JPH07169988A - 半導体放射線検出素子 - Google Patents

半導体放射線検出素子

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JPH07169988A
JPH07169988A JP5312348A JP31234893A JPH07169988A JP H07169988 A JPH07169988 A JP H07169988A JP 5312348 A JP5312348 A JP 5312348A JP 31234893 A JP31234893 A JP 31234893A JP H07169988 A JPH07169988 A JP H07169988A
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JP
Japan
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amorphous carbon
film
carbon film
window electrode
electrode
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JP5312348A
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English (en)
Inventor
Noritada Sato
則忠 佐藤
Masakazu Ueno
正和 上野
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】硝酸の蒸気中のダストに含まれる種々のα核種
あるいは硝酸ウラニウム溶液中のα核種を弁別して測定
する際に、窓電極の腐食されない半導体放射線検出素子
を提供する。 【構成】空乏層6を半導体基板1と非晶質カーボン膜2
とのヘテロ接合で形成し、その非晶質カーボン膜2上の
窓電極3をグラファイト膜あるいはほう素をドープした
非晶質カーボン膜により形成することにより、腐食され
やすい金属窓電極を省略することができる。さらに窓電
極3の周囲、リード線接続のAlパッド5を非晶質カーボ
ン膜7により被覆して保護する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば原子力施設等の
作業環境中の硝酸の蒸気中のダストに含まれる種々のα
核種を弁別して測定するための半導体放射線検出素子に
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体を用いる放射線検出素子として特
公昭61−61707 号公報に開示されたものがある。このシ
リコン半導体放射線検出素子においては、放射線が入射
する窓電極にアンチモンを含む金を用いている。窓電極
は0.5〜2%のアンチモンを含む金電極で、p形シリコ
ン基板にそのような金を蒸着したのち、シンターまたは
合金化熱処理をして金に含まれているアンチモンをシリ
コン基板内でドナー化しpn接合を形成する。このpn
接合に逆バイアス電圧を印加すると、空乏層が成長し窓
電極側から入射するα線を検知することができる。この
放射線検出素子の入射窓となる電極の主成分は金である
ため、硝酸ウラニウム溶液に対して耐食性があり、直接
この溶液に浸漬しても窓電極は腐食されることもなく溶
液中に含まれるα線を測定することができる。
【0003】特開平3−96284 号公報に開示されている
半導体放射線検出素子も同じ目的で、これは第一の非晶
質シリコン薄膜と単結晶シリコン基板との界面でヘテロ
接合を形成した素子で、さらに窓電極表面上とその周囲
に第二の非晶質シリコン薄膜を成長させて耐食性を増し
た素子である。この素子も上記の素子と同様の方法でα
線を検出する。平成5年特許願第203991号明細書に記載
されている半導体放射線検出素子も上記の二つの素子と
同じ目的で、上記の非晶質シリコン膜の代わりに水素化
非晶質カーボン膜を用いて耐食性を増した素子である。
【0004】これらの素子はいずれも硝酸の蒸気中のダ
ストに含まれるα線も検出することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公昭
61−61707 号公報および特開平3−96284 号公報に示さ
れた放射線検出素子は、いずれも近接したエネルギーを
放出するα線、例えば24 1 Am(5.426MeV)と242 Cm(5.796
MeV)を分離して検出することは困難であった。特公昭61
−61707 号公報に示された素子においては、金を主成分
とする窓電極を透過したα線を空乏層で検出するため、
α線が金属中で減衰し分解能が悪くなるという問題があ
った。そこでα線の減衰を減らそうとして金蒸着膜の厚
みを薄くすると、合金時の熱処理の際に金が粒状に分散
して一様なpn接合層が得られない。そのために、エネ
ルギー分解能が低下し上述のように近接したエネルギー
を放出するα線を弁別して検出することは困難である。
【0006】特開平3−96284 号公報に示された放射線
検出素子は上記のpn接合を用いた素子にくらべ空乏層
に達するまでのα線の減衰率の低下が少なく分解能が向
上したが、この素子でも上記の近接したエネルギーを持
つα線を分離して検出することは難しい。その理由は、
第一の非晶質シリコン層の厚みが0.5〜1μm、第二の
非晶質シリコン層の厚みも1μm以上で、これらの非晶
質シリコン層および電極の金属層にα線が斜め方向に入
射する場合、その減衰率が大きい。従って、窓電極面に
対し垂直方向に入射したα線のほかに、このようにエネ
ルギーが減衰したα線が加わるので分解能が低下する。
【0007】平成5年特許願第203991号明細書に記載さ
れた別の素子は、上記二つの素子を改良したもので、窓
電極の表面に第二の水素化非晶質カーボン膜を形成して
耐薬品性を高めた素子である。すなわち、図2に示すよ
うにp形シリコン基板1の上に水素化非晶質カーボン膜
21を被着し、その上にAl電極31を設け、さらに第二の水
素化非晶質カーボン膜22で被覆したものである。そし
て、Al電極31にはリード線51が接続され、基板1の裏面
に被着するAl電極4にはリード線52が接続されており、
この両リード線51、52の間に第一の非晶質カーボン膜21
とシリコン基板1との間のヘテロ接合の逆バイアス電圧
を印加することにより、空乏層6を成長させる。しか
し、この方法でも、Al電極31を保護するために第二の非
晶質カーボン膜22の厚みを約0.2 μmにするため、エネ
ルギー分解能が低下する場合がある。
【0008】本発明の目的は、上述の欠点を解消し、空
乏層に到達するまでにα線が窓電極で吸収されにくいよ
うにして分解能を高め、しかも硝酸を含むダストと接触
しても十分に耐える窓電極を持った半導体放射線検出素
子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体放射線検出素子は、裏面に対向電
極の設けられた半導体基板の表面に、その基板とヘテロ
接合を形成する非晶質カーボン膜が被着し、その非晶質
カーボン膜の上にグラファイト膜からなる窓電極が設け
られたものとする。あるいは、裏面に対向電極の設けら
れた半導体基板の表面に非晶質カーボン膜が被着し、そ
の非晶質カーボン膜の上に金属質の非晶質カーボン膜か
らなる窓電極が設けられたものとする。その場合、金属
質の非晶質カーボン膜がほう素をドープした非晶質カー
ボン膜であることが有効である。また、いずれの場合
も、ヘテロ接合を形成する非晶質カーボン膜の窓電極の
周囲に露出する面、あるいは窓電極に出力引出しのため
の導線が接続された個所が保護膜により被覆されたこと
が良く、保護膜が非晶質カーボン膜であることも有効で
ある。
【0010】
【作用】非晶質カーボン膜と半導体基板との界面にはヘ
テロ接合が形成される。その上の窓電極を形成するグラ
ファイトあるいは金属質非晶質カーボンは硝酸を含むダ
ストに対して耐食性を有する原子番号の小さい物質で、
窓電極の膜厚は薄くしてシリコン基板上に形成すること
ができるので、放射線とくにα線の減衰が少ない。その
ために、α線のほぼ全飛程が空乏層内で減衰する。半導
体基板には逆バイアス電圧印加により空乏層は広がるの
で、所定の被抵抗の半導体基板に印加する電圧により、
空乏層の厚みをα線の飛程と同程度か、またはそれより
厚くして、空乏層内でα線のほぼ全飛程、すなわちほぼ
全エネルギーを電気エネルギーに変換させることがで
き、分解能が向上する。
【0011】
【実施例】以下、図2と共通の部分に同一の符号を付し
た図1を引用して本発明の実施例について述べる。 実施例1:素子は半導体基板1の上に水素化非晶質カー
ボン膜2、窓電極3が順次積層されている。シリコン基
板1の裏面には、窓電極3に対向してAl電極4が設けら
れる。窓電極3にはアルミニウムパッド5を介してリー
ド線51が接続され、Al電極4にはリード線52が接続され
ている。また、窓電極3の周囲およびAlパッド5の上
は、非晶質カーボン膜7で保護されている。
【0012】このような半導体素子は以下のようにして
作られる。まず、抵抗率が1kΩ・cm以上のp形Si基板
1に、厚みが、例えば0.1μm以下の第一の水素化非晶
質カーボン (a−C:H) 膜2を成膜したのち、このa
−C:H膜2上にマスクを介して窓電極3として、厚み
が、例えば0.3μmのグラファイト膜をスパッタ法によ
り形成し、基板1の裏面には全面にAlを1μmの厚みに
蒸着法で形成してAl電極4とする。次いで、金属マスク
を通して窓電極3の外周部に少なくとも1個のAlパッド
5を蒸着法で1μm以上の厚みに形成し、リード線51を
接続したのち、厚みが、例えば0.2μmの第二のa−
C:H膜7を成膜し、窓電極3の周囲の非晶質カーボン
膜2の露出面を被覆する。
【0013】この検出素子では第一のa−C:H膜2と
半導体基板1との界面でヘテロ接合が形成され、窓電極
3と裏面のAl電極4間に逆バイアス電圧を印加すると、
窓電極3の直下および横方向に空乏層6が広がり、この
部分をα線が通るとき、電子・正孔対が発生し、これを
電流パルスとして検出する。グラファイト膜3の成膜条
件の一例は次の通りである。
【0014】 成膜法:スパッタ法 ターゲツト:グラファイト ガス:Ar ガス流量:5SCCM 圧力:0.6 Pa パワー:DC 450V、110mA 得られたグラファイト膜の抵抗率は1〜3×10-1Ω・cm
である。a−C:H膜2および7の成膜条件は次の通り
である。
【0015】 成膜:プラズマCVD法 成膜温度:200 ℃ ソースガス:エチルアルコール (温度20℃) グロー放電時のガス圧力:27 Pa 放電電圧:DC 450V 電極間距離:50mm 得られたa−C:H膜の抵抗率は2〜5×1010Ω・cmで
ある。 実施例2:素子構造は図1と同じであるが、窓電極3を
グラファイト膜の代わりに、厚みが、例えば0.2μmの
a−C:H膜を形成したのち、その膜にプラズマCVD
法でほう素をドープし、抵抗率が1〜5×10-1Ω・cmと
なるように金属質化したものを用いる。実施例1の検出
素子と異なる点は上記のα線のほかに熱中性子も検出で
きるという利点がある。この場合、a−C:H膜2、7
の成膜条件は実施例1と同じである。ほう素のドーピン
グ条件は次の通りである。
【0016】 ドーピング方法:プラズマCVD法 成膜温度:200 ℃ ソースガス:水素で1000ppm に希釈したジボラン( B2
6 ) グロー放電時のガスの圧力:27 Pa 放電電圧: DC 900V 放電時間: 10〜15分 電極間距離: 50 mm この実施例の素子では、窓電極3もa−C:H膜で形成
されているので、半導体基板上のa−C:H膜2の上に
全面にa−C:H膜を積層したのち、マスクを用いて中
央部分のみにほう素をドープして窓電極とし、周囲部の
ドープされないa−C:H膜を絶縁性保護膜として用い
てもよい。その場合、Alパッド5の上には別に樹脂など
を用いて保護する。さらにこの素子を、特公昭61−6170
7 号公報に開示されているように、例えばふっ素樹脂か
らなる耐薬品性の保護ケースに封入することにより、硝
酸溶液である放射性排液中に浸漬して使用する場合にも
リード線51、52を十分保護できる。
【0017】図3は実施例1の検出素子のエネルギー分
解能を評価したもので、放射性物質として239 Pu( 平均
エネルギー:5.148MeV )、241 Am( 同:5.426MeV )、
244 Cm( 同5.796MeV )を放出するα線の標準線源を素子
に照射した時に得られたスペクトルである。ピーク81、
82、83はそれぞれ239 Pu、241 Am、244 Cmからのα線に
対応し、エネルギー分解能( 半値幅 )は約55keV であ
る。この程度のエネルギー分解能を有する該検出素子
は、例えば、ダスト中に含まれるPu( エネルギー:約5.
16MeV ) とRn−Th( 同:約6.29MeV ) とを分離して検出
することが可能である。上述の特公昭61−61707 号公報
や特開平3−96284 号公報に示す素子は放射線にたいし
て不感層となる金アンチモン合金層、非晶質シリコン
層、窓電極層が本発明による素子に比べて厚いのでピー
ク81、82、83は分離出来ない場合が多く、上記のα線の
弁別検出には適さない。
【0018】空乏層は素子に加えられた逆バイアス電圧
によって充分大きく拡げられており、例えば20Vの逆バ
イアス電圧で厚みが約100 μmの空乏層が生ずるので、
この空乏層内でα線は電子−正孔対を発生して吸収され
る。上記のα線の飛程はシリコン基板中で30〜35μm程
度である。またシリコン基板内での電子−正孔対の平均
自由工程は大きいので自己消滅することなく有効に電流
に変換されてパルスとして検出され、その結果高分解能
のα線検出が可能となる。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、耐薬品性の低い金属膜
に代わって、グラファイト膜やほう素をドープした非晶
質カーボン膜を窓電極として適用することにより、耐薬
品性の優れたα線検出素子が得られるようになった。し
かもa−C:H膜をAlからなる窓電極上に成膜しないの
で、従来技術の素子にくらべてヘテロ接合上の層の厚さ
を薄くできる。したがって、α線が窓電極を通過したあ
とでもその減衰率が小さいのでエネルギー分解能の高い
α線検出素子が得られる。その結果、例えば原子力施設
の作業環境中のダストにPuが含まれたときでも速やかに
Rn−Tnと弁別して検出できるので安全性の高い作業環境
が得られるようになった。その他に、腐食しやすいAlな
どの金属を用いないので少なくとも数年にわたる長期信
頼性が向上し、また非晶質シリコン膜形成のように空気
中で自然発火するモノシラン( SiH 4 ) ガスを使用しな
いので、素子製造時の安全性が向上し、工数が簡素化す
るという効果もある。さらに、ヘテロ接合形成膜、窓電
極、保護膜のすべてにa−C:H膜を適用することが可
能で、成膜装置、成膜技術の集約化を図ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の半導体放射線検出素子の断
面図
【図2】従来の半導体放射線素子の一例の断面図
【図3】本発明の一実施例の半導体素子に239 Pu、241
Am、244 Cmの標準α線源を照射した時に得られるα線ス
ペクトル図
【符号の説明】
1 半導体基板 2、7 非晶質カーボン膜 3 窓電極 4 Al電極 5 Alパッド 6 空乏層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】裏面に対向電極の設けられた半導体基板の
    表面にその基板とヘテロ接合を形成する非晶質カーボン
    膜が被着し、その非晶質カーボン膜の上にグラファイト
    膜からなる窓電極が設けられたことを特徴とする半導体
    放射線検出素子。
  2. 【請求項2】裏面に対向電極の設けられた半導体基板の
    表面に、その基板とヘテロ接合を形成される非晶質カー
    ボン膜が被着し、その非晶質カーボン膜の上に金属質の
    非晶質カーボン膜からなる窓電極が設けられたことを特
    徴とする半導体放射線検出素子。
  3. 【請求項3】金属質の非晶質カーボン膜がほう素をドー
    プした非晶質カーボン膜である請求項2記載の半導体放
    射線検出素子。
  4. 【請求項4】ヘテロ接合を形成する非晶質カーボン膜の
    窓電極の周囲に露出する面が保護膜により被覆された請
    求項1、2、3のいずれかに記載の半導体放射線検出素
    子。
  5. 【請求項5】窓電極に出力引出しのための導線が接続さ
    れた個所が保護膜により被覆された請求項1ないし4の
    いずれかに記載の半導体放射線検出素子。
  6. 【請求項6】保護膜が非晶質カーボン膜である請求項4
    あるいは5記載の半導体放射線検出素子。
JP5312348A 1993-12-14 1993-12-14 半導体放射線検出素子 Pending JPH07169988A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999034430A1 (fr) * 1997-12-27 1999-07-08 Tokyo Electron Limited Film fluorocarbone et procede de fabrication
JP2013543587A (ja) * 2010-10-07 2013-12-05 コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ アルファ線のinsitu直接測定のためのシステム及びこれに関連する溶液中におけるアルファ放射性核種の放射能を定量化するための方法

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