JPH09275223A - 半導体放射線検出装置 - Google Patents

半導体放射線検出装置

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JPH09275223A
JPH09275223A JP8047576A JP4757696A JPH09275223A JP H09275223 A JPH09275223 A JP H09275223A JP 8047576 A JP8047576 A JP 8047576A JP 4757696 A JP4757696 A JP 4757696A JP H09275223 A JPH09275223 A JP H09275223A
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radiation
type impurity
semiconductor
impurity region
conductivity type
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JP8047576A
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English (en)
Inventor
Keiji Sato
恵二 佐藤
Yutaka Saito
豊 斉藤
Shoji Cho
照二 長
Masashi Kondo
真史 近藤
Jiyunko Kohagura
純子 小波蔵
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16Measuring radiation intensity
    • G01T1/24Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/242Stacked detectors, e.g. for depth information

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギー帯域の異なる放射線検出ができる
検出器を提供する。 【解決手段】 PINダイオード1を絶縁体よりなるス
ペーサ2を介して多数積層し、放射線はPINダイオー
ド1の広い面に対し垂直に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はシリコンの固体半導
体放射線検出装置に関するもので、特にX線やγ線等の
高エネルギー放射線の検出に用いられるPIN接合をも
つ半導体放射線検出装置とこの半導体装置の応用に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
図39に概念図として示すようにシンチレータ結晶5と
PINダイオード1を組み合わせ、シンチレータ結晶5
によりX線などの放射線を光に変換し、PINダイオー
ド1で検出する方法が知られている。
【0003】PINダイオードとしては図3に断面図と
して図示するごとく、N-型半導体基板10にP+型不純
物領域11を持つプラーナー型が知られている。今、図
示するごとくP+型不純物領域11の存在する側を表面
と称するなら裏面には基板のN型より高い濃度のN型不
純物領域であるN+型不純物領域12がありP+−N-
+よりなるPN接合を形成しているいわゆるPINダ
イオードと称される半導体装置である。
【0004】N-型不純物領域の不純物濃度が1x10
12から1x1013atms/cm3程度のものをさしてイ
ントリンシック(intrinsic、真性半導体)の
iをとってPiNもしくはPINと称されるものであ
る。P+型不純物領域11からはアノード電極14が形
成されている。
【0005】表面にはチャネルストッパーとなるN+
不純物領域13がありカソード電極15としてはP+
不純物領域11と同一の面で取ってもかまわない。PI
NダイオードはPN接合に逆バイアスを加えた時、他の
PN接合ダイオードに比べて接合容量が少なく高速応答
に適しており広く使われている。
【0006】上記のような方法で放射線のエネルギー分
布あるいはスペクトロスコピックな測定をするにはパル
スモードで電荷がエネルギーに比例することを利用し波
高分析を行う必要がある。また空乏層をできるだけ飽和
するまで延ばすつまり大きな逆電圧かけて接合容量も小
さくしてやる必要がある。
【0007】出力はたとえば負荷抵抗を挿入し負荷抵抗
に生ずる電圧を出力信号としてプリアンプに入力する。
これを電流を直接測定する電流モードではエネルギーに
関する情報は得られない。以上はN-型半導体基板の場
合であるがP-型半導体基板をもちいN+型不純物領域を
もつものも同様であり本発明では以下はすべてN-型半
導体基板を例に説明するがP-型半導体基板とN+型不純
物領域によるPIN構成にも当然あてはまるものであ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来の放射線検出は前
述してきたような方法をとるのでX線CT装置などでは
逆電圧0Vの電流モードで使用するためエネルギー帯域
の異なる放射線による断層像を得るなどということは困
難だった。また大きな逆電圧をかけてパルスモードで測
定してもフォトンの数が多い場合パルス同志の重なるパ
イルアップが生じ波高分析を行っても正確なスペクトロ
スコピックな測定はできなかった。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
本発明では以下の手段を取った。第1の手段としてPI
Nダイオードを積層し、放射線を半導体基板(積層面)
に垂直に入射し得られた信号を各半導体基板ごとに独立
に検出する。第2の手段として、前記PINダイオード
の基板の比抵抗を1kΩ・cm以上とする。第3の手段
として、前記半導体基板の厚みをP+型不純物領域部分
だけ他の部分より薄くする。
【0010】第4の手段として、前記半導体基板として
表面に絶縁層を有する支持基板上にN-型半導体層を形
成し、該N-型半導体層にP+型不純物領域を形成しこの
接合層部分の支持基板を除去したものを使用する。第5
の手段として、PINダイオードのP+型不純物領域を
多数分離して形成し、かつ入射面に吸収層を形成し、吸
収層の厚みをP+型不純物領域ごとに異なって形成す
る。第6の手段として、前記吸収層をSiO2、窒化ケイ
素、Al、Siで形成する。第7の手段として、前記吸
収層による放射線の吸収量が異なる複数のP+型不純物
領域を1組としたP+型不純物領域の組を複数配置す
る。
【0011】第8の手段として、PINダイオードを複
数並べ半導体基板の厚み方向に垂直にPINダイオード
2ヶ所以上を通過するように放射線を入射することによ
り異なるエネルギー帯域の放射線を検出する。第9の手
段として、PINダイオードを積層した積層体を基板面
を垂直に積み重ね、放射線を積層体の接合面に垂直に直
接入射する。
【0012】第10の手段として、PINダイオードを
2個以上有し、1群の前記PINダイオードおいては基
板の厚み方向に垂直に放射線を直接入射し、他の群の前
記PINダイオードにおいては基板の厚み方向に平行に
放射線を入射する。第11の手段として、PINダイオ
ードを積層し、積層面に垂直な方向と平行な方向に放射
線を入射することにより検出面を2面から5面とする。
第12の手段として、電流モードでの測定を行う。第1
3の手段として、逆電圧を無印加状態で電流モードの測
定を行う。
【0013】
【発明の実施形態】以下、図面を参照して本発明の実施
例を詳細に説明する。図1は本発明にかかる半導体装置
の第1の実施例を示す斜視図であり図3に示すPINダ
イオード1を絶縁体よりなるスペーサ2を介して多数積
層している。放射線はPINダイオード1の広い面つま
り通常の受光面でP+型不純物領域を形成した面に対し
垂直に入射する。このようにすることにより下の層のP
INダイオードは上の層を透過してきた高エネルギーの
放射線を検出することとなり、下の層ほど相対的に高エ
ネルギー帯域の放射線の強度が大きくなる。
【0014】図2は本発明にかかる半導体装置の第1の
実施例の回路図であり、PINダイオード6に放射線が
入射し生じたPINダイオード1素子1素子の信号が独
立してプリアンプ7にキャパシタ9を介して入力されて
いる。HVは逆電圧でありカソード電極側で抵抗8を介
して共通に印加する。なお実際の回路は特に図2に限定
されるものではなくその他種々の方式がある。
【0015】図4は本発明にかかる半導体装置の第2の
実施例の回路図であり、この場合、2層目と3層目の2
層及び4層目と5層目と6層目の3層がそれぞれ並列結
合されている。このばあいも逆電圧の印加方法、後段の
回路への出力方法は図4に限定されるものではない。放
射線の検出効率は空乏層の深さに依存するので透過力の
大きな放射線を検出するにはできるだけ空乏層を広げた
方がよい。そのさい逆電圧は余り大きくならない方がよ
い。そのためには基板比抵抗が大きいがよい。
【0016】実用的基板の厚みは200μm程度が限界
であり、これ以下の厚みを取り扱うことは不可能であ
る。この実用的厚みの限界である200μmの基板を1
00V以下で空乏層を飽和するには比抵抗は1kΩ・c
m以上必要となる。通常利用されるシリコン半導体基板
の厚みは600μm程度であり、これ以上半導体基板の
厚みを厚くし空乏層を深くするのは暗電流が極端に増え
このましいことではない。
【0017】なおかつ10kΩ・cm以上の高比抵抗を
必要とするとか100V以上の高電圧を必要とするなど
の不都合が生じる。現在実用的に得られるSiの比抵抗
は20kΩ・cm程度であり、量産ベースでは8kΩ・
cm程度である。また容易に得られる電圧は100ない
し200Vであり、例えば20kΩ・cmKの基板で2
00V印加で1mmの空乏層が得られ、100Vでは7
50μmとなる。8kΩ・cmの基板では200Vで7
00μm、100Vで500μmである。
【0018】暗電流の大きさ、実用的に得ることのでき
る基板比抵抗、取り扱う印加電圧、ブレークダウンを考
えると基板の厚みは1mm以下にするのがよい。更に通
常の量産プロセスでは600μm程度が好ましい。高比
抵抗の基板は製造プロセスにより比抵抗が低下しやす
く、特に基板厚みの厚いものほどこの傾向は著しく、ま
た欠陥の少ないPN接合の形成も困難である。従って高
比抵抗の厚いシリコン半導体基板の使用は好ましくな
い。
【0019】一方シンチレーターを使用する場合にくら
べてPINダイオードに放射線を直接入射する方が検出
効率や分解能がすぐれている。しかし1mm以下の空乏
層では10keV以上のエネルギーの放射線の検出効率
は低下し、特に50keV以上のエネルギーの放射線の
検出効率は著しく低い。
【0020】本発明では基板の厚みは1mm以下でも十
分高エネルギーの放射線が検出できる。その1例として
本発明の第2の実施例のように積層したPINダイオー
ドの2層とか3層とかの信号を合成した方がよい。
【0021】図5は本発明にかかる半導体装置の第3の
実施例を示す斜視図であり、半導体基板の厚みを変えた
場合で放射線の入射面を上とすると、上から第1層、第
2層のように呼んだとき、1例として第1層のPINダ
イオード1aは200μm、第2層のPINダイオード
1bは400μm、第3層のPINダイオード1cは6
00μmの厚みとした例であり、このようにすることで
下の層の高エネルギー放射線の検出効率を向上できる。
【0022】図36は本発明の第3の実施例の放射線の
エネルギー−検出効率特性図であり、第1層から第2
層、第3層と下の層にいくほど高エネルギー領域での検
出効率が優れていることがわかる。図40は基板比抵抗
を変えたときの放射線のエネルギー−検出効率特性図で
あり、基板厚み500μmで空乏層深さ200μm従っ
て印加逆電圧は基板比抵抗によって異なる条件のもので
ある。同じ空乏層深さでも基板比抵抗が大きいものほど
高エネルギーでの検出効率がよいことがわかる。しかし
1kΩ・cm以下ではその効果は小さく、従って本発明
では特に1kΩ・cm以上の比抵抗のシリコン半導体基
板を使用すると高エネルギーでの検出効率がよくなる。
【0023】図6は本発明にかかる半導体装置の第4の
実施例のPINダイオード1素子のP+型不純物領域の
構造を示す平面図であり、N-型半導体基板60に形成
されたP+型不純物領域61はストリップに分割されて
いる。このPINダイオード1素子を図1のように積層
することで1次元(線状)の情報を得ることができる。
【0024】なおPINダイオード1素子の構造はあく
まで図3が基本であり、例えばN-型不純物領域13と
その電極であるカソード電極15は省略するなどの1部
の違いはあっても以下にのべることは同様に当てはま
る。また以下では説明を簡単にするためP+型不純物領
域以外の構造は省略する場合がある。
【0025】図7は本発明にかかる半導体装置の第5の
実施例を示す斜視図であり図6に示す多数のストリップ
構造のP+型不純物領域61をもつ基板厚みの異なるN-
型半導体基板60a、N-型半導体基板60b、N-型半
導体基板60cよりなるPINダイオード1素子を図5
の場合と同様に上から下になるにつれて基板の厚みが厚
くなるように積層した場合である。この場合例として3
層を挙げたがこの数はもちろん特に意味のあるものでな
くそれ以上あるいはそれ以下でも構わない。このことは
以下の場合の積層数や半導体基板の並べかたあるいはP
+型不純物領域の分割の仕方でも同様である。
【0026】図8は本発明にかかる半導体装置の第6の
実施例を示す斜視図であり図7と同じ構造を1個のP+
型不純物領域11をもちPINダイオード1素子によっ
て作製した場合で基板厚みの異なるN-型半導体基板1
0a、N-型半導体基板10b、N-型半導体基板10c
よりなるPINダイオード1素子を上から下になるにつ
れて基板の厚みが厚くなるように積層し、かつこの積層
体を横に並べた場合であり、同一基板に多数のP+型不
純物領域を形成した場合、使用方法によってはクロスト
ークが問題になることがあり、この図8の本発明の第6
の実施例ではクロストークを避けることができる。
【0027】図9は本発明にかかる半導体装置の第7の
実施例のPINダイオード1素子のP+型不純物領域の
構造を示す平面図であり、N-型半導体基板90に形成
されたP+型不純物領域91は方形に多数に分割されて
おり、このPINダイオード1素子を図1のように積層
することで2次元の情報を得ることができる。。なおこ
の場合図5のように各層の基板厚みを変えると下の層の
高エネルギー放射線の検出効率を向上できる。
【0028】図10は本発明にかかる半導体装置の第8
の実施例を示す斜視図であり図9と基本的に同じ機能を
有する半導体装置を1個のP+型不純物領域11をもつ
基板厚みの異なるN-型半導体基板10a、N-型半導体
基板10b、N-型半導体基板10cよりなるPINダ
イオード1素子を上から下になるにつれて基板の厚みが
厚くなるように積層し、かつこの積層体を2次元的に並
べた場合でありこの場合もクロストークは生じない。
【0029】以上のような構造によればほぼ10keV
以下の低エネルギーの放射線は第1層目ないしはそれに
近い層でほとんど吸収、検出され下の層ほど高エネルギ
ーの放射線の情報が多くなるため各層によって異なるエ
ネルギー帯域の情報が得られることとなる。
【0030】またこの際スペーサに低エネルギーの放射
線を吸収する機能をもたせることにより、より優れた結
果が得られる。ところで実際の作業で扱える半導体基板
の厚みは例えばせいぜい200μmでありこれより薄い
半導体基板の扱いは無理である。一つの検出層の半導体
基板の厚みは下の検出層の半導体基板にとっては吸収層
となるものでありしたが一つの検出層による放射線の吸
収を小さくしたい場合は他の方法を考える必要がある。
【0031】図11は本発明にかかる第9の実施例の半
導体装置に使用するPINダイオード1素子の断面図で
あり、厚いN+型不純物領域12の上にN-型不純物層4
2がありその表面にP+型不純物領域11とN+型不純物
領域13が形成されており、P+型不純物領域11の形
成された部分のN+型不純物領域12は削られて他の部
分より薄くなっている。このような構造は実際には例え
ばN+型半導体基板にN-型不純物層をエピタキシャル成
長させることによって得られる。このようにして200
μm以下、PN接合を形成できる限界の3μmまでの厚
みが得られる。
【0032】図11のPINダイオード1素子を利用し
て図1と同様に積層することで本発明の第9の実施例の
半導体装置が得られ1層の厚みが極めて薄い半導体装置
となる。図11に示すPINダイオードを利用して図5
に示す構造と同様に基板あるいはN-型不純物層の厚み
を変えて積層することで本発明の第10の実施例の半導
体装置が得られる。
【0033】図12は本発明にかかる第11の実施例の
半導体装置に使用するPINダイオード1素子の模式断
面図であり、表面に熱酸化SiO2膜である絶縁層43
を形成したシリコンよりなる支持基板44に一方の面に
+型不純物領域11とN+型不純物領域13がもう一方
の面にはN+型不純物領域12が形成されたN-型不純物
層42がのっており、PN接合部分の支持基板が除去さ
れ、支持基板上に極めて薄いPINダイオードがのって
いるような構造となっている。
【0034】このような構造は以下のようにして得られ
る。シリコンの(100)方位のCZ法により製造され
た半導体基板からなる厚さ400μm程度の支持基板4
4の表面に例えば50Ω・cm以上の比抵抗のN-型で
厚さ300μm程度のFZ法により製作された予め表面
にN+型不純物領域12を形成したN-型半導体基板を熱
酸化膜からなる絶縁層43を挟んで接着しN-型半導体
基板側を研磨しN-型不純物層42とする。いわゆる張
り合わせ構造のSOI基板である。
【0035】支持基板44は、製造工程中にN-型不純
物層42を補強し支持する役割を持つもので、熱膨張係
数が等しいシリコン基板が望ましく、高温の半導体製造
工程における高温の熱処理プロセスを考えると、熱処理
に強いシリコンのCZ法により製造された基板が最も望
ましい。
【0036】本実施例の構造をとると、N-型不純物層
の比抵抗をエピタキシャル層では得られない数kΩ・c
m以上にすることも可能になる。支持基板をシリコンの
面方位(100)基板にすると、KOH等を用いた異方
性エッチングにより除去部を応力集中の緩和された構造
とすることができ、機械的強度を強くすることができ
る。
【0037】図12のPINダイオード1素子を利用し
て図1と同様に積層することで本発明の第11の実施例
の半導体装置が得られ1層の厚みが極めて薄い半導体装
置となる。図12に示すPINダイオードを利用して図
5に示す構造と同様に基板あるいはN-型不純物層の厚
みを変えて積層することで本発明の第12の実施例の半
導体装置が得られる。
【0038】本発明の第9から第12の実施例の半導体
装置は特に10keV以下の低いエネルギーでのエネル
ギー帯域の異なるX線の検出に効果がある。図13は本
発明にかかる第13の実施例の半導体装置を示す断面図
であり、N -型半導体基板10の一方の面にN+型不純物
領域13に隔てられて多数のP+型不純物領域11g、
11h、11iが形成され反対側の面にはN+型不純物
領域12が形成されている。
【0039】これらP+型不純物領域の上にはSiO2
40、Si3N4膜41が形成されている。P+型不純物領
域11gの上のSiO2膜40は薄くなっており、それ
に対しP+型不純物領域11hの上のSiO2膜40はP
+型不純物領域11gの上のSiO2膜40より厚くな
り、P+型不純物領域11iの上には厚いSiO2膜40
に上に更にSi3N4膜41が形成されており、そのため
+型不純物領域11g、11h、11iにより形成さ
れたPN接合部に入射した各エネルギー帯域の放射線強
度比は異なることとなる。
【0040】これらSiO2膜40、Si3N4膜41はX
線、γ線や荷電粒子線などの放射線にたいしては吸収層
となり、厚みにより各エネルギー帯域の放射線の透過率
が異なる。なお厚みでなくても異なる原子番号の物質を
利用することでも各エネルギー帯域の放射線の透過率を
変えることができる。
【0041】シリコン半導体プロセスではSiO2膜、
Si3N4膜のほかに特にAl膜、ポリシリコン膜が吸収
層として利用しやすい。吸収量を大きくするにはAlと
ポリシリコンが良く、吸収量を小さくするにはSiO2
とSi3N4が良い。
【0042】吸収量を大きくするのに例えばポリシリコ
ンを厚くすることは膜質の低下をまねきやすく、Alと
ポリシリコンを併用した方が好ましい場合がある。また
基板の単結晶シリコンの上に直接ポリシリコンやAlを
形成することは素子性能に影響をあたえることがあり、
この場合SiO2を形成したうえでAlとポリシリコン
を形成する必要がある。このように吸収層としてはSi
2膜、Si3N4膜、Al膜、ポリシリコン膜を単独ある
いは併用して使用する必要がある。
【0043】図14、図41は本発明にかかる第14、
第35の実施例の半導体装置のP+型不純物領域の平面
配置を示す模式平面図であり、P+型不純物領域11
g、11h、11iは図13と基本的には同じ構造をも
ち図13に示した本発明にかかる第13の実施例の半導
体装置の1次元化あるいは2次元化への応用である。
【0044】図14で示すように、これら基本要素とな
るN-型半導体基板10に形成されたP+型不純物領域1
1g、11h、11iの3個は規則的に配置されてい
る。この配置は1例であるがこのような配置の仕方は表
示装置における3原色によるカラー化で既になじみの方
法であり、複数の異なる検出エネルギー帯域をもつ微細
なP+型不純物領域の規則的配置により図14のように
することで1次元化あるいは図41のようにすることで
2次元化が可能となる。この場合基本要素となるP+
不純物領域は3種類に限られるわけではない。
【0045】図15は本発明にかかる第15の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、図3に模式断面図とし
て示すPINダイオード1素子を実装基板15上に2個
続けて並べN-型半導体基板10のP+型不純物領域11
を形成した面に平行にすなわち通常のPINダイオード
のN-型半導体基板10の端面を入射面として放射線を
入射し第1のPINダイオードを透過した放射線が次の
PINダイオードにやはりP+型不純物領域11を形成
した面に平行させるものである。
【0046】このようにP+型不純物領域を形成した面
に平行にすなわち基板の厚み方向に対し垂直に放射線を
入射する場合、空乏層17の様子を図16に模式断面図
として示すように実効的空乏層の厚みはy、つまりP+
型不純物領域11の放射線の入射方向の幅となり、基板
比抵抗や逆電圧をそれほど大きくしなくても実効的空乏
層の厚みを数mmから数cmとすることは極めて容易と
なる。
【0047】ここでN-半導体基板10には一方の面に
+型不純物領域11とチャンネルストッパーとなるN+
型不純物領域13が形成され反対側の面にはN+型不純
物領域12が形成されている。高エネルギーの放射線ほ
ど空乏層の厚みを厚くする必要があり、特に10keV
以上の高エネルギーの放射線の検出に有効となる。
【0048】通常のシリコン半導体基板を利用した場
合、基板の厚み方向に平行の放射線を入射すると10k
eV以上の高エネルギーの検出効率は急激に低下する、
なぜなら前述したように通常利用されるシリコン半導体
基板の厚みは600μm程度であり、せいぜい1mmが
限界であるからである。
【0049】これ以上半導体基板の厚みを厚くし空乏層
を深くするのは暗電流が極端に増えこのましいことでは
く、なおかつ10kΩ・cm以上の高比抵抗を必要とす
るとか100V以上の高電圧を必要とするなどの不都合
が生じ、したがって通常容易に得られるシリコン半導体
を利用できる本発明の方法が優れている。
【0050】この場合端面から空乏層までの間隔は吸収
層となりかえって基板の厚み方向に対し垂直に放射線を
入射する場合は10keV以下の放射線の検出能力はお
とることとなる。端面まで空乏層をのばすことは暗電流
の急激な増加を引き起こしどうしても図16に示すよう
にN+型不純物領域13の形成などの手段により空乏層
の形成を阻止する必要があるが、逆にこの端面近くの空
乏層の形成しない部分の幅を変えることによりこの部分
を透過して空乏層に達する放射線のエネルギー帯域を変
えることが可能となる。
【0051】従って図15に示す本発明の半導体装置の
第15の実施例は高エネルギーの放射線の異なるエネル
ギー帯域の情報の検出に有効となり、特に位置分解能な
どの必要性のため放射線の入射面の面積に制限がある場
合に極めて有効である。図17は本発明にかかる第16
の実施例の半導体装置を示す斜視図であり、実装基板1
5に2個のPINダイオードすなわち異なる幅のP+
不純物領域11d、P+型不純物領域11e、をもつ同
様に異なる幅のN-型半導体基板11d、N-型半導体基
板11eが並べられており、最初に放射線が入射するP
+型不純物領域11dの放射線の進行方向に平行な方向
の長さより、あとに放射線が入射するのPINダイオー
ドのP+型不純物領域11eの放射線の進行方向に平行
な方向の長さが大きくおっており、これによりあとに放
射線が入射するPINダイオードの高エネルギー領域で
の検出効率を向上できる。
【0052】図18は本発明にかかる第17の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、基本的には第15の実
施例と同じくP+型不純物領域を形成した面に平行にす
なわち基板の厚み方向に対し垂直に放射線を入射するこ
とにより高エネルギー領域での検出効率を向上をはかる
ものであり、図3に示すPINダイオード1素子と基本
的に同じ構造をもつPINダイオード1を多数積層した
積層体を、基板のP+型不純物領域を有する面が互いに
平行になるように2段に積み重ね、放射線を積層体の接
合面に平行に入射する。
【0053】上記本発明の第17の実施例では各PIN
ダイオードからの信号を独立にとりだすことにより1次
元化を実現できる。またひとつ積層体のPINダイオー
ド合成することでPINダイオード1個を積み重ねただ
けでは強度が小さい場合の問題を克服できる。
【0054】図19は本発明にかかる第18の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、図18に示す本発明の
第17の実施例の変形でもあり、各積層体のN-型半導
体基板11d、N-型半導体基板11eに形成されたP
+型不純物領域11d、11eの放射線の入射方向の長
さを変え検出面から遠ざかる層ほど大きくすることによ
り下の層の高エネルギーの放射線の検出効率が改善され
る。
【0055】図20は本発明にかかる第19の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、実装基板15上の1個
のN-型半導体基板60にP+型不純物領域61を入射方
向に垂直な方向で分割して形成することにより図15に
しめした第15の実施例と同等の効果を得るものであ
る。
【0056】図21は本発明にかかる第20の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、実装基板15上の1個
のN-型半導体基板60にP+型不純物領域を入射方向に
垂直な方向で分割してP+型不純物領域61d、61
e、61f、のように形成しかつP+型不純物領域61
d、61e、61fの放射線の進行方向に平行な方向の
長さを入射側から順に大きくするものであり、図17に
示す第16の実施例と同等の効果を1基板で得るもので
あり、これによりあとに放射線が入射するPINダイオ
ードの高エネルギー領域での検出効率を向上できる。
【0057】図22は本発明にかかる第21の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、図20に示す1個のN
-型半導体基板60に入射方向に垂直な方向で分割した
多数のP+型不純物領域61をもつPINダイオードを
絶縁体よりなるスペーサ2を介して積層し各P+型不純
物領域からの信号を独立にとりだすことにより1次元化
を実現、また各積層体の入射側から同じ順番にあるP+
型不純物領域からの信号を合成することで強度の向上が
はかれる。
【0058】図23は本発明にかかる第22の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第21の実施例の変形
であり、1個のN-型半導体基板60のP+型不純物領域
61d、61e、61fの放射線の進行方向に平行な方
向の長さを入射側から順に大きくして絶縁体よりなるス
ペーサ2を介して積層するものであり、これによりあと
に放射線が入射するPINダイオードの高エネルギー領
域での検出効率を向上できる。
【0059】図24は本発明にかかる第23の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、1個のP+型不純物領
域をもつPINダイオードを放射線の入射方向に垂直な
方向と平行な方向に並べることにより複数の異なる検出
エネルギー帯域の放射線の検出機能の1次元化をはかっ
たものであり、放射線の進行方向に平行な方向の長さの
異なるP+型不純物領域11d、11eをもつN-型半導
体基板10d、10eを放射線の入射側に近い方から遠
ざかるにしたがいP+型不純物領域の長さが大きくなる
ように並べ更にこの配列を放射線の進行方向に直交する
方向に広げたものである。
【0060】図25は本発明にかかる第24の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第23の実施例の変形
であり、1基板のP+型不純物領域を分割することによ
り1次元化をはかったものでありN-型半導体基板60
d、60eにはそれぞれP+型不純物領域61d、61
eが多数形成されかつP+型不純物領域61d、61e
は放射線の入射側に近い方から遠ざかるにしたがいP+
型不純物領域の長さが大きくなっている。
【0061】図26は本発明にかかる第25の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第23の実施例の別の
変形例であり、放射線の進行方向に平行な方向の長さの
異なるP+型不純物領域11d、11eをもつN-型半導
体基板10d、10eを放射線の入射側に近い方から遠
ざかるにしたがいP+型不純物領域の長さが大きくなる
ように並べ更にこの配列を放射線の進行方向に直交する
方向に広げたもので第23の実施例の半導体装置を積み
重ねた構造であり各PINダイオードからの信号を独立
にとりだすことにより2次元化を実現、あるいは所定の
PINダイオードの信号を合成することで強度の向上が
はかれる。
【0062】図27は本発明にかかる第26の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第24の実施例の変形
例であり、N-型半導体基板60d、60eにはそれぞ
れP+型不純物領域61d、61eが多数形成されかつ
+型不純物領域61d、61eは放射線の入射側に近
い方から遠ざかるにしたがいP+型不純物領域の長さが
大きくなるように配列されこの構造を放射線の進行方向
に直交する方向に広げたもので第24の実施例の半導体
装置を積み重ねた構造で各P+型不純物領域からの信号
を独立にとりだすことにより2次元化を実現、あるいは
所定のP+型不純物領域からの信号を合成することで強
度の向上がはかれる。
【0063】図28は本発明にかかる第27の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第23の実施例の変形
例であり、1個のN-型半導体基板60のP+型不純物領
域を放射線の進行方向の長さを進行方向に直交方向では
同じに、進行方向では放射線の入射側に近い方から遠ざ
かるにしたがい大きくなるようP+型不純物領域91
d、91eと分割することによりにより第23の実施例
と同等の複数の異なる検出エネルギー帯域の放射線の検
出機能の1次元化をはかったものである。
【0064】図29は本発明にかかる第28の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第27の実施例の変形
例であり、第27の実施例の半導体装置を3次元に積み
重ねることにより各P+型不純物領域からの信号を独立
にとりだすことにより2次元化を実現、あるいは所定の
+型不純物領域からの信号を合成することで強度の向
上がはかれる。
【0065】図30は本発明にかかる第29の実施例の
半導体装置を示す側面図であり、実装基板15にPIN
ダイオード1p、1vを放射線を1方のPINダイオー
ド1pではP+型不純物領域を形成した面に平行にすな
わち通常のPINダイオードの半導体基板の端面を入射
面として放射線を入射し、もう1方のPINダイオード
1vではP+型不純物領域を形成した面に垂直にすなわ
ち通常のPINダイオードの受光面に放射線を入射する
ように設置したものである。
【0066】図37は本発明の第29の実施例の放射線
のエネルギー−検出効率特性図であり、500μmの厚
みのシリコンPINダイオードで空乏層を300μmの
深さまで延ばした場合である。垂直入射で検出効率のお
ちるエネルギー領域では平行入射では検出効率はむしろ
向上していることがわかる。
【0067】図31は本発明にかかる第30の実施例の
半導体装置を示す斜視図であり、第3の実施例と第22
の実施例の半導体装置を使用した場合でこれにより広範
囲にわたって異なる検出エネルギー帯域の放射線の独立
した検出検出が可能となる。すなわち基板厚みの異なる
PINダイオード1a、1b、1cを上から下に基板厚
みが厚くなるように積層し基板の広い面に垂直に放射線
を入射し、他方幅の異なるP+型不純物領域61d、6
1eを形成したN-型半導体基板60を多数積層した積
層体を入射側に近い方から遠ざかるにしたがいP+型不
純物領域の入射方向の幅が大きくなるように基板の広い
面すなわちP+型不純物領域を形成した面に平行に放射
線を入射するものである。
【0068】ところでP+型不純物領域を形成した面に
すなわち基板に平行に放射線を入射することを考えると
図1に示すPINダイオード1素子を積層した半導体装
置をもとに本発明の半導体装置の第31の実施例が得ら
れる。すなわち最低1面を半導体装置の固定と信号の外
部への取り出しのために使用し、残りの5面を検出面と
して利用できる。
【0069】図1に示すような構造で5面を検出面とし
て使用する本発明の半導体装置の第31の実施例では基
板に垂直入射で比較的低エネルギーの放射線の異なるエ
ネルギー帯域の情報の検出ができ基板に平行入射で高エ
ネルギーの放射線の1次元の情報が得られ、かつ図1の
基板のxとy方向の厚みを変えることで検出面により異
なるエネルギー帯域の情報の検出ができる。
【0070】図32は本発明にかかる半導体装置の第3
2の実施例を示す斜視図であり、図3に示すような構造
のPINダイオード1をスペーサ2を介して積層した半
導体装置の5つの検出面21、22、23、24、25
にのうちいくつかの面に低エネルギーの放射線を吸収す
る、吸収層を、例えばこの場合2面に吸収層26、27
を設け、更にx方向とy方向の長さを変えることにより
検出面ごとに種々のエネルギー帯域の情報の検出が可能
となる。
【0071】図33は本発明にかかる半導体装置の第3
3の実施例を示す概念斜視図であり、本発明の第22実
施例の半導体装置の上に本発明の第3の実施例の半導体
装置を重ねたもので第30あるいは第32の実施例では
基板に垂直入射と平行入射について同一場所あるいは同
一時間の測定ができないという欠点であるが本実施例で
はこの欠点が克服できる。
【0072】すなわち基板厚みの異なるPINダイオー
ド1a、1b、1cを上から下に基板厚みが厚くなるよ
うに積層した積層体に基板の広い面に垂直に放射線を入
射し、前記積層体の下に幅の異なるP+型不純物領域6
1d、61eを形成したN-型半導体基板60を多数積
層した積層体を入射側に近い方から遠ざかるにしたがい
+型不純物領域の入射方向の幅が大きくなるように基
板の広い面すなわちP+型不純物領域を形成した面に平
行に放射線が入射するように重ねるものである。
【0073】図34は本発明にかかる半導体装置の第3
4の実施例を示す概念斜視図であり、本発明の第18の
実施例の半導体装置の上に本発明の第5の実施例の半導
体装置を重ねたもので基板への垂直入射と平行入射の同
一場所、同一時間の測定ができかつ1次元化もなされて
いる。
【0074】すなわちストリップ化したP+型不純物領
域61をもつ基板厚みの異なるN-型半導体基板60
a、60b、60cを上から下に基板厚みが厚くなるよ
うに積層した積層体に基板の広い面にすなわちP+型不
純物領域61を形成した面に垂直に放射線を入射し、前
記積層体の下にPINダイオード1を多数積層した積層
体を基板の広い面に平行に放射線が入射するように重ね
るものである。この場合N-型半導体基板60a、60
b、60cのP+型不純物領域61のピッチとPINダ
イオード1の積み重ねのピッチは同じになるようにす
る。
【0075】図35は第33、第34のような本発明の
基板への垂直入射と平行入射の同一場所、同一時間の測
定可能な場合の一般的原理を示す斜視図で、入射線を最
初に検出する半導体放射線検出装置51は本発明の基板
への垂直入射する第1、2、3、4、5、6、7、8、
9、10、11、12の実施例の半導体放射線検出装置
であり、下の半導体放射線検出装置52は本発明の基板
へ平行入射する第17、18、21、22、25、2
6、28の実施例の半導体放射線検出装置である。 本
発明のシリコン半導体放射線検出装置をX線CT装置に
応用することで優れた成果が得られる。
【0076】図38に実施例を概念図として示すように
医療用のX線CT装置の検出器として本発明の第17、
18、21、22、34などの実施例の放射線検出半導
体装置31を使用する。この場合X線源32は回転円3
0に沿って360度回転し対応して多数の本発明の検出
器31が円形に配置されており、検査対象である身体3
3を透過したX線は本発明の検出器31により検出され
る。
【0077】このようなX線CT装置の検出器して本発
明の放射線検出半導体装置して使用するとエネルギー帯
域の異なるX線の情報が得られ筋肉組織や骨組織等の組
織の違いに関するより高度の情報を得ることができる。
本発明の第17、18、21、22、25、26、2
8、30、33、32、34などの実施例の放射線検出
半導体装置は数十から数百keVのX線から更にγ線ま
での直接検出が可能でありそのため工業用のX線CT装
置やポジトロンCT装置などにも応用可能である。
【0078】ところで本発明では各検出領域(基板ごと
あるいはP+型不純物領域ごと)の感知するエネルギー
帯域は例えば上記図36、図37で述べたように異なる
ため従来のようにパルス波高分析を行なくてもエネルギ
ーに関する情報が得られ従って電流モードでのエネルギ
ー測定が可能でなおかつPN接合への逆電圧を無バイア
ス状態でも測定が可能となる。
【0079】従ってプラズマX線などのようにきわめて
フォトンの多い場合の測定ではこの電流モードでの測定
は有効であり、かつ無バイアス状態でも測定が可能とな
る。このようなフォトンの多い場合の測定ではパルス波
高分析ではパイルアップが生じ良い測定はできない。
【0080】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、新規放射線検出素子としてPINダイオードを積層
した構成を取ることでエネルギー帯域の異なる放射線の
検出ができる優れた放射線検出器を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体装置の第1の実施例を示
す斜視図である。
【図2】本発明にかかる半導体装置の第1の実施例の回
路図である。
【図3】PINダイオードの断面図である。
【図4】本発明にかかる半導体装置の第2の実施例の回
路図である。
【図5】本発明の半導体装置の第3の実施例である。
【図6】本発明にかかる半導体装置の第4の実施例のP
INダイオード1素子のP+型不純物領域の構造を示す
平面図である。
【図7】本発明にかかる半導体装置の第5の実施例を示
す斜視図である。
【図8】本発明にかかる半導体装置の第6の実施例を示
す斜視図である。
【図9】本発明にかかる半導体装置の第7の実施例のP
INダイオード1素子のP+型不純物領域の構造を示す
平面図である。
【図10】本発明にかかる半導体装置の第8の実施例を
示す斜視図である。
【図11】本発明にかかる半導体装置の第9、第10の
実施例のPINダイオード1素子を示す断面図である。
【図12】本発明にかかる半導体装置の第11、第12
の実施例のPINダイオード1素子を示す断面図であ
る。
【図13】本発明にかかる半導体装置の第13の実施例
を示す断面図である。
【図14】本発明にかかる半導体装置の第14の実施例
のPINダイオード1素子のP+型不純物領域の構造を
示す概念平面図である。
【図15】本発明にかかる半導体装置の第15の実施例
を示す斜視図である。
【図16】空乏層の様子を示す断面図である。
【図17】本発明にかかる半導体装置の第16の実施例
を示す斜視図である。
【図18】本発明にかかる半導体装置の第17の実施例
を示す斜視図である。
【図19】本発明にかかる半導体装置の第18の実施例
を示す斜視図である。
【図20】本発明にかかる半導体装置の第19の実施例
を示す斜視図である。
【図21】本発明にかかる半導体装置の第20の実施例
を示す斜視図である。
【図22】本発明にかかる半導体装置の第21の実施例
を示す斜視図である。
【図23】本発明にかかる半導体装置の第22の実施例
を示す斜視図である。
【図24】本発明にかかる半導体装置の第23の実施例
を示す斜視図である。
【図25】本発明にかかる半導体装置の第24の実施例
を示す斜視図である。
【図26】本発明にかかる半導体装置の第25の実施例
を示す斜視図である。
【図27】本発明にかかる半導体装置の第26の実施例
を示す斜視図である。
【図28】本発明にかかる半導体装置の第27の実施例
を示す斜視図である。
【図29】本発明にかかる半導体装置の第28の実施例
を示す斜視図である。
【図30】本発明にかかる半導体装置の第29の実施例
を示す側面図である。
【図31】本発明にかかる半導体装置の第30の実施例
を示す斜視図である。
【図32】本発明にかかる半導体装置の第32の実施例
を示す斜視図である。
【図33】本発明にかかる半導体装置の第33の実施例
を示す斜視図である。
【図34】本発明にかかる半導体装置の第34の実施例
を示す斜視図である。
【図35】本発明の基板への垂直入射と平行入射を同時
に行う場合の原理を示す斜視図である。
【図36】本発明の第3の実施例の放射線のエネルギー
−検出効率特性図である。
【図37】本発明の第29の実施例の放射線のエネルギ
ー−検出効率特性図である。
【図38】本発明の半導体装置を応用したX線CT装置
の概念図である。
【図39】従来の放射線の検出方法の概念図である。
【図40】基板比抵抗を変えたときの放射線のエネルギ
ー−検出効率特性図である。
【図41】本発明の第35の実施例の半導体装置のP+
型不純物領域の平面配置を示す模式平面図である。
【符号の説明】 1 PINダイオード 2 スペーサ 5 シンチレータ結晶 6 PINダイオード 7 プリアンプ 8 抵抗 9 キャパシタ 10、60、90 N-型半導体基板 11、61、91 P+型不純物領域 12、13 N+型不純物領域 21、22、23、24、25 検出面 26、27 吸収層 31 本発明の半導体装置 32 X線源 40 SiO2膜 41 Si3N4膜 42 N-型不純物層 43 絶縁層 44 支持基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長 照二 茨城県つくば市並木2−101−202 (72)発明者 近藤 真史 茨城県つくば市吾妻2−709−509 (72)発明者 小波蔵 純子 茨城県つくば市天久保2−6−3 シャト レ天久保A201

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型シリコン半導体基板に第2導
    電型不純物領域を有する半導体基板を積層し、放射線を
    前記半導体基板の第2導電型不純物領域を有する面に垂
    直に入射し、得られた信号を各半導体基板ごとに独立に
    検出することにより異なるエネルギー帯域の放射線を検
    出することを特徴とする半導体放射線検出装置。
  2. 【請求項2】 前記第1導電型シリコン半導体基板は比
    抵抗1kΩ・cm以上であることをことを特徴とする請
    求項1記載の半導体放射線検出装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板の少なくとも1枚が前記
    第2導電型不純物領域の形成された部分の基板の厚みが
    基板の他の部分より薄くなっていることを特徴とする請
    求項1記載の半導体放射線検出装置。
  4. 【請求項4】 前記半導体基板の少なくとも1枚の前記
    第2導電型不純物領を形成した面と反対側の面が、前記
    第2導電型不純物領域に対応する部分以外で表面に絶縁
    層を有する支持基板上にあることを特徴とする請求項1
    記載の半導体放射線検出装置。
  5. 【請求項5】 第1導電型シリコン半導体基板に放射線
    の吸収層を有する複数の第2導電型不純物領域を有し、
    前記第2導電型不純物領域の吸収層のエネルギー帯域ご
    との吸収量が異なるものを有することを特徴とする異な
    るエネルギー帯域の放射線を検出する半導体放射線検出
    装置。
  6. 【請求項6】 前記吸収層がSiO2層、窒化ケイ素
    層、Al層、Si層の少なくとも1層以上を有すること
    を特徴とする請求項5記載の半導体放射線検出装置。
  7. 【請求項7】 前記吸収層による放射線の吸収量が異な
    る複数の第2導電型不純物領域を1組とした第2導電型
    不純物領域の組を複数配置したことを特徴とする請求項
    5記載の半導体放射線検出装置。
  8. 【請求項8】 第1導電型シリコン半導体基板に第2導
    電型不純物領域を有するシリコン半導体基板を複数並
    べ、前記半導体基板の第2導電型不純物領域を有する面
    に平行な方向を入射面として少なくとも前記第2導電型
    不純物領域を形成した部分を2ヶ所以上通過するように
    放射線を入射することにより異なるエネルギー帯域の放
    射線を検出することを特徴とする異なるエネルギー帯域
    の放射線を検出する半導体放射線検出装置。
  9. 【請求項9】 第1導電型シリコン半導体基板に第2導
    電型不純物領域を有する半導体基板を積層した積層体
    を、 ひとつの積層体は前記半導体基板の第2導電型不純物領
    域を有する面が前記積層体同志の接合面に平行に、 他の積層体は前記半導体基板の第2導電型不純物領域を
    有する面が前記積層体同志の接合面に垂直になるよう
    に、 かつ半導体基板の第2導電型不純物領域を有する面が前
    記積層体同志の接合面に平行になる積層体が一番上にな
    るように積み重ね、 放射線を前記積層体同志の接合面に垂直に、前記積層体
    の前記半導体基板の第2導電型不純物領域を有する面が
    前記接合面に平行な積層体側から入射し、異なるエネル
    ギー帯域の放射線を検出することを特徴とする半導体放
    射線検出装置。
  10. 【請求項10】 第1導電型シリコン半導体基板に第2
    導電型不純物領域を有する半導体放射線検出装置を2個
    以上有し、1群の前記半導体放射線検出装置においては
    前記基板の第2導電型不純物領域を有する面に垂直な方
    向を入射面として放射線を直接に入射し、他の群の前記
    半導体放射線検出装置においては前記基板の第2導電型
    不純物領域を有する面に平行な方向を入射面として放射
    線を入射することにより異なるエネルギー帯域の放射線
    を検出することを特徴とする半導体放射線検出装置。
  11. 【請求項11】 第1導電型シリコン半導体基板に第2
    導電型不純物領域を有するシリコン半導体を積層し、前
    記基板の第2導電型不純物領域を有する面に垂直な方向
    と、前記基板の第2導電型不純物領域を有する面に平行
    な方向から放射線を入射することにより検出面を2面か
    ら5面とすることを特徴とする半導体放射線検出装置。
  12. 【請求項12】 電流モードで測定することを特徴とす
    る請求項1記載の放射線の半導体放射線検出装置。
  13. 【請求項13】 前記半導体基板において基板の第1導
    電型と第2導電型不純物領域により形成されるPN接合
    の印加逆バイアス電圧を無バイアスとすることを特徴と
    する請求項12記載の放射線の半導体放射線検出装置。
  14. 【請求項14】 電流モードで測定することを特徴とす
    る請求項10記載の放射線の半導体放射線検出装置。
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