JP2003315464A - X線検出器 - Google Patents

X線検出器

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JP2003315464A JP2002120678A JP2002120678A JP2003315464A JP 2003315464 A JP2003315464 A JP 2003315464A JP 2002120678 A JP2002120678 A JP 2002120678A JP 2002120678 A JP2002120678 A JP 2002120678A JP 2003315464 A JP2003315464 A JP 2003315464A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アモルファス・セレン(a−Se)半導体厚
膜形成時に潜在的に生成される構造欠陥と、欠陥の電荷
捕獲中心への変化を最低限に抑えて、感度が劣化しない
大面積X線検出器を提供する。 【解決手段】 X線に有感な半導体層に、アルカリ金属
が0.01ppmから10ppmの範囲だけドーピングされた
アモルファス・セレン(a−Se)半導体厚膜4を用い
る。これにより、構造欠陥と欠陥の電荷捕獲中心への変
化が最低限に抑えられ、感度劣化の殆どないX線検出器
を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、医療分野、工業
分野、原子力分野等のX線を計測するためのX線検出器
に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体の両側に電極を形成し、前記電極
間に所定のバイアス電圧を印加して、X線入射によって
前記半導体内部に発生する電荷を、電気信号として検出
するX線検出器では、使用される半導体の材料が用途に
応じて種々の材料が使い分けられており、その製法も様
々である。一般的に、エネルギー分解能を要するX線検
出器の用途には、シリコン(Si)等の高純度単結晶半
導体が使用される傾向にある。
【0003】この中で、アモルファス・セレン(a−S
e)を用いたX線検出器は、真空蒸着法等の薄膜形成技
術を利用して容易に1000cm2以上のサイズの高抵抗
厚膜を得ることができ、大面積のX線計測が必要な分野
への用途として最適である。
【0004】しかし、このような方法で形成したアモル
ファス・セレン(a−Se)膜は、構造欠陥を多く含
む。そこで、性能を改善するために、適量の不純物を添
加(ドーピング)することが一般的に行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題が
ある。すなわち、上述した従来の装置では、単結晶半導
体と異なり、潜在的に構造欠陥が多数存在する。そのた
めX線入射によって半導体層に生成した電子・正孔の電
荷移動媒体(キャリア)がこれらに捕獲されるので、捕
捉されたキャリアを電気信号として取り出すことができ
ず、X線検出器の感度が劣化するという現象が起こる。
【0006】以下、上記の現象について図2を参照しな
がら具体的に説明する。なお、図2は、X線検出器の内
部構造を説明する図である。
【0007】アモルファス・セレン(a−Se)中の構
造欠陥には、図2(b)に示すように、再結合中心である
0と、D0がイオン化したD+(電子捕獲中心)および
-(正孔捕獲中心)とがある一定の比率で存在してい
る。この時のD+とD-の密度により、X線検出器の初期
の感度の値が決まることになる。この状態は以下の式で
表される。 2D0 → D+ + D-
【0008】この状態でX線が入射し、電子(e-)・
正孔(h+)の電荷移動媒体(キャリア)がアモルファ
ス・セレン(a−Se)中に発生すると、これらがまず
再結合中心D0に捕らえられ、それぞれがD-とD+に変
化する。こうしてD+とD-の密度が増加していくことに
よって、感度の劣化が生ずる。この関係は、次の2つの
式で表される。 D0 + e- → D-0 + h+ → D+
【0009】この発明は、アモルファス・セレン(a−
Se)中の構造欠陥を補償して、感度劣化のないX線検
出器を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、このような
目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわ
ち、請求項1に記載の発明は、半導体の両側に電極を形
成し、前記電極間に所定のバイアス電圧を印加して、X
線入射によって前記半導体内部に発生する電荷を電気信
号として検出するX線検出器において、前記半導体は、
アルカリ金属が所定の量だけドーピングされたアモルフ
ァス・セレン(a−Se)であることを特徴とするもの
である。
【0011】(作用・効果)図2(a)に示すように、X
線に有感な半導体層であるアモルファス・セレン(a−
Se)中に、イオン化傾向の大きいアルカリ金属Mが、
構造欠陥D0を補償する量に等しく添加(ドーピング)さ
れているため、アモルファス・セレン(a−Se)中の
構造欠陥は、再結合中心であるD0と、D0が負イオン化
したD-(正孔捕獲中心)だけである。この状態は以下
の式(1)で表される。
【0012】 2D0 + M → M+ + D- + D0 ・・・ (1)
【0013】この状態でX線が入射し、電子(e-)・
正孔(h+)の電荷移動媒体(キャリア)がa−Se中
に発生すると、電子は再結合中心D0に捕らえられ、D-
に変化し、正孔はD-に捕らえられてD0に変化する。こ
の関係は、次の2つの式(2),(3)で表される。
【0014】D0 + e- → D- ・・・ (2) D- + h+ → D0 ・・・ (3)
【0015】これらの式(2),(3)からわかるよう
に、電子の捕獲確率と正孔の捕獲確率が全く等しけれ
ば、D-の密度が増加していくことはなく、感度の劣化
は生じない。たとえ電子の捕獲確率が正孔の捕獲確率よ
りも大きく、D-の密度が増加していくことがあったと
しても、捕獲量が増加するのは正孔だけであり、電子の
捕獲量の増加は起こらないので、感度劣化の量は半分に
抑えられる。
【0016】また、上記のように構成されたX線検出器
は、X線が入射する側の電極が、正極、すなわち、電位
が高くなるようにバイアス電圧が印加されることが好ま
しい(請求項2)。
【0017】(作用・効果)X線が入射する側の電極
が、正極、すなわち、電位が高くなるようにバイアス電
圧が印加されているため、図3に示すように、X線入射
によって発生した電子はX線入射側に、正孔はその反対
側に移動する。また、X線と物質との相互作用の特徴と
して、物質の表面ほど反応が起こりやすいという性質が
あるため、X線入射によって発生する電子の多くはX線
入射面付近で発生し、かつ、移動方向がX線入射側の電
極方向であるため移動距離が短い。
【0018】したがって、電子が再結合中心D0に捕ら
えられずに電極に到達する確率が大きくなり、D-の増
加が最小限に抑えられる。こうして、電子の捕獲量の増
加が抑えられるだけでなく、正孔の捕獲量の増加も抑え
られ、感度劣化の殆どないX線検出器を得ることができ
る。
【0019】また、上記のよう構成されたX線検出器
は、ドーピングされたアルカリ金属の量が0.01〜1
0ppmの範囲であることが好ましい(請求項3)。な
お、より好ましくは0.05ppmから2ppmの範囲であ
る。
【0020】添加(ドーピング)されたアルカリ金属の量
が、0.01ppmから10ppmの範囲であるため、a−S
eの構造欠陥D0を補償する量にほぼ等しく、(1)式
の反応が確実に起り、感度劣化は抑えられる。
【0021】もし仮に、0.01ppmよりも少ない場合
には、アルカリ金属の効果が薄れて感度劣化が生じ、1
0ppmよりも多い場合には、アルカリ金属が単体で析出
する等の現象が起り、暗電流の増加や、感度の急激な低
下が起こる。
【0022】当然のことながら、この量の範囲内であっ
ても、アルカリ金属の種類と、蒸着温度や基板温度等の
成膜条件によって最適値が存在する。例えば、0.05
ppmから2ppmの範囲である。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
一実施例を説明する。図1ないし図4はこの発明の一実
施例に係り、図1は実施例に係るX線検出器の概略断面
図、図2は実施例のX線検出器の内部構造を説明する
図、図3はX線検出器の作用を説明する図、図4はX線
検出器の変形実施例を示す概略断面図である。
【0024】この実施例に係るX線検出器は、図1に示
すように、キャリア収集電極1と下部キャリア選択層2
とが形成されたガラス基板等の絶縁性の基板3上に、
0.01ppmから10ppmの範囲、より好ましくは0.0
5ppmから2ppmの範囲であるように、アルカリ金属が添
加(ドーピング)されたアモルファス・セレン(a−S
e)半導体厚膜4が形成され、a−Se半導体厚膜1の
上面には、上部キャリア選択層5を介して電圧印加電極
6が形成されている。
【0025】下部及び上部のキャリア選択層2,5は、
暗電流を抑えるためのものであり、電圧印加電極6に正
バイアスを印加する場合には、上部キャリア選択層5に
は、正孔の注入を制限するために、例えばCdSのよう
なn型の半導体層やSb23のような半絶縁層が用いら
れる。また、下部キャリア選択層2には、電子の注入を
制限するために、例えばAsSeのようなp型の半導体
層やSb23のような半絶縁層が用いられる。
【0026】この実施例に係るX線検出器は、電圧印加
電極6にバイアス電圧を印加して使用し、X線入射によ
ってアモルファス・セレン(a−Se)半導体厚膜4内
部に発生する電荷(電子・正孔)が、それぞれ両電極方
向に移動することによって誘起される電荷を、キャリア
収集電極1から電気信号として検出する。
【0027】アモルファス・セレン(a−Se)半導体
厚膜4の内部には、図2(b)に示すように、再結合中心
であるD0と、D0がイオン化したD+(電子捕獲中心)
およびD-(正孔捕獲中心)の3種類の構造欠陥が潜在
的に存在する。しかし、この実施例に係るX線検出器の
場合は、アモルファス・セレン(a−Se)半導体厚膜
4にはアルカリ金属Mが添加(ドーピング)されているの
で、図2(a)に示すように、D0とD-しか存在しない。
感度の値はD+,D-の密度によって決まるが、上記
(2)式に従ってX線照射によってD-が増加して行く
が、D+の増加はないので、X線検出器の感度の劣化は
半分に抑えられる。
【0028】さらに、X線入射側の電極すなわち、図3
においては電圧印加電極6の電位が、キャリア収集電極
1の電位よりも高くなるように正のバイアス電圧を印加
した場合は、図3に示すように、X線入射によって発生
した電子はX線入射側に、正孔はその反対側に移動す
る。また、X線と物質との相互作用の特徴として、物質
の表面ほど反応が起こりやすいという性質があるので、
X線入射によって発生する電子の多くはX線入射面付近
で発生し、かつ、移動方向がX線入射側の電極方向であ
るためその移動距離を短くすることができる。よって、
電子が再結合中心D0に捕らえられずに電圧印加電極6
に到達する確率は大きくなり、D-の増加が最小限に抑
えられる。その結果、X線検出器の感度劣化は殆どなく
なる。
【0029】この実施例に係るX線検出器を2次元マト
リックス状の複数チャネルに展開し、各キャリア収集電
極11に電荷蓄積用のコンデンサ12および電荷読み出
し用のスイッチ素子13を設けて2次元アレイ構成とし
た変形実施例の概略断面図を図4に示す。なお、構成に
よっては上述したX線検出器と同符号を付すことで詳細
な説明を省略する。
【0030】この変形例に係るX線検出器は、共通電極
として全面的に形成された電圧印加電極14にバイアス
電圧が印加された状態で、X線が照射された場合、それ
に伴って生成した電荷(電子・正孔)が両電極方向にそ
れぞれ移動し、X線の入射場所に応じたキャリア収集電
極11を介して接続された電荷蓄積用のコンデンサ12
に誘導電荷が蓄積されるとともに、読み出しタイミング
になった時に、ゲートドライバ15からゲートライン1
6を介してオン信号が送り込まれてスイッチ素子13が
オン(接続)となり、蓄積電荷が放射線検出信号として
読み出しライン17から電荷−電圧変換器群18および
マルチプレクサ19を順に経てデジタル信号として外部
に送り出されて、2次元のX線像を得る構成になってい
る。
【0031】このような2次元アレイ構成にした場合、
この発明に係るX線検出器の特徴が顕著に現れる。すな
わち、従来のX線検出器の場合は、X線の入射強度に応
じて感度劣化が起こるため、局所的な感度ムラが生じ、
その後に撮影する画質への影響が顕著に現れる。その一
方、この変形実施例に係るX線検出器は、アモルファス
・セレン(a−Se)半導体厚膜20にアルカリ金属が
添加(ドーピング)されており、電圧印加電極14に正バ
イアスを印加して使用するため、感度劣化が殆どなく、
感度ムラのような画質劣化は生じない。
【0032】上述したX線検出器と、その変形実施例に
おいて、アルカリ金属の例として、Li、Na、Kが代
表的であるが、この発明の作用で説明したように、イオ
ン化傾向が大きく、還元効果のある元素であれば、Ca
のようなアルカリ土類金属や、Hのような非金属元素を
ドーピングしても同様な効果が得られる。
【0033】<この発明品の測定データ及び従来例との
比較>次に、この実施例に係るX線検出器で、感度劣化
が改善されることを実際に確かめる。
【0034】サンプルは、以下の表1に示すように、ア
モルファス・セレン(a−Se)半導体厚膜20中にア
ルカリ金属Naをそれぞれ、0.01ppm、0.1ppm、
0.5ppm、1.0ppm、5.0ppm、10.0ppm添加
(ドーピング)した試験用1、試験用2、試験用3、試験
用4、試験用5および試験用6のX線検出器と、20.
0ppmのアルカリ金属Naをドーピングした比較用1の
X線検出器と、ノンドープのアモルファス・セレン(a
−Se)半導体厚膜を形成した比較用2の8つのX線検
出器である。なお、各X線検出器のアモルファス・セレ
ン(a−Se)半導体厚膜4の厚さは全て1mmであ
る。
【0035】
【表1】
【0036】試験用・比較用ともに、電圧印加電極6に
それぞれ±10kVのバイアス電圧を印加するととも
に、キャリア収集電極1に電流計を接続して、信号電流
が読み出せるようにした。この状態で、管電圧80k
V、管電流2.2mAの条件でアルミニウム製のフィル
ター1mmを通したX線を15分間連続照射し、信号電
流の変化を記録した。このときの信号電流の変化の例を
図5に示す。
【0037】比較用2のX線検出器は、正負バイアスと
もに指数関数的に信号電流が低下していくが、試験用3
のX線検出器は、正バイアスでは殆ど信号電流が変化せ
ず、負バイアスでも低下傾向が小さいことがわかる。な
お、表1中の信号電流劣化量ΔIは、X線照射直後の信
号電流と、15分後の信号電流の差、すなわち、感度劣
化量を表す。
【0038】上記の結果から、アルカリ金属Naのドー
プ量が0.01〜10.0ppmの範囲で信号電流劣化量
ΔIが小さく、感度劣化が少ないことがわかる。また、
負バイアスに比べて、正バイアスの感度劣化の方が小さ
いことがわかる。
【0039】また、同様にカリウム(K)を0.5pp
mドーピングした試験用7のX線検出器を作成し、信号
電流の変化を調べた。その結果を次の表2に示す。カリ
ウム(K)をドープしていない比較用2の検出器より
も、信号電流劣化量が明らかに小さいことがわかる。
【0040】
【表2】
【0041】また、リチウム(Li)を0.1ppmド
ーピングした試験用8のX線検出器を作成し、同様に信
号電流の変化を調べた。その結果を次の表3に示す。リ
チウム(Li)をドープしていない比較用2の検出器よ
りも、信号電流劣化量が明らかに小さいことがわかる。
【0042】
【表3】
【0043】これらの結果より、ナトリウム(Na)以
外のアルカリ金属をドーピングしても同様な結果が得ら
れ、感度劣化を抑制できることがわかる。
【0044】なお、この発明は上述した実施形態に限定
されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【0045】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明によれば、X線に有感な半導体層に、アルカリ金属が
0.01ppmから10ppmの範囲だけ添加(ドーピング)さ
れたアモルファス・セレン(a−Se)半導体厚膜を用
いているので、構造欠陥と欠陥の電荷捕獲中心への変化
が最低限に抑えられ、感度劣化の殆どないX線検出器を
得ることができる。
【0046】このような効果は2次元アレイ構成にした
時に顕著に現れ、局所的な感度劣化による感度ムラが生
じない大面積X線画像検出器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態であるX線検出器の構成
を示す概略断面図である。
【図2】この発明の一実施形態であるX線検出器の内部
構造を説明する図である。
【図3】この発明の一実施形態であるX線検出器の作用
を説明する図である。
【図4】この発明の変形実施例であるX線検出器の構成
を示す概略断面図である。
【図5】試験用3・比較用2の2つのX線検出器の信号
電流の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1,11 … キャリア収集電極 2 … 下部キャリア選択層 3 … 基板 5 … 上部キャリア選択層 6 … 電圧印加電極 12 … コンデンサ 13 … スイッチ素子 14 … 電圧印加電極 15 … ゲートドライバ 16 … ゲートライン 17 … 読み出しライン 18 … 電荷−電圧変換器群 19 … マルチプレクサ 4,20 … アモルファス・セレン(a−Se)半導
体厚膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 賢治 京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 佐藤 敏幸 京都市中京区西ノ京桑原町1番地 株式会 社島津製作所内 (72)発明者 中山 貴之 山梨県甲府市宮原町1014番地 山梨電子工 業株式会社内 (72)発明者 志村 陽一郎 山梨県甲府市宮原町1014番地 山梨電子工 業株式会社内 (72)発明者 島 和彦 山梨県甲府市宮原町1014番地 山梨電子工 業株式会社内 Fターム(参考) 2G088 EE01 EE29 FF02 GG21 JJ40 4M118 AA06 AA10 AB01 BA05 CA14 CB05 GA10 5F088 AA11 AB01 BA03 BB06 BB07 EA04 EA16 KA03 KA08 LA08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体の両側に電極を形成し、前記電極
    間に所定のバイアス電圧を印加して、X線入射によって
    前記半導体内部に発生する電荷を電気信号として検出す
    るX線検出器において、前記半導体は、アルカリ金属が
    所定の量だけドーピングされたアモルファス・セレン
    (a−Se)であることを特徴とするX線検出器。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のX線検出器において、
    X線が入射する側の電極が、正極、すなわち、電位が高
    くなるようにバイアス電圧が印加されることを特徴とす
    るX線検出器。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載のX線検
    出器において、ドーピングされたアルカリ金属の量が、
    0.01〜10ppmの範囲であることを特徴とするX線
    検出器。
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