特表 2023-543735 低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-18

(54)【発明の名称】低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/24 20060101AFI20231011BHJP

【ＦＩ】

G01T1/24

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023518360

(86)(22)【出願日】2021-09-22

(85)【翻訳文提出日】2023-04-13

(86)【国際出願番号】 EP2021076111

(87)【国際公開番号】W WO2022063852

(87)【国際公開日】2022-03-31

(31)【優先権主張番号】20382836.3

(32)【優先日】2020-09-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】511000083

【氏名又は名称】コンセホ スペリオール デ インベスティガシオネス シエンティフィカス（セエセイセ）

【氏名又は名称原語表記】ＣＯＮＳＥＪＯ ＳＵＰＥＲＩＯＲ ＤＥ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＣＩＯＮＥＳ ＣＩＥＮＴＩＦＩＣＡＳ（ＣＳＩＣ）

【住所又は居所原語表記】Ｃ／Ｓｅｒｒａｎｏ，１１７，Ｅ－２８００６ Ｍａｄｒｉｄ，Ｓｐａｉｎ

(71)【出願人】

【識別番号】517455100

【氏名又は名称】エーステライヒシェ アカデミー デア ヴィッセンシャフテン

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】ペッレグリーニ，ジュリオ

(72)【発明者】

【氏名】イダルゴ ビリェーナ，サルバドール

(72)【発明者】

【氏名】フローレス ガル，ダビド

(72)【発明者】

【氏名】カリード，ワリード

(72)【発明者】

【氏名】バレンタン，マンフレッド

【テーマコード（参考）】

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G188BB02

2G188BB05

2G188BB09

2G188CC31

2G188DD44

(57)【要約】

低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器は、多層構造を備え、放射線源（１３）から粒子を受け入れる。これは、放射線源（１３）から粒子を受け入れる薄いエントリ領域と；エントリ領域の下に位置する浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）、浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の下に位置するｐ吸収層（３）、およびｎ増大層（４）を有する低侵入性粒子検出領域と；ｎ増大層の下に位置する、ｎ－－シリコン基板（５）からなる高侵入性粒子検出領域とからなる。選択されたドーピング極性のために、（放射線源（１３）からの粒子によって生成される）一次電子は、エントリ領域から離れるようにドリフトする。そのようにして、低侵入性粒子または放射線からの信号は増幅を経るが、ノイズは従来のＰＩＮ構造と同様に保たれ、したがって、信号対ノイズ比が増加する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線源（１３）からの粒子を受け入れるように構成された、多層構造を有する低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器であって、
前記放射線源（１３）からの前記粒子を受け入れるように構成されたエントリ領域であって、
浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）、を備えるエントリ領域と、
低侵入性粒子検出領域であって、深くなっていく方向に、
前記浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の下に位置するｐ吸収層（３）、
前記ｐ吸収層（３）の下に位置するｎ増大層（４）、を備える低侵入性粒子検出領域と、
高侵入性粒子検出領域であって、
前記低侵入性粒子検出領域の下に、前記ｎ増大層（４）に続く、ｎ－－シリコン基板（５）を備える高侵入性粒子検出領域と、
前記高侵入性粒子検出領域と接触する読み出し領域と、
周辺領域であって、
前記浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の両側に横方向に配置されたｐ＋終端ドーピング（２）、
前記浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）に接合された１つ以上の金属コンタクト（７ａ）、を備える周辺領域と、
を備える検出器。

【請求項2】

前記エントリ領域は、前記浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の上方に配置された保護層（６）をさらに備える、請求項１に記載の検出器。

【請求項3】

前記保護層（６）は、進入する中性子に対する変換層である、請求項２に記載の検出器。

【請求項4】

前記周辺領域は、前記保護層（６）の下に配置された酸化シリコン層（８）をさらに備える、請求項２に記載の検出器。

【請求項5】

前記浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）は、数十ナノメートルの厚さの範囲内である請求項１に記載の検出器。

【請求項6】

前記ｎ増大層（４）は、１～５マイクロメートルの厚さの範囲内である請求項１に記載の検出器。

【請求項7】

前記ｎ－－シリコン基板（５）は、１０～１０００μｍの厚さの範囲内である請求項１に記載の検出器。

【請求項8】

前記周辺領域は、前記Ｐ吸収層（３）の両側に位置するｎ＋＋オーミックコンタクト（９）をさらに含む、請求項１に記載の検出器。

【請求項9】

前記読み出し領域は、前記高侵入性粒子検出層に続いて、前記低侵入性粒子検出層の反対側にセグメント電極をさらに備える、請求項１に記載の検出器。

【請求項10】

前記セグメント電極は、前記ｎ－－シリコン基板（５）に接触するｎ＋＋コンタクト（１０）と、前記ｎ＋＋コンタクト（１０）に接続される追加の金属コンタクト（１２）とを備える、請求項９に記載の検出器。

【請求項11】

前記読み出し領域は、前記セグメント電極と交互にあり、かつ前記ｎ－－シリコン基板（５）と接触するｐ＋ストップ（１１）をさらに備える請求項９に記載の検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（発明の目的）
本発明の目的は層状構造を有する低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器であって、低侵入性放射線または粒子を検出する能力、良好な時間分解能および低ノイズを有し、室温で動作することもできる検出器を提供することである。

【背景技術】

【0002】

（発明の背景技術）
ＰＩＮダイオードに基づくシリコン放射線検出器は、高エネルギー物理実験において十分に確立されている。完全空乏状態において外部逆バイアスで動作するＰＩＮダイオードは、入射放射線によって与えられるエネルギーに比例する信号を生成する。

【0003】

シリコン光検出器は例えば、Ｘ線検出器としてシンクロトロン設備において、又は粒子検出器としての大規模粒子物理実験において広く使用されている。シリコン光検出器はその優れた特徴のために使用され、その特徴にはその小型サイズ、広い波長範囲に対する高い量子効率、およびパッド、ストリップ、またはピクセルのいずれかとしてのダイオードセグメンテーションによって定義される高い空間分解能が含まれる。

【0004】

低侵入性粒子（例えば、低エネルギー陽子、電子および／または中性子）および低エネルギーＸ線（光粒子、光子）を検出するために、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が開発された。このタイプの検出器は、内部信号増幅を示し、印加されたバイアス電圧に比例する利得を有し、大きな検出領域にわたって良好な均一性を有する。線形領域におけるそのような装置の動作は、吸収されたエネルギーに比例する信号出力を提供し、１０から１００の間の利得係数を有し、少数の光子までさえも低強度信号の検出を可能にする。しかしながら、信号対ノイズ比を歪める可能性がある増大プロセスに関連するノイズがあり、さらに、ＡＰＤに関連する漏れ電流レベルは高すぎて、粒子物理学およびハイブリッドピクセル検出器において使用される最新のハイブリッドピクセル読み出しシステムと互換性がない。

【0005】

ＡＰＤにおけるドーピングレベルの変更は、比例応答のために線形モードで動作される５～１０の領域において、より低い利得を有する装置の製造を可能にした。そのような装置は、低利得アバランシェ検出器（ＬＧＡＤ）として知られている。

【0006】

それらは、低電圧で動作し、したがって、完全な空乏を達成するために高抵抗率シリコン基板（５～１０ｋΩｃｍ）を必要とする。より低い利得は、標準的なＡＰＤと比較して、デバイス温度および印加バイアス電圧に対するノイズおよび検出器利得の依存性を低減する。ダイオードは、低利得がクロストークを回避するので、標準的なＰＩＮ検出器と同じ様式でセグメント化することができる。したがって、低エネルギーＸ線の検出を可能にし、エレクトロニクスのノイズフロア以下の信号を生成するハイブリッドピクセル検出器を製造することができる。

【0007】

ＬＧＡＤ設計は最小イオン化粒子によって生成されるサブナノ秒信号の検出を可能にし、イオン化は、検出器内の深さの関数として均一に生成される。１０の利得を有するＬＧＡＤの場合、ＬＧＡＤ基板が標準的なピンシリコン検出器と比較して１桁分だけ薄くされる場合、同じ総信号電荷が最小電離粒子から生成される。しかしながら、収集時間は１桁分だけ減少する。

【0008】

加えて、反転低利得アバランシェ検出器（ｉＬＧＡＤ）が最新技術から知られている。ｉＬＧＡＤは、背面コンタクトにＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）構造を有し、一方、セグメント化された前面は、オーミックコンタクトを用いて生成される。ｉＬＧＡＤは、低信号増幅と、デバイス領域全体で均一な、粒子が感受性バルクの何処を通過しても同じ信号増幅を保証する、電界とを有する、Ｐ－ｏｎ－Ｐ位置感受性検出器である。

【0009】

この技術は再現性があり、十分に制御されている。しかしながら、低い透過深さ、すなわち、１マイクロメートル未満の透過深さを有するイオン、荷電粒子、または放射線を検出することはできない。

【発明の概要】

【0010】

（発明の説明）
低侵入性粒子は、ケイ素中の透過深さが１マイクロメートル未満の粒子であると理解される。低侵入性粒子の信号を検出することを試みるとき、センサは３つの別個の要件に直面する：第１に、表面における非活性層は薄くある必要があり、第２に、表面における電荷収集効率（ＣＣＥ）は高い必要があり、第３に、読み出しは、高い信号ノイズ比（ＳＮＲ）を有する必要がある。

【0011】

第１の要件に関して、半導体センサは常に、環境からの保護のために、その表面上に非活性層を有する。これらの非活性層は、そもそも低侵入性粒子がセンサの感受性層に到達することを可能にするために、可能な限り薄く作られなければならない。しかし、たとえそうであっても、一次粒子のエネルギーのかなりの部分は、非活性層に与えられ、測定することができない。したがって、非活性層の厚さおよび組成は、センサの下限エネルギーを規定する。

【0012】

第２の要件に関して、シリコン基板の表面（非活性層の下）はバルクよりも高い欠陥密度を有し、通常、フィールドストップを形成するために高濃度にドープされる。したがって、シリコン表面領域に与えられたエネルギーから生成された電子－正孔対は、高めの再結合確率に直面し、したがって、測定可能な信号がさらに低減される。これは、典型的にはシリコン表面に近い１よりも著しく低いＣＣＥにおいて明らかである。しかしながら、高い検出効率を有するセンサは、表面に近い１のＣＣＥを有するべきである。

【0013】

第３の要件に関して、残りの信号電荷は、最小イオン化粒子（ＭＩＰ）の信号よりも容易に１桁低いことができる。したがって、十分に高いＳＮＲを有する読み出しが最も重要である。

【0014】

特に、低エネルギー陽子のような低侵入性粒子の場合、センサ内の信号はセンサの表面の近くで生成され、その大部分は１マイクロメートル未満の深さで生成される。従来のシリコンセンサでは、表面の非活性層がそれよりもはるかに厚い。

【0015】

提案された低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器（ｐＬＧＡＤ）は、１５ナノメートルのオーダーの、好ましくはアルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化ケイ素で作られた、薄いエントリ領域を含むことによって、低侵入性粒子のこれらの特別な要件に適合する。信号収集電極の極性はｎ型であり、一次電子は、増大層を横断して読み出し領域にドリフトする。これは、ｐ－ｎ接合、ひいては増大層をエントリ領域に保持するために、シリコン基板の極性の反転も意味する。ｐ－ｎ接合および増大層は、エントリ領域から離れてバルク内に移動され、薄いｐ型吸収層が導入される。

【0016】

したがって、本発明の低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器（ｐＬＧＡＤ）は低い侵入性深さ（すなわち、１マイクロメートル未満）を有するイオン、荷電粒子または放射線の検出を可能にする。特に、それは、線形増大層を伴う超浅いエントリ領域と、読み出し領域における電極の微細なセグメンテーション（数マイクロメートル）の可能性を有する小さな容量とを組み合わせる多層構造を含む。

【0017】

ｐＬＧＡＤ検出器では、エントリ領域の近くで生成された信号のみが増幅される。これにより、この検出器の構想は、高エネルギー粒子の適用にとってはあまり興味深くないが、低エネルギー物理実験および材料科学および医学の分野におけるそれぞれの適用、試験または診断には完全に適している。このｐＬＧＡＤ検出器の構想で、検出器の固有漏れ電流のほとんどは、この電流が材料のバルク内に生成され、正孔のみが増大層を横切るので、増幅されないままであることに留意されたい。したがって、ｐＬＧＡＤ検出器の構想は、低侵入性粒子を検出するために２つの系統的な非対称性を巧みに使用する：一方では信号が表面（エントリ領域）の近くでのみ生成され、他方では電子のみが増大されるという事実である。

【0018】

この検出器は、中性子物理学、イオン物理学、医学物理学、宇宙研究、シンクロトロン検出器および量子技術などの分野において、低エネルギー陽子、電子、中性子および／またはＸ線の検出のための適用を見出すであろう。

【0019】

具体的には、検出器が５つの主要領域：エントリ領域、低侵入性粒子検出領域（ｐドープ領域）、高侵入性粒子検出領域（ｎドープ領域）、読み出し領域、および周辺領域を有する多層構造を備える。

【0020】

エントリ領域は、放射線源に面し、様々な粒子を受容する。それは、保護コーティングと、放射線源に面するかまたは保護コーティングの下に配置され、数十ナノメートルの厚さの浅いｐ＋＋フィールドストップドーピングとを含むことができる。

【0021】

低侵入性粒子検出領域は、エントリ領域の下に配置され、浅いｐ＋＋フィールドストップの下に配置されたｐ吸収層と、ｐ吸収層の下に配置され、厚さが約１～５マイクロメートルのｎ増大層とを含む。

【0022】

高透過粒子検出領域は低透過粒子検出領域の真下に位置し、依然としてエントリ領域の近くにあり、そして、約１０～１０００マイクロメートルの厚さの、ｎ増大層に続くｎ－－シリコン基板を含む。

【0023】

装置はまた、高侵入性粒子検出領域に接触する読み出し領域を含み、読み出し領域は、パッド、ピクセル、またはストリップ電極を含むことができる。電極は次に、ｎ－－シリコン基板と接触するｎ＋＋コンタクトと、ｎ＋＋コンタクトに接続された金属コンタクトとを含む。

【0024】

読み出し領域はさらに、ストリップ電極と交互にあり、かつｎ－－シリコン基板と接触するｐ＋ストップを備えることができる。

【0025】

最後に、装置は、周辺領域も備え、周辺領域は順に、保護コーティングに接合された１つ以上の金属コンタクトと；浅いｐ＋＋フィールドストップドーピングに接合され、浅いｐ＋＋フィールドストップドーピングに規定の電位をかけることを可能にする１つ以上の金属コンタクトと；保護コーティングの下に配置された酸化シリコン層と；浅いｐ＋＋フィールドストップの両側に横方向に配置されたｐ＋終端ドーピングと、を備えることができる。

【0026】

ｐＬＧＡＤの材料極性は、入射粒子によって生成される一次電子を読み出し領域にドリフトさせる。したがって、増大は、低侵入性粒子検出領域においてのみ生成される信号に作用する。

【0027】

その設計および低侵入性粒子へのその適用により、ｐＬＧＡＤは多くの興味深い有利な特性を有する：
・ノイズ挙動およびバックグラウンド除去は、検出器の厚さを適切に選択することによって最適化することができる。

【0028】

・低侵入性粒子のＳＮＲは、欠点なく増加する。

【0029】

・電流パルス形状は、高速タイミングを可能にする。

【0030】

・室温での動作が可能である。

【0031】

・完全増大のために入射粒子のエネルギー範囲を選択する際の柔軟性。

【0032】

・増大層は、多くの読み出し方式と互換性がある。

【0033】

以下の段落は、列挙された利点について詳細に説明する：
ノイズ挙動およびバックグラウンド除去は、検出器の厚さを適切に選択することによって最適化することができる。一次信号は、表面の近くに生成される。したがって、高エネルギー粒子とは対照的に、総電荷は入射粒子のエネルギーのみに依存し、検出器の厚さには依存しない。これは、ｐＬＧＡＤの厚さが、例えばノイズ挙動またはバックグラウンド微粒子に対する応答を最適化するために、製造技術の限度内で自由に選択することができることを意味する。

【0034】

厚さは、パルス持続時間および振幅、ならびに読み出し電子回路によって見られる負荷容量に影響を及ぼす。それに加えて、薄いｐＬＧＡＤ（１００マイクロメートル未満）は高エネルギー粒子が通過し、それらの信号高さを抑制することを可能にし、厚いｐＬＧＡＤ（１．５ミリメートル超）は、センサ内でそれらを完全に停止させることによって、深い侵入性粒子の分光測定を可能にする。

【0035】

ＳＮＲは、欠点なく増加する。ｐＬＧＡＤの極性の選択に伴って、進入する低侵入性粒子によって生成されるイオン化電子（一次電子および二次電子）のみが増大される。横断するバックグラウンド粒子から、または熱励起によってなど、バルク内に生成された電子は、増大層から離れるようにドリフトする。これは、横断する粒子にとって、ｐＬＧＡＤは平面センサのように振る舞うことを意味する。

【0036】

漏れ電流およびその対応するノイズは増幅されない。これは、低侵入性微粒子のＳＮＲは、平面センサと比較して欠点なく、利得によって増加することを意味する。

【0037】

電流パルス形状は、高速タイミングを可能にする。一次電子は、直線経路上でｐＬＧＡＤ厚さを横切る。競合する技術とは対照的に、ｐＬＧＡＤセンサでは、一次電子が可能な限り最短の経路上で検出器の厚さを横断する。また、電子だけが検出器を横断し、正孔は横断しない。これは、高速立ち上がりエッジを有する短いパルス持続時間に繋がり、タイミングにとって有益である。

【0038】

室温での動作が可能である。高い検出効率は、信号電荷を蓄積し、それを繰り返し読み取る検出器によって達成することができる。しかしながら、これは、漏れ電流が信号を歪ませる時間のかかるプロセスである。したがって、冷却は、これらのセンサにとって必須である。対照的に、ｐＬＧＡＤは高い検出効率を達成しながら、室温で動作することができる。

【0039】

全増幅のための進入する粒子のエネルギー範囲を調節することができる。エントリ領域の組成は、検出可能な低侵入性粒子の最小エネルギーを規定する。対照的に、増大が起こる深さは、進入する粒子が有し得る上限エネルギーを定義し、一方、その信号の全てが増大される。結局、完全に増幅されるためには、入射粒子がｐ吸収層において完全に停止されなければならない。

【0040】

増大層は、多くの読み出し方式と互換性がある。信号の生成および読み出しは、検出器の異なる面上で行われる。したがって、ｐＬＧＡＤは、平面読み出し電極のための異なる幾何学的形状で実現され得、例えば、シリコンマイクロストリップセンサまたはピクセルレイアウトの形態で、もしくは、ｎ型基板内のｎ型電極を用いて実装され得る任意の他の読み出し方式の形態で実現され得る。これは、とりわけ、ＨＶ－ＣＭＯＳセンサのように、第１の増幅段を検出器に統合する読み出し方式を含む。

【0041】

ｐＬＧＡＤが、平面読み出し電極を用いて作製される場合、ちょうど他の平面センサと同様に動作することが容易である。または、別の言い方をすれば、ｐＬＧＡＤのような増大層は、原理的には低侵入性粒子に対するそれらの検出効率を高めるために、既存のセンサ技術に追加され得る。

【図面の簡単な説明】

【0042】

（図面の説明）
なされている説明を補足するために、また、本発明の特性のより良い理解を助けるために、その実用的な実施形態の好ましい例に従って、一組の図面が、説明的かつ非限定的な特性を伴って、前記説明の不可欠な部分として添付され。以下のものが表されている：

【図1】低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器の第１の実施形態を、１つの検出器半分の断面で示す。

【図2】低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器の第２の実施形態を、断面内の低侵入性放射線の影響を受けて示す。

【図3】電界プロファイルを有する装置の単純化された断面を示す。

【図4】１５ｋｅＶの陽子（上段）および最小電離粒子（ＭＩＰ、下段）からの電流パルスの比較を示し、どちらも発射された粒子の法線入射についてである。

【図5】図４の最初のピークにズームされた、１５ｋｅＶの陽子によって生成された電流パルスを時間の関数として示す。

【図6】垂直入射で異なるエネルギーを有する未検出陽子を、一次電子におけるデータ収集システムの検出閾値の関数として示す。

【発明を実施するための形態】

【0043】

（本発明の好適な実施例）
図１～図６を用いて、本発明の好適な実施形態を以下に説明する。

【0044】

図１に示すように、低侵入性粒子低利得アバランシェ検出器は、
エントリ領域であり、
保護層（６）、
保護層（６）の下に配置された、数十ナノメートルの厚さを有する、浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）、を備えるエントリ領域と、
低侵入性粒子検出領域であり、
浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の下に位置するｐ吸収層（３）、
ｐ吸収層（３）の下に配置された、約１～５マイクロメートルの厚さの増大層（４）、を備える低侵入性粒子検出領域と、
高侵入性粒子検出領域であり、
ｎ増大層（４）に続く、約１０～１０００マイクロメートルの厚さのｎ－－シリコン基板（５）を備える高侵入性粒子検出領域と、
読み出し領域であり、
高侵入性粒子検出層に続く、ピクセルまたはストリップ電極であり、
・ｎ－－シリコン基板（５）と接触するｎ＋＋コンタクト（１０）、
・ｎ＋＋コンタクト（１０）と接続された追加の金属コンタクト（１２）、を含むピクセルまたはストリップ電極、
ストリップ電極と交互にあり、かつｎ－－シリコン基板（５）と接触する、ｐ＋ストップ（１１）、を備える読み出し領域と、
周辺領域であり、
ｐ吸収層（３）の隣に配置された１つ以上のｎ＋＋オーミックコンタクト（９）、
第１の金属コンタクト（７ａ）が浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）に接合され、１つ以上の第２の金属コンタクト（７ｂ）がｎ＋＋オーミックコンタクト（９）に接合される、金属コンタクト（７ａ、７ｂ）、
保護層（６）の下に配置された酸化シリコン層（８）
浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の両側に横方向に配置されたｐ＋終端ドーピング（２）、を備える周辺領域、
を有する多層構造を備える。

【0045】

図２に示されるように、放射線源（１３）から来る低エネルギー陽子（または他の低侵入性粒子もしくは放射線）は、エントリ領域で検出器を照射する。陽子は保護層（６）を通過し得、保護層（６）は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３などを得るために原子層堆積によって堆積され、Ｓｉ_３Ｎ_４などを得るために低圧化学蒸着法によって堆積されている。

【0046】

保護層（６）は、湿気または擦過傷から検出器の表面を保護するために使用され、高バイアス電圧での動作下での長期の電気的安定性を保証する。保護層（６）は、可視、紫外線、および赤外線のための反射防止コーティングとして作用することができる。保護層（６）はまた、進入する中性子に対する変換層として使用することができる。堆積される最小厚さは、数ナノメートルオーダーであり、異なる放射波長に対して最適化することができる。

【0047】

周辺領域のｐ＋終端ドーピング（２）は、電界ピークを回避し、安定した高電圧動作を保証するために、浅いｐ＋＋フィールドストップの横方向隣に形成されなければならない。

【0048】

進入する陽子は高ドープ領域、浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）も通過しなければならず、したがって、それらによって生成される電子正孔の再結合を回避するために、それはできるだけ薄く保たれなければならない。ｐ吸収層（３）は例えば、イオン注入および様々なドーパント（Ｂ、Ｇａ、Ａｌ）によって形成することができる。

【0049】

特に、低エネルギー陽子粒子は数百ナノメートルオーダーで浸透するので、浅いｐ＋＋フィールドストップ（１）の深さは１００ナノメートル未満でなければならない。したがって、例えば１マイクロメートルの厚さのｐ吸収層（３）は、陽子（または他の低侵入性粒子）によって与えられた全てのエネルギーを吸収するために、その下に配置される。収集された電荷の増大信号を得るために、低侵入性粒子検出部、およびｎ型増大層は、高侵入性粒子検出層の上方に配置され、最終的な３倍ドーピングプロファイルをもたらす。

【0050】

このようにして、図３に示されているように高電界、すなわち、＞３．１０^５Ｖ／ｃｍ超の高電界が、ｐ／ｎ接合部で生成され、生成された電子－正孔対（ｅ^－／ｈ^＋）からの一次電子が増大される。

【0051】

ｐ吸収層（３）およびｎ増大層（４）は、イオン注入またはエピタキシャル成長によって形成することができる。ドーピングプロファイル及び形状の制御は、適切な電子利得を達成し、早期ブレークダウンを回避するために重要である。

【0052】

ｐ－ｎ接合を形成するｎ増大層（４）の前のｐ吸収層（３）の厚さは、進入する粒子または放射線の侵入深さに一致するように適合させることができる。

【0053】

ｎ－－シリコン基板（５）は、静電容量を減少させ、静電容量に直接関係するバイアス電圧の変化に対する安定性を向上させる。高侵入性粒子検出層の厚さは、読み出し電子回路への入力容量、したがってノイズを低減するように設計される。その厚さの可能な値は１０マイクロメートル～１０００マイクロメートル（または技術的に可能であれば、それ以上）の範囲である。高侵入性粒子検出層の厚さは検出器の最小動作電圧を規定するが、それは最小容量を得るために、完全な基板が電荷から枯渇しなければならないからである。

【0054】

検出器の読み出し領域は、その裏面にあってもよく、追加の金属コンタクト（１２）を介して読み出し電子回路に接続されたｎ＋＋コンタクト（１０）でセグメント化される。図２に示されるように、ｎ＋＋コンタクト（１０）は、イオン注入によってリンまたは同等のドーパントを用いて、および異なるサイズを有するパッド、ピクセルまたはストリップなどの異なる幾何学的形状を用いて、形成することができる。原理的にはｎ－ｉｎ－ｎコンタクトに適合する任意の読み出し方式を使用することができるが、それはｎ増大層（４）およびｐ吸収領域（３）の濃度に依存する。これは、とりわけ、ＨＶ－ＣＭＯＳセンサで使用されるものようなモノリシックピクセルを含む。

【0055】

予備シミュレーション結果は、アバランシェプロセスが提案構造のｐ吸収領域（３）とｎ増大領域（４）のドーピング濃度に関係することを示した。この意味で、電界の最大振幅を調整してその電気的性能を同調することが可能であり、ブレークダウン電圧の前にその線形発展を増加させるために、アノード電圧に対する利得を最適化する。

【0056】

平面センサでは、測定可能な信号は、電極に向かう電荷キャリアのドリフトによって生成される電流パルスである。本発明者らは、本発明の検出器における予想される電流パルスをシミュレートする。一次電子、一次正孔、二次電子、二次正孔、および合計された電流パルスについて電流パルスを別々に出力する。

【0057】

図４は１５ｋｅＶの陽子（上段、低侵入性）およびＭＩＰ（下段、センサ厚さ全体を横断）によって生成されたこれらの電流パルスのオーバーレイを示しており、両方とも垂直入射である。エントリ領域に近い信号のみが増幅される。高エネルギーの横断粒子、例えば、ＭＩＰの場合、ｐＬＧＡＤは、古典的な平面センサのように挙動する。

【0058】

図５は、１５ｋｅＶの陽子によって生成された電流パルスの拡大図である。パルス形状の最も重要な特徴は（時系列的にソートされて）下記である：
・ポイント１（１ｐｓ）：一次正孔がエントリ領域で収集されるときの小さな下落（粗い点線）。

【0059】

・ポイント２（４ｐｓ）：一次電子が増大され、二次電子が生成されるときの急激な増加（密な破線）。

【0060】

・ポイント３（１１ｐｓ）：二次正孔がエントリ領域に収集されるときの降下（密な点線）。

【0061】

・ポイント４（２６ｐｓ）：二次電子が高度にドープされた増大層を離れるときの降下ショルダー（密な破線）。これは、初期ピークの終わりを示す。

【0062】

・ポイント５（３０ｐｓ）：一次電子および二次電子が１つのコンパクトパッケージ内の読み出し領域にドリフトする場合の平坦域（粗い破線および密な破線）。

【0063】

・ポイント６（３ｎｓ、図４に示す）：一次電子および二次電子が読み出し電極の近傍に到達し、より高い重み付け照射野を経験するとき、わずかに増加する。

【0064】

・ポイント７（３．７ｎｓ、図４に示す）：イオン化電子（一次電子および二次電子）が読み出し電極で収集されるときの急激な降下。

【0065】

電流パルスの正確な形状は、ドーピングプロファイル、ｐ－ｎ接合部の深さ、および増大層の厚さのような多くの事柄に依存する。図５に示される電流パルスは単純化されたシミュレーション設定の結果であり、現実的なドーピングプロファイルは、より洗いざらしの形状をもたらす。しかしながら、パルス形状の主要な特徴は依然として存在する。

【0066】

ｐＬＧＡＤの構想は、超低ノイズシリコンセンサ、位置分解、背面照明のための薄いエントリ領域など、特定のニッチを対象としている。このニッチは、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）および枯渇型Ｐチャネル電界効果トランジスタ（ＤＥＰＦＥＴ）という２つの他のシリコン技術によっても提供される。

【0067】

ＳＤＤは、低エネルギー物理学、特に、広い領域を計測しなければならず、粗い位置分解能が必要とされるにすぎない低エネルギー物理学において一般的な選択肢である。ｐＬＧＡＤとの比較は、ＳＤＤが平方センチメートルのオーダーの大面積感知素子のために秀でているので、公平ではない。このサイズは、ｐＬＧＡＤセンサの目標位置分解能よりもはるかに大きいので、ＳＤＤに対して直接比較可能なノイズ推定はない。したがって、完全性のためのＳＤＤについて述べるが、それぞれの性能の詳細な比較は提示しない。

【0068】

ＤＥＰＦＥＴセンサは、高エネルギー粒子研究に由来し、数十マイクロメートルまでの小さなピクセルサイズで利用可能である。（ＳＤＤ上のように）ドリフトリングと組み合わせて、より大きいピクセルサイズが可能である。

【0069】

ピクセルサイズが０．４×１．６平方ミリメートルの場合、図６のｐＬＧＡＤとＤＥＰＦＥＴの性能を直接比較することができる。適切な画素形状を有するＤＥＰＦＥＴセンサは、－５０℃に冷却されると、３０個未満の一次電子の検知しきい値に達する。ｐＬＧＡＤは５０個を超える一次電子に限定されるが、室温である。

【0070】

ＤＥＰＦＥＴおよびＳＤＤ技術の両方はいくつかの複雑さを導入する：センサは複雑であり、したがって高価であり、少なくとも７（ＳＤＤの場合は５）の異なる動作電圧を必要とする。ＤＥＰＦＥＴセンサでは、漏れ電流とそれに対応するノイズを低く保ち、検出効率を高めるために冷却が必須である（図６参照）。さらに、ＤＥＰＦＥＴ技術はいくつかの異なるカスタム読み出しチップを含み、マイクロ秒のオーダーの比較的低いフレームレートを有する。

【0071】

対照的に、提案されたｐＬＧＡＤは、１つの供給電圧のみで動作することができ、平面センサを読み取ることができる市販の読み出しシステムで動作し、室温で動作することができ、高い固有時間分解能を有し、および、単純な平面製造プロセスのために非常に安価である。

【0072】

図６は、未検出陽子の割合を、１５ｎｍの保護層（６）を有し、垂直入射での異なる陽子エネルギーに対するデータ収集システムの検出閾値の関数として示す。明確にするために、図６はエラーバーなしであるが、モンテカルロ法の統計的変動のために、表された値はより高くても低くてもよい。陽子は、検出器の活性領域に少なすぎるエネルギーを与えるとき、または非活性層内で完全に停止するときに、後方散乱のために検出しないことがある。

【0073】

１５ｋｅＶの陽子エネルギーに対して、ｐＬＧＡＤは、同じ画素レイアウトの無冷却ＤＥＰＦＥＴセンサよりも優れており、冷却されたもののようにほぼ同じ検出効率を達成する。最良の場合のシナリオとして、０．１５％オーダーの陽子損失（または９９．８５％の検出効率）が可能であると思われる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】