WO2019003303A1 - 放射線検出器 - Google Patents

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WO2019003303A1
WO2019003303A1 PCT/JP2017/023586 JP2017023586W WO2019003303A1 WO 2019003303 A1 WO2019003303 A1 WO 2019003303A1 JP 2017023586 W JP2017023586 W JP 2017023586W WO 2019003303 A1 WO2019003303 A1 WO 2019003303A1
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side electrode
semiconductor layer
radiation
radiation detector
divided
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Inventor
山田　実
守 久光
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株式会社島津製作所
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    • G—PHYSICS
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detector that detects positional information of radiation.
  • Various radiation detectors are used to analyze radiation such as X-rays and gamma rays.
  • Si (Li) having a p-type semiconductor layer, a drift layer (i layer), and a high concentration n-type semiconductor layer (n + semiconductor layer) in which lithium (Li) is drifted on a silicon substrate
  • n + semiconductor layer n-type semiconductor layer
  • a mold detector is used (see, for example, Patent Document 1).
  • this radiation detector in order to obtain a thick radiation sensitive area, lithium drift is performed on the silicon substrate to form an i layer.
  • the radiation absorbed in the i-layer which is a radiation sensitive region is extracted in the form of charge Energy of the radiation can be detected.
  • the radiation detector can be used as a position sensor for detecting positional information of radiation. By arranging such radiation detectors in a three-dimensional manner, the traveling direction of radiation can be detected.
  • the present invention has an object to provide a radiation detector which can suppress the difference in resolution between regions in a detection region divided into a plurality of regions.
  • a p-side electrode a radiation sensitive region disposed above the p-side electrode, an n + semiconductor layer disposed on the top surface of the radiation sensitive region, and an n + semiconductor layer
  • the n-side electrode extends from the center of the top surface of the n-side electrode to the outer edge direction through the n-side electrode and the n + semiconductor layer to reach the radiation sensitive region.
  • a radiation detector is provided in which segment grooves are formed to divide an n + semiconductor layer into a plurality of divided detection areas of the same shape in plan view.
  • the present invention it is possible to provide a radiation detector capable of suppressing the difference in resolution between the regions in the detection region divided into a plurality of regions.
  • FIG. 1 (a) is a top view
  • FIG.1 (b) is an II direction of FIG. 1 (a)
  • FIG. It is a typical sectional view showing the composition of the radiation detector of a comparative example.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the radiation sensor using the radiation detector of the comparative example shown in FIG.
  • the structure of the radiation detector 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention is shown to Fig.1 (a) and FIG.1 (b).
  • the radiation detector 1 includes a p-side electrode 20, an i-layer 12 which is a radiation sensitive region disposed above the p-side electrode 20, an n + semiconductor layer 13 disposed on the upper surface of the i-layer 12, And an n-side electrode 30 disposed on the upper surface of the semiconductor layer 13.
  • the lower side surface of the i layer 12 is surrounded by the p-type semiconductor layer 11, and the p-side electrode 20 is in contact with the p-type semiconductor layer 11 and the i layer 12.
  • the n + semiconductor layer 13 is a high concentration n + layer in which lithium is diffused into a silicon substrate to form a lithium diffusion layer.
  • the i layer 12 is a lithium drift layer formed by drifting lithium on a silicon substrate. Further, as the p-type semiconductor layer 11, the remaining region of the region of the p-type silicon substrate where lithium is drifted can be used.
  • a metal electrode is used for the p-side electrode 20 and the n-side electrode 30.
  • the n + semiconductor layer 13 and the n-side electrode 30 form an ohmic junction, and the i-layer 12 and the p-side electrode 20 form a Schottky junction.
  • the radiation detector 1 has a semiconductor stacked body 10 in which a p-i-n junction is formed by the p-type semiconductor layer 11, the i layer 12 and the n + semiconductor layer 13. It is a type detector.
  • the semiconductor stacked body 10 in which the n + semiconductor layer 13 and the n-side electrode 30 are stacked is circular in plan view as shown in FIG. 1A.
  • Radiation incident from the p-side electrode 20 side or the n-side electrode 30 side is absorbed by the i-layer 12.
  • the radiation absorbed by the i layer 12 becomes p in the form of charge as electrons and holes. It is taken out by the side electrode 20 and the n-side electrode 30.
  • the energy of the radiation irradiated to the radiation sensitive area is converted into an electrical signal, the radiation is detected, and the energy can be known.
  • the radiation detector 1 is a top hat type, and the outer edge of the upper structure of most of the i layer 12 continuously formed from the n-side electrode 30, the n + semiconductor layer 13 and the n + semiconductor layer 13 The portion is located inside the outer edge portion of the p-type semiconductor layer 11 and the p-side electrode 20.
  • annular guard ring grooves 50 are disposed in the peripheral region of the n-side electrode 30 and the semiconductor laminate 10.
  • the guard ring groove 50 extends from the surface of the n-side electrode 30 and penetrates the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 to reach the i-layer 12. That is, the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 of the guard ring groove 50 have a circular central region inside the guard ring groove 50 and an annular peripheral region outside the guard ring groove 50 in plan view. And divided into.
  • the central region inside the guard ring groove 50 is a detection region where radiation is detected.
  • the structure in which the guard ring groove 50 is formed is hereinafter referred to as "guard ring structure".
  • the width of the guard ring groove 50 is about 0.5 mm to 1 mm.
  • the depth of the n-side electrode 30 of the guard ring groove 50 is sufficient to penetrate the n + semiconductor layer 13. The depth from the surface needs to be about 0.3 mm.
  • the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 in the detection area are divided into a plurality of areas in a plan view by the linear segment grooves 60.
  • the structure in which the detection area is divided in this way is called "segment structure".
  • the segment groove 60 extends from the surface of the n-side electrode 30, penetrates the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13, and reaches the surface of the i-layer 12.
  • the segment groove 60 extends from the center of the top surface of the circular n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 in the outer edge direction in plan view.
  • the segment groove 60 is formed so as to divide the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 into a plurality of regions having the same shape in plan view.
  • the area divided by the segment groove 60 is referred to as a "divided detection area”.
  • the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 are equally divided into four by the segment groove 60 in plan view. That is, the detection region, which is the central region surrounded by the guard ring groove 50, is divided by the segment groove 60 into the first divided detection region 41, the second divided detection region 42, the third divided detection region 43, and the fourth The divided detection area 44 is divided into four detection areas. Since the semiconductor stack 10 is circular in plan view, the first divided detection area 41 to the fourth divided detection area 44 are fan-shaped.
  • the n-side electrode 30 and the n + semiconductor layer 13 arranged in the same divided detection area are electrically connected to each other, but the n-side electrode 30 arranged in the different divided detection area And n + semiconductor layers 13 are separated by segment grooves 60. For this reason, it can be specified in which split detection area the radiation is absorbed. Thereby, the radiation detector 1 functions as a position sensor.
  • FIG. 1A shows an example in which the detection region is divided into four by the segment groove 60.
  • the method of dividing the detection area is, of course, not limited to the above. That is, the detection area can be divided into an arbitrary number of divided detection areas by the plurality of segment grooves 60 extending in the outer edge direction from the center of the detection area. For example, by more finely dividing the detection area, the detection position can be known in more detail. Therefore, the detection area may be divided into six or eight. Alternatively, the detection area may be divided into odd-numbered areas, such as three divisions or five divisions.
  • the width of the segment groove 60 is about 0.5 mm to 1.0 mm. Further, in order to penetrate the n + semiconductor layer 13 having a thickness of about 0.1 mm to 0.2 mm, the depth of the segment groove 60 from the surface of the n-side electrode 30 needs to be about 0.3 mm.
  • the segmented radiation detector functions as a position sensor by dividing the detection region into a plurality of regions. Therefore, for example, as in the radiation detector 1A of the comparative example shown in FIG. 2, it is conceivable to divide the divided area into a plurality of divided detection areas by the segment grooves 60 extending in parallel to each other.
  • the radiation detector 1A shown in FIG. 2 includes a second divided detection area 42A and a third divided detection area 43A located at the center of the detection area, and a first divided detection area located at the periphery of the detection area.
  • the detection area is divided into 41A and a fourth divided detection area 44A.
  • the other configuration is substantially the same as that of the radiation detector 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 shows an example of a radiation sensor configured to three-dimensionally arrange the radiation detectors 1A of the comparative example shown in FIG. 2 to detect the traveling direction of the radiation X.
  • the radiation sensor shown in FIG. 3 has a configuration in which four detection surfaces in which two radiation detectors 1A are two-dimensionally arranged are overlapped.
  • illustration of the guard ring groove 50 etc. of the radiation detector 1A is abbreviate
  • the radiation sensor shown in FIG. 3 it is possible to detect the traveling direction of the radiation X by specifying the divided detection area through which the radiation X has passed for the radiation detector 1A through which the radiation X has passed.
  • the divided detection areas through which the radiation X has passed are indicated by hatching.
  • the type of radiation X can be identified by analyzing the electrical signal measured in the divided detection area.
  • the traveling direction of the radiation X is easily specified by changing the direction of the segment groove 60 for each detection surface.
  • the resolution of the divided detection area does not vary. If the resolution of the divided detection area through which the radiation X has passed varies, it is not possible to accurately analyze the traveling direction or type of the radiation X.
  • FIG. 4 shows a simulation model for investigating the distribution of the electric field strength in the i layer 12.
  • the n + semiconductor layer 13 is disposed only above the central region of the i layer 12.
  • the width (diameter) of the lower portion of the i layer 12 in the cross section is 5.5 mm, and the width (diameter) of the upper portion is 8.0 mm.
  • the width (diameter) of the n + semiconductor layer 13 is 2.0 mm.
  • the thickness of the i layer 12 is 3.2 mm
  • the thickness of the n + semiconductor layer 13 is 0.3 mm
  • the thickness of the p-type semiconductor layer 11 surrounding the i layer 12 is 3.5 mm.
  • a protective film 120 with a thickness of 0.1 mm is disposed on the top surfaces of the i layer 12 and the p-type semiconductor layer 11.
  • FIG. 5 shows the result of a simulation in which a reverse bias voltage of 800 V is applied between the p-type semiconductor layer 11 and the n + semiconductor layer 13. As shown in FIG. 5, the electric field distribution is generated inside the i layer 12. The electric field in the i layer 12 becomes extremely weak only by being separated from the n + semiconductor layer 13 by about 1 mm.
  • the charge transfer speed is reduced at that portion, and the time for the generated charge to move to the n-side electrode 30 increases.
  • problems such as charge trapping in defect levels in the i-layer 12 may occur, resulting in low charge collection efficiency.
  • the absorption spectrum shape becomes a shape having a tail on the low energy side, or charge can not be extracted during a predetermined measurement time. As a result, the resolution is reduced.
  • the radiation of the same radiation source is detected at different resolutions depending on the position of the divided detection area where the radiation is incident. That is, the first divided detection area 41A and the fourth divided detection area are arranged at the periphery of the detection area rather than the second divided detection area 42A and the third divided detection area 43A arranged at the center of the detection area.
  • the resolution of the detection area 44A is low. Therefore, the radiation sensor shown in FIG. 3 can not accurately analyze the radiation X.
  • FIG. 6 shows the leakage current Ir1 to the leakage current Ir4 in the first divided detection area 41A to the fourth divided detection area 44A.
  • the measurement results shown in FIG. 6 show that the leak current is larger in the divided regions arranged in the peripheral portion than in the divided detection region arranged in the central portion of the detection region.
  • the cause of the variation in leak current between the divided detection regions is considered to be the variation in film thickness of the n + semiconductor layer 13 in the detection region and the difference in contact length with the guard ring groove 50.
  • Leakage current needs to be suppressed because it causes noise when acquiring an electrical signal for detecting radiation.
  • it is necessary to apply a large voltage between the n-side electrode 30 and the p-side electrode 20.
  • a voltage of 100 V to 300 V is applied.
  • the S / N of the electrical signal will be largely different between the divided detection areas.
  • the S / N variation of the electrical signal also causes the resolution to differ between the central portion and the peripheral portion of the detection area.
  • a plurality of segment grooves 60 having the same shape in plan view are formed by segment grooves 60 extending from the center of the upper surface of the detection area toward the outer edge.
  • the detection area is divided point-symmetrically with respect to the center. For this reason, even if the resolution is different between the central part and the peripheral part of the detection area, the dispersion of the resolution does not occur between the divided detection areas.
  • the radiation detector 1A of the comparative example as shown in FIG. 7, the radiation X is incident on the first divided detection area 41A at a position far from the center of the detection area, and from the center of the detection area When incident on the second divided detection area 42A at a close position, the resolution to be detected is different. That is, even for the same radiation X, the resolution differs depending on the position where it is incident on the detection area.
  • the fourth divided detection is performed when the radiation X is incident on the second divided detection area 42 at a position close to the center of the detection area and at the position far from the center of the detection area.
  • the light is incident on the area 44, there is no difference in resolution due to the difference in divided detection areas.
  • the detection area is divided into a plurality of divided detection areas by the segment grooves 60 extending from the center of the detection area to the outer edge direction, between the divided detection areas as shown in FIG. There is no variation in leakage current. For this reason, variation in performance among the divided detection areas is suppressed.
  • the segment grooves 60 extending from the center of the detection area to the outer edge direction have a plurality of detection areas having the same shape in plan view. Divided into divided detection areas. For this reason, the dispersion
  • regions can be suppressed.
  • FIG. 9 shows an example in which the radiation detectors 1 are three-dimensionally arranged to configure a radiation sensor that detects the traveling direction of the radiation X.
  • the radiation sensor shown in FIG. 9 has a configuration in which four detection surfaces in which two radiation detectors 1 are two-dimensionally arranged are overlapped. The divided detection areas through which the radiation X has passed are indicated by hatching.
  • the traveling direction of the radiation X and the type of the radiation X can be specified. Note that the traveling direction of the radiation X is easily specified by changing the direction of the segment groove 60 for each detection surface.
  • the radiation detector 1 has no variation in resolution among the divided detection areas. Therefore, the traveling direction and the type of the radiation X can be accurately analyzed by the radiation sensor shown in FIG. 9 in which the radiation detectors 1 are three-dimensionally arranged.
  • the p-type semiconductor layer 11 having a substantially uniform film thickness is disposed on the entire top surface of the p-side electrode 20. That is, the p-side electrode 20 and the i-layer 12 which is a radiation sensitive region are stacked via the p-type semiconductor layer 11.
  • the other configuration is substantially the same as that of the radiation detector 1 according to the first embodiment.
  • the i-layer 12 which is a radiation sensitive region be thick in order to increase detection sensitivity. Therefore, using a p-type silicon substrate in which a p-type impurity such as boron (B) is added in advance to a high purity silicon substrate as a base material and using lithium drift to cause lithium to drift on the silicon substrate, a thick radiation sensitive region Radiation detectors are manufactured.
  • a p-type silicon substrate in which a p-type impurity such as boron (B) is added in advance to a high purity silicon substrate as a base material and using lithium drift to cause lithium to drift on the silicon substrate a thick radiation sensitive region Radiation detectors are manufactured.
  • lithium drift can compensate boron in a silicon substrate with lithium to create a high resistance substrate which is to be an apparent intrinsic semiconductor.
  • a thick, high-resistance intrinsic semiconductor substrate can be created.
  • lithium ions move in the lattice of silicon to generate defects inside the silicon substrate.
  • a reverse biased voltage is applied to a defective silicon substrate, a current resulting from the defect is generated.
  • an electric field is generated inside the laminated structure, and a drift current flows due to the movement of carriers by the electric field.
  • the current resulting from the defect and the drift current are the main components of the leak current.
  • the leak current may cause noise, which may lead to deterioration of the resolution of the radiation detector 1.
  • the p-type semiconductor layer 11 prevents the flow into the p-side electrode 20.
  • the generation of the leakage current is suppressed and higher resolution can be obtained.
  • the p-type semiconductor layer 11 is thinly and uniformly disposed between the p-side electrode 20 and the i-layer 12. If the film thickness of the p-type semiconductor layer 11 is too thick, the ratio of radiation that can not pass through the p-type semiconductor layer 11 increases and the sensitivity decreases. On the other hand, when the film thickness of the p-type semiconductor layer 11 is too thin, the effect of suppressing the drift current flowing into the p-side electrode 20 may be reduced. In addition, when the film thickness of the p-type semiconductor layer 11 is made too thin, there is a possibility that an uneven portion may be generated in the film thickness of the p-type semiconductor layer 11 and the i layer 12 and the p-side electrode 20 may be in contact. .
  • the film thickness of the p-type semiconductor layer 11 in the region sandwiched between the p-side electrode 20 and the i-layer 12 is preferably about 50 ⁇ m to 150 ⁇ m.
  • the resistivity of the p-type semiconductor layer 11 is set low, for example, about 1 to 2 k ⁇ cm, so as to reduce the Schottky barrier formed at the boundary between the p-type semiconductor layer 11 and the p-side electrode 20 as much as possible.
  • the radiation detector is of the top hat type as an example, but the shape of the radiation detector is not limited to the top hat type.
  • the detection region preferably has a mesa shape in order to improve the withstand voltage.
  • the example of the radiation detector which formed the p-type semiconductor layer 11, the i layer 12, and the n ⁇ +> semiconductor layer 13 in the silicon substrate above was shown.
  • a radiation detector using a silicon substrate is used for X-ray detection and the like.
  • a radiation detector using a gallium substrate is used to detect gamma rays.
  • the base material of the radiation detector is selected as appropriate.
  • the radiation detector of the present invention can be used for detecting positional information of radiation.

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Abstract

ｐ側電極と、ｐ側電極の上方に配置された放射線有感領域と、放射線有感領域の上面に配置されたｎ+半導体層と、ｎ+半導体層の上面に配置されたｎ側電極とを備え、ｎ側電極とｎ+半導体層を貫通して放射線有感領域に達する、ｎ側電極の上面の中心から外縁方向に延在し、ｎ側電極とｎ+半導体層を平面視で同一形状の複数の分割検出領域に分割するセグメント溝が形成されている。

Description

放射線検出器
　本発明は、放射線の位置情報を検出する放射線検出器に関する。
　Ｘ線、ガンマ線などの放射線を分析するために、種々の放射線検出器が用いられている。例えばＸ線の検出には、シリコン基板にリチウム（Ｌｉ）をドリフトさせた、ｐ型半導体層、ドリフト層（ｉ層）、高濃度ｎ型半導体層（ｎ+半導体層）を有するＳｉ（Ｌｉ）型検出器が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。この放射線検出器では厚い放射線有感領域を得るため、シリコン基板にリチウムドリフトを行ってｉ層を形成する。そのｉ層を挟んで配置されたｐ側電極とｎ側電極との間に逆バイアスとなる電圧を印加することにより、放射線有感領域であるｉ層で吸収された放射線が電荷の形で取り出され、その放射線のエネルギーを検出することができる。
　また、ｎ側電極及びｎ+半導体層を貫通してｉ層に達する溝によって検出領域を複数の領域に分割することにより、放射線が放射線検出器のどの位置で吸収されたかを判別できる。このため、放射線検出器を放射線の位置情報を検出する位置センサとして使用することができる。このような放射線検出器を３次元的に配列することにより、放射線の進行方向を検出することができる。
特許第４３５６４４５号公報
　しかしながら、検出領域を複数の領域に分割した場合に、検出領域の中央の領域と周辺部の領域とで電気的特性のばらつきが生じる。このため、分割した領域間での特性、特に分解能が異なり、放射線検出器の位置センサとしての精度が低下するという問題があった。
　上記問題点に鑑み、本発明は、複数の領域に分割した検出領域における領域間の分解能の差を抑制できる放射線検出器を提供することを目的とする。
　本発明の一態様によれば、ｐ側電極と、ｐ側電極の上方に配置された放射線有感領域と、放射線有感領域の上面に配置されたｎ+半導体層と、ｎ+半導体層の上面に配置されたｎ側電極とを備え、ｎ側電極とｎ+半導体層を貫通して放射線有感領域に達する、ｎ側電極の上面の中心から外縁方向に延在し、ｎ側電極とｎ+半導体層を平面視で同一形状の複数の分割検出領域に分割するセグメント溝が形成されている放射線検出器が提供される。
　本発明によれば、複数の領域に分割した検出領域における領域間の分解能の差を抑制できる放射線検出器を提供できる。
本発明の第１の実施形態に係る放射線検出器の構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ－Ｉ方向に沿った断面図である。 比較例の放射線検出器の構成を示す模式的な断面図である。 図２に示した比較例の放射線検出器を用いた放射線センサの構成を示す模式図である。 シミュレーションモデルを示す模式図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 図２に示した比較例の放射線検出器のリーク電流の測定結果を示すグラフである。 図２に示した比較例の放射線検出器での放射線の入射を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る放射線検出器での放射線の入射を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る放射線検出器を用いた放射線センサの構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る放射線検出器の構成を示す模式的な断面図である。
　図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものである。この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
　（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る放射線検出器１の構成を、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す。放射線検出器１は、ｐ側電極２０と、ｐ側電極２０の上方に配置された放射線有感領域であるｉ層１２と、ｉ層１２の上面に配置されたｎ+半導体層１３と、ｎ+半導体層１３の上面に配置されたｎ側電極３０とを備える。ｉ層１２の下部の側面はｐ型半導体層１１によって囲まれており、ｐ側電極２０がｐ型半導体層１１及びｉ層１２と接触している。
　ｎ+半導体層１３は、シリコン基板にリチウムを拡散してリチウム拡散層を形成した高濃度ｎ+層である。ｉ層１２は、シリコン基板にリチウムをドリフトして形成されたリチウムドリフト層である。また、ｐ型半導体層１１として、ｐ型のシリコン基板のリチウムがドリフトされた領域の残余の領域を使用できる。ｐ側電極２０とｎ側電極３０には、金属電極が使用される。なお、ｎ+半導体層１３とｎ側電極３０はオーミック接合であり、ｉ層１２とｐ側電極２０とはショットキー接合である。
　このように、放射線検出器１は、ｐ型半導体層１１、ｉ層１２及びｎ+半導体層１３によってｐ－ｉ－ｎ接合が形成された半導体積層体１０を有する、ｐｉｎ構造のＳｉ（Ｌｉ）型検出器である。ｎ+半導体層１３とｎ側電極３０が積層された半導体積層体１０は、図１（ａ）に示すように、平面視で円形状である。
　ｐ側電極２０側或いはｎ側電極３０側から入射した放射線がｉ層１２で吸収される。このとき、ｎ側電極３０とｐ側電極２０との間に高電圧を逆バイアスとなるように印加することにより、ｉ層１２で吸収された放射線は、電子と正孔として電荷の形でｐ側電極２０とｎ側電極３０で取り出される。このように、放射線有感領域に照射された放射線のエネルギーを電気信号に変換して、放射線が検出され、そのエネルギーを知ることが可能となる。
　なお、放射線検出器１はトップハット型であり、ｎ側電極３０、ｎ+半導体層１３、及び、ｎ+半導体層１３から連続的に構成されるｉ層１２の大部分の上部構造物の外縁部が、ｐ型半導体層１１やｐ側電極２０の外縁部よりも内側に位置する。
　放射線検出器１では、図１（ａ）に示すように、ｎ側電極３０及び半導体積層体１０の周辺領域に環形状のガードリング溝５０が配置されている。ガードリング溝５０は、ｎ側電極３０の表面から延伸して、ｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３を貫通してｉ層１２に達する。つまり、ガードリング溝５０によって、ｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３が、平面視で、ガードリング溝５０の内側の円形状の中心領域と、ガードリング溝５０の外側の環形状の周辺領域とに分割されている。ガードリング溝５０の内側の中心領域が、放射線が検出される検出領域である。ガードリング溝５０を形成した構造を、以下において「ガードリング構造」という。
　放射線検出器に逆バイアスをかけるとき、ガードリングを接地することにより、表面リーク電流を抑制できる。ガードリング溝５０の幅は０．５ｍｍ～１ｍｍ程度である。また、ｎ+半導体層１３の厚みが０．１ｍｍ～０．２ｍｍ程度の場合、ｎ+半導体層１３を貫通するのに十分な深さであるように、ガードリング溝５０のｎ側電極３０の表面からの深さは０．３ｍｍ程度が必要である。
　更に、直線状のセグメント溝６０によって、検出領域のｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３が平面視で複数の領域に分割されている。このように検出領域を分割した構造を、「セグメント構造」という。セグメント溝６０は、ｎ側電極３０の表面から延伸して、ｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３を貫通してｉ層１２の表面に達する。
　セグメント溝６０は、平面視で円形状のｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３の上面の中心から外縁方向に延在する。なお、ｎ側電極３０とｎ+半導体層１３を平面視で同一形状の複数の領域に分割するように、セグメント溝６０は形成される。以下において、セグメント溝６０によって分割された領域を「分割検出領域」という。
　図１（ａ）に示した例では、セグメント溝６０によって、ｎ側電極３０とｎ+半導体層１３が平面視で４等分されている。つまり、ガードリング溝５０で囲まれた中心領域である検出領域が、セグメント溝６０によって、第１の分割検出領域４１、第２の分割検出領域４２、第３の分割検出領域４３及び第４の分割検出領域４４の４つの検出領域に分割されている。半導体積層体１０が平面視で円形状であるため、第１の分割検出領域４１～第４の分割検出領域４４は扇形状である。
　セグメント構造の放射線検出器１では、同一の分割検出領域に配置されたｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３は互いに電気的に接続されるが、異なる分割検出領域に配置されたｎ側電極３０及びｎ+半導体層１３は、セグメント溝６０によって分離されている。このため、放射線がどの分割検出領域で吸収されたかを特定することができる。これにより、放射線検出器１は、位置センサとして機能する。
　図１（ａ）では、セグメント溝６０によって検出領域が４分割されている例を示した。しかし、検出領域の分割の仕方は上記に限られないことはもちろんである。つまり、検出領域の中心から外縁方向に延在する複数のセグメント溝６０によって、検出領域を任意の個数の分割検出領域に分割することができる。例えば、検出領域をより細かく分割することによって、検出位置をより詳細に知ることができる。このため、検出領域を６分割や８分割にしてもよい。或いは、３分割や５分割などのように、奇数の領域に検出領域を分割してもよい。
　セグメント溝６０の幅は、０．５ｍｍ～１．０ｍｍ程度である。また、厚みが０．１ｍｍ～０．２ｍｍ程度のｎ+半導体層１３を貫通するために、セグメント溝６０のｎ側電極３０の表面からの深さは０．３ｍｍ程度が必要である。
　前述のように、検出領域を複数の領域に分割することにより、セグメント構造の放射線検出器は位置センサとして機能する。このため、例えば図２に示す比較例の放射線検出器１Ａのように、互いに平行に延伸するセグメント溝６０によって分割領域を複数の分割検出領域に分割することが考えられる。図２に示した放射線検出器１Ａは、検出領域の中央部に位置する第２の分割検出領域４２Ａ及び第３の分割検出領域４３Ａと、検出領域の周辺部に位置する第１の分割検出領域４１Ａ及び第４の分割検出領域４４Ａに、検出領域が分割されている。その他の構成は、図１に示した放射線検出器１と実質的に同様である。
　図３に、図２に示した比較例の放射線検出器１Ａを３次元的に配列して放射線Ｘの進行方向を検出する放射線センサを構成した例を示す。図３に示した放射線センサは、２つの放射線検出器１Ａを２次元的に配置した検出面を、４つ重ねた構成である。なお、図３では、分割検出領域の位置を明示するために、放射線検出器１Ａのガードリング溝５０などの図示を省略している（以下において同様。）。
　図３に示した放射線センサによれば、放射線Ｘが通過した放射線検出器１Ａについて放射線Ｘが通過した分割検出領域を特定することにより、放射線Ｘの進行方向を検出することができる。図３では、放射線Ｘが通過した分割検出領域にハッチングを付して示した。また、分割検出領域で測定された電気信号を解析することにより、放射線Ｘの種類を特定できる。なお、図３に示す放射線センサでは、検出面ごとにセグメント溝６０の方向を変更することにより、放射線Ｘの進行方向を特定しやすくしている。
　上記の放射線センサによる放射線Ｘの進行方向や種類の検出においては、分割検出領域の分解能にばらつきがないことが必要である。放射線Ｘが通過した分割検出領域の分解能にばらつきがあると、放射線Ｘの進行方向や種類を正確に分析することができない。
　しかしながら、以下に図４～図５を参照して説明するように、検出領域の中央部と周辺部では分解能に差がある。このため、図２に示す比較例の放射線検出器１Ａのように分割検出領域が検出領域の中央部と周辺部とに分かれていると、分割検出領域の分解能にばらつきが生じる。
　図４に、ｉ層１２における電界の強さの分布を調査するためのシミュレーションモデルを示す。図４に示したシミュレーションモデルでは、ｉ層１２の中央領域の上方にのみ、ｎ+半導体層１３が配置されている。断面におけるｉ層１２の下部の幅（直径）は５．５ｍｍ、上部の幅（直径）は８．０ｍｍである。ｎ+半導体層１３の幅（直径）は、２．０ｍｍである。なお、ｉ層１２の厚みは３．２ｍｍ、ｎ+半導体層１３の厚みは０．３ｍｍ、ｉ層１２を囲うｐ型半導体層１１の厚みは３．５ｍｍである。ｉ層１２とｐ型半導体層１１の上面には、膜厚０．１ｍｍの保護膜１２０が配置されている。
　図５に、ｐ型半導体層１１とｎ+半導体層１３との間に８００Ｖの逆バイアスの電圧を印加したシミュレーションの結果を示す。図５に示すように、ｉ層１２の内部に電界分布生じている。ｎ+半導体層１３から１ｍｍ程度離れるだけで、ｉ層１２における電界が極端に弱くなる。
　ｉ層１２に電界の弱い部分が存在すると、その部分で電荷の移動速度が低下し、発生した電荷がｎ側電極３０まで移動する時間が増大する。このため、電荷がｉ層１２中の欠陥準位に捕獲されるなどの問題が生じ、電荷の収集効率が低くなる。これにより、吸収スペクトル形状が低エネルギー側にテールを有する形状になったり、所定の測定時間の間に電荷を取り出せなくなったりする。その結果、分解能が低下する。
　したがって、図２に示した比較例の放射線検出器１Ａでは、放射線が入射した分割検出領域の位置に依存して、同じ線源の放射線について異なった分解能で検出される。つまり、検出領域の中央部に配置された第２の分割検出領域４２Ａや第３の分割検出領域４３Ａよりも、検出領域の周辺部に配置された第１の分割検出領域４１Ａや第４の分割検出領域４４Ａの分解能が低い。このため、図３に示した放射線センサでは、放射線Ｘを正確に分析することができない。
　また、図６に、比較例の放射線検出器１Ａの第１の分割検出領域４１Ａ～第４の分割検出領域４４Ａについて、環境温度が－３５℃の場合にｎ側電極３０とｐ側電極２０との間に逆バイアスの電圧に印加してリーク電流を測定した結果を示す。図６に、第１の分割検出領域４１Ａ～第４の分割検出領域４４Ａでのそれぞれのリーク電流Ｉｒ１～リーク電流Ｉｒ４で示した。
　図６に示した測定結果では、検出領域の中央部に配置された分割検出領域よりも周辺部に配置された分割領域でリーク電流が大きいという結果が得られた。本発明者らが実験を重ねた結果、検出領域の中央部に配置された分割検出領域と周辺部に配置された分割検出領域とで、リーク電流の大きさに違いがあるという知見が得られた。分割検出領域間でリーク電流がばらつく原因には、検出領域におけるｎ+半導体層１３の膜厚のばらつきやガードリング溝５０との接触長さの違いなどが考えられる。
　リーク電流は、放射線を検出するための電気信号を取得する際にノイズの原因となるため、抑制する必要がある。しかしながら、放射線有感領域となる空乏層を広げるためには、ｎ側電極３０とｐ側電極２０との間に大きな電圧を印加する必要がある。放射線有感領域の厚みが２．５ｍｍ程度の放射線検出器１Ａの場合、１００Ｖ～３００Ｖの電圧が印加される。
　このため、分割検出領域間でリーク電流がばらついていると、分割検出領域間で電気信号のＳ／Ｎが大きく異なることになる。電気信号のＳ／Ｎのばらつきも、分解能が検出領域の中央部と周辺部で異なる原因になる。
　これに対し、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した放射線検出器１は、検出領域の上面の中心から外縁方向に延在するセグメント溝６０によって、平面視で同一形状の複数の分割検出領域に、検出領域が中心について点対称的に分割されている。このため、検出領域の中央部と周辺部で分解能が異なっていても、分割検出領域間に分解能のばらつきが生じない。
　しかし、比較例の放射線検出器１Ａでは、図７に示すように、放射線Ｘが検出領域の中心から遠い位置で第１の分割検出領域４１Ａに入射する場合と、放射線Ｘが検出領域の中心から近い位置で第２の分割検出領域４２Ａに入射する場合では、検出される分解能が異なる。つまり、同じ放射線Ｘであっても、検出領域に入射する位置に依存して分解能が異なってしまう。
　一方、図１（ａ）に示す放射線検出器１では、検出領域の中心について点対称的に同一形状の分割検出領域が配置されている。このため、図８に示すように、放射線Ｘが検出領域の中心から近い位置で第２の分割検出領域４２に入射する場合と、放射線Ｘが検出領域の中心から遠い位置で第４の分割検出領域４４に入射する場合で、分割検出領域の違いによる分解能の差はない。
　また、放射線検出器１では検出領域の中心から外縁方向に延在するセグメント溝６０によって検出領域が複数の分割検出領域に分割されているため、図６に示したような分割検出領域間でのリーク電流のばらつきは生じない。このため、分割検出領域間での性能のばらつきが抑制される。
　以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る放射線検出器１では、検出領域の中心から外縁方向に延在するセグメント溝６０によって、検出領域が平面視で同一形状の複数の分割検出領域に分割される。このため、分割検出領域間での分解能のばらつきを抑制することができる。
　図９に、放射線検出器１を３次元的に配列して放射線Ｘの進行方向を検出する放射線センサを構成した例を示す。図９に示した放射線センサは、２つの放射線検出器１を２次元的に配置した検出面を、４つ重ねた構成である。なお、放射線Ｘが通過した分割検出領域にハッチングを付して示した。
　図９に示した放射線センサによれば、放射線Ｘの進行方向や放射線Ｘの種類を特定できる。なお、検出面ごとにセグメント溝６０の方向を変更することにより、放射線Ｘの進行方向を特定しやすくしている。
　既に説明したように、放射線検出器１では分割検出領域間で分解能のばらつきがない。このため、放射線検出器１を３次元的に配列した図９に示した放射線センサによって、放射線Ｘの進行方向や種類を正確に分析することができる。
　（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係る放射線検出器１は、図１０に示すように、ｐ側電極２０の上面の全面に、膜厚が略均一なｐ型半導体層１１が配置されている。即ち、ｐ側電極２０と放射線有感領域であるｉ層１２とが、ｐ型半導体層１１を介して積層されている。その他の構成については、第１の実施形態に係る放射線検出器１と実質的に同様である。
　数ｋｅＶから数十ｋｅＶのエネルギー範囲の放射線を検出する放射線検出器などでは、検出感度を上げるために放射線有感領域であるｉ層１２が厚いことが好ましい。このため、高純度シリコン基板に予めボロン（Ｂ）などのｐ型不純物を添加したｐ型のシリコン基板を母材とし、シリコン基板にリチウムをドリフトさせるリチウムドリフトを使用して、厚い放射線有感領域を持った放射線検出器が製造される。例えば、リチウムドリフトにより、シリコン基板のボロンをリチウムで補償し、見かけ上の真性半導体となる高抵抗基板を作り出せる。このように、例えば数ｍｍの厚みのシリコン基板の内部でリチウムをドリフトさせることにより、膜厚の厚い高抵抗の真性半導体基板を作り出すことができる。
　しかし、リチウムドリフトでは、リチウムイオンがシリコンの格子内を移動することにより、シリコン基板の内部に欠陥が発生する。欠陥の生じたシリコン基板に逆バイアスの電圧をかけたときに、欠陥に起因する電流が発生する。また、逆バイアスの電圧を印加することにより、積層構造の内部に電界が生じ、この電界よるキャリアの移動によってドリフト電流が流れる。
　図１（ｂ）に示すようにｎ+半導体層１３とｉ層１２のみの積層構造の場合には、欠陥に起因する電流とドリフト電流がリーク電流の主体である。リーク電流はノイズの原因となり、放射線検出器１の分解能の劣化を招くおそれがある。
　図１０に示した放射線検出器１では、ｐ側電極２０とｎ側電極３０の間に逆バイアスの電圧を印加した場合に流れるドリフト電流が、ｐ側電極２０とｉ層１２との間に介在しているｐ型半導体層１１によって、ｐ側電極２０に流入することが抑制される。その結果、ｐ側電極２０とｉ層１２が直接に接触する場合に比べてリーク電流の発生が抑制され、より高い分解能が得られる。
　ｐ型半導体層１１は、ｐ側電極２０とｉ層１２との間に薄く一様に配置される。ｐ型半導体層１１の膜厚が厚すぎると、ｐ型半導体層１１を透過できない放射線の比率が増大して感度が低下する。一方、ｐ型半導体層１１の膜厚が薄すぎると、ｐ側電極２０に流入するドリフト電流を抑制する効果が低下するおそれがある。また、ｐ型半導体層１１の膜厚を薄くしすぎた場合に、ｐ型半導体層１１の膜厚に不均一な部分が生じて、ｉ層１２とｐ側電極２０とが接触するおそれがある。このため、ｐ側電極２０とｉ層１２とに挟まれた領域におけるｐ型半導体層１１の膜厚は、５０μｍ～１５０μｍ程度であることが好ましい。なお、ｐ型半導体層１１とｐ側電極２０の境界で形成されるショットキー障壁をできるだけ低くするように、ｐ型半導体層１１の抵抗率は低く設定され、例えば１～２ｋΩｃｍ程度である。
　（その他の実施形態）
　上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
　既に述べた実施形態の説明においては放射線検出器がトップハット型である場合を例示的に説明したが、放射線検出器の形状はトップハット型に限られない。ただし、ｐ側電極２０とｎ側電極３０との間に高電圧が印加されるので、耐圧を向上させるために、検出領域がメサ形状であることが好ましい。
　また、上記ではシリコン基板にｐ型半導体層１１、ｉ層１２及びｎ+半導体層１３を形成した放射線検出器の例を示した。シリコン基板を用いた放射線検出器は、Ｘ線検出などに使用される。一方、ガンマ線の検出には、ガリウム基板を用いた放射線検出器が使用される。このように、検出対象の放射線の種類に応じて、放射線検出器の母材は適時選択される。
　このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
　本発明の放射線検出器は、放射線の位置情報を検出する用途に利用可能である。

Claims (6)

  1. 　ｐ側電極と、
    　前記ｐ側電極の上方に配置された放射線有感領域と、
    　前記放射線有感領域の上面に配置されたｎ+半導体層と、
    　前記ｎ+半導体層の上面に配置されたｎ側電極と
    　を備え、
    　前記ｎ側電極と前記ｎ+半導体層を貫通して前記放射線有感領域に達する、前記ｎ側電極の上面の中心から外縁方向に延在し、前記ｎ側電極と前記ｎ+半導体層を平面視で同一形状の複数の分割検出領域に分割するセグメント溝が形成されていることを特徴とする放射線検出器。
  2. 　前記放射線有感領域が、半導体基板にリチウムをドリフトさせた領域であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  3. 　前記ｎ側電極と前記ｎ+半導体層が平面視で円形状であり、
    　前記分割検出領域が扇形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  4. 　前記ｎ+半導体層及び前記ｎ側電極を、平面視で中心領域と前記中心領域を囲む周辺領域とに分割するように環形状に配置され、前記ｎ側電極と前記ｎ+半導体層を貫通して前記放射線有感領域に達するガードリング溝を更に備え、
    　前記セグメント溝が前記中心領域を複数の前記分割検出領域に分割することを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  5. 　前記ｐ側電極の上面の全面に配置されたｐ型半導体層を更に備え、
    　前記ｐ側電極と前記放射線有感領域が前記ｐ型半導体層を介して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  6. 　前記ｐ側電極と前記放射線有感領域とに挟まれた領域における前記ｐ型半導体層の膜厚が、５０μｍ～１５０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の放射線検出器。
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