JP4571267B2 - 放射線検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放射線検出器として、たとえば特開平５−１５００４９号公報に開示されたようなものが知られている。この特開平５−１５００４９号公報に開示された放射線検出器は、Ｎ型シリコンウェハを有し、このシリコンウェハの表面には溝部が多数形成されており、各々の溝部の底部に位置するようＰ型拡散層が形成されている。そして、シリコンウェハの表面側にアルミニウムなどの金属による電極が形成され、Ｐ型拡散層の一部に電気的に接続されている。裏面側にはアルミニウムなどの金属による電極が全面に形成される。また、溝部の各々に挿入するようにしてシンチレータが固着される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような構成の放射線検出器にあっては、放射線の入射面側（シリコンウェハの表面側）に電極が設けられているので、この電極が設けられている部分での放射線の検出が不可能となり、放射線検出器において放射線が検出可能となる部分の面積を拡大するのには限界があった。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、放射線が検出可能となる部分の面積を拡大することが可能な放射線検出器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線検出器は、第１導電型の半導体からなる半導体基板を有し、半導体基板の第１の面側には、第２導電型の半導体からなる第２導電型の拡散層と、半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の半導体からなる第１導電型の拡散層と、が設けられ、半導体基板の第１の面に対して裏面となる第２の面側には、シンチレータが光学的に接続されていることを特徴としている。
【０００６】
本発明に係る放射線検出器では、半導体基板の第１の面側に、第２導電型の拡散層と、第１導電型の拡散層とが設けられ、シンチレータが半導体基板の第１の面に対して裏面となる第２の面側に光学的に接続されているので、半導体基板の第２の面側には電極が設けられることはなく、放射線が検出可能となる部分の面積を拡大することができる。
【０００７】
また、半導体基板内には、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化された完全空乏化状態において、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化しない領域が設けられることが好ましい。このように、半導体基板内に、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化された完全空乏化状態において、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化しない領域が設けられることにより、第１導電型の拡散層を介してバイアス電圧を印加していくと第１導電型の拡散層の下方で隣り合う空乏層が繋がってしまい、第１導電型の拡散層にはバイアス電圧がそれ以上印加できなくなる。しかしながら、半導体基板内に、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化された完全空乏化状態において、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化しない領域が設けられることにより、第１導電型の拡散層の下方で隣り合う空乏層が繋がった後も、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化しない領域を介してバイアス電圧を印加し続けることができ、半導体基板の空乏化を更に進めることができる。この結果、放射線検出器において、放射線の検出感度及び応答速度が低下するのを抑制することが可能となる。
【０００８】
また、第１導電型の拡散層は、第２導電型の拡散層の間に設けられ、第２導電型の拡散層を分離するための第１の第１導電型の拡散層と、第２導電型の拡散層の配列の外側に設けられ、第１の第１導電型の拡散層よりも幅広に形成された第２の第１導電型の拡散層と、を含んでいることが好ましい。このように、第１導電型の拡散層が、第２導電型の拡散層の間に設けられ、第２導電型の拡散層を分離するための第１の第１導電型の拡散層と、第２導電型の拡散層の配列の外側に設けられ、第１の第１導電型の拡散層よりも幅広に形成された第２の第１導電型の拡散層と、を含むことにより、半導体基板内に、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化された完全空乏化状態において、半導体基板の第１の面から第２の面まで空乏化しない領域が設けられ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【０００９】
また、第２の第１導電型の拡散層に隣接する第２導電型の拡散層の幅と第２の第１導電型の拡散層の幅との和は、第２の第１導電型の拡散層に隣接しない第２導電型の拡散層の幅と第１の第１導電型の拡散層の幅との和と等しくなるように設定されていることが好ましい。このように、第２の第１導電型の拡散層に隣接する第２導電型の拡散層の幅と第２の第１導電型の拡散層の幅との和を、第２の第１導電型の拡散層に隣接しない第２導電型の拡散層の幅と第１の第１導電型の拡散層の幅との和と等しくなるように設定することにより、第２の第１導電型の拡散層に隣接する第２導電型の拡散層を含む単位領域の幅が、第２の第１導電型の拡散層に隣接しない第２導電型の拡散層を含む単位領域の幅と等しくなる。これにより、特に第２導電型の拡散層と第１導電型の拡散層とが設けられた半導体基板を複数並設した場合において、全ての単位領域の幅が等しくなり、放射線が検出可能となる部分の面積をより一層拡大することが可能となる。
【００１０】
また、第２の第１導電型の拡散層は、半導体基板の端部に設けられていることが好ましい。このように、第２の第１導電型の拡散層が半導体基板の端部に設けられることにより、半導体基板の端部において、第２の第１導電型の拡散層の下方には空乏層が形成されない領域が存在することになり、空乏層が半導体基板の端部に繋がることにより発生するリーク電流の増大を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による放射線検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る放射線検出器を示す斜視図である。放射線検出器Ｒは、フォトダイオードアレイ１とシンチレータ２とを有している。シンチレータ２は、フォトダイオードアレイ１の一方の面側に光学的に接続されており、放射線がシンチレータ２に入射したときに生じるシンチレーション光がフォトダイオードアレイ１に入射するように構成されている。なお、シンチレータ２の放射線が入射する面には、Ａｌ、Ｃｒ等を蒸着して、入射する放射線を透過し、シンチレータ２からのシンチレーション光を反射する反射膜を形成するようにしてもよい。
【００１３】
次に、フォトダイオードアレイ１の構成について、図２及び図３に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る半導体エネルギー検出素子を示す平面図であり、図３は、同じく半導体エネルギー検出素子の断面構造を示す概略図である。本実施形態においては、フォトダイオードアレイ１として、フォトダイオード数が２５（５×５）の完全空乏型の裏面入射型フォトダイオードアレイを用いている。
【００１４】
裏面入射型のフォトダイオードアレイ１は、図２及び図３に示すように、半導体基板３を備え、この半導体基板３にフォトダイオードアレイが形成されている。半導体基板３は、ウエハ厚０．３ｍｍ、比抵抗５ｋΩ・ｃｍの高抵抗Ｎ型シリコン基板からなる。
【００１５】
フォトダイオードアレイ１は、第２導電型の拡散層としてのＰ⁺拡散層４，５、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７、Ｎ⁺拡散層８、アルミニウム等による配線９、ＡＲ（反射防止）コート層１０を含んでいる。Ｐ⁺拡散層４，５、及び、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７は、シンチレータ２からシンチレーション光が入射する半導体基板３の入射面に対する裏面側に設けられている。Ｎ⁺拡散層８は、シンチレータ２からシンチレーション光が入射する半導体基板３の入射面側に設けられており、このＮ⁺拡散層８の外側にはＡＲ（反射防止）コート層１０が設けられている。Ｎ⁺拡散層８は、半導体基板３よりも不純物濃度の高い第１導電型の半導体からなり、その表面濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とされている。シンチレータ２は、Ｐ⁺拡散層４，５、及び、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７が設けられた半導体基板３の面（第１の面）に対する裏面（第２の面）に光学的に接続されている。
【００１６】
Ｐ⁺拡散層４，５は、表面濃度が１．０×１０²⁰ｃｍ^-3程度とされており、所定の間隔（本実施形態においては、５００μｍ程度）をおいて５×５（２５）個配列されている。
【００１７】
Ｎ⁺チャンネルストップ層６は半導体基板３よりも不純物濃度が高い第１導電型の半導体からなり、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の表面濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とされている。また、Ｎ⁺チャンネルストップ層６は隣り合うＰ⁺拡散層４，５の間に設けられており、Ｐ⁺拡散層４，５を分離するように格子形状を呈している。Ｐ⁺拡散層４，５とＮ⁺チャンネルストップ層６との間隔は、１５０μｍ程度とされている。ここで、Ｎ⁺チャンネルストップ層６は、各請求項における第１の第１導電型の拡散層を構成している。
【００１８】
Ｎ⁺チャンネルストップ層７は半導体基板３よりも不純物濃度が高い第１導電型の半導体からなり、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の表面濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とされている。また、Ｎ⁺チャンネルストップ層７はＰ⁺拡散層４，５の配列の外側にＮ⁺チャンネルストップ層６と連続して枠状に設けられている。Ｐ⁺拡散層５とＮ⁺チャンネルストップ層７との間隔は、３００μｍ程度とされており、Ｎ⁺チャンネルストップ層７を含めたＰ⁺拡散層５から半導体基板３の端部までの距離は９００μｍ程度である。Ｎ⁺チャンネルストップ層６の幅は、２００μｍ程度に設定されており、また、Ｎ⁺チャンネルストップ層７はＮ⁺チャンネルストップ層６よりも幅広とされており、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の幅は、６００μｍ程度に設定されている。ここで、Ｎ⁺チャンネルストップ層７は、各請求項における第２の第１導電型の拡散層を構成している。
【００１９】
Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接するＰ⁺拡散層５は、Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接しないＰ⁺拡散層４に比して、その幅が短く設定されており、Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接するＰ⁺拡散層５の幅とＮ⁺チャンネルストップ層７の幅との和は、Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接しないＰ⁺拡散層４の幅とＮ⁺チャンネルストップ層６の幅との和と等しくなるように設定されている。これにより、Ｐ⁺拡散層５の面積はＰ⁺拡散層４の面積よりも小さくなるものの、Ｐ⁺拡散層５を含むフォトダイオード単位セル（単位領域）の幅はＰ⁺拡散層４を含むフォトダイオード単位セル（単位領域）の幅と等しくなり、フォトダイオードアレイ１におけるフォトダイオード単位セル（単位領域）の面積は全て等しくなる。
【００２０】
Ｐ⁺拡散層４，５、及び、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７の夫々に電気的に接続された各配線９上には、バンプ１１が形成されており、Ｐ⁺拡散層４，５、及び、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７の電気的接続は、半導体基板３の入射面に対する裏面側においてなされる。バンプ１１は、出力読み出し回路（図示せず）とフリップチップボンディングによって接続される。
【００２１】
次に、上述した構成のフォトダイオードアレイ１の動作について、図４及び図５に基づいて説明する。図４及び図５は、図３と同様に、本発明の実施形態に係る半導体エネルギー検出素子の断面構造を示す概略図である。
【００２２】
まず、フォトダイオードアレイ１をＮ⁺チャンネルストップ層６，７に正のバイアス電圧を印加して使用する場合、半導体基板３にはバイアス電圧の大きさに応じた空乏層１２が形成される。フォトダイオードアレイ１においてＮ⁺チャンネルストップ層６，７を介してバイアス電圧を印加していくと、完全空乏化の途中の１００Ｖ程度印加した状態で、図４に示されるように、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の下方で隣り合う空乏層１２同士が繋がってしまい、Ｎ⁺チャンネルストップ層６には上述した１００Ｖ程度以上のバイアス電圧が印加できない状態となる。なお、半導体基板３と同じ比抵抗５ｋΩ・ｃｍの高抵抗Ｎ型シリコン基板を用いたＰＩＮ型フォトダイオードにおいては、通常１１０Ｖ〜１２０Ｖ程度のバイアス電圧を印加することにより、完全空乏化が達成される。
【００２３】
しかしながら、Ｎ⁺チャンネルストップ層６よりも幅広のＮ⁺チャンネルストップ層７がＰ⁺拡散層４，５の配列の外側にＮ⁺チャンネルストップ層６と連続して設けられているので、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方には半導体基板３の入射面側までの間において、空乏化しない領域として空乏層１２が形成されない領域１３が存在する。したがって、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方には半導体基板３の入射面側までの間において空乏層１２が形成されていない領域１３が設けられるので、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の下方で隣り合う空乏層１２同士が繋がった後も、Ｎ⁺チャンネルストップ層７を介してＮ⁺拡散層８にバイアス電圧を印加することができるため、半導体基板３内における空乏化を更に進めることができる。
【００２４】
空乏層１２がＮ⁺拡散層８にまで達した後にも更にバイアス電圧を印加し続けることにより、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の下方の不感領域（空乏層１２）を低減若しくは無くすことが可能であり、２００Ｖ程度のバイアス電圧を印加することで、図５に示されるように、空乏層１２が半導体基板３の入射面（Ｎ⁺拡散層８）全体に広がることになり、半導体基板３が完全空乏化された状態となる。半導体基板３が完全空乏化された状態においても、図５に示されるように、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方には、半導体基板３の入射面側までの間において空乏層１２が形成されない領域１３が設けられることになる。
【００２５】
空乏層１２が半導体基板３のＮ⁺拡散層８に到達した状態で、シンチレータ２からシンチレーション光が半導体基板３の入射面に入射すると、フォトダイオードアレイ１において空乏層１２内で発生した光電流が高速で検出されることになる。また、Ｐ⁺拡散層４，５を含むフォトダイオード単位セルがマトリックス状に配設（マルチチャンネル化）されているので、フォトダイオードアレイ１においてシンチレーション光の入射位置も検出されることになる。
【００２６】
なお、半導体基板３の端部に空乏層１２が繋がるとリーク電流が増大することになるが、Ｎ⁺チャンネルストップ層７はＮ⁺チャンネルストップ層６よりも幅広とされているので、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方には、空乏層１２が形成されない領域１３が存在することになり、半導体基板３の端部においてリーク電流が増大するのを抑制することができる。
【００２７】
このように、放射線検出器Ｒにあっては、フォトダイオードアレイ１とシンチレータ２とを有し、フォトダイオードアレイ１における半導体基板３の入射面（第２の面）に対する裏面（第１の面）側に、Ｐ⁺拡散層４，５と、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７とが設けられ、シンチレータ２が半導体基板３の入射面側に光学的に接続されているので、半導体基板３の入射面側には電極が設けられることはなく、フォトダイオードアレイ１における放射線が検出可能となる部分の面積を拡大することができる。なお、上述したように、半導体基板３の入射面側には電極が設けられることはないので、半導体基板３の入射面側を平坦化することができ、シンチレータ２を容易に光学的に接続することができる。
【００２８】
Ｎ⁺チャンネルストップ層６を介してバイアス電圧を印加していくとＮ⁺チャンネルストップ層６の下方で隣り合う空乏層１２が繋がってしまい、Ｎ⁺チャンネルストップ層６にはバイアス電圧がそれ以上印加できなくなる。しかしながら、フォトダイオードアレイ１の半導体基板３にはＮ⁺チャンネルストップ層７が設けられているので、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方には半導体基板３の入射面側までの間において空乏層１２が形成されない領域１３が設けられることになり、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の下方で隣り合う空乏層１２が繋がった後も、Ｎ⁺チャンネルストップ層７を介してバイアス電圧を印加し続けることができ、半導体基板３の空乏化を更に進めることができ、半導体基板３の完全空乏化が可能となる。この結果、フォトダイオードアレイ１において、エネルギー線の検出感度及び応答速度が低下するのを抑制することが可能となる。
【００２９】
また、Ｐ⁺拡散層４，５の配列の外側にＮ⁺チャンネルストップ層６よりも幅広とされたＮ⁺チャンネルストップ層７を設けることにより、Ｎ⁺チャンネルストップ層６，７が設けられた面から入射面まで間の半導体基板３の部分において空乏層１２が形成されない領域１３を設けることが可能となるので、空乏層１２が形成されない領域１３が設けられ得る構成を簡易且つ低コストで実現することができる。
【００３０】
なお、フォトダイオードアレイ１は、基本的に空乏層１２が半導体基板３の入射面（Ｎ⁺拡散層８）全体に広がった完全空乏化された状態で使用される。この完全空乏化された状態において空乏層１２は、Ｎ⁺チャンネルストップ層６の下方において全て繋がっており、空乏層１２の端は半導体基板３の端部近傍まで達している。この半導体基板３の端部近傍までの空乏層１２の広がりは、印加するバイアス電圧によって調節することができるため、Ｐ⁺拡散層５を小さくしても空乏層１２を半導体基板３の端部近傍まで広げることが可能である。これにより、Ｐ⁺拡散層５の幅（面積）をＰ⁺拡散層４の幅（面積）よりも小さく設定した場合においても、空乏層１２に発生したキャリアはＰ⁺拡散層５に集められることになり、フォトダイオードアレイ１の有感領域の減少が抑えられて、フォトダイオードアレイ１のシンチレータ光の受光感度に影響を及ぼすことが抑制される。
【００３１】
また、フォトダイオードアレイ１は、図６に示されるように、複数個のフォトダイオードアレイ１をマトリックス状に並設して使用することもできる。
【００３２】
Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接するＰ⁺拡散層５の幅とＮ⁺チャンネルストップ層７の幅との和は、Ｎ⁺チャンネルストップ層７に隣接しないＰ⁺拡散層４の幅とＮ⁺チャンネルストップ層６の幅との和と等しくなるように設定されることにより、図６に示されるように、Ｐ⁺拡散層５を含むフォトダイオード単位セル（単位領域）の幅ａはＰ⁺拡散層４を含むフォトダイオード単位セル（単位領域）の幅ａと等しくなり、フォトダイオードアレイ１におけるフォトダイオード単位セル（単位領域）の面積は全て等しくされているので、特に、複数個のフォトダイオードアレイ１をマトリックス状に配設して場合において、エネルギー線を大面積で容易に検出することができると共に、エネルギー線の入射位置を適切に検出することができる。
【００３３】
なお、Ｎ⁺チャンネルストップ層７は、半導体基板３の端部に設ける必要はなく、いずれかのＮ⁺チャンネルストップ層６の位置（フォトダイオード単位セル間の位置）に設けるようにしてもよい。しかしながら、Ｎ⁺チャンネルストップ層７の下方の領域１３は空乏化されないために、フォトダイオードアレイ１のフォトダイオード単位セルの間に不感領域が存在することになる。したがって、フォトダイオードアレイ１のフォトダイオード単位セルの間に不感領域が存在する、及び、半導体基板３の端部においてリーク電流が発生するという二つの現象の発生を回避するためには、Ｎ⁺チャンネルストップ層７は、半導体基板３の端部に設けたほうが好ましい。
【００３４】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、上述した数値等も適宜変更して設定することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、放射線が検出可能となる部分の面積を拡大することが可能な放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る放射線検出器を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る放射線検出器に含まれる、裏面入射型のフォトダイオードアレイを示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る放射線検出器に含まれる、裏面入射型のフォトダイオードアレイの断面構造を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係る放射線検出器に含まれる、裏面入射型のフォトダイオードアレイの断面構造を示す概略図である。
【図５】本発明の実施形態に係る放射線検出器に含まれる、裏面入射型のフォトダイオードアレイの断面構造を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る放射線検出器に含まれる、裏面入射型のフォトダイオードアレイをマトリックス状に並設した状態を示した平面図である。
【符号の説明】
１…フォトダイオードアレイ、２…シンチレータ、３…半導体基板、４…Ｐ⁺拡散層、５…Ｐ⁺拡散層、６…Ｎ⁺チャンネルストップ層、７…Ｎ⁺チャンネルストップ層、８…Ｎ⁺拡散層、９…配線、１０…ＡＲコート層、１１…バンプ、１２…空乏層、１３…空乏層が形成されない領域、Ｒ…放射線検出器。

Claims (3)

1. 第１導電型の半導体からなる半導体基板を有し、
   前記半導体基板の第１の面側には、第２導電型の半導体からなる第２導電型の拡散層と、前記半導体基板よりも不純物濃度の高い第１導電型の半導体からなる第１導電型の拡散層と、が設けられ、
   前記半導体基板の前記第１の面に対して裏面となる第２の面側には、シンチレータが光学的に接続されており、
   前記第１導電型の拡散層は、
   前記第２導電型の拡散層の間に設けられ、前記第２導電型の拡散層を分離するための第１の第１導電型の拡散層と、
   前記第２導電型の拡散層の配列の外側に設けられ、前記第１の第１導電型の拡散層よりも幅広に形成された第２の第１導電型の拡散層と、を含み、
   前記半導体基板内には、前記半導体基板の前記第１の面から前記第２の面まで空乏化された完全空乏化状態において、前記半導体基板の前記第１の面から前記第２の面まで空乏化しない領域が設けられることを特徴とする放射線検出器。
2. 前記第２の第１導電型の拡散層に隣接する第２導電型の拡散層の幅と前記第２の第１導電型の拡散層の幅との和は、前記第２の第１導電型の拡散層に隣接しない第２導電型の拡散層の幅と前記第１の第１導電型の拡散層の幅との和と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記第２の第１導電型の拡散層は、前記半導体基板の端部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射線検出器。

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