CN102187462A - Ct系统所用检测器的检测器材料、检测器元件以及检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一检测器的检测器材料，所述检测器应用于CT系统，特别是双能CT系统，所述检测器材料包括一掺杂半导体。本发明的特征在于，所述半导体中掺杂有一具有一定浓度的施主，其中，所述施主的浓度至少为该施主在所述半导体材料中最大溶解度的50％，且所述施主在所述半导体中形成具有激励能ED的浅杂质。所述浅杂质可电离且可产生附加的自由迁移载流子。这些自由迁移载流子可被空间分离的深杂质捕获，从而减少带有电荷的深杂质的数量。这样就能防止出现纯粹与时间及辐射相关的效应，例如极化。本发明此外还涉及所述检测器材料在用于对一待检对象进行断层摄影的CT系统或双能CT系统中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于CT系统(特别是双能CT系统)所用检测器的检测器材料，所述检测器材料由一掺有一施主(Donator)的半导体构成。本发明此外还涉及一种具有复数个检测器元件的检测器，所述检测器使用的是上述检测器材料。
背景技术
为了检测伽马辐射和X射线辐射，特别是在CT系统和双能CT系统中检测上述辐射，传统方法主要采用基于如CdTe、CdZnTe、CdTeSe和CdZnTeSe等半导体材料的直接转换型检测器。为了产生检测器工作所需的电特性，需要对这些材料进行掺杂处理。通常使用Cl、In和Al中的一种元素或由元素周期表第三主族中的至少一种元素与元素周期表第八副族中的至少一种元素所构成的组合进行掺杂。
半导体材料的生长过程各不相同，本征杂质及其对电荷迁移的影响也各不相同，因此，传统方法无法将例如计算机断层摄影领域所用的较高辐射密度直接且无损耗地转换成电脉冲。造成这种情况的原因是极化现象。“极化”指的是电场因通常结合在深杂质上固定位置的电荷而减弱，这些电荷会捕获辐射所产生的载流子并与之重组。在此情况下，这些载流子将无法再用于在位于检测器底面的电极上被感应的电脉冲，从而大幅减小辐射强度。
载流子受到捕获会大幅降低载流子的有效迁移率。但辐射检测器只有在载流子迁移率很高的情况下才能将辐射过程中所产生的电子与空穴分开，从而避免检测器中产生空间电荷及其所引发的极化效应。因此，极化限制的是直接转换型检测器的最大可检测通量。
目前，现有技术中的任何已知方案都不能防止直接转换型检测器出现极化效应。即，目前尚无法通过直接转换型检测器测量例如CT系统中所出现的较高辐射通量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于CT系统所用直接转换型检测器的检测器材料，这种检测器不会出现掺杂杂质的极化效应，因而适用于高通量测量。
本发明用以达成上述目的的解决方案为本案独立权利要求所述的特征。本发明的有利改进方案是从属权利要求的标的。
发明人发现，在检测器中防止出现与辐射强度相关的极化效应是可以实现的。通过掺杂过量的掺杂材料可在半导体中产生附加杂质。即，对半导体进行掺杂至其溶度极限。一般而言，一种材料的溶解度定义为这种材料可溶于某一溶剂的浓度。这同样适用于处于固态聚集态的两种材料。掺杂材料的溶度极限指的则是该材料可溶于待掺杂半导体的最大浓度。关于材料的溶解度可参阅I.Ruge和H.Mader所著的“Halbleiter-Technologie”(《半导体技术》)一书(施普林格(Springer)出版社第三版)。
初看起来，掺杂至溶度极限会降低检测器性能，因为附加杂质会捕获更多载流子，从而应该增强极化现象。但本发明所采用的掺杂材料的浓度接近其在半导体中的溶度极限，这类掺杂材料产生的是浅(flache)施主杂质。这些浅施主杂质的激励能为10meV至200meV，因而位于导带下方且邻近导带，即，该激励能处于环境温度下的热能范围内，也就是约为25meV。因此，这些杂质实际并不影响载流子迁移，而载流子迁移对完全捕获X射线辐射所产生的载流子具有重要意义。由于涉及的是施主杂质，这些施主杂质因在热能作用下在半导体中释放至少一个电子而被自动电离。在此情况下，这些杂质用来捕获载流子的捕获截面变大。然而，由于这些杂质都是浅杂质，因此对载流子迁移的影响可以忽略不计，其原因在于，这些杂质的结合能处于载流子的热激励能的数量级上，因而总是可以将载流子从杂质激励到导带中。
掺杂至溶度极限的最大优点在于，浅施主杂质所释放的过量电子会占据本征深杂质。由于深杂质能级已被占据，高能电磁辐射(例如伽马辐射或X射线辐射)所产生的载流子就不会再被捕获。即，检测器中不会出现与时间及辐射强度相关的极化效应，而这种极化效应曾使得传统的直接转换型检测器无法应用于高通量领域(例如计算机断层摄影)。
也就是说，本发明是将基于浅杂质的附加缺陷送入直接转换型辐射检测器的材料。由此所利用的理想掺杂材料范围的特征是，可抑制深杂质的极化效应所带来的影响并使直接转换型检测器也能应用于高通量领域，如计算机断层摄影，特别是双能计算机断层摄影。
本发明根据上述基本理念提出，对由掺有施主的半导体构成的用于CT系统(特别是双能CT系统)所用检测器的检测器材料进行改进，使得所述施主的浓度接近其在半导体材料中的最大溶解度，且所述施主在半导体材料中形成浅杂质。
所谓“接近”指的是相应浓度至少为最大溶解度的33％。浓度达到至少75％更为有利，更佳90％，尤佳95％。原则上说，浓度越高，填满深杂质的效果越好，也更有助于防止出现极化效应。
根据本发明检测器材料的一种有利实施方案，可在所述半导体材料(例如CdTe、CdZnTe、CdZnSe、CdTeSE或CdZnTeSe)中掺杂：
-元素F、Cl、Br、I或者这些元素中至少两种元素的组合；或者
-元素B、Al、Ga、In或者这些元素中至少两种元素的组合；或者
-由元素周期表第三主族中的至少一种元素与元素周期表第八副族中的至少一种元素所构成的组合。
上述掺杂材料或掺杂材料组合的特征在于，它们均可形成浅杂质且均可以接近其溶度极限的浓度被送入所述半导体。
本发明还涉及一种可对待检对象进行断层摄影的CT系统，特别是双能CT系统，所述CT系统或双能CT系统可以采用由至少一个检测器元件构成的检测器，所述检测器有利地由本发明的检测器材料构成。
采用本发明实施方案的检测器材料在应用于直接转换型检测器时具有以下优点：
-能够对极高的辐射通量和较低的辐射通量进行无伪影精确测量；
-通过减小局部电场的波动增强了信号稳定性和测量的可重复性，因为相关深杂质带来的影响较小；
-直接转换型检测器能够以几乎与通量无关的方式对X射线辐射作出响应。特别是在检测器应用为计数检测器的情况下，这就提高了检测器将通量波动准确转换成计数率变化的能力；
-提高了信噪比，因为载流子很难被深杂质捕获因而载流子的迁移时间很少变化；
-涂层较薄因而使用的材料较少。目前市场上有售的直接转换型检测器的厚度至少为3mm；
-可用各种晶体培育方法制造所述检测器，包括掺杂步骤在内，例如物理气相传输法(PVT)、移动加热器法(THM)、垂直布里奇曼法(VBM)、金属有机气相外延/沉积法(MOVPE)、各种气相外延/沉积法(VPE)、分子束外延法(MBE)、原子层外延法(ALE)；以及
-通过对掺杂材料进行浓度测量能够方便地检验材料成分，浓度测量可以采用二次离子质谱法(SIMS)、光致发光法(PL)及化学分析。
附图说明
下面借助附图所示的优选实施例对本发明进行详细说明，需要指出的是，附图仅对直接有助于了解本发明的主要元件予以显示。下文所使用的参考符号如下：Ed，flach：浅施主杂质的激励能；ED，flach：浅施主杂质的能级；Ed，tief：深施主杂质的激励能；ED，tief：深施主杂质的能级；EL：导带下带边的能级；Etherm＝kB*T：环境温度下的热能；EV：价带(Valenzbandes)上带边的能级；KB：玻尔兹曼常数8.617343*10-5eV/K；X：半导体材料；Y：施主材料。
图1为一带有一施主原子的半导体的示意图；
图2为一n型掺杂半导体的能带模型，其中包括了基态下各能级的定性位置；
图3为一n型掺杂半导体的能带模型，其中包括了激励状态下各能级的定性位置；以及
图4为一n型掺杂半导体的能带模型，其中包括了各能级的定性位置和一在深杂质中被捕获的电子。
具体实施方式
图1为掺有一施主原子的半导体的示意图。半导体晶体的原子标示为X，施主原子标示为Y。这些原子间的键用短线表示。在这个一般性实施例中，施主原子位于半导体晶体中的正常原子位置上，从而取代了一个半导体原子。根据施主原子的相关定义，施主原子将一个弱结合电子释放到导带中。也就是，该施主原子被电离。同时，这个施主原子带正电荷的原子核则留在原地。
作为本发明对半导体进行掺杂的具体实施例，对CdTe半导体进行氯掺杂。用于检测伽马辐射和X射线辐射的传统CdTe:Cl检测器的Cl浓度约为1*1017/cm3至2*1017/cm3。由于会出现较强的极化现象，因此这类检测器不适于高通量应用领域。如果将Cl浓度提高到至少4*1017/cm3，通常是提高到5*1017/cm3至9*1017/cm3，就能通过前述机制大幅改善检测器性能。即，本征深杂质被浅杂质的附加载流子所占据，在此情况下，辐射所产生的载流子不会再被捕获。在这个Cl浓度下，CdTe检测器适用于高通量应用领域，即适合用于计算机断层摄影领域，因为已经有效防止了极化效应的产生。另一优点是，与传统的掺杂检测器相比，这种检测器能够对电磁辐射(例如伽马辐射或X射线辐射)和/或辐射强度的变化更快地作出响应，因为已经不存在可以捕获载流子的深杂质或者这样的深杂质已所剩无几。
图2至图4为一n型掺杂半导体在能带模型中的能级定性位置。纵坐标表示以meV为单位的电子能E，横坐标表示位置坐标x。价带的上带边EV与导带的下带边EL之间存在一个能隙EL-EV。如图2所示，这个能隙的上部区域内分布有浅施主杂质的能级ED，flach，该能隙的中央分布有深施主杂质的能级ED，tief。通常情况下，浅杂质是通过对半导体进行选择性掺杂而产生，深杂质则是所谓的“材料相关本征杂质”，也就是半导体本身的一种特性。
价带在基态下处于空白状态。通过输入能量可以激励一个电子从导带或杂质能级进入价带，该电子在此具有可迁移性。从图3可以看出这一点。半导体中的施主原子(即杂质)释放电子的概率与该施主原子的能级ED和导带的下带边EL之间的距离有关。如果能级ED与导带带边EL之间的距离较小(浅杂质就是这种情况)，即载流子在环境温度下的平均热能Etherm至少等于相对于带边EL的能差，就可通过输入Ed，flach≥Etherm的能量激励电子进入导带。在此情况下，带正电荷的原子核将停留在杂质的ED，flach能级上。
物理学上一般采用293开尔文(20℃)的环境温度，此时产生的热能Etherm＝kB*T＝25meV。
如果所述施主原子的能级大致处于所述半导体材料的导带与价带之间的带隙EL-EV的中央，即在具有能级ED，tief的深杂质情况下，载流子的热能Etherm《Ed，tief就不足以将施主原子电离，即激励电子进入导电带。在此情况下，只有加大从外部输入的能量(例如提高温度)，才能将施主原子电离。
此外，还可以由带正电荷的原子核将导带中的电子捕获到一个较低能级(例如深杂质的能级)中。图4示意了这种特性。本发明充分利用了这一特性。如果不存在浅杂质，则几乎所有的自由载流子都会被深杂质捕获。即，自由载流子与正原子核在深杂质中的重组会减弱电场或载流子通量，从而大幅减小待检测辐射的强度。
通过在半导体中最大可能地饱和式掺杂施主原子以及通过自动电离处理使电子进入导带，将产生附加的自由迁移载流子。自动进行电离处理，也就是不输入比环境温度下的热能Etherm更多的能量。在此情况下，浅杂质的可自由迁移的电离载流子就能被空间分离且携带正电荷的深杂质捕获并就地与正原子核重组。如果不输入超过热能Etherm的能量，就无法激励载流子进入导带，在此情况下，这部分载流子会占据深杂质。这样就不会使高能电磁辐射所产生的载流子被捕获。其结果是不会再出现任何与时间及辐射相关的效应，例如极化。因此，采用本发明n型掺杂半导体材料的直接转换型检测器可以毫无问题地应用于高通量领域，例如CT系统或双能CT系统。
综上所述，本发明提供一种用于CT系统(特别是双能CT系统)所用检测器的检测器材料，所述检测器材料由一掺杂半导体构成，所述检测器材料以某种方式得到改进，使得所述半导体中掺有一定浓度的施主，其中，所述施主的浓度至少为该施主在所述半导体材料中的最大溶解度的50％，且所述施主在所述半导体材料中形成浅杂质。
本发明此外还涉及这种检测器材料在用于对待检对象进行断层摄影的CT系统或双能CT系统中的应用。
本发明的上述特征无论就本文所述的特征组合而言，就这些特征的其他组合形式而言还是作为单项特征，均在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于一检测器的检测器材料，所述检测器应用于CT系统，特别是双能CT系统，所述检测器材料由一掺杂有一施主的半导体构成，其特征在于，
所述施主的浓度达到所述施主在所述半导体材料中的最大溶解度，以及
所述施主在所述半导体材料中形成浅杂质。
2.根据权利要求1所述的检测器材料，其特征在于，
所述掺杂使得所述半导体材料中所有深杂质的至少三分之一被占据。
3.根据权利要求1所述的检测器材料，其特征在于，
所述掺杂使得所述半导体材料中绝大多数深杂质被占据。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的检测器材料，其特征在于，所述半导体材料选自以下材料中的一种：CdTe、CdZnTe、CdZnSe、CdTeSe和CdZnTeSe。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的检测器材料，其特征在于，所述施主由材料F、Cl、Br和I中的一种材料或至少两种材料的组合构成。
6.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的检测器材料，其特征在于，所述施主由材料B、AL、Ga和In中的一种材料或至少两种材料的组合构成。
7.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的检测器材料，其特征在于，所述施主由元素周期表第三主族的至少一种元素和元素周期表第八副族的至少一种元素的组合构成。
8.一种检测器元件，具有如权利要求1至7中任一项权利要求所述的检测器材料。
9.一种检测器，具有如权利要求8所述的检测器元件。
10.一种CT系统，特别是双能CT系统，其具有如权利要求9所述的检测器。
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