JPH09246587A - シリコン半導体放射線検出器 - Google Patents
シリコン半導体放射線検出器Info
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- JPH09246587A JPH09246587A JP7328561A JP32856195A JPH09246587A JP H09246587 A JPH09246587 A JP H09246587A JP 7328561 A JP7328561 A JP 7328561A JP 32856195 A JP32856195 A JP 32856195A JP H09246587 A JPH09246587 A JP H09246587A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、小型かつ低コストで、実用上
必要とされるエネルギー範囲に渡って高感度にγ線を検
出できるシリコン半導体放射線検出器を提供することで
ある。 【解決手段】厚さ５００〜８００μｍのサブストレート
層１上に、ｎ+ 層２、ｐ+ 層３及びチャンネルストッパ
ー４を設け、サブストレート層１とｎ+ 層２のｐ・ｎ接
合部に空乏層５を作る。ｎ+ 層２の上部にシリコン酸化
膜６を設け、その一部をホトエッチングすることにより
信号取り出し用の電極７を設ける。
必要とされるエネルギー範囲に渡って高感度にγ線を検
出できるシリコン半導体放射線検出器を提供することで
ある。 【解決手段】厚さ５００〜８００μｍのサブストレート
層１上に、ｎ+ 層２、ｐ+ 層３及びチャンネルストッパ
ー４を設け、サブストレート層１とｎ+ 層２のｐ・ｎ接
合部に空乏層５を作る。ｎ+ 層２の上部にシリコン酸化
膜６を設け、その一部をホトエッチングすることにより
信号取り出し用の電極７を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、常温かつ耐電圧で
作動する半導体放射線検出器に係り、特に、γ線の高感
度検出性能と入射するγ線のエネルギーに依存しない一
定感度を維持する性能（エネルギー補償性能）を著しく
向上させるのに好適なシリコン半導体放射線検出器に関
する。
作動する半導体放射線検出器に係り、特に、γ線の高感
度検出性能と入射するγ線のエネルギーに依存しない一
定感度を維持する性能（エネルギー補償性能）を著しく
向上させるのに好適なシリコン半導体放射線検出器に関
する。
【０００２】
【従来の技術】半導体放射線検出器の第１の従来技術
は、特開昭59−55075 号公報に記載のように、検出素子
の表面に蛍光膜を取付け、その蛍光膜が放射線の入射で
発光する光を検出素子内部の空乏層に導き、低エネルギ
ー（１０ＫｅＶ以下）放射線の感度向上を図る構造にな
っている。通常の放射線モニタや線量計の測定エネルギ
ー範囲は８０ＫｅＶ〜３ＭｅＶ（JIS Z4324P450)であ
り、上記従来技術の対象エネルギー領域は特殊な用途に
限定される。
は、特開昭59−55075 号公報に記載のように、検出素子
の表面に蛍光膜を取付け、その蛍光膜が放射線の入射で
発光する光を検出素子内部の空乏層に導き、低エネルギ
ー（１０ＫｅＶ以下）放射線の感度向上を図る構造にな
っている。通常の放射線モニタや線量計の測定エネルギ
ー範囲は８０ＫｅＶ〜３ＭｅＶ（JIS Z4324P450)であ
り、上記従来技術の対象エネルギー領域は特殊な用途に
限定される。
【０００３】また、第２の従来技術では、特開昭59−10
8367号公報に記載のように、検出器単位面積当りの感度
向上策として放射線有感部の空乏層厚をいかに大きくす
るかと云うことが一般的となっている。空乏層の厚さは
半導体検出素子に印加する電圧の１／２乗に比例するこ
とが知られている。この公知例でも明らかなように、主
電極，環状制御電極の印加電圧を変えて検出素子の感度
を変えることができる。この手段はあくまでも検出素子
外の外部要因で感度を変えるものであり、検出素子を２
ケ並べて２倍の感度を得る方法と同等である。
8367号公報に記載のように、検出器単位面積当りの感度
向上策として放射線有感部の空乏層厚をいかに大きくす
るかと云うことが一般的となっている。空乏層の厚さは
半導体検出素子に印加する電圧の１／２乗に比例するこ
とが知られている。この公知例でも明らかなように、主
電極，環状制御電極の印加電圧を変えて検出素子の感度
を変えることができる。この手段はあくまでも検出素子
外の外部要因で感度を変えるものであり、検出素子を２
ケ並べて２倍の感度を得る方法と同等である。
【０００４】また、第３の従来技術としては、特開昭61
−74375 号公報に、空乏層の周辺に、検出すべき最大エ
ネルギ−のγ線によって生ずる二次電子の平均飛程にほ
ぼ等しい領域を設けた半導体放射線検出器が記載されて
いる。この従来技術は、空乏層とその周辺領域の両方で
発生した二次電子を用いてγ線の感度向上を図るもので
ある。
−74375 号公報に、空乏層の周辺に、検出すべき最大エ
ネルギ−のγ線によって生ずる二次電子の平均飛程にほ
ぼ等しい領域を設けた半導体放射線検出器が記載されて
いる。この従来技術は、空乏層とその周辺領域の両方で
発生した二次電子を用いてγ線の感度向上を図るもので
ある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記第１の従来技術で
は、通常の放射線モニタや線量計の測定エネルギー範囲
（ＪＩＳ規格）での使用の点について配慮がされておら
ず、実用上の問題が残る。
は、通常の放射線モニタや線量計の測定エネルギー範囲
（ＪＩＳ規格）での使用の点について配慮がされておら
ず、実用上の問題が残る。
【０００６】また、第２の従来技術では、空乏層の厚さ
が変わることによってエネルギー補償性能（検出器に入
射するγ線のエネルギーに依存せず一定の感度を維持す
る性能）が大きく変る点についての配慮がされておら
ず、正確な照射線量換算ができない問題があった。
が変わることによってエネルギー補償性能（検出器に入
射するγ線のエネルギーに依存せず一定の感度を維持す
る性能）が大きく変る点についての配慮がされておら
ず、正確な照射線量換算ができない問題があった。
【０００７】また、第３の従来技術では、空乏層の周辺
にγ線で生じる二次電子の平均飛程の幅をもつ領域を設
ける必要があるので、例えばＪＩＳで規定されているγ
線の最大エネルギ−３ＭｅＶの場合、この領域の幅は約
２mmにも達し、半導体検出器としては大型化してしまう
という問題がある。また、これに伴い検出器がコスト高
となる問題点がある。
にγ線で生じる二次電子の平均飛程の幅をもつ領域を設
ける必要があるので、例えばＪＩＳで規定されているγ
線の最大エネルギ−３ＭｅＶの場合、この領域の幅は約
２mmにも達し、半導体検出器としては大型化してしまう
という問題がある。また、これに伴い検出器がコスト高
となる問題点がある。
【０００８】本発明の目的は、小型かつ低コストで、実
用上必要とされるエネルギー範囲に渡って高感度にγ線
を検出できるシリコン半導体放射線検出器を提供するこ
とである。
用上必要とされるエネルギー範囲に渡って高感度にγ線
を検出できるシリコン半導体放射線検出器を提供するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
の表面に形成されるｐ・ｎ接合部と、該ｐ・ｎ接合部に
逆バイアス電圧を印加することにより前記半導体基板の
厚さ方向に形成される空乏層とを備え、３ＭｅＶまでの
エネルギーを有するγ線を検出するためのシリコン半導
体放射線検出器において、前記空乏層の下側に隣接し
て、前記厚さ方向に５００〜８００μｍの範囲の厚さを
有するサブストレート層を設けることによって達成され
る。
の表面に形成されるｐ・ｎ接合部と、該ｐ・ｎ接合部に
逆バイアス電圧を印加することにより前記半導体基板の
厚さ方向に形成される空乏層とを備え、３ＭｅＶまでの
エネルギーを有するγ線を検出するためのシリコン半導
体放射線検出器において、前記空乏層の下側に隣接し
て、前記厚さ方向に５００〜８００μｍの範囲の厚さを
有するサブストレート層を設けることによって達成され
る。
【００１０】ｐ・ｎ接合型半導体放射線検出素子の動作
原理によれば、放射線（γ線）が入射して半導体材料と
コンプトン散乱等の相互作用を起こし、これにより生成
された２次電子が空乏層内で電子，正孔の電荷を作り、
放射線の検出信号となる。検出素子の感度を向上させる
には、（１）空乏層内で生成する電子・正孔対(電荷)量
の増大、（２）電子・正孔対収集のＳ／Ｎを上げるため
の検出素子漏洩電流の低減、の二つが重要なポイントと
なる。
原理によれば、放射線（γ線）が入射して半導体材料と
コンプトン散乱等の相互作用を起こし、これにより生成
された２次電子が空乏層内で電子，正孔の電荷を作り、
放射線の検出信号となる。検出素子の感度を向上させる
には、（１）空乏層内で生成する電子・正孔対(電荷)量
の増大、（２）電子・正孔対収集のＳ／Ｎを上げるため
の検出素子漏洩電流の低減、の二つが重要なポイントと
なる。
【００１１】もう一つの問題点であるエネルギー補償性
能については、入射する放射線のエネルギーに応じて半
導体材料と放射線の相互作用を起こす割合が大きく異な
ることによる。入射放射線のエネルギーが低い（３００
ＫｅＶ以下）場合は空乏層の薄い層においても放射線の
吸収量が大きく高い感度が得られる。エネルギーが高い
（〜３００ＫｅＶ以上）場合は吸収量が小さくなり、低
感度となる。エネルギー補償性能を向上させるには、こ
の高エネルギー側の感度向上策が重要となる。本発明は
これらの対策を一挙に解決するものである。
能については、入射する放射線のエネルギーに応じて半
導体材料と放射線の相互作用を起こす割合が大きく異な
ることによる。入射放射線のエネルギーが低い（３００
ＫｅＶ以下）場合は空乏層の薄い層においても放射線の
吸収量が大きく高い感度が得られる。エネルギーが高い
（〜３００ＫｅＶ以上）場合は吸収量が小さくなり、低
感度となる。エネルギー補償性能を向上させるには、こ
の高エネルギー側の感度向上策が重要となる。本発明は
これらの対策を一挙に解決するものである。
【００１２】本発明の素子構造は、ｐ・ｎ接合部の空乏
層に隣接して、厚さ方向に５００〜８００μｍの範囲の
厚さを有するサブストレート層を設ける。本発明の素子
構造では、サブストレート層で放射線が相互作用を起こ
して生成する２次電子が、その２次電子のエネルギーに
対応した飛程で空乏層内に到達することになる。これ
が、高感度化の第１要因である。この際、サブストレー
ト層の厚さを５００〜８００μｍとすることにより、必
要以上にサブストレート層を厚くすることなしに、後述
する図３に示すように、ＪＩＳで規定されている３Ｍｅ
Ｖまでのエネルギーを有するγ線を高感度で検出でき
る。サブストレート層を必要以上に厚くしないことで、
検出器の小型化が図れ、この結果としてコストの低減が
可能となる。
層に隣接して、厚さ方向に５００〜８００μｍの範囲の
厚さを有するサブストレート層を設ける。本発明の素子
構造では、サブストレート層で放射線が相互作用を起こ
して生成する２次電子が、その２次電子のエネルギーに
対応した飛程で空乏層内に到達することになる。これ
が、高感度化の第１要因である。この際、サブストレー
ト層の厚さを５００〜８００μｍとすることにより、必
要以上にサブストレート層を厚くすることなしに、後述
する図３に示すように、ＪＩＳで規定されている３Ｍｅ
Ｖまでのエネルギーを有するγ線を高感度で検出でき
る。サブストレート層を必要以上に厚くしないことで、
検出器の小型化が図れ、この結果としてコストの低減が
可能となる。
【００１３】また、検出素子の漏洩電流は１１００℃前
後の拡散プロセスで素子を製造する場合、サブストレー
ト層側に接合部の不純物が捕獲（ゲッタリング）され、
高純度の空乏層が実現して漏洩電流が低減する。さら
に、エネルギー補償性能についてであるが高エネルギー
の２次電子ほど飛程が長く、サブストレート層で生成さ
れる２次電子が空乏層内に到達する割合が大きくなる。
これは入射する放射線のエネルギーに比例した感度の向
上を図ることになり、エネルギー補償性能の向上策とな
る。
後の拡散プロセスで素子を製造する場合、サブストレー
ト層側に接合部の不純物が捕獲（ゲッタリング）され、
高純度の空乏層が実現して漏洩電流が低減する。さら
に、エネルギー補償性能についてであるが高エネルギー
の２次電子ほど飛程が長く、サブストレート層で生成さ
れる２次電子が空乏層内に到達する割合が大きくなる。
これは入射する放射線のエネルギーに比例した感度の向
上を図ることになり、エネルギー補償性能の向上策とな
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１に
より説明する。シリコンなどの高純度（比抵抗１ＫΩcm
以上）半導体放射線検出器（以下、半導体検出器と呼
ぶ）の構造は、ｐ型シリコン基板（サブストレート層）
１上にリン（Ｐ）を拡散させたｎ+ 層２と、ボロン
（Ｂ）を拡散させたｐ+ 層３およびチャンネルストッパ
ー４からなり、ｎ+ 層２とｐ型シリコンのｐ・ｎ接合部
に空乏層５を作る。ｎ+ 層２の上部にシリコン酸化膜６
を設け、その一部をホトエッチングすることによって、
信号取り出し用の電極７（Ａｌなど）を設ける。また、
ｐ+ 層３にもオームコンタクトの電極８を設け、両電極
間に電圧を印加（ｎ+ 層側が正，ｐ+ 層側が負）する。
電圧を印加するとｐ・ｎ接合部の空乏層５がチャンネル
ストッパー４側とサブストレート層１側に広がる。しか
し、チャンネルストッパー４は、ｐ+ 層であるため平面
方向の広がりはチャンネルストッパー４で限定される。
サブストレート層１側の広がりｄは印加電圧Ｖと半導体
比抵抗ρから
より説明する。シリコンなどの高純度（比抵抗１ＫΩcm
以上）半導体放射線検出器（以下、半導体検出器と呼
ぶ）の構造は、ｐ型シリコン基板（サブストレート層）
１上にリン（Ｐ）を拡散させたｎ+ 層２と、ボロン
（Ｂ）を拡散させたｐ+ 層３およびチャンネルストッパ
ー４からなり、ｎ+ 層２とｐ型シリコンのｐ・ｎ接合部
に空乏層５を作る。ｎ+ 層２の上部にシリコン酸化膜６
を設け、その一部をホトエッチングすることによって、
信号取り出し用の電極７（Ａｌなど）を設ける。また、
ｐ+ 層３にもオームコンタクトの電極８を設け、両電極
間に電圧を印加（ｎ+ 層側が正，ｐ+ 層側が負）する。
電圧を印加するとｐ・ｎ接合部の空乏層５がチャンネル
ストッパー４側とサブストレート層１側に広がる。しか
し、チャンネルストッパー４は、ｐ+ 層であるため平面
方向の広がりはチャンネルストッパー４で限定される。
サブストレート層１側の広がりｄは印加電圧Ｖと半導体
比抵抗ρから
【００１５】
【数１】
【００１６】で近似される。
【００１７】以上の構成はｐ型シリコンを用いた半導体
検出器の例であるが、ｎ型シリコンを用いた場合も同様
の構成となる。次に半導体検出器の動作原理を説明す
る。外部から入射する放射線（γ線）は半導体材料とコ
ンプトン散乱等の相互作用を起こし、半導体材料内で２
次電子を生成する。この２次電子が空乏層５内で電子・
正孔対のキャリア（電荷）を生成し、この微少電流パル
スが両電極に収集されて放射線の検出信号となる。
検出器の例であるが、ｎ型シリコンを用いた場合も同様
の構成となる。次に半導体検出器の動作原理を説明す
る。外部から入射する放射線（γ線）は半導体材料とコ
ンプトン散乱等の相互作用を起こし、半導体材料内で２
次電子を生成する。この２次電子が空乏層５内で電子・
正孔対のキャリア（電荷）を生成し、この微少電流パル
スが両電極に収集されて放射線の検出信号となる。
【００１８】図２には、比較用の従来の半導体検出素子
の構造を示す。ｎ+ 層２，ｐ+ 層３，チャンネルストッ
パー４，シリコン酸化膜６，電極７及び８の構造は図１
と同一である。空乏層５の広がりも、印加電圧Ｖ，半導
体材料の比抵抗ρが同じ場合は同一の広がりとなる。異
なるところは、従来の構造ではサブストレート層１の厚
さが全く考慮されていないのに対して、本実施例では１
４０μｍより厚い500〜８００μｍとしたことである。
空乏層５の厚さｄは印加電圧が３０Ｖで比抵抗が２ＫΩ
cmの場合、約７０μｍ程度となる。印加電圧が１００Ｖ
で１２０μｍ程度となる。これに対してチャンネルスト
ッパー４の内径は数mmφであり、検出器の実寸法は厚さ
数１００μｍの平板状となる。
の構造を示す。ｎ+ 層２，ｐ+ 層３，チャンネルストッ
パー４，シリコン酸化膜６，電極７及び８の構造は図１
と同一である。空乏層５の広がりも、印加電圧Ｖ，半導
体材料の比抵抗ρが同じ場合は同一の広がりとなる。異
なるところは、従来の構造ではサブストレート層１の厚
さが全く考慮されていないのに対して、本実施例では１
４０μｍより厚い500〜８００μｍとしたことである。
空乏層５の厚さｄは印加電圧が３０Ｖで比抵抗が２ＫΩ
cmの場合、約７０μｍ程度となる。印加電圧が１００Ｖ
で１２０μｍ程度となる。これに対してチャンネルスト
ッパー４の内径は数mmφであり、検出器の実寸法は厚さ
数１００μｍの平板状となる。
【００１９】以下、照射線量計として半導体検出器を用
いる場合に、不可欠となる高感度化及びエネルギー補償
性能に対して、本実施例の検出素子構造がいかに有効で
あるかを説明する。
いる場合に、不可欠となる高感度化及びエネルギー補償
性能に対して、本実施例の検出素子構造がいかに有効で
あるかを説明する。
【００２０】空乏層５内で生成した２次電子は直接電子
・正孔対を生成する。このため、入射γ線のエネルギー
が低い場合は空乏層５で吸収される割合が多く高感度検
出が可能となる。しかし、入射γ線のエネルギーが高く
なるにつれて空乏層５の下側へつき抜ける割合が多くな
る。本実施例のように、空乏層５の下側に隣接してサブ
ストレート層１を設けた場合には、サブストレート層１
内で２次電子を生成することになる。この生成した２次
電子は等方的に半導体材料内を進行し、一部は空乏層５
内に到達して電子・正孔対を生成する。前述したように
半導体検出素子の形状は平板状であるので、平板状の空
乏層５の下部にサブストレート層１から入射する２次電
子の寄与は非常に大きいことが予想できる。
・正孔対を生成する。このため、入射γ線のエネルギー
が低い場合は空乏層５で吸収される割合が多く高感度検
出が可能となる。しかし、入射γ線のエネルギーが高く
なるにつれて空乏層５の下側へつき抜ける割合が多くな
る。本実施例のように、空乏層５の下側に隣接してサブ
ストレート層１を設けた場合には、サブストレート層１
内で２次電子を生成することになる。この生成した２次
電子は等方的に半導体材料内を進行し、一部は空乏層５
内に到達して電子・正孔対を生成する。前述したように
半導体検出素子の形状は平板状であるので、平板状の空
乏層５の下部にサブストレート層１から入射する２次電
子の寄与は非常に大きいことが予想できる。
【００２１】図３にはサブストレート層１の厚さ（サブ
ストレート厚）とγ線に対する感度との関係を示す。こ
こで、感度は、前述したＪＩＳ規格内の高エネルギーγ
線に対するものである。同図から、サブストレート層が
１４０μｍ以下の従来の検出素子に比べ、本実施例の厚
さ５００〜８００μｍのサブストレート層を設けた検出
器が４倍以上の高感度の性能を示していることが判る。
この感度向上の効果は１４０μｍ程度から顕著に表われ
ている。
ストレート厚）とγ線に対する感度との関係を示す。こ
こで、感度は、前述したＪＩＳ規格内の高エネルギーγ
線に対するものである。同図から、サブストレート層が
１４０μｍ以下の従来の検出素子に比べ、本実施例の厚
さ５００〜８００μｍのサブストレート層を設けた検出
器が４倍以上の高感度の性能を示していることが判る。
この感度向上の効果は１４０μｍ程度から顕著に表われ
ている。
【００２２】また、図３から明らかなように、５００〜
８００μｍのサブストレート厚において感度がほぼ飽和
していることが判る。従って、サブストレート厚を５０
０〜８００μｍの範囲とすることにより、ＪＩＳで規定
されている３ＭｅＶまでのエネルギーを有するγ線を高
感度で検出することが可能となる。尚、感度のより確実
な飽和領域として、６００〜８００μｍのサブストレー
ト厚の範囲が最適といえる。
８００μｍのサブストレート厚において感度がほぼ飽和
していることが判る。従って、サブストレート厚を５０
０〜８００μｍの範囲とすることにより、ＪＩＳで規定
されている３ＭｅＶまでのエネルギーを有するγ線を高
感度で検出することが可能となる。尚、感度のより確実
な飽和領域として、６００〜８００μｍのサブストレー
ト厚の範囲が最適といえる。
【００２３】ここで、本実施例による検出器の小型化に
関する効果を第３の従来例と比較する。前述したよう
に、第３の従来例の検出器で３ＭｅＶまでのエネルギー
を有するγ線を高感度で検出するためには、サブストレ
ート層を約２mmにまで厚くする必要があった。これに対
して、本実施例によれば、図３に示すように６００〜８
００μｍのサブストレート厚にするだけで、十分な高感
度が得られることになる。即ち、本実施例によれば、第
３の従来例に比べて１／３程度のサブストレート厚を有
する小型の検出器で高感度なγ線検出が可能となる。こ
れに伴い、検出器のコスト低減を図ることができる。
関する効果を第３の従来例と比較する。前述したよう
に、第３の従来例の検出器で３ＭｅＶまでのエネルギー
を有するγ線を高感度で検出するためには、サブストレ
ート層を約２mmにまで厚くする必要があった。これに対
して、本実施例によれば、図３に示すように６００〜８
００μｍのサブストレート厚にするだけで、十分な高感
度が得られることになる。即ち、本実施例によれば、第
３の従来例に比べて１／３程度のサブストレート厚を有
する小型の検出器で高感度なγ線検出が可能となる。こ
れに伴い、検出器のコスト低減を図ることができる。
【００２４】図４には入射γ線エネルギーとシリコン中
２次電子の平均飛程の関係を示す。この関係からもわか
るように１４０μｍ以上の飛程は６００〜７００ＫｅＶ
以上の入射γ線に相当する。これは、照射線量計として
必要な測定エネルギー範囲８０ＫｅＶ〜３ＭｅＶでは、
高エネルギー領域の放射線に対して有効となっているこ
とがわかる。
２次電子の平均飛程の関係を示す。この関係からもわか
るように１４０μｍ以上の飛程は６００〜７００ＫｅＶ
以上の入射γ線に相当する。これは、照射線量計として
必要な測定エネルギー範囲８０ＫｅＶ〜３ＭｅＶでは、
高エネルギー領域の放射線に対して有効となっているこ
とがわかる。
【００２５】次に漏洩電流の低減について述べる。放射
線を測定したときの波高分布を図５に示す。検出器の漏
洩電流は直接検出信号のノイズ成分となる。放射線を正
しく計測するためには検出信号のノイズ成分と弁別しな
ければならない。一般にノイズ成分と弁別するためには
ディスクリミネートを用いるが、図５からも明らかなよ
うに、ノイズ成分すなわち漏洩電流が小さい程、ディス
クリミネートのレベルを低く設定でき、正味計数値が大
きくなる。
線を測定したときの波高分布を図５に示す。検出器の漏
洩電流は直接検出信号のノイズ成分となる。放射線を正
しく計測するためには検出信号のノイズ成分と弁別しな
ければならない。一般にノイズ成分と弁別するためには
ディスクリミネートを用いるが、図５からも明らかなよ
うに、ノイズ成分すなわち漏洩電流が小さい程、ディス
クリミネートのレベルを低く設定でき、正味計数値が大
きくなる。
【００２６】さて、半導体検出素子の漏洩電流Ｉd は次
式の関係にある。
式の関係にある。
【００２７】
【数２】
【００２８】ここで、ｑは電子の電荷、ｎi は真性半導
体のキャリア濃度、ｄは空乏層の厚さ、ｓは検出素子の
接合面積、τはキャリアの寿命である。この関係から明
らかなように漏洩電流を小さくするためには、半導体材
料，検出構造が同一の場合、キャリアの寿命τをいかに
長くするかと云う事で決まる。
体のキャリア濃度、ｄは空乏層の厚さ、ｓは検出素子の
接合面積、τはキャリアの寿命である。この関係から明
らかなように漏洩電流を小さくするためには、半導体材
料，検出構造が同一の場合、キャリアの寿命τをいかに
長くするかと云う事で決まる。
【００２９】図６には、従来の検出器と本実施例の検出
器の漏洩電流を比較した結果を示す。三角印の塗りつぶ
しが本実施例の検出素子データであり、三角印の白抜き
が従来の検出素子データである。キャリアの寿命を実測
した結果は従来の約５倍〜１０倍であり、漏洩電流を約
１／１０に低減した高性能検出素子を本実施例で実現で
きる。この漏洩電流の低減は、１１００℃前後の高温拡
散プロセスで検出素子を製造する場合、ｐ・ｎ接合部に
存在する不純物がサブストレート層側に捕獲されること
になる。ｐ・ｎ接合部の空乏層の不純物濃度が低下する
と、放射線の入射で生成する電荷（キャリア）が不純物
に捕獲されなくなり、必然的にキャリアの寿命が長くな
る。
器の漏洩電流を比較した結果を示す。三角印の塗りつぶ
しが本実施例の検出素子データであり、三角印の白抜き
が従来の検出素子データである。キャリアの寿命を実測
した結果は従来の約５倍〜１０倍であり、漏洩電流を約
１／１０に低減した高性能検出素子を本実施例で実現で
きる。この漏洩電流の低減は、１１００℃前後の高温拡
散プロセスで検出素子を製造する場合、ｐ・ｎ接合部に
存在する不純物がサブストレート層側に捕獲されること
になる。ｐ・ｎ接合部の空乏層の不純物濃度が低下する
と、放射線の入射で生成する電荷（キャリア）が不純物
に捕獲されなくなり、必然的にキャリアの寿命が長くな
る。
【００３０】次にエネルギー補償性能について述べる。
照射線量計は測定対象となるγ線のエネルギー範囲で感
度（ＣＰＳ／ｍＲ・ｈ-1）のばらつきを小さく抑える必
要がある。
照射線量計は測定対象となるγ線のエネルギー範囲で感
度（ＣＰＳ／ｍＲ・ｈ-1）のばらつきを小さく抑える必
要がある。
【００３１】検出素子の感度と入射γ線のエネルギーの
関係を図７に示す。従来の検出器の感度差±１００％に
対し、本実施例の感度差は±３３％以内に抑えられる。
線量計の感度Ｄs （ＣＰＳ／Ｒ）は一般に次式で表わせ
る。
関係を図７に示す。従来の検出器の感度差±１００％に
対し、本実施例の感度差は±３３％以内に抑えられる。
線量計の感度Ｄs （ＣＰＳ／Ｒ）は一般に次式で表わせ
る。
【００３２】
【数３】
【００３３】ここで、Ｗair は空気中での１イオン対生
成のエネルギー、μSiはシリコン材料のγ線吸収係数、
ｄは空乏層の厚さ、Ｅは入射γ線のエネルギーである。
ところが、本実施例の検出素子は、空乏層ｄに隣接して
厚さ５００〜８００μｍのサブストレート層を設けてい
るので、入射γ線のエネルギーに応じて（２次電子の飛
程に応じて）見かけ上空乏層が厚くなる効果を生じる。
２次電子の飛程で見かけ上空乏層が厚くなる項をｄ′
(Ｅ)とすると上式Ｄs は次式で表わせる。
成のエネルギー、μSiはシリコン材料のγ線吸収係数、
ｄは空乏層の厚さ、Ｅは入射γ線のエネルギーである。
ところが、本実施例の検出素子は、空乏層ｄに隣接して
厚さ５００〜８００μｍのサブストレート層を設けてい
るので、入射γ線のエネルギーに応じて（２次電子の飛
程に応じて）見かけ上空乏層が厚くなる効果を生じる。
２次電子の飛程で見かけ上空乏層が厚くなる項をｄ′
(Ｅ)とすると上式Ｄs は次式で表わせる。
【００３４】
【数４】
【００３５】ｄ′(Ｅ)は入射γ線のエネルギーＥに依存
して大きくなり、感度Ｄs と入射γ線のエネルギーＥの
関係を平坦化することになる。これが、サブストレート
層がエネルギー補償性能を著しく向上させる要因であ
る。
して大きくなり、感度Ｄs と入射γ線のエネルギーＥの
関係を平坦化することになる。これが、サブストレート
層がエネルギー補償性能を著しく向上させる要因であ
る。
【００３６】以上の説明のごとく、本実施例によれば照
射線量計に最適な半導体放射線検出素子を実現できる。
この検出素子は原子力発電所の各種放射線モニタやサー
ベイメータ，個人被ばく線量計など極めて多くの現状放
射線検出器に用いることができる。
射線量計に最適な半導体放射線検出素子を実現できる。
この検出素子は原子力発電所の各種放射線モニタやサー
ベイメータ，個人被ばく線量計など極めて多くの現状放
射線検出器に用いることができる。
【００３７】また、本実施例ではｐ・ｎ接合型の検出素
子について説明したが、表面障壁型検出器など多くの半
導体放射線検出素子に採用することが可能である。これ
らの変形例についてのサブストレート厚の考え方は、シ
リコンで１４０μｍより厚い５００〜８００μｍの厚さ
相当設けることが一つの基準となる。例えば、Ｃd・Ｔe
のような半導体材料を用いる場合は、Ｃd・Ｔeの質量吸
収係数と密度から求まる線吸収係数μとその厚さｄ′で
決まる放射線阻止能
子について説明したが、表面障壁型検出器など多くの半
導体放射線検出素子に採用することが可能である。これ
らの変形例についてのサブストレート厚の考え方は、シ
リコンで１４０μｍより厚い５００〜８００μｍの厚さ
相当設けることが一つの基準となる。例えば、Ｃd・Ｔe
のような半導体材料を用いる場合は、Ｃd・Ｔeの質量吸
収係数と密度から求まる線吸収係数μとその厚さｄ′で
決まる放射線阻止能
【００３８】
【外１】
【００３９】の値がシリコンで５００〜８００μｍの厚
さ相当になるようにｄ′を設定する。また、より最適な
厚さ範囲としては、図３の結果から６００〜８００μｍ
程度が最適と云える。この厚さは、図４を参照すると、
数ＭｅＶの２次電子の平均飛程程度と一致する。これ
は、ＪＩＳに設定されている測定対象エネルギー範囲の
上限であり、数ＭｅＶまでの入射γ線を検出するときの
最適なサブストレート厚と云える。
さ相当になるようにｄ′を設定する。また、より最適な
厚さ範囲としては、図３の結果から６００〜８００μｍ
程度が最適と云える。この厚さは、図４を参照すると、
数ＭｅＶの２次電子の平均飛程程度と一致する。これ
は、ＪＩＳに設定されている測定対象エネルギー範囲の
上限であり、数ＭｅＶまでの入射γ線を検出するときの
最適なサブストレート厚と云える。
【００４０】図８に、電極８を共用した積層構造を有す
る本発明による検出器の第２実施例を示す。この構造に
おいても、空乏層５の境界からサブストレート層１を１
４０μｍより厚い５００〜８００μｍ設けるのが重要な
ポイントとなる。本実施例でも、第１実施例と同様な効
果を達成できる。
る本発明による検出器の第２実施例を示す。この構造に
おいても、空乏層５の境界からサブストレート層１を１
４０μｍより厚い５００〜８００μｍ設けるのが重要な
ポイントとなる。本実施例でも、第１実施例と同様な効
果を達成できる。
【００４１】図９に、本発明を球体検出素子に適用した
第３実施例を示す。ｎ+ 層２の上部に設ける電極，酸化
膜は省略している。また、球体検出素子内部の電極８は
絶縁を維持して外部に引き出せるものとする。この場合
でも、空乏層（ｄ）５の下部にサブストレート層
（ｄ′）１を１４０μｍより厚い５００〜８００μｍ設
ける。本実施例では、第１実施例と同様な効果を達成で
きると共に、さらに、指向性の無い、極めて高性能の検
出素子を実現できる。
第３実施例を示す。ｎ+ 層２の上部に設ける電極，酸化
膜は省略している。また、球体検出素子内部の電極８は
絶縁を維持して外部に引き出せるものとする。この場合
でも、空乏層（ｄ）５の下部にサブストレート層
（ｄ′）１を１４０μｍより厚い５００〜８００μｍ設
ける。本実施例では、第１実施例と同様な効果を達成で
きると共に、さらに、指向性の無い、極めて高性能の検
出素子を実現できる。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、実用上必要とされるエ
ネルギー範囲に渡って高感度にγ線を検出可能な、小型
で低コストなシリコン半導体放射線検出器を実現でき
る。
ネルギー範囲に渡って高感度にγ線を検出可能な、小型
で低コストなシリコン半導体放射線検出器を実現でき
る。
【図１】本発明による検出器の第１実施例を示す図。
【図２】従来の半導体検出素子の構造図。
【図３】サブストレート厚と感度との関係を示す図。
【図４】入射γ線エネルギーとシリコン中２次電子の平
均飛程の関係を示す図。
均飛程の関係を示す図。
【図５】放射線測定の波高分布図。
【図６】従来の検出器と第１実施例の検出器の漏洩電流
の比較結果を示す図。
の比較結果を示す図。
【図７】検出素子のエネルギー補償性能を表わす図。
【図８】本発明による検出器の第２実施例を示す図。
【図９】本発明による検出器の第３実施例を示す図。
１…サブストレート層、２…ｎ+ 層、３…ｐ+ 層、４…
チャンネルストッパー、５…空乏層、６…シリコン酸化
膜、７，８…電極。
チャンネルストッパー、５…空乏層、６…シリコン酸化
膜、７，８…電極。
Claims (2)
- 【請求項１】半導体基板の表面に形成されるｐ・ｎ接合
部と、該ｐ・ｎ接合部に逆バイアス電圧を印加すること
により前記半導体基板の厚さ方向に形成される空乏層と
を備え、３ＭｅＶまでのエネルギーを有するγ線を検出
するためのシリコン半導体放射線検出器において、 前記空乏層の下側に隣接して、前記半導体基板の厚さ方
向に５００〜８００μｍの範囲の厚さを有するサブスト
レート層を設け、 前記半導体基板に入射したγ線によって前記空乏層内及
び前記サブストレート層内に生じた２次電子が前記空乏
層内に生成する電子・正孔対を検出することを特徴とす
るシリコン半導体放射線検出器。 - 【請求項２】請求項１において、前記サブストレート層
は、前記半導体基板の厚さ方向に、６００〜８００μｍ
の範囲の厚さを有することを特徴とするシリコン半導体
放射線検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7328561A JPH09246587A (ja) | 1995-12-18 | 1995-12-18 | シリコン半導体放射線検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7328561A JPH09246587A (ja) | 1995-12-18 | 1995-12-18 | シリコン半導体放射線検出器 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62024563A Division JPS63193088A (ja) | 1987-02-06 | 1987-02-06 | 半導体放射線検出器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09246587A true JPH09246587A (ja) | 1997-09-19 |
Family
ID=18211657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7328561A Pending JPH09246587A (ja) | 1995-12-18 | 1995-12-18 | シリコン半導体放射線検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09246587A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020162246A1 (ja) * | 2019-02-04 | 2020-08-13 | 株式会社堀場製作所 | 放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63193088A (ja) * | 1987-02-06 | 1988-08-10 | Hitachi Ltd | 半導体放射線検出器 |
| JPH0464264A (ja) * | 1990-07-04 | 1992-02-28 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体放射線検出器 |
-
1995
- 1995-12-18 JP JP7328561A patent/JPH09246587A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63193088A (ja) * | 1987-02-06 | 1988-08-10 | Hitachi Ltd | 半導体放射線検出器 |
| JPH0464264A (ja) * | 1990-07-04 | 1992-02-28 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体放射線検出器 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020162246A1 (ja) * | 2019-02-04 | 2020-08-13 | 株式会社堀場製作所 | 放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 |
| JPWO2020162246A1 (ja) * | 2019-02-04 | 2021-12-02 | 株式会社堀場製作所 | 放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 |
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