CN101546780A - 辐射检测器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的辐射检测器具有用于偏置电压施加的公共电极，形成在对辐射敏感的无定形硒半导体膜(a－Se半导体膜)的表面上。公共电极是具有100到1,000厚度的金薄膜。可以在相对较低的气相沉积温度，在较短的气相沉积时间内，在a－Se半导体膜的表面上形成充当公共电极的金薄膜。该特征抑制了由于公共电极的形成而在a－Se半导体膜中产生缺陷。用于公共电极的金薄膜没有现有技术中的厚，而是1,000或更薄。利用减小的厚度，公共电极具有对a－Se半导体膜改进的粘结性能。
Description
本申请是2004年9月24日递交的专利申请200410011867.3的分案申请，并因此要求如下在先申请的优先权：
2003年9月24日递交的日本专利申请2003-331781。
技术领域
本发明涉及包括对辐射敏感的无定形硒半导体膜(以下在适当的情况下称为“a-Se半导体膜”)的直接转换型的辐射检测器，用于医疗、工业、原子能和其它领域。
背景技术
间接转换型辐射检测器首先将辐射(例如X射线)转换为光，然后通过光电转换，将光转换为电信号。与间接转换型截然不同，直接转换型辐射检测器通过对辐射敏感的a-Se半导体膜，将入射辐射(例如X射线)直接转换为电信号(电荷)。图1是示出了传统的直接转换型辐射检测器的基本结构的示意截面图。
图1所示的辐射检测器包括有源矩阵基板51、辐射敏感的a-Se半导体膜52和用于偏置电压施加的公共电极53。在有源矩阵基板51的表面上，按照设置在辐射检测有效区域SA中的二维矩阵排列，形成多个收集电极(未示出)。在有源矩阵基板51的表面上设置电路(未示出)，用于存储并读取在辐射入射时由各个收集电极所收集到的电荷。辐射敏感的a-Se半导体膜52位于有源矩阵基板51的、形成了收集电极的表面上，从而当辐射入射时，产生电荷。在a-Se半导体膜52的前表面上二维地形成用于偏置电压施加的公共电极53。
当以传统辐射检测器进行辐射检测时，从偏置电压源将偏置电压施加到公共电极53上。利用所施加的偏置电压，当辐射入射时，在辐射敏感的a-Se半导体膜52中产生电荷。由收集电极收集在a-Se半导体膜52中产生的电荷。由包括电容器、开关元件和电导线的存储与读取电路从各个收集电极取得由收集电极收集的电荷，作为辐射检测信号。
即，在如图1所示的直接转换型辐射检测器中，二维矩阵排列中的每个收集电极充当与射线照相图像中的每个象素相对应的电极(象素电极)。根据投影到辐射检测有效区域SA上的辐射的二维强度分布，能够将所获得的辐射检测信号用于创建射线照相图像。
典型地，可以通过如真空沉积等PVD(物理气相沉积)来形成具有较大面积的辐射敏感的a-Se半导体膜52。因此，辐射检测器能够容易地保证较大的辐射检测有效区域SA。在传统辐射检测器的情况下，如日本待审专利公开No.2001-26443所示，形成在a-Se半导体膜52上的、用于偏置电压施加的公共电极53包括大约100纳米(nm)(＝1,000埃)的铝或MgAg膜。
然而，具有以上结构的传统辐射检测器的缺点在于：当用于在a-Se半导体膜52上形成用于施加偏置电压的公共电极53的气相沉积的热量损坏了a-Se半导体膜52时，辐射敏感的a-Se半导体膜52会出现缺陷。具有多个缺陷的a-Se半导体膜52缺乏长期的可靠性，并且由缺陷导致的检测误差会导致低质量的射线照相图像。
此外，传统的辐射检测器具有以下缺点：辐射敏感的a-Se半导体膜52和用于偏置电压施加的公共电极53之间具有较低的粘结强度。在使用大约100纳米(nm)(＝1,000埃)的铝或MgAg膜的情况下，公共电极53具有较弱的粘结强度，因此导致较低的可靠性。
发明内容
本发明考虑到上述技术的状态，其目的是提供一种辐射检测器，能够抑制由于在其上层压用于偏置电压施加的公共电极而导致的无定形硒半导体膜中的缺陷的产生，并且能够提高公共电极的粘结性能。
根据本发明，通过以下装置实现了以上目的：一种辐射检测器，具有对辐射敏感的无定形硒半导体膜；以及二维地形成在辐射敏感的无定形硒半导体膜的前表面上的用于偏置电压施加的公共电极，当要检测的辐射入射时，利用施加到公共电极上的偏置电压，在辐射敏感的无定形硒半导体膜中产生电荷，
其中公共电极包括具有100到1,000埃厚度的金薄膜(Au薄膜)。
当根据本发明的辐射检测器检测辐射时，将偏置电压施加到形成在辐射敏感的无定形硒半导体膜的前表面的公共电极上。利用所施加的偏置电压，当要检测的辐射入射时，无定形硒半导体膜产生作为辐射检测信号的源的电荷。所述无定形硒半导体膜对于增大的面积具有优异的性能，因此能够容易地保证较大的辐射检测有效区域。
在根据本发明的辐射检测器中，公共电极包括具有1,000埃(
)或更小厚度的金薄膜(Au薄膜)。可以在相对较低的气相沉积温度，在较短的气相沉积时间内，将形成公共电极的金薄膜层压到无定形硒半导体膜的前表面上。这导致了在无定形硒半导体膜中引起缺陷的可能性的减小。即，用作形成公共电极的材料的金具有较低的熔点，因此不需要很高的气相沉积温度。金具有非常高的导电性，因此即使伴随着电极电阻的增大，在100金薄膜的情况下，也可以保证公共电极所需的导电性，因而只需要较短的气相沉积时间。由于无定形硒半导体膜是高电阻膜，公共电极的电阻会有所增大。然而，考虑到金的导电性，这在电学上不会出现问题。
此外，形成公共电极的金薄膜没有现有技术中的厚，而是非常薄，即，1,000或更薄。因此，公共电极具有对无定形硒半导体膜改进的粘结性能。
与金相同，铂(Pt)的优点在于只需要较低的气相沉积温度。但是，铂具有较低的导电性，大约是金的五分之一。当用作公共电极的材料时，必须较厚地沉积铂，以便保证公共电极所需的导电性。这导致了气相沉积时间的延长，由此引起无定形硒半导体膜中的缺陷。此外，膜会变厚，公共电极会具有不能令人满意的粘结性能。通过包括金薄膜的公共电极来解决此问题。
优选地，以上形成公共电极的金薄膜的厚度在450到550埃的范围内。
即使当较厚地形成时，形成公共电极的金薄膜也应当不会超过550埃。然后，在减少的气相沉积时间内层压所述膜，由此可靠地抑制了在无定形硒半导体膜出现的缺陷。相反，在其最薄处，公共电极的金薄膜应当不小于450埃。则公共电极具有足够的导电性来可靠地执行所希望的功能。
在本发明的一个实施例中，辐射检测器还包括形成在无定形硒半导体膜和公共电极之间的载流子选择中间层。
在此实施例中，由于通过形成在无定形硒半导体膜和公共电极之间的载流子选择中间层，防止了形成暗电流的载流子渗透，因此能够减小暗电流。在这种情况下，在载流子选择中间层上形成公共电极。可以在相对较低的气相沉积温度，在较短的气相沉积时间内形成充当公共电极的、厚度不超过1,000埃的金薄膜。这导致了在载流子选择中间层中引起缺陷的可能性的减小。此外，公共电极具有对载流子选择中间层优异的粘结性能。利用充当地的载流子选择中间层，进一步提高了公共电极的粘结性能。
在本发明的实施例中，辐射检测器还包括按照设置在辐射检测有效区域中的一维或二维矩阵排列形成的多个收集电极，和形成在无定形硒半导体膜和收集电极之间的载流子选择中间层。
在具有形成在无定形硒半导体膜和公共电极之间的载流子选择中间层的结构中，当将正偏置电压施加到公共电极上时，由具有对电子的贡献大于对空穴的贡献的材料形成载流子选择中间层。这防止了来自公共电极的空穴的渗透，由此减小了暗电流。
此外，在具有形成在无定形硒半导体膜和公共电极之间的载流子选择中间层的结构中，当将负偏置电压施加到公共电极上时，由具有对空穴的贡献大于对电子的贡献的材料形成载流子选择中间层。这防止了来自公共电极的电子的渗透，由此减小了暗电流。
在具有形成在无定形硒半导体膜和收集电极之间的载流子选择中间层的结构中，当将正偏置电压施加到公共电极上时，由具有对空穴的贡献大于对电子的贡献的材料形成载流子选择中间层。这防止了来自收集电极的电子的渗透，由此减小了暗电流。
此外，在具有形成在无定形硒半导体膜和收集电极之间的载流子选择中间层的结构中，当将负偏置电压施加到公共电极上时，由具有对电子的贡献大于对空穴的贡献的材料形成载流子选择中间层。这防止了来自收集电极的空穴的渗透，由此减小了暗电流。
本发明中的载流子选择中间层应当具有范围是0.1到10μm的厚度，并且应当由以下材料构成：如Sb2S3、ZnTe、CeO2、CdS、ZnSe或ZnS等多晶半导体，或掺杂了如Na等碱金属、如Cl、As或Te等卤素的硒或硒化合物的无定形半导体。由于其对于增大的面积的优异性能，这些材料是理想的。
具有0.1到10μm的厚度的载流子选择中间层能够充分地抑制暗电流，而不会妨碍辐射检测。中间层小于0.1μm的厚度趋向于不能够充分地抑制暗电流。相反，超过10μm的厚度趋向于妨碍辐射检测，例如，趋向于降低灵敏度。
在根据本发明的一个特定实例中，辐射检测器还包括有源矩阵基板，所述有源矩阵基板包括：
按照设置在辐射检测有效区域中的一维或二维排列、形成在有源矩阵基板的表面上的多个收集电极；以及
设置在有源矩阵基板上的电路，用于存储和读取由各个收集电极所收集的电荷；
将无定形硒半导体膜堆叠在有源矩阵基板的、形成了收集电极的表面上。
在这种情况下，由按照设置在辐射检测有效区域中的一维或二维排列、形成在有源矩阵基板的表面上的各个收集电极来收集当辐射入射时在辐射敏感半导体中产生的电荷。然后，通过有源矩阵基板上的存储与读取电路输出电荷，作为各个收集电极的辐射检测信号。即，在设置了有源矩阵基板的情况下，该检测器是一维或二维阵列型辐射检测器，用于检测投影到辐射检测有效区域上的辐射的一维或二维强度分布。
本发明并不局限于一维或二维阵列型辐射检测器。检测器可以是只具有一个用于输出辐射检测信号的电极的非阵列型的，即，单一收集电极。
用于形成收集电极的特定材料包括铜、铝、镍和作为透明导体材料的ITO(氧化铟锡)。
可以将栅极驱动器、电荷-电压转换放大器、复用器和模拟-数字转换器作为分立的外部设备与有源矩阵基板相连。可选地，可以将一些或所有这些元件安装在有源矩阵基板中。
优选地，本发明中的无定形硒半导体膜是高纯度的无定形硒(a-Se)，或掺杂了如Na等碱金属、如Cl、As或Te等卤素的硒或硒化合物的无定形半导体。由于其对于增大的面积和增大的厚度的优异性能，这些材料是理想的。特别地，高纯度无定形硒对于增大的面积和增大的厚度具有突出的性能。
具体地，无定形硒半导体膜的厚度在0.5到1.5mm的范围内。
附图说明
出于图示本发明的目的，在附图中示出了多个优选给出的形式，然而，本发明并不局限于所示出的明确结构和手段。
图1是示出了传统辐射检测器的基本结构的截面图；
图2是以截面形式示出了本发明第一实施例中的辐射检测器的主要部分的方框图；
图3是示出了第一实施例中的辐射检测器的有源矩阵基板上和周围的电路的方框图；以及
图4是以截面形式示出了本发明第二实施例中的辐射检测器的主要部分的方框图。
具体实施方式
下面将参考附图，详细地描述本发明的优选实施例。
第一实施例
参考附图，将描述具体实现了本发明的辐射检测器。图2是以截面形式示出了本发明第一实施例中的直接转换型辐射检测器的主要部分的方框图。图3是示出了第一实施例中的检测器的有源矩阵基板上和周围的电路的方框图。
如图2所示，第一实施例中的辐射检测器包括对辐射敏感的无定形硒半导体膜(a-Se半导体膜)1和用于偏置电压施加的公共电极2。在a-Se半导体膜1的前表面上，二维地形成用于偏置电压施加的公共电极2。第一实施例中的检测器包括有源矩阵基板3。如图3所示，按照设置在辐射检测有效区域SA中的二维矩阵排列，在有源矩阵基板3上形成了多个收集电极4。将电路5设置在有源矩阵基板3上，用于存储和读取由各个收集电极4所收集的电荷。a-Se半导体膜1位于有源矩阵基板3的、形成了收集电极4的表面上。
设置在有源矩阵基板3上的存储与读取电路5包括电容器5A、充当开关元件的TFT(薄膜场效应晶体管)5B、栅极线5a和数据线5b。针对每个收集电极4，设置一个电容器5A和一个TFT 5B。具体地，如图2所示，有源矩阵基板3具有形成在如玻璃基板等绝缘基板上的存储与读取电路5的电容器5A和TFT 5B，以及交叉图案的栅极线5a和数据线5b。此外，按照二维矩阵排列，在表面上形成收集电极4。收集电极4并不局限于特定的材料，而可以由铜、铝、镍或作为透明导电材料的ITO(氧化铟锡)构成。
在有源矩阵基板3上的存储与读取电路5的周围是作为外部设备连接的栅极驱动器6、电荷-电压转换放大器7、复用器8和模拟-数字转换器9。可以将栅极驱动器6、电荷-电压转换放大器7、复用器8和模拟-数字转换器9中的一些或全部构建在有源矩阵基板3中，而不是作为外部设备。
当由第一实施例中的检测器进行辐射检测时，将从偏置电压源(未示出)输出的几千伏到几十千伏的偏置电压施加到公共电极2上。利用所施加的公共电压，当要检测的辐射入射时，辐射敏感的a-Se半导体膜1产生电荷。由收集电极4收集在a-Se半导体膜1中所产生的电荷。更具体地，通过向各个收集电极4的移动，在收集电极4中引入电荷。有源矩阵基板3上的存储与读取电路5获得由每个收集电极4所收集的电荷，作为每个收集电极4的辐射检测信号。
具体地，当栅极驱动器6相继地将读取信号通过栅极线5a施加到各个TFT 6B的栅极时，相继地开关与接收到读取信号的TFT 5B的源极相连并通过电荷-电压转换放大器7与复用器8相连的数据线5b。利用这种开关连接，通过数据线5b从TFT5B发送存储在电容器5A中的电荷，通过电荷-电压转换放大器7进行放大，并作为各个收集电极4的辐射检测信号，由复用器8输出到在其中进行数字化的模拟-数字转换器9。
例如，在为荧光检查设备提供了第一实施例中的检测器的情况下，将从检测器的模拟-数字转换器9输出的辐射检测信号发送到设置在随后级的图像处理电路，以创建二维荧光检查图像等。
即，在第一实施例的直接转换型辐射检测器中，二维矩阵排列中的每个收集电极5充当与射线照相图像中的每个象素相对应的电极(象素电极)。该检测器是用于提供辐射检测信号的二维阵列型射线照相成像设备，所述辐射检测信号用于根据投影到辐射检测有效区域SA上的辐射的二维强度分布来创建射线照相图像。
下面将更详细地描述本发明第一实施例中的检测器的每个组件。
第一实施例中的检测器具有用于偏置电压施加的公共电极2，大面积地二维形成在对辐射敏感的a-Se半导体膜1的前表面上。公共电极2是具有100到1,000(埃)厚度的金薄膜(Au薄膜)。这是该结构的显著特征。a-Se半导体膜1具有对于面积扩大的优异适应性，因此可以容易地保证较大的辐射检测有效区域SA。但是，迄今已经发现由于在公共电极2的气相沉积时产生的热量，a-Se半导体膜1容易导致缺陷。此外，已证明公共电极2不具有足够的粘结强度。
在第一实施例的检测器中，公共电极2是厚度不超过1,000的金薄膜。可以在相对较低的气相沉积温度，在较短的气相沉积时间内，在a-Se半导体膜1的前表面上形成充当公共电极2的金薄膜。这导致了在a-Se半导体膜1中引起缺陷的可能性的减小。即，用作形成公共电极2的材料的金具有较低的熔点，因此不需要很高的气相沉积温度。金具有非常高的导电性，因此即使伴随着电极电阻的增大，在100的金薄膜的情况下，也可以保证公共电极2所需的导电性。由于a-Se半导体膜1是高电阻膜，公共电极2的电阻会有所增大。然而，考虑到金的导电性，这在电学上不会出现问题。
此外，形成公共电极2的金薄膜没有现有技术中的厚，而是非常薄，即，1,000或更薄。因此，公共电极2具有对a-Se半导体膜1改进的粘结性能。
与金相同，铂(Pt)的优点在于只需要较低的气相沉积温度。但是，铂具有较低的导电性，大约是金的五分之一。当用作公共电极的材料时，必须较厚地沉积铂，以便保证公共电极2所需的导电性。这导致了气相沉积时间的延长，由此引起a-Se半导体膜1中的缺陷。此外，膜会变厚，并且公共电极2会具有不能令人满意的粘结性能。
优选地，形成公共电极2的金薄膜的厚度在450到550的范围内。即使当较厚地形成时，金薄膜也应当不超过550。然后，在减少的气相沉积时间内形成所述膜，由此可靠地抑制了在a-Se半导体膜1出现的缺陷。相反，在其最薄处，公共电极2的金薄膜应当不小于450。则公共电极具有足够的导电性来可靠地执行所希望的功能。通过普通电阻加热方法的真空沉积可以形成公共电极2的金薄膜，而不会有特别的困难。
除了高纯度的无定形硒以外，第一实施例中的检测器的a-Se半导体膜1可以是掺杂了如Na等碱金属、如Cl、As或Te等卤素的硒或硒化合物的无定形半导体。由于其对于增大的面积和增大的厚度的优异适应性，这些材料是理想的。特别地，高纯度硒对于增大的面积和增大的厚度具有突出的适应性。例如，通常a-Se半导体膜1具有0.5到1.5mm的厚度和20到40cm乘以20cm到40cm的面积。然而，这些措施是非限制性的。
传统的检测器已经注意到了如漏电流增大等现象。确信第一实施例中的检测器实现了漏电流的减小。
根据以上确信的结果，发现由厚度不超过1,000的金薄膜构成的公共电极2能够有效地充分抑制由于在其上层压公共电极2而导致的a-Se半导体膜1的缺陷。
第二实施例
参考附图，对第二实施例中的辐射检测器进行描述。图4是以截面形式示出了本发明第二实施例中直接转换型辐射检测器的主要部分的方框图。
如图4所示，第二实施例中的辐射检测器包括形成在a-Se半导体膜1和公共电极2之间的载流子选择中间层10，以及形成在a-Se半导体膜1和收集电极4之间的载流子选择中间层11。其它方面与第一实施例中的检测器相同。以下仅描述不同的特征，而不再描述共同的特征。
具有载流子选择中间层10和11的第二实施例中的检测器能够减小暗电流。第二实施例中的检测器具有形成在载流子选择中间层10上的公共电极2。可以在相对较低的气相沉积温度，在较短的气相沉积时间内形成充当公共电极2的、厚度不超过1,000的金薄膜。这导致了在载流子选择中间层10和其它元件中引起缺陷的可能性的减小。此外，公共电极2具有对载流子选择中间层10优异的粘结性能。利用充当“地”的载流子选择中间层10，进一步提高了公共电极2的粘结性能。
这里，载流子选择性指对于作为半导体中的电荷转移介质(载流子)的电子和空穴之间的电荷转移作用的贡献显著不同的属性。
通常，在将正偏置电压施加到公共电极2上的情况下，由具有对电子的贡献大于对空穴的贡献的材料形成载流子选择中间层10。这防止了来自公共电极2的空穴的渗透，由此减小了暗电流。由具有对空穴的贡献大于对电子的贡献的材料形成载流子选择中间层11。这防止了来自收集电极4的电子的渗透，由此减小了暗电流。
相反，在将负偏置电压施加到公共电极2上的情况下，由具有对空穴的贡献大于对电子的贡献的材料形成载流子选择中间层10。这防止了来自公共电极2的电子的渗透，由此减小了暗电流。由具有对电子的贡献大于对空穴的贡献的材料形成载流子选择中间层11。这防止了来自收集电极4的空穴的渗透，由此减小了暗电流。
载流子选择中间层10和11的适当厚度应该在范围0.1到10μm之内。中间层10和11的厚度小于0.1μm趋向于不能够充分地抑制暗电流。相反，超过10μm的厚度趋向于妨碍辐射检测，例如，趋向于降低灵敏度。
用于载流子选择中间层10和11的半导体可以是如Sb2S3、ZnTe、CeO2、CdS、ZnSe或ZnS等多晶半导体，或掺杂了如Na等碱金属、如Cl、As或Te等卤素的硒或硒化合物的无定形半导体。由于其对于增大的面积的优异适应性，这些材料是理想的。
在可用于中间层10和11的半导体中，对电子具有较大贡献的是n型半导体，包括如CeO2、CdS、CdSe、ZnSe和ZnS等多晶半导体，以及如掺杂了碱金属、As或Te以减小对空穴的贡献的无定形硒等无定形材料。
对空穴具有较大贡献的是p型半导体，包括如ZnTe等多晶半导体，以及如掺杂了卤素以减小对电子的贡献的无定形硒等无定形材料。
此外，Sb2S3、CdTe、CdZnTe、PbI2、HgI2、TlBr、非掺杂无定形硒或硒化合物包括具有对电子贡献较大的类型和具有对空穴贡献较大的类型。可以选择使用具有对电子贡献较大或具有对空穴贡献较大的任一类型，只要调整膜形成条件。
本发明并不局限于上述实施例，而可以如下进行修改：
(1)第一和第二实施例中的检测器是二维阵列型的。根据本发明的辐射检测器可以是具有按照一维矩阵阵列形成的收集电极的一维阵列型，或具有用于输出辐射检测信号的单一电极(收集电极)的非阵列型。
(2)除了栅极驱动器6、电荷-电压转换放大器7和复用器8以外，第一和第二实施例中的检测器还包括模拟-数字转换器9。本发明可以提供除省略了栅极驱动器6、电荷-电压转换放大器7、复用器8和模拟-数字转换器9中的一些或全部之外，具有与第一和第二实施例相同结构的修改后的检测器。
(3)第二实施例中的检测器具有形成在a-Se半导体膜1和公共电极2之间以及形成在a-Se半导体膜1和收集电极4之间的载流子选择中间层。可以修改该检测器，以使其只包括形成在a-Se半导体膜1和公共电极2之间，或形成在a-Se半导体膜1和收集电极4之间的一个载流子选择中间层。
在不脱离本发明的精神和实质的前提下，可以按照其它特定形式来具体实现本发明，因此，应当参考指示了本发明的范围的所附权利要求，而不是前述的说明书。
Claims (1)
1.一种制造辐射检测器的方法，所述辐射检测器具有对辐射敏感的无定形硒半导体膜，以及二维地形成在所述辐射敏感的无定形硒半导体膜的前表面上的用于偏置电压施加的公共电极，当要检测的辐射入射时，利用施加到公共电极上的偏置电压，在辐射敏感的无定形硒半导体膜中产生电荷，该方法包括如下步骤：
通过气相沉积在无定形硒半导体膜上形成厚度为100到1,000埃的金薄膜(Au薄膜)，由此形成所述公共电极。
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