JP2018204989A - Semiconductor radiation detector - Google Patents

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JP2018204989A
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和人 安田
Kazuto Yasuda
和人 安田
マダン ニラウラ
Madan Niraula
マダン ニラウラ
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Nagoya Institute of Technology NUC
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Abstract

To provide a semiconductor radiation detector comprising a substrate 10 made of Si or GaAs and an active layer 20 for incident radiation 5 consisting of CdTe or CdZnTe laminated on a surface of the substrate 10.SOLUTION: A substrate 10 has a rectangular shape. An active layer 20 stacked in a rectangular shape on the substrate 10 has a long side 22 with one side being the same length as a substrate length 12 of the substrate 10, and a short side 21 of the other side being shorter than a substrate length 11 of the substrate 10. One surface of the laminate 23 of the short side 21 and the active layer 20 is a radiation receiving surface 25 of the incident radiation 5. A semiconductor radiation detector 1 comprises a power supply 6 which applies power to a second electrode 29 bonded to the active layer 20 as a negative electrode and to a first electrode 19 bonded to the substrate 10 as a positive electrode, and a detection part 7. It is possible to detect radiation of high photon energy (for example, Cs: 662 keV Sr: 514 keV) which was conventionally impossible.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、Si又はGaAsからなる基板と、基板の表面上に積層形成されたCdTe又はCdZnTeからなる入射放射線対する能動層とする半導体放射線検出器に関する。 The present invention relates to a semiconductor radiation detector having a substrate made of Si or GaAs and an active layer for incident radiation made of CdTe or CdZnTe laminated on the surface of the substrate.

従来、CdTe放射線検出器には主としてTHM法によるバルクCdTe単結晶が用いられている。しかしながら、CdTe結晶は極めて柔らかく脆いため、取り扱いが困難である。また検出器に利用可能な高品質の結晶が得難いため極めて高価である。 Conventionally, bulk CdTe single crystals by THM method are mainly used for CdTe radiation detectors. However, CdTe crystals are extremely soft and fragile and are difficult to handle. In addition, it is extremely expensive because it is difficult to obtain high-quality crystals that can be used in the detector.

一方、特許文献1には、Si基板上に積層形成されたCdTe成長層を用いた半導体放射線検出器が記載されている。このSi基板上のCdTe成長層は、機械的強度の高いSi基板上に成長しているため取り扱いが極めて容易である。また成長も有機金属気相成長法で行われており、成長層の厚さや、成長層電気特性の制御も可能なため、検出器の製作や設計自由度が高く、また大面積化が可能という特徴がある。 On the other hand, Patent Document 1 describes a semiconductor radiation detector using a CdTe growth layer formed on a Si substrate. The CdTe growth layer on the Si substrate is extremely easy to handle because it grows on the Si substrate having high mechanical strength. Growth is also done by metalorganic vapor phase epitaxy, and the thickness of the growth layer and the electrical characteristics of the growth layer can be controlled, so the detector can be manufactured and designed with a high degree of freedom, and the area can be increased. There are features.

この半導体放射線検出器は、CdTe成長層の積層面の上面を放射線の受光面としている。CdTe成長層の厚さは、0.01〜1mmの範囲で積層形成が可能である。即ち、CdTe成長層の厚さは、1mmが限度である。 In this semiconductor radiation detector, the upper surface of the CdTe growth layer is used as a radiation receiving surface. The CdTe growth layer can be formed in a thickness range of 0.01 to 1 mm. That is, the thickness of the CdTe growth layer is limited to 1 mm.

よって、特許文献1に記載される従来の半導体放射線検出器では、放射線の光子エネルギーが100keV程度までしか検出できず、より大きな光子エネルギーを持つ放射線は、CdTe成長層の透過率が高いため検出できなかった。 Therefore, in the conventional semiconductor radiation detector described in Patent Document 1, the photon energy of the radiation can be detected only up to about 100 keV, and radiation having a larger photon energy can be detected because the transmittance of the CdTe growth layer is high. There wasn't.

特開2005―159156号公報JP 2005-159156 A

本発明の課題は、従来は不可能であった高い光子エネルギーの放射線(例えば、Cs:662keV, Sr:514keV等)の検出も可能とする半導体放射線検出器を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor radiation detector capable of detecting radiation of high photon energy (for example, Cs: 662 keV, Sr: 514 keV, etc.), which has been impossible in the past.

本発明の課題を解決する手段は、半導体放射線検出器に用いる半導体のCdTe成長層は厚さ1mmが限度であるが、平面方向は、数10mmから数100mmまで容易に大きくできることを利用し、放射線の入射方向を厚さと垂直な平面方向とすることにより、放射線の検出に寄与するCdTe成長層の長さを1mm以上と大きくした半導体放射線検出器を実現することである。
具体的には、以下の発明である。
発明1は、Si又はGaAsからなる基板(10)と、基板(10)の表面上に積層形成されたCdTe又はCdZnTeからなる入射放射線(5)に対する能動層(20)をもつ半導体放射線検出器であって、基板(10)は矩形形状であり、能動層(20)は、基板(10)の上に、一方の辺を基板(10)の基板長さ(12)と同じ長さの長辺(22)、他方の辺は基板(10)の基板長さ(11)より小さい長さの短辺(21)を有する矩形形状に積層され、短辺(21)と能動層(20)の積層厚(23)からなる一方の面を、入射放射線(5)の受光面(25)とし、能動層(20)に接合される第2電極(29)を負極、基板(10)に接合される第1電極(19)を正極に印加させる電源(6)及び検出部(7)を有することを特徴とする半導体放射線検出器(1)である。
発明2は、積層厚(23)を0.1mm以上1mm以下、短辺(21)の長さを0.02mm以上2mm以下、長辺(22)の長さを10mm以上200mm以下、であることを特徴とする発明1に記載する半導体放射線検出器(1)である。
発明3は、基板(10)上に、2以上の能動層(20)を、間隔(31)で平行に配し、2以上の能動層(20)の第2電極(29)を負極とし、第1電極(19)を共通の正極としたことを特徴とする発明1又は2に記載する半導体放射線検出器(2)である。
発明4は、短辺(21)を同一、間隔(31)を同一とし、間隔(31)を短辺(21)以上の長さとした請求項3に記載される半導体放射線検出器(2)を2個有し、一方の半導体放射線検出器(2)の能動層(20)が、他方の半導体放射線検出器(2)の能動層(2)の間に、絶縁機能を有する絶縁層(30)を介して嵌合されいることを特徴とする半導体放射線検出器(3)である。
発明5は、2以上の発明4に記載される半導体放射線検出器(3)を積み重ねられたことを特徴とする半導体放射線検出器(4)である。
なお、上記及び特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載されて当該用語の例となる具体物等との対応関係を示すものである。
The means for solving the problems of the present invention is that the CdTe growth layer of a semiconductor used in a semiconductor radiation detector is limited to a thickness of 1 mm, but the plane direction can be easily increased from several tens of mm to several hundreds of mm. The semiconductor radiation detector is realized by increasing the length of the CdTe growth layer that contributes to the detection of radiation to 1 mm or more by making the incident direction of the plane direction perpendicular to the thickness.
Specifically, the invention is as follows.
Invention 1 is a semiconductor radiation detector having a substrate (10) made of Si or GaAs and an active layer (20) for incident radiation (5) made of CdTe or CdZnTe laminated on the surface of the substrate (10). The substrate (10) has a rectangular shape, and the active layer (20) is on the substrate (10), and one side is a long side having the same length as the substrate length (12) of the substrate (10). (22) The other side is laminated in a rectangular shape having a short side (21) having a length smaller than the substrate length (11) of the substrate (10), and a lamination of the short side (21) and the active layer (20). One surface having the thickness (23) is used as a light receiving surface (25) for incident radiation (5), the second electrode (29) bonded to the active layer (20) is bonded to the negative electrode, and the substrate (10). It has a power source (6) for applying the first electrode (19) to the positive electrode and a detector (7). A semiconductor radiation detector (1), characterized in.
Invention 2 is that the laminate thickness (23) is 0.1 mm to 1 mm, the length of the short side (21) is 0.02 mm to 2 mm, and the length of the long side (22) is 10 mm to 200 mm. A semiconductor radiation detector (1) according to the first aspect of the invention.
Invention 3 arrange | positions two or more active layers (20) on a board | substrate (10) in parallel by the space | interval (31), and makes the 2nd electrode (29) of two or more active layers (20) into a negative electrode, The semiconductor radiation detector (2) according to invention 1 or 2, wherein the first electrode (19) is a common positive electrode.
Invention 4 provides the semiconductor radiation detector (2) according to claim 3, wherein the short side (21) is the same, the interval (31) is the same, and the interval (31) is longer than the short side (21). Insulating layer (30) having two insulating active layers (20) of one semiconductor radiation detector (2) and having an insulating function between active layers (2) of the other semiconductor radiation detector (2) It is a semiconductor radiation detector (3) characterized by being fitted via.
Invention 5 is a semiconductor radiation detector (4), wherein two or more semiconductor radiation detectors (3) described in Invention 4 are stacked.
In addition, the code | symbol in the parenthesis in the said and the claim shows the correspondence of the term described in the claim, and the specific substance etc. which are described in the below-mentioned embodiment, and become the example of the said term. is there.

従来は不可能であった高い光子エネルギーの放射線(例えば、Cs:662keV, Sr:514keV等)の検出可能な半導体放射線検出器を提供することができる。 It is possible to provide a semiconductor radiation detector capable of detecting high-photon energy radiation (for example, Cs: 662 keV, Sr: 514 keV, etc.), which has been impossible in the past.

第1実施形態の半導体放射線検出器1を示す図The figure which shows the semiconductor radiation detector 1 of 1st Embodiment. CdTe材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す図The figure which shows the material thickness of CdTe material and the absorption rate of radiation 第2実施形態の半導体放射線検出器2を示す図The figure which shows the semiconductor radiation detector 2 of 2nd Embodiment. 第3実施形態の半導体放射線検出器3を示す図The figure which shows the semiconductor radiation detector 3 of 3rd Embodiment. 第4実施形態の半導体放射線検出器4を示す図The figure which shows the semiconductor radiation detector 4 of 4th Embodiment. 従来例を示す図(Si基板上のCdTe成長層の構造及びサイズ)Figure showing conventional example (structure and size of CdTe growth layer on Si substrate) 従来例の半導体放射線検出器102のCdTe材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す図The figure which shows the material thickness of CdTe material of the semiconductor radiation detector 102 of a prior art example, and the absorption factor of a radiation

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be added without departing from the scope of the invention.

(従来例)
図6に、従来例のSi基板110上に積層形成されたCdTe層120を有する半導体層101の形状を示す。製造上の制約により、CdTe層120のサイズは、厚みが0.1mmから最大1mm、平面上は、一辺の長さが200mmの矩形形状となる。
CdTe層120は、n型半導体であるSi基板110上に、n型半導体である極薄膜のCdTe層120bが積層され、その上にp型半導体であるCdTe層120aが積層されている。この積層ではpn接合はCdTe層120中に形成している。これはSi基板110とCdTe層120との成長界面に存在する高密度転位の影響による検出器の暗電流を低減するためであり、n型CdTe層120bを成長することによってpn接合部での転位密度を減少でき、検出器暗電流を低減できる。検出器動作時にはn型のSi基板110側に正電圧、p型のCdTe層側に負電圧を印加することにより、空乏層をp型CdTe層120a全体に広げCdTe層120中に放射線光子の吸収によって発生した正孔をp型CdTe120aの表面側、電子をn型Si側に移動させて、外部回路に検出電流を発生させ入射放射線の検出を行う。
p型CdTe層120aの厚さは0.09から0.99mm、n型CdTe層120bの厚さは0.01mmである
Si基板110の厚さは、0.52mmである。
Si基板110はSi又はGaAsからなり、CdTe層120はCdTe又はCdZnTeからなる
(Conventional example)
FIG. 6 shows the shape of a semiconductor layer 101 having a CdTe layer 120 stacked on a conventional Si substrate 110. Due to manufacturing restrictions, the CdTe layer 120 has a rectangular shape with a thickness of 0.1 mm to a maximum of 1 mm and a length of 200 mm on one side.
In the CdTe layer 120, an ultrathin CdTe layer 120b that is an n-type semiconductor is stacked on a Si substrate 110 that is an n-type semiconductor, and a CdTe layer 120a that is a p-type semiconductor is stacked thereon. In this lamination, a pn junction is formed in the CdTe layer 120. This is to reduce the dark current of the detector due to the influence of high-density dislocations existing at the growth interface between the Si substrate 110 and the CdTe layer 120. By growing the n-type CdTe layer 120b, dislocations at the pn junction portion are performed. Density can be reduced and detector dark current can be reduced. By applying a positive voltage to the n-type Si substrate 110 side and a negative voltage to the p-type CdTe layer side during detector operation, the depletion layer is spread over the entire p-type CdTe layer 120a and radiation photons are absorbed into the CdTe layer 120. The holes generated by the above are moved to the surface side of the p-type CdTe 120a and the electrons are moved to the n-type Si side to generate a detection current in the external circuit to detect incident radiation.
The p-type CdTe layer 120a has a thickness of 0.09 to 0.99 mm, the n-type CdTe layer 120b has a thickness of 0.01 mm, and the Si substrate 110 has a thickness of 0.52 mm.
The Si substrate 110 is made of Si or GaAs, and the CdTe layer 120 is made of CdTe or CdZnTe.

特許文献1には、半導体層101を用いたの半導体放射線検出器102が記載されている。半導体放射線検出器102に対する放射線105の照射方向は、図6においてZ軸方向であり、半導体放射線検出器102のCdTe層120の表面(XY面)が受光面125になる。CdTe層120の厚さは最大1mm程度である。
図7に、従来例の半導体放射線検出器102のCdTe材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す。パラメータは、放射線の光子エネルギー(keV)である。(キ)は200keV、(ク)は100keV、(ケ)は50keV、(コ)は40keV、(サ)は30keV、(シ)は20keV、(ス)は10keV、(セ)は5keV、(ソ)は1keVである。(セ)の5keVから(コ)の40keVまでは、材料厚さと放射線の吸収率の差が小さい。
厚さ1mmにおいて、吸収率は、50keV以下では100%である。100keVの吸収率は65% 、200keVの吸収率は18%である。
ここで、放射線の照射の有無を判定するためには、吸収率が30〜50%が必要である。よって、光子エネルギー100keVは検出可能であるが、200keV以上の放射線は検出できない。
Patent Document 1 describes a semiconductor radiation detector 102 using a semiconductor layer 101. The irradiation direction of the radiation 105 on the semiconductor radiation detector 102 is the Z-axis direction in FIG. 6, and the surface (XY plane) of the CdTe layer 120 of the semiconductor radiation detector 102 becomes the light receiving surface 125. The thickness of the CdTe layer 120 is about 1 mm at the maximum.
FIG. 7 shows the material thickness and radiation absorption rate of the CdTe material of the semiconductor radiation detector 102 of the conventional example. The parameter is the photon energy (keV) of the radiation. (K) is 200 keV, (K) is 100 keV, (K) is 50 keV, (K) is 40 keV, (S) is 30 keV, (S) is 20 keV, (S) is 10 keV, (C) is 5 keV, ) Is 1 keV. From (ke) 5 keV to (ko) 40 keV, the difference between the material thickness and the radiation absorption rate is small.
At a thickness of 1 mm, the absorption rate is 100% at 50 keV or less. The absorption rate at 100 keV is 65%, and the absorption rate at 200 keV is 18%.
Here, in order to determine the presence or absence of radiation irradiation, an absorptance of 30 to 50% is necessary. Therefore, photon energy 100 keV can be detected, but radiation of 200 keV or more cannot be detected.

(第1実施形態)
図1に、第1実施形態の半導体放射線検出器1を示す。第1実施形態は、Si又はGaAsからなる基板10と、基板10の表面上に積層形成されたCdTe又はCdZnTeからなる成長層を有し、この成長層を入射放射線5に対する能動層20をもつ半導体放射線検出器1である。
更に、半導体放射線検出器1は、基板10は矩形形状であり、能動層20は、基板10の上に、一方の辺を基板の基板長さ12と同じ長さの長辺22、他方の辺は基板の基板長さ11より小さい長さの短辺21を有する矩形形状に積層されている。短辺21と積層厚23からなる一方の面を、入射放射線5の受光面25とする。図1の場合、入射放射線5はX軸、受光面25はYZ面である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a semiconductor radiation detector 1 of the first embodiment. The first embodiment includes a substrate 10 made of Si or GaAs and a growth layer made of CdTe or CdZnTe formed on the surface of the substrate 10, and this growth layer is a semiconductor having an active layer 20 for incident radiation 5. This is a radiation detector 1.
Further, in the semiconductor radiation detector 1, the substrate 10 has a rectangular shape, and the active layer 20 is formed on the substrate 10 with one side having a long side 22 having the same length as the substrate length 12 of the substrate and the other side. Are stacked in a rectangular shape having short sides 21 having a length smaller than the substrate length 11 of the substrate. One surface composed of the short side 21 and the laminated thickness 23 is a light receiving surface 25 for the incident radiation 5. In the case of FIG. 1, the incident radiation 5 is the X axis, and the light receiving surface 25 is the YZ plane.

能動層20は、基板10上に、n型半導体である極薄膜の能動層20bが積層され、その上にp型半導体である能動層20aが積層されている。能動層20の積層厚23は、能動層20bと能動層20aを合わせた値である。
能動層20aに電気的に接合されている第2電極29を負極、基板10の下面に電気的接合されている第1電極19を正極に印加させる電源6及び検出部7を有し外部回路を構成している。外部回路は、第2電極29、電源6、検出部7、及び第1電極19が、この順に配線8にて直列に接続されている。電源6と検出部7の順は逆でもよい。
第1電極19及び第2電極29は、金等の導電性金属を、それぞれ能動層20a及び基板10に積層されている。
能動層20aは、電気抵抗が非常に大きいので電源6により印加されても電流はほとんど流れない。入射放射線5が受光面25に照射されると、放射線がCdTe又はCdZnTeからなる能動層20に吸収され、電子と正孔のペアが生成され、電子は正極に印加されている第1電極19側に、正孔は負極に印加されているp型CdTe層120b(第2電極29)側に引き寄せられ外部回路に電流が流れる。 検出部7では、この電流 を検出し受光面25に 入射した入射放射線5の検出を行う。
In the active layer 20, an ultrathin active layer 20b that is an n-type semiconductor is stacked on the substrate 10, and an active layer 20a that is a p-type semiconductor is stacked thereon. The laminated thickness 23 of the active layer 20 is a value obtained by combining the active layer 20b and the active layer 20a.
An external circuit having a power source 6 and a detection unit 7 for applying the second electrode 29 electrically connected to the active layer 20a to the negative electrode and the first electrode 19 electrically connected to the lower surface of the substrate 10 to the positive electrode. It is composed. In the external circuit, the second electrode 29, the power supply 6, the detection unit 7, and the first electrode 19 are connected in series by the wiring 8 in this order. The order of the power source 6 and the detection unit 7 may be reversed.
The first electrode 19 and the second electrode 29 are formed by laminating a conductive metal such as gold on the active layer 20a and the substrate 10, respectively.
The active layer 20a has a very large electric resistance, so that almost no current flows even when applied by the power source 6. When the incident radiation 5 is irradiated onto the light receiving surface 25, the radiation is absorbed by the active layer 20 made of CdTe or CdZnTe, and a pair of electrons and holes is generated, and the electrons are applied to the positive electrode 19 side. In addition, the holes are attracted toward the p-type CdTe layer 120b (second electrode 29) applied to the negative electrode, and a current flows to the external circuit. The detector 7 detects this current and detects the incident radiation 5 incident on the light receiving surface 25.

図2に、CdTe材料の材料厚さと放射線の吸収率を示す。パラメータは、放射線の光子エネルギー(keV)である。(ア)は2000keV、(イ)は1000keV、(ウ)は600keV、(エ)は500keV、(オ)は400keV、(カ)は300keV、(キ)は200keV、(ク)は100keV、(ケ)は50keVである。材料厚さ150mmでは、光子エネルギー2000keVの吸収率は約98%であり、材料厚さ200mmでは吸収率は100%である(図示せず)。 FIG. 2 shows the material thickness of CdTe material and the absorption rate of radiation. The parameter is the photon energy (keV) of the radiation. (A) is 2000 keV, (b) is 1000 keV, (c) is 600 keV, (d) is 500 keV, (g) is 400 keV, (f) is 300 keV, (g) is 200 keV, (g) is 100 keV, ) Is 50 keV. At a material thickness of 150 mm, the absorption rate of photon energy of 2000 keV is about 98%, and at a material thickness of 200 mm, the absorption rate is 100% (not shown).

(放射線の検出)
材料厚さは、長辺22に相当する。長辺22が100mmの場合、光子エネルギーが600keV以下の放射線は、ほぼ100%吸収される。よって、吸収により発生する電流により、放射線の入射の有無を判別することができる。
長辺22が25mmの場合、光子エネルギーが600keVの放射線の吸収率は約70%、1000keVの吸収率は約58%、2000keVの吸収率は約45%あり発生する電流により放射線の入射の有無を判別することができる。吸収率は30〜50%あれば放射線の有無を判定できる。
吸収率を50%とすれば、長辺22が約4mmで200keV、長辺22が約12mmで600keV、長辺22が約20mmで1000keV、長辺22が約27mmで2000keVの放射線が検出できる半導体放射線検出器1が提供できる。
(Detection of radiation)
The material thickness corresponds to the long side 22. When the long side 22 is 100 mm, radiation having a photon energy of 600 keV or less is absorbed almost 100%. Therefore, the presence or absence of radiation can be determined from the current generated by the absorption.
When the long side 22 is 25 mm, the absorption rate of radiation with a photon energy of 600 keV is about 70%, the absorption rate of 1000 keV is about 58%, and the absorption rate of 2000 keV is about 45%. Can be determined. If the absorption rate is 30 to 50%, the presence or absence of radiation can be determined.
If the absorption rate is 50%, the long side 22 is about 4 mm and 200 keV, the long side 22 is about 12 mm and 600 keV, the long side 22 is about 20 mm and 1000 keV, and the long side 22 is about 27 mm and 2000 keV can be detected. The radiation detector 1 can be provided.

(検出した放射線の元素を特定)
長辺22が100mmの場合、光子エネルギーが600keV以下の放射線は、ほぼ100%吸収されるが、放射線光子の吸収毎にCdTe層20aの中で発生する電子正孔ペア数は光子エネルギーによって異なり、100keVより600keVのほうが電子正孔ペア数は大きくなる。その結果、放射線光子の吸収毎に外部回路に発生する電流パルスの波高値は光子エネルギーと共に大きくなる。そこで、放射線光子エネルギーと外部回路に発生するパルス波高値の関係を、あらかじめCs(662keV)やSr(514keV)等の線源によって校正しておけば、パルス波高値により放射線光子エネルギーを識別でき、放射線源である放射性元素の特定ができる。また、放射線光子の検出効率を高くするためには、半導体放射線検出器1の長辺22の長さを測定対象とする放射線光子エネルギーに対して吸収効率が30〜50%以上となるように設定する。
(Identify detected radiation elements)
When the long side 22 is 100 mm, radiation having a photon energy of 600 keV or less is absorbed almost 100%, but the number of electron-hole pairs generated in the CdTe layer 20a for each absorption of radiation photons varies depending on the photon energy. The number of electron-hole pairs is larger at 600 keV than at 100 keV. As a result, the peak value of the current pulse generated in the external circuit for every absorption of radiation photons increases with the photon energy. Therefore, if the relationship between the radiation photon energy and the pulse peak value generated in the external circuit is calibrated with a radiation source such as Cs (662 keV) or Sr (514 keV) in advance, the radiation photon energy can be identified by the pulse peak value, The radioactive element that is the radiation source can be identified. In order to increase the detection efficiency of radiation photons, the length of the long side 22 of the semiconductor radiation detector 1 is set so that the absorption efficiency is 30 to 50% or more with respect to the radiation photon energy to be measured. To do.

(能動層20のサイズについて)
積層厚23は、0.1mm以上1mm以下となる。これは積層の制約である。
短辺21の長さは0.02mm以上2mm以下となる。0.02mmは加工限界である。2mmは、能動層20の電気容量を小さくするためである。
長辺22の長さは、2mm以上200mm以下となる。2mmは、入射放射線5の光子エネルギーが10keV以上を検出するためである。200mmは、現状でCdTe層成長に使用しているSi基板10のサイズで決定されている。2000keV以上の放射線を検出する場合には最大200mm程度まで(現状のSi基板の最大サイズ)容易に拡大できる。
(About the size of the active layer 20)
The lamination thickness 23 is 0.1 mm or more and 1 mm or less. This is a stacking constraint.
The length of the short side 21 is 0.02 mm or more and 2 mm or less. 0.02 mm is the processing limit. 2 mm is for reducing the electric capacity of the active layer 20.
The length of the long side 22 is 2 mm or more and 200 mm or less. 2 mm is for detecting the photon energy of the incident radiation 5 of 10 keV or more. 200 mm is determined by the size of the Si substrate 10 currently used for CdTe layer growth. When detecting radiation of 2000 keV or more, it can be easily expanded up to about 200 mm (the maximum size of the current Si substrate).

半導体放射線検出器1によれば、受光面25に照射された高い光子エネルギーの放射線(例えば、Cs:662keV, Sr:514keV等) を検出することができる。 According to the semiconductor radiation detector 1, high photon energy radiation (for example, Cs: 662 keV, Sr: 514 keV, etc.) irradiated on the light receiving surface 25 can be detected.

(第2実施形態)
図3に、第2実施形態の半導体放射線検出器2を示す。半導体放射線検出器2は、基板10上に、2以上の能動層20を、間隔31で平行に配されている。
また、基板10の第1電極19を共通の正極とし、2以上の能動層20の第2電極29を負極としている。ここで、共通の第1電極19と2以上の第2電極29は並列に印可されている。よって、各第2電極29と共通の第1電極19の間には、各々外部回路により電源6(図示せず)、検出部7(図示せず)が配線8(図示せず)にて直列に接続されている。各能動層20の受光面25に入射した入射放射線5の信号は、各検出部7から出力される。図3の場合、入射放射線5はX軸、受光面25はYZ面である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a semiconductor radiation detector 2 according to the second embodiment. In the semiconductor radiation detector 2, two or more active layers 20 are arranged in parallel at intervals 31 on a substrate 10.
The first electrode 19 of the substrate 10 is a common positive electrode, and the second electrodes 29 of the two or more active layers 20 are negative electrodes. Here, the common first electrode 19 and two or more second electrodes 29 are applied in parallel. Therefore, between the first electrodes 19 common to the respective second electrodes 29, a power source 6 (not shown) and a detection unit 7 (not shown) are connected in series by a wiring 8 (not shown) by an external circuit. It is connected to the. A signal of the incident radiation 5 incident on the light receiving surface 25 of each active layer 20 is output from each detection unit 7. In the case of FIG. 3, the incident radiation 5 is the X axis, and the light receiving surface 25 is the YZ plane.

間隔31の加工方法としては、例えばウエファダイサーでX方向に切り込みを作り、間隔31を溝として形成する。間隔31はウエファダイサーの刃の幅で決定される。現状では最小値は0.02mm程度から0.15mmにすることがでる。よって、同一の刃で加工すれば間隔31は同一になり、適宜刃を選択して加工することで間隔31は異なる値とすることもできる。短辺21の長さも同様に同一又は異なる値とすることができる。 As a processing method of the interval 31, for example, a notch is made in the X direction with a wafer dicer, and the interval 31 is formed as a groove. The interval 31 is determined by the width of the blade of the wafer dicer. At present, the minimum value can be reduced from about 0.02 mm to 0.15 mm. Therefore, if it processes with the same blade, the space | interval 31 will become the same, and the space | interval 31 can also be made into a different value by selecting and processing a blade suitably. Similarly, the length of the short side 21 can be the same or different value.

半導体放射線検出器2によれば、1枚の基板10に配された2以上の能動層20の受光面25に照射された高い光子エネルギーの放射線を計測できる。特に、幅31を0.02mm程度とすることで、受光面25に入射した高い光子エネルギーの放射線の1次元強度分布の分解能を向上することができる。 According to the semiconductor radiation detector 2, it is possible to measure high photon energy radiation irradiated on the light receiving surfaces 25 of the two or more active layers 20 disposed on one substrate 10. In particular, by setting the width 31 to about 0.02 mm, it is possible to improve the resolution of the one-dimensional intensity distribution of radiation with high photon energy incident on the light receiving surface 25.

(第3実施形態)
図4に、第3実施形態の半導体放射線検出器3を示す。半導体放射線検出器3は、複数ある短辺21をすべて同一の長さ、複数ある間隔31をすべて同一の長さとし、更に間隔31を短辺21以上の長さとした半導体放射線検出器2を2個有し、一方の半導体放射線検出器2の能動層20が、他方の半導体放射線検出器2の能動層20の間に、絶縁機能を有する絶縁層30を介して嵌合されている。間隔31を短辺21より大きい長さとすることで、一方の能動層20と他方の能動層20の間には空間を有する。この空間が絶縁層30である。絶縁層30は、空間、絶縁物等で構成される。
また、半導体放射線検出器3は、放射線の受光面25が高密度に1次元配列されているため、受光面25に入射した高い光子エネルギーの放射線の1次元強度分布を高い分解能で検出できる。図4の場合、入射放射線5はX軸、受光面25はYZ面である。
(Third embodiment)
FIG. 4 shows a semiconductor radiation detector 3 according to the third embodiment. The semiconductor radiation detector 3 includes two semiconductor radiation detectors 2 each having a plurality of short sides 21 having the same length, a plurality of intervals 31 having the same length, and a distance 31 having a length equal to or greater than the short side 21. The active layer 20 of one semiconductor radiation detector 2 is fitted between the active layers 20 of the other semiconductor radiation detector 2 via an insulating layer 30 having an insulating function. By making the interval 31 longer than the short side 21, there is a space between one active layer 20 and the other active layer 20. This space is the insulating layer 30. The insulating layer 30 is composed of a space, an insulator, and the like.
The semiconductor radiation detector 3 can detect the one-dimensional intensity distribution of high-photon energy radiation incident on the light receiving surface 25 with high resolution because the light receiving surfaces 25 of the radiation are one-dimensionally arranged at high density. In the case of FIG. 4, the incident radiation 5 is the X axis, and the light receiving surface 25 is the YZ plane.

(第4実施形態)
図5に、第4実施形態の半導体放射線検出器4を示す。半導体放射線検出器4は、2以上の半導体放射線検出器3を積み重ねている。図5の場合、入射放射線5はX軸、受光面25はYZ面である。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 shows a semiconductor radiation detector 4 of the fourth embodiment. The semiconductor radiation detector 4 has two or more semiconductor radiation detectors 3 stacked. In the case of FIG. 5, the incident radiation 5 is the X axis, and the light receiving surface 25 is the YZ plane.

半導体放射線検出器4によれば、半導体放射線検出器3を2以上積み重ねて形成された2次元の面に配された受光面25に照射された高い光子エネルギーの放射線の2次元強度分布を検出可能であり、2次元画像検出器を構成できる。 According to the semiconductor radiation detector 4, it is possible to detect a two-dimensional intensity distribution of high photon energy radiation irradiated on the light receiving surface 25 arranged on a two-dimensional surface formed by stacking two or more semiconductor radiation detectors 3. A two-dimensional image detector can be constructed.

本発明の半導体放射線検出器は、原子力発電所事故対策、放射性廃棄物の処理や管理、材料や機械製品の非破壊検査分野、高エネルギー天文学分野、等で適用できる。
現在CdTe放射線検出器には主としてTHM法によるバルクCdTe単結晶が用いられている。しかしながらCdTe結晶は極めて柔らかく脆いため、取り扱いが困難である。また検出器に利用可能な高品質の結晶が得難いため極めて高価である。これに対し本発明で利用するSi基板上のCdTe成長層は、機械的強度の高いSi基板上に成長しているため取り扱いが極めて容易である。また成長も有機金属気相成長法で行われており、成長層の厚さや、成長層電気特性の制御も可能なため、検出器の製作や設計自由度が高く、また大面積化が可能という特徴がある。そのため現行のバルクCdTe単結晶の代替となり得るだけでなくその特性を遙かにしのぐ検出器の実現が見込める。
The semiconductor radiation detector of the present invention can be applied in nuclear power plant accident countermeasures, radioactive waste processing and management, non-destructive inspection of materials and mechanical products, high energy astronomy, and the like.
Currently, bulk CdTe single crystals by THM method are mainly used for CdTe radiation detectors. However, CdTe crystals are extremely soft and fragile and are difficult to handle. In addition, it is extremely expensive because it is difficult to obtain high-quality crystals that can be used in the detector. On the other hand, the CdTe growth layer on the Si substrate used in the present invention is extremely easy to handle because it grows on the Si substrate having high mechanical strength. Growth is also done by metalorganic vapor phase epitaxy, and the thickness of the growth layer and the electrical characteristics of the growth layer can be controlled, so the detector can be manufactured and designed with a high degree of freedom, and the area can be increased. There are features. Therefore, it is possible to realize a detector that not only can replace the current bulk CdTe single crystal but also far surpasses its characteristics.

1 半導体放射線検出器 2 半導体放射線検出器
3 半導体放射線検出器 4 半導体放射線検出器
5 入射放射線 6 電源
7 検出部 8 配線
10 基板 11 基板長さ
12 基板長さ 19 第1電極(正極)
20 能動層 20a n型能動層
20b p型能動層 21 短辺
22 長辺 23 積層厚
25 受光面 29 第2電極(負極)
30 絶縁層 31 能動層間隔
40 ベース


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor radiation detector 2 Semiconductor radiation detector 3 Semiconductor radiation detector 4 Semiconductor radiation detector 5 Incident radiation 6 Power supply 7 Detection part 8 Wiring 10 Substrate 11 Substrate length 12 Substrate length 19 1st electrode (positive electrode)
20 active layer 20a n-type active layer 20b p-type active layer 21 short side 22 long side 23 laminated thickness 25 light receiving surface 29 second electrode (negative electrode)
30 Insulating layer 31 Active layer spacing 40 Base


Claims (5)

Si又はGaAsからなる基板(10)と、前記基板(10)の表面上に積層形成されたCdTe又はCdZnTeからなる入射放射線(5)に対する能動層(20)をもつ半導体放射線検出器であって、前記基板(10)は矩形形状であり、前記能動層(20)は、一方の辺を前記基板(10)の基板長さ(12)と同じ長さの長辺(22)、他方の辺は前記基板(10)の基板長さ(11)より小さい長さの短辺(21)を有する矩形形状であり、前記短辺(21)と前記能動層(20)の積層厚(23)からなる一方の面を、前記入射放射線(5)の受光面(25)とし、前記能動層(20)に接合される第2電極(29)を負極、前記基板(10)に接合される第1電極(19)を正極に印加させる電源(6)及び検出部(7)を有することを特徴とする半導体放射線検出器(1)。 A semiconductor radiation detector having a substrate (10) made of Si or GaAs and an active layer (20) for incident radiation (5) made of CdTe or CdZnTe stacked on the surface of the substrate (10), The substrate (10) has a rectangular shape, and the active layer (20) has one side having a long side (22) having the same length as the substrate length (12) of the substrate (10) and the other side being The substrate (10) has a rectangular shape having a short side (21) having a length smaller than the substrate length (11), and is composed of a laminated thickness (23) of the short side (21) and the active layer (20). One surface is a light receiving surface (25) for the incident radiation (5), the second electrode (29) bonded to the active layer (20) is a negative electrode, and the first electrode is bonded to the substrate (10). Power supply (6) for applying (19) to the positive electrode and detector (7) Semiconductor radiation detector, characterized in Rukoto (1). 前記積層厚(23)を0.1mm以上1mm以下、前記短辺(21)の長さを0.02mm以上2mm以下、前記長辺(22)の長さを10mm以上200mm以下、であることを特徴とする請求項1に記載する半導体放射線検出器(1)。 The laminate thickness (23) is 0.1 mm to 1 mm, the length of the short side (21) is 0.02 mm to 2 mm, and the length of the long side (22) is 10 mm to 200 mm. Semiconductor radiation detector (1) according to claim 1, characterized in that it is characterized in that 前記基板(10)上に、2以上の前記能動層(20)を、間隔(31)で平行に配し、2以上の前記能動層(20)の第2電極(29)を負極とし、前記第1電極(19)を共通の正極としたことを特徴とする請求項1又は2に記載する半導体放射線検出器(2)。 On the substrate (10), two or more active layers (20) are arranged in parallel at an interval (31), the second electrode (29) of the two or more active layers (20) is a negative electrode, 3. The semiconductor radiation detector (2) according to claim 1 or 2, characterized in that the first electrode (19) is a common positive electrode. 前記短辺(21)を同一、前記間隔(31)を同一とし、前記間隔(31)を前記短辺(21)以上の長さとした請求項3に記載される半導体放射線検出器(2)を2個有し、一方の前記半導体放射線検出器(2)の能動層(20)が、他方の前記半導体放射線検出器(2)の能動層(2)の間に、絶縁機能を有する絶縁層(30)を介して嵌合されいることを特徴とする半導体放射線検出器(3)。 The semiconductor radiation detector (2) according to claim 3, wherein the short side (21) is the same, the interval (31) is the same, and the interval (31) is longer than the short side (21). An insulating layer having an insulating function between two active layers (20) of the semiconductor radiation detector (2) and an active layer (2) of the other semiconductor radiation detector (2). 30) A semiconductor radiation detector (3), which is fitted via 30). 2以上の請求項4に記載される半導体放射線検出器(3)を積み重ねられたことを特徴とする半導体放射線検出器(4)。

A semiconductor radiation detector (4), wherein two or more semiconductor radiation detectors (3) according to claim 4 are stacked.

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