特許 6948668 中性子半導体検出器

(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】6948668

(24)【登録日】2021年9月24日

(45)【発行日】2021年10月13日

(54)【発明の名称】中性子半導体検出器

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/08 20060101AFI20210930BHJP

   G01T 1/24 20060101ALI20210930BHJP

   G01T 1/29 20060101ALI20210930BHJP

【ＦＩ】

   G01T3/08

   G01T1/24

   G01T1/29 C

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-37321(P2017-37321)

(22)【出願日】2017年2月28日

(65)【公開番号】特開2018-141749(P2018-141749A)

(43)【公開日】2018年9月13日

【審査請求日】2020年2月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(73)【特許権者】

【識別番号】516088329

【氏名又は名称】株式会社ＡＮＳｅｅＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(72)【発明者】

【氏名】中野 貴之

(72)【発明者】

【氏名】青木 徹

(72)【発明者】

【氏名】井上 翼

(72)【発明者】

【氏名】小池 昭史

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２７２５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１６３２４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２８４７５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Andrew Geier Melton，DEVELOPMENT OF WIDE BANDGAP SOLID-STATE NEUTRON DETECTORS，In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology，2011年

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｔ ３／０８

Ｇ０１Ｔ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に形成されたＰ型半導体の窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下であるＰ層と、
前記Ｐ層上に形成され、ＧａＮとホウ素（Ｂ）とを混晶させた真性半導体のＢＧａＮを含み、キャリア濃度が０ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記Ｐ層の中央の面である被覆面を被覆するＩ層と、
前記Ｉ層上に形成されたＮ型半導体のＧａＮを含み、キャリア濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下であるＮ層と、
前記Ｐ層に電気的に接続されており、長尺状を呈する一対の第１電極と、
前記Ｎ層に電気的に接続されており、二次元状に配列された複数の第２電極と、を備え、
前記Ｉ層及び前記Ｎ層は、それぞれ単一の構成として形成され、
複数の前記第２電極は、単一の構成である前記Ｎ層上に互いに離間して配列され、
前記一対の第１電極は、前記Ｐ層の外縁に沿って、前記Ｐ層上の前記Ｉ層に被覆されていない両端側の面である露出面において延在し、前記被覆面を挟んで配置される、
中性子半導体検出器。

【請求項2】

前記Ｐ層、前記Ｉ層、及び前記Ｎ層のそれぞれは、一つずつ設けられている、請求項１に記載の中性子半導体検出器。

【請求項3】

前記第１電極及び複数の前記第２電極のそれぞれに電気的に接続され、前記第１電極と複数の前記第２電極のそれぞれとの間の電気信号を読み取る信号読取回路を備える、請求項１又は２に記載の中性子半導体検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、中性子半導体検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の中性子検出器として、例えば特許文献１に記載される検出器は、Ｐ型半導体又はＮ型半導体であるシリコン基板と、シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜上に形成され、ホウ素（Ｂ）を含有することで中性子の入射に応じてα線を生成するコンバータ層と、Ｎ型半導体又はＰ型半導体を有することでシリコン基板との間でＰＮ接合を形成し、コンバータ層により生成されたα線の入射に応じて電子及びホールを生成する複数の検出部と、検出部に電気的に接続された配線と、を備えている。

【0003】

この中性子検出器では、複数の検出部がシリコン基板上に配列されており、且つ、コンバータ層により生成されたα線がその直下の検出部のみに到達し得るようにするための遮蔽金属が各検出部の上方に配置されている。これにより、各検出部が複数の画素としてそれぞれ機能し、検出部ごとにα線を検出することで、中性子がコンバータ層に入射した位置を特定することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１８１０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したような中性子検出器では、中性子が入射する側の最表層であるコンバータ層に中性子が入射し、当該中性子がコンバータ層に含有されるＢと反応することで、あらゆる方向にα線が生成される。生成されたα線のうち、その直下の検出部に向かって進行するα線のみが検出部に入射する。したがって、このような中性子検出器では、コンバータ層への中性子の入射に応じて生成されるα線のうちのごく一部のα線のみしか検出されないため、中性子の検出効率が良くない。

【0006】

そこで、本発明は、中性子の入射位置を特定可能としつつ、中性子の検出効率を向上させることができる中性子半導体検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る中性子半導体検出器は、基板と、基板上に形成されたＰ型半導体の窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むＰ層と、Ｐ層上に形成され、ＧａＮとホウ素（Ｂ）とを混晶させた真性半導体のＢＧａＮを含むＩ層と、Ｉ層上に形成されたＮ型半導体のＧａＮを含むＮ層と、Ｐ層に電気的に接続された第１電極と、Ｎ層に電気的に接続され、Ｎ層上に配列された複数の第２電極と、を備える。

【0008】

この中性子半導体検出器では、Ｐ型半導体のＧａＮを含むＰ層と、Ｐ層上に形成され、ＧａＮとＢとを混晶させた真性半導体のＢＧａＮを含むＩ層と、Ｉ層上に形成されたＮ型半導体のＧａＮを含むＮ層と、が設けられている。このため、Ｉ層に中性子が入射すると、Ｉ層に含有されるＢによる中性子捕獲（ｎ、α）反応によりあらゆる方向にα線が生成される。生成されたα線は、同じＩ層に含有されるＧａＮを励起して電子及びホールを生成する。つまり、Ｉ層への中性子の入射に応じて生成されたα線は、その進行する方向によらず、電子及びホールとして検出可能である。また、この中性子半導体検出器では、Ｐ層に第１電極が設けられ、Ｉ層上に形成されたＮ層上に複数の第２電極が配列されている。このため、第１電極と第２電極との間にＰ層、Ｉ層、及びＮ層に対するバイアス電圧が印加されると、Ｉ層に含有されるＧａＮにより生成された電子及びホールのうちのホールがＰ層を通過して第１電極に到達し、電子がＮ層を通過して第２電極に到達する。ここで、一般に、ホールがＰ層を通過する抵抗よりも電子がＮ層を通過する抵抗の方が小さい。このため、Ｉ層で生成された電子は、Ｉ層からＮ層を通過して第２電極に到達するまでＰ層、Ｉ層、及びＮ層の積層方向に沿って直線的に進行する。これにより、Ｉ層で生成された電子のうち、Ｎ層上に配列された複数の第２電極のそれぞれの直下において生成された電子は、その直上に位置する当該第２電極に到達する。したがって、別途の構成を設けなくても、各第２電極が複数の画素としてそれぞれ機能し、第２電極ごとに電子を検出することで、中性子がＩ層に入射した位置を特定することができる。以上により、この中性子半導体検出器によれば、中性子の入射位置を特定可能としつつ、中性子の検出効率を向上させることができる。

【0009】

本発明に係る中性子半導体検出器では、Ｐ層、Ｉ層、及びＮ層のそれぞれは、一つずつ設けられていてもよい。これによれば、Ｐ層、Ｉ層、及びＮ層を複数設けないため、簡便な構成を実現することができる。

【0010】

本発明に係る中性子半導体検出器では、第１電極及び複数の第２電極のそれぞれに電気的に接続され、第１電極と複数の第２電極のそれぞれとの間の電気信号を読み取る信号読取回路を備えてもよい。これによれば、検出した中性子の数に対応する信号を自動的に検出すると共に、これらの中性子の入射位置に関する情報を自動的に取得することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、中性子の入射位置を特定可能としつつ、中性子の検出効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態に係る中性子半導体検出器を示す断面図である。

【図2】図１の中性子半導体検出器の積層体を示す斜視図である。

【図3】図２の積層体の平面視における部分的な顕微鏡写真である。

【図4】図１の中性子半導体検出器のＩ層における中性子検出の原理を説明するための模式図である。

【図5】実施例に係る中性子半導体検出器のＰ層とＮ層との間における電流電圧特性を測定した結果を示すグラフである。

【図6】実施例に係る中性子半導体検出器においてＩ層へのα線の入射に応じた電気信号を測定した結果を示すグラフである。

【図7】実施例に係る中性子半導体検出器と比較例に係る中性子半導体検出器とのそれぞれにおいて各Ｉ層へのα線の入射に応じた各電気信号を測定した結果を比較して示すグラフである。

【図8】比較例に係る中性子半導体検出器を示す断面図である。

【図9】比較例に係る中性子半導体検出器においてＧａＮで形成されたＩ層への中性子の入射に応じた電気信号を測定した結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［中性子半導体検出器の構成］

【0014】

図１は、本実施形態に係る中性子半導体検出器を示す断面図である。図２は、図１の中性子半導体検出器の積層体を示す斜視図である。図３は、図２の積層体の平面視における部分的な顕微鏡写真である。図１〜図３に示されるように、中性子半導体検出器１は、積層体１０及び信号読取部３０を備えている。中性子半導体検出器１は、中性子ｎの入射位置を特定可能な中性子検出器である。中性子半導体検出器１は、検出する中性子ｎとホウ素（Ｂ）との中性子捕獲（ｎ、α）反応（図１中のＲ１）によりα線ａを生成し、このα線ａによる窒化ガリウム（ＧａＮ）の励起（図１中のＲ２）に応じて生成される電子ｅ及びホールｈを検出することで、中性子ｎを検出する。ここで、中性子捕獲（ｎ、α）反応とは、Ｂの原子核が中性子ｎを捕獲すると共にγ線を放出する反応である（図４参照）。

【0015】

積層体１０は、サファイア基板（基板）１１、ＧａＮバッファー層（基板）１２、Ｐ層１３、Ｉ層１４、Ｎ層１５、第１電極２１、及び第２電極２２を有している。積層体１０において、サファイア基板（基板）１１、ＧａＮバッファー層（基板）１２、Ｐ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５のそれぞれは、一つずつ設けられている。

【0016】

サファイア基板１１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含んでいる。サファイア基板１１は、平面視において、例えば長方形状を呈している。サファイア基板１１は、積層体１０の最下層である。

【0017】

ＧａＮバッファー層１２は、ＧａＮを含んでいる。ＧａＮバッファー層１２は、サファイア基板１１上に形成された層である。ＧａＮバッファー層１２は、平面視において、当該ＧａＮバッファー層１２の外縁１２ａがサファイア基板１１の外縁１１ａと一致するように（すなわち、例えば長方形状に）形成されている。ＧａＮバッファー層１２は、サファイア基板１１上に低温で成長させることにより形成される。

【0018】

Ｐ層１３は、Ｐ型半導体のＧａＮを含んでいる。Ｐ層１３では、キャリア（ホール）濃度は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）ドープにより、例えば１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の範囲とされている。Ｐ層１３は、ＧａＮバッファー層１２上に形成された層である。Ｐ層１３は、平面視において、当該Ｐ層１３の外縁１３ａがサファイア基板１１の外縁１１ａ及びＧａＮバッファー層１２の外縁１２ａと一致するように（すなわち、例えば長方形状に）形成されている。Ｐ層１３は、格子及び熱膨張係数のそれぞれが大きく相違するサファイア基板１１上ではなくＧａＮバッファー層１２上に形成されるため、結晶品質の低下が抑制される。

【0019】

Ｉ層１４は、ＧａＮとＢとを混晶させた真性半導体のＢＧａＮを含んでいる。ここで、「混晶させる」とは、III族窒化物であるＧａＮに、同じくIII族窒化物のＢＮを取り込ませることを意味している。また、ここでの「真性半導体」とは、Ｐ層１３及びＮ層１５と比較してキャリア濃度の低い半導体を意味している。より具体的には、Ｉ層１４では、キャリア濃度は、例えば０ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下の範囲とされている。なお、Ｉ層１４では、キャリア濃度は、Ｉ層１４を空乏化することができる範囲であればよい。

【0020】

Ｉ層１４は、Ｐ層１３上に形成された層である。Ｉ層１４は、平面視において、当該Ｉ層１４の外縁１４ａの一部がＰ層１３の外縁１３ａの内側に位置するように形成されている。つまり、Ｉ層１４は、平面視において、Ｐ層１３の上面（ＧａＮバッファー層１２とは反対側の面）のうちの一部である被覆面１３ｂのみを被覆している。換言すると、Ｉ層１４は、平面視において、Ｐ層１３の上面のうちの被覆面１３ｂを除く残部である露出面１３ｃを被覆していない（つまり、Ｐ層１３の露出面１３ｃは、Ｉ層１４に被覆されず露出している。）。具体的な形状としては、Ｉ層１４は、平面視において、例えば正方形状に形成されている。

【0021】

Ｎ層１５は、Ｎ型半導体のＧａＮを含んでいる。Ｎ層１５では、キャリア（電子）濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の範囲とされている。Ｎ層１５は、Ｉ層１４上に形成された層である。Ｎ層１５は、平面視において、当該Ｎ層の外縁１５ａがＩ層１４の外縁１４ａと一致するように（すなわち、例えば正方形状に）形成されている。

【0022】

第１電極２１は、Ｐ層１３に電気的に接続されるように、Ｐ層１３上に形成されている。より具体的には、第１電極２１は、Ｐ層１３の露出面１３ｃ上において、Ｐ層１３の外縁１３ａに沿った位置に、長尺状に形成されている。なお、第１電極２１は、図中に示されるように複数（ここでは、２個）設けられていなくてもよく、１個のみ設けられていてもよい。第１電極２１としては、一例としてＡｕ／Ｎｉ電極（すなわち、Ｐ層１３上にコンタクト層として設けられたＮｉの上に、当該Ｎｉの酸化防止のためのＡｕが設けられた構成の電極）が挙げられるが、これに限定されるものではなく、Ｐ層１３上にオーミック接触を形成することができる電極であればよい。

【0023】

第２電極２２は、Ｎ層１５に電気的に接続されるように、Ｎ層１５上に形成されている。第２電極２２は、Ｎ層１５上に複数（ここでは、４９個）配列されている。より具体的には、各第２電極２２は、平面視において、例えば正方形状を呈し、Ｎ層１５上に互いに離間して７行７列のマトリックス状に（すなわち、格子点の位置に）配列されている。図３には、４９個の第２電極２２のうち、４個の第２電極２２が示されている。なお、第２電極２２は、７行７列のマトリックス状に配列されていなくてもよく、これとは行数及び列数の少なくとも一方が異なるマトリックス状に配列されていてもよい。また、第２電極２２は、マトリックス状に配列されていなくてもよく、例えばハニカム状に配列されていてもよい。第２電極２２としては、一例としてＡｌ電極が挙げられるが、これに限定されるものではなく、Ｎ層１５上にオーミック接触を形成することができる電極であればよい。

【0024】

図１に示されるように、信号読取部３０は、電源３１及び信号読取回路３２を有している。また、信号読取部３０は、積層体１０、電源３１、及び信号読取回路３２を電気的に直列に接続する電線３３、及び、電線３３において積層体１０と電源３１との間に電気的に接続されたグラウンド（接地）３４を有している。

【0025】

電源３１は、直流可変電源である。電源３１は、第１電極２１が正極となり、第２電極２２が負極となるように、積層体１０に対して電圧を印加する。すなわち、電源３１は、第１電極２１と第２電極２２との間にＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５により構成されたダイオード構造に対するバイアス電圧を印加する。

【0026】

信号読取回路３２は、第１電極２１と各第２電極２２との間の電気信号を読み取る回路である。信号読取回路３２は、電線３３を介して、第１電極２１及び各第２電極２２に電気的に接続されている。信号読取回路３２の具体的な回路構成は、特定の回路構成に限定されない。例えば、信号読取回路３２は、各第２電極２２に流れ込んだ電荷を順に読み出す構成であってもよく、或いは、信号読取回路３２は、各第２電極２２に対応する複数の回路が並列に設けられ、各回路に対応する第２電極２２に流れ込んだ電荷を当該回路がそれぞれ読み出す構成であってもよい。
［中性子半導体検出器の動作］

【0027】

図４は、図１の中性子半導体検出器のＩ層における中性子検出の原理を説明するための模式図である。図１及び図４に示されるように、中性子ｎが中性子半導体検出器１のＩ層１４の有感層（空乏層）に入射すると、当該中性子ｎの一部と、Ｉ層１４に含有され、他の元素と比較して中性子ｎの質量減弱係数の大きいＢと、の間で中性子捕獲（ｎ、α）反応（図１及び図４中のＲ１）が起こる。これにより、あらゆる方向（特に限定されない方向）にα線ａが生成されると共に、γ線ｇが放出される。

【0028】

生成されたα線ａは、同じＩ層１４に含有されるＧａＮを励起（図１及び図４中のＲ２）して電子ｅ及びホールｈを生成する。つまり、生成されたα線ａは、その進行する方向によらず、ＧａＮを励起して電子ｅ及びホールｈを生成する。一方、γ線のＧａＮに対する透過性が高いことから、生成されたγ線ｇは、Ｉ層１４を透過して外部へと進行する。

【0029】

ここで、図１に示されるように、電源３１により第１電極２１と第２電極２２との間にＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５に対するバイアス電圧が印加されると、ホールｈがＰ層１３を通過して第１電極２１に到達し、電子ｅがＮ層１５を通過して第２電極２２に到達する。一般に、ホールがＰ層を通過する抵抗よりも電子がＮ層を通過する抵抗の方が小さい。このため、電子ｅは、Ｉ層１４からＮ層１５を通過して第２電極２２に到達するまでＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５の積層方向Ｄに沿って直線的に進行する。これにより、電子ｅのうち、Ｎ層１５上に配列された複数の第２電極２２のそれぞれの直下において生成された電子ｅは、その直上に位置する当該第２電極２２に到達する。図１においては、複数の第２電極２２のうちの第２電極２２ａの直下において生成された電子ｅが当該第２電極２２ａに到達し、第２電極２２ｂの直下において生成された電子ｅが当該第２電極２２ｂに到達することが示されている。

【0030】

また、信号読取回路３２により、各第２電極２２に到達した電子ｅの数に対応する信号が第２電極２２ごとに自動的に検出される。なお、複数の第２電極２２のうち、いずれの第２電極２２に電子ｅが到達するかについては、Ｉ層１４における中性子ｎの入射位置に依存している。このため、各第２電極２２に到達した電子ｅの数に対応する信号を第２電極２２ごとに検出することにより、Ｉ層１４における中性子ｎの入射位置に関する情報についても併せて取得することができる。
［作用及び効果］

【0031】

以上説明したように、中性子半導体検出器１では、Ｐ型半導体のＧａＮを含むＰ層１３と、Ｐ層１３上に形成され、ＧａＮとＢとを混晶させた真性半導体のＢＧａＮを含むＩ層１４と、Ｉ層１４上に形成されたＮ型半導体のＧａＮを含むＮ層１５と、が設けられている。このため、Ｉ層１４に中性子ｎが入射すると、Ｉ層１４に含有されるＢによる中性子捕獲（ｎ、α）反応によりあらゆる方向にα線ａが生成される。生成されたα線ａは、同じＩ層１４に含有されるＧａＮを励起して電子ｅ及びホールｈを生成する。つまり、Ｉ層１４への中性子ｎの入射に応じて生成されたα線ａは、その進行する方向によらず、電子ｅ及びホールｈとして検出可能である。また、中性子半導体検出器１では、Ｐ層１３に第１電極２１が設けられ、Ｉ層１４上に形成されたＮ層１５上に複数の第２電極２２が配列されている。このため、電源３１により第１電極２１と第２電極２２との間にＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５に対するバイアス電圧が印加されると、Ｉ層１４に含有されるＧａＮにより生成された電子ｅ及びホールｈのうちのホールｈがＰ層１３を通過して第１電極２１に到達し、電子ｅがＮ層１５を通過して第２電極２２に到達する。ここで、一般に、ホールがＰ層を通過する抵抗よりも電子がＮ層を通過する抵抗の方が小さい。このため、Ｉ層１４で生成された電子ｅは、Ｉ層１４からＮ層１５を通過して第２電極２２に到達するまでＰ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５の積層方向Ｄに沿って直線的に進行する。これにより、Ｉ層１４で生成された電子ｅのうち、Ｎ層１５上に配列された複数の第２電極２２のそれぞれの直下において生成された電子ｅは、その直上に位置する当該第２電極２２に到達する。したがって、別途の構成を設けなくても、各第２電極２２が複数の画素としてそれぞれ機能し、第２電極２２ごとに電子ｅを検出することで、中性子ｎがＩ層１４に入射した位置を特定することができる。以上により、中性子半導体検出器１によれば、中性子ｎの入射位置を特定可能としつつ、中性子ｎの検出効率を向上させることができる。

【0032】

中性子半導体検出器１では、Ｐ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５のそれぞれは、一つずつ設けられている。これによれば、Ｐ層１３、Ｉ層１４、及びＮ層１５を複数設けないため、簡便な構成を実現することができる。

【0033】

中性子半導体検出器１では、第１電極２１及び複数の第２電極２２のそれぞれに電気的に接続され、第１電極２１と複数の第２電極２２のそれぞれとの間の電気信号を読み取る信号読取回路３２を備えている。これによれば、検出した中性子ｎの数に対応する信号を自動的に検出すると共に、これらの中性子ｎの入射位置に関する情報を自動的に取得することができる。
［実施例］

【0034】

続いて、本実施形態に係る中性子半導体検出器１の一実施例について説明する。ここでは、一実施例に係る中性子半導体検出器を作製し、以下の特性及び電気信号を取得した。

【0035】

図５は、実施例に係る中性子半導体検出器のＰ層とＮ層との間における電流電圧特性を測定した結果を示すグラフである。図５には、本実施例において、Ｉ層を介して積層しているＰ層とＮ層との間に電圧を印加し、その電圧値（横軸）を−１０［Ｖ］から１０［Ｖ］までの間で変化させた場合に出力された電流値（縦軸）が示されている。図５に示されるように、この測定により、Ｐ層、Ｉ層、及びＮ層の積層構造がダイオードと同様の電流電圧特性を有していることが確認された。

【0036】

次に、Ｉ層においてα線が生成された場合に、そのα線が適切に検出されることを確認するため、以下の測定を行った。図６は、実施例に係る中性子半導体検出器においてＩ層へのα線の入射に応じた電気信号を測定した結果を示すグラフである。図６には、本実施例において、Ｉ層にα線を入射させた場合に信号読取部に出力された電圧値（縦軸）が横軸を時間として示されている。ここでは、α線として、アメリシウム（Ａｍ）から放出されるα線が用いられている。図６に示されるように、Ｉ層へのα線の入射に応じて電圧値が上昇したことから、本実施例に係る中性子半導体検出器によってα線を適切に検出することができることが確認された。また、電圧値の立ち上がりの応答時間は１．６［μｓ］であることが確認された。
［比較例］

【0037】

図７は、実施例に係る中性子半導体検出器と比較例に係る中性子半導体検出器とのそれぞれにおいて各Ｉ層へのα線の入射に応じた各電気信号を測定した結果を比較して示すグラフである。図８は、比較例に係る中性子半導体検出器を示す断面図である。まず、本実施形態に係る中性子半導体検出器１の比較例について、図８を参照して説明する。

【0038】

図８に示されるように、比較例に係る中性子半導体検出器１００が本実施形態に係る中性子半導体検出器１に対して構成上相違する点は、ＧａＮバッファー層１２上にＮ型半導体のＧａＮを含むＮ層１１５が形成され、Ｎ層１１５上に真性半導体のＢＧａＮを含む複数のＩ層１１４が形成され、各Ｉ層１１４上にＰ型半導体のＧａＮを含むＰ層１１３がそれぞれ形成され、Ｎ層１１５に第３電極１２３が電気的に接続され、各Ｐ層１１３に第４電極１２４がそれぞれ形成されている点である。なお、図８においては、それぞれ２個ずつのＩ層１１４、Ｐ層１１３、及び第４電極１２４が示されているが、これらＩ層１１４、Ｐ層１１３、及び第４電極１２４のそれぞれの個数は２個に限定されず、中性子半導体検出器１００の画素数に応じた任意の個数であってもよい。これら複数のＩ層１１４、Ｐ層１１３、及び第４電極１２４は、Ｎ層１１５上に二次元的（例えばマトリックス状）に配列されている。

【0039】

このような中性子半導体検出器１００では、以下の理由から、装置構成が複雑化するにもかかわらず、Ｉ層１１４及びＰ層１１３を複数設けると共に各Ｐ層１１３上に第４電極１２４をそれぞれ設ける必要がある。すなわち、積層体１１０は、最表面側からＰ層１１３、Ｉ層１１４、Ｎ層１１５の順に積層されている。このため、電源３１により第３電極１２３と第４電極１２４との間にＮ層１１５、Ｉ層１１４、及びＰ層１１３に対するバイアス電圧が印加されると、Ｉ層１１４に含有されるＧａＮにより生成された電子ｅ及びホールｈのうちの電子ｅがＮ層１１５を通過して第３電極１２３に到達し、ホールｈがＰ層１１３を通過して第４電極１２４に到達する。ここで、一般に、電子がＮ層を通過する抵抗よりもホールがＰ層を通過する抵抗の方が大きい。このため、Ｉ層１１４で生成されたホールｈは、Ｉ層１１４からＰ層１１３を通過して第４電極１２４に到達しようとする際に、Ｎ層１１５、Ｉ層１１４、及びＰ層１１３の積層方向Ｄに沿わずに不規則な方向に進行する。したがって、仮にＩ層１１４及びＰ層１１３を単一の構成とすると共にＰ層１１３上に複数の第４電極１２４を配列した場合には、Ｉ層１１４で生成された電子ｅのうち、複数の第４電極１２４のそれぞれの直下において生成された電子ｅは、その直上に位置する当該第４電極１２４に必ずしも到達しない。したがって、各第４電極１２４が複数の画素としてそれぞれ機能せず、中性子ｎがＩ層１１４に入射した位置を特定することができない。以上の理由から、比較例に係る中性子半導体検出器１００では、Ｉ層１１４及びＰ層１１３を複数設けると共に各Ｐ層１１３上に第４電極１２４をそれぞれ設けた構成を採用する必要がある。

【0040】

これに対して、本実施形態に係る中性子半導体検出器１では、上述したように、Ｉ層１４及びＮ層１５を単一の構成とすると共にＮ層１５上に複数の第２電極２２を配列した構成であっても、各第２電極２２が複数の画素としてそれぞれ機能し、第２電極２２ごとに電子ｅを検出することで、中性子ｎがＩ層１４に入射した位置を特定することができる。

【0041】

図７には、実施例及び比較例のそれぞれにおいて、各Ｉ層にα線を入射させた場合に各信号読取部に出力された各電圧値（縦軸）が横軸を時間として示されている。なお、図７の実施例に係るグラフは、図６のグラフと同一である。図７に示されるように、実施例及び比較例のそれぞれに係るグラフでは、各Ｉ層へのα線の入射に応じた各電圧値の立ち上がりの応答時間は同程度であることが確認された。

【0042】

図９は、比較例に係る中性子半導体検出器においてＧａＮで形成されたＩ層への中性子の入射に応じた電気信号を測定した結果を示すグラフである。図９には、本比較例においてＩ層をＧａＮで形成し、当該Ｉ層に中性子を入射させた場合に信号読取部３０に出力された電圧値（縦軸）が横軸を時間として示されている。ここでは、中性子として、カリホルニウム（Ｃｆ）から放出される中性子が用いられている。図９に示されるように、Ｉ層への中性子の入射に応じた電圧値の上昇の立ち上がり時間、及び、電圧値の上昇から下降までの時間が図６及び図７の場合と同程度となっている。よって、比較例に係る中性子半導体検出器が、Ｉ層に入射した中性子を好適に検出可能であり、中性子検出器として好適に機能することが確認された。

【符号の説明】

【0043】

１…中性子半導体検出器、１１…サファイア基板（基板）、１２…ＧａＮバッファー層（基板）、１３…Ｐ層、１４…Ｉ層、１５…Ｎ層、２１…第１電極、２２…第２電極、３２…信号読取回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】