(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カドミウムとテルルを主成分とする化合物半導体結晶に電圧を印加するための手段として、該化合物半導体結晶の一方の面にインジウムとカドミウムとテルルからなる化合物InxCdyTezであって、テルルの占める割合ｚが原子数比で42.9%以上50 %以下の範囲であり、カドミウムの占める割合ｙが原子数比で10%以下の範囲であり、インジウムが残りの割合を占める化合物、またはインジウムとテルルからなる化合物InxTeｚであって、テルルの占める割合ｚが原子数比で42.9%以上50 %以下の範囲であり、インジウムが残りの割合を占める化合物を有することを特徴とするショットキー障壁型半導体放射線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は核医学、放射線診断、原子力、天文学、宇宙線物理学等の分野で利用される化合物半導体放射線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体放射線検出素子は入射放射線の電離作用によって検出素子内に生成された電荷を、両電極間に印加された電界によって掃引・収集し信号化するものである。したがって入射放射線に対する高いエネルギー分解能を得るために、生成した電荷を高い効率で収集することが重要である。
【０００３】
高い電荷収集率を得るためには、電荷キャリア（電子・正孔）の移動距離: l =μτE （ただし、 μ:キャリアの移動度、 τ: キャリアの寿命、E: 電極間の電界強度）が長いほど、つまり電界強度が大きいほど有利である。
【０００４】
一方全ての半導体放射線検出素子では、入射放射線のない場合においても印加電圧に応じた定常状態の漏れ電流が存在し、これがエネルギー分解能劣化の原因となるので、両電極間に印加できる電圧が制限される。
【０００５】
放射線検出素子用P型CdTe結晶の電気的比抵抗は~109 Ωcm程度であり、対向する２つの面にオーミック電極を形成したMSM (金属電極−半導体−金属電極) 型の半導体放射線検出素子では、電荷収集に十分なバイアス電圧を印加しようとした場合に漏れ電流の抑制が十分でなく、逆に漏れ電流を低減しようとしてバイアス電圧を下げると電荷収集が不十分となり満足の行くエネルギー分解能を得ることが出来ないという不都合があった。
【０００６】
このようなMSM型CdTe半導体放射線検出素子の弱点を克服するために、P型CdTe結晶との間にショットキー接触を形成するインジウム電極等を一方の面に、他方の面にオーミック接触を形成する金や白金電極等を設けたショットキー障壁型半導体放射線検出素子が用いられるようになってきた。
【０００７】
このショットキー障壁型放射線検出素子は優れた整流特性を示すため、逆方向電圧を印可することにより、高い電界強度においてもリーク電流を最低限に抑制することができ、優れたエネルギー分解能を示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような金属インジウムをショットキー障壁側の電極材料としたCdTe放射線検出素子は、バイアス電圧印加後、時間と共に電荷収集率が著しく劣化していくいわゆる偏極現象（ポーラリゼーション効果）がみられる。この現象は、陽極側のショットキー性または陰電極側のオーム接触性が完全でないためにバンド構造に歪みを生じ、結果として正孔が陰極へ到達する前に充満帯に閉じ込められ電子捕獲中心となることが原因と考えられている。即ち金属インジウムを電極材料としたショットキー障壁型CdTe放射線検出素子の場合、電圧印加直後は優れたエネルギー分解能を示すものの、時間経過とともにこの性能が劣化するという問題があり、実用上の大きな障害になっていた。
【０００９】
本発明は、このような従来の電極構成の有していた課題を解決しようとするものであり、適切な電極構造にすることによってポーラリゼーション効果の影響を受けにくいショットキー障壁型放射線検出素子を実現することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そして、本発明は上記目的を達成するために、カドミウムとテルルを主成分とする化合物半導体結晶に電圧を印加するための手段として、該化合物半導体結晶の一方の面にインジウムとカドミウムとテルルからなる化合物InxCdyTezであって、テルルの占める割合ｚが原子数比で42.9%以上50 %以下の範囲であり、カドミウムの占める割合ｙが原子数比で10%以下の範囲であり、インジウムが残りの割合を占める化合物、またはインジウムとテルルからなる化合物InxTeｚであって、テルルの占める割合ｚが原子数比で42.9%以上50 %以下の範囲であり、インジウムが残りの割合を占める化合物を有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
上記の課題解決手段による効用は次のとおりである。すなわちInxCdyTezまたは InxTeｚとCdTe化合物半導体との間にショットキー障壁性接合が形成され優れた整流特性を示す。つまりInxCdyTezまたはInxTe側が高電位になるような向きに電圧を印可すると、漏れ電流を効果的に抑制しつつ高電荷収集率を実現し、結果としてエネルギー分解能に優れた放射線検出素子として動作することが出来る。
【００１３】
このとき、インジウムとカドミウムとテルルの化合物であるInxCdyTezのうち、テルルの占める割合zを原子数比で42.9%以上50 %以下の範囲とし、カドミウムの占める割合yを原子数比で10%以下の範囲とし、インジウムを残りの割合を占めるものとし、またはインジウムとテルルからなる化合物であるInxTezのうち、テルルの占める割合ｚが原子数比で４２．９％以上５０％以下の範囲であり、インジウムが残りの割合を占めるものとすることによって、常温においても長時間に亘って電荷収集率をバイアス印加直後の高い水準に維持し、偏極現象の影響を受けにくい安定な動作を実現できる。これに対してInxCdyTezのテルルの占める割合zが原子数比で42.9%未満の場合または以上50%を超える場合、あるいはカドミウムの占める割合yが原子数比で10%を超える場合は、バイアス印加後極短時間のうちに電荷収集率の低下をみる事等から不適当である。
【００１４】
以上のように、本発明の半導体放射線検出素子は、従来のショットキー障壁型放射線検出素子において電荷収集効率が時間と共に劣化するいわゆるポーラリゼーション効果が数分から数十分という極短時間の間に発生するのに対して、室温において数時間に及ぶ安定動作を実現したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面にスパッタリング法等の製膜技術によってInxCdyTez薄膜のショットキー性接合を形成し、他方の面には白金等を用いてオーミック電極を形成する。この際、CdTe とInxCdyTezとによりショットキー接合が形成される。InxCdyTez層の表面にコンタクト材料としてアルミニウム等の金属薄膜を製膜してもよい。また、InxCdyTez薄膜を形成する方法はスパッタリングに限定されない。
【００１６】
さらに、上記CdTe半導体結晶はこれのみに限定されず、カドミウムとテルルとを主成分とする化合物半導体結晶において、カドミウムの占める割合が原子数比で30%以上50%以下である化合物、例えばカドミウム亜鉛テルル(Cd1-x Znx Te)に置き換えることができる。
【００１７】
電極形成後、ウェーハーをダイシングによって適当な大きさのチップに分割する。
【００１８】
【実施例１】
カドミウムとテルルを主成分とする化合物半導体結晶に電圧を印加するための手段として該化合物半導体結晶表面にインジウムとカドミウムとテルルの化合物InxCdyTezを有することを特徴とするショットキー障壁型半導体放射線検出素子の製法と本素子を用いた放射線エネルギースペクトル計測の例を示す。まず比抵抗 109 ΩcmのＰ型CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、スパッタリングによってショットキー障壁形成面の電極として、テルルとカドミウムとインジウムの化合物InxCdyTez層を形成し、また他方の面にはオーム性の電極として無電解メッキ法により白金電極を形成した(図１)。尚、上記InxCdyTez層の組成をＸ線回折法（XRD）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDX）等によって調査した結果、組成はIn49.5Cd0.5Te50 であった（図２）。その後、電極がついたウェーハーを適当な大きさのチップに分割し、ショットキー障壁型半導体放射線検出素子を作製した。
【００１９】
図３にスペクトル計測の概略を示す。本図に示すように白金電極側（陰極）は接地し、InxCdyTez電極側（陽極）は高電圧電源及び、前置増幅器に接続した。
【００２０】
図４は上記の放射線エネルギースペクトルの57Coガンマ線源に対する応答の経時変化を示したものである。ここでは57Coガンマ線源から放出される光子エネルギーのうち特に、122keV光電吸収ピークに対するピークチャンネルの経時変化をもって検出器特性劣化の評価を行った。本図から分かるように、本発明のショットキー障壁型CdTe放射線検出素子はバイアス電圧印加後の180分間、122keV光電吸収事象に対し一定の応答を示した。即ち、本発明によるショットキー障壁型放射線検出器素子は室温において長時間に渡り安定な動作を実現している。
【００２１】
【実施例２】
比抵抗 109 ΩcmのＰ型CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、抵抗加熱蒸着によってショットキー障壁形成面の電極として、テルルとカドミウムとインジウムの化合物InxCdyTez層を形成し、また他方の面にはオーム性の電極として無電解メッキにより白金電極を形成した(図１)。尚上記InxCdyTez層の組成をＸ線回折法（XRD）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDX）によって調査した結果、組成はIn57.1Cd0Te42.9(In4Te3)であった（図２）。その後、このショットキー障壁型CdTe半導体放射線検出素子を用いて上記実施例１の場合と同様なスペクトロメータを構成し、単色放射線に対する応答を調べたところ、上記実施例１の場合と同様高電荷収集率と長時間に渡る安定な動作を示した。
【００２２】
【実施例３】
比抵抗 109 ΩcmのＰ型CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、抵抗加熱蒸着によってショットキー障壁形成面の電極として、テルルとカドミウムとインジウムの化合物InxCdyTez層を形成し、また他方の面にはオーム性の電極として無電解メッキにより白金電極を形成した(図１)。尚上記InxCdyTez層の組成をＸ線回折法（XRD）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDX）によって調査した結果、組成はIn56.6Cd0.5Te42.9であった（図２）。その後、このショットキー障壁型CdTe半導体放射線検出素子を用いて上記実施例１の場合と同様なスペクトル計測を実施し、単色放射線に対する応答を調べたところ、上記実施例１の場合と同様高電荷収集率と長時間に渡る安定な動作を示した。
【００２３】
【比較例１】
CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、スパッタリング等によりインジウム層を製膜し、反対側には白金電極を形成した（図５）。尚、上記インジウム層の元素組成をＸ線回折法（XRD）とエネルギー分散型Ｘ線分析装置（EDX）等によって調査した結果、この層は単体のインジウム(In100Cd0Te0) であった（図２）。この方法で製作された放射線検出素子は、実施例によるものと同様にショットキー性を示し高い電界を印可することが可能で、電荷収集率が高かった。しかし、このCdTe放射線検出器の性能は、図６に示すように時間と共に劣化した。つまり、57Coガンマ線源から放出される122keVの光子に対する光電吸収ピークチャンネルはバイアス印加後わずか２０分から３０分程度で下がり始め、５０分後には約９０％にまで低下し、経時的に安定した素子にならなかった。
【００２４】
【比較例２】
CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、スパッタリング等の製膜技術によりテルルとカドミウムとインジウムの化合物のうち各構成元素の占める割合がIn57.1Cd0.5Te42.4である化合物の層を形成し（図２）、反対側には白金電極を形成した。この方法で製作された放射線検出素子は、実施例によるものと同様にショットキー性を示し高い電界を印可することが可能で、電荷収集効率が高かった。しかし、比較例１に示した放射線検出素子の場合と同様、時間と共に性能が劣化し経時的に安定した素子にならなかった。
【００２５】
【比較例３】
CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、スパッタリング等の製膜技術によりテルルとカドミウムとインジウムの化合物のうち各構成元素の占める割合がIn42.9Cd0Te57.1 （即ち、In3Te4）である化合物の層を形成し（図２）、反対側にはプラチナ電極を形成した。この方法で製作された放射線検出素子は、実施例によるものと同様にショットキー性を示し高い電界を印可することが可能で、電荷収集効率が高かった。しかし、比較例１に示した放射線検出素子の場合と同様、時間と共に性能が劣化し経時的に安定した素子にならなかった。
【００２６】
【比較例４】
CdTe半導体結晶ウェーハーの一方の面に、スパッタリング等の製膜技術によりテルルとカドミウムとインジウムの化合物のうち各構成元素の占める割合がIn45.1Cd12Te42.9である化合物の層を形成し（図２）、反対側にはプラチナ電極を形成した。この方法で製作された放射線検出素子は、実施例によるものと同様にショットキー性を示し高い電界を印可することが可能で、電荷収集効率が高かった。しかし、比較例１に示した放射線検出素子の場合と同様、時間と共に性能が劣化し経時的に安定した素子にならなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の放射線検出素子の電極構造図である。
【図２】 各実施例・比較例におけるInxCdyTezの組成および本発明の範囲を示す図である。
【図３】 本発明の実施例を示す放射線検出素子を用いたスペクトル計測の概略図である。
【図４】 本発明の放射線検出素子の単色放射線に対する応答の経時変化を示す図である。
【図５】 比較例を示す従来の放射線検出素子の電極構造および電極形成法の説明図である。
【図６】 比較例の放射線検出素子の単色放射線に対する応答の経時変化を示す図である。
【図１】
0005135651.tif 000002
【図２】
0005135651.tif 000003
【図３】
0005135651.tif 000004
【図４】
0005135651.tif 000005
【図５】
0005135651.tif 000006
【図６】
0005135651.tif 000007