WO2016143020A1 - 放射線検出器およびそれを用いた放射線検出装置 - Google Patents

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典史 亀代
島　明生
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    • H01L31/117—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation of the bulk effect radiation detector type, e.g. Ge-Li compensated PIN gamma-ray detectors

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector using silicon carbide.
  • a radiation detector capable of analyzing the energy of incident radiation is mainly used in combination with a scintillator and a photomultiplier tube.
  • a radiation detector for detecting radiation such as gamma rays.
  • a semiconductor radiation detection technique in which a radiation detector is composed of a semiconductor crystal such as CdTe (cadmium telluride) or GaAs (gallium arsenide) has attracted attention.
  • the semiconductor radiation detector includes the semiconductor crystal and electrodes formed on both sides thereof, and radiation such as X-rays and ⁇ rays is incident on the semiconductor crystal by applying a DC voltage between the electrodes. Sometimes, the electric charge generated by the interaction between the radiation and the semiconductor crystal is taken out from the electrode as an electric signal.
  • the semiconductor radiation detector has features such as higher energy resolution than that using a scintillator, and can be miniaturized.
  • the semiconductor radiation detector detects electric charges generated by radiation incident on the radiation sensitive layer as an electric signal, there is a problem that if the leakage current that flows due to the application of the DC voltage is large, noise is generated and the detection characteristics deteriorate. .
  • the detection signal depends on the volume of the radiation-sensitive layer, an area of about 0.1 cm 2 or more and a thickness of about 30 to 50 m or more are required for practical use. For this reason, a pn junction that forms a junction inside the substrate is more suitable than a Schottky junction that is susceptible to process defects and dust.
  • Non-patent Document 2 Since silicon carbide semiconductor (SiC) has a large band gap of about 3 eV, a pn diode formed of SiC can suppress leakage current even in a high temperature environment such as 175 ° C. (non-patent) Reference 1). It is also known that a PiN diode having a thick n ⁇ epitaxial layer (100 m, impurity concentration 2 ⁇ 10 14 cm ⁇ 3 ) can be applied as a radiation detector (Non-patent Document 2).
  • Ahmed Elasser et al. “Static and Dynamic Characterisation of 6.5-kV 100-A SiC Bipolar PiN Diode Modules”, IEEE Transactions on Industrial Applications. 50, 609-619, 2014. Bernard F. Phlips et al. , “Silicon Carbide PiN Diodes as Radiation Detectors”, IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2005, 1236-1239.
  • SiC has a high dielectric breakdown electric field strength and a high impurity concentration, it has an advantageous characteristic as a power semiconductor such that a low-resistance element can be manufactured even with the same breakdown voltage compared to a Si (silicon) semiconductor.
  • the depletion layer does not spread over the entire n ⁇ epitaxial layer having a thickness of about 30 to 50 m or more, which becomes a radiation sensitive layer. Since the electric field is not applied to the entire n ⁇ epitaxial layer, there is a problem in that the detected electrical signal is reduced.
  • the present invention has a structure in which an electric field is applied to the entire SiC crystal serving as a radiation sensitive layer, and detects radiation while suppressing a decrease in electrical signal generated in the radiation sensitive layer. Objective.
  • the present invention has a structure in which an electric field is applied to the entire SiC crystal serving as a radiation-sensitive layer at a voltage during operation.
  • a radiation-sensitive layer made of silicon carbide and generating electron-hole pairs upon incidence of radiation is in contact with the first main surface of the radiation-sensitive layer.
  • a first semiconductor region having a first impurity concentration at least in a region in contact with the radiation sensitive layer, a second main surface opposite to the first main surface, and at least in a region in contact with the radiation sensitive layer.
  • a radiation detector comprising: a second semiconductor region having two impurity concentrations; a first electrode connected to the first semiconductor region; and a second electrode connected to the second semiconductor region, wherein the first main The impurity concentration in the radiation sensitive layer adjacent to the first semiconductor region is discontinuous with the first impurity concentration with a plane as a boundary, and adjacent to the second semiconductor region with the second main surface as a boundary.
  • the radiation sensitive layer An impurity concentration of discontinuous and said second impurity concentration, wherein the radiation the sensitive layer is characterized in that the electric field is applied across the depth direction at the voltage during operation.
  • the radiation detector of the present invention has a structure in which an electric field is applied to the entire SiC crystal serving as a radiation-sensitive layer at an operating voltage, it detects radiation while suppressing a decrease in electrical signals generated in the radiation-sensitive layer. be able to.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure in the manufacturing process of the radiation detector subsequent to FIG. 2.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure in the manufacturing process of the radiation detector subsequent to FIG. 3.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a cross-sectional structure in the manufacturing process of the radiation detector subsequent to FIG. 5.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a cross-sectional structure of the radiation detector according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the radiation detector according to the first embodiment has a first conductivity type low impurity concentration (n ⁇ ) SiC radiation formed on a first conductivity type (n type) high impurity concentration (n + ) SiC substrate 1.
  • the second conductivity type (p-type) high impurity concentration (p + ) semiconductor region 3 Provided on the back surface of the sensitive layer 2, the second conductivity type (p-type) high impurity concentration (p + ) semiconductor region 3, the first electrode 4 provided on the surface of the p + semiconductor region 3, and the n + SiC substrate 1.
  • the radiation detector has a pn junction provided with the second electrode 5 formed. Further, in this radiation detector, a higher voltage is applied to the second electrode 5 during operation than the first electrode 4, and a depletion layer spreads in the entire depth direction of the n ⁇ SiC radiation sensitive layer 2, so that an electric field is applied. I
  • FIGS. 2 to 4 are cross-sectional structure explanatory views in the manufacturing process showing an example of the manufacturing process of the first embodiment.
  • the impurity concentration of the n + SiC substrate 1 is in the range of about 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the (0001) plane, (000-1) plane, (11-20) plane, etc. are often used as the main surface of the SiC substrate, the present invention is effective regardless of the selection of these main surfaces of the SiC substrate. Can be played.
  • the specification of the n ⁇ SiC radiation sensitive layer 2 on the n + SiC substrate 1 may be set to a concentration and a film thickness in which the depletion layer spreads in the entire depth direction by operating voltage. If it is set to 1000 V or less, which is practically suitable, the impurity concentration N is the same conductivity type as the substrate and is in the range of about 3 ⁇ 10 13 to 1.2 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 , and the thickness W is about 30 to 200 m. Set the range. The relationship between the impurity concentration N, the thickness W, and the operating voltage V is expressed by the following Equation 1 when the p + semiconductor region 3 has a sufficiently high impurity concentration as compared with the impurity concentration of the n ⁇ SiC radiation sensitive layer 2. It is.
  • Equation 1 q is an elementary charge, ⁇ is a relative dielectric constant, and ⁇ 0 is a vacuum dielectric constant.
  • the relationship between the impurity concentration N and the thickness W is shown in FIG.
  • the curve in FIG. 9 shows the thickness of punch-through at 1000 V for each impurity concentration. Since the concentration of the n ⁇ SiC radiation sensitive layer 2 is significantly lower than that of the p + semiconductor region 3, it is assumed that the depletion layer extends only to the n ⁇ SiC radiation sensitive layer 2. Further, since 1000 V is sufficiently larger than the built-in potential, it is assumed that the depletion layer spreads only by a voltage applied during operation (here, 1000 V).
  • a metal 4 ′ that forms silicide by reacting with SiC such as nickel (Ni) or titanium (Ti) is deposited on the surface of the p + semiconductor region 3 by sputtering, and then silicidized. Annealing is performed to form the first electrode 4 on the surface of the p + semiconductor region 3.
  • FIG. 10 shows an example of a block diagram showing a radiation detection apparatus using the radiation detector in the first exemplary embodiment.
  • a pulsed detection current flows.
  • the detected current is amplified by the preamplifier 12 and the main amplifier 13 and then measured as a wave height distribution by the multiple wave height analyzer 14. Based on the measured wave height distribution, peak energy analysis can be performed using an analysis device 15 such as a personal computer (PC) to evaluate the radionuclide and the amount thereof.
  • PC personal computer
  • silicide is directly formed on the surface of the p + semiconductor region 3 and the back surface of the n + SiC substrate 1, but the same polarity as each semiconductor layer is used to reduce the contact resistance between the semiconductor layer and the electrode.
  • Impurities that become may be added by an ion implantation method.
  • Al is used as a dopant and implantation is performed in multiple stages with different acceleration energies.
  • the impurity concentration in the vicinity of the surface is about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , which is higher than the impurity concentration in the p + semiconductor region 3.
  • the region depth is about 0.3 m.
  • the condition of addition is not limited, but the penetration depth of the added impurity is made shallower than the thickness of the p + semiconductor region 3.
  • N nitrogen
  • P phosphorus
  • the impurity concentration near the surface is about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 , which is higher than the impurity concentration of the n + SiC substrate 1. It is added so that the region depth is about 0.5 m. If the contact resistance between the n + SiC substrate 1 and the second electrode 5 is reduced, the condition of addition is not limited, but the penetration depth of the added impurity is made shallower than the thickness of the n + SiC substrate 1. .
  • an impurity when added to the p + semiconductor region 3 or the n + SiC substrate 1, it may be limited to a part of the region.
  • a pattern in which a predetermined region is opened is formed using ordinary lithography and mask material 6, and then p + impurity 3 ′ is added to p + semiconductor region 3.
  • the mask material 6 may be any material that can serve as a mask during ion implantation, such as SiO 2 , silicon nitride, a polycrystalline silicon film, or a resist material.
  • SiO 2 is used as the mask material 6.
  • a pattern in which a predetermined region is opened is formed using ordinary lithography and mask material 6, and then n + impurity 1 ′ is added to n + SiC substrate 1. Further, the step of adding impurities may be performed on the n + SiC substrate 1 first and then on the p + semiconductor region 3. After the impurities are added in this way, a process for forming the first electrode 4 and the second electrode 5 may be performed as shown in FIG.
  • the metals 4 ′ and 5 ′ that form silicide by reacting with SiC are deposited by sputtering, silicidation annealing is performed to form the first electrode 4 and the second electrode 5.
  • an electrode material such as Al or Au may be further deposited on the first electrode 4 and the second electrode 5.
  • the back surface and front surface electrodes are formed immediately.
  • the oxidation treatment and the oxide film removal treatment are performed, and the damage on the surface of the p + semiconductor region 3 and the n + SiC substrate 1 is detected.
  • a sacrificial oxidation step for removing the layer may be performed.
  • the first embodiment it was performed immediately electrode formed on the back surface and the surface, p + surface protective film such as SiO 2 formed by the CVD method on the surface of the semiconductor region 3, the p + semiconductor region 3 The surface may be protected. In this case, after the surface protective film is formed, processing is performed so that only the region where the first electrode 4 is formed is opened.
  • the radiation-sensitive layer made of silicon carbide and generating electron-hole pairs upon incidence of radiation is in contact with the first main surface of the radiation-sensitive layer, and at least the radiation-sensitive layer and A first semiconductor region of a first conductivity type having a first impurity concentration in a region in contact with the second main surface opposite to the first main surface, and at least a second impurity concentration in a region in contact with the radiation-sensitive layer; A second conductive region having a second conductivity type, a first electrode connected to the first semiconductor region, and a second electrode connected to the second semiconductor region, wherein the radiation detection layer has a first conductivity.
  • a radiation detector that is a type semiconductor, wherein the impurity concentration in the radiation-sensitive layer adjacent to the first semiconductor region is discontinuous with the first impurity concentration, with the first main surface as a boundary, With the second main surface as a boundary, the first Since the impurity concentration in the radiation-sensitive layer adjacent to the semiconductor region is discontinuous with the second impurity concentration, and the radiation-sensitive layer is applied with an electric field in the entire depth direction at the operating voltage, the radiation Radiation can be detected while suppressing a decrease in the electrical signal generated in the sensitive layer.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the radiation detector according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • a semi-insulating SiC substrate is used as the radiation sensitive layer.
  • the radiation-sensitive layer is a semi-insulating SiC substrate 7 having a resistivity of 1 ⁇ 10 5 ⁇ cm 2 or more, and ap + semiconductor region on the upper surface of the semi-insulating SiC substrate 7.
  • the n + semiconductor region 8 is provided on the back surface of the semi-insulating SiC substrate 7. That is, the p + semiconductor region 3 is formed by epitaxial growth on 100 ⁇ 500 meters about the thickness of the semi-insulating SiC substrate 7, the n + semiconductor region 8 on the back surface of the semi-insulating SiC substrate 7 is formed by epitaxial growth SiC Prepare the substrate.
  • the first electrode 4 is formed on the p + semiconductor region 3, and the second electrode 5 is formed on the n + semiconductor region 8. Since the radiation sensitive layer is the semi-insulating SiC substrate 7, an electric field is applied to the entire radiation sensitive layer at a voltage during operation of 1000 V or less. Further, since the first electrode 4 and the second electrode 5 are formed on the epitaxial growth layer, the radiation-sensitive layer is not damaged by the addition of impurities and the effect is essentially the same as in the first embodiment. It is.
  • the radiation-sensitive layer made of silicon carbide and generating electron-hole pairs upon incidence of radiation is in contact with the first main surface of the radiation-sensitive layer, and at least the radiation-sensitive layer and A first semiconductor region of a first conductivity type having a first impurity concentration in a region in contact with the second main surface opposite to the first main surface, and at least a second impurity concentration in a region in contact with the radiation-sensitive layer; A second conductive region having a second conductivity type, a first electrode connected to the first semiconductor region, and a second electrode connected to the second semiconductor region, wherein the radiation-sensitive layer is semi-insulating.
  • a radiation detector that is a conductive silicon carbide substrate, wherein the impurity concentration in the radiation-sensitive layer adjacent to the first semiconductor region is discontinuous with the first impurity concentration with the first main surface as a boundary. Yes, before the second main surface Since the impurity concentration in the radiation sensitive layer adjacent to the second semiconductor region is discontinuous with the second impurity concentration, and the radiation sensitive layer is applied with an electric field in the entire depth direction at the operating voltage. The radiation can be detected while suppressing a decrease in the electrical signal generated in the radiation sensitive layer.
  • the present invention has been described using the first and second embodiments.
  • the technique such as addition of additional impurities described using the first embodiment can also be applied.

Abstract

　ＳｉＣを用いた放射線検出器において、放射線有感層となるＳｉＣ結晶内全体に電界がかかる構造とし、放射線有感層で発生した電気信号の減少を抑えて放射線を検出する。　炭化珪素からなり、放射線の入射によって電子正孔対を生成する放射線有感層と、前記放射線有感層の第１主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第１不純物濃度を有する第１半導体領域と、前記第１主面と反対側の第２主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第２不純物濃度を有する第２半導体領域と、前記第１半導体領域と接続する第１電極と、前記第２半導体領域と接続する第２電極と、を備える放射線検出器であって、前記第１主面を境として、前記第１半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第１不純物濃度と不連続であり、前記第２主面を境として、前記第２半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第２不純物濃度と不連続であり、前記放射線有感層が動作時の電圧において深さ方向全体に電界がかかっている。

Description

放射線検出器およびそれを用いた放射線検出装置
　本発明は、炭化珪素を用いた放射線検出器に関するものである。
　入射した放射線のエネルギー分析が可能な放射線検出器において、従来、主として使用されているのはシンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものであるが、近年、γ線等の放射線を検出する放射線検出器として、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）やＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の半導体結晶によって放射線検出器を構成する半導体放射線検出技術が注目されている。半導体放射線検出器は、前記半導体結晶とその両面に形成された電極とを備えており、前記電極間に直流電圧を印加することで、Ｘ線やγ線などの放射線が半導体結晶内に入射したときに、放射線と半導体結晶との相互作用で発生する電荷を前記電極から電気信号として取り出す。半導体放射線検出器はシンチレータを使ったものよりもエネルギー分解能が高く、小型化が可能であるなどの特徴がある。
　半導体放射線検出器は、放射線有感層に入射した放射線によって発生する電荷を電気信号として検出するため、前記直流電圧の印加によって流れるリーク電流が大きいとノイズとなり、検出特性が劣化するという問題がある。特に、石油や天然ガスなどの地下資源探査の用途で使用する場合、周辺温度が１００℃を超えることから、高温環境下でもリーク電流の小さい半導体放射線検出器が求められている。また、検出信号は、放射線有感層の体積に依存するため、実用上０．１ｃｍ２程度かそれ以上の面積と３０～５０ｍ程度かそれ以上の厚さが必要となる。このため、プロセス欠陥やゴミの影響を受けやすいショットキー接合よりも、基板内部に接合を形成するｐｎ接合の方が適している。
　炭化珪素半導体（ＳｉＣ）は、バンドギャップが３ｅＶ程度と大きいことから、ＳｉＣで形成したｐｎダイオードでは、例えば１７５℃のような高温環境下においてもリーク電流を小さく抑えることが可能である（非特許文献１）。また、厚いｎ－エピタキシャル層（１００ｍ、不純物濃度２×１０１４ｃｍ－３）を有するＰｉＮダイオードを放射線検出器として適用できることも知られている（非特許文献２）。
Ａｈｍｅｄ　Ｅｌａｓｓｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　６．５－ｋＶ　１００－Ａ　ＳｉＣ　Ｂｉｐｏｌａｒ　ＰｉＮ　Ｄｉｏｄｅ　Ｍｏｄｕｌｅｓ"，　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，　Ｖｏｌ．５０，　６０９－６１９，　２０１４． Ｂｅｒｎａｒｄ　Ｆ．　Ｐｈｌｉｐｓ　ｅｔ　ａｌ．，"Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃａｒｂｉｄｅ　ＰｉＮ　Ｄｉｏｄｅｓ　ａｓ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"，　ＩＥＥＥ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｒｅｃｏｒｄ，　２００５，　１２３６－１２３９．
　ＳｉＣは絶縁破壊電界強度が高く、不純物濃度を高く設定できることから同一耐圧でもＳｉ（シリコン）半導体と比べて低抵抗素子が作製可能であるなど、パワー半導体として有利な特徴を持っている。一方で、放射線検出器の用途で用いる場合、例えば１０００Ｖ程度の印加電圧において、放射線有感層となる３０～５０ｍ程度かそれ以上の厚さのｎ－エピタキシャル層全体に空乏層が広がることはなく、ｎ－エピタキシャル層全体に電界はかからないため、検出される電気信号が減少してしまうという課題があった。
　本発明は、ＳｉＣを用いた放射線検出器において、放射線有感層となるＳｉＣ結晶内全体に電界がかかる構造とし、放射線有感層で発生した電気信号の減少を抑えて放射線を検出することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は、動作時の電圧において放射線有感層となるＳｉＣ結晶内全体に電界がかかる構造とする。
　本発明の代表的な放射線検出器の一例を挙げるならば、炭化珪素からなり、放射線の入射によって電子正孔対を生成する放射線有感層と、前記放射線有感層の第１主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第１不純物濃度を有する第１半導体領域と、前記第１主面と反対側の第２主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第２不純物濃度を有する第２半導体領域と、前記第１半導体領域と接続する第１電極と、前記第２半導体領域と接続する第２電極と、を備える放射線検出器であって、前記第１主面を境として、前記第１半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第１不純物濃度と不連続であり、前記第２主面を境として、前記第２半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第２不純物濃度と不連続であり、前記放射線有感層が動作時の電圧において深さ方向全体に電界がかかっていることを特徴とするものである。
　本発明の放射線検出器は、動作時の電圧において放射線有感層となるＳｉＣ結晶内全体に電界がかかる構造としているため、放射線有感層で発生した電気信号の減少を抑えて放射線を検出することができる。
本発明の実施の形態１における放射線検出器の断面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における放射線検出器の製造工程の一例を示す、製造工程中の断面構造説明図である。 図２に続く放射線検出器の製造工程中の断面構造説明図である。 図３に続く放射線検出器の製造工程中の断面構造説明図である。 本発明の実施の形態１における放射線検出器の製造工程の他の一例を示す、製造工程中の断面構造説明図である。 図５に続く放射線検出器の製造工程中の断面構造説明図である。 本発明の実施の形態１における他の放射線検出器の断面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態２における放射線検出器の断面構造を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における、不純物濃度と厚さの関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態１における放射線検出器を用いた放射線検出装置を示すブロック図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。特に異なる実施の形態間で機能が対応するものについては、形状、不純物濃度や結晶性等で違いがあっても同じ符号を付すこととする。又、断面図では放射線検出器の主要部分のみを示しており、通常検出器の周辺に形成されている電界集中緩和構造などの周辺部分は省略されている。又、説明の便宜上、ｎ型半導体基板を用いた例のみ説明するが、ｐ型半導体基板を用いた場合であっても、本発明に含まれる。この場合には、ｎ型をｐ型と、ｐ型をｎ型と読み替えればよい。
　（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１における放射線検出器の断面構造を示す説明図である。本実施の形態１による放射線検出器は、第１導電型（ｎ型）の高不純物濃度（ｎ＋）ＳｉＣ基板１上に形成される第１導電型の低不純物濃度（ｎ－）ＳｉＣ放射線有感層２と、第２導電型（ｐ型）の高不純物濃度（ｐ＋）半導体領域３と、ｐ＋半導体領域３表面に設けられた第１電極４と、ｎ＋ＳｉＣ基板１裏面に設けられた第２電極５とを備えているｐｎ接合を有する放射線検出器である。さらに、この放射線検出器には、第１電極４と比べて第２電極５に高い電圧が動作時にかかっており、ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２の深さ方向全体に空乏層が広がって電界がかかっている。
　図２から図４は、本実施の形態１の製造工程の一例を示す、製造工程中の断面構造説明図である。
　まず、図２に示すようにｎ＋ＳｉＣ基板１上に低不純物濃度のｎ－ＳｉＣ放射線有感層２を、ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２上にｐ＋半導体領域３をエピタキシャル成長で形成したＳｉＣ基板を準備する。
　ｎ＋ＳｉＣ基板１の不純物濃度は、１×１０１８～１×１０１９ｃｍ－３程度の範囲が用いられる。ＳｉＣ基板の主面は（０００１）面、（０００－１）面、（１１－２０）面などがよく用いられるが、本願発明は、ＳｉＣ基板のこれらの主面の選択によらず、その効果を奏することが出来る。
　ｎ＋ＳｉＣ基板１上のｎ－ＳｉＣ放射線有感層２の仕様としては、動作時の電圧で深さ方向全体に空乏層が広がる濃度と膜厚に設定していれば良いが、動作電圧を実用上適している１０００Ｖ以下と設定すると、不純物濃度Ｎは基板と同一の導電型で３×１０１３～１．２×１０１５ｃｍ－３程度の範囲で、厚さＷは３０～２００ｍ程度の範囲で設定する。不純物濃度Ｎと厚さＷ、動作電圧Ｖの関係は、ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２の不純物濃度と比べてｐ＋半導体領域３が十分に高不純物濃度である場合、下記の数式１で示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
数式１において、ｑは素電荷、εは比誘電率、ε０は真空の誘電率を示す。
　不純物濃度Ｎと厚さＷの関係を図９に示す。図９の曲線は、各不純物濃度に対して１０００Ｖでパンチスルーする厚さを示している。ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２の濃度はｐ＋半導体領域３と比べて大幅に低いことから、空乏層はｎ－ＳｉＣ放射線有感層２のみに広がると仮定している。また、１０００Ｖは内蔵電位よりも十分に大きいため、空乏層は動作時にかける電圧（ここでは１０００Ｖ）のみで広がると仮定している。１０００Ｖで動作する場合、上述の曲線と、ｎ－ＳｉＣの形成可能濃度の下限（ここでは２．８×１０１３ｃｍ－３）と、放射線検出に必要な厚さの下限（ここでは３０ｍ）に囲まれた範囲の中で、不純物濃度Ｎと厚さＷを設定すれば良い。
　次に、図３に示すように、ｐ＋半導体領域３表面にニッケル（Ｎｉ）やチタン（Ｔｉ）といった、ＳｉＣと反応してシリサイドを形成する金属４’をスパッタリング法で堆積した後、シリサイド化アニールを行い、ｐ＋半導体領域３表面に第１電極４を形成する。
　次に、図４に示すように、ｎ＋ＳｉＣ基板１裏面にＮｉやＴｉなどのＳｉＣと反応してシリサイドを形成する金属５’をスパッタリング法で堆積した後、シリサイド化アニールを行い、ｎ＋ＳｉＣ基板１裏面に第２電極５を形成することで、図１に示した本願発明の放射線検出器の主要部分が完成する。
　図１０に、本実施の形態１における放射線検出器を用いた放射線検出装置を示すブロック図の一例を示す。高圧電源１１により放射線検出器９のｎ＋ＳｉＣ基板１裏面側に形成された第２電極５をｐ＋半導体領域３表面側に形成された第１電極４よりも高電位とすることで、ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２内に電界がかかり空乏層が広がる。この時、ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２全体に空乏層が広がるように動作電圧を設定する。ｎ－ＳｉＣ放射線有感層２内に放射線が入射されると、放射線と半導体の相互作用により多数の電子正孔対を生成し、電界によって電子と正孔はそれぞれの電極に収集されることから、パルス状の検出電流が流れる。検出電流はプリアンプ１２、メインアンプ１３で増幅された後、多重波高分析装置１４によって波高の分布として測定される。測定された波高分布をもとに、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの解析装置１５を用いてピークエネルギー解析を行い、放射線の核種やその量を評価することができる。
　本実施の形態１では、ｐ＋半導体領域３表面やｎ＋ＳｉＣ基板１裏面に対して直接シリサイドを形成したが、半導体層と電極間の接触抵抗を低減するために、各半導体層と同じ極性となる不純物をイオン注入法で添加しても良い。ｐ＋半導体領域３に対しては、ｐ型ドーパントとして通常用いられるＡｌ（アルミ）やＢ（ホウ素）を添加する。例えば、ドーパントとしてＡｌを用い、加速エネルギーを変えた多段で注入を行い、表面付近の不純物濃度が１×１０２０ｃｍ－３程度、ｐ＋半導体領域３の不純物濃度と比べて高不純物濃度となる領域深さが０．３ｍ程度となるように添加する。ｐ＋半導体領域３と第１電極４間の接触抵抗が低減するのであれば特に添加の条件は限らないが、添加不純物の侵入深さがｐ＋半導体領域３の厚さよりも浅くなるように行う。ｎ＋ＳｉＣ基板１に対しては、ｎ型ドーパントとして通常用いられるＮ（窒素）やＰ（リン）を添加する。例えば、ドーパントとしてＮを用い、加速エネルギーを変えた多段で注入を行い、表面付近の不純物濃度が１×１０２０ｃｍ－３程度、ｎ＋ＳｉＣ基板１の不純物濃度と比べて高不純物濃度となる領域深さが０．５ｍ程度となるように添加する。ｎ＋ＳｉＣ基板１と第２電極５間の接触抵抗が低減するのであれば特に添加の条件は限らないが、添加不純物の侵入深さがｎ＋ＳｉＣ基板１の厚さよりも浅くなるように行う。
　また、ｐ＋半導体領域３やｎ＋ＳｉＣ基板１に不純物を添加する際、一部の領域に限定して行っても良い。この場合、図５に示すように、通例のリソグラフィとマスク材６を用いて、所定の領域が開口したパターンを形成した後、ｐ＋半導体領域３に対してｐ＋不純物３’を添加する。マスク材６としては、ＳｉＯ２、窒化シリコン、多結晶シリコン膜やレジスト材料で、イオン注入時のマスクとなる材料であれば良い。ここではマスク材６としてＳｉＯ２を用いる。同様に、図６に示すように、通例のリソグラフィとマスク材６を用いて、所定の領域が開口したパターンを形成した後、ｎ＋ＳｉＣ基板１に対してｎ＋不純物１’を添加する。また、不純物を添加する工程は、ｎ＋ＳｉＣ基板１を先に行い、その後ｐ＋半導体領域３に行っても良い。こうして不純物を添加した後は、通常行われる添加不純物の活性化アニールを行い、その後図７に示すように、第１電極４と第２電極５を形成する工程を行えば良い。
　また、本実施の形態１では、ＳｉＣと反応してシリサイドを形成する金属４’および５’をスパッタリング法で堆積した後、シリサイド化アニールを行い、第１電極４および第２電極５を形成したが、第１電極４および第２電極５の上にさらに、ＡｌやＡｕなどの電極材を堆積しても良い。
　また、本実施の形態１では、すぐに裏面および表面の電極形成を行ったが、酸化処理と酸化膜除去処理を行い、ｐ＋半導体領域３やｎ＋ＳｉＣ基板１の表面に入っているダメージ層を除去する犠牲酸化工程を行ってもよい。
　また、本実施の形態１では、すぐに裏面および表面の電極形成を行ったが、ｐ＋半導体領域３の表面にＣＶＤ法でＳｉＯ２などの表面保護膜を形成し、ｐ＋半導体領域３の表面を保護しても良い。この場合、表面保護膜を形成した後、第１電極４を形成する領域のみ開口するように加工する。
　本実施の形態によれば、炭化珪素からなり、放射線の入射によって電子正孔対を生成する放射線有感層と、前記放射線有感層の第１主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第１不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体領域と、前記第１主面と反対側の第２主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第２不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と接続する第１電極と、前記第２半導体領域と接続する第２電極と、を備え、前記放射線検出層が第１導電型の半導体である放射線検出器であって、前記第１主面を境として、前記第１半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第１不純物濃度と不連続であり、前記第２主面を境として、前記第２半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第２不純物濃度と不連続であり、前記放射線有感層が動作時の電圧において深さ方向全体に電界がかかっているので、放射線有感層で発生した電気信号の減少を抑えて放射線を検出することができる。
　（実施の形態２）
　図８に、本発明の実施の形態２における放射線検出器の断面構造を示す。実施の形態２は、放射線有感層として半絶縁性ＳｉＣ基板を用いるものである。
　実施の形態１で示した図１との違いは、放射線有感層が抵抗率１×１０５Ωｃｍ２以上の半絶縁性ＳｉＣ基板７であり、半絶縁性ＳｉＣ基板７上面にｐ＋半導体領域３を、半絶縁性ＳｉＣ基板７の裏面にｎ＋半導体領域８を有している点である。すなわち、１００～５００ｍ程度の厚さの半絶縁性ＳｉＣ基板７上にｐ＋半導体領域３をエピタキシャル成長で形成し、半絶縁性ＳｉＣ基板７の裏面上にｎ＋半導体領域８をエピタキシャル成長で形成したＳｉＣ基板を準備する。そして、ｐ＋半導体領域３上に第１電極４を、ｎ＋半導体領域８上に第２電極５を形成する。放射線有感層が半絶縁性ＳｉＣ基板７であるため、１０００Ｖ以下の動作時の電圧で放射線有感層全体に電界がかかる。また、第１電極４と第２電極５はエピタキシャル成長層に対して形成するため、放射線有感層に不純物添加などのダメージが入ることはなく、その効果は、本質的に実施の形態１と同様である。
　本実施の形態によれば、炭化珪素からなり、放射線の入射によって電子正孔対を生成する放射線有感層と、前記放射線有感層の第１主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第１不純物濃度を有する第１導電型の第１半導体領域と、前記第１主面と反対側の第２主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第２不純物濃度を有する第２導電型の第２半導体領域と、前記第１半導体領域と接続する第１電極と、前記第２半導体領域と接続する第２電極と、を備え、前記放射線有感層が半絶縁性の炭化珪素基板である放射線検出器であって、前記第１主面を境として、前記第１半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第１不純物濃度と不連続であり、前記第２主面を境として、前記第２半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第２不純物濃度と不連続であり、前記放射線有感層が動作時の電圧において深さ方向全体に電界がかかっているので、放射線有感層で発生した電気信号の減少を抑えて放射線を検出することができる。
　以上、本発明について実施の形態１～２を用いて説明した。実施の形態２では、実施の形態１を用いて説明した追加の不純物添加などの手法についても適用できる。
１　ｎ＋ＳｉＣ基板
１’　ｎ＋不純物
２　ｎ－ＳｉＣ放射線有感層
３　ｐ＋半導体領域
３’　ｐ＋不純物
４　第１電極
４’　金属
５　第２電極
５’　金属
６　マスク材
７　半絶縁性ＳｉＣ基板
８　ｎ＋半導体領域
９　放射線検出器
１１　高圧電源
１２　プリアンプ
１３　メインアンプ
１４　多重波高分析装置
１５　解析装置

Claims (12)

  1. 　炭化珪素からなり、放射線の入射によって電子正孔対を生成する放射線有感層と、
    　前記放射線有感層の第１主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第１不純物濃度を有する第１半導体領域と、
    　前記第１主面と反対側の第２主面で接し、少なくとも前記放射線有感層と接する領域において第２不純物濃度を有する第２半導体領域と、
    　前記第１半導体領域と接続する第１電極と、
    　前記第２半導体領域と接続する第２電極と、を備える放射線検出器であって、
    　前記第１主面を境として、前記第１半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第１不純物濃度と不連続であり、
    　前記第２主面を境として、前記第２半導体領域と隣接する前記放射線有感層内の不純物濃度が前記第２不純物濃度と不連続であり、
    　前記放射線有感層が動作時の電圧において深さ方向全体に電界がかかっていることを特徴とする放射線検出器。
  2. 　請求項１に記載の放射線検出器において、
    　前記第１半導体領域が第１導電型を有し、前記第２半導体領域が前記第１導電型と反対の第２導電型を有することを特徴とする放射線検出器。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の放射線検出器において、
    　前記放射線有感層が第１導電型の第３不純物濃度を有する半導体であることを特徴とする放射線検出器。
  4. 　請求項３に記載の放射線検出器において、
    　前記第３不純物濃度は前記第１不純物濃度よりも低いことを特徴とする放射線検出器。
  5. 　請求項４に記載の放射線検出器において、
    　前記第１半導体領域が第１導電型の炭化珪素基板であり、
    　前記放射線有感層が第１導電型のエピタキシャル成長層であり、
    　前記第２半導体領域が第２導電型のエピタキシャル成長層であることを特徴とする放射線検出器。
  6. 　請求項２に記載の放射線検出器において、
    　前記放射線有感層が半絶縁性の炭化珪素基板であり、
    　前記第１半導体領域が第１導電型のエピタキシャル成長層であり、
    　前記第２半導体領域が第２導電型のエピタキシャル成長層であることを特徴とする放射線検出器。
  7. 　請求項６に記載の放射線検出器において、
    　前記半絶縁性の炭化珪素基板が１×１０５Ωｃｍ以上の抵抗率を有することを特徴とする放射線検出器。
  8. 　請求項１から７の何れか一つに記載の放射線検出器において、
    　前記第１半導体領域と前記第２半導体領域の少なくともどちらか一方に各導電型と同一極性となる不純物をイオン注入によって添加し、前記イオン注入によって添加する不純物の注入深さは前記第１半導体領域もしくは前記第２半導体領域の厚さよりも浅いことを特徴とする放射線検出器。
  9. 　請求項１から８の何れか一つに記載の放射線検出器において、
    　前記動作時の電圧が、１０００Ｖ以下であることを特徴とする放射線検出器。
  10. 　請求項５に記載の放射線検出器において、
    　前記放射線有感層の不純物濃度Ｎと厚さＷとが、不純物濃度Ｎと厚さＷとの関係を示す図に於いて、次の数式１と、炭化珪素の形成可能不純物濃度の下限である２．８×１０１３ｃｍ－３と、放射線検出に必要な厚さの下限である３０μｍとで囲まれた範囲内にあることを特徴とする放射線検出器。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     ここで、Ｖは動作電圧、ｑは素電荷、εは比誘電率、ε０は真空の誘電率を示す。
  11. 　請求項１～１０の何れか一つの放射線検出器と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を加える高圧電源と、を備える放射線検出装置。
  12. 　請求項１１に記載の放射線検出装置において、更に、
    　検出電流から波高の分布を測定する波高分析装置を備える放射線検出装置。
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