JP7250919B2 - 半導体ウエハ、放射線検出素子、放射線検出器、及び化合物半導体単結晶基板の製造方法 - Google Patents

半導体ウエハ、放射線検出素子、放射線検出器、及び化合物半導体単結晶基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウエハ、放射線検出素子、放射線検出器、及び化合物半導体単結晶基板の製造方法に関する。
従来、放射線検出素子の基板をなす各種の化合物半導体の開発が行われてきたが、その中でもテルル化亜鉛カドミウム（ＣｄＺｎＴｅ）が、近年の結晶開発における技術革新により有力な材料として注目されている。
ＣｄＺｎＴｅは、原子番号が比較的大きい元素からなるので、放射線（硬Ｘ線やγ線）の検出効率が高い。このため、ＣｄＺｎＴｅを用いた放射線検出器（以下ＣｄＺｎＴｅ系検出器）は、他の化合物半導体を用いたものよりも小型かつ高性能なものとすることができる。
また、ＣｄＺｎＴｅ系検出器は、放射線を直接電流に変換する仕組みなので、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）に代表されるルミネッセンスを介した間接的な動作機構のシンチレータ検出器に比べ、検出効率及びエネルギー分解能において優れている。
また、ＣｄＺｎＴｅは、バンドギャップが大きいので、熱の影響を受けにくく、動作時の漏れ電流が小さい。このため、ＣｄＺｎＴｅ系検出器は、室温で動作可能となり、動作させるために冷却装置が必要なシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）を用いた検出器に比べ、装置を小型化でき、更に、高いバイアス電流を印加することで高いエネルギー分解能を発揮することができる（特許文献１、２参照）。
米国特許出願公開第２０１１／０１８６７８８号明細書 特開昭６３－１８５８９８号公報 特開２００４－２３８２６８号公報 特開２０１３－２４１２８９号公報 特許６０１８５３２号公報 特開２００８－１００９００号公報 特開平０５－１５５６９９号公報 特開平０９－１２４３１０号公報 特開２０１７－１９７４１３号公報
ＣｄＴｅ系単結晶の高抵抗率化に関しては、特許文献３～９のような先行技術が存在する。特許文献３は、塩素（Ｃｌ）ドープまたはインジウム（Ｉｎ）ドープにより、ＣｄＴｅ単結晶を１０8～１０9Ωｃｍとする技術を開示している。特許文献４は、１００Ｖのバイアス電圧印加時におけるＩｎドープＣｄＺｎＴｅ単結晶について、単結晶成長後に２段階のインゴットアニールを行うことで、抵抗率として１０11Ωｃｍ台の値が達成できる技術を開示している。しかし、これらには、低線量環境下において放射線検出器として使用する際等のように、高バイアス電圧印加時の抵抗率という観点での課題の認識は無く、そのような状況においても十分な抵抗率値が達成されるか否かについての言及はない。特許文献５は、特許文献４と同様のＩｎをドープしたＣｄＺｎＴｅ単結晶に対して、単結晶成長後に、Ｃｄ蒸気圧を維持した状態でインゴットアニールを行うことで、インゴットから切り出したＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅ基板に０Ｖ、７００Ｖ及び９００Ｖのバイアス電圧を印加した時の抵抗率として１０7Ωｃｍ台、０Ｖ時の基板面内の抵抗率の相対標準偏差が２０％以下であるものを開示している。
特許文献６～８は、特許文献４や特許文献５とは異なり、ＣｄＴｅ単結晶インゴットから基板を切り出し、該基板に対してアニールを行う技術（ウエハアニール）を開示している。このうち、特許文献６はＡｒ雰囲気中でＣｄＴｅの融点に近い高温でアニールを行うもので、それによって沈殿物の除去を行うというものである。特許文献７は、ＣｄＴｅ基板に対して７００℃程度の高温アニールと４００℃程度の２段階のウエハアニールを真空中で行うものである。特許文献８は、ＣｄＴｅ基板に対して４００℃程度の２段階の低温アニールを真空中で行うものである。特許文献９はＩｎをドープしたＣｄＺｎＴｅ基板に対して、不活性ガス雰囲気中で３００℃程度のウエハアニールを行い、アニール後のＣｄＺｎＴｅに対して７００Ｖのバイアスを印加した時の抵抗率として１０11Ωｃｍ台であることを開示している。しかし、これらのウエハアニール技術では、いずれにも９００Ｖという高電圧を印加した時の抵抗率が１０7Ωｃｍ以上の高抵抗率である基板の開示はない。
ところで、ＣｄＺｎＴｅ系検出器は、高バイアス電圧印加時においてもリーク電流を抑制する等の目的で、高バイアス電圧印加時の抵抗率を十分に高くすることが望まれている。従来技術において、たとえば、特許文献５によれば、上述したように、ＩｎをドープしたＣｄＺｎＴｅ単結晶に対して、単結晶成長後に、Ｃｄ蒸気圧を維持した状態でインゴットアニールを行うことで、インゴットから切り出したＣｄＺｎＴｅ基板に０Ｖ、７００Ｖ及び９００Ｖのバイアス電圧を印加した時の抵抗率として１０7Ωｃｍ台であることが開示されている。ここで、ＣｄＺｎＴｅ基板に高バイアス電圧を印加していくと、ＣｄＺｎＴｅ基板中に発生するリーク電流値が大きくなる傾向があり、印加電圧に対するリーク電流値の変化によって、抵抗率が大きく変動することが見出された。特許文献５に開示されたＣｄＺｎＴｅ基板の場合、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する、０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）を算出すると、３５０～８００程度となり、電圧を印加しない状態から９００Ｖという高電圧を印加した場合に、抵抗率が大きく変動する課題がある。
そこで、本発明は、高電圧印加時においてもリーク電流が少なく、また印加する電圧値の変動に対して、抵抗率の変動が小さく安定したＣｄＺｎＴｅ単結晶基板を提供することを目的とする。また、本発明は、上述したＣｄＴｅ系単結晶基板を効果的に製造することができる方法を提供することを目的とする。
上記の技術課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、ＣｄＺｎＴｅをベースとする化合物単結晶において、化合物組成と、添加するドーパント材と、結晶内のキャリア活性化に関与するアニールの条件について検討し、適切な制御を行うことにより、電圧印加していない状態から高バイアス電圧を印加した時にも十分に高い抵抗率を有し、かつその変動幅を小さくできる基板を得ることができるとの見識に至った。そして、素子化した場合に放射線検出素子の性能を安定したものとして作製できるとの見識に至り、本発明を完成させた。
本発明は一実施形態において、亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下のテルル化亜鉛カドミウム単結晶からなり、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下であり、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）が２０％以下となることを特徴とする半導体ウエハである。ここで、抵抗率とは、電極構造を形成したＣｄＺｎＴｅ単結晶基板の素子構造に徐々に電圧を印加していくことでＩ－Ｖ特性を調べ、Ｉ－Ｖ特性曲線を描画し、Ｉ－Ｖ特性曲線から微小電圧（０．１Ｖ程度）を印加したときの抵抗率を０Ｖ抵抗率（以下０Ｖ抵抗率）、及び９００Ｖ印加したときの抵抗率を９００Ｖ抵抗率として得た値を意味する。
本発明は別の一実施形態において、本発明の実施形態に係る半導体ウエハから主面が矩形となるように切り出された基板と、前記基板の一方の主面に形成された共通電極と、前記基板の他方の主面に行列状に複数形成されたピクセル電極とを備えたことを特徴とする放射線検出素子である。
本発明の放射線検出素子は別の一実施形態において、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下であり、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）が２０％以下となることを特徴とする放射線検出素子である。
本発明は更に別の一実施形態において、本発明の実施形態に係る放射線検出素子と、前記放射線検出素子に接続され、前記放射線検出素子にバイアス電圧を印加する電源と、前記放射線検出素子に接続され、前記放射線検出素子から出力された電気信号を増幅する増幅部とを備えたことを特徴とする放射線検出器である。
本発明は更に別の一実施形態において、亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下のテルル化亜鉛カドミウム単結晶からなり、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下である化合物半導体単結晶基板の製造方法であり、炉内での単結晶の結晶成長工程と、前記単結晶の結晶成長工程が終了した後、炉内単結晶の設置位置の温度を３８５～４００℃とし、炉内でアンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、５０～９０時間の範囲で熱処理し、熱処理後の単結晶インゴットをウエハ状にスライスして基板とする工程とを含むことを特徴とする化合物半導体単結晶基板の製造方法である。
本発明の実施形態によれば、単結晶中において濃度が所定範囲に収まるよう添加量が調節された原料の一部（Ｚｎ及びＣｌ）の作用と、前記単結晶の結晶成長工程が終了した後、炉内単結晶の設置位置の温度を３８５～４００℃とし、炉内でアンプルを開封することなく、一連の工程でＣｄリザーバー部の温度は室温として、５０～９０時間の熱処理を行うことにより、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下と高く、かつ９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する、０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）を２０％以下と小さい半導体ウエハを得ることができる。このため、このウエハから切り出された基板を備える放射線検出素子を用いれば、高いバイアス電圧を印加しても、多量のリーク電流の発生を抑制でき、印加電圧の変化に対して安定した素子特性を得ることができる。
従って、ＣｄＺｎＴｅ単結晶を基板とする放射線検出素子を備えた放射線検出器において、放射線の検出性能を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る放射線検出器の構成図である。 図１の放射線検出素子の基板となる化合物半導体単結晶を製造するための単結晶成長炉の縦断面図である。
〔放射線検出器及び放射線検出素子の構成〕
まず、本実施形態の放射線検出器及び放射線検出素子の概略構成について説明する。
本実施形態の放射線検出器１は、図１に示すように、放射線検出素子２、コンデンサ３、増幅部４等で構成されている。
放射線検出素子２を構成する基板２１は、ＩＩ－ＶＩ族化合物半導体単結晶であるテルル化亜鉛カドミウム（ＣｄＺｎＴｅ）単結晶で、主面が矩形の薄い板状に形成されている。また、基板２１の主面は、所定の結晶面（例えば（１１１）面）と平行になっている。
共通電極２２は、金属（例えば白金（Ｐｔ））の薄膜で、基板２１の一方の主面（以下Ｂ面２１ｂ）全体を覆うように形成されている。ピクセル電極２３は、金属の薄膜で基板２１の他方の主面（以下Ａ面２１ａ）に複数設けられるとともに、マトリクス（行列）状に配列されている。以下、共通電極２２とピクセル電極２３を区別しない場合は、両電極を合わせて電極２２、２３と表記する。
放射線検出素子２は、共通電極２２がグランドに接続（接地）され、各ピクセル電極２３が電源（制御部）５に接続されることにより所定のバイアス電圧が印加されるようになっている。また、ピクセル電極２３は、コンデンサ３及び増幅部４に接続されている。なお、図１では、右端のピクセル電極のみコンデンサ３、増幅部４に接続されている様子が示されているが、他のピクセル電極２３も同様にコンデンサ３及び増幅部４に接続されている。
放射線検出器１は、このような構成により、放射線検出素子２に放射線（硬Ｘ線やγ線）を受けると、基板２１内に電子正孔対を生成し、これを放射線検出素子２に印加されているバイアス電圧により電離電流としてピクセル電極２３から出力する。そして、この電離電流を、コンデンサ３、増幅部４を経て電気信号に変換し、データ生成部６に出力する。
〔単結晶成長炉の構成〕
次に、上記基板２１を形成するＣｄ（Ｚｎ）Ｔｅ単結晶を製造するための単結晶成長炉９の構成について説明する。
本実施形態の単結晶成長炉９は、縦型温度勾配凝固（ＶＧＦ：Vertical Gradient Freezing）法に用いられるもので、図２に示すように、外側の単結晶成長炉本体、蒸気圧印加用のカドミウム充填部９１、ヒーター９２、石英アンプル９３等で構成されている。
ヒーター９２ａ、９２ｂは、本体の内部に縦列し、それぞれが複数段の発熱部を有する構成で配置されている。各ヒーター９２ａ、９２ｂはそれぞれ独立して加熱温度を設定可能となっている。
石英アンプル９３は、円筒状のるつぼ収納部９３ａとるつぼ収納部９３ａの下部から下方に向かって延びるカドミウム蒸気圧制御用の管状のＣｄリザーバー部９３ｂからなる。石英アンプル９３は、炉本体内に配置され、るつぼ収納部９３ａが上部ヒーター９２ａに囲まれ、Ｃｄリザーバー部９３ｂが下部ヒーター９２ｂに囲まれるようになっている。
〔化合物半導体単結晶及び半導体ウエハの製造方法〕
次に、上記単結晶成長炉９を用いて本実施形態の化合物半導体単結晶であるＣｄ（Ｚｎ）Ｔｅ単結晶を製造する方法と、Ｃｄ（Ｚｎ）Ｔｅ単結晶から本実施形態の半導体ウエハであるＣｄ（Ｚｎ）Ｔｅウエハを製造する方法について説明する。
本実施形態のＣｄ（Ｚｎ）Ｔｅ単結晶の製造方法は、準備工程、結晶成長工程、熱処理工程からなり、Ｃｄ（Ｚｎ）Ｔｅウエハの製造方法は、切断工程、ラッピング工程、鏡面研磨工程からなる。
初めの準備工程では、まず、るつぼ内に原料として、純度６Ｎ（９９．９９９９％）のＣｄ、６ＮのＴｅ、Ｚｎ及びドーパント材（不純物）であるＣｌを所定量充填する。なお、ＺｎとＣｌは、単結晶中におけるＺｎ濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、Ｃｌ濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下となるように、それぞれ量を調節して加える。
そして、石英アンプル９３のＣｄリザーバー部９３ｂにＣｄを入れ、原料が充填されたるつぼを石英アンプル９３内に載置する。そして、石英アンプルを真空封止し、ヒーター９２ａ、９２ｂで炉内を加熱して、るつぼに入った原料を合成する。その後、炉内を更に加熱して原料を融解させて融液にするとともに、ドーパントを融液中に拡散させる。このとき、下部ヒーター９２ｂの温度を調節することによりＣｄの蒸気圧を０．１２～０．１４ＭＰａ程度に調整し、融液からのＣｄの蒸発を抑制する。
るつぼ内の原料が融液となり安定化した後は、結晶成長工程に移る。結晶成長工程では、上部ヒーター９２ａの縦列に複数段で構成された各発熱部の出力を調整して、融液の下端から上端に向かって低くなるような温度勾配が生じるようにする。なお、温度勾配は、融液の上部においては０．０５～１．０℃／ｃｍとなるように、また、融液の下部においては、単結晶の成長時の降温工程で、るつぼ内の原料融液が一気に固化することを避けるために１．０～５．０℃／ｃｍ程度と上部よりも大きな温度勾配となるように各ヒーターの出力を調節する。
そして、融液に温度勾配を持たせたまま炉内の温度を徐々に下げていくと、最も温度が低くなる融液の表面に単結晶が生成し、それが下方に向かって成長していく。
単結晶を所定長まで成長させた後は、熱処理工程に移る。熱処理工程では、まず、成長したＣｄＺｎＴｅ単結晶を石英アンプル内に保持したまま、上部ヒーター９２ａの複数段からなる各発熱部の温度を調節することにより、また下部ヒーター９２ｂの温度を制御することでＣｄの蒸気圧を所定圧力に維持したまま、炉内温度を上記単結晶の成長終了時の温度から３８５℃～４００℃まで低下させる。そして、その状態でＣｄＺｎＴｅ単結晶を５０～９０時間、炉内でアンプル（石英アンプル９３）を開封することなく、Ｃｄリザーバー部９３ｂの温度は室温として、熱処理（インゴットアニール）する。ここで、特許文献９の熱処理の場合には、単結晶成長した後、スライスしたウエハ状の基板を２７５～３２５℃、１０～２５時間、不活性雰囲気下で熱処理（ウエハアニール）を行っており、当該ウエハアニール後のＣｄＺｎＴｅ単結晶基板に電極を形成して、９００Ｖの電圧印加時における抵抗率が１×１０11Ωｃｍ以上という高い値を実現しているが、本発明の実施形態では印加電圧の変動に対する抵抗率の変動が小さく、印加電圧の変動に対して安定した抵抗率が維持でき、特に９００Ｖという、より高電圧を印加した場合においても、抵抗率の変動比が小さく、放射線検出素子に用いた時に、微量の放射線を検出するための高バイアス動作時においての抵抗率の変動が小さく、且つリーク電流によるノイズの発生を抑制できる技術に関していえるものである。
単結晶を熱処理した後は、切断工程に移る。切断工程では、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを所定の結晶面に沿ってウエハ状にスライスし、複数のウエハを切り出す。
ウエハを切り出した後は、ラッピング工程に移る。ラッピング工程では、切り出したウエハの切断面をラッピング用の研磨材で研磨して凹凸を取り除く。
切断面を平坦化した後は、鏡面研磨工程に移る。鏡面研磨工程では、ウエハの研磨面を鏡面研磨用の研磨材で研磨して鏡面に仕上げる。
以上の工程を経ることにより、本実施形態のＣｄＺｎＴｅウエハが製造される。当該ＣｄＺｎＴｅウエハは、亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下のテルル化亜鉛カドミウム単結晶からなる。
このＣｄＺｎＴｅウエハは、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下と高く、かつ９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する、０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）を２０％以下と低いものとすることができる。
〔放射線検出素子の製造方法〕
次に、上記ＣｄＺｎＴｅウエハを基板とする放射線検出素子２の製造方法について説明する。本実施形態の放射線検出素子２は、電極形成工程、ダイシング工程、素子抵抗率測定工程を経て製造される。
初めの電極形成工程では、まず、上記のＣｄＺｎＴｅウエハを洗浄し、表面に付着していた異物を除去する。そして、ＣｄＺｎＴｅウエハの研磨面にフォトレジストを塗布し、ピクセル電極パターンが描かれたフォトマスクを用いてフォトレジストを露光する。そして、現像することにより感光したフォトレジストを除去する。そして、ＣｄＺｎＴｅウエハをめっき液に浸漬し、ＣｄＺｎＴｅウエハの研磨面２１ａ、２１ｂのうちフォトレジストの除去された箇所に金属を析出させ薄膜層を形成する。この薄膜層が所定の膜厚まで成長したものが電極２２、２３となる。電極２２、２３が形成された後は、不要になったフォトレジストを除去し、ＣｄＺｎＴｅウエハを洗浄し、乾燥させる。
電極２２、２３を形成した後はダイシング工程に移る。ダイシング工程では、研磨面２１ａ、２１ｂに電極２２、２３が形成されたＣｄＺｎＴｅウエハを切断して複数の基板２１に分割するとともに、個々の放射線検出素子２をＣｄＺｎＴｅウエハから切り出す。
素子抵抗率測定工程では、切り出した素子の中から評価用のサンプルを取得し、そのサンプルに電圧を印加してその素子抵抗率を測定する。
以上の各工程を経ることにより、本実施形態の放射線検出素子２が複数製造される。
前述したように、ＣｄＺｎＴｅウエハは、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下であり、かつ９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する、０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）が２０％以下と低いものが得られるので、この放射線検出素子２の検出性能は良好なものとなる。
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
〔本発明と従来技術との比較〕
次に、本実施形態の基板及び放射線検出素子２と、比較例の基板及び放射線検出素子との特性の差異について説明する。
説明に際し、まず、上記単結晶の製造方法で６本のＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴット（実施例１～３、比較例１～３）を製造し、実施例１～３の条件によるインゴットアニールと比較例１～３によるインゴットアニールを行い、インゴットアニール後のＣｄＺｎＴｅ単結晶を石英アンプル内から取り出した。そして、各インゴットを（１１１）面に沿って切断して円盤状のウエハを切り出し、更に各ウエハから正方形の基板を切り出し、各基板に電極を作製するため、この各基板の一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成し、各基板をダイシングしてオーミック型の放射線検出素子を製造した。そして、各素子に徐々に電圧を印加していくことで各素子のＩ－Ｖ特性を調べ、Ｉ－Ｖ特性曲線を描画した。そして、Ｉ－Ｖ特性曲線から微小電圧（０．１Ｖ程度）を印加したときの抵抗率（以下０Ｖ抵抗率）、及び１００Ｖ、２５０Ｖ、５００Ｖ、７００Ｖ、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率を算出した。表１は、各インゴットの製造条件及び各インゴットから得られたウエハの特性と、各ウエハから切り出した基板及び各基板から製造した放射線検出素子の特性を纏めたものである。具体的には、各基板の抵抗率の測定は、ＳＥＭＩＭＡＰ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製のＣＯＲＥＭＡ－ＷＴ（ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｍａｐｐｉｎｇ）という測定装置で、基板を、主面に沿って行列状に配列される複数の細かい部分（ピクセル）に分け、部分毎の抵抗率（以下局所抵抗率）を測定し、局所抵抗率の平均値（以下基板の抵抗率）を得る手法で、各印加電圧時の抵抗率を得た。
（実施例１）
実施例１では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が１００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＶＧＦ法によってＣｄＺｎＴｅ単結晶インゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を３８５℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、９０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、実施例１のインゴットの上部（固化率０．１９）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が６．１ａｔ％、Ｃｌ濃度が１．２ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この実施例１の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は２．９×１０8Ωｃｍ、９００Ｖ印加時の抵抗率は２．０×１０7Ωｃｍであり、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は１４．８％であった。
（実施例２）
実施例２では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が１００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を３９０℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、９０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、実施例２のインゴットの上部（固化率０．７５）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が４．３ａｔ％、Ｃｌ濃度が３．９ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この実施例２の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は６．４×１０8Ωｃｍ、９００Ｖ印加時の抵抗率は５．５×１０7Ωｃｍであり、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は１１．６％であった。
（実施例３）
実施例３では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が２００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を４００℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、５０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、実施例３のインゴットの下部（固化率０．２０）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が６．１ａｔ％、Ｃｌ濃度が２．５ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この実施例３の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は５．８×１０8Ωｃｍ、９００Ｖ印加時の抵抗率は３．９×１０7Ωｃｍであり、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は１５．０％であった。
（比較例１）
比較例１では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が１００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を９５０℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、２０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、比較例１のインゴットの上部（固化率０．２２）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が６．０ａｔ％、Ｃｌ濃度が１．３ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この比較例１の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は１．１×１０9Ωｃｍであり、９００Ｖ印加時の抵抗率は３．５×１０5Ωｃｍと大きく低下し、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は約３１６８％であった。
比較例１では、インゴットアニールのアニール温度を９５０℃と高めの温度で実施したが、製造されたＣｄＺｎＴｅ単結晶基板の９００Ｖ印加時の抵抗率の変動率が大きいものとなった。
（比較例２）
比較例２では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が１００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を４１０℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、９０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、比較例１のインゴットの上部（固化率０．１７）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が６．１ａｔ％、Ｃｌ濃度が１．２ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この比較例２の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は５．７×１０8Ωｃｍ、９００Ｖ印加時の抵抗率は２．３×１０7Ωｃｍであり、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は２４．７％であった。
比較例２では、インゴットアニールの温度を実施例１～３より高めの４１０℃で実施したが、製造されたＣｄＺｎＴｅ単結晶基板の９００Ｖ印加時の抵抗率は、０Ｖ印加時の抵抗率より変動幅がわずかに大きく、２５％程度の低下があり、印加電圧に対する変動幅として、電気特性の安定性の点で許容できる範囲を越脱していた。
（比較例３）
比較例３では、Ｚｎ濃度５ａｔ％、Ｃｌ濃度が１００ｗｔｐｐｍのＣｄＺｎＴｅ融液からＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを育成した。単結晶育成終了後に、炉内温度について単結晶育成時の終了温度から単結晶設置位置温度を３７８℃とし、炉内で石英アンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、９０時間のインゴットアニールを実施した。インゴットアニール後、室温まで冷却して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶のインゴットを製造した。そして、比較例１のインゴットの上部（固化率０．７４）から、主面が４．０ｍｍ×４．０ｍｍの正方形で厚さが１．４ｍｍの基板を切り出した。この基板の組成を調べたところ、表１に示すように、Ｚｎの割合が４．３ａｔ％、Ｃｌ濃度が３．８ｗｔｐｐｍとなっており、本発明の範囲に収まっていた。
次に、この比較例３の基板から、一方の主表面（Ｂ面）にＰｔで共通電極を形成するとともに、他方の主表面（Ａ面）にＰｔでピクセル電極を形成してオーミック型の放射線検出素子を製造し、この放射線検出素子のＩ－Ｖ特性曲線を描画して計算したところ、０Ｖ印加時の抵抗率は１．６×１０9Ωｃｍ、９００Ｖ印加時の抵抗率は３．６×１０7Ωｃｍであり、その変動率（０Ｖ時抵抗率／９００Ｖ時抵抗率）は４３．０％であった。
比較例３では、インゴットアニールの温度を実施例１～３より低めの３７８℃で実施したが、製造されたＣｄＺｎＴｅ単結晶基板の９００Ｖ印加時の抵抗率は、０Ｖ印加時の抵抗率より変動幅がわずかに大きく、４３．０％の低下があり、印加電圧に対する変動幅として、電気特性の安定性の点で許容できる範囲を越脱していた。
上記実施例１～３、比較例１～３の基板における抵抗率の変動比を比較してみると、比較例１～３の基板は２４．７～３１６７．９％であるのに対し、実施例１～３の基板は、１１．６～１５．０％と、いずれも２０％以下の低い値となった。このことは、本実施形態の製造方法で製造した基板は、従来の製造方法で製造した基板に比べて９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）が２０％以下と小さいことを示している。
また、上記実施例１～３、比較例１～３の基板から製造した放射線検出素子の特性を検討してみると、実施例１～３の放射線検出素子は、９００Ｖ抵抗率が２．０～５．５×１０7Ωｃｍと極めて高くなっており、且つ、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）は２０％以下と小さく、印加電圧の変動に対して抵抗率の値が安定していることがわかる。このように実施例１～３の放射線検出素子は、９００Ｖ抵抗率が高く、いずれの電圧においても安定した電離電流を流すのに適した特性を有している。
各実施例及び各比較例の製造条件及び評価結果を表１に示す。
Figure 0007250919000001
以上、説明してきたように、るつぼに原料を充填する際、原料の一部（Ｚｎ及びＣｌ）を、単結晶中における濃度が所定範囲（亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下）となるように量を調節して、ＣｄＺｎＴｅ単結晶を成長させ、前記単結晶の結晶成長工程が終了した後、炉内単結晶の設置位置の温度を３８５～４００℃とし、炉内でアンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、５０～９０時間の範囲で熱処理することで、９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下と高く、かつ、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）は２０％以下と小さく、印加電圧の変動に対して抵抗率の値が安定したＣｄＺｎＴｅウエハを得ることができる。このため、このＣｄＺｎＴｅウエハから切り出された基板２１を備える放射線検出素子２を用いれば、高いバイアス電圧を印加しても、各電圧印加値に対して、安定した抵抗率を維持でき、多量のリーク電流が発生するのを抑制することができる。
従って、ＣｄＺｎＴｅ単結晶を基板とする放射線検出素子２を備えた放射線検出器１において、放射線の検出性能を向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、基板２１の主面形状を正方形としたが、長方形やその他の形状としてもよく、ピクセル電極２３の数や配置は、主面２１ａの大きさや形状に合わせて決定すればよい。
また、本実施形態では、基板の主面２１ａ、２１ｂを（１１１）面としたが、これ以外の結晶面としてもよい。
また、本実施形態では、共通電極２２、ピクセル電極２３をいずれもＰｔで形成したが、金（Ａｕ）やその他の金属でも良いし、これらの金属を含む合金でもよい。更に、共通電極２２とピクセル電極２３のうち一方を他方と異なる金属で形成する（例えば、共通電極２２をインジウム（Ｉｎ）で形成し、ピクセル電極２３をＰｔで形成する）ようにしてもよい。
また、放射線検出素子２とデータ生成部６との間に設けられる回路は、所定の電気信号を得られさえすればその構成は任意である。
１ 放射線検出器
２ 放射線検出素子
２１ 基板（半導体ウエハ、化合物半導体単結晶）
２１ａ、２１ｂ 主面
２２ 共通電極
２３ ピクセル電極
４ 増幅部
５ 電源
６ データ生成部
９ 単結晶成長炉
９１ カドミウム充填部
９２ ヒーター
９２ａ 上部ヒーター
９２ｂ 下部ヒーター
９３ 石英アンプル
９３ａ るつぼ収納部の石英アンプル部
９３ｂ Ｃｄリザーバー部

Claims (5)

  1. 亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下のテルル化亜鉛カドミウム単結晶からなり、
    ９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下であり、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）が２０％以下となることを特徴とする半導体ウエハ。
  2. 請求項１に記載の半導体ウエハから主面が矩形となるように切り出された基板と、
    前記基板の一方の主面に形成された共通電極と、
    前記基板の他方の主面に行列状に複数形成されたピクセル電極と、を備えたことを特徴とする放射線検出素子。
  3. ９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下であり、９００Ｖ電圧印加時の抵抗率に対する０Ｖ印加時の抵抗率の割合（変動比）が２０％以下となることを特徴とする請求項２に記載の放射線検出素子。
  4. 請求項２または３に記載の放射線検出素子と、
    前記放射線検出素子に接続され、前記放射線検出素子にバイアス電圧を印加する電源と、
    前記放射線検出素子に接続され、前記放射線検出素子から出力された電気信号を増幅する増幅部と、
    を備えたことを特徴とする放射線検出器。
  5. 亜鉛濃度が４．０原子％以上６．５原子％以下で、塩素濃度が０．１質量ｐｐｍ以上５．０質量ｐｐｍ以下のテルル化亜鉛カドミウム単結晶からなり、
    ９００Ｖの電圧を印加したときの抵抗率が１．０×１０7Ωｃｍ以上１．０×１０8Ωｃｍ以下である化合物半導体単結晶基板の製造方法であり、
    炉内での単結晶の結晶成長工程と、
    前記単結晶の結晶成長工程が終了した後、炉内単結晶の設置位置の温度を３８５～４００℃とし、炉内でアンプルを開封することなく、Ｃｄリザーバー部の温度は室温として、５０～９０時間の範囲で熱処理し、熱処理後の単結晶インゴットをウエハ状にスライスして基板とする工程と、
    を含むことを特徴とする化合物半導体単結晶基板の製造方法。
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