WO2014024378A1 - 放射線検出素子 - Google Patents

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WO2014024378A1
WO2014024378A1 PCT/JP2013/004210 JP2013004210W WO2014024378A1 WO 2014024378 A1 WO2014024378 A1 WO 2014024378A1 JP 2013004210 W JP2013004210 W JP 2013004210W WO 2014024378 A1 WO2014024378 A1 WO 2014024378A1
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light
thickness
surface metal
rays
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朋昭 岡本
雅彦 柳
敬一 澤井
知巳 川上
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シャープ株式会社
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02164—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors for shielding light, e.g. light blocking layers, cold shields for infrared detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detection element that is used in fields such as nuclear medicine, nuclear power, astronomy, and cosmic ray physics, and detects radiation such as gamma rays.
  • Conventional radiation detection elements that detect radiation such as ⁇ rays are used as PIN diodes in fields such as nuclear medicine, nuclear power, astronomy, and cosmic ray physics.
  • FIG. 25 is a longitudinal sectional view showing a PIN diode structure of a conventional radiation detection element.
  • a P-type semiconductor layer 102 and an N-type semiconductor layer 103 are arranged on the upper and lower surfaces of the intrinsic semiconductor substrate 101.
  • a front electrode 104 is disposed in a state where the central portion of the P-type semiconductor layer 102 is opened, and a back electrode 105 is disposed on the N-type semiconductor layer 103.
  • the radiation detection element 100 using the semiconductor element has advantages such as small size and light weight, there is a problem that the radiation detection efficiency is low because it easily transmits the radiation.
  • the radiation to be detected is assumed to be ⁇ -rays with energy of 511 keV. Calculation is performed for the case of using W, Pt, Pb, In, and Al as the material of the metal film.
  • the calculation formula for the radiation detection efficiency y is that the thickness of the metal film is x (cm), the radiation absorption coefficient of the metal is a (1 / cm), and the average range of recoil electrons generated in the metal is b (cm).
  • y (1-exp (-a * x)) * exp (-b * x) Is approximated by
  • the detection efficiency becomes 0.015% or more. It can be seen that the detection efficiency can be greatly improved as compared with the radiation detection element.
  • W, Pt, In, Fe, Pb, and Cu are considered to be particularly effective in improving the radiation detection efficiency.
  • aluminum (Al) and aluminum-based metals used in ordinary wiring are preferable from the viewpoint of whether they are inexpensive and easy to process in manufacturing, but aluminum (Al) and aluminum-based metals are The conventional radiation detection element 200 is not effective in improving the radiation detection efficiency.
  • W, Pt, In, Fe, Pb, and Cu are said to be effective in improving the radiation detection efficiency, the metal film thickness becomes too thick, and the workability in manufacturing further deteriorates. It will not be cheap.
  • a film made of a metal such as tungsten is formed on the radiation incident surface, and radiation is incident on the intrinsic semiconductor substrate 201 by attenuating the incident energy of the radiation.
  • radiation detection it is not considered to block light that causes noise, and the metal film thickness is extremely thick. For this reason, since the incident energy of radiation is attenuated and made incident inside, it is necessary to accurately capture ⁇ rays by eliminating noise caused by light other than improving the light receiving sensitivity of ⁇ rays.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, is inexpensive, has good workability, and blocks light that causes noise, thereby improving the light-receiving sensitivity of radiation ( ⁇ -rays) and increasing the radiation ( ⁇ -rays). It is an object of the present invention to provide a radiation detection element capable of capturing the above with high accuracy.
  • a one-conductivity-type semiconductor layer is provided on the surface side of a semiconductor substrate, a surface metal layer is provided on the one-conductivity-type semiconductor layer, and another conductivity-type semiconductor layer is provided on the back side of the semiconductor substrate.
  • the radiation detecting element is provided with a back surface metal layer on the other conductive type semiconductor layer, and the material of the surface metal layer is aluminum (Al) or an aluminum-based alloy.
  • the thickness is set to a layer thickness that accurately captures the ⁇ -ray by shielding the light other than the ⁇ -ray to eliminate noise caused by light other than the ⁇ -ray. The objective is achieved.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is a layer thickness that blocks light from X-rays having a wavelength of light other than the ⁇ rays from 1 nm to near infrared rays of 2600 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is from 100 nm to 6000 nm or from 100 nm to 4000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is 200 nm to 6000 nm or 200 nm to 4000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is 100 nm to 1000 nm or 200 nm to 1000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detecting element of the present invention is 50 nm to 10,000 nm or 60 nm to 10,000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is from 50 nm to 6000 nm or from 60 nm to 4000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer in the radiation detection element of the present invention is 50 nm to 1000 nm or 60 nm to 1000 nm.
  • the aluminum-based alloy in the radiation detection element of the present invention is Al—Si or Al—Cu.
  • the layer thickness of the one conductivity type semiconductor layer in the radiation detection element of the present invention is 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m as the implantation depth of one conductivity type ions.
  • the layer thickness of the one conductivity type semiconductor layer in the radiation detection element of the present invention is 1 ⁇ m to 30 ⁇ m as the implantation depth of the one conductivity type ion.
  • the distance between the one conductivity type semiconductor layer and the other conductivity type guard ring provided around the one conductivity type semiconductor layer in the radiation detection element of the present invention is set to 20 ⁇ m to 1 mm.
  • a PIN photodiode in the radiation detection element of the present invention is more preferable.
  • the thickness of the surface metal layer is a film that blocks light from X-rays with a wavelength of light other than the ⁇ rays from 1 nm to near infrared rays of 2600 nm. Thickness.
  • the specific thickness of the surface metal layer in this case is 100 nm to 10000 nm.
  • the thickness of the surface metal layer is set to a film thickness that can block noise caused by light other than ⁇ -rays and accurately capture ⁇ -rays, the light that causes noise is blocked. By doing so, it is possible to improve the light receiving sensitivity of the radiation ( ⁇ rays) and capture the radiation ( ⁇ rays) with high accuracy.
  • aluminum (Al) and an aluminum-based alloy are inexpensive and have good workability, and the thickness of the surface metal layer eliminates noise caused by light other than ⁇ rays. If the film thickness is set so that the ⁇ -rays can be captured with high accuracy, the radiation ( ⁇ -rays) can be accurately received by improving the light-receiving sensitivity of the radiation ( ⁇ -rays) by blocking the light that causes noise. Can be captured well.
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectance and transmittance with respect to a visible light wavelength range in which the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 10 nm and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectance and transmittance with respect to a visible light wavelength region in which the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 20 nm and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectance and transmittance with respect to a visible light wavelength region in which the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 20 nm and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectance and transmittance with respect to a visible light wavelength region in which the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 30 nm and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectance and transmittance with respect to a visible light wavelength region in which the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 40 nm and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a graph showing reflectivity and transmittance with respect to a visible light wavelength region in which the material of the surface metal layer of FIG. FIG.
  • FIG. 1 is 100 nm and the material is aluminum (Al), and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 1 is a graph showing reflectivity and transmissivity with respect to a visible light wavelength region having a horizontal axis of 380 nm to 780 nm in an aluminum alloy (Al alloy) whose surface metal layer is 100 nm and whose material is Ai-Si. It is.
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectance and transmittance with respect to the visible light wavelength range where the thickness of the surface metal layer of FIG. 1 is 100 nm and the material is gold (Au) and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 1 is 100 nm and the material is aluminum (Al), and the horizontal axis is 380 nm to 780 nm.
  • FIG. 2 is a graph showing reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from X-ray with a horizontal axis of 1 nm to near-infrared light of 2600 nm when the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 10 nm.
  • FIG. 2 is a graph showing reflectivity and transmissivity with respect to a wavelength range of light from an X-ray with a horizontal axis of 1 nm to a near infrared ray of 2600 nm when the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 100 nm.
  • FIG. 1 is a graph showing reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from X-ray with a horizontal axis of 1 nm to near-infrared light of 2600 nm when the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 100 nm.
  • FIG. 2 is a graph showing reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from X-ray with a horizontal axis of 1 nm to near-infrared light of 2600 nm when the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 200 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from the X-ray with a horizontal axis of 1 nm to the near infrared of 2600 nm when the thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is tungsten (W). .
  • FIG. 1 is a graph showing reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from X-ray with a horizontal axis of 1 nm to near-infrared light of 2600 nm when the material of the surface metal layer in FIG. 1 is Al—Si and the film thickness is 200 nm.
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectivity
  • FIG. 2 is a diagram showing reflectivity and transmissivity with respect to a wavelength range of light from an X-ray having a horizontal axis of 1 nm to a near infrared ray of 2600 nm when the film thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is aluminum (Al).
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from the X-ray having a horizontal axis of 1 nm to the near infrared of 2600 nm when the thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is gold (Au). .
  • FIG. 1 is 100 nm and the material thereof is an aluminum-copper alloy (Al—Cu), the reflectivity and transmittance in the wavelength range of light from the X-ray with a horizontal axis of 1 nm to the near infrared of 2600 nm.
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from X-ray with a horizontal axis of 1 nm to near-infrared light of 2600 nm when the thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is copper (Cu). .
  • FIG. 1 is 100 nm and the material thereof is an aluminum-copper alloy (Al—Cu)
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from the X-ray with a horizontal axis of 1 nm to the near infrared of 2600 nm when the thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is platinum (Pt).
  • FIG. 2 is a diagram showing the reflectivity and transmissivity in the wavelength range of light from the X-ray with a horizontal axis of 1 nm to the near infrared of 2600 nm when the thickness of the surface metal layer in FIG. 1 is 100 nm and the material is titanium (Ti).
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows the PIN diode structure of the conventional radiation detection element. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the PIN diode structure of the conventional radiation detection element currently disclosed by patent document 1.
  • FIG. 26 is a diagram of calculating the radiation detection efficiency with respect to the metal film thickness by the conventional radiation detection element.
  • FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view showing an exemplary configuration of a main part of a radiation detection element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • An insulating film 6 made of SiO 2 is disposed on the surface side of the intrinsic semiconductor substrate 2 on which the radiation is incident.
  • the insulating film 6 on the P-type semiconductor layer 3 is opened, and Al or Al is formed on the opening of the insulating film 6.
  • a surface metal layer 7 (metal electrode) made of an Al-based alloy such as Al—Si is provided.
  • a protective film 8 is disposed so as to cover the surface metal layer 7.
  • the P-type semiconductor layer 3 in the P + region is covered with a surface metal layer 7 of MR (metal).
  • back metal layer 9 which is an ohmic electrode such as Al is disposed on the N + back diffusion layer 5 on the back side of the intrinsic semiconductor substrate 2.
  • a PIN diode is configured, and a predetermined voltage is applied between the front surface metal layer 7 and the back surface metal layer 9, and radiation ( ⁇ rays) is incident on the intrinsic semiconductor substrate 2, whereby the front surface metal layer 7 and the back surface metal layer.
  • the radiation ( ⁇ rays) incident on the intrinsic semiconductor substrate 2 from the P-type semiconductor layer 3 through the surface metal layer 7 can be detected at high speed.
  • the film thicknesses of the surface metal layer 7 and the P-type semiconductor layer 3 are used to capture radiation ( ⁇ rays) with the intrinsic semiconductor substrate 2 with high accuracy. Light other than radiation ( ⁇ rays) is shielded without reducing radiation ( ⁇ rays).
  • FIG. 2 is a diagram showing the distribution of light wavelengths.
  • the film thickness of the surface metal layer 7 is set to 100 nm or 200 nm to 10000 nm. More preferably, the thickness of the surface metal layer 7 is 100 nm or 200 nm to 6000 nm. More preferably, the film thickness of the surface metal layer 7 is 100 nm or 200 nm or more and 3000 nm or 4000 nm or less in mass production processing. The thickness of the surface metal layer 7 is set to 100 nm or 200 nm to 1000 nm in the fine processing. Since the film thickness of a normal wiring is 1100 nm, it can actually be formed with a film thickness of 1100 nm.
  • ⁇ rays has little effect on the transmittance even if the thickness of the surface metal layer 7 is about 1 mm.
  • the film thickness of the surface metal layer 7 of Al or Al—Si is completely shielded at 200 nm. If the thickness of the surface metal layer 7 is not increased to 200 nm or more, the light is not completely shielded.
  • the surface metal layer 7 of Al or Al—Si can be completely shielded with a film thickness of 50 nm or more or 60 nm or more, which is significantly thinner than 200 nm.
  • the reason why the film thickness of the surface metal layer 7 is 200 nm or more is that the film thickness of the surface metal layer 7 is 200 nm, and the wavelength range of light from 1 nm X-ray to 2600 nm near-infrared as shown in FIG. It is not transparent at all. That is, by blocking light that causes noise at a light blocking rate of 0, noise can be completely eliminated and light receiving sensitivity can be improved. This will be described below with reference to FIGS.
  • the upward convex curve (light color) is a concave curve that rises from the bottom in terms of reflectance. (Dark color) indicates the transmittance. It can be seen that the abscissa indicates the wavelength of light and transmits at a wavelength of light ranging from 1 nm X-ray to 2600 nm near infrared.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance, while the lower curve showing the transmittance shows 2000 nm.
  • a small amount of light is transmitted at the above wavelengths. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and only a small amount of light is transmitted at the wavelength of near infrared light of 2000 nm to 2600 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. Not appearing. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and no light is transmitted at all wavelengths up to the near infrared of 2600 nm.
  • the material of the surface metal layer 7 is preferably an Al alloy such as Al or Al—Si. Considering spikes, Al-Si is better than Al. Since an Al-based alloy such as Al or Al—Si is usually used as an electrode or circuit wiring, it is cheaper and has better workability in manufacturing than other metals such as W, Ti, Cu, Au, and Pt.
  • the reason why the material of the surface metal layer 7 is light-shielded at 100 nm is as follows. Shown in the results.
  • the lower curve where the upper curve appears slightly as the reflectance shows the transmittance, but shows the transmittance.
  • the lower curve appears only slightly between 700 nm and 2000 nm. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and only a small amount of light is transmitted at the wavelength of light up to the near infrared of 2600 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It does not appear at all. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and no light is transmitted at wavelengths up to 2600 nm near infrared. This is better than the transmittance when the material of the surface metal layer 7 in FIG. 15 is Al—Si and the film thickness is 100 nm.
  • the thickness of the surface metal layer 7 can be set to 100 nm or more and 10,000 nm or less. More preferably, the film thickness of the surface metal layer 7 can be 100 nm or more and 6000 nm or less. More preferably, the film thickness of the surface metal layer 7 can be 100 nm or more and 3000 nm or 4000 nm or less in mass production processing. The film thickness of the surface metal layer 7 can be set to 100 nm or more and 1000 nm or less in the fine processing.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. Only a few appear.
  • the horizontal axis is the wavelength of light, and light is transmitted through a wavelength of light of 400 nm to 600 nm out of the near-infrared light of 2600 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. Only a small amount of the lower curve appears. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and light is transmitted at a wavelength of light of 1600 nm or more out of the near-infrared light of 2600 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. Only a few appear.
  • the horizontal axis is the wavelength of the light, which is transmitted through the entire near infrared ray of 2600 nm, although it is a little, and in particular, the light is transmitted at the wavelength of light around 800 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. Only a few appear. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light, and light is transmitted through a wavelength of light of 400 nm to 600 nm out of the near-infrared light of 2600 nm.
  • the depth of the Al spike is 0.2 to 0.5 ⁇ m.
  • the reason why the film thickness of the surface metal layer 7 is 50 nm or more The film thickness of the surface metal layer 7 is 50 nm, and it does not transmit at all in the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm as shown in FIG. In this case, by blocking light that causes noise at a light blocking rate of 0, noise can be completely eliminated and light receiving sensitivity can be improved. This will be described below with reference to FIGS.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that although the horizontal axis is the wavelength of light in the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm, the transmittance is considerably lower than in the case of FIG. 3, but a considerable amount of light is transmitted.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that although the horizontal axis is the wavelength of light in the wavelength range of visible light of 380 nm to 780 nm, the transmittance is slightly lower than in the case of FIG.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that, although the horizontal axis is the wavelength of light in the wavelength range of visible light of 380 nm to 780 nm, the transmittance is considerably lower than in the case of FIG.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that light is not transmitted in the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm on the horizontal axis.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that the abscissa is the wavelength of light, and light is completely transmitted in the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm.
  • the material of the surface metal layer 7 is preferably an Al alloy such as Al or Al—Si. Since an Al-based alloy such as Al or Al—Si is usually used as an electrode or circuit wiring, it is cheaper and has better workability in manufacturing than other metals such as W, Ti, Cu, Au, and Pt.
  • the lower curve that appears slightly when the upper curve has a reflectance of 530 nm or more shows the transmittance. It can be seen that only a small amount of light is transmitted in the visible light wavelength range of 530 nm or more in the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm on the horizontal axis.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance, but it does not appear here.
  • the horizontal axis is the wavelength of light and light is not transmitted in the entire visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It does not appear here. It can be seen that the horizontal axis is the wavelength of light and light is not transmitted in the entire visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm.
  • the upper curve shows the reflectance and the lower curve shows the transmittance. It can be seen that light is transmitted in the visible light wavelength range of 380 nm to 630 nm out of the visible light wavelength range of 380 nm to 780 nm on the horizontal axis. In particular, it can be seen that light is transmitted rapidly in the wavelength region around 500 nm.
  • Al or Al-based alloys such as Al-Si and Al-Cu, as well as silicon (Si), are usually used as electrodes and circuit wiring, so compared to other metals such as W, Ti, Cu, Au and Pt. Inexpensive and easy to process.
  • the thickness of the surface metal layer 7 is set so as to block light from X-rays having a wavelength of light other than ⁇ rays from 1 nm to near infrared rays of 2600 nm. In this case, the thickness of the surface metal layer 7 is 100 nm to 10,000 nm.
  • the surface metal layer 7 is inexpensive and has good workability, and the thickness of the surface metal layer 7 is shielded to eliminate noise caused by light other than ⁇ rays.
  • the film thickness By setting the film thickness to capture ⁇ rays with high accuracy, it is possible to improve the light receiving sensitivity of the radiation ( ⁇ rays) by blocking the light that causes noise and capture the radiation ( ⁇ rays) with high accuracy. .
  • a one-conductivity-type semiconductor layer is formed on the surface side of the semiconductor substrate, a surface metal layer is formed on the one-conductivity-type semiconductor layer, and the semiconductor substrate
  • the thickness of the surface metal layer is set to a film thickness that accurately captures ⁇ -rays by shielding light so as to eliminate noise caused by light other than ⁇ -rays.
  • the present invention is capable of capturing radiation ( ⁇ -rays) with high accuracy by improving the light-receiving sensitivity of radiation ( ⁇ -rays) by blocking light that causes noise and is inexpensive and has good workability. Can achieve the purpose.
  • the present invention is used in the fields of nuclear medicine, nuclear power, astronomy, cosmic ray physics, and the like, and in the field of radiation detection elements that detect radiation such as ⁇ rays, aluminum (Al) and aluminum alloys are inexpensive. If the thickness of the surface metal layer is set to a thickness at which the ⁇ -rays are accurately captured by blocking the noise caused by light other than ⁇ -rays. By blocking the light that causes the radiation, the light receiving sensitivity of the radiation ( ⁇ rays) can be improved and the radiation ( ⁇ rays) can be captured with high accuracy.

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Abstract

安価でかつ加工性が良好で、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉する。 半導体基板としての真性半導体基板２の表面側にＰ型半導体層３が形成され、Ｐ型半導体層３上に表面金属層７が形成され、真性半導体基板２の裏面側にＮ型半導体層５が形成され、Ｎ型半導体層５上に裏面金属層９が形成された放射線検出素子１であって、表面金属層７の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されている。表面金属層７の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金である。表面金属層７の厚さは、γ線以外の光の波長が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する膜厚とする。この場合の表面金属層７の厚さは、１００ｎｍから１００００ｎｍである。

Description

放射線検出素子
　本発明は、例えば核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学などの分野で利用され、γ線などの放射線を検出する放射線検出素子に関する。
　γ線などの放射線を検出する従来の放射線検出素子は、ＰＩＮダイオードなどとして例えば核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学などの分野で利用されている。
　図２５は、従来の放射線検出素子のＰＩＮダイオード構造を示す縦断面図である。
　図２５に示すように、従来の放射線検出素子１００は、真性半導体基板１０１の上下面にＰ型半導体層１０２とＮ型半導体層１０３が配置されている。Ｐ型半導体層１０２の中央部上を開口した状態で表面電極１０４が配置され、Ｎ型半導体層１０３上には裏面電極１０５が配置されている。
　Ｐ型半導体層１０２の中央部上は、光が入るように開口して受光面には電極は形成していない。また、Ｐ型半導体層１０２は放射線（γ線）の光吸収を抑制するようにＰ＋層は浅く、１μｍ未満に形成されている。
　このように、半導体素子を用いた放射線検出素子１００は小型軽量などの利点があるものの、放射線を透過しやすいので放射線検出効率が低いという問題があった。
　これを解決するために、特許文献１の放射線検出素子は、放射線入射面にタングステンなどの金属からなる膜を形成し、放射線の入射エネルギーを減衰させて内部に入射させている。入射エネルギーを減衰させることにより放射線入射によるキャリア生成効率が向上し、金属膜の膜厚を最適化して、放射線検出効率の向上が可能になる。
　図２６は、特許文献１に開示されている従来の放射線検出素子のＰＩＮダイオード構造を示す縦断面図である。
　図２６に示すように、従来の放射線検出素子２００は、例えば、Ｓｉなどからなる真性半導体基板２０１の一方の面にＰ型半導体層２０２を配置し、もう一方の面にＮ型半導体層２０３を配置してＰＩＮダイオードを形成している。放射線が入射する側であるＰ型半導体層２０２上にＷ（タングステン）からなる金属膜からなる電極２０４が形成されている。また、Ｎ型半導体層２０３上にはＡｌなどのオーミック電極２０５が形成されている。電極２０４がＷなどの金属でできているので、その厚さを適切な範囲に設定することにより、放射線検出効率を向上させることができる。
　また、電極２０４については、単層膜を用いずに、Ｗ/Ｐｔ、Ｗ/Ｐｂ、Ｗ/Ｆｂ、Ｗ/Ｉｎ、Ｗ/Ｃｕ、または、これらの合金からなる積層膜を用いることも可能である。
　図２７は、図２６の従来の放射線検出素子による金属膜厚に対する放射線検出効率を算出した図である。
　放射線検出効率の算出には、Ｃｅｒｎ ｌｉｂｒａｒｙの低エネルギー用シミュレーシ
ョンソフトＧａｔｅ（ＧＥＡＮＴ４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＴｏｍｏｇｒａｐｈｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）を用いている。
　検出対象となる放射線はエネルギー５１１ｋｅＶのγ線を想定している。金属膜の材料として、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ａｌを用いる場合について計算を行っている。放射線検出効率ｙの算出式は、金属膜の厚さをｘ（ｃｍ）、金属の放射線吸収係数をａ（１/ｃｍ）、金属において生成する反跳電子の平均飛程をｂ（ｃｍ）として、
　ｙ=（１-ｅｘｐ（-ａ*ｘ））*ｅｘｐ（-ｂ*ｘ）
で近似される。
　図２７から分かるように、検出効率ｙは金属膜の厚さｘ（ｃｍ）に対してプロットしたときに最大値ｙｍａｘ（ピーク値）を持つ。したがって、シミュレーションを行って、ｘ１＝ｘ２＝ｙｍａｘ／２（ｘ１＜ｘ２）となる厚さｘ１、ｘ２を求めることができる。例えば、金属膜材料としてＷ（タングステン）を用いた場合は、ｙｍａｘ＝０．０３２５であるため、１／２＊ｙｍａｘ＝０．０１６２５であるので、ｘ１＝０．００５ｃｍ、ｘ２＝０．０５０ｃｍと算出できる。この結果から、金属膜の厚さｘを、０．００５ｃｍ（５００００ｎｍ）以上、０．０５０ｃｍ（５０００００ｎｍ）以下、即ち、半値幅以内に設定することにより、検出効率が０．０１５パーセント以上となり、従来の放射線検出素子と比較して大幅に検出効率を改善することができることが分かる。
　また、他の金属（Ｐｂ、Ｐｔ、Ｉｎ）を用いた場合でも、放射線検出効率を金属膜厚に対してプロットしたときの最大値の半値幅以内に膜厚を設定することにより、放射線検出効率を向上させることができる。図２７に示さない金属についても計算を行った結果、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｃｕが特に放射線検出効率の向上に効果があることが分かった。
特開２０１０－２７２５７７号公報
　特許文献１に開示されている上記従来の放射線検出素子２００では、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｃｕが特に放射線検出効率の向上に効果があるとされている。ところが、安価であるかどうかおよび製造上の加工性が容易であるかどうかの観点から通常の配線などで用いるアルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系金属がよいが、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系金属は、上記従来の放射線検出素子２００では、放射線検出効率の向上に効果がないとされている。しかも、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｃｕは、放射線検出効率の向上に効果があるとされているものの、その金属膜厚が厚くなり過ぎて製造上の加工性が更に悪化するし、安価でもなくなる。
　また、従来の放射線検出素子２００では、放射線入射面にタングステンなどの金属からなる膜を形成し、放射線の入射エネルギーを減衰させて真性半導体基板２０１に放射線を入射させている。ところが、放射線検出に関し、ノイズの原因となる光を遮光することが考慮されておらず、金属膜厚が極端に厚いものになっている。このため、放射線の入射エネルギーを減衰させて内部に入射させていることから、γ線の受光感度を向上以外の光に起因するノイズを排除してγ線を精度よく捕捉する必要がある。
　本発明は、上記従来の問題を解決するもので、安価でかつ加工性が良好で、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる放射線検出素子を提供することを目的とする。
　本発明の放射線検出素子は、半導体基板の表面側に一導電型半導体層が設けられ、該一導電型半導体層上に表面金属層が設けられ、該半導体基板の裏面側に他導電型半導体層が設けられ、該他導電型半導体層上に裏面金属層が設けられた放射線検出素子であって、該表面金属層の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）またはアルミニュウム系合金であり、該表面金属層の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく該γ線以外の光を遮光して該γ線を精度よく捕捉する層厚に設定されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
　また、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、前記γ線以外の光の波長が１ｎｍのＸ線から２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する層厚とする。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、１００ｎｍから１００００ｎｍまたは２００ｎｍから１００００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、１００ｎｍから６０００ｎｍまたは１００ｎｍから４０００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、２００ｎｍから６０００ｎｍまたは２００ｎｍから４０００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、１００ｎｍから１０００ｎｍまたは２００ｎｍから１０００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、前記γ線以外の光の波長が３８０ｎｍから７８０ｎｍの可視光線の波長域の光を遮光する層厚とする。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、５０ｎｍから１００００ｎｍまたは６０ｎｍから１００００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、５０ｎｍから６０００ｎｍまたは６０ｎｍから４０００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における表面金属層の厚さは、５０ｎｍから１０００ｎｍまたは６０ｎｍから１０００ｎｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子におけるアルミニュウム系合金は、Ａｌ－ＳｉまたはＡｌ－Ｃｕである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における一導電型半導体層の層厚は、一導電型イオンの注入深さとして０．５μｍ～１００μｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における一導電型半導体層の層厚は、前記一導電型イオンの注入深さとして１μｍ～３０μｍである。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子における一導電型半導体層と該一導電型半導体層の周囲に設けられた他導電型ガードリングとの距離は２０μｍ～１ｍｍとする。
　さらに、好ましくは、本発明の放射線検出素子におけるＰＩＮフォトダイオードである。
　上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
　本発明においては、半導体基板の表面側に一導電型半導体層が形成され、一導電型半導体層上に表面金属層が形成され、半導体基板の裏面側に他導電型半導体層が形成され、他導電型半導体層上に裏面金属層が形成された放射線検出素子であって、表面金属層の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光して該γ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されている。表面金属層の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金である表面金属層の厚さは、前記γ線以外の光の波長が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する膜厚とする。この場合の表面金属層の具体的な厚さは、１００ｎｍから１００００ｎｍである。
　これによって、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金であれば安価でかつ加工性が良好である。また、表面金属層の厚さが、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されていれば、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することが可能となる。
　以上により、本発明によれば、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金であれば安価でかつ加工性が良好であり、表面金属層の厚さが、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されていれば、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる。
本発明の実施形態１における放射線検出素子の要部構成例を示す縦断面図である。 光の波長の分布を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が２０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が３０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が４０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が５０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が６０ｎｍにおいて、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がタングステン（Ｗ）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム（Ａｌ）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がＡｉ－Ｓｉのアルミニュウム系合金（Ａｌ系合金）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質が金（Ａｕ）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がＡｉ－Ｃｕのアルミニュウム系合金（Ａｌ系合金）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がチタン（Ｔｉ）において、横軸が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１０ｎｍにおいて、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１００ｎｍにおいて、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が２００ｎｍにおいて、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がタングステン（Ｗ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム（Ａｌ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質が金（Ａｕ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム・銅合金（Ａｌ－Ｃｕ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質が銅（Ｃｕ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質が白金（Ｐｔ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 図１の表面金属層の膜厚が１００ｎｍでその材質がチタン（Ｔｉ）において、横軸が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域に対する反射率および透過率を示す図である。 従来の放射線検出素子のＰＩＮダイオード構造を示す縦断面図である。 特許文献１に開示されている従来の放射線検出素子のＰＩＮダイオード構造を示す縦断面図である。 図２６従来の放射線検出素子による金属膜厚に対する放射線検出効率を算出した図である。
　１　放射線検出素子
　２　真性半導体基板（半導体基板）
　３　Ｐ型半導体層（一導電型半導体層）
　４　カードリング（他導電型ガードリング）
　５　Ｎ＋裏面拡散層（他導電型半導体層）
　６　絶縁膜
　７　表面金属層
　８　保護膜
　以下に、本発明の放射線検出素子の実施形態１について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
　（実施形態１）
　図１は、本発明の実施形態１における放射線検出素子の要部構成例を示す縦断面図である。
　図１において、本実施形態１の放射線検出素子１は、例えば、Ｓｉなどからなる半導体基板としての真性半導体基板２の表面側にＰ＋層のＰ型半導体層３が所定領域に形成され、Ｐ型半導体層３の周囲に所定距離を開けてＮ＋層のカードリング４が形成されている。真性半導体基板２の裏面側にはＮ型半導体層５（Ｎ＋裏面拡散層）が形成されている。
　放射線が入射する真性半導体基板２の表面側にはＳｉＯ２からなる絶縁膜６が配設され、Ｐ型半導体層３上の絶縁膜６を開口し、その絶縁膜６の開口部上にＡｌまたはＡｌ－ＳｉなどのＡｌ系合金からなる表面金属層７（金属電極）が配設されている。その表面金属層７上を覆うように保護膜８が配設されている。Ｐ＋領域のＰ型半導体層３上をＭＲ（金属）の表面金属層７で覆っている。
　放射線（γ線）以外の光がＰ型半導体層３から真性半導体基板２に入ると放射線（γ線）の検出に対してノイズとなるため、放射線（γ線）以外の光を表面金属層７で遮光する必要がある。
　また、真性半導体基板２の裏面側のＮ＋裏面拡散層５上にはＡｌなどのオーミック電極である裏面金属層９（裏面電極）が配設されている。
　以上により、ＰＩＮダイオードが構成されて、表面金属層７と裏面金属層９間に所定電圧が印加され、真性半導体基板２に放射線（γ線）が入射することにより表面金属層７と裏面金属層９間に電流が流れ、この流れる電流値を計測することにより、表面金属層７を通してＰ型半導体層３から真性半導体基板２に入射した放射線（γ線）を高速に検出することができる。
　表面金属層７の厚さを適切な範囲に設定してノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる。
　表面金属層７の厚さは、放射線（γ線）だけをＰ型半導体層３から真性半導体基板２に入射させる層厚（膜厚）とし、放射線（γ線）以外の光の波長が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する膜厚とする。要するに、表面金属層７およびＰ型半導体層３の膜厚を最適化することにより、表面金属層７で放射線（γ線）以外の光を遮光し、Ｐ型半導体層３で放射線（γ線）以外の光を吸収して、放射線（γ線）を真性半導体基板２で精度よく捕捉する。即ち、放射線（γ線）を真性半導体基板２で精度よく捕捉するための表面金属層７およびＰ型半導体層３の膜厚とする。放射線（γ線）が減らずに放射線（γ線）以外の光を遮光している。
　このことを以下詳細に説明する。
　図２は、光の波長の分布を示す図である。
　図２において、光の波長０．０００４ｎｍ～０．００１７ｎｍがγ線、１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線があり、このうちで、可視光が３８０ｎｍ～７８０ｎｍの光の波長範囲にある。
　表面金属層７の膜厚は、１００ｎｍまたは２００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下とする。さらに好ましくは、表面金属層７の膜厚は、１００ｎｍまたは２００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下とする。さらに好ましくは、表面金属層７の膜厚は、量産加工では、１００ｎｍまたは２００ｎｍ以上３０００ｎｍまたは４０００ｎｍ以下とする。表面金属層７の膜厚は、微細加工では１００ｎｍまたは２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。通常の配線の膜厚が１１００ｎｍであるので、実際には１１００ｎｍの膜厚で形成することができる。なお、放射線（γ線）は表面金属層７の膜厚が１ｍｍ程度であっても透過率への影響は少ない。また、１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線を含めると、ＡｌまたはＡｌ－Ｓｉの表面金属層７の膜厚が２００ｎｍで完全に遮光されるが、遠赤外線まで含めると、ＡｌまたはＡｌ－Ｓｉの表面金属層７の膜厚が２００ｎｍ以上に厚くしないと完全に遮光されない。逆に、可視光線だけを含めると、ＡｌまたはＡｌ－Ｓｉの表面金属層７の膜厚は２００ｎｍよりも大幅に薄い５０ｎｍ以上または６０ｎｍ以上の膜厚で完全に遮光することができる。
　ここで、表面金属層７の膜厚が２００ｎｍ以上であることの理由は、表面金属層７の膜厚が２００ｎｍで図１７のように１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長域で全く透過していない。即ち、ノイズの原因となる光を遮光率０で遮光することにより、ノイズを完全に排除できて受光感度を向上させることができる。以下、図１５～図１７を用いて説明する。
　図１５において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１０ｎｍにおいて、上に凸状の曲線（薄い色）が反射率で最初下から上がって凹状になっている曲線（濃い色）が透過率を示している。横軸が光の波長で１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長で透過していることが分かる。
　図１６において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１００ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線は２０００ｎｍ以上の光の波長で光が僅かではあるが透過している。横軸が光の波長で、２０００ｎｍ以上２６００ｎｍの近赤外線側の光の波長でほんの僅か透過していることが分かる。
　図１７において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が２００ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線は全く現れていない。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までの全ての光の波長で全く透過していないことが分かる。
　次に、表面金属層７の材質は、ＡｌまたはＡｌ－ＳｉなどのＡｌ系合金が好ましい。スパイクを考慮すればＡｌよりもＡｌ－Ｓｉの方がよい。ＡｌまたはＡｌ－ＳｉなどのＡｌ系合金は電極や回路配線として通常用いられるため、ＷやＴｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどの他の金属に比べて安価で製造上の加工性がよい。
　ここで、１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線の波長域において、表面金属層７の膜厚が１００ｎｍで遮光するのに何の材質が好ましいかの理由は、図１８～図２４の透過率試験結果に示されている。
　図１８において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がタングステン（Ｗ）において、上曲線が反射率で少し現れた下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線が７００ｎｍ～２０００ｎｍの間でほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長でほんの僅か透過していることが分かる。
　図１９において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム（Ａｌ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線が全く現れていない。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までの光の波長で全く光が透過していないことが分かる。これは、図１５の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１００ｎｍのときの透過率に比べても良好である。
　したがって、材質がアルミニュウム（Ａｌ）であれば、表面金属層７の膜厚は、１００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下とすることができる。さらに好ましくは、表面金属層７の膜厚は、１００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下とすることができる。さらに好ましくは、表面金属層７の膜厚は、量産加工では、１００ｎｍ以上３０００ｎｍまたは４０００ｎｍ以下とすることができる。表面金属層７の膜厚は、微細加工では１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。
　図２０において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質が金（Ａｕ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線がほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までのうちで４００ｎｍ～６００ｎｍの光の波長で光が僅かではあるが透過していることが分かる。
　図２１において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム・銅合金（Ａｌ－Ｃｕ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線がほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までのうちで１６００ｎｍ以上の光の波長で光が僅かではあるが透過していることが分かる。
　図２１のＡｌ－Ｃｕのアルミニュウム・銅合金（アルミニュウム系合金）および、図１６のＡｌ－Ｓｉのアルミニュウム・シリコン合金（アルミニュウム系合金）は共に、表面金属層７の膜厚が１００ｎｍで光が僅かではあるが透過しているが、表面金属層７の膜厚が２００ｎｍでは光が表面金属層７を透過しないことが分かっている。
　図２２において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質が銅（Ｃｕ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線がほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までのうちで特に４００ｎｍ～６００ｎｍの光の波長で光が僅かではあるが透過していることが分かる。
　図２３において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質が白金（Ｐｔ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線がほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線まで全体的に僅かではあるが透過し、特に８００ｎｍ近辺の光の波長で光が透過していることが分かる。
　図２４において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がチタン（Ｔｉ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているが、透過率を示す下曲線がほんの僅か現れている。横軸が光の波長で、２６００ｎｍの近赤外線までのうちで４００ｎｍ～６００ｎｍの光の波長で光が僅かではあるが透過していることが分かる。
　次に、Ａｌスパイクの回避について説明し、Ｐ＋層のＰ型半導体層３の深さを示す根拠について説明する。
　Ｐ型半導体層３の上にＡｌからなる表面金属層７を設けると、そのＰ＋層のＳｉとＡｌが反応して化合物のＡｌスパイクが析出してそれがリークの原因になる。Ａｌスパイクは０．２μｍ～０．５μｍなので、Ｐ型半導体層３のＰ＋注入深さは、Ａｌスパイクの回避のために、それ以上の０．５μｍ～１００μｍの深さを必要とする。さらに好ましくは、Ｐ型半導体層３のＰ＋注入深さは１μｍ～３０μｍで、ここではＰ型半導体層３のＰ＋注入深さを２５μｍに設定している。Ｐ型半導体層３のＰ＋注入深さが１μｍを超えるとＡｌスパイクについては問題がなく、Ｐ型半導体層３のＰ＋注入深さが１００μｍを超えると真性半導体基板２の体積が小さくなり感度低下に繋がる。
　要するに、０．５μｍ～１００μｍの深さで、Ｐ＋層のＰ型半導体層３を深く形成する。これによって、Ａｌスパイク・析出による耐圧不良・リーク不良を回避させることができる。
　なお、Ｓｉ含有量０．５ｗｔパーセントのＡｌ－Ｓｉの場合、Ａｌスパイクの深さは、０．２～０．５μｍである。
　また、Ｐ型半導体層３のＰ＋注入層は、異物によってもＰ＋注入抜けが生じるが、Ｐ型半導体層３のＰ＋注入深さが深いほどその次の熱処理にて注入不純物が拡散してＰ＋注入抜けを補うことができる。Ｐ＋注入深さが深いほどデバイスの安定生産に繋がって品質が安定するというメリットがある。要するに、異物等による局所的なＰ＋注入抜けについて、熱拡散による領域の伸びによりＰ＋注入抜けを回避できる。
　また、１００μｍの深さで、Ｐ＋層のＰ型半導体層３を深く形成するため、その下のＩ層の真性半導体基板２の領域が層厚２００μｍ未満に狭くなって受光感度が悪くなることから、Ｐ＋層のＰ型半導体層３の層厚を調整する必要がある。よって、真性半導体基板２の層厚は２００μｍ以上とする。
　さらに、Ｐ型半導体層３の周囲に所定距離を開けてＮ＋層のカードリング４が形成されている。Ｐ型半導体層３のＰ＋領域と（Ｎ＋）ガードリング４の距離を２０μｍ～1ｍｍ
とする。これ以上離れるとリークが大となる。
　次に、光の波長が可視光の３８０ｎｍ～７８０ｎｍの範囲で、表面金属層７の材質がＡｌ－ＳｉのＡｌ系合金の場合に、表面金属層７の膜厚が５０ｎｍ以上であることの理由は、表面金属層７の膜厚が５０ｎｍで、図７のように可視光の３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光の波長域で全く透過していない。この場合、ノイズの原因となる光を遮光率０で遮光することにより、ノイズを完全に排除できて受光感度を向上させることができる。以下、図３～図８を用いて説明する。
　図３において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が１０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で光が透過していることが分かる。
　図４において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が２０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で、図３の場合に比べて透過率がかなり下がっているものの、かなりの量で光が透過していることが分かる。
　図５において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が３０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で、図４の場合に比べて透過率がかなり下がっているものの、僅かに光が透過していることが分かる。
　図６において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が４０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で、図４の場合に比べて透過率がかなり下がっているものの、本の僅か光が透過していることが分かる。
　図７において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が５０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で光が透過していないことが分かる。
　図８において、図１の表面金属層７の材質がＡｌ－Ｓｉでその膜厚が６０ｎｍにおいて、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域で光が全く透過していることが分かる。
　表面金属層７の材質は、ＡｌまたはＡｌ－ＳｉなどのＡｌ系合金が好ましい。ＡｌまたはＡｌ－ＳｉなどのＡｌ系合金は電極や回路配線として通常用いられるため、ＷやＴｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどの他の金属に比べて安価で製造上の加工性がよい。
　図９において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がタングステン（Ｗ）において、上曲線が反射率で５３０ｎｍ以上で少し現れた下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域のうち、５３０ｎｍ以上の可視光線の波長域で光が僅かだけ透過していることが分かる。
　図１０において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がアルミニュウム（Ａｌ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているがここでは現れていない。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の全波長域で光が透過していないことが分かる。
　図１１において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がＡｌ－Ｓｉのアルミニュウム系合金（Ａｌ系合金）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているがここでは現れていない。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の全波長域で光が透過していないことが分かる。
　図１２において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質が金（Ａｕ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域のうち、４００ｎｍ～５５０ｎｍの可視光線の波長域で光が透過していることが分かる。特に、４００ｎｍの後半の可視光線の波長域で光が急激に透過していることが分かる。
　図１３において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がＡｌ－Ｃｕのアルミニュウム系合金（Ａｌ系合金）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示しているがここでは現れていない。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の全波長域で光が透過していないことが分かる。
　図１４において、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍでその材質がチタン（Ｔｉｕ）において、上曲線が反射率で下曲線が透過率を示している。横軸が光の波長で３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の波長域のうち、３８０ｎｍ～６３０ｎｍの可視光線の波長域で光が透過していることが分かる。特に、５００ｎｍの前後の波長域で光が急激に透過していることが分かる。
　以上により、表面金属層７の材質は、ＡｌまたはＡｌ－ＳｉやＡｌ－ＣｕなどのＡｌ系合金が好ましく、図１の表面金属層７の膜厚が１００ｎｍで３８０ｎｍ～７８０ｎｍの可視光線の全波長域で遮光することができて、安価でかつ加工性が良好で、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することが可能となる。放射線(γ線）の検出に特化した放射線検出素子１を
製造するには、表面金属層７の材質がＡｌまたはＡｌ－ＳｉやＡｌ－ＣｕなどのＡｌ系合金の上記構造にすることが好ましい。要するに、ＡｌまたはＡｌ－ＳｉやＡｌ－ＣｕなどのＡｌ系合金、さらにはシリコン（Ｓｉ）は電極や回路配線として通常用いられるため、ＷやＴｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔなどの他の金属に比べて安価で製造上の加工性がよい。
　以上により、本実施形態１によれば、半導体基板としての真性半導体基板２の表面側にＰ型半導体層３が形成され、Ｐ型半導体層３上に表面金属層７が形成され、真性半導体基板２の裏面側にＮ型半導体層５が形成され、Ｎ型半導体層５上に裏面金属層９が形成された放射線検出素子１であって、表面金属層７の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されている。表面金属層７の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金である。表面金属層７の厚さは、γ線以外の光の波長が１ｎｍのＸ線～２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する膜厚とする。この場合の表面金属層７の厚さは、１００ｎｍから１００００ｎｍである。
　これによって、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金を用いれば、安価でかつ加工性が良好であり、表面金属層７の厚さとして、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定すれば、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる。
　なお、本実施形態１では、特に詳細には説明しなかったが、半導体基板の表面側に一導電型半導体層が形成され、一導電型半導体層上に表面金属層が形成され、半導体基板の裏面側に他導電型半導体層が形成され、他導電型半導体層上に裏面金属層が形成された放射線検出素子であって、表面金属層の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金であり、表面金属層の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されている。これによって、安価でかつ加工性が良好で、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる本発明の目的を達成することができる。
　以上のように、本発明の好ましい実施形態１を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
　本発明は、例えば核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学などの分野で利用され、γ線などの放射線を検出する放射線検出素子の分野において、アルミニュウム（Ａｌ）およびアルミニュウム系合金であれば安価でかつ加工性が良好であり、表面金属層の厚さが、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく遮光してγ線を精度よく捕捉する膜厚に設定されていれば、ノイズの原因となる光を遮光することにより放射線（γ線）の受光感度を向上させて放射線（γ線）を精度よく捕捉することができる。

Claims (15)

  1. 　半導体基板の表面側に一導電型半導体層が設けられ、該一導電型半導体層上に表面金属層が設けられ、該半導体基板の裏面側に他導電型半導体層が設けられ、該他導電型半導体層上に裏面金属層が設けられた放射線検出素子であって、
    　該表面金属層の材質は、アルミニュウム（Ａｌ）またはアルミニュウム系合金であり、該表面金属層の厚さは、γ線以外の光に起因するノイズを排除するべく該γ線以外の光を遮光して該γ線を精度よく捕捉する層厚に設定されている放射線検出素子。
  2. 　前記表面金属層の厚さは、前記γ線以外の光の波長が１ｎｍのＸ線から２６００ｎｍの近赤外線までの光を遮光する層厚とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  3. 　前記表面金属層の厚さは、１００ｎｍから１００００ｎｍまたは２００ｎｍから１００００ｎｍである請求項２に記載の放射線検出素子。
  4. 　前記表面金属層の厚さは、１００ｎｍから６０００ｎｍまたは１００ｎｍから４０００ｎｍである請求項３に記載の放射線検出素子。
  5. 　前記表面金属層の厚さは、２００ｎｍから６０００ｎｍまたは２００ｎｍから４０００ｎｍである請求項４に記載の放射線検出素子。
  6. 　前記表面金属層の厚さは、１００ｎｍから１０００ｎｍまたは２００ｎｍから１０００ｎｍである請求項５に記載の放射線検出素子。
  7. 　前記表面金属層の厚さは、前記γ線以外の光の波長が３８０ｎｍから７８０ｎｍの可視光線の波長域の光を遮光する層厚とする請求項２に記載の放射線検出素子。
  8. 　前記表面金属層の厚さは、５０ｎｍから１００００ｎｍまたは６０ｎｍから１００００ｎｍである請求項７に記載の放射線検出素子。
  9. 　前記表面金属層の厚さは、５０ｎｍから６０００ｎｍまたは６０ｎｍから４０００ｎｍである請求項８に記載の放射線検出素子。
  10. 　前記表面金属層の厚さは、５０ｎｍから１０００ｎｍまたは６０ｎｍから１０００ｎｍである請求項９に記載の放射線検出素子。
  11. 　前記アルミニュウム系合金は、Ａｌ－ＳｉまたはＡｌ－Ｃｕである請求項１に記載の放射線検出素子。
  12. 　前記一導電型半導体層の層厚は、一導電型イオンの注入深さとして０．５μｍ～１００μｍである請求項１に記載の放射線検出素子。
  13. 　前記一導電型半導体層の層厚は、前記一導電型イオンの注入深さとして１μｍ～３０μｍである請求項１２に記載の放射線検出素子。
  14. 　前記一導電型半導体層と該一導電型半導体層の周囲に設けられた他導電型ガードリングとの距離は２０μｍ～１ｍｍとする請求項１に記載の放射線検出素子。
  15. 　ＰＩＮフォトダイオードである請求項１に記載の放射線検出素子。
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