(57)【要約】【課題】半導体の基板（Ｉ層）を厚くし得ると共に、高抵抗率の半導体を用いることができるＳＳＤを提供することで、エネルギーの高い放射線の検出精度を高める。【解決手段】Ｉ層の第１の面にＰ層が設けられ、Ｉ層の第２の面に島状のＮ層が設けられると共にＮ層を中心として環状のＰリングが形成され、放射線の入射によりＩ層で発生した電荷をＰ層およびＰリングに印加した電圧により生じた電位勾配によってＮ層に集める放射線検出器に関する。Ｐ層に電圧印加用の第１電極端子を設け、Ｐ層の外周部分に対峙する位置に設けた１本のＰリングに電圧印加用の第２電極端子を設け、第２の面における外周部分に対峙する位置に設けたＰリングとＮ層との間には、絶縁層が設けられ、絶縁層の表面に電圧印加用のリング状の電極端子が設けられていることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉ層の第１の面にＰ層が設けられ、Ｉ層の第２の面に島状のＮ層が設けられると共に前記Ｎ層を中心として環状のＰリングが形成され、放射線の入射によりＩ層で発生した電荷を前記Ｐ層およびＰリングに印加した電圧により生じた電位勾配によって前記Ｎ層に集める放射線検出器において、
前記Ｐ層に電圧印加用の第１電極端子を設け、
前記第２の面における前記Ｐ層の外周部分に対峙する位置に設けた１本のＰリングに電圧印加用の第２電極端子を設け、
前記第２の面における前記外周部分に対峙する位置に設けた前記Ｐリングと前記Ｎ層との間には絶縁層が設けられ、
前記絶縁層の表面に電圧印加用のリング状の電極端子が設けられていることを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
請求項１において、前記絶縁層が前記Ｉ層の金属を酸化した酸化膜で形成され、前記酸化膜の膜厚が０．１μｍ〜３．０μｍである放射線検出器。
【請求項３】
請求項１もしくは２において、前記Ｉ層の抵抗率が５〜１００ｋΩｃｍに設定されている放射線検出器。
【請求項４】
請求項３において、前記Ｉ層の厚さが０．６〜７．０ｍｍに設定されている放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコンドリフト検出器（以下「ＳＤＤ」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ−ＰＩＮ検出器はＳｉウェーハを基板として通常のデバイス製造技術により製造され、その小型化のために新しい応用が開けた。Ｓｉ−ＰＩＮの製造とほぼ同じ時期にドイツのケンメルらは陽極を円筒状の多重電極として、この多重電極に異なる電位を付加し、電位勾配を設けることにより電荷収集効率を高め、結果的にエネルギー分解能が向上するＳＤＤ（非特許文献１）を提案し、その後、製品化を行った。図１にＳＤＤの構造の一例を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】Silicon drift detectors for high resolution room temperature X-ray spectroscopy : Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A377 (1996) 346-354
【特許文献２】JP2008-153256A（要約）
【特許文献３】JP2008-258348A（要約）
【０００４】
FIG. 1に示すＳＤＤにおいて、シリコン基板からなるＩ層１１の第１の面１１１にＰ層（カソード）１０が設けられ、I 層１１の第２の面１１２にＮ層（アノード）１２が設けられると共に前記Ｎ層１２を中心として多数のＰリング１３が形成されている。この従来のＳＤＤは、第１の面のＰ層に電圧を印加する以外に、Ｐリングのうち、両端のＰリング１３ａと１３ｂに電圧を印加したことにより生じた電位勾配によって、放射線の入射によりＩ層１１で発生した電荷２０を前記Ｎ層１２に集める。このＳＤＤはＸ線の受光面であるＰ層１０の面積が大きいという利点がある。
【０００５】
第１の面１１１に対する面積全体にＮ層を形成した場合、Ｐ層の反対の面である第２の面１１２も広くなり、そのため、素子の静電容量Ｃが増大する。前記容量Ｃが増大すると、図２ＢのＮ層１２の出力端子１６を介して計測される電圧値Ｖが前記容量Ｃに反比例して小さくなる。これは素子の分解能が低下する要因となる。
そこで、前記従来のＳＤＤは、図２Ｂに示すように、ＭＯＳＦＥＴ１００を形成し、最外周のＰリング１３ａと最内周のＰリング１３ｂとの電位差がＰリング１３間において均一の電位勾配となるようにしている。これにより、前記容量Ｃを低減でき、かつ、中央のＮ層１２に電荷２０が集まり易くなる。
【０００６】
前記ＳＤＤは、高計数測定が可能であり、また、ペルチェ素子での冷却により動作可能であるなどの利点を有する。しかし、Ｉ層１１が狭いため、放射線のエネルギーが２０ｋｅＶを超えると放射線がＩ層を透過してしまい、検出効率が急激に小さくなる。そのため、比較的用途が限られている。たとえば、Ｃｄ等の高エネルギー成分の検出には適さなくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、物質中の重金属（Ｐｂ，Ｃｄ，Ｈｇ，Ｃｒ）を検出する場合は、これらの物質からの蛍光Ｘ線のエネルギーは高いため、Ｘ線を完全に吸収するためにはＳｉ基板であるＩ層１１を厚くしなければならない。厚くしたＳｉ基板全体を完全に空乏層化するためには、高抵抗率のＳｉ基板を用いる必要がある。ここで、本発明者は、高抵抗のＳｉ基板を用いる場合、Ｐリング１３とカソード（Ｐ層１０）間に多量の電流が流れ、リークすることを発見した。
【０００８】
かかる電流のリークは、計測される計数値の低下を招くので、たとえば、分解能の低下の要因となり、一方、物質中の重金属は一般に微量であるから、検出精度が著しく低下する原因となる。
【０００９】
したがって、本発明の主目的は、半導体の基板（Ｉ層）を厚くし得ると共に、高抵抗率の半導体を用いることができるＳＤＤを提供することで、エネルギーの高い放射線の検出精度を高めることである。
【００１０】
ところで、前記従来のＳＤＤは、２〜３ｍｍの直径の中に、約１８本もの多数のＰリング１３を形成する必要がある上、多数のＰリング１３に最適な電位を与えるためにＭＯＳＦＥＴ１００を積層する必要がある。そのため、歩留まりの低下の要因となる。
【００１１】
ＭＯＳＦＥＴ１００は酸化膜を積層してゲートが形成されるので、製造工程の増加により、コストがアップする。
また、ＳＤＤは前述のようにＸ線検出のうちの特に限られた分野での利用が目されているのため、大量生産されないのに対し、前記多数のＰリング１３やＭＯＳＦＥＴ１００を形成するには、大規模な設備が必要となり、設備費がＳＤＤの単価を引き上げる大きな要因となっている。
【００１２】
そこで、小規模の設備でも製造が可能で、しかも、少ない製造工程で、かつ、歩留まりの高いＳＤＤが前記文献２に開示されている。このＳＤＤの構造を図２Ａに示す。
【００１３】
図２Ａにおいて、このＳＤＤは、Ｐリング１３の総数が２〜５本に設定され、前記各Ｐリング１３ごとに電極が形成され、前記Ｐリング１３ごとに互いに異なる電位を印加するために、前記各Ｐリングごとに電極端子１４が接続され、各Ｐリング１３ごとに個別に電位を印加することができる。
【００１４】
この文献２の発明によれば、Ｐリング１３の総数が２〜５本であるため、従来の多数のＰリング１３を持つＳＤＤに比べ歩留まりが向上する。
また、各電極端子１４ごとに入力端子１５が接続されており、従来のＳＤＤと異なりＭＯＳＦＥＴ１００を積層する必要がないから、小規模の設備でも製造が可能となる。このように、歩留まりが向上し、かつ、規模の小さな設備でも製造が可能になるから、大幅なコストダウンを図り得る。
また、ＭＯＳＦＥＴ１００の層を有していないので、急激に電圧を印加しても絶縁破壊などを生じにくい。
【００１５】
しかし、この文献２においても、各Ｐリング１３を介して各入力端子１５から前記電流のリークする欠点は同様に生じる。
【００１６】
そこで、ＭＯＳＦＥＴ１００を用いずに、最外周にＰリングを設けたＳＤＤが前記文献３に開示されている。この文献３に開示されたＳＤＤの構造を図３に示す。
【００１７】
図３に示すように、前記文献３に開示されたＳＤＤは、単一（１本）のＰリング１３のみを有している。この単一のＰリング１３は、Ｐ層１０の外周部分に対峙する位置に設けられており、すなわち、Ｐ層１０の外周もしくは若干内側に配置されており、島状のＮ層１２の周囲を囲んでいる。
【００１８】
前記Ｐ層１０には、当該Ｐ層１０に所定の電位を印加するための第１電極端子２１が形成されている。一方、前記単一のＰリング１３には、当該Ｐリング１３に所定の電位を印加するための第２電極端子１４が形成されている。前記単一のＰリング１３の内周側には、つまり、この単一のＰリング１３とＮ層１２との間には、他のＰリングは設けられておらず、したがって、他の電圧印加用の端子は設けられていない。これにより、電流のリーク防止を狙っている。
【００１９】
しかし、前記文献３のＳＤＤにおいては、Ｉ層１１で発生した電荷２０が第２の面１１２の表面に移動してアノードであるＮ層１２に到達することが分かった。このように、電荷２０が第２の面１１２を移動すると、第２の面１１２の表面の欠陥により電荷の到達に遅れが生じる。この遅れは計数値の低下を招き、その結果、検出精度が低下する。
【００２０】
したがって、本発明の目的は以上のような課題を解決し得るＳＤＤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記目的を達成するために、本発明は、Ｉ層の第１の面にＰ層が設けられ、Ｉ層の第２の面に島状のＮ層が設けられると共に前記Ｎ層を中心として環状のＰリングが形成され、放射線の入射によりＩ層で発生した電荷を前記Ｐ層およびＰリングに印加した電圧により生じた電位勾配によって前記Ｎ層に集める放射線検出器において、前記Ｐ層に電圧印加用の第１電極端子を設け、前記第２の面における前記Ｐ層の外周部分に対峙する位置に設けた１本のＰリングに電圧印加用の第２電極端子を設け、前記第２の面における前記外周部分に対峙する位置に設けた前記Ｐリングと前記Ｎ層との間には絶縁層が設けられ、前記絶縁層の表面に電圧印加用のリング状の電極端子が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
この放射線検出器によれば、絶縁層の表面に設けた電圧印加用のリング状の電極端子に負の電圧を印加することで、Ｉ層で発生した電荷が第２の面に近付きにくくなる。そのため、Ｉ層で発生した電荷の到達が第２の面の表面の欠陥により遅れるのを防止し得る。その結果、検出を高精度に行うことができる。
【００２３】
また、第２の面に絶縁層を設け、該絶縁層の表面に電圧印加用のリング状の電極端子を設けたので、外周部分のＰリングとＮ層との間においては、電流のリークする端子が存在しないから、リークを防止し得る。
そのため、Ｉ層に高電圧を印加してもＰ層とＮ層との間において電流がリークしにくいので、Ｉ層の厚さを厚くしても高電圧を印加することで、Ｉ層全体を空乏層化することができる。その結果、高いエネルギーの放射線の検出を高精度に行うことができる。
【００２４】
Ｐ層とはアクセプタが添加され正孔が多い半導体であり、第１の面に形成されたカソードである。Ｎ層とはドナーが添加され電子が多い半導体であり、第２の面に形成された電子を集めるアノードである。Ｉ層とはドナー密度の低いＮ層であり、X 線により電子が生成されるところである。Ｐリングとは第２の面に形成されたＰ層と同様に形成されたリング状の半導体である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一般的なＳＤＤの一例を示す斜視図である。
【図２】図２ＡはJP2008-153256Aに開示されたＳＤＤの一部省略断面図、図２Ｂは従来のＳＤＤの一例を示す一部省略断面図である。
【図３】JP2008-258348Aに開示されたＳＤＤの一部省略断面図である。
【図４】本発明の一実施例を示すＳＤＤの一部省略断面図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、図３および図４のＳＤＤについて電荷の移動軌跡をコンピュータシュミレーションで求めた結果を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の好的な実施例においては、前記絶縁層が前記Ｉ層の金属を酸化した酸化膜で形成され、前記酸化膜の膜厚が０．１μｍ〜３．０μｍである。
【００２７】
本発明においては、ＰリングとＮ層との間の広い部位に絶縁層を形成しているので、絶縁層を０．１μｍ〜３．０μｍの厚い絶縁層にすることができる。そのため、絶縁が破損し難い。
【００２８】
かかる観点から、絶縁層の膜厚は０．５μｍ以上であるのが好ましい。
【００２９】
本発明の好適な実施例では、Ｉ層の抵抗率を５〜１００ｋΩｃｍの高い値に設定する。このように抵抗率を高くすることにより、漏れ電流を更に低減できる。
【００３０】
前記抵抗率が５ｋΩｃｍよりも低いと、厚いＩ層全体を空乏層化するためには、高電圧を印加しなければならないため、漏れ電流が増加する。一方、前記抵抗率が１００ｋΩｃｍよりも高いと、基板の製作が困難となり、入手ができない。
【００３１】
かかる観点から、前記抵抗率は５〜４０ｋΩｃｍがより好ましく、１０〜３０ｋΩｃｍが最も好ましい。
【００３２】
本発明の好ましい実施例では、Ｉ層の厚さが０．６〜７．０ｍｍに設定される。
このように、Ｉ層の厚さを厚くすることにより、高エネルギーのＸ線でもＩ層を透過しにくくなり、検出精度が向上する。
【００３３】
前記厚さが０．６ｍｍよりも薄いと、高エネルギーのＸ線がＩ層を透過する。一方、前記厚さを７．０ｍｍよりも厚くしても、高エネルギーのＸ線の検出効率に変化がない上、コストアップを招く。
【００３４】
かかる観点から前記厚さは０．８〜５．０ｍｍに設定されるのがより好ましく、１．０〜３．０ｍｍに設定されるのが最も好ましい。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
以下の実施例の説明においては、前記図２Ａおよび図３の技術と同一もくしは相当部分には同一符号を付しており、これらの技術と相違する部分や説明されていない部分について主に説明する。
【００３６】
図４に示すように、本実施例のＳＤＤは、単一（１本）のＰリング１３のみを有している。この単一のＰリング１３は、Ｐ層１０の外周部分に対峙する位置に設けられており、すなわち、第２の面１１２におけるＰ層１０の外周もしくは若干内側に配置されており、島状のＮ層１２の周囲を囲んでいる。
【００３７】
前記Ｐ層１０には、当該Ｐ層１０に所定の電位を印加するための第１電極端子２１が形成されている。一方、前記単一のＰリング１３には、当該Ｐリング１３に所定の電位を印加するための第２電極端子１４が形成されている。前記単一のＰリング１３の内周側には、つまり、この単一のＰリング１３とＮ層１２との間には、他のＰリングは設けられていない。
【００３８】
前記２つの電極端子１４，２１は、互いに結線されていると共に、図示しない共通の入力端子に接続される。したがって、単一のＰリング１３とＰ層１０は、互いに同電位（たとえば−１６０Ｖ）に設定される。
なお、Ｐリング１３とＰ層１０とが互いに同電位となるように電圧を印加すれば良く、２つの電極端子１４，２１を互いに結線する必要はない。
【００３９】
一方、前記Ｎ層１２には、計測用の電流が流れ出すための第３の電極端子１６がボンディングにより形成され、出力端子１７に計測器が接続される。前記Ｐリング１３およびＰ層１０により、前記Ｉ層１１には電界が形成されるが、このＩ層１１の電界は、前記Ｐリング１３の中心部つまりＮ層１２に向かうに従い電位が高くなる電位勾配を持つ。
【００４０】
前記Ｐリング１３と前記Ｎ層１２との間において、第２の面１１２は絶縁層３０によって覆われており、露出していない。したがって、前記Ｐリング１３とＮ層１２との間において、第２の面１１２から電流のリークするおそれはない。
なお、Ｐリング１３の外周面にも別の絶縁層３１が設けられていてもよい。
【００４１】
前記絶縁層３０は、Ｉ層を形成するシリコンの酸化膜で形成されている。酸化膜の膜厚としては、たとえば、０．１μｍ〜３．０μｍが好ましい。
【００４２】
前記絶縁層３０の表面には、前記Ｐリング１３と同心円上に１本または複数本のリング状の第４の電極端子１９が設けられている。前記各第４の電極端子１９には前記第２電極端子１４に印加する電圧値よりも小さい電圧が印加される。前記第４の電極端子１９が複数本の場合、第４の電極端子１９がＮ層１２に近い電極の方が印加される電圧値が低い。
【００４３】
Ｐ層１０からＩ層１１内に入射したＸ線によりＩ層１１内で発生した電荷２０はＮ層１２に集められ、第３の端子１６を介して出力端子１７から取り出される。
【００４４】
ここで、前記Ｐリング１３とＰ層１０とはほぼ同電位であるから、Ｐ層１０からＰリング１３への電流のリークを防止できる。
【００４５】
前記Ｉ層１１の厚さＴは、従来のＳＤＤよりも厚く、たとえば、１．０〜３．０ｍｍに設定されている。そのため、高いエネルギーのＸ線でもＩ層１１を透過しにくい。
【００４６】
前記Ｉ層１１を形成するシリコン基板は、従来のＳＤＤよりも高い抵抗率を有しており、たとえば、１０〜３０ｋΩｃｍの抵抗率を持つ素材で形成されている。かかる高抵抗率を持つＩ層１１は、Ｉ層１１が厚くても、低い印加電圧でＩ層１１全体にわたって空乏層が形成される。
【００４７】
なお、前記第１の面１１１におけるＰ層１０よりも外側と、前記第２の面１１２におけるＰリング１３の外側には、それぞれ、電荷２０が外へ飛び出すのを防止するための第１および第２ガード電極２２，２３を設けてもよい。
また、Ｐリング１３や第４の電極端子１９は、円形であってもよいし、方形であってもよい。
【００４８】
つぎに、本発明の効果を明瞭にするために、試験例および比較例を示す。
図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、比較例および試験例のＩ層１１において発生した電荷２０の移動軌跡２００を示す。
【００４９】
比較例および試験例のＳＤＤのモデルとしては、それぞれ、図３および図４の実施例を採用した。
比較例および試験例のモデルにおいて、Ｉ層の厚さは０．６ｍｍ、絶縁層３０の厚さは１．５μｍ、電極端子１４の印加電圧は−１６０Ｖ、図４の３本の第４電極端子１９1 ，１９2 ，１９3 の印加電圧は、それぞれ、−１１０Ｖ，−１３０Ｖ，−１５０Ｖに設定した。
【００５０】
つぎに、コンピュータシミュレーションを用いて比較例および試験例について等電位線２０１を求めた。
Ｉ層１１の中央において電荷２０が発生したと仮定し、電荷２０がＮ層１２に到達するまでの移動軌跡２００を求めた。なお、電荷２０は等電位線２０１に対し直交するようにＩ層１１移動すると仮定した。
【００５１】
図５Ａの比較例において、電荷２０は第２の面１１２に近づき、第２の面１１２に沿って移動した後に、Ｎ層１２に到達していることが分かる。そのため、第２の面１１２の表面の欠陥により、電荷２０がＮ層１２に到達するまでに遅れが生じるだろう。
【００５２】
図５Ｂの試験例において、電荷２０はＰリング１３の中心に向って第２の面１１２に概ね平行に移動してＮ層１２に近づいた後に、Ｎ層１２に向って斜めに移動してＮ層１２に到達していてることが分かる。そのため、電荷２０の到達時間には第２の面１１２の表面の欠陥による遅れが生じにくいだろう。
【００５３】
なお、このような結果が得られた理由は、絶縁層３０（図４）の表面に設けた第４の電極端子１９1 ，１９2 ，１９3 にマイナスの電位を印加したため、第２の面１１２の表面のマイナス電位が大きくなったためであると推定される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は蛍光Ｘ線分析やＸ線回析など、種々のＸ線分析用の検出器に用いることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０：Ｐ層
１１：Ｉ層
１１１：第１の面
１１２：第２の面
１２：Ｎ層
１３：Ｐリング
１４：第２の電極端子
１９：（第４の）電極端子
２１：第１の電極端子
Ｔ：厚さ
【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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