(57)【要約】【課題】  ダイヤモンドを使用した、高感度の放射線検出器を実現する。【解決手段】  放射線検出器１において、ダイヤモンドからなる基層１１と、上記基層に接した少なくとも２つの電極１２・１３と、を有し、上記電極１２・１３に電圧を印加することにより、上記基層１１に局所的に高電界部１４を形成させている。そして、上記電極間の基層に照射される放射線を、上記電極の少なくとも１つで収集した電流に基づいて検出する。これにより、高電界部にて電流増幅が起こり、非常に高感度の放射線検出ができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドからなる基層と、
上記基層に接した少なくとも２つの電極と、を有し、
上記電極に電圧を印加することにより、上記基層に、電流増幅を起こさせる高電界部を局所的に形成しており、
上記電極間の基層に照射される放射線を、上記電極の少なくとも１つで収集した電流に基づいて検出することを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
上記電極の少なくとも１つの端部が、膜厚が１００ｎｍ未満である薄膜電極領域となっており、
上記電極に電圧を印加することにより、該薄膜電極領域に接する、上記基層の局所的領域に、上記高電界部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項３】
上記電極が、その少なくとも１つの端部において、上記基層表面の面内方向に突出した、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる端面突起を形成しており、
上記電極に電圧を印加することにより、該端面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項４】
上記電極の少なくとも１つが、上記基層表面の面内方向に拡がり、該基層に接する側の該電極表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる表面突起を有し、
上記電極に電圧を印加することにより、該表面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項５】
上記基層における電極と接する表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下の凹部を有しており、
上記電極が、該基層の凹部に沿って形成された表面突起を備えており、
上記電極に電圧を印加することにより、該表面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
【請求項６】
さらに、少なくとも、上記高電界部を覆うように積層された、ダイヤモンドからなるキャップ層を有しており、
上記電極に電圧を印加することにより、該キャップ層にも高電界部が局所的に形成されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項７】
少なくとも上記電極間に位置する上記基層の表面を覆うように積層された、ダイヤモンドからなるキャップ層を有していることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項８】
上記電極に電圧を印加することにより、上記高電界部に１０５Ｖ／ｃｍ以上の電界が形成されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項９】
上記電極に電圧を印加することにより、上記高電界部が、電界方向に５μｍ以下の幅にて形成されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項１０】
上記電極における、高電界部を生じせしめる部分が、１０１６／ｃｍ３以上のキャリア密度を有する導電性材料からなることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項１１】
上記高電界部を生じせしめる電圧を印加した場合における、上記電極間の電気抵抗が１０５Ω以上であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項１２】
上記電極において、放射線照射に対して検出されるパルス電流の応答速度が１０μｓ以下であることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項１３】
紫外線、α線、β線、γ線、中性子線、Ｘ線の何れかを検出することを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の放射線検出器。
【請求項１４】
ダイヤモンドからなる基層を形成する基層形成ステップと、
電圧を印加されることにより、上記基層に電流増幅を起こさせる高電界部を局所的に形成する少なくとも２つの電極を、上記基層の表面に形成する電極形成ステップと、を有することを特徴とする放射線検出器の製造方法。
【請求項１５】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極が蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項１６】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極が化学気相堆積法により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項１７】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極がイオン打ち込み法により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項１８】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極がリソグラフィ法により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項１９】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極がマスキングによりパターン形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２０】
上記電極形成ステップにおいて、上記電極が材料をビーム状にして走査することで形成されることを特徴とする請求項１４に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２１】
上記基層形成ステップが、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法により下地基板上にダイヤモンドの結晶を成長させるものであり、
上記マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、原料のメタン／水素の比を１％以上、反応圧力を１００Ｔｏｒｒ以上、投入電力／プラズマ発光体積で表されるパワー密度を１５Ｗ／ｃｍ３以上として、ダイヤモンド結晶合成時の下地基板の温度が９５０℃以上となる温度にて行うことを特徴とする請求項１４から２０の何れか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２２】
上記マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、投入マイクロ波パワーを１０００Ｗ以上とすることを特徴とする請求項２１に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２３】
上記基層形成ステップが、下地ホルダーに上記下地基板を載置して行われるものであり、
上記下地基板が、ダイヤモンド、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、石英、窒化ボロン、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化炭素、のうちの少なくとも１つからなる基板、あるいは、これらの基板表面に多結晶ダイヤモンドまたは高配向ダイヤモンドを成長させた基板であることを特徴とする請求項２１または２２に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２４】
上記基層形成ステップが、下地ホルダーに上記下地基板を載置して行われるものであり、
上記下地ホルダーが、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、のうちの少なくとも１つからなる基板表面にダイヤモンドを覆ったものであることを特徴とする請求項２１から２３の何れか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２５】
上記基層形成ステップが、下地ホルダーに上記下地基板を載置して行われるものであり、
ダイヤモンド結晶合成時において、上記下地基板の温度が上記下地ホルダーの温度より５０℃以上高く保たれていることを特徴とする請求項２１から２４の何れか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２６】
上記基層形成ステップが、反応容器内で行われるものであり、
上記反応容器がマイクロ波プラズマに耐性を持つものであることを特徴とする請求項２１から２５の何れか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
【請求項２７】
上記基層形成ステップが、反応容器内で行われるものであり、
上記反応容器の直径が、マイクロ波プラズマが作られている空間の直径よりも１ｃｍ以上大きいことを特徴とする請求項２１から２５の何れか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器およびその製造方法に関し、特に検出感度の高いダイヤモンドからなる放射線検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外線やγ線等を検出する装置において、半導体材料として、バンドギャップエネルギーが大きく、熱伝導性、耐熱性、耐放射線性、耐化学薬品性に優れた材料であるダイヤモンドを用いることが注目されている。この検出器によれば、耐環境性に優れた放射線検出器を製造できる。
【０００３】
すなわち、従来の放射線検出器に用いられているＳｉ等の従来半導体は、バンドギャップが３ｅＶ以下の半導体であり、キャリアを生じせしめるバンドギャップ中の不純物準位が伝導帯下端(キャリアが電子の場合)あるいは価電子帯上端(同正孔の場合)から０．１ｅＶ以下のエネルギー差しかない。これに対し、バンドギャップが約５．５ｅＶのダイヤモンドは、同様な不純物準位は０．３ｅＶ以上のエネルギー差があるため、検出感度や検出特性が温度の影響を受けにくい上、構成する原子間の結合力が従来半導体に比べより強大である等の特徴を有し、耐環境性に優れている。
【０００４】
また、従来半導体は、上記のような浅い不純物準位を有するため、室温における暗電流（放射線が照射されていない場合における、主として熱活性過程より生成されたキャリアによる電流信号）が比較的高い。このため、最も利用が期待される室温における検出最小感度を向上できないという問題があった。あるいは、従来半導体を用いた放射線検出器の検出感度を向上するには、検出器を冷却し極低温にすることにより暗電流を抑制する必要があり、冷却装置や大気中測定での霜対策等を別途要するため、放射線検出器は複雑化してしまい小型化が困難であった。
【０００５】
さらに、従来半導体は、可視光に大きな感度を持つため、紫外線などの可視光以外の放射線を検知する場合は、可視光を遮断するためのフィルターを取り付けなければならなかった。このフィルターは、製造プロセスを複雑にし、また、検出対象である放射線、特に紫外線の強度を低下させるため、放射線の検出感度が低減してしまうという問題点があった。
【０００６】
これに対し、ダイヤモンドは、光吸収の上限波長が可視光波長領域より十分短いため、バンドギャップ中の深い準位が十分抑制された高品質試料では可視光には応答せず、可視光遮断フィルターを取り付ける必要がない。したがって、製造プロセスを簡単にできる上、検出感度を低下させることなく放射線の検出を行うことができる。
【０００７】
加えて、シリコンなどの従来半導体は内殻電子を少なくとも１０個以上有しているのに対し、軽元素半導体であるダイヤモンドは内殻電子を２個しか有していないため、放射線照射下における内殻電子励起によって生じる誤動作の確率が大幅に低下するという特徴がある。
【０００８】
さらに、ダイヤモンドを構成する炭素原子の原子番号が人体の平均原子番号と近い（生体等価である）ことから、ダイヤモンド放射線検出器を用いれば人体における照射線量を良好な精度で擬似的に評価ができる。つまり、人体に照射された放射線の人体内における振舞と、照射された放射線の検出器内における振舞とがほぼ同一である人体等価検出器として使用できる。
【０００９】
したがって、ダイヤモンドを用いた検出器は、高温下や高放射線照射下などの環境に耐えられる放射線検出器、あるいは生体等価検出器として応用が期待されている。
【００１０】
ダイヤモンドを用いた放射線検出器は、実用化へ向けた研究が進められており、すでに紫外線検出器として実用化されているものもある。また、放射性物質の検出器としては、非特許文献１に記載されているものがある。
【００１１】
現在知られているダイヤモンドを用いた検出器の構造としては、一般的に薄膜状のダイヤモンドに電極を堆積させたものが知られている。より具体的には、（i）ダイヤモンド薄膜からなる基層に櫛型の対向電極を配置した構造と、（ii）高温・高圧合成ダイヤモンド結晶（非特許文献２参照）からなる基層の上下方向に平板電極を配置した構造と、に大別される。構造（i）は、広い検出面積が要求される場合、例えば放射線の検出を高感度に行う場合に適切であり、構造（ii）は比較的厚い検出層が必要となる場合、例えば放射線のエネルギー分解検出を行う場合に有利である。この適用対象の相違は、従来のダイヤモンド製造技術における制限、すなわち、ダイヤモンド薄膜の高品質化、ダイヤモンド成膜の高速化、高圧合成ダイヤモンドの大面積化が達成できない等の制限を原因としている。したがって、ダイヤモンド薄膜の高品質化及びダイヤモンド成膜の高速化が実現されれば、上記何れの検出器の構造においても、あらゆる放射線が検出可能となる。
【００１２】
他方、高品質なダイヤモンド基層の合成方法としては、例えば、特許文献１および非特許文献３・４に開示されたプラズマＣＶＤ法がある。これによれば、成膜速度の高速化は達成できないが、特に高品質な薄膜ダイヤモンドが得られることが示されている。
【００１３】
そこで、高性能なダイヤモンド検出器を得るために、検出器のバルク基板に適用するダイヤモンドを、このような方法により、成長に特別に時間をかけ、不純物や欠陥を極力抑制した高温・高圧合成ダイヤモンドを使用することが考えられる。なお、このようなダイヤモンドを使用しない場合は、バルク基板に電極を直接堆積して検出器を作製すると、信号強度が小さく、再現性もよくないのが通例である。
【００１４】
しかし、高感度検出を可能とする程度の、高温・高圧合成過程における不純物制御や欠陥制御は、巨大で高価格な製造装置並びに高ランニングコストを要し、現状では技術的にも経済的にも現実的でない。
【００１５】
そこで、本発明者らは、さらに、ダイヤモンドの高品質性を保ちながら成長速度を高める方法の開発を進めている（非特許文献５、６および７参照）。
【特許文献１】特願平９−３３７７４０（１９９９年６月１５日公開）
【非特許文献１】「ニュークリアインストルメントアンドメソッドインフィジシックスリサーチセクションＡ」（"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A"）,（オランダ），2002年，第476巻，p.694-700
【非特許文献２】「ジャーナルオブクリスタルグロウス」（"Journal of Crystal Growth"）,（オランダ），2002年，第237-239巻，p.1281-1285
【非特許文献３】「ジャーナルオブクリスタルグロウス」（"Journal of Crystal Growth"）,（オランダ），1998年，第183巻，p.338-346
【非特許文献４】「フィジカステイタスソリディ」（"physica status solidi"）,（ドイツ），1999年，第174巻，p.101-115
【非特許文献５】「ジャーナルオブクリスタルグロウス」（"Journal of Crystal Growth"）,（オランダ），2002年，第235巻，p.287-292
【非特許文献６】「フィジカステイタスソリディ」（"physica status solidi"）,（ドイツ），2003年，第198巻，第２号，p.395-406
【非特許文献７】「第１７回ダイヤモンドシンポジウム講演予稿集」,ニューダイヤモンドフォーラム，2003年，p.4-5
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上のように、従来より検出器に用いられているダイヤモンド薄膜を用いた紫外線検出器、例えば、下地基板のＳｉ上に膜厚５μｍ程度の多結晶ダイヤモンド薄膜を堆積させたものでは、紫外線により生じたキャリア（電子及び正孔）が、特に品質の良くないＳｉ近傍のダイヤモンド薄膜中を拡散する間に大部分消滅し、信号電流が小さくなるため、検出感度が大幅に低下してしまうという問題があった。この検出感度の低下は、ダイヤモンドを高品質化することで解決される。しかし、高品質ダイヤモンドを用いても、従来構造の放射線検出器では、他の放射線検出器と同様に、検出感度が十分であるとは言えず、更なる高感度検出が可能となる新規放射線検出器の開発が求められていた。
【００１７】
すなわち、基層となるダイヤモンドが十分高品質であれば、ダイヤモンドを用いた放射線検出器は、室温における暗電流（典型的にはＳｉで１ｎＡ程度）が大幅に小さくなるため、室温で動作する従来半導体を用いた検出器に比べ、最小検出感度が大幅に向上し、より微小な強度の放射線についても検出できるようになると期待される。
【００１８】
しかしながら、１入射放射線（１量子）に対して形成される電子−正孔対の数は、凡そバンドギャップエネルギーに反比例するので、検出器を冷却し暗電流を十分低減した条件下で放射線の検出感度を比較した場合、つまり、材料固有の物性により決定される検出信号強度を比較した場合は、ダイヤモンドを用いた検出器は、Ｓｉ等ダイヤモンド以外の半導体を用いた検出器とほぼ等しいか（紫外線感度は１００ｍＡ／Ｗ程度）、もしくはこれより小さくなる。
【００１９】
そこで、ダイヤモンド放射線検出器において、出力信号強度を高めることできれば、他材料による放射線検出器に比して更に優れたものになる。すなわち、ダイヤモンド薄膜を用いて、感度特性に優れた、すなわち、最小検出放射線量が小さく信号強度の大きい放射線検出器を開発できれば、ダイヤモンドが有する材料的特長である耐環境性、並びに、室温における超低暗電流特性により、使用用途が広範囲にわたる高感度放射線検出器となるものと期待される。
【００２０】
本発明は、上記の問題点に鑑みて考案されたものであり、その目的は、ダイヤモンドを使用した、室温動作可能で耐環境性に優れた放射線検出器において、従来製品と比べ格段の高感度特性を有する放射線検出器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る放射線検出器は、ダイヤモンドからなる基層と、上記基層に接した少なくとも２つの電極と、を有し、上記電極に電圧を印加することにより、上記基層に、電流増幅を起こさせる高電界部を局所的に形成しており、上記電極間の基層に照射される放射線を、上記電極の少なくとも１つで収集した電流に基づいて検出することを特徴としている。
【００２２】
これによれば、電極間の該基層に照射された放射線により、該基層中に超微弱電流が発生し、この超微弱電流が、上記電極間の電圧印加により形成される該基層中の局所的高電界部において、格段に電流増幅された後、上記電極の少なくとも１つで検出するので、非常に感度の良い放射線検出器となる。
【００２３】
なお、「高電界部を局所的に形成している」とは、上記基層全体が高電界部となるのではなく、基層の一部分でのみ高電界が形成されていることを意味し、その電界強度が該高電界部内において空間的に均一であることは必ずしも意味しない。また、「電流増幅」とは高電界下におけるキャリアの衝突電離機構による電流増幅を意味する。また、「高電界部」とは、この電流増幅を起こさせるために必要な高電界が形成されている領域である。
【００２４】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極の少なくとも１つの端部が、膜厚が１００ｎｍ未満である薄膜電極領域となっており、上記電極に電圧を印加することにより、該薄膜電極領域に接する、上記基層の局所的領域に、上記高電界部が形成されることを特徴としている。
【００２５】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極が、その少なくとも１つの端部において、上記基層表面の面内方向に突出した、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる端面突起を形成しており、上記電極に電圧を印加することにより、上記該端面突起の先端部に、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴としている。
【００２６】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極の少なくとも１つが、上記基層表面の面内方向に拡がり、該基層に接する側の該電極表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる表面突起を有し、上記電極に電圧を印加することにより、該表面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴としている。
【００２７】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記基層における電極と接する表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下の凹部を有しており、上記電極が、この凹部に沿って形成された表面突起を備えており、上記電極に電圧を印加することにより、該表面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に上記高電界部が形成されることを特徴としている。
【００２８】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、さらに、少なくとも、上記高電界部を覆うように積層された、ダイヤモンドからなるキャップ層を有しており、上記電極に電圧を印加することにより、上記キャップ層にも高電界部が局所的に形成されることを特徴としている。
【００２９】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、少なくとも、上記電極間に位置する上記基層の表面を覆うように積層された、ダイヤモンドからなるキャップ層を有しており、上記電極に電圧を印加することにより、該キャップ層にも高電界部が局所的に形成されることを特徴としている。
【００３０】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極に電圧を印加することにより、上記高電界部に１０５Ｖ／ｃｍ以上の電界が形成されることを特徴としている。
【００３１】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極に電圧を印加することにより、上記高電界部が、電界方向に５μｍ以下の幅にて形成されていることを特徴としている。
【００３２】
なお、上記「電界方向」とは、上記電極に電圧を印加することにより生じる高電界部において、正電荷の受ける力の方向である。
【００３３】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極における、高電界部を生じせしめる部分が、１０１６／ｃｍ３以上のキャリア密度を有する導電性材料からなることを特徴としている。
【００３４】
ここで、「高電界部を生じせしめる部分」とは、高電界部を発生させるのに寄与する部分であり、具体的には、上記した薄膜電極領域や端面突起、表面突起をさす。
【００３５】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記高電界を生じせしめる電圧を印加したときに、上記電極間の電気抵抗が１０５Ω以上であることを特徴としている。
【００３６】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、上記電極において、放射線照射に対して検出されるパルス電流の応答速度が１０μｓ以下であることを特徴としている。
【００３７】
なお、上記「パルス電流の応答速度」とは、放射線照射時から、それに応答して流れるパルス電流が検出されるまでの時間を示す。
【００３８】
本発明に係る放射線検出器は、上記課題を解決するために、紫外線、α粒子、β粒子、γ粒子、中性子、Ｘ線の何れかを検出することを特徴としている。
【００３９】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、ダイヤモンドからなる基層を形成する基層形成ステップと、電圧を印加することにより、上記基層に電流増幅を起こさせる高電界部を局所的に形成させる、少なくとも２つの電極を、上記基層の表面に形成する電極形成ステップと、を有することを特徴としている。
【００４０】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極が蒸着法により形成されることを特徴としている。
【００４１】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極が化学気相堆積法により形成されることを特徴としている。
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極がイオン打ち込み法により形成されることを特徴としている。
【００４２】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極がリソグラフィ法により形成されることを特徴としている。
【００４３】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極がマスクキングによりパターン形成されることを特徴としている。
【００４４】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記電極形成ステップにおいて、上記電極が材料をビーム状にして走査することで形成されることを特徴としている。
【００４５】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記基層形成ステップが、マイクロ波プラズマ化学気相堆積法により下地基板にダイヤモンド結晶を成長させることにより行われ、上記マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、原料のメタン／水素の比を１％以上、反応圧力を１００Ｔｏｒｒ以上、投入電力／プラズマ発光体積で表されるパワー密度を１５Ｗ／ｃｍ３以上として、ダイヤモンド結晶合成時の下地基板の温度が１０００℃以上となる温度にて行うことを特徴としている。
【００４６】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、投入マイクロ波パワーを１０００Ｗ以上とすることを特徴としている。
【００４７】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記基層形成ステップが、下地ホルダーに下地基板を載置して行われるものであり、上記下地基板が、ダイヤモンド、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、石英、窒化ボロン、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化炭素のうちの少なくとも１つからなる基板、あるいは、これらの基板表面に多結晶ダイヤモンドまたは高配向ダイヤモンドを成長させた基板であることを特徴としている。また、上記下地ホルダーが、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、のうちの少なくとも１つからなる基板表面にダイヤモンドを覆ったものであることを特徴としている。
【００４８】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記基層形成ステップが、下地ホルダーに上記下地基板を載置して行われるものであり、ダイヤモンド結晶合成時において上記下地基板の温度が上記下地ホルダーの温度より、５０℃以上高く保たれていることを特徴としている。
【００４９】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記基層形成ステップが、反応容器内で行われるものであり、上記反応容器がマイクロ波プラズマに耐性を持つものであることを特徴としている。
【００５０】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記課題を解決するために、上記基層形成ステップが、反応容器内で行われるものであり、上記反応容器の直径がマイクロ波プラズマ作られている空間の直径よりも１ｃｍ以上大きいことを特徴としている。
【発明の効果】
【００５１】
本発明に係る放射線検出器は、以上のように、ダイヤモンドからなる基層と、上記基層に接した少なくとも２つの電極と、を有し、上記電極に電圧を印加することにより、上記基層に局所的に高電界部を発生させており、上記電極間の基層に照射される放射線を、上記電極の少なくとも１つで収集した電流に基づいて検出している。
【００５２】
上記電極に電圧を印加することで、上記基層に局所的に高電界部を形成させると、この高電界部に到達したキャリアは該高電界により大きなエネルギーが与えられる。したがって、検出対象となる放射線（例えば紫外線・粒子線）により生成されたキャリアが、高電界部において十分な高エネルギーを得れば、該基層ダイヤモンドの価電子と次々に衝突し、衝突電離機構によりその都度２次キャリアを生じさせる。このようにして、放射線によって生成したキャリアは大幅な電流増幅を起こすことができる。
【００５３】
この電流増幅は、放射線検知の信号強度を格段に強くするので、極めて微弱な放射線が入射した場合も、検出できるレベルの電流として収集できる、検出感度の極めて高い放射線検出器となる。
【００５４】
上記高電界部は基層中に局所的に形成させているが、これは、高電界部が基層全体に渡って形成されると、上記の電流増幅が雪崩的に基層全体に広がってしまうので、電圧を印加している電極間の基層が絶縁破壊され、検出器としての機能を果たさなくなるからである。つまり、高電界部の形成領域を調整して局所的とすることで、電流増幅の発生を局所的にとどめ、検出器の破壊を防ぎながら制御性良く検出感度を上げることができるのである。
【００５５】
また、局所的にのみ高電界部を形成する場合は、検出器に印加すべき電圧を低く抑えることができるという利点もある。
【００５６】
上記基層に局所的に高電界部を発生させるためには、例えば、上記電極の端部の膜厚を１００ｎｍ未満とし、該電極同士が相対する側の電極端部に接する基層の領域に上記高電界部が局所的に形成されるようにすればよい。すなわち、上記電極端部の膜厚を１００ｎｍ未満とすることで、電極に電圧を加えた場合に、電界が電極端面近傍に集中するという作用が起こり、基層における電極の相対する側の電極端部に沿った領域に局所的な高電界部を形成できる。
【００５７】
また、上記電極同士が相対する側の少なくとも１つの電極端部が、上記基層表面の面内方向に突出した、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる端面突起を形成することでも、電極に電圧を加えれば、同様に電極端面突起の先端部に接する、該基層の局所的領域に、電界が増大するという作用が起こり、電極の相対する側の電極端面突起先端部に沿った基層領域に局部的な高電界部を形成できる。
【００５８】
同様に、上記電極同士が相対する側の少なくとも１つの電極が、上記基層表面の面内方向に拡がり、該基層に接する側の該電極表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下となる表面突起を形成することでも、電極に電圧を加えた場合、同様に表面突起に接する基層の領域で局所的に電界が増大するという作用が起こり、電極の相対する側の表面突起先端部に接する基層領域に局部的な高電界部を形成できる。
【００５９】
さらに、上記基層における電極と接する表面に、最小曲率半径が１００ｎｍ以下の凹部を形成し、上記電極をこの凹部を有する基層表面に沿って形成することで表面突起を形成しても、電極に電圧を加えた場合には、同様な電界増大作用が起こり、電極が相対する側の表面突起に接した基層の領域に局部的な高電界部を形成できる。
【００６０】
さらに、本発明に係る放射線検出器において、少なくとも、上記高電界部を覆うように、ダイヤモンドからなるキャップ層が積層される構成とし、上記高電界部を、基層側のみならずキャップ層内にも形成するようにすれば、放射線検出感度をより一層高めることができる。
【００６１】
なお、上記キャップ層内の高電界部は、少なくとも、高電界を形成せしめる電極部分を覆うようにキャップ層を積層することによっても形成される。高電界を形成せしめる電極部分とは、具体的には、１００ｎｍ未満の膜厚の電極端部を有する場合は電極同士が相対する側の薄膜電極領域であり、最小曲率半径が１００ｎｍ以下の上記の突起の先端部である。
【００６２】
加えて、本発明に係る放射線検出器において、少なくとも上記電極間に位置する上記基層の表面を覆うように積層された、ダイヤモンドからなるキャップ層を有している構成とすれば、その検出特性が、雰囲気ガス種によらず、より均質化・安定化でき、検出器の制御性の向上や長寿命化にも寄与する。この理由は、電極間に位置する上記基層の表面にキャップ層が無いまま電極に電圧を印加すると、基層表面の高電界部が表面に晒され、多少不安定になりやすくなるのに対し、上記構成にすることにより、検出器表面には高電界が印加されず、そのような不安定性のない検出器内部のみに高電界部を形成できるからである。
【００６３】
本発明に係る放射線検出器は、上記高電界部に１０５Ｖ／ｃｍ以上の電界が形成されていることで、上記電流増幅を良好に発生させることができる。
【００６４】
また、本発明に係る放射線検出器は、上記高電界部が、電界方向に５μｍ以下の幅にて形成されていることが好ましい。これによれば、過度な電流増幅による検出器の絶縁破壊を招くことなく、制御性良く適度に検出感度を上げることができる。
【００６５】
さらに、本発明に係る放射線検出器は、上記電極の高電界部を生じせしめる部分が１０１６／ｃｍ３以上のキャリア密度を有する導電性材料からなるものとすることで、良好に該高電界部を形成できる。
【００６６】
また、本発明に係る放射線検出器は、上記高電界を生じせしめる電圧を印加したときに、上記電極間の動作環境下における電気抵抗が１０５Ω以上であるものとすることで、放射線検出器の検出感度を良好にできる。
【００６７】
また、本発明に係る放射線検出器は、上記電極において、放射線照射に対して流れるパルス電流の応答速度が１０μｓ以下であるものとすることで、放射線検出器の検出感度を良好にできるのみならず、応答速度を良好にできる。
【００６８】
本発明に係る放射線検出器は、光に対するカットオフ波長が２２０ｎｍと短いため、太陽光の可視光などの長波長の光子の影響を受けることなく、放射線を検出できる。したがって、検出する放射線としては、紫外線、α線、β線、γ線、中性子線、Ｘ線等を検出するのに好適である。
【００６９】
本発明に係る放射線検出器の製造方法は、以上のように、電圧を印加することにより上記基層に局所的に高電界部を形成する少なくとも２つの電極を、基層の表面に形成する電極形成ステップを有する放射線検出器の製造方法である。
【００７０】
これによれば、電極に電圧を印加することで、上記基層に局所的に高電界部を形成できる放射線検出器を製造できる。このような高電界部を有していれば、上述した電流増幅機構により、すなわち、検出対象である放射線により形成されるキャリアが十分な高エネルギーを有するようになり、基層中のダイヤモンドの価電子を衝突励起し、別の２次キャリアを次々と作るようになるため、極めて微弱な放射線をも検出できる、検出感度の高い放射線検出器となる。なお、上記高電界部を局所的に形成させているのは、上述した電流増幅の発生を局所的にとどめることにより、検出素子の絶縁破壊を防ぎ、該素子の制御性を格段に向上させるためである。
【００７１】
以上のような局所的に高電界部を形成させる電極の形成は、蒸着法、化学気相堆積法、イオン打ち込み法、リソグラフィ法により、あるいは、マスキングによるパターン形成法やビーム状の材料を基層表面に走査する方法を用いて、基層表面に、上述した１００ｎｍ未満の薄膜の電極あるいは、曲率半径１００ｎｍ以下の突起状の微細構造を有するパターン電極を形成することで行われる。
【００７２】
また、本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記基層形成ステップが、ダイヤモンドの結晶をマイクロ波プラズマ化学気相堆積法にて合成することにより行われ、該マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、原料のメタン／水素の比を１％以上、反応圧力を１００Ｔｏｒｒ以上、「投入電力／プラズマ発光領域の体積」で表されるパワー密度を１５Ｗ／ｃｍ３以上として、ダイヤモンド結晶合成時の下地基板の温度が９５０℃以上となる温度にて行われる。
【００７３】
これによれば、高品質なダイヤモンド結晶を高速で合成できる。ダイヤモンドからなる基層に電極を取り付けた放射線検出器では、例えばカソードルミネッセンスの室温スペクトルの主構造が、バンド端発光に起因するピークであるようなダイヤモンドを用いて基層を形成することが望ましいが、従来は、このような高品質のダイヤモンドは合成速度が極端に遅く、工業的生産は難しい状況にあった。しかし、上記の条件にてマイクロ波プラズマ化学気相堆積法を用いてダイヤモンドを合成することで、ダイヤモンドを高品質に保ちながら、高速に結晶成長をさせて基層を合成できるため、このようなダイヤモンド膜の製造方法は放射線検出器の基層ダイヤモンドの合成に非常に適している。
【００７４】
なお、上記マイクロ波プラズマ化学気相堆積法において、投入マイクロ波パワーを１０００Ｗ以上とすることで、さらに良好にダイヤモンドを合成できる。
【００７５】
また、本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記基層形成ステップにおいて、下地基板が、ダイヤモンド、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、石英、窒化ボロン、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化炭素のうちの少なくとも１つからなる基板、あるいは、これらの基板表面に多結晶ダイヤモンドまたは高配向ダイヤモンドを成長させた基板であるので、高品質のダイヤモンド結晶を合成することができる。
【００７６】
さらに、本発明に係る放射線検出器の製造方法は、上記基層形成ステップにおいて、下地ホルダーが、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、のうちの少なくとも１つからなる基板表面にダイヤモンドを覆ったものであるので、高品質のダイヤモンド結晶を合成することができる。
【００７７】
また、ダイヤモンド結晶合成時において上記下地基板の温度が上記下地ホルダーの温度より、５０℃以上高く保たれていることにより、高品質のダイヤモンド結晶を合成できるので、高感度の放射線検出器が製造できる。下地基板の温度上昇分が下地ホルダーに比べて５０℃より小さいと、下地ホルダーに炭素原子が容易に付着してダイヤモンド核またはダイヤモンド微結晶が成長してしまい、このダイヤモンド核またはダイヤモンド微結晶の一部が下地ホルダーから剥離し下地基板上のダイヤモンドに混じってしまうので、品質の低下を招く。
【００７８】
また、上記基層形成ステップを、マイクロ波プラズマに耐性の反応容器中にて行うことで、良好にダイヤモンド結晶を合成できる。
【００７９】
また、上記基層形成ステップを、マイクロ波プラズマの作られている空間の直径よりも１ｃｍ以上大きい反応容器中で行うことにより、良好にダイヤモンド結晶を合成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８０】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１ないし図３に基づいて説明すると以下の通りである。
【００８１】
図１は、本発明の放射線検出器１の構成を示す図面であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）は断面図を示している。
【００８２】
放射線検出器１は、ダイヤモンド基層１１と電極１２・１３からなり、検出対象となる放射線を受けると、電流を発生させるものである。なお、ダイヤモンド基層１１は非導電性の高圧合成バルクからなる基板（図示せず）の表面に設けられている。
【００８３】
ここで、ダイヤモンド基層１１は検出対象となる放射線を光電変換して、光電流を流すものであり、電極１２・１３はこの光電流を出力するものである。
【００８４】
ダイヤモンド基層１１の材料となるダイヤモンドは、その室温カソードルミネッセンススペクトルの主構造がバンド端発光に関するものである程度の高品質であることが望ましく、これにより、放射線を受けて発生した検知信号を良好に流すことができる。また、ダイヤモンドは、電極１２・１３間の抵抗が１０５Ω以上、好ましくは１０８Ω以上、さらに好ましくは１０１１Ω以上のものを用いることが好ましい。これにより、暗電流が抑えられ、放射線検出器の検出感度を良好にできる。
【００８５】
ダイヤモンド基層１１の形状としては、その面積は使用に応じて適宜選択すればよいが、例えば３ｍｍ×３ｍｍのものが用いられる。また、その厚さとしては、高感度とするために、放射線の種類及びエネルギーに応じて適切な厚さとすればよいが、一般的には厚さを２０μｍ程度以上とすることが好ましい。厚さの上限は、通常の放射線検出では１００μｍ以下とすることが好ましく、下限は１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上である。
【００８６】
これは、放射線により発生したキャリアは、ダイヤモンド基層１１中を走行して電極１２・１３に到達するが、このときに、ダイヤモンド基層１１が厚すぎると、キャリアの一部が走行中に捕獲され、信号強度の減少とエネルギー分解能や応答速度の低下が起こるためである。また、ダイヤモンド基層１１が薄すぎると、放射線がキャリア生成することなしに基層を通過する、または生成されたキャリアが基層を拡散中に、主として基層外に流出し消滅してしまうという問題が生じる。
【００８７】
電極１２・１３の材料としては、１０１６／ｃｍ３以上のキャリア密度を有する導電性材料、より好ましくは１０２１／ｃｍ３以上のキャリア密度を有する導電性材料を用いることが好ましい。このような電極１２・１３としては、チタンと金とを積層させた電極や、チタンと白金と金とからなる積層電極が挙げられる。このような材料を用いれば、放射線により生成されたキャリア信号を良好に増幅でき、高感度で検出することができる。
【００８８】
また、本実施の形態では電極の厚さを１００ｎｍ未満にしている。これにより、図１（ｂ）に示すように、電極１２に電圧を印加したときに、電極１２の電極１３とが相対する側の電極端部に沿ってダイヤモンド基層１１に、幅１μｍ程度の高電界部１４ができる。電極の厚さとしては、１００ｎｍ未満とすることがより好ましく、４０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００８９】
なお、高電界部１４は、電極１２、１３のどちらかに電圧を印加することによって、電極１２，１３のどちらかに沿って形成してもよく、電極１２および電極１３に印加することによって両者に沿って形成してもよい。しかし、ダイヤモンド基層１１のダイヤモンドの品質が非常に高い場合には、２箇所に高電界部１４を形成すると、検出器の破壊につながることがあるので、このような場合には、高電界部１４を１箇所以上設けないほうが良い。
【００９０】
すなわち、通常の品質のダイヤモンドの場合、ダイヤモンド中では電子の寿命に比べ正孔の寿命が長いので、放射線を受けてダイヤモンド基層１１中で生成したキャリアの内、主として正孔電流が高電界部１４で電流増幅される。このような場合に局所的な高電界部が２つの電極の相対する側にそれぞれ形成されると、正極側で正孔電流の増幅が、陰極側で電子電流の増幅が生じるが、電極間の距離を電子の拡散距離に比べ十分長くしておけば、陰極側のキャリア増幅で形成された正孔が正極側のキャリア増幅で形成された電子を相殺するため、キャリア増幅の正の帰還回路は形成されず、該局所的高電界部における電流増幅は安定に動作する。
【００９１】
他方、ダイヤモンド基層１１の結晶品質が非常に高い場合、正孔の寿命に加え電子の寿命も十分長くなり、高電界部１４で電子電流の電流増幅をも生じるようになる。この場合に、局所的な高電界部１４が２つの電極の相対する側にそれぞれ形成さると、上記の相殺が行われず、キャリア増幅の正帰還回路が形成されるため電流増幅を阻止することができず、瞬時に素子の破壊に至ってしまう。このため、ダイヤモンド基層１１の結晶品質が非常に高い場合は、一方の電極のみに高電界部１４が形成される構成にすることが必要である。
【００９２】
なお、形成する高電界部１４は、ダイヤモンド基層１１の一部に形成されるものであればよい。該高電界部１４の大きさ(幅)は、電極間距離とキャリアの拡散距離とに依存するが、通常５μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であることが望まれる。これによれば、高電界部１４がダイヤモンド基層１１において、電流増幅の発生を局所的にとどめ、検出素子の破壊を防ぎながら検出感度を上げることができる。
【００９３】
この高電界部１４は、電極１２・１３に適切な電圧を印加することにより、１０５Ｖ／ｃｍ以上の高電界が形成されることが望ましく、該高電界部内の最大電界が１０６Ｖ／ｃｍ以上とすることがより望ましい。これにより、キャリアの衝突電離機構による電流増幅現象を利用して検出感度を格段に高めることができる。
【００９４】
すなわち、放射線を受けて作られたキャリアがこのような高電界部１４に到達すると、衝突電離現象を生じさせるのに十分な高エネルギーを得られる。そして、高エネルギーを得たキャリアはダイヤモンド基層１１中のダイヤモンドの価電子と衝突して、次々に２次キャリアを作る。これにより、放射線により生成されたキャリアの信号強度が格段に高まるので、きわめて微弱な入射放射線に対しても検出可能な程度に大きな電流信号を生成できる。
【００９５】
電極１２・１３の形状は、図１のように長方形型のものを使用しているが、これに限られるものではなく、図２（ａ）のように電極２１と２２とがダイヤモンド基層１１との面内方向に分岐した部分を有し、この部分が電極同士で互いに入り組んでいる形状（櫛型）に形成してもよい。この場合、電極１２と電極１３との電極間距離が小さくなり、放射線により生成されたキャリアを確実に検出できる。また、形成される高電界部２４は図２（ｂ）の断面図に示すように、電極２１・２２の相対する側の電極端部に接するダイヤモンド基層１１の領域にできる。なお、電極１２・１３を櫛型にした場合の電極間距離は、後述する実施例にも示す通り、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましい。
【００９６】
また、本実施の形態では、図３に示すように、ダイヤモンド基層１１の電極１２・１３が形成された面に、ダイヤモンドからなるキャップ層１５を積層させてもよい。これによると、上記高電界部１４がダイヤモンド基層１１のみならずキャップ層１５にも広がるので、検出感度がさらに高まる。
【００９７】
次に本実施の形態の放射線検出器１を製造する方法について説明する。
【００９８】
まず、ダイヤモンド基層１１を形成する基層形成ステップについて説明する。ダイヤモンド基層１１の製造方法としては、放射線検出の機能を果たす程度の品質のダイヤモンドを製造できる方法であれば、特に限定されるものではないが、検出感度を高めるためにはより高品質で厚い膜ダイヤモンドが好ましい。
【００９９】
従来の単結晶ダイヤモンド合成方法としては、非特許文献２の高圧合成法があるが、この方法では、１００μｍ／ｈ程度の速い成長速度で合成できるが、ダイヤモンドに窒素や触媒金属などの不純物がｐｐｍレベルで混入し、結晶品質が劣化してしまうので、電子デバイス用ダイヤモンド合成法としては採用できない。
【０１００】
一方、化学気相法（ＣＶＤ法）によれば、例えば図４に示すプラズマＣＶＤ装置にて、メタン、アセチレン、一酸化炭素などの炭素含有ガスを、水素、アルゴン、酸素または窒素などから選択されるキャリアガスに同伴させて反応容器５２内に導入するか、あるいはグラファイトなどの固体炭素源を反応容器５２内に設置して、水素、アルゴン、酸素または窒素などから選択されるガスを導入すれば、下地基板５１上にダイヤモンド結晶を成長させられる。この方法では、条件を整えることで（例えば特許文献１記載されるような原料濃度としたり、非特許文献３および４に記載される条件とする）、欠陥や不純物が極めて少ないダイヤモンドを合成できる。しかしながら、上記のＣＶＤ法では成長速度が最大でも０．３μｍ／ｈと非常に遅く、ダイヤモンド基層１１の好ましい厚さである２０μｍにまで成長させるのに、少なくとも６０時間以上かかり、製品の生産性が著しく低くなるため、実用化の障壁となってしまう。
【０１０１】
そこで、マイクロ波プラズマＣＶＤ法において、原料のメタン／水素の比（水素に対するメタンの体積比）を１％以上、反応容器内の圧力を５０Ｔｏｒｒ（６７ｈＰａ）以上、投入電力／プラズマ発光体積で表されるパワー密度を１５Ｗ／ｃｍ３以上として、ダイヤモンド結晶合成時において下地基板５１の温度が、後述する下地基板５１を載せる下地ホルダー５３の温度より５０℃以上高い温度にて行うことにより、ダイヤモンドの品質を保ちながら結晶成長の速度を速めることができる。この方法により、より検出感度の高く、しかも、生産性が高くて実用化可能な放射線検出器のダイヤモンド基層１１を製造できる。
【０１０２】
上記条件のうち、原料のメタン／水素の比は、１％以上７０％以下であることが好ましく、４％以上３２％以下であることがより好ましい。
【０１０３】
また、反応容器内の圧力は、５０Ｔｏｒｒ（６７ｈＰａ）以上であることが好ましく、１２０Ｔｏｒｒ（１６０ｈＰａ）以上であることがより好ましく、また、１６０Ｔｏｒｒ（２１０ｈＰａ）以下であることがより好ましい。
【０１０４】
さらに、投入電力／プラズマ発光体積で表されるパワー密度は、１５Ｗ／ｃｍ３以上であることが好ましく、３０Ｗ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。また、この密度が１５Ｗ／ｃｍ３より低いと、製造されたダイヤモンドに含まれる非ダイヤモンド成分や非エピタキシャルダイヤモンド相が増加し好ましくない。
【０１０５】
条件が以上の範囲を外れると、高品質なダイヤモンドが高速に合成できないので好ましくない。
【０１０６】
また、ダイヤモンド結晶合成時の下地基板５１の温度の下限は、７００℃以上であることが好ましく、１０００℃以上であることがより好ましく、上限は、１３００℃以下であることが好ましく、１２００℃以下であることがより好ましい。下地基板５１の温度が７００℃より低いと、結晶ダイヤモンド相以外の炭素膜を主成分とする膜が形成されてしまうため好ましくない。他方、温度が高すぎると、ダイヤモンド結晶の合成が良好にできにくくなる。
【０１０７】
なお、本実施の形態で使用したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置装置（図４に示す装置）は、原料を流入させるガス流入口５４を有する反応容器５２と、その内部に設置かれた下地ホルダー５３からなり、反応容器５２内にプラズマを生成しているものである。ここで、ダイヤモンド基層１１が積層される下地基板５１をプラズマＣＶＤ装置の反応容器５２内の下地ホルダー５３に直接置くと、プラズマで加熱された下地基板５１の熱が下地ホルダー５３に効率良く伝わるため、下地基板５１を上記の適切な温度に保つようにすると、下地基板５１のみならず下地ホルダー５３の温度もダイヤモンドの高速成長に適切な領域温度に含まれるようになる。
【０１０８】
この場合、ダイヤモンド核が下地ホルダー５３にて頻繁に発生し微結晶へと成長し、このダイヤモンド核またはダイヤモンド微結晶の一部が下地ホルダー５３から剥離し下地基板５１上に移動してしまうため、下地基板５１における非エピタキシャルダイヤモンド相の成長が避けられず、ダイヤモンド基層１１の結晶品質が低下するという問題を生じる。
【０１０９】
したがって、下地基板５１の温度及び下地ホルダー５３の温度を、各々の適切な温度に、すなわち、下地基板５１はダイヤモンド結晶が成長しやすい温度に、下地ホルダー５３はダイヤモンド結晶が成長しにくい温度に保つ必要がある。このためには、下地ホルダー５３と下地基板５１との間に適切な熱伝導調整板５５を設けることが好ましい。下地基板５１と下地ホルダー５３との温度差の調節は、熱伝導調整板５５の厚さや接触面積を調整することにより行える。これにより、下地基板５１及び下地ホルダー５３がそれぞれの適切な温度に保て、下地基板５１に平坦で高品質ダイヤモンドを製造できる。なお、この熱伝導調整板５５はプラズマ照射方向から見たときに、下地基板５１に覆われるような形状、配置とする必要がある。
【０１１０】
また、下地基板５１と下地ホルダー５３との熱接触を制御する別の方法として、下地基板５１直下からの高圧ガスの噴射、あるいは電磁界力により下地基板５１を下地ホルダー５３に接触させずに、浮かせて保持する方法もある。いずれの場合も、下地ホルダー５３の温度は下地基板５１の温度に比べ５０℃以上下げることが好ましく、１００℃以上の温度差を維持することがさらに好ましい。この温度差が５０℃より小さくなると、上述したように下地ホルダー５３にできたダイヤモンドの剥離、および、下地基板５１への移動量が増加し、下地基板５１で形成されるダイヤモンドの品質の低下を招く。
【０１１１】
また、上記下地基板５１としては、ダイヤモンド核が容易に発生し、また成長温度領域においてダイヤモンド膜の剥離を起こさない物質を用いることで、良好なダイヤモンド薄膜を得ることができる。具体的には、ダイヤモンド、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、石英、窒化ボロン、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化炭素のうちの少なくとも１つからなる基板、あるいは、これらの基板表面に多結晶ダイヤモンドまたは高配向ダイヤモンドを成長させた基板であることが好ましく、単結晶ダイヤモンドがより望ましい。
【０１１２】
なお、上記したどの下地基板５１を使用する場合も、プラズマＣＶＤ法での好ましい条件は、上記したものと同じである。
【０１１３】
さらに、上記下地ホルダー５３として、融点が２０００℃以上の物質を用いれば、ダイヤモンド成長時の温度における、該下地ホルダー材料及び該材料中の含有不純物の蒸気圧を通常十分低くできるため、下地ホルダー５３の構成元素が製造中のダイヤモンドへ混入することを抑制できる。このような要件を満たす下地ホルダー５３の材料として、白金、白金合金、モリブデン、モリブデン合金、タンタル、タンタル合金、タングステン、タングステン合金、鉄、鉄合金、イリジウム、イリジウム合金、ニッケル、ニッケル合金、シリコン、金属シリサイド、石英、窒化ボロン、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化ガリウム、窒化炭素を用いることが好ましい。さらに、この下地ホルダー５３をダイヤモンドで覆って使用することで、下地ホルダー５３上で発生したダイヤモンド核及び成長した微結晶の剥離が効果的に抑制できる。
【０１１４】
他方、反応容器５２はマイクロ波プラズマ耐性のある材料からなることが好ましい。加えて、反応容器５２はマイクロ波プラズマが作られている空間の直径よりも１ｃｍ以上大きいことが好ましい。これによれば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を良好に進めることができる。
【０１１５】
次に、このようにして製造されたダイヤモンド基層１１の表面に電極１２・１３を形成する電極形成ステップについて説明する。
【０１１６】
電極１２・１３の材料としては、導電性の金属や低抵抗半導体であれば特に限定されるものではないが、ダイヤモンド基層１１中に高電界を形成するための電極にとして、特に金属であることが好ましく、具体的には、ダイヤモンドと反応して炭化物を生成する、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステンからなるもの、あるいは大気中でも容易に酸化されない白金、金、パラジウム、ニッケル、あるいは微細構造形成に適切なダイヤモンドから変質した黒鉛からなるものが好ましく、さらにはこれらを２層以上積層させたもの、例えばチタン・金を積層させたものであってもよい。
【０１１７】
また、電極１２・１３を形成する方法としては、１００ｎｍ未満の膜厚の金属を形成できる方法であれば特に限られるものではないが、蒸着法、化学気相堆積法、イオン打ち込み法、リソグラフィ法等が挙げられる。
【０１１８】
蒸着法の場合は、材料となる金属を加熱して蒸発させたり、あるいは、材料となる金属をイオンスパッタすることにより、ダイヤモンド基層１１上に堆積させる。これによれば、電極１２・１３をナノメートルオーダーの薄い膜厚で精度よく形成できる。この方法は、特に電極１２・１３が平坦で単純な形状の場合に好適である。
【０１１９】
イオン打ち込み法の場合は、電極材料となる金属をイオン化し加速してダイヤモンド基層１１に打ち込んで電極１２・１３を形成する。これによれば、イオンのエネルギー、イオンの照射量やイオン打ち込み領域を制御することにより、任意の形状に制御されたナノメートルオーダーの薄い膜厚の電極層を形成できる。例えば、イオン化したガリウムを加速電圧３０ｋＶ、照射量１０１５／ｃｍ２で打ち込むことにより、厚さ３０ｎｍの電極層を形成できる。
【０１２０】
また、電極１２・１３のパターン形成は、ダイヤモンド基層１１に所望の形状のマスクを被せた後、例えば上記した蒸着法、化学気相堆積法あるいはイオン打ち込み法にて電極材料を形成することで、所望の形状とすることができる。
【０１２１】
また、通例のリソグラフィ法を用いてパターン形成しても良い。具体的には、ダイヤモンド基層１１表面に、電極の材料となる金属からなる平坦な層を形成した上で、感光性樹脂等の所望のパターンマスクのパターンを、この平坦な層に載せ、エッチングを施すことでパターンを転写する方法がある。また、まず所望のパターン形状のパターンマスクをダイヤモンド基層１１上に形成し、その上にさらに電極の材料からなる平坦な層を形成した後、不要な部分の平坦層をリフトオフすることで、所望のパターンの電極を形成する方法もある。
【０１２２】
一方、マスクを使用しないパターン形成方法としては、有用な集束ビームによるイオン打ち込み法において、数十ナノメートル以下に絞った所望材料の集束イオンビームを走査し、所望の箇所に打ち込むことで、所望の形状の電極を形成できる。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について図５に基づいて説明すると以下の通りである。
【０１２３】
本実施の形態の放射線検出器４は、電極１２・１３の代わりに電極４２・４３を形成させるという点以外の構成、製造方法は実施の形態１と同様である。電極４２・４３は、材料は実施の形態１と同様であり、その面積、厚みは使用に応じて適宜選択すればよいが、図５に示すとおり、電極４２・４３が相対する側の端面（ダイヤモンド基層１１表面から厚さ方向に拡がる断面）に、曲率半径１００ｎｍ以下となる端面突起４５を有するように形成されている。つまり、電極４２・４３のそれぞれが、対向する面から他の電極に向けて、ダイヤモンド基層１１に沿って端面突起４５が形成されている。これにより、電極４２・４３に電圧を印加したときに、電極４２と電極４３とにおいて、互いが相対する側の端部（端面突起４５の端部）に沿って幅５μｍ程度の高電界部４４ができる。なお、突起の曲率は１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
【０１２４】
このとき、端面突起４５は、曲率半径１００ｎｍ以下であれば、膜厚が他の電極部分と同じで一定としてもよく、また、端面突起４５の膜厚が先端に向かって薄くなっていってもよい。
【０１２５】
上記高電界部４４は、実施の形態１と同様に電流増幅現象を起こし、検出感度の高い放射線検出器４を実現させている。
【０１２６】
なお、このような端面突起４５を有するような形状の電極４２・４３を作成するためには、上記したリソグラフィ法により電極を形成する方法、蒸着法あるいはイオン打ち込み法により電極を形成することが好ましい。
〔実施の形態３〕
本発明の他の実施形態について図６に基づいて説明すると以下の通りである。
【０１２７】
放射線検出器３は、ダイヤモンド基層３１と電極３２・３３とダイヤモンドキャップ層３８からなり、検出対象となる放射線を受けると、電流を発生させるものである。なお、図６（ａ）は、ダイヤモンド基層３１に電極３２・３３を積層させた段階の平面図である。
【０１２８】
ここで、ダイヤモンド基層３１は検出対象となる放射線を光電変換して、光電流を表面に流すものであり、その表面に形成される電極３２・３３はこの光電流を出力するものである。
【０１２９】
ダイヤモンド基層３１は、材料は実施の形態１と同様であり、その面積、厚みも使用に応じて適宜選択すればよいが、図６（ｂ）のＢ−Ｂ’の断面図に示すように、電極３２・３３が形成される領域のそれぞれに少なくとも１箇所、好ましくは電極３２・３３が相対する側の電極端部領域全面に、ダイヤモンド基層３１の表面における曲率半径が１００ｎｍ以下の凹部３１ａおよび凸部３１ｂを有している。
【０１３０】
なお、突起の曲率は１００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
【０１３１】
したがって、電極３２・３３がダイヤモンド基層３１に積層されることで、図６に示す凹部３１ａの表面に表面突起３２ａができ、凸部３１ｂの表面に表面突起３２ｂができる。さらに、電極３２・３３を覆うように、ダイヤモンド基層３１にダイヤモンドキャップ層３８を積層する。
【０１３２】
このような放射線検出器３において、電極３２・３３に電圧を印加したときに、この表面突起３１ｂの端部と接するダイヤモンド基層３１に幅５μｍ程度の高電界部３４ができ、表面突起３２ｂの端部と接するダイヤモンドキャップ層３８に幅５μｍ程度の高電界部３５ができる。この高電界部３４・３５が、実施の形態１と同様に電子増幅を起こし、検出感度の高い放射線検出器３を実現させている。
【０１３３】
なお、ダイヤモンド基層３１、電極３２・３３の材料は実施の形態１と同様である。
【０１３４】
また、本実施の形態では、ダイヤモンドキャップ層３８を積層させたものを例に挙げているが、ダイヤモンドキャップ層３８を積層しなくてもかまわない。
【０１３５】
なお、ダイヤモンド基層３１にこのような凹部３１ａや凸部３１ｂを作成するためには、好ましくはリソグラフィ法によりパターンを形成し、続いて酸素、水素、フッ素、炭化水素、窒素、アルゴン、クリプトン、キセノン、硫黄、セレンのうち少なくとも一つからなるガスを含むイオンビームあるいはプラズマをこれに照射することによりにより、ダイヤモンド基層３１を加工すればよい。
【０１３６】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例１】
【０１３７】
プラズマＣＶＤ装置（ＡＳＴｅＸ社製のＡＸ−５２５０）の反応容器内に、メタンを３．４×１０−２Ｐａ・ｍ3／ｓ、水素を８．１×１０−１Ｐａ・ｍ3 ／ｓの流量で供給し、反応容器内の圧力を１２０Ｔｏｒｒ（約１６０ｈＰａ）に維持し、処理時間１０時間の条件の下、高圧合成ダイヤモンドからなる大きさ３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍの下地基板上に、厚さ２０μｍのダイヤモンドを形成した。
【０１３８】
上記のダイヤモンドを、基層として、その片方の表面に、フォトリソグラフィ法を用いて、チタン２０ｎｍ、金２０ｎｍを積層した２つの積層電極（すなわち、電極の膜厚は４０ｎｍ）を形成し、検出器Ｓ１を作成した。このとき、電極の形状は、図７に示すような櫛型にした。なお、櫛型の電極の幅ｅは１７μｍとし、隣り合う電極までの距離（電極間距離：図７におけるｄの幅）を２０μｍとした。
【０１３９】
この検出器Ｓ１において、電極に印加する電圧を変化させながら波長２２０ｎｍの紫外線を７．１×１０−１１Ｗ（２．８×１０−９Ｗ／ｃｍ２）にて照射した場合における、印加電圧と、検出電流との関係を図８のグラフに示している。
【０１４０】
これによると、１０Ｖ以下の電圧のときに流れる電流が１０−１１Ａ程度であったが、１０Ｖを超えると急激に増加し、５０Ｖの印加電圧では、１０−７Ａまでになる。つまり、検出器Ｓ１において１０Ｖ以上の電圧を印加した場合に、検出される電流が急激に増加し、明確な電流増幅が行われていることがわかる。また、ここでの最大受光感度は７．４×１０Ａ／Ｗであった。
【０１４１】
なお、検出器Ｓ１において１０Ｖの電圧を印加した場合には、その高電界部における最大局所電界は、近似的に「印加電圧」÷「電極膜厚」と表せるので、２．５×１０６Ｖ／ｃｍ程度の高電界が局所的に発生するとみなされる。よって、検出器Ｓ１において約２×１０６Ｖ／ｃｍ以上の局所電界が生じた場合に、検出電流の急激な増加、すなわち電流増幅が行われたものと断定できる。
【０１４２】
また、本実施例で形成された電界は、電極端面が最大で、電極端面から離れるに従って距離の単調減少関数として与えられるため、電極端面近傍のみに局所的に高電界部が存在したものと、と判断できる。
【実施例２】
【０１４３】
電極間距離を５０μｍとする以外は検出器Ｓ１と同じ検出器Ｓ２において、電極に印加する電圧を変化させながら波長２２０ｎｍの紫外線を７．１×１０−１１Ｗ（２．８×１０−９Ｗ／ｃｍ２）にて照射し、電流を測定した。このときの、印加した電圧と検出された電流との関係を図８のグラフに示した。
【０１４４】
これによると、６Ｖ以下の電圧のときに流れる電流が２×１０−１２Ａ程度であったが、６Ｖを超えると急激に上がり、５０Ｖの電圧をかけると、１０−７Ａまでにあがる。つまり、検出器Ｓ２において６Ｖ以上の電圧を印加した場合に、検出される電流が急激に増加し、明確な電流増幅が行われていることがわかる。また、ここでの最大受光感度は７．０×１０２Ａ／Ｗであった。
【０１４５】
なお、検出器Ｓ２において６Ｖの電圧を印加した場合には、最大局所電界は同様にして１．５×１０６Ｖ／ｃｍと計算され、このときに電流増幅に必要な高電界部が局所的に発生していたとみなされる。よって、検出器Ｓ２において約１０６Ｖ／ｃｍ以上の電界が生じた場合に、検出される電流が急激に増加し、電流増幅が行われていたと言える。
【０１４６】
また、本実施例でも、高電界部は局所的に形成されていた。また、高電界部の幅はＳ１より狭いことから、印加電圧が同一な場合、電極間距離が広がるにつれ、狭くなる傾向にあることがわかった。
【実施例３】
【０１４７】
電極間距離を１００μｍとする以外は検出器Ｓ１と同じ検出器Ｓ３において、電極に印加する電圧を変化させながら波長２２０ｎｍの紫外線を７．１×１０−１１Ｗ（２．８×１０−９Ｗ／ｃｍ２）にて照射し、電流と印加電圧を測定した。このときの、印加電圧と検出電流との関係を図８のグラフに示した。
【０１４８】
これによると、１０Ｖ以下の電圧のときに流れる電流が１０−１２Ａ程度であったが、１０Ｖを超えると急激に上がり、５０Ｖの電圧をかけると、１０−９Ａまでにあがる。つまり、検出器Ｓ３において１０Ｖ以上の電圧を印加した場合に、検出される電流が急激に増加し、明確な電流増幅が行われていることがわかる。また、ここでの最大受光感度は９．３Ａ／Ｗであった。
【０１４９】
なお、検出器Ｓ３において１０Ｖの電圧を印加した場合には、同様に、最大局所電界が２．５×１０６Ｖ／ｃｍ程度であると計算されるので、検出器Ｓ３においても、約２×１０６Ｖ／ｃｍ以上の局所電界が生じた場合に、衝突電離機構により、すなわち電流増幅が行われたものと断定できる。
〔比較例１〕
実施例１のダイヤモンド製の基層表面に、フォトリソグラフィ法を用いて、チタン５０ｎｍ、金５０ｎｍを積層した電極（すなわち、積層電極の膜厚は１００ｎｍ）を形成し、検出器Ｓ４を作製した。このとき、電極の形状は、櫛型にした。なお、櫛型の電極の幅は１７μｍとし、電極間距離を５０μｍとした。
【０１５０】
この検出器Ｓ４において、電極に印加する電圧を変化させながら波長２２０ｎｍの紫外線を７．１×１０−１１Ｗ（２．８×１０−９Ｗ／ｃｍ２）照射し、電流を測定した。このとき得られた、印加電圧と検出電流との関係を図９のグラフに示した。
【０１５１】
これによると、印加電圧を５０Ｖまで上げても、明確な電流増幅が行われていないことがわかる。また、ここでの最大受光感度は０．１１Ａ／Ｗであった。
【実施例４】
【０１５２】
検出器Ｓ２において、約３０ｐｓのパルス幅を持つ紫外線レーザを照射させ、電流の時間変化を測定した。このときの、時間と検出電流との関係を図１０のグラフに示した。このときの、印加電圧は５０Ｖである。これによると、レーザ照射後、検出される電流はまず急激に増加し、その後時定数が１５ｎｓで拡張指数関数にしたがって減少していることがわかる。
【０１５３】
なお、電極において、放射線照射に対して流れる電流のパルス応答速度は１０μｓ以下となっている。
【産業上の利用可能性】
【０１５４】
本発明の放射線検出器は、検出を行うダイヤモンドの基層に局所的に高電界部を設けているので、高い検出感度が保たれる。したがって、ダイヤモンドの特性である耐環境性（硬度が高く、熱伝導性、耐熱性、耐放射線性、耐化学薬品性に優れた性質）を利用して、様々な環境で使用できる高感度の放射線検出器を実現したものである。
【０１５５】
ダイヤモンドは、紫外線、α線、β線、γ線、中性子線、Ｘ線に応答し、かつ、他材料に比して、紫外線、Ｘ線、あるいは放射能活性のある粒子によるダメージを受けにくいため、本実施の形態の放射線検出器は、紫外線、α線、β線、γ線、中性子線、Ｘ線を検出する放射線検出器に好適に利用できる。
【０１５６】
また、本実施の形態の放射線検出器を紫外線センサとして使用した場合は、半導体露光装置への利用、紫外線を用いる工業プロセスのモニタリングや、有害紫外線監視用の環境モニター、炎光検知器などに利用できる。
【０１５７】
あるいは、耐放射線性（放射能活性のある粒子によるダメージを受けにくいという特性）を活かして、医療目的の放射線照射における検出器、加速器実験、宇宙に関する実験に使用する検出器としても利用できる。
【０１５８】
また、耐放射線性に加えて耐熱性をも有することから、原子炉、核融合炉内でも使用も期待できる。また、エキシマーレーザー用モニター、バイオセンサー、核燃料処理、ガスセンサーにも利用できる。
【０１５９】
さらに、可視光には不感であることから、可視光の下でも感度よく作動するので、通常の環境下で使用される検出器にも適用できる。また、ダイヤモンドの炭素の原子番号が人体の平均原子番号と近い（生体等価）ことから、医療目的の放射線照射において、人体等価検出器として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、（ａ）が放射線検出器の平面図であり、（ｂ）がＡ―Ａ’面にて切断した場合の断面図である。
【図２】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、（ａ）が放射線検出器の平面図であり、（ｂ）がＡ―Ａ’面にて切断した場合の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る放射線検出器の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る放射線検出器の平面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、（ａ）が放射線検出器の平面図であり、（ｂ）がＢ―Ｂ’面にて切断した場合の断面図である。
【図７】本発明の実施例に係る放射線検出器を示す平面図である。
【図８】本発明の実施例に係る放射線検出器において、一定の紫外線を照射させ、電極に印加する電圧を変化させながら、電流を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明の比較例の放射線検出器において、一定の紫外線を照射させ、電極に印加する電圧を変化させながら、電流を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例の放射線検出器において、約３０ｐｓのパルス幅を持つ紫外線レーザを照射させ、電流の時間変化を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６１】
１      放射線検出器
２      放射線検出器
３      放射線検出器
４      放射線検出器
１１    基層（ダイヤモンド基層）
１２    電極
１３    電極
１４    高電界部
１５    キャップ層（ダイヤモンドキャップ層）
２２    電極
２３    電極
２４    高電界部
３１    基層（ダイヤモンド基層）
３１ａ  凹部
３１ｂ  凸部
３２    電極
３２ａ  表面突起
３２ｂ  表面突起
３３    電極
３４    高電界部
３５    高電界部
３８    キャップ層（ダイヤモンドキャップ層）
４２    電極
４３    電極
４４    高電界部
４５    端面突起
５１    下地基板
５２    反応容器
５３    下地ホルダー
５４    ガス流入口
５５    熱伝導調整板
【図１】
2005260008.tif 000003
【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】
2005260008.tif 000008
【図７】
2005260008.tif 000009
【図８】
2005260008.tif 000010
【図９】
2005260008.tif 000011
【図１０】
2005260008.tif 000012