JPWO2009022377A1 - 放射線検出素子用のシリコンカーバイド及び放射線検出方法 - Google Patents
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Abstract
放射線検出用素子を提供する。高純度であり半絶縁性を有するＳｉＣを放射線検出用素子として用いる。ＳｉＣ１の一方の面に半径が１．２５ｍｍ程度の円形状のＸ線の検出面としての電極２を形成する。ＳｉＣ１の他方の面の中央部に電極３を形成し、電極２、３の間に所定の直流電圧を印加する。電極２に入射したＸ線によりＳｉＣ１内で生成された電子が電極３に集められ、電極３より増幅器２０へ電気信号が出力される。増幅器２０は、入力された電気信号を増幅して生成された電子の数に応じた電圧を多重波高分析器へ出力する。
Description
技術分野は、放射線検出用素子及び放射線検出方法に関する。
シリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度及び熱伝導率などが高く、また硬いという特性を有しているため、パワーエレクトロニクスデバイスとして使用される他、半絶縁性ＳｉＣは、窒化物半導体で構成されるパワーエレクトロニクスデバイス及び発光ダイオード等の電子デバイスを作製する際の基板として用いられている（特許文献１参照）。
特開２００７−１３４５１７号公報
１ ＳｉＣ（シリコンカーバイド）
２、３ 電極
１０ 電源
２０ 増幅器
４１ Ｐ層（カソード）
４２ Ｎ層（アノード）
４３、４４ 電極
２、３ 電極
１０ 電源
２０ 増幅器
４１ Ｐ層（カソード）
４２ Ｎ層（アノード）
４３、４４ 電極
実施の形態１
図１は実施の形態１の放射線検出方法の概要を示す説明図である。図１において、１は放射線（Ｘ線、γ線、α線）検出用素子としてのシリコンカーバイド（以下、「ＳｉＣ」という。）である。ＳｉＣ１は、所要の口径のウェハ又はウェハから切り出された板状であって、その平面形状は、円形、矩形状など所要の形状とすることができる。ＳｉＣ１の厚みは、例えば、約０．３７ｍｍであるが、これに限定されるものではなく、検出するＸ線のエネルギーに応じて適宜厚みを厚くすることができる。しかし、厚みが薄い場合（例えば、０．３ｍｍより薄い場合）には、高エネルギーのＸ線（γ線）が透過し易くなりＸ線の検出精度が低下する。従って、ＳｉＣ１の厚みは、０．３ｍｍ以上が好ましい。
図１は実施の形態１の放射線検出方法の概要を示す説明図である。図１において、１は放射線（Ｘ線、γ線、α線）検出用素子としてのシリコンカーバイド（以下、「ＳｉＣ」という。）である。ＳｉＣ１は、所要の口径のウェハ又はウェハから切り出された板状であって、その平面形状は、円形、矩形状など所要の形状とすることができる。ＳｉＣ１の厚みは、例えば、約０．３７ｍｍであるが、これに限定されるものではなく、検出するＸ線のエネルギーに応じて適宜厚みを厚くすることができる。しかし、厚みが薄い場合（例えば、０．３ｍｍより薄い場合）には、高エネルギーのＸ線（γ線）が透過し易くなりＸ線の検出精度が低下する。従って、ＳｉＣ１の厚みは、０．３ｍｍ以上が好ましい。
ＳｉＣ１は高純度であり半絶縁性を有し、抵抗率は１×１０6 Ωｃｍ以上である。絶縁体の抵抗率が１０12 Ωｃｍ程度であるため、Ｘ線検出用素子としてのＳｉＣ１の抵抗率の上限は、略１０12 Ωｃｍ程度となる。しかし、１０12 Ωｃｍ程度を超える抵抗率を除外するものではなく、抵抗率は１×１０14 Ωｃｍ以下であればよい。
図２はＸ線検出用素子としてのＳｉＣ１に含まれる不純物濃度の例を示す説明図である。高純度のＳｉＣ１に含まれる不純物の濃度は、例えば、二次イオン質量分析計により測定することができる。図２に示すように、例えば、アクセプタ準位に寄与するＢ（ホウ素）の濃度は、３．０×１０15ｃｍ-3である。また、ドナー準位に寄与するＮ（窒素）の濃度は、５．０×１０15ｃｍ-3である。
また、深い準位（例えば、バンドギャップの真ん中に形成されるエネルギー準位）に寄与するＴｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）の濃度は、それぞれ１．０×１０14ｃｍ-3、５．０×１０13ｃｍ-3、５．０×１０13ｃｍ-3、２．０×１０14ｃｍ-3、３．０×１０14ｃｍ-3である。なお、不純物濃度については、分析計の分析精度に依存する。
図１に示すように、ＳｉＣ１の一方の面には、例えば、半径が１．２５ｍｍ程度の円形状の電極２を形成してある。電極２の材質は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）であるが、これに限定されるものでなく、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の金属でもよい。電極２は、所要の面積を有することでＸ線の検出面としての機能を備える。
ＳｉＣ１の他方の面には、電極３を形成してある。電極３の材質は電極２と同等である。電極２、３の間には、所定の直流電圧（例えば、−１００Ｖ〜−１０００Ｖ程度）を印加するための電源１０を接続してある。
Ｘ線（γ線）は物質中の束縛電子との間で、例えば、光電効果、粒子（電子）によるＸ線の散乱であるコンプトン散乱、電子陽電子対生成などの相互作用を起こす。これにより、エネルギーを受け取った束縛電子は物質中を動き、それに伴って電子又は正孔が生成され、この電子又は正孔を電流として取り出すことでＸ線（γ線）の検出を行うことができる。
電極２、３の間に所定の電圧を印加することで電極２、３の間に電位勾配が生じ、電極２に入射したＸ線によりＳｉＣ１内で生成された電子が電極３に集められ、電極３より増幅器２０へ電気信号が出力される。増幅器２０は、入力された電気信号を増幅することにより、生成された電子の数に応じた電圧を多重波高分析器３０（例えば、ＡＭＰＴＥＫ社製ＭＣＡ−８０００）へ出力する。
図３は実施の形態１のＳｉＣ１によるＸ線検出特性の例を示す説明図である。図中、横軸はチャネルであり、増幅器２０から出力される電圧に対応し、例えば、０〜１０２４チャネルが０〜５Ｖの電圧である。従って、チャネルは入射されるＸ線（γ線）のエネルギーに対応するものである。縦軸は、所定時間の間に計数される各エネルギーのＸ線の数を示す。図３の例では、電極３に対して電極２に、−１００Ｖの電圧を印加している。また、この場合、電極２、３間に流れる漏れ電流は１ｐＡ以下であり極めて小さい。漏れ電流については後述する。また、雰囲気温度は２４．６℃（室温）であり、増幅器２０のシェーピングタイム（波形整形時間）は１２μｓである。
図３に示すように、実施の形態１のＳｉＣ１により、アメリシウム（Ａｍ）２４１がα崩壊して生成されたネプツニウム（Ｎｐ）２３７から放出されるγ線を検出することができたことがわかる。図３において、スペクトラムのピークは、ネプツニウム（Ｎｐ）２３７から放出される１３．９ｋｅＶ及び１７．８ｋｅＶのγ線に対応している。すなわち、入射されたＸ線（γ線）のエネルギーに対応する電気信号を顕著に取り出すことができている。なお、ＳｉＣ１の厚みをさらに厚くすることにより、アメリシウム（Ａｍ）２４１から放出される５９．５ｋｅＶのγ線も検出可能である。
従って、実施の形態１のＳｉＣ１をＸ線検出用素子として用いることにより、例えば、物質中の重金属（例えば、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｒなど）からのＸ線（３０ｋｅＶ以下）を検出することが可能となる。
ＳｉＣ１に電圧を印加した場合、熱的に励起された電子・正孔がエネルギーギャップ（禁制帯幅又はバンドギャップともいい、ＳｉＣ１のエネルギーギャップは、約２．２〜３．２６ｅＶである）を超えて伝導帯に遷移し、これが漏れ電流となる。ＳｉＣ１によりＸ線を検出する際には、この漏れ電流がＸ線検出のための回路系の雑音となり得る。他の漏れ電流は、ＳｉＣ１内に存在する不純物がエネルギーギャップの中間に新たなエネルギー準位を生成して熱的に励起された電子・正孔の遷移を助けていることに起因する。しかし、本実施の形態のＳｉＣ１にあっては、エネルギーギャップが広く、かつ高純度、すなわち含有する不純物の濃度が図２の例に示すように極めて低いため、漏れ電流は１ｐＡ以下のオーダである。
このように、雰囲気温度が室温であっても漏れ電流が１ｐＡ以下という極めて小さい値であることから、漏れ電流を少なくするために雰囲気温度を低温にするための冷却装置（例えば、液体Ｈｅ、液体窒素、ペルチェ素子等）は不要である。
漏れ電流を少なく（１ｐＡ以下）にすることにより、雑音を非常に小さくすることができＸ線の検出精度を向上させることが可能である。また、ＳｉＣ１が半絶縁性であって、抵抗率が１×１０6 Ωｃｍ以上であるため、電極２、３の間に印加する電圧の絶対値を大きくしても、漏れ電流を小さく抑えることができるため、ＳｉＣ１の厚みを厚くすることができ、検出できるＸ線(γ線)のスペクトラムを拡げることができ、様々な種類のＸ線検出に適用することができる。
また、電極２、３間に印加する電圧の絶対値を大きくすることで、電極２、３間の電位勾配を大きくすることができ、電子・正孔の移動速度を大きくしてＸ線検出のエネルギー分解能を向上させることもできる。なお、エネルギー分解能は、どのエネルギーレベルのＸ線（γ線）であるかを高精度に検出することができる評価値であり、エネルギー分解能を半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）で表すと、ピーク値の半分の高さにおけるエネルギー幅に相当する。このＦＷＨＭが小さいほど分解能が優れていることを示す。
本実施の形態のＳｉＣ１の不純物については、ドナー準位に寄与するＮ（窒素）及びアクセプタ準位に寄与するＢ（ホウ素）の濃度は、１×１０16ｃｍ-3以下であるが、１×１０15ｃｍ-3以下が好ましく、最も好ましいのは１×１０14ｃｍ-3以下である。ドナー準位に寄与するＮ（窒素）及びアクセプタ準位に寄与するＢ（ホウ素）の濃度を１×１０15ｃｍ-3以下にすることにより、漏れ電流を小さくすることができる。さらに、ドナー準位に寄与するＮ（窒素）及びアクセプタ準位に寄与するＢ（ホウ素）の濃度を１×１０14ｃｍ-3以下にすることにより、さらに漏れ電流を小さくすることができる。
また、ドナー準位に寄与するＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）及びアクセプタ準位に寄与するＡｌ（アルミニウム）の濃度は、１×１０15ｃｍ-3以下であるが、１×１０14ｃｍ-3以下が好ましく、最も好ましいのは１×１０13ｃｍ-3以下である。ドナー準位に寄与するＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）及びアクセプタ準位に寄与するＡｌ（アルミニウム）の濃度を１×１０14ｃｍ-3以下にすることにより、漏れ電流を小さくすることができる。さらに、ドナー準位に寄与するＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）及びアクセプタ準位に寄与するＡｌ（アルミニウム）の濃度を１×１０13ｃｍ-3以下にすることにより、さらに漏れ電流を小さくすることができる。
また、深い準位に寄与するＶ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）又はＴｉ（チタン）の濃度は、１×１０15ｃｍ-3以下であるが、１×１０14ｃｍ-3以下が好ましく、最も好ましいのは１×１０13ｃｍ-3以下である。
不純物の濃度を上述の如くにするために、本実施の形態のＳｉＣ１にあっては、ドーパントとしてＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｂ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）などのドーピングを行わない。ＳｉＣ１は、真性キャリア密度が小さく（例えば、１０-8ｃｍ-3程度）、室温でもキャリア密度が低いため深い準位に寄与する不純物をドーピングしなくても高抵抗率化ができる。また、本実施の形態では、Ｐ型半導体素子、Ｎ型半導体素子を用いることなくＸ線検出用素子を実現することができ、ドーピングのためのプロセスが不要である。
実施の形態２
図４は実施の形態２の放射線検出方法の概要を示す説明図である。実施の形態１との違いは、ＳｉＣ１の一方の面にＸ線の入射面としてのＰ層（カソード）４１を形成し、ＳｉＣ１の他方の面にＮ層（アノード）４２を形成してある点である。
図４は実施の形態２の放射線検出方法の概要を示す説明図である。実施の形態１との違いは、ＳｉＣ１の一方の面にＸ線の入射面としてのＰ層（カソード）４１を形成し、ＳｉＣ１の他方の面にＮ層（アノード）４２を形成してある点である。
Ｐ層４１には、所要の電圧Ｖｄを印加するための電極４３を形成してあり、ＳｉＣ１内で生成された電子４０を取り出す端子Ｓを有する電極４４をＮ層４２に形成してある。これにより、高電圧を印加しても、漏れ電流をさらに減らすことが可能となる。なお、実施の形態２では、Ｐ層４１、Ｎ層４２を形成するためのドーピングプロセスが必要となる。
本実施の形態のＳｉＣ１の結晶構造（ポリタイプ）は、特に限定されるものではなく、４Ｈ−ＳｉＣでもよく、あるいは、６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、１５Ｒ−ＳｉＣなどの結晶構造であってもよい。
不純物の濃度を小さくすることで、上述のとおり漏れ電流を極めて小さい値にすることができ、また、抵抗率を１×１０6 Ωｃｍ以上とすることで漏れ電流を抑えつつ高い電圧を印加することができるため、本実施の形態のＳｉＣ１は、Ｘ線検出用素子としての全く新しい用途に適用することができるのみならず、雰囲気温度が室温程度であっても、Ｘ線検出精度、エネルギー分解能を実用的なレベルにまで向上させることができる。
例えば、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｃｒなどの重金属から放出されるＸ線のエネルギーは高いが、本実施の形態のＳｉＣ１にあっては、抵抗率が高く、漏れ電流も極めて小さいことから、ＳｉＣ１の厚みを所要の厚さにすることができ、上述の物質から放出される高いＸ線のエネルギーであっても、入射したＸ線を透過させることなくＳｉＣ１内で吸収して十分な精度で検出することができる。さらに、本実施の形態のＳｉＣ１をＸ線検出用素子として用いたＸ線検出装置は、液体Ｈｅ、液体窒素又はペルチェ素子等で冷却する必要もなく、装置を室温で動作可能にすることができ、小型化又は可搬性のある装置を実現でき、屋内のみならず屋外でのＸ線検出を容易にすることができる。
また、本実施の形態のＳｉＣ１をＸ線検出用素子として用いることにより、Ｘ線の入射位置とともに、Ｘ線のエネルギー及びＸ線の強度のすべてを同時に検出することができ、携帯型蛍光Ｘ線分析装置、医療用ＣＴ（Computer Tomography）装置、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線天体望遠鏡など、高エネルギーＸ線検出装置に幅広く応用することができる。さらに、ＳｉＣは、耐放射線性に優れているため、α線の検出にも使用することができる。
Claims (18)
- 高純度かつ半絶縁性を有することを特徴とする放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- 抵抗率が１×１０6 Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が好ましくは１×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項３に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が最も好ましくは１×１０14ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- 深い準位に寄与する不純物の濃度が１×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- 深い準位に寄与する不純物の濃度が好ましくは１×１０14ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項６に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- 深い準位に寄与する不純物の濃度が最も好ましくは１×１０13ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- ドーピングされた不純物を含有しないことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の放射線検出素子用のシリコンカーバイド。
- 高純度かつ半絶縁性を有するシリコンカーバイドを放射線検出用素子として用いることを特徴とする放射線検出方法。
- 前記シリコンカーバイドは、
抵抗率が１×１０6 Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が好ましくは１×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１２に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
ドナー準位又はアクセプタ準位に寄与する不純物の濃度が最も好ましくは１×１０14ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
深い準位に寄与する不純物の濃度が１×１０15ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
深い準位に寄与する不純物の濃度が好ましくは１×１０14ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１５に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
深い準位に寄与する不純物の濃度が最も好ましくは１×１０13ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載の放射線検出方法。 - 前記シリコンカーバイドは、
ドーピングされた不純物を含有しないことを特徴とする請求項１０乃至請求項１７のいずれかに記載の放射線検出方法。
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