DE102004052452B4

DE102004052452B4 - Strahlungsdetektor zur Erfassung von Strahlung

Info

Publication number: DE102004052452B4
Application number: DE102004052452A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. Wittmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: US20090140156A1; US7663117B2; JP2008518451A; WO2006045747A1; DE102004052452A1

Abstract

Strahlungsdetektor zur Erfassung von Strahlung (7), bei welchem eine auf einem Substrat (1) aufgenommene, aus einem polykristallinen Halbleitermaterial hergestellte Halbleiterschicht (2) von einer aus einem Szintillatormaterial hergestellten Konverterschicht (6) überlagert ist, wobei die Halbleiterschicht (2) Bestandteil eines aus einer Vielzahl von Detektorelementen (D) gebildeten Detektorarrays zur ortsaufgelösten Erfassung der Intensität darauf einfallender Strahlung (7) ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der polykristallinen Halbleiterschicht (2) ein aus organischen Fotodioden (5) gebildetes Fotodiodenarray (4) zum Umwandeln von im Szintillatormaterial erzeugten Lichtsignalen (8) in elektrische Ladungssignale (9) aufgedruckt ist und dass auf dem Fotodiodenarray (4) die Konverterschicht (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor zur Erfassung von Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der WO 03/073507 A2 ist ein Strahlungsdetektor mit einem Foto-TFT-Array in Kombination mit einem Auslese-TFT-Array (TFT – Dünnfilmtransistor) offenbart. Beide Arrays sind innerhalb derselben Schicht angeordnet. Ein derartiger Strahlungsdetektor ist im Vergleich zu einem Strahlungsdetektor, bei dem ein aus Dünnfilmtransistoren hergestellter Ausleseschalter mit aus amorphen Silizium (a-Si) hergestellten PIN-Dioden kombiniert ist, einfacher herstellbar. In der WO 03/073507 A2 wird also lediglich vorgeschlagen, anstelle der (a-Si) PIN-Dioden ein Foto-TFT-Array in Kombination mit einem Auslese-TFT-Array vorzusehen. In der US 5,930,591 ist ein ähnlicher Strahlungsdetektor beschrieben.
Aus der DE 102 44 177 A1 ist ein Strahlungsdetektor bekannt, bei dem auf einer mit einer Konverterschicht verbundenen Kontaktschicht ein aus organischen Fotodioden gebildetes Fotodiodenarray aufgebracht ist. Das Fotodiodenarray ist über durch ein Substrat hindurchgeführte Durchkontaktierungen mit an der Rückseite des Substrats vorgesehenen elektrischen Bauteilen verbunden.
Aus "Digitale Detektorsysteme für die Projektionsradiographie" aus Fortschr. Röntgenstr. 2001 (RöFo 2001), Band 173, Seiten 1137 bis 1146, Thieme Verlag Stuttgart, sind Strahlungsdetektoren für Röntgenstrahlung bekannt. Bei den bekannten Strahlungsdetektoren ist eine auf einem Substrat aufgenommene Halbleiterschicht von einer Konverterschicht überlagert. Die Halbleiterschicht ist aus amorphem Silizium hergestellt und ist Bestandteil eines Detektorarrays mit einer Vielzahl von Detektorelementen. Jedem Detektorelement ist zur seriellen Erfassung der Signale als Schaltelement ein Transistor zugeordnet. Die analogen Signale weisen einen erheblichen Rauschanteil auf. Der Rauschanteil erschwert besonders die Erfassung von schwachen Signalen.
Um den Patienten möglichst wenig zu belasten, wird versucht, die Dosisleistung gering zu halten. Infolgedessen sind die von den Detektorelementen gelieferten Signale mitunter sehr schwach. Für eine möglichst genaue Erfassung solcher schwachen Signale ist es erforderlich, dass die Empfindlichkeit der Detektorelemente gesteigert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein möglichst einfach und kostengünstig herzustellender Strahlungsdetektor mit einer verbesserten Empfindlichkeit angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungdefektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12.
Nach Maßgabe der Erfindung ist die Halbleiterschicht aus einem polykristallinen Halbleitermaterial hergestellt. Polykristallines Halbleitermaterial ermöglicht es, jedes Detektorelement mit einer komplexen Schaltung zur Erfassung, Be- und Verarbeitung der Signale zu versehen. Es können lange Signalwege sowie damit verbundene Störungen vor der Be- bzw. Verarbeitung der Signale vermieden werden. Die Signale können unmittelbar nach der Entstehung verstärkt und verarbeitet werden. Schwache Signale können im Wesentlichen ohne Störungen, insbesondere ohne Rauschanteile, erfasst werden. Die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors zur Erfassung von Signalen, insbesondere von schwachen Signalen, kann deutlich verbessert werden. Ferner können die Reaktionszeiten, Schaltzeiten, Totzeiten und dgl. des Strahlungsdetektors verkürzt werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "Halbleiterschicht" allgemein zu verstehen. Es kann sich dabei um eine Schicht handeln, die nicht durchgehend ist. Die Schicht kann strukturiert sein. Sie kann leitende und isolierende Abschnitte nebeneinander und/oder übereinander aufweisen. Abgesehen davon kann es sich bei der Halbleiterschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung auch um eine Abfolge von Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften handeln. Dabei können Schichten in der Schichtabfolge auch isolierende Eigenschaften aufweisen oder metallische Leiter enthalten. Die Halbleiterschicht kann insbesondere eine Vielzahl integrierter Schaltungen aufweisen, wobei jede der integrierten Schaltungen zumindest einem Pixel zugeordnet ist.
Nach einer Ausgestaltung ist das Substrat aus Glas hergestellt. Glas ist kostengünstig verfügbar. Es ist inert und kann ohne großen Aufwand verarbeitet werden. Das Halbleitermaterial ist vorzugsweise aus Silizium gebildet.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Halbleitermaterial eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 50 cm²/Vs, vorzugsweise von mehr als 250 cm²/Vs auf. Damit können Strahlungsdetektoren mit einer hohen Empfindlichkeit, kurzen Reaktions- bzw. Totzeiten hergestellt werden. Polykristallines Silizium mit einer Elektronenbeweglichkeit von mehr als 50 cm²/Vs kann beispielsweise mit einem Niedrigtemperaturverfahren, z. B. durch Bestrahlung mit einem Laser, aus amorphem Silizium hergestellt werden. Derartiges polykristallines Silizium wird auch als Low-Temperature-Poly-Silicon (LTPS) bezeichnet. Die Elektronenbeweglichkeiten von LTPS liegen im Bereich von etwa 100 bis 700 cm²/Vs.
Noch höhere Elektronenbeweglichkeiten können mit polykristallinem Silizium erreicht werden, bei denen die Körner noch größer sind. Derartiges polykristallines Silizium wird auch als Continuous-Grain-Silicon (CGS) bezeichnet. Bei CGS können Elektronenbeweglichkeiten von etwa 600 m²/Vs und mehr er reicht werden. Die polykristallinen Halbleitermaterialien LTPS und CGS können, z. B. auf einem Glassubstrat, großflächig hergestellt werden. Folglich ist es möglich, großflächige Strahlungsdetektoren mit einer hohen Empfindlichkeit herzustellen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jedes Detektorelement des Detektorarrays eine integrierte Schaltung auf. Die integrierte Schaltung ermöglicht eine Be- bzw. Verarbeitung der Signale im Strahlungsdetektor. Lange Signalwege zwischen Erfassung und Be- und Verarbeitung können vermieden werden. Außerhalb des Detektorarrays angeordnete Schaltungen sowie Signalwege können weggelassen oder vereinfacht werden. Die integrierte Schaltung ermöglicht eine im Wesentlichen störungsarme Be- und Verarbeitung der Signale. Die Signale können unmittelbar nach ihrem Entstehen erfasst, verstärkt und verarbeitet werden. Die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors kann deutlich verbessert werden.
Die integrierte Schaltung kann eine Schaltung zur Verarbeitung der Signale oder eine Schaltung zur Filterung der Signale aufweisen. Mit der Schaltung zur Filterung können z. B. Rauschsignale unterdrückt werden. Die so verarbeiteten Signale sind besonders exakt. Die integrierte Schaltung kann ferner eine Schaltung zum Ermitteln der Anzahl der ein Signal erzeugenden Strahlungsquanten aufweisen. Eine auf den Strahlungsdetektor einfallende Strahlung kann damit besonders genau detektiert werden. Ferner kann die integrierte Schaltung eine Schaltung zur energieaufgelösten Erfassung von Strahlung aufweisen. Es können einzelne Strahlungsquanten erfasst werden. Mit den vorgeschlagenen integrierten Schaltungen ist möglich, einen wesentlichen Teil der Be- und Verarbeitung der Signale beim Detektorelement durchzuführen. Die vom vorgeschlagenen Strahlungsdetektor gelieferten Signale können ohne weiteres von einer herkömmlichen Auswerteelektronik weiterverarbeitet werden.
Nach einer Ausgestaltung weist das Substrat eine Dicke von 50 μm bis 2000 μm auf. Die Halbleiterschicht kann eine Dicke im Bereich von 0,1 μm bis 10 μm aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Detektorelemente des Detektorarrays kleiner als 1mm, vorzugsweise kleiner als 300 μm. Derartige Detektorarrays weisen Ortsauflösung zur Detektion von Strahlung von zumindest 0,5 Linienpaaren auf. Die Größe des Detektorarrays kann 2 × 2 cm bis 50 × 50 cm betragen. Im Wesentlichen ist die Größe des Detektorarrays lediglich durch die herstellbare Größe der polykristallinen Halbleiterschichten begrenzt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Konverterschicht aus einem Szintillatormaterial hergestellt. Bei dem Szintillatormaterial kann es sich z. B. um Cäsiumjodid (CsI) oder Gadoliniumoxisulfid handeln. Das Szintillatormaterial wandelt die auf die Konverterschicht einfallende Strahlung in Lichtsignale um. Zur Erfassung und Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Ladungssignale ist bei jedem Detektorelement eine Fotodiode vorhanden. Die davon erzeugten Ladungssignale können mit Schaltungen der Halbleiterschicht erfasst und ggf. be- und verarbeitet werden. Die Fotodiode ist eine organische Fotodiode. Die Fotodioden können ein Fotodiodenarray bilden, welches zwischen der Halbleiterschicht und der Konverterschicht angeordnet ist. Damit ist es möglich, nahezu die gesamte Einfallsfläche mit Fotodioden zu belegen. Das ermöglicht die Realisierung eines besonders hohen Füllfaktors, d. h. der Quotient aus Detektionsfläche und Detektorfläche ist besonders groß. Jedes Detektorelement kann in diesem Fall mehrere Fotodioden umfassen, deren Signale zusammengefasst und an eine für das Detektorelement vorgesehene integrierte Schaltung weitergeleitet werden.
Im Folgenden wird der Strahlungsdetektor beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch einen Aufbau eines ersten Strahlungsdetektors,
2 schematisch ein Detektorelement des ersten Strahlungsdetektors der 1
In den 1 und 2 sind, sofern nicht anders beschrieben, funktionell ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt schematisch einen Aufbau eines ersten Strahlungsdetektors. Auf einem, beispielsweise aus Glas hergestelltem Substrat 1 ist eine polykristalline Halbleiterschicht 2 aufgenommen. Die Halbleiterschicht 2 weist ein Schaltungsarray mit einer Vielzahl von schachbrettartig angeordneten integrierten Schaltungen 3 auf. Auf dem Schaltungsarray ist ein Fotodiodenarray 4 mit einer Vielzahl von Fotodioden 5 aufgebracht. Die Fotodioden 5 sind im Wesentlichen deckungsgleich über den integrierten Schaltungen 3 angeordnet. Auf das Fotodiodenarray 4 ist eine, z. B. aus Gadoliniumoxisulfid hergestellte, Szintillatorschicht 6 aufgebracht. Jede integrierte Schaltung 3 bildet zusammen mit der ihr zugeordneten Fotodiode 5 sowie einem darüber befindlichen Anteil der Konverterschicht 6 einen Detektor D. Die Detektoren D sind – ebenso wie die integrierten Schaltungen 3 – schachbrettartig angeordnet und bilden ein Detektorarray.
2 zeigt schematisch ein Detektorelement D des Detektorarrays des ersten Strahlungsdetektors der 1. Auf dem Substrat 1 ist eine integrierte Schaltung 3 aufgenommenen. Auf der integrierten Schaltung 3 ist eine Fotodiode 5 aufgebracht. Auf die Fotodiode 5 ist eine Szintillatorschicht 6 aufgebracht. Eine auf die Szintillatorschicht 6 einfallende Strahlung, z. B. Röntgenstrahlung, ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Ein in der Szintillatorschicht 6 erzeugtes Lichtsignal ist mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Das Lichtsignal 8 wird von der Fotodiode 5 in ein elektrisches Ladungssignal 9 umgewandelt. Mit A ist eine der einfallenden Strahlung zugewandte Detektorfläche, mit B eine zur Erfassung der Lichtsignale 8 verfügbare Detektionsfläche der Fotodiode 5 bezeichnet.
Die Funktion der Vorrichtung ist folgende:
Die auf die Szintillatorschicht 6 einfallende Strahlung 7 wird in der Szintillatorschicht 6 in das Lichtsignal 8 umgewandelt. Die Szintillatorschicht 6 kann aus Materialien wie z. B. CsI, CdTe oder Gadoliniumoxisulfid hergestellt sein. Das über der Fotodiode 5 erzeugte Lichtsignal 8 wird zur Detektionsfläche B der Fotodiode 5 geleitet. Bei der Fotodiode 5 handelt es sich um eine organische Fotodiodiodenarray ist in besonders einfacher Weise durch ein Druckverfahren auf die Halbleiterschicht 2 aufgebracht. In der Fotodiode 5 wird das Lichtsignal 8 in ein elektrisches Ladungssignal 9 umgewandelt. Das Ladungssignal 9 wird von der integrierten Schaltung 3 erfasst. Zur Herstellung der integrierten Schaltung 3 kann Halbleitermaterial wie z. B. aus Silizium hergestelltes LTPS oder CGS verwendet werden. Die integrierte Schaltung 3 kann Schaltungen zur Verarbeitung bzw. zur Filterung der Ladungssignale 9 aufweisen. Mit einer Filterung ist es möglich, die Strahlung 7 im Wesentlichen frei von Rauschsignalen zu erfassen. Es ist auch möglich Schaltungen vorzusehen, welche eine Ermittlung der Anzahl der ein Ladungssignal 9 erzeugenden Strahlungsquanten oder eine energieaufgelöste Erfassung der Strahlung 7 ermöglichen. Mit derartigen Schaltungen ist es möglich, die Ladungssignale 9 unmittelbar nach ihrer Entstehung und unter Vermeidung von Störungen zu erfassen, zu be- und verarbeiten. Die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors und die Qualität der Erfassung der Strahlung 7 können deutlich verbessert werden.
Die Größe der Detektionsfläche B der Fotodiode 5 entspricht im Wesentlichen der Größe der Detektorfläche A. Der Füllfaktor, d. h. das Verhältnis von Detektionsfläche B zu Detektorfläche A, liegt nahezu bei 1. Mit der über der integrierten Schaltung 3 angeordneten Fotodiode 5 kann vermieden werden, dass in der Detektionsfläche Schaltungselemente, wie z. B. Transistoren, angeordnet sind. Schaltungselemente in der Detektionsfläche führen zu einer unerwünschten Reduktion des Füllfaktors. Die Anordnung bzw. Größe der integrierten Schaltungen 3 ist lediglich durch die Abmessungen der Detektorfläche A begrenzt.

Claims

Strahlungsdetektor zur Erfassung von Strahlung (7), bei welchem eine auf einem Substrat (1) aufgenommene, aus einem polykristallinen Halbleitermaterial hergestellte Halbleiterschicht (2) von einer aus einem Szintillatormaterial hergestellten Konverterschicht (6) überlagert ist, wobei die Halbleiterschicht (2) Bestandteil eines aus einer Vielzahl von Detektorelementen (D) gebildeten Detektorarrays zur ortsaufgelösten Erfassung der Intensität darauf einfallender Strahlung (7) ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der polykristallinen Halbleiterschicht (2) ein aus organischen Fotodioden (5) gebildetes Fotodiodenarray (4) zum Umwandeln von im Szintillatormaterial erzeugten Lichtsignalen (8) in elektrische Ladungssignale (9) aufgedruckt ist und dass auf dem Fotodiodenarray (4) die Konverterschicht (6) angeordnet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, wobei das Substrat (1) aus Glas hergestellt ist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Halbleitermaterial aus Silizium gebildet ist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, wobei das Halbleitermaterial eine Elektronenbeweglichkeit von mehr als 50 cm²/Vs, vorzugsweise von mehr als 250 cm²/Vs aufweist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Detektorelement (D) des Detektorarrays eine integrierte Schaltung (3) aufweist.
Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, wobei die integrierte Schaltung (3) zumindest eine der folgenden Schaltungen auf weist: Schaltung zur Verarbeitung der Signale (9), Schaltung zur Filterung der Signale (9), Schaltung zum Ermitteln der Anzahl der ein Signal (9) erzeugenden Strahlungsquanten, Schaltung zur energieaufgelösten Erfassung der Strahlung (7).
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) eine Dicke von 50 μm bis 2000 μm aufweist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht (2) eine Dicke von 0,1 μm bis 10 μm aufweist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektoren (3) des Detektorarrays kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 300 μm sind.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Größe des Detektorarrays 2 × 2 cm bis 50 × 50 cm ist.
Strahlungsdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Szintillatormaterial im Wesentlichen aus Cäsiumjodid oder Gadoliniumoxisulfid hergestellt ist.