JPH0534610B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 電気的絶縁基板中に設けられ、互いに間隔を
持つて離れ、上記基板の向かい合つた第１及び第
２の面の間に延びた１セツトの電気的導体と、 上記基板の上記第１の面上方に配置され、導電
性を有するように不純物がドープされた放射検出
物質からなる検出層と、 前記第１の面に沿つて配置され、不純物がドー
プされた複数の半導体領域を有し、前記検出層と
基板との間に設けら、前記１セツトの電気的導体
を検出層に電気的に接続するように前記１セツト
の電気的導体と対応して１セツトの放射線検出器
を構成し、また前記半導体領域間に位置する電気
的絶縁領域を有する第１の接触層と、 暗電流の流れを制御するように、上記基板と反
対側の上記検出層の面上に設けられた低導電率の
制止層と、 前記検出層と反対側の制止層の面に沿つて設け
られ、前記全ての放射線検出器の共通ターミナル
として機能するとともに、これら検出器の夫々の
ターミナルとして機能するように電気的導体でで
きた格子状構造体を有する第２の接触層とを具備
する半導体放射線検出器。

２ 上記格子状構造体が１つのドープされた半導
体の層で、その上に格子状の金属化合物が配置さ
れているもの、を含む、請求項１記載の半導体放
射線検出器。

３ 上記格子状金属化合物の開口部が上記導体と
レジストレーシヨン状態にあり、又上記放射検出
器の１つとそれぞれ実質的に同じ寸法をしてお
り、上記１セツトの導体と反対側の上記アレーの
表面から、これに入射放射を受け入れる如くにし
た、請求項２記載の半導体放射線検出器。

４ 複数の検出器をそれぞれ構成する放射検出区
域と、放射線を受ける第１の面と上記第１の面の
反対側の第２の面とを有し、上記第１の面が、こ
れに入射する所定の周波数範囲の放射線に対して
透過性であり、上記第１の面が導電性であり、且
つ上記検出区域と１つの読取り装置との間の共通
の電気的導電体接触子を形成するように、これを
通つて上記検出区域に導電接続されており、上記
第２の面がこれを通つて外に出る複数の導体を有
し、上記導体の各々が上記区域の１つを上記読取
り装置に接続する如くに配置されている半導体放
射線検出器であり、 更に、 上記検出区域を構成し、所定の厚さと不純物濃
度とを有し、所定の周波数範囲の放射線を吸収し
て電荷単体の存在を示す信号を発する第１の半導
体層と、 上記第１の半導体層に隣接し、真性半導体物質
で形成された電気的絶縁体からなる第２の半導体
層と、 上記第１及び第２の半導体層に電気的に接続す
るようにそれぞれ隣接した第１及び第２の接触子
と、 上記第１の接触子に隣接する基板と、 上記基板を貫通して設けられ、それぞれ第１及
び第２の端部を有し、第１の端部が上記第１の接
触子に導電接続され、第２の端部が上記読取り装
置に夫々接続される、複数の導体と、 前記第２の接触子上にこれと導電接続するよう
に配置され、これに入射する所定の周波数の範囲
の放射線が実質的にこれを通過するように十分に
薄く、かつ上記読取り装置への接続部を有する金
属化層とを具備し、上記第２の半導体層が十分に
厚く又十分に低い濃度の不純物を有し、このこと
により、電荷担体が上記第２の接触子から、上記
第１の半導体層の不純物電導バンドのエネルギ
ー・レベルで上記第１の半導体層へ注入されるの
を実質的に防ぐ如くにした。半導体放射線検出
器。

５ 上記金属化層が間隔をもつて離れて直交して
設けられた格子状をしており、上記の格子状の部
材の間の空間を通つて放射線が検出器に入ること
が出来、上記空間がその下の上記第２の接触子の
上に表面区域を形成する、請求項４記載の半導体
放射線検出器。

６ 上記第１の接触子が上記第２の接触子の上記
区域と接続関係にある高導電率の区域を有し、高
導電率の上記区域の各々が、高導電率の上記区域
に隣接する上記の放射を吸収する第１の半導体層
の容積体に導電接続され、このことにより上記検
出区域が各々所定の周波数の範囲の放射を検出す
る如くに形成されている、請求項５記載の半導体
放射線検出器。

７ 上記周波数の範囲が、長波波長赤外線で約14
から30ミクロンの波長である、請求項６記載の半
導体放射線検出器。

［発明の背景］ 本発明は放射検出器、特に、制止不純物バンド
検出器で、長波赤外放射（LWIR）の検出に専ら
用いられるものに関する。

高品質の放射検出器の設計に於いては、ある希
望する周波数内で入射放射を最も良く感知する検
出器を作ることが当然の目的となる。高品質の放
射検出器の設計者が当面する最も一般的な問題の
１つは、暗電流として総称的に知られている現象
である。この現象は検出器内の動作に於ける色々
な機構現象であつて、この結果、入射放射が無い
とき検出器の中に電流が流れる。

検出器を流れる暗電流は一般的に電気的ノイズ
として考えられ、そのノイズの大きさが暗電流の
強さに正比例している。この暗電流ノイズは検出
器の信号−ノイズ比に逆比列し、入射放射の変化
に対する検出器の感度を悪くする。

この暗電流の機構の１つで良く知られたもの
に、熱電荷担体即ち熱キヤリヤの発生がある。こ
の機構はその原子からのドナー不純物電子を自由
にすることにより、半導体による熱エネルギーを
吸収する作用がある。これらの電子が導体の帯域
に入り、又電界により、正の検出器の電気的接触
に掃引される。正常な操作の場合、電界が電位差
により検出器の中に作り出されるが、この電位は
主に、例えばハイブリツドされた薄膜又は電荷結
合素子の如き、外部の集積回路読取り装置により
与えられる。付加的な電子がこの読取り装置の負
の電位接触により検出器の中に注入される。この
結果、２つの機構が協同し、入射放射の無い状態
で検出器に電流が発生、即ち、暗電流が発生す
る。

暗電流により熱的にもたらされたコンポーネン
トを消す方法として良く知られたものの１つに、
放射検出器を絶対温度の数度の所で冷却する方法
がある。しかし、このように極低温で冷却された
検出器をコンパクトに且つ低費用で集合体の中に
納めるのは困難である。

他に暗電流を減らす為に用いられる一般的方法
は、強度にドープされた、従つて低抵抗の検出層
と検出器の１つの電気接触子との間に比較的高抵
抗の層を中間配置する方法である。この高抵抗の
層は不純物バンドの伝導機構の導電路を遮断し、
その結果暗電流が減る。従つて、一般的に、制止
層として比較的高い抵抗層が用いられ、従つて、
このような層を用いた検出器が制止不純物バンド
検出器として知られている。

この制止不純物バンド検出器にまつわる特殊な
問題の１つは、この電気接触子及びこれに組合わ
される読取り装置の物理的取付け方法の問題であ
る。この検出器の代表的なアレーは非常に小さな
寸法のものなので、各検出器の間の空間が100ミ
クロン以下で、一般的な結線が困難なことがしば
しばある。この問題に更に、１つのアレー内に含
まれる独立した検出器素子が多数、千個若しくは
それ以上、あることが重なつてくる。

この結線問題を解決する１つの方法として、次
の集積回路読取り装置が用いられている。即ち、
この装置は放射検出器のこれらの部分に匹敵する
寸法に作られており、代表的には、この読取り装
置の各接触子が、各検出器の素子とレジストレー
シヨンされる如くに配置される。従つて、この検
出器及び読取り装置が互いに物理的に結合される
如くにパツクされ、このことにより、読取り装置
が各検出器の素子と電気的に接続される。即ち、
集積回路読取り技術に適合する放射検出器は適合
しない検出器に比し数々の利点を持つことが出来
るのである。

しかし、この型の読取り技術の問題の１つは、
この検出器のフイルフアクター（Fill factor）が
減少することである。フイルフアクターは入射放
射を受けることの出来るアレーの表面の尺度の１
つである。電気的接触子及びそれと組合わされる
読取り装置を設置すると、普通、放射受け面の部
分的閉塞により、与えられたアレーのフイルフア
クターが減少する。

制止不純物トランスジユーサ（BIT）として知
られる従来の検出器の多くは、その電気的接触子
の全てが放射受け面にさらされる。この配置は読
取り回路の物理的特性に厳格な制限があり、その
結果、このような検出器は集積回路の読取り技術
にしばしば適合しないことがある。

この型の検出器により発生する明らかな欠点に
答えて、これに変わる１つの形態が考案された。
即ち、この場合、全ての電気的接続点が放射を受
ける面の反対面に移されている。一般的に逆イル
ミネーシヨン制止不純物トランスジーサ
（RIBIT）として知られているこの装置は、集積
回路読取り技術に適合している。本特許の譲受人
に譲り受けられた米国特許第4507674号にこの逆
型の検出器が記述されている。BIT検出器の低い
フイルフアクターがこのRIBITの研究によつて
克服されている。RIBITアレーのフイルフアク
ターは単一体としてアプローチすることが出来、
１焦点面当り非常に多数のハイブリツド適合の検
出器の設置が可能である。しかし、このRIBIT
の構造は材質及びプロセツシングに関連したある
種の問題部分を持つており、この部分がその製造
を試験的なものにしている。RIBIT構造に於い
ては、背面接触域を作る為には、第１のエピタキ
シヤル層が重度に植え付けられる表面区域を持つ
バルク・シリコン基板の上に作られねばならな
い。この区域の上に作られたエピタキシヤルのフ
イルムの結晶的及び電気的性質は制御困難で、又
検出器の性能が劣る結果となる。又、RIBIT法
は、重度に植え付けられる区域を基板に接触させ
る手段を与える為に、両方のエピタキシヤル層に
Ｖ溝エツチを必要とする。

［発明の概要］ 上述の問題点が、放射用封止不純物バンド検出
器によつて克服され、且つその他の利点を作り出
す。本発明の好ましい実施例の１つによれば、こ
の検出器が検出器素子のアレーとして形成され、
この前面及び背面に設けられた、電気接触子を持
つ層状の半導体構造を含んでいる。この接触子の
形状はその前面で放射を受けることが出来、又そ
の背面に集積回路読取り装置を装着することが出
来、この読取り装置が前及び背面の接触子と接続
している。

この検出器は２つの絶縁半導体層を含み、その
各々が１つの基板として又他の１つが制止層とし
ての働きをする。その間に１つの放射検出層が設
けられている。本発明のこの実施例に於いては、
この２つの層がシリコンで形成されているが、本
発明の理論からすれば、他の半導体材料を用いる
ことも可能である。この検出層がドープされ、こ
の伝導バンドとそれに続く荷電子バンドの間のバ
ンド・ギヤツプを減らす為の荷電子バンド構造に
変更され、入射放射の光子が価電子バンドから伝
導バンドへの電子にエレベートされる。この制止
層は非常に薄く、前進する電子が価電子バンドに
逆行することなく上記制止層を通過することが出
来る。

この検出層と制止層との電気的接続は２つの接
触層の助けを借りて行われる、即ち、その１つは
検出層と基板との間に置かれ、もう１つの検出層
の反対側の制止層の表面に配置される。この２つ
の接触子はシリコンで作られ、ドープされて導電
性が与えられている。第１の接触層に於いて、ド
ープされた材料の各区域がドープされていない電
気絶縁区域の区域間に散布配置され、検出器素子
のアレーの各検出器素子を形成している。第２の
層に於いては、ドーピングが一様に行われ、全て
の検出器素子を電気的に共通接続する。この第２
の層は非常に薄く、入射放射とは顕著な干渉をし
ないようになつている。上述の各層は、エピタキ
シヤル成長法により互に積重ねられた状態に沈積
される。

各層の積重ねを行なう前に、背面の接触子が基
板の中に形成される。これは、基板が各検出器素
子と繋がる位置に複数の金属導体を通すことによ
つて行われ、各導体の一方の端が基板の背面、こ
れは又検出器の背面でもあるが、に導き出され、
読取り装置に接続される。各導体の他方の端が基
板の反対側の表面に導き出され、次の第１の接触
層に接続される。検出器の前面の電気的接触子が
格子の形をした１つの金属化物として形成され、
検出器素子への共通接触子としての働きをする。
この格子ラインの厚さは非常に薄く、入射放射を
顕著に制止することが無い。

この検出器を使用すると、上記制止層の絶縁性
により、暗電流の流れることが防がれる。この電
気接触子の形状及び配置により高いフイルフアク
ターが達成され、上述した逆型の制止検出器の複
雑な物理的構造に特有な欠点が無い。

【図面の簡単な説明】

本発明に就き以下図面を用いて説明するが、各
図面に於いて共通の部分に就いては同じ参照符号
が用いられている。第１図は本発明の１つの実施
例による、電極が反対面に配置された制止不純物
バンド赤外線検出器の斜視図、第２図は第１図の
線２−２に沿う本検出器の断面の側面図である。

［実施例］ 第１及び第２図に制止不純物バンド検出器１０
の１つの実施例が示されている。この検出器は特
に長波赤外（LWIR）放射に対し鋭敏に作用する
ように作られている。一般的に、LWIR放射は約
14から30ミクロンの波長範囲に対応する周波数の
ものと考えられている。従つて、検出器に用いら
れる不純物は、LWIR放射の波長エネルギーに対
応する、価電子バンドと伝導バンドの間の禁制バ
ンドの幅を減らす元素である。

検出器１０のオペレーシヨンは、暗電流の流を
制止する比較的薄いドープされていない絶縁層を
伴つたドープされた検出層の使用を基礎としてい
る。検出器１０の使用に適した波長の入射放射の
存在に於いて、電子は検出層の伝導バンドにエレ
ベートし、又後述する如く、検出器１０に接続さ
れた外部の読取り装置により与えられる電界によ
り制止層を走り抜ける。注意すべきは、検出層に
於いて、ドーピングが既に帯域のギヤツプを充分
に減らしており、このことにより電子が上昇して
伝導バンドに進むことが出来、一方制止層に於い
ては、ドープされていない層が本来の比較的大き
な帯域ギヤツプを保つていることである。この制
止層は充分に薄く、電子が容易にここを通過する
ことが出来、制止層の価電子バンドにドロツプバ
ツクする可能性は無い。制止層の厚さは非常に厚
く、暗電流の前進を阻むのに十分である。読取り
装置により掛けられた電界の存在に於いて、検出
器１０は可変抵抗器としての特徴を有し、この場
合、掛けられた電圧によりもたらされた電流が入
射放射の強さによつて変化する。本発明の新しい
特徴を持つ検出器１０の構造に就いて更に詳しく
以下に説明する。

検出器１０は放射検出層２０と、制止層２２
と、及び、前即ち上及び後ろ即ち底に各々前面及
び底面検出器接触層２４及び１６を含み、これら
が基板１２の上に形成されている。検出器１０か
ら集積回路読取り装置３６への電気接触が、複数
の金属導体１４と、背面金属化合物３２及び３４
により、又一方では前面格子金属化物によつて、
行われる。矢印２８により概念的に示したLWIR
放射が検出器１０の前面に入射すると、実質的に
透過性の接触層２４と、その下に横わる制止層２
２とを通過することが許され、放射検出層２０に
到達する。ここで検出器の不純物による放射の吸
収が、検出器１０の電気抵抗の変化として、読取
り装置３６の中の電気回路（図示無し）により感
知される。

全体的構成を考えると、放射検出器１０は基板
１２の上に組立てられている。基板１２は、代表
的には真性シリコンで作られ、その厚さが約29ミ
ルである。バイアスの名で知られる金属導体１４
が基板１２を貫通しており、これの基板１２の上
面に金属、代表的にはアルミニウム、が規定区域
に沈着される。次に基板１２に十分に強い熱勾配
が与えられ、上述の金属が溶融される。この溶融
金属が基板の材料の中に移動し、完全に下まで下
がる。この溶融金属が基板１２の中を下降すると
き、金属の１部が基板に沈着し、このことにより
基板を選択的にドーピングし、基板１２の前面か
ら後面に至る連続したアルミニウム導体１４が形
成される。基板１２の前面に露出した導体１４の
端が一般的な方法により研磨され、基板１２の上
面での均一なエピタキシヤル層の成長を妨げるよ
うな表面欠陥を無くす。複数の導体１４が基板１
２の後面から出る所に、代表的にはアルミニウム
で作られた背面金属化バツド３２が導体１４と接
触するように形成される。このパツド３２の各々
の表面上に金属化点３４があり、これが代表的に
はインジウムから成り、その下のパツド３２及び
導体１４を集積回路読取り装置３６に導電接続す
る。

導体１４を内部の放射検出層２０に好ましい状
態で電気接触させる為に、接触層１６が実質的に
純粋な結晶シリコンで作られ、これが基板１２の
上面の上に、代表的に、３ミクロンの厚さに、エ
ピタキシヤルに成長させられる。層１６はボロン
等のアクセプタ不純物によつて次の如くにドープ
される。先ず、ボロンが層１６に、代表的には
0.1から0.2ミルの深さにチエツカー盤状に植え付
けられる。この植え付けられた部分は、基板１２
の前面に配置された金属導体１４の端部とレジス
トレーシヨン関係にある。植え付けの後、この装
置がつくられたままの姿で、層１６の結晶構造に
起つているかも知れぬ傷を修復する為に焼鈍され
る。この焼鈍の間に、植え付けられたボロン原子
が層１６を通つて下に移動し、その下の導体１４
の露出した端部と接触する。図面に示す如く、層
１６は各導体１４に隣接して重度にドープされて
おり、このことにより、層１６が重度にドープさ
れた第１の区域１６ａと実質的に純粋なシリコン
の第２の区域１６ｂとに区分される。区域１６ａ
はアクセプタ不純物を含み、その濃度は代表的に
は立方センチメートル当り１×10¹⁹アクセプタ原
子である。かくして、各区域１６ａが導電性とな
り、対応する導体１４の端部と電気的に接触す
る。このように植え付けられた層１６の表面区域
の範囲は設計仕様によつて決められる。この植え
付ける区域の％は１％から代表的には75％まで大
幅に変更可能である。

接触層１６の上に、検出層２０がエピタキシヤ
ルに成長させられ、その厚さは代表的には４から
25ミクロンである。層２０が、層２０にｐ型の半
導体特性を与えるのに適した例えばガリウムの如
き、アクセプタ形の不純物によつてドープされ
る。層２０の中のアクセプタ型不純物原子の濃度
は、代表的には、立方センチメートル当り１×
10¹⁸アクセプタ原子である。

ガリウムは、そのイオン化エネルギーがLWIR
放射のエネルギーに対応する元素の１つである。
従つて、層２０に入るLWIR放射２８がガリウム
原子に結合している電子をイオン化し、この電子
が次に伝導バンドに自由に入つて行く。

検出層２０の上に、制止層２２がエピタキシヤ
ルに成長させられる。制止層２２は実質的に純粋
な真性シリコンから成つている。かくして出来た
制止層２０の結晶構造は、それが実質的に不純原
子を含んでいないならば、ドープされた検出層２
０より遥かに高い電気抵抗を持つている。

前に説明した如く、この比較的高い抵抗を有す
る制止層２２は暗電流の不純物バンド伝導コンポ
ーネントを遮断する働きをする。この機能を完全
に行なわせる為には、制止層２２が放射検出層２
０と、放射検出器１０の各検出素子の電気接触子
の１つとの間に挟まれることが必要である。上述
した如く、複数の重度にドープされた区域１６ａ
が、導体１４と共に、１セツトの接触子を形成
し、複数の検出区域が読取り装置３６によつて走
査される如くにする必要がある。読取り装置３６
と検出器１０との間に回路の連続性を作り上げる
為には、検出器１０にアース電気接続を設ける必
要があり、この接続が接触層２４によつて提供さ
れる。

本発明のこの実施例に於いては、アース接続が
イオン注入によつて形成され、その深さが代表的
には0.2ミクロンで、検出層２０の反対側の制止
層２２の表面に注入された、ｐ型のアクセプタ不
純物、代表的にはボロン、によつて行われる。注
入の後、層２２の表面が、注入の間に出来たかも
知れぬ結晶構造の物理的傷を修復する為に、焼鈍
される。この焼鈍の間に、注入されたボロン原子
が下向きに移動し層２２に入る。この焼鈍時間の
決定は次の如くに行われる、即ち、ボロン原子の
下向きの移動により制止層２２が未だ完全には包
まれておらず、従つて層２２は検出層２０に隣接
する実質的に純粋な結晶シリコンの区域と、ｐ型
のアクセプタ不純物のボロン原子を含む上部区域
とに分れる如くにする。この上部区域が接触層２
４を形成する。層２４の中のアクセプタ不純物原
子の濃度は、代表的には、立方センチメートル当
り１×10¹⁹アクセプタ原子で、これにより導電性
の層２４が作られる。

接触層２４の上に、金属化物の薄い層が沈積さ
れ、これが代表的にはアルミニウムで、格子３０
の形をしており、間隔を持つて離れた平行な部材
を２セツトもち、１方のセツトの部材が他方のセ
ツトの部材に対し直角に配置されている。

図面に示す如く、LWIR放射が透過性の前面接
触層２４を経て検出器１０の中に入る。又、格子
３０が薄い層として形成されているので、LWIR
放射に対し実質的に透過性である。かくして、本
発明はRIBIT装置と同等の高度のフイルフアク
ターを達成し、しかもRIBIT装置の複雑な製造
工程に付纒う上述した問題点を持つていない。

LWIR放射２８は、実質的には透過性の前面接
触層２４を通過した後、次に、透過性の制止層２
２を通過し、検出層２０に入る。上述した如く、
層２０のドーピング・レベルが非常に高いので、
LWIR放射の全てが層２０に吸収される。これの
結果は好ましいものである。層２０の中に放射が
吸収される結果、不純物原子の電子が価電子バン
ドから伝導バンドに上げられ、従つて、電荷担体
が発生する。

検出層２０はある程度の抵抗を持つており、集
積回路のマルチプレクサーの如き読取り装置によ
り供給されるバイアス電圧に対応して流れる電流
を通すことが出来る。入射放射２８が吸収される
と、検出層２０の抵抗が変化する。この結果、検
出器１０を流れる電流が変化し、この変化が次に
読取り装置３６によつて感知される。

上述した如く、実質的に全ての入射放射２８が
層２０に吸収される。前面及び後面の接触層２４
及び１６に吸収される少量の放射は無視出来る程
度の影響しか持たず、この区域の導電率は層２０
のそれより遥かに高く無害である。従つて、接触
層２４及び１６の中に発生する付加的に放射導入
される電荷担体は検出されない。

本質的に純粋な結晶シリコンの制止層２２の構
造の面から見ると、層２２が比較的高い電気抵抗
を持つており、従つて、この区域内の荷電担体の
移動度が層２０の中に於けるより遥かに小さく、
層２２に吸収される少量の放射は検出器１０の作
動に無視し得る程度の影響しか与えない。

以上記述した本発明の実施例は単に説明の為で
あつて、その変形は当該技術者にとつて容易に考
えられる。例えば１つの変形として、ドープする
必要のある本装置のこれらの層内のｐ型不純物を
ｎ型不純物に交換することが挙げられる。従つ
て、本発明はここに開示した実施例によつて制限
を受けるものでなく、添附した請求の範囲によつ
てのみ制限されるものである。