JP4116123B2 - 半導体放射線検出器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線を検出する半導体放射線検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体放射線検出器は、物理実験や宇宙空間における高エネルギー線の検出に用いられている。従来の半導体放射線検出器は、特開平1−220867号公報(米国特許4896201号)に記載されている。この検出器は、放射線の入射に応じて信号電流が取り出される複数のアノード又はカソード領域を電気的に隔離する隔離領域が内部に形成された半導体基板と、半導体基板の隔離領域表面を覆う絶縁膜とを有してなる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体放射線検出器においては、高エネルギー線の入射等によって半導体基板の隔離領域近接部に電界が集中し、バイアス電圧の耐圧が劣化する。本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、バイアス電圧の耐圧を向上可能な半導体放射線検出器を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体放射線検出器は、放射線の入射に応じて信号電流が取り出される複数のアノード又はカソード領域を電気的に隔離する隔離領域が内部に形成された半導体基板と、半導体基板の隔離領域表面を覆う絶縁膜とを有する半導体放射線検出器において、絶縁膜を介して隔離領域外縁に隣接する近接部を少なくとも覆う電極を備え、当該電極に負電位を印加することを特徴とする。本半導体放射線検出器においては、電極が絶縁膜を介して隔離領域近接部を覆うため、高エネルギー線の照射等による隔離領域近接部の電界集中を抑制することができ、バイアス電圧の耐圧劣化を防止することができる。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る半導体放射線検出器について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【0006】
(第1実施形態)
図1、図2及び図3は、第1実施形態に係る半導体放射線検出器D1の平面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。半導体放射線検出器D1は、半導体基板1の表面側にストライプ状に形成された複数のカソード領域1kと、半導体基板1の裏面側に形成されたアノード領域1aとを備えている。カソード領域1k及びアノード領域1aはそれぞれ高濃度のn型及びp型半導体からなる。
【0007】
カソード領域1k及びアノード領域1a間に逆バイアスを印加、すなわち、例えばn型カソード領域1k側にカソード電極4を介して正電位を、p型アノード領域1a側にアノード電極5を介して負電位を印加すると、カソード又はアノード領域1k,1aとの接合面から低濃度半導体基板1内に空乏層が広がる。放射線が検出器D1内に入射すると、半導体基板1内部で発生した電子及び正孔が内部電界に従ってそれぞれカソード領域1k及びアノード領域1a内に流れ込み、これらは信号電流としてそれぞれに設けられたカソード電極4及びアノード電極5から取り出される。
【0008】
カソード領域1k間にはこれと反対の導電型、すなわちp型の隔離領域1iが複数整列してストライプを構成している。隔離領域1iは、そのストライプ領域全域を包囲する外枠領域を備え、併せて個々のカソード領域1kを他のカソード領域1kから更に隔離している。放射線の入射によって発生した電子は、近傍のカソード領域1kに最も多く流れ込むが、これ以外のカソード領域1kへの電子の流入は隔離領域1iによって抑制される。
【0009】
半導体基板1表面は酸化膜等の絶縁膜2で被覆保護されており、したがって絶縁膜2はカソード領域1k及び隔離領域1i表面上に位置する。それぞれのカソード領域1k上には絶縁膜2を介して複数のカソード電極4がそれぞれ設けられており、隔離領域1i上には絶縁膜2を介して電極3が設けられている。隔離領域1iは単独で電子の隔離機能を有するが、本実施形態では電極3にカソード領域1kの電位よりも低い電位を与えて内部電子が隔離領域1iからカソード領域1kに向かう電界を生ぜしめ、隔離機能を向上させる。
【0010】
半導体基板1の隔離領域1i外側の近接部1io(隔離領域1iのエッジから数μmの領域)には、放射線の照射によって絶縁膜2内に発生した正電荷による静電引力によって電子が蓄積されやすい状態となり、これらによって隔離領域1i外側近接部1io部に電界が集中する。このような電界集中はバイアス電圧の耐圧を劣化させる。本実施形態に係る半導体放射線検出器D1は、隔離領域1i上に設けられた電極3が、隔離領域1i外縁、すなわちエッジに隣接する近接部1ioを覆っているため、蓄積された電子を電極3に負電位を印加することによって半導体基板1の隔離領域1i外縁近傍から追い出して、電界集中を抑制し、耐圧の劣化を防止する。さらに、上記蓄積電子はn型層を構成し、n型カソード領域1kを含めたn型層間距離を短縮させて寄生容量を増加させるが、本検出器D1においては、上記蓄積電子の追い出しによって寄生容量の増加を抑制することができる。
【0011】
なお、半導体基板1は、低濃度であればp型半導体であってもよいが、低濃度n型半導体であることが好ましい。半導体基板1は放射線、例えばプロトンやニュートロンが照射され続けるとp型キャリア濃度が増加し、検出器としての機能が十分に果たせなくなる。そこで、半導体基板1は予めn型半導体としておき、p型ドーパント濃度の増加を補償し、検出器の寿命を向上させる。
【0012】
また、本検出器D1においては、複数のカソード領域1kは個別に隔離されているので、検出器D1に放射線が入射すると、対応するカソード領域1kと絶縁膜2を介して容量結合しているカソード電極4から交流電流が出力され、ストライプの伸延方向に直交する方向、すなわちカソード電極4の整列方向の放射線入射位置検出を行うことができる。なお、カソード電極4の幾つかは、直流逆バイアス電圧印加用の電極としてカソード領域1kに接触していてもよい。また、検出器D1は以下のように改良してもよい。
【0013】
図4は、改良された半導体放射線検出器をストライプ状に配置された個々のカソード領域1kの伸延方向に垂直に切った縦断面図である。なお、上述の近接部1ioは電極3のエッジから数μm内の距離Lにある領域である。本検出器では、アノード領域1a表面を絶縁膜5xで覆い、絶縁膜5xの一部領域に形成された開口を介してアノード電極5をアノード領域1aに接触させ、半導体基板1裏面を安定化している。また、絶縁膜2とカソード電極4との間に緩衝絶縁層2xを形成し、カソード電極4の安定性を向上させている。ここで、カソード及びアノード電極4,5はアルミニウム、緩衝絶縁層2xはシリコンナイトライド、絶縁膜2はシリコン酸化膜、半導体基板1はシリコンから構成されている。
【0014】
以上、説明したように、本半導体放射線検出器D1においては、電極3が絶縁膜2を介して隔離領域1i近接部1ioの少なくとも一部分を覆うため、高エネルギー線等の放射線の照射による隔離領域1i近接部1io部の電界集中を抑制することができ、バイアス電圧の耐圧劣化を防止することができる。また、カソード領域1k及び隔離領域1iがストライプ状に配置されているので、カソード領域1kの整列方向に沿った1次元の放射線入射位置検出を行うことができる。
【0015】
(第2実施形態)図5、図6及び図7は、第2実施形態に係る半導体放射線検出器D2の平面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。本検出器D2は、第1実施形態の検出器D1と比較して、電極3が絶縁膜2の開口を介して隔離領域1iに接触している点のみが異なる。また、この接触は、図24に示すようにAl電極3’を介して間接的に電気的接続をしても良い。すなわち、隔離領域1i上、その図面左方近接部1io上、及び図面右方近接部1io上をポリシリコン電極3で覆い、さらにポリシリコン電極3と隔離領域1iとを、ポリシリコン電極3上の絶縁膜3xに設けられたコンタクトホールを介してAl電極3’で接続し、コンタクト抵抗の増加を抑制する。この場合、電極3は隔離領域1iと同電位となるが、第1実施形態と同様に隔離領域1i近接部1io部の電界集中を抑制する効果を有する。電極3には直流的に負電位が印加される。また、検出器D2は以下のように改良してもよい。
【0016】
図8は、改良された半導体放射線検出器をストライプ状に配置された個々のカソード領域1kの伸延方向に垂直に切った縦断面図である。本検出器は、図4に示した検出器と比較して電極3の一部分が絶縁膜2の開口を通って隔離領域1iと接触して隔離領域1iと同電位となっている点のみが異なる。
【0017】
(第3実施形態)図9、図10、図11及び図12は、第3実施形態に係る半導体放射線検出器D3の平面図、底面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。本検出器D3は、第1実施形態の検出器D1と比較して、裏面側のアノード領域1aをストライプ状に整列した複数のアノード領域1a’として構成し、半導体基板1のアノード領域1a’表面を絶縁膜2’で被覆し、個々のアノード領域1a’に対応させて絶縁膜2’上にアノード電極5を設けた点のみが異なる。個々のアノード領域1a’の整列方向は、カソード領域1kの整列方向と直交しているか任意の角度を有している。
【0018】
検出器D3に逆バイアスを印加した状態で放射線が半導体基板1内に入射すると、内部で発生した電子及び正孔がそれぞれ発生位置近傍のカソード領域1k及びアノード領域1a’内に流入する。したがって、これらの電荷の流入した位置のカソード領域1k及びアノード領域1a’からは信号電流がそれぞれのカソード電極4及びアノード電極5から取り出される。個々のアノード領域1a’の整列方向は、カソード領域1kの整列方向に対して所定角度を有するので、本検出器D3は2次元の放射線入射位置検出を行うことができる。
【0019】
(第4実施形態)
図13、図14、図15及び図16は、第4実施形態に係る半導体放射線検出器D4の平面図、底面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。本検出器D4は、第3実施形態の検出器D3と比較して、表面側の隔離領域1iに絶縁膜2の開口を介して電極3が接触して隔離領域1iと同電位になっている点のみが異なり、本検出器D4においても2次元の放射線入射位置検出を行うことができる。また、第2実施形態と同様に隔離領域1iは電極3と間接的に電気的接触をしていても良い。
【0020】
(第5実施形態)
図17、図18及び図19は、第5実施形態に係る半導体放射線検出器D5の平面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。本検出器D5は、第1実施形態の検出器D1と比較して、半導体基板1表面側の隔離領域1iが縦横それぞれ2以上の開口領域を有する格子を構成するように配置し、隔離領域1iの各開口領域内にカソード領域1を配置し、隔離領域1i及びカソード領域1k上にそれぞれ電極3及び4を設けた点のみが異なる。
【0021】
検出器D5に逆バイアスを印加した状態で放射線が半導体基板1内に入射すると、内部で発生した電子及び正孔がそれぞれ発生位置近傍のカソード領域1k及びアノード領域1a内に流入する。それぞれのカソード領域1kは隔離領域1iで隔離された状態で2×2以上のマトリクス状に配置されているので、本検出器D5は2次元の放射線入射位置検出を行うことができる。本検出器D5は、上記ストライプ構造の検出器と比較して単一ピクセル当たりの寄生容量を小さくすることができ、応答速度及びノイズ耐性を向上させることができる。
【0022】
(第6実施形態)
図20、図21及び図22は、第6実施形態に係る半導体放射線検出器D6の平面図、A−A’矢印断面図及びB−B’矢印断面図をそれぞれ示す。本検出器D6は、第2実施形態の検出器D2と比較して、半導体基板1表面側の隔離領域1iが縦横それぞれ2以上の開口領域を有する格子を構成するように配置し、隔離領域1iの各開口領域内にカソード領域1kを配置し、隔離領域1i及びカソード領域1k上にそれぞれ電極3及び4を設けた点のみが異なる。
【0023】
検出器D6に逆バイアスを印加した状態で放射線が半導体基板1内に入射すると、内部で発生した電子及び正孔がそれぞれ発生位置近傍のカソード領域1k及びアノード領域1a内に流入する。それぞれのカソード領域1kは隔離領域1iで隔離された状態で2×2以上のマトリクス状に配置されているので、本検出器D6においても2次元の放射線位置検出を行うことができる。
【0024】
以上、説明したように、上記実施形態に係る半導体放射線検出器D1〜D6は、放射線の入射に応じて信号電流が取り出される複数のカソード又はアノード領域1k,1a(1a’)を電気的に隔離する隔離領域1iが内部に形成された半導体基板1と、半導体基板1の隔離領域表面1iを覆う絶縁膜2とを有する。検出器D1は、絶縁膜2を介して隔離領域1i近接部1ioの少なくとも一部分を覆う電極3を備える。上記実施形態に係る半導体放射線検出器D1〜D6においては、電極3が絶縁膜2を介して隔離領域1i近接部1ioの少なくとも一部分を覆うため、高エネルギー線等の放射線の照射や逆バイアスによるピンチオフ等による隔離領域1i近接部1io部の電界集中を抑制することができ、バイアス電圧の耐圧劣化を防止することができる。
【0025】
なお、カソード電極4及びアノード電極5の形状は、上記に限定されるものではなく、信号電流を取り出すことができれば、円形や三角形等の形状であってもよい。さらに、カソード電極4及びアノード電極5をそれぞれカソード領域1k及びアノード領域1aに接触させて、半導体基板1内部で発生した電荷を直流的に読みだしても良い。また、各半導体領域1a,1k,1iは、不純物拡散法の他、イオン注入法やエピタキシャル成長法等を用いて形成することができる。
【0026】
最後に、放射線の照射による絶縁膜2の耐圧劣化について評価した。上記第2実施形態の半導体放射線検出器D2を1つ(実施例)、隔離領域1i近接部1ioを電極3が覆っていないもの、すなわち電極3が近接部1ioよりも隔離領域1iの内側にあるものを2つ(比較例1,2)、合計3つのサンプルを作製した。それぞれのサンプルの放射線照射後のバイアス電圧とリーク電流との関係を図23に示す。放射線の照射量は1.33×1014P/cm2であり、測定温度は−8℃である。同図から明らかなように、実施例に係る構造の半導体放射線検出器D2は放射線照射後もリーク電流が少なく、耐圧の劣化が抑制されている。
【0027】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の半導体放射線検出器においては、その電極が絶縁膜を介して隔離領域近接部の少なくとも一部分を覆うため、高エネルギー線の照射等による隔離領域部の電界集中を抑制することができ、バイアス電圧の耐圧劣化を防止して検出器の寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図2】第1実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図3】第1実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図4】第1実施形態に係る半導体放射線検出器を改良したものの縦断面図。
【図5】第2実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図6】第2実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図7】第2実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図8】第2実施形態に係る半導体放射線検出器を改良したものの縦断面図。
【図9】第3実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図10】第3実施形態に係る半導体放射線検出器の底面図。
【図11】第3実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図12】第3実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図13】第4実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図14】第4実施形態に係る半導体放射線検出器の底面図。
【図15】第4実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図16】第4実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図17】第5実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図18】第5実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図19】第5実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図20】第6実施形態に係る半導体放射線検出器の平面図。
【図21】第6実施形態に係る半導体放射線検出器のA−A’矢印縦断面図。
【図22】第6実施形態に係る半導体放射線検出器のB−B’矢印縦断面図。
【図23】放射線照射後のバイアス電圧とリーク電流との関係を示すグラフ。
【図24】図8に示した放射線検出器の変形例の縦断面図。
【符号の説明】
1k…カソード領域、1a…アノード領域、1i…隔離領域、1…半導体基板、2…絶縁膜、1io…近接部。
Claims (1)
- 放射線の入射に応じて信号電流が取り出される複数のアノード又はカソード領域を電気的に隔離する隔離領域が内部に形成された半導体基板と、前記半導体基板の前記隔離領域表面を覆う絶縁膜とを有する半導体放射線検出器において、前記絶縁膜を介して前記隔離領域外縁に隣接する近接部を少なくとも覆う電極を備え、当該電極に負電位を印加することを特徴とする半導体放射線検出器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP32865997A JP4116123B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 半導体放射線検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32865997A JP4116123B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 半導体放射線検出器 |
Publications (2)
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JPH11163310A JPH11163310A (ja) | 1999-06-18 |
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Family
ID=18212740
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP32865997A Expired - Lifetime JP4116123B2 (ja) | 1997-11-28 | 1997-11-28 | 半導体放射線検出器 |
Country Status (1)
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Families Citing this family (4)
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- 1997-11-28 JP JP32865997A patent/JP4116123B2/ja not_active Expired - Lifetime
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