Development of Wide-band X-ray gamma-ray and optical-infrared integrated imaging devices by Japan's Original Surface-Activated Wafer Bonding Technology

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SiとGeの半導体結晶の接合技術「常温SAB」を用いて，0.5-100keVの広帯域X線・ガンマ線と，0.3-1.8μmの可視光・近赤外線を一気に観測可能な「Si-Ge一体型撮像素子」を提案する．検出部の厚いGe層と，読み出し部のSi回路層は半導体結晶として接合されている．X線・ガンマ線に対してGeはSiより1桁大きい質量吸収係数を持ち，光赤外線に対してGeのバンドギャップはSiの半分なので，それぞれ波長で観測帯域が広がる．読み出しはSi回路層で行うので，低雑音や小さいピクセルが可能である．いわば，GeとSiの「いいとこ取り」である．これを実現する鍵は常温SABである．本研究はこの常温SABを用いた「Si-Ge一体型撮像素子」を実現することが最終目的である．これに対し，今年度は下記を行った．(1) Si-Ge撮像素子のコンセプトの確認．(2) SABでのSi-Ge接合品質の改善，(3) Si-Ge ピクセルTEGチップ用のSi側ピクセルアレイの準備，(4) Si-Ge撮像素子の元となるSi側SOI撮像素子の試作．(1)(2)に関して，界面回復アニーリングとして試した３つのサンプルに対して，I-V特性の評価を行い，最もリーク電流が低く，PN接合の特性が得られた条件を，ベストプロセス条件と判断した．この素子に対して，逆バイアスでの光反応を評価した．Siは吸収しないIRレーザー光を照射したところ光電流が発生した．すなわちGe側で空乏層が形成されたことを確認した．以上から基本コンセプトの正しさを確認できた．(3)に関して，小型のSi-Ge TEGチップとして，研究代表者が行ってきた一連のX線SOIピクセルセンサ開発の資産であるPDD-TEG2を採用し，その準備を行った．またGeウェハの準備も進めた．すでに保持している2枚のGeウェハに対してイオン注入を実施した．