JP3413241B2 - 電子管 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、入射した光を検出する
光電管に係わり、特にアノードとして電子線照射型ダイ
オードを使用する光電管に関するものである。
光電管に係わり、特にアノードとして電子線照射型ダイ
オードを使用する光電管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】シリコン素子に電子が入射すると、電子
は運動エネルギを放出し、最終的には静止する。シリコ
ン素子の中では、放出されたエネルギ３．６ｅＶごとに
１対の電子−正孔が生成する。したがって、−１０ｋＶ
が印加された光電面から放出された電子がシリコン素子
に入射すれば、約２８００個の電子−正孔対が生成さ
れ、対の一方を信号電荷として取り出すことが可能であ
る。したがって、光電面を有する電子管にアノードとし
て、シリコンダイオードを封入すという構成で、非常に
高感度であり、且つ入射した光子数を定量的に計測でき
る光検出器を構成することが原理的には可能であり、製
品開発が進められている。
は運動エネルギを放出し、最終的には静止する。シリコ
ン素子の中では、放出されたエネルギ３．６ｅＶごとに
１対の電子−正孔が生成する。したがって、−１０ｋＶ
が印加された光電面から放出された電子がシリコン素子
に入射すれば、約２８００個の電子−正孔対が生成さ
れ、対の一方を信号電荷として取り出すことが可能であ
る。したがって、光電面を有する電子管にアノードとし
て、シリコンダイオードを封入すという構成で、非常に
高感度であり、且つ入射した光子数を定量的に計測でき
る光検出器を構成することが原理的には可能であり、製
品開発が進められている。
【０００３】図５は、上記の原理を応用した従来の電子
管でアノードとして使用される半導体電子検出器として
の電子線照射型ダイオードの構成図である。図５（ａ）
はこの電子線照射型ダイオードの構造断面を示し、図５
（ｂ）はこの半導体電子検出器の電極管に電圧を印加し
た場合の内部における電界強度の分布を示す。この電子
線照射型ダイオードは、（ａ）２００μｍ厚、１ｋΩ−
ｃｍの抵抗を有する高抵抗ｎ型シリコン基板７１０と、
（ｂ）基板７１０といわゆる階段接合し、５×１０19ｃ
ｍ-3のｐ型不純物を含む、深さが０．５μｍのｐ型高濃
度拡散層７２０と、（ｃ）ｐ型高濃度拡散層７２０の電
子線の入射領域を除いた表面領域と基板７１０のｐ型高
濃度拡散層７２０を形成した側の表面とに形成されたシ
リコン酸化膜７３０と、（ｄ）基板７１０のｐ型高濃度
拡散層７２０を形成した側と反対側の表面に形成され、
逆バイアス電圧の印加時の基板７１０内の空乏層広がり
を停止させるｎ型高濃度層７４０と、（ｅ）ｐ型高濃度
拡散層７２０の電子線の入射領域を除いた表面領域に形
成された電極７５１と、（ｆ）ｎ型高濃度層７４０の表
面に形成された電極７５２と、から構成される。
管でアノードとして使用される半導体電子検出器として
の電子線照射型ダイオードの構成図である。図５（ａ）
はこの電子線照射型ダイオードの構造断面を示し、図５
（ｂ）はこの半導体電子検出器の電極管に電圧を印加し
た場合の内部における電界強度の分布を示す。この電子
線照射型ダイオードは、（ａ）２００μｍ厚、１ｋΩ−
ｃｍの抵抗を有する高抵抗ｎ型シリコン基板７１０と、
（ｂ）基板７１０といわゆる階段接合し、５×１０19ｃ
ｍ-3のｐ型不純物を含む、深さが０．５μｍのｐ型高濃
度拡散層７２０と、（ｃ）ｐ型高濃度拡散層７２０の電
子線の入射領域を除いた表面領域と基板７１０のｐ型高
濃度拡散層７２０を形成した側の表面とに形成されたシ
リコン酸化膜７３０と、（ｄ）基板７１０のｐ型高濃度
拡散層７２０を形成した側と反対側の表面に形成され、
逆バイアス電圧の印加時の基板７１０内の空乏層広がり
を停止させるｎ型高濃度層７４０と、（ｅ）ｐ型高濃度
拡散層７２０の電子線の入射領域を除いた表面領域に形
成された電極７５１と、（ｆ）ｎ型高濃度層７４０の表
面に形成された電極７５２と、から構成される。
【０００４】ここで、ｐ型高濃度拡散層７２０の電子線
の入射領域にシリコン酸化膜を形成しない理由は、シリ
コン酸化膜が不感帯となり、その中で吸収された入射電
子の運動エネルギによって生じる電子−正孔対として発
生した電荷を信号電荷として取り出すことができないた
めである。
の入射領域にシリコン酸化膜を形成しない理由は、シリ
コン酸化膜が不感帯となり、その中で吸収された入射電
子の運動エネルギによって生じる電子−正孔対として発
生した電荷を信号電荷として取り出すことができないた
めである。
【０００５】また、基板７１０として高抵抗（１ｋΩ−
ｃｍ）のシリコン部材を使用する理由は、逆バイアス電
圧を印加して空乏層を広げるとともに、接合容量を小さ
くして高速性を達成するためである。例えば、上記の電
子線照射型ダイオードに１５０Ｖの逆バイアス電圧を印
加して基板７１０の厚み全体に関して空乏状態とした場
合には、接合容量が約０．５ｐＦとなる。外付けの負荷
抵抗は通常５０Ωであるから、ＣＲ時定数は２５ｐｓｅ
ｃとなり、電子管に封入される電子検出器として要求さ
れるナノ秒オーダの動作が可能である。なお、シリコン
酸化膜７３０は暗電流の抑制のために形成されている。
ｃｍ）のシリコン部材を使用する理由は、逆バイアス電
圧を印加して空乏層を広げるとともに、接合容量を小さ
くして高速性を達成するためである。例えば、上記の電
子線照射型ダイオードに１５０Ｖの逆バイアス電圧を印
加して基板７１０の厚み全体に関して空乏状態とした場
合には、接合容量が約０．５ｐＦとなる。外付けの負荷
抵抗は通常５０Ωであるから、ＣＲ時定数は２５ｐｓｅ
ｃとなり、電子管に封入される電子検出器として要求さ
れるナノ秒オーダの動作が可能である。なお、シリコン
酸化膜７３０は暗電流の抑制のために形成されている。
【０００６】図５（ｂ）は、以上の電子線照射型ダイオ
ードに逆バイアス電圧を印加した場合の図５（ａ）にお
けるＡ−Ｂ間での電界強度分布を示す。図示の通り、空
乏層内では信号電荷（電子）を移動させる電界が発生し
ており、ｐｎ接合面で極大値となる様子を示している。
ードに逆バイアス電圧を印加した場合の図５（ａ）にお
けるＡ−Ｂ間での電界強度分布を示す。図示の通り、空
乏層内では信号電荷（電子）を移動させる電界が発生し
ており、ｐｎ接合面で極大値となる様子を示している。
【０００７】電子管の光電面に光が入射すると、光電面
から電子が放出される。この電子は光電面とアノードで
ある上記の電子線照射型ダイオードとの間に印加された
電圧によって加速され、遮光板によって選択された電子
が電子線照射型ダイオードにｐ型高濃度拡散層７２０の
電子線入射面から入射する。入射した電子は、電子線照
射型ダイオードを構成するシリコン部材中で運動エネル
ギを放出し、電子−正孔対を生成する。この時、電子線
照射型ダイオードには逆バイアス電圧が印加され、基板
７１０は空乏化している。空乏層で電子−正孔対として
発生した信号電荷は、信号電流として出力される。
から電子が放出される。この電子は光電面とアノードで
ある上記の電子線照射型ダイオードとの間に印加された
電圧によって加速され、遮光板によって選択された電子
が電子線照射型ダイオードにｐ型高濃度拡散層７２０の
電子線入射面から入射する。入射した電子は、電子線照
射型ダイオードを構成するシリコン部材中で運動エネル
ギを放出し、電子−正孔対を生成する。この時、電子線
照射型ダイオードには逆バイアス電圧が印加され、基板
７１０は空乏化している。空乏層で電子−正孔対として
発生した信号電荷は、信号電流として出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来の電子管で使用さ
れている電子線照射型ダイオードは上記のように構成さ
れ、電子線が入射する高濃度不純物層は導電性が良い。
これは、逆バイアス電圧を印加した場合、この高濃度不
純物層にも空乏領域が成長するが、空乏領域がシリコン
酸化膜との界面にまで至ると、いわゆる表面準位のため
暗電流が大幅に増加するので、これを防止するためであ
る。したがって、高濃度不純物層での空乏領域はｐｎ接
合面の近傍の非常に薄い領域にしか形成されないので、
電子線の入射面から空乏層までの領域である高濃度不純
物層のほとんどの領域は不感帯となる。この不感帯で発
生した電子−正孔対から信号電荷を有効に取り出すこと
はできないので、光検出器としての電子管の感度や精度
を低下させるので、高濃度不純物層は薄いほど好まし
い。
れている電子線照射型ダイオードは上記のように構成さ
れ、電子線が入射する高濃度不純物層は導電性が良い。
これは、逆バイアス電圧を印加した場合、この高濃度不
純物層にも空乏領域が成長するが、空乏領域がシリコン
酸化膜との界面にまで至ると、いわゆる表面準位のため
暗電流が大幅に増加するので、これを防止するためであ
る。したがって、高濃度不純物層での空乏領域はｐｎ接
合面の近傍の非常に薄い領域にしか形成されないので、
電子線の入射面から空乏層までの領域である高濃度不純
物層のほとんどの領域は不感帯となる。この不感帯で発
生した電子−正孔対から信号電荷を有効に取り出すこと
はできないので、光検出器としての電子管の感度や精度
を低下させるので、高濃度不純物層は薄いほど好まし
い。
【０００９】しかし、高濃度不純物層を薄くすればする
ほど電界集中が大きくなり、降伏電圧が小さくなる。更
に、高濃度不純物層の厚さに対する接合の湾曲の度合い
が大きくなると降伏電圧は極端に小さくなる。すなわ
ち、高速動作のために高抵抗を有する基板に十分な空乏
領域を形成する逆バイアス電圧の印加を確保するには、
ある程度の厚みを有する高濃度不純物層が必須であり、
光検出器としての電子管の感度や精度の低下が避けられ
ない、という問題があった。
ほど電界集中が大きくなり、降伏電圧が小さくなる。更
に、高濃度不純物層の厚さに対する接合の湾曲の度合い
が大きくなると降伏電圧は極端に小さくなる。すなわ
ち、高速動作のために高抵抗を有する基板に十分な空乏
領域を形成する逆バイアス電圧の印加を確保するには、
ある程度の厚みを有する高濃度不純物層が必須であり、
光検出器としての電子管の感度や精度の低下が避けられ
ない、という問題があった。
【００１０】また、光電面で発生した電子は加速されて
電子線照射型ダイオードに入射するので、運動エネルギ
を放出して静止するまでにｐｎ接合面を通過することが
ある。例えば、上記のように１０ｋｅＶに加速された電
子がシリコンに入射すると、入射面から平均で数μｍ程
度侵入するので、０．５μｍの高濃度不純物層の厚さで
はほぼ確実に電界強度の最も大きいｐｎ接合面を通過す
る（図５（ｂ）参照）。高エネルギ電子の通過によりシ
リコンのバンドギャップ中に多数のエネルギレベルが作
り出される（S.M.SZE : Physics of Semiconductor Dev
ives, p.49）。これらのエネルギレベルは暗電流の原因
となるが、電界強度の大きなｐｎ接合面付近でのバンド
ギャップ中における多数のエネルギレベルの生成は大き
な暗電流の原因となり、電子管としての感度や精度に対
して悪影響を与えるという問題点があった。
電子線照射型ダイオードに入射するので、運動エネルギ
を放出して静止するまでにｐｎ接合面を通過することが
ある。例えば、上記のように１０ｋｅＶに加速された電
子がシリコンに入射すると、入射面から平均で数μｍ程
度侵入するので、０．５μｍの高濃度不純物層の厚さで
はほぼ確実に電界強度の最も大きいｐｎ接合面を通過す
る（図５（ｂ）参照）。高エネルギ電子の通過によりシ
リコンのバンドギャップ中に多数のエネルギレベルが作
り出される（S.M.SZE : Physics of Semiconductor Dev
ives, p.49）。これらのエネルギレベルは暗電流の原因
となるが、電界強度の大きなｐｎ接合面付近でのバンド
ギャップ中における多数のエネルギレベルの生成は大き
な暗電流の原因となり、電子管としての感度や精度に対
して悪影響を与えるという問題点があった。
【００１１】更に、電子の照射が進めばｐｎ接合面が荒
れてしまうことにより、逆バイアス電圧に対する耐圧の
低下が想定される。耐圧が低下すると、基板に広く空乏
層を広げるほどには逆バイアス電圧を印加することがで
きず、ＣＲ時定数が大きくなり動作速度が低下するとい
う問題点があった。
れてしまうことにより、逆バイアス電圧に対する耐圧の
低下が想定される。耐圧が低下すると、基板に広く空乏
層を広げるほどには逆バイアス電圧を印加することがで
きず、ＣＲ時定数が大きくなり動作速度が低下するとい
う問題点があった。
【００１２】本発明は、上記の状況を鑑みてなされたも
のであり、不感帯を薄くでき且つ入射電子がｐｎ接合面
にまで侵入しない構造の電子線照射型ダイオードを実現
することにより、感度および精度を向上した電子管を提
供することを目的とする。
のであり、不感帯を薄くでき且つ入射電子がｐｎ接合面
にまで侵入しない構造の電子線照射型ダイオードを実現
することにより、感度および精度を向上した電子管を提
供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の電子管は、封入
する半導体電子検出器である電子照射型ダイオードのｐ
ｎ接合面を不純物を低濃度に含む基板と低濃度不純物層
である低濃度不純物層とで形成する。逆バイアス電圧の
印加によって生じる空乏領域を基板と低濃度不純物層と
の厚さ方向の全域に渡って形成するとともに、低濃度不
純物層のｐｎ接合面とは反対の表面に空乏領域の成長を
止める低濃度不純物層と同一の導電型を有する高濃度不
純物層を形成する。この結果、この高濃度不純物層の厚
さは耐圧の要因とならず、この高濃度不純物層の厚さを
薄くすることができる、ことを利用して従来の電子管の
問題点の解決を図っている。
する半導体電子検出器である電子照射型ダイオードのｐ
ｎ接合面を不純物を低濃度に含む基板と低濃度不純物層
である低濃度不純物層とで形成する。逆バイアス電圧の
印加によって生じる空乏領域を基板と低濃度不純物層と
の厚さ方向の全域に渡って形成するとともに、低濃度不
純物層のｐｎ接合面とは反対の表面に空乏領域の成長を
止める低濃度不純物層と同一の導電型を有する高濃度不
純物層を形成する。この結果、この高濃度不純物層の厚
さは耐圧の要因とならず、この高濃度不純物層の厚さを
薄くすることができる、ことを利用して従来の電子管の
問題点の解決を図っている。
【００１４】すなわち、本発明の第１の電子管は、半導
体電子線検出器を封入した電子管であって、半導体電子
線検出器は、（ａ）第１の導電型を有するシリコン基板
と、（ｂ）シリコン基板の一方の表面に形成された第１
の導電型を有する第１の高濃度不純物層と、（ｃ）シリ
コン基板の他方の表面に形成された第２の導電型を有す
る低濃度不純物層と、（ｄ）シリコン基板の他方の表面
の低濃度不純物層領域を取り巻く領域に形成された第１
の導電型を有するアイソレーション層と、（ｅ）低濃度
不純物層の表面に形成された第２の導電型を有する第２
の高濃度不純物層と、（ｆ）アイソレーション層の表面
と第２の高濃度層の表面の外周付近を含む領域とに形成
されたシリコン酸化膜と、（ｇ）第１の高濃度不純物層
の表面に形成された第１の電極と、（ｈ）第２の高濃度
不純物層の表面に形成された第２の電極と、から構成さ
れ第２の高濃度不純物層のシリコン酸化膜が形成されて
いない表面から電子を入射することを特徴とする。
体電子線検出器を封入した電子管であって、半導体電子
線検出器は、（ａ）第１の導電型を有するシリコン基板
と、（ｂ）シリコン基板の一方の表面に形成された第１
の導電型を有する第１の高濃度不純物層と、（ｃ）シリ
コン基板の他方の表面に形成された第２の導電型を有す
る低濃度不純物層と、（ｄ）シリコン基板の他方の表面
の低濃度不純物層領域を取り巻く領域に形成された第１
の導電型を有するアイソレーション層と、（ｅ）低濃度
不純物層の表面に形成された第２の導電型を有する第２
の高濃度不純物層と、（ｆ）アイソレーション層の表面
と第２の高濃度層の表面の外周付近を含む領域とに形成
されたシリコン酸化膜と、（ｇ）第１の高濃度不純物層
の表面に形成された第１の電極と、（ｈ）第２の高濃度
不純物層の表面に形成された第２の電極と、から構成さ
れ第２の高濃度不純物層のシリコン酸化膜が形成されて
いない表面から電子を入射することを特徴とする。
【００１５】本発明の第２の電子管は、半導体電子線検
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第１の電子管における半導体電子線検出器の第
２の高濃度不純物層の表面の前記シリコン酸化膜が形成
された領域と第２の電極が形成された領域とを除く領域
とに、第２の高濃度不純物層の有するバンドギャップよ
りも大きなバンドギャップを有する半導体材料からな
り、前記第２の高濃度不純物層とヘテロ接合するワイド
バンドギャップ層が形成され、ワイドバンドギャップ層
の表面から電子を入射することを特徴とする。
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第１の電子管における半導体電子線検出器の第
２の高濃度不純物層の表面の前記シリコン酸化膜が形成
された領域と第２の電極が形成された領域とを除く領域
とに、第２の高濃度不純物層の有するバンドギャップよ
りも大きなバンドギャップを有する半導体材料からな
り、前記第２の高濃度不純物層とヘテロ接合するワイド
バンドギャップ層が形成され、ワイドバンドギャップ層
の表面から電子を入射することを特徴とする。
【００１６】本発明の第３の電子管は、半導体電子線検
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第１の電子管における半導体電子線検出器の基
板と低濃度不純物層との間に高濃度不純物層を形成し
た、ことを特徴とする。
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第１の電子管における半導体電子線検出器の基
板と低濃度不純物層との間に高濃度不純物層を形成し
た、ことを特徴とする。
【００１７】本発明の第４の電子管は、半導体電子線検
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第２の電子管における半導体電子線検出器の基
板と低濃度不純物層との間に高濃度不純物層を形成し
た、ことを特徴とする。
出器を封入した電子管であって、半導体電子線検出器
は、上記第２の電子管における半導体電子線検出器の基
板と低濃度不純物層との間に高濃度不純物層を形成し
た、ことを特徴とする。
【００１８】
【作用】本発明に係る第１の電子管では、電子線照射型
ダイオードには逆バイアス電圧が印加されており、低濃
度不純物層の厚さ方向の全領域は空乏化している。した
がって、加速電子の電子線照射型ダイオード内における
侵入領域で空乏化していないのは、低濃度不純物層の表
面に形成された低濃度不純物層と同一の導電型を有する
高濃度不純物層のみである。また、アイソレーション拡
散層は、ｐｎ接合面が側面に露出することを防止するの
で、暗電流を抑止する。
ダイオードには逆バイアス電圧が印加されており、低濃
度不純物層の厚さ方向の全領域は空乏化している。した
がって、加速電子の電子線照射型ダイオード内における
侵入領域で空乏化していないのは、低濃度不純物層の表
面に形成された低濃度不純物層と同一の導電型を有する
高濃度不純物層のみである。また、アイソレーション拡
散層は、ｐｎ接合面が側面に露出することを防止するの
で、暗電流を抑止する。
【００１９】この電子管の光電面に光が入射すると光電
子を発生する。この光電子は加速され電子線照射型ダイ
オードに入射する。この入射加速電子は電子入射面を有
する高濃度不純物層と空乏化された低濃度不純物層ある
いは基板とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生
成する。この場合、電子入射面を有する高濃度不純物層
は非常に薄いので、ほとんどエネルギの放出はなされ
ず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出する。こ
のエネルギの放出によって発生した電子−正孔対から取
り出された信号電荷は、電極から信号として出力され
る。
子を発生する。この光電子は加速され電子線照射型ダイ
オードに入射する。この入射加速電子は電子入射面を有
する高濃度不純物層と空乏化された低濃度不純物層ある
いは基板とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生
成する。この場合、電子入射面を有する高濃度不純物層
は非常に薄いので、ほとんどエネルギの放出はなされ
ず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出する。こ
のエネルギの放出によって発生した電子−正孔対から取
り出された信号電荷は、電極から信号として出力され
る。
【００２０】本発明に係る第２の電子管では、上記の第
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、非常に薄いワイドギャップ層が加速電子の入射面
に形成されヘテロ接合する結果、信号電荷に対して良好
なアキュムレーション状態が発現する。この状態で、こ
の電子管の光電面に光が入射するのにともなって発生し
た光電子を加速して電子線照射型ダイオードに入射する
と、第１の電子管と同様に電子−正孔対を生成するが、
加速電子の入射面付近が良好なアキュムレーション状態
となっているので、信号電荷の一方が効率良くｐｎ接合
面に到達し、信号電荷の他方との表面付近での再結合を
低減できる。こうして効率良く収集した信号電荷は、電
極から信号として出力される。なお、ワイドバンドギャ
ップ層は一種のパッシベーション膜としても作用し、封
入時に発生するアルカリ金属の汚染から電子線照射型ダ
イオードを保護する。
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、非常に薄いワイドギャップ層が加速電子の入射面
に形成されヘテロ接合する結果、信号電荷に対して良好
なアキュムレーション状態が発現する。この状態で、こ
の電子管の光電面に光が入射するのにともなって発生し
た光電子を加速して電子線照射型ダイオードに入射する
と、第１の電子管と同様に電子−正孔対を生成するが、
加速電子の入射面付近が良好なアキュムレーション状態
となっているので、信号電荷の一方が効率良くｐｎ接合
面に到達し、信号電荷の他方との表面付近での再結合を
低減できる。こうして効率良く収集した信号電荷は、電
極から信号として出力される。なお、ワイドバンドギャ
ップ層は一種のパッシベーション膜としても作用し、封
入時に発生するアルカリ金属の汚染から電子線照射型ダ
イオードを保護する。
【００２１】本発明に係る第３の電子管では、上記の第
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現する。この
状態で、この電子管の光電面に光が入射にともなって発
生した光電子を加速して電子線照射型ダイオードに入射
すると、第１の電子管と同様に電子−正孔対が生成さ
れ、信号電荷の一方はｐｎ接合面への方向に進行する。
この信号電荷の一方は、ｐｎ接合面を通過する直前にア
バランシェ増倍される。したがって、基板に到達する信
号電荷の総量は第１の電子管の場合に比べて増大したも
のとなる。こうして増大した信号電荷は、電極から信号
として出力される。
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現する。この
状態で、この電子管の光電面に光が入射にともなって発
生した光電子を加速して電子線照射型ダイオードに入射
すると、第１の電子管と同様に電子−正孔対が生成さ
れ、信号電荷の一方はｐｎ接合面への方向に進行する。
この信号電荷の一方は、ｐｎ接合面を通過する直前にア
バランシェ増倍される。したがって、基板に到達する信
号電荷の総量は第１の電子管の場合に比べて増大したも
のとなる。こうして増大した信号電荷は、電極から信号
として出力される。
【００２２】本発明に係る第４の電子管では、上記の第
２の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現する。した
がって、第１の電子管に対しての第２の電子管における
改善点および第１の電子管に対しての第３の電子管にお
ける改善点の双方が改善された作用を有する。この結
果、効率良くｐｎ接合面への方向へ進行する信号電荷が
アバランシェ増倍されて、電極から信号として出力され
る。
２の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現する。した
がって、第１の電子管に対しての第２の電子管における
改善点および第１の電子管に対しての第３の電子管にお
ける改善点の双方が改善された作用を有する。この結
果、効率良くｐｎ接合面への方向へ進行する信号電荷が
アバランシェ増倍されて、電極から信号として出力され
る。
【００２３】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同
一の符号を付し、重複する説明を省略する。
説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同
一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】（第１実施例）図１は本実施例に係る電子
管の構成図であり、図１（ａ）は電子管全体の構成を、
図１（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は、光を受光して電子を放
出する光電面１１１を有する光電面板１１０と、ガラス
バルブ１２０とで封入容器を構成し、封入容器内に、光
電面から放出された電子を絞り込む第１グリッド１３１
および第２グリッド１３２と、加速された電子の進路を
制限する遮蔽板１４０と、入射した加速電子を検出して
信号電荷を出力する電子線照射型ダイオード（以後、単
にダイオードとも称する）２００と、を含んで構成され
る。ダイオード２００には、直流電源（Ｅ）から負荷抵
抗（Ｒ）を介して逆バイアス電圧が印加される。ダイオ
ード２００で発生した信号電荷が負荷抵抗（Ｒ）を流れ
ることによって生じた負荷抵抗（Ｒ）の両端に発生した
電圧信号は増幅器（ＡＭＰ）に入力される。なお、本実
施例の電子管では光電子の加速電圧は１０ｋＶであり、
したがって、加速電子のシリコン部材への侵入深さは数
μｍである。
管の構成図であり、図１（ａ）は電子管全体の構成を、
図１（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は、光を受光して電子を放
出する光電面１１１を有する光電面板１１０と、ガラス
バルブ１２０とで封入容器を構成し、封入容器内に、光
電面から放出された電子を絞り込む第１グリッド１３１
および第２グリッド１３２と、加速された電子の進路を
制限する遮蔽板１４０と、入射した加速電子を検出して
信号電荷を出力する電子線照射型ダイオード（以後、単
にダイオードとも称する）２００と、を含んで構成され
る。ダイオード２００には、直流電源（Ｅ）から負荷抵
抗（Ｒ）を介して逆バイアス電圧が印加される。ダイオ
ード２００で発生した信号電荷が負荷抵抗（Ｒ）を流れ
ることによって生じた負荷抵抗（Ｒ）の両端に発生した
電圧信号は増幅器（ＡＭＰ）に入力される。なお、本実
施例の電子管では光電子の加速電圧は１０ｋＶであり、
したがって、加速電子のシリコン部材への侵入深さは数
μｍである。
【００２５】ダイオード２００は、（ア）ｎ型の導電性
を有する１ｍｍ角のシリコン基板２１０と、（イ）シリ
コン基板２１０の一方の表面に形成されたｎ型の導電性
を有する高濃度不純物層（以後、ｎ型高濃度層と称す
る）２５０と、（ウ）シリコン基板２１０の他方の表面
に形成されたｐ型の導電性を有するアノード層２２０
と、（エ）シリコン基板２１０の他方の表面のアノード
層２２０領域を取り巻く領域に形成されたｎ型の導電性
を有するアイソレーション層２３０と、（オ）アノード
層２２０の表面に形成されたｐ型の導電性を有する高濃
度不純物層（以後、ｐ型高濃度層と称する）２４０と、
（カ）アイソレーション層２３０の表面とｐ型高濃度層
２４０の外周付近を含む領域とに形成されたシリコン酸
化膜２６０と、（キ）ｎ型高濃度層２５０の表面に形成
された電極２７１と、（ク）ｐ型高濃度層２４０の表面
に形成された電極２７２と、から構成される。
を有する１ｍｍ角のシリコン基板２１０と、（イ）シリ
コン基板２１０の一方の表面に形成されたｎ型の導電性
を有する高濃度不純物層（以後、ｎ型高濃度層と称す
る）２５０と、（ウ）シリコン基板２１０の他方の表面
に形成されたｐ型の導電性を有するアノード層２２０
と、（エ）シリコン基板２１０の他方の表面のアノード
層２２０領域を取り巻く領域に形成されたｎ型の導電性
を有するアイソレーション層２３０と、（オ）アノード
層２２０の表面に形成されたｐ型の導電性を有する高濃
度不純物層（以後、ｐ型高濃度層と称する）２４０と、
（カ）アイソレーション層２３０の表面とｐ型高濃度層
２４０の外周付近を含む領域とに形成されたシリコン酸
化膜２６０と、（キ）ｎ型高濃度層２５０の表面に形成
された電極２７１と、（ク）ｐ型高濃度層２４０の表面
に形成された電極２７２と、から構成される。
【００２６】本実施例では、シリコン基板２１０は、比
抵抗０．０１Ωｃｍとなる程度のｎ型不純物を含有する
２００μｍ厚のシリコンから形成され、アノード層２２
０は、比抵抗が１００Ωｃｍ程度となるｐ型不純物を含
有するシリコンをエピタキシャル成長で４０μｍ厚に形
成する。
抵抗０．０１Ωｃｍとなる程度のｎ型不純物を含有する
２００μｍ厚のシリコンから形成され、アノード層２２
０は、比抵抗が１００Ωｃｍ程度となるｐ型不純物を含
有するシリコンをエピタキシャル成長で４０μｍ厚に形
成する。
【００２７】また、アイソレーション拡散層２３０は、
ｎ型シリコン基板２１０の一方の表面にｐ型層を形成
後、ｐ型層（結果的にはシリコン基板の一部を含んで）
の所定の領域にｎ型不純物を拡散して形成され、ｐｎ接
合面が側面に露出することを防止する。この結果、暗電
流を抑止する。
ｎ型シリコン基板２１０の一方の表面にｐ型層を形成
後、ｐ型層（結果的にはシリコン基板の一部を含んで）
の所定の領域にｎ型不純物を拡散して形成され、ｐｎ接
合面が側面に露出することを防止する。この結果、暗電
流を抑止する。
【００２８】また、ｐ型高濃度層２４０は５×１０19ｃ
ｍ-3の不純物濃度を有する０．１μｍ厚の層である。こ
の厚さのほぼ全てが不感帯となるが、従来の電子照射型
ダイオードの構成に比べて不感帯の厚さが低減される。
ｐ型高濃度層２４０とシリコン基板２１０との間にはア
ノード層２２０が介在するので、ｐ型高濃度層２４０の
厚さがｐｎ接合面の耐圧を決定する要因とはならず、ま
た、逆バイアス電圧の印加に伴う空乏領域の成長を有効
に止める。
ｍ-3の不純物濃度を有する０．１μｍ厚の層である。こ
の厚さのほぼ全てが不感帯となるが、従来の電子照射型
ダイオードの構成に比べて不感帯の厚さが低減される。
ｐ型高濃度層２４０とシリコン基板２１０との間にはア
ノード層２２０が介在するので、ｐ型高濃度層２４０の
厚さがｐｎ接合面の耐圧を決定する要因とはならず、ま
た、逆バイアス電圧の印加に伴う空乏領域の成長を有効
に止める。
【００２９】この電子管の光電面１１１に光が入射する
と光電子を発生する。この光電子は加速され電子線照射
型ダイオード２００に入射する。電子線照射型ダイオー
ド２００の電極２７１と電極２７２との間には略１００
Ｖの逆バイアス電圧が印加され、アノード層２２０のほ
ぼ全域とシリコン基板２１０のｐｎ接合面付近には空乏
化されている。入射加速電子は電子入射面を有するｐ型
高濃度層２４０と空乏化されたアノード層２２０とで運
動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成する。この場
合、電子入射面を有するｐ型高濃度層２４０は非常に薄
いので、ほとんどエネルギの放出はなされず、空乏領域
で実質的に全てのエネルギを放出する。このエネルギの
放出によって発生した電子−正孔対から取り出された信
号電荷は、電極２７１および電極２７２から信号として
出力される。
と光電子を発生する。この光電子は加速され電子線照射
型ダイオード２００に入射する。電子線照射型ダイオー
ド２００の電極２７１と電極２７２との間には略１００
Ｖの逆バイアス電圧が印加され、アノード層２２０のほ
ぼ全域とシリコン基板２１０のｐｎ接合面付近には空乏
化されている。入射加速電子は電子入射面を有するｐ型
高濃度層２４０と空乏化されたアノード層２２０とで運
動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成する。この場
合、電子入射面を有するｐ型高濃度層２４０は非常に薄
いので、ほとんどエネルギの放出はなされず、空乏領域
で実質的に全てのエネルギを放出する。このエネルギの
放出によって発生した電子−正孔対から取り出された信
号電荷は、電極２７１および電極２７２から信号として
出力される。
【００３０】ところで、１０ｋｅＶの電子はシリコン部
材の深さ数μｍ程度までの領域で運動エネルギを全て放
出する。すなわち、入射加速電子の侵入深さは数μｍ程
度であり、信号電荷のほとんど全てはアノード層２２０
で発生する。この信号電荷が抵抗（Ｒ）を流れることに
よって生じる信号電流の立上り時間は、電子−正孔対の
発生位置から正孔がｐ型高濃度層２４０に到達するまで
の時間と、電子−正孔対の発生位置から電子がｐｎ接合
面に到達するまでの時間と、遅い方で主に決定される。
電子−正孔対の発生位置が加速電子の入射面から数μｍ
程度であり、アノード層２２０の厚さが４０μｍであ
る。このことを考えると、アノード層２２０中の電子の
移動度と正孔の移動度との相違を考慮しても、電子の走
行時間で信号電流の立上がり時間が決まる。また、信号
電流の立下り時間は、基板２１０内の空乏領域を電子が
走行する時間で決定されるが、シリコン基板２１０とア
ノード層２２０との比抵抗の相違から、シリコン基板内
の空乏領域は薄くなり立上り時間に比べて小さくなる。
材の深さ数μｍ程度までの領域で運動エネルギを全て放
出する。すなわち、入射加速電子の侵入深さは数μｍ程
度であり、信号電荷のほとんど全てはアノード層２２０
で発生する。この信号電荷が抵抗（Ｒ）を流れることに
よって生じる信号電流の立上り時間は、電子−正孔対の
発生位置から正孔がｐ型高濃度層２４０に到達するまで
の時間と、電子−正孔対の発生位置から電子がｐｎ接合
面に到達するまでの時間と、遅い方で主に決定される。
電子−正孔対の発生位置が加速電子の入射面から数μｍ
程度であり、アノード層２２０の厚さが４０μｍであ
る。このことを考えると、アノード層２２０中の電子の
移動度と正孔の移動度との相違を考慮しても、電子の走
行時間で信号電流の立上がり時間が決まる。また、信号
電流の立下り時間は、基板２１０内の空乏領域を電子が
走行する時間で決定されるが、シリコン基板２１０とア
ノード層２２０との比抵抗の相違から、シリコン基板内
の空乏領域は薄くなり立上り時間に比べて小さくなる。
【００３１】本実施例の電子管では、アノード層２２０
の電子の走行時間の最大値は以下のように求められる。
なお、逆バイアス電圧は上記のように１００Ｖである。 ・アノード層２２０の空乏化に必要な逆バイアス電圧…
６０Ｖ ・アノード層２２０の完全空乏化によって生じるｐｎ接
合部の最大電界…３×１０4 Ｖ／ｃｍ ・（１００Ｖ−６０Ｖ）＝４０Ｖによって生じる電界…
１×１０4 Ｖ／ｃｍ ここで、電子の移動度を１８００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓｅ
ｃ）として、（アノード層２２０の電子の走行時間の最
大値）＝約０．１ｎｓｅｃとなる。したがって、本実施
例の電子管はナノ秒オーダの動作が可能である。
の電子の走行時間の最大値は以下のように求められる。
なお、逆バイアス電圧は上記のように１００Ｖである。 ・アノード層２２０の空乏化に必要な逆バイアス電圧…
６０Ｖ ・アノード層２２０の完全空乏化によって生じるｐｎ接
合部の最大電界…３×１０4 Ｖ／ｃｍ ・（１００Ｖ−６０Ｖ）＝４０Ｖによって生じる電界…
１×１０4 Ｖ／ｃｍ ここで、電子の移動度を１８００ｃｍ2 ／（Ｖ・ｓｅ
ｃ）として、（アノード層２２０の電子の走行時間の最
大値）＝約０．１ｎｓｅｃとなる。したがって、本実施
例の電子管はナノ秒オーダの動作が可能である。
【００３２】なお、本実施例ではアノード層をエピタキ
シャル成長法で形成したが、拡散ウエファ法あるいは張
り合わせウエファ法で形成してもよい。
シャル成長法で形成したが、拡散ウエファ法あるいは張
り合わせウエファ法で形成してもよい。
【００３３】動作スピードが同程度で、更に大面積のダ
イオードを封入した電子管が必要な場合には、大面積に
なって接合容量が増加した分、空乏層を広げて、結果的
には接合容量を変化させなければよい。具体的には、以
下のような方法がある。 （１）エピタキシャル成長による層成長を増す、また
は、拡散型ウエファ若しくは張り合わせウエファなどを
用いて厚いアノード層を形成するとともに、逆バイアス
電圧を増加して空乏層を大きく広げる。 （２）シリコン基板の不純物濃度を下げ、シリコン基板
側にも空乏層が広がる構成とする。
イオードを封入した電子管が必要な場合には、大面積に
なって接合容量が増加した分、空乏層を広げて、結果的
には接合容量を変化させなければよい。具体的には、以
下のような方法がある。 （１）エピタキシャル成長による層成長を増す、また
は、拡散型ウエファ若しくは張り合わせウエファなどを
用いて厚いアノード層を形成するとともに、逆バイアス
電圧を増加して空乏層を大きく広げる。 （２）シリコン基板の不純物濃度を下げ、シリコン基板
側にも空乏層が広がる構成とする。
【００３４】例えば、拡散ウエファを用いて、アノード
層の厚さを８０μｍとして、アノード層が全空乏する逆
バイアス電圧を印加する。これにより、入射面積を１ｍ
ｍ角から１．５ｍｍ角に拡大できる。この場合、信号電
流の立上り時間および立下り時間を決定する信号電子の
走行時間は、空乏層が厚くなった分だけ長くなる。但
し、この走行時間は加わる電界に反比例するので、印加
する逆バイアス電圧を２倍とすれば、動作速度を確保で
きる。
層の厚さを８０μｍとして、アノード層が全空乏する逆
バイアス電圧を印加する。これにより、入射面積を１ｍ
ｍ角から１．５ｍｍ角に拡大できる。この場合、信号電
流の立上り時間および立下り時間を決定する信号電子の
走行時間は、空乏層が厚くなった分だけ長くなる。但
し、この走行時間は加わる電界に反比例するので、印加
する逆バイアス電圧を２倍とすれば、動作速度を確保で
きる。
【００３５】（第２実施例）図２は本実施例に係る電子
管の構成図であり、図２（ａ）は電子管全体の構成を、
図２（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
管の構成図であり、図２（ａ）は電子管全体の構成を、
図２（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
【００３６】本実施例の電子管に封入される電子線照射
型ダイオード３００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、シリコンのバンドギャッ
プよりも大きなバンドギャップを有する材料物質を基材
としてｐ型の導電性を有するワイドバンドギャップ層３
８０を加速電子入射面に形成して構成される。すなわ
ち、この電子線照射型ダイオード３００は、（ア）ｎ型
の導電性を有する１ｍｍ角のシリコン基板３１０と、
（イ）シリコン基板３１０の一方の表面に形成されたｎ
型高濃度層３５０と、（ウ）シリコン基板３１０の他方
の表面に形成されたｐ型の導電性を有するアノード層３
２０と、（エ）シリコン基板３１０の他方の表面のアノ
ード層３２０領域を取り巻く領域に形成されたｎ型の導
電性を有するアイソレーション層３３０と、（オ）アノ
ード層３２０の表面に形成されたｐ型高濃度層３４０
と、（カ）アイソレーション層３３０の表面とｐ型高濃
度層３４０の外周付近を含む領域とに形成されたシリコ
ン酸化膜３６０と、（キ）ｎ型高濃度層３５０の表面に
形成された電極３７２と、（ク）ｐ型高濃度層３４０の
表面に形成された電極３７１と、（ケ）ｐ型の導電性を
有する数ｎｍ厚のワイドバンドギャップ層３８０と、か
ら構成される。
型ダイオード３００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、シリコンのバンドギャッ
プよりも大きなバンドギャップを有する材料物質を基材
としてｐ型の導電性を有するワイドバンドギャップ層３
８０を加速電子入射面に形成して構成される。すなわ
ち、この電子線照射型ダイオード３００は、（ア）ｎ型
の導電性を有する１ｍｍ角のシリコン基板３１０と、
（イ）シリコン基板３１０の一方の表面に形成されたｎ
型高濃度層３５０と、（ウ）シリコン基板３１０の他方
の表面に形成されたｐ型の導電性を有するアノード層３
２０と、（エ）シリコン基板３１０の他方の表面のアノ
ード層３２０領域を取り巻く領域に形成されたｎ型の導
電性を有するアイソレーション層３３０と、（オ）アノ
ード層３２０の表面に形成されたｐ型高濃度層３４０
と、（カ）アイソレーション層３３０の表面とｐ型高濃
度層３４０の外周付近を含む領域とに形成されたシリコ
ン酸化膜３６０と、（キ）ｎ型高濃度層３５０の表面に
形成された電極３７２と、（ク）ｐ型高濃度層３４０の
表面に形成された電極３７１と、（ケ）ｐ型の導電性を
有する数ｎｍ厚のワイドバンドギャップ層３８０と、か
ら構成される。
【００３７】ワイドバンドギャップ層３８０は、スパッ
タ、ＰＶＤ、あるいはＣＶＤ装置などで高濃度層３４０
と同一の導電型を有するシリコンカーバイドやカドミウ
ム・テルル等を堆積させて形成される。この堆積は、比
較的低温で可能であり、シリコン部材の損傷を招かずに
すむ。また、ワイドバンドギャップなので温度変化に対
しても安定であり暗電流の生成源とはならないととも
に、ｐ型高濃度層３４０とヘテロ接合して加速電子入射
面をアキュムレーション状態とする。更に、一種のパッ
シベーション膜としても作用し、封入時に発生するアル
カリ金属の汚染から電子線照射型ダイオードを保護す
る。なお、ワイドバンドギャップ層３８０は不感帯とな
るが、非常に薄いので、ワイドバンドギャップ層３８０
による不感帯の増加は実質的に無視できる。
タ、ＰＶＤ、あるいはＣＶＤ装置などで高濃度層３４０
と同一の導電型を有するシリコンカーバイドやカドミウ
ム・テルル等を堆積させて形成される。この堆積は、比
較的低温で可能であり、シリコン部材の損傷を招かずに
すむ。また、ワイドバンドギャップなので温度変化に対
しても安定であり暗電流の生成源とはならないととも
に、ｐ型高濃度層３４０とヘテロ接合して加速電子入射
面をアキュムレーション状態とする。更に、一種のパッ
シベーション膜としても作用し、封入時に発生するアル
カリ金属の汚染から電子線照射型ダイオードを保護す
る。なお、ワイドバンドギャップ層３８０は不感帯とな
るが、非常に薄いので、ワイドバンドギャップ層３８０
による不感帯の増加は実質的に無視できる。
【００３８】この電子管の光電面１１１に光が入射する
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
３００に入射する。ダイオード３００の電極３７１と電
極３７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層３２０のほぼ全域とシリコン基板３１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子は電子入射面を有するｐ型高濃度層３４０と空乏化さ
れたアノード層３２０とで運動エネルギを放出し、電子
−正孔対を生成する。この場合、ワイドバンドギャップ
層３８０とｐ型高濃度層３４０は薄いので、ほとんどエ
ネルギの放出はなされず、空乏領域で実質的に全てのエ
ネルギを放出する。このエネルギの放出によって発生し
た電子−正孔対を生成するが、加速電子の入射面付近が
良好なアキュムレーション状態となっているので、信号
電荷の一方である電子は効率良くｐｎ接合面に到達す
る。こうして効率良く収集した信号電荷は、電極２７１
および電極２７２から信号として出力される。
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
３００に入射する。ダイオード３００の電極３７１と電
極３７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層３２０のほぼ全域とシリコン基板３１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子は電子入射面を有するｐ型高濃度層３４０と空乏化さ
れたアノード層３２０とで運動エネルギを放出し、電子
−正孔対を生成する。この場合、ワイドバンドギャップ
層３８０とｐ型高濃度層３４０は薄いので、ほとんどエ
ネルギの放出はなされず、空乏領域で実質的に全てのエ
ネルギを放出する。このエネルギの放出によって発生し
た電子−正孔対を生成するが、加速電子の入射面付近が
良好なアキュムレーション状態となっているので、信号
電荷の一方である電子は効率良くｐｎ接合面に到達す
る。こうして効率良く収集した信号電荷は、電極２７１
および電極２７２から信号として出力される。
【００３９】本実施例の電子管においても第１実施例と
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
【００４０】（第３実施例）図３は本実施例に係る電子
管の構成図であり、図３（ａ）は電子管全体の構成を、
図３（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
管の構成図であり、図３（ａ）は電子管全体の構成を、
図３（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
【００４１】本実施例の電子管に封入される電子線照射
型ダイオード４００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、基板とアノード層との間
に、ｐ型高濃度層を形成して構成される。すなわち、こ
の電子線照射型ダイオード４００は、（ア）ｎ型の導電
性を有する１ｍｍ角のシリコン基板４１０と、（イ）シ
リコン基板４１０の一方の表面に形成されたｎ型高濃度
層４５０と、（ウ）シリコン基板４１０の他方の表面の
所定の領域に形成されたｐ型高濃度層４９０と、（エ）
シリコン基板４１０の他方の表面に形成されたｐ型の導
電性を有するアノード層４２０と、（オ）シリコン基板
４１０の他方の表面のアノード層４２０領域を取り巻く
領域に形成されたｎ型の導電性を有するアイソレーショ
ン層４３０と、（カ）アノード層４２０の表面に形成さ
れたｐ型高濃度層４４０と、（キ）アイソレーション層
４３０の表面とｐ型高濃度層４４０の外周付近を含む領
域とに形成されたシリコン酸化膜４６０と、（ク）ｎ型
高濃度層４５０の表面に形成された電極４７２と、
（ケ）ｐ型高濃度層４４０の表面に形成された電極４７
１と、から構成される。
型ダイオード４００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、基板とアノード層との間
に、ｐ型高濃度層を形成して構成される。すなわち、こ
の電子線照射型ダイオード４００は、（ア）ｎ型の導電
性を有する１ｍｍ角のシリコン基板４１０と、（イ）シ
リコン基板４１０の一方の表面に形成されたｎ型高濃度
層４５０と、（ウ）シリコン基板４１０の他方の表面の
所定の領域に形成されたｐ型高濃度層４９０と、（エ）
シリコン基板４１０の他方の表面に形成されたｐ型の導
電性を有するアノード層４２０と、（オ）シリコン基板
４１０の他方の表面のアノード層４２０領域を取り巻く
領域に形成されたｎ型の導電性を有するアイソレーショ
ン層４３０と、（カ）アノード層４２０の表面に形成さ
れたｐ型高濃度層４４０と、（キ）アイソレーション層
４３０の表面とｐ型高濃度層４４０の外周付近を含む領
域とに形成されたシリコン酸化膜４６０と、（ク）ｎ型
高濃度層４５０の表面に形成された電極４７２と、
（ケ）ｐ型高濃度層４４０の表面に形成された電極４７
１と、から構成される。
【００４２】ｐ型高濃度層４９０は、埋め込み拡散法あ
るいはエピタキシャル成長法によって形成される。エピ
タキシャル成長法による場合は、２重エピタキシャル成
長をする。逆バイアス電圧の印加時にはｐ型高濃度層４
９０に高電界が発生し、アバランシェ増倍機能が発現す
る。
るいはエピタキシャル成長法によって形成される。エピ
タキシャル成長法による場合は、２重エピタキシャル成
長をする。逆バイアス電圧の印加時にはｐ型高濃度層４
９０に高電界が発生し、アバランシェ増倍機能が発現す
る。
【００４３】この電子管の光電面１１１に光が入射する
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
４００に入射する。ダイオード４００の電極４７１と電
極４７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層４２０のほぼ全域とシリコン基板４１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子はｐ型高濃度層４４０と空乏化されたアノード層４２
０とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成す
る。この場合、ワイドバンドギャップ層４８０とｐ型高
濃度層４４０は薄いので、ほとんどエネルギの放出はな
されず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出す
る。このエネルギの放出によって発生した電子−正孔対
を生成するが、信号電荷の一方である電子はｐｎ接合面
に到達する直前にアバランシェ増倍される。こうして増
倍された信号電荷は、電極４７１および電極４７２から
信号として出力される。なお、アバランシェ増倍率は１
００程度にはすることが通常可能なので、非常に感度の
良い電子管を実現できる。
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
４００に入射する。ダイオード４００の電極４７１と電
極４７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層４２０のほぼ全域とシリコン基板４１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子はｐ型高濃度層４４０と空乏化されたアノード層４２
０とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成す
る。この場合、ワイドバンドギャップ層４８０とｐ型高
濃度層４４０は薄いので、ほとんどエネルギの放出はな
されず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出す
る。このエネルギの放出によって発生した電子−正孔対
を生成するが、信号電荷の一方である電子はｐｎ接合面
に到達する直前にアバランシェ増倍される。こうして増
倍された信号電荷は、電極４７１および電極４７２から
信号として出力される。なお、アバランシェ増倍率は１
００程度にはすることが通常可能なので、非常に感度の
良い電子管を実現できる。
【００４４】本実施例の電子管においても第１実施例と
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
【００４５】（第４実施例）図４は本実施例に係る電子
管の構成図であり、図４（ａ）は電子管全体の構成を、
図４（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
管の構成図であり、図４（ａ）は電子管全体の構成を、
図４（ｂ）は電子管に封入された電子線照射型ダイオー
ドの構成を示す。この電子管は第１実施例の電子管と比
べて、封入する電子線照射型ダイオードが異なるのみ
で、それ以外は同様に構成される。
【００４６】本実施例の電子管に封入される電子線照射
型ダイオード５００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、シリコンのバンドギャッ
プよりも大きなバンドギャップを有する材料物質を基材
としてｐ型の導電性を有するワイドバンドギャップ層５
８０を加速電子入射面に形成して構成される。すなわ
ち、この電子線照射型ダイオード５００は、（ア）ｎ型
の導電性を有する１ｍｍ角のシリコン基板５１０と、
（イ）シリコン基板５１０の一方の表面に形成されたｎ
型高濃度層５５０と、（ウ）シリコン基板５１０の他方
の表面の所定の領域に形成されたｐ型高濃度層５９０
と、（エ）シリコン基板５１０の他方の表面に形成され
たｐ型の導電性を有するアノード層５２０と、（オ）シ
リコン基板５１０の他方の表面のアノード層５２０領域
を取り巻く領域に形成されたｎ型の導電性を有するアイ
ソレーション層５３０と、（カ）アノード層５２０の表
面に形成されたｐ型高濃度層５４０と、（キ）アイソレ
ーション層５３０の表面とｐ型高濃度層５４０の外周付
近を含む領域とに形成されたシリコン酸化膜５６０と、
（ク）ｎ型高濃度層５５０の表面に形成された電極５７
２と、（ケ）ｐ型高濃度層５４０の表面に形成された電
極５７１と、（コ）ｐ型の導電性を有する数ｎｍ厚のワ
イドバンドギャップ層５８０と、から構成される。
型ダイオード５００は、第１実施例の電子線照射型ダイ
オードと同様の構成に加えて、シリコンのバンドギャッ
プよりも大きなバンドギャップを有する材料物質を基材
としてｐ型の導電性を有するワイドバンドギャップ層５
８０を加速電子入射面に形成して構成される。すなわ
ち、この電子線照射型ダイオード５００は、（ア）ｎ型
の導電性を有する１ｍｍ角のシリコン基板５１０と、
（イ）シリコン基板５１０の一方の表面に形成されたｎ
型高濃度層５５０と、（ウ）シリコン基板５１０の他方
の表面の所定の領域に形成されたｐ型高濃度層５９０
と、（エ）シリコン基板５１０の他方の表面に形成され
たｐ型の導電性を有するアノード層５２０と、（オ）シ
リコン基板５１０の他方の表面のアノード層５２０領域
を取り巻く領域に形成されたｎ型の導電性を有するアイ
ソレーション層５３０と、（カ）アノード層５２０の表
面に形成されたｐ型高濃度層５４０と、（キ）アイソレ
ーション層５３０の表面とｐ型高濃度層５４０の外周付
近を含む領域とに形成されたシリコン酸化膜５６０と、
（ク）ｎ型高濃度層５５０の表面に形成された電極５７
２と、（ケ）ｐ型高濃度層５４０の表面に形成された電
極５７１と、（コ）ｐ型の導電性を有する数ｎｍ厚のワ
イドバンドギャップ層５８０と、から構成される。
【００４７】ワイドバンドギャップ層５８０は第２実施
例と、ｐ型高濃度層４９０は第３実施例と同様にして構
成される。
例と、ｐ型高濃度層４９０は第３実施例と同様にして構
成される。
【００４８】この電子管の光電面１１１に光が入射する
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
５００に入射する。ダイオード５００の電極５７１と電
極５７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層５２０のほぼ全域とシリコン基板５１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子はｐ型高濃度層５４０と空乏化されたアノード層５２
０とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成す
る。この場合、ワイドバンドギャップ層５８０とｐ型高
濃度層５４０は薄いので、ほとんどエネルギの放出はな
されず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出す
る。このエネルギの放出によって発生した電子−正孔対
を生成するが、信号電荷の一方である電子は効率良くｐ
ｎ接合面の方向へ進行し、到達直前にアバランシェ増倍
される。こうして増倍された信号電荷は、電極５７１お
よび電極５７２から信号として出力される。
と光電子が発生し、第１実施例と同様にしてダイオード
５００に入射する。ダイオード５００の電極５７１と電
極５７２との間には略１００Ｖの逆バイアス電圧が印加
され、アノード層５２０のほぼ全域とシリコン基板５１
０のｐｎ接合面付近には空乏化されている。入射加速電
子はｐ型高濃度層５４０と空乏化されたアノード層５２
０とで運動エネルギを放出し、電子−正孔対を生成す
る。この場合、ワイドバンドギャップ層５８０とｐ型高
濃度層５４０は薄いので、ほとんどエネルギの放出はな
されず、空乏領域で実質的に全てのエネルギを放出す
る。このエネルギの放出によって発生した電子−正孔対
を生成するが、信号電荷の一方である電子は効率良くｐ
ｎ接合面の方向へ進行し、到達直前にアバランシェ増倍
される。こうして増倍された信号電荷は、電極５７１お
よび電極５７２から信号として出力される。
【００４９】本実施例の電子管においても第１実施例と
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
同様に、アノード層を拡散ウエファ法あるいは張り合わ
せウエファ法で形成してもよい。
【００５０】
【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の第
１の電子管によれば、封入する電子線照射型ダイオード
に関して、ｐｎ接合面を不純物を低濃度に含む基板と低
濃度不純物層とで形成し、低濃度不純物層のｐｎ接合面
とは反対の表面に空乏領域の成長を止める低濃度不純物
層と同一の導電型を有する薄い高濃度不純物層を形成し
て、逆バイアス電圧の印加によって生じる空乏領域を低
濃度不純物層の厚さ方向の全域に渡って形成することに
したので、不感帯を薄くすることが可能になり、感度や
精度を向上した電子管を実現できる。また、低濃度不純
物層の側面側の周囲にはアイソレーション拡散層を形成
したので、ｐｎ接合面の露出が防止されることによる暗
電流が抑止され、電子管の感度や精度の向上が達成され
る。
１の電子管によれば、封入する電子線照射型ダイオード
に関して、ｐｎ接合面を不純物を低濃度に含む基板と低
濃度不純物層とで形成し、低濃度不純物層のｐｎ接合面
とは反対の表面に空乏領域の成長を止める低濃度不純物
層と同一の導電型を有する薄い高濃度不純物層を形成し
て、逆バイアス電圧の印加によって生じる空乏領域を低
濃度不純物層の厚さ方向の全域に渡って形成することに
したので、不感帯を薄くすることが可能になり、感度や
精度を向上した電子管を実現できる。また、低濃度不純
物層の側面側の周囲にはアイソレーション拡散層を形成
したので、ｐｎ接合面の露出が防止されることによる暗
電流が抑止され、電子管の感度や精度の向上が達成され
る。
【００５１】本発明に係る第２の電子管では、上記の第
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、非常に薄いワイドギャップ層が加速電子の入射面
に形成されヘテロ接合する結果、信号電荷に対して良好
なアキュムレーション状態が発現し、信号電荷が効率良
くｐｎ接合面に到達するので、第１の電子管よりも更に
感度や精度を向上した電子管を実現できる。
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、非常に薄いワイドギャップ層が加速電子の入射面
に形成されヘテロ接合する結果、信号電荷に対して良好
なアキュムレーション状態が発現し、信号電荷が効率良
くｐｎ接合面に到達するので、第１の電子管よりも更に
感度や精度を向上した電子管を実現できる。
【００５２】本発明に係る第３の電子管では、上記の第
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現するので、
入射加速電子の運動エネルギの放出にともなう出力信号
電荷が増大し、第１の電子管よりも更に感度や精度を向
上した電子管を実現できる。
１の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現するので、
入射加速電子の運動エネルギの放出にともなう出力信号
電荷が増大し、第１の電子管よりも更に感度や精度を向
上した電子管を実現できる。
【００５３】本発明に係る第４の電子管では、上記の第
２の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現するので、
第１の電子管に対しての第２の電子管における改善点お
よび第１の電子管に対しての第３の電子管における改善
点の双方が改善された感度や精度を有する電子管を実現
できる。
２の電子管における電子線照射型ダイオードの構成に加
えて、基板と低濃度不純物層との間に低濃度不純物層と
同一の導電型を有する高濃度不純物層を形成されてお
り、逆バイアス電圧の印加時にはこの高濃度不純物層に
高電界が発生しアバランシェ増倍機能が発現するので、
第１の電子管に対しての第２の電子管における改善点お
よび第１の電子管に対しての第３の電子管における改善
点の双方が改善された感度や精度を有する電子管を実現
できる。
【００５４】特に、第３および第４の光電管のようにア
バランシェ増倍を利用する場合は、非常に高い利得を得
ることが可能であり、単一光子の検出が可能となる。ま
た、光電子増倍管で問題になるダイノードに起因する利
得の不安定性や応答特性が改善されるので、超高感度・
超高速の光検出器が実現できる。更に、光電子増倍管に
比べて増倍揺らぎが小さくなるので、入射光子の計数も
可能となる。
バランシェ増倍を利用する場合は、非常に高い利得を得
ることが可能であり、単一光子の検出が可能となる。ま
た、光電子増倍管で問題になるダイノードに起因する利
得の不安定性や応答特性が改善されるので、超高感度・
超高速の光検出器が実現できる。更に、光電子増倍管に
比べて増倍揺らぎが小さくなるので、入射光子の計数も
可能となる。
【図１】本発明に係る第１実施例の電子管の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明に係る第２実施例の電子管の構成図であ
る。
る。
【図３】本発明に係る第３実施例の電子管の構成図であ
る。
る。
【図４】本発明に係る第４実施例の電子管の構成図であ
る。
る。
【図５】従来の電子管で使用される電子線照射型ダイオ
ードの説明図である。
ードの説明図である。
１１０…光電面板、１２０…ガラスバルブ、１３１，１
３２…グリッド、１４０…遮蔽板、２００，３００，４
００，５００…電子線照射型ダイオード、２１０，３１
０，４１０，５１０…シリコン基板、２２０，３２０，
４２０，５２０…アノード層、２３０，３３０，４３
０，５３０…アイソレーション拡散層、２４０，３４
０，４４０，５４０…ｐ型高濃度不純物層、２６０，３
６０，４６０，５６０…シリコン酸化膜、２７１，２７
２，３７１，３７２，４７１，４７２，５７１，５７２
…電極、３８０，５８０…ワイドバンドギャップ層、４
９０，５９０…アバランシェ層
３２…グリッド、１４０…遮蔽板、２００，３００，４
００，５００…電子線照射型ダイオード、２１０，３１
０，４１０，５１０…シリコン基板、２２０，３２０，
４２０，５２０…アノード層、２３０，３３０，４３
０，５３０…アイソレーション拡散層、２４０，３４
０，４４０，５４０…ｐ型高濃度不純物層、２６０，３
６０，４６０，５６０…シリコン酸化膜、２７１，２７
２，３７１，３７２，４７１，４７２，５７１，５７２
…電極、３８０，５８０…ワイドバンドギャップ層、４
９０，５９０…アバランシェ層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭58−57760（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−227168（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−190826（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 40/04
H01J 31/49
G01T 1/24
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体電子線検出器を封入した電子管で
あって、 前記半導体電子線検出器は、 第１の導電型を有するシリコン基板と、 前記シリコン基板の一方の表面に形成された第１の導電
型を有する第１の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の他方の表面に形成された第２の導電
型を有する低濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記低濃度不純物
層領域を取り巻く領域に形成された第１の導電型を有す
るアイソレーション層と、 前記低濃度不純物層の表面に形成された第２の導電型を
有する第２の高濃度不純物層と、 前記アイソレーション層の表面と前記第２の高濃度層の
表面の外周付近を含む領域に形成されたシリコン酸化膜
と、 前記第１の高濃度不純物層の表面に形成された第１の電
極と、 前記第２の高濃度不純物層の表面に形成された第２の電
極と、 から構成され、前記第２の高濃度不純物層の表面から電
子を入射することを特徴とする電子管。 - 【請求項２】 半導体電子線検出器を封入した電子管で
あって、 前記半導体電子線検出器は、 第１の導電型を有するシリコン基板と、 前記シリコン基板の一方の表面に形成された第１の導電
型を有する第１の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の他方の表面に形成された第２の導電
型を有する低濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記低濃度不純物
層領域を取り巻く領域に形成された第１の導電型を有す
るアイソレーション層と、 前記低濃度不純物層の表面に形成された第２の導電型を
有する第２の高濃度不純物層と、 前記アイソレーション層の表面と前記第２の高濃度不純
物層の表面の外周付近を含む領域に形成されたシリコン
酸化膜と、 前記第１の高濃度不純物層の表面に形成された第１の電
極と、 前記第２の高濃度不純物層の表面に形成された第２の電
極と、 前記第２の高濃度不純物層の表面の前記シリコン酸化膜
が形成された領域と前記第２の電極が形成された領域と
を除く領域に形成された、前記第２の高濃度不純物層の
有するバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有
し、第２の導電型を有する半導体材料からなり、前記第
２の高濃度不純物層とヘテロ接合するワイドバンドギャ
ップ層と、 から構成され、前記ワイドバンドギャップ層の表面から
電子を入射することを特徴とする電子管。 - 【請求項３】 半導体電子線検出器を封入した電子管で
あって、 前記半導体電子線検出器は、 第１の導電型を有するシリコン基板と、 前記シリコン基板の一方の表面に形成された第１の導電
型を有する第１の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の他方の表面の第１の領域に形成され
た第２の導電型を有する第２の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記第１の領域を
囲む第２の領域と前記第２の高濃度不純物層の表面に形
成された第２の導電型を有する低濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記低濃度不純物
層領域を取り巻く領域に形成された第１の導電型を有す
るアイソレーション層と、 前記低濃度不純物層の表面に形成された第２の導電型を
有する第３の高濃度不純物層と、 前記アイソレーション層の表面と前記第３の高濃度層の
表面の外周付近を含む領域に形成されたシリコン酸化膜
と、 前記第１の高濃度不純物層の表面に形成された第１の電
極と、 前記第３の高濃度不純物層の表面に形成された第２の電
極と、 から構成され、前記第３の高濃度不純物層の表面から電
子を入射することを特徴とする電子管。 - 【請求項４】 半導体電子線検出器を封入した電子管で
あって、 前記半導体電子線検出器は、 第１の導電型を有するシリコン基板と、 前記シリコン基板の一方の表面に形成された第１の導電
型を有する第１の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の他方の表面の第１の領域に形成され
た第２の導電型を有する第２の高濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記第１の領域を
囲む第２の領域と前記第２の高濃度不純物層の表面に形
成された第２の導電型を有する低濃度不純物層と、 前記シリコン基板の前記他方の表面の前記低濃度不純物
層領域を取り巻く領域に形成された第１の導電型を有す
るアイソレーション層と、 前記低濃度不純物層の表面に形成された第２の導電型を
有する第３の高濃度不純物層と、 前記アイソレーション層の表面と前記第３の高濃度不純
物層の表面の外周付近を含む領域に形成されたシリコン
酸化膜と、 前記第１の高濃度不純物層の表面に形成された第１の電
極と、 前記第３の高濃度不純物層の表面に形成された第２の電
極と、 前記第３の高濃度不純物層の表面の前記シリコン酸化膜
が形成された領域と前記第２の電極が形成された領域と
を除く領域に形成された、前記第３の高濃度不純物層の
有するバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有
し、第２の導電型を有する半導体材料からなり、前記第
３の高濃度不純物層とヘテロ接合するワイドバンドギャ
ップ層と、 から構成され、前記ワイドバンドギャップ層の表面から
電子を入射することを特徴とする電子管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10701993A JP3413241B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 電子管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10701993A JP3413241B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 電子管 |
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| JPH06318447A JPH06318447A (ja) | 1994-11-15 |
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Family
ID=14448457
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10701993A Expired - Fee Related JP3413241B2 (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 電子管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3413241B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
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|---|---|---|---|---|
| JPH08148113A (ja) * | 1994-11-24 | 1996-06-07 | Hamamatsu Photonics Kk | 光電子増倍管 |
| JPH09210907A (ja) * | 1996-02-06 | 1997-08-15 | Bunshi Bio Photonics Kenkyusho:Kk | 走査型蛍光検出装置 |
| US5874728A (en) * | 1996-05-02 | 1999-02-23 | Hamamatsu Photonics K.K. | Electron tube having a photoelectron confining mechanism |
| JPH09297055A (ja) * | 1996-05-02 | 1997-11-18 | Hamamatsu Photonics Kk | 電子管 |
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