DE102010006452A1 - Strahlenwandlermaterial, Strahlenwandler, Strahlendetektor, Verwendung eines Strahlenwandlermaterials und Verfahren zur Herstellung eines Strahlenwandlermaterials - Google Patents

Strahlenwandlermaterial, Strahlenwandler, Strahlendetektor, Verwendung eines Strahlenwandlermaterials und Verfahren zur Herstellung eines Strahlenwandlermaterials Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlenwandlermaterial (1) mit einem zur direkten Wandlung von Strahlenquanten (2) in elektrische Ladungsträger (3) verwendeten Halbleitermaterial (4), welches einen Dotierstoff (5) in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration und prozessbedingt erzeugte Defektstellen (6) derart aufweist, dass das Halbleitermaterial (4) einen spezifischen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm aufweist. Ein solches Strahlenwandlermaterial (1) ist den Anforderungen insbesondere bei humanmedizinischen Anwendungen hinsichtlich der vorliegenden hohen Flussrate und der spektralen Verteilung der Strahlenquanten (2) besonders gut gewachsen. Dir (7) und einen Strahlendetektor (8), sowie eine Verwendung als auch ein Herstellungsverfahren eines solchen Strahlenwandlermaterials (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Strahlenwandlermaterial, einen Strahlenwandler und einen Strahlendetektor. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung eines solchen Strahlenwandlermaterials und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlenwandlermaterials.
  • Zur Erfassung von Gamma- oder Röntgenstrahlung sind sog. direkt konvertierende Strahlenwandlermaterialien bekannt. Mit solchen direkt konvertierenden Strahlenwandlermaterialien können einzelne Quantenabsorptionsereignisse erfasst werden. Strahlendetektoren, basierend auf solchen Strahlenwandlermaterialien werden üblicherweise auch als zählende Detektoren bezeichnet. Bei den direkt konvertierenden Strahlenwandlermaterialien handelt es sich in der Regel um Halbleitermaterialien, bei welchen Gamma- oder Röntgenstrahlung in einem einzigen Wandlungsschritt in elektrische Ladungsträger gewandelt wird.
  • Eine besondere Situation liegt bei dem Einsatz eines solchen Strahlenwandlermaterials für einen Strahlenwandler bzw. für einen Strahlendetektor für ein humanmedizinisches Röntgentomographiegerät, beispielsweise eines Computertomographiegerätes vor. Hier müssen Quantenabsorptionsereignisse bei vergleichsweise hohen Quantenflussraten von z. B. mehr als 108 Röntgenquanten/mm2·s quantitativ bzw. zählend erfasst werden.
  • Grenzen der quantitativen Erfassung ergeben sich auf Grund unterschiedlicher Randbedingungen. Strahlenwandlermaterialien weisen herstellungsbedingt Defektstellen auf, beispielsweise in Form von Vakanzen oder von Zwischengitteratomen. Diese sind für Polarisationseffekte verantwortlich, die zu einer Verminderung des Ladungsträgerlebensdauermobilitätsproduktes (μτ-Produkt) und somit zu einer Steigerung der mittleren Verweildauer bei gleichzeitiger Reduktion der Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial führen. Polarisationseffekte vermindern somit die Trennungseffizienz der freigesetzten Ladungsträger und führen zu einer Verbreiterung des detektierten elektrischen Signals. Hierdurch besteht insbesondere die Gefahr, dass Signale von zeitlich dicht hintereinander eintreffenden Quanten so überlagert werden, dass eine Trennung der Ereignisse nicht mehr möglich ist. Freigesetzte Ladungsträger können aber auch mit vorhandenen, entgegengesetzt geladenen Defektstellen rekombinieren. In Abhängigkeit der Ladungsträgerlebensdauer gehen diese Ladungsträger dann für eine Wandlung in ein elektrisches Signal verloren.
  • Es sind Strahlenwandlermaterialien bekannt, bei denen das Material mit einem Dotierstoff mit dem Ziel dotiert wird, die Polarisationseffekte zu minimieren. Die eingebrachten Dotieratome sollen dabei die im Kristall vorhandenen Defektstellen möglichst vollständig passivieren bzw. kompensieren. Dieser Optimierungsansatz führt jedoch in der Regel gleichzeitig zu einem unerwünschten Abfall des spezifischen ohmschen Widerstands des Strahlenwandlermaterials. Durch die hohe angelegte Spannung zur Trennung der freigesetzten Ladungsträger mittels des so erzeugten elektrischen Feldes ist so ein vergleichsweise hoher Dunkel- bzw. Leckstrom verbunden. Dies führt zu einer Reduzierung des Signal- zu Rauschverhältnisses. Die spektrale Empfindlichkeit des Strahlendetektors und somit die Detektierbarkeit von niederenergetischen Röntgenquanten ist hierdurch stark herabgesetzt.
  • Ausgehend davon soll ein direkt konvertierendes Strahlenwandlermaterial bereitgestellt werden, welches einem bei humanmedizinischen Röntgenuntersuchungen typischen Quantenfluss hinsichtlich Rate und Spektralverteilung gewachsen ist. Weiterhin soll ein entsprechender Strahlenwandler und ein Strahlendetektor bereit gestellt werden. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlenwandlermaterials angegeben werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Strahlenwandlermaterial gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Strahlenwandler, einen Strahlendetektor und durch ein Verfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 9, 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Weitergestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Strahlenwandlermaterial umfasst ein zur direkten Wandlung von Strahlenquanten in elektrische Ladungsträger verwendetes Halbleitermaterial, welches einen Dotierstoff in einer bestimmten Dotierstoffkonzentration und prozessgesteuert erzeugte Defektstellen derart in Kombination enthält, dass das Halbleitermaterial einen spezifischen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm aufweist.
  • Bei humanmedizinischen Röntgenuntersuchungen treten typischerweise Quantenflüsse mit vergleichsweise hohen Flussraten bei gleichzeitig breiter spektraler Verteilung auf. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass eine Bildrekonstruktion auf Basis erfasster Signale mit einem direkt konvertierenden Strahlenwandlermaterial bei solchen Quantenflüssen nur dann zu besonders guten Ergebnissen in der Bildqualität führt, wenn bei dem eingesetzten Halbleitermaterial ein geeigneter Kompromiss zwischen dem Grad der Polarisation und einer spektralen Empfindlichkeit gewählt wird. Ein solches Strahlenwandlermaterial ist auch für Mehrfachenergie-Anwendungen, insbesondere für Dual-Source-Systeme, aufgrund dieser Eigenschaften gut geeignet.
  • Das erfindungsgemäße Strahlenwandlermaterial ist also weder bezüglich des Grades der Polarisation noch der spektralen Empfindlichkeit vollständig optimiert. Es werden also bewusst gegenüber dem jeweiligen Optimum eine geringere spektrale Empfindlichkeit und ein höherer Grad an Polarisation des Halbleitermaterials in Kauf genommen. Dieser Kompromiss ist für die Hochflussanwendungen im humanmedizinischen Bereich überraschenderweise dann gut erzielbar, wenn das Halbleitermaterial einen Widerstand in dem angegebenen Wertebereich aufweist, welcher durch eine gewisse Dotierung des Halbleitermaterials und durch in dem Halbleitermaterial vorhandene Defektstellen hervorgerufen wird. Die Defektstellen sind dabei gezielt, also in bestimmter Anzahl und/oder mit einer bestimmten räumlichen Lage im Halbleitermaterial prozessbedingt im Rahmen der Herstellung oder Nachbearbeitung des Halbleitermaterials erzeugbar. Bislang wurde von der Fachwelt die Ansicht vertreten, dass sich Halbleitermaterialien mit einem spezifischen Widerstand kleiner oder gleich 2·109 Ω·cm für solche Hochflussanwendungen aufgrund der geringen spektralen Auflösung und der hohen Dunkelströme prinzipiell nicht verwenden lassen. Bekannte Halbleitermaterialien weisen daher einen spezifischen ohmschen Widerstand von typischerweise 1·1011 Ω·cm auf. Bei der vorliegenden Erfindung wurde als Lösung also bewusst gegen ein in der Fachwelt herrschendes Vorurteil gehandelt.
  • Ein besonders gutes Ergebnis der Signalerfassung ist dann erzielbar, wenn das Halbleitermaterial einen ohmschen Widerstand in einem engeren Bereich, nämlich zwischen 1·108 Ω·cm und 1·109 Ω·cm, aufweist. In diesem Widerstandsbereich ist die Polarisation im Vergleich geringer und das mit der spektralen Empfindlichkeit verbundene Signal- zu Rauschverhältnis nochmals signifikant höher.
  • Das Halbleitermaterial weist vorzugsweise ein μτ-Produkt für positive Ladungsträger größer 5·10–5 cm2/V und für negative Ladungsträger größer 1·10–3 cm2/V auf. Bei den für die humanmedizinischen Röntgenuntersuchungen notwendigen Schichtdicken des Halbleitermaterials gewährleistet ein solcher Betrag des Produkts aus der Ladungsträgermobilität μ und der Ladungsträgerlebensdauer τ eine hinreichend gute Sammelgüte des Strahlendetektors. Unter Sammelgüte wird in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen nachgewiesener Ladung und durch Quantenabsorptionsprozesse erzeugte freie Ladung verstanden.
  • Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb eines zählenden Strahlendetektors ist eine effiziente Wechselwirkung von Atomen mit den einwirkenden Strahlenquanten. Hierzu ist eine hohe Kernladungszahl notwendig. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Halbleitermaterial ein CdTe-, CdZnTe-, CdZnTSe-, oder ein CdMnTeSe-Halbleitermaterial eingesetzt. Genauer gesagt beispielsweise ein CdxZn1-xTeySe1-y oder ein CdxMn1-xTeySe1-y System mit (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1).
  • Der Dotierstoff kann durch in dem Halbleitermaterial vorliegende Verunreinigungen gebildet werden. In diesem Fall würde also die im Halbleitermaterial ungewollt vorhandene Grunddotierung ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird das Halbleitermaterial gezielt mit einem ausgewählten Dotierstoff in einer vorgebbaren Dotierstoffkonzentration während des Herstellungsprozesses dotiert. Als Dotierstoff wird bevorzugt ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der folgenden Gruppe verwendet: F, Cl, I, Al, Ga, In, Tl, Os, Ru, Fe. Diese Elemente sind leicht verfügbar und können zur Dotierung in den bekannten Herstellungsverfahren ohne großen Aufwand eingesetzt werden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass ein CdTe-, oder ein CdZnTe-Halbleitermaterial mit einer Dotierung auf Basis eines Dotierstoffes, welches zumindest das eine Element Cl in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 5·1017 Atomen/cm3 aufweist, besonders gut für die Hochflussanwendungen im humanmedizinischen Bereich geeignet ist.
  • Als besonders gutes Halbleitermaterial hat sich ebenso ein CdZnTe-Halbleitermaterial mit einer Dotierung auf Basis eines Dotierstoffes, welches zumindest das eine Element In in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 2·1016 Atomen/cm3 aufweist, herausgestellt.
  • Weitere Aspekte der Erfindung betreffen einen Strahlenwandler, welcher ein zuvor beschriebenes Strahlenhalbleitermaterial enthält, und einen Strahlendetektor mit einem solchen Strahlenwandler.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Strahlenwandlermaterials, bei welchem ein Halbleitermaterial zur direkten Wandlung von Strahlenquanten in elektrische Ladungsträger verwendet wird, umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • a) Das Halbleitermaterial wird mit einem Dotierstoff in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration dotiert.
    • b) Anschließend wird in Abhängigkeit des Dotierstoffes und/oder der Dotierstoffkonzentration eine Temperung des Halbleitermaterials zur Erzeugung von zusätzlichen Defektstellen derart vorgenommen, dass ein spezifischer ohmscher Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm, vorzugsweise zwischen 1·108 Ω·cm und 1·109 Ω·cm, erzielt wird.
  • In einem dem eigentlichen Herstellungsprozess nachgelagerten Verarbeitungsschritt werden also ganz gezielt die Konzentration und/oder Verteilung der intrinsischen Defektstellen in dem Halbleitermaterial im Verhältnis zur Verteilung des Dotierstoffes und/oder der Dotierstoffkonzentration durch eine entsprechende Temperung so eingestellt, dass der Widerstand des Halbleitermaterials in dem oben angegebenen Widerstandsbereich liegt.
  • Zur Temperung werden dabei vorzugsweise zwei Temperaturniveaus zeitlich nacheinander durchlaufen. Als Prozessparameter wird zumindest eine der Lagen der Temperaturniveaus, ein Zeitfenster für das Tempern auf einem der Temperaturniveaus, die umgebende Atmosphäre und/oder ein Temperaturgradient für ein Erreichen eines der Temperaturniveaus eingestellt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das erste Temperaturniveau auf eine Temperatur zwischen 700°C und 1050°C und das zweite Temperaturniveau auf eine Temperatur zwischen 300°C und 420°C eingestellt. Diese Temperaturniveaus haben sich zur kontrollierten Erzeugung von Defektstellen als besonders geeignet herausgestellt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 in schematischer Darstellung ein Computertomographiegerät mit einem erfindungsgemäßen Strahlendetektor,
  • 2 in Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Strahlendetektor, und
  • 3 einen Temperaturverlauf während der Temperung.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei sich wiederholenden Elementen in einer Figur, wie beispielsweise bei den Strahlenwandlerelementen 14, ist jeweils nur ein Element aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einem Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu, wobei Maßstäbe zwischen den Figuren variieren können.
  • In der 1 ist in zum Teil perspektivischer, zum Teil blockschaltbildartiger Sicht eine Strahlungserfassungseinrichtung 15 in Form eines Computertomographiegerätes dargestellt. Das Computertomographiegerät 15 umfasst einen Patientenlagerungstisch 16 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten. Es umfasst ferner eine nicht dargestellte Gantry mit einem um eine Systemachse 17 drehbar gelagerten Aufnahmesystem 18, 8. Das Aufnahmesystem 18, 8 weist eine Röntgenröhre 18 und einen erfindungsgemäßen direkt konvertierenden Strahlendetektor 8 auf, die zueinander so gegenüberliegend ausgerichtet sind, dass eine im Betrieb von dem Fokus 19 der Röntgenröhre 18 ausgehende Röntgenstrahlung auf den Strahlendetektor 8 trifft. Der Strahlendetektor 8 weist dabei mehrere in φ-Richtung aufgereihte erfindungsgemäße Strahlenwandler 7 auf, die Module bilden und zur Wandlung der in den Strahlenwandler 7 eintreffenden Strahlenquanten, wie in Form von Röntgenquanten, in elektrische Signale in Reihen und in Spalten angeordnete Strahlenwandlerelemente 14 aufweist.
  • Zur Aufnahme eines Bildes von einem Untersuchungsgebiet werden bei Rotation des Aufnahmesystems 18, 8 um die Systemachse 17 Projektionen aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst, wobei zu jeder Projektion der Strahlendetektor 8 aus den von den Strahlenwandlerelementen 14 erfassten elektrischen Signalen einen Satz von Rohdaten liefert. Im Fall einer Spiralabtastung erfolgt während einer Rotation des Aufnahmesystems 18, 8 beispielsweise gleichzeitig eine kontinuierliche Verstellung des Patientenlagerungstisches 16 in Richtung der Systemachse 17. Die Röntgenröhre 18 und der Strahlendetektor 8 bewegen sich bei dieser Art der Abtastung somit auf einer Helixbahn 20 um den Patienten. Die auf diese Weise generierten Rohdaten werden in einem Sequenzer serialisiert und anschließend an einen Bildrechner 21 übertragen. Der Bildrechner 21 enthält eine Rekonstruktionseinheit 22, die aus den Rohdaten Bilddaten, z. B. in Form eines Schnittbildes von dem Patienten, nach einem dem Fachmann an sich bekannten Verfahren rekonstruiert. Die so generierten Bilddaten werden in einem Speicher 23 gespeichert und können auf einer an den Bildrechner 21 angeschlossenen Anzeigeeinheit 24, z. B. einem Videomonitor, angezeigt werden.
  • Der erfindungsgemäße Strahlenwandler 7 ist in 2 in einer Seitenansicht gezeigt und umfasst ein Strahlenwandlermaterial 1, welches eine direkte Konvertierung eintreffender Röntgenquanten 2 in freie elektrische Ladungsträger 3 ermöglicht. Auf einer ersten Seite 25 der Schicht des Strahlenwandlermaterials 1, welche im Folgenden auch als Wandlerschicht bezeichnet wird, sind mehrere Pixelelektroden 27 angebracht. Die jeweils für einen Strahlenwandler 7 optimale Anzahl der Pixelelektroden 27 hängt u. a. von der jeweils gewünschten Ortsauflösung, Trennungseffizienz für die Ladungsträger und selbstverständlich von der gewünschten Größe des Strahlenwandlers 7 an sich ab. Auf einer der ersten Seite 25 gegenüber liegenden zweiten Seite 26 der Wandlerschicht ist eine Gegenelektrode 28 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist die Gegenelektrode 28 als Flächenelektrode ausgebildet. Die Gegenelektrode 28 könnte jedoch auch pixeliert, streifenförmig und/oder gitterförmig ausgestaltet sein.
  • Es sind auch andere Anordnungen der Flächenelektrode 28 und der Pixelelektroden 27 denkbar. Die Elektroden könnten beispielsweise in der Wandlerschicht parallel zur Strahleneinfallrichtung 29 bzw. in einer Ebene senkrecht zur ersten und zweiten Seite der Wandlerschicht verlaufen.
  • Ein eintreffendes Röntgenquant erzeugt zum Teil durch mehrstufige physikalische Wechselprozesse mit dem Halbleitermaterial 4 freie Ladungsträger 3 in Form von Elektron-Loch-Paaren. Durch eine an den beiden Elektroden 27, 28 angelegte Spannung wird ein elektrisches Feld 30 erzeugt, in dem die freien Ladungsträger 3 getrennt werden. In dem vorliegenden Beispiel werden die Pixelelektroden 27 positiv und die Gegenelektrode 28 negativ geladen. Entsprechend werden die freigesetzten Elektronen zur Pixelelektrode 26 hin beschleunigt und influenzieren dort Ströme, die in ein elektrisches Signal umgesetzt werden.
  • Die bisher bekannten Strahlenwandlermaterialen 1 wurden im Wesentlichen immer hinsichtlich nur eines einzigen Kriteriums optimiert. Dabei wurde entweder versucht, den Grad der Polarisation zu minimieren oder es wurde versucht, die spektrale Empfindlichkeit zu maximieren. Da die Kriterien zueinander konkurrierend sind, geht eine Optimierung des einen Kriteriums immer zu Lasten des anderen Kriteriums. Die Realisierung eines Strahlenwandlermaterials 1, welches sowohl hinsichtlich des Grades der Polarisation also auch hinsichtlich der spektralen Empfindlichkeit optimiert ist, ist daher prinzipiell nicht möglich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde nun ein Kompromiss zwischen diesen Kriterien gefunden, welcher der vorliegenden Charakteristik der Quantenflüsse bei humanmedizinischen Untersuchungen hinsichtlich Flussrate und spektraler Verteilung der eintreffenden Quantenereignissen möglichst gut Rechnung trägt, so dass sich die erfassten Signale zur Rekonstruktion eines Bildes besonders gut eignen.
  • Konkret umfasst das erfindungsgemäße Strahlenwandlermaterial 1 hierzu ein Halbleitermaterial 4, welches einen Dotierstoff 5 in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration und prozessbedingt erzeugte Defektstellen 6 aufweist. Das Verhältnis zwischen den Konzentrationen des Dotierstoffes 5 und der Defektstellen 6 ist dabei so gewählt, dass das Halbleitermaterial einen spezifischen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Q·cm und 2·109 Ω·cm, oder besser zwischen 1·108 Ω·cm und 1·109 Ω·cm, aufweist. Zur Erzielung einer hinreichend guten Sammelgüte des Strahlendetektors 8 weist das Halbleitermaterial 4 zudem ein μτ-Produkt für positive Ladungsträger größer 5·10–5 cm2/V und für negative Ladungsträger größer 1·10–3 cm2/V auf. Dies wird dadurch erreicht, dass als Halbleitermaterial 4 ein CdTe-Halbleitermaterial eingesetzt wird. Der in das Halbleitermaterial 4 eingebrachte Dotierstoff 5 weist das Element Cl in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 5·1017 Atomen/cm3 auf. Ein vergleichbar gutes Ergebnis erhält man durch Einsatz eines CdZnTe-Halbleitermaterials.
  • Ebenso gute Ergebnisse sind mit dem CdZnTe-Halbleitermaterial mit einem Dotierstoff 5, welches das Element In in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 2·1016 Atomen/cm3 aufweist.
  • Als weitere Halbleitermaterialien 4 kommen aber auch CdZnTe-, CdZnTeSe-, oder CdMnTeSe-basierte Halbleitermaterialien in Frage. Neben Cl und In sind bei dem Dotierstoff 5 weiterhin folgende Elemente für sich oder in Kombination einsetzbar: F, I, Al, Ga, Tl, Os, Ru, Fe. Es können aber auch die im Halbleitermaterial vorhandenen Verunreinigungen den Dotierstoff 5 bilden, welche eine Hintergrunddotierung darstellen.
  • Die im Strahlenwandlermaterial 1 vorhandene Konzentration an Defektstellen 6 zur Erzielung des angestrebten ohmschen Widerstands und des angestrebten μτ-Produkts wird mittels einer Temperung gezielt eingestellt. Ein Temperaturverlauf 31 eines solchen Post-Processings ist in der 3 zu sehen. Dabei wird in Abhängigkeit des Dotierstoffs 5 und/oder der Dotierstoffkonzentration eine Temperung des Halbleitermaterials 4 so durchgeführt, dass zwei Temperaturniveaus 9, 10 zeitlich durchlaufen werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Temperaturniveau 9 auf eine Temperatur zwischen 700°C und 1050°C und das zweite Temperaturniveau 10 auf eine Temperatur zwischen 300°C und 420°C eingestellt.
  • Als Prozessparameter zumindest sind dabei die Lage 11 der Temperaturniveaus 9, 10, das Zeitfenster 12 für das Tempern auf den Temperaturniveaus 9, 10, die umgebende Atmosphäre und ein Temperaturgradient 13 für ein Erreichen eines der Temperaturniveaus 9, 10 eingestellt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sind in dem Folgendem zu sehen:
    • a) Erzielung eines guten Kompromisses zwischen Erhöhung des maximal detektierbaren Flusses auf mindestens 5·108 Photonen/mm2·sec, besser mehr als 1·109 Photonen/mm2·sec, noch besser mehr als 2·109 Photonen/mm2·sec einerseits und einem verbesserten Ansprech- und Abklingverhalten der Detektoren, d. h. kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten beim Zählen der Pulse bzw. bessere zeitliche Auflösung der Röntgen- oder Gammastrahlenmessung andererseits,
    • b) leichte Verfügbarkeit des Halbleitermaterials,
    • c) Verwendung von Standard-Wachstumstechnologien (z. B. Bridgman, THM, Gasphasenabscheidung),
    • d) einfach durchzuführendes Post-Processing,
    • e) Anlagen und Testmethoden zum Post-Processing sind Standard in der Halbleiterindustrie und daher leicht zugänglich und preiswert,
    • f) Verwendung von Ohmschen und Schottky-Kontakten je nach Dicke des Detektors ist möglich, und
    • g) horizontale Anreihbarkeit von halbleitenden Detektoren ermöglicht Realisierung nahezu beliebig großer Detektorflächen.
  • Zusammenfassend kann gesagt werden:
    Die Erfindung betrifft ein Strahlenwandlermaterial 1 mit einem zur direkten Wandlung von Strahlenquanten 2 in elektrische Ladungsträger 3 verwendeten Halbleitermaterial 4, welches einen Dotierstoff 5 in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration und prozessbedingt erzeugte Defektstellen 6 derart aufweist, dass das Halbleitermaterial 4 einen spezifischen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm aufweist. Ein solches Strahlenwandlermaterial 1 ist den Anforderungen insbesondere bei humanmedizinischen Anwendungen hinsichtlich der vorliegenden hohen Flussrate und der spektralen Verteilung der Strahlenquanten 2 besonders gut gewachsen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Strahlenwandler 7 und einen Strahlendetektor 8 sowie eine Verwendung als auch ein Herstellungsverfahren eines solchen Strahlenwandlermaterials 1.

Claims (17)

  1. Strahlenwandlermaterial (1), umfassend ein zur direkten Wandlung von Strahlenquanten (2) in elektrische Ladungsträger (3) verwendetes Halbleitermaterial (4), welches einen Dotierstoff (5) in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration und prozessbedingt erzeugte Defektstellen (6) derart aufweist, dass das Halbleitermaterial (4) einen spezifischen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm aufweist.
  2. Strahlenwandlermaterial (1) nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial (4) einen ohmschen Widerstand in einem Bereich zwischen 1·108 Ω·cm und 1·109 Ω·cm aufweist.
  3. Strahlenwandlermaterial (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halbleitermaterial (4) ein μτ-Produkt für positive Ladungsträger größer 5·10–5 cm2/V und für negative Ladungsträger größer 1·10–3 cm2/V aufweist.
  4. Strahlenwandlermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Halbleitermaterial (4) ein CdTe-, CdZnTe-, ein CdZnTeSe- oder ein CdMnTeSe-Halbleitermaterial ist.
  5. Strahlenwandlermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Dotierstoff (5) ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der folgenden Gruppe aufweist: F, Cl, I, Al, Ga, In, Tl, Os, Ru, Fe.
  6. Strahlenwandlermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleitermaterial (4) ein CdTe- oder ein CdZnTe-Halbleitermaterial ist, und wobei der Dotierstoff (5) zumindest das eine Element Cl in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 5·1017 Atomen/cm3 aufweist.
  7. Strahlenwandlermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Halbleitermaterial (4) ein CdZnTe-Halbleitermaterial ist, und wobei der Dotierstoff (5) zumindest das eine Element In in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 2·1016 Atomen/cm3 aufweist.
  8. Strahlenwandler (7) für CT-Systeme, aufweisend ein Strahlenwandlermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Strahlendetektor (8) für CT-Systeme, aufweisend einen Strahlenwandler (7) nach Anspruch 8.
  10. Verwendung eines Strahlenwandlermaterials (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Herstellung eines Strahlenwandlers (7) für CT-Systeme.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Strahlenwandlermaterials (1), bei welchem ein Halbleitermaterial (4) zur direkten Wandlung von Strahlenquanten (2) in elektrische Ladungsträger (3) verwendet wird, wobei a) das Halbleitermaterial (4) mit einem Dotierstoff (5) in einer vorgegebenen Dotierstoffkonzentration dotiert wird, und anschließend b) in Abhängigkeit des Dotierstoffs (5) und/oder der Dotierstoffkonzentration eine Temperung des Halbleitermaterials (4) zur Erzeugung von zusätzlichen Defektstellen (6) derart erfolgt, dass ein spezifischer ohmscher Widerstand in einem Bereich zwischen 5·107 Ω·cm und 2·109 Ω·cm, vorzugsweise zwischen 1·108 Ω·cm und 1·109 Ω·cm, erzielt wird.
  12. Strahlenwandlermaterial (1) nach Anspruch 11, wobei die Temperung so durchgeführt wird, ein μτ-Produkt des Halbleitermaterials (4) für positive Ladungsträger größer 5·10–5 cm2/V und für negative Ladungsträger größer 1·10–3 cm2/V erzielt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei als Halbleitermaterial (4) ein CdTe-, ein CdZnTe-, ein CdZnTeSe-, oder ein CdMnTeSe-Halbleitermaterial und für den Dotierstoff (5) ein Element oder eine Kombination von Elementen aus der folgenden Gruppe verwendet wird: F, Cl, I, Al, Ga, In, Tl, Os, Ru, Fe.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei als Halbleitermaterial (4) ein CdTe- oder ein CdZnTe-Halbleitermaterial und für den Dotierstoff (5) zumindest das Element Cl in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 5·1017 Atomen/cm3 verwendet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei als Halbleitermaterial (4) ein CdZnTe-Halbleitermaterial und für den Dotierstoff (5) zumindest das Element In in einer Dotierstoffkonzentration kleiner 2·1016 Atomen/cm3 verwendet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei zur Temperung zwei Temperaturniveaus (9, 10) zeitlich durchlaufen werden, und wobei als Prozessparameter zumindest eine Lage (11) eines der Temperaturniveaus (9, 10), ein Zeitfenster (12) für das Tempern auf einem der Temperaturniveaus (9, 10) und/oder ein Temperaturgradient (13) für ein Erreichen eines der Temperaturniveaus (9, 10) eingestellt werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Temperaturniveau (9) auf eine Temperatur zwischen 700°C und 1050°C und das zweite Temperaturniveau (10) auf eine Temperatur zwischen 300°C und 420°C eingestellt werden.
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