放射線検出装置
【課題】放射線が入射された位置を特定できる放射線検出装置を提供する。
【解決手段】中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層とを備え、前記複数の回路層は、積層される放射線検出装置とする。また、中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、前記複数の回路層は、積層される放射線検出装置とする。
【解決手段】中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層とを備え、前記複数の回路層は、積層される放射線検出装置とする。また、中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、前記複数の回路層は、積層される放射線検出装置とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線を検出する放射線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線を検出する放射線検出装置には、放射線を他の物質（コンバータともいう）と作用させて、間接的に放射線の検出を行うものがある。放射線には、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、Ｘ線、中性子線、荷電粒子線等が含まれる。
【０００３】
熱中性子を検出する放射線検出装置として、コンバータにボロン１０（１０Ｂ）が使用されるものがある。ボロン１０は、中性子と核反応し、ヘリウム４（４Ｈｅ、α線）とリチウム７（７Ｌｉ）を生成する。当該放射線検出装置は、α線やリチウム７を検出することにより、中性子を検出する。
【０００４】
また、高速中性子を検出する放射線検出装置として、シンチレータ等を使用するものがある。シンチレータは、シンチレーション現象により、高速中性子と核反応し、放射線を光に変換する。当該放射線検出装置は、変換された光を検出することで、高速中性子を検出する。高速中性子のエネルギーは、一般的に、１００ｋｅＶ以上である。高速中性子のエネルギーは、熱中性子のエネルギーよりも大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７０８８７号公報
【特許文献２】特開昭６３−４０８９２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１２１６２号公報
【特許文献４】特開昭６３−１１４１７７号公報
【特許文献５】特開平７−１７６７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱中性子を検出する放射線検出装置は、コンバータで変換された粒子があらゆる方向に飛ぶ。そのため、検出器で検出した粒子の到来方向を特定することが難しい。従って、当該放射線検出装置は、中性子が入射された位置を特定することが難しい。
【０００７】
また、高速中性子を検出する放射線検出装置は、シンチレータで変換された光は、様々な方向に広がるため、光の到来方向を特定することが難しい。従って、当該放射線検出装置は、中性子が入射された位置を特定することが難しい。
【０００８】
本発明は、放射線が入射された位置を特定できる放射線検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示の放射線検出装置は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
【００１０】
即ち、第１の態様は、
中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置である。
【００１１】
第２の態様は、
中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、
中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、放射線が入射された位置を特定できる放射線検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施形態１の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図２】図２は、実施形態１の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。
【図３】図３は、検出部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、検出部の出力回路の構成例（１）を示す図である。
【図５】図５は、遮蔽金属の形状の斜視図の例を示す図である。
【図６】図６は、変形例の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図７】図７は、変形例の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。
【図８】図８は、実施形態２の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図９】図９は、実施形態３の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態４の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図１１】図１１は、第１コンバータ層および第２コンバータ層の感度の例を示す図である。
【図１２】図１２は、１つの検出部の出力回路の例（２）を示す図である。
【図１３】図１３は、１つの検出部の出力回路の例（３）を示す図である。
【図１４】図１４は、図１２または図１３の検出部の出力回路の具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、開示の実施形態の構成に限定されない。
【００１５】
〔実施形態１〕
（構成例）
図１は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置１００は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１０８、金属（遮蔽金属）１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０を含む。検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。また、放射線検出装置１００は、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む。Ｎ（Ｐ）
型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２よりも不純物を含む割合が大きい半導体である。コンバータ層１１２側を上側、Ｐ（Ｎ）型基板１０２側を下側とする。Ｐ（Ｎ）型基板１０２、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ型基板１０２、Ｎ型半導体１２１、及び、Ｎ型半導体１２２、もしくは、Ｎ型基板１０２、Ｐ型半導体１２１、及び、Ｐ型半導体１２２であることを意味する。図１におけるＮ（Ｐ）型半導体１２１は、配線１３１によって、それぞれ、接続される。Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、配線１３２によって、奥行き方向のＮ（Ｐ）型半導体１２２（図示せず）と接続される。各ポリシリコン１２４は、配線１３３によって接続される。配線は、金属配線が使用される。金属配線が使用されることで、高速読み出しが可能となる。配線は、ポリシリコンによる配線、基板内のＮ（Ｐ）型半導体による配線が使用されてもよい。Ｐ（Ｎ）型基板１０２、検出部１２０、及び、各配線を含む層を、回路層ともいう。
【００１６】
Ｐ（Ｎ）型基板１０２の上に複数の検出部１２０が形成される。各検出部１２０は、素子分離膜により、他の検出部１２０と分離されてもよい。素子分離膜は、検出部１２０で検出された信号が他の検出部１２０に影響を及ぼさないようにする。検出部１２０で検出された信号が他の検出部１２０に影響を及ぼさないのであれば、素子分離膜は、存在しなくてもよい。Ｐ（Ｎ）型基板１０２は、例えば、シリコン基板である。Ｐ（Ｎ）型基板１０２として、低抵抗シリコン基板が使用されうる。検出部１２０は、所定の周期で、２次元に、配置される。
【００１７】
検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２にイオン注入することによって形成される。シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２の上に成膜されることによって、形成される。
【００１８】
検出部１２０は、α線やＬｉ粒子線である荷電粒子を検出する。検出部１２０は、ＰＮ結合を有する。ＰＮ結合は、低容量ＰＮ接合であってもよい。低容量ＰＮ接合が使用されることで、例えば、空乏層における抵抗と浮遊容量における時定数が小さくなり、高速読み出しが可能となる。α線やＬｉ粒子線である荷電粒子を、検出部１２０に形成されたＰＮ接合の逆バイアス時の空乏層によって検出する。α線またはＬｉ粒子線は、ＰＮ接合の近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。また、空乏層は、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）キャパシタ構造によっても形成されうる。即ち、空乏層は、ＭＯＳ
キャパシタ構造において、ゲート酸化膜直下に形成されうる。検出部１２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、α線またはＬｉ粒子線の検出を行う。ＰＮ接合は、例えば、トランジスタのドレイン領域、ＰＮジャンクション、及び、エピキタシ層を含むＰＮジャンクションであってもよい。検出部１２０の設置間隔が、放射線検出装置１００の位置分解能である。ただし、コンバータ層１１２が厚い場合は、放射線検出装置１００の位置分解能は、コンバータ層１１２の厚さにも依存する。放射線検出装置１００は、検出部１２０で検出される微小信号を増幅する増幅回路を含みうる。
【００１９】
図２は、放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。図２の例では、検出部１２０の個数が１２個としているが、検出部１２０の個数が１２個に限定されるものではない。図２の例では、Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、ポリシリコン１２４、及び、各配線が示される。図２の例では、放射線検出装置１００は、トランジスタ１４１、トランジスタ１４２、縦方向スイッチ１５１、横方向スイッチ１５２、アンプ１６０を含む。Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、図２の縦方向及び横方向に、周期的に配置される。配線１３１は、列ごとに各Ｎ型半導体１２１を接続する。配線１３２は、配線１３１の方向と異なる方向の列ごとに各Ｎ型半導体１２
２を接続する。配線１３３は、各ポリシリコン１２４を接続する。
【００２０】
配線１３１の各列は、１つのトランジスタ１４１に接続される。各トランジスタ１４１は、電源及び縦方向スイッチ１５１に接続される。縦方向スイッチ１５１は、スイッチとしてのトランジスタ１４１のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１４１に接続される配線１３１を介して、Ｎ型半導体１２１に電圧が印加される。
【００２１】
配線１３２の各列は、１つのトランジスタ１４２に接続される。各トランジスタ１４２は、電源及び横方向スイッチ１５２に接続される。横方向スイッチ１５２は、スイッチとしてのトランジスタ１４２のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１４２に接続される配線１３２を介して、Ｎ型半導体１２２はアンプ１６０に接続される。
【００２２】
配線１３３は、各ポリシリコン１２４に所定の電源電圧を供給する。ポリシリコン１２４に供給される電源電圧により、ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２に空乏層が形成される。即ち、シリコン酸化膜１２３直下に空乏層が形成される。当該電源電圧を制御することによって、空乏層の大きさが、制御されうる。
【００２３】
トランジスタ１４１は、縦方向スイッチ１５１により制御され、縦方向スイッチ１５１によりオンにされた場合、導通する。トランジスタ１４２は、横方向スイッチ１５２により制御され、縦方向スイッチ１５１によりオンにされた場合、導通する。
【００２４】
縦方向スイッチ１５１は、接続されるトランジスタ１４１を制御して、電源とＮ型半導体１２１との間の導通を制御する。横方向スイッチ１５２は、接続されるトランジスタ１４２を制御して、Ｎ型半導体１２１とアンプ１６０との間の導通を制御する。
【００２５】
Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタの、ソース、ドレイン、及び、ゲートに相当する。
【００２６】
Ｎ型半導体１２１及びポリシリコン１２４に印加される電圧は、同一でもよい。
【００２７】
検出部１２０の構成は、図２の例に限定されるものではなく、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のように、各検出部１２０がコンデンサを有し、電子正孔対による電荷をためてもよい。また、検出部１２０の構成は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサのように、各検出部１２０が増幅器を有してもよい。
また、検出部１２０からの電流の読み出しの構成は、ＤＲＡＭの構成、もしくは、ＣＭＯＳセンサの構成と同様であってもよい。検出部１２０からの電流の読み出しの構成は、これらに限定されるものではない。
【００２８】
Ｐ型半導体１２１等が使用される場合は、図２において電源の正負の向きが逆になる。
【００２９】
図３は、検出部の構成例を示す図である。電極のポリシリコン１２４に正の電圧を印加すると、Ｐ型基板１０２の正孔は、ポリシリコン１２４から離れる。Ｐ型基板１０２のポリシリコン１２４近傍には、空乏層が形成される。このとき、空乏層に荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）が入射すると、荷電粒子は空乏層に電子正孔対を発生させる。
【００３０】
空乏層に電子正孔対（キャリア）が発生すると、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間の電位差により、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間に電流が流れる。この電流を検出することにより、荷電粒子の入射を検出することができる。空乏層に電子正孔対（キャリア）が発生すると、電子正孔対は、空乏層の抵抗と浮遊容量による時定数で
減衰する。電子正孔対が消滅する前に、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間に電位差を発生させることにより、検出部１２０は荷電粒子の入射を検出することができる。空乏層の大きさは、ポリシリコン１２４に印加する電圧により制御されうる。空乏層の大きさを制御することにより、荷電粒子の検出感度を調整できる。即ち、空乏層を大きくすることにより、荷電粒子によってより多くの電子正孔対が発生するため、検出部１２０は、荷電粒子を検出しやすくなる。
【００３１】
図４は、１つの検出部の出力回路の例（１）を示す図である。図４のダイオードは、例えば、検出部１２０のＰＮ接合およびゲート酸化膜直下の空乏層による検出部分（以下、空乏層を持つ検出部分をダイオードということにする）に相当する。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。抵抗は、例えば、ＭＯＳトランジスタの三極管領域を利用した抵抗（高抵抗）や、拡散、ポリシリコン等で製作した抵抗（高抵抗）である。検出部１２０に、荷電粒子が入射すると、ダイオードに電流が流れる。この電流による電荷が、コンデンサを介して、出力される。このコンデンサは、存在しなくてもよい。
【００３２】
図１２は、１つの検出部の出力回路の例（２）を示す図である。図１２のダイオード及び抵抗は、図４のダイオード及び抵抗と同様である。図１２の増幅器は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。検出部１２０に、荷電粒子が入射するとダイオードに電流が流れ、この電流による電荷が検出器のもつ容量で電圧に変換され増幅器により増幅され、出力される。
【００３３】
図１３は、１つの検出部の出力回路の例（３）を示す図である。図１３のダイオードは、図４のダイオードと同様である。図１３のスイッチは、例えば、ＭＯＳトランジスタによって形成される。図１３の増幅器は、図１２の増幅器と同様である。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。検出部１２０に、スイッチがオフの際に、荷電粒子が入射するとダイオードに電流が流れ、この電流による電荷が検出器のもつ容量で電圧に変換され増幅器により増幅され、出力される。
【００３４】
図４、図１２、図１３のような出力回路の出力は、例えば、増幅回路や計数回路に接続されることにより、計数され得る。また、ＰＮ接合の近傍の空乏層は、当該コンデンサになりうる。即ち、空乏層内に蓄えられた電荷が、信号として出力されうる。当該信号は、例えば、ＤＲＡＭの読み出しの構成と同様の構成により、検出部１２０毎に読み出される。この場合、読み出し用のトランジスタを、例えば、遮蔽金属１１０の下側に設けることにより、荷電粒子の影響による誤信号の影響を低減できる。
【００３５】
図１４は、図１２または図１３の検出部の出力回路の具体例を示す図である。図１４の回路には、４つのＭＯＳトランジスタ（Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ）が含まれる。図１２のような出力回路では、ＭＯＳトランジスタＡが抵抗として機能し、ＭＯＳトランジスタＢがダイオードとして機能し、ＭＯＳトランジスタＣおよびＭＯＳトランジスタＤが増幅器として機能する。端子（ａ）は、ＭＯＳトランジスタＡに接続される。ここで、端子(ａ)の電圧を調整することにより、ＭＯＳトランジスタＡを抵抗（高抵抗）として機能させることができる。また、図１３のような出力回路では、ＭＯＳトランジスタＡがスイッチとして機能し、ＭＯＳトランジスタＢがダイオードとして機能し、ＭＯＳトランジスタＣおよびＭＯＳトランジスタＤが増幅器として機能する。ここで、端子(ａ)の電圧を調整することにより、ＭＯＳトランジスタＡをスイッチとして機能させることができる。
【００３６】
検出部の出力回路は、図４、図１２、図１３、図１４等の例に限定されるものではない
。
【００３７】
各検出部１２０の上には、シリコン酸化膜１０８が形成される。シリコン酸化膜１０８の厚さ（高さ）は、例えば、４乃至７μｍである。
【００３８】
シリコン酸化膜１０８の上には、コンバータ層１１２が形成される。コンバータ層１１２は、ボロン１０（１０Ｂ）を含む。コンバータ層１１２は、ボロン１０（１０Ｂ）のみであってもよい。コンバータ層１１２に入射した中性子（熱中性子）は、ボロン１０（１０Ｂ）と核反応し、α線およびＬｉ粒子線を生成する。このとき、α線およびＬｉ粒子線は、それぞれ、１ＭｅＶ程度のエネルギーを有する。生成したα線及びＬｉ粒子線は、互いにほぼ逆方向に放出される。従って、シリコン酸化膜１０８側には、α線およびＬｉ粒子線のうちの一方が入射する。１．５ＭｅＶのα線のボロン１０中の飛程は、４μｍである。また、９００ｋｅＶのＬｉ粒子線のボロン１０中の飛程は、２μｍである。コンバータ層１１２とシリコン酸化膜１０８の厚さは、α線またはＬｉ粒子線が検出部１２０に到達する程度の厚さとされる。また、コンバータ層１１２の厚さが小さいと、中性子がα線及びＬｉ粒子線に変換される割合が減少する。コンバータ層の厚さ（高さ）は、例えば、１乃至５μｍである。ここでは、コンバータ層１１２は、ボロン１０を含むが、中性子を他の物質等に変換する物質として、例えば、熱中性子を光に変換するＬｉＦやＺｎＳ等のボロン１０以外の物質が使用されてもよい。
【００３９】
また、ポリシリコン１２４の上方を除く部分には、遮蔽金属１１０が形成される。即ち、放射線検出装置１００の上面側からみると、ポリシリコン１２４（検出部１２０）を囲うように遮蔽金属１１０が形成される。
【００４０】
図５は、遮蔽金属の形状の斜視図の例を示す図である。図５の遮蔽金属１１０は、全体が直方体で、検出部１２０の部分に溝が形成された形状をしている。この形状により、溝部分の真上方向から入射する荷電粒子は検出部１２０に入射し、斜め方向から入射する荷電粒子は遮蔽金属１１０にあたり検出部１２０に達しない。図５の例では、遮蔽金属の溝の（断面の）形状は正方形であるが、正方形に限定されるものではなく、長方形、円形などの他の形状であってもよい。ただし、遮蔽金属の溝の（断面の）形状は、検出部１２０の形状と同様の形状が望ましい。遮蔽金属１１０の形状は、図５の例に限定されるものではない。
【００４１】
遮蔽金属１１０として、例えば、アルミニウム、銅、銀、タングステンなどが使用されうる。遮蔽金属１１０は、α線やＬｉ粒子線を、一方のシリコン酸化膜１０８から隣接するシリコン酸化膜１０８に透過しない幅を有する。遮蔽金属１１０の幅は、例えば、アルミニウムは５μｍ、銅は３μｍ、銀は３μｍ、タングステンは２μｍである。遮蔽金属１１０の幅は、中性子の検出効率を考慮すると、小さいほうが望ましい。遮蔽金属１１０にあたったα線などは、検出部１２０で検出されないからである。
【００４２】
Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜１０８、遮蔽金属１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む半導体装置は、通常の半導体プロセスにより製造可能である。当該半導体装置は、次のように製造することができる。
【００４３】
Ｐ（Ｎ）型不純物を添加したシリコンウェハ（単結晶基板）の表面に、例えば、熱酸化法により、シリコン酸化膜層を成膜する。次に、シリコン酸化膜層にフォトレジスト膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ等により、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１及びＮ（Ｐ）型半導体１２２のレジストパターンを転写し、Ｎ（Ｐ）型不純物イオンを注入して、Ｎ（Ｐ）型半導体を形成する。レジストパターンを除去した後、表面全体にシリコン酸化膜層
を成膜する。
【００４４】
さらに、表面全体に電極膜層を形成する。電極膜の形成は、例えば、ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition、化学気相蒸着）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層蒸着）法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理気相蒸着）法を用いてもよい。電
極膜層は、例えば、ポリシリコンである。
【００４５】
次に、フォトリソグラフィ等により、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１及びＮ（Ｐ）型半導体１２２に電極を形成するためのレジストパターンを転写し、シリコン酸化膜層、電極膜層を除去する。これにより、ポリシリコン１２４が形成されうる。電極としてのポリシリコン１２４は、ポリシリコン膜の代わりに、ＴｉＡｌＮ膜、ＴａＮ膜、ＴａＣ膜、ＴａＣＮ膜等が使用されてもよい。また、スパッタリング等により、金属材料を積層して、電極、配線層等を形成する。また、Ｐ（Ｎ）型基板１０２の下側に電極となる金属層を形成する。
【００４６】
次に、フォトリソグラフィ等により、レジストパターンを転写し、不要な金属を除去し、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１等の電極、配線等を形成する。配線は、半導体装置の周囲から取り出されうる。レジストパターンを除去した後、さらに、表面全体にシリコン酸化膜を成膜する。
【００４７】
次に、フォトリソグラフィ等により、遮蔽金属１１０を形成するためのレジストパターンを転写し、遮蔽金属１１０となる部分をエッチングすることにより、シリコン酸化膜を除去する。シリコン酸化膜を除去した部分に所定の金属材料を積層する。これにより、遮蔽金属１１０が形成される。遮蔽金属１１０は、複数のビアを隙間なく接続することで形成されてもよい。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィ等により、コンバータ層１１２を形成するためのレジストパターンを転写する。即ち、遮蔽金属部分をマスクし、シリコン酸化膜部分をエッチングする。シリコン酸化膜を除去し部分にコンバータ層１１２を形成する。コンバータ層１１２には、ＣＶＤ法などによる成膜と同時にボロン１０（１０Ｂ）を導入する方法、成膜後にボロン１０（１０Ｂ）をイオン注入する方法などにより、コンバータ層１１２にボロン１０（１０Ｂ）を含ませることができる。
【００４９】
このようにして、Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜１０８、遮蔽金属１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む半導体装置が製造されうる。
【００５０】
（動作例）
放射線検出装置１００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置１００のコンバータ層１１２側から中性子が入射されると、中性子は、コンバータ層１１２のボロン１０と核反応（１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。α線及びＬｉ粒子線のうちの一方は、シリコン酸化膜１０８側に放出される。この放出される方向は、中性子の運動方向とほぼ同方向である。
【００５１】
シリコン酸化膜１０８側に放出された荷電粒子線は、シリコン酸化膜１０８、ポリシリコン１２４、シリコン酸化膜１２３を突き抜け、検出部１２０の空乏層に入射する。検出部１２０の空乏層は、ポリシリコン１２４に接続される電極（ゲート電極に相当）から印加される逆バイアス電位によって、形成される。検出部１２０の空乏層に荷電粒子が入射されると、荷電粒子は、電子正孔対を発生させる。検出部１２０の空乏層に発生した電子正孔対（電荷）は、空乏層の静電容量により保持される。空乏層に保持される電荷は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２に接続される電極（ドレイン電極に相当）により、検出される。検
出部１２０は、空乏層に保持される電荷を検出することで、荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）の検出を行う。
【００５２】
荷電粒子が、遮蔽金属１１０にあたった場合、検出部１２０では検出されない。当該荷電粒子は、遮蔽金属１１０で減衰し、検出部１２０に達しないからである。遮蔽金属１１０により、検出部１２０で検出される中性子（荷電粒子）の到来方向が制限される。
【００５３】
また、中性子の運動方向と、シリコン酸化膜１０８側に放出される荷電粒子の運動方向の角度の差は、最大で１０度程度である。従って、ある検出部１２０で、荷電粒子が検出された場合、当該検出部１２０のほぼ真上に、中性子が入射されたと考えられる。よって、放射線検出装置１００は、どの検出部１２０で、荷電粒子を検出したかにより、どの位置に中性子が入射したかを認識することができる。即ち、放射線検出装置１００は、荷電粒子を検出した検出部１２０のほぼ真上に中性子が入射されたと判断できる。また、放射線検出装置１００は、検出部１２０の設置間隔の位置分解能で、中性子が入射された位置を判断できる。
【００５４】
ここで、図２を用いて、放射線検出装置１００による荷電粒子の検出について説明する。放射線検出装置１００に中性子（熱中性子）が入射すると、コンバータ層１１２で荷電粒子に変換される。各検出部１２０は、トランジスタのソースとしてのＮ型半導体１２１、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２、トランジスタのゲートとしての各ポリシリコン１２４を含む。
【００５５】
トランジスタのゲートとしての各ポリシリコン１２４には、電源により所定の電圧が印加されている。当該電圧により各ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２には、空乏層が形成される。
【００５６】
放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２により、任意の検出部１２０に電圧を印加し、信号を取り出すことができる。ここで、例えば、ポリシリコン１２４Ａが含まれる検出部１２０（図２の左上）の空乏層に、荷電粒子が入射したとする。空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対が発生する。検出部１２２の信号を取り出す場合、縦方向スイッチ１５１は、トランジスタ１４１Ａをオンにし、横方向スイッチ１５２は、トランジスタ１４２Ａをオンにする。このとき、トランジスタのソースとしてのＮ型半導体１２１Ａと、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２Ａとの間の電位差により、Ｎ型半導体１２１ＡとＮ型半導体１２２Ａとの間に、電子正孔対がキャリアとなり、電流が流れる。この電流がアンプ１６０を通して検出されることにより、検出部１２２における荷電粒子の入射を検出できる。当然に、他の検出部１２０についても同様である。即ち、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２を適切に切り替えることにより、放射線検出装置１００は、すべての検出器１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による電流を検出できる。また、放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２の状態により、どの検出部１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による電流かを認識できる。即ち、放射線検出装置１００は、どの検出部１２０で荷電粒子が入射したかを認識できる。即ち、放射線検出装置１００は、荷電粒子が入射した検出部１２０の位置の上方を、中性子が入射した位置と判断できる。また、放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２により、任意の検出部１２０から、電流を検出するようにすることができる。放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２の状態と、検出部１２０の位置（座標）との対応付けを格納する対応テーブルを有してもよい。放射線検出装置１００は、当該対応テーブルにより、中性子が入射した位置を判断できる。放射線検出装置１００は、例えば、ポリシリコン１２４の中心の位置を、検出部１２０の位置とすることができる。
【００５７】
（変形例）
次に変形例について説明する。当該変形例は、上記の構成との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。ここでは、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１を省略する例を示す。
【００５８】
図６は、変形例の放射線検出装置の断面の例を示す図である。変形例の放射線検出装置１１００では、検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。図６におけるＮ（Ｐ）型半導体１２２は、配線１３２によって、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２（図示せず）と、それぞれ、接続される。各ポリシリコン１２４は、配線１３３によって、奥行き方向のポリシリコン１２４（図示せず）と接続される。
【００５９】
図７は、変形例の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。図７の例では、検出部１２０の個数が１２個としているが、検出部１２０の個数が１２個に限定されるものではない。図７の例では、Ｎ型半導体１２２、ポリシリコン１２４、及び、各配線が示される。図７の例では、放射線検出装置１１００は、トランジスタ１７１、トランジスタ１７２、縦方向スイッチ１８１、横方向スイッチ１８２、アンプ１６０を含む。Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、図７の縦方向及び横方向に、周期的に配置される。配線１３２は、列ごとに各Ｎ型半導体１２２を接続する。配線１３３は、配線１３２の方向と異なる方向の各ポリシリコン１２４を接続する。Ｐ型半導体１２２等が使用される場合は、図７において電源の正負の向きが逆になる。
【００６０】
配線１３２の各列は、１つのトランジスタ１７１に接続される。各トランジスタ１７１は、電源及び縦方向スイッチ１８１に接続される。縦方向スイッチ１８１は、スイッチとしてのトランジスタ１４２のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１７１に接続される配線１３２を介して、Ｎ型半導体１２２はアンプ１６０に接続される。
【００６１】
配線１３３の各列は、１つのトランジスタ１７２に接続される。各トランジスタ１７２は、電源及び横方向スイッチ１８２に接続される。横方向スイッチ１８２は、スイッチとしてのトランジスタ１７２のうち１つを、オンにする。スイッチをオンにされた列の各ポリシリコン１２４に所定の電源電圧が供給される。ポリシリコン１２４に供給される電源電圧により、ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２に空乏層が形成される。電源電圧を制御することによって、空乏層の大きさが、制御されうる。空乏層の大きさを制御することにより、荷電粒子の検出感度を調整できる。即ち、空乏層を大きくすることにより、荷電粒子によってより多くの電子正孔対が発生するため、検出部１２０は、荷電粒子を検出しやすくなる。
【００６２】
放射線検出装置１１００による荷電粒子の検出について説明する。放射線検出装置１１００に中性子（熱中性子）が入射すると、コンバータ層１１２で荷電粒子に変換される。
【００６３】
各ポリシリコン１２４には、横方向スイッチ１８２の動作により、所定時間毎に、列ごとに電源により所定の電圧が印加される。当該電圧により各ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２には、空乏層が形成される。
【００６４】
ここで、例えば、横方向スイッチ１８２によりトランジスタ１７２Ａがオンにされているとする。このとき、ポリシリコン１２４Ａが含まれる検出部１２２（図７の左上）の空乏層に、荷電粒子が入射したとする。空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対が発生する。縦方向スイッチ１８１は、トランジスタ１７１Ａのスイッチをオンにしたとき、ポリシリコン１２４Ａと、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２Ａとの間の電
位差により、電子正孔対をキャリアとして、電流が流れる。この電流がアンプ１６０を通して検出されることにより、検出部１２０における荷電粒子の入射を検出できる。他の検出部１２０についても同様である。横方向スイッチ１８２によって、ポリシリコン１２４に電圧が印加されると、大きな空乏層が発生する。当該空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対（キャリア）が発生する。縦方向スイッチにより、キャリアが発生した検出部１２０とアンプ１６０とが導通すると、当該キャリアによる電流が検出される。横方向スイッチ１５２により、電圧が印加される検出部１２０（ポリシリコン１２４）が切り替えられる。放射線検出装置１１００は、例えば、縦方向スイッチ１８１を横方向スイッチ１８２による切替周期よりも速い周期で適切に切り替えることにより、各検出部１２０からの電流（信号）を検出することができる。放射線検出装置１１００は、縦方向スイッチ１８１及び横方向スイッチ１８２の状態により、どの検出部１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による信号かを認識できる。
【００６５】
放射線検出装置１１００は、放射線検出装置１００と比べて、簡易な構成となる。
【００６６】
（実施形態１の作用効果）
放射線検出装置１００のコンバータ層１１２は、入射する中性子がボロン１０と核反応することにより、α線およびＬｉ粒子線の荷電粒子に変換する。荷電粒子は、シリコン酸化膜１０８を介して、検出部１２０に入射される。荷電粒子は、検出部１２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部１２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、荷電粒子の検出を行う。検出部１２０に入射される荷電粒子は、当該検出部１２０のほぼ真上方向から入射した中性子による荷電粒子である。検出部１２０のほぼ真上方向以外の方向からの荷電粒子は、遮蔽金属１１０により遮蔽される。よって、検出部１２０のほぼ真上方向以外の方向から、当該検出部１２０に荷電粒子は入射しない。荷電粒子を検出した検出部１２０のほぼ真上が、中性子が入射された位置となる。即ち、遮蔽金属１１０により検出部１２０に入射する荷電粒子の方向が特定されるため、荷電粒子を検出した検出部１２０の位置が、中性子の入射位置に対応する。よって、放射線検出装置１００における中性子が入射された位置の分解能は、検出部１２０の設置間隔となる。
【００６７】
放射線検出装置１００は、ゲート電圧（ポリシリコン１２４に印加する電圧）を制御することにより、空乏層の大きさを調整できる。検出部１２０の検出感度は、空乏層の大きさに依存する。よって、放射線検出装置１００は、ゲート電圧（ポリシリコン１２４に印加する電圧）を制御することにより、検出部１２０の検出感度を調整できる。
【００６８】
また、シリコン中の電子正孔対の移動度は速く、かつ、検出部１２０の空乏層は狭いため、信号の消滅の時定数は、１ｎｓ以下である。従って、放射線検出装置１００は、高速に荷電粒子の検出を読み出すことができ、検出部１２０のデッドタイムを短くすることができる。
【００６９】
さらに、放射線検出装置１００を２次元平面に多数敷き詰めることにより、位置分解能の高い放射線検出を大面積において行うことができる。
【００７０】
変形例の放射線検出装置１１００についても同様である。
【００７１】
〔実施形態２〕
次に実施形態２について説明する。実施形態２は、実施形態１との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態２では、実施形態１のシリコン酸化膜２０８の部分も、コンバータ層とする。
【００７２】
（構成例）
図８は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置２００は、Ｐ（Ｎ）型基板２０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０を含む。検出部２２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体２２１、Ｎ（Ｐ）型半導体２２２、シリコン酸化膜２２３、ポリシリコン２２４を含む。また、放射線検出装置２００は、配線２３１、配線２３２、配線２３３を含む。
【００７３】
シリコン基板２０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０は、それぞれ、実施形態１のシリコン基板１０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０と同様である。Ｎ（Ｐ）型半導体２２１、Ｎ（Ｐ）型半導体２２２、シリコン酸化膜２２３、ポリシリコン２２４は、実施形態１のＮ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４と同様である。配線２３１、配線２３２、配線２３３は、実施形態１の配線１３１、配線１３２、配線１３３と同様である。
【００７４】
実施形態２では、実施形態１におけるシリコン酸化膜１０８の部分をコンバータ層２１２としている。シリコン酸化膜１０８の部分をコンバータ層２１２とすることにより、この部分においても、中性子を荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）に変換することができる。コンバータ層２１２は、例えば、実施形態１のようなシリコン酸化膜をポストプロセスにより削り、ボロン１０を埋め込むことにより形成されうる。また、シリコン酸化膜が存在しないことにより、荷電粒子の減衰を抑制することができる。遮蔽金属２１０は、実施形態１の遮蔽金属１１０と同様に形成される。
【００７５】
遮蔽金属２１０の高さ（厚さ）は、例えば、２μｍ以上とする。遮蔽金属の高さが小さいと、検出部２２０に入射する斜め方向の荷電粒子の量が多くなり位置分解能が低下するからである。また、コンバータ層２１２の高さ（厚さ）は、例えば、２乃至４μｍとする。中性子（熱中性子）とボロン１０とが核反応することにより生成されるα線およびＬｉ粒子線は、それぞれ、１ＭｅＶ程度のエネルギーを有する。１．５ＭｅＶのα線のボロン１０中の飛程は、４μｍである。また、９００ｋｅＶのＬｉ粒子線のボロン１０中の飛程は、２μｍである。このため、コンバータ層２１２の高さ（厚さ）は、２乃至４μｍ程度が好ましい。コンバータ層２１２の上面と遮蔽金属２１０の上面とは、同一平面に存在してもよい。遮蔽金属１１０とＰ（Ｎ）型基板１０２との間の距離は、１μｍ程度が好ましい。
【００７６】
放射線検出装置２００は、実施形態１の図２で示される放射線検出装置１００の構成と同様の構成を有する。
【００７７】
（動作例）
放射線検出装置２００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置２００のコンバータ層２１２側から中性子が入射されると、中性子は、コンバータ層２１２のボロン１０と核反応（１３（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。α線及びＬｉ粒子線のうちの一方は、検出部２２２０側に放出される。検出部２２０側に放出された荷電粒子線は、検出部２２０で検出される。検出部２２０側に放出された荷電粒子線の一部は、遮蔽金属２１０に当たる。検出部２２０に荷電粒子が入射されると、荷電粒子は、検出器２２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部２２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）の検出を行う。また、荷電粒子が、遮蔽金属２１０にあたった場合、検出部２２０では検出されない。当該荷電粒子は、遮蔽金属２１０で減衰し、検出部２２０に達しないからである。放射線検出装置２００には、実施形態１のようなシリコン酸化膜１０８が存在しないため、放射線検出装置２００では荷電粒子がシリコン酸化膜で減衰することはな
い。
【００７８】
また、放射線検出装置２００は、実施形態１の放射線検出装置１００と同様に、検出部２２０の設置間隔の位置分解能で、中性子が入射された位置を判断できる。
【００７９】
（実施形態２の作用効果）
放射線検出装置２００のコンバータ層２１２は、入射する中性子がボロン１０と核反応することにより、α線およびＬｉ粒子線の荷電粒子に変換する。荷電粒子は、実施形態１の放射線検出装置１００のように、シリコン酸化膜で減衰されることはない。よって、放射線検出装置２００は、放射線検出装置１００よりも、効率よく、中性子の入射を検出することができる。
【００８０】
〔実施形態３〕
次に実施形態３について説明する。実施形態３は、実施形態１及び実施形態２との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態３では、放射線検出装置１００または放射線検出装置２００と同様の構成を積層する。実施形態１及び実施形態２の放射線検出装置は、主に、熱中性子を検出する装置であったが、本実施形態の放射線検出装置３００は、高速中性子を検出する。
【００８１】
（構成例）
図９は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置３００は、Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含む。Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０は、それぞれ、実施形態２のＰ（Ｎ）型基板２０２、検出部２２０、遮蔽金属２１０と同様である。放射線検出装置３００では、Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、及び、コンバータ層３１２を含む層が、複数層、積層される。図９の例では、各層を、上の層から、第１層、第２層、第３層とする。図９の例では、３層であるが、２層以上であればよく、３層に限定されるものではない。また、放射線検出装置３００で積層される層は、実施形態１の放射線検出装置１００と同様の層であってもよい。最上層以外の層は、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含まなくてもよい。層と層との間は、密着される。
【００８２】
コンバータ層３１２は、パラフィン、ポリエチレン等の水素を多く含む物質を含む。コンバータ層３１２は、水素を多く含む物質のみであってもよい。コンバータ層３１２に入射した中性子（高速中性子）は、所定の確率で、水素原子核（Ｈ＋）と衝突し、水素原子核を弾き飛ばす。弾き飛ばされた水素原子核は、エネルギーが高いため、遮蔽金属３１０を透過しうる。従って、遮蔽金属３１０は存在しなくてもよい。即ち、遮蔽金属３１０の代わりに、シリコン酸化膜であってもよい。また、放射線検出装置３００が、実施形態２の放射線検出装置２００と同様の層を含む場合、遮蔽金属のないコンバータ層が、検出部３２０に接してもよい。コンバータ層３１２の材料と高さ（厚さ）は、例えば、ポリエチレンで５０μｍとすることができる。コンバータ層３１２は、厚すぎると位置分解能が低下し、薄すぎると水素原子核を弾き飛ばす中性子の割合が減少する。
【００８３】
検出部３２０は、水素原子核（荷電粒子）を、検出部３２０に形成された低容量ＰＮ接合の逆バイアス時の空乏層によって検出する。水素原子核は、ＰＮ接合の近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、水素原子核の検出を行う。複数の層の検出部３２０で検出された場合、検出された検出器３２０の位置を一直線で結ぶことで、水素原子核の入射方向が分かる。検出部３２０の設置間隔が、放射線検出装置３００の位置分解能である。ただし、コンバータ層３１２
が厚い場合は、放射線検出装置３００の位置分解能は、コンバータ層３１２の厚さ（Ｄとする）にも依存する。ここで、角度θは、放射線検出装置３００の放射線入射面（コンバータ層３１２の上面）の法線方向と、水素原子核の入射方向のなす角の角度であるとする（図９参照）。コンバータ層３１２の厚さが検出部３２０の設置間隔よりも十分大きい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、角度θ以下の陽子線のみを使用するとすると、Ｄｔａｎθとなる。
【００８４】
（動作例）
放射線検出装置３００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置３００のコンバータ層３１２側から中性子が入射されると、中性子（高速中性子）は、所定の確率で、水素原子核を弾き飛ばす。水素原子核（陽子線）は、荷電粒子である。水素原子核は、検出部３２０で検出される。検出部３２０には、逆バイアスが印加され、ＰＮ接合近傍に空乏層が形成される。検出部３２０に水素原子核が入射されると、荷電粒子は、検出器３２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、水素原子核（陽子線）の検出を行う。また、高速中性子に弾き飛ばされた水素原子核は、エネルギーが大きく、他の層（下層）の検出部３２０でも検出されうる。多くの場合、高速中性子に弾き飛ばされた水素原子核（陽子線）は、複数の層の検出部３２０で検出される。陽子線の軌跡は、ほぼ一直線になる。
【００８５】
複数の層の検出部３２０で陽子線が検出された場合、陽子線が検出された検出部３２０を一直線で結び、陽子線が検出された検出部３２０が存在する層のうち最上層の層のコンバータ層と、当該一直線とが交差する位置が、中性子が入射した位置となる。中性子が入射した位置とは、中性子が水素原子核を弾き飛ばした位置である。陽子線を検出した検出部３２０の位置が一直線にない場合には、放射線検出装置３００は、陽子線を検出した検出部３２０の位置の座標（３次元座標）を用いて、最小二乗法等により一直線を求め得る。よって、層が多くなるほど、陽子線を検出する検出部３２０が多くなり、陽子線の軌跡をより正確に求められる。陽子線の軌跡を正確に求めるために、各層の検出部３２０の位置、及び、各層の位置を正確に配置することが求められる。検出部３２０の位置の誤差が大きいと、陽子線の軌跡の誤差が大きくなるからである。
【００８６】
また、第１層の表面の法線の方向から、第１層の表面に対して陽子線を入射し、複数の層の検出部３２０で、キャリアを検出することにより、検出部３２０の位置を校正することができる。即ち、キャリアを検出した検出部３２０が第１層の表面の法線方向に存在していると判断される。各層の検出部３２０が、各層内において正確に位置し、各層間の距離が既知であると仮定すると、第１層の表面上で、少なくとも２箇所以上から陽子線を入射し、複数の層の検出部３２０で、キャリアを検出することで、すべての検出部３２０の位置を校正することができる。各層における検出部３２０の間隔よりも高い精度で陽子線の入射位置を制御できる場合、検出部３２０の位置の校正を各層における検出部３２０の間隔よりも高い精度で行うことができる。つまり、検出部３２０の位置が検出部３２０の間隔よりも高い精度で決定される。検出部３２０の位置を正確に求めることで、陽子線の軌跡をより正確に求められる。
【００８７】
（実施形態３の作用効果）
放射線検出装置３００は、複数の層を備える。各層は、シリコン基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含む。各層は、遮蔽金属、シリコン酸化膜３０８を、含まなくてもよい。最上層以外の層は、コンバータ層３１２を含まなくてもよい。コンバータ層３１２は、水素を多く含む物質を含む。
【００８８】
放射線検出装置３００のコンバータ層３１２では、入射する中性子（高速中性子）が水素原子核を弾き飛ばす。弾き飛ばされた水素原子核（陽子線）は、検出部３２０に入射さ
れる。陽子線は、検出部３２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、陽子線の検出を行う。陽子線は、エネルギーが高いため、下層の検出部３２０においても、検出される。陽子線を検出した複数の検出部１２０を結ぶ一直線と、当該検出部３２０のうち最も上層の検出部３２０の層のコンバータ層３１２とが、交差する位置が、中性子が水素原子核をはじき飛ばした位置である。即ち、放射線検出装置３００は、この位置に、中性子が入射したと判断できる。
【００８９】
コンバータ層の厚さに対して検出部３２０の設置間隔が十分小さい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、検出部３２０の設置間隔となる。コンバータ層３１２の厚さが検出部３２０の設置間隔よりも十分大きい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、角度θ以下の陽子線のみを使用するとすると、Ｄｔａｎθとなる。
【００９０】
放射線検出装置３００にガンマ線が入射された場合、１つの検出部３２０のみが、信号を生成する。一方、陽子線は、複数の検出部３２０で検出される。従って、放射線検出装置３００は、ガンマ線と陽子線との分別をできる。
【００９１】
〔実施形態４〕
次に実施形態４について説明する。実施形態４は、実施形態１、実施形態２、及び、実施形態３との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態４では、実施形態３と同様に、放射線検出装置１００または放射線検出装置２００と同様の構成を積層する。実施形態４の放射線検出装置４００は、熱中性子、及び、高速中性子を検出する。
【００９２】
（構成例）
図１０は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置４００は、Ｐ（Ｎ）型基板４０２、検出部４２０、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２を含む。これらは、それぞれ、実施形態２のＰ（Ｎ）型基板２０２、検出部２２０、遮蔽金属２１０、コンバータ層２１２と同様である。放射線検出装置４００は、さらに、第２コンバータ層４１４を含む。第２コンバータ層４１４は、実施形態３のコンバータ層３１２と同様である。放射線検出装置４００では、Ｐ（Ｎ）型基板４０２、検出部４２０、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２、及び、第２コンバータ層４１４を含む層が、複数層、積層される。図１０の例では、各層を、上の層から、第１層、第２層、第３層とする。図１０の例では、３層であるが、２層以上であればよく、３層に限定されるものではない。また、放射線検出装置４００で積層される層は、実施形態２の放射線検出装置１００と同様のシリコン酸化膜を含む層であってもよい。最上層以外の層は、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２及び第２コンバータ４１４を含まなくてもよい。層と層との間は、密着される。第１コンバータ層４１２の位置と第２コンバータ層４１４の位置とは、入れ替わってもよい。
【００９３】
第１コンバータ層４１２は、実施形態１のコンバータ層１１２または実施形態２のコンバータ層２１２と同様の層である。また、第２コンバータ層４１４は、実施形態３のコンバータ層３１２と同様の層である。即ち、第１コンバータ層では、熱中性子はボロン１０と核反応をし、第２コンバータ層では、高速中性子は水素原子核を弾き飛ばす。
【００９４】
図１１は、第１コンバータ層および第２コンバータ層の感度の例を示す図である。図１１の例では、第１コンバータ層４１２がボロン１０で厚さ５μｍ、第２コンバータ層４１４がポリエチレンで厚さ５０μｍである。図１１のグラフは、中性子のエネルギーに対する各コンバータ層の感度を示すグラフである。図１１の例では、低いエネルギーの中性子に対しては、第１コンバータ層４１２のほうが感度がよく、高いエネルギーの中性子に対
しては、第２コンバータ層４１４のほうが感動がよい。中性子のエネルギーに対する放射線検出装置４００の感度は、これらのグラフを足しあわせたものになる。
【００９５】
（動作例）
放射線検出装置４００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置４００の第１層の第２コンバータ層４１４側から熱中性子が入射されると、熱中性子は、第１コンバータ層４１２のボロン１０と核反応（１３（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。この動作は、実施形態１の放射線検出装置１００の動作と同様である。また、放射線検出装置４００の第１層の第２コンバータ層４１４側から高速中性子が入射されると、高速中性子は、所定の確率で、第２コンバータ層４１４の水素原子核を弾き飛ばす。この動作は、実施形態３の放射線検出装置３００の動作と同様である。
【００９６】
放射線検出装置４００は、１つの検出部４２０で信号を検出した場合、熱中性子が入射されたとして、実施形態１と同様に、熱中性子が入射された位置を求める。即ち、放射線検出装置４００は、信号を検出した検出部４２０のほぼ真上の第１コンバータ層４１２に熱中性子が入射されたと判断する。
【００９７】
また、放射線検出装置４００は、複数の検出部４２０で信号を検出した場合、高速中性子が入射されたとして、実施形態３と同様に、高速中性子が入射された位置を求める。即ち、放射線検出装置４００は、信号を検出した検出部４２０を一直線で結び、信号を検出した検出部４２０が存在する層のうち最上層の層の第２コンバータ層４１４と、当該一直線とが交差する位置が、中性子が入射した位置と判断する。
【００９８】
よって、放射線検出装置４００は、エネルギーの低い中性子からエネルギーの高い中性子まで、中性子が入射された位置を検出することができる。
【００９９】
（実施形態４の作用効果）
放射線検出装置４００は、２種類のコンバータ層を有する。放射線検出装置４００は、２種類のコンバータ層を有することで、中性子の広いエネルギー幅に対し感度を有する。また、放射線検出装置４００は、３次元に検出部４２０を配置することで、中性子が入射された位置を精度よく検出することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１００ 放射線検出装置
１０２ Ｐ（Ｎ）型基板
１０８ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
１１０ 金属（遮蔽金属）
１１２ コンバータ層
１２０ 検出部
１２１ Ｎ（Ｐ）型半導体
１２２ Ｎ（Ｐ）型半導体
１２３ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
１２４ ポリシリコン
１３１ 配線
１３２ 配線
１３３ 配線
１４１ トランジスタ
１４２ トランジスタ
１５１ 縦方向スイッチ
１５２ 横方向スイッチ
１６０ アンプ（増幅器）
１７１ トランジスタ
１７２ トランジスタ
１８１ 縦方向スイッチ
１８２ 横方向スイッチ
２００ 放射線検出装置
２０２ Ｐ（Ｎ）型基板
２０６ 素子分離膜
２１０ 金属（遮蔽金属）
２１２ コンバータ層
２２０ 検出部
３００ 放射線検出装置
３０２ Ｐ（Ｎ）型基板
３０６ 素子分離膜
３１０ 金属（遮蔽金属）
３１２ コンバータ層
３２０ 検出部
４００ 放射線検出装置
４０２ Ｐ（Ｎ）型基板
４１０ 金属（遮蔽金属）
４１２ 第１コンバータ層
４１４ 第２コンバータ層
４２０ 検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線を検出する放射線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線を検出する放射線検出装置には、放射線を他の物質（コンバータともいう）と作用させて、間接的に放射線の検出を行うものがある。放射線には、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、Ｘ線、中性子線、荷電粒子線等が含まれる。
【０００３】
熱中性子を検出する放射線検出装置として、コンバータにボロン１０（１０Ｂ）が使用されるものがある。ボロン１０は、中性子と核反応し、ヘリウム４（４Ｈｅ、α線）とリチウム７（７Ｌｉ）を生成する。当該放射線検出装置は、α線やリチウム７を検出することにより、中性子を検出する。
【０００４】
また、高速中性子を検出する放射線検出装置として、シンチレータ等を使用するものがある。シンチレータは、シンチレーション現象により、高速中性子と核反応し、放射線を光に変換する。当該放射線検出装置は、変換された光を検出することで、高速中性子を検出する。高速中性子のエネルギーは、一般的に、１００ｋｅＶ以上である。高速中性子のエネルギーは、熱中性子のエネルギーよりも大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７０８８７号公報
【特許文献２】特開昭６３−４０８９２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１２１６２号公報
【特許文献４】特開昭６３−１１４１７７号公報
【特許文献５】特開平７−１７６７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱中性子を検出する放射線検出装置は、コンバータで変換された粒子があらゆる方向に飛ぶ。そのため、検出器で検出した粒子の到来方向を特定することが難しい。従って、当該放射線検出装置は、中性子が入射された位置を特定することが難しい。
【０００７】
また、高速中性子を検出する放射線検出装置は、シンチレータで変換された光は、様々な方向に広がるため、光の到来方向を特定することが難しい。従って、当該放射線検出装置は、中性子が入射された位置を特定することが難しい。
【０００８】
本発明は、放射線が入射された位置を特定できる放射線検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
開示の放射線検出装置は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
【００１０】
即ち、第１の態様は、
中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置である。
【００１１】
第２の態様は、
中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、
中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、放射線が入射された位置を特定できる放射線検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施形態１の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図２】図２は、実施形態１の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。
【図３】図３は、検出部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、検出部の出力回路の構成例（１）を示す図である。
【図５】図５は、遮蔽金属の形状の斜視図の例を示す図である。
【図６】図６は、変形例の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図７】図７は、変形例の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。
【図８】図８は、実施形態２の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図９】図９は、実施形態３の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態４の放射線検出装置の断面の例を示す図である。
【図１１】図１１は、第１コンバータ層および第２コンバータ層の感度の例を示す図である。
【図１２】図１２は、１つの検出部の出力回路の例（２）を示す図である。
【図１３】図１３は、１つの検出部の出力回路の例（３）を示す図である。
【図１４】図１４は、図１２または図１３の検出部の出力回路の具体例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、開示の実施形態の構成に限定されない。
【００１５】
〔実施形態１〕
（構成例）
図１は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置１００は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）１０８、金属（遮蔽金属）１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０を含む。検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。また、放射線検出装置１００は、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む。Ｎ（Ｐ）
型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２よりも不純物を含む割合が大きい半導体である。コンバータ層１１２側を上側、Ｐ（Ｎ）型基板１０２側を下側とする。Ｐ（Ｎ）型基板１０２、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ型基板１０２、Ｎ型半導体１２１、及び、Ｎ型半導体１２２、もしくは、Ｎ型基板１０２、Ｐ型半導体１２１、及び、Ｐ型半導体１２２であることを意味する。図１におけるＮ（Ｐ）型半導体１２１は、配線１３１によって、それぞれ、接続される。Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、配線１３２によって、奥行き方向のＮ（Ｐ）型半導体１２２（図示せず）と接続される。各ポリシリコン１２４は、配線１３３によって接続される。配線は、金属配線が使用される。金属配線が使用されることで、高速読み出しが可能となる。配線は、ポリシリコンによる配線、基板内のＮ（Ｐ）型半導体による配線が使用されてもよい。Ｐ（Ｎ）型基板１０２、検出部１２０、及び、各配線を含む層を、回路層ともいう。
【００１６】
Ｐ（Ｎ）型基板１０２の上に複数の検出部１２０が形成される。各検出部１２０は、素子分離膜により、他の検出部１２０と分離されてもよい。素子分離膜は、検出部１２０で検出された信号が他の検出部１２０に影響を及ぼさないようにする。検出部１２０で検出された信号が他の検出部１２０に影響を及ぼさないのであれば、素子分離膜は、存在しなくてもよい。Ｐ（Ｎ）型基板１０２は、例えば、シリコン基板である。Ｐ（Ｎ）型基板１０２として、低抵抗シリコン基板が使用されうる。検出部１２０は、所定の周期で、２次元に、配置される。
【００１７】
検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。Ｎ（Ｐ）型半導体１２１、及び、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２にイオン注入することによって形成される。シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４は、Ｐ（Ｎ）型基板１０２の上に成膜されることによって、形成される。
【００１８】
検出部１２０は、α線やＬｉ粒子線である荷電粒子を検出する。検出部１２０は、ＰＮ結合を有する。ＰＮ結合は、低容量ＰＮ接合であってもよい。低容量ＰＮ接合が使用されることで、例えば、空乏層における抵抗と浮遊容量における時定数が小さくなり、高速読み出しが可能となる。α線やＬｉ粒子線である荷電粒子を、検出部１２０に形成されたＰＮ接合の逆バイアス時の空乏層によって検出する。α線またはＬｉ粒子線は、ＰＮ接合の近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。また、空乏層は、例えば、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）キャパシタ構造によっても形成されうる。即ち、空乏層は、ＭＯＳ
キャパシタ構造において、ゲート酸化膜直下に形成されうる。検出部１２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、α線またはＬｉ粒子線の検出を行う。ＰＮ接合は、例えば、トランジスタのドレイン領域、ＰＮジャンクション、及び、エピキタシ層を含むＰＮジャンクションであってもよい。検出部１２０の設置間隔が、放射線検出装置１００の位置分解能である。ただし、コンバータ層１１２が厚い場合は、放射線検出装置１００の位置分解能は、コンバータ層１１２の厚さにも依存する。放射線検出装置１００は、検出部１２０で検出される微小信号を増幅する増幅回路を含みうる。
【００１９】
図２は、放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。図２の例では、検出部１２０の個数が１２個としているが、検出部１２０の個数が１２個に限定されるものではない。図２の例では、Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、ポリシリコン１２４、及び、各配線が示される。図２の例では、放射線検出装置１００は、トランジスタ１４１、トランジスタ１４２、縦方向スイッチ１５１、横方向スイッチ１５２、アンプ１６０を含む。Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、図２の縦方向及び横方向に、周期的に配置される。配線１３１は、列ごとに各Ｎ型半導体１２１を接続する。配線１３２は、配線１３１の方向と異なる方向の列ごとに各Ｎ型半導体１２
２を接続する。配線１３３は、各ポリシリコン１２４を接続する。
【００２０】
配線１３１の各列は、１つのトランジスタ１４１に接続される。各トランジスタ１４１は、電源及び縦方向スイッチ１５１に接続される。縦方向スイッチ１５１は、スイッチとしてのトランジスタ１４１のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１４１に接続される配線１３１を介して、Ｎ型半導体１２１に電圧が印加される。
【００２１】
配線１３２の各列は、１つのトランジスタ１４２に接続される。各トランジスタ１４２は、電源及び横方向スイッチ１５２に接続される。横方向スイッチ１５２は、スイッチとしてのトランジスタ１４２のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１４２に接続される配線１３２を介して、Ｎ型半導体１２２はアンプ１６０に接続される。
【００２２】
配線１３３は、各ポリシリコン１２４に所定の電源電圧を供給する。ポリシリコン１２４に供給される電源電圧により、ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２に空乏層が形成される。即ち、シリコン酸化膜１２３直下に空乏層が形成される。当該電源電圧を制御することによって、空乏層の大きさが、制御されうる。
【００２３】
トランジスタ１４１は、縦方向スイッチ１５１により制御され、縦方向スイッチ１５１によりオンにされた場合、導通する。トランジスタ１４２は、横方向スイッチ１５２により制御され、縦方向スイッチ１５１によりオンにされた場合、導通する。
【００２４】
縦方向スイッチ１５１は、接続されるトランジスタ１４１を制御して、電源とＮ型半導体１２１との間の導通を制御する。横方向スイッチ１５２は、接続されるトランジスタ１４２を制御して、Ｎ型半導体１２１とアンプ１６０との間の導通を制御する。
【００２５】
Ｎ型半導体１２１、Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタの、ソース、ドレイン、及び、ゲートに相当する。
【００２６】
Ｎ型半導体１２１及びポリシリコン１２４に印加される電圧は、同一でもよい。
【００２７】
検出部１２０の構成は、図２の例に限定されるものではなく、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のように、各検出部１２０がコンデンサを有し、電子正孔対による電荷をためてもよい。また、検出部１２０の構成は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサのように、各検出部１２０が増幅器を有してもよい。
また、検出部１２０からの電流の読み出しの構成は、ＤＲＡＭの構成、もしくは、ＣＭＯＳセンサの構成と同様であってもよい。検出部１２０からの電流の読み出しの構成は、これらに限定されるものではない。
【００２８】
Ｐ型半導体１２１等が使用される場合は、図２において電源の正負の向きが逆になる。
【００２９】
図３は、検出部の構成例を示す図である。電極のポリシリコン１２４に正の電圧を印加すると、Ｐ型基板１０２の正孔は、ポリシリコン１２４から離れる。Ｐ型基板１０２のポリシリコン１２４近傍には、空乏層が形成される。このとき、空乏層に荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）が入射すると、荷電粒子は空乏層に電子正孔対を発生させる。
【００３０】
空乏層に電子正孔対（キャリア）が発生すると、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間の電位差により、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間に電流が流れる。この電流を検出することにより、荷電粒子の入射を検出することができる。空乏層に電子正孔対（キャリア）が発生すると、電子正孔対は、空乏層の抵抗と浮遊容量による時定数で
減衰する。電子正孔対が消滅する前に、Ｎ型半導体１２１とＮ型半導体１２２との間に電位差を発生させることにより、検出部１２０は荷電粒子の入射を検出することができる。空乏層の大きさは、ポリシリコン１２４に印加する電圧により制御されうる。空乏層の大きさを制御することにより、荷電粒子の検出感度を調整できる。即ち、空乏層を大きくすることにより、荷電粒子によってより多くの電子正孔対が発生するため、検出部１２０は、荷電粒子を検出しやすくなる。
【００３１】
図４は、１つの検出部の出力回路の例（１）を示す図である。図４のダイオードは、例えば、検出部１２０のＰＮ接合およびゲート酸化膜直下の空乏層による検出部分（以下、空乏層を持つ検出部分をダイオードということにする）に相当する。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。抵抗は、例えば、ＭＯＳトランジスタの三極管領域を利用した抵抗（高抵抗）や、拡散、ポリシリコン等で製作した抵抗（高抵抗）である。検出部１２０に、荷電粒子が入射すると、ダイオードに電流が流れる。この電流による電荷が、コンデンサを介して、出力される。このコンデンサは、存在しなくてもよい。
【００３２】
図１２は、１つの検出部の出力回路の例（２）を示す図である。図１２のダイオード及び抵抗は、図４のダイオード及び抵抗と同様である。図１２の増幅器は、例えば、ＭＯＳトランジスタである。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。検出部１２０に、荷電粒子が入射するとダイオードに電流が流れ、この電流による電荷が検出器のもつ容量で電圧に変換され増幅器により増幅され、出力される。
【００３３】
図１３は、１つの検出部の出力回路の例（３）を示す図である。図１３のダイオードは、図４のダイオードと同様である。図１３のスイッチは、例えば、ＭＯＳトランジスタによって形成される。図１３の増幅器は、図１２の増幅器と同様である。ダイオードには、逆バイアスがかけられている。この逆バイアスは、すべての検出部１２０のＰＮ接合に共通に印加されてもよい。検出部１２０に、スイッチがオフの際に、荷電粒子が入射するとダイオードに電流が流れ、この電流による電荷が検出器のもつ容量で電圧に変換され増幅器により増幅され、出力される。
【００３４】
図４、図１２、図１３のような出力回路の出力は、例えば、増幅回路や計数回路に接続されることにより、計数され得る。また、ＰＮ接合の近傍の空乏層は、当該コンデンサになりうる。即ち、空乏層内に蓄えられた電荷が、信号として出力されうる。当該信号は、例えば、ＤＲＡＭの読み出しの構成と同様の構成により、検出部１２０毎に読み出される。この場合、読み出し用のトランジスタを、例えば、遮蔽金属１１０の下側に設けることにより、荷電粒子の影響による誤信号の影響を低減できる。
【００３５】
図１４は、図１２または図１３の検出部の出力回路の具体例を示す図である。図１４の回路には、４つのＭＯＳトランジスタ（Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ）が含まれる。図１２のような出力回路では、ＭＯＳトランジスタＡが抵抗として機能し、ＭＯＳトランジスタＢがダイオードとして機能し、ＭＯＳトランジスタＣおよびＭＯＳトランジスタＤが増幅器として機能する。端子（ａ）は、ＭＯＳトランジスタＡに接続される。ここで、端子(ａ)の電圧を調整することにより、ＭＯＳトランジスタＡを抵抗（高抵抗）として機能させることができる。また、図１３のような出力回路では、ＭＯＳトランジスタＡがスイッチとして機能し、ＭＯＳトランジスタＢがダイオードとして機能し、ＭＯＳトランジスタＣおよびＭＯＳトランジスタＤが増幅器として機能する。ここで、端子(ａ)の電圧を調整することにより、ＭＯＳトランジスタＡをスイッチとして機能させることができる。
【００３６】
検出部の出力回路は、図４、図１２、図１３、図１４等の例に限定されるものではない
。
【００３７】
各検出部１２０の上には、シリコン酸化膜１０８が形成される。シリコン酸化膜１０８の厚さ（高さ）は、例えば、４乃至７μｍである。
【００３８】
シリコン酸化膜１０８の上には、コンバータ層１１２が形成される。コンバータ層１１２は、ボロン１０（１０Ｂ）を含む。コンバータ層１１２は、ボロン１０（１０Ｂ）のみであってもよい。コンバータ層１１２に入射した中性子（熱中性子）は、ボロン１０（１０Ｂ）と核反応し、α線およびＬｉ粒子線を生成する。このとき、α線およびＬｉ粒子線は、それぞれ、１ＭｅＶ程度のエネルギーを有する。生成したα線及びＬｉ粒子線は、互いにほぼ逆方向に放出される。従って、シリコン酸化膜１０８側には、α線およびＬｉ粒子線のうちの一方が入射する。１．５ＭｅＶのα線のボロン１０中の飛程は、４μｍである。また、９００ｋｅＶのＬｉ粒子線のボロン１０中の飛程は、２μｍである。コンバータ層１１２とシリコン酸化膜１０８の厚さは、α線またはＬｉ粒子線が検出部１２０に到達する程度の厚さとされる。また、コンバータ層１１２の厚さが小さいと、中性子がα線及びＬｉ粒子線に変換される割合が減少する。コンバータ層の厚さ（高さ）は、例えば、１乃至５μｍである。ここでは、コンバータ層１１２は、ボロン１０を含むが、中性子を他の物質等に変換する物質として、例えば、熱中性子を光に変換するＬｉＦやＺｎＳ等のボロン１０以外の物質が使用されてもよい。
【００３９】
また、ポリシリコン１２４の上方を除く部分には、遮蔽金属１１０が形成される。即ち、放射線検出装置１００の上面側からみると、ポリシリコン１２４（検出部１２０）を囲うように遮蔽金属１１０が形成される。
【００４０】
図５は、遮蔽金属の形状の斜視図の例を示す図である。図５の遮蔽金属１１０は、全体が直方体で、検出部１２０の部分に溝が形成された形状をしている。この形状により、溝部分の真上方向から入射する荷電粒子は検出部１２０に入射し、斜め方向から入射する荷電粒子は遮蔽金属１１０にあたり検出部１２０に達しない。図５の例では、遮蔽金属の溝の（断面の）形状は正方形であるが、正方形に限定されるものではなく、長方形、円形などの他の形状であってもよい。ただし、遮蔽金属の溝の（断面の）形状は、検出部１２０の形状と同様の形状が望ましい。遮蔽金属１１０の形状は、図５の例に限定されるものではない。
【００４１】
遮蔽金属１１０として、例えば、アルミニウム、銅、銀、タングステンなどが使用されうる。遮蔽金属１１０は、α線やＬｉ粒子線を、一方のシリコン酸化膜１０８から隣接するシリコン酸化膜１０８に透過しない幅を有する。遮蔽金属１１０の幅は、例えば、アルミニウムは５μｍ、銅は３μｍ、銀は３μｍ、タングステンは２μｍである。遮蔽金属１１０の幅は、中性子の検出効率を考慮すると、小さいほうが望ましい。遮蔽金属１１０にあたったα線などは、検出部１２０で検出されないからである。
【００４２】
Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜１０８、遮蔽金属１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む半導体装置は、通常の半導体プロセスにより製造可能である。当該半導体装置は、次のように製造することができる。
【００４３】
Ｐ（Ｎ）型不純物を添加したシリコンウェハ（単結晶基板）の表面に、例えば、熱酸化法により、シリコン酸化膜層を成膜する。次に、シリコン酸化膜層にフォトレジスト膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ等により、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１及びＮ（Ｐ）型半導体１２２のレジストパターンを転写し、Ｎ（Ｐ）型不純物イオンを注入して、Ｎ（Ｐ）型半導体を形成する。レジストパターンを除去した後、表面全体にシリコン酸化膜層
を成膜する。
【００４４】
さらに、表面全体に電極膜層を形成する。電極膜の形成は、例えば、ＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition、化学気相蒸着）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition、原子層蒸着）法またはＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理気相蒸着）法を用いてもよい。電
極膜層は、例えば、ポリシリコンである。
【００４５】
次に、フォトリソグラフィ等により、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１及びＮ（Ｐ）型半導体１２２に電極を形成するためのレジストパターンを転写し、シリコン酸化膜層、電極膜層を除去する。これにより、ポリシリコン１２４が形成されうる。電極としてのポリシリコン１２４は、ポリシリコン膜の代わりに、ＴｉＡｌＮ膜、ＴａＮ膜、ＴａＣ膜、ＴａＣＮ膜等が使用されてもよい。また、スパッタリング等により、金属材料を積層して、電極、配線層等を形成する。また、Ｐ（Ｎ）型基板１０２の下側に電極となる金属層を形成する。
【００４６】
次に、フォトリソグラフィ等により、レジストパターンを転写し、不要な金属を除去し、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１等の電極、配線等を形成する。配線は、半導体装置の周囲から取り出されうる。レジストパターンを除去した後、さらに、表面全体にシリコン酸化膜を成膜する。
【００４７】
次に、フォトリソグラフィ等により、遮蔽金属１１０を形成するためのレジストパターンを転写し、遮蔽金属１１０となる部分をエッチングすることにより、シリコン酸化膜を除去する。シリコン酸化膜を除去した部分に所定の金属材料を積層する。これにより、遮蔽金属１１０が形成される。遮蔽金属１１０は、複数のビアを隙間なく接続することで形成されてもよい。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィ等により、コンバータ層１１２を形成するためのレジストパターンを転写する。即ち、遮蔽金属部分をマスクし、シリコン酸化膜部分をエッチングする。シリコン酸化膜を除去し部分にコンバータ層１１２を形成する。コンバータ層１１２には、ＣＶＤ法などによる成膜と同時にボロン１０（１０Ｂ）を導入する方法、成膜後にボロン１０（１０Ｂ）をイオン注入する方法などにより、コンバータ層１１２にボロン１０（１０Ｂ）を含ませることができる。
【００４９】
このようにして、Ｐ（Ｎ）型基板１０２、シリコン酸化膜１０８、遮蔽金属１１０、コンバータ層１１２、検出部１２０、配線１３１、配線１３２、配線１３３を含む半導体装置が製造されうる。
【００５０】
（動作例）
放射線検出装置１００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置１００のコンバータ層１１２側から中性子が入射されると、中性子は、コンバータ層１１２のボロン１０と核反応（１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。α線及びＬｉ粒子線のうちの一方は、シリコン酸化膜１０８側に放出される。この放出される方向は、中性子の運動方向とほぼ同方向である。
【００５１】
シリコン酸化膜１０８側に放出された荷電粒子線は、シリコン酸化膜１０８、ポリシリコン１２４、シリコン酸化膜１２３を突き抜け、検出部１２０の空乏層に入射する。検出部１２０の空乏層は、ポリシリコン１２４に接続される電極（ゲート電極に相当）から印加される逆バイアス電位によって、形成される。検出部１２０の空乏層に荷電粒子が入射されると、荷電粒子は、電子正孔対を発生させる。検出部１２０の空乏層に発生した電子正孔対（電荷）は、空乏層の静電容量により保持される。空乏層に保持される電荷は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２に接続される電極（ドレイン電極に相当）により、検出される。検
出部１２０は、空乏層に保持される電荷を検出することで、荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）の検出を行う。
【００５２】
荷電粒子が、遮蔽金属１１０にあたった場合、検出部１２０では検出されない。当該荷電粒子は、遮蔽金属１１０で減衰し、検出部１２０に達しないからである。遮蔽金属１１０により、検出部１２０で検出される中性子（荷電粒子）の到来方向が制限される。
【００５３】
また、中性子の運動方向と、シリコン酸化膜１０８側に放出される荷電粒子の運動方向の角度の差は、最大で１０度程度である。従って、ある検出部１２０で、荷電粒子が検出された場合、当該検出部１２０のほぼ真上に、中性子が入射されたと考えられる。よって、放射線検出装置１００は、どの検出部１２０で、荷電粒子を検出したかにより、どの位置に中性子が入射したかを認識することができる。即ち、放射線検出装置１００は、荷電粒子を検出した検出部１２０のほぼ真上に中性子が入射されたと判断できる。また、放射線検出装置１００は、検出部１２０の設置間隔の位置分解能で、中性子が入射された位置を判断できる。
【００５４】
ここで、図２を用いて、放射線検出装置１００による荷電粒子の検出について説明する。放射線検出装置１００に中性子（熱中性子）が入射すると、コンバータ層１１２で荷電粒子に変換される。各検出部１２０は、トランジスタのソースとしてのＮ型半導体１２１、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２、トランジスタのゲートとしての各ポリシリコン１２４を含む。
【００５５】
トランジスタのゲートとしての各ポリシリコン１２４には、電源により所定の電圧が印加されている。当該電圧により各ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２には、空乏層が形成される。
【００５６】
放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２により、任意の検出部１２０に電圧を印加し、信号を取り出すことができる。ここで、例えば、ポリシリコン１２４Ａが含まれる検出部１２０（図２の左上）の空乏層に、荷電粒子が入射したとする。空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対が発生する。検出部１２２の信号を取り出す場合、縦方向スイッチ１５１は、トランジスタ１４１Ａをオンにし、横方向スイッチ１５２は、トランジスタ１４２Ａをオンにする。このとき、トランジスタのソースとしてのＮ型半導体１２１Ａと、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２Ａとの間の電位差により、Ｎ型半導体１２１ＡとＮ型半導体１２２Ａとの間に、電子正孔対がキャリアとなり、電流が流れる。この電流がアンプ１６０を通して検出されることにより、検出部１２２における荷電粒子の入射を検出できる。当然に、他の検出部１２０についても同様である。即ち、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２を適切に切り替えることにより、放射線検出装置１００は、すべての検出器１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による電流を検出できる。また、放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２の状態により、どの検出部１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による電流かを認識できる。即ち、放射線検出装置１００は、どの検出部１２０で荷電粒子が入射したかを認識できる。即ち、放射線検出装置１００は、荷電粒子が入射した検出部１２０の位置の上方を、中性子が入射した位置と判断できる。また、放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２により、任意の検出部１２０から、電流を検出するようにすることができる。放射線検出装置１００は、縦方向スイッチ１５１及び横方向スイッチ１５２の状態と、検出部１２０の位置（座標）との対応付けを格納する対応テーブルを有してもよい。放射線検出装置１００は、当該対応テーブルにより、中性子が入射した位置を判断できる。放射線検出装置１００は、例えば、ポリシリコン１２４の中心の位置を、検出部１２０の位置とすることができる。
【００５７】
（変形例）
次に変形例について説明する。当該変形例は、上記の構成との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。ここでは、Ｎ（Ｐ）型半導体１２１を省略する例を示す。
【００５８】
図６は、変形例の放射線検出装置の断面の例を示す図である。変形例の放射線検出装置１１００では、検出部１２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４を含む。図６におけるＮ（Ｐ）型半導体１２２は、配線１３２によって、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２（図示せず）と、それぞれ、接続される。各ポリシリコン１２４は、配線１３３によって、奥行き方向のポリシリコン１２４（図示せず）と接続される。
【００５９】
図７は、変形例の放射線検出装置の上面方向から見た検出部の例を示す図である。図７の例では、検出部１２０の個数が１２個としているが、検出部１２０の個数が１２個に限定されるものではない。図７の例では、Ｎ型半導体１２２、ポリシリコン１２４、及び、各配線が示される。図７の例では、放射線検出装置１１００は、トランジスタ１７１、トランジスタ１７２、縦方向スイッチ１８１、横方向スイッチ１８２、アンプ１６０を含む。Ｎ型半導体１２２、及び、ポリシリコン１２４は、図７の縦方向及び横方向に、周期的に配置される。配線１３２は、列ごとに各Ｎ型半導体１２２を接続する。配線１３３は、配線１３２の方向と異なる方向の各ポリシリコン１２４を接続する。Ｐ型半導体１２２等が使用される場合は、図７において電源の正負の向きが逆になる。
【００６０】
配線１３２の各列は、１つのトランジスタ１７１に接続される。各トランジスタ１７１は、電源及び縦方向スイッチ１８１に接続される。縦方向スイッチ１８１は、スイッチとしてのトランジスタ１４２のうち１つを、オンにする。これにより、オンにされたトランジスタ１７１に接続される配線１３２を介して、Ｎ型半導体１２２はアンプ１６０に接続される。
【００６１】
配線１３３の各列は、１つのトランジスタ１７２に接続される。各トランジスタ１７２は、電源及び横方向スイッチ１８２に接続される。横方向スイッチ１８２は、スイッチとしてのトランジスタ１７２のうち１つを、オンにする。スイッチをオンにされた列の各ポリシリコン１２４に所定の電源電圧が供給される。ポリシリコン１２４に供給される電源電圧により、ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２に空乏層が形成される。電源電圧を制御することによって、空乏層の大きさが、制御されうる。空乏層の大きさを制御することにより、荷電粒子の検出感度を調整できる。即ち、空乏層を大きくすることにより、荷電粒子によってより多くの電子正孔対が発生するため、検出部１２０は、荷電粒子を検出しやすくなる。
【００６２】
放射線検出装置１１００による荷電粒子の検出について説明する。放射線検出装置１１００に中性子（熱中性子）が入射すると、コンバータ層１１２で荷電粒子に変換される。
【００６３】
各ポリシリコン１２４には、横方向スイッチ１８２の動作により、所定時間毎に、列ごとに電源により所定の電圧が印加される。当該電圧により各ポリシリコン１２４の近傍のＰ型基板１０２には、空乏層が形成される。
【００６４】
ここで、例えば、横方向スイッチ１８２によりトランジスタ１７２Ａがオンにされているとする。このとき、ポリシリコン１２４Ａが含まれる検出部１２２（図７の左上）の空乏層に、荷電粒子が入射したとする。空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対が発生する。縦方向スイッチ１８１は、トランジスタ１７１Ａのスイッチをオンにしたとき、ポリシリコン１２４Ａと、トランジスタのドレインとしてのＮ型半導体１２２Ａとの間の電
位差により、電子正孔対をキャリアとして、電流が流れる。この電流がアンプ１６０を通して検出されることにより、検出部１２０における荷電粒子の入射を検出できる。他の検出部１２０についても同様である。横方向スイッチ１８２によって、ポリシリコン１２４に電圧が印加されると、大きな空乏層が発生する。当該空乏層に荷電粒子が入射すると、電子正孔対（キャリア）が発生する。縦方向スイッチにより、キャリアが発生した検出部１２０とアンプ１６０とが導通すると、当該キャリアによる電流が検出される。横方向スイッチ１５２により、電圧が印加される検出部１２０（ポリシリコン１２４）が切り替えられる。放射線検出装置１１００は、例えば、縦方向スイッチ１８１を横方向スイッチ１８２による切替周期よりも速い周期で適切に切り替えることにより、各検出部１２０からの電流（信号）を検出することができる。放射線検出装置１１００は、縦方向スイッチ１８１及び横方向スイッチ１８２の状態により、どの検出部１２０において発生した電子正孔対（キャリア）による信号かを認識できる。
【００６５】
放射線検出装置１１００は、放射線検出装置１００と比べて、簡易な構成となる。
【００６６】
（実施形態１の作用効果）
放射線検出装置１００のコンバータ層１１２は、入射する中性子がボロン１０と核反応することにより、α線およびＬｉ粒子線の荷電粒子に変換する。荷電粒子は、シリコン酸化膜１０８を介して、検出部１２０に入射される。荷電粒子は、検出部１２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部１２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、荷電粒子の検出を行う。検出部１２０に入射される荷電粒子は、当該検出部１２０のほぼ真上方向から入射した中性子による荷電粒子である。検出部１２０のほぼ真上方向以外の方向からの荷電粒子は、遮蔽金属１１０により遮蔽される。よって、検出部１２０のほぼ真上方向以外の方向から、当該検出部１２０に荷電粒子は入射しない。荷電粒子を検出した検出部１２０のほぼ真上が、中性子が入射された位置となる。即ち、遮蔽金属１１０により検出部１２０に入射する荷電粒子の方向が特定されるため、荷電粒子を検出した検出部１２０の位置が、中性子の入射位置に対応する。よって、放射線検出装置１００における中性子が入射された位置の分解能は、検出部１２０の設置間隔となる。
【００６７】
放射線検出装置１００は、ゲート電圧（ポリシリコン１２４に印加する電圧）を制御することにより、空乏層の大きさを調整できる。検出部１２０の検出感度は、空乏層の大きさに依存する。よって、放射線検出装置１００は、ゲート電圧（ポリシリコン１２４に印加する電圧）を制御することにより、検出部１２０の検出感度を調整できる。
【００６８】
また、シリコン中の電子正孔対の移動度は速く、かつ、検出部１２０の空乏層は狭いため、信号の消滅の時定数は、１ｎｓ以下である。従って、放射線検出装置１００は、高速に荷電粒子の検出を読み出すことができ、検出部１２０のデッドタイムを短くすることができる。
【００６９】
さらに、放射線検出装置１００を２次元平面に多数敷き詰めることにより、位置分解能の高い放射線検出を大面積において行うことができる。
【００７０】
変形例の放射線検出装置１１００についても同様である。
【００７１】
〔実施形態２〕
次に実施形態２について説明する。実施形態２は、実施形態１との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態２では、実施形態１のシリコン酸化膜２０８の部分も、コンバータ層とする。
【００７２】
（構成例）
図８は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置２００は、Ｐ（Ｎ）型基板２０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０を含む。検出部２２０は、Ｎ（Ｐ）型半導体２２１、Ｎ（Ｐ）型半導体２２２、シリコン酸化膜２２３、ポリシリコン２２４を含む。また、放射線検出装置２００は、配線２３１、配線２３２、配線２３３を含む。
【００７３】
シリコン基板２０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０は、それぞれ、実施形態１のシリコン基板１０２、金属（遮蔽金属）２１０、コンバータ層２１２、検出部２２０と同様である。Ｎ（Ｐ）型半導体２２１、Ｎ（Ｐ）型半導体２２２、シリコン酸化膜２２３、ポリシリコン２２４は、実施形態１のＮ（Ｐ）型半導体１２１、Ｎ（Ｐ）型半導体１２２、シリコン酸化膜１２３、ポリシリコン１２４と同様である。配線２３１、配線２３２、配線２３３は、実施形態１の配線１３１、配線１３２、配線１３３と同様である。
【００７４】
実施形態２では、実施形態１におけるシリコン酸化膜１０８の部分をコンバータ層２１２としている。シリコン酸化膜１０８の部分をコンバータ層２１２とすることにより、この部分においても、中性子を荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）に変換することができる。コンバータ層２１２は、例えば、実施形態１のようなシリコン酸化膜をポストプロセスにより削り、ボロン１０を埋め込むことにより形成されうる。また、シリコン酸化膜が存在しないことにより、荷電粒子の減衰を抑制することができる。遮蔽金属２１０は、実施形態１の遮蔽金属１１０と同様に形成される。
【００７５】
遮蔽金属２１０の高さ（厚さ）は、例えば、２μｍ以上とする。遮蔽金属の高さが小さいと、検出部２２０に入射する斜め方向の荷電粒子の量が多くなり位置分解能が低下するからである。また、コンバータ層２１２の高さ（厚さ）は、例えば、２乃至４μｍとする。中性子（熱中性子）とボロン１０とが核反応することにより生成されるα線およびＬｉ粒子線は、それぞれ、１ＭｅＶ程度のエネルギーを有する。１．５ＭｅＶのα線のボロン１０中の飛程は、４μｍである。また、９００ｋｅＶのＬｉ粒子線のボロン１０中の飛程は、２μｍである。このため、コンバータ層２１２の高さ（厚さ）は、２乃至４μｍ程度が好ましい。コンバータ層２１２の上面と遮蔽金属２１０の上面とは、同一平面に存在してもよい。遮蔽金属１１０とＰ（Ｎ）型基板１０２との間の距離は、１μｍ程度が好ましい。
【００７６】
放射線検出装置２００は、実施形態１の図２で示される放射線検出装置１００の構成と同様の構成を有する。
【００７７】
（動作例）
放射線検出装置２００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置２００のコンバータ層２１２側から中性子が入射されると、中性子は、コンバータ層２１２のボロン１０と核反応（１３（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。α線及びＬｉ粒子線のうちの一方は、検出部２２２０側に放出される。検出部２２０側に放出された荷電粒子線は、検出部２２０で検出される。検出部２２０側に放出された荷電粒子線の一部は、遮蔽金属２１０に当たる。検出部２２０に荷電粒子が入射されると、荷電粒子は、検出器２２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部２２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、荷電粒子（α線またはＬｉ粒子線）の検出を行う。また、荷電粒子が、遮蔽金属２１０にあたった場合、検出部２２０では検出されない。当該荷電粒子は、遮蔽金属２１０で減衰し、検出部２２０に達しないからである。放射線検出装置２００には、実施形態１のようなシリコン酸化膜１０８が存在しないため、放射線検出装置２００では荷電粒子がシリコン酸化膜で減衰することはな
い。
【００７８】
また、放射線検出装置２００は、実施形態１の放射線検出装置１００と同様に、検出部２２０の設置間隔の位置分解能で、中性子が入射された位置を判断できる。
【００７９】
（実施形態２の作用効果）
放射線検出装置２００のコンバータ層２１２は、入射する中性子がボロン１０と核反応することにより、α線およびＬｉ粒子線の荷電粒子に変換する。荷電粒子は、実施形態１の放射線検出装置１００のように、シリコン酸化膜で減衰されることはない。よって、放射線検出装置２００は、放射線検出装置１００よりも、効率よく、中性子の入射を検出することができる。
【００８０】
〔実施形態３〕
次に実施形態３について説明する。実施形態３は、実施形態１及び実施形態２との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態３では、放射線検出装置１００または放射線検出装置２００と同様の構成を積層する。実施形態１及び実施形態２の放射線検出装置は、主に、熱中性子を検出する装置であったが、本実施形態の放射線検出装置３００は、高速中性子を検出する。
【００８１】
（構成例）
図９は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置３００は、Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含む。Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０は、それぞれ、実施形態２のＰ（Ｎ）型基板２０２、検出部２２０、遮蔽金属２１０と同様である。放射線検出装置３００では、Ｐ（Ｎ）型基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、及び、コンバータ層３１２を含む層が、複数層、積層される。図９の例では、各層を、上の層から、第１層、第２層、第３層とする。図９の例では、３層であるが、２層以上であればよく、３層に限定されるものではない。また、放射線検出装置３００で積層される層は、実施形態１の放射線検出装置１００と同様の層であってもよい。最上層以外の層は、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含まなくてもよい。層と層との間は、密着される。
【００８２】
コンバータ層３１２は、パラフィン、ポリエチレン等の水素を多く含む物質を含む。コンバータ層３１２は、水素を多く含む物質のみであってもよい。コンバータ層３１２に入射した中性子（高速中性子）は、所定の確率で、水素原子核（Ｈ＋）と衝突し、水素原子核を弾き飛ばす。弾き飛ばされた水素原子核は、エネルギーが高いため、遮蔽金属３１０を透過しうる。従って、遮蔽金属３１０は存在しなくてもよい。即ち、遮蔽金属３１０の代わりに、シリコン酸化膜であってもよい。また、放射線検出装置３００が、実施形態２の放射線検出装置２００と同様の層を含む場合、遮蔽金属のないコンバータ層が、検出部３２０に接してもよい。コンバータ層３１２の材料と高さ（厚さ）は、例えば、ポリエチレンで５０μｍとすることができる。コンバータ層３１２は、厚すぎると位置分解能が低下し、薄すぎると水素原子核を弾き飛ばす中性子の割合が減少する。
【００８３】
検出部３２０は、水素原子核（荷電粒子）を、検出部３２０に形成された低容量ＰＮ接合の逆バイアス時の空乏層によって検出する。水素原子核は、ＰＮ接合の近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、水素原子核の検出を行う。複数の層の検出部３２０で検出された場合、検出された検出器３２０の位置を一直線で結ぶことで、水素原子核の入射方向が分かる。検出部３２０の設置間隔が、放射線検出装置３００の位置分解能である。ただし、コンバータ層３１２
が厚い場合は、放射線検出装置３００の位置分解能は、コンバータ層３１２の厚さ（Ｄとする）にも依存する。ここで、角度θは、放射線検出装置３００の放射線入射面（コンバータ層３１２の上面）の法線方向と、水素原子核の入射方向のなす角の角度であるとする（図９参照）。コンバータ層３１２の厚さが検出部３２０の設置間隔よりも十分大きい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、角度θ以下の陽子線のみを使用するとすると、Ｄｔａｎθとなる。
【００８４】
（動作例）
放射線検出装置３００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置３００のコンバータ層３１２側から中性子が入射されると、中性子（高速中性子）は、所定の確率で、水素原子核を弾き飛ばす。水素原子核（陽子線）は、荷電粒子である。水素原子核は、検出部３２０で検出される。検出部３２０には、逆バイアスが印加され、ＰＮ接合近傍に空乏層が形成される。検出部３２０に水素原子核が入射されると、荷電粒子は、検出器３２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、水素原子核（陽子線）の検出を行う。また、高速中性子に弾き飛ばされた水素原子核は、エネルギーが大きく、他の層（下層）の検出部３２０でも検出されうる。多くの場合、高速中性子に弾き飛ばされた水素原子核（陽子線）は、複数の層の検出部３２０で検出される。陽子線の軌跡は、ほぼ一直線になる。
【００８５】
複数の層の検出部３２０で陽子線が検出された場合、陽子線が検出された検出部３２０を一直線で結び、陽子線が検出された検出部３２０が存在する層のうち最上層の層のコンバータ層と、当該一直線とが交差する位置が、中性子が入射した位置となる。中性子が入射した位置とは、中性子が水素原子核を弾き飛ばした位置である。陽子線を検出した検出部３２０の位置が一直線にない場合には、放射線検出装置３００は、陽子線を検出した検出部３２０の位置の座標（３次元座標）を用いて、最小二乗法等により一直線を求め得る。よって、層が多くなるほど、陽子線を検出する検出部３２０が多くなり、陽子線の軌跡をより正確に求められる。陽子線の軌跡を正確に求めるために、各層の検出部３２０の位置、及び、各層の位置を正確に配置することが求められる。検出部３２０の位置の誤差が大きいと、陽子線の軌跡の誤差が大きくなるからである。
【００８６】
また、第１層の表面の法線の方向から、第１層の表面に対して陽子線を入射し、複数の層の検出部３２０で、キャリアを検出することにより、検出部３２０の位置を校正することができる。即ち、キャリアを検出した検出部３２０が第１層の表面の法線方向に存在していると判断される。各層の検出部３２０が、各層内において正確に位置し、各層間の距離が既知であると仮定すると、第１層の表面上で、少なくとも２箇所以上から陽子線を入射し、複数の層の検出部３２０で、キャリアを検出することで、すべての検出部３２０の位置を校正することができる。各層における検出部３２０の間隔よりも高い精度で陽子線の入射位置を制御できる場合、検出部３２０の位置の校正を各層における検出部３２０の間隔よりも高い精度で行うことができる。つまり、検出部３２０の位置が検出部３２０の間隔よりも高い精度で決定される。検出部３２０の位置を正確に求めることで、陽子線の軌跡をより正確に求められる。
【００８７】
（実施形態３の作用効果）
放射線検出装置３００は、複数の層を備える。各層は、シリコン基板３０２、検出部３２０、金属（遮蔽金属）３１０、コンバータ層３１２を含む。各層は、遮蔽金属、シリコン酸化膜３０８を、含まなくてもよい。最上層以外の層は、コンバータ層３１２を含まなくてもよい。コンバータ層３１２は、水素を多く含む物質を含む。
【００８８】
放射線検出装置３００のコンバータ層３１２では、入射する中性子（高速中性子）が水素原子核を弾き飛ばす。弾き飛ばされた水素原子核（陽子線）は、検出部３２０に入射さ
れる。陽子線は、検出部３２０のＰＮ接合近傍の空乏層で、電子正孔対を発生させる。検出部３２０は、この電子正孔対による電流を検出することで、陽子線の検出を行う。陽子線は、エネルギーが高いため、下層の検出部３２０においても、検出される。陽子線を検出した複数の検出部１２０を結ぶ一直線と、当該検出部３２０のうち最も上層の検出部３２０の層のコンバータ層３１２とが、交差する位置が、中性子が水素原子核をはじき飛ばした位置である。即ち、放射線検出装置３００は、この位置に、中性子が入射したと判断できる。
【００８９】
コンバータ層の厚さに対して検出部３２０の設置間隔が十分小さい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、検出部３２０の設置間隔となる。コンバータ層３１２の厚さが検出部３２０の設置間隔よりも十分大きい場合、放射線検出装置３００の位置分解能は、角度θ以下の陽子線のみを使用するとすると、Ｄｔａｎθとなる。
【００９０】
放射線検出装置３００にガンマ線が入射された場合、１つの検出部３２０のみが、信号を生成する。一方、陽子線は、複数の検出部３２０で検出される。従って、放射線検出装置３００は、ガンマ線と陽子線との分別をできる。
【００９１】
〔実施形態４〕
次に実施形態４について説明する。実施形態４は、実施形態１、実施形態２、及び、実施形態３との共通点を有する。従って、ここでは、主として相違点について説明し、共通点については、説明を省略する。実施形態４では、実施形態３と同様に、放射線検出装置１００または放射線検出装置２００と同様の構成を積層する。実施形態４の放射線検出装置４００は、熱中性子、及び、高速中性子を検出する。
【００９２】
（構成例）
図１０は、本実施形態の放射線検出装置の断面の例を示す図である。放射線検出装置４００は、Ｐ（Ｎ）型基板４０２、検出部４２０、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２を含む。これらは、それぞれ、実施形態２のＰ（Ｎ）型基板２０２、検出部２２０、遮蔽金属２１０、コンバータ層２１２と同様である。放射線検出装置４００は、さらに、第２コンバータ層４１４を含む。第２コンバータ層４１４は、実施形態３のコンバータ層３１２と同様である。放射線検出装置４００では、Ｐ（Ｎ）型基板４０２、検出部４２０、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２、及び、第２コンバータ層４１４を含む層が、複数層、積層される。図１０の例では、各層を、上の層から、第１層、第２層、第３層とする。図１０の例では、３層であるが、２層以上であればよく、３層に限定されるものではない。また、放射線検出装置４００で積層される層は、実施形態２の放射線検出装置１００と同様のシリコン酸化膜を含む層であってもよい。最上層以外の層は、金属（遮蔽金属）４１０、第１コンバータ層４１２及び第２コンバータ４１４を含まなくてもよい。層と層との間は、密着される。第１コンバータ層４１２の位置と第２コンバータ層４１４の位置とは、入れ替わってもよい。
【００９３】
第１コンバータ層４１２は、実施形態１のコンバータ層１１２または実施形態２のコンバータ層２１２と同様の層である。また、第２コンバータ層４１４は、実施形態３のコンバータ層３１２と同様の層である。即ち、第１コンバータ層では、熱中性子はボロン１０と核反応をし、第２コンバータ層では、高速中性子は水素原子核を弾き飛ばす。
【００９４】
図１１は、第１コンバータ層および第２コンバータ層の感度の例を示す図である。図１１の例では、第１コンバータ層４１２がボロン１０で厚さ５μｍ、第２コンバータ層４１４がポリエチレンで厚さ５０μｍである。図１１のグラフは、中性子のエネルギーに対する各コンバータ層の感度を示すグラフである。図１１の例では、低いエネルギーの中性子に対しては、第１コンバータ層４１２のほうが感度がよく、高いエネルギーの中性子に対
しては、第２コンバータ層４１４のほうが感動がよい。中性子のエネルギーに対する放射線検出装置４００の感度は、これらのグラフを足しあわせたものになる。
【００９５】
（動作例）
放射線検出装置４００における中性子検出の動作について説明する。放射線検出装置４００の第１層の第２コンバータ層４１４側から熱中性子が入射されると、熱中性子は、第１コンバータ層４１２のボロン１０と核反応（１３（ｎ，α）７Ｌｉ反応）し、α線及びＬｉ粒子線に変換される。この動作は、実施形態１の放射線検出装置１００の動作と同様である。また、放射線検出装置４００の第１層の第２コンバータ層４１４側から高速中性子が入射されると、高速中性子は、所定の確率で、第２コンバータ層４１４の水素原子核を弾き飛ばす。この動作は、実施形態３の放射線検出装置３００の動作と同様である。
【００９６】
放射線検出装置４００は、１つの検出部４２０で信号を検出した場合、熱中性子が入射されたとして、実施形態１と同様に、熱中性子が入射された位置を求める。即ち、放射線検出装置４００は、信号を検出した検出部４２０のほぼ真上の第１コンバータ層４１２に熱中性子が入射されたと判断する。
【００９７】
また、放射線検出装置４００は、複数の検出部４２０で信号を検出した場合、高速中性子が入射されたとして、実施形態３と同様に、高速中性子が入射された位置を求める。即ち、放射線検出装置４００は、信号を検出した検出部４２０を一直線で結び、信号を検出した検出部４２０が存在する層のうち最上層の層の第２コンバータ層４１４と、当該一直線とが交差する位置が、中性子が入射した位置と判断する。
【００９８】
よって、放射線検出装置４００は、エネルギーの低い中性子からエネルギーの高い中性子まで、中性子が入射された位置を検出することができる。
【００９９】
（実施形態４の作用効果）
放射線検出装置４００は、２種類のコンバータ層を有する。放射線検出装置４００は、２種類のコンバータ層を有することで、中性子の広いエネルギー幅に対し感度を有する。また、放射線検出装置４００は、３次元に検出部４２０を配置することで、中性子が入射された位置を精度よく検出することができる。
【符号の説明】
【０１００】
１００ 放射線検出装置
１０２ Ｐ（Ｎ）型基板
１０８ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
１１０ 金属（遮蔽金属）
１１２ コンバータ層
１２０ 検出部
１２１ Ｎ（Ｐ）型半導体
１２２ Ｎ（Ｐ）型半導体
１２３ シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）
１２４ ポリシリコン
１３１ 配線
１３２ 配線
１３３ 配線
１４１ トランジスタ
１４２ トランジスタ
１５１ 縦方向スイッチ
１５２ 横方向スイッチ
１６０ アンプ（増幅器）
１７１ トランジスタ
１７２ トランジスタ
１８１ 縦方向スイッチ
１８２ 横方向スイッチ
２００ 放射線検出装置
２０２ Ｐ（Ｎ）型基板
２０６ 素子分離膜
２１０ 金属（遮蔽金属）
２１２ コンバータ層
２２０ 検出部
３００ 放射線検出装置
３０２ Ｐ（Ｎ）型基板
３０６ 素子分離膜
３１０ 金属（遮蔽金属）
３１２ コンバータ層
３２０ 検出部
４００ 放射線検出装置
４０２ Ｐ（Ｎ）型基板
４１０ 金属（遮蔽金属）
４１２ 第１コンバータ層
４１４ 第２コンバータ層
４２０ 検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、ＰＮ接合を含む
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項３】
中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、
中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置。
【請求項４】
前記検出回路は、ＰＮ接合を含む
請求項３に記載の放射線検出装置。
【請求項１】
中性子と相互作用して荷電粒子を発生する変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、ＰＮ接合を含む
請求項１に記載の放射線検出装置。
【請求項３】
中性子と反応して第１荷電粒子を発生する第１変換部と、
中性子と相互作用して、前記第１荷電粒子よりもエネルギーが大きい第２荷電粒子を発生する第２変換部と、
半導体基板に形成される前記荷電粒子を検出する複数の検出回路をそれぞれ有する複数の回路層と、
それぞれの前記検出回路に入射する前記第１荷電粒子の到来方向を制限する遮蔽部と、を備え、
前記複数の回路層は、積層される
放射線検出装置。
【請求項４】
前記検出回路は、ＰＮ接合を含む
請求項３に記載の放射線検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１８１０６４（Ｐ２０１２−１８１０６４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３２１７（Ｐ２０１１−４３２１７）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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