WO2020162246A1 - 放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 - Google Patents

放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置 Download PDF

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WO2020162246A1
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WO
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electrode
radiation
radiation detection
concentration layer
detection element
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PCT/JP2020/002723
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松永　大輔
アントニーノ ピチォット
ジャコモ ボルジ
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株式会社堀場製作所
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Publication date
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • 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
    • H01L31/10—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 characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • 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
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2921—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras
    • G01T1/2928—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions; Radio-isotope cameras using solid state detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes

Definitions

  • the present invention relates to a radiation detection element, a radiation detector, and a radiation detection device.
  • Some radiation detectors that detect radiation such as X-rays are equipped with a radiation detection element that uses a semiconductor.
  • a radiation detection element using a semiconductor includes, for example, a silicon drift type radiation detection element.
  • the radiation detector provided with the silicon drift type radiation detection element is a silicon drift type radiation detector (SDD: Silicon Drift Detector).
  • a radiation detection element using a semiconductor includes a flat semiconductor part.
  • a first electrode for outputting a signal is provided on one surface of the semiconductor portion, and a second electrode for applying a voltage is provided on the other surface.
  • By applying the voltage an electric field is generated inside the semiconductor portion.
  • electric charges are generated inside the semiconductor portion, the electric charges move according to the electric field, a part of the electric charges are collected in the first electrode, and a signal corresponding to the amount of electric charge is output from the first electrode.
  • a conventional radiation detection element including a plurality of first electrodes.
  • a radiation detection element in which a plurality of first electrodes are two-dimensionally arranged on one surface of a plate-shaped semiconductor is used. Due to the design of the radiation detecting element, the charges generated inside the semiconductor portion by the radiation are likely to be collected at the closest first electrode.
  • the semiconductor part there is a region where the potential gradient is gentle at a position far from the first electrode.
  • the generated charges spread due to diffusion, so that the charges may move in a direction different from the direction toward the first electrode, or may move slowly to the first electrode.
  • the time required for signal processing may be increased, or some of the charges may not be collected at the first electrode, and accurate radiation energy may not be measured.
  • the region located in the middle of the plurality of first electrodes is a region with a gentle potential gradient.
  • the charges generated in this region may be dispersed and collected in the plurality of first electrodes.
  • signals are generated from a plurality of first electrodes for one radiation, and the radiation count number and energy become unknown.
  • Patent Document 1 discloses a technique of ignoring a signal derived from radiation incident on a region located in the middle of a plurality of first electrodes.
  • the size of the radiation detection element with the collimator increases.
  • the radiation detection element provided with electrodes for increasing the potential gradient further requires a structure such as wiring for applying a potential to the electrodes, which complicates the structure and increases the size.
  • the sensitive area where radiation can be detected is reduced. Even when the signal originating from the radiation incident on the region located in the middle of the plurality of first electrodes is ignored, the sensitive region is reduced.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a radiation detection element, a radiation detector, and a radiation detection device having a wide sensitive area.
  • a radiation detecting element is provided on a flat plate-shaped semiconductor portion and a first surface, which is one surface of the semiconductor portion, and collects charges generated in the semiconductor portion by incidence of radiation.
  • the radiation detecting element which comprises an electrode and a second electrode which is provided on a second surface which is the other surface of the semiconductor portion and to which a voltage necessary for collecting the electric charge is applied,
  • a high-concentration layer is doped with a dopant for making the semiconductor the same type as the semiconductor portion at a higher concentration than the semiconductor portion, The concentration layer is located in a position overlapping the second electrode in the second surface and is thicker than the second electrode.
  • the radiation detecting element is provided on the flat plate-shaped semiconductor portion and the first surface of the semiconductor portion, and the radiation detecting element is provided on the first surface for collecting charges generated in the semiconductor portion and the second surface of the semiconductor portion. And a second electrode to which a voltage is applied.
  • a high-concentration layer in which the dopant is doped at a higher concentration than the semiconductor portion is further provided on the second surface. The high concentration layer is not provided on the edge of the semiconductor portion. An electric field is generated in the semiconductor portion by applying the voltage. In the high-concentration portion, the potential gradient becomes larger and the equipotential surface becomes denser than in other portions.
  • the high-concentration layer is in a position overlapping the second electrode and is thicker than the second electrode. Therefore, the high concentration layer has a large potential gradient at a position deeper than the second electrode.
  • the equipotential surface is inclined with respect to the second surface, and an electric field in the direction toward the first electrode is generated. Due to the electric field in the direction toward the first electrode, the charges generated at a position far from the first electrode easily move to the first electrode.
  • the radiation detecting element according to the present invention is characterized in that the high concentration layer is narrower than the second electrode.
  • the area of the high concentration layer is smaller than the area of the second electrode. Therefore, an electric field is generated in the high concentration layer and the peripheral portion of the high concentration layer by the voltage applied to the second electrode. The electric field generated around the high-concentration layer becomes the electric field in the direction toward the first electrode.
  • the radiation detection element according to the present invention comprises a plurality of sets of the first electrode and the high-concentration layer located on the back side of the first electrode, and the plurality of high-concentration layers are separated from each other, and
  • the second surface is characterized in that the high concentration layer is not provided and includes a portion located between the plurality of high concentration layers.
  • the radiation detection element includes a plurality of sets of the first electrode and the high concentration layer located on the back side of the first electrode.
  • the plurality of high-concentration layers are separated from each other, and the second surface has a portion in the middle of the plurality of high-concentration layers and not provided with the high-concentration layers. In this portion, the equipotential surface is tilted with respect to the second surface, and an electric field in the direction toward the closest first electrode is generated.
  • the electric field in the direction toward the first electrode makes it possible to more reliably collect the charges generated at the position far from the first electrode in the first electrode.
  • the radiation detection element according to the present invention further comprises a plurality of third electrodes provided on the first surface, surrounding the first electrode, and having different distances from the first electrode, wherein the third electrode is The voltage is applied so that a potential gradient in which the potential changes toward the first electrode is generated in the semiconductor portion.
  • the radiation detecting element includes a plurality of third electrodes surrounding the first electrode. A voltage is applied to the third electrode so that a potential gradient in which the potential changes toward the first electrode is generated in the semiconductor portion. Due to the potential gradient, the charge generated in the semiconductor portion easily moves to the first electrode.
  • the distance from the first electrode in the first surface is longer than the distance from the first electrode to the outermost third electrode of the plurality of third electrodes.
  • the high-concentration layer corresponding to the first electrode is not provided in the portion on the back side of the second surface with respect to the above position.
  • the high-concentration layer is not provided in the portion located on the back side of the position where the distance from the first electrode is longer than the distance from the first electrode to the outermost third electrode. Therefore, an electric field directed to the first electrode is generated in a portion where the influence of the potential gradient of the third electrode is small.
  • the high-concentration layer corresponding to the first electrode is not provided in a portion located on the back side of the second surface with respect to a position longer than the distance.
  • the high-concentration layer is not provided in the portion located on the back side of the position outside the outer edge of the third electrode having the maximum potential difference from the first electrode among the plurality of third electrodes. .. Therefore, an electric field directed to the first electrode is generated in a portion where the influence of the potential gradient of the third electrode is small.
  • the radiation detection element according to the present invention includes a plurality of sets of the first electrode and the plurality of third electrodes, and the high-concentration layer has a maximum potential difference with respect to the first electrode of the plurality of third electrodes. It is characterized in that it is not continuous beyond the portion located on the back side of the third electrode.
  • the radiation detection element includes a plurality of sets of the first electrode and the plurality of third electrodes.
  • the high-concentration layer is not continuous in the portion located on the back side of the third electrode where the potential difference from the first electrode is maximum. Therefore, there is no high-concentration layer in the portion where the influence of the potential gradient due to the third electrode is small, and an electric field directed to the first electrode is generated.
  • the radiation detector according to the present invention is characterized by including the radiation detection element according to the present invention, a substrate on which the radiation detection element is mounted, and a housing that houses the radiation detection element and the substrate.
  • the radiation detecting apparatus provides an irradiation unit that irradiates a sample with radiation, a radiation detector according to claim 9 that detects the radiation generated from the sample, and a radiation detection result by the radiation detector. And an analysis unit that performs analysis based on the above.
  • the radiation detection efficiency is improved by using the radiation detection element having a wide sensitive area.
  • the range in which the charge generated by the radiation can be collected in the first electrode is widened, so that the sensitive area where the radiation in the radiation detection element can be detected is widened.
  • the present invention has an excellent effect such that the radiation detection efficiency is improved or the size of the radiation detection element is suppressed from increasing.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the radiation detection element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the radiation detecting element according to the first embodiment viewed from the second surface side.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the radiation detection element according to the first embodiment viewed from the first surface side.
  • It is a typical perspective view which shows the example of the radiation detector 2 provided with a radiation detection element.
  • It is a typical sectional view showing an example of a radiation detector.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electric field generated inside a Si layer in a conventional radiation detection element in which a high concentration layer is not provided.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electric field generated inside a Si layer in the radiation detection element according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. FIG. 9 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion surrounded by a chain double-dashed line in FIG. 8.
  • FIG. 6 is a schematic plan view of the radiation detecting element according to the second exemplary embodiment viewed from the first surface side. It is a schematic plan view of the radiation detection element according to the second exemplary embodiment viewed from the second surface side.
  • 5 is a schematic cross-sectional view of a radiation detection element according to the second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the radiation detection element 1 according to the first exemplary embodiment.
  • the radiation detection element 1 is a silicon drift type radiation detection element.
  • the radiation detection element 1 includes a disk-shaped Si layer 11 made of Si (silicon).
  • the component of the Si layer 11 is, for example, n-type Si.
  • the Si layer 11 is a semiconductor part.
  • the Si layer 11 has a first surface 111 and a second surface 112 located on the back side of the first surface 111.
  • the second surface 112 is an incident surface on which radiation mainly enters.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the radiation detection element 1 according to the first embodiment viewed from the second surface 112 side.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the radiation detection element 1 according to the first embodiment viewed from the first surface 111 side.
  • a signal output electrode 12 which is an electrode that outputs a signal when radiation is detected, is provided in the center of the first surface 111.
  • the signal output electrode 12 corresponds to the first electrode.
  • the component of the signal output electrode 12 is Si of the same type as the Si layer 11, and is doped with a specific dopant such as phosphorus.
  • the component of the signal output electrode 12 is n+Si.
  • the first surface 111 is provided with a plurality of curved electrodes 14 in the shape of multiple rings.
  • the curved electrode 14 corresponds to the third electrode.
  • the component of the curved electrode 14 is Si of a type different from that of the Si layer 11.
  • the component of the curved electrode 14 is p+Si in which Si is doped with a specific dopant such as boron.
  • the plurality of curved electrodes 14 arranged in a ring shape are substantially concentric with each other, and the signal output electrode 12 is located substantially at the center of the plurality of curved electrodes 14. That is, the plurality of curved electrodes 14 surround the signal output electrode 12, and the distances between the signal output electrode 12 and the respective curved electrodes 14 are different.
  • the curved electrode 14 may have a shape in which a circular ring is deformed, and the multiple curved electrodes 14 do not have to be concentric.
  • the signal output electrode 12 may be arranged at a position other than the center of the multiple curved electrodes 14, or may be arranged at a position other than the center of the first surface 111.
  • the shape of the radiation detection element 1 may be a droplet type.
  • the shape of the Si layer 11 may be a shape other than a disk shape, and may be a plate shape having a shape such as a square, a rectangle, a trapezoid, or a hexagon.
  • a counter electrode 13 which is an electrode to which a voltage is applied, is formed on almost the entire surface.
  • the counter electrode 13 corresponds to the second electrode.
  • the component of the counter electrode 13 is Si of a type different from that of the Si layer 11. For example, if the component of the Si layer 11 is n-type Si, the component of the counter electrode 13 is p+Si.
  • a ground electrode 182 connected to the ground potential is provided between the edge of the counter electrode 13 and the edge of the second surface 112.
  • the ground electrode 182 has a ring shape.
  • a protective portion 181 is provided between the counter electrode 13 and the ground electrode 182 to prevent dielectric breakdown between the counter electrode 13 and the ground electrode 182.
  • the protection part 181 is annular and has conductivity.
  • the counter electrode 13 is connected to the voltage applying section 31.
  • the innermost curved electrode 14 and the outermost curved electrode 14 of the multiple curved electrodes 14 are connected to the voltage applying section 31.
  • a metal such as Al (aluminum) or Au (gold) is formed on the surface of the counter electrode 13 of the second surface 112.
  • a film or an insulating film such as an oxide film or a nitride film may be provided.
  • the ground electrode 182 is provided on the first surface 111 outside the curved electrodes 14.
  • a protective portion 181 is provided between the curved electrode 14 and the ground electrode 182 to prevent dielectric breakdown between the curved electrode 14 and the ground electrode 182.
  • the protection unit 181 is not connected to the voltage application unit 31, and the potential of the protection unit 181 is a floating potential.
  • the ground electrode 182 may be provided on only one of the first surface 111 and the second surface 112.
  • the protective portion 181 may be provided even on the surface on which the ground electrode 182 is not provided.
  • the protection part 181 prevents the dielectric breakdown between the edge of the Si layer 11 and the counter electrode 13 or the curved electrode 14.
  • the counter electrode 13 may be formed up to the edge of the second surface 112, and the ground electrode 182 and the protection part 181 may not be provided.
  • the voltage applying unit 31 applies a voltage such that the innermost curved electrode 14 has the highest potential and the outermost curved electrode 14 has the lowest potential.
  • the radiation detection element 1 is configured such that a predetermined electric resistance is generated between the adjacent curved electrodes 14 which are different in distance from the signal output electrode 12.
  • the electric resistance channel to which the two curved electrodes 14 are connected is formed by adjusting the component of the portion located between the adjacent curved electrodes 14. That is, the plurality of curved electrodes 14 are connected in a daisy chain through electrical resistance.
  • the potential of the curved electrode 14 gradually increases from the curved electrode 14 far from the signal output electrode 12 to the curved electrode 14 near the signal output electrode 12.
  • a pair of adjacent curved electrodes 14 having the same potential may be included in the plurality of curved electrodes 14.
  • an electric field (potential gradient) is generated in the Si layer 11 such that the potential is gradually increased closer to the signal output electrode 12 and is lowered further away from the signal output electrode 12. .. Further, the voltage application unit 31 applies a voltage to the counter electrode 13 so that the potential of the counter electrode 13 becomes a potential between the innermost curved electrode 14 and the outermost curved electrode 14. In this way, inside the Si layer 11, an electric field whose potential increases as it approaches the signal output electrode 12 is generated.
  • a voltage may be directly applied to the counter electrode 13, or the counter electrode 13 may be a floating electrode. When the counter electrode 13 is a floating electrode, the voltage applied to the curved electrode 14 applies a potential to the counter electrode 13.
  • a preamplifier 21 is connected to the signal output electrode 12.
  • a main amplifier 32 is connected to the preamplifier 21.
  • Radiation such as X-rays, photons in general (including UV and visible light), electron beams or other charged particle beams is incident on the Si layer 11 and is an amount corresponding to the energy of the radiation absorbed in the Si layer 11. Is generated.
  • the generated charges are electrons and holes. The generated charges move by the electric field inside the Si layer 11, and one type of charges concentrates and flows into the signal output electrode 12.
  • the signal output electrode 12 is n-type, the electrons generated by the incidence of radiation move and flow into the signal output electrode 12.
  • the charges flowing into the signal output electrode 12 are output as a current signal and input to the preamplifier 21.
  • the preamplifier 21 converts the current signal into a voltage signal and outputs it to the main amplifier 32.
  • the main amplifier 32 amplifies the voltage signal from the preamplifier 21 and outputs a signal having an intensity corresponding to the energy of the radiation incident on the radiation detection element 1.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of the radiation detector 2 including the radiation detection element 1
  • FIG. 5 is a schematic sectional view showing an example of the radiation detector 2.
  • the radiation detector 2 includes a housing 25 having a shape in which a truncated cone is connected to one end of a cylinder.
  • a window 26 that allows radiation to pass through is provided at the tip of the housing 25.
  • the base plate 24 is also called a stem.
  • the cooling unit 28 is, for example, a Peltier element.
  • the radiation detection element 1 is mounted on the surface of the circuit board 22 and is arranged at a position facing the window 26.
  • the radiation detection element 1 is arranged so that the second surface 112 faces the window 26.
  • Wiring is formed on the circuit board 22 and the preamplifier 21 is mounted.
  • the shield plate 23 is disposed between the cooling unit 28 and the circuit board 22, and is in thermal contact with the heat absorbing portion of the cooling unit 28.
  • the heat radiation portion of the cooling unit 28 is in thermal contact with the base plate 24.
  • the base plate 24 has a flat plate-shaped portion on which the cooling unit 28 is placed and fixed, and a portion penetrating the bottom portion of the housing 25.
  • the circuit board 22 on which the radiation detecting element 1 is mounted is fixed to the cooling section 28 with the shield plate 23 interposed, and the cooling section 28 is fixed to the base plate 24. It holds the substrate 22.
  • the shield plate 23 is made of a material that shields X-rays. The shield plate 23 shields X-rays generated from the cooling unit 28 or the base plate 24 when the radiation enters the cooling unit 28 or the base plate 24 so as not to enter the radiation detection element 1.
  • the heat of the radiation detecting element 1 is absorbed by the cooling unit 28 through the circuit board 22 and the shielding plate 23, is transmitted from the cooling unit 28 to the base plate 24, and is radiated to the outside of the radiation detector 2 through the base plate 24.
  • the radiation detector 2 includes a plurality of lead pins 27 that penetrate the bottom of the housing 25.
  • the lead pins 27 are connected to the circuit board 22 by a method such as wire bonding.
  • the application of the voltage to the radiation detection element 1 by the voltage application unit 31 and the output of the signal from the preamplifier 21 to the main amplifier 32 are performed through the lead pin 27.
  • the radiation detector 2 may not have the cooling unit 28.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the radiation detection apparatus 100.
  • the radiation detector 2 includes the radiation detection element 1 and a preamplifier 21.
  • the voltage application unit 31 and the main amplifier 32 are arranged outside the radiation detector 2.
  • Part of the preamplifier 21 may be included inside the radiation detector 2 and the other part may be arranged outside the radiation detector 2.
  • the radiation detection apparatus 100 includes a sample holding unit 51 that holds the sample 5, an irradiation unit 33 that irradiates the sample 5 with radiation such as an X-ray, an electron beam, or a particle beam, and an irradiation control unit that controls the operation of the irradiation unit 33. 34 and.
  • the sample 5 is irradiated with radiation from the irradiation unit 33, and the sample 5 emits radiation such as fluorescent X-rays.
  • the radiation detector 2 is arranged at a position where the radiation generated from the sample 5 can enter the radiation detection element 1. Radiation is indicated by an arrow in the figure.
  • the main amplifier 32 outputs a signal according to the energy of the radiation detected by the radiation detection element 1.
  • a signal processing unit 41 that processes the output signal is connected to the main amplifier 32.
  • the signal processing unit 41 counts the signal of each value output by the main amplifier 32, and performs a process of generating a relationship between the energy of radiation and the count number, that is, a spectrum of radiation.
  • the signal processing unit 41 is connected to the analysis unit 42.
  • the analysis unit 42 is configured to include a calculation unit that performs calculation and a memory that stores data.
  • the signal processing unit 41 outputs data indicating the generated spectrum to the analysis unit 42.
  • the analysis unit 42 receives the data from the signal processing unit 41, and performs a process of identifying the element contained in the sample 5 based on the spectrum indicated by the input data.
  • the analysis unit 42 may perform a process of calculating the amounts of various elements contained in the sample 5.
  • a display unit 44 such as a liquid crystal display is connected to the analysis unit 42.
  • the display unit 44 displays the result of the processing by the analysis unit 42.
  • the display unit 44 is connected to the signal processing unit 41 and displays the spectrum generated by the signal processing unit 41.
  • the signal processing unit 41 may not generate the radiation spectrum, but the analysis unit 42 may generate the radiation spectrum.
  • the radiation detection apparatus 100 includes a control unit 43 that controls the entire operation.
  • the control unit 43 is connected to the voltage application unit 31, the main amplifier 32, the irradiation control unit 34, and the analysis unit 42, and controls the operation of each unit.
  • the control unit 43 is composed of, for example, a personal computer.
  • the control unit 43 may be configured to receive the operation of the user and control each unit of the radiation detection apparatus 100 according to the received operation. Further, the control unit 43 and the analysis unit 42 may be configured by the same computer.
  • the second surface 112 is provided with a high-concentration layer 15 in which a dopant for making Si the same type as the Si layer 11 is doped at a higher concentration than the Si layer 11.
  • the Si layer 11 is doped with 10 11 dopants per cm 3 of Si
  • the high-concentration layer 15 is doped with 10 13 to 10 17 dopants per cm 3 of Si.
  • the signal output electrode 12 is doped with 10 19 dopants per 1 cm 3 of Si.
  • the high concentration layer 15 is formed to a position deeper than the counter electrode 13, and the high concentration layer 15 is thicker than the counter electrode 13.
  • the high-concentration layer 15 and the counter electrode 13 overlap.
  • other dopants for making Si different from the Si layer 11 are doped.
  • the concentration of the other dopant doped in the counter electrode 13 is higher than the concentration of the dopant doped in the high concentration layer 15.
  • the counter electrode 13 is doped with 10 19 other dopants per mol of Si. Therefore, the overlapping portion of the high-concentration layer 15 and the counter electrode 13 is made of Si of a different type from the Si layer 11, and functions as the counter electrode 13.
  • a portion of the high-concentration layer 15 at a position deeper than the counter electrode 13 is made of Si of the same type as the Si layer 11. For example, when the Si layer 11 is n-type, the portion of the high-concentration layer 15 located deeper than the counter electrode 13 is made of n-type Si.
  • the high-concentration layer 15 is provided in a portion that does not include the edge of the Si layer 11.
  • the range of the high concentration layer 15 is shown by a broken line.
  • the high-concentration layer 15 exists inside the broken line.
  • the area of the high concentration layer 15 is smaller than the area of the counter electrode 13 in plan view. That is, the high concentration layer 15 does not exist at the edge of the Si layer 11 and in the vicinity of the edge.
  • the edge of the Si layer 11 and the vicinity of the edge will be referred to as a peripheral region 16.
  • the peripheral region 16 is a part farthest from the signal output electrode 12.
  • the peripheral region 16 includes a ground electrode 182 and a protection part 181.
  • the high-concentration layer 15 is not included in the peripheral region 16.
  • the high-concentration layer 15 exists in the portion of the second surface 112 located on the back side of the signal output electrode 12, and does not exist in the portion farthest from the signal output electrode 12.
  • the distance between the edge of the counter electrode 13 and the edge of the high concentration layer 15 is preferably 1 ⁇ m or more.
  • the position of the edge of the high concentration layer 15 is affected by the diffusion of the dopant.
  • the distance over which the dopant diffuses is about 0.5 ⁇ m. Therefore, by setting the distance between the edge of the counter electrode 13 and the edge of the high-concentration layer 15 to 1 ⁇ m or more, the range of the high-concentration layer 15 can be surely set without being affected by the diffusion of the dopant.
  • the range can be narrower than 13.
  • FIG. 1 the position of the outer edge of the high-concentration layer 15 and the position of the outer edge of the outermost curved electrode 14 in plan view are shown by broken lines. As shown in FIG. 1, it is located on the back side of the second surface 112 with respect to the position where the distance from the signal output electrode 12 is longer than the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14.
  • the high concentration layer 15 is not provided in the portion.
  • FIG. 1 shows an example in which the outer edge position of the outermost curved electrode 14 and the edge position of the counter electrode 13 match in plan view, but they do not have to match.
  • the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14 may be shorter than the distance from the signal output electrode 12 to the portion located on the back side of the outer edge of the high concentration layer 15. Further, for example, the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14 may be longer than the distance from the signal output electrode 12 to the portion located on the back side of the outer edge of the counter electrode 13.
  • the outermost curved electrode 14 is the curved electrode 14 having the largest potential difference with respect to the signal output electrode 12 among the plurality of curved electrodes 14, that is, the curved electrode 14 having the lowest potential.
  • the high-concentration layer 15 is not provided in the portion located at.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of the electric field generated inside the Si layer 11 in the conventional radiation detecting element in which the high concentration layer 15 is not provided.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of an electric field generated inside the Si layer 11 in the radiation detection element 1 according to the first exemplary embodiment.
  • the equipotential surface is shown by a solid curve, and the signal output electrode 12 is shown by a broken line.
  • An electric field is generated inside the Si layer 11, the electric potential of which increases as it gets closer to the signal output electrode 12.
  • FIG. 9 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion surrounded by a chain double-dashed line in FIG.
  • the potential gradient becomes larger in the portion where the dopant concentration is high. That is, in the high-concentration layer 15, the potential gradient is larger and the equipotential surface is more dense than in other portions in the Si layer 11. As shown in FIGS. 8 and 9, the equipotential surface is concentrated especially near the surface of the high concentration layer 15. Since the high-concentration layer 15 is thicker than the counter electrode 13, the potential gradient becomes large and the equipotential surface becomes dense at a position deeper than the counter electrode 13.
  • the distance between the equipotential surfaces is narrower as it is closer to the high concentration layer 15 and wider as it is farther from the high concentration layer 15. Therefore, the equipotential surface is inclined with respect to the second surface 112, and an electric field in the direction toward the signal output electrode 12 is generated as indicated by an arrow in FIG. Since the high-concentration layer 15 is not provided in the portion located on the back side of the position where the distance from the signal output electrode 12 is longer than the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14, the curved electrode is formed. An electric field directed to the signal output electrode 12 is generated in a portion where the influence of the potential gradient due to 14 is small. Therefore, the electric field generated in the peripheral region 16 is directed more toward the signal output electrode 12.
  • the electric field generated in the peripheral region 16 is generated in the direction more directed to the signal output electrode 12 than the electric field generated in the peripheral region in the conventional radiation detecting element as shown in FIG.
  • the charges generated in the peripheral region 16 are more likely to flow toward the signal output electrode 12 than in the conventional radiation detection element. That is, the radiation detection element 1 of the present embodiment can collect the charges generated at a position far from the signal output electrode 12 in the signal output electrode 12 more reliably than the conventional radiation detection element. Therefore, the range in which the charges generated by the radiation can be collected in the signal output electrode 12 is widened. Therefore, the sensitive area in which the radiation can be detected in the radiation detecting element 1 is widened.
  • the present embodiment by reliably collecting the charges generated at the position distant from the signal output electrode 12, it is possible to widen the sensitive area without unduly increasing the size of the radiation detection element 1.
  • the wider sensitive area improves the radiation detection efficiency.
  • the structure for widening the sensitive region is simple, the structure of the radiation detection element 1 is simplified.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of the radiation detection element 1 according to the second embodiment as viewed from the first surface 111 side.
  • multiple sets of multiple ring-shaped curved electrodes 14 are provided on the first surface 111 of the Si layer 11.
  • FIG. 10 shows an example in which four sets of multiple curved electrodes 14 are provided.
  • the number of sets of the multiple curved electrodes 14 is not limited to four sets, and may be another number such as eight sets.
  • the multiple sets of multiple curved electrodes 14 are evenly arranged around the center of the first surface 111.
  • FIG. 10 shows an example in which three curvilinear electrodes 14 are included in each set, but in reality, more curvilinear electrodes 14 are provided.
  • the signal output electrode 12 is provided at a position surrounded by the multiple curved electrodes 14 of each set.
  • the outermost curved electrodes 14 included in a plurality of sets of multiple curved electrodes 14 partially share each other.
  • the curved electrode 14 may not have a shared portion.
  • a through hole 183 is formed in the center of the radiation detection element 1.
  • the radiation for irradiating the sample passes through the through hole 183, and the radiation generated from the sample irradiated with the radiation enters the radiation detecting element 1.
  • An annular ground electrode 185 is provided around the through hole 183.
  • An annular ground electrode 182 is provided outside the plurality of sets of multiple curved electrodes 14. The ground electrodes 182 and 185 are connected to the ground potential.
  • a protective portion 184 is provided between the ground electrode 185 and the curved electrode 14 to prevent dielectric breakdown between the ground electrode 185 and the curved electrode 14.
  • a protective portion 181 that prevents dielectric breakdown between the curved electrode 14 and the ground electrode 182 is provided between the plurality of sets of multiple curved electrodes 14 and the ground electrode 182.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of the radiation detection element 1 according to the second exemplary embodiment viewed from the second surface 112 side.
  • the counter electrode 13 is formed on almost the entire second surface 112.
  • the range of the high concentration layer 15 is shown by a broken line
  • the position on the back side of the outermost curved electrode 14 is shown by a broken line.
  • An annular ground electrode 182 is provided between the edge of the counter electrode 13 and the edge of the second surface 112.
  • a protective portion 181 is provided between the counter electrode 13 and the ground electrode 182 to prevent dielectric breakdown between the counter electrode 13 and the ground electrode 182.
  • the counter electrode 13 is not provided around the through hole 183.
  • An annular ground electrode 185 is provided between the counter electrode 13 and the through hole 183.
  • a protective unit 184 is provided between the counter electrode 13 and the ground electrode 185 to prevent dielectric breakdown between the counter electrode 13 and the ground electrode 185.
  • the protection parts 181 and 184 are annular and have conductivity.
  • the ground electrodes 182 and 185 are connected to the ground potential.
  • the protection parts 181 and 184 are not connected to the voltage application part 31, and the potentials of the protection parts 181 and 184 are floating potentials.
  • the ground electrode 182 or 185 may be provided on only one of the first surface 111 and the second surface 112. Even on the surface where the ground electrode 182 or 185 is not provided, the protective portion 181 or 184 may be provided.
  • the protection part 181 prevents the dielectric breakdown between the edge of the Si layer 11 and the counter electrode 13 or the curved electrode 14.
  • the protection part 184 prevents the dielectric breakdown between the inner surface of the through hole 183 and the counter electrode 13 or the curved electrode 14.
  • the counter electrode 13 may be formed up to the edge of the second surface 112, and the ground electrodes 182 and 185 and the protective portions 181 and 184 may not be provided.
  • FIG. 12 is a schematic sectional view of the radiation detecting element 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a sectional view of the radiation detecting element 1 taken along line XII-XII in FIGS. 10 and 11.
  • the high-concentration layer 15 is provided in the portion located on the back side of each signal output electrode 12.
  • FIG. 12 shows an example in which the outer edge position of the outermost curved electrode 14 and the edge position of the counter electrode 13 match in plan view, but they do not have to match.
  • the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14 may be shorter than the distance from the signal output electrode 12 to the portion located on the back side of the outer edge of the high concentration layer 15. Further, for example, the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14 may be longer than the distance from the signal output electrode 12 to the portion located on the back side of the outer edge of the counter electrode 13.
  • a plurality of sets of the signal output electrode 12, a high concentration layer 15 located on the back side of the signal output electrode 12, and a plurality of curved electrodes 14 surrounding the signal output electrode 12 are provided.
  • the high-concentration layers 15 provided in the portions located on the back side of the respective signal output electrodes 12 are separated from each other. That is, the radiation detection element 1 is provided with a plurality of high-concentration layers 15.
  • the high concentration layer 15 is not provided in the peripheral region 16.
  • the high concentration layer 15 located on the back side of the signal output electrode 12 is defined as the high concentration layer 15 corresponding to the signal output electrode 12.
  • the position where the distance from the signal output electrode 12 is longer than the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14 is on the back side of the second surface 112 in the signal output electrode.
  • the high concentration layer 15 corresponding to 12 is not provided.
  • the distance between the outer edge of the counter electrode 13 and the outer edge of the high concentration layer 15 is preferably 1 ⁇ m or more.
  • the counter electrode 13, the innermost curved electrode 14 and the outermost curved electrode 14 are connected to the voltage applying unit 31.
  • the voltage application unit 31 is omitted.
  • the voltage application unit 31 applies a voltage such that the innermost curved electrode 14 has the highest potential and the outermost curved electrode 14 has the lowest potential.
  • the voltage application unit 31 applies a voltage to the counter electrode 13 so that the potential of the counter electrode 13 becomes a potential between the innermost curved electrode 14 and the outermost curved electrode 14.
  • An electric field is generated inside the Si layer 11, the electric potential of which increases as it gets closer to the signal output electrode 12.
  • the configuration of the radiation detector 2 other than the radiation detection element 1 and the configuration of the radiation detection apparatus 100 are the same as in the first embodiment.
  • the outermost curved electrode 14 is the curved electrode 14 having the largest potential difference with respect to the signal output electrode 12, that is, the curve having the lowest potential. Electrode 14. As shown in FIG. 12, the distance from the signal output electrode 12 is longer than the distance from the signal output electrode 12 to the outer edge of the curved electrode 14 having the lowest potential.
  • the high concentration layer 15 corresponding to the signal output electrode 12 is not provided in the portion located at.
  • the high concentration layer 15 is not continuous beyond the portion located on the back side of the curved electrode 14 having the lowest potential.
  • a part of the second surface 112 located on the back side of the curved electrode 14 having the lowest potential is an intermediate region 17, and the high concentration layer 15 is provided. Absent.
  • FIG. 12 shows an example in which the width of the intermediate region 17 in the cross section is narrower than the width of the curved electrode 14, but the width of the intermediate region 17 is the same as the width of the curved electrode 14 or the curved electrode 14. It may be wider than 14.
  • the potential gradient is larger and the equipotential surface is denser than the other portions in the Si layer 11.
  • the distance between the equipotential surfaces is narrower as it is closer to the high concentration layer 15 and is wider as it is farther from the high concentration layer 15, and the equipotential surface is inclined with respect to the second surface 112.
  • an electric field in the direction toward the signal output electrode 12 is generated in the peripheral region 16.
  • the distance between the equipotential surfaces is narrower as it is closer to the high-concentration layer 15 and is wider as it is farther from the high-concentration layer 15, and the equipotential surface is inclined with respect to the second surface 112.
  • an electric field in the direction toward the signal output electrode 12 is also generated in the intermediate region 17, except for the positions where the distances from the closest plurality of signal output electrodes 12 are exactly the same.
  • the peripheral region 16 and the intermediate region 17 are located far from any of the signal output electrodes 12. Therefore, in the conventional radiation detection element, it is difficult for the electric charges generated in the peripheral region 16 and the intermediate region 17 to be collected in the signal output electrode 12. Further, the peripheral region 16 is located on the back side of the position where the distance from the signal output electrode 12 is longer than the distance from the signal output electrode 12 to the outermost curved electrode 14, so that the potential gradient by the curved electrode 14 is increased. Is loose. Further, since the intermediate region 17 is located on the back side of the curved electrode 14 having the lowest potential, the potential gradient of the curved electrode 14 is gentle.
  • the high-concentration layer 15 is not provided in the peripheral region 16 and the intermediate region 17, an electric field directed to the signal output electrode 12 is generated in a portion where the influence of the potential gradient of the curved electrode 14 is small. Therefore, the electric field generated in the peripheral region 16 and the intermediate region 17 is directed more toward the signal output electrode 12 than in the conventional case.
  • the electric field generated in the peripheral region 16 and the intermediate region 17 is directed toward the signal output electrode 12 more than the electric field generated in the peripheral region and the intermediate region in the conventional radiation detecting element that does not include the high concentration layer 15. Occurs in the direction. Therefore, in the present embodiment, the charges generated in the peripheral region 16 and the intermediate region 17 are more likely to flow toward the signal output electrode 12 than in the conventional radiation detection element. That is, the radiation detection element 1 of the present embodiment can collect the charges generated at a position far from the signal output electrode 12 in the signal output electrode 12 more reliably than the conventional radiation detection element. Therefore, the range in which the charges generated by the radiation can be collected in the signal output electrode 12 is widened. Therefore, the sensitive area in which the radiation can be detected in the radiation detecting element 1 is widened.
  • the electric field generated in the intermediate region 17 is directed to the closest signal output electrode 12, the charges generated in the intermediate region 17 are easily collected in the closest signal output electrode 12, and the plurality of signal output electrodes 12 are It is less likely that the data will be scattered and collected in the. Therefore, the generation of signals from a plurality of first electrodes for one radiation is reduced, and the radiation count number and energy are more accurate.
  • the sensitive area can be increased without increasing the size of the radiation detection element 1 indiscriminately. Can be wide.
  • the wider sensitive area improves the radiation detection efficiency.
  • the structure for widening the sensitive region is simple, the structure of the radiation detection element 1 is simplified.
  • the counter electrode 13 is provided on one surface of the second surface 112, but the counter electrode 13 may be divided into a plurality of parts.
  • the area of each high-concentration layer 15 is smaller than the area of each counter electrode 13 in plan view.
  • the voltage application unit 31 applies a voltage to each counter electrode 13. Even in this case, an electric field is generated in the Si layer 11, and an electric field directed to the signal output electrode 12 is generated in the peripheral region 16 and the intermediate region 17. Further, in the first and second embodiments, the form in which the curved electrode 14 is provided is shown, but the radiation detection element 1 may not include the curved electrode 14.
  • a plurality of sets of the signal output electrode 12 and the multiple curved electrode 14 are arranged around the through hole 183, but the signal output electrode 12 and the multiple curved electrode 14 are arranged. Is not limited to this.
  • a plurality of sets of the signal output electrode 12 and the multiple curved electrodes 14 may be arranged linearly or may be arranged in a matrix.
  • the Si layer 11 is n-type and the curved electrode 14 is p-type is shown.
  • the Si layer 11 is n-type and curved.
  • the electrode 14 may have a p-type configuration.
  • the form in which the electrons generated by the radiation flow into the signal output electrode 12 in a concentrated manner is shown, but in the radiation detection element 1, the holes generated by the radiation are generated by the signal output electrode 12. It may be in the form of a concentrated inflow.
  • the voltage applying unit 31 monotonically decreases the potential from the curved electrode 14 far from the signal output electrode 12 to the curved electrode 14 near the signal output electrode 12, and the potential of the counter electrode 13 is reduced. The voltage is applied so that the potential is between the innermost curved electrode 14 and the outermost curved electrode 14.
  • the curved electrode 14 has a ring shape, but the radiation detection element 1 has a curved electrode 14 in which a part of the ring is opened. May be.
  • the third electrode is not limited to the curved shape, but may have a shape in which straight lines are combined, such as a polygon.
  • the semiconductor portion is the Si layer 11, but the radiation detection element 1 may have a semiconductor portion made of a semiconductor other than Si.
  • the form having the function of irradiating the sample 5 with the radiation is shown, but the radiation detecting apparatus 100 may have a form not having the function of irradiating the sample 5 with the radiation. ..
  • radiation detector 100 radiation detector 1 radiation detector 11 Si layer (semiconductor part) 12 Signal output electrode (first electrode) 121 small electrode 122 wire 123 conductive wire 13 counter electrode (second electrode) 14 Curved electrode (third electrode) 15 high concentration layer 16 peripheral area 17 intermediate area 2 radiation detector 21 preamplifier 31 voltage application section 32 main amplifier

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Abstract

有感領域を広くした放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置を提供する。　放射線検出素子は、平板状の半導体部と、該半導体部の一方の面である第１面に設けられており、放射線の入射によって前記半導体部内に発生する電荷を収集する第１電極と、前記半導体部の他方の面である第２面に設けられており、前記電荷の収集に必要な電圧を印加される第２電極と、前記第２面の中で、前記半導体部の縁を含まない部分に設けられており、半導体を前記半導体部と同じ型にするためのドーパントが前記半導体部よりも高濃度にドープされている高濃度層とを備える。前記高濃度層は、前記第２面の中で前記第２電極に重なった位置にあり、前記第２電極よりも厚い。

Description

放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置
　本発明は、放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置に関する。
　Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器には、半導体を用いた放射線検出素子を備えたものがある。半導体を用いた放射線検出素子には、例えばシリコンドリフト型放射線検出素子がある。シリコンドリフト型放射線検出素子を備えた放射線検出器は、シリコンドリフト型放射線検出器（ＳＤＤ：Silicon Drift Detector）である。
　半導体を用いた放射線検出素子は、平板状の半導体部を備える。半導体部の一面には、信号を出力するための第１電極が設けられ、他面には、電圧印加用の第２電極が設けられている。電圧が印加されることにより、半導体部の内部に電界が発生する。半導体部へ放射線が入射した場合、半導体部の内部に電荷が発生し、電荷は電界に従って移動し、電荷の一部が第１電極に集められ、電荷量に応じた信号が第１電極から出力される。また、従来の放射線検出素子には、複数の第１電極を備えたものがある。例えば、板状の半導体の一面に複数の第１電極を二次元状に並べた放射線検出素子が利用されている。放射線検出素子の設計上、放射線によって半導体部の内部に発生した電荷は、最も近い第１電極に集まり易くなっている。
　半導体部の中で、第１電極から遠い位置には、電位勾配が緩やかな領域が存在する。この領域へ放射線が入射した場合、発生した電荷は、拡散によって広がるため、第１電極へ向かう方向とは異なる方向へ移動するか、又は第１電極への移動が遅くなることがある。この結果、信号処理に必要な時間が増大するか、又は電荷の一部が第１電極に集まらず正確な放射線のエネルギーが測定できないことがある。
　複数の第１電極を備えた放射線検出素子では、複数の第１電極の中間に位置する領域が電位勾配の緩やかな領域となる。この領域で発生した電荷は、複数の第１電極に分散して収集されることがある。このとき、一つの放射線に対して複数の第１電極から信号が発生し、放射線のカウント数及びエネルギーが不明となる。
　以上の問題を解決するために、電位勾配が緩やかな領域を覆うコリメータが設けられている。コリメータによりこの領域への放射線の入射が防止される。また、第２電極の周囲に、第１電極から遠い位置での電位勾配を大きくするための電極を設ける技術も開発されている。電位勾配が大きくなることにより、電荷の移動が速くなる。また、特許文献１には、複数の第１電極の中間に位置する領域へ入射した放射線に由来する信号を無視する技術が開示されている。
特許第６１５９１３３号公報
　コリメータを設けた放射線検出素子は、サイズが大きくなる。電位勾配を大きくするための電極を設けた放射線検出素子は、電極に電位を与えるための配線等の構造が更に必要であり、構造が複雑になると共に、サイズが大きくなる。放射線検出素子全体のサイズを固定した場合は、放射線を検出することができる有感領域が縮小する。複数の第１電極の中間に位置する領域へ入射した放射線に由来する信号を無視する場合でも、有感領域が縮小する。
　本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、有感領域を広くした放射線検出素子、放射線検出器及び放射線検出装置を提供することにある。
　本発明に係る放射線検出素子は、平板状の半導体部と、該半導体部の一方の面である第１面に設けられており、放射線の入射によって前記半導体部内に発生する電荷を収集する第１電極と、前記半導体部の他方の面である第２面に設けられており、前記電荷の収集に必要な電圧を印加される第２電極とを備える放射線検出素子において、前記第２面の中で前記半導体部の縁を含まない部分に設けられており、半導体を前記半導体部と同じ型にするためのドーパントが前記半導体部よりも高濃度にドープされている高濃度層を備え、前記高濃度層は、前記第２面の中で前記第２電極に重なった位置にあり、前記第２電極よりも厚いことを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出素子は、平板状の半導体部と、半導体部の第１面に設けられており、半導体部内に発生する電荷を収集する第１電極と、半導体部の第２面に設けられており、電圧を印加される第２電極とを備える。放射線検出素子は、更に、ドーパントが半導体部よりも高濃度にドープされている高濃度層が第２面に設けられている。高濃度層は、半導体部の縁には設けられていない。電圧の印加により半導体部内に電界が発生する。高濃度部では、他の部分に比べて電位勾配がより大きくなり、等電位面がより密になる。また、高濃度層は、第２電極に重なった位置にあり、第２電極より厚い。このため、高濃度層は第２電極よりも深い位置で電位勾配を大きくする。半導体部の縁及び縁の近傍では、等電位面は第２面に対して傾き、第１電極へ向かう方向の電界が発生する。第１電極へ向かう方向の電界により、第１電極から遠い位置で発生した電荷が第１電極へ移動しやすくなる。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記高濃度層は前記第２電極よりも狭いことを特徴とする。
　本発明においては、高濃度層の面積は第２電極の面積よりも狭い。このため、第２電極に印加された電圧により、高濃度層と高濃度層の周囲の部分とに電界が発生する。高濃度層の周囲の部分に発生した電界は、第１電極へ向かう方向の電界となる。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記第１電極と前記第１電極の裏側に位置する前記高濃度層との組を複数組備え、複数の前記高濃度層は、互いに離隔しており、前記第２面は、前記高濃度層が設けられておらず、複数の前記高濃度層の間に位置する部分を含むことを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出素子は、第１電極と第１電極の裏側に位置する高濃度層との組を複数組備える。複数の高濃度層は互いに離隔しており、第２面には、複数の高濃度層の中間にあり、高濃度層が設けられていない部分がある。この部分では、等電位面は第２面に対して傾き、最も近い第１電極へ向かう方向の電界が発生する。第１電極へ向かう方向の電界により、第１電極から遠い位置で発生した電荷をより確実に第１電極に収集することが可能となる。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記第１面に設けられ、前記第１電極を囲んでおり、前記第１電極からの距離が互いに異なる複数の第３電極を更に備え、前記第３電極は、前記半導体部内に前記第１電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように、電圧が印加されることを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出素子は、第１電極を囲む複数の第３電極を備える。第３電極は、半導体部内に第１電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように、電圧が印加される。電位勾配によって、半導体部内で発生した電荷が第１電極へ移動しやすくなる。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記第１面の中で前記第１電極からの距離が前記第１電極から前記複数の第３電極の内の最も外側の第３電極までの距離よりも長くなる位置に対して、前記第２面の中で裏側に位置する部分には、前記第１電極に対応する前記高濃度層は設けられていないことを特徴とする。
　本発明においては、第１電極からの距離が第１電極から最も外側の第３電極までの距離よりも長くなる位置の裏側に位置する部分には、高濃度層は設けられていない。このため、第３電極による電位勾配の影響が小さい部分に、第１電極に対して指向する電界が発生する。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記第１面の中で前記第１電極からの距離が前記複数の第３電極の内の前記第１電極に対する電位差が最大になる第３電極の外縁までの距離よりも長くなる位置に対して、前記第２面の中で裏側に位置する部分には、前記第１電極に対応する前記高濃度層は設けられていないことを特徴とする。
　本発明においては、複数の第３電極の内で第１電極との電位差が最大になる第３電極の外縁よりも外側にある位置の裏側に位置する部分に、高濃度層は設けられていない。このため、第３電極による電位勾配の影響が小さい部分に、第１電極に対して指向する電界が発生する。
　本発明に係る放射線検出素子は、前記第１電極及び前記複数の第３電極の組を複数組備え、前記高濃度層は、前記複数の第３電極の内の前記第１電極に対する電位差が最大になる第３電極の裏側に位置する部分を越えて連続してはいないことを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出素子は、第１電極と複数の第３電極との組を複数組備える。第１電極との電位差が最大になる第３電極の裏側に位置する部分では、高濃度層は連続していない。このため、第３電極による電位勾配の影響が小さい部分には、高濃度層が無く、第１電極に対して指向する電界が発生する。
　本発明に係る放射線検出器は、本発明に係る放射線検出素子と、該放射線検出素子が載置された基板と、前記放射線検出素子及び前記基板を収容するハウジングとを備えることを特徴とする。
　本発明に係る放射線検出装置は、試料へ放射線を照射する照射部と、前記試料から発生した放射線を検出する請求項９に記載の放射線検出器と、該放射線検出器での放射線の検出結果に基づいた分析を行う分析部とを備えることを特徴とする。
　本発明においては、放射線検出器及び放射線検出装置では、有感領域を広くした放射線検出素子を用いることによって、放射線の検出効率が向上する。
　本発明にあっては、放射線によって発生した電荷を第１電極に収集することができる範囲が広くなることによって、放射線検出素子中の放射線を検出することができる有感領域が広くなる。放射線の検出効率が向上するか、又は放射線検出素子のサイズの増大が抑制される等、本発明は優れた効果を奏する。
実施形態１に係る放射線検出素子の模式的断面図である。 第２面の側から見た実施形態１に係る放射線検出素子の模式的平面図である。 第１面の側から見た実施形態１に係る放射線検出素子の模式的平面図である。 放射線検出素子を備える放射線検出器２の例を示す模式的斜視図である。 放射線検出器の例を示す模式的断面図である。 放射線検出装置の機能構成の例を示すブロック図である。 高濃度層が設けられていない従来の放射線検出素子におけるＳｉ層の内部に発生した電界の例を示す模式的断面図である。 実施形態１に係る放射線検出素子におけるＳｉ層の内部に発生した電界の例を示す模式的断面図である。 図８中の二点鎖線で囲んだ部分を拡大した模式的断面図である。 第１面の側から見た実施形態２に係る放射線検出素子の模式的平面図である。 第２面の側から見た実施形態２に係る放射線検出素子の模式的平面図である。 実施形態２に係る放射線検出素子の模式的断面図である。
　以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係る放射線検出素子１の模式的断面図である。放射線検出素子１は、シリコンドリフト型放射線検出素子である。放射線検出素子１は、Ｓｉ（シリコン）からなる円板状のＳｉ層１１を備えている。Ｓｉ層１１の成分は例えばｎ型のＳｉである。Ｓｉ層１１は半導体部である。Ｓｉ層１１は、第１面１１１と、第１面１１１の裏側に位置する第２面１１２を有する。第２面１１２は、主に放射線が入射する入射面である。図２は、第２面１１２の側から見た実施形態１に係る放射線検出素子１の模式的平面図である。図３は、第１面１１１の側から見た実施形態１に係る放射線検出素子１の模式的平面図である。
　第１面１１１の中央には、放射線検出時に信号を出力する電極である信号出力電極１２が設けられている。信号出力電極１２は第１電極に相当する。信号出力電極１２の成分は、Ｓｉ層１１と同じ型のＳｉであり、リン等の特定のドーパントがドープされている。例えば、信号出力電極１２の成分はｎ＋Ｓｉである。また、第１面１１１には、多重のリング状になった複数の曲線状電極１４が設けられている。曲線状電極１４は第３電極に相当する。曲線状電極１４の成分は、Ｓｉ層１１とは異なる型のＳｉである。例えば、曲線状電極１４の成分は、ホウ素等の特定のドーパントがＳｉにドープされたｐ＋Ｓｉである。リング状に配置された複数の曲線状電極１４はほぼ同心であり、複数の曲線状電極１４のほぼ中心に信号出力電極１２が位置している。即ち、複数の曲線状電極１４は信号出力電極１２を囲んでおり、信号出力電極１２と夫々の曲線状電極１４との間の距離は異なる。
　図１及び図３には三つの曲線状電極１４を示しているが、実際にはより多くの曲線状電極１４が設けられている。なお、曲線状電極１４の形状は円環が変形した形状であってもよく、多重の曲線状電極１４は同心でなくともよい。また、信号出力電極１２は、多重の曲線状電極１４の中心以外の位置に配置されていてもよく、第１面１１１の中央以外の位置に配置されていてもよい。放射線検出素子１の形状はドロップレット型であってもよい。Ｓｉ層１１の形状は、円板状以外の形状であってもよく、正方形、長方形、台形又は六角形等の形状を有する板状であってもよい。
　第２面１１２には、電圧が印加される電極であるカウンター電極１３がほぼ全面に形成されている。カウンター電極１３は第２電極に相当する。カウンター電極１３の成分はＳｉ層１１とは異なる型のＳｉである。例えば、Ｓｉ層１１の成分がｎ型のＳｉであれば、カウンター電極１３の成分はｐ＋Ｓｉである。カウンター電極１３の縁と第２面１１２の縁との間には、接地電位に接続される接地電極１８２が設けられている。接地電極１８２は環状である。カウンター電極１３と接地電極１８２との間には、カウンター電極１３と接地電極１８２との間の絶縁破壊を防止する防護部１８１が設けられている。防護部１８１は環状であり、導電性を有する。カウンター電極１３は、電圧印加部３１に接続されている。また、多重の曲線状電極１４の内、最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４とは、電圧印加部３１に接続されている。カウンター電極１３により生成される電界を一様にし、カウンター電極１３の表面を保護するために、第２面１１２のうちカウンター電極１３の表面には、Ａｌ（アルミニウム）若しくはＡｕ（金）等の金属膜、又は酸化膜若しくは窒化膜等の絶縁膜が設けられていてもよい。
　第１面１１１には、複数の曲線状電極１４の外側に、接地電極１８２が設けられている。曲線状電極１４と接地電極１８２との間には、曲線状電極１４と接地電極１８２との間の絶縁破壊を防止する防護部１８１が設けられている。防護部１８１は電圧印加部３１に接続されておらず、防護部１８１の電位は浮遊電位である。なお、接地電極１８２は第１面１１１又は第２面１１２の一方のみに設けられていてもよい。接地電極１８２が設けられていない面であっても、防護部１８１は設けられていてもよい。接地電極１８２が設けられていない場合、防護部１８１はＳｉ層１１の縁とカウンター電極１３又は曲線状電極１４との間の絶縁破壊を防止する。また、カウンター電極１３は第２面１１２の縁まで形成されていてもよく、接地電極１８２及び防護部１８１は設けられていなくてもよい。
　電圧印加部３１は、最も内側の曲線状電極１４の電位が最も高く、最も外側の曲線状電極１４の電位が最も低くなるように、電圧を印加する。また、放射線検出素子１は、信号出力電極１２からの距離が互いに異なり隣接する曲線状電極１４の間に、所定の電気抵抗が発生するように構成されている。例えば、隣接する曲線状電極１４の間に位置する部分の成分を調整することで、二つの曲線状電極１４が接続される電気抵抗チャネルが形成されている。即ち、複数の曲線状電極１４は、電気抵抗を介して数珠つなぎに接続されている。このような複数の曲線状電極１４に電圧印加部３１から電圧が印加されることによって、夫々の曲線状電極１４は、外側の曲線状電極１４から内側の曲線状電極１４に向けて順々に単調に増加する電位を有する。即ち、曲線状電極１４の電位は、信号出力電極１２に遠い曲線状電極１４から信号出力電極１２に近い曲線状電極１４へ向けて順々に増加する。なお、複数の曲線状電極１４の中に、電位が同じ隣接する一対の曲線状電極１４が含まれていてもよい。
　複数の曲線状電極１４の電位によって、Ｓｉ層１１内には、段階的に信号出力電極１２に近いほど電位が高く信号出力電極１２から遠いほど電位が低くなる電界（電位勾配）が生成される。更に、電圧印加部３１は、カウンター電極１３の電位が最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４との間の電位になるように、カウンター電極１３に電圧を印加する。このように、Ｓｉ層１１の内部には、信号出力電極１２に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。カウンター電極１３には直接電圧を印加してもよく、又は、カウンター電極１３は浮遊電極であってもよい。カウンター電極１３が浮遊電極である場合は、曲線状電極１４に印加された電圧によって、カウンター電極１３に電位が印加される。
　信号出力電極１２には、前置増幅器２１が接続されている。前置増幅器２１には、主増幅器３２が接続されている。Ｘ線、光子一般（ＵＶ及び可視光を含む）、電子線又は他の荷電粒子線等の放射線は、Ｓｉ層１１内へ入射し、Ｓｉ層１１内で吸収された放射線のエネルギーに応じた量の電荷が発生する。発生する電荷は電子及び正孔である。発生した電荷は、Ｓｉ層１１の内部の電界によって移動し、一方の種類の電荷は、信号出力電極１２へ集中して流入する。本実施形態では、信号出力電極１２がｎ型である場合、放射線の入射によって発生した電子が移動し、信号出力電極１２へ流入する。信号出力電極１２へ流入した電荷は電流信号となって出力され、前置増幅器２１へ入力される。前置増幅器２１は、電流信号を電圧信号へ変換し、主増幅器３２へ出力する。主増幅器３２は、前置増幅器２１からの電圧信号を増幅し、放射線検出素子１へ入射した放射線のエネルギーに応じた強度の信号を出力する。
　図４は、放射線検出素子１を備える放射線検出器２の例を示す模式的斜視図であり、図５は、放射線検出器２の例を示す模式的断面図である。放射線検出器２は、円筒の一端に切頭錐体が連結した形状のハウジング２５を備えている。ハウジング２５の先端には、放射線を通過させる窓２６が設けられている。ハウジング２５の内部には、放射線検出素子１と、回路基板２２と、遮蔽板２３と、冷却部２８と、ベースプレート２４とが配置されている。ベースプレート２４はステムとも言う。冷却部２８は例えばペルチェ素子である。放射線検出素子１は、回路基板２２の表面に実装されており、窓２６に対向する位置に配置されている。放射線検出素子１は、第２面１１２が窓２６に対向するように、配置されている。回路基板２２には、配線が形成され、前置増幅器２１が実装されている。遮蔽板２３は、冷却部２８と回路基板２２との間に配置されており、冷却部２８の吸熱部分に熱的に接触している。冷却部２８の放熱部分はベースプレート２４に熱的に接触している。
　ベースプレート２４は、冷却部２８が載置されて固定される平板状の部分と、ハウジング２５の底部を貫通している部分とを有している。放射線検出素子１を実装した回路基板２２は遮蔽板２３を介在させて冷却部２８に固定されており、冷却部２８がベースプレート２４に固定されていることによって、ベースプレート２４は放射線検出素子１及び回路基板２２を保持している。遮蔽板２３は、Ｘ線を遮蔽する材料で形成されている。遮蔽板２３は、冷却部２８又はベースプレート２４に放射線が入射した場合に冷却部２８又はベースプレート２４から発生したＸ線を、放射線検出素子１へ入射しないように遮蔽する。放射線検出素子１の熱は、回路基板２２及び遮蔽板２３を通じて冷却部２８に吸熱され、冷却部２８からベースプレート２４へ伝わり、ベースプレート２４を通じて放射線検出器２外へ放熱される。更に、放射線検出器２は、ハウジング２５の底部を貫通した複数のリードピン２７を備えている。リードピン２７は、ワイヤボンディング等の方法で回路基板２２に接続されている。電圧印加部３１による放射線検出素子１への電圧の印加と、前置増幅器２１から主増幅器３２への信号の出力とはリードピン２７を通じて行われる。なお、放射線検出器２は、冷却部２８を備えていない形態であってもよい。
　図６は、放射線検出装置１００の機能構成の例を示すブロック図である。放射線検出器２には、放射線検出素子１及び前置増幅器２１が含まれている。電圧印加部３１及び主増幅器３２は、放射線検出器２の外部に配置されている。前置増幅器２１は、一部が放射線検出器２の内部に含まれており、他の部分が放射線検出器２の外部に配置されていてもよい。放射線検出装置１００は、試料５を保持する試料保持部５１と、Ｘ線、電子線又は粒子線等の放射線を試料５へ照射する照射部３３と、照射部３３の動作を制御する照射制御部３４とを備えている。照射部３３から試料５へ放射線が照射され、試料５では蛍光Ｘ線等の放射線が発生する。放射線検出器２は、試料５から発生した放射線が放射線検出素子１へ入射することができる位置に配置されている。図中には、放射線を矢印で示している。前述したように、主増幅器３２は、放射線検出素子１が検出した放射線のエネルギーに応じた信号を出力する。主増幅器３２には、出力した信号を処理する信号処理部４１が接続されている。信号処理部４１は、主増幅器３２が出力した各値の信号をカウントし、放射線のエネルギーとカウント数との関係、即ち放射線のスペクトルを生成する処理を行う。
　信号処理部４１は、分析部４２に接続されている。分析部４２は、演算を行う演算部及びデータを記憶するメモリを含んで構成されている。信号処理部４１は、生成したスペクトルを示すデータを分析部４２へ出力する。分析部４２は、信号処理部４１からのデータを入力され、入力されたデータが示すスペクトルに基づき、試料５に含まれる元素を同定する処理を行う。分析部４２は、試料５に含まれる各種の元素の量を計算する処理を行ってもよい。分析部４２には、液晶ディスプレイ等の表示部４４が接続されている。表示部４４は、分析部４２による処理の結果を表示する。また、表示部４４は、信号処理部４１に接続されており、信号処理部４１が生成したスペクトルを表示する。なお、信号処理部４１は放射線のスペクトルを生成せず、分析部４２が放射線のスペクトルを生成してもよい。
　更に、放射線検出装置１００は、全体の動作を制御する制御部４３を備えている。制御部４３は、電圧印加部３１、主増幅器３２、照射制御部３４及び分析部４２に接続されており、各部の動作を制御する。制御部４３は、例えば、パーソナルコンピュータで構成されている。制御部４３は、使用者の操作を受け付け、受け付けた操作に応じて放射線検出装置１００の各部を制御する構成であってもよい。また、制御部４３及び分析部４２は同一のコンピュータで構成されていてもよい。
　図１に示すように、第２面１１２には、ＳｉをＳｉ層１１と同じ型のＳｉにするためのドーパントがＳｉ層１１よりも高濃度にドープされている高濃度層１５が設けられている。例えば、Ｓｉ層１１には、Ｓｉ１ｃｍ3 当たり１０11個のドーパントがドープされており、高濃度層１５には、Ｓｉ１ｃｍ3 当たり１０13～１０17個のドーパントがドープされている。また、例えば、信号出力電極１２には、Ｓｉ１ｃｍ3 当たり１０19個のドーパントがドープされている。図１に示すように、高濃度層１５はカウンター電極１３よりも深い位置まで形成されており、高濃度層１５はカウンター電極１３よりも厚い。
　表面付近では、高濃度層１５とカウンター電極１３とが重なった部分がある。この部分では、高濃度にドーパントがドープされていることに加えて、ＳｉをＳｉ層１１と異なる型のＳｉにするための他のドーパントがドープされている。カウンター電極１３にドープされた他のドーパントの濃度は、高濃度層１５にドープされたドーパントの濃度よりも高濃度である。例えば、カウンター電極１３には、他のドーパントがＳｉ１モル当たり１０19個ドープされている。このため、高濃度層１５とカウンター電極１３とが重なった部分は、Ｓｉ層１１と異なる型のＳｉでなり、カウンター電極１３として機能する。高濃度層１５のカウンター電極１３よりも深い位置にある部分は、Ｓｉ層１１と同じ型のＳｉでなる。例えば、Ｓｉ層１１がｎ型である場合は、高濃度層１５のカウンター電極１３よりも深い位置にある部分はｎ型のＳｉで構成されている。
　高濃度層１５は、Ｓｉ層１１の縁を含まない部分に設けられている。図２には、高濃度層１５の範囲を破線で示す。破線よりも内側に、高濃度層１５が存在する。図２に示すように、高濃度層１５の面積は、平面視でカウンター電極１３の面積よりも狭い。即ち、高濃度層１５は、Ｓｉ層１１の縁及び縁の近傍には、存在しない。以下、Ｓｉ層１１の縁及び縁の近傍を周縁領域１６とする。周縁領域１６は、信号出力電極１２から最も遠い部分である。周縁領域１６には、接地電極１８２及び防護部１８１が含まれている。周縁領域１６には、高濃度層１５は含まれていない。このように、高濃度層１５は、第２面１１２の中で、信号出力電極１２の裏側に位置する部分に存在し、信号出力電極１２から最も遠い部分には存在しない。
　カウンター電極１３の縁と高濃度層１５の縁との間の距離は、１μｍ以上であることが望ましい。高濃度層１５の縁の位置は、ドーパントの拡散の影響を受ける。ドーパントが拡散する距離は０．５μｍ程度である。このため、カウンター電極１３の縁と高濃度層１５の縁との間の距離を１μｍ以上にすることによって、ドーパントの拡散の影響を受けずに、確実に、高濃度層１５の範囲をカウンター電極１３よりも狭い範囲にすることができる。なお、周縁領域１６以外にも、カウンター電極１３に重なり高濃度層１５が設けられていない部分があってもよい。
　図１には、平面視での高濃度層１５の外縁の位置と最も外側の曲線状電極１４の外縁の位置とを破線で示している。図１に示すように、信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離よりも長くなる位置に対して、第２面１１２の中で裏側に位置する部分には、高濃度層１５は設けられていない。図１には、最も外側の曲線状電極１４の外縁の位置とカウンター電極１３の縁の位置とが平面視で一致する例を示したが、両者は一致していなくてもよい。例えば、信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離が、信号出力電極１２から高濃度層１５の外縁の裏側に位置する部分までの距離よりも短くなっていてもよい。また、例えば、信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離が、信号出力電極１２からカウンター電極１３の外縁の裏側に位置する部分までの距離よりも長くなっていてもよい。
　最も外側の曲線状電極１４は、複数の曲線状電極１４の中で、信号出力電極１２に対する電位差が最大になる曲線状電極１４であり、即ち、電位が最も低い曲線状電極１４である。図１に示すように、信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も電位の低い曲線状電極１４の外縁までの距離よりも長くなる位置に対して、第２面１１２の中で裏側に位置する部分には、高濃度層１５は設けられていない。
　前述したように、電圧印加部３１がカウンター電極１３及び曲線状電極１４に電圧を印加することにより、Ｓｉ層１１の内部には電界が生成される。図７は、高濃度層１５が設けられていない従来の放射線検出素子におけるＳｉ層１１の内部に発生した電界の例を示す模式的断面図である。図８は、実施形態１に係る放射線検出素子１におけるＳｉ層１１の内部に発生した電界の例を示す模式的断面図である。図７及び図８には、等電位面を実線の曲線で示し、破線で信号出力電極１２を示す。Ｓｉ層１１の内部には、信号出力電極１２に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。高濃度層１５の位置はカウンター電極１３の位置に重なっているので、高濃度層１５内にも確実に電界が生成される。また、高濃度層１５の面積はカウンター電極１３の面積よりも狭いので、高濃度層１５よりも外側に位置する周縁領域１６にも確実に電界が生成される。
　図９は、図８中の二点鎖線で囲んだ部分を拡大した模式的断面図である。ドーパントの濃度が高い部分では、電位勾配がより大きくなる。即ち、高濃度層１５内では、Ｓｉ層１１内の他の部分に比べて、電位勾配がより大きく、等電位面がより密になる。図８及び図９に示すように、特に、高濃度層１５の中の表面付近では、等電位面が集中している。高濃度層１５はカウンター電極１３よりも厚いので、カウンター電極１３よりも深い位置において、電位勾配が大きくなり、等電位面が密になる。高濃度層１５が設けられていない、周縁領域１６では、等電位面の間の距離は、高濃度層１５に近いほど狭く、高濃度層１５から遠いほど広い。このため、等電位面は第２面１１２に対して傾いており、図８中に矢印で示すように、信号出力電極１２へ向かう方向の電界が発生する。信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離よりも長くなる位置の裏側に位置する部分に高濃度層１５が設けられていないことによって、曲線状電極１４による電位勾配の影響が小さい部分に信号出力電極１２に対して指向する電界が発生する。このため、周縁領域１６に発生する電界は、より信号出力電極１２に対して指向する。
　本実施形態において周縁領域１６に発生する電界は、図７に示す如き従来の放射線検出素子において周縁領域に発生する電界に比べて、より信号出力電極１２に対して指向した方向に発生する。放射線に起因する電荷が発生した場合は、電界の方向に電荷が流れる。このため、本実施形態では、従来の放射線検出素子に比べて、周縁領域１６に発生した電荷は信号出力電極１２へ向けて流れ易い。即ち、本実施形態の放射線検出素子１は、従来の放射線検出素子に比べて、信号出力電極１２から遠い位置で発生した電荷をより確実に信号出力電極１２に収集することができる。このため、放射線によって発生した電荷を信号出力電極１２に収集することができる範囲が広くなる。従って、放射線検出素子１の中で放射線を検出することができる有感領域が広くなる。
　本実施形態では、信号出力電極１２から遠い位置で発生した電荷を確実に収集することにより、放射線検出素子１のサイズを無暗に大きくすることなく、有感領域を広くすることができる。有感領域が広くなることによって、放射線の検出効率が向上する。また、有感領域を広くするための構造が簡単であるので、放射線検出素子１の構造が簡素化される。
（実施形態２）
　図１０は、第１面１１１の側から見た実施形態２に係る放射線検出素子１の模式的平面図である。Ｓｉ層１１の第１面１１１には、多重のリング状の曲線状電極１４が複数組設けられている。図１０には、四組の多重の曲線状電極１４が設けられている例を示している。多重の曲線状電極１４の組数は四組に限るものではなく、八組等、その他の数であってもよい。複数組の多重の曲線状電極１４は、第１面１１１の中心の周囲に均等に配置されている。図１０には、各組に三つの曲線状電極１４が含まれている例を示しているが、実際にはより多くの曲線状電極１４が設けられている。各組の多重の曲線状電極１４で囲まれた位置には、信号出力電極１２が設けられている。複数組の多重の曲線状電極１４に含まれる最も外側の曲線状電極１４は、一部を互いに共有している。なお、曲線状電極１４は、共有部分を有していなくてもよい。
　放射線検出素子１の中央には、貫通孔１８３が形成されている。例えば、貫通孔１８３は、試料へ照射するための放射線が通過し、放射線検出素子１には、放射線を照射された試料から発生した放射線が入射する。貫通孔１８３の周囲には、環状の接地電極１８５が設けられている。また、複数組の多重の曲線状電極１４の外側には、環状の接地電極１８２が設けられている。接地電極１８２及び１８５は接地電位に接続される。接地電極１８５と曲線状電極１４との間には、接地電極１８５と曲線状電極１４との間の絶縁破壊を防止する防護部１８４が設けられている。複数組の多重の曲線状電極１４と接地電極１８２との間には、曲線状電極１４と接地電極１８２との間の絶縁破壊を防止する防護部１８１が設けられている。
　図１１は、第２面１１２の側から見た実施形態２に係る放射線検出素子１の模式的平面図である。第２面１１２には、カウンター電極１３がほぼ全面に形成されている。図１１では、高濃度層１５の範囲を破線で示しており、最も外側の曲線状電極１４の裏側の位置を破線で示している。カウンター電極１３の縁と第２面１１２の縁との間には、環状の接地電極１８２が設けられている。カウンター電極１３と接地電極１８２との間には、カウンター電極１３と接地電極１８２との間の絶縁破壊を防止する防護部１８１が設けられている。貫通孔１８３の周辺には、カウンター電極１３が設けられていない。カウンター電極１３と貫通孔１８３との間には、環状の接地電極１８５が設けられている。カウンター電極１３と接地電極１８５との間には、カウンター電極１３と接地電極１８５との間の絶縁破壊を防止する防護部１８４が設けられている。
　防護部１８１及び１８４は環状であり、導電性を有する。接地電極１８２及び１８５は接地電位に接続される。防護部１８１及び１８４は電圧印加部３１に接続されておらず、防護部１８１及び１８４の電位は浮遊電位である。なお、接地電極１８２又は１８５は第１面１１１又は第２面１１２の一方のみに設けられていてもよい。接地電極１８２又は１８５が設けられていない面であっても、防護部１８１又は１８４は設けられていてもよい。接地電極１８２が設けられていない場合、防護部１８１はＳｉ層１１の縁とカウンター電極１３又は曲線状電極１４との間の絶縁破壊を防止する。接地電極１８５が設けられていない場合、防護部１８４は貫通孔１８３の内面とカウンター電極１３又は曲線状電極１４との間の絶縁破壊を防止する。また、カウンター電極１３は第２面１１２の縁まで形成されていてもよく、接地電極１８２及び１８５並びに防護部１８１及び１８４は設けられていなくてもよい。
　図１２は、実施形態２に係る放射線検出素子１の模式的断面図である。図１２は、図１０及び図１１中のＸＩＩ－ＸＩＩ線で放射線検出素子１を切断した断面図を示す。夫々の信号出力電極１２の裏側に位置する部分に、高濃度層１５が設けられている。図１２には、平面視での高濃度層１５の外縁の位置と最も外側の曲線状電極１４の外縁の位置とを破線で示している。図１２には、最も外側の曲線状電極１４の外縁の位置とカウンター電極１３の縁の位置とが平面視で一致する例を示したが、両者は一致していなくてもよい。例えば、信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離が、信号出力電極１２から高濃度層１５の外縁の裏側に位置する部分までの距離よりも短くなっていてもよい。また、例えば、信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離が、信号出力電極１２からカウンター電極１３の外縁の裏側に位置する部分までの距離よりも長くなっていてもよい。
　信号出力電極１２と信号出力電極１２の裏側に位置する高濃度層１５と信号出力電極１２を囲繞する多重の曲線状電極１４との組が複数組設けられている。夫々の信号出力電極１２の裏側に位置する部分に設けられた高濃度層１５は、互いに離隔している。即ち、放射線検出素子１には、複数の高濃度層１５が設けられている。第２面１１２には、複数の高濃度層１５の間に位置し、高濃度層１５が設けられていない中間領域１７が存在する。
　実施形態１と同様に、周縁領域１６には高濃度層１５は設けられていない。信号出力電極１２の裏側に位置する高濃度層１５を信号出力電極１２に対応する高濃度層１５とする。信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離よりも長くなる位置に対して、第２面１１２の中で裏側に位置する部分には、信号出力電極１２に対応する高濃度層１５は設けられていない。実施形態１と同様に、カウンター電極１３の外縁と高濃度層１５の外縁との間の距離は、１μｍ以上であることが望ましい。なお、周縁領域１６及び中間領域１７以外にも、カウンター電極１３に重なり高濃度層１５が設けられていない部分があってもよい。
　実施形態１と同様に、カウンター電極１３と最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４とは、電圧印加部３１に接続されている。図１２では電圧印加部３１は省略している。電圧印加部３１は、最も内側の曲線状電極１４の電位が最も高く、最も外側の曲線状電極１４の電位が最も低くなるように、電圧を印加する。更に、電圧印加部３１は、カウンター電極１３の電位が最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４との間の電位になるように、カウンター電極１３に電圧を印加する。Ｓｉ層１１の内部には、信号出力電極１２に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。放射線検出素子１以外の放射線検出器２の構成及び放射線検出装置１００の構成は、実施形態１と同様である。
　一の信号出力電極１２を囲う複数の曲線状電極１４の内、最も外側の曲線状電極１４は、信号出力電極１２に対する電位差が最大になる曲線状電極１４であり、即ち、電位が最も低い曲線状電極１４である。図１２に示すように、信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も電位の低い曲線状電極１４の外縁までの距離よりも長くなる位置に対して、第２面１１２の中で裏側に位置する部分には、信号出力電極１２に対応する高濃度層１５は設けられていない。
　また、高濃度層１５は、電位が最も低い曲線状電極１４の裏側に位置する部分を越えて連続してはいない。図１２に示すように、第２面１１２の中で、電位が最も低い曲線状電極１４の裏側に位置する部分の一部は、中間領域１７になっており、高濃度層１５は設けられていない。図１２には、断面中での中間領域１７の幅が曲線状電極１４の幅よりも狭い例を示したが、中間領域１７の幅は、曲線状電極１４の幅と同一か又は曲線状電極１４の幅よりも広くてもよい。
　実施形態１と同様に、高濃度層１５内では、Ｓｉ層１１内の他の部分に比べて、電位勾配がより大きく、等電位面がより密になる。周縁領域１６では、等電位面の間の距離は、高濃度層１５に近いほど狭く、高濃度層１５から遠いほど広くなり、等電位面は第２面１１２に対して傾く。この結果、周縁領域１６には、信号出力電極１２へ向かう方向の電界が発生する。同様に、中間領域１７においても、等電位面の間の距離は、高濃度層１５に近いほど狭く、高濃度層１５から遠いほど広くなり、等電位面は第２面１１２に対して傾く。この結果、最も近い複数の信号出力電極１２からの距離が全く同じ位置を除き、中間領域１７にも、信号出力電極１２へ向かう方向の電界が発生する。
　周縁領域１６及び中間領域１７は、何れの信号出力電極１２からも遠い位置にある。このため、従来の放射線検出素子では、周縁領域１６及び中間領域１７に発生した電荷は信号出力電極１２に収集され難い。また、周縁領域１６は、信号出力電極１２からの距離が信号出力電極１２から最も外側の曲線状電極１４までの距離よりも長くなる位置の裏側に位置することにより、曲線状電極１４による電位勾配が緩やかである。また、中間領域１７は、電位が最も低い曲線状電極１４の裏側に位置しているので、曲線状電極１４による電位勾配が緩やかである。周縁領域１６及び中間領域１７に高濃度層１５が設けられていないことによって、曲線状電極１４による電位勾配の影響が小さい部分に、信号出力電極１２に対して指向する電界が発生する。このため、周縁領域１６及び中間領域１７に発生する電界は、従来に比べて、より信号出力電極１２に対して指向する。
　周縁領域１６及び中間領域１７に発生する電界は、高濃度層１５を備えていない従来の放射線検出素子において周縁領域及び中間領域に発生する電界に比べて、より信号出力電極１２に対して指向した方向に発生する。このため、本実施形態では、従来の放射線検出素子に比べて、周縁領域１６及び中間領域１７に発生した電荷は信号出力電極１２へ向けて流れ易い。即ち、本実施形態の放射線検出素子１は、従来の放射線検出素子に比べて、信号出力電極１２から遠い位置で発生した電荷をより確実に信号出力電極１２に収集することができる。このため、放射線によって発生した電荷を信号出力電極１２に収集することができる範囲が広くなる。従って、放射線検出素子１の中で放射線を検出することができる有感領域が広くなる。更に、中間領域１７に発生する電界は、最も近い信号出力電極１２に対して指向するので、中間領域１７で発生した電荷は、最も近い信号出力電極１２に収集され易く、複数の信号出力電極１２に分散して収集されることは起こりにくくなる。このため、一つの放射線に対して複数の第１電極から信号が発生することが減少し、放射線のカウント数及びエネルギーがより正確となる。
　実施形態１と同様に、本実施形態では、信号出力電極１２から遠い位置で発生した電荷を確実に収集することにより、放射線検出素子１のサイズを無暗に大きくすることなく、有感領域を広くすることができる。有感領域が広くなることによって、放射線の検出効率が向上する。また、有感領域を広くするための構造が簡単であるので、放射線検出素子１の構造が簡素化される。
　なお、本実施形態では、第２面１１２にカウンター電極１３が一面に設けられている形態を示したが、カウンター電極１３は複数に分割されていてもよい。この場合、夫々の高濃度層１５の面積は、平面視で夫々のカウンター電極１３の面積よりも狭い。電圧印加部３１は、夫々のカウンター電極１３に電圧を印加する。この場合でも、Ｓｉ層１１内に電界が発生し、周縁領域１６及び中間領域１７には信号出力電極１２に対して指向した電界が発生する。また、実施形態１及び２においては、曲線状電極１４を備えた形態を示したが、放射線検出素子１は曲線状電極１４を備えていない形態であってもよい。
　また、本実施形態では、信号出力電極１２及び多重の曲線状電極１４の複数組が貫通孔１８３の周囲に配置された形態を示したが、信号出力電極１２及び多重の曲線状電極１４の配置はこれに限るものではない。例えば、信号出力電極１２及び多重の曲線状電極１４の複数組は、直線状に配置されていてもよく、マトリクス状に配置されていてもよい。
　なお、以上の実施形態１及び２では、Ｓｉ層１１がｎ型であり曲線状電極１４がｐ型である例を示したが、放射線検出素子１は、Ｓｉ層１１がｎ型であり曲線状電極１４がｐ型である形態であってもよい。また、実施形態１及び２では、放射線により発生した電子が信号出力電極１２へ集中して流入する形態を主に示したが、放射線検出素子１は、放射線により発生した正孔が信号出力電極１２へ集中して流入する形態であってもよい。この形態では、電圧印加部３１は、信号出力電極１２に遠い曲線状電極１４から信号出力電極１２に近い曲線状電極１４へ向けて順々に電位が単調に減少し、カウンター電極１３の電位が最も内側の曲線状電極１４と最も外側の曲線状電極１４との間の電位になるように電圧を印加する。
　また、実施形態１及び２では、曲線状電極１４がリング状である形態を示したが、放射線検出素子１は、リングの一部が開放された形状の曲線状電極１４を備えた形態であってもよい。第３電極は、曲線状に限るものではなく、多角形等、直線が組み合わさった形状を有していてもよい。また、実施形態１及び２では、半導体部がＳｉ層１１である形態を示したが、放射線検出素子１は、Ｓｉ以外の半導体でなる半導体部を備えた形態であってもよい。また、実施形態１及び２では、試料５へ放射線を照射する機能を備えた形態を示したが、放射線検出装置１００は、試料５へ放射線を照射する機能を備えていない形態であってもよい。
　本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
　１００　放射線検出装置
　１　放射線検出素子
　１１　Ｓｉ層（半導体部）
　１２　信号出力電極（第１電極）
　１２１　小電極
　１２２　ワイヤ
　１２３　導電線
　１３　カウンター電極（第２電極）
　１４　曲線状電極（第３電極）
　１５　高濃度層
　１６　周縁領域
　１７　中間領域
　２　放射線検出器
　２１　前置増幅器
　３１　電圧印加部
　３２　主増幅器
 

Claims (9)

  1. 　平板状の半導体部と、該半導体部の一方の面である第１面に設けられており、放射線の入射によって前記半導体部内に発生する電荷を収集する第１電極と、前記半導体部の他方の面である第２面に設けられており、前記電荷の収集に必要な電圧を印加される第２電極とを備える放射線検出素子において、
    　前記第２面の中で前記半導体部の縁を含まない部分に設けられており、半導体を前記半導体部と同じ型にするためのドーパントが前記半導体部よりも高濃度にドープされている高濃度層を備え、
    　前記高濃度層は、前記第２面の中で前記第２電極に重なった位置にあり、前記第２電極よりも厚いこと
    　を特徴とする放射線検出素子。
  2. 　前記高濃度層は前記第２電極よりも狭いこと
    　を特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  3. 　前記第１電極と前記第１電極の裏側に位置する前記高濃度層との組を複数組備え、
    　複数の前記高濃度層は、互いに離隔しており、
    　前記第２面は、前記高濃度層が設けられておらず、複数の前記高濃度層の間に位置する部分を含むこと
    　を特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出素子。
  4. 　前記第１面に設けられ、前記第１電極を囲んでおり、前記第１電極からの距離が互いに異なる複数の第３電極を更に備え、
    　前記第３電極は、前記半導体部内に前記第１電極に向かって電位が変化する電位勾配が生成されるように、電圧が印加されること
    　を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の放射線検出素子。
  5. 　前記第１面の中で前記第１電極からの距離が前記第１電極から前記複数の第３電極の内の最も外側の第３電極までの距離よりも長くなる位置に対して、前記第２面の中で裏側に位置する部分には、前記第１電極に対応する前記高濃度層は設けられていないこと
    　を特徴とする請求項４に記載の放射線検出素子。
  6. 　前記第１面の中で前記第１電極からの距離が前記複数の第３電極の内の前記第１電極に対する電位差が最大になる第３電極の外縁までの距離よりも長くなる位置に対して、前記第２面の中で裏側に位置する部分には、前記第１電極に対応する前記高濃度層は設けられていないこと
    　を特徴とする請求項４に記載の放射線検出素子。
  7. 　前記第１電極及び前記複数の第３電極の組を複数組備え、
    　前記高濃度層は、前記複数の第３電極の内の前記第１電極に対する電位差が最大になる第３電極の裏側に位置する部分を越えて連続してはいないこと
    　を特徴とする請求項４に記載の放射線検出素子。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか一つに記載の放射線検出素子と、
    　該放射線検出素子が載置された基板と、
    　前記放射線検出素子及び前記基板を収容するハウジングと
    　を備えることを特徴とする放射線検出器。
  9. 　試料へ放射線を照射する照射部と、
    　前記試料から発生した放射線を検出する請求項８に記載の放射線検出器と、
    　該放射線検出器での放射線の検出結果に基づいた分析を行う分析部と
    　を備えることを特徴とする放射線検出装置。
     
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