JP7496968B2

JP7496968B2 - 放射線検出器

Info

Publication number: JP7496968B2
Application number: JP2020062731A
Authority: JP
Inventors: 泰希奥野; 保岡本
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency; Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-06-10
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021162419A

Description

本発明は、半導体材料が用いられた放射線検出器に関する。

放射線の空間線量を測定するために、各種の放射線検出器が使用されている。放射線検出器として、気体が放射線を吸収する際の電離を電気的に検出する電離箱と、半導体が放射線を吸収する際に形成された電子正孔対を電気的に検出する半導体放射線検出器が知られている。気体の密度は半導体（固体）よりも低く吸収係数が小さいことに起因して、単位体積当たりの検出感度は半導体放射線検出器の方が電離箱よりも高い。

半導体放射線検出器としては、例えば特許文献１に記載されるように、材料としては例えばシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等が用いられ、そのｐｎ接合（あるいはｐｉｎ接合）を用いたものが知られている。この際、これらの材料で構成された半導体層は、検出する放射線（γ線等）が十分に吸収される程度に厚くされる。一方、吸収した放射線のエネルギーを認識するためには、放射線吸収に伴って生成された電子正孔対を全て電気的に検出する必要があるために、このような厚い半導体層は、一般的には外部電源を用いて検出時においては厚さ方向でほぼ全域にわたり空乏化される。

一方、半導体のｐｎ接合を利用し、放射線ではなく可視光から起電力を発生させる太陽電池も知られている。太陽電池の構造は、例えば特許文献２に記載されている。太陽電池においても、例えばＳｉが用いられ、他にカドミウムテルル（ＣｄＴｅ）、インジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）、銅インジウムセレン（ＣｕＩｎＳｅ_２）等の、禁制帯幅が１～２ｅＶである化合物半導体も用いられる。これらの半導体材料中における可視光の吸収係数は、前記の放射線（γ線等）の吸収係数と比べて非常に大きいために、例えば数μｍの厚さでも可視光はこれらの半導体層で充分吸収される。一方、発電効率を高くするためには半導体層は薄いことが好ましいため、太陽電池における半導体層の厚さは例えば数μｍ程度とされる。

このように、半導体放射線検出器と太陽電池は類似の材料で構成され、かつｐｎ接合が用いられている点で類似している。このため、原理的には、非特許文献１に記載されるように、太陽電池を用いて半導体放射線検出器（太陽電池型放射線検出器）を実現することもできる。この場合には、大量生産される太陽電池を用いることによって、この太陽電池型放射線検出器を安価に得ることができる。

特開２０１８－１７５０９号公報特開２０１６－１９２４９９号公報

Ｙ．Ｏｋｕｎｏ、Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、Ｎ．ＯｋｕｂｏａｎｄＭ．Ｉｍａｉｚｕｍｉ、「ＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆａ γ－ｒａｙＲａｄｉａｔｉｏｎＤｏｓｉｍｅｔｅｒＵｓｉｎｇＩｎＧａＰＳｏｌａｒＣｅｌｌｓｉｎａＰｒｉｍａｒｙＣｏｎｔａｍｉｎｅｎｔＶｅｓｓｅｌｏｆｔｈｅＦｕｋｕｓｈｉｍａＤａｉｉｃｈｉＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ」、ｈｔｔｐｓ／／ｄｏｉ／ｏｒｇ．１０．１０８０／００２２３１３１．２０１９．１６９１０７２（２０１９年）

非特許文献１に記載されるように、このような太陽電池型放射線検出器においては、特に高線量率の環境下において、放射線線量の増加に伴って放射線検出器としての特性が劣化した。このため、放射線耐性の高い安価な放射線検出器が望まれた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の放射線検出器は、膜厚方向に入射した放射線のエネルギーの一部のみを吸収し、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｕＩｎＳｅ _２のいずれかを含み禁制帯幅が１～２ｅＶである半導体材料で構成され、ｐ型層とｎ型層とが前記膜厚方向で積層された５μｍ以下の厚さの板状の半導体層と、前記ｐ型層に接続されたｐ側電極と、前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、を具備する検出ユニットが、前記半導体層に対する可視光の入射が抑制された状態で、前記膜厚方向に沿って複数積層されたことを特徴とする。
本発明の放射線検出器は、複数の前記検出ユニットにおける前記ｐ側電極同士が接続された共通の第１出力端子、及び複数の前記検出ユニットにおける前記ｎ側電極同士が接続された共通の第２出力端子を、具備することを特徴とする。
本発明の放射線検出器において、前記ｐ側電極又は前記ｎ側電極が、前記半導体層に対する可視光の入射を抑制する遮光層とされたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、放射線耐性の高い安価な放射線検出器を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る放射線検出器の構成を示す図である。本発明の実施の形態に係る放射線検出器において用いられる検出ユニットの構造を示す断面図である。検出ユニットにおける放射線検出の原理を示す図である。検出ユニットにおける出力電流と吸収線量の関係を測定した結果である。本発明の実施の形態に係る放射線検出器の等価回路及び測定の際の接続を示す図である。比較例及び実施例における出力電流と吸収線量の関係を測定した結果である。

本発明の実施の形態に係る放射線検出器１の構成を図１に模式的に示す。ここでは、放射線検出器１は、同一構造の検出ユニット１０が５層に積層されており、検出ユニット１０から、正側端子１１Ａと負側端子１２Ａが取り出される。全ての正側端子１１Ａは正側出力配線２１に、全ての負側端子１２Ａは負側出力配線２２に接続される。正側出力配線１１Ａは第１出力端子２１Ａに、負側出力配線２２は第２出力端子２２Ａに接続され、第１出力端子２１Ａ、第２出力端子２２Ａからこの放射線検出器１の出力電流が取り出される。

各検出ユニット１０は同一の薄板形状の構成を具備し、その膜厚方向にわたり検出ユニット１０は積層されている。検知すべき対象となる放射線は、例えば^６０Ｃｏから放射されるγ線であり、その入射方向は図１において矢印で示されるように、検出ユニット１０の積層方向（膜厚方向）と等しい。図１においては、隣接する検出ユニット１０間は空隙とされているが、この構成を維持するために各検出ユニット１０の外周部分を連結する支持部を設ける、あるいは隣接する検出ユニット１０間に、放射線の吸収係数が小さくかつ絶縁性の材料で構成された層を介在させてもよい。

図２は、検出ユニット１０の構造を示す厚さ方向に沿った断面図である。ここでは、ｐ型の半導体からなるｐ型層１３の上にｎ型の半導体からなるｎ型層１４が形成された半導体層１０Ａが用いられる。ｐ型層１３、ｎ型層１４を構成する半導体材料としては、禁制帯幅Ｅ_ｇが１～２ｅＶの範囲である化合物半導体であるＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２が用いられ、これらの間でｐｎ接合が形成される。これらの材料は、可視光によって起電力を発生する太陽電池において用いられるものであり、ｐ型層１３、ｎ型層１４の積層構造についても、通常知られるこれらの材料を用いた太陽電池と同様である。なお、ｐ型層１３とｎ型層１４が同一の材料で構成される必要はなく、これらの間でヘテロ接合が形成されていてもよい。この点についても太陽電池と同様である。また、半導体層１０Ａにおいて、上記のｐ型層１３、ｎ型層１４以外の層が設けられていてもよい。

また、半導体層１０Ａの厚さは、１～１００μｍの範囲であり、例えば数μｍとされる。この厚さも、太陽電池におけるものと同様である。可視光が仮にこの半導体層１０Ａに厚さ方向で入射した場合にはほぼ全てが吸収されるが、γ線がこの半導体層に入射した場合には、そのエネルギーの一部のみしか吸収されない。

また、図２における下面側には、ｐ型層１３とオーミック接触するｐ側電極１１が、上面側にはｎ型層１４とオーミック接触するｎ側電極１２がそれぞれｐ型層１３、ｎ型層１４の全面にわたり形成されている。ｐ側電極１１、ｎ側電極１２はそれぞれ光学的に不透明な金属材料で構成され、例えば半導体層をＩｎＧａＰで構成した場合には、ｐ側電極１１の材料としてはＡｇＺｎ、ＡｕＺｎ、ｎ側電極１２の材料としてＡｕＧｅ／Ｎｉが用いられる。ただし、これらは複数の金属層からなる積層構造とされていてもよい。ｐ側電極１１、ｎ側電極１２の厚さは例えば１００ｎｍ～５００ｎｍ程度とされ、これらに対する可視光の透過率はほぼ零となるため、ｐ側電極１１、ｎ側電極１２は、半導体層１０Ａに対して入射する可視光を遮る遮光層として機能する。一方、これらによる放射線（γ線）の吸収は僅かであり、その透過率は１００％に近い。すなわち、検出ユニット１０は、半導体層１０Ａに対する可視光の入射が抑制されたこと以外については、既存の太陽電池と同様の構造を具備する。

また、図２において、図１における正側端子１１Ａは下面側のｐ側電極１１の一部に対して接続され、図１における負側端子１２Ａは上面側のｎ側電極１２の一部に対して接続される。このため、図１の構成においては、各検出ユニット１０におけるｐｎダイオードが並列に接続される。

また、ｐ型層１３、ｎ型層１４の不純物（アクセプタ、ドナー）濃度、厚さは、ｐ側電極１１、ｎ側電極１２にバイアスを印加しない場合において、半導体層中の空乏層が厚さ方向の大部分に形成されるように設定される。こうした構成の半導体層は、例えばエピタキシャル成長等によって製造することができる。上記の検出ユニット１０の構造は、半導体層１０Ａに対して遮光がされている点以外については、上記の化合物半導体を用いた太陽電池と同様である。

このため、上記の検出ユニット１０としては、既存の太陽電池を用いることができる。この際、太陽電池としてはｐ側電極又はｎ側電極として可視光透過率が高い透明電極が用いられている場合が多いが、透明電極上に金属等で構成された遮光層を形成することによって、実質的に上記の検出ユニット１０と同等の構造を得ることができる。

周知のように、半導体層の禁制帯幅Ｅ_ｇよりも大きなエネルギー、例えば２ｅＶ程度のエネルギーをもつ１個の可視光光子がこの半導体層に入射した場合には１組の電子正孔対が形成されると同時にこの可視光光子は消滅する。太陽電池は、これによって生成された電子正孔対に起因して起電力を出力する。

これに対して、１個のγ線光子（エネルギー＞＞Ｅ_ｇ）がこの半導体層に入射した場合には、半導体層１０Ａがγ線光子のエネルギーからその一部Ｅ_Ｔを吸収して多数の電子正孔対が生成され、１組の電子正孔対を生成するエネルギーをεとすると、電子正孔対の数Ｎ_ＥＨはＥ_Ｔ／εとなる。

図３は、図２の検出ユニット１０にγ線光子が入射した際の状況を模式的に示す図である。図３においては、このγ線光子の進路がＧとして示されている。電子正孔対（正孔Ｈ、電子Ｅ）は、この進路Ｇに沿って多数形成される。電子正孔対における正孔Ｈは、空乏層Ｄ中の内部電界Ｅ_ｉｎでｐ側電極１１側に流れ、電子Ｅはｎ側電極１２側に流れる。これによって、ｐ側電極１１・ｎ側電極１２間を短絡した場合の電流(短絡電流）が流れる。この電流はＮ_ＥＨに比例するため、Ｅ_Ｔに比例する。半導体層１０Ａが検出ユニット１０の大部分を占める場合には、この検出ユニット１０が吸収した放射線量（吸収線量：Ｇｙ）は、放射線による検出ユニット１０の吸収エネルギーをＥ_ｃｅｌｌ、検出ユニット１０の質量Ｍ_ｃｅｌｌを用いてＥ_ｃｅｌｌ／Ｍ_ｃｅｌｌ（Ｇｙ）となる。一つのγ線光子の入射に際しての検出ユニット１０の吸収エネルギーは半導体層１０Ａの吸収エネルギーＥ_Ｔで近似できるため、結局、上記の電流値は放射線量に比例し、電流値より、検出ユニット１０の吸収線量を算出することができる。

図４は、半導体層１０ＡとしてＣｄＴｅ、ＩｎＧａＰを用い、^６０Ｃｏからのγ線（１．１７ＭｅＶ、１．３３ＭｅＶ）を照射した場合における、上記の検出ユニット１０となる太陽電池における線量率と出力電流の関係を測定した結果である。ここで、半導体層１０Ａの面積は０．５ｃｍ×２．０ｃｍとされた。いずれの材料を用いた場合においても、線量率と電流は比例しており、上記の電流から検出ユニット１０の吸収線量を算出することができる。

ここで、半導体層１０Ａが厚いほど半導体層１０Ａに吸収されるエネルギーであるＥ_Ｔを大きくすることができ、Ｎ_ＥＨを大きくして出力電流を大きくして検出感度を高めることができる。一方で、非特許文献１に記載されたように、特に放射線量の高い環境下では、放射線（γ線）のドーズ量の増大に伴って出力電流が減少するという、放射線損傷による特性劣化が生ずる。これに対して、Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ、Ｋ－ＨＬｅｅｌ、Ｋ．Ａｒａｋｉ、Ｎ．Ｋｏｊｉｍａ、Ｙ．ＯｋｕｎｏａｎｄＭ．Ｉｍａｉｚｕｍｉ、「ＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＲａｄｉａｔｉｏｎＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＳｉＳｐａｃｅＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ」、ＩＥＥＥ４６ｔｈＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（２０１９年）で報告されたように、このような特性劣化は、半導体層１０Ａが厚いほど大きくなる。すなわち、放射線損傷による特性劣化を抑制するためには、半導体層１０Ａが薄いことが好ましい。このため、半導体層１０Ａを薄くすることによって、検出ユニット１０の放射線損傷によって発生する劣化を抑制する、あるいは、個々の検出ユニット１０の放射線損傷に対する寿命を長くすることができる。

このため、図１の構成においては、各検出ユニット１０(半導体層１０Ａ）を薄くして各半導体層１０ＡにおけるＥ_Ｔを入射するγ線のエネルギーよりも十分に小さくすると共に、複数の検出ユニット１０からの出力電流が積算されて第１出力端子２１Ａ、第２出力端子２２Ａから取り出される。各検出ユニット１０が同一の構造を具備すれば、このように積算された出力電流は各検出ユニット１０におけるＥ_Ｔの総和に比例するため、この出力電流によって、放射線検出器１における吸収線量を算出することができる。

また、検出ユニット１０単体の出力電流を大きくして検出感度を高めるためには、その面積（半導体層１０Ａの面積）を大きくすることが有効である。しかしながら、放射線量の測定は一般的には測定箇所毎に行われるため、この測定箇所に対しての位置分解能を高くするためには、検出ユニット１０の面積は小さいことが好ましく、例えば半導体層１０Ａは１ｃｍ×１ｃｍ程度の大きさとされる。この場合においては、図４の結果より、前記の出力電流はｐＡレベルとなる場合があり、検出ユニット１０単体からの出力電流の検出が困難となる場合がある。

これに対して、この放射線検出器１においては、複数の検出ユニット１０からの出力電流が積算されて出力されるため、出力電流を大きくすることができ、これによって検出感度を高めることができる。図５は、この放射線検出器１の等価回路及びこれが使用される際の構成を示す図である。検出ユニット１０の基本的構成はダイオードであるが、これに対する直列抵抗Ｒ_Ｓ、並列抵抗Ｒ_ＳＨが寄生成分として存在する。各検出ユニット１０からの出力電流は右側からＩ_Ｒ１、Ｉ_Ｒ２、Ｉ_Ｒ２・・・となり、この電流の向きはダイオードの逆方向となる。第１出力端子２１Ａ、第２出力端子２２Ａから取り出される出力電流はＩ_Ｒ１、Ｉ_Ｒ２、Ｉ_Ｒ２・・・の総和となり、ピコアンメータ―（微小直流電流計）４０で検出され、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）５０でその値を認識することができる。ＰＣ５０においては、事前に記憶された換算係数を用いて電流値から線量率を算出することができる。この際、ＰＣ５０、ピコアンメータ―４０の電力源として電源６０が用いられるが、従来の半導体放射線検出器においては検出時に半導体層全体を空乏化するために高電圧が用いられたのに対し、この放射線検出器１に対する電力供給は不要である。

図５において、並列抵抗Ｒ_ＳＨが小さな場合にはＲ_ＳＨを介した経路に電流が流れやすくなるために第１出力端子２１Ａ、第２出力端子２２Ａ側への電流が抑制される。同様に、直列抵抗Ｒ_Ｓが大きな場合にも、第１出力端子２１Ａ、第２出力端子２２Ａ側に流れる電流が抑制される。このため、並列抵抗Ｒ_ＳＨは十分大きく（理想的には無限大）、Ｒ_Ｓは十分小さい（理想的には０Ω）であることが好ましい。半導体層１０Ａ（ｐ型層１３、ｎ型層１４）の不純物濃度等は、こうした点を考慮して設定される。

あるいは、既存の太陽電池用に製造された半導体層１０Ａとして、こうした特徴を有するものを選定して用いることができる。このため、上記の放射線検出器１を容易かつ安価に製造することができる。

上記のように各検出ユニット１０における放射線損傷による劣化を抑制するためには、各検出ユニット１０におけるＥ_Ｔを小さくすることが有効であり、このためには半導体層１０Ａを薄くすることが好ましい。この場合には図５における個々の出力電流Ｉ_Ｒ１等が小さくなるために、使用する検出ユニット１０の数を増やして積算後の出力電流を大きくすることが好ましい。

従来の半導体放射線検出器においては、入射したγ線光子のカウント数だけでなくγ線光子のエネルギーも同時に認識するために、１個のγ線光子のエネルギーのうち半導体放射線検出器で吸収される割合を高くすることが必要となり、かつ、１回のγ線光子の入射によって生成された電子正孔対の数Ｎ_ＥＨに対応した出力を認識することが必要となった。このためには、γ線光子の入射が１回ずつ分離されて認識されることが要求され、これは、放射線線量率が低い場合に対応する。

これに対して、この放射線検出器１においては、電離箱型線量計と同様に、入射したγ線光子のエネルギーに関する情報を得ることは不要であり、入射したγ線光子のエネルギーのうち、この放射線検出器１（全ての検出ユニット１０）で吸収されるエネルギーの割合を低くしてもよい。更に、放射線線量率は、一定時間内におけるγ線光子の入射数に対応し、これは、複数回のγ線光子の入射によって生成された電子正孔対の数Ｎ_ＥＨの総数に対応し、個々のγ線光子の入射が分離されて認識される必要はない。このため、この放射線検出器１を、放射線線量率が高い場合に好ましく用いることができる。更に、前記のようにこの放射線検出器１における放射線損傷による劣化は小さいため、この放射線検出器１を、特に放射線線量率が高い場合に好ましく用いることができる。また、電離箱と異なり、素子が空気でなく固体で構成されるため、検出素子の単位体積あたりの感度は１０^－３高い。

上記の放射線検出器１として、ＣｄＴｅで構成された半導体層１０Ａを具備する太陽電池を２つ用いた場合の、個々における線量率と出力電流の関係（比較例）、及びこれらを図に示されたように２層積層した場合（実施例）における線量率と出力電流の関係を調べた。ここで、半導体層１０Ａの厚さは５μｍとされ、使用された線源は前記と同様に^６０Ｃｏである。図６は、これらの測定結果である。

図６において、２つの太陽電池それぞれの特性（比較例）は誤差の範囲内で同一であり、これらが積層された場合（実施例）においては、約２倍の出力電流が得られている。これは、各層で同一のＥ_Ｔが得られていることを意味する。このため、積層数を更に増やせば、更なる出力電流の増大が見込まれる。また、各層で同一のＥ_Ｔが得られているため、各層では入射γ線のエネルギーのうち一部のみしか吸収されていないことが明らかである。

なお、図１においては、検出ユニット１０が並列に接続されて各検出ユニット１０の出力電流が積算されて出力された。しかしながら、例えばこれらを直列に接続して出力を電圧として取り出す等の手法も可能である。すなわち、放射線検出器における各検出ユニットの接続方法、出力の取り出し法は適宜設定が可能である。また、同様に各検出ユニットで放射線のエネルギーの吸収によって生成された電子正孔対に起因する出力が得られる限りにおいて、半導体層の構造や電極の構造は任意である。また、図１の例では同一の検出ユニット１０が積層して用いられたが、各検出ユニットが同一の構造を具備する必要はない。

また、上記の例ではこの放射線検出器（各検出ユニット）でγ線が検出されるものとしたが、積層された各検出ユニットの半導体層中で電子正孔対を同様に生成できる放射線であれば、上記と同様にこの放射線検出器で検出することができる。

また、半導体層で使用される半導体材料としては、上記の例の他にも、禁制帯幅が１～２ｅＶ程度でありｐｎ接合を形成することができるものを用いることができる。こうした特性は、太陽電池を構成する半導体材料と共通する。また、半導体層の膜厚も太陽電池と同等とされるため、上記の検出ユニットとして、太陽電池を流用することができる。

１放射線検出器
１０検出ユニット
１０Ａ半導体層
１１ｐ側電極
１１Ａ正側端子
１２ｎ側電極
１２Ａ負側端子
１３ｐ型層
１４ｎ型層
２１正側出力配線
２１Ａ第１出力端子
２２負側出力配線
２２Ａ第２出力端子
４０ピコアンメータ―（微小直流電流計）
５０ＰＣ（パーソナルコンピュータ）
６０電源
Ｈ正孔
Ｅ電子

Claims

膜厚方向に入射した放射線のエネルギーの一部のみを吸収し、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＣｕＩｎＳｅ _２のいずれかを含み禁制帯幅が１～２ｅＶである半導体材料で構成され、ｐ型層とｎ型層とが前記膜厚方向で積層された５μｍ以下の厚さの板状の半導体層と、
前記ｐ型層に接続されたｐ側電極と、
前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、
を具備する検出ユニットが、
前記半導体層に対する可視光の入射が抑制された状態で、前記膜厚方向に沿って複数積層されたことを特徴とする放射線検出器。
複数の前記検出ユニットにおける前記ｐ側電極同士が接続された共通の第１出力端子、及び複数の前記検出ユニットにおける前記ｎ側電極同士が接続された共通の第２出力端子を、具備することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
前記ｐ側電極又は前記ｎ側電極が、前記半導体層に対する可視光の入射を抑制する遮光層とされたことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出器。