WO2020008531A1 - Ｘ線検出器 - Google Patents

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WO2020008531A1
WO2020008531A1 PCT/JP2018/025235 JP2018025235W WO2020008531A1 WO 2020008531 A1 WO2020008531 A1 WO 2020008531A1 JP 2018025235 W JP2018025235 W JP 2018025235W WO 2020008531 A1 WO2020008531 A1 WO 2020008531A1
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WO
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electrode
ray detector
semiconductor substrate
region
distance
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PCT/JP2018/025235
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English (en)
French (fr)
Inventor
達也 武井
芳隆 只木
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray detector.
  • This phenomenon can be applied to the estimation of the type and amount of a substance such as metal contained in an object.
  • an object is irradiated with X-rays, and fluorescent X-rays emitted from the object are observed.
  • the above estimation is performed based on the energy intensity of each wavelength of light included in the fluorescent X-ray, that is, based on the spectrum of the fluorescent X-ray.
  • FIG. 9 shows a configuration of an X-ray detector 1010 configured similarly to the SDD disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2.
  • FIG. 9 shows a cross section of the X-ray detector 1010. As shown in FIG. 9, the X-ray detector 1010 has a semiconductor substrate 1100.
  • the semiconductor substrate 1100 has a semiconductor layer 1101, an anode electrode 1110, a cathode electrode 1120, and a plurality of regions 1130.
  • the reference numeral of one region 1130 is shown as a representative of the plurality of regions 1130.
  • the semiconductor substrate 1100 has a surface 1100a and a surface 1100b.
  • the surface 1100a and the surface 1100b face in opposite directions.
  • the semiconductor layer 1101 includes an N-type semiconductor.
  • the anode electrode 1110 and the plurality of regions 1130 are provided in the semiconductor layer 1101.
  • Anode electrode 1110 includes an N-type semiconductor.
  • the impurity concentration of the anode electrode 1110 is higher than the impurity concentration of the semiconductor layer 1101.
  • the region 1130 includes a P-type semiconductor.
  • the anode electrode 1110 and the plurality of regions 1130 include a surface 1100a.
  • Each of the anode electrode 1110 and the plurality of regions 1130 is a semiconductor region from the surface 1100a to a predetermined depth.
  • the cathode electrode 1120 is disposed on the semiconductor layer 1101.
  • Cathode electrode 1120 includes a P-type semiconductor.
  • Cathode electrode 1120 includes a surface 1100b.
  • Cathode electrode 1120 is a semiconductor region from surface 1100b to a predetermined depth.
  • a terminal for outputting a signal from the anode electrode 1110 may be provided on the anode electrode 1110.
  • a terminal for applying a voltage to the cathode electrode 1120 may be provided on the cathode electrode 1120.
  • a plurality of gate electrodes are arranged on surface 1100a. The gate electrode and the region 1130 form a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Semiconductor Field Effect Transistor).
  • FIG. 10 is a plan view of the X-ray detector 1010.
  • FIG. 10 shows each element when the X-ray detector 1010 is viewed in a direction perpendicular to the surface 1100a of the semiconductor substrate 1100. That is, FIG. 10 shows each element when the X-ray detector 1010 is viewed from the front of the semiconductor substrate 1100.
  • the reference numeral of one area 1130 is shown as a representative of the plurality of areas 1130.
  • Anode electrode 1110 is arranged at the center of surface 1100a of semiconductor substrate 1100.
  • the anode electrode 1110 is circular.
  • the plurality of regions 1130 are ring-shaped.
  • the plurality of regions 1130 are arranged concentrically.
  • the plurality of regions 1130 are arranged so as to surround the anode electrode 1110.
  • a cross section taken along line L10 shown in FIG. 10 is shown in FIG.
  • a negative voltage is applied to the cathode electrode 1120.
  • the absolute value of the voltage applied to cathode electrode 1120 is larger than the absolute value of the voltage of anode electrode 1110.
  • the potential inside semiconductor substrate 1100 increases from surface 1100b toward surface 1100a.
  • a negative voltage is applied to the gate electrode on surface 1100a.
  • the potential of the anode electrode 1110 is higher than any potential of the plurality of gate electrodes.
  • the absolute value of the voltage applied to the outer gate electrode is larger than the absolute value of the voltage applied to the inner gate electrode. Therefore, the absolute value of the voltage applied to the outer region 1130 is larger than the absolute value of the voltage applied to the inner region 1130.
  • the potential inside semiconductor substrate 1100 increases from the outer periphery of semiconductor substrate 1100 toward the center.
  • the voltage as described above is applied to the X-ray detector 1010.
  • the potential in the semiconductor substrate 1100 increases from the surface 1100b toward the surface 1100a, and increases from the outer periphery of the semiconductor substrate 1100 toward the center. That is, a potential gradient is generated in the semiconductor substrate 1100.
  • X-rays enter the X-ray detector 1010, electrons are generated in the semiconductor substrate 1100. The electrons gather on the anode electrode 1110 according to the potential gradient. A signal based on the electrons is output from X-ray detector 1010.
  • a chip having a first-stage amplifier is used to convert the electric charge into a voltage signal.
  • the chip having the first-stage amplifier is different from the chip having the X-ray detector.
  • the first-stage amplifier is composed of a JFET (Junction Field Effect Transistor) or the like.
  • this method requires a wire containing aluminum or gold between the X-ray detector and the first-stage amplifier.
  • the wires increase the components of capacitance, resistance, and inductor, and increase noise.
  • a technique for forming a JFET at the center of an X-ray detector is known.
  • a JFET is arranged at the center of the X-ray detector, and an anode electrode is arranged around the JFET.
  • the anode electrode has a ring shape.
  • the peripheral length of the anode electrode is larger than in the technique in which the anode electrode is arranged at the center of the X-ray detector. Therefore, the parasitic capacitance on the anode electrode increases, and noise increases.
  • An object of the present invention is to provide an X-ray detector capable of suppressing an increase in noise.
  • an X-ray detector has a semiconductor substrate, a first electrode, and a second electrode.
  • the semiconductor substrate has a first main surface and a second main surface facing in opposite directions.
  • the first electrode is arranged on the first main surface, and collects electric charges generated in the semiconductor substrate when X-rays are incident on the semiconductor substrate.
  • the second electrode is disposed on the second main surface.
  • a voltage for moving the charge in the direction of the first electrode is applied to the second electrode.
  • the semiconductor substrate has a third electrode and a transistor.
  • the third electrode is arranged in the semiconductor substrate and forms a part of the first main surface.
  • a voltage for moving the charge in the direction of the first electrode is applied to the third electrode.
  • the transistor has a source, a drain, and a gate. The source and the drain are disposed in the third electrode.
  • the gate is disposed on the first main surface and is connected to the first electrode.
  • the absolute value of the voltage may be 10 V or less.
  • the X-ray detector may include a plurality of the first electrodes and a plurality of the third electrodes.
  • the source and the drain may be arranged in the third electrode closest to the first electrode.
  • the first voltage may be applied as the voltage to the third electrode on which the transistor is arranged.
  • a second voltage may be applied as the voltage to the third electrode where the transistor is not provided.
  • the absolute value of the first voltage may be smaller than the absolute value of the second voltage.
  • the third electrode may extend from the first main surface to a first position.
  • the first position may be separated from the first main surface by a first distance toward the inside of the semiconductor substrate.
  • the first electrode may extend from the first main surface to a second position.
  • the second position may be separated from the first main surface by a second distance toward the inside of the semiconductor substrate. The first distance may be greater than the second distance.
  • the plurality of third electrodes are arranged as a first part and the third electrode arranged as a second part. And the third electrode.
  • the first portion may extend from the first main surface to a third position.
  • the third position may be separated from the first main surface by a third distance toward the inside of the semiconductor substrate.
  • the second portion may extend from the first main surface to a fourth position.
  • the fourth position may be separated from the first main surface by a fourth distance toward the inside of the semiconductor substrate.
  • the third distance may be greater than the fourth distance.
  • the second portion may be arranged between the first electrode and the first portion.
  • the source and the drain may be arranged in the second portion.
  • the X-ray detector may further include a fourth electrode.
  • the fourth electrode may extend from a fifth position to a sixth position.
  • the fifth position may be separated from the second main surface by a fifth distance toward the inside of the semiconductor substrate.
  • the sixth position may be separated from the second main surface by a sixth distance toward the inside of the semiconductor substrate. The sixth distance may be greater than the fifth distance.
  • the second electrode may extend from the second main surface to the fifth position.
  • the X-ray detector can suppress an increase in noise.
  • FIG. 2 is a sectional view of the X-ray detector according to the first embodiment of the present invention. It is a top view of the X-ray detector of a 1st embodiment of the present invention. It is a sectional view of an X-ray detector of a 2nd embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the X-ray detector of 3rd Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the X-ray detector of the 1st modification of 3rd Embodiment of this invention. It is sectional drawing of the X-ray detector of the 2nd modification of 3rd Embodiment of this invention. It is a top view of the X-ray detector of a 4th embodiment of the present invention. It is a top view of the X-ray detector of a modification of a 4th embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the X-ray detector of a prior art. It is a top view of a conventional X-ray detector.
  • FIG. 1 shows a configuration of an X-ray detector 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross section of the X-ray detector 10.
  • the X-ray detector 10 is configured as a silicon drift detector (SDD) that detects radiation, that is, fluorescent X-rays.
  • SDD silicon drift detector
  • the dimensions of the parts constituting the X-ray detector 10 do not always follow the dimensions shown in FIG.
  • the dimensions of the parts constituting the X-ray detector 10 may be arbitrary. The same applies to dimensions in other sectional views.
  • the X-ray detector 10 has a semiconductor substrate 100, an anode electrode 110 (first electrode), and a cathode electrode 120 (second electrode).
  • Semiconductor substrate 100 has a surface 100a (first main surface) and a surface 100b (second main surface) that face in opposite directions.
  • the anode electrode 110 is disposed on the surface 100a, and collects charges generated in the semiconductor substrate 100 when X-rays enter the semiconductor substrate 100.
  • Cathode electrode 120 is arranged on surface 100b. A voltage for moving the charges in the direction of the anode electrode 110 is applied to the cathode electrode 120.
  • the semiconductor substrate 100 includes a region 130 (third electrode) and a transistor 140.
  • the region 130 is arranged in the semiconductor substrate 100 and forms a part of the surface 100a.
  • a voltage for moving charges in the direction of the anode electrode 110 is applied to the region 130.
  • the transistor 140 has a source 141, a drain 142, and a gate 143. Source 141 and drain 142 are arranged in region 130.
  • Gate 143 is arranged on surface 100a. Gate 143 is connected to anode electrode 110.
  • the semiconductor substrate 100 has a semiconductor layer 101, an anode electrode 110, a cathode electrode 120, and a plurality of regions 130.
  • the semiconductor material forming the semiconductor substrate 100 is silicon (Si).
  • Surface 100a and surface 100b constitute a main surface of semiconductor substrate 100.
  • the main surface is a relatively wide surface among a plurality of surfaces constituting the surface of the semiconductor substrate 100.
  • the semiconductor layer 101 includes an N-type semiconductor.
  • the anode electrode 110 and the plurality of regions 130 are arranged on the semiconductor layer 101.
  • Anode electrode 110 includes an N-type semiconductor.
  • the impurity concentration of the anode electrode 110 is higher than the impurity concentration of the semiconductor layer 101.
  • the region 130 includes a P-type semiconductor.
  • Anode electrode 110 and region 130 include surface 100a. Each of anode electrode 110 and region 130 is a semiconductor region from surface 100a to a predetermined depth. The area 130 extends from the surface 100a to a predetermined position. The predetermined position is separated from the surface 100a toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d1. The distance d1 is the depth of the region 130.
  • the transistor 140 is a MOSFET.
  • the source 141 and the drain 142 are arranged in the region 130 closest to the anode electrode 110.
  • Source 141 and drain 142 are arranged in region 130 adjacent to anode electrode 110.
  • the region 130 where the source 141 is disposed is the same as the region 130 where the drain 142 is disposed.
  • a drain 142 is arranged on a side closer to the anode electrode 110, and a source 141 is arranged on a side farther from the anode electrode 110.
  • the drain 142 is disposed between the anode electrode 110 and the source 141.
  • the source 141 and the drain 142 include an N-type semiconductor.
  • Source 141 and drain 142 include surface 100a. Each of source 141 and drain 142 is a semiconductor region from surface 100a to a predetermined depth.
  • the source 141 extends from the surface 100a to a predetermined position. The predetermined position of the source 141 is away from the surface 100a by a distance d2 toward the inside of the semiconductor substrate 100.
  • the drain 142 extends from the surface 100a to a predetermined position.
  • the predetermined position of the drain 142 is away from the surface 100a by a distance d3 toward the inside of the semiconductor substrate 100.
  • the distance d2 is the same as the distance d3.
  • the distance d2 may be different from the distance d3.
  • the distance d2 and the distance d3 are smaller than the distance d1.
  • the distance d2 is the depth of the source 141.
  • the distance d3 is the depth of the drain 142.
  • An insulating layer 150 is arranged on a region between the source 141 and the drain 142.
  • the insulating layer 150 is made of an insulating material.
  • the insulating material forming the insulating layer 150 is silicon dioxide (SiO2).
  • the insulating layer 150 is stacked on the semiconductor layer 101.
  • the insulating layer 150 is in contact with the surface 100a.
  • the gate 143 is stacked on the insulating layer 150. Gate 143 is connected to anode electrode 110 by wiring 160.
  • the region 130 where the gate 143 is arranged is the same as the region 130 where the source 141 and the drain 142 are arranged.
  • the source 141 and the drain 142 are connected to a wiring not shown in FIG.
  • the source 141 and the drain 142 are electrically connected to a circuit outside the X-ray detector 10.
  • the transistor 140 is a circuit element for extracting a signal from the anode electrode 110 and amplifying the signal. By disposing the transistor 140 in the X-ray detector 10, a first-stage amplifier including the transistor 140 can be disposed in the X-ray detector 10.
  • the cathode electrode 120 is disposed on the semiconductor layer 101.
  • Cathode electrode 120 includes a P-type semiconductor.
  • Cathode electrode 120 includes surface 100b.
  • Cathode electrode 120 is a semiconductor region from surface 100b to a predetermined depth.
  • a terminal for outputting a signal from the anode electrode 110 may be provided on the anode electrode 110.
  • a terminal for applying a voltage to the cathode electrode 120 may be disposed on the cathode electrode 120.
  • a plurality of gate electrodes are arranged on surface 100a.
  • the gate electrode and the region 130 constitute a MOSFET. This MOSFET is a PMOS, and the transistor 140 is an NMOS.
  • FIG. 2 is a plan view of the X-ray detector 10.
  • FIG. 2 shows each element when the X-ray detector 10 is viewed in a direction perpendicular to the surface 100a of the semiconductor substrate 100. That is, in FIG. 2, each element when the X-ray detector 10 is viewed from the front of the semiconductor substrate 100 is shown.
  • the reference numeral of one area 130 is shown as a representative of the plurality of areas 130.
  • the outer shape of the X-ray detector 10 is rectangular. In the example shown in FIG. 2, the outer shape of the X-ray detector 10 is a square. The outer shape of the X-ray detector 10 is not limited to a rectangle.
  • the anode electrode 110 is arranged at the center of the surface 100 a of the semiconductor substrate 100.
  • the anode electrode 110 is circular.
  • the outer shape of the anode electrode 110 may be rectangular or the like.
  • the plurality of regions 130 are ring-shaped.
  • the plurality of regions 130 are arranged concentrically.
  • the plurality of regions 130 are arranged so as to surround the anode electrode 110.
  • a cross section through the line L1 shown in FIG. 2 is shown in FIG.
  • a negative voltage is applied to the cathode electrode 120.
  • the absolute value of the voltage applied to the cathode electrode 120 is larger than the absolute value of the voltage of the anode electrode 110.
  • the voltage applied to the cathode electrode 120 is from ⁇ 80V to ⁇ 100V.
  • the potential inside semiconductor substrate 100 increases from surface 100b toward surface 100a.
  • a negative voltage is applied to the gate electrode on the surface 100a.
  • the potential of the anode electrode 110 is higher than any potential of the plurality of gate electrodes.
  • the absolute value of the voltage applied to the outer gate electrode is larger than the absolute value of the voltage applied to the inner gate electrode. Therefore, the absolute value of the voltage applied to the outer region 130 is larger than the absolute value of the voltage applied to the inner region 130.
  • the voltage applied to the outermost region 130 is between -80V and -100V.
  • the potential inside the semiconductor substrate 100 increases from the outer periphery to the center of the semiconductor substrate 100.
  • the first voltage is applied to the region 130 where the transistor 140 is provided.
  • a second voltage is applied to region 130 where transistor 140 is not located.
  • the absolute value of the first voltage is smaller than the absolute value of the second voltage.
  • a voltage having an absolute value of 10 V or less is applied to the region 130 where the transistor 140 is provided. For example, a voltage in the range of ⁇ 5 V to ⁇ 10 V is applied to the region 130. A voltage in the range of -1V to -10V may be applied to the region 130.
  • the voltage as described above is applied to the X-ray detector 10.
  • the potential in the semiconductor substrate 100 increases from the surface 100b toward the surface 100a, and increases from the outer periphery to the center of the semiconductor substrate 100. That is, a potential gradient is generated in the semiconductor substrate 100.
  • X-rays enter the X-ray detector 10 electrons are generated in the semiconductor substrate 100.
  • the electrons gather on the anode electrode 110 according to the potential gradient.
  • a signal based on the electrons is extracted by the transistor 140.
  • the semiconductor substrate 100 may include a P-type semiconductor.
  • the anode electrode 110, the source 141, and the drain 142 include a P-type semiconductor.
  • the cathode electrode 120 and the region 130 include an N-type semiconductor.
  • a positive voltage is applied to the cathode electrode 120 and the region 130.
  • holes are output from the anode electrode 110 as charges.
  • the X-ray detector 10 according to the first embodiment has the transistor 140 arranged in the region 130 in the semiconductor substrate 100. Therefore, the peripheral length of the anode electrode 110 does not increase.
  • the X-ray detector 10 can suppress an increase in noise caused by the parasitic capacitance of the anode electrode 110.
  • the transistor 140 is disposed in the region 130 closest to the anode electrode 110.
  • a relatively low voltage (a voltage having a small absolute value) is applied to the region 130 where the transistor 140 is provided. Since the withstand voltage of the transistor 140 is easily ensured, the thickness of the insulating layer 150 can be reduced, and the transistor 140 can be easily formed.
  • a plurality of electrons generated by X-rays are not always accelerated uniformly by a potential gradient.
  • the speed of the plurality of electrons varies. Therefore, the difference in the time when a plurality of electrons reach the anode electrode in the X-ray detector increases. If the difference is large, the signal output from the anode electrode is processed as noise by the subsequent signal processing circuit. The signal is not suitable for analysis.
  • FIG. 3 shows a configuration of the X-ray detector 11 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a cross section of the X-ray detector 11. The description of the same parts as those shown in FIG. 1 is omitted.
  • the X-ray detector 11 has a plurality of anode electrodes 110.
  • three anode electrodes 110 are shown.
  • a region 130 is arranged between two adjacent anode electrodes 110.
  • two regions 130 are shown.
  • a transistor 140 is provided in each region 130.
  • the number of anode electrodes 110 and the number of regions 130 are the same.
  • the voltages applied to the plurality of anode electrodes 110 are the same.
  • one anode electrode 110 can be made smaller. Therefore, the parasitic capacitance on the anode electrode 110 decreases.
  • a plurality of anode electrodes 110 are separated from each other by each region 130.
  • a potential gradient is generated in a direction from each region 130 toward the anode electrode 110.
  • the electrons move to the anode electrode 110 according to the potential gradient.
  • a plurality of electrons included in one electron group are difficult to separate and easily reach one anode electrode 110.
  • FIG. 4 shows a configuration of the X-ray detector 12 according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a cross section of the X-ray detector 12. The description of the same portions as those shown in FIG. 1 or 3 will be omitted.
  • the region 131 extends from the surface 100a to a predetermined position (first position).
  • the predetermined position is separated from the surface 100a toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d4 (first distance).
  • the distance d4 is larger than the distance d1 shown in FIG.
  • the anode electrode 110 extends from the surface 100a to a predetermined position (second position).
  • the predetermined position is separated from the surface 100a toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d5 (second distance).
  • the distance d4 is larger than the distance d5.
  • the distance d4 is the depth of the region 131.
  • the distance d5 is the depth of the anode electrode 110.
  • the region 130 shown in FIG. 3 is formed by ion implantation.
  • the region 131 shown in FIG. 4 is formed by, for example, the following method. A hole is dug deep into the semiconductor layer 101, and the surface of the hole is covered with an insulating layer. Then, a conductor layer is formed in the hole covered with the insulating layer. When an appropriate voltage is applied to the region 131, an inversion layer is formed at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer 101, as in the ON state of the MOSFET. The inversion layer has a polarity opposite to the polarity of the anode electrode 110.
  • FIG. 5 shows a configuration of an X-ray detector 13 according to a first modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a cross section of the X-ray detector 13. The description of the same parts as those shown in FIG. 4 will be omitted.
  • the area 131 shown in FIG. The transistor 140 is not provided in the region 132.
  • An area 130 is arranged in addition to the area 132.
  • the transistor 140 is provided in the region 130.
  • the region 132 (first portion) extends from the surface 100a to a predetermined position (third position). The predetermined position is away from the surface 100a toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d6 (third distance).
  • the region 130 (second portion) extends from the surface 100a to a predetermined position (fourth position).
  • the predetermined position is separated from the surface 100a by a distance d1 (fourth distance) toward the inside of the semiconductor substrate 100.
  • the distance d6 is larger than the distance d1.
  • the distance d6 is the depth of the region 132.
  • Region 130 is arranged between anode electrode 110 and region 132.
  • the region 132 is arranged between two adjacent anode electrodes 110.
  • the voltage applied to the region 132 and the voltage applied to the region 130 are different from each other.
  • the absolute value of the voltage applied to the region 132 is larger than the absolute value of the voltage applied to the region 130.
  • the absolute value of the voltage applied to the cathode electrode 120 can be reduced as in the X-ray detector 12 shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a configuration of an X-ray detector 14 according to a second modification of the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a cross section of the X-ray detector 14. The description of the same parts as those shown in FIG. 4 will be omitted.
  • the X-ray detector 14 further has a plurality of regions 170 (fourth electrodes). In FIG. 6, two regions 170 are shown.
  • the region 170 is provided in the semiconductor layer 101.
  • Region 170 includes a P-type semiconductor.
  • the region 170 is a semiconductor region from the interface between the cathode electrode 120 and the semiconductor layer 101 to a predetermined depth.
  • Cathode electrode 120 extends from surface 100b to position P1 (fifth position).
  • the position P1 is separated from the surface 100b toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d7 (fifth distance).
  • the region 170 extends from the position P1 to a position P2 (sixth position).
  • the position P2 is separated from the surface 100b toward the inside of the semiconductor substrate 100 by a distance d8 (sixth distance).
  • the distance d8 is larger than the distance d7.
  • the distance d7 is the depth of the cathode electrode 120.
  • the distance d8 is the depth of the region 170.
  • the position of the region 170 in the direction Dr1 parallel to the surface 100a and the position of the region 131 in the direction Dr1 are the same.
  • the virtual straight line VL1 passes through the region 170 and the region 131.
  • the virtual straight line VL1 extends in a direction Dr2 perpendicular to the surface 100a.
  • the direction Dr2 is a thickness direction of the semiconductor substrate 100.
  • the position of the region 170 in the direction Dr1 and the position of the region 131 in the direction Dr1 may be different.
  • Region 170 is connected to cathode electrode 120.
  • the voltage applied to cathode electrode 120 is applied to region 170.
  • the region 131 and the region 170 may be connected. That is, the region 131 and the region 170 may be formed as layers penetrating the semiconductor substrate 100. At least one of the X-ray detector 10 shown in FIG. 1, the X-ray detector 11 shown in FIG. 3, and the X-ray detector 13 shown in FIG.
  • Forming the region 170 deep reduces the area that must be depleted between the region 170 and the region 131. Therefore, the voltage applied to cathode electrode 120 can be reduced. In other words, the absolute value of the voltage applied to the cathode electrode 120 can be reduced.
  • FIG. 7 is a plan view of an X-ray detector 15 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows each element when the X-ray detector 15 is viewed in a direction perpendicular to the surface 100a of the semiconductor substrate 100. That is, in FIG. 7, each element when the X-ray detector 15 is viewed from the front of the semiconductor substrate 100 is shown.
  • the X-ray detector 15 has a plurality of anode electrodes 110 and a plurality of regions 130.
  • the reference numeral of one anode electrode 110 is shown as a representative of the plurality of anode electrodes 110.
  • the reference numeral of one area 130 is shown as a representative of the plurality of areas 130.
  • the plurality of anode electrodes 110 are arranged around the area 100c on the surface 100a.
  • the plurality of anode electrodes 110 are arranged at equal intervals.
  • the distance from the center of the region 100c to the plurality of anode electrodes 110 is the same.
  • the plurality of regions 130 extend radially from the center of the region 100c.
  • Each region 130 is arranged between two adjacent anode electrodes 110.
  • the plurality of anode electrodes 110 and the plurality of regions 130 are arranged symmetrically.
  • the transistor 140 is arranged in the portion 130 a of the region 130.
  • the portion 130a is disposed between two adjacent anode electrodes 110.
  • the plurality of anode electrodes 110 and the plurality of regions 130 are arranged without bias. Therefore, the performance of each of the anode electrodes 110 to detect electrons becomes uniform.
  • FIG. 8 is a plan view of an X-ray detector 16 according to a modification of the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows each element when the X-ray detector 16 is viewed in a direction perpendicular to the surface 100a of the semiconductor substrate 100. That is, FIG. 8 shows each element when the X-ray detector 16 is viewed from the front of the semiconductor substrate 100.
  • the X-ray detector 16 has a plurality of anode electrodes 110 and a plurality of regions 130.
  • reference numeral of one anode electrode 110 is shown as a representative of the plurality of anode electrodes 110.
  • reference numerals of two regions 130 are shown as representatives of the plurality of regions 130.
  • the positions of the plurality of anode electrodes 110 are the same as the positions of the plurality of anode electrodes 110 shown in FIG.
  • the plurality of regions 130 include a first group of eight regions 130 and a second group of eight regions 130.
  • the eight regions 130 of the first group are arranged at positions separated by a distance d9 from the center of the region 100c.
  • Each region 130 of the first group is arranged between two adjacent anode electrodes 110.
  • the eight regions 130 of the second group are arranged at positions separated by a distance d10 from the center of the region 100c.
  • the distance d10 is smaller than the distance d9.
  • the eight regions 130 of the first group are arranged at equal intervals.
  • the eight regions 130 of the second group are arranged at equal intervals.
  • the plurality of anode electrodes 110 and the plurality of regions 130 are arranged symmetrically.
  • the transistor 140 is arranged in each region 130 of the first group.
  • the plurality of anode electrodes 110 and the plurality of regions 130 are arranged without bias. Therefore, the performance of each of the anode electrodes 110 to detect electrons becomes uniform.
  • the X-ray detector can suppress an increase in noise.

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Abstract

Ｘ線検出器は、半導体基板、第１の電極、および第２の電極を有する。前記第１の電極は、前記半導体基板の第１の主面に配置されている。前記第２の電極は、前記半導体基板の第２の主面に配置されている。前記半導体基板は、第３の電極およびトランジスタを有する。前記第３の電極は、前記半導体基板内に配置され、かつ前記第１の主面の一部を形成し、前記電荷を前記第１の電極の方向へ移動させるための電圧が印加される。前記トランジスタは、ソース、ドレイン、およびゲートを有する。前記ソースおよび前記ドレインは前記第３の電極内に配置されている。前記ゲートは前記第１の主面に配置され、かつ前記第１の電極に接続されている。

Description

Ｘ線検出器
　本発明は、Ｘ線検出器に関する。
　Ｘ線が金属等の物質に照射されたとき、その物質がその物質の原子に固有のエネルギー（波長）の蛍光を発することが知られている。蛍光の波長帯域はＸ線の波長帯域とほぼ等しい。蛍光の強度は非常に微弱である。
　この現象は、対象物に含まれる金属等の物質の種類および量の推定に応用できる。この推定のために対象物にＸ線が照射され、かつ対象物から発せられた蛍光Ｘ線が観察される。蛍光Ｘ線に含まれる光の波長毎のエネルギー強度に基づいて、すなわち蛍光Ｘ線のスペクトルに基づいて上記の推定が実行される。
　微弱な蛍光Ｘ線を効率的に検出するシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）が開示されている。図９は、特許文献１または特許文献２に開示されたＳＤＤと同様に構成されたＸ線検出器１０１０の構成を示す。図９において、Ｘ線検出器１０１０の断面が示されている。図９に示すようにＸ線検出器１０１０は、半導体基板１１００を有する。
　半導体基板１１００は、半導体層１１０１、アノード電極１１１０、カソード電極１１２０、および複数の領域１１３０を有する。図９において、複数の領域１１３０のうち代表として１つの領域１１３０の符号が示されている。
　半導体基板１１００は、面１１００ａおよび面１１００ｂを有する。面１１００ａおよび面１１００ｂは、互いに反対方向を向く。
　半導体層１１０１は、Ｎ型半導体を含む。アノード電極１１１０および複数の領域１１３０は、半導体層１１０１に配置されている。アノード電極１１１０は、Ｎ型半導体を含む。例えば、アノード電極１１１０の不純物濃度は、半導体層１１０１の不純物濃度よりも高い。領域１１３０は、Ｐ型半導体を含む。アノード電極１１１０および複数の領域１１３０は、面１１００ａを含む。アノード電極１１１０および複数の領域１１３０の各々は、面１１００ａから所定の深さまでの半導体領域である。
　カソード電極１１２０は、半導体層１１０１に配置されている。カソード電極１１２０は、Ｐ型半導体を含む。カソード電極１１２０は、面１１００ｂを含む。カソード電極１１２０は、面１１００ｂから所定の深さまでの半導体領域である。
　アノード電極１１１０から信号を出力するための端子がアノード電極１１１０上に配置されてもよい。カソード電極１１２０に電圧を印加するための端子がカソード電極１１２０上に配置されてもよい。複数のゲート電極が面１１００ａ上に配置される。ゲート電極および領域１１３０は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を構成する。
　図１０は、Ｘ線検出器１０１０の平面図である。図１０において、半導体基板１１００の面１１００ａに垂直な方向にＸ線検出器１０１０を見たときの各要素が示されている。つまり、図１０において、半導体基板１１００の正面からＸ線検出器１０１０を見たときの各要素が示されている。図１０において、複数の領域１１３０のうち代表として１つの領域１１３０の符号が示されている。
　アノード電極１１１０は、半導体基板１１００の面１１００ａの中心に配置されている。アノード電極１１１０は、円形である。複数の領域１１３０は、リング状である。複数の領域１１３０は、同心円状に配置されている。複数の領域１１３０は、アノード電極１１１０を囲むように配置されている。図１０に示す線Ｌ１０を通る断面が図９に示されている。
　負電圧がカソード電極１１２０に印加される。カソード電極１１２０に印加される電圧の絶対値は、アノード電極１１１０の電圧の絶対値よりも大きい。半導体基板１１００の内部の電位は、面１１００ｂから面１１００ａに向かって高くなる。
　負電圧が面１１００ａ上のゲート電極に印加される。アノード電極１１１０の電位は、複数のゲート電極のどの電位よりも高い。より外側のゲート電極に印加される電圧の絶対値は、より内側のゲート電極に印加される電圧の絶対値よりも大きい。そのため、より外側の領域１１３０に印加される電圧の絶対値は、より内側の領域１１３０に印加される電圧の絶対値よりも大きい。半導体基板１１００の内部の電位は、半導体基板１１００の外周から中心に向かって高くなる。
　上記のような電圧がＸ線検出器１０１０に印加される。半導体基板１１００内の電位は、面１１００ｂから面１１００ａに向かって高くなり、かつ半導体基板１１００の外周から中心に向かって高くなる。つまり、電位勾配が半導体基板１１００に発生する。Ｘ線がＸ線検出器１０１０に入射した場合、半導体基板１１００において電子が発生する。その電子は、電位勾配に従ってアノード電極１１１０に集まる。その電子に基づく信号がＸ線検出器１０１０から出力される。
　Ｘ線検出器において、Ｘ線検出器に入射したＸ線のエネルギーに比例した数の電荷が発生する。その電荷を電圧信号に変換するために、初段アンプを有するチップが使用されている。初段アンプを有するチップは、Ｘ線検出器を有するチップとは異なる。初段アンプは、ＪＦＥＴ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで構成されている。
　しかし、この方法では、Ｘ線検出器と初段アンプとの間に、アルミまたは金などを含むワイヤが必要である。ワイヤにより容量、抵抗、およびインダクタの各々の成分が増加し、かつ雑音が増加する。この問題を解決するために、Ｘ線検出器の中心にＪＦＥＴを形成する技術が知られている。
日本国特開２００８－１５３２５６号公報 日本国特開２００８－２５８３４８号公報
　この技術では、Ｘ線検出器の中心にＪＦＥＴが配置され、かつＪＦＥＴの周囲にアノード電極が配置される。アノード電極はリング状である。この技術では、アノード電極をＸ線検出器の中心に配置する技術と比較して、アノード電極の周囲長が大きくなる。そのため、アノード電極に寄生する容量が大きくなり、かつ雑音が増加する。
　本発明は、雑音の増加を抑えることができるＸ線検出器を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、Ｘ線検出器は、半導体基板、第１の電極、および第２の電極を有する。前記半導体基板は、互いに反対方向を向く第１の主面および第２の主面を有する。前記第１の電極は、前記第１の主面に配置され、かつＸ線が前記半導体基板に入射したときに前記半導体基板内で発生した電荷を収集する。前記第２の電極は、前記第２の主面に配置されている。前記電荷を前記第１の電極の方向へ移動させるための電圧が前記第２の電極に印加される。前記半導体基板は、第３の電極およびトランジスタを有する。前記第３の電極は、前記半導体基板内に配置され、かつ前記第１の主面の一部を形成する。前記電荷を前記第１の電極の方向へ移動させるための電圧が前記第３の電極に印加される。前記トランジスタは、ソース、ドレイン、およびゲートを有する。前記ソースおよび前記ドレインが前記第３の電極内に配置されている。前記ゲートが前記第１の主面に配置され、かつ前記第１の電極に接続されている。
　本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記電圧の絶対値は１０Ｖ以下であってもよい。
　本発明の第３の態様によれば、第１の態様において、前記Ｘ線検出器は、複数の前記第１の電極および複数の前記第３の電極を有してもよい。
　本発明の第４の態様によれば、第３の態様において、前記ソースおよび前記ドレインは、前記第１の電極に最も近い前記第３の電極内に配置されてもよい。
　本発明の第５の態様によれば、第３の態様において、第１の電圧が前記電圧として、前記トランジスタが配置された前記第３の電極に印加されてもよい。第２の電圧が前記電圧として、前記トランジスタが配置されていない前記第３の電極に印加されてもよい。前記第１の電圧の絶対値は、前記第２の電圧の絶対値よりも小さくてもよい。
　本発明の第６の態様によれば、第１の態様において、前記第３の電極は、前記第１の主面から第１の位置まで広がってもよい。前記第１の位置は、前記第１の主面から第１の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第１の電極は、前記第１の主面から第２の位置まで広がってもよい。前記第２の位置は、前記第１の主面から第２の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第１の距離は、前記第２の距離よりも大きくてもよい。
　本発明の第７の態様によれば、第３の態様において、前記複数の前記第３の電極は、第１の部分として配置された前記第３の電極と、第２の部分として配置された前記第３の電極とを含んでもよい。前記第１の部分は、前記第１の主面から第３の位置まで広がってもよい。前記第３の位置は、前記第１の主面から第３の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第２の部分は、前記第１の主面から第４の位置まで広がってもよい。前記第４の位置は、前記第１の主面から第４の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第３の距離は、前記第４の距離よりも大きくてもよい。
　本発明の第８の態様によれば、第７の態様において、前記第２の部分は、前記第１の電極と前記第１の部分との間に配置されてもよい。
　本発明の第９の態様によれば、第７の態様において、前記ソースおよび前記ドレインは、前記第２の部分内に配置されてもよい。
　本発明の第１０の態様によれば、第１の態様において、前記Ｘ線検出器は、第４の電極をさらに有してもよい。前記第４の電極は、第５の位置から第６の位置まで広がってもよい。前記第５の位置は、前記第２の主面から第５の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第６の位置は、前記第２の主面から第６の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れてもよい。前記第６の距離は、前記第５の距離よりも大きくてもよい。前記第２の電極は、前記第２の主面から前記第５の位置まで広がってもよい。
　上記の各態様によれば、Ｘ線検出器は雑音の増加を抑えることができる。
本発明の第１の実施形態のＸ線検出器の断面図である。 本発明の第１の実施形態のＸ線検出器の平面図である。 本発明の第２の実施形態のＸ線検出器の断面図である。 本発明の第３の実施形態のＸ線検出器の断面図である。 本発明の第３の実施形態の第１の変形例のＸ線検出器の断面図である。 本発明の第３の実施形態の第２の変形例のＸ線検出器の断面図である。 本発明の第４の実施形態のＸ線検出器の平面図である。 本発明の第４の実施形態の変形例のＸ線検出器の平面図である。 従来技術のＸ線検出器の断面図である。 従来技術のＸ線検出器の平面図である。
　図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。
　（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態のＸ線検出器１０の構成を示す。図１において、Ｘ線検出器１０の断面が示されている。Ｘ線検出器１０は、放射線すなわち蛍光Ｘ線を検出するシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）として構成されている。
　Ｘ線検出器１０を構成する部分の寸法は、図１に示される寸法に従うとは限らない。Ｘ線検出器１０を構成する部分の寸法は任意であってよい。他の断面図における寸法についても同様である。
　Ｘ線検出器１０の概略構成について説明する。Ｘ線検出器１０は、半導体基板１００、アノード電極１１０（第１の電極）、およびカソード電極１２０（第２の電極）を有する。半導体基板１００は、互いに反対方向を向く面１００ａ（第１の主面）および面１００ｂ（第２の主面）を有する。アノード電極１１０は、面１００ａに配置され、かつＸ線が半導体基板１００に入射したときに半導体基板１００内で発生した電荷を収集する。カソード電極１２０は、面１００ｂに配置されている。電荷をアノード電極１１０の方向へ移動させるための電圧がカソード電極１２０に印加される。半導体基板１００は、領域１３０（第３の電極）およびトランジスタ１４０を有する。領域１３０は、半導体基板１００内に配置され、かつ面１００ａの一部を形成する。電荷をアノード電極１１０の方向へ移動させるための電圧が領域１３０に印加される。トランジスタ１４０は、ソース１４１、ドレイン１４２、およびゲート１４３を有する。ソース１４１およびドレイン１４２は領域１３０内に配置されている。ゲート１４３は面１００ａに配置されている。ゲート１４３はアノード電極１１０に接続されている。
　Ｘ線検出器１０の詳細な構成について説明する。半導体基板１００は、半導体層１０１、アノード電極１１０、カソード電極１２０、および複数の領域１３０を有する。例えば、半導体基板１００を構成する半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）である。
　面１００ａおよび面１００ｂは、半導体基板１００の主面を構成する。主面は、半導体基板１００の表面を構成する複数の面のうち相対的に広い面である。
　半導体層１０１は、Ｎ型半導体を含む。アノード電極１１０および複数の領域１３０は、半導体層１０１に配置されている。アノード電極１１０は、Ｎ型半導体を含む。例えば、アノード電極１１０の不純物濃度は、半導体層１０１の不純物濃度よりも高い。領域１３０は、Ｐ型半導体を含む。
　アノード電極１１０および領域１３０は、面１００ａを含む。アノード電極１１０および領域１３０の各々は、面１００ａから所定の深さまでの半導体領域である。領域１３０は、面１００ａから所定の位置まで広がっている。所定の位置は、面１００ａから距離ｄ１だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ１は、領域１３０の深さである。
　トランジスタ１４０は、ＭＯＳＦＥＴである。ソース１４１およびドレイン１４２は、アノード電極１１０に最も近い領域１３０内に配置されている。ソース１４１およびドレイン１４２は、アノード電極１１０に隣接する領域１３０内に配置されている。ソース１４１が配置された領域１３０と、ドレイン１４２が配置された領域１３０とは、同じである。アノード電極１１０に近い側にドレイン１４２が配置され、かつアノード電極１１０から遠い側にソース１４１が配置されている。ドレイン１４２は、アノード電極１１０とソース１４１との間に配置されている。
　ソース１４１およびドレイン１４２は、Ｎ型半導体を含む。ソース１４１およびドレイン１４２は、面１００ａを含む。ソース１４１およびドレイン１４２の各々は、面１００ａから所定の深さまでの半導体領域である。ソース１４１は、面１００ａから所定の位置まで広がっている。ソース１４１のその所定の位置は、面１００ａから距離ｄ２だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。ドレイン１４２は、面１００ａから所定の位置まで広がっている。ドレイン１４２のその所定の位置は、面１００ａから距離ｄ３だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ２は、距離ｄ３と同じである。距離ｄ２は、距離ｄ３と異なってもよい。距離ｄ２および距離ｄ３は、距離ｄ１よりも小さい。距離ｄ２は、ソース１４１の深さである。距離ｄ３は、ドレイン１４２の深さである。
　ソース１４１およびドレイン１４２の間の領域上に絶縁層１５０が配置されている。絶縁層１５０は、絶縁材料で構成されている。例えば、絶縁層１５０を構成する絶縁材料は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）である。絶縁層１５０は、半導体層１０１に積層されている。絶縁層１５０は、面１００ａと接触している。ゲート１４３は、絶縁層１５０に積層されている。ゲート１４３は、配線１６０によってアノード電極１１０に接続されている。ゲート１４３が配置された領域１３０と、ソース１４１およびドレイン１４２が配置された領域１３０とは、同じである。
　ソース１４１およびドレイン１４２は、図１に示されていない配線に接続されている。ソース１４１およびドレイン１４２は、Ｘ線検出器１０の外部の回路に電気的に接続されている。トランジスタ１４０は、アノード電極１１０から信号を取り出し、かつ増幅するための回路素子である。トランジスタ１４０をＸ線検出器１０に配置することにより、トランジスタ１４０を含む初段アンプをＸ線検出器１０に配置することができる。
　カソード電極１２０は、半導体層１０１に配置されている。カソード電極１２０は、Ｐ型半導体を含む。カソード電極１２０は、面１００ｂを含む。カソード電極１２０は、面１００ｂから所定の深さまでの半導体領域である。
　アノード電極１１０から信号を出力するための端子がアノード電極１１０上に配置されてもよい。カソード電極１２０に電圧を印加するための端子がカソード電極１２０上に配置されてもよい。複数のゲート電極が面１００ａ上に配置される。ゲート電極および領域１３０は、ＭＯＳＦＥＴを構成する。このＭＯＳＦＥＴはＰＭＯＳであり、トランジスタ１４０はＮＭＯＳである。
　図２は、Ｘ線検出器１０の平面図である。図２において、半導体基板１００の面１００ａに垂直な方向にＸ線検出器１０を見たときの各要素が示されている。つまり、図２において、半導体基板１００の正面からＸ線検出器１０を見たときの各要素が示されている。図２において、複数の領域１３０のうち代表として１つの領域１３０の符号が示されている。
　Ｘ線検出器１０の外形は矩形である。図２に示す例では、Ｘ線検出器１０の外形は正方形である。Ｘ線検出器１０の外形は、矩形に限らない。
　アノード電極１１０は、半導体基板１００の面１００ａの中心に配置されている。アノード電極１１０は、円形である。アノード電極１１０の外形は、矩形等であってもよい。複数の領域１３０は、リング状である。複数の領域１３０は、同心円状に配置されている。複数の領域１３０は、アノード電極１１０を囲むように配置されている。図２に示す線Ｌ１を通る断面が図１に示されている。
　負電圧がカソード電極１２０に印加される。カソード電極１２０に印加される電圧の絶対値は、アノード電極１１０の電圧の絶対値よりも大きい。例えば、カソード電極１２０に印加される電圧は、－８０Ｖから－１００Ｖである。半導体基板１００の内部の電位は、面１００ｂから面１００ａに向かって高くなる。
　負電圧が面１００ａ上のゲート電極に印加される。アノード電極１１０の電位は、複数のゲート電極のどの電位よりも高い。より外側のゲート電極に印加される電圧の絶対値は、より内側のゲート電極に印加される電圧の絶対値よりも大きい。そのため、より外側の領域１３０に印加される電圧の絶対値は、より内側の領域１３０に印加される電圧の絶対値よりも大きい。例えば、最も外側の領域１３０に印加される電圧は、－８０Ｖから－１００Ｖである。半導体基板１００の内部の電位は、半導体基板１００の外周から中心に向かって高くなる。
　第１の電圧が、トランジスタ１４０が配置された領域１３０に印加される。第２の電圧が、トランジスタ１４０が配置されていない領域１３０に印加される。第１の電圧の絶対値は、第２の電圧の絶対値よりも小さい。
　絶対値が１０Ｖ以下である電圧が、トランジスタ１４０が配置された領域１３０に印加される。例えば、－５Ｖから－１０Ｖの範囲に含まれる電圧がその領域１３０に印加される。－１Ｖから－１０Ｖの範囲に含まれる電圧がその領域１３０に印加されてもよい。
　上記のような電圧がＸ線検出器１０に印加される。半導体基板１００内の電位は、面１００ｂから面１００ａに向かって高くなり、かつ半導体基板１００の外周から中心に向かって高くなる。つまり、電位勾配が半導体基板１００に発生する。Ｘ線がＸ線検出器１０に入射した場合、半導体基板１００において電子が発生する。その電子は、電位勾配に従ってアノード電極１１０に集まる。その電子に基づく信号がトランジスタ１４０によって取り出される。
　半導体基板１００がＰ型半導体を含んでもよい。その場合、アノード電極１１０、ソース１４１、およびドレイン１４２は、Ｐ型半導体を含む。その場合、カソード電極１２０および領域１３０は、Ｎ型半導体を含む。その場合、正電圧がカソード電極１２０および領域１３０に印加される。その場合、正孔が電荷としてアノード電極１１０から出力される。
　第１の実施形態のＸ線検出器１０は、半導体基板１００内の領域１３０に配置されたトランジスタ１４０を有する。そのため、アノード電極１１０の周囲長は大きくならない。Ｘ線検出器１０は、アノード電極１１０に寄生する容量を原因とする雑音の増加を抑えることができる。
　トランジスタ１４０は、アノード電極１１０に最も近い領域１３０に配置されている。トランジスタ１４０が配置された領域１３０には、比較的低い電圧（絶対値が小さな電圧）が印加される。トランジスタ１４０の耐圧が確保されやすいため、絶縁層１５０を薄くすることができ、かつトランジスタ１４０の形成が容易である。
　（第２の実施形態）
　Ｘ線によって発生する複数の電子は、電位勾配によって均等に加速されるとは限らない。複数の電子の速度にはばらつきが発生する。そのため、Ｘ線検出器において複数の電子がアノード電極に到達する時間の違いが大きくなる。その違いが大きい場合、アノード電極から出力された信号は、後段の信号処理回路によって雑音として処理される。その信号は分析に適していない。
　速度のばらつきが大きな複数の電子を分析に使用するためには、後段の信号処理回路における信号検出の待ち時間（シェーピング時間）を長く設定する必要がある。長いシェーピング時間が設定された場合、検出レートが低下する。そのため、分析装置の性能が低下する。より大きなＸ線検出器において、この問題は顕著である。
　図３は、本発明の第２の実施形態のＸ線検出器１１の構成を示す。図３において、Ｘ線検出器１１の断面が示されている。図１に示す部分と同じ部分の説明を省略する。
　Ｘ線検出器１１は、複数のアノード電極１１０を有する。図３において、３つのアノード電極１１０が示されている。隣接する２つのアノード電極１１０の間に領域１３０が配置されている。図３において、２つの領域１３０が示されている。トランジスタ１４０が各領域１３０に配置されている。例えば、アノード電極１１０の数と領域１３０の数とは同じである。例えば、複数のアノード電極１１０に印加される電圧は同じである。
　Ｘ線が半導体基板１００に入射したとき、複数の電子が発生する。各電子は、各電子に近いアノード電極１１０に向かって移動する。半導体基板１００の中心部で発生した電子の移動距離と、半導体基板１００の周辺部で発生した電子の移動距離との差が小さくなる。各電子がアノード電極１１０に到達する時間は、電子の速度のばらつきに依存する。この時間のばらつきは低減される。そのため、シェーピング時間を長く設定することなく、Ｘ線により発生した電子の量に応じた信号を検出することができる。
　複数のアノード電極１１０を配置することにより、１つのアノード電極１１０を小さくすることができる。そのため、アノード電極１１０に寄生する容量が小さくなる。
　各領域１３０によって、複数のアノード電極１１０は互いに分離される。各領域１３０からアノード電極１１０に向かう方向に電位勾配が発生する。電子は、その電位勾配に従ってアノード電極１１０に移動する。１つの電子群に含まれる複数の電子は分離しにくく、１つのアノード電極１１０に到達しやすい。
　複数のＸ線の波がほぼ同時にＸ線検出器に入射したとき、２つ以上の電子群がほぼ同時に発生する。２つ以上の電子群が１つのアノード電極１１０にほぼ同時に到達した場合、信号が、１つのＸ線の波に対応する信号として誤って検出される。この現象は、パイルアップと呼ばれる。複数のアノード電極１１０を配置し、かつ領域１３０を各アノード電極１１０間に配置することにより、２つ以上の電子群がそれぞれ異なるアノード電極１１０に到達する可能性が高まる。各アノード電極１１０に対応するトランジスタ１４０を配置することにより、各電子群に基づく信号を各トランジスタ１４０によって取り出すことができる。そのため、パイルアップの発生頻度が低下する。
　（第３の実施形態）
　図４は、本発明の第３の実施形態のＸ線検出器１２の構成を示す。図４において、Ｘ線検出器１２の断面が示されている。図１または図３に示す部分と同じ部分の説明を省略する。
　図３に示す領域１３０は領域１３１に変更される。領域１３１は、面１００ａから所定の位置（第１の位置）まで広がっている。所定の位置は、面１００ａから距離ｄ４（第１の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ４は、図１に示す距離ｄ１よりも大きい。アノード電極１１０は、面１００ａから所定の位置（第２の位置）まで広がっている。所定の位置は、面１００ａから距離ｄ５（第２の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ４は、距離ｄ５よりも大きい。距離ｄ４は、領域１３１の深さである。距離ｄ５はアノード電極１１０の深さである。
　例えば、図３に示す領域１３０は、イオン注入により形成される。一方、図４に示す領域１３１は、例えば以下の方法により形成される。半導体層１０１の深い位置まで穴を掘り、穴の表面が絶縁層で覆われる。その後、絶縁層で覆われた穴に導体層が形成される。適切な電圧が領域１３１に印加されたとき、ＭＯＳＦＥＴのオン状態と同様に、反転層が絶縁層と半導体層１０１との界面に形成される。反転層は、アノード電極１１０の極性とは逆の極性を持つ。
　所定の電圧が領域１３１に印加されたとき、アノード電極１１０と領域１３１との間の領域は完全に空乏化される。空乏化された領域のキャリア濃度は非常に小さい。領域１３１を深く形成することにより、カソード電極１２０と領域１３１との間で空乏化しなければならない範囲が減少する。そのため、カソード電極１２０に印加する電圧を低くすることができる。言い換えると、カソード電極１２０に印加する電圧の絶対値を小さくすることができる。
　（第３の実施形態の第１の変形例）
　図５は、本発明の第３の実施形態の第１の変形例のＸ線検出器１３の構成を示す。図５において、Ｘ線検出器１３の断面が示されている。図４に示す部分と同じ部分の説明を省略する。
　図４に示す領域１３１は領域１３２に変更される。トランジスタ１４０は領域１３２に配置されていない。領域１３２に加えて領域１３０が配置されている。トランジスタ１４０は、領域１３０に配置されている。領域１３２（第１の部分）は、面１００ａから所定の位置（第３の位置）まで広がっている。所定の位置は、面１００ａから距離ｄ６（第３の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。領域１３０（第２の部分）は、面１００ａから所定の位置（第４の位置）まで広がっている。所定の位置は、面１００ａから距離ｄ１（第４の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ６は、距離ｄ１よりも大きい。距離ｄ６は、領域１３２の深さである。
　領域１３０は、アノード電極１１０と領域１３２との間に配置されている。領域１３２は、隣接する２つのアノード電極１１０の間に配置されている。
　領域１３２に印加される電圧と、領域１３０に印加される電圧とは、互いに異なる。領域１３２に印加される電圧の絶対値は、領域１３０に印加される電圧の絶対値よりも大きい。
　Ｘ線検出器１３において、図４に示すＸ線検出器１２と同様に、カソード電極１２０に印加する電圧の絶対値を小さくすることができる。
　（第３の実施形態の第２の変形例）
　図６は、本発明の第３の実施形態の第２の変形例のＸ線検出器１４の構成を示す。図６において、Ｘ線検出器１４の断面が示されている。図４に示す部分と同じ部分の説明を省略する。
　Ｘ線検出器１４は、複数の領域１７０（第４の電極）をさらに有する。図６において、２つの領域１７０が示されている。領域１７０は、半導体層１０１に配置されている。領域１７０は、Ｐ型半導体を含む。
　領域１７０は、カソード電極１２０と半導体層１０１との界面から所定の深さまでの半導体領域である。カソード電極１２０は、面１００ｂから位置Ｐ１（第５の位置）まで広がっている。位置Ｐ１は、面１００ｂから距離ｄ７（第５の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。領域１７０は、位置Ｐ１から位置Ｐ２（第６の位置）まで広がっている。位置Ｐ２は、面１００ｂから距離ｄ８（第６の距離）だけ半導体基板１００の内部に向かって離れている。距離ｄ８は、距離ｄ７よりも大きい。距離ｄ７は、カソード電極１２０の深さである。距離ｄ８は、領域１７０の深さである。
　面１００ａに平行な方向Ｄｒ１における領域１７０の位置と、方向Ｄｒ１における領域１３１との位置は、同じである。仮想直線ＶＬ１は、領域１７０および領域１３１を通る。仮想直線ＶＬ１は、面１００ａに垂直な方向Ｄｒ２に伸びる。方向Ｄｒ２は、半導体基板１００の厚さ方向である。方向Ｄｒ１における領域１７０の位置と、方向Ｄｒ１における領域１３１との位置は、異なってもよい。
　領域１７０は、カソード電極１２０に接続されている。カソード電極１２０に印加された電圧は、領域１７０に印加される。
　領域１３１と領域１７０とが接続されてもよい。つまり、領域１３１および領域１７０は、半導体基板１００を貫通する層として形成されてもよい。図１に示すＸ線検出器１０、図３に示すＸ線検出器１１、および図５に示すＸ線検出器１３の少なくとも１つが領域１７０を有してもよい。
　領域１７０を深く形成することにより、領域１７０と領域１３１との間で空乏化しなければならない範囲が減少する。そのため、カソード電極１２０に印加する電圧を低くすることができる。言い換えると、カソード電極１２０に印加する電圧の絶対値を小さくすることができる。
　（第４の実施形態）
　図７は、本発明の第４の実施形態のＸ線検出器１５の平面図である。図７において、半導体基板１００の面１００ａに垂直な方向にＸ線検出器１５を見たときの各要素が示されている。つまり、図７において、半導体基板１００の正面からＸ線検出器１５を見たときの各要素が示されている。
　Ｘ線検出器１５は、複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０を有する。図７において、複数のアノード電極１１０のうち代表として１つのアノード電極１１０の符号が示されている。図７において、複数の領域１３０のうち代表として１つの領域１３０の符号が示されている。
　複数のアノード電極１１０は、面１００ａの領域１００ｃの周囲に配置されている。複数のアノード電極１１０は、等間隔に配置されている。領域１００ｃの中心から複数のアノード電極１１０までの距離は、同じである。複数の領域１３０は、領域１００ｃの中心から放射状に伸びる。各領域１３０は、隣接する２つのアノード電極１１０の間に配置されている。複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０は、点対象に配置されている。
　トランジスタ１４０は、領域１３０の部分１３０ａに配置されている。部分１３０ａは、隣接する２つのアノード電極１１０の間に配置されている。
　Ｘ線検出器１５において、複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０は、偏らずに配置されている。そのため、各アノード電極１１０が電子を検出する性能が均等になる。
　（第４の実施形態の変形例）
　図８は、本発明の第４の実施形態の変形例のＸ線検出器１６の平面図である。図８において、半導体基板１００の面１００ａに垂直な方向にＸ線検出器１６を見たときの各要素が示されている。つまり、図８において、半導体基板１００の正面からＸ線検出器１６を見たときの各要素が示されている。
　Ｘ線検出器１６は、複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０を有する。図８において、複数のアノード電極１１０のうち代表として１つのアノード電極１１０の符号が示されている。図８において、複数の領域１３０のうち代表として２つの領域１３０の符号が示されている。
　複数のアノード電極１１０の位置は、図７に示す複数のアノード電極１１０の位置と同じである。複数の領域１３０は、第１のグループの８個の領域１３０と、第２のグループの８個の領域１３０とを含む。第１のグループの８個の領域１３０は、領域１００ｃの中心から距離ｄ９だけ離れた位置に配置されている。第１のグループの各領域１３０は、隣接する２つのアノード電極１１０の間に配置されている。第２のグループの８個の領域１３０は、領域１００ｃの中心から距離ｄ１０だけ離れた位置に配置されている。距離ｄ１０は、距離ｄ９よりも小さい。
　第１のグループの８個の領域１３０は、等間隔に配置されている。第２のグループの８個の領域１３０は、等間隔に配置されている。複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０は、点対象に配置されている。トランジスタ１４０は、第１のグループの各領域１３０に配置されている。
　Ｘ線検出器１６において、複数のアノード電極１１０および複数の領域１３０は、偏らずに配置されている。そのため、各アノード電極１１０が電子を検出する性能が均等になる。
　以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態およびその変形例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
　本発明の各実施形態によれば、Ｘ線検出器は雑音の増加を抑えることができる。
　１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１０１０　Ｘ線検出器
　１００，１１００　半導体基板
　１０１，１１０１　半導体層
　１１０，１１１０　アノード電極
　１２０，１１２０　カソード電極
　１３０，１３１，１３２，１７０，１１３０　領域
　１４０　トランジスタ
　１４１　ソース
　１４２　ドレイン
　１４３　ゲート
　１５０　絶縁層

Claims (10)

  1. 　互いに反対方向を向く第１の主面および第２の主面を有する半導体基板と、
    　前記第１の主面に配置され、かつＸ線が前記半導体基板に入射したときに前記半導体基板内で発生した電荷を収集する第１の電極と、
    　前記第２の主面に配置され、かつ前記電荷を前記第１の電極の方向へ移動させるための電圧が印加される第２の電極と、
    　を有し、
    　前記半導体基板は、
    　　前記半導体基板内に配置され、かつ前記第１の主面の一部を形成し、前記電荷を前記第１の電極の方向へ移動させるための電圧が印加される第３の電極と、
    　　ソース、ドレイン、およびゲートを有し、前記ソースおよび前記ドレインが前記第３の電極内に配置され、前記ゲートが前記第１の主面に配置され、前記ゲートが前記第１の電極に接続されたトランジスタと、
    　を有するＸ線検出器。
  2. 　前記電圧の絶対値は１０Ｖ以下である
    　請求項１に記載のＸ線検出器。
  3. 　複数の前記第１の電極および複数の前記第３の電極を有する
    　請求項１に記載のＸ線検出器。
  4. 　前記ソースおよび前記ドレインは、前記第１の電極に最も近い前記第３の電極内に配置されている
    　請求項３に記載のＸ線検出器。
  5. 　第１の電圧が前記電圧として、前記トランジスタが配置された前記第３の電極に印加され、
    　第２の電圧が前記電圧として、前記トランジスタが配置されていない前記第３の電極に印加され、
    　前記第１の電圧の絶対値は、前記第２の電圧の絶対値よりも小さい
    　請求項３に記載のＸ線検出器。
  6. 　前記第３の電極は、前記第１の主面から第１の位置まで広がり、前記第１の位置は、前記第１の主面から第１の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れており、
    　前記第１の電極は、前記第１の主面から第２の位置まで広がり、前記第２の位置は、前記第１の主面から第２の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れており、
    　前記第１の距離は、前記第２の距離よりも大きい
    　請求項１に記載のＸ線検出器。
  7. 　前記複数の前記第３の電極は、
    　　第１の部分として配置された前記第３の電極と、
    　　第２の部分として配置された前記第３の電極と、
    　を含み、
    　前記第１の部分は、前記第１の主面から第３の位置まで広がり、前記第３の位置は、前記第１の主面から第３の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れており、
    　前記第２の部分は、前記第１の主面から第４の位置まで広がり、前記第４の位置は、前記第１の主面から第４の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れており、
    　前記第３の距離は、前記第４の距離よりも大きい
    　請求項３に記載のＸ線検出器。
  8. 　前記第２の部分は、前記第１の電極と前記第１の部分との間に配置されている
    　請求項７に記載のＸ線検出器。
  9. 　前記ソースおよび前記ドレインは、前記第２の部分内に配置されている
    　請求項７に記載のＸ線検出器。
  10. 　第５の位置から第６の位置まで広がり、前記第５の位置は、前記第２の主面から第５の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れ、前記第６の位置は、前記第２の主面から第６の距離だけ前記半導体基板の内部に向かって離れ、前記第６の距離は、前記第５の距離よりも大きい第４の電極をさらに有し、
    　前記第２の電極は、前記第２の主面から前記第５の位置まで広がっている
    　請求項１に記載のＸ線検出器。
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