特開 2024-175382 中性子半導体検出器及び中性子半導体検出器を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024175382

(43)【公開日】2024-12-18

(54)【発明の名称】中性子半導体検出器及び中性子半導体検出器を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   G01T 3/00 20060101AFI20241211BHJP

   H01L 21/308 20060101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

G01T3/00 G

H01L21/308 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023093129

(22)【出願日】2023-06-06

(71)【出願人】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100170818

【弁理士】

【氏名又は名称】小松 秀輝

(72)【発明者】

【氏名】中野 貴之

【テーマコード（参考）】

2G188

5F043

【Ｆターム（参考）】

2G188AA03

2G188BB09

2G188CC32

2G188DD05

2G188DD42

2G188DD43

2G188DD44

5F043BB02

5F043BB06

(57)【要約】

【課題】空間分解能を向上させる。
【解決手段】中性子半導体検出器１は、第１電極３１と、第１電極３１に接するように形成される主面を有し、第１電極３１に電気的に接続され、Ｐ型半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）又はＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＰ層３２と、Ｐ層３２において主面に対して逆側の裏面に接するように形成され、真性半導体であるＢＧａＮを含むＩ層３３と、Ｉ層３３上に形成され、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層３４と、Ｎ層３４に電気的に接続され、Ｎ層３４上に配列された複数の第２電極３５と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、
前記第１電極に接するように形成される主面を有し、前記第１電極に電気的に接続され、Ｐ型半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）又はＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＰ層と、
前記Ｐ層において前記主面に対して逆側の裏面に接するように形成され、真性半導体であるＢＧａＮを含むＩ層と、
前記Ｉ層上に形成され、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層と、
前記Ｎ層に電気的に接続され、前記Ｎ層上に配列された複数の第２電極と、を備える、中性子半導体検出器。

【請求項2】

前記Ｐ層のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下であり、
前記Ｉ層のキャリア濃度は０ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下であり、
前記Ｎ層のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である、請求項１に記載の中性子半導体検出器。

【請求項3】

前記Ｎ層の厚みは、前記Ｉ層の厚みより小さく、
前記Ｎ層の厚みは、前記Ｐ層の厚みより大きい、請求項１又は請求項２に記載の中性子半導体検出器。

【請求項4】

前記Ｐ層、前記Ｉ層及び前記Ｎ層が積層された方向から見て、前記第１電極が前記Ｐ層に接続された領域と重複する前記Ｎ層の領域に、複数の前記第２電極が設けられている、請求項１又は請求項２に記載の中性子半導体検出器。

【請求項5】

第１基板の主面に窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の主面上に、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層と、ＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた真性半導体の窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＩ層と、Ｐ型半導体であるＧａＮ又はＢＧａＮを含むＰ層と、をこの順に積層する工程と、
前記Ｐ層の主面上に、前記Ｐ層に電気的に接続される第１電極を形成する工程と、
前記第１基板及び前記バッファ層を取り除くことにより、前記Ｎ層が露出した面を形成する工程と、
前記Ｎ層が露出した面に、前記Ｎ層に電気的に接続される第２電極を形成する工程と、を有する、中性子半導体検出器を製造する方法。

【請求項6】

前記バッファ層を形成する工程では、前記第１基板としてシリコンを主成分として含む基板を用いる、請求項５に記載の中性子半導体検出器を製造する方法。

【請求項7】

前記Ｎ層が露出した面を形成する工程では、ウエットエッチングを用いる、請求項６に記載の中性子半導体検出器を製造する方法。

【請求項8】

前記バッファ層を形成する工程では、前記第１基板として、多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層と、前記窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層の上に形成されたシリコンを主成分として含む層と、を含む複合基板を用いる、請求項５に記載の中性子半導体検出器を製造する方法。

【請求項9】

前記Ｎ層が露出した面を形成する工程では、高圧高温水エッチングを用いる、請求項８に記載の中性子半導体検出器を製造する方法。

【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及び中性子半導体検出器を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１は、中性子検出器を開示する。特許文献１に記載の中性子検出器は、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たコンバータ層と、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。コンバータ層は、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。複数の検出部は、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接合を形成する。そして、複数の検出部は、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。

【0003】

本願発明者らによる特許文献２も、中性子半導体検出器を開示する。この中性子半導体検出器は、サファイア基板上に形成されたＰ層、Ｉ層及びＮ層を含む積層体を有する。Ｐ層の主面には、Ｉ層及び第１電極が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－１８１０６５号公報

【特許文献2】特開２０１８－１４１７４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

当該技術分野では、中性子半導体検出器の空間分解能の向上が望まれている。例えば、特許文献２の中性子半導体検出器９（図１０（ｃ）参照）は、絶縁体であるサファイア基板９１上にＰ層９２、Ｉ層９３及びＮ層９４を含む積層体がこの順で形成されている。検出器の機能を発揮するためには、最上層のＮ層９４に電極９４Ｅを設けると共に最下層のＰ層９２にも電極９２Ｅを設ける必要がある。最下層のＰ層９２に電極９２Ｅを設けるためには、まず、マスク９７などを利用してＮ層９４の一部９４ａ及びＩ層９３の一部９３ａをエッチングすることによりＰ層９２を露出させる（図１０（ａ）参照）。次に、露出させたＰ層９２に対して電極９２Ｅを設ける必要がある（図１０（ｂ）参照）。その後、パッシベーション膜９８（図１０（ｃ）参照）を設けることにより中性子半導体検出器９が得られる。このエッチングにより形成された溝部は、中性子を検出する機能を奏しない。従って、中性子半導体検出器の空間分解能を向上させることが難しかった。

【0006】

本発明は、空間分解能を向上させることが可能な中性子半導体検出器及び中性子半導体検出器を製造する方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一形態である中性子半導体検出器は、第１電極と、第１電極に接するように形成される主面を有し、第１電極に電気的に接続され、Ｐ型半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）又はＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＰ層と、Ｐ層において主面に対して逆側の裏面に接するように形成され、真性半導体であるＢＧａＮを含むＩ層と、Ｉ層上に形成され、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層と、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は、Ｐ層に設けられた第１電極と、Ｎ層に配列された複数の第２電極と、を備えている。第１電極は、Ｐ層がＩ層と接する裏面とは逆側であるＰ層の主面に設けられている。この構成によると、第１電極を設けるために、Ｎ層及びＩ層をエッチングしてＰ層の主面を露出させる工程が不要である。その結果、中性子を検出する機能を奏しない溝部が形成されない。従って、中性子半導体検出器は、空間分解能を向上することができる。

【0009】

上記の中性子半導体検出器において、Ｐ層のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下であり、Ｉ層のキャリア濃度は０ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下であり、Ｎ層のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下であってもよい。この構成によれば、中性子を良好に検出することができる。

【0010】

上記の中性子半導体検出器において、Ｎ層の厚みは、Ｉ層の厚みより小さく、Ｎ層の厚みは、Ｐ層の厚みより大きくてもよい。この構成によっても、中性子を良好に検出することができる。

【0011】

上記の中性子半導体検出器は、Ｐ層、Ｉ層及びＮ層が積層された方向から見て、第１電極がＰ層に接続された領域と重複するＮ層の領域に、複数の第２電極が設けられてもよい。この構成によれば、マルチアレイ構造である中性子半導体検出器を得ることができる。

【0012】

本発明の別の形態である中性子半導体検出器を製造する方法は、第１基板の主面に窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むバッファ層を形成する工程と、バッファ層の主面上に、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層と、ＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた真性半導体の窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＩ層と、Ｐ型半導体であるＧａＮ又はＢＧａＮを含むＰ層と、をこの順に積層する工程と、Ｐ層の主面上に、Ｐ層に電気的に接続される第１電極を形成する工程と、第１基板及びバッファ層を取り除くことにより、Ｎ層が露出した面を形成する工程と、Ｎ層が露出した面に、Ｎ層に電気的に接続される第２電極を形成する工程と、を有する。

【0013】

この中性子半導体検出器を製造する方法は、Ｎ層、Ｉ層及びＰ層を形成した後に、Ｐ層の主面に第１電極を形成する。そして、第１基板及びバッファ層を取り除いたのちに、Ｎ層が露出した面に第２電極を形成する。つまり、第１電極を設けるために、Ｎ層及びＩ層をエッチングしてＰ層の主面を露出させる工程が不要である。その結果、中性子を検出する機能を奏しない溝部が形成されない。従って、中性子半導体検出器を製造する方法は、空間分解能を向上した中性子半導体検出器を得ることができる。

【0014】

上記の中性子半導体検出器を製造する方法において、バッファ層を形成する工程では、第１基板としてシリコンを主成分として含む基板を用いてもよい。そして、上記の中性子半導体検出器を製造する方法において、Ｎ層が露出した面を形成する工程では、ウエットエッチングを用いてもよい。この工程によっても、第１基板を容易に取り除くことができる。

【0015】

上記の中性子半導体検出器を製造する方法において、バッファ層を形成する工程では、第１基板として、多結晶窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層の上に形成されたシリコンを主成分として含む層と、を含む複合基板を用いてもよい。そして、上記の中性子半導体検出器を製造する方法において、Ｎ層が露出した面を形成する工程では、高圧高温水エッチングを用いてもよい。この工程によっても、第１基板を容易に取り除くことができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、空間分解能を向上させることが可能な中性子半導体検出器及び中性子半導体検出器を製造する方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、実施形態の中性子半導体検出器を示す断面図である。

【図2】図２は、図１の中性子半導体検出器を示す斜視図である。

【図3】図３は、図１の中性子半導体検出器のＩ層における中性子を検出する原理を説明するための模式図である。

【図4】図４は、図１の中性子半導体検出器における第１電極と第２電極とに注目する平面図である。

【図5】図５は、図１の中性子半導体検出器を製造する方法の主要な工程を示すフローチャートである。

【図6】図６（ａ）は、図５に示す成長基板を準備する工程を示す断面図である。図６（ｂ）は、図５に示すバッファ層を形成する工程を示す断面図である。図６（ｃ）は、図５に示すＮ層、Ｉ層及びＰ層を形成する工程を示す断面図である。

【図7】図７（ａ）は、図５に示す第１電極を形成する工程を示す断面図である。図７（ｂ）は、図５に示す支持基板を貼り合わせる工程を示す断面図である。図７（ｃ）は、図５に示すＮ層を露出させる工程を示す断面図である。

【図8】図８（ａ）は、図５に示す反転させる工程を示す断面図である。図８（ｂ）は、図５に示す第２電極を形成する工程を示す断面図である。

【図9】図９は、変形例の中性子半導体検出器を製造する方法において、Ｎ層を露出させる工程を示す断面図である。

【図10】図１０（ａ）は、比較例の中性子半導体検出器を製造するときに実施するエッチング工程を示す断面図である。図１０（ｂ）は、比較例の中性子半導体検出器を製造するときに実施する電極をＰ層に形成する工程を示す断面図である。図１０（ｃ）は、比較例の中性子半導体検出器を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0019】

図１は、本実施形態の中性子半導体検出器１を示す断面図である。図２は、図１の中性子半導体検出器１の斜視図である。図１及び図２に示すように、中性子半導体検出器１は、支持基板２と、積層体３と、信号読取部４と、を有する。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）との中性子捕獲反応（^１０Ｂ（ｎ、α）^７Ｌｉ反応：図１中のＲ１）によりα線ａとＬｉイオン粒子ｂを生成する。そして、中性子半導体検出器１は、α線ａとＬｉイオン粒子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。その結果、中性子半導体検出器１は、中性子ｎを検出することができる。中性子捕獲反応（^１０Ｂ（ｎ、α）^７Ｌｉ反応）とは、Ｂの原子核が中性子ｎを捕獲すると共にα線ａとＬｉイオン粒子ｂを放出する反応である（図３参照）。

【0020】

支持基板２は、平面視において、例えば長方形状を呈している。支持基板２は、支持基板主面２ａを含む。支持基板主面２ａには、基板接続電極２１と、基板出力電極２２と、が設けられている。基板接続電極２１は、配線２３によって基板出力電極２２に接続されている。基板接続電極２１には、積層体３が配置されている。基板出力電極２２には、信号読取部４が接続されている。

【0021】

積層体３は、第１電極３１と、Ｐ層３２と、Ｉ層３３と、Ｎ層３４と、第２電極３５と、を有する。積層体３において、第１電極３１、Ｐ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４のそれぞれは、一つずつ設けられている。第１電極３１、Ｐ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４は、この順に積層されている。

【0022】

第１電極３１は、支持基板２の基板接続電極２１に接続されている。第１電極３１は、一例としてＡｕ／Ｎｉ電極が挙げられる。第１電極３１の厚みは、一例として２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。第１電極３１は、Ｐ層３２に対していわゆるオーミック接触を形成している。第１電極３１は、Ｐ層３２に接するＮｉ層と、Ｎｉ層に接するＡｕ層と、を有する。Ｎｉ層は、コンタクト層として機能する。Ａｕ層は、Ｎｉ層の酸化を防止する機能を奏する。なお、第１電極３１の構成は、上記の構成に限定されず、Ｐ層３２に対してオーミック接触を形成できる構成を採用してよい。

【0023】

第１電極３１は、Ｐ層主面３２ａのほぼ全面に渡って形成されている。第１電極３１は、一つの電極層であり、第２電極３５のように複数のパッドに分割されていない。単一の第１電極３１がＰ層主面３２ａと接続された領域を第１接続領域Ａ１（図４参照）と称する。

【0024】

Ｐ層３２は、Ｐ層主面３２ａと、Ｐ層裏面３２ｂとを有する。Ｐ層主面３２ａは、第１電極３１に接する。Ｐ層裏面３２ｂは、Ｉ層３３に接する。

【0025】

Ｐ層３２は、Ｐ型半導体のＧａＮを含む。Ｐ層３２は、例えばマグネシウムをドーパントとして含む。Ｐ層３２のキャリア（ホール）濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下の範囲であってもよい。Ｐ層３２はＧａＮに限らず、Ｉ層３３上に作成が可能なＰ型半導体結晶であればよい。例えばＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）などにマグネシウムを同様のキャリア濃度でドーピングしたものが容易に形成可能である。Ｐ層３２は、第１電極３１に接する。Ｐ層３２は、平面視において、第１電極３１の外縁と一致してもよいし、一致しなくてもよい。

【0026】

Ｉ層３３は、Ｉ層主面３３ａと、Ｉ層裏面３３ｂとを有する。Ｉ層主面３３ａは、Ｐ層３２のＰ層裏面３２ｂに接する。Ｉ層裏面３３ｂは、Ｎ層３４に接する。

【0027】

Ｉ層３３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、Ｉ層３３のキャリア濃度がＰ層３２及びＮ層３４のキャリア濃度よりも低いことを意味する。より具体的には、Ｉ層３３のキャリア濃度は、例えば０ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。なお、Ｉ層３３のキャリア濃度は、Ｉ層３３を空乏化することができる値であればよい。

【0028】

Ｎ層３４は、Ｎ層主面３４ａと、Ｎ層裏面３４ｂとを有する。Ｎ層主面３４ａは、Ｉ層裏面３３ｂに接する。Ｎ層裏面３４ｂには、複数の第２電極３５が設けられる。Ｎ層３４は、Ｎ型半導体のＧａＮを含んでいる。Ｎ層３４のキャリア（電子）濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。Ｎ層３４は、Ｉ層３３に接触したＮ型半導体結晶であればよい。例えば、ＧａＮと窒化アルミニウム（ＡｌＮ）との混晶である窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）にシリコンをドーピングしたＮ型ＡｌＧａＮなどが利用可能である。

【0029】

ここで、Ｐ層３２、Ｉ層３３及びＮ層３４の厚みについて説明する。これらの半導体層の厚みを例示すると、Ｐ層３２の厚みは１００ｎｍ以上１μｍ以下であり、Ｉ層３３の厚みは５μｍ以上２０μｍ以下であり、Ｎ層３４の厚みは２μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。仮に、Ｎ層３４を基準とした場合には、Ｎ層３４の厚みは、Ｉ層３３の厚みより小さい。Ｎ層３４の厚みは、Ｐ層の厚みより大きい。さらに、Ｎ層３４の厚みは、第１電極３１の厚みと同程度であるとも言える。

【0030】

第２電極３５は、Ｎ層３４に電気的に接続されるように、Ｎ層３４上に形成されている。第２電極３５は、Ｎ層３４上に複数配列されている。図２には、４９個の第２電極３５が図示されている。より具体的には、各第２電極３５は、平面視において、例えば正方形状を呈し、Ｎ層３４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。なお、第２電極３５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３５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３５としては、一例としてＡｌ電極が挙げられるが、これに限定されない。第２電極３５は、Ｎ層３４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。

【0031】

複数の第２電極３５がＮ層裏面３４ｂと接続された領域を第２接続領域Ａ２（図４参照）と称する。そして、第２接続領域Ａ２は、第１接続領域Ａ１に重複する。

【0032】

図１に示すように、信号読取部４は、電源４１と、信号読取回路４２と、を有する。また、信号読取部４は、電線４３と、グラウンド（接地）４４と、を有する。電線４３は、積層体３、電源４１、及び信号読取回路４２を電気的に直列に接続する。グラウンド（接地）４４は、電線４３において積層体３と電源４１との間に電気的に接続されている。

【0033】

電源４１は、直流可変電源である。電源４１は、第１電極３１が正極となり、第２電極３５が負極となるように、積層体３に対して電圧を印加する。すなわち、電源４１は、第１電極３１と第２電極３５との間にＰ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４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。

【0034】

信号読取回路４２は、第１電極３１と第２電極３５との間の電気信号を読み取る回路である。信号読取回路４２は、電線４３を介して、第１電極３１及び各第２電極３５に電気的に接続されている。信号読取回路４２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４２は、各第２電極３５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４２は、各第２電極３５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３５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。

【0035】

［中性子半導体検出器の動作］
図３は、図１の中性子半導体検出器のＩ層３３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３に示すように、中性子ｎが中性子半導体検出器１のＩ層３３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３３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ボロン（Ｂ）と、の間で中性子捕獲反応（^１０Ｂ（ｎ、α）^７Ｌｉ反応：図１及び図３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、α線ａと反対方向にＬｉイオン粒子ｂが生成する。また、様々な場所において即発γ線ｇが放出される。

【0036】

生成されたα線ａとＬｉイオン粒子ｂは、同じＩ層３３に含有されるＧａＮを励起（図１及び図３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とＬｉイオン粒子ｂ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３３を透過して外部へと進行する。

【0037】

ここで、図１に示すように、電源４１により第１電極３１と第２電極３５との間にＰ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４に対するバイアス電圧が印加されると、ホールｈがＰ層３２を通過して第１電極３１に到達し、電子ｅがＮ層３４を通過して第２電極３５に到達する。一般に、ホールｈがＰ層３２を通過する抵抗よりも電子ｅがＮ層３４を通過する抵抗の方が小さい。このため、電子ｅは、Ｉ層３３からＮ層３４を通過して第２電極３５に到達するまでＰ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４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３４上に配列された複数の第２電極３５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３５に到達する。図１においては、複数の第２電極３５のうちの第２電極３５ａの直下において生成された電子ｅが当該第２電極３５ａに到達し、第２電極３５ｂの直下において生成された電子ｅが当該第２電極３５ｂに到達することが示されている。

【0038】

また、信号読取回路４２により、第２電極３５に到達した電子ｅの数に対応する信号が第２電極３５ごとに自動的に検出される。なお、複数の第２電極３５のうち、いずれの第２電極３５に電子ｅが到達するかについては、Ｉ層３３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３５に到達した電子ｅの数に対応する信号を第２電極３５ごとに検出することにより、Ｉ層３３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。

【0039】

［中性子半導体検出器を製造する方法］
図５に示すフローチャート、図６、図７及び図８に示す工程図を参照しながら、中性子半導体検出器１を製造する方法について説明する。

【0040】

まず、成長基板６０（第１基板）を準備する（Ｓ１：図６（ａ））。成長基板６０として、例えば主面６０ａの面方位が（１１１）であるシリコン基板を用いてよい。

【0041】

次に、成長基板６０の主面６０ａに窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むバッファ層６１を形成する（Ｓ２：図６（ｂ））。バッファ層６１は、成長基板６０上に形成された層である。バッファ層６１は、平面視において、バッファ層６１の外縁が成長基板６０の外縁と一致するように（すなわち、例えば長方形状に）形成されている。バッファ層６１は、成長基板６０上に低温で成長させることにより形成される。

【0042】

次に、バッファ層６１の主面６１ａ上にＮ層３４、Ｉ層３３及びＰ層３２を形成する（Ｓ３：図６（ｃ））。まず、バッファ層６１の主面６１ａにＮ層３４を成長する。続いて、Ｎ層３４のＮ層主面３４ａ上にＩ層３３を成長する。続いて、Ｉ層３３のＩ層主面３３ａ上にＰ層３２を成長する。

【0043】

次に、Ｐ層３２のＰ層主面３２ａ上に、Ｐ層３２に電気的に接続される第１電極３１を形成する（Ｓ４：図７（ａ））。

【0044】

次に、支持基板２を貼り合わせる（Ｓ５：図７（ｂ））。その結果、第１中間形成物３６を得る。

【0045】

次に、Ｎ層３４を露出させる（Ｓ６：図７（ｃ））。具体的には、第１中間形成物３６から成長基板６０及びバッファ層６１を取り除く。取り除く処理には、ウエットエッチングを用いてよい。例えば、エッチング液として、フッ化水素：硝酸：酢酸＝１：１：１が例示できる。当該エッチング液を用いて３０分程度のエッチング処理を実行する。このエッチング（Ｓ６）により、成長基板６０が除去される。ここで、この工程（Ｓ６）では、Ｎ層３４がわずかにエッチングされてもよい。このようなエッチングによれば、Ｎ層３４が露出した面（Ｎ層裏面３４ｂ）を確実に形成することができる。エッチング処理の結果、Ｐ層３２、Ｉ層３３、及びＮ層３４を含む第２中間形成物３７（自立基板）を得る。

【0046】

次に、第２中間形成物３７を反転する（Ｓ７：図８（ａ））。

【0047】

次に、Ｎ層３４が露出した面（Ｎ層裏面３４ｂ）に、Ｎ層３４に電気的に接続される第２電極３５を形成する（Ｓ８：図８（ｂ））。

【0048】

上述した工程Ｓ１～Ｓ８を実行した結果、中性子半導体検出器１を得ることができる。

【0049】

＜作用効果＞
本願発明者らによる特許文献２（特開２０１８－１４１７４９号公報）に記載の中性半導体検出器は、真性半導体の窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＩ層を備えている。そして、特開２０１８－１４１７４９号公報に記載の中性半導体検出器は、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できる。

【0050】

しかし、この構造を有する中性子半導体検出器の製造については、いくつかの課題が有った。まず、第１に、図１０（ｃ）に示すように、中性子半導体検出器９は、サファイア基板９１を用いている。そのため、サファイア基板９１を剥離した後に、裏面電極を形成する工程に非常に時間を要すると共にコストも要する。従って、マルチピクセルアレイ構造を作成することが難しい。中性子半導体検出器が高い空間分解能を有するためには、垂直な凸構造であるメサを形成するためのエッチングによって形成される溝を含まない構造が望ましい。つまり、裏面電極形成が有用である。次に、第２に、十分な膜厚のＩ層９３を形成する場合に、高段差のリフトオフプロセス技術の確立が必要である。

【0051】

本願発明者らは、上述の課題を鑑み、本願発明を想到するに至った。

【0052】

中性子半導体検出器１は、第１電極３１と、第１電極３１に接するように形成される主面を有し、第１電極３１に電気的に接続され、Ｐ型半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）又はＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＰ層３２と、Ｐ層３２において主面に対して逆側の裏面に接するように形成され、真性半導体であるＢＧａＮを含むＩ層３３と、Ｉ層３３上に形成され、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層３４と、Ｎ層３４に電気的に接続され、Ｎ層３４上に配列された複数の第２電極３５と、を備える。

【0053】

この中性子半導体検出器１は、Ｐ層３２に設けられた第１電極３１と、Ｎ層３４に配列された複数の第２電極３５と、を備えている。第１電極３１は、Ｐ層３２がＩ層３３と接する裏面とは逆側であるＰ層３２の主面に設けられている。この構成によると、第１電極３１を設けるために、Ｎ層３４及びＩ層３３をエッチングしてＰ層３２の主面を露出させる工程が不要である。その結果、中性子を検出する機能を奏しない溝部が形成されない。従って、中性子半導体検出器１は、空間分解能を向上することができる。

【0054】

要するに、中性子半導体検出器１は、積層体３を成長させる基板としてエッチングが可能なシリコン製の基板を用いる。その結果、成長基板６を容易に剥離することができるので、裏面電極を簡易な工程によって配置することができる。従って、ＢＧａＮを含むＩ層３３を備えるマルチピクセルアレイ構造の中性子半導体検出器１を得ることができる。

【0055】

Ｐ層３２のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。Ｉ層３３のキャリア濃度は０ｃｍ^－３以上１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。Ｎ層３４のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。この構成によれば、中性子を良好に検出することができる。

【0056】

中性子半導体検出器１において、Ｎ層３４の厚みは、Ｉ層３３の厚みより小さく、Ｎ層３４の厚みは、Ｐ層３２の厚みより大きい。この構成によっても、中性子を良好に検出することができる。

【0057】

中性子半導体検出器１は、Ｐ層３２、Ｉ層３３及びＮ層３４が積層された方向から見て、第１電極３１がＰ層３２に接続された領域Ａ１と重複するＮ層３４の領域Ａ２に、複数の第２電極３５が設けられる。この構成によれば、マルチアレイ構造である中性子半導体検出器１を得ることができる。

【0058】

中性子半導体検出器を製造する方法は、成長基板６０の主面に窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むバッファ層６１を形成する工程Ｓ２と、バッファ層６１の主面上に、Ｎ型半導体であるＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むＮ層３４と、ＧａＮと窒化ボロン（ＢＮ）とを混晶させた真性半導体の窒化ボロンガリウム（ＢＧａＮ）を含むＩ層３３と、Ｐ型半導体であるＧａＮ又はＢＧａＮを含むＰ層３２と、をこの順に積層する工程Ｓ３と、Ｐ層３２の主面上に、Ｐ層３２に電気的に接続される第１電極３１を形成する工程Ｓ４と、成長基板６０及びバッファ層６１を取り除くことにより、Ｎ層３４が露出した面（Ｎ層主面３４ａ）を形成する工程Ｓ６と、Ｎ層３４が露出した面（Ｎ層主面３４ａ）に、Ｎ層３４に電気的に接続される第２電極３５を形成する工程Ｓ８と、を有する。

【0059】

中性子半導体検出器１を製造する方法は、Ｎ層３４、Ｉ層３３及びＰ層３２を形成（Ｓ３）した後に、Ｐ層３２の主面に第１電極３１を形成する（Ｓ４）。そして、成長基板６０及びバッファ層６１を取り除いた（Ｓ６）後に、Ｎ層３４が露出した面に第２電極３５を形成する（Ｓ８）。つまり、第１電極３１を設けるために、Ｎ層３４及びＩ層３３をエッチングしてＰ層３２の主面を露出させる工程が不要である。その結果、中性子を検出する機能を奏しない溝部が形成されない。従って、この方法は、空間分解能を向上した中性子半導体検出器１を得ることができる。

【0060】

中性子半導体検出器１を製造する方法において、成長基板６０としてシリコンを主成分として含む基板を用いる。そして、Ｎ層３４が露出した面（Ｎ層裏面３４ｂ）を形成する工程Ｓ６では、ウエットエッチングを用いる。この工程Ｓ６によっても、成長基板６０を容易に取り除くことができる。

【0061】

＜変形例＞
本発明の中性子半導体検出器１及び中性子半導体検出器１を製造する方法は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0062】

例えば、変形例の中性子半導体検出器では、図９に示すように、成長基板７としていわゆるＱＳＴ基板（Qromis Substrate Technology）を用いてもよい。ＱＳＴ基板は、多結晶の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層７１と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層の上に形成されたシリコンを主成分として含む層７２と、を含む複合基板である。ＱＳＴ基板の熱膨張係数は、ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ構造の基板の熱膨張係数よりも、ＧａＮ基板の熱膨張係数に近い。その結果、絶縁耐性を１８００Ｖ以上に高めることができる。シリコンを主成分として含む材料として、シリコン（Ｓｉ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）及び酸化シリコン（ＳｉＯ２）が例示できる。そして、シリコンを主成分として含む層７２の上に、実施形態と同様に窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むバッファ層７３を形成する。

【0063】

変形例の中性子半導体検出器を製造する方法では、成長基板７としてＱＳＴ基板を用いた場合、Ｎ層を露出させる工程では、高圧高温水エッチングを用いてもよい。これらのエッチング手法によれば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層７１はエッチングされないものの、シリコンを主成分として含む層７２がエッチングされる。その結果、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分として含む層７１を取り除くことができる。

【0064】

特に、高圧高温水エッチングを用いた場合、本願発明者らは、Ｎ層３４が露出した面を形成する工程Ｓ６を１週間程度継続することによって、成長基板７を除去できることを確認している。この工程Ｓ６によっても、成長基板７を容易に取り除くことができる。

【符号の説明】

【0065】

１…中性子半導体検出器、２…支持基板、３…積層体、３１…第１電極、３２…Ｐ層、３３…Ｉ層、３４…Ｎ層、３５，３５ａ，３５ｂ…第２電極、４…信号読取部、４１…電源、４２…信号読取回路、４３…電線、４４…グラウンド（接地）、６，７…成長基板、６１，７３…バッファ層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】