DE19743523A1

DE19743523A1 - Röntgenbildwandler mit Rücksetz-Lichtquelle

Info

Publication number: DE19743523A1
Application number: DE19743523A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Rer Nat Hoheisel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenbildwandler, der eine Szintillatorschicht in einer Matrix angeordnete, lichtem pfindliche Pixelelemente mit einer aSi-Halbleiterschicht und eine in Strahlenrichtung dahinter angeordnete Lichtquelle zur Rücksetzung von Restladungen durch Beleuchtung der Pixelele mente aufweist.

Es sind Festkörper Matrix-Röntgenbildwandler bekannt, die aus einem Szintillator und einer Matrix von Photodioden aus amor phem Silizium (a-Si) bestehen. Diese Photodioden werden über Schaltelemente mit einer Sperrspannung aufgeladen und entla den sich dann entsprechend der eingestrahlten Röntgendosis.

Um die Photodioden zu entladen und bezüglich des Besetzungs zustandes der im Halbleiter vorhandenen Haftstellen in einen wohldefinierten Ausgangszustand zu versetzen, müssen alle Dioden nach jedem Auslesezyklus zurückgesetzt werden.

Es gibt zwei Rücksetzmöglichkeiten, das elektrische Rückset zen, das die Haftstellen nicht berührt, und das optische Rücksetzen, bei dem die Photodiode-Matrix von der Rückseite mit einem kurzen Lichtblitz beleuchtet wird, wie dies bei spielsweise in dem Artikel "Amorphous Silicon X-Ray Image Sensor" von J. Chabbal et al. in Proc. of SPIE Vol. 2708, Physics of Medical Imaging (1996), auf den Seiten 499 bis 510 beschrieben ist.

Das optische Rücksetzen ist besonders vorteilhaft, da durch ein gleichmäßiges Anfüllen von Haftstellen Informationen vorangegangener Bilder überschrieben werden. Folglich werden störende Nachbilder weitgehend unterdrückt.

Nachteilig ist die bislang verwendete Ausführungsform der zum Rücksetzen verwendeten Lichtquelle. Die verwendete Matrix aus Hunderten von Leuchtdioden, wie sie beispielsweise in der DE Patentanmeldung 196 06 873.8 beschrieben ist, ist teuer und muß in einigen Zentimetern Abstand angebracht werden, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Photodioden zu gewährleisten.

Da immer alle Photodioden gleichzeitig beleuchtet werden, ist ein kontinuierlicher Betrieb des Detektors nicht möglich. Vielmehr muß mit gepulster Röntgenstrahlung gearbeitet wer den, was nicht immer wünschenswert ist.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Röntgenbild wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen einfachen und kompakten Aufbau aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Röntgenbildwandler eine Elektrolumineszenz-Schicht als Licht quelle aufweist. Eine derartige Anordnung mit einer dünnen Elektrolumineszenz-Schicht erlaubt eine sehr kompakte Aus führung des Röntgenbildwandlers.

In vorteilhafter Weise kann auf einem Substrat eine erste Elektrode aufgebracht sein, auf der die Elektrolumines zenz-Schicht abgeschieden ist, und auf der Elektrolumines zenz-Schicht eine zweite, transparente Elektrode aufgetragen sein, auf der sich die aSi-Halbleiterschicht mit der Matrix von Pixelelementen befindet.

Eine Isolierierung der Rücksetz-Lichtquelle vom darauf fol genden Röntgenbildwandler läßt sich erreichen, wenn die Ma trix von Pixelelementen von Passivierungsschichten umgeben ist.

Eine zeilenweise Rücksetzung wird ermöglicht, wenn eine der Elektroden in Richtung der Zeilen der Matrix in Elektroden streifen unterteilt ist.

Erfindungsgemäß kann die Elektrolumineszenz-Schicht aus amor phem, porösen Silizium, polykristallinem, porösen Silizium, oxydiertem, nanokristallinem Silizium oder aus amorphem Si liziumsuboxid bestehen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen erfin dungsgemäßen Röntgenbildwandler zur Erläuterung des Prinzips,

Fig. 2 einen Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwand lers mit einer Halbleiterschicht mit Elektrolumi neszenz,

Fig. 3 einen Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwand lers mit einer unterteilten Halbleiterschicht mit Elektrolumineszenz und

Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf der Auslesung des Röntgen bildwandlers gemäß Fig. 3 bei Verwendung von Schaltdioden.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Röntgenbildwandlers im Querschnitt dargestellt. Auf einem Substrat 1 ist eine elektrolumineszente Lichtquelle 2 ange bracht. Auf der Lichtquelle 2 befinden sich in einer Matrix angeordnete, lichtempfindliche Pixelelemente, die Photodioden 3 und Schalter, beispielsweise Schaltdioden 4, aufweisen. Auf der Pixelmatrix ist ein Szintillator 5 aufgebracht, der die auf der der aSi-Halbleiterschicht gegenüberliegenden Seite einfallenden Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, das dann von der aSi-Halbleiterschicht in eine elektrische Signalfolge umgesetzt wird. Zusammen mit dem Szintillator 5, der aSi-Halbleiterschicht und der elektrolumineszenten Licht quelle 2 erlaubt dies die Herstellung eines sehr dünnen (ca. 3 mm) Röntgenbildwandlers.

Ein solcher Röntgenbildwandler kann einen beispielsweise in Fig. 2 dargestellten Aufbau aufweisen. Auf dem Substrat 1 ist eine erste Elektrode 6 aufgebracht, auf der eine Elektro lumineszenz-Schicht 7 abgeschieden wird. Auf diese Schicht folgt eine zweite Elektrode 8. Eine anschließende Passivie rungsschicht 9 isoliert diese Rücksetz-Lichtquelle 2 von der darauffolgenden aSi-Halbleiterschicht mit in einer Matrix angeordneten, lichtempfindlichen Pixelelementen. Auf die Pas sivierungsschicht 9 werden als Pixelelemente beispielsweise Spalten-Elektroden 10, n-i-p-Photodioden 3, p-i-n-Schalt dioden 4 oder Dünnfilm-Transistoren (TFT) und Zeilen-Elektro den 11 sowie die nicht dargestellten notwendigen Verbindungs leitungen und Kontaktlöcher und anschließend eine Passivie rungsschicht 12 aufgebracht. In Verbindung mit einem geeig neten Szintillator 5 erhält man den erfindungsgemäßen Rönt genbildwandler.

Die Elektrolumineszenz-Schicht 7 kann aus einer elektrolumi neszenten Halbleiterschicht, beispielsweise einer p-i-n-Schicht folge aus polykristallinem Silizium bestehen. Eine solche Schicht kann beispielsweise durch Laser-Rekristalli sierung einer amorphen Siliziumschicht hergestellt werden. Die polykristalline Siliziumschicht wird einem elektroche mischen Ätzverfahren unterworfen, das sie in poröses Silizium verwandelt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in Applied Physics Letters Band 65, 3. 10. 1994, von P. Guyader et al. auf Seite 1787 ff. beschrieben.

Die Elektrolumineszenz-Schicht 7 ist von den beiden Elektro den 6 und 8 umgeben. Eine zwischen diesen beiden Elektroden 6 und 8 angelegte Spannung läßt einen Strom fließen, der die Halbleiterschicht zur Elektrolumineszenz anregt.

Als leuchtende Halbleiterschicht wird erfindungsgemäß eine amorphe oder polykristalline, poröse Siliziumschicht einge setzt. Das poröse Silizium zeigt eine Lumineszenz im orangen Spektralbereich um 650 nm Wellenlänge. [N. M. Kalkhoran et al., Appl. Phys. Lett. 63, 2661, (1993)]. Da für großflächige Rönt gendetektoren aus amorphem Silizium eine großflächige, leuch tende Schicht erforderlich ist, scheiden einkristalline Halb leiter aus. Polykristallines Silizium ist besonders gut als Ausgangsmaterial geeignet, da es mit hoher Leitfähigkeit her gestellt werden kann. Dadurch ist gewährleistet, daß die für die Anregung von Elektrolumineszenz notwendigen hohen Strom dichten zugeführt werden können.

Andere Möglichkeiten für leuchtende Dünnfilm-Halbleiter bie ten oxydiertes, nanokristallines Silizium [H. Tamura et al., Thin Solid Films 255, 92, (1995)] oder amorphes Siliziumsub oxid [D. Dimova-Malinovska et al., Proc. of the 9th ISCMP Varna 1996].

In einer anderen Ausführung dieses Röntgenbildwandlers kann anstelle des porösen Siliziums eine Schicht aus nanokristal linem Silizium verwendet werden, das nach seiner Abscheidung einer Oxidationsbehandlung unterzogen wird.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung dieses Rönt genbildwandlers kann anstelle des porösen Siliziums eine Schicht aus amorphem Siliziumsuboxid verwendet werden.

Durch die Strukturierung der Rücksetz-Lichtquelle 2 in Strei fenform können die Photodioden 3 zeilenweise zurückgesetzt werden. Erfolgt dies synchron zur zeilenweisen Auslesung, ist ein kontinuierlicher Betrieb der Röntgenröhren möglich. Wie in Fig. 3 dargestellt werden die Schicht folgen wie oben be schrieben hergestellt. Allerdings wird die Elektrolumines zenz-Schicht 7 zeilenweise strukturiert, indem beispielsweise die obere Elektrode 8 (Fig. 2) in Elektrodenstreifen 13 unterteilt wird.

Die Auslesung eines derartigen Röntgenbildwandlers kann im Falle der Verwendung von Schaltdioden zeitlich wie in Fig. 4 dargestellt ablaufen. Die n. Zeile von Photodioden 3 des Röntgenbildwandlers wird über die Schaltdioden 4 mit einer Sperrspannung 14 beaufschlagt. Anschließend folgen die n+1., n+2. Zeile usw. mit den Sperrspannungen 15, 16, usw. Während dieser Zeit trifft Röntgenstrahlung auf den Röntgenbildwand ler und das Szintillationslicht entlädt die Photodioden 3 entsprechend dem lokalen Signal. Nachdem alle Photodiode 3 aufgeladen wurden beginnt der zweite Zyklus. Jede Zeile wird mit einer beispielsweise um 0,5-1 V höheren Spannung 17 bis 19 angesteuert. Die dazu notwendige Ladung ist ein Maß für die empfangene Röntgendosis. Anschließend wird ein Elektro denstreifen 13 der integrierten Rücksetz-Lichtquelle 2 akti viert und die Photodioden 3 der jeweiligen Zeile werden mit einem Lichtblitz 20 bis 22 entladen. Danach werden sie wieder auf die niedrigere Spannung 23 bis 25 aufgeladen und der ge samte Zyklus beginnt von vorne. Die Röntgenröhre kann unun terbrochen betrieben werden. Eine gepulste Strahlung ist nicht erforderlich.

Derartige erfindungsgemäße Röntgenbildwandler lassen sich in Röntgendiagnostikeinrichtungen im Durchleuchtungsbetrieb ein setzen, bei der von einem Röntgenstrahler ausgehende Röntgen strahlen einen Patienten durchdringen und entsprechend der Transparenz des Patienten geschwächt als Röntgenstrahlenbild auf die Szintillatorschicht des Röntgenbildwandlers fallen. Der Röntgenbildwandler erzeugt ein dem Röntgenstrahlenbild entsprechendes Videosignal, das in einem Bildsystem gespei chert und verarbeitet und auf einem Monitor als Röntgenbild wiedergegeben werden kann.

Erfindungsgemäß wird als Rücksetz-Lichtquelle eine dünne Halbleiterschicht eingesetzt, die Elektrolumineszenz zeigt.

Claims

1. Röntgenbildwandler, der eine Szintillatorschicht (5), in einer Matrix angeordnete, lichtempfindliche Pixelelemente (3, 4) mit einer aSi-Halbleiterschicht und eine in Strahlenrich tung dahinter angeordnete Elektrolumineszenz-Schicht (7) als Lichtquelle (2) zur Rücksetzung von Restladungen durch Be leuchtung der Pixelelemente aufweist.

2. Röntgenbildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) eine erste Elektrode (6) aufgebracht ist, auf der die Elek trolumineszenz-Schicht (7) abgeschieden ist, und daß auf der Elektrolumineszenz-Schicht (7) eine zweite, transparente Elektrode (8, 13) aufgetragen ist, auf der sich die Matrix von Pixelelementen (3, 4) befindet.

3. Röntgenbildwandler nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Matrix von Pixelelementen (3, 4) von Passivierungsschichten (9, 12) umgeben ist.

4. Röntgenbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (6, 8) in Richtung der Zeilen der Matrix in Elektrodenstreifen (13) unterteilt ist.

5. Röntgenbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenz-Schicht (7) aus amorphem, porösen Silizium besteht.

6. Röntgenbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenz-Schicht (7) aus polykristallinem, porösen Silizium besteht.

7. Röntgenbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenz-Schicht (7) aus oxydiertem, nanokristalli nen Silizium besteht.

8. Röntgenbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenz-Schicht (7) aus amorphem Siliziumsuboxid besteht.