KR101016121B1 - 스트립 광센서 및 이를 이용한 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치 - Google Patents

스트립 광센서 및 이를 이용한 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트립 광센서, 이를 이용한 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치에 관한 것으로, 베이스 기재인 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 상측 면상에 형성된 불순물층과; 상기 불순물층의 상면 위에 적층된 반반사막층과; 상기 반도체 기판의 하측 면상에 일정간격을 갖는 스트립으로 형성된 검출층과; 상기 검출층의 스트립 각각에 형성되어 상기 검출된 광에 의한 전하를 출력하기 위한 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 PIN 다이오드 구조를 응용하여 P-도핑면을 스트립 형태로 배열하고 N-도핑면에서 빛을 입사시키는 구조에 의해 광을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 방사선의 2차원 위치정보 및 그 에너지를 정밀하게 측정할 수 있는 동시에 제조비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
방사선, 섬광체, 스트립, 광센서, 광검출

Description

스트립 광센서 및 이를 이용한 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치{Silicon strip photo-sensor and 2D-position and energy measurements of the radiation detector using the same}
본 발명은 스트립 광센서에 관한 것으로, 특히, 반도체 기판의 PIN 다이오드 구조를 형성하는 동시에 일면 전체를 수광층으로 구성하고 반대면에 스트립 구조의 검출층을 형성하여 광검출이 용이하고, 이를 이용하여 섬광체의 양측에 한쌍의 스트립 광센서의 스트립이 서로 직교되도록 배치하여 섬광체에서 검출된 광 또는 방사선의 2차원 위치정보와 에너지를 검출할 수 있는 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 광센서로서 에너지를 검출하기 위한 수단으로는 픽셀형 광센서가 사용되고 있는데, 이 픽셀형 센서는 픽셀의 개수만큼의 신호처리를 수행해야만 하기 때문에 비용이 높고, 픽셀당 신호처리를 위한 회로가 함께 제작되기 때문에 수광 면적(fill factor)이 작아 효율이 떨어지고 광의 위치 정보를 제공하지 못하는 제약이 있다.
한편, 의료 장치, 원자로 장치, 비파괴 검사 장치 등 산업 전반에 걸쳐 방사선을 이용한 검출방식이 적용되고 있다.
이 방사선 검출방식은 많은 양의 방사선을 방출하여 방사선에 장시간 노출되는 경우 신체 건강, 환경 등에 악영향을 미치기 때문에 방사선 노출시간을 최소화하고 그 방출량도 감소시키기 위하여 검출 성능의 향상이 필수적으로 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, PIN 다이오드 구조로 수광층을 면전체로 구성하여 저비용으로도 광의 에너지뿐만 아니라 위치 정보를 검출할 수 있는 스트립 광센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 검출층을 일정간격을 갖는 스트립으로 구성된 한쌍의 광센서를 섬광체를 사이에 두고 스트립 방향이 직각이 되도록 적층하여 저비용으로 방사선의 2차원 위치정보 및 그 에너지를 검출할 수 있는 방사선 2차원 위치정보 검출장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 베이스 기재인 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 상측 면상에 형성된 불순물층과; 상기 불순물층의 상면 위에 적층된 반반사막층과; 상기 반도체 기판의 하측 면상에 일정간격을 갖는 스트립으로 형성된 검출층과; 상기 검출층의 스트립 각각에 형성되어 상기 검출된 광에 의한 전하를 출력하기 위한 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 검출층은 P형 불순물이 고농도로 도핑되고, 상기 불순물 층은 N형 불순물이 고농도로 도핑될 수 있다.
바람직하게는 상기 반반사막층은 질화막 또는 ITO(Indium Tin Oxide)막일 수 있다.
바람직하게는 상기 전극은 와이어본딩에 의해 외부단자와 연결될 수 있다.
바람직하게는 상기 불순물층 및 상기 검출층은 역방향 바이어스가 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치는 상기 스트립 광센서가 섬광체층을 사이에 두고 적층되되, 상기 검출층의 스트립이 서로 직교하도록 적층된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 섬광체층과 상기 스트립 광센서 각각은 옵티컬 그리스 또는 옵티컬에폭시에 의해 접합될 수 있다.
본 발명에 따른 스트립 광센서는 PIN 다이오드 구조를 응용하여 P-도핑면을 스트립 형태로 배열하고 N-도핑면에서 빛을 입사시키는 구조의 반도체 센서를 이용하여 광을 검출할 수 있고, 반도체 공정을 이용하여 스트립 간격을 최소화하여 기체 검출기에 비하여 훨씬 좋은 해상도를 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 기존의 픽셀형 센서에 비해 굉장히 작은 수의 신호처리량으로 원가를 절감할 수 있는 뿐만 아니라 에너지와 2차원 위치정보를 동시에 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 방사선 2차원 위치정보 검출장치는 방사선원에 민감한 섬광체와 섬광체로부터 방출되는 빛을 감지하는 스트립 광센서를 조합하여 방사선 의 2차원 위치정보 및 그 에너지를 간단한 구조에 의해 정밀하게 측정할 수 있는 동시에 와이어 본딩에 의해 신호처리칩과 연결함으로써 디자인의 자유도가 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한 원자번호가 큰 섬광체를 결합한 간접 방식은 고에너지 X선 및 감마선에 대한 검출 효율을 높이는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 기본적인 CMOS 공정을 이용하여 생산 가능하기 때문에 대량 생산을 통해 제조비용을 저감시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스트립 광센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 x-x'선을 따라 절단한 단면도이다.
스트립 광센서(100)는 베이스 기재인 반도체 기판(110)과, 반도체 기판(110)의 상측 면상에 형성된 불순물층(120)과, 반도체 기판(110)의 하측 면상에 형성된 검출층(130)과, 불순물층(120)의 상면 위에 적층된 반반사막층(140)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 예를 들면, 실리콘으로 제조될 수 있으며, N형 또는 P형 반도체로 구성된다.
이러한 반도체 기판(110)의 상측면 전체에 걸쳐 불순물층(120)이 형성되는데, 불순물층(120)은 N형 또는 P형 불순물을 고농도로 도핑하여 형성된다. 예를 들면, 반도체 기판(110)의 어느 한 면상에 N형 불순물을 고농도로 도핑하여 N+ 영역 을 형성함으로써 불순물층(120)이 형성된다.
불순물층(120)의 양측에는 바이어스 전압을 인가하기 위한 수광전극(122)이 형성되는데, 불순물층(120)과 수광전극(122) 사이에는 제 1 유전체층(112)이 적층 형성된다. 이 제 1 유전체층(112)은 산화막으로 구성될 수 있다.
검출층(130)은 반도체 기판(110)의 하측 면상에서 일정간격을 갖는 스트립으로 형성되는데, 검출층(130)은 불순물층과 다른 P형 또는 N형 불순물을 고농도로 도핑하여 형성된다. 예를 들면, 반도체 기판(110)에서 불순물층(120)이 형성된 반대 면상에 P형 불순물을 고농도로 도핑하여 P+ 영역을 형성함으로써 검출층(130)이 형성된다.
여기서, 스트립 간격이 50㎛이면 10㎛의 위치분해능을 가지게 되고, 이 간격이 클수록 위치분해능은 나빠지지만 공정 및 신호처리가 간편해지므로 100 내지 200㎛가 바람직하다.
검출층(130)의 스트립 각각의 양측에는 바이어스 전압을 인가하고, 검출된 광에 의해 생성된 정공의 전하를 출력하기 위한 검출 전극(132)이 형성된다.
또한, 검출 전극(132)은 신호처리칩과 같은 외부 단자와 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 연결되는데, 이러한 와이어 본딩을 통해 센서의 모든 면적을 빛을 감지하는 영역으로 사용함으로써, 픽셀형 센서가 가지는 작은 수광 효율의 문제점을 해결할 수 있다.
검출층(130)의 스트립이 형성된 반도체 기판(110)의 면에는 제 2 유전체층(114)이 형성되는데, 이는 제 1 유전체층(112)과 같은 산화막으로 구성될 수 있 다.
이러한 불순물층(120)과 검출층(130)은 공핍영역을 형성하기 위하여 수광전극(122)과 검출 전극(132)을 통하여 역방향 바이어스가 인가된다.
반반사막층(140)은 불순물층(120)으로 입사되는 광의 반사를 최소화하기 위하여 AR(anti-reflection) 코팅으로 형성되며, 투광성 물질을 사용되는데, 예를 들면, ITO와 같은 투명 전극이 이용된다.
반반사막층(140)은 상대적으로 공정 조건이 용이한 질화막을 이용하는 것이 바람직하며, 이 질화막의 두께는 입사되는 빛의 파장에 따라서 적절히 조절해야 한다. 예를 들어, 550㎚의 파장의 빛이 방출되는 경우, 질화막의 두께는 700Å이 바람직하다.
또한, 반반사막층(140)은 투광성 비전도층으로서 산화막 또는 질화막을 이용하는데, 두 물질의 이중막으로 사용할 수도 있다.
이러한 구조를 갖는 스트립 광센서(100)에 있어서, 감지 효율(responsivity)은 광자효율(Q.E.)을 에너지로 환산한 값으로서 하기의 식으로 나타낼 수 있으며, 입사광과 출력에 대한 비율로 높을수록 좋다.
Figure 112008075056443-pat00001
여기서, α는 흡수 계수, r은 표면에서 반사율, xj는 접합 깊이(junction depth), xd는 공핍영역 폭(depletion length)이다.
상기 식에서 알 수 있는 바와 같이 감지효율의 특성은 표면 반사율(r)과 접 합 깊이(xj), 공핍영역 폭(xd) 등과 관련이 있으며 특성을 향상시키기 위하여 이들을 하기에 방법으로 조절한다.
먼저, 감지 효율과 표면 반사율(r)은 반비례하므로, 표면 반사율은 작을수록 좋으며, 이를 위해서는 이중막 또는 단일막의 반반사막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 감지효율과 접합 깊이는 반비례하므로, 접합 깊이는 얇을수록 좋으나, 얇은층의 형성이 공정시 까다로우며, 접합이 표면에 가까울수록 누설 전류의 증가 문제가 있기 때문에 적합한 크기를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 감지효율과 공핍영역는 비례하므로, 적절한 크기를 갖는 것이 좋으며, 이는 구동전압을 조절함으로써 가능하다. 또한, 공핍영역은 기판의 전영역에 형성되록 하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 기판의 두께가 400㎛인 경우 공핍영역의 폭은 400㎛로 형성된다.
이러한 구성에 의해 스트립 광센서(100)의 동작원리는 다음과 같다.
먼저, 불순물층(120)을 통해 빛이 입사되면, 반도체 기판(110)에서 전자-전공 쌍이 생성된다.
이때, N+ 도핑영역인 불순물층(120)과 P+ 도핑영역인 스트립의 검출층(130)은 PIN 다이오드 구조로 역방향 전압의 바이어스를 인가하여 전기장을 형성시키면, 입사된 광에 의해 생성된 정공은 이 전기장을 통해 검출층(130)의 스트립으로 드리프트(drift)된다.
이때 이 전하량을 검출함으로써 광의 입사여부를 신속하게 검출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사선 2차원 위치정보 검출장치를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
방사선 2차원 위치정보 검출장치(400)는 제 1 실시예의 스트립 광센서(100)를 한쌍으로 하여 구성되는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 스트립 광센서(410,420)가 섬광체층(430)을 사이에 두고 적층된다.
여기서, 두 스트립 광센서(410, 420)는, 각각의 검출층(416,426)의 스트립이 서로 직교하도록 적층되고, 섬광체층(430)은 방사선원에 반응하여 광을 방출하는데, 다양한 방사선원에 대응하여 가장 많은 빛을 방출하는 섬광체를 선택할 수 있으며, 예를 들면, 500㎚ 파장대의 발광 파장 피크를 갖는 CsI일 수 있다.
이러한 섬광체층(430)은 광투과율을 높이기 위해 스트립 광센서(410,420) 각각에 옵티컬 그리스 또는 옵티컬에폭시에 의해 접합될 수 있다.
방사선 2차원 위치정보 검출장치(400)는 상술한 바와 같은 점을 제외한 구성이 실시예 1과 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 즉, 도면 참조부호 '412' 및 '422'는 반도체 기판(도 1의 110)에 대응되며, '414' 및 '424'는 불순물층(도 1의 120)에 대응되며, '418' 및 '428'은 반반사막(도 1의 140)에 대응된다는 점을 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 방사선 에너지 및 2차원 위치 정보 검출기의 동작 원리를 설명한다.
이러한 구성에 의한 방사선 2차원 위치정보 검출장치(400)의 동작원리는 다음과 같다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 섬광체층(430)을 중심으로 그 상하측에 제 1 스트립 광센서(410) 및 제 2 스트립 광센서(420)가 각각 샌드위치로 배열된 상태에 서 방사선이 입사되면, 입사 방사선이 제 1 스트립 광센서(410)를 통과하여 섬광체층(430)에 도달된다.
이때, 입사 방사선은 제 1 스트립 광센서(410)를 통과하는 동안에는 극소량의 에너지만 소실되거나, 전혀 소실되지 않고, 대부분의 에너지가 섬광체층(430)에 전달된다.
이와 같이 대부분의 에너지를 보유한 방사선은 섬광체층(430)에 의해 광으로 전환되는데, 광으로 전환되는 양은 방사선의 보유 에너지에 해당한다.
이와 같이 전환된 광은 제 1 스트립 광센서(410)와 제 2 스트립 광센서(420)에 전달되는데, 각 스트립 광센서(410,420)는 전달된 빛에 의해 전자-정공 쌍이 생성되어 정공이 검출층(416,426)의 근접 스트립으로 드리프트되어 전기신호로 변환된다.
이때, 스트립의 직각 배열에 의해 해당 위치를 2차원으로 검출할 수 있는 동시에, 검출된 전하량에 따라 방사선의 에너지량을 산출함으로써 방사선의 에너지를 측정할 수 있다.
이러한 방사선 2차원 위치정보 검출장치(400)는 방사선원의 에너지와 위치 정보를 이용하여 의료영상장비, 비파괴 검사장비, 원자로 안전 관리 등 산업 전반 및 입자실험, 우주과학 등 기초연구도 적용이 가능하다.
아울러, 방사선 2차원 위치정보 검출장치(400)는 다양한 방사선원을 이용한 의료영상과 공항검색대 같은 비파괴 검사 장비를 사용하는 분야와 입사원의 에너지 및 위치가 필요한 기초과학연구에 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스트립 광센서의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고,
도 2는 도 1의 x-x'선을 따라 절단한 단면도이며,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 방사선 2차원 위치정보 검출장치를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 스트립 광센서 110 : 반도체 기판
112 : 제 1 유전체층 114 : 제 2 유전체층
120 : 불순물층 122 : 수광전극
130 : 검출층 132 : 검출 전극
140 : 반반사막층
400 : 방사선 2차원 위치정보 검출장치

Claims (7)

  1. 베이스 기재인 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 상측 면상에 형성된 불순물층과;
    상기 불순물층의 상면 위에 적층된 반반사막층과;
    상기 반도체 기판의 하측 면상에 일정간격을 갖는 스트립으로 형성된 검출층과;
    상기 검출층의 스트립 각각에 형성되어 상기 검출된 광에 의한 전하를 출력하기 위한 전극;을 포함하는 것을 특징으로 스트립 광센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출층은 P형 불순물이 고농도로 도핑되고, 상기 불순물층은 N형 불순물이 고농도로 도핑되는 것을 특징으로 하는 스트립 광센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반반사막층은 질화막 또는 ITO(Indium Tin Oxide)막인 것을 특징으로 하는 스트립 광센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 와이어본딩에 의해 외부단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 스 트립 광센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물층 및 상기 검출층은 역방향 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 하는 스트립 광센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 스트립 광센서가 섬광체층을 사이에 두고 적층되되, 상기 검출층의 스트립이 서로 직교하도록 적층된 것을 특징으로 하는 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 섬광체층과 상기 스트립 광센서 각각은 옵티컬 그리스 또는 옵티컬에폭시에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 방사선 2차원 위치정보 및 에너지 검출장치.
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