(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、長期信頼性が高い放射線検出素子３を提供する。【解決手段】外部から入射する放射線を吸収し、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３であって、軸線方向に延びる柱状部３１１及びその柱状部３１１の一端の外周に設けられた鍔部３１２からなり、高純度シリコンから形成された本体部３１と、高純度シリコンと異なる材料からなり、前記鍔部３１２における放射線入射側の端面の全部又は一部に設けられた突出部５と、前記突出部５を覆うように前記本体部３１の放射線入射側の端面に形成された第１電極と、前記本体部３１の反放射線入射側の端面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、を具備している。【選択図】図１
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【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、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であって、
軸線方向に延びる柱状部及びその柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなり、高純度シリコンから形成された本体部と、
高純度シリコンと異なる材料からなり、前記鍔部における放射線入射側の端面の全部又は一部に設けられた突出部と、
前記突出部を覆うように前記本体部における放射線入射側の端面に形成された第１電極と、
前記本体部における反放射線入射側の端面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、を具備している放射線検出素子。
【請求項２】
前記突出部が、絶縁体であることを特徴とする請求項１記載の放射線検出素子。
【請求項３】
外部から入射する放射線を吸収し、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であって、
軸線方向に延びる柱状部及びその柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなり、高純度シリコンから形成された本体部と、
前記本体部の両端面にそれぞれ形成された互いに極性の異なる電極と、
前記鍔部における放射線入射側の端面に形成された電極の全部又は一部に設けられた突出部と、を具備している放射線検出素子。
【請求項４】
前記突出部が、パッド電極である請求項３記載の放射線検出素子。
【請求項５】
前記突出部が、前記放射線入射側の端面に形成された電極と別体をなすものであり、その端面に形成された電極よりも軟らかい金属から形成された緩衝部材である請求項３記載の放射線検出素子。
【請求項６】
前記放射線がＸ線である請求項１、２、３、４又は５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、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】
しかしながら、この素子を検出器として装着するときに、放射線が入射する放射線入射面側のｐ電極周辺部が、検出器ホルダと機械的に接触する。ｐ電極はＸ線を透過するために５ｎｍ程度の極薄膜であり、上記機械的接触による傷、欠陥が生じやすい。すなわち、放射線検出装置への装着時、装置稼働・不稼働による温度サイクル、装置振動による影響を強く受けやすい為、ｐ電極が傷ついてしまい、長期信頼性を悪くしてしまうという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献２に示すようなＳｉ（Ｌｉ）検出素子では、ｐ電極は上記と同様薄膜であるが、Ｘ線入射領域の柱状部のみＬｉが拡散され、検出器ホルダとの接触部分にはＬｉが拡散されない。つまり、検出器ホルダとの接触部分に傷や欠陥が生じてもダイオード特性に影響を与えず、検出素子と検出器ホルダとの機械的接触は、何ら問題にはならない。
【特許文献１】特開平１０−２５３７６２号公報
【特許文献２】特開２００６−３０３２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、長期信頼性が高い放射線検出素子を提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、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であって、軸線方向に延びる柱状部及びその柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなり、高純度シリコンから形成された本体部と、高純度シリコンと異なる材料からなり、前記鍔部における放射線入射側の端面の全部又は一部に設けられた突出部と、前記突出部を覆うように前記本体部における放射線入射側の端面に形成された第１電極と、前記本体部における反放射線入射側の端面に形成され、前記第１電極と極性の異なる第２電極と、を具備していることを特徴とする。
【０００９】
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。また、第１電極を突出部を覆うように形成するとは、第２電極との電気的接触が可能な態様で、突出部の全部又は一部を覆うように第１電極を形成することをいう。
【００１０】
このようなものであれば、放射線検出素子の放射線検出装置への装着時における機械的接触、装置の稼働・不稼働における低温・室温の温度サイクル、稼働時の装置振動などによるダイオード特性の劣化を防止することができる。ゆえに、長期信頼性を向上させることができる。また、いわゆるトップハット型に成形しているので、検出素子の側面からの漏れ電流を減少させることもできる。
【００１１】
突出部の具体的な実施の態様としては、前記突出部が、絶縁体であることが望ましい。
【００１２】
このようなものであれば、突出部である絶縁体上に形成された第１電極は、検出器ホルダと機械的な接触により傷を生じるが、絶縁体により第２電極との間で電界が生じないので、ダイオード特性に影響を与えることはない。これにより、放射線検出素子の長期信頼性を格段に向上させることができる。また、絶縁体により漏れ電流を一層防止することができる。
【００１３】
また、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、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であって、軸線方向に延びる柱状部及びその柱状部の一端の外周に設けられた鍔部からなり、高純度シリコンから形成された本体部と、前記本体部の両端面にそれぞれ形成された互いに極性の異なる電極と、前記鍔部における放射線入射側の端面に形成された電極の全部又は一部に設けられた突出部と、を具備していることを特徴とする。
【００１４】
このようなものであっても、検出器ホルダとの機械的接触によるダイオード特性の劣化を防止することができる。ゆえに、長期信頼性を格段に向上させることができる。
【００１５】
突出部の具体的な実施の態様としては、前記突出部がパッド電極であることが望ましい。このとき、本体部の鍔部を設けている一端面に形成された電極は、パッド電極と電気的接触がとれる程度に、その一端面に形成したものであれば良い。
【００１６】
また、前記突出部が、前記放射線入射側の端面に形成された電極と別体をなすものであり、当該端面に形成された電極よりも軟らかい金属から形成された緩衝部材であることが望ましい。これならば、放射線検出素子と、検出器ホルダとの間に緩衝部材を設けるだけで良いので、検出素子の製造及び組み立てを容易にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した本発明によれば、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、長期信頼性が高い放射線検出素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜第１実施形態＞
以下に本発明の第１実施形態に係る放射線検出素子を用いたエネルギ線分散型Ｘ線検出装置について図面を参照して説明する。なお、図１は本実施形態に係るエネルギ分散型Ｘ線検出装置１の模式的断面図であり、図２は放射線検出素子３を主として示す部分拡大断面図である。図３は放射線検出素子３の断面図であり、図４は、放射線検出素子３の製造工程を示すフローチャートである。
【００１９】
＜装置構成＞
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。
【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。コールドフィンガ２２の先端部には、放射線検出素子３を検出器として保持するための検出器ホルダ２３が設けられている。この検出器ホルダ２３は、図２に示すように、放射線検出素子３の放射線入射面３Ａ側の端面に機械的に接触して放射線検出素子３を固定するものである。
【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３２、３３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。
【００２２】
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からなり、高純度シリコン結晶から形成された本体部３１と、鍔部３１２における放射線入射側の端面に設けられた突出部５と、その突出部５の全体を覆うように、本体部３１の放射線入射側の端面３１Ａ（以下、「一端面３１Ａ」という）に形成された第１電極であるｐ電極３２と、本体部３１の反放射線入射側の端面３１Ｂ（以下、「他端面３１Ｂ」という）に形成された第２電極であるｎ電極３３とからなる。ここで、本体部３１には、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍよりも大きい高純度シリコン結晶を用いている。なお、図３において、３５はｎ−Ｓｉコンタクト層であり、Ｐは保護膜である。
【００２３】
突出部５は、鍔部３１２における放射線入射側の端面の全部に設けられた、周方向に突条をなす環状の絶縁体膜である。その形状は、断面概略台形状をなす。絶縁体としては、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮＸ）等を用いることができる。また、厚みは、０．０５μｍ以上である。
【００２４】
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。
【００２５】
＜製造方法＞
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。
【００２６】
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Ｓａ１）。
【００２７】
まず、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Ｓａ２）。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Ｓａ３）。
【００２８】
そして、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とともに、本体部３１の一端面３１Ａの外縁部（鍔部３１２の放射線入射側の端面）に絶縁体からなる突出部５を形成する（ステップＳａ４）。
【００２９】
次に、金（Ａｕ）又はニッケル（Ｎｉ）などの金属を、突出部５を覆うように端面３１Ａに蒸着し、表面障壁のｐ電極３２を形成する（ステップＳａ５）。このとき、突出部５の上面に形成されたｐ電極３２が検出器ホルダ２３と接触し、一端面３１Ａにおいて、突出部５が設けられていない部分（柱状部３１１の放射線入射側の端面）に形成されたｐ電極３２が、放射線検出素子３の放射線入射面３Ａとなる。
【００３０】
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Ｓａ７）。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。
【００３１】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る放射線検出素子３によれば、放射線検出素子３の放射線検出装置１（検出器ホルダ２３）への装着時における機械的接触、装置１の稼働・不稼働における低温・室温の温度サイクル、稼働時の装置振動などに起因した放射線入射面３Ａへのショットキー接合部での傷または欠陥の発生を防止することができる。したがって、検出器ホルダ２３との機械的接触によるダイオード特性の劣化を防止することができる。ゆえに、放射線検出素子３の長期信頼性を格段に向上させることができる。
【００３２】
また、絶縁体である突出部５上に形成されたｐ電極３２は、検出器ホルダ２３と機械的な接触により傷を生じるが、絶縁体によりｎ電極３３との間で電界が生じないので、ダイオード特性に影響を与えることはない。これにより、放射線検出素子３の長期信頼性を格段に向上させることができる。
【００３３】
また、いわゆるトップハット型に成形しているので、検出素子３の側面からの漏れ電流を減少させることもできる。また、突出部５に絶縁体を用いていることも漏れ電流の減少に寄与することができる。
【００３４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る放射線検出素子３の第２実施形態について説明する。なお、前記第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付することとする。
【００３５】
＜装置構成＞
本実施形態に係る放射線検出素子３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からなり、高純度シリコン結晶から形成された本体部３１と、その本体部３１の鍔部３１２を設けている一端面３１Ａに形成したｐ電極３２と、前記本体部３１の他端面３１Ｂに形成したｎ電極３３と、前記鍔部３１２における放射線入射側の端面に形成されたｐ電極３２に設けられた突出部６と、を備えている。
【００３６】
突出部６は、鍔部３１２における放射線入射側の端面に形成されたｐ電極３２の全部に設けられた、周方向に突条をなす環状のパッド電極である。その形状は、断面概略台形状をなす。また、その厚みは、ｐ電極３２が検出器ホルダ２３との接触により影響を受けない程度のものであり、０．３μｍ以上が好ましい。材質としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐｔ等が考えられる。
【００３７】
＜製造方法＞
本実施形態の放射線検出素子３の製造方法を図６を参照して説明する。本製造方法に係るステップＳｂ１〜ステップＳｂ３は、前記第１実施形態の製造方法のステップＳａ１〜ステップＳａ３と共通する。そして、ステップＳｂ４以降が、前記第１実施形態とは異なる。
【００３８】
つまり、前記第１実施形態のトップハット型の加工（ステップＳｂ３）後、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。そして、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Ｓｂ４）。次に、ｐ電極３２の外縁部にパット電極６を形成する（ステップＳｂ５）。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Ｓ６）。
【００３９】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態によれば、ｐ電極３２が検出器ホルダ２３と接触しない構造としているので、ｐ電極３２に傷を付けることを防止することができる。したがって、ショットキー接合部での傷等を防止して、検出器ホルダ２３との機械的接触によるダイオード特性の劣化を防止することができる。ゆえに、放射線検出素子３の長期信頼性を格段に向上させることができる。
【００４０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明に係る放射線検出素子３の第３実施形態について説明する。
【００４１】
＜装置構成＞
本実施形態に係る放射線検出素子３は、前記第２実施形態と突出部７において異なる。本実施形態の突出部７は、本体部３１及びｐ電極３２と別体をなすものであり、ｐ電極３２よりも軟らかい金属から形成された環状の緩衝部材である。
【００４２】
緩衝部材としては、環状の金属箔（材質が、Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｎ等、厚さが２０〜５００μｍ）や環状の線材（材質が、Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｎ等）を用いることができる。また、環状のコア材（材質が、ＳＵＳ、Ａｌ等）の表面にＩｎ、Ａｕ、Ｓｎ等の金属を１μｍ以上コーティングしたものでも良い。コーティングの方法としては、メッキ、スパッタ、蒸着などが考えられる。
【００４３】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態によれば、上記第１、第２実施形態の効果に加えて、放射線検出素子３と突出部（緩衝部材）７とを別体としているので、従来の放射線検出素子３をそのまま用いることができるし、放射線検出素子３の製造も容易にすることができる。
【００４４】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。
【００４５】
例えば、前記実施形態では、突出部５、６、７が環状をなすものであり、鍔部３１２における放射線入射側の端面又は鍔部３１２における放射線入射側の端面に形成されたｐ電極３２の全体に設けるようにしているが、それらに部分的に設けるようにしても良い。
【００４６】
また、前記第１実施形態の突出部５及び第２実施形態の突出部６が、断面台形形状をなすものであったが、その他の断面形状であっても良い。
【００４７】
さらに、前記実施形態では放射線検出素子３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。
【００４８】
加えて、前記第１実施形態では、ｐ電極３２が、突出部５の全部を覆う構成としているが、突出部５の一部を覆う構成としても良い。このとき、ｐ電極３２とｎ電極３３との電気的接触を可能とする程度に突出部５を覆う構成とする。
【００４９】
また、前記第２実施形態では、ｐ電極３２が、本体部３１の鍔部３１２を設けている一端面３１Ａ全体に形成したものであったが、突出部であるパッド電極６と電気的接触がとれる程度に、一端面３１Ａに形成したものであれば良い。
【００５０】
その他、前述した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】
【００５１】
【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】第２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】
【００５２】
３・・・・・放射線検出素子
３１・・・・本体部
３１１・・・柱状部
３１２・・・鍔部
３１Ａ・・・一端面
３１Ｂ・・・他端面
３２・・・・ｐ電極
３３・・・・ｎ電極
５・・・・・突出部
【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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【図６】
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【図７】
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