JPH07122776A - 光・放射線電気変換半導体装置およびその応用 - Google Patents
光・放射線電気変換半導体装置およびその応用Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高エネルギー領域の光・放射線電気変換半導
体装置を得る。 【構成】 外装ケース１３００２に実装されたＰＩＮダ
イオードの積層検出素子２０００１を第１層の検出器Ｘ
１ とし、同様の構造の検出素子Ｙ１ を互いに交差する
ように配置し、２次元の面分解能を有する検出器を構成
する。
体装置を得る。 【構成】 外装ケース１３００２に実装されたＰＩＮダ
イオードの積層検出素子２０００１を第１層の検出器Ｘ
１ とし、同様の構造の検出素子Ｙ１ を互いに交差する
ように配置し、２次元の面分解能を有する検出器を構成
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＰＩＮダイオード、ＡＰ
Ｄダイオード、フォトダイオードアレイ、マイクロスト
リップセンサなどの光・放射線電気変換半導体装置に関
するもので、特にＸ線やγ線等の高エネルギー放射線の
測定に用いられる半導体装置の性能向上のための構成と
その応用に関するものである。
Ｄダイオード、フォトダイオードアレイ、マイクロスト
リップセンサなどの光・放射線電気変換半導体装置に関
するもので、特にＸ線やγ線等の高エネルギー放射線の
測定に用いられる半導体装置の性能向上のための構成と
その応用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
図２８に従来の半導体装置を図示するごとく、第１導電
型半導体基板たるＮ- 型半導体基板２８００１に第２導
電型半導体不純物領域たるＰ+ 型不純物領域２８００５
を持つものが知られている。
図２８に従来の半導体装置を図示するごとく、第１導電
型半導体基板たるＮ- 型半導体基板２８００１に第２導
電型半導体不純物領域たるＰ+ 型不純物領域２８００５
を持つものが知られている。
【０００３】今、図示するごとくＰ+ 型不純物領域（以
下Ｐ+ 型層という）２８００５の存在する側（面）を表
面と称するなら裏面には基板のＮ型より高い濃度のＮ型
不純物領域であるＮ+ 型不純物領域（以下Ｎ+ 型層とい
う）２８００９がありＰ+ −Ｎ- −Ｎ+ よりなるＰＮ接
合を形成しているいわゆるプレーナ型ＰＩＮダイオード
と称される半導体装置である。
下Ｐ+ 型層という）２８００５の存在する側（面）を表
面と称するなら裏面には基板のＮ型より高い濃度のＮ型
不純物領域であるＮ+ 型不純物領域（以下Ｎ+ 型層とい
う）２８００９がありＰ+ −Ｎ- −Ｎ+ よりなるＰＮ接
合を形成しているいわゆるプレーナ型ＰＩＮダイオード
と称される半導体装置である。
【０００４】Ｎ- 型層の不純物濃度が１ｘ１０12から１
ｘ１０13ａｔｍｓ／ｃｍ3 （以下１ｘ１０12を１Ｅ１２
というように称しａｔｍｓ／ｃｍ3 を省略する）程度の
ものをさしてイントリンシック（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ、
真性半導体）のｉをとってＰｉＮもしくはＰＩＮと称さ
れるものである。
ｘ１０13ａｔｍｓ／ｃｍ3 （以下１ｘ１０12を１Ｅ１２
というように称しａｔｍｓ／ｃｍ3 を省略する）程度の
ものをさしてイントリンシック（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ、
真性半導体）のｉをとってＰｉＮもしくはＰＩＮと称さ
れるものである。
【０００５】Ｐ+型層２８００５からはアノード電極２
８００３が形成されている。表面にはチャネルストッパ
ーとなるＮ+ 型層２８００８がありカソード電極２８０
０２としてはＰ+ 型層と同一の面で取ってもかまわな
い。ｉ層は濃度が低く、厚さとしては数１０から数１０
０μｍとっており、ＰＮ接合に逆バイアスを加えた時の
空乏層厚みの割には、他のＰＮダイオードに比べて接合
容量が少ないという点から高速応答に適しており広く使
われている。本発明の中では主にこのＰＩＮダイオード
を例にとって説明を進める。
８００３が形成されている。表面にはチャネルストッパ
ーとなるＮ+ 型層２８００８がありカソード電極２８０
０２としてはＰ+ 型層と同一の面で取ってもかまわな
い。ｉ層は濃度が低く、厚さとしては数１０から数１０
０μｍとっており、ＰＮ接合に逆バイアスを加えた時の
空乏層厚みの割には、他のＰＮダイオードに比べて接合
容量が少ないという点から高速応答に適しており広く使
われている。本発明の中では主にこのＰＩＮダイオード
を例にとって説明を進める。
【０００６】図２９は上述したような、従来のＰＩＮダ
イオードの１チップ（１素子）の斜視図である。アノー
ド電極２８００３と、カソード電極２８００２が配設さ
れていて、チップサイズ（素子辺寸法）２８００６は数
ｍｍから数ｃｍ程度のものが作られている。検出面寸法
２８００４は素子辺寸法２８００６よりいくらか小さく
なっている。
イオードの１チップ（１素子）の斜視図である。アノー
ド電極２８００３と、カソード電極２８００２が配設さ
れていて、チップサイズ（素子辺寸法）２８００６は数
ｍｍから数ｃｍ程度のものが作られている。検出面寸法
２８００４は素子辺寸法２８００６よりいくらか小さく
なっている。
【０００７】図３０（ａ）は上述した従来のＰＩＮダイ
オードチップを電極を取る意味で（保護や扱いやすさの
面ももちろんあるが）外装ケース３０００５に組み込ん
でこの半導体装置を放射線検出素子として完成された様
子（実装された検出素子と称する）を示す斜視図であ
る。矢印３０００６は検出すべきＸ線やγ線や光の入射
方向を指すものである。Ｐ+ 型層に垂直な面でＰ+ 型層
が形成された領域部分が受光面となる。
オードチップを電極を取る意味で（保護や扱いやすさの
面ももちろんあるが）外装ケース３０００５に組み込ん
でこの半導体装置を放射線検出素子として完成された様
子（実装された検出素子と称する）を示す斜視図であ
る。矢印３０００６は検出すべきＸ線やγ線や光の入射
方向を指すものである。Ｐ+ 型層に垂直な面でＰ+ 型層
が形成された領域部分が受光面となる。
【０００８】図３０（ｂ）は上述した実装された検出素
子の電極取り出し部分を示す断面図である。アノード電
極２８００２、カソード電極２８００３はそれぞれ電極
ピンにワイヤボンデイング３０００３で電気的接続され
ている。樹脂３０００２は表面保護用である。 図３１
（ａ）は従来の半導体装置のＰＩＮ構造の不純物濃度分
布の状態（以降不純物プロファイルと称する）を示す図
である。図２８におけるＢ−Ｂ’断面の不純物プロファ
イルと思っていただきたい。Ｘｊが０．５μｍでピーク
の不純物濃度が２Ｅ１９である。ＳｉＯ2 とＳｉの界面
ではボロンの偏析のため若干濃度が下がっているのが判
る。
子の電極取り出し部分を示す断面図である。アノード電
極２８００２、カソード電極２８００３はそれぞれ電極
ピンにワイヤボンデイング３０００３で電気的接続され
ている。樹脂３０００２は表面保護用である。 図３１
（ａ）は従来の半導体装置のＰＩＮ構造の不純物濃度分
布の状態（以降不純物プロファイルと称する）を示す図
である。図２８におけるＢ−Ｂ’断面の不純物プロファ
イルと思っていただきたい。Ｘｊが０．５μｍでピーク
の不純物濃度が２Ｅ１９である。ＳｉＯ2 とＳｉの界面
ではボロンの偏析のため若干濃度が下がっているのが判
る。
【０００９】図３１（ｂ）は従来の半導体装置に逆方向
バイアス電圧が加えられた時のＰＮ接合に広がった空乏
層（空間電荷層）を表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分
布を示す図である。この空乏層の厚みＷｄはＰ+ 型層に
伸びた分とＮ- 型層に伸びた分の和であるが、空乏層は
主に不純物層の濃度（比抵抗）と印加逆バイアス電圧で
決定されるためＮ- 型層への伸びが支配的である。
バイアス電圧が加えられた時のＰＮ接合に広がった空乏
層（空間電荷層）を表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分
布を示す図である。この空乏層の厚みＷｄはＰ+ 型層に
伸びた分とＮ- 型層に伸びた分の和であるが、空乏層は
主に不純物層の濃度（比抵抗）と印加逆バイアス電圧で
決定されるためＮ- 型層への伸びが支配的である。
【００１０】図３２はＰＮ接合に印加される逆バイアス
電圧とそれによって伸びる空乏層の厚みの関係を基板比
抵抗（Ｎ- 型層の不純物濃度）毎に示すグラフである。
８ｋΩ・ｃｍ（不純物濃度で７Ｅ１１とほぼＳｉの高純
度品の限界）でも６００μｍ伸ばすのに２００Ｖものバ
イアス電圧が必要になる。
電圧とそれによって伸びる空乏層の厚みの関係を基板比
抵抗（Ｎ- 型層の不純物濃度）毎に示すグラフである。
８ｋΩ・ｃｍ（不純物濃度で７Ｅ１１とほぼＳｉの高純
度品の限界）でも６００μｍ伸ばすのに２００Ｖものバ
イアス電圧が必要になる。
【００１１】Ｘ線やγ線はエネルギーの高い電磁波であ
るが、半導体検出器のおけるふるまいとしては高速（光
速）でエネルギーの高い荷電粒子と考えると分かりやす
い。バンド構造を持つ半導体中を１個の荷電粒子が通過
した場合、その粒子の飛程に沿って、多数の電子正孔対
を作る。この生成過程には入射粒子が直接に電子正孔対
を作る過程と、粒子が最初高エネルギー電子を作り、そ
の電子が続いて電子正孔対を作るという間接的な過程の
両方が含まれる。この複雑な機構にかかわらず、検出器
として使用する場合に実際に問題になる量は１対の電子
正孔対を作るのに費やされる１次荷電粒子の平均エネル
ギーである。この量はしばしば、電離エネルギーと呼ば
れるが、入射放射線の種類やエネルギーにはほとんど依
存しないことが観測されている。
るが、半導体検出器のおけるふるまいとしては高速（光
速）でエネルギーの高い荷電粒子と考えると分かりやす
い。バンド構造を持つ半導体中を１個の荷電粒子が通過
した場合、その粒子の飛程に沿って、多数の電子正孔対
を作る。この生成過程には入射粒子が直接に電子正孔対
を作る過程と、粒子が最初高エネルギー電子を作り、そ
の電子が続いて電子正孔対を作るという間接的な過程の
両方が含まれる。この複雑な機構にかかわらず、検出器
として使用する場合に実際に問題になる量は１対の電子
正孔対を作るのに費やされる１次荷電粒子の平均エネル
ギーである。この量はしばしば、電離エネルギーと呼ば
れるが、入射放射線の種類やエネルギーにはほとんど依
存しないことが観測されている。
【００１２】したがって粒子が検出器の有感領域（これ
がすなわち、電界領域である空乏層である）に完全に停
止した場合には、電子正孔対の数を放射線の入射エネル
ギーに喚算することが可能となり、どれだけ厚く空乏層
をのばせるかで、どれだけ高いエネルギーの放射線を検
出できるかが決定される。
がすなわち、電界領域である空乏層である）に完全に停
止した場合には、電子正孔対の数を放射線の入射エネル
ギーに喚算することが可能となり、どれだけ厚く空乏層
をのばせるかで、どれだけ高いエネルギーの放射線を検
出できるかが決定される。
【００１３】図３３は代表的放射線検出の回路を示す回
路図であり、ＰＩＮダイオードの検出素子３０００１は
バイアス抵抗３３００３（通常かなりの高インピーダン
スを得るため１ＭΩ以上を使用する）を介してバイアス
電源ＨＶ３３００２に接続されている。この検出素子に
Ｘ線などの放射線があたるとそれに応じた電流が流れ結
合容量（キャパシタ）３３００８を介して電荷変化（等
価的には微分回路）として次段のインピーダンス変換た
るＪＦＥＴ３３００６を通ってアンプ３３００７そして
波形整形等を経てＭＣＡ３３０１０（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈ
ａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｅｒ：スペクトロスコピック
解析装置）等の信号処理へと解析・測定行われる。ＪＦ
ＥＴは一般的５Ｖ程度のＶｃｃ３３００４に定電流用の
抵抗３３００５を介して接続されている。
路図であり、ＰＩＮダイオードの検出素子３０００１は
バイアス抵抗３３００３（通常かなりの高インピーダン
スを得るため１ＭΩ以上を使用する）を介してバイアス
電源ＨＶ３３００２に接続されている。この検出素子に
Ｘ線などの放射線があたるとそれに応じた電流が流れ結
合容量（キャパシタ）３３００８を介して電荷変化（等
価的には微分回路）として次段のインピーダンス変換た
るＪＦＥＴ３３００６を通ってアンプ３３００７そして
波形整形等を経てＭＣＡ３３０１０（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈ
ａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｅｒ：スペクトロスコピック
解析装置）等の信号処理へと解析・測定行われる。ＪＦ
ＥＴは一般的５Ｖ程度のＶｃｃ３３００４に定電流用の
抵抗３３００５を介して接続されている。
【００１４】図３４は入射するＸ線のエネルギーに対す
る検出素子の量子効率と空乏層厚みＷｄの関係を示すグ
ラフである。このグラフから判るように空乏層厚みＷｄ
は１００μｍでも２０ｋｅＶのＸ線では効率が１桁も落
ちてしまい、これではスペクトロスコピック的（エネル
ギー分解能を有するような）解析はもはや不可能である
ことは明確である。したがって、今日１００ｋｅＶを超
えるようなエネルギーのＸ線や１ＭｅＶにまで及ぶよう
なγ線の検出にはシンチレーターなどにで光に変換する
かＳｉ−Ｌｉ検出器や高純度Ｇｅ検出器が用いられてい
る。
る検出素子の量子効率と空乏層厚みＷｄの関係を示すグ
ラフである。このグラフから判るように空乏層厚みＷｄ
は１００μｍでも２０ｋｅＶのＸ線では効率が１桁も落
ちてしまい、これではスペクトロスコピック的（エネル
ギー分解能を有するような）解析はもはや不可能である
ことは明確である。したがって、今日１００ｋｅＶを超
えるようなエネルギーのＸ線や１ＭｅＶにまで及ぶよう
なγ線の検出にはシンチレーターなどにで光に変換する
かＳｉ−Ｌｉ検出器や高純度Ｇｅ検出器が用いられてい
る。
【００１５】Ｓｉ−Ｌｉ検出器とは、Ｐ型ＳｉをＬｉで
補償し可能な限りイントリンシックに近づけたもので、
数１００Ｖで数ｍｍのＷｄが得られる。Ｇｅ検出器と
は、ＧｅはもともとＳｉよりは高純度の結晶（１Ｅ１
０）が得られるので、数１００Ｖで１ｃｍ程度のＷｄが
得られる。このような検出器は、いずれにしても、温度
特性や低温保持の必要性やリーク（ノイズになる。Ｓ／
Ｎに悪影響）の面でこれまで説明してきたようなプレー
ナ型のＰＩＮダイオードにははるかに及ばないものであ
る。一方、Ｔｌ添加のＮａＩやＣｓＩやＣｄＷＯ4 、Ｂ
ｉ4 Ｇｅ3 Ｏ12などのシンチレーター結晶と、光電増倍
管や従来のＰＩＮダイオードを組み合わせたものが考え
られているが装置の小型化や感度などの点で十分でな
い。
補償し可能な限りイントリンシックに近づけたもので、
数１００Ｖで数ｍｍのＷｄが得られる。Ｇｅ検出器と
は、ＧｅはもともとＳｉよりは高純度の結晶（１Ｅ１
０）が得られるので、数１００Ｖで１ｃｍ程度のＷｄが
得られる。このような検出器は、いずれにしても、温度
特性や低温保持の必要性やリーク（ノイズになる。Ｓ／
Ｎに悪影響）の面でこれまで説明してきたようなプレー
ナ型のＰＩＮダイオードにははるかに及ばないものであ
る。一方、Ｔｌ添加のＮａＩやＣｓＩやＣｄＷＯ4 、Ｂ
ｉ4 Ｇｅ3 Ｏ12などのシンチレーター結晶と、光電増倍
管や従来のＰＩＮダイオードを組み合わせたものが考え
られているが装置の小型化や感度などの点で十分でな
い。
【００１６】一方、光の場合について若干説明しておく
と、入射してくる光はＳｉ原子と干渉しｈν分のエネル
ギーを放出し光電効果（フォトエレクトリック効果）と
して電子正孔対が電流として検出されるわけだが、やは
りこの空乏層内に捕らえられた入射線のみ信号に寄与す
る。但し、光電効果にはバンドギャップによって決まる
限界波長がありＳｉの場合１．２μｍで量子効率はほと
んどなくなる。光子のエネルギーがＳｉのバンドギャッ
プの１．１ｅＶを下回るからである。また、例えば、Ｐ
+ 型層側から入射させた場合、波長５００ｎｍ以下のエ
ネルギーの高いような線の場合入射してからの減衰率が
大きく不感層（Ｐ+ 型層２８００５やＳｉＯ2 層２８０
０６）の厚みは大きな問題となってくる。α線などの速
度の遅い荷電粒子の場合も同様問題となってくる。
と、入射してくる光はＳｉ原子と干渉しｈν分のエネル
ギーを放出し光電効果（フォトエレクトリック効果）と
して電子正孔対が電流として検出されるわけだが、やは
りこの空乏層内に捕らえられた入射線のみ信号に寄与す
る。但し、光電効果にはバンドギャップによって決まる
限界波長がありＳｉの場合１．２μｍで量子効率はほと
んどなくなる。光子のエネルギーがＳｉのバンドギャッ
プの１．１ｅＶを下回るからである。また、例えば、Ｐ
+ 型層側から入射させた場合、波長５００ｎｍ以下のエ
ネルギーの高いような線の場合入射してからの減衰率が
大きく不感層（Ｐ+ 型層２８００５やＳｉＯ2 層２８０
０６）の厚みは大きな問題となってくる。α線などの速
度の遅い荷電粒子の場合も同様問題となってくる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体装置は前
述してきたような構造を取っているが以下のような解決
すべき課題があげられる。まず空乏層を数ｍｍ以上に厚
くするのは困難でありシンチレーター結晶と組み合わせ
る必要がある。現在得られる最高純度のＳｉでも、１Ｅ
１２程度であり、数ｍｍの空乏層をのばせたとしても数
１０万Ｖととか、大変な電圧が必要となってしまい、現
実性がなく実現したとしても、リーク電流が極めておお
きくなってしまう。
述してきたような構造を取っているが以下のような解決
すべき課題があげられる。まず空乏層を数ｍｍ以上に厚
くするのは困難でありシンチレーター結晶と組み合わせ
る必要がある。現在得られる最高純度のＳｉでも、１Ｅ
１２程度であり、数ｍｍの空乏層をのばせたとしても数
１０万Ｖととか、大変な電圧が必要となってしまい、現
実性がなく実現したとしても、リーク電流が極めておお
きくなってしまう。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
本発明では以下の手段を取った。第１の手段として、新
規放射線検出素子としてプレーナ型ＰＩＮダイオードを
積層した構成を取る。その際、積層・接続界面の厚みを
ＰＩＮダイオード１素子の厚みの２０％以下とすると望
ましい。そして放射線の入射については、その１素子の
平面に対して垂直ではなく平面方向に入射するというも
のである。
本発明では以下の手段を取った。第１の手段として、新
規放射線検出素子としてプレーナ型ＰＩＮダイオードを
積層した構成を取る。その際、積層・接続界面の厚みを
ＰＩＮダイオード１素子の厚みの２０％以下とすると望
ましい。そして放射線の入射については、その１素子の
平面に対して垂直ではなく平面方向に入射するというも
のである。
【００１９】第２の手段として、前記ＰＩＮダイオード
の基板（Ｎ- 型もしくはＰ- 型、いずれにしてもＰＮ接
合の濃度の低い側、空乏層を主に伸ばす側）比抵抗を１
ｋΩ・ｃｍ以上とするという構成を取る。半導体基板厚
みとのかねあいで言うと基板厚み３００μｍ以下では１
ｋΩ・ｃｍ以上、５００μｍ以下では４ｋΩ・ｃｍ以
上、１ｍｍ以下では８ｋΩ・ｃｍ以上、２ｍｍ以下では
２０ｋΩ・ｃｍ以上に設定すると有効である。そして、
逆バイアス電圧印加にあたっては、基板厚みの最低約６
０％空乏層をのばせば検出量子効率上充分実用的であ
る。
の基板（Ｎ- 型もしくはＰ- 型、いずれにしてもＰＮ接
合の濃度の低い側、空乏層を主に伸ばす側）比抵抗を１
ｋΩ・ｃｍ以上とするという構成を取る。半導体基板厚
みとのかねあいで言うと基板厚み３００μｍ以下では１
ｋΩ・ｃｍ以上、５００μｍ以下では４ｋΩ・ｃｍ以
上、１ｍｍ以下では８ｋΩ・ｃｍ以上、２ｍｍ以下では
２０ｋΩ・ｃｍ以上に設定すると有効である。そして、
逆バイアス電圧印加にあたっては、基板厚みの最低約６
０％空乏層をのばせば検出量子効率上充分実用的であ
る。
【００２０】第３の手段として、前記積層ＰＩＮダイオ
ードは電気的に並列に接続するという構成を取る。第４
の手段として、前記積層ＰＩＮダイオードは２個の半導
体基板の同一面同志を対向し同一電極同志を導電性接着
剤で接合した対基板を積層して組み合わされるという構
成を取る。
ードは電気的に並列に接続するという構成を取る。第４
の手段として、前記積層ＰＩＮダイオードは２個の半導
体基板の同一面同志を対向し同一電極同志を導電性接着
剤で接合した対基板を積層して組み合わされるという構
成を取る。
【００２１】第５の手段として、前記積層ＰＩＮダイオ
ードは入射方向に垂直方向に交互に互いに反対の面に外
部取出し用電気端子部設けるという構成を取る。第６の
手段として、前記積層ＰＩＮダイオードは複数の積層Ｐ
ＩＮダイオードと角度を変えて組み合わされるという構
成を取る。第７の手段として、前記積層ＰＩＮダイオー
ドはアノードに接続されたバイアス抵抗と同様アノード
に接続された結合容量（ＮπＰダイオードの場合はそれ
ぞれカソード側となる）を同一半導体基板上に有すると
いう構成を取る。
ードは入射方向に垂直方向に交互に互いに反対の面に外
部取出し用電気端子部設けるという構成を取る。第６の
手段として、前記積層ＰＩＮダイオードは複数の積層Ｐ
ＩＮダイオードと角度を変えて組み合わされるという構
成を取る。第７の手段として、前記積層ＰＩＮダイオー
ドはアノードに接続されたバイアス抵抗と同様アノード
に接続された結合容量（ＮπＰダイオードの場合はそれ
ぞれカソード側となる）を同一半導体基板上に有すると
いう構成を取る。
【００２２】第８の手段として、前記積層ＰＩＮダイオ
ードはＰ+ 型不純物領域を短冊状などに多数分離したＰ
ＩＮダイオードを積層した構成を取る。第９の手段とし
て、本発明の積層したＰＩＮダイオードを放射線検出器
に利用しその際に放射線を積層したＰＩＮダイオードを
シンチレーション結晶などを介さないで直接入射する。
第１０の手段として、本発明の積層したＰＩＮダイオー
ドをＸ線ＣＴ装置の検出器として使用する。
ードはＰ+ 型不純物領域を短冊状などに多数分離したＰ
ＩＮダイオードを積層した構成を取る。第９の手段とし
て、本発明の積層したＰＩＮダイオードを放射線検出器
に利用しその際に放射線を積層したＰＩＮダイオードを
シンチレーション結晶などを介さないで直接入射する。
第１０の手段として、本発明の積層したＰＩＮダイオー
ドをＸ線ＣＴ装置の検出器として使用する。
【００２３】
【作用】前記、手段を取ることで以下の作用が得られ
る。第１の手段を取ることで空乏層厚みＷｄが素子辺寸
法とほぼ同一であることから、数ｍｍとかいわずに数１
０ｃｍ程度（Ｓｉウエハープロセスで許容されるウエハ
ーサイズの最大直径まで）まで測りたい放射線のエネル
ギーに合わせて任意に厚くできる。しかも、リーク特性
の良好なプレーナ型ＰＩＮダイオード等を１素子として
使用できるし、空乏層を得るためのバイアス電圧たった
の数１０Ｖで済むというものであり１００ｋｅＶを超え
るようなＸ線や１ＭｅＶを超えるようなγ線の検出をＳ
ｉプレーナＰＩＮダイオードの特性で可能ならしめたも
のである。また、素子端部には可能なかぎり不感層とな
る物質を排除できるため、α線や、３００ｎｍ以下の波
長の光の検出の効率向上が得られるというものである。
また、Ｗｄを１ｃｍ以上も大きく取れることで、光に対
するＳｉの限界波長といわれている１．２μｍ以上の波
長での感度も得ることが可能とする。
る。第１の手段を取ることで空乏層厚みＷｄが素子辺寸
法とほぼ同一であることから、数ｍｍとかいわずに数１
０ｃｍ程度（Ｓｉウエハープロセスで許容されるウエハ
ーサイズの最大直径まで）まで測りたい放射線のエネル
ギーに合わせて任意に厚くできる。しかも、リーク特性
の良好なプレーナ型ＰＩＮダイオード等を１素子として
使用できるし、空乏層を得るためのバイアス電圧たった
の数１０Ｖで済むというものであり１００ｋｅＶを超え
るようなＸ線や１ＭｅＶを超えるようなγ線の検出をＳ
ｉプレーナＰＩＮダイオードの特性で可能ならしめたも
のである。また、素子端部には可能なかぎり不感層とな
る物質を排除できるため、α線や、３００ｎｍ以下の波
長の光の検出の効率向上が得られるというものである。
また、Ｗｄを１ｃｍ以上も大きく取れることで、光に対
するＳｉの限界波長といわれている１．２μｍ以上の波
長での感度も得ることが可能とする。
【００２４】第２の手段を取ることで１素子単位でみた
場合の量子効率が充分得られる。また、限界まで（半導
体基板いっぱいまで）空乏層を伸ばさないためリーク電
流も充分低く抑えられるようになった。第３の手段を取
ることで１素子毎にバイアス電圧を印加できるため数１
００Ｖ以上というような高電圧の電源は必要なくなる。
また、１素子毎にバイアス電圧を分配できるため、個々
の素子の比抵抗がばらついていたとしても空乏層Ｗｄを
同じ値に揃えられる。
場合の量子効率が充分得られる。また、限界まで（半導
体基板いっぱいまで）空乏層を伸ばさないためリーク電
流も充分低く抑えられるようになった。第３の手段を取
ることで１素子毎にバイアス電圧を印加できるため数１
００Ｖ以上というような高電圧の電源は必要なくなる。
また、１素子毎にバイアス電圧を分配できるため、個々
の素子の比抵抗がばらついていたとしても空乏層Ｗｄを
同じ値に揃えられる。
【００２５】第４の手段を取ることで外部取出し用電気
端子部の構造が簡単になる。第５の手段を取ることで外
部端子との配線が簡単になる。第６の手段を取ることで
２次元情報・面（空間）分解能を有する放射線スペクト
ロスコピック解析を可能にする。
端子部の構造が簡単になる。第５の手段を取ることで外
部端子との配線が簡単になる。第６の手段を取ることで
２次元情報・面（空間）分解能を有する放射線スペクト
ロスコピック解析を可能にする。
【００２６】第７の手段を取ることで回路構成が容易と
なる。第８の手段を取ることで２次元情報・面（空間）
分解能を有する放射線スペクトロスコピック解析を可能
にする。第９の手段を取ること高感度、高分解能な放射
線検出器が簡易な構造でできる。第１０の手段を取るこ
とで高速、高分解能なＸ線ＣＴ装置が得られる。
なる。第８の手段を取ることで２次元情報・面（空間）
分解能を有する放射線スペクトロスコピック解析を可能
にする。第９の手段を取ること高感度、高分解能な放射
線検出器が簡易な構造でできる。第１０の手段を取るこ
とで高速、高分解能なＸ線ＣＴ装置が得られる。
【００２７】
【実施例】本発明の光・放射線電気変換半導体装置では
最低１面が実装のため検出に使用できなくなるが、他の
５面はいずれも光あるいは放射線の検出面（受光面）と
して利用できる。この場合、形状を長方形にしたり、検
出面の不感層の厚みを変えたり、フィルターやボロン層
などを形成したりすることにより、検出面ごとに検出エ
ネルギー範囲や荷電粒子種などを選択することができ、
したがって１つの検出器で種々の放射線を検出可能とな
り、きわめてすぐれた放射線検出器が得られる。
最低１面が実装のため検出に使用できなくなるが、他の
５面はいずれも光あるいは放射線の検出面（受光面）と
して利用できる。この場合、形状を長方形にしたり、検
出面の不感層の厚みを変えたり、フィルターやボロン層
などを形成したりすることにより、検出面ごとに検出エ
ネルギー範囲や荷電粒子種などを選択することができ、
したがって１つの検出器で種々の放射線を検出可能とな
り、きわめてすぐれた放射線検出器が得られる。
【００２８】また、本発明の光・放射線電気変換半導体
装置によれば、シンチレーターを必要とせずにスペクト
ロスコピックな測定ができるため線量計へ応用すること
で簡易で小型で高性能な線量計が得られる。本発明の光
・放射線電気変換半導体装置は全固体でシンチレーター
などを必要とせずバイアス電源も高くないため他のＬＳ
Ｉとしての前置増幅器、バイアス電源、比例増幅器、パ
ルス発生器、波高弁別器、カウンタ、タイマ、計数率
計、マルチチャネル波高分析器などの信号処理回路との
適合性がよくこれらのＬＳＩチップを一緒に実装して１
つの部品とすることで極めて小型で、高性能な放射線検
出器あるいはマルチチャネルアナライザー（スペクトロ
スコピック解析装置）が得られる。
装置によれば、シンチレーターを必要とせずにスペクト
ロスコピックな測定ができるため線量計へ応用すること
で簡易で小型で高性能な線量計が得られる。本発明の光
・放射線電気変換半導体装置は全固体でシンチレーター
などを必要とせずバイアス電源も高くないため他のＬＳ
Ｉとしての前置増幅器、バイアス電源、比例増幅器、パ
ルス発生器、波高弁別器、カウンタ、タイマ、計数率
計、マルチチャネル波高分析器などの信号処理回路との
適合性がよくこれらのＬＳＩチップを一緒に実装して１
つの部品とすることで極めて小型で、高性能な放射線検
出器あるいはマルチチャネルアナライザー（スペクトロ
スコピック解析装置）が得られる。
【００２９】以下、図面を参照して本発明の好適な実施
例を詳細に説明する。図１は本発明にかかる半導体装置
の第１の実施例のＰＩＮダイオード１素子（１チップ）
を示す断面図である。図示するごとく、第１導電型半導
体基板たるＮ- 型半導体基板１００１に第２導電型半導
体不純物領域たるＰ+ 型不純物領域１００２を有してい
る。今、図示するごとくＰ+ 型不純物領域１００２の存
在する側（面）を表面と称するなら裏面には基板のＮ型
より高い濃度のＮ型不純物領域Ｎ+ 型不純物領域１００
４がありＰ+ −Ｎ- −Ｎ+ よりなるＰＮ接合を形成し
ている。いわゆるプレーナ型ＰＩＮダイオードと称され
る半導体装置である。このようなＰＩＮ構造を例にとっ
て説明をしていくことにする。
例を詳細に説明する。図１は本発明にかかる半導体装置
の第１の実施例のＰＩＮダイオード１素子（１チップ）
を示す断面図である。図示するごとく、第１導電型半導
体基板たるＮ- 型半導体基板１００１に第２導電型半導
体不純物領域たるＰ+ 型不純物領域１００２を有してい
る。今、図示するごとくＰ+ 型不純物領域１００２の存
在する側（面）を表面と称するなら裏面には基板のＮ型
より高い濃度のＮ型不純物領域Ｎ+ 型不純物領域１００
４がありＰ+ −Ｎ- −Ｎ+ よりなるＰＮ接合を形成し
ている。いわゆるプレーナ型ＰＩＮダイオードと称され
る半導体装置である。このようなＰＩＮ構造を例にとっ
て説明をしていくことにする。
【００３０】繰り返すが本発明の実施例としてはＮπＰ
構造のダイオードでももちろん有効であり必要に応じて
適用するものである（例えばπ層すなわち、Ｐ型高抵抗
層のほうが少数キャリアのモビリテイが高くゲインが得
られるが、一方Ｐ型高抵抗基板そのものの再現性の問題
がある）。
構造のダイオードでももちろん有効であり必要に応じて
適用するものである（例えばπ層すなわち、Ｐ型高抵抗
層のほうが少数キャリアのモビリテイが高くゲインが得
られるが、一方Ｐ型高抵抗基板そのものの再現性の問題
がある）。
【００３１】Ｎ- 型層（基板）の不純物濃度が４Ｅ１２
から１Ｅ１１程度のものを使用する。Ｐ- 型層は１Ｅ１
９から１Ｅ２１程度の不純物濃度で拡散層の深さ（いわ
ゆるＰＮ接合部までの縦方向の距離）Ｘｊは０．１から
２．０μｍ程度であり、Ｎ+型層１００４も１Ｅ１９か
ら１Ｅ２１程度の不純物濃度で拡散層の深さＸｊは０．
５から２．０μｍ程度のものである。カソード電極１０
０７としては図示するようにＰ+ 型層と反対の面（裏面
と称することもある）に有している。表面（Ｐ+ 型層
側）の素子周辺部にもＮ+ 型層１００３を表面反転層の
防止（チャネルストッパ）として有するものである。Ｐ
+ 型層辺寸法１０１１とＰ+ 型層端から素子端までの距
離寸法１０１２が示されている。
から１Ｅ１１程度のものを使用する。Ｐ- 型層は１Ｅ１
９から１Ｅ２１程度の不純物濃度で拡散層の深さ（いわ
ゆるＰＮ接合部までの縦方向の距離）Ｘｊは０．１から
２．０μｍ程度であり、Ｎ+型層１００４も１Ｅ１９か
ら１Ｅ２１程度の不純物濃度で拡散層の深さＸｊは０．
５から２．０μｍ程度のものである。カソード電極１０
０７としては図示するようにＰ+ 型層と反対の面（裏面
と称することもある）に有している。表面（Ｐ+ 型層
側）の素子周辺部にもＮ+ 型層１００３を表面反転層の
防止（チャネルストッパ）として有するものである。Ｐ
+ 型層辺寸法１０１１とＰ+ 型層端から素子端までの距
離寸法１０１２が示されている。
【００３２】図２は本発明にかかる半導体装置の第１の
実施例の素子を積層する様子を示す斜視図である。素子
辺寸法１０１０が示されている１素子のカソード電極１
００７は次の素子のアノード電極１００５に接続するよ
うに積層する。接続にあたっては、導電性接着剤を使用
しても良いし、外装ケースを利用しての圧着固定でもよ
い。
実施例の素子を積層する様子を示す斜視図である。素子
辺寸法１０１０が示されている１素子のカソード電極１
００７は次の素子のアノード電極１００５に接続するよ
うに積層する。接続にあたっては、導電性接着剤を使用
しても良いし、外装ケースを利用しての圧着固定でもよ
い。
【００３３】図３は本発明にかかる積層された本実施例
の半導体装置の電気的接続を示す回路図である。本実施
例では本発明の検出素子３００１は、１素子（ＰＩＮチ
ップ）３００２をＮ個直列（シリーズ）接続している。
図４（ａ）は本発明にかかる積層された本実施例の半導
体装置の電極を取る意味で外装ケース４００３に組み込
んで放射線検出素子として完成された様子（実装された
検出素子と称する）を示す斜視図である。
の半導体装置の電気的接続を示す回路図である。本実施
例では本発明の検出素子３００１は、１素子（ＰＩＮチ
ップ）３００２をＮ個直列（シリーズ）接続している。
図４（ａ）は本発明にかかる積層された本実施例の半導
体装置の電極を取る意味で外装ケース４００３に組み込
んで放射線検出素子として完成された様子（実装された
検出素子と称する）を示す斜視図である。
【００３４】外装ケース４００３には電極ピン４００２
が設けられている。矢印４００１はＸ線やγ線の入射方
向を表している。従来の検出素子がＰＩＮダイオード１
素子を平面状のものと考えてその平面に垂直にＸ線等を
入射させていたのに対して、本発明のポイントはその積
層された素子の複数配列された端面に入射するというも
のである。したがって、本発明における放射線検出に寄
与する空乏層厚みＷｄは説明してきたような従来のＷｄ
ではなく図１に示したように素子辺寸法１０１０にほぼ
等しいと説明でき空乏層辺寸法１００９が従来のＷｄ同
等となるわけである。しかし、いつも空乏層を基板深さ
方向に目いっぱい伸ばすことはあまりよくない。
が設けられている。矢印４００１はＸ線やγ線の入射方
向を表している。従来の検出素子がＰＩＮダイオード１
素子を平面状のものと考えてその平面に垂直にＸ線等を
入射させていたのに対して、本発明のポイントはその積
層された素子の複数配列された端面に入射するというも
のである。したがって、本発明における放射線検出に寄
与する空乏層厚みＷｄは説明してきたような従来のＷｄ
ではなく図１に示したように素子辺寸法１０１０にほぼ
等しいと説明でき空乏層辺寸法１００９が従来のＷｄ同
等となるわけである。しかし、いつも空乏層を基板深さ
方向に目いっぱい伸ばすことはあまりよくない。
【００３５】なぜならダイオードのブレークダウンにも
近づくし、なによりももリーク電流が増えてＳ／Ｎが悪
くなるからである。そうするとどうしても図１に示す空
乏層のない領域（従来からは無電界と考えられてきた領
域）１０１３が存在し、検出のスペクトロスコピック解
析に疑問がでてきてしまう。
近づくし、なによりももリーク電流が増えてＳ／Ｎが悪
くなるからである。そうするとどうしても図１に示す空
乏層のない領域（従来からは無電界と考えられてきた領
域）１０１３が存在し、検出のスペクトロスコピック解
析に疑問がでてきてしまう。
【００３６】図４（ｂ）は本発明にかかる積層された本
実施例の半導体装置の電極を取る意味で外装ケース４０
０３に実装された放射線検出素子の部分を示す断面図で
ある。基板厚み４００５が示されている。両端のアノー
ド電極１００５、カソード電極１００７はそれぞれボン
ディングワイヤ４００４にて電極ピン４００２に電気的
接続され取り出される。接続界面の厚み４００６はやは
り不感部分ともなり薄ければ薄いほど良いが、間には接
着剤や導電性フィルムや絶縁性フィルム（商品としてマ
イラやカプトンがある）がどうしても介在し、ある程度
の厚みはどうしても存在してしまう。但し、発明者らの
知見ではＰＩＮダイオード１素子に厚さの２０％以下で
あれば、実際の検出にあたって充分な量子効率が得られ
ている。３００μｍのＰＩＮなら接続界面の厚みは６０
μｍ以下に抑えればよい。
実施例の半導体装置の電極を取る意味で外装ケース４０
０３に実装された放射線検出素子の部分を示す断面図で
ある。基板厚み４００５が示されている。両端のアノー
ド電極１００５、カソード電極１００７はそれぞれボン
ディングワイヤ４００４にて電極ピン４００２に電気的
接続され取り出される。接続界面の厚み４００６はやは
り不感部分ともなり薄ければ薄いほど良いが、間には接
着剤や導電性フィルムや絶縁性フィルム（商品としてマ
イラやカプトンがある）がどうしても介在し、ある程度
の厚みはどうしても存在してしまう。但し、発明者らの
知見ではＰＩＮダイオード１素子に厚さの２０％以下で
あれば、実際の検出にあたって充分な量子効率が得られ
ている。３００μｍのＰＩＮなら接続界面の厚みは６０
μｍ以下に抑えればよい。
【００３７】図５は入射する放射線線のエネルギーに対
する本実施例の積層した半導体装置の検出素子としての
量子効率を示すグラフである。図６は本実施例の半導体
装置を放射線検出素子として使用した回路を示す回路図
である。本発明の積層検出素子３００１はバイアス抵抗
６００２を介してバイアス電源ＨＶ６００１に接続され
ている。この検出素子に２ｋｅＶから１００ＭｅＶまで
のγ線を照射した。検出素子には放射線の照射に応じた
電流が流れ結合容量（キャパシタ）６０１０を介して電
荷変化（等価的には微分回路）として次段のインピーダ
ンス変換たるＪＦＥＴ６００４を通ってアンプ６００７
そして波形整形等を経てＭＣＡ６００９（Ｍｕｌｔｉ
Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｅｒ：スペクトロスコピ
ック解析装置）等の信号処理へと解析・測定行われた。
ＪＦＥＴ６００６は一般的５Ｖ程度のＶｃｃ６００５に
定電流用の抵抗６００６を介して接続されている。以降
本発明にかかる半導体装置の検出素子としての構成に関
し各種の実施例を紹介しいくが検出・解析電気回路の構
成に関してはほぼこれと同等のものを使用する。
する本実施例の積層した半導体装置の検出素子としての
量子効率を示すグラフである。図６は本実施例の半導体
装置を放射線検出素子として使用した回路を示す回路図
である。本発明の積層検出素子３００１はバイアス抵抗
６００２を介してバイアス電源ＨＶ６００１に接続され
ている。この検出素子に２ｋｅＶから１００ＭｅＶまで
のγ線を照射した。検出素子には放射線の照射に応じた
電流が流れ結合容量（キャパシタ）６０１０を介して電
荷変化（等価的には微分回路）として次段のインピーダ
ンス変換たるＪＦＥＴ６００４を通ってアンプ６００７
そして波形整形等を経てＭＣＡ６００９（Ｍｕｌｔｉ
Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｎａｌｙｓｅｒ：スペクトロスコピ
ック解析装置）等の信号処理へと解析・測定行われた。
ＪＦＥＴ６００６は一般的５Ｖ程度のＶｃｃ６００５に
定電流用の抵抗６００６を介して接続されている。以降
本発明にかかる半導体装置の検出素子としての構成に関
し各種の実施例を紹介しいくが検出・解析電気回路の構
成に関してはほぼこれと同等のものを使用する。
【００３８】さて、図５を見てわかるように、従来のＰ
ＩＮやＳＳＢ（表面障壁型半導体検出器）ではせいぜい
数１０ｋｅＶのＸ線までが有効な検出範囲でありＳＩ−
Ｌｉ型で１００ｋｅＶ前後、Ｇｅでどうにか１ＭｅＶ近
くのγ線の検出が可能であったのにたいして、本発明の
検出素子を用いることで、素子辺寸法を長くしていくこ
とで１００ＭｅＶあたりまでのγ線まで有効検出可能と
するものである。この理由については、Ｓｉの物質量、
すなわち空乏層厚みについて放射線の入射方向に対して
素子辺寸法の許す限り有することが可能であることから
理解されるが、前述の図１における空乏層のない領域す
なわち従来より無電界と思われていた領域１０１３は従
来の理論からはまぎれもなく不感領域であり、この領域
が無視できない値で存在する限りスペクトロスコピック
解析は出来ないはずである。しかしながら、それを可能
にした発明者らの考察を以下に説明する。
ＩＮやＳＳＢ（表面障壁型半導体検出器）ではせいぜい
数１０ｋｅＶのＸ線までが有効な検出範囲でありＳＩ−
Ｌｉ型で１００ｋｅＶ前後、Ｇｅでどうにか１ＭｅＶ近
くのγ線の検出が可能であったのにたいして、本発明の
検出素子を用いることで、素子辺寸法を長くしていくこ
とで１００ＭｅＶあたりまでのγ線まで有効検出可能と
するものである。この理由については、Ｓｉの物質量、
すなわち空乏層厚みについて放射線の入射方向に対して
素子辺寸法の許す限り有することが可能であることから
理解されるが、前述の図１における空乏層のない領域す
なわち従来より無電界と思われていた領域１０１３は従
来の理論からはまぎれもなく不感領域であり、この領域
が無視できない値で存在する限りスペクトロスコピック
解析は出来ないはずである。しかしながら、それを可能
にした発明者らの考察を以下に説明する。
【００３９】図７（ａ）は本発明の検出素子の１基板の
ＰＩＮ構造の不純物濃度分布の状態（以降不純物プロフ
ァイルと称する）を示す図である。図１におけるＡ−
Ａ’断面の不純物プロファイルを示す。図７（ｂ）は従
来の半導体装置に逆方向バイアス電圧が加えられた時の
ＰＮ接合に広がった空乏層（空間電荷層）を表す電界強
度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフである。この空
乏層の厚みＷｄはＰ+ 型層に伸びた分とＮ- 型層に伸び
た分の和であるが、空乏層は主に不純物層の濃度（比抵
抗）で決定される（もちろん印加される逆バイアス電圧
もだが）ためＮ-型層への伸びが支配的である。
ＰＩＮ構造の不純物濃度分布の状態（以降不純物プロフ
ァイルと称する）を示す図である。図１におけるＡ−
Ａ’断面の不純物プロファイルを示す。図７（ｂ）は従
来の半導体装置に逆方向バイアス電圧が加えられた時の
ＰＮ接合に広がった空乏層（空間電荷層）を表す電界強
度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフである。この空
乏層の厚みＷｄはＰ+ 型層に伸びた分とＮ- 型層に伸び
た分の和であるが、空乏層は主に不純物層の濃度（比抵
抗）で決定される（もちろん印加される逆バイアス電圧
もだが）ためＮ-型層への伸びが支配的である。
【００４０】図８は入射するＸ線のエネルギーに対する
検出素子の量子効率を空乏層Ｗｄを２００μｍ一定（し
たがって印加バイアスはそれに応じて異なる）とし基板
比抵抗の異なるものを比較して示すグラフである。ここ
から判るようにＷｄが同じ２００μｍでも基板比抵抗が
２ｋΩ・ｃｍのもののほうが５００Ω・ｃｍのものより
量子効率が上回っているのが判る。５００Ω・ｃｍ以下
ではこれ以上あまり差異はない。図７（ｂ）に戻って見
てみると、本発明の空乏層として実線で示したように電
界強度の分布が直線的傾向（波線で示した従来理論）で
はなく緩やかにＮ+ 型層まで伸びているのではないかと
いうことである。
検出素子の量子効率を空乏層Ｗｄを２００μｍ一定（し
たがって印加バイアスはそれに応じて異なる）とし基板
比抵抗の異なるものを比較して示すグラフである。ここ
から判るようにＷｄが同じ２００μｍでも基板比抵抗が
２ｋΩ・ｃｍのもののほうが５００Ω・ｃｍのものより
量子効率が上回っているのが判る。５００Ω・ｃｍ以下
ではこれ以上あまり差異はない。図７（ｂ）に戻って見
てみると、本発明の空乏層として実線で示したように電
界強度の分布が直線的傾向（波線で示した従来理論）で
はなく緩やかにＮ+ 型層まで伸びているのではないかと
いうことである。
【００４１】さて、発明者らの実験・調査によると、基
板厚み３００μｍ以下では１ｋΩ・ｃｍ以上、５００μ
ｍ以下では４ｋΩ・ｃｍ以上、１ｍｍ以下では８ｋΩ・
ｃｍ以上、２ｍｍ以下では２０ｋΩ・ｃｍ以上の半導体
基板において基板厚みの約６０％以上の空乏層厚み（従
来理論換算）伸ばした時初めて顕著に現れる現象であ
る。したがって、この領域にて基板比抵抗、基板厚み、
バイアス電圧選定を適正に行えば、不感領域たる無電界
領域を全く無くしていかなる高エネルギー放射線もスペ
クトロスコピック検出が可能となるのである。
板厚み３００μｍ以下では１ｋΩ・ｃｍ以上、５００μ
ｍ以下では４ｋΩ・ｃｍ以上、１ｍｍ以下では８ｋΩ・
ｃｍ以上、２ｍｍ以下では２０ｋΩ・ｃｍ以上の半導体
基板において基板厚みの約６０％以上の空乏層厚み（従
来理論換算）伸ばした時初めて顕著に現れる現象であ
る。したがって、この領域にて基板比抵抗、基板厚み、
バイアス電圧選定を適正に行えば、不感領域たる無電界
領域を全く無くしていかなる高エネルギー放射線もスペ
クトロスコピック検出が可能となるのである。
【００４２】Ｓｉ−Ｌｉ型検出器やＧｅ型検出器をしの
ぎ置き換わるのみならず、ＰＩＮダイオードにシンチレ
ーターを付けての高精度度検出分野でもそれに置き換わ
っていくだけの可能性があり、きわめて画期的である。
ところで、光検出の場合の効果についても説明してお
く。
ぎ置き換わるのみならず、ＰＩＮダイオードにシンチレ
ーターを付けての高精度度検出分野でもそれに置き換わ
っていくだけの可能性があり、きわめて画期的である。
ところで、光検出の場合の効果についても説明してお
く。
【００４３】図９は本発明の積層した半導体装置を利用
した検出素子の光に対する感度の量子効率を波長をパラ
メータに表したグラフである。長波長側（波長１．２μ
ｍ以上）および、短波長側（３００ｎｍ以下）ともに従
来ＰＩＮダイオードより効率が向上しているのが判る。
順番に説明すると、まず、長波長側であるが、理論的に
は光電効果にはバンドギャップによって決まる限界波長
があり、Ｓｉの場合１．２μｍで量子効率はほとんどな
くなるはずであるが、素子辺寸法１ｃｍ以上取ることで
このように１．２μｍ以上の波長での感度が生じるわけ
である。
した検出素子の光に対する感度の量子効率を波長をパラ
メータに表したグラフである。長波長側（波長１．２μ
ｍ以上）および、短波長側（３００ｎｍ以下）ともに従
来ＰＩＮダイオードより効率が向上しているのが判る。
順番に説明すると、まず、長波長側であるが、理論的に
は光電効果にはバンドギャップによって決まる限界波長
があり、Ｓｉの場合１．２μｍで量子効率はほとんどな
くなるはずであるが、素子辺寸法１ｃｍ以上取ることで
このように１．２μｍ以上の波長での感度が生じるわけ
である。
【００４４】長波長の入射フォトンは光電効果には寄与
しなくてもきわめて長いＳｉ物質中を通過していく際に
Ｓｉ原子等と干渉し最終的にはエネルギーを失っていく
わけであり、それが格子振動や熱的なものであったとし
て、最終的には電気信号として検出できていると考えら
れる。
しなくてもきわめて長いＳｉ物質中を通過していく際に
Ｓｉ原子等と干渉し最終的にはエネルギーを失っていく
わけであり、それが格子振動や熱的なものであったとし
て、最終的には電気信号として検出できていると考えら
れる。
【００４５】短波長側の説明は判りやすい。従来のＰＩ
Ｎダイオードが光の入射に対してＰ + 型層やＳｉＯ2 層
等の不感層を有していたのにたいして、本発明の検出素
子はよけいな物質を全く排除することが可能であるから
である。図１に戻って見ると判るように、Ｐ+ 型層端か
ら素子端までの距離１０１２を基板厚みや基板比抵抗や
バイアス電圧とうまく組合せて設定することで、端面１
０１４極近傍まで空乏層１００６の端をもってこれるか
らである。ただ、現象的には前述したような無電界と思
われていた領域での検出が影響しているのかもしれな
い。
Ｎダイオードが光の入射に対してＰ + 型層やＳｉＯ2 層
等の不感層を有していたのにたいして、本発明の検出素
子はよけいな物質を全く排除することが可能であるから
である。図１に戻って見ると判るように、Ｐ+ 型層端か
ら素子端までの距離１０１２を基板厚みや基板比抵抗や
バイアス電圧とうまく組合せて設定することで、端面１
０１４極近傍まで空乏層１００６の端をもってこれるか
らである。ただ、現象的には前述したような無電界と思
われていた領域での検出が影響しているのかもしれな
い。
【００４６】図１０は本発明にかかる積層した半導体装
置を利用した検出素子の第２の実施例の電気的接続を示
す回路図である。本実施例の検出素子１００２は、電気
的にすべての素子をシリーズに接続しないで、図示する
ように、２枚の素子においてアノード同士を接続し２素
子共通の端子を一本設ける、一方のカソードは次の素子
のカソードに接続されやはり２素子共通の端子を一本設
ける。こうすることで、印加するバイアス電圧ＨＶ６０
０１は１素子分（並列２素子だが）の空乏層を所望の値
だけ伸ばしてやればよく、シリーズに接続した場合（積
層素子枚数分の和の電圧）より低い電圧でよいことにな
る。結合容量６０１０以降の検出回路も各カソードから
の端子に接続される。こうすることでも位置分解能は少
々おとるが１次元の分解能をもつラインセンサとなる。
置を利用した検出素子の第２の実施例の電気的接続を示
す回路図である。本実施例の検出素子１００２は、電気
的にすべての素子をシリーズに接続しないで、図示する
ように、２枚の素子においてアノード同士を接続し２素
子共通の端子を一本設ける、一方のカソードは次の素子
のカソードに接続されやはり２素子共通の端子を一本設
ける。こうすることで、印加するバイアス電圧ＨＶ６０
０１は１素子分（並列２素子だが）の空乏層を所望の値
だけ伸ばしてやればよく、シリーズに接続した場合（積
層素子枚数分の和の電圧）より低い電圧でよいことにな
る。結合容量６０１０以降の検出回路も各カソードから
の端子に接続される。こうすることでも位置分解能は少
々おとるが１次元の分解能をもつラインセンサとなる。
【００４７】図１１（ａ）は第２の実施例の検出素子の
第１の実装例を示す斜視図である。電極ピン１１００３
を有するＤＩＰパッケージに本実施例の検出素子が実装
されている。多端子出力を有するため外装ケースはたと
えば半導体集積回路装置用のＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎ
ｌｉｎｅ Ｐｉｎ）パッケージ１１００２のようなもの
を使用すると便利である。図１１（ｂ）は部分ａの拡大
図である。積層された各素子外部への取出し電気端子部
１１００５は交互に突き出た構造になっており、こうす
ることで２個分共通の各アノード・カソード端子はどち
らかの面を使って図示するようにボンデイングワイヤ１
１００４等で電極ピンへ電気的接続される、図面に見え
ていない反対側も同様の形になっている。
第１の実装例を示す斜視図である。電極ピン１１００３
を有するＤＩＰパッケージに本実施例の検出素子が実装
されている。多端子出力を有するため外装ケースはたと
えば半導体集積回路装置用のＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎ
ｌｉｎｅ Ｐｉｎ）パッケージ１１００２のようなもの
を使用すると便利である。図１１（ｂ）は部分ａの拡大
図である。積層された各素子外部への取出し電気端子部
１１００５は交互に突き出た構造になっており、こうす
ることで２個分共通の各アノード・カソード端子はどち
らかの面を使って図示するようにボンデイングワイヤ１
１００４等で電極ピンへ電気的接続される、図面に見え
ていない反対側も同様の形になっている。
【００４８】図１２は第２実施例の積層した半導体装置
を利用した検出素子の第２の実装例を示す積層していく
様を表す斜視図である。各素子間に導電性フィルム１２
００１を挟みこんでいく、導電性フィルム１２００１は
素子に挟みこんだとき外にはみだす尻尾のようなタグ１
２００２を有している。
を利用した検出素子の第２の実装例を示す積層していく
様を表す斜視図である。各素子間に導電性フィルム１２
００１を挟みこんでいく、導電性フィルム１２００１は
素子に挟みこんだとき外にはみだす尻尾のようなタグ１
２００２を有している。
【００４９】図１３（ａ）は第２実施例の検出素子１３
００１の第２の実装例を示す斜視図である。多端子出力
を有するため外装ケースはたとえば半導体集積回路装置
用のＤＩＰパッケージ１３００２のようなものを使用す
ると同様便利である。図１３（ｂ）は部分ａの拡大図で
ある。はみだしたタグ１２００２の部分を使用してワイ
ヤボンデイング１３００３可能なため、各素子は互い違
いにすることなく面一の積層が可能となる。図１４は本
発明にかかる検出素子１４００１の第３の実施例の検出
素子の電気的接続を示す回路図である。各素子は完全に
独立した１個１個のアノード、カソード端子を有するも
のである。出力信号はアンプ１０００１より出力され
る。こうすることで各素子は１個１個完全に適正な空乏
層（バイアス電圧を１個１個適正にできるから）を設定
することが可能となり理想的検出が実現できる。
００１の第２の実装例を示す斜視図である。多端子出力
を有するため外装ケースはたとえば半導体集積回路装置
用のＤＩＰパッケージ１３００２のようなものを使用す
ると同様便利である。図１３（ｂ）は部分ａの拡大図で
ある。はみだしたタグ１２００２の部分を使用してワイ
ヤボンデイング１３００３可能なため、各素子は互い違
いにすることなく面一の積層が可能となる。図１４は本
発明にかかる検出素子１４００１の第３の実施例の検出
素子の電気的接続を示す回路図である。各素子は完全に
独立した１個１個のアノード、カソード端子を有するも
のである。出力信号はアンプ１０００１より出力され
る。こうすることで各素子は１個１個完全に適正な空乏
層（バイアス電圧を１個１個適正にできるから）を設定
することが可能となり理想的検出が実現できる。
【００５０】図１５は第３実施例の第１の実装例に用い
る（１チッブあるいは１基板の）単体ＰＩＮダイオード
を示す断面図である。アノード電極１００５上には電気
絶縁性を有するパシベーション膜（ＳｉＮ膜等）１５０
０２を有し、一部に接続を取るための開孔部１５００１
を有するものである。カソード電極１００７がアノード
電極の反対側にもうけられている。図１６は第３実施例
の第１の実装例の検出素子の部分を示す斜視図である。
互い違い積層された素子は前記パシベーション膜で絶縁
されており、第２実施例の第１実装例と類似してそろぞ
れアノードは開孔部１５００１にボンディング１６００
１にて電極ピンへ接続される、またそれぞれカソードも
ボンデイングワイヤ１６００２にて電極ピンへ接続され
る。
る（１チッブあるいは１基板の）単体ＰＩＮダイオード
を示す断面図である。アノード電極１００５上には電気
絶縁性を有するパシベーション膜（ＳｉＮ膜等）１５０
０２を有し、一部に接続を取るための開孔部１５００１
を有するものである。カソード電極１００７がアノード
電極の反対側にもうけられている。図１６は第３実施例
の第１の実装例の検出素子の部分を示す斜視図である。
互い違い積層された素子は前記パシベーション膜で絶縁
されており、第２実施例の第１実装例と類似してそろぞ
れアノードは開孔部１５００１にボンディング１６００
１にて電極ピンへ接続される、またそれぞれカソードも
ボンデイングワイヤ１６００２にて電極ピンへ接続され
る。
【００５１】図１７は第３実施例の第２の実装例の検出
素子の部分を示す斜視図である。この実装例では、パシ
ベーション膜の代わりに絶縁性フィルム１７００１を各
素子間に挟み込んである。電極はボンディングワイヤ１
７００２により接続している。図１８（ａ）は第３実施
例の第３の実装例の検出素子の部分を示す斜視図であ
る。第２実施例の第２実装例と類似にタグ付の導電性フ
イルムを挟みこみ、面一の積層を可能としたものであ
る。図１８（ｂ）は第３実施例の第３の実装例の検出素
子の素子間界面の各フイルムの重なりの様子を示す断面
図である。導電性フイルム１２００１でタグ１２００２
を出すと同時に絶縁性フイルム１７００１で素子間のカ
ソード電極１００７とアノード電極１００５は絶縁して
いる。
素子の部分を示す斜視図である。この実装例では、パシ
ベーション膜の代わりに絶縁性フィルム１７００１を各
素子間に挟み込んである。電極はボンディングワイヤ１
７００２により接続している。図１８（ａ）は第３実施
例の第３の実装例の検出素子の部分を示す斜視図であ
る。第２実施例の第２実装例と類似にタグ付の導電性フ
イルムを挟みこみ、面一の積層を可能としたものであ
る。図１８（ｂ）は第３実施例の第３の実装例の検出素
子の素子間界面の各フイルムの重なりの様子を示す断面
図である。導電性フイルム１２００１でタグ１２００２
を出すと同時に絶縁性フイルム１７００１で素子間のカ
ソード電極１００７とアノード電極１００５は絶縁して
いる。
【００５２】以上、色々説明してきたが、第３実施例と
してはいずれにしても出力端子数が多く実装例で説明し
たように両面のワイヤボンデイングのような難易度の高
い技術が必要となる。したがって、第７実施例の図２７
のように上下に電極取り出しのための電極ピン１１００
３を有する外装パッケージ２７００１，２７００２を設
けても便利である。
してはいずれにしても出力端子数が多く実装例で説明し
たように両面のワイヤボンデイングのような難易度の高
い技術が必要となる。したがって、第７実施例の図２７
のように上下に電極取り出しのための電極ピン１１００
３を有する外装パッケージ２７００１，２７００２を設
けても便利である。
【００５３】図１９（ａ）は本発明にかかる検出素子の
第４の実施例の第１の結線例の半導体検出素子の電気的
接続を示す回路図である。第３実施例第１実装例で示し
たように本実施例の検出素子１９００１は、アノード側
にパシベーション膜を設けてカソード同士は接続して共
通で取り出すというものである。端子数はダイオード２
個分で３端子へと第３実施例例より減少することがで
き、性能は同等確保可能となる。図１９（ｂ）は本発明
にかかる検出素子の第４の実施例の第２の結線例の検出
素子の電気的接続を示す回路図である。考え方は第１結
線例と同様で、本実施例の検出素子１９００３は、カソ
ード側にパシベーション膜を設けて、アノードを２個で
１本取り出すということである。いずれも、電極ＰＩＮ
への接続方法に関しては第２、第３の実施例で各種説明
してきた方法と適宜くみあわせればよい。第３実施例と
同様、第７実施例の図２７のように上下に電極取り出し
のための外装パッケージを設けても便利である。
第４の実施例の第１の結線例の半導体検出素子の電気的
接続を示す回路図である。第３実施例第１実装例で示し
たように本実施例の検出素子１９００１は、アノード側
にパシベーション膜を設けてカソード同士は接続して共
通で取り出すというものである。端子数はダイオード２
個分で３端子へと第３実施例例より減少することがで
き、性能は同等確保可能となる。図１９（ｂ）は本発明
にかかる検出素子の第４の実施例の第２の結線例の検出
素子の電気的接続を示す回路図である。考え方は第１結
線例と同様で、本実施例の検出素子１９００３は、カソ
ード側にパシベーション膜を設けて、アノードを２個で
１本取り出すということである。いずれも、電極ＰＩＮ
への接続方法に関しては第２、第３の実施例で各種説明
してきた方法と適宜くみあわせればよい。第３実施例と
同様、第７実施例の図２７のように上下に電極取り出し
のための外装パッケージを設けても便利である。
【００５４】図２０は本発明の第５の実施例の検出素子
を示す斜視図である。いままで説明してきたように、外
装ケース１３００２に実装された検出素子２０００１を
第１層の検出器Ｘ１ ２０００３とし、同様の検出素子
をもって積層面方向に例えば９０度変位をもたせて第２
の検出器Ｙ１ ２０００４を隣接配置することで、２次
元の面（空間）分解能をも有する検出器が構成可能とな
る。矢印はＸ線やγ線の入射方向を示している。１素子
（基板１枚）のＰＩＮダイオードの基板厚みを数１００
μｍから数１０μｍまで例えば薄くすれば面分解能の解
像度を高くすることが可能である。素子辺寸法１０１０
を適正に取り、Ｘ１、Ｙ１ 、Ｘ２ 、Ｙ２ 、・・・Ｘ
ｎ 、Ｙｎ と多層配列しても便利である。素子辺寸法も
一定ではなく、多層の場合段階的に多種類設けるのも便
利である。いずれにしても、その時その時のスペクトロ
スコピックに必要な構成にすればよいわけである。
を示す斜視図である。いままで説明してきたように、外
装ケース１３００２に実装された検出素子２０００１を
第１層の検出器Ｘ１ ２０００３とし、同様の検出素子
をもって積層面方向に例えば９０度変位をもたせて第２
の検出器Ｙ１ ２０００４を隣接配置することで、２次
元の面（空間）分解能をも有する検出器が構成可能とな
る。矢印はＸ線やγ線の入射方向を示している。１素子
（基板１枚）のＰＩＮダイオードの基板厚みを数１００
μｍから数１０μｍまで例えば薄くすれば面分解能の解
像度を高くすることが可能である。素子辺寸法１０１０
を適正に取り、Ｘ１、Ｙ１ 、Ｘ２ 、Ｙ２ 、・・・Ｘ
ｎ 、Ｙｎ と多層配列しても便利である。素子辺寸法も
一定ではなく、多層の場合段階的に多種類設けるのも便
利である。いずれにしても、その時その時のスペクトロ
スコピックに必要な構成にすればよいわけである。
【００５５】図２１は本発明の第６の実施例の検出素子
を示す斜視図である。積層する１素子の形状を少しづつ
変えて、例えばドーナッツ状のＰＩＮダイオードを使う
と図２１のような検出器が得られる。本実施例の検出素
子２１００２は、中央がくり抜かれているＳｉＰＩＮ素
子２１００１を積層した構造となって外装ケース２１０
０３上に配置されている。従来のＧｅ検出器の構成と類
似のものが得られるわけである。ただし、検出できるエ
ネルギーもリーク電流もＧｅ検出器をはるかに上回るも
のになることは言うまでもない。図２２（ａ）は本発明
の第６の実施例の検出素子を示す斜断面図である。図２
２（ｂ）は本発明の第６の実施例の検出素子の同軸タイ
プを示す斜断面図である。
を示す斜視図である。積層する１素子の形状を少しづつ
変えて、例えばドーナッツ状のＰＩＮダイオードを使う
と図２１のような検出器が得られる。本実施例の検出素
子２１００２は、中央がくり抜かれているＳｉＰＩＮ素
子２１００１を積層した構造となって外装ケース２１０
０３上に配置されている。従来のＧｅ検出器の構成と類
似のものが得られるわけである。ただし、検出できるエ
ネルギーもリーク電流もＧｅ検出器をはるかに上回るも
のになることは言うまでもない。図２２（ａ）は本発明
の第６の実施例の検出素子を示す斜断面図である。図２
２（ｂ）は本発明の第６の実施例の検出素子の同軸タイ
プを示す斜断面図である。
【００５６】図２３は本発明の第７の実施例の検出素子
の１素子（基板１枚）のＰＩＮダイオードを示す断面図
である。アノードたるＰ+ 型層１００２上に読みだしの
ための結合容量となるキャパシタ（容量）絶縁膜２３０
０４を有し、その上方にキャパシタ電極２３００３とな
るポリシリコン（Ｐｏｌｙｃｒｉｓｔａｌｉｎｅ Ｓ
ｉ）膜を有し、さらに同様引き回しされたポリシリによ
るバイアス用抵抗２３００６を有する構成をとるもので
ある。バイアス抵抗取出し電極２３００１とキャパシタ
取出し電極２３００２とアノード電極２３００５が示さ
れている。図２４は本発明の第７の実施例の検出素子の
１素子のＰＩＮダイオードを示す斜視図である。バイア
ス抵抗パッド２４００１とキャパシタ電極パッド２４０
０２が示されている。
の１素子（基板１枚）のＰＩＮダイオードを示す断面図
である。アノードたるＰ+ 型層１００２上に読みだしの
ための結合容量となるキャパシタ（容量）絶縁膜２３０
０４を有し、その上方にキャパシタ電極２３００３とな
るポリシリコン（Ｐｏｌｙｃｒｉｓｔａｌｉｎｅ Ｓ
ｉ）膜を有し、さらに同様引き回しされたポリシリによ
るバイアス用抵抗２３００６を有する構成をとるもので
ある。バイアス抵抗取出し電極２３００１とキャパシタ
取出し電極２３００２とアノード電極２３００５が示さ
れている。図２４は本発明の第７の実施例の検出素子の
１素子のＰＩＮダイオードを示す斜視図である。バイア
ス抵抗パッド２４００１とキャパシタ電極パッド２４０
０２が示されている。
【００５７】図２５は本発明の第７の実施例の検出素子
の１素子のＰＩＮダイオードの電気的結線を示す回路図
である。バイアス抵抗２３００６とキャパシタ２３００
４を内蔵し、３端子構成となっている。図２６は本発明
の第７の実施例の検出素子の電気的接続を示す回路図で
ある。本実施例の検出素子２６００１が示されている。
バイアス抵抗とキャパシタを内蔵していることで後段の
回路の構成が簡単になり大変便利である、また回路のス
ペースも節約することが可能となる。図２７は本発明の
第７の実施例の実装された検出素子を示す斜視図であ
る。端子数が多くなるので図２７のように上下に電極取
り出しのための外装パッケージ２７００１，２７００２
を設けてある。第５実施例で説明したように、角度変位
を持たせた第２、第３の検出素子を隣接・配置して面分
解能をもたせても同様大変便利である。
の１素子のＰＩＮダイオードの電気的結線を示す回路図
である。バイアス抵抗２３００６とキャパシタ２３００
４を内蔵し、３端子構成となっている。図２６は本発明
の第７の実施例の検出素子の電気的接続を示す回路図で
ある。本実施例の検出素子２６００１が示されている。
バイアス抵抗とキャパシタを内蔵していることで後段の
回路の構成が簡単になり大変便利である、また回路のス
ペースも節約することが可能となる。図２７は本発明の
第７の実施例の実装された検出素子を示す斜視図であ
る。端子数が多くなるので図２７のように上下に電極取
り出しのための外装パッケージ２７００１，２７００２
を設けてある。第５実施例で説明したように、角度変位
を持たせた第２、第３の検出素子を隣接・配置して面分
解能をもたせても同様大変便利である。
【００５８】図４０は本発明にかかる検出素子の第８の
実施例の電気的接続を示す回路図である。アノード、カ
ソード各電極は並列接続とし１方たとえばカソード電極
は共通として逆電圧を印加しアノード電極は各々別々に
出力することにより１次元の分解能をもつラインセンサ
となる。この場合逆電圧は並列になるので１素子分の空
乏層を所望の値だけ伸ばすに必要な逆電圧を印加してや
ればよい。
実施例の電気的接続を示す回路図である。アノード、カ
ソード各電極は並列接続とし１方たとえばカソード電極
は共通として逆電圧を印加しアノード電極は各々別々に
出力することにより１次元の分解能をもつラインセンサ
となる。この場合逆電圧は並列になるので１素子分の空
乏層を所望の値だけ伸ばすに必要な逆電圧を印加してや
ればよい。
【００５９】図４１は本発明の検出素子の第９の実施例
の電気的接続を示す回路図である。これはたとえば図４
６に実装例を部分断面図で示すように２枚のＮ- 型半導
体基板４６００１の同一面同志を対向し同一電極同志た
とえば裏面のＮ+ 型層４６００３を導電性接着剤４６０
０４で接合した対基板を絶縁フィルムを介して積層する
ことによってなされる。この場合ではさらに対基板同志
のカソード電極は共通として逆電圧を印加しアノード電
極は各々別々に出力すると配線が簡易となる。図４５に
はこのような実装例を平面図で示す。アノード接続部４
５００２の接続はは導電接着剤でなされカソード接続部
４５００１の接続はワイヤボンデングでなされている。
の電気的接続を示す回路図である。これはたとえば図４
６に実装例を部分断面図で示すように２枚のＮ- 型半導
体基板４６００１の同一面同志を対向し同一電極同志た
とえば裏面のＮ+ 型層４６００３を導電性接着剤４６０
０４で接合した対基板を絶縁フィルムを介して積層する
ことによってなされる。この場合ではさらに対基板同志
のカソード電極は共通として逆電圧を印加しアノード電
極は各々別々に出力すると配線が簡易となる。図４５に
はこのような実装例を平面図で示す。アノード接続部４
５００２の接続はは導電接着剤でなされカソード接続部
４５００１の接続はワイヤボンデングでなされている。
【００６０】図４７の（ａ）に別の実装例を側面図で
（ｂ）に平面図で示す。半導体基板（あるいはチップ）
は台形をしておる入射面と反対側の電極端子取り出し部
が広がって突き出て実装しやすくなっている。図４８は
また別の実装例を平面図で両面に導電層４８００４を形
成した絶縁フィルム４８００３を介してＰ+ 型層面４８
００２同志が、そしてカソード電極同志が導電接着剤４
８００５で接合されている。
（ｂ）に平面図で示す。半導体基板（あるいはチップ）
は台形をしておる入射面と反対側の電極端子取り出し部
が広がって突き出て実装しやすくなっている。図４８は
また別の実装例を平面図で両面に導電層４８００４を形
成した絶縁フィルム４８００３を介してＰ+ 型層面４８
００２同志が、そしてカソード電極同志が導電接着剤４
８００５で接合されている。
【００６１】更に本発明のリーク電流を小さくしてＸ線
等の通過する空乏層幅（厚み）を極めて大きくでき、従
って感度を上げ分解能を向上できるという利点を利用し
て別の２次元の光・放射線電気変換半導体装置が得られ
る。すなわち図３５に平面図で示すようにＮ- 型半導体
基板３５００１の表面に形成されるＰ+ 型層３５００５
を短冊型に多数の領域に分割する。この際裏面のＮ + 型
層は同様に分割してもよいが、分割せずに図４２に回路
図として示すように共通として逆電圧を印加するように
すると電極配線が簡易になる。
等の通過する空乏層幅（厚み）を極めて大きくでき、従
って感度を上げ分解能を向上できるという利点を利用し
て別の２次元の光・放射線電気変換半導体装置が得られ
る。すなわち図３５に平面図で示すようにＮ- 型半導体
基板３５００１の表面に形成されるＰ+ 型層３５００５
を短冊型に多数の領域に分割する。この際裏面のＮ + 型
層は同様に分割してもよいが、分割せずに図４２に回路
図として示すように共通として逆電圧を印加するように
すると電極配線が簡易になる。
【００６２】このようなＰＩＮダイオード１素子を図３
６に概念斜視図として示すように分割したＰ+ 型層方向
を揃えて多数積層し分割したＰ+ 型層の長手方向に平行
にＸ線等を入射することにより本発明の第１４の実施例
の２次元機能をもつ光・放射線電気変換半導体装置とな
る。この場合Ｐ+ 型層の分割はＩＣプロセスで行われる
ので極めて精密、微細に行うことができ基本的に分解能
を制約するのは分割した個々のＰ+ 型層の感度である
が、ここにおいて本発明のリーク電流を小さくしてＸ線
等の通過する空乏層幅（厚み）を極めて大きくでき、従
って感度を上げることができるという利点が生きてくる
こととなる。従来のＰＩＮダイオードにシンチレーター
を付加する方法ではＰＩＮダイオードを２次元検出でき
るようにＰ+ 型層や裏面のＮ+ 型層を分割しても感度が
小さくて実用にはならない。
６に概念斜視図として示すように分割したＰ+ 型層方向
を揃えて多数積層し分割したＰ+ 型層の長手方向に平行
にＸ線等を入射することにより本発明の第１４の実施例
の２次元機能をもつ光・放射線電気変換半導体装置とな
る。この場合Ｐ+ 型層の分割はＩＣプロセスで行われる
ので極めて精密、微細に行うことができ基本的に分解能
を制約するのは分割した個々のＰ+ 型層の感度である
が、ここにおいて本発明のリーク電流を小さくしてＸ線
等の通過する空乏層幅（厚み）を極めて大きくでき、従
って感度を上げることができるという利点が生きてくる
こととなる。従来のＰＩＮダイオードにシンチレーター
を付加する方法ではＰＩＮダイオードを２次元検出でき
るようにＰ+ 型層や裏面のＮ+ 型層を分割しても感度が
小さくて実用にはならない。
【００６３】図３７は本発明の光・放射線電気変換半導
体装置の１応用例である放射線検出器のブロック図であ
る。この場合、光の影響（特に長波長）をさけるために
は放射線入射面にＢｅ、ＣＡｌなどを蒸着等で薄膜形成
すればよい。本発明の光・放射線電気変換半導体装置を
応用した放射線検出器は高エネルギー領域で高範囲に使
用できかつシンチレーターを使用したものより高速、高
感度となり、更に第１４の実施例の２次元機能をもつ光
・放射線電気変換半導体装置を使用すれば高分解能な２
次元の全固体放射線検出器が実現できる。
体装置の１応用例である放射線検出器のブロック図であ
る。この場合、光の影響（特に長波長）をさけるために
は放射線入射面にＢｅ、ＣＡｌなどを蒸着等で薄膜形成
すればよい。本発明の光・放射線電気変換半導体装置を
応用した放射線検出器は高エネルギー領域で高範囲に使
用できかつシンチレーターを使用したものより高速、高
感度となり、更に第１４の実施例の２次元機能をもつ光
・放射線電気変換半導体装置を使用すれば高分解能な２
次元の全固体放射線検出器が実現できる。
【００６４】また本発明の光・放射線電気変換半導体装
置をＸ線ＣＴ装置に利用することで優れた成果が得られ
る。図３８に１実施例を概念図として示すように医療用
のＸ線ＣＴ装置の検出器して本発明の光・放射線電気変
換半導体装置して使用する。この場合Ｘ線源の３６０度
の回転に対応して多チャンネルの検出器が多数円形に配
置されている。このようなＸ線ＣＴ装置の検出器して本
発明の光・放射線電気変換半導体装置して使用すると高
感度、高速であることよりＸ線のエネルギー、照射時
間、照射量を低減することができＸ線の被爆の悪影響を
低減でき、医療や工業用非破壊検査での処理の迅速化
（走査時間の短縮）が可能となる。特に医療用では走査
時間の短縮による臓器運動の観察と被爆量の低下は大き
な利点となる。
置をＸ線ＣＴ装置に利用することで優れた成果が得られ
る。図３８に１実施例を概念図として示すように医療用
のＸ線ＣＴ装置の検出器して本発明の光・放射線電気変
換半導体装置して使用する。この場合Ｘ線源の３６０度
の回転に対応して多チャンネルの検出器が多数円形に配
置されている。このようなＸ線ＣＴ装置の検出器して本
発明の光・放射線電気変換半導体装置して使用すると高
感度、高速であることよりＸ線のエネルギー、照射時
間、照射量を低減することができＸ線の被爆の悪影響を
低減でき、医療や工業用非破壊検査での処理の迅速化
（走査時間の短縮）が可能となる。特に医療用では走査
時間の短縮による臓器運動の観察と被爆量の低下は大き
な利点となる。
【００６５】更に第１４の実施例の２次元機能をもつ光
・放射線電気変換半導体装置を利用すると高精度、高２
次元分解能なＸ線ＣＴ装置が得られる。Ｐ+ 型層の微細
化能力と半導体基板の厚みによる面分解能の差を考慮す
るとＸ線ＣＴ装置における応用での本発明の光・放射線
電気変換半導体装置の検出器としての配置に次の２方式
がある。すなわち図４３に示すように本発明の半導体装
置による検出器４３００１の円形（正確には多角形）の
配列方向にたいしてＮ- 型基板４３００２（積層面）が
平行になる場合で、この場合図のようにＮ- 型基板４３
００２を台形（扇形）にし、Ｐ- 型層４３００３も同様
に台形（扇形）にしてＸ線ファンビームのビームの広が
りにつれて個々の主たる検出領域（空乏層）も広がるよ
うにすることができ、これにより効率がよくなり、この
ように基板およびＰ- 型層の形状をビームの広がりに合
わせられることは本発明の大きな利点である。以上はＰ
+ 型層を分割した場合を例にのべたがもちろんＰ+ 型層
を分割をしない場合でもＮ- 型基板（およびＰ+ 型層し
たがって主たる検出領域である空乏層）を台形（扇形）
にすることで好ましい成果が得られる。
・放射線電気変換半導体装置を利用すると高精度、高２
次元分解能なＸ線ＣＴ装置が得られる。Ｐ+ 型層の微細
化能力と半導体基板の厚みによる面分解能の差を考慮す
るとＸ線ＣＴ装置における応用での本発明の光・放射線
電気変換半導体装置の検出器としての配置に次の２方式
がある。すなわち図４３に示すように本発明の半導体装
置による検出器４３００１の円形（正確には多角形）の
配列方向にたいしてＮ- 型基板４３００２（積層面）が
平行になる場合で、この場合図のようにＮ- 型基板４３
００２を台形（扇形）にし、Ｐ- 型層４３００３も同様
に台形（扇形）にしてＸ線ファンビームのビームの広が
りにつれて個々の主たる検出領域（空乏層）も広がるよ
うにすることができ、これにより効率がよくなり、この
ように基板およびＰ- 型層の形状をビームの広がりに合
わせられることは本発明の大きな利点である。以上はＰ
+ 型層を分割した場合を例にのべたがもちろんＰ+ 型層
を分割をしない場合でもＮ- 型基板（およびＰ+ 型層し
たがって主たる検出領域である空乏層）を台形（扇形）
にすることで好ましい成果が得られる。
【００６６】別の配列法としては図４４に示すように本
発明の半導体装置による検出器４３００１の円形（正確
には多角形）の配列方向にたいしてＮ- 型基板４３００
２（積層面）が垂直になる場合である。このような場合
の１基板（１チップ）のＰ- 型層を分割した２次元の光
・放射線電気変換半導体装置の実装例を部分断面図とし
て図４９に示す。Ｐ- 型層面同志を両面に導電層４９０
０５が形成された絶縁フィルムで接合し、Ｎ+ 型層同志
を導電フィルム４９００６で接合した積層の素子をスル
ーホール４９００４を設けた実装基板４９００２に固定
しスルーホール４９００４を通じて導電層４９００５と
アノード端子４９００８、導電フィルム４９００６とカ
ソード端子を接続する。
発明の半導体装置による検出器４３００１の円形（正確
には多角形）の配列方向にたいしてＮ- 型基板４３００
２（積層面）が垂直になる場合である。このような場合
の１基板（１チップ）のＰ- 型層を分割した２次元の光
・放射線電気変換半導体装置の実装例を部分断面図とし
て図４９に示す。Ｐ- 型層面同志を両面に導電層４９０
０５が形成された絶縁フィルムで接合し、Ｎ+ 型層同志
を導電フィルム４９００６で接合した積層の素子をスル
ーホール４９００４を設けた実装基板４９００２に固定
しスルーホール４９００４を通じて導電層４９００５と
アノード端子４９００８、導電フィルム４９００６とカ
ソード端子を接続する。
【００６７】また別の応用例として本発明の光・放射線
電気変換半導体装置をＸ線顕微鏡の放射線検出に応用す
ると高感度、高精度、高２次元分解能化が可能となる。
この場合面分解能は短冊状Ｐ+ 型層の微細化能力と積層
を構成する各半導体基板によって制約されるが、短冊状
Ｐ+ 型層の微細化は数１０μｍは容易であり問題ないが
半導体基板の厚みはＩＣプロセスでの取扱い性により２
００μｍ程度が限界となる。
電気変換半導体装置をＸ線顕微鏡の放射線検出に応用す
ると高感度、高精度、高２次元分解能化が可能となる。
この場合面分解能は短冊状Ｐ+ 型層の微細化能力と積層
を構成する各半導体基板によって制約されるが、短冊状
Ｐ+ 型層の微細化は数１０μｍは容易であり問題ないが
半導体基板の厚みはＩＣプロセスでの取扱い性により２
００μｍ程度が限界となる。
【００６８】この限界を改善するには次のような方法が
ある。すなわち図３９に示すように予め裏面のＮ+ 型層
３９００９を形成したＮ- 型半導体基板３９００１を裏
面のＮ+ 型層３９００９同志を向かい合わせて張り合わ
せ更にこれを両面研磨して２００〜３００μｍにした張
り合わせ基板を用いるものでこれにより半導体基板の厚
み方向の面分解能は２倍程度向上できる。
ある。すなわち図３９に示すように予め裏面のＮ+ 型層
３９００９を形成したＮ- 型半導体基板３９００１を裏
面のＮ+ 型層３９００９同志を向かい合わせて張り合わ
せ更にこれを両面研磨して２００〜３００μｍにした張
り合わせ基板を用いるものでこれにより半導体基板の厚
み方向の面分解能は２倍程度向上できる。
【００６９】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、新規放射線検出素子としてプレーナ型ＰＩＮダイオ
ードを積層した構成を取ることで空乏層厚みが素子辺寸
法とほぼ同一であることから、数ｍｍとから数１０ｃｍ
程度（Ｓｉウエハープロセスで許容されるウエハーサイ
ズの最大直径まで）まで測りたい放射線のエネルギーに
合わせて任意に厚くでき、きわめて高性能画期的光・放
射線電気変換半導体装置がえられ、更にその応用で優れ
た放射線検出器等を提供することができる。
ば、新規放射線検出素子としてプレーナ型ＰＩＮダイオ
ードを積層した構成を取ることで空乏層厚みが素子辺寸
法とほぼ同一であることから、数ｍｍとから数１０ｃｍ
程度（Ｓｉウエハープロセスで許容されるウエハーサイ
ズの最大直径まで）まで測りたい放射線のエネルギーに
合わせて任意に厚くでき、きわめて高性能画期的光・放
射線電気変換半導体装置がえられ、更にその応用で優れ
た放射線検出器等を提供することができる。
【図１】本発明のＰＩＮダイオードの断面図である。
【図２】本発明のＰＩＮダイオードの斜視図である。
【図３】本発明の半導体装置の回路図である。
【図４】（ａ）は本発明の半導体装置の斜視図であり、
（ｂ）は本発明の半導体装置の断面図である。
（ｂ）は本発明の半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の半導体装置検出素子の量子効率を示す
図である。
図である。
【図６】放射線検出に使用した回路図である。
【図７】（ａ）は本発明の検出装置の不純物濃度分布の
状態を示す図であり、（ｂ）は従来の半導体装置の空乏
層を表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフ
である。
状態を示す図であり、（ｂ）は従来の半導体装置の空乏
層を表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフ
である。
【図８】入射するＸ線のエネルギーに対する検出素子の
量子効率を示すグラフである。
量子効率を示すグラフである。
【図９】本発明の半導体装置検出素子の光に対する感度
の量子効率を示す図である。
の量子効率を示す図である。
【図１０】本発明の半導体装置検出素子の回路図であ
る。
る。
【図１１】（ａ）は本発明の半導体装置検出素子を示す
斜視図であり、（ｂ）は部分ａの拡大図である。
斜視図であり、（ｂ）は部分ａの拡大図である。
【図１２】本発明の半導体装置検出素子の斜視図であ
る。
る。
【図１３】（ａ）は本発明の半導体装置検出素子を示す
斜視図であり、（ｂ）は部分ｂの拡大図である。
斜視図であり、（ｂ）は部分ｂの拡大図である。
【図１４】本発明の半導体装置検出素子の回路図であ
る。
る。
【図１５】本発明のＰＩＮダイオードを示す断面図であ
る。
る。
【図１６】本発明の半導体装置検出素子の部分を示す斜
視図である。
視図である。
【図１７】本発明の半導体装置検出素子を示す斜視図で
ある。
ある。
【図１８】（ａ）は本発明の半導体装置検出素子の示す
斜視図であり、（ｂ）は本発明の半導体装置検出素子を
示す断面図である。
斜視図であり、（ｂ）は本発明の半導体装置検出素子を
示す断面図である。
【図１９】（ａ）は本発明にかかる検出素子の第４の実
施例の第１の結線例の回路図であり、（ｂ）本発明にか
かる検出素子の第４の実施例の第２の結線例の回路図で
ある。
施例の第１の結線例の回路図であり、（ｂ）本発明にか
かる検出素子の第４の実施例の第２の結線例の回路図で
ある。
【図２０】本発明の半導体装置検出素子を示す斜視図で
ある。
ある。
【図２１】本発明の半導体装置検出素子を示す斜視図で
ある。
ある。
【図２２】（ａ）は本発明の半導体装置検出素子を示す
斜断面図であり、（ｂ）は本発明の半導体装置検出素子
の同軸タイプを示す斜断面図である。
斜断面図であり、（ｂ）は本発明の半導体装置検出素子
の同軸タイプを示す斜断面図である。
【図２３】本発明の半導体装置検出素子を示す断面図で
ある。
ある。
【図２４】本発明の半導体装置検出素子を示す斜視図で
ある。
ある。
【図２５】本発明の半導体装置検出素子の回路図であ
る。
る。
【図２６】本発明の半導体装置検出素子の回路図であ
る。
る。
【図２７】本発明の半導体装置検出素子の斜視図であ
る。
る。
【図２８】従来の半導体装置の断面図である。
【図２９】従来のＰＩＮダイオードの斜視図である。
【図３０】（ａ）は従来のＰＩＮダイオードチップを示
す斜視図であり、（ｂ）は電極取り出し部分を示す断面
図である。
す斜視図であり、（ｂ）は電極取り出し部分を示す断面
図である。
【図３１】（ａ）は従来の半導体装置の不純物濃度分布
を示す図であり、（ｂ）は従来の半導体装置の空乏層を
表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフであ
る。
を示す図であり、（ｂ）は従来の半導体装置の空乏層を
表す電界強度の深さ（ｘ）方向の分布を示すグラフであ
る。
【図３２】ＰＮ接合に印加される逆バイアス電圧と空乏
層の厚みの関係を示す図である。
層の厚みの関係を示す図である。
【図３３】放射線検出の回路図である。
【図３４】検出素子の量子効率を示す図である。
【図３５】Ｐ+ 型層を分割した半導体基板の平面図であ
る。
る。
【図３６】本発明の第９の実施例のＰ+ 型層を分割した
半導体装置の斜視図である。
半導体装置の斜視図である。
【図３７】本発明の放射線検出器のブロック図である。
【図３８】本発明の医療用のＸ線ＣＴ装置の概念図であ
る。
る。
【図３９】本発明の光・放射線電気変換半導体の断面図
である。
である。
【図４０】本発明の検出素子の回路図である。
【図４１】本発明の検出素子の回路図である。
【図４２】Ｐ+ 型層を分割した半導体基板の１例の模式
ブロック図である。
ブロック図である。
【図４３】本発明のＸ線ＣＴ装置の概念図である。
【図４４】本発明の半導体装置のＸ線ＣＴ装置の概念図
である。
である。
【図４５】本発明の半導体装置の平面図である。
【図４６】本発明の半導体装置の断面図である。
【図４７】本発明の半導体装置の実装例を示す図で
（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。
（ａ）は側面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図４８】本発明の半導体装置の平面図である。
【図４９】Ｐ- 型層を分割した２次元の光・放射線電気
変換半導体装置の実装例を示す部分断面図である。
変換半導体装置の実装例を示す部分断面図である。
１００１ Ｎ- 型半導体基板 １００２ Ｐ+ 型層 １００３ Ｎ+ 型層 １００４ 裏面のＮ+ 型層 １００５ アノード電極 １００６ 空乏層 １００７ カソード電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 真史 茨城県つくば市吾妻２−709−509 (72)発明者 小波蔵 純子 茨城県つくば市天久保２−６−３ シャト レ天久保Ａ201
Claims (21)
- 【請求項１】 第１導電型半導体基板に第２導電型不純
物領域を有する半導体基板を積層することを特徴とする
光・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項２】 光または放射線を積層面に平行に直接入
射することを特徴とする請求項１記載の光・放射線電気
変換半導体装置。 - 【請求項３】 該第１導電型半導体基板は比抵抗１ｋΩ
・ｃｍ以上であることをことを特徴とする請求項１の光
・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項４】 該積層した半導体基板が互いに並列に電
気的接続されていることを特徴とする請求項１記載の光
・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項５】 積層を構成する半導体基板が互いに電気
的に独立していることを特徴とする請求項１記載の光・
放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項６】 １方の電極を共通として電圧を印加する
ことを特徴とする請求項４記載の光・放射線電気変換半
導体装置。 - 【請求項７】 ２枚の半導体基板の同一面同志を対向し
電極同志を導電性接着剤などで接着した対基板を積層し
たことを特徴とする請求項１記載の光・放射線電気変換
半体装置。 - 【請求項８】 該積層した半導体基板の入射方向に垂直
方向に交互に互いに反対の面に外部取出し用電気端子部
を有することを特徴とする請求項１記載の光・放射線電
気変換半導体装置。 - 【請求項９】 該半導体基板の外部取出し用電気端子部
は外部取出し用電気端子非設置部より突き出ていること
を特徴とする請求項７記載の光・放射線電気変換半導体
装置。 - 【請求項１０】 該半導体基板は同一基板上に抵抗要素
と容量要素を有することを特徴とする請求項１記載の光
・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１１】 第１導電型半導体基板に第２導電型不
純物領域を有する半導体基板を多数積層し接続している
第１の半導体装置を有し、第１の半導体装置の積層方位
に変位して第２の半導体装置を隣接し、以降、同様に複
数の半導体装置を隣接していることを特徴とする光・放
射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１２】 該第１導電型半導体基板は比抵抗１ｋ
Ω・ｃｍ以上であることをことを特徴とする請求項１１
記載の光・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１３】 該積層した半導体基板が互いに並列に
電気的接続されていることを特徴とする請求項１１記載
の光・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１４】 該半導体基板は同一基板上に抵抗要素
と容量要素を有することを特徴とする請求項１１記載の
光・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１５】 該第２導電型不純物領域は短冊状に分
離形成されていることを特徴とする請求項１記載の光・
放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項１６】 第１導電型半導体基板に第２導電型不
純物領域を有する半導体基板を多数積層し接続している
光・放射線電気変換半導体装置を有し、放射線を積層面
に平行に半導体基板に直接入射することを特徴とする放
射線検出器。 - 【請求項１７】 第１導電型半導体基板に第２導電型不
純物領域を有する半導体基板を積層し接続している光・
放射線電気変換半導体装置を検出器として有し、放射線
を積層面に平行に半導体基板に直接入射することを特徴
とするＸ線ＣＴ装置。 - 【請求項１８】 検出面が２面以上５面まで有すること
を特徴とする請求項１記載の光・放射線電気変換半導体
装置。 - 【請求項１９】 検出面により放射線の検出エネルギー
あるいは荷電粒子種が異なることを特徴とする請求項１
８記載の光・放射線電気変換半導体装置。 - 【請求項２０】 第１導電型半導体基板に第２導電型不
純物領域を有する半導体基板を多数積層し接続した光・
放射線電気変換半導体装置を使用したことを特徴とする
線量計。 - 【請求項２１】 第１導電型半導体基板に第２導電型不
純物領域を有する半導体基板を多数積層し接続した光・
放射線電気変換半導体装置を前置増幅器、バイアス電
源、比例増幅器、パルス発生器、波高弁別器、カウン
タ、タイマ、計数率計、マルチチャネル波高分析器など
の信号処理回路とともに１つの部品として実装したこと
を特徴とする放射線検出器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6187595A JPH07122776A (ja) | 1993-08-31 | 1994-08-09 | 光・放射線電気変換半導体装置およびその応用 |
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|---|---|---|---|
| JP21657193 | 1993-08-31 | ||
| JP5-216571 | 1993-08-31 | ||
| JP6187595A JPH07122776A (ja) | 1993-08-31 | 1994-08-09 | 光・放射線電気変換半導体装置およびその応用 |
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| JPH07122776A true JPH07122776A (ja) | 1995-05-12 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6187595A Pending JPH07122776A (ja) | 1993-08-31 | 1994-08-09 | 光・放射線電気変換半導体装置およびその応用 |
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| JP (1) | JPH07122776A (ja) |
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