JP7843499B2 - 中性子検出素子 - Google Patents

Description

本開示は、中性子検出素子及び中性子２次元センサに関する。

中性子は、電荷を持たない粒子であり、様々な物質を通り抜ける性質を有している。このため、物質内部を観察する中性子ラジオグラフィに用いられる。中性子を内部観察や治療に用いる場合、透過した中性子を検出することが重要である。

また、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）のように中性子を癌の治療に用いることも研究されている。このような場合においても、照射された中性子がどのように吸収されているかを検出することは重要である。

中性子の検出にはガス放電方式、シンチレーション方式及びイメージングプレート方式等が知られている。近年では、半導体による中性子検出素子も検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１２－１８１０６５号公報

従来の半導体による中性子検出素子は、中性子から荷電粒子を発生させ、発生した荷電粒子を検出している。中性子から荷電粒子を発生させる際には、中性子をホウ素１０（¹⁰Ｂ）等に入射させて、ヘリウム核（α線）及びリチウム核（Ｌｉ粒子線）を生成させる。α線及びＬｉ粒子線が空乏層に入射することにより電子－正孔対が発生するので、発生した電子－正孔対による電流を測定することにより、中性子を検出することができる。しかし、中性子を¹⁰Ｂに入射させた場合には、α線とＬｉ粒子線とが互いに反対方向に放出されるため、空乏層にはα線が入射したりＬｉ粒子線が入射したりすることになる。α線が入射した場合とＬｉ粒子線が入射した場合とでは空乏層において発生する電荷量が異なるため、入射する荷電粒子線によって検出器の出力が変動することになる。

本開示の課題は、出力変動が生じにくい半導体による中性子検出素子を実現できるようにすることである。

本開示の中性子検出素子の一態様は、中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層とを有し、増幅部は、半導体層に形成された複数のトランジスタとを有し、中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜である。

本開示の中性子検出素子によれば、α線のみを半導体層に入射させることができ、出力変動を生じにくくすることができる。

一実施形態に係る中性子検出素子を示す回路図である。 一実施形態に係る中性子検出素子を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子２次元センサを示す平面図である。 変形例に係る中性子検出素子を示す断面図である。

図１に示すように、一実施形態に係る中性子検出素子１００は、中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部１０１と、中性子検出部の出力を増幅する増幅部１０２とを有している。増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有している。φＲにリセット信号、φＸに行選択信号を加えることにより中性子検出素子として駆動することができる。

図２に示すように、中性子検出部１０１及び増幅部１０２は、ｎ型の半導体基板１１１の上に形成されたｐ^-型の半導体層１１２に形成されている。本実施形態において、半導
体基板１１１及び半導体層１１２は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる。

半導体層１１２には、ｎ⁺型の検出部拡散層１１３及びソースドレイン拡散層１２１と
、ｐ⁺型の電位安定化領域１１４とが形成されている。半導体層１１２の上にはゲート絶
縁膜１２３が形成されており、ゲート絶縁膜１２３の上の所定の領域にはゲート電極１２４が形成されている。また、電位安定化領域１１４とオーミック接触したオーミック電極１１７と、ソースドレイン拡散層１２１とオーミック接触したソースドレイン電極１２２とが形成されている。オーミック電極１１７及びソースドレイン電極１２２は、拡散層とオーミック接触するシリサイド層１４１とシリサイド層１４１を覆う金属電極層１４２とにより形成されている。

半導体層１１２上には、各電極を覆うように層間絶縁膜１３３が形成されており、層間絶縁膜１３３の上には、中性子変換層１１５及び配線１３５及び配線１３６が形成されている。これにより、中性子検出部１０１及び増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有する増幅部１０２が形成されている。本実施形態において、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）のソースドレイン拡散層の一方は、検出部拡散層１１３と一体に形成されている。

半導体基板１１１の裏面には、裏面電極１２６が設けられている。裏面電極１２６は半導体基板１１１の裏面とオーミック接触したオーミック電極であり、ニオブ－ニッケルシリサイド等により形成することができる。裏面電極１２６は、半導体基板１１１中に発生した電子・正孔キャリアを速やかに排出し、デバイス動作を安定化させる効果を生じる。

中性子変換層１１５は、変換機能層であるホウ素の同位体であるホウ素１０（¹⁰Ｂ）を含む¹⁰Ｂ含有層１１５Ａを有する金属膜である。¹⁰Ｂ含有層１１５Ａは、例えば¹⁰Ｂをイオン注入して形成したり、スパッタ法又は蒸着法等により¹⁰Ｂを堆積させて形成したりすることができる。なお、変換機能層は、¹⁰Ｂ含有層に代えてリチウムの同位体であるリチウム６(⁶Ｌｉ)を含む層とすることもできる。

本実施形態において、¹⁰Ｂ含有層１１５Ａの下側に下側金属層１１５Ｂが存在し上側に上側金属層１１５Ｃが存在しているが、上側金属層１１５Ｃはなくてもよい。下側金属層１１５Ｂ及び上側金属層１１５Ｃは、α線及びＬｉ線のすり抜けを生じにくくする観点から比較的原子番号が大きい金属が好ましい。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）等とすることができる。中でもＡｌは、Ａｌ配線と同様の方法で形成することができるので好ましい。

中性子変換層１１５に入射した中性子は、¹⁰Ｂと反応してα線及びＬｉ粒子線を発生させる。Ａｌ等からなる下側金属層１１５Ｂ中においてＬｉ粒子線はα線よりも減衰しやすく、α線のみが下側金属層１１５Ｂを通過して検出部拡散層１１３に入射し、ｎ⁺型の検
出部拡散層１１３とｐ型の半導体層１１２とのＰＮ接合近傍の空乏層に電子－正孔対を発生させる。発生した電子－正孔対の負電荷（電子）は、ｎ⁺型の検出部拡散層１１３に移
動する。この電荷は配線１３５及び１３６を通して、ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積され、このゲート電極の電位を変化させる。

さらに、本実施形態においては、ｐ型の半導体層１１２の下にｎ型の半導体基板１１１存在しているため、寄生バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）が形成されている。空乏層に発生した電子－正孔対からの正電荷（正孔）は、寄生ＢＪＴのベース部分に注入され、一時的にこの寄生ＢＪＴはオン状態となり、半導体基板１１１からベース部を通して検出部拡散層１１３に電子が移動する。この電子は上記の空乏層中で発生した電子－正孔対の電子と同様、配線１３５及び１３５を通して、ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積され、このゲート電極の電位を更に変化させる。この際、半導体基板１１１の裏面電極１２６に負の電圧を印可すると、より寄生ＢＪＴによる増幅効果が増大し、すなわち半導体基板１１１から検出部拡散層１１３へ注入される電子の数を増やすことができる。寄生ＢＪＴがあることでセンサを高感度化することができる。但し、寄生ＢＪＴは必ずしも必要ではなく、検出部拡散層１１３のみでも、本センサは動作する。

ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積された電荷は、このゲート電極の電位を変化させ、この結果、ＲＳトランジスタをオンしたのち、ＳＦトランジスタのゲート電極の電位に応じて、出力電圧が変化する。この電位を計測することにより、センサに入射した中性子数を計測することが可能になる。

本実施形態において検出部拡散層１１３は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）のソースドレイン拡散層と一体になっており、検出部拡散層１１３に移動した負電荷は、増幅部１０２により読み出され、中性子変換層１１５へ入射した中性子のエネルギーに応じた信号が得られる。一方、正電荷（正孔）は電位安定化領域１１４を介して排出される。寄生ＢＪＴが形成されることにより中性子の検出感度が向上するが、寄生ＢＪＴが形成されないような構成とすることもできる。

本実施形態の中性子検出素子１００は、中性子変換層１１５に入射した中性子により発生したα線とＬｉ粒子線のうちα線のみを用いて中性子の検出を行う。このため、中性子の定量性を向上させることができる。

本実施形態において、中性子変換層１１５は、検出部拡散層１１３の直上にのみ形成されており、増幅部１０２を構成するトランジスタ等の上には形成されていない。中性子変換層１１５は、検出部拡散層１１３の直上にのみ形成することにより、中性子変換層１１５から放出されたα線が、半導体層１１２の検出部拡散層１１３以外の部分に入射しにくくし、誤動作を生じにくくすることができる。検出部拡散層１１３の直上とは、平面視において検出部拡散層１１３と重なる部分であるが、検出部拡散層１１３と中性子変換層１１５とが完全に重なっていなくてもよい。なお、中性子変換層１１５が検出部拡散層１１３の直上以外の部分に形成されている構成とすることもできる。

本実施形態の炭化珪素受光素子は、例えば以下のように形成することができる。まず、図３Ａに示すように、ｎ型の半導体基板１１１の上にｐ型の半導体層１１２をエピタキシャル成長させる。続いて、第１のイオン注入マスク用いてｎ型不純物を半導体層１１２に選択的に注入してｎ⁺型の検出部拡散層１１３及びソースドレイン拡散層１２１を形成す
る。さらに、第２のイオン注入マスクを用いてｐ⁺型の電位安定化領域１１４を形成する
。この後、活性化アニールを行う。

半導体基板１１１は特に限定されないが、４Ｈ－ＳｉＣとすることができる。半導体層１１２の厚さは例えば１μｍ～５μｍ程度とすることができる。第１のイオン注入マスク及び第２のイオン注入マスクは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜により形成すること
ができる。活性化アニールは、ＳｉＣ半導体の場合はイオン注入を行った半導体層１１２をカーボンキャップ膜で覆った後で１７００℃程度の熱処理を行えばよい。

次に、図３Ｂに示すように、熱酸化を行い、厚さが２０ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２３を形成した後、オーミック電極１１７、ソースドレイン電極１２２、ゲート電極１２４及び裏面電極１２６を形成する。オーミック電極１１７及びソースドレイン電極１２２は、例えばシリサイド層１４１と金属電極層１４２とにより形成することができる。シリサイド層１４１は、例えばレジストマスクを用いたリフトオフの手法により、シリサイド層１４１となる金属膜を選択的に形成した後、熱処理によりシリサイド化して形成することができる。この場合の金属膜は、例えばニオブ－ニッケル膜とすることができるが、ニッケル－モリブデン合金膜等の他のシリサイドを形成する金属により形成することもできる。金属電極層１４２は、シリサイド層１４１を覆うようにＡｌ等からなる金属膜を形成して選択的にエッチング除去することにより形成することができる。金属電極層１４２とゲート電極１２４とは、同じプロセスにより形成することができる。金属電極層１４２及びゲート電極１２４は、窒化チタン又ポリシリコン等により形成することもできる。裏面電極１２６は、半導体基板１１１の裏面にニオブ－ニッケル膜等の金属膜を形成した後シリサイド化して形成すればよい。

次に、図３Ｃに示すように、半導体基板１１１上の全面に酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１３３を形成し、層間絶縁膜１３３の上に下側金属層１１５Ｂを形成する。層間絶縁膜１３３の厚さは、中性子変換層１１５から放出されたα線の検出部拡散層１１３への入射に影響を与えるが、例えば１μｍ程度とすることができる。この後、下側金属層１１５Ｂに¹⁰Ｂをイオン注入して、不純物拡散層である¹⁰Ｂ含有層１１５Ａを形成する。下側金属層１１５Ｂは、Ｌｉ粒子線を減衰させる金属層であればよく、アルミニウム、タングステン、及びモリブデン等により形成することができる。¹⁰Ｂ含有層１１５Ａは、イオン注入法に限らず、スパッタ法又は蒸着法等により¹⁰Ｂを堆積させて形成することができる。下側金属層１１５Ｂの厚さは、Ｌｉ粒子線は透過せずα線は透過する厚さとする。用いる金属の種類に応じて厚さは適宜決定すればよいが、例えばアルミニウムの場合には２μｍ～４μｍ程度、タングステンの場合には０．４μｍ程度とすることができる。¹⁰Ｂ含有層１１５Ａをイオン注入により形成する場合には、注入量は１×１０¹⁵ｃｍ^-2程度～４×１０¹⁵ｃｍ^-2程度とすることができる。上側金属層１１５Ｃの厚さは特に限定されないが、例えばアルミニウムの場合は１０ｎｍ～１０００ｎｍ程度とすることができる。なお、⁶Ｌｉ含有層も同様にして形成することもできる。

次に、図３Ｄに示すように、¹⁰Ｂ含有層１１５Ａを形成した下側金属層１１５Ｂを検出部拡散層１１３の直上を除いて選択的に除去する。次に、図３Ｅに示すように、上側金属層１１５Ｃ及び配線１３５及び配線１３６を形成する。上側金属層１１５Ｃと配線１３５及び配線１３６とを同じ金属とすれば、同じプロセスにより形成することができる。

本実施形態の中性子検出素子１００は、図４に示すようにマトリクス状に配置して、中性子検出素子１００を１画素とする中性子２次元センサ２００を形成することができる。中性子２次元センサ２００を用いることにより、中性子の面における分布を容易に測定することができ、中性子ラジオグラフィやＢＮＣＴにおいて、中性子の透過と吸収をリアルタイムで評価することができる。また、本実施形態の中性子検出素子１００は定量性に優れているため、中性子の強度分布を精度良く可視化することが可能となる。

図５に示すように、中性子変換層１１５と検出部拡散層１１３との間に、高密度層１５１を形成することもできる。高密度層１５１を形成することにより、検出部拡散層１１３を突き抜けてしまうα線を低減することができる。これにより、検出感度をさらに向上させることができる。高密度層１５１は、半導体層１１２よりも密度が高い層であればよく、金属を含む層が好ましく、例えば単純な金属層、複数の金属を含む合金層及びシリサイド層等の金属と非金属とを含む層とすることができる。中でも、原子番号１４を超える金属を含むことが好ましく、取り扱い性の観点から、ニッケル、ニオブ、チタン、及びコバルト等を含むことがより好ましい。これらの金属はシリサイドを形成しやすいという観点からも好ましい。ソースドレイン電極１２２と同じシリサイド層により高密度層を形成すれば、工程数を増やすことなく高密度層を形成することができる。この場合、ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と高密度層１５１とを一体に形成することができる。

高密度層１５１は、検出部拡散層１１３と接していることが好ましいが、高密度層１５１と検出部拡散層１１３との間に絶縁膜等の他の層が存在する構成とすることもできる。高密度層１５１は、検出部拡散層１１３のうちの少なくとも中性子変換層１１５の直下に形成されていることが好ましい。検出部拡散層１１３の全体を覆うように形成することも、検出部拡散層１１３よりも広い領域を覆うように形成することもできる。高密度層１１５の厚さは特に限定されないが、α線が検出部拡散層に達するようにすると共に突き抜けを防止する観点から、０．０１μｍ～０．３μｍ程度の厚さとすることが好ましい。ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と同じ工程により高密度層１５１を形成する場合は、ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と厚さを合わせることができる。

本実施形態において、半導体層１１２をｐ型とし、ｎ型のトランジスタを形成した。半導体層１１２をｐ型としｐ⁺型の電位安定化領域１１４を設けることにより、α線により
発生した正孔を速やかに排出できるので、検出素子の出力電位を安定化することができる。但し、半導体層１１２をｎ型とし、ｐ型の検出部拡散層及びトランジスタを形成することもできる。この場合には、電位安定化領域はｎ⁺型とすることができる。なお、電位安
定化領域は必要に応じて設ければよく、設けなくてもよい。本実施形態において電位安定化領域１１４は、検出部拡散層１１３と離間して隣接するように配置されている。このような構成とすることにより、電位を安定化する効果をより大きくすることができる。但し、電位安定化領域１１４は、検出部拡散層１１３と同じ半導体層１１２のいずれにも形成することができる。なお、導電型を示すｐ又はｎの記号に付した＋の符号は符号を付していない場合と比べて不純物濃度が高いことを示し、－の符号は符号を付していない場合と比べて不純物濃度が低いことを示す。

本実施形態のように、ＳｉＣ半導体を用いることにより、耐放射線性を向上させることができるので、素子の寿命を大幅に伸ばすことができる。但し、シリコン半導体により素子を形成することもできる。

本開示の中性子検出素子は、出力変動が生じにくく、中性子の定量的な検出が容易であり、中性子を用いた医療分野等において特に有用である。

１００ 中性子検出素子
１０１ 中性子検出部
１０２ 増幅部
１１１ 半導体基板
１１２ 半導体層
１１３ 検出部拡散層
１１４ 電位安定化領域
１１５ 中性子変換層
１１５Ａ ¹⁰Ｂ含有層
１１５Ｂ 下側金属層
１１５Ｃ 上側金属層
１１７ オーミック電極
１２１ ソースドレイン拡散層
１２２ ソースドレイン電極
１２３ ゲート絶縁膜
１２４ ゲート電極
１２６ 裏面電極
１３３ 層間絶縁膜
１３５ 配線
１３６ 配線
１４１ シリサイド層
１４２ 金属電極層
１５１ 高密度層
２００ 中性子２次元センサ

Claims (7)

1. 中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、
   前記中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、
   前記中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、前記半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、前記検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層と、中性子変換層と前記検出部拡散層との間に形成され、前記半導体層よりも密度が高い材料により形成された、高密度層とを有し、
   前記増幅部は、前記半導体層に形成された複数のトランジスタを有し、
   前記中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜であり、
   前記高密度層は、金属シリサイド層である、中性子検出素子。
2. 前記中性子検出部は、前記半導体層に形成され、前記半導体層よりも不純物濃度が高い第１導電型の電位安定化領域を有している、請求項１に記載の中性子検出素子。
3. 中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、
   前記中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、
   前記中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、前記半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、前記検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層と、前記半導体層に形成され、前記半導体層よりも不純物濃度が高い第１導電型の電位安定化領域とを有し、
   前記増幅部は、前記半導体層に形成された複数のトランジスタを有し、
   前記中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜である、中性子検出素子。
4. 前記ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層は、不純物拡散層である、請求項１～３のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
5. 前記半導体層は、炭化珪素半導体層である、請求項１～４のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
6. 前記中性子変換層は、前記検出部拡散層の直上に絶縁膜を介して形成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の中性子検出素子がマトリクス状に配置された、中性子２次元センサ。