(57)【要約】  本発明は、高い検出感度を有する放射検出器を提供する。本発明に係る放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、Ａｌ2Ｏ3基板上に積層され、ＣｏＯ2面がＡｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、第１電極と対向する位置に配置された第２電極とを具備し、Ａｌ2Ｏ3基板の表面が、ｎ面またはＳ面である。
2010095199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3基板と、
前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、
前記Ａｌ2Ｏ3基板の表面が、ｎ面またはＳ面である、放射検出器。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極が、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌからなる、請求項１に記載の放射検出器。
【請求項３】
放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、
前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記Ａｌ2Ｏ3基板の表面が、ｎ面またはＳ面であり、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する、放射検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異方熱電効果を利用した、放射検出器およびそれを用いた放射検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電力（熱起電力）が発生する。熱電変換材料において、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される現象は、ゼーベック効果として知られている。発生する起電力Ｖは、温度差ΔＴと、材料固有のゼーベック係数Ｓとを用いて、Ｖ＝ＳΔＴで表される。【０００３】
等方的な物性を示す熱電変換材料において、ゼーベック効果によって発生する起電力は、温度差が生じた方向にのみ生じる。一方、電気輸送特性に異方性を示す熱電変換材料は、結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向と直交する方向に起電力が発生する。なお、電気輸送特性とは、電荷をもつ電子や正孔が物質中を移動する振舞いをいう。このように、材料の結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向（熱流方向）とは異なる方向に起電力が発生する現象を、異方熱電効果あるいは非対角熱電効果という。【０００４】
図１１は、異方熱電効果を説明するための座標系の図である。図１１に示すように、試料１０１の結晶軸ａｂｃが、空間軸ｘｙｚに対して傾斜している。試料１０１において、ｚ軸に沿った方向に温度差ΔＴzを与えると、ｚ軸と直交する方向であるｘ軸に沿った方向に、起電力Ｖxが発生する。起電力Ｖxは、式（１）により表わされる。
【数１】
2010095199.tif 000003
ただし、ｌは試料１０１の幅、ｄは試料１０１の厚さ、αは試料１０１の表面（ｘｙ面）に対するａｂ面の傾斜角度、ΔＳはｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとａｂ面内方向のゼーベック係数Ｓabとの差（異方性による差）を表す。【０００５】
従来、異方熱電効果を利用した放射検出器として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d（以下、ＹＢＣＯという）の傾斜積層薄膜を用いた放射検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。傾斜積層薄膜とは、基板に積層された薄膜であって、基板の表面に対して結晶軸が傾斜し、複数の傾斜した層が積層された層状構造を有する薄膜をいう。ＹＢＣＯ薄膜は、電気伝導性を有するＣｕＯ2層と、絶縁性を有するＹ層およびＢａＯ層とが、ｃ軸方向に沿って交互に積層された異方的な結晶構造を有する。このＹＢＣＯ薄膜を、適当な基板表面上に、ｃ軸が基板表面に対して傾斜するように積層（傾斜積層）した場合、図１１に示した系と同様の系が成り立つ。ＣｕＯ2面は、図１１におけるａｂ面に対応する。この傾斜積層されたＹＢＣＯ薄膜の表面に電磁波が入射すると、ＹＢＣＯ薄膜の表面と垂直な方向に温度差が生じる。その結果、異方熱電効果により、ＹＢＣＯ薄膜の表面と平行な方向に起電力が発生する。この起電力を読み取ることで、ＹＢＣＯ薄膜の表面に入射した電磁波を検出することができる。このＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、約１００ｍＶ／Ｋの感度で電磁波の検出が可能である。【０００６】
式（１）より、異方熱電効果によって発生する起電力Ｖxは、ゼーベック係数の異方性による差ΔＳ、試料のアスペクト比ｌ／ｄ、および傾斜角度αの２倍の角度の正弦値ｓｉｎ２αに比例する。ＹＢＣＯ薄膜は、ΔＳが１０μＶ／Ｋよりも小さく、ＣｕＯ2面の傾斜角度αが単一の角度に保たれる場合の上限は、約１０〜２０°に制限される（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。したがって、ＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器は、実用化するためには感度が十分とはいえない。傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の感度を向上させるには、ΔＳがより大きい材料を用いる、薄膜の傾斜角度αをできるだけ４５度に近づける等の方法がある。傾斜積層薄膜における傾斜角度αの範囲は、薄膜材料と、当該薄膜材料が積層される基板材料との組み合わせに依存するため、傾斜角度αを４５°付近まで幅広く制御できるように、適切な基板材料を選ぶことが好ましい。【０００７】
特許文献１には、Ｐｒが一部ドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いる放射検出器が開示されている。特許文献１によると、この放射検出器は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器に比べて、約２０倍の感度を有する。そして、この理由は、ＰｒドープによってＹＢＣＯ薄膜のゼーベック係数が増加するためである、と示唆されている。しかし、非特許文献３には、Ｐｒドープされることにより、ＹＢＣＯ薄膜におけるａｂ面内方向のゼーベック係数は増加するが、ΔＳは小さくなることが記載されている。また、非特許文献３には、特許文献１の放射検出器に用いられた、ＹＢＣＯ薄膜におけるＰｒドープ範囲では、ΔＳが小さくなることが記載されている。非特許文献３には、特許文献１において使用されている波長２４８ｎｍの光とは異なる波長（３０８ｎｍ）の光を使用して、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の光照射に対する応答を測定した結果が記載されている。それによると、異方熱電効果によって発生する起電力は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜に比べて、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の方が小さくなる。特許文献１に記載されたように、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いた、放射検出器の感度が向上した原因は、おそらく、Ｐｒドープにより、波長２４８ｎｍの光に対するＹＢＣＯ薄膜の吸収係数が増加したためであると考えられる。したがって、特許文献１の放射検出器は、波長２４８ｎｍの光に対しては高感度であるが、他の波長域については、検出感度が向上するとは言い切れない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２４７８５１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H. S. Kwok, J. P. Zheng, "Anomalous photovoltaic response in YBa2Cu3O7", The American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B, (1992),VOLUME 46, NUMBER 6, 3692
【非特許文献２】Physica C 377 (2002) 26-35, Elsevier Science B. V.
【非特許文献３】15th International Conference on Thermoelectrics (1996), IEEE, pp. 494-498
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされた発明であり、その目的は、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記Ａｌ2Ｏ3基板の表面が、ｎ面またはＳ面である。【００１２】
また、本発明の放射検出方法は、放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板上に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記Ａｌ2Ｏ3基板の表面が、ｎ面またはＳ面であり、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する。【００１３】
本発明者等は、様々な条件を検討し、最適化することにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜、Ａｌ2Ｏ3基板の２層構造を有する積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製することが可能であることを見出した。この２層構造を有する積層体を備えた放射検出器によれば、傾斜積層薄膜であるＣａxＣｏＯ2薄膜の結晶軸の傾斜角度を大きくすることができる。したがって、傾斜角度を４５°に近づけることもでき、それにより、放射検出器の検出感度（起電力）を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る放射検出器の一形態の断面図
【図２】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜のポールフィギュアを示す図
【図３】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図
【図４】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ積層体の２層断面像
【図５】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜内の高分解能像
【図６】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ積層体の２層断面像
【図７】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜内の高分解能像
【図８】起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図
【図９】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ
【図１０】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ
【図１１】異方熱電効果を説明するための座標系の図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る放射検出器の一形態の断面図である。図１に示すように、放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板（サファイア基板）１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、Ａｌ2Ｏ3基板１１に接するように積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に配置された第１電極１４および第２電極１５とを備えている。ただし、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は、作製条件により組成ずれを生じることがあるが、ｘは０．１５＜ｘ＜０．５５であればよい。ｘがこの範囲であれば、ＣａxＣｏＯ2は安定した構造を有している。
【００１７】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は傾斜積層薄膜であって、ＣｏＯ2層とＣａxブロック層とが交互に積層した層状構造を有する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、ＣｏＯ2面１６内方向のゼーベック係数Ｓabと、その垂直方向であるＣａxＣｏＯ2薄膜１３のｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとは異なる値であり、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は異方性を示す。
【００１８】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、複数のＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１表面に対して傾斜していて、互いに平行に、並んで配置されている。第２電極１５は、第１電極１４に対して起電力取り出し方向１７に離間して配置されている。つまり、起電力取出し方向は、第１電極１４と第２電極１５とが対向する方向である。起電力取出し方向１７は、ＣｏＯ2面１６とＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面との交線（紙面に対して垂直方向の線）に対して垂直であって、かつＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に平行な方向であり、ＣｏＯ2面１６が傾斜して並んでいる方向である。ＣｏＯ2面１６は、起電力取出し方向１７に対して、傾斜角度αで傾斜している。また、ＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対しても、傾斜角度αで傾斜している。
【００１９】
放射検出器１０は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３およびＡｌ2Ｏ3基板１１からなる２層構造を有している。この２層構造の積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜した構造を持つ傾斜積層薄膜（ＣａxＣｏＯ2薄膜１３）を作製することが可能である。したがって、傾斜角度αを、従来の放射検出器の傾斜積層薄膜の傾斜角度よりも大きくすることができる。放射検出器１０においては、傾斜角度αは、１０°以上８０°以下であればよく、好ましくは２０°以上７０°以下である。これにより、検出感度の高い放射検出器１０を実現できる。式（１）からもわかるように、放射検出器１０において、傾斜角度αは４５°であることが特に好ましい。放射検出器１０においては、傾斜角度αを、より４５°に近づけることができる。
【００２０】
放射検出器１０において、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に電磁波が入射すると、電磁波がＣａxＣｏＯ2薄膜１３に吸収される。これにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、薄膜面間方向（厚さ方向）１８に温度勾配が生じる。薄膜面間方向１８は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に対して垂直である方向であり、起電力取出し方向１７に対して直交する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３内に温度差が生じることで、異方熱電効果により、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３には、起電力取出し方向１７に起電力が発生する。発生した起電力は、第１電極１４および第２電極１５を介して外部に出力される。外部に出力される起電力を検出することで、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に入射した電磁波を検出することができる。
【００２１】
本発明の放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１電極１４および第２電極１５を設置することで作製することができる。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層する方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法等の気相成長によるもの、あるいは液相からの成長など、種々の方法を適用すればよい。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の膜厚は、単位格子層以上であれば、特に限定されるものではなく、具体的には、１００〜２００ｎｍである。なお、この範囲以外の厚さであっても、問題はない。
【００２２】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３のＣｏＯ2面１６の傾斜角度αは、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対するＡｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βの値により決定される。したがって、放射検出器１０を作製する際に、所望とする傾斜角度αの値に応じた傾斜角度βを有する、Ａｌ2Ｏ3基板１１を用いればよい。例えば、表面が、ｎ面またはＳ面であるＡｌ2Ｏ3基板１１を用いることが好ましい。なお、ｎ面は、例えば（１１−２３）面であり、Ｓ面は、例えば（１０−１１）面である。なお、αは、β±１０°程度の値となるが、作製条件によって、αの値はこの範囲以外にも変動する。
【００２３】
第１電極１４および第２電極１５は、電気伝導性の高い材料であれば特に限定されない。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ等の金属、ＴｉＮ等の窒化物、またはスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2等の酸化物を用いればよい。また、はんだ、導電性ペースト等を用いて、第１、第２電極１４、１５を作製してもよい。また、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１、第２電極１４、１５を作製する方法も、特に限定されない。例えば、蒸着法、スパッタ法などの気相成長による方法の他に、導電性ペーストの塗布、めっき、溶射、はんだによる接合など、様々な方法を用いることができる。なお、第１電極１４および第２電極１５の構成材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌが好ましく、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕがさらに好ましく、ＣｕまたはＡｇが特に好ましい。
【００２４】
なお、放射検出器１０の製造方法は、Ａｌ2Ｏ3基板１１およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３からなる２層構造を実現し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に第１、第２電極１４、１５を設置することができる方法であればよく、特に上記方法に限定されるものではない。
【００２５】
放射検出器１０は、作製の際に、Ａｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βを制御することで、傾斜角度αを制御できるため、傾斜角度αを幅広い範囲で制御することができる。それにより、従来のＹＢＣＯ薄膜に比べて、約４倍程度大きいΔＳを有するＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、従来のＹＢＣＯ薄膜のＣｕＯ2面の傾斜角度を大きく上回るＣｏＯ2面１６の傾斜角度を実現できる。したがって、従来の、傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の性能を大きく超える放射検出器の実現が可能である。本発明は、熱と電気とのエネルギー変換の応用を促進させるものであり、本発明の工業的価値は高い。
【００２６】
なお、傾斜積層薄膜としてＣａxＣｏＯ2薄膜を用いたが、代わりにＳｒxＣｏＯ2薄膜を用いても、同様の効果を奏すると考えられる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。【００２８】
（０００１）面に対して６１°傾斜した、ｎ面（（１１−２３）面）を表面に持つＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の傾斜角度βは、６１°である。【００２９】
また、（０００１）面に対して７２°傾斜した、Ｓ面（（１０−１１）面）を表面に持つＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の傾斜角度βは、７２°である。薄膜の作製には、すべて、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）マグネトロンスパッタを使用した。【００３０】
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）の作製には、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。同様に、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上にも、ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）を作製した。作製したＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、どちらも、Ｃａ、Ｃｏの組成比が略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。【００３１】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造を確認するため、それぞれについて、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。ポールフィギュア測定により、ある特定の結晶面の、基板表面に対する傾きや、その整列方向に関する情報を得ることができる。測定条件は、測定目的とする結晶面が水平面と平行になる配置において、Ｘ線の入射および検出角度（θ−２θ）をブラッグの条件を満たす角度に固定する。この状態で、基板平面を水平方向から傾け（ψ＝０〜９０°）、さらに面内方向に回転させる（φ＝０〜３６０°）。検出される散乱Ｘ線は、目的とする結晶面が水平面と平行になったときにのみ強め合う。ψ及びφを変化させ、検出される散乱光の強度分布を測定することで、その結晶面の傾斜角度（ψの値）や整列方向（φの値）を知ることができる。【００３２】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の（００１）回折ピークが現れる角度に２θを固定して測定し、得られたポールフィギュアを示す図を図２に示す。なお、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の（００１）面はＣｏＯ2面に対応している。図２に示すように、ψ≒６２°、φ≒９０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れている。これは、ＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の表面に対して６２°傾いて積層していることを表している。したがって、傾斜角度αは約６２°である。【００３３】
同様に測定して得られたＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図を図３に示す。図３に示すように、ψ≒７０°、φ≒９０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れている。これは、ＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の表面に対して７０°傾いて積層していることを表している。したがって、傾斜角度αは約７０°である。図２および図３において、回折ピークが１つしか観測されなかったことから、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜において、ＣｏＯ2面は単一方向に傾斜積層していることがわかる。【００３４】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造をさらに確認するため、断面透過電子顕微鏡による評価を行った。図４は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ積層体の２層断面像であり、図５は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜内の高分解能像である。また、図６は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ積層体の２層断面像であり、図７は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜内の高分解能像である。【００３５】
図４〜７より、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜において、一様なストライプ構造が明瞭に観察された。このストライプ構造は、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板およびＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の表面に対して、それぞれ傾斜しており、その角度は、それぞれのポールフィギュアにより算出されたＣｏＯ2面の傾斜角度αと一致する。さらに、このストライプの間隔は、ＣａxＣｏＯ2におけるＣｏＯ2面の格子間隔（５Å（オングストローム））と一致する。以上より、（０００１）面が表面に対して傾斜しているＡｌ2Ｏ3基板上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層することで、Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して、ＣｏＯ2面が傾斜積層したＣａxＣｏＯ2薄膜が実際に形成されていることが確認された。【００３６】
図８は、起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図である。図８に示すように、放射検出器２０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に設置された第１電極対２１および第２電極対２２とを備える。第１電極対２１は、ＣｏＯ2面１６の傾斜整列方向２３に沿って離間して配置された一対の電極であり、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３に垂直な方向に沿って離間して配置された一対の電極である。なお、傾斜整列方向２３は、起電力取出し方向と同一である。第１電極対２１の各電極間を結んだ線分と、第２電極対２２の各電極間を結んだ線分との交点が、互いの線分の中心位置であるように、第１電極対２１および第２電極対２２が配置されている。なお、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３と垂直な方向に起電力が発生するか否かを確認するためのものであり、実際の放射検出器においては、配置しなくてもよい。【００３７】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を、それぞれ用いて、図８に示す構造の放射検出器を作製した。第１電極対および第２電極対は、それぞれＡｕからなり、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面に、真空蒸着法により形成した。各電極対における、それぞれの電極間の幅は６ｍｍにした。なお、実際の放射検出器において、電極幅は６ｍｍに限定されるわけではなく、用途や設置場所などに応じて、適宜、最適化すればよい。【００３８】
作製した放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ（波長８００〜２０００ｎｍ）から発生させた電磁波を、スポット径が８ｍｍとなるように入射させた。具体的には、赤外線ランプから４８０ｍＷの電磁波を出力し、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面の中心位置に入射させ、傾斜整列方向に生じる起電力Ｖ1と、傾斜整列方向に対して垂直方向に生じる起電力Ｖ2とを測定した。図９は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。図９に示すように、赤外線ランプからの電磁波が、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約１１２μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。【００３９】
また、図１０は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。図１０に示すように、赤外線ランプからの電磁波が、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約９０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。図９、図１０からわかるように、放射検出器において、起電力が生じる方向は、傾斜整列方向のみである。起電力の発生方向が、ＣｏＯ2面の傾斜整列方向に依存していることから、Ｖ1の起電力の発生が、異方熱電効果に由来することがわかる。【００４０】
これら放射検出器のＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の表裏面に生じている温度差ΔＴzは、式（１）より、共に０．２５ｍＫ程度と見積もられる。なお、式（１）における各値は共に、ΔＳ＝３５μＶ／Ｋ、ｄ＝１５０ｎｍ、ｌ＝６ｍｍである。そして、上述のように、それぞれの放射検出器において、Ｖxは、１１２μＶ、９０μＶであり、αは、６２°、７０°である。【００４１】
したがって、傾斜整列方向の検出感度は、それぞれの放射検出器において、４５０ｍＶ／Ｋおよび３６０ｍＶ／Ｋに達する。これは、従来のＹＢＣＯ傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の検出感度（１００ｍＶ／Ｋ）と比較すると、それぞれ、約４．５倍および約３．６倍である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る放射検出器は、優れた放射検出特性を有しており、温度センサーや、レーザー光のパワーメーターなど、電磁波の放射を伴う各種対象物の検出に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年4月8日(2010.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異方熱電効果を利用した、放射検出器およびそれを用いた放射検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電力（熱起電力）が発生する。熱電変換材料において、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される現象は、ゼーベック効果として知られている。発生する起電力Ｖは、温度差ΔＴと、材料固有のゼーベック係数Ｓとを用いて、Ｖ＝ＳΔＴで表される。
【０００３】
等方的な物性を示す熱電変換材料において、ゼーベック効果によって発生する起電力は、温度差が生じた方向にのみ生じる。一方、電気輸送特性に異方性を示す熱電変換材料は、結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向と直交する方向に起電力が発生する。なお、電気輸送特性とは、電荷をもつ電子や正孔が物質中を移動する振舞いをいう。このように、材料の結晶軸の傾斜配置により、温度差が生じた方向（熱流方向）とは異なる方向に起電力が発生する現象を、異方熱電効果あるいは非対角熱電効果という。
【０００４】
図１１は、異方熱電効果を説明するための座標系の図である。図１１に示すように、試料１０１の結晶軸ａｂｃが、空間軸ｘｙｚに対して傾斜している。試料１０１において、ｚ軸に沿った方向に温度差ΔＴzを与えると、ｚ軸と直交する方向であるｘ軸に沿った方向に、起電力Ｖxが発生する。起電力Ｖxは、式（１）により表わされる。
【数１】
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ただし、ｌは試料１０１の幅、ｄは試料１０１の厚さ、αは試料１０１の表面（ｘｙ面）に対するａｂ面の傾斜角度、ΔＳはｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとａｂ面内方向のゼーベック係数Ｓabとの差（異方性による差）を表す。
【０００５】
従来、異方熱電効果を利用した放射検出器として、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-d（以下、ＹＢＣＯという）の傾斜積層薄膜を用いた放射検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。傾斜積層薄膜とは、基板に積層された薄膜であって、基板の表面に対して結晶軸が傾斜し、複数の傾斜した層が積層された層状構造を有する薄膜をいう。ＹＢＣＯ薄膜は、電気伝導性を有するＣｕＯ2層と、絶縁性を有するＹ層およびＢａＯ層とが、ｃ軸方向に沿って交互に積層された異方的な結晶構造を有する。このＹＢＣＯ薄膜を、適当な基板表面上に、ｃ軸が基板表面に対して傾斜するように積層（傾斜積層）した場合、図１１に示した系と同様の系が成り立つ。ＣｕＯ2面は、図１１におけるａｂ面に対応する。この傾斜積層されたＹＢＣＯ薄膜の表面に電磁波が入射すると、ＹＢＣＯ薄膜の表面と垂直な方向に温度差が生じる。その結果、異方熱電効果により、ＹＢＣＯ薄膜の表面と平行な方向に起電力が発生する。この起電力を読み取ることで、ＹＢＣＯ薄膜の表面に入射した電磁波を検出することができる。このＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器では、約１００ｍＶ／Ｋの感度で電磁波の検出が可能である。
【０００６】
式（１）より、異方熱電効果によって発生する起電力Ｖxは、ゼーベック係数の異方性による差ΔＳ、試料のアスペクト比ｌ／ｄ、および傾斜角度αの２倍の角度の正弦値ｓｉｎ２αに比例する。ＹＢＣＯ薄膜は、ΔＳが１０μＶ／Ｋよりも小さく、ＣｕＯ2面の傾斜角度αが単一の角度に保たれる場合の上限は、約１０〜２０°に制限される（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。したがって、ＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器は、実用化するためには感度が十分とはいえない。傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の感度を向上させるには、ΔＳがより大きい材料を用いる、薄膜の傾斜角度αをできるだけ４５度に近づける等の方法がある。傾斜積層薄膜における傾斜角度αの範囲は、薄膜材料と、当該薄膜材料が積層される基板材料との組み合わせに依存するため、傾斜角度αを４５°付近まで幅広く制御できるように、適切な基板材料を選ぶことが好ましい。
【０００７】
特許文献１には、Ｐｒが一部ドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いる放射検出器が開示されている。特許文献１によると、この放射検出器は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜を用いた放射検出器に比べて、約２０倍の感度を有する。そして、この理由は、ＰｒドープによってＹＢＣＯ薄膜のゼーベック係数が増加するためである、と示唆されている。しかし、非特許文献３には、Ｐｒドープされることにより、ＹＢＣＯ薄膜におけるａｂ面内方向のゼーベック係数は増加するが、ΔＳは小さくなることが記載されている。また、非特許文献３には、特許文献１の放射検出器に用いられた、ＹＢＣＯ薄膜におけるＰｒドープ範囲では、ΔＳが小さくなることが記載されている。非特許文献３には、特許文献１において使用されている波長２４８ｎｍの光とは異なる波長（３０８ｎｍ）の光を使用して、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の光照射に対する応答を測定した結果が記載されている。それによると、異方熱電効果によって発生する起電力は、ノンドープのＹＢＣＯ薄膜に比べて、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜の方が小さくなる。特許文献１に記載されたように、ＰｒドープされたＹＢＣＯ薄膜を用いた、放射検出器の感度が向上した原因は、おそらく、Ｐｒドープにより、波長２４８ｎｍの光に対するＹＢＣＯ薄膜の吸収係数が増加したためであると考えられる。したがって、特許文献１の放射検出器は、波長２４８ｎｍの光に対しては高感度であるが、他の波長域については、検出感度が向上するとは言い切れない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２４７８５１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H. S. Kwok, J. P. Zheng, "Anomalous photovoltaic response in YBa2Cu3O7", The American Physical Society, PHYSICAL REVIEW B, (1992), VOLUME 46, NUMBER 6, 3692
【非特許文献２】Physica C 377 (2002) 26-35, Elsevier Science B. V.
【非特許文献３】15th International Conference on Thermoelectrics (1996), IEEE, pp. 494-498
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされた発明であり、その目的は、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の放射検出器は、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する。
【００１２】
また、本発明の放射検出方法は、放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する。
【００１３】
本発明者等は、様々な条件を検討し、最適化することにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜、Ａｌ2Ｏ3基板の２層構造を有する積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜したＣａxＣｏＯ2薄膜を作製することが可能であることを見出した。この２層構造を有する積層体を備えた放射検出器によれば、傾斜積層薄膜であるＣａxＣｏＯ2薄膜の結晶軸の傾斜角度を大きくすることができる。したがって、傾斜角度を４５°に近づけることもでき、それにより、放射検出器の検出感度（起電力）を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、より検出感度の高い放射検出器および放射検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る放射検出器の一形態の断面図
【図２】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜のポールフィギュアを示す図
【図３】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図
【図４】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ積層体の２層断面像
【図５】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜内の高分解能像
【図６】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ積層体の２層断面像
【図７】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜内の高分解能像
【図８】起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図
【図９】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ
【図１０】ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフ
【図１１】異方熱電効果を説明するための座標系の図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る放射検出器の一形態の断面図である。図１に示すように、放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板（サファイア基板）１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、Ａｌ2Ｏ3基板１１に接するように積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に配置された第１電極１４および第２電極１５とを備えている。ただし、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は、作製条件により組成ずれを生じることがあるが、ｘは０．１５＜ｘ＜０．５５であればよい。ｘがこの範囲であれば、ＣａxＣｏＯ2は安定した構造を有している。
【００１７】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は傾斜積層薄膜であって、ＣｏＯ2層とＣａxブロック層とが交互に積層した層状構造を有する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、ＣｏＯ2面１６内方向のゼーベック係数Ｓabと、その垂直方向であるＣａxＣｏＯ2薄膜１３のｃ軸方向のゼーベック係数Ｓcとは異なる値であり、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３は異方性を示す。
【００１８】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、複数のＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１表面に対して傾斜していて、互いに平行に、並んで配置されている。第２電極１５は、第１電極１４に対して起電力取り出し方向１７に離間して配置されている。つまり、起電力取出し方向は、第１電極１４と第２電極１５とが対向する方向である。起電力取出し方向１７は、ＣｏＯ2面１６とＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面との交線（紙面に対して垂直方向の線）に対して垂直であって、かつＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に平行な方向であり、ＣｏＯ2面１６が傾斜して並んでいる方向である。ＣｏＯ2面１６は、起電力取出し方向１７に対して、傾斜角度αで傾斜している。また、ＣｏＯ2面１６は、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対しても、傾斜角度αで傾斜している。
【００１９】
放射検出器１０は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３およびＡｌ2Ｏ3基板１１からなる２層構造を有している。この２層構造の積層体において、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対して、結晶軸が大きく傾斜した構造を持つ傾斜積層薄膜（ＣａxＣｏＯ2薄膜１３）を作製することが可能である。したがって、傾斜角度αを、従来の放射検出器の傾斜積層薄膜の傾斜角度よりも大きくすることができる。放射検出器１０においては、傾斜角度αは、１０°以上８０°以下であればよく、好ましくは２０°以上７０°以下である。これにより、検出感度の高い放射検出器１０を実現できる。式（１）からもわかるように、放射検出器１０において、傾斜角度αは４５°であることが特に好ましい。放射検出器１０においては、傾斜角度αを、より４５°に近づけることができる。
【００２０】
放射検出器１０において、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に電磁波が入射すると、電磁波がＣａxＣｏＯ2薄膜１３に吸収される。これにより、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、薄膜面間方向（厚さ方向）１８に温度勾配が生じる。薄膜面間方向１８は、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の表面に対して垂直である方向であり、起電力取出し方向１７に対して直交する。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３内に温度差が生じることで、異方熱電効果により、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３には、起電力取出し方向１７に起電力が発生する。発生した起電力は、第１電極１４および第２電極１５を介して外部に出力される。外部に出力される起電力を検出することで、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３に入射した電磁波を検出することができる。
【００２１】
本発明の放射検出器１０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１電極１４および第２電極１５を設置することで作製することができる。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３を積層する方法は特に限定されない。例えば、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法等の気相成長によるもの、あるいは液相からの成長など、種々の方法を適用すればよい。ＣａxＣｏＯ2薄膜１３の膜厚は、単位格子層以上であれば、特に限定されるものではなく、具体的には、１００〜２００ｎｍである。なお、この範囲以外の厚さであっても、問題はない。
【００２２】
ＣａxＣｏＯ2薄膜１３のＣｏＯ2面１６の傾斜角度αは、Ａｌ2Ｏ3基板１１の表面に対するＡｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βの値により決定される。したがって、放射検出器１０を作製する際に、所望とする傾斜角度αの値に応じた傾斜角度βを有する、Ａｌ2Ｏ3基板１１を用いればよい。例えば、表面が、ｎ面またはＳ面であるＡｌ2Ｏ3基板１１を用いることが好ましい。なお、ｎ面は、例えば（１１−２３）面であり、Ｓ面は、例えば（１０−１１）面である。なお、αは、β±１０°程度の値となるが、作製条件によって、αの値はこの範囲以外にも変動する。
【００２３】
第１電極１４および第２電極１５は、電気伝導性の高い材料であれば特に限定されない。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｎ等の金属、ＴｉＮ等の窒化物、またはスズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2等の酸化物を用いればよい。また、はんだ、導電性ペースト等を用いて、第１、第２電極１４、１５を作製してもよい。また、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に、第１、第２電極１４、１５を作製する方法も、特に限定されない。例えば、蒸着法、スパッタ法などの気相成長による方法の他に、導電性ペーストの塗布、めっき、溶射、はんだによる接合など、様々な方法を用いることができる。なお、第１電極１４および第２電極１５の構成材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌが好ましく、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕがさらに好ましく、ＣｕまたはＡｇが特に好ましい。
【００２４】
なお、放射検出器１０の製造方法は、Ａｌ2Ｏ3基板１１およびＣａxＣｏＯ2薄膜１３からなる２層構造を実現し、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に第１、第２電極１４、１５を設置することができる方法であればよく、特に上記方法に限定されるものではない。
【００２５】
放射検出器１０は、作製の際に、Ａｌ2Ｏ3基板１１の（０００１）面１９の傾斜角度βを制御することで、傾斜角度αを制御できるため、傾斜角度αを幅広い範囲で制御することができる。それにより、従来のＹＢＣＯ薄膜に比べて、約４倍程度大きいΔＳを有するＣａxＣｏＯ2薄膜１３において、従来のＹＢＣＯ薄膜のＣｕＯ2面の傾斜角度を大きく上回るＣｏＯ2面１６の傾斜角度を実現できる。したがって、従来の、傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の性能を大きく超える放射検出器の実現が可能である。本発明は、熱と電気とのエネルギー変換の応用を促進させるものであり、本発明の工業的価値は高い。
【００２６】
なお、傾斜積層薄膜としてＣａxＣｏＯ2薄膜を用いたが、代わりにＳｒxＣｏＯ2薄膜を用いても、同様の効果を奏すると考えられる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。
【００２８】
（０００１）面に対して６１°傾斜した、ｎ面（（１１−２３）面）を表面に持つＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜を、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の傾斜角度βは、６１°である。
【００２９】
また、（０００１）面に対して７２°傾斜した、Ｓ面（（１０−１１）面）を表面に持つＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上に、ＣａxＣｏＯ2薄膜を積層して、２層構造の積層体を作製した。以降、この積層体におけるＣａxＣｏＯ2薄膜をＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜と表記する。なお、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の傾斜角度βは、７２°である。薄膜の作製には、すべて、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）マグネトロンスパッタを使用した。
【００３０】
ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）の作製には、Ｃａ、Ｃｏのモル比が１：１になるように混合したターゲットを使用した。成膜チャンバー内を１．０×１０-3Ｐａ以下まで排気した後、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入しながら、抵抗加熱ヒーターによりＡｌ2Ｏ3−ｎ面基板を加熱した。ＣａxＣｏＯ2薄膜を作製するための最適な条件を選定するため、成膜条件として、ガス圧を５Ｐａに固定した状態で、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の温度を４００〜６００℃に変化させた。スパッタ時のＲＦパワーは１００Ｗに固定した。薄膜の堆積後は、アルゴン（９６％）、酸素（４％）の混合ガスを導入し、チャンバー内のガス圧を５Ｐａに保ちながら、６０分かけて室温まで冷却した。同様に、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板上にも、ＣａxＣｏＯ2薄膜（膜厚１５０ｎｍ）を作製した。作製したＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の陽イオン組成比をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価したところ、どちらも、Ｃａ、Ｃｏの組成比が略１：２であった。したがって、ｘ≒０．５である。
【００３１】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造を確認するため、それぞれについて、ポールフィギュアＸＲＤ測定を行った。ポールフィギュア測定により、ある特定の結晶面の、基板表面に対する傾きや、その整列方向に関する情報を得ることができる。測定条件は、測定目的とする結晶面が水平面と平行になる配置において、Ｘ線の入射および検出角度（θ−２θ）をブラッグの条件を満たす角度に固定する。この状態で、基板平面を水平方向から傾け（ψ＝０〜９０°）、さらに面内方向に回転させる（φ＝０〜３６０°）。検出される散乱Ｘ線は、目的とする結晶面が水平面と平行になったときにのみ強め合う。ψ及びφを変化させ、検出される散乱光の強度分布を測定することで、その結晶面の傾斜角度（ψの値）や整列方向（φの値）を知ることができる。
【００３２】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の（００１）回折ピークが現れる角度に２θを固定して測定し、得られたポールフィギュアを示す図を図２に示す。なお、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜の（００１）面はＣｏＯ2面に対応している。図２に示すように、ψ≒６２°、φ≒９０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れている。これは、ＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板の表面に対して６２°傾いて積層していることを表している。したがって、傾斜角度αは約６２°である。
【００３３】
同様に測定して得られたＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜のポールフィギュアを示す図を図３に示す。図３に示すように、ψ≒７０°、φ≒９０°に最大値を持つ、１つの回折ピークが現れている。これは、ＣｏＯ2面が、Ａｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の表面に対して７０°傾いて積層していることを表している。したがって、傾斜角度αは約７０°である。図２および図３において、回折ピークが１つしか観測されなかったことから、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜において、ＣｏＯ2面は単一方向に傾斜積層していることがわかる。
【００３４】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜におけるＣｏＯ2面の傾斜積層構造をさらに確認するため、断面透過電子顕微鏡による評価を行った。図４は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ積層体の２層断面像であり、図５は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜内の高分解能像である。また、図６は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ積層体の２層断面像であり、図７は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜内の高分解能像である。
【００３５】
図４〜７より、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜において、一様なストライプ構造が明瞭に観察された。このストライプ構造は、Ａｌ2Ｏ3−ｎ面基板およびＡｌ2Ｏ3−Ｓ面基板の表面に対して、それぞれ傾斜しており、その角度は、それぞれのポールフィギュアにより算出されたＣｏＯ2面の傾斜角度αと一致する。さらに、このストライプの間隔は、ＣａxＣｏＯ2におけるＣｏＯ2面の格子間隔（５Å（オングストローム））と一致する。以上より、（０００１）面が表面に対して傾斜しているＡｌ2Ｏ3基板上にＣａxＣｏＯ2薄膜を積層することで、Ａｌ2Ｏ3基板表面に対して、ＣｏＯ2面が傾斜積層したＣａxＣｏＯ2薄膜が実際に形成されていることが確認された。
【００３６】
図８は、起電力測定用の放射検出器の構成を示す斜視図である。図８に示すように、放射検出器２０は、Ａｌ2Ｏ3基板１１と、Ａｌ2Ｏ3基板１１上に積層されたＣａxＣｏＯ2薄膜１３と、ＣａxＣｏＯ2薄膜１３上に設置された第１電極対２１および第２電極対２２とを備える。第１電極対２１は、ＣｏＯ2面１６の傾斜整列方向２３に沿って離間して配置された一対の電極であり、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３に垂直な方向に沿って離間して配置された一対の電極である。なお、傾斜整列方向２３は、起電力取出し方向と同一である。第１電極対２１の各電極間を結んだ線分と、第２電極対２２の各電極間を結んだ線分との交点が、互いの線分の中心位置であるように、第１電極対２１および第２電極対２２が配置されている。なお、第２電極対２２は、傾斜整列方向２３と垂直な方向に起電力が発生するか否かを確認するためのものであり、実際の放射検出器においては、配置しなくてもよい。
【００３７】
ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を、それぞれ用いて、図８に示す構造の放射検出器を作製した。第１電極対および第２電極対は、それぞれＡｕからなり、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面に、真空蒸着法により形成した。各電極対における、それぞれの電極間の幅は６ｍｍにした。なお、実際の放射検出器において、電極幅は６ｍｍに限定されるわけではなく、用途や設置場所などに応じて、適宜、最適化すればよい。
【００３８】
作製した放射検出器の表面に対して、赤外線ランプ（波長８００〜２０００ｎｍ）から発生させた電磁波を、スポット径が８ｍｍとなるように入射させた。具体的には、赤外線ランプから４８０ｍＷの電磁波を出力し、ＣａxＣｏＯ2薄膜の表面の中心位置に入射させ、傾斜整列方向に生じる起電力Ｖ1と、傾斜整列方向に対して垂直方向に生じる起電力Ｖ2とを測定した。図９は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。図９に示すように、赤外線ランプからの電磁波が、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜を用いた放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約１１２μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。
【００３９】
また、図１０は、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器における電磁波の入射および遮断による起電力の経時変化を示すグラフである。図１０に示すように、赤外線ランプからの電磁波が、ＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜を用いた放射検出器に入射していない場合は、起電力Ｖ1およびＶ2は生じていない。そして、赤外線ランプをＯｎとして電磁波を入射すると、起電力Ｖ1は急激に増加し、定常的に約９０μＶの値を示した。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。その後、赤外線ランプをＯＦＦとして電磁波を遮断すると、起電力Ｖ1は急激に減少し、ゼロに戻った。一方、起電力Ｖ2は、顕著な増減を示さなかった。図９、図１０からわかるように、放射検出器において、起電力が生じる方向は、傾斜整列方向のみである。起電力の発生方向が、ＣｏＯ2面の傾斜整列方向に依存していることから、Ｖ1の起電力の発生が、異方熱電効果に由来することがわかる。
【００４０】
これら放射検出器のＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−ｎ薄膜およびＣａxＣｏＯ2／Ａｌ2Ｏ3−Ｓ薄膜の表裏面に生じている温度差ΔＴzは、式（１）より、共に０．２５ｍＫ程度と見積もられる。なお、式（１）における各値は共に、ΔＳ＝３５μＶ／Ｋ、ｄ＝１５０ｎｍ、ｌ＝６ｍｍである。そして、上述のように、それぞれの放射検出器において、Ｖxは、１１２μＶ、９０μＶであり、αは、６２°、７０°である。
【００４１】
したがって、傾斜整列方向の検出感度は、それぞれの放射検出器において、４５０ｍＶ／Ｋおよび３６０ｍＶ／Ｋに達する。これは、従来のＹＢＣＯ傾斜積層薄膜を用いた放射検出器の検出感度（１００ｍＶ／Ｋ）と比較すると、それぞれ、約４．５倍および約３．６倍である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る放射検出器は、優れた放射検出特性を有しており、温度センサーや、レーザー光のパワーメーターなど、電磁波の放射を伴う各種対象物の検出に利用可能である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3基板と、
前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する、放射検出器。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極が、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌからなる、請求項１に記載の放射検出器。
【請求項３】
放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、
前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する、放射検出方法。
【請求項４】
Ａｌ2Ｏ3基板と、
前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、を具備する、積層体。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010095199.tif 000016
【図２】
2010095199.tif 000017
【図３】
2010095199.tif 000018
【図４】
2010095199.tif 000019
【図５】
2010095199.tif 000020
【図６】
2010095199.tif 000021
【図７】
2010095199.tif 000022
【図８】
2010095199.tif 000023
【図９】
2010095199.tif 000024
【図１０】
2010095199.tif 000025
【図１１】
2010095199.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月21日(2010.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ2Ｏ3基板と、
前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備する、放射検出器。
【請求項２】
前記第１電極および前記第２電極が、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌからなる、請求項１に記載の放射検出器。
【請求項３】
放射検出器を用いて電磁波を検出する放射検出方法であって、
前記放射検出器が、Ａｌ2Ｏ3基板と、前記Ａｌ2Ｏ3基板のｎ面またはＳ面である表面に積層され、ＣｏＯ2面が前記Ａｌ2Ｏ3基板の前記表面に対して傾斜して並んでいるＣａxＣｏＯ2（ただし、０．１５＜ｘ＜０．５５）薄膜と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上に配置された第１電極と、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜上であって、前記ＣｏＯ2面が傾斜して並んでいる方向について、前記第１電極と対向する位置に配置された第２電極と、を具備し、
前記ＣａxＣｏＯ2薄膜に入射する電磁波によって、前記ＣａxＣｏＯ2薄膜内で生じる温度差に基づき、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する熱起電力を取り出し、前記熱起電力に基づき、前記電磁波を検出する、放射検出方法。
【国際調査報告】
2010095199.tif 000027
2010095199.tif 000028
2010095199.tif 000029
2010095199.tif 000030