JP2591533B2 - Radiation detecting element and method of manufacturing the same - Google Patents

Radiation detecting element and method of manufacturing the same

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JP2591533B2
JP2591533B2 JP2418980A JP41898090A JP2591533B2 JP 2591533 B2 JP2591533 B2 JP 2591533B2 JP 2418980 A JP2418980 A JP 2418980A JP 41898090 A JP41898090 A JP 41898090A JP 2591533 B2 JP2591533 B2 JP 2591533B2
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radiation
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貴浩 今井
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、加速器による高エネル
ギー物理実験などに用いられ、α線、β線、γ線、X
線、中性子線等を検出する放射線検出素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used for high-energy physics experiments using accelerators, and is used for α-ray, β-ray, γ-ray, X-ray
The present invention relates to a radiation detecting element that detects a beam, a neutron beam, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】放射線検出器として、ガス・ドリフト・
チャンバー等の大きな容積を必要とするものに代わっ
て、Si等の半導体を用いた半導体検出器が多く使われ
るようになっている。これはSiのpn接合に逆電圧を
印加しておき、放射線が接合部に入射すると、電子正孔
対が生じ電流が流れるようにしたものである。放射線の
エネルギーと検出電流の線形性が良い。
2. Description of the Related Art As a radiation detector, a gas drift detector is used.
Semiconductor detectors using semiconductors such as Si have been increasingly used instead of chambers and other devices requiring a large volume. In this method, a reverse voltage is applied to a Si pn junction, and when radiation is incident on the junction, an electron-hole pair is generated and a current flows. Good linearity of radiation energy and detection current.

【0003】しかしシリコンやゲルマニウムを検出部に
用いているために、キャリヤの飽和移動度が小さく(シ
リコンの飽和電子移動度1×107 cm/sec放射線
検出素子としての応答速度が遅い。シリコンは高純度の
真性の物でも抵抗率が105 Ω・cm程度であり、ゲル
マニウムは更に低い。真性領域のSi、Ge半導体に電
極を付け、このまま電流を印加すると暗電流が大きすぎ
る。そこで光を検出する素子と同じようにpn接合を作
って逆バイアスになるように電圧を印加するが、この方
法では数十μmの空乏層でしか放射線を検出できないの
で、放射線の衝突断面積から考えて検出感度が十分でな
いことが多い。
However, since silicon or germanium is used in the detection unit, the carrier has a low saturation mobility (the saturation electron mobility of silicon is 1 × 10 7 cm / sec, and the response speed as a radiation detecting element is slow. Even a high-purity intrinsic substance has a resistivity of about 10 5 Ω · cm, and germanium is even lower.If an electrode is attached to the Si or Ge semiconductor in the intrinsic region and a current is applied as it is, a dark current is too large. As in the case of the element to be detected, a voltage is applied so that a pn junction is created and a reverse bias is applied. However, this method can detect radiation only in the depletion layer of several tens of μm. The sensitivity is often not sufficient.

【0004】単結晶のダイヤモンドを放射線検出素子の
検出部の半導体に用いると、応答速度が速く、高感度の
ものができることは既に知られている(特開昭62−1
98780、EP52397)。単結晶ダイヤモンドの
中のキャリヤの飽和移動度が極めて大きいからである
(2.5×107 cm/sec)。ダイヤモンドを検出
素子とする場合は、pn接合に逆バイアス電圧を印加す
るのではなく真性領域を検出部に使いこれに電圧を印加
するだけである。その一つの理由は真性領域のダイヤモ
ンドの比抵抗は十分に高く暗電流を小さくできるからで
ある。もう一つの理由は、ダイヤモンドの場合pn接合
が作り難いということもある。しかし放射線の検出とい
う場合は素子の厚み全体で検出できる方が良い。pn接
合の近傍だけでしか検出できないというのではどうして
も感度が低くなる。素子面に垂直に放射線が通過する場
合、Siの場合はpn接合の空乏層でのみ電子正孔対が
発生する。しかしダイヤモンドのようにpn接合によら
ないものは放射線が通った厚みの全体で電子正孔対が発
生する。だからこのような方式の検出器の方が感度が高
い。しかしこれは欠陥の少ない単結晶ダイヤモンドでな
ければならない。そのようなものは容易に入手できない
し製作することも難しい。
It is already known that when single-crystal diamond is used for the semiconductor in the detecting portion of the radiation detecting element, a device having a high response speed and high sensitivity can be obtained (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-1).
98780, EP52397). This is because the carrier has a very high saturation mobility in single crystal diamond (2.5 × 10 7 cm / sec). When diamond is used as the detection element, a reverse bias voltage is not applied to the pn junction, but an intrinsic region is used for the detection unit, and only a voltage is applied thereto. One of the reasons is that the resistivity of diamond in the intrinsic region is sufficiently high to reduce dark current. Another reason is that it is difficult to form a pn junction in the case of diamond. However, in the case of detecting radiation, it is better to detect radiation over the entire thickness of the element. If the detection can be performed only in the vicinity of the pn junction, the sensitivity will inevitably decrease. When radiation passes perpendicular to the element surface, in the case of Si, electron-hole pairs are generated only in the depletion layer of the pn junction. However, in the case of not using a pn junction like diamond, electron-hole pairs are generated in the entire thickness through which radiation passes. Therefore, such a detector has higher sensitivity. However, it must be a single crystal diamond with few defects. Such are not readily available and difficult to manufacture.

【0005】近年になって気相から安価に膜状の多結晶
ダイヤモンドを合成する方法が開発された。この方法を
用いて多結晶ダイヤモンドを利用した放射線検出素子の
製作が試みられたが良い結果を見なかった。多結晶ダイ
ヤモンドは放射線に対する感度が極めて低かったからで
ある。
In recent years, a method for inexpensively synthesizing film-like polycrystalline diamond from the gas phase has been developed. An attempt was made to manufacture a radiation detecting element using polycrystalline diamond using this method, but no good results were found. This is because polycrystalline diamond has extremely low sensitivity to radiation.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】多結晶ダイヤモンド
が、放射線に対する感度が低い原因は、結晶粒間に存在
する粒界が放射線によって発生する電気的なキャリアの
移動の障害となるからである。結晶粒界を通過するたび
に大きく減速されるので実効的なキャリヤ移動度が小さ
くなり、Si検出器以上の性能が得られない。応答速度
が速く、感度が良くしかも安価な多結晶ダイヤモンドを
用いた放射線検出素子を提供することが本発明の目的で
ある。
The reason why polycrystalline diamond has low sensitivity to radiation is that grain boundaries existing between crystal grains hinder the movement of electrical carriers generated by radiation. Since the speed is greatly reduced every time the light passes through the crystal grain boundary, the effective carrier mobility is reduced, and the performance higher than that of the Si detector cannot be obtained. It is an object of the present invention to provide a radiation detecting element using polycrystalline diamond which has a high response speed, a high sensitivity, and is inexpensive.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】発明者等は、気相合成法
によって適当な粒径をもって、粒界が柱状になるよう成
長させた多結晶ダイヤモンド膜の両面に電極を設け、ダ
イヤモンドの粒界を横切らない方向に電圧を印加して、
放射線検出感度を測定したところ実用的な感度を持つ放
射線検出素子を得た。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention provided electrodes on both sides of a polycrystalline diamond film grown by a vapor phase synthesis method so that the grain boundaries became columnar, and the diamond grain boundaries were formed. Voltage in a direction that does not cross
When the radiation detection sensitivity was measured, a radiation detection element having practical sensitivity was obtained.

【0008】本発明で用いる多結晶ダイヤモンドは結晶
内のダイヤモンドの粒径が大きく、ダイヤモンド粒が成
長方向に柱状に成長しており、或る場合は柱の長手方向
には粒界が無いようにしてある。あるいは電極の近傍で
不純物をドープした導電層を形成し電極近傍では粒界が
あってもキャリヤが減速されないようにしてある。導電
層には殆ど電界が存在しないので放射線によってキャリ
ヤが発生しても再結合して信号とはならないが、高抵抗
層から導電層に到達したキャリヤは電流として導電層を
通過することができるので、キャリヤを失活させたり減
速させたりせずに信号を取り出す作用がある。
In the polycrystalline diamond used in the present invention, the diamond grains in the crystal have a large grain size, and the diamond grains grow in columns in the growth direction. In some cases, there is no grain boundary in the longitudinal direction of the columns. It is. Alternatively, a conductive layer doped with impurities is formed in the vicinity of the electrode so that the carrier is not decelerated in the vicinity of the electrode even if there is a grain boundary. Since there is almost no electric field in the conductive layer, even if carriers are generated by radiation, they are recombined and do not become a signal, but carriers reaching the conductive layer from the high-resistance layer can pass through the conductive layer as current. It has the effect of extracting a signal without deactivating or decelerating the carrier.

【0009】このような柱状に成長し柱方向に粒界を持
たない多結晶ダイヤモンドの成長方向の対向2面に電極
を付ける。そうすると電流が結晶粒界を横切ることなく
電極から電極へと流れることができる。このためキャリ
ヤの移動度が高くなる。これによってこれまで多結晶ダ
イヤモンドでは得られなかった高感度の放射線検出素子
を作製できるようになったものである。
Electrodes are attached to the two opposing surfaces in the growth direction of such polycrystalline diamond grown in a columnar shape and having no grain boundaries in the column direction. This allows current to flow from electrode to electrode without crossing the grain boundaries. Therefore, the mobility of the carrier increases. This makes it possible to manufacture a high-sensitivity radiation detection element that has not been obtained with polycrystalline diamond.

【0010】検出素子に用いる半導体ダイヤモンド層の
厚さは放射線に対する衝突断面積から考えて、少なくと
も10μm以上がよく、より好ましくは100μm以上
がよい。最も良いのは200〜300μmである。経済
性から1mm以下であることが望ましい。ここで電流の
流れる方向つまり成長方向を縦方向、これに直角な方向
を横方向ということにする。
The thickness of the semiconductor diamond layer used for the detecting element is preferably at least 10 μm, more preferably at least 100 μm, in consideration of the cross-sectional area of collision with radiation. The best is 200-300 μm. It is desirable to be 1 mm or less from the viewpoint of economy. Here, the direction in which the current flows, that is, the growth direction, is referred to as the vertical direction, and the direction perpendicular thereto is referred to as the horizontal direction.

【0011】多結晶ダイヤモンド内のダイヤモンド粒子
の横方向の粒径が小さすぎると、電流の流れを遮る方向
(縦方向)に粒界がなくても、キャリヤが斜めに粒界に
衝突する可能性が高くなり検出感度に悪影響を及ぼすの
で、横方向についても、粒径は大きく、粒界は少ない方
がよい。本発明の多結晶ダイヤモンド内の最小の横方向
粒径が1μm以上であることが好ましい。好適な横方向
粒径の範囲は5〜50μmである。最適値は20μmで
ある。
If the grain size of the diamond particles in the polycrystalline diamond in the horizontal direction is too small, the carrier may obliquely collide with the grain boundaries even if there are no grain boundaries in the direction (vertical direction) in which the current flows. Therefore, it is better that the particle size is large and the number of grain boundaries is small in the horizontal direction. Preferably, the minimum lateral grain size in the polycrystalline diamond of the present invention is at least 1 μm. A preferred transverse particle size range is 5 to 50 μm. The optimum value is 20 μm.

【0012】気相合成法によるダイヤモンドの成長の初
期の層は結晶粒径が小さいことが多い。又ダイヤモンド
の成長時の基板との界面や、成長表面は欠陥や凹凸が多
く残っているため、キャリヤの移動度が下がり結果とし
て感度を低下させる惧れがある。これを克服するために
本発明者はふたつの解決法を案出した。
The initial layer of diamond grown by the vapor phase synthesis method often has a small crystal grain size. In addition, since many defects and irregularities remain on the interface between the diamond and the substrate during the growth of the diamond and on the growth surface, the mobility of the carrier may decrease, and as a result, the sensitivity may decrease. To overcome this, the inventor has devised two solutions.

【0013】これを防ぐ一つの方法は、気相合成で得ら
れたダイヤモンド膜の小粒界が多数ある片面近傍或は両
面近傍を、平滑になるように研磨し小粒界を除くことで
ある。この結果残った部分が縦方向に粒界が存在しなく
なり、高感度を得る上で有効である。成長時の基板との
界面は5μm以上削り落とす事が好ましい。研磨した面
の平滑度は0.2μm以下であることが望ましい。
One method for preventing this is to remove the small grain boundaries by polishing the vicinity of one side or both sides of the diamond film obtained by the vapor phase synthesis, which has many small grain boundaries, so as to be smooth. As a result, the remaining portion has no grain boundary in the vertical direction, and is effective in obtaining high sensitivity. It is preferable that the interface with the substrate at the time of growth be cut off by 5 μm or more. The smoothness of the polished surface is desirably 0.2 μm or less.

【0014】ダイヤモンド層の基板との界面や成長表面
でのキャリヤの失活を防ぐもう一つの方法は、ダイヤモ
ンド層の基板界面や成長表面に近い粒界、欠陥の多い部
分に、気相合成時に充分な量の不純物をドーピングして
高い導電率を有するダイヤモンド導電層とし、感度や応
答速度にかかわるダイヤモンド半導体層内のキャリヤの
発生・移動と分離することである。この部分のダイヤモ
ンド層は粒界があってもよい。この部分では粒界を横切
ってキャリヤが流れる。但しキャリヤ密度が高いので放
射線によってキャリヤが生じてもすぐに再結合してしま
うので検出電流に寄与しない。しかしここでの粒界での
信号の損失を防ぐことができるので間接的には感度向上
に寄与するのである。
Another method for preventing carrier deactivation at the interface between the diamond layer and the substrate or at the growth surface is to add a diamond boundary near the substrate interface or the growth surface to a grain boundary or a portion having many defects during the vapor phase synthesis. The purpose is to dope a sufficient amount of impurities to form a diamond conductive layer having a high conductivity, and to separate the generation and movement of carriers in the diamond semiconductor layer related to sensitivity and response speed. The diamond layer in this portion may have a grain boundary. In this area, carriers flow across the grain boundaries. However, since the carrier density is high, even if carriers are generated by radiation, they are immediately recombined, and do not contribute to the detection current. However, loss of signals at the grain boundaries can be prevented, which indirectly contributes to improvement in sensitivity.

【0015】ダイヤモンドに導電性を付与するために、
ドーピングる不純物元素としてはホウ素、アルミニウ
ム、リチウム、リン、イオウ、セレンなどが考えられる
が、ホウ素が最も少量の添加で効果的に電気抵抗率を低
下させることができ、ダイヤモンドの結晶性を劣化させ
ることもないので好ましい。ダイヤモンド層端部の移動
度低下を抑制するためにダイヤモンド導電層の厚さは5
μm以上であることが好ましい。しかし導電層が厚いと
放射線を感じる部分が薄くなるから導電層が余り厚くて
もいけない。このように成長層の両面で多数の結晶粒界
が存在するという問題を二つの方法で解決できるがこれ
らは勿論単独でも用いることができるし、両者を併用し
ても良い。つまり成長層の端部に導電層を設けた場合は
研磨せずにそのまま電極を付けても良いし、研磨してか
ら電極を付けても良い。
In order to impart conductivity to diamond,
Boron, aluminum, lithium, phosphorus, sulfur, selenium, etc. are conceivable as impurity elements to be doped, but boron can effectively reduce the electric resistivity with the smallest addition and degrade the crystallinity of diamond This is preferable because it does not occur. The thickness of the diamond conductive layer should be 5 in order to suppress a decrease in mobility at the edge of the diamond layer.
It is preferably at least μm. However, if the conductive layer is thick, the part that receives radiation becomes thin, so that the conductive layer should not be too thick. As described above, the problem that a large number of crystal grain boundaries exist on both surfaces of the growth layer can be solved by two methods. However, these methods can be used alone or in combination. That is, when the conductive layer is provided at the end of the growth layer, the electrode may be attached without polishing or the electrode may be attached after polishing.

【0016】放射線検出素子に用いられる半導体層は、
微小信号の検出を行うために暗電流が少なくなければな
らず、電気抵抗率は高い方がよい。だからダイヤモンド
の真性領域を使う。しかし半導体層内に電荷がチャージ
するほど高くてはよくない。これは電気抵抗率の中身を
考えれば区別できる。電気抵抗率はキャリヤの密度と移
動度の積の逆数である。移動度は高くキャリヤ密度は小
さくということが要求される条件である。検出部のダイ
ヤモンド半導体層の電気抵抗率は107 Ω・cm以上で
あることが好ましい。より好ましい電気抵抗率の範囲は
109 〜1012Ω・cmである。勿論ダイヤモンド層の
端面近傍に導電層ダイヤモンドを成長させる場合、導電
層の電気抵抗率は低く、10-22 Ω・cmが望ましい
抵抗率の範囲である。
The semiconductor layer used for the radiation detecting element is
In order to detect a small signal, the dark current must be small, and the higher the electrical resistivity, the better. So use the intrinsic region of the diamond. However, it may not be high enough to charge the semiconductor layer. This can be distinguished by considering the contents of the electrical resistivity. Electrical resistivity is the reciprocal of the product of carrier density and mobility. This is a condition that requires high mobility and low carrier density. It is preferable that the electrical resistivity of the diamond semiconductor layer of the detecting portion is 10 7 Ω · cm or more. A more preferable range of the electric resistivity is 10 9 to 10 12 Ω · cm. Of course, when the conductive layer diamond is grown near the end face of the diamond layer, the electric resistivity of the conductive layer is low, and the preferable resistivity is 10 −2 to 2 Ω · cm.

【0017】本発明の素子において検出部のダイヤモン
ドは、気相合成時に少量の不純物をドーピングすること
によってダイヤモンド層の抵抗率を制御することができ
る。少量のBを添加することによって抵抗値は下がり、
Nは添加することによって抵抗値は上がる。これはキャ
リヤの数を制御しているのであって移動度を変化させて
いるのではない。
In the device of the present invention, the resistivity of the diamond layer can be controlled by doping a small amount of impurities into the diamond of the detecting portion during vapor phase synthesis. By adding a small amount of B, the resistance value decreases,
The resistance value is increased by adding N. This controls the number of carriers and does not change the mobility.

【0018】[0018]

【作用】この発明に利用するダイヤモンドの気相合成法
は、プラズマCVD法、熱電子放射材を加熱する熱CV
D法、燃焼炎法、イオンビーム法、レーザCVD法など
のダイヤモンドの気相合成法のうちいずれをも用いる事
ができる。基板としては、ダイヤモンドの合成に必要な
温度に耐える材料ならばよいが、Si、Mo、SiCな
どの耐熱材料が最も好ましい。炭素原料としては、炭化
水素やアルコール、ケトン等炭素を含有するガス状の物
質ならよく、水素または不活性ガスで希釈して用いる。
ダイヤモンドの結晶性を向上させるために、酸素含有ガ
スを添加することも可能である。
The diamond gas phase synthesis method used in the present invention is a plasma CVD method or a thermal CV heating a thermionic emission material.
Any of the diamond gas phase synthesis methods such as the D method, the combustion flame method, the ion beam method, and the laser CVD method can be used. The substrate may be any material that can withstand the temperature required for the synthesis of diamond, but is most preferably a heat-resistant material such as Si, Mo, or SiC. The carbon raw material may be any gaseous substance containing carbon such as hydrocarbons, alcohols and ketones, and is used after being diluted with hydrogen or an inert gas.
An oxygen-containing gas can be added to improve the crystallinity of diamond.

【0019】成長端面を研磨する方法による本発明のダ
イヤモンド検出器の製造方法を説明する。図1は基板1
を示す。これはさきに述べたように、Si、Mo、Si
Cなどである。この上に先程述べた方法によりダイヤモ
ンド多結晶を成長させる。最初は微小な粒界を持ちやす
く小さな粒径の多結晶が成長して行くが徐々に成長方向
には粒界の無い柱状の結晶が成長してゆく。それゆえ必
要な厚さよりも厚く成るようにダイヤモンド膜2を成長
させる。これが図2に示すものである。この後、基板1
を除去する。図3はこれを示している。最初の部分は柱
状でない多結晶が多いし最後の部分には多様な欠陥や凹
凸が多く残っているので、ダイヤモンド層の両面を研磨
する。最初成長側を研磨し次いで基板に付着していた面
を研磨する。これを図4に示す。先に述べたようにこれ
によって縦方向に粒界が残らないように研磨しなければ
ならないので、基板と接触していた方の面は5μm以上
削り落とさなければ成らない。また研磨後の平滑度は、
0.2μm以下であるようにする。この後ダイヤモンド
層2の両面に電極3、4を形成する。これは例えば、T
i、Ni等である。これを図5に示す。柱状多結晶の長
手方向に電極が直交している。このため電流は多結晶の
粒界を横切ることなく電極から電極へと流れることがで
きる。キャリヤ移動度が高いので応答速度が速い。
A method for manufacturing the diamond detector of the present invention by polishing the growth end face will be described. FIG. 1 shows a substrate 1
Is shown. This is, as mentioned earlier, Si, Mo, Si
C and the like. On this, a polycrystalline diamond is grown by the method described above. Initially, polycrystals having a small grain size tend to have fine grain boundaries and grow, but columnar crystals without grain boundaries grow gradually in the growth direction. Therefore, the diamond film 2 is grown so as to be thicker than necessary. This is shown in FIG. After this, the substrate 1
Is removed. FIG. 3 illustrates this. Since the first portion contains many non-columnar polycrystals and the last portion has many defects and irregularities, both surfaces of the diamond layer are polished. The growth side is polished first, and then the surface adhering to the substrate is polished. This is shown in FIG. As described above, this must be polished so that no grain boundaries remain in the vertical direction. Therefore, the surface in contact with the substrate must be ground off by 5 μm or more. The smoothness after polishing is
The thickness should be 0.2 μm or less. Thereafter, electrodes 3 and 4 are formed on both surfaces of the diamond layer 2. This is, for example, T
i, Ni, etc. This is shown in FIG. The electrodes are orthogonal to the longitudinal direction of the columnar polycrystal. Thus, current can flow from electrode to electrode without crossing the polycrystalline grain boundaries. High response speed due to high carrier mobility.

【0020】図1〜図5に示すように自然に基板から柱
状の多結晶を成長させることのほかに、より積極的に柱
状多結晶を成長させることができる。図6のように基板
状に微小な多結晶粒を成長させた段階で、一旦成長を中
止し、(100)に配向していない結晶粒を選択的に除
去する。そして(100)に配向した結晶粒のみを残
す。この時X線回折などの方法で(100)に配向した
粒子が残っていることを確認することができる。これが
図7に示す状態である。この後再びダイヤモンドの結晶
成長を開始すると、(100)面が基板面に平行な結晶
粒だけが成長する。これは方位が同じであるので、結晶
粒が大きくなり易く、成長方向に粒界を持たないように
なる。こうして成長させても良い。この後の工程は同じ
である。図3のように両面研磨し、電極を付けるのであ
る。
As shown in FIGS. 1 to 5, a columnar polycrystal can be more actively grown in addition to growing a columnar polycrystal from a substrate naturally. As shown in FIG. 6, at the stage when small polycrystalline grains are grown on the substrate, the growth is temporarily stopped, and the crystal grains not oriented in (100) are selectively removed. Then, only the crystal grains oriented in (100) are left. At this time, it can be confirmed that particles oriented to (100) remain by a method such as X-ray diffraction. This is the state shown in FIG. Thereafter, when the crystal growth of diamond is started again, only crystal grains whose (100) plane is parallel to the substrate surface grow. Since the crystal orientation is the same, the crystal grains are likely to be large and have no grain boundaries in the growth direction. It may be grown in this way. Subsequent steps are the same. As shown in FIG. 3, both sides are polished and electrodes are attached.

【0021】ダイヤモンド成長層の両面に導電層を設け
る本発明の検出器製造方法を図9〜図14によって説明
する。図9は基板1を示す。図10は基板の上に多結晶
ダイヤモンド導電層7を薄く成長させた物を示す。図1
1は多結晶ダイヤモンド導電層の上に高抵抗率の多結晶
ダイヤモンド半導体層8を成長させたものを示す。図1
2は高抵抗率多結晶ダイヤモンド半導体層の上にさらに
多結晶ダイヤモンド導電層9を成長させたものを示す。
中間のダイヤモンド半導体層8は多結晶であるが縦方向
に粒界が存在しない。両面の導電層は微小な粒界がある
かもしれないがそれは差し支えない。次に酸などで処理
し基板1を除去する。これが図13に示す状態である。
両面を研磨しても良いが、研磨しなくても良い。この例
では研磨していない。次にこれの両面に電極を蒸着す
る。図14に示す。
The method of manufacturing a detector according to the present invention in which conductive layers are provided on both surfaces of a diamond growth layer will be described with reference to FIGS. FIG. 9 shows the substrate 1. FIG. 10 shows a thin polycrystalline diamond conductive layer 7 grown on a substrate. FIG.
Reference numeral 1 denotes a polycrystalline diamond semiconductor layer 8 having a high resistivity grown on a polycrystalline diamond conductive layer. FIG.
Reference numeral 2 denotes a polycrystalline diamond conductive layer 9 further grown on the high resistivity polycrystalline diamond semiconductor layer.
The intermediate diamond semiconductor layer 8 is polycrystalline, but has no grain boundaries in the vertical direction. The conductive layers on both sides may have fine grain boundaries, but that is not a problem. Next, the substrate 1 is removed by treatment with an acid or the like. This is the state shown in FIG.
Both sides may be polished, but need not be polished. In this example, it is not polished. Next, electrodes are deposited on both sides of the electrode. As shown in FIG.

【0022】放射線検出素子としては通常のとおりの使
い方をする。電極間に適当な電圧を印加しておく。ダイ
ヤモンド層に放射線が入射すると放射線によって電子正
孔対が励起され放射線のエネルギーに比例した電流が電
極間に流れる。これによって放射線の存在とエネルギー
とを検出することができる。ダイヤモンドは極めて高い
耐電圧性を有するので、応答速度を向上させるために
も、高電圧を印加して使用するのが良い。ダイヤモンド
の厚さに対して2000V/cm以上の電解を印加する
のが好ましい。本発明の検出器が検出できる放射線は、
α線、γ線、X線、β線、中性子線のいずれかひとつ以
上を含むものである。
The radiation detector is used as usual. Appropriate voltage is applied between the electrodes. When radiation is incident on the diamond layer, electron-hole pairs are excited by the radiation, and a current proportional to the energy of the radiation flows between the electrodes. Thereby, the presence and energy of the radiation can be detected. Since diamond has extremely high withstand voltage, it is preferable to use a high voltage applied to improve the response speed. It is preferable to apply an electrolysis of 2000 V / cm or more to the thickness of the diamond. Radiation that can be detected by the detector of the present invention is:
It contains any one or more of α rays, γ rays, X rays, β rays, and neutron rays.

【0023】[0023]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕多結晶Siを11×11×1mmのサイズ
に加工して、ダイヤモンド砥粒で成長表面を研磨したも
のを基板として、公知のマイクロ波プラズマCVD法
で、多結晶ダイヤモンドを合成した。顔料として、イソ
プロピルアルコール上記5SCCM、水素500SCC
M、アルゴン100SCCMを供給し、マイクロ波
(2.45GHz)出力700W、ガス圧力70Tor
rで200時間成長を行ったところ平均580μmのダ
イヤモンド膜を得た。
Example 1 Polycrystalline diamond was synthesized by a known microwave plasma CVD method using a substrate obtained by processing polycrystalline Si to a size of 11 × 11 × 1 mm and polishing the growth surface with diamond abrasive grains. . As pigments, isopropyl alcohol 5 SCCM above, hydrogen 500 SCC
M, 100 SCCM of argon supplied, microwave (2.45 GHz) output 700 W, gas pressure 70 Torr
After growing at 200 r for 200 hours, a diamond film having an average of 580 μm was obtained.

【0024】このダイヤモンド膜の断面を研磨して光学
顕微鏡によって粒界を観察したところ、成長面から50
0μm以上にわたって柱状に成長した膜であることがわ
かった。基板を酸で除去し、成長面及び基板との界面を
研磨して最終的に9×9×0.45mmのサイズのダイ
ヤモンド層を得た。ダイヤモンド層の両面の平滑度は
0.1μm以下で、光学顕微鏡で観察したところ、上下
面を貫通する電流を遮る粒界のない柱状の結晶粒界のみ
で構成されていることを確認した。研磨後の平均厚さは
450μm、基板との界面は平均12μm削り落として
おり、表面荒さ(Rmax)は基板界面側、成長表面側
とも0.1μm以下であった。このダイヤモンド膜の両
面に、Ni、Tiを積層して蒸着し、両面に8×8mm
の電極を形成して放射線検出素子とした。この検出素子
の両電極間に300Vの電圧を印加し、約4MeVのエ
ネルギーを持つγ線を照射したところ、平均30μAの
検出電流を得た。γ線を照射しないときの暗電流は0.
01μA以下であった。
When the cross section of the diamond film was polished and the grain boundaries were observed with an optical microscope, it was found that the grain boundary was
It was found that the film was grown in a columnar shape over 0 μm or more. The substrate was removed with an acid and the interface between the growth surface and the substrate was polished to finally obtain a diamond layer having a size of 9 × 9 × 0.45 mm. The smoothness of both sides of the diamond layer was 0.1 μm or less, and observation with an optical microscope confirmed that the diamond layer was composed of only columnar crystal grain boundaries without any grain boundaries that interrupted the current passing through the upper and lower surfaces. The average thickness after polishing was 450 μm, the interface with the substrate was shaved off by an average of 12 μm, and the surface roughness (Rmax) was 0.1 μm or less on both the substrate interface side and the growth surface side. Ni and Ti are laminated and vapor deposited on both sides of the diamond film, and 8 × 8 mm
Were formed as radiation detecting elements. When a voltage of 300 V was applied between both electrodes of the detection element and a gamma ray having an energy of about 4 MeV was irradiated, a detection current of 30 μA on average was obtained. The dark current when not irradiating γ-rays is 0.
01 μA or less.

【0025】 〔実施例2〕実施例1と同様の方法で研磨法、導電層の
種類を変えた放射線検出器を作成した。導電層の成長時
には上記の条件に加えて水素で500ppmに希釈され
たジボランガス(B26 )を5SCCM供給した。電
極形成、感度試験法は1と同じである。つまり電極間に
300Vの電圧を印加し4MeVのγ線を照射したもの
である。検出感度の電流値は暗電流を差し引いた値であ
る。表1に試料の作製条件と検出感度を示す。
Example 2 A radiation detector was prepared in the same manner as in Example 1, except that the polishing method and the type of the conductive layer were changed. In growing the conductive layer, in addition to the above conditions, 5 SCCM of diborane gas (B 2 H 6 ) diluted to 500 ppm with hydrogen was supplied. The electrode formation and sensitivity test method are the same as in 1. In other words, a voltage of 300 V was applied between the electrodes, and 4 MeV gamma rays were irradiated. The current value of the detection sensitivity is a value obtained by subtracting the dark current. Table 1 shows sample preparation conditions and detection sensitivity.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】NO.1はダイヤモンド成長層の厚みが3
40μmで、端面を研磨せず端部近傍に導電層を設けな
かったものであり感度は3μAと小さい。これは多結晶
ダイヤモンドの両面近傍の欠陥や粒界により移動度が低
くなるためである。両面近傍に電圧がかかり放射線によ
るキャリヤ対生成も少ない。NO.2はダイヤモンド成
長層のみが300μmで、基板側の端面を研磨したもの
である。成長側の端面は研磨していないし導電層も設け
ていない。感度は18μAとかなり高くなる。NO.3
はダイヤモンド成長層の厚みが320μmで、両面を研
磨したものである。導電層はない。感度は35μAで先
程のNO.2の約2倍になっている。これらはダイヤモ
ンド成長層の端面を研磨することが有効であることを示
す。NO.4はダイヤモンド成長層の厚みが170μm
で、両面を研磨したものである。感度は39μAで最も
良い。NO.5はダイヤモンド成長層の厚みが37μm
で、端面研磨せず、基板側に厚み20μmの導電層を形
成したものである。感度は22μAでかなり良い。N
O.6はダイヤモンド成長層の厚みは370μmで、端
面研磨せず、基板側に厚み20μmの導電層、成長面側
に30μmの導電層を設けたものである。感度は36μ
Aでこれも優れている。この結果からダイヤモンド成長
層は両面研磨したほうがよく導電層は両面に形成した方
が良いということが分かる。
NO. 1 indicates that the thickness of the diamond growth layer is 3
40 μm, the end face was not polished and no conductive layer was provided near the end, and the sensitivity was as small as 3 μA. This is because the mobility is lowered due to defects or grain boundaries near both surfaces of the polycrystalline diamond. A voltage is applied near both surfaces, and the generation of carrier pairs by radiation is small. NO. Reference numeral 2 shows a diamond-grown layer alone having a thickness of 300 μm, which is obtained by polishing the end face on the substrate side. The end face on the growth side is not polished and no conductive layer is provided. The sensitivity is considerably higher at 18 μA. NO. 3
The diamond-grown layer has a thickness of 320 μm and is polished on both sides. There is no conductive layer. The sensitivity was 35 μA and the NO. It is about twice as large as 2. These indicate that it is effective to polish the end face of the diamond growth layer. NO. No. 4 has a diamond growth layer thickness of 170 μm
And polished on both sides. The sensitivity is best at 39 μA. NO. 5 is a diamond growth layer having a thickness of 37 μm.
Thus, a conductive layer having a thickness of 20 μm was formed on the substrate side without polishing the end face. The sensitivity is quite good at 22 μA. N
O. Numeral 6 is a diamond growth layer having a thickness of 370 μm, which is not polished and provided with a 20 μm thick conductive layer on the substrate side and a 30 μm conductive layer on the growth surface side. 36μ sensitivity
This is also excellent at A. From this result, it can be seen that the diamond growth layer should be polished on both sides and the conductive layer should be formed on both sides.

【0028】[0028]

【発明の効果】本発明によれば、安価で、大面積、高感
度、高速応答の放射線検出素子が得られる。放射線検出
に用いるのは多結晶ダイヤモンドであるが、両端面近傍
を研磨除去あるいは両端面近傍に導電層を形成している
から、キャリヤが粒界を横切らないかあるいは横切るに
してもキャリヤの多い部分であるようにしてあるので、
実質的に高移動度である。このためシリコンの検出素子
よりも応答速度が速い。また検出部分がSiのようにp
n接合近傍の空乏層だけでなく、ダイヤモンド層の大部
分で放射線を感受し電子正孔対を発生するからこの意味
でも高感度である。ダイヤモンドであるので、耐環境性
が優れている。電極やその他の部分に適当な材料を選べ
ば高温や腐蝕性の雰囲気でも使用できる。単結晶ダイヤ
モンドを用いるものに比べてきわめて安価である。単結
晶ダイヤモンドの場合は大きいものがないが、本発明の
場合は基板の上に成長させた多結晶ダイヤモンドを用い
るので大面積の検出素子とすることができる。放射線検
出素子の場合ある程度の面積があるということは便利な
ことである。
According to the present invention, a low-cost, large-area, high-sensitivity, high-speed response radiation detecting element can be obtained. Polycrystalline diamond is used for radiation detection, but since the vicinity of both end faces is polished away or a conductive layer is formed near both end faces, the carrier does not cross the grain boundary, or even if it crosses the grain boundary, there are many carriers. So that
Substantially high mobility. Therefore, the response speed is faster than that of the silicon detection element. Also, the detection part is p
Since not only the depletion layer near the n-junction but also most of the diamond layer receives radiation and generates electron-hole pairs, it is also highly sensitive in this sense. Since it is diamond, it has excellent environmental resistance. If a suitable material is selected for the electrodes and other parts, it can be used even in a high-temperature or corrosive atmosphere. It is much cheaper than one using single crystal diamond. In the case of single crystal diamond, there is no large one, but in the case of the present invention, polycrystalline diamond grown on a substrate is used, so that a large-area detection element can be obtained. It is convenient that the radiation detection element has a certain area.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ダイヤモンドを成長させるべき基板の断面図で
ある。
FIG. 1 is a sectional view of a substrate on which diamond is to be grown.

【図2】多結晶ダイヤモンドを基板上に成長させた状態
の断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a state where polycrystalline diamond is grown on a substrate.

【図3】基板を除去した状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where a substrate is removed.

【図4】ダイヤモンド層の両面を研磨した状態の断面図
である。
FIG. 4 is a sectional view showing a state where both surfaces of a diamond layer are polished.

【図5】ダイヤモンド層の両面に電極を付けた状態の断
面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a state where electrodes are attached to both surfaces of a diamond layer.

【図6】基板の上に結晶方位が多様で微小なダイヤモン
ド粒が成長し始める初期の状態を示す断面図である。斜
線を付したものが(100)に配向したものである。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an initial state in which minute diamond grains having various crystal orientations begin to grow on a substrate. Those shaded are those oriented to (100).

【図7】基板の上に成長したダイヤモンド粒のうち(1
00)方位に配向したものを除いた状態の断面図であ
る。
FIG. 7 shows (1) of diamond grains grown on a substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a state excluding one oriented in a (00) direction.

【図8】(100)に配向したものから成長したダイヤ
モンド多結晶を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a polycrystalline diamond grown from a (100) -oriented crystal.

【図9】ダイヤモンドを成長させるべき基板の断面図で
ある。
FIG. 9 is a sectional view of a substrate on which diamond is to be grown.

【図10】基板の上にダイヤモンド導電層を薄く成長さ
せた状態の断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state where a diamond conductive layer is grown thinly on a substrate.

【図11】ダイヤモンド導電層の上に高抵抗ダイヤモン
ド層を成長させた状態の断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state where a high-resistance diamond layer is grown on a diamond conductive layer.

【図12】高抵抗ダイヤモンド層の上に導電性ダイヤモ
ンドを薄く成長させたものの断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a thin conductive diamond grown on a high-resistance diamond layer.

【図13】ダイヤモンドから基板を除去した状態を示す
断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state where a substrate is removed from diamond.

【図14】ダイヤモンドの両面に電極を設けた状態を示
す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a state in which electrodes are provided on both surfaces of diamond.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 ダイヤモンド層 3 電 極 4 電 極 7 ダイヤモンド導電層 8 ダイヤモンド高抵抗層 9 ダイヤモンド導電層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Diamond layer 3 Electrode 4 Electrode 7 Diamond conductive layer 8 Diamond high resistance layer 9 Diamond conductive layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−198780(JP,A) 特開 昭57−115876(JP,A) 特公 昭50−29355(JP,B1) 特公 昭50−25829(JP,B1) ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-62-198780 (JP, A) JP-A-57-115876 (JP, A) JP-B-50-29355 (JP, B1) JP-B-50 25829 (JP, B1)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】少なくとも二つの金属電極層とこれらによ
って挟まれた半導体層からなり金属電極間に電圧を印加
し半導体層に放射線が入射した時に電極間に電流が流れ
るようにした放射線検出素子であって、半導体層として
高抵抗の多結晶ダイヤモンドを用い、その多結晶ダイヤ
モンドが電圧を印加する方向に粒界を持たず、粒界を貫
通する事なく電極から電極へ電流が流れ得るようにした
事を特徴とする放射線検出素子。
1. A radiation detecting element comprising at least two metal electrode layers and a semiconductor layer sandwiched between them, wherein a voltage is applied between the metal electrodes so that a current flows between the electrodes when radiation is incident on the semiconductor layer. Therefore, high-resistance polycrystalline diamond is used as a semiconductor layer, and the polycrystalline diamond does not have a grain boundary in a direction in which a voltage is applied, so that current can flow from electrode to electrode without penetrating the grain boundary. Radiation detection element characterized by the following.
【請求項2】少なくとも二つの金属電極層とこれらによ
って挟まれた半導体層からなり金属電極間に電圧を印加
し半導体層に放射線が入射した時に電極間に電流が流れ
るようにした放射線検出素子であって、半導体層として
多結晶ダイヤモンドを用い、放射線検出半導体層として
用いる高抵抗多結晶ダイヤモンドの一方の面または両方
の面に導電性ダイヤモンド層が設けられ、高抵抗半導体
層が導電性ダイヤモンド層を介して金属電極層に接する
ことを特徴とする放射線検出素子。
2. A radiation detecting element comprising at least two metal electrode layers and a semiconductor layer sandwiched between them, wherein a voltage is applied between the metal electrodes so that a current flows between the electrodes when radiation enters the semiconductor layer. Then, using a polycrystalline diamond as a semiconductor layer, a conductive diamond layer is provided on one or both surfaces of a high-resistance polycrystalline diamond used as a radiation detecting semiconductor layer, and the high-resistance semiconductor layer is a conductive diamond layer. A radiation detection element, which is in contact with a metal electrode layer through the radiation detection element.
【請求項3】少なくとも炭素含有気体を原料として、基
板上に気相合成法によって面に垂直な柱状の高抵抗多結
晶ダイヤモンド層を成長させ、基板を除去した後ダイヤ
モンド層の両面に金属電極層を設けることを特徴とする
放射線検出素子の製造方法。
3. A column-shaped high-resistance polycrystalline diamond layer perpendicular to the surface is grown on a substrate by a vapor phase synthesis method using at least a carbon-containing gas as a raw material, and after removing the substrate, metal electrode layers are formed on both surfaces of the diamond layer. A method for manufacturing a radiation detecting element, comprising:
【請求項4】少なくとも炭素含有気体を原料として、基
板上に気相合成法によって面に垂直な柱状の高抵抗の多
結晶ダイヤモンド層を成長させ、基板を除去した後に、
ダイヤモンド層の成長面側又は基板との界面側の少なく
とも一方を5μm以上削り落とし、ダイヤモンド層の両
面に金属電極を設けることを特徴とする放射線検出素子
の製造方法。
4. A column-shaped high-resistance polycrystalline diamond layer perpendicular to the surface is grown on a substrate by a vapor phase synthesis method using at least a carbon-containing gas as a raw material, and the substrate is removed.
A method for manufacturing a radiation detecting element, wherein at least one of a growth surface side of a diamond layer and an interface side with a substrate is shaved off by 5 μm or more, and metal electrodes are provided on both surfaces of the diamond layer.
【請求項5】少なくとも炭素とホウ素を含む気体を原料
として基板の上に薄く導電性ダイヤモンド層を形成し、
その後少なくとも炭素含有気体を原料として、導電性ダ
イヤモンド層の上に気相合成法によって面に垂直な柱状
の高抵抗多結晶ダイヤモンド層を成長させ、基板を除去
した後に、ダイヤモンド層の両面に金属電極層を設ける
ことを特徴とする放射線検出素子の製造方法。
5. A thin conductive diamond layer is formed on a substrate using a gas containing at least carbon and boron as a raw material,
Thereafter, using a carbon-containing gas as a raw material, a columnar high-resistance polycrystalline diamond layer perpendicular to the surface is grown on the conductive diamond layer by a vapor phase synthesis method, and after removing the substrate, metal electrodes are formed on both surfaces of the diamond layer. A method for producing a radiation detecting element, comprising providing a layer.
【請求項6】少なくとも炭素とホウ素を含む気体を原料
として基板の上に薄く導電性ダイヤモンド層を形成し、
その後少なくとも炭素含有気体を原料として、導電性ダ
イヤモンド層の上に気相合成法によって面に垂直な柱状
の高抵抗多結晶ダイヤモンド層を成長させ、さらに高抵
抗ダイヤモンド層の上に少なくとも炭素とホウ素を含む
基体を原料として導電性ダイヤモンド層を形成し、基板
を除去した後に、ダイヤモンド層の両面に金属電極層を
設けることを特徴とする放射線検出素子の製造方法。
6. A thin conductive diamond layer is formed on a substrate using a gas containing at least carbon and boron as a raw material,
Thereafter, using at least a carbon-containing gas as a raw material, a columnar high-resistance polycrystalline diamond layer perpendicular to the plane is grown on the conductive diamond layer by a vapor phase synthesis method, and at least carbon and boron are further formed on the high-resistance diamond layer. A method for producing a radiation detection element, comprising: forming a conductive diamond layer using a substrate containing the same as a raw material; removing the substrate; and providing metal electrode layers on both surfaces of the diamond layer.
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