DE102009019009A1 - Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen - Google Patents

Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial (1). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Halbleitermaterial (1) entweder GaN oder InGaN oder eine Schichtfolge dieser Verbindungen ist. Weiterhin zählt auch ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor vorgesehen ist, der vorteilhafterweise aus dem erfindungsgemäßen ausgewählten Halbleitermaterial, also entweder aus GaN oder aus InGaN oder aus einer Schichtfolge dieser Verbindungen, besteht, zum Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial.
  • Für die Detektion von Gamma- und Röntgenstrahlung werden, insbesondere in CT- und Dual-Energy-CT-Systemen, Szintillationsdetektoren oder direktkonvertierende Halbleiterdetektoren verwendet. In den Szintillationsdetektoren wird die einfallende Strahlung indirekt über die Anregung von Elektronen und die Umwandlung in Photonen nachgewiesen. Dahingegen sind die auf Halbleitermaterialien basierenden direktkonvertierenden Detektoren in der Lage, einzelne Photonen zu zählen, folglich die Strahlung direkt nachzuweisen. Zu diesen Halbleitermaterialien gehören Verbindungshalbleiter mit hoher Kernladungszahl, wie zum Beispiel CdTe, CdZnTe, CdZnSe und CdZnTeSe, aber auch Elementhalbleiter, wie zum Beispiel Ge, welches eine besonders gute Energieauflösung bietet, oder Si, welches aufgrund seiner Si-basierten Mikroelektronik besonders preisgünstig in der Herstellung und Prozessierung ist.
  • All diese Materialien haben jedoch auch entscheidende Nachteile: Die II-VI-Halbleiter des (Cd, Zn) (Te, Se)-Systems sind in der Regel mechanisch empfindlich und vor allem besitzen die Löcher eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit. Die dadurch auftretende Polarisation verhindert, vor allem bei einer für CT-Geräte notwendigen hohen Flussdichte der Strahlung, deren Einsatz in der Praxis.
  • Allgemein wird unter Polarisation die Reduktion des elektrischen Feldes durch ortsfeste Ladungen, die in der Regel an tiefe Störstellen gebunden sind, verstanden. Diese tiefen Störstellen können die durch Strahlung erzeugten Ladungsträ ger einfangen und mit ihnen rekombinieren, so dass eine deutlich geringere Intensität der Strahlung suggeriert wird. Die Polarisation begrenzt also den maximal detektierbaren Fluss eines direktkonvertierenden Detektors. Zusätzlich werden Elektron-Loch-Paare, so genannte Exzitonen, an Dotanden oder Störstellen lokalisiert und gebunden und tragen somit ebenfalls zur Reduktion der in Ladungsträger umgewandelten detektierbaren Strahlung bei.
  • Ge-basierte Detektoren müssen gekühlt werden, da sie einen hohen Leckstrom aufgrund ihrer geringen Bandlückenenergie besitzen. Dies schränkt die Verwendung eines derartigen Materials, insbesondere bei CT-Geräten beim Benutzer, aufgrund des erhöhten Platzbedarfes und der höheren Kosten stark ein.
  • Si-basierte Detektoren besitzen nur eine geringe Absorptionsstärke für hochenergetische Strahlung, wie Röntgen- oder Gammastrahlung. Dadurch wird die Konversionseffizienz, also die Umwandlungsrate von Strahlung in elektrische Ladungen für eine definierte Detektordicke, stark geschwächt. Dies bedeutet, dass ein Si-basierter Detektor sehr viel dicker sein müsste als Detektoren aus Elementen oder Verbindungen mit höheren Kernladungszahlen, da die Absorption zur dritten Potenz der Kernladungszahl des Detektormaterials proportional ist. In der Praxis wäre es dann notwendig, sehr viel größere Hochspannungen an den Si-basierten Detektor zu legen, um derartig dicke Detektoren zu betreiben. Das führt zu zusätzlichen Si-cherheits- und Abschirmmaßnahmen und damit zu einer deutlichen Kostensteigerung. Solche dicken Detektoren hätten weiterhin eine geringere laterale Auflösung zur Folge. Dies könnte durch Kollimatoren auf dem Detektor zur Vermeidung von Streustrahlung und durch hohe elektrische Felder, zur Vermeidung von ungerichteter Ladungsträgerdiffusion im Detektor, gesteuert werden. Problematisch wäre dann die große dafür benötigte Hochspannung von 10 kV bis 100 kV. Die Materialkosten blieben für einen derartigen Detektor wahrscheinlich trotz der Materialdicke aufgrund des geringen Si-Preises noch un terhalb der Kosten für andere Halbleiter, wie CdTe oder CdZnTe.
  • Aus den oben genannten Gründen, wie Polarisation bei den II-VI-Halbleitern, enormer Platzbedarf für die Kühlung von Ge-Halbleitern oder hohe benötigte Spannungswerte für Si-basierte Detektoren, existieren noch keine direktkonvertierenden Strahlungsdetektoren für hohe Strahlungsdichten, wie sie zum Beispiel in der Computertomographie Anwendung finden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Material zu finden, welches zur Detektion in einem direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor eingesetzt werden kann, wobei ein derartiger Detektor für Hochfluss-Anwendungen, wie zum Beispiel die Computertomographie, geeignet sein soll, und weder zusätzliche Kosten oder Platzbedarf erfordern soll.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass der Einsatz von Verbindungen aus Ga und N als halbleitendes Detektormaterial in einem direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor die bisher auftretenden Probleme, wie Polarisation und Überhitzung, umgeht, also hohe Strahlungsdichten verlustfrei detektieren kann und keine Kühlung, also mehr Platz, erfordert. Um eine effizientere Strahlenkonversion zu erreichen, ist weiterhin der Einsatz von InGaN halbleitendes Detektormaterial möglich. Da InN eine Bandlückenenergie von 0,7 eV bei Raumtemperatur aufweist und ein derartiger Detektor einen sehr hohen Leckstrom besäße, kann die Komposition der ternären Verbindung so gewählt werden, dass die Bandlückenenergie mindestens 1 eV beträgt. Dies kann entweder durch Reduktion des Indium- oder Erhöhung des Ga-Anteils erreicht werden. Beträgt der In-Anteil an der Metallkomponente des InGaN 0% bis 40%, so dominiert der niedrige Leckstrom bei gleichzeitig verbesserter Konversion mit zunehmendem Indiumanteil. Erhöht man den In-Anteil auf 40% bis 80%, so steigt zwar der Leckstrom etwas an, ist jedoch immer noch sehr niedrig, ähnlich wie CdZnTe. Gleichzeitig steigt die Konversionseffizienz. Ein höherer In-Anteil als 80% hingegen führt aufgrund der Bandlückenenergie von deutlich weniger als 1 eV zu sehr hohen Leckströmen, so dass der Betrieb bei Raumtemperatur nur mit hohen Verlustleistungen und geringerer Energieauflösung möglich ist.
  • Diese Materialien wurden bisher in der Optoelektronik für LEDs, Laserdioden oder Feldeffekttransistoren eingesetzt, sind allerdings zur Verwendung als Detektormaterial, insbesondere für CT-Systeme, nicht bekannt. GaN ist ein direkter III-V-Verbindungshalbleiter, der Strahlung ohne durch Phononen verursachten Wärmeverlust in elektrische Ladung umwandelt. Es besitzt eine mittlere Kernladungszahl seiner Komponente Ga Z = 31. Dabei werden fast alle Röntgenquanten wegen der Potenzabhängigkeit der Konversionseffizienz von der Kernladungszahl an dieser Komponente konvertiert. Dadurch ist mit einer nur circa doppelt so dicken Schicht wie bei einem CdTe-Detektor eine vergleichbare Absorption von freien Ladungsträgern erzeugender Strahlung, wie Gamma- oder Röntgenstrahlung, realisierbar. Verwendet man InGaN mit einem hohen In-Anteil, dominiert die Kernladungszahl von In Z = 49.
  • Zusätzlich kann das Problem der Polarisation über das Anlegen einer externen Spannung nahezu beliebig ausgeschaltet werden, da GaN mit > 100 kV/cm eine deutlich höhere Durchbruchsfeldstärke besitzt als die bisher verwendeten Halbleiter. Die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger ist ebenfalls größer. Beides führt zu einer deutlich geringeren Transitzeit der Ladungsträger und damit zu Signalen mit einer kleineren Halbwertsbreite. Diese schmaleren Signale ermöglichen zum einen die Linearität der Signale bei sehr hohen Flussdichten, wie sie in CT-Systemen vorkommen, und zum anderen ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Des Weiteren kann aufgrund der hohen Felder auch eine gute laterale Auflösung erzielt werden, da die Ladungsträgerbeweglichkeit durch die Driftgeschwindigkeit bestimmt ist. Aufgrund der sehr hohen Feldstärken, wird eine isotrope Diffusion der Ladungsträger komplett ausgeschaltet. Damit wird ein Aufweiten von Ladungsträgerwolken und ein somit mögliches Übersprechen auf ein anderes Pixel unterdrückt.
  • Da die Verwendung von GaN und InGaN aus der Optoelektronik bereits bekannt ist, ist auch die Herstellung derartiger Kristalle bereits bekannt und optimiert. Es können bereits Volumenkristalle und Schichten von einigen mm Dicke hergestellt werden. Die jeweiligen Wachstums- und Dotierprozesse von GaN- und InGaN-Kristallen sind gut verstanden, so dass beim Herstellen von Detektoren aus diesen Materialien auf ein breites Wissen und große Erfahrung aus der Optoelektronik aufgebaut werden kann.
  • Weiterhin sind GaN und InGaN den bisher verwendeten Halbleitermaterialien aufgrund ihrer chemischen und mechanischen Robustheit überlegen. Eine geringe Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit ist insbesondere bei dem Einsatz von Halbleitern in Strahlungsdetektoren in CT-Systemen wünschenswert.
  • Demgemäß schlagen die Erfinder vor, einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial, dahingehend zu verbessern, dass das Halbleitermaterial eine Verbindung aus Ga und N ist.
  • Dabei sind zum einen ein reiner GaN-Halbleiter und zum anderen eine InGaN-Verbindung vorteilhaft. Günstig ist in dieser ternären Verbindung ein In-Anteil zwischen 0 und 40%, besonders günstig zwischen 40% und 80%. Je größer der In-Anteil in der InGaN-Verbindung ist, umso größer wird die Konversionseffizienz bei einem ebenfalls größer werdenden Leckstrom, der aber zu vernachlässigen ist.
  • Des Weiteren kann das Detektormaterial auch aus einem Verbundstapel aus mindestens zwei Schichten bestehen, die entwe der nur aus GaN oder nur aus InGaN bestehen. Weiterhin ist auch eine Schichtfolge aus mindestens zwei Schichten mit mindestens einer GaN-Schicht und mindestens einer InGaN-Schicht möglich.
  • Abhängig von der Materialzusammensetzung, vor allem abhängig vom In-Anteil, sollte die Dicke des Halbleitermaterials, also auch die Gesamtdicke der einzelnen Schichten, in einem bestimmten Bereich liegen. Für reines GaN und InGaN mit einem In-Anteil von weniger als 40% ist eine Dicke von 1,0 mm bis 7,0 mm, vorzugsweise 2,0 mm bis 6,0 mm, weiterhin vorzugsweise von 2,8 mm bis 4,8 mm, vorteilhaft. Im Falle eines In-Anteils von mehr als 40% sollte die Dicke des vorgeschlagenen Detektormaterials 1,0 mm bis 5,0 mm, vorzugsweise 1,5 mm bis 4,0 mm, weiterhin vorzugsweise von 2,0 mm bis 3,0 mm, betragen. Der Grund für die Einschränkungen ist die starke Abhängigkeit der Transitzeit der Ladungsträger und der Absorptionsfähigkeit des Detektors von der Dicke des Detektormaterials. Es gilt dabei, je dünner das Detektormaterial ist, umso geringer ist die Transitzeit und umso höher ist die Absorptionsfähigkeit.
  • Zur Erfindung zählt auch ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor vorgesehen ist, wobei der Röntgenstrahlungsdetektor vorteilhafterweise aus dem erfindungsgemäß ausgewählten Halbleitermaterial, also entweder aus GaN oder aus InGaN oder einer Schichtfolge dieser Verbindungen, besteht.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Auswahl des Detektormaterials ergeben sich die folgenden Vorteile in der Anwendung in einem direktkonvertierenden Detektor:
    • – Das Grundmaterial GaN ist einfach verfügbar, da dieses bereits aus vielfältigen Anwendungen in der Optoelektronik bekannt ist, beispielsweise als LEDs.
    • – Eingefahrene Herstellungsprozesse, mindestens 4 Zoll große Kristalle und Waferlevelverarbeitung für GaN-basierte Bauelement sind bereits vorhanden und bekannt.
    • – Die Handhabung und Verarbeitung von GaN ist einfacher, da dieses fester und härter ist als die bislang favorisierten II-VI-Verbindungshalbleiter CdTe, CdZnTe, CdTeSe und CdZnTeSe.
    • – Die Signalpulse besitzen eine schmalere Halbwertsbreite und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist besser aufgrund seltener Laufzeitabweichungen der Ladungsträger wegen der hohen Driftgeschwindigkeiten der Ladungsträger.
    • – Die Durchbruchfeldstärke von GaN liegt bei über 100 kV/cm. Damit können hohe Feldstärken appliziert werden, um die Polarisation zu verringern, wenn nicht gar komplett zu vermeiden.
    • – Die Linearität der Signale kann auch bei höheren Flussdichten gewährleistet werden.
    • – Der auftretende Dunkelstrom bei den ohmschen Kontakten im Detektor ist aufgrund der großen Bandlücke von 3,3 eV niedriger.
    • – GaN ist chemische inert und damit unter verschiedensten Bedingungen einsetzbar.
    • – Mögliche Dotanden und Dotierverfahren sind erprobt und verfügbar.
    • – GaN kann mittels Volumenkristallzuchtverfahren, zum Beispiel Bridgman-Verfahren oder Travelling Heat Method (THM), aber auch mittels Schichtenwachstum, zum Beispiel Metallorganische Gasphasenepitaxie/-abscheidung (MOVPE), Metallorganische Gasphasendeposition (MOCVD), Chemische Gasphasendeposition (CVD), andere Methoden der Gasphasenepitaxie/-abscheidung (VPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), Atomic Layer Epitaxy (ALE)) und „Physical Vapor Transport”-Verfahren (PVT, Multitube-PVT) hergestellt werden.
    • – Einfacher Nachweis durch Material- und Schliffanalysen, wie zum Beispiel Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS), Photolumineszenz (PL), Röntgenbeugung (XRD).
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Beispieles mit Hilfe der 1 näher beschrieben, wobei darauf hingewiesen wird, dass nur die für das unmittelbare Verständ nis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt sind. Hierbei werden folgende Bezugszeichen verwendet: 1: Halbleitermaterial; 2: Elektroden; U: Spannung; y: Röntgen- oder Gamma-Quant.
  • In der 1 ist der typische Aufbau eines Halbleiterdetektors bestehend aus einem zur Strahlungsdetektion verwendeten Halbleitermaterial 1 und zwei mit einer Spannung U beaufschlagten Elektroden 2 dargestellt. Auf seinem Weg durch den Halbleiterkristall wechselwirkt ein Röntgen- oder Gamma-Quant γ mit der Materie und es bilden sich freie Elektronen, die wiederum ihre kinetische Energie durch die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren abgeben. Die Wechselwirkung des Röntgen- oder Gamma-Quants γ mit dem Festkörper findet über den Photoeffekt, die Compton-Streuung und die Paarbildung statt. An dem Halbleiterkristall wird eine Spannung U angelegt, die dafür sorgt, dass die erzeugten Elektron-Loch-Paare aufgrund des elektrischen Feldes durch den Kristall driften und auf den Elektroden Ladung induzieren, die über eine ladungs- oder stromempfindliche Elektronik ausgelesen werden kann.
  • In der Praxis treten dabei die folgenden Probleme auf:
    Die freien Ladungsträger rekombinieren aufgrund ihrer geringen Beweglichkeit, dies gilt insbesondere für Löcher, mit intrinsischen tiefen Störstellen. Dadurch bildet sich einerseits eine Raumladungszone aus und andererseits reduziert sich das elektrische Feld. Es entsteht also die so genannte Polarisation.
  • Durch eine geeignete Wahl des zur Detektion verwendeten Halbleitermaterials 1, also zum Beispiel erfindungsgemäß ein GaN-Kristall oder ein InGaN-Kristall, kann die Polarisation durch eine höhere Beweglichkeit der Ladungsträger verringert beziehungsweise verhindert werden. Weiterhin ist aufgrund der hohen Bandlücke von GaN von 3,3 eV auch keine Kühlung des Detektors notwendig, da nur ein geringer Leckstrom auftritt, der zu einem Aufheizen des Detektormaterials führen kann. Dies gilt auch für InGaN mit einem In-Anteil von maximal 80%, da in diesem Fall die Bandlückenenergie mehr als 1 eV beträgt.
  • Damit ist ein derartiges Material beziehungsweise ein Detektor aus einem derartigen Halbleitermaterial für Hochflussanwendungen, wie sie zum Beispiel in der Computertomographie vorkommen, geeignet.
  • Insgesamt betrifft die Erfindung einen direktkonvertierenden Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial entweder GaN oder InGaN oder eine Schichtfolge dieser Verbindungen ist.
  • Weiterhin zählt auch ein CT-System, in welchem ein Röntgenstrahlungsdetektor vorgesehen ist, der vorteilhafterweise aus dem erfindungsgemäßen ausgewählten Halbleitermaterial, also entweder aus GaN oder aus InGaN oder aus einer Schichtfolge dieser Verbindungen, besteht, zum Gegenstand der Erfindung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

  1. Direktkonvertierender Röntgenstrahlungsdetektor, insbesondere zur Verwendung in CT-Systemen, aufweisend: 1.1. ein zur Detektion verwendetes Halbleitermaterial (1), dadurch gekennzeichnet, dass 1.2. das Halbleitermaterial (1) zumindest eine Verbindung aus Ga und N aufweist.
  2. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) ausschließlich aus GaN besteht.
  3. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) aus einem Verbundstapel aus mindestens zwei Schichten aus GaN besteht.
  4. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) eine InGaN-Verbindung ist.
  5. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) aus einem Verbundstapel aus mindestens zwei Schichten aus InGaN besteht.
  6. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) aus einem Verbundstapel aus mindestens zwei Schichten besteht, wobei mindestens eine Schicht aus GaN und mindestens eine Schicht aus InGaN vorliegt.
  7. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das InGaN aufweisende Halbleitermaterial (1) einen In-Anteil von 0% ≤ x ≤ 40% enthält.
  8. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) eine Dicke von 1,0 mm bis 7,0 mm, vorzugsweise von 2,0 mm bis 6,0 mm, weiterhin vorzugsweise von 2,8 mm bis 4,8 mm, aufweist.
  9. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das InGaN aufweisende Halbleitermaterial (1) einen In-Anteil von 40% ≤ x ≤ 80% enthält.
  10. Röntgenstrahlungsdetektor gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (1) eine Dicke von 1,0 mm bis 5,0 mm, vorzugsweise von 1,5 mm bis 4,0 mm, vorzugsweise von 2,0 mm bis 3,0 mm, aufweist.
  11. CT-System aufweisend einen Röntgenstrahlungsdetektor gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10.
  12. Verwendung von GaN, insbesondere gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, als Detektormaterial in einem Röntgenstrahlungsdetektor.
  13. Verwendung von InGaN, insbesondere gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, als Detektormaterial in einem Röntgenstrahlungsdetektor.
  14. Verwendung einer Schichtenfolge von GaN und InGaN, insbesondere gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 10, als Detektormaterial in einem Röntgenstrahlungsdetektor.
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DE102011013058A1 (de) * 2011-03-04 2012-09-06 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum Für Gesundheit Und Umwelt (Gmbh) Röntgenkamera zur ortsaufgelösten Detektion von Röntgenstrahlung

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