DE4344252A1 - Röntgendetektorelement mit Direktkonversion - Google Patents

Description

An ein Röntgendetektorelement für die Computertomographie werden verschiedene Anforderungen gestellt. Es soll Röntgenstrahlen mit hoher Empfindlichkeit und großer Störsicherheit in elektrische Signale umwandeln. Es soll einen großen Dynamikbereich der Emp­ findlichkeit mit möglichst guter Proportionalität zwischen Rönt­ genintensität und elektrischer Signalhöhe besitzen. Sein zeitli­ ches Ansprechverhalten soll schnell sein und das Meßsignal nach etwa einer Millisekunde weitgehend abgeklungen sein. Außerdem wird eine hohe Langzeitstabilität der Detektorelemente gefordert.

Bislang verwendete Röntgendetektoren für die Computertomographie benutzen verschiedene physikalische Prinzipien zur Detektion der Röntgenstrahlung. In gasgefüllten Ionisationskammern wird die io­ nisierende Eigenschaft von Röntgenstrahlung ausgenutzt. Die im ionisierten Gas erzeugten elektrischen Ladungen können direkt be­ stimmt werden.

Nach dem Szintillatorprinzip arbeitende Detektoren nützen die Leuchteigenschaften verschiedener kristalliner Leuchtstoffe, die die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandeln, so daß sie für das Auge, für einen lichtempfindlichen Film und einen Photo­ detektor sichtbar wird.

Eine Direktumwandlung von Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal gelingt zum Beispiel mit einer pn-Diode aus monokristalli­ nem Germaniumhalbleitermaterial. Die Ausnutzung des photovol­ taischen Effekts zum Direktnachweis von Röntgenstrahlung wurde bereits vorgeschlagen.

Ortsauflösende Röntgendetektoren nach dem Ionisationskammerprin­ zip erfordern ein aufwendiges Herstellungsverfahren und besitzen einen nur geringen Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Röntgen­ strahlung in elektrische Impulse. Dies erfordert eine hohe Strah­ lenbelastung für den zu untersuchenden Patienten.

Leuchtstoffe sind prinzipiell gut geeignet, lassen sich jedoch nur aufwendig strukturieren. Weitere Probleme entstehen durch die störanfällige Verbindung zwischen den Szintillatoren und dem da­ für erforderlichen Photodetektor, wobei außerdem elektrische Ver­ luste bei der Umwandlung in Kauf genommen werden müssen.

Halbleiterdioden aus Germanium erfordern eine Kühlung mit flüssi­ gem Stickstoff, da der relativ geringe Bandabstand von Germanium zu einem hohen thermischen Rauschen führt. Diese Kühlung ist ins­ besondere bei der Computertomographie, bei der ein Array von ein­ zelnen Röntgendetektoren um den zu durchleuchtenden Körper herum bewegt werden muß, besonders aufwendig und umständlich.

Die vorliegende Erfindung soll daher einen Röntgendetektor ange­ ben, der Röntgenstrahlung mit hoher Effizienz in elektrische Si­ gnale umwandelt, der eine Ortsauflösung ermöglicht, der einfach herzustellen ist und der die angegebenen Nachteile der bekannten Röntgendetektoren vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Röntgendetek­ torelement nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfin­ dung, sowie ein Betriebsverfahren und eine bevorzugte Verwendung des Detektorelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Einige Verbindungshalbleiter besitzen im Vergleich zu Germanium ein günstigeres Kernladungsverhältnis und daher eine höhere Ab­ sorption für Röntgenstrahlung. Sie lassen sich monokristallin in hoher Güte und Reinheit herstellen. Im vorzugsweise monokri­ stallinen Halbleiter besitzen durch absorbierte Röntgenstrahlung erzeugte Ladungsträger die längste Lebensdauer und die höchste Beweglichkeit. Dadurch wird garantiert, daß eine maximale Anzahl der Ladungsträger im angelegten Feld ohne vorherige Rekombination getrennt und an den Elektroden als meßbarer Strom ausgelesen werden kann. Der hohe Wirkungsgrad bei Absorption und direkter Umwandlung von Röntgenstrahlung in elektrisches Signal wiederum ergibt für die vorgeschlagenen Halbleiter ein hohes Signal­ rauschverhältnis von mehr als 10³. Der im Vergleich zu Germanium höhere Bandabstand der Halbleiter wiederum ermöglicht einen Be­ trieb der erfindungsgemäßen Detektorelemente bei Raumtemperatur.

Der Halbleiterkörper ist im Inneren hochrein und bestenfalls kom­ pensationsdotiert, weist jedoch unter den Elektroden jeweils ei­ nen flachen hochdotierten Schichtbereich auf. Dieser garantiert einen guten ohmschen Kontakt zwischen Halbleiter und Elektrode und damit ein homogenes und konstantes elektrisches Feld über den gesamten Halbleiterkörper. Gegenüber einem räumlich begrenzten Schottky-Kontakt oder einem pn-Übergang wird damit ein höherer Drift-Sammelwirkungsgrad der Ladungsträger ermöglicht, da bei er­ sterem feldarme Bereiche existieren, die nur geringe Diffusions­ beiträge zum Ladungstransport liefern. Außerdem ist die geringe Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in diesem Halbleiter beim photovoltaischen Prinzip kritisch.

Die Verwendung von semiisolierenden Halbleitern im Photowider­ standsmodus mit einem typischen spezifischen Widerstand von ρ = 10⁷ bis 10⁹ Ohm×cm ist deshalb besonders günstig, weil sie kaum aufladbare Störstellen enthalten, deren Ladungsträger zu internen Feldveränderungen oder zu lang andauernden Ladungsausgleicheffek­ ten Anlaß geben könnten.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Detektorele­ ments ist die Konstantspannungsquelle. Diese ist deshalb beson­ ders wichtig, da das gemessene Signal von der an den Elektroden des Photowiderstands angelegten Spannung abhängig ist. Eine sich verändernde Spannung würde auch das Meßsignal verändern und damit das Rauschen erhöhen bzw. das allein nutzbare Si­ gnal/Rauschverhältnis verschlechtern.

Als Konstantspannungsquelle ist beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator von ausreichender Stromkapazität geeignet. Die an die Elektroden des Photowiderstands angelegte Spannung kann bei­ spielsweise im Bereich von 8 bis 30 Volt liegen, in jedem Fall aber unterhalb der Durchschlagsspannung. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Detektorelements wird der Photowiderstand mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet. Der Vorwiderstand hat dabei vorzugsweise die gleiche Größenordnung wie der Dunkelwider­ stand des Photowiderstands. Das Meßgerät wird parallel zum Photowiderstand geschaltet und ist mit diesem zur Abtrennung des Dunkelstromes kapazitiv gekoppelt. Zur Aufrechterhaltung eines konstanten Potentials bei sich stark ändernden Photoströmen ist zusätzlich zur Spannungsquelle ein Kondensator parallel geschal­ tet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen zwei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Detektorelement für Röntgenstrah­ lung im schematischen Querschnitt und

Fig. 2 eine mögliche Schaltung zum Betrieb des Detektorelements.

Ausführungsbeispiel

Als bevorzugtes Halbleitermaterial wird Galliumarsenid GaAs ge­ wählt. Dieses ist von der Ordnungszahl seiner Elemente her für die Absorption von Röntgenstrahlung vergleichbar mit Germanium. Es hat jedoch einen Bandabstand von 1,43 eV und ist daher im Ver­ gleich zu Germanium für einen Detektorbetrieb bei Raumtemperatur wesentlich besser geeignet. Auch in bezug auf die verfügbare Kri­ stallqualität ist Galliumarsenid erste Wahl unter den vergleich­ baren Verbindungshalbleitern.

Für eine Versuchsanordnung wird ein Galliumarsenidwafer von 0,6 mm Dicke ausgewählt, der einen spezifischen Widerstand von 2,2×10⁷ Ohm cm aufweist.

Fig. 1: Im ersten Schritt werden auf dem als Halbleiterkörper 1 dienenden Galliumarsenidwafer beidseitig als Elektroden dienende Schichten als ohmsche Kontakte 7 aufgebracht. Dazu wird zunächst ein flacher hochdotierter Bereich 2 in den beiden Waferoberflä­ chen erzeugt. Es wird beispielsweise eine ca. 200 nm tiefe n⁺-Do­ tierung durch Diffusion oder Implantation erzeugt. Diese dient zur besseren Ladungsträgersammlung und erleichtert den ohmschen Kontakt zur nächsten Schicht. Diese stellt eine Diffusionsbar­ riere 3 für die eigentliche metallische Elektrodenschicht dar. Beispielsweise wird dazu eine 13 nm dicke Germaniumschicht über dem hochdotierten Schichtbereich 2 abgeschieden. Als nächstes folgt eine erste metallische Kontaktschicht 4, beispielsweise eine 27 nm dicke Goldschicht. Darüber folgt eine weitere Diffu­ sionsbarriere 5, beispielsweise eine 10 nm dicke Nickelschicht und schließlich die eigentliche Elektrodenschicht, welche bei­ spielsweise aus 300 nm Goldauflage bestehen kann.

Für die Abscheidung der ohmschen Kontaktschichten 7 können gän­ gige Dünnschichtverfahren verwendet werden, beispielsweise Auf­ dampfen oder Sputtern sowie elektrolytische oder stromlose Me­ tallabscheidungen. Die hier gewählte Schichtkombination für die ohmschen Kontaktschichten 7 ist bereits Kontakt für Mikrowellen- Elektronikbausteine aus Galliumarsenid bekannt. Selbstverständ­ lich ist es auch möglich, andere Elektrodenmaterialien zu ver­ wenden. Voraussetzung ist jedoch, daß diese einen guten und auch langzeitstabilen ohmschen Kontakt zum Halbleiter ausbilden, und auch bei Langzeitbetrieb die Halbleitereigenschaften durch kei­ nerlei Diffusion beeinträchtigen.

Aus dem wie beschrieben mit ohmschen Kontakten versehenen Wafer wird nun ein ca. 1,5 cm² großes Probenstück als Photowiderstand 8 ausgewählt und ausgeschnitten. Der Photowiderstand 8 wird zu­ nächst mit elektrischen Kontakten versehen und schließlich mit der in Fig. 2 dargestellten Meßschaltung verbunden. Dazu wird der Photowiderstand 8 mit einer 18-Volt-Batterie als Konstant­ spannungsquelle 9 und einem Vorwiderstand 10 (1 MΩ) in Reihe ge­ schaltet. Parallel zur Spannungsquelle 9 wird zunächst eine Elektrolytkondensator 11 (4 µF) und nochmals parallel zu diesem ein weiterer Kondensator 12 (100 nF) geschaltet. Das Meßgerät 14 ist parallel zum Photowiderstand 8 geschaltet und über einen dritten Kondensator 13 (1 µF) mit dem Schaltkreis gekoppelt.

Die Schaltung wird einschließlich der Spannungsversorgung und dem Photowiderstand in ein Gehäuse eingebaut, welches beispielsweise aus 0,5 mm Aluminiumblech besteht und zur Abschirmung des Photo­ widerstands 8 gegen äußere elektrische Störungen und Lichteinfall dient.

Als Meßgerät 14 dient ein Oszillograph mit minimal 10 µV/cm Ein­ gangsempfindlichkeit und 1 MΩ-Eingangswiderstand.

Die Anordnung wird nun mit gechoppter Röntgenstrahlung von der Stirnfläche des Widerstandsdetektors her parallel zu den Elektro­ den 7 bestrahlt.

Die Probe zeigt in der gegebenen Anordnung einen Dunkelwiderstand von ca. 1 MΩ. Dementsprechend ergibt sich ein Dunkelstrom von et­ wa 10 µA bei einer Probenfeldstärke von etwa 10² V/cm. Die er­ zeugten Röntgenpulse weisen zwei Millisekunden Dauer in einer Folge von 45 Millisekunden auf. Die Röntgenröhre wird im Abstand von 25 cm zum Photowiderstand plaziert und zusätzlich mit 8 mm Aluminiumblech gefiltert. Die Leistung des Röntgengenerators wird zwischen 20 kV und 55 kV variiert, um die unterschiedliche Ab­ sorption eines durchleuchteten Körpers zu simulieren. Es werden Probesignale am Oszillographen zwischen 2 Volt und 0,1 Milli-Volt gemessen. Dies entspricht einem Dynamikbereich von 2×10⁴.

Die am Oszillographen 14 beobachtete Form des Meßsignals ist an­ nähernd rechteckig. Dies läßt auf ein gutes Ansprechen des Photo­ widerstands und auf ein schnelles Abklingen des Photostroms bei Unterbrechung der Röntgenbestrahlung schließen. Das aus dem Quo­ tienten Signalstrom/Dunkelstrom gebildete Signalrauschverhältnis wird bei einer Leistung der Röntgenquelle von 55 kV zu 7×10³ bestimmt.

In ähnlicher Weise wie der eben beschriebene Galliumarsenidphoto­ widerstand werden weitere Verbindungshalbleiterproben mit ohm­ schen Kontakten versehen, und als Photowiderstand 8 in einer ähn­ lichen Meßanordnung mit gepulster Röntgenstrahlung beaufschlagt. Entsprechend den veränderten Kenndaten der für den Photowider­ stand 8 ausgewählten Halbleitermaterialien werden auch die Kenn­ größen in der Meßschaltung verändert. Die folgende Tabelle gibt über die dabei erhaltenen Meßwerte Auskunft.

Es zeigt sich, daß ein erfindungsgemäßes Detektorelement auch mit Photowiderständen aus anderen Halbleitermaterialien jeweils ein hohes Signal/Rauschverhältnis von mehr als 10³ bei der Detektion von Röntgenstrahlung aufweist. Ähnliches gilt für die übrigen ge­ nannten, in der Tabelle aber nicht aufgeführten binären und ter­ nären Verbindungshalbleiter.

Aufgrund des hohen Signal/Rauschverhältnisses, welches ein Indiz für die hohe Empfindlichkeit ist, ist das erfindungsgemäße Detek­ torelement insbesondere für Röntgenuntersuchungen des menschli­ chen Körpers geeignet. Da das Detektorelement die absorbierte Röntgenstrahlung direkt umwandelt, spricht sowohl der gemessene (7 Prozent) als auch der theoretische Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 20 Prozent für die Vorteile des Detektorelements ge­ genüber bekannten Röntgendetektoren. So werden beispielsweise bei Szintillationsdetektoren nur Umwandlungswirkungsgrade bis zu 4 Prozent gemessen. Auch das Signal/Rauschverhältnis ist gegenüber einem Szintillator mit nachfolgender Si-Diode verbessert.

Wird das Detektorelement für medizinische Röntgenuntersuchungen beispielsweise in einem Computertomographen eingesetzt, werden die geometrischen Größen des Detektorelements im Hinblick auf ei­ ne möglichst vollständige Röntgenabsorption und auf eine ge­ wünschte Auflösung hin optimiert. Je nach Energie der einfallen­ den Röntgenstrahlung beträgt die Absorptionslänge, das heißt die Länge, innerhalb der die Strahlung vollständig absorbiert wird, zum Beispiel 2 mm für Galliumarsenid und ca. 1 mm für Cadmiumtel­ lurid. Ein geeignetes Detektorelement ist dann auf einem Halblei­ terkörper aufgebaut, dessen parallel zur einfallenden Strahlung gemessene "Tiefe" etwas über der genannten Absorptionslänge liegt. Die Dicke des plättchenförmigen Halbleiterkörpers wird entsprechend der gewünschten Auflösung gewählt. Bekannte Compu­ tertomographen besitzen ein Auflösungsraster von ca. 1 mm, wel­ ches auch für das erfindungsgemäße Detektorelement angestrebt wird.

In einem Computertomographen werden die einzelnen Detektoren par­ allel zu Detektorenzeilen oder Detektorarrays angeordnet. Um zu verhindern, daß ein einzelnes Röntgenquant mehrere Detektorele­ mente anspricht, ist eine strahlungsdichte Abtrennung der einzel­ nen Detektorelemente erforderlich. Dies kann mit hochabsorbieren­ den Trennmitteln zwischen den einzelnen Detektoren erreicht wer­ den. Gut geeignet sind beispielsweise Trennbleche aus Schwerme­ tall. Dabei wird angestrebt, das Verhältnis von aktiv nutzbarer Detektorfläche zu nicht aktiver Detektorfläche zu optimieren, da dieses neben der absoluten Rastergröße für die Empfindlichkeit des Detektorelements verantwortlich ist.

Eine Röntgenuntersuchung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Detekto­ relements kann beispielsweise im kontinuierlichen Betrieb erfol­ gen. Mit der angegebenen Meßschaltung bzw. den angegebenen Meßbe­ dingungen kann dann die Veränderung der einfallenden Röntgen­ strahlung gemessen werden. Besser ist es jedoch, die Röntgenun­ tersuchung im Pulsbetrieb durchzuführen, wobei durch Abgleich Ab­ solutwerte für die Stärke der einfallenden Strahlung bestimmt werden können, was für die Aufnahme eines digitalen Röntgenbilds erforderlich ist.

Neben dem Betrieb mit einer Gleichstromquelle (zum Beispiel Akku­ mulator) sind prinzipiell auch Wechselstromquellen geeignet, so­ fern die Messung phasensynchron erfolgt, oder die Spannungsbeauf­ schlagung des Photowiderstands mit der richtigen Phase durch Triggerung gekoppelt wird.

Claims (11)

1. Element zur Detektion von Röntgenstrahlung mit

• - einem plättchenförmigen, kristallinen semiisolierenden Halblei­ terkörper (1) als Photowiderstand (8), wobei der Halbleiterkör­ per ausgewählt ist aus GaAs, CdTe, CdSe, HgTe, CuIn_xGa_1-xSe_2-2y S_2y (1x,y0)
• - einem Paar von Elektroden (7) aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen dem Halbleiterkörpers (1), welcher direkt unter den Elektroden jeweils einen flachen hochdotierten Schichtbereich (2) aufweist
• - einer mit den Elektroden (7) verbundenen Konstantspannungsquel­ le (9) zur Beaufschlagung der Elektroden mit einer konstanten Spannung und
• - einer Meßvorrichtung zur Detektion des durch den Photowider­ stand (8) fließenden Photostromes.

2. Element nach Anspruch 1, bei dem die Meßvorrichtung ein kapazitiv mit dem Photowiderstand (8) gekoppeltes hochohmiges Meßgerät (14) umfaßt und der Photowi­ derstand mit einem Vorwiderstand (10) von ungefähr der Größen­ ordnung seines Dunkelwiderstands in Reihe geschaltet ist.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Kondensator (11, 12) parallel zur Konstantsspannungs­ quelle (9) geschaltet ist.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der semiisolierende Halbleiterkörper (1) einen spezifi­ schen Widerstand von mehr als 10⁷ Ωcm aufweist.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches bei Raumtemperatur ein Signal/Rauschverhältnis größer 10³ besitzt.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Halbleiterkörper (1) aus undotiertem monokristallinem GaAs besteht.

7. Element nach Anspruch 6, bei dem die Elektroden (7) über dem Halbleiterkörper (1) eine Schichtenfolge aus n⁺GaAs/Ge/Au/Ni/Au (2, 3, 4, 5, 6) umfassen.

8. Verfahren zum Betrieb eines Röntgen-Detektorelements nach An­ spruch 1, bei dem der Halbleiterkörper (1) mit seinen Elektroden (7) paral­ lel zur einfallenden Röntgenstrahlung ausgerichtet wird, die Elektroden mit einer Konstantspannung von ca. 8 bis 30 V beauf­ schlagt werden und der Halbleiterkörper erzeugte Photostrom über ein kapazitiv gekoppeltes und parallel zum Photowiderstand (8) geschaltetes Meßgerät (14) bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine gechoppte Röntgenstrahlung verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Photowiderstand (8) bei Raumtemperatur betrieben wird.

11. Verwendung des Detektorelements im Detektorarray eines Compu­ tertomographen.