特許 6846923 半導体検出器、放射線検出器及び放射線検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6846923

(24)【登録日】2021年3月4日

(45)【発行日】2021年3月24日

(54)【発明の名称】半導体検出器、放射線検出器及び放射線検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01T 1/24 20060101AFI20210315BHJP

【ＦＩ】

   G01T1/24

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-249916(P2016-249916)

(22)【出願日】2016年12月22日

(65)【公開番号】特開2017-116550(P2017-116550A)

(43)【公開日】2017年6月29日

【審査請求日】2019年9月30日

(31)【優先権主張番号】102015000087721

(32)【優先日】2015年12月24日

(33)【優先権主張国】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】000155023

【氏名又は名称】株式会社堀場製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】松永 大輔

(72)【発明者】

【氏名】ガブリエレ ジャコミーニ

(72)【発明者】

【氏名】クラウディオ ピエモンテ

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−００２１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０９２４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５５７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０８９２１７９７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 A.Aurola, V.marochkin, M.Goloveva, T.Tuuva，Novel silicon drift detector design enabling low dark noise and simple manufacturing，Journal of Instrumentation, Institute of Physics Publishing，英国，Institute of Physics Publishing，２０１５年 ２月２６日，10 C02047，1-11

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ １／２４

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

板状の半導体部を備え、該半導体部の一面に、信号を出力するための信号出力電極と、該信号出力電極からの距離が互いに異なる複数の曲線状電極とが設けられた半導体検出器において、
前記半導体部に発生する電荷を収集するための収集電極を備え、
前記複数の曲線状電極は、前記半導体部内に前記信号出力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、
前記収集電極は、隣接する一対の曲線状電極の間に位置する前記半導体部の一部分に、前記一対の曲線状電極に沿った弧状に埋め込まれており、前記一部分に接触した状態で設けられていること
を特徴とする半導体検出器。

【請求項2】

前記収集電極は、前記複数の曲線状電極の内で前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記収集電極までの距離よりも短い位置にある曲線状電極に接続されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体検出器。

【請求項3】

前記収集電極は、前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記一対の曲線状電極までの距離よりも短い位置にある曲線状電極に接続されていること
を特徴とする請求項１又は２に記載の半導体検出器。

【請求項4】

前記複数の曲線状電極は、前記信号出力電極に遠い曲線状電極から前記信号出力電極に近い曲線状電極へ向けて電位が単調に変化す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半導体検出器。

【請求項5】

導電材で形成されており、一部が一の曲線状電極に接して該曲線状電極の上に設けられ、他の一部が前記収集電極に連結されている導電部を更に備えること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体検出器。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一つに記載の半導体検出器と、
該半導体検出器が実装された回路基板と、
前記半導体検出器及び前記回路基板を保持するベースプレートと
を備えることを特徴とする放射線検出器。

【請求項7】

放射線を検出する請求項１乃至５のいずれか一つに記載の半導体検出器と、
該半導体検出器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出力部と、
該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と
を備えることを特徴とする放射線検出装置。

【請求項8】

放射線を照射された試料から発生する放射線を検出する放射線検出装置において、
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１乃至５のいずれか一つに記載の半導体検出器と、
該半導体検出器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出力部と、
該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と、
該スペクトル生成部が生成したスペクトルを表示する表示部と
を備えることを特徴とする放射線検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、放射線を検出するための半導体検出器、放射線検出器及び放射線検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線等の放射線を検出するための放射線検出器には、半導体を用いた半導体検出器がある。液体窒素による冷却が必要である半導体検出器が多い一方で、液体窒素温度まで冷却を行わずともノイズを低減できるものにＳＤＤ（Silicon Drift Detector）がある。Ｓｉ（シリコン）を用いた半導体検出器の表面付近には、ＳｉとＳｉＯ₂ との界面が存在し、この界面では、放射線の入射に由来する電荷とは無関係の電荷が発生する。電荷の発生によって表面電流が発生し、表面電流はノイズ源となる。特許文献１には、ＳＤＤの表面付近で発生する電荷を表面で収集する技術が開示されている。一例として、特許文献１には、電荷を収集するために、表面に儲けられたリング状電極の一部を不連続にしたリバー構造を有するＳＤＤが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−２１５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の半導体検出器では、表面で収集した電荷を半導体検出器外へ流すためのボンディングパッドを表面に設けてある。表面の電荷を半導体検出器外へ流すことにより、表面電流が低減され、ノイズが低減される。しかしながら、ボンディングパッドを表面に設ける場合、ボンディングによるダメージで半導体検出器の作成の歩留まりが低下するという問題がある。また、特許文献１に開示されたリバー構造を有するＳＤＤでは、ＳｉＯ₂の作成状態によってＳｉとＳｉＯ₂ との界面の状態が変わり、高い効率で電荷を収集することは困難である。

【0005】

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、表面電流低減のための構成が原因で歩留まりを低下させることのない半導体検出器、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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る半導体検出器は、板状の半導体部を備え、該半導体部の一面に、信号を出力するための信号出力電極と、該信号出力電極からの距離が互いに異なる複数の曲線状電極とが設けられた半導体検出器において、前記半導体部に発生する電荷を収集するための収集電極を備え、前記複数の曲線状電極は、前記半導体部内に前記信号出力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、前記収集電極は、隣接する一対の曲線状電極の間に位置する前記半導体部の一部分に、前記一対の曲線状電極に沿った弧状に埋め込まれており、前記一部分に接触した状態で設けられていることを特徴とする。

【0007】

半導体部の表面に発生した電荷は弧状の収集電極によって収集され、表面電流が低減される。

【0008】

本発明に係る半導体検出器は、前記収集電極は、前記複数の曲線状電極の内で前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記収集電極までの距離よりも短い位置にある曲線状電極に接続されていることを特徴とする。

【0009】

半導体部の表面を流れる電荷は、半導体部の表面との電位の違いによって収集電極に収集される。更に、収集電極に電位を与えるための構成を単純にすることができる。

【0012】

本発明に係る半導体検出器は、前記収集電極は、前記信号出力電極からの距離が前記信号出力電極から前記一対の曲線状電極までの距離よりも短い位置にある曲線状電極に接続されていることを特徴とする。

【0013】

収集電極に接続された曲線状電極の電位は、収集電極が設けられた位置の半導体部の表面の電位と異なる。収集電極と半導体部の表面との間に電位差が発生する。

【0014】

本発明に係る半導体検出器は、前記複数の曲線状電極は、前記信号出力電極に遠い曲線状電極から前記信号出力電極に近い曲線状電極へ向けて順々に電位が単調に変化するように電圧が印加されることを特徴とする。

【0015】

曲線状電極の電位は順々に増加又は減少し、半導体部内に電位勾配が生成される。

【0016】

本発明に係る半導体検出器は、導電材で形成されており、一部が一の曲線状電極に接して該曲線状電極の上に設けられ、他の一部が前記収集電極に連結されている導電部を更に備えることを特徴とする。

【0017】

収集電極が曲線状電極に接続され、曲線状電極に電圧を印加するための経路を通って電荷が半導体検出器外へ流れる。

【0018】

本発明に係る放射線検出器は、本発明に係る半導体検出器と、該半導体検出器が実装された回路基板と、前記半導体検出器及び前記回路基板を保持するベースプレートとを備えることを特徴とする。

【0019】

半導体検出器の構造が単純になり、半導体検出器の歩留まりが向上する。このため、半導体検出器を用いた放射線検出器のコストが低下する。

【0020】

本発明に係る放射線検出装置は、放射線を検出する本発明に係る半導体検出器と、該半導体検出器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出力部と、該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部とを備えることを特徴とする。

【0021】

半導体検出器の歩留まりが向上することにより、半導体検出器を用いた放射線検出装置のコストが低下する。

【0022】

本発明に係る放射線検出装置は、放射線を照射された試料から発生する放射線を検出する放射線検出装置において、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本発明に係る半導体検出器と、該半導体検出器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出力部と、該出力部が出力した信号に基づいて、前記放射線のスペクトルを生成するスペクトル生成部と、該スペクトル生成部が生成したスペクトルを表示する表示部とを備えることを特徴とする。

【0023】

半導体検出器の歩留まりが向上することにより、半導体検出器を用いた放射線検出装置のコストが低下する。

【発明の効果】

【0024】

本発明にあっては、収集電極に収集された電荷は、曲線状電極に電圧を印加するための経路を通って半導体検出器外へ流れる。半導体部の表面で発生する表面電流を低減するための構成が単純になる。従って、半導体検出器の歩留まりが向上し、放射線検出装置のコストが低下する等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施形態１に係る半導体検出器の模式的な平面図である。

【図2】図１中のＩＩ−ＩＩ線で半導体検出器を切断した断面構造及び半導体検出器の電気的な接続態様を示すブロック図である。

【図3】図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線で半導体検出器を切断した模式的な断面図である。

【図4】半導体検出器を備える放射線検出器の模式的斜視図である。

【図5】放射線検出器の模式的断面図である。

【図6】放射線検出装置の機能構成を示すブロック図である。

【図7】信号出力電極から出力される電流の測定結果を示す特性図である。

【図8】実施形態２に係る半導体検出器の模式的断面図である。

【図9】実施形態３に係る半導体検出器の模式的な平面図である。

【図10】実施形態４に係る半導体検出器の模式的な平面図である。

【図11】図１０中のＸＩ−ＸＩ線で半導体検出器を切断した模式的な断面図である。

【図12】図１０中のＸＩＩ−ＸＩＩ線で半導体検出器を切断した模式的な断面図である。

【図13】実施形態５に係る半導体検出器の模式的な平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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に係る半導体検出器１の模式的な平面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線で半導体検出器１を切断した断面構造及び半導体検出器１の電気的な接続態様を示すブロック図である。図３は、図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線で半導体検出器１を切断した模式的な断面図である。半導体検出器１は、ＳＤＤである。半導体検出器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の一面の中央には、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１４が設けられている。信号出力電極１４の成分は、Ｓｉ層１１と同じ型のＳｉであり、リン等の特定の不純物がドープされている。また、Ｓｉ層１１の一面には、多重のリング状電極（曲線状電極）１２が設けられている。リング状電極１２の成分は、Ｓｉ層１１とは異なる型のＳｉである。例えば、リング状電極１２の成分は、ホウ素等の特定の不純物がＳｉにドープされたｐ＋Ｓｉである。リング状電極１２は、Ｓｉ層１１に接して設けられている。複数のリング状電極１２はほぼ同心であり、複数のリング状電極１２のほぼ中心に信号出力電極１４が位置している。図中には五つのリング状電極１２を示しているが、実際にはより多くのリング状電極１２が設けられている。なお、リング状電極１２の形状は円環が変形した形状であってもよく、多重のリング状電極１２は同心でなくともよい。また、信号出力電極１４は、多重のリング状電極１２の中心以外の位置に配置されていてもよく、Ｓｉ層１１の一面の中央以外の位置に配置されていてもよい。半導体検出器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、長方形又は台形等の形状であってもよい。

【0027】

Ｓｉ層１１の他面には、バイアス電圧が印加される電極である裏側電極１６がほぼ全面に形成されている。裏側電極１６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、裏側電極１６の成分はｐ＋Ｓｉである。Ｓｉ層１１の一面の信号出力電極１４及びリング状電極１２が形成されていない部分、並びにリング状電極１２の一部の上には、絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５の成分は、例えばＳｉＯ₂ である。図１では、絶縁膜１５を省略している。裏側電極１６は、電圧印加部３１に接続されている。また、多重のリング状電極１２の内、最も内側のリング状電極１２と最も外側のリング状電極１２とは、電圧印加部３１に接続されている。

【0028】

電圧印加部３１は、最も内側のリング状電極１２の電位が最も高く、最も外側のリング状電極１２の電位が最も低くなるように、電圧を印加する。また、半導体検出器１は、隣接するリング状電極１２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、隣接するリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分の成分を調整することで、二つのリング状電極１２が接続される電気抵抗チャネルが形成されている。即ち、複数のリング状電極１２は、電気抵抗を介して数珠つなぎに接続されている。このような複数のリング状電極１２に電圧印加部３１から電圧が印加されることによって、夫々のリング状電極１２は、外側のリング状電極１２から内側のリング状電極１２に向けて順々に単調に増加する電位を有する。即ち、リング状電極１２の電位は、信号出力電極１４に遠いリング状電極１２から信号出力電極１４に近いリング状電極１２へ向けて順々に増加する。なお、複数のリング状電極１２の中に、電位が同じ隣接する一対のリング状電極１２が含まれていてもよい。複数のリング状電極１２の電位によって、Ｓｉ層１１内には、段階的に信号出力電極１４に近いほど電位が高く信号出力電極１４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、裏側電極１６の電位が最も内側のリング状電極１２と最も外側のリング状電極１２との間の電位になるように、裏側電極１６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１４に近づくほど電位が高くなる電界が生成される。

【0029】

信号出力電極１４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。半導体検出器１は、全体的に円板状になっており、裏側電極１６が形成されている側の面が放射線の入射面となるように使用される。半導体検出器１の形状は、円板状以外の形状であってもよい。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、裏側電極１６を通過して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１４へ集中して流入する。本実施形態では、信号出力電極１４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１４へ流入する。信号出力電極１４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、半導体検出器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。主増幅器３２は、本発明における出力部に対応する。

【0030】

図４は、半導体検出器１を備える放射線検出器２の模式的斜視図であり、図５は、放射線検出器２の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、半導体検出器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。半導体検出器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。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。

【0031】

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。半導体検出器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は半導体検出器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、半導体検出器１へ入射しないように遮蔽する。半導体検出器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による半導体検出器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。

【0032】

図６は、放射線検出装置の機能構成を示すブロック図である。放射線検出器２には、半導体検出器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半導体検出器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、半導体検出器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、本発明におけるスペクトル生成部に対応する。

【0033】

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。更に、放射線検出装置は、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。

【0034】

図１〜図３に示すように、本実施形態では、隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に接触して、電極１３１が設けられている。図１には、電極１３１ａ、１３１ｂ及び１３１ｃの三つの電極１３１が設けられた例を示している。電極１３１が設けられた部分には絶縁膜１５が無く、電極１３１はＳｉ層１１の表面に接している。Ｓｉ層１１がｎ型の場合には、電極１３１はリン等の不純物がドーピングされた領域を含んでいる。図１及び図３には、リング状電極１２の間隙の内で三つの間隙の夫々に電極１３１が設けられた例を示している。図１に示すように、平面視で電極１３１の形状はドット状であり、リング状ではない。また、特定のリング状電極１２の上には、導電材でなる導電部１３２が設けられている。リング状電極１２上の導電部１３２が設けられた部分の一部には絶縁膜１５が無く、導電部１３２はリング状電極１２に接触している。図１〜図３には、三つのリング状電極１２の夫々の上に導電部１３２が設けられている例を示している。また、導電部１３２の一部は、Ｓｉ層１１の一面に沿って外側へ延伸し、電極１３１に連結している。即ち、電極１３１は、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２に導電部１３２を介して接続されている。電極１３１が接続されたリング状電極１２と信号出力電極１４との間の距離は、電極１３１と信号出力電極１４との間の距離よりも短い。図１及び図３に示した例では、電極１３１が接触しているＳｉ層１１の一部分を間に挟んだ一対のリング状電極１２よりも一つ内側のリング状電極１２に、電極１３１が接続されている。この例では、電極１３１が接続されたリング状電極１２と信号出力電極１４との間の距離は、Ｓｉ層１１の一部分を間に挟んだ一対のリング状電極１２と信号出力電極１４との間の距離よりも短い。

【0035】

電極１３１が接触している位置でのＳｉ層１１の表面の電位は、Ｓｉ層１１のこの位置での部分を間に挟んだ一対のリング状電極１２の内側のリング状電極１２の電位に対して若干高くなっている。電極１３１は、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２に導電部１３２を介して接続されているので、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２と同じ電位となっている。このため、電極１３１の電位は、電極１３１が接触している位置でのＳｉ層１１の表面の電位よりも高くなっている。Ｓｉ層１１の表面では、ＳｉとＳｉＯ₂ との界面に、半導体検出器１へ入射する放射線には由来しない電荷が発生する。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Ｓｉ層１１の表面を移動し、表面電流が発生する。実際には、正孔はすぐにリング状電極１２に収集され、電子は、電極１３１への導電経路がある場合に電極１３１へ流れる。表面電流を引き起こした電荷が信号出力電極１４へ流入した場合は、放射線に由来しない信号が信号出力電極１４から出力され、ノイズが発生する。電極１３１は、Ｓｉ層１１の表面よりも電位が高いので、Ｓｉ層１１の表面に発生した電子は電極１３１に収集される。これによって、表面電流が低減される。電極１３１は、本発明における収集電極に対応する。電極１３１に収集された電子は信号出力電極１４へ流入することは無いので、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制される。

【0036】

本実施形態に係る半導体検出器１と、電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤとで、信号出力電極１４から出力される電流を比較する実験を行った。実験では、電圧印加部３１からリング状電極１２に電圧を印加し、放射線が入射していない状態で、信号出力電極１４から出力される電流を測定した。図７は、信号出力電極１４から出力される電流の測定結果を示す特性図である。横軸は最も信号出力電極１４から遠いリング状電極１２に印加されたバイアス電圧を示し、縦軸は信号出力電極１４から出力される出力電流を示す。また、本実施形態に係る半導体検出器１から得られた出力電流の測定結果を実線で示し、電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤから得られた出力電流の測定結果を破線で示す。

【0037】

放射線が入射していない状態で信号出力電極１４から出力される出力電流には、信号出力電極１４へ流入した表面電流の電子による電流が含まれる。図７に示すように、電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤに比べて、本実施形態に係る半導体検出器１では、出力電流が減少している。Ｓｉ層１１の表面で電子が電極１３１に収集されることにより、表面電流が低減され、信号出力電極１４へ流入する電子が減少し、出力電流が減少していることが明らかである。表面電流を引き起こす電子の信号出力電極１４への流入が減少することにより、放射線に由来しない信号が信号出力電極１４から出力されることが抑制され、ノイズが低減される。ノイズが低減されることにより、放射線検出の精度が向上される。

【0038】

また、図７に示すように、電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤでは、バイアス電圧の絶対値の増加に応じて出力電流も増加する。電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤでは、バイアス電圧の絶対値の増加に応じた出力電流の増加率がＸ線照射量の積算値の増加に伴って増大することが確認された。このことから、電極１３１及び導電部１３２を備えていないＳＤＤでは、Ｘ線照射によって表面電流が増大し、経年劣化が進行することが推測される。本実施形態に係る半導体検出器１では、出力電流はより小さく、また、バイアス電圧の絶対値の増加に応じた出力電流の増加率もより小さい。このため、Ｘ線照射による表面電流の増大が抑制され、経年劣化がより緩やかである。従って、本実施形態に係る半導体検出器１は、電極１３１で表面電流を収集することによって、経年劣化が抑制され、寿命が長くなる。半導体検出器１を備えることにより、出力する信号に含まれるノイズが小さく長寿命の放射線検出器２が得られる。

【0039】

本実施形態では、電極１３１に最も近いリング状電極１２よりも信号出力電極１４との間の距離が短いリング状電極１２に電極１３１が接続されていることにより、Ｓｉ層１１の表面と電極１３１との電位差が大きくなり、効率良く電子が収集される。特に、電極１３１が接触しているＳｉ層１１の一部分を間に挟んだ一対のリング状電極１２の間の位置で発生した電子は、効率的に電極１３１に収集される。また、複数の箇所に電極１３１が設けられていることにより、Ｓｉ層１１の表面の様々な箇所で発生する電子は複数の箇所で電極１３１に収集され、効果的にノイズが低減される。また、本実施形態では、ＳｉとＳｉＯ₂ との界面の状態等の制御の難しい半導体検出器１の状態が変化したとしても、発生する電子と電極１３１との距離が短いので、効率良く電子が収集される。

【0040】

また、本実施形態では、電極１３１の形状は非リング状であるので、隣接するリング状電極１２の間には電極１３１が設けられていない部分が存在する。収集電極がリング状である場合は、複数のリング状電極に電位差を与えるために半導体検出器の外部に回路を設ける必要があり、技術上の難易度が高く、コストが上昇する。本実施形態では、電極１３１が非リング状であることにより、半導体検出器１内に電気抵抗を形成する等、容易に複数のリング状電極１２に電位差を与えるための構造を作ることができる。例えば、電極１３１が設けられていない部分に電気抵抗チャネルを形成することによって、隣接するリング状電極１２の間を接続する電気抵抗を容易に形成することが可能である。

【0041】

電極１３１に収集された電子は、導電部１３２を通じてリング状電極１２へ流れ、リング状電極１２から電圧印加部３１へ流れる。このため、収集した電子を半導体検出器１外へ流すためのボンディングパッドが不必要となる。表面電流を低減するための構成が単純になり、表面電流を低減するための構成が原因で半導体検出器１の作成の歩留まりが低下することが無くなる。このため、半導体検出器１の歩留まりが向上し、半導体検出器１のコストが低減される。従って、半導体検出器１を備えた放射線検出器２及び放射線検出装置のコストも低減される。

【0042】

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係る半導体検出器１の模式的断面図である。本実施形態では、電極１３１は、隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に埋設されている。電極１３１は導電部１３２に連結されている。半導体検出器１のその他の構成は、実施形態１と同様である。また、半導体検出器１を備えた放射線検出装置の構成は、実施形態１と同様である。電極１３１の電位は、電極１３１が設けられた位置でのＳｉ層１１の電位よりも高くなっている。Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、電極１３１に収集される。本実施形態では、電極１３１がＳｉ層１１に埋設されてあることにより、電極１３１が単にＳｉ層１１の表面に接触している場合に比べて、より効果的に電極１３１に電子が収集される。放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することがより効果的に抑制され、よりノイズが低減される。また、実施形態１と同様に、収集した電子を半導体検出器１外へ流すためのボンディングパッドが不必要となり、表面電流を低減するための構成が単純となる。半導体検出器１の歩留まりが向上し、半導体検出器１のコストが低減される。

【0043】

なお、実施形態１及び２では、複数の電極１３１が直線状に配置された形態を示したが、複数の電極１３１は非直線状に配置されていてもよい。例えば、平面視で、電極１３１ａ又は１３１ｂは、電極１３１ｃと信号出力電極１４とを結ぶ線に対して、電極１３１ａ又は１３１ｂと信号出力電極１４とを結ぶ線が約９０度の角度をなすような位置に配置されていてもよい。また例えば、電極１３１ａ、１３１ｂ及び１３１ｃの夫々と信号出力電極１４とを結ぶ線が互いに約１２０度の角度をなすような位置に電極１３１ａ、１３１ｂ及び１３１ｃが配置されていてもよい。また例えば、電極１３１ａ、１３１ｂ及び１３１ｃの夫々と信号出力電極１４とを結ぶ線は互いにランダムな角度をなしてもよい。また、実施形態１及び２では、一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に一つの電極１３１が設けられた形態を示したが、一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に複数の電極１３１が設けられていてもよい。また、一つのリング状電極１２に複数の電極１３１が接続されていてもよい。また、実施形態１及び２では、電極１３１に最も近い内側のリング状電極１２よりも一つ内側のリング状電極１２に電極１３１が接続されている例を示したが、電極１３１は、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２に接続されていてもよい。この場合は、Ｓｉ層１１の表面と電極１３１との電位差がより大きくなる。

【0044】

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係る半導体検出器１の模式的な平面図である。実施形態１及び２と同様に、Ｓｉ層１１の一面には、信号出力電極１４と、多重のリング状電極１２が設けられている。隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に電極１３１が設けられている。特定のリング状電極１２の上には、導電部１３２が設けられており、導電部１３２はリング状電極１２に接触している。導電部１３２の一部が外側へ延伸して電極１３１に連結していることによって、電極１３１は、より信号出力電極１４に近い位置にあるリング状電極１２に導電部１３２を介して接続されている。電極１３１よりも外側に位置しているリング状電極１２は、周方向に一部が分断している。一部が分断しているリング状電極１２は、形状がリング状ではないが、便宜上、ここではリング状電極１２と言う。Ｓｉ層１１の表面には、リング状電極１２が分断することによってリング状電極１２が設けられていない分断部分１２１が形成されている。半導体検出器１のその他の構成は、実施形態１又は２と同様である。また、半導体検出器１を備えた放射線検出装置の構成は、実施形態１及び２と同様である。

【0045】

実施形態１及び２と同様に、電極１３１の電位は、電極１３１が設けられている位置でのＳｉ層１１の電位よりも高くなっている。Ｓｉ層１１の表面では、入射する放射線に由来しない電子が発生し、発生した電子は電極１３１に収集される。特に、電極１３１が設けられているＳｉ層１１の一部分を間に挟んだ一対のリング状電極１２の間の位置で発生した電子が電極１３１に収集される。実施形態１と同様に、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、ノイズが低減される。また、実施形態１及び２と同様に、収集した電子を半導体検出器１外へ流すためのボンディングパッドが不必要となり、表面電流を低減するための構成が単純となる。半導体検出器１の歩留まりが向上し、半導体検出器１のコストが低減される。

【0046】

本実施形態では、電極１３１よりも外側に位置しているリング状電極１２の一部が分断しているので、電極１３１よりも外側にあるＳｉ層１１の表面で発生した電子は、分断部１２１を通って、より電位が高い内側へ流れ、電極１３１に収集される。電極１３１は、より外側で発生した電子を収集することができるので、一つの電極１３１で電子を収集する効率が向上する。このため、本実施形態では、実施形態１及び２に比べて電極１３１の数を減少させることができる。

【0047】

（実施形態４）
図１０は、実施形態４に係る半導体検出器１の模式的な平面図である。図１１は、図１０中のＸＩ−ＸＩ線で半導体検出器１を切断した模式的な断面図である。図１２は、図１０中のＸＩＩ−ＸＩＩ線で半導体検出器１を切断した模式的な断面図である。実施形態１〜３と同様に、Ｓｉ層１１の一面には、信号出力電極１４と、多重のリング状電極１２が設けられている。電極１３１は、隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に埋設されている。特定のリング状電極１２の上には、導電部１３２が設けられており、導電部１３２はリング状電極１２に接触している。導電部１３２は、外側へ延伸した延伸部１３３に連結されている。延伸部１３３は導電性である。延伸部１３３は電極１３１に連結されている。即ち、電極１３１は、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２に延伸部１３３及び導電部１３２を介して接続されている。図１０では、電極１３１、導電部１３２及び延伸部１３３をハッチングで示している。図１０に示すように、導電部１３２は、他の導電部１３２に連結された延伸部１３３と平面視で重ならないような形状になっている。図１１及び図１２に示すように、延伸部１３３とＳｉ層１１及びリング状電極１２との間には、絶縁膜１５が設けられている。図１０では、絶縁膜１５を省略している。

【0048】

図１０に示すように、平面視で電極１３１の形状は弧状である。例えば、平面視で電極１３１の形状は、リングの周方向の一部が分断した形状になっている。隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分には、一対のリング状電極１２の間に電極１３１が全く存在していない非電極部１７が含まれている。非電極部１７には、例えば、一対のリング状電極１２の間に接続される電気抵抗チャネルが設けられている。非電極部１７には、電気抵抗チャネルが設けられていなくてもよい。図１１及び図１２に示すように、電極１３１は、延伸部１３３と連結されている部分以外の部分は、絶縁膜１５で覆われている。半導体検出器１のその他の構成は、実施形態１又は２と同様である。また、半導体検出器１を備えた放射線検出装置の構成は、実施形態１及び２と同様である。

【0049】

実施形態１〜３と同様に、電極１３１の電位は、電極１３１が設けられた位置でのＳｉ層１１の電位よりも高くなっている。Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、電極１３１に収集される。実施形態１〜３と同様に、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、ノイズが低減される。また、実施形態１〜３と同様に、収集した電子を半導体検出器１外へ流すためのボンディングパッドが不必要となり、表面電流を低減するための構成が単純となる。半導体検出器１の歩留まりが向上し、半導体検出器１のコストが低減される。

【0050】

本実施形態では、電極１３１の形状が弧状になっているので、形状がドット状である場合に比べて、Ｓｉ層１１のより多くの部分が電極１３１に接触している。このため、Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、より確実に電極１３１に収集される。また、電極１３１の形状がリング状ではなく、弧状であることによって、隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分には、非電極部１７が含まれている。非電極部１７に、一対のリング状電極１２が接続される電気抵抗チャネルが設けられている場合は、電極１３１と電気抵抗チャネルが重なり合うことが無くなる。重なり合った電極１３１と電気抵抗チャネルとの間で電荷が相殺することが無く、電極１３１と電気抵抗チャネルとは互いに影響を及ぼさずに機能する。

【0051】

（実施形態５）
図１３は、実施形態５に係る半導体検出器１の模式的な平面図である。実施形態１〜４と同様に、Ｓｉ層１１の一面には、信号出力電極１４と、多重のリング状電極１２が設けられている。複数の電極１３１が、隣接する一対のリング状電極１２の間に位置するＳｉ層１１の一部分に設けられている。図１３には、隣接する一対のリング状電極１２の間に三個の電極１３１が設けられた例を示している。隣接する一対のリング状電極１２の間に設けられた電極１３１の数は、二個であってもよく、四個以上であってもよい。電極１３１の形状は平面視でドット状である。なお、電極１３１の形状は平面視で弧状であってもよい。

【0052】

特定のリング状電極１２の上には、導電部１３２が設けられており、導電部１３２はリング状電極１２に接触している。導電部１３２は、外側へ延伸した延伸部１３３に連結されている。延伸部１３３は導電性である。隣接する一対のリング状電極１２の間に設けられた複数の電極１３１は、複数の延伸部１３３に１対１に連結されている。即ち、各電極１３１は、個別に、より信号出力電極１４に近いリング状電極１２に延伸部１３３及び導電部１３２を介して接続されている。半導体検出器１のその他の構成は、実施形態１又は２と同様である。図１３では、絶縁膜１５を省略している。また、半導体検出器１を備えた放射線検出装置の構成は、実施形態１及び２と同様である。

【0053】

実施形態１〜４と同様に、電極１３１の電位は、電極１３１が設けられた位置でのＳｉ層１１の電位よりも高くなっている。Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、電極１３１に収集される。実施形態１〜４と同様に、放射線に由来しない電子が信号出力電極１４へ流入することが抑制され、ノイズが低減される。また、実施形態１〜４と同様に、収集した電子を半導体検出器１外へ流すためのボンディングパッドが不必要となり、表面電流を低減するための構成が単純となる。半導体検出器１の歩留まりが向上し、半導体検出器１のコストが低減される。

【0054】

本実施形態では、隣接する一対のリング状電極１２の間に複数の電極１３１が設けられているので、電極１３１が単数である場合に比べて、より多くの位置で電荷が電極１３１に収集される。このため、Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、より確実に電極１３１に収集される。また、各電極１３１が弧状である形態では、Ｓｉ層１１のより多くの部分が電極１３１に接触し、Ｓｉ層１１の表面で発生した放射線に由来しない電子は、更に確実に電極１３１に収集される。

【0055】

なお、以上の実施形態１〜５では、半導体部（Ｓｉ層１１）がｎ型半導体でなりリング状電極１２がｐ型半導体でなる例を示したが、半導体検出器１は、半導体部がｐ型半導体でなりリング状電極１２がｎ型半導体でなる形態であってもよい。また、実施形態１〜５では、放射線により発生した電子が信号出力電極１４へ集中して流入する形態を主に示したが、半導体検出器１は、放射線により発生した正孔が信号出力電極１４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１４に遠いリング状電極１２から信号出力電極１４に近いリング状電極１２へ向けて順々に電位が単調に減少し、裏側電極１６の電位が最も内側のリング状電極１２と最も外側のリング状電極１２との間の電位になるように電圧を印加する。Ｓｉ層１１の表面では、ＳｉとＳｉＯ₂ との界面で発生した正孔が信号出力電極１４へ向けて移動し、表面電流が発生する。電極１３１は、設けられた位置でのＳｉ層１１よりも電位が低く、正孔を収集する。

【0056】

また、以上の実施形態１〜５では、複数の曲線状電極が多重のリング状電極１２である形態を示したが、半導体検出器１は、リング状以外の形状の曲線状電極を備えた形態であってもよい。夫々の曲線状電極は、信号出力電極１４までの距離が互いに異なる。複数の曲線状電極は、電圧印加部３１から電圧が印加され、順々に異なる電位を呈し、Ｓｉ層１１内に電位勾配を生成させる。例えば、各曲線状電極の形状は弧状であってもよい。

【0057】

また、電極１３１の形状は、非リング状であれば、ドット状又は弧状以外の形状であってもよい。また、半導体検出器１は、電子又は正孔以外の電荷を電極１３１で収集する形態であってもよい。また、放射線検出装置は、照射部３３を備えておらず、外部から入射した放射線を検出する形態であってもよい。

【符号の説明】

【0058】

１ 半導体検出器
１１ Ｓｉ層（半導体部）
１２ リング状電極（曲線状電極）
１３１ 電極（収集電極）
１３２ 導電部
１４ 信号出力電極
２ 放射線検出器
２１ 前置増幅器
２２ 回路基板
２４ ベースプレート
３１ 電圧印加部
３２ 主増幅器（出力部）
３３ 照射部
４１ 信号処理部（スペクトル生成部）
４４ 表示部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】