方法
を利用し、低エネルギーテーリングを低減するための努
力が成されてきた。例として、H.L.Maim等による“Gamm
a−Ray Spectroscopy with Single−Carrier Collectio
n in High Resistivity Semidonductors"Appl.Phys.Let
t.,vol.26,at344−46（1975）を参照のこと。Maimの検
出器において、カソードを形成するために、カドミウム
テルル化物の広い半球形表面を金属化している。アノー
ドは、半球形の平坦な断面の中央に小さな円形に形成さ
れている。これら電極に印加されたバイアス電圧は内部
電界を生じ、この内部電界はカソード付近の低値から小
さなアノード付近の高値にまで変化する。電界線はこの
ように、球形幾何により中央点付近で終集する。電界集
結の結果、電子がアノード付近において、検出器の他の
部分よりもはるかに速く動く。アノードに誘導された電
荷が、電荷雲からアノードへの距離の二乗に反比例する
ため、電荷雲がアノード付近にある場合にほとんどの電
荷が誘導される。従って、信号電荷パルス振幅は、検出
器内のイオン化の起こる位置について比較的鈍感であ
る。
を利用し、低エネルギーテーリングを低減するための努
力が成されてきた。例として、H.L.Maim等による“Gamm
a−Ray Spectroscopy with Single−Carrier Collectio
n in High Resistivity Semidonductors"Appl.Phys.Let
t.,vol.26,at344−46（1975）を参照のこと。Maimの検
出器において、カソードを形成するために、カドミウム
テルル化物の広い半球形表面を金属化している。アノー
ドは、半球形の平坦な断面の中央に小さな円形に形成さ
れている。これら電極に印加されたバイアス電圧は内部
電界を生じ、この内部電界はカソード付近の低値から小
さなアノード付近の高値にまで変化する。電界線はこの
ように、球形幾何により中央点付近で終集する。電界集
結の結果、電子がアノード付近において、検出器の他の
部分よりもはるかに速く動く。アノードに誘導された電
荷が、電荷雲からアノードへの距離の二乗に反比例する
ため、電荷雲がアノード付近にある場合にほとんどの電
荷が誘導される。従って、信号電荷パルス振幅は、検出
器内のイオン化の起こる位置について比較的鈍感であ
る。
しかしながら、Maimの方法にはいくつかの欠点があ
る。第１に、プラナー検出器のエネルギー解像は向上し
たが、著しいテーリングが残る。第２に、半球形の半導
体結晶の製造が困難であり、結果として製造コストが高
くなる。第３に、この形状はモノリシック検出器アレイ
構造に適用できない。その結果、この検出器は商用的に
ほとんど受入れられなかった。
る。第１に、プラナー検出器のエネルギー解像は向上し
たが、著しいテーリングが残る。第２に、半球形の半導
体結晶の製造が困難であり、結果として製造コストが高
くなる。第３に、この形状はモノリシック検出器アレイ
構造に適用できない。その結果、この検出器は商用的に
ほとんど受入れられなかった。
第２の方法は、以下のプラナー構造を利用してテーリ
ングを低減するものである。このプラナー構造は、アノ
ードを２個所に配し、アノードが直径0.5mmの円形であ
り、リングがこの円と同じ電圧で円を包囲し、カソード
が対向する面を被覆する。これについては例えば、F.P.
Doty等による“Pixilated CdZnTe Detector Arrays"Nuc
l.Instruments ＆ Methods in Physics Research,vol.A
353,at356−60（1994）を参照のこと。電子雲によって
誘導された電荷は小型円とリングによって共用されるた
め、円に誘導された電荷が、電荷が円に接近するまで非
常に小さい。次に、画素の寸法に匹敵する距離において
全電荷が円に誘導される。
ングを低減するものである。このプラナー構造は、アノ
ードを２個所に配し、アノードが直径0.5mmの円形であ
り、リングがこの円と同じ電圧で円を包囲し、カソード
が対向する面を被覆する。これについては例えば、F.P.
Doty等による“Pixilated CdZnTe Detector Arrays"Nuc
l.Instruments ＆ Methods in Physics Research,vol.A
353,at356−60（1994）を参照のこと。電子雲によって
誘導された電荷は小型円とリングによって共用されるた
め、円に誘導された電荷が、電荷が円に接近するまで非
常に小さい。次に、画素の寸法に匹敵する距離において
全電荷が円に誘導される。
この第２の方法にも顕著な欠点がある。収集効率が非
常に低いのである。この結果は、小さなアノードの直上
の電荷雲しか収集されないという事実に起因する。
常に低いのである。この結果は、小さなアノードの直上
の電荷雲しか収集されないという事実に起因する。
第３の方法は次のような構造を採用している。プラナ
ーCdZnTe検出器のアノードが非常に小さな個々の検出器
（画素）のアレイに分割され、カソードが単一の連続す
る電極のままである。これについては例えば、H.Harret
等による“Charge Transport in Arrays of Semiconduc
tor Gamma−Ray Detectors"Shys.Rev.Let.（製版中）を
参照のこと。ここでは、各画素が外部信号調整回路と接
続している。電子雲によって誘導された電荷は、画素間
で共用され、電荷が画素に接近するまでどの画素におい
ても非常に小さい。
ーCdZnTe検出器のアノードが非常に小さな個々の検出器
（画素）のアレイに分割され、カソードが単一の連続す
る電極のままである。これについては例えば、H.Harret
等による“Charge Transport in Arrays of Semiconduc
tor Gamma−Ray Detectors"Shys.Rev.Let.（製版中）を
参照のこと。ここでは、各画素が外部信号調整回路と接
続している。電子雲によって誘導された電荷は、画素間
で共用され、電荷が画素に接近するまでどの画素におい
ても非常に小さい。
だが、この第３の方法にもやはり顕著な欠点がある。
第１に、非常に小さな画素のアレイにしか利用できな
い。従って、この方法は単一エレメント検出器には利用
できない。第２に、この方法は、核医学のイメージャに
利用される1mm又はそれ以上の大きさの画素を伴う検出
器アレイには適用できない。
第１に、非常に小さな画素のアレイにしか利用できな
い。従って、この方法は単一エレメント検出器には利用
できない。第２に、この方法は、核医学のイメージャに
利用される1mm又はそれ以上の大きさの画素を伴う検出
器アレイには適用できない。
第４の方法では、インターリーブグリッド構造にパタ
ーンされたアノードと、プラナーのままのカソードを採
用している。例えば、P.N.Luke著の“Unipolar Charge
Sensing with Co−Planar Electrodes−Application to
Semiconductor Detectors"IEEE Tran.Nucl.Science,vo
l.42,No.4,at207−213（1995）を参照のこと。Lukeの方
法において、アノードグリッドの１組が他の電圧よりも
若干高い電圧に維持される。一連の信号調整電子光学が
グリッドの各組と接続し、一連の信号調整電子工学から
の出力間の差が最終出力信号へと続く。この配置におい
ては、電荷雲がグリッドから離れている場合、グリッド
間の差信号は０である。電荷雲がグリッドに接近する
と、グリッドに誘導された電荷が急速に増大し、他のグ
リッドに誘導された電荷が急速に減少する。次に、差信
号は、イオン化の発生する位置に関係なく、電子雲にお
ける一定の全電荷となる。
ーンされたアノードと、プラナーのままのカソードを採
用している。例えば、P.N.Luke著の“Unipolar Charge
Sensing with Co−Planar Electrodes−Application to
Semiconductor Detectors"IEEE Tran.Nucl.Science,vo
l.42,No.4,at207−213（1995）を参照のこと。Lukeの方
法において、アノードグリッドの１組が他の電圧よりも
若干高い電圧に維持される。一連の信号調整電子光学が
グリッドの各組と接続し、一連の信号調整電子工学から
の出力間の差が最終出力信号へと続く。この配置におい
ては、電荷雲がグリッドから離れている場合、グリッド
間の差信号は０である。電荷雲がグリッドに接近する
と、グリッドに誘導された電荷が急速に増大し、他のグ
リッドに誘導された電荷が急速に減少する。次に、差信
号は、イオン化の発生する位置に関係なく、電子雲にお
ける一定の全電荷となる。
しかしながら、Lukeの方法にもまた欠点がある。第１
に、グリッド構造は比較的複雑であり、検出器アレイの
利用が不可能又は困難である。第２に、グリッドは個別
の２本の増幅チェーンと差増幅器が必要であり、このた
めに製造が非常に複雑になりコストも非常に高くなる。
この回路構成も、検出器アレイ構造に必要な多重チャネ
ル集積回路での利用が非常に困難になる。
に、グリッド構造は比較的複雑であり、検出器アレイの
利用が不可能又は困難である。第２に、グリッドは個別
の２本の増幅チェーンと差増幅器が必要であり、このた
めに製造が非常に複雑になりコストも非常に高くなる。
この回路構成も、検出器アレイ構造に必要な多重チャネ
ル集積回路での利用が非常に困難になる。
低エネルギーテーリングを低減するための最後の方法
は、シリコンドリフトチャンバの設計にある。これにつ
いては例えば、E.Gatti ＆ P.Rehakによる“Semiconduc
tor Drift Chamber−An Application of a Novel Charg
e Transport Scheme."Nuc.Inst.＆ Methods in Physics
Resarch,vol.225,at608−614（1984）を参照のこと。
半導体ドリフトチャンバは次の原理に基づいている。両
表面に整流接合を打ち込んだ、薄く範囲の広い半導体ウ
ェハが小さなアノード接触を介して完全に空乏できる。
空乏電界は、分子のイオン化により生じた電子を表面と
平行な埋込まれた電位チャネルに閉込める。表面と平行
な静電界（ドリフト電界）が独立してスーパーインポー
ズされ、埋込電位チャネルに沿って電子を収集電極へ輸
送する。さらに、検出器の作用面積に無関係に収集電極
のキャパシタンスが非常に低い。ドリフトチャンバを様
々な半導体で製造することが提案されてきた。ドリフト
チャンバは、厚さ300ミクロンの高抵抗性（104〜105ohm
−cm）のシリコンウェハに埋込まれた。このようなドリ
フトチャンバは、分子物理学用の高解像度の位置感知検
出器として使用される。
は、シリコンドリフトチャンバの設計にある。これにつ
いては例えば、E.Gatti ＆ P.Rehakによる“Semiconduc
tor Drift Chamber−An Application of a Novel Charg
e Transport Scheme."Nuc.Inst.＆ Methods in Physics
Resarch,vol.225,at608−614（1984）を参照のこと。
半導体ドリフトチャンバは次の原理に基づいている。両
表面に整流接合を打ち込んだ、薄く範囲の広い半導体ウ
ェハが小さなアノード接触を介して完全に空乏できる。
空乏電界は、分子のイオン化により生じた電子を表面と
平行な埋込まれた電位チャネルに閉込める。表面と平行
な静電界（ドリフト電界）が独立してスーパーインポー
ズされ、埋込電位チャネルに沿って電子を収集電極へ輸
送する。さらに、検出器の作用面積に無関係に収集電極
のキャパシタンスが非常に低い。ドリフトチャンバを様
々な半導体で製造することが提案されてきた。ドリフト
チャンバは、厚さ300ミクロンの高抵抗性（104〜105ohm
−cm）のシリコンウェハに埋込まれた。このようなドリ
フトチャンバは、分子物理学用の高解像度の位置感知検
出器として使用される。
シリコンドリフトチャンバの方法にもいくつかの欠点
がある。第１に、空乏電界とドリフト電界を生じるため
に整流接合接触を使用しなければならない。これらの接
合接触の破壊電圧の制限のため、使用可能な電圧の大き
さが制限される。これにより、ドリフト検出器に使用し
たウェハの厚さが制限される。第２に、薄型チャネルに
効率的に電荷を輸送するために均一のドリフトチャネル
を付加しなければならない。この均一ドリフト電界を生
じるためには、各々が注意深く制御された固定電圧と接
触した多くの接合接触がウェハ上に必要である。これに
より検出器の製造コストが非常に高くなり、また、検出
器の使用が複雑になってしまう。第３に、検出器の厚さ
の制限と、使用した半導体材料の低いＺ（〜14）とによ
り、10−20KeV以上のエネルギーにおいて、Ｘ線及びガ
ンマ線の検出効率が非常に低くなる。
がある。第１に、空乏電界とドリフト電界を生じるため
に整流接合接触を使用しなければならない。これらの接
合接触の破壊電圧の制限のため、使用可能な電圧の大き
さが制限される。これにより、ドリフト検出器に使用し
たウェハの厚さが制限される。第２に、薄型チャネルに
効率的に電荷を輸送するために均一のドリフトチャネル
を付加しなければならない。この均一ドリフト電界を生
じるためには、各々が注意深く制御された固定電圧と接
触した多くの接合接触がウェハ上に必要である。これに
より検出器の製造コストが非常に高くなり、また、検出
器の使用が複雑になってしまう。第３に、検出器の厚さ
の制限と、使用した半導体材料の低いＺ（〜14）とによ
り、10−20KeV以上のエネルギーにおいて、Ｘ線及びガ
ンマ線の検出効率が非常に低くなる。
シリコン検出器と、CdTe及びCdZnTeといった高抵抗性
材料から成る検出器との両方は、信号電極の周囲に「保
護リング」を採用している。保護リングは通常信号電極
と同じ電位に保たれ、主に信号電極に到達することによ
る検出器の縁からの暗流を防止するために使用され、そ
れにより測定の信号−ノイズ比率が低減する。保護リン
グは半導体検出器で生じる低エネルギーテーリングは低
減しない。
材料から成る検出器との両方は、信号電極の周囲に「保
護リング」を採用している。保護リングは通常信号電極
と同じ電位に保たれ、主に信号電極に到達することによ
る検出器の縁からの暗流を防止するために使用され、そ
れにより測定の信号−ノイズ比率が低減する。保護リン
グは半導体検出器で生じる低エネルギーテーリングは低
減しない。
従って、低エネルギーテーリングを最小にし、従来の
放射線検出器の弱点及び欠点を未然に防ぐ半導体放射線
検出器が必要である。本発明は、そのような放射線検出
器を提供する。
放射線検出器の弱点及び欠点を未然に防ぐ半導体放射線
検出器が必要である。本発明は、そのような放射線検出
器を提供する。
発明の概要 本発明は源から発せられるイオン化放射線を検知する
ための装置及び手段に関する。イオン化放射線は、ガン
マ線とＸ線を含む高エネルギー光子、又はベータ分子と
アルファ分子を含む電荷分子であってよい。しかしなが
ら、本発明はあらゆる種類のイオン化放射線の検出に利
用できることがわかるはずである。
ための装置及び手段に関する。イオン化放射線は、ガン
マ線とＸ線を含む高エネルギー光子、又はベータ分子と
アルファ分子を含む電荷分子であってよい。しかしなが
ら、本発明はあらゆる種類のイオン化放射線の検出に利
用できることがわかるはずである。
本発明の特徴である半導体検出器における低エネルギ
ーテーリングの顕著な低減は、検出器内のイオン化に伴
う誘導電荷を共用し、電界を適切に整形し、小さな電極
に向けた収束電荷収集を行う電極の新規配置によって得
ることができる。この原理に従う半導体放射線検出器の
実行において本発明は、高い収集効率を維持しながらテ
ーリングを実質的に除去する３つの電極の新規配置を有
する検出器構造を採用している。
ーテーリングの顕著な低減は、検出器内のイオン化に伴
う誘導電荷を共用し、電界を適切に整形し、小さな電極
に向けた収束電荷収集を行う電極の新規配置によって得
ることができる。この原理に従う半導体放射線検出器の
実行において本発明は、高い収集効率を維持しながらテ
ーリングを実質的に除去する３つの電極の新規配置を有
する検出器構造を採用している。
本発明によれば、数KeV〜数百KeVからエネルギーを検
出することが可能な放射線検出器が得られる。検出器は
半導体結晶上に形成された３つの電極を備えている。結
晶は複数の側面を有し、この厚さは最低でも約0.5mmで
あることが好ましく、高い移動度−寿命−比率を有する
半導体材料から形成されていることが好ましい。第１電
極はバイアス電極であり、結晶の或る１面全面を被覆す
ることが好ましい。狭い範囲を備えた最低１つの信号電
極が、バイアス電極と対向する側面に形成されているこ
とが好ましい。信号電極を備える同側面に制御電極が設
けられていることが好ましい。
出することが可能な放射線検出器が得られる。検出器は
半導体結晶上に形成された３つの電極を備えている。結
晶は複数の側面を有し、この厚さは最低でも約0.5mmで
あることが好ましく、高い移動度−寿命−比率を有する
半導体材料から形成されていることが好ましい。第１電
極はバイアス電極であり、結晶の或る１面全面を被覆す
ることが好ましい。狭い範囲を備えた最低１つの信号電
極が、バイアス電極と対向する側面に形成されているこ
とが好ましい。信号電極を備える同側面に制御電極が設
けられていることが好ましい。
さらに詳細には、本発明において半導体結晶の信号電
極（又はアノード）を備えた同側面に制御電極が形成さ
れ、結晶のこれと対向する側面を実質的に完全にバイア
ス電極（又はカソード）が被覆する。半導体結晶はCdZn
Te又はCdTeから成ることが好ましい。最も単純な形状に
おいては、アノードは、結晶の電子−電荷−収集側面の
中央付近に配置された小さな接触点である。アノード
は、大型抵抗器と外部信号回路構成を介して地面と結合
している。カソードは電圧源と結合しており、電圧源は
カソードをアノードに関連して負電圧レベルに維持す
る。制御電極は好ましくは、範囲内でアノードよりもは
るかに大きく、アノードを包囲する信号リングを形成す
る。制御電極はアノードに関連して負の電圧に維持され
るが、一般にはカソードより負であることはない。
極（又はアノード）を備えた同側面に制御電極が形成さ
れ、結晶のこれと対向する側面を実質的に完全にバイア
ス電極（又はカソード）が被覆する。半導体結晶はCdZn
Te又はCdTeから成ることが好ましい。最も単純な形状に
おいては、アノードは、結晶の電子−電荷−収集側面の
中央付近に配置された小さな接触点である。アノード
は、大型抵抗器と外部信号回路構成を介して地面と結合
している。カソードは電圧源と結合しており、電圧源は
カソードをアノードに関連して負電圧レベルに維持す
る。制御電極は好ましくは、範囲内でアノードよりもは
るかに大きく、アノードを包囲する信号リングを形成す
る。制御電極はアノードに関連して負の電圧に維持され
るが、一般にはカソードより負であることはない。
この形態は、イオン化放射線のエネルギーを測定する
際に、本質的に低エネルギーテーリングを除去する。イ
オン化放射線が放射線検出器に吸収されると、電荷を全
ての電極に誘導する電荷雲が生じる。各電極に誘導され
る電荷の量は、その電極と電極の範囲からの電荷雲の距
離の関数である。アノードの電荷は、小型サイズのため
に、電荷雲がアノードに接近するまでは非常に小さい。
さらに、電子雲をアノードに集中させるために、制御電
極は電界を整形する助けをする。電子電荷雲がアノード
に向かってドリフトすると、アノードに誘導された電荷
は非常に小さいままであり、制御電極の電荷は、電荷雲
がアノードからアノードのサイズとほぼ同じ距離を得る
まで増大する。次にアノードの電荷は、電荷雲の総値に
まで急速に増大し、その一方で、制御電極の電荷が急速
に０に減少する。正孔電荷がカソードに向かってドリフ
トし、またアノードからドリフトし、半導体内における
正孔トラッピング効果が主に制御電極とカソード付近で
見られる。従って、アノードに誘導された蓄積電荷であ
る信号電荷は、その発生位置に関係なく、全電子電荷雲
の信号電荷と本質的に等しい。信号からイオン化の位置
への依存を除去することにより、本質的に低エネルギー
テーリングを除去する。
際に、本質的に低エネルギーテーリングを除去する。イ
オン化放射線が放射線検出器に吸収されると、電荷を全
ての電極に誘導する電荷雲が生じる。各電極に誘導され
る電荷の量は、その電極と電極の範囲からの電荷雲の距
離の関数である。アノードの電荷は、小型サイズのため
に、電荷雲がアノードに接近するまでは非常に小さい。
さらに、電子雲をアノードに集中させるために、制御電
極は電界を整形する助けをする。電子電荷雲がアノード
に向かってドリフトすると、アノードに誘導された電荷
は非常に小さいままであり、制御電極の電荷は、電荷雲
がアノードからアノードのサイズとほぼ同じ距離を得る
まで増大する。次にアノードの電荷は、電荷雲の総値に
まで急速に増大し、その一方で、制御電極の電荷が急速
に０に減少する。正孔電荷がカソードに向かってドリフ
トし、またアノードからドリフトし、半導体内における
正孔トラッピング効果が主に制御電極とカソード付近で
見られる。従って、アノードに誘導された蓄積電荷であ
る信号電荷は、その発生位置に関係なく、全電子電荷雲
の信号電荷と本質的に等しい。信号からイオン化の位置
への依存を除去することにより、本質的に低エネルギー
テーリングを除去する。
アノードと制御電極との間での誘導電荷の共用と、関
連する電極の誘導電荷の増大及び減少は、電荷雲と電極
と内部電極キャパシタンスとの間のキャパシタンスによ
って概念的に理解することができる。
連する電極の誘導電荷の増大及び減少は、電荷雲と電極
と内部電極キャパシタンスとの間のキャパシタンスによ
って概念的に理解することができる。
小型アノードの別の利点は、アノードの付近において
電荷雲を加速する電界凝集を確立することである。この
電界凝集は制御電極に印加された電圧によって拡大す
る。電荷雲がその発生点からアノードへ向かってドリフ
トするので、いかなる少ない倍増においてでもアノード
に誘導された電荷の分数はドリフト速度の関数である。
この速度はアノード付近で電界凝集によってかなり増加
し、その結果、総電荷の大きな分数が、アノードにアノ
ードからの短距離において誘導される。そのため電界凝
集が、信号電荷の電荷雲発生の位置への依存を低減す
る。
電荷雲を加速する電界凝集を確立することである。この
電界凝集は制御電極に印加された電圧によって拡大す
る。電荷雲がその発生点からアノードへ向かってドリフ
トするので、いかなる少ない倍増においてでもアノード
に誘導された電荷の分数はドリフト速度の関数である。
この速度はアノード付近で電界凝集によってかなり増加
し、その結果、総電荷の大きな分数が、アノードにアノ
ードからの短距離において誘導される。そのため電界凝
集が、信号電荷の電荷雲発生の位置への依存を低減す
る。
アノード付近の電界凝集により外部回路構成における
立上り時間パルスが短くなり、またパルス間の立上り時
間がさらに一定になる。これは、パルス立上げ時間によ
る増幅におけるいかなる利得変化をも低減する発展的な
利点である。
立上り時間パルスが短くなり、またパルス間の立上り時
間がさらに一定になる。これは、パルス立上げ時間によ
る増幅におけるいかなる利得変化をも低減する発展的な
利点である。
本発明の好ましい実施例の詳細についてを添付の図面
と以下の説明において述べる。本発明の詳細を知れば、
当業者にとっては多くの追加的改新と変更が自明になる
であろう。
と以下の説明において述べる。本発明の詳細を知れば、
当業者にとっては多くの追加的改新と変更が自明になる
であろう。
図面の簡単な説明 第１図は従来技術によるプラナー放射線検出器を示す
斜視図である。
斜視図である。
第２図は、カウント／チャネルと電荷信号パルス振幅
の関係を示す、理想的な放射線検出器のエネルギーパル
スヒストグラムである。
の関係を示す、理想的な放射線検出器のエネルギーパル
スヒストグラムである。
第３図は、２つの異なる放射線検出器のエネルギーパ
ルスヒストグラムであり、曲線Ａはイオン化放射線が半
導体結晶全体にかけて均一に吸収された場合のヒストグ
ラムを示し、曲線Ｂは、吸収の度合がカソード付近では
大きく、イオン化がカソードから逆方向に向かって指数
関数的に減衰する場合のヒストグラムを示す。
ルスヒストグラムであり、曲線Ａはイオン化放射線が半
導体結晶全体にかけて均一に吸収された場合のヒストグ
ラムを示し、曲線Ｂは、吸収の度合がカソード付近では
大きく、イオン化がカソードから逆方向に向かって指数
関数的に減衰する場合のヒストグラムを示す。
第４図は、低エネルギーテーリングを示す、実際の従
来技術CdZnTe（カドミウム亜鉛テルル化物）プラナー検
出器のエネルギーパルスヒストグラムである。
来技術CdZnTe（カドミウム亜鉛テルル化物）プラナー検
出器のエネルギーパルスヒストグラムである。
第５図Ａは、本発明による単一エレメント形状の好ま
しい実施例を示す斜視図である。
しい実施例を示す斜視図である。
第５図Ｂは、第５図Ａの実施例を線5B−5Bに沿って切
った切断側面図であり、半導体結晶内に生じた電界を示
す。
った切断側面図であり、半導体結晶内に生じた電界を示
す。
第６図は本発明の別の実施例を示す斜視図である。
第７図は本発明の別の実施例の斜視図であり、分割さ
れた制御電極を示す。
れた制御電極を示す。
第８図は、本発明の別の実施例の斜視図であり、多重
制御電極を示す。
制御電極を示す。
第９図は、CdZnTe（カドミウム亜鉛テルル化物）半導
体を採用した第５図に示した本発明の実施例のエネルギ
ーパルスヒストグラムである。
体を採用した第５図に示した本発明の実施例のエネルギ
ーパルスヒストグラムである。
第10A図は本発明の別の実施例の斜視図であり、検出
器整アレイ構造を示す。
器整アレイ構造を示す。
第10B図は、第10A図に示した配列実施例を線10B−10B
に沿って切った切断側面図である。
に沿って切った切断側面図である。
第11図は埋込んだ電極を有する放射線検出器の斜視図
である。
である。
全図面にわたり、同一の要素は同一の参照符号で示し
てある。
てある。
発明の詳細な説明 この説明を通じ、好ましい実施例及び例証は本発明の
限定としてではなく模範として考慮すべきである。
限定としてではなく模範として考慮すべきである。
1.本発明による放射線検出器の物理的特性 第5A図は、本発明による単一エレメント（又は単画
素）放射線検出器500を示す好ましい実施例の斜視図で
ある。単一エレメント検出器を示したが、本発明による
検出器は単一エレメントの実施例に限定されるものでは
なく、いかなるマルチエレメント形態にも使用できるこ
とが理解されるべきである。従って、複数の単一エレメ
ント検出器500をまとめて単一エレメント検出器のアレ
イを形成することもでき、また、本発明の原理によれ
ば、モノリシック検出器アレイを製造することもでき
る。このようなモノリシック検出器アレイの例を第10図
に示しており、またこれについて以下に説明する。
素）放射線検出器500を示す好ましい実施例の斜視図で
ある。単一エレメント検出器を示したが、本発明による
検出器は単一エレメントの実施例に限定されるものでは
なく、いかなるマルチエレメント形態にも使用できるこ
とが理解されるべきである。従って、複数の単一エレメ
ント検出器500をまとめて単一エレメント検出器のアレ
イを形成することもでき、また、本発明の原理によれ
ば、モノリシック検出器アレイを製造することもでき
る。このようなモノリシック検出器アレイの例を第10図
に示しており、またこれについて以下に説明する。
第５図の単一エレメント検出器500は、数KeVから1MeV
以上の範囲のエネルギーを測定できることが好ましい。
検出器500は半導体結晶502、バイアス電極504、信号電
極506、制御電極508を備える。電極を適切にバイアスす
ることで、結晶502内に電界が生じる。検出器500に吸収
されたイオン化放射線112が結晶502内でイオン化を生じ
る。次にイオン化は、電界によって信号電極506へと導
かれる電荷雲をつくる。
以上の範囲のエネルギーを測定できることが好ましい。
検出器500は半導体結晶502、バイアス電極504、信号電
極506、制御電極508を備える。電極を適切にバイアスす
ることで、結晶502内に電界が生じる。検出器500に吸収
されたイオン化放射線112が結晶502内でイオン化を生じ
る。次にイオン化は、電界によって信号電極506へと導
かれる電荷雲をつくる。
以下に述べる説明においては、電子の移動度−寿命積
は正孔のそれよりも大きいと仮定する。
は正孔のそれよりも大きいと仮定する。
A.半導体結晶 半導体結晶502は高い抵抗性、高いＺ（約34以上）の
半導体材料を有する平板又はウエハーである。結晶は、
室温で動作でき、検出器に製造できる高い抵抗性のCdZn
Teの平板から成ることが好ましい。また、結晶502はCdT
e、HgI2、PbI又は高い抵抗力を備え検出器に製造できる
その他の半導体材料から成ることが好ましい。もちろん
当業者には、本発明にはほとんど全ての半導体材料が使
用できることがわかるはずである。
半導体材料を有する平板又はウエハーである。結晶は、
室温で動作でき、検出器に製造できる高い抵抗性のCdZn
Teの平板から成ることが好ましい。また、結晶502はCdT
e、HgI2、PbI又は高い抵抗力を備え検出器に製造できる
その他の半導体材料から成ることが好ましい。もちろん
当業者には、本発明にはほとんど全ての半導体材料が使
用できることがわかるはずである。
分光学的方法で使用する場合には、CdZnTe又はCdTeか
ら成る検出器は、イオン化放射線のあらゆるエネルギー
のための特性パルス振幅に加え、多くのより低エネルギ
ーなパルスを生じる。すなわち、このような結晶は著し
い低エネルギーテーリングを生じる。これはテーリング
を低減する方法で検出器を設計するために、CdZnTe又は
CdTe製の半導体平板を使用した放射線検出器において特
に重要である。本発明は、テーリングをほとんど除去す
るためにCdZnTe及びCdTeベースの半導体放射線検出器に
特に適切な検出器構造を提供する。
ら成る検出器は、イオン化放射線のあらゆるエネルギー
のための特性パルス振幅に加え、多くのより低エネルギ
ーなパルスを生じる。すなわち、このような結晶は著し
い低エネルギーテーリングを生じる。これはテーリング
を低減する方法で検出器を設計するために、CdZnTe又は
CdTe製の半導体平板を使用した放射線検出器において特
に重要である。本発明は、テーリングをほとんど除去す
るためにCdZnTe及びCdTeベースの半導体放射線検出器に
特に適切な検出器構造を提供する。
第５図に示すように、半導体結晶502は正方の平行六
面体であることが好ましい。しかしながら、結晶502は
実質的に、立方体、半球形、円筒形、円錐形、斜方晶形
を含むどのような体積の形状であっても構わない。試験
的実施例の１つにおいて、結晶502は側面510、512を有
し、横「ｃ」縦「ｅ」が各々約6.1mm、厚さ「ｄ」が約3
mmの正方形であった。しかしながら、第５図の寸法は単
なる例であり、寸法は本質的に、使用する検出器の用途
及び測定状態によるものである。従って、結晶502は側
面510、512における表面範囲がこれより小さくても大き
くても構わない。側面510、512の表面範囲は一般に、１
〜数百mm2である。
面体であることが好ましい。しかしながら、結晶502は
実質的に、立方体、半球形、円筒形、円錐形、斜方晶形
を含むどのような体積の形状であっても構わない。試験
的実施例の１つにおいて、結晶502は側面510、512を有
し、横「ｃ」縦「ｅ」が各々約6.1mm、厚さ「ｄ」が約3
mmの正方形であった。しかしながら、第５図の寸法は単
なる例であり、寸法は本質的に、使用する検出器の用途
及び測定状態によるものである。従って、結晶502は側
面510、512における表面範囲がこれより小さくても大き
くても構わない。側面510、512の表面範囲は一般に、１
〜数百mm2である。
結晶502の厚さ「ｄ」は3mm以上又は3mm以下であって
よい。しかし、この厚さは約0.5mm以上で、一般に約1mm
〜10mmの間であることが好ましい。（結晶502の厚さの
変化による効果については、以下により詳細に説明す
る。）特別な結果を得るため又は製造性を向上するため
に、結晶の形状及び寸法を単独で又は組合わせて変えら
れることが当業者にはわかるであろう。
よい。しかし、この厚さは約0.5mm以上で、一般に約1mm
〜10mmの間であることが好ましい。（結晶502の厚さの
変化による効果については、以下により詳細に説明す
る。）特別な結果を得るため又は製造性を向上するため
に、結晶の形状及び寸法を単独で又は組合わせて変えら
れることが当業者にはわかるであろう。
本発明の新規構造は、約10メグオーム−cm以上の抵抗
性を持つ実質的にいかなる半導体又は絶縁体検出器材料
とも利用できる。半導体の抵抗性が10メグオームより低
い場合には、抵抗性は、一方の電極においてショットキ
ー障壁又はpn接合を作ることでこの値にまで効果的に増
加される。
性を持つ実質的にいかなる半導体又は絶縁体検出器材料
とも利用できる。半導体の抵抗性が10メグオームより低
い場合には、抵抗性は、一方の電極においてショットキ
ー障壁又はpn接合を作ることでこの値にまで効果的に増
加される。
B.バイアス電極 バイアス電極504は、結晶502の側面510の実質的に一
面に（例えば金属化によって）導電層として形成され
る。（第５図に示した実施例において、電子移動度−寿
命積の正孔移動度−寿命積に対する比率は１よりも大き
く、そのためバイアス電子504はカソードとして働き、
後の説明においても参照される。もちろん、移動度−寿
命比率が保留されれば極性も保留され、カソード504が
アノードとして働く。）結晶502の表面の一部のみ又は
１面以上を被服するためにカソード504を形成してもよ
く、及び／又は側面510上に複数のカソードを設けても
よい。さらに、カソード504を様々な寸法の異なる形状
に形成してもよい。
面に（例えば金属化によって）導電層として形成され
る。（第５図に示した実施例において、電子移動度−寿
命積の正孔移動度−寿命積に対する比率は１よりも大き
く、そのためバイアス電子504はカソードとして働き、
後の説明においても参照される。もちろん、移動度−寿
命比率が保留されれば極性も保留され、カソード504が
アノードとして働く。）結晶502の表面の一部のみ又は
１面以上を被服するためにカソード504を形成してもよ
く、及び／又は側面510上に複数のカソードを設けても
よい。さらに、カソード504を様々な寸法の異なる形状
に形成してもよい。
カソード504は、アノード506に対して負であり結晶50
2の厚さ「ｄ」及び用途に依存するバイアス（又はカソ
ード）電圧Vbに設定される。結晶502の厚さが約3mmの好
ましい実施例では、Vbの大きさが約−200V〜約−1000V
であり、最も好ましくは約−400V〜約−500Vである。し
かし、Vbは適切なあらゆる電圧レベルであってよいこと
が理解されるべきである。カソードは、カソード504を
一定の外部電圧源514と結合することにより、又はほぼ
一定の電圧レベルを確立しそれを維持するための適切な
手段により、Vbに設定される。ワイヤ導体でカソードを
電圧源513と結合することが好ましい。
2の厚さ「ｄ」及び用途に依存するバイアス（又はカソ
ード）電圧Vbに設定される。結晶502の厚さが約3mmの好
ましい実施例では、Vbの大きさが約−200V〜約−1000V
であり、最も好ましくは約−400V〜約−500Vである。し
かし、Vbは適切なあらゆる電圧レベルであってよいこと
が理解されるべきである。カソードは、カソード504を
一定の外部電圧源514と結合することにより、又はほぼ
一定の電圧レベルを確立しそれを維持するための適切な
手段により、Vbに設定される。ワイヤ導体でカソードを
電圧源513と結合することが好ましい。
C.信号電極 第５図の実施例において、信号電極506は好ましく
は、側面512の中心又はその付近に位置する小さな導電
接点であることが好ましい。側面512は、好ましい実施
例において半導体結晶502の表面であり、カソード504が
形成されている側面510と対向している。（上述したよ
うに第５図の実施例において、電子移動度−寿命積は正
孔ものよりも大きく、そのため信号電極506がアノード
として働き、後の説明において参照される。この逆が事
実であれば極性も逆になり、アノードがカソードとして
働く。）第5A図のアノード506は直径約1mmの円形であ
り、この直径は長さ「Ａ」よりも短い。従って、アノー
ド506は側面512上に形成された「点」接触であることが
好ましい。しかし、アノード506もカソード504のよう
に、円形、正方形、長方形、三角形といった様々な形状
に形成することができ、寸法も限定されていない。
は、側面512の中心又はその付近に位置する小さな導電
接点であることが好ましい。側面512は、好ましい実施
例において半導体結晶502の表面であり、カソード504が
形成されている側面510と対向している。（上述したよ
うに第５図の実施例において、電子移動度−寿命積は正
孔ものよりも大きく、そのため信号電極506がアノード
として働き、後の説明において参照される。この逆が事
実であれば極性も逆になり、アノードがカソードとして
働く。）第5A図のアノード506は直径約1mmの円形であ
り、この直径は長さ「Ａ」よりも短い。従って、アノー
ド506は側面512上に形成された「点」接触であることが
好ましい。しかし、アノード506もカソード504のよう
に、円形、正方形、長方形、三角形といった様々な形状
に形成することができ、寸法も限定されていない。
アノード506は、好ましくはワイヤ接続で外部信号回
路構成516と結合し、また、第５図の好ましい実施例で
は地面514であるアノード電位と抵抗器で結合してい
る。従ってアノード506は、上述した通り負電圧に設定
されたカソード504よりもより正電圧レベルVaにある。
その結果、アノード506とカソード504にかけて結晶502
内に電界を生じるバイアス電圧が存在する。当業者には
Vaは接地の必要がないことがわかるであろう。むしろ、
カソード504とアノード506の間にバイアス電圧を確立す
るためにVaとVbが異なるレベルに設定されていれば、Va
はあらゆる電圧レベルにあってもよい。
路構成516と結合し、また、第５図の好ましい実施例で
は地面514であるアノード電位と抵抗器で結合してい
る。従ってアノード506は、上述した通り負電圧に設定
されたカソード504よりもより正電圧レベルVaにある。
その結果、アノード506とカソード504にかけて結晶502
内に電界を生じるバイアス電圧が存在する。当業者には
Vaは接地の必要がないことがわかるであろう。むしろ、
カソード504とアノード506の間にバイアス電圧を確立す
るためにVaとVbが異なるレベルに設定されていれば、Va
はあらゆる電圧レベルにあってもよい。
D.制御電極 第３の電極、制御電極508は結晶502のアノード506と
同じ側面512上に形成されている。第5A図に示すよう
に、制御電極508は導電回路リングであり、アノード506
を包囲し、約4mmの内径「ａ」と約6mmの外形「ａ」＋
「2b」を有する。第６図は本発明の放射線検出器600の
別の実施例を示しており、制御電極608が側面612の周囲
に方形リングを形成し、このリングがアノード606を包
囲している。放射線検出器600において、制御電極608の
幅は約0.5mmである。ここで定義した「リング」とは、
別の本体又は構造を完全に又は部分的に閉鎖するか、実
質的に包囲する、あらゆる形状（例えば、円形、長方
形、正方形）の本体又は構造である。従って、制御電極
508は、第5A図と第６図にあるようにアノード506の周囲
の円形又は方形リングと限定されるものではなく、正方
形、三角形又は他のリング形であることができる。さら
に、制御電極508はアノード506を包囲する必要はない。
制御電極508は（完全なリング形よりも）「不完全」な
円形又は正方形、又はアノード506の付近に形成された
不定形の場所であってもよい。別の制御電極／アノード
形状のいくつかについて以下に詳しく説明する。
同じ側面512上に形成されている。第5A図に示すよう
に、制御電極508は導電回路リングであり、アノード506
を包囲し、約4mmの内径「ａ」と約6mmの外形「ａ」＋
「2b」を有する。第６図は本発明の放射線検出器600の
別の実施例を示しており、制御電極608が側面612の周囲
に方形リングを形成し、このリングがアノード606を包
囲している。放射線検出器600において、制御電極608の
幅は約0.5mmである。ここで定義した「リング」とは、
別の本体又は構造を完全に又は部分的に閉鎖するか、実
質的に包囲する、あらゆる形状（例えば、円形、長方
形、正方形）の本体又は構造である。従って、制御電極
508は、第5A図と第６図にあるようにアノード506の周囲
の円形又は方形リングと限定されるものではなく、正方
形、三角形又は他のリング形であることができる。さら
に、制御電極508はアノード506を包囲する必要はない。
制御電極508は（完全なリング形よりも）「不完全」な
円形又は正方形、又はアノード506の付近に形成された
不定形の場所であってもよい。別の制御電極／アノード
形状のいくつかについて以下に詳しく説明する。
制御電極506は、一定電圧レベルにあることができる
か、あるいは制御されるか完全な可変電圧レベルであっ
てもよい制御電圧Vcを有する。VcはVbのようにアノード
に対して負電圧であることが好ましい。さらに、Vcの大
きさは、VbとVaの大きさの間になるように一般的な大き
さに確立される。しかし、Vcの大きさはVbよりもさらに
負である。従って、好ましい実施例において、VaとVcと
の間に次の関係が成り立つ。
か、あるいは制御されるか完全な可変電圧レベルであっ
てもよい制御電圧Vcを有する。VcはVbのようにアノード
に対して負電圧であることが好ましい。さらに、Vcの大
きさは、VbとVaの大きさの間になるように一般的な大き
さに確立される。しかし、Vcの大きさはVbよりもさらに
負である。従って、好ましい実施例において、VaとVcと
の間に次の関係が成り立つ。
Vc＜Va 多くの使用において最大検出器感度はVc＝Vbである。
Vcは様々な方法で確立できる。例えば第5A図に示すよ
うに、制御電極508をほぼ一定の電圧を発生する外部電
圧源522と結合する。外部電圧522はVcにおいて制御電極
508を維持するために利用される。外部電圧源522がVcを
確立するために利用されると、電位が、制御電極からア
ノード及びカソードへの効果的な抵抗によって確立され
る電位より大きいか小さいかにより、電流が制御電極50
8へ流れるか、又は制御電極から流れるかする。
うに、制御電極508をほぼ一定の電圧を発生する外部電
圧源522と結合する。外部電圧522はVcにおいて制御電極
508を維持するために利用される。外部電圧源522がVcを
確立するために利用されると、電位が、制御電極からア
ノード及びカソードへの効果的な抵抗によって確立され
る電位より大きいか小さいかにより、電流が制御電極50
8へ流れるか、又は制御電極から流れるかする。
または第６図に示すように、制御電極608を地面614と
接続するコンデンサ624と結合してもよい。コンデンサ6
24には独立型、モノリシック、厚膜、集積回路コンデン
サといったあらゆるタイプのコンデンサを使用でき、ま
たコンデンサ624をシステムの寄生キャパシタンスにす
ることもできる。コンデンサ624は、Vb−Vaによって決
定された電圧に帯電し、また、カソード604から制御電
極608、制御電極608からアノード606への固有の電気抵
抗の値により決定された電圧に帯電する。コンデンサ62
4は、信号電荷収集の間、電荷が制御電極608を通過して
一掃される際に著しく変化することでVcを呈する。
接続するコンデンサ624と結合してもよい。コンデンサ6
24には独立型、モノリシック、厚膜、集積回路コンデン
サといったあらゆるタイプのコンデンサを使用でき、ま
たコンデンサ624をシステムの寄生キャパシタンスにす
ることもできる。コンデンサ624は、Vb−Vaによって決
定された電圧に帯電し、また、カソード604から制御電
極608、制御電極608からアノード606への固有の電気抵
抗の値により決定された電圧に帯電する。コンデンサ62
4は、信号電荷収集の間、電荷が制御電極608を通過して
一掃される際に著しく変化することでVcを呈する。
また別の方法においては、Vc（及びVa及びVb）が、例
えば電圧源522を使用してAC電圧を加えることにより確
立される。同じように、デジタルステップ波形又は別の
波形を加えることによりVa、Vb、及び／又はVcが確立さ
れる。このような可変電圧源を加えることでVcが変調
し、又は活発に変化し、これにより、アノード506にお
ける電荷信号パルスの出力カウント率が変調又は変化す
る。
えば電圧源522を使用してAC電圧を加えることにより確
立される。同じように、デジタルステップ波形又は別の
波形を加えることによりVa、Vb、及び／又はVcが確立さ
れる。このような可変電圧源を加えることでVcが変調
し、又は活発に変化し、これにより、アノード506にお
ける電荷信号パルスの出力カウント率が変調又は変化す
る。
好ましい放射線検出器500において、制御電極508の位
置及び寸法は、制御電極508に小型のコンデンサ（例え
ば、約1000pF）のみを取付けているため、制御電極508
が、Vbが約−500Vである時のVcの許容動作値である約−
250Vに維持される。従って、本発明による放射線検出器
の様々な実施例の各々に電極が３つ必要であるが、どの
検出器の実施例もコンデンサ624を追加することによ
り、検出器が外部回路構成に関連する二端子装置として
動作するようになる。また、制御電極508とカソード504
を接続して、VcとVbが等しい状態で、検出器500を外部
回路構成と関連する二端子装置として動作することもで
きる。さらに、後で詳細に説明するが、最適Vc付近に制
御電極508を設けると、半導体結晶502内のほとんど全て
の電子電荷雲がアノード506によって収集される。従っ
て、ほとんど全ての低エネルギーテーリングが除去さ
れ、非常に高い検出効率が得られる。また制御電極508
は結晶502の縁における欠陥が及ぼす影響も低減する。
置及び寸法は、制御電極508に小型のコンデンサ（例え
ば、約1000pF）のみを取付けているため、制御電極508
が、Vbが約−500Vである時のVcの許容動作値である約−
250Vに維持される。従って、本発明による放射線検出器
の様々な実施例の各々に電極が３つ必要であるが、どの
検出器の実施例もコンデンサ624を追加することによ
り、検出器が外部回路構成に関連する二端子装置として
動作するようになる。また、制御電極508とカソード504
を接続して、VcとVbが等しい状態で、検出器500を外部
回路構成と関連する二端子装置として動作することもで
きる。さらに、後で詳細に説明するが、最適Vc付近に制
御電極508を設けると、半導体結晶502内のほとんど全て
の電子電荷雲がアノード506によって収集される。従っ
て、ほとんど全ての低エネルギーテーリングが除去さ
れ、非常に高い検出効率が得られる。また制御電極508
は結晶502の縁における欠陥が及ぼす影響も低減する。
E.電極の形状及び特徴 第７図は、分割されたアノード706と制御電極708を備
えた、本発明の別の実施例を示す。第７図のアノード70
6が複数のセグメント730に分割され、制御電極708も同
様に複数のセグメント732に分割される。アノード706と
制御電極708の両方が任意の数のセグメント730、732を
設けており、これらセグメントは実質的に任意の形状を
有している。さらに、１つのアノード706又は制御電極7
008が有する全てのセグメント730、732が同じ形状又は
同じ寸法を有する必要はない。従って、１つの電子内の
各セグメントは独自の形状と寸法を有することができ
る。
えた、本発明の別の実施例を示す。第７図のアノード70
6が複数のセグメント730に分割され、制御電極708も同
様に複数のセグメント732に分割される。アノード706と
制御電極708の両方が任意の数のセグメント730、732を
設けており、これらセグメントは実質的に任意の形状を
有している。さらに、１つのアノード706又は制御電極7
008が有する全てのセグメント730、732が同じ形状又は
同じ寸法を有する必要はない。従って、１つの電子内の
各セグメントは独自の形状と寸法を有することができ
る。
半導体結晶504内の電界分布を最も効果的にするため
に、異なるセグメント730、732は異なる電圧に設定され
る。このような最適な電圧が、シミュレーション及び／
又は実験を通して実験的に選択できることが当業者には
わかるであろう。
に、異なるセグメント730、732は異なる電圧に設定され
る。このような最適な電圧が、シミュレーション及び／
又は実験を通して実験的に選択できることが当業者には
わかるであろう。
また第８図に示すように、２つ以上の制御電極808と
アノード806を半導体結晶504に形成することができる。
様々な制御電極808はどのような形状及びサイズであっ
てもよく、アノード806に関する様々な位置に配置され
ることができる。セグメント730、732と同様に、複数の
異なる制御電極808をそれぞれ異なる電圧に設定して電
界分布を最も効果的にすることができる。さらに、最適
な電界分布を得るために、制御電極808を結晶504のどこ
に形成してもよい。
アノード806を半導体結晶504に形成することができる。
様々な制御電極808はどのような形状及びサイズであっ
てもよく、アノード806に関する様々な位置に配置され
ることができる。セグメント730、732と同様に、複数の
異なる制御電極808をそれぞれ異なる電圧に設定して電
界分布を最も効果的にすることができる。さらに、最適
な電界分布を得るために、制御電極808を結晶504のどこ
に形成してもよい。
やはり第８図に示すように、カソード804の場合とは
反対に、制御電極808又はアノード806のどちらも検出器
800の表面上に配置する必要がない。例えば、第８図の
検出器800において、カソード804は立方体の半導体結晶
802の第１面810上に形成されている。第１制御電極808a
とアノード806は、両方とも第１面810に隣接する第２面
840上に形成されている。第２セットの制御電極808bと
アノード808bは、第１面810と対向する第３面812上に形
成されている。また、結晶802は、制御電極808を隣接す
る面840上に、アノード806cを別の隣接する面842上に設
けることができる。上述した説明により、結晶における
電界がアノードに向かって電子電荷雲に焦点を合わせ
て、アノードを正孔トラッピングの影響から保護する限
り、アノードと制御電極を結晶にどのように分布しても
構わないことが理解されるはずである。
反対に、制御電極808又はアノード806のどちらも検出器
800の表面上に配置する必要がない。例えば、第８図の
検出器800において、カソード804は立方体の半導体結晶
802の第１面810上に形成されている。第１制御電極808a
とアノード806は、両方とも第１面810に隣接する第２面
840上に形成されている。第２セットの制御電極808bと
アノード808bは、第１面810と対向する第３面812上に形
成されている。また、結晶802は、制御電極808を隣接す
る面840上に、アノード806cを別の隣接する面842上に設
けることができる。上述した説明により、結晶における
電界がアノードに向かって電子電荷雲に焦点を合わせ
て、アノードを正孔トラッピングの影響から保護する限
り、アノードと制御電極を結晶にどのように分布しても
構わないことが理解されるはずである。
さらに、カソード、アノード、制御電極のいずれも結
晶の単一面に制限される必要はない。例えば第８図に示
すように、制御電極808bは、結晶の１面から延び、角を
曲がって隣接する面へと続く。また、電極は結晶を完全
に又は部分的に包囲する帯状であってもよい。
晶の単一面に制限される必要はない。例えば第８図に示
すように、制御電極808bは、結晶の１面から延び、角を
曲がって隣接する面へと続く。また、電極は結晶を完全
に又は部分的に包囲する帯状であってもよい。
電極は、様々な技術を利用して結晶上又は結晶内に形
成することができる。電極は、一般にCdZnTe検出器の製
造に利用される金膜を電気化学的に結晶502の表面上に
付着することが好ましい。また、プラチナ、ロジウム、
その他の金属を含む別の導体材料を結晶表面502に電気
化学的に付着して電極を形成することも可能である。電
気化学的付着の代わりに、蒸発、スパッタリング、表面
合金によって電極を結晶表面上に付着することができ
る。また、導体材料のイオンビーム付着及びCVD付着と
いったその他の技術によって電極を形成することもでき
る。電極は、メサ形、溝形、埋込形の形状を含む様々な
形状に形成することができる。第11図は、放射線検出器
1114における埋込形アノード1110及び制御電極1112を示
す。
成することができる。電極は、一般にCdZnTe検出器の製
造に利用される金膜を電気化学的に結晶502の表面上に
付着することが好ましい。また、プラチナ、ロジウム、
その他の金属を含む別の導体材料を結晶表面502に電気
化学的に付着して電極を形成することも可能である。電
気化学的付着の代わりに、蒸発、スパッタリング、表面
合金によって電極を結晶表面上に付着することができ
る。また、導体材料のイオンビーム付着及びCVD付着と
いったその他の技術によって電極を形成することもでき
る。電極は、メサ形、溝形、埋込形の形状を含む様々な
形状に形成することができる。第11図は、放射線検出器
1114における埋込形アノード1110及び制御電極1112を示
す。
電極間の分離は様々な方法で達成できる。例えば、電
極は、結晶502の表面を修正しすることで、及び／又は
結晶の表面上のバルク材料によって（すなわち、任意の
工程で形成された不動態化又は抵抗層によって）分離さ
れる。
極は、結晶502の表面を修正しすることで、及び／又は
結晶の表面上のバルク材料によって（すなわち、任意の
工程で形成された不動態化又は抵抗層によって）分離さ
れる。
電極はオーム性接触であることが好ましい。しかし本
発明の電極はオーム性である必要はなく、整流、ｐ−ｎ
接合又はその他のタイプの接触であることができる。
発明の電極はオーム性である必要はなく、整流、ｐ−ｎ
接合又はその他のタイプの接触であることができる。
II.放射線検出器の動作 本発明による放射線検出器の動作局面についてを、第
５図の実施例を参照しながら説明する。しかし、以下に
説明する原理は本発明のどの実施例にも適応することが
わかるはずである。
５図の実施例を参照しながら説明する。しかし、以下に
説明する原理は本発明のどの実施例にも適応することが
わかるはずである。
A.動作理論 以下の議論、本発明の動作特性の物理的基礎であると
信じられているものである。十分な理論的考察は本発明
のこの動作理論が正しいことを示しているが、本発明の
有用性は以下の議論が正しいかどうかに依存するもので
はないことを理解すべきである。更に、以下の説明では
第５図の放射線検出器500を参照するが、そこに述べら
れた原理及び理論は本発明の全ての形態に適用可能であ
ることを理解すべきである。
信じられているものである。十分な理論的考察は本発明
のこの動作理論が正しいことを示しているが、本発明の
有用性は以下の議論が正しいかどうかに依存するもので
はないことを理解すべきである。更に、以下の説明では
第５図の放射線検出器500を参照するが、そこに述べら
れた原理及び理論は本発明の全ての形態に適用可能であ
ることを理解すべきである。
半導体結晶502は電子と正孔を備えている。結晶502内
でイオン化が生じると、電子と正孔が、特別な方法で結
晶502内で送られる電子及び正孔電荷雲に形成される。
上述したように、輸送特性を表わす必須の電子及び正孔
パラメータは次の通りである。（１）移動度、μ、これ
は電子又は正孔が特定の電界においてどれだけ早く移動
するかを表わし、（２）トラッピング寿命、Ｔ、イオン
化によって生じた電子又は正孔が自由でいられ、輸送工
程に参加できる平均時間を表わす。半導体放射線検出器
の分析において移動寿命積（μＴ）は重要なパラメータ
であると考えられ、電子用の移動度−寿命積（μ
Ｔ）ｅ、正孔用の移動度−寿命積（μＴ）ｈがある。移
動度−寿命積は一般に、特定の半導体において電子用の
ものと正孔用のものとでは著しく異なる。電極が半導体
に形成され、電極間に電圧電位が確立される場合、半導
体内の電界Ｅが電子アノードまでドリフトさせ、正孔を
カソードまでドリフトさせる。
でイオン化が生じると、電子と正孔が、特別な方法で結
晶502内で送られる電子及び正孔電荷雲に形成される。
上述したように、輸送特性を表わす必須の電子及び正孔
パラメータは次の通りである。（１）移動度、μ、これ
は電子又は正孔が特定の電界においてどれだけ早く移動
するかを表わし、（２）トラッピング寿命、Ｔ、イオン
化によって生じた電子又は正孔が自由でいられ、輸送工
程に参加できる平均時間を表わす。半導体放射線検出器
の分析において移動寿命積（μＴ）は重要なパラメータ
であると考えられ、電子用の移動度−寿命積（μ
Ｔ）ｅ、正孔用の移動度−寿命積（μＴ）ｈがある。移
動度−寿命積は一般に、特定の半導体において電子用の
ものと正孔用のものとでは著しく異なる。電極が半導体
に形成され、電極間に電圧電位が確立される場合、半導
体内の電界Ｅが電子アノードまでドリフトさせ、正孔を
カソードまでドリフトさせる。
CdTe及びCdZnTeのような半導体において、電子の移動
度−寿命積は一般に正孔のものよりも非常に大きく、移
動度−寿命比率、（μＴ）e/（μＴ）ｈは一般に10より
も大きい。（しかしながら、以下に説明する原理も、
（μＴ）h/（μＴ）ｅがより小さい又はより大きな半導
体検出器に適応できる。）HgI2、PbIといった他の高抵
抗性半導体においては、移動度−寿命比率はこれより高
くてもよい。概念目的のために、平均自由行程（μTE）
が、検出器の厚さに関連して電子には大きく、正孔には
小さいと仮定する。本質的に、放射線のイオン化によっ
て生じた全ての電子がアノードに達し、正孔の多くがカ
ソードに達する以前にトラップされる。この状況下で、
プラナー検出器に輸送された電荷の量は、イオン化が生
じる結晶内における位置に大きく依存する。イオン化が
カソードに非常に近接した場所で生じた場合、電子は結
晶を横切ってアノードへ一掃され、正孔はカソードへ一
掃され、放射線のイオン化によって生じた全電荷が外部
回路内で検知される。イオン化がアノード付近で生じた
場合、電子はアノードへ一掃されるが正孔はトラップさ
れ、正味効率はよりはるかに低減された出力信号を生じ
る。この間において、外部回路内で生じた電荷の分数
は、イオン化の生じるアノードからの距離の関数であ
る。イオン化の生じる位置への電荷反応の依存性は、プ
ラナー検出器における好ましくない低エネルギーテーリ
ングの原因である。本発明による三極検出器によれば、
最低でも３つの要素が低エネルギーテーリングの除去に
貢献する。
度−寿命積は一般に正孔のものよりも非常に大きく、移
動度−寿命比率、（μＴ）e/（μＴ）ｈは一般に10より
も大きい。（しかしながら、以下に説明する原理も、
（μＴ）h/（μＴ）ｅがより小さい又はより大きな半導
体検出器に適応できる。）HgI2、PbIといった他の高抵
抗性半導体においては、移動度−寿命比率はこれより高
くてもよい。概念目的のために、平均自由行程（μTE）
が、検出器の厚さに関連して電子には大きく、正孔には
小さいと仮定する。本質的に、放射線のイオン化によっ
て生じた全ての電子がアノードに達し、正孔の多くがカ
ソードに達する以前にトラップされる。この状況下で、
プラナー検出器に輸送された電荷の量は、イオン化が生
じる結晶内における位置に大きく依存する。イオン化が
カソードに非常に近接した場所で生じた場合、電子は結
晶を横切ってアノードへ一掃され、正孔はカソードへ一
掃され、放射線のイオン化によって生じた全電荷が外部
回路内で検知される。イオン化がアノード付近で生じた
場合、電子はアノードへ一掃されるが正孔はトラップさ
れ、正味効率はよりはるかに低減された出力信号を生じ
る。この間において、外部回路内で生じた電荷の分数
は、イオン化の生じるアノードからの距離の関数であ
る。イオン化の生じる位置への電荷反応の依存性は、プ
ラナー検出器における好ましくない低エネルギーテーリ
ングの原因である。本発明による三極検出器によれば、
最低でも３つの要素が低エネルギーテーリングの除去に
貢献する。
第１に、低エネルギーテーリングはアノード506と制
御電極508の範囲の比率によっておおよそ低減される。
検出器500内のイオン化によって電荷雲が生じると、全
ての電極に電荷が誘導される。電極に印加される電圧に
よって確立された電界518が電子雲をアノード506に、ま
た正孔雲をカソード504に案内する。制御電極508に誘導
された電荷は一般に、最初はアノードの電荷よりもはる
かに大きい。これは、電荷雲とアノード506と制御電極5
08の間の関連するキャパシタンスのためである（おおよ
そのこれらの範囲の比率）。この状態は、電荷雲が制御
電極508よりもアノード506に近い場合を除けば事実であ
る。アノード506における電界518の高密度のために、電
子雲はアノード506に到達する際、アノードに非常に接
近すると加速し、アノード506の電荷が非常に急速に電
子雲の総値にまで増大する。反対に、正孔雲がカソード
705へと移動すると、正孔雲がアノード506に及ぼす影響
が低減する。これにより、プラナー検出器内に低エネル
ギーテーリングを生じる影響が、アノード範囲のカソー
ド範囲に対するおおよその比率である量だけアノード信
号から減少する。従って、イオン化が生じた結晶502内
の場所に無関係に、アノード506によって収集された総
電荷である信号電荷が本質的にイオン化の総電荷である
ことになる。この検出方法により、アノード電荷反応か
ら、好ましくない低エネルギーテーリングの原因である
イオン化の発生位置へのその依存性を除去することがわ
かる。さらに、制御電極508の負バイアスが、制御電極5
08による電子電荷雲の収集を妨げ、これにより高い収集
効率を維持する。
御電極508の範囲の比率によっておおよそ低減される。
検出器500内のイオン化によって電荷雲が生じると、全
ての電極に電荷が誘導される。電極に印加される電圧に
よって確立された電界518が電子雲をアノード506に、ま
た正孔雲をカソード504に案内する。制御電極508に誘導
された電荷は一般に、最初はアノードの電荷よりもはる
かに大きい。これは、電荷雲とアノード506と制御電極5
08の間の関連するキャパシタンスのためである（おおよ
そのこれらの範囲の比率）。この状態は、電荷雲が制御
電極508よりもアノード506に近い場合を除けば事実であ
る。アノード506における電界518の高密度のために、電
子雲はアノード506に到達する際、アノードに非常に接
近すると加速し、アノード506の電荷が非常に急速に電
子雲の総値にまで増大する。反対に、正孔雲がカソード
705へと移動すると、正孔雲がアノード506に及ぼす影響
が低減する。これにより、プラナー検出器内に低エネル
ギーテーリングを生じる影響が、アノード範囲のカソー
ド範囲に対するおおよその比率である量だけアノード信
号から減少する。従って、イオン化が生じた結晶502内
の場所に無関係に、アノード506によって収集された総
電荷である信号電荷が本質的にイオン化の総電荷である
ことになる。この検出方法により、アノード電荷反応か
ら、好ましくない低エネルギーテーリングの原因である
イオン化の発生位置へのその依存性を除去することがわ
かる。さらに、制御電極508の負バイアスが、制御電極5
08による電子電荷雲の収集を妨げ、これにより高い収集
効率を維持する。
第２に、電界整形が低エネルギーテーリングの低減を
助ける。第5B図は第5A図の放射線検出器500の切断側面
図であり、好ましい３極形態によってつくられたと考え
られる算出した電界518を示している。第5B図に見られ
るように電界518が結晶502内の電界路によって特徴付け
られる。電界路はカソード504とアノード506間のほとん
どの距離において一定して平行である。電界路はアノー
ド506に近づくにつれて集結度を増す。アノード506に誘
導された電荷の分数が電荷雲の速度の関数であるため、
また、雲がアノード506に接近するに連れて電界518の集
結度がドリフト速度を加速させるため、短時間でアノー
ド506に総電荷の大きな分数が誘導される。制御電極508
によってアノード506における電界密度が増進した結
果、より早い立上り時間を有し、通常CdTeやCdZnTeのよ
うな半導体においてみられる立上り時間の相異を最小に
する電荷信号がアノード506で得られる。その結果、有
限のクリッピング時間を有する外部回路516によってさ
らに均一の増幅が得られる。
助ける。第5B図は第5A図の放射線検出器500の切断側面
図であり、好ましい３極形態によってつくられたと考え
られる算出した電界518を示している。第5B図に見られ
るように電界518が結晶502内の電界路によって特徴付け
られる。電界路はカソード504とアノード506間のほとん
どの距離において一定して平行である。電界路はアノー
ド506に近づくにつれて集結度を増す。アノード506に誘
導された電荷の分数が電荷雲の速度の関数であるため、
また、雲がアノード506に接近するに連れて電界518の集
結度がドリフト速度を加速させるため、短時間でアノー
ド506に総電荷の大きな分数が誘導される。制御電極508
によってアノード506における電界密度が増進した結
果、より早い立上り時間を有し、通常CdTeやCdZnTeのよ
うな半導体においてみられる立上り時間の相異を最小に
する電荷信号がアノード506で得られる。その結果、有
限のクリッピング時間を有する外部回路516によってさ
らに均一の増幅が得られる。
第３に、制御電極508も、構造欠陥がより頻繁に起こ
る、結晶502のペリメータ付近で発生したために乏しい
輸送特性を有する電荷雲のいくらかを除去する。このよ
うな電荷雲はエネルギーテーリングを引起こす。しか
し、制御電極508の電圧を調節することで、このような
電荷雲がアノード506ではなく制御電極によって収集さ
れ、この電荷雲が低エネルギーテーリングを引起こすこ
とを防止する。
る、結晶502のペリメータ付近で発生したために乏しい
輸送特性を有する電荷雲のいくらかを除去する。このよ
うな電荷雲はエネルギーテーリングを引起こす。しか
し、制御電極508の電圧を調節することで、このような
電荷雲がアノード506ではなく制御電極によって収集さ
れ、この電荷雲が低エネルギーテーリングを引起こすこ
とを防止する。
B.実際の検出器のための動作例 第９図は、第５図の検出器500に従って作った実際の
放射線検出器用の、Tc−99mmから放射されるガンマ放射
線の信号パルスヒストグラムを示す。実際の検出器は長
方形平行六面体のCdZnTe半導体結晶を採用している。結
晶はの大きさは、側面約6.1mm×6.1mm、幅約3mmであっ
た。この検出器は結晶の或る面を覆うカソードと、その
対向する面上にアノード及び制御電極を設け、Va＝0V、
Vb＝−450V、Vc＝−250Vであった。
放射線検出器用の、Tc−99mmから放射されるガンマ放射
線の信号パルスヒストグラムを示す。実際の検出器は長
方形平行六面体のCdZnTe半導体結晶を採用している。結
晶はの大きさは、側面約6.1mm×6.1mm、幅約3mmであっ
た。この検出器は結晶の或る面を覆うカソードと、その
対向する面上にアノード及び制御電極を設け、Va＝0V、
Vb＝−450V、Vc＝−250Vであった。
第９図は、本発明により得られる実質上の低エネルギ
ーテーリングの除去を明白に示す。放射線イオン化のエ
ネルギー準位において大きなフォトピーク902が存在
し、テール904で示すように、少量の低エネルギーパル
スが検出された。本発明の検出器によって得られたテー
リングの低減は、第９図と第４図のヒストグラムを比較
するとはっきりとわかる。第４図のヒストグラムは、第
９図の結晶と同じ大きさと性質を持つ結晶を使用した従
来のCdZnTeプラナー検出器で得られたものである。第４
図はターゲットエネルギーにおいて広いフォトピーク40
2を有し、これは解像度の減衰を示し、また、かなりの
量の低エネルギーテーリング404を有し、これはピーク
効率の低減を示している。３つのエネルギーピークの関
連する振幅に注意してみると興味深いことがわかる。ピ
ークにおける総カウントはこれらピークの放射の確率と
比例しなければならない。コバルト−57におけるこの確
率は、１）14.413KeV−9.14％、２）122.06KeV−85.68
％、３）136.45KeV−10.67％である。第９図ではピーク
におけるカウントの関連する大きさはこれら放射の確率
と非常に近く、第４図ではピーク状態になければならな
いカウントの少なくとも半分がより高いエネルギーピー
クの低エネルギーテールにあることがわかる。（第４
図、第９図の２本の曲線は同一の寸法と同一の方第１材
料を備えた検出器によって得られ、それにより２本の曲
線は関連するピーク振幅について比較される。しかしな
がら各ピークについての光子吸収データなしではピーク
振幅の直接比較はできない。） 従って、第９図のヒストグラムから明白なように、制
御電極508を設け、電界518の形状に影響を与えることに
より、低エネルギーテーリングが実質的に除去される。
従って本発明の検出器によれば、高抵抗性、大型移動度
−寿命率を有する半導体材料に固有の電荷輸送問題に無
関係に、高解像度及び収集効率が得られる。
ーテーリングの除去を明白に示す。放射線イオン化のエ
ネルギー準位において大きなフォトピーク902が存在
し、テール904で示すように、少量の低エネルギーパル
スが検出された。本発明の検出器によって得られたテー
リングの低減は、第９図と第４図のヒストグラムを比較
するとはっきりとわかる。第４図のヒストグラムは、第
９図の結晶と同じ大きさと性質を持つ結晶を使用した従
来のCdZnTeプラナー検出器で得られたものである。第４
図はターゲットエネルギーにおいて広いフォトピーク40
2を有し、これは解像度の減衰を示し、また、かなりの
量の低エネルギーテーリング404を有し、これはピーク
効率の低減を示している。３つのエネルギーピークの関
連する振幅に注意してみると興味深いことがわかる。ピ
ークにおける総カウントはこれらピークの放射の確率と
比例しなければならない。コバルト−57におけるこの確
率は、１）14.413KeV−9.14％、２）122.06KeV−85.68
％、３）136.45KeV−10.67％である。第９図ではピーク
におけるカウントの関連する大きさはこれら放射の確率
と非常に近く、第４図ではピーク状態になければならな
いカウントの少なくとも半分がより高いエネルギーピー
クの低エネルギーテールにあることがわかる。（第４
図、第９図の２本の曲線は同一の寸法と同一の方第１材
料を備えた検出器によって得られ、それにより２本の曲
線は関連するピーク振幅について比較される。しかしな
がら各ピークについての光子吸収データなしではピーク
振幅の直接比較はできない。） 従って、第９図のヒストグラムから明白なように、制
御電極508を設け、電界518の形状に影響を与えることに
より、低エネルギーテーリングが実質的に除去される。
従って本発明の検出器によれば、高抵抗性、大型移動度
−寿命率を有する半導体材料に固有の電荷輸送問題に無
関係に、高解像度及び収集効率が得られる。
C.動作の追加の局面及び特徴 Vcの大きさは実験によって確立される。Vcの大きさが
小さすぎる場合、アノード506がいくつかの電子雲しか
収集せず、放射線検出器500の収集効率が低くなる。Vc
の最適値は電極の幾何図形的配列に依存する。第５図の
放射線検出器500において好ましいVcの値は（Va＋Vb）/
2からVbにわたる。
小さすぎる場合、アノード506がいくつかの電子雲しか
収集せず、放射線検出器500の収集効率が低くなる。Vc
の最適値は電極の幾何図形的配列に依存する。第５図の
放射線検出器500において好ましいVcの値は（Va＋Vb）/
2からVbにわたる。
カソード504と制御電極508間の抵抗性と、制御電極50
8とアノード506間の抵抗性を調整して、特定のパフォー
マンス結果を得ることができる。これは、電極の幾何図
形的配列を変えることで、また、イオンダメージ、イオ
ン注入、熱化学処理及び／又は他の手段によってバルク
又は表面抵抗性を変えることで成される。
8とアノード506間の抵抗性を調整して、特定のパフォー
マンス結果を得ることができる。これは、電極の幾何図
形的配列を変えることで、また、イオンダメージ、イオ
ン注入、熱化学処理及び／又は他の手段によってバルク
又は表面抵抗性を変えることで成される。
本発明の放射線検出器はほとんど全ての厚さの結晶で
使用できる。しかし、最低でも約0.5mmの厚さが好まし
い。厚さに関する唯一の制限は、ほとんどの電荷キャリ
アが結晶の厚さを横断できるように、大きなμＴ積（つ
まり（μＴ）ｅ又は（μＴ）ｈ）が十分に大きくなけれ
ばならないことである。技術状態CdZnTeにおいてこの厚
さは約10mmである。１つの結晶上にアノードが１つしか
ないため、検出器の作用範囲が電子工学により設けられ
た最大アノードキャパシタンスによって、また、電子雲
をアノードに案内する電界を形成する能力によって限定
される。適切な幾何図形的配列によってアノードと制御
電極のための広い範囲が得られる。後述する検出器アレ
イ形状に類似したグリッド構造を形成することでさらに
広い範囲が使用できるが、アノード同士は接続していな
くてはならない。
使用できる。しかし、最低でも約0.5mmの厚さが好まし
い。厚さに関する唯一の制限は、ほとんどの電荷キャリ
アが結晶の厚さを横断できるように、大きなμＴ積（つ
まり（μＴ）ｅ又は（μＴ）ｈ）が十分に大きくなけれ
ばならないことである。技術状態CdZnTeにおいてこの厚
さは約10mmである。１つの結晶上にアノードが１つしか
ないため、検出器の作用範囲が電子工学により設けられ
た最大アノードキャパシタンスによって、また、電子雲
をアノードに案内する電界を形成する能力によって限定
される。適切な幾何図形的配列によってアノードと制御
電極のための広い範囲が得られる。後述する検出器アレ
イ形状に類似したグリッド構造を形成することでさらに
広い範囲が使用できるが、アノード同士は接続していな
くてはならない。
このように、本発明による半導体結晶の厚さはかなり
厚くてもよいため、広範囲の放射エネルギーにおいて高
い感度及び検出効率を提供することができる。
厚くてもよいため、広範囲の放射エネルギーにおいて高
い感度及び検出効率を提供することができる。
本発明の放射線検出器において、また第5B図に示すよ
うに、電極は、放射線112が検出器500に入射し、入射放
射線112とほぼ平行する面510に対してほぼ垂直な方向に
沿って電荷雲を案内する電界518を生じるよう配置及び
バイアスされている。
うに、電極は、放射線112が検出器500に入射し、入射放
射線112とほぼ平行する面510に対してほぼ垂直な方向に
沿って電荷雲を案内する電界518を生じるよう配置及び
バイアスされている。
Vb−Vaの値は、半導体結晶の厚さと使用に必要な条件
に基づいて選択される。厚さ3mmの結晶では、Vb−Vaは
−400Vである。
に基づいて選択される。厚さ3mmの結晶では、Vb−Vaは
−400Vである。
この新装置の実施例において一定のイオン化放射線の
流れが維持されると、最適値以下にある制御電極508の
電圧（Vc）の変化が関連する方法でカウント率に変化を
起こす。従って、本発明の放射線検出器はイオン化放射
線のビームからの信号の調節に利用できる。
流れが維持されると、最適値以下にある制御電極508の
電圧（Vc）の変化が関連する方法でカウント率に変化を
起こす。従って、本発明の放射線検出器はイオン化放射
線のビームからの信号の調節に利用できる。
III.検出器アレイ実施例 第10図は本発明による検出器アレイ1000の実施例を示
すものである。第10A図は検出器アレイ1000の斜視図で
ある。第10B図は検出器アレイ1000の切断側面図であ
り、半導体結晶1002内の電界1018を示す。
すものである。第10A図は検出器アレイ1000の斜視図で
ある。第10B図は検出器アレイ1000の切断側面図であ
り、半導体結晶1002内の電界1018を示す。
カソード1004は半導体結晶1002の底側面1010のほぼ全
てを被覆して形成されることが好ましい。しかしなが
ら、カソード1004は結晶1002の底側部1010を完全に被覆
する必要はなく、所望のどのような大きさ及び形状であ
ることができる。半導体結晶1002は、アノード1006のア
レイと制御グリッド1008を収容するために電極側1010、
1012の表面範囲がより広いことを除けば、上述した第５
図の単一エレメント検出器500の結晶502とほぼ類似す
る。結晶1002はモノリシック又はタイル張りの半導体材
料の単一ブロックに形成されることができる。
てを被覆して形成されることが好ましい。しかしなが
ら、カソード1004は結晶1002の底側部1010を完全に被覆
する必要はなく、所望のどのような大きさ及び形状であ
ることができる。半導体結晶1002は、アノード1006のア
レイと制御グリッド1008を収容するために電極側1010、
1012の表面範囲がより広いことを除けば、上述した第５
図の単一エレメント検出器500の結晶502とほぼ類似す
る。結晶1002はモノリシック又はタイル張りの半導体材
料の単一ブロックに形成されることができる。
検出器アレイ1000は図に示すように、単一アノードを
複数のアノード1005と替え、制御電極1008を、アノード
1006が結晶1002の最上面1012上に設けられたグリッドと
して形成して製造する。従って、各アノード1006と制御
グリッド1008のそれを包囲する部分が画素を形成するこ
とになる。アノード1006と制御グリッド1008は従来の半
導体処理技術を利用して形成できる。このような画素ア
レイは、産業及び医療目的で使用される放射線カメラに
特に便利である。
複数のアノード1005と替え、制御電極1008を、アノード
1006が結晶1002の最上面1012上に設けられたグリッドと
して形成して製造する。従って、各アノード1006と制御
グリッド1008のそれを包囲する部分が画素を形成するこ
とになる。アノード1006と制御グリッド1008は従来の半
導体処理技術を利用して形成できる。このような画素ア
レイは、産業及び医療目的で使用される放射線カメラに
特に便利である。
低エネルギーテーリングの低減と解像度及び収集効率
の増加といった特徴に加え、本発明の検出器アレイ構造
は第10B図に示すように、各画素をその近傍から隔離し
てクロストークを抑制する電界パターン1018を確立す
る。さらに、アノード1006が制御グリッド1008よりもず
っと小型に造れるため、アノード1006と制御グリッド10
08間の十分な分離が得られる。これは、検出器アレイ装
置内の好ましくないノズルの原因となるグリッド間の漏
れ電流を低減する効果がある。
の増加といった特徴に加え、本発明の検出器アレイ構造
は第10B図に示すように、各画素をその近傍から隔離し
てクロストークを抑制する電界パターン1018を確立す
る。さらに、アノード1006が制御グリッド1008よりもず
っと小型に造れるため、アノード1006と制御グリッド10
08間の十分な分離が得られる。これは、検出器アレイ装
置内の好ましくないノズルの原因となるグリッド間の漏
れ電流を低減する効果がある。
検出器アレイ1000は、単一エレメント検出器の様々な
実施例に関連して上述した原理と同じ原理で動作する。
従って、制御グリッド1008とアノード1006は電子雲によ
って誘導された電荷を共用するが、制御グリッド1008が
アノード1006よりもずっと大きいために低エネルギーテ
ーリングがアノード1006からほとんど除去される。さら
に、制御グリッド1008はカソード1004の電圧レベルVbに
近い電圧レベルVcに設定されることが好ましい。ここで
も、検出器アレイ1000にVc＜Vaの電圧関係が存在する。
上述したように、この関係は、電界1018を電子雲をアノ
ード1006へ案内する電界路に形成する働きをする。その
結果、電子雲が小型のアノード1006にその全電荷を誘導
する。これにより、検出器アレイ1000のアノードエレメ
ント1006の低エネルギーテーリングが著しく低減され
る。
実施例に関連して上述した原理と同じ原理で動作する。
従って、制御グリッド1008とアノード1006は電子雲によ
って誘導された電荷を共用するが、制御グリッド1008が
アノード1006よりもずっと大きいために低エネルギーテ
ーリングがアノード1006からほとんど除去される。さら
に、制御グリッド1008はカソード1004の電圧レベルVbに
近い電圧レベルVcに設定されることが好ましい。ここで
も、検出器アレイ1000にVc＜Vaの電圧関係が存在する。
上述したように、この関係は、電界1018を電子雲をアノ
ード1006へ案内する電界路に形成する働きをする。その
結果、電子雲が小型のアノード1006にその全電荷を誘導
する。これにより、検出器アレイ1000のアノードエレメ
ント1006の低エネルギーテーリングが著しく低減され
る。
単一制御グリッド1008が示されているが、ゾーン又は
アノード1006のサブセットを制御するためにゾーン制御
グリッドを形成でき、また、それぞれのアノード用にグ
リッドを形成することもできる。
アノード1006のサブセットを制御するためにゾーン制御
グリッドを形成でき、また、それぞれのアノード用にグ
リッドを形成することもできる。
アレイとして製造された１つの試験的ユニットにおい
て、制御グリッドと中央アノードを適当な半導体結晶
（CdZnTe）上に配して、複数の3mm×3mmの正方画素を形
成した。このようなアレイは核医学のイメージャーの使
用に非常に適している。
て、制御グリッドと中央アノードを適当な半導体結晶
（CdZnTe）上に配して、複数の3mm×3mmの正方画素を形
成した。このようなアレイは核医学のイメージャーの使
用に非常に適している。
アノード1006の全て又はいくつかは相互に平行して電
気的に接続していてもよい。これにより、第10図に示す
構造は、単一アノードで得られるものよりもはるかに広
い範囲を有する単一検出器の製造に使用できる。さら
に、広範囲検出器は、検出器1000にその範囲又は量に比
例する高感度を許容し、より小型の検出器と同じ高い解
像度許容する低い総合キャパシタンスを有する。
気的に接続していてもよい。これにより、第10図に示す
構造は、単一アノードで得られるものよりもはるかに広
い範囲を有する単一検出器の製造に使用できる。さら
に、広範囲検出器は、検出器1000にその範囲又は量に比
例する高感度を許容し、より小型の検出器と同じ高い解
像度許容する低い総合キャパシタンスを有する。
IV.結論 本発明の必須の特徴は、放射線吸収からの本質的に全
電子電荷がアノードに収集され、正孔トラッピングの効
果がアノードから保護され、信号からほとんどの低エネ
ルギーテーリングが除去される方法で、制御電極（単数
又は複数）、アノード（単数又は複数）、カソード（単
数又は複数）の組合わせを採用することである。また電
極は、放射線のイオン化により生じた電子雲を効率的に
アノード（単数又は複数）へ誘導する電界パターンを結
晶内に形成するような形状である。
電子電荷がアノードに収集され、正孔トラッピングの効
果がアノードから保護され、信号からほとんどの低エネ
ルギーテーリングが除去される方法で、制御電極（単数
又は複数）、アノード（単数又は複数）、カソード（単
数又は複数）の組合わせを採用することである。また電
極は、放射線のイオン化により生じた電子雲を効率的に
アノード（単数又は複数）へ誘導する電界パターンを結
晶内に形成するような形状である。
本発明の複数の実施例を説明してきた。しかし、本発
明の精神及び範囲を逸脱しない限り様々な改良が可能で
あることが理解されるであろう。従って、本発明は特定
の図解した実施例によって限定されるものではなく、付
属の請求の範囲によってのみ限定されることが理解され
るべきである。
明の精神及び範囲を逸脱しない限り様々な改良が可能で
あることが理解されるであろう。従って、本発明は特定
の図解した実施例によって限定されるものではなく、付
属の請求の範囲によってのみ限定されることが理解され
るべきである。
フロントページの続き (72)発明者 オガネシアン，アショット アメリカ合衆国 92116 カリフォルニ ア州 サンディエゴ，マンスフィールド ストリート 4752 (72)発明者 ピ，ボー アメリカ合衆国 92037 カリフォルニ ア州 ラ ホヤ，クーバー ストリート 7440 (72)発明者 バトラー，ジャック，エフ. アメリカ合衆国 92067 カリフォルニ ア州 ランチョ サンタ フェ，ボック ス 1333 (72)発明者 ドーティー，エフ，パトリック アメリカ合衆国 92128 カリフォルニ ア州 サンディエゴ，エスプリ 13719 (72)発明者 コーンウェル，リチャード，エル. アメリカ合衆国 92104 カリフォルニ ア州 デル マー，ブキータ ドライブ 13684 (72)発明者 フリーセンハーン，スタンレー，ジェ イ. アメリカ合衆国 92064 カリフォルニ ア州 パウエイ，コンリー 12906 (56)参考文献 特開 平１−138486（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−105090（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−293680（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01T 1/24 H01L 31/09
Claims (102)
- 【請求項１】（ａ）複数の側面と少なくとも0.5mmの厚
さを有する半導体と、 （ｂ）半導体の少なくとも１側面に形成されたバイアス
電極と、 （ｃ）半導体の少なくとも１側面に形成された信号電極
と、 （ｄ）半導体内でのイオン化により生じた電荷雲を前記
信号電極へ導くために、また、半導体内の正孔トラッピ
ングの信号電極への影響を実質的に低減するために半導
体の少なくとも１側面に形成された少なくとも１つの制
御電極と、を有する放射線検出器であって、 放射線検出器が約20KeVより大きなエネルギーを検出す
ることができる放射線検出器。 - 【請求項２】半導体がＺ＞34を有する請求項１に記載の
放射線検出器。 - 【請求項３】半導体が約107ohm−cmよりも大きな抵抗率
を有する請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項４】信号電極が出力カウント率を検出し、検出
器は出力カウント率を変えるために能動的に変化する電
圧を制御電極に加える手段を含む請求項１に記載の放射
線検出器。 - 【請求項５】半導体がCdTeからなる請求項１に記載の放
射線検出器。 - 【請求項６】半導体がCdZnTeからなる請求項１に記載の
放射線検出器。 - 【請求項７】信号電極が半導体の制御電極と同じ側面上
にある請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項８】信号電極が半導体の制御電極とは異なる側
面上にある請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項９】バイアス電極が、半導体の第１側面の少な
くとも実質的な部分を覆うカソードである請求項１に記
載の放射線検出器。 - 【請求項１０】バイアス電極がバイアス電圧源と結合す
るよう形成され、また、バイアス電極がカソード電圧Va
を有するカソードであり、Vbは実質的に一定値に保持さ
れている請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項１１】信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極が電圧Vdを有し、Vb−Vaが半導
体の厚さに依存する請求項10に記載の放射線検出器。 - 【請求項１２】半導体の厚さが約3mmであり、Vb−Vaが
約−500Vである請求項11に記載の放射線検出器。 - 【請求項１３】信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極はほぼグラウンドのアノード電
圧Vaを有するアノードである請求項10に記載の放射線検
出器。 - 【請求項１４】制御電極が制御電極電圧源と結合するよ
うに形成され、制御電極は制御電極電圧Vcを有し、Vbは
ほぼグラウンドである請求項10に記載の放射線検出器。 - 【請求項１５】制御電極が制御電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、制御電極が制御電極電圧Vcを有し、信号
電極が電圧Vaを有し、Vc＜Vaである請求項10に記載の放
射線検出器。 - 【請求項１６】制御電極が制御電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、制御電極が制御電極電圧Vcを有し、信号
電極が電圧Vaを有し、Vc＜Vaである請求項１に記載の放
射検出器。 - 【請求項１７】制御電極が制御電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、制御電極が制御電極電圧Vcを有し、信号
電極がアノード電圧Vaを有し、Vcが（Va＋Vb）/2とほぼ
等しい請求項10に記載の放射線検出器。 - 【請求項１８】制御電極が制御電極電圧源と結合するよ
うに形成され、制御電極が制御電極電圧Vcを有し、Vcが
Vbとほぼ等しい請求項10に記載の放射線検出器。 - 【請求項１９】制御電極が定電圧源と結合している請求
項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項２０】制御電極がコンデンサの第１端子と結合
し、コンデンサの第２端子がグラウンドに結合している
請求項10に記載の放射線検出器。 - 【請求項２１】信号電極が信号電極電圧源と結合するよ
うに形成され、信号電極がアノード電圧Vaを有するアノ
ードであり、バイアス電極と制御電極との間に第１抵抗
が存在し、制御電極と信号電極との間に第２抵抗が存在
し、これによりコンデンサと制御電極とがVb−Vaによっ
て定められる電圧レベルに帯電する請求項20に記載の放
射線検出器。 - 【請求項２２】バイアス電極がカソード表面領域を有す
るカソードであり、信号電極がカソード表面領域よりも
実質的に小さな表面領域を有する請求項１に記載の放射
線検出器。 - 【請求項２３】信号電極が、半導体の、カソードを備え
た第１側部と反対側の表面に配置されたアノードである
請求項22に記載の放射線検出器。 - 【請求項２４】制御電極が前記反対側の表面に配置さ
れ、アノードを包囲している請求項23に記載の放射線検
出器。 - 【請求項２５】制御電極が、アノードを包囲する実質的
に円形のリングからなる請求項24に記載の放射線検出
器。 - 【請求項２６】バイアス電極、信号電極、及び制御電極
が半導体の表面上に形成されている請求項１に記載の放
射線検出器。 - 【請求項２７】バイアス電極、信号電極、及び制御電極
が金膜からなる請求項26に記載の放射線検出器。 - 【請求項２８】バイアス電極、信号電極、及び制御電極
の少なくとも１つが半導体の表面下に埋込まれている請
求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項２９】信号電極が複数のセグメントに分割され
ている請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項３０】制御電極が複数のセグメントに分割され
ている請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項３１】放射線検出器が複数の制御電極を有する
請求項１に記載の放射線検出器。 - 【請求項３２】イオン化放射線を検出するための放射線
検出器であって、 （ａ）複数の側面を有する、イオン化放射線に応答する
半導体と、 （ｂ）半導体の第１側面に形成されたカソードであっ
て、該カソードはカソード表面領域を有し、カソード電
圧源と結合し、カソード電圧Vbを有するカソードと、 （ｃ）前記半導体の第２側面に形成されたアノードであ
って、前記第２側面は前記第１側面の反対側で中心領域
を有し、該アノードは前記第２側面の中心付近に位置す
る接点を有し前記カソード表面領域よりも実質的に小さ
な表面領域を有し、アノード電圧源と結合し、アノード
電圧Vaを有するアノードと、 （ｄ）前記半導体の前記第２側面に形成された制御電極
であって、該制御電極はアノードを包囲する単一リング
を形成し、制御電圧源と結合し、Vc＜Vaとなる制御電圧
Vcを有する制御電極と、からなる放射線検出器。 - 【請求項３３】半導体がCdZnTeから成る請求項32に記載
の放射線検出器。 - 【請求項３４】半導体が厚さを有し、Vb−Vaがこの厚さ
に依存する請求項32に記載の放射線検出器。 - 【請求項３５】半導体の厚さが約3mmであり、Vb−Vaが
約−400Vである請求項34に記載の放射線検出器。 - 【請求項３６】Vaがほぼグラウンドであり、Vcがほぼ−
300Vである請求項35に記載の放射線検出器。 - 【請求項３７】電極が定電圧源と結合している請求項32
に記載の放射線検出器。 - 【請求項３８】制御電極がコンデンサの第１端子と結合
し、コンデンサの第２端子がグラウンドと結合している
請求項32に記載の放射線検出器。 - 【請求項３９】カソードと制御電極との間に第１抵抗が
存在し、制御電極と信号電極との間に第２抵抗が存在
し、コンデンサと制御電極が、前記抵抗及びVb−Vaによ
って定められる電圧レベルに帯電する請求項38に記載の
放射線検出器。 - 【請求項４０】カソード、アノード、制御電極の内の少
なくとも１つが半導体の表面上に形成されている請求項
32に記載の放射線検出器。 - 【請求項４１】カソード、アノード、制御電極の内の少
なくとも１つが金膜からなる請求項40に記載の放射線検
出器。 - 【請求項４２】カソード、アノード、制御電極の少なく
とも１つが半導体の表面下に埋込まれている請求項32に
記載の放射線検出器。 - 【請求項４３】アノードと制御電極が半導体の表面上で
分離している請求項32に記載の放射線検出器。 - 【請求項４４】アノードと制御電極が半導体の表面上で
バルク材料によって分離されている請求項32に記載の放
射線検出器。 - 【請求項４５】制御電極が円形のリングである請求項32
に記載の放射線検出器。 - 【請求項４６】制御電極が長方形のリングである請求項
32に記載の放射線検出器。 - 【請求項４７】放射線検出器を利用してソースから発せ
られるイオン化放射線を検出する方法であって、放射線
検出器は複数の側面を備えた半導体を有し、半導体は制
御電極、カソード側面及びアノード側面を有し、カソー
ド側面はカソードを備え、アノード側面はアノードを備
え、前記方法が、 （ａ）ソースから発せられる放射線の経路に放射線検出
器を配置し、 （ｂ）カソードとアノードに印加された電圧を介して半
導体の内部に電界を生じさせ、 （ｃ）イオン化放射線によって、半導体内に電子電荷雲
及びそれに付随する正孔雲を生じさせ、 （ｄ）電子電荷雲を電界によってアノードに向けて案内
し、 （ｅ）電荷雲がアノードから比較的大きな距離だけ離れ
ているとき、アノードに誘導される電荷が制御電極に誘
導される電荷に比べて非常に小さくなるように、電荷雲
によって誘導される電荷をアノードと制御電極との間で
分配し、 （ｆ）電子電荷雲によって制御電極に誘導される電荷を
０へと減少させ、アノードに誘導される電荷をアノード
に達する電子電荷雲の全値へと増加させる、工程を有す
る方法。 - 【請求項４８】アノードがアノード寸法を有し、電子電
荷雲がアノードからのアノード寸法とほぼ等しい距離内
にある場合に、電子電荷雲の全値がアノードに誘導され
る請求項47に記載の方法。 - 【請求項４９】電子電荷雲が複数の移動電子を有し、 電子電荷雲を案内する工程が （ａ）電界による複数の案内路を形成し、各案内路は始
点と終点を備え、前記複数の案内路はその始点において
互いに実質的に平行であり、終点付近でアノードに向か
って曲がり、 （ｂ）複数の移動電子の各々を対応する案内路に沿って
アノードに案内する工程をさらに有する、請求項47に記
載の方法。 - 【請求項５０】（ａ）制御電極を制御電圧Vcにバイアス
する工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Vaにバイアスする工程
と、 （ｃ）カソードをカソード電圧Vbにバイアスする工程
と、 （ｄ）VcをVa以下の電圧レベルに維持するする工程と、 をさらに有する請求項47に記載の方法。 - 【請求項５１】アノードを包囲するように制御電極を形
成する工程をさらに有する請求項47に記載の方法。 - 【請求項５２】（ａ）制御電極をコンデンサと結合する
工程と、 （ｂ）コンデンサをグラウンドに結合する工程と、 をさらに有する請求項47に記載の方法。 - 【請求項５３】（ａ）カソードをカソード電圧Vbにバイ
アスする工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Vaにバイアスする工程
と、 （ｃ）コンデンサと制御電極をVb−Vaにより決定された
電圧に帯電する工程と、 をさらに有する請求項52に記載の方法。 - 【請求項５４】半導体が複数の可動電子を有し、電子荷
電雲が前記複数の可動電子の少なくともいくつかからな
る請求項47に記載の方法。 - 【請求項５５】アノードを複数のセグメントに分割する
工程をさらに有する請求項47に記載の方法。 - 【請求項５６】制御電極を複数のセグメントに分割する
工程をさらに有する請求項47に記載の方法。 - 【請求項５７】イオン化放射線を検知するためのシステ
ムであって、 （ａ） 1.複数の側面を有する半導体と、 2.前記半導体のカソード側に形成されたカソードと、 3.前記半導体の、カソード側とは異なる少なくとも１つ
の側面上に形成されたアノードと、 4.前記半導体の、カソード側とは異なる少なくとも１つ
の側面上に形成された制御電極と、 を含む放射線検出器と、 （ｂ）前記半導体の内部に電界を形成する手段とを有
し、 イオン化放射線が放射線検出器に吸収される際に、放射
線イオン化の結果として半導体内で可動電荷雲が生じ、 電界が電子電荷雲をアノードへと案内し、 電子電荷雲がアノードから比較的大きな距離だけ離れて
位置しているとき、アノードの電荷が小さいようにアノ
ードと制御電極が電子電荷雲により誘導された電荷を分
配し、 アノードに電子電荷雲により誘導された電荷が、電子電
荷雲がアノードに接近するにつれて増加するシステム。 - 【請求項５８】アノードがアノード寸法を有し、電界を
形成する手段、制御電極、及びアノードは、電子電荷雲
がアノードに達した際にアノードに電荷が完全に誘導さ
れ、このほとんどがアノードからアノード寸法にほぼ等
しい距離だけ離れた距離内において起きるように配置さ
れている請求項57に記載のシステム。 - 【請求項５９】電子電荷雲が複数の可動電子を有し、電
界を形成する手段が、複数の案内路が前記電界によって
形成され、各案内路は始点と終点を有し、前記複数の案
内路は始点において互いに実質的に平行であり、終点付
近でアノードに向かって曲がっているように配置され、
複数の可動電子の各々が対応する案内路に沿ってアノー
ドへと案内される請求項57に記載のシステム。 - 【請求項６０】アノードを包囲するように制御電極が形
成されている請求項57に記載のシステム。 - 【請求項６１】電界を形成する手段が制御電極及びグラ
ウンドと結合したコンデンサを有する請求項57に記載の
システム。 - 【請求項６２】アノードが電圧Vaを有し、カソードがカ
ソード電圧Vbにバイアスされ、コンデンサと制御電極
が、Vb−Vaにより決定された電圧に帯電される請求項61
に記載のシステム。 - 【請求項６３】カソード、アノード、制御電極を有する
少なくとも３つの電極と、各電極を電圧電位にバイアス
する手段を有する半導体を備え、半導体結晶内で電界が
発生され、半導体結晶にイオン化放射線が吸収される
と、電荷雲が前記半導体内に生じ、 前記電荷雲は半導体内に電荷を誘導し、前記電荷がアノ
ードに接近するまでアノードと制御電極が前記電荷を共
有するイオン化放射線を検知する装置。 - 【請求項６４】制御電圧の電圧電位がアノードの電圧電
位よりも低い請求項63に記載の装置。 - 【請求項６５】半導体がCdZnTe材料で形成されている請
求項63に記載の装置。 - 【請求項６６】制御電極とアノードが半導体の同一側面
上に形成され、制御電極はアノードの周囲にリングを形
成する請求項63に記載の装置。 - 【請求項６７】制御電極と地面に結合したコンデンサを
さらに有する請求項63に記載の装置。 - 【請求項６８】アノードが半導体の一つの側面上に形成
され、電界が複数の電界線を有し、前記電界線は実質的
に互いに平行であり、アノードが形成された側面に実質
的に直交し、電界線がアノードが形成された側面に接近
するに従いアノードに向かって集中する請求項63に記載
の装置。 - 【請求項６９】電荷雲をアノードへ案内するように電界
線が形成されている請求項68に記載の装置。 - 【請求項７０】アノードがアノード寸法を有し、電荷雲
がアノードからアノード寸法にほぼ相当する距離だけ離
れた距離内にあるとき、制御電極が電荷の無視できるシ
ェアのみを有するように３つの電極が形成されている請
求項63に記載の装置。 - 【請求項７１】電荷雲がアノードから前記距離以上に離
れているとき、アノードが電荷の少量のシェアを有する
ように３つの電極が形成されている請求項70に記載の装
置。 - 【請求項７２】前記半導体が半導体内で可動の複数の電
子を有し、電荷雲が少なくともいくつかの前記可動電子
を有するように３つの電極が形成されている請求項63に
記載の装置。 - 【請求項７３】少なくとも約0.5mmの厚さと、カソー
ド、アノード、制御電極を含む少なくとも３つの電極を
有する半導体を有し、イオン化放射線が前記半導体内に
電荷雲を生じ、前記電極は前記半導体上に形成され、電
極をバイアスする手段が前記半導体内に電界パターンを
生じ、前記電界パターンはイオン化放射線の結果生じた
電荷雲をアノードに向かって収束し、その結果アノード
の半導体内における正孔トラッピングの影響を実質的に
低減し、放射線検出器が約20KeVより大きなエネルギー
の検出が可能であるイオン化放射線を検出するための装
置。 - 【請求項７４】制御電極が、アノードがバイアスされる
電圧レベルよりも低い電圧レベルにバイアスされる請求
項73に記載の装置。 - 【請求項７５】前記半導体は複数の側面を有し、制御電
極とアノードは、前記半導体の、カソードが形成された
側面と反対側の側面上に形成され、制御電極はアノード
を包囲している請求項73に記載の装置。 - 【請求項７６】アノードが接点を有する請求項73に記載
の装置。 - 【請求項７７】制御電極がコンデンサと結合し、前記コ
ンデンサが地面と結合し、前記制御電極とコンデンサ
は、前記アノードとカソードの電圧レベルにより決定さ
れた電圧レベルに帯電されている請求項73に記載の装
置。 - 【請求項７８】（ａ）複数の側面と少なくとも約0.5mm
の厚さを有する半導体と、 （ｂ）前記半導体の少なくとも１つの側面に形成された
カソードと、 （ｃ）前記半導体の少なくとも１つの側面に形成された
アノードのアレイと、 （ｄ）前記半導体内のイオン化により生じた電荷雲を対
応するアノードへ案内するため、また半導体内の正孔ト
ラッピングのアノードアレイへの影響を実質的に低減す
るために前記半導体の少なくとも１つの側面に形成さ
れ、アノードのアレイ内のアノードの各々に影響を与え
るように形成されている制御電極パターンと、 を有する放射線検出器アレイであって、 前記放射線検出器が約20KeVより大きなエネルギーを検
出することが可能である放射線検出器アレイ。 - 【請求項７９】制御電極パターンがグリッドパターンを
有する請求項78に記載の放射線検出器。 - 【請求項８０】各アノードが制御電極パターンの対応す
る部分によって包囲され、各アノード及びその対応部分
が画素を構成する請求項78に記載の放射線検出器。 - 【請求項８１】アノードアレイ中の少なくともいくつか
のアノードが相互に電気的に結合している請求項78に記
載の放射線検出器。 - 【請求項８２】Vc＝Vbである請求項18に記載の放射線検
出器。 - 【請求項８３】制御電極がバイアス電極に接続されてい
る請求項18に記載の放射線検出器。 - 【請求項８４】制御電極がバイアス電極の一部分である
請求項18に記載の放射線検出器。 - 【請求項８５】Vc＝Vbである請求項32に記載の放射線検
出器。 - 【請求項８６】制御電極がバイアス電極に接続されてい
る請求項32に記載の放射線検出器。 - 【請求項８７】制御電極がバイアス電極の一部分である
請求項32に記載の放射線検出器。 - 【請求項８８】Vc＝Vbになるようにカソードと制御電極
をバイアスする工程を有する請求項50に記載の手段。 - 【請求項８９】制御電極がバイアス電極に接続されてい
る請求項49に記載の手段。 - 【請求項９０】制御電極がバイアス電極の一部分である
請求項49に記載の手段。 - 【請求項９１】制御電極が電圧Vcを有し、Vc＝Vbである
請求項62に記載のシステム。 - 【請求項９２】制御電極がカソードに接続されている請
求項57に記載のシステム。 - 【請求項９３】制御電極がカソードの一部分である請求
項57に記載のシステム。 - 【請求項９４】制御電極がカソードと同じ電圧電位にバ
イアスされている請求項63に記載のシステム。 - 【請求項９５】制御電極がカソードに接続されている請
求項63に記載のシステム。 - 【請求項９６】制御電極がバイアス電極の一部分である
請求項63に記載のシステム。 - 【請求項９７】制御電極がカソードがバイアスされる電
圧と等しい電圧にバイアスされている請求項73に記載の
装置。 - 【請求項９８】制御電極がカソードに接続されている請
求項73に記載の装置。 - 【請求項９９】制御電極がカソードの一部分である請求
項73に記載の装置。 - 【請求項１００】制御電極が電圧Vcを有し、カソード電
極が電圧Vbを有し、Vc＝Vbである請求項78に記載の放射
線検出器。 - 【請求項１０１】制御電極がカソードに接続されている
請求項78に記載の放射線検出器。 - 【請求項１０２】制御電極がカソードの一部分である請
求項78に記載の放射線検出器。
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