JP2017198615A - 放射線検出器、及び放射線検出器の製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 クロストークを軽減することができる放射線検出器と、該放射線検出器の製造方法を提供すること。
【解決手段】 一軸方向に伸びる複数の部分で構成された第１の相領域と、該第１の相領域を取り囲む第２の相領域と、前記一軸方向に前記第１の相領域及び前記第２の相領域を挟んで、対向して配された一対の電極と、前記一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
前記第１の相領域を構成する第１の材料と、前記第２の相領域を構成する第２の材料とは、互いに共晶点を有する共晶材料で構成され、前記第１の材料は放射線に対して電流応答を示す半導体特性を示し、前記第２の材料は絶縁性特性を示す放射線検出器。
【選択図】 図１

Description

本発明は放射線検出器、及び放射線検出器の製造方法に関する。

医療用や工業用の放射線検出器において、アモルファスセレン、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＨｇＩ_２、ＰｂＩ_２、ＢｉＩ_３、ＴｌＢｒなどの半導体を検出層として用いた直接変換型の放射線検出器が知られている。直接変換型の放射線検出器においては、放射線によって検出層内で生成された電荷（キャリア）の面内方向への拡散によって、キャリアが生成箇所直下の画素電極で検出されずに、隣接する画素電極で検出されることがある。このように、キャリアが生成直下の画素以外の画素で検出されるとクロストークとなり、放射線検出器の解像度の低下につながる。

特許文献１には画素電極が配置された回路基板上に、検出層の成膜と絶縁体の成膜を繰り返し行い、画素間に絶縁体が配置された構成とすることで、隣接画素間におけるキャリアのやり取りを抑制する手法が記載されている。特許文献１に開示された放射線検出器を図６（ａ）、図６（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）において回路基板１１０上には、薄膜トランジスタ１１６、蓄積コンデンサ１１７と画素電極１１９が形成されており、画素電極１１９の反対側には光導電層であるＰｂＩ_２層１２１を間に挟んでバイアス電極２３と絶縁層１２４が形成されている。１２２は絶縁性材料であるＣｓＩ層であり、ＣｓＩ層１２２とＰｂＩ_２層１２１上には、Ｘ線グリッド遮蔽部１２５がバイアス電極２３と絶縁層１２４とを挟んで形成されている。ここで１２０ａは、Ｘ 線の照射を受けてＰｂＩ_２層１２１内で生起される電荷である。特許文献１では、隣接する光導電層１２１間に絶縁性材料１２２を設けることで、隣接画素からのリーク電流を抑制できるとしている。

特開２００７−１０３８４７号公報

図６（ｂ）は、図６（ａ）の放射線検出器の製造方法を示す図である。ここでは、複数の画素電極１１９の直上をさけてマスク１３０を配置し、真空蒸着法によりＰｂＩ_２層１５０を画素電極１１９上に形成することを示している。また、絶縁性材料１２２の形成については、画素電極１１９の直上にマスクを配置して真空蒸着法によりＣｓＩ層を形成することを開示している。特許文献１に記載の放射線検出器の製造においては、形成しようとする層のアスペクト比の関係から検出層であるＰｂＩ_２層と絶縁体であるＣｓＩ層の成膜を少しずつ多数回（数十回）行う必要があり、そのため、その製造方法は多工程に渡ってしまう。

そこで本発明は、特許文献１に記載されている放射線検出器よりも容易に製造可能な、クロストークを軽減することができる放射線検出器と、該放射線検出器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の放射線検出器は、一軸方向に伸びる複数の部分で構成された第１の相領域と、該第１の相領域を取り囲む第２の相領域と、前記一軸方向に前記第１の相領域及び前記第２の相領域を挟んで、対向して配された一対の電極と、前記一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
前記第１の相領域を構成する第１の材料と、前記第２の相領域を構成する第２の材料とは、互いに共晶点を有する共晶材料で構成され、前記第１の材料は放射線に対して電流応答を示す半導体特性を示し、前記第２の材料は絶縁性特性を示すことを特徴とする。

本発明は、放射線検出器の製造方法を包含する。本発明の放射線検出器の製造方法は、互いに共晶点を有する共晶材料で構成される第１の材料と、第２の材料と、を共晶組成で溶融させて融液を形成する工程と、前記融液を凝固させて一軸方向に伸びる複数の部分で構成され前記第１の材料を含んで半導体特性を示す第１の相領域と、該第１の相領域を取り囲み前記第２の材料を含んで絶縁性特性を示す第２の相領域と、を形成する工程と、前記一軸方向に前記第１の相領域及び前記第２の相領域を挟んで、互いに対向する位置に一対の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によると、特許文献１よりも容易に製造可能な、クロストークを軽減することができる直接変換型の放射線検出器と、該放射線検出器の製造方法を提供することができる。また、本発明の放射線検出器は共晶材料を用いて形成されていることから、第１の相領域と第２の相領域の境界を明瞭に形成することが可能となっている。つまり、放射線検出部分となる第１の相に第２の相の材料が混入し難いため、良好な放射線検出特性が得られるという効果が奏される。

本発明による放射線検出器の一例を模式的に示した図 本発明における第１の相領域と第２の相領域を模式的に示した図 本発明における一軸方向に伸びる第１の相領域及び第２の相領域を形成する工程の一例を模式的に示した図 実施例１で作製した第１の相領域及び第２の相領域の光学顕微鏡像 本発明に適用可能な共晶点を有する共晶材料の平衡状態図の例 背景技術における放射線検出器を説明する図

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明をする。図１は本発明による放射線検出器の一例を模式的に示した図である。検出層１０は、放射線の検出に供される層であり、一軸方向（図１における上下方向）に伸びた複数の部分で構成された第１の相領域１１と、それらを取り囲むマトリックス部分を構成する第２の相領域１２からなっている。本願においては、一軸方向に伸びた複数の部分で構成された第１の相領域１１と、それらを取り囲むマトリックス部分を構成する第２の相領域を一軸相分離構造体と呼ぶがこれについては、後述する。図１においては、一軸方向に第１の相領域及び第２の相領域を挟んで、対向して配された一対の電極を有している。即ち、検出層１０の上面には共通電極１４が配置されており、下面には複数の画素電極１５が配置されている。１３は一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段であり、共通電極１４に接続されている。画素電極１５はその領域内に第１の相領域１１を構成する複数の部分（相）の端部が画素電極１５と接するように配置されており、更に各画素電極１５は回路基板１６と電気的に接続がなされている。回路基板１６は画素電極１５毎に信号を蓄積して読み出すことが可能な不図示の蓄積容量、及びＴＦＴ（薄膜トランジスタ）アレイを備えている。

第１の相領域１１は、放射線を吸収することでキャリア（電荷）を生成し、電極間に印加した電圧により生じる電界方向にキャリアが移動することで電流応答を示す半導体材料（半導体特性を示す材料）からなっている。一方、第２の相領域１２は第１の相領域１１とは異なり、放射線に対して電流応答を示さない絶縁体材料（絶縁性特性を示す材料）からなっている。このような構成とすることで、検出層１０に放射線１７が入射すると、共通電極１４と画素電極１５の間に印加された電圧により、第１の相領域で生成されたキャリアが信号として検出される。また、第１の相領域１１を取り囲む第２の相領域１２は放射線に対して電流応答を示さない絶縁体材料からなっているため、第１の相１１で生成されたキャリアの一軸方向と垂直な面内方向（図１における左右方向）への拡散が抑制される。従って、キャリアが生成直下の画素以外の画素で検出されるクロストークが抑制され、放射線検出器の解像度の低下を抑制することができる。

次に、検出層に用いる一軸相分離構造体について説明をする。図２は本発明における一軸相分離構造体を模式的に示した図である。本明細書中における一軸相分離構造体とは、一方向に成長した複数の部分で構成された第１の相領域１１と、それらを取り囲むマトリックス部分を構成する第２の相領域１２からなっている。第１の相領域１１を構成する複数の部分の断面構造は円形に限らず、楕円形、四角形、複数の結晶面から構成された多角形などであってもよい。また、ラメラ状の断面形状であってもよい。本発明では、このような一軸相分離構造体を作製するにあたり、二元系共晶材料における相分離を利用する。共晶材料とは平衡状態図において共晶点を有する材料系を指し、共晶点とは液相から二種の固相が同時に析出する点を表す。後述する図５を参照すると共晶点は図５における点Ｅである。本発明では、第１の相領域１１を構成する材料と第２の相領域１２を構成する材料が共晶材料であり、これらの材料を共晶組成で混合して加熱溶融した後、冷却しながら一軸方向に凝固することで一軸相分離構造体を作製する。一軸方向に凝固する手法としては、例えばブリッジマン法やチョクラルスキー法など単結晶成長で用いられる手法が適用可能である。この際、第１の相は融液と固相の界面（固液界面）に対して垂直方向に成長するため、一方向に第１の相を成長させるには固液界面を平坦にするように温度勾配を調整することが好ましい。具体的には固液界面における温度勾配が３０℃／ｍｍ以上の条件で行うことが好ましい。

図３はブリッジマン法を用いて本発明における一軸相分離構造体を作製する工程を模式的に示した図である。まず図３（ａ）のように第１の相領域を構成する材料Ａ（第１の材料）と第２の相領域を構成する材料Ｂ（第２の材料）を共晶組成で混合した原料を石英管３１に封入し、縦型の電気炉３２内で加熱溶融することで原料を融液３３にする。石英管３１内の雰囲気はアルゴンや窒素など原料と反応しないガスにしておくとよい。その後、図３（ｂ）のように駆動装置３４を用いて電気炉３２の内部から外部へと石英管３１を移動させていくと、温度勾配の急峻な電気炉３２の出口付近において融液３３の温度が共晶温度以下になり、融液３３が凝固して固相３５が形成されていく。十分な温度勾配が得られ難い場合、電気炉３２の出口に水冷機構を設けるなどしてもよい。固液界面３６を平坦に保った状態で石英管３１を移動させ続けることで、固液界面３６に対して垂直方向に成長した材料Ａからなる複数の部分と、それらを取り囲む材料Ｂからなるマトリックス部分に相分離した図２のような一軸相分離構造体が得られる。

また、第１の相領域からなる部分の直径及び周期は溶融部分の凝固速度に依存し、特に周期に関しては次式の相関があるとされる。周期をλとし、凝固速度をｖとすれば、λ^２・ｖ＝一定である。従って石英管３１の移動速度を制御して凝固速度を変化させることで、周期や直径をある程度調整することが可能である。ここで周期とは、第１の相領域からなる部分の中心間の平均的な間隔である。本発明で第１の相領域１１を構成する各部分は、図２に示すように、柱状部を有する（柱状形状）ことが好ましい。本発明においては、柱状部の直径２５は、５０ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲とすることが好ましく、より好ましくは、２００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲とされる。また、各部分（柱状部）の位置する周期２７は、５００ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲とするのが好ましく、より好ましくは、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とされる。即ち、複数の柱状部は、第２の相をマトリックスとして一軸方向と垂直な面内方向の略周期的な位置に存在させるのが好適である。
本発明における一軸相分離構造体を作製するためには、材料Ａと材料Ｂが共晶材料であり、尚且つ材料Ａは放射線に対して電流応答を示す半導体材料、材料Ｂは絶縁体材料である必要がある。また、材料Ａと材料Ｂの共晶組成Ａ_ＸＢ_Ｙにおいて、材料Ａ_ＸとＢ_Ｙの体積がＡ_Ｘ＜Ｂ_Ｙであるような材料を選択することで材料Ａが一軸方向に成長した複数の部分を形成し、材料Ｂがマトリックス部分を形成する一軸相分離構造体を作製することができる。このような材料系の一つとして、臭化タリウムと硝酸セシウムが挙げられる。この系についての平衡状態図を図５に示す。図５によると、臭化タリウム（ＴｌＢｒ）と硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３）の共晶組成はＴｌＢｒ：ＣｓＮＯ_３＝１５：８５（ｍｏｌ）、共晶温度（共晶点Ｅ）は３８０℃である。従って、臭化タリウムと硝酸セシウムを共晶組成で混合した原料を加熱溶融した後、一軸方向に凝固することで、図２において第１の相領域１１が臭化タリウムからなり、第２の相領域１２が硝酸セシウムからなる一軸相分離構造体を作製することができる。原料が共晶組成から大きく逸脱していると一方の相が先に析出して構造を乱す要因となるため、良好な一軸相分離構造体を作製するには共晶組成を用いることが好ましい。但し、構造が大きく乱れることがなければ共晶組成から多少逸脱していてもよく、具体的には概ね±３ｍｏｌ％の範囲内であれば許容の範囲内である。そして、本願発明では、共晶組成の±３ｍｏｌ％以内の範囲にある組成を略共晶組成として捉えている。

上記のように作製した一軸相分離構造体を、ダイヤモンドワイヤーソーなどを用いて所望の形状及び厚みに切り出した後、電極を配置することで図１に示すような一軸相分離構造体を検出層１０とした放射線検出器にすることができる。良質な表面を形成するため、必要に応じて切り出した一軸相分離構造体の表面を研磨、エッチング処理するなどしてもよい。電極は図１のように一軸相分離構造体の第１の相１１の成長方向に対して垂直である対向する２面に共通電極１４と画素電極１５を配置する。電極の形成にはスパッタリングや真空蒸着などの成膜プロセスのほか、スクリーン印刷で形成することも可能である。また、電極からのキャリアの注入を抑制する目的で検出層と電極の間にブロッキング層を設けてもよい。画素電極のサイズは放射線検出器の用途にもよるが、例えば医療用Ｘ線フラットパネルディテクタの場合では概ね５０〜２００μｍの範囲である。画素電極１５と回路基板１６を電気的に接合するには、例えば画素電極１５と回路基板１６を導電性のバンプを介して圧着するなどすればよい。また、検出層１０に画素電極を設けずに回路基板１６と直接バンプを介して圧着してもよい。この場合、バンプが画素電極として機能することになる。検出層１０は必ずしも一枚の一軸相分離構造体で構成されている必要はなく、複数の一軸相分離構造体を回路基板面に並べる（タイリング）することで検出層１０を構成してもよい。タイリングによる一軸相分離構造体間の隙間が画像欠陥に繋がるようであれば、画像補正により修復する仕組みを設ける必要がある。

本実施形態によると、共晶材料を用いることにより放射線を検出する半導体材料からなる複数の部分が絶縁体により取り囲まれた検出層を容易に製造することができ、クロストークを軽減することができる放射線検出器となる。本発明及び本願明細書において放射線とは、主としてＸ線やγ線であり、Ｘ線とは、放射線のうち、エネルギーが２ｋｅＶ以上１０００ｋｅＶ以下の電磁波を指している。また、γ線とは、放射性核種の崩壊から発生する電磁波であり、数１０ｋｅＶから数ＭｅＶのエネルギーを有している。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を詳しく説明する。

本発明による放射線検出器の製造方法の具体例を図３、図４を参照して説明する。臭化タリウムと硝酸セシウムの粉末をＴｌＢｒ：ＣｓＮＯ_３＝１５：８５（ｍｏｌ）となる比率で混合した原料を石英管３１に入れて、石英管内を約１０^−３Ｐａに真空排気した後にアルゴンガスを導入してアルゴン雰囲気にした状態で石英管を封じ切った。この際、石英管内のアルゴン分圧が約１０^５Ｐａになるようにした。原料の入った石英管３１を図３（ａ）のように縦型の電気炉３２内にセットした後、電気炉の設定温度を４２０℃にして石英管内３１の原料を溶融した。原料全体が溶融したのを確認した後、石英管を約１５ｍｍ／ｈの速度で引き下げることで、図３（ｂ）のように電気炉の出口付近で固液界面が形成されて、原料下部より逐次凝固が進行するようにした。

石英管全体を引き下げた後、凝固した原料を取り出し、引き下げ方向と垂直な面方向にダイヤモンドワイヤーソーを用いて約５００μｍの厚みで切り出したものを試料とした。試料の切り出し面をラッピングシートを用いて研磨して、光学顕微鏡を用いて構造を観察した。図４は研磨面の光学顕微鏡像である。直径約１μｍ程度の複数の柱状部分と、それらを取り囲むマトリックス部分を確認することができる。柱状部分が位置する周期は約２μｍである。更に、走査型電子顕微鏡に内蔵されたＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光）
を用いて、両者の組成を確認したところ、柱状部分は臭化タリウム、マトリックス部分は硝酸セシウムからなっており、試料が一軸相分離構造体となっていることが確認できた。

次に、作製した試料を検出層とした放射線検出器にするために、試料の研磨面に対して電極を配置する。片側の研磨面には共通電極として真空蒸着でＡｕを５０ｎｍの厚みで全面に成膜する。それに対向するもう片側の研磨面には画素電極として２００μｍ四方の開口部が２５０μｍの周期で正方配列したメタルマスクを用いて真空蒸着でＡｕを５０ｎｍの厚みで成膜する。画素電極の周期に合わせた画素を有する回路基板を別途用意し、試料の画素電極と回路基板の画素を位置合わせしてバンプを介して圧着することで接合する。試料に設けた共通電極と画素電極の間に電圧を印加するための電源を接続することで、一軸相分離構造体を検出層とした放射線検出器として機能する。本実施例による放射線検出器は、放射線に対して電流応答を示す柱状部分の臭化タリウムが絶縁体である硝酸セシウムに囲まれた構造となっている。このため臭化タリウムで生成されたキャリアの面内方向への拡散が抑制され、クロストークを抑制することが可能な放射線検出器となる。

１０ 検出層
１１ 第１の相領域
１２ 第２の相領域
１３ 電圧印加手段
１４ 共通電極
１５ 画素電極
１６ 回路基板
１７ 放射線
３３ 融液
３６ 固液界面

Claims (15)

1. 一軸方向に伸びる複数の部分で構成された第１の相領域と、該第１の相領域を取り囲む第２の相領域と、前記一軸方向に前記第１の相領域及び前記第２の相領域を挟んで、対向して配された一対の電極と、前記一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
   前記第１の相領域を構成する第１の材料と、前記第２の相領域を構成する第２の材料とは、互いに共晶点を有する共晶材料で構成され、前記第１の材料は放射線に対して電流応答を示す半導体特性を示し、前記第２の材料は絶縁性特性を示すことを特徴とする放射線検出器。
2. 前記第１の相領域と前記第２の相領域とは略共晶組成であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記略共晶組成は、共晶組成の±３ｍｏｌ％の以内の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の放射線検出器。
4. 前記第１の相領域を構成する前記複数の部分は、柱状部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線検出器。
5. 前記柱状部の直径は５０ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の放射線検出器。
6. 前記柱状部の直径は２００ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の放射線検出器。
7. 前記第１の相領域を構成する前記複数の部分は、前記第２の相をマトリックスとして前記一軸方向と垂直な面内方向の略周期的な位置に存在することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射線検出器。
8. 前記複数の相の位置する周期は、５００ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の放射線検出器。
9. 前記複数の相の位置する周期は、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項８に記載の放射線検出器。
10. 前記第１の材料が臭化タリウムであり、前記第２の材料が硝酸セシウムであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線検出器。
11. 互いに共晶点を有する共晶材料で構成される第１の材料と、第２の材料と、を共晶組成で溶融させて融液を形成する工程と、前記融液を凝固させて一軸方向に伸びる複数の部分で構成され前記第１の材料を含んで半導体特性を示す第１の相領域と、該第１の相領域を取り囲み前記第２の材料を含んで絶縁性特性を示す第２の相領域と、を形成する工程と、前記一軸方向に前記第１の相領域及び前記第２の相領域を挟んで、互いに対向する位置に一対の電極を形成する工程と、を有することを特徴とする放射線検出器の製造方法。
12. 前記第１の相領域と前記第２の相領域と、の形成は、前記融液の温度を共晶温度以下に下げることで得られる固液界面を移動させて、前記一軸方向に伸びる前記複数の部分を形成することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の放射線検出器の製造方法。
13. 前記固液界面における温度勾配が３０℃／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の放射線検出器の製造方法。
14. 前記第１の相領域と前記第２の相領域と、の形成は、ブリッジマン法、若しくはチョクラルスキー法によりなされることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の放射線検出器の製造方法。
15. 前記第１の材料が臭化タリウムであり、前記第２の材料が硝酸セシウムであることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の放射線検出器の製造方法。