(57)【要約】【課題】１０Ｋ以上の温度でも漏洩電流が小さく、電子あるいは正孔のトラッピングが少なく電荷生成量の多い表面障壁型あるいはｐｎ接合型のＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器を製作する。【解決手段】放射線の検出媒体として、不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用い、かつダイオード特性を得るため、Ａｕ・Ｐｄ合金を用いて表面障壁型電極を形成した半導体放射線検出器を製作する。特性試験の結果、４．２Ｋでのダイオード特性は素子抵抗が１．４ｋΩと大きく、電荷有感型前置増幅器の出力信号のライズタイムも０．４μｓと短く、電子あるいは正孔のトラッピングの少ない半導体放射線検出器となることが確認された。また、本半導体検出器は２Ｋから５０Ｋの温度範囲でα線スペクトルを測定できた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体であるＩｎＳｂを母材とした単結晶を用いた放射線検出器において、不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いることとし、この高純度ＩｎＳｂ単結晶に表面障壁層を形成してダイオード特性を持たせた半導体素子を作製し、２Ｋ以上５０Ｋ以下の温度で動作させることを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器。
【請求項２】
化合物半導体であるＩｎＳｂを母材とした単結晶を用いた放射線検出器において、不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いることとし、この高純度ＩｎＳｂ単結晶にｐｎ接合を形成しダイオード特性を持たせた半導体素子を作製し、２Ｋ以上１１５Ｋ以下の温度で動作させることを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器。
【請求項３】
化合物半導体であるＩｎＳｂを母材とした単結晶を用いた放射線検出器において、ＩｎＳｂ単結晶にＧｅをドープしてｐ型ＩｎＳｂ単結晶として、このｐ型ＩｎＳｂ単結晶にｐｎ接合を形成してダイオード特性を持たせた半導体素子を作製し、４．２Ｋ以上１１５Ｋ以下の温度で動作させることを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器。
【請求項４】
請求項２及び請求項３において、ｐｎ接合を形成する場合に、Ｓｎを熱的に拡散してｎ型電極を形成することを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器。
【請求項５】
請求項３において、７０Ｋ以上１１５Ｋ以下の温度温度で動作させる場合、電荷有感型前置増幅器から出力される信号が、電子あるいは正孔のトラッピングが少なくなることに起因して１μｓ以下となることを利用して、主増幅器の波形整形時定数を２μｓ以下に設定し、パルス波高分析を行い、放射線スペクトルを得ることを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を用いた放射線検出器に関するものであり、特に半導体として化合物半導体であるＩｎＳｂ単結晶を用いることを特徴としている。ＩｎＳｂはバンドギャップが現在最も小さい化合物半導体であり、放射線によって半導体内に生成される電子・正孔対が最も多い化合物半導体であるため、エネルギー分解能特性がこれまでの半導体検出器に比較して向上する。このため、高エネルギー分解能Ｘ線検出器として、蛍光Ｘ線分析や放射光施設などにおけるＸ線スペクトロメトリに利用される。また、Ｉｎ及びＳｂとも従来ガンマ線検出器として用いられてきたＧｅに比較し原子番号が大きな元素であることから、検出効率が高くかつ高エネルギー分解能のγ線スペクトロメータ用のガンマ線検出器として用いられる。
【０００２】
【従来技術】
半導体を用いた高エネルギー分解能Ｘ線検出器としては、従来バンドギャップエネルギーが比較的低いＳｉ（Ｌｉ）検出器あるいはＧｅ検出器が用いられており、６ｋｅＶのＸ線を測定する場合，エネルギー分解能の限界は約１２０ｅＶである。
【０００３】
一方、ＩｎＳｂ化合物半導体のバンドギャップエネルギーは０．１６５ｅＶと非常に小さく、放射線検出器として用いることができる可能性があることはＷｍ．  Ｃ．  ＭｃＨａｒｒｉｓによって１９８６年に指摘されていた（非特許文献１参照）。  しかし、赤外線検出器としては開発されたものの、ＩｎＳｂ化合物半導体を用いた放射線検出器は最近まで実際に開発されることをなかった。
【０００４】
最近、神野等は、ＩｎＳｂ単結晶にＧｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶にＭｏを用いて表面障壁層を形成してダイオード特性を持たせた図１１に示す構造の半導体素子を作製し、４．２Ｋ以下の温度で動作させ、α線を検出できることを報告している（非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｎｕｃｌ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．  ＆  Ｍｅｔｈ．  Ａ２４２，  ３７３（１９８６）
【非特許文献２】
Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，  Ｖｏｌ．７３，  Ｎｏ．７，  ２５３３（２００２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体放射線検出器であるＳｉ検出器，Ｓｉ（Ｌｉ）検出器およびＧｅ検出器に比較し、電子・正孔対を多く生成し、大きな信号出力が得られるＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体検出器を製作することが課題となる。最終的には、ＩｎＳｂ単結晶を用いることにより、電子・正孔対を数多く生成できることからエネルギー分解能のさらなる改善が可能となる。
【０００７】
また、従来技術であるｐ型ＩｎＳｂ単結晶にＭｏを用いて表面障壁層を形成して作製した半導体検出器では、漏洩電流が大きく４．２Ｋ以下でしか使用できないことから、１０Ｋ以上の温度でも使用可能なＩｎＳｂ単結晶を用いた半導体検出器を製作することが課題となる。１０Ｋ以上で動作可能とすることにより、クローズドサイクルＨｅ冷凍機を用いて電気的に容易に冷却が可能となる。さらに、７７Ｋ以上で動作可能な検出器とすることにより、液体窒素を用いて冷却する安価な半導体検出器を製作することが可能となる。
【０００８】
さらに、Ｓｉ検出器，Ｓｉ（Ｌｉ）検出器およびＧｅ検出器の場合、Ｓｉ及びＧｅとも原子番号が小さいため、ガンマ線検出器とするためには大きな結晶を用いる必要がある。このため、小さな結晶でも検出感度の高くなる原子番号の大きな元素を構成材料とする半導体検出器を製作することが課題となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
化合物半導体ＩｎＳｂは，バンドギャップエネルギーが０．１６５ｅＶであり，Ｓｉの１．１ｅＶの約１／６，Ｇｅの０．６７ｅＶの約１／３以下である．このため，同じエネルギーの放射線をＩｎＳｂとＳｉで検出した場合，ＩｎＳｂはＳｉに比較し６倍の数の電子・正孔対が生成され，統計誤差としては約２．４倍小さな誤差となる。すなわち，６ｋｅＶのＸ線を測定する場合，Ｓｉ検出器やＧｅ検出器などの従来の半導体検出器のエネルギー分解能の限界が約１２０ｅＶであるのに対して，ＩｎＳｂを用いた半導体検出器を製作することにより約６０ｅＶのエネルギー分解能が期待できる。
【００１０】
漏洩電流を小さくし４．２Ｋ以上で動作可能なＩｎＳｂ半導体放射線検出器とするために、不純物をドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いる。また、Ｇｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶を用いる場合には、ｐｎ接合を形成して漏洩電流を低減し、１０Ｋ以上でも動作可能とする。
【００１１】
また，原子番号がＩｎが４９，Ｓｂが５１と大きいＩｎＳｂを用いることにより，Ｘ線やガンマ線の吸収に有利であり小型の半導体放射線検出器を製作することができる。光子との相互作用確率を（原子番号）５×（密度）とすると，ＩｎＳｂはＳｉの約１４００倍，Ｇｅの約１０倍となる。すなわち，１００ｃｃの体積のＧｅ検出器と１０ｃｃの体積のＩｎＳｂ検出器とが，同等の検出効率を持つことになる。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
実施例１として、本発明による半導体検出器について、図１を参照して述べる。放射線の検出媒体として、不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用い、かつダイオード特性を得るため、表面障壁型電極を形成することを特徴としている。
【００１３】
実施例では、ＩｎＳｂ単結晶として、住友電工製の大きさが５ｍｍｘ８ｍｍで、厚さ０．５ｍｍの高純度ＩｎＳｂ単結晶ウエハを用いる。この高純度ＩｎＳｂ単結晶ウエハの表面を硝酸：乳酸が１：１０の混合液でエッチングした後、Ａｕ・Ｐｄ合金層を約４ｎｍの厚さに製膜する。この後、エッチングを行い３ｍｍφのメサ型電極を形成する。ウエハの片方の面を抵抗性電極とするため、基板であるＣｕにＩｎ半田で固定する。
【００１４】
できあがったＩｎＳｂ半導体素子のダイオード特性を確認するため、２Ｋ、３Ｋ、４．２Ｋ、４０Ｋ及び７７Ｋの温度において電流―電圧特性を測定した。測定結果を図２に示す。２Ｋ、３Ｋ及び４．２Ｋの温度ではほとんど同じダイオード特性が得られ、４０Ｋでもダイオード特性が得られたものの、７７Ｋでは、電流―電圧特性はほとんど直線となりほとんど抵抗特性となることがわかった。４．２Ｋでのダイオード特性は、素子抵抗が１．４ｋΩであることから、神野等が製作したｐ型ＩｎＳｂに表面障壁層を形成した素子に比較して１桁以上改善している。
【００１５】
その後、液体Ｈｅ冷却容器に、ＩｎＳｂ半導体素子を取り付けた後、２Ｋから５０Ｋまでの温度で動作させ、α線に対する検出特性を測定した。半導体素子の性能を左右するパラメータである電荷有感型前置増幅器からの出力信号のライズタイムをデジタルオシロスコープにより測定した。４．２Ｋの温度での測定結果を図３に示す。４．２Ｋの温度でも０．４μｓと非常に短い時間に電荷収集ができることを確認した。このライズタイムは、神野等が製作したｐ型ＩｎＳｂに表面障壁層を形成した素子が７μｓであったことを考慮すると１桁以上改善している。４．２Ｋ以上の温度でもこのライズタイム時間はあまり変化しないことも確認された。
【００１６】
また、この結果は放射線が入射し高純度ＩｎＳｂ内に生成した電子及び正孔がトラッピングされることが少なくそれぞれｎ型電極及びｐ型電極に収集されていることを意味しており、損失が少ないことからエネルギー分解能の向上の大きな要因となる。
【００１７】
電荷有感型前置増幅器からの出力信号を主増幅器で波形整形及び増幅したのちマルチチャンネル波高分析器により波高スペクトルを測定した。２Ｋから５０Ｋの温度範囲でのα線波高スペクトルの測定結果を図４に示す。いずれの温度でもシャープなα線ピークが観測できた。
【００１８】
以上の結果、表面障壁層を形成した高純度ＩｎＳｂ半導体素子は２Ｋから５０Ｋの温度範囲で電荷の収集損失が少なくα線を検出可能であることが確認された。
【００１９】
（実施例２）
実施例２として、本発明による半導体検出器について、図５を参照して述べる。放射線の検出媒体として、不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用い、かつダイオード特性を得るため、ｐｎ接合を形成することを特徴としている。
【００２０】
実施例では、ＩｎＳｂ単結晶として、住友電工製の大きさが５ｍｍｘ８ｍｍで、厚さ０．５ｍｍの高純度ＩｎＳｂ単結晶ウエハを用いる。この高純度ＩｎＳｂ単結晶ウエハの表面を硝酸：乳酸が１：１０の混合液でエッチングした後、Ｓｎ層を形成する。この後、エッチングを行い３ｍｍφのメサ型電極を形成する。ウエハの片方の面を抵抗性電極とするため、基板であるＣｕにＩｎ半田で固定する。
【００２１】
できあがったＩｎＳｂ半導体素子のダイオード特性を確認するため、７７Ｋの温度において電流―電圧特性を測定した。測定結果を図６に示す。７７Ｋでのダイオード特性は、素子抵抗が１４０ｋΩであることから、神野等が製作したｐ型ＩｎＳｂに表面障壁層を形成した素子に比較して３桁以上改善していることがわかった。このダイオード特性は、ｐｎ接合を形成した高純度ＩｎＳｂ半導体素子が２Ｋから１１５Ｋの温度範囲で放射線を検出可能であることを示している。
【００２２】
（実施例３）
実施例３として、本発明による半導体検出器について、図７を参照して述べる。放射線の検出媒体として、ＩｎＳｂ単結晶にＧｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶を用い、かつダイオード特性を得るため、ｐｎ接合を形成することを特徴としている。
【００２３】
実施例では、ＩｎＳｂ単結晶として、Ｗａｆｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製の大きさが５ｍｍｘ８ｍｍで、厚さ０．５ｍｍでＧｅを３．５ｘ１０１５ｃｍ−３ドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶ウエハを用いる。このｐ型ＩｎＳｂ単結晶ウエハの表面を硝酸：乳酸が１：１０の混合液でエッチングした後、Ｓｎ層を形成する。この後、エッチングを行い３ｍｍφのメサ型電極を形成する。ウエハの片方の面を抵抗性電極とするため、基板であるＣｕにＩｎ半田で固定する。できあがったＩｎＳｂ半導体素子のダイオード特性を確認するため、４．２Ｋから７７Ｋの温度範囲における電流―電圧特性を測定した。測定結果を図８に示す。７７Ｋにおいても十分なダイオード特性が得られることが確認できた。４．２Ｋでのダイオード特性は、素子抵抗が約２００ｋΩであることから、神野等が製作したｐ型ＩｎＳｂに表面障壁層を形成した素子に比較して３桁以上改善している。また、７７Ｋにおいても素子抵抗は２５ｋΩあり、高温でも非常に良いダイオード特性が得られることがわかった。
【００２４】
その後、液体Ｈｅ冷却容器に、本ＩｎＳｂ半導体素子を取り付けた後、２Ｋから１１５Ｋまでの温度で動作させ、α線に対する波高スペクトル特性を測定した。電荷有感型前置増幅器からの出力信号を主増幅器で波形整形及び増幅した後、マルチチャンネル波高分析器により波高スペクトルを測定した。４．２Ｋから１１５Ｋの温度範囲でのα線波高スペクトルの測定結果を図９に示す。
【００２５】
以上の結果、ｐｎ接合を形成したｐ型ＩｎＳｂ半導体素子の場合、４．２Ｋから１１５Ｋの温度範囲で十分α線を検出可能であることが確認された。
（実施例４）
実施例４は、図５及び図７のＩｎＳｂ半導体素子のｐｎ接合を形成する場合に、Ｓｎを熱的に拡散してｎ型電極を形成することを特徴とした化合物半導体ＩｎＳｂ半導体検出素子の製作法に関するものである。
【００２６】
最初に、ＩｎＳｂ単結晶ウエハの表面を硝酸：乳酸が１：１０の混合液でエッチングした後、Ｓｎを数ｎｍの厚さに製膜し、その後Ａｌを１００ｎｍ製膜する。
【００２７】
次に、真空中で、２００度Ｃから３００度Ｃの温度でランプ等の熱源によりアニールし、Ｓｎ層を実施例３の場合には約１００ｎｍの厚さ形成した。
この形成方法により、図６と図８に示す良好なダイオード特性を持つｐｎ接合型ＩｎＳｂ半導体素子を製作できた。
【００２８】
なお、Ｓｎ層の厚さは、粒子線やエネルギーの低い軟Ｘ線の場合は、電極による吸収の問題があるため、アニール温度とアニール時間を調整し厚さを１０ｎｍ以下にするようにする必要がある。また、エネルギーの高いＸ線やガンマ線の場合はある程度厚くし良好な電極とする方が良い。
【００２９】
（実施例５）
実施例５は、実施例３で述べた放射線の検出媒体として、ＩｎＳｂ単結晶にＧｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶を用い、かつ半導体検出器として必要なダイオード特性を得ながら、電荷有感型前置増幅器からの出力信号のα線に対するライズタイム特性をもとに、パルス波高分析を行うためのｐｎ接合を形成したＩｎＳｂ半導体検出素子の動作条件に関わるものである。
【００３０】
液体Ｈｅ冷却容器に、ｐｎ接合を形成したｐ型ＩｎＳｂ半導体検出素子を取り付けた後、４．２Ｋ、１０Ｋ及び１１５Ｋの温度で動作させ、半導体素子の性能を左右するパラメータである電荷有感型前置増幅器からの出力信号のα線に対するライズタイム特性をデジタルオシロスコープにより測定した。測定結果を図１０に示す。４．２Ｋの温度ではライズタイムは２０μｓと非常に長くトラッピングがかなりあることがわかる。１０Ｋでも７μｓとまだかなりトラッピングの効果が大きいことがわかった。一方、７７Ｋまで温度が上がるとトラッピングがなくなりライズタイムは１μｓ以下になることが確認できた。
【００３１】
このため、７７Ｋ以上１１５Ｋ以下の温度温度で動作させ、電荷有感型前置増幅器から出力される信号のライズタイムが、電子あるいは正孔のトラッピングが少なくなることに起因して１μｓ以下となることを利用して、主増幅器の波形整形時定数を２μｓ以下に設定して、ピークのパルス波高値を波高分析することにより、放射線のエネルギー分析を容易にすると共にエネルギー分解能の向上を図ることができる。
【００３２】
また、７７Ｋ以上１１５Ｋ以下の温度条件で本半導体素子を動作させた場合、放射線が入射し高純度ＩｎＳｂ内に生成した電子及び正孔がトラッピングされることが少なくそれぞれｎ型電極及びｐ型電極に収集されていることを意味しており、損失が少ないことからエネルギー分解能の向上の大きな要因となる。なお、７７Ｋ以上で動作させるということは液体窒素により冷却可能であるため、冷却用の機器のコストを下げることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
バンドギャップエネルギーが０．１６５ｅＶと非常に小さい化合物半導体ＩｎＳｂを放射線の検出素子とすることにより，放射線の入射により生成する電子・正孔対の生成量が多くなるため、高エネルギー分解能を持つ半導体放射線検出器を製作することができる。
【００３４】
原子番号がＩｎが４９，Ｓｂが５１と大きいＩｎＳｂを用いることにより，Ｘ線やガンマ線の吸収が大きくなり小型の半導体放射線検出器を製作することができる。
【００３５】
不純物をドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いた検出媒体とすることにより、電子あるいは正孔のトラッピングの少ない放射線検出器を製作することができる。
【００３６】
ｐｎ接合型ＩｎＳｂ検出素子を用いることにより、ダイオード特性の良い半導体放射線検出器とすることができる。
Ｇｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ検出素子の場合には動作温度を高くすることにより、電子あるいは正孔のトラッピングの影響が少ない放射線検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いた表面障壁型半導体放射線検出器を示す図である。
【図２】高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いた表面障壁型半導体放射線検出器の２Ｋ、３Ｋ、４．２Ｋ、４０Ｋ及び７７Ｋの温度における電流―電圧特性を示す図である。
【図３】４．２Ｋの温度におけるライズタイム特性の測定結果を示す図である。
【図４】２Ｋから５０Ｋの温度範囲でのα線波高スペクトルの測定結果を示す図である。
【図５】不純物を人工的にドープしない高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器を示す図である。
【図６】高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器の７７Ｋの温度における電流―電圧特性を示す図である。
【図７】Ｇｅをドープしたｐ型高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器を示す図である。
【図８】ｐ型高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器の４．２Ｋから７７Ｋの温度範囲における電流―電圧特性を示す図である。
【図９】ｐ型高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器の４．２Ｋから１１５Ｋの温度範囲でのα線波高スペクトルの測定結果を示す図である。
【図１０】ｐ型高純度ＩｎＳｂ単結晶を用いたｐｎ接合型半導体放射線検出器の４．２Ｋ、１０Ｋ及び７７Ｋの温度におけるライズタイム特性の測定結果を示す図である。
【図１１】従来のＧｅをドープしたｐ型ＩｎＳｂ単結晶を用いた表面障壁型半導体放射線検出器である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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