JP3441101B2

JP3441101B2 - 電子管

Info

Publication number: JP3441101B2
Application number: JP02431393A
Authority: JP
Inventors: 本比呂須山; 雅治村松; 晃永山本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 2003-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JPH06243795A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非常に微弱な光を定量
的に計測する光測定用の電子管に関し、特に、遺伝子の
解読を代表例とする医療の分野や、その他の微弱光測定
分野に利用される電子管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光測定用の電子管に内蔵された裏
面照射型のＣＣＤ１００の構造を図１４に示す。同図よ
り、ｐ型のシリコン基板１０１の上面には保護膜である
シリコン酸化膜１０２が形成され、このシリコン酸化膜
１０２の上にポリシリコン電極１０３が形成されてい
る。さらに、シリコン基板１０１の裏面には電子導入層
であるシリコン酸化膜１０４が形成されている。

【０００３】次に、このＣＣＤ１００の製造プロセスの
代表例を示す。

【０００４】使用ウエファはｐ／ｐ⁺型シリコンエピタ
キシャル成長ウエファであり、エピタキシャル層の比抵
抗と厚みは、３０Ω−ｃｍ、３０μｍ、サブの比抵抗と
厚みは、０．０１Ω−ｃｍ、５００μｍである。

【０００５】まず第１の処理として、金属配線まで含め
たすべてのＣＣＤ製造プロセスを終了させる。裏面薄形
化プロセス前にできる限り全てのプロセスを終えておく
ことは、作業の複雑化を避け、歩留りを低下させない為
に当然行われるべきである。

【０００６】第２の処理として、シリコン基板１０１裏
面のシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を除去し、クロ
ーム／金を堆積させる。これは、酸系エッチャントのエ
ッチングマスクである。そして受光面にあたる部分、す
なわち薄形化したいシリコン基板１０１裏面の入射面の
クローム／金層を除去する。

【０００７】第３の処理として、チップに分割後、ホル
ダにワックスでつける。

【０００８】第４の処理として、ＨＦ：ＨＮＯ₃：ＣＨ
₃ＣＯＯＨ＝１：３：８等で、チップの周辺部は厚く残
したままシリコン基板１０１裏面をエッチングする。

【０００９】第５の処理として、１２０℃の蒸気中に４
８時間さらして、シリコン基板１０１の裏面にシリコン
酸化膜１０４を形成する。この様な低温下で酸化膜を形
成するのは、既にシリコン基板１０１の上面にアルミニ
ウム配線まで形成されているからである。しかしなが
ら、それでもアルミニウム配線の腐食は避けられない。

【００１０】第６の処理として、シリコン酸化膜１０４
に負イオンを照射して、シリコン基板１０１裏面のアキ
ュームレーションを行う。この場合、短波長に対する感
度をあげるためにシリコン基板１０１裏面をアキューム
レーション状態にし、効率よく電子がＣＣＤのポテンシ
ャル井戸に到達できる構造としなければならない。

【００１１】ここで、第６の処理でシリコン基板１０１
裏面のアキュームレーションを行うのは、シリコン酸化
膜１０４に近づくにつれて、図１５に示すポテンシャル
プロファイルが実線１０５のように上を向く特性を備え
た素子を製作するためである。

【００１２】このようなポテンシャルプロファイルを持
つようにすれば、シリコン酸化膜１０４近くで生成した
信号電子が、シリコン基板１０１の裏面近くで再結合す
ることなくＣＣＤのポテンシャル井戸１０６に向かうこ
とができる。この特性は、特にシリコン基板１０１の裏
面約１μｍ以内で吸収される低エネルギー電子線の検出
の際に重要となる。逆に、ポテンシャルプロファイルが
図１５の破線１０７で示すようにシリコン酸化膜１０４
に近づくにつれて下がっていると、信号電子は、ほとん
ど全てシリコン基板１０１の裏面近くで再結合してしま
い、信号を得ることができない。したがって、図１５に
示すポテンシャルプロファイルが実線１０５になるよう
素子を作製することが重要になる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述した第６の処理で
は、ｐ型のシリコン基板１０１に対してボロンをイオン
注入し、さらに、高温の熱処理（アニール）を施して電
子導入層であるシリコン酸化膜１０４近傍をＰ⁺とする
ことによって、シリコン基板１０１の裏面をアキューム
レーション状態にするのが一般的である。

【００１４】ところが、従来例では、この内の熱処理
（６００℃付近と１０００℃付近の熱処理を連続して行
ういわゆる２ステップアニール）が十分に行えないとい
う欠点があった。

【００１５】すなわち、金属配線形成後に薄形化・イオ
ン注入・熱処理を行いたいが、この順に従ってプロセス
を行うと、配線材料であるアルミニウムの溶解温度（約
５００度）以上の高温のアニールを行うことができない
ため、アキュームレーションが不十分となる。アニール
が不足すれば、少数キャリアの寿命が短くなり、電子入
射に対する増倍ゲインを向上させることはできない。

【００１６】また、アルミニウム配線前に薄形化・イオ
ン注入・アニールを行いアキュームレーション処理を行
うことは、原理的には可能である。ところが、現実の問
題として、１５ミクロン程度に薄形化された部分は、変
形し易いので初期の平坦化を保っていることができず、
さらに、強度も著しく弱いので薄形化部分の保護も必要
になるなどの問題が生じ、通常の方法でのアルミ配線は
困難である。

【００１７】そのうえ、このような表面処理では特性的
にも問題がある。すなわち、シリコン基板１０１の裏面
にシリコン酸化膜１０４を形成しなければ、イオン注入
したボロン原子のアウトディフュージョンが生じ、表面
のボロン濃度が低くなるために、意図したポテンシャル
プロファイルを形成できない。このため、シリコン基板
１０１裏面のシリコン酸化膜１０４は必須である。しか
し、ボロン原子は酸化膜中に非常に取り込まれ易いため
（不純物原子の再分布現象と呼ぶ）、表面のボロン濃度
はこの酸化膜によって必ず低くなってしまう。

【００１８】このような問題があるために、たとえシリ
コン基板１０１の裏面にシリコン酸化膜１０４を形成し
たとしても、図１５の実線１０５に示すようなポテンシ
ャルプロファイルを形成することは困難である。

【００１９】さらに、シリコン酸化膜１０４に存在する
酸化膜電荷や界面準位が、ｐ型のシリコン基板１０１を
ポテンシャルプロファイルでみれば、図１５の破線１０
７で示したように裏面のシリコン酸化膜１０４に近づく
にしたがって電子に対するポテンシャルが低くなるよう
に作用する。これを考慮するとシリコン基板１０１の電
子入射面側は、より強力にアキュームレーションされる
必要があるにも関わらず、上述のように従来技術では十
分にアキュームレーションすることができない。

【００２０】また、別のアキュームレーション法として
は、酸化膜に負イオンを照射し負に帯電させ、シリコン
表面に正孔を集めＰ⁺にするという方法がある。ところ
が、この方法は効果の持続性に問題がある。すなわち、
入射する電子のエネルギーで電子入射面の酸化膜につい
た負イオンが非常に容易に除去・中和され、効果を失う
のである。

【００２１】以上のような理由から、電子管に内蔵され
る半導体素子は裏面がアキュームレーションされていな
ければ、その特徴である高いゲインも小さいゲイン分布
も達成されないにも関わらず、従来技術では十分にアキ
ュームレーションできないため、性能を発揮できないと
いう問題があった。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の発明の電子管は、ｐ型の第１の半導体材料か
らなる基板と、この基板の裏面上に形成された第２の半
導体材料からなる電子導入層とを備えて構成され、加速
されて裏面へと打ち込まれる光電面からの電子を検出す
る裏面照射型の半導体素子を内蔵するとともに、第１の
半導体材料の仕事関数が第２の半導体材料の仕事関数よ
り小さいことを特徴とする。

【００２３】また、第２の発明の電子管は、ｎ型の第１
の半導体材料からなる基板と、この基板の裏面上に形成
された第２の半導体材料からなる電子導入層とを備えて
構成され、加速されて裏面へと打ち込まれる光電面から
の電子を検出する裏面照射型の半導体素子を内蔵すると
ともに、第１の半導体材料の仕事関数が第２の半導体材
料の仕事関数より大きいことを特徴とする。

【００２４】さらに、第１および第２の発明の電子管に
内蔵された半導体素子は、第２の半導体材料のバンドギ
ャップが第１の半導体材料のバンドギャップに比べて大
きくてもよく、第１の半導体材料がシリコンで、第２の
半導体材料がシリコンカーバイトであってもよい。

【００２５】また、第１および第２の発明の電子管に内
蔵された基板は、アバランシェ増倍領域を有したもので
あってもよい。

【００２６】

【作用】第１の発明の電子管によれば、ｐ型の第１の半
導体材料からなる基板上に、第１の半導体材料よりも仕
事関数が小さい第２の半導体材料からなる電子導入層が
形成された半導体素子が内蔵されている。このように仕
事関数が異なる２つの半導体材料を接触させると、第２
の半導体材料から第１の半導体材料に電子が移動し、且
つ正孔が反対方向に移動して、フェルミ準位が一定にな
るように作用する。

【００２７】このため、電子導入層は表面部に正孔の多
いアキュームレーション状態となり、電子導入層の表面
部に入射した電子は、表面部で再結合することなく、基
板と電子導入層の接合部に到達し、信号として検出され
る。

【００２８】また、第２の発明の電子管によれば、ｎ型
の第１の半導体材料からなる基板上に、第１の半導体材
料よりも仕事関数が大きい第２の半導体材料からなる電
子導入層が形成された半導体素子が内蔵されている。こ
のように仕事関数が異なる２つの半導体材料を接触させ
ると、第１の半導体材料から第２の半導体材料に電子が
移動し、且つ正孔が反対方向に移動して、フェルミ準位
が一定になるように作用する。

【００２９】このため、電子導入層は表面部に電子の多
いアキュームレーション状態となり、電子導入層の表面
部に電子が入射することにより発生した正孔は、表面部
で再結合することなく、基板と電子導入層の接合部に到
達し、信号として検出される。

【００３０】

【実施例】以下、第１および第２の発明の一実施例につ
いて、添付図面を参照して説明する。

【００３１】図１は本実施例の電子管に内蔵された裏面
照射型のＣＣＤ１０の構造図を示す断面図である。同図
より、ｐ型のシリコン基板１１の上面には保護膜である
ゲート酸化膜１２が形成され、このゲート酸化膜１２の
上にポリシリコン電極１３が形成されている。さらに、
シリコン基板１１の裏面にはｐ型アモルファス（ａ−）
シリコンカーバイド薄膜１４が形成されている。この例
では、第１の半導体材料としてシリコン、第２の半導体
材料としてａ−シリコンカーバイドが用いられている。

【００３２】図２（ａ）（ｂ）にｐ型シリコン、ｐ型シ
リコンカーバイド、又両者を接触させたときのバンド構
造を示す。なお数値の単位はｅＶであり、シリコンカー
バイドの値は製法によって若干異なる。

【００３３】シリコンのバンドギャップが１．１ｅＶで
あるのに対し、ａ−シリコンカーバイドは２ｅＶ程度の
バンドギャップを持つ半導体（ワイドバンドギャップ半
導体材料）である。格子定数はシリコン（参考５．４
３オングストローム）よりもａ−シリコンカーバイドの
方が少し狭い（参考４．３６オングストローム、製法
で異なる）。ｐ型シリコンの仕事関数（φ１）と、ｐ型
ａ−シリコンカーバイドの仕事関数（φ２）はそれぞ
れ、 φ１＝４．１５＋０．５５＋φｆ１ φ２＝４．００＋１．００＋φｆ２と書くことができ、通常の条件で製造すると、φｆ１＜
φｆ２なので、 φ１＜φ２である。

【００３４】このように、基板材料であるｐ型シリコン
に対して、その表面に堆積されるｐ型ａ−シリコンカー
バイドは、仕事関数が大きく、且つ、バンドギャップが
大きい材料である。

【００３５】このように仕事関数が異なる２つの半導体
を接触させると、平衡状態ではフェルミ準位が一定にな
らなくてはいけないから、ｐ型のａ−シリコンカーバイ
ドからｐ型のシリコンに電子が移動し、正孔が反対方向
に移動して、フェルミ準位が揃うと、平衡状態が達成さ
れたことになる。従って両者を接触させたときのバンド
構造は、図２（ｂ）のようになる。接触面付近において
バンドが不連続になるのは格子不整合のためであって、
シリコンとａ−シリコンカーバイドは格子定数の違いが
比較的大きく、多くの界面準位が接触面付近に存在する
と考えなくてはいけない。

【００３６】図２（ｂ）に示すような平衡状態での接触
面付近の伝導帯を見ると、ａ−シリコンカーバイドの領
域ではバンドが下向きに曲がり、シリコンの領域ではバ
ンドが上向きに曲がっている。このことからＣＣＤの導
入層にａ−シリコンカーバイドを堆積させれば、仕事関
数の違いによっていわゆるヘテロ接合が形成され、接触
面付近のｐ型シリコンにとって、非常に好ましいアキュ
ームレーション状態が形成されることがわかる。

【００３７】図３はｐ型のａ−シリコンカーバイド薄膜
１４からｐ型のシリコン基板１１、更にＣＣＤ１０のポ
テンシャル井戸に至るまでをポテンシャル図として表し
たものである。ａ−シリコンカーバイド薄膜１４は数十
オングストロームから数百オングストローム程度の厚さ
とし、接触面付近のシリコンのバンドを曲げるためだけ
に使用する。このような構造であればａ−シリコンカー
バイド薄膜１４は非常に薄いので、打ち込まれた電子は
エネルギーを失うことなく通り抜け、シリコン表面や内
部に到達して電子−正孔対を生成する。また、生成した
電子は、ａ−シリコンカーバイド薄膜１４による良好な
アキュームレーションのおかげで、裏面で再結合するこ
となくＣＣＤ１０のポテンシャル井戸に移動して、信号
として読みだされる。

【００３８】ここで特に重要な特性は、打ち込まれた低
エネルギーの電子がシリコンの裏面より１μｍ程度のご
く表面で吸収されて、電子−正孔対を生成することであ
り、一般的に裏面で再結合し易いそれらの電子がａ−シ
リコンカーバイドのおかげで読み出せる点である。

【００３９】また、第２の半導体材料として、第１の半
導体材料よりバンドギャップの大きな半導体材料を堆積
させれば、第２の半導体材料の領域で発生する暗電流の
低減が図れる。

【００４０】次に、ＣＣＤ１０の製造プロセスの代表例
を示す。

【００４１】使用ウエファは、例えばＰ／Ｐ⁺型単結晶
シリコンエピタキシャル成長ウエファである。また、エ
ピタキシャル層の比抵抗と厚みは、３０Ω−ｃｍ、３０
μｍ、サブストレイトの比抵抗と厚みは、０．０１Ω−
ｃｍ、５００μｍである。

【００４２】第１の処理として、金属配線１５まで含め
たすべてのＣＣＤ製造プロセスを終了させる。

【００４３】第２の処理として、ウエファ裏面について
いるシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を除去する。

【００４４】第３の処理として、クローム／金を裏面に
堆積させる。そして受光面にあたる部分、すなわち薄形
化したい裏面入射面のクローム／金層を除去する。

【００４５】第４の処理として、チップに分割し、その
後、ホルダにワックスでつける。

【００４６】第５の処理として、ＨＦ：ＨＮＯ₃：ＣＨ
₃ＣＯＯＨ＝１：３：８等で、チップの周辺部は厚く残
したまま裏面シリコンをエッチングする。この処理では
アルカリ系のエッチング液を使用してもよい。

【００４７】第６の処理として、裏面にある自然酸化膜
を除去する。

【００４８】第７の処理として、裏面にＣＶＤ等でワイ
ドバンドギャップ半導体材料を堆積させる。この処理で
は、光ＣＶＤを利用する。導入ガスは、ＳｉＨ₄・ＣＨ
₄である。また、シリコンカーバイドの導電型をｐ型に
するために、Ｂ₂Ｈ₆も同時に導入する。このプロセス
は、３８０度という低温で可能なので、あらかじめ配線
してあるアルミが損傷を受けることはない。さらに、こ
のプロセスで全行程が終了であり、この後、高温処理を
する必要はない。

【００４９】以上の第１から第７までの処理は、ｐ型シ
リコン基板１１上に形成されたポリシリコン電極１３の
裏面にｐ型シリコンカーバイド薄膜１４を堆積して、ｐ
型シリコンに対して良好なアキュームレーション処理を
施した例であるが、全く同様の原理により、ｎ型シリコ
ン基板上にｎ型シリコンカーバイド層を堆積させてアキ
ュームレーション処理を行うことができる。ｎ型シリコ
ンを基板材料とするＣＣＤでは、ホールを信号電荷とし
て取り扱うため、裏面で発生したホールが裏面で再結合
することなく、表面側にあるポテンシャル井戸に移動す
ればよい。このためには、ｐ型シリコンの場合とは逆
に、価電子帯のバンドが裏面に行くに従って、下に向か
って曲がればよい。この様子を図４に示す。このために
は、上述のようにｎ型のａ−シリコンカーバイド薄膜１
６をｎ型のシリコン基板１７上に堆積すればよい。ただ
し、シリコン基板１７の価電子帯のバンドを所定のよう
に曲げるためには、ａ−シリコンカーバイド薄膜１６の
仕事関数（真空準位とフェルミレベルの差）をシリコン
基板１７の仕事関数より小さくする必要がある。そこ
で、ａ−シリコンカーバイド薄膜１６を堆積する際に、
不純物用ガスとしてＰＨ₃を高濃度で導入すれば、ａ−
シリコンカーバイド薄膜１６の仕事関数（真空準位とフ
ェルミレベルの差）をシリコン基板１７の仕事関数より
小さくすることができる。

【００５０】以上の製法で作製されたＣＣＤ１０を内蔵
する本実施例に係る電子管の構造を図５および図６の断
面図に示す。

【００５１】図５に示す電子管１には、ガラスバルブ２
０の両面に光電面板２１と真空貫通壁２２が設けられて
おり、光電面板２１の内側には光電面２３が形成されて
いる。また、真空貫通壁２２の内側には、光電面２３に
対向する位置にＣＣＤ１０が備えられている。また、図
６に示す電子管２が電子管１と構造上異なるのは、電圧
を印加する第１グリッド２４、第２グリッド２５が備え
られている点である。

【００５２】電子管１では、光電面板２１に光が入射し
て光電面２３より電子が放出されると、放出された電子
は、光電面２３に印加された−１０ｋＶの電圧によって
高加速され、電子の持つ初速度分布で広がる前にＣＣＤ
１０に入射する。したがって、光電面２３での電子像が
位置を保存したままＣＣＤ１０に打ち込まれることとな
る。光電面２３の電位をＣＣＤ１０に対して−１０ｋＶ
と設定すれば、打ち込まれた電子はＣＣＤ１０中で電子
−正孔対を約２８００個生成する。生成した電子は、図
３にポテンシャルプロファイルを示すａ−シリコンカー
バイド薄膜１４のアキュームレーションのおかげでＣＣ
Ｄ１０のポテンシャル井戸に移動し、２次元像として読
み出される。

【００５３】電子管２でも、電子管１とほぼ同様の動作
をする。ただし、−２０ｋＶの電圧が印加された光電面
２３上の電子の像がＣＣＤ１０上で結像するよう、第１
グリッド２４に−２０ｋＶ、第２グリッド２５に０Ｖの
電圧がそれぞれ印加される。このように、第１グリッド
２４および第２グリッド２５からなる電子レンズ系を設
けることによって、ガラスバルブ２０の沿面距離をかせ
ぐことができ、近接型の電子管１と比べて高い加速電圧
を印加可能となり、ＣＣＤ１０内でより高い増倍ゲイン
を得ることができる。

【００５４】以上の例のように光電面２３とＣＣＤ１０
が同一真空容器中に配置された電子管１、２は、トラン
スファと呼ばれる真空装置を用いて作製される。トラン
スファ装置では、光電面板２１は、理想的にガス出しが
行われるよう３５０度程度でベーキングされ、その後、
光電面２３が作製される。その間ＣＣＤ１０が取り付け
られた真空貫通壁２２は、別の部屋に置かれて、２００
度程度の比較的低温でベーキングされる。光電面の作製
が終わった後に両者は、インジュームを使って真空中で
接合され、真空シールが出来上がる。このような製作方
法により、光電面の活性中に大量に充満するアルカリ蒸
気からＣＣＤ１０を保護することができるで、特性の良
い電子管が安定して製造できる。

【００５５】なお、以上に示した電子管１は、光電面２
３とＣＣＤ１０が略平行に配置され、その間隔が１ｍｍ
程度であることが望ましい。また、ＧａＡｓ結晶をＣｓ
で活性化した光電面を使用すると赤外域で感度の高い検
出器を得ることができる。

【００５６】このようにして製造された電子管１、２で
あれば、非常に高い感度を得ることができる。これは、
光電面２３から放出された電子が数千倍に増倍されて読
み出されることによる。通常、ＣＣＤ１０の読み出しノ
イズは１０００電子より充分小さくなるので、これら電
子管１、２により単一光子レベルの撮像が可能になる。
電子管１、２でこのような感度を得るのに、マイクロチ
ャネルプレート（ＭＣＰ）−蛍光面−ファイバープレー
ト−ＣＣＤカメラを使ったものがあるが、それに比べる
と、ＭＣＰに起因する大きな増倍ゆらぎ、蛍光面のざら
つき感や、ファイバープレートに起因する画素歪の無い
高品質な映像を得ることができる。

【００５７】ここで、ＭＣＰに起因する増倍ゆらぎにつ
いて図７を用いて説明する。図７はＭＣＰ３枚を内蔵し
た従来の光電子増倍管に単一光子が入射したときの出力
分布を示す図である。同図は、横軸が出力、縦軸がその
出力が現れる頻度（確率）であり、さらに出力の平均値
も示している。同図より、単一光子の入射に対して平均
値より２倍以上大きな出力が出ることもあれば、平均値
の１／２以下の出力が出ることが判る。定量的な値とし
て、出力の半値幅（ＦＷＨＭ）を出力の平均値（Ａ）で
除した数（ＦＷＨＭ／Ａ：パルスハイトレゾリューショ
ン）を取ると、およそ８０％となる。このような非常に
広いゲイン分布のため、前述のように、ある入射光に対
して出力を得ても、その出力より光子がいくつ入射した
かを判定することはできない。

【００５８】ＭＣＰを内蔵した従来の光電子増倍管でこ
のようにゲイン分布が広がる理由は、電子増倍がカスケ
ードに行われる際の初段の二次電子増倍率が小さいため
である。すなわち、初段で大きなゆらぎが発生し、それ
がそのまま増倍されるからである。したがって、この欠
点を解決するためには、一次電子の入射に対して大きな
初段の増倍率を得れば良いことになる。ところがＭＣＰ
を内蔵した従来の光電子増倍管では、初段の二次電子増
倍率は数１０倍が限度で、それ以上は困難である。

【００５９】これに対して本実施例の電子管１、２で
は、ＭＣＰを用いることなく、ＣＣＤ１０への一次電子
の入射によって大きな初段の増倍率を得ることができ
る。つまり、ＣＣＤ１０などの半導体素子に電子が入射
すると、電子のエネルギー３．６ｅＶ当たり１個の電子
−正孔対を生成しながらエネルギーを失うという性質が
ある。したがって、これを利用して−１０ｋｅＶが印加
された光電面より放出された電子をＣＣＤ１０に入射す
れば、約２８００個の信号電子（ホール）を生成するこ
とができるのである。

【００６０】この増倍は、高エネルギーの電子が運動エ
ネルギーを失うことに起因しており、一度に起こるの
で、その増倍分布はポアッソン分布に従う。その様子を
図８に示す。従来例である図７と比較して、その増倍分
布が非常に小さいことがわかる。この出力分布のパルス
ハイトレゾリューションは２％である。さらに、電子が
１００個、１０１個入射したときの増倍分布を同じく図
８に示した。このように、もともとの増倍分布が大変小
さいので、入射電子が１００個のときと１０１個のとき
の出力は完全に分離している。逆に、この特性を利用し
て、出力電流量より入射した電子数がいくつかを判別す
ることができる。さらに、光電面２３への印加電圧を調
整して、光電面２３とＣＣＤ１０間の加速電圧を可変と
することにより、リニアなゲイン制御が可能である。こ
のため、単一光電子の分別検出となる。このような特性
は、今までのどんな種類の光検出器にもなく、大変に有
効である。特に、出力光量の違いを利用して塩基配列を
判定する遺伝子解読に有効に適用される。

【００６１】次に、本実施例の応用例に係る電子管に内
蔵されたリーチスルー型アバランシェフォトダイオード
３０の断面図を図９に、また、この素子のポテンシャル
プロファイルを図１０に示す。

【００６２】図９より、リーチスルー型アバランシェフ
ォトダイオード３０は、ｐ^-型シリコン基板３１内部に
ｐ層３２がイオン注入によって埋め込まれ、ｐ^-型シリ
コン基板３１上面部にｎ⁺層３３、ｐ層３４がイオン注
入によって形成されている。さらに、ｐ^-型シリコン基
板３１の上面にＳｉＯ₂膜３５が、ｐ^-型シリコン基板
３１の裏面にａ−シリコンカーバイド薄膜３６がそれぞ
れ設けられている。

【００６３】この応用例では電子を検出する半導体素子
としてリーチスルー型アバランシェフォトダイオード３
０を用いているが、リーチスルー型アバランシェフォト
ダイオード３０のキャリア増倍機能によって光の検出感
度が非常に高くなる。また、図１０に示すバンド構造よ
り、ａ−シリコンカーバイドの領域でバンドが上向きに
曲がっていることから、良好なアキュームレーション状
態が形成されることがわかる。

【００６４】前述した本実施例と応用例とを比較した相
違点は、半導体素子にリーチスルー型アバランシェフォ
トダイオード３０を用いた点のみであり、製造方法・製
造条件等は全く同様である。

【００６５】リーチスルー型アバランシェフォトダイオ
ード３０を内蔵した電子管４０の構造を図１１に示す。
同図において、光の入射によって−１０ｋＶが印加され
た光電面４１より放射された電子は、−１０ｋＶが印加
された第１グリッド４２および第２グリッド４３でビー
ムが絞られ、ガード電極４４に囲まれたＧＮＤ電位のア
バランシェフォトダイオード３０のａ−シリコンカーバ
イド薄膜３６表面から入射し、ｐ^-型シリコン基板３１
でおよそ２８００個の電子−正孔対を生成する。ここで
生成された電子はｎ⁺層３３側に向かって加速され、正
孔はａ−シリコンカーバイド薄膜３６に向かって加速さ
れる。このうち電子は、高電界のかかった途中のｐ層３
２（アバランシェ領域）で格子に衝突して、新たに電子
−正孔対を次々生成する。ここでの増倍率はおよそ１０
０倍なので、最終的に打ち込まれた１個の電子は約２８
００００倍に増倍されて出力されることになる。

【００６６】裏面をａ−シリコンカーバイドでアキュー
ムレーション処理したアバランシェ増倍領域を持つ半導
体素子を電子管のターゲットに使うことで、非常に高い
ゲインを得ることができる。これにより、従来は光電子
増倍管でしかできなかった単一光子の検出が可能にな
る。また、光電子増倍管で問題となるダイノードに起因
したゲインの不安定性や応答特性が改善されるので、最
高性能の超高感度・超高速光検出器が実現できる。さら
に、光電子増倍管に比べて増倍ゆらぎが小さい点も特長
である。本発明による電子管の増倍ゆらぎは、図８に示
したものの平均と分散にアバランシェ増倍領域での増倍
率分（１００倍）を掛けたものとなる。このとき、増倍
分布は相対的に同じなので、判別できる電子数の上限は
変わらない。したがって、前述した本実施例と同様に、
出力電流量より入射電子数の判別が行える。ただし、本
応用例では、出力の絶対値が多い分、後の信号処理を容
易に行うことができる。

【００６７】本応用例のように１個のアバランシェフォ
トダイオードをターゲットに使う場合、光電面より放出
した電子が電子レンズによって集められるクロスポイン
トにターゲットを配置すれば、応答が早く・暗電流の少
ない小型のアバランシェフォトダイオードを用いればさ
らに性能は向上する。

【００６８】また、同一チップ上に多数のアバランシェ
フォトダイオードを作り、多チャンネル同時計測を可能
にすることもできる。この場合は、図５や図６に示した
電子光学系を用いる。特に、図６の光学系を低拡大率で
使用すると有効である。

【００６９】また、ここでは、アバランシェタイプのフ
ォトダイオードを示したが、アバランシェ領域を持たな
い通常のフォトダイオードの裏面にａ−シリコンカーバ
イドを積層した半導体素子でも電子の打ち込みに対して
ゲインを持つ。ただし、この場合には、アバランシェ増
倍分のゲインは加算されない。このようなフォトダイオ
ードは、図１２、図１３に示すような構造になる。図１
２に示すフォトダイオード５０は上面照射型、図１３に
示すフォトダイオード６０は裏面照射型のフォトダイオ
ードである。

【００７０】なお、本実施例および本応用例では、アキ
ュームレーションが可能な第２の半導体材料として、ア
モルファス−シリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ）を用い
ているが、本発明ではこの半導体材料に限定されること
なく、アモルファス−シリコン（ａ−Ｓｉ）、ダイヤモ
ンド薄膜、カドミウムテルル（ＣｄＴｅ）、ヒ化ガリウ
ム（ＧａＡｓ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等を用いて
もよい。

【００７１】

【発明の効果】第１の発明の電子管であれば、第２の半
導体材料から第１の半導体材料に電子が移動し、且つ正
孔が反対方向に移動して、フェルミ準位が一定になるよ
うに作用するので、電子導入層は表面部に正孔の多いア
キュームレーション状態となる。このため、打ち込まれ
た電子によって電子導入層の表面付近で発生した電子
は、表面部で再結合することなく、基板と電子導入層の
接合部に到達し、信号として検出される。

【００７２】また、第２の発明の電子管であれば、第１
の半導体材料から第２の半導体材料に電子が移動し、且
つ正孔が反対方向に移動して、フェルミ準位が一定にな
るように作用するので、電子導入層は表面部に電子の多
いアキュームレーション状態となる。このため、打ち込
まれた電子によって電子導入層の表面付近で発生した正
孔は、表面部で再結合することなく、基板と電子導入層
の接合部に到達し、信号として検出される。

【００７３】このように、第１および第２の発明の電子
管であれば、電子導入層に入射して増倍された電子の大
部分が信号として検出されるので、高い増倍率が得られ
る。したがって、増倍ゆらぎが生じ難いために単一電子
の検出が可能な電子管が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る電子管に内蔵された裏面照射型
ＣＣＤの構造図を示す断面図である。

【図２】ｐ型シリコンとｐ型シリコンカーバイドのバン
ド構造図である。

【図３】本実施例に係るｐ型シリコンを基板材料とする
ＣＣＤのポテンシャル図である。

【図４】ｎ型シリコンを基板材料とするＣＣＤのポテン
シャル図である。

【図５】本実施例に係る電子管の構造を示す断面図であ
る。

【図６】本実施例に係る電子管の構造を示す断面図であ
る。

【図７】従来の光電子増倍管に単一光子が入射したとき
の出力分布を示す図である。

【図８】本実施例に係る電子管に単一光子が入射したと
きの出力分布を示す図である。

【図９】応用例に係る電子管に内蔵されたリーチスルー
型アバランシェフォトダイオードの断面図である。

【図１０】応用例に係る電子管に内蔵されたリーチスル
ー型アバランシェフォトダイオードのポテンシャルプロ
ファイルを示す図である。

【図１１】応用例に係る電子管の構造を示す断面図であ
る。

【図１２】上面照射型のフォトダイオードの構造を示す
断面図である。

【図１３】裏面照射型のフォトダイオードの構造を示す
断面図である。

【図１４】従来の電子管に内蔵されるＣＣＤの構造を示
す断面図である。

【図１５】従来の電子管に内蔵されるＣＣＤのポテンシ
ャルファイルを示す図である。

【符号の説明】

１、２、４０…電子管、１０…ＣＣＤ、１１、１７…シ
リコン基板、１２…ゲート酸化膜、１３…ポリシリコン
電極、１４、１６、３６…ａ−シリコンカーバイド薄
膜、１５…金属配線、２０…ガラスバルブ、２１…光電
面板、２２…真空貫通壁、２３、４１…光電面、２４、
４２…第１グリッド、２５、４３…第２グリッド、３０
…リーチスルー型アバランシェフォトダイオード、３１
…ｐ^-型シリコン基板、３２、３４…ｐ層、３３…ｎ⁺
層、３５…ＳｉＯ₂膜、４４…ガード電極、５０、６０
…フォトダイオード。

フロントページの続き (56)参考文献特開平４−211181（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−152971（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−294657（ＪＰ，Ａ) 特開平５−12989（ＪＰ，Ａ) 特開平５−290996（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−45543（ＪＰ，Ａ) 特開平５−66154（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−198251（ＪＰ，Ａ) 特開平４−303534（ＪＰ，Ａ) 特開平４−305982（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−85578（ＪＰ，Ａ) 特開平５−267632（ＪＰ，Ａ) 特開平１−194356（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 29/45 H01J 31/50 H01L 21/339 H01L 29/762 H01L 31/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を電子に変換する光電面と、この
光電面より放出された電子を検出する半導体素子とを備
えた電子管において、前記半導体素子は裏面照射型であり、ｐ型の第１の半導
体材料からなる基板と、この基板の裏面上に形成された
第２の半導体材料からなる電子導入層とを備えて構成さ
れ、加速されて前記裏面へと打ち込まれる前記光電面か
らの前記電子を検出するとともに、前記第１の半導体材料の仕事関数が前記第２の半導体材
料の仕事関数より小さいことを特徴とする電子管。
【請求項２】入射光を電子に変換する光電面と、この
光電面より放出された電子を検出する半導体素子とを備
えた電子管において、前記半導体素子は裏面照射型であり、ｎ型の第１の半導
体材料からなる基板と、この基板の裏面上に形成された
第２の半導体材料からなる電子導入層とを備えて構成さ
れ、加速されて前記裏面へと打ち込まれる前記光電面か
らの前記電子を検出するとともに、前記第１の半導体材料の仕事関数が前記第２の半導体材
料の仕事関数より大きいことを特徴とする電子管。
【請求項３】前記第２の半導体材料のバンドギャップ
が前記第１の半導体材料のバンドギャップに比べて大き
いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電
子管。
【請求項４】前記第１の半導体材料がシリコンで、前
記第２の半導体材料がシリコンカーバイトであることを
特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載
の電子管。
【請求項５】前記基板は、前記裏面側が薄形化され、
上面側に１次元または２次元的な配列を持つ電荷転送用
電極が形成された電荷転送素子であることを特徴とする
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電子管。
【請求項６】前記半導体素子の基板がアバランシェ増
倍領域を有することを特徴とする請求項１から請求項５
のいずれか一項に記載の電子管。