JP2008089352A - 半導体放射線検出器および放射線検出装置 - Google Patents

半導体放射線検出器および放射線検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】検出特性が劣化するのを好適に防止することができる半導体放射線検出器および放射線検出装置を提供する。
【解決手段】半導体放射線検出器１は、カソードＣおよびアノードＡの電極で挟まれる半導体結晶１１ａがＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＴｌＢｒのうち少なくとも一つの半導体結晶を用いてなり、電極のうち少なくとも一方の電極は、複数の金属からなる積層構造とされており、第１層がＰｔまたはＡｕで形成され、第２層が第１層のＰｔまたはＡｕよりも硬度の低い金属から形成されていることを特徴とする。第２層はＩｎからなり、無電解メッキ法によって形成される。また、第２層の上に金属がさらに積層されて形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体放射線検出器および放射線検出装置に関するものである。
近年、放射線計測技術を応用した放射線検出装置として核医学診断装置が広く普及してきている。その代表的な装置が陽電子放出型断層撮像装置（ＰＥＴ撮像装置）、単光子放射断層撮像装置（ＳＰＥＣＴ撮像装置）、ガンマカメラ装置などである。これらの装置で主として使用されている放射線検出器はシンチレータと光電子増倍管とを組み合わせたものであるが、γ線等の放射線を検出する放射線検出器として、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＣｄＺｎＴｅ（カドミウム・亜鉛・テルル）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＴｌＢｒ（臭化タリウム）等の半導体結晶によって構成された半導体放射線検出器を用いた技術が注目されている。半導体放射線検出器は、放射線と半導体結晶との相互作用で生じた電荷を電気信号に変換する構成であるため、シンチレータを使用したものよりも電気信号への変換効率がよく、かつ小型化が可能である等、種々の特徴がある。
半導体放射線検出器は、前記の半導体結晶と、この半導体結晶の両面に形成された電極とを備えている。これら各電極間に直流高圧電圧を印可することにより、Ｘ線、γ線等の放射線が半導体結晶内に入射したときに生成される電荷を、前記電極から信号として取り出すようにしている。
電極の形成手法としては、真空蒸着法や無電解メッキ法等を用いることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−２４８５７８号公報
ところで、前記半導体放射線検出器の組立工程において、半導体結晶に設けられたアノード電極およびカソード電極の両側には、導電性接着剤を介して電極板が電気的に接着される。電極板を接着する際には、導電性接着剤による高い導電性を得るために、積層した電極板を両側から所定圧力で押圧するとともに、所定温度で加熱して乾燥している。
ここで、半導体結晶として使用されるＣｄＴｅ等は、軟らかく脆い材料であることが知られており、半導体放射線検出器の組立工程において、前記のように電極板を押圧して接着を行うと、半導体結晶に結晶転位が生じ易いという難点を有していた。
半導体結晶に対してこのような結晶転位が生じると、半導体放射線検出器の暗電流が増加し、半導体放射線検出器の検出特性が劣化するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、前記した課題を解決し、検出特性が劣化するのを好適に防止することができる半導体放射線検出器および放射線検出装置を提供することにある。
前記した課題を解決するため、本発明では、カソードおよびアノードの電極のうち少なくとも一方の電極は、複数の金属からなる積層構造とされ、第１層がＰｔまたはＡｕとされるとともに、第２層が第１層の金属よりも硬度の低い金属である、例えば、Ｉｎとされる構成とした。この構成によれば、半導体放射線検出器の組立工程において、第２層のＩｎが、これよりも硬いＰｔまたはＡｕの第１層の緩衝材として機能し、導電性接着剤を介して電極板を接着する際の押圧力を好適に緩和する。これによって半導体結晶に結晶転位が生じることがなく、半導体放射線検出器の検出特性の劣化を好適に防止することができる。
また、第２層のＩｎは、無電解メッキ法によって形成することにより、第２層の形成にあたって半導体結晶が高温に晒されることがなくなる。これによって、仮に、前工程において半導体結晶の他の電極側に対して電極を形成していたとしても、この電極が熱によって劣化することがない。したがって、検出特性の劣化を好適に防止することができる。
さらに、他方の電極にＩｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを用い、また、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを第１層とする２つ以上の組合せとする層とすることによって、半導体結晶の他方の電極を好適に機能させることができる。特に、Ｉｎを第１層とすることによって、電極としての機能と、電極板を接着する際の押圧力を緩和する緩衝材としての機能とを他方の電極にもたせることができる。したがって、検出特性の劣化を好適に防止することができる。
また、このような半導体放射線検出器を用いた放射線検出装置においては、半導体放射線検出器の検出特性の劣化が好適に防止されることによって、エネルギー分解能および位置分解能の精度を向上することができる。
本発明によれば、検出特性が劣化するのを好適に防止することができる半導体放射線検出器および放射線検出装置が得られる。
次に、本発明の半導体放射線検出器を適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１実施形態）
本実施形態の半導体放射線検出器（以下では単に、検出器という）１は、図１（ａ）に示すように、４枚の半導体素子１１と、半導体素子１１の間および半導体素子１１の両端に配置された電極板１２Ｃ，１２Ａとを有して積層構造とされている。
半導体素子１１は、図１（ｂ）に示すように、平板状に形成された半導体結晶１１ａを備え、その両側面の全面にわたって、薄い膜状の電極が形成されている。ここで、半導体素子１１の一方の面に形成された電極がカソード電極（以下、カソードという）Ｃであり、他方の面に形成された電極がアノード電極（以下、アノードという）Ａである。
半導体結晶１１ａは、放射線（γ線等）と相互作用を及ぼして電荷を生成する領域をなしており、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓ等のいずれかの単結晶をスライスして形成されている。本実施形態では、半導体結晶１１ａの１枚の厚さが１ｍｍ程度とされた矩形の薄板状体としてある。
半導体結晶１１ａとカソードＣとの接合は、オーミック接合であり、半導体結晶１１ａとアノードＡとの接合は、ショットキー接合である。
一方の電極としてのカソードＣは、積層構造とされており、本実施形態では、半導体結晶１１ａに被着される第１層がＰｔとされ、その上に被着される第２層がＩｎとされた２層構造とされている。ここで、第１層は、Ａｕとしてもよく、また、ＰｔやＡｕ等を主成分とする合金を用いることができる。また、第２層は、Ｉｎに限られることはなく、第１層に用いられる金属（Ｐｔ，Ａｕ）よりもそれぞれ硬度の低い金属であればよい。例えば、第２層に、Ｉｎ等を主成分とする合金（モース硬度：約１．２〜２．４）を用いることができる。
カソードＣの第２層を形成するＩｎは、無電解メッキ法によって第１層のＰｔの上（外側）に形成される。
また、カソードＣの第２層のＩｎの上にさらに電極として利用可能な他の金属を積層してもよい。また、第１層のＰｔの上に、電極として利用可能な他の金属を第２層として積層して、そのさらに上にＩｎを積層してもよい。
他方の電極としてのアノードＡは、本実施形態では単層構造とされており、Ｉｎによって形成されている。ここで、アノードＡは、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを用いて形成してもよく、また、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを第１層とする２つ以上の組合せからなる積層構造としてもよい。
ここで、このようなカソードＣおよびアノードＡを備えた半導体素子１１の製作工程を説明する。
はじめに、半導体結晶１１ａの一方の面に電子ビーム蒸着法によってＩｎを約１００ｎｍ被着してアノードＡを形成する。その後、他方の面に無電解メッキ法によってＰｔを約５０ｎｍ被着してカソードＣの第１層を形成する。
次に、カソードＣの第１層の上（外側）に無電解メッキ法によってＩｎを約１００ｎｍ被着してＩｎからなる第２層を形成する。ここで、Ｉｎの無電解メッキは、例えば、塩化インジウム６ｇ／Ｌ、チオ尿素５５ｇ／Ｌ、酒石酸４０ｇ／Ｌにより作成したメッキ液によって行う。
これによって第１層のＰｔに第２層のＩｎが積層されたカソードＣと、ＩｎからなるアノードＡを備えた半導体素子１１が得られる。
なお、前記したように、カソードＣの第１層，第２層の形成は、いずれも無電解メッキ法で行われるので、室温環境での形成が可能であり、蒸着法等によって行う場合のように、高温に晒されることがない。したがって、これより前の工程で形成されたアノードＡのＩｎに、熱による影響が及ぶことを防止することができる。
電極板１２Ｃ，１２Ａは、薄板状の部材であり、例えば、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、クロム、タンタルのうちの少なくともひとつから形成される。電極板１２Ｃ，１２Ａには、図１（ａ）（ｃ）に示すように、半導体素子１１よりも下側（図１（ａ）に示した配線基板２４側）に垂下される突出部１２ａ（１２ｂ）が設けられている。この突出部１２ａ（１２ｂ）は、検出器１を配線基板２４に電気的に取り付けるための固定部として機能する。なお、固定に際しては、図示しないはんだ等を用いて行われる。
このような半導体素子１１および電極板１２Ｃ，１２Ａを備えた検出器１は、図１（ｃ）に示すように、半導体素子１１を、カソードＣ同士およびアノードＡ同士が互いに向き合うように並列に配置し、電極板１２Ｃ，１２Ａを介して同じ種類の電極同士（カソードＣ同士、およびアノードＡ同士）を電気的に接続して構成される。すなわち、電極板１２Ｃは、一方で隣接する半導体素子１１の向かい合うカソードＣ間に配置され、導電性接着剤１４により、それぞれのカソードＣに取り付けられる。また、電極板１２Ａは、隣接する半導体素子１１の向かい合うアノードＡ間に配置され、導電性接着剤１４によりそれぞれのアノードＡに取り付けられる。さらに、検出器１の両端部分に位置する各カソードＣに電極板１２Ｃが導電性接着剤１４によって接着される。このように、検出器１は、カソードＣとアノードＡとが交互に配置され、電極板１２Ｃ，１２Ａも交互に配置されて構成される。
導電性接着剤１４としては、例えば、金属粉（銀）などの導電性粒子を有機高分子材料からなる絶縁性の樹脂バインダ中に分散したものが用いられる。通常、半導体素子１１と電極板１２Ｃ，１２Ａとを導電性接着剤１４により接着する際には、導電性接着剤１４を硬化させるために、検出器１の両端の電極板１２Ｃ，１２Ｃに、電極板１２Ｃ，１２Ｃの面に垂直な方向から、所定の力で押圧力が加えられ、およそ１２０〜１５０℃の高温の熱処理にて導電性接着剤１４を硬化することが行われる。このときの押圧力としては、例えば、半導体素子１１の１枚の面形状が５ｍｍ角である場合、９．８０６６５Ｎ程度とされる。
そして、検出器１は、図１（ａ）に示すように、配線基板２４上に設けられた、カソードＣ用の接続部材ＣＰに、カソードＣ側の電極板１２Ｃの突出部１２ａが接続され、また、配線基板２４上に設けられたアノードＡ用の接続部材ＡＰに、アノードＡ側の電極板１２Ａの突出部１２ｂが接続される。
次に、前記した検出器１を用いて構成される放射線検出装置３０について説明する。
放射線検出装置３０の検出器１は、図２に積層構造を簡略して示すように、カソードＣ用の電極板１２Ｃ側が接地され、アノードＡ用の電極板１２Ａ側が、直流高圧電源１５を介してアナログ計測回路４０に設けられた信号処理回路４０Ａに接続されている。直流高圧電源１５は、検出器１に電荷収集用の電圧５００〜８００Ｖを印加する。つまり、逆方向バイアス電圧（例えば、カソードＣがグラウンド電位で、アノードＡが＋５００Ｖ、即ち、カソードＣに対してアノードＡが５００Ｖ高くなるような逆方向印加電圧）がかけられている。
アナログ計測回路４０は、検出器１と接続されてこの検出器１から出力される放射線検出信号（γ線検出信号）を処理する信号処理回路４０Ａを有する。信号処理回路４０Ａは、１つの検出器１に対応して設けられている。このような信号処理回路４０Ａは、γ線検出信号に基づきγ線の波高値を求めることを目的として、チャージアンプ（前置増幅器）４１、極性アンプ（線形増幅器）４２、バンドパスフィルタ４３、および波高分析回路４４を備えている。そして、これらのチャージアンプ４１、極性アンプ４２、バンドパスフィルタ４３および波高分析回路４４がこの順に接続されている。
検出器１から出力されたγ線検出信号は、チャージアンプ４１、極性アンプ４２で増幅される。増幅されたγ線検出信号は、バンドパスフィルタ４３を経て波高分析回路４４に入力される。波高分析回路４４は、検出信号の最大値、つまり検出したγ線のエネルギーに比例したγ線検出信号の波高値を保持する。
信号処理回路４０Ａの波高分析回路４４から出力される信号は、アナログの波高値信号であり、ＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）１６でデジタル信号に変換される。ＡＤＣ１６は、変換した波高値のデジタル信号を、データ処理装置３３に出力する。データ処理装置３３は、入力された波高値ごとに波高値信号をカウントする。データ処理装置３３は、例えば、波高値（γ線のエネルギー）に対するそのカウント数（γ線のカウント数）の情報等を作成し、記憶装置（図示せず）に記憶させる。データ処理装置３３で作成された情報は表示装置３４で表示される。
ここで、放射線検出装置３０の作用について適宜図面を参照しながら説明する。γ線が検出器１の半導体素子１１に入射すると、半導体素子１１は、γ線と相互作用を及ぼし合うことによって、γ線が持つエネルギーに比例した数の正孔および電子が対になって生成される。アノードＡ用の電極板１２ＡとカソードＣ用の電極板１２Ｃとの間には、直流高圧電源１５より５００〜８００Ｖの電圧が印加されているため、正孔はカソードＣ用の電極板１２Ｃ側に移動し、電子はアノードＡ用の電極板１２Ａ側に移動する。そして、検出器１は、電極板１２Ａに収集された電子の量、つまり電荷の大きさによって、半導体素子１１に入射したγ線のエネルギーの大きさを示すγ線検出信号を出力する。
この検出器１より出力されたγ線検出信号は、チャージアンプ４１および極性アンプ４２で増幅され、バンドパスフィルタ４３を通過した後に波高分析回路４４に入力される。波高分析回路４４は、バンドパスフィルタ４３を通過したγ線検出信号を分析することによって、アナログの波高値信号を生成する。このアナログの波高値信号は、ＡＤＣ１６でデジタルの波高値信号に変換され、データ処理装置３３に出力される。
その後、データ処理装置３３は、入力された波高値信号に基づいて、検出器１で受けたγ線のエネルギーの大きさを表わす波高値を演算し、波高値（γ線のエネルギー）に対するそのカウント数（γ線のカウント数）の情報（例えば、γ線スペクトルのグラフ）を作成する。データ処理装置３３で作成された情報（γ線スペクトルのグラフ等）は表示装置３４に表示される。
ここで、本発明者らは、面形状が５ｍｍ角の半導体素子１１を積層して製作した検出器１を１０２４個用いて放射線検出装置３０を構成し、線源強度２５００ｋＢｑのセシウム１３７（１３７Ｃｓ）の６６２ｋｅＶγ線を使用して、その特性を測定した。この場合、１０２４個の検出器１から得た波高値信号に基づいて、エネルギー６６２ｋｅＶのγ線スペクトルを１０２４個得ることができる。そして、得られたγ線スペクトルの半値全幅を６６２ｋｅＶで規格化したものをエネルギー分解能として算出し、ヒストグラム化して特性を検討した。
その結果を図３に示す。図３に示す結果から、エネルギー分解能の平均値を求めたところ、２．１％という高いエネルギー分解能を得ることができた。
これに対して、第１の比較例として、次のような検出器を製作し、これを前記した放射線検出装置３０に用いて、同様に特性を測定した。
第１の比較例の検出器としては、カソードＣ側の電極をＰｔの単層で形成したものを使用した。つまり、第１の比較例の検出器では、本実施形態の検出器１のようなＩｎの第２層をカソードＣに形成せずに、Ｐｔからなる単層のカソードＣに、導電性接着剤１４を介して電極板１２Ｃを直接に押圧して製作した。
この場合も、面形状が５ｍｍ角の図示しない半導体素子を積層して製作した第１の比較例の検出器を１０２４個用いて放射線検出装置３０を構成し、線源強度２５００ｋＢｑのセシウム１３７（１３７Ｃｓ）の６６２ｋｅＶγ線を使用して、その特性を測定した。そして、得られたγ線スペクトルの半値全幅を６６２ｋｅＶで規格化したものをエネルギー分解能として算出し、ヒストグラム化して特性を検討した。
その結果を図４に示す。図４に示す結果から、エネルギー分解能の平均値を求めたところ、３．７％となり、本実施形態の検出器１に比べて、つまり、カソードＣの第２層としてＩｎを積層形成した検出器１に比べて、大幅なエネルギー分解能の低下が見られた。
ここで、このようなエネルギー分解能の低下の原因を調べるため、カソードＣの第２層としてＩｎを積層形成した場合と、形成しない場合との半導体結晶１１ａのカソードＣ付近の断面を透過電子顕微鏡で観察した。その結果の概略図をそれぞれ図５および図６に示す。
カソードＣ（Ｐｔ）付近の半導体結晶１１ａ（ＣｄＴｅ単結晶）の断面を観察すると、Ｉｎの第２層が積層形成された本実施形態の検出器１では、図５に示すように、結晶転位が見られなかった。
これに対して、Ｉｎを形成しない第１の比較例の検出器では、図６に示すように、数多くの結晶転位（左右方向に傾斜して走る線で表示）が見られた。
この違いは、カソードＣのＰｔのモース硬度が４．３であるのに対して、Ｉｎのモース硬度が１．２であり、Ｉｎの方が軟らかい性質を備えているため、このようなＩｎがカソードＣ側に使用された本実施形態の検出器１では、形成時の押圧力がＩｎによって好適に緩和されたためであると考えられる。このような検出器１では、半導体結晶１１ａに結晶転位が生じないので、入射されるγ線の吸収によって発生した電荷の電極への収集効率が好適に行われ、これによって、高いエネルギー分解能が得られたと考えられる。
これに対して、第１の比較例の検出器では、成形時の押圧力がＰｔを通じて半導体結晶１１ａに直接的に作用し、これによって、カソードＣ付近の半導体結晶１１ａに数多くの結晶転位が生じたものと考えられる。
そして、このような結晶転位が生じると、入射されるγ線の吸収によって発生した電荷の電極への収集効率が低下してしまい、前記結果のようにエネルギー分解能の低下を来したと考えられる。
また、第２の比較例として、次のような検出器を製作し、これを前記した放射線検出装置３０に用いて、同様に特性を測定した。
第２の比較例の検出器としては、カソードＣ側の第２層としてＩｎを積層形成するが、その形成方法は、無電解メッキ法ではなく電子ビーム蒸着法によって形成したものを製作した。なお、Ｉｎを電子ビーム蒸着法によって形成する時のカソードＣおよび半導体結晶１１ａの温度は、約２２０℃であった。したがって、無電解メッキ法によるＩｎの形成が前記したように室温環境で形成されることと比較して、晒される温度に大きな隔たりを生じた。
この場合も、面形状が５ｍｍ角の図示しない半導体素子を積層して製作した第２の比較例の検出器を１０２４個用いて放射線検出装置３０を構成し、線源強度２５００ｋＢｑのセシウム１３７（１３７Ｃｓ）の６６２ｋｅＶγ線を使用して、その特性を測定した。そして、得られたγ線スペクトルの半値全幅を６６２ｋｅＶで規格化したものをエネルギー分解能として算出し、ヒストグラム化して特性を検討した。
その結果を図７に示す。図７に示す結果から、エネルギー分解能の平均値を求めたところ、２．５％となり、本実施形態の検出器１のように無電解メッキ法によってＩｎを形成したものに比べて、エネルギー分解能の低下が見られた。
ここで、このようなエネルギー分解能の低下の原因を調べるため、カソードＣのＩｎを無電解メッキ法で形成した場合と電子ビーム蒸着法で形成した場合とのそれぞれにおける、アノードＡにかかる影響の程度を検証した。
手法としては、アノードＡのＩｎと、半導体結晶１１ａ（ＣｄＴｅ単結晶）とにおけるＩｎ、Ｃｄ、Ｔｅの原子数の比率を、アノードＡの表面からカソードＣへ向けての距離に対して分析することにより行った。分析の方法はＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法を用いた。
その結果を図８，図９に示す。図８がカソードＣのＩｎを無電解メッキ法で形成した場合であり、図９がカソードＣのＩｎを電子ビーム蒸着法で形成した場合である。
これらの図から明らかであるように、図９のＩｎを電子ビーム蒸着法で形成した場合には、図８の無電解メッキ法による場合に比べて、アノードＡのＩｎが半導体結晶１１ａのＣｄＴｅ単結晶中に深く、およそ４００ｎｍ近傍まで拡散していることが分かった。
これは、Ｉｎの融点が１５７℃であり、カソードＣのＩｎを電子ビーム蒸着法で形成する際に半導体結晶１１ａの温度が、これよりも高い約２２０℃に上昇したため、アノードＡを形成しているＩｎが半導体結晶１１ａ（ＣｄＴｅ単結晶）中に拡散したものと考えられる。このように、半導体結晶１１ａ（ＣｄＴｅ単結晶）中にＩｎが拡散すると、結晶欠陥を生成し、入射されるγ線の吸収によって発生した電荷の、電極への収集効率が低下する。これによって、エネルギー分解能が低下したものと考えられる。
以上説明した本実施形態の検出器１は、図１０に示すように、放射線検出装置としてのＰＥＴ撮像装置３０’に適用することができる。このＰＥＴ撮像装置３０’は、中央部分に円柱状の計測空間（計測領域）３１ａを有する撮像装置３１、被検体（被検診者）Ｈを支持して長手方向に移動可能なベッド３２、データ処理装置（画像情報作成装置：コンピュータ等）３３、および表示装置３４を主として備えて構成される。
撮像装置３１には、計測空間３１ａを取り囲むようにして、前記検出器１が配線基板２４（図１（ａ）参照）に多数搭載されたプリント基板Ｐが配置されている。
このようなＰＥＴ撮像装置３０’では、前記した放射線検出装置３０に用いられる直流高圧電源１５、アナログ計測回路４０、ＡＤＣ１６を備える他、図示しないデータ処理回路（デジタルＡＳＩＣ）等を備え、波高値、時刻、検出器１の素子ＩＤを有するパケットが作成され、この作成されたパケットがデータ処理装置３３に入力されるようになっている。
検査時には、各検出器１のアノードＡとカソードＣの間に直流高圧電源１５からの直流高電圧が印加され、被検体Ｈの体内から放射性薬剤に起因して放射されたγ線が、検出器１によって検出される。すなわち、ＰＥＴ用の放射性薬剤から放出された陽電子の消滅時に一対のγ線が約１８０°の反対方向に放出され、別々の検出器１で検出される。検出されたγ線検出信号は、該当するアナログ計測回路４０の信号処理回路４０Ａ（図２参照）に入力され、アナログ計測回路４０からＡＤＣ１６に入力されて前記したように信号処理が行われる。そして、図示しないデジタルＡＳＩＣによって、γ線を検出した検出器１の位置情報およびγ線の検出時刻情報がデータ処理装置３３に入力され、データ処理装置３３によって、１つの陽電子の消滅により発生した一対のγ線を一個として計数し、その一対のγ線を検出した２つの検出器１の位置をそれらの位置情報を基に特定する。また、データ処理装置３３は、同時計測で得た計数値および検出器１の位置情報を用いて、放射性薬剤の集積位置、すなわち悪性腫瘍位置での被検者Ｈの断層像情報（画像情報）を作成する。この断層像情報は表示装置３４に表示される。
このようなＰＥＴ撮像装置３０’によれば、エネルギー分解能および位置分解能の精度を向上することができる。
以下では、本実施形態において得られる効果を説明する。
（１）カソードＣは、第１層がＰｔとされ、第２層が第１層のＰｔよりも軟らかい（硬度の低い）Ｉｎとされた積層構造とされているので、検出器１の組立工程において、第２層のＩｎが、これよりも硬いＰｔからなる第１層に対して緩衝材として機能し、導電性接着剤１４を介して電極板１２Ｃ，１２Ａを接着する際の押圧力を好適に緩和することができる。これによって、半導体結晶１１ａに結晶転位が生じることがなくなり、検出器１の検出特性の劣化を好適に防止することができる。
（２）カソードＣの第２層のＩｎは、無電解メッキ法によって形成されるので、第２層のＩｎの形成にあたって半導体結晶１１ａが高温に晒されることがなくなり、前工程において半導体結晶１１ａのアノードＡ側に対して融点温度の低いＩｎが電極として形成されていたとしても、このアノードＡのＩｎおよびこれに接する半導体結晶１１ａが熱の影響を受けて劣化することがない。したがって、検出器１の検出特性の劣化を好適に防止することができる。
（３）アノードＡ側にＩｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを用い、また、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを第１層とする２つ以上の組合せとする積層構造とすることによって、半導体結晶１１ａのアノードＡ側の電極を好適に機能させることができる。特に、アノードＡをＩｎを用いた単層、あるいはＩｎを第１層とした積層構造とすることによって、Ｉｎに電極としての機能と電極板を接着する際の押圧力を緩和する緩衝材としての機能とを併せ持たせることができる。したがって、検出特性の劣化を好適に防止することができる。
（４）本実施形態の検出器１を用いたＰＥＴ撮像装置３０’においては、検出器１の検出特性の劣化が好適に防止されることによって、エネルギー分解能および位置分解能の精度を向上することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態である検出器を説明する。本実施形態の検出器１Ａは、図１１にその一部を示すように、カソードＣおよびアノードＡの両方の電極が積層構造とされており、ともに、第１層がＰｔとされ、第２層がＩｎとされた２層構造とされている点が異なっている。なお、半導体結晶１１ａは、第１実施形態と同様のものを使用しており、矩形の板状体を呈している。
ここで、このようなカソードＣおよびアノードＡを備えた半導体素子１１’の製作工程を説明する。
はじめに、半導体結晶１１ａの両方の面に無電解メッキ法によってＰｔを約５０ｎｍ被着してカソードＣおよびアノードＡの第１層をそれぞれ形成する。
その後、このようにして形成したカソードＣおよびアノードＡの第１層の上に、無電解メッキ法によってＩｎを約１００ｎｍ被着して、カソードＣおよびアノードＡの第２層をそれぞれ形成する。
Ｉｎの無電解メッキは、塩化インジウム６ｇ／Ｌ、チオ尿素５５ｇ／Ｌ、酒石酸４０ｇ／Ｌにより作成したメッキ液によって行う。
これによって半導体結晶１１ａの両方の面に、第１層がＰｔとされ、第２層がＩｎとされたカソードＣおよびアノードＡが形成される。
なお、前記したように、第１層，第２層の形成は、いずれも無電解メッキ法で行われるので、室温環境での形成が可能であり、蒸着法等によって行う場合のように、高温に晒されることがない。
このような半導体素子１１’および電極板１２Ｃ，１２Ａを備えた検出器１Ａは、前記実施形態と同様に、半導体素子１１’を、カソードＣ同士およびアノードＡ同士が互いに向き合うように並列に配置し、電極板１２Ｃ，１２Ａを介して同じ種類の電極同士（カソードＣ同士、およびアノードＡ同士）を導電性接着剤１４で電気的に接続して構成される（図１（ｃ）参照）。導電性接着剤１４の硬化時の押圧力は、例えば、半導体素子１１’の面形状が５ｍｍ角である場合、９．８０６６５Ｎ程度とされる。
このような検出器１Ａを用いて構成される放射線検出装置３０では、図１１に示すように、カソードＣ用の電極板１２Ｃ側が接地され、アノードＡ用の電極板１２Ａ側が、直流電源１５’を介してアナログ計測回路４０に設けられた信号処理回路４０Ａに接続されている。直流電源１５’は、検出器１Ａに電荷収集用の電圧６０〜１００Ｖを印加する。
なお、アナログ計測回路４０、ＡＤＣ１６、データ処理装置３３、表示装置３４は、前記実施形態と同一であるので詳細な説明は省略する。
ここで、本発明者らは、面形状が５ｍｍ角の半導体素子１１’を積層して製作した検出器１Ａを１０２４個用いて放射線検出装置３０を構成し、線源強度２５００ｋＢｑのセシウム１３７（１３７Ｃｓ）の６６２ｋｅＶγ線を使用して、その特性を測定した。この場合、１０２４個の検出器１Ａから得た波高値信号に基づいて、エネルギー６６２ｋｅＶのγ線スペクトルを１０２４個得ることができる。そして、得られたγ線スペクトルの半値全幅を６６２ｋｅＶで規格化したものをエネルギー分解能として算出すると、平均値は約６％であった。
これに対して、比較例として、カソードＣおよびアノードＡをＰｔの単層で形成した図示しない検出器を製作し、これを前記した放射線検出装置３０に用いて、同様に特性を測定した。つまり、比較例の検出器では、本実施形態の検出器１ＡのようなＩｎの第２層を形成せずに、電極板１２Ｃ，１２ＡをＰｔからなる単層のカソードＣおよびアノードＡに直接に押圧して製作した。
この場合も、面形状が５ｍｍ角の図示しない半導体素子を積層して製作した比較例の検出器を、１０２４個用いて放射線検出装置３０を構成し、線源強度２５００ｋＢｑのセシウム１３７（１３７Ｃｓ）の６６２ｋｅＶγ線を使用して、その特性を測定した。そして、得られたγ線スペクトルの半値全幅を６６２ｋｅＶで規格化したものをエネルギー分解能として算出した。すると、エネルギー分解能の平均値は約８％であり、前記のように第２層としてＩｎを形成した場合に比べてエネルギー分解能の低下が見られた。
このことから、Ｉｎの第２層を形成した検出器１Ａでは、Ｉｎの第２層が形成時の押圧力を緩和する緩衝材として機能し、半導体結晶１１ａに結晶転位が生じることが好適に防止されたと考えられる。これによって、入射されるγ線の吸収によって発生した電荷の電極への収集が妨げられず、所定のエネルギー分解能を備えた検出器１Ａが得られた。
なお、カソードＣおよびアノードＡの第１層は、Ｐｔで形成したものに限られることはなく、Ａｕで形成してもよい。また、第２層は、Ｉｎに限られることはなく、第１層に用いられる金属（Ｐｔ，Ａｕ）よりもそれぞれ硬度の低い金属であればよい。例えば、第２層に、Ｉｎ等を主成分とする合金（モース硬度：約１．２〜２．４）を用いることができる。
以上説明した第１，第２実施形態の検出器１，１Ａは、前記したＰＥＴ撮像装置３０’に限られることはなく、ガンマカメラ、単光子放出型断層撮像装置（ＳＰＥＣＴ撮像装置）に対しても用いることができる。
このＳＰＥＣＴ撮像装置５０を、図１２を参照して説明する。ＳＰＥＣＴ撮像装置５０は、一対の放射線検出ブロック５２，５２、回転支持台（回転体）５７、データ処理装置３５、および表示装置３４を備える。
放射線検出ブロック５２，５２は、回転支持台５７に周方向に１８０°ずれた位置に配置される。具体的には、それぞれの放射線検出ブロック５２，５２の各ユニット支持部材５６（一方のみ図示）が周方向に１８０°隔てた位置で回転支持台５７に取り付けられる。結合基板５３を含む複数の検出器ユニット５３Ａがユニット支持部材５６に着脱可能に取り付けられる。検出器１（または１Ａ）は、コリメータ５５で仕切られる領域Ｋに多段に複数配置される（不図示）。コリメータ５５は、放射線遮蔽材（例えば、鉛、タングステン等）から形成され、放射線（例えば、γ線）を通過する多数の放射線通路を形成している。全結合基板５３およびコリメータ５５は回転支持台５７に設置された遮光・電磁シールド５４内に配置される。遮光・電磁シールド５４はγ線以外の電磁波の検出器１等への影響を遮断している。
このようなＳＰＥＣＴ撮像装置５０では、放射性薬剤が投与された被検体Ｈが載っているベッド３２が移動され、被検体Ｈは、一対の放射線検出ブロック５２の間に移動される。回転支持台５７が回転されることによって、各放射線検出ブロック５２は被検体Ｈの周囲を旋回する。放射性薬剤が集積した被検体Ｈ内の集積部（例えば、患部）Ｄから放出されたγ線がコリメータ５５の放射線通路を通って対応する検出器１に入射される。そして、検出器１は、γ線検出信号を出力し、このγ線検出信号は、前記したアナログ計測回路４０（図３参照）等で処理され、その後、データ処理装置３５で、波高値（γ線のエネルギー）に対するそのカウント数（γ線のカウント数）の情報等が作成されて、その情報等が表示装置３４に表示される。
このような検出器１（１Ａ）を用いたＳＰＥＣＴ撮像装置５０においては、検出器１（１Ａ）の検出特性の劣化が好適に防止されることによって、エネルギー分解能および位置分解能の精度を向上することができる。
本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器を模式的に示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は半導体放射線検出器を構成する半導体素子の断面図、（ｃ）は分解斜視図である。 信号処理回路を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器によるエネルギー分解能をヒストグラム化した図である。 第１の比較例の半導体放射線検出器によるエネルギー分解能をヒストグラム化した図である。 本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器における半導体結晶のカソード付近の断面を透過電子顕微鏡で観察した模式図である。 第１の比較例の半導体放射線検出器における半導体結晶のカソード付近の断面を透過電子顕微鏡で観察した模式図である。 第２の比較例の半導体放射線検出器によるエネルギー分解能を示した図である。 本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器におけるアノードのＩｎと半導体結晶とにおけるＩｎ、Ｃｄ、Ｔｅの原子数の比率を、アノードの表面からカソードへ向けての距離に対して分析した結果の概略図である。 第１の比較例の半導体放射線検出器におけるアノードのＩｎと半導体結晶とにおけるＩｎ、Ｃｄ、Ｔｅの原子数の比率を、アノードの表面からカソードへ向けての距離に対して分析した結果の概略図である。 本発明の第１実施形態の半導体放射線検出器を適用した陽電子放出型撮像装置を示した概略構成図である。 本発明の第２実施形態の半導体放射線検出器を適用した陽電子放出型撮像装置の信号処理回路を示したブロック図である。 本発明の第１，第２実施形態の半導体放射線検出器を適用した単光子放出型断層撮像装置の概略構成図である。
符号の説明
１ 半導体放射線検出器（検出器）
１Ａ 検出器
１１ 半導体素子
１１’ 半導体素子
１１ａ 半導体結晶
１２Ａ 電極板
１２Ｃ 電極板
１４ 導電性接着剤
１５ 直流高圧電源
１５’ 直流電源
１６ ＡＤＣ
２４ 配線基板
３０ 放射線検出装置
３０’ ＰＥＴ撮像装置
３１ａ 計測空間
３２ ベッド
３３ データ処理装置
３４ 表示装置
４０ アナログ計測回路
４０Ａ 信号処理回路
５０ ＳＰＥＣＴ撮像装置
Ａ アノード
Ｃ カソード
Ｈ 被検体

Claims (8)

  1. カソードおよびアノードの電極で挟まれる半導体結晶がＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＴｌＢｒのうち少なくとも一つの半導体結晶を用いてなる半導体放射線検出器であって、
    前記電極のうち少なくとも一方の電極は、複数の金属からなる積層構造とされており、
    第１層がＰｔで形成され、
    第２層が前記第１層のＰｔよりも硬度の低い金属から形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。
  2. カソードおよびアノードの電極で挟まれる半導体結晶がＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、ＴｌＢｒのうち少なくとも一つの半導体結晶を用いてなる半導体放射線検出器であって、
    前記電極のうち少なくとも一方の電極は、複数の金属からなる積層構造とされており、
    第１層がＡｕで形成され、
    第２層が前記第１層のＡｕよりも硬度の低い金属から形成されていることを特徴とする半導体放射線検出器。
  3. 前記第２層はＩｎからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体放射線検出器。
  4. 前記一方の電極は、前記第２層の上に金属がさらに積層されてなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
  5. 前記第２層のＩｎは、無電解メッキ法によって形成されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体放射線検出器。
  6. 前記一方の電極とは異なる他方の電極は、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
  7. 前記一方の電極とは異なる他方の電極は、Ｉｎ、Ｔｉ、Ａｌのいずれかを第１層とする２つ以上の組合せからなる積層構造であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体放射線検出器を用いた放射線検出装置であって、
    複数の前記半導体放射線検出器が取り付けられた配線基板を有し、被検体を支持するベッドが挿入される計測領域を取り囲み、前記計測領域の周囲に配置された複数のプリント基板と、
    複数の前記半導体放射線検出器から出力された放射線検出信号を基に得られた情報を用いて画像を生成する画像情報作成装置と、を備えた放射線検出装置。
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