(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーの大きい光子であるＸ線又はガンマ線を検出するためのデバイス形成方法であって、
電気信号を処理するための電子回路の少なくとも一部を備えた、シリコン又はガリウム砒素からなる半導体基板を製造するステップと、テルル化カドミウム又はテルル化カドミウム亜鉛からなる当該バルク単結晶材料と前記電子回路との間に電気的接続を形成することなく前記光子を変換した電気信号を前記半導体基板に到達させるように、前記半導体基板上に前記光子を吸収しかつ前記電気信号を生成するためのバルク単結晶材料を、０．００７ｃｍ〜３．５ｃｍの間の厚さにデポジットさせるステップとからなるデバイス形成方法。
【請求項２】
前記バルク単結晶材料が、エネルギーが３０ＫｅＶ〜１０ＭｅＶの光子を吸収する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バルク単結晶材料が、前記半導体基板の中に前記電子回路を製造する前に、前記半導体基板上にデポジットされる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記バルク単結晶材料が、前記半導体基板の中に前記電子回路を製造した後に、前記半導体基板上にデポジットされる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電子回路が、イオン注入、拡散技術、リソグラフィ又はエッチングを使用して形成された前記半導体基板のドープ領域によって前記半導体基板の中に形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記電子回路が専用集積回路を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
更に、前記電気信号を出力するために使用することができるメタルコンタクト領域を前記半導体基板の表面に設けるステップを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
更に、前記半導体基板と前記バルク単結晶材料の間に中間層を形成するステップを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記中間層が、気相成長法を使用して単一プロセスで形成され、更に、バルク単結晶材料の上にメタル層を設ける、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
エネルギーの大きい光子であるＸ線又はガンマ線を検出するための放射線検出器デバイスであって、
電気信号を処理するための電子回路の少なくとも一部と共に製造された、シリコン又はガリウム砒素からなる半導体基板と、テルル化カドミウム又はテルル化カドミウム亜鉛からなる当該バルク単結晶材料と前記電子回路との間に電気的接続を形成することなく前記光子を変換した電気信号を前記半導体基板に到達させるように、前記半導体基板上に０．００７ｃｍ〜３．５ｃｍの間の厚さにデポジットされた、前記光子を吸収しかつ前記電気信号を生成するのに適したバルク単結晶材料とからなる放射線検出器デバイス。
【請求項１１】
前記バルク単結晶材料が、エネルギーが３０ＫｅＶ〜１０ＭｅＶの光子を吸収する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記電子回路が専用集積回路を含み、前記専用集積回路が、トランジスタ、ダイオード、電荷結合デバイス、抵抗器及びコンデンサの群から選択されるコンポーネントを含む、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１３】
更に、前記半導体基板の表面に設けられるメタルコンタクト領域を含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１４】
更に、前記半導体基板とバルク単結晶材料の間に中間層を備える、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記半導体基板、前記中間層及び前記バルク単結晶材料が、ｐ−ｉ−ｎヘテロ構造を形成する、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
更に、前記バルク単結晶材料の上又は上方に設けられる金属層を備える、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスを相互接続する方法に関し、詳しくは、放射線を検出するために使用される結晶材料を相互接続するための方法に関する。また、本発明は、この方法に従って製造されたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の材料、詳しくは、テルル化カドミウム及びテルル化カドミウム亜鉛などの単一バルク結晶半導体材料を使用して、ｘ線及びガンマ線を始めとする放射線を検出することができることは、良く知られている。エネルギーの大きい光子がこのような材料に衝突すると、これらの材料によって光子が吸収され、電気信号を生成する。この電気信号を検出することにより、入射する放射線を検出することができる。
【０００３】
このような周知の検出器を形成するためには、通常、検出器として使用するためのバルク単結晶材料を準備することが必要である。例えばピクセル化された（pixelated）電極構造の形態の複数の電極のアレイが結晶材料の裏面に形成される。次に、ピクセル化された電極構造を形成している個々の電極が、生成された電気信号を処理するための電子回路に接続される。ピクセル化された電極構造と電子処理回路の間の接続は、ワイヤボンディング及び貫通はんだバンプを始めとする従来の半導体接続技術を使用して達成することができる。
【０００４】
検出精度及び分解能を改善するためには、電極構造は、複数の電極の微小アレイを設ける必要があり、従って、これらの電極を処理回路に接続するためには極めて多数の電気的接続が必要であることは理解されよう。従って、電子回路への電極構造の電気的接続は、場合によっては時間のかかる繊細な作業である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気的接続に失敗した場合、例えば配線又ははんだバンプが電極構造に適切に接続されない場合、又は、配線又ははんだバンプが時間と共に劣化する場合、検出器アレイの性能が低下することになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、デバイスを形成する方法は、信号を処理するための電子回路の少なくとも一部を備えた基板を製造するステップと、基板にバルク単結晶材料をデポジットさせるステップとからなる。バルク単結晶材料は、電子回路を基板の中に製造する前又は製造した後のいずれかに基板にデポジットさせることができる。
【０００７】
好ましい実施例では、デバイスは放射線検出器である。この場合、バルク単結晶材料は、検出すべき放射線を検出するために選択されるバルク単結晶材料である。バルク結晶材料は光子を吸収し、吸収した光子に応答して、電子回路によって処理するための電気信号を生成する。
【０００８】
信号を処理するための電子回路の少なくとも一部をバルク単結晶材料がその上に形成される基板の中に含めることにより、バルク結晶材料と電気信号を処理する電子回路との間に、電気的接続を形成する必要がなくなる。検出器の場合、これは、電気信号を捕獲するために検出器材料の上に電極アレイを形成するステップを回避することができることを意味し、また、別個の電子回路へのこの電極アレイの接続を回避することができることを意味している。従って、検出器を形成するために必要なステップの数が少なくなる。また、正確に実施しなければならず、場合によっては失敗することもあり得る。いずれにせよ検出器の有効性を損なうことになる接続の数が少なくなる。また、相互接続を手動で実施する必要がないため、検出器の分解能を著しく高くすることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、信号を処理するための電子回路の少なくとも一部と共に製造された基板と、基板上に直接形成されたバルク単結晶材料とからなる放射線検出器デバイスが提供される。バルク単結晶材料は、入射する光子を吸収し、かつ、吸収した光子に応答して電気信号を生成するのに適しており、また、電子回路は、これらの電気信号を処理するための回路の少なくとも一部を備える。
【００１０】
本発明の好ましい実施例では、基板は、広範囲にわたって入手可能な、電子回路のために従来から使用される材料である、シリコン材料又はガリウム砒素材料から形成される。高出力デバイスのために従来から使用されている、炭化シリコンを始めとする他の材料を使用することも可能である。
【００１１】
電子回路は、周知の半導体製造技術を使用して基板の中に形成することができる。例えば、イオン注入又は拡散を使用して、基板のいくつかの領域をドープすることができる。
【００１２】
基板は、必要な信号処理を達成するために専用集積回路を含むように処理することができる。このような回路は、トランジスタ、ダイオード、電荷結合デバイス、抵抗器及びコンデンサを始めとする、様々な種類のコンポーネントを含むことができる。これらのコンポーネントは、増幅器、整形器、フィルタ、弁別器及び／又は閾値回路素子を形成することができる。また、処理前又は処理後の両方において、電気信号を出力するために使用することができるメタルコンタクト領域を基板の表面に設けることも可能である。基板の表面にメタルコンタクト領域を設けることにより、製造された検出器を、他の入力デバイス又は出力デバイスに接続することができる。
【００１３】
デバイスが製造された後に基板上に形成されるバルク単結晶材料は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛、又は、テルル化カドミウムマンガンのバルク領域であることが好ましい。これらの材料は、吸収にとりわけ適しており、従って、エネルギーの大きい光子の検出、例えばｘ線又はガンマ線の検出にとりわけ適している。バルク単結晶材料の厚さは、使用される材料及び検出すべき放射線によって決まる。
【００１４】
バルク単結晶材料は、通常、基板とは異なる材料であるため、少なくとも１つの中間層及び／又は界面領域が、基板とバルク単結晶材料の間に設けられることが好ましい。中間層は、バルク結晶材料をその上に成長させることができる、バルク結晶材料と同じ材料又は類似した材料の薄膜層であってもよい。別法としては、下方の基板に類似した材料からバルク結晶材料に類似した材料又はバルク結晶材料と同じ材料へ連続的に変化する、複数の層の積層部分を設けることも可能である。別法又は追加として、基板又は基板上に成長した中間層に類似した材料からバルク結晶の材料へ徐々に変化する界面領域を形成することも可能である。その場合、欧州特許ＥＰ−Ｂ−１０１９５６８に開示されているような物理気相成長法を使用して、単一のプロセスで界面領域及びバルク結晶材料を形成することができる。その場合、処理電子回路の少なくとも一部を含む基板がチャンバに設けられ、また、ソース材料が基板にデポジットさせるべき蒸気として提供される。最初にデポジットされる領域を基板上に直接形成することができ、後でデポジットされる材料がより速い速度で成長させられ、光子を検出するために必要な結晶材料構造を有するように成長パラメータが制御される。いずれの場合においても、これらの１つ又は複数の中間層及び／又は、界面領域により、基板とバルク結晶材料の間の格子不整合又は他の不整合の克服が促進される。詳しくは、下方の基板上に材料を成長させるためには、格子不整合を最小化するためにこれらの材料の格子パラメータが類似していることが有利である。シリコン基板は、ａ＝５．４３０９Åの典型的な格子パラメータを有することになり、一方、テルル化カドミウム結晶材料は、ａ＝６．４８１Åの典型的な格子パラメータを有することになる。従って、シリコン基板上にテルル化カドミウムを直接形成することは困難である。しかし、シリコン基板とテルル化カドミウム・バルク結晶材料との間に界面領域を設けることにより、このような格子の変化を補償することができる。例えば、一連の中間層、即ち、格子パラメータが個々の層と層の間で、基板の格子パラメータに近い格子パラメータから結晶材料の格子パラメータまで変化する漸進変化中間領域を形成することができる。
【００１５】
検出材料の上に金属層を設けることができる。その場合、金属層は、検出材料がデポジットした後に形成され、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング又は同様の手段によって形成することができる。適切な金属には、インジウム、白金、金及びアルミニウムがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明について、添付の図面を参照して例として説明する。
【００１７】
本発明によるデバイスの形成は、基板の中に電子回路を形成することから開始される。適切な基板は、ガリウム砒素又はシリコンの半導体基板１０である。この基板は、イオン注入、拡散又はリソグラフィを使用したドーピング、及び、専用集積回路（ＡＳＩＣ）を生成するためのメタルコンタクト領域１６の形成などのような、通常の半導体製造技術に従って処理することができる。回路は、光子を結晶材料中に吸収することによって生成される電気信号を適切に処理し、例えば、吸収された光子の数又はエネルギーレベルの表示を設けることができ、又は、検出された光子に関連する他の情報を設けることができるように設計することができる。回路は、前置増幅素子、フィルタリング素子、整形素子、閾値及び／又は弁別素子を備えることができる。
【００１８】
半導体基板の中に集積回路が製造されると、入射する光子を検出するように作用するテルル化カドミウム又はテルル化カドミウム亜鉛の層などのバルク単結晶材料１４が、半導体基板上に育成される。基板の中への電子回路の形成に先だって、基板上にバルク単結晶材料を形成し、基板上にバルク結晶材料が形成された後に、電子回路を基板の中に形成することができることは理解されよう。
【００１９】
図１は、基板上にバルク単結晶材料を形成するための好ましい装置を示したものである。この装置は、真空ジャケット２１内に収納された石英エンベロープ２０の形態の排気されたＵ字管を備える。それぞれソース２４及びシンク区域２５のための２つの別個の３区域垂直管状炉２２、２３が設けられる。ソース及びシンク区域は、通路２６を形成している光学的に加熱された水平クロスメンバ２７によって接続される。通路２６には、キャピラリ又は焼結石英ディスクを備えることができる、流れ絞り機構２８が設けられる。通路は、いずれの場合も９０°の角度で偏向する２つの別個のポイントを備えており、正常な位置での監視（in-situ monitoring）のため、及び、ソースからシンク区域（zone）への蒸気移送のために、分岐している通路間にそれぞれ接合を設ける。それぞれソース及びシンクへの光学的アクセスを可能にしている窓が設けられる。シンク区域内で成長している結晶の表面の温度は、真空ジャケットの外部に配置され、かつ、成長している結晶の表面と光学的に結合している高温計又は他の光学的診断装置３３によって、監視することができる。診断装置は、適切な制御システムと結合しており、シンク区域の温度を変化させている。この装置は、更に、流れ絞り機構２８の領域のアクセス・ポート３３ないし３６による蒸気圧を正常な位置で監視するための手段を備えており、この手段を介して、蒸気圧監視ランプ及び光学系を、外部の位置から、図に示すように、蒸気移送のための通路２６に対して径方向に正反対の位置３５、３６に配置された検出器を備えた真空ジャケットへ導くことができる。これらは、プロセスを制御するための制御システムに適切にリンクされる。
【００２０】
内部で移送が生じるソース管、成長管及びクロスメンバは、石英から製造されており、システムは、クロスメンバと２本の垂直の管の間のすりガラスの継ぎ目で取外し可能であり、従って、成長した結晶を取り出すことができ、また、ソース材料を補給することができる。放射線シールド（簡潔にするために図には示されていない）とシステム全体を取り囲んでいる真空ジャケットとが相俟って断熱部を提供する。
【００２１】
基板１０は、成長管内の石英ブロックの上に配置されており、このガラスブロックと石英エンベロープの間の間隙が下流側の流れ絞り機構を形成している。ソース管へのガス入口のための準備がなされており、成長管には、別個のポンプシステムによって、又は、冷たいダンプ管を介した真空ジャケットへの接続によってポンプ供給することができる。
【００２２】
成長を可能にし、かつ、検出器材料１４と基板１０の間の不整合を回避するためには、場合によっては、検出器材料１４をその上にデポジットさせることができる１つ又は複数の界面層即ち界面領域１２を、基板１０の上にデポジットさせることが望ましい。隣接する層即ち領域の材料は、これらの層と層の間の不整合が確実に最小化されるように選択される。
【００２３】
シリコン基板は、格子パラメータａ＝５．４３０９Åを有することになる。この場合、基板上にデポジットさせる初期材料は、格子パラメータａ＝５．４５０６Åを有するＧａＰであってもよい。この格子パラメータは、下側のシリコン基板の格子パラメータに十分に近く、従って、あらゆる格子不整合が最小化される。成長チャンバに供給されるソース材料は、ガリウム砒素中間層をデポジットさせるべく漸進的に変更することができる。ガリウム砒素は、格子パラメータａ＝５．６５３３Åを有している。これは、ＧａＰ層の格子パラメータに十分に近く、従って、あらゆる格子不整合が最小化される。ソース材料は、この場合も、格子パラメータａ＝５．８２Åを有するＣｄＳの中間層をデポジットさせるべく制御することができる。引き続いてもう一度ソース材料を変更し、格子パラメータａ＝６．０５Åを有するＣｄＳｅの遷移層をデポジットさせることができ、最後にもう一度ソース材料を変更し、格子パラメータａ＝６．４８１Åを有することになるテルル化カドミウムなどのバルク結晶材料をデポジットさせることができる。
【００２４】
格子不整合は、界面領域１２の材料を選択する際の考慮すべき問題の１つであるが、相対熱膨張及び電子トンネル効果／電荷移送などの他の要因も、場合によっては、同じく重要である。
【００２５】
界面領域を形成している間、遷移領域の厚さが最小になるように、成長パラメータが制御される。しかし、デポジットさせるバルク結晶材料へ遷移すると、バルク結晶材料をより速い速度でデポジットさせることができるように、成長パラメータを調整することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態では、シリコン基板上にバルクテルル化カドミウム亜鉛層が形成される。その場合、最初にシリコン基板が処理され、あらゆる酸化物が除去される。この処理は、基板の化学エッチング又は超高真空における高温での基板の加熱を含むことができる。シリコン基板が、テルル化亜鉛及びテルル化カドミウムの別個のソースと共に、成長チャンバに設けられる。
【００２７】
結晶材料を成長させるための好ましい温度は約７００℃であり、従って、シリコン基板は、その温度がこの温度になるまで加熱される。次に、テルル化亜鉛ソース及びテルル化カドミウムソースが、その温度が基板の温度と同じ温度に到達するまで、毎分約２℃の割合で加熱される。次に、テルル化カドミウムソースの温度がこのレベルに維持され、一方、テルル化亜鉛ソースは、その温度が約８７０℃の温度になるまで同じ割合で加熱される。テルル化亜鉛ソースが約８７０℃の温度に到達すると、約５時間の間、基板及びソース材料の温度が維持される。これにより、テルル化亜鉛の中間層が、基板上で約５０ミクロンの厚さに成長する。次に、基板の温度が約７００℃に維持され、また、テルル化亜鉛ソースの温度が約８７０℃に維持され、一方、テルル化カドミウムソースは、その温度がテルル化亜鉛ソース材料の温度と同じ温度になるまで、毎分約２℃の割合で加熱される。テルル化カドミウム材料が加熱されると、基板上に成長する材料層の組成が、中間層のテルル化亜鉛材料から亜鉛が約４％のテルル化カドミウム亜鉛材料へ徐々に変化する。結果として得られる遷移領域は、約１００ミクロンの厚さを有することになる。遷移領域の厚さは、テルル化カドミウムソースの温度上昇速度を速くすることによって薄くすることができ、又は、温度上昇速度を遅くすることによってより分厚くすることができる。次に、バルク結晶テルル化カドミウム亜鉛材料がデポジットされ、一方、ソース材料の温度は基板より高い温度に保持される。デポジットするバルク結晶材料の正確な組成は、これらの２つのソース材料の相対温度を変化させることによって制御することができる。
【００２８】
図２は、本発明に従って形成されたデバイスの一実施例を示したものである。図から判るように、他の装置例えばディスプレイ装置への電気的接続のための電気端子即ちパッド１６が、基板１０の上に形成される。電気的接続１６は、印刷、スパッタリング又はリソグラフィなどの従来の技術によって、形成することができる。図２に示す実施例では、基板１０、界面領域１２及びバルク結晶材料１４は、ｐ−ｉ−ｎヘテロ構造を形成している。この接合により、生成される電子を増幅することになり、逆バイアスをかけることにより、なだれ増倍が生成されることは理解されよう。
【００２９】
図３は、本発明の代替の実施例を示したもので、バルク結晶検出層１４の上に金属層１８が形成される。得られる金属−バルク結晶−基板構造により、エネルギーの大きい電子が層全体に注入されるか、又は、層を貫通して通り抜けることになる。使用中、バルク結晶材料１４に放射線が入射すると、放射線からの光子が稠密結晶材料によって吸収される。光子を吸収することにより、これらの光子が電気信号に変換される。電気信号は、界面領域１２を通過して下方の半導体基板に到達し、そこで保留される。半導体基板１０によって受け取られた電気信号は、半導体基板１０の中に形成された集積回路によって処理される。
【００３０】
入射する放射線を吸収するように作用するバルク単結晶材料を、放射線が吸収されるとバルク結晶材料中に生成される電子及び／又は正孔を処理する電子回路を含む基板に、直接デポジットすることによって、放射線検出器が形成される。これにより、電子回路及び検出器材料が別個に形成され、その後で一体に接合される場合よりも、入射する放射線をはるかに正確に検出することができる。
【００３１】
電子回路及び検出器材料が別個に形成される場合に存在する特定の問題は、後続するこれらの２つの相互接続に関連している。この相互接続のために使用される方法は、それがワイヤボンディングであれ、又は、バンプボンディングであれ、どちらかと言えば信頼性がなく、デバイス故障をもたらすことがしばしばであり、また、相互接続欠陥をもたらし、かつ、相互接続の両端間における性能損失によるデバイス動作の有効性の低下をもたらすことがしばしばであり、更に、満足できるデバイスの生産歩留りがより小さくなることがしばしばである。
【００３２】
放射線を検出するために材料を使用しなければならない場合、必要な材料の厚さは、吸収すべきエネルギーで決まることになる。以下は、テルル化カドミウム、テルル化カドミウム亜鉛及びテルル化カドミウムマンガンに対する、様々なエネルギーの放射線を吸収するために必要な材料の厚さを示したものである。
【００３３】
【表１】
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以上、本発明について、入射する光子を検出するためのバルク結晶材料を備えた検出器に関連して説明したが、本発明は、材料と該材料がその上に形成される基板との間の電気的接続を必要とする他のデバイスにも適用することができることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】基板上にバルク単結晶材料を成長させるために適した装置を示す図である。
【図２】本発明に従って製造されたデバイスの第１の実施例の断面を示す図である。
【図３】本発明に従って製造されたデバイスの第２の実施例の断面を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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