JPS5826674B2

JPS5826674B2 - 半導体放射線検出器

Info

Publication number: JPS5826674B2
Application number: JP52017951A
Authority: JP
Inventors: 哲二小林; 昇松尾; 徹杉田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-02-21
Filing date: 1977-02-21
Publication date: 1983-06-04
Also published as: JPS53103386A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はＸ線やγ線等の放射線検出器に係り、特に外
部からのバイアスや冷却を必要としない軽量かつ安価な
半導体放射線検出器に関する。

従来より、放射線測定には電離相検出器やシンチレータ
光電子増倍管検出器が多く用いられてきたが、これらの
検出器は形状、重量が非常に大きいという欠点があった
。

これに対し、小型化、軽量化を図ったものとして、最近
は半導体放射線検出器が多く利用されるようになってき
ている。

その一例の概略構成を第１図に示す。

図において１が半導体放射線検出素子で、例えばＳｉ単
結晶体を用いその一方の面に不純物拡散を行ってｐｎ接
合を形成したものである。

２は冷却容器であって、内容器内に液体窒素のような冷
媒３を入れ、内容器と外容器の間の真空内に半導体放射
線検出素子１を配置して熱伝導体４を介して半導体放射
線検出素子１を間接的に冷却するようになっている。

５は前置増幅器で例えば電荷有感型電圧増幅器であり、
外部電源６からこの前置増幅器５を介して半導体放射線
検出素子１に高電圧バイアスを印加するようになってい
る。

そして、放射線入射により半導体放射線検出素子１に得
られた出力を前置増幅器５を通し、主増幅器７で増幅し
て取出すものである。

半導体放射線検出素子１の断面構造を模式的に示すと、
例えば第２図のようになっている。

即ち、ｎ型Ｓｉ単結晶１１を用い、その一方の面に不純
物拡散によりｐ型層１２を形成してｐｎ接合１３を作り
、他方の面に別の不純物拡散によりオーミック接触をと
るためのｎ十型層１４を形成し、それぞれ両面に電極を
つける。

そして、ｎ＋型層１４側を接地しｐ型層１２側に例えば
−１０００Ｖ程度の高電圧を印加してｎ型Ｓｉ単結晶１
１内に空乏層を作る。

この状態で放射線が入射すると、空乏層内で電子・正孔
対が励起され、内部電界に従って電子はｎ＋型層１４側
に、正孔はｐ型層１２側にそれぞれ取出されるわけであ
る。

ところで、このような半導体放射線検出器は素子自体は
小型になるものの、未だ次に列記するような欠点がある
。

（１）低エネルギあるいは低線量の放射線検出には低雑
音の検出器、増幅器を必要とし、またバイアス印加電源
をも必要とするため測定系が高価となる。

（２）検出素子の洩れ、暗電流を小さくする必要がある
ため製造が容易でない。

（３）検出素子に高電圧を印加しなければならないため
、特性劣化が大きく、特に耐電圧特性の低下が問題とな
る。

（４）検出素子を冷却するために冷却容器、冷媒媒体、
熱伝導体等を必要とし、検出器全体が大型になる。

（５）機械的振動、衝撃によって雑音を発生しやすい。

（６）パルス測定法であるため、太線量、例えば１０〜
１００［＾励のＸ線量率に対する測定が不可能である。

この発明は上記した点に鑑みてなされたもので、外部か
らのバイアスや冷却を必要とせず、軽量かつ安価で、し
かも太線量での検出器特性劣化もなく長時間の測定が可
能な半導体放射線検出器を提供するものである。

この発明に係る半導体放射線検出器は、比抵抗が３００
Ω−の以上のＳｉ単結晶体の所望の面に金属−半導体接
触からなる表面障壁が形設され、外部バイアスを印加し
ない状態で放射線による光起電力を検出するようにした
ことを特徴としている０即ち、従来の半導体放射線検出素子では用いる単結晶体
の比抵抗が小さく、従って大きな逆バイアスを印加して
空乏層を拡げ、との空乏層内に放射線入射によるキャリ
アを生成することで放射線検出を行っていた。

これに対し、この発明では比抵抗の十分大きいＳｉ単結
晶体を用いることにより、表面障壁近傍の空乏層領域に
限らず単結晶体全体が放射線検出に寄与し得るようにな
る。

つまり、この発明では外部バイアスを印加することなく
、単結晶体全体に放射線を入射させて内部にキャリアを
生成することにより、十分大きな出力を得ることができ
る。

比抵抗およびキャリア寿命を上述の範囲に限定したのは
、これらに満たない値では、低線量あるいは低エネルギ
の放射線を実用上十分な感度で検出することが困難にな
るという理由による。

以下にこの発明の詳細な説明する。

第３図は一実施例を示すもので、比抵抗３００Ω−鑞〜
数１０ＫＱ−儂のｐ型Ｓｉ単結晶体２１を用い、その一
方の面に、表面障壁を形成するＡＪ、Ｔｉなとの金属層
２２を蒸着し、また他方の面にはポロンを高濃度にドー
プしてｐ＋型層２３を形成した後、オーミック接触をな
すＡｕ、１’−１，Ｎｉなとの金属層２４を蒸着してい
る。

この際、Ｓｉ単結晶体２１の表面につく自然酸化膜を極
力除去して、金属層２２とＳｉ単結晶体２１との接触に
よる表面障壁を理想に近いショットキー障壁としてもよ
い。

ｐ十型層２３は良好なオーミック接触が得られれば必ず
しも必要ない。

そして、金属層２４を接地し、金属層２２をセンス増幅
器２５に接続して、任意の方向Ａ−Ｃからの放射線入力
による起電力を検出するものである。

センス増幅器２５は帰還抵抗１０７Ωを入れた演算増幅
器で構成され、非反転入力端を接地し、反転入力端に金
属層２２を接続している。

このように構成された放射線検出器を用い、実際にＸ線
をＡ、Ｂ、Ｃ方向からそれぞれ同一エネルギア０ＫｅＶ
で線量率を変えて入射させた場合のセンス増幅器２５の
出力と線量率の関係を第４図に示した。

このデータは、Ｓｉ単結晶体２１として、形状が１７ｗ
／ｌ×１５１ｍ×２綴、比抵抗が３００Ω−侃、キャリ
アの寿命が５００μ式以上のｐ型ウェハを用い、表面障
壁を形成する金属層２２にＡ、ｆｆを、オーミック接触
をなす金属層２４をＡｕを用いた素子について測定した
結果である。

図から明らかなように、各方向共、線量率１ｍＲ／＠□
〜ＩＲ／ｖｕ’ｎの範囲で直線性よく出力電圧が測定
されている。

ＩＲ〆輪〜１００ＲＡ−という高線量率でも何ら素子
特性を劣化させることなく測定することができる。

これに対して、比抵抗５０Ω−α、キャリア寿命１００
μｓｅｃ以下のｐ型Ｓｉ単結晶体を用いた他は上記実施
例と同じ条件で放射線検出器を構成した場合についての
測定結果を参考のため第５図に示す。

図から明らかなように線量率が大きい範囲では先の実施
例と同様な検出出力が得られるが、５００ｍＲ／’Ｉ
ＩＪｉｌＬ以下で直線性が悪くなり、８０ｍＲ／ａｍで
は測定不可能であった。

また第６図はキャリア寿命が５００μ式の場合の、比抵
抗と検出器相対出力感度との関係を示す。

この図は比抵抗が３００Ω−傭のときの出力感度を１と
して示されている。

また第７図は比抵抗が３００Ω−αの場合の、キャリア
寿命と検出器相対出力感度との関係を示す。

この図はキャリア寿命が５００μ式のときの出力感度を
１として示されている。

なお、素子の形状は使用目的等に応じて種々変形するこ
とができる。

その変形例を第８図〜第１０図に示す。

これらの図において、基本的な構成は先の実施例と同様
であるため、第３図と相対応する部分には第３図と同一
符号を付しである。

この発明に係る半導体放射線検出器の特徴は次のとおり
である。

（１）冷却は勿論、外部バイアスも必要とせず、また電
荷有感型増幅器も必要ないため、小型軽量となりかつ安
価になる。

（２）低エネルギあるいは低線量の放射線を検出する場
合、従来は洩れ電流を少くするために例えばガードリン
グを設けたりメサ加工を施すことが必要であったが、こ
の発明では外部バイアスが不要となるため電圧に依存す
る洩れ電流が従来はど小さくなくてもよく、従って素子
の製造が容易になり製造歩留りも向上する。

（３）高電圧バイアスを印加しないから、耐圧が低くて
よく、また高電圧を印加することによる素子特性の劣化
ということもないから、信頼度が高い。

（４）機械的な振動、衝撃に対して、従来のものはバイ
アスを印加し、電荷有感型増幅器を用いるために雑音発
生が多かったが、この発明ではこれらが不要であり、従
って雑音も少ない。

（５）従来のものでは、１００Ｒ／ｉｎという高線量
率の場合素子特性の劣化が著しく、また数１００ｍＲ
／＃Ｘ程度以下の低線量率測定が不可能であったが、こ
の発明では広い線量率範囲にわたって特性劣化もなく高
精度の測定が可能となる。

この発明に係る半導体放射線検出器は、位置分解能をも
つマルチチャネル型放射線検出器に応用して非常に有用
である。

例えば、コンピータ化されたＸ線レントゲン断層写真装
置の検出部としての構成例を示すと第１１図のようにす
ればよい。

図において、３１が先の実施例で説明したようなＳｉ放
射線検出素子であり、この素子３１をコの字状の絶縁性
マウンド台３２にマウントし、接着剤で固定している。

素子３１の表面障壁をなす金属層が設けられた面には真
空蒸着により電極３３が被着されており、この電極３３
と一体的にマウント台３２上に出力端子３４が形成され
ている。

また、素子３１のオーミック接触をなす金属層が設けら
れた他方の面には、マウント台３２をカバーシ、かつ上
方に突出す形で上記金属層と接触する金属板３５が被着
されている。

この金属板３５の素子３１の上方に突出した部分は上方
からの入射放射線に対してコリメータとして作用するも
のである。

３６はこのようにマウントされた検出素子を多数装置１
ルて組込むハウジングであって、例えばステンレスで作
られ、マウント台３２を案内するガイド溝が側壁に設け
られている。

そして、ハウジング３６の底板にこの底板から絶縁され
たコネクタ３７が取付けられていて、マウント台３２上
の出力端子３４をこのコネクタ３７に圧接することによ
り、外部のセンス増幅器３８に出力を取出すようになっ
ている。

Ｘ線レントゲン断層写真装置は特性の揃った多数の検出
素子が必要であり、しかも検出部を可動とするために軽
量であること、振動、衝撃により雑音を発生しないこと
、時間的変動がないこと等、厳しい条件が要求されるが
、この発明の放射線検出器を利用して第１１図のように
構成することにより、これらの条件を満たすものが得ら
れる。

以上述べたように、この発明によれば、Ｓｉ単結晶体の
比抵抗とキャリア寿命を選び、所望の面に金属−半導体
接触からなる表面障壁を設けることによって、外部バイ
アスや冷却を必要とせず、軽量かつ安価で、しかも広い
線量率の範囲にわたって信頼度の高い放射線測定を可能
とした半導体放射線検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体放射線検出器の概略構成を示す図
、第２図はその検出素子部を詳細に示す図、第３図はこ
の発明の一実施例を示す図、第４図はその検出出力−線
通率特性を示す図、第５図は比較のためＳｉ単結晶体の
比抵抗およびキャリア寿命を低く選んだ場合の検出出力
−線量率特性を示す図、第６図は比抵抗と検出器相対出
力感度の関係図、第７図はキャリア寿命と検出器相対出
力感度の関係図、第８図〜第１１図は検出素子の形状の
変形例を示す図、第１１図はこの発明の半導体放射線検
出器をマルチチャネル型検出器に適用した例を示す図で
ある。２１・・・・・・Ｐ型Ｓｉ単結晶体、２２・・・・・・
金属層（表面障壁用）、２３・・・・・・ｐ＋型層、２
４・・・・・・金属層（オーミック接触用）、２５・・・・・・センス増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】１比抵抗が３００Ω−確以上のＳｉ単結晶体の所望の
面に金属−半導体接触からなる表面障壁が形設され、外
部バイアスを印加しない状態で放射線による出力を検出
するようにしたことを特徴とする半導体放射線検出器。２Ｓｉ単結晶体としてキャリア寿命５００μ式以上の
ものを用いた特許請求の範囲第１項記載の半導体放射線
検出器。