(57)【要約】【課題】  高純度シリコン結晶を用いたことによる利点を生かしつつ、さらに、漏れ電流を抑制するとともに、放射線検出素子のコンパクト化を図ることをその所期課題とする。【解決手段】  外部から入射する放射線を吸収し、当該放射線により生成される電荷を、電界をかけることにより取り出す放射線検出素子であって、軸線方向に延びる柱状部及び当該柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなる高純度シリコン部材と、前記高純度シリコン部材の両端面にそれぞれ形成した互いに極性の異なる電極と、を備え、前記鍔部における電極が形成されていない端面に、径方向に内向きの面方向成分を有する、電界が発生しない無電界面を形成している。【選択図】図３
2006210441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入射する放射線を吸収し、当該放射線により生成される電荷を、電界をかけることにより取り出す放射線検出素子であって、
軸線方向に延びる柱状部及び当該柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなる高純度シリコン部材と、
前記高純度シリコン部材の両端面にそれぞれ形成した互いに極性の異なる電極と、を備え、
前記鍔部における電極が形成されていない端面に、径方向に内向きの面方向成分を有する、電界が発生しない無電界面を形成している放射線検出素子。
【請求項２】
前記無電界面が、前記柱状部を周回する溝の径方向外側の側面である請求項１記載の放射線検出素子。
【請求項３】
前記無電界面が、テーパ面である請求項１記載の放射線検出素子。
【請求項４】
前記放射線がＸ線である請求項１、２又は３記載の放射線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、外部から入射する例えばＸ線などの放射線を吸収し、その放射線により生成される電荷を、電界をかけることにより取り出す放射線検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高分解能を必要とするエネルギ分散型元素分析装置に用いられる半導体Ｘ線検出器には、リチウムドラフト型シリコン半導体Ｘ線検出器（Ｓｉ（Ｌｉ）検出器）が広く使用されている。このＳｉ（Ｌｉ）検出器の特徴は、高分解能で、かつ多数の特性Ｘ線を同時に測定することができ、しかもスペクトルの同定も容易に行うことができる点にある。
【０００３】
しかし、このＳｉ（Ｌｉ）検出器に用いるＳｉ（Ｌｉ）検出素子は、キャリア補償をするためのリチウムイオンがシリコン結晶中で熱拡散しやすいため、常時液体窒素などで低温に保つ必要があり、さらに、室温以上において保管するとＳｉ（Ｌｉ）検出素子の性能が劣化し、長期にわたる性能の信頼性を保つことができないという欠点がある。
【０００４】
このような欠点を解決するものとして、引用文献１に示すように、リチウムによるキャリア補償が不要な高純度シリコン結晶を用いた高純度シリコン検出素子が提案、実用化されている。
【０００５】
このような検出素子は、検出素子の側面からの漏れ電流を減少させるために、いわゆるトップハット型に成形している。
【０００６】
ところが、トップハット型の庇部分（以下鍔部という。）を成形する際に、製造上、本体部分（以下柱状部という。）と鍔部との連結部分に丸みが生じてしまい、キャリアの移動に影響を与える電界成分が生じてしまう。その結果、漏れ電流が依然として生じてしまうという問題がある。
【０００７】
これに対して、鍔部を大きくすることにより、漏れ電流に対する抵抗値を大きくして、漏れ電流を小さくすることが考えられる。しかし、放射線検出素子の大きさに制約があれば、鍔部を大きくするためには、放射線を受光するための受光面を小さくせざるを得ず、あるいは受光面を所望の大きさにしつつ漏れ電流を小さくしようとすると、素子全体が大きくなってしまい、コンパクト化を図ることができないという問題がある。
【０００８】
さらに、高純度シリコン検出素子を長期使用すると、側面からの不純物混入により高純度シリコン結晶の表面に導電層ができ、漏れ電流が増大してしまうという問題もある。
【特許文献１】特開平１０−２５３７６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、高純度シリコン結晶を用いたことによる利点を生かしつつ、さらに、漏れ電流を抑制するとともに、放射線検出素子のコンパクト化を図ることをその所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち本発明に係る放射線検出素子は、外部から入射する放射線を吸収し、当該放射線により生成される電荷を、電界をかけることにより取り出す放射線検出素子であって、軸線方向に延びる柱状部及び当該柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなる高純度シリコン部材と、前記高純度シリコン部材の両端面にそれぞれ形成した互いに極性の異なる電極と、を備え、前記鍔部における電極が形成されていない端面に、径方向に内向きの面方向成分を有する、電界が発生しない無電界面を形成していることを特徴とする。
【００１１】
ここで、放射線とは、Ｘ線、α線、β線、γ線、中性子線、重荷電粒子線などである。
【００１２】
このようなものであれば、電界成分の方向が反対になり、高純度シリコン素子内部の表面方向の電界成分を略ゼロにする（実質的には電界が発生しない無電界の状態にする）ことができる無電界面を形成しているので、導電層中のキャリアの移動がブロックされ電流が流れなくなり、例えば長期使用などにより高純度シリコン結晶の表面に導電層が形成されたとしても、放射線検出素子における流れ電流を抑制することができる。故に、製造の歩留まり、性能の長期信頼性を向上させることができる。さらに、鍔部を大きくする必要が無いため、放射線検出素子のコンパクト化を図ることができる。
【００１３】
具体的な実施の態様としては、前記無電界面が、前記柱状部を周回する溝の径方向外側の側面であることが望ましい。
【００１４】
あるいは、前記無電界面を、テーパ面とすることも考えられる。
【発明の効果】
【００１５】
このように本発明によれば、高純度シリコン結晶を用いたことによる利点を生かしつつ、さらに、漏れ電流を抑制するとともに、放射線検出素子のコンパクト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
【００１７】
以下に第１実施形態に係る放射線検出素子を用いたエネルギ分散型Ｘ線検出装置１について図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態に係るエネルギ分散型Ｘ線検出装置１は、試料にＸ線を照射し発生する蛍光Ｘ線などの特性Ｘ線や、電子ビームにより励起されて試料から放出される特性Ｘ線を測定するものであり、図１、図２に示すように、内部が外気と遮断されるとともに真空に保持されたクライオスタット２と、そのクライオスタット２内に設置された放射線検出素子３と、プリアンプとしての電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）４と、ＦＥＴ４からの信号を処理する信号処理部（図示しない）と、その信号処理部からの信号に基づいてＸ線の同定を行う情報処理装置（図示しない）とからなる。
【００１９】
以下、これらについて詳述する。
【００２０】
クライオスタット２は、液体窒素２１１を収容するための液体窒素用デュア２１と、液体窒素２１１及び放射線検出素子３を熱的に結合させるコールドフィンガ２２とを備えている。コールドフィンガ２２は、Ｌ字型をなしており、熱伝導性の優れた素材、例えば銅から形成するようにしている。
【００２１】
放射線検出素子３は、図３に示すように、Ｘ線を検出するためのもので、ｐ電極３２、ｎ電極３３及びその電極間の真性領域３４を有したショットキー接合構造又はｐ＋−ｉ−ｎ＋構造のダイオードであり、クライオスタット２により、概ね８０Ｋの低温まで冷却されている。その具体的な構成は、軸線方向に延びる円柱形状である柱状部３１１及び当該柱状部３１１の一端の外周に設けられた鍔部３１２からなる高純度シリコン部材３１と、前記高純度シリコン部材３１の前記鍔部３１２を設けている一端面３１Ａに形成したｐ電極３２と、前記高純度シリコン部材３１の他端面３１Ｂに形成したｎ電極３３とからなる。ここで、高純度シリコン部材３１には、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍよりも大きい高純度シリコンを用いている。
【００２２】
放射線検出素子３の動作原理は、入射したＸ線の電離作用で真性領域３４に作られる電子正孔対を外部から印加した電界により掃引し、この電荷を各電極３２、３３より取り出すものである。
【００２３】
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）４は、ｎ電極３３からの信号を受信して、プリアンプである信号処理部に出力するものであり、低雑音容器である低雑音ＦＥＴパッケージ４１内に収容されている。
【００２４】
このような基本構成をもとに、本実施形態では図３に示すように、鍔部３１２のｐ電極３２が形成されていない端面３１２Ａに、径方向に内向きの面方向成分を有する、電界が発生しない無電界面７を形成したものである。ここで、径方向に内向きの面方向成分を有するとは、端面３１２Ａ内に径方向に内側を向く（柱状部３１１を向く）部分を有することをいう。
【００２５】
具体的には、無電界面７は、柱状部３１１の周側面３１１Ａと鍔部３１２の径方向の内側に設けた断面Ｌ字型の切り欠き部３１２Ｋとからなる溝Ｍの径方向外側の側面Ｍ１である。図３においては、溝の側面Ｍ１は、柱状部３１１の軸線方向と略平行に起立し、略鉛直な面でなっているが、これに限られず傾斜を持たせるようにしてもよい。
【００２６】
また、放射線検出素子３は、柱状部３１１の直径をＬｂ（ｍｍ）、柱状部３１１の高さをＨ（ｍｍ）、溝Ｍの幅をＷ（ｍｍ）、溝Ｍの深さＤ（ｍｍ）、鍔部３１２の厚さをｈ（ｍｍ）、鍔部３１２の外径をＬａ（ｍｍ）とすると、以下の条件式数１、数２、数３を満たす。
【００２７】
【数１】
2006210441.tif 000003
【００２８】
【数２】
2006210441.tif 000004
【００２９】
【数３】
2006210441.tif 000005
【００３０】
次に、放射線検出素子３の製造方法について図４を参照して以下に説明する。
【００３１】
母材として抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍよりも大きい高純度のシリコンウエハ（以下、母材という。）３０を用意する（ステップＳ１）。
【００３２】
まず最初に、母材３０とｎ電極３３との良好なオーシック接触（低いコンタクト抵抗）を得るために、Ｌｉ、Ｐなどｎ形不純物を含むｎ−Ｓｉコンタクト層３５を形成する。この形成方法としては、熱拡散、イオン注入、結晶成長などがある。その後、ｎ−Ｓｉコンタクト層３５上にｎ電極３３を形成する（ステップＳ２）。続いて、ｎ電極３３形成後にトップハット型に成形する（ステップＳ３）。その後トップハット型の鍔部３１２に溝Ｍを成形する（ステップＳ４）。この形成方法としては、超音波加工によりよるものや、切削加工によるものなどがある。そして、母材３０の表面を研磨及び上記エッチングによって生じるＳｉ表面の加工ダメージを除去するためにＳｉエッチング液（例えばＨＦとＨＮＯ３との混合液）によりエッチングする（ステップＳ５）。
【００３３】
次に金（Ａｕ）又はニッケル（Ｎｉ）などの金属を端面３１Ａに蒸着し、表面障壁のｐ電極３２を形成する（ステップＳ６）。このとき、Ｓｉ不感層３６も形成される。ここで、Ｓｉ不感層３６とは、真性領域３４とｐ電極３２との間にある真性領域３４とはならないＳｉ層で、その厚さは製作条件に依存する。例えば上記実施のショットキー接合構造のダイオードであれば、Ｓｉ不感層３６は、Ｓｉの酸化膜（ＳｉＯ２）であり、その厚さは２ｎｍ程度以下となる。
【００３４】
そして最後に、温度サイクルに対する性能維持のために側面に保護剤を塗布し、保護膜Ｐを形成する（ステップＳ７）。この表面保護は、検出素子３を冷却したり、室温に戻したりしても特性が劣化しない、いわゆる耐温度サイクル特性を高めるため、さらに、側面の表面状態による電圧印加時の内部電界形態への影響を軽減するためにも、非常に重要な工程である。
【００３５】
なお、前記ステップＳ６において、ｐ＋−ｉ−ｎ＋構造の場合には、不感層３６に代わってＢなどのＰ形不純物を含むｐ＋−Ｓｉコンタクト層（〜０．５μｍ）が形成される。
【００３６】
このように本実施形態によれば、鍔部３１２に無電界面７を形成することにより、導電層中のキャリアの移動に影響を与える高純度シリコン部材３１内部の表面方向の電界成分を略ゼロにする（実質的には電界が発生しない無電界の状態にする）ことができ、キャリアがブロックされ電流が流れなくなるので、例えば長期使用などにより高純度シリコン部材３１の表面に導電層が形成されたとしても、放射線検出素子３における漏れ電流を抑制することができる。故に、製造の歩留まり、性能の長期信頼性を向上させることができる。
【００３７】
さらに、鍔部３１２を大きくする必要が無いため、Ｘ線を受光するための受光面を充分な面積としつつ、放射線検出素子３のコンパクト化を図ることができる。
【００３８】
また、溝Ｍにより抑制できる漏れ電流は、側面に形成される導電層の長さに対応する抵抗値の増大により抑制できる漏れ電流の大きさよりも、格段に大きいという有益な効果も得ることができる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
【００４０】
以下に図面を参照して第２実施形態を説明する。なお、前記第１実施形態に対応するものには同一の符号を付している。
【００４１】
本実施形態に係る放射線検出素子３は、図５に示すように、前記第１実施形態とは鍔部３１２の構成が異なる。
【００４２】
つまり、放射線検出素子３の鍔部３１２は、径方向外側に行くにしたがって、その厚みが徐々に大きくなるようにしている。これにより、鍔部３１２のｐ電極３２が形成されていない端面３１２Ａ（図５においては上面）は、径方向に内向きの傾斜を持ったテーパ面になっており、電界が発生しない無電界面７となっている。
【００４３】
このように本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる上に、エッチングなどの処理を容易にすることができ、製造の容易化を図ることもできる。
【００４４】
＜その他の変形実施形態＞
【００４５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４６】
例えば、前記第１実施形態では、柱状部の側面と鍔部の切り欠き部とからなる溝の径方向外側の側面を無電界面としたが、鍔部に凹部を設けることにより溝を形成し、その溝の径方向外側の側面を無電界面としても良い。
【００４７】
前記第２実施形態では、無電界面を断面が直線上のテーパ面としたが、これに限られず、径方向に内向きの面方向成分を有する湾曲面でも良い。
【００４８】
さらに前記第１実施形態では溝を１つ、前記第２実施形態ではテーパ面を１つ形成したが、図６にしめすように、これらを２つ以上設けるようにしても良い。
【００４９】
また、図７に示すように、鍔部３１２に柱状部３１１を周回する突条部３１２Ｔを設けるようにしても良い。
【００５０】
その上、前記第２実施形態では、鍔部のｐ電極が形成されていない端面全体をテーパ面としたが、これに限られず、その端面の一部に柱状部を周回するテーパ面を形成するようにしても良い。
【００５１】
前記実施形態では放射線検出素子をエネルギ分散型Ｘ線検出装置に用いたが、Ｘ線以外の放射線を測定する検出装置に用いることも考えられる。
【００５２】
その他、前述した各実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態におけるエネルギ分散型Ｘ線検出装置を示す模式的全体図。
【図２】同実施形態における放射線検出素子を主として示す模式的拡大図。
【図３】同実施形態における放射線検出素子を示す断面図。
【図４】同実施形態における放射線検出素子の製造工程を示すフローチャート。
【図５】本発明の第２実施形態における放射線検出素子を示す断面図。
【図６】本発明のその他の実施形態における放射線検出素子を示す断面図。
【図７】本発明のその他の実施形態における放射線検出素子を示す断面図。
【符号の説明】
【００５４】
３・・・放射線検出素子
３１・・・高純度シリコン部材
３１１・・・柱状部
３１２・・・鍔部
３１Ａ・・・一端面
３２・・・ｐ電極
３１２Ａ・・・鍔部における電極が形成されていない端面
３３・・・ｎ電極
３１Ｂ・・・他端面
７・・・無電界面
Ｍ・・・溝
Ｍ１・・・溝の径方向外側の側面
【図１】
2006210441.tif 000006
【図２】
2006210441.tif 000007
【図３】
2006210441.tif 000008
【図４】
2006210441.tif 000009
【図５】
2006210441.tif 000010
【図６】
2006210441.tif 000011
【図７】
2006210441.tif 000012