(57)【要約】【課題】エネルギーの測定において改良された正確さと測定において改良されたエネルギー分解能を備えた両接触表面に微細構造を有する位置感応型ゲルマニウム検出器の創作である。【解決手段】本発明は、アモルファス層とその上に存在する構造化された金属層により形成され、金属層の構造がアモルファス層の中まで連続することを特徴とする表面領域を有する荷電粒子を測定するための位置分解能を有する検出器に関する。
2005523438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス層とその上に存在する構造化された金属層により形成された表面領域を有し、金属層の構造がアモルファス層の中へ連続していることを特徴とする荷電粒子測定用の位置分解能を有する検出器。
【請求項２】
金属層の構造が、アモルファス層を通して、その上にアモルファス層が形成された結晶構造の中まで達することを特徴とする請求項１に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項３】
アモルファス層がゲルマニウム又はシリコンから形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項４】
金属層が、アルミニウム、パラジウム又は金からなることを特徴とする上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項５】
アモルファス層の下の結晶領域が、ゲルマニウム、シリコン又はIII−Ｖ化合物から形成されてなることを特徴とする上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項６】
構造が、互いに２００μｍ以下の間隔、とりわけ１００μｍ以下の間隔、特に好ましくは２０μｍ以下を有するセグメントにより形成されてなることを特徴とする上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項７】
半導体物質上にアモルファス層が形成されてなることを特徴とする上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項８】
アモルファス層が、アモルファス層の下に存在する物質の伝導率よりも本質的により小さい電気伝導率を有することを特徴とする上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器。
【請求項９】
上記の請求項のいずれか１項に記載の位置分解能を有する検出器を備えたトモグラフ又はコンプトンカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子又はフォトンを測定するための位置分解能を有する検出器を開示する。さらに、本発明は、この種の検出器を備えたトモグラフ又はコンプトンカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
始めに述べたこの種の検出器は、印刷物（非特許文献１）から知られる。この文献には、両方の面に微細構造が備えられた非常に純度の高い結晶質ゲルマニウムからなる検出器が開示されている。検出器の一方の面にリンが注入され、他方の面にホウ素が注入されている。注入は、イオン注入により行われる。
荷電粒子又はフォトンが検出器に到達すると、結晶質ゲルマニウムの領域で電子−正孔の対が生成する。そのつど荷電は適合する接触へ移動し、読み取られる。測定された位置に依存する荷電が、要求される情報に対する尺度を表す。
特に、ホウ素をドープした接触は、イオン注入により非常に簡単に生産され得る。
原則的には、リンを用いるイオン注入もまた技術的に非常に簡単な方法である。しかし、本来はｎ-又はｎ+接触を表すべき層中においてｐ+−ドーピングに導く放射損傷が生ずることは不都合である。したがって、放射損傷は妨害的な効果をもたらす。
放射損傷の問題を解決するために、検出器を焼き戻しする試みがなされた。この焼き戻しは、典型的には３５０から４００℃の温度で行われる。焼き戻し段階が放射損傷を最小化し、その結果、成功した実施のあとでは、問題の層中において良好なｎ-又はｎ+接触が達成される。
結晶がその表面において、特に銅が存在するために、しばしば汚染されることは不都合である。調節のために要求される温度において、銅は典型的に非常に速やかに結晶の中へ拡散する。これは、しばしば検出器が全体として使用不能になるような妨害効果へ導く。非常に高価な材料がふたたび使用できない。失敗する割合が高いために、この製作方法は非常に高価である。
位置分解能を有する検出器を得るために、ｎ及び／又はｐ層に構造が備えられる。この構造は、リソグラフィ方式により作製することができる。リソグラフィ方式は、一般的な専門知識に属する。フォトフォトリソグラフィ方式では、構造化されるべき表面に感光性塗料が塗布される。マスクを通して、感光性塗料が部分的に露光される。続いて、プラズマエッチングを用いて、感光性塗料の露光された位置に溝が入れられる。それからｎ層及び／又はｐ層が構造化される。ここで、ｎ−又はｐ−接触としてはたらく層は、溝によって互いに分離された別々のセグメントに分けられていることを理解すべきである。これらの分離されたエレメントは、文献でたびたび位置エレメントと呼ばれている。最後に、塗料層が、例えば、ケミカルエッチングにより除去され得る。
構造化は、両方の面に筋状に形成することができる。一方の面上の筋は、例えば、他方の面上の筋に対して垂直に配列される。原則的には、しかし、任意の幾何学的な型が可能である。すでに、両方の面にスパイラル状の構造化が計画された。スパイラルは、同様に位置の分解能を持ちうるように、逆方向に流れていた。
可能な構造化のさらなる例は、印刷物（非特許文献２）の中に見出される。
公知の構造は、本発明においても計画され得る。
問題のあるリン層を避けるために、リンをリチウムで置き換えることがすでに試みられた。しかし、リチウムの欠点は、リンで可能であるような微細な構造が可能ではないことである。この原因は、リチウムが結晶の中に非常に深く浸透することである。プラズマエッチングを含めてリソグラフィ方式は、必要な深さに達しないので、もはや適用され得ない。したがって、リチウム層を挽き切りにより構造化することが必要である。しかし、この技術は、リソグラフィ方式により達せられ得るような微細な位置分解能を可能にしない。したがって、一つの側面がリチウムでドープされた検出器では、非常に高い位置分解能を得ることは不可能である。
典型的には２００から１０００μｍの深さであるリチウム層の厚さに基づくと、透過型検出器を提供できないことがさらなる不都合である。
リン層とそれに伴う不都合を避け、それでもやはり透過型検出器を含めて高い位置分解能に達するために、リン層を、アルミニウム表面層が備えられたアモルファスのゲルマニウム層で代替することが試みられた。そのような先行技術は、例えば、印刷物（非特許文献３）から確認される。
アルミニウムは、パラジウム又は金のような他の金属により代替され得る。
前述の先行技術により望まれる構造化に達するために、金属が構造化され、それも筋形状に上に置かれる。この先行技術では、アモルファスゲルマニウム層は、構造化されない。これは、非常に僅かしか伝導性ではなく、それで位置分解能を有する検出器を得るために、金属の表面の構造化で十分である。
しかし、実験は、構造化された金属表面を備えた前述の検出器では、比較的に低いエネルギー分解能しか得られないことを示した。さらに、エネルギーの測定において、比較的多くの測定の誤りが発生する。
【非特許文献１】High Purity Germanium Position-Sensitive Detector for Positron Annihilation Experiments, G. Riepe, D. Proti'c, R. Kurz, W. Triftshauser, Zs. Kajcsos and J. Winter, Proceedings 5th International Conference on Positron Annihilation (Japan,1979)
【非特許文献２】Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A, A421(1999)447-457, M. Betigeri et al.
【非特許文献３】A 140-element Germanium Detector Fabricated with Amorphous Germanium Blocking Contacts, P.N.Luke et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol.41, No.4,August 1994
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、エネルギーの測定において改良された正確さと、測定において改良されたエネルギー分解能を備えた、始めに述べた種類の検出器の創作である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の課題は、第一の請求項の特徴を有する位置分解能を有する検出器により解決される。有利な構成はそれに従属する請求項から明らかになる。検出器の製作の方式は、副次的に配列された請求項から明らかになる。
本発明の課題は、アモルファス層とその上にある構造化された金属層によって形成された表面領域を備えた、荷電粒子の測定のための位置分解能を有する検出器によって解決される。金属層の構造は、アモルファス層の中へ連続している。本発明によれば、金属の表面のみならず、その下に存在するアモルファス層も構造化されることになる。これらの構造は、一致している。
【発明の効果】
【０００５】
これまで使用されていた検出器は、必要な位置分解能を高い計算速度と同時に提供しないので、この検出器は、とりわけ医学用の領域に適用される。提示される発明において、位置分解能は、実際的に制限なく高められ得る。スケールの処理に関しては、位置分解能は、これまで医学に投入されていた検出器と比べて、その他の性能を維持したまま容易に倍増され得る。医学用の領域における位置分解能は、今までは２ｍｍになっていた。今や１ｍｍの位置分解能が、問題なく実現され得る。本質的に改良された結果を得るために、特にトモグラフィの領域にこの検出器が投入される。
ポジトロンエミッショントモグラフィは、医学用の領域において、検出器が有利に投入され得るもう一つの分野である。ＳＰＥＣＴは、他の適用例である。この場合は、検出器は、とりわけコンプトンカメラの構成要素である。小動物ポジトロンエミッショントモグラフィは、医学における他の典型的な適用例である。
提示された検出器にとって、もう一つの重要な適用領域は、天体物理学である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
金属層の構造がアモルファス層を通じて、その上にアモルファス層が形成されている結晶構造の中まで達すると有利である。
構造化がアモルファス層の中まで達していると、先行技術と比べて、エネルギーの測定における測定の正確さが高められることが示された。得られるエネルギー分解能もまた明らかに改良される。構造がアモルファス層を通り抜けて、その下に存在する結晶構造の中まで達していると、改良は特に成功する。結晶領域における数μｍの深さの構造で十分である。構造は、半導体領域の中へ、少なくとも深さ１μｍ、好ましくは少なくとも深さ５μｍにまで達すべきである。
非常に良好な結果が、ゲルマニウムのアモルファス層で達成される。金属層は、例えば、アルミニウム、パラジウム又は金で構成され得る。アモルファス層の下の結晶領域は、その場合は、好ましくはゲルマニウムで構成される。
良好な位置分解能に至るために、構造はセグメントにより、互いに２００μｍ以下の間隔、とりわけ１００μｍ以下の間隔、特に好ましくは２０μｍ以下をもって、形成される。実際的に実現し得る下限は、約１μｍのところにある。望まれる微細な構造は、例えば、フォトフォトリソグラフィ方式により作製され得る。
アモルファス層は、原則的に半導体物質の上に形成される。したがって、アモルファス層は、アモルファス層の下に存在する物質の伝導率よりも本質的に小さい電気伝導率を有する。
先行技術では、イオン注入されたホウ素は、ゲルマニウム結晶の中に通常は１０μｍまで又はさらに２０μｍまで達する。この深さまで、エッチングも行われる。提示された事例においては、本発明は、溝の深さが、金属層に対し又はアモルファスゲルマニウム層に対しても、それ自体が必要であったよりも非常にずっと深くまで到達している点において、特に先行技術と異なっている。これが、最適の効果を得るための本発明の本質である。
ゲルマニウム結晶の代わりに、シリコンからなる結晶が計画され得る。
【０００７】
図１及び２に基づいて、本発明の実施例がより詳細に解説される。
図１は、ゲルマニウムからなる半導体１の断面を示す。半導体１は、表面にアモルファスゲルマニウムからなる層面２を有する。これが、ｎ+−接触を形成する。向き合ってホウ素でドープされた半導体の層３がある。これが、ｐ+−接触を形成する。層２及び３の上に、電気的な接触に役立つ金属層４及び５が形成されている。
先行技術に対する相違において、ｎ+−接触のある面に金属層が筋形状に構造化されているのみではない。その代わりに、溝５がアモルファス層２にまで入って到達し、これらの個々の互いに分離されたセグメントを有する。
向かい合う面には、ｐ+−接触が同じく筋形状に構造化され得る。この場合に、筋は原則的にアモルファスゲルマニウムのある面上の筋に対して垂直（ここでは、したがって、紙の平面に平行）に流れる。そのために、溝はまったく見られない。
図２にしたがった実施形態は、特に有効である。ここでは、溝５が半導体物質まで入り込んで達している。
ゲルマニウムの代わりに、例えば、結晶質及び／又はアモルファスのシリコンが投入され得る。半導体物質として、ＧａＡｓ又はＣｄＴｅのようなIII−Ｖ化合物が考慮される。ホウ素によるドーピングの代わりに、層３はアモルファスゲルマニウム又はアモルファスシリコンによって代替され得ることが確認された。なぜこれが機能するかは、物理的には解き明かされていない。
溝の幅は、１と２００μｍの間にある。したがって、筋は互いに１と２００μｍ離れている。
【実施例】
【０００８】
本発明にしたがって、作製の実施例として、先ず結晶質ゲルマニウムの上にアモルファスゲルマニウム層がスパッタリング又は蒸着される。続いて、金属層、例えば、アルミニウム層が蒸着される。続いて、リソグラフィにより、定義された望まれる構造が作製される。アモルファスゲルマニウム−金属−層の内側に、これらが少なくともゲルマニウム結晶領域まで達するように、溝が深くエッチングされる。有利にはこれらの溝は、ゲルマニウム結晶の中まで達する。反対側に位置する面には、ホウ素のドーピングとそれに続くミクロ構造化により、反対の接触（ｐ+）が準備されていた。
実施例において、下記の利点が確認され得た。
・１００μｍ幅以下のセグメントの個々の読み取りが可能である。
・１００μｍ×１００μｍより良好な位置分解能が実現され得る。
・毎秒１０5件を超える高い計算速度での操作が可能である。
・トリガー目的と多義性の解消のための迅速な位置の測定（典型的にはゲルマニウムに対して２０ｎｓ）が実行できる。
・二つ又はそれ以上の同時に入り込む粒子又はフォトンの検出に成功する。
・セグメントごとの個々のドリフト時間の測定により、時間分解能＜１０ｎｓＦＷＨＭでの三次元の位置測定（Δｚ〜１００μｍ）が実施され得る。
・ドリフト時間差の測定による粒子の同定が実施可能である。
検出器の大きさは、典型的には直径３インチになる。検出器の厚さは、典型的には１０から２０ｍｍになる。ボロン層の有効厚さは、通常は１μｍ以下である。アモルファスゲルマニウム層の厚さは、典型的には約０.１μｍ厚である。金属層は、典型的には０.１から０.２μｍ厚である。溝の深さは、典型的には１０μｍになる。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
これまで使用されていた検出器は、必要な位置分解能を高い計算速度と同時に提供しないので、この検出器は、とりわけ医学用の領域に適用される。提示される発明において、位置分解能は、実際的に制限なく高められ得る。スケールの処理に関しては、位置分解能は、これまで医学に投入されていた検出器と比べて、その他の性能を維持したまま容易に倍増され得る。医学用の領域における位置分解能は、今までは２ｍｍになっていた。今や１ｍｍの位置分解能が、問題なく実現され得る。本質的に改良された結果を得るために、特にトモグラフィの領域にこの検出器が投入される。
ポジトロンエミッショントモグラフィは、医学用の領域において、検出器が有利に投入され得るもう一つの分野である。ＳＰＥＣＴは、他の適用例である。この場合は、検出器は、とりわけコンプトンカメラの構成要素である。小動物ポジトロンエミッショントモグラフィは、医学における他の典型的な適用例である。
提示された検出器にとって、もう一つの重要な適用領域は、天体物理学である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ゲルマニウムからなる半導体１の断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１１】
１  半導体
２  アモルファスゲルマニウムからなる層
３  ホウ素でドープされた半導体の層
４  電気的接触のための金属層
５  電気的接触のための金属層
５  溝
【図１】
2005523438.tif 000003
【図２】
2005523438.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月3日(2005.3.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図１及び２に基づいて、本発明の実施例がより詳細に解説される。
図１は、ゲルマニウムからなる半導体１の断面を示す。半導体１は、表面にアモルファスゲルマニウムからなる層面２を有する。これが、ｎ+−接触を形成する。向き合ってホウ素でドープされた半導体の層３がある。これが、ｐ+−接触を形成する。層２及び３の上に、電気的な接触に役立つ金属層４及び５が形成されている。
先行技術に対する相違において、ｎ+−接触のある面に金属層が筋形状に構造化されているのみではない。その代わりに、溝６がアモルファス層２にまで入って到達し、これらの個々の互いに分離されたセグメントを有する。
向かい合う面には、ｐ+−接触が同じく筋形状に構造化され得る。この場合に、筋は原則的にアモルファスゲルマニウムのある面上の筋に対して垂直（ここでは、したがって、紙の平面に平行）に流れる。そのために、溝はまったく見られない。
図２にしたがった実施形態は、特に有効である。ここでは、溝６が半導体物質まで入り込んで達している。
ゲルマニウムの代わりに、例えば、結晶質及び／又はアモルファスのシリコンが投入され得る。半導体物質として、ＧａＡｓ又はＣｄＴｅのようなIII−Ｖ化合物が考慮される。ホウ素によるドーピングの代わりに、層３はアモルファスゲルマニウム又はアモルファスシリコンによって代替され得ることが確認された。なぜこれが機能するかは、物理的には解き明かされていない。
溝の幅は、１と２００μｍの間にある。したがって、筋は互いに１と２００μｍ離れている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
１  半導体
２  アモルファスゲルマニウムからなる層
３  ホウ素でドープされた半導体の層
４  電気的接触のための金属層
５  電気的接触のための金属層
６  溝
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005523438.tif 000005
【図２】
2005523438.tif 000006
【国際調査報告】
2005523438.tif 000007
2005523438.tif 000008
2005523438.tif 000009
2005523438.tif 000010
2005523438.tif 000011
2005523438.tif 000012