JPH11220157A

JPH11220157A - 放射線損傷抵抗性の半導体ダイオード・アレイ

Info

Publication number: JPH11220157A
Application number: JP10296527A
Authority: JP
Inventors: George Edward Possin; ジョージ・エドワード・ポシン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 1999-08-10
Also published as: EP0911881A2; EP0911881A3; CA2247565A1

Abstract

(57)【要約】【課題】放射線損傷抵抗性の半導体ダイオード・アレ
イを提供する。【解決手段】半導体ダイオード・アレイ（１０）は、
第１の導電型の半導体材料から成る複数の第１の半導体
領域（１２）を含むと共に、第１の導電型とは反対の極
性の導電型を有する半導体材料から成る複数の第２の半
導体領域（３８）を含み、第１の半導体領域がダイオー
ド・アレイの活性領域として役立ち且つ少なくとも１個
の第２の半導体領域によって相互に隔離されている。一
実施態様においては、第１の半導体領域は更にギャップ
領域（ｇ）によって隣接する第２の半導体領域から隔離
されている。第２の半導体領域を構成する反対の導電型
の半導体材料は、本来ならば半導体ダイオードの放射線
損傷によって生じる有害な効果を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体ダイオード・
アレイに関するものであって、更に詳しく言えば、アレ
イの動作性能の放射線劣化を抑制するようにアレイの各
ダイオード中にそれぞれの半導体材料領域を配置する技
術に関する。

【０００２】

【従来技術】半導体ダイオード・アレイから成る放射線
撮像装置は、電離放射線を検出するために常用されてい
る。かかる半導体ダイオード・アレイをシンチレータと
共に配置することによって検出器ダイオードを形成する
ことができるが、これはＸ線計算機断層撮影法（ＣＴ）
において使用される。かかる用途の場合、Ｘ線が検出器
ダイオードに損傷を与えることがある。その結果、検出
器ダイオードからの漏れ電流が増加し、また検出器ダイ
オードの光検出効率が低下することになる。漏れ電流の
増加は雑音の増加やオフセット値の不平衡の原因になる
ばかりでなく、それらは温度と共にドリフトするので不
都合である。光検出効率の低下はＳＮ比を低下させる。
また、放射線損傷の程度はアレイ全体にわたって均一と
は限らないため、放射線損傷は検出器ダイオードの感度
の空間内変動を生み出し、それも再構成されたＣＴ画像
の品質を低下させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従って、検出器ダイオ
ード・アレイから成る放射線撮像装置は放射線の作用に
よって生起される動作性能の悪化を低減させるための手
段を具備することが望ましい。更にまた、他の有害なパ
ラメータ（たとえば、ダイオードの漏れ電流）の増大や
半導体ダイオードのキャパシタンスの不都合な増加をも
たらすことなく、半導体ダイオードに対する放射線の有
害な作用を低減させるための手段を提供することも望ま
しい。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に従えば、特に電
離放射線の検出用として適した半導体ダイオード・アレ
イに対し、動作中の放射線損傷によって生起される有害
な効果を低減させるための手段が具備される。かかる半
導体ダイオード・アレイは、第１の導電型の半導体材料
から成る複数の第１の半導体領域を含むと共に、第１の
半導体領域の導電型とは反対の導電型を有する半導体材
料から成る複数の第２の半導体領域を含んでいる。第１
の半導体領域はダイオード・アレイの活性領域（受光領
域）として役立つ。アレイ中における第１及び第２の半
導体領域の配置状態は、第２の半導体領域がそれぞれ第
１の半導体領域の間に配置されるようになっている。第
１及び第２の半導体領域はいずれも、第２の半導体領域
と同じ導電型を有するが第２の半導体領域よりも低いド
ーパント濃度を有する半導体材料から成る第３の半導体
領域の上に配置されている。

【０００５】新規であると考えられる本発明の特徴は、
前記特許請求の範囲中に詳しく記載されている。とは言
え、本発明の構成及び実施方法並びに追加の目的及び利
点は、添付の図面を参照しながら以下の説明を読むこと
によって最も良く理解されよう。なお、全ての図面中に
おいて同じ部分は同じ符号によって表わされている。

【０００６】

【実施の形態】本発明に基づく半導体ダイオード・アレ
イ１０（図１）は、Ｘ線計算機断層撮影法（ＣＴ）にお
いて生じるような電離放射線を検出するために特に適し
ている。半導体ダイオード・アレイ１０は、破線で示さ
れた第１の半導体領域１２₁、１２₂、１２₃....１２
_Nにそれぞれ対応した個別のダイオードから成ってい
る。第１の半導体領域１２（単に「第１の領域」と呼ぶ
こともある）の各々は、通例ｐ＋導電型の半導体材料か
ら成っているが、ｎ導電型の半導体材料から成っていて
もよい。半導体ダイオード・アレイ１０が電離放射線に
対してより高い応答性を示すようにするため、半導体ダ
イオード・アレイ１０はシンチレータ材料に結合されて
いるのが普通である。なお、「半導体ダイオード・アレ
イ」及び「検出器ダイオード・アレイ」という用語は本
明細書中では互換的に使用される。

【０００７】半導体ダイオード・アレイ１０の境界は部
分的に縁端１４及び１６によって規定されているが、こ
れらの縁端は当業界において公知の「カット・エッジ」
を表わしている。アレイ１０中の個々のダイオードは、
それぞれの第１の半導体領域中においてシンチレータ材
料からの光の吸収により生じた少数キャリヤを捕集す
る。限定ではなく例示を目的としてダイオード・アレイ
の動作の詳細を説明するため、図中には代表的な少数キ
ャリヤ経路１、２、３、４及び５が模式的に示されてい
る。本発明の実施を一層良く理解し得るようにするた
め、先ず最初に従来の半導体ダイオード・アレイ１００
０を説明しよう。

【０００８】互いに隣接する第１の半導体領域１２₁及
び１２₂を有する従来の半導体ダイオード・アレイ１０
００の代表的な部分を図２に示す。限定ではなく例示を
目的として説明するため、図中に示された第１の半導体
領域１２の各々はｐ＋導電型の半導体材料から成るもの
として示されている。従来のダイオード・アレイ及び本
発明のダイオード・アレイにおいてはそれぞれの第１の
領域１２₁....１２_Nはｐ＋導電型を有するのが普通で
あるが、この代わりに、（第１の領域の受光面１３を除
いて）第１の領域１２の周囲に配置された第３の半導体
領域１８（単に「第３の領域」と呼ぶこともある）が対
応した反対の導電型（たとえば、ｐ導電型）を有する低
いドーピング・レベルの半導体材料から成りさえすれ
ば、それぞれの第１の領域１２₁....１２_Nはｎ＋導電
型の半導体材料から成っていてもよい。更に詳しく述べ
れば、半導体ダイオード・アレイ１０００はそれぞれの
第１の領域１２₁....１２_N及び反対の導電型を有する
低いドーピング・レベルの半導体材料から成る第３の領
域１８を含んでいて、第１の領域１２₁....１２_Nは第
３の領域１８の半導体材料上に配置されている。

【０００９】第１の半導体領域１２₁....１２_Nは活性
領域と呼ばれるのが通例であって、これらはアレイ中の
それぞれの感光性ダイオードに対応している。かかる第
１の領域１２は、通例、高いドーピング・レベル、たと
えば約１０¹⁸ドーパント数／ｃｍ³（この表記は単位体
積中に存在する特定の種類のドーパントの数を表わす）
を越えるドーパント濃度を有し、且つ一般に約０．０５
〜約０．０００１Ω・ｃｍの範囲内の抵抗率を有するシ
リコンから成っている。それぞれの第１の領域１２を包
囲する低いドーピング・レベルの第３の半導体領域１８
は、通例、約１０００Ω・ｃｍの抵抗率を有するように
ドーピングを受けたシリコンから成り、且つ約９０ミク
ロンの厚さ（Ｔ）を有している。なお、この厚さは約５
〜約５００ミクロンの範囲内にあればよい。かかる第３
の領域１８は、好ましくは高いドーピング・レベル（た
とえば、第３の領域１８と同じ導電型で約１０¹⁸〜１０
²¹ドーパント数／ｃｍ³のドーパント濃度）を有する深
部の半導体材料層から成る基板２０上に配置されてい
る。

【００１０】第３の領域１８のうちで互いに隣接する第
１の領域の受光面１３の間に配置された部分上には、そ
れぞれの第１の半導体領域１２₁....１２_Nの間に熱酸
化膜保護層２２が配置されている。好ましくは、かかる
熱酸化膜保護層２２はＳｉＯ ₂から成り、且つ約０．０
５〜約１．０ミクロンの範囲内の厚さを有している。熱
酸化膜保護層２２上及び第１の半導体領域１２₁....１
２_Nの少なくとも一部上にはパッシベーション層２４が
配置されている。なお、本明細書中で使用される「〜上
に配置される」という表現は図面中における要素の相対
位置を述べるためのものであって、かかる表現が使用中
におけるダイオード・アレイの配置状態を限定するもの
ではない。かかるパッシベーション層２４はＳｉ
₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂などの材料から成り、且つ通例約１．
０ミクロンの厚さを有している。

【００１１】通例、パッシベーション層２４上には光学
結合層２６が配置されている。かかる光学結合層２６
は、約５ミクロンの厚さを有する光学的に透明な接着材
料又は結合材料から成っている。光学結合層２６上には
シンチレータ材料層２８が配置されている。この場合、
図２に示されるごとく、（シンチレータ材料中で生じた
光が感光性ダイオードの活性領域によって容易に捕集さ
れるようにするため）第１の半導体領域１２₁....１２
_Nはシンチレータ材料の直下に配置される。かかるシン
チレータ材料は、通例、（Ｙ_yＧｄＯ）：Ｃｅ、ＣｄＷ
Ｏ₄、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）などから成っている。
常用されるシンチレータの商品名は「ハイライト(Hilig
ht) 」（登録商標）である。通例、シンチレータ材料層
２８は約３ミクロンの厚さを有している。

【００１２】動作について述べれば、電離放射線（図２
の場合にはＸ線ビーム３０）がシンチレータ材料層２８
に入射して吸収されると、光子が生じる。図２中には、
かかる光子の代表例として光束３２及び３４が示されて
いる。光束３２は、Ｘ線を吸収したシンチレータ材料の
下方に位置するそれぞれの第１の半導体領域１２（たと
えば、第１の領域１２₁及び１２₂）に入射する。光束
３４は、それぞれの重なり領域（すなわち、第３の半導
体領域１８のうちでそれぞれの第１の領域の受光面１３
の間に配置された部分）に入射する。かかる重なり領域
においては、図２に示されるごとく、光子はシンチレー
タ材料層２８の直下に配置された熱酸化膜保護層２２に
入射するのが通例である。

【００１３】図２（及び本発明のダイオード・アレイを
示す図３）中には、説明用の少数キャリヤ経路１、２、
３、４及び５の出発点（丸で囲んだ＋記号）が示されて
いる。説明を容易にするため、これらの経路は熱酸化膜
保護層２２の下方に示されているが、実際には全ての経
路１、２、３、４及び５は（光束３４が熱酸化膜保護層
２２に入射する）重なり領域３５の下方又は第１の領域
の受光面１３の下方に出発点を有する。図２及び３中に
経路１〜５を示したのは、図４及び５に関連して一層詳
しく記載される実験の結果をより明確に説明するためで
ある。

【００１４】光束３４の吸収によって低いドーピング・
レベルの第３の半導体領域１８中に生じた少数キャリヤ
は、光束３４が吸収された位置に最も近く隣接するｐ＋
型の第１の半導体領域１２中に有利に捕集される。とは
言え、光束３４によって生じた少数キャリヤの一部は内
部トラップと再結合する（図２中の経路５）か、あるい
は第３の半導体領域１８の表面（すなわち、それぞれの
第１の領域の受光面１３の間に位置する表面部分）にお
いて再結合する（図２中の経路４）。半導体ダイオード
・アレイ１０００が長時間にわたって電離放射線に暴露
されると、（第３の半導体領域１８上に配置された）熱
酸化膜保護層２２の下面３６の近傍には放射線損傷が発
生し、それによって表面再結合部位（本明細書中では互
換的に「界面準位」とも呼ばれる）の密度が増大する。
通例、放射線損傷は１０キロラド（Ｓｉ）程度の放射線
レベルで認められるようになるが、これは約１年間にわ
たる検出器の実用期間に相当する。このような再結合部
位の数の増加は、経路４の場合において不都合に失われ
る少数キャリヤの数を増加させる。その結果、ダイオー
ドからの光誘起信号（すなわち、半導体ダイオード・ア
レイ１０００の第１の半導体領域１２₁....１２_N及び
第３の半導体領域１８中における電荷の捕集によって生
じる電気信号）が低下する。更にまた、かかる界面準位
は発生中心としても作用するのであって、これらの界面
準位の密度の増大は半導体ダイオード・アレイ１０００
中のダイオードの分路抵抗の低下をもたらす暗電流を増
加させるので不都合である。その上、暗電流の増加は基
準信号の暗部分の温度不安定性を増加させ、それによっ
てＣＴ画像中に誤差を生じる。

【００１５】上記のごとき放射線損傷は、漏れ電流を増
加させ且つ分路抵抗を低下させるので望ましくない。こ
こで、分路抵抗はＶ／Ｉ（ただし、Ｖはダイオードに印
加される小さな電圧であり、またＩは漏れ電流である）
として定義される。分路抵抗は、技術的に漏れ電流が存
在しないＶ＝０の極限においても定義される。典型的な
用途の場合、Ｖ＝０であっても、分路抵抗はダイオード
・アレイに付随した読出し回路の雑音に影響を及ぼす。
しかるに、読出し増幅器は完全でないから、Ｖはゼロで
なく、従って偽信号又はオフセット信号の原因となる若
干の漏れ電流が存在する。かかる信号は温度と共に変動
し、そして再構成されたＣＴ画像中に誤差を生じるので
ある。

【００１６】第１の効果（信号の低下）は光検出効率を
低下させ、また第２の効果（分路抵抗の低下）は雑音を
増加させ（従ってＳＮ比を低下させ）、且つオフセット
信号の熱誘起ドリフトを増加させる。更にまた、放射線
損傷の程度は一様とは限らないから、放射線損傷は半導
体ダイオード・アレイ１０００の感度の空間内変動を生
み出すことがあり、これもまた再構成されたＣＴ画像を
劣化させる。このような効率の低下に対処するための従
来のアプローチは、下記のごとき欠点を有している。

【００１７】経路４を辿る少数キャリヤに由来する半導
体ダイオード・アレイ１０００の信号レベルの低下を低
減させる方法の１つは、第１の半導体領域１２がその上
方に位置するシンチレータ材料層２８の横方向寸法を越
えて広がるように第１の半導体領域１２の寸法を増大さ
せることである。このように第１の半導体領域１２の寸
法を増大させれば、シンチレータ材料層２８中において
生じた光（たとえば、光束３２及び３４）の全てを下方
の第１の半導体領域１２において捕獲することができ
る。しかしながら、第１の半導体領域１２の寸法の増大
は望ましくない効果を及ぼす。すなわち、（１）半導体
ダイオード・アレイ中における第１の半導体領域１２同
士の間隔が減少するが、このような間隔の減少はそれぞ
れの第１の半導体領域１２の間における寄生バイポーラ
電流を増加させるので不都合である。また、かかる漏れ
電流は半導体ダイオード・アレイ１０００中のダイオー
ドの分路抵抗を低下させる点でも不都合である。（２）
第１の半導体領域１２の面積が増大すると、半導体ダイ
オード・アレイ１０００中のダイオードの電気容量が増
大する。このような電気容量の増大は、読出し回路（す
なわち、半導体ダイオード・アレイ１０００を利用して
それに入射する電離放射線の特性を決定するための回
路）中の雑音を増加させ、従ってＳＮ比を増加させるの
で不都合である。本発明は、先行技術の欠点を解消しな
がら放射線の作用によって生起される信号レベルの低下
を低減させるものである。本発明は、主として第１の領
域１２₁及び１２₂の間のアレイ部分を示す断面図であ
る図３に関連して一層詳しく記載される。

【００１８】本発明に基づく半導体ダイオード・アレイ
１０（図３）は、互いに隣接する第１の領域の受光面１
３の間かつ第３の半導体領域の一部分上に配置された複
数の第２の半導体領域（「阻止領域」と呼ぶこともあ
る）３８をも含んでいる。その点を除けば、本発明の半
導体ダイオード・アレイ１０は図２の半導体ダイオード
・アレイ１０００と同じである。阻止領域３８の各々
は、第１の半導体領域１２の導電型とは反対の導電型を
有するドーパントを中程度又は高いドーピング・レベル
で添加した材料から成っている。ここで言う「中程度の
ドーピング・レベル」とは、約１０¹⁶〜約１０¹⁸ドーパ
ント数／ｃｍ³の範囲内のドーピング・レベルを指す。
たとえば、第１の半導体領域１２がｐ＋導電型の半導体
材料から成る場合には、阻止領域３８はｎ＋導電型の材
料から成る。逆に、第１の半導体領域１２がｎ＋導電型
の半導体材料から成る場合には、阻止領域３８はｐ＋導
電型の材料から成る。ｎ＋導電型を示すようにドーピン
グを受けた場合、阻止領域３８は正の少数キャリヤが熱
酸化膜保護層２２の下面３６に到達するのを妨げるよう
な電界を生み出す。更に詳しく述べれば、阻止領域３８
は少数キャリヤが（図２に関連して論じられたごとく
に）経路４を辿るのを妨げ、従って少数キャリヤは優先
的に望ましい経路１、２及び３（図２及び３）に沿って
移動することになる。このように、阻止領域３８は保護
層２２の下面３６における少数キャリヤの再結合を低減
させるために役立つのである。

【００１９】図３の半導体ダイオード・アレイ１０は、
第１の導電型を有し且つ活性領域として役立つ第１の半
導体領域１２を含む半導体ダイオードから成っている。
それぞれの第１の半導体領域１２の間には第２の半導体
領域３８（「阻止領域３８」と呼ぶこともある）が配置
されているが、かかる第２の半導体領域３８の各々は第
１の半導体領域１２の導電型とは反対の導電型を有する
半導体材料から成っている。第１半導体領域１２及び第
２の半導体領域３８はいずれも第３の半導体領域１８上
に配置され、そして熱酸化膜保護層２２及びパッシベー
ション層２４を配置した表面の少なくとも一部を構成し
ている。第３の半導体領域１８は、第２の半導体領域３
８の導電型と同じ導電型を有するが第２の半導体領域３
８よりも低いドーピング・レベルを有する半導体材料か
ら成っている。

【００２０】本発明に従えば、第１の半導体領域１２は
ｐ＋導電型の半導体材料から成るのが通例であり、また
第２の半導体領域（阻止領域）３８はｎ＋導電型の半導
体材料から成るのが通例である。阻止領域３８の使用が
もたらす利点の１つは、熱酸化膜保護層２２の下面３６
における空乏層（又は反転層）の形成を防止することに
ある。空乏層は界面準位（再結合部位）によって生じる
漏れ電流を劇的に増加させるが、このことは「ソリッド
ステート・エレクトロニクス(Solid-State Electronic
s) 」第９巻（１９６６年）の７８３〜８０６頁に発表
されたエイ・エス・グローブ及びディー・ジェイ・フィ
ッツジェラルド(A.S. Grove & D.J. Fitzgerald)の技術
論文「ＰＮ接合の表面効果−不平衡条件下における表面
空間電荷領域の特性」中に一層詳しく記載されている。

【００２１】本発明の実施に際しては、寸法線４０及び
４２により定義されるものとして図３中に示されたギャ
ップ領域（ｇ）により、それぞれの第１の半導体領域１
２は第２の半導体領域（阻止領域）３８を構成する反対
の導電型の半導体材料から区別されている。ギャップ領
域に関連して本明細書中で使用される「区別」などの用
語は、（物理的に隔離されていたり、互いに隣接してい
たり、あるいは互いに重なり合っていたりする場合を含
め）互いに隣接する領域が識別されることを指す。ギャ
ップとは、１個のｐ＋型領域（たとえば、１２₁又は１
２₂）の縁端と、それに隣接した阻止領域３８を構成す
るｎ＋型材料の縁端との間の横方向寸法を指す。図３中
には、ギャップ（ｇ）は光束３４に関係するシンチレー
タ重なり領域３５と実質的に合致するように示されてい
る。しかしながら、ある種の実施の態様においては、シ
ンチレータ重なり領域３５はギャップ（ｇ）よりも大き
いのが通例である。ギャップ（ｇ）は、通例、約０ミク
ロン（すなわち、第２の半導体領域のｎ＋型材料が第１
の半導体領域のｐ＋型材料の縁端に接触している場合）
から約１５ミクロンまでの範囲内の横方向寸法を有して
いる。なお、ギャップ（ｇ）の横方向寸法は約０〜約１
０ミクロンの範囲内にあるのが普通である。ギャップ
（ｇ）はまた、下記のごとくに負と見なすこともでき
る。

【００２２】ギャップ（ｇ）がゼロ又は負であれば、
〔ギャップ（ｇ）がゼロ又は負でない場合に比べて〕漏
れ電流が多少増加する傾向がある。かかる漏れ電流の増
加は、阻止領域３８が中程度又は高いドーピング・レベ
ルを有するｎ＋導電型の材料から成る場合、阻止領域３
８中における欠陥レベルが通例高く且つ電界が通例強い
ことに原因する。負のギャップとは、互いに隣接する領
域３８及び１２同士が重なり合う結果、より高いドーピ
ング・レベルの領域によって決定された導電型を有する
重なり領域が生み出されることを意味する。たとえば、
第２の半導体領域３８のドーピング・レベルが１０¹⁸ド
ーパント数／ｃｍ³（ｎ型）であり、且つそれに隣接す
る第１の半導体領域１２のドーピング・レベルが１０¹⁹
ドーパント数／ｃｍ³（ｐ型）である場合、重なり領域
は２種のドーパントの混合物によって決定された導電型
を有することになる。この例では、２種のドーパントの
混合物はｐ型の優勢なドーピング・レベルを生み出す
〔すなわち、１０¹⁹ドーパント数／ｃｍ³（ｐ型）−１
０¹⁸ドーパント数／ｃｍ³（ｎ型）＝０．９×１０¹⁹ド
ーパント数／ｃｍ³（ｐ型）〕。それ故、重なり領域
（すなわち、負のギャップ）は第１の半導体領域１２と
実質的に同じドーピング・レベル及び同じ導電型を有す
ることになる。かかる負のギャップを定義する理由は、
（製造プロセスの許容差との関係上）互いに隣接する第
１及び第２の半導体領域の間に空間が存在しないことを
確実にすることにある。

【００２３】ゼロ又は負のギャップは、ダイオードの電
気容量に対して望ましくない効果を及ぼす。第２の半導
体領域３８の高いドーピング・レベルは、ダイオードの
（たとえば、寸法線４２に対応した）縁端部分６５の付
近における空乏層６０の幅（ｗ）を顕著に減少させ、そ
れによってダイオードの電気容量を増大させる。ダイオ
ードの電気容量は空乏層６０の幅の逆数に比例し、また
空乏層の幅（ｗ）は第１の半導体領域１２に隣接した材
料のドーピング・レベル（たとえば、第１の半導体領域
１２に対して直接に隣接した第２の半導体領域３８又は
第３の半導体領域１８のドーピング・レベル）の平方根
に比例する。全電気容量は、第１の半導体領域１２の下
方の領域の電気容量と領域１２の縁端部分６５の電気容
量との和である。たとえば、第１の半導体領域１２の下
方に位置する第３の半導体領域１８のドーピング・レベ
ルが５×１０¹²ドーパント数／ｃｍ³である場合、比電
気容量は約１０００ｐｆ／ｃｍ²である。第１の半導体
領域１２に隣接する（ギャップが無い場合の）第２の半
導体領域３８のドーピング・レベルが５×１０¹⁷ドーパ
ント数／ｃｍ³である場合、比電気容量は約１０⁵ｐｆ
／ｃｍ²である。縁端部分６５の有効面積は、第１の半
導体領域１２の厚さとそれの周長との積である。

【００２４】ギャップがゼロの場合に関する上記のごと
き値を使用しながら限定的ではなく例示的に述べれば、
２×２ｍｍの大きさの典型的なダイオードの場合、周長
は約８ｍｍであり、また厚さは約１ミクロンである。従
って、縁端部分６５の有効面積は約８×１０^-5ｃｍ²で
あり、またかかる構造におけるこの部分の電気容量は約
８×１０^-5×１０⁵ｐｆ＝８ｐｆである。第１の半導体
領域１２の下方の区域の電気容量はダイオードの下面の
面積（４ｍｍ²）に１０００ｐｆ／ｃｍ²に掛けること
によって求められるが、その結果としてダイオードの電
気容量は約４０ｐｆとなる。この例では、第２の半導体
領域３８の存在により、本発明に基づくダイオードの電
気容量は４０ｐｆから４８ｐｆに増大する。負又は小さ
なギャップの場合には、ダイオードの電気容量の増大を
回避するために第２の半導体領域３８のドーピング・レ
ベルを綿密に最適化することが必要である。電気容量の
増大は、ダイオードに付随する読出し増幅器の雑音を増
加させる。それ故、ゼロ又は小さなギャップ〔すなわ
ち、空乏層の厚さ（ｗ）よりも小さいギャップ〕の場合
には、効果的なアレイ動作を達成するためにドーピング
・レベルを綿密に最適化することが必要である。とは言
え、ゼロ又は負のギャップはやはり利益をもたらすので
あって、かかる構成は放射線損傷に原因するダイオード
の漏れ電流及び感光性を防止する点で最も有効である。

【００２５】たとえば１０ミクロン程度の比較的小さな
ギャップ（ｇ）の場合、寸法線４０及び４２によって規
定されたギャップ領域中における界面準位（再結合中
心）の増加は集光効率に対して僅かな効果しか及ぼさな
い。その理由は、かかる小さなギャップ領域中における
キャリヤ再結合の確率が近くの第１の半導体領域１２に
よるキャリヤ捕集の確率よりも遥かに小さいことにあ
る。放射線損傷によって誘起される漏れ電流は、抑制す
るのが一層困難である。なぜなら、第１の半導体領域１
２のｐ＋型材料が保護層２２の酸化膜に最も近接してい
る場合、それは主として酸化膜−シリコン界面の近傍の
空乏層中において生じるからである。５００Ω・ｃｍの
抵抗率に相当するドーピング・レベルを有する典型的な
基板の場合、かかる空乏層は約１０ミクロンの寸法を有
している。従って、本発明における考慮の対象である放
射線損傷の前後のいずれにおいても、１０ミクロンより
大きいギャップは漏れ電流に対して僅かな影響しか及ぼ
さない。それ故、漏れ電流の増加が問題となる場合、ギ
ャップの寸法は１０ミクロンより小さく、そして更には
ゼロ又は負となるように決定することが望ましいのであ
る。

【００２６】主として空乏層に関連する漏れ電流の増加
の問題を緩和するために１０ミクロンよりも十分に小さ
いギャップ（たとえば、約５ミクロンより小さいギャッ
プ）又は負のギャップが使用される場合には、第２の半
導体領域３８を構成するｎ＋型材料のドーピング・レベ
ルを綿密に調整することが有益である。本発明に従って
計算を行ったところ、第２の半導体領域３８のドーピン
グ・レベルは約１０¹⁵〜１０¹⁸ドーパント数／ｃｍ³の
範囲内にあれば望ましいことが示された。

【００２７】本発明の実施に際して試験を行ったが、そ
の結果を図４及び５に示す。図４及び５のいずれにおい
ても、Ｘ軸はアレイ１０内における（ミクロン単位の）
位置を表わし、またＹ軸はアレイ１０中の特定の個別ダ
イオードによって発生される（アンペア単位の）光電流
を表わす。図４は、（ｐ＋型の）第１の領域１２₁及び
１２₂並びにそれらの間に配置された（第１の領域１２
₁及び１２₂の導電型とは反対の導電型を有する）阻止
領域３８の境界（線４０及び４２）を模式的に示してい
る。図５は、アレイのカット・エッジの近傍における同
様な構造（たとえば、図１中の経路１の領域）を示して
いる。図２に示されたようなシンチレータ材料層２８か
らの光束３４の吸収によって生じたキャリヤの捕集状態
を調べるため、図４中においてＸ軸に沿った特定の位置
に例示された直径約５ミクロンの小さな集束光束３４Ａ
を（表面を覆うシンチレータ材料層を有しない）検出器
の表面に沿って走査し、そして光電流を光束３４Ａの位
置（ｘ）の関数として測定した。かかる走査は、図４の
場合には図１中の経路２又は３の方向に光束を移動させ
ることに相当し、また図５の場合には図１中の経路１の
方向に光束を移動させることに相当している。更にま
た、図４及び５は黒い四角形及び白い四角形によってそ
れぞれ表わされた２系列のデータ点４４及び４６を示し
ているが、これらは放射線照射による損傷を受けていな
いダイオード及び５０キロラドの放射線照射による損傷
を受けたダイオードからの電流をそれぞれ表わしてい
る。

【００２８】図４は、図１中の経路２に沿って光束３４
Ａを２個のダイオード間で走査した場合における１個の
ダイオード（たとえば、図１中の第１の領域１２₁）の
応答電流を示している。他の全てのダイオード（特に第
１の領域１２₂）からの電流は他の増幅器（図示せず）
又は接地線（図示せず）によって捕集され、従って図４
に示された光電流を監視するために使用された電流増幅
器によっては検出されない。図４の構造においては、ｎ
＋型の第２の半導体領域３８が非常に小さく、そしてギ
ャップが大きくなっている（約１２５ミクロン）。この
ようにギャップが大きい結果、この例は本質的に先行技
術において最も普通に使用される図２の構造に関係する
ものである。先行技術においては、基板に対する電気的
接触の品質を向上させるために小さなｎ＋型領域を設け
ることが普通である。図４からわかる通り、光束がｘ＝
０〜２５０ミクロンのギャップ領域内にある場合に光電
流の大きな降下が認められる。ｘ＝０〜５０ミクロンの
領域は本発明にとって特に重要である。なぜなら、この
領域はシンチレータ材料層２８からの光束３４がダイオ
ード領域（１２₁及び１２₂）の外側の検出器部分に入
射する図２中の重なり領域と同じだからである。

【００２９】図５は、ギャップ（ｇ）が約２０ミクロン
であるような場合を示している。このようなギャップ寸
法の場合、図４の場合と同じ放射線損傷（５０キロラ
ド）によって生じる光応答の低下は遥かに小さい。更に
詳しく述べれば、図４及び５を比較すると、（約１２５
ミクロンのギャップ寸法を表わす）図４に示された光応
答の低下（５０キロラドの放射線損傷の前後における２
系列のデータ点４４及び４６の差）に比べ、図５に示さ
れた約２０ミクロンのギャップ寸法は遥かに小さい光応
答の低下をもたらすことがわかる。図４及び５に示され
たかかる予備実験の結果は、光応答に対する放射線損傷
の効果を最高度に低減させるためには１０ミクロンより
小さいギャップ寸法が望ましいという計算結果を確認す
るものである。１０ミクロンのギャップを有するように
作製された追加のデバイスでは、５０キロラドの放射線
照射に対する光応答の低下は認められなかった。ギャッ
プが存在しない場合及び１０ミクロンよりも遥かに大き
いギャップ寸法を有する場合には分路抵抗の低下が５０
％であったのに対し、ギャップ寸法を１０ミクロンにま
で減少させた場合における分路抵抗の低下は１５％に過
ぎなかった。

【００３０】以上の説明に基づけば、本発明の実施は放
射線損傷によって生起される有害な動作上の効果を低減
させるための手段を提供することが理解されるはずであ
る。更にまた、電離放射線に応答する放射線撮像装置に
おいて好ましく使用されるようなシンチレータと協働す
る半導体ダイオード・アレイに対し、本発明の実施は動
作時の放射線損傷を矯正するための手段を提供すること
も理解されよう。

【００３１】以上、特定の実施の態様のみに関連して本
発明を説明したが、それ以外にも様々な変更態様が可能
であることは当業者にとって自明であろう。それ故、本
発明の精神に反しない限り、前記特許請求の範囲はかか
る変更態様の全てをも包括することは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体ダイオード・アレイを模式的に
示す上面図である。

【図２】図１の半導体ダイオード・アレイ中に含まれる
２個のダイオード間の断面図であって、本発明の特徴を
有しない従来の構成を示している。

【図３】本発明の半導体ダイオード・アレイ中に含まれ
る２個のダイオード間の断面図である。

【図４】ダイオード領域を横切って走査された光点に由
来するダイオード電流を示すグラフである。

【図５】ダイオードのカット・エッジの外側から走査さ
れた光点に由来するダイオード電流を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０半導体ダイオード・アレイ１２第１の半導体領域１８第３の半導体領域２２熱酸化膜保護層２４パッシベーション層２８シンチレータ材料層３０Ｘ線ビーム３２光束３４光束３５シンチレータ重なり領域３８第２の半導体領域ｇギャップ領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれが第１の導電型の半導体材料か
ら成り且つダイオード・アレイの活性領域として役立つ
複数の第１の半導体領域（１２）を含むと共に、それぞ
れが前記第１の半導体領域の前記第１の導電型とは反対
の導電型を有する半導体材料から成る複数の第２の半導
体領域（３８）を含んでいる、放射線損傷抵抗性の半導
体ダイオード・アレイ（１０）であって、前記第２の半導体領域がそれぞれ前記第１の半導体領域
の間に配置されており、且つ前記第１及び第２の半導体
領域の両領域が前記第２の半導体領域と同じ導電型を有
するが前記第２の半導体領域よりも低いドーパント濃度
を有する半導体材料から成る第３の半導体領域（１８）
の上に配置されていることを特徴とする、放射線損傷抵
抗性の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項２】前記第１の半導体領域がギャップ領域
（ｇ）によって前記第２の半導体領域から区別されてい
る請求項１記載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項３】更に、前記第２の半導体領域を覆って配
置されると共に、前記アレイ中の互いに隣接するダイオ
ードの前記第１及び第２の半導体領域間に配置された前
記ギャップ領域（ｇ）の少なくとも一部分を覆って配置
された熱酸化膜材料の保護層（２２）を含んでいる請求
項２記載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項４】更に、前記保護層を覆って配置されると
共に、前記ダイオードの前記第１の半導体領域を覆って
配置されたパッシベーション層（２４）を含んでいる請
求項３記載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項５】更に、前記第１の半導体領域を覆って配
置されると共に、前記ギャップ領域の一部分を覆って配
置されたシンチレータ材料の層（２８）を含んでいる請
求項４記載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項６】前記ギャップ領域（ｇ）が約０〜約１５
ミクロンの範囲内の横方向寸法を有する請求項２記載の
半導体ダイオード・アレイ。
【請求項７】前記ギャップ領域（ｇ）が約２〜１５ミ
クロンの範囲内の横方向寸法を有し、且つ前記第２の半
導体領域が約１０¹⁶〜約１０¹⁹ドーパント数／ｃｍ³の
範囲内のドーピング・レベルを有する請求項２記載の半
導体ダイオード・アレイ。
【請求項８】前記ギャップ領域（ｇ）が約５ミクロン
未満の横方向寸法を有し、且つ前記第２の半導体領域
（３８）が約１０¹⁶〜１０¹⁹ドーパント数／ｃｍ³の範
囲内のドーピング・レベルを有する請求項２記載の半導
体ダイオード・アレイ。
【請求項９】前記第３の半導体領域が前記第３の半導
体領域と同じ導電型を有する高いドーピング・レベルの
半導体材料から成る基板上に配置されている請求項１記
載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項１０】前記第３の半導体領域が約１０〜約１
５０ミクロンの厚さを有する請求項１記載の半導体ダイ
オード・アレイ。
【請求項１１】前記第１の半導体領域（１２）がｐ＋
導電型の半導体材料から成る請求項１記載の半導体ダイ
オード・アレイ。
【請求項１２】前記第１の半導体領域（１２）が約
０．０５〜約０．０００１Ω・ｃｍの範囲内の抵抗率を
有する請求項１１記載の半導体ダイオード・アレイ。
【請求項１３】前記ギャップ領域（ｇ）が正、負又は
ゼロとして定義された値を有する請求項２記載の半導体
ダイオード・アレイ。