DE69736095T2 - Mehrschichtige Platte zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • 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.

Claims (10)

  1. Mehrschichtige Platte (10) zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung, die aufweist: (a) ein Substrat (12); (b) eine Vorspannungselektrode (14) und (c) eine zwischen das Substrat (12) und die Vorspannungselektrode (14) geschichtete Membran (16) auf Selenbasis, wobei die Membran (16) eine dicke photoleitende Schicht (18) aus dotiertem amorphem Selen und eine aus einer einpoligen leitenden Schicht (22) aus alkalidotiertem Selen bestehende dünne Pufferschicht aufweist, die zwischen der photoleitenden Schicht (18) und der Vorspannungselektrode (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einpolige leitende Schicht (22) in direktem Kontakt mit der Vorspannungselektrode ist, und daß die leitende Schicht (22) Arsen in einem Anteil von 0,5 bis 5 Gew.-% enthält, um die Injektion von Löchern aus der Vorspannungselektrode (14) in die dicke photoleitende Schicht (18) zu minimieren, ohne die Elektronenleitungseigenschaften der Schicht (18) wesentlich zu verändern.
  2. Mehrschichtige Platte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (16) ferner eine dünne Einlagerungsschicht (20) aus amorphem Arsentriselenid aufweist, die zwischen der photoleitenden Schicht (18) und dem Substrat (12) angeordnet ist.
  3. Mehrschichtige Platte (10) nach Anspruch 1, wobei die photoleitende Schicht (18) eine Dicke zwischen 100 µm und 2 mm aufweist und die einpolige leitende Schicht (22) eine Dicke zwischen 0,5 µm und 10 µm aufweist.
  4. Mehrschichtige Platte (10) nach Anspruch 2, wobei die photoleitende Schicht (18) eine Dicke zwischen 100 µm und 2mm aufweist und die einpolige leitende Schicht (22) sowie die Einlagerungsschicht (20) eine Dicke zwischen 0,5 µm und 10 µm aufweisen.
  5. Mehrschichtige Platte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorspannungselektrode (14) aus einer Dünnschicht aus leitfähigem Material besteht.
  6. Mehrschichtige Platte (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, wobei die Einlagerungsschicht (20) aus amorphem Arsentriselenid außerdem Dotierungssubstanzen in einer Konzentration von Teilen pro Million (ppm) enthält, die aus Iod, Indium und Gallium ausgewählt sind.
  7. Mehrschichtige Platte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Pufferschicht (22) aus alkalidotiertem Selen mit mindestens einem der aus Li, K, Na und H ausgewählten Alkalielemente in einer Konzentration von 1-1000 ppm dotiert ist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen Platte (10) zur Bilderzeugung mittels Röntgenstrahlung, wobei das Verfahren aufweist: (a) Bereitstellung einer Platte aus einem Substat (12); (b) Aufbringen eines dicken photoleitenden Films (18) aus dotiertem amorphem Selen über dem Substrat (12) durch Verdampfen von dotiertem amorphem Selenmaterial und Kondensation des entstehenden Dampfes (12); gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (c) Aufbringen eines dünnen Films (22) aus alkalidotiertem Selen auf den photoleitenden Film (18) durch Verdampfen einer alkalidotierten Selenlegierung oder gemeinsames Verdampfen von Selen und einem Alkalimaterial und Kondensation des entstehenden Dampfes auf dem photoleitenden Film (18) aus dotiertem amorphem Selen und Beimengen von Arsen zu dem dünnen Film (22) in einem Anteil von 0,5 bis 5 Gew.-%; und (d) Ausbilden einer leitfähigen Vorspannungselektrode (14) direkt auf der Schicht aus alkalidotiertem Selen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der dicke photoleitende Film (18) direkt auf dem Substrat (12) abgeschieden wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, das zwischen den Schritten (a) und (b) das Aufbringen eines dünnen Films (20) aus amorphem Arsentriselenid auf das Substrat (12) durch thermisches Verdampfen von dotiertem Arsentriselenidmaterial unter vermindertem Druck von weniger als 1 × 10–5 Torr und Kondensation des entstehenden Dampfes auf dem Substrat, um eine gleichmäßige amorphe Schicht aus Arsentriselenid zu bilden, und anschließendes Aufbringen des dicken photoleitenden Films (18) auf den dünnen Film (20) aufweist.
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