(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び電極層をこの順で積層されて含む放射線検出素子の製造方法であって、
第１導電型半導体層を一方の主面側に含む基板の前記一方の主面上に、第２導電型半導体にドープするための金属材料を積層して、前記基板の前記一方の主面上に複数分離して金属膜を形成するステップと、
前記基板の他方の主面側から前記金属膜に向けてレーザ光を照射して、前記基板内の前記第１導電型半導体層と前記金属膜との間に前記第２導電型半導体層を形成し、前記金属膜を前記電極層として残すことにより、前記第２導電型半導体層及び前記電極層を前記一方の主面に沿って複数分離して形成するステップと、
を含み、
前記レーザ光を複数の分離した前記金属膜に向けて１ショットで照射する、
放射線検出素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層として、ＣｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅを主材料としたものを用いる、
請求項１記載の放射線検出素子の製造方法。
【請求項３】
前記金属材料としてＩｎ或いはＡｌを用いる、
請求項１又は２に記載の放射線検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線を検出する放射線検出素子の製造方法、放射線検出素子、およびそれを含む放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣｄＴｅ等の半導体材料を利用した放射線検出器は、Ｘ線等の放射線を透過しにくい対象物を対象とした場合にも高エネルギー（例えば、１００ＫｅＶを超える管電圧）のＸ線等の放射線に高い感度を有することから、高エネルギーの放射線を用いた検出用途に適している。そのため、近年は半導体材料を利用した放射線検出器の開発が進められている。
【０００３】
従来のショットキーダイオード構造を採用した放射線検出器は、ショットキー接合が電極部分で形成されることから、非常に繊細な構造を有する。そのため、ワイヤボンディングなどの通常用いられる配線方法を用いることができないため、手作業で配線せざるを得ず製造コストが上昇する傾向にある。また、上記の従来の放射線検出器は、プレーナー構造を採用するため、端面リーク電流を減少させるためのカードリングが不可欠となり、大面積の放射線検出器を実現するためにタイリングを行った場合にある程度の幅（例えば、100μm）のギャップが不感帯として生じるという問題がある。
【０００４】
一方で、上記の従来の放射線検出器に代えて、ｐｉｎダイオード構造を採用した放射線検出器（下記特許文献１参照）、ｐｎ接合ダイオード構造を採用した放射線検出器（下記非特許文献１参照）等が考案されている。これらの放射線検出器によれば、機械的強度が大きいのでワイヤボンディングが可能で、かつ、ガードリングが不要であるため大面積の放射線検出器が容易に実現可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４２０９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kateryna S. ZELENSKA, Dmytro V. GNATYUK and Toru AOKI，  “Modification of the CdTe-In Interface by Irradiation with Nanosecond Laser Pulses through the CdTe crystal”，  Proceedings of LAMP2015 - the 7th International Congress on Laser Advanced Materials Processing，  2015年3月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１あるいは非特許文献１に記載の放射線検出器においては、ｎ型半導体層あるいはｐ型半導体層が形成された基板上にドーパントを含む層を蒸着した後にその層にレーザを照射することにより、その基板にｐ型半導体層あるいはｎ型半導体層が形成される。そして、放射線検出器として使用するために、その基板のｐ型半導体層あるいはｎ型半導体層上に電極層が蒸着により形成される。そのため、従来の放射線検出器においては、製造工程が複雑化する傾向にあった。さらには、ピクセル化された放射線検出器を製造する際、画素毎に分割されたｐｎ接合構造上に微細化された電極層を精度よく形成することが困難な問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、単純化された製造工程で容易にピクセル構造を形成することが可能な放射線検出素子の製造方法、放射線検出素子、及びそれを含む放射線検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる放射線検出素子の製造方法は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び電極層をこの順で積層されて含む放射線検出素子の製造方法であって、第１導電型半導体層を一方の主面側に含む基板の一方の主面上に、第２導電型半導体にドープするための金属材料を積層して、金属膜を形成するステップと、基板の他方の主面側から金属膜に向けてレーザ光を照射することにより、基板内の第１導電型半導体層と金属膜との間に第２導電型半導体層を形成し、金属膜を電極層として残すステップと、を含む。
【００１０】
或いは、本発明の他の形態にかかる放射線検出素子は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とがこの順で積層された基板と、基板の第２導電型半導体層側の主面上に形成され、第１導電型半導体を第２導電型半導体にドープする機能、及び第２導電型半導体層に接続された電極層の機能を有する金属膜と、を含む。
【００１１】
上記形態の放射線検出素子の製造方法、あるいは放射線検出素子によれば、基板の第１導電型半導体層の表面に金属材料が金属膜として積層され、その表面の反対側の基板の裏面から金属膜にレーザ光を照射することにより、第１導電型半導体層と金属膜との間に第２導電型半導体層がドーパントの拡散により形成可能とされ、基板の表面に残された金属膜が電極層として機能する。このような製造方法あるいは放射線検出素子の構成により、基板の第２導電型半導体層上に電極層を形成する製造工程が省略可能とされるので、製造工程を簡略化することができる。さらには、ｐｎ接合構造の領域に合わせて電極層を形成することが容易とされるので、放射線検出素子を容易にピクセル化することができる。
【００１２】
ここで、上記形態の放射線検出素子の製造方法においては、金属膜を、基板の一方の主面上に複数分離して形成し、第２導電型半導体層及び電極層を一方の主面に沿って複数分離して形成する、ことが好適である。あるいは、上記形態の放射線検出素子においては、金属膜は、基板の主面上に複数分離して配置されており、第２導電型半導体層は、金属膜に対向して主面に沿って複数分離して配置されている、ことが好適である。この場合、ｐｎ接合構造を複数並列に形成する際に複数のｐｎ接合構造の領域と電極層の領域との位置を容易に一致させることが可能となる。その結果、放射線検出素子を容易にピクセル化することができる。
【００１３】
また、第１導電型半導体層として、ＣｄＴｅ或いはＣｄＺｎＴｅを主材料としたものを用いる、こととしてもよい。この場合には、Ｘ線を用いた放射線イメージングにおいて高エネルギー領域で高い感度を有する放射線検出素子を実現することが可能となる。
【００１４】
また、金属材料としてＩｎ或いはＡｌを用いる、こととしてもよい。この場合、金属膜に、ｐ型半導体層中にｎ型半導体層を形成する機能と、ｎ型半導体層上の電極層としての機能との両方を持たせることができる。
【００１５】
さらに、本発明の他の形態にかかる放射線検出器は、上記形態の放射線検出素子が複数タイリングされて構成されたものである。このような形態によれば、放射線検出素子を複数タイリングすることにより容易に大面積の放射線検出器を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単純化された製造工程で容易にピクセル構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る放射線検出素子１の平面図である。
【図２】図１の放射線検出素子１の側面図である。
【図３】実施形態にかかる放射線検出器２０の平面図である。
【図４】実施形態にかかる放射線検出素子１を製造するための製造装置１００の概略構成を示す概略構成図である。
【図５】図４の製造装置１００を用いた製造方法の各工程における基板３の加工状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る放射線検出素子の製造方法、放射線検出素子、及びそれを含む放射線検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。
【００１９】
まず、図１を参照しながら、実施形態に係る放射線検出素子１の構成を説明する。図１は、放射線検出素子１の平面図、図２は、放射線検出素子１の断面図である。放射線検出素子１は、Ｘ線等の放射線を利用したイメージングデバイスであり、矩形平板状の基板３と、その基板３の一方の主面３ａ上に二次元的に等間隔で複数分離して配列された矩形の電極層５と、基板３の他方の主面３ｂ上に一体形成された電極層７とを含んで構成される。
【００２０】
基板３は、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）半導体を主材料としたｐ型（第１導電型）半導体基板であり、その主面３ａ側には複数の電極層５に対向するように形成された、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）半導体によって構成されるｎ型（第２導電型）半導体層９を複数有している。すなわち、基板３は、主面３ｂに沿って一体的に形成されたｐ型半導体層１１上にｎ型半導体層９が積層されたｐｎ接合構造１３を主面３ａに沿って複数有し、複数のｐｎ接合構造１３は、電極層５に対向するように互いに分離して配列されて設けられている。このような基板３は、様々なサイズのものが選択され得るが、例えば一辺が5mm〜25mmのサイズのものが選択される。また、基板３に形成されるｎ型半導体層９の主面３ａに沿ったサイズ及び間隔は様々な値に設定され、例えば、90μm×90μmのサイズで、２つのｎ型半導体層９間のギャップが10μmと設定され得る。
【００２１】
電極層（金属膜）５は、それぞれのｐｎ接合構造１３を形成するｎ型半導体層９に主面３ａ上で接合して設けられ、基板３の主材料であるｐ型半導体材料をドープしてｎ型半導体を形成するための機能と、ｎ型半導体層９に接続された電極の機能との両方の機能を有する。このような機能を実現するために、電極層５は、例えば、インジウム（Ｉｎ）によって構成される。電極層５は、インジウム以外にも、ｐ型半導体をドープしてｎ型半導体を形成するドーパントとなるアルミニウム（Ａｌ）によって構成されてもよい。電極層７は、基板３の主面３ｂ上においてｐ型半導体層１１に接合して形成され、ｐ型半導体層１１に主面３ｂ上で接続された電極として機能する。この電極層７は、例えば、銅（Ｃｕ）によって構成される。
【００２２】
このような構成の放射線検出素子１は、電極層５と電極層７との間に逆電圧を印加することにより、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層９によって構成される各ダイオードに入射する放射線を検出可能なイメージングデバイスとして動作する。すなわち、放射線検出素子１におけるｎ型半導体層９及び電極層５に対応する領域が各画素領域を形成する。図３には、放射線検出素子１を複数組み合わせた放射線検出器２０の構成を示している。放射線検出器２０は、複数の放射線検出素子１がそれらの主面３ａを同一平面（又は曲面）上に沿わせるように近接配列されて（タイリングされて）構成される。このような構成の放射線検出器２０は、放射線検出面（画像検出面）の大面積化を実現する。
【００２３】
ここで、放射線検出素子１を製造するための製造装置１００の構成について説明する。図４には、製造装置１００の概略構成を示す。製造装置１００は、レーザ光源１１０、光学系１１１、ミラー１１３、レーザ照射室１１５、真空蒸着容器１２０、真空ポンプ１２６、及びガスボンベ１２５を備える。レーザ光源１１０は、860nm以上の長波長領域の中心波長のレーザ光を照射可能な光源であり、例えば、1064nmの近赤外光を照射するＮｄ：ＹＡＧレーザ装置である。レーザ光源１１０は、基板３の材料であるＣｄＴｅのバンドギャップよりも長波長である860nm以上であれば特定波長のレーザ光を照射するものには限定されず、900nm以上のレーザ光を照射する半導体レーザを用いてもよい。レーザ光源１１０から照射されたレーザ光１１２は、光学系１１１によって強度調整及び位置調整が施されてからミラー１１３によって反射された後、石英窓等のガラス窓１１４を透過してレーザ照射室１１５に入射する。レーザ照射室１１５は、基板３を内部の基板ホルダー１１６上に搭載した状態で収容することにより、基板３に対してレーザ光１１２を照射させることができる。レーザ照射室１１５は、５〜１０気圧の高圧に耐えられるように構成されており、ガスボンベ１２５からガス注入バルブ１２４を介して窒素又はアルゴンガスが導入されることにより内部を高圧雰囲気に設定可能とされる。このレーザ照射室１１５には、圧力計１１７が設けられており、圧力計１１７によりその圧力が監視可能とされている。真空蒸着容器１２０は、レーザ照射室１１５に隣接して設けられており、基板３に対してドーパントの含まれた金属材料等の蒸着を可能とする。真空蒸着容器１２０には、蒸着用のヒータ１２１と、内部の真空度を測定する真空計１２３とが設けられている。また、レーザ照射室１１５及び真空蒸着容器１２０のそれぞれは、バルブ１１９，１２２を有する配管を介して接続された真空ポンプ１２６を動作させることにより、内部を高真空に設定可能とされる。なお、レーザ照射室１１５と真空蒸着容器１２０とはゲートバルブ１１８によって隔てられており、ゲートバルブ１１８が開かれることによって基板ホルダー１１６上に搭載された加工対象の基板３のレーザ照射室１１５と真空蒸着容器１２０との間の移動が可能とされる。
【００２４】
次に、上述した製造装置１００を用いた放射線検出素子１の製造方法の詳細について説明する。図５には、製造装置１００を用いた製造方法の各工程における基板３の加工状態を示している。
【００２５】
まず、ｐ型半導体層１１を主面３ａ側に露出して有する基板３を用意する（図５（ａ））。次に、フォトリソグラフィーにより基板３の主面３ａ上に２次元的に配列されたＩｎ等の金属材料からなる金属膜１５が複数分離して形成される（図５（ｂ）：表面電極形成ステップ）。この金属膜１５のサイズ及び配列ピッチは、製造しようとする放射線検出素子１の電極層５のサイズ及び配列ピッチと同じになるように設定される。このとき、金属膜１５の形成は、製造装置１００の真空蒸着容器１２０内で基板３に金属材料を蒸着によって積層することによって行われる。製造装置１００による蒸着の条件は、金属膜１５に後述する工程でレーザ光が照射されてドーピングされた後でも金属膜１５が基板の主面３ａ上で電極層５として残るような厚さで蒸着されるように設定される。例えば、蒸着の条件は、金属膜１５が約1μmの厚さで蒸着されるように設定される。
【００２６】
その後、金属膜１５が形成された基板３が製造装置１００のレーザ照射室１１５に移送された後、高圧雰囲気下でパルス状の近赤外のレーザ光が基板３の主面３ｂ側から金属膜１５に向けて１ショットで照射される（図５（ｃ）：レーザ照射ステップ）。これにより、近赤外のレーザ光がｐ型半導体層１１を透過して金属膜１５に照射され、基板３と金属膜１５との界面にショックウェーブが形成される結果、金属膜１５内の金属材料が基板３のｐ型半導体層１１内にドーピングされる。その結果、基板３の内部の主面３ａ側の金属膜１５に対向する領域にｎ型半導体層９が形成され、金属膜１５の残余部分が電極層５として残される。これらのｎ型半導体層９及び電極層５は、基板３の主面３ａに沿って複数分離して形成される結果となる。この工程において、金属膜１５は、ｐ型半導体をｎ型半導体にドープするためのドーパントとして用いられる。このとき、レーザ光のパルス幅は、金属膜１５がドーピングされても電極層５として残るような時間（例えば、20nsec）に設定される。
【００２７】
最後に、基板３が製造装置１００の真空蒸着容器１２０に移送され、基板３の裏面３ｂにＣｕ等の金属材料が蒸着されることにより電極層７が形成される（図５（ｄ）：裏面電極形成ステップ）。
【００２８】
以上説明した放射線検出素子１の製造方法によれば、基板３のｐ型半導体層１１の表面３ａに金属材料が金属膜１５として積層され、その表面３ａの反対側の基板３の裏面３ｂから金属膜１５に近赤外のレーザ光を照射することにより、ｐ型半導体層１１と金属膜１５との間にｎ型半導体層９がドーパントの拡散により形成可能とされ、基板３の表面３ａに残された金属膜１５が電極層５として機能する。基板３を構成するＣｄＴｅ等の半導体材料は熱に弱く熱拡散又はイオン注入等を伴うドーピングの方法ではキャリア走行性が減少し検出性能が悪化する。これに対して本実施形態のようなレーザ照射によるドーピングの方法では、パルスレーザ光の１ショットでドーピングが行われるので、基板の表層のみを加熱するような低温プロセスが可能となり、良好な性能の放射線検出器を実現できる。さらに、レーザ照射によるドーピングにより製造された放射線検出素子１は、基板３の界面ではなく基板３の内部に接合が形成されるので、従来のショットキー接合構造に比較して機械的強度が強くワイヤボンディング等の配線手法が使用でき、製造効率を上げられる。また、本実施形態の製造方法においては、ドーパント材としての金属膜１５の蒸着工程が電極層５の形成も兼ねて行われ、基板３のｎ型半導体層９上にあらためて電極層を蒸着する工程が不要である。そのため、製造工程を簡略化することができる。さらには、ｐｎ接合構造１３の領域に合わせて電極層５を形成するときのアライメントが不要とされるので、放射線検出素子１を容易にピクセル化することができる。
【００２９】
ここで、上記形態の放射線検出素子１の製造方法においては、金属膜１５を、基板３の主面３ａ上に複数分離して形成し、ｎ型半導体層９及び電極層５を主面３ａに沿って複数分離して形成する。この場合、放射線検出素子１をピクセル化するためにｐｎ接合構造１３を複数並列に形成する際に、複数のｐｎ接合構造１３の領域と電極層５の領域との位置を容易に一致させることが可能となる。その結果、放射線検出素子１を容易にピクセル化することができる。つまり、ドーパント材としての金属膜１５と電極層５とを別々に形成する手法では、ドーピングに必要な強度のレーザ光に耐えるマスクが必要であるため、メタルマスク等が使用されている。そのため、この手法では、光の干渉によりマスクのエッジ部分に不均一が生じて良好な接合が形成しにくくなり、ピクセル化のための微細加工が困難であった。これに対し、本実施形態では、電極層５を別に形成する必要がないため、フォトリソグラフィーが使用可能とされ、ピクセル化のためのｐｎ接合構造１３の微細化が容易とされる。
【００３０】
また、ｐ型半導体層１１としてＣｄＴｅが用いられているので、非破壊検査時や頭部等の放射線を透過しにくいものを対象とした検査時における放射線イメージングにおいて、高エネルギー領域で高い感度を有する放射線検出素子１を実現することが可能となる。
【００３１】
また、金属膜１５としてＩｎが用いられているので、金属膜１５に、ｐ型半導体層中にｎ型半導体層を形成する機能と、ｎ型半導体層上の電極層としての機能との両方を持たせることができる。
【００３２】
また、放射線検出素子１が複数タイリングされて構成された放射線検出器２０においては、容易に大面積の放射線検出器を実現することができる。つまり、放射線検出素子１では基板３の内部に接合が形成されるために端面のリーク電流を防止するためのカードリングが不要である。そのため、複数の放射線検出素子１をタイリングした際に隣接する２つの放射線検出素子１間の不感帯のギャップを小さくすることができる。
【００３３】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。上記実施形態においては下記の構成に変更されてもよい。
【００３４】
例えば、本実施形態の製造方法の対象としては、テルル化カドミウムの一種であるＣｄＴｅの層をｐ型半導体層１１として有する基板３以外に、テルル化カドミウムの一種であるＣｄＺｎＴｅをｎ型半導体層として有する基板が用いられてもよい。ｎ型半導体の基板３を用いる場合には、ｎ型半導体層１１を有する基板３をレーザ光を用いてドーピングすることにより、基板３の主面３ａに沿ってパターン化されたｐ型半導体層９をｎ型半導体層１１上に形成することができる。この場合、ｎ型半導体をドープしてｐ型半導体を形成する金属膜１５としては、アンチモン（Ｓｂ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等が用いられてもよい。その他、基板３としては、臭化タリウム（ＴｌＢｒ）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ）等を主材料とするものを用いてもよい。
【００３５】
また、本実施形態にかかる製造方法で製造される放射線検出素子１としては、ｐｎ接合ダイオードの構造を有するものには限定されず、ｐｉｎダイオードの構造を有するものであってもよい。すなわち、真正半導体を主材料とする基板３に対して本実施形態と同様にしてレーザ光を用いたドーピングを行うことによって、基板３の両面側のそれぞれにｐ型半導体層及びｎ型半導体層を形成してもよい。この場合、基板３の表面側（例えば主面３ａ側）の半導体層を本実施形態と同様にして裏面側からレーザ光を照射してドーピングして形成し、その後に基板の裏面（例えば主面３ｂ）の半導体層を裏面側からレーザ光を照射してドーピングして形成することができる。ｐｉｎダイオード構造をピクセル化して複数形成したい場合でも、基板両面の接合構造の両方をピクセル構造に微細化する必要は無く、表面（主面３ａ）側のみ微細化すればよい。そのため、表面側の接合構造の形成においてのみ本実施形態のレーザ光を利用した形成方法を利用し、裏面側の接合構造の形成には従来のレーザ光を利用した形成方法を利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１…放射線検出素子、３…基板、３ａ，３ｂ…主面、５…電極層、９…ｎ型半導体層、１１…ｐ型半導体層、１３…ｐｎ接合構造、１５…金属膜、２０…放射線検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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