(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、高エネルギーＸ線を検出でき、かつ、長い部分や広い面積についてＸ線検出が可能なＳＤＤを提供する。【解決手段】Ｉ層１１の第１の面にＰ層１０が設けられ、Ｉ層１１の第２の面に島状のＮ層１２が設けられると共にＮ層１２を中心として環状のＰリング１３が形成され、放射線の入射によりＩ層１１で発生した電荷をＰ層１０およびＰリング１３に印加した電圧により生じた電位勾配によってＮ層１２に集める放射線検出器に関する。Ｐ層１０に電圧印加用の第１電極端子２１を設け、Ｐ層１０の外周部分に対峙する位置に設けた１本のＰリング１３に電圧印加用の第２電極端子１４を設けると共に、第２の面におけるＰリング１３とＮ層１２との間には、電圧印加用の端子が設けられていない。【選択図】図３
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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電極端子を設けると共に、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Ｐリングと前記Ｎ層との間には、電圧印加用の端子が設けられていないことを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
放射線の入射により電荷を発生させるＩ層と、
前記Ｉ層の第１の面に設けられ第１電極端子を介して電位が印加されるＰ層と、
前記Ｉ層の第２の面に設けられ１列または複数列に配置された島状のＮ層と、
前記各Ｎ層を中心として前記各Ｎ層を取り囲み、印加される電圧により前記各Ｎ層に前記電荷を集めるためのループ状のＰリングとを備え、
前記各Ｐリングが格子状に並んで配列されて網状のＰリング網が形成され、
前記Ｐリング網には、前記各Ｐリングに必要な電位を印加するために、電圧印加用の単一の第２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３】
請求項１もしくは２において、前記両電極端子の印加電位が同じ電位となるように前記第１電極端子と前記第２電極端子とが互いに結線されている放射線検出器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、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５】
請求項４において、前記Ｉ層の厚さが０．４〜７．０ｍｍ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。ＦＩＧ．１にＳＤＤの構造の一例を示す。
【非特許文献１】Silicon drift detectors for high resolution room temperature X-ray spectroscopy : Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A377 (1996) 346-354
【０００３】
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。
【０００４】
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、ＦＩＧ．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、ＦＩＧ．２Ｂに示すように、Ｎ層を小さくしＰリング１３を形成しＰリング１３ａと１３ｂとの電位差がＭＯＳＦＥＴ１００によりＰリング１３間に均一の電位勾配を生じさせている。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。
【０００５】
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、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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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ことである。
【０００９】
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。
【００１０】
ＭＯＳＦＥＴ１００は酸化膜を積層してゲートを形成されるので、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。
【００１１】
そこで、本発明者は、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、歩留まりを向上させることで、ローコストのＳＤＤについて発明し、出願した（特願２００６−３３６７２７号）。この先願のＳＤＤの構造を図２Ａに示す。
【００１２】
ＦＩＧ．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ごとに互いに絶縁された電極が形成され、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。
【００１３】
この先願の本発明によれば、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。
【００１４】
しかし、この先願においても、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。
【００１５】
ところで、Ｘ線を長いラインや広い面積にわたって検出する要望がある。そのためには、前記ＳＤＤを一次元的または二次元的に多数配置する必要がある。そのため、著しくコストがアップする。
【００１６】
したがって、本発明の他の目的は、高エネルギーのＸ線を検出でき、かつ、長い部分や広い面積についてＸ線検出が可能なＳＤＤを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記主目的を達成するために、本発明のある放射線検出器は、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電極端子を設けると共に、前記第２の面における前記１本のＰリングと前記Ｎ層との間には、電圧印加用の端子が設けられていないことを特徴とする。
【００１８】
この放射線検出器によれば、Ｐ層の外周部分に対峙する位置に設けた１本のＰリングにのみ、電圧印加用の第２電極端子を設けている。そのため、当該外周部分の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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
本発明の好ましい実施例では、Ｉ層の厚さが０．４〜７．０ｍｍ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。
【００２３】
前記厚さが０．４ｍｍ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。
【００２４】
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。
【００２５】
本発明の別の放射線検出器は、放射線の入射により電荷を発生させるＩ層と、前記Ｉ層の第１の面に設けられ第１電極端子を介して電位が印加されるＰ層と、前記Ｉ層の第２の面に設けられ１列または複数列に配置された島状のＮ層と、前記各Ｎ層を中心として前記各Ｎ層を取り囲み、印加される電圧により前記各Ｎ層に前記電荷を集めるためのループ状のＰリングとを備え、前記各Ｐリングが格子状に並んで配列されて網状のＰリング網が形成され、前記Ｐリング網には、前記各Ｐリングに必要な電位を印加するために、電圧印加用の単一の第２電極端子が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
この放射線検出器においても、前述と同様の効果を生じる以外に、１列または複数列にＮ層が配置されているので、長いものや広い面積について、各部分から入射されたＸ線の種類と強度を特定することができる。
特に、各Ｐリングを１つのＰリング網で形成したので、Ｐリングの形成と、Ｐリングに電位を印加するための電極構造が著しく容易になる。
【実施例】
【００２７】
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、ＦＩＧ．２Ａの先願またはＦＩＧ．２Ｂの従来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。
【００２８】
ＦＩＧ．３Ａに示すように、本実施例のＳＳＤ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。
【００２９】
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。そのため、電流のリークするおそれがない。
【００３０】
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、共通の入力端子１５に接続されている。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−８０Ｖ）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つの電極端子を互いに結線する必要はない。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
ところで、前記Ｐリング１３の本数はＦＩＧ．３Ｂのように数本（３本）であってもよいし、あるいは、ＦＩＧ．３Ｃのように多数本（たとえば従来の１８本）であってもよい。しかし、これらの例の場合、電圧印加用の第２の電極端子１４は、複数のＰリング１３のうち、最外周のＰリング１３ａ、つまり、Ｐ層１０の外周部分に対峙するＰリング１３ａにのみ設ける。これにより、最外周のＰリング１３ａとＮ層１２との間に配置された他のＰリング１３から電流がリークするのを防止し得る。
【００３８】
つぎに、本ＳＤＤの特性上の利点を明瞭にするために、試験例および比較例を示す。
比較例１：前記ＦＩＧ．２Ａの３本リングのＳＤＤを作製し、外周側のＰ層から内に向かって−８０Ｖ，−４２．５Ｖ，−５Ｖの電位となるように各電極端子１４に電圧を印加した。
試験例１：前記ＦＩＧ．３Ｂの３本リングのＳＤＤを作製し、最外周のＰリング１３ａが−８０Ｖとなるように電圧を印加した。
【００３９】
前記各ＳＤＤを用いてアメリシウムＡｍのγ線（５９．５ｋｅＶ）の検出を行った。その検出結果をＦＩＧ．４のＦＷＨＭのシェーピングタイム依存性で示す。
【００４０】
ＦＩＧ．４の横軸において、前記シェーピングタイム（Ｓｈａｐｉｎｇ  Ｔｉｍｅ）とは、検出器から入力された検出出力から波形を切り出す時間をいう。
ＦＩＧ．４の縦軸において、ＦＷＨＭとはＡｍのγ線（５９．５ｋｅＶ）のピーク値の半分の高さにおけるエネルギー幅をいい、このＦＷＨＭが小さい程分解能が良いことを意味する。
【００４１】
ＦＩＧ．４において、試験例１の３本リングのＳＤＤは、比較例１の３本リングのＳＤＤに比べ全てのシェーピングタイムにおいて高い分解能を示した。
【００４２】
ここで、Ｘ線検出器の最高分解能とは、シェーピングタイムを変化させ、ＦＷＨＭが最小になったときの値である。したがって、試験例１のＳＤＤの分解能は、比較例１のＳＤＤに比べ遙かに高い分解能が得られていることが分かる。
【００４３】
ＦＩＧ．５Ａ〜５Ｃはマトリクス状の二次元ＳＤＤの例を示す。なお、以下の説明では前記ＦＩＧ．３Ａの実施例と相違する部分について主に説明する。
【００４４】
ＦＩＧ．５Ｂおよび５Ｃに示すように、ＳＤＤの第２の面１１２には、島状のＮ層１２が縦横（マトリクス状）に多数配列されている。各Ｎ層１２には、計測用のために第３の端子１６および出力端子１７が接続されている。すなわち、この二次元ＳＤＤは、前記ＦＩＧ．３ＡのＳＤＤを応用したもので、Ｘ線のエネルギーおよび強度の他に、当該Ｘ線がどこの部分に入射したかを知ることができる。
【００４５】
ＳＤＤの第２の面１１２には、Ｐリング１３が格子状に並んで配列されて網状ないし将棋盤の枡目のようにＰリング網１３０が形成されている。すなわち、各Ｐリング１３は、各Ｎ層を中心として前記各Ｎ層を取り囲み、印加される電位により前記各Ｎ層に電荷２０を集めるためにループ状に形成されているが、互いに隣接するＰリング１３同士が電極の一部を共有している。
【００４６】
前記Ｐリング網１３０について更に詳しく説明すると、ＦＩＧ．５Ａおよび５Ｂに示すように、Ｐリング網１３０は、Ｐ層１０の外周部分１０１に対峙する外環部１３１と、該外環部１３１の内側の領域を縦横に区画すると共に各Ｎ層１２を１つずつ取り囲む区画部１３２とを備える。各区画部１３２は外環部１３１に連なっている。
【００４７】
前記Ｐリング網１３０には、各Ｐリング１３に必要な電圧を印加するために、ＦＩＧ．５Ｃの単一の第２の電極端子１４が設けられている。そのため、このＳＤＤも前記ＦＩＧ．３Ａ〜３Ｃの例と同様の効果を奏する。
なお、入力端子１５を介して、第２の電極端子１４は第１の電極端子２１と同じ電位に設定される。
【００４８】
この二次元ＳＤＤは、１つの検出素子が１つのＮ層１２を取り囲む１条のＰリング１３で形成されており、各Ｐリング１３が１つのＰリング網１３０で形成されているので、極めて簡素な構造で、二次元ＳＤＤを実現することができる。
なお、ＦＩＧ．５Ａ〜５Ｃに示すＳＤＤのその他の構造はＦＩＧ．３Ａの前記実施例と同様であり、同一部分もしくは相当部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００４９】
なお、本発明において、ＳＤＤは二次元ではなく、ＦＩＧ．６Ａに示すように、複数のＮ層１２を一列に設けた一次元ＳＤＤであってもよい。
また、ＦＩＧ．６Ｂに示すように、１つのＮ層１２について前記Ｐリング網１３０とＮ層１２との間に、別の電圧印加用の電極端子が設けられていないＰリング１３Ａを設けた場合も本発明の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】一般的なＳＤＤの一例を示す斜視図である。
【図２】ＦＩＧ．２Ａは先願の例を示すＳＤＤの一部省略断面図、ＦＩＧ．２Ｂは従来のＳＤＤの一例を示す一部省略断面図である。
【図３】ＦＩＧ．３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施例を示すＳＤＤの一部省略断面図である。
【図４】ＦＩＧ．４はシェーピングタイムとＦＷＨＭとの関係を示す特性図である。
【図５】本発明の別の実施例を示し、ＦＩＧ．５ＡはＳＤＤの第１の面の平面図、ＦＩＧ．５Ｂは同第２の面の平面図、ＦＩＧ．５Ｃは同一部省略断面図である。
【図６】ＦＩＧ．５Ｂの実施例の変形例である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：Ｐ層
１１：Ｉ層
１２：Ｎ層
１３：Ｐリング
１３０：Ｐリング網
１４：第２の電極端子
１５：入力端子
２１：第１の電極端子
Ｔ：厚さ
【図１】
2008258348.tif 000003
【図２】
2008258348.tif 000004
【図３】
2008258348.tif 000005
【図４】
2008258348.tif 000006
【図５】
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【図６】
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