WO2022124155A1 - 中性子検出素子 - Google Patents

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neutron
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detection element
semiconductor layer
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伸一郎 黒木
学 谷口
健汰 西垣内
達也 目黒
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Hiroshima University NUC
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/08—Measuring neutron radiation with semiconductor detectors

Definitions

  • the present disclosure relates to a neutron detection element and a neutron two-dimensional sensor.
  • Neutrons are uncharged particles and have the property of passing through various substances. Therefore, it is used for neutron radiography to observe the inside of a substance. When using neutrons for internal observation or treatment, it is important to detect transmitted neutrons.
  • neutrons for the treatment of cancer, such as Boron Neutron Capture Therapy (BNCT). Even in such cases, it is important to detect how the irradiated neutrons are absorbed.
  • BNCT Boron Neutron Capture Therapy
  • a conventional semiconductor neutron detection element generates charged particles from neutrons and detects the generated charged particles.
  • neutrons When generating charged particles from neutrons, neutrons are incident on boron-10 ( 10 B) or the like to generate helium nuclei ( ⁇ rays) and lithium nuclei (Li particle beams). Since electron-hole pairs are generated when ⁇ -rays and Li particle beams are incident on the depletion layer, neutrons can be detected by measuring the current due to the generated electron-hole pairs.
  • the ⁇ ray and the Li particle beam are emitted in opposite directions, so that the ⁇ ray or the Li particle beam is incident on the depletion layer. become. Since the amount of charge generated in the depletion layer differs between the case where the ⁇ ray is incident and the case where the Li particle beam is incident, the output of the detector will fluctuate depending on the incident charged particle beam.
  • the object of the present disclosure is to make it possible to realize a semiconductor neutron detection element in which output fluctuation is unlikely to occur.
  • the neutron detection element of the present disclosure includes a neutron detection unit that detects neutrons and converts them into an electric signal, and an amplification unit that amplifies the output of the neutron detection unit.
  • the neutron detection unit is a first conductive type. It has a semiconductor layer, a second conductive type detection unit diffusion layer formed on the semiconductor layer, and a neutron conversion layer that converts neutrons formed on the detection unit diffusion layer into ⁇ -rays. It has a plurality of transistors formed in a semiconductor layer, and the neutron conversion layer is a metal film having a layer containing boron 10 or a layer containing lithium 6.
  • ⁇ rays can be incident on the semiconductor layer, and output fluctuation can be less likely to occur.
  • the neutron detection element 100 has a neutron detection unit 101 that detects neutrons and converts them into an electric signal, and an amplification unit 102 that amplifies the output of the neutron detection unit.
  • the amplification unit 102 has a reset transistor (RST), a source follower transistor (SF), and a row selection transistor (RS). It can be driven as a neutron detection element by adding a reset signal to ⁇ R and a row selection signal to ⁇ X.
  • the neutron detection unit 101 and the amplification unit 102 are formed on a p - type semiconductor layer 112 formed on an n-type semiconductor substrate 111.
  • the semiconductor substrate 111 and the semiconductor layer 112 are made of silicon carbide (SiC).
  • the semiconductor layer 112 is formed with an n + type detection unit diffusion layer 113, a source / drain diffusion layer 121, and a p + type potential stabilization region 114.
  • a gate insulating film 123 is formed on the semiconductor layer 112, and a gate electrode 124 is formed in a predetermined region on the gate insulating film 123.
  • an ohmic electrode 117 that is in ohmic contact with the potential stabilization region 114 and a source drain electrode 122 that is in ohmic contact with the source drain diffusion layer 121 are formed.
  • the ohmic electrode 117 and the source / drain electrode 122 are formed by a silicide layer 141 that is in ohmic contact with the diffusion layer and a metal electrode layer 142 that covers the silicide layer 141.
  • An interlayer insulating film 133 is formed on the semiconductor layer 112 so as to cover each electrode, and a neutron conversion layer 115, wiring 135, and wiring 136 are formed on the interlayer insulating film 133.
  • the neutron detection unit 101 and the amplification unit 102 are formed with an amplification unit 102 having a reset transistor (RST), a source follower transistor (SF), and a row selection transistor (RS).
  • RST reset transistor
  • SF source follower transistor
  • RS row selection transistor
  • one of the source / drain diffusion layers of the reset transistor (RST) is integrally formed with the detection unit diffusion layer 113.
  • a back surface electrode 126 is provided on the back surface of the semiconductor substrate 111.
  • the back surface electrode 126 is an ohmic electrode that is in ohmic contact with the back surface of the semiconductor substrate 111, and can be formed of niobium-nickel silicide or the like.
  • the back surface electrode 126 has the effect of rapidly discharging the electron / hole carriers generated in the semiconductor substrate 111 and stabilizing the device operation.
  • the neutron conversion layer 115 is a metal film having a 10 B-containing layer 115 A containing boron 10 ( 10 B), which is an isotope of boron which is a conversion functional layer.
  • the 10 B-containing layer 115 A can be formed by, for example, ion-implanting 10 B, or depositing 10 B by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like.
  • the conversion functional layer may be a layer containing lithium 6 ( 6 Li), which is an isotope of lithium, instead of the 10 B-containing layer.
  • the lower metal layer 115B is present on the lower side of the 10B-containing layer 115A and the upper metal layer 115C is present on the upper side, but the upper metal layer 115C may not be present.
  • the lower metal layer 115B and the upper metal layer 115C are preferably metals having a relatively large atomic number from the viewpoint of making it difficult for ⁇ rays and Li rays to pass through.
  • metals having a relatively large atomic number from the viewpoint of making it difficult for ⁇ rays and Li rays to pass through.
  • Al aluminum
  • W tungsten
  • Mo molybdenum
  • Al is preferable because it can be formed by the same method as Al wiring.
  • the neutrons incident on the neutron conversion layer 115 react with 10B to generate ⁇ -rays and Li particle beams.
  • the lower metal layer 115B made of Al or the like, Li particle rays are more easily attenuated than ⁇ rays, and only ⁇ rays pass through the lower metal layer 115B and enter the detection unit diffusion layer 113 to detect n + type.
  • An electron-hole pair is generated in the depletion layer near the PN junction between the partial diffusion layer 113 and the p-type semiconductor layer 112.
  • the generated negative charge (electron) of the electron-hole pair moves to the n + type detector diffusion layer 113. This charge is accumulated in the gate electrode of the SF transistor through the wirings 135 and 136, and changes the potential of the gate electrode.
  • a parasitic bipolar junction transistor (BJT) is formed. Positive charges (holes) from electron-hole pairs generated in the depletion layer are injected into the base portion of the parasitic BJT, and the parasitic BJT is temporarily turned on and diffused from the semiconductor substrate 111 through the base portion. Electrons move to layer 113. Similar to the electrons of the electron-hole pair generated in the depletion layer, the electrons are accumulated in the gate electrode of the SF transistor through the wirings 135 and 135, and the potential of the gate electrode is further changed.
  • the amplification effect by the parasitic BJT can be further increased, that is, the number of electrons injected from the semiconductor substrate 111 into the detection unit diffusion layer 113 can be increased. ..
  • the presence of the parasitic BJT can increase the sensitivity of the sensor.
  • the parasitic BJT is not always necessary, and the sensor operates only with the detection unit diffusion layer 113.
  • the charge accumulated in the gate electrode of the SF transistor changes the potential of this gate electrode, and as a result, after the RS transistor is turned on, the output voltage changes according to the potential of the gate electrode of the SF transistor. By measuring this potential, it becomes possible to measure the number of neutrons incident on the sensor.
  • the detection unit diffusion layer 113 is integrated with the source / drain diffusion layer of the reset transistor (RST), and the negative charge transferred to the detection unit diffusion layer 113 is read out by the amplification unit 102 and converted into neutrons. A signal corresponding to the energy of the neutrons incident on the layer 115 is obtained.
  • the positive charge (hole) is discharged through the potential stabilization region 114.
  • the formation of the parasitic BJT improves the detection sensitivity of neutrons, but the configuration may be such that the parasitic BJT is not formed.
  • the neutron detection element 100 of the present embodiment detects neutrons by using only ⁇ rays among ⁇ rays and Li particle beams generated by neutrons incident on the neutron conversion layer 115. Therefore, the quantification of neutrons can be improved.
  • the neutron conversion layer 115 is formed only directly above the detection unit diffusion layer 113, and is not formed on the transistor or the like constituting the amplification unit 102.
  • the neutron conversion layer 115 By forming the neutron conversion layer 115 only directly above the detection unit diffusion layer 113, it is difficult for ⁇ rays emitted from the neutron conversion layer 115 to enter the portion of the semiconductor layer 112 other than the detection unit diffusion layer 113. It is possible to prevent malfunctions from occurring.
  • the portion directly above the detection unit diffusion layer 113 is a portion that overlaps the detection unit diffusion layer 113 in a plan view, but the detection unit diffusion layer 113 and the neutron conversion layer 115 do not have to completely overlap.
  • the neutron conversion layer 115 may be formed in a portion other than directly above the detection unit diffusion layer 113.
  • the silicon carbide light receiving element of the present embodiment can be formed, for example, as follows. First, as shown in FIG. 3A, the p-type semiconductor layer 112 is epitaxially grown on the n-type semiconductor substrate 111. Subsequently, the n-type impurities are selectively injected into the semiconductor layer 112 using the first ion implantation mask to form the n + type detector diffusion layer 113 and the source / drain diffusion layer 121. In addition, a second ion implantation mask is used to form the p + -type potential stabilizing region 114. After this, activation annealing is performed.
  • the semiconductor substrate 111 is not particularly limited, but may be 4H-SiC.
  • the thickness of the semiconductor layer 112 can be, for example, about 1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the first ion implantation mask and the second ion implantation mask can be formed, for example, by a silicon oxide (SiO 2 ) film.
  • the activation annealing may be performed by covering the semiconductor layer 112 in which ions have been implanted with a carbon cap film and then performing a heat treatment at about 1700 ° C.
  • thermal oxidation is performed to form a gate insulating film 123 having a thickness of about 20 nm, and then an ohmic electrode 117, a source / drain electrode 122, a gate electrode 124, and a back surface electrode 126 are formed.
  • the ohmic electrode 117 and the source / drain electrode 122 can be formed by, for example, a silicide layer 141 and a metal electrode layer 142.
  • the silicide layer 141 can be formed by selectively forming a metal film to be the silicide layer 141 by, for example, a lift-off method using a resist mask, and then silicidizing it by heat treatment.
  • the metal film in this case can be, for example, a niobium-nickel film, but can also be formed of a metal forming another silicide such as a nickel-molybdenum alloy film.
  • the metal electrode layer 142 can be formed by forming a metal film made of Al or the like so as to cover the silicide layer 141 and selectively removing the metal film by etching.
  • the metal electrode layer 142 and the gate electrode 124 can be formed by the same process.
  • the metal electrode layer 142 and the gate electrode 124 can also be formed of titanium nitride, polysilicon, or the like.
  • the back surface electrode 126 may be formed by forming a metal film such as a niobium-nickel film on the back surface of the semiconductor substrate 111 and then silicidizing the back surface electrode 126.
  • an interlayer insulating film 133 made of silicon oxide or the like is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 111, and a lower metal layer 115B is formed on the interlayer insulating film 133.
  • the thickness of the interlayer insulating film 133 affects the incident of ⁇ rays emitted from the neutron conversion layer 115 on the detection unit diffusion layer 113, and can be, for example, about 1 ⁇ m.
  • 10 B is ion-implanted into the lower metal layer 115 B to form the 10 B-containing layer 115 A which is an impurity diffusion layer.
  • the lower metal layer 115B may be any metal layer that attenuates Li particle beams, and can be formed of aluminum, tungsten, molybdenum, or the like.
  • the 10B - containing layer 115A can be formed by depositing 10B by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like, not limited to the ion implantation method.
  • the thickness of the lower metal layer 115B is such that the Li particle beam does not pass through and the ⁇ ray passes through. The thickness may be appropriately determined depending on the type of metal used, and for example, it may be about 2 ⁇ m to 4 ⁇ m in the case of aluminum and about 0.4 ⁇ m in the case of tungsten.
  • the implantation amount can be about 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 to about 4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • the thickness of the upper metal layer 115C is not particularly limited, but in the case of aluminum, for example, it can be about 10 nm to 1000 nm.
  • the 6 Li-containing layer can also be formed in the same manner.
  • the lower metal layer 115B on which the 10B-containing layer 115A is formed is selectively removed except immediately above the detection unit diffusion layer 113.
  • the upper metal layer 115C, the wiring 135, and the wiring 136 are formed. If the upper metal layer 115C and the wiring 135 and the wiring 136 are made of the same metal, they can be formed by the same process.
  • the neutron detection element 100 of the present embodiment can be arranged in a matrix as shown in FIG. 4 to form a neutron two-dimensional sensor 200 having the neutron detection element 100 as one pixel.
  • the neutron two-dimensional sensor 200 By using the neutron two-dimensional sensor 200, the distribution on the plane of neutrons can be easily measured, and the transmission and absorption of neutrons can be evaluated in real time in neutron radiography and BNCT. Further, since the neutron detection element 100 of the present embodiment is excellent in quantification, it is possible to visualize the intensity distribution of neutrons with high accuracy.
  • a high-density layer 151 can be formed between the neutron conversion layer 115 and the detection unit diffusion layer 113.
  • the high-density layer 151 may be a layer having a higher density than the semiconductor layer 112, and a layer containing a metal is preferable.
  • a simple metal layer, an alloy layer containing a plurality of metals, a silicide layer, and other metals and non-metals Can be a layer containing.
  • the high-density layer is formed by the same silicide layer as the source-drain electrode 122, the high-density layer can be formed without increasing the number of steps. In this case, the silicide layer 141 of the source / drain electrode 122 and the high-density layer 151 can be integrally formed.
  • the high-density layer 151 is preferably in contact with the detection unit diffusion layer 113, but it may also have a configuration in which another layer such as an insulating film exists between the high-density layer 151 and the detection unit diffusion layer 113. ..
  • the high-density layer 151 is preferably formed at least directly below the neutron conversion layer 115 in the detection unit diffusion layer 113. It may be formed so as to cover the entire detection unit diffusion layer 113, or it may be formed so as to cover a wider area than the detection unit diffusion layer 113.
  • the thickness of the high-density layer 115 is not particularly limited, but it is preferably about 0.01 ⁇ m to 0.3 ⁇ m from the viewpoint of preventing ⁇ rays from reaching the detection unit diffusion layer and preventing penetration.
  • the high-density layer 151 is formed by the same process as the silicide layer 141 of the source / drain electrode 122, the thickness can be matched with the silicide layer 141 of the source / drain electrode 122.
  • the semiconductor layer 112 is a p-type, and an n-type transistor is formed.
  • the semiconductor layer 112 may be n-type, and a p-type detection unit diffusion layer and a transistor may be formed.
  • the potential stabilization region can be n + type.
  • the potential stabilization region may or may not be provided as needed.
  • the potential stabilization region 114 is arranged so as to be separated from and adjacent to the detection unit diffusion layer 113.
  • the effect of stabilizing the potential can be further enhanced.
  • the potential stabilization region 114 can be formed on any of the same semiconductor layers 112 as the detection unit diffusion layer 113.
  • the + sign attached to the p or n symbol indicating the conductive type indicates that the impurity concentration is higher than in the case where no sign is attached, and the-sign indicates that the impurity concentration is higher than in the case where no sign is attached. Indicates that the impurity concentration is low.
  • the element can also be formed of a silicon semiconductor.
  • the neutron detection element of the present disclosure is particularly useful in the medical field using neutrons because output fluctuation is unlikely to occur and quantitative detection of neutrons is easy.
  • Neutral detection element 101 Neutral detection unit 102 Amplification unit 111 Semiconductor substrate 112 Semiconductor layer 113 Detection unit Diffusion layer 114 Potential stabilization region 115 Neutron conversion layer 115A 10 B-containing layer 115B Lower metal layer 115C Upper metal layer 117 Ohmic electrode 121 Source Drain diffusion layer 122 Source drain electrode 123 Gate insulating film 124 Gate electrode 126 Backside electrode 133 Interlayer insulating film 135 Wiring 136 Wiring 141 silicide layer 142 Metal electrode layer 151 High density layer 200 Neutron two-dimensional sensor

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Abstract

中性子検出素子（１００）は、中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層とを有し、増幅部は、半導体層に形成された複数のトランジスタとを有し、中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜である。

Description

中性子検出素子
　本開示は、中性子検出素子及び中性子２次元センサに関する。
　中性子は、電荷を持たない粒子であり、様々な物質を通り抜ける性質を有している。このため、物質内部を観察する中性子ラジオグラフィに用いられる。中性子を内部観察や治療に用いる場合、透過した中性子を検出することが重要である。
　また、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron  Neutron  Capture  Therapy）のように中性子を癌の治療に用いることも研究されている。このような場合においても、照射された中性子がどのように吸収されているかを検出することは重要である。
　中性子の検出にはガス放電方式、シンチレーション方式及びイメージングプレート方式等が知られている。近年では、半導体による中性子検出素子も検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２０１２－１８１０６５号公報
　従来の半導体による中性子検出素子は、中性子から荷電粒子を発生させ、発生した荷電粒子を検出している。中性子から荷電粒子を発生させる際には、中性子をホウ素１０（10Ｂ）等に入射させて、ヘリウム核（α線）及びリチウム核（Ｌｉ粒子線）を生成させる。α線及びＬｉ粒子線が空乏層に入射することにより電子－正孔対が発生するので、発生した電子－正孔対による電流を測定することにより、中性子を検出することができる。しかし、中性子を10Ｂに入射させた場合には、α線とＬｉ粒子線とが互いに反対方向に放出されるため、空乏層にはα線が入射したりＬｉ粒子線が入射したりすることになる。α線が入射した場合とＬｉ粒子線が入射した場合とでは空乏層において発生する電荷量が異なるため、入射する荷電粒子線によって検出器の出力が変動することになる。
　本開示の課題は、出力変動が生じにくい半導体による中性子検出素子を実現できるようにすることである。
　本開示の中性子検出素子の一態様は、中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層とを有し、増幅部は、半導体層に形成された複数のトランジスタとを有し、中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜である。
　本開示の中性子検出素子によれば、α線のみを半導体層に入射させることができ、出力変動を生じにくくすることができる。
一実施形態に係る中性子検出素子を示す回路図である。 一実施形態に係る中性子検出素子を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子検出素子の一製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係る中性子２次元センサを示す平面図である。 変形例に係る中性子検出素子を示す断面図である。
　図１に示すように、一実施形態に係る中性子検出素子１００は、中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部１０１と、中性子検出部の出力を増幅する増幅部１０２とを有している。増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有している。φＲにリセット信号、φＸに行選択信号を加えることにより中性子検出素子として駆動することができる。
　図２に示すように、中性子検出部１０１及び増幅部１０２は、ｎ型の半導体基板１１１の上に形成されたｐ-型の半導体層１１２に形成されている。本実施形態において、半導体基板１１１及び半導体層１１２は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる。
　半導体層１１２には、ｎ+型の検出部拡散層１１３及びソースドレイン拡散層１２１と、ｐ+型の電位安定化領域１１４とが形成されている。半導体層１１２の上にはゲート絶縁膜１２３が形成されており、ゲート絶縁膜１２３の上の所定の領域にはゲート電極１２４が形成されている。また、電位安定化領域１１４とオーミック接触したオーミック電極１１７と、ソースドレイン拡散層１２１とオーミック接触したソースドレイン電極１２２とが形成されている。オーミック電極１１７及びソースドレイン電極１２２は、拡散層とオーミック接触するシリサイド層１４１とシリサイド層１４１を覆う金属電極層１４２とにより形成されている。
　半導体層１１２上には、各電極を覆うように層間絶縁膜１３３が形成されており、層間絶縁膜１３３の上には、中性子変換層１１５及び配線１３５及び配線１３６が形成されている。これにより、中性子検出部１０１及び増幅部１０２は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）、ソースフォロアトランジスタ（ＳＦ）、行選択トランジスタ（ＲＳ）を有する増幅部１０２が形成されている。本実施形態において、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）のソースドレイン拡散層の一方は、検出部拡散層１１３と一体に形成されている。
　半導体基板１１１の裏面には、裏面電極１２６が設けられている。裏面電極１２６は半導体基板１１１の裏面とオーミック接触したオーミック電極であり、ニオブ－ニッケルシリサイド等により形成することができる。裏面電極１２６は、半導体基板１１１中に発生した電子・正孔キャリアを速やかに排出し、デバイス動作を安定化させる効果を生じる。
　中性子変換層１１５は、変換機能層であるホウ素の同位体であるホウ素１０（10Ｂ）を含む10Ｂ含有層１１５Ａを有する金属膜である。10Ｂ含有層１１５Ａは、例えば10Ｂをイオン注入して形成したり、スパッタ法又は蒸着法等により10Ｂを堆積させて形成したりすることができる。なお、変換機能層は、10Ｂ含有層に代えてリチウムの同位体であるリチウム６(6Ｌｉ)を含む層とすることもできる。
　本実施形態において、10Ｂ含有層１１５Ａの下側に下側金属層１１５Ｂが存在し上側に上側金属層１１５Ｃが存在しているが、上側金属層１１５Ｃはなくてもよい。下側金属層１１５Ｂ及び上側金属層１１５Ｃは、α線及びＬｉ線のすり抜けを生じにくくする観点から比較的原子番号が大きい金属が好ましい。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）及びモリブデン（Ｍｏ）等とすることができる。中でもＡｌは、Ａｌ配線と同様の方法で形成することができるので好ましい。
　中性子変換層１１５に入射した中性子は、10Ｂと反応してα線及びＬｉ粒子線を発生させる。Ａｌ等からなる下側金属層１１５Ｂ中においてＬｉ粒子線はα線よりも減衰しやすく、α線のみが下側金属層１１５Ｂを通過して検出部拡散層１１３に入射し、ｎ+型の検出部拡散層１１３とｐ型の半導体層１１２とのＰＮ接合近傍の空乏層に電子－正孔対を発生させる。発生した電子－正孔対の負電荷（電子）は、ｎ+型の検出部拡散層１１３に移動する。この電荷は配線１３５及び１３６を通して、ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積され、このゲート電極の電位を変化させる。
　さらに、本実施形態においては、ｐ型の半導体層１１２の下にｎ型の半導体基板１１１存在しているため、寄生バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）が形成されている。空乏層に発生した電子－正孔対からの正電荷（正孔）は、寄生ＢＪＴのベース部分に注入され、一時的にこの寄生ＢＪＴはオン状態となり、半導体基板１１１からベース部を通して検出部拡散層１１３に電子が移動する。この電子は上記の空乏層中で発生した電子－正孔対の電子と同様、配線１３５及び１３５を通して、ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積され、このゲート電極の電位を更に変化させる。この際、半導体基板１１１の裏面電極１２６に負の電圧を印可すると、より寄生ＢＪＴによる増幅効果が増大し、すなわち半導体基板１１１から検出部拡散層１１３へ注入される電子の数を増やすことができる。寄生ＢＪＴがあることでセンサを高感度化することができる。但し、寄生ＢＪＴは必ずしも必要ではなく、検出部拡散層１１３のみでも、本センサは動作する。
　ＳＦトランジスタのゲート電極に蓄積された電荷は、このゲート電極の電位を変化させ、この結果、ＲＳトランジスタをオンしたのち、ＳＦトランジスタのゲート電極の電位に応じて、出力電圧が変化する。この電位を計測することにより、センサに入射した中性子数を計測することが可能になる。
　本実施形態において検出部拡散層１１３は、リセットトランジスタ（ＲＳＴ）のソースドレイン拡散層と一体になっており、検出部拡散層１１３に移動した負電荷は、増幅部１０２により読み出され、中性子変換層１１５へ入射した中性子のエネルギーに応じた信号が得られる。一方、正電荷（正孔）は電位安定化領域１１４を介して排出される。寄生ＢＪＴが形成されることにより中性子の検出感度が向上するが、寄生ＢＪＴが形成されないような構成とすることもできる。
　本実施形態の中性子検出素子１００は、中性子変換層１１５に入射した中性子により発生したα線とＬｉ粒子線のうちα線のみを用いて中性子の検出を行う。このため、中性子の定量性を向上させることができる。
　本実施形態において、中性子変換層１１５は、検出部拡散層１１３の直上にのみ形成されており、増幅部１０２を構成するトランジスタ等の上には形成されていない。中性子変換層１１５は、検出部拡散層１１３の直上にのみ形成することにより、中性子変換層１１５から放出されたα線が、半導体層１１２の検出部拡散層１１３以外の部分に入射しにくくし、誤動作を生じにくくすることができる。検出部拡散層１１３の直上とは、平面視において検出部拡散層１１３と重なる部分であるが、検出部拡散層１１３と中性子変換層１１５とが完全に重なっていなくてもよい。なお、中性子変換層１１５が検出部拡散層１１３の直上以外の部分に形成されている構成とすることもできる。
　本実施形態の炭化珪素受光素子は、例えば以下のように形成することができる。まず、図３Ａに示すように、ｎ型の半導体基板１１１の上にｐ型の半導体層１１２をエピタキシャル成長させる。続いて、第１のイオン注入マスク用いてｎ型不純物を半導体層１１２に選択的に注入してｎ+型の検出部拡散層１１３及びソースドレイン拡散層１２１を形成する。さらに、第２のイオン注入マスクを用いてｐ+型の電位安定化領域１１４を形成する。この後、活性化アニールを行う。
　半導体基板１１１は特に限定されないが、４Ｈ－ＳｉＣとすることができる。半導体層１１２の厚さは例えば１μｍ～５μｍ程度とすることができる。第１のイオン注入マスク及び第２のイオン注入マスクは、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜により形成することができる。活性化アニールは、ＳｉＣ半導体の場合はイオン注入を行った半導体層１１２をカーボンキャップ膜で覆った後で１７００℃程度の熱処理を行えばよい。
　次に、図３Ｂに示すように、熱酸化を行い、厚さが２０ｎｍ程度のゲート絶縁膜１２３を形成した後、オーミック電極１１７、ソースドレイン電極１２２、ゲート電極１２４及び裏面電極１２６を形成する。オーミック電極１１７及びソースドレイン電極１２２は、例えばシリサイド層１４１と金属電極層１４２とにより形成することができる。シリサイド層１４１は、例えばレジストマスクを用いたリフトオフの手法により、シリサイド層１４１となる金属膜を選択的に形成した後、熱処理によりシリサイド化して形成することができる。この場合の金属膜は、例えばニオブ－ニッケル膜とすることができるが、ニッケル－モリブデン合金膜等の他のシリサイドを形成する金属により形成することもできる。金属電極層１４２は、シリサイド層１４１を覆うようにＡｌ等からなる金属膜を形成して選択的にエッチング除去することにより形成することができる。金属電極層１４２とゲート電極１２４とは、同じプロセスにより形成することができる。金属電極層１４２及びゲート電極１２４は、窒化チタン又ポリシリコン等により形成することもできる。裏面電極１２６は、半導体基板１１１の裏面にニオブ－ニッケル膜等の金属膜を形成した後シリサイド化して形成すればよい。
　次に、図３Ｃに示すように、半導体基板１１１上の全面に酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１３３を形成し、層間絶縁膜１３３の上に下側金属層１１５Ｂを形成する。層間絶縁膜１３３の厚さは、中性子変換層１１５から放出されたα線の検出部拡散層１１３への入射に影響を与えるが、例えば１μｍ程度とすることができる。この後、下側金属層１１５Ｂに10Ｂをイオン注入して、不純物拡散層である10Ｂ含有層１１５Ａを形成する。下側金属層１１５Ｂは、Ｌｉ粒子線を減衰させる金属層であればよく、アルミニウム、タングステン、及びモリブデン等により形成することができる。10Ｂ含有層１１５Ａは、イオン注入法に限らず、スパッタ法又は蒸着法等により10Ｂを堆積させて形成することができる。下側金属層１１５Ｂの厚さは、Ｌｉ粒子線は透過せずα線は透過する厚さとする。用いる金属の種類に応じて厚さは適宜決定すればよいが、例えばアルミニウムの場合には２μｍ～４μｍ程度、タングステンの場合には０．４μｍ程度とすることができる。10Ｂ含有層１１５Ａをイオン注入により形成する場合には、注入量は１×１０15ｃｍ-2程度～４×１０15ｃｍ-2程度とすることができる。上側金属層１１５Ｃの厚さは特に限定されないが、例えばアルミニウムの場合は１０ｎｍ～１０００ｎｍ程度とすることができる。なお、6Ｌｉ含有層も同様にして形成することもできる。
　次に、図３Ｄに示すように、10Ｂ含有層１１５Ａを形成した下側金属層１１５Ｂを検出部拡散層１１３の直上を除いて選択的に除去する。次に、図３Ｅに示すように、上側金属層１１５Ｃ及び配線１３５及び配線１３６を形成する。上側金属層１１５Ｃと配線１３５及び配線１３６とを同じ金属とすれば、同じプロセスにより形成することができる。
　本実施形態の中性子検出素子１００は、図４に示すようにマトリクス状に配置して、中性子検出素子１００を１画素とする中性子２次元センサ２００を形成することができる。中性子２次元センサ２００を用いることにより、中性子の面における分布を容易に測定することができ、中性子ラジオグラフィやＢＮＣＴにおいて、中性子の透過と吸収をリアルタイムで評価することができる。また、本実施形態の中性子検出素子１００は定量性に優れているため、中性子の強度分布を精度良く可視化することが可能となる。
　図５に示すように、中性子変換層１１５と検出部拡散層１１３との間に、高密度層１５１を形成することもできる。高密度層１５１を形成することにより、検出部拡散層１１３を突き抜けてしまうα線を低減することができる。これにより、検出感度をさらに向上させることができる。高密度層１５１は、半導体層１１２よりも密度が高い層であればよく、金属を含む層が好ましく、例えば単純な金属層、複数の金属を含む合金層及びシリサイド層等の金属と非金属とを含む層とすることができる。中でも、原子番号１４を超える金属を含むことが好ましく、取り扱い性の観点から、ニッケル、ニオブ、チタン、及びコバルト等を含むことがより好ましい。これらの金属はシリサイドを形成しやすいという観点からも好ましい。ソースドレイン電極１２２と同じシリサイド層により高密度層を形成すれば、工程数を増やすことなく高密度層を形成することができる。この場合、ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と高密度層１５１とを一体に形成することができる。
　高密度層１５１は、検出部拡散層１１３と接していることが好ましいが、高密度層１５１と検出部拡散層１１３との間に絶縁膜等の他の層が存在する構成とすることもできる。高密度層１５１は、検出部拡散層１１３のうちの少なくとも中性子変換層１１５の直下に形成されていることが好ましい。検出部拡散層１１３の全体を覆うように形成することも、検出部拡散層１１３よりも広い領域を覆うように形成することもできる。高密度層１１５の厚さは特に限定されないが、α線が検出部拡散層に達するようにすると共に突き抜けを防止する観点から、０．０１μｍ～０．３μｍ程度の厚さとすることが好ましい。ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と同じ工程により高密度層１５１を形成する場合は、ソースドレイン電極１２２のシリサイド層１４１と厚さを合わせることができる。
　本実施形態において、半導体層１１２をｐ型とし、ｎ型のトランジスタを形成した。半導体層１１２をｐ型としｐ+型の電位安定化領域１１４を設けることにより、α線により発生した正孔を速やかに排出できるので、検出素子の出力電位を安定化することができる。但し、半導体層１１２をｎ型とし、ｐ型の検出部拡散層及びトランジスタを形成することもできる。この場合には、電位安定化領域はｎ+型とすることができる。なお、電位安定化領域は必要に応じて設ければよく、設けなくてもよい。本実施形態において電位安定化領域１１４は、検出部拡散層１１３と離間して隣接するように配置されている。このような構成とすることにより、電位を安定化する効果をより大きくすることができる。但し、電位安定化領域１１４は、検出部拡散層１１３と同じ半導体層１１２のいずれにも形成することができる。なお、導電型を示すｐ又はｎの記号に付した＋の符号は符号を付していない場合と比べて不純物濃度が高いことを示し、－の符号は符号を付していない場合と比べて不純物濃度が低いことを示す。
　本実施形態のように、ＳｉＣ半導体を用いることにより、耐放射線性を向上させることができるので、素子の寿命を大幅に伸ばすことができる。但し、シリコン半導体により素子を形成することもできる。
　本開示の中性子検出素子は、出力変動が生じにくく、中性子の定量的な検出が容易であり、中性子を用いた医療分野等において特に有用である。
１００　　　中性子検出素子
１０１　　　中性子検出部
１０２　　　増幅部
１１１　　　半導体基板
１１２　　　半導体層
１１３　　　検出部拡散層
１１４　　　電位安定化領域
１１５　　　中性子変換層
１１５Ａ　　10Ｂ含有層
１１５Ｂ　　下側金属層
１１５Ｃ　　上側金属層
１１７　　　オーミック電極
１２１　　　ソースドレイン拡散層
１２２　　　ソースドレイン電極
１２３　　　ゲート絶縁膜
１２４　　　ゲート電極
１２６　　　裏面電極
１３３　　　層間絶縁膜
１３５　　　配線
１３６　　　配線
１４１　　　シリサイド層
１４２　　　金属電極層
１５１　　　高密度層
２００　　　中性子２次元センサ
 

Claims (8)

  1. 　中性子を検出して電気信号に変換する中性子検出部と、
    　前記中性子検出部の出力を増幅する増幅部とを備え、
    　前記中性子検出部は、第１導電型の半導体層と、前記半導体層に形成された第２導電型の検出部拡散層と、前記検出部拡散層の上に形成された中性子をα線に変換する中性子変換層とを有し、
    　前記増幅部は、前記半導体層に形成された複数のトランジスタとを有し、
    　前記中性子変換層は、ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層を有する金属膜である、中性子検出素子。
  2. 　前記ホウ素１０を含む層又はリチウム６を含む層は、不純物拡散層である、請求項１に記載の中性子検出素子。
  3. 　前記半導体層は、炭化珪素半導体層である、請求項１又は２に記載の中性子検出素子。
  4. 　前記中性子変換層は、前記検出部拡散層の直上に絶縁膜を介して形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
  5. 　前記中性子変換層と前記検出部拡散層との間に形成され、前記半導体層よりも密度が高い材料により形成された、高密度層を有している、請求項１～４のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
  6. 　前記高密度層は、金属シリサイド層である、請求項５に記載の中性子検出素子。
  7. 　前記半導体層に形成され、前記半導体層よりも不純物濃度が高い第１導電型の電位安定化領域を有している、請求項１～６のいずれか１項に記載の中性子検出素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の中性子検出素子がマトリクス状に配置された、中性子２次元センサ。
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