JP2687121B2 - ＣｄＴｅ放射線検出素子 - Google Patents
ＣｄＴｅ放射線検出素子Info
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- JP2687121B2 JP2687121B2 JP62014117A JP1411787A JP2687121B2 JP 2687121 B2 JP2687121 B2 JP 2687121B2 JP 62014117 A JP62014117 A JP 62014117A JP 1411787 A JP1411787 A JP 1411787A JP 2687121 B2 JP2687121 B2 JP 2687121B2
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- cdte
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Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、CdTe放射線検出素子に関するものであり、
特には入射放射線のエネルギーへの依存性を低減しつつ
高いエネルギー分解能を有するCdTe放射線検出素子に関
するものである。 本発明の放射線検出素子は高いエネルギー分解能を必
要とする用途、例えばγ線スペクトルメーター、Ｘ線計
測器γ線カメラなどに好適に使用しうる。 （発明の背景） 放射線検出素子としては、1960年代よりSiやGe等が実
用化され、幅広い分野で使用されている。これらSiおよ
びGeの放射線検出素子は分解能が良い反面、バンドギャ
ップが小さいため、室温では熱励起によるノイズが大き
く、低温に冷却しなければならない。 そこでCdTe、HgI2、GaAs等の化合物半導体が注目され
実用化に向けて多くの研究が進行している。なかでもCd
Te放射線検出素子は有望であり、実用化の段階にはいっ
ている。CdTeを用いると、CdTeはバンドギャップが1.53
eVと大きく、これは常温での使用が可能であることを示
している。さらに、CdTeの平均原子番号は50と大きく、
このため放射線の吸収係数が大きく薄い層で高計数率を
得ることができ、小型の検出素子の作製が可能である。 （従来技術と問題点） 従来からのCdTe放射線検出素子は、単結晶インゴット
を平板状に適宜切出し、その表面を研摩またはエッチン
グ処理した後電極形成を行うことにより作製されてい
る。放射線の入射によって生成したキャリアーが電極に
より収集されて放射線検出信号となる。 このようなCdTe放射線検出素子は、その性能面で解決
すべき課題は多いが、その重要なものは、放射線検出時
のエネルギー分解能の向上とエネルギー分解能の入射放
射線エネルギー依存性の低減である。これらの問題を第
２図に示した従来のCdTe放射線検出素子を例にとり説明
する。CdTe結晶１を厚さｄ＝１〜2mmに切断し、その対
向する表面に電極２を形成し、そしてリード線３を接続
して成る放射線検出素子を作製しそしてこの素子を放射
線の入射方向が電極面に対して垂直となるような配向の
下で使用していた。 こうした構造の放射線検出素子が従来から定型として
使用されており、その欠点はほとんど顧りみられぬまま
現在に及んでいるのが実情である。 しかしながら、CdTe放射線検出素子の実用化が進むに
つれ、現在、エネルギー分解能の改善更には入射する放
射線のエネルギーが大きくなるとエネルギー分解能が悪
化するといった問題が新たにクローズアップされてき
た。 こうした問題に対する具体策について現在研究が進行
し始めたところであり、有効な解決方法はいまだ見られ
ない。 （発明の目的） 本発明の目的は、入射放射線のエネルギーの大小によ
ることなく高いエネルギー分解能が得られるCdTe放射線
検出素子を提供することにある。 （発明の概要） 上記目的に向け、本発明者等は、CdTe半導体結晶内で
のキャリアーの挙動について原理的考察を進めた。 エネルギー分解能は、放射線の入射によって生成され
るキャリアーの収集効率に大きく依存する。このキャリ
アーの収集効率は、次の通り表わされる。 ここでλｅ、λh:電子及び正孔の移動しうる距離（cm）
即ち、キャリアーが捕獲されるまでに電界のかかってい
る方向へ移動した距離を表し、ドリフト長（drift leng
th）とも表現される。 d:素子の厚さ（cm） x:相互作用の起った負極からの位置（cm） 更に上記λｅ及びλｈは次の通り表わされる： λ＝μτＥ ここでμ＝結晶中のキャリアーのドリフト移動度 τ＝キャリアーの平均寿命 Ｅ＝結晶にかかる電界強度 多くの結晶において正孔の移動度は電子の移動度より小
さい。CdTeの場合、電子の移動度は約1000cm2/v・secで
あるのに対し、正孔の移動度は約100cm2/v・secと一桁
小さい。このため、CdTeにおいては正孔の移動しうる距
離λｈは電子の移動しうる距離λｅに対してほぼ一桁小
さくなる。 そこで、本発明者等は、上記関係式のλe,λｈ及びｄ
の関係に注目し、キャリアーとして働く正孔と電子のう
ちで移動しうる距離の小さい方である、正孔の移動しう
る距離λｈよりも放射線検出素子の厚さｄを小さくする
ことによりキャリアーの収集効率ηは改善しうることに
気付いた。 更に第２図に示した従来型の素子において、入射する
放射線のエネルギーが大きくなるとエネルギー分解能が
劣化したのは、高エネルギーの放射線の素子への侵入深
さが大きいため、電子正孔対が生成された位置の負極か
らの距離ｘがキャリアーの移動しうる距離λより大きく
なり、上式で示されるキャリアーの収集効率が低下する
ためエネルギー分解能が悪化するものでありまた透過放
射線量が多くなることが計数率の低下を招いているとの
認識も至った。 エネルギー分解能の向上はまた、リーク電流の低減化
を通しても実現されうる。CdTe結晶と関連して本件出願
人は既に、CdTe結晶の面方位とリーク電流との間には相
関があり、電極形成面を｛111｝面とすることによって
リーク電流の低減化を図りうるとの知見を得ている。Cd
Te単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、｛111｝Ａ面へ
｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけることにより、リ
ーク電流の低減化が可能となり、それに伴って電界強度
Ｅを大きくすることが可能となる。 こうした知見に基いて、本発明者等は、 素子の厚さｄを正孔の移動しうる距離λｈと同程度以
下とすること、及び 対向する面に電極形成を行った素子に電極と平行の方
向から素子に放射線を入射させること、 CdTeの単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、｛111｝
Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけること によって前述した目的が実現しうると判断し、試行の結
果好結果を得た。 斯くして、本発明は、CdTeの単結晶基板の対向する
｛111｝面に電極を形成し、該電極間の結晶の厚さを正
孔の移動しうる距離以下とし且つ電極と平行な方向を放
射線の入射方向とし、そして｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面
に対して正の電位をかけることを特徴とするCdTe放射線
検出素子を提供する。 （実施例の説明） 本発明の原理図が第１図に示される。素子の厚さｄを
正孔の移動しうる距離λｈより薄くすることによってキ
ャリアーの収集効率を高めることが出来、以ってエネル
ギー分解能が向上する。 更に、素子に入射した放射線のエネルギーが大きく、
素子への放射線の侵入深さが大きい場合にも、すべて素
子の厚さｄの範囲内に電子正孔対が生成されるため、電
極へのキャリアーの収集効率を従来より向上させること
が出来、その結果エネルギー分解能が向上する。また、
素子の長さＬを測定しようとする放射線の侵入深さより
長くすることによって、放射線のエネルギーを電子正孔
対の生成に有効に利用でき高エネルギーの放射線に対す
る計数率を向上できる。 CdTe結晶の面方位とリーク電流との間には相関があ
り、電極形成面を｛111｝面とすることによってリーク
電流の低減化を図ることができる。CdTeの｛111｝面はC
d原子のみが存在するＡ面とTe原子のみの存在するＢ面
とが交互に、即ちＡ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂと配列する。
CdTeの｛111｝面は他の面に較べて極性の強い面である
と云える。CdTe単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、
｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけるこ
とにより、リーク電流の低減化が可能となり、それに伴
って電界強度Ｅを大きくすることが可能となる。これは
キャリアーの平均自由行程λを増大する（λ＝μτＥ、
前出）。このため、エネルギー分解能の向上が図れるの
である。 第３及び４図は、本発明に従うCdTe放射線検出素子の
斜視図及びそれをパッケージ（実装）した一例の斜視図
を示す。 第３図では、素子ＥのCdTe結晶１は、厚さｄを0.1m
m、幅Ｗを5mmそして長さＬを10mmとした。厚さｄはCdTe
の正孔の移動しうる距離λｈより小さくまた長さＬは放
射線の侵入深さより長い。CdTe単結晶の｛111｝面を電
極形成面とし、｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の
電位をかけるようにした。電極２はAl、Au、Pt、In等の
電極金属を真空蒸着或いはメッキすることにより形成さ
れる。放射線の入射方向は長さＬの方向として図示して
あるが、幅Ｗの方向としてもよい。 第４図の実装状態においては、電極を兼ねる直立支持
部５を有するパッケージ基部４に導電性材料にて素子Ｅ
が接着される。６はリード線である。パッケージカバー
７は、ステンレス鋼または鉛製とし、横方向からの放射
線の侵入を防止する。パッケージカバーの上端開口には
アルミ製窓８を設けてある。 第５図は、上記具体例におてい241Amに対して入射γ
線エネルギー60KeVの場合の素子厚さとエネルギー分解
能（ΔＥ）との測定結果がある。素子厚さが減少するに
つれ、エネルギー分解能が直線的に減少する即ち向上す
ることが判る。 また、方向性放射線検出素子とするために、電極をPb
のような放射線非透過性材料製とするか或いはそれによ
り被覆してもよいし、入射方向以外の周辺を上記材料で
被覆してもよい。 （発明の効果） 入射放射線のエネルギーが高い場合にも高いエネルギ
ー分解能を示す放射線検出素子を得ることができ、エネ
ルギー分解能が要求される用途に広く使用することが可
能になる。
特には入射放射線のエネルギーへの依存性を低減しつつ
高いエネルギー分解能を有するCdTe放射線検出素子に関
するものである。 本発明の放射線検出素子は高いエネルギー分解能を必
要とする用途、例えばγ線スペクトルメーター、Ｘ線計
測器γ線カメラなどに好適に使用しうる。 （発明の背景） 放射線検出素子としては、1960年代よりSiやGe等が実
用化され、幅広い分野で使用されている。これらSiおよ
びGeの放射線検出素子は分解能が良い反面、バンドギャ
ップが小さいため、室温では熱励起によるノイズが大き
く、低温に冷却しなければならない。 そこでCdTe、HgI2、GaAs等の化合物半導体が注目され
実用化に向けて多くの研究が進行している。なかでもCd
Te放射線検出素子は有望であり、実用化の段階にはいっ
ている。CdTeを用いると、CdTeはバンドギャップが1.53
eVと大きく、これは常温での使用が可能であることを示
している。さらに、CdTeの平均原子番号は50と大きく、
このため放射線の吸収係数が大きく薄い層で高計数率を
得ることができ、小型の検出素子の作製が可能である。 （従来技術と問題点） 従来からのCdTe放射線検出素子は、単結晶インゴット
を平板状に適宜切出し、その表面を研摩またはエッチン
グ処理した後電極形成を行うことにより作製されてい
る。放射線の入射によって生成したキャリアーが電極に
より収集されて放射線検出信号となる。 このようなCdTe放射線検出素子は、その性能面で解決
すべき課題は多いが、その重要なものは、放射線検出時
のエネルギー分解能の向上とエネルギー分解能の入射放
射線エネルギー依存性の低減である。これらの問題を第
２図に示した従来のCdTe放射線検出素子を例にとり説明
する。CdTe結晶１を厚さｄ＝１〜2mmに切断し、その対
向する表面に電極２を形成し、そしてリード線３を接続
して成る放射線検出素子を作製しそしてこの素子を放射
線の入射方向が電極面に対して垂直となるような配向の
下で使用していた。 こうした構造の放射線検出素子が従来から定型として
使用されており、その欠点はほとんど顧りみられぬまま
現在に及んでいるのが実情である。 しかしながら、CdTe放射線検出素子の実用化が進むに
つれ、現在、エネルギー分解能の改善更には入射する放
射線のエネルギーが大きくなるとエネルギー分解能が悪
化するといった問題が新たにクローズアップされてき
た。 こうした問題に対する具体策について現在研究が進行
し始めたところであり、有効な解決方法はいまだ見られ
ない。 （発明の目的） 本発明の目的は、入射放射線のエネルギーの大小によ
ることなく高いエネルギー分解能が得られるCdTe放射線
検出素子を提供することにある。 （発明の概要） 上記目的に向け、本発明者等は、CdTe半導体結晶内で
のキャリアーの挙動について原理的考察を進めた。 エネルギー分解能は、放射線の入射によって生成され
るキャリアーの収集効率に大きく依存する。このキャリ
アーの収集効率は、次の通り表わされる。 ここでλｅ、λh:電子及び正孔の移動しうる距離（cm）
即ち、キャリアーが捕獲されるまでに電界のかかってい
る方向へ移動した距離を表し、ドリフト長（drift leng
th）とも表現される。 d:素子の厚さ（cm） x:相互作用の起った負極からの位置（cm） 更に上記λｅ及びλｈは次の通り表わされる： λ＝μτＥ ここでμ＝結晶中のキャリアーのドリフト移動度 τ＝キャリアーの平均寿命 Ｅ＝結晶にかかる電界強度 多くの結晶において正孔の移動度は電子の移動度より小
さい。CdTeの場合、電子の移動度は約1000cm2/v・secで
あるのに対し、正孔の移動度は約100cm2/v・secと一桁
小さい。このため、CdTeにおいては正孔の移動しうる距
離λｈは電子の移動しうる距離λｅに対してほぼ一桁小
さくなる。 そこで、本発明者等は、上記関係式のλe,λｈ及びｄ
の関係に注目し、キャリアーとして働く正孔と電子のう
ちで移動しうる距離の小さい方である、正孔の移動しう
る距離λｈよりも放射線検出素子の厚さｄを小さくする
ことによりキャリアーの収集効率ηは改善しうることに
気付いた。 更に第２図に示した従来型の素子において、入射する
放射線のエネルギーが大きくなるとエネルギー分解能が
劣化したのは、高エネルギーの放射線の素子への侵入深
さが大きいため、電子正孔対が生成された位置の負極か
らの距離ｘがキャリアーの移動しうる距離λより大きく
なり、上式で示されるキャリアーの収集効率が低下する
ためエネルギー分解能が悪化するものでありまた透過放
射線量が多くなることが計数率の低下を招いているとの
認識も至った。 エネルギー分解能の向上はまた、リーク電流の低減化
を通しても実現されうる。CdTe結晶と関連して本件出願
人は既に、CdTe結晶の面方位とリーク電流との間には相
関があり、電極形成面を｛111｝面とすることによって
リーク電流の低減化を図りうるとの知見を得ている。Cd
Te単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、｛111｝Ａ面へ
｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけることにより、リ
ーク電流の低減化が可能となり、それに伴って電界強度
Ｅを大きくすることが可能となる。 こうした知見に基いて、本発明者等は、 素子の厚さｄを正孔の移動しうる距離λｈと同程度以
下とすること、及び 対向する面に電極形成を行った素子に電極と平行の方
向から素子に放射線を入射させること、 CdTeの単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、｛111｝
Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけること によって前述した目的が実現しうると判断し、試行の結
果好結果を得た。 斯くして、本発明は、CdTeの単結晶基板の対向する
｛111｝面に電極を形成し、該電極間の結晶の厚さを正
孔の移動しうる距離以下とし且つ電極と平行な方向を放
射線の入射方向とし、そして｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面
に対して正の電位をかけることを特徴とするCdTe放射線
検出素子を提供する。 （実施例の説明） 本発明の原理図が第１図に示される。素子の厚さｄを
正孔の移動しうる距離λｈより薄くすることによってキ
ャリアーの収集効率を高めることが出来、以ってエネル
ギー分解能が向上する。 更に、素子に入射した放射線のエネルギーが大きく、
素子への放射線の侵入深さが大きい場合にも、すべて素
子の厚さｄの範囲内に電子正孔対が生成されるため、電
極へのキャリアーの収集効率を従来より向上させること
が出来、その結果エネルギー分解能が向上する。また、
素子の長さＬを測定しようとする放射線の侵入深さより
長くすることによって、放射線のエネルギーを電子正孔
対の生成に有効に利用でき高エネルギーの放射線に対す
る計数率を向上できる。 CdTe結晶の面方位とリーク電流との間には相関があ
り、電極形成面を｛111｝面とすることによってリーク
電流の低減化を図ることができる。CdTeの｛111｝面はC
d原子のみが存在するＡ面とTe原子のみの存在するＢ面
とが交互に、即ちＡ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａ−Ｂと配列する。
CdTeの｛111｝面は他の面に較べて極性の強い面である
と云える。CdTe単結晶の｛111｝面を電極形成面とし、
｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけるこ
とにより、リーク電流の低減化が可能となり、それに伴
って電界強度Ｅを大きくすることが可能となる。これは
キャリアーの平均自由行程λを増大する（λ＝μτＥ、
前出）。このため、エネルギー分解能の向上が図れるの
である。 第３及び４図は、本発明に従うCdTe放射線検出素子の
斜視図及びそれをパッケージ（実装）した一例の斜視図
を示す。 第３図では、素子ＥのCdTe結晶１は、厚さｄを0.1m
m、幅Ｗを5mmそして長さＬを10mmとした。厚さｄはCdTe
の正孔の移動しうる距離λｈより小さくまた長さＬは放
射線の侵入深さより長い。CdTe単結晶の｛111｝面を電
極形成面とし、｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の
電位をかけるようにした。電極２はAl、Au、Pt、In等の
電極金属を真空蒸着或いはメッキすることにより形成さ
れる。放射線の入射方向は長さＬの方向として図示して
あるが、幅Ｗの方向としてもよい。 第４図の実装状態においては、電極を兼ねる直立支持
部５を有するパッケージ基部４に導電性材料にて素子Ｅ
が接着される。６はリード線である。パッケージカバー
７は、ステンレス鋼または鉛製とし、横方向からの放射
線の侵入を防止する。パッケージカバーの上端開口には
アルミ製窓８を設けてある。 第５図は、上記具体例におてい241Amに対して入射γ
線エネルギー60KeVの場合の素子厚さとエネルギー分解
能（ΔＥ）との測定結果がある。素子厚さが減少するに
つれ、エネルギー分解能が直線的に減少する即ち向上す
ることが判る。 また、方向性放射線検出素子とするために、電極をPb
のような放射線非透過性材料製とするか或いはそれによ
り被覆してもよいし、入射方向以外の周辺を上記材料で
被覆してもよい。 （発明の効果） 入射放射線のエネルギーが高い場合にも高いエネルギ
ー分解能を示す放射線検出素子を得ることができ、エネ
ルギー分解能が要求される用途に広く使用することが可
能になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理を示す説明図、第２図は従来型式
のCdTe放射線検出素子の作動原理を示す説明図、第３図
は本発明のCdTe放射線検出素子の斜視図、第４図は第３
図の素子の実装状態の斜視図、そして第５図は素子の厚
さとエネルギー分解能との関係を示すグラフである。 1:結晶 2:電極 3:リード線 4:パッケージ基部 5:電極兼直立支持部 6:リード線 7:パッケージカバー 8:窓 E:放射線検出素子
のCdTe放射線検出素子の作動原理を示す説明図、第３図
は本発明のCdTe放射線検出素子の斜視図、第４図は第３
図の素子の実装状態の斜視図、そして第５図は素子の厚
さとエネルギー分解能との関係を示すグラフである。 1:結晶 2:電極 3:リード線 4:パッケージ基部 5:電極兼直立支持部 6:リード線 7:パッケージカバー 8:窓 E:放射線検出素子
フロントページの続き
(72)発明者 豊田 太郎
戸田市新曾南３丁目17番35号 日本鉱業
株式会社電子材料・部品研究所内
(56)参考文献 特開 昭55−144576（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−78376（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−245985（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．CdTe単結晶基板の対向する｛111｝面に電極を形成
し、該電極間の結晶の厚さを正孔の移動しうる距離以下
とし且つ電極と平行な方向を放射線の入射方向とし、そ
して｛111｝Ａ面へ｛111｝Ｂ面に対して正の電位をかけ
ることを特徴とするCdTe放射線検出素子。 ２．電極を放射線非透過性材料製とするか、それにより
被覆する特許請求の範囲第１項記載のCdTe放射線検出素
子。 ３．放射線入射方向以外の周辺を放射線非透過性材料で
被覆する特許請求の範囲第１項記載のCdTe放射線検出素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62014117A JP2687121B2 (ja) | 1987-01-26 | 1987-01-26 | ＣｄＴｅ放射線検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62014117A JP2687121B2 (ja) | 1987-01-26 | 1987-01-26 | ＣｄＴｅ放射線検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63182869A JPS63182869A (ja) | 1988-07-28 |
| JP2687121B2 true JP2687121B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=11852176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62014117A Expired - Lifetime JP2687121B2 (ja) | 1987-01-26 | 1987-01-26 | ＣｄＴｅ放射線検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2687121B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6236051B1 (en) | 1998-03-27 | 2001-05-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor radiation detector |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55144576A (en) * | 1979-04-27 | 1980-11-11 | Toshiba Corp | Semiconductor radiation detector |
-
1987
- 1987-01-26 JP JP62014117A patent/JP2687121B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63182869A (ja) | 1988-07-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S803 | Written request for registration of cancellation of provisional registration |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R316803 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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