JPS58143285A - Ｘ線検出器配列 - Google Patents

Ｘ線検出器配列

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JPS58143285A
JPS58143285A JP57207781A JP20778182A JPS58143285A JP S58143285 A JPS58143285 A JP S58143285A JP 57207781 A JP57207781 A JP 57207781A JP 20778182 A JP20778182 A JP 20778182A JP S58143285 A JPS58143285 A JP S58143285A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般にＸ線検出器に関し、特にＸ線源の写
像およびエネルギー分解能を備えるためのソリッドステ
ートのＸ線分光計に関する。
Ｘ線源の分析を与える公知の装置は代表的にシリコン電
荷結合装置（ＣＯＤ）またはリチウムドリフト検知器の
いづれかを使用する。シリコンＣＯＤは写像およびエネ
ルギー分解能を提供するが、しかしＩ　Ｋｅｖよりも小
さいエネルギーに対してのみである。消耗領域、即ちＸ
線によって形成される電子流を減少することに向けられ
る自由孔が何も存在しない領域は、Ｘ線から解放された
電子が収集される前にそれらの電子の再結合を防止する
ことが要求される。これらの消耗領域は比較的浅く、シ
リコンに対して５マイクロメータの桁数であり、ＣＯＤ
装置に固有の制限された内部電圧のためである。また消
耗は投射Ｘ線エネルギーに平行な方向に発生する。僅か
数ミクロンのシリコンが消耗されるのに、それにも拘ら
ず、１乃至３０　Ｋｅｖの範囲においてＸ線を停止して
検知するためには、比較的厚い厚さをもつシリコンが要
求される。その結果、ＣＯＤ装置には有効でない不正確
な検知が生ずる。というのは、それらの装置が、Ｉ　Ｋ
ｅｖ以上のＸ線に対して備えられたシリコン厚さにおい
て光電効果が発生することを保障するために、シリコン
の充分大きな体積の消耗を与えることができないからで
ある。この欠点は、Ｘ線と反応するために要求されるシ
リコンの厚さがＸ線エネルギーの第６の力として変化す
るので、より高いエネルギーのＸ線に対してなお一層ぎ
わだつ。また、ＣＯＤ装置は焦点特性を持たないし、そ
の収集率は立体角の関数であり、検知素子は光電相互作
用領域と向い会っている。
一方、リチウムドリフト検知器は良好なエネルギー分解
能をするものの、空間的分解能を何ら示さない。したが
って、映像作用は実行されることはない。更に、最良の
リチウムドリフト検知器はシリコンまたはゲルマニウム
から作られ、操作上に留めておくため非常に低い温度（
１００°にの桁数）に維持される必要がある。また、数
キロボルトの桁数の操作電圧が要求される。
要約すれば、電流技術は、高い空間的分解能を提供する
が貧弱なエネルギー分解能を有するものか、または良好
なエネルギー分解能を提供するが空間的分解能を何ら持
たないものかのいづれかであった。
この発明によれば、映像高エネルギー検知器は、殆んど
消耗された厚い半導体ウェハース内に作られる、別々の
隣接した深いダイオードセル即ち”ピクセル”の配列を
有する。各ダイオー白まウェハースの反対側表面間に延
びる垂直方向に拡散された中央金属電極を有する。垂直
方向に熱移動される金属からなる直角状の垂直格子は、
隣り合ったビクセルを分離する共通壁を構成する。中央
電極および直角状格子を横切ってバイアス電位を与える
と、各ビクセルに、ウェハースを垂直に貫通して延びる
と共に中央電極と格子壁間を水平に延びる消耗領域を生
ずる。各ピクセルの消耗は、したがって、ウェハースの
厚みに依存されることがなく、それ故、光放出キャリア
収集において、高い効率を保障する。
このＸ線検出器配列は、光学的装置の焦点面内に配置さ
れることができる。Ｘ線映像に関するエネルギーおよび
空間的分解能は、検出器配列の各中央電極を充電結合装
置映像処理装置に接続することによって得られるであろ
う。
以下添付図面を参照しつつ本明細書を詳細に説明する。
さて特に第１図を参照して、Ｘ線検出器は例えばシＩＪ
コンのウエノ・−スのような高い抵抗率（例えば、〜２
０００オームーセンチメートル、〜１０１４ドナー／ｃ
ｒｒＬ３）をもつ半導体材料からなる比較的厚い本体１
０で作られる。照明された半導体表面に直角に投射する
Ｘ線による半導体材料内への進入深さは、投射Ｘ線エネ
ルギーの３乗に比例する。ウェハース１０の厚みは、そ
れ故、高エネルギーＸ線による光電子発生を保障するた
めに投射Ｘ線の予定された侵入深さよりも幾分大きくな
ければならない。例えば、１乃至３０キロ電子ボルトの
範囲にあるＸ線に対して、ウエノ１−ス１０の厚さは５
０ミルの桁数であるであろう。シリコンウェハース１０
は矩形の格子即ちマトリックスをなす複数の検知セル（
ビクセル）１４に形成され、その９個が図示されており
、Ｘ線像の空間的映像とエネルギー分解能を与える。格
子は垂直に熱的移動される直角状の金属壁１６および１
８によって形成され、これらの金属壁はウェハース１０
の厚さ全体にわたって延びている。ビクセル類は好まし
くはお互いにそれらの水平面を横切って一般に直角断面
を有して同一に作られる。各ビクセルはその中央にウェ
ハース１０の厚さ全体を通じ反対に位置する両表面間に
延びる拡散型金属電極２０が配置される。各中央電極２
０の断面寸法はビクセルの断面積に比較して相対的に小
さく作られ、したがってＸ線が中央電極に直接衝突する
可能性を最小にする。Ｘ線映像の空間的分解能を高める
ため、各セルの水平断面積もまた小さく作られ、隣り合
うビクセルの中央電極間の中心から中心までの距離は１
ミリメートルの桁数である。
分解能形態はＸ線検知ビクセルからなる矩形格子を形成
する。
直角をなす２つの金属壁１６および１８と中央電極２０
は、例えば熱移動プロセス内でシリコン中におけるアル
ミニウムまたはガリウム砒化物中におけるガリウムのよ
うな金属の温度勾配処理による拡散によって形成され得
る。かかる工程において、複数の壁１６．１８と電極２
０の水平表面を形成する諸量口は、ウエノ１−ス１０の
一方の表面上に覆いを形成するために光抵抗の層に食刻
される。そこでウエノ・−ス１０は真空室内で、例えば
１２０Ｏ２ｒ代の高い温度まで加熱され得る。マスクさ
れた表面と反対側のウエノ１−ス１０の表面は室温に維
持され、一方マスクされた表面は僅かに低い温度例えば
１１５０Ｃまで冷却されて、ウェハースを横切る温度勾
配を形成する。加熱されたウェハースの冷却表面上の食
刻された大きさの開口内に堆積される金属は温度勾配に
よって迅速に処理され、ウエノ１−スな垂直に完全に通
じて反対側の表面まで拡張される。このウエノ・−スは
冷却され、室から取外されることができる。ウエノ・−
ス１０の全厚さを通じた迅速な温度勾配処理拡散は、側
方拡散のための時間を殆んど残さない。
それ故、壁１６．１８の側面と電極２０は本質的にウェ
ハース１０の水平面に垂直である。それ故、中央電極２
０と壁１６．１８の格子を横切るバイアス電位の適用に
よって、中央電極２０から隣接する各セルの壁まで延び
る消耗領域が生成されるであろう。この形態によれば、
ウェハース１０の厚みよりも少ない侵入深さでウェハー
ス１０に衝突する投射Ｘ線が、光電子のウェハース材と
の相互作用を促進するであろう。その相互作用がピクセ
ル内で発生する場所がどこであろうとも、結果的に生ず
る光電子は中央電極に引寄せられるであろうし、これに
より投射Ｘ線の検知のため基礎が与えられる。
実際に第１図に示された検知セルの配列は側壁１６およ
び１８と中央電極柱２０により形成される電極が半導体
材料を完全に通して延びると共にウェハース１０の反対
側両表面で終つイいるので、１深いダイオード（ｄｅｅ
ｐ　ｄｉｏｄｅ　）”を構成している。しかしながら、
第１図に示された配列について重要なことは、セル壁１
６および１８に係る前方バイアス、中央電極２０に係る
後方バイアスの適用によって、消耗（電子流を減少する
傾向をもつ自由孔の欠乏）が、配列の面への任意のＸ線
エネルギー投射方向に垂直に、５０ミル厚のウエノ・−
ス全体を通した中央電極と壁の間で横方向に起こる。こ
の事は、消耗が投射Ｘ線エネルギーと平行な方向に起る
従来公知の装置とは対照的である。
これは、上記したように、代表的にほんの僅か５μｍの
シリコンを消費するだけで、エネルギー分解能と高エネ
ルギーにおける効率を減少するＣＣＤＸ線に関しては特
に当てはまる。
要求されたバイアス電位を与えると共に、投射Ｘ線エネ
ルギーの結果として各セルに与えられたＸ線光電子相互
作用からもたらされる各々の検知セル１４から電子を収
集するために、第１図の配列は、第２図に詳細に示され
ている複数の結合パッドと金属の相互結合の配置を有し
ている。さて第２図を参照して配列の左側にある外側垂
直壁１８は直角状の結合・モツ）”２２を有し、これに
対しては、図示されてない電源から全ての水平側壁１６
および垂直側壁１８に前方バイアス電位■１を与えるた
めに適用される回路導線２４が取付けられる。各中央柱
状電極２０は、側壁１６または１８の一方外側に延びる
金属化された相互接続素子２８を介して各外方結合、Ｊ
ラッド６に接続される。第２図に示された例えば中央部
のセルのような、内部セルの場合には、セルの外周辺に
まで届く要求された延長部を形成するために、第２の相
互接続部材６０が使用される。逆バイアス電位ｖ２は通
常電源（図示略）から回路導線′５２により全ての結合
パラ）’２６に接続される。逆バイアス用電位■２を適
用するための導線３２に加えて、各結合ノット２６は別
個に出力導線６４を有し、この導線６４はＸ線光−電子
相互作用の結果として発生された電子を、図示されてい
ない外部映像装置へ接続するために適用される。
より高位のエネルギーをもつＸ線は、光電効果が高い、
即ち、例えば０５乃至３　Ｑ　Ｋｅｖの間の範囲におい
て、開示された半導体配列で確実に検知できる。なぜな
ら、ウェハース１０の比較的大きな厚さと各ピクセルの
殆んどさえぎられていない断面領域が、そのエネルギー
範囲内の各投射Ｘ線による光電子の発生の可能性を増大
するからである。各ピクセル内のあらゆる点への中央電
極の近接によって、ノ之イアス電位の適用に基づいた消
耗領域が各々のピクセルを通じて延びることが保障され
ると共に、光電子が中央電極に引き寄せられ収集される
ことが保障され、従って、高い収集効率が確立されるの
を保障する。この構造のものは、光電子がＸ線の衝突す
る同じピクセル内に収集されるので、例えば電荷結合装
置（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）のよ
うな映像処理装置と一緒の使用に特に適合する。もしも
検出配列の一表面が例えば望遠鏡のような光学的装置の
焦点面に置かれ、Ｘ線放射物によって照射されると、こ
の配列の構造は、各Ｘ線が衝突するピクセルと結果とし
て生ずる光電子を収集するピクセルの中央電極との間で
１対１の空間的一致を与えるであろう。収集された光電
子の数は、投射Ｘ線のエネルギーおよび強さを表わし、
その理由は、投射Ｘ線のエネルギーが収集される１電子
につき３．６エレクトロンボルトの係数をもつ電子数の
発生に等しいからである。各ピクセル１４の中央電極２
０は、例えば電荷結合装置映像処理装置の別の素子に接
続させても差仕えなく、これによって、映像処理装置が
各々のピクセルを連続的に読み取り、検知器配列の照明
された表面に目的物が表われたときこの観察された目的
物の合成像を発生することが可能とされる。
各中央電極からの電子流は映像処理装置に観察された目
的物からのＸａの空間的およびエネルギーの両分解能を
与えるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の実施例を例示しているＸ線検知器
配列に関し、部分的に断面で表わした透視図である。 第２図は、第１図に示された実施例の底面図で、検知セ
ルのマトリックスと中央化された内側電極に対する各外
部接続手段を例示している。 （図中符号）１０・・・シリコンウエノ・−ス、１４・
・・検知セル（ピクセル）、ｉ６．ｉｓ・・・金属壁、
２０・・・中央電極、２２・・・結合パット９．２４・
・・回路導線、２６・・・外方結合パット９．２８・・
・相互接続素子、３０・・・相互接続素子、３２・・・
回路導線、３４・・・出力導線。 代理人　弁理士（８１０７）佐々木　清　隆（ほか３名
） （１つ ＩＧ２

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）消耗されたとき、投射Ｘ線と相互作用して予め決め
    られた型の収集可能な電荷キャリアを与える予め決めら
    れた半導体特性を有した半導体材料からなる比較的厚い
    本体（１０）と、前記本体で別々のＸ＃検出セル（１４
    ）の配列の壁を形成するため本体の厚さを通して金属化
    した複数の埋設境界層（１６，１８）を有するものと、
    前記セルの各々が付加的に深いダイオ−Ｐ型の配列を与
    えるため前記本体の厚みを通して形成された金属化の中
    央電極（２０）を有するものと、前記セル壁間に消耗領
    域を創成するよう作用しこれによって収集可能な電荷キ
    ャリアがその上に衝突するＸ線エネルギーに応答して形
    成されるようにするため、ノ宥アス電位を与えるために
    、前記境界層と中央電極とに接続される手段（２２，２
    ６，２８）とから構成されることを特徴とする映像およ
    びエネルギー分解能を与えるためのＸ線検出器配列。 ２）前記本体の半導体材料がシリコンで構成され、前記
    埋設された境界層の金属化がアルミニウムで構成され、
    この埋設された境界層が熱的に移動されるアルミニウム
    境界層から構成されることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項に記載のＸ線検出器配列。 ３）前記埋設された境界層が一般に矩形のマトリックス
    をなす検知器セルを形成することを特徴とする特許請求
    の範囲第２項に記載のＸ線検出器配列。 ４）各セルの前記中央に配置された電極が熱的に移動さ
    れるアルミニウム電極から構成されることを特徴とする
    特許請求の範囲第２項または第３項のいずれか１項に記
    載のＸ線検出器配列。 ５）前記セル壁に前方バイアスを与えるための手段（２
    ２）と、各セル内の中央電極に逆バイアスを与えるため
    の手段（２６，２８）を前記バイアス電位を与えるため
    の手段を有し、これによって、自由電子がＸ線光電子の
    シリコン本体との相互作用の結果として発生され、これ
    らはその中で相互作用が生じている同じセル内で収集で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第２項、第３項ま
    たは第４項のいずれか１項に記載のＸ線検知器配列。 ６）投射Ｘ線と相互作用するため、シリコンの本体が、
    投射Ｘ線エネルギーの第３の力として変化する厚さを有
    したウェハースから構成されていることを特徴とする先
    に記載された特許請求の範囲の任意の１項記載のＸ線検
    出器配列。 ７）シリコン本体が、０，５乃至３　Ｋｅｖの間の範囲
    でのＸ線エネルギーに対するシリコンの体積においてＸ
    線光電子相互作用を保障するため予め決められた寸法の
    厚味を有していることを特徴とする先に記載された特許
    請求の範囲の任意の１項記載のＸ線検出器配列。 ８）シリコン本体が、０５乃至３０　Ｋｅｖの範囲でＸ
    線エネルギーに作動し応答するため、実質的に５０ミル
    以上の厚さを有することを特徴とする先に記載された特
    許請求の範囲の任意の１項記載のＸ線検出器配列。
JP57207781A 1982-02-19 1982-11-29 Ｘ線検出器配列 Granted JPS58143285A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/350,477 US4472728A (en) 1982-02-19 1982-02-19 Imaging X-ray spectrometer
US350477 1982-02-19

Publications (2)

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JPS58143285A true JPS58143285A (ja) 1983-08-25
JPS629227B2 JPS629227B2 (ja) 1987-02-27

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Application Number Title Priority Date Filing Date
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US (1) US4472728A (ja)
EP (1) EP0086928B1 (ja)
JP (1) JPS58143285A (ja)
CA (1) CA1193765A (ja)
DE (1) DE3275758D1 (ja)
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