(57)【要約】【目的】機械的特性に優れることはもとより、化学的にも安定でかつ蛍光寿命も充分短い半導体シンチレータを提供する。【構成】ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層からなるシンチレータである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなるシンチレータ。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は層構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のシンチレータ。
【請求項３】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は基板の上に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のシンチレータ。
【請求項４】
前記基板と前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層との間にバッファ層が形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載のシンチレータ。
【請求項５】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層はヘテロ構造を有する、ことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載のシンチレータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のシンチレータを備えたシンチレーション計測器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はシンチレータに関する。その応用分野としては、放射線計測、放射線非破壊検査、放射線医療診断などである。
【０００２】
【従来の技術】
γ線やＸ線などの放射線を検出する検出器として、シンチレーション計測器が知られている。このシンチレーション計測器はシンチレータを備え、このシンチレータ中の電子状態が放射線によって励起されるとそれが基底状態に戻るときに蛍光を放出する。この光を検出してシンチレータに照射された放射線量が検定される。
よって、シンチレータには▲１▼放射線照射状態における高い量子効率、▲２▼蛍光寿命が短いことなどの特性が要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
結晶作製の容易さ、シンチレーション効率などの見地から、このようなシンチレータとしてアルカリハライド等のイオン結晶が用いられている。実用的には、アルカリハライドであるＮａＩ、ＣｓＩに蛍光付活剤としてＴｌを添加したＮａＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｔｌが一般に広く使用されている。
これらＮａＩやＣｓＩのイオン結晶は、結晶製作の容易さ、高効率シンチレーションなどの利点があるものの、水分を吸収して潮解するなど化学的安定性という点で課題がある。さらに、蛍光付活剤として添加されているＴｌは猛毒性の物質であり、人体や環境に対して悪影響を及ぼすという問題も抱えている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこでこの発明は広く実用化されているシンチレーション材料の課題を克服し、化学的に安定でかつ無毒性のシンチレータを提供することを目的とする。
本発明者らはかかる理想的なシンチレータを得るべく鋭意検討を重ねてきたところ、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体が上記の特性を具備することを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明はＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層からなるシンチレータである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
この明細書においてＩＩＩ族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ及びＧａｘＩｎ１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。ＩＩＩ族元素の少なくとも一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の少なくとも一部も　リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。ｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、カーボン（Ｃ）等を用いることができる。ｐ型不純物として、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）等を用いることができる。
２種類のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を積層してこれをシンチレータとすることもできる。実施例ではＧａＮとＩｎＧａＮとの積層体を用いている。３種類以上のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を積層してシンチレータとすることもできる。
【０００６】
シンチレータは層状に限られずに任意の形状をとることができる。例えばバルク状のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を用いることも可能である。
このようなＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は機械的特性に優れることはもとより、化学的にも安定でかつ任意の形状に加工することも容易である。更には、後述の実施例で説明するようにＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は放射線が照射されると、常温で強い蛍光を放出する。
【０００７】
ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、基板の上に周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等によって形成することができる。
基板には、サファイア、窒化ガリウム、スピネル、シリコン、炭化珪素、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン等を挙げることができる。特に、サファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合にはそのａ面又はｃ面を利用することが好ましい。結晶性のよいＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を成長させるためである。
基板とＩＩＩ族窒化物系化合物半導体からなる結晶層の間にはバッファ層を設けることができる。バッファ層はその上に成長されるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の結晶性を向上する目的で設けられる。バッファ層はＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。
【０００８】
このように基板上にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成してこれをシンチレータとすると、既存のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層形成のプロセス装置をそのまま適用できる。従って、低い製造コストでシンチレータの製造が可能になる。
また、シンチレータとしては、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層があればよいので、基板及びバッファ層をＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層形成後に除去することもできる。これにより、基板から放出される蛍光の影響が無くなる。
【０００９】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
図１は実施例のシンチレータ１の構成を示す。各層のスペックは次の通りである。
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【００１０】
基板１１の上にはバッファ層１２を介してＧａＮ層１３を形成する。基板１１にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、ジルコニウムボライド、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等を用いることができる。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体膜形成後に、必要に応じて、除去することもできる。基板から放出される蛍光の影響を防止することができるからである。
【００１１】
ＧａＮからなる第１の半導体層１３、ＩｎＧａＮからなる第２の半導体層１４はバッファ層１２の上に順にＭＯＣＶＤ法により形成される。
第１の半導体層１３としてＧａＮの他に、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。また、第２の半導体層１４としてＩｎＧａＮの他にＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。
【００１２】
図２には、シンチレータ１の特性を評価するための装置を示す。この装置でＣｕ−Ｋα線源２（２００Ｗ）から放出された放射線を図１に示したシンチレータ１に照射する。シンチレータ１から放出された蛍光を分光器４（カールツァイス社製）に通して、所定の波長の光のみを光電子増倍管３（浜松フォトニクス製）へ到達させ、これで増幅検出する。
結果を図３に示す。
図３において、５６０ｎｍ付近にピークが現れるのはＩｎＧａＮからなる第２の半導体層１４によると考えられる。この波長の光の寿命は２５０ｎｓ程度であった。図３において６５０ｎｍより長い波長にスペクトルが観察されるが、これはサファイア基板に起因するものである。前述のようにサファイア基板を除去することにより、この領域の蛍光を取り除くことができる。又、基板上にＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を１００μｍ程度の厚さに積層すれば同様に取り除くことできる。
【００１３】
但し、Ｘ線などの放射線を十分吸収して強いシンチレーションを生じさせるためには、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の結晶性を良好に保つことが必要であり、その点を考慮すると、例えば、数μｍ〜数１０μｍのＧａＮ層を数ｎｍ〜数１０ｎｍのＩｎＧａＮ層で挟んだ、いわゆる単一若しくは多重の量子井戸層構造を数回〜数十回繰り返した構造が好ましい。この構造においては、基板の影響を防止することに加え、ＧａＮ層で主に吸収された放射線によって励起されたキャリアがＩｎＧａＮ井戸層に流れ込み、高効率シンチレーションを達成することができるからである。
【００１４】
図２の系は開放された実験室内に設置されており、温度及び湿度に何ら注意することなく、繰返し図３の結果が得られた。
図３の結果から、今回シンチレーション開発目的で作成されたＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は、従来のアルカリハライド系材料と比較して、室温でも比較的局在性が強い発光中心を発光の起源とするため、シンチレータとして好適であることがわかる。
【００１５】
図１のシンチレータ１を組み込んだシンチレーション計測器３０の例を図４に示す。シンチレータ１に放射線が入射すると短い寿命の蛍光（閃光）を発し、この閃光は反射体３１に反射されて光電子増倍管３３の光電面３２にあたって光電子を放出する。符号３４は光電子増倍管３３の高圧電源である。光電子増倍管３３において光電子は約１０６倍に増幅される。そして光電子増幅管３３の出力パルスを前置増幅器３５で更に増幅し、ディスクリミネータ３６及び波形成形回路３７によりパルス波形の整形を行い、計数回路３８でパルスの計数を行う。この計数は放射線量に対応している。
【００１６】
【発明の効果】
この発明のシンチレータはＩＩＩ族窒化物系化合物半導体を主たる構成要素としている。ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は放射線に対して室温でも比較的局在性が高く強い発光中心を有する。また、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体は機械的安定性、化学的安定性にも優れている。したがって、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体はシンチレータの材料として好適である。更に、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体シンチレータは主に薄膜成長であるため、ＣＣＤなどのイメージセンサと組み合わせてＸ線イメージングへの適用も有用である。
【００１７】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００１８】
以下、次ぎの事項を開示する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の実施例のシンチレータを模式的に示した断面図である。
【図２】図２は実施例の実験装置を示す。
【図３】図３は実施例のシンチレータの蛍光波長を示す。
【図４】図４は実施例のシンチレーション計測器の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２１　シンチレータ
３、３３　光電子増倍管
４　分光器
３０　シンチレーション計測器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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