JPH053550B2 - - Google Patents
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- JPH053550B2 JPH053550B2 JP59158414A JP15841484A JPH053550B2 JP H053550 B2 JPH053550 B2 JP H053550B2 JP 59158414 A JP59158414 A JP 59158414A JP 15841484 A JP15841484 A JP 15841484A JP H053550 B2 JPH053550 B2 JP H053550B2
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- Japan
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- boron
- semiconductor
- thin film
- neutron
- rays
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- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
本発明は、ボロン薄膜を用いた中性子検出装置
に関する。
に関する。
半導体放射線検出器の原理は、PN接合や、半
導体−金属シヨツトキー接合または結晶半導体−
非晶質半導体ヘテロ接合等、いずれかの方法でダ
イオード構造を形成し、該ダイオードに逆バイア
ス電圧を印加し、これにより前記半導体中に空乏
層を拡げ、該空乏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。
導体−金属シヨツトキー接合または結晶半導体−
非晶質半導体ヘテロ接合等、いずれかの方法でダ
イオード構造を形成し、該ダイオードに逆バイア
ス電圧を印加し、これにより前記半導体中に空乏
層を拡げ、該空乏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。
半導体素材には、ゲルマニウム（Ge）やシリ
コン（Si）等が用いられており、工業的に放射線
線量計として用いられているのは、現在は素材の
入手が容易なことからシリコン（Si）が圧倒的に
多い。また最近では、低電圧動作の要求から高純
度高比抵抗のシリコンが用いられるようになつて
来ている。
コン（Si）等が用いられており、工業的に放射線
線量計として用いられているのは、現在は素材の
入手が容易なことからシリコン（Si）が圧倒的に
多い。また最近では、低電圧動作の要求から高純
度高比抵抗のシリコンが用いられるようになつて
来ている。
放射線でも、Ｘ線、α線、β線及びγ線は、半
導体空乏層内で直接電子−正孔対を生じさせ、従
来方法で放射線検出が可能であるが、それ等に対
して中性子線は電荷をもつていないので、核反応
以外には、軌道電子や原子核のクーロン場になん
らの作用も及ぼさず、従つて半導体空乏層内で、
電子−正孔対は生じず、中性子線の検出は従来方
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、該α線が半導体空乏層内で電子−正孔
対を生成し、これを検知し中性子線を検知する方
法がある。
導体空乏層内で直接電子−正孔対を生じさせ、従
来方法で放射線検出が可能であるが、それ等に対
して中性子線は電荷をもつていないので、核反応
以外には、軌道電子や原子核のクーロン場になん
らの作用も及ぼさず、従つて半導体空乏層内で、
電子−正孔対は生じず、中性子線の検出は従来方
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、該α線が半導体空乏層内で電子−正孔
対を生成し、これを検知し中性子線を検知する方
法がある。
具体的な実例として、中性子線に対して散乱断
面積の大きなボロンの同位元素10Bを用いた10B
（ｎ，α）反応を用い、次式で示す反応に従つて、
中性子線が入射した際ボロンから発生するα線を
検知する方法がある。
面積の大きなボロンの同位元素10Bを用いた10B
（ｎ，α）反応を用い、次式で示す反応に従つて、
中性子線が入射した際ボロンから発生するα線を
検知する方法がある。
10B（ｎ，α）反応：10 5Ｂ＋1 0ｎ→7 3Li＋4 2He
しかし、ボロンは2000℃以上の極めて高い融点
をもち、容易にボロン単体層を形成することは困
難である。たとえボロン層を形成しえたとして
も、該α線を検知すべき基体自身が高温のため破
壊或は劣化してしまうと云う問題があつた。
をもち、容易にボロン単体層を形成することは困
難である。たとえボロン層を形成しえたとして
も、該α線を検知すべき基体自身が高温のため破
壊或は劣化してしまうと云う問題があつた。
特に半導体放射線検出器においては、高温では
熱的歪を生じ、素子特性の劣化を生じてしまう問
題がある。なかでも、放射線検出器に使用する半
導体は、高純度、高比抵抗であるため、更に作製
プロセスにおいては低温プロセスが要求される。
高純度高比抵抗シリコンにおいては、400℃以上
で熱的歪が生じ始めると云われている。従つて、
半導体プロセスで一般的に用いられている800℃
以上の高温プロセスは、半導体放射線検出器には
適さない。
熱的歪を生じ、素子特性の劣化を生じてしまう問
題がある。なかでも、放射線検出器に使用する半
導体は、高純度、高比抵抗であるため、更に作製
プロセスにおいては低温プロセスが要求される。
高純度高比抵抗シリコンにおいては、400℃以上
で熱的歪が生じ始めると云われている。従つて、
半導体プロセスで一般的に用いられている800℃
以上の高温プロセスは、半導体放射線検出器には
適さない。
たとえば、リン化ホウ素層と半導体PN接合と
を組み合わせた中性子検出器が公知になつている
が、これは次に示す点において問題がある。
を組み合わせた中性子検出器が公知になつている
が、これは次に示す点において問題がある。
リン化ホウ素層形成に熱分解法を使用するた
め、900℃の高温に半導体基体を晒すことにな
り、前述した理由により半導体特性劣化は避け
られない。
め、900℃の高温に半導体基体を晒すことにな
り、前述した理由により半導体特性劣化は避け
られない。
ボロンの同位元素10Bは、自然界に10B：11B
≒１：４の割合で存在するが、これに加え10B
をさらに高濃度としても、フオスフイン
（PH3）を用いてリンがリン化ホウ素層に含ま
れるため、10Bの濃度は減少する。そのため中
性子検出感度は減少する。
≒１：４の割合で存在するが、これに加え10B
をさらに高濃度としても、フオスフイン
（PH3）を用いてリンがリン化ホウ素層に含ま
れるため、10Bの濃度は減少する。そのため中
性子検出感度は減少する。
作製したリン化ホウ素層厚みが20μmもある
ため、発生α線が自己吸収により減少し、その
ため中性子検出感度は減少する。
ため、発生α線が自己吸収により減少し、その
ため中性子検出感度は減少する。
以上のようにリン化ホウ素層と半導体とを組み
合わせた中性子検出装置は問題がある。
合わせた中性子検出装置は問題がある。
また半導体を用いない中性子検出器は構造が複
雑で安定性に乏しく、また検出感度が低く、計数
特性が悪いと云う問題があつた。
雑で安定性に乏しく、また検出感度が低く、計数
特性が悪いと云う問題があつた。
構造が簡単で安定性が高く、しかも検出感度の
高い中性子検出装置を提供することを目的とす
る。
高い中性子検出装置を提供することを目的とす
る。
本発明はこの目的を達成するため、ボロン薄膜
形成の際、ボロンの同位元素10Bを選択濃縮し作
製したジボランガス（10B2H6）を用いてグロー
放電を行い、10Bを高濃度に含有するボロン薄膜
を形成することを特徴とする。
形成の際、ボロンの同位元素10Bを選択濃縮し作
製したジボランガス（10B2H6）を用いてグロー
放電を行い、10Bを高濃度に含有するボロン薄膜
を形成することを特徴とする。
以下図を用いて本発明の実施例について説明す
る。以下、ここで開示する実施例の全てにおい
て、示すボロン薄膜は前述したボロンの同位元素
10Bを高濃度に含有するボロン薄膜である。第１
図及び第２図は表面障壁型構造の検出器の場合
で、例えばＰ型シリコンでは、障壁金属としての
アルミニウム電極６、オーミツクコンタクトとし
ての金電極７をそれぞれ真空蒸着したものであ
る。ボロン薄膜８は、前記電極６及び７の少なく
とも一方の表面に形成される。この表面障壁型構
造の素子に逆電圧を印加した状態で熱中性子線４
が入射すると、該熱中性子線がボロン薄膜８を通
過する際、 10B＋1 0ｎ→7Li＋α なる中性子核変換反応によりα線５が発生し、該
α線がシリコン半導体中１に形成した空乏層内に
侵入して電子・正孔対を生成し、電流パルスとな
るので、熱中性子線が検出しうることになる。第
２図に示すように両電極６及び７の表面にそれぞ
れボロン薄膜８を形成させた場合は、裏面で発生
したα線も検出するので熱中性子の検出効率が第
１図に示した実施例よりさらに高められる。
る。以下、ここで開示する実施例の全てにおい
て、示すボロン薄膜は前述したボロンの同位元素
10Bを高濃度に含有するボロン薄膜である。第１
図及び第２図は表面障壁型構造の検出器の場合
で、例えばＰ型シリコンでは、障壁金属としての
アルミニウム電極６、オーミツクコンタクトとし
ての金電極７をそれぞれ真空蒸着したものであ
る。ボロン薄膜８は、前記電極６及び７の少なく
とも一方の表面に形成される。この表面障壁型構
造の素子に逆電圧を印加した状態で熱中性子線４
が入射すると、該熱中性子線がボロン薄膜８を通
過する際、 10B＋1 0ｎ→7Li＋α なる中性子核変換反応によりα線５が発生し、該
α線がシリコン半導体中１に形成した空乏層内に
侵入して電子・正孔対を生成し、電流パルスとな
るので、熱中性子線が検出しうることになる。第
２図に示すように両電極６及び７の表面にそれぞ
れボロン薄膜８を形成させた場合は、裏面で発生
したα線も検出するので熱中性子の検出効率が第
１図に示した実施例よりさらに高められる。
第３図、第４図および第５図はpn接合型放射
線検出素子の場合で、ｎ型シリコン基板９に選択
的にボロン薄膜８を形成する。ボロン薄膜８の直
下のｎ型シリコン基板９に、ボロン侵入層、すな
わちp+層１０が形成される。このp+層は1021〜
1022atmos／cm3の極めて高いボロン濃度を有し、
かつ10Bを高濃度に含むボロンであるため熱中性
子線を効率良く検出する。この10Bの高濃度に含
有するp+層の形成は、本出願人の出願に係る特
願昭58−93218号明細書に開示した方法を用いそ
の際使用するジボランガスとして、10Bを高濃度
に含んだガスを使用することで形成するものであ
る。
線検出素子の場合で、ｎ型シリコン基板９に選択
的にボロン薄膜８を形成する。ボロン薄膜８の直
下のｎ型シリコン基板９に、ボロン侵入層、すな
わちp+層１０が形成される。このp+層は1021〜
1022atmos／cm3の極めて高いボロン濃度を有し、
かつ10Bを高濃度に含むボロンであるため熱中性
子線を効率良く検出する。この10Bの高濃度に含
有するp+層の形成は、本出願人の出願に係る特
願昭58−93218号明細書に開示した方法を用いそ
の際使用するジボランガスとして、10Bを高濃度
に含んだガスを使用することで形成するものであ
る。
また、さらに熱中性子線の検出効率を高めるた
め、第４図及び第５図に示すように電極６及び７
の表面にもボロン薄膜８を形成する。その結果、
検出効率の高い中性子検出素子が得られる。
め、第４図及び第５図に示すように電極６及び７
の表面にもボロン薄膜８を形成する。その結果、
検出効率の高い中性子検出素子が得られる。
第６図は、表面障壁型の検出素子の構造断面図
である。ボロン薄膜８の直下にp+層１０、すな
わちオーミツクコンタクト層を形成し、さらに電
極上にもボロン薄膜８を形成している。
である。ボロン薄膜８の直下にp+層１０、すな
わちオーミツクコンタクト層を形成し、さらに電
極上にもボロン薄膜８を形成している。
第７図は、非晶質シリコンを単結晶シリコン半
導体表面上に形成したヘテロ接合素子の構造図で
ある。
導体表面上に形成したヘテロ接合素子の構造図で
ある。
これは単結晶シリコン表面にプラズマCVD法
により非晶質シリコンを堆積させて作製し、その
後高濃度10B含有のジボラン10B2H6ガスを用いた
プラズマCVD法で20のボロン薄膜層２０を形成
したものである。
により非晶質シリコンを堆積させて作製し、その
後高濃度10B含有のジボラン10B2H6ガスを用いた
プラズマCVD法で20のボロン薄膜層２０を形成
したものである。
本検出素子はプラズマCVD法を用いることに
よりすべての素子作製プロセスが200℃以下の低
温であるため、高純度シリコン９の熱的劣化が殆
ど生ずることなく、比抵抗10kΩ−cm以上の単結
晶シリコンですら熱的劣化はない。
よりすべての素子作製プロセスが200℃以下の低
温であるため、高純度シリコン９の熱的劣化が殆
ど生ずることなく、比抵抗10kΩ−cm以上の単結
晶シリコンですら熱的劣化はない。
たとえば10cm2の表面積をもつシリコンウエナに
おける感度を計算すると、中性子線線束密度
100nVでは、 計数率Ａ＝Nδφ ただしＮは原子密度、δは散乱断面積、φは線
束密度である。
おける感度を計算すると、中性子線線束密度
100nVでは、 計数率Ａ＝Nδφ ただしＮは原子密度、δは散乱断面積、φは線
束密度である。
＝10cps
となり、高感度の中性子検出器が容易に形成しう
る。またこのボロン薄膜を多層形成すれば、勿論
感度はこれ以上に向上する。
る。またこのボロン薄膜を多層形成すれば、勿論
感度はこれ以上に向上する。
ここで本素子作製の条件を以下に示す。
シリコン単結晶：比抵抗10kΩ−cm以上（40φ）
非晶質シリコン：モノシラン〔SiH4（10％H2ベ
ース）〕を用いたD.Cプラズマ
CVD法で作製。
ース）〕を用いたD.Cプラズマ
CVD法で作製。
●プラズマCVD法 基板温度 200℃
圧 力 10.0Torr
印加電圧 700V
ボロン薄膜：ジボラン〔B2H6（1000ppmH2ベ
ース）〕を用いたD.Cプラズマ
CVD法で作製。
ース）〕を用いたD.Cプラズマ
CVD法で作製。
●プラズマCVD法 基板温度 200℃
圧 力 2.0Torr
印加電圧 560V
本発明による放射線検出器の構造自体は従来の
検出器と同様であるから当然、熱中性子以外の放
射線も検出できる。例えば本半導体検出器におい
てγ線の場合には光電効果、コンプトン効果によ
る二次電子線を検出するため第８図の１１に示す
スペクトルを示す。
検出器と同様であるから当然、熱中性子以外の放
射線も検出できる。例えば本半導体検出器におい
てγ線の場合には光電効果、コンプトン効果によ
る二次電子線を検出するため第８図の１１に示す
スペクトルを示す。
前述したように、中性子が本検出器に侵入しボ
ロン薄膜を通過する際、ボロンの同位元素10Bと
（ｎ，α）反応により2.30MeVのα線を発生す
る。このため第７図中１２に示すスペクトルを示
す。第８図に示すように通常検出しうるγ線と熱
中性子線による該α線とは明確に識別しうる。
ロン薄膜を通過する際、ボロンの同位元素10Bと
（ｎ，α）反応により2.30MeVのα線を発生す
る。このため第７図中１２に示すスペクトルを示
す。第８図に示すように通常検出しうるγ線と熱
中性子線による該α線とは明確に識別しうる。
また、本検出器の中性子線入射窓にポリエチレ
ン等の減速材を載置すれば速中性子線の検出も可
能である。すなわち速中性子線が減速材に入射す
ると弾性衝突によつて叩き出されたプロトンが本
検出器内に形成した空乏層に入射して電子−正孔
対を生ずるので他の放射線と同様に検出しうる。
ン等の減速材を載置すれば速中性子線の検出も可
能である。すなわち速中性子線が減速材に入射す
ると弾性衝突によつて叩き出されたプロトンが本
検出器内に形成した空乏層に入射して電子−正孔
対を生ずるので他の放射線と同様に検出しうる。
ここで開示した実施例では、いずれも半導体基
板にシリコンを用いたが、勿論ゲルマニウムや化
合物半導体のGaAsやCDTEなどを用いても、本
検出器は十分その中性子線を検出しうる。その理
由は前述したボロン薄膜はグロー放電によるプラ
ズマCVD法により形成されるがその際半導体基
板に加えられる温度は300℃以下であるため該半
導体基板に熱的歪みを生ずることなくボロン薄膜
を形成し、良好な放射線検出器を作製しうるから
である。
板にシリコンを用いたが、勿論ゲルマニウムや化
合物半導体のGaAsやCDTEなどを用いても、本
検出器は十分その中性子線を検出しうる。その理
由は前述したボロン薄膜はグロー放電によるプラ
ズマCVD法により形成されるがその際半導体基
板に加えられる温度は300℃以下であるため該半
導体基板に熱的歪みを生ずることなくボロン薄膜
を形成し、良好な放射線検出器を作製しうるから
である。
この発明によれば、従来のように中性子核変換
物質を放射線検出素子の前面に装着することなく
熱中性子線を検出することが出来る。しかもこの
ボロン薄膜は、放射線検出素子に密着しているた
め、ボロンの同位元素10Bによる10B（ｎ，α）反
応を生じさせまたボロン薄膜自身も1500A前後と
薄いためα線の自己吸収も少なく発生したα線が
効率よく半導体基板に侵入するため、熱中性子線
の検出効率が高められると同時に、ボロン薄膜の
厚みも500〜1600Åで不感層幅も極めて薄くしう
る。その結果α線やβ線及びγ線の検出にも特に
支障がない。
物質を放射線検出素子の前面に装着することなく
熱中性子線を検出することが出来る。しかもこの
ボロン薄膜は、放射線検出素子に密着しているた
め、ボロンの同位元素10Bによる10B（ｎ，α）反
応を生じさせまたボロン薄膜自身も1500A前後と
薄いためα線の自己吸収も少なく発生したα線が
効率よく半導体基板に侵入するため、熱中性子線
の検出効率が高められると同時に、ボロン薄膜の
厚みも500〜1600Åで不感層幅も極めて薄くしう
る。その結果α線やβ線及びγ線の検出にも特に
支障がない。
第１図及び第２図は表面障壁型検出器の断面
図、第３図、第４図及び第５図はpn接合型放射
線検出器の断面図、第６図は表面障壁型放射線検
出器の断面図、第７図はヘテロ接合型放射線検出
器の断面図、第８図は本発明による半導体放射線
検出器を用いて中性子線を測定した際のパルス波
高に対する計数率のスペクトルである。 １……ｐ型シリコン基板、４……中性子線、５
……α線、６及び７……電極、８……ボロン薄
膜、９……ｎ型シリコン基板、１０……p+領域、
１１……γ線スペクトル、１２……α線スペクト
ル、２０……非晶質シリコン。
図、第３図、第４図及び第５図はpn接合型放射
線検出器の断面図、第６図は表面障壁型放射線検
出器の断面図、第７図はヘテロ接合型放射線検出
器の断面図、第８図は本発明による半導体放射線
検出器を用いて中性子線を測定した際のパルス波
高に対する計数率のスペクトルである。 １……ｐ型シリコン基板、４……中性子線、５
……α線、６及び７……電極、８……ボロン薄
膜、９……ｎ型シリコン基板、１０……p+領域、
１１……γ線スペクトル、１２……α線スペクト
ル、２０……非晶質シリコン。
Claims (1)
- １ 半導体PN接合または半導体−金属シヨツト
キー接合または結晶半導体−非晶質半導体ヘテロ
接合と、ボロンの同位元素10Bを高濃度に含むボ
ロン薄膜とを組合わせたことを特徴とする中性子
検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59158414A JPS6135384A (ja) | 1984-07-28 | 1984-07-28 | 中性子検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59158414A JPS6135384A (ja) | 1984-07-28 | 1984-07-28 | 中性子検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6135384A JPS6135384A (ja) | 1986-02-19 |
| JPH053550B2 true JPH053550B2 (ja) | 1993-01-18 |
Family
ID=15671232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59158414A Granted JPS6135384A (ja) | 1984-07-28 | 1984-07-28 | 中性子検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6135384A (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06101577B2 (ja) * | 1986-01-21 | 1994-12-12 | 富士電機株式会社 | 半導体放射線検出器 |
| JP2500886B2 (ja) * | 1992-02-25 | 1996-05-29 | アロカ株式会社 | 中性子検出装置 |
| US6771730B1 (en) * | 1998-11-25 | 2004-08-03 | Board Of Regents Of University Of Nebraska | Boron-carbide solid state neutron detector and method of using the same |
| US7791031B2 (en) * | 2008-06-09 | 2010-09-07 | Honeywell International Inc. | Neutron detection structure |
| CA3159109C (en) | 2012-04-19 | 2024-10-22 | Carnegie Mellon University | METAL/SEMICONDUCTOR/METALLIC HETEROJUNCTION DIODE |
| WO2014039550A1 (en) | 2012-09-04 | 2014-03-13 | Carnegie Mellon University | A hot-electron transistor having metal terminals |
| CN112599620A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-04-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种中子辐射探测器 |
-
1984
- 1984-07-28 JP JP59158414A patent/JPS6135384A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6135384A (ja) | 1986-02-19 |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |