TW541708B - Semiconductor radiation detection element - Google Patents

Description

541708 A7 B7__ 五、發明説明（1) 【發明領域】 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於在核子醫學、放射線診斷、核能、天文 學、宇宙線物理學等的領域所利用的化合物半導體放射線 檢測元件。 【發明背景】 【習知技藝之說明】 一般半導體放射線檢測元件是藉由施加於兩電極間的 電場掃描/收集使因入射放射線的電離作用而生成於檢測元 件內的電荷訊號化。因此，爲了得到對入射放射線的高能 量分解能，以高效率收集生成的電荷很重要。 爲了獲得高電荷收集率，電荷載子（Carrier)(電子/電洞） 的移動距離：1= // r E(其中:載子的遷移率（Mobility)，r : 載子的壽命，E:電極間的電場強度）越長，即電場強度越大 越有利。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一方面，所有的半導體放射線檢測元件即使在無入 射放射線的情形也存在依照施加電壓的穩定狀態（Steady state)的漏電流，此因成爲能量分解能劣化的原因，故可施 加於兩電極間的電壓被限制。 放射線檢測元件用P型CdTe結晶的電性的電阻率 (Specific resistivity)爲〜l〇9Qcm左右，在面對的兩個面形成 歐姆電極的MSM(金屬電極-半導體-金屬電極）型的半導體放 射線檢測元件，在想對電荷收集施加充分的偏壓電壓（Bias voltage)的情形，漏電流的抑制不充分，相反地若想降低漏 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公楚） -4- ；417〇8 A7 B7 五、發明説明（2) 電流而降低偏壓電壓的話，有電荷收集不充分，無法得到 可滿足的能量分解能的情況不佳。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲了克服這種MSM型CdTe半導體放射線檢測元件的 弱點，使用在P型CdTe結晶之間於一面配設形成肖特基 (Schottky)接觸的銦電極等，在另一面配設形成歐姆接觸的 金或鉑電極等的肖特基勢壘（Schottky barrier)型半導體放射 線檢測元件。 此肯特基勢壘型半導體放射線檢測元件爲了顯示優良 的整流特性，藉由施加反方向電壓，即使在高的電場強度 中也能抑制漏電流於最低限，顯示優良的能量分解能。 經濟部智慧財產局員工消资合作社印製 但是，以如上述的金屬銦作爲肯特基勢壘側的電極材 料的CdTe放射線檢測元件在施加偏壓電壓後，電荷收集率 會隨著時間顯著地劣化，可看到所謂的偏極現象（偏振效應 ，Polarization effect)。此現象可認爲是因陽極側的肯特基 性或陰極側的歐姆接觸性不完全，故在帶（Band)構造產生變 形（Strain)，其結果電洞在到達陰極前被關入充滿帶而成爲 電子捕獲中心爲原因。即以金屬銦作爲電極材料的肯特基 勢壘型CdTe放射線檢測元件有哪施加電壓後顯示優良的能 量分解能的隨著時間經過此性能劣化的問題，造成實用上 的大障礙。 本發明的目的是想解決這種習知的電極構成所具有的 課題，藉由作成適當的電極構造，以實現不易受偏振效應 的影響的肯特基勢壘型放射線檢測元件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- Γ41708 A7 B7 五、發明説明（3) 【發明槪要】 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 而且，本發明爲了達成上述目的是製作用以對以鎘與 碲爲主成分的化合物半導體結晶施加電壓的手段，在該化 合物半導體結晶的一面具有由銦與鎘與碲構成的化合物 IiCdyTb之肖特基勢壘型半導體放射線檢測元件， 再者，上述化合物InxCdyTez的碲所佔的比例z爲原子 數比42.9%以上50%以下的範圍，鎘所佔的比例y爲原子數 比0%以上10%以下的範圍。 由上述課題解決手段所產生的效用如以下所示。即在 IruCdyTez與CdTe化合物半導體之間顯示形成有肖特基勢壘 性接合的優良整流特性。即若於像IruCcUTez側成爲高電位 的方向施加電壓的話，可一邊有效地抑制漏電流一邊實現 局電荷收集率，結果可當作能量分解能優良的放射線檢測 元件而動作。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此時，藉由在銦與碲的化合物IruCdyTez之中令碲所佔 的比例z爲原子數比42.9%以上50%以下的範圍，鎘所佔的 比例y爲原子數比0 %以上10 %以下的範圍，即使在常溫中經 過長時間也能維持電荷收集率於剛施加偏壓後的高水準， 實現不易受偏極現象影響的穩定的動作。相對於此，當 InxCdyTez的碲所佔的比例z爲原子數比未滿42.9%時或超過 5 0%時，或者鎘所佔的比例y爲原子數比超過1〇%時，在施 加偏壓後極短時間之中，因看到電荷收集率的降低等故不 適當。 如以上’本發明的半導體放射線檢測元件是相對於在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） -6- Γ41708 A7 B7 五、發明説明（4) 習知的肯特基勢壘型放射線檢測元件中，電荷收集效率隨 著時間劣化的所謂的偏振效應於數分到數十分的極短時間 之間發生，實現在室溫中達數小時的穩定動作。 【圖式之簡單說明】 圖1是顯示本發明的放射線檢測元件的電極構造圖。 圖2是顯示各實施例/比較例中的lnxCdyTez的組成以及 本發明的範圍的圖。 圖3是使用顯示本發明的實施例的放射線檢測元件的光 譜計測的槪略圖。 圖4是顯示對本發明的放射線檢測元件的單色放射線的 響應的經時變化的圖。 圖5是顯示比較例的習知的放射線檢測元件的電極構造 以及電極形成法的圖。 圖6是顯示對比較例的放射線檢測元件的單色放射線的 響應的經時變化的圖。 【較佳實施例之詳細說明】 以下根據添附圖示說明本發明的較佳實施例。 在CdTe半導體結晶晶圓的一面藉由濺鍍（Sputtering)法 等的製膜技術形成InxCdyTez薄膜的肖特基性接合，在另— 面使用鈾等形成歐姆電極。此時，藉由CdTe與InxCdyTez形 成有肖特基接合。在InxCdyTez層的表面，對於接觸材料製 作鋁等的金屬薄膜也可以。而且，形成inxCdyTez薄膜的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Γ41708 A7 B7 五、發明説明（5) 法不限定於濺鍍。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 再者，上述CdTe半導體結晶也不限定於此，在以鎘與 碲爲主成分的化合物半導體結晶中，可置換成鎘所佔的比 例爲原子數比30%以上50%以下的化合物例如鎘鋅碲（ΟΙ-χ Z X T e) 。 在電極形成後藉由切割（Dicing)將晶圓分割成適當大小 的晶片。 [實施例1] 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 顯示用以對以鎘與碲爲主成分的化合物半導體結晶施 加電壓的手段是其特徵爲在該化合物半導體結晶表面，具 有由銦與鎘與碲的化合物InxCdyTez之肖特基勢壘型半導體 放射線檢測兀件的製法與使用本元件的放射線能譜（Energy spectrum)計測的例子。首先在電阻率1〇9 Ω cm的P型CdTe 半導體結晶晶圓的一面，藉由濺鍍形成碲與鎘與銦的化合 物IruCdyTez層，作爲肖特基勢壘形成面的電極，而且，在 另一面藉由無電解電鍍法形成鉑電極，作爲歐姆性的電極（ 圖1)。此外，利用X射線繞射法（XRD)與能量分散型X射線 分析裝置（EDX)等調查上述inxCdyTez層的組成的結果，組成 爲In495Cd〇5Tew (圖2)。然後，將裝有電極的晶圓分割成適 當大小的晶片，製作肯特基勢壘型半導體放射線檢測元件 〇 圖3是顯示光譜計測的槪略。如本圖所示鉑電極側（陰 極）接地’ InxCcUTez電極側（陽極）連接於高電壓電源以及前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8- 『41708 A7 _______B7___ 五、發明説明（6) 置放大器。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖4是顯示對上述放射線能譜的”c◦伽瑪線源的響應的 經時變化圖。此處由57Co伽瑪線源放射的光子能量之中， 特別是以對122keV光電吸收尖峰（Peak)的尖峰通道（Peak channel)的經時變化，進行檢測器特性劣化的評價。由本圖 可知’本發明的肯特基勢壘型CdTe放射線檢測元件在施加 偏壓電壓後的180分鐘，對122keV光電吸收現象顯示一定的 響應。即依照本發明的肯特基勢壘型放射線檢測器元件在 室溫中經過長時間實現穩定的動作。此外，圖4的圖的縱軸 所示的[尖峰通道的相對値]是令剛施加偏壓後（0分）爲1時的 値。 [實施例2] 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在電阻率109Qcm的P型CdTe半導體結晶晶圓的一面 ’藉由電阻加熱蒸鍍形成碲與鎘與銦的化合物InxCdyTez層 ，作爲肯特基勢壘形成面的電極，而且，在另一面藉由無 電解電鍍形成鉑電極，作爲歐姆性的電極（圖丨）。此外，利 用X射線繞射法（XRD)與能量分散型X射線分析裝置（Edx) —查上述 I η X C d y T e z層的組成的結果，組成爲 In” iCdoTe" 9(Iri4Te3)(圖2)。然後，使用此肖特基勢壘型 C d T e半導體放射線檢測元件，構成與上述實施例1的情形同 樣的光譜儀（S pectrometer)，調查對單色放射線的響應後， 黑頁不與上述實施例1的情形一樣，顯示高電荷收集率與經過 長時間的穩定的動作。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - "41708 A7 ____B7_ 五、發明说明（7) [實施例3] 在電阻率109Ω cm的P型CdTe半導體結晶晶圓的一面 ，藉由電阻加熱蒸鍍形成碲與鎘與銦的化合物InxCdyTez層 ，作爲肯特基勢壘形成面的電極，而且，在另一面藉由無 電解電鍍形成鉑電極，作爲歐姆性的電極（圖1)。此外，利 I 用X射線繞射法（X R D)與能量分散型X射線分析裝置（E D X) I 調查上述In x C d y T e z層的組成的結果，組成爲I η 5 6.6 C d。5 T e 4 2 9 ‘ （圖2)。然後，使用此肖特基勢壘型CdTe半導體放射線檢測 元件，實施與上述實施例1的情形同樣的光譜計測，調查對 單色放射線的響應後，與上述實施例1的情形一樣，顯示高 電荷收集率與經過長時間的穩定的動作。 [比較例1 ] 在CdTe半導體結晶晶圓的一面，藉由濺鍍等製作銦層 ，在相反側形成鉑電極（圖5)。此外，利用X射線繞射法 (XRD)與能量分散型X射線分析裝置（EDX)等調查上述銦層 的元素組成的結果，此層爲單體的銦（Im^CdaTe。）（圖2)。以 此方法製作的放射線檢測元件與依照實施例而構成者一樣 ’顯示肯特基性可施加高的電場，電荷收集率高。但是， 此C d T e放射線檢測器的性能如圖6所示隨著時間劣化。即 對由57Co伽瑪線源放射的122]^¥的光子的光電吸收尖峰通 道’在施加偏壓後僅20分鐘到30分鐘左右就開始下降，在 50分鐘後降低到約90%，不爲經時穩定的元件。此外，圖6 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格{ 210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局負工消費合作社印製 -10- Μ1708 Α7 _Β7 _ 五、發明説明（8) 的圖的縱軸所示的[尖峰通道的相對値]是令剛施加偏壓後（〇 分）爲1時的値。 I[比較例2] 在CdTe半導體結晶晶圓的一面，藉由濺鍍等的製膜技 術形成碲與鎘與銦的化合物之中各構成元素所佔的比例爲 Inn !Cd〇 5Te4u的化合物的層（圖2)，在相反側形成鉑電極。 以此方法製作的放射線檢測元件與依照實施例而構成者一 樣，顯示肯特基性可施加高的電場，電荷收集效率高。但 是，與比較例1所不的放射線檢測元件的情形一樣，性能隨 著時間劣化，不爲經時穩定的元件。 [比較例3] 在CdTe半導體結晶晶圓的一面，藉由濺鍍等的製膜技 術形成碲與鎘與銦的化合物之中各構成元素所佔的比例爲 In42 gCchTesn (即In3Te4)的化合物的層（圖2)，在相反側形成 粗鉑（PlaUna)電極。以此方法製作的放射線檢測元件與依照 實施例而構成者一樣，顯示肯特基性可施加高的電場，電 荷收集效率高。但是，與比較例1所示的放射線檢測元件的 情形一樣，性能隨著時間劣化，不爲經時穩定的元件。 [比較例4] 在CdTe半導體結晶晶圓的一面藉由濺鍍等的製膜技術 形成碲與鎘舆銦的化合物之中各構成元素所佔的比例爲 本紙强:尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格< 210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項i. 填寫本頁)

，1Τ -11 - 541708 A7 B7 五、發明説明（9)

Inn iCd^Teu 9的化合物的層（圖2)，在相反側形成粗鉑電極 。以此方法製作的放射線檢測元件與依照實施例而構成者 一樣，顯示肯特基性可施加高的電場，電荷收集效率高。 但是，與比較例1所示的放射線檢測元件的情形一樣，性會g 隨著時間劣化，不爲經時穩定的元件。 (請先閲讀背面之注意事項#填寫本頁) 、1: 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 本紙張尺度it财88家揉準(CNS ) A4«L^ ( 210X297公釐） -12-

Claims (1)

1. 541708 A8 B8 C8 D8 々、申請專利範園1 1·一種肖特基勢壘型半導體放射線檢測元件，其特徵爲 用以對以鋪與碲爲主成分的化合物半導體結晶施加電 壓的手段，在該化合物半導體結晶的一面具有由銦與鎘與 石帘構成的化合物In x C d y T e z。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之肯特基勢壘型半導體放 檢翌牛’其與碲構成的化合物InxCdyTez 中的碲所佔的比例z爲原子數比42·9%以上50%以下的範圍 〇 3.如申§靑專利範圍第1項所述之肯特基勢壘型半導體放 射線檢測元件，其中由銦與鎘與碲構成的化合物InxCdyTez 中的鎘所佔的比例y爲原子數比〇%以上1〇%以下的範圍。 -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -口 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公着) -13-