JP4170411B2

JP4170411B2 - 高速型放射線検出器

Info

Publication number: JP4170411B2
Application number: JP10946597A
Authority: JP
Inventors: マッツリヒャルト; ヤーンケアンドレアス
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: US5821539A; DE19616545A1; DE19616545B4; FR2748158B1; JPH1056196A; FR2748158A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速型放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可視のＩＲ領域とＵＶ領域の電磁ビームを検出するためには、直接変換形の検出器が用いられる。この検出器は、光導電体、ホトダイオードとして動作したり光起電力作用によって動作する。
【０００３】
Ｘ線ビームやガンマビームの定量的検出に対しては、平均エネルギー量が１０〜１５０ｋｅＶの場合には、従来のガス充填形イオン管や固体シンチレータが光電子増倍管又は半導体ホトダイオードと密接に関係して用いられる。最初のケースではＸ線ビームのイオン化作用がそれによって形成される電荷の検出に直接用いられる。第２のケースでは固体発光体の発光特性が、Ｘ線ビームを低エネルギの特に可視ビームに変換するのに用いられる。これらは感光膜を介して又は可視光用ビーム検出器を介して検出される。
【０００４】
前記直接変換形検出器は、高い分解能と同時に高い検出感度も備えしかもそのコンパクトで簡単な構造のために益々Ｘ線ビームやガンマビームの検出に用いられる。この検出器は、比較的原子量の大きいそして吸収性も良好な例えばＣｄＴｅ，ＨｇＩ₂,ＰｂＩ₂等の半導体材料やその他のいくつかの化合物半導体からなる。このような検出器ではＸ線エネルギが内部の光励起によって直接電気的な信号電流に変換される。
【０００５】
直接変換形検出器の最も簡単な構造は、常時高抵抗な半導体からなる僅かな真性導電率の光導電体である。半導体の２つの対向する側に被着された電極間の暗電流は、一方では半導体の帯域ギャップによってそして他方ではそのような電極の、半導体に対して十分に高いショットキーバリアを構築する材料の選択によって低減可能である。
【０００６】
暗電流のさらなる別の低減は、ＰＩＮダイオード構造か又はコンタクト下方の半導体のｐドーピングないしｎドーピングによって達成される。
【０００７】
直接変換形のＸ線検出器の構造におけるさらなる基準は、吸収性のアクティブな半導体層を形成する層の厚さである。Ｘ線ビームの完全な吸収には、十分な半導体層の厚さが要求される（例えばテルル化カドミウムの場合１〜２ｍｍ）。しかしながらこのような厚さの半導体層を有する検出器は、電子的な欠点を有する。なぜなら放射線によって生成される多数の電荷が電極に達する前に再結合と付着個所における捕獲（トラッピング）によって失われるからである。これは測定可能な信号電流の低減に結び付く。その他にもそれによって比較的多くの電荷キャリアが半導体中に残留する（例えば不動のホール、これは半導体中で正の空間電荷を形成する）。これは少なくとも外側に形成される電気的なフィールドの完全な遮閉にまで達し得る形状変化と、以下に述べる相応の測定信号電流の低下に結び付く可能性がある。その上さらに半導体中に付着した電荷が特にエネルギ的に深い所の付着個所からは緩慢にしか放出されなくなる（デトラッピング）。そのため測定信号は入射した放射線の遮断の際にも緩慢にしか減衰されない。それに伴って入射する放射線の強度変化に対する検出器の応動時間は、多くの適用ケースにおいて許容できないくらいに延長される。パルス状放射線での検出器の作動のもとでは最大許容パルス周波数が低減する。
【０００８】
このような欠点のためにこれまではこの種の直接変換形放射線検出器は、比較的少ないＸ線量か又はガンマ線量のもとでしか専用の線量計として使用もしくは適用できなかった。これらは不活性であり、それに伴って緩慢なトラッピングないしデトラッピング過程しか許容されない。この場合線量計の動作中では個々の量子に関しては、１０⁵Quantum/s程度の量子化レートまで分解能が可能である。ＣｄＴｅに対しては、平均光電流ないし帯電電流が０．１ｎＡ/ｍｍ²でもって約１〜１０ｎＡ/ｍｍ²の暗電流以下であることがはっきりしている。固有の量子カウンタとしての使用の際には半導体材料に例えば金が用いられたコンタクトの場合、比較的高い導体許容電流（約１００ｎＡ/ｍｍ²）に結び付けられてこれが僅しか放出されない残留電荷を“回復”させる。
【０００９】
しかしながら多くの適用においては、検出器が比較的高いデータレートの場合に１０⁴までの高い量子流に対して線形に応動しなければならない。その場合１μＡ/ｍｍ²までの帯電が達成される。これは暗電流の２０倍にあり、もはや十分な期間内での補償は無理である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特に高エネルギビーム用の直接変換形放射線検出器において、電荷キャリアの平均的な自由遷移距離の範囲にあるアクティブな厚い半導体層のもとでも、より良好な応答速度が高精度のもとで達成されるように改善を行うことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、テルル化カドミウムからなる半導体と、第１の電極及び第２の電極と、測定装置と、付加的な注入電極とを有し、前記第１の電極及び第２の電極は、それぞれ、作動電圧の供給のために前記半導体の相互に対向している第１及び第２の主要面に設けられており、前記測定装置は、前記第１の電極と第２の電極の間で放射線によって形成される信号電流を検出するために設けられており、前記注入電極は、該注入電極と第２の電極との間に注入電圧を供給しさらに放射線に依存しない暗電流を生成するために前記第１の主要面に設けられており、前記第１の電極と注入電極は、櫛状構造体としてそれらの櫛歯が相互に係合された交差指形構造で構成されるか、または、前記第１の電極と注入電極が相互に平行して渦巻き状に配置されて構成され、作動電圧が注入電圧よりも大きく、さらに、前記第１の電極の材料と前記注入電極の材料が異なっており、前記注入電極の材料は、前記半導体に対して、注入すべき電荷キャリアのショットキーバリアが前記第１の電極の材料よりも低くなるように選択され、前記半導体はｐｎ構造又はｐｉｎ構造を有しており、さらに、前記注入電極の下方に、第１の導電タイプのドーピングによる限定領域が設けられており、該領域は第１の電極下方のドーピング領域とは逆の導電タイプを有するように構成されて解決される。
【００１２】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。
【００１３】
本発明の基礎をなす考察は、半導体中の欠乏個所に付着する残留電荷が逆に帯電された電荷キャリアの付加的注入によって補償できることにある。検出器においては、これが半導体の主要面上に付加的に被着される注入電極によって実現される。この場合この注入電極の電位は本来の測定電極の電位に応じて設定される。しかしながらこの場合注入電極と第２の（対抗）電極との間に印加される注入電圧は、第１と第２の電極間に印加される検出器の作動電圧よりも低い。
【００１４】
第１の電極と注入電極（これらは２つとも半導体の同じ主要面に形成される）は交差指型構造を有している。換言すれば、これら２つの電極は構造化されて形成されており、この場合２つの電極の構造化要素は相互に係合している。そのため２つの電極の交錯している配置構成は表面的に生じる。このことは次のような利点となる。すなわち帯電された付着個所の補償のための電荷キャリアの注入が表面に亘って均等に行われる。そのためそれによって形成される二次的暗電流も半導体全体の多くの容積部分を貫流し、その際にそこに付着している（残留）電荷が補償される。注入電極の構造がより細分化されればされるほど、あるいは注入電極と第１の電極の交差指型構造の分割がより微細化されればされるほど、注入電流によって測定される容積とそれに伴う付着残留電荷の補償がより高められる。それによりこの補償は、第１の電極に対する注入電極の面積比にも依存しない。それ故に前記面積比は１よりもさらに小さくすることができる（例えば０.１〜０.５）。この第１の電極の高い面積率によれば信号電流がごく僅かしか低減されないことが保障される。
【００１５】
有利には注入電極に対して、次のような金属が選択される。すなわち半導体において、注入すべき電荷キャリアに対し信号電極ないし第１の電極の金属よりも低いショットキーバリアを形成する金属が選択される。それによって注入電極から半導体への注入すべき電荷キャリアの遷移が容易となり、残留電荷を補償する二次的暗電流が注入電極と第２の電極との間に生成される。しかしながらこれは信号電流には影響を及ぼさない。
【００１６】
本発明による検出器は、半導体の厚さが増したり電極間の距離が広くなるような欠点を補償するので、平面的な形状が可能となり、その厚さも入射する放射線の吸収に必要な厚さまで十分に可能である。
【００１７】
入射する放射線に関する局所的解析情報も検出器によって同時に得るために、第１の電極は少なくとも２つの、有利にはそれ以上の電気的に相互に絶縁された部分電極で構成される。この場合各部分電極における信号電流は、それ以外の部分電極に依存することなく定められる。放射線量子がその近傍で半導体内へ吸収される部分電極においてのみ信号電流が測定可能であるので、入射する放射線はそのように局所的に解析されて検出可能である。
【００１８】
本発明の有利な実施例によれば、半導体に高エネルギビームに対して高い捕獲断面を有する化合物半導体材料が含まれている。すなわち原子番号の大きな材料を含んでいる。そのために有利な材料は、ガリウム砒素、特にテルル化カドミウムである。テルル化カドミウムからなる半導体材料に対しては、有利には、インジウムと金と白金からなる電極の組合せが形成される。インジウムはテルル化カドミウムに対して一方で電極に対して比較的低いショットキーバリアを形成し、それ以外にテルル化カドミウム内の拡散によってｎドーピング領域を形成する。それに対して金と白金はテルル化カドミウム上にインジウムよりも高いショットキーバリアを電極に対して形成する。
【００１９】
ｐドーピングされたテルル化カドミウムからなる半導体では、注入電極と第２の電極がインジウムで形成され、第１の電極は金又は白金で形成可能である。この場合２つの電極の下方にはｎドーピング領域が維持され、それに伴ってｐｎ接合部が形成される。インジウムからなる注入電極の下方では、半導体のｐドーピング領域が、拡散されたインジウムによって補償される。
【００２０】
本発明による検出器の作動に対しては、第１と第２の電極に作動電圧が遮断方向で印加される。この電圧は通常１０〜１００Ｖの範囲で選択される。有利には、高価で故障の少ない高抵抗な半導体材料が選定される。真性テルル化カドミウムは、例えば１０⁹Ω・ｃｍの固有抵抗を有している。そのため半導体の厚さが約１〜２ｍｍの場合では良好な測定電流を得るのに５０Ｖの電圧が適している。
【００２１】
注入電極に供給される電位は遮断方向に形成される注入電圧に結び付く。これは作動電圧よりも低く選定される。作動電圧に対する注入電圧の正確な比率によって本発明による検出器の応動特性は最適化される。比較的高い注入電圧は、比較的高い二次的暗電流となり、放射線吸収後に半導体内へ付着する残留電荷の迅速な補償と測定信号の速やかな減衰に結び付く。同時に、測定可能な信号の最大レベルも低減する。この最適化とは一方では信号電流の迅速な減衰とそれに伴う比較的高い測定周波数の間での適合化を意味し、他方では高い測定信号とそれによる検出器の高い感度の間での適合化を意味する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】
以下では本発明の有利な実施形態としてテルル化カドミウムからなる半導体を用いた検出器の例で説明する。
【００２４】
図１：例えばプレート状の半導体１は、Ｐ^-ＣｄＴｅからなり、この厚さｄは例えば１.５ｍｍである。半導体１の第１の表面には狭幅な例えば帯状に形成された第１の電極２と、それよりもさらに狭幅な例えば帯状に形成された注入電極３が被着されている。図１では第１の電極２は１つしか示されてなく、この電極の両側にはそれよりもさらに狭幅な帯状の２つの注入電極が隣接している。第１の電極２に対する材料としては例えば１μｍの厚さの金薄膜が使用され、それに対して注入電極３は約１μｍの厚さのインジウム膜で構成されている。半導体１の対向側にある第２の主要面には第２の電極４が設けられている。この電極は例えば完全に扁平に被着されたインジウム薄膜からなる。
【００２５】
注入電極３の下方には、ｎドーピング領域６が存在し、第２の電極４の上方にはｎドーピング領域５が存在する。これは半導体の電極からの例えばインジウムの拡散によって形成される。このようにして第１の電極２と注入電極３の間、そして第１の電極２と第２の電極４の間にそれぞれ１つの遮閉されたｐｎ接合部が形成される。付加的に注入電極３と第１の電極２は第２の電極４に対して陰極として切換られる。この実施例では第２の電極４がアース電位におかれ、注入電極に対する端子７は４５Ｖにおかれ、第１の電極に対する端子８は５０Ｖにおかれる。それによりアース電位に対して注入電極３に印加される注入電圧は、アース電位に対して第１の電極２に印加される作動電圧よりも１０％低くなる。図中では並列に接続されている、そして電極２,４に接続された測定器９が強調的に示されている。
【００２６】
電極が印加電位におかれると直ちに注入電極３からは電子が半導体１内に注入される。これらは図中に示されている電流経路１０に沿って、陽極におかれた第２の電極まで流れる。この注入による（二次的）暗電流は、外部から入射した放射線に依存せず、さらに注入電極３と半導体１の間の低いショットキーバリアによって助成される。電流経路１０の領域内の正に帯電される、半導体１内部の付着個所は、この注入による暗電流によって放電され、それに伴って不活性化される。注入電極３と第１の電極２の被着電極構造が細分化されればされるほど、そしてそれらの電極間の間隔が狭まれば狭まるほど、注入による暗電流によって検出される半導体１の容積部分が多くなる。
【００２７】
図２には第１の主要面上で可能な交差指型電極構成の概略が示されている。
【００２８】
図２のａには注入電極３と第１の電極２が櫛状構造体として構成され、それらの歯が相互に係合された形の簡単な実施例が示されている。
【００２９】
第１の主要面上での電極構造の別の実施形態では、図２のｂに示されているように、注入電極と第１の電極がそれぞれ相互に平行して渦巻き状に配置される。図示の電極面に対して垂直方向の各断面では図１に示されているように２つの電極構造部２,３の交互の連続がみられる。
【００３０】
図２のｃには、２つの電極が櫛状に相互に係合したさらに別の電極構造が示されている。この実施例ｃと前記実施例ａ，ｂとの根本的な違いは、第１の電極２が電気的に相互に絶縁されて依存し合わない２つの部分電極に分割されている点である。これらの電極からは相互に依存しない信号電流が測定可能である。入射した放射線によって電荷キャリア対が形成される個所に依存して、入射放射線の局所的解析の可能な検出が達成される。半導体１の大きさないしは得られる面の大きさに応じて第１の電極２は多数の部分電極を有してもよい。これらは直列状に隣接したり、面上で分散され、入射する放射線の一次的又は二次的な局所的解析が可能である。
【００３１】
図３には、図１に示された検出器断面上の荷電キャリアの電位経過が三次元的に示されている。断面の局所座標はｘ軸とｙ軸に相応する。それに対してｚ軸上には伝導体における電子１３の電位エネルギＥが示されている。この値は価電子帯の正孔１４の電位エネルギの極性反転されたものに相応する。図からわかるように、一方では第１の電極２と注入電極３との間に、そして他方では第１の電極２と第２の電極４との間に電位斜面が形成され、それに対して第１の電極２と注入電極３との間にはそれよりも僅かな第２の電子斜面が形成される。電極２、３、４を介した正確なエネルギないし電位の高さは、印加される電位から得られる。それに対して半導体１上のないしは該半導体１の図示の断面上のエネルギ電位Ｅは付加的にさらに優勢なドーピング領域とそれによって形成されるｐｎ接合部の内部フィールドによって増加される。半導体１に対する第１の電極２の断面近傍の比較的高い電位壁はショットキーバリア（電子に対する）まで後退する。これは半導体１（ＣｄＴｅ）に対して使用される電極材料（金又は白金）で形成される。それに比べて明らかに低い電位壁は注入電極３と半導体１との間の境界面に生じる。
【００３２】
図３には電荷キャリア対１３/１４も示されている。これらは矢印１２に沿って半導体１内へ入射する高エネルギビームに基づいて形成される。これらはそのつどの電荷キャリアタイプ毎に有効な電位斜面に応じて、最も低いエネルギ電位を有する電極の方へ（当該実施例の場合では第２の電極４と第１の電極２）移動する。さらに図中では欠乏個所１５が強調的に示されている。これは所定のタイプの電荷キャリアを捕獲して留める。さらなる放射線ビーム１２がもはや入射しなくなっても半導体１内に帯電された状態１５で留まる。
【００３３】
図４には二次的暗電流が矢印１１で示され、その電荷特性が符号１３で示されている。この暗電流は、入射する放射線１２に依存することなく、注入電極３から半導体１内への電子１３の注入によって形成される。注入された電子の一部は、帯電された状態１５で捕獲される。これは補償可能である。その他の電子は第２の電極４の方へ遷移する。これらの暗電流は専ら注入電極３と第２の電極４の間を流れるため、第１の電極２と第２の電極４の間に接続される測定機器９の測定信号には結び付かない。これらは専ら放射線によって誘起される“ホト電流”に応答する。この電流の発生は図３に示されている。
【００３４】
本発明のさらに別の実施例によれば、半導体中の欠乏個所（トラップ）が負に帯電される。このトラップ１６は、正に帯電された電荷キャリア（正孔）１４の注入によってのみ補償可能なので、この場合は第１の実施例に比べて全ての電極の逆の極性付けが必要となる。例えば再びゼロ電位におかれた第２の電極４のもとでは第１の電極２と注入電極３は正の電位におかなければならない。ここでも、注入電極３と第２の電極４の間に印加される注入電圧は例えば第１の電極２と第２の電極４との間に印加される作動電圧よりも１０％低く選択される。注入電極３は、半導体に対して第１の電極２よりも低いショットキーバリア（正孔に対して）を形成する材料からなる。
【００３５】
図５にはそのような検出器の断面上での電位経過が示されている。ｚ軸上には正孔に対する電位エネルギが示されている。それに対してｘ軸とｙ軸は図示の断面の二次元的座標系である。このような検出器もピンダイオード構造を有する、テルル化カドミウムからなる半導体１でもって表すことができる。半導体の遷移の配向ないし方向付けは、形成される内部フィールドが外部から印加される電位によって増加されるように行われる。それ故にｎドーピング領域は第２の電極の下方におかれる。
【００３６】
放射線ビーム１２によって注入される電荷キャリア対１３/１４は、第１の実施例と同じように電極２,４に収集される。しかしながらここでは電子１３は第１の電極２の方へ収集され、正孔１４は第２の電極４の方へ収集される。
【００３７】
図６には、専ら二次的暗電流１１が示されている。この実施例では、注入電極３から正の電荷キャリア１４が半導体１に対して注入され、負に帯電されたトラップ１６を補償している。この暗電流１１も、第１と第２の電極に接続されている測定機器９のもとでの測定信号には結び付かない。交差指型構造はここでも、二次的暗電流が半導体の多くの容積部分を貫流することを可能にしている。
【００３８】
本発明による放射線検出器は、入射する放射線ビームに対する良好な応動特性のみならず、放射線の遮断後の信号の速やかな減衰も可能にしている。このことは、パルス状の放射線の場合でも迅速な測定ないしは高い測定周波数を可能にする。この測定周波数はもはや厚みを増す半導体に左右されないので、吸収範囲に応じた厚さでの実施が可能となる。このことは高い測定信号を補償し、それに伴って高感度な検出器が実現される。この検出器をＸ線ビームの検出のために使用する場合には、高い測定周波数が可能となる。蛍光材又はイオン管をベースとする非直接形の検出器に比べて本発明による検出器は非常に簡素な構造を有している。さらに本発明による放射線検出器の構造特性は、入射される放射線信号の一次元的又は二次元的局所解析を可能にする検出器アレイの簡単な構築をも可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による検出器の概略的な断面図である。
【図２】内部電極構造を示した図である。
【図３】第１の検出器における電位分布を概略的に表した図である。
【図４】第１の検出器における電位分布を概略的に示した図である。
【図５】第２の検出器における電位分布を概略的に示した図である。
【図６】第２の検出器における電位分布を概略的に示した図である。
【符号の説明】
１半導体
２第１の電極
３注入電極
４第２の電極
７端子
８端子
９測定器
１２放射線ビーム
１３電子
１４正孔

Claims

高速型放射線検出器において、
テルル化カドミウムからなる半導体（１）と、
第１の電極（２）及び第２の電極（４）と、
測定装置（９）と、
付加的な注入電極（３）とを有し、
前記第１の電極（２）及び第２の電極（４）は、それぞれ、作動電圧の供給のために前記半導体（１）の相互に対向している第１及び第２の主要面に設けられており、
前記測定装置（９）は、前記第１の電極（２）と第２の電極（４）の間で放射線によって形成される信号電流を検出するために設けられており、
前記注入電極（３）は、該注入電極（３）と第２の電極（４）との間に注入電圧を供給しさらに放射線に依存しない暗電流（１０）を生成するために前記第１の主要面に設けられており、
前記第１の電極（２）と注入電極（３）は、櫛状構造体としてそれらの櫛歯が相互に係合された交差指形構造で構成されるか、または、
前記第１の電極（２）と注入電極（３）が相互に平行して渦巻き状に配置されて構成され、
作動電圧が注入電圧よりも大きく、さらに、
前記第１の電極の材料と前記注入電極の材料が異なっており、前記注入電極（３）の材料は、前記半導体（１）に対して、注入すべき電荷キャリアのショットキーバリアが前記第１の電極（２）の材料よりも低くなるように選択され、
前記半導体（１）はｐｎ構造又はｐｉｎ構造を有しており、さらに、
前記注入電極（３）の下方に、第１の導電タイプのドーピングによる限定領域が設けられており、該領域は第１の電極（２）下方のドーピング領域とは逆の導電タイプを有していることを特徴とする、高速型放射線検出器。
前記注入電極（３）に対する前記第１の電極（２）の面積比は１よりも大きい、請求項１記載の高速型放射線検出器。
前記交差指形構造で構成された第１の電極（２）が電気的に絶縁された少なくとも２つの部分電極に分割され、該部分電極の各信号電流は相互に依存することなく検出可能であり、各部分電極も櫛状であり、その櫛歯が前記注入電極の櫛歯と相互に係合されて交差指形構造を構成している、請求項１または２記載の高速型放射線検出器。