JPH10512372A - 電荷収集能を高めた半導体放射線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオン化放射線を検出するための放射線検出器である。該検出器は最低２側面を備える半導体（５０２）を設けている。半導体（５０２）の１側面にバイアス電極（５０４）が設けられている。半導体（５０２）の１側面に信号電極（５０６）が設けられ、イオン化放射線のエネルギー準位を検出するために利用される。第３電極（５０８）（制御電極）も半導体（５０２）上に設けられている。制御電極（５０８）は、電荷雲が信号電極（５０６）に接近するまで、イオン化放射線により生じた誘導された電荷を信号電極（５０６）と共用する。制御電極（５０８）はまた、雲が信号電極（５０６）に接近する際に、半導体（５０２）内の電界（５１８）を、電界が電荷雲を信号電極（５０６）へ案内するように変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】 電荷収集能を高めた半導体放射線検出器 発明の背景 １．発明の分野 本発明はイオン化放射線を検知するための装置及び方法に関し、特に低エネル ギーテーリング効果を低減するための電荷収集能を高めた半導体放射線検出器に 関するものである。 ２．関連技術の説明 室温での動作が可能であること、小型サイズ、耐久性、その他、半導体デバイ ス固有の特徴により、イオン化放射線の検知に高抵抗率の半導体放射線検出器が 広く利用されている。このような検出器は、医療診断画像、核廃棄物監視、産業 工程監視、宇宙天文学を含む幅広い範囲で利用されている。イオン化放射線はア ルファ粒子又はベータ粒子のような粒子放射線と、ガンマ線又はｘ線のような電 磁放射線の両方を含む。 従来の半導体放射線検出器は一般に「プラナー」検出器と呼ばれる。第１Ａ図 に示すように、このようなプラナー検出器１００の構造は一般に、２つの電極を 形成するために平板の対向する２面を金属で覆った半導体結晶１０２の平板と、 カソード１０４とアノード１０６とから成る。ある構造では、アノード１０６が 外部信号調整回路構成１０８と地面１１０と接続し、カソード１０４が外部電圧 源１１１と接続している。電極１０４、１０６にかかるバイアス電圧は内部電界 を生じる。半導体結晶１０２の平板に吸収されたイオン化放射線１１２によって 半導体結晶１０２内に生じた電子及び正孔雲は、それぞれアノード１０６とカソ ード１０４の電極へ輸送される。これら可動電子及び正孔雲は、外部回路１１１ に電荷パルス信号を生じる。 イオン化放射線１１２によって生じた電子及び正孔の全てが各々の電極に到達 するとすると（つまり電子はアノード１０６に到達し、正孔はカソード１０４に 到達する）、出力電荷信号が結晶１０２内で生じたエネルギーと全く等しくなる 。生じた電荷がイオン化放射線１１２のエネルギーと直接比例するため、半導体 放射線検出器１００はイオン化放射線１１２のエネルギーを測定する手段を提供 する。このエネルギーの測定は放射線検出器の重要な機能である。 しかしながら、プラナー放射線検出器には重大な欠点がある。バルク半導体結 晶１０２の移動特性の制限のために、概して、いくつかの電子及び正孔が各々の 電極に輸送される際にトラップされて失われてしまう。従って、出力電荷信号の 振幅が、イオン化放射線が吸収される結晶内での位置に依存するようになる。一 般に、振幅はイオン化放射線１１２によって生じた電荷よりも小さく、その結果 、解像度及びピーク効果の減少と同様にエネルギー測定の正確性が低減する。放 射線検出器におけるこの電荷の損失（又はトラッピング）により、「低エネルギ ーテーリング（low-energy tailing effect）」として知られる非対称なスペク トルのピーク形状を引起こしてしまう。 上述したように半導体放射線検出器では、イオン化が起こると電子がアノード １０６へ輸送され、正孔はカソード１０４へ輸送される。カソード１０４を放射 線源に向けた典型的な試験的配置では、ある蓄積期間にかけ多くのイオン化が起 こり、その結果得られた電荷信号パルスが検出されヒストグラムに表示される。 低エネルギーテーリングを生じない理想的な検出器においては、全てのパルスが イオン化放射線１１２のエネルギーと直接比例する。これにより、カウント／チ ャネルと電荷信号パルス振幅の関係が第２図のヒストグラムに示すようになる。 第２図からわかるように、エネルギーヒストグラムにテーリングは見られない。 これはエネルギーピーク（又は「フォトピーク」）２０２が、イオン化放射線１ １２のエネルギー準位と等しい信号エネルギー準位Ｅにおいて縦の直線を描くた めである。従って、全ての電荷信号がイオン化放射線１１２のエネルギー準位Ｅ と等しい振幅を有し、どの単一パルスにおいても電荷は失われない。 第３図の曲線Ａ及びＢは、非理想的な検出器における低エネルギーテーリング の仮定の２例を示す。曲線Ａは、吸収率が非常に低い結晶を使用した際に見られ る、結晶全体にかけてイオン化放射線が一定に吸収された場合を示している。曲 線Ｂは、カソード付近では吸収の度合が大きく、イオン化が結晶内のカソードと 逆方向に向かって移動すると指数関数的に減衰するといったより一般的な状況を 示す。両曲線ＡとＢにおいて、（振幅「Ｅ」における）総電荷収集と、低エネル ギー「テール」３０４、３０６とに関連した最大信号３０２が存在する。 第４図もヒストグラムを示すが、このヒストグラムはコバルト−５７（「⁵⁷Ｃ ｏ」）放射線源からのガンマ線で放射したカドミウム亜鉛テルル化物（ＣｄＺｎ Ｔｅ）から成る実際の半導体放射線検出器の低エネルギーテーリングを示してい る。この検出器は範囲寸法が６．１ｍｍ×６．１ｍｍ、厚さ３ｍｍであった。ま た、バイアス電圧は−５００Ｖであった。第４図のエントリーは電子ノイズ、第 ３図の仮想曲線のプロットにおいて考慮されなかった効果によって広がる。第３ 図の曲線Ａ、Ｂと同様に、第４図のヒストグラムは著しい低エネルギーテール４ ０４を示す。 半導体検出器には低エネルギーテーリングの有害な効果があるため、この問題 を解決するための多大な努力が為されてきた。半導体検出器のテーリング効果を 低減するための方法の１つは、イオン化放射線が吸収される場所での信号パルス 電荷振幅の依存を低減するというものである。これは、原則として、その電極の 前の電荷雲により１つの電極に電荷が誘導された範囲を短距離に制限することに より達成される。これが達成されると、イオン化によって生じた電荷雲が、電荷 雲が電極に非常に接近するまで、ほとんど電極に電荷を誘導せず、接近すると電 荷雲は本質的に電荷の全てを電極に誘導する。この方法は、１つのキャリアタイ プ（例えば電子）の輸送特性が別のタイプのもの（例えば正孔）よりも極めて優 れた半導体において非常に有用である。これらの輸送特性は「移動度−寿命積」 と呼ばれる。１タイプキャリア（例えば正孔）の輸送特性の、別のタイプキャリ ア（例えば電子）の輸送特性に対する比率は「移動度−寿命積比率」と呼ばれる 。従って、上述した一般的な方法は全ての移動度−寿命積比率について有用であ るが、小さな移動度−寿命積で割った大きなの移動度−寿命積の比率を有する半 導体において最も有用である。１０よりも大きな移動度−寿命積比率を有する半 導体は、カドミウム亜鉛テルル化物、カドミウムテルル化物ヨウ化水銀を誘導す る。 半球形状を有する半導体検出器を採用する上述の方法を利用し、低エネルギー テーリングを低減するための努力が成されてきた。例として、Ｈ.Ｌ.Ｍaim等に よる"Ｇamma-Ｒay Ｓpectroscopy with Ｓingle-Ｃarrier Ｃollection in Ｈig h Ｒesistivity Ｓemidonductors"Ａppl.Ｐhys.Ｌett.,vol.26,at 344-46(1975) を参照のこと。Ｍaimの検出器において、カソードを形成するために、カドミウ ムテルル化物の広い半球形表面を金属化している。アノードは、半球形の平坦な 断面の中央に小さな円形に形成されている。これら電極に印加されたバイアス電 圧は内部電界を生じ、この内部電界はカソード付近の低値から小さなアノード付 近の高値にまで変化する。電界線はこのように、球形幾何により中央点付近で集 結する。電界集結の結果、電子がアノード付近において、検出器の他の部分でよ りもはるかに速く動く。アノードに誘導された電荷が、電荷雲からアノードへの 距離の二乗に反比例するため、電荷雲がアノード付近にある場合にほとんどの電 荷が誘導される。従って、信号電荷パルス振幅は、検出器内のイオン化の起こる 位置について比較的鈍感である。 しかしながら、Ｍaimの方法にはいくつかの欠点がある。第１に、プラナー検 出器のエネルギー解像は向上したが、著しいテーリングが残る。第２に、半球形 の半導体結晶の製造が困難であり、結果として製造コストが高くなる。第３に、 この形状はモノリシック検出器アレイ構造に適用できない。その結果、この検出 器は商用的にほとんど受入れられなかった。 第２の方法は、以下のプラナー構造を利用してテーリングを低減するものであ る。このプラナー構造は、アノードを２個所に配し、アノードが直径０．５ｍｍ の円形であり、リングがこの円と同じ電圧で円を包囲し、カソードが対向する面 を被覆する。これについては例えば、Ｆ.Ｐ.Ｄoty等による"Ｐixilated ＣdＺn ＴeＤetector Ａrrays"Ｎucl.Instruments＆Ｍethods in Ｐhysics Ｒesearch,v ol.Ａ353,at 356-60(1994)を参照のこと。電子雲によって誘導された電荷は小型 円とリングによって共用されるため、円に誘導された電荷が、電荷が円に接近す るまで非常に小さい。次に、画素の寸法に匹敵する距離において全電荷が円に誘 導される。 この第２の方法にも顕著な欠点がある。収集効率が非常に低いのである。この 結果は、小さなアノードの直上の電荷雲しか収集されないという事実に起因する 。 第３の方法は次のような構造を採用している。プラナーＣｄＺｎＴｅ検出器の アノードが非常に小さな個々の検出器（画素）のアレイに分割され、カソードが 単一の連続する電極のままである。これについては例えば、Ｈ.Ｈarret 等によ る"Ｃharge Ｔransport in Ａrrays of Ｓemiconductor Ｇamma-Ｒay Ｄetector s"Ｓhys.Ｒev.Ｌet.(製版中)を参照のこと。ここでは、各画素が外部信号調整回 路と接続している。電子雲によって誘導された電荷は、画素間で共用され、電荷 が画素に接近するまでどの画素においても非常に小さい。 だが、この第３の方法にもやはり顕著な欠点がある。第１に、非常に小さな画 素のアレイにしか利用できない。従って、この方法は単一エレメント検出器には 利用できない。第２に、この方法は、核医学のイメージャに利用される１ｍｍ又 はそれ以上の大きさの画素を伴う検出器アレイには適用できない。 第４の方法では、インターリーブグリッド構造にパターンされたアノードと、 プラナーのままのカソードを採用している。例えば、Ｐ.Ｎ.Ｌuke 著の“Ｕnipo lar Ｃharge Ｓensing with Ｃo-Ｐlanar Ｅlectrodes−Ａpplication to Ｓemi conductor Ｄetectors"ＩＥＥＥ Ｔran.Ｎucl.Ｓcience,vol.42,Ｎo.4,at 207-2 13(1995)を参照のこと。Ｌukcの方法において、アノードグリッドの１組が他の 電圧よりも若干高い電圧に維持される。一連の信号調整電子工学がグリッドの各 組と接続し、一連の信号調整電子工学からの出力間の差が最終出力信号へと続く 。この配置においては、電荷雲がグリッドから離れている場合、グリッド間の差 信号は０である。電荷雲がグリッドに接近すると、グリッドに誘導された電荷が 急速に増大し、他のグリッドに誘導された電荷が急速に減少する。次に、差信号 は、イオン化の発生する位置に関係なく、電子雲における一定の全電荷となる。 しかしながら、Ｌuke の方法にもまた欠点がある。第１に、グリッド構造は比 較的複雑であり、検出器アレイへの利用が不可能又は困難である。第２に、グリ ッドは個別の２本の増幅チェーンと差増幅器が必要であり、このために製造が非 常に複雑になりコストも非常に高くなる。この回路構成も、検出器アレイ構造に 必要な多重チャネル集積回路での利用が非常に困難になる。 低エネルギーテーリングを低減するための最後の方法は、シリコンドリフトチ ャンバの設計にある。これについては例えば、Ｅ.Ｇatti ＆ Ｐ.Ｒehak による" Ｓemiconductor Ｄrift Ｃhamber−Ａn Ａpplication of a Ｎovel Ｃharge Ｔr ansport Ｓcheme."Ｎuc.Inst.＆Ｍethods in Ｐhysics Ｒesarch,vol.225,at 608-614(19 84)を参照のこと。半導体ドリフトチャンバは次の原理に基づいている。両表面 に整流接合を打ち込んだ、薄く範囲の広い半導体ウェハが小さなアノード接触を 介して完全に空乏できる。空乏電界は、分子のイオン化により生じた電子を表面 と平行な埋込まれた電位チャネルに閉込める。表面と平行な静電界（ドリフト電 界）が独立してスーパーインポーズされ、埋込電位チャネルに沿って電子を収集 電極へ輸送する。さらに、検出器の作用面積に無関係に収集電極のキャパシタン スが非常に低い。ドリフトチャンバを様々な半導体で製造することが提案されて きた。ドリフトチャンバは、厚さ３００ミクロンの高抵抗性（１０⁴〜１０⁵ｏｈ ｍ−ｃｍ）のシリコンウェハに埋込まれた。このようなドリフトチャンバは、分 子物理学用の高解像度の位置感知検出器として使用される。 シリコンドリフトチャンバの方法にもいくつかの欠点がある。第１に、空乏電 界とドリフト電界を生じるために整流接合接触を使用しなければならない。これ らの接合接触の破壊電圧の制限のため、使用可能な電圧の大きさが制限される。 これにより、ドリフト検出器に使用したウェハの厚さが制限される。第２に、薄 型チャネルに効率的に電荷を輸送するために均一のドリフトチャネルを付加しな ければならない。この均一ドリフト電界を生じるためには、各々が注意深く制御 された固定電圧と接触した多くの接合接触がウェハ上に必要である。これにより 検出器の製造コストが非常に高くなり、また、検出器の使用が複雑になってしま う。第３に、検出器の厚さの制限と、使用した半導体材料の低いＺ（〜１４）と により、１０−２０ＫｅＶ以上のエネルギーにおいて、Ｘ線及びガンマ線の検出 効率が非常に低くなる。 シリコン検出器と、ＣｄＴｅ及びＣｄＺｎＴｅといった高抵抗性材料から成る 検出器との両方は、信号電極の周囲に「保護リング」を採用している。保護リン グは通常信号電極と同じ電位に保たれ、主に信号電極に到達することによる検出 器の縁からの暗流を防止するために使用され、それにより測定の信号−ノイズ比 率が低減する。保護リングは半導体検出器で生じる低エネルギーテーリングは低 減しない。 従って、低エネルギーテーリングを最小にし、従来の放射線検出器の弱点及び 欠点を未然に防ぐ半導体放射線検出器が必要である。本発明は、そのような放射 線検出器を提供する。 発明の概要 本発明は源から発せられるイオン化放射線を検知するための装置及び手段に関 する。イオン化放射線は、ガンマ線とＸ線を含む高エネルギー光子、又はベータ 分子とアルファ分子を含む電荷分子であってよい。しかしながら、本発明はあら ゆる種類のイオン化放射線の検出に利用できることがわかるはずである。 本発明の特徴である半導体検出器における低エネルギーテーリングの顕著な低 減は、検出器内のイオン化に伴う誘導電荷を共用し、電界を適切に整形し、小さ な電極に向けた収束電荷収集を行う電極の新規配置によって得ることができる。 この原理に従う半導体放射線検出器の実行において本発明は、高い収集効率を維 持しながらテーリングを実質的に除去する３つの電極の新規配置を有する検出器 構造を採用している。 本発明によれば、数ＫｅＶ〜数百ＫｅＶからエネルギーを検出することが可能 な放射線検出器が得られる。検出器は半導体結晶上に形成された３つの電極を備 えている。結晶は複数の側面を有し、この厚さは最低でも約０．５ｍｍであるこ とが好ましく、高い移動度−寿命−比率を有する半導体材料から形成されている ことが好ましい。第１電極はバイアス電極であり、結晶の或る１面全面を被覆す ることが好ましい。狭い範囲を備えた最低１つの信号電極が、バイアス電極と対 向する側面に形成されていることが好ましい。信号電極を備える同側面に制御電 極が設けられていることが好ましい。 さらに詳細には、本発明において半導体結晶の信号電極（又はアノード）を備 えた同側面に制御電極が形成され、結晶のこれと対向する側面を実質的に完全に バイアス電極（又はカソード）が被覆する。半導体結晶はＣｄＺｎＴｅ又はＣｄ Ｔｅから成ることが好ましい。最も単純な形状においては、アノードは、結晶の 電子−電荷−収集側面の中央付近に配置された小さな接触点である。アノードは 、大型抵抗器と外部信号回路構成を介して地面と結合している。カソードは電圧 源と結合しており、電圧源はカソードをアノードに関連して負電圧レベルに維持 す る。制御電極は好ましくは、範囲内でアノードよりもはるかに大きく、アノード を包囲する信号リングを形成する。制御電極はアノードに関連して負の電圧に維 持されるが、一般にはカソードより負であることはない。 この形態は、イオン化放射線のエネルギーを測定する際に、本質的に低エネル ギーテーリングを除去する。イオン化放射線が放射線検出器に吸収されると、電 荷を全ての電極に誘導する電荷雲が生じる。各電極に誘導される電荷の量は、そ の電極と電極の範囲からの電荷雲の距離の関数である。アノードの電荷は、小型 サイズのために、電荷雲がアノードに接近するまでは非常に小さい。さらに、電 子雲をアノードに集中させるために、制御電極は電界を整形する助けをする。電 子電荷雲がアノードに向かってドリフトすると、アノードに誘導された電荷は非 常に小さいままであり、制御電極の電荷は、電荷雲がアノードからアノードのサ イズとほぼ同じ距離を得るまで増大する。次にアノードの電荷は、電荷雲の総値 にまで急速に増大し、その一方で、制御電極の電荷が急速に０に減少する。正孔 電荷がカソードに向かってドリフトし、またアノードからドリフトし、半導体内 における正孔トラッピング効果が主に制御電極とカソード付近で見られる。従っ て、アノードに誘導された蓄積電荷である信号電荷は、その発生位置に関係なく 、全電子電荷雲の信号電荷と本質的に等しい。信号からイオン化の位置への依存 を除去することにより、本質的に低エネルギーテーリングを除去する。 アノードと制御電極との間での誘導電荷の共用と、関連する電極の誘導電荷の 増大及び減少は、電荷雲と電極と内部電極キャパシタンスとの間のキャパシタン スによって概念的に理解することができる。 小型アノードの別の利点は、アノードの付近において電荷雲を加速する電界凝 集を確立することである。この電界凝集は制御電極に印加された電圧によって拡 大する。電荷雲がその発生点からアノードへ向かってドリフトするので、いかな る少ない倍増においてでもアノードに誘導された電荷の分数はドリフト速度の関 数である。この速度はアノード付近で電界凝集によってかなり増加し、その結果 、総電荷の大きな分数が、アノードにアノードからの短距離において誘導される 。そのため電界凝集が、信号電荷の電荷雲発生の位置への依存を低減する。 アノード付近の電界凝集により外部回路構成における立上り時間パルスが短く なり、またパルス間の立上り時間がさらに一定になる。これは、パルス立上げ時 間による増幅におけるいかなる利得変化をも低減する発展的な利点である。 本発明の好ましい実施例の詳細についてを添付の図面と以下の説明において述 べる。本発明の詳細を知れば、当業者にとっては多くの追加的改新と変更が自明 になるであろう。 図面の簡単な説明 第１図は従来技術によるプラナー放射線検出器を示す斜視図である。 第２図は、カウント／チャネルと電荷信号パルス振幅の関係を示す、理想的な 放射線検出器のエネルギーパルスヒストグラムである。 第３図は、２つの異なる放射線検出器のエネルギーパルスヒストグラムであり 、曲線Ａはイオン化放射線が半導体結晶全体にかけて均一に吸収された場合のヒ ストグラムを示し、曲線Ｂは、吸収の度合がカソード付近では大きく、イオン化 がカソードから逆方向に向かって指数関数的に減衰する場合のヒストグラムを示 す。 第４図は、低エネルギーテーリングを示す、実際の従来技術ＣｄＺｎＴｅ（カ ドミウム亜鉛テルル化物）プラナー検出器のエネルギーパルスヒストグラムであ る。 第５図Ａは、本発明による単一エレメント形状の好ましい実施例を示す斜視図 である。 第５図Ｂは、第５図Ａの実施例を線５Ｂ−５Ｂに沿って切った切断側面図であ り、半導体結晶内に生じた電界を示す。 第６図は本発明の別の実施例を示す斜視図である。 第７図は本発明の別の実施例の斜視図であり、分割された制御電極を示す。 第８図は、本発明の別の実施例の斜視図であり、多重制御電極を示す。 第９図は、ＣｄＺｎＴｅ（カドミウム亜鉛テルル化物）半導体を採用した第５ 図に示した本発明の実施例のエネルギーパルスヒストグラムである。 第１０Ａ図は本発明の別の実施例の斜視図であり、検出器整アレイ構造を示す 。 第１０Ｂ図は、第１０Ａ図に示した配列実施例を線１０Ｂ−１０Ｂに沿って切 った切断側面図である。 第１１図は埋込んだ電極を有する放射線検出器の斜視図である。 全図面にわたり、同一の要素は同一の参照符号で示してある。 発明の詳細な説明 この説明を通じ、好ましい実施例及び例証は本発明の限定としてではなく模範 として考慮すべきである。 １．本発明による放射線検出器の物理的特性 第５Ａ図は、本発明による単一エレメント（又は単画素）放射線検出器５００ を示す好ましい実施例の斜視図である。単一エレメント検出器を示したが、本発 明による検出器は単一エレメントの実施例に限定されるものではなく、いかなる マルチエレメント形態にも使用できることが理解されるべきである。従って、複 数の単一エレメント検出器５００をまとめて単一エレメント検出器のアレイを形 成することもでき、また、本発明の原理によれば、モノリシック検出器アレイを 製造することもできる。このようなモノリシック検出器アレイの例を第１０図に 示しており、またこれについて以下に説明する。 第５図の単一エレメント検出器５００は、数ＫｅＶから１ＭｅＶ以上の範囲の エネルギーを測定できることが好ましい。検出器５００は半導体結晶５０２、バ イアス電極５０４、信号電極５０６、制御電極５０８を備える。電極を適切にバ イアスすることで、結晶５０２内に電界が生じる。検出器５００に吸収されたイ オン化放射線１１２が結晶５０２内でイオン化を生じる。次にイオン化は、電界 によって信号電極５０６へと導かれる電荷雲をつくる。 以下に述べる説明においては、電子の移動度−寿命積は正孔のそれよりも大き いと仮定する。 Ａ．半導体結晶 半導体結晶５０２は高い抵抗性、高いＺ（約３４以上）の半導体材料を有する 平板又はウエハーである。結晶は、室温で動作でき、検出器に製造できる高い抵 抗性のＣｄＺｎＴｅの平板から成ることが好ましい。また、結晶５０２はＣｄＴ ｅ、ＨｇＩ₂、ＰｂＩ又は高い抵抗力を備え検出器に製造できるその他の半導体 材料から成ることが好ましい。もちろん当業者には、本発明にはほとんど全ての 半導体材料が使用できることがわかるはずである。 分光学的方法で使用する場合には、ＣｄＺｎＴｅ又はＣｄＴｅから成る検出器 は、イオン化放射線のあらゆるエネルギーのための特性パルス振幅に加え、多く のより低エネルギーなパルスを生じる。すなわち、このような結晶は著しい低エ ネルギーテーリングを生じる。これは、テーリングを低減する方法で検出器を設 計するために、ＣｄＺｎＴｅ又はＣｄＴｅ製の半導体平板を使用した放射線検出 器において特に重要である。本発明は、テーリングをほとんど除去するためにＣ ｄＺｎＴｅ及びＣｄＴｅベースの半導体放射線検出器に特に適切な検出器構造を 提供する。 第５図に示すように、半導体結晶５０２は正方の平行六面体であることが好ま しい。しかしながら、結晶５０２は実質的に、立方体、半球形、円筒形、円錐形 、斜方晶形を含むどのような体積の形状あっても構わない。試験的実施例の１つ において、結晶５０２は側面５１０、５１２を有し、横「ｃ」縦「ｅ」が各々約 ６．１ｍｍ、厚さ「ｄ」が約３ｍｍの正方形であった。しかしながら、第５図の 寸法は単なる例であり、寸法は本質的に、使用する検出器の用途及び測定状態に よるものである。従って、結晶５０２は側面５１０、５１２における表面範囲が これより小さくても大きくても構わない。側面５１０、５１２の表面範囲は一般 に、１〜数百ｍｍ２である。 結晶５０２の厚さ「ｄ」は３ｍｍ以上又は３ｍｍ以下であってよい。しかし、 この厚さは約０．５ｍｍ以上で、一般に約１ｍｍ〜１０ｍｍの間であることが好 ましい。（結晶５０２の厚さの変化による効果については、以下により詳細に説 明する。）特別な結果を得るため又は製造性を向上するために、結晶の形状及び 寸法を単独で又は組合わせて変えられることが当業者にはわかるであろう。 本発明の新規構造は、約１０メグオーム−ｃｍ以上の抵抗性を持つ実質的にい かなる半導体又は絶縁体検出器材料とも利用できる。半導体の抵抗性が１０メグ オームより低い場合には、抵抗性は、一方の電極においてショットキー障壁又は ｐｎ接合を作ることでこの値にまで効果的に増加される。 Ｂ．バイアス電極 バイアス電極５０４は、結晶５０２の側面５１０の実質的に一面に（例えば金 属化によって）導電層として形成される。（第５図に示した実施例において、電 子移動度−寿命積の正孔移動度−寿命積に対する比率は１よりも大きく、そのた めバイアス電子５０４はカソードとして働き、後の説明においても参照される。 もちろん、移動度−寿命比率が保留されれば極性も保留され、カソード５０４が アノードとして働く。）結晶５０２の表面の一部のみ又は１面以上を被服するた めにカソード５０４を形成してもよく、及び／又は側面５１０上に複数のカソー ドを設けてもよい。さらに、カソード５０４を様々な寸法の異なる形状に形成し てもよい。 カソード５０４は、アノード５０６に対して負であり結晶５０２の厚さ「ｄ」 及び用途に依存するバイアス（又はカソード）電圧Ｖ_bに設定される。結晶５０ ２の厚さが約３ｍｍの好ましい実施例では、Ｖ_bの大きさが約−２００Ｖ〜約− １０００Ｖであり、最も好ましくは約−４００Ｖ〜約−５００Ｖである。しかし 、Ｖ_bは適切なあらゆる電圧レベルであってよいことが理解されるべきである。 カソードは、カソード５０４を一定の外部電圧源５１４と結合することにより、 又はほぼ一定の電圧レベルを確立しそれを維持するための適切な手段により、Ｖ_b に設定される。ワイヤ導体でカソードを電圧源５１３と結合することが好まし い。 Ｃ．信号電極 第５図の実施例において、信号電極５０６は好ましくは、側面５１２の中心又 はその付近に位置する小さな導電接点であることが好ましい。側面５１２は、好 ましい実施例において半導体結晶５０２の表面であり、カソード５０４が形成さ れている側面５１０と対向している。（上述したように第５図の実施例において 、電子移動度−寿命積は正孔ものよりも大きく、そのため信号電極５０６がアノ ードとして働き、後の説明において参照される。この逆が事実であれば極性も逆 になり、アノードがカソードとして働く。）第５Ａ図のアノード５０６は直径約 １ｍｍの円形であり、この直径は長さ「Ａ」よりも短い。従って、アノード５０ ６は側面５１２上に形成された「点」接触であることが好ましい。しかし、アノ ー ド５０６もカソード５０４のように、円形、正方形、長方形、三角形といった様 々な形状に形成することができ、寸法も限定されていない。 アノード５０６は、好ましくはワイヤ接続で外部信号回路構成５１６と結合し 、また、第５図の好ましい実施例では地面５１４であるアノード電位と抵抗器で 結合している。従ってアノード５０６は、上述した通り負電圧に設定されたカソ ード５０４よりもより正電圧レベルＶ_aにある。その結果、アノード５０６とカ ソード５０４にかけて結晶５０２内に電界を生じるバイアス電圧が存在する。当 業者にはＶ_aは接地の必要がないことがわかるであろう。むしろ、カソード５０ ４とアノード５０６の間にバイアス電圧を確立するためにＶ_aとＶ_bが異なるレベ ルに設定されていれば、Ｖ_aはあらゆる電圧レベルにあってもよい。 Ｄ．制御電極 第３の電極、制御電極５０８は結晶５０２のアノード５０６と同じ側面５１２ 上に形成されている。第５Ａ図に示すように、制御電極５０８は導電回路リング であり、アノード５０６を包囲し、約４ｍｍの内径「ａ」と約６ｍｍの外形「ａ 」＋「２ｂ」を有する。第６図は本発明の放射線検出器６００の別の実施例を示 しており、制御電極６０８が側面６１２の周囲に方形リングを形成し、このリン グがアノード６０６を包囲している。放射線検出器６００において、制御電極６ ０８の幅は約０．５ｍｍである。ここで定義した「リング」とは、別の本体又は 構造を完全に又は部分的に閉鎖するか、実質的に包囲する、あらゆる形状（例え ば、円形、長方形、正方形）の本体又は構造である。従って、制御電極５０８は 、第５Ａ図と第６図にあるようにアノード５０６の周囲の円形又は方形リングと 限定されるものではなく、正方形、三角形又は他のリング形であることができる 。さらに、制御電極５０８はアノード５０６を包囲する必要はない。制御電極５ ０８は（完全なリング形よりも）「不完全」な円形又は正方形、又はアノード５ ０６付近に形成された不定形の場所であってもよい。別の制御電極／アノード形 状のいくつかについて以下に詳しく説明する。 制御電極５０６は、一定電圧レベルにあることができるが、あるいは制御され るか完全な可変電圧レベルであってもよい制御電圧Ｖ_cを有する。Ｖ_cはＶ_bのよ うにアノードに対して負電圧であることが好ましい。さらに、Ｖ_cの大きさは、 Ｖ_bとＶ_aの大きさの間になるように一般的な大きさに確立される。しかし、Ｖ_c の大きさはＶ_bよりもさらに負である。従って、好ましい実施例において、Ｖ_aと Ｖ_cとの間に次の関係が成り立つ。 Ｖ_c ＜ Ｖ 多くの使用において最大検出器感度はＶ_c＝Ｖ_bである。 Ｖ_cは様々な方法で確立できる。例えば第５Ａ図に示すように、制御電極５０ ８をほぼ一定の電圧を発生する外部電圧源５２２と結合する。外部電圧５２２は Ｖ_cにおいて制御電極５０８を維持するために利用される。外部電圧源５２２が Ｖ_cを確立するために利用されると、電位が、制御電極からアノード及びカソー ドへの効果的な抵抗によって確立される電位より大きいか小さいかにより、電流 が制御電極５０８へ流れるか、又は制御電極から流れるかする。 または第６図に示すように、制御電極６０８を地面６１４と接続するコンデン サ６２４と結合してもよい。コンデンサ６２４には独立型、モノリシック、厚膜 、集積回路コンデンサといったあらゆるタイプのコンデンサを使用でき、またコ ンデンサ６２４をシステムの寄生キャパシタンスにすることもできる。コンデン サ６２４は、Ｖ_b−Ｖ_aによって決定された電圧に帯電し、また、カソード６０４ から制御電極６０８、制御電極６０８からアノード６０６への固有の電気抵抗の 値により決定された電圧に帯電する。コンデンサ６２４は、信号電荷収集の間、 電荷が制御電極６０８を通過して一掃される際に著しく変化することでＶ_cを呈 する。 また別の方法においては、Ｖ_c（及びＶ_a及びＶ_b）が、例えば電圧源５２２を 使用してＡＣ電圧を加えることにより確立される。同じように、デジタルステッ プ波形又は別の波形を加えることによりＶ_a、Ｖ_b、及び／又はＶ_cが確立される 。このような可変電圧源を加えることでＶ_cが変調し、又は活発に変化し、これ により、アノード５０６における電荷信号パルスの出力カウント率が変調又は変 化する。 好ましい放射線検出器５００において、制御電極５０８の位置及び寸法は、制 御電極５０８に小型のコンデンサ（例えば、約１０００ｐＦ）のみを取付けてい るため、制御電極５０８が、Ｖ_bが約−５００Ｖである時のＶ_cの許容動作値で ある約−２５０Ｖに維持される。従って、本発明による放射線検出器の様々な実 施例の各々に電極が３つ必要であるが、どの検出器の実施例もコンデンサ６２４ を追加することにより、検出器が外部回路構成に関連する二端子装置として動作 するようになる。また、制御電極５０８とカソード５０４を接続して、Ｖ_cとＶ_b が等しい状態で、検出器５００を外部回路構成と関連する二端子装置として動作 することもできる。さらに、後で詳細に説明するが、最適Ｖ_c付近に制御電極５ ０８を設けると、半導体結晶５０２内のほとんど全ての電子電荷雲がアノード５ ０６によって収集される。従って、ほとんど全ての低エネルギーテーリングが除 去され、非常に高い検出効率が得られる。また制御電極５０８は結晶５０２の縁 における欠陥が及ぼす影響も低減する。 Ｅ．電極の形状及び特徴 第７図は、分割されたアノード７０６と制御電極７０８を備えた、本発明の別 の実施例を示す。第７図のアノード７０６が複数のセグメント７３０に分割され 、制御電極７０８も同様に複数のセグメント７３２に分割される。アノード７０ ６と制御電極７０８の両方が任意の数のセグメント７３０、７３２を設けており 、これらセグメントは実質的に任意の形状を有している。さらに、１つのアノー ド７０６又は制御電極７００８が有する全てのセグメント７３０、７３２が同じ 形状又は同じ寸法を有する必要はない。従って、１つの電子内の各セグメントは 独自の形状と寸法を有することができる。 半導体結晶５０４内の電界分布を最も効果的にするために、異なるセグメント ７３０、７３２は異なる電圧に設定される。このような最適な電圧が、シミュレ ーション及び／又は実験を通して実験的に選択できることが当業者にはわかるで あろう。 また第８図に示すように、２つ以上の制御電極８０８とアノード８０６を半導 体結晶５０４に形成することができる。様々な制御電極８０８はどのような形状 及びサイズであってもよく、アノード８０６に関する様々な位置に配置されるこ とができる。セグメント７３０、７３２と同様に、複数の異なる制御電極８０８ をそれぞれ異なる電圧に設定して電界分布を最も効果的にすることができる。さ らに、最適な電界分布を得るために、制御電極８０８を結晶５０４のどこに形成 してもよい。 やはり第８図に示すように、カソード８０４の場合とは反対に、制御電極８０ ８又はアノード８０６のどちらも検出器８００の表面上に配置する必要がない。 例えば、第８図の検出器８００において、カソード８０４は立方体の半導体結晶 ８０２の第１面８１０上に形成されている。第１制御電極８０８ａとアノード８ ０６は、両方とも第１面８１０に隣接する第２面８４０上に形成されている。第 ２セットの制御電極８０８ｂとアノード８０８ｂは、第１面８１０と対向する第 ３面８１２上に形成されている。また、結晶８０２は、制御電極８０８を隣接す る面８４０上に、アノード８０６ｃを別の隣接する面８４２上に設けることがで きる。上述した説明により、結晶における電界がアノードに向かって電子電荷雲 に焦点を合わせ、アノードを正孔トラッピングの影響から保護する限り、アノー ドと制御電極を結晶にどのように分布しても構わないことが理解されるはずであ る。 さらに、カソード、アノード、制御電極のいずれも結晶の単一面に制限される 必要はない。例えば第８図に示すように、制御電極８０８ｂは、結晶の１面から 延び、角を曲がって隣接する面へと続く。また、電極は結晶を完全に又は部分的 に包囲する帯状であってもよい。 電極は、様々な技術を利用して結晶上又は結晶内に形成することができる。電 極は、一般にＣｄＺｎＴｅ検出器の製造に利用される金膜を電気化学的に結晶５ ０２の表面上に付着することが好ましい。また、プラチナ、ロジウム、その他の 金属を含む別の導体材料を結晶表面５０２に電気化学的に付着して電極を形成す ることも可能である。電気化学的付着の代わりに、蒸発、スパッタリング、表面 合金によって電極を結晶表面上に付着することができる。また、導体材料のイオ ンビーム付着及びＣＶＤ付着といったその他の技術によって電極を形成すること もできる。電極は、メサ形、溝形、埋込形の形状を含む様々な形状に形成するこ とができる。第１１図は、放射線検出器１１１４における埋込形アノード１１１ ０及び制御電極１１１２を示す。 電極間の分離は様々な方法で達成できる。例えば、電極は、結晶５０２の表面 を修正しすることで、及び／又は結晶の表面上のバルク材料によって（すなわち 、 任意の工程で形成された不動態化又は抵抗層によって）分離される。 電極はオーム性接触であることが好ましい。しかし本発明の電極はオーム性で ある必要はなく、整流、ｐ−ｎ接合又はその他のタイプの接触であることができ る。 ＩＩ．放射線検出器の動作 本発明による放射線検出器の動作局面についてを、第５図の実施例を参照しな がら説明する。しかし、以下に説明する原理は本発明のどの実施例にも適応する ことがわがるはずである。 Ａ．動作理論 以下の議論は、本発明の動作特性の物理的基礎であると信じられているもので ある。十分な理論的考察は本発明のこの動作理論が正しいことを示しているが、 本発明の有用性は以下の議論が正しいかどうかに依存するものではないことを理 解すべきである。更に、以下の説明では第５図の放射線検出器５００を参照する が、そこに述べられた原理及び理論は本発明の全ての形態に適用可能であること を理解すべきである。 半導体結晶５０２は電子と正孔を備えている。結晶５０２内でイオン化が生じ ると、電子と正孔が、特別な方法で結晶５０２内で送られる電子及び正孔電荷雲 に形成される。上述したように、輸送特性を表わす必須の電子及び正孔パラメー タは次の通りである。（１）移動度、μ、これは電子又は正孔が特定の電界にお いてどれだけ早く移動するかを表わし、（２）トラッピング寿命、Ｔ、イオン化 によって生じた電子又は正孔が自由でいられ、輸送工程に参加できる平均時間を 表わす。半導体放射線検出器の分析において移動寿命積（μＴ）は重要なパラメ ータであると考えられ、電子用の移動度−寿命積（μＴ）_e、正孔用の移動度− 寿命積（μＴ）_hがある。移動度−寿命積は一般に、特定の半導体において電子 用のものと正孔用のものとでは著しく異なる。電極が半導体に形成され、電極間 に電圧電位が確立される場合、半導体内の電界Ｅが電子をアノードまでドリフト させ、正孔をカソードまでドリフトさせる。 ＣｄＴｅ及びＣｄＺｎＴｅのような半導体において、電子の移動度−寿命積は 一般に正孔のものよりも非常に大きく、移動度−寿命比率、（μＴ）_e／（μ Ｔ）_hは一般に１０よりも大きい。（しかしながら、以下に説明する原理も、（ μＴ）_h／（μＴ）_eがより小さい又はより大きな半導体検出器に適応できる。） ＨｇＩ₂、ＰｂＩといった他の高抵抗性半導体においては、移動度−寿命比率は これより高くてもよい。概念目的のために、平均自由行程（μＴＥ）が、検出器 の厚さに関連して電子には大きく、正孔には小さいと仮定する。本質的に、放射 線のイオン化によって生じた全ての電子がアノードに達し、正孔の多くがカソー ドに達する以前にトラップされる。この状況下で、プラナー検出器に輸送された 電荷の量は、イオン化が生じる結晶内における位置に大きく依存する。イオン化 がカソードに非常に近接した場所で生じた場合、電子は結晶を横切ってアノード へ一掃され、正孔はカソードへ一掃され、放射線のイオン化によって生じた全電 荷が外部回路内で検知される。イオン化がアノード付近で生じた場合、電子はア ノードへ一掃されるが正孔はトラップされ、正味効率によりはるかに低減された 出力信号を生じる。この間において、外部回路内で生じた電荷の分数は、イオン 化の生じるアノードからの距離の関数である。イオン化の生じる位置への電荷反 応の依存性は、プラナー検出器における好ましくない低エネルギーテーリングの 原因である。本発明による三極検出器によれば、最低でも３つの要素が低エネル ギーテーリングの除去に貢献する。 第１に、低エネルギーテーリングはアノード５０６と制御電極５０８の範囲の 比率によっておおよそ低減される。検出器５００内のイオン化によって電荷雲が 生じると、全ての電極に電荷が誘導される。電極に印加される電圧によって確立 された電界５１８が電子雲をアノード５０６に、また正孔雲をカソード５０４に 案内する。制御電極５０８に誘導された電荷は一般に、最初はアノードの電荷よ りもはるかに大きい。これは、電荷雲とアノード５０６と制御電極５０８の間の 関連するキャパシタンスのためである（おおよそのこれらの範囲の比率）。この 状態は、電荷雲が制御電極５０８よりもアノード５０６に近い場合を除けば事実 である。アノード５０６における電界５１８の高密度のために、電子雲はアノー ド５０６に到達する際、アノードに非常に接近すると加速し、アノード５０６の 電荷が非常に急速に電子雲の総値にまで増大する。反対に、正孔雲がカソード７ ０５へと移動すると、正孔雲がアノード５０６に及ぼす影響が低減する。これに より、プラナー検出器内に低エネルギーテーリングを生じる影響が、アノード範 囲のカソード範囲に対するおおよその比率である量だけアノード信号から減少す る。従って、イオン化が生じた結晶５０２内の場所に無関係に、アノード５０６ によって収集された総電荷である信号電荷が本質的にイオン化の総電荷であるこ とになる。この検出方法により、アノード電荷反応から、好ましくない低エネル ギーテーリングの原因であるイオン化の発生位置へのその依存性を除去すること がわがる。さらに、制御電極５０８の負バイアスが、制御電極５０８による電子 電荷雲の収集を妨げ、これにより高い収集効率を維持する。 第２に、電界整形が低エネルギーテーリングの低減を助ける。第５Ｂ図は第５ Ａ図の放射線検出器５００の切断側面図であり、好ましい３極形態によってつく られたと考えられる算出した電界５１８を示している。第５Ｂ図に見られるよう に電界５１８が結晶５０２内の電界路によって特徴付けられる。電界路はカソー ド５０４とアノード５０６間のほとんどの距離において一定して平行である。電 界路はアノード５０６に近づくにつれて集結度を増す。アノード５０６に誘導さ れた電荷の分数が電荷雲の速度の関数であるため、また、雲がアノード５０６に 接近するに連れて電界５１８の集結度がドリフト速度を加速させるため、短時間 でアノード５０６に総電荷の大きな分数が誘導される。制御電極５０８によって アノード５０６における電界密度が増進した結果、より早い立上り時間を有し、 通常ＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅのような半導体においてみられる立上り時間の相異 を最小にする電荷信号がアノード５０６で得られる。その結果、有限のクリッピ ング時間を有する外部回路５１６によってさらに均一の増幅が得られる。 第３に、制御電極５０８も、構造欠陥がより頻繁に起こる、結晶５０２のペリ メータ付近で発生したために乏しい輸送特性を有する電荷雲のいくらかを除去す る。このような電荷雲は低エネルギーテーリングを引起こす。しかし、制御電極 ５０８の電圧を調節することで、このような電荷雲がアノード５０６ではなく制 御電極によって収集され、この電荷雲が低エネルギーテーリングを引起こすこと を防止する。 Ｂ．実際の検出器のための動作例 第９図は、第５図の検出器５００に従って作った実際の放射線検出器用の、Ｔ ｃ−９９ｍｍから放射されるガンマ放射線の信号パルスヒストグラムを示す。実 際の検出器は長方形平行六面体のＣｄＺｎＴｅ半導体結晶を採用している。結晶 はの大きさは、側面約６．１ｍｍ×６．１ｍｍ、幅約３ｍｍであった。この検出 器は結晶の或る面を覆うカソードと、その対向する面上にアノード及び制御電極 を設け、Ｖ_a＝０Ｖ、Ｖ_b＝−４５０Ｖ、Ｖ_c＝−２５０Ｖであった。 第９図は、本発明により得られる実質上の低エネルギーテーリングの除去を明 白に示す。放射線イオン化のエネルギー準位において大きなフォトピーク９０２ が存在し、テール９０４で示すように、少量の低エネルギーパルスが検出された 。本発明の検出器によって得られたテーリングの低減は、第９図と第４図のヒス トグラムを比較するとはっきりとわかる。第４図のヒストグラムは、第９図の結 晶と同じ大きさと性質を持つ結晶を使用した従来のＣｄＺｎＴｅプラナー検出器 で得られたものである。第４図はターゲットエネルギーにおいて広いフォトピー ク４０２を有し、これは解像度の減衰を示し、また、かなりの量の低エネルギー テーリング４０４を有し、これはピーク効率の低減を示している。３つのエネル ギーピークの関連する振幅に注意してみると興味深いことがわかる。ピークにお ける総カウントはこれらピークの放射の確率と比例しなければならない。コバル ト−５７におけるこの確率は、１）１４．４１３ＫｅＶ−９．１４％、２）１２ ２．０６ＫｅＶ−８５．６８％、３）１３６．４５ＫｅＶ−１０．６７％である 。第９図ではピークにおけるカウントの関連する大きさはこれら放射の確率と非 常に近く、第４図ではピーク状態になければならないカウントの少なくとも半分 がより高いエネルギーピークの低エネルギーテールにあることがわかる。（第４ 図、第９図の２本の曲線は同一の寸法と同一の方第１材料を備えた検出器によっ て得られ、それにより２本の曲線は関連するピーク振幅について比較される。し かしながら各ピークについての光子吸収データなしではピーク振幅の直接比較は できない。） 従って、第９図のヒストグラムから明白なように、制御電極５０８を設け、電 界５１８の形状に影響を与えることにより、低エネルギーテーリングが実質的に 除去される。従って本発明の検出器によれば、高抵抗性、大型移動度−寿命率を 有する半導体材料に固有の電荷輸送問題に無関係に、高解像度及び収集効率が得 られる。 Ｃ．動作の追加の局面及び特徴 Ｖ_cの大きさは実験によって確立される。Ｖ_cの大きさが小さすぎる場合、アノ ード５０６がいくつかの電子雲しか収集せず、放射線検出器５００の収集効率が 低くなる。Ｖ_cの最適値は電極の幾何図形的配列に依存する。第５図の放射線検 出器５００において好ましいＶ_cの値は（Ｖ_a＋Ｖ_b）／２からＶ_bにわたる。 カソード５０４と制御電極５０８間の抵抗性と、制御電極５０８とアノード５ ０６間の抵抗性を調整して、特定のパフォーマンス結果を得ることができる。こ れは、電極の幾何図形的配列を変えることで、また、イオンダメージ、イオン注 入、熱化学処理及び／又は他の手段によってバルク又は表面抵抗性を変えること で成される。 本発明の放射線検出器はほとんど全ての厚さの結晶で使用できる。しかし、最 低でも約０．５ｍｍの厚さが好ましい。厚さに関する唯一の制限は、ほとんどの 電荷キャリアが結晶の厚さを横断できるように、大きなμＴ積（つまり（μＴ）_e 又は（μＴ）_h）が十分に大きくなければならないことである。技術状態ＣｄＺ ｎＴｅにおいてこの厚さは約１０ｍｍである。１つの結晶上にアノードが１つし かないため、検出器の作用範囲が電子工学により設けられた最大アノードキャパ シタンスによって、また、電子雲をアノードに案内する電界を形成する能力によ って限定される。適切な幾何図形的配列によってアノードと制御電極のための広 い範囲が得られる。後述する検出器アレイ形状に類似したグリッド構造を形成す ることでさらに広い範囲が使用できるが、アノード同士は接続していなくてはな らない。 このように、本発明による半導体結晶の厚さはかなり厚くてもよいため、広範 囲の放射エネルギーにおいて高い感度及び検出効率を提供することができる。 本発明の放射線検出器において、また第５Ｂ図に示すように、電極は、放射線 １１２が検出器５００に入射し、入射放射線１１２とほぼ平行する面５１０に対 してほぼ垂直な方向に沿って電荷雲を案内する電界５１８を生じるよう配置及び バイアスされている。 Ｖ_b−Ｖ_aの値は、半導体結晶の厚さと使用に必要な条件に基づいて選択され る。厚さ３ｍｍの結晶では、Ｖ_b−Ｖ_aは−４００Ｖである。 この新装置の実施例において一定のイオン化放射線の流れが維持されると、最 適値以下にある制御電極５０８の電圧（Ｖ_c）の変化が関連する方法でカウント 率に変化を起こす。従って、本発明の放射線検出器はイオン化放射線のビームか らの信号の調節に利用できる。 ＩＩＩ．検出器アレイ実施例 第１０図は本発明による検出器アレイ１０００の実施例を示すものである。第 １０Ａ図は検出器アレイ１０００の斜視図である。第１０Ｂ図は検出器アレイ１ ０００の切断側面図であり、半導体結晶１００２内の電界１０１８を示す。 カソード１００４は半導体結晶１００２の底側面１０１０のほぼ全てを被覆し て形成されることが好ましい。しかしながら、カソード１００４は結晶１００２ の底側部１０１０を完全に被覆する必要はなく、所望のどのような大きさ及び形 状であることができる。半導体結晶１００２は、アノード１００６のアレイと制 御グリッド１００８を収容するために電極側１０１０、１０１２の表面範囲がよ り広いことを除けば、上述した第５図の単一エレメント検出器５００の結晶５０ ２とほぼ類似する。結晶１００２はモノリシック又はタイル張りの半導体材料の 単一ブロックに形成されることができる。 検出器アレイ１０００は図に示すように、単一アノードを複数のアノード１０ ０５と替え、制御電極１００８を、アノード１００６が結晶１００２の最上面１ ０１２上に設けられたグリッドとして形成して製造する。従って、各アノード１ ００６と制御グリッド１００８のそれを包囲する部分が画素を形成することにな る。アノード１００６と制御グリッド１００８は従来の半導体処理技術を利用し て形成できる。このような画素アレイは、産業及び医療目的で使用される放射線 カメラに特に便利である。 低エネルギーテーリングの低減と解像度及び収集効率の増加といった特徴に加 え、本発明の検出器アレイ構造は第１０Ｂ図に示すように、各画素をその近傍か ら隔離してクロストークを抑制する電界パターン１０１８を確立する。さらに、 アノード１００６が制御グリッド１００８よりもずっと小型に造れるため、アノ ード１００６と制御グリッド１００８間の十分な分離が得られる。これは、検出 器アレイ装置内の好ましくないノイズの原因となるグリッド間の漏れ電流を低減 する効果がある。 検出器アレイ１０００は、単一エレメント検出器の様々な実施例に関連して上 述した原理と同じ原理で動作する。従って、制御グリッド１００８とアノード１ ００６は電子雲によって誘導された電荷を共用するが、制御グリッド１００８が アノード１００６よりもずっと大きいために低エネルギーテーリングがアノード １００６からほとんど除去される。さらに、制御グリッド１００８はカソード１ ００４の電圧レベルＶ_bに近い電圧レベルＶ_cに設定されることが好ましい。ここ でも、検出器アレイ１０００にＶ_c＜Ｖ_aの電圧関係が存在する。上述したように 、この関係は、電界１０１８を電子雲をアノード１００６へ案内する電界路に形 成する働きをする。その結果、電子雲が小型のアノード１００６にその全電荷を 誘導する。これにより、検出器アレイ１０００のアノードエレメント１００６の 低エネルギーテーリングが著しく低減される。 単一制御グリッド１００８が示されているが、ゾーン又はアノード１００６の サブセットを制御するためにゾーン制御グリッドを形成でき、また、それぞれの アノード用に制御グリッドを形成することもできる。 アレイとして製造された１つの試験的ユニットにおいて、制御グリッドと中央 アノードを適当な半導体結晶（ＣｄＺｎＴｅ）上に配して、複数の３ｍｍ×３ｍ ｍの正方画素を形成した。このようなアレイは核医学のイメージャーの使用に非 常に適している。 アノード１００６の全て又はいくつかは相互に平行して電気的に接続していて もよい。これにより、第１０図に示す構造は、単一アノードで得られるものより もはるかに広い範囲を有する単一検出器の製造に使用できる。さらに、広範囲検 出器は、検出器１０００にその範囲又は量に比例する高感度を許容し、より小型 の検出器と同じ高い解像度許容する低い総合キャパシタンスを有する。 ＩＶ．結論 本発明の必須の特徴は、放射線吸収からの本質的に全電子電荷がアノードに収 集され、正孔トラッピングの効果がアノードから保護され、信号からほとんどの 低エネルギーテーリングが除去される方法で、制御電極（単数又は複数）、アノ ード（単数又は複数）、カソード（単数又は複数）の組合わせを採用することで ある。また電極は、放射線のイオン化により生じた電子雲を効率的にアノード（ 単数又は複数）へ誘導する電界パターンを結晶内に形成するような形状である。 本発明の複数の実施例を説明してきた。しかし、本発明の精神及び範囲を逸脱 しない限り様々な改良が可能であることが理解されるであろう。従って、本発明 は特定の図解した実施例によって限定されるものではなく、付属の請求の範囲に よってのみ限定されることが理解されるべきである。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年４月２１日 【補正内容】 請求の範囲 １．（ａ）複数の側面と少なくとも０．５ｍｍの厚さを有する半導体と、 （ｂ）半導体の少なくとも１側面に形成されたバイアス電極と、 （ｃ）半導体の少なくとも１側面に形成された単一電極と、 （ｄ）半導体内でのイオン化により生じた電荷雲を前記単一電極へ導くために、 また、半導体内の正孔トラッピングの信号電極への影響を実質的に低減するため に半導体の少なくとも１側面に形成された少なくとも１つの制御電極と、を有す る放射線検出器であって、 放射線検出器が約２０ＫｅＶより大きなエネルギーを検出することができる放 射線検出器。 ２．半導体がＺ＞３４を有する請求項１に記載の放射線検出器。 ３．半導体が約１０⁷ｏｈｍ−ｃｍよりも大きな抵抗率を有する請求項１に記載 の放射線検出器。 ４．信号電極が出力カウント率を検出し、検出器は出力カウント率を変えるため に能動的に変化する電圧を制御電極に加える手段を含む請求項１に記載の放射線 検出器。 ５．半導体がＣｄＴｅからなる請求項１に記載の放射線検出器。 ６．半導体がＣｄＺｎＴｅからなる請求項１に記載の放射線検出器。 ７．信号電極が半導体の制御電極と同じ側面上にある請求項１に記載の放射線検 出器。 ８．信号電極が半導体の制御電極とは異なる側面上にある請求項１に記載の放射 線検出器。 ９．バイアス電極が、半導体の第１側面の少なくとも実質的な部分を覆うカソー ドである請求項１に記載の放射線検出器。 １０．バイアス電極がバイアス電圧源と結合するよう形成され、また、バイアス 電極がカソード電圧Ｖ_aを有するカソードであり、Ｖ_bは実質的に一定値に保持さ れている請求項１に記載の放射線検出器。 １１．信号電極が信号電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が電圧 Ｖ_aを有し、Ｖ_b−Ｖ_aが半導体の厚さに依存する請求項１０に記載の放射線検出 器。 １２．半導体の厚さが約３ｍｍであり、Ｖ_b−Ｖ_aが約−５００Ｖである請求項１ １に記載の放射線検出器。 １３．信号電極が信号電極電圧源と結合するように形成され、信号電極はほぼグ ラウンドのアノード電圧Ｖ_aを有するアノードである請求項１０に記載の放射線 検出器。 １４．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、制御電極は制御電 極電圧Ｖ_cを有し、Ｖ_bはほぼグラウンドである請求項１０に記載の放射線検出器 。 １５．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極が電圧Ｖ_aを有し、Ｖ_c＜Ｖ_aである請求項１０に記載の放射線検出器。 １６．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極が電圧Ｖ_aを有し、Ｖ_c＜Ｖ_aである請求項１に記載の放射線検出器。 １７．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極がアノード電圧Ｖ_aを有し、Ｖ_cが（Ｖ_a＋Ｖ_b）／２とほぼ等しい請求項１０ に記載の放射線検出器。 １８．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電 極電圧Ｖ_cを有し、Ｖ_cがＶ_bとほぼ等しい請求項１０に記載の放射線検出器。 １９．制御電極が定電圧源と結合している請求項１に記載の放射線検出器。 ２０．制御電極がコンデンサの第１端子と結合し、コンデンサの第２端子がグラ ウンドに結合している請求項１０に記載の放射線検出器。 ２１．信号電極が信号電極電圧源と結合するように形成され、信号電極がアノー ド電圧Ｖ_aを有するアノードであり、バイアス電極と制御電極との間に第１抵抗 が存在し、制御電極と信号電極との間に第２抵抗が存在し、これによりコンデン サと制御電極とがＶ_b−Ｖ_aによって定められる電圧レベルに帯電する 請求項２０に記載の放射線検出器。 ２２．バイアス電極がカソード表面領域を有するカソードであり、信号電極がカ ソード表面領域よりも実質的に小さな表面領域を有する請求項１に記載の放射線 検出器。 ２３．信号電極が、半導体の、カソードを備えた第１側部と反対側の表面に配置 されたアノードである請求項２２に記載の放射線検出器。 ２４．制御電極が前記反対側の表面に配置され、アノードを包囲している請求項 ２３に記載の放射線検出器。 ２５．制御電極が、アノードを包囲する実質的に円形のリングからなる請求項２ ４に記載の放射線検出器。 ２６．バイアス電極、信号電極、及び制御電極が半導体の表面上に形成されてい る請求項１に記載の放射線検出器。 ２７．バイアス電極、信号電極、及び制御電極が金膜からなる請求項２６に記載 の放射線検出器。 ２８．バイアス電極、信号電極、及び制御電極の少なくとも１つが半導体の表面 下に埋込まれている請求項１に記載の放射線検出器。 ２９．信号電極が複数のセグメントに分割されている請求項１に記載の放射線検 出器。 ３０．制御電極が複数のセグメントに分割されている請求項１に記載の放射線検 出器。 ３１．放射線検出器が複数の制御電極を有する請求項１に記載の放射線検出器。 ３２．イオン化放射線を検出するための放射線検出器であって、 （ａ）複数の側面を有する、イオン化放射線に応答する半導体と、 （ｂ）半導体の第１側面に形成されたカソードであって、該カソードはカソード 表面領域を有し、カソード電圧源と結合し、カソード電圧Ｖ_bを有するカソード と、 （ｃ）前記半導体の第２側面に形成されたアノードであって、前記第２側面は前 記第１側面の反対側で中心領域を有し、該アノードは前記第２側面の中心付近に 位置する接点を有し前記カソード表面領域よりも実質的に小さな表面領域 を有し、アノード電圧源と結合し、アノード電圧Ｖ_aを有するアノードと、 （ｄ）前記半導体の前記第２側面に形成された制御電極であって、該制御電極は アノードを包囲する単一リングを形成し、制御電圧源と結合し、Ｖ_c＜Ｖ_aとなる 制御電圧Ｖ_cを有する制御電極と、からなる放射線検出器。 ３３．半導体がＣｄＺｎＴｅから成る請求項３２に記載の放射線検出器。 ３４．半導体が厚さを有し、Ｖ_b−Ｖ_aがこの厚さに依存する請求項３２に記載の 放射線検出器。 ３５．半導体の厚さが約３ｍｍであり、Ｖ_b−Ｖ_aが約−４００である請求項３４ に記載の放射線検出器。 ３６．Ｖ_aがほぼグラウンドであり、Ｖ_cがほぼ−３００Ｖである請求項３５に記 載の放射線検出器。 ３７．電極が定電圧源と結合している請求項３２に記載の放射線検出器。 ３８．制御電極がコンデンサの第１端子と結合し、コンデンサの第２端子がグラ ウンドと結合している請求項３２に記載の放射線検出器。 ３９．カソードと制御電極との間に第１抵抗が存在し、制御電極と信号電極との 間に第２抵抗が存在し、コンデンサと制御電極が、前記抵抗及びＶ_b−Ｖ_aによっ て定められる電圧レベルに帯電する請求項３８に記載の放射線検出器。 ４０．カソード、アノード、制御電極の内の少なくとも１つが半導体の表面上に 形成されている請求項３２に記載の放射線検出器。 ４１．カソード、アノード、制御電極の内の少なくとも１つが金膜からなる請求 項４０に記載の放射線検出器。 ４２．カソード、アノード、制御電極の少なくとも１つが半導体の表面下に埋込 まれている請求項３２に記載の放射線検出器。 ４３．アノードと制御電極が半導体の表面上で分離している請求項３２に記載の 放射線検出器。 ４４．アノードと制御電極が半導体の表面上でバルク材料によって分離されてい る請求項３２に記載の放射線検出器。 ４５．制御電極が円形のリングである請求項３２に記載の放射線検出器。 ４６．制御電極が長方形のリングである請求項３２に記載の放射線検出器。 ４７．放射線検出器を利用してソースから発せられるイオン化放射線を検出する 方法であって、放射線検出器は複数の側面を備えた半導体を有し、半導体は制御 電極、カソード側面及びアノード側面を有し、カソード側面はカソードを備え、 アノード側面はアノードを備え、前記方法が、 （ａ）ソースから発せられる放射線の経路に放射線検出器を配置し、 （ｂ）カソードとアノードに印加された電圧を介して半導体の内部に電界を生 じさせ、 （ｃ）イオン化放射線によって、半導体内に電子電荷雲及びそれに付随する正 孔雲を生じさせ、 （ｄ）電子電荷雲を電界によってアノードに向けて案内し、 （ｅ）電荷雲がアノードから比較的大きな距離だけ離れているとき、アノード に誘導される電荷が制御電極に誘導される電荷に比べて非常に小さくなるように 、電荷雲によって誘導される電荷をアノードと制御電極との間で分配し、 （ｆ）電子荷電雲によって制御電極に誘導される電荷を０へと減少させ、アノ ードに誘導される電荷をアノードに達する電子電荷雲の全値へと増加させる、 工程を有する方法。 ４８．アノードがアノード寸法を有し、電子電荷雲がアノードからのアノード寸 法とほぼ等しい距離内にある場合に、電子電荷雲の全値がアノードに誘導される 請求項４７に記載の方法。 ４９．電子電荷雲が複数の移動電子を有し、 電子電荷雲を案内する工程が （ａ）電界による複数の案内路を形成し、各案内路は始点と終点を備え、前記 複数の案内路はその始点において互いに実質的に平行であり、終点付近でアノー ドに向かって曲がり、 （ｂ）複数の移動電子の各々を対応する案内路に沿ってアノードに案内する工 程をさらに有する、請求項４７に記載の方法。 ５０．（ａ）制御電極を制御電圧Ｖ_cにバイアスする工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Ｖ_aにバイアスする工程と、 （ｃ）カソードをカソード電圧Ｖ_bにバイアスする工程と、 （ｄ）Ｖ_cをＶ_a以下の電圧レベルに維持するする工程と、 をさらに有する請求項４７に記載の方法。 ５１．アノードを包囲するように制御電極を形成する工程をさらに有する請求項 ４７に記載の方法。 ５２．（ａ）制御電極をコンデンサと結合する工程と、 （ｂ）コンデンサをグラウンドに結合する工程と、 をさらに有する請求項４７に記載の方法。 ５３．（ａ）カソードをカソード電圧Ｖ_bにバイアスする工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Ｖ_aにバイアスする工程と、 （ｃ）コンデンサと制御電極をＶ_b−Ｖ_aにより決定された電圧に帯電する工程と 、 をさらに有する請求項５２に記載の方法。 ５４．半導体が複数の可動電子を有し、電子荷電雲が前記複数の可動電子の少な くともいくつかからなる請求項４７に記載の方法。 ５５．アノードを複数のセグメントに分割する工程をさらに有する請求項４７に 記載の方法。 ５６．制御電極を複数のセグメントに分割する工程をさらに有する請求項４７に 記載の方法。 ５７．イオン化放射線を検知するためのシステムであって、 （ａ） １．複数の側面を有する半導体と、 ２．前記半導体のカソード側に形成されたカソードと、 ３．前記半導体の、カソード側とは異なる少なくとも１つの側面上に形成された アノードと、 ４．前記半導体の、カソード側とは異なる少なくとも１つの側面上に形成された 制御電極と、 を含む放射線検出器と、 （ｂ）前記半導体の内部に電界を形成する手段とを有し、 イオン化放射線が放射線検出器に吸収される際に、放射線イオン化の結果と して半導体内で可動電荷雲が生じ、 電界が電子電荷雲をアノードへと案内し、 電子電荷雲がアノードから比較的大きな距離だけ離れて位置しているとき、ア ノードの電荷が小さいようにアノードと制御電極が電子電荷雲により誘導された 電荷を分配し、 アノードに電子電荷雲により誘導された電荷が、電子電荷雲がアノードに接近 するにつれて増加するシステム。 ５８．アノードがアノード寸法を有し、電界を形成する手段、制御電極、及びア ノードは、電子電荷雲がアノードに達した際にアノードに電荷が完全に誘導され 、このほとんどがアノードからアノード寸法にほぼ等しい距離だけ離れた距離内 において起きるように配置されている請求項５７に記載のシステム。 ５９．電子電荷雲が複数の可動電子を有し、電界を形成する手段が、複数の案内 路が前記電界によって形成され、各案内路は始点と終点を有し、前記複数の案内 路は始点において互いに実質的に平行であり、終点付近でアノードに向かって曲 がっているように配置され、複数の可動電子の各々が対応する案内路に沿ってア ノードへと案内される請求項５７に記載のシステム。 ６０．アノードを包囲するように制御電極が形成されている請求項５７に記載の システム。 ６１．電界を形成する手段が制御電極及びグラウンドと結合したコンデンサを有 する請求項５７に記載のシステム。 ６２．アノードが電圧Ｖ_aを有し、カソードがカソード電圧Ｖ_bにバイアスされ、 コンデンサと制御電極が、Ｖ_b−Ｖ_aにより決定された電圧に帯電される請求項６ １に記載のシステム。 ６３．（a）カソード、アノード、制御電極を有する少なくとも３つの電極と、 各電極を電圧電位にバイアスする手段を有する半導体を備え、半導体結晶内で電 界が発生され、半導体結晶にイオン化放射線が吸収されると、電荷雲が前記半導 体内に生じ、 前記電荷雲は半導体内に電荷を誘導し、前記電荷がアノードに接近するまでア ノードと制御電極が前記電荷を共有するイオン化放射線を検知する装置。 ６４．制御電圧の電圧電位がアノードの電圧電位よりも低い請求項６３に記載の 装置。 ６５．半導体がＣｄＺｎＴｅ材料で形成されている請求項６３に記載の装置。 ６６．制御電極とアノードが半導体の同一側面上に形成され、制御電極はアノー ドの周囲にリングを形成する請求項６３に記載の装置。 ６７．制御電極と地面に結合したコンデンサをさらに有する請求項６３に記載の 装置。 ６８．アノードが半導体の一つの側面上に形成され、電界が複数の電界線を有し 、前記電界線は実質的に互いに平行であり、アノードが形成された側面に実質的 に直交し、電界線がアノードが形成された側面に接近するに従いアノードに向か って集中する請求項６３に記載の装置。 ６９．電荷雲をアノードへ案内するように電界線が形成されている請求項６８に 記載の装置。 ７０．アノードがアノード寸法を有し、電荷雲がアノードからアノード寸法にほ ぼ相当する距離だけ離れた距離内にあるとき、制御電極が電荷の無視できるシェ アのみを有するように３つの電極が形成されている請求項６３に記載の装置。 ７１．電荷雲がアノードから前記距離以上に離れているとき、アノードが電荷の 少量のシェアを有するように３つの電極が形成されている請求項７０に記載の装 置。 ７２．前記半導体が半導体内で可動の複数の電子を有し、電荷雲が少なくともい くつかの前記可動電子を有するように３つの電極が形成されている請求項６３に 記載の装置。 ７３．少なくとも約０．５ｍｍの厚さと、カソード、アノード、制御電極を含む 少なくとも３つの電極を有する半導体を有し、イオン化放射線が前記半導体内に 電荷雲を生じ、前記電極は前記半導体上に形成され、電極をバイアスする手段が 前記半導体内に電界パターンを生じ、前記電界パターンはイオン化放射線の結果 生じた電荷雲をアノードに向かって収束し、その結果アノードの半導体内におけ る正孔トラッピングの影響を実質的に低減し、放射線検出器が約２ ０ＫｅＶより大きなエネルギーの検出が可能であるイオン化放射線を検出するた めの装置。 ７４．制御電極が、アノードがバイアスされる電圧レベルよりも低い電圧レベル にバイアスされる請求項７３に記載の装置。 ７５．前記半導体は複数の側面を有し、制御電極とアノードは、前記半導体の、 カソードが形成された側面と反対側の側面上に形成され、制御電極はアノードを 包囲している請求項７３に記載の装置。 ７６．アノードが接点を有する請求項７３に記載の装置。 ７７．制御電極がコンデンサと結合し、前記コンデンサが地面と結合し、前記制 御電極とコンデンサは、前記アノードとカソードの電圧レベルにより決定された 電圧レベルに帯電されている請求項７３に記載の装置。 ７８．（ａ）複数の側面と少なくとも約０．５ｍｍの厚さを有する半導体と、 （ｂ）前記半導体の少なくとも１つの側面に形成されたカソードと、 （ｃ）前記半導体の少なくとも１つの側面に形成されたアノードのアレイと、 （ｄ）前記半導体内のイオン化により生じた電荷雲を対応するアノードへ案内す るため、また半導体内の正孔トラッピングのアノードアレイへの影響を実質的に 低減するために前記半導体の少なくとも１つの側面に形成され、アノードのアレ イ内のアノードの各々に影響を与えるように形成されている制御電極パターンと 、 を有する放射線検出器アレイであって、 前記放射線検出器が約２０ＫｅＶより大きなエネルギーを検出することが可能 である放射線検出器アレイ。 ７９．制御電極パターンがグリッドパターンを有する請求項７８に記載の放射線 検出器。 ８０．各アノードが制御電極パターンの対応する部分によって包囲され、各アノ ード及びその対応部分が画素を構成する請求項７８に記載の放射線検出器。 ８１．アノードアレイ中の少なくともいくつかのアノードが相互に電気的に結合 している請求項７８に記載の放射線検出器。 ８２．Ｖ_c＝Ｖ_bである請求項１８に記載の放射線検出器。 ８３．制御電極がバイアス電極に接続されている請求項１８に記載の放射線検出 器。 ８４．制御電極がバイアス電極の一部分である請求項１８に記載の放射線検出器 。 ８５．Ｖ_c＝Ｖ_bである請求項３２に記載の放射線検出器。 ８６．制御電極がバイアス電極に接続されている請求項３２に記載の放射線検出 器。 ８７．制御電極がバイアス電極の一部分である請求項３２に記載の放射線検出器 。 ８８．Ｖ_c＝Ｖ_bになるようにカソードと制御電極をバイアスする工程を有する請 求項５０に記載の手段。 ８９．制御電極がバイアス電極に接続されている請求項４９に記載の手段。 ９０．制御電極がバイアス電極の一部分である請求項４９に記載の手段。 ９１．制御電極が電圧Ｖｃを有し、Ｖ_c＝Ｖ_bである請求項６２に記載のシステム 。 ９２．制御電極がカソードに接続されている請求項５７に記載のシステム。 ９３．制御電極がカソードの一部分である請求項５７に記載のシステム。 ９４．制御電極がカソードと同じ電圧電位にバイアスされている請求項６３に記 載のシステム。 ９５．制御電極がカソードに接続されている請求項６３に記載のシステム。 ９６．制御電極がバイアス電極の一部分である請求項６３に記載のシステム。 ９７．制御電極がカソードがバイアスされる電圧と等しい電圧にバイアスされて いる請求項７３に記載の装置。 ９８．制御電極がカソードに接続されている請求項７３に記載の装置。 ９９．制御電極がカソードの一部分である請求項７３に記載の装置。 １００．制御電極が電圧Ｖ_cを有し、カソード電極が電圧Ｖ_bを有し、Ｖ_c＝Ｖ_bで ある請求項７８に記載の放射線検出器。 １０１．制御電極がカソードに接続されている請求項７８に記載の放射線検出器 。 １０２．制御電極がカソードの一部分である請求項７８に記載の放射線検出器。 【図１】 【図２】 【図３】 【図４】 【図５】 【図５】 【図６】 【図７】 【図８】 【図９】 【図１０】 【図１０】 【図１１】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オガネシアン，アショット アメリカ合衆国 92116 カリフォルニア 州 サンディエゴ，マンスフィールド ス トリート 4752 (72)発明者 ピ，ボー アメリカ合衆国 92037 カリフォルニア 州 ラ ホヤ，クーバー ストリート 7440 (72)発明者 バトラー，ジャック，エフ. アメリカ合衆国 92067 カリフォルニア 州 ランチョ サンタ フェ，ボックス 1333 (72)発明者 ドーティー，エフ，パトリック アメリカ合衆国 92128 カリフォルニア 州 サンディエゴ，エスプリ 13719 (72)発明者 コーンウェル，リチャード，エル. アメリカ合衆国 92104 カリフォルニア 州 デル マー，ブキータ ドライブ 13684 (72)発明者 フリーセンハーン，スタンレー，ジェイ. アメリカ合衆国 92064 カリフォルニア 州 パウエイ，コンリー 12906

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）複数の側面と最低０．５ｍｍの厚さを有する半導体と、 （ｂ）半導体の最低１側面に形成されたバイアス電極と、 （ｃ）半導体の最低１側面に形成された単一電極と、 （ｄ）半導体内でのイオン化により生じた電荷雲を単一電極へ導くために、また 、半導体内の正孔トラッピングの信号電極への影響を大幅に低減するために半導 体の最低１側面に形成された最低１つの制御電極と、を有する放射線検出器であ って、 放射線検出器が約２０ＫｅＶより大きなエネルギーを効率的に検出することが 可能であることを特徴とする放射線検出器。 ２．半導体がＺ＞３４を有することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器 。 ３．半導体が約１０⁷ｏｈｍ−ｃｍよりも大きな抵抗性を有することを特徴とす る請求項１に記載の放射線検出器。 ４．信号電極が出力カウント率を検出し、出力カウント率を変えるために検出器 が、活発に変化する可変電圧を制御電極に加える手段を有することを特徴とする 請求項１に記載の放射線検出器。 ５．半導体がＣｄＴｅを有することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器 。 ６．半導体がＣｄＺｎＴｅを有することを特徴とする請求項１に記載の放射線検 出器。 ７．半導体の制御電極が位置する側面と同じ側面上に信号電極が位置することを 特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 ８．半導体の制御電極が位置する側面とは別の側面上に信号電極が位置すること を特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 ９．バイアス電極が、半導体の第１側面の最低でもかなりの部分を被覆するカソ ードであることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 １０．バイアス電極がバイアス電圧源と結合するよう形成され、また、バイアス 電極がカソード電圧Ｖ_aを有するカソードであり、Ｖ_bがほぼ固定値にあること を特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 １１．信号電極が信号電極電圧源と結合するように形成され、信号電圧が電圧Ｖ_a を有し、Ｖ_b−Ｖ_aが半導体の厚さに依存することを特徴とする請求項１０に記 載の放射線検出器。 １２．半導体の厚さが約３ｍｍであり、Ｖ_b−Ｖ_aが約−５００Ｖであることを特 徴とする請求項１１に記載の放射線検出器。 １３．信号電極が信号電源電圧源と結合するように形成され、ほぼ接地点におい て信号電極がアノード電圧Ｖ_aを有するアノードであることを特徴とする請求項 １０に記載の放射線検出器。 １４．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電 極電圧Ｖ_cを有し、Ｖ_bがほぼ接地点にあることを特徴とする請求項１０に記載の 放射線検出器。 １５．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極が電圧Ｖ_aを有し、そのためＶ_c＜Ｖ_aとなることを特徴とする請求項１０に 記載の放射線検出器。 １６．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極が電圧Ｖ_aを有し、そのためＶ_c＜Ｖ_aとなることを特徴とする請求項１に記 載の放射線検出器。 １７．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、信号電極が信号電 極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電極電圧Ｖ_cを有し、信号 電極がアノード電圧Ｖ_aを有し、Ｖ_cが（Ｖ_a＋Ｖ_b）／２とほぼ等しいことを特徴 とする請求項１０に記載の放射線検出器。 １８．制御電極が制御電極電圧源と結合するように形成され、制御電極が制御電 極電圧Ｖ_cを有するためにＶ_cがＶ_bとほぼ等しいことを特徴とする請求項１０に 記載の放射線検出器。 １９．制御電極が定電圧源と結合していることを特徴とする請求項１に記載の放 射線検出器。 ２０．制御電極がコンデンサの第１端子と結合し、コンデンサの第２端子が地面 と結合していることを特徴とする請求項１０に記載の放射線検出器。 ２１．信号電極が信号電極電圧源と結合するように形成され、信号電極がアノー ド電圧Ｖ_aを有するアノードであり、バイアス電極と制御電極との間に第１抵抗 が存在し、制御電極と信号電極との間に第２抵抗が存在し、これによりコンデン サと電圧レベルに対する制御電極電荷とがＶ_b−Ｖ_aであることを特徴とする請求 項２０に記載の放射線検出器。 ２２．バイアス電極がカソード表面範囲を有するカソードであり、信号電極がカ ソード表面範囲よりもかなり狭い表面範囲を有することを特徴とする請求項１に 記載の放射線検出器。 ２３．信号電極が、半導体の、カソードを備えた第１側部と対向する側の表面に 配置されたアノードであることを特徴とする請求項２２に記載の放射線検出器。 ２４．制御電極が対向する表面に配置され、アノードを包囲することを特徴とす る請求項２３に記載の放射線検出器。 ２５．制御電極が、アノードを包囲する実質的に円形のリングを有することを特 徴とする請求項２４に記載の放射線検出器。 ２６．バイアス電極、信号電極、制御電極が半導体の表面上に形成されているこ とを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 ２７．バイアス電極、信号電極、制御電極が金膜を有することを特徴とする請求 項２６に記載の放射線検出器。 ２８．最低でも１つのバイアス電極、信号電極、制御電極が半導体の表面下に埋 込まれていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。 ２９．信号電極が複数のセグメントに分割されていることを特徴とする請求項１ に記載の放射線検出器。 ３０．制御電極が複数のセグメントに分割されていることを特徴とする請求項１ に記載の放射線検出器。 ３１．放射線検出器が複数の制御電極を有することを特徴とする請求項１に記載 の放射線検出器。 ３２．イオン化放射線を検出するための放射線検出器であって、 （ａ）複数の側面を有する、イオン化放射線に反応する半導体と、 （ｂ）半導体の第１側面に形成されたカソードとを有し、カソードがカソード表 面範囲を有し、そこにおいてカソードがカソード電圧源と結合し、カソード電圧 Ｖ_bを有し、 （ｃ）半導体の第２側面に形成されたアノードとを有し、第２側面が第１側面と 対向して中心部を有し、アノードが第２側面の中心付近に設けられた接点を有し 、カソード表面範囲よりもかなり狭い表面を有し、そこにおいてアノードがアノ ード電圧源と結合し、アノードがアノード電圧Ｖ_aを有し、 （ｄ）半導体の第２側面に形成された制御電極とを有し、制御電極がアノードを 包囲する単一リングを形成し、そこにおいて制御電極が制御電圧源と結合し、制 御電極が制御電圧Ｖ_cを有するためＶ_c＜Ｖ_aとなることを特徴とする放射線検出 器。 ３３．半導体がＣｄＺｎＴｅから成ることを特徴とする請求項３２に記載の放射 線検出器。 ３４．半導体が厚さを有し、Ｖ_b−Ｖ_aがこの厚さに依存することを特徴とする請 求項３２に記載の放射線検出器。 ３５．半導体の厚さが約３ｍｍであり、Ｖ_b−Ｖ_aが約−４００であることを特徴 とする請求項３４に記載の放射線検出器。 ３６．Ｖ_aがほぼグラウンドであり、Ｖｅがほぼ−３００Ｖであることを特徴と する請求項３５に記載の放射線検出器。 ３７．電極が定電圧源と結合していることを特徴とする請求項３２に記載の放射 線検出器。 ３８．制御電極がコンデンサの第１端子と結合し、コンデンサの第２端子が地面 と結合していることを特徴とする請求項３２に記載の放射線検出器。 ３９．カソードと制御電極との間に第１抵抗が存在し、制御電極と信号電極との 間に第２抵抗が存在し、そのためコンデンサと制御電極が、これら抵抗及びＶ_b −Ｖ_aによって電圧レベルに電荷する。 ４０．カソード、アノード、制御電極の内の最低１つが半導体の表面上に形成さ れていることを特徴とする請求項３２に記載の放射線検出器。 ４１．カソード、アノード、制御電極の内の最低１つが金膜を有することを特徴 とする請求項４０に記載の放射線検出器。 ４２．カソード、アノード、制御電極の最低１つが半導体の表面下に埋込まれて いることを特徴とする請求項３２に記載の放射線検出器。 ４３．アノードと制御電極が半導体の表面上で分離していることを特徴とする請 求項３２に記載の放射線検出器。 ４４．アノードと制御電極が半導体の表面上でバルク材料によって分離されてい ることを特徴とする請求項３２に記載の放射線検出器。 ４５．制御電極が円形のリングであることを特徴とする請求項３２に記載の放射 線検出器。 ４６．制御電極が長方形のリングであることを特徴とする請求項３２に記載の放 射線検出器。 ４７．放射線検出器を利用して源から発せられるイオン化放射線を検出する方法 であって、放射線検出器は複数の側面を備えた半導体を有し、半導体は制御電極 、カソード側面及びアノード側面を有し、カソード側面はカソードを備え、アノ ード側面はアノードを備え、前記方法が、 （ａ）源から発せられる放射の経路に放射線検出器を配置し、 （ｂ）カソードとアノードに印加された電圧を介して半導体の内部に電界を生 じ、 （ｃ）イオン化放射線によって、半導体内に電子電荷雲と関連する正孔雲を生 じ、 （ｄ）電子電荷雲を電界によってアノードに向かって案内し、 （ｅ）電荷雲がアノードからかなり離れている場合に、電荷雲によって誘導さ れる電荷をアノードと制御電極との間で共用し、それによりアノードに誘導され る電荷が制御電極で誘発される電荷と比べて非常に小さいく、 （ｆ）制御電極に誘導される電荷を電子荷電雲によって０へと減少させ、アノ ードに誘導される電荷をアノードに達する電子電荷雲の全値へと増加する、 工程を有することを特徴とする、放射線検出器を利用して源から発せられるイオ ン化放射線を検出する方法。 ４８．アノードがアノード寸法を有し、 電子電荷雲がアノードからのアノード寸法とほぼ同距離内にある場合に、電子 電荷雲の全値がアノードに誘導されることを特徴とする請求項４７に記載の方法 。 ４９．電子電荷雲が複数の可動電子を有し、 電子電荷雲を案内する工程がさらに、 （ａ）電界による複数の案内路を形成する工程を有し、各案内路が始点と終点 を備え、複数の案内路がその始点において互いにほぼ平行であり、終点付近でア ノードに向かって曲がり、 （ｂ）複数の可動電子の各々を、関連する、アノードに向かう案内路に沿って 案内する工程をさらに有する、ことを特徴とする請求項４７に記載の方法。 ５０．（ａ）制御電極を制御電圧Ｖ_cにバイアスする工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Ｖ_aにバイアスする工程と、 （ｃ）カソードをカソード電圧Ｖ_bにバイアスする工程と、 （ｄ）Ｖ_cをＶ_a以下の電圧レベルに維持するする工程と、 をさらに有することを特徴とする請求項４７に記載の方法。 ５１．制御電極を形成する工程をさらに有し、制御電極がアノードを包囲するこ とを特徴とする請求項４７に記載の方法。 ５２．（ａ）制御電極をコンデンサと結合する工程と、 （ｂ）コンデンサを地面と結合する工程と、 をさらに有することを特徴とする請求項４７に記載の方法。 ５３．（ａ）カソードをカソード電圧Ｖ_bにバイアスする工程と、 （ｂ）アノードをアノード電圧Ｖ_aにバイアスする工程と、 （ｃ）コンデンサと制御電極をＶ_b−Ｖ_aにより決定された電圧に電荷する工程と 、 をさらに有することを特徴とする請求項５２に記載の方法。 ５４．半導体が複数の可動電子を有し、電子荷電雲が最低数個の複数の可動電子 を有することを特徴とする請求項４７に記載の方法。 ５５．アノードを複数のセグメントに分割する工程をさらに有することを特徴と する請求項４７に記載の方法。 ５６．制御電極を複数のセグメントに分割する工程をさらに有することを特徴と する請求項４７に記載の方法。 ５７．イオン化放射線を検知するためのシステムであって、 （ａ） （１）複数の側面を有する半導体と、 （２）半導体のカソード側に形成されたカソードと、 （３）半導体の、カソード側とは異なる最低１側面上に形成されたアノードと 、 （４）半導体の、カソード側とは異なる最低１側面上に形成された制御電極と 、 を有する放射線検出器と、 （ｂ）半導体の内部に電界を形成する手段を有し、 イオン化放射線が放射線検出器に吸収される際に、放射線イオン化の結果とし て半導体内で可動電荷雲が生じ、 電界が電子電荷雲をアノードへと案内し、 電荷雲がアノードからかなり離れて配置されている場合、アノードと制御電極 が電荷雲により誘導された電荷を共用するためアノードの電荷が小さく、 アノードの電子電荷雲により誘導された電荷が、電子電荷雲がアノードに接近 するにつれて増加することを特徴とするイオン化放射線を検知するためのシステ ム。 ５８．アノードがアノード寸法を有し、電界、制御電極、アノードを形成する手 段が形成され、電子電荷雲がアノードに達した際にアノードに電荷が完全に誘導 され、このほとんどがアノードからほぼアノードと等しい寸法で離れた距離内に おいて起きることを特徴とする請求項５７に記載のシステム。 ５９．電子電荷雲が複数の可動電子を有し、電界を形成する手段が形成され、そ のために複数の案内路が電界によって形成され、各案内路が始点と終点を有し、 複数の案内路が始点において互いに平行であり、終点付近でアノードに向かって 曲がっており、複数の可動電子の各々が対応する案内路に沿ってアノードへと案 内されることを特徴とする請求項５７に記載のシステム。 ６０．アノードを包囲するように制御電極が形成されていることを特徴とする請 求項５７に記載のシステム。 ６１．電界を形成する手段が制御電極及び地面と結合したコンデンサを有するこ とを特徴とする請求項５７に記載のシステム。 ６２．アノードが電圧Ｖ_aを有し、カソードがカソード電圧Ｖ_bにバイアスされ、 コンデンサと制御電極が、Ｖ_b−Ｖ_aにより決定された電圧に電荷されることを特 徴とする請求項６１に記載のシステム。 ６３．カソード、アノード、制御電極を有する最低３つの電極と、各電極を電圧 電位にバイアスを有する半導体を有し、半導体結晶内で電界が生じる、イオン化 放射線を検知する装置であって、 半導体結晶にイオン化放射線が吸収され、電荷雲が半導体内に生じ、 電荷雲が半導体内に電荷を有し、前記電荷がアノードに接近するまでアノード と制御電極が前記電荷を共用することを特徴とするイオン化放射線を検知する装 置。 ６４．制御電圧の電圧電位がアノードの電圧電位よりも低いことを特徴とする請 求項６３に記載の装置。 ６５．半導体がＣｄＺｎＴｅ材料で形成されていることを特徴とする請求項６３ に記載の装置。 ６６．制御電極とアノードが半導体の同側面上に形成され、制御電極アノード周 囲にリングを形成することを特徴とする請求項６３に記載の装置。 ６７．制御電極と地面に結合したコンデンサをさらに有することを特徴とする請 求項６３に記載の装置。 ６８．アノードが半導体の或る側面上に形成され、電界が複数の電解線を有し、 前記線が本質的に互いに平行であり、アノードが形成された側面と本質的に直交 し、線がアノードが形成された側面に接近するに従い、線がアノードに向かって 集中することを特徴とする請求項６３に記載の装置。 ６９．電荷雲をアノードへ案内するように電界線が形成されていることを特徴と する請求項６８に記載の装置。 ７０．アノードがアノード寸法を有し、電荷雲がアノードからアノード寸法にほ ぼ相当する距離で離れた距離内にある場合、制御電極が電荷の無視できるシェア のみを有するように３つの電極が形成されていることを特徴とする請求項６３に 記載の装置。 ７１．電荷雲がアノードから前記距離以上に離れている場合、アノードが電荷の 少量のシェアを有するように３つの電極が形成されていることを特徴とする請求 項７０に記載の装置。 ７２．半導体が半導体内で可動の複数の電子を有し、電荷雲が最低数個の可動電 子を有するように３つの電極が形成されていることを特徴とする請求項６３に記 載の装置。 ７３．約３ｍｍの厚さと、カソード、アノード、制御電極を含む少なくとも３つ の電極を有する半導体を有し、イオン化放射線が半導体内に電荷雲を生じ、電極 が半導体上に形成され、電極を電荷する手段が半導体内に電界パターンを生じ、 そのため電界パターンが放射線イオン化の結果生じた電荷雲をアノードに向かっ て収束し、その結果アノードの半導体内における正孔トラッピングの影響をかな り低減し、放射線検出器が約２０ＫｅＶより大きなエネルギーの検出が可能であ ることを特徴とするイオン化放射線を検出するための装置。 ７４．制御電極が、アノードがバイアスされる電圧レベルよりも低い電圧レベル でバイアスされることを特徴とする請求項７３に記載の装置。 ７５．半導体が複数の側面を有し、制御電極とアノードが、半導体の、カソード が形成された側面と対向する側面上に形成され、制御電極がアノードを包囲する ことを特徴とする請求項７３に記載の装置。 ７６．アノードが接点を有することを特徴とする請求項７３に記載の装置。 ７７．制御電極がコンデンサと結合しており、コンデンサが地面と結合しており 、制御電極とコンデンサが、アノードとカソードの電圧レベルにより決定された 電圧レベルに電荷されていることを特徴とする請求項７３に記載の装置。 ７８．（ａ）複数の側面と最低約３ｍｍの厚さを有する半導体と、 （ｂ）半導体の最低１面に形成されたカソードと、 （ｃ）半導体の最低１面に形成されたアノードのアレイと、 （ｄ）半導体内のイオン化により生じた電荷雲を対応するアノードへ案内するた め、また半導体内の正孔トラッピングのアノードアレイへの影響を実質的に低減 するために半導体の最低１面に形成され、アノードのアレイ内のアノードの各々 に影響を与えるように形成されている制御電極パターンと、 を有する放射線検出器アレイであって、 放射線検出器が約２０ＫｅＶより大きなエネルギーを効率的に検出することが 可能であることを特徴とする放射線検出器アレイ。 ７９．制御電極パターンがグリッドパターンを有することを特徴とする請求項７ ８に記載の放射線検出器。 ８０．各々のアノードが制御電極パターンの対応する部分によって包囲され、 各々のアノード及びその対応部分が画素を有することを特徴とする請求項７８ に記載の放射線検出器。 ８１．最低数個のアノードが相互に電気的に結合していることを特徴とする請求 項７８に記載の放射線検出器。 ８２．Ｖ_c＝Ｖ_bであることを特徴とする請求項１８に記載の放射線検出器。 ８３．制御電極がバイアス電極と接続していることを特徴とする請求項１８に記 載の放射線検出器。 ８４．制御電極がバイアス電極の一部分であることを特徴とする請求項１８に記 載の放射線検出器。 ８５．Ｖ_c＝Ｖ_bであることを特徴とする請求項３２に記載の放射線検出器。 ８６．制御電極がバイアス電極と接続していることを特徴とする請求項３２に記 載の放射線検出器。 ８７．制御電極がバイアス電極の一部分であることを特徴とする請求項３２に記 載の放射線検出器。 ８８．Ｖ_c＝Ｖ_bになるようにカソードと制御電極をバイアスする工程を有するこ とを特徴とする請求項５０に記載の手段。 ８９．制御電極がバイアス電極と接続していることを特徴とする請求項４９に記 載の手段。 ９０．制御電極がバイアス電極の一部分であることを特徴とする請求項４９に記 載の手段。 ９１．制御電極が電圧Ｖｃを有し、Ｖ_c＝Ｖ_bであることを特徴とする請求項６２ に記載のシステム。 ９２．制御電極がカソードと接続していることを特徴とする請求項５７に記載の システム。 ９３．制御電極がカソードの一部分であることを特徴とする請求項５７に記載の システム。 ９４．制御電極が、カソードと同じ電圧電位にバイアスされていることを特徴と する請求項６３に記載のシステム。 ９５．制御電極がカソードと接続していることを特徴とする請求項６３に記載の システム。 ９６．制御電極がバイアス電極の一部分であることを特徴とする請求項６３に記 載のシステム。 ９７．制御電極が、カソードがバイアスされる電圧と等しい電圧にバイアスされ ることを特徴とする請求項７３に記載の装置。 ９８．制御電極がカソードに接続していることを特徴とする請求項７３に記載の 装置。 ９９．制御電極がカソードの一部分であることを特徴とする請求項７３に記載の 装置。 １００．制御電極が電圧Ｖ_cを有し、カソードが電圧Ｖ_bを有し、従ってＶ_c＝Ｖ_b となることを特徴とする請求項７８に記載の放射線検出器。 １０１．制御電極がカソードと接続していることを特徴とする請求項７８に記載 の放射線検出器。 １０２．制御電極がカソードの一部分であることを特徴とする請求項７８に記載 の放射線検出器。