JP7446592B2 - 放射線検出器、及び放射線検出器の製造方法 - Google Patents

放射線検出器、及び放射線検出器の製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、放射線検出器、及び放射線検出器の製造方法に関する。
放射線検出器の放射線吸収層に適用可能な材料として、ペロブスカイト材料が示唆されている。ペロブスカイト材料は、CsI、a-Se、CdTe等に比べて安価であることから、大面積の放射線検出器が必要とされる分野(例えば、医療分野、非破壊検査分野等)において優位性を持つと予想される。非特許文献1には、ペロブスカイト材料によって形成された放射線吸収層を備える直接変換型の放射線検出器が記載されている。
「Detection of X-ray photons by solution-processed lead halideperovskites」、NATURE PHOTONICS、イギリス、Nature publishing Group、May 25, 2015、Vol. 9、p.444-449
上述したような直接変換型の放射線検出器においては、放射線の吸収効率を確保する観点では、放射線吸収層の厚さが大きいことが望ましい。しかし、放射線吸収層の厚さが大きくなると、放射線の吸収によって放射線吸収層において生じた電荷(電子及び正孔)の移動距離が大きくなるため、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大が懸念される。
そこで、本開示は、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大を抑制しつつ、放射線の吸収効率を確保することができる放射線検出器、及びそのような放射線検出器の製造方法を提供することを目的とする。
本開示の一側面の放射線検出器は、第1電極部を有する基板と、基板に対して一方の側に配置され、複数のペロブスカイト結晶によって構成された放射線吸収層と、放射線吸収層に対して一方の側に配置され、放射線吸収層を介して第1電極部と対向する第2電極部と、を備え、放射線吸収層のうち第1電極部と第2電極部との間の領域において、複数のペロブスカイト結晶のそれぞれは、第1電極部と第2電極部とが対向する第1方向を長手方向として延在するように形成されている。
この放射線検出器では、放射線吸収層が複数のペロブスカイト結晶によって構成されており、放射線吸収層のうち第1電極部と第2電極部との間の領域において、複数のペロブスカイト結晶のそれぞれが、第1電極部と第2電極部とが対向する第1方向を長手方向として延在するように形成されている。これにより、放射線の吸収効率を確保するために放射線吸収層の厚さを大きくしたとしても、例えば第1電極部が複数の第1電極によって構成されている場合には、複数の第1電極での電荷の収集効率の低下や、複数の第1電極間でのクロストークの増大が抑制される。よって、この放射線検出器によれば、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大を抑制しつつ、放射線の吸収効率を確保することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向におけるペロブスカイト結晶の長さは、第1方向に垂直な第2方向におけるペロブスカイト結晶の幅を1とすると、2以上であってもよい。これにより、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大をより確実に抑制することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向におけるペロブスカイト結晶の長さは、10μm以上であってもよい。これにより、放射線吸収層の厚さを大きくし易くなるため、放射線の吸収効率を容易に且つ確実に確保することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部は、複数の第1電極によって構成されており、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向に垂直な第2方向におけるペロブスカイト結晶の幅は、複数の第1電極の配列ピッチ以下であってもよい。或いは、本開示の一側面の放射線検出器では、第2電極部は、複数の第2電極によって構成されており、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向に垂直な第2方向におけるペロブスカイト結晶の幅は、複数の第2電極の配列ピッチ以下であってもよい。これらにより、複数の画素間におけるクロストークの増大をより確実に抑制することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、ペロブスカイト結晶の存在率は、80%以上であってもよい。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、ペロブスカイト結晶は、少なくとも1つの他のペロブスカイト結晶と接触していてもよい。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向におけるペロブスカイト結晶の長さは、第1方向における放射線吸収層の厚さよりも小さくてもよい。これにより、放射線の吸収効率を確保するために放射線吸収層の厚さを大きくしたとしても、それぞれが第1方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶によって構成された放射線吸収層を確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器では、第1電極部と第2電極部との間の領域において、第1方向における放射線吸収層の厚さは、100μm以上であってもよい。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法は、ペロブスカイト材料を含む溶液からミストを生成する第1工程と、ミストをキャリアガスに混合する第2工程と、第1電極部を有する基板に対し、基板を加熱した状態で、ミストを含むキャリアガスを吹き付け、基板上の領域のうち第1電極部に対応する領域に、それぞれが基板の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶を形成し、複数のペロブスカイト結晶によって構成された放射線吸収層を、基板に対して一方の側に形成する第3工程と、第1電極部に対応する領域を介して第1電極部と対向する第2電極部を、放射線吸収層に対して一方の側に形成する第4工程と、を備える。
この放射線検出器の製造方法によれば、上述したような放射線吸収層を備える放射線検出器を製造することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第1工程においては、超音波振動によって溶液からミストを生成してもよい。これにより、好適なミストを容易且つ確実に生成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第2工程においては、希釈ガスをキャリアガスに混合してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶を形成するために重要なミストの濃度を調整することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第3工程においては、基板を110℃以上170℃以下の温度に加熱してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第3工程においては、基板を130℃以上170℃以下の温度に加熱してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第2工程においては、キャリアガスを0.25L/分以上0.45L/分未満の流量で供給してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第2工程においては、キャリアガスを0.30L/分以上0.45L/分未満の流量で供給してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第1工程においては、DMSO:DMF=1:0以上10以下の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒にペロブスカイト材料を溶解させることで、ペロブスカイト材料を含む溶液を生成してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第1工程においては、DMSO:DMF=1:0以上5以下の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒にペロブスカイト材料を溶解させることで、ペロブスカイト材料を含む溶液を生成してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成することができる。
本開示の一側面の放射線検出器の製造方法では、第3工程においては、溶液の溶媒の沸点+20℃の温度を上限値として基板を加熱してもよい。これにより、基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成することができる。
本開示によれば、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大を抑制しつつ、放射線の吸収効率を確保することができる放射線検出器、及びそのような放射線検出器の製造方法を提供することが可能となる。
図1は、実施形態の放射線検出器の部分断面図である。 図2は、図1の放射線検出器の構成図である。 図3は、図1の放射線検出器の製造方法を説明するための模式図である。 図4は、基板の温度を変更した場合における放射線吸収層の断面図である。 図5は、基板の温度を変更した場合におけるX線回折の結果を示す図である。 図6は、キャリアガスの流量を変更した場合における放射線吸収層の断面図である。 図7は、キャリアガスの流量を変更した場合におけるX線回折の結果を示す図である。 図8は、実施例1における放射線吸収層の平面図及び断面図である。 図9は、比較例1~3における放射線吸収層の平面図及び断面図である。 図10は、実施例2,3における放射線吸収層の平面図及び断面図である。 図11は、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成されない場合のメカニズムを説明するための模式図である。 図12は、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成される場合のメカニズムを説明するための模式図である。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[放射線検出器の構成]
図1に示されるように、放射線検出器1は、パネル(基板)10と、放射線吸収層4と、電極6と、を備えている。放射線検出器1は、例えばX線透過画像を形成するために、放射線としてX線を検出する固体撮像装置である。放射線検出器1では、1つの電極6によって第2電極部が構成されている。
パネル10は、ガラス等の絶縁材料からなる支持基板11と、複数の画素Pが設けられた機能層12と、を有している。各画素Pは、電極13と、キャパシタ14と、薄膜トランジスタ15と、を含んでいる。放射線検出器1では、複数の電極13によって第1電極部が構成されている。キャパシタ14の一方の電極は、電極13に電気的に接続されている。キャパシタ14の他方の電極は、グランド電位に電気的に接続されている。薄膜トランジスタ15の一方の電流端子は、キャパシタ14の一方の電極と電極13とを電気的に接続する配線に電気的に接続されている。薄膜トランジスタ15の他方の電流端子は、読出用配線Rに電気的に接続されている。薄膜トランジスタ15の制御端子は、行選択用配線Qに電気的に接続されている。
薄膜トランジスタ15は、電界効果トランジスタ(FET)又はバイポーラトランジスタとしての構成を有している。薄膜トランジスタ15がFETとしての構成を有している場合には、制御端子はゲートに相当し、電流端子はソース又はドレインに相当する。薄膜トランジスタ15がバイポーラトランジスタとしての構成を有している場合には、制御端子はベースに相当し、電流端子はコレクタ又はエミッタに相当する。
図2に示されるように、パネル10において、複数の画素Pは、マトリックス状に配置されている。画素Pm,nは、第m行第n列に位置する画素を意味する。mは1以上M(2以上の整数)以下の整数であり、nは1以上N(2以上の整数)以下の整数である。第m行に配置されたN個の画素Pm,nのそれぞれが含む薄膜トランジスタ15の制御端子(図1参照)は、第m行に配置された1本の行選択用配線Qに電気的に接続されている。第n列に配置されたM個の画素Pm,nのそれぞれが含む薄膜トランジスタ15の他方の電流端子(図1参照)は、第n列に配置された1本の読出用配線Rに電気的に接続されている。
図1に示されるように、放射線吸収層4は、パネル10における一方の側の表面10aに配置されている。つまり、放射線吸収層4は、パネル10に対して一方の側に配置されている。放射線吸収層4は、複数のペロブスカイト結晶40によって構成されている。ペロブスカイト結晶40を構成するペロブスカイト材料としては、PbX(X=Cl,Br,I)及びCsY(Y=Cl,Br,I)(例えば、CsPbBr等)が例示される。放射線吸収層4では、入射したX線が吸収されると、その吸収量に応じて電荷(電子及び正孔)が生じる。
放射線吸収層4の厚さは、例えば1μm~2mmである。放射線吸収層4の厚さが100μm以上であると、X線の吸収効率が向上する。放射線吸収層4の厚さが1mm以下であると、X線の吸収によって生じた電荷の消滅(つまり、電子と正孔との再結合による消滅)が抑制されて電荷の収集効率が向上する。
電極6は、放射線吸収層4における一方の側の表面4aに配置されている。つまり、電極6は、放射線吸収層4に対して一方の側に配置されている。電極6は、放射線吸収層4を介して複数の電極13と対向している。電極6は、導電性材料によって形成されている。当該導電性材料としては、アルミニウム、金、銀、白金、チタン等の金属、スズ添加酸化インジウム(ITO)、フッ素添加酸化スズ(FTO)、酸化スズ(SnO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)等の導電性金属酸化物、導電性高分子等を含む有機系の導電性材料等が例示される。
以上のように構成された放射線検出器1は、次のように使用される。図2に示されるように、放射線検出器1の電極6は、バイアス電圧供給電源21に電気的に接続される。電極6には、バイアス電圧供給電源21によって、パネル10が有する複数の電極13に対して負の電位差が生じるように、バイアス電圧が印加される。放射線検出器1の行選択用配線Qは、ゲートドライバ22に電気的に接続される。放射線検出器1の読出用配線Rは、電荷-電圧変換器群23を介してマルチプレクサ24に電気的に接続される。マルチプレクサ24は、画像処理部25に電気的に接続され、画像処理部25は、画像表示部26に電気的に接続される。なお、ゲートドライバ22、電荷-電圧変換器群23及びマルチプレクサ24等は、放射線検出器1の構成として、パネル10に形成される場合もある。
この状態で、図1に示されるように、撮像対象に照射されたX線が放射線吸収層4に入射し、当該X線が放射線吸収層4で吸収されると、放射線吸収層4では、X線の吸収量に応じて電荷(電子及び正孔)が生じる。放射線吸収層4において生じた電子は、各画素Pの電極13に収集されて、各画素Pのキャパシタ14に蓄積される。その一方で、放射線吸収層4において生じた正孔は、電極6に収集される。
そして、図1及び図2に示されるように、ゲートドライバ22から、第m行の行選択用配線Qを介して制御信号が送信されて、第m行の各画素Pm,nの薄膜トランジスタ15がONとされる。ゲートドライバ22は、この制御信号の送信を全ての行選択用配線Qについて順次に実施する。これにより、第m行の各画素Pm,nのキャパシタ14に蓄積された電荷(電子)が、対応する各読出用配線Rを介して電荷-電圧変換器群23に入力され、その電荷量に応じた電圧信号がマルチプレクサ24に入力される。マルチプレクサ24は、各画素Pm,nのキャパシタ14に蓄積された電荷量に応じた電圧信号を画像処理部25に順次に出力する。画像処理部25は、マルチプレクサ24から入力された電圧信号に基づいて撮像対象のX線透過画像を形成し、当該X線透過画像を画像表示部26に表示させる。
[ペロブスカイト結晶の構成]
図1に示されるように、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、ペロブスカイト結晶40は、方向(第1方向)D1を長手方向として延在するように形成されている。つまり、ペロブスカイト結晶40では、或る方向においてペロブスカイト結晶40の外幅が最大となる場合に、その方向が方向D1に沿う方向となっている。換言すれば、ペロブスカイト結晶40は、方向D1を長手方向とする柱状結晶若しくは長尺状結晶、又は、方向D1に沿うように延在する柱状結晶若しくは長尺状結晶ともいえる。ペロブスカイト結晶40は、例えば、ペロブスカイト材料の多結晶である。なお、方向D1は、複数の電極13と電極6とが対向する方向であり、パネル10の厚さ方向に一致している。
放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、方向D1に垂直な方向(第2方向)D2におけるペロブスカイト結晶40の幅を1とすると、2以上である。放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、10μm以上である。放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、方向D1における放射線吸収層4の厚さよりも小さい。なお、本実施形態では、方向D1における放射線吸収層4の厚さは、100μm以上である。
放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅は、複数の電極13の配列ピッチ以下である。放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅は、50μm以下である。放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、ペロブスカイト結晶40の存在率は、80%以上である。放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、ペロブスカイト結晶40は、少なくとも1つの他のペロブスカイト結晶40と接触している。なお、複数の電極13の配列ピッチとは、隣り合う電極13の中心間距離を意味する。また、或る領域におけるペロブスカイト結晶40の存在率とは、その領域の体積に対して、その領域に存在する複数のペロブスカイト結晶40の体積が占める割合を意味する。
上述したペロブスカイト結晶40の形状、長さ、幅及び存在率は、次のように確認することができる。まず、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域が方向D2において4等分され、且つ当該領域が方向D1及び方向D2に垂直な方向において4等分されるように、放射線吸収層4を切断する。そして、放射線吸収層4の各切断面(向かい合っていた一対の切断面については、いずれか一方の切断面でよい)において、複数の電極13と電極6との間の断面領域を観察する。当該断面領域におけるペロブスカイト結晶40の形状、長さ、幅及び存在率を、上述したペロブスカイト結晶40の形状、長さ、幅及び存在率と推認することができる。
[作用及び効果]
放射線検出器1では、放射線吸収層4が複数のペロブスカイト結晶40によって構成されており、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、複数のペロブスカイト結晶40のそれぞれが、複数の電極13と電極6とが対向する方向D1を長手方向として延在するように形成されている。これにより、放射線の吸収効率を確保するために放射線吸収層4の厚さを大きくしたとしても、複数の電極13での電荷の収集効率の低下や、複数の電極13間でのクロストークの増大が抑制される。複数の電極13での電荷の収集効率の低下が抑制されるのは、放射線吸収層4において粒界ギャップが減ることで電荷の移動速度が上がるためである。よって、放射線検出器1によれば、電荷の収集効率の低下や複数の画素P間におけるクロストークの増大を抑制しつつ、放射線の吸収効率を確保することができる。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、方向D1に垂直な方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅を1とすると、2以上である。これにより、電荷の収集効率の低下や複数の画素間におけるクロストークの増大をより確実に抑制することができる。なお、この観点では、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅を1とすると、20以上であることが、より好ましい。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、10μm以上である。これにより、放射線吸収層4の厚さを大きくし易くなるため、放射線の吸収効率を容易に且つ確実に確保することができる。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1に垂直な方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅は、複数の電極13の配列ピッチ以下である。これにより、複数の画素P間におけるクロストークの増大をより確実に抑制することができ、尖鋭度の高いX線透過画像を得ることが可能となる。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域にいて、ペロブスカイト結晶40の存在率は、80%以上である。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、ペロブスカイト結晶40は、少なくとも1つの他のペロブスカイト結晶40と接触している。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
また、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1におけるペロブスカイト結晶40の長さは、方向D1における放射線吸収層4の厚さよりも小さい。これにより、放射線の吸収効率を確保するために放射線吸収層4の厚さを大きくしたとしても、それぞれが方向D1を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶40によって構成された放射線吸収層4を確実に形成することができる。
放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1における放射線吸収層4の厚さは、100μm以上である。これにより、放射線の吸収効率をより確実に確保することができる。
[放射線検出器の製造方法]
まず、ペロブスカイト材料を溶媒に溶解させ、前駆体溶液を生成する。ペロブスカイト材料は、例えば、PbX(X=Cl,Br,I)及びCsY(Y=Cl,Br,I)である。溶媒は、例えば、γ-ブチロラクトン、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホシキド(DMSO)等の有機溶媒である。ただし、溶媒は、ペロブスカイト材料を溶解させることができるものであればよく、1種類の溶媒からなるものであってもよいし、或いは、2種類以上の溶媒からなるものであってもよい。ペロブスカイト材料としてPbX及びCsYを用いる場合、ペロブスカイト材料のモル比は、例えば、PbX:CsY=1:1~2:1であり、前駆体溶液におけるペロブスカイト材料の濃度は、例えば、10~100mモル/Lである。
続いて、図3に示されるように、生成した前駆体溶液Sを霧化容器51に入れ、超音波振動によって、前駆体溶液SからミストMを発生させる。つまり、ペロブスカイト材料を含む溶液である前駆体溶液Sから、超音波振動によってミストMを生成する(第1工程)。超音波振動の振動数は、例えば2.4MHzである。超音波振動の振動数を調整することで、ミストMのサイズを調整することができる。ミストMの粒子サイズは、10μmを超えると空気中でのミストMの沈降速度が1mm/秒を超えて空気中でのミストMの滞留が不可能となるため、10μm以下が好ましい。
続いて、ミストMが十分に生成されて霧化容器51内のミスト量が安定化したら、キャリアガスG1及び希釈ガスG2を流してミストM、キャリアガスG1及び希釈ガスG2を混合し、ミストMを含むキャリアガスG1を、流路52を介してノズル53に運ぶ。つまり、ミストM及び希釈ガスG2をキャリアガスG1に混合する(第2工程)。本実施形態では、ミストM、キャリアガスG1及び希釈ガスG2を混合するが、この混合ガスを、ミストMを含むキャリアガスG1という。
続いて、加熱装置付きのステージ54にセットされて所定温度(例えば、150~200℃)に加熱されたパネル10に対し、ノズル53から、ミストMを含むキャリアガスG1を吹き付ける。このとき、ステージ54を動作させることで、ノズル53に対してパネル10を例えば往復移動させ、パネル10の表面10aに所定量のミストMを付着させる。これにより、複数のペロブスカイト結晶40によって構成された放射線吸収層4をパネル10の表面10aに形成する。つまり、パネル10に対し、パネル10を加熱した状態で、ミストMを含むキャリアガスG1を吹き付け、パネル10上の領域のうち複数の電極13に対応する領域に、それぞれがパネル10の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶40を形成し、複数のペロブスカイト結晶40によって構成された放射線吸収層4を、パネル10に対して一方の側に形成する(第3工程)。
この工程では、パネル10の表面10aへのミストMの付着とミストMからの溶媒の揮発(すなわち、ペロブスカイト材料の析出)とが繰り返されることで、パネル10の表面10aに複数のペロブスカイト結晶40が形成される。ミストMは、マイクロサイズオーダ又はサブマイクロサイズオーダの液滴である。このサイズの液滴は、「液滴微粒子」と称され、液状且つガス状の性質を持ち合せる。そのため、パネル10の表面10aの周囲を溶媒雰囲気として保持しながら、気相成長法としての成膜が可能となる。その結果、パネル10の表面10aに、それぞれがパネル10の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶40が形成される。
なお、パネル10の表面10aに所定量のミストMを付着させることができれば、ノズル53を動作させてもよいし、或いは、ノズル53及びステージ54を動作させなくてもよい。また、パネル10の表面10aにメタルマスク又はレジストを予め形成しておくことで、放射線吸収層4の形成領域をパターニングしてもよい。
続いて、放射線吸収層4の表面4aに電極6を形成する。つまり、パネル10上の領域のうち複数の電極13に対応する領域を介して複数の電極13と対向する電極6を、放射線吸収層4に対して一方の側に形成する(第4工程)。電極6は、スプレーコート、スクリーン印刷、スピンコート等を用いて形成することができる。或いは、電極6は、蒸着法、スパッタリング法等を用いて形成することができる。
以上により、放射線検出器1を得る。上述した放射線検出器1の製造方法によれば、上述したような放射線吸収層4を備える放射線検出器1を製造することができる。
また、ペロブスカイト材料を含む溶液である前駆体溶液SからミストMを生成する工程においては、超音波振動によって前駆体溶液SからミストMを生成する。これにより、好適なミストMを容易且つ確実に生成することができる。
また、ミストMをキャリアガスG1に混合する工程においては、希釈ガスG2をキャリアガスG1に混合する。これにより、パネル10の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶40を形成するために重要なミストMの濃度を調整することができる。
[変形例]
本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、放射線吸収層4は、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域において、方向D1を長手方向として延在するように形成された複数のペロブスカイト結晶40を含んでいれば、その一部として、長尺状でない結晶や空隙等を含んでいてもよい。特に、放射線吸収層4のうち複数の電極13と電極6との間の領域以外の領域(例えば、方向D1から見た場合における放射線吸収層4の外縁領域)には、方向D1を長手方向として延在するように形成された複数のペロブスカイト結晶40が含まれていなくてもよい。
また、放射線検出器1は、X線以外の放射線を検出するように構成されていてもよい。また、電極6には、パネル10が有する複数の電極13に対して正の電位差が生じるように、バイアス電圧が印加されてもよい。その場合、各電極13は、X線の吸収によって放射線吸収層4において生じた正孔を収集する。また、上述した実施形態では、放射線吸収層4を介して複数の電極13と対向する1つの電極6によって、第2電極部が構成されていたが、第2電極部は、放射線吸収層4を介して複数の電極13と対向する複数の電極6によって構成されていてもよい。その場合、各電極6は、放射線吸収層4を介して少なくとも1つの電極13と対向していればよい。また、上述した実施形態では、第1電極部を構成する複数の電極13が画素電極としての機能を有していたが、第2電極部を構成する複数の電極6が画素電極としての機能を有していてもよい。その場合、第1電極部は、放射線吸収層4を介して複数の電極6と対向する少なくとも1つの電極13によって構成されていればよい。更に、その場合、放射線吸収層4のうち電極13と複数の電極6との間の領域において、方向D1に垂直な方向D2におけるペロブスカイト結晶40の幅は、複数の電極6の配列ピッチ以下であってもよい。これにより、複数の画素P間におけるクロストークの増大をより確実に抑制することができ、尖鋭度の高いX線透過画像を得ることが可能となる。なお、複数の電極6の配列ピッチとは、隣り合う電極6の中心間距離を意味する。
また、支持基板11としては、ガラス基板だけでなく、シリコン基板等を用いることも可能である。その場合、薄膜トランジスタではなく、シリコン基板に形成されたFETを用いて、CMOSASICを構成してもよい。つまり、パネル10は、複数の電極13を有する基板であれば、上述した構成に限定されない。
また、放射線検出器1は、パネル10、放射線吸収層4及び電極6の外表面を覆う防湿層を備えていてもよい。蒸着等によって樹脂膜を形成することで、或いは、ALD、CVD等によって酸化膜又は窒化膜を形成することで、そのような防湿層を得ることができる。
また、上述した放射線検出器1の製造方法では、超音波振動によって前駆体溶液SからミストMを生成したが、加圧式(圧力を加え流速を増加させたキャリアガスG1を前駆体溶液Sに衝突させて、ミストMを発生させる方法)、回転ディスク式(高速回転しているディスクに前駆体溶液Sを滴下して、遠心力によってミストMを発生させる方法)、オリフィス振動式(オリフィス板の間に前駆体溶液Sを通す際に、圧電素子等によって振動を加えて、ミストMを発生させる方法)、静電式(前駆体溶液Sを噴霧する細管に電圧をかけて、ミストMを発生させる方法)等によって、前駆体溶液SからミストMを生成してもよい。
また、放射線検出器1が備える各構成には、上述した材料及び形状の一例に限定されず、様々な材料及び形状を適用することができる。また、上述した一の実施形態又は変形例における各構成は、他の実施形態又は変形例における各構成に任意に適用することができる。
[実施例及び比較例]
ホウケイ酸ガラスからなる厚さ0.7mmの基板を用意し、下記の表1の条件で、当該基板の表面に放射線吸収層を形成した。温度検証では、基板の温度のみを変更して、基板の表面に放射線吸収層を形成した。流量検証では、キャリアガスの流量のみを変更して、基板の表面に放射線吸収層を形成した。
Figure 0007446592000001
図4は、基板の温度を変更した場合における放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。図4において、(a)は基板の温度が110℃の場合、(b)は基板の温度が130℃の場合、(c)は基板の温度が150℃の場合、(d)は基板の温度が160℃の場合、(e)は基板の温度が170℃の場合、(f)は基板の温度が190℃の場合である。図5は、基板の温度を変更した場合におけるX線回折の結果を示す図である。
図4及び図5に示されるように、それぞれが基板の厚さ方向を長手方向として延在する複数のペロブスカイト結晶(以下、「長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶」という)を確実に形成するためには、上述した第3工程において基板を110℃以上170℃以下の温度に加熱することが好ましいことが分かった。また、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成するためには、上述した第3工程において基板を130℃以上170℃以下の温度に加熱することが好ましいことが分かった。
図6は、キャリアガスの流量を変更した場合における放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。図6において、(a)はキャリアガスの流量が0.25L/分の場合、(b)はキャリアガスの流量が0.30L/分の場合、(c)はキャリアガスの流量が0.35L/分の場合、(d)はキャリアガスの流量が0.40L/分の場合、(e)はキャリアガスの流量が0.45L/分の場合、(f)はキャリアガスの流量が0.50L/分の場合である。図7は、キャリアガスの流量を変更した場合におけるX線回折の結果を示す図である。
図6及び図7に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成するためには、上述した第2工程においてキャリアガスを0.25L/分以上0.45L/分未満の流量で供給することが好ましいことが分かった。また、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成するためには、上述した第2工程においてキャリアガスを0.30L/分以上0.45L/分未満の流量で供給することが好ましいことが分かった。
ここで、ペロブスカイト材料を含む溶液(前駆体溶液)を生成するための溶媒として、ジメチルスルホシキド(DMSO)及びN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を用いる場合について検討する。
DMSOの粘度(25℃で1.99cp)は、DMFの粘度(25℃で0.79cP)よりも高い。そのため、DMSOの単溶媒で前駆体溶液を生成すると、振動数2.4MHzの超音波振動では、ミストの発生量を十分に得ることができない。したがって、ミストの発生量を十分に得るためには、溶媒として、DMSOにDMFを混合することが好ましい。
一方、ペロブスカイト材料(PbX(X=Cl,Br,I)及びCsY(Y=Cl,Br,I)の飽和溶解度については、DMFの飽和溶解度は、DMSOの飽和溶解度よりも小さい。そのため、前駆体溶液を生成するに際しDMSOへのDMFの混合比を大きくし過ぎると、流路中でのミストの結露量が多くなり、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶の形成に悪影響を及ぼすおそれがある。
以上により、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成するためには、上述した第1工程においてDMSO:DMF=1:0以上10以下の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒にペロブスカイト材料を溶解させることで、ペロブスカイト材料を含む溶液を生成することが好ましい。また、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶をより確実に形成するためには、上述した第1工程においてDMSO:DMF=1:0以上5以下の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒にペロブスカイト材料を溶解させることで、ペロブスカイト材料を含む溶液を生成することが好ましい。なお、上述した体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒であれば、DMSO及びDMF以外の他の溶媒を含んでもよい。
ところで、DMSOの単溶媒で前駆体溶液を生成した場合にも、超音波振動の周波数を下げれば、ミストの発生量を増加させることができるが、ミストの粒子サイズが大きくなり、ミストとしての流動性が損なわれる。一方、DMSOの単溶媒で前駆体溶液を生成した場合に、超音波振動の周波数を上げると、上述したように、ミストの発生量を十分に得ることができない。ただし、前駆体溶液を生成するに際しDMSOへのDMFの混合比を大きくし過ぎると、上述したように、流路中でのミストの結露量が多くなる。そこで、超音波振動の周波数は、100kHz以上10MHz以下が好ましく、1MHz以上5MHz以下がより好ましい。
上述した各数値範囲は、好ましい数値範囲、或いは、より好ましい数値範囲を示す一例である。基板の温度を高くしたとしても、キャリアガスの流量を増加させたり、溶液におけるペロブスカイト材料の濃度を高くしたりすることで、基板に対するペロブスカイト材料の供給量を増加させれば、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を形成することができる。例えば、溶媒の沸点+20℃の温度まで基板を加熱したとしても、基板に対するペロブスカイト材料の供給量を増加させれば、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を形成することができる。長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を確実に形成するためには、上述した第3工程において、溶媒の沸点+20℃の温度を上限値として基板を加熱することが好ましい。なお、複数種の溶媒が混合された溶媒では、溶媒の沸点とは、最高の沸点を有する溶媒の沸点を意味する。例えば、DMSO及びDMFが混合された溶媒では、DMSOの沸点が189℃であり、DMFの沸点が153℃であるから、209℃(189℃+20℃)を上限値として基板を加熱することが好ましい。
実施例及び比較例として、ホウケイ酸ガラスからなる厚さ0.7mmの基板を用意し、下記の表2の条件で、当該基板の表面に放射線吸収層を形成した。
Figure 0007446592000002
その結果、実施例1では、図8の(a)及び(b)に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成された。実施例1は、上述した基板の温度に関するより好ましい条件(130℃以上170℃以下)及びキャリアガスの流量に関するより好ましい条件(0.30L/分以上0.45L/分未満)を満たしている。なお、図8の(a)及び(b)において、左側は放射線吸収層の平面図(SEM画像)であり、右側は放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。
比較例1では、図9の(a)に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成されなかった。比較例1では、実施例1に比べ、ミストの密度が増え、ミストの乾燥速度が速まっていると想定される。比較例1は、上述した基板の温度に関する好ましい条件(110℃以上170℃以下)及びキャリアガスの流量に関する好ましい条件(0.25L/分以上0.45L/分未満)を満たしていない。なお、図9の(a)において、左側は放射線吸収層の平面図(SEM画像)であり、右側は放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。
比較例2では、図9の(b)に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成されなかった。比較例2では、実施例1に比べ、ミスト中の前駆体の濃度、ミストの密度、及びステージの移動速度が大きい。比較例2は、上述した基板の温度に関するより好ましい条件(130℃以上170℃以下)を満たしているが、上述したキャリアガスの流量に関する好ましい条件(0.25L/分以上0.45L/分未満)を満たしていない。なお、図9の(b)において、左側は放射線吸収層の平面図(SEM画像)であり、右側は放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。
比較例3では、図9の(c)に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成されなかった。比較例3では、実施例1に比べ、ミスト中の前駆体の濃度、ミストの密度、及びステージの移動速度が大きい。比較例3は、上述した基板の温度に関する好ましい条件(110℃以上170℃以下)及びキャリアガスの流量に関する好ましい条件(0.25L/分以上0.45L/分未満)を満たしていない。なお、図9の(c)において、左側は放射線吸収層の平面図(SEM画像)であり、右側は放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。
実施例2,3では、それぞれ、図10の(a)及び(b)に示されるように、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶が形成された。キャリアガスの流量を増やすと、運ばれるミスト量が増えるので、実施例3では、実施例2よりも希釈ガスの流量を増やして(すなわち、ミストの密度を減らして)、バランスをとっている。実施例2は、上述した基板の温度に関する好ましい条件(110℃以上170℃以下)を満たしていないが、上述したキャリアガスの流量に関するより好ましい条件(0.30L/分以上0.45L/分未満)を満たしている。実施例3は、上述した基板の温度に関する好ましい条件(110℃以上170℃以下)及びキャリアガスの流量に関する好ましい条件(0.25L/分以上0.45L/分未満)を満たしていない。長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶を形成することができた。なお、図10の(a)において、左側は放射線吸収層の平面図(SEM画像)であり、右側は放射線吸収層の断面図(SEM画像)である。図10の(b)には、放射線吸収層の断面図(SEM画像)のみが示されている。
なお、基板として、ホウケイ酸ガラス以外のガラス、ITO、Pt等からなる基板、Si等からなる半導体基板、集積回路等を用いてもよい。
ここで、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が形成されない場合のメカニズム、及び長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が形成される場合のメカニズムについて、それぞれ想定として説明する。
長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が形成されない場合には、図11の(a)に示されるように、基板100の表面にミストMが付着すると、図11の(b)に示されるように、ミストMが内側に縮む前にミストMの外側から多くの溶媒101が揮発することで、ミストMの中央部が薄くなり、図11の(c)に示されるように、ペロブスカイト材料102がリング状に析出する(いわゆるコーヒーリング現象)。このように、ペロブスカイト材料102がリング状に析出する条件では、その上へのミストMの付着とミストMからの溶媒101の揮発(すなわち、ペロブスカイト材料102の析出)とが繰り返されても、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が成長し難いと想定される。
一方、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が形成される場合には、図12の(a)に示されるように、基板100の表面にミストMが付着すると、図12の(b)に示されるように、ミストMが内側に縮みつつミストMから溶媒101が揮発することで、ミストMの中央部が薄くならず、図12の(c)に示されるように、ペロブスカイト材料102が円形状に析出する。このように、ペロブスカイト材料102が円形状に析出する条件では、その上へのミストMの付着とミストMからの溶媒101の揮発(すなわち、ペロブスカイト材料102の析出)とが繰り返されることで、長尺状を呈する複数のペロブスカイト結晶40が成長し易いと想定される。
1…放射線検出器、4…放射線吸収層、6…電極(第2電極、第2電極部)、10…パネル(基板)、13…電極(第1電極、第1電極部)、40…ペロブスカイト結晶、D1…方向(第1方向)、D2…方向(第2方向)、G1…キャリアガス、G2…希釈ガス、M…ミスト、S…前駆体溶液(溶液)。

Claims (18)

  1. 第1電極部を有する基板と、
    前記基板に対して一方の側に配置され、複数のペロブスカイト結晶を含む放射線吸収層と、
    前記放射線吸収層に対して前記一方の側に配置され、前記放射線吸収層を介して前記第1電極部と対向する第2電極部と、を備え、
    前記放射線吸収層のうち前記第1電極部と前記第2電極部との間の領域において、前記複数のペロブスカイト結晶のそれぞれは、前記第1電極部と前記第2電極部とが対向する第1方向を長手方向として延在するように形成されており、
    前記第1電極部及び前記第2電極部の少なくとも一方は、複数の電極によって構成されており、
    前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記第1方向に垂直な第2方向における前記ペロブスカイト結晶の幅は、前記複数の電極の配列ピッチ以下である、放射線検出器。
  2. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記第1方向における前記ペロブスカイト結晶の長さは、前記第1方向に垂直な第2方向における前記ペロブスカイト結晶の幅を1とすると、2以上である、請求項1に記載の放射線検出器。
  3. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記第1方向における前記ペロブスカイト結晶の長さは、10μm以上である、請求項1又は2に記載の放射線検出器。
  4. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記ペロブスカイト結晶の存在率は、80%以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の放射線検出器。
  5. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記ペロブスカイト結晶は、少なくとも1つの他の前記ペロブスカイト結晶と接触している、請求項1~4のいずれか一項に記載の放射線検出器。
  6. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記第1方向における前記ペロブスカイト結晶の長さは、前記第1方向における前記放射線吸収層の厚さよりも小さい、請求項1~5のいずれか一項に記載の放射線検出器。
  7. 前記第1電極部と前記第2電極部との間の前記領域において、前記第1方向における前記放射線吸収層の厚さは、100μm以上である、請求項1~6のいずれか一項に記載の放射線検出器。
  8. ペロブスカイト材料を含む溶液からミストを生成する第1工程と、
    前記ミストをキャリアガスに混合する第2工程と、
    第1電極部を有する基板に対し、前記基板を加熱した状態で、前記ミストを含む前記キャリアガスを吹き付け、前記基板上の領域のうち前記第1電極部に対応する領域に、それぞれが前記基板の厚さ方向を長手方向として延在するように複数のペロブスカイト結晶を形成し、前記複数のペロブスカイト結晶を含む放射線吸収層を、前記基板に対して一方の側に形成する第3工程と、
    前記第1電極部に対応する前記領域を介して前記第1電極部と対向する第2電極部を、前記放射線吸収層に対して前記一方の側に形成する第4工程と、を備え、
    前記第1電極部及び前記第2電極部の少なくとも一方は、複数の電極によって構成されており、
    前記第3工程においては、前記第1電極部と前記第2電極部との間の領域において、前記第1方向に垂直な第2方向における前記ペロブスカイト結晶の幅が、前記複数の電極の配列ピッチ以下となるように、前記放射線吸収層を形成する、放射線検出器の製造方法。
  9. 前記第1工程においては、超音波振動によって前記溶液から前記ミストを生成する、請求項8に記載の放射線検出器の製造方法。
  10. 前記第2工程においては、希釈ガスを前記キャリアガスに混合する、請求項8又は9に記載の放射線検出器の製造方法。
  11. 前記第3工程においては、前記基板を110℃以上170℃以下の温度に加熱する、請求項8~10のいずれか一項に記載の放射線検出器の製造方法。
  12. 前記第3工程においては、前記基板を130℃以上170℃以下の温度に加熱する、請求項11に記載の放射線検出器の製造方法。
  13. 前記第2工程においては、前記キャリアガスを0.25L/分以上0.45L/分未満の流量で供給する、請求項8~12のいずれか一項に記載の放射線検出器の製造方法。
  14. 前記第2工程においては、前記キャリアガスを0.30L/分以上0.45L/分未満の流量で供給する、請求項13に記載の放射線検出器の製造方法。
  15. 前記第1工程においては、DMSO及びDMFを含む溶媒に前記ペロブスカイト材料を溶解させることで、前記ペロブスカイト材料を含む前記溶液を生成する、請求項8~14のいずれか一項に記載の放射線検出器の製造方法。
  16. 前記第1工程においては、DMSO:DMF=1:「10以下の値」の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒に前記ペロブスカイト材料を溶解させることで、前記ペロブスカイト材料を含む前記溶液を生成する、請求項15に記載の放射線検出器の製造方法。
  17. 前記第1工程においては、DMSO:DMF=1:「5以下の値」の体積比でDMSO及びDMFを含む溶媒に前記ペロブスカイト材料を溶解させることで、前記ペロブスカイト材料を含む前記溶液を生成する、請求項16に記載の放射線検出器の製造方法。
  18. 前記第3工程においては、前記溶液の溶媒の沸点+20℃の温度を上限値として前記基板を加熱する、請求項8~17のいずれか一項に記載の放射線検出器の製造方法。
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