JP5016771B2 - 位置検出用光検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
検出器のアクティブ表面上に位置し、電磁放射線に露出したポイントの位置を電気信号で示すタイプの放射線感応位置検出器に関する。放射線が光から成る場合の測定では、このタイプの検出器が一般的であるが、例えば、放射線が他の形態の放射線または赤外放射線から成る場合には他の使用例もある。従って、この放射線とは任意のタイプの電磁放射線を意味する。以下の記載では、主に光に基づいて記載するが、本発明の記載は、一般にすべての電磁放射線にも当てはまることが理解できる。
【０００２】
（背景技術）
前記タイプの検出器は、集中放射線によって電荷キャリア・ペア（正孔および電子）を生じさせ、被照射ポイントを形成するタイプの半導体ウェーハ上に製造される。
【０００３】
半導体ウェーハには導電層が設けられ、この層の一方は、バリア層としても働き、この層の延長部は、半導体ウェーハ材料の導電タイプと反対の導電タイプを有するアクティブ表面に一致している。この層は、照射に関連して形成された電荷キャリアペアが半導体ウェーハ内部で再結合するのを防止する。その代わりに外部電気回路に接続された２つの導電層によりウェーハの外部で再結合が生じる。これによって電荷キャリアは、この接続部を通過するので電流が発生する。
【０００４】
位置測定は、導電層上に配置された収集電極の間で電流を抵抗で分流することによって電荷キャリアを分配することによって行われる。それぞれのバリア層の電極間の外側接続部内の電流を測定することにより光のポイントの位置を決定できる。
【０００５】
導電層上の電極の数および電極の配置に応じ、検出器は、多数の軸線を有するものと見なすことができ、この軸線に沿って電流が分流される。２つの電極が設けられているケースでは検出器は、１つの軸線を有する検出器と見なされ、４つの電極が設けられている場合、検出器は、２つの軸線を有する検出器と見なされる。例えば、１つの導電層が４つの電極を有し、この電極間で電流が分流され、一方、他方の層が１つの収集電極しか有しない電極は、２つの軸線を有する電極となる。２つの導電層が各々２つの電極を有する場合、同じ数の軸線を得ることもできる。
【０００６】
導電層と電極とは任意の方法で設計できる。このことは、電流が分流される軸線を特定の外観とする必要はなく、必ずしも直線でなくてもよい。
【０００７】
このタイプのデバイスは、出願人が本願出願人と同じである本発明者の欧州特許出願第EP0801725号から公知である。しかしながら、これまで公知のかかるデバイスの欠点は、感度、すなわち、光のポイントによって発生され、電極の間に分割できるどれだけ多くの電流が各入射放射線量子に対して発生された電荷キャリアのペアの数によって制限されるかということである。この電荷キャリアのペアの数は、物理学の法則によって制限される。この結果、上記タイプの検出器は、多くの用途では使用できず、その結果、全体に信頼性が低くなっている。これまで公知の検出器が不適当であると判っている状況は、例えば、長距離にわたって実行される測定または低反射率の表面からの反射を利用する測定である。
【０００８】
（発明の目的）
上記に鑑み、本発明の目的は、従来技術に関連した問題を完全または少なくとも部分的に解決する冒頭記載のタイプの検出器を提供することにある。
【０００９】
この目的は、特許請求の範囲に記載の検出器によって達成される。
【００１０】
（発明の概要）
本発明は横方向検出器にトランジスタ機能を追加することにより従来技術の上記欠点を解消しており、この機能は、放射線によって生じた電流を増幅し、よって検出器の感度を実質的に高めている。このことは、上記の記載に従った横方向検出器に少なくとも１つの別のバリア層を配置することによって達成される。これら新しいバリア層は、これら層が設けられるポイントにおける元の層の導電型と逆の導電型を有し、元のバリア層に電気的な順方向のバイアスがかけられ、電流をブロックする（逆方向のバイアスがかけられる）時に、これら層は、導電性となるように電気的なバイアスがかけられる。更に放射線によって発生された電流が上記導電層を通過するようにさせることとは別に、収集電極までの途中で、これら新しいバリア層も通過しなければならないように、これらバリア層は、配置されている。放射線によって発生された電荷キャリア・ペアによって生じた電流（ベース電流）は、バリア層を通過する際にトランジスタ機能によって増幅され、増幅された電流は、収集電極までの途中で上記のように導電層内で分流され、このような分流が照射ポイントの位置を決定する基礎となっている。
【００１１】
更に、別のドープされたバリア層を導入することによって得られる別のトランジスタに収集電極をベースとして設計することが好ましい。このトランジスタは、放射線によって発生され、既に増幅され、分流された電流を更に増幅するのに使用できる。
【００１２】
バリア層は、その導電パラメータ（導電型および導電度）が変わるように、不純物によって検出器のウェーハのベース材料をドーピングするか、または異なる導電層内で異なるバンド・ギャップを有する異なる半導体材料を使用するかのいずれかによって製造できる。いわゆるヘテロ・ジャンクションに関係する後者の方法は、トランジスタの電気的性質を改善できる。
【００１３】
特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内は、本発明の多数の実施例を考え付くことができる。特にデバイスのバリア層、導電層および収集電極の異なる多くの構造が可能である。
【００１４】
以下、添付図面を参照し、多数の実施例を一例として記載する。
【００１５】
（好ましい実施例の説明）
図１および図２ａ〜ｃに示されるように、本発明に係わるデバイスの第１の実施例は、ドーピングによって得られたウェーハの両側に２つの導電層２、３を有する導電型ｎまたはｐの半導体ウェーハ１を含む。ドープされた領域の導電型は、半導体ウェーハの導電型と反対となるように選択されている。例えば、ウェーハがＮ型である場合、この層のドーピングは、Ｐ型となる。上記と逆の関係にすることも可能である。このように導電層は、バリア層も構成している。導電層には電極４、５のペアおよび６、７のペアがそれぞれ配置されている。これら電極は、並列に２×２の構造に配置すべきであり、各ペアが異なる方向に延び、この方向は、他方のペアに垂直であることが好ましい。更に電極は、２つのペアの各々が導電層の２つの反対の平行部分を構成する直交する正方形の２つの反対の側面を構成するように配置されている。
【００１６】
上記の例ではバリア層２、３も導電層として働き、この導電層には電極が接続されている。しかしながら、分離した導電層２ｂ、３ｂを使用することも可能である。これらは、バリア層の頂部に異なるドーピング形の層を設けるか、または薄い金属層または同等の層を設けることによって得ることができる。
【００１７】
別の実施例では電極４、５および６、７は、すべてウェーハの上方面または下方面に配置される。この場合、反対の面は、１つの収集電極しか有しない。
【００１８】
ウェーハの正面と背面との間は、ある電圧が印加されている。この電圧の極性は、正面のバリア層には逆方向のバイアスがかけられ、背面のバイアス層には順方向のバイアスがかけられるように定められている。これら２つのバリア層は、ウェーハの半導体材料と共に１つのトランジスタを形成しており、このトランジスタは、順方向のバイアスがかけられたバリア層３がエミッタを構成し、逆方向のバイアスがかけられたバリア層２がコレクタを構成し、これら層の間のウェーハの半導体材料がベース１を構成している。１つのポイントに集中した放射線（この放射線は、例えば、光または他の任意の電磁放射線である）がこのトランジスタに入射した場合、電子と正孔とから成る電荷キャリアペアは、このポイントに形成される。逆方向のバイアスがかけられたバリア層の両端の電界は、１つの電荷タイプのキャリアがウェーハの正面に向かって移動し、他方の電荷タイプのキャリアがウェーハの背面に向かって移動するように、電子と正孔とを分離する。正面と背面との間の電気回路が導電層２、３、電極ペア４、５および６、７並びに外部電子回路（図示せず）によって閉じられると、印加されている電圧は、この外部回路に電流を発生させる。結合したバリア層のトランジスタ機能により、この電流は、元の放射線によって生じた電流の増幅されたコピー電流となる。導電層で生じる電流の分流に基づき、照射されたポイントの位置を決定できる。
【００１９】
更に、ベースに電気接続部を設けることによって外部電源または電流源によって増幅電流の強度に影響を与えることができる。
【００２０】
バリア層２に順方向のバイアスがかけられ、バリア層３に逆方向のバイアスがかけられるような逆の状況も可能である。しかしながら、放射線の透過深度が浅い場合、逆方向のバイアスがかけられる層は、放射線感応検出表面の近くに位置していなければならない。
【００２１】
図３および図４ａ〜ｃに示されるような、本発明に係わるデバイスの第２の実施例は、ドーピングによって得られ、ウェーハのベース材料の導電型と反対の導電型の導電層２を有する導電型ｎまたはｐの半導体ウェーハ１を含む。この導電層も上記と同じようにバリア層を形成する。上記と同じようにバリア層の下には導電層３が配置されている。しかしながら、この実施例では前記層の導電型は、ウェーハのベース材料の導電型と同じである。この層は、ウェーハのベース材料から形成できる。上記と同じように、これら導電層は、電極４、５および６、７が接触するように配置されている。この実施例に係わるデバイスは、別のバリア層８、９を更に含む。これらバリア層は、増幅を行うのに必要であり、導電層３に接触するように配置された電極の下に配置されている。これらバリア層は、これらバリア層が設けられた導電層の導電型と逆の導電型を有する。
【００２２】
本発明の第３の実施例によれば、図５および図６ａ〜ｃに示されるように、導電層２に接触した状態に配置された電極の下に別のバリア層８、９を別個に設けてもよい。
【００２３】
上記と同じように、これら２つの後者の実施例において、放射線によって発生された電流は、増幅され、分離をされる。これに基づき、照射ポイントの位置を決定することができる。
【００２４】
図７は、半導体ウェーハの同じ側からすべての導電層が接続された第４の実施例を示す。前の実施例と同じように、バイアスがかけられたバリア層は、ここでは層２または層３のいずれかに接触する電極の下方に配置できる。
【００２５】
本発明に係わる検出器は、従来の検出器よりも感度がかなり高く、よって長距離にわたる測定または低反射率の暗い表面での測定に適した検出器を構成している。この検出器は、例えば、三角測量システムなどに適す。
【００２６】
以上で実施例により本発明について記載した。しかしながら、半導体支持基板上の他の位置にバリア層を配置したり、別のバリア層を設けたり、別の電極ペアなどを設ける等の他の種々の変形例も可能である。更にバリア層を導電層として作動させたり、またはバリア層の頂部に別個の導電層を設けることも可能である。かかる明らかな実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内に入るものと見なすべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例に係わる装置の斜視図である。
【図２ａ】 図１と同じ実施例の平面図である。
【図２ｂ】 図１と同じ実施例の平面図である。
【図２ｃ】 図１と同じ実施例の平面図である。
【図３】 本発明の第２の実施例に係わる装置の斜視図である。
【図４ａ】 図３と同じ実施例の平面図である。
【図４ｂ】 図３と同じ実施例の平面図である。
【図４ｃ】 図３と同じ実施例の平面図である。
【図５】 本発明の第３の実施例に係わる装置の斜視図である。
【図６ａ】 図５と同じ実施例の平面図である。
【図６ｂ】 図５と同じ実施例の平面図である。
【図６ｃ】 図５と同じ実施例の平面図である。
【図７ａ】 本発明の第４の実施例の平面図である。
【図７ｂ】 本発明の第４の実施例の平面図である。
【図７ｃ】 本発明の第４の実施例の平面図である。

Claims (10)

1. 検出器の検出表面（１０）上の照射ポイント（１１）の位置を電気信号によって示すタイプの放射線検出器であって、少なくとも２つの収集電極間で前記照射ポイントによって発生された電流を抵抗で分流することにより位置の決定が得られる、前記放射線検出器において、
   前記検出器は、少なくとも２つのバリア層と少なくとも２つの導電層（２ｂ、３ｂ、２、３）とを有する半導体ウェーハ（１）を備え、前記バリア層の両端に電気バイアスがかけられた時に前記バリア層の一方の層に逆方向のバイアスがかけられ、他方の層に順方向のバイアスがかけられ、逆方向のバイアスがかけられたバリア層の延長部は、実質的に検出器の表面に一致し、前記２つの導電層の少なくとも一方は、前記少なくとも２つの電流収集電極（４、５；６、７）を有し、照射ポイント内の放射線によって発生され、逆方向のバイアスがかけられたバリア層によって分離された電流により順方向のバイアスがかけられた層と逆方向のバイアスがかけられた層との間で前記導電層は、トランジスタ増幅できるように配置されていることを特徴とする放射線検出器。
2. 前記逆方向のバイアスがかけられたバリア層の２つの面を接続する電流パスを設けるように配置された外側電気接続部を更に含み、２つのバリア層の相互作用によって電流のトランジスタ増幅が行われ、かつ、電流が発生されたポイントからの距離に逆比例して前記導電層内で収集電極の間の電流の抵抗による分流が行われるように、前記電流パスは、前記導電層と前記順方向のバイアスがかけられたバリア層を通過していることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
3. 前記ウェーハの１つの面には、少なくとも１つの電流収集電極が設けられた前記導電層の１つと共に逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層の下には、少なくとも２つの電流収集電極が設けられた他方の導電層と共に順方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、前記電流収集電極は、前記ウェーハの上方面または前記ウェーハの背面から前記導電層に接触していることを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
4. 前記ウェーハの１つの面には、少なくとも２つの電流収集電極が設けられた前記導電層の１つと共に逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、前記逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層の下には、少なくとも１つの電流収集電極が設けられた前記他方の導電層と共に順方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、前記電流収集電極は、前記ウェーハの上方面または前記ウェーハの下面から前記導電層に接触していることを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
5. 前記ウェーハの１つの面には、少なくとも２つの電流収集電極が設けられた前記導電層の１つと共に逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、前記逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層の下には、少なくとも２つの電流収集電極が設けられた前記他方の導電層と共に順方向のバイアスがかけられた前記バリア層が配置され、前記電流収集電極は、前記ウェーハの上方面または前記ウェーハの下面から前記導電層に接触していることを特徴とする請求項１または２記載の検出器。
6. 各電流収集電極の下方には、バリア層が配置され、順方向のバイアスがかけられた前記バリア層に関連する前記導電層に接触するように、前記順方向のバイアスがかけられた前記バリア層は、分割されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の検出器。
7. 各電流収集電極の下方には、バリア層が配置され、逆方向のバイアスがかけられた前記バリア層に関連する前記導電層に接触するように、前記順方向のバイアスがかけられた前記バリア層は、分割されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の検出器。
8. 異なる半導体材料を接合することによって各バリア層は、得られていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の検出器。
9. 前記バリア層の少なくとも１つは、導電層としても働くようにドープされていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の検出器。
10. 前記収集電極は、更に別のトランジスタのベースを形成し、該ベースは、放射線によって既に発生され増幅され分流された電流を収集し、前記トランジスタのエミッタおよびコレクタは、好ましくは前記半導体ウェーハに配置された別のバリア層から成ることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の検出器。

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