-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte mehrschichtige
Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung und auf ein
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Platte, welche für eine Umwandlung
von Röntgenstrahlung
in ein latentes elektrostatisches Bild verwendet wird. Dieses latente
elektrostatische Bild kann anschließend durch verschiedene Schemata
bzw. Systeme ausgelesen werden, wie beispielsweise durch einen abtastenden
Laserstrahl, ein aktives Matrixpaneel mit Mikrokondensator oder
eine Anordnung von elektrostatischen Fühlern bzw. Testköpfen.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Es
ist bereits bekannt, mehrschichtige Platten zur Bilderzeugung mittels
Röntgenstrahlung
herzustellen, welche manchmal als xeroradiographische Platten bezeichnet
werden.
-
Beispielsweise
offenbart das U.S. Patent Nr. 3,975,635 vom 17. August 1976 eine
xeroradiographische Platte, welche aus einer leitenden bzw. leitfähigen Unter-
bzw. Hinterschicht besteht, welche darauf eine photoleitfähige Schicht
von Selen und eine Zwischenschicht aus einer Legierung aufweist, welche
aus etwa 15-45 Gew.-% Arsen und 55-85 Gew.-% Selen besteht, wobei
die Zwischenschicht eine Dicke von etwa 15-150 μm aufweist und verwendet wird,
um die Kapa zität
der Struktur bzw. des Aufbaus mit dem Resultat zu vermindern, daß Bilder
erhalten werden, welche zu einer Entwicklung bei geringeren Feldstärken bzw.
Feldern ohne einen wesentlichen Verlust der Auflösung in der Lage sind.
-
U.S.
Patent Nr. 4,286,033 vom 25. August 1981 offenbart eine mehrschichtige
anorganische photosensitive Vorrichtung, welche aus einer Anzahl von
verschiedenen Lagen bzw. Schichten besteht, von welcher eine eine
lochfangende Schicht ist, welche aus einer halogendotierten Selen-Arsen-Legierung besteht,
wobei der Selengehalt zwischen 95-99,9 Gew.-% liegt, der Gehalt
an Arsen zwischen 0,1 bis 5 Gew.-% liegt und der Gehalt an Halogen zwischen
10-200 ppm (Teilen pro Million) liegt. Diese lochfangende Schicht
weist eine Dicke von 0,01-5 µm
(Mikrometer) auf, und wird verwendet, um positive Ladungen an der
Zwischenfläche
bzw. Schnittstelle zwischen der erzeugenden Schicht und der überdeckenden
isolierenden bzw. Isolationsschicht festzuhalten, wodurch die Bildqualität verbessert
wird.
-
U.S.
Patent Nr. 4,338,387 vom 6. Juli 1982 bezieht sich auf eine überdeckte
lichtempfindliche Vorrichtung, welche eine Schicht von elektronenfangendem
Material und eine lochfangende Schicht enthält, wobei sich diese Schichten
aus einer halogendotierten Selen-Arsen-Legierung zusammensetzen, wobei
der Gehalt an Selen etwa 95-99,9 Gew.-% beträgt, der Gehalt an Arsen zwischen
0,1-5 Gew.-% liegt und der Gehalt an Halogen zwischen 10 ppm und
200 ppm liegt.
-
U.S.
Patent Nr. 4,770,965 vom 13. September 1988 offenbart ein abbildendes
bzw. Bilderzeugungsglied aus einer Selenlegierung, welches für eine Bilderzeugung
mittels Röntgenstrahlung
geeignet ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der
Selen-Legierungsschicht eine dünne
organische Deckschicht zur Verfügung
gestellt wird, welche etwa 0,5-3 Gew.-% Nigrosin enthält. Es wird
der Anspruch erhoben, daß dies
in einer größeren Auflösung bei
einer maßgeblich
reduzierten Dosis von Röntgenstrahlung
resultiert. In diesem U.S. Patent Nr. 4,770,965 wird ebenso das
Konzept eines Verwendens von zwischenliegenden Polymer-Haftvermittlungsschichten zwischen
der Selenschicht und der Metalloxidoberfläche geoffenbart. Es haben jedoch
diese Polymerschichten hohe thermische Expansionskoeffizienten und
sind nicht wirksam bzw. effektiv, um die Scherbeanspruchung aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verschiedenen Schichten
in der Vorrichtung zu vermindern, was in einer Rißbildung
resultieren kann.
-
In
U.S. Patent Nr. 4,891,290 vom 2. Jänner 1990 wird ein mehrschichtiges
photoempfindliches Material für
Elektrophotographie (eher als für
ein Bilderzeugen bzw. -abbilden mit Röntgenstrahlung) geoffenbart,
wobei eine hohe Oberflächenhärte durch ein
Bereitstellen einer Oberflächenschutzschicht
aus einer Arsen-Selen-Legierung erhalten wird, welche eine Zusammensetzung
von etwa As2Se3 aufweist. Ein
derartiges photoempfindliches Material hat einen hohen Druckwiderstand.
Es wird auch angedeutet, daß ein
derartiges photoempfindliches Material eine Pufferschicht enthalten
kann, welche eine Arsen-Selen-Legierung umfaßt, welche zwischen der Oberflächenschutzschicht
und der Ladungserzeugungsschicht angeordnet ist, welche einen Hochtemperaturbetrieb
erlaubt. Es sollte festgehalten werden, daß in einer Elektrophotographie,
auf welche sich dieses U.S. Patent bezieht, die Tonerpartikel mechanisch zwischen
Bildern gereinigt werden, während
in einer digitalen Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung es keine mechanische
Abrasion der Oberfläche
gibt und somit eine hohe Oberflächenhärte nicht
erforderlich ist.
-
In
U.S. Patent Nr. 4,990,419 vom 5. Februar 1991, welches an Fuji Electric
Co. Ltd. übertragen
ist, wird erneut ein mehrschichtiger elektrophotographischer Lichtrezeptor
geoffenbart, welcher eine As2Se3 Träger-Transportschicht,
eine 30 bis 50 Gew.-% Te-Se-Legierung-Träger-Erzeugungsschicht und eine
As2Se3 Oberflächenschutzschicht
sowie eine äußere Schicht
eines transparenten Isolationsmaterials umfaßt, und im U.S. Patent Nr.
5,021,310 vom 4. Juni 1991, welches ebenso an Fuji Electric Co.
Ltd. übertragen
ist, wird eine weitere Entlastungsschicht für thermische Expansion, welche
Arsen und Selen umfaßt,
innerhalb des Lichtrezeptors zur Verfügung gestellt. In diesem Patent
ist angegeben, daß die
Arsenkonzentration der Entlastungsschicht für die thermische Expansion
zwischen 10 Gew.-% und 38,7 Gew.-% variiert und ihre Gesamtdicke
1 µm war.
Eine Oberflächenschutzschicht
aus As2Se3, welche
1000 ppm Jod enthält,
wurde darauf bis zu einer Dicke von 3 µm abgeschieden. Wiederum bezieht
sich dieses Patent auf einen elektrophotographischen Lichtrezeptor,
als auf eine Vorrichtung zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung.
-
Gemäß U.S. Patent
Nr. 5,023,611 vom 11. Juni 1991 wurde festgestellt, daß ein(e)
Ermüdungserscheinung
bzw. -artefakt durch einen Defekt in der xeroradiographischen Platte
in der Form eines Selenkristalliten an der unteren Oberfläche der
Selenschicht der Platte bewirkt wird, welche(r) positiven Ladungen
bzw. Ladungsträgern
in der Form von Löchern
erlaubt, in die Selenschicht von der Aluminiumbasis während des
Transfer- bzw. Übertragungsschritts
einzudringen. Diese werden öfters "einen katastrophalen
Fleck erzeugende Artefakte" genannt, und
das U.S. Patent stellt ein Verfahren zur Verfügung, um derartige- Artefakte
durch ein Vorladen des Detektors nach einem thermischen Entspannungsschritt
zu beseitigen, um die gefangene Raumladung zu beseitigen bzw. zu
eliminieren.
-
Im
U.S. Patent Nr. 5,320,927 vom 14. Juni 1994 wird die Technologie
zum Herstellen eines verbesserten Selen-Legierungsglieds zur Bilderzeugung mittels
Röntgenstrahlung
auf einem transparenten Substrat untersucht, wobei loses Selen-Arsen-Material, welches
0,1 bis 0,6 Gew.-% Arsen enthält,
auf das Substrat in einem geregelten bzw. gesteuerten Fraktionierungsprozeß verdampft
wird, und die Verdampfung unterbrochen bzw. beendet wird, wenn das
Gewicht der im Schiffchen zurückbleibenden
Selenlegierung 2-10 % des ursprünglichen
Gewichts ausmacht. Dieses Patent lehrt ebenso die Verwendung einer
Selen-Arsen-Legierung (1-24 % As) zwischen dem Röntgenstrahlung absorbierenden
Material und dem Substratmaterial, um die durch einen Kristallit
hervorgerufenen Schäden
bzw. Defekte zu verringern. Jedoch macht dieses Patent keine Angaben
hinsichtlich der mechanischen Stabilität des Photo- bzw. Lichtrezeptors,
wie auch hinsichtlich der Fähigkeit
einer Neutralisation einer Raumladung dieser Struktur.
-
Im
U.S. Patent Nr. 5,330,863 vom 19. Juli 1994 wird ein pboto- bzw.
lichtempfindliches Material für
eine Verwendung in einer elektrischen Photographie geoffenbart,
wobei Lagen bzw. Schichten zur Verhinderung einer Trägerinjektion,
welche aus einer Selen/Arsen/Schwefellegierung bestehen, zwischen dem
leitenden bzw. leitfähigen
Substrat und der Trägertransportschicht
oder zwischen der Trägererzeugungsschicht
und der Deckschicht oder zwischen beiden einge bracht werden. Dies
macht das lichtempfindliche Material resistent bzw. beständig gegen Reibung,
Hitze, dunklen Zerfall und Ermüdung,
und zeigt nur eine geringe Verschlechterung unter Hochtemperaturumgebungen.
Dieses Patent bezieht sich nicht auf eine Bilderzeugung mittels
Röntgenstrahlung.
-
Im
U.S. Patent Nr. 5,396,072 vom 7. März 1995 wird ein ziemlich komplexer
Detektor für
Röntgenbilder
geoffenbart, welcher eine Mehrzahl von für Röntgenstrahlung empfindlichen
Sensoren umfaßt, von
welchen jeder eine Sammelelektrode, eine Referenzelektrode und ein
Schaltelement aufweist, welches die Sammelelektrode mit einem Ausgangskabel verbindet;
wobei eine photoleitende bzw. Photoleit-Schicht zwischen den individuellen
Sammelelektroden und einer Vorspannungselektrode vorgesehen ist;
und jede der Sammelelektroden zwei elektrisch kontaktierende Elektrodenabschnitte
umfaßt, welche
in einer sehr spezifischen Weise angeordnet und gelegt sind, so
daß die
Mehrzahl der Ladungsträger,
welche in dem Licht- bzw. Photoleiter erzeugt werden, zu den Sammelelektroden
fließt.
-
In
U.S. Patent Nr. 5,436,101 vom 25. Juli 1995 wird ein Photorezeptor
für Röntgenstrahlung geoffenbart,
welcher eine hoch arsenhaltige Einlagerungsschicht von 5-40 µm Dicke
zwischen dem Substrat und der Selenschicht eingeschlossen bzw. zwischengelagert
aufweist, um positive Ladungen einzufangen, welche von der Zwischenfläche injiziert
werden. Diese Struktur wurde ausgelegt bzw. konstruiert, um eine
Lochinjektion aus dem Substratmaterial in die Photorezeptorvorrichtung
eher zu verhindern als zu begünstigen.
-
Es
sollte erwähnt
werden, daß das
Konzept eines Verwendens von mehrschichtigen Strukturen, welche
auf amorphen Seleniumlegierungen (a-Se Verbindungen) basieren, aus
der elektrophotographischen oder xerographischen Industrie (siehe
beispielsweise U.S. Patent Nr. 3,041,166 vom 26. Juni 1962) in einem
Bemühen
stammte, die Spektralantwort des Photorezeptors farbempfindlicher
zu machen, um mit den billigeren organischen Photorezeptoren konkurrieren
zu können.
Beispielsweise wurde gezeigt, daß ein Legieren von Selen mit
in etwa 40 Atom % Te die effektive optische Bandlücke des
Selens von 2,2 eV auf 1,2 eV vermindert. Diese erhöhte Photosensitivität bzw. -empfindlichkeit
für längere Wellenlängen tritt
jedoch allgemein auf Kosten von elektrophotographischen Eigenschaften
auf – wobei hohe
verbleibende Spannungen bzw. Restpotentiale und schnelle Dunkelzerfälle für diese
Klasse von Materialien typisch sind. Tatsächlich schließen die
elektrophotographischen Eigenschaften von a-SexTe1-x Materialien, insbesondere, wenn der Te-Gehalt
hoch ist, allgemein die Verwendung dieser Materialien in einschichtigen
bzw. Monolagen-Photorezeptoranwendungen aus. Da Photorezeptoren
sowohl geringe Restspannungen wie auch breite Farbempfindlichkeit (insbesondere
für Laserdruckeranwendungen,
wo billige Halbleiterlaser Licht in dem Bereich langer Wellenlänge ausstrahlen)
und geringen Dunkelzerfall benötigen,
wurde ein nennenswerter Aufwand getätigt, um den Photoerzeugungsprozeß und den
Ladungstransportprozeß in
der Vorrichtung zu entkoppeln. SexTe1-x Legierungen werden verwendet, um das
Licht zu absorbieren, wobei jedoch, da die xerographischen Eigenschaften
dieses Materials nicht optimal waren, eine zweite Ladungstransportschicht benützt wird,
um die gewünschten
elektrophotographischen Eigenschaften zu erzielen.
-
Wie
dies aus den verschiedenen oben genannten Patenten zum Stand der
Technik ersichtlich ist, sind mehrschichtige bzw. -lagige auf Selen
basierende Strukturen auch für
Bilderzeugungsanwendungen mittels Röntgenstrahlung höherer Energie
eingesetzt worden. Eine der ersten kommerziellen Anwendungen von
Selen in einer Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung war in der Xeroradiographie,
wo der Detektor aus einer auf eine Aluminiumplatte abgelagerten
Selenschicht bestand. In einem typischen Bilderzeugungszyklus wurde
die Platte durch eine Coronaaufladung sensibilisiert, an den vom
Patienten modulierten Röntgenstrahl
ausgesetzt, um das Selen selektiv zu entladen, und dann durch ein
Vorbeileiten von triboelektrisch geladenen Tonerteilchen bzw. -partikeln über die
Selenplatte, ein Übertragen der
Tonerteilchen auf das Papier und letztlich Fixieren des Bilds durch
ein Erhitzen des Papiers entwickelt. Bevor das nächste Bild aufgenommen werden konnte,
mußte
die Selenplatte von allen überschüssigen bzw.
restlichen Tonerteilchen (allgemein durch eine mechanische Bürste) gereinigt
werden und dann in einen Zustand einer "neutralen Raumladung" zurückgebracht
werden. Die mehrschichtigen Strukturen, welche in optischen Bilderzeugungsanwendungen
verwendet werden, sind nicht austauschbar mit jenen, welche in der
Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung
verwendet werden, und haben im einschlägigen Umfeld einen separaten
Status erhalten, wie dies aus den oben diskutierten Patenten zum Stand
der Technik ersichtlich ist.
-
Darüber hinaus
gibt es innerhalb der Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zwei ausgeprägte Moden
einer Bilderzeugung, nämlich
den statischen Modus und den dynamischen Modus, welche wie folgt
definiert werden können.
-
Bilderzeugung
im statischen Modus
-
In
der Bilderzeugung im statischen Modus können Bilder nur bei einer relativ
geringen Frequenz aufgenommen werden, beispielsweise 1 Bild alle
20 Sekunden, und der Röntgenstrahl
ist gepulst. Derart gibt es ausreichend Zeit, um jegliche Raumladung
zu neutralisieren, welche sich in der Vorrichtung zwischen Bildern
ansammelt bzw. aufbaut.
-
Bilderzeugung
im dynamischen Modus
-
In
der Bilderzeugung im dynamischen Modus werden Bilder bei einer viel
höheren
Frequenz aufgenommen, beispielsweise 30 Bilder pro Sekunde, und
der Röntgenstrahl
wird während
der gesamten Untersuchung eingeschaltet gelassen. In diesem Fall
besteht keine Zeit, um die angelegte Vorspannung zwischen Aufnahmen
bzw. Bildern zu entfernen, um zu erlauben, daß Löcher aus der unteren bzw. Bodenpufferschicht
in die die Röntgenstrahlung absorbierende
Bulk- bzw. Volumsschicht injiziert werden, um die negative Raumladung
zu neutralisieren.
-
Obwohl
der vorher diskutierte Stand der Technik anzeigt, daß bis jetzt
ein beträchtlicher
Arbeitsaufwand in dem Bereich von optischen und Röntgenstrahlungs-Bilderzeugungstechniken
durchgeführt
wird, haben auf Selen basierende Detektoren für Röntgenstrahlung unter der Anwesenheit
von Polykristalliten in der Selenschicht nahe dem Substrat gelitten.
Die Gegenwart solcher Polykristallite ist in Anwendungen zur Bilderzeugung
mittels Röntgenstrahlung
unerwünscht,
da sie zu fälschlichen
Ladungsinjektionsstellen und im Extremfall zu einer Einbuße bzw.
einem Verlust der Bilderzeugungsmöglichkeiten für Detektoren
zur Bilderzeu gung mittels Röntgenstrahlung
führen
könnte,
wo das latente elektrostatische Bild von dem Substrat gelesen wird. Das
Fenster im Produktionsprozeß zur
Herstellung einer Schicht, welche an der Zwischenfläche frei
von Polykristalliten ist, während
unterdessen die Bulkeigenschaften der amorphen Selenschicht auf
ihrem optimalen Wert gehalten werden, ist extrem eng.
-
Darüber hinaus
haben bislang auf Selen basierende Röntgendetektoren unter thermischen Schocks
gelitten, welche oft zur physischen Delamination bzw. Ablösung des
Selenfilms von dem Substrat aufgrund Spannung bzw. Beanspruchung
führten, welche
aus der unausgeglichenen bzw. nicht abgeglichenen thermischen Expansion
zwischen der amorphen Bulk-Selenschicht und typischen Substratmaterialien,
wie beispielsweise Glas und Aluminium resultiert.
-
Weiterhin
haben auf Selen basierende Röntgendetektoren
des Stands der Technik unter der Verfügbarkeit einer beschränkten Anzahl
von Materialien gelitten, welche als das Substratelektrodenmaterial verwendet
hätten
werden können.
Beispielsweise wurde Aluminium weit aufgrund seines hohen Oxidationspotentials
und demzufolge seiner Fähigkeit
verwendet, eine einheitliche Aluminiumoxidschicht hoher Qualität zu bilden,
um eine Elektroneninjektion aus dem Substrat in den Großteil bzw.
Bulk des Selens verhindert. Ein anderes Beispiel ist mit Indium-Zinn-Oxid
(ITO) beschichtetes Glas, welches gewisse Elektronenblockiereigenschaften
bzw. -charakteristika an dem ITO-Selen-Heteroübergang gezeigt hat.
-
Jedoch
erlauben bekannte Detektoren normalerweise nicht die Verwendung
einer weiten Auswahl von Substratmaterialien, da sie sich auf der elektrochemischen
Wechselwirkung zwischen den Materialien verlassen müssen, um
die benötigte Elektronenblockiereigenschaft
zu erzeugen.
-
Zusätzlich haben
auf Selen basierende Detektoren für Röntgenstrahlen gemäß dem Stand
der Technik unter Speichereffekten gelitten, welche durch die Anhäufung von
negativer Raumladung in der dotierten Selenschicht verursacht werden.
Arbeitsaufwendige Löschverfahren,
welche eine Kombination von Licht-, Temperatur- und Spannungspolarisationszyklen
verwenden, waren notwendig, um die gesammelte Raumladung zu löschen. Im
Fall von opaken bzw. lichtundurchlässigen Substratmaterialien
verhindert dies die Verwendung von Licht in der Löschsequenz.
-
Letztlich
haben die bekannten, auf Selen basierenden Röntgendetektoren unter Schwierigkeiten eines
Anlegens bzw. Anwendens der Hochspannungsvorspannung über die
dotierte amorphe Selenschicht gelitten. Dieses Problem wurde entweder durch
ein Coronaladen der Vorrichtung oder durch ein Einbringen bzw. Einsetzen
eines isolierenden Materials, wie beispielsweise Polycarbonat, Polyester,
Parylen oder Glas zwischen einer oberen Elektrode und der dotierten
amorphen Selenschicht gehandhabt, um eine fälschliche bzw. störende Lochinjektion von
der Elektrode in die Selenschicht zu verhindern. Keine dieser Vorgangsweisen
erlaubt jedoch ein Bilderzeugen bei fluoroskopischen Geschwindigkeiten bzw.
Raten (30 Bilder/Sekunde).
-
GEGENSTÄNDE UND
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist ein Gegenstand bzw. Ziel der vorliegenden Erfindung, eine mehrschichtige
Platte zur Bilderzeugung mittels Rönt genstrahlung und ein Verfahren
ihrer Herstellung zur Verfügung
zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine verbesserte mehrschichtige
Membran zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zur Verfügung zu
stellen, welche in einer Vielzahl von Technologien zur Bilderzeugung
mittels Röntgenstrahlung verwendet
werden kann, einschließlich
medizinische und zerstörungsfreie
Testverfahren bzw. -anwendungen.
-
Andere
Gegenstände
und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
davon ersichtlich werden.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine mehrschichtige
Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zur Verfügung gestellt,
welche umfaßt:
- (a) ein Substrat;
- (b) eine Vorspannungselektrode; und
- (c) eine auf Selen basierende Membran, welche zwischen dem Substrat
(12) und der Vorspannungselektrode eingeschoben bzw. zwischengeschaltet
ist, wobei die Membran (16) eine dicke photoleitende Schicht
aus dotiertem amorphem Selen und eine dünne Pufferschicht umfaßt, welche
aus einer einpoligen bzw. unipolaren leitenden Schicht aus mit Alkali
dotiertem Selen besteht, die zwischen der photoleitenden Schicht und
der genannten Vorspannungselektrode angeordnet ist,
dadurch
gekennzeichnet, daß
die
einpolige leitende Schicht in direktem Kontakt mit der Vorspannungselektrode
ist, und daß die leitende
Schicht Arsen in der Menge bzw. dem Anteil von 0,5 bis 5 Gew.-% enthält, um eine
Lochinjektion von der Vorspannungselektrode in die dicke photoleitende
Schicht zu minimieren, ohne die Elektronenleitungseigenschaften
der Schicht wesentlich zu verändern.
-
Die
geschichteten Plattenstrukturen der vorliegenden Erfindung erlauben
eine Umwandlung von Röntgenstrahlen
in ein latentes elektrostatisches Bild, welches anschließend durch
verschiedene Schemata ausgelesen werden kann. Zum Beispiel kann
ein derartiges Bild durch einen abtastenden Laserstrahl, einem Aktivmatrixpaneel
mit Mikrokondensatoren oder eine Anordnung bzw. Bank von elektrostatischen
Fühlern
bzw. Meßköpfen ausgelesen
werden.
-
Die
dünne unipolare
leitende Pufferschicht, welche aus mit Alkali dotiertem Selen hergestellt
ist, wird normalerweise eine Dicke zwischen etwa 0,5 µm und 10 µm aufweisen,
vorzugsweise zwischen etwa 1 µm
und 5 µm,
und die dicke photoleitende Schicht aus dotiertem amorphem Selen
wird normalerweise eine Dicke von zwischen etwa 100 µm und 2
mm, vorzugsweise zwischen etwa 200 µm und 500 µm aufweisen.
-
Die
Membran kann darüber
hinaus eine dünne
interstitielle bzw. Einlagerungspufferschicht aus amorphem Arsentriselenid
umfassen, welche normalerweise eine Dicke von zwischen etwa 0,5 µm und 10 µm, vorzugsweise
zwischen etwa 1 µm
und 5 µm, aufweist,
wobei die Einlagerungspufferschicht ihrerseits selbst zwischen dem
Substrat und der photoleitenden Schicht eingeschoben bzw. eingeschlossen ist.
-
Die
Einlagerungspufferschicht, welche oben erwähnt wurde, ist für den statischen
Modus einer Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung essentiell bzw. wesentlich,
da die La dungsneutralisation in diesem Modus durch die Injektion
von Löchern
von der Bodeneinlagerungspufferschicht in die Röntgenstrahlung absorbierende
photoleitende Schicht erreicht wird, wenn die angelegte Vorspannung
entfernt ist. Diese amorphe Arsentriselenid (a-As2-Se3) Bodenschicht erlaubt eine "Selbstwiederherstellung" der Platte und hat
andere intrinsische Vorteile, wie beispielsweise ein Blockieren
von Elektronen und ein Begünstigen
bzw. Unterstützen
einer Adhäsion
während
des thermischen Zyklierens der Vorrichtung.
-
Die
unipolare leitende Pufferschicht, welche oben erwähnt wurde,
ist essentiell für
die Bilderzeugung im dynamischen Modus, da sie so ausgelegt ist, um
jegliche überschüssige Ladungsinjektion
von der oberen Elektrode in das Bulkmaterial zu minimieren, bis
die Ladungsträger,
welche durch die Röntgenstrahlung
erzeugt wurden, die Raumladung in der Vorrichtung neutralisieren.
In einem derartigen dynamischen Modus wird die Vorspannungselektrode nicht
eine Schicht aus isolierendem dielektrischem Material wie im Fall
des statischen Modus umfassen, sondern wird lediglich aus einer
dünnen
Schicht von leitfähigem
Material bestehen, welche über
der unipolaren leitenden Pufferschicht aufgebracht ist. Es ist bevorzugt,
daß zusätzlich die
interstitielle bzw. Einlagerungsbodenpufferschicht aus amorphem
Arsentriselenid zur Verfügung
gestellt wird, welche oben bereits erwähnt wurde, um die zusätzlichen
Vorteile zu vermitteln, wie beispielsweise ein Blockieren von Elektronen
und ein Puffern der unterschiedlichen bzw. differentiellen thermischen
Expansion zwischen dem Substrat und dem Großteil der absorbierenden Schicht.
-
Die
dotierte amorphe Selenschicht wird verwendet, um die einfallende
Energie der Röntgenstrahlung
zu absorbieren und in elektrische Ladungen umzuwandeln, während die
Pufferschichten verwendet werden, um die Kompatibilität der Struktur gegenüber einer
großen
Vielzahl von Detektorkonfigurationen zu verbessern, wodurch diese
Erfindung zu jeglichen Direktumwandlungsbilderzeugungssystemen mittels
Röntgenstrahlung
generisch gemacht wird.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer mehrschichtigen Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung
zur Verfügung
gestellt, welches umfaßt:
- (a) ein Bereitstellen einer Platte eines Substrats;
- (b) ein Ablagern eines dicken photoleitenden Films aus dotiertem
amorphem Selen über
dem Substrat durch Verdampfen von dotiertem amorphem Selenmaterial
und Kondensieren des daraus resultierenden Dampfs;
gekennzeichnet
durch die Schritte eines
- (c) Aufbringens bzw. Ablagerns eines dünnen Films von alkalidotiertem
Selen auf dem photoleitenden Film durch ein Verdampfen einer alkalidotierten
Selenverbindung oder gemeinsames Verdampfen von Selen und einem
Alkalimaterial und Kondensieren des daraus resultierenden Dampfs auf
den photoleitenden Film aus dotiertem amorphem Selen und dem Einarbeiten
bzw. Inkorporieren von Arsen in den dünnen Film in der Menge von
0,5 bis 5 Gew.-%; und
- (d) Ausbildens einer leitenden Vorspannungselektrode direkt
auf dem Film aus alkalidotiertem Selen.
-
Wenn
auf die dünne
interstitielle bzw. Einlagerungspufferschicht oder den Film aus
amorphem Arsentriselenid bezug genommen wird, sollte verstanden
werden, daß dieser
norma lerweise durch ein thermisches Verdampfen von dotiertem Arsentriselenidmaterial
gebildet wird, dessen Zusammensetzung etwa 34-38 Gew.-% Arsen enthält und Dotierungsmaterialien,
wie beispielsweise Jod, Indium oder Gallium in Konzentrationen von
Teilen pro Million enthält, und
daher der a-As2Se3 Film
normalerweise ebensolche Dotierungsmittel enthält.
-
Die
zweite dünne
Pufferschicht oder. der dünne
Film, die bzw. der als unipolare bzw. einpolige leitende Schicht
bezeichnet wird, kann ebenso Arsen im Bereich zwischen 0,5-5 Gew.-%
enthalten, so wie ein Alkalielement, wie beispielsweise Li, K, Na
und H in einer Konzentration zwischen 1-1000 ppm oder eine gewisse Kombination
davon.
-
Die
dicke photoleitende Schicht von dotiertem amorphem Selen ist konventionell
und wird normalerweise aus amorphem Selen hergestellt, welches mit
Arsen und Chlor dotiert ist. Beispielsweise kann sie 0,2 % As und
10 ppm Cl enthalten.
-
Die
amorphe Arsentriselenid-Einlagerungspufferschicht, welche in Übereinstimmung
mit Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, stellt ein breites Prozeßfenster
zur Verfügung,
da die Tendenz einer a-As2Se3 Schicht
zu kristallisieren viel geringer jene der dotierten Selenschicht
ist. Darüber
hinaus hat die Arsentriselenid-Pufferschicht
die Fähigkeit,
die Spannung bzw. Beanspruchung zu reduzieren, welche aus der nicht abgeglichenen
thermischen Expansion zwischen der amorphen Bulk-Selenschicht und
typischen Substratmaterialien, wie beispielsweise Glas und Aluminium resultiert.
Darüber
hinaus erlaubt die amorphe Arsentriselenid-Pufferschicht, daß eine große Vielzahl
von Substratmaterialien verwendet wird, da sie die elektronischen
Eigenschaften des Substrats von der dotierten Selenschicht scheidet
bzw. trennt und nicht auf der elektrochemischen Wechselwirkung zwischen
den Materialien beruht, um die Eigenschaft eines Blockierens von
Elektronen zu erzeugen, aufgrund der Unfähigkeit für Elektronen, sogar eine sehr dünne (0,
5-10 µm)
Schicht von a-As2Se3 zu
durchqueren, welche auf hohe elektrische Felder über 15 V/μm vorgespannt ist.
-
Eine
weitere wichtige Eigenschaft von Ausführungsformen der Erfindung
ist die Fähigkeit
der amorphen Arsentriselenidschicht, eine ausreichende Menge an
positiver Raumladung in die dotierte amorphe Selenschicht zu injizieren,
um eine Neutralität der
Raumladung wiederherzustellen, wenn die angelegte Vorspannung von
dem Detektor entfernt wird.
-
Noch
ein weiteres Schlüsselelement
ist ein Bereitstellen einer lochblockierenden Schicht, welche auch
eine einpolige leitende Pufferschicht genannt wird, welche direkt
auf der dotierten amorphen Selenschicht vor einer Ablagerung von
jeglicher leitfähigen
Metallelektrode, wie beispielsweise Indium, Gold, Aluminium, Chrom
oder ITO (Indium-Zinn-Oxid) abgeschieden wird. Diese lochblockierende
Schicht muß von
ihrer Natur her einpolig sein, um Löcher zu fangen, welche von
der oberen Elektrode injiziert werden, aber Elektronen zu leiten, welche
von Röntgenstrahlen
in der dotierten amorphen Selenschicht erzeugt werden, um die Ansammlung
einer negativen Raumladung in der Vorrichtung zu vermeiden bzw.
zu verhindern.
-
Wie
bereits oben erwähnt,
werden in der bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung beide der
oben beschriebenen Pufferschichten in der Platte zur Bilderzeugung
mittels Röntgenstrahlung
verwendet.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
-
1 eine
Querschnittsansicht der mehrschichtigen Platte zur Bilderzeugung
mittels Röntgenstrahlung
in einem vergrößerten Maßstab ist;
-
2(a) eine Querschnittsansicht eines experimentellen
Prototyps ist, welcher für
Vergleichszwecke verwendet wird;
-
2(b) eine Querschnittsansicht eines anderen experimentellen
Prototyps ist, der für
Vergleichszwecke verwendet wird;
-
3 verschiedene
Mechanismen eines Versagens bzw. Fehlers an der Selen-Substrat-Grenzfläche illustriert,
wenn diese unter Spannung kommt;
-
4 ein
vergleichendes Diagramm von Plattenspannung gegen Plattentemperatur
für Vorrichtungen
ist, wie sie beispielsweise in 2(a) illustriert
sind;
-
5(a) Wellenformen einer Lochübergang-Photoleitfähigkeit
einer konventionellen Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung
illustriert;
-
5(b) vergleichende Wellenformen einer Lochübergang-Photoleitfähigkeit
einer Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert;
-
6(a) Messungen einer photoinduzierten Entladung
illustriert, welche die Elektronenblockierung einer konventionellen
Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zeigt;
-
6(b) vergleichende Messungen einer photoinduzierten
Entladung illustriert, um die Leistungsfähigkeit einer Elektronenblockierung
der neuen Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zu demonstrieren;
-
7 ein
vergleichender Plot von Dunkelstrom gegen Spannungseigenschaften
für eine
Vorrichtung ist, die in 2(b) illustriert
ist;
-
8(a) den Gesamtstrom als eine Funktion der Zeit
für eine
Vorrichtung, wie sie in 2(b) gezeigt
ist, ohne die Pufferschicht 22 illustriert; und
-
8(b) den Gesamtstrom als eine Funktion der Zeit
für eine
Vorrichtung, wie sie in 2(b) gezeigt
ist, mit einer Pufferschicht 22 illustriert.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In 1 wird
die bevorzugteste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert. Sie zeigt eine mehrschichtige
Platte 10, welche ein Substrat 12, welches in
diesem Fall als TFT Matrix (Dünnfilmtransistor)
gezeigt ist, und eine Vorspannungselektrode 14 umfaßt, welche
aus einer Hochspannungsvorspannungsstruktur hergestellt ist, welche
in der Lage ist, Spannungen von mehr als 500 Volt zu widerstehen.
Eine auf Selen basierende mehrschichtige Membran 16 ist
zwischen dem Substrat 12 und der Vorspannungselektrode 14 eingeschoben
bzw. eingeschlossen. Das Substrat 12 kann jedes gewünschte Substrat
sein, wie beispielsweise Aluminium, Glas, ein Dünnfilmtransistorfeld bzw. -array,
eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) und eine komplementäre Metalloxid-Halbleitervorrichtung (CMOS).
-
In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 1 illustriert
ist, um faßt
diese Membran eine energieabsorbierende und umwandelnde bzw. konvertierende
Schicht 18, welche auch eine photoleitende Schicht genannt
wird und welche aus dotiertem amorphem Selen hergestellt ist. Die
Schicht 18 ist ein dicker Film, welcher normalerweise eine
Stärke
bzw. Dicke von zwischen etwa 100 µm und 2 mm, vorzugsweise zwischen
etwa 200 µm
und 500 µm
aufweist, und allgemein im Stand der Technik bekannt ist. Diese
Schicht 18 ist zwischen zwei dünnen Pufferschichten 20 und 22 (gewöhnlich zwischen
etwa 0,5 µm
und 10 µm
dick) zwischengeschaltet bzw. eingeschlossen, welche das Wesentliche
der vorliegenden Erfindung sind bzw. darstellen.
-
Wie
bereits erwähnt,
könnte
die Erfindung lediglich die Pufferschicht 22 innerhalb
der Struktur enthalten, wie dies in 1 gezeigt
ist, aber in der bevorzugtesten Ausführungsform enthält sie ebenso die
Pufferschicht 20.
-
Letztendlich
wird eine elektrische Verbindung 24 zwischen dem Substrat 12 und
der Vorspannungselektrode 14 vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt,
um die benötigte
hohe Spannung während des
Betriebs der Vorrichtung zu verleihen.
-
Die
dotierte amorphe Selenschicht wird Eigenschaften aufweisen, wie
beispielsweise Absorption von Röntgenstrahlung,
Ladungserzeugung, Ladungstransport und Dunkelentladung, welche optimiert
sind, um einer gegebenen Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung zu entsprechen.
Von der amorphen Arsentriselenid (a-As2Se3) Einlagerungspufferschicht 20,
welche zwischen der dotierten amorphen Selenschicht 18 und
dem Substrat 12 eingeschlossen ist, wurde überraschenderweise
gefunden bzw. festgestellt, daß sie
Eigenschaften aufweist, welche die Struktur der neuen mehrschichtigen Platte
mechanisch stabil durch ein Fördern
bzw. Unterstützen
einer starken Adhäsion
bzw. Anhafturrg zwischen dem Substrat 12 und der Selenschicht 18 machen.
Diese Pufferschicht erlaubt es der Struktur auch, sich ohne Schwierigkeit
selbst wiederherzustellen, und verbreitert darüber hinaus erheblich das Prozeßfenster
bei der Herstellung, in welchem eine Kristallisation vermieden wird.
-
Die
zweite Pufferschicht 22, welche zwischen der amorphen Selenschicht 18 und
der Vorspannungsstruktur 14 eingeschlossen ist, ist eine einpolige
bzw. unipolare leitende Pufferschicht, welche aus alkalidotiertem
Selen hergestellt ist. Diese Schicht 22 ist derart ausgelegt,
daß der
Lochträgerbereich
stark herabgesetzt bzw. geschwächt
ist, um die Injektion von Löchern
von der Vorspannungselektrode 14 in die Volums- bzw. Bulk-Selenschicht 18 zu verhindern,
ohne die Elektronenleitungseigenschaften dieser Schicht signifikant
zu ändern.
Diese alkalidotierte Selenpufferschicht 22 enthält Arsen
in der Menge von 0,5-5 Gew.-%.
-
2(a) illustriert einen Querschnitt von Testvorrichtungen,
welche so gebaut wurden, daß sie sich
Detektoren von Röntgenstrahlung
von verringerter Größe annähern und
spezifisch die Vorteile der vorliegenden Erfindung verifizieren.
Die gleichen Bezugszeichen wie in 1 werden
benutzt, um die gleichen Elemente zu identifizieren. Wie in 2(a) gezeigt, wurde ein Glas Corning 7059TM Substrat 26, 1,1 mm dick, mit
einer leitenden bzw. leitfähigen durchsichtigen
Indium-Zinn-Oxid (ITO) Schicht 28 beschichtet, welche als
BaltraconTM bekannt ist und von Balzers
geliefert wird. Für
den Zweck eines Vergleichs wurde eine Hälfte des Substrats vor der
Verdampfung der amorphen Arsentriselenidschicht 20 abgedeckt
bzw. maskiert. Ein dünner
Film von a-As2Se3,
welcher eine Dicke von 3 µm
aufwies, wurde durch thermisches Verdampfen des dotierten Arsentriselenidmaterials
unter verringertem Druck von weniger als 1 × 10–5 Torr
ausgebildet. Die Zusammensetzung des Vorläufer- bzw. Precursormaterials war
34-38 Gew.-% Arsen, und enthielt andere Dotierungsmittel, wie beispielsweise
Jod, Indium oder Gallium in Konzentrationen in Teilen pro Million.
Das Material wurde von einem Schiffchen aus rostfreiem Stahl 304
verdampft, welches bei einer Temperatur zwischen 350-450 °C gehalten
wurde. Der dotierte Arsentriseleniddampf wurde auf den dafür vorgesehenen
Abschnitt der Substrate 26, 28 kondensiert und
bei einer Temperatur zwischen 30 und 190 °C gehalten. Unter den obigen
Bedingungen wurde eine gleichförmige
amorphe fehlstellenfreie Pufferschicht über der nicht-abgedeckten Hälfte des
Substrats erhalten. Die dotierte amorphe Selenschicht 18,
zwischen 200 und 500 µm
dick, welche hierin als die Röntgenstrahlen
absorbierende und Ladung umwandelnde Schicht dient, wurde dann von
einem zweiten Schiffchen aus rostfreiem Stahl, welches zwischen 230
und 280 °C
gehalten wurde auf die oben genannten Substrate verdampft, nachdem
die Abdeckung bzw. Maske entfernt wurde. Die Temperatur der Substrate
wurde konstant zwischen 50 und 90 °C während der Ablagerung dieser
zweiten Schicht gehalten. Eine isolierende dielektrische Schicht 30 einer Dicke
zwischen 30 und 150 µm,
beispielsweise aus Polycarbonat, Polyester oder Parylen wurde dann auf
die amorphe photoleitende Selenschicht laminiert oder aufgetragen.
Die Prototyp-Konfiguration wurde dann durch ein Verdampfen eines
dünnen
(10-50 nm) durchsichtigen bzw. transparenten leitenden Materials,
wie beispielsweise Gold, Platin, Aluminium oder Indium-Zinn-Oxid in einer
gemusterten Form auf das dielektrische Material vervollständigt, um
zwei unabhängige
Elektroden 32, 34 zu erzeugen. Diese oberen Elektroden
wurden an Stellen abgeschieden, so daß eine vergleichende Analyse
durchgeführt
werden konnte, um die Rolle der amorphen Arsentriselenid-Pufferschicht 20 unter
Bezugnahme auf den Stand der Technik zu illustrieren.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 2(b) illustriert
ist, wurde eine arsen- und
natriumdotierte Aluminiumlegierungs-Pufferschicht 22 auf
den dotierten amorphen Selendickfilm 18 auf der gleichen
Hälfte
des Substrats wie die Schicht 20 in 2(a) aufgedampft,
welche selbst ausgelassen wurde. Dies wurde von einem Schiffchen
aus rostfreiem Stahl durchgeführt,
welches bei einer Temperatur zwischen 230 und 270 °C gehalten
wurde. Die Substrattemperaturen während dieser Ver- bzw. Bedampfung
wurden zwischen 50 und 80 °C
gehalten. In diesem Fall wurde keine dielektrische isolierende bzw.
Isolationsschicht 30 benötigt und lediglich die beiden
unabhängigen
Elektroden 32, 34 wurden vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt.
-
Um
das erste Schlüssel-
bzw. Hauptelement dieser Erfindung hinsichtlich der Reduktion einer Grenzflächenkristallisation
zu illustrieren, wurden die Proben bzw. Muster, welche wie oben
in 2(a) hergestellt wurden, durch
Infrarot-Mikroskopiertechniken analysiert. Die Resultate dieser
Studie zeigten, daß der
Einschluß der
amorphen Arsentriselenidschicht 20 die Mikrokristallite
stark reduzierte, welche normalerweise an der Grenz- bzw. Zwischenfläche zwischen
der Selenschicht 18 und den Substratmaterialien 26, 28 (oder 12 in 1)
während
der Ablagerung der dotierten amorphen Selenschicht in Detektoren
wachsen, welche in Übereinstimmung
mit dem Stand der Technik hergestellt wer den. Durch die Anwesenheit
einer amorphen Arsentriselenidschicht 20, die in diesem
Fall eine Dicke von 3 µm
aufwies, konnte kein Hinweis auf Kristallite beobachtet werden, während auf
der anderen Seite bei dem Detektor ohne Pufferschicht eine schwerwiegende
Kristallisation an der Schnittstelle bzw. Grenzfläche beobachtet wurde.
Dieses Schlüsselelement
der Erfindung führt zu
einem Detektor für
Röntgenstrahlung
mit überlegener
Leistung, frei von durch einen Kristallit induzierte Bilderzeugungs-Artefakte.
-
Ein
weiteres wichtiges Element dieser Erfindung sorgt für eine verbesserte
mechanische Stabilität
des neuen bzw. neuartigen mehrschichtigen Röntgendetektors oder der Platte.
Ein derartiger Detektor kann unter speziellen Umständen, wie
beispielsweise Versand in Bedingungen kalten Wetters, einem Temperaturwechsel
bzw. -zyklieren unterzogen sein. Vor dieser Erfindung beeinflußte ein
Temperaturwechsel die mechanische Integrität der Vorrichtung ernsthaft
bzw. stark aufgrund eines Fehlabgleichs in den thermischen Expansionskoeffizienten
des Substratmaterials und der photoleitenden Selenschicht. Eine
physische Delaminierung bzw. Ablösung
der Selenschicht oder ein Bruch des Selenfilms würde manchmal auftreten. 3 illustriert
in (a) und (b), wie die Selen/Substrat-Grenzfläche durch unterschiedliche
thermische Expansion nach bzw. bei einem Abkühlen (Zugspannung bzw. -beanspruchung) oder
einem Aufheizen bzw. Erwärmen
(Druckspannung) der Vorrichtung unter Spannung geraten bzw. beansprucht
kann. Somit ist in (a) von 3 eine Illustration
bzw. Darstellung gegeben, wie die Grenzfläche zwischen dem Substrat 12 und
der dotierten Selenschicht 18 einer Druckspannung, und
in (b) durch einen Temperaturwechsel einer Zugspannung unterworfen
werden.
-
In
(c), (d) und (e) von 3 sind die verschiedenen Mechanismen
eines Versagens illustriert, welche auftreten, wenn die Scherbeanspruchung
nicht vermindert wird. Somit ist in (c) von 3 eine Delamination
bzw. Ablösung
der dotierten Selenschicht 18 von dem Substrat 12 gezeigt,
in (d) Risse oder Spaltungen in der dotierten Selenschicht 18,
und in (e) treten Sprünge 38 in
dem Substrat 12 als ein Resultat der in (a) und (b) von 3 gezeigten
Beanspruchungen auf.
-
Von
amorphen Selenschichten ist bekannt, daß sie sehr große thermische
Expansions- bzw. Ausdehnungskoeffizienten, vergleichbar mit Polymeren
haben. Andererseits haben Materialien, welche typischerweise als
Substratmaterialien verwendet werden, beispielsweise Aluminium oder
Glas, thermische Expansionskoeffizienten viel geringer als amorphes
Selen. Es wurde gefunden, daß die
thermische Expansion von Selen/Arsen-Legierungen sehr eng mit der
Arsenkonzentration verbunden ist. Die Verwendung einer amorphen
Arsentriselenid-Pufferschicht verringert die Scherbeanspruchung
an der Grenzfläche
insofern, daß der
lineare thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Pufferschicht mehr als
zweimal niedriger als derjenige der dotierten amorphen Selenschicht
ist und dem des Substratmaterials näher kommt. Der Einfluß davon
ist, daß die Beanspruchung
somit von der relativ schwachen Grenzfläche zwischen dem Substratmaterial
und dem dotierten amorphen Selenfilm zu der viel stärkeren Grenzfläche zwischen
der dotierten amorphen Selenschicht und der amorphen Arsentriselenid-Pufferschicht
verschoben bzw. übertragen
wird, wodurch die Haftungsfähigkeit
des Films erhöht
wird.
-
Um
diese Eigenschaft bzw. dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung
hinsichtlich der Fähigkeit der
Arsentriselenid-Pufferschicht
zu illustrieren, die Beanspruchung zu reduzieren, welche aus der
nicht abgeglichenen thermischen Expansion zwischen der dicken amorphen
Selenschicht und dem Substrat resultiert, wurde das folgende Experiment
durchgeführt:
zwei Testplatten wurden zielgerichtet bzw. bewußt hergestellt, eine wie in 2(a) gezeigt, welche die dünne Pufferschicht 20 aus
amorphem Arsentriselenid enthielt, und die andere ohne diese Pufferschicht 20.
Der Ablagerungsprozeß der
verschiedenen Schichten wurde bereits oben beschrieben. Anschließend wurden
diese beiden Testplatten einem Temperaturwechsel bzw. thermischen
Zyklieren unterworfen und ein herkömmliches Tencor FLX-2900TM Filmbeanspruchungs-Meßinstrument wurde verwendet,
um ihre jeweiligen Beanspruchungs-Temperatureigenschaften bzw. -charakteristika
aufzuzeichnen. Die erhaltenen experimentellen Resultate, die in 4 graphisch
dargestellt sind, zeigen, daß für eine gegebene
Temperaturdifferenz die Platte mit der Pufferschicht eine etwa fünfmal geringere
Beanspruchungsänderung
als die Platte ohne diese Pufferschicht zeigt. Dieses Resultat zeigt
an, daß die
Platte mit der Pufferschicht sehr viel weniger temperaturempfindlich
ist. Folglich würde,
insofern die mechanische Integrität der Platte (während einer
Handhabung, Lagerung und Versand) betroffen ist, die Verwendung
der Pufferschicht dem mehrschichtigen Detektor erlauben, thermischen
Schocks zu widerstehen, da die entsprechenden thermischen induzierten Beanspruchungswerte
nach wie vor niedrig genug wären,
um zu keinerlei Mechanismen eines Versagens der Platten zu führen, die
in 3(c), 3(d) und 3(e) illustriert sind.
-
Für auf Selen
basierende Systeme zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung, welche speziell
für einen
Betriebsmodus einer Momentaufnahme bzw. eines Schnappschusses ausgelegt
bzw. entwickelt sind, ist eine Wiederherstellungssequenz zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Bilderzeugungen mittels Röntgenstrahlung
immer notwendig, um die Raumladung zu eliminieren, welche sich in
der Selenschicht sammelt, welche das latente elektrostatische Röntgenbild
repräsentiert.
Vor dieser Erfindung wurde dieser Bildlöschschritt durch eine Serie
von Licht, Vorspannungssequenzen und manchmal Temperaturwechsel
bzw. -zyklieren erzielt. Diese externe Löschtechnik ist gewöhnlicherweise
beschwerlich und zeitraubend. Die vorliegende Erfindung stellt eine
mehrschichtige Detektorstruktur zur Verfügung, welche fähig ist,
jegliche verbleibende Raumladung zu eliminieren, welche sich in
der dotierten amorphen Selenschicht sammelt, und ist daher selbst
wiederherstellend.
-
Um
diese Eigenschaft der vorliegenden Erfindung zu illustrieren, wurde
eine konventionelle Vorrichtung zur Flugzeittransientenphotoleitfähigkeit verwendet,
um die Verteilung der internen Raumladung in der Prototypprobe zu
untersuchen, wie sie oben beschrieben wurde und in 2(a) gezeigt ist, nachdem sie einer typischen
Bilderzeugungssequenz mittels Röntgenstrahlung
unterworfen wurde. In der Flugzeitmessung wurde eine Hochspannungsvorspannung
an dem Röntgendetektorprototyp
angelegt, um ein gleichmäßiges elektrisches
Feld innerhalb der Selenschicht zu erzeugen bzw. zu generieren.
Ein kurzzeitiger (200 Picosekunden) hoch absorbierter (λ = 460 nm)
Lichtpuls, der von einem Stickstoff gepumpten Farblaser erzeugt
wurde, wurde auf die oberen Metallelektroden 32, 34 der
Probe fokussiert, was die Photoerzeugung von Ladungen nahe der oberen
Oberfläche der
Selenschicht bewirkte. Aufgrund der Polarität der angelegten Vorspannung wurden
Löcher
in den Hauptteil der Selenschicht mitgerissen, welches bewirkte,
daß ein
meßbarer
Strom in dem externen Schaltkreis floß. In der Abwesenheit jeglicher
Ladungseinfangung oder jeglicher Störung des internen elektrischen
Felds durch eine Raumladung sollte dieser Strom größenmäßig konstant
sein, bis die Löcher
die Gegen-Bodenelektrode erreichen, zu welcher Zeit der gemessene
Strom abrupt auf Null fallen sollte.
-
5(a) zeigt die Resultate an einer Vorrichtung,
welche nicht die amorphe Arsentriselenidschicht 20 enthielt,
während 5(b) die Resultate an einer Vorrichtung zeigt,
welche diese Pufferschicht enthielt. In diesen Figuren wird, wenn
auf E-6 bezug genommen wird, gemeint, daß diese Zahl mit dem Exponenten
-6 versehen ist. Die erste Loch-Photostrom-Wellenform,
die in 5(a) und 5(b) gezeigt
ist, demonstriert die Abwesenheit jeglicher wahrnehmbarer Raumladung
in irgendeiner Vorrichtung nach einem verlängerten Ruhen im Dunkeln. Vor
der Erfassung der zweiten Loch-Photostrom-Wellenform wurden die
Vorrichtungen mit Röntgenstrahlung
bestrahlt, um eine Bilderzeugungssequenz mittels Röntgenstrahlung
zu simulieren. Die zweiten Photostrom-Wellenformen in 5(a) und 5(b) zeigen
die Anwesenheit einer beträchtlichen,
durch Röntgenstrahlung
induzierten Raumladung an, welche sich an der Grenzfläche zwischen
der Selenschicht und dem dielektrischen Material in beiden Vorrichtungen
angesammelt hatte. Es sollte erwähnt
bzw. festgestellt werden, daß diese Raumladung
normalerweise das latente elektrostatische Bild in einer aktuellen
Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung repräsentieren
würde.
Die dritten Loch-Strom-Wellenformen in 5(a) und 5(b) wurden nach einem kurzzeitigen Kurz schließen der
oberen und Bodenelektroden miteinander erhalten. Die komplette Wiederherstellung
der Loch-Photostrom-Wellenform zu ihrem neutralen Zustand einer
Raumladung in 5(b) demonstriert das selbstwiederherstellende
Vermögen,
welches durch die amorphe Arsentriselenidschicht in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung bereitgestellt wird. In deutlichem Gegensatz
könnte
die Vorrichtung ohne Arsentriselenidschicht 20 sich selbst
nicht wiederherstellen, wie aus der dritten Strom-Loch-Wellenform
in 5(a) bewiesen wird. Der selbstwiederherstellende
Aspekt dieser Erfindung wird durch die amorphe Arsentriselenidschicht 20 bewirkt,
welche wie ein Lochspeicher bzw. Lochreservoir wirkt. Wenn die angelegte
Vorspannung über
die Vorrichtung entfernt wird, bewirkt die negative Raumladung an
der Selen/Dielektrikum-Grenzfläche,
daß das
interne Feld in der Selenschicht tatsächlich die Polarität umkehrt. Diese
Umkehr des internen Felds zieht positiv geladene Löcher von
der Pufferschicht 20 herein, bis das interne Feld auf Null
fällt,
an welchem Punkt die Vorrichtung in ihren neutralen Zustand der
Raumladung zurückgeführt wird.
Der Lochreservoireffekt der amorphen Arsentriselenid-Pufferschicht 20,
welcher durch die Anmelder entdeckt wurde, wird tatsächlich durch
zwei Effekte hervorgerufen: amorphes Arsentriselenid ist ein Material
mit höherer
Leitfähigkeit (10–15 Ω–1cm–1),
und diese erhöhte
Leitfähigkeit
wird einer erhöhten
Anzahl von freien Löchern
in dem Material zugeschrieben. Zusätzlich bildet der Übergang zwischen
dem amorphen Arsentriselenidmaterial und der Substratelektrode einen "endlichen bzw. finiten Injektor", welcher ausreichend
Ladung liefern kann, um die negative Raumladung zu neutralisieren.
-
Um
ein weiteres wichtiges Element dieser Erfindung zu illustrieren,
wurden Vorrichtungen wie oben beschrieben hergestellt mit der Ausnahme
der zuvor genannten dielektrischen und Metallelektrodenschicht.
Ein Hauptmerkmal eines guten auf Selen basierenden Röntgendetektors
ist, daß er
einen geringen Dunkelentladungsstrom zeigt, wenn er auf ein hohes
elektrisches Feld vorgespannt ist. Eine der Hauptkomponenten dieses
Dunkelstroms ist eine Elektroneninjektion aus dem leitenden Substratmaterial
in die amorphe Bulk-Selenschicht. Gute Detektoren müssen daher
so entworfen sein, daß dieser
Prozeß minimiert
wird. Um dieses Schlüssel-
bzw. Hauptelement der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden
Testvorrichtungen xerographisch durch ein Annähern der Elektroneninjektion
aus dem Substratmaterial durch einen Photogenerations- bzw. Photoerzeugungsprozeß getestet.
Die Prototypvorrichtungen wurden zuerst durch eine Corona-Vorrichtung
geladen, so daß die
blanke Oberfläche
der Selenschicht gegenüber
dem Substrat positiv vorgeladen bzw. vorgespannt wurde. Das Oberflächenpotential
der Selenschicht wurde anschließend
durch einen kontaktfreien elektrostatischen Fühler bzw. Meßkopf über eine
Periode von dreihundert Sekunden überwacht, um die Dunkelentladungseigenschaften
der Vorrichtung zu evaluieren bzw. zu beurteilen. Die Probe wurde
dann durch die Corona-Vorrichtung wieder aufgeladen, um eine starke
Elektroneninjektion von dem Substratmaterial durch ein Beleuchten
der Vorrichtung durch das transparente Substratmaterial anzunähern. 6(a) zeigt die xerographischen Resultate an einer
Probe, welche die amorphe Arsentriselenidschicht nicht enthielt.
Da das Oberflächenpotential
stark während
der Zeit wo Licht durch das Substrat gestrahlt wurde, aufgrund des Transports
von photoinjizierten Elektronen über
die Selenschicht abfällt,
illustriert dies, daß jegliche fälschliche
Ladungs injektion von dem Substratmaterial in die Selenschicht große lokale
Dunkelströme bewirken
wird. 6(b) zeigt den gleichen xerographischen
Test, der an einer Prototypvorrichtung durchgeführt wird, welche die Arsentriselenid-Einlagerungsschicht
enthält.
In diesem Falle wird jedoch die Beleuchtung der Vorrichtung durch
das hoch bzw. stark absorbierte Licht keine nennenswerte Entladung
der Vorrichtung, ungeachtet der Tatsache bewirken, daß das amorphe
Arsentriselenidmaterial auf die Wellenlänge des verwendeten Lichts
photosensitiv bzw. -empfindlich ist. Dieses Resultat ist überraschend
und wird durch den Umstand interpretiert, da in der Arsentriselenidschicht
photoerzeugte Elektronen tief eingefangen werden und nicht fähig sind,
die Vorrichtung zu entladen, selbst obwohl die Pufferschicht sehr
dünn ist.
Diese Studie demonstriert die Tatsache, daß die Einbeziehung der amorphen
Arsentriselenid-Pufferschicht den Röntgendetektor immun gegen fälschliche
Elektroneninjektion aus dem Substratmaterial insofern macht, als
die injizierte Ladung sofort tief in dem Arsentriselenidmaterial
eingefangen wird.
-
Schließlich bezieht
sich eine andere Eigenschaft dieser Erfindung auf die Notwendigkeit
in manchen Systemen zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung, Aufnahmen bei
Videogeschwindigkeiten bzw. -raten (30 Aufnahmen pro Sekunde) zu
erfassen. Die Einschaltzeit eines Röntgenstrahls beträgt typischerweise
einige Minuten in diesem Modus einer Bilderzeugung, welcher der
Modus der dynamischen Bilderzeugung genannt wird. Aufgrund des endlichen
bzw. finiten Elektronenbereichs von dotiertem amorphem Selen, typischerweise
10–5cm2/V wird sich eine negative Netto-Raumladung
in der Selenschicht aufgrund der langen Belichtungszeit und der besseren
Transporteigenschaften der Löcher
ansammeln. Diese negative Raumladung beeinflußt die Bilderzeugungsleistung
nicht nachteilig, vorausgesetzt, daß sie für einen Zeitmaßstab konstant
bleibt, welcher sehr viel länger
ist als der Zeitmaßstab
der Bilderzeugung. Die negative Raumladung kann sich aufgrund von
zwei Vorgängen
verändern – thermisches
Aufheben eines Einfangens der Elektronen und anschließendes Mitreißen oder
Injektion von Löchern
aus der oberen Vorspannungselektrode und Ladungsrekombination. Für Selen
ist der erstere Prozeß unwahrscheinlich,
insofern als die Elektroneneinfangtiefe 1,1 eV beträgt, welches
zu einer thermischen Freisetzungszeitkonstanten von mehreren Stunden
für die
eingefangenen Elektronen führt.
Eine obere Elektrodenstruktur, welche eine Lochinjektion minimiert,
ist daher in diesem Betriebsmodus notwendig. Die Verwendung einer
oberen einpoligen leitenden Pufferschicht, welche zwischen der dotierten amorphen
Selenschicht und der oberen Vorspannungselektrode eingeschlossen
ist, kann somit die obere Lochinjektion in die Hauptmenge bzw. den Bulk
der dotierten amorphen Selenschicht signifikant verringern.
-
Für diesen
Zweck wird eine alkalidotierte dünne
Selenpufferschicht mit einem Lochbereich von weniger als 10–10cm2/V direkt auf der bipolaren photoleitenden
Transport-Selenschicht abgeschieden. Eine obere leitende Elektrode
wird dann auf dieser Pufferschicht abgeschieden. Der extrem kurze
Lochbereich der oberen Pufferschicht stellt sicher, daß jedes
injizierte Loch von der oberen Elektrode in dieser Schicht gefangen
wird, wodurch es daran gehindert wird, sich mit der negativen Raumladung
in der Bulk-Selenschicht wiederzuvereinigen bzw. zu rekombinieren.
Dies erlaubt der negativen Raumladung, während der Einschaltzeit des
Röntgenstrahls unverändert zu
bleiben. Unter normalen Röntgenstrahlbedingungen,
wo die obere Elektrode positiv unter bezug auf die Bodenelektrode
vorgespannt ist, sollten die Elektronen und Löcher, welche in der amorphen
Selenschicht erzeugt bzw. generiert werden, beide die obere und
untere Elektrode erreichen, ohne eingefangen zu werden. Somit darf
die dünne alkalidotierte
Pufferschicht den Fluß von
durch Röntgenstrahlung
erzeugten Elektronen zur oberen Elektrode nicht unterbinden. Es
wurde in diesem Zusammenhang gezeigt, daß ein Dotieren von Selen mit
Li, Na und K lediglich den Lochbereich ernsthaft vermindert, wobei
der Elektronenbereich relativ unbeeinträchtigt belassen wird. In ähnlicher
Weise ist die vorher erwähnte
amorphe Arsentriselenid-Pufferschicht in einer Weise ausgelegt,
um den Lochbereich zu maximieren, um den durch Röntgenstrahlung produzierten
Löchern
zu erlauben, die untere bzw. Bodenelektrode zu erreichen.
-
7 zeigt
eine Graphik bzw. Darstellung der Dunkelstrom-Spannungseigenschaft einer Vorrichtung
mit einer einpoligen Pufferschicht 22, welche aus einem
mit Natrium dotierten Selenfilm hergestellt wurde, wie dies auf
der linken Seite von 2(b) gezeigt
ist, und ohne diese Schicht 22, wie dies auf der rechten
Seite von 2(b) gezeigt ist. Die Vorspannungselektroden 22, 34 bestanden
in diesem Fall aus Pd. Es kann aus dem Graphen in 7 (worin
pA Picoampere bedeutet) gesehen werden, daß sich die beiden Vorrichtungen
recht unterschiedlich bei starken bzw. hohen elektrischen Feldern
verhalten, wobei die Vorrichtung, die keine unipolare Pufferschicht aufweist,
einen viel größeren Dunkelstrom
aufweist. Dies wird einer feldunterstützten Emission von Löchern von
der Pd Elektrode 34 in den Selenfilm 18 zugeschrieben.
Einmal injiziert, tragen diese überschüssigen Löcher zu
dem großen
Dunkelstrom bei, welcher stark den intrinsischen Widerstand der
Vorrichtung übersteigt.
-
Andererseits
weist die Vorrichtung mit der einpoligen leitenden Pufferschicht 22,
welche zwischen der Vorspannungselektrode 32 und dem dotierten
amorphen Selenfilm 18 angeordnet ist, bei dem gleichen
elektrischen Feld einen sehr viel geringeren Dunkelstrom auf. Dies
wird durch den Umstand bewirkt, daß jegliche durch das Feld unterstützte Injektion
von Löchern
aus dem Elektrodenmaterial abrupt gestoppt wird, da diese Löcher sofort
mit dem mit Natrium dotierten Material gefangen werden. Einmal eingefangen,
verringern diese Löcher
tatsächlich das
elektrische Feld an der Elektroden-Grenzfläche, was wiederum dazu neigt
bzw. tendiert, die Lochinjektionsrate zu verringern.
-
Um
weiterhin zu illustrieren, wie die einpolige mit Natrium dotierte
Pufferschicht in einer Fluoroskopie vorteilhaft ist, wurde ein einfacher
Test durchgeführt,
wo der gesamte Strom, der von der Vorrichtung floß, in der
Gegenwart eines gepulsten Röntgenstrahls
mit einer Gesamtstrahleinschaltzeit von etwa 30 Sekunden gemessen
wurde. 8(a) zeigt den Gesamtstrom (Dunkelstrom
+ Röntgenstrahlungsstrom)
als eine Funktion der Zeit in der Vorrichtung ohne die einpolige
Pufferschicht, während 8(b) den Gesamtstrom als eine Funktion der Zeit
in der Vorrichtung mit der einpoligen Pufferschicht zeigt. Für die Vorrichtung,
die keine einpolige Pufferschicht aufweist, ist es offensichtlich
bzw. klar, daß der
Dunkelstrom, wie er während
des Intervalls zwischen den Röntgenpulsen
gemessen wird, im Wert während Gegenwart
der Röntgenstrahlen
zunimmt, und mehr als 30 Sekunden benötigt, um zu seinem vorherigen Wert
vor der Anwendung der Röntgenstrahlen
zurückzukehren.
Dieser erhöhte
Dunkelstrom kommt von der Lochinjektion von der oberen Elektrode,
um die durch die Röntgenstrahlung
erzeugte negative Raumladung in der Selenschicht zu neutrali sieren.
In einem Bilderzeugungsmodus wie einer Fluoroskopie äußert sich
diese Erholzeit des Dunkelstroms selbst in der Form einer Bildverzögerung,
insofern als ein überschüssiger Strom
in dieser Region des Detektors fortdauert, lange nachdem der primäre Photostrom
abgelaufen ist.
-
8(b) zeigt die Resultate des gleichen Tests, welcher
an der Vorrichtung mit der unipolaren Pufferschicht durchgeführt wurde.
Hier ist es offensichtlich, daß der
Dunkelstrom während
der Anwendung der Röntgenstrahlen
stabil bleibt. Wenn der letzte Röntgenpuls
vorübergeht,
fällt der
Strom abrupt auf den Dunkelstromwert der Vorrichtung, der vorlag,
bevor die Bestrahlung mit Röntgenstrahlung begann.
Diese neuartige Vorrichtung zeigt nicht die schädliche Bildverzögerung,
welche die vorherige Vorrichtung demonstrierte.
-
In 8(a) und 8(b) bedeutet
eine Bezugnahme auf E-9, daß diese
Zahl mit dem Exponenten -9 zu versehen ist.
-
Es
sollte verstanden werden, daß die
Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist,
welche oben beschrieben wurden, sondern daß viele Änderungen, welche für Fachleute offensichtlich
sind, durchgeführt
werden können, ohne
den Bereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.