シリコン表面障壁型半導体検出器とは?
シリコン表面障壁型半導体検出器(SSBD)は,放射線検出器としてもっとも広く利用されている検出器です.
SSBDは,小型で動作電圧が数100Vと低く(ガスチェンバ,Ge検出器などでは数1000V),市販品でほとんどの用途に利用できるほか,実験室でも簡単に製作できる,などの利点があります.SSBDはまた,エネルギー特性,タイミング特性にも優れています.
シリコン表面障壁型半導体検出器の好ましくない特性
しかしSSBDを重イオン測定に用いると,エネルギー特性では重イオンの入射エネルギーと出力波高の比例性が悪くなる出力波高欠損,タイミング特性では重イオンの入射からパルス出力まで数ナノ秒の時間遅れが出るプラズマディレイという,好ましくない現象が起こります.
私が博士課程の学生だった1980年代の後半には,これらの現象を包括的に説明するモデルは無く,その応答特性は半経験式で記述されていたに過ぎませんでした.
研究の背景(やらな,しゃーない)
私は,別項に示しますように,核分裂片の二重飛行時間・二重エネルギー測定を博士課程のテーマとして研究していて,SSBDを飛行時間測定のストップ時刻検出器およびエネルギー検出器に利用していました.ところが,データ解析を行っているうちに,SSBDで取ったタイミングがおかしいことに気がつき,プラズマディレイという現象がある,ということを遅蒔きながら知りました.この現象を何とか説明しないと博士号が取れない,と思い,研究に取り組んだ次第です.
研究の概要
まず,重イオンとシリコン軌道電子との相互作用から考察することにより,重イオンの入射により生成されるプラズマ柱(電子と正 孔の高密度集合体)の形状を計算しました.また,プラズマ柱の電気的性質がその電子・ 正孔対密度に依存し,導体(高密度)から 誘電体(低密度)に変化すると仮定し,それに伴うシリコンの空乏層内部の電場の変化を考察しました.これにより,エネルギー特性で長年研究の対象であった再結合効果は実はプラズマ柱が誘電体であることによる固有の効果であることが明らかになり,またタイミング特性の電場の強さおよび比抵抗値依存性が説明できました.
この話は,いまでも好きな話です.まだまだ応用はあるとは思いますが,一応,終了した形にしています.
研究助成
平成6年度 「シリコン表面障壁型半導体検出器における中性子照射効果のその場観察法の開発」,奨励研究(代表).
平成5年度 「シリコン表面障壁型半導体検出器におけるプラズマ・ディレイの比抵抗値依存性の解明」,奨励研究(代表).
平成4年度 「荷電粒子識別用シリコン表面障壁型半導体検出器の開発」,奨励研究(代表).
平成4-5年度 「中性子転換注入シリコンを用いた高エネルギー荷電粒子用半導体検出器の開発」,池谷科学技術振興財団(代表).
論文,特許など
I.Kanno, “Estimation Method for Electron-hole Pair
Density in Plasma Columns”, Rev. Sci. Instrum.,
70, 4270-4274 (1999).
I.Kanno, “A Model of Dielectric Plasma Columns
in Silicon Surface Barrier Detectors”, Conference
Proc. CP392, 1035-1038 (1997).
I.Kanno, “Response of Silicon Surface Barrier Detector
to Heavy Ions”, Ionizing Radiation 21, 38-51(1995) (in Japanese).
I.Kanno, T.Inbe, S.Kanazawa and I.Kimura, “Electric
Field Strength and Plasma Delay in Silicon
Surface Barrier Detector”, Appl. Radiat.
Isot. 46, 493-494 (1995).
I.Kanno, “Electric Field Strength in a Silicon
Surface Barrier Detector with the Presence
of a Dielectric Plasma Column”, Nucl. Instrum.
and Meth. A353, 93-96 (1994).
I.Kanno , T.Inbe, S.Kanazawa and I.Kimura, “Improved
Model of Plasma Column Erosion in a Silicon
Surface Barrier Detector”, Rev. Sci. Instrum.
65, 3040-3041 (1994).
I.Kanno , K.Nishio, T.Mikawa, Y.Nakagome, K.Kobayashi
and I.Kimura, “Resistivity Estimation of
Irradiated Silicon Surface Barrier Detector”,
Nucl. Instrum. and Meth. A384, 479-484 (1994).
I.Kanno , “Recombination Effect as Component of
Residual Defect in Silicon Surface Barrier
Detector”, J. Nucl. Sci. Technol. 29, 690-694 (1992).
I.Kanno , “Heavy Ion Induced Phenomena in Silicon
Surface Barrier Detector and Single Event
Phenomena”, Ionizing Radiation 17, 66-75 (1991) (in Japanese).
I.Kanno , “Feasibility Study of Silicon Surface
Barrier Detector as a Charged Particle Identifier”,
J.Nucl. Sci. Technol. 28, 1061-1064 (1991).
I.Kanno , H.Ikezoe, T.Ohtsuki, S.A.Hayashi, S.Kanazawa
and I.Kimura, “Incident Angle Dependence
of the Residual Defect in a Silicon Surface
Barrier Detector”, J. Nucl. Sci.Technol.
28, 582-584 (1991).
I.Kanno, “Candidate for Residual Defect in Silicon
Surface Barrier Detector”, J. Nucl. Sci.
Technol. 28, 87 -94(1991).
I.Kanno, “A Model of Charge Collection in a Silicon
Surface Barrier Detector”, Rev. Sci. Instrum.
61, 129 -137(1990).
I.Kanno, “Models of Formation and Erosion of a
Plasma Column in a Silicon Surface Barrier
Detector”, Rev. Sci. Instrum. 58, 1926-1932 (1987).
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