JPS598073B2 - 固体検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電界効果形トランジスタ（ＦＥＴ）を応用し
た高感度の放射線固体検出器に関するものである。

従来、ＭＯＳＦＥＴは、ホトトランジスタとしても用い
られ、光によるゲート部の電子一正孔対の生成による電
流により、光電変換装置として使用されている。

しかしながら、このようなＭＯＳ−ＦＥＴによる検出器
は光電子増倍管に比べ、全く検出効率が小さい。そこで
本発明は、光電子増倍管、二次電子増倍管などの電子管
による光、荷電粒子、Ｘ線の検出に変わつて、ソリッド
ステート素子構造にしてそれらを検出すべく、検出効率
のよい固体検出器を提供するものである。

さて、ＦＥＴは空気中では雰囲気の影響を大きく受ける
ので通常はパッケージングして使用されている。

しかし真空中では、水蒸気、ガスなどがないので雰囲気
の影響を受けることが少なく、安定した信頼性を有する
ものである。一方、外部光電効果、二次電子放出効果を
有する物質は光、荷電粒子（電子、イオン）、Ｘ線など
により、電子放出をしプラスにチャージアップする。

そのプラスチャージは電子の電極からの注入によつて中
和されるが、その速度は、電子を供給する系の抵抗値を
依存する。それ故、絶縁体では中和されにくく、金属か
らの光電放出の場合は電気抵抗が低いため中和されやす
い。したがつて電子放出層のプラスチャージをある時間
ｂで中和してやれば、時間ｂの間だけ、ＦＥＴのゲート
に電位がかかり、ドレイン電流が流れる。電子放出層が
中和されると、ゲート電位はゼロとなり、ドレイン電流
は流れなくなる。ＦＥＴのゲート信号に対するドレイン
電流の応答速度は、一般的にはμｓｅｃ、よいものでは
それ以上のものもあるから、放射線などの外的作用を受
けて電子放出したあとその電子放出層のプラスチャージ
がμｓｅｃの間、帯電していれば、その電位に応答して
ＦＥＴのドレイン電流の変化として検出されることにな
る。この帯電の中和される速度はΔＮ＝ΔＮｏｅｘｐ（
−を／ρ・ε）〔但しΔＮは帯電量、ΔＮｏは初期の帯
電量、ρは体積固有抵抗、εは誘電率、をは時間〕で表
わされ物質によつてεよりρの方が大きく異なるから特
に抵抗層に大きく依存し、１０１１Ω・儂以上の固有抵
抗では、程んど帯電は・中和され難たい。また逆に１０
３Ω・［以下の比抵抗値の電子放出層では、μｓｅｃよ
りはるかに大きい速度で帯電が中和され、ＦＥＴが応答
しない。それ故、次に示すような方法によつて、適度な
抵抗値の電子放出層の系を構成するのである。そこで本
発明は以上の考察に基づき、次に述べるごとく適度な抵
抗値の電子放出層の系を構成することにより、光、荷電
粒子、Ｘ線などの検出を行うものである。

さて本発明においては第１〜３図に示すようにＦＥＴを
構成する。

第１〜３図はそれぞれ本発明の実施例にかかるＦＥＴよ
りなる固体検出器である０第１図において、１はＰ型半
導体層、２，３はｎ形ソース，ドレイン領域、４は絶縁
層、５は前述の電子放出層であつて１０３〜１０１１Ω
・？の体積固有抵抗、６は電極であつて放出層３にその
抵抗値に応じた速度で電子を供給するものである。

すなわち、ＦＥＴのゲート信号に対するドレイン電流の
変化のレスボンスは、一般にはμＳｅｃ、よいものでは
それ以上あるから、この電子放出層の瞬間的なチヤージ
アツプに応答して、チヤンネル７が生成されてドレイン
電流が変化する。第２図は他の実施例のＦＥＴで電子放
出層として体積固有抵抗ρ〉１０１１Ω・礪の絶縁体よ
りなる放出層５ａを用いた場合で、電極６を絶縁層２上
に設け電子放出層５ａの厚さを数百λ以下にしたもので
ある。

この構造によれば絶縁体でも瞬間的にしか帯電しない。
この放出層５ａの厚さは、絶縁抵抗値と相関し、絶縁抵
抗の低い程、厚さを増しても差しつかえない。８は抵抗
でこの抵抗８８を選ぶことにより、その応答速度を任意
に設定できる。

第３図は金属など導電性の体積固有抵抗ρく１０３Ω・
？の電子放出層５ｂを用いたもう一つの実施例の場合で
、この場合は抵抗（１１０８を高抵抗とすることにより
、帯電時間を長くすることができる。

これらの素子は、第４図の如く、放射線など外的作用の
量に応じて電子放出が生じ、その結果生じた帯電域の時
間にだけ、ＦＥＴのドレイン電流が流れるので、放射線
等を効率よく検出することができる。

またＦＥＴは１Ｖ程度の低いゲート電圧でも十分動作し
、放射線による電子放出で生じる帯電による瞬間的な帯
電位は、大きいから、光荷電粒子、Ｘ線などの検出に大
きな効果を発揮する。また、電子放出層５，５ａ，５ｂ
は表面積の大きい方が大きな電位がのる。

それ故、この層は、多孔質にする方が効率的である。さ
て、電子放出層に用いる物質は大きな二次電子放出効果
、外部光電効果を有するもの、Ｘ線、イオンなどに対し
て電子放出をする物質である〇まず、大きな：次電子放
出効果を有する物質としてはＣｕ−Ｂｅ，Ｎｉ−Ｂ、あ
るいはＡｇ，Ｃｕ，ＮｉなどにＢｅ，Ｍｇを混合した合
金、ＮａＣｌ・ＫＣＩなどのアルカリハライド、金属酸
化物（ＢｅＯ，ＭｇＯなど）、ＧａＮ，ＣｓＯあるいは
これらの複合体、石英ガラス、鉛ガラスあるいはＺｎＴ
ｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３などのセラミツク、有機高分子（
特に非π電子系ポリマー）などがあり、各各の抵抗に応
じて第１〜３図の構造にて使用できる。

中でも鉛ガラスはＨ２還元により、過度の導電性Ｐｂを
析出させることができ、ＺｎＴｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３は
電子伝導性セラミツクであり、有機高分子も、導電剤を
加えて導電性ポリマーとして任意の抵抗埴をもたせるこ
とができる。これら二次電子放出比の大きい物質は一般
に仕事函数が大きく一次電子によつて二次電子を放出す
るばかりでなく、Ｘ線、真空紫外線によ一つても光電子
放出効果を有する。それ故、これらの大きな二次電子放
出効果を有する材料を用いると、電子、イオン、真空紫
外線、Ｘ線などの検出器として利用できる。さらに外部
光電効果を有する物質としては、Ｓｂ−Ｃｓ，Ａｇ−０
−Ｃｓ，Ｂｉ−Ｃｓ，Ｓｂ−Ｎａ−Ｋ−Ｃｓなどの金属
材料、あるいは有機化合物がある。有機化合物は、一般
には紫外、真空紫外域で光電子放出をするが、染料増感
や、電荷移動錯体による増感によつて可視光の領域で光
電子放出をする。さらにポリビニルカルバーゾールなど
のポリマーをトリニトロフルオレノンで増感した物質な
どは成膜性もあり、容易に本発明の検出器を作りえる。
特に、アルカリ金属をドナーとし、ベンゾニトリル、Ｐ
−クロラニル、テトラシアノキノジメタンなどをアクセ
プタとする錯体を用いることにより、すぐれた光電子放
出層が形成できる。これらの電子放出層は蒸着、スパツ
タリング、ＣＶＤ等の方法で形成される。哨機材料の場
合は・、これらの方法のほか、プラズマ重合や塗布によ
る方法を利用できる。本発明における半導体チツプは真
空封じを要するため、ガラス封止をして利用するが、窓
材を兼ねる場合は、検出する外的作用因子の透過率のよ
い材料を用いる。

本発明における半導体チツプは非常に小さいため、小さ
な封じ管として構成できるＯ本発明の検出器においては
、これらの物質の電子放出の際に生じる瞬間的なチヤー
ジアツプによる電位をＦＥＴのドレイン電流の変化とし
て、効率よく検出することができる。

ＦＥＴは、１Ｖ程度の低いゲート電圧でも十分に動作す
る上、ゲート信号に対するドレイン電流の応答性はμＳ
ｅｃオーダと十分に速いから本発明において大きな効果
を発揮する。

つぎにＦＥＴの動作について説明する。ＦＥＴにはＰチ
ヤネル形とｎチヤネル形の２種類があり、それぞれにＥ
ｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ形とＤｅｐｌｅｔｉＯｎ形がある
Ｏ以下では第１図の構成にもとづいて説明しよう。

ＦＥＴのドレイン電流１Ｄは未飽和領域では飽和領域で
はで与えられることが知られている。

ここで、μ：移動度、ＳＯＸ：ＳｉＯ２膜などの絶縁物
層の誘電率、ＥＯ：真空の誘電率、Ｗ：チヤネル幅、Ｌ
：チヤネル長さ、ＴＯｘ：ＳｉＯ２などの絶縁物層の厚
さ、ＶＤ：ドレイン電圧である。第１図に示すような本
発明の構成においてはゲート電極がないので、上式（１
），（２）中で用いたしきい電圧は第１近似としてはで
与えられることになる。

こ＼でＣＯ：ＳｉＯ２膜などの絶縁物層による容量、φ
ｆ：シリコン基板中のフェルミポテンシャル、Ｑ８８：
絶縁物層２とシリコン基板との界面に発生する固定電荷
、ＱＢ：ｐ形シリコン基板１を用いるｎチヤネル形ＦＥ
Ｔの場合にはｅ符号であつてＱＢ＝ＱＮＡｘｄｍａｘ（
４） で与えられる。

ここでＸｄＩＩｌａＸ：空乏層幅、ＮＡ：ｐ型シリコン
基板１の不純物濃度、ｑ：単位電荷である。第１図にお
いて電子放出層５の電子放出により発生する電荷を＋Ｑ
Ｇとすると、で与えることができるから、したがつてＱ
ＧによつてＶＧの値が変化することになり、それに応じ
て、式（１），（２）からも明らかなようにＩＤが変化
するわけである。

ただし、以上の説明では絶縁物層４の中にはイオン化し
た電荷がないとしたが、場合によつてはイオン化した電
荷の効果も考慮する必要がある。つぎに電子放出層の電
子放出によつて瞬間的に生じる電位は詳しく説明すると
次のようになる。

（１）可視光、ＵＶ．Ｘ線など電磁波による電子放出は
、電子放出材料の電子エネルギー準位を反映し、その電
子放出の臨界値Ｅｔｈは、金属の場合仕事函数、絶縁体
の場合は、固体のイオン化ポテンシヤルである。それ故
、このＥｔｈ以上のエネルギーの電磁波によつて放出さ
れる電子のエネルギーはＥｅ＝Ｈｖ−Ｅｔｈである。こ
ういう光電子の場合は、量子収率は、１より小さい場合
が多いが、高エネルギー電子を放出し得るため、電子放
出層がプラスにチヤージアツプしても電子放出層の電位
ＶＥＭに抗して、ＥｖＥＭ以上のエネルギーを持つ電子
は放出され得る。それ故電子放出層には、１Ｖ以上の大
きな電位が十分にのる。（２） 一方電子、イオンなど
の荷電粒子による２次電子放出の場合は、電子、イオン
等が電子放出層の表面あるいは内部へ浸入し、その入射
荷電粒子のエネルギーに依存した、多くの２次電子を発
生する。

そこで生じる２次電子は、そのエネルギーにより、真の
２次電子、オージエ電子反面散乱電子などが混在してい
る。しかし真の二次電子は、そのエネルギーが最も小さ
く、１〜３ｅＶに分布している。この荷電粒子による２
次電子放出の場合は、電磁波による光電子放出と異なり
、１個の入射粒子に対して、多数の電子を放出し得ると
いうことである。しかしその放出電子のエネルギーは１
〜３ｅと小さい。しかしながら、１〜３ｅＶのエネルギ
ーを真の２次電子が持つているということは、電子放出
層は・１〜３Ｖのプラス電位になるまで、２次電子放出
のチヤージアツプによる飽和が生じないことを示してい
る。それ故、この１〜３Ｖの電子放出層の電位は、ＦＥ
Ｔが十分に動作し得るゲート電位である。次に、本発明
の実施例を述べる。

実施例 １ シリコン単結晶ウエハ上に形成されたエンハンスメント
タイプのＭＯＳ型ＦＥＴのゲート部に、Ｓｂ−Ｃｓ層を
蒸着にて形成し、次いでウエハ土の各電極形成部に金蒸
着した。

スクライバ一にてチツプ化したのち、第１図のようにリ
ード線をボンデイングし、ステム土に固定した。このス
テムをガラス管中に入れ、真空封止した。＋ＶＤ−２Ｖ
を印加して、色温度３５００λの光源にて８ルツクスの
照度にて光を照射したところ、暗電流が０．２μＡに対
して、約２ｍＡの大きな光電流が得られた。実施例 ２ 上記実施例と同一のＭＯＳＦＥＴのゲート部にエポキシ
樹脂にナトリウムー７，７，８，８−テトラシアノキノ
ジメタン塩３６（Ｆ６を添加してなるメチルエチルケト
ン溶液をスピンナーにて塗布し、乾燥、硬化ののち、ウ
エハ上の各電極形成部に金蒸着をした。

これをチツプ化したのち、第１図のように、リード線を
ボンデイングして、ステム上に固定した。このステムを
ガラス管中に入れ、真空封止をした。＋ＶＤ＝３．５Ｖ
を印加して、軟Ｘ線を照射したところ、約６ｍＡの光電
流が流れた。このようにして光、Ｘ線、荷電粒子などの
外的作用を本発明にかかる検出器にて高感度に検出する
ことができる。また荷電粒子の入射による２次電子放出
の場合は、その入射粒子のエネルギーによつて：次電子
放出比δがδく１の場合には、マイナスチヤージとして
電子放出層に電位が乗ることになる。

この場合も、ＦＥＴのソースドレイン電流による検知は
、十分に可能である。さらに、これらより本発明の検出
器の感度について次のように説明できる。

外的作用因子が電磁波の場合には、Ｅｔｈよりわず力東
大きい波長の電磁波よりもよりいつそう大きい電磁波に
対して感度は非常に増巾されることになる。これは電子
放出層のチヤージアツプの飽和が高い電位でおこるから
である。電子放出層に量子収率の大きい材料を用いる方
がよいのは当然のことである。一方、荷電粒子に対して
は、入射粒子のエネルギーを考えて、二次電子放出比の
大きい材料を用いることが、即座にチヤージアツプする
ため、望ましい。このようにして本発明は高感度の放射
線センサとして、電子、イオン、光、Ｘ線などの検出が
できる。これは、光電子増倍管、二次電子増倍管などの
固体化でもあり、またこれらとの組合わせによつても、
さらに高度の検出器となる。さらに、本発明の検出器を
面状に配列することにより、画像処理にも応用できる。
また、本発明は撮像管、レントゲンなどのイメージセン
サとして広く利用できるとともに本発明はホトトランジ
スタ型ＭＯＳイメージセンサよりすぐれた、モノリシツ
クな画像センサとして利用することができ、工業的価値
の大なるものである〇

【図面の簡単な説明】

第１〜３図はそれぞれ本発明の実施例にかかるＦＥＴを
用いた固体検出器の構造断面図である。 第４図は本発明の検出器における外的作用因子によつて
生じた電子放出による帯電域の時間依存性を示す図であ
る。１・・・・・・Ｐ型半導体層、２，３・・・・・・
ソース，ドレイン領域、４・・・・・・絶縁層、５，５
ａ，５ｂ・・・・・・電子放出層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電界効果形トランジスタのゲート相当部に、外部光
   電効果もしくは二次電子放出効果を有する抵抗層を形成
   し、外的作用因子に対しての電子放出による上記抵抗層
   の電位の変化を上記電界効果トランジスタのドレイン電
   流の変化として検知することを特徴とする固体検出器。