WO2014021358A1 - 増幅器及び放射線検出器 - Google Patents

増幅器及び放射線検出器 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector, and more particularly to an amplifier that converts a charge signal output from a radiation detection element into a voltage signal, and a radiation detector including the amplifier.
  • a radiation detector that detects radiation such as X-rays includes a radiation detection element such as an SDD (Silicon Drift Detector).
  • the radiation detection element outputs a charge signal corresponding to the detected radiation, the charge signal is converted into a voltage signal by a preamplifier, and signal processing such as spectrum generation is performed based on the voltage signal.
  • SDD Silicon Drift Detector
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a preamplifier of a conventional radiation detector.
  • An FET (Field transistor) 72 is connected to the previous stage of the amplifier circuit 71, and a signal from the radiation detection element is input to the amplifier circuit 71 via the FET 72.
  • a feedback capacitor 73 and a reset switch 74 are connected in parallel to the amplifier circuit 71 and the FET 72, respectively.
  • the amplifier circuit 71 is composed of an operational amplifier and a transistor
  • the amplifier circuit 71 is composed of an integrated circuit
  • the amplifier circuit 71 and the FET 72 are composed of one integrated circuit.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a part of the structure of a conventional chip preamplifier
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross section of a part of the conventional chip preamplifier.
  • Reference numeral 74 in the figure denotes an input bonding pad.
  • a bonding wire 76 connected to the radiation detection element is connected to the bonding pad 74.
  • a metal wiring 75 is connected to the bonding pad 74 via a wiring layer disposed below the bonding pad 74, and a feedback capacitor 73 is connected to the metal wiring 75.
  • the upper electrode 731 of the capacitor 73 is connected to the metal wiring 75, and the lower electrode 732 is connected to the output terminal of the preamplifier.
  • Patent Document 1 discloses an example of an integrated circuit including a bonding pad and a capacitor.
  • the input capacitance of the amplifier circuit 71 includes the radiation detection element, the bonding wire 76, the bonding pad 74, the metal wiring 75 and the parasitic capacitance of the FET 72, and the feedback capacitance of the capacitor 73.
  • the noise included in the signal output from the preamplifier increases as the input capacity of the amplifier circuit increases.
  • the greater the noise contained in the signal the worse the energy resolution.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to improve an arrangement of each part in an integrated circuit, thereby reducing an input capacitance with respect to an amplifier circuit and an amplifier. It is to provide a radiation detector.
  • An amplifier according to the present invention is an amplifier including an amplifier circuit and a feedback capacitor connected in parallel to the amplifier circuit.
  • the amplifier includes a semiconductor substrate, and the amplifier circuit is an integrated circuit integrated on the substrate.
  • the conductive wiring layer to which an external bonding wire is connected directly or indirectly, and the substrate side of the wiring layer is disposed via the insulating layer between the wiring layer and the wiring layer.
  • the capacitor further includes a conductive layer, and the capacitor is configured with the insulating layer as a dielectric and the wiring layer and the conductive layer as a pair of electrodes, and the wiring layer is connected to an input end of the amplifier circuit.
  • the conductive layer is connected to an output terminal of the amplifier circuit.
  • the amplifier according to the present invention further includes a bonding pad for connecting the external bonding wire, and the wiring layer is partially disposed between the bonding pad and the substrate. It is characterized by being connected to.
  • the amplifier according to the present invention is characterized in that at least a part of the bonding pad, the wiring layer, and the conductive layer projected perpendicularly to the substrate overlap.
  • the amplifier circuit includes a MOSFET connected to the input terminal.
  • the radiation detector according to the present invention includes a radiation detection element that generates a charge signal at the time of radiation detection, a charge signal generated by the radiation detection element through a bonding wire, and converts the input charge signal into a voltage signal. And an amplifier according to the invention.
  • a feedback capacitor is composed of a conductive layer disposed below through an insulating layer. There is no wiring connecting the bonding pad and the capacitor, and parasitic capacitance due to this wiring does not occur.
  • the bonding pad, the wiring layer, and the conductive layer projected perpendicularly to the substrate overlap.
  • the capacitance of the portion overlapping the bonding pad of the capacitor is a part of the parasitic capacitance between the wiring layer below the bonding pad and, for example, the substrate.
  • the amount of input capacitance to the amplifier circuit in the preamplifier is reduced as much as a part of the parasitic capacitance between the wiring layer and the substrate, for example, is used as the feedback capacitance of the capacitor.
  • the input capacitance of the amplifier circuit is reduced as compared with the conventional case, and the noise included in the signal output from the amplifier is reduced as compared with the conventional case. Therefore, in a radiation detector using an amplifier as a preamplifier, the present invention has excellent effects such as a reduction in noise included in the output voltage signal compared to the conventional case and an improvement in the energy resolution of radiation detection.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a preamplifier 1 made into a chip.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a partial configuration of the preamplifier according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. 6.
  • 6 is a schematic plan view showing a configuration of a part of a preamplifier according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG. 8.
  • FIG. 4 is a schematic circuit diagram of the radiation detector of the present invention.
  • the radiation detector includes a radiation detection element 2 for detecting radiation such as X-rays.
  • the radiation detection element 2 is a semiconductor detection element such as an SDD.
  • the radiation detection element 2 generates a charge signal proportional to the energy of the radiation when the radiation is incident.
  • a preamplifier 1 is connected to the output end of the radiation detection element 2.
  • the preamplifier 1 is an amplifier according to the present invention.
  • a charge signal is output from the radiation detection element 2, and the preamplifier 1 converts the charge signal from the radiation detection element 2 into a voltage signal proportional to the energy of the radiation.
  • the output terminal of the preamplifier 1 is connected to the output terminal of the radiation detector.
  • the radiation detector is provided in, for example, an X-ray detection apparatus, and the output end of the radiation detector is connected to a signal processing unit via an amplifier in the X-ray detection apparatus.
  • the voltage signal output from the radiation detector is amplified by an amplifier and processed by a signal processing unit.
  • the signal processing unit performs a process of counting the voltage signal of each value and acquiring the detected X-ray spectrum.
  • the radiation detector is provided in a fluorescent X-ray analyzer.
  • the X-ray fluorescence analyzer detects X-ray fluorescence from a sample and performs X-ray fluorescence analysis of the sample.
  • the preamplifier 1 includes an amplification circuit 11, and the radiation detection element 2 is connected to the input terminal of the amplification circuit 11.
  • the charge signal from the radiation detection element 2 is input to the amplifier circuit 11.
  • the FET necessary for signal input to the amplifier circuit 11 is built in the amplifier circuit 11.
  • Each of the feedback capacitor 13 and the reset switch 14 is connected to the amplifier circuit 11 in parallel. That is, each of the capacitor 13 and the switch 14 is connected between the input terminal and the output terminal of the amplifier circuit 11.
  • the preamplifier 1 is configured as a chip integrated circuit.
  • FIG. 5 is a schematic plan view of the preamplifier 1 formed into a chip.
  • a core area 41 including the amplifier circuit 11 is provided, and a plurality of bonding pads 43 are arranged around the core area 41.
  • the plurality of bonding pads 43 are connected to the core area 41 and are used to supply power, output voltage signals, and input reset pulses. Any one of the plurality of bonding pads 43 is connected to the output terminal of the amplifier circuit 11 and serves as the output terminal of the preamplifier 1.
  • An input bonding pad 42 is further disposed around the core area 41.
  • the bonding pad 42 for input corresponds to the bonding pad in the present invention.
  • the radiation detection element 2 is connected to the bonding pad 42 via a bonding wire (not shown in FIG. 5).
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a partial configuration of the preamplifier 1 according to the first embodiment
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along the line VII-VII in FIG. 6 and 7 show an input bonding pad 42 and a portion in the vicinity of the bonding pad 42.
  • the preamplifier 1 has a configuration in which circuits are integrated on a Si substrate 61, and the substrate 61 and the oxide film 62 are omitted in FIG.
  • a bonding wire 3 connected to the radiation detection element 2 is connected to the bonding pad 42.
  • FIG. 6 is a diagram in which each part is projected perpendicularly to the substrate 61.
  • a conductive wiring layer 51 made of Al (aluminum) is provided below the bonding pad 42, that is, between the bonding pad 42 and the substrate 61.
  • a portion of the wiring layer 51 between the bonding pad 42 and the substrate 61 has a projected area perpendicular to the substrate 61 substantially equal to that of the bonding pad 42. For this reason, this portion of the wiring layer 51 substantially overlaps under the bonding pad 42 in plan view.
  • An insulating oxide film 62 made of silicon dioxide exists between the bonding pad 42 and the wiring layer 51.
  • a via 57 penetrating the oxide film 62 between the bonding pad 42 and the wiring layer 51 is provided, and the bonding pad 42 is connected to the wiring layer 51 through the via 57.
  • the wiring layer 51 is further linearly extended outside the area below the bonding pad 42.
  • the extended wiring layer 51 is connected to a gate electrode 54 formed of a poly Si (polysilicon) layer.
  • a source electrode 55 and a drain electrode 56 are provided on both sides of the gate electrode 54.
  • a gate oxide film 58 is provided below the gate electrode 54, that is, between the gate electrode 54 and the substrate 61.
  • the gate oxide film 58 is in contact with the gate electrode 54 and the substrate 61.
  • the gate electrode 54, the source electrode 55, the drain electrode 56, and the gate oxide film 58 are included in the input MOSFET 12 built in the amplifier circuit 11. That is, the wiring layer 51 is connected to the input terminal of the amplifier circuit 11 by being connected to the gate electrode 54.
  • the amplifier circuit 11 may include a JFET or a bipolar transistor instead of the MOSFET 12.
  • a conductive layer 52 formed of a conductive poly-Si layer is disposed below the wiring layer 51, that is, between the wiring layer 51 and the substrate 61.
  • An insulating oxide film 59 is provided between the conductive layer 52 and the substrate 61.
  • the conductive layer 52 substantially overlaps the bonding pad 42 in a plan view projected perpendicularly to the substrate 61. In FIG. 6, although hidden behind the bonding pad 42 and invisible, the conductive layer 52 overlaps the wiring layer 51 below the bonding pad 42. That is, the conductive layer 52 is disposed almost directly below the bonding pad 42.
  • the wiring layer 51 and the conductive layer 52 are substantially parallel, and an insulating oxide film 62 exists between the wiring layer 51 and the conductive layer 52.
  • another wiring layer 53 is connected to the conductive layer 52, and the wiring layer 53 is connected to the output terminal of the amplifier 11. Except for the upper surface of the bonding pad 42, each part of the preamplifier 1 is covered with an oxide film 62.
  • the conductive layer 52 may be a metal wiring layer.
  • the wiring layer 51 and the conductive layer 52 only have to overlap at least partially in plan view.
  • a capacitor is formed using the oxide film 62 as a dielectric and the wiring layer 51 and the conductive layer 52 as a pair of electrodes.
  • the oxide film 62 between the wiring layer 51 and the conductive layer 52 corresponds to the insulating layer in the present invention. Since the wiring layer 51 as one electrode is connected to the input terminal of the amplifier circuit 11 and the conductive layer 52 as the other electrode is connected to the output terminal of the amplifier 11 through the wiring layer 53, this capacitor is used for feedback. This is a capacitor 13.
  • the wiring layer 51 connected to the bonding pad 42 is one electrode of the feedback capacitor 13. For this reason, there is no wiring for connecting the bonding pad 42 and the capacitor 13, and this wiring does not generate a parasitic capacitance generated in the conventional preamplifier. Therefore, the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced as compared with the conventional preamplifier. It is also possible to adjust the capacitance of the feedback capacitor 13 by adjusting the area where the wiring layer 51 and the conductive layer 52 overlap during manufacturing.
  • the bonding pad 42, the wiring layer 51, and the conductive layer 52 projected perpendicularly to the substrate 61 are overlapped.
  • the area of the bonding pad 42, the area of the wiring layer 51 below the bonding pad 42, the thickness of the oxide film 62 between the wiring layer 51 and the substrate 61, and the oxide film 62. are assumed to have the same dielectric constant.
  • the parasitic capacitance between the wiring layer 51 below the bonding pad 42 and, for example, the substrate 61 becomes an equivalent value.
  • the capacitor 13 is arranged below the bonding pad 42 with the wiring layer 51 as one electrode, the parasitic capacitance between the wiring layer 51 and, for example, the substrate 61 is reduced. A part is used as the feedback capacitance of the capacitor 13.
  • the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced by the feedback capacitance of the capacitor 13 as compared with the conventional preamplifier 1 in which the feedback capacitance exists in addition to the parasitic capacitance caused by the bonding pad.
  • the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced as compared with the prior art. For this reason, the noise contained in the signal which the preamplifier 1 outputs is reduced compared with the past.
  • the noise included in the output voltage signal is reduced as compared with the conventional case, and the energy resolution of radiation detection is improved. Therefore, for example, the X-ray detection apparatus including the radiation detector according to the present embodiment can detect X-rays with high resolution.
  • a fluorescent X-ray analysis apparatus provided with the radiation detector according to the present embodiment enables high-precision fluorescent X-ray analysis.
  • the preamplifier 1 may have a configuration in which only a part of the portion constituting the capacitor 13 of the wiring layer 51 and the conductive layer 52 overlaps the bonding pad 42 on the projection plane projected perpendicularly to the substrate 61. Good. Of the capacitance of the capacitor 13, the capacitance of the portion overlapping the bonding pad 42 on the projection plane is a part of the parasitic capacitance between the wiring layer 51 and the substrate 61, for example. For this reason, the input capacity of the amplifier circuit 11 is reduced by this capacity compared to the prior art. Therefore, also in the preamplifier 1 according to this embodiment, the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced as compared with the conventional case, and the noise included in the output signal is reduced as compared with the conventional case.
  • FIG. 8 is a schematic plan view showing a partial configuration of the preamplifier 1 according to the second embodiment
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along line IX-IX in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram in which each part is projected perpendicularly to the substrate 61, and the substrate 61 and the oxide film 62 are omitted.
  • the preamplifier 1 does not include the bonding pad 42 and the via 57.
  • a part of the wiring layer 51 is a connection portion 511 that also serves as a bonding pad.
  • the connection portion 511 has a sufficient area for connecting the bonding wire 3 connected to the radiation detection element 2. is doing.
  • connection portion 511 The upper surface of the connection portion 511 is not covered with the oxide film 62, and the bonding wire 3 is connected to the connection portion 511.
  • a conductive layer 52 is disposed between the connection portion 511 of the wiring layer 51 and the substrate 61.
  • the conductive layer 52 substantially overlaps the connection portion 511 in a plan view projected perpendicularly to the substrate 61.
  • an insulating oxide film 62 exists between the connection portion 511 of the wiring layer 51 and the conductive layer 52.
  • Other configurations of the preamplifier 1 are the same as those in the first embodiment. Note that the connection portion 511 and the conductive layer 52 may overlap at least partially in plan view.
  • a capacitor is formed using the oxide film 62 as a dielectric and the wiring layer 51 and the conductive layer 52 as a pair of electrodes, and this capacitor is the feedback capacitor 13.
  • this capacitor is the feedback capacitor 13.
  • the capacitor 13 has the connection portion 511 of the wiring layer 51 as one electrode, the feedback capacitance of the capacitor 13 is a part of the parasitic capacitance between the wiring layer 51 and, for example, the substrate 61. This is used as the feedback capacitance of the capacitor 13.
  • the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced by the feedback capacitance of the capacitor 13 as compared with the conventional preamplifier in which the feedback capacitance exists separately from the parasitic capacitance caused by the bonding pad.
  • the input capacitance of the amplifier circuit 11 is reduced as compared with the conventional case, and the noise included in the signal output from the preamplifier 1 is reduced as compared with the conventional case.
  • the radiation detector including the preamplifier 1 improves the energy resolution of radiation detection, and the X-ray detection apparatus including the radiation detector can detect X-rays with high resolution.
  • the minimum configuration of the preamplifier 1 is shown.
  • the preamplifier 1 may include a circuit element other than the circuit elements shown in the first and second embodiments. Good.
  • Embodiments 1 and 2 an example in which a semiconductor detection element is used as a radiation detection element has been described.
  • the radiation detector of the present invention is an element that outputs a charge signal corresponding to detected radiation. The form using another radiation detection element may be sufficient.

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Abstract

　各部分の配置を改善することにより、増幅回路に対する入力容量を低減させた増幅器及び放射線検出器を提供する。　放射線検出器用のプリアンプ（増幅器）では、ボンディングパッド４２に接続された配線層５１が帰還用のキャパシタ１３の一方の電極になっている。ボンディングパッド４２とキャパシタ１３とを接続する配線が存在しておらず、この配線に起因する寄生容量が発生しない。また、キャパシタ１３は導電層５２を他方の電極としてボンディングパッド４２の下方に配置されているので、キャパシタ１３の帰還容量は、配線層５１と基板６１との間の寄生容量に含まれている。従来に比べて、配線に起因する寄生容量とキャパシタ１３の帰還容量とに対応する容量が入力容量から減少することになり、増幅回路の入力容量が低減される。

Description

増幅器及び放射線検出器
　本発明は、放射線検出器に関し、より詳しくは、放射線検出素子から出力された電荷信号を電圧信号へ変換する増幅器、及び増幅器を備えた放射線検出器に関する。
　Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器は、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）等の放射線検出素子を備える。放射線検出素子は、検出した放射線に応じた電荷信号を出力し、電荷信号はプリアンプによって電圧信号に変換され、電圧信号に基づいてスペクトル生成等の信号処理が行われる。
　図１は、従来の放射線検出器のプリアンプの回路図である。増幅回路７１の前段にＦＥＴ（Field effect transistor ）７２が接続されており、放射線検出素子からの信号はＦＥＴ７２を経由して増幅回路７１へ入力される。また、帰還用のキャパシタ７３とリセット用のスイッチ７４との夫々が増幅回路７１及びＦＥＴ７２に並列に接続されている。なお、増幅回路７１がオペアンプ及びトランジスタから構成されている場合、増幅回路７１が集積回路で構成されている場合、又は増幅回路７１及びＦＥＴ７２が一つの集積回路で構成されている場合もある。
　図２は、従来のチップ化されたプリアンプの構造の一部を示す模式的平面図であり、図３は、従来のチップ化されたプリアンプの一部の断面を示す模式図である。図中の７４は入力用のボンディングパッドである。ボンディングパッド７４には、放射線検出素子に接続されたボンディングワイヤ７６が接続されている。プリアンプ内では、ボンディングパッド７４の下方に配置された配線層を介して金属配線７５がボンディングパッド７４に接続され、金属配線７５に帰還用のキャパシタ７３が接続されている。キャパシタ７３の上側の電極７３１が金属配線７５に接続され、下側の電極７３２がプリアンプの出力端に接続されている。またキャパシタ７３の上側の電極７３１は、金属配線７５を介してＦＥＴ７２に接続されている。プリアンプの各部分はＳｉ（シリコン）の基板７７上に形成されており、ボンディングパッド７４の上面を除く部分は図示しない酸化膜に覆われている。このように、従来のプリアンプは集積回路となっている。特許文献１には、ボンディングパッド及びキャパシタを含む集積回路の例が開示されている。
特開２０００－５８７６５号公報
　図３に示すように、従来のプリアンプでは、ボンディングパッド７４の下方の配線層と例えば基板７７との間に寄生容量が発生し、金属配線７５と例えば基板７７との間にも寄生容量が発生する。放射線検出素子、ボンディングワイヤ７６及びＦＥＴ７２でも、夫々に寄生容量が発生する。このため、増幅回路７１の入力容量には、放射線検出素子、ボンディングワイヤ７６、ボンディングパッド７４、金属配線７５及びＦＥＴ７２の寄生容量、並びにキャパシタ７３の帰還容量が含まれることになる。ところで、増幅回路の入力容量が大きいほど、プリアンプが出力する信号に含まれるノイズが大きくなる。プリアンプを含む放射線検出器では、信号に含まれるノイズが大きいほどエネルギー分解能が悪化するので、放射線検出器のエネルギー分解能を向上させるためには、増幅回路に対する入力容量を小さくしてノイズを低減させることが必要となる。
　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、集積回路中での各部分の配置を改善することにより、増幅回路に対する入力容量を低減させた増幅器及び放射線検出器を提供することにある。
　本発明に係る増幅器は、増幅回路と、該増幅回路に並列に接続された帰還用のキャパシタとを含む増幅器において、半導体の基板を備え、前記増幅回路は、前記基板上に集積された集積回路として構成されており、外部のボンディングワイヤが直接又は間接に接続される導電性の配線層と、該配線層よりも前記基板側に、前記配線層との間に絶縁層を介して配置された導電層とを更に備え、前記キャパシタは、前記絶縁層を誘電体とし前記配線層及び前記導電層を一対の電極として構成されており、前記配線層は前記増幅回路の入力端に接続されており、前記導電層は前記増幅回路の出力端に接続されていることを特徴とする。
　本発明に係る増幅器は、前記外部のボンディングワイヤが接続されるためのボンディングパッドを更に備え、前記配線層は、前記ボンディングパッドと前記基板との間に一部が配置されており、前記ボンディングパッドに接続されていることを特徴とする。
　本発明に係る増幅器は、前記基板に垂直に投影した前記ボンディングパッド、前記配線層及び前記導電層の少なくとも一部が重なっていることを特徴とする。
　本発明に係る増幅器は、前記増幅回路は、前記入力端に接続されたＭＯＳＦＥＴを内蔵していることを特徴とする。
　本発明に係る放射線検出器は、放射線検出時に電荷信号を発生する放射線検出素子と、該放射線検出素子が発生した電荷信号をボンディングワイヤを通じて入力され、入力された電荷信号を電圧信号に変換する本発明に係る増幅器とを備えることを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出器用のプリアンプに用いられる増幅器では、入力用のボンディングパッドに接続されてボンディングパッドの下方に配置された配線層又はボンディングパッドの役割を兼ねた配線層と、配線層の下方に絶縁層を介して配置された導電層とで、帰還用のキャパシタが構成されている。ボンディングパッドとキャパシタとを接続する配線が存在しておらず、この配線に起因する寄生容量が発生しない。
　また本発明においては、基板に垂直に投影したボンディングパッド、配線層及び導電層の少なくとも一部が重なっている。キャパシタのボンディングパッドに重なっている部分の容量は、ボンディングパッドの下方の配線層と例えば基板との間の寄生容量の一部である。配線層と例えば基板との間の寄生容量の一部がキャパシタの帰還容量として利用されている分だけ、従来に比べてプリアンプ中の増幅回路に対する入力容量が減少する。
　本発明にあっては、従来に比べて増幅回路の入力容量が低減され、増幅器が出力する信号に含まれるノイズが従来に比べて低減される。従って、増幅器をプリアンプに用いた放射線検出器では、出力する電圧信号に含まれるノイズが従来に比べて低減され、放射線検出のエネルギー分解能が向上する等、本発明は優れた効果を奏する。
従来の放射線検出器のプリアンプの回路図である。 従来のチップ化されたプリアンプの構造の一部を示す模式的平面図である。 従来のチップ化されたプリアンプの一部の断面を示す模式図である。 本発明の放射線検出器の模式的回路図である。 チップ化されたプリアンプ１の模式的平面図である。 実施の形態１に係るプリアンプの一部の構成を示す模式的平面図である。 図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線の模式的断面図である。 実施の形態２に係るプリアンプの一部の構成を示す模式的平面図である。 図８のＩＸ－ＩＸ線の模式的断面図である。
　以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施の形態１）
　図４は、本発明の放射線検出器の模式的回路図である。放射線検出器は、Ｘ線等の放射線を検出するための放射線検出素子２を備えている。放射線検出素子２は、ＳＤＤ等の半導体検出素子である。放射線検出素子２は、放射線が入射した場合に、放射線のエネルギーに比例した電荷信号を発生する。放射線検出素子２の出力端には、プリアンプ１が接続されている。プリアンプ１は本発明の増幅器である。放射線検出素子２からは電荷信号が出力され、プリアンプ１は、放射線検出素子２からの電荷信号を、放射線のエネルギーに比例した電圧信号に変換する。プリアンプ１の出力端には、放射線検出器の出力端子が接続されている。
　放射線検出器は、例えば、Ｘ線検出装置に備えられ、放射線検出器の出力端はＸ線検出装置内でアンプを介して信号処理部に接続される。放射線検出器が出力した電圧信号は、アンプで増幅され、信号処理部で処理される。例えば、信号処理部は、各値の電圧信号をカウントし、検出したＸ線のスペクトルを取得する処理を行う。また例えば、放射線検出器は、蛍光Ｘ線分析装置に備えられる。蛍光Ｘ線分析装置は、試料からの蛍光Ｘ線を検出し、試料の蛍光Ｘ線分析を行う。
　プリアンプ１は、増幅回路１１を備え、増幅回路１１の入力端には放射線検出素子２が接続されている。放射線検出素子２からの電荷信号は、増幅回路１１へ入力される。増幅回路１１への信号入力に必要なＦＥＴは増幅回路１１に内蔵されている。また、帰還用のキャパシタ１３及びリセット用のスイッチ１４の夫々が増幅回路１１に並列に接続されている。即ち、キャパシタ１３及びスイッチ１４の夫々は増幅回路１１の入力端と出力端との間に接続されている。プリアンプ１は、チップ化された集積回路として構成されている。
　図５は、チップ化されたプリアンプ１の模式的平面図である。増幅回路１１を含むコアエリア４１が設けられており、コアエリア４１の周囲に複数のボンディングパッド４３が配置されている。複数のボンディングパッド４３は、コアエリア４１に接続されており、電源供給、電圧信号の出力、及びリセット用のパルスの入力に用いられる。複数のボンディングパッド４３の何れかが増幅回路１１の出力端に接続されており、プリアンプ１の出力端になっている。コアエリア４１の周囲には、更に、入力用のボンディングパッド４２が配置されている。入力用のボンディングパッド４２は本発明におけるボンディングパッドに対応する。ボンディングパッド４２には、図５には図示しないボンディングワイヤを介して放射線検出素子２が接続されている。
　図６は、実施の形態１に係るプリアンプ１の一部の構成を示す模式的平面図であり、図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線の模式的断面図である。図６及び図７には、入力用のボンディングパッド４２及びボンディングパッド４２近傍の部分を示している。プリアンプ１は、Ｓｉの基板６１上に回路が集積された構成となっており、図６では基板６１及び酸化膜６２を省略している。ボンディングパッド４２には、放射線検出素子２に接続されたボンディングワイヤ３が接続されるようになっている。また、図６は、基板６１に垂直に各部分を投影した図になっている。
　ボンディングパッド４２の下方、即ちボンディングパッド４２と基板６１との間には、Ａｌ（アルミニウム）でなる導電性の配線層５１が設けられている。配線層５１の、ボンディングパッド４２と基板６１との間にある部分は、基板６１に垂直な投影面積がボンディングパッド４２とほぼ同等である。このため、配線層５１のこの部分は、平面視でボンディングパッド４２の下にほぼ重なっている。図６中ではボンディングパッド４２に隠れて見えなくなっているものの、ボンディングパッド４２の下方には配線層５１が重なっている。ボンディングパッド４２と配線層５１との間には、二酸化ケイ素でなる絶縁性の酸化膜６２が存在している。ボンディングパッド４２と配線層５１との間の酸化膜６２を貫通するビア５７が設けられており、ビア５７を通じてボンディングパッド４２は配線層５１に接続されている。
　配線層５１は、ボンディングパッド４２の下方の範囲の外側へ更に線状に延伸している。延伸した配線層５１は、ポリＳｉ（ポリシリコン）層で形成されたゲート電極５４に接続されている。ゲート電極５４の両側には、ソース電極５５とドレイン電極５６とが設けられている。ゲート電極５４の下方、即ちゲート電極５４と基板６１との間にはゲート酸化膜５８が設けられている。ゲート酸化膜５８は、ゲート電極５４及び基板６１に接している。ゲート電極５４、ソース電極５５、ドレイン電極５６及びゲート酸化膜５８は、増幅回路１１に内蔵された入力用のＭＯＳＦＥＴ１２に含まれている。即ち、配線層５１は、ゲート電極５４に接続されていることによって、増幅回路１１の入力端に接続されている。なお、増幅回路１１は、ＭＯＳＦＥＴ１２の代わりにＪＦＥＴ又はバイポーラトランジスタを備えた形態であってもよい。
　配線層５１の下方、即ち配線層５１と基板６１との間には、導電性のポリＳｉ層で形成された導電層５２が配置されている。導電層５２と基板６１との間には、絶縁性の酸化膜５９が設けられている。導電層５２は、基板６１に垂直に投影した平面視でボンディングパッド４２とほぼ重なっている。図６中ではボンディングパッド４２に隠れて見えなくなっているものの、ボンディングパッド４２の下方の配線層５１の更に下方に導電層５２が重なっている。即ち、導電層５２はほぼボンディングパッド４２の真下に配置されている。また、配線層５１と導電層５２とはほぼ平行になっており、配線層５１と導電層５２との間には絶縁性の酸化膜６２が存在している。また、図７中に破線で示したように、導電層５２には、別の配線層５３が接続されており、配線層５３は増幅器１１の出力端に接続されている。ボンディングパッド４２の上面を除いて、プリアンプ１の各部分は酸化膜６２に覆われている。なお、導電層５２は、金属の配線層であってもよい。また、配線層５１と導電層５２とは平面視で少なくとも一部が重なっていればよい。
　導電性の配線層５１及び導電層５２の間に絶縁性の酸化膜６２が存在するので、酸化膜６２を誘電体として配線層５１及び導電層５２を一対の電極としたキャパシタが構成される。配線層５１と導電層５２との間の酸化膜６２は、本発明における絶縁層に対応する。一方の電極である配線層５１が増幅回路１１の入力端に接続され、他方の電極である導電層５２が配線層５３を通じて増幅器１１の出力端に接続されているので、このキャパシタは帰還用のキャパシタ１３である。
　以上説明したように、プリアンプ１では、ボンディングパッド４２に接続された配線層５１が帰還用のキャパシタ１３の一方の電極になっている。このため、ボンディングパッド４２とキャパシタ１３とを接続する配線が存在しておらず、この配線によって従来のプリアンプでは発生していた寄生容量が発生することが無い。従って、従来のプリアンプに比べて、増幅回路１１の入力容量が減少する。また、製造時に配線層５１と導電層５２とが重なる面積を調整することによって帰還用のキャパシタ１３の容量を調整することも可能である。
　また、本実施の形態では、基板６１に垂直に投影したボンディングパッド４２、配線層５１及び導電層５２が重なっている。ここで、従来のプリアンプと比較して、ボンディングパッド４２の面積、ボンディングパッド４２の下方の配線層５１の面積、配線層５１と基板６１との間の酸化膜６２の厚さ、及び酸化膜６２の誘電率が同等であるとする。このとき、従来のプリアンプと比較して、ボンディングパッド４２の下方の配線層５１と例えば基板６１との間の寄生容量は同等の値になる。一方で、本実施の形態に係るプリアンプ１では、キャパシタ１３は配線層５１を一方の電極としてボンディングパッド４２の下方に配置されているので、配線層５１と例えば基板６１との間の寄生容量の一部がキャパシタ１３の帰還容量として利用されている。ボンディングパッドに起因する寄生容量とは別に帰還容量が存在する従来のプリアンプに比べて、本実施の形態に係るプリアンプ１では、キャパシタ１３の帰還容量の分だけ増幅回路１１の入力容量が減少する。
　以上のように、本実施の形態に係るプリアンプ１では、従来に比べて増幅回路１１の入力容量が減少している。このため、プリアンプ１が出力する信号に含まれるノイズが従来に比べて低減される。増幅回路１１を含む回路を基板６１上に集積させることでプリアンプ１を安価に構成しながらも、十分にノイズを低減させることができる。プリアンプ１を含む放射線検出器では、出力する電圧信号に含まれるノイズが従来に比べて低減され、放射線検出のエネルギー分解能が向上する。従って、例えば、本実施の形態に係る放射線検出器を備えたＸ線検出装置では、高分解能でＸ線の検出が可能となる。また、例えば、本実施の形態に係る放射線検出器を備えた蛍光Ｘ線分析装置では、高精度の蛍光Ｘ線分析が可能となる。
　なお、プリアンプ１は、基板６１に垂直に投影した投影面上で配線層５１及び導電層５２のキャパシタ１３を構成している部分の一部のみがボンディングパッド４２に重なっている形態であってもよい。キャパシタ１３の容量の内、投影面上でボンディングパッド４２に重なっている部分の容量は、配線層５１と例えば基板６１との間の寄生容量の一部である。このため、この容量の分だけ、従来に比べて増幅回路１１の入力容量が減少する。従って、この形態に係るプリアンプ１でも、従来に比べて増幅回路１１の入力容量が低減され、出力信号に含まれるノイズが従来に比べて低減される。
（実施の形態２）
　図８は、実施の形態２に係るプリアンプ１の一部の構成を示す模式的平面図であり、図９は、図８のＩＸ－ＩＸ線の模式的断面図である。図８は、基板６１に垂直に各部分を投影した図になっており、基板６１及び酸化膜６２を省略している。本実施の形態においては、プリアンプ１は、ボンディングパッド４２及びビア５７を備えていない。配線層５１の一部は、ボンディングパッドの役割を兼ねた接続部分５１１になっており、接続部分５１１は、放射線検出素子２に接続されたボンディングワイヤ３が接続されるために十分な面積を有している。接続部分５１１の上面は酸化膜６２に覆われておらず、接続部分５１１にボンディングワイヤ３が接続されるようになっている。配線層５１の接続部分５１１と基板６１との間には、導電層５２が配置されている。導電層５２は、基板６１に垂直に投影した平面視で接続部分５１１とほぼ重なっている。また、配線層５１の接続部分５１１と導電層５２との間には、絶縁性の酸化膜６２が存在している。プリアンプ１のその他の構成は、実施の形態１と同様である。なお、接続部分５１１と導電層５２とは平面視で少なくとも一部が重なっていればよい。
　本実施の形態においても、酸化膜６２を誘電体として配線層５１及び導電層５２を一対の電極としたキャパシタが構成されており、このキャパシタは帰還用のキャパシタ１３である。ボンディングパッドとキャパシタ１３とを接続する配線が存在しておらず、この配線によって従来のプリアンプでは発生していた寄生容量が発生することが無い。従って、従来のプリアンプに比べて、増幅回路１１の入力容量が減少する。また、本実施の形態では、キャパシタ１３は配線層５１の接続部分５１１を一方の電極としてあるので、キャパシタ１３の帰還容量は、配線層５１と例えば基板６１との間の寄生容量の一部がキャパシタ１３の帰還容量として利用されている。ボンディングパッドに起因する寄生容量とは別に帰還容量が存在する従来のプリアンプに比べて、プリアンプ１では、キャパシタ１３の帰還容量の分だけ増幅回路１１の入力容量が減少する。以上のように、本実施の形態に係るプリアンプ１でも、従来に比べて増幅回路１１の入力容量が減少し、プリアンプ１が出力する信号に含まれるノイズが従来に比べて低減される。プリアンプ１を含む放射線検出器では、放射線検出のエネルギー分解能が向上し、放射線検出器を備えたＸ線検出装置では、高分解能でＸ線の検出が可能となる。
　なお、以上の実施の形態１及び２においては、プリアンプ１の最小構成を示しており、プリアンプ１は、実施の形態１及び２で示した回路素子以外の回路素子を含んだ形態であってもよい。また、実施の形態１及び２においては、放射線検出素子として半導体検出素子を用いた例を示したが、本発明の放射線検出器は、検出した放射線に応じた電荷信号を出力する素子であればその他の放射線検出素子を用いた形態であってもよい。
　１　プリアンプ（増幅器）
　１１　増幅回路
　１２　ＭＯＳＦＥＴ
　１３　キャパシタ
　１４　スイッチ
　２　放射線検出素子
　３　ボンディングワイヤ
　４２　ボンディングパッド
　５１　配線層
　５２　導電層
　５４　ゲート電極
　５５　ソース電極
　５６　ドレイン電極
　５８　ゲート酸化膜
　６１　基板
　６２　酸化膜

Claims (5)

  1. 　増幅回路と、該増幅回路に並列に接続された帰還用のキャパシタとを含む増幅器において、
    　半導体の基板を備え、
    　前記増幅回路は、前記基板上に集積された集積回路として構成されており、
    　外部のボンディングワイヤが直接又は間接に接続される導電性の配線層と、
    　該配線層よりも前記基板側に、前記配線層との間に絶縁層を介して配置された導電層とを更に備え、
    　前記キャパシタは、前記絶縁層を誘電体とし前記配線層及び前記導電層を一対の電極として構成されており、
    　前記配線層は前記増幅回路の入力端に接続されており、
    　前記導電層は前記増幅回路の出力端に接続されていること
    　を特徴とする増幅器。
  2. 　前記外部のボンディングワイヤが接続されるためのボンディングパッドを更に備え、
    　前記配線層は、
    　前記ボンディングパッドと前記基板との間に一部が配置されており、前記ボンディングパッドに接続されていること
    　を特徴とする請求項１に記載の増幅器。
  3. 　前記基板に垂直に投影した前記ボンディングパッド、前記配線層及び前記導電層の少なくとも一部が重なっていること
    　を特徴とする請求項２に記載の増幅器。
  4. 　前記増幅回路は、前記入力端に接続されたＭＯＳＦＥＴを内蔵していること
    　を特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の増幅器。
  5. 　放射線検出時に電荷信号を発生する放射線検出素子と、
    　該放射線検出素子が発生した電荷信号をボンディングワイヤを通じて入力され、入力された電荷信号を電圧信号に変換する請求項１乃至４の何れか一つに記載の増幅器と
    　を備えることを特徴とする放射線検出器。
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