JP2007059551A - 放射線検出デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 ｐｎ接合部の空乏層がパンチスルーして流れる漏れ電流を低減することができ、これによってエネルギー成分の小さな放射線を適正に検出すること。
【解決手段】 結晶シリコン基板１１１の上面にアモルファスシリコン膜１１０が形成され、このアモルファスシリコン膜１１０の上面の中心領域にカソード電極となる中心電極１００が形成され、この中心電極１００から所定間隔離れた（環状領域１２１）周辺に第１のアノード電極となる周辺電極１０１が形成され、結晶シリコン基板１１１の下面に第２のアノード電極となる裏面電極１１６が形成されて成る放射線検出デバイス１２０において、アモルファスシリコン膜１１０を、中心電極１００と周辺電極１０１との下のみに形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電所、加速器施設及び放射線利用施設等において使用される個人被爆管理用小型線量計の放射線検出デバイスに関する。

一般に、放射線業務従事者が被爆した放射線量の検出及び管理用に、図６に示すように、放射線作業従事者１０（利用者とも称す）のポケット１１に収まるサイズ（例えば１００×５０×１０ｍｍ）のポケット線量計（単に、線量計とも称す）４０が用いられている。一般に、ポケット線量計は入射した放射線による電離作用を利用した半導体式が主流である。

線量計４０は、図７に示すように、外部に、放射線作業従事者の現在の被爆量を表示する液晶ディスプレイ４１及び指入れ防止網４２を備え、内部に、規定値以上の被爆時に管理区域からの離脱を促す警報を発音するブザー駆動回路５３が搭載された信号処理回路基板５０を備えて構成されている。
信号処理回路基板５０は、図８に示すように、逆バイアス印加部６１と、半導体検出部６２と、アンプ６３と、コンパレータ６４と、ＣＰＵ６５と、ブザー部６６と、通信部６７とを備えて構成されている。但し、信号処理回路基板５０の制御を司るＣＰＵ６５とブザー部６６とでブザー駆動回路５３が構成されている。

更に、図９に半導体検出部６２及びアンプ６３の詳細図を示す。半導体検出部６２は半導体による放射線検出デバイス７０から成り、ｎ型半導体とｐ型半導体がｐｎ接合によって接合されたダイオード構造を有する。このような半導体検出部（ダイオード）６２に、逆バイアス印加部６１によって、ｐ型側に−極、ｎ型側に＋極を接続すると、電子がｎ側からｐ側にシフトし、空乏層が更に拡がる。

このような空乏層領域に放射線が入射されると、空乏層内で共有結合されている電子が弾き飛ばされ、ある確率で電子と正孔のペア（電子正孔対）ができる。そして、逆バイアスされている電界に向かって電子は＋方向へ、正孔は−方向へ移動する。この電子と正孔との流れが電流となり、この微小電流が、放射線の被爆の結果として半導体検出部６２から出力される。

この微小電流を、コンデンサ７１を介してアンプ６３に入力して増幅し、この増幅信号をコンパレータ６４において予め定められた閾値電圧と比較する。この結果、増幅信号が閾値電圧以上となった際にＣＰＵ６５へパルス信号を出力する。そして、ＣＰＵ６５にて、そのパルス信号を被爆放射線量としてカウントする。
ＣＰＵ６５は、その被爆放射線量を液晶ディスプレイ４１に表示し、これを放射線作業従事者が見て被爆量をリアルタイムに確認することができる。また、被爆量は、ＣＰＵ６５から通信部６７を介して図示せぬ被爆量集中管理システムへ送信される。これによって、放射線作業従事者の被爆量の推移や累積値を統計的に管理することができるようになっている。

また、放射線作業従事者が作業中に所定の被爆量を超えた時に、その作業空間からの離脱を促すためにＣＰＵ６５の制御によってブザー部６６から警報音を発するようになっている。
次に、図１０に放射線検出デバイス７０の上面図、図１１に図１０に示した放射線検出デバイス７０のａ１−ａ２断面図を示し、その説明を行う。

放射線検出デバイス７０は、直方体形状のＰ型の結晶シリコン基板１１１の上に、ノンドープ型のアモルファスシリコンをＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置にて所定厚み製膜してアモルファスシリコン膜１１０を形成し、このアモルファスシリコン膜１１０の上の中心部分に円形状の中心電極１００をパターニングすると共に、その中心電極１００から環状に所定間隔離した周辺に周辺電極１０１をパターニングしたものである。

また、中心電極１００が形成された表面の対向面である裏面には裏面電極１１６が形成されている。この裏面電極１１６及び周辺電極１０１が図９に示したアノード電極であり、中心電極１００がカソード電極である。
カソード電極である中心電極１００に逆バイアス電圧を印加すると、結晶シリコン基板１１１とアモルファスシリコン膜１１０との接合面で空乏層１１５が拡がって、ここで、前述したとおり放射線が入射されると所定の電流信号が得られる。

この種の従来の放射線検出デバイスとして、例えば特許文献１に記載のものがある。
特開平８−２３６７９９号公報

ところで、従来の放射線検出デバイスにおいては、（１）〜（５）で示す経路に漏れ電流が流れる。（１）から空乏層１１５を介して（２）へ流れる漏れ電流は、ｐｎ接合部からの漏れ電流である。（３）はアモルファスシリコン膜１１０の面を流れる漏れ電流であるが、アモルファスシリコンの抵抗値が非常に大きいため、漏れ電流としては小さい。
（４）の経路で流れる漏れ電流は、放射線検出デバイス７０の側面に空乏層１１５がパンチスルーすることにより流れる漏れ電流であり、比較的電流量が多い。この放射線検出デバイス７０では、周辺電極１０１にて空乏層１１５のカットを行っているが、その空乏層カットの効果が十分でない。

一般に、漏れ電流（５）の変動成分（ＡＣ成分）は、図９に示したカップリング用のコンデンサ７１で除去することができず、この変動成分がアンプ６３の出力信号の変動、即ちノイズとして現れる。このノイズ成分が大きいと、比較的エネルギー成分の小さな放射線は、そのノイズに埋もれ、検出することができないという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ｐｎ接合部の空乏層がパンチスルーして流れる漏れ電流を低減することができ、これによってエネルギー成分の小さな放射線を適正に検出することができる放射線検出デバイスを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１による放射線検出デバイスは、結晶シリコン基板の上面にアモルファスシリコン膜が形成され、このアモルファスシリコン膜の上面の中心領域にカソード電極が形成され、このカソード電極から所定間隔離れた周辺に第１のアノード電極が形成されると共に、当該結晶シリコン基板の下面に第２のアノード電極が形成されて成る放射線検出デバイスにおいて、前記アモルファスシリコン膜を、前記カソード電極と前記第１のアノード電極との下のみに形成したことを特徴とする。

この構成によれば、アモルファスシリコン膜が、互いに所定距離離れたカソード電極と第１のアノード電極との下のみに存在するので、アモルファスシリコン膜も中心領域と、この周辺領域とで独立した状態で存在する。このため、カソード電極に逆バイアス電圧を印加した際に、結晶シリコン基板とアモルファスシリコン膜との接合面に生成される空乏層の拡がりが、従来のように放射線検出デバイスの側面まで到達せず、アモルファスシリコン膜と膜の間の領域付近、言い換えれば第１のアノード電極の内周縁の付近までに留まる。これによって、空乏層のパンチスルーによる漏れ電流が少なくなって、放射線検出デ
バイスの側面の漏れ電流も減少する。この結果、漏れ電流の変動成分（ＡＣ成分）が殆ど無くなるので、従来例のように変動成分がアンプの出力信号の変動、即ちノイズとして現れることが無くなり、エネルギー成分の小さな放射線でも適正に検出することができる。

また、本発明の請求項２による放射線検出デバイスは、結晶シリコン基板の上面にアモルファスシリコン膜が形成され、このアモルファスシリコン膜の上面の中心領域にカソード電極が形成され、このカソード電極から所定間隔離れた周辺に第１のアノード電極が形成されると共に、当該結晶シリコン基板の下面に第２のアノード電極が形成されて成る放射線検出デバイスにおいて、前記アモルファスシリコン膜を前記カソード電極の下のみに形成し、前記第１のアノード電極を前記カソード電極から所定間隔離して前記結晶シリコン基板の上面に直に形成したことを特徴とする。

この構成によれば、アモルファスシリコン膜が、カソード電極の下のみに存在するので、カソード電極に逆バイアス電圧を印加した際に、結晶シリコン基板とアモルファスシリコン膜との接合面に生成される空乏層の拡がりが、従来のように放射線検出デバイスの側面まで到達せず、アモルファスシリコン膜をやや出て第１のアノード電極の内周縁の付近までに留まる。従って、上記請求項１と同様の作用効果を得ることができる。

以上説明したように本発明によれば、ｐｎ接合部の空乏層がパンチスルーして流れる漏れ電流を低減することができ、これによってエネルギー成分の小さな放射線を適正に検出することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る放射線検出デバイスの構成を示す断面図である。

図１に示す放射線検出デバイス１２０が、図１１に示した従来の放射線検出デバイス７０と異なる点は、中心電極１００と周辺電極１０１との間に環状に露出した環状領域１２１のアモルファスシリコン膜１１０を除去したことにある。なお、環状領域１２１は、本実施の形態では円形状であるが、周回していれば三角、四角等の多角形状であってもよい。

この放射線検出デバイス１２０を製造するプロセスを、図２〜図４を参照して説明する。
最初にＣＶＤ装置にて、図２に示すように、高比抵抗値の結晶シリコン基板１１１上にアモルファスシリコンを約１μｍの厚さで成膜する。この成膜されたアモルファスシリコン膜１１０の上に、フォトレジスト１２２をコーティングする。

次に、図３に示すように、フォトプロセスにて、環状領域１２１のパターンに露光し、この露光領域のアモルファスシリコン膜１１０を、現像、エッチング処理によって除去する。
更に、残ったフォトレジスト１２２を除去した後、図４に示すように、上面全面にアルミニュウム（Ａｌ）１２３を蒸着し、この上全面にフォトレジスト１２４をコーティングする。最後に、フォトプロセスにて、電極パターン面以外の領域のフォトレジスト１２４及びアルミニュウム１２３を除去し、図１に示した構成の放射線検出デバイス１２０を完成させる。

この放射線検出デバイス１２０においては、中心電極１００と周辺電極１０１との間のアモルファスシリコン膜１１０が環状領域１２１で示す所定幅の環状に除去されているので、カソード電極である中心電極１００に逆バイアス電圧を印加した際に、結晶シリコン基板１１１とアモルファスシリコン膜１１０との接合面に生成される空乏層１２５の拡がりが、アモルファスシリコン膜１１０が存在しない環状領域１２１の付近、言い換えれば周辺電極１０１の内周縁の付近までに留まる。

これによって、空乏層１２５のパンチスルーによる漏れ電流（４）が少なくなって、放射線検出デバイス１２０の側面の漏れ電流（５）も減少する。
この結果、漏れ電流（５）の変動成分（ＡＣ成分）が殆ど無くなるので、従来例のように変動成分がアンプ６３の出力信号の変動、即ちノイズとして現れることが無くなり、エネルギー成分の小さな放射線でも適正に検出することができる。つまり、低エネルギーまで検出可能な線量計を提供することが可能となる。
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る放射線検出デバイスの構成を示す断面図である。

図５に示す放射線検出デバイス１３０が、図１に示した第１の実施の形態の放射線検出デバイス１２０と異なる点は、周辺電極１０１を、中心電極１００から環状領域１２１だけ離して結晶シリコン基板１１１の上面に直に形成したことにある。
この放射線検出デバイス１３０の製造方法の説明は、上記第１の実施の形態で説明した製造方法において、アモルファスシリコン膜１１０を中心電極１００の下のみに形成すればよいので省略する。

この放射線検出デバイス１３０においては、アモルファスシリコン膜１１０が中心電極１００の下側のみに形成され、放射線検出デバイス１３０の側面まで存在しないので、中心電極１００に逆バイアス電圧を印加した際に、結晶シリコン基板１１１とアモルファスシリコン膜１１０との接合面に生成される空乏層１３５の拡がりが、周辺電極１０１の内周縁の付近までに留まる。

これによって、空乏層１２５のパンチスルーによる漏れ電流（４）が少なくなって、放射線検出デバイス１２０の側面の漏れ電流（５）も減少する。
この結果、漏れ電流（５）の変動成分（ＡＣ成分）が殆ど無くなるので、従来例のように変動成分がアンプ６３の出力信号の変動、即ちノイズとして現れることが無くなり、エネルギー成分の小さな放射線でも適正に検出することができる。つまり、低エネルギーまで検出可能な線量計を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る放射線検出デバイスの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態の放射線検出デバイスの第１の製造プロセスを説明するための断面図である。 第１の実施の形態の放射線検出デバイスの第２の製造プロセスを説明するための断面図である。 第１の実施の形態の放射線検出デバイスの第３の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る放射線検出デバイスの構成を示す断面図である。 放射線作業従事者へのポケット線量計の実装状態を示す図である。 従来の線量計の構成を示す斜視図である。 従来の線量計の信号処理回路基板の回路構成を示すブロック図である。 従来の線量計の信号処理回路基板の半導体検出部及びアンプの回路構成図である。 従来の放射線検出デバイスの構成を示す上面図である。 図１０に示した放射線検出デバイスのａ１−ａ２断面図である。

符号の説明

１０ 放射線作業従事者（利用者）
１１ ポケット
４０ 線量計
４１ 液晶ディスプレイ
４２ 指入れ防止網
５０ 信号処理回路基板
５３ ブザー駆動回路
６１ 逆バイアス印加部
６２ 半導体検出部
６３ アンプ
６４ コンパレータ
６５ ＣＰＵ
６６ ブザー部
６７ 通信部
７０，１２０，１３０ 放射線検出デバイス
７１ コンデンサ
１００ 中心電極
１０１ 周辺電極
１１０ アモルファスシリコン膜
１１１ 結晶シリコン基板
１１５，１２５，１３５ 空乏層
１１６ 裏面電極
１２１ 環状領域
１２２，１２４ フォトレジスト

Claims (2)

1. 結晶シリコン基板の上面にアモルファスシリコン膜が形成され、このアモルファスシリコン膜の上面の中心領域にカソード電極が形成され、このカソード電極から所定間隔離れた周辺に第１のアノード電極が形成されると共に、当該結晶シリコン基板の下面に第２のアノード電極が形成されて成る放射線検出デバイスにおいて、
   前記アモルファスシリコン膜を、前記カソード電極と前記第１のアノード電極との下のみに形成した
   ことを特徴とする放射線検出デバイス。
2. 結晶シリコン基板の上面にアモルファスシリコン膜が形成され、このアモルファスシリコン膜の上面の中心領域にカソード電極が形成され、このカソード電極から所定間隔離れた周辺に第１のアノード電極が形成されると共に、当該結晶シリコン基板の下面に第２のアノード電極が形成されて成る放射線検出デバイスにおいて、
   前記アモルファスシリコン膜を前記カソード電極の下のみに形成し、前記第１のアノード電極を前記カソード電極から所定間隔離して前記結晶シリコン基板の上面に直に形成した
   ことを特徴とする放射線検出デバイス。

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