(57)【要約】【課題】中性子の検出効率を向上させることができる中性子半導体検出構造、中性子半導体検出器、及び中性子半導体検出構造の製造方法を提供する。【解決手段】中性子半導体検出構造１０は、サファイア基板１１及びＧａＮバッファー層１２を有する基板と、基板上に形成され、入射した中性子ｎを捕捉する中性子検出部４０と、を備えている。中性子検出部４０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含有するＧａＮ体４１と、窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）のうちの少なくとも一方を含有する複数のＢ含有体４２と、を有している。各Ｂ含有体４２は、ＧａＮ体４１に埋設されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、入射した中性子を捕捉する中性子検出部と、を備え、
前記中性子検出部は、
窒化ガリウム（ＧａＮ）を含有するＧａＮ体と、
窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）のうちの少なくとも一方を含有する複数のＢ含有体と、を有し、
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、前記ＧａＮ体に埋設されている、中性子半導体検出構造。
【請求項２】
前記中性子検出部は、前記ＧａＮ体を複数有し、
複数の前記ＧａＮ体及び複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、層状を呈すると共に交互に積層されており、
複数の前記ＧａＮ体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向における前記基板とは反対側の面が平坦となるように形成されている、請求項１に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項３】
複数の前記ＧａＮ体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向において、１原子層以上２０００原子層以下の厚さを有し、
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向において、１原子層以上５０００原子層以下の厚さを有する、請求項２に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項４】
複数の前記ＧａＮ体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向において、２０原子層以上８００原子層以下の厚さを有し、
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向において、１０原子層以上１０００原子層以下の厚さを有する、請求項３に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項５】
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、前記基板の厚さ方向から見て、前記中性子検出部の一部のみに形成されている、請求項１に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項６】
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、
前記基板の厚さ方向において、１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、
前記基板の厚さ方向から見て、前記中性子検出部の１％以上９９％以下の面積を有する、請求項５に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項７】
複数の前記Ｂ含有体のそれぞれは、
前記基板の厚さ方向において、１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、
前記基板の厚さ方向から見て、前記中性子検出部の２０％以上７５％以下の面積を有する、請求項６に記載の中性子半導体検出構造。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の中性子半導体検出構造を備える中性子半導体検出器であって、
前記ＧａＮ体及び前記Ｂ含有体は、真性半導体のＩ層を形成しており、
前記中性子検出部は、
Ｎ型半導体のＧａＮを含有するＮ層と、
Ｐ型半導体のＧａＮを含有するＰ層と、を有し、
前記Ｎ層及び前記Ｐ層のそれぞれは、前記Ｉ層に隣接しており、且つ、互いに離間している、中性子半導体検出器。
【請求項９】
前記Ｎ層は、前記Ｉ層に対して前記基板の厚さ方向における前記基板側に形成されており、
前記Ｐ層は、前記Ｉ層に対して前記基板の厚さ方向における前記基板とは反対側に形成されている、請求項８に記載の中性子半導体検出器。
【請求項１０】
前記Ｎ層及び前記Ｐ層のそれぞれは、
前記Ｉ層の前記基板の厚さ方向における前記基板とは反対側の面に形成されており、
前記基板の厚さ方向に交差する方向において、互いに離間している、請求項８に記載の中性子半導体検出器。
【請求項１１】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の中性子半導体検出構造の製造方法であって、
有機金属気相堆積装置のチャンバ内に前記基板を載置し、前記基板を加熱する加熱工程と、
加熱された前記基板が載置された前記チャンバ内に、アンモニア（ＮＨ３）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を連続的に供給し、且つ、トリエチルボロン（ＴＥＢ）、トリメチルボロン（ＴＭＢ）、及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）のうちの少なくともいずれかを断続的に供給する供給工程と、を含む、中性子半導体検出構造の製造方法。
【請求項１２】
請求項５〜７のいずれか一項に記載の中性子半導体検出構造の製造方法であって、
有機金属気相堆積装置のチャンバ内に前記基板を載置し、前記基板を加熱する加熱工程と、
加熱された前記基板が載置された前記チャンバ内に、アンモニア（ＮＨ３）を連続的に供給し、且つ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とトリエチルボロン（ＴＥＢ）、トリメチルボロン（ＴＭＢ）、及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）のうちの少なくともいずれかとのそれぞれを断続的に交互に供給する供給工程と、を含む、中性子半導体検出構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中性子半導体検出構造、中性子半導体検出器、及び中性子半導体検出構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の中性子検出器として、例えば特許文献１に記載される検出器は、Ｐ型半導体又はＮ型半導体であるシリコン基板と、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜上に形成され、ホウ素（Ｂ）を含有することで中性子の入射に応じてα線を生成するコンバータ層と、Ｎ型半導体又はＰ型半導体を有することでシリコン基板との間でＰＮ接合を形成し、コンバータ層により生成されたα線の入射に応じて電子及びホールを生成する複数の検出部と、を備えている。
【０００３】
このような中性子検出器では、中性子が入射する側の最表層であるコンバータ層に中性子が入射し、当該中性子がコンバータ層に含有されるＢと反応することで、あらゆる方向にα線が生成される。生成されたα線のうち、コンバータ層の下方に設けられた検出部に向かって進行するα線のみが検出部に入射する。したがって、このような中性子検出器では、コンバータ層に入射した中性子のうちのごく一部の中性子のみしか検出されないため、中性子の検出効率が良くない。
【０００４】
そこで、中性子の検出効率を向上させることが可能な中性子検出器として、例えば、基板上に、Ｐ型半導体の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるＰ層、真性半導体の窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）からなるＩ層、及び、Ｎ型半導体のＧａＮからなるＮ層が、最表層側からこの順に積層されてＰＩＮ接合を形成した中性子半導体検出器が提案されている。このような中性子半導体検出器によれば、Ｉ層に中性子が入射すると、Ｉ層を構成するＢＧａＮ中のＢによる中性子捕獲（ｎ、α）反応によりあらゆる方向にα線が生成される。生成されたα線は、同じＩ層を構成するＢＧａＮ中のＧａＮを励起して電子及びホールを生成する。つまり、Ｉ層への中性子の入射に応じて生成されたα線は、その進行する方向によらず、電子及びホールとして検出可能である。以上により、このような中性子半導体検出器では、中性子の検出効率の向上が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１８１０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したような中性子半導体検出器では、一般的には、Ｉ層を構成するＢＧａＮ中のＢのモル分率を高くすることで、Ｉ層における中性子の捕獲確率を向上させ、その結果、中性子の検出効率を一層向上させることが可能とされる。しかしながら、実際にＢＧａＮ中のＢのモル分率を一定以上まで高くしようとすると、ＢＧａＮの結晶性が低下し易い。ＢＧａＮの結晶性が低下すると、中性子の入射に起因して生成した電子及びホールの移動度が低下し且つ寿命が短縮して、出力信号のＳ／Ｎ比が低下する。その結果、中性子の検出効率が低下し易いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、中性子の検出効率を向上させることができる中性子半導体検出構造、中性子半導体検出器、及び中性子半導体検出構造の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る中性子半導体検出構造は、基板と、基板上に形成され、入射した中性子を捕捉する中性子検出部と、を備え、中性子検出部は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含有するＧａＮ体と、窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）のうちの少なくとも一方を含有する複数のＢ含有体と、を有し、複数のＢ含有体のそれぞれは、ＧａＮ体に埋設されている。
【０００９】
この中性子半導体検出構造では、中性子検出部は、ＢＮ及びＢＧａＮのうちの少なくとも一方を含有する複数のＢ含有体が、ＧａＮを含有するＧａＮ体に埋設された構成を備えている。つまり、中性子検出部は、例えば単結晶のＢＧａＮからなるのではない。したがって、ＧａＮ体に埋設されるＢ含有体の割合を増大させることで、中性子検出部の結晶性が低下することを抑制しつつ、中性子検出部中のＢのモル分率を高くすることができる。よって、この中性子半導体検出構造によれば、中性子の検出効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、中性子検出部は、ＧａＮ体を複数有し、複数のＧａＮ体及び複数のＢ含有体のそれぞれは、層状を呈すると共に交互に積層されており、複数のＧａＮ体のそれぞれは、基板の厚さ方向における基板とは反対側の面が平坦となるように形成されていてもよい。ここで、一般的には、Ｂ含有体の厚さを厚くするほど、Ｂ含有体の表面の凹凸が大きくなり、その結果、中性子検出部に電圧を印加した際のリーク電流が増大する。これに対して、上記構成によれば、ＧａＮ体は、Ｂ含有体の表面の凹凸を覆い、その表面が平坦になるように形成されている。したがって、Ｂ含有体の厚さを厚くしつつ、中性子検出部におけるリーク電流の増大を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、複数のＧａＮ体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、１原子層以上２０００原子層以下の厚さを有し、複数のＢ含有体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、１原子層以上５０００原子層以下の厚さを有してもよい。これによれば、中性子の検出効率を向上させるという上記作用及び効果を好適に奏することができる。
【００１２】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、複数のＧａＮ体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、２０原子層以上８００原子層以下の厚さを有し、複数のＢ含有体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、１０原子層以上１０００原子層以下の厚さを有してもよい。これによれば、中性子の検出効率を向上させるという上記作用及び効果をより一層好適に奏することができる。
【００１３】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、複数のＢ含有体のそれぞれは、基板の厚さ方向から見て、中性子検出部の一部のみに形成されていてもよい。これによれば、基板の厚さ方向において、中性子検出部の一端面から他端面まで連続的にＧａＮ体が形成された状態となる。したがって、中性子の入射に起因して生成した電子及びホールは、ＧａＮ体中を移動して中性子検出部の一端面又は他端面に移動することができるため、その移動度の低下が抑制される。よって、出力信号のＳ／Ｎ比の低下が抑制され、その結果、中性子の検出効率を向上させることができる。
【００１４】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、複数のＢ含有体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、基板の厚さ方向から見て、中性子検出部の１％以上９９％以下の面積を有してもよい。これによれば、中性子の検出効率を向上させるという上記作用及び効果を好適に奏することができる。
【００１５】
本発明に係る中性子半導体検出構造では、複数のＢ含有体のそれぞれは、基板の厚さ方向において、１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、基板の厚さ方向から見て、中性子検出部の２０％以上７５％以下の面積を有してもよい。これによれば、中性子の検出効率を向上させるという上記作用及び効果をより一層好適に奏することができる。
【００１６】
本発明に係る中性子半導体検出器は、上記の中性子半導体検出構造を備え、ＧａＮ体及びＢ含有体は、真性半導体のＩ層を形成しており、中性子検出部は、Ｎ型半導体のＧａＮを含有するＮ層と、Ｐ型半導体のＧａＮを含有するＰ層と、を有し、Ｎ層及びＰ層のそれぞれは、Ｉ層に隣接しており、且つ、互いに離間している。
【００１７】
この中性子半導体検出器では、Ｐ層及びＮ層のそれぞれに電極を接続すると共にＰ層とＮ層との間にバイアス電圧を印加することで、中性子の入射に起因して生成した電子及びホールによる出力信号を電極から取り出すことができる。よって、中性子の検出を好適に行うことができる。
【００１８】
本発明に係る中性子半導体検出器では、Ｎ層は、Ｉ層に対して基板の厚さ方向における基板側に形成されており、Ｐ層は、Ｉ層に対して基板の厚さ方向における基板とは反対側に形成されていてもよい。これによれば、基板の厚さ方向に沿ってＰ層、Ｉ層、及びＮ層が積層されたＰＩＮ構造を有する、いわゆる縦型の中性子半導体検出器を好適に構成することができる。
【００１９】
本発明に係る中性子半導体検出器では、Ｎ層及びＰ層のそれぞれは、Ｉ層の基板の厚さ方向における基板とは反対側の面に形成されており、基板の厚さ方向に交差する方向において、互いに離間していてもよい。これによれば、基板の厚さ方向に交差する方向に沿ってＰ層、Ｉ層、及びＮ層が積層されたＰＩＮ構造を有する、いわゆる横型の中性子半導体検出器を好適に構成することができる。
【００２０】
本発明に係る中性子半導体検出構造の製造方法は、有機金属気相堆積装置のチャンバ内に基板を載置し、基板を加熱する加熱工程と、加熱された基板が載置されたチャンバ内に、アンモニア（ＮＨ３）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を連続的に供給し、且つ、トリエチルボロン（ＴＥＢ）、トリメチルボロン（ＴＭＢ）、及びジボラン（Ｂ２Ｈ６）のうちの少なくともいずれかを断続的に供給する供給工程と、を含む。
【００２１】
この製造方法では、中性子検出部が、ＧａＮ体を複数有し、複数のＧａＮ体及び複数のＢ含有体のそれぞれが、層状を呈すると共に交互に積層されており、複数のＧａＮ体のそれぞれが、基板の厚さ方向における基板とは反対側の面が平坦となるように形成されている中性子半導体検出構造を製造することができる。この構成によれば、ＧａＮ体は、Ｂ含有体の表面の凹凸を覆い、その表面が平坦になるように形成されている。したがって、Ｂ含有体の厚さを厚くしつつ、中性子検出部におけるリーク電流の増大を抑制することができる。
【００２２】
本発明に係る中性子半導体検出構造の製造方法は、有機金属気相堆積装置のチャンバ内に基板を載置し、基板を加熱する加熱工程と、加熱された基板が載置されたチャンバ内に、ＮＨ３を連続的に供給し、且つ、ＴＭＧとＴＥＢ、ＴＭＢ、及びＢ２Ｈ６のうちの少なくともいずれかとのそれぞれを断続的に交互に供給する供給工程と、を含む。
【００２３】
この製造方法では、複数のＢ含有体のそれぞれが、基板の厚さ方向から見て、中性子検出部の一部のみに形成されている中性子半導体検出構造を製造することができる。この構成によれば、基板の厚さ方向において、中性子検出部の一端面から他端面まで連続的にＧａＮ体が形成された状態となる。したがって、中性子の入射に起因して生成した電子及びホールは、ＧａＮ体中を移動して中性子検出部の一端面又は他端面に移動することができるため、その移動度の低下が抑制される。よって、出力信号のＳ／Ｎ比の低下が抑制され、その結果、中性子の検出効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、中性子の検出効率を向上させることができる中性子半導体検出構造、中性子半導体検出器、及び中性子半導体検出構造の製造方法を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る中性子半導体検出器を示す概略断面図である。
【図２】Ｉ層における中性子検出の原理を説明するための模式図である。
【図３】第１実施形態に係るＩ層及び比較例に係るＩ層についての表面状態を示すＳＥＭ画像、及び、内部構造を模式的に示す断面図である。
【図４】図１の中性子半導体検出器と比較例に係る中性子半導体検出器とのリーク電流を比較して示すグラフである。
【図５】図４のグラフのうち図１の中性子半導体検出器のリーク電流を拡大して示すグラフである。
【図６】中性子半導体検出構造の製造方法に用いられるＭＯＣＶＤ装置の全体構成を示す図である。
【図７】図６のＭＯＣＶＤ装置のチャンバ周辺を拡大して示す図である。
【図８】中性子半導体検出構造の製造方法における原料の供給タイミングを示す図である。
【図９】第２実施形態に係るＩ層及び比較例に係るＩ層についての表面状態を示すＳＥＭ画像、及び、内部構造を模式的に示す断面図である。
【図１０】中性子半導体検出構造の製造方法における原料の供給タイミングを示す図である。
【図１１】第３実施形態に係る中性子半導体検出構造を示す概略断面図である。
【図１２】第４実施形態に係る中性子半導体検出構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、中性子半導体検出構造における基板の厚さ方向を「Ｚ軸方向」、Ｚ軸方向に直交する各方向を「Ｘ軸方向」及び「Ｙ軸方向」と規定する。
［第１実施形態］
［中性子半導体検出器の全体構成］
【００２７】
図１は、第１実施形態に係る中性子半導体検出器を示す概略断面図である。図１に示されるように、中性子半導体検出器１は、入射する中性子を検出する検出器であり、中性子半導体検出構造１０及び信号読取部３０を備えている。中性子半導体検出構造１０は、サファイア基板（基板）１１、ＧａＮバッファー層（基板）１２、Ｐ層１３、Ｉ層１４、Ｎ層１５、第１電極２１、及び第２電極２２を有している。これらのうち、Ｐ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５は、中性子半導体検出構造１０の最表面側からこの順に積層されて中性子検出部４０を構成する。なお、ここではＰ層、Ｉ層、及びＮ層という名称を用いているが、これらは必ずしも薄膜状の層に限らず、半導体の接合構造におけるＰ層、Ｉ層、及びＮ層の各機能を有するものであれば、その形状については適宜変更可能である。一例として、Ｐ層、Ｉ層、及びＮ層の形状は、ブロック状であってもよい。
【００２８】
図２を参照して、中性子検出部４０のＩ層１４における中性子ｎの検出の原理を説明する。図２に示されるように、Ｉ層１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及びホウ素（Ｂ）を含有している。中性子ｎが中性子半導体検出器１のＩ層１４の有感層（空乏層）に入射すると、当該中性子ｎの一部と、Ｉ層１４に含有され、他の元素と比較して中性子ｎの質量減弱係数の大きいＢと、の間で中性子捕獲（ｎ、α）反応（図２中のＲ１）が起こる。これにより中性子ｎが捕捉されて、あらゆる方向（特に限定されない方向）にα線ａが生成されると共にγ線ｇが放出される。
【００２９】
中性子捕獲（ｎ、α）反応により生成されたα線ａは、同じＩ層１４に含有されるＧａＮを励起（図２中のＲ２）して電子ｅ及びホールｈを生成する。つまり、生成されたα線ａは、その進行する方向によらず、ＧａＮを励起して電子ｅ及びホールｈを生成する。一方、中性子捕獲（ｎ、α）反応により生成されたγ線ｇは、ＧａＮに対する透過性が高いことから、Ｉ層１４を透過して外部へと進行する。
【００３０】
図１に戻り、中性子半導体検出器１の各構成要素について説明する。サファイア基板１１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有している。サファイア基板１１は、Ｚ軸方向（基板の厚さ方向）から見て（すなわち、平面視において）、例えば長方形状を呈している。サファイア基板１１は、中性子半導体検出構造１０の最下層である。
【００３１】
ＧａＮバッファー層１２は、ＧａＮを含有している。ＧａＮバッファー層１２は、サファイア基板１１上に形成された層である。ＧａＮバッファー層１２は、Ｚ軸方向から見て、当該ＧａＮバッファー層１２の外縁１２ａがサファイア基板１１の外縁１１ａと一致するように（すなわち、例えば長方形状に）形成されている。ＧａＮバッファー層１２は、サファイア基板１１上に低温で成長させることにより形成される。
【００３２】
Ｎ層１５は、Ｎ型半導体のＧａＮを含有している。Ｎ層１５では、キャリア（電子）濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の範囲とされている。Ｎ層１５は、Ｉ層１４に隣接して形成され、且つ、ＧａＮバッファー層１２上に形成された層である。つまり、Ｎ層１５は、Ｉ層１４に対してＺ軸方向における下層側（基板側）に形成された層である。Ｎ層１５は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｎ層の外縁１５ａがＧａＮバッファー層１２の外縁１２ａと一致するように（すなわち、例えば長方形状に）形成されている。Ｎ層１５は、格子及び熱膨張係数のそれぞれが大きく相違するサファイア基板１１上ではなくＧａＮバッファー層１２上に形成されるため、結晶品質の低下が抑制される。
【００３３】
Ｉ層１４は、ＧａＮを含有するＧａＮ体４１と、窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含有する複数のＢ含有体４２と、を有しており、各Ｂ含有体４２は、ＧａＮ体４１に埋設されている（詳しくは後述）。なお、ＢＧａＮは、窒化ガリウムホウ素ともいう。Ｉ層１４は、真性半導体を形成している。ここでの「真性半導体」とは、Ｐ層１３及びＮ層１５と比較してキャリア濃度の低い半導体を意味している。より具体的には、Ｉ層１４では、キャリア濃度は、例えば０ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲とされている。なお、Ｉ層１４では、キャリア濃度は、Ｉ層１４を空乏化することができる範囲であればよい。
【００３４】
Ｉ層１４は、Ｎ層１５上に形成された層である。Ｉ層１４は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｉ層１４の外縁１４ａの一部がＮ層１５の外縁１５ａの内側に位置するように形成されている。つまり、Ｉ層１４は、Ｚ軸方向から見て、Ｎ層１５の上面（ＧａＮバッファー層１２とは反対側の面）のうちの一部である被覆面１５ｂのみを被覆している。換言すると、Ｉ層１４は、Ｚ軸方向から見て、Ｎ層１５の上面のうちの被覆面１５ｂを除く残部である露出面１５ｃを被覆していない（つまり、Ｎ層１５の露出面１５ｃは、Ｉ層１４に被覆されず露出している。）。具体的な形状としては、Ｉ層１４は、Ｚ軸方向から見て、例えば正方形状に形成されている。
【００３５】
Ｐ層１３は、Ｐ型半導体のＧａＮを含有している。Ｐ層１３では、キャリア（ホール）濃度は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）ドープにより、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の範囲とされている。Ｐ層１３は、Ｉ層１４に隣接して、Ｉ層１４上に形成された層である。つまり、Ｐ層１３は、Ｉ層１４に対してＺ軸方向における上層側（基板とは反対側）に形成された層である。したがって、Ｐ層１３は、Ｎ層１５とは離間している。Ｐ層１３は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｐ層１３の外縁１３ａがＩ層１４の外縁１４ａと一致するように（すなわち、例えば正方形状に）形成されている。
【００３６】
第１電極２１は、Ｐ層１３に電気的に接続されるように、Ｐ層１３上に形成されている。第１電極２１としては、Ｐ層１３上にオーミック接触を形成することができる電極であれば、その材質等は特に限定されない。第２電極２２は、Ｎ層１５に電気的に接続されるように、Ｎ層１５上に形成されている。より具体的には、第２電極２２は、Ｎ層１５の露出面１５ｃ上において、Ｐ層１３の外縁１３ａに沿った位置に形成されている。第２電極２２としては、Ｎ層１５上にオーミック接触を形成することができる電極であれば、その材質等は特に限定されない。
【００３７】
信号読取部３０は、電源３１及び信号読取回路３２を有している。また、信号読取部３０は、中性子半導体検出構造１０、電源３１、及び信号読取回路３２を電気的に直列に接続する電線３３、及び、電線３３において中性子半導体検出構造１０と電源３１との間に電気的に接続されたグラウンド（接地）３４を有している。
【００３８】
電源３１は、直流可変電源である。電源３１は、第１電極２１が正極となり、第２電極２２が負極となるように、中性子半導体検出構造１０に対して電圧を印加する。すなわち、電源３１は、第１電極２１と第２電極２２との間においてＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５によって構成されたダイオード構造に対し、バイアス電圧を印加する。信号読取回路３２は、第１電極２１と第２電極２２との間の電気信号を読み取る回路である。信号読取回路３２は、電線３３を介して、第１電極２１及び第２電極２２に電気的に接続されている。信号読取回路３２の具体的な回路構成は、特定の回路構成に限定されない。
［Ｉ層の内部構造］
【００３９】
続いて、Ｉ層１４において、各Ｂ含有体４２がＧａＮ体４１に埋設されている態様について詳細に説明する。図３は、第１実施形態に係るＩ層及び比較例に係るＩ層についての表面状態を示すＳＥＭ画像、及び、内部構造を模式的に示す断面図である。図３に示されるように、Ｉ層１４は、複数のＧａＮ体４１及び複数のＢ含有体４２を有している。各ＧａＮ体４１及び各Ｂ含有体４２は、層状を呈すると共に交互に積層されている。各ＧａＮ体４１及び各Ｂ含有体４２は、Ｚ軸方向から見て、各外縁がＩ層１４の外縁１４ａと一致するように形成されている。
【００４０】
各Ｂ含有体４２は、Ｚ軸方向における上層側の面が凹凸を有する（当該面が、平坦ではなく粗面となる）ように形成されている。各ＧａＮ体４１は、Ｚ軸方向における上層側の面が平坦となるように形成されている。ここで、「平坦」とは、誤差が０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲で平らな面であることを意味する。
【００４１】
各ＧａＮ体は、Ｚ軸方向において、好ましくは１原子層以上２０００原子層以下の厚さを有し、より好ましくは２０原子層以上８００原子層以下の厚さを有する。また、各Ｂ含有体４２は、Ｚ軸方向において、好ましくは１原子層以上５０００原子層以下の厚さを有し、より好ましくは１０原子層以上１０００原子層以下の厚さを有する。
【００４２】
例えば、図３の（ａ）及び（ｂ）には、ＧａＮ体４１が８原子層（２ｎｍ）の厚さを有し、Ｂ含有体４２が４原子層（１ｎｍ）の厚さを有するＩ層１４が示されている（以下、「実施例１」という）。なお、図３の（ａ）は、Ｉ層１４のうちＧａＮ体４１までを形成した状態でのＳＥＭ画像である。図３の（ａ）における画像中の異物はＳＥＭ画像のフォーカスを合わせるために利用した夾雑物であり、ＧａＮ体４１及びＢ含有体４２とは関係が無い。図３の（ａ）では、ＧａＮ体４１のＺ軸方向における上層側の面が平坦であることが示されている。
【００４３】
また、図３の（ｃ）及び（ｄ）には、ＧａＮ体４１が６０原子層（１５ｎｍ）の厚さを有し、Ｂ含有体４２が４００原子層（約１００ｎｍ）の厚さを有するＩ層１４が示されている（以下、「実施例２」という）。なお、図３の（ｃ）は、Ｉ層１４のうちＧａＮ体４１までを形成した状態でのＳＥＭ画像である。図３の（ｃ）では、ＧａＮ体４１のＺ軸方向における上層側の面が平坦であることが示されている。
【００４４】
これに対して、比較例として、図３の（ｅ）及び（ｆ）には、ＢＧａＮの単結晶によって構成されたＩ層が示されている（以下、「比較例１」という）。すなわち、このＩ層は、ＧａＮ体４１及びＢ含有体４２によって構成されていない。図３の（ｅ）では、Ｉ層のＺ軸方向における上層側の面が平坦でないことが示されている。
【００４５】
これらの実施例１、実施例２、及び比較例１について、図４及び図５には、リーク電流を測定した結果が示されている。図４は、図１の中性子半導体検出器と比較例に係る中性子半導体検出器とのリーク電流を比較して示すグラフである。図５は、図４のグラフのうち図１の中性子半導体検出器のリーク電流を拡大して示すグラフである。ここでは、実施例１及び実施例２に係るＩ層１４を適用した中性子半導体検出器１、並びに、比較例１に係るＩ層を適用した中性子半導体検出器において逆バイアスの電圧を印加した際のリーク電流の測定結果が示されている。図４及び図５に示されるように、実施例１及び実施例２では、比較例１と比較してリーク電流が大幅に減少しており、また、実施例２では、実施例１よりもリーク電流が更に減少していることが確認された。
［中性子半導体検出構造の製造方法］
【００４６】
続いて、中性子半導体検出構造１０におけるＩ層１４の製造方法について説明する。まず、この製造方法において実行される有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）に用いられるＭＯＣＶＤ装置（有機金属気相堆積装置）５０の一例について説明する。
【００４７】
図６は、中性子半導体検出構造の製造方法に用いられるＭＯＣＶＤ装置の全体構成を示す図である。図６に示されるように、ＭＯＣＶＤ装置５０は、Ｉ層１４においてＧａＮ体４１及びＢ含有体４２を結晶成長させるための装置であり、チャンバ（水冷型垂直石英反応管）５１を備えている。ＭＯＣＶＤ装置５０は、チャンバ５１内が外気に晒されないようにするために試料準備室５２を備えている。また、結晶を減圧成長させるため、成長準備室５３及び成長室５４のそれぞれにロータリーポンプ５５が設けられ、且つ、試料準備室５２にはターボ分子ポンプ５６が設けられている。ＭＯＣＶＤ装置５０はステンレス製のバブラー５８，５９を備え、III族原料が充填されたバブラー５８，５９が恒温槽６０により一定温度に保たれることで、III族原料の蒸気圧が制御される。なお、図６において、バブラー５８にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）が充填されており、バブラー５９にはトリエチルボロン（ＴＥＢ）が充填されている。ＭＯＣＶＤ装置５０の各原料供給ラインは、III族原料とアンモニア（ＮＨ３）とで別個に設けられており、それぞれチャンバ５１に接続されている。ＮＨ３の供給ラインには、Ｈ２ボンベ７０、ＮＨ３ボンベ７１、及びＮ２ボンベ７２のそれぞれが接続される接続部に純化器６１がそれぞれ設けられている。また、ＭＯＣＶＤ装置５０は、III族原料、ＮＨ３、及びキャリアガスのそれぞれの供給量（各原料供給ラインの流通量）を制御するために複数のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２を備えている。更に、ＭＯＣＶＤ装置は、III族原料、ＮＨ３、及びキャリアガスの各原料のうちからチャンバ５１に供給する原料を瞬時に（短時間で）切替可能とするため、各原料供給ラインに空気圧作動バルブを備えている。
【００４８】
続いて、ＭＯＣＶＤ装置５０のチャンバ５１について、より詳細に説明する。図７は、図６のＭＯＣＶＤ装置のチャンバ周辺を拡大して示す図である。図７に示されるように、チャンバ５１は、基板Ｓが載置されるサセプタ６５に向けて各原料を効率的に吹き付けるために、当該チャンバ５１内にインナー管６６を有している。サセプタ６５は、その上面６５ａに、所定サイズの基板Ｓを保持可能な石英ガラス板を有している。このように構成されたチャンバ５１は、高周波誘導加熱コイル６７により周囲を囲まれており、且つ、外壁内部に冷却水路６８が形成されている。チャンバ５１は、高周波誘導加熱コイル６７の発熱量及び冷却水路６８を流れる冷却水の流量が制御されることによって温度調整が行われる。なお、チャンバ５１内の温度は、当該チャンバ５１の直上にある窓部６９を介して赤外線放射温度計７３により計測可能である。
【００４９】
Ｉ層１４の製造方法においては、まず、このようなＭＯＣＶＤ装置５０のチャンバ５１内に基板Ｓを載置する。ここで、基板Ｓとは、例えば、サファイア基板１１上にＧａＮバッファー層１２が形成されたものであってもよい。そして、赤外線放射温度計７３により温度を計測しつつ、高周波誘導加熱コイル６７の発熱量及び冷却水路６８を流れる冷却水の流量が制御されることによって、チャンバ５１内の温度を例えば１０００℃程度に調整する（加熱工程）。
【００５０】
続いて、加熱された基板Ｓが載置されたチャンバ５１内に、ＮＨ３及びＴＭＧを連続的に供給し、且つ、ＴＥＢを断続的に供給する（供給工程）。
【００５１】
ここで、図８は、中性子半導体検出構造の製造方法における原料の供給タイミングを示す図である。図８の（ａ）には、実施例１、実施例２における原料の供給タイミングが示されている。図８の（ａ）において、ＮＨ３に加えてＴＭＧ及びＴＥＢの両方が供給されている間にはＢＧａＮを含有するＢ含有体４２が基板Ｓ上に形成され、ＮＨ３に加えてＴＭＧのみが供給されている間にはＧａＮを含有するＧａＮ体４１が基板Ｓ上に形成される。このようにＴＥＢを断続的に供給することにより、複数のＧａＮ体４１及び複数のＢ含有体４２のそれぞれが層状を呈すると共に交互に積層されたＩ層１４が形成される。また、ＴＥＢを断続的に供給する際の供給及び供給中断の周期を調整することで、各ＧａＮ体４１及び各Ｂ含有体４２のＺ軸方向における厚さを調整することができる。
【００５２】
図８の（ｂ）には、比較例１における原料の供給タイミングが示されている。図８の（ｂ）においては、ＮＨ３に加えて常時ＴＭＧ及びＴＥＢの両方が供給されているため、基板上にはＢＧａＮの単結晶４３が形成される。
【００５３】
以上説明したように、中性子半導体検出構造１０では、中性子検出部４０は、ＢＧａＮを含有する複数のＢ含有体４２が、ＧａＮを含有するＧａＮ体４１に埋設された構成を備えている。つまり、中性子検出部４０は、例えば単結晶のＢＧａＮからなるのではない。したがって、ＧａＮ体４１に埋設されるＢ含有体４２の割合を増大させることで、中性子検出部４０の結晶性が低下することを抑制しつつ、中性子検出部４０中のＢのモル分率を高くすることができる。よって、この中性子半導体検出構造１０によれば、中性子ｎの検出効率を向上させることができる。
【００５４】
中性子半導体検出構造１０では、中性子検出部４０は、ＧａＮ体４１を複数有し、各ＧａＮ体４１及び各Ｂ含有体４２は、層状を呈すると共に交互に積層されており、各ＧａＮ体の４１は、Ｚ軸方向における上層側の面が平坦となるように形成されている。ここで、一般的には、Ｂ含有体４２の厚さを厚くするほど、Ｂ含有体４２の表面の凹凸が大きくなり、その結果、中性子検出部４０に電圧を印加した際のリーク電流が増大する。これに対して、本実施形態の構成によれば、ＧａＮ体４１は、Ｂ含有体４２の表面の凹凸を覆い、その表面が平坦になるように形成されている。したがって、Ｂ含有体４２の厚さを厚くしつつ、中性子検出部４０におけるリーク電流の増大を抑制することができる。
【００５５】
中性子半導体検出構造１０では、各ＧａＮ体４１は、Ｚ軸方向において、例えば１原子層以上２０００原子層以下の厚さを有し、各Ｂ含有体４２は、Ｚ軸方向において、例えば１原子層以上５０００原子層以下の厚さを有している。これにより、中性子ｎの検出効率を向上させるという中性子半導体検出構造１０の作用及び効果を好適に奏することができる。
【００５６】
中性子半導体検出構造１０では、各ＧａＮ体４１は、Ｚ軸方向において、例えば２０原子層以上８００原子層以下の厚さを有し、各Ｂ含有体４２は、Ｚ軸方向において、例えば１０原子層以上１０００原子層以下の厚さを有している。これにより、中性子ｎの検出効率を向上させるという中性子半導体検出構造１０の作用及び効果をより一層好適に奏することができる。
【００５７】
中性子半導体検出器１は、中性子半導体検出構造１０を備えている。そして、ＧａＮ体４１及びＢ含有体４２は、真性半導体のＩ層１４を形成しており、中性子検出部４０は、Ｎ型半導体のＧａＮを含有するＮ層１５と、Ｐ型半導体のＧａＮを含有するＰ層１３と、を有し、Ｎ層１５及びＰ層１３のそれぞれは、Ｉ層１４に隣接しており、且つ、互いに離間している。これにより、第１電極２１がＰ層１３に電気的に接続され、第２電極２２がＮ層１５に電気的に接続される。そして、Ｐ層１３とＮ層１５との間にバイアス電圧が印加されることで、中性子ｎの入射に起因して生成した電子ｅ及びホールｈによる出力信号を取り出すことができる。よって、中性子ｎの検出を好適に行うことができる。
【００５８】
中性子半導体検出器１では、Ｎ層１５は、Ｉ層１４に対してＺ軸方向における下層側に形成されており、Ｐ層１３は、Ｉ層１４に対してＺ軸方向における上層側に形成されている。これにより、Ｚ軸方向に沿ってＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５が積層されたＰＩＮ構造を有する、いわゆる縦型の中性子半導体検出器１を好適に構成することができる。
【００５９】
中性子半導体検出構造１０の製造方法では、中性子検出部４０が、ＧａＮ体４１を複数有し、各ＧａＮ体４１及び各Ｂ含有体４２が、層状を呈すると共に交互に積層されており、各ＧａＮ体４１が、Ｚ軸方向における上層側の面が平坦となるように形成されている中性子半導体検出構造１０を製造することができる。このような構成を備える中性子半導体検出構造１０によれば、ＧａＮ体４１は、Ｂ含有体４２の表面の凹凸を覆い、その表面が平坦になるように形成されているため、Ｂ含有体４２の厚さを厚くしつつ、中性子検出部４０におけるリーク電流の増大を抑制することができる。
［第２実施形態］
【００６０】
図９は、第２実施形態に係るＩ層及び比較例に係るＩ層についての表面状態を示すＳＥＭ画像、及び、内部構造を模式的に示す断面図である。図９に示されるように、第２実施形態に係るＩ層１４Ａは、第１実施形態に係るＩ層１４と比較して、各Ｂ含有体４２ＡがＧａＮ体４１Ａに埋設されている態様が異なっている。また、第２実施形態に係るＩ層１４Ａは、各Ｂ含有体４２ＡがＢＧａＮではなく窒化ホウ素（ＢＮ）を含有している点においても、第１実施形態に係るＩ層１４と異なっている。以下に、第２実施形態に係るＩ層１４Ａの構成について説明する。
【００６１】
各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向から見て、Ｉ層１４Ａの一部のみ（すなわち、中性子検出部の一部のみ）に形成されている。また、各Ｂ含有体４２Ａは、ＸＹ平面に沿った断面において、Ｉ層１４Ａ全体の断面積と比較して小さい断面積を有し、Ｉ層１４Ａ中に散在（すなわち、Ｂ含有体４２Ａによって構成される複数の領域がＧａＮ体４１Ａ中に離散的に存在）している。
【００６２】
各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向において、好ましくは１原子層以上４０原子層以下の厚さを有する。また、各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向において、好ましくは中性子検出部４０の１％以上９９％以下の面積（被覆率）を有し、より好ましくは２０％以上７５％以下の面積を有する。
【００６３】
図９の（ａ）及び（ｂ）には、本実施形態に係るＩ層１４Ａが示されている（以下、「実施例３」という）。なお、図９の（ａ）は、Ｉ層１４ＡのＳＥＭ画像である。図９の（ａ）では、ＧａＮ体４１Ａ中にＢ含有体４２Ａが散在することに起因したＩ層１４Ａの表面の隆起が観察される。図９の（ｃ）及び（ｄ）には、図９の（ａ）及び（ｂ）と縮尺を合わせた比較例１に係るＩ層が示されている。
［中性子半導体検出構造の製造方法］
【００６４】
続いて、中性子半導体検出構造におけるＩ層１４Ａの製造方法について説明する。第２実施形態においても、上述したＭＯＣＶＤ装置５０が用いられる。
【００６５】
まず、ＭＯＣＶＤ装置５０のチャンバ５１内に基板Ｓを載置する。そして、赤外線放射温度計７３により温度を計測しつつ、高周波誘導加熱コイル６７の発熱量及び冷却水路６８を流れる冷却水の流量が制御されることによって、チャンバ５１内の温度を例えば１０００℃程度に調整する（加熱工程）。
【００６６】
続いて、加熱された基板Ｓが載置されたチャンバ５１内に、ＮＨ３を連続的に供給し、且つ、ＴＭＧとＴＥＢとのそれぞれを断続的に交互に供給する（供給工程）。
【００６７】
ここで、図１０は、中性子半導体検出構造の製造方法における原料の供給タイミングを示す図である。図１０の（ａ）には、実施例３における原料の供給タイミングが示されている。図１０の（ａ）において、ＮＨ３に加えてＴＭＧが供給されている間には、ＧａＮを含有するＧａＮ体４１Ａが基板Ｓ上に形成され、ＮＨ３に加えてＴＥＢが供給されている間には、ＢＮを含有するＢ含有体４２Ａが基板Ｓ上に形成される。ＴＭＧとＴＥＢとのそれぞれを断続的に交互に供給する際に、ＮＨ３に加えてＴＥＢが供給される期間（基板Ｓ上にＢ含有体４２Ａが形成される期間）を調整することで、Ｚ軸方向から見た各Ｂ含有体４２Ａの中性子検出部４０に対する面積の割合を調整することができる。これにより、Ｚ軸方向から見て、各Ｂ含有体４２ＡをＩ層１４Ａの一部のみ（すなわち、中性子検出部４０の一部のみ）に形成することが可能である。
【００６８】
以上説明したように、中性子半導体検出構造１０では、各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向から見て、中性子検出部４０の一部のみに形成されている。これにより、Ｚ軸方向において、中性子検出部４０の一端面から他端面まで連続的にＧａＮ体４１Ａが形成された状態となる。したがって、中性子ｎの入射に起因して生成した電子ｅ及びホールｈは、ＧａＮ体４１Ａ中を移動して中性子検出部４０の一端面又は他端面に移動することができるため、その移動度の低下が抑制される。よって、出力信号のＳ／Ｎ比の低下が抑制され、その結果、中性子ｎの検出効率を向上させることができる。
【００６９】
中性子半導体検出構造１０では、各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向において、例えば１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、Ｚ軸方向から見て、中性子検出部４０の例えば１％以上９９％以下の面積を有している。これにより、中性子ｎの検出効率を向上させるという中性子半導体検出構造１０の作用及び効果を好適に奏することができる。
【００７０】
中性子半導体検出構造１０では、各Ｂ含有体４２Ａは、Ｚ軸方向において、例えば１原子層以上４０原子層以下の厚さを有し、Ｚ軸方向から見て、中性子検出部４０の例えば２０％以上７５％以下の面積を有している。これにより、中性子ｎの検出効率を向上させるという中性子半導体検出構造１０の作用及び効果をより一層好適に奏することができる。
【００７１】
中性子半導体検出構造１０の製造方法では、各Ｂ含有体４２Ａが、Ｚ軸方向から見て、中性子検出部４０の一部のみに形成されている中性子半導体検出構造１０を製造することができる。このような構成を備える中性子半導体検出構造１０によれば、Ｚ軸方向において、中性子検出部４０の一端面から他端面まで連続的にＧａＮ体４１Ａが形成された状態となる。したがって、中性子ｎの入射に起因して生成した電子ｅ及びホールｈが、ＧａＮ体４１Ａ中を移動して中性子検出部４０の一端面又は他端面に移動することができるため、その移動度の低下が抑制される。よって、出力信号のＳ／Ｎ比の低下が抑制され、その結果、中性子ｎの検出効率を向上させることができる。
［第３実施形態］
【００７２】
図１１は、第３実施形態に係る中性子半導体検出構造を示す概略断面図である。図１１に示されるように、第３実施形態に係る中性子半導体検出構造１０Ｂは、第１実施形態及び第２実施形態に係る中性子半導体検出構造と比較して、中性子検出部４０ＢにおけるＰ層１３Ｂ、Ｉ層１４Ｂ、及びＮ層１５Ｂのそれぞれが配置される態様が異なっている。なお、第３実施形態に係るＩ層１４Ｂの内部構造は、第１実施形態に係るＩ層１４の上述した内部構造と同様の構成であってもよく、第２実施形態に係るＩ層１４Ａの上述した内部構造と同様の構成であってもよい。
【００７３】
Ｉ層１４Ｂは、ＧａＮバッファー層１２上に形成された層である。つまり、Ｉ層１４ＢとＧａＮバッファー層１２との間にはＮ層が介在していない。
【００７４】
Ｐ層１３Ｂ及びＮ層１５Ｂのそれぞれは、Ｉ層１４ＢのＺ軸方向における基板とは反対側の面（上層側の面）に形成されている。より詳細には、Ｐ層１３Ｂ及びＮ層１５Ｂのそれぞれは、Ｚ軸方向において、Ｉ層１４Ｂの上層側の面の位置から、基板側に向かってＩ層１４Ｂの途中まで入り込んだ位置までの領域に形成されている。
【００７５】
Ｐ層１３Ｂは、Ｉ層１４Ｂに対してＺ軸方向における上層側からイオン注入（Ｐドープ）を行うことによって、Ｉ層１４Ｂの一部を当該Ｐ層１３Ｂに変えることで形成される。同様に、Ｎ層１５Ｂは、Ｉ層１４Ｂに対してＺ軸方向における上層側からイオン注入（Ｎドープ）を行うことによって、Ｉ層１４Ｂの一部を当該Ｎ層１５Ｂに変えることで形成される。
【００７６】
また、Ｐ層１３Ｂ及びＮ層１５Ｂのそれぞれは、Ｘ軸方向において、互いに離間している。より詳細には、Ｐ層１３Ｂは、Ｉ層１４ＢのＸ軸方向における一端側に形成されており、Ｎ層１５Ｂは、Ｉ層１４ＢのＸ軸方向における他端側に形成されている。なお、ここでは、Ｐ層１３Ｂ及びＮ層１５Ｂのそれぞれが互いに離間している方向をＸ軸方向としたが、当該方向は、Ｘ軸方向に限定されず、Ｚ軸方向に交差する方向であればよい。
【００７７】
このように構成された中性子半導体検出構造１０Ｂを備える中性子半導体検出器において、Ｐ層１３ＢとＮ層１５Ｂとの間にバイアス電圧が印加されると、Ｉ層１４Ｂに有感層（空乏層）Ｖが形成される。この有感層Ｖに中性子ｎが入射することで、図２に示されるように、当該中性子ｎが捕捉されてα線ａが生成されると共にγ線ｇが放出される。そして、生成されたα線ａは、同じＩ層１４Ｂに含有されるＧａＮを励起して電子ｅ及びホールｈが生成され、これら電子ｅ及びホールｈを検出することで中性子ｎが検出される。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態に係る中性子半導体検出器では、Ｎ層１５Ｂ及びＰ層１３Ｂのそれぞれは、Ｉ層１４ＢのＺ軸方向における上層側の面に形成されており、Ｘ軸方向において、互いに離間している。これにより、Ｘ軸方向に沿ってＰ層１３Ｂ、Ｉ層１４Ｂ、及びＮ層１５Ｂが積層されたＰＩＮ構造を有する、いわゆる横型の中性子半導体検出器を好適に構成することができる。
［第４実施形態］
【００７９】
図１２は、第４実施形態に係る中性子半導体検出構造を示す概略断面図である。図１２に示されるように、第４実施形態に係る中性子半導体検出構造１０Ｃは、第１実施形態及び第２実施形態に係る中性子半導体検出構造と比較して、中性子検出部４０ＣにおけるＰ層１３Ｃ、Ｉ層１４Ｃ、及びＮ層１５Ｃのそれぞれが配置される態様が異なっている。また、第４実施形態に係る中性子半導体検出構造１０Ｃは、最上層に保護膜１６を有している点においても、第１実施形態及び第２実施形態に係る中性子半導体検出構造と異なっている。なお、第４実施形態に係るＩ層１４Ｃの内部構造は、第１実施形態に係るＩ層１４の上述した内部構造と同様の構成であってもよく、第２実施形態に係るＩ層１４Ａの上述した内部構造と同様の構成であってもよい。
【００８０】
Ｉ層１４Ｃは、ＧａＮバッファー層１２上に形成された層である。つまり、Ｉ層１４ＣとＧａＮバッファー層１２との間にはＮ層が介在していない。
【００８１】
Ｐ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃのそれぞれは、Ｉ層１４ＣのＺ軸方向における基板とは反対側の面（上層側の面）に形成されている。より詳細には、Ｐ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃのそれぞれは、Ｉ層１４Ｃの上層側の面上に形成されている。換言すると、Ｐ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃのそれぞれは、Ｚ軸方向において、Ｉ層１４Ｃの上層側の面から、更に上層側に向かって形成されている。
【００８２】
また、Ｐ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃのそれぞれは、Ｘ軸方向において、互いに離間している。より詳細には、Ｐ層１３Ｃは、Ｉ層１４ＣのＸ軸方向における一端側に形成されており、Ｎ層１５Ｃは、Ｉ層１４ＣのＸ軸方向における他端側に形成されている。なお、ここでは、Ｐ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃのそれぞれが互いに離間している方向をＸ軸方向としたが、当該方向は、Ｘ軸方向に限定されず、Ｚ軸方向に交差する方向であればよい。
【００８３】
中性子半導体検出構造１０Ｃは、Ｉ層１４Ｃを保護するための保護膜１６を有している。保護膜１６は、Ｉ層１４ＣのＺ軸方向における上層側の面上に形成されている。換言すると、保護膜１６は、Ｚ軸方向において、Ｉ層１４Ｃの上層側の面から、更に上層側に向かって形成されている。保護膜１６は、Ｚ軸方向から見て、Ｉ層１４Ｃ上に互いに離間して配置されたＰ層１３Ｃ及びＮ層１５Ｃを避ける位置に配置されており、例えば、Ｐ層１３ＣとＮ層１５Ｃとの間の位置に配置されている。保護膜１６は、ＳｉＯ２を含有している。
【００８４】
このように構成された中性子半導体検出構造１０Ｃを備える中性子半導体検出器において、Ｐ層１３ＣとＮ層１５Ｃとの間にバイアス電圧が印加されると、Ｉ層１４Ｃに有感層（空乏層）Ｖが形成される。この有感層Ｖに中性子ｎが入射することで、図２に示されるように、当該中性子ｎが捕捉されてα線ａが生成されると共にγ線ｇが放出される。そして、生成されたα線ａは、同じＩ層１４Ｃに含有されるＧａＮを励起して電子ｅ及びホールｈが生成され、これら電子ｅ及びホールｈを検出することで中性子ｎが検出される。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態に係る中性子半導体検出器では、Ｎ層１５Ｃ及びＰ層１３Ｃのそれぞれは、Ｉ層１４ＣのＺ軸方向における上層側の面に形成されており、Ｘ軸方向において、互いに離間している。これにより、Ｘ軸方向に沿ってＰ層１３Ｃ、Ｉ層１４Ｃ、及びＮ層１５Ｃが積層されたＰＩＮ構造を有する、いわゆる横型の中性子半導体検出器を好適に構成することができる。
【００８６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、第１実施形態及び第２実施形態において、Ｂ含有体４２，４２Ａの原料として、ＴＥＢに代えて、ＴＭＢ（トリメチルボロン）又はジボラン（Ｂ２Ｈ６）が用いられてもよい。或いは、Ｂ含有体４２，４２Ａの原料として、ＴＥＢ、ＴＭＢ、及びＢ２Ｈ６のうちの少なくとも２種類が用いられてもよい。これらの場合、ＴＭＢ及びＢ２Ｈ６は、バブラーではなくボンベからチャンバ５１に供給されてもよい。
【００８７】
また、第１実施形態及び第２実施形態において、Ｉ層１４，１４Ａの製造に用いられるＭＯＣＶＤ装置５０のチャンバは、上述したチャンバ５１に限定されず、ＭＯＣＶＤ装置に適用可能な各種のチャンバであってよい。例えば、チャンバとしては、いわゆるシャワーヘッド型、横型水平チャンバ、バレル型等であってもよい。
【００８８】
また、第１実施形態及び第２実施形態において、Ｉ層１４，１４Ａの製造方法における基板Ｓとしては、サファイア基板１１上に形成されたＧａＮバッファー層１２上に、更にＮ層１５が形成されたものであってもよい。
【００８９】
また、第１実施形態において、Ｂ含有体４２は、ＢＧａＮに代えて、又はＢＧａＮに加えて、ＢＮを含有していてもよい。
【００９０】
また、第１実施形態において、各ＧａＮ体４１のＺ軸方向における上層側の面が平坦であるとは、少なくとも各Ｂ含有体４２のＺ軸方向における上層側の面よりも凹凸が小さいことを意味してもよい。更に、凹凸が小さいとは、表面粗さが小さいことを意味してもよい。
【００９１】
また、第２実施形態において、Ｂ含有体４２は、ＢＮに代えて、又はＢＮに加えて、ＢＧａＮを含有していてもよい。この場合、製造方法の供給工程において、チャンバ５１内にＴＭＧとＴＥＢ、ＴＭＢ、及びＢ２Ｈ６のうちの少なくともいずれかとのそれぞれを断続的に交互に供給する際に、ＴＭＧとＴＥＢ、ＴＭＢ、及びＢ２Ｈ６のうちの少なくともいずれかとを供給するタイミングに重複する期間を設定することで、その期間においてＢＧａＮを含有するＢ含有体４２が形成される。
【００９２】
また、第２実施形態に係る製造方法の供給工程において、ＴＭＧ、ＴＥＢ、ＴＭＢ、及びＢ２Ｈ６のいずれも供給されない期間があってもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１…中性子半導体検出器、１０，１０Ｂ，１０Ｃ…中性子半導体検出構造、１１…サファイア基板（基板）、１２…ＧａＮバッファー層（基板）、１３，１３Ｂ，１３Ｃ…Ｐ層、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…Ｉ層、１５，１５Ｂ，１５Ｃ…Ｎ層、４０，４０Ｂ，４０Ｃ…中性子検出部、４１，４１Ａ…ＧａＮ体、４２，４２Ａ…Ｂ含有体、５０…ＭＯＣＶＤ装置（有機金属気相堆積装置）、５１…チャンバ。
【図１】
2018169355.tif 000003
【図２】
2018169355.tif 000004
【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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【図１２】
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