JP6924173B2 - 放射線検出器及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、放射線検出器及びその製造方法に関する。
放射線検出器において、検出精度の向上が望まれる。
特開2017−73426号公報
本発明の実施形態は、検出精度を向上できる放射線検出器及びその製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、放射線検出器は、検出素子を含む。前記検出素子は、第1導電層と、第2導電層と、前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた有機半導体層と、を含む。有機半導体層は、両極性の第1化合物と、第2化合物と、を含む。前記有機半導体層の厚さは、50μm以上である。
図1は、第1実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図2(a)及び図2(b)は、第1実施形態に係る放射線検出器の材料を例示する模式図である。 図3(a)及び図3(b)は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。 図4は、第1実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式的断面図である。 図5は、実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する回路図である。 図6は、実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。 図7は、実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図2(a)及び図2(b)は、第1実施形態に係る放射線検出器の材料を例示する模式図である。
図1に示すように、第1実施形態に係る放射線検出器110は、検出素子30Eを含む。検出素子30Eは、第1導電層10、第2導電層20及び有機半導体層30を含む。
有機半導体層30は、第1化合物31及び第2化合物32を含む。第1化合物31は、有機物である。第2化合物32も有機物である。
第1化合物31は、両極性である。第1化合物31においては、放射線照射時に、電子及び正孔が生じる。さらに、通常のn形材料及びp形材料とは異なり、第1化合物31においては、生じた電子及び正孔の両方の電荷を流すことができる。
第2化合物32は、例えば、バインダ樹脂である。
図2(a)及び図2(b)は、第1化合物31及び第2化合物32の例をそれぞれ示す。
1つの例において、第1化合物31は、ホウ素化サブナフタロシアニンクロリド(例えば、ボロンsub-2,3-ナフタロシアニンクロリド:SubNc)、及び、SubNcのClをハロゲン、または、有機化合物による置換基によって置換したホウ素化ナフタロシアニンの誘導体よりなる群から選択された少なくとも1つを含む。実施形態において、第1化合物31は、ホウ素化ナフタロシアニンフロリド、ホウ素化ナフタロシアニンブロミド、及び、ホウ素化ナフタロシアニンフェニルの少なくともいずれかを含んでも良い。
1つの例において、第2化合物32は、ポリビニルカルバゾール(PVK)、ポリフルオレン(PFO)、ポリ(9,9-ジオクチル-9H-フルオレン-2,7-ジイル)-alt-2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル(F8T2)、及び、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-alt-ベンゾチアジアゾール)(F8BT)よりなる群から選択された少なくとも1つを含む。
第1化合物31と第2化合物32とは、互いに混合されている。
例えば、有機半導体層30は、第1化合物31を含む第1領域R1と、第2化合物32を含む第2領域R2と、を含む。図1に示すように、1つの例において、第1領域R1の複数の部分の間に、第2領域R2の一部がある。図1に示すように、1つの例において、第2領域R2の複数の部分の間に、第1領域R1の一部がある。
有機半導体層30は、例えば、バルクヘテロ接合構造を有しても良い。
この例では、第1部材51及び第2部材52が設けられている。第1部材51と第2部材52との間に、第1導電層10が設けられる。第1導電層10と第2部材52との間に第2導電層20が設けられる。第1部材51は、例えば、基板である。第2部材52は、例えば、封止部材である。第1部材51及び第2部材52は、必要に応じて設けられ、省略されても良い。
第1導電層10から第2導電層20に向かう方向をZ軸方向とする。上記の層がZ軸方向に沿って積層される。
検出素子30Eに放射線81が入射する。放射線81は、例えば、β線を含む。放射線81は、γ線を含んでも良い。放射線81は、α線を含んでも良い。
放射線81の入射方向は、任意である。この例では、放射線81は、第1導電層10を介して、有機半導体層30に入射する。有機半導体層30において、入射した放射線81のエネルギーにより、移動可能な電荷が生じる。第1導電層10と第2導電層20との間にバイアス電圧を印加することで、この電荷が取り出される。
例えば、検出回路70が設けられる。検出回路70は、第1導電層10及び第2導電層20と電気的に接続される。電気的な接続は、例えば、第1導電層10と接続された第1配線71、及び、第2導電層20と接続された第2配線72により行われる。検出回路70は、例えば、電荷増幅器を含む。電荷増幅器の入力に第1導電層10(第1配線71)及び第2導電層20(第2配線72)が電気的に接続される。電荷増幅器の出力が、出力信号OSとなる。出力信号OSは、放射線81に応じて変化する。このように、検出回路70は、検出素子30Eに入射する放射線81に対応する信号(出力信号OS)を出力可能である。
実施形態においては、有機半導体層30の厚さt30は、例えば、50μm以上である。厚さt30は、100μm以上でも良い。1つの例において、厚さt30は、1000μm以下である。厚さt30は、Z軸方向に沿う長さである。
有機半導体層30の厚さt30が上記の範囲であることにより、以下に説明するように、放射線81を精度良く検出することができる。
以下、β線を検出する場合の例について説明する。一般に、β線を検出する環境においては、γ線が存在することが多い。目的とする放射線81(この場合はβ線)を精度良く検出するために、他の放射線(γ線など)の影響を受け難いことが望まれる。
実施形態においては、有機半導体層30が用いられる。有機半導体層30には、有機物が含まれる。有機物には、原子量が小さい元素が含まれ、原子量が大きい元素は含まれない。このため、γ線は、有機半導体層30を通過する。このため、実施形態においては、γ線の影響が抑制される。
一方、有機半導体層30を一定の値以上に厚くすることで、β線を感度良く検出できる。有機半導体層30が過度に薄いと、β線に対する感度は低くなる。
実施形態においては、有機半導体層30の厚さt30が50μm以上である。これにより、β線に対する高い感度が得られる。
一方、有機半導体層30の厚さt30が過度に厚い(例えば1000μm以上)と、γ線の一部が有機半導体層30で吸収されることが生じる場合がある。この場合、γ線に対応する信号がノイズとして検出される。
有機半導体層30の厚さt30を過度に厚くしないことで、γ線の影響を抑制し、β線を高い精度で検出できる。
実施形態においては、目的とする放射線81の検出精度を向上できる放射線検出器を提供できる。
実施形態においては、例えば、β線に対する検出感度は、γ線に対する検出感度よりも高い。
1つの例において、有機半導体層30は、例えば圧力成型により作製される。圧力成型を用いることで、上記のような厚さt30が得やすい。
例えば、有機半導体層30を真空蒸着などにより形成する方法が考えられる。この場合は、安定して形成できる層の厚さは、約1μm以下である。厚い層を形成するとクラックなどが生じる。
例えば、有機半導体層30なる溶液を用いて塗布法により有機半導体層30することも考えられる。この場合、溶解性により溶液に制限が生じ、結果として、得られる層を厚くすることが困難である。
圧力成型法を用いることで、50μm以上の厚さt30を安定して、均一に得ることができる。
圧力成型法を用いる場合において、p形の材料と、n形の材料と、を混合する方法が考えられる。この場合には、p形の材料と、n形の材料と、を適正な混合状態にすることが困難である。例えば、p形の材料と、n形の材料と、が非常に細かい領域で互いに混ざりあっている状態を得ることは困難である。p形の材料とn形の材料との間の界面の密度を十分に高くすることが困難である。このため、十分な変換効率を得ることが困難である。
実施形態においては、両極性の第1化合物31が用いられる。このため、第1化合物31において、十分に高い変換効率が得られる。そして、このような第1化合物31に加えて、第2化合物32(バインダ樹脂)が用いられる。これにより、第1化合物31が有機半導体層30に分散した状態が得られる。
例えば、第1化合物31だけを用いて圧力成型により厚い層を形成する場合には、層がもろく、十分な機械的強度を得ることが困難である。
バインダとして機能する第2化合物32を第1化合物31と混合して圧力成型することで、十分な機械的強度を有する有機半導体層30が得られる。
実施形態においては、第1化合物31及び第2化合物32は、適度な大きさで混ざり合っている。
例えば、有機半導体層30は、複数の第1粒(例えば、第1領域R1)を含む。複数の第1粒(例えば、第1領域R1)は、第1化合物31を含む。複数の第1粒(例えば、第1領域R1)のサイズd1(図1参照)の平均は、例えば、0.1μm以上10μm以下である。
例えば、有機半導体層30は、複数の第2粒(例えば、第2領域R2)を含む。複数の第2粒(例えば、第2領域R2)は、第2化合物32を含む。複数の第2粒(例えば、第2領域R2)のサイズd2(図1参照)の平均は、例えば、0.1μm以上10μm以下である。
上記のサイズに関する情報は、例えば、有機半導体層30の断面の電子顕微鏡観察などにより得られる。
上記のサイズは、例えば、便宜的に、Z軸方向に沿う長さでも良い。または、1つの粒における最大の長さを、上記のサイズとしても良い。例えば、最大の長さの測定が困難である場合、例えば、粒のZ軸方向に沿う長さを、便宜的にサイズとして用いても良い。
第1化合物31の有機半導体層30における濃度は、50重量%以上95重量%以下である。濃度が過度に低いと、例えば、放射線81に対する感度が低くなる場合がある。濃度が過度に高いと、例えば、機械的強度が低くなりやすい。
有機半導体層30がバインダ樹脂(第2化合物32)を適度な濃度で含むことで、有機半導体層30において、実用的な機械的強度が得られる。例えば、有機半導体層30と導電層との間の密着力を実用的に高くできる。
第2化合物32として、バンドギャップが広い材料を用いることが好ましい。これにより、例えば、第1化合物31に流れる電荷が第2化合物32でトラップされることが抑制され、電荷の輸送の阻害が抑制できる。バンドギャップが広い材料は、例えば、PVK、PFO、及びF8BTよりなる群から選択された少なくとも1つなどである。
以下、放射線検出器110の特性の例について説明する。以下の例の試料においては、第1化合物31は、SubNcである。第2化合物32は、PVKである。これらの材料は、粉である。粉の径(サイズ)は、約1μmである。これらの材料を混合し、圧力成型により、有機半導体層30が形成される。有機半導体層30の厚さt30は、306μmである。試料においては、第1化合物31の有機半導体層30における濃度は、80重量%である。試料は、ガラス基板/ITO電極(第1導電層10)/平坦化膜/有機半導体層30/Al電極(第2導電層)の構成を有する。
図3(a)及び図3(b)は、放射線検出器の特性を例示するグラフ図である。
これらの図の横軸は、ADコンバータのチャネル数En(ADCチャネル数)である。チャネル数Enは、放射線検出器110(検出素子30E)に入射する放射線81のエネルギーEnに比例する値である。この例では、硝酸トリウムを放射線源とする放射線81が用いられる。縦軸は、検出される信号のカウント数CNTである。図3(a)は、放射線源が無い場合に対応する。図3(b)は、放射線源がある場合に対応する。図3(a)に示すように、放射線源が無い場合でも、測定系のノイズとして、カウント数CNTが表示される。図3(b)に示すように、放射線源がある場合は、全体のカウント数CNTが増大し、放射線81に応じたカウント数CNTが得られる。
実施形態によれば、放射線81(例えばβ線)をγ線と区別して検出できる。目的とする放射線81(例えばβ線)を高い検出精度で検出できる。
別の試料においては、第1化合物31の有機半導体層30における濃度は、50重量%よりも低い。この場合は、放射線81はほとんど検出されない。濃度が例えば50重量%よりも低いと、有機半導体層30における第1化合物31の体積割合が過度に低くなる。このため、50重量%よりも低いと、放射線照射時に生成した電荷を電極まで運び出すことができないと考えられる。
第1化合物31の有機半導体層30における濃度が例えば50重量%の場合、電荷の輸送のための体積割合が不足する。従って、濃度は、50重量%を超えることが好ましい。例えば、濃度は、80重量%以上であることが好ましい。
既に説明したように、実施形態に係る有機半導体層30は、圧力成型法により形成されることが望ましい。この場合、有機半導体層30中にボイドが形成される場合があっても良い。ボイドは、圧力成型法により特異的に形成される。例えば、溶液を用いる塗布法などではボイドは生じにくい。
以下、ボイドの例について説明する。
図4は、第1実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する模式的断面図である。
図4は、有機半導体層30の断面の一部を模式的に示す。図4に示すように、有機半導体層30は、第1化合物31を含む第1領域R1と、第2化合物32を含む第2領域R2と、を含む。有機半導体層30は、ボイド30vをさらに含む。ボイド30vは、第1領域R1と第2領域R2との間に設けられる。
ボイド30vにより、有機半導体層30の密度が小さくできる。ボイド30vにより、有機半導体層30の比誘電率を低くできる。これにより、例えば、素子容量に由来する測定系のノイズを低減できる。
実施形態において、ボイド30vの空隙率は、例えば、0.1%以上10%以下である。空隙率が0.01%未満のときは、例えば、密度の減少、または、比誘電率の低下の効果が小さい。空隙率が10%を超えると、例えば機械的強度が低くなる。空隙率が10%を超えると、電荷の輸送性が低下する。
実施形態において、第1導電層10は、例えば、金属の酸化物を含んでも良い。第1導電層10は、例えばITOを含んでも良い。
実施形態において、第2導電層20は、例えば、金属を含む。金属は、例えば、Al、Ag及びAuよりなる群から選択された少なくとも1つを含んでも良い。
図5は、実施形態に係る放射線検出器の一部を例示する回路図である。
図5は、検出回路70に設けられる電荷増幅器75を例示している。電荷増幅器75の2つの入力端子の一方に、第1配線71(すなわち、第1導電層10)が電気的に接続される。電荷増幅器75の2つの入力端子の他方に、第2配線72(すなわち、第2導電層20)が電気的に接続される。電荷増幅器75の負入力と、電荷増幅器75の出力端子との間に、キャパシタンス76が接続される。例えば、第1導電層10と第2導電層20との間に生じる電荷に応じた電圧が、出力信号OSとして得られる。
電荷増幅器75において、キャパシタンス76と並列に抵抗が設けられても良い。参照電圧の入力端子がさらに設けられても良い。
図6は、実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図6に示すように、実施形態に係る放射線検出器111においては、第1導電層10、第2導電層20、有機半導体層30、第1部材51に加えて、封止部材60(第2部材52)がさらに設けられる。第1部材51及び封止部材60には、例えば、ガラスが用いられる。封止部材60の外縁が、第1部材51の外縁と、接合される。第1部材51及び封止部材60により囲まれる空間に、第1導電層10、第2導電層20及び有機半導体層30が設けられる。第1導電層10、第2導電層20及び有機半導体層30は、第1部材51及び封止部材60により、気密に封止される。これにより、安定した特性が得やすくなる。高い信頼性が得られる。
第1導電層10、第2導電層20及び有機半導体層30と、封止部材60との間には、空間65が設けられる。この空間65に、例えば、不活性ガス(例えば窒素ガスなど)が封入される。
図7は、実施形態に係る放射線検出器を例示する模式的断面図である。
図7に示すように、放射線検出器120においては、複数の第1導電層10が設けられる。複数の第1導電層10は、複数の第1導電層10の1つから第2導電層20に向かう第1方向(Z軸方向)に対して交差する平面(例えばX−Y平面)に沿って並ぶ。X−Y平面は、Z軸方向に対して垂直である。複数の第1導電層10は、例えば、X軸方向及びY軸方向に沿って並ぶ。複数の第1導電層10は、例えば、マトリクス状に並ぶ。
放射線検出器120においては、例えば、放射線81に応じた画像が得られる。放射線検出器120において、第1実施形態及び第2実施形態に関して説明した構成、及び、その変形が適用できる。放射線検出器120においても、検出精度を向上できる放射線検出器が提供できる。
(第2実施形態)
第2実施形態は、放射線検出器の製造方法に係る。この製造方法では、両極性の第1化合物31を含む複数の粒と、第2化合物32を含む複数の粒と、が混合された混合体が準備される。製造方法は、この混合体に圧力を加えて第1化合物31及び第2化合物32を含む有機半導体層30を形成することを含む。有機半導体層30の厚さは、50μm以上である。製造方法は、有機半導体層30に電気的に接続される第1導電層10及び第2導電層20を形成することを含む。第1導電層10及び第2導電層20との間に有機半導体層30が設けられる。圧力成型法を用いることで、50μm以上の厚さt30を安定して、均一に得ることができる。
実施形態によれば、検出精度を向上できる放射線検出器及びその製造方法を提供することができる。
本願明細書において、電気的に接続される状態は、2つの導体が直接接する状態を含む。電気的に接続される状態は、2つの導体が、別の導体(例えば配線など)により接続される状態を含む。電気的に接続される状態は、2つの導体の間の経路の間にスイッチング素子(トランジスタなど)が設けられ、2つの導体の間の経路に電流が流れる状態が形成可能な状態を含む。
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、放射線検出器に含まれる、導電層、有機半導体層及び化合物などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した放射線検出器及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての放射線検出器及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…第1導電層、 20…第2導電層、 30…有機半導体層、 30E…検出素子、 30v…ボイド、 31…第1化合物、 32…第2化合物、 51…第1部材、 52…第2部材、 60…封止部材、 65…空間、 70…検出回路、 71…第1配線、 72…第2配線、 75…電荷増幅器、 76…キャパシタンス、 81…放射線、 110、111、120…放射線検出器、 CNT…カウント数、 En…エネルギー、 OS…出力信号、 R1…第1領域、 R2…第2領域、 d1、d2…サイズ、 t30…厚さ

Claims (11)

  1. 第1導電層と、
    第2導電層と、
    前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた有機半導体層と、
    を含む検出素子を備え、
    前記有機半導体層は、第1化合物と、第2化合物と、を含み、
    前記有機半導体層の厚さは、50μm以上であ
    前記第1化合物は、ホウ素化サブナフタロシアニンクロリド、及び、ホウ素化ナフタロシアニンクロリドの誘導体よりなる群から選択された少なくとも1つを含む、放射線検出器。
  2. 前記第2化合物は、ポリビニルカルバゾール、ポリフルオレン、ポリ(9,9-ジオクチル-9H-フルオレン-2,7-ジイル)-alt-2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル、及び、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-alt-ベンゾチアジアゾール)よりなる群から選択された少なくとも1つを含む、請求項記載の放射線検出器。
  3. 第1導電層と、
    第2導電層と、
    前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた有機半導体層と、
    を含む検出素子を備え、
    前記有機半導体層は、第1化合物と、第2化合物と、を含み、
    前記第1化合物は、ホウ素化サブナフタロシアニンクロリド、及び、ホウ素化ナフタロシアニンクロリドの誘導体よりなる群から選択された少なくとも1つを含み、
    前記第2化合物は、ポリビニルカルバゾール、ポリフルオレン、ポリ(9,9-ジオクチル-9H-フルオレン-2,7-ジイル)-alt-2,2'-ビチオフェン-5,5'-ジイル、及び、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレン-alt-ベンゾチアジアゾール)よりなる群から選択された少なくとも1つを含、放射線検出器。
  4. 前記第1化合物の前記有機半導体層における濃度は、50重量%以上95重量%以下である、請求項のいずれか1つ記載の放射線検出器。
  5. 前記有機半導体層の前記厚さは、1000μm以下である、請求項1〜のいずれか1つに記載の放射線検出器。
  6. 前記有機半導体層は、
    前記第1化合物を含む第1領域と、
    前記第2化合物を含む第2領域と、
    前記第1領域と前記第2領域との間のボイドと、
    を含む、請求項1〜のいずれか1つに記載の放射線検出器。
  7. 第1導電層と、
    第2導電層と、
    前記第1導電層と前記第2導電層との間に設けられた有機半導体層と、
    を含む検出素子を備え、
    前記有機半導体層は、両極性の第1化合物と、第2化合物と、を含み、
    前記有機半導体層の厚さは、50μm以上であり
    前記有機半導体層は、
    前記第1化合物を含む第1領域と、
    前記第2化合物を含む第2領域と、
    前記第1領域と前記第2領域との間のボイドと、
    を含む、放射線検出器。
  8. 前記ボイドの空隙率は、0.01%以上10%以下である、請求項6または7記載の放射線検出器。
  9. 前記ボイドのサイズは、0.1μm以上10μm以下である、請求項6〜のいずれか1つに記載の放射線検出器。
  10. 前記第1導電層及び前記第2導電層と電気的に接続された検出回路をさらに備え、
    前記検出回路は、前記検出素子に入射する放射線に対応する信号を出力可能である、請求項1〜9のいずれか1つに記載の放射線検出器。
  11. 両極性の第1化合物を含む複数の粒と、第2化合物を含む複数の粒と、が混合された混合体に圧力を加えて前記第1化合物及び前記第2化合物を含む有機半導体層を形成し、前記有機半導体層の厚さは、50μm以上であり、
    前記有機半導体層に電気的に接続される第1導電層及び前記第2導電層を形成し、第1導電層及び前記第2導電層との間に前記有機半導体層が設けられる、放射線検出器の製造方法。
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