(57)【要約】【課題】ＣｄＴｅと代替可能であって環境負荷の小さい物質を特定し、それを用いた半導体放射線検出器を提供すること。【解決手段】酸化亜鉛単結晶基板を利用して構成されるダイオードを備えた放射線検出器を用いる。厚さ２ｍｍのｎ型酸化亜鉛で構成される基板２１０上に、膜厚０．１μｍのＰｔ薄膜からなるショットキー電極２２０を形成する。続いて、基板２１０の下面に膜厚０．１μｍのＣｒ薄膜２３１を形成し、更に、Ｃｒ薄膜２３１の下面に膜厚０．１μｍのＡｕ薄膜２３２を形成する。Ｃｒ薄膜２３１及びＡｕ薄膜２３２はオーミック電極２３０として機能する。基板２１０に対して放射線が入射されるとショットキーダイオードに電流が流れるため、放射線を検出することができる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛単結晶基板を利用して構成されるダイオードを備えた半導体放射線検出器。
【請求項２】
前記酸化亜鉛単結晶基板は、０．２５ｍｍ乃至５ｍｍの厚さを有する
請求項１に記載の半導体放射線検出器。
【請求項３】
前記酸化亜鉛単結晶基板は、ｃ軸から０．５゜乃至１０゜傾いた表面を有する
請求項１又は請求項２に記載の半導体放射線検出器。
【請求項４】
前記ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードである
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体放射線検出器。
【請求項５】
前記ダイオードは、ショットキーダイオードである
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体放射線検出器。
【請求項６】
前記酸化亜鉛単結晶基板は、ｎ型であり、
前記ショットキーダイオードは、該酸化亜鉛単結晶基板と、Ｐｔからなるショットキー電極とを備えている
請求項５に記載の半導体放射線検出器。
【請求項７】
前記酸化亜鉛単結晶基板は、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉから選択される少なくとも一つの元素を含む
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体放射線検出器。
【請求項８】
酸化亜鉛単結晶基板を利用して構成されるダイオードを用いて放射線を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
γ線等の放射線を検出する放射線検出器として、シンチレータ式の放射線検出器が知られている（例えば、特許文献１を参照）。シンチレータ式の放射線検出器はＢＧＯ（Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２）等の結晶を用いるものであるが、その原理上、検出器自体が大きい構成になってしまう。また、低分解能であること、システムが複雑であること、放射線検出器自体も高価なものであること等の理由から、例えば、ポジトロン断層法（ＰＥＴ）の検出器として用いる場合、空間分解能の点で問題があった。
【０００３】
一方、大きさの面で有利な構成とすることができる半導体放射線検出器としてＳｉダイオードやＧｅダイオ−ドを用いた半導体式の放射線検出器が提案されている（Ｓｉダイオードを用いた半導体放射線検出器については例えば、特許文献２参照）。しかし、ＳｉやＧｅはそのバンドギャップが小さいことから、熱変動により誤動作を起こす可能性があるため、使用時には半導体素子を冷却し、熱雑音を抑制することで誤動作を回避しなければならない。それに対し、広いバンドギャップを有し、使用時の冷却が不要なＣｄＴｅダイオードを用いた半導体放射線検出器も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８４３０９号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９２９０号公報
【特許文献３】特開２００７−７８３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よく知られるように、特許文献３の放射線検出器に使用されているＣｄＴｅは、有害物質を含んでおり環境負荷が大きい物質である。また、ＣｄＴｅ自体が高価であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ＣｄＴｅと代替可能であって環境負荷の小さい物質を特定し、それを用いた放射線検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
熱変動による誤動作をなくすためには、バンドギャップが比較的大きくなければならない。加えて、放射線を検出するためには、半導体素子に用いられる元素の原子番号が大きいものであることが必要である。これらについて検討した結果、発明者らは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を放射線の検出に利用することができることを見い出した。
【０００８】
即ち、本発明によれば、第１の放射線検出器として、酸化亜鉛単結晶基板を利用して構成されるダイオードを備えた半導体放射線検出器が得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、第２の放射線検出器として、第１の放射線検出器において、前記酸化亜鉛単結晶基板は、０．２５ｍｍ乃至５ｍｍの厚さに形成された放射線検出器が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、第３の放射線検出器として、第１又は第２の放射線検出器において、前記酸化亜鉛単結晶基板は、ｃ軸から０．５゜乃至１０゜傾いた表面を有する半導体放射線検出器が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、第４の放射線検出器として、第１乃至第３のいずれかの放射線検出器において、前記ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードである半導体放射線検出器が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、第５の放射線検出器として、第１乃至第３のいずれかの放射線検出器において、前記ダイオードは、ショットキーダイオードである半導体放射線検出器が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、第６の放射線検出器として、第５の放射線検出器において、前記酸化亜鉛単結晶基板は、ｎ型であり、前記ショットキーダイオードは、該酸化亜鉛単結晶基板と、Ｐｔからなるショットキー電極とを備えている半導体放射線検出器が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、第７の放射線検出器として、第１乃至第６のいずれかの放射線検出器において、前記酸化亜鉛単結晶基板は、Ｓｃ、Ｍｇ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉから選択される少なくとも一つの元素を含む半導体放射線検出器が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、酸化亜鉛単結晶基板を利用して構成されるダイオードを用いて放射線を検出する方法が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＣｄＴｅの代わりに酸化亜鉛を利用することにより、環境負荷の小さい半導体放射線検出器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
本実施の形態における半導体放射線検出器は、図１に示されるように、上部パッケージ１００と、放射線検出素子アレイ２００と、下部パッケージ３００とを備えている。
【００１９】
上部パッケージ１００は、ガラス板１１０の表面にＢｅ箔からなるＢｅウインドウ１２０を形成してなるものである。このＢｅウインドウ１２０は、放射線のみを検出器内に通すフィルタとして機能する。
【００２０】
放射線検出素子アレイ２００は、ｎ型酸化亜鉛単結晶（ｎ−ＺｎＯ）からなる基板２１０と、基板２１０の上部に形成された複数のショットキー電極２２０と、基板２１０の下部に形成された２層構造のオーミック電極２３０とで構成されている。オーミック電極２３０は、複数のショットキー電極２２０全てに共通しており、下部パッケージに形成された図示しない外部電極に接続されている。なお、基板２１０のＸ方向における長さは３０ｍｍ程度であり、実際には基板２１０上にショットキー電極２２０が数十個形成されることとなるが、図１においては、理解を容易にするためショットキー電極２２０の数は省略されて描かれている。
【００２１】
下部パッケージ３００の側壁３１０には、ショットキー電極２２０と同じ数の外部電極３２０が形成されており、外部電極３２０とショットキー電極２２０は、下部パッケージ３００内において、例えば、Ａｕ線等で電気的に接続されている。
【００２２】
かかる構成を備える半導体放射線検出器において、いずれかのショットキー電極２２０に放射線が入射した場合、そのショットキー電極２２０に対応する外部電極３２０に変化が現れることとなり、それをもって放射線の検出をすることができる。
【００２３】
以下、放射線検出素子アレイ２００について更に詳しく説明する。
【００２４】
本実施の形態における放射線検出素子アレイ２００の基板２１０は、例えば次のようにして作製される。まず、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）をミネラライザーとした水熱合成法により酸化亜鉛単結晶ブロックを生成する。なお、水熱合成法に代えて、気相成長法、フラックス法、溶融法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、真空蒸着法、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）及びスパッタ法のいずれかにより酸化亜鉛単結晶を生成しても良い。次に、生成した酸化亜鉛単結晶ブロックを、図２に示されるように、ｃ軸に直交する面に対して切断角度θだけ角度をつけて複数のウエハに切断する。本実施の形態における切断角度θは、２゜である。続いて、そのウエハを純度の高い酸化亜鉛からなる容器中で酸素を含む雰囲気下において熱処理する。この熱処理により、ウエハの表面に酸素の欠乏している部分があったとしてもその酸素欠乏部分に酸素を補充することができることから、品質の良いウエハを得ることができる。このようにして作製された基板２の表面及び裏面は、互いに平行であり、且つ、酸化亜鉛単結晶の＋ｃ面及び−ｃ面から２゜ずれたものとなっている。なお、図３及び図４に示されるように、＋ｃ面は単位格子における４つの亜鉛（Ｚｎ）原子により規定される面であり、亜鉛面（Ｚｎ面）とも呼ばれる。
【００２５】
酸化亜鉛単結晶ブロックをｃ軸に直交する面に沿って切断した場合と、ｃ軸に直交する面に対して２゜の角度をつけて切断した場合とを比較すると、図５乃及び６から理解されるように、後者の方が、基板２１０をＺ軸方向において上から見た場合における見かけ上の原子密度を高くすることができる。従って、基板２１０の表面を＋ｃと平行な面としてもよいが、本実施の形態のようにオフ角をもたせた方が、Ｚ軸と平行に入射する放射線に対する衝突確率を高めることができ、放射線検出器の感度をより高くすることが可能となる。なお、基板２１０のｃ軸に直交する面に対する切断角度θは、０．５゜乃至１０゜の範囲とすることが好ましい。
【００２６】
次に、放射線検出素子アレイ２００の製造工程を図７乃至図１０を参照しつつ説明する。図７に示されるように、まず、ｎ型酸化亜鉛で構成される基板２１０をＺ方向における厚さが２ｍｍになるように形成する。次に、図８に示されるように、基板２１０の上面に、例えば、ホトリソグラフィ技術及びスパッタリング法を用いて膜厚０．１μｍのＰｔ薄膜からなるショットキー電極２２０を複数個所に形成する。続いて、図９に示されるように基板２１０の下面に、例えば、スパッタリング法を用いて膜厚０．１μｍのＣｒ薄膜２３１を形成する。更に続いて、図１０に示されるように、Ｃｒ薄膜２３１の下面に例えば、スパッタリング法で膜厚０．１μｍのＡｕ薄膜２３２を形成する。このようにして形成されたＣｒ薄膜２３１及びＡｕ薄膜２３２はオーミック電極２３０として機能する。
【００２７】
ここで、放射線検出器の感度を上げるため、Ｚｎよりも原子番号の大きな元素であるＧａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ及びＢｉから選択される少なくとも一つの元素を基板２１０に対して含めることとしてもよいし、並びに／又は、導電率制御やワイドバンドギャップ化をする目的でＳｃやＭｇ等から選択される少なくとも一つの元素を基板２１０に対して含めることとしてもよい。なお、基板２１０のＺ方向の厚さを大きくすると放射線の検出感度は向上するが、基板２１０の主面に対して斜めの方向から入射される放射線に対する分解能は低下する。そのため、基板２１０の厚さは、検出対象となる放射線の入射角と検出感度とのバランスを考慮して適切に選択する必要がある。
【００２８】
本実施の形態におけるショットキー電極２２０は、放射線受光面として機能し、放射線を受けると、基板２１０と協同して電圧を発生する。ショットキー電極２２０としては、Ｐｔ以外の金属、例えば、Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｒｈ，Ｔｅ又はＷからなる層を少なくとも一層備えたものを用いることも可能である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下において、第１の実施の形態における放射線検出器と同一の構成についてはその説明を省略し、相違点のみを説明することとする。図１１に示されるように、本実施の形態における半導体放射線検出器は、メタルキャンパッケージタイプのものであり、互いに嵌め込み可能なキャップ４００及びステム５００を備えている。
【００３０】
キャップ４００は、略中空円筒状の金属からなる円筒部４１０を備えている。円筒部４１０の上部には、ガラス部が嵌め込まれており、ガラス部の外側表面にはＢｅ薄膜からなるＢｅウインドウ４２０が形成されている。
【００３１】
ステム５００には、絶縁部５１０を介してステム５００に挿通・固定されたアノード側電極５２０と、カソード側電極５３０が接続されている。更に、ステム５００上には、ショットキーダイオード５４０が、オーミック電極をステム５００と接触させるようにして載置されている。また、アノード側電極５２０とショットキーダイオード５４０のショットキー電極は、例えば、Ａｕ線５５０で接続されている。
【００３２】
かかる構成を備えた半導体放射線検出器においては、放射線がショットキーダイオード５４０に照射されると、アノード側電極５２０、Ａｕ線５５０、ショットキーダイオード５４０、ステム５００、及びカソード側電極５３０を通して電流が流れることになり、放射線を検出することが可能となる。
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、酸化亜鉛を用いたダイオードを備える構成としたことから、環境負荷の小さい半導体放射線検出器が得られる。なお、本発明は、上述した実施の形態に限られず、例えば、ショットキーダイオードの代わりにｐｎ接合ダイオードを備える構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体放射線検出器の分解斜視図である。
【図２】酸化亜鉛単結晶を切断する際の角度を示す図である。
【図３】酸化亜鉛の立体構造の一例を示す図である。
【図４】図３における酸化亜鉛の単位格子を示す図である。
【図５】酸化亜鉛単結晶ブロックをｃ軸に直交する面に沿って切断した場合を示す図である。
【図６】酸化亜鉛単結晶ブロックをｃ軸に直交する面に対して２゜の角度をつけて切断した場合を示す図である。
【図７】図１の放射線検出素子アレイの製造工程の一つを示す断面図である。
【図８】図１の放射線検出素子アレイの製造工程の他の一つを示す断面図である。
【図９】図１の放射線検出素子アレイの製造工程の他の一つを示す断面図である。
【図１０】図１の放射線検出素子アレイの製造工程の他の一つを示す断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による半導体放射線検出器の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００    上部パッケージ
１１０    ガラス板
１２０、４２０    Ｂｅウインドウ
２００    放射線検出素子アレイ
２１０    基板
２２０    ショットキー電極
２３０    オーミック電極
２３１    Ｃｒ薄膜
２３２    Ａｕ薄膜
３００    下部パッケージ
３１０    側壁
３２０    外部電極
４００    キャップ
４１０    円筒部
５００    ステム
５１０    絶縁部
５２０    アノード側電極
５３０    カソード側電極
５４０    ショットキーダイオード
５５０    Ａｕ線
【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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