JP2001274450A - β線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】所定のβ線入射傾角範囲において所定の方向特
性を満足するβ線検出器を提供する。 【解決手段】β線検出器に使用される放射線検出素子に
は、β線入射側の平面全面にヘテロ接合またはｐｎ接合
が形成され、空乏層が放射線検出素子の側面に到達する
ように形成される。例えば、高抵抗率のｐ形シリコン基
板11a に溝17が形成され、溝17が形成された側の表面全
体にアモルファスシリコン膜12a が形成され、溝17を除
くアモルファスシリコン膜12a 上に上部電極14a が形成
され、他面には下部電極13a が形成されている。溝の深
さは、所定の方向特性を得るに必要な空乏層の厚さ以上
であり、空乏層の下端16が溝17の表面に達している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、放射線計測の分
野の内の、β線による個人被曝線量当量の計測に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】放射線計測におけるβ線の線量計測に
は、ダストモニタやサーベィメータのように、測定対象
にβ線検出器をほぼ正対させる計測と、個人警報線量計
のように、β線が入射してくる方向を決めることができ
ない計測とがある。前者の場合には、β線検出器の感度
の方向依存性( 以下では、垂直入射時の感度に対する感
度比の方向依存性を方向特性という) に対して厳しい仕
様を要求されることはないが、後者の場合には、厳しい
方向特性仕様が要求される。従来の規格では、垂直方向
に対して30度までの角度範囲において、±30％以内であ
ることが求められている。

【０００３】以下に、従来技術による個人警報線量計の
β線検出器について説明する。図７はβ線検出器の構成
を示すブロック図であり、図８は、従来技術によるβ線
検出器の放射線検出素子としての半導体検出素子の一例
（ヘテロ接合型）の構造を示す断面図であり、図９は、
その他例（ｐ⁺ ｎ接合型）の構造を示す断面図である。

【０００４】β線検出器は、β線検出素子１及びγ線補
償用検出素子２と、両検出素子１及び２のそれぞれの出
力電流パルスを増幅するそれぞれの増幅回路３と、増幅
されたそれぞれの信号パルスの内の基準値以上のパルス
を計数するそれぞれの計数回路４と、β線検出素子１側
の計数値ｎ₁ からγ線補償用検出素子２側の計数値ｎ ₂
を減算する減算回路５と、減算回路５の出力（ｎ₁ −ｎ
₂ ）から線量当量値を算出するための不図示の演算回路
や計測値を表示するための不図示の表示部等とで構成さ
れている。

【０００５】β線が物質中に入射すると、β線は、その
入射位置から物質の原子と相互作用をしてその物質を電
離させ、入射位置から雲状に電子−正孔対を生成し、そ
のエネルギーを消耗する。そのため、放射線検出素子に
入射したβ線は、必ず入射した表面から電子−正孔対を
生成する。この点は、γ線の場合と全く異なる。γ線
は、物質との相互作用の確率が遙かに小さく、物質中の
透過性が強いので、放射線検出素子に入射したγ線の大
部分は透過し、その一部が、放射線検出素子と相互作用
をして相互作用した位置から電子−正孔対を生成する。

【０００６】したがって、β線が生成する電子−正孔対
を検出してβ線を計測する場合には、β線のエネルギー
を消耗させるような部材をβ線の入射部に配備できない
ので、透過性の遙かに強いγ線の干渉を避けることがで
きない。言い換えれば、β線検出器には、β線の検出回
路に加えて、γ線の干渉成分を補償するためのγ線の検
出回路が必要であり、β線検出器は上記の構成となる。

【０００７】β線検出素子１は、放射線検出素子と、そ
の表面を覆う薄い保護シートとで構成されている。この
保護シートとしては、例えば厚さ25μm の有機高分子シ
ートの一種であるカプトンシートが用いられており、β
線のエネルギーを僅かに消耗させるに過ぎない。γ線補
償用検出素子２は、放射線検出素子と、その表面を覆う
遮蔽金属板及び金属ケースとで構成されている。この遮
蔽金属板は例えば厚さ１mmの銅板であり、全体が例えば
厚さ１mmのアルミケース内に収納されている。したがっ
て、β線の大部分を占める１ＭeV以下のβ線は完全に遮
蔽され、β線感度は、遮蔽金属板及び金属ケースがない
場合に比べて1000分の１以下となっている。

【０００８】計数回路５に設定されるそれぞれの基準値
は、β線検出素子１及びγ線補償用検出素子２から発生
するノイズを除去し、且つγ線成分を精度よく補償する
ために設定され、通常、 100ｋeV程度に設定される。β
線による電子−正孔対は、入射点を基点として飛程分の
広がりをもって雲状に広がる。β線のシリコン中の飛程
は、 100ｋeVのエネルギーをもつ場合に約50μm であ
り、 200ｋeVでは約 160μm 、500 ｋeVでは約 570μm
、１ＭeVでは約1,500 μm である。

【０００９】β線検出素子１及びγ線補償用検出素子２
のそれぞれの放射線検出素子としては、同じ構造で同じ
大きさのものが使用される。しかし、遮蔽金属板の有無
によって、β線検出素子１のγ線検出感度とγ線補償用
検出素子２のγ線検出感度とに若干の差を生じる。この
差は、γ線補償用検出素子２側の計数回路４の基準値を
β線検出素子１側の基準値から幾らかずらせることによ
って調整される。

【００１０】ここで、放射線検出素子について図８及び
図９を用いて説明する。図８に示した放射線検出素子
は、ヘテロ接合型半導体検出素子10であり、単結晶シリ
コンとアモルファスシリコンとのヘテロ接合型のダイオ
ードである。この半導体検出素子10は、高抵抗率のｐ形
シリコン基板（図８では、ｐ形シリコン）11を基材と
し、その一方の表面（図８では上面）に、プラズマＣＶ
Ｄによって、厚さ１μm 程度のｎ形で高抵抗率のアモル
ファスシリコン膜12が形成され、他面（図８では下面）
にはアルミ蒸着膜からなる電極（図８では下部電極）13
が形成され、アモルファスシリコン膜12の表面には、厚
さ１μm 以下のアルミ蒸着膜からなる上部電極14が形成
されている。上部電極14の形成領域がβ線に対する有感
領域となる。

【００１１】上記のヘテロ接合型ダイオードの両電極13
及び14に逆方向バイアスの電圧が印加されると、ヘテロ
接合部を挟んで図示していない空乏層が形成される。形
成される空乏層の横方向への広がりは、上部電極14が形
成されている領域によって限定され、厚さ方向への広が
りは、印加された電圧とｐ形シリコン基板11の抵抗率と
で決まる。入射したβ線がこの空乏層内で生成した電子
−正孔対が、空乏層の電界によって分離され、電流パル
スとなる。したがって、空乏層の形成領域がヘテロ接合
型半導体検出素子10の有感部であり、放射線有感部はア
モルファスシリコン膜12側で表面に近接しており、β線
の入射面はアモルファスシリコン膜12側である。

【００１２】図９に示した放射線検出素子は、ｐ⁺ ｎ接
合型半導体検出素子20であり、ｐ⁺ｎ接合型のダイオー
ドである。この半導体検出素子20は、ｎ形シリコン基板
（図９では、ｎ形シリコン）21を基材とし、その一方の
面（図９では上面）に、薄いｐ⁺ 層22が形成され、他面
（図９では下面）には、そのほぼ全面にアルミ蒸着膜か
らなる電極（図９では下部電極）23が形成され、ｐ⁺ 層
22の一部に、ワイアボンディングのためのアルミ蒸着膜
からなる上部電極24が形成され、上部電極24の形成部を
除く上面全面に、表面保護膜25が形成されている。ｐ⁺
層22の一部だけにアルミ電極24が形成されるのは、ｐ⁺
層22が電極の役目を兼ねるため、電極としてのアルミ蒸
着膜は不要なので、ワイアボンディングに必要な分だけ
を形成すればよいからである。

【００１３】このようなｐ⁺ ｎ接合型ダイオードの両電
極23及び24に逆方向バイアスの電圧が印加されると、ｐ
⁺ ｎ接合部を挟んで図示していない空乏層が形成され
る。空乏層の働きはヘテロ接合型ダイオードと全く同じ
であるので、その説明は省略する。なお、放射線検出素
子として、ｐ⁺ ｎ接合型のダイオードと同様に、ｎ⁺ ｐ
接合型のダイオードを使用することもできる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】方向特性に対する要求
が厳しい個人警報線量計のβ線検出器において、従来の
要求仕様では、前述したように、垂直方向に対して30度
（以下では垂直方向に対する角度を傾角という）までの
角度範囲において、±30％以内であることが求められて
いた。しかし、最近になって、傾角60度までの角度範囲
において、±30％以内であることを必要とするＩＥＣ規
格を満足することが求められている。

【００１５】図10に太線で示した方向特性は、従来技術
によるβ線検出器で測定した方向特性の一例である。こ
れの放射線検出素子は、ヘテロ接合型であり、チップサ
イズが３mm×３mm、上部電極が1.5 mm×1.5 mm、空乏層
の厚さが約200 μm である。図10から分かるように、こ
のβ線検出器は、傾角範囲が30度以内では、余裕をもっ
て±30％以内を満足できていたが、傾角範囲が60度以内
になると、±30％以内を満足できない傾角範囲を有して
いる。

【００１６】この発明の課題は、所定のβ線入射傾角範
囲において所定の方向特性を満足するβ線検出器を提供
することであり、少なくとも、傾角60度までのβ線入射
傾角範囲において±30％以内という方向特性を満足する
β線検出器を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】従来技術の項で述べたよ
うに、β線が半導体検出素子に入射すると、そのβ線は
入射位置から電子−正孔対を生成してそのエネルギーを
消耗する。したがって、空乏層に到達する前に、β線の
もつエネルギーが計数回路の基準値以下に低下すれば、
そのβ線が空乏層に到達しても計数されない。

【００１８】ヘテロ接合またはｐｎ接合は表面に近接し
て形成されているので、ヘテロ接合またはｐｎ接合に入
射する基準値以上のエネルギーをもつβ線は、そのほぼ
100％が検出される（これを直接入射分という）。しか
し、上記接合から離れた位置に入射するβ線は、空乏層
に到達した時に基準値以上のエネルギーを残しているβ
線だけが検出される（これを間接入射分という）。

【００１９】β線が半導体検出素子面に垂直に入射する
場合には、検出されるβ線の大部分が直接入射分であ
り、その感度は接合面積で決まる。一方、半導体検出素
子面に傾角θだけ傾いて入射するβ線の場合には、直接
入射分は、垂直入射の場合の cosθ倍となり、傾角θが
大きくなるにしたがって減少する。間接入射分は、β線
が空乏層の側面から入射する場合に相当し、空乏層の厚
さ及び傾角θ、β線のエネルギー分布に関係し、簡単に
は推定できない。

【００２０】図11は、上記の状況を傾角30度と60度の場
合に関して示した説明図である。図において、接合の一
辺の長さをＬ、空乏層の厚さをＤとしている。傾角30度
の場合には、直接入射分が垂直入射の場合の86.6％であ
るから、方向特性として問題になることはない。しか
し、傾角60度の場合には、直接入射分が垂直入射の場合
の50％まで減少するから、この成分だけでは、±30％以
内という方向特性の仕様を満足させることができない。
この状況が図10に示した従来例の方向特性に表れてい
る。傾角60度における値が−44％であるのは、間接入射
分の寄与が約６％あるということである。すなわち、0.
866 Ｄに相当する部分に入射したβ線の一部が計数され
たのである。

【００２１】図12は、空乏層の側面に入射するβ線が全
て有効に検出される、すなわち、空乏層の外側にはβ線
のエネルギーを消耗させる物質がない、とした場合にお
ける感度を算出した結果を示す線図である。横軸は、接
合の一辺の長さＬに対する空乏層の厚さＤの比Ｄ／Ｌで
あり、縦軸は垂直入射感度に対する感度比である。図11
を用いて一例を示すと、傾角60度に対する上記感度比
は、 であり、傾角θに対しては、 cosθ＋ sinθＤ／Ｌ （２） となる。

【００２２】したがって、傾角60度において、±30％以
内の方向特性を得るためには、 0.7≦0.5 ＋0.866 Ｄ／Ｌ≦1.3 となり、Ｄ／Ｌの下限は0.233 となる。Ｌ＝1.5 mmとす
ると、Ｄ≧0.35mmとなり、このＤの値は、印加電圧を高
くすること及び結晶シリコン基板の抵抗率を選別するこ
とで充分に実現可能な値である。

【００２３】図10の実線に相当する半導体検出素子は、
Ｄ＝0.2 mm、Ｌ＝1.5 mmであるので、（２）式によって
方向特性を算出すると、図10の点線のとおりとなる。図
10の太線と点線とを比較すると、傾角60度においては、
0.866 Ｄに相当する部分に入射したβ線の内の約半分が
間接入射分として寄与していることが分かる。したがっ
て、接合面積を同じにして、空乏層の側面面積を増大さ
せれば、すなわち接合の周辺長を長くすれば、間接入射
分を増加させることができるはずである。これは、図12
におけるＤ／Ｌを大きくすることに相当する。

【００２４】以上の考察に基づいて、この発明において
は、方向特性を改善するために以下の２つの手段を用い
る。 1) β線が空乏層の側面へもほとんどエネルギーを消耗
せずに入射できるようにする。すなわち、ヘテロ接合ま
たはｐｎ接合の大きさを放射線検出素子の大きさとほぼ
同じにして、空乏層を放射線検出素子の側面または側面
近傍まで到達させる。

【００２５】2) 間接入射分の割合を増加させるために
間接入射分に寄与できる側面面積を拡大する。すなわ
ち、ヘテロ接合またはｐｎ接合の形状を細長くして、同
じ接合面積に対する周辺長を長くする。請求項１から請
求項４までの発明は、1)の手段による発明であり、請求
項５及び請求項６の発明は、2)の手段による発明であ
る。

【００２６】請求項１の発明においては、ヘテロ接合ま
たはｐｎ接合に印加された逆方向バイアスが形成する空
乏層によって放射線を検出する半導体放射線検出素子で
β線及びγ線を検出するβ線・γ線検出手段と、前記同
様の半導体放射線検出素子でγ線を検出するγ線検出手
段とを備え、β線・γ線検出手段の出力のγ線成分をγ
線検出手段の出力で補償してβ線の線量当量を計測する
β線検出器において、前記空乏層の厚さが所定の方向特
性に合わせて設定され、前記空乏層が半導体放射線検出
素子の側面表面に到達または近接している。

【００２７】空乏層が半導体放射線検出素子の側面表面
に到達または近接しているので、側面に入射するβ線は
ほとんどそのエネルギーを消耗することなく空乏層に到
達できる。加えて空乏層の厚さが所定の方向特性に合わ
せて設定されているので、所定の方向特性を確保するこ
とができる。請求項１の発明において、半導体放射線検
出素子が単結晶シリコンとアモルファスシリコンとのヘ
テロ接合型であり、アモルファスシリコンが、単結晶シ
リコンの放射線入射側の平面と、この平面につながる側
面の内の少なくとも空乏層が形成される部分とに形成さ
れ、放射線入射側の平面に形成されたアモルファスシリ
コンの全表面に電極が形成されている（請求項２の発
明）。

【００２８】空乏層形成部の表面にはアモルファスシリ
コンが形成されているので、漏洩電流の少ない安定なダ
イオードを得ることができ、放射線入射側の平面の全表
面に電極が形成されているので、空乏層が側面の表面ま
で形成される。また、請求項１の発明において、半導体
放射線検出素子が単結晶シリコンからなるｐｎ接合型で
あり、ｐｎ接合が単結晶シリコンの放射線入射側の平面
に近接してその全面に形成されて、ｐｎ接合の端部が単
結晶シリコンの側面に到達しており、単結晶シリコンの
表面の内の、少なくとも空乏層が形成される部分の表面
には、表面保護膜が形成されている（請求項３の発
明）。

【００２９】空乏層が形成される部分の表面には、表面
保護膜が形成されているので、漏洩電流の少ない安定な
ダイオードを得ることができ、ｐｎ接合が単結晶シリコ
ンの側面に到達しているので、空乏層が側面の表面まで
形成される。請求項１の発明から請求項３の発明のいず
れかにおいて、半導体放射線検出素子の放射線入射側の
平面の形状が正方形であり、空乏層の厚さがこの正方形
の一辺の長さの23％から65％である（請求項４の発
明）。

【００３０】半導体放射線検出素子の形状としては、矩
形または正方形が最も製作し易い形状であり、その中
で、正方形が最も優れた方向特性を有する。傾角60度に
おいて、±30％以内の方向特性を得るためには、（１）
式からＤ／Ｌの下限値は0.23となり、上限値は0.92とな
る。ただし、上限値に関しては、正方形の対角線方向に
入射する場合の方がより大きくなるので、（１）式から
求めた上限値を２の平方根で除した値を上限値とするの
が妥当であり、Ｄ／Ｌの上限値は0.65となる。

【００３１】請求項５の発明においては、ヘテロ接合ま
たはｐｎ接合に印加された逆方向バイアスが形成する空
乏層によって放射線を検出する半導体放射線検出素子で
β線及びγ線を検出するβ線・γ線検出手段と、前記同
様の半導体放射線検出素子でγ線を検出するγ線検出手
段とを備え、β線・γ線検出手段の出力のγ線成分をγ
線検出手段の出力で補償してβ線の線量当量を計測する
β線検出器において、ヘテロ接合またはｐｎ接合の形状
が、中央の接続部と、この接続部から放射状にまたは四
方に樹枝状に突出した枝状部とからなる形状である。

【００３２】接合の形状が枝状部を有する形状である
と、接合面積が同じであっても、その周辺長が長くな
り、間接入射分に寄与できる側面面積が拡大する。請求
項５の発明において、枝状部の面積が接続部の面積より
大きく、枝状部の幅が0.2 mmから0.05mmである（請求項
６の発明）。発明者の試作結果によれば、枝状部の面積
が接続部の面積と同じであり、枝状部の幅が0.2 mmであ
る場合に、傾角60度において、その感度が垂直入射の場
合の丁度70％であった。したがって、傾角60度におい
て、−30％以内を得るためには、枝状部の幅を0.2 mmと
した場合には、枝状部の面積を接続部の面積以上にすれ
ばよく、枝状部の面積と接続部の面積とが同じ場合に
は、枝状部の幅を0.2 mm以下とすればよい。枝状部の幅
の下限値である0.05mmは、従来技術の項で説明した計数
回路の基準値の100 ｋeVに相当するβ線の飛程と同じ値
であり、基準値以上の信号を得るためにはこの幅が必要
である。

【００３３】

【発明の実施の形態】この発明によるβ線検出器の実施
の形態について実施例を用いて説明する。なお、従来技
術と同じ機能の部分には同じ部号を付ける。β線検出器
の構成は図７に示した従来技術における構成と同じであ
り、β線検出素子及びγ線補償用検出素子の構成も従来
技術と同じであるので、それらの説明は省略し、β線検
出素子及びγ線補償用検出素子に用いられる半導体検出
素子及びこれを用いたβ線検出器の方向特性について説
明する。

【００３４】〔第１の実施例〕図１は、この発明による
β線検出器の半導体検出素子の第１の実施例の構造を示
す断面図であり、図４は、この実施例の半導体検出素子
を用いたβ線検出器の方向特性を示す線図である。この
実施例の半導体検出素子10a は、ヘテロ接合型半導体検
出素子であり、単結晶シリコンとアモルファスシリコン
とのヘテロ接合型のダイオードである。この半導体検出
素子10a は、片面に空乏層の厚さより幾分深い溝17が形
成された高抵抗率のｐ形シリコン基板（図１では、ｐ形
シリコン）11a を基材とし、溝17を形成された側の表面
に、プラズマＣＶＤによって、厚さ１μm 程度のｎ形で
高抵抗率のアモルファスシリコン膜12a が、溝17の内部
も含めて形成され、他面にはアルミ蒸着膜からなる電極
（図１では下部電極）13a が形成され、溝17以外のアモ
ルファスシリコン膜12a 上には、厚さ１μm 以下のアル
ミ蒸着膜からなる上部電極14a が形成されている。以上
の構造はウェハ状態で形成され、このウェハーが溝17の
底で切断されて個々の素子となる。

【００３５】上記の溝付のｐ形シリコン基板11a は、ウ
ェハーにダイサーで溝17を加工した後、溝加工部の加工
歪層除去及び清浄化のために弗硝酸系の混酸溶液等でエ
ッチング処理されて作製される。上記のヘテロ接合型ダ
イオードの両電極13a 及び14a に逆方向バイアスの電圧
が印加されると、ヘテロ接合部を挟んで空乏層が形成さ
れる。形成される空乏層は、図１に示すようにその下端
16が溝17の底までには達していないが、上部電極14a が
上面全面に形成されているために、溝17の側面には達し
ている。なお、空乏層の下端16は、ｐ形シリコン基板の
抵抗率と印加電圧とで制御される。

【００３６】このようなヘテロ接合型半導体検出素子10
a にβ線が入射すると、空乏層が側面まで形成されてい
るので、「課題を解決するための手段」の項で説明した
ように、側面に入射するβ線も直接入射分と同様に感度
に寄与する。図４は、上面電極14a を1.0 mm×1.0 mmと
し、空乏層の厚さを300 μm と設定して試作した、この
実施例の半導体検出素子10a を用いたβ線検出器の方向
特性を示す線図である。傾角60度においても、垂直入射
感度に対する感度比が76％であり、±30％以内の方向特
性を十分に満足している。

【００３７】〔第２の実施例〕図２は、この発明の半導
体検出素子の第２の実施例の構造を示す断面図である。
この実施例の半導体検出素子20a は、ｐ⁺ ｎ接合型半導
体検出素子であり、ｐ ⁺ ｎ接合型のダイオードである。
この半導体検出素子20a は、片面に空乏層の厚さより幾
分深い溝27が形成された高抵抗率のｎ形シリコン基板
（図２では、ｎ形シリコン）21a を基材とし、溝27を形
成された側の溝27を除く表面には薄いｐ⁺層22a が形成
され、溝27を形成された側のｐ⁺ 層22a を含む表面には
表面保護膜25a が形成され、他面にはアルミ蒸着膜から
なる電極（図２では下部電極）23aが形成され、ｐ⁺ 層2
2a 上の表面保護膜25a の一部が除去されて、ここにワ
イアボンディングのためのアルミ蒸着膜からなる上部電
極24a が形成されている。以上の構造はウェハ状態で形
成され、このウェハーが溝27の底で切断されて個々の素
子となる。

【００３８】ｐ⁺ 層22a の一部だけに上部電極24a が形
成されるのは、ｐ⁺ 層22a が電極の役目を兼ねるため、
電極としてのアルミ蒸着膜は不要なので、ワイアボンデ
ィングに必要な分だけを形成すればよいからである。上
記のｐ⁺ 層22a 、溝27及び表面保護膜25a は、例えば、
ウェハーの片面にｐ ⁺ 層22a を形成した後、ダイサーで
溝27を加工し、溝加工部の加工歪層除去及び清浄化のた
めに弗硝酸系の混酸溶液等でエッチング処理し、最後に
プラズマＣＶＤでシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜
等の表面保護膜25a を形成するという工程で形成され
る。

【００３９】このｐ⁺ ｎ接合型半導体検出素子20a にお
いても、第１の実施例のヘテロ接合型半導体検出素子10
a と同様に、形成される空乏層が溝27の側面に達するの
で、ｐ⁺ ｎ接合型半導体検出素子20a を用いたβ線検出
器でも、第１の実施例の場合と全く同様の方向特性を得
ることができる。なお、放射線検出素子として、ｐ⁺ ｎ
接合型のダイオードと同様に、ｎ⁺ ｐ接合型のダイオー
ドを使用することもできる。

【００４０】〔第３の実施例〕図３は、この発明の半導
体検出素子の第３の実施例の構造を示す断面図である。
第１の実施例または第２の実施例の場合には、形成でき
る空乏層の厚さの限界から、半導体検出素子の大きさが
制限され、得られる感度には限界が生じる。この限界以
上の感度を必要とする場合には、複数の半導体検出素子
を用いればよいことは自明の理であるが、数が多くなる
ほどその組立工数は増大し、コストが高くなる。この実
施例は、上記限界以上の感度をもつ半導体検出素子をコ
ストの増大を少なくして提供するものである。

【００４１】この実施例は、１つの半導体検出素子の中
に、第１の実施例に相当する半導体検出素子を単位とす
る複数単位を作り込んだものである。隣り合う単位の間
には溝17a が形成されており、溝17a の幅Ｗは、方向特
性で求められる最大傾角をθ _max とし、空乏層の厚さを
Ｄとすると、Ｗ≧Ｄ tanθ_max に設定されている。この
溝幅Ｗは、隣り合う単位が隣の単位の空乏層にその側方
から入射するβ線を妨げないようにするための条件から
設定されている。図３に示したθ_max ＝60度で、第１の
実施例で示した半導体検出素子例（Ｄ＝300 μm ）の場
合には、Ｗ≧0.52mmとなり、上部電極14a の一辺である
１mmの２分の１強の溝17a を形成することになる。

【００４２】この条件を満たす溝17a を形成することに
よって、個々の単位と全く同じ方向特性を得ることがで
き、組立工程においては、１つの部品として取り扱うこ
とができる。この実施例はヘテロ接合型半導体検出素子
の場合であるが、ｐｎ接合型半導体素子でも全く同様に
実施することができ、効果も全く同じである。

【００４３】〔第４の実施例〕図５は、この発明の半導
体検出素子の第４の実施例を示す平面図であり、図６
は、この実施例の半導体検出素子を用いたβ線検出器の
方向特性を示す線図である。この実施例は、上部電極の
形状によって所定の方向特性を得るものである。

【００４４】この実施例の半導体検出素子は、ヘテロ接
合型半導体検出素子10c であり、その上部電極14b は、
中央部の円形の接続部141 と、そこから８方に放射状に
延びる枝状部142 とで構成されている。枝状部142 を形
成することによって、同じ面積をもつ正方形の上部電極
の場合に比べて、方向特性が大幅に改善される。それ
は、枝状部142 を形成することによって、電極の周辺長
が長くなり、間接入射分が増大するためである。

【００４５】図10に太線で示した方向特性をもつ従来例
のチップサイズ（３mm×３mm）と電極面積（1.5 mm×1.
5 mm）とに合わせて、上部電極14b として、1.1 mmφの
接続部141 （面積は0.95mm² ） と2.2 mm×2.2 mm内に
入る幅0.2 mmの８方に延びる枝状部142 （面積は1.24mm
² ）とを形成したヘテロ接合型半導体検出素子10c を試
作し、これを用いて、空乏層の厚さを200 μm としたβ
線検出器で方向特性を測定して、図６に示す結果を得
た。傾角60度で±30％以内という方向特性を十分に満足
している。

【００４６】枝状部142 の幅を0.2 mmとし、接続部141
の面積と枝状部142 の面積とを同じにして試作した場合
には、傾角60度において、丁度−30％であった。また、
枝状部142 の幅を狭くすれば、周辺長がより長くなり、
方向特性が改善する。ただし、枝状部142 の幅が、計数
回路の基準値である100 ｋeV相当の飛程（約50μm ）以
下になると、入射したβ線が枝状部142 の空乏層内で10
0 ｋeV相当の電子−正孔対を生成する前に空乏層から出
てしまう可能性が高くなるので、50μm 未満の幅の枝状
部142 は不適当である。

【００４７】なお、より高い感度を得るために、検出素
子の面積を大きくする場合には、放射状に延びて間隔が
広くなった部分に枝を分岐させることが有効である。こ
の実施例はヘテロ接合型半導体検出素子であるが、ｐｎ
接合型半導体検出素子の場合でも、同様の電極形状が全
く同様に有効である。

【００４８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、ヘテロ接合ま
たはｐｎ接合に印加された逆方向バイアスが形成する空
乏層によって放射線を検出する半導体放射線検出素子で
β線及びγ線を検出するβ線・γ線検出手段と、前記同
様の半導体放射線検出素子でγ線を検出するγ線検出手
段とを備え、β線・γ線検出手段の出力のγ線成分をγ
線検出手段の出力で補償してβ線の線量当量を計測する
β線検出器において、前記空乏層の厚さが所定の方向特
性に合わせて設定され、前記空乏層が半導体放射線検出
素子の側面表面に到達または近接しているので、側面に
入射するβ線はほとんどそのエネルギーを消耗すること
なく空乏層に到達でき、所定の方向特性を確保すること
ができる。したがって、所定の傾角範囲において所定の
方向特性を満足するβ線検出器を提供することができ
る。

【００４９】請求項１の発明において、半導体放射線検
出素子が単結晶シリコンとアモルファスシリコンとのヘ
テロ接合型であり、アモルファスシリコンが、結晶シリ
コンの放射線入射側の平面と、この平面につながる側面
の内の少なくとも空乏層が形成される部分とに形成さ
れ、放射線入射側の平面に形成されたアモルファスシリ
コンの全表面に電極が形成されているので、漏洩電流の
少ない安定なダイオードを得ることができ、空乏層が側
面の表面まで形成される（請求項２の発明）。

【００５０】また、請求項１の発明において、半導体放
射線検出素子が単結晶シリコンからなるｐｎ接合型であ
り、ｐｎ接合が結晶シリコンの放射線入射側の平面に近
接してその全面に形成されて、ｐｎ接合の端部が結晶シ
リコンの側面に到達しており、単結晶シリコンの表面の
内の、少なくとも空乏層が形成される部分の表面には、
表面保護膜が形成されているので、漏洩電流の少ない安
定なダイオードを得ることができ、空乏層が結晶シリコ
ンの側面の表面まで形成される（請求項３の発明）。

【００５１】請求項１の発明から請求項３の発明のいず
れかにおいて、半導体放射線検出素子の放射線入射側の
平面の形状が正方形であり、空乏層の厚さがこの正方形
の一辺の長さの23％から65％である。半導体放射線検出
素子の形状としては、矩形または正方形が最も製作し易
い形状であり、その中で、正方形が最も優れた方向特性
を有する。傾角60度において、±30％以内の方向特性を
得るためには、（１）式からＤ／Ｌの下限値は0.23とな
り、上限値は0.92となる。ただし、上限値に関しては、
正方形の対角線方向に入射する場合の方がより大きくな
るので、（１）式から求めた上限値を２の平方根で除し
た値を上限値とするのが妥当であり、Ｄ／Ｌの上限値は
0.65となる。したがって、傾角60度までの傾角範囲にお
いて±30％以内の方向特性を満足するβ線検出器を提供
することができる（請求項４の発明）。

【００５２】請求項５の発明によれば、ヘテロ接合また
はｐｎ接合に印加された逆方向バイアスが形成する空乏
層によって放射線を検出する半導体放射線検出素子でβ
線及びγ線を検出するβ線・γ線検出手段と、前記同様
の半導体放射線検出素子でγ線を検出するγ線検出手段
とを備え、β線・γ線検出手段の出力のγ線成分をγ線
検出手段の出力で補償してβ線の線量当量を計測するβ
線検出器において、ヘテロ接合またはｐｎ接合の形状
が、中央の接続部と、この接続部から放射状にまたは四
方に樹枝状に突出した枝状部とからなる形状である。

【００５３】接合の形状が枝状部を有する形状である
と、接合面積が同じであっても、その周辺長が長くな
り、間接入射分に寄与できる側面面積を拡大する。した
がって、所定の傾角範囲において所定の方向特性を満足
するβ線検出器を提供することができる。請求項５の発
明において、枝状部の面積が接続部の面積より大きく、
枝状部の幅が0.2 mmから0.05mmである。発明者の試作結
果によれば、枝状部の面積が接続部の面積と同じであ
り、枝状部の幅が0.2 mmである場合に、傾角60度におい
て、その感度が垂直入射の場合の70％であった。したが
って、傾角60度において、±30％以内を得るためには、
枝状部の幅を0.2 mmとした場合には、枝状部の面積を接
続部の面積以上にすればよく、枝状部の面積と接続部の
面積とが同じ場合には、枝状部の幅を0.2 mm以下とすれ
ばよい。枝状部の幅の下限値である0.05mmは、従来技術
の項で説明した計数回路の基準値の100 ｋeVに相当する
β線の飛程と同じ値であり、基準値以上の信号を得るた
めにはこの幅が必要である（請求項６の発明）。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるβ線検出器の半導体検出素子の
第１の実施例の構造を示す断面図

【図２】この発明の半導体検出素子の第２の実施例の構
造を示す断面図

【図３】この発明の半導体検出素子の第３の実施例の構
造を示す断面図

【図４】第１の実施例の半導体検出素子を用いたβ線検
出器の方向特性を示す線図

【図５】この発明の半導体検出素子の第４の実施例を示
す平面図

【図６】第４の実施例の半導体検出素子を用いたβ線検
出器の方向特性を示す線図

【図７】β線検出器の構成を示すブロック図

【図８】従来技術によるβ線検出器の半導体検出素子の
一例の構造を示す断面図

【図９】従来技術の半導体検出素子の他例の構造を示す
断面図

【図１０】従来技術によるβ線検出器の方向特性の一例
を示す線図

【図１１】従来技術の問題点を説明するための説明図

【図１２】（２）式による計算結果を示す線図

【符号の説明】

１ β線検出素子 ２ γ線補償用検出素子 ３ 増幅回路 ４ 計数回路 ５ 減算回路 10, 10a, 10b, 10c ヘテロ接合型半導体検出素子 11, 11a ｐ形シリコン 12, 12a アモルファスシリコン 13, 13a 下部電極 14, 14a, 14b 上部電極 141 接続部 142 枝状部 16 空乏層の下端 17, 17a 溝 20, 20a ｐ⁺ ｎ接合型半導体検出素子 21, 21a ｎ形シリコン 22, 22a ｐ⁺ 層 23, 23a 下部電極 24, 24a 上部電極 25, 25a 表面保護膜 26 空乏層の下端 27 溝

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヘテロ接合またはｐｎ接合に印加された逆
   方向バイアスが形成する空乏層によって放射線を検出す
   る半導体放射線検出素子でβ線及びγ線を検出するβ線
   ・γ線検出手段と、前記同様の半導体放射線検出素子で
   γ線を検出するγ線検出手段とを備え、β線・γ線検出
   手段の出力のγ線成分をγ線検出手段の出力で補償して
   β線の線量当量を計測するβ線検出器において、 前記空乏層の厚さが所定の方向特性に合わせて設定さ
   れ、 前記空乏層が半導体放射線検出素子の側面表面に到達ま
   たは近接していることを特徴とするβ線検出器。
2. 【請求項２】半導体放射線検出素子が単結晶シリコンと
   アモルファスシリコンとのヘテロ接合型であり、 アモルファスシリコンが、単結晶シリコンの放射線入射
   側の平面と、この平面につながる側面の内の少なくとも
   空乏層が形成される部分とに形成され、 放射線入射側の平面に形成されたアモルファスシリコン
   の全表面に電極が形成されていることを特徴とする請求
   項１に記載のβ線検出器。
3. 【請求項３】半導体放射線検出素子が単結晶シリコンか
   らなるｐｎ接合型であり、 ｐｎ接合が単結晶シリコンの放射線入射側の平面に近接
   してその全面に形成されて、ｐｎ接合の端部が単結晶シ
   リコンの側面に到達しており、 単結晶シリコンの表面の内の、少なくとも空乏層が形成
   される部分の表面には、表面保護膜が形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載のβ線検出器。
4. 【請求項４】半導体放射線検出素子の放射線入射側の平
   面の形状が正方形であり、 空乏層の厚さがこの正方形の一辺の長さの23％から59％
   であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれ
   かに記載のβ線検出器。
5. 【請求項５】ヘテロ接合またはｐｎ接合に印加された逆
   方向バイアスが形成する空乏層によって放射線を検出す
   る半導体放射線検出素子でβ線及びγ線を検出するβ線
   ・γ線検出手段と、前記同様の半導体放射線検出素子で
   γ線を検出するγ線検出手段とを備え、β線・γ線検出
   手段の出力のγ線成分をγ線検出手段の出力で補償して
   β線の線量当量を計測するβ線検出器において、 ヘテロ接合またはｐｎ接合の形状が、中央の接続部と、
   この接続部から放射状にまたは四方に樹枝状に突出した
   枝状部とからなる形状であることを特徴とするβ線検出
   器。
6. 【請求項６】枝状部の面積が接続部の面積より大きく、 枝状部の幅が0.2 mmから0.05mmであることを特徴とする
   請求項５に記載のβ線検出器。