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JP6948668B2 - Neutron semiconductor detector - Google Patents
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JP6948668B2 - Neutron semiconductor detector - Google Patents

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Description

本発明は、中性子半導体検出器に関する。 The present invention relates to a neutron semiconductor detector.

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。 As a conventional neutron detector, for example, the detector described in Patent Document 1 is formed on a silicon substrate which is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor, a silicon oxide film formed on the silicon substrate, and a silicon oxide film. A PN junction is formed between a converter layer that generates α rays in response to the incident of neutrons by containing boron (B) and a silicon substrate by having an N-type semiconductor or a P-type semiconductor, and a converter. It includes a plurality of detectors that generate electrons and holes in response to the incident of α-rays generated by the layer, and wiring that is electrically connected to the detectors.

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。 In this neutron detector, a plurality of detectors are arranged on a silicon substrate, and each shield metal is provided so that α rays generated by the converter layer can reach only the detector immediately below the detector. It is located above the detection unit. As a result, each detection unit functions as a plurality of pixels, and by detecting α rays for each detection unit, the position where the neutron is incident on the converter layer can be specified.

特開2012−181065号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-181065

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。 In the neutron detector as described above, neutrons are incident on the converter layer, which is the outermost layer on the side where the neutrons are incident, and the neutrons react with B contained in the converter layer to generate α rays in all directions. Will be done. Of the generated α rays, only the α rays traveling toward the detection unit immediately below the generated α rays are incident on the detection unit. Therefore, such a neutron detector does not have good neutron detection efficiency because it detects only a small part of the α rays generated in response to the incident of neutrons on the converter layer.

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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a neutron semiconductor detector capable of improving the neutron detection efficiency while making it possible to specify the incident position of the neutron.

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。 The neutron semiconductor detector according to the present invention is a mixture of a substrate, a P layer containing gallium nitride (GaN) of a P-type semiconductor formed on the substrate, and GaN and boron (B) formed on the P layer. The I layer containing BGaN of the crystallized intrinsic semiconductor, the N layer containing GaN of the N-type semiconductor formed on the I layer, the first electrode electrically connected to the P layer, and the N layer electrically It comprises a plurality of second electrodes connected to and arranged on the N layer.

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。 In this neutron semiconductor detector, a P layer containing GaN of a P-type semiconductor, an I layer containing BGaN of an intrinsic semiconductor formed on the P layer and a mixed crystal of GaN and B, and an I layer formed on the I layer. An N layer containing GaN of the N-type semiconductor is provided. Therefore, when neutrons are incident on the I layer, α rays are generated in all directions by the neutron capture (n, α) reaction by B contained in the I layer. The generated α rays excite the GaN contained in the same I layer to generate electrons and holes. That is, the α rays generated in response to the incident of neutrons on the I layer can be detected as electrons and holes regardless of the traveling direction. Further, in this neutron semiconductor detector, the first electrode is provided on the P layer, and a plurality of second electrodes are arranged on the N layer formed on the I layer. Therefore, when a bias voltage for the P layer, the I layer, and the N layer is applied between the first electrode and the second electrode, the holes among the electrons and holes generated by the GaN contained in the I layer. Passes through the P layer and reaches the first electrode, and electrons pass through the N layer and reach the second electrode. Here, in general, the resistance of electrons passing through the N layer is smaller than the resistance of holes passing through the P layer. Therefore, the electrons generated in the I layer travel linearly along the stacking direction of the P layer, the I layer, and the N layer from the I layer through the N layer until they reach the second electrode. As a result, among the electrons generated in the I layer, the electrons generated immediately below each of the plurality of second electrodes arranged on the N layer reach the second electrode located immediately above the second electrode. Therefore, even if a separate configuration is not provided, each second electrode functions as a plurality of pixels, and by detecting an electron for each second electrode, the position where the neutron is incident on the I layer can be specified. .. As described above, according to this neutron semiconductor detector, it is possible to improve the neutron detection efficiency while making it possible to specify the incident position of the neutron.

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。 In the neutron semiconductor detector according to the present invention, one P layer, one I layer, and one N layer may be provided. According to this, since a plurality of P layer, I layer, and N layer are not provided, a simple configuration can be realized.

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。 In the neutron semiconductor detector according to the present invention, a signal reading circuit that is electrically connected to each of the first electrode and the plurality of second electrodes and reads an electric signal between each of the first electrode and the plurality of second electrodes. May be provided. According to this, signals corresponding to the number of detected neutrons can be automatically detected, and information on the incident positions of these neutrons can be automatically acquired.

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。 According to the present invention, it is possible to improve the neutron detection efficiency while making it possible to specify the incident position of the neutron.

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。It is sectional drawing which shows the neutron semiconductor detector which concerns on this embodiment. 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。It is a perspective view which shows the laminated body of the neutron semiconductor detector of FIG. 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。It is a partial micrograph of the laminated body of FIG. 2 in a plan view. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the principle of neutron detection in the I layer of the neutron semiconductor detector of FIG. 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。It is a graph which shows the result of having measured the current-voltage characteristic between the P layer and the N layer of the neutron semiconductor detector which concerns on Example. 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。It is a graph which shows the result of having measured the electric signal corresponding to the incident of α ray to the I layer in the neutron semiconductor detector which concerns on Example. 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。It is a graph which compares and shows the result of having measured each electric signal corresponding to the incident of α ray to each I layer in each of the neutron semiconductor detector according to an Example and the neutron semiconductor detector according to a comparative example. 比較例に係る中性子半導体検出器を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the neutron semiconductor detector which concerns on a comparative example. 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。It is a graph which shows the result of having measured the electric signal corresponding to the incident of the neutron to the I layer formed by GaN by the neutron semiconductor detector which concerns on a comparative example.

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]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[Structure of neutron semiconductor detector]

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)。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a neutron semiconductor detector according to the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing a laminated body of the neutron semiconductor detector of FIG. FIG. 3 is a partial micrograph of the laminate of FIG. 2 in a plan view. As shown in FIGS. 1 to 3, the neutron semiconductor detector 1 includes a laminate 10 and a signal reading unit 30. The neutron semiconductor detector 1 is a neutron detector capable of identifying the incident position of the neutron n. The neutron semiconductor detector 1 generates α-ray a by the neutron capture (n, α) reaction (R1 in FIG. 1) between the detected neutron n and boron (B), and gallium nitride (GaN) by this α-ray a. ) (R2 in FIG. 1) to generate electrons e and holes h to detect neutrons n. Here, the neutron capture (n, α) reaction is a reaction in which the atomic nucleus of B captures neutron n and emits γ-rays (see FIG. 4).

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。 The laminate 10 has a sapphire substrate (substrate) 11, a GaN buffer layer (substrate) 12, a P layer 13, an I layer 14, an N layer 15, a first electrode 21, and a second electrode 22. In the laminated body 10, each of the sapphire substrate (board) 11, the GaN buffer layer (board) 12, the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15 is provided one by one.

サファイア基板11は、アルミナ(Al)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。 The sapphire substrate 11 contains alumina (Al 2 O 3 ). The sapphire substrate 11 has, for example, a rectangular shape in a plan view. The sapphire substrate 11 is the lowest layer of the laminated body 10.

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。 The GaN buffer layer 12 contains GaN. The GaN buffer layer 12 is a layer formed on the sapphire substrate 11. The GaN buffer layer 12 is formed so that the outer edge 12a of the GaN buffer layer 12 coincides with the outer edge 11a of the sapphire substrate 11 (that is, for example, in a rectangular shape) in a plan view. The GaN buffer layer 12 is formed by growing it on the sapphire substrate 11 at a low temperature.

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1×1017cm−3以上1×1020cm−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。 The P layer 13 contains GaN of a P-type semiconductor. In the P layer 13, the carrier (hole) concentration is set in the range of, for example, 1 × 10 17 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less by, for example, magnesium (Mg) doping. The P layer 13 is a layer formed on the GaN buffer layer 12. The P layer 13 is formed so that the outer edge 13a of the P layer 13 coincides with the outer edge 11a of the sapphire substrate 11 and the outer edge 12a of the GaN buffer layer 12 in a plan view (that is, for example, in a rectangular shape). Since the P layer 13 is formed on the GaN buffer layer 12 instead of on the sapphire substrate 11 in which the lattice and the coefficient of thermal expansion are significantly different from each other, deterioration of crystal quality is suppressed.

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1×1017cm−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。 The I layer 14 contains BGaN, which is an intrinsic semiconductor obtained by mixing GaN and B. Here, "mixing crystals" means that GaN, which is a group III nitride, incorporates the BN of the group III nitride. Further, the “intrinsic semiconductor” here means a semiconductor having a lower carrier concentration than the P layer 13 and the N layer 15. More specifically, in the I layer 14, the carrier concentration is, for example, in the range of 0 cm -3 or more and 1 × 10 17 cm -3 or less. In the I layer 14, the carrier concentration may be in the range where the I layer 14 can be depleted.

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。 The I layer 14 is a layer formed on the P layer 13. The I layer 14 is formed so that a part of the outer edge 14a of the I layer 14 is located inside the outer edge 13a of the P layer 13 in a plan view. That is, the I layer 14 covers only the covering surface 13b which is a part of the upper surface of the P layer 13 (the surface opposite to the GaN buffer layer 12) in a plan view. In other words, in plan view, the I layer 14 does not cover the exposed surface 13c, which is the rest of the upper surface of the P layer 13 except for the covering surface 13b (that is, the exposed surface 13c of the P layer 13 is the I layer. It is not covered with 14 and is exposed.) As a specific shape, the I layer 14 is formed, for example, in a square shape in a plan view.

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1×1016cm−3以上1×1020cm−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。 The N layer 15 contains GaN of an N-type semiconductor. In the N layer 15, the carrier (electron) concentration is, for example, in the range of 1 × 10 16 cm -3 or more and 1 × 10 20 cm -3 or less. The N layer 15 is a layer formed on the I layer 14. The N layer 15 is formed so that the outer edge 15a of the N layer coincides with the outer edge 14a of the I layer 14 (that is, for example, in a square shape) in a plan view.

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。 The first electrode 21 is formed on the P layer 13 so as to be electrically connected to the P layer 13. More specifically, the first electrode 21 is formed in a long shape on the exposed surface 13c of the P layer 13 at a position along the outer edge 13a of the P layer 13. As shown in the figure, a plurality of (two in this case) first electrodes 21 may not be provided, and only one may be provided. As the first electrode 21, as an example, an Au / Ni electrode (that is, an electrode having a configuration in which Au for preventing oxidation of the Ni is provided on the Ni provided as a contact layer on the P layer 13) is used. However, the present invention is not limited to this, and any electrode may be used as long as it can form ohmic contact on the P layer 13.

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。 The second electrode 22 is formed on the N layer 15 so as to be electrically connected to the N layer 15. A plurality of (49 in this case) second electrodes 22 are arranged on the N layer 15. More specifically, each of the second electrodes 22 exhibits, for example, a square shape in a plan view, and is arranged in a 7-by-7 matrix (that is, at the position of a grid point) on the N layer 15 so as to be separated from each other. Has been done. FIG. 3 shows four second electrodes 22 out of the 49 second electrodes 22. The second electrode 22 may not be arranged in a matrix of 7 rows and 7 columns, and may be arranged in a matrix in which at least one of the number of rows and the number of columns is different from this. Further, the second electrodes 22 may not be arranged in a matrix, and may be arranged in a honeycomb shape, for example. An example of the second electrode 22 is an Al electrode, but the second electrode 22 is not limited to this, and any electrode that can form ohmic contact on the N layer 15 may be used.

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。 As shown in FIG. 1, the signal reading unit 30 includes a power supply 31 and a signal reading circuit 32. Further, the signal reading unit 30 electrically connects the laminate 10, the power supply 31, and the signal reading circuit 32 in series with the electric wire 33, and electrically connects the laminate 10 and the power supply 31 in the electric wire 33. It has a ground (ground) 34.

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。 The power supply 31 is a DC variable power supply. The power supply 31 applies a voltage to the laminate 10 so that the first electrode 21 is the positive electrode and the second electrode 22 is the negative electrode. That is, the power supply 31 applies a bias voltage to the diode structure composed of the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15 between the first electrode 21 and the second electrode 22.

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]
The signal reading circuit 32 is a circuit that reads an electric signal between the first electrode 21 and each of the second electrodes 22. The signal reading circuit 32 is electrically connected to the first electrode 21 and each second electrode 22 via the electric wire 33. The specific circuit configuration of the signal reading circuit 32 is not limited to a specific circuit configuration. For example, the signal reading circuit 32 may be configured to read the electric charges flowing into the second electrodes 22 in order, or the signal reading circuit 32 may be provided with a plurality of circuits corresponding to the second electrodes 22 in parallel. The circuit may be configured to read out the electric charge that has flowed into the second electrode 22 corresponding to each circuit.
[Operation of neutron semiconductor detector]

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。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the principle of neutron detection in the I layer of the neutron semiconductor detector of FIG. As shown in FIGS. 1 and 4, when the neutron n enters the sensitive layer (depletion layer) of the I layer 14 of the neutron semiconductor detector 1, it is contained in a part of the neutron n and the I layer 14. A neutron capture (n, α) reaction (R1 in FIGS. 1 and 4) occurs between B, which has a larger mass attenuation coefficient of neutron n than other elements. As a result, α-rays a are generated in all directions (directions not particularly limited), and γ-rays g are emitted.

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。 The generated α-ray a excites GaN contained in the same I layer 14 (R2 in FIGS. 1 and 4) to generate electrons e and holes h. That is, the generated α-ray a excites GaN to generate electrons e and holes h regardless of the traveling direction. On the other hand, since the transparency of γ-rays to GaN is high, the generated γ-rays g pass through the I layer 14 and proceed to the outside.

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。 Here, as shown in FIG. 1, when a bias voltage for the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15 is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22 by the power supply 31, the hole h Passes through the P layer 13 and reaches the first electrode 21, and the electron e passes through the N layer 15 and reaches the second electrode 22. In general, the resistance of electrons to pass through the N layer is smaller than the resistance of holes to pass through the P layer. Therefore, the electrons e travel linearly along the stacking direction D of the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15 until they pass from the I layer 14 to the N layer 15 and reach the second electrode 22. .. As a result, among the electrons e, the electrons e generated immediately below each of the plurality of second electrodes 22 arranged on the N layer 15 reach the second electrode 22 located immediately above the second electrodes 22. In FIG. 1, the electron e generated immediately below the second electrode 22a of the plurality of second electrodes 22 reaches the second electrode 22a, and the electron e generated immediately below the second electrode 22b is the electron e. It has been shown to reach the second electrode 22b.

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]
Further, the signal reading circuit 32 automatically detects a signal corresponding to the number of electrons e reaching each second electrode 22 for each second electrode 22. Of the plurality of second electrodes 22, which second electrode 22 the electron e reaches depends on the incident position of the neutron n in the I layer 14. Therefore, by detecting a signal corresponding to the number of electrons e reaching each second electrode 22 for each second electrode 22, information on the incident position of the neutron n in the I layer 14 can also be acquired. can.
[Action and effect]

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。 As described above, in the neutron semiconductor detector 1, the P layer 13 containing the GaN of the P-type semiconductor and the I layer containing the BGaN of the intrinsic semiconductor formed on the P layer 13 and in which GaN and B are mixed. 14 and an N layer 15 containing GaN of an N-type semiconductor formed on the I layer 14 are provided. Therefore, when the neutron n is incident on the I layer 14, α rays a are generated in all directions by the neutron capture (n, α) reaction by B contained in the I layer 14. The generated α-ray a excites the GaN contained in the same I layer 14 to generate electrons e and holes h. That is, the α-ray a generated in response to the incident of the neutron n on the I layer 14 can be detected as an electron e and a hole h regardless of the traveling direction. Further, in the neutron semiconductor detector 1, the first electrode 21 is provided on the P layer 13, and a plurality of second electrodes 22 are arranged on the N layer 15 formed on the I layer 14. Therefore, when a bias voltage for the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15 is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22 by the power supply 31, it is generated by the GaN contained in the I layer 14. Of the electrons e and holes h, the hole h passes through the P layer 13 and reaches the first electrode 21, and the electron e passes through the N layer 15 and reaches the second electrode 22. Here, in general, the resistance of electrons passing through the N layer is smaller than the resistance of holes passing through the P layer. Therefore, the electrons e generated in the I layer 14 pass through the N layer 15 from the I layer 14 and reach the second electrode 22 in the stacking direction D of the P layer 13, the I layer 14, and the N layer 15. Proceed linearly along. As a result, among the electrons e generated in the I layer 14, the electrons e generated directly under each of the plurality of second electrodes 22 arranged on the N layer 15 are located directly above the second electrode. Reach 22. Therefore, even if a separate configuration is not provided, each second electrode 22 functions as a plurality of pixels, and by detecting an electron e for each second electrode 22, the position where the neutron n is incident on the I layer 14 can be determined. Can be identified. As described above, according to the neutron semiconductor detector 1, it is possible to improve the detection efficiency of the neutron n while making it possible to specify the incident position of the neutron n.

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。 In the neutron semiconductor detector 1, one P layer 13, one I layer 14, and one N layer 15 are provided. According to this, since a plurality of P layer 13, I layer 14, and N layer 15 are not provided, a simple configuration can be realized.

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]
In the neutron semiconductor detector 1, a signal reading that is electrically connected to each of the first electrode 21 and the plurality of second electrodes 22 and reads an electric signal between each of the first electrode 21 and the plurality of second electrodes 22. The circuit 32 is provided. According to this, signals corresponding to the number of detected neutrons n can be automatically detected, and information on the incident positions of these neutrons n can be automatically acquired.
[Example]

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。 Subsequently, an embodiment of the neutron semiconductor detector 1 according to the present embodiment will be described. Here, the neutron semiconductor detector according to one embodiment was manufactured, and the following characteristics and electrical signals were acquired.

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。 FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the current-voltage characteristics between the P layer and the N layer of the neutron semiconductor detector according to the embodiment. In FIG. 5, in this embodiment, a voltage is applied between the P layer and the N layer stacked via the I layer, and the voltage value (horizontal axis) is changed from -10 [V] to 10 [V]. ], The current value (vertical axis) output when the value is changed is shown. As shown in FIG. 5, this measurement confirmed that the laminated structure of the P layer, the I layer, and the N layer had the same current-voltage characteristics as the diode.

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]
Next, when α rays were generated in the I layer, the following measurements were performed to confirm that the α rays were properly detected. FIG. 6 is a graph showing the results of measuring an electric signal corresponding to the incident of α rays on the I layer in the neutron semiconductor detector according to the embodiment. In FIG. 6, in this embodiment, the voltage value (vertical axis) output to the signal reading unit when α rays are incident on the I layer is shown with the horizontal axis as time. Here, as α rays, α rays emitted from americium (Am) are used. As shown in FIG. 6, since the voltage value increased in response to the incident of α rays on the I layer, it was confirmed that the neutron semiconductor detector according to this embodiment can appropriately detect α rays. rice field. It was also confirmed that the response time at the rising edge of the voltage value was 1.6 [μs].
[Comparison example]

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。 FIG. 7 is a graph showing a comparison of the results of measuring each electric signal according to the incident of α rays into each I layer by each of the neutron semiconductor detector according to the example and the neutron semiconductor detector according to the comparative example. Is. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a neutron semiconductor detector according to a comparative example. First, a comparative example of the neutron semiconductor detector 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

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。 As shown in FIG. 8, the structural difference between the neutron semiconductor detector 100 according to the comparative example and the neutron semiconductor detector 1 according to the present embodiment is that the GaN of the N-type semiconductor is placed on the GaN buffer layer 12. The N layer 115 including the N layer 115 is formed, a plurality of I layers 114 containing the intrinsic semiconductor BGaN are formed on the N layer 115, and the P layer 113 containing the GaN of the P type semiconductor is formed on each I layer 114, respectively. The point is that the third electrode 123 is electrically connected to the layer 115, and the fourth electrode 124 is formed on each P layer 113. In FIG. 8, two I layer 114, P layer 113, and the fourth electrode 124 are shown, respectively, and the number of each of the I layer 114, the P layer 113, and the fourth electrode 124 is shown. Is not limited to two, and may be any number depending on the number of pixels of the neutron semiconductor detector 100. The plurality of I layer 114, P layer 113, and the fourth electrode 124 are arranged two-dimensionally (for example, in a matrix) on the N layer 115.

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。 In such a neutron semiconductor detector 100, a plurality of I layer 114 and P layer 113 are provided and a fourth electrode 124 is provided on each P layer 113, although the apparatus configuration is complicated for the following reasons. There is a need. That is, the laminated body 110 is laminated in the order of P layer 113, I layer 114, and N layer 115 from the outermost surface side. Therefore, when a bias voltage for the N layer 115, the I layer 114, and the P layer 113 is applied between the third electrode 123 and the fourth electrode 124 by the power supply 31, it is generated by the GaN contained in the I layer 114. The electrons e and the electrons e of the holes h pass through the N layer 115 and reach the third electrode 123, and the holes h pass through the P layer 113 and reach the fourth electrode 124. Here, in general, the resistance of holes passing through the P layer is larger than the resistance of electrons passing through the N layer. Therefore, when the hole h generated in the I layer 114 tries to reach the fourth electrode 124 from the I layer 114 through the P layer 113, the holes h of the N layer 115, the I layer 114, and the P layer 113 It proceeds in an irregular direction without following the stacking direction D. Therefore, if the I layer 114 and the P layer 113 have a single configuration and a plurality of fourth electrodes 124 are arranged on the P layer 113, a plurality of electrons e generated in the I layer 114 will be generated. The electrons e generated immediately below each of the fourth electrode 124 do not necessarily reach the fourth electrode 124 located directly above the fourth electrode 124. Therefore, each of the fourth electrodes 124 does not function as a plurality of pixels, and the position where the neutron n is incident on the I layer 114 cannot be specified. For the above reasons, in the neutron semiconductor detector 100 according to the comparative example, it is necessary to adopt a configuration in which a plurality of I layer 114 and P layer 113 are provided and a fourth electrode 124 is provided on each P layer 113.

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。 On the other hand, in the neutron semiconductor detector 1 according to the present embodiment, as described above, the I layer 14 and the N layer 15 have a single configuration, and a plurality of second electrodes 22 are arranged on the N layer 15. Even in this configuration, each second electrode 22 functions as a plurality of pixels, and by detecting an electron e for each second electrode 22, the position where the neutron n is incident on the I layer 14 can be specified. can.

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。 In FIG. 7, in each of the examples and the comparative examples, each voltage value (vertical axis) output to each signal reading unit when α rays are incident on each I layer is shown with the horizontal axis as time. There is. The graph according to the embodiment of FIG. 7 is the same as the graph of FIG. As shown in FIG. 7, in the graphs related to each of the examples and the comparative examples, it was confirmed that the response times of the rise of each voltage value according to the incident of α rays on each I layer are about the same. ..

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。 FIG. 9 is a graph showing the results of measuring an electric signal according to the incident of neutrons on the I layer formed of GaN by the neutron semiconductor detector according to the comparative example. In FIG. 9, the voltage value (vertical axis) output to the signal reading unit 30 when the I layer is formed of GaN in this comparative example and neutrons are incident on the I layer is shown with the horizontal axis as time. ing. Here, as the neutron, the neutron emitted from californium (Cf) is used. As shown in FIG. 9, the rise time of the voltage value rise according to the incident of neutrons on the I layer and the time from the rise to the fall of the voltage value are about the same as in the cases of FIGS. 6 and 7. ing. Therefore, it was confirmed that the neutron semiconductor detector according to the comparative example can suitably detect neutrons incident on the I layer and functions suitably as a neutron detector.

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。 1 ... Neutron semiconductor detector, 11 ... Sapphire substrate (substrate), 12 ... GaN buffer layer (substrate), 13 ... P layer, 14 ... I layer, 15 ... N layer, 21 ... 1st electrode, 22 ... 2nd electrode , 32 ... Signal reading circuit.

Claims (3)

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 17 cm −3 以上1×10 20 cm −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 17 cm −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 16 cm −3 以上1×10 20 cm −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。
With the board
Look-containing gallium nitride (GaN) of P-type semiconductor formed on the substrate, and the P layer carrier concentration of 1 × 10 20 cm -3 or less than 1 × 10 17 cm -3,
Formed on the P layer, viewed including the GaN and boron (B) and BGaN intrinsic semiconductor formed by a mixed crystal of a carrier concentration of not more than 0 cm -3 or more 1 × 10 17 cm -3, said P layer The I layer that covers the covering surface, which is the central surface, and
The viewing including the GaN on the N-type semiconductor formed I layer, and the N layer carrier concentration of 1 × 10 20 cm -3 or less than 1 × 10 16 cm -3,
A pair of first electrodes electrically connected to the P layer and exhibiting a long shape,
A plurality of second electrodes electrically connected to the N layer and arranged in a two-dimensional manner are provided.
The I layer and the N layer are each formed as a single structure.
The plurality of second electrodes are arranged apart from each other on the N layer having a single configuration.
The pair of first electrodes extend along the outer edge of the P layer on exposed surfaces, which are surfaces on both ends of the P layer that are not covered by the I layer, and are arranged so as to sandwich the coated surface. Be done,
Neutron semiconductor detector.
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。 The neutron semiconductor detector according to claim 1, wherein each of the P layer, the I layer, and the N layer is provided one by one. 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。 1. A signal reading circuit that is electrically connected to each of the first electrode and the plurality of second electrodes and reads an electric signal between the first electrode and each of the plurality of second electrodes is provided. Or the neutron semiconductor detector according to 2.
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