JP2007109905A

JP2007109905A - 放射線検出器

Info

Publication number: JP2007109905A
Application number: JP2005299557A
Authority: JP
Inventors: Sumiko Fujisaki; 寿美子藤崎; Shigehisa Tanaka; 滋久田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】ＣｄＴｅ系材料を用いた放射線検出器の安定性および信頼性を向上させる。
【解決手段】Ｂｅが添加されたＣｄＴｅ系結晶を検出層に有する構造とする。或いは、Ｂｅが添加されたＣｄＴｅ系結晶、またはＢｅを含むII−VI族材料でＣｄＴｅ系結晶からなるＸ線検出層表面が保護された構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線等の高エネルギーの電磁波を検出する放射線検出器に関する。

従来、放射線検出器として用いられてきた半導体としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ等が知られている。中でもII−VI族化合物半導体であるＣｄＴｅは比較的大きな原子番号を持つため、Ｘ線阻止能が高く、キャリア輸送能力に優れ、Ｗ値（電子−正孔対を生成するために必要なエネルギー）が低いため、高感度であり高い検出効率を持つ。バンドギャップが１．４６ｅＶと大きいことから、ＣｄＴｅを用いた検出素子は冷却器を用いなくとも低暗電流での動作が可能である。よってＣｄＴｅは放射線検出器用材料として、長年に亘り研究が進められ、近年では、その結晶成長技術も向上し、結晶性の良いＣｄＴｅ結晶が製造されるようになった。例えば、ＣｄＴｅ単結晶を真空中や不活性ガス中で熱処理することにより放射線検出特性や均一性或いは再現性を向上させることができる（特許文献１、２）。

特開平５−２４３５９９号公報

特許２８５８５９８号公報

然しながら、ＣｄＴｅはII−VI族化合物半導体であるが故に、共有結合性よりもイオン結合性が強く、機械的強度が弱い、結晶中に欠陥を生成し易い、といった性質を有する。特にその表面は安定では無く、大気中でその表面はＣｄが脱離していくことが分かっている（非特許文献１）。Ｃｄが脱離した表面近傍では酸化が進み、結晶が劣化していくため、時間の経過と共に、検出器の暗電流が増大する等、初期の検出器特性を維持することが困難となる。

一方、Ｂｅを含むII−VI族化合物は従来のＣｄＴｅ等のII−VI族化合物結晶に比較して共有結合性が高くなる（非特許文献２）。従って、従来のイオン結合性が強いＣｄＴｅ等のII−VI族化合物結晶より安定な材料であると言える。しかし、Ｂｅ系II−VI族化合物結晶が、Ｘ線検出器として良好な性能を有するといったことは知られておらず、上記文献にもそのような示唆は無い。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、ＣｄＴｅ系材料を安定化させ、高信頼な放射線検出器を提供することにある。

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．６７，Ｎｏ．６（１９９０），ｐ．３１０７−３１１０ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ１８４／１８５（１９９８），ｐ．１０６１−１０６６

上述のように、今後、感度の良いＣｄＴｅ系結晶のＸ線検出器を実用化する上では、その経時的な安定性が課題になることから、ＣｄＴｅ系結晶を安定化する構造を検討することが必須である。そこで、課題を解決する手段として、発明者は、従来のＣｄＴｅ系結晶によるＸ線検出器の感度を損なうことなく、より経時的に安定なＸ線検出器を実現できる構成を案出した。すなわち、本発明のＸ線検出器は、Ｂｅが添加されたＣｄＴｅ系結晶を検出層に有する構造を持つ。或いは、Ｂｅが添加されたＣｄＴｅ系結晶、またはＢｅＣｄＴｅ等のＢｅを含むII−VI族材料でＣｄＴｅ系結晶からなるＸ線検出層表面が保護された構造を持つ。

本発明によれば、経時変化の少ない安定な放射線検出器用ＣｄＴｅ系結晶が得られ、高信頼な放射線検出器を作製することができる。

図１は本発明の実施の形態の一例を示す図である。この図１に示す放射線検出素子はＢｅＣｄＴｅ結晶１の表面にショットキ電極２を、裏面にオーミック電極３を形成したものである。ＢｅＣｄＴｅ結晶１が放射線の検出層となる。ここで、Ｂｅの濃度は１％としたが、０．０５〜２０％の範囲のいずれの濃度でも良い。また、検出層には更にＺｎを導入してＢｅＺｎＣｄＴｅとすることもできる。例えば、Ｚｎの濃度は１０％としたが、０．０１〜２０％でも良い。尚、検出層には高抵抗化のため、Ｃｌ或いはＩｎ、Ｇａ等の不純物が適量ドーピングされていても良い。ショットキ電極はＩｎを抵抗加熱蒸着、ＥＢ蒸着、スパッタリング等の方法で形成する。尚、ショットキ電極は、Ａｌ、Ａｕ等でも良い。オーミック電極は、無電解メッキによりＰｔ、或いはＡｕを形成する。電極形成方法は結晶との密着性が良ければ、他の方法によっても良い。また、表面と裏面共にオーミック電極を形成しても良い。

検出層として、高抵抗ＣｄＴｅ結晶を基板として、近接昇華法等の形成方法によって、ＣｄＴｅ結晶の全側面にＢｅＣｄＴｅを形成して用いることもできる。この場合、検出層の表面および裏面に電極を形成して作製した検出素子は、その全側面がＢｅＣｄＴｅで構成され、両電極とＣｄＴｅ結晶の間にＢｅＣｄＴｅ層が形成された構造となる（図２）。高抵抗ＺｎＣｄＴｅ結晶を用いた場合には、検出素子の全側面、および両電極とＺｎＣｄＴｅ結晶の間にＢｅＺｎＣｄＴｅ層が形成される。

検出層は上記以外にも、次のようにすることもできる。高抵抗ＣｄＴｅ結晶を基板として近接昇華法等の形成方法によってＣｄＴｅ結晶の全側面にＢｅＣｄＴｅ層を形成する。その結晶をスライスして切り出し、表面および裏面となったＣｄＴｅ結晶表面を電解研磨によって鏡面にする。側面はＢｅＣｄＴｅである。この検出層を用いた検出素子は、素子の全側面がＢｅＣｄＴｅで構成され、両電極はＣｄＴｅ結晶と接している（図３）。高抵抗ＺｎＣｄＴｅ結晶を用いた場合は、全側面はＢｅＺｎＣｄＴｅで構成され、両電極はＺｎＣｄＴｅ結晶と接している。

このようにして作製したＸ線検出素子の表面安定性を調べた結果を図４に示す。図４はフォトルミネッセンス法により測定した検出層の発光特性である。従来の、検出層がＣｄＴｅのみからなる構成においては、大気中に６ヶ月放置すると、図のように大幅に発光強度が低下し、表面が劣化したことを示している。これに対し、本発明のようにＢｅＣｄＴｅを表面層として用いて、ＣｄＴｅ表面を保護した場合には、発光強度の低下は緩やかであり、従来に比較して大幅な改善が見られた。

高抵抗ＣｄＴｅ結晶を基板として、ＭＯＣＶＤ法によって、ＣｄＴｅ結晶の表面にＢｅＴｅ／ＣｄＴｅ超格子層を形成する。成長温度は基板のＣｄＴｅ結晶が分解しないよう、２００℃程度の低温にする。表面への成長後、基板結晶の裏面にも同様にＢｅＴｅ／ＣｄＴｅ超格子層を成長する。表面、裏面への成長時に、ＣｄＴｅ基板結晶の全側面にもＢｅＴｅ／ＣｄＴｅ超格子層が成長される。基板両面への成長後、表面、裏面各々の成長面に電極を形成し、検出素子とする（図５）。

実施例１、２に示した検出層を用い、その表面と裏面に各々ｐ型層、およびｎ型層を設け、更にｐ型層とｎ型層に夫々電極を形成することにより、ｐ−ｉ−ｎ構造の検出素子とする。例えば、検出層が高抵抗ＢｅＣｄＴｅ結晶で構成される場合、その表面にｐ型ＢｅＣｄＴｅ層を形成し、裏面にｎ型のＢｅＣｄＴｅ層を形成し、それらの外側にＰｔ等の電極を形成した検出素子である（図６）。検出層として、高抵抗ＣｄＴｅ結晶の全側面と表面および裏面にＢｅＣｄＴｅ層が形成された結晶を用いる場合も同様である（図７）。また、検出層として、高抵抗ＣｄＴｅ結晶の全側面のみＢｅＣｄＴｅ層が形成された構造を用いる場合には、検出層の表面にｐ型ＣｄＴｅ層を形成し、裏面にｎ型ＣｄＴｅ層を形成し、それらの層に各々電極を形成した検出素子である（図８）。これら３つの例は、ＢｅＣｄＴｅをＢｅＺｎＣｄＴｅに、ＣｄＴｅをＺｎＣｄＴｅに置き換えたものとすることもできる。

図９は本発明の実施の形態の一例を示す図である。この図９に示す放射線検出素子はＢｅＣｄＴｅ結晶３３の表面にオーミック電極３２を、裏面にショットキ電極３４を形成したものである。ＢｅＣｄＴｅ結晶３３が放射線の検出層となる。検出層４は、更にＺｎを導入してＢｅＺｎＣｄＴｅとすることもできる。オーミック電極は、共通電極として、無電解メッキによりＰｔ、或いはＡｕを形成する。ショットキ電極は、パタンニングマスクを用いて、抵抗加熱蒸着、ＥＢ蒸着、スパッタリング等の方法によりＩｎやＡｌ等を形成し、分割電極とする。このように分割された電極をアレイ状に配列し、電荷の収集電極として用いることによって、空間分解能の高い放射線検出素子とすることができる。

図１０は、実施例１に示した検出素子を２次元のアレイ状に配列し、パネル状の検出器を構成したものである。バイアス電極３５に高電圧を印加し、放射線の入射によってＢｅＣｄＴｅ検出層３６に発生した電荷を画素電極３７を通して蓄積容量３８に一旦蓄積する。その後、ＴＦＴスイッチ３９のオン、オフによって蓄積容量に蓄えられた電荷を取り出し、画像化処理を行う。図では、配列した検出素子数は９個としたが、この限りではない。配列素子数を多くすることによって、より大面積のパネル検出器を構成できる。また、検出素子を実施例５に示したものとすれば、空間分解能を高めた検出器とすることができる。

図１１は、実施例１〜５に示した検出素子を用いて構成したＸ線ＣＴ装置の概略図である。スライス数は５１２としたが、この限りではなく、より多数のスライス数としても良い。検出器を構成する検出素子の信頼性が向上することにより、検出器としての信頼性は格段に向上する。

以上、説明したように、本発明によれば、経時劣化の少ない安定なＸ線検出器を提供できる。そのため、より信頼性の高いデータの取得が可能であり、本発明の応用が期待される医療等の応用分野では診断の確度の向上、検査等の応用では、よりエラーの少ないデータの取得等が期待できる。

本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明により得られる検出層と従来の検出層の発光強度の経時変化を測定した結果を示す図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。本発明の一実施例のパネル型放射線検出器の概観図。本発明の一実施例の放射線検出素子の断面図。

符号の説明

１ＣｄＴｅ結晶
２ショットキ電極
３オーミック電極
４電極
５ＢｅＣｄＴｅ層
６ＣｄＴｅ結晶
７電極
８電極
９ＢｅＣｄＴｅ層
１０ＣｄＴｅ結晶
１１電極
１２電極
１３ＢｅＴｅ／ＣｄＴｅ超格子層
１４ＣｄＴｅ結晶
１５電極
１６電極
１７ｐ型ＢｅＣｄＴｅ層
１８ＢｅＣｄＴｅ結晶
１９ｎ型ＢｅＣｄＴｅ層
２０電極
２１電極
２２ｐ型ＢｅＣｄＴｅ層
２３ＢｅＣｄＴｅ結晶
２４ｎ型ＢｅＣｄＴｅ層
２５電極
２６電極
２７ｐ型ＣｄＴｅ層
２８ＢｅＣｄＴｅ層
２９ＣｄＴｅ結晶
３０ｎ型ＣｄＴｅ層
３１電極
３２オーミック電極
３３ＢｅＣｄＴｅ結晶
３４ショットキ電極
３５バイアス電極
３６ＢｅＣｄＴｅ結晶
３７画素電極
３８蓄積容量
３９ＴＦＴスイッチ。

Claims

検出層の一部、或いは検出層の全体がＢｅＣｄＴｅで構成された放射線検出素子。
検出層の一部、或いは検出層の全体がＢｅＺｎＣｄＴｅで構成された放射線検出素子。
請求項１に記載の放射線検出素子において、ＣｄＴｅ結晶の表面と裏面に金属層が設けられ、その全側面にＢｅＣｄＴｅ層が設けられたことを特徴とする放射線検出素子。
請求項２に記載の放射線検出素子において、ＺｎＣｄＴｅ結晶の表面と裏面に金属層が設けられ、その全側面にＢｅＺｎＣｄＴｅ層が設けられたことを特徴とする放射線検出素子。
請求項３に記載の放射線検出素子において、ＣｄＴｅ結晶と表面、およびＣｄＴｅ結晶と裏面の間にＢｅＣｄＴｅ層が設けられたことを特徴とする放射線検出素子。
請求項４に記載の放射線検出素子において、ＺｎＣｄＴｅ結晶と表面、およびＺｎＣｄＴｅ結晶と裏面の間にＢｅＺｎＣｄＴｅ層が設けられたことを特徴とする放射線検出素子。
請求項１〜６に記載の放射線検出素子において、Ｂｅを含む結晶層のＢｅ濃度が０．０５％以上２０％以下であることを特徴とする放射線検出器。
検出層の一部、或いは検出層の全体がＢｅＴｅ／ＣｄＴｅの超格子で構成された放射線検出素子。
単位素子を１次元、或いは２次元に積層した放射線検出素子を用いる放射線検出器において、単位素子として請求項１から７に記載の放射線検出素子を用い、該素子を相互に接するように１次元、或いは２次元に積層したことを特徴とする放射線検出器。