(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の半導体が接合された半導体放射線検出器において、半導体同士の接合界面の接合状態を改善して適正な動作を可能とする。【解決手段】異なる伝導型または異なる不純物濃度を有する複数の半導体を組み合わせて構成され、放射線を直接受けて電荷に変換する放射線吸収部１と、その放射線吸収部によって生成された電荷を検出する検出部２とを備えた半導体放射線検出器において、複数の半導体を組み合わせるのに際し、少なくとも２つの接合される半導体１ｃ、２ａの接合面を真空中において不活性ガスを用いてスパッタエッチングして互いに密着させた後に熱処理を行って接合界面の状態を改善する。【選択図】図１
2006066782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる伝導型または異なる不純物濃度を有する複数の半導体を組み合わせて構成され、放射線を直接受けて電荷に変換する放射線吸収部と、その放射線吸収部によって生成された電荷を検出する検出部とを備えた半導体放射線検出器であって、
前記複数の半導体を組み合わせるのに際し、少なくとも２つの接合される半導体の接合面を真空中において不活性ガスを用いてスパッタエッチングして互いに密着させた後に熱処理を行ったことを特徴とする半導体放射線検出器。
【請求項２】
前記複数の半導体は、Ｓｉ半導体、ＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、及びＴｌＢｒ半導体のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体放射線検出器。
【請求項３】
前記検出部は、前記放射線吸収部により生成された電荷を増幅する機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体放射線検出器。
【請求項４】
前記熱処理は、１００℃から１２００℃の範囲内で実施されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の半導体放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光Ｘ線分析、医療用Ｘ線検出、及び高エネルギーガンマ線検出等に用いるのに適した半導体放射線検出器に関し、特に、２種類以上の半導体を組み合わせて動作させる半導体放射線検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放射線、特にＸ線やガンマ線の測定においては、光子吸収確率の大きい半導体を放射線吸収部として用いることが光子検出器としては望ましいが、従来、そのような半導体（例えば、ＣｄＴｅ半導体等）においては、格子欠陥や不純物が多いために放射線の入射により生成された電子や正孔が捕獲されてしまい、これが検出効率の低下やエネルギー分解能の劣化の原因となっていた。これに対して、放射線吸収部と検出部とを異なる半導体で構成し、これらをＦｒｉｓｃｈグリッドを用いて連結することにより、そのような電荷捕獲とは無関係に良好なエネルギー分解能で測定を行うことを可能とする放射線検出器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような２種類以上の半導体から構成される放射線検出器では、複数の半導体同士を組み合わせて適正に動作させる必要があり、それを実現するための方法として種々の技術が存在する。
【０００４】
不純物拡散による方法では、例えば、Ｐ型のＳｉ母材にリンを拡散させてＮ型層を形成することでＰＮ接合を形成することができ、さらに、Ｓｉ母材の両面にＮ型層を形成することでＮＰＮ接合を形成することができる。しかし、このような不純物の拡散によっては、上記の放射線検出器に用いるような４層のＰＮＰＮ接合を形成することは困難である。
【０００５】
また、エピタキシャル成長による方法では、例えば、Ｓｉ基板上にＣｄＴｅ等の異種半導体をエピタキシャル成長させることができる。しかし、実用となる放射線検出器の吸収部を形成しようとした場合には、数１００μｍ程度の厚みが必要となるので、エピタキシャル成長により十分な厚みを有する半導体を形成することは容易ではない。
【０００６】
そこで、上記のような放射線検出器に用いる半導体を形成する場合には、半導体同士を接合させる方法が有効であると考えられ、例えば、親水化処理を行った半導体表面を、真空中でＡｒガスのイオンビーム等によってスパッタエッチングすることによって、表面に存在する原子を活性化して半導体同士を接合する方法（以下、表面活性化法）が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。これによると、接合面の表層に存在する汚染物質（酸化膜や有機物質等）を除去して半導体を接合するので、良好な接合強度を得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−２５７９３７号公報
【非特許文献１】高木秀樹，「表面活性化法によるシリコンウェハの常温接合」，機械技術研究所報告第１８９号，２０００年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記非特許文献１に記載のような表面活性化法を用いる半導体の接合では、接合後の界面の比抵抗値が母材に比べて高いという問題があった。即ち、表面活性化法によって酸化膜を除去して接合を行って十分な接合強度が得られた場合であっても、接合後の界面の比抵抗値が高く界面が絶縁体的である（界面の状態が良好でない）場合には、放射線検出器としての適正な動作は期待できない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、複数の半導体が接合された半導体放射線検出器において、半導体同士の接合界面の状態を改善して界面特性の安定化を図り、適正な動作を可能とした半導体放射線検出器を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために、本発明による半導体放射線検出器は、請求項１に示すとおり、異なる伝導型または異なる不純物濃度を有する複数の半導体を組み合わせて構成され、放射線を直接受けて電荷に変換する放射線吸収部と、その放射線吸収部によって生成された電荷を検出する検出部とを備えた半導体放射線検出器であって、複数の半導体を組み合わせるのに際し、少なくとも２つの接合される半導体の接合面を真空中において不活性ガスを用いてスパッタエッチングして互いに密着させた後に熱処理を行った構成とする。
【００１０】
これによると、真空中において不活性ガスのイオンビームやプラズマ等を半導体の接合面に照射してスパッタエッチングして互いに密着させることで、接合界面の接合強度を向上させることができ、さらに、熱処理を行うことで、接合界面の状態が改善され、放射線検出器としての適正な動作が可能となる。例えば、光子吸収効率が高いＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、またはＴｌＢｒ半導体等からなる放射線吸収部と、Ｓｉ半導体等からなる検出部とを組み合わせて放射線検出器を構成することができ、検出効率を向上させ且つ良好なエネルギー分解能での測定が可能となる。
【００１１】
上記半導体放射線検出器においては、請求項２に示すとおり、複数の半導体は、Ｓｉ半導体、ＣｄＴｅ半導体、ＣｄＺｎＴｅ半導体、及びＴｌＢｒ半導体のうちの少なくとも１つを含む構成とすることができる。
【００１２】
上記半導体放射線検出器においては、請求項３に示すとおり、検出部は、放射線吸収部により生成された電荷を増幅する機能を有する構成とすることができる。
【００１３】
上記半導体放射線検出器においては、請求項４に示すとおり、熱処理は、１００℃から１２００℃の範囲内で実施される構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように本発明によれば、真空中において不活性ガスのイオンビームやプラズマ等を接合する半導体の接合面に照射してスパッタエッチングして互いに密着させた後、さらに、熱処理を行うことで、半導体同士の接合界面の状態を改善して界面特性の安定化を図り、適正な動作を行わせることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明による半導体放射線検出器の構造を概念的に示す図である。この放射線検出器は、Ｘ線を直接受けて電荷に変換するためのシリコン吸収体からなる放射線吸収部１と、変換された電荷を増幅し、放射線吸収部１によって生成された電荷を検出するためのアバランシェ型増幅部（検出部）２と、放射線吸収部１と増幅部２との間に設けられたフリッシュグリッド３とを有している。
【００１７】
放射線吸収部１は、放射線吸収端面１ａを図に於ける右端とし、この放射線吸収端面１ａからＰ型領域１ｂと、１×１０１３／ｃｍ３以下の不純物濃度の高比抵抗のＮ型領域１ｃとが形成され、ＰＮ接合されている。アバランシェ型増幅部２は、Ｎ型領域１ｃと接するＰ型領域２ａと、出力側のＮ型領域２ｂとが形成され、ＰＮ接合されている。フリッシュグリッド３は、実際にはＮ型領域１ｃとＰ型領域２ａとが接する部分に、これを外囲するように例えば環状に設けられている。
【００１８】
放射線吸収端面１ａには電源４の陰極が接続され、陽極がフリッシュグリッド３に接続されると共に接地されている。また、アバランシェ型増幅部２の出力端には電源５の陽極が接続され、陰極はフリッシュグリッド３に接続されている。従って、フリッシュグリッド３は放射線吸収部１では陽極として機能し、アバランシェ型増幅部２では陰極として機能することとなる。尚、アバランシェ型増幅部２の出力端にはプリアンプ６が接続され、信号を取り出すようになっている。
【００１９】
上記のような複数の半導体を組み合わせて放射線検出器を形成する際には、まず、母材に不純物を拡散させてＰＮ接合を形成することにより放射線吸収部１及びアバランシェ型増幅部２がそれぞれ形成される。そこで、表面活性化法により、真空中においてその放射線吸収部１及びアバランシェ型増幅部２の接合面（Ｎ型領域１ｃとＰ型領域２ａとが接する部分）を不活性ガス（例えば、Ａｒガス）のイオンビームやプラズマ等によりスパッタエッチングして表面の酸化物や有機物質等を取り除いた後に互いに密着させて接合し、さらに、接合した半導体をアニール（熱処理）して界面特性の安定化を図る。ここで、アニール温度は、半導体の種類（物性）、接合面を密着させる圧力、アニール時間等に応じて約１００℃から１２００℃の範囲で選択可能である。
【００２０】
以下に、上記放射線検出器の作動要領について説明する。まず、放射線吸収端面１ａに負バイアス、アバランシェ型増幅部２の出力端に正バイアスを印加した状態で、Ｘ線が放射線吸収端面１ａに入射すると、放射線吸収部１で吸収される。ここで、シリコン（Ｓｉ）の吸収率は、放射線吸収部１のシリコン（Ｓｉ）の厚さ及び放射線のエネルギー範囲との関係により下式から求めることができる（例えば１５０ｋｅＶのＸ線で厚さ７．５ｃｍの場合、吸収率は９１．３％）。
【００２１】
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ（−μｓｔ）
Ｉ：透過した後のＸ線の強さ
Ｉ０：入射するＸ線の強さ
μｓ：シリコン（Ｓｉ）の吸収係数
【００２２】
また、生成した電荷（電子）の移動距離Ｌは、下式の通りであり、特にライフタイムτが不純物濃度の影響を大きく受ける。ここで、医療機器として無理のない、即ち特殊な耐圧構造を必要としない使用電圧（バイアス電圧）は５００Ｖ以下である。
【００２３】
Ｌ＝μ・τ・Ｅ
μ：移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）
τ：ライフタイム（ｓ）
Ｅ：電圧（Ｖ／ｃｍ）
【００２４】
例えば、８ｃｍの厚さのシリコン（Ｓｉ）でＸ線を吸収する場合、バイアス電圧を５００Ｖとすると、τ＞１×１０−４ｓとなるシリコンを使用すれば良く、そのためには不純物濃度１×１０１３／ｃｍ３以下の素材を用いれば良い。云うまでもなく不純物濃度を下げればバイアス電圧を下げることができる。また、例えば、３０ｋｅＶ程度の低エネルギーの放射線を検出する場合、放射線吸収部１のシリコン（Ｓｉ）の厚さは２ｃｍ程度で良いので、不純物濃度を１×１０１３／ｃｍ３以下とすれば、バイアス電圧を約３０Ｖとすることができる。
【００２５】
即ち、用いる放射線のエネルギーに応じて半導体吸収体の純度及び厚さを調節することで、実用的なバイアス電圧で容易に放射線を検出することができる。
【００２６】
Ｘ線が放射線吸収部１で吸収されると電離し、入射Ｘ線エネルギーＥ（ｅＶ）に応じてＮ＝Ｅ／３．６個の電荷が生じる。そして、生じた電子がフリッシュグリッド３に移動する。このとき、フリッシュグリッド３がなくてもアバランシェ型増幅部２の出力端の陽極と放射線吸収端面１ａの陰極との間の電位差により生じる電場で電子がアバランシェ型増幅部２側に移動するが、例えば、エネルギー範囲３０ｋｅＶ〜１５０ｋｅＶの放射線を９０％以上吸収するためには、シリコンの場合、移動距離が約２ｃｍ〜８ｃｍと長くなるため、移動するには比較的長い時間を要し、移動中に格子欠陥等に取り込まれ易くなることが考えられる。そこで、両極間にアバランシェ型増幅部２を介在させずフリッシュグリッド３と放射線吸収端面１ａの陰極との間の電位差により生じる電場を用いることで、充分な電界強度が得られ、電子が確実にフリッシュグリッド３に到達するようになり、高いエネルギー分解能が得られるようになる。
【００２７】
フリッシュグリッド３に至った電子は該フリッシュグリッド３を通過し、加速され、アバランシェ型増幅部２で多数の電子・正孔対を発生し、電荷量が増幅されてアバランシェ型増幅部２の出力端に至り、プリアンプ６を介して出力されることとなる。
【００２８】
本構成では電子を移動させ、検出するものとしたが、ＰＮ接合及び電極を逆にして正孔を移動させ、検出しても良い。但し、その場合、両者の移動度μ及びライフタイムτの違いから不純物濃度もやや低いものが要求される。
【００２９】
また、放射線検出器は、異なる伝導型または異なる不純物濃度を有する種々の半導体を組み合わせて構成することが可能である。本構成では半導体吸収体としてシリコン（Ｓｉ）を用いたがゲルマニウム（Ｇｅ）等の他種の単体半導体または化合物半導体（ＧａＡｓ，ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、及びＴｌＢｒ等）を用いても良い。
【００３０】
尚、例えば放射線源に単色のＸ線源を用いれば、本発明による検出器の高エネルギー分解能を活用して直接Ｘ線と散乱Ｘ線とを弁別測定することができ、その応用範囲は極めて広くなる。
【００３１】
図２は、図１に示した放射線検出器に用いられる接合された半導体の比抵抗値とアニール温度との関係の一例を示すグラフである。ここでは、９．９ｍΩｃｍのＰ型Ｓｉ及び３２ΩｃｍのＮ型Ｓｉを表面活性化法によりＰＮ接合した素子と、単体の３２ΩｃｍのＳｉとについて、各温度で１時間のアニールを行った場合の比抵抗値の変化が示されている。図中、各プロットは、ＰＮ接合した９．９ｍΩｃｍのＰ型Ｓｉ及び３２ΩｃｍのＮ型Ｓｉの比抵抗値の変化をＮ型Ｓｉ面から４端針法で測定した結果であり、実線は、３２ΩｃｍのＮ型Ｓｉの比抵抗値の変化である。
【００３２】
図に示すように、９．９ｍΩｃｍのＰ型Ｓｉ及び３２ΩｃｍのＮ型Ｓｉを表面活性化法により接合した素子をアニールした場合の比抵抗値は、９００℃において単体の３２ΩｃｍのＳｉ（接合する半導体の中でより高い比抵抗値を有する半導体）の比抵抗値と同程度の値をとる。これにより、９００℃で１時間のアニールを行うことにより、接合界面の状態が改善され良好な状態となっていることがわかる。
【００３３】
図３は、図１に示した放射線検出器に用いられる接合された半導体の電気的性質の一例を示すグラフである。ここでは、表面活性化法により接合した９．９ｍΩｃｍのＰ型Ｓｉ及び３２ΩｃｍのＮ型Ｓｉを９００℃で１時間アニールした後、抵抗性電極を製作した素子の電流−電圧特性を示している。
【００３４】
図に示すように、電圧の極性によって良好な整流作用が示されており、ダイオード、放射線検出器として利用可能であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明にかかる半導体放射線検出器によれば、真空中において不活性ガスのイオンビームやプラズマ等を接合する半導体の接合面に照射してスパッタエッチングして互いに密着させた後、さらに、熱処理を行うことで、半導体同士の接合界面の接合状態を改善して界面特性の安定化を図り、適正な動作を行わせることが可能となるので、２種類以上の半導体を組み合わせて動作させる半導体放射線検出器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による半導体放射線検出器の構造を概念的に示す図
【図２】図１の放射線検出器に用いられる接合された半導体の比抵抗値とアニール温度との関係を示すグラフ
【図３】図１の放射線検出器に用いられる接合された半導体の電気的性質を示すグラフ
【符号の説明】
【００３７】
１  放射線吸収部
１ａ  放射線吸収端面
１ｂ  Ｐ型領域
１ｃ  Ｎ型領域
２  アバランシェ型増幅部（検出部）
２ａ  Ｐ型領域
２ｂ  Ｎ型領域
３  フリッシュグリッド
４、５  電源
６  プリアンプ
【図１】
2006066782.tif 000003
【図２】
2006066782.tif 000004
【図３】
2006066782.tif 000005