JPH0571889B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光、電磁波等の放射線の強度を検出又
は測定するための放射線検出素子に関する ［従来技術］ イメージング（撮像）用の電荷結合素子
（CCD）を用いてレンズの受光（イメージ）面の
光輝度又は強度分布を表す電気信号を発生するこ
とが知られている。このようなCCDには従来の
MOS技術を用いて処理されたシリコンダイより
構成され、その表面、即ちダイの処理される面の
下方に複数の埋め込みチヤンネルが形成される。
各チヤンネルは同様の素子領域の直線状のアレイ
が構成される。このダイの表面にはクロツク用の
電極構体が重ねられ、このクロツク電極構体に所
定電位を印加することにより１つのチヤンネルの
素子領域に存する電荷がシフトレジスタの場合の
ように素子領域を順次進み、チヤンネルから取り
出される。イメージングCCDでは、電荷は光電
子的に発生される。従つて、もし光子がダイ内に
入ると、導電性電子を発生し、これはチヤンネル
層に入り、チヤンネル領域の素子の１つに閉じ込
められる。

イメージングCCDはその一面がカメラの結像
面と一致してカメラのレンズがその面に像を形成
するようにする。このCCDは例えば各々64素子
領域を有する64の並列チヤンネルにて構成され、
これら64x64個の素子領域のアレイ（行列）によ
りダイのイメージ入射面を64x64個の絵素又はピ
クセルに解像する。

カメラはシヤツタを有し、予め定めた露出時間
のみ開いて、この期間中はクロツク動作電極を一
定電位に維持する。次に、シヤツタを閉じると、
各チヤンネル素子領域に累積された電荷がCCD
からクロツクにより読み出される。この露出期間
中に所定ピクセルに入射した光エネルギーの強度
はチヤンネル層の関連する素子領域の電子密度に
影響し、この素子領域から送り出される電子数、
即ち最終的にCCDから取り出される電子数はそ
のピクセルに入射した光の強度を表すこととな
る。このようにしてCCDはカメラにより形成さ
れたCCDの受光面の光強度分布を表すサンプリ
ングされた二次元の電気信号を発生するのに使用
できる。

上述したタイプのイメージングCCDは任意の
イメージを表す信号を得るのに有用であるが、こ
のようなイメージングCCDは構成が複雑であり、
製造が困難である。

コリメートされた単色光を用ち、このビームを
収束してエタロン（Fabry−Perot etalon）を照
明すると、この結像面に干渉パターンが観測され
る。このパターンは同心円状であり、その間隔は
照明光の波長とエタロン面間隔の関数である。従
つて、このエタロンを用いて光源により作られる
イメージは任意ではない。

従来のCCDでは、互いに隣接するクロツキン
グ用ゲート電極が電気的に絶縁されているので、
斯かる隣接ゲート電極間に電位障壁が生じ、これ
ら障壁はクロツキングゲート電極の制御下のデバ
イスを介する電荷の移動（トランスフア）と干渉
する。

1973年４月17日に発行したキム等の発明に関わ
る米国特許第3728590号は、隣接するクロツキン
グゲート間に抵抗材料が設けられ且つ電気的に接
続されたCCDを開示している、この抵抗材料を
使用することにより、クロツキングゲート間の電
位障壁を排除する。H.ヘインズ及びJ.G.ヴアンサ
ンテンはIEEEトランズアクシヨン オン エレ
クトロデバイシズED−25の1978年２月第135〜
139ページの「抵抗性ゲートCTDエリアイメージ
センサ」にて抵抗性ゲートを用いてイメージング
CCD内で電荷の移動を制御することを開示して
いる。また、J.A.ヒギンズ、R.A.ミラノ、E.A.ソ
ベロ及びR.サハイは1982年IEEE GaAs ICシン
ポジユームの「抵抗性ゲートGaAs電荷結合デバ
イス」にてGaAsを使用して製造した抵抗性ゲー
トCCDを開示している。

［発明の概要］ 本発明の１つは例えば電磁放射等の放射線検出
素子であり、第１導電形の領域と、これとは逆の
第２導電形のチヤンネルが本体（ボデイ）の一面
に形成され且つ第１導電形の領域で囲まれた半導
体で構成される。この半導体材料は特定スペクト
ル領域の電磁放射に応答して電荷キヤリアを発生
する。このチヤンネルで作られた、又はチヤンネ
ル内に拡散する電荷キヤリアはチヤンネル内に閉
じ込められる。CCDは半導体ボデイ内に形成さ
れ、このチヤンネルの端部近傍に電荷収集用の井
戸（ウエル）を有する。抵抗材料層を半導体材料
のボデイの表面上に形成する。この層は２つのタ
ーミナル領域を有し、DC電源間に接続するとチ
ヤンネルの長手方向に電解が形成され、チヤンネ
ル内の電荷キヤリアがCCDに向かつてチヤンネ
ルに沿つて拡散する。

［実施例］ 第１図は本発明による干渉計の概略構成を示
す。同図中、エタロン５０は図示せずも光源から
コリメートされた光ビームを受ける。エタロンの
対向面で一連の部分反射が起こり、入射光ビーム
５２は複数の多重反射ビーム５４と多重透過ビー
ム５６に分割される。この透過ビーム５６はレン
ズ５８により結像面６０に集束して、この面上に
周知の干渉パターンが形成される。検出デバイス
６２が結像面６０の受像面に配置される。

第２及び３図に示す如く、検出素子（デバイ
ス）６２は表面に二酸化シリコン層４が形成され
たｐ形シリコン基板２より成る。第１チヤンネル
即ちｎ形の埋め込みチヤンネル６が基板２の表面
下方に形成される。このチヤンネル６は部分的に
同心の環状であり、共通の中心部７を有し、いず
れも同じ角度範囲である。しかし、各チヤンネル
の半径は異なる。第２図から明らかなように、２
つの端部８Ａ及び８Ｂを有する抵抗性のゲート電
極８が各チヤンネル６上に形成されている。この
電極８はInSnOの蒸着等により形成されるので透
明である。抵抗性ゲート電極８はチヤンネル６と
略並設されている。電極８の端部８Ａは金属導体
片１０Ａで互いに接続され、接続パツド１１Ａに
導かれている。同様に、端部８Ｂは金属導体片１
０Ｂで相互接続されて接続パツド１１Ｂに導かれ
ている。従つて、電位傾度が抵抗性ゲート電極８
に沿つて確立できる。この抵抗性ゲート電極８の
抵抗は極めて高いのが好ましく、これによりゲー
ト電極の電流を最小にすることができる。

これに代え、第４図に示す如く、一つの単純接
続した部分的に環状の抵抗性ゲート電極８′を総
てのチヤンネル６上に形成しても良い。これらの
電極８′の両端をDC電源間に接続すると、略環状
の電気力線が形成される。

第３図に示す如く、部分的に環状の埋め込みチ
ヤンネル６は移送領域で終わる。ポリシリコンの
移送電極１４は接続パツド１５で終わり、移送領
域１２を覆う。

第２チヤンネル即ち直線状ｎ形埋め込みチヤン
ネル１６が部分環状チヤンネル６に対して略放射
状に且つ移送領域１２と連結されて伸びる。ｐ＋
導電形のチヤンネル停止領域２２はチヤンネル６
及び１６と横方向に接する。（第４図参照）。第２
図に示すクロツキングゲート電極構体２０が埋め
込みチヤンネル１６上に形成される、チヤンネル
１６とクロツキングゲート電極構体２０はCCD
シフトレジスタを構成する。

一例として第５図を参照して説明する。同図に
おいてクロツキング電極構体は３個のクロツキン
グゲート電極アレイ２０ａ、２０ｂ及び２０ｃよ
り構成される。各電極アレイには夫々の接続パツ
ド（図示せず）を介して異なる電位が印加でき
る。各クロツキング電極の下方のチヤンネル１６
内に電位井戸が形成され、各井戸の電位深さは対
応する電極の電位に依存する。クロツキングゲー
ト電極に適当な電位を印加することにより、特定
電極下方の電位井戸内の電荷サンプルがチヤンネ
ル１６に沿つて順次出力ノード２４に向かつてシ
フトされる。この出力ノード２４には電解効果ト
ランジスタFET増幅器２６のゲート電極が接続
され、これにより出力信号が接続パツド２８から
取り出せるようにする。

第５図に示す如く、クロツキングゲート電極２
０ａ〜２０ｃはチヤンネル１６上に電極２０ａが
形成され、これが移送領域１２と連結するように
配置される。尚、移送即ちトランスフア領域１２
は異なる面にあるので、図中では点線に示してい
る。

第２〜５図に示す検出素子の前面は受像面であ
る。従つて、エタロンからの透過ビームは、この
素子の前面上に結像し、この前面に同心円状の干
渉パターンが形成される。この素子は干渉パター
ンの中心が位置７と一致するように配置する。各
部分環状のチヤンネル６の平均半径、即ちその内
径Riと外形Roの平均値は、エタロンを所定波長
の光線で照明したとき生じる干渉パターンのリン
グの１つの最大輝度を示す点の環状軌跡の半径に
等しい。このようにエタロンを照明すると、干渉
パターンは埋め込みチヤンネル６上に生じ、導電
電子が基板内に発生されるようになる。

この検出素子の動作サイクルは積分期間、移送
期間及び読取り期間の３つの期間を有する。積分
期間には、複数電極８又は単一電極８′の端部８
Ａ及び８Ｂは夫々０ボルトと例えば＋10ボルトの
正電圧を印加する。クロツキングゲート電極構体
２０の電極２０ａ〜２０ｃは０ボルトに維持さ
れ、移送ゲート電極１４は端部８Ｂの電圧より高
い、例えば＋15ボルトの電圧に維持される。基板
２内に生じた導電電子は埋め込みチヤンネル６内
に拡散してそこに閉じ込められる。電極８又は
８′に沿つて存在する電位傾度により、導電電子
は第２図中チヤンネル６内の時計方向に移送され
る。この移送ゲート電極１４は端部８Ｂよりも正
電位であるので、チヤンネルに沿つて移送される
導電電子は電荷サンプルとして移送領域１２に累
積、即ち積分される。

積分期間に続いて移送（トランスフア）期間と
なる。この期間中、抵抗性ゲート電極８又は８′
の端部８Ａを０ボルトとし、CCDシフトレジス
タの電極２０ａを＋15ボルトとし、電極２０ｂ及
び２０ｃの電圧は０ボルトのままにする。また、
移送ゲート電極１４の電圧を＋10ボルトにする。
移送領域１２内に累積された電荷サンプルは対応
する電極２０ａ下方の電位井戸に移送される。

読取り期間中、クロツキングゲート電極はクロ
ツクされ、電荷サンプルがチヤンネル１６を通り
CCDシフトレジスタの出力ノードへシフトされ、
サンプル出力信号となる。その信号の振幅は、積
分期間中にチヤンネル６が照明された強度（明る
さ）に依存する。

エタロン５０により生じた干渉パターンの各縞
のエネルギーフラツクスは同じであり、従つてエ
タロンを所定波長の光で照明すると、積分期間中
に各移送領域１２に累積された電荷サンプルは同
じであり、読取り期間中にCCDシフトレジスタ
により得た出力信号の振幅は一定になる筈であ
る。しかし、エタロンを僅かに異なる波長の光で
照明すると、干渉縞の最大輝度（強度）点はチヤ
ンネル６の中心と一致しない。従つて、読取り期
間中のCCDシフトレジスタの出力信号の振幅は
AC成分を含み、このAC成分の周波数は所定波長
と光学系が証明されている光の波長との差に依存
する。

［変形変更］ 本発明はここに示し且つ説明した実施例のみに
限定するべきではなく、本発明の要旨を逸脱する
事なく種々の変形変更が可能であること当業者に
は容易に理解できよう。例えば、このデバイスは
必ずしも前面から照明する必要はなく、ダイをそ
の裏面から削つて薄くして、裏面から光を照明す
るようにしても良い。斯かる裏面照射方式にする
と、抵抗性ゲート電極に透明材料を使用する必要
はないが、積分期間中にシフトレジスタの埋め込
みチヤンネル内に導電電子が拡散することによる
潜在的な誤差が生じる恐れがある、この誤差を軽
減するには、ダイの裏面に埋め込みチヤンネル６
部分を除きアルミニユウムなどの不透明材料の層
を裏打ちする。また、３電極アレイ以外のクロツ
キング電極構体も適当であるので、本発明は３個
のクロツキングゲート電極アレイを有するCCD
シフトレジスタに限定するものではない。更に、
電荷はCCDシフトレジスタの埋め込みチヤンネ
ル内に直接あるので、移送領域が積分期間中に部
分環状埋め込みチヤンネルに沿つて移送された電
荷を受けるために使用されることが必須条件では
ない。このためにはシフトレジスタのクロツキン
グゲート電極が積分期間中に適正電位に維持され
なければならない異は勿論である。表面チヤンネ
ルを使用することも可能であるので、必ずしもダ
イに電荷移送チヤンネルが埋め込まれている必要
はない。各半径位置は単一セクタである必要はな
い。各チヤンネルは複数のセクタに分割して各々
CCDシフトレジスタとなしても良い。また、本
発明は同心円状の干渉縞を生じる光学系と共に使
用するものに限定されない。

［発明の効果］ 以上の説明から理解される如く、本発明により
と、半導体ボデイに所定形状のチヤンネル、抵抗
性ゲート電極及び出力デバイスを形成し、且つ必
要に応じて光学系と組み合わせることにより、簡
単な構成で放射線の検出素子及び干渉計が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はエタロン及び検出素子を含む干渉計の
概略図、第２図は検出素子の一部切断した上面
図、第３図は第２図の線−に沿つた断面図、
第４図は第２図の線−に沿つた断面図、第５
図は第２図の線−に沿つた断面図を示す。 図中において、２は半導体基板、４は誘電体、
６は第１チヤンネル、８は抵抗材料層、１６は第
２チヤンネル、２０は出力デバイスである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｎ形及びｐ形の一方である第１導電形の領域
   並びに一面に上記領域に隣接して一部が欠けた環
   状に形成されたｎ形及びｐ形の他方である第２導
   電形の第１チヤンネルを有し、所定スペクトル領
   域の放射線に応じて電荷キヤリアを生じる半導体
   基板と、 該半導体基板の上記一面上に形成された誘電体
   層と、 該誘電体層上で上記第１チヤンネルに対応する
   領域に形成され、両端に直流電圧を印加すること
   により上記チヤンネルに沿つて電荷キヤリアを上
   記第１チヤンネルの端部に転送する抵抗材料層
   と、 上記半導体基板の上記一面で、上記第１チヤン
   ネルの上記端部の近傍に形成された上記第２導電
   形の第２チヤンネルを有する出力デバイスと を具えることを特徴とする放射線検出素子。