JP2019015639A - 放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 - Google Patents

放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ノイズを低減させることができる放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置を提供する。【解決手段】放射線検出素子は、放射線の入射により電荷を生じる半導体部と、半導体部に設けられ、前記電荷に起因する信号を出力する信号出力電極と、半導体部に設けられ、半導体部内に信号出力電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように電圧が印加されるための電位勾配生成電極と、半導体部に設けられ、放射線に由来しない電荷を収集するための収集電極と、半導体部の信号出力電極が設けられている側にある絶縁膜と、該絶縁膜及び半導体部の一部の間にあり、電気抵抗が半導体部よりも低く収集電極よりも高い導電層とを備える。導電層は、信号出力電極からの距離が信号出力電極から収集電極までの距離以上に長くなる位置にある。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体を用いた放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置に関する。
Ｘ線等の放射線を検出するための放射線検出素子には、半導体を用いたものがある。半導体を用いた放射線検出素子の一例として、ＳＤＤ（Silicon Drift Detector）がある。Ｓｉ（シリコン）を用いた放射線検出素子の表面付近には、Ｓｉ層と絶縁膜であるＳｉＯ2 との界面が存在し、この界面の空乏化された領域では、放射線に由来しない電荷が発生する。放射線に由来しない電荷は、放射線の入射によって発生する電荷ではない電荷である。界面中の空乏化された領域で発生した電荷は、リーク電流となり、ノイズの原因となる。絶縁膜中に固定された正電荷によって、界面には、負電荷が存在できる蓄積層が生成される。蓄積層が存在する場合は、電荷の発生は抑制される。しかし、放射線検出素子の動作時には、放射線検出素子に電圧が印加され、放射線検出素子の表面付近には電界が発生する。電界によって蓄積層は影響を受け、界面には空乏化された領域が発生し、電荷が発生しやすくなる。特許文献１には、ノイズを低減させるためにＳＤＤの表面付近で発生する電荷を収集する技術が開示されている。
特開２０１４−２１５５号公報
絶縁膜中の正電荷の量を制御することは困難であり、絶縁膜中の正電荷の量が少ない場合は、絶縁膜とＳｉ層との界面は空乏化され易くなり、界面の空乏化された領域では負電荷が発生する。発生した負電荷が界面からＳｉ層へ流入した場合は、放射線の入射とは無関係の電流がＳｉ層に流れ、ノイズの原因となる。従来の放射線検出素子は、ノイズを低減しきれておらず、よりノイズを低減させることが望まれている。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ノイズをより低減させることができる放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置を提供することにある。
本発明に係る放射線検出素子は、放射線の入射により電荷を生じる半導体部を備え、前記電荷に起因する信号を出力する信号出力電極と、前記半導体部内に前記信号出力電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように電圧が印加されるための電位勾配生成電極と、放射線に由来しない電荷を収集するための収集電極とが前記半導体部に設けられている放射線検出素子において、前記半導体部の前記信号出力電極が設けられている側にある絶縁膜と、該絶縁膜及び前記半導体部の一部の間にあり、電気抵抗が前記半導体部よりも低く前記収集電極よりも高い導電層とを備え、該導電層は、前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記収集電極までの距離以上に長くなる位置にあることを特徴とする。
本発明においては、放射線検出素子は、半導体部と絶縁膜との間に、電気抵抗が半導体部よりも低く収集電極よりも高い導電層を備えている。導電層と絶縁膜との界面で発生した、放射線に由来しない電荷は、導電層を移動し、収集電極に収集され易い。
本発明に係る放射線検出素子は、前記信号出力電極からの距離が異なる複数の電位勾配生成電極を更に備え、前記導電層は、前記複数の電位勾配生成電極の間の位置に設けられていることを特徴とする。
本発明においては、信号出力電極からの距離が異なる複数の電位勾配生成電極の間に導電層があることによって、導電層の内部に電界が発生し、導電層を電荷が移動する。
本発明に係る放射線検出素子は、前記信号出力電極からの距離が異なる複数の導電層を更に備えることを特徴とする。
本発明においては、放射線検出素子は、信号出力電極からの距離が異なる複数の導電層を備えているので、放射線検出素子の複数の部分で発生した電荷が導電層を移動して収集電極に収集される。
本発明に係る放射線検出素子は、前記電位勾配生成電極は、リングの一部が分断された形状になっており、前記複数の導電層は、前記電位勾配生成電極が分断された部分を介して互いの間を電荷が移動するようになっていることを特徴とする。
本発明においては、電位勾配生成電極が分断された部分を介して、信号出力電極からの距離が異なる複数の導電層の間で電荷が移動することにより、放射線検出素子の複数の部分で発生した電荷が導電層を移動して収集電極に収集される。
本発明に係る放射線検出器は、本発明に係る放射線検出素子と、該放射線検出素子が実装された回路基板と、前記放射線検出素子及び前記回路基板を保持するベースプレートとを備えることを特徴とする。
本発明においては、放射線に由来しない電荷は、収集電極に収集され易く、半導体部には流れにくい。放射線の入射とは無関係の電流が半導体部に流れ難くなるので、放射線検出器では、ノイズが低減される。
本発明に係る放射線検出装置は、本発明に係る放射線検出素子と、該放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する出力部と、該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部とを備えることを特徴とする。
本発明においては、放射線の入射とは無関係の電流が放射線検出素子の半導体部に流れ難くなることにより、放射線検出装置では、ノイズが低減される。
本発明に係る放射線検出装置は、放射線を照射された試料から発生する放射線を検出する放射線検出装置において、試料へ放射線を照射する照射部と、前記試料から発生した放射線を検出する本発明に係る放射線検出素子と、該放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する出力部と、該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と、該スペクトル生成部が生成したスペクトルを表示する表示部とを備えることを特徴とする。
本発明においては、放射線の入射とは無関係の電流が放射線検出素子の半導体部に流れ難くなることにより、放射線検出装置では、ノイズが低減される。
本発明にあっては、放射線検出素子が発生するノイズが軽減される。従って、放射線検出素子を備えた放射線検出器及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる等、本発明は優れた効果を奏する。
実施形態１に係る放射線検出素子の模式的な平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線で放射線検出素子を切断した断面構造及び放射線検出素子の電気的な接続態様を示すブロック図である。 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線で放射線検出素子を切断した模式的な断面図である。 放射線検出素子を備える放射線検出器の模式的斜視図である。 放射線検出器の模式的断面図である。 放射線検出装置の機能構成を示すブロック図である。 実施形態２に係る放射線検出素子の模式的な平面図である。 図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で放射線検出素子を切断した模式的な断面図である。 図７中のＩＸ−ＩＸ線で放射線検出素子を切断した模式的な断面図である。 実施形態３に係る放射線検出素子の模式的な平面図である。 図１０中のＸＩ−ＸＩ線で放射線検出素子を切断した模式的な断面図である。 実施形態４に係る放射線検出素子の模式的な平面図である。 実施形態５に係る放射線検出素子の模式的な平面図である。
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る放射線検出素子１の模式的な平面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線で放射線検出素子１を切断した断面構造及び放射線検出素子１の電気的な接続態様を示すブロック図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線で放射線検出素子１を切断した模式的な断面図である。放射線検出素子１は、ＳＤＤである。放射線検出素子１は、Ｓｉ（シリコン）からなる円板状のＳｉ層１１を備えている。Ｓｉ層１１の成分は例えばｎ型のＳｉである。Ｓｉ層１１は半導体部である。Ｓｉ層１１の一面の中央には、放射線検出時に信号を出力する電極である信号出力電極１４が設けられている。信号出力電極１４の成分は、Ｓｉ層１１と同じ型のＳｉであり、リン等の特定のドーパントがドープされている。例えば、信号出力電極１４の成分はｎ＋Ｓｉである。また、Ｓｉ層１１の一面には、多重のリング状になった複数の曲線状電極（電位勾配生成電極）１２が設けられている。曲線状電極１２の成分は、Ｓｉ層１１とは異なる型のＳｉである。例えば、曲線状電極１２の成分は、ホウ素等の特定のドーパントがＳｉにドープされたｐ＋Ｓｉである。リング状に配置された複数の曲線状電極１２はほぼ同心であり、複数の曲線状電極１２のほぼ中心に信号出力電極１４が位置している。
図中には五つの曲線状電極１２を示しているが、実際にはより多くの曲線状電極１２が設けられている。なお、曲線状電極１２の形状は円環が変形した形状であってもよく、多重の曲線状電極１２は同心でなくともよい。また、信号出力電極１４は、多重の曲線状電極１２の中心以外の位置に配置されていてもよく、Ｓｉ層１１の一面の中央以外の位置に配置されていてもよい。放射線検出素子１の形状はドロップレット型であってもよい。Ｓｉ層１１の形状は、円板状以外の形状であってもよく、正方形、長方形又は台形等の形状であってもよい。
Ｓｉ層１１の他面には、バイアス電圧が印加される電極である裏側電極１６がほぼ全面に形成されている。裏側電極１６の成分はＳｉ層１１とは異なる型のＳｉである。例えば、Ｓｉ層１１の成分がｎ型のＳｉであれば、裏側電極１６の成分はｐ＋Ｓｉである。Ｓｉ層１１の一面の上側には、絶縁膜１５が存在している。絶縁膜１５は酸化膜であり、絶縁膜１５の主な成分はＳｉＯ2 である。なお、絶縁膜１５は、窒化物等、ＳｉＯ2 以外の物質を主成分としてもよい。図１では、絶縁膜１５を省略している。絶縁膜１５は曲線状電極１２を覆っている。裏側電極１６は、電圧印加部３１に接続されている。また、多重の曲線状電極１２の内、最も内側の曲線状電極１２と最も外側の曲線状電極１２とは、電圧印加部３１に接続されている。
電圧印加部３１は、最も内側の曲線状電極１２の電位が最も高く、最も外側の曲線状電極１２の電位が最も低くなるように、電圧を印加する。また、放射線検出素子１は、信号出力電極１４からの距離が互いに異なり隣接する曲線状電極１２の間に、所定の電気抵抗が発生するように構成されている。例えば、隣接する曲線状電極１２の間に位置する部分の成分を調整することで、二つの曲線状電極１２が接続される電気抵抗チャネルが形成されている。即ち、複数の曲線状電極１２は、電気抵抗を介して数珠つなぎに接続されている。このような複数の曲線状電極１２に電圧印加部３１から電圧が印加されることによって、夫々の曲線状電極１２は、外側の曲線状電極１２から内側の曲線状電極１２に向けて順々に単調に増加する電位を有する。即ち、曲線状電極１２の電位は、信号出力電極１４に遠い曲線状電極１２から信号出力電極１４に近い曲線状電極１２へ向けて順々に増加する。なお、複数の曲線状電極１２の中に、電位が同じ隣接する一対の曲線状電極１２が含まれていてもよい。
複数の曲線状電極１２の電位によって、Ｓｉ層１１内には、段階的に信号出力電極１４に近いほど電位が高く信号出力電極１４から遠いほど電位が低くなる電界（電位勾配）が生成される。更に、電圧印加部３１は、裏側電極１６の電位が最も内側の曲線状電極１２と最も外側の曲線状電極１２との間の電位になるように、裏側電極１６に電圧を印加する。このように、Ｓｉ層１１の内部には、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。
信号出力電極１４には、前置増幅器２１が接続されている。前置増幅器２１には、主増幅器３２が接続されている。放射線検出素子１は、全体的に円板状になっており、裏側電極１６が形成されている側の面が放射線の入射面となるように使用される。放射線検出素子１の形状は、円板状以外の形状であってもよい。Ｘ線、光子一般（ＵＶ及び可視光を含む）、電子線又は他の荷電粒子線等の放射線は、裏側電極１６を通過してＳｉ層１１内へ入射し、Ｓｉ層１１内で吸収された放射線のエネルギーに応じた量の電荷が発生する。発生する電荷は電子及び正孔である。発生した電荷は、Ｓｉ層１１の内部の電界によって移動し、一方の種類の電荷は、信号出力電極１４へ集中して流入する。本実施形態では、信号出力電極１４がｎ型である場合、放射線の入射によって発生した電子が移動し、信号出力電極１４へ流入する。信号出力電極１４へ流入した電荷は電流信号となって出力され、前置増幅器２１へ入力される。前置増幅器２１は、電流信号を電圧信号へ変換し、主増幅器３２へ出力する。主増幅器３２は、前置増幅器２１からの電圧信号を増幅し、放射線検出素子１へ入射した放射線のエネルギーに応じた強度の信号を出力する。主増幅器３２は、本発明における出力部に対応する。
図４は、放射線検出素子１を備える放射線検出器２の模式的斜視図であり、図５は、放射線検出器２の模式的断面図である。放射線検出器２は、円筒の一端に切頭錐体が連結した形状のハウジング２５を備えている。ハウジング２５の先端には、放射線を通過させる窓２６が設けられている。ハウジング２５の内部には、放射線検出素子１と、回路基板２２と、遮蔽板２３と、冷却部２８と、ベースプレート２４とが配置されている。ベースプレート２４はステムとも言う。冷却部２８は例えばペルチェ素子である。放射線検出素子１は、回路基板２２の表面に実装されており、窓２６に対向する位置に配置されている。回路基板２２には、配線が形成され、前置増幅器２１が実装されている。遮蔽板２３は、冷却部２８と回路基板２２との間に配置されており、冷却部２８の吸熱部分に熱的に接触している。冷却部２８の放熱部分はベースプレート２４に熱的に接触している。
ベースプレート２４は、冷却部２８が載置されて固定される平板状の部分と、ハウジング２５の底部を貫通している部分とを有している。放射線検出素子１を実装した回路基板２２は遮蔽板２３を介在させて冷却部２８に固定されており、冷却部２８がベースプレート２４に固定されていることによって、ベースプレート２４は放射線検出素子１及び回路基板２２を保持している。遮蔽板２３は、Ｘ線を遮蔽する材料で形成されている。遮蔽板２３は、冷却部２８又はベースプレート２４に放射線が入射した場合に冷却部２８又はベースプレート２４から発生したＸ線を、放射線検出素子１へ入射しないように遮蔽する。放射線検出素子１の熱は、回路基板２２及び遮蔽板２３を通じて冷却部２８に吸熱され、冷却部２８からベースプレート２４へ伝わり、ベースプレート２４を通じて放射線検出器２外へ放熱される。更に、放射線検出器２は、ハウジング２５の底部を貫通した複数のリードピン２７を備えている。リードピン２７は、ワイヤボンディング等の方法で回路基板２２に接続されている。電圧印加部３１による放射線検出素子１への電圧の印加と、前置増幅器２１から主増幅器３２への信号の出力とはリードピン２７を通じて行われる。
図６は、放射線検出装置の機能構成を示すブロック図である。放射線検出器２には、放射線検出素子１及び前置増幅器２１が含まれている。電圧印加部３１及び主増幅器３２は、放射線検出器２の外部に配置されている。前置増幅器２１は、一部が放射線検出器２の内部に含まれており、他の部分が放射線検出器２の外部に配置されていてもよい。放射線検出装置は、試料５を保持する試料保持部５１と、Ｘ線、電子線又は粒子線等の放射線を試料５へ照射する照射部３３と、照射部３３の動作を制御する照射制御部３４とを備えている。照射部３３から試料５へ放射線が照射され、試料５では蛍光Ｘ線等の放射線が発生する。放射線検出器２は、試料５から発生した放射線が放射線検出素子１へ入射することができる位置に配置されている。図中には、放射線を矢印で示している。前述したように、主増幅器３２は、放射線検出素子１が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する。主増幅器３２には、出力した信号を処理する信号処理部４１が接続されている。信号処理部４１は、主増幅器３２が出力した各値の信号をカウントし、放射線のエネルギーとカウント数との関係、即ち放射線のスペクトルを生成する処理を行う。信号処理部４１は、本発明におけるスペクトル生成部に対応する。
信号処理部４１は、分析部４２に接続されている。分析部４２は、演算を行う演算部及びデータを記憶するメモリを含んで構成されている。信号処理部４１は、生成したスペクトルを示すデータを分析部４２へ出力する。分析部４２は、信号処理部４１からのデータを入力され、入力されたデータが示すスペクトルに基づき、試料５に含まれる元素を同定する処理を行う。分析部４２は、試料５に含まれる各種の元素の量を計算する処理を行ってもよい。分析部４２には、液晶ディスプレイ等の表示部４４が接続されている。表示部４４は、分析部４２による処理の結果を表示する。また、表示部４４は、信号処理部４１に接続されており、信号処理部４１が生成したスペクトルを表示する。更に、放射線検出装置は、全体の動作を制御する制御部４３を備えている。制御部４３は、電圧印加部３１、主増幅器３２、照射制御部３４及び分析部４２に接続されており、各部の動作を制御する。制御部４３は、例えば、パーソナルコンピュータで構成されている。制御部４３は、使用者の操作を受け付け、受け付けた操作に応じて放射線検出装置の各部を制御する構成であってもよい。また、制御部４３及び分析部４２は同一のコンピュータで構成されていてもよい。
図１〜図３に示すように、Ｓｉ層１１の一面には、収集電極１３が設けられている。収集電極１３は、放射線に由来しない電荷を収集するための電極である。収集電極１３は、最も信号出力電極１４に近い曲線状電極１２と二番目に信号出力電極１４に近い曲線状電極１２との間に設けられている。本実施形態では、二個の収集電極１３が設けられている例を示す。信号出力電極１４、曲線状電極１２及び収集電極１３は、Ｓｉ層１１の同じ側に設けられている。収集電極１３の成分は、信号出力電極１４と同じ型のＳｉであり、信号出力電極１４と同様にドーパントがドープされている。本実施形態では、放射線検出素子１は、二個の収集電極１３を備えており、平面視で、信号出力電極１４を中心にして対称な位置にある。収集電極１３は、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離よりも長くなる位置にある曲線状電極１２よりも高い電位に接続される。例えば、収集電極１３はグラウンドに接続される。なお、収集電極１３の数は一個であってもよく、三個以上であってもよい。
更に、Ｓｉ層１１の信号出力電極１４、曲線状電極１２及び収集電極１３が設けられた側にある絶縁膜１５とＳｉ層１１の一部との間には、電気抵抗がＳｉ層１１よりも低く信号出力電極１４及び収集電極１３よりも高い導電層１７が設けられている。ここで、電気抵抗の高低は、電気抵抗率の大小を意味する。導電層１７の成分はＳｉ層１１と同じ型のＳｉである。導電層１７は、ドーパントの濃度をＳｉ層１１よりも高くすることによって構成されている。また、導電層１７でのドーパントの濃度は、信号出力電極１４及び収集電極１３でのドーパント濃度よりも低い。例えば、Ｓｉ層１１のドーパント濃度は１０12（ｃｍ-3）、導電層１７のドーパント濃度は１０14〜１０17（ｃｍ-3）、信号出力電極１４及び収集電極１３のドーパント濃度は１０19（ｃｍ-3）である。ドーパント濃度に差があるので、Ｓｉ層１１と収集電極１３と導電層１７とでは、互いに導電率が異なり、電気抵抗も異なる。即ち、導電層１７でのドーパントの濃度がＳｉ層１１でのドーパントの濃度よりも高いことによって、導電層１７での電気抵抗はＳｉ層１１での電気抵抗よりも低い。また、導電層１７でのドーパントの濃度が収集電極１３でのドーパントの濃度よりも低いことによって、導電層１７での電気抵抗は収集電極１３での電気抵抗より高い。導電層１７の電気抵抗が収集電極１３の電気抵抗よりも高いことによって、曲線状電極１２と収集電極１３との間で接合破壊が起こることが防止されている。
導電層１７は、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離以上に長くなる位置に設けられている。図２及び図３に示すように、信号出力電極１４から導電層１７の各部分までの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離以上に長くなるような位置に、導電層１７の各部分が存在している。即ち、導電層１７は、平面視で、信号出力電極１４を中心として収集電極１３から外側の位置に設けられている。導電層１７は、絶縁膜１５に接していることが望ましい。導電層１７の一部は、収集電極１３に接触している。図１〜３に示した例では、最も信号出力電極１４に近い曲線状電極１２と二番目に信号出力電極１４に近い曲線状電極１２との間にある導電層１７が収集電極１３に接触している。
導電層１７内には、Ｓｉ層１１の内部と同様に、複数の曲線状電極１２によって、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。導電層１７又はＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面、例えばＳｉとＳｉＯ2 との界面には、放射線検出素子１へ入射する放射線に由来しない電荷が発生する。放射線に由来しない電荷は、Ｓｉ層１１内で吸収された放射線のエネルギーに応じて発生する電荷ではない電荷であり、放射線の入射とは無関係のタイミングで発生する。発生する電荷は電子及び正孔である。正孔は曲線状電極１２に収集される。界面中の空乏化された領域で発生した電子は、電界によって信号出力電極１４へ向けて移動する。この電子の流れがリーク電流となる。放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入した場合は、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力され、ノイズとなる。
導電層１７又はＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面の中に電界によって発生する空乏化された領域は、導電層１７が無い場合に比べて、小さくなる。リーク電流は界面中の空乏化された領域から発生するので、界面中の空乏化された領域が小さくなることによって、リーク電流は減少する。即ち、放射線検出素子１では、導電層１７が存在することによって、リーク電流の発生が抑制され、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制される。また、収集電極１３は導電層１７よりも電位が高い。最も信号出力電極１４に近い曲線状電極１２と二番目に信号出力電極１４に近い曲線状電極１２との間では、界面中の空乏化された領域で発生した電子は、電界によって導電層１７を移動し、収集電極１３に収集されやすい。収集電極１３に収集された電子は、収集電極１３から放射線検出素子１の外部へ流れる。界面で発生して電界によって移動した電子は、収集電極１３に収集されやすいので、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離よりも短くなる位置まで移動し難く、この結果、信号出力電極１４へ流入し難い。導電層１７が絶縁膜１５に接している場合は、導電層１７と絶縁膜１５との界面で発生した電子は、界面に留まり易く、Ｓｉ層１１へは流れ難い。界面に留まった電子は、信号出力電極１４へは流入し難い。
このように、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制される。即ち、信号出力電極１４が出力する信号に含まれるノイズが低減される。従って、放射線検出素子１が発生するノイズが低減され、放射線検出器２及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる。
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る放射線検出素子１の模式的な平面図である。図８は、図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線で放射線検出素子１を切断した模式的な断面図である。図９は、図７中のＩＸ−ＩＸ線で放射線検出素子１を切断した模式的な断面図である。本実施形態では、内側から二番目の曲線状電極１２が二か所で分断されており、曲線状電極１２が分断された夫々の位置に収集電極１３が設けられている。また、Ｓｉ層１１に対する深さ方向に導電層１７が設けられている深さは、曲線状電極１２が設けられている深さ以下となっている。即ち、Ｓｉ層１１に対する深さ方向に、絶縁膜１５との界面からの導電層１７の長さは、絶縁膜１５との界面からの曲線状電極１２の長さ以下となっている。曲線状電極１２は、Ｓｉ層１１に接して設けられている。
図７に示すように、曲線状電極１２は、リングの一部が分断された形状になっている。図７には、平面視での導電層１７の位置が破線で示されている。図７及び図９に示すように、導電層１７は、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の部分を含んでいる。例えば、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間の位置に、導電層１７の一部が設けられている。図７及び図８に示すように、曲線状電極１２が分断された部分に導電層１７の一部が設けられている。導電層１７の、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の部分は、曲線状電極１２が分断された部分にある導電層１７の一部を通じて、連結されている。即ち、導電層１７は連続している。また、導電層１７は、収集電極１３に接触している。放射線検出素子１のその他の構成は、実施形態１と同様である。また、放射線検出素子１を備えた放射線検出器２及び放射線検出装置の構成は、実施形態１と同様である。
導電層１７の、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間にある部分には、曲線状電極１２によって電界が発生する。即ち、本実施形態においても、導電層１７内には、複数の曲線状電極１２によって、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。また、収集電極１３は導電層１７よりも電位が高い。本実施形態においても、導電層１７又はＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面の中に発生する空乏化された領域は、導電層１７が無い場合に比べて、小さい。このため、導電層１７が存在することによって、リーク電流の発生が抑制され、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制される。
界面及び界面近傍で発生した、放射線に由来しない電荷の内、電子は、導電層１７に留まり易く、Ｓｉ層１１へは流れ難い。放射線に由来しない電子の内で空乏化された領域で発生した電子は、電界によって導電層１７を流れ、電位の違いによって収集電極１３に収集される。信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間の位置で発生した電子は、複数の曲線状電極１２の間にある導電層１７の一部と、曲線状電極１２が分断された部分にある導電層１７の一部とを通り、収集電極１３に収集される。また、信号出力電極１４からの距離が異なるいずれの部分で発生した電子でも、曲線状電極１２が分断された部分にある導電層１７の一部を通り、収集電極１３に収集される。導電層１７を通って流れた電子は、収集電極１３に収集され、信号出力電極１４へは流入し難い。
このように、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制される。即ち、信号出力電極１４が出力する信号に含まれるノイズが低減される。従って、放射線検出素子１が発生するノイズが低減され、放射線検出器２及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる。
（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係る放射線検出素子１の模式的な平面図である。図１１は、図１０中のＸＩ−ＸＩ線で放射線検出素子１を切断した模式的な断面図である。ＸＩ−ＸＩ線と直交する面で実施形態３に係る放射線検出素子１を切断した断面構造は、図９に示す断面構造と同様である。図１０には、平面視での導電層１７の位置が破線で示されている。内側から二番目の曲線状電極１２が二か所で分断されており、曲線状電極１２が分断された夫々の位置に収集電極１３が設けられている。
本実施形態では、放射線検出素子１には、信号出力電極１４からの距離が異なる複数のリング状の導電層１７が設けられている。導電層１７は、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間の位置、及び信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から曲線状電極１２までの距離よりも長くなる位置に設けられている。複数の導電層１７は互いに離隔している。Ｓｉ層１１に対する深さ方向に導電層１７が設けられている深さは、曲線状電極１２が設けられている深さ以下となっている。即ち、Ｓｉ層１１に対する深さ方向に、絶縁膜１５との界面からの導電層１７の長さは、絶縁膜１５との界面からの曲線状電極１２の長さ以下となっている。曲線状電極１２は、Ｓｉ層１１に接している。曲線状電極１２は、リングの一部が分断された形状になっている。曲線状電極１２が分断された部分には、導電層１７の一部がより信号出力電極１４に近い位置にある他の導電層１７へ向けて伸びた延伸部分１７１が設けられている。延伸部分１７１は、より信号出力電極１４に近い位置にある他の導電層１７とは離隔している。収集電極１３に最も近い導電層１７は、収集電極１３から離隔している。即ち、導電層１７は、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離よりも長くなる位置にある。放射線検出素子１のその他の構成は、実施形態１と同様である。また、放射線検出素子１を備えた放射線検出器２及び放射線検出装置の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においては、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間にある導電層１７には、曲線状電極１２によって電界が発生する。複数の曲線状電極１２により形成される電界によって、複数の導電層１７は、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる。また、収集電極１３は導電層１７よりも電位が高い。本実施形態においても、導電層１７又はＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面の中に発生する空乏化された領域は小さい。このため、リーク電流の発生が抑制され、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制される。
界面及び界面近傍で発生した、放射線に由来しない電子は、導電層１７に留まり易く、Ｓｉ層１１へは流れ難い。放射線に由来しない電子の内で空乏化された領域で発生した電子は、導電層１７を流れる。電子は、導電層１７を通り、延伸部分１７１を通り、電位の違いに応じて、より信号出力電極１４に近い位置にある他の導電層１７へ移動する。電子は、電位の違いに応じて、複数の導電層１７の間を移動し、収集電極１３に最も近い導電層１７から収集電極１３へ移動し、収集電極１３に収集される。また、導電層１７の延伸部分１７１と他の導電層１７との間の位置でＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面及び界面近傍で発生した、放射線に由来しない電子は、電位の違いに応じて導電層１７へ移動し、収集電極１３に収集される。また、本実施形態においても、放射線検出素子１の複数の位置で発生した、放射線に由来しない電子が、収集電極１３に収集される。導電層１７にある電子は、収集電極１３に収集されやすいので、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離よりも短くなる位置まで移動し難く、信号出力電極１４へは流入し難い。
このように、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制される。即ち、信号出力電極１４が出力する信号に含まれるノイズが低減される。従って、放射線検出素子１が発生するノイズが低減され、放射線検出器２及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる。なお、収集電極１３に最も近い導電層１７が収集電極１３に接触していてもよい。また、放射線検出素子１は、導電層１７が連続しており、収集電極１３から導電層１７が離隔している形態であってもよい。
（実施形態４）
図１２は、実施形態４に係る放射線検出素子１の模式的な平面図である。図１２には、平面視での導電層１７の位置が破線で示されている。本実施形態では、放射線検出素子１は、放射状に設けられた複数の導電層１７を有する。曲線状電極１２は、リングの一部が複数の部分で分断された形状になっている。夫々の導電層１７は、曲線状電極１２が分断された部分に設けられている。収集電極１３は、内側から二番目の曲線状電極１２が分断された位置に設けられている。夫々の導電層１７は、収集電極１３に接触し、収集電極１３から、信号出力電極１４からの距離が長くなる向きに、延伸している。図１２には、放射線検出素子１が四つの収集電極１３を有し、各収集電極１３に接触した導電層１７が延伸した例を示している。収集電極１３の数は四個以外の数であってもよい。Ｓｉ層１１に対する深さ方向に、絶縁膜１５との界面からの導電層１７の長さは、絶縁膜１５との界面からの曲線状電極１２の長さ以下となっている。放射線検出素子１のその他の構成は、実施形態１と同様である。また、放射線検出素子１を備えた放射線検出器２及び放射線検出装置の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、導電層１７内には、複数の曲線状電極１２によって、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。導電層１７と絶縁膜１５との界面、Ｓｉ層１１と絶縁膜１５との界面、及びこれらの界面近傍で発生した、放射線に由来しない電荷の内、空乏化された領域で発生した電子は、導電層１７を流れ、収集電極１３に収集される。このため、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制される。即ち、信号出力電極１４が出力する信号に含まれるノイズが低減される。従って、放射線検出素子１が発生するノイズが低減され、放射線検出器２及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる。
（実施形態５）
図１３は、実施形態５に係る放射線検出素子１の模式的な平面図である。図１３には、平面視での導電層１７の位置が破線で示されている。曲線状電極１２は、リングの一部が複数の部分で分断された形状になっている。本実施形態では、放射線検出素子１が複数の収集電極１３を有し、各収集電極１３に接触した導電層１７が、曲線状電極１２が分断された部分を通って、信号出力電極１４からの距離が長くなる向きに延伸して設けられている。収集電極１３は、内側から二番目の曲線状電極１２が分断された位置に設けられている。更に、各導電層１７は、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間の位置、及び信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から曲線状電極１２までの距離よりも長くなる位置に、延伸して設けられている。図１３には、放射線検出素子１が四つの収集電極１３を有した例を示しているが、収集電極１３の数は四個以外の数であってもよい。Ｓｉ層１１に対する深さ方向に、絶縁膜１５との界面からの導電層１７の長さは、絶縁膜１５との界面からの曲線状電極１２の長さ以下となっている。放射線検出素子１のその他の構成は、実施形態１と同様である。また、放射線検出素子１を備えた放射線検出器２及び放射線検出装置の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、導電層１７内には、複数の曲線状電極１２によって、信号出力電極１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。本実施形態においても、導電層１７又はＳｉ層１１と絶縁膜１５との界面の中に発生する空乏化された領域は小さい。このため、リーク電流の発生が抑制され、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制される。また、界面及び界面近傍で発生した、放射線に由来しない電子は、導電層１７に留まり易く、Ｓｉ層１１へは流れ難い。放射線に由来しない電子の内で空乏化された領域で発生した電子は、導電層１７を流れ、収集電極１３に収集される。また、信号出力電極１４からの距離が異なる複数の曲線状電極１２の間の位置、及び信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から曲線状電極１２までの距離よりも長くなる位置で発生した、放射線に由来しない電子が、収集電極１３に収集される。放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、放射線の入射とは無関係の信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制される。即ち、信号出力電極１４が出力する信号に含まれるノイズが低減される。従って、放射線検出素子１が発生するノイズが低減され、放射線検出器２及び放射線検出装置は、高精度に放射線検出を行うことができる。
なお、以上の実施形態１〜５では、半導体部（Ｓｉ層１１）がｎ型半導体でなり曲線状電極１２がｐ型半導体でなる例を示したが、放射線検出素子１は、半導体部がｐ型半導体でなり曲線状電極１２がｎ型半導体でなる形態であってもよい。また、実施形態１〜５では、放射線により発生した電子が信号出力電極１４へ集中して流入する形態を主に示したが、放射線検出素子１は、放射線により発生した正孔が信号出力電極１４へ集中して流入する形態であってもよい。この形態では、電圧印加部３１は、信号出力電極１４に遠い曲線状電極１２から信号出力電極１４に近い曲線状電極１２へ向けて順々に電位が単調に減少し、裏側電極１６の電位が最も内側の曲線状電極１２と最も外側の曲線状電極１２との間の電位になるように電圧を印加する。収集電極１３は、信号出力電極１４からの距離が信号出力電極１４から収集電極１３までの距離よりも長くなる位置にある曲線状電極１２よりも低い電位に接続される。絶縁膜１５とＳｉ層１１又は導電層１７との界面で発生した正孔は、導電層１７を通り、収集電極１３に収集される。
また、曲線状電極１２は、実施形態１〜５で示した形状以外の形状を有していてもよい。例えば、曲線状電極１２の形状は弧状であってもよい。また、放射線検出装置は、照射部３３を備えておらず、外部から入射した放射線を検出する形態であってもよい。
今回開示された実施形態は全ての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
１ 放射線検出素子
１１ Ｓｉ層（半導体部）
１２ 曲線状電極（電位勾配生成電極）
１３ 収集電極
１４ 信号出力電極
１５ 絶縁膜
１７ 導電層
１７１ 延伸部分
２ 放射線検出器
２１ 前置増幅器
２２ 回路基板
２４ ベースプレート
３１ 電圧印加部
３２ 主増幅器（出力部）
３３ 照射部
４１ 信号処理部（スペクトル生成部）
４４ 表示部

Claims (7)

  1. 放射線の入射により電荷を生じる半導体部を備え、前記電荷に起因する信号を出力する信号出力電極と、前記半導体部内に前記信号出力電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように電圧が印加されるための電位勾配生成電極と、放射線に由来しない電荷を収集するための収集電極とが前記半導体部に設けられている放射線検出素子において、
    前記半導体部の前記信号出力電極が設けられている側にある絶縁膜と、
    該絶縁膜及び前記半導体部の一部の間にあり、電気抵抗が前記半導体部よりも低く前記収集電極よりも高い導電層とを備え、
    該導電層は、前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記収集電極までの距離以上に長くなる位置にあること
    を特徴とする放射線検出素子。
  2. 前記信号出力電極からの距離が異なる複数の電位勾配生成電極を更に備え、
    前記導電層は、前記複数の電位勾配生成電極の間の位置に設けられていること
    を特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  3. 前記信号出力電極からの距離が異なる複数の導電層を更に備えること
    を特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出素子。
  4. 前記電位勾配生成電極は、リングの一部が分断された形状になっており、
    前記複数の導電層は、前記電位勾配生成電極が分断された部分を介して互いの間を電荷が移動するようになっていること
    を特徴とする請求項３に記載の放射線検出素子。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の放射線検出素子と、
    該放射線検出素子が実装された回路基板と、
    前記放射線検出素子及び前記回路基板を保持するベースプレートと
    を備えることを特徴とする放射線検出器。
  6. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の放射線検出素子と、
    該放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する出力部と、
    該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と
    を備えることを特徴とする放射線検出装置。
  7. 放射線を照射された試料から発生する放射線を検出する放射線検出装置において、
    試料へ放射線を照射する照射部と、
    前記試料から発生した放射線を検出する請求項１乃至４のいずれか一つに記載の放射線検出素子と、
    該放射線検出素子が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する出力部と、
    該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と、
    該スペクトル生成部が生成したスペクトルを表示する表示部と
    を備えることを特徴とする放射線検出装置。
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