(57)【要約】【課題】放射線のエネルギーを半導体や絶縁体の放射線吸収体に吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換し、そのフォノンをその放射線吸収体の表面に設けたフォノンセンサーで測定することによって放射線を測定する放射線検出器では、放射線のエネルギーの一部は電子―正孔対の生成にも費やされ、その分のエネルギーはフォノンセンサーからの信号には寄与しない。そのため、そのような放射線検出器では感度が低く、エネルギー分解能が悪いという問題があった。【解決手段】上記放射線検出器用の放射線１１の吸収体として、放射線によって励起された電子―正孔を信号の取り出し時間と同等かそれよりも短い時間で再結合させるような高濃度の再結合中心を導入した放射線の吸収体１２を用いることによって電子―正孔対に与えられたエネルギーもフォノン７に変換してフォノンセンサー６に吸収させて放射線検出器の感度とエネルギー分解能を向上させる。
2010101169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体あるいは絶縁体の単結晶を放射線の吸収体とし、その吸収体の表面に密着させてフォノンセンサーを設けた放射線検出器において、前記吸収体中で放射線によって生成された電子−正孔対の平均寿命が２０マイクロ秒以下となるように再結合中心を導入した吸収体を用いることを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
半導体あるいは絶縁体の単結晶を放射線の吸収体とし、その吸収体の表面に密着させてフォノンセンサーを設けた放射線検出器において、電子−正孔の再結合中心を最大密度が１×１０１２個／ｃｍ３以上かつ１×１０２１個／ｃｍ３以下となるように導入した吸収体を用いることを特徴とする放射線検出器。
【請求項３】
半導体あるいは絶縁体の単結晶を放射線の吸収体とし、その吸収体の表面に密着させてフォノンセンサーを設けた放射線検出器において、前記吸収体中で放射線によって生成された電子−正孔対の平均寿命が２マイクロ秒以下となるように再結合中心を導入した吸収体を用いることを特徴とする放射線検出器。
【請求項４】
半導体あるいは絶縁体の単結晶を放射線の吸収体とし、その吸収体の表面に密着させてフォノンセンサーを設けた放射線検出器において、電子−正孔の再結合中心を最大密度が１×１０１３個／ｃｍ３以上かつ１×１０２０個／ｃｍ３以下となるように導入した吸収体を用いることを特徴とする放射線検出器。
【請求項５】
前記再結合中心がエネルギーギャップの中心の６０％のエネルギー領域内に深いエネルギー準位を形成する不純物元素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項６】
前記再結合中心が荷電粒子やγ線、中性子などの放射線を照射して導入された結晶欠陥であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項７】
前記フォノンセンサーが複数の超伝導トンネル接合からなる超伝導直列接合であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項８】
前記フォノンセンサーがカイネティックインダクタンス検出器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項９】
前記再結合中心がエネルギーギャップの中心の６０％のエネルギー領域内に深いエネルギー準位を形成する不純物元素であり、かつ前記フォノンセンサーが複数の超伝導トンネル接合からなる超伝導直列接合であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
前記再結合中心が荷電粒子やγ線、中性子などの放射線を照射して導入された結晶欠陥であり、かつ前記フォノンセンサーが複数の超伝導トンネル接合からなる超伝導直列接合であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
前記再結合中心がエネルギーギャップの中心の６０％のエネルギー領域内に深いエネルギー準位を形成する不純物元素であり、かつ前記フォノンセンサーがカイネティックインダクタンス検出器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
前記再結合中心が荷電粒子やγ線、中性子などの放射線を照射して導入された結晶欠陥であり、かつ前記フォノンセンサーがカイネティックインダクタンス検出器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感度とエネルギー分解能の優れた放射線検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導トンネル接合を用いた放射線検出器は半導体を用いた半導体放射線検出器より優れたエネルギー分解能を実現できることは良く知られている。超伝導体のエネルギーギャップは半導体のエネルギーギャップの１０００分の１程度以下と小さくかつフォノンの最大エネルギーよりもかなり小さいために、超伝導体に放射線が吸収されると半導体検出器の場合の数１０００倍もの電子がエネルギーギャップの上に励起される。超伝導トンネル接合では、エネルギーギャップの上に励起された電子をトンネル効果によって信号電荷として取り出すことができる。そのため、超伝導トンネル接合を用いた放射線検出器は非常に高感度となり、かつエネルギーの高分解能が可能となる（非特許文献１参照）。【０００３】
ただし、１つの超伝導トンネル接合で直接に放射線を吸収してそのエネルギーを測定するタイプの検出器では、超伝導トンネル接合は面積が数百ミクロン×数百ミクロン程度以下と小さく、かつ厚さも数百ｎｍ程度と薄いために、検出効率が半導体検出器の数千分の１以下と非常に低い。【０００４】
超伝導トンネル接合を用いた放射線検出器のその欠点を改善するために、超伝導直列接合検出器が開発された（例えば、特許文献１と特許文献２参照）。超伝導直列接合検出器では単結晶の絶縁体や半導体の基板の少なくとも１つの表面上に多数の超伝導トンネル接合を直列および並列に接続された超伝導直列接合が設けられている。なお、ここでいう超伝導直列接合とは、特許文献１にあるように、１列の直列に接続された接合だけでなく、複数の直列を並列に接続したものも含んでいる。基板の厚さはたとえば４百ミクロン程度である。超伝導直列接合検出器では放射線を基板などの放射線吸収体で吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換し、フォノンを放射線吸収体の表面に形成した超伝導トンネル接合に吸収させて超伝導体中で電子を励起させ、その励起電子をトンネル効果で信号電荷として取り出す。その信号電荷の大きさから放射線のエネルギーを測定する。多数の超伝導トンネル接合でフォノンを吸収させるために検出器の実効面積を大きくできる。また、放射線吸収体の厚さが検出器の厚さとなるため、放射線の吸収効率も高くできる。【０００５】
また、超伝導トンネル接合は光センサーとしても有用である。超伝導直列接合を光センサーとして用いる場合には、センサーとしての有効面積が大きいのでその場合にも検出効率が高くなるという利点がある。なお、本発明では、Ｘ線などと同じ電磁波である紫外光や可視光、遠赤外光などの光も放射線の定義に含まれるものとする。【０００６】
放射線によって超伝導体中で多数の電子が励起されることを利用する放射線検出器としては、超伝導トンネル接合検出器以外に、例えばカイネティックインダクタンス検出器（Kinetic Inductance Detector）も良く知られている（例えば、非特許文献２）。カイネティックインダクタンス検出器はマイクロ波カイネティックインダクタンス検出器（Microwave Kinetic Inductance Detector）と呼ばれることもある。カイネティックインダクタンス検出器では、放射線によって共振器の超伝導膜中で電子が励起されると超伝導体の共振器のカイネティックインダクタンスが変化する。そのカイネティックインダクタンスの変化によって超伝導共振器の共振周波数とＱ値が変化する。共振周波数とＱ値の変化の大きさから、放射線の照射量、あるいは放射線１個ごとのエネルギーが測定される（例えば、非特許文献３）。【０００７】
すなわち、カイネティックインダクタンス検出器と超伝導トンネル接合検出器とでは、信号の取り出し方は異なるが、信号の元になるのが超伝導体中の励起電子であることは共通である。【０００８】
また、カイネティックインダクタンス検出器の場合も、超伝導直列接合検出器の場合と同じように、半導体や絶縁体の単結晶の放射線吸収体に放射線を吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換し、それらのフォノンを放射線吸収体の表面に設けたフォノン吸収用の超伝導膜に吸収させて電子を励起させ、その超伝導膜を含めて構成された共振器の共振周波数とＱ値の変化よって放射線を検出することもできる（例えば、非特許文献４、非特許文献５参照）。【０００９】
すなわち、それらのフォノンを媒介としたカイネティックインダクタンス検出器と超伝導直列接合検出器とでは、信号の取り出し方は異なるが、信号の元になるのが基板で吸収された放射線によって生成されたフォノンが基板表面の超伝導膜中で励起した励起電子であることは共通である。なお、超伝導直列接合の場合には、前記の基板表面の超伝導膜は超伝導トンネル接合の超伝導下部電極である。【００１０】
前記のフォノンを媒介としたカイネティックインダクタンス検出器の場合、フォノン吸収用の超伝導体は放射線吸収体の基板の表面上に設ける必要があるが、共振器全体に関しては、共振器全体が当該基板の表面に設けられている場合もあるし（例えば、非特許文献４）、共振器の要素の一部は当該基板に近接した他の基板に設けられている場合もある（例えば、非特許文献５）。図１〜４にはそれらのカイネティックインダクタンス検出器の構造の例を示す。図１と図２は放射線吸収体の基板の表面に共振器全体を設けたものの例であり、図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ部の断面図である。図３と図４は共振器の一部を放射線吸収体の基板に近接した他の基板上に設けたものの例である。図３は放射線吸収体の基板に近接した他の基板の平面図であり、図４は放射線吸収体の基板４とそれに近接した他の基板５の両方を含めた共振器全体の図３のＡ−Ａ部に相当する断面図である。１はマイクロ波の供給とQ値及び共振周波数の測定に用いられる超伝導膜からなるスルー線、２はフォノン吸収用超伝導膜、３は高Q値超伝導共振器線を表している。なお、スルー線１と高Q値超伝導共振器線３とは静電容量で結合されている。また、この場合もフォノンセンサー２は放射線吸収体４の表面に密着して設けられている。【００１１】
超伝導直列接合検出器やカイネティックインダクタンス検出器では放射線を半導体や絶縁体の基板などの放射線吸収体で吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換し、フォノンを放射線吸収体の表面に形成した超伝導トンネル接合あるいはフォノン吸収用超伝導体に吸収させて超伝導体中で電子を励起させ、その励起電子をトンネル効果で信号電荷として取り出す、あるいは励起電子による超伝導共振器の特性の変化を信号として取り出す。その信号の大きさから放射線のエネルギーを測定することができる。しかしながら、放射線のエネルギーは全て直ぐにフォノンに変換される訳ではない。そのことはフォノンを利用しない半導体検出器の原理からも明らかである。半導体検出器の場合には検出器に電場をかけて放射線で励起された電子と正孔を収集し、その信号電荷の大きさから放射線のエネルギーを測定する。一方、超伝導直列接合検出器などのフォノンで信号を発生させる放射線検出器の場合には、放射線吸収体中の電子と正孔はそのエネルギーがフォノンに変換されないと信号電荷には寄与できない。【００１２】
超伝導直列接合検出器やカイネティックインダクタンス検出器からの信号の処理時間は通常数マイクロ秒から数十マイクロ秒である。そのため、それらの超伝導体放射線検出器の場合には、放射線によって半導体あるいは絶縁体などの放射線吸収体中で電子と正孔の生成に費やされた放射線のエネルギーは、信号を取り出して処理している時間内に電子と正孔が再結合してエネルギーがフォノンに変換されなければ信号に寄与しない。しかしながら、例えば、高純度のシリコン基板中での励起電子の寿命、すなわち電子−正孔の再結合時間は数１０マイクロ秒から１ミリ秒以上にもなる。【００１３】
また、例えば放射線吸収体が半導体シリコンであり、放射線がＸ線の場合、Ｘ線のエネルギーの約３０％が電子系に与えられ、その残りの約７０％がフォノンの生成に費やされることは良く知られている。ただし、そのエネルギー分配の割合は放射線のエネルギーは一定でも放射線ごとに統計的に変動し、その統計的変動がエネルギー分解能を悪くする。【００１４】
Ｘ線や光などの放射線によって励起された電子の持つ励起エネルギーが信号の測定時間内にフォノンとして放出されないと、それらの検出器のエネルギー分解能が悪くなるだけでなく、その分だけ感度が低くなるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平３−２７４７７２号公報
【特許文献２】特開平８−２６２１４４号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，  １９６（１９８２）２７５−２７７
【非特許文献２】Ｎａｔｕｒｅ  ４２５（２００３）８１７−８２１
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １５１（２００８）５３７−５４３
【非特許文献４】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １５１（２００８）５５０−５５６
【非特許文献５】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  １５１（２００８）５４４−５４９
【非特許文献６】S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed., ３５〜３８頁、１９８１年  （John Wiley& Sons, Inc）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上述べたように、放射線のエネルギーを半導体や絶縁体に吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換し、そのフォノンをその表面に設けたフォノンセンサーで測定することによって放射線を測定する放射線検出器では放射線のエネルギーの一部は電子―正孔対の生成にも費やされ、その分のエネルギーはフォノンセンサーからの信号には寄与し難い。そのため、そのような放射線検出器ではＸ線などに対しては感度が低く、エネルギー分解能が悪いという問題があった。また、光の強度を測定する場合などには、感度が低く、その上、電子―正孔対からフォノンへのエネルギー変換が遅いために応答速度が遅いという問題もあった。【００１８】
本願発明は、単結晶の半導体や絶縁体を放射線吸収体として利用した超伝導直列接合検出器やカイネティックインダクタンス検出器などにおいて、放射線のエネルギーが放射線吸収体中で電子―正孔対に分配されることに起因する感度とエネルギー分解能の劣化および応答速度の遅さを低減して感度とエネルギー分解能および応答速度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記目的を達成するため、本願発明は、超伝導直列接合検出器やフォノンを媒介とするカイネティックインダクタンス検出器などにおける放射線の吸収体として、放射線によって励起された電子―正孔を信号の取り出し時間と同等かそれよりも短い時間で再結合させるように充分な濃度の再結合中心を導入した放射線吸収体を用いることを特徴とする。【００２０】
なお、再結合中心としては、不純物あるいは不純物以外の結晶欠陥でも良い。ここでいう放射線とは、Ｘ線、γ線、荷電粒子、光などである。また、本願特許においては、放射線吸収体とはそれらの放射線を吸収させてそのエネルギーをフォノンに変換するためのものである。
【発明の効果】
【００２１】
放射線吸収体に電子−正孔の再結合中心を導入することによって、放射線吸収体の中で電子と正孔の生成に費やされたエネルギーを速やかにフォノンに変換して超伝導トンネル接合検出器あるいはカイネティックインダクタンス検出器などからの信号に寄与させ、それによって検出器の感度とエネルギー分解能および応答速度を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】カイネティックインダクタンス検出器の１構造例を示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ部の断面図。
【図３】カイネティックインダクタンス検出器の１構造例を示す共振器の一部の平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ部に対応する検出器全体の断面図。
【図５】本願発明のフォノンを媒介とした放射線検出器の１実施例を示す断面図。
【図６】従来のフォノンを媒介とした放射線検出器の例の断面図。
【図７】超伝導直列接合検出器の平面図。
【図８】図７のＡ部の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
超伝導直列接合検出器あるいはフォノンを媒介とするカイネティックインダクタンス検出器、どちらの検出器の場合もフォノンが超伝導体中でクーパー対を壊すにはフォノンは超伝導体のエネルギーギャップの大きさ、すなわちクーパー対の結合エネルギーよりも大きなエネルギーを持っていなければならない。
【００２４】
本願発明の場合には、放射線吸収体は単結晶の絶縁体あるいは半導体からなるものであることが好ましい。その理由は、放射線吸収体が単結晶で無い場合にはフォノンは粒界などでの散乱などによって放射線吸収体中でエネルギーを低下させ易く、単結晶の放射線吸収体を用いた場合よりも超伝導直列接合検出器から取り出せる信号電荷の量が大幅に小さくなるからである。
【００２５】
再結合中心とは電子−正孔を再結合させやすくする不純物や結晶欠陥などである。なお、それらの中で再結合させる効果の大きいものはライフタイムキラーとも呼ばれる。
【００２６】
結晶欠陥の再結合中心を導入するための方法としては、放射線（電子線、陽子線、ヘリウム粒子、その他の荷電粒子、γ線、中性子等）を半導体に照射する方法がある。放射線照射によっても深い準位の再結合中心を形成できることは良く知られている（例えば、非特許文献６参照）。
【００２７】
また、絶縁体や半導体に含まれる不純物は一般的に再結合中心となるが、半導体の通常のドーパントとして用いられる浅い不純物準位を形成する不純物は再結合中心としての効果は比較的小さい。半導体や絶縁体では、それらのエネルギーギャップの中心に近い深いエネルギー準位に不純物準位を形成する不純物が電子−正孔を再結合させる効果が大きい。
【００２８】
本願発明では、再結合中心となる不純物の中では深い不純物準位を形成する不純物が再結合中心としては好ましい。なぜなら、不純物原子の１原子当たりの再結合への効果が小さいと再結合の効率を高くするには多くの不純物原子を導入せざるを得ないが、多くの不純物を単結晶の放射線吸収体に導入するとそれらとの散乱によってフォノンのエネルギーが減衰し易くなり、その結果として信号電荷が小さくなるからである。
【００２９】
なお、深い不純物準位としては、エネルギーギャップのエネルギー領域の下限の価電子帯端を０％とし上限の伝導体端を１００％とした場合、再結合の効果が大きくなるように２０％〜８０％のエネルギー領域内に形成される準位が好ましい。すなわち、エネルギーギャップの中心の６０％のエネルギー領域内にエネルギー準位を形成する不純物元素が好ましい。例えば放射線吸収体が半導体の単結晶シリコンの場合、シリコン用の通常のドーパントとして用いられるドナーのP、As、SbあるいはアクセプタのB、Al、Gaなどは浅い不純物準位を形成し、２０％〜８０％のエネルギー領域内に少なくとも主要な不純物準位を形成しない。
【００３０】
また、半導体の単結晶シリコンの場合、エネルギーギャップの２０％〜８０％の領域の内側に深いエネルギー準位を形成する不純物元素としては、Ｔｌ，Ｐｂ，Ｔｉ，Ｃ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓｅ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｃｓ，Ｂａ，Ｓ，Ｍｎ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ａｕ，Ｃｏ，Ｖ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｈｇ，Ｓｒ，Ｇｅ，Ｃｕ，Ｋ，Ｓｎ，Ｗ，Ｐｂ，Ｏ，Ｆｅなどがある。
【００３１】
半導体の単結晶ゲルマニウムの場合、浅い準位を形成する不純物元素としては、ドナーとなるＬｉ，Ｓｂ，Ｐ，ＡｓやアクセプタとなるＢ，Ａｌ，Ｔｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂｅなどがあり、深い準位を形成する不純物元素としてはＳ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｚｎ，Ｃｒ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇなどがある。
【００３２】
ここで大切なことは、半導体を活性化するために通常意図的にドーピングされている不純物は浅い不純物準位を形成する元素であることである。すなわち、それらの通常の浅い準位を形成するドーパント不純物は深いエネルギー準位の再結合中心またはライフタイムキラーとなる不純物とは容易に区別できる。
【００３３】
絶縁体のエネルギーギャップは半導体のエネルギーギャップよりも大きいが、そのことを除けば絶縁体は半導体と殆ど同じであり、特に本願発明の超伝導直列接合検出器やカイネティックインダクタンス検出器を使用する極低温では、半導体のエネルギーギャップも熱エネルギーに比べて十分大きい。そのため、本願特許ではサファイアなどの絶縁体もシリコンなどの半導体と機能的に同じ様に取り扱える。
【００３４】
単結晶放射線吸収体への不純物の導入方法としては、通常の半導体デバイス用の導入方法と同じで良い。その導入方法とは単結晶を溶融法などで作製するときに溶融する原料に不純物を混入しておく方法、溶融した原料に不純物を添加する方法、単結晶作製後の表面からの不純物の熱拡散、単結晶への不純物のイオン注入、単結晶へのイオン注入と注入後の熱拡散などの方法である。
【００３５】
たとえば放射線が透過力の小さい重イオンなどのとき、放射線吸収体の厚さが測定しようとする放射線が放射線吸収体中に入り込む長さより厚い場合には、再結合中心は必ずしも放射線吸収体全体に一様に導入されている必要は無く、放射線が入射する側の面から放射線が放射線吸収体中に入り込む長さ程度の領域に再結合中心が導入されているだけでもその効果は大きい。そのため、本願発明においては、再結合中心は放射線吸収体の一部分に十分な密度が導入されているだけでも良い。すなわち、少なくとも必要なことは、必ずしも放射線吸収体全体中で再結合中心の密度が高いことではなく、放射線吸収体中での再結合中心の密度の最も高い場所でその密度が十分に高いことである。
【００３６】
超伝導直列接合検出器においては、１つの放射線吸収体の表面上に１つの超伝導直列接合を設けたもの（特許文献１）と１つの放射線吸収体の表面上に複数の超伝導直列接合を設けてそれぞれの超伝導直列接合から独立に信号を取り出せるようにしたもの（特許文献２）があるが、本願特許においてはどちらの型の超伝導直列接合検出器でも良い。
【００３７】
また、当然ながら１つの超伝導トンネル接合からなる超伝導単接合を用いて基板からのフォノンを媒介として放射線を検出することもできる。本願発明におけるフォノンセンサーとしては、例えば、そのような検出器に設けられた１つあるいは複数の超伝導単接合であっても良いことは本願発明における電子−正孔の再結合中心の機能から明らかである。さらに、図１と図２あるいは図３と図４に示されたカイネティックインダクタンス検出器において放射線吸収体単結晶基板４に電子−正孔の再結合中心を導入したものも本願発明に含まれることも明らかである。
【００３８】
なお、従来、半導体の光センサーなどで再結合中心を導入して高速にしたものがあるが、それらの場合には信号となる励起電子を早く再結合させて消滅させることによって高速化がなされている。そのため、それらの検出器素子は高速にはなっているが、再結合中心を導入していないものよりも信号の大きさは小さくなり、感度は低下する。また、半導体検出器に再結合中心を導入した場合には、信号となる励起電子が消滅させられ、その消滅する励起電子の量は放射線ごとに統計的に変動するため、放射線のエネルギーの分解能は再結合中心が導入されていないときよりも劣化する。
【００３９】
一方、再結合中心を導入した絶縁体あるいは半導体を放射線吸収体とした超伝導直列接合検出器やカイネティックインダクタンス検出器では、信号発生の原理が半導体の放射線検出器や光センサーとは異なっており、電子−正孔対が高速に再結合するときに放出されるフォノンが信号に寄与するため、電子−正孔対の再結合によって信号が大きくなり、その上、感度も増加する。
【００４０】
シリコン中の金（Ａｕ）は電子−正孔の再結合中心となるライフタイムキラーとしてよく知られており、その金の場合でも２０マイクロ秒の再結合時間とするには１×１０１２個／ｃｍ３程度の不純物の濃度が必要であるから、一般的にも再結合中心の濃度としては１×１０１２個／ｃｍ３以上かつ１×１０２１個／ｃｍ３以下が必要と考えられる（例えば、非特許文献６参照）。１×１０２１個／ｃｍ３以下としたのは不純物や結晶欠陥の濃度が高過ぎるとフォノンが基板を伝播中にエネルギーを減衰し易くなってしまうからである。もちろん、再結合時間は信号の測定時間より十分に短いことがさらに好ましく、例えば２マイクロ秒以下、そのため再結合中心となる不純物の濃度としても１×１０１３個／ｃｍ３以上かつ１×１０２０個／ｃｍ３以下が更に好ましい。また、深い準位を形成する再結合中心の場合には、金ほど効率的な再結合中心でなくても、再結合時間を０．１マイクロ秒以下とするためは再結合中心の濃度は５×１０１６個／ｃｍ３以下でも十分であると考えられる。
【００４１】
なお、超伝導体放射線検出器の場合には、放射線吸収体は平板の基板の形をしていることが多いが、それ以外の形でももちろん構わない。
【００４２】
図５は、本発明の１実施形態の断面図であって、６は超伝導直列接合あるいはカイネティックインダクタンス検出器などのフォノンセンサー、１２は再結合中心を導入した単結晶シリコン基板、１１は放射線を表している。
【００４３】
図６は、従来の放射線吸収体とフォノンセンサーからなる放射線検出器の例の断面図であって、６は超伝導直列接合あるいはカイネティックインダクタンス検出器などのフォノンセンサー、１３は再結合中心を導入していない単結晶シリコン基板、１１は放射線を表している。
【００４４】
以下の実施例では、図５の本願発明の１実施例の超伝導直列接合検出器と図６に示す従来の超伝導直列接合検出器とで得られた検出性能の違いを示す。どちらの検出器も基板への不純物の導入以外は同じ条件で作製された。
【実施例１】
【００４５】
図５に相当する本発明の１実施例の超伝導直列接合検出器では、放射線吸収体は厚さが約０．４ｍｍのシリコン基板であり、不純物導入前のシリコン基板の抵抗率は約１００Ωｃｍであった。その表面に超伝導直列接合を作製する前に、深い準位を形成する不純物となるＡｕが基板に導入された。【００４６】
両面を研磨したシリコン基板の片方の表面上にスパッタリング法によって金が成膜され、その成膜後に基板を約９００℃に加熱することによってＡｕが基板に熱拡散された。加熱処理後に表面に残った金は除去された。そのシリコン基板の金を成膜したのとは反対側の面の上に各検出器のサイズが約３ｍｍ×３ｍｍとなるように超伝導直列接合を作製した。超伝導直列接合作製後に基板は多数の面積が約３ｍｍ×３ｍｍの検出器になるように切断された。超伝導直列接合検出器の平面図を図７に示す。図８には図７のＡ部の拡大図を示す。４は基板、１４は超伝導直列接合、１５は上部配線、１６はボンディングパッド、１７は超伝導トンネル接合の超伝導下部電極、１８は超伝導上部電極を表している。【００４７】
放射線として放射性同位元素５５Ｆｅから放出される約５．９ｋｅＶのＸ線を測定した場合、図５に示す本願発明の超伝導直列接合検出器では、半導体検出器のこれまでの最良分解能の約１２５ｅＶよりも優れた約１０４ｅＶが得られた。一方、図６に示す従来のものではエネルギー分解能は約１６６ｅＶであった。【００４８】
この結果によって、再結合中心を導入することによって電子―空孔対の生成に費やされたエネルギーをフォノンとして放出させることができるのはもちろんのこと、再結合で放出されるフォノンのうちのかなり大きな割合のフォノンのエネルギーは超伝導体のエネルギーギャップの大きさよりも大きく、電子―正孔を再結合させることによって放出されるフォノンが効率良く信号に寄与することが分かった。このことは従来知られていなかったことであり、この発見によって本願発明はなされた。
【実施例２】
【００４９】
実施例１と同じ構造の検出器の基板の超伝導直列接合を形成した面とは反対側の裏面に波長が約０．８μｍの可視光を照射した場合、図５に示す本願特許の検出器素子では図６に示す従来の検出器素子の約１．３倍の大きさの信号が得られた。また、約２倍高速になった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
エネルギー分解能が高いあるいは感度の高い放射線検出器は、放射線を利用した様々な分析装置や科学計測での重要な計測手段となる。
【符号の説明】
【００５１】
１    超伝導膜スルー線
２    フォノン吸収用超伝導膜
３    高Ｑ値超伝導共振器線
４    半導体あるいは絶縁体の放射線吸収体単結晶基板
５    高Ｑ値超伝導共振器線用基板
６    フォノンセンサー
７    フォノン
８    接着剤
９    冷却銅板
１０  コリメータ
１１  放射線
１２  再結合中心を導入した単結晶基板
１３  再結合中心を導入していない単結晶基板
１４  超伝導直列接合
１５  上部配線
１６  ボンディングパッド
１７  超伝導下部電極
１８  超伝導上部電極
【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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【国際調査報告】
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