(57)【要約】【課題】Ｓｉ又はＧａＡｓからなる基板１０と、基板１０の表面上に積層形成されたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる入射放射線５対する能動層２０とする半導体放射線検出器に関する【解決手段】基板１０は矩形形状であり、能動層２０は、基板１０の上に、一方の辺を基板１０の基板長さ１２と同じ長さの長辺２２、他方の辺は基板１０の基板長さ１１より小さい長さの短辺２１を有する矩形形状に積層され、短辺２１と能動層２０の積層厚２３からなる一方の面を、入射放射線５の受光面２５とし、能動層２０に接合される第２電極２９を負極、基板１０に接合される第１電極１９を正極に印加させる電源６及び検出部７を有すること半導体放射線検出器１である。従来は不可能であった高い光子エネルギーの放射線(例えば、Ｃｓ：６６２ｋｅＶ, Ｓｒ：５１４ｋｅＶ等)が検出できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ又はＧａＡｓからなる基板（１０）と、前記基板（１０）の表面上に積層形成されたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる入射放射線（５）に対する能動層（２０）をもつ半導体放射線検出器であって、前記基板（１０）は矩形形状であり、前記能動層（２０）は、一方の辺を前記基板（１０）の基板長さ（１２）と同じ長さの長辺（２２）、他方の辺は前記基板（１０）の基板長さ（１１）より小さい長さの短辺（２１）を有する矩形形状であり、前記短辺（２１）と前記能動層（２０）の積層厚（２３）からなる一方の面を、前記入射放射線（５）の受光面（２５）とし、前記能動層（２０）に接合される第２電極（２９）を負極、前記基板（１０）に接合される第１電極（１９）を正極に印加させる電源（６）及び検出部（７）を有することを特徴とする半導体放射線検出器（１）。
【請求項２】
前記積層厚（２３）を０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、前記短辺（２１）の長さを０．０２ｍｍ以上２ｍｍ以下、前記長辺（２２）の長さを１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、であることを特徴とする請求項１に記載する半導体放射線検出器（１）。
【請求項３】
前記基板（１０）上に、２以上の前記能動層（２０）を、間隔（３１）で平行に配し、２以上の前記能動層（２０）の第２電極（２９）を負極とし、前記第１電極（１９）を共通の正極としたことを特徴とする請求項１又は２に記載する半導体放射線検出器（２）。
【請求項４】
前記短辺（２１）を同一、前記間隔（３１）を同一とし、前記間隔（３１）を前記短辺（２１）以上の長さとした請求項３に記載される半導体放射線検出器（２）を２個有し、一方の前記半導体放射線検出器（２）の能動層（２０）が、他方の前記半導体放射線検出器（２）の能動層（２）の間に、絶縁機能を有する絶縁層（３０）を介して嵌合されいることを特徴とする半導体放射線検出器（３）。
【請求項５】
２以上の請求項４に記載される半導体放射線検出器（３）を積み重ねられたことを特徴とする半導体放射線検出器（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉ又はＧａＡｓからなる基板と、基板の表面上に積層形成されたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる入射放射線対する能動層とする半導体放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣｄＴｅ放射線検出器には主としてＴＨＭ法によるバルクＣｄＴｅ単結晶が用いられている。しかしながら、ＣｄＴｅ結晶は極めて柔らかく脆いため、取り扱いが困難である。また検出器に利用可能な高品質の結晶が得難いため極めて高価である。
【０００３】
一方、特許文献１には、Ｓｉ基板上に積層形成されたＣｄＴｅ成長層を用いた半導体放射線検出器が記載されている。このＳｉ基板上のＣｄＴｅ成長層は、機械的強度の高いSi基板上に成長しているため取り扱いが極めて容易である。また成長も有機金属気相成長法で行われており、成長層の厚さや、成長層電気特性の制御も可能なため、検出器の製作や設計自由度が高く、また大面積化が可能という特徴がある。
【０００４】
この半導体放射線検出器は、ＣｄＴｅ成長層の積層面の上面を放射線の受光面としている。ＣｄＴｅ成長層の厚さは、０．０１〜１ｍｍの範囲で積層形成が可能である。即ち、ＣｄＴｅ成長層の厚さは、１ｍｍが限度である。
【０００５】
よって、特許文献１に記載される従来の半導体放射線検出器では、放射線の光子エネルギーが１００ｋｅＶ程度までしか検出できず、より大きな光子エネルギーを持つ放射線は、ＣｄＴｅ成長層の透過率が高いため検出できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５―１５９１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、従来は不可能であった高い光子エネルギーの放射線(例えば、Ｃｓ：６６２ｋｅＶ, Ｓｒ：５１４ｋｅＶ等)の検出も可能とする半導体放射線検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題を解決する手段は、半導体放射線検出器に用いる半導体のＣｄＴｅ成長層は厚さ１ｍｍが限度であるが、平面方向は、数１０ｍｍから数１００ｍｍまで容易に大きくできることを利用し、放射線の入射方向を厚さと垂直な平面方向とすることにより、放射線の検出に寄与するＣｄＴｅ成長層の長さを１ｍｍ以上と大きくした半導体放射線検出器を実現することである。
具体的には、以下の発明である。
発明１は、Ｓｉ又はＧａＡｓからなる基板（１０）と、基板（１０）の表面上に積層形成されたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる入射放射線（５）に対する能動層（２０）をもつ半導体放射線検出器であって、基板（１０）は矩形形状であり、能動層（２０）は、基板（１０）の上に、一方の辺を基板（１０）の基板長さ（１２）と同じ長さの長辺（２２）、他方の辺は基板（１０）の基板長さ（１１）より小さい長さの短辺（２１）を有する矩形形状に積層され、短辺（２１）と能動層（２０）の積層厚（２３）からなる一方の面を、入射放射線（５）の受光面（２５）とし、能動層（２０）に接合される第２電極（２９）を負極、基板（１０）に接合される第１電極（１９）を正極に印加させる電源（６）及び検出部（７）を有することを特徴とする半導体放射線検出器（１）である。
発明２は、積層厚（２３）を０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、短辺（２１）の長さを０．０２ｍｍ以上２ｍｍ以下、長辺（２２）の長さを１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、であることを特徴とする発明１に記載する半導体放射線検出器（１）である。
発明３は、基板（１０）上に、２以上の能動層（２０）を、間隔（３１）で平行に配し、２以上の能動層（２０）の第２電極（２９）を負極とし、第１電極（１９）を共通の正極としたことを特徴とする発明１又は２に記載する半導体放射線検出器（２）である。
発明４は、短辺（２１）を同一、間隔（３１）を同一とし、間隔（３１）を短辺（２１）以上の長さとした請求項３に記載される半導体放射線検出器（２）を２個有し、一方の半導体放射線検出器（２）の能動層（２０）が、他方の半導体放射線検出器（２）の能動層（２）の間に、絶縁機能を有する絶縁層（３０）を介して嵌合されいることを特徴とする半導体放射線検出器（３）である。
発明５は、２以上の発明４に記載される半導体放射線検出器（３）を積み重ねられたことを特徴とする半導体放射線検出器（４）である。
なお、上記及び特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載されて当該用語の例となる具体物等との対応関係を示すものである。
【発明の効果】
【０００９】
従来は不可能であった高い光子エネルギーの放射線(例えば、Ｃｓ：６６２ｋｅＶ, Ｓｒ：５１４ｋｅＶ等)の検出可能な半導体放射線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の半導体放射線検出器１を示す図
【図２】ＣｄＴｅ材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す図
【図３】第2実施形態の半導体放射線検出器２を示す図
【図４】第3実施形態の半導体放射線検出器３を示す図
【図５】第４実施形態の半導体放射線検出器４を示す図
【図６】従来例を示す図（Ｓｉ基板上のＣｄＴｅ成長層の構造及びサイズ）
【図７】従来例の半導体放射線検出器１０２のＣｄＴｅ材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１２】
（従来例）
図６に、従来例のＳｉ基板１１０上に積層形成されたＣｄＴｅ層１２０を有する半導体層１０１の形状を示す。製造上の制約により、ＣｄＴｅ層１２０のサイズは、厚みが０．１ｍｍから最大１ｍｍ、平面上は、一辺の長さが２００ｍｍの矩形形状となる。
ＣｄＴｅ層１２０は、ｎ型半導体であるＳｉ基板１１０上に、ｎ型半導体である極薄膜のＣｄＴｅ層１２０ｂが積層され、その上にｐ型半導体であるＣｄＴｅ層１２０aが積層されている。この積層ではｐｎ接合はＣｄＴｅ層１２０中に形成している。これはＳｉ基板１１０とＣｄＴｅ層１２０との成長界面に存在する高密度転位の影響による検出器の暗電流を低減するためであり、ｎ型ＣｄＴｅ層１２０ｂを成長することによってｐｎ接合部での転位密度を減少でき、検出器暗電流を低減できる。検出器動作時にはn型のＳｉ基板１１０側に正電圧、ｐ型のＣｄＴｅ層側に負電圧を印加することにより、空乏層をｐ型ＣｄＴｅ層１２０ａ全体に広げＣｄＴｅ層１２０中に放射線光子の吸収によって発生した正孔をｐ型ＣｄＴｅ１２０ａの表面側、電子をｎ型Ｓｉ側に移動させて、外部回路に検出電流を発生させ入射放射線の検出を行う。
ｐ型ＣｄＴｅ層１２０aの厚さは０．０９から０．９９ｍｍ、ｎ型ＣｄＴｅ層１２０ｂの厚さは０．０１ｍｍである
Ｓｉ基板１１０の厚さは、０.５２ｍｍである。
Ｓｉ基板１１０はＳｉ又はＧａＡｓからなり、ＣｄＴｅ層１２０はＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる
【００１３】
特許文献１には、半導体層１０１を用いたの半導体放射線検出器１０２が記載されている。半導体放射線検出器１０２に対する放射線１０５の照射方向は、図６においてＺ軸方向であり、半導体放射線検出器１０２のＣｄＴｅ層１２０の表面（ＸＹ面）が受光面１２５になる。ＣｄＴｅ層１２０の厚さは最大１ｍｍ程度である。
図７に、従来例の半導体放射線検出器１０２のＣｄＴｅ材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す。パラメータは、放射線の光子エネルギー(ｋｅＶ)である。（キ）は２００ｋｅＶ、（ク）は１００ｋｅＶ、（ケ）は５０ｋｅＶ、（コ）は４０ｋｅＶ、（サ）は３０ｋｅＶ、（シ）は２０ｋｅＶ、（ス）は１０ｋｅＶ、（セ）は５ｋｅＶ、（ソ）は１ｋｅＶである。（セ）の５ｋｅＶから（コ）の４０ｋｅＶまでは、材料厚さと放射線の吸収率の差が小さい。
厚さ１ｍｍにおいて、吸収率は、５０ｋｅＶ以下では１００％である。１００ｋｅＶの吸収率は６５％  、２００ｋｅＶの吸収率は１８％である。
ここで、放射線の照射の有無を判定するためには、吸収率が３０〜５０％が必要である。よって、光子エネルギー１００ｋｅＶは検出可能であるが、２００ｋｅＶ以上の放射線は検出できない。
【００１４】
（第１実施形態）
図１に、第１実施形態の半導体放射線検出器１を示す。第１実施形態は、Ｓｉ又はＧａＡｓからなる基板１０と、基板１０の表面上に積層形成されたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる成長層を有し、この成長層を入射放射線５に対する能動層２０をもつ半導体放射線検出器１である。
更に、半導体放射線検出器１は、基板１０は矩形形状であり、能動層２０は、基板１０の上に、一方の辺を基板の基板長さ１２と同じ長さの長辺２２、他方の辺は基板の基板長さ１１より小さい長さの短辺２１を有する矩形形状に積層されている。短辺２１と積層厚２３からなる一方の面を、入射放射線５の受光面２５とする。図１の場合、入射放射線５はＸ軸、受光面２５はＹＺ面である。
【００１５】
能動層２０は、基板１０上に、ｎ型半導体である極薄膜の能動層２０ｂが積層され、その上にｐ型半導体である能動層２０aが積層されている。能動層２０の積層厚２３は、能動層２０ｂと能動層２０ａを合わせた値である。
能動層２０aに電気的に接合されている第２電極２９を負極、基板１０の下面に電気的接合されている第１電極１９を正極に印加させる電源６及び検出部７を有し外部回路を構成している。外部回路は、第２電極２９、電源６、検出部７、及び第１電極１９が、この順に配線８にて直列に接続されている。電源６と検出部７の順は逆でもよい。
第１電極１９及び第２電極２９は、金等の導電性金属を、それぞれ能動層２０a及び基板１０に積層されている。
能動層２０aは、電気抵抗が非常に大きいので電源６により印加されても電流はほとんど流れない。入射放射線５が受光面２５に照射されると、放射線がＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅからなる能動層２０に吸収され、電子と正孔のペアが生成され、電子は正極に印加されている第１電極１９側に、正孔は負極に印加されているｐ型ＣｄＴｅ層１２０ｂ（第２電極２９）側に引き寄せられ外部回路に電流が流れる。 検出部７では、この電流 を検出し受光面２５に 入射した入射放射線５の検出を行う。
【００１６】
図２に、ＣｄＴｅ材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す。パラメータは、放射線の光子エネルギー(ｋｅＶ)である。（ア）は２０００ｋｅＶ、（イ）は１０００ｋｅＶ、（ウ）は６００ｋｅＶ、（エ）は５００ｋｅＶ、（オ）は４００ｋｅＶ、（カ）は３００ｋｅＶ、（キ）は２００ｋｅＶ、（ク）は１００ｋｅＶ、（ケ）は５０ｋｅＶである。材料厚さ１５０ｍｍでは、光子エネルギー２０００ｋｅＶの吸収率は約９８％であり、材料厚さ２００ｍｍでは吸収率は１００％である（図示せず）。
【００１７】
（放射線の検出）
材料厚さは、長辺２２に相当する。長辺２２が１００ｍｍの場合、光子エネルギーが６００ｋｅＶ以下の放射線は、ほぼ１００％吸収される。よって、吸収により発生する電流により、放射線の入射の有無を判別することができる。
長辺２２が２５ｍｍの場合、光子エネルギーが６００ｋｅＶの放射線の吸収率は約７０％、１０００ｋｅＶの吸収率は約５８％、２０００ｋｅＶの吸収率は約４５％あり発生する電流により放射線の入射の有無を判別することができる。吸収率は３０〜５０％あれば放射線の有無を判定できる。
吸収率を５０％とすれば、長辺２２が約４ｍｍで２００ｋｅＶ、長辺２２が約１２ｍｍで６００ｋｅＶ、長辺２２が約２０ｍｍで１０００ｋｅＶ、長辺２２が約２７ｍｍで２０００ｋｅＶの放射線が検出できる半導体放射線検出器１が提供できる。
【００１８】
（検出した放射線の元素を特定）
長辺２２が１００ｍｍの場合、光子エネルギーが６００ｋｅＶ以下の放射線は、ほぼ１００％吸収されるが、放射線光子の吸収毎にCdTe層20aの中で発生する電子正孔ペア数は光子エネルギーによって異なり、１００ｋｅＶより６００ｋｅＶのほうが電子正孔ペア数は大きくなる。その結果、放射線光子の吸収毎に外部回路に発生する電流パルスの波高値は光子エネルギーと共に大きくなる。そこで、放射線光子エネルギーと外部回路に発生するパルス波高値の関係を、あらかじめＣｓ（６６２ｋｅＶ）やＳｒ（５１４ｋｅＶ）等の線源によって校正しておけば、パルス波高値により放射線光子エネルギーを識別でき、放射線源である放射性元素の特定ができる。また、放射線光子の検出効率を高くするためには、半導体放射線検出器１の長辺２２の長さを測定対象とする放射線光子エネルギーに対して吸収効率が３０〜５０％以上となるように設定する。
【００１９】
（能動層２０のサイズについて）
積層厚２３は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下となる。これは積層の制約である。
短辺２１の長さは０．０２ｍｍ以上２ｍｍ以下となる。０．０２ｍｍは加工限界である。２ｍｍは、能動層２０の電気容量を小さくするためである。
長辺２２の長さは、２ｍｍ以上２００ｍｍ以下となる。２ｍｍは、入射放射線５の光子エネルギーが１０ｋｅＶ以上を検出するためである。２００ｍｍは、現状でＣｄＴｅ層成長に使用しているSi基板１０のサイズで決定されている。２０００ｋｅＶ以上の放射線を検出する場合には最大２００mm程度まで（現状のSi基板の最大サイズ）容易に拡大できる。
【００２０】
半導体放射線検出器１によれば、受光面２５に照射された高い光子エネルギーの放射線(例えば、Ｃｓ：６６２ｋｅＶ, Ｓｒ：５１４ｋｅＶ等) を検出することができる。
【００２１】
（第２実施形態）
図３に、第２実施形態の半導体放射線検出器２を示す。半導体放射線検出器２は、基板１０上に、２以上の能動層２０を、間隔３１で平行に配されている。
また、基板１０の第１電極１９を共通の正極とし、２以上の能動層２０の第２電極２９を負極としている。ここで、共通の第１電極１９と２以上の第２電極２９は並列に印可されている。よって、各第２電極２９と共通の第１電極１９の間には、各々外部回路により電源６（図示せず）、検出部７（図示せず）が配線８（図示せず）にて直列に接続されている。各能動層２０の受光面２５に入射した入射放射線５の信号は、各検出部７から出力される。図３の場合、入射放射線５はＸ軸、受光面２５はＹＺ面である。
【００２２】
間隔３１の加工方法としては、例えばウエファダイサーでX方向に切り込みを作り、間隔３１を溝として形成する。間隔３１はウエファダイサーの刃の幅で決定される。現状では最小値は０．０２mm程度から０．１５mmにすることがでる。よって、同一の刃で加工すれば間隔３１は同一になり、適宜刃を選択して加工することで間隔３１は異なる値とすることもできる。短辺２１の長さも同様に同一又は異なる値とすることができる。
【００２３】
半導体放射線検出器２によれば、１枚の基板１０に配された２以上の能動層２０の受光面２５に照射された高い光子エネルギーの放射線を計測できる。特に、幅３１を０．０２mm程度とすることで、受光面２５に入射した高い光子エネルギーの放射線の１次元強度分布の分解能を向上することができる。
【００２４】
（第３実施形態）
図４に、第３実施形態の半導体放射線検出器３を示す。半導体放射線検出器３は、複数ある短辺２１をすべて同一の長さ、複数ある間隔３１をすべて同一の長さとし、更に間隔３１を短辺２１以上の長さとした半導体放射線検出器２を２個有し、一方の半導体放射線検出器２の能動層２０が、他方の半導体放射線検出器２の能動層２０の間に、絶縁機能を有する絶縁層３０を介して嵌合されている。間隔３１を短辺２１より大きい長さとすることで、一方の能動層２０と他方の能動層２０の間には空間を有する。この空間が絶縁層３０である。絶縁層３０は、空間、絶縁物等で構成される。
また、半導体放射線検出器３は、放射線の受光面２５が高密度に１次元配列されているため、受光面２５に入射した高い光子エネルギーの放射線の１次元強度分布を高い分解能で検出できる。図４の場合、入射放射線５はＸ軸、受光面２５はＹＺ面である。
【００２５】
（第４実施形態）
図５に、第４実施形態の半導体放射線検出器４を示す。半導体放射線検出器４は、２以上の半導体放射線検出器３を積み重ねている。図５の場合、入射放射線５はＸ軸、受光面２５はＹＺ面である。
【００２６】
半導体放射線検出器４によれば、半導体放射線検出器３を２以上積み重ねて形成された２次元の面に配された受光面２５に照射された高い光子エネルギーの放射線の２次元強度分布を検出可能であり、２次元画像検出器を構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の半導体放射線検出器は、原子力発電所事故対策、放射性廃棄物の処理や管理、材料や機械製品の非破壊検査分野、高エネルギー天文学分野、等で適用できる。
現在ＣｄＴｅ放射線検出器には主としてＴＨＭ法によるバルクＣｄＴｅ単結晶が用いられている。しかしながらＣｄＴｅ結晶は極めて柔らかく脆いため、取り扱いが困難である。また検出器に利用可能な高品質の結晶が得難いため極めて高価である。これに対し本発明で利用するSi基板上のＣｄＴｅ成長層は、機械的強度の高いＳｉ基板上に成長しているため取り扱いが極めて容易である。また成長も有機金属気相成長法で行われており、成長層の厚さや、成長層電気特性の制御も可能なため、検出器の製作や設計自由度が高く、また大面積化が可能という特徴がある。そのため現行のバルクＣｄＴｅ単結晶の代替となり得るだけでなくその特性を遙かにしのぐ検出器の実現が見込める。
【符号の説明】
【００２８】
１              半導体放射線検出器      ２              半導体放射線検出器
３              半導体放射線検出器      ４              半導体放射線検出器
５              入射放射線              ６              電源
７              検出部                  ８              配線
１０            基板                    １１            基板長さ
１２            基板長さ                １９            第１電極（正極）
２０            能動層                  ２０a           ｎ型能動層
２０ｂ          ｐ型能動層              ２１            短辺
２２            長辺                    ２３            積層厚
２５            受光面                  ２９            第２電極（負極）
３０            絶縁層                  ３１            能動層間隔
４０            ベース
【図１】
2018204989.tif 000003
【図２】
2018204989.tif 000004
【図３】
2018204989.tif 000005
【図４】
2018204989.tif 000006
【図５】
2018204989.tif 000007
【図６】
2018204989.tif 000008
【図７】
2018204989.tif 000009