JPH0878718A - 半導体ｘ線検出器およびｘ線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】検出器表面に信号取り出し電極がある半導体Ｘ
線検出器を提供する。 【構成】裏面にｐ型領域１０１を形成した半導体基板１
００上で絶縁膜１０２で絶縁されたゲート電極１０４、
および裏面ゲート電極１０５間の半導体Ｘ線検出部に電
界を印加し、半導体基板１００に入射したＸ線１０９に
より発生した電子−正孔対を分離し、内部電界により表
面側に集められた電気信号を電極１０６と電極１０７で
取り出すことで達成される。 【効果】検出器の内部電界により表面側に集められた電
気信号の取り出しを行うため、検出器の容量が大幅に減
少し、微弱なＸ線を高感度・高分解能で測定可能にな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体Ｘ線検出器、お
よびそれを用いたＸ線検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線の検出方法は入射Ｘ線と物質の相互
作用を利用する方法が主たるもので、例えば気体の電離
を利用する方法，イオンの電離・放出による発光を利用
する方法、半導体物質の光電効果を用いる方法等があ
る。

【０００３】半導体Ｘ線検出器は入射したＸ線により、
半導体中で生ずる電子と正孔を電流として取り出すこと
によりＸ線を検出するものである。半導体検出器中で１
つの電子−正孔対を生成するためのエネルギーεの典型
的な値をあげてみると、Ｓｉでは３.２３ｅＶ、Ｇｅで
は２.８４ｅＶ、ＩｎＳｂでは０.０６ｅＶ、またＣdＳ
では５.２ｅＶ と気体の場合のεの値３０ｅＶよりはる
かに小さい。従って、原理的に他の検出器に比べ、半導
体Ｘ検出器は感度がよくエネルギー分解能の高い測定が
可能である。また、入射粒子エネルギーと出力パルス波
高値間がよい比例関係を持つこと、応答速度が速いこ
と、周囲磁場に影響されないことなど非常に多くの利点
を持ち、様々な使用法が考え出されている。

【０００４】半導体Ｘ線検出器は、低い電気伝導度を持
つ半導体層に電場を印加し、Ｘ線の入射により電子−正
孔対を発生させ、上記電子−正孔対を半導体層内の電場
により分離し、それらを電極側に移動させ、電気信号に
変換し、この信号を増幅し、入射Ｘ線の情報を得るもの
である。初期にはＧｅが半導体Ｘ線検出器の材料として
研究されたが、１９５９年にＳｉ接合型検出器が発表さ
れ（文献：Bull. Am.Phys. Soc., 4(1953)422）、近年
はＳｉに関する技術の大幅な発展と共にＳｉを用いた半
導体Ｘ線検出器が主流となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の半導体Ｘ線検出器は２つの電極で半導体をサン
ドイッチした構造をとり、平行平板コンデンサと等価な
電気回路で示され、このため容量による雑音により高分
解能測定ができないという問題があった。

【０００６】例えば、Ｓｉを検出器材料として用いる場
合、Ｘ線の透過率が大きいためＳｉの厚さは２〜５ミリ
メータ程度必要で、また電極は面積約３０〜８０平方ミ
リメータであり、雑音の原因となる容量は１〜２ピコフ
ァラッドと大きかった。また、半導体Ｘ線検出器の母体
材料としてＳｉを用いているため、検出可能なＸ線のエ
ネルギー範囲が１〜２０キロエレクトロンボルト（ｋｅ
Ｖ）と狭く、またＸ線が一対の電子−正孔対を生成する
ためのエネルギーが約３.２３ エレクトロンボルト（ｅ
Ｖ）と大きく、１０〜６０程度の原子番号以外の元素の
高感度検出は不可能で、さらに分解能の理論限界は１７
０ｅＶで隣接する元素の分離検出が難しかった。また、
Ｓｉの中のキャリアの移動度は数百センチメートル／ボ
ルト・秒と小さいため、Ｘ線が検出器に入射してからパ
ルスを発するまでの信号遅延が大きく、時間応答が遅い
といった問題があった。

【０００７】本発明の第一の目的は、検出器の容量を大
幅に押さえることで低雑音測定可能で、かつ広いエネル
ギー範囲で測定可能な半導体Ｘ線検出器を提供すること
にある。

【０００８】本発明の第二の目的は、二次元キャリアガ
スを電気信号の外部取り出しに利用し、低雑音測定が可
能な半導体Ｘ線検出器を提供することにある。

【０００９】さらに本発明の第三の目的は、配線による
雑音や配線部分での信号遅延を最大限に抑え、低雑音測
定が可能な半導体Ｘ線検出器を提供することにある。

【００１０】本発明の第四の目的は、高分解能、かつ高
感度で測定可能なＸ線検出装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的は、Ｘ線
入射によって発生したキャリアを基板の表面・裏面電極
間に印加した電界によって基板表面に引き出し、基板表
面の二つの電極で信号をとりだす構造にすることでＸ線
検出器の容量を大幅に押さえることにより、低雑音化す
ることで達成される。

【００１２】上記第二の目的は、バンドギャップの小さ
な半導体１上にバンドギャップの大きな半導体２を成長
することでバンド不連続の存在するヘテロ構造を形成
し、基板表面・裏面電極間に電界を印加し、ヘテロ界面
に集積する二次元キャリアガスとなった電気信号を基板
表面の電極で取り出し、低雑音測定を可能とすることで
達成される。二次元キャリアガスを用いた場合、キャリ
アの走行中の結晶中の不純物による散乱等、移動度を低
下させる要因を押さえることができるので応答速度向上
が期待できる。

【００１３】上記第三の目的は、上記第一，第二の目的
の方法で形成された半導体Ｘ検出器と同じ基板上に電気
信号を増幅する電気回路を形成し、両者を基板上の配線
で結合し、配線総面積を大幅に減少することで達成され
る。

【００１４】上記第四の目的は、上記第一から第三に示
したＸ線検出器をＸ線検出装置のＸ線検出部に組み込む
ことで達成される。

【００１５】

【作用】以下、図２に示す高抵抗Ｇｅ（１００）基板を
用いて形成した半導体Ｘ線検出器を例にとって、本発明
の作用を説明する。図２（ａ）に示すように、両面を鏡
面加工した厚さ５００μｍの高抵抗Ｇｅ(１００）基板
２００に厚さ０.３μｍのｐ型のＧｅ層２０１をエピタ
キシャル成長する。その後、化学的気相成長法を用い厚
さ０.０５μｍのＳｉＯ₂膜２０２を基板の両面に堆積
し、ゲートＡｌ電極２０３，裏面ゲートＡｌ電極２０５
を真空蒸着し、Ｐを加速エネルギー１００ｋｅＶ，１×
１０¹⁵／cm² の条件でイオン注入し、８００℃の温度で
１５分間熱処理し、高濃度ｎ型層２０４を形成する（図
２（ｂ））。

【００１６】さらに、化学的気相成長法で厚さ０.０５
μｍのＳｉＯ₂膜２０６を両面に堆積し（図３
（ａ））、電極を形成するためのウインドウ２０７を通
常のフォトリソグラフィ・ドライエッチング技術を用い
形成する（図３（ｂ））。その後、真空蒸着法によって
二つのＡｕＳｂ電極２０８，２０９と接地用の電極２１
２、ならびに各ゲート電極を外部に取り出すための電極
２１０，２１１を形成する（図３（ｃ））。

【００１７】この半導体Ｘ線検出器にＸ線が入射すると
高抵抗Ｇｅ基板層２００で電子−正孔対が生じる。ゲー
トＡｌ電極２０３と裏面ゲートＡｌ電極２０５に電圧が
印加されているため、高抵抗Ｇｅ基板層２００に電界が
かかる。この電界のため高抵抗Ｇｅ基板層２００で生成
された電子−正孔対は分離され、電子はゲート電極２０
３側へ正孔は裏面ゲート電極２０５側へ移動する。表面
側に引き寄せられた電子は二つのＡｕＳｂ電極２０８、
および２０９を通して外部に取り出され、入射したＸ線
の検出が可能となる。

【００１８】図４に形成した半導体Ｘ線検出器のＸ線の
検出感度とフォトンエネルギーの関係、図５にパルスの
立ち上がり時間と印加電圧の関係を示した。検出部にＧ
ｅを用いたため、一つの電子−正孔対の生成エネルギー
が小さく、また広範囲で検出効率１００％を実現してい
る。従来のＳｉを母材としてＸ線検出器を形成した場
合、フォトンエネルギー４０ｋｅＶ以上に特性Ｘ線を発
する物質、例えばＴａ，Ｗ，Ａｕなど質量の重い物質の
検出感度は低かったが、本検出器の場合、検出部はＧｅ
で構成されているため質量の重い物質も高感度での測定
が可能となる。また、信号取り出しの電極は、基板表面
に存在するため、従来の平行平板型（基板表面と裏面の
電極で電界を印加し、この二つの電極で電気信号の取り
出しを行う）に比べ、検出器の容量が大幅に押さえられ
低雑音で測定が可能となる。

【００１９】

【実施例】

〈実施例１〉以下図６，図７を用いて本発明の一実施例
を説明する。図６（ａ）に示すように、両面を鏡面研磨
したＰｂＴｅ基板５００を有機洗浄した後、表面側に膜
厚０.３μｍのＩｎＡｓ層５０１を有機金属化学的気相
成長法を用い基板温度600℃で結晶成長する。その後、
化学的気相成長法を用い膜厚０.１μｍのＳｉＯ₂膜５０
２を表面、および裏面に堆積する。マスク蒸着すること
でゲート電極５０３、ならびに裏面ゲート電極５０４を
形成し、表面側の露出しているＳｉＯ₂ 膜５０２を除去
した後にＳｉを５０ｋｅＶの加速エネルギーで、注入量
１×１０¹⁵／cm²の条件でイオン注入する。６００℃で
熱処理し、表面側のＩｎＡｓ層501のみに高濃度ｎ型層
５０５を形成する（図６（ｂ））。

【００２０】引き続き、再度、化学的気相成長法を用い
膜厚０.１μｍのＳｉＯ₂膜５０６を表面、および裏面に
堆積する（図６（ｃ））。フォトリソグラフィー・ドラ
イエッチング技術を用い、電極形成用のウインドウを形
成し、リフトオフ法によりソース電極５０７，ドレイン
電極５０８，裏面電極５０９を形成する(図７(ａ))。最
後に、ＳｉＯ₂ 膜５０６に開口部を形成し、ゲート電極
５１０、ドレイン電極５１１を外部に引き出す（図７
（ｂ））。

【００２１】本実施例によれば、信号検出電極５０７、
５０８が基板表面にあるため、検出器の容量が非常に小
さくなり、Ｓ／Ｎ比は大幅に向上する。これにより、ノ
イズに埋もれていた信号の検出が可能となり、感度が向
上する効果がある。さらに検出部にＰｂＴｅという半導
体材料を用いたため、測定できるＸ線の分解能がほぼ半
分になり、隣接し存在するピークの解析が可能になると
いう効果がある。

【００２２】また、ＰｂＴｅ混晶内の電子、および正孔
の移動度は６０００，４０００平方センチメートル／秒
・ボルトとＳｉ結晶の値に比べ５倍以上の値であり、Ｐ
bＴe混晶で生成され印加電界によって引き出された電子
のＩｎＡｓ結晶中の電子移動度は３３０００平方センチ
メートル／秒・ボルトと非常に大きいため、電極部での
信号遅延はほとんど起こらない利点がある。このとき、
正孔は接地電極側に流れるので検出信号とは無関係であ
る。さらに、ＰｂＴｅやＩｎＡｓといった非常に重い材
料を使用するためＸ線の透過率が小さくなり、従って検
出器本体は非常に小型に形成できるといった効果があ
る。

【００２３】〈実施例２〉以下、本発明の一実施例を図
８，図９を用いて説明する。まず、図８（ａ）に示すよ
うに、厚さ５００μｍのＧｅ基板６００上に膜厚０.０
１μｍ のＳｉ膜６０１，膜厚０.１μｍ のＧｅ膜６０
２を基板温度３００℃で、低圧化学的気相成長法を用い
結晶成長する。その後、結晶性改善のため、窒素雰囲気
中にて900℃で１５分間電気炉を用いて熱処理する。そ
の後、図８（ｂ）に示すように、化学的気相成長法によ
って膜厚０.１μｍのＳｉＯ₂膜６０３を堆積し、真空蒸
着法によってゲート電極６０４をマスク蒸着し、基板裏
面は全面に電極６０５を形成する。

【００２４】さらに膜厚０.１μｍのＳｉＯ₂膜６０６を
基板全面に堆積し、フォトリソグラフィー・ドライエッ
チング技術を用い、ソース電極６０８，ドレイン電極６
０９形成のための窓を形成する。イオン注入法によって
Ｐを１００ｋｅＶの加速エネルギーで注入量１×１０¹⁵
／cm² の条件でイオン注入する。８００℃の温度で１５
分間、電気炉を用い窒素雰囲気中で熱処理し、高濃度ｎ
型層６１０を形成する（図８（ｃ））。

【００２５】真空蒸着法によってＡｌを全面に蒸着し、
レジスト６０７を除去し、ソース電極６１１，ドレイン
電極６１２を形成する（図９（ａ））。引き続き、図９
(ｂ)に示すように、作成したＸ線検出器６１３を、Ｘ線
検出用の窓６１５を有するメタルパッケージ６１４に絶
縁樹脂６１６により固定し、パッケージ６１４内を真空
に引き封止する。Ｘ線検出器６１３の裏面電極はメタル
パッケージ６１４に圧着され、メタルパッケージ６１４
は接地し用いる。ゲート，ソース，ドレイン各電極はリ
ード線６１７によって、それぞれ外部のゲート外部電極
６１９，ソース外部電極６２０，ドレイン外部電極６２
１に引き出される。

【００２６】本実施例によれば、まず、信号取り出し電
極６１１，６１２を検出器表面に形成したことで、検出
器自体の容量が大幅に減少する。容量の減少によって、
Ｓ／Ｎ比が大幅に向上する効果がある。また、Ｓｉに代
えてＧｅを基板に用いたことで半導体Ｘ線検出器の厚み
をウエハオーダーの５００μｍ程度に抑えることが可能
であり、検出器の厚さ方向を小型化できる効果がある。
また、Ｘ線の測定分解能に影響を与える物質定数εの値
がＳｉの３.２３に比べ、２.８４と小さいため分解能を
改善できる。

【００２７】さらに、Ｇｅで形成されたＸ線検出部で生
成された電子−正孔対は、ゲートに印加された電界によ
ってＳｉ−Ｇｅヘテロ接合に分離され、それぞれ検出器
表面側、あるいは裏面側に移動し、二次元電子ガスを形
成する。二次元電子ガスは結晶中の不純物散乱などがな
いため高速の信号伝送が可能であり、信号遅延を抑えた
測定が可能となり、試料への電子線照射時間が短縮でき
る効果がある。

【００２８】〈実施例３〉続いて、本発明の一実施例を
図１０を用いて説明する。まず、図１０（ａ）に示すよ
うに、有機洗浄、および１０％に希釈したフッ酸水溶液
によりＧａＡｓ（１００）基板７００をクリーニングし
た後、分子線エピタキシャル成長装置を用い、膜厚０.
１μｍ のＡｌＧａＡｓ層７０１を基板温度４５０℃に
て結晶成長する。引き続き、Ｘ線検出部と信号増幅部の
分離のため、フォトリソグラフィー・ドライエッチング
技術により、素子間に深さ約１００μｍのトレンチを形
成する。

【００２９】化学的気相成長法により、膜厚０.１μｍ
のＳｉＯ₂膜７０２を基板表面・裏面に堆積する。通常
のフォトリソグラフィー・ドライエッチング技術を用い
電極とコンタクトをとるためのウインドウ７０４を形成
し、レジスト７０３を除去せずに、Ｓｅを加速エネルギ
ー１００ｋｅＶ，注入量１×１０¹⁵／cm² の条件でイオ
ン注入する。レジストを除去した後に、８００℃の温度
で１５分間、電気炉を用い窒素雰囲気中で熱処理し、高
濃度ｎ型層７０５を形成する（図１０（ｂ））。

【００３０】その後、検出部に電界を印加するためのゲ
ート電極７０７、および裏面ゲート電極７１４を蒸着
し、また信号増幅のためのトランジスタ用のソース電極
７０８，ドレイン電極７０９を蒸着する。基板表面、お
よび裏面に化学的気相成長法によりＳｉＯ₂ 膜７１０を
堆積し、通常のフォトリソグラフィー・ドライエッチン
グ技術を用い、電極用のウインドウを形成し、検出器ソ
ース電極７１１，検出器ドレイン電極７１２，ゲート電
極７１３，裏面電極７１６を形成する（図１０
（ｃ））。

【００３１】本実施例によれば、ＧａＡｓを母材に用い
たため、室温におけるリーク電流が大幅に減少し、検出
器、ならびに増幅素子を室温のまま使用することが可能
となる効果がある。さらに、検出器の容量を大幅に抑え
ることが可能な構造となっているため、Ｓ／Ｎ比は向上
し、高分解能の測定が可能になる効果がある。本実施例
を用いることで、信号増幅用の電気回路を検出器内に組
み込むことが可能となり、電気回路と検出器を同一基板
内で配線できるため、それまで検出器と増幅器を接続し
ていた配線は不要となり、ここで拾っていた雑音は削除
できる。また、配線が短いため信号遅延を大幅に抑える
ことが可能になる効果がある。

【００３２】〈実施例４〉次に、本半導体Ｘ線検出器を
エネルギー分散型Ｘ線スペクトロスコピー装置に組み込
んだ例を図１１を用いて説明する。Ｘ線検出器は図１１
（ａ）に示したメタルパッケージ８０２に装填した検出
器を用いる。本Ｘ線検出器のゲート，ソース，ドレイン
電極は、８０４〜８０６に示した外部電極に取り出され
る。また、裏面電極はメタルパッケージに圧着され、全
体でアースに落とされる。図１１（ｂ）に示すように、
このＸ線検出器８０７を信号増幅の役割を果たす電界効
果トランジスタ８０８に組み込み、コールドフィンガー
８１２の先に装填する。二次電子の入射を防ぐためのマ
グネットトラップ８１１，コリメータ８１０を有するタ
ーレット（筒）８０９に上記検出器一式を組み込む。

【００３３】本装置を用いて、絶縁膜中に直径３ｎｍの
ＰｂＴｅ混晶極微粒子が埋め込まれた試料の一微粒子を
ねらって電子線照射を行い、特性Ｘ線の測定を行った結
果を図１１（ｃ）に示す。本実施例により、従来Ｓｉで
形成したＸ線検出器で高感度に測定できなかったＰｂな
どの重い不純物元素の測定が可能になる。さらに、超高
速の測定が可能なため、電子線照射による試料の変質・
破壊を抑制し測定できるという効果がある。

【００３４】

【発明の効果】本発明のＸ線検出器は検出器表面側に電
極を形成し信号の取り出しを行うため、検出器の容量は
大幅に減少し、微弱なＸ線を高感度・高分解能で測定可
能になるという効果がある。また、電気信号の取り出し
をキャリア移動度の大きな半導体材料、あるいはヘテロ
界面のバンド不連続に蓄積される二次元キャリアガスを
用い行うため、信号遅延を大幅に抑制できる効果があ
る。さらに、これらの材料はＸ線の透過率が低いため、
検出器を大幅に小型化できるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体Ｘ線検出器の構造を
示す断面図。

【図２】半導体Ｘ線検出器の基本的構成およびその作製
工程を示す図。

【図３】半導体Ｘ線検出器の基本的構成およびその作製
工程を示す図。

【図４】本発明の実施例と従来例におけるＸ線検出効率
を示す特性図。

【図５】実施例と従来例のＸ線検出応答特性を示す特性
図。

【図６】本発明の実施例を示す作製プロセス図。

【図７】本発明の実施例を示す作製プロセス図。

【図８】本発明の実施例を示す作製プロセス図。

【図９】本発明の実施例を示す作製プロセス図。

【図１０】本発明の実施例を示す作製プロセス図。

【図１１】本発明のＸ線検出器をＸ線検出装置として組
立てた実施例の断面図およびＸ線検出結果を示すスペク
トル図。

【符号の説明】

１００…半導体基板、１０１…ｐ型層、１０２…絶縁
膜、１０３…高濃度ｎ型層、１０４…ゲート電極、１０
５…裏面ゲート電極、１０６…電極１、１０７…電極
２、１０８…接地用電極、１０９…入射Ｘ線。

フロントページの続き (72)発明者 嶋田 寿一 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 木村 嘉伸 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板表面に垂直入射したＸ線により発生し
   たキャリアを、基板表面と平行方向の電気信号として取
   り出すことを特徴とする半導体Ｘ線検出器。
2. 【請求項２】請求項１に記載した半導体Ｘ線検出器で、
   バンドギャップの小さな半導体とバンドギャップの大き
   な半導体を積層し、Ｘ線により発生したキャリアを両半
   導体のヘテロ界面のバンド不連続面に蓄積し、この二次
   元キャリアを電気信号として外部に取り出すことを特徴
   とする半導体Ｘ検出器。
3. 【請求項３】上記請求項１、および請求項２に記載した
   半導体Ｘ線検出器で、同一基板上にＸ線検出部と電気的
   に結合された検出信号増幅回路が組み込まれることを特
   徴とした半導体Ｘ線検出器。
4. 【請求項４】上記請求項１から請求項３に記載した半導
   体Ｘ線検出器が組み込まれることを特徴とするＸ線検出
   装置。