CN102254983B - 具有直接转换的半导体层的射线转换器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有直接转换的半导体层(2)的射线转换器(1)，其中，所述半导体层(2)具有晶粒(3)，这些晶粒(3)的界面(4)至少在主要部分上平行于在该半导体层(2)中释放的电子的通过电场强制的漂移方向(5)延伸。通过入射的射线量子而释放的载流子在电场中在射线入射方向(10)上被加速并由于半导体层(2)的柱状或桶状结构而相对于公知的射线检测器明显少地跨越具有缺陷位置的晶粒(3)的界面(4)。由此提高了在载流子传输方向上的载流子寿命移动性乘积。因此可以实现用于计数地和/或能量选择地采集射线量子的、明显更厚的半导体层(2)。这提高了射线转换器(1)的吸收能力，进而又能降低对患者使用的射线剂量。此外本发明还涉及一种制造这种射线转换器(1)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有直接转换的半导体层的射线转换器。此外，本发明还涉及一种用于制造这种射线转换器的方法。
背景技术
具有直接转换的半导体层的射线转换器使得能够对通过检测面进入半导体层的单个量子吸收事件进行计数的和/或能量选择的采集。在此，射线量子，例如伽马射线量子或X射线量子，在半导体层中被吸收并转换为自由的载流子。这些被释放的载流子在通过施加在反电极和像素化的读取电极之间的电压而产生的电场中被加速。通过与此相关的在半导体层中的载流子传输在读取电极上感应出电流，该电流由读取电路(Ausleseelektronik)量取并作为电信号采集。
通过与制造半导体层的半导体材料的部分为多级的交互作用过程来实现将射线量子转换为自由的载流子。作为半导体材料采用具有高原子序数的材料，以便在可实现的材料层厚下达到对射线量子的近乎完全的吸收。除了高吸收能力，该材料还必须具备高载流子运动性，以保证能够将载流子完全转换为电信号。具有这样特性的半导体材料例如基于CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs化合物。
由这样的材料制成的半导体层传统上是作为立体晶体来培养并在相应的处理和施加电极之后通过焊接过程与读取电路(如ASIC)电连接。
由于制造过程在晶格中产生的例如空位或格间原子形式的缺陷位置(Defektstellen)而使量化的和能量选择的采集受到限制。这些缺陷位置是造成极化效应的原因，该极化效应导致载流子寿命移动性乘积(μτ乘积)降低并因此导致在半导体材料中载流子的寿命降低的同时平均停留时间上升。由此降低了释放的载流子的分离效率。尤其是存在着这样的风险：信号被在时间上先后密集入射的量子覆盖，使得不能唯一地分离事件。但释放出的载流子还能与现有的、相反带电的缺陷位置完全重新组合，从而使这些载流子在转换为电信号的过程中完全丢失。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，提出一种能够更好地实现对吸收事件进行计数的和/或能量选择的采集的、具有直接转换的半导体层的射线转换器。此外，要提出一种用于制造这种射线转换器的方法。
上述技术问题是通过一种按照本发明的具有直接转换的半导体层的射线转换器，以及通过一种按照本发明的用于制造这种射线转换器的方法来解决的。
由半导体材料来培育用在射线转换器中的单晶由于在此能实现的很小的生长率而在实践中带来很大的缺点。用于将射线量子直接转换为电信号的半导体层具有多晶的结构，其中晶粒的界面由于制造的原因而为随机分布地取向的，没有优选的方向。
作为晶粒，在材料科学中被称为微晶。在此，晶粒是实际的晶体形状不能或仅能部分地再现的晶体。它们产生于晶体在熔化状态下变硬之时，在熔化状态下它们的自由生长被周围的晶体所妨碍。在此，界面表示从一个晶粒到下一个晶粒的过渡。在界面上通过打开的或不规则的晶体结构形成作为释放的载流子的再组合的中心的、正载荷和负载荷的缺陷位置。因此，通过这样的界面的载流子传输具有极大降低的载流子寿命移动性乘积并因此而与半导体层的高度极化相关联。
吸收事件可以通过半导体层中释放的载流子的传输来证明。通过载流子传输可以在读取电极上感应出电流，该电流由读取电路量取并作为电信号来采集。通过由于载流子寿命移动性乘积的减小而造成的载流子的可达范围的降低，还同时限制了半导体层的最大可能厚度，利用该厚度还可以对影响进行这样的证明。另一方面，根据所使用的半导体材料的原子序数，为完全吸收入射的射线量子需要特定的层厚。这在1mm至2mm层厚的范围内。目前这两个针对层厚的选择对抗的优化措施限制了在人类医学领域中直接转换的射线检测器的应用，因为在这样的应用中会出现非常高的流速。
从该认知出发，为改进对吸收事件的计数的和/或能量选择的采集，提出了一种射线检测器，其中使得在释放的载流子通过半导体层传输的方向上穿过尽可能少的晶粒界面。按照本发明的射线转换器包括相应的直接转换的半导体层，其中，该半导体层具有晶粒，这些晶粒的界面至少在主要部分上平行于在该半导体层中释放的电子的通过电场强制的漂移方向延伸。
这样，在本发明的意义下，当界面的法线向量垂直于漂移方向取向时，这些界面平行于漂移方向延伸。典型地，半导体层设置于反电极和像素化的读取电极之间。通过在这些电极之间施加电压产生用于分离释放的载流子的电场。在此读取电极通常载有正电荷。因此，在这种情况下，电子的漂移方向与射线量子的射线入射方向平行或与射线转换器的检测面垂直。漂移方向的取向以及与此相关的界面在半导体层中的定向可以在电极的其它设置中(如在电极面垂直于检测面定向时)相应地不同。
释放的载流子在电场中沿射线入射方向被加速并由于半导体层的柱状或桶状结构而相对于公知的射线检测器跨越明显少的晶粒界面。因此可以利用由此的半导体层的多晶结构实现快速的生长速率，而不会带来在载流子传输方向上界面数极大增长的缺点。因此，使在优选方向上、即射线入射方向上半导体层的缺陷密度大大降低。由此提高了载流子寿命移动性乘积。通过与此相关的载流子在通过半导体层传输时的更大的可达范围可以实现有利于X射线的吸收能力的更大的厚度。因此，能够以更好的形式来实现对吸收事件的计数的和/或能量选择的采集。特别是对于平板检测器(Flat-Panel-Detektoren)、伽马摄像机以及用于计算机断层造影设备、PET设备以及SPECT设备的检测器可以实现显著的剂量降低。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，界面连续地在半导体层的整个层厚上延伸。因此，在该具体情况下，载流子传输时根本不穿越界面，从而使载流子寿命移动性乘积相对于公知的解决方案非常高并且由此相关的优点非常突出。
可以通过有针对性的生长过程来制造具有柱状结构的晶粒。一种受控生长的可能性在于，将半导体层设置在种晶层(Saatschicht)上。通过使用种晶层可使半导体层的生长在一定程度上强制地以特定的预先给定的晶粒取向进行。
在此，优选种晶层的层厚为若干纳米，优选在1nm至10μm范围内。在该范围内种晶层可以对半导体层的功能和/或接合没有负面影响地应用于读取电极上。种晶层尤其是不必就其化学或物理特性(如半导体层内存在的掺杂或导电性)与半导体层相协调。由此对材料的选择可以根据优化的强制的晶体生长的观点来选择。
优选地，种晶层(如半导体层本身一样也是)由半导体材料制成，优选为由CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs半导体材料制成。替换地，同样优选的还可以考虑种晶层由金属制成，优选由Pt制成。该金属具有1-1-1结构并由此保证，晶粒在种晶层上强制地、有序地立方体式地生长，晶粒的界面平行于晶体的生长方向并由此与检测面的方向垂直。
在本发明的一种特别优选的实施方式中，种晶层还同时满足具有像素形结构的读取电极的功能。此外，还优选将种晶层直接设置在读取电路上。在这两种情况下还省去了用于安装组件和使组件彼此电耦合的附加制造过程。
按照本发明第二方面的用于制造具有直接转换的半导体层的射线转换器的方法包括以下方法步骤：
a)提供种晶层，
b)在该种晶层上沉积(Abscheiden)半导体材料以形成半导体层，其中，该沉积通过预先给定过程参数这样实现：形成晶粒，使得这些晶粒的界面至少在主要部分上平行于在该半导体层中释放的电子的通过电场强制的漂移方向延伸。
如上所述，提供种晶层优选这样实现：将层厚为若干纳米、优选为在1nm至10μm范围内的半导体材料或金属沉积到读取电路上。
在此，优选使用CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs半导体材料作为用于种晶层的半导体材料。替代地，还可以使用例如Pt的金属作为种晶层。在本发明方法的一种实施方式中，种晶层为像素形结构化的并且用作读取电极。此外还优选将种晶层直接设置在读取电路上。
在进行用于形成半导体层的沉积时，优选在时间上相继地经历两个温度水平，其中，作为过程参数至少设置所述温度水平之一的位置、在所述温度水平之一上进行热处理的时间窗和/或用于达到所述温度水平之一的温度梯度。
附图说明
以下借助附图结合实施例更详细地解释本发明。在此：
图1以示意图示出了具有本发明的射线检测器的计算机断层造影设备；
图2以侧视图示出了本发明的射线检测器；
图3以垂直于射线转换器的检测面的截面图示出了具有柱状结构的半导体层的一段；
图4以方框图示出了用于制造射线转换器的方法。
附图中对相同或功能相同的元件用相同的附图标记标示。为清楚起见，对在图中重复的元件分别仅对一个元件标以附图标记。图中所示仅是示意性的并且不是按照比例的，其中，在图与图之间的比例是可变的。
具体实施方式
图1以部分透视图部分方框图示出了具有本发明的射线转换器1的计算机断层造影设备11。计算机断层造影设备11包括用于支撑待检查的患者的患者卧榻12。此外，还包括未示出的机架，该机架具有可绕系统轴13旋转地支承的拍摄系统14，1。拍摄系统14，1具有X射线管14和在图2中更准确示出的、按照本发明的射线转换器1，它们彼此相对地对准，使得在运行中从X射线管14的焦点15发出的X射线到达射线转换器1。为了抑制在患者体内产生的散射射线，在射线转换器1前设置了准直仪16，准直仪16只允许由焦点15发出且与患者的透视有关的经衰减的主射线到达射线转换器1。射线转换器1具有半导体层2，在半导体层2中，入射的X射线量子被转换为自由的载流子，并由连接于后的读取电路8通过在电场中强制的载流子传输作为电信号来采集。为了位置分辨地采集吸收事件，射线转换器1被划分为各个像素17。
为了拍摄检查部位的图像，在拍摄系统14，1绕系统轴13旋转时，从多个不同的投影方向采集投影，其中，射线转换器1对于每个投影和对于每个像素17都给出电信号，由这些电信号以计数的方式以及可选地以能量选择的方式产生图像原始数据。在螺旋扫描的情况下，在拍摄系统14，1旋转期间例如还同时在系统轴13的方向上连续地移动患者卧榻12。因此，在这种扫描中X射线管14和射线转换器1在螺旋轨道18上绕患者运动。所产生的图像原始数据在序列器中被序列化并然后传输给图像计算机19。图像计算机19包括重建单元20，该重建单元20根据本领域技术人员熟知的方法由图像原始数据中重建出例如患者的截面图形式的图像。该图像可以显示在连接在图像计算机19上的显示单元21(例如视频监视器)上。
图2以侧视图示出了本发明的射线转换器1。直接转换的半导体层2由半导体材料、如CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs半导体材料制成并具有多晶的结构。在此，通过快速生长过程形成的半导体层2的晶粒3具有柱状或桶状结构。在本实施例中，晶粒3在整个半导体层2的厚度上都不具有界面4或晶界。在半导体层2的相当于检测面的射线入射的一侧设有反电极9，其在本实施例中构成为平坦的。在相对的一侧设有具有像素形结构的读取电极7。在两个电极7和9之间产生用于分离通过X射线量子释放的载流子的电场。在当前实施例中，读取电极7为正载荷的，反电极9为负载荷的。因此，通过电场协调的自由载流子的传输在射线入射的方向10上或垂直于检测面进行。由此，在相邻的晶粒3之间的界面4几乎平行于电子的漂移方向5延伸，在理想的情况下，不具有缺陷位置的界面4横跨半导体层2。因此，射线转换器1在该方向上具有很小的极化度。
读取电极7直接设置在读取电路8上。利用其对于每个像素17采集作为电信号的、通过在半导体层2中电子的传输在读取电极7上感应出的电流并继续传送给后续的信号处理单元。
在该实施例中，读取电极7同时还承担在半导体层2的制造过程中使用的种晶层6的功能。其由金属(在本实施例中由Pt)制成。通过该材料的1-1-1结构可以使晶粒3以垂直于检测面取向的界面4在半导体层2中成立方体地生长。种晶层6的层厚为若干纳米至微米。但同样可考虑采用单独的种晶层6来制造半导体层2。在这种情况下优选地采用材料族CdTe，CZT和GaAS中的半导体作为种晶层6。但种晶层6也可以采用源自于与半导体层2的材料不同的其它族的材料。也就是说，种晶层6不必就其组成，尤其是就半导体材料中存在的掺杂或者就电特性(如电阻)具有与半导体层相同的特性。
在本实施例中，将读取电极7或种晶层6直接沉积或设置在读取电路8上。在种晶层6和读取电路8之间还可以设置其它(金属或非金属的)耦合层。
图3以垂直于检测面的截面图详细示出了具有柱状结构的半导体层2的一段。在此，为了制造半导体层2已将种晶层6设置在了基底22上。
图4以方框图示出了用于制造具有直接转换的半导体层2的射线转换器1的方法。该方法主要包括以下方法步骤：
a)23提供种晶层6，以及
b)24在该种晶层6上沉积半导体材料以形成半导体层2，其中，该沉积通过预先给定过程参数这样实现：形成晶粒3，使得这些晶粒3的界面4至少在主要部分上平行于在该半导体层2中释放的电子的通过电场强制的漂移方向5延伸。
b1)25在此，在第一阶段利用提高四倍的碲分压(Tellurpartialdruck)设置例如约为500℃的温度水平。
B2)26在后续的第二阶段中将该温度水平降到约为300℃。
作为过程参数还设置用于在这些温度水平上进行热处理的时间窗、环境空气以及达到这些温度水平的温度梯度，使得晶粒方向平行于在半导体层2中产生的电子的漂移方向5。
综上所述，本发明涉及一种具有直接转换的半导体层2的射线转换器1，其中，半导体层2具有晶粒3，这些晶粒3的界面4至少在主要部分上平行于在该半导体层2中释放的电子的通过电场强制的漂移方向5延伸。通过入射的射线量子而释放的载流子在电场中在射线入射方向10上被加速并由于半导体层2的柱状或桶状结构而相对于公知的射线检测器明显少地跨越具有缺陷位置的晶粒3的界面4。由此提高了在载流子传输方向上的载流子寿命移动性乘积。因此可以实现用于计数地和/或能量选择地采集射线量子的、明显更厚的半导体层2。这提高了射线转换器1的吸收能力，进而又能降低对患者使用的射线剂量。此外，本发明还涉及一种制造这种射线转换器1的方法。
Claims (17)
1.一种具有直接转换的半导体层(2)的射线转换器(1)，其中，所述半导体层(2)具有带有晶粒(3)的多晶的结构，这些晶粒(3)的界面(4)至少在主要部分上平行于在该半导体层(2)中释放的电子的通过电场强制的漂移方向(5)延伸。
2.根据权利要求1所述的射线转换器(1)，其中，所述界面(4)连续地在所述半导体层(2)的整个层厚上延伸。
3.根据权利要求1所述的射线转换器(1)，其中，所述半导体层(2)被设置在种晶层(6)上。
4.根据权利要求3所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)的层厚在1nm至10μm之间。
5.根据权利要求3所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)由半导体材料制成。
6.根据权利要求5所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)由CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs半导体材料制成。
7.根据权利要求3所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)由金属制成。
8.根据权利要求7所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)由Pt制成。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)构成具有像素形结构的读取电极(7)。
10.根据权利要求3至8中任一项所述的射线转换器(1)，其中，所述种晶层(6)被直接设置在读取电路(8)上。
11.一种用于制造具有直接转换的半导体层(2)的射线转换器(1)的方法，包括以下方法步骤：
a)提供种晶层(6)，以及
b)在该种晶层(6)上沉积半导体材料以形成半导体层(2)，其中，该沉积通过预先给定过程参数这样实现：形成晶粒(3)，使得这些晶粒(3)的界面(4)至少在主要部分上平行于在该半导体层(2)中释放的电子的通过电场强制的漂移方向(5)延伸。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述提供种晶层(6)这样实现：将层厚为1nm至10μm之间的半导体材料或金属沉积到读取电路(8)上。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，使用CdTe、CdZnTe、CdZnTeSe、CdMnTeSe或GaAs半导体材料作为用于所述种晶层(6)的半导体材料。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，使用Pt作为用于所述种晶层(6)的金属。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，所述种晶层(6)是像素形结构化的并且被用作读取电极(7)。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，在进行用于形成所述半导体层(2)的沉积时，在时间上相继地经历两个温度水平，以及其中，作为过程参数至少设置所述温度水平之一的位置、在所述温度水平之一上进行热处理的时间窗和/或用于达到所述温度水平之一的温度梯度。
17.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，在提供所述种晶层(6)时将该种晶层(6)直接设置在读取电路(8)上。
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