JPH03248578A - 半導体放射線検出素子の製造方法 - Google Patents

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】 本発明は、放射線検出素子の製造方法に関するものであ
り、特には新規な電極形成方法を通して低バイアス電圧
で動作する化合物放射線検出素子の製造方法に関する。

本放射線検出素子は高いエネルギー分解能を必要とする
Ｘ線、γ線検出素子、特には携帯用放射線検出素子に応
用できる。

１豆至１１ 近時、■−■族或いは■−Ｖ族化合物半導体を用いる放
射線検出素子に注目が払われている。特に、ＣｄＴｅ化
合物半導体放射線検出素子は、そのバンドギャップが大
きくて常温での使用が可能であること、また放射線の吸
収係数が大きいので薄い層で大きな感度を得られること
等の理由で、実用化が進んでいる。

こうした化合物半導体放射線検出素子において重要な課
題は放射線検出時のエネルギー分解能の向上である。化
合物半導体放射線検出素子は化合物半導体結晶の両端面
に電極を形成し、電極間に電圧をかけて化合物半導体結
晶中に入来する放射線を検出する。高い感度を維持しつ
つ、実効電圧を有効に印加することが必要である。

１兄孜ｌ 半導体放射線検出素子を一層実用性のあるものとするた
めには、半導体放射線検出素子における電極形成が重要
な鍵を握っている。放射線を検出する有感層にかかる有
効な電圧が印加電圧に対して低減することな（且つ電圧
を印加した場合にキャリアーの注入によるリーク電流が
急増することを防ぐことが必要である。

化合物半導体の放射線検出素子、例えばＣｄＴｅ放射線
検出素子の電極形成方法としては、真空蒸着法または無
電解メッキ法等が用いられてきた。電極材料としてはＩ
ｎ、Ａβ、Ａｕ、Ｐｔ等が一般的である。

一方、電極形成前のＣｄＴｅの表面処理も重要な要件と
なる。これまでＣｄＴｅ表面処理としてはアルミナ、Ｓ
ｉＣの砥粒を用いたラッピングやボリシング、またはＢ
ｒ−メタノール溶液を用いたエツチングにより加工変質
層を除去する処理などが行なわれてきた。

しかしながら、このエツチングを施した表面に真空蒸着
によって電極を形成しても、半導体表面のフェルミレベ
ルのピンニングによって金属の仕事関数にさほど大きく
依存せず、有効なショットキー障壁高さが得られないと
いう問題があった。

そこで、本発明者は先に、白金を用いた無電解メッキ法
は、適当な条件の下では金属とＣｄＴｅ結晶との間にＣ
ｄ及び／或いはＴｅ酸化物を形成することが可能で、こ
れにより検出素子に電圧を印加した場合に発生するキャ
リアーの注入を低減することが可能であり、良好な放射
線検出特性が得られることを見出し、両型極面に無電解
メッキ法により白金電極を形成した放射線検出素子を提
唱した。

が　　しよ　とする しかしながら、この酸化物層における電圧降下は無視出
来る程小さいものではなく、検出素子の対向する２つの
電極面にこの酸化物層が存在することによって検出素子
に印加した電圧がＣｄＴｅ結晶に有効に印加される割合
が低くなるといった欠点が改めて認識されるようになっ
た。特に、現在携帯用の、即ち電池により動作可能な低
電圧半導体放射線検出素子への関心が高まっており、半
導体に印加される実効的な電界が向上して従来より低い
印加電圧で動作可能な半導体放射線検出素子が要望され
ている。

従って、本発明の課題は、電極形成法の改善を通して、
高いエネルギー分解能を保持しつつ、低バイアス電圧で
動作する化合物放射線検出素子の製造方法を開発するこ
とである。

・　を　′するための 本発明者は、上記課題に向けて検討を重ねた結果、高い
エネルギー分解能を保持しつつ、検出素子に印加した電
圧が半導体結晶に有効に印加されるためには、化合物半
導体結晶の一方の電極面に接触抵抗が小さいように蒸着
法により金属電極を形成し、他方の電極面に検出素子に
電圧を印加した場合に発生するキャリアーの注入を低減
するように無電解メッキにより白金、金などの貴金属電
極を形成するのが有効であるとの知見を得た。

この知見に基づいて、本発明は、化合物半導体結晶の一
方の電極面に蒸着法により金属電極を形成し、他方の電
極面に無電解メッキにより貴金属電極を形成することを
特徴とする半導体放射線検出素子の製造方法を提供する
。

好ましくは、ＣｄＴｅ或いはＣｕ２或いはＩｎドープＣ
ｄＴｅを代表とする化合物半導体結晶の一方の電極面に
蒸着法によりインジウムに代表される貴金属以外の金属
電極を形成した後、好ましくは１５０〜２５０℃の温度
において熱処理が行なわれる。化合物半導体結晶の表面
を電極形成前に化学エツチングすることが好ましい。

ｌ豆立且並里１１ 第１図は、放射線検出器の動作原理図である。

化合物半導体結晶２に放射線が照射されると、光電効果
などの作用で価電子帯の束縛電子がエネルギーギャップ
を超えて伝導帯に放出され、電子−正孔対を形成する。

電子−正孔対が電極４に電位を印加することにより形成
された空乏層５に出来ると、これはバイアス電圧により
加速され、電極に達して電離電流となり、コンデンサＣ
を経て直流分を除いたあと増幅されて出力信号として取
出される。

本発明は、電極４の形成方法を適切に行なうことにより
、放射線を検出する有感層にかかる有効電圧を低減する
ことな（、電圧を印加した場合にキャリアーの注入によ
るリーク電流が急増することを防ぐものである。

第２ａ及びｂ図は、従来法及び本発明の電極形成態様を
説明する説明図である。従来法では、酸化物層が両型極
面に形成されている。この酸化物層における電圧降下は
無視出来る程小さいものではなく、検出素子の対向する
２つの電極面にこの酸化物層が存在することによって検
出素子に印加した電圧がＣｄＴｅ結晶に有効に印加され
る割合が低くなる。本発明においては、一方の電極面に
のみ無電解メッキにより貴金属電極を形成しそして他方
の電極面には蒸着法により金属電極を形成するのである
。

本発明は、化合物半導体として、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、
Ｉ　ｎＳｂ、ＩｎＰ等の放射線検出機能を有するｎ−■
族或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体全般を特徴とする特
定の元素でドープされたものをも含む。代表例は、Ｃｄ
ＴｅあるいはＣρまたはＩｎドープＣｄＴｅである。

貴金属としては、金、白金およびイリジウム等の白金族
金属が用いられる。

本発明に従えば、好ましくは、化合物半導体結晶の有感
層にかかる実効的な電圧を印加電圧に対して大きく低下
することのないように、ラッピングまたはボリシングに
よって導入された高抵抗の加工変質層はエツチングによ
って除去される。加工変質層の深さは砥粒のサイズおよ
び研磨時の圧力にもよるが数μｍ〜数十μｍのオーダで
あると考えられる。このため、適当なエッチャントを用
いて数十μｍ−１００μｍ１好ましくは５〜５０μｍエ
ツチングすることで確実に加工変質層な除去することが
可能となる。エッチャントは例えばＣｄＴｅの場合、ブ
ロム−メタノール溶液等エツチングできる溶液であれば
特に指定されるものではないが、エツチング後の最外表
面のＣｄとＴｅの組成比が大きく異なるもの、エツチン
グ後の表面の凹凸が著じるしく大きいものは避けなくて
はならない。使用する化合物半導体種に応じて、当業者
は容易に適当なエッチャントを選定することが出来る。

エツチング時間は結晶表面に生じている加工変質層を除
去するに充分の時間であればよく、エッチャントの種類
及び濃度、結晶材質、研磨状態等により適宜決定される
。

次に、半導体結晶の２つの対向する電極面に電極が形成
される。一方の電極面には蒸着法により金属電極が形成
される。金属としてはＩｎが好ましいが、Ｇａ、Ａｇ等
の使用も可能である。この後、好ましくは接触抵抗を低
減するために熱処理が行なわれる。熱処理は、抵抗加熱
電気炉、水銀ランプを用いた赤外線炉、Ａｒイオン、Ｙ
ＡＧ、エキシマレーザ等の可視または紫外領域の波長の
光を用いた熱処理炉等を用いることが出来る。熱処理は
バルクの結晶の特性を変化しない条件で且つ電極のバル
ク結晶への接触性を改善するように実施される。例えば
、ＣｄＴｅ単結晶を赤外線イメージ炉で熱処理する場合
には、加熱条件は好適には１５０〜２５０℃の温度にお
いて、１〜２０分の加熱時間である。これより高温及び
長時間の処理はバルクの結晶の特性を変える危険がある
。

熱処理を効果的とするには、下限以上の温度及び時間が
必要である。

続いて、他方の電極面に対して無電解メッキにより貴金
属の電極形成を行なう。これはエツチングを行った表面
に先と同じ（真空蒸着等の手法で電極の形成を行った場
合、キャリアーの注入現象が起こり、リーク電流が増加
するため実効電圧が減少するためである。

白金を無電解メッキで形成する場合は、白金酸、特には
塩化第２白金Ｍ（ヘキサクロロ白金（ＴＶ）酸、Ｈ，Ｐ
ｔＣ１，・６Ｈ，０）を２ｇ／β以上含む水溶液を用い
て、例えば浸漬法により行なわれる。塩化第２白金酸濃
度はＬｏｇ／１２以下とすることが好ましい。ＣｄＴｅ
の場合、無電解メッキは、ｐｔとＣｄとの置換反応でメ
ッキが進行する。

もう少し詳しく説明すると、高抵抗の半導体結晶におい
てリーク電流の急増する電圧は半導体中のキャリアート
ラップ密度に比例し、以下の式で表わされる。

但し、 ＶＴＦＬ：電流の立ち上り電圧 ｑ　　：電気素量（素電荷） ｄ　　：素子厚 ＮＴ　　ニドラップ密度 ε　　：誘電率 即ち、蒸着等によって電極形成のみを行った素子にはＶ
ＴＦＬ以上の電圧を印加しても電流が増加してしまうこ
とになる。放射線検出素子におけるエネルギー分解能特
性はキャリアーのドリフト長に太き（依存し、このドリ
フト長えは以下の式によって表わされる。

λ＝μｔＥ 但し、μ：キャリアーの移動度 ｔ：キャリアーの寿命 Ｅ：電界 つまり、これらの素子では電界が小さいため、ドリフト
長が短かく、その結果エネルギー分解能も良くないので
ある。

そこで、本発明に従えば、一方の金属電極形成において
例えば白金メッキを用いて適当な濃度の溶液でメッキす
ることにより、このキャリアーの注入を抑制する。この
ときメッキの材料として塩化白金酸を用い、塩化白金酸
１ｇに対して、純水１００ｇ〜５００ｇの範囲で溶解す
る溶液（２ｇ／ｅ〜Ｌｏｇ／ｊ２）でメッキすることで
上記のキャリアーの注入を抑制できる。この範囲より濃
度の低いメッキ液でメッキを行ってもキャリアーの注入
は抑制できず、またこれより濃度の高いメッキ液を用い
ると電極が剥れやす（、強度的にも不十分となる。

完全には解明されていないが、白金メッキ形成に際して
、白金電極とＣｄＴｅ結晶との間にＣｄまたはＴｅの酸
化物層が形成され、これによってＮ型半導体の場合には
電子の、そしてＰ型半導体の場合には正孔の注入が抑制
され、電流増加に伴うノズルが低減されて、良好なエネ
ルギースペクトルを得ることが可能となる。

本発明においては、高いエネルギー分解能を保持しつつ
、検出素子に印加した電圧が半導体結晶に有効に印加さ
れるためには、化合物半導体結晶の一方の電極面に接触
抵抗が小さいように蒸着法により金属電極を形成し、他
方の電極面に検出素子に電圧を印加した場合に発生する
キャリアーの注入を低減するように無電解メッキにより
貴金属電極を形成するのが有効であることがここに判明
したものである。

電極形成操作は、好ましい態様において、結晶成長せし
めた化合物半導体単結晶を適当な厚さのウェハに切断後
、アルミナ砥粒等を用いて研磨することにより開始され
る。その後、ブロムメタノール溶液のような適当なエッ
チャントを用いてエツチングを行って加工変質層（約５
〜５０ｔＬｍ）を取り除く。その後、真空蒸着により、
例えばバイアス電圧の（＋）側電極としてＩｎ電極を形
成する。好ましくは熱処理が実施される。ついで、バイ
アス電圧の（−）側電極として塩化白金酸を溶解した水
溶液に浸漬して、白金メッキによる電極を形成する。バ
イアス電圧の極性は化合物半導体がＰ型であるか或いは
Ｎ型であるかにより決定される。最後に、所定の大きさ
（例えば２ｍｍ角）に切断することにより実施され、こ
うして両端面に電極を形成した半導体放射線検出素子が
得られる。

び ＣＩ２ドープの高抵抗ＣｄＴｅを厚さ１．５　ｍ　ｍの
ウェハに切断後、粒径８μｍ続いて１μｍのアルミナ砥
粒を用いて研磨し、その後、１％のブロムメタノール溶
液を用いて１０分間エツチングを行った。この後、真空
蒸着法によって一方の電極面にＩｎを１０００人蒸０し
、幾つかのサンプルに対しては赤外線イメージ炉によっ
て２００℃の温度で１０分間熱処理を行なった。続いて
、濃度的０．１５重量％の塩化白金酸を純水に溶解した
溶液を用いて反対面に無電解白金メッキを行なって（〜
１０００人厚さのｐｔメッキ）、電極を形成した。これ
を２ｍｍ角に切断した。

比較例として、無電解メッキにより両電極面にｐｔ−ｐ
ｔ電極を形成したものも作製した。

これらの放射線検出素子のエネルギー分解能について調
べた。その結果を第３図に示す。入射放射線は、マルチ
ャネルアナライザーによって、２４１Ａ、＝より得られ
る６０ＫｅＶのγ線のエネルギースペクトルを測定した
。

第３ａ図は、両電極面にｐｔ−ｐｔ電極を形成した場合
である。第３ｂ図は、一方電極なｐｔでそして他方電極
をＩｎで形成した場合である。第３ｃ図は、Ｉｎ電極に
更に熱処理を行なった場合である。第３ｂ図では、第３
ａ図よりビークが低エネルギー側のノイズから離れて明
確に形成されることかわかる。第３Ｃ図では、ビーク−
バレイ比が約２＝１の光電ビークを得ることが出来た。

第４図は、放射線検出素子への熱処理の影響を示すエネ
ルギー分解能−印加電圧特性を示すグラフである。曲線
Ａは熱処理を行なわなかった場合であり、曲線Ｂ及びＣ
は、それぞれ、１７０℃及び２００℃で熱処理を行なっ
た場合であり、そして曲線りは２５０℃で熱処理を行な
った場合である。熱処理を効果的とするには１５０〜２
５０℃の温度が有効である。適正な熱処理によって、非
常に低い電圧において、高いエネルギー分解能が得られ
ることがわかる。

免豆五旦１ 本発明により、放射線検出素子の半導体に印加される実
効的な電界が向上し、従来に比べて低い印加電圧による
動作が可能となる。これは、例えば、携帯用の放射線検
出素子として用いれば乾電池等の電源をそのまま用いる
ことが出来、昇圧回路の簡易化、更には使用電流の低減
化を計ることができる。

４、　　の　　な５日 第１図は、放射線検出素子の動作原理を示す説明図であ
る。

第２ａ及び２ｂ図は、従来法及び本発明の電極形成態様
を説明する説明図である。

第３ａ、３ｂ及び３０図は、マルチャネルアナライザー
によって、２４１　Ａ−より得られる６０ＫｅＶのγ線
のエネルギースペクトルを示すグラフであり、第３ａ図
は、両電極面にｐｔ−ｐｔ電極を形成した場合を、第３
ｂ図は、一方電極をｐｔでそして他方電極をＩｎで形成
した場合を、そして第３ｃ図は、更に熱処理を行なった
場合をそれぞれ示す。

第４図は、放射線検出素子への熱処理の影響を示すエネ
ルギー分解能−印加電圧特性を示すグラフである。

２：化合物半導体結晶 ４：電極 ５：空乏層 ペイ７人を口Ｌ（負電、イ立） 第２０ 図 第 ｂ 図 第 図第３ｂ 図第３０ 図 ＋００ ｔｐ７１ｏ電圧（Ｖ） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）化合物半導体結晶の一方の電極面に蒸着法により金
   属電極を形成し、他方の電極面に無電解メッキにより貴
   金属電極を形成することを特徴とする半導体放射線検出
   素子の製造方法。 ２）化合物半導体結晶の一方の電極面に蒸着法により金
   属電極を形成しそして後熱処理を行ない、そして他方の
   電極面に無電解メッキにより貴金属電極を形成すること
   を特徴とする半導体放射線検出素子の製造方法。 ３）一方の電極面の電極がインジウムであり、熱処理温
   度が１５０〜２５０℃である特許請求の範囲第２項記載
   の半導体放射線検出素子の製造方法。