JP2013145180A - Radiation detector, radiation detection assembly and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、シリコンなどの高抵抗半導体基板を用いて構成した放射線検出器、放射線検出装置及びそれらの動作方法に関する。 The present invention relates to a radiation detector, a radiation detection apparatus, and an operation method thereof using a high-resistance semiconductor substrate such as silicon.
従来、放射線検出器として、高抵抗半導体基板そのものを空乏化し、厚い光電変換層を形成することで、X線などの高エネルギー放射線を高感度で検出できるようにしたSDD( Semiconductor Drift Detector) が提案されている。このSDDでは、陽極を円環状の多重電極として、放射線の検出時には、この多重電極に異なる電位を付加し、電位勾配を形成することにより電荷収集効率を高め、また、基板表面中央に拡散層を局所的に形成することにより拡散層容量を小さくし、結果的に高速動作に適し、エネルギー分解能を向上させている。 Conventionally, as a radiation detector, SDD (Semiconductor Drift Detector) has been proposed, which is capable of detecting high-energy radiation such as X-rays with high sensitivity by depleting the high-resistance semiconductor substrate itself and forming a thick photoelectric conversion layer. Has been. In this SDD, the anode is an annular multi-electrode, and when detecting radiation, different electric potentials are applied to the multi-electrode to form a potential gradient to increase the charge collection efficiency, and a diffusion layer is provided at the center of the substrate surface. By forming locally, the capacity of the diffusion layer is reduced, and as a result, it is suitable for high-speed operation and the energy resolution is improved.
図5は、特開2008−153256号公報(特許文献1)に開示されている、かかる構成のSDDの構造の一例を示す一部省略断面図である。図5に示すSDDにおいては、シリコン基板からなるI層110の第1の面111(裏面)にP型拡散層(カソード)112が設けられ、I層110の第2の面(表面)113にはN型拡散層(アノード)114が設けられると共に、前記N型拡散層114を中心として多数のPリング型拡散層115a,115b,115cが形成されている。
FIG. 5 is a partially omitted cross-sectional view showing an example of the structure of the SDD having such a configuration disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2008-153256 (Patent Document 1). In the SDD shown in FIG. 5, a P-type diffusion layer (cathode) 112 is provided on the first surface 111 (back surface) of the I
I層110の抵抗率は、通常、1kΩcm以上であり、また、その厚さは100μm以上であり、一方、前記P型拡散層112又はN型拡散層114は、例えばその表面濃度の値が1E20cm-3以上、拡散層深さは1μm程度であるとされている。
The resistivity of the I
この様な構成の従来のSDDにおいては、第1の面111のP型拡散層112に電圧を印加すると共に、Pリング型拡散層115a,115b,115cに、例えば、それぞれ図中に示したような電圧を印加し、それにより生じた電位勾配によって、放射線の入射によりI層110で発生した電荷(電子)を前記N型拡散層114に効率的に集めることができるようになっている。
In the conventional SDD having such a configuration, a voltage is applied to the P-
ところで、上記特許文献1に開示されているSDDでは、その構造と動作の説明から推察されるように、表面中心に形成したN型拡散層114のバイアスの影響が素子の周辺になるほど低下するため、シリコン基板のダイオード逆バイアスで生じる空乏化が損なわれ、その結果、ダイオードの光電変換能力の低下を来し、従来のPINダイオードからなる放射線検出器と比べて、N型拡散層容量の低減に基づく高速性は得られるけれども、センサ感度の低下を招くという欠点が存在していた。
By the way, in the SDD disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, the influence of the bias of the N-
また、表面に形成したPリング型拡散層115a,115b,115cには異なるバイアス電圧を印加するため、各Pリング型拡散層同士で電流が流れ、加えて、各Pリング型拡散層115a,115b,115cとシリコン基板の第1の面111に形成したP型拡散層112との間にも電流が流れる懸念があり、かかる電流起因の消費電力増大により発熱が生じ、かかる発熱の増大は、暗電流の増加、すなわち信号電流に対する雑音電流の増大を来すという課題も存在していた。
Further, since different bias voltages are applied to the P-ring
本発明は、従来のSSDなどの放射線検出器における上記問題点を解消するためになされたもので、光電変換動作時には、従来のPINダイオードからなる放射線検出器のように基板全体が空乏化できるようにし、それによる良好な光電変換動作を有し、また、信号読み出し動作時には、従来のSDDと同様に、外部の信号検出回路に結合される拡散層容量の低減が可能な、つまり、CR(容量−抵抗)積で決まる時定数を小さく出来るようにした、高速動作が可能で且つ高感度の放射線検出器及び放射線検出装置並びにそれらの動作方法を提供することを目的とする。更に、不要な電流の流れも防止でき、従来のSDDと比べて低消費電力と低発熱、更には低雑音も実現可能な放射線検出器及び放射線検出装置並びにそれらの動作方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems in radiation detectors such as conventional SSDs, and at the time of photoelectric conversion operation, the entire substrate can be depleted like a radiation detector composed of a conventional PIN diode. Therefore, during the signal readout operation, the capacitance of the diffusion layer coupled to the external signal detection circuit can be reduced, that is, CR (capacitance). It is an object of the present invention to provide a radiation detector and radiation detection apparatus capable of high-speed operation and high sensitivity, and a method for operating them, in which the time constant determined by the (resistance) product can be reduced. Furthermore, an object of the present invention is to provide a radiation detector, a radiation detection apparatus, and an operation method thereof that can prevent an unnecessary current flow and can realize low power consumption, low heat generation, and low noise as compared with a conventional SDD. And
上記目的を達成するため、請求項1に係わる発明は、 高抵抗半導体基板と、該高抵抗半導体基板の第1の面に設けられたP型拡散層と、前記高抵抗半導体基板の第2の面に島状に設けられたN型拡散層と、該N型拡散層を囲むように前記高抵抗半導体基板の第2の面の全面に、ゲート絶縁膜を介在させて形成されたゲート電極とで、放射線検出器を構成するものである。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a high-resistance semiconductor substrate, a P-type diffusion layer provided on a first surface of the high-resistance semiconductor substrate, and a second of the high-resistance semiconductor substrate. An N-type diffusion layer provided in an island shape on the surface, and a gate electrode formed on the entire surface of the second surface of the high-resistance semiconductor substrate so as to surround the N-type diffusion layer with a gate insulating film interposed therebetween. Thus, the radiation detector is constituted.
この様に構成された放射線検出器においては、ゲート電極にかけるバイアスで、ゲート電極下の反転層、すなわち電荷存在の有無をコントロールできるため、簡単な構成で、高抵抗半導体基板全体の空乏化による高感度と、島状N型拡散層での拡散層容量の低減による高速動作が両立できる放射線検出器を実現することができる。 In the radiation detector configured in this way, since the inversion layer under the gate electrode, that is, the presence or absence of electric charge can be controlled by the bias applied to the gate electrode, the entire structure of the high-resistance semiconductor substrate is depleted with a simple configuration. A radiation detector that can achieve both high sensitivity and high-speed operation by reducing the diffusion layer capacitance in the island-shaped N-type diffusion layer can be realized.
請求項2に係る発明は、請求項1に係る放射線検出器において、前記ゲート電極直下の前記高抵抗半導体基板の第2の面の表面部に、前記N型拡散層を囲むように低濃度N型表面層が形成されていることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the radiation detector according to the first aspect, a low concentration N is formed so as to surround the N-type diffusion layer on the surface portion of the second surface of the high-resistance semiconductor substrate immediately below the gate electrode. A mold surface layer is formed.
この様に構成された放射線検出器においては、低濃度N型表面層によりゲート閾値電位の調整ができ、ゲート電極に印加するバイアス電位の最適化が可能となる。 In the radiation detector configured as described above, the gate threshold potential can be adjusted by the low concentration N-type surface layer, and the bias potential applied to the gate electrode can be optimized.
請求項3に係る発明は、請求項2に係る放射線検出器において、前記低濃度N型表面層が、前記N型拡散層に近づくに従い、その不純物濃度が高くなっていることを特徴とするものである。 The invention according to claim 3 is the radiation detector according to claim 2, characterized in that the impurity concentration of the low-concentration N-type surface layer increases as it approaches the N-type diffusion layer. It is.
この様に構成された放射線検出器においては、放射線の入射により高抵抗半導体基板に生成された信号電荷のN型拡散層(アノード)への移動スピードの更なる上昇が可能となり、より高速な信号読み出しができる。 In the radiation detector configured as described above, it is possible to further increase the movement speed of the signal charge generated on the high-resistance semiconductor substrate by the incidence of radiation to the N-type diffusion layer (anode), so that a higher-speed signal can be obtained. Reading is possible.
請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項に係る放射線検出器において、前記ゲート絶縁膜の厚さが、前記N型拡散層に近づくに従い、薄くなっていることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the radiation detector according to any one of the first to third aspects, the thickness of the gate insulating film decreases as the thickness approaches the N-type diffusion layer. It is what.
この様に構成された放射線検出器においては、放射線の入射により高抵抗半導体基板に生成された信号電荷のN型拡散層(アノード)への移動スピードの更なる上昇が可能となり、より高速な信号読み出しができる。 In the radiation detector configured as described above, it is possible to further increase the movement speed of the signal charge generated on the high-resistance semiconductor substrate by the incidence of radiation to the N-type diffusion layer (anode), so that a higher-speed signal can be obtained. Reading is possible.
請求項5に係る発明は、高抵抗半導体基板と、該高抵抗半導体基板の第1の面に島状に設けられたP型拡散層と、該P型拡散層を囲むように前記高抵抗半導体基板の第1の面の全面に、ゲート絶縁膜を介在させて形成された第1のゲート電極と、前記高抵抗半導体基板の第2の面に島状に設けられたN型拡散層と、該N型拡散層を囲むように前記高抵抗半導体基板の第2の面の全面に、ゲート絶縁膜を介在させて形成された第2のゲート電極とで、放射線検出器を構成するものである。 The invention according to claim 5 is a high-resistance semiconductor substrate, a P-type diffusion layer provided in an island shape on the first surface of the high-resistance semiconductor substrate, and the high-resistance semiconductor so as to surround the P-type diffusion layer A first gate electrode formed on the entire first surface of the substrate with a gate insulating film interposed therebetween, an N-type diffusion layer provided in an island shape on the second surface of the high-resistance semiconductor substrate, A radiation detector is constituted by a second gate electrode formed on the entire second surface of the high-resistance semiconductor substrate with a gate insulating film interposed so as to surround the N-type diffusion layer. .
この様に構成された放射線検出器においては、高抵抗半導体基板の第1及び第2の面のP型及びN型拡散層の容量の低減化が実現でき、それにより、より高速動作が可能な放射線検出器が実現可能となる。 In the radiation detector configured in this way, it is possible to reduce the capacitance of the P-type and N-type diffusion layers on the first and second surfaces of the high-resistance semiconductor substrate, thereby enabling higher-speed operation. A radiation detector can be realized.
請求項6に係る発明は、請求項1〜4のいずれか1項に係る放射線検出器を複数個重ね合わせて放射線検出装置を構成するものである。 The invention according to claim 6 constitutes a radiation detection apparatus by superimposing a plurality of radiation detectors according to any one of claims 1 to 4.
請求項7に係る発明は、請求項5に係る放射線検出器を複数個重ね合わせて放射線検出装置を構成するものである。 According to a seventh aspect of the present invention, a plurality of radiation detectors according to the fifth aspect are overlapped to constitute a radiation detection apparatus.
この様に構成された放射線検出装置においては、各検出器の出力を並列的に出力させることにより、より高感度な放射線検出装置を実現することができる。 In the radiation detection apparatus configured as described above, a more sensitive radiation detection apparatus can be realized by outputting the outputs of the detectors in parallel.
請求項8に係る発明は、請求項1〜4及び6のいずれか1項における放射線検出器において、信号蓄積動作時にはゲート電極下に反転層が存在する状態で、信号読み出し動作時にはゲート電極下に反転層が存在しない状態で動作させるようにして、放射線検出器又は放射線検出装置の動作方法を構成するものである。 According to an eighth aspect of the present invention, in the radiation detector according to any one of the first to fourth and sixth aspects, an inversion layer exists under the gate electrode during the signal accumulation operation, and under the gate electrode during the signal readout operation. The operation method of the radiation detector or the radiation detection apparatus is configured so as to operate in the state where the inversion layer does not exist.
請求項9に係る発明は、請求項5又は7における放射線検出器において、信号蓄積動作時には第1及び第2のゲート電極下に反転層が存在する状態で、信号読み出し動作時には第1及び第2のゲート電極下に反転層が存在しない状態で動作させるようにして、放射線検出器又は放射線検出装置の動作方法を構成するものである。 According to a ninth aspect of the present invention, in the radiation detector according to the fifth or seventh aspect, the inversion layer exists under the first and second gate electrodes during the signal accumulation operation, and the first and second during the signal readout operation. The operation method of the radiation detector or the radiation detection apparatus is configured so as to operate in a state where no inversion layer exists under the gate electrode.
この様に構成された放射線検出器又は放射線検出装置の動作方法においては、N型拡散層容量の低減化による高速動作、並びに高抵抗半導体基板全体の空乏化による高感度動作を容易に行うことができる。 In the operation method of the radiation detector or radiation detection apparatus configured as described above, high-speed operation by reducing the N-type diffusion layer capacitance and high-sensitivity operation by depletion of the entire high-resistance semiconductor substrate can be easily performed. it can.
本発明によれば、従来の放射線検出器に比べ、簡単な構成で、より高感度で、且つ高速検出が可能で、低消費電力の放射線検出器及び放射線検出装置、並びにそれらの動作方法を実現することができる。 According to the present invention, compared to conventional radiation detectors, a radiation detector and a radiation detection apparatus, and their operation methods, which have a simple configuration, can be detected with higher sensitivity and can be detected at high speed, and have low power consumption. can do.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
(第1の実施の形態)
本発明に係る放射線検出器の第1の実施の形態を図1(A)及び(B)に示す。図1(A)は、本実施の形態に係る放射線検出器の上方向から見た平面面、図1(B)は図1(A)に示した放射線検出器の断面図である。図1(A)及び(B)において、11はシリコンなどの半導体基板からなるI層で、基板として使用する。該I層11の抵抗率は、通常、1kΩcm以上であり、好適には10kΩcm以上とする。例えば、厚さ500μmの基板に100Vの電位を与えて基板を完全空乏化させるには、5.3E11cm-3の基板濃度(つまり、N型基板の場合、約10kΩcmに対応する)が必要となる。更に高抵抗の基板を使用することにより、印加電圧の低下が実現できる。
(First embodiment)
1A and 1B show a first embodiment of a radiation detector according to the present invention. 1A is a plan view seen from above the radiation detector according to the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the radiation detector shown in FIG. 1A and 1B,
また、その半導体基板(I層)の厚さは、100μm以上であり、好適には500μm以上とする。これは、空乏化された基板が厚いほど、放射線検出感度が増大するという理由による。 In addition, the thickness of the semiconductor substrate (I layer) is 100 μm or more, and preferably 500 μm or more. This is because the radiation detection sensitivity increases as the depleted substrate becomes thicker.
半導体基板の不純物のタイプは一般的には問わないが、信号キャリアが電子の場合は、P型が望ましい。半導体がシリコンの場合は、ボロンなどのP型不純物がI層(基板)に含まれる。 The type of impurities in the semiconductor substrate is not particularly limited, but when the signal carrier is an electron, the P type is desirable. When the semiconductor is silicon, P-type impurities such as boron are included in the I layer (substrate).
このI層の第1の面(裏面)には、従来のSDDと同様に、P型拡散層(カソード)12が設けられる。このP型拡散層12は、その表面濃度の値が1E19cm-3以上、好適には1E20cm-3以上とする。拡散層深さは1μm程度である。
A P-type diffusion layer (cathode) 12 is provided on the first surface (back surface) of the I layer, as in the conventional SDD. The P-
一方、I層11の第2の面(表面)には、従来のSDDと同様に、その中央部に、島状のN型拡散層(アノード)13が設けられている。そのN型拡散層13の表面濃度の値は、好適には1E20cm-3以上で、拡散層深さは1μm程度であるが、P型拡散層12ともども、通常のMOSFETのソース・ドレイン拡散層、あるいはバイポーラトランジスタのエミッタの構造パラメータを使用しても、全く差し支えない。
On the other hand, an island-like N-type diffusion layer (anode) 13 is provided at the center of the second surface (front surface) of the
従来例のSDDでは、N型拡散層114を中心として多数のPリング型拡散層115a〜115cが形成されていたが、本発明においては、前記N型拡散層13を囲むようにして、ゲート電極14が形成されている。ゲート電極14の材料としては、アルミニウムや多結晶シリコン、あるいは、 高融点金属などがあり、そしてゲート電極14の厚さは、0.1μmから1μm程度である。
In the conventional SDD, a large number of P-ring type diffusion layers 115a to 115c are formed around the N-
そして、このゲート電極14と基板(I層)11との間には、SiO2 あるいはSiNからなるゲート絶縁膜15が形成されており、ゲート絶縁膜15はゲート電極14と基板(I層)11との間の電気的な絶縁を行うので、ゲート電極14と基板(I層)11との間に印加するバイアスの大きさにも依存するが、その厚さは、0.1μmから1μmを有する。
A
ゲート絶縁膜15の厚さは、ゲート電極14に印加するバイアスで壊れないことが前提であり、ゲート電極14に200V程度の電位を印加することを前提とするならば、300nm(0.3μm)程度の厚さが望ましい。一般的には、ゲート絶縁膜15の厚さが増大するほど、電気耐圧は上昇するが、一方、ゲート絶縁膜15が厚くなるほど、ゲート電極14に印加する電位の効率が低下するため、必要以上に厚くすることは得策ではない。
The thickness of the
また、P型拡散層(カソード)12に印加する電圧を−100Vとし、基板(I層)11のボロン濃度を5E11cm-3とし、厚さ300nmのSiO2 よりなるゲート絶縁膜15を用いると、表面のN型拡散層(アノード)13に印加するバイアスが接地電位(0V)であるならば、バックゲート効果を考慮しても、ゲート絶縁膜15の直下に電子の反転層が形成されるゲート電位は、0.35Vと算出される。つまり、N型拡散層(アノード)13に印加する電位に対して、数V正の電位をゲート電極14に印加すれば、電子反転層が形成されることになる。この低電圧性は、基板不純物濃度が低いことに起因する。
Further, when the voltage applied to the P-type diffusion layer (cathode) 12 is −100 V, the boron concentration of the substrate (I layer) 11 is 5E11 cm −3, and the
図1(B)では、ゲート絶縁膜15は一定の厚さを有する構造を示しているが、N型拡散層13に近づくにつれて、その厚さが減少する態様に設定してもよい。この場合、例えば、N型拡散層13に隣接する部分のゲート絶縁膜15の厚さが300nmの場合は、他方の離れた端部のゲート絶縁膜15の厚さは、例えば600nmと設定すればよい。
Although FIG. 1B shows a structure in which the
更に、図1(B)において、16は、ゲート絶縁膜15の下方に形成される低濃度表面不純物拡散層であり、その表面濃度が、最大1E17cm-3で、拡散層深さが1μm程度のパラメータに設定されている。低濃度表面不純物拡散層16の不純物タイプとしてはN型であり、燐あるいは砒素原子がイオン注入法などにより拡散形成されている。なお、低濃度表面不純物拡散層16の濃度は全領域一定な場合のほかに、N型拡散層(アノード)13に近づくにつれて、その濃度が増大する拡散層構造としてもよい。
Further, in FIG. 1B, 16 is a low-concentration surface impurity diffusion layer formed below the
この低濃度表面不純物拡散層16は、MOSFETでいうところの、ゲート電圧調整用表面不純物イオン注入層と同一の機能をもつものである。基板(I層)11の不純物濃度やデバイス動作印加バイアスにもよるが、そのイオン注入ドーズ量は、1E11cm-2〜1E13cm-2の範囲となっている。
The low-concentration surface
以上のように、低濃度表面不純物拡散層(N型)16は、ゲート閾値電位の調整のために形成する層であり、特に、その濃度をN型拡散層(アノード)13に近づくにつれて増大させることにより、濃度分布起因のフリンジ電界を形成し、光電変換動作で生成した電子のN型拡散層領域への流入を迅速にさせる役割を果たす。なお、この機能は、上記のように、前記ゲート絶縁膜15をN型拡散層(アノード)13に近づくにつれて薄くするということでも実現できる。
As described above, the low-concentration surface impurity diffusion layer (N-type) 16 is a layer formed for adjusting the gate threshold potential, and in particular, its concentration is increased as it approaches the N-type diffusion layer (anode) 13. As a result, a fringe electric field due to the concentration distribution is formed, and the role of rapidly inflowing electrons generated by the photoelectric conversion operation into the N-type diffusion layer region is achieved. This function can also be realized by making the
また、ゲート電極14とN型拡散層13とは、図1(B)に示すように、オーバーラップした配置態様となっており、それらの端部が互いにゲート絶縁膜15を介して接触している状態になっている。
Further, as shown in FIG. 1B, the
以上が、図1(B)に示した本実施の形態に係る放射線検出器の断面構造の説明であり、その平面構造は図1(A)に示すように、放射線検出器の表面の中央部にN型拡散層(アノード)13が存在し、これを囲むように表面にゲート電極14が形成されており、それらの領域とほぼ同程度に、裏面にP型拡散層(カソード)12が形成されている。なお、ゲート電極14や各拡散層12,13の周縁部の形状を、ここでは円形で示しているが、その表面周縁形状は矩形などでもよく、円形には限定されない。
The above is the description of the cross-sectional structure of the radiation detector according to the present embodiment shown in FIG. 1B, and the planar structure is the central portion of the surface of the radiation detector as shown in FIG. An N-type diffusion layer (anode) 13 is present on the front surface, and a
次に、図2の図表を用いて、本実施の形態に係る放射線検出器の動作について説明する。図2の図表に示すように、動作モードとしては、リセット動作、光電変換動作(信号蓄積動作)、信号読み出し動作の3つの動作があり、図表の横方向の欄には、各々の動作状態を示している。一方、縦方向の欄には、放射線検出器の3つの構成要素部分(部位)、すなわち、P型拡散層(カソード)12、N型拡散層(アノード)13、ゲート電極14を表しており、表中には、各々の動作時に、各構成要素部分に印加されるバイアスを示している。
Next, the operation of the radiation detector according to the present exemplary embodiment will be described using the chart of FIG. As shown in the chart of FIG. 2, there are three operation modes: a reset operation, a photoelectric conversion operation (signal accumulation operation), and a signal readout operation. Show. On the other hand, the vertical column shows three component parts (parts) of the radiation detector, that is, a P-type diffusion layer (cathode) 12, an N-type diffusion layer (anode) 13, and a
まず、裏面に形成されたP型拡散層(カソード)12は、常時接地されており、接地電位が印加された状態となっている。その状態で、リセット時には、信号電荷である電子を、アノードとなるN型拡散層13及び基板(I層)11に完全に吐き出すべく、N型拡散層13には+Vの正電位、またゲート電極14には、同じく正の電位+Vg1を印加することで、電子が存在する場合の表面チャネルを形成する。
First, the P-type diffusion layer (cathode) 12 formed on the back surface is always grounded and a ground potential is applied. In this state, at the time of resetting, in order to completely discharge electrons, which are signal charges, to the N-
リセット動作後は、信号である電子を蓄積する、すなわち光電変換状態とするため、N型拡散層(アノード)13をフローティング( floating )状態とする。この動作により、信号蓄積開始時にはN型拡散層13は+Vの電位に保たれるが、電子の蓄積と共に、その電位は負の方向低下していく。また、光電変換動作時は、ゲート電極14には、リセット動作時と同様、+Vg1の電位を印加して、ゲート電極下に信号電子の表面チャネル(反転層)を形成し、基板11のバイアス状態としては、PINダイオードと同様な状態にする。すなわち、基板全体が空乏化している状態とする。
After the reset operation, the N-type diffusion layer (anode) 13 is set in a floating state in order to accumulate electrons as signals, that is, in a photoelectric conversion state. With this operation, the N-
ある期間の光電変換動作状態が過ぎると、信号読み出し動作に移り、N型拡散層13に蓄積された信号電子を読み出す。そのために、N型拡散層13には+Vの電位が印加され、蓄積信号電子がN型拡散層13より流れ出る。このときゲート電極14には、例えば、負の電位、−Vg2を印加して、基板表面を電子の反転層が存在しない状態、すなわち空乏層状態か正孔の蓄積状態とする。この状態に設定することで、信号読み出し時には、N型拡散層13の拡散容量は、SDDと同様に、基板表面に作成された島状のN型拡散層領域のみの容量となり、容量値の低減化が実現できる。
When the photoelectric conversion operation state for a certain period has passed, the operation proceeds to a signal reading operation, and the signal electrons accumulated in the N-
以上、第1の実施の形態に係る放射線検出器の構造と動作について説明したが、かかる放射線検出器の基板はシリコン以外の材料でも形成することができ、例えば、GaAsやCdTeなどの化合物半導体でも形成でき、特に、構成元素が重い原子量になるほど、放射線の阻止能が増大するため、高感度となる。 Although the structure and operation of the radiation detector according to the first embodiment have been described above, the substrate of the radiation detector can be formed of a material other than silicon, for example, a compound semiconductor such as GaAs or CdTe. In particular, the heavier the atomic weight of the constituent elements, the higher the sensitivity because radiation stopping power increases.
また、この実施の形態に係る放射線検出器においても、放射線は表面入射と裏面入射の、双方向からの入射に対応することができる。更には、N型拡散層13の信号電荷を検出するための回路または接合型FETなどの信号検出デバイスを、オンチップで一体的に形成することもでき、この状態も本実施の形態の変形例として含まれる。加えて、この実施の形態に係る放射線検出器においては、各拡散層の不純物タイプと各部への印加バイアスを逆にした態様の放射線検出器も変形例として含まれる。
Also in the radiation detector according to this embodiment, radiation can correspond to incident from both directions of front side incidence and rear side incidence. Further, a signal detection device such as a circuit for detecting signal charges in the N-
第1の実施の形態の他の変形例としては、次のような形態がある。すなわち、図1に示した第1の実施の形態に係る放射線検出器においては、N型拡散層(アノード)は表面中央部の一箇所に形成したものを示したが、それには限定されず、例えば、基板表面のゲート電極の下部に複数個、散在させて配置することもでき、その場合は、複数個のN型拡散層は配線にて共通に結合される。また、この場合も、ゲート電極は、散在する複数個の各N型拡散層を、それぞれ囲むように配置される。かかる形態の採用により、より広いゲート領域に対しても、より効率的な信号電子のN型拡散層(アノード)への排出が可能となる。また、単一のN型拡散層を形成した場合でも、デバイスの中心を外して、ゲート電極の周辺領域に形成することもできる。 As other modifications of the first embodiment, there are the following forms. That is, in the radiation detector according to the first embodiment shown in FIG. 1, the N-type diffusion layer (anode) is formed at one place in the center of the surface, but is not limited thereto. For example, a plurality of N-type diffusion layers can be scattered and arranged under the gate electrode on the surface of the substrate. In this case, the plurality of N-type diffusion layers are commonly connected by wiring. Also in this case, the gate electrode is arranged so as to surround each of the plurality of scattered N-type diffusion layers. By adopting such a configuration, it is possible to discharge signal electrons to the N-type diffusion layer (anode) more efficiently even for a wider gate region. Even when a single N-type diffusion layer is formed, it can be formed in the peripheral region of the gate electrode by removing the center of the device.
以上説明したように、第1の実施の形態及びその変形例に係る放射線検出器によれば、光電変換時には基板全体を空乏化させることができ、高感度が実現でき、一方、信号読み出し時には、拡散層容量は島状配置のN型拡散層容量に低減化されるため、高速なデバイス動作も実現される。加えて、ゲート電極はゲート絶縁膜で電気的に絶縁されており、2種類の拡散層は常時逆バイアスが印加されるため、従来のSDDのように、直流電流パスも存在しないので、低消費電力化も実現される。 As described above, according to the radiation detector according to the first embodiment and the modification thereof, the entire substrate can be depleted at the time of photoelectric conversion, and high sensitivity can be realized. Since the diffusion layer capacitance is reduced to an island-type N-type diffusion layer capacitance, high-speed device operation is also realized. In addition, the gate electrode is electrically insulated by a gate insulating film, and since two types of diffusion layers are always applied with a reverse bias, there is no direct current path as in the conventional SDD, resulting in low power consumption. Electricity is also realized.
(第2の実施の形態)
次に、図3に基づいて、第2の実施の形態に係る放射線検出器の構成及びその動作について説明する。図3は、第2の実施の形態に係る放射線検出器のデバイス断面構造を示す図である。この実施の形態に係る放射線検出器が、図1(A),(B)に示した第1の実施の形態に係る放射線検出器と異なる箇所は、第1の実施の形態では、基板裏面のほぼ全面にP型拡散層(カソード)が形成されていたのに対して、本実施の形態では、 表面構造と同じく、P型拡散層は12aは基板裏面の中心部に局所的(島状)に形成され、その周りを第2のゲート電極14bで囲んだ構造となっている点である。そして、基板表面に設けた第1のゲート電極14aと基板(I層)11との間に設けた第1のゲート絶縁膜15aと同様に、第2のゲート電極14bと基板(I層)11との間には、第2のゲート絶縁膜15bが形成されている。つまり、逆タイプではあるが、表面構成と同様な裏面構成を採用している点が、第2の実施の形態に係る放射線検出器の特徴である。
(Second Embodiment)
Next, the configuration and operation of the radiation detector according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a device cross-sectional structure of the radiation detector according to the second exemplary embodiment. The radiation detector according to this embodiment differs from the radiation detector according to the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B in the first embodiment on the back surface of the substrate. Whereas the P-type diffusion layer (cathode) is formed on almost the entire surface, in the present embodiment, like the surface structure, the P-type diffusion layer 12a is locally (island-like) at the center of the back surface of the substrate. In other words, the
このように構成された第2の実施の形態に係る放射線検出器の動作ついては、バイアスの極性は逆になるが、P型拡散層12aの動作は、図2に示した図表のN型拡散層と同一の動作となり、また第1のゲート電極の動作と同様の第2のゲート電極の動作となる。 Regarding the operation of the radiation detector according to the second embodiment configured as described above, the polarity of the bias is reversed, but the operation of the P-type diffusion layer 12a is the N-type diffusion layer of the chart shown in FIG. The operation of the second gate electrode is the same as that of the first gate electrode.
この実施の形態に係る放射線検出器においても、第1の実施の形態に係る放射線検出器と同じく、閾値電位調整や正孔のP型拡散層への排出速度を増加させるために、第1のゲート絶縁膜15aの直下の低濃度表面不純物拡散層16と同様に、第2のゲート絶縁膜15bの直下の基板裏面界面に、低濃度表面不純物拡散層(低濃度ボロンイオン注入層)を形成することもできる。
In the radiation detector according to this embodiment as well, as in the radiation detector according to the first embodiment, in order to adjust the threshold potential and increase the discharge rate of holes to the P-type diffusion layer, the first detector Similar to the low-concentration surface
以上説明したように、本実施の形態に係る放射線検出器においては、P型拡散層(カソード)も第1の実施の形態に係る放射線検出器に比べて縮小された形態となっている。つまり、N型拡散層(アノード)に対向する逆タイプの拡散層が縮小されたことにより、互いの拡散層容量がより小さくできるため、よりデバイスの高速化が実現できる。 As described above, in the radiation detector according to the present embodiment, the P-type diffusion layer (cathode) is also reduced in size as compared with the radiation detector according to the first embodiment. That is, since the opposite type diffusion layer facing the N-type diffusion layer (anode) is reduced, the mutual diffusion layer capacity can be further reduced, so that higher device speed can be realized.
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態に係る放射線検出器の構成を、図4を参照しながら説明する。図4に示すように、本実施の形態に係る放射線検出器においては、第1の実施の形態又は第2の実施の形態に係る放射線検出器を、複数個、図4に示す態様においては2個、重ね合わせて構成したものである。この形態は、放射線検出装置を構成するものである。なお、図4においては、2個の放射線検出器を離間した状態で実装形成される態様(実装構成は図示省略)を示しているが、適宜絶縁膜を介して密着接合された態様もあり得る。
(Third embodiment)
Next, the configuration of the radiation detector according to the third exemplary embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, in the radiation detector according to the present embodiment, a plurality of radiation detectors according to the first embodiment or the second embodiment are provided, and in the aspect shown in FIG. It is configured by overlapping each other. This form constitutes a radiation detection apparatus. FIG. 4 shows a mode in which the two radiation detectors are mounted and separated (the mounting configuration is not shown), but there may be a mode in which the two radiation detectors are closely bonded via an insulating film as appropriate. .
この実施の形態における放射線検出器の個々の構成と、その動作は、第1の実施の形態又は第2の実施の形態に係る放射線検出器と同様であるため、ここではその説明を省略するが、その効果としては、第1の実施の形態又は第2の実施の形態に係る放射線検出器における効果に加えて、放射線の入射方向から見て、その光電変換層の厚さが、重ね合わせ個数倍大きくなり、したがって、検出感度が更に重ね合わせ段数に比例して増加できるという効果を有する。なお、検出出力は、各放射線検出器の出力を並列に接続して得られるようになっている。 Since the individual configuration and operation of the radiation detector in this embodiment are the same as those of the radiation detector according to the first embodiment or the second embodiment, description thereof is omitted here. As the effect, in addition to the effect in the radiation detector according to the first embodiment or the second embodiment, the thickness of the photoelectric conversion layer as viewed from the incident direction of the radiation is Therefore, the detection sensitivity can be further increased in proportion to the number of overlapping stages. The detection output is obtained by connecting the outputs of the radiation detectors in parallel.
以上のように、本実施の形態に係る放射線検出器(放射線検出装置)によれば、従来の放射線検出器に比べて、より高感度で、且つ高速で、低消費電力の放射線検出器(放射線検出装置)を実現することが可能となるという優れた効果を有する。 As described above, according to the radiation detector (radiation detection apparatus) according to the present embodiment, the radiation detector (radiation) has higher sensitivity, higher speed, and lower power consumption than the conventional radiation detector. It has an excellent effect that a detection device) can be realized.
11 I層(基板)
12 P型拡散層
12a P型拡散層
13 N型拡散層
14 ゲート電極
14a 第1のゲート電極
14b 第2のゲート電極
15 ゲート絶縁膜
15a 第1のゲート絶縁膜
15b 第2のゲート絶縁膜
16 低濃度表面不純物拡散層
11 I layer (substrate)
12 P-type diffusion layer 12a P-type diffusion layer 13 N-
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