JP2010067738A - 窒化ガリウム系半導体材料を用いた荷電粒子検出器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る荷電粒子検出器1は、n型のSiC基板2と、SiC基板2の検出面5a側の面にバッファ層3、4を介して設けられ、バッファ層4に接していない面が検出面5aであるアンドープのGaN層5と、GaN層5の検出面5aに設けられ、GaN層5とショットキー接触する第1金属電極6と、SiC基板2の、バッファ層3に接していない面に設けられ、SiC基板2とオーミック接触する第2金属電極8とを備える。また、GaN層5の厚さは、900nm以上であることが好ましい。
【選択図】図1
Description
ワイドギャップ半導体である窒化ガリウムは、“機械的に堅牢”、“優れた温度特性”、“放射線損傷に耐性がある”、“化学的に安定で無害”、“高速動作可能”といった物性を有しており、最近では比較的大型で高品質な結晶を得るための技術も確立されてきている。この窒化ガリウムを検出層に使用すれば、上記(1)(2)の問題を解決した荷電粒子検出器を得ることが期待できる。
J. Vaitkus et al.,"Semi-insulating GaN and its evaluation for α particle detection", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 509, 2003, p.60-64
また、この構成によれば、検出層として、種々の優れた物性を有する窒化ガリウム系半導体材料を使用しているので、温度制御や放射線損傷の問題を解決することもできる。
また、本発明によれば、この荷電粒子検出器に好適な荷電粒子検出システムを提供することができる。
図1に、本発明に係る荷電粒子検出器を示す。図1(A)に示すように、荷電粒子検出器1は、主に、n型(n−)のSiC基板2と、第1バッファ層3と、第2バッファ層4と、検出層であるアンドープ(u−)のGaN層5とからなり、検出面5aに照射された荷電粒子のエネルギーを検出層で検出し、それに応じた電気信号が第1金属電極6及び第2金属電極8から出力される。
本実施形態では、n−SiC基板2、u−GaN層5及びその間の各層のサイズを820μm角とし、第1及び第2金属電極6、8のサイズを500μm角とした。また、ワイヤボンディング用パッド7のサイズは120μm角とし、第1金属電極6の角部付近に配置した。第1及び第2金属電極6、8は、u−GaN層5等と同サイズにしてもよい。また、照射された荷電粒子はワイヤボンディング用パッド7を透過することができないので、検出感度を上げる観点から、ワイヤボンディング用パッド7のサイズは、ボンディングに支障が生じない範囲で小さくすることが好ましい。
続いて、u−GaN層の厚さを1800nm(実施例1)、及び900nm(実施例2)とした本発明に係る荷電粒子検出器について、各種試験(試験1:光応答特性、試験2:I−V特性、試験3:α線照射時の電荷分布、試験4:放射線耐性)を行った結果について説明する。試験3と4については、比較例として、シリコンを検出層とした浜松ホトニクス社製のPINフォトダイオード「S5821」についても試験を行った。ただし、図3に示すように、PINフォトダイオードと各実施例に係る荷電粒子検出器は構成が大きく異なっているので、S5821の試験結果は単なる参考に過ぎず、各実施例の試験結果と直接対比できるものではない。なお、S5821の詳細については、同社HP(http://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd163/pd165/pd166/S5821/index_ja.html)で確認することができる。
光応答特性は、図4に示す測定系で試験を行った。この試験において、荷電粒子検出器には、電源によって所定のバイアス電圧が印加されるとともに、光源であるXeランプから発せられた光を分光して得た特定波長の光が照射される。そして、照射された光に応じて荷電粒子検出器から出力される電流が、電流計で測定される。PCでは、荷電粒子検出器に照射している光の波長と、当該波長における電流量とが対応付けられて保持される。つまり、この試験によれば、検出層であるu−GaN層がどの波長の光に対して感度が高いか(電流が多く流れるか)を特定することができる。そして、これにより、検出層であるu−GaN層の品質を評価することができる。
いずれのグラフにおいても、360nm付近がカットオフ波長であることが分かる。この値をバンドギャップエネルギーに換算すると3.44eVとなり、GaNのバンドギャップエネルギーとほぼ一致する。すなわち、この試験では、実施例1及び実施例2のいずれにおいても、高品質のu−GaN層が形成できていることが確認できた。
I−V特性は、図6に示す測定系で試験を行った。この試験において、荷電粒子検出器は、荷電粒子、光その他のノイズを遮断することができるテストフィクスチャ内に配置される。電源・電流計は荷電粒子検出器にバイアス電圧を印加しながら、荷電粒子検出器から出力される電流を測定する。つまり、この試験によれば、荷電粒子その他の光が照射されていないにもかかわらず流れてしまう電流(以下、「暗電流」という)の多寡を評価することができる。
図7(A)に示すように、実施例1に係る荷電粒子検出器では、−50Vのバイアス電圧を印加した際に流れる暗電流は僅かに10nA/cm3程度であった。そして、図示を省略しているが、バイアス電圧を−70V程度まで上げると、暗電流は急激に増加した。図7(B)に示す実施例2に係る荷電粒子検出器の試験結果においても、同じような傾向が見られた。すなわち、−20Vのバイアス電圧を印加した際に流れる暗電流は僅かに10nA/cm3程度であったが、バイアス電圧を−40V程度まで上げると暗電流は急激に増加した。
また、検出層を厚く形成した実施例1に係る荷電粒子検出器は、実施例2に係る荷電粒子検出器よりも逆バイアス耐圧が大きかった。したがって、実施例1に係る荷電粒子検出器の方が、荷電粒子を検出する際に、より大きなバイアス電圧を印加することができるので、空乏層領域が拡がり、高い検出感度が期待できる。
α線照射時の電荷分布は、図8に示す測定系で試験を行った。この試験において、荷電粒子検出器は、α線源241Amとともにセル内に配置され、電源によって所定のバイアス電圧が印加される。ここで、セルは、α線源241Amから照射されるα線以外の荷電粒子、光等が荷電粒子検出器に照射されるのを防ぐための、密閉された容器である。
放射線耐性は、電子線を照射する前のI−V特性と、電子線を照射した後のI−V特性とを比較することによって試験を行った。照射した電子線のエネルギーは、約2×1014e/cm2、約2×1015e/cm2、約3×1016e/cm2の3種類である。また、I−V特性は、図6に示す測定系で測定した。
例えば、検出層材料はアンドープのGaNに限定されず、適宜Al等の他のIII族元素を加えてAlxGa1-xN層(ただし、0≦x<1)としてもよい。バッファ層の材料が任意であることは前記の通りである。
また、本明細書中の用語“アンドープ”とは、意図的にドーピングを行っていないことを意味し、不純物が全く含まれていないことを意味するものではない。
2 半導体基板
3 第1バッファ層
4 第2バッファ層
5 検出層
5a 検出面
6 第1金属電極
7 ワイヤボンディング用パッド
8 第2金属電極
Claims (3)
- 検出面に向かって照射された荷電粒子のエネルギーの多寡を検出し、電気信号として出力する荷電粒子検出器であって、
n型のSiC基板と、
前記SiC基板の前記検出面側の面にバッファ層を介して設けられ、前記バッファ層に接していない面が前記検出面であるアンドープのAlxGa1-xN層(ただし、0≦x<1)と、
前記AlxGa1-xN層の前記検出面に設けられ、前記AlxGa1-xN層とショットキー接触する第1金属電極と、
前記SiC基板の、前記バッファ層に接していない面に設けられ、前記SiC基板とオーミック接触する第2金属電極と、
を備えたことを特徴とする荷電粒子検出器。 - 前記AlxGa1-xN層の厚さが900nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子検出器。
- 請求項2に記載されている荷電粒子検出器に所定のバイアス電圧を印加しながら、検出面に向かって照射される荷電粒子のエネルギーの多寡を検出する荷電粒子検出システムであって、
一端が前記第1金属電極側に接続されるとともに他端が前記第2金属電極側に接続され、前記第1金属電極を基準として前記第2金属電極に前記所定のバイアス電圧を印加する直流電圧供給手段と、
前記直流電圧供給手段の他端から前記第2金属電極に向かって流れる電流の多寡を検出する電流検出手段と、
を備え、前記電流検出手段で検出された前記電流の多寡に基づいて、照射された荷電粒子のエネルギーの多寡を検出でき、さらに該検出の際に、前記所定のバイアス電圧を0V〜−30Vの範囲を含む任意の電圧に設定できるようにしたことを特徴とする荷電粒子検出システム。
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