JP4963522B2 - 放射線検出器の製造方法および放射線検出器並びに放射線撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、医療分野や非破壊検査、ＲＩ（Radio Isotope）検査、および光学検査などの産業分野などで用いられる放射線の検出に関し、特に、放射線を電荷信号へ変換する変換層を用いた放射線検出器製造方法および、放射線検出器並びに放射線撮像装置に関するものである。
従来、高感度な放射線検出器の放射線変換層の材料として各種の半導体材料が研究されているが、とりわけＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）またはＣｄＺｎＴｅ（テルル化亜鉛カドミウム）の単結晶体が研究・開発され、一部製品化されている。これらの単結晶体に放射線が入射すると、放射線量に応じてキャリア（電子−正孔対）が発生し、このキャリアによる電荷信号を取り出すことで放射線を検出することができる。しかしながら、医用診断用の放射線検出器に応用するには、大面積（例えば２０ｃｍ角以上）の放射線変換層を形成する必要があるが、このような大面積の単結晶体を形成することは、技術的に困難でありコスト的にも莫大な費用を必要とする。そこで、単結晶体の代わりに多結晶化合物半導体層として結晶成長させた放射線変換層が有望視されている。
ＣｄＴｅ単結晶を用いた小型の放射線検出器においては、ＣｄＴｅ単結晶にＺｎ（亜鉛）をドープすると、ＣｄＴｅ単結晶内を流れる漏れ電流が低減することが知られている。また、ＣｄＴｅ単結晶にＣｌ（塩素）などのハロゲンをドープするとＣｄＴｅ単結晶内のキャリアの走行性が改善することが知られている。例えば、特許文献１には、ＣｄＴｅ単結晶の検出性能を向上させるための最適なＣｌ濃度が開示されている。
ＣｄＴｅの単結晶体におけるキャリア走行性を阻害する要因は、結晶欠陥や不純物による電荷トラップが主な要因と考えられる。しかしながら、多結晶化合物半導体層では、結晶粒界や粒径分布の作用が加わると考えられ、最適なＣｌ濃度は単結晶体の場合と一致するとは限らない。
また、ＣｄＴｅ多結晶化合物半導体層へドープする最適なＺｎ濃度は、例えば特許文献２に開示されているが、数〜数十ｍｏｌ％程度と範囲が広く、ドープすることで漏れ電流低減などの効果はあるものの、その程度具合は不明であった。また、ＺｎおよびＣｌをドープしたときの最適なＺｎ濃度およびＣｌ濃度は不明であった。このように、ＣｄＴｅの多結晶化合物半導体層へドープするＺｎおよびＣｌの最適な濃度というのは不明であった。
特開２００３−２７７１９７号公報
特開２００１−２４２２５５号公報
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｚｎ濃度およびＣｌ濃度が最適なＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層により、キャリア走行性が良く、放射線の感度および応答性の高い放射線検出器の製造方法および放射線検出器並びに放射線撮像装置を提供することを目的とする。
本発明は、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、本発明の放射線検出器は、放射線を電荷信号へ変換する変換層を備えた放射線検出器であって、前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする。
すなわち、本発明の放射線検出器は、放射線を電荷信号へ変換する変換層を備えた放射線検出器であって、前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする。
本発明の放射線検出器によれば、放射線を電荷信号へ変換する変換層がＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であり、そのＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、さらに、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下である。これより、ＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層を適正なＣｌ濃度により形成することで、結晶粒界の欠陥準位を効果的に保護することができる。また、適正な濃度のＺｎをドープすることで、半導体の抵抗率が増加し漏れ電流を低減しつつ、放射線の感度を向上することができる。これらにより放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線検出器を得ることができる。
さらに、ＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上２ｍｏｌ％以下であれば、漏れ電流を必要な範囲に維持しつつ放射線感度をさらに向上させることができる。また、変換層の片面上または両面上に電子または正孔の注入を阻止するキャリア注入阻止層が形成されているので、変換された電荷信号の走行性が良く、漏れ電流をさらに低減し、放射線の応答性の良好な放射線検出器を提供することができる。このキャリア注入阻止層としてｎ型またはｐ型の半導体層を採用することができる。
また、変換層を２次元マトリックス状に分割した検出素子ごとに電荷信号を読み出すアクティブマトリックス基板を備えることで、検出素子ごとに電荷信号を読み込むことができるので、解像度の高く漏れ電流の低い放射線線検出器を得ることができる。また、変換層が形成された対向基板とアクティブマトリックス基板とを接続電極により接続することで、アクティブマトリックス基板の耐熱温度を超える温度状況において変換層を別途形成することができる。
また、本発明の放射線撮像装置は、放射線撮像装置であって、被検体に放射線を照射する放射線照射手段と、被検体を透過した放射線を変換層にて電荷信号へ変換するとともに、前記電荷信号を電気信号として送り出す放射線検出器と、前記電気信号を基に被検体の放射線透過像を構成する画像処理部とを備え、前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする。
本発明の放射線撮像装置によれば、被検体を透過した放射線を電荷信号に変換する変換層が、ＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であり、そのＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下である。これらにより、放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線撮像装置を得ることができる。
また、本発明の放射線検出器の製造方法は、放射線を電荷信号へ変換する変換層を備えた放射線検出器の製造方法であって、前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層を近接昇華法を用いて形成することを特徴とする。
本発明の放射線検出器の製造方法によれば、ＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層を、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下に形成し、この形成に近接昇華法を用いるので、多結晶の成長スピードを速めて効率よく形成することができる。また、低コストで均一性の良好な多結晶化合物半導体層を形成することができる。また、適正な濃度のＣｌによって結晶粒界の欠陥準位を効果的に保護することができ、さらに、適正な濃度のＺｎをドープすることで、半導体の抵抗率が増加し漏れ電流を低減することができる。これらにより放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線検出器を得ることができる。
本発明に係る放射線検出器の製造方法および放射線検出器並びに放射線撮像装置によれば、Ｚｎ濃度およびＣｌ濃度が最適なＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層により、キャリア走行性が良く、放射線の感度および応答性の高い放射線検出器の製造方法および放射線検出器並びに放射線撮像装置を提供することができる。
３ … Ｘ線平面検出器
１１ … 変換層
１４ … 薄膜トランジスタ
２５ … アクティブマトリックス基板
２６ … バンプ電極
２８ … 画素電極
２９ … 電子注入阻止層
３２ … 正孔注入阻止層
３０ … 共通電極
３１ … 支持基板
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以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は実施例に係るＸ線撮像装置の全体構成を示すブロック図であり、図２はＸ線平面検出器の構成を示すブロック図であり、図３はＸ線平面検出器の１画素を側面視した縦断面図であり、図４はＸ線平面検出器の１画素当たりの等価回路を示す回路図である。本実施例では、放射線検出器としてＸ線平面検出器（以下ＦＰＤと称す）を例に採って説明する。
図１は実施例に係るＸ線撮像装置の全体構成を示すブロック図であり、図２はＸ線平面検出器の構成を示すブロック図であり、図３はＸ線平面検出器の１画素を側面視した縦断面図であり、図４はＸ線平面検出器の１画素当たりの等価回路を示す回路図である。本実施例では、放射線検出器としてＸ線平面検出器（以下ＦＰＤと称す）を例に採って説明する。
＜Ｘ線撮像装置＞
図１に示すように、Ｘ線撮像装置は、撮像対象である被検体ＭにＸ線を照射するＸ線管１と、被検体Ｍを載置させる天板２と、被検体Ｍを透過したＸ線量に応じた電荷信号を生成（Ｘ線を電荷信号として検出）し、さらに、この電荷信号を電圧信号に変換して出力するＦＰＤ３と、ＦＰＤ３から出力された電圧信号をアナログからデジタルへ変換するＡ／Ｄ変換器４と、Ａ／Ｄ変換器４で変換されたデジタルの電圧信号を処理して画像を構成する画像処理部５と、Ｘ線撮像に関する種々の制御を行う主制御部６と、主制御部６での制御に基づいて管電圧や管電流を発生させＸ線管１を制御するＸ線管制御部７と、Ｘ線撮像に関する入力設定を行うことが可能な入力部８と、画像処理部５で処理されて得られたＸ線画像などを表示する表示部９と、画像処理部５で処理されて得られたＸ線画像などを記憶する記憶部１０などを備えている。Ｘ線管１は本発明における放射線照射手段に相当する。
図１に示すように、Ｘ線撮像装置は、撮像対象である被検体ＭにＸ線を照射するＸ線管１と、被検体Ｍを載置させる天板２と、被検体Ｍを透過したＸ線量に応じた電荷信号を生成（Ｘ線を電荷信号として検出）し、さらに、この電荷信号を電圧信号に変換して出力するＦＰＤ３と、ＦＰＤ３から出力された電圧信号をアナログからデジタルへ変換するＡ／Ｄ変換器４と、Ａ／Ｄ変換器４で変換されたデジタルの電圧信号を処理して画像を構成する画像処理部５と、Ｘ線撮像に関する種々の制御を行う主制御部６と、主制御部６での制御に基づいて管電圧や管電流を発生させＸ線管１を制御するＸ線管制御部７と、Ｘ線撮像に関する入力設定を行うことが可能な入力部８と、画像処理部５で処理されて得られたＸ線画像などを表示する表示部９と、画像処理部５で処理されて得られたＸ線画像などを記憶する記憶部１０などを備えている。Ｘ線管１は本発明における放射線照射手段に相当する。
＜Ｘ線平面検出器＞
図２および図３に示すように、ＦＰＤ３の回路構成は、Ｘ線をキャリア（電子−正孔対）に変換する変換層１１と、変換層１１にて生成されたキャリアから誘起される電荷を蓄積するコンデンサ１２と、コンデンサ１２とデータ線１３との間でゲート電圧信号によりスイッチング作用をする薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと称す）１４と、ＴＦＴ１４へゲート線１５を介してゲート電圧信号を送るゲート駆動回路１６と、コンデンサ１２からデータ線１３へ読み込まれた電荷信号を電圧信号へ変換する電荷電圧変換部１７と、電荷電圧変換部１７から出力される電圧信号を収集して１つに出力するマルチプレクサ１８とを備える。ＦＰＤ３は本発明における放射線検出器に相当する。
図２および図３に示すように、ＦＰＤ３の回路構成は、Ｘ線をキャリア（電子−正孔対）に変換する変換層１１と、変換層１１にて生成されたキャリアから誘起される電荷を蓄積するコンデンサ１２と、コンデンサ１２とデータ線１３との間でゲート電圧信号によりスイッチング作用をする薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと称す）１４と、ＴＦＴ１４へゲート線１５を介してゲート電圧信号を送るゲート駆動回路１６と、コンデンサ１２からデータ線１３へ読み込まれた電荷信号を電圧信号へ変換する電荷電圧変換部１７と、電荷電圧変換部１７から出力される電圧信号を収集して１つに出力するマルチプレクサ１８とを備える。ＦＰＤ３は本発明における放射線検出器に相当する。
また、ＦＰＤ３には、ＴＦＴ１４を格子状に多数個配列して形成されたアクティブマトリックス基板２５に対向基板２７を接続したＸ線検出部ＤＸを備えている。図２においては、説明を簡略化するためにＴＦＴ１４が縦・横に３個×３個配置されているが、実際は例えば、1024個×1024個ほど２次元マトリックス状に配置されている。
Ｘ線検出部ＤＸは、アクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とが検出素子ＤＵごとにバンプ電極２６によって接続されて構成されている。検出素子ＤＵは、変換層１１と、ＴＦＴ１４を構成するデータ線１３、ゲート線１５、絶縁膜１９、ゲートチャネル２０、容量電極２１とを備える。データ線１３はＴＦＴ１４のドレイン電極でもあり、容量電極２１はＴＦＴ１４のソース電極でもある。アクティブマトリックス基板２５の構造は、絶縁基板２２のＸ線入射側にゲート線１５とグランド線（ＧＮＤ線）２３とが積層され、絶縁膜１９を挟んでさらにゲートチャネル２０がゲート線１５と対向して積層される。ゲートチャネル２０の両端には、それぞれデータ線１３と容量電極２１が一部重なって積層される。また、保護用の絶縁膜２４が、絶縁膜１９、ゲートチャネル２０、データ線１３、容量電極２１上に画素電極２８との接続部を除いて積層されている。
容量電極２１はバンプ電極２６を介して対向基板２７に備えられた画素電極２８と接続される。Ｘ線をキャリアに変換する変換層１１の上面には電子注入阻止層２９が積層され、さらにその上には、共通電極３０が積層され、さらにその上には支持基板３１が積層されている。また、変換層１１の下面には正孔注入阻止層３２が積層され、さらにその下には、画素電極２８が積層されている。ここでは、Ｘ線入射側を上方向とし、その逆側を下方向とする。このように、対向基板２７には、支持基板３１、共通電極３０、電子注入阻止層２９、変換層１１、正孔注入阻止層３２、画素電極２８が備えられている。また、ＦＰＤ３の１画素は１個のＸ線検出素子ＤＵで構成されている。バンプ電極２６は本発明における接続電極に相当する。
電子注入阻止層２９および正孔注入阻止層３２は変換層１１に対して対に形成する。共通電極３０と変換層１１との間に、電子注入阻止層２９または正孔注入阻止層３２のどちらを形成するかは、共通電極３０に印加されるバイアス電圧の極性（正または負）により選択することが好ましい。バイアス電圧が負バイアスの場合、共通電極３０と変換層１１との間には、電子注入阻止層２９を形成することが好ましい。この場合、変換層１１と画素電極２８との間には正孔注入阻止層３２を形成することが好ましい。また、バイアス電圧が正バイアスの場合、共通電極３０と変換層１１との間には、正孔注入阻止層３２を形成することが好ましく、変換層１１と画素電極２８との間には電子注入阻止層２９を形成することが好ましい。正孔注入阻止層３２は正電荷が通過するのを阻止する性質を持ち、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＳ膜などのｎ型の半導体層が挙げられる。電子注入阻止層２９は電子が通過するのを阻止する性質を持ち、例えば、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｓ３、ＺｎＴｅ膜などのｐ型の半導体層が挙げられる。電子注入阻止層２９および正孔注入阻止層３２は本発明におけるキャリア注入阻止層に相当する。
図４に示すように、バイアス電源３３よりバイアス電圧を支持基板３１を介して共通電極３０に印加した状態であると、変換層１１内に電界が発生し、入射したＸ線から変換層１１で変換されたキャリアはコンデンサ１２に電荷を誘起してコンデンサ１２に電荷が蓄積される。次に、ゲート線１５の電圧を印加することで各Ｘ線検出素子ＤＵが行単位で選択され、選択された行のＴＦＴ１４のゲートがＯＮされる。そして、ＴＦＴ１４がＯＮされるまでコンデンサ１２に暫定的に蓄積された電荷を電荷信号として、ＴＦＴ１４を介してデータ線１３に読み出す。各データ線１３に読み出された電荷信号を電荷電圧変換部１７で電圧信号へ変換して、マルチプレクサ１８で１つの電圧信号にまとめて出力する。出力された電圧信号をＡ／Ｄ変換器４でデジタル化してＸ線検出信号として出力する。以上の様にして、変換層１１でX線から変換された電気信号がX線検出信号として取り出すことができる。
上記のような構成のＦＰＤ３は、図２および図３に示すように、変換層１１とアクティブマトリックス基板２５とが一体的に構成されて二次元画像検出器として機能する。これより、変換層１１で生成されたキャリアがアクティブマトリックス基板２５により画素素子別に収集され、画素素子毎に蓄積されて電気信号として読み出される。
上記の支持基板３１としては、放射線の吸収係数が小さなものが好ましく、例えば、ガラス、セラミック（Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ）、グラファイト、シリコン等の材料が採用可能である。また、グラファイトおよびシリコンのように放射線の吸収係数が小さく導電性のある物質であれば、共通電極３０を省略してもよい。
また、変換層１１は、後述するＺｎ濃度のＣｄＺｎＴｅの多結晶半導体膜であり、さらに、後述する濃度のＣｌがドープされている。共通電極３０や画素電極２８は、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）などの導電材料からなる。
＜Ｘ線平面検出器製造方法＞
次に、実施例１におけるＦＰＤ３の製造方法について説明する。ＦＰＤ３は図３に示すように、アクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とがバンプ電極２６を介して接続された構造であるように、アクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とは別ステップで形成された後、両者をバンプ電極２６にて接続する。そこで、まずアクティブマトリックス基板２５の形成方法について以下に説明する。
次に、実施例１におけるＦＰＤ３の製造方法について説明する。ＦＰＤ３は図３に示すように、アクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とがバンプ電極２６を介して接続された構造であるように、アクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とは別ステップで形成された後、両者をバンプ電極２６にて接続する。そこで、まずアクティブマトリックス基板２５の形成方法について以下に説明する。
図３を参照して、アクティブマトリックス基板２５を形成するステップを説明する。絶縁基板２２には、ガラス基板を用い、その上にＴａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブレン）等の金属膜からなるゲート線１５およびグランド線２３を形成する。ゲート線１５およびグランド線２３は金属膜をスパッタリングで約４０００Åの厚さに成膜スクリーンされる。
次に、ＳｉＮｘ（窒化シリコン）やＳｉＯｘ（酸化シリコン）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で厚さ約３５００Åに成膜して絶縁膜１９を形成する。絶縁膜１９は、ゲート絶縁膜として作用する他、容量電極２１およびグランド線２３との関係においてコンデンサ１２の絶縁膜としても作用する。なお、絶縁膜１９には、ＳｉＮｘやＳｉＯｘだけでなく、ゲート線１５および容量電極２１を陽極酸化した陽極酸化膜が併用される場合もある。
次に、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）をＣＶＤ法で約１０００Åに成膜した後、不純物を拡散させてｎ＋層とし、所望の形状にスクリーン印刷してゲートチャネル２０を形成する。
次に、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ（チタン）等の金属膜からなるデータ線１３と容量電極２１とが形成される。前記データ線１３および容量電極２１は、スパッタリングで約４０００Åの膜厚に成膜される。このように形成されたゲート線１５、絶縁膜１９、容量電極２１、データ線１３、およびゲートチャネル２０により、ＴＦＴ１４を構成する。なお、容量電極２１にＩＴＯなどの透明電極を使用することも可能である。
更にその後、容量電極２１の開口部以外の領域を絶縁保護する目的で、絶縁膜２４を形成する。絶縁膜２４は、ＳｉＮｘやＳｉＯｘをＣＶＤ法で厚さ約６０００Åに成膜される。また、絶縁膜２４には、無機膜の他にアクリルやポリイミド等の有機膜を使用することも可能である。
以上のように、アクティブマトリックス基板２５が形成される。なお、ここでは、スイッチング素子として、ａ−Ｓｉを用いたボトムゲート構造のＴＦＴ１４を用いたが、これに限定されるものではなく、ｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）を用いてもよいし、トップゲート構造にしてもよい。
次に、アクティブマトリックス基板２５と対向して接続する対向基板２７の形成方法について図３および図５を参照して説明する。図５は多結晶化合物半導体層を形成する近接昇華法の説明図である。
まず、支持基板３１上に共通電極３０を形成する。共通電極３０として、Ａｕ（金）またはＰｔ（白金）の薄膜が挙げられる。共通電極３０は、蒸着法またはスパッタリング法等で形成することができる。次に共通電極３０上に、電子注入阻止層２９を積層形成する。電子注入阻止層２９は、ＺｎＴｅ膜を近接昇華法、スパッタリング法、電析法等により積層形成することができる。
次に、変換層１１を共通電極３０および電子注入阻止層２９が積層された支持基板３１上に近接昇華法により成膜する。図５に示すように、真空チャンバ３４内に、変換層１１の原料を充填した下部サセプタ３５と対向するように、電子注入阻止層２９を下部サセプタ３５側に向けて支持基板３１を下部サセプタ３５の周辺部上に載置する。
真空チャンバ３４の上下周囲にはランプヒータ３６が配備されており、真空ポンプ３７を作動し、真空チャンバ内を１０Ｔｏｒｒ以下に減圧雰囲気した後、上下ランプヒータ３６により加熱し、下部サセプタ３５内のソース３８および支持基板３１を７００℃程度にまで加熱する。これより、下部サセプタ３５内のソース３８が昇華し、支持基板３１の電子注入阻止層２９の面上に変換層１１が積層形成される。昇華したソース３８を効率よく支持基板３１の電子注入阻止層２９の面上に形成するために、支持基板３１の温度をソース３８の温度よりもやや低めに設定する。変換層１１の厚みは約６００μｍ程度に形成される。変換層１１の成膜方法としては、近接昇華法の他に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や、ペースト印刷・焼成法等を用いることができる。
下部サセプタ３５に充填するソース３８は、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、およびＣｄＣｌ２（塩化カドミウム）を一定の比率で混合し、ランプヒータにて減圧下で予め熱焼結したものを用いる。この際に、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、およびＣｄＣｌ２の混合比率を調節することにより、ソース３８の焼結体の組成が調節できる。電子注入阻止層２９の面上に形成された変換層１１のＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層のＺｎおよびＣｌ濃度は、このソース３８の焼結体の組成比と、成膜条件（ソース３８の温度、支持基板３１の温度、真空チャンバ３４内の真空度）により決定される。
次に、変換層１１の表面を研磨して平坦化する。研磨方法は、研磨材を用いるＣＭＰ（Chemical and Mechanical Polishing）装置等を用いる。これにより、変換層１１の厚みは４００μｍ程度に調節される。この程度の厚みがあれば、Ｘ線管１の管電圧が５０〜１４０ｋＶ程度のＸ線を十分にキャリアへ変換することができる。
次に、平坦化された変換層１１の面上に正孔注入阻止層３２を形成する。さらに、正孔注入阻止層３２の面上に画素電極２８を所定の位置に形成する。画素電極２８および正孔注入阻止層３２は、蒸着法またはスパッタリング法等で形成することができる。なお、正孔注入阻止層３２および画素電極２８は、検出器特性の許容する範囲で省略してもよい。
以上をもって、対向基板２７が形成される。このように、対向基板２７をアクティブマトリックス基板２５と別ステップにて形成するので、変換層１１の成膜温度がアクティブマトリックス基板２５のＴＦＴ１４の耐熱温度よりも高温でも、ＴＦＴ１４を損傷することなく変換層１１を形成することができる。
次に、別ステップで形成したアクティブマトリックス基板２５と対向基板２７とをそれぞれ対応する容量電極２１と画素電極２８との間でバンプ電極２６を介してバンプ接合する。バンプ電極２６は導電性ペーストをスクリーン印刷することで形成される。また、バンプ電極２６以外にも、異方導電性フィルム（ＡＣＦ）を用いて接続してもよい。
導電性ペーストは、例えば、ゴムを主成分とした母材に、カーボンを主成分とした導電性材料と常温で放置することにより有機物質が徐々に揮発して硬化するバインダー樹脂とを配合したものである。この導電性ペーストに含まれる導電性材料については、導電性を有していれば、適宜材料を選択しても良い。例えば、母材の主成分をゴムと例示したが、その他の高分子材料でもよい。また、バインダー樹脂についても、必ずしも樹脂に限定されず、接着性および硬化性を有する素材の混合物であってもよい。
また、導電性ペーストには、例えば、バインダー樹脂のように常温で放置することにより有機物質が徐々に揮発して硬化する素材が含まれていることが望ましいが、温度変化を与えることにより硬化する物質が含まれていてもよい。この導電性ペーストをスクリーン印刷することで、アクティブマトリックス基板２５上に形成された全ての容量電極２１上にバンプ電極２６が形成される。以上で、Ｘ線検出部ＤＸが製造され、この後さらに、ゲート駆動回路１６、電荷電圧変換部１７、およびマルチプレクサ１８をＸ線検出部ＤＸに接続することで、ＦＰＤ３の一連の製造を終了する。
Ｃｌドープの方法として、近接昇華法により変換層１１を形成時にドープする以外にも、変換層１１を積層形成させた後、Ｃｌガス雰囲気下で熱処理することで再度Ｃｌドープをしてもよい。この場合も含め、変換層１１が完成時のＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層中のＣｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であることが好ましい。
また、Ｚｎドープの方法としても、Ｃｌドープ同様に、近接昇華法により変換層１１を積層形成時にドープする以外にも近接昇華法のソースの中に予めＺｎがドープされたＣｄＺｎＴｅを採用してもよい。変換層１１が完成時のＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層中のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。
以上の様にして製造されたＦＰＤ３は、変換層１１がＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であり、層中のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるので、漏れ電流値が低減され、放射線の応答感度も良好である。これらのＺｎおよびＣｌの濃度による効果を以下に説明する。
変換層１１のＣｌのドープＣｄＺｎＴｅのＺｎドープ濃度およびＣｌドープ濃度に対するＦＰＤ３の効果について図６〜図１３を参照して説明する。
本発明者は、ＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層においてドープされたＣｌ濃度の違いによりどのような性能の違いがあるのかを調べたところ、図６および図７のような結果を得た。図６によれば、構成比率が一定であるＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層中にＣｌ濃度を変えてドープすれば多結晶化合物半導体層中のＣｌ濃度が２ｐｐｍｗｔあたりで極小値をとることがわかった。また、図７によれば、構成比率が一定であるＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層中にＣｌをドープすればするほど積分感度は増加するが、これもＣｌ濃度が２ｐｐｍｗｔあたりをピークに、これ以降Ｃｌ濃度を増加させても積分感度が低下することが判明した。このように、Ｃｌ濃度が少なすぎると、多結晶化合物半導体層の抵抗率が下がるので漏れ電流が増加する。さらには、キャリアの走行性が悪くなるので感度応答性が悪くなる。また、結晶粒内で双晶欠陥が発生しやすくなる。
上記の漏れ電流および感度応答性の多結晶化合物半導体層におけるＣｌ濃度依存性は、以下のモデルで説明できる。すなわち、ドープされた微量のＣｌは多結晶化合物半導体層中でドナーとして働き、多結晶化合物半導体層中（結晶粒内および結晶粒界）に存在する欠陥準位を補償する最適な濃度（〜２ｐｐｍｗｔ）で漏れ電流および感度応答性の最適値を得ることができるが、さらに過剰にドープされると逆に新たな欠陥を誘発し、特性を劣化させるものと考えられる。
次に、ＣｌドープのＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層において、Ｃｌ濃度が一定の時にＺｎの濃度の違いによりどのような性能の違いがあるのかを調べたところ、図８および図９のような結果を得た。図８によれば、Ｚｎ濃度が減少すればするほど、漏れ電流が増加する。これは、Ｚｎ濃度が減少するとバンドギャップが縮小するからであり、この理由で漏れ電流が増加するのはＣｄＺｎＴｅ単結晶の場合と同様であると思われる。さらには、ＺｎＴｅを電子注入阻止層２９とした場合、ＺｎがドープされていないＣｌドープのＣｄＴｅ多結晶化合物半導体層では、その面上に形成された電子注入阻止層２９が電子の注入を阻止するバリア層として機能しなくなり、漏れ電流特性およびＸ線に対する応答性が極端に劣化する。
また、逆にＣｌドープのＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層において、Ｚｎ濃度が増加すればするほど、漏れ電流が低減する。ところが、図９によれば、Ｚｎの濃度が増加すればするほど、積分感度が低減することが判明した。つまり、ＺｎＴｅはＣｄＴｅよりもバンドギャップが大きいので、Ｚｎの濃度が高くなると多結晶化合物半導体層中を流れる漏れ電流が指数関数的に減少する。しかしながら、ＺｎはＣｄに比べ正孔の走行性が悪く、結晶欠陥も増えるため、Ｚｎの濃度が高くなるとＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層の積分感度が低減する。
以上のように、単結晶体とは異なり多結晶化合物半導体層特有のＣｌ濃度およびＺｎ濃度の作用がある。Ｃｌ濃度およびＺｎ濃度をそれぞれ調節した時の各特性傾向は上記の様であるが、Ｃｌ濃度とＺｎ濃度を同時に変化させると、両者の適正な濃度が変わってしまう。そこで、ＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層中のＺｎ濃度およびＣｌ濃度を様々に調節したときの漏れ電流との関係を図１０に示し、放射線積分感度との関係を図１１に示す。
図１０によれば、Ｚｎ濃度およびＣｌ濃度をそれぞれ調節したときのＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層の漏れ電流を示している。ここで、膜中のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、かつ膜中のＣｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であれば変換層１１の漏れ電流は１．２５μＡ／ｍｍ２未満である。膜Ｃｌ濃度が３ｐｐｍｗｔを超えると、図６でも示したように漏れ電流は高くなり、図１０中の▲印で示すように１．２５μＡ／ｍｍ２以上の漏れ電流が流れる。また、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ未満であっても、図６でも示したように漏れ電流値は高くなり、図１０の●印で示すように、１．５０μＡ／ｍｍ２以上の漏れ電流が流れる。また、膜中のＺｎの濃度が増加すればする程、図８でも示したように、漏れ電流は低減する。
次に、図１１によれば、Ｚｎ濃度およびＣｌ濃度をそれぞれ調節したときのＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層の５ｍｓ幅のＸ線を照射したときの積分感度を示している。Ｃｌ濃度が２ｐｐｍｗｔ付近で積分感度が最も良く、それよりも濃度が高くても低くても徐々に積分感度が悪くなる傾向にある。また、Ｚｎ濃度が増加すればするほど、積分感度が低下する傾向もみられる。多結晶化合物半導体層中のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、かつ多結晶化合物半導体層中のＣｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であれば変換層１１の５ｍｓ積分感度は１．２５×１０９［ｅ−／ｍＲ／ｍｍ２］以上である。
特に、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上２ｍｏｌ％以下であり、かつＣｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上２ｐｐｍｗｔ以下の場合、５ｍｓ積分感度は２．００×１０９［ｅ−／ｍＲ／ｍｍ２］以上あり、漏れ電流も１．００［μＡ／ｍｍ２］を超えることが無いので、Ｘ線に対する応答性も良く漏れ電流が低減されてＳ／Ｎが高いＦＰＤ３を製造することができる。
また、多結晶化合物半導体層中のＺｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、かつ膜中のＣｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下の範囲内においても、Ｚｎ濃度が低ければＸ線感度を重視する変換層１１を形成することができ高い量子効率を得ることができる。また、上記範囲内においてＺｎ濃度が高ければ漏れ電流の低減を重視する変換層１１を形成することができ、高い空間分解能やダイナミックレンジを得ることができる。
多結晶化合物半導体層中のＣｌ濃度およびＺｎ濃度を上述した範囲内にすることで、変換層１１の漏れ電流値は１．２５μＡ／ｍｍ２未満に低減することができる。変換層１１中に流れる漏れ電流が増加すると、図１２に示すように、ダイナミックレンジの上限線量が低下する。漏れ電流が増加するにつれダイナミックレンジが減少し、漏れ電流値が１．２５μＡ／ｍｍ２を超えたあたりから急峻にダイナミックレンジの上限値が低下する。これより、変換層１１の漏れ電流値は１．２５μＡ／ｍｍ２未満に低減することで、ダイナミックレンジの上限を高い値に維持することができる。
また、変換層１１の５ｍｓ積分感度が低下するとＦＰＤ３の画質の総合指標である量子検出効率（以下、ＤＱＥと称す）が低下する。循環器透視用放射線検出器の場合、ＤＱＥが０．６（０．５μＲ時）以上が好ましく、図１３に示すように、変換層１１の５ｍｓ積分感度が、１．２５×１０９［ｅ−／ｍＲ／ｍｍ２］以上であれば、ほぼこの値を実現できる。
上記のように構成したＦＰＤ３は、ＣｌドープＣｄＺｅＴｅ多結晶化合物半導体層におけるＣｌ濃度を最適な濃度にすることで、結晶粒界の欠陥準位を効果的に保護することができる。また、ＣｌドープＣｄＺｅＴｅ多結晶半導体膜におけるＺｎ濃度を最適な濃度とすることで、半導体の抵抗率が増加し漏れ電流を低減しつつ、放射線の感度を維持することができる。これらにより放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線検出器を得ることができる。また、変換層１１の片面または両面には電子注入阻止層または正孔注入阻止層が形成されているいので、変換された電荷信号の走行性の良い放射線検出器を得ることができる。また、単結晶では作製が困難とされていた１０センチ角以上特に２０センチ角以上の大面積の放射線検出器も本実施例により可能となる。
また、上記放射線検出器を放射線撮像装置の放射線検出器として採用することで、放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線撮像装置を得ることができる。
また、上記のようにＦＰＤ３を製造すれば、ＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層を、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下に形成し、この形成に近接昇華法を用いるので、多結晶の成長スピードが速く、多結晶化合物半導体層を効率よく形成することができる。また、適正な濃度のＣｌによって結晶粒界の欠陥準位を効果的に保護することができる。さらに、適正な濃度のＺｎをドープすることで、半導体の抵抗率が増加し漏れ電流を低減しつつ、放射線の感度を維持することができる。これらにより放射線の感度・応答性、ノイズ、Ｓ／Ｎに優れた放射線検出器を得ることができる。
本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上述した実施例では、電子注入阻止層２９と正孔注入阻止層３２とを対に形成していたが、必要とする検出特性に応じていずれか一方を省略することもできる。また、電子注入阻止層２９および正孔注入阻止層３２の材料は、上述した例に限定されるものでもない。さらに正孔注入阻止層３２の面上に画素電極２８は、必要とする検出特性によっては、省略することも可能である。
（２）上述した実施例では、物理蒸着として近接昇華法を例に採って説明したが、蒸着によって半導体を形成するのであれば、スパッタリング法・ＣＶＤ法・昇華法・化学堆積法などに例示されるように、特に限定されない。
（３）上述した実施例では変換層１１を放射線変換層として構成しているが、放射線に限らず、可視光線、紫外線、γ線などの光変換層として構成してもよい。また、放射線検出器は医用および産業用に限られず、例えば、宇宙からの放射線量を測定する放射線望遠鏡などにも応用することができる。
Claims (8)
- 放射線を電荷信号へ変換する変換層を備えた放射線検出器であって、
前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする放射線検出器。 - 請求項１に記載の放射線検出器において、
前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上２ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上２ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする放射線検出器。 - 請求項１または２に記載の放射線検出器において、
前記変換層の片面上または両面上に前記変換層への電子または正孔の注入を阻止するキャリア注入阻止層が形成されている
ことを特徴とする放射線検出器。 - 請求項３に記載の放射線検出器において、
前記キャリア注入阻止層がｎ型またはｐ型の半導体層である
ことを特徴とする放射線検出器。 - 請求項１から４いずれか１つに記載の放射線検出器において、
前記変換層を２次元マトリックス状に分割した検出素子ごとに前記電荷信号を読み出すアクティブマトリックス基板を備えた
ことを特徴とする放射線検出器。 - 請求項５に記載の放射線検出器において、
前記変換層が積層された対向基板と前記アクティブマトリックス基板とを接続電極により接続されている
ことを特徴とする放射線検出器。 - 放射線撮像装置であって、
被検体に放射線を照射する放射線照射手段と、
被検体を透過した放射線を変換層にて電荷信号へ変換するとともに、前記電荷信号を電気信号として送り出す放射線検出器と、
前記電気信号を基に被検体の放射線透過像を構成する画像処理部とを備え、
前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層であることを特徴とする放射線撮像装置。 - 放射線を電荷信号へ変換する変換層を備えた放射線検出器の製造方法であって、
前記変換層は、Ｚｎ濃度が１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下であり、Ｃｌドープ濃度が１ｐｐｍｗｔ以上３ｐｐｍｗｔ以下であるＣｌドープＣｄＺｎＴｅ多結晶化合物半導体層を近接昇華法を用いて形成する
ことを特徴とする放射線検出器の製造方法。
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