JPS63182870A - 積層型ＣｄＴｅ放射線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、放射線検出素子に関するものであり、特には
エネルギー分解能に優れると同時に計数率の低下を補償
した積層型放射線検出素子に関する。

本発明は、各素子の厚さをキャリアーの移動しうる距離
より小さくすることによりキャリアーの収集効率を向上
せしめ、そして各素子の薄肉化から生ずる計数率の低下
等の欠点を素子を複数枚積層することによって補うこと
を特許とする。

本発明の放射線検出素子は、高分解能を必要とする計測
分野、例えば、ｒ線スペクトルメータ、Ｘ線計測器用検
出素子、医用放射線検出素子として好適に応用しうる。

発明の背景 放射線検出素子としては、１９６０年代よりＳｌやＧψ
等が実用化され、幅広い分野で使用されている。これら
、Ｓｌ及びＧ＠の放射線検出素子は分解能が良い半面、
バンドギャップが小さいので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Ｃｄ　Ｔ　＠、ＨｇＩ鵞、ＧａＡａ等の化合物半
導体に注目が払われ、実用化に向けて多くの研究が進行
している。なかでもＣｄＴ・放射線検出素子は、有望で
あり、実用化の段階に入っている。例としてＣｄＴ・は
バンドギャップがｔ５３・Ｖ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。更に、ＣｄＴ・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。

従来からの半導体放射線検出素子、例えばＣｄＴ・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ツ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、半導体放射線検出素子は、その性能面で改
善すべき課題はまだ多いが、その最重要なものの一つは
、放射線検出時のエネルギー分解能の向上である。エネ
ルギー分解能向上のためには、リーク電流の低減等信の
幾つかのアプローチが考慮しうるが、特に、キャリアー
収集効率の低さが分解能向上のネックとなっている。

しかしながら、キャリアー収集効率の改善という！！［
題に対する具体的な解決策は従来技術においていまだ見
られない。

こうした状況において、本件出項人は、半導体結晶内で
のキャリアーの挙動についての原理的考察の結果として
、放射線検出素子の厚さを、キャリアーの移動しうる距
離より薄くしたことを特徴とする放射線検出素子の開発
に成功した。

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、次のとうり表わされる。

ここでλｅ１λｈ：電子及び正孔の移動しうる距離（Ｉ
Ｍ）　　即ち、キャリアーが捕獲すれるまでに電界のか
かつている方向へ移動 した距離を表し、ドリフト長（ｄｒｉｆｔｌ＠ｎｇｔｈ
　）とも表現される。

ｄ：素子の厚さく儒） Ｘ：相互作用の起った負極からの位置 （ｃＷＩ） 更に上記λｅ及びλｈは次の通り表わされる：λ＝μｒ
Ｅ ここでＰ＝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。例えばＣｄＴ・の場合、電子の移動度は約１００
０　ｃｍ”／マ・ｓ＠ｃであるのに対し、正孔の移動度
は約１００　ａｍ”／マ・１１０と一桁小さい。このた
め、ＣｄＴ・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１桁小さくなる。

上記関係から判るように、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のキャリアーの
移動しうる距Ｍ（λｅ或いは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７を改善することが出来るのである。

第２図はこの原理を模式的に示したものである。

（ａ）のように素子厚が厚いときには電極に到達しうる
キャリアーの確率が低いためキャリアーの収集効率は低
いが、（ｂ）のように素子厚を薄くすることによってキ
ャリアーの収集効率は向上し、特にλ・、Ｊｈ＞ｄ　ｆ
：ｉ足するよう素子厚を薄くすることにより理論的には
生成するキャリアーのすべてが電極に到達しうることに
なる。

以上が、本件出願人により新たにＲ’Ａされた放射線検
出素子の原理である。しかしながら、薄肉化による欠点
も生じうる。それは、入射する放射線のエネルギーが大
きくなると、通過放射線量が多くなることから計数率の
低下を招くことである。

この問題を克服する為、本件出願人は更に、素子の長さ
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
を目的として、結晶基板の対向する面に電極を形成した
放射線検出素子において、電極間の結晶の厚さをキャリ
アー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たことを特徴とする放射線検出素
子を開発した。第３図はその原理図である０素子の厚さ
ｄはキャリアーの移動しうる距離λ（電子及び正孔のう
ちの小さい方）と同程度以下とし、そして素子の長さし
は入射エネルギーが高い場合でも電子−正孔対の発生深
さＸより充分に大きい。

しかしながら、この構成の場合には、放射線を受ける面
積が制約されるという新たな問題が生じる。

斯様に、放射線検出素子の薄肉化はキャリアーの収集効
率の増大を通してエネルギー分解能の向上に有用であり
、斯界できわめて意義ある改善であったが、反面薄肉化
に伴い、 （１）放射線が電極面に直角の場合には放射線通過量の
増大による計数率の低下、及び （１１）放射線が電極間に平行な場合には、入射面積の
制約による計数率の低下 という新たな問題が生ずる。

発明の概要 本発明は、素子の薄肉化の利点を保持したまま上記問題
点を解決することを目的とする。本発明者等は、積層化
という新たな発明概念の導入によりこれら問題が一挙に
解決しうることを想到した。

薄肉素子を複数枚積層することにより上記欠点は補償さ
れ、電極に対し、垂直、水平及び斜めと放射線入射方向
を問わず、キャリアーを確実に捕集し、充分の入射放射
線面積と通過放射線の防止により計数率を高く維持しう
る。

斯くして、本発明は、結晶の対向する面に電極を有しそ
して該電極間の結晶厚さを印ヤリアーの移動しうる距離
以下とした、複数の放射線検出ユニットから構成される
ことを特徴とする積層型放射線検出素子を提供する。

上記放射線検出素子は、対向面に電極を形成した薄いユ
ニットを複数枚並置することによって或いは大きな結晶
に溝を形成して複数ユニットに分画することによって構
成しうる。

特定放射線入射方向への指向性を増大する為当該入射方
向以外の周囲表面を放射性非透過性材料で覆うことによ
り、方向性放射線検出素子が生成される。

第１図は、５個の放射線検出ユニットＮ！〜ＮＳを並置
した構成の放射線検出素子を示す。例えばＣｄＴｅ製の
結晶１の両面に電極２を形成した個々の素子を絶縁体４
（Ｓｌｏｚ、ＢＮ等）を介して積層化したものである。

全体的出力はリード１ｓ３により得られる。

各二ニットにおいては、放射線（矢印）の入射によって
結晶内に生成したキャリアー即ち電子及び正孔が確実に
結晶両側面に形成した１極に到達して収集されう、るよ
う、使用する結晶の物性に依存して移動しうる距離の短
い方のキャリアーの移動しうる距離よりも素子の厚さは
藩くされている。

素子の厚さを薄くする方法としては、アルミナ砥粒等を
用いての研摩、エツチング、切断その他の方法が使用し
うる。

電極は、素子の両面にＡ１１ＡｕＳＰ　ｔｓ　Ｉ　ｎ等
の電極金属を真空蒸着或いはメッキすることによって形
成される。

各放射線検出ユニットにおいて、８４１Ａｍに対して、
入射Ｔ線エネルギー６０　ＫｅＶの場合の素子厚さに対
するエネルギー分解能ΔＥ（ＫｅＶ）と計数率の変化の
状況を調べた結果を第４図に示す。グラフかられかるよ
うに素子の厚さを薄くすることにより、キャリアーの収
集効率が高くなった結果としてΔＥは小さくなり、エネ
ルギー分解能が向上する。

しかしながら、素子層を薄くすることによって第４図に
も併記した通り、計数率が低下するという欠点も同時に
現われてくる。計数率とは単位時間に得られるカウント
数を任意目盛で表示したものであり、素子面積が大きく
なることによって増大し、素子層が薄くなることによっ
て減少する。

計数率の低下は２つの原因により発生する。

（１）　　放射線検出ユニットの電極面に対して入射放
射線が垂直な場合にはユニットを通過する放射線線量が
多くなる。従って、この場合計数率の補償のために必要
とされる積層段数は、検出素子として用いた物質の放射
線吸収率と入射エネルギーによって異なってくる。放射
線の厚さ方向に対する吸収割合は、入射エネルギーに対
して物質が持つ吸収係数（Ｐａａ−１）によって決定さ
れる指数関数的減衰を示す。この様相を第５葎）図に示
す。こ第５（ｂ）図に示されるように、１段の場合吸収
量は５９、３％であるのに対し、５段の積層化を行うこ
とにより吸収量は９１８％と増大することが出来る。こ
のように、放射線吸収の要求度（！ＩＪち必要な計数率
）とキャリアーの移動しうる距離によって決まる各素子
の厚さがわかれば、必要な積層段数を求めることが出来
る。

（ｉｊ）　　入射放射線が電極面に平行な場合、通過放
射線量は減るが、放射線を受ける面積が減少する為計数
率が低下する。従って、所要の放射線入射面積を得るに
必要なだけユニットを積層化することにより計数率が向
上する〇 こうして、積層化構造を採ることにより、入射放射線の
方向を問わず、計数率の低下が防止される。

第６図は、放射線検出ユニットを電極面が（＋）同志及
び（−）同志接面するよう並置した構造例を示す。他は
第１図と同一である。

第７図は、単一の結晶基板を用いた場合の第６図と同様
の具体例を示す。結晶内に複数（この場合３つ）の平行
な溝１０が形成されそして該溝１゜とそれらに平行な側
面に電極２が形成される。溝１０は回転刃やレーザーカ
ッター等を用いて作成される。この具体例は第６図の場
合と同じく計数率を向上せしめ、しかも作製を容易なら
しめまた製造歩留りを向上させる。

第１．６及び７図に示した放射線検出素子は方向性放射
線素子としての用途を持ちうる。その場合、検出すべき
特定放射線方向以外は鉛等の放射線非透過性材料で覆わ
れる。

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。ＣｄＴ・結晶と関連して本件出
願人は既に、ＣｄＴ・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。ＣｄＴ・の（１１１）面はＣｄＭＬ子のみが存在
するＡ（ｆｉとＴ・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。ＣｄＴ・
の（１１１）面は他の面に較べて極性の強い面であると
云える。

ＣｄＴ・単結晶の（１１１）面を電極形成面とし、（１
１１）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（２＝μτＥ
１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。この技術と本発明を併用することにより更に
一層の分解能の向上が図れる。

発明の効果 放射線に対し、その入射方向を問わずまたそのエネルギ
ーの大小を問わず、エネルギー分解能に優れしかも計数
率の低下のない高性能放射線検出素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一具体例の断面図、第２　（ａ）及び
（ｂＪ図は電極面に垂直な方向からの放射線に対する厚
い素子と薄い素子とのキャリアーの挙動を示す説明図、
第３図は電極面に平行な場合のキャリアー挙動の説明図
、第４図は検出ユニットに対するエネルギー分解能及び
計数率を示すグラフ、第５（＆）及び（ｂ）図は検出ユ
ニットの積層化に際して放射線の吸収割合と積層段数に
対する吸収割合を示すグラフ及び説明図、第６図は第１
図の変更例の斜視図そして第７図は本発明の別の具体例
の斜視図である。 Ｎ１、Ｎ２・・・：放射線検出ユニット１：結晶 ２：電極 ３　　：　　リ　　−　ド　線 ４：絶縁物 １０：溝 ２−電極 ３−・リードｉ菓 ４−・噂′色務イ末 Ｎ１−Ｎ５−、ユニーソト 放射線 第４図 ｔＫ犀奄（ｃｍ） 未１１λ収＝伽 第６図 手続補正書 昭和６２年　７月１０日 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 事件の表示　昭和６２年特願第　１４１１、発明の名称
　積層型放射線検出素子 補正をする者 事件との関係　　　　　　　　　　　特許出願人名称　
日本鉱業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）結晶の対向する面に電極を有しそして該電極間の結
   晶厚さをキャリアーの移動しうる距離以下とした、複数
   の放射線検出ユニットから構成されることを特徴とする
   積層型放射線検出素子。 ２）結晶基板の対向する面に電極を形成し、電極間の結
   晶基板厚さをキャリアーの移動しうる距離以下とした放
   射線検出ユニットを複数個並置した特許請求の範囲第１
   項記載の積層型放射線検出素子。 ３）結晶基板の対向する面に電極を形成し、そして該結
   晶基板内に該電極に平行に形成した単一乃至複数の溝に
   電極を形成し、前記電極間の結晶厚さをキャリアーの移
   動しうる距離以下とした特許請求の範囲第１項記載の積
   層型放射線検出素子。 ４）放射線検出素子がＣｄＴ■であり、各検出ユニット
   の厚さを正孔の移動しうる距離より小さくした特許請求
   の範囲第１〜３項のうちのいずれかの項記載の積層型放
   射線検出素子。 ５）特定方向以外の周辺を放射線非透過材料で覆つたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項のうちのいず
   れかの項記載の積層型放射線検出素子。