JPH0736447B2 - 半導体中性子線検出素子 - Google Patents
半導体中性子線検出素子Info
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- JPH0736447B2 JPH0736447B2 JP63176415A JP17641588A JPH0736447B2 JP H0736447 B2 JPH0736447 B2 JP H0736447B2 JP 63176415 A JP63176415 A JP 63176415A JP 17641588 A JP17641588 A JP 17641588A JP H0736447 B2 JPH0736447 B2 JP H0736447B2
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- Japan
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- boron
- rays
- neutron
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱中性子線が入射した際ほう素の同位元素10
Bとの反応によって発生するα線を利用する半導体中性
子線検出素子に関する。
Bとの反応によって発生するα線を利用する半導体中性
子線検出素子に関する。
半導体放射線検出素子の原理は、pn接合や半導体−金属
ショットキー接合または単結晶半導体と非晶質半導体と
のヘテロ接合等、いずれかの方法でダイオード構造を形
成し、そのダイオードに逆バイアス電圧を印加し、これ
により半導体中に空乏層を拡げ、この空欠層中に飛来し
た放射線により発生する電子−正孔対を電流パルスとし
てカウントし検出するものである。
ショットキー接合または単結晶半導体と非晶質半導体と
のヘテロ接合等、いずれかの方法でダイオード構造を形
成し、そのダイオードに逆バイアス電圧を印加し、これ
により半導体中に空乏層を拡げ、この空欠層中に飛来し
た放射線により発生する電子−正孔対を電流パルスとし
てカウントし検出するものである。
放射線でも、ｘ線，α線，β線およびγ線は、半導体空
乏層内で直接電子−正孔対を生じさせるのでそのままで
放射線の検出が可能である。これに対して中性子線は電
荷をもっていないので、核反応以外には軌道電子や電子
核のクーロン場になんらの作用も及ぼさず、従って半導
体空乏層内で電子−正孔対は生じず、中性子線の検出は
上記の方法では不可能である。このため中性子線検知方
法として、中性子の吸収断面積の大きな物質に中性子線
を透過させ、中性子核変換反応によりα線を発生させ、
そのα線が半導体空乏層内で生成する電子−正孔対を検
知することによる方法がある。
乏層内で直接電子−正孔対を生じさせるのでそのままで
放射線の検出が可能である。これに対して中性子線は電
荷をもっていないので、核反応以外には軌道電子や電子
核のクーロン場になんらの作用も及ぼさず、従って半導
体空乏層内で電子−正孔対は生じず、中性子線の検出は
上記の方法では不可能である。このため中性子線検知方
法として、中性子の吸収断面積の大きな物質に中性子線
を透過させ、中性子核変換反応によりα線を発生させ、
そのα線が半導体空乏層内で生成する電子−正孔対を検
知することによる方法がある。
その具体的な例として、熱中性子線に対して散乱断面積
の大きなほう素の同位元素10Bを用い、下記の式で示す
反応に従って、熱中性子線が入射した際ほう素から発生
するα線（4He）と7Li核を検出する方法がある。10 B＋ｎ→7Li＋α（4He） ……（１） 第２図はこの方法を用いた、例えば特開昭61-17477号公
報で公知の熱中性子線検出素子の断面構造と検出原理を
示すもので、ｎ形シリコン基板21の上面を被覆する表面
保護膜24の窓部に、例えば特開昭59-218732号公報，特
開昭59-219462号公報により公知のように、プラズマCVD
法で成膜されたほう素被膜22が接触し、その下にp+層23
が形成され、ほう素被膜22の上面に電極25が、基板21の
下面に電極26が設けられている。この素子に逆バイアス
−VBを印加して空乏層27が生じた状態で熱中性子線１が
照射されると、ほう素被膜22に含まれる10Bとの間で
（１）式の中性子線変換反応が生じ、互いに180°をな
して飛ぶ実線で示すα線３または破線で示す7Li核４が
空乏層27に到達したとき電子−正孔対が生じ、これらが
図示していない増幅回路と計数回路を介して検出され
る。
の大きなほう素の同位元素10Bを用い、下記の式で示す
反応に従って、熱中性子線が入射した際ほう素から発生
するα線（4He）と7Li核を検出する方法がある。10 B＋ｎ→7Li＋α（4He） ……（１） 第２図はこの方法を用いた、例えば特開昭61-17477号公
報で公知の熱中性子線検出素子の断面構造と検出原理を
示すもので、ｎ形シリコン基板21の上面を被覆する表面
保護膜24の窓部に、例えば特開昭59-218732号公報，特
開昭59-219462号公報により公知のように、プラズマCVD
法で成膜されたほう素被膜22が接触し、その下にp+層23
が形成され、ほう素被膜22の上面に電極25が、基板21の
下面に電極26が設けられている。この素子に逆バイアス
−VBを印加して空乏層27が生じた状態で熱中性子線１が
照射されると、ほう素被膜22に含まれる10Bとの間で
（１）式の中性子線変換反応が生じ、互いに180°をな
して飛ぶ実線で示すα線３または破線で示す7Li核４が
空乏層27に到達したとき電子−正孔対が生じ、これらが
図示していない増幅回路と計数回路を介して検出され
る。
この素子の中性子感度を高めるためには（１）式からわ
かるように10Bの量を高めればよい。前記公報で公知の
プラズマCVD法で成膜したほう素被膜中のほう素濃度は
1.0×1023原子／cm2でほぼほう素濃度の原子密度に近い
値に達している。したがって、別の本出願人の特許出願
に係る特願昭62-323240号公報明細書に記載した濃縮10B
を含むジボランガスよりほう素被膜を厚く形成すれば高
感度の中性子線検出素子が得られる。
かるように10Bの量を高めればよい。前記公報で公知の
プラズマCVD法で成膜したほう素被膜中のほう素濃度は
1.0×1023原子／cm2でほぼほう素濃度の原子密度に近い
値に達している。したがって、別の本出願人の特許出願
に係る特願昭62-323240号公報明細書に記載した濃縮10B
を含むジボランガスよりほう素被膜を厚く形成すれば高
感度の中性子線検出素子が得られる。
濃縮した10Bを用いる方法としては、例えば、濃縮した
10Bを含む溶液をシリコンウエハに刷毛で塗布したの
ち、熱処理をしてpn接合を形成し、（１）式の反応を用
いて熱中性子を検出する方法がH.M.Mann and F.J.Janar
ekにより米国雑誌IRE Trans."NS-9,No3（1962）200ペー
ジ、10Bをシリコン基板表面にイオン注入法で注入した
のち熱処理を施してpn接合を形成する方法がI.G.Gver d
tsiteliその他によりソ連雑誌Prib.Tekh.Eksp."No.3,
（1979）81ページに述べられている。
10Bを含む溶液をシリコンウエハに刷毛で塗布したの
ち、熱処理をしてpn接合を形成し、（１）式の反応を用
いて熱中性子を検出する方法がH.M.Mann and F.J.Janar
ekにより米国雑誌IRE Trans."NS-9,No3（1962）200ペー
ジ、10Bをシリコン基板表面にイオン注入法で注入した
のち熱処理を施してpn接合を形成する方法がI.G.Gver d
tsiteliその他によりソ連雑誌Prib.Tekh.Eksp."No.3,
（1979）81ページに述べられている。
上記のような方法で10Bを多く含む被膜を形成し、
（１）式によるα線を多く発生させた上にさらに感度を
高めるためには、α線または7Li核空乏層内に達して生
ずる電子−正孔対の数を多くしなければならない。
（１）式によるα線を多く発生させた上にさらに感度を
高めるためには、α線または7Li核空乏層内に達して生
ずる電子−正孔対の数を多くしなければならない。
本発明の目的は、α線および7Li核を多く発生させる手
段ばかりでなく、発生したα線あるいは7Li核を電子−
正孔対の生成のために有効に利用する半導体中性子線検
出素子を提供することにある。
段ばかりでなく、発生したα線あるいは7Li核を電子−
正孔対の生成のために有効に利用する半導体中性子線検
出素子を提供することにある。
上記の課題の達成のために、本発明は、ｎ形半導体基体
上に濃縮した同位元素10Bを含むほう素被膜が被着さ
れ、その被膜の下にｐ形ドーピング層を有する中性子線
検出素子において、ほう素被膜の厚さがα線のほう素被
膜中での飛程より薄いものとする。
上に濃縮した同位元素10Bを含むほう素被膜が被着さ
れ、その被膜の下にｐ形ドーピング層を有する中性子線
検出素子において、ほう素被膜の厚さがα線のほう素被
膜中での飛程より薄いものとする。
ほう素被膜中のα線の飛程は約4.4μｍ、7Li核の飛程は
約1.4μｍと極めて短いので、ほう素被膜は厚過ぎる
と、ほう素被膜の表面近傍で生じたα線と7Li核は単に
ほう素被膜中に吸収され空乏層に達しない。そこでほう
素被膜の厚さを7Li核の場合より長いα線のほう素被膜
の飛程より薄くすれば、少なくとも空乏層側に飛ぶα線
のほとんどすべてが電子−正孔対の生成に寄与し、中性
子線感度が向上する。
約1.4μｍと極めて短いので、ほう素被膜は厚過ぎる
と、ほう素被膜の表面近傍で生じたα線と7Li核は単に
ほう素被膜中に吸収され空乏層に達しない。そこでほう
素被膜の厚さを7Li核の場合より長いα線のほう素被膜
の飛程より薄くすれば、少なくとも空乏層側に飛ぶα線
のほとんどすべてが電子−正孔対の生成に寄与し、中性
子線感度が向上する。
第１図は第２図に示したほう素被膜22,p+層23および空
乏層27の部分拡大図で、ほう素被膜22はd1，p+層23はd2
の厚さを有するものとする。一方、ほう素被膜中でのα
線２の飛程をl1，7Li核４の飛程をｌ2とする。
乏層27の部分拡大図で、ほう素被膜22はd1，p+層23はd2
の厚さを有するものとする。一方、ほう素被膜中でのα
線２の飛程をl1，7Li核４の飛程をｌ2とする。
今、ほう素被膜22の表面近傍で熱中性子線10,11が10B５
と反応してα線3,7Li核４が発生した場合、d1＞l1，d1
＞l2とすると全てのα線３と7Li核４はその被膜22内に
吸収され、空乏層27に達しないので中性子感度に寄与し
ない。熱中性子線12が表面より深い位置で10B５と反応
した場合はα線31,32,7Li核41,42のうち32のように空乏
層27に向かうα線のみが空乏層に到達し中性子感度に寄
与する。また、熱中性子線13,14のように、ほう素被膜2
2と半導体基体21との界面近傍で10B５と反応した場合、
α線３や7Li核４は、43,44のようなほう素被膜側に行く
ものを除き、ほぼ1/2の確率で中性子感度に寄与する。
と反応してα線3,7Li核４が発生した場合、d1＞l1，d1
＞l2とすると全てのα線３と7Li核４はその被膜22内に
吸収され、空乏層27に達しないので中性子感度に寄与し
ない。熱中性子線12が表面より深い位置で10B５と反応
した場合はα線31,32,7Li核41,42のうち32のように空乏
層27に向かうα線のみが空乏層に到達し中性子感度に寄
与する。また、熱中性子線13,14のように、ほう素被膜2
2と半導体基体21との界面近傍で10B５と反応した場合、
α線３や7Li核４は、43,44のようなほう素被膜側に行く
ものを除き、ほぼ1/2の確率で中性子感度に寄与する。
上述の説明からわかるように、ほう素被膜22の厚みd1が
α線や7Li核のほう素被膜のなかでの各々の飛程l1，l2
より厚い場合は、15〜19のような線量の熱中性子線がほ
う素被膜22中の10B５と反応しても、15〜17により生ず
るα線35,36,37のようにその被膜中に吸収されるものが
あり、中性子感度に寄与するものは、被膜22と半導体基
体21との界面近傍で10B５と反応した熱中性子線17〜19
に生ずるα線３と7Li核４に限られるため中性子感度は
低下する。
α線や7Li核のほう素被膜のなかでの各々の飛程l1，l2
より厚い場合は、15〜19のような線量の熱中性子線がほ
う素被膜22中の10B５と反応しても、15〜17により生ず
るα線35,36,37のようにその被膜中に吸収されるものが
あり、中性子感度に寄与するものは、被膜22と半導体基
体21との界面近傍で10B５と反応した熱中性子線17〜19
に生ずるα線３と7Li核４に限られるため中性子感度は
低下する。
これらの事実を以下に式を用いて説明する。
（１） d1≦l2の場合 厚みd1のほう素被膜に照射する中性子線の強度をI0（個
／cm2・ｓ）とすると、その被膜中で発生するα線と7Li
核の空乏層に達する個数はそれぞれ であらわされる。ここでＮはほう素被膜中の10Bの数，
σは10Bの散乱断面積である。
／cm2・ｓ）とすると、その被膜中で発生するα線と7Li
核の空乏層に達する個数はそれぞれ であらわされる。ここでＮはほう素被膜中の10Bの数，
σは10Bの散乱断面積である。
（２） l2≦d1≦l1の場合 ほう素被膜中で発生し空乏層に達するα線の個数は と変わらないが、7Li核の個数は になる。
（３） d1≧l1の場合 熱中性子線との反応によりほう素被膜中で発生し空乏層
に達するα線および7Li核の個数は、それぞれI0 およびI0 となる。
に達するα線および7Li核の個数は、それぞれI0 およびI0 となる。
第３図の曲線61はl1＝4.4μm,l2＝1.4μｍと仮定した
時、上記（１），（２），（３）の数値から計算した結
果を示すもので、横軸はほう素被膜の膜厚を示し、たて
軸は熱中性子線感度の相対比を示す。熱中性子線相対感
度はd1の増大と共に増すものの、その傾斜は上記
（１），（２），（３）の条件で変わる。曲線62は種々
の厚みのほう素被膜を形成した中性子線検出素子に、厚
み40mmのポリエチレン減速材を介して、中性子標準線源
252Cfを照射した時に得られた測定結果の相対比を示
す。曲線62が曲線62と一致しない理由は、発生したα線
や7Li核はある確率で空乏層に達することおよびp+層23
の不感層のほかほう素被膜22の内部で生成したα線や7L
i核にはほう素被膜が不感層となり、これらの不感層を
通過したのち空乏層に達するため、最大出力パルス波高
が小さくなること、そのほかに混在するγ線成分を除去
するため、所定の大きさ以上の出力パルス波高のみを計
数することなどによる。
時、上記（１），（２），（３）の数値から計算した結
果を示すもので、横軸はほう素被膜の膜厚を示し、たて
軸は熱中性子線感度の相対比を示す。熱中性子線相対感
度はd1の増大と共に増すものの、その傾斜は上記
（１），（２），（３）の条件で変わる。曲線62は種々
の厚みのほう素被膜を形成した中性子線検出素子に、厚
み40mmのポリエチレン減速材を介して、中性子標準線源
252Cfを照射した時に得られた測定結果の相対比を示
す。曲線62が曲線62と一致しない理由は、発生したα線
や7Li核はある確率で空乏層に達することおよびp+層23
の不感層のほかほう素被膜22の内部で生成したα線や7L
i核にはほう素被膜が不感層となり、これらの不感層を
通過したのち空乏層に達するため、最大出力パルス波高
が小さくなること、そのほかに混在するγ線成分を除去
するため、所定の大きさ以上の出力パルス波高のみを計
数することなどによる。
第３図より、10Bを含むほう素被膜の厚さd1と熱中性子
線感度の関係が明らかになり、最大熱中性子線感度はほ
う素被膜の厚さd1がほう素被膜中のα線の飛程l1より薄
いときに得られることが判明した。
線感度の関係が明らかになり、最大熱中性子線感度はほ
う素被膜の厚さd1がほう素被膜中のα線の飛程l1より薄
いときに得られることが判明した。
〔発明の効果〕 本発明によれば、10Bを含むほう素被膜の厚さがほう素
被膜中のα線の飛程を越えると熱中性子線感度が低下す
る事実に基づき、ほう素被膜の厚さをα線の飛程より薄
くすることにより中性子感度の高い検出素子を得ること
ができる。したがって、従来のように不必要な厚い被膜
を形成することがないので製造工程が短縮され、コスト
ダウンが可能になった。また、本発明に基づくほう素被
膜の最適厚みは、もちろんガスを用いた中性子検出用比
例計数管の内壁に被覆する場合にも同様に適用できる。
本発明で得られた熱中性子線検出素子は、所定の形状の
パラフィンなど中性子線に対する減速材とを組合わせる
と軽量で小型の、従来は不可能であった個人用の高感度
中性子線被曝管理用線量計が容易に得られるようになっ
た。
被膜中のα線の飛程を越えると熱中性子線感度が低下す
る事実に基づき、ほう素被膜の厚さをα線の飛程より薄
くすることにより中性子感度の高い検出素子を得ること
ができる。したがって、従来のように不必要な厚い被膜
を形成することがないので製造工程が短縮され、コスト
ダウンが可能になった。また、本発明に基づくほう素被
膜の最適厚みは、もちろんガスを用いた中性子検出用比
例計数管の内壁に被覆する場合にも同様に適用できる。
本発明で得られた熱中性子線検出素子は、所定の形状の
パラフィンなど中性子線に対する減速材とを組合わせる
と軽量で小型の、従来は不可能であった個人用の高感度
中性子線被曝管理用線量計が容易に得られるようになっ
た。
第１図は本発明の一実施例における熱中性子線と10Bと
の反応発生部位付近を概念的に示す断面図、第２図は本
発明の一実施例の検出素子の断面図、第３図はほう素被
膜厚さと熱中性子線感度との関係を示す線図である。 10〜19:熱中性子線、21:n形シリコン基板、22:ほう素被
膜、23:p+層、25,26:電極、27:空乏層、3:α線、4:7Li
核、5:10B。
の反応発生部位付近を概念的に示す断面図、第２図は本
発明の一実施例の検出素子の断面図、第３図はほう素被
膜厚さと熱中性子線感度との関係を示す線図である。 10〜19:熱中性子線、21:n形シリコン基板、22:ほう素被
膜、23:p+層、25,26:電極、27:空乏層、3:α線、4:7Li
核、5:10B。
Claims (1)
- 【請求項１】ｎ形半導体基体上に濃縮した同位元素10B
を含むほう素被膜が被着され、そのほう素被膜の下にｐ
形ドーピング層を有するものにおいて、ほう素被膜の厚
さがα線のほう素被膜中での飛程より薄いことを特徴と
する半導体中性子線検出素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63176415A JPH0736447B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 半導体中性子線検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63176415A JPH0736447B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 半導体中性子線検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0227776A JPH0227776A (ja) | 1990-01-30 |
| JPH0736447B2 true JPH0736447B2 (ja) | 1995-04-19 |
Family
ID=16013290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63176415A Expired - Lifetime JPH0736447B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 半導体中性子線検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0736447B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5556475A (en) * | 1993-06-04 | 1996-09-17 | Applied Science And Technology, Inc. | Microwave plasma reactor |
| US5501740A (en) * | 1993-06-04 | 1996-03-26 | Applied Science And Technology, Inc. | Microwave plasma reactor |
| DE19532415C2 (de) * | 1995-09-01 | 1998-10-15 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren zum Betreiben eines Neutronendetektors sowie Neutronendetektor |
| US5726453A (en) * | 1996-09-30 | 1998-03-10 | Westinghouse Electric Corporation | Radiation resistant solid state neutron detector |
| FR3030781B1 (fr) * | 2014-12-19 | 2016-12-16 | Commissariat Energie Atomique | Procede de realisation d'un detecteur de neutrons et detecteur de neutrons |
-
1988
- 1988-07-15 JP JP63176415A patent/JPH0736447B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0227776A (ja) | 1990-01-30 |
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Legal Events
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