JPH10512398A - 半導体に基づくｘ線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、その上に二つまたはそれ以上の電気接点が配置される少なくとも一つの高固有抵抗II−VI族半導体材料を含んでなり、電気接点のうち少なくとも一つはブロッキング接点のグループから選ばれたＸ線検出器を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体に基づくＸ線検出装置 発明の属する技術の分野 この発明は、半導体を用いたＸ線検出装置に関する。従来の技術 Ｘ線またはΥ線の放射の検出のために、多数の検出器が着想された。検出器の 材料の性質は非常に多様で、個体、液体、気体にわたるが、検出の原理は、一般 に、荷電粒子の通過による検出媒体自体のイオン化または励起に基づいている。 それにもかかわらず、検出器内に生成する荷電粒子の数およびそこから得られる 信号を計測する手段は、Ｘ線放射検出器の場合とΥ線放射検出器の場合では大き く異なっている（参考文献［１］参照）。 シンチレーション検出器または気体検出器を主として使用するＸ線放射または Υ線放射の検出法への、過去３０年間の主要な追加は、半導体に基づく固体検出 器の使用であった。 半導体に基づく検出器は、シンチレーションでの可視の光子の放出のような中 間段階を通らずに、直接に材料内のＸ線またはΥ線から放射エネルギーへの変換 を成し遂げる。これにより効率損失同義結合の問題が回避される。半導体中で電 子−正孔対を生成するのに必要なエネルギーは、気体中またはシンチレータ中で よりも、遙かに小さい（ほぼ、半導体中で４ｅＶ、気体中で３０ｅＶ、シンチレ ーター光電子増倍管システム中で３００ｅＶ）。結果として、検出される光子ご とに生成される自由電荷の数は遙かに多く、低ノイズで高利得が得られる。その 上、それらの高い原子番号とそれらの高密度により、同一の量子検出効率を保持 しながら気体やシンチレータの場合よりも、遙かに少ない量を使用した検出を可 能にする（文献［２］参照）。 これら全ての利点が作用して、研究年代順に下記した三つのアプリケーション で、半導体をベースにした検出器の使用が可能になった。 − 核検出。その目的は、Υ線光子により核放射源から蓄積されたエネルギーを 測定することである。 − 科学的計測。短時間のＸ線放射パルスを検出し、それらの時間的経過と強度 を測定する必要があるとき。 − Ｘ線放射検出。その目的は、Ｘ線発生器で照射された物体の放射線医学画像 を生成すること。 最後に挙げた半導体に基づく検出器によるＸ線検出アプリケーションは、ごく 最近のことであり、従って、１９６０年代にΥ線放射の検出に比較して、少しし か研究されていない。 半導体材料のうちには、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）が、電気的性質の見 地から最良の選択を代表する。（文献［３］参照）。 しかしながら、他の検出器、とくに、IV族半導体（Ｓｉ、Ｇｅなど）、II−VI 族（ＺｎＳなど）、III−Ｖ族（ＧａＡｓ、ＩｎＰなど）、またはII−VII族半導 体（ＨｇＩ₂など）が、Ｘ線範囲とΥ線範囲の両方に使用できる。 これらの半導体材料をＸ線放射検出器として使用することには、材料の表面に 電気的接点を沈積して、その端子にバイアス電圧を加えられるようにしたものを 含む。電荷のキャリア、すなわち、Ｘ線光子と材料の相互作用で形成された電子 −正孔対は、電界の作用で分離され、電子は正電極の方へ、正孔は負電極の方へ 移動する。半導体材料に存在する欠陥に捕らわれずに電極へ向かって移動するこ れらの電荷キャリアの容量が、測定される信号の条件をつくる。この容量はまた 電荷キャリアの輸送過程としても知られていて、検出器の厚み全体に加えられる 電界の強さとともに増大するが、これは電界が検出器内のその遷移時間を制限す るからである。 いわゆる暗電流（放射が無い時の検出器電流）および有用な検出領域を課する これら電荷キャリア移送性と材料の固有抵抗は、材料の純粋性、すなわち禁制帯 内での活性な欠陥（ａｃｔｉｖｅ ｆａｕｌｔｓ）の存在に左右される。これら の活性な欠陥、すなわち欠陥（ｄｅｆｅｃｔｓ）は、移動ヒーター法（ＴＨＭ） 、高圧ブリッグマン法（ＨＰＢＭ）、ブリッグマン法（ＢＭ）など、どんな方法 をＣｄＴｅに使用しても、材料の結晶生成の間に現れる。プーリング法（ｐｕｌ ｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）に関係するこれら欠陥の研究文献は広範で、 その最近の進展は、これらの除去が不可能であることを示している（文献［４］ 参照）。 半導体材料上に沈積される金属接点の性質の選択は、暗電流を制限し、接触抵 抗を制限し、検出器の厚み全体にわたり電圧を課して、高度に実用的な検出域を 得る必要によって決定される。ここでもまたオーム的（ｏｈｍｉｃ）構造（金属 沈積）、接合（注入、拡散）、ダイオード構造（ヘテロ接合）など、種々に可能 な検出器の構成についての広範な文献がある（文献［５］参照）。 しかしながら、純度による検出器材料の選択および最適の検出器性能を生むた めの接点の性質に加えて、こうして形成された検出器構造（接点−半導体−接点 ）が、Ｘ線およびΥ線の放射検出の一般的仕様に従わなければならない。すなわ ち、低ノイズで高度な信号で、捕捉時間を通じて一定な信号を得なければならな い。 こうして、接合／ダイオード型のこれら最適構造が低ノイズで高度な信号を得 ることを可能にするが、あいにくこれらは、二つの電極間に加えられた電界の空 間的分布の時間的な展開からなるバイアスの影響を欠点として有する（文献［６ ］参照）。 ここでもまた多数の刊行物がこれらの理想的な構造の操作を取り扱っているが 、それらはもっぱらΥ線放射の検出に使用されている。これらの刊行物が示すの は、バイアスの影響が、最適構造（接合／ダイオード型）で明らかになった半導 体の活性な欠陥、すなわち欠陥の存在（例えばＣｄＴｅ：Ｃｌ）に関連している ことである。今日、特定の検出構造、すなわち、あらかじめ化学的に磨いた面、 オーム的であると言われる面に沈積したいわゆる無電解接点を使用するだけで、 時間的に一定な測定された信号が得られる。しかしながら、暗電流が高く（高ノ イズで）、加えられる電界を制限し、従って、電荷キャリアの移送性を制限する （低効率）（文献［７］参照）。 こうした最適ではない検出構成が、Υ線放射の検出に使用される唯一のもので ある。バイアス効果の解釈（加えられた電界の空間的分布の時間的な展開）から 、Ｘ線放射検出システムの新しいユーザがそうした構成を使用することとなった 。 この発明は、これらの不利な点を不要にするＸ線検出装置に関係する。発明の説明 この発明は、II−VI族の高固有抵抗半導体で作られたＸ線放射検出器に関係し 、少なくとも二つの電極が配置され、電極のうちの少なくとも一つは、ブロッキ ング接点のファミリーから取られている。 Ｘ線放射の検出の性質と原理は、Υ線の場合と異なるので、これによりＸ線検 出用のＣｄＴｅに基づいた最適な検出構造（ＰＩＮダイオード、ｐｎ接合など） の使用が可能になるが、これらはΥ線の検出では機能しない。Υ線検出の最適構 造の放棄をもたらすバイアスの影響は、一定のＸ線検出条件の下では、除去でき る。 そうした構造は大きな電界の印加を可能にするとともに、暗電流率を１／３な いし１／１０にまで制限し、ＣｄＴｅ材料のバイアス影響を除去する。 スタック（ｓｔａｃｋｉｎｇ）やドラッグ（ｄｒａｇ）のないそうした構成に よって、この材料はＸ線放射の撮像に好適となる。 有利なことに、互い違いにブロック部／ＣｄＴｅ／ブロック部のダイオード型 が任意のＣｄＴｅ材料上に沈積できる。 ＣｄＴｅに基づく最適構成による室温でのＸ線の検出の結果として、暗電流を 制限し、高い電界と、それゆえ高い信号と、制限されたメモリ効果と、時間内で 一定な信号とを得ることができた。 ブロッキング接点（アルミニウム、インジウム、銀など）について、この発明 は、先行技術と逆になっている。 こうして、Ｘ線放射の時間内で安定なブロッキング接点は、Ｘ線検出の質を大 きく改良した。その上前記ブロッキング接点（例えばアルミニウム、銀、インジ ウム）は、Υ線検出においては、時間内で安定でなかったために、早々に見捨て られた。Ｘ線検出はΥ線検出の基礎の上に開発され、従って、専門家はオーム的 接点を使用する。図面の簡単な説明 第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図は、Υ線検出装置を示す。 第２Ａ図、第２Ｂ図は、この発明によるＸ線検出装置を示す。 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は、この発明による種々の構成の電流−電圧特 性を図示する。 第４Ａ図、第４Ｂ図、第４Ｃ図は、Υ線放射検出曲線を図示する。 第５Ａ図、第５Ｂ図、第５Ｃ図は、Ｘ線放射検出曲線を図示する。 第６Ａ図、第６Ｂ図、第６Ｃ図は、Υ線放射源付きのこの発明による装置の飛 行時間特性記述を図示する。 第７Ａ図、第７Ｂ図、第７Ｃ図は、Ｘ線放射源付きのこの発明による装置の飛 行時間特性記述を図示する。実施例の詳細な説明 この発明の理解を容易にするために、Ｘ線放射とΥ線放射の相違、Ｘ線放射検 出原理とΥ線放射検出原理の相違、Ｘ線検出器とΥ線検出器に必要な物理的基準 の相違について説明することが必要である。 Ｘ線放射Υ線放射は両方とも光子で構成され、そのエネルギーはほぼ同じ程度 の大きさである。相違は、放出源とそれらの制御に関して起こる。 Υ線放射は、放射性のある線源からきて、線源はランダムな、つまり制御不能 な光子の放出をする。各光子のエネルギーは、量をはかることができる、なぜな ら光子は原子核の崩壊の結果生じるからである。活性度（毎秒の崩壊の数）はさ まざまであるが、一般に非常に高い。 Ｘ線放射は発生器から来るが、発生器の光子放出は制御可能である。光子のエ ネルギースペクトルが得られ、電子管の高電圧によりその最大エネルギーが制御 できるし、電子管の密度により単位時間当たりの光子数が制御できる。光子の速 度は、一般に比較的高い。Ｘ線の光子の放出は、連続的であるか、または、チョ ッパを使用して、反復的なパルスの形にチョップされる。 Υ線放射は、主として核医学で使用される。目的は、患者に注射した追跡子か ら光子のΥ線分光測定法を得ることである。このΥ線分光測定法は、放出された 全ての光子を検出することと、それらのエネルギーを測定することから構成され ている。 Ｘ線放射は主としてＸ線撮影法で使用されている。目的は、対象を光子のスペ クトルにさらし、捕捉の時に対象と影響し合わずに転送された光子からの信号を 測定して、対象の画像を得ることである。 Υ線分光測定法と違って、各光子のエネルギー測定は何も無く、代わりに、転 送された光子が、検出器内で捕捉時間内に、相互作用する結果生ずる信号が測定 される。 Υ線分光測定法で行われる各光子のエネルギー測定は、Ｘ線撮影法に実現され た検出器内で相互作用する多数の光子からの信号の測定とは、非常に異なった、 一層複雑なものである。 第１Ａ図は、Υ線光源１０を有するΥ線検出装置を示す。第１Ｂ図と第１Ｃ図 は、それぞれ、時間の関数としての統合的電流Ｑ、および測定値Ｑmesの関数と しての多数のパルスを示す。 第２Ａ図は、Ｘ線発生器１１を有するＸ線検出装置を図示する。図２Ｂは、時 間の関数としての測定電流Ｉを、統合電流値Ｑにより示す。 ＣｄＴｅ型の半導体による放射の検出は、１９６０年代に始まった。より良い 分光測定法の検出構造の最適化のために多数の研究がなされた。今日では、あら かじめエッチングした表面上で、二つの無電解接点（金またはプラチナ）の沈積 によるオーム的な構造だけが、時間的に一定な信号を有する分光測定法の受け入 れ可能だが非最適なものを得るために存在する。他の検出構造（接合／ダイオー ド型）はエネルギーの分析に関してはより優れた性能を有するが、しかしこれは 、信号が何も観察されない端部から最初の数秒または数分のうちだけである。こ のバイアスの影響は、材料内のきず、すなわち欠陥によるものであり、結晶生成 法の進歩によっても除去できなかったものである。 ＣｄＴｅ型半導体によるＸ線放射の検出は、Υ線よりも遙か後の１９９０年代 に始まった。このことが、ＣｄＴｅをＸ線検出に使用する多数の人が、Υ線検出 に機能する構造のみを使用する理由を説明する。検出器内の電界の空間的分布の 展開を適用後の数秒まで延長するバイアスの影響がΥ線検出のなかで明らかにさ れたが、（Ｘ線の検出でも）同様に観察されるであろう。 この発明の目的は、特定の最適検出構造はＸ線の検出に機能するが、Υ線の検 索に機能しないことを明示することである。 この発明による検出装置は、II−VI族の高い固有抵抗の半導体材料からできて いる。ＣｄＴｅ−Ｃｌ、Ｃｄ_I-XＺｎ_XＴｅ、ＣｄＴｅ_I-XＳｅ_X、Ｃｄ_I-XＺｎ_XＴ ｅ：Ｃｌ、ＣｄＴｅ_I-XＳｅ_X：Ｃｌ、ＧａＡｓ、ＨｇＩｎが、 溶液中でのカチオンの置換により、ブロッキング接点に沈積されて、こうして金 属／半導体の接点にすぐれた電気的性質を与える。このブロッキング接点は、一 面に沈積できるが、二面により良く沈積できる。 ＣｄＴｅ検出器の両面に二つのブロッキング接点を沈積しような構造は、同一 材料に金またはプラチナの電極を備えたもの（いわゆるオーム的構造）よりもほ ぼ３倍ないし１０倍高い固有抵抗を有する。結果として、このブロッキング／Ｃ ｄＴｅ／ブロッキング構造は、同一のバイアスすなわち分極に対して、ほぼ３倍 ないし１０倍低い暗電流を有する。それは互い違いのダイオード構造のように動 作する。 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は、電流−電圧特性を図示し、それぞれ、オー ム的／ＣｄＴｅ／オーム的構造、ブロッキング／ＣｄＴｅ／ブロッキング構造、 ブロッキング／ＣｄＴｅ／オーム的構造を示す。 こうして、接点は二つのグループ、すなわちブロッキング接点（アルミニウム 、インジウム、銀）とオーム的接点（例えば金とプラチナ）に分類される。 第一の構造（第３Ａ図）には１０⁹Ω−ｃｍの材料の固有抵抗があり、第二の 構造（第３Ｂ図）には１０¹¹Ωの明らかな固有抵抗がある。 その上、接触抵抗が、ＣｄＴｅに比較して非常に小さいので、ＣｄＴｅ検出器 の体積全体に電界を加えることができ、また、ブロッキング電極のもとで消耗し ない電界が可能である。 こうした構成は既にΥ線検出で知られている（文献［８］）が、そのＸ線検出 で何も公表されてないのは、Υ線検出でこれらが放棄された理由が、Ｘ線検出で は該当しないからである。 Υ線検出に使用される高固有抵抗ＣｄＴｅに基づく検出構造は、「オーム的」 構造と呼ばれる。第４Ａ図ないし第４Ｃ図は、オーム的接点とダイオード接点を 装備した高固有抵抗ＣｄＴｅ半導体で得られたΥ線放射の検出を示す。Υ線放射 源は、放射性コバルト５７で、その放出する光子は次のエネルギーを有する：１ ４ｋｅＶ（事例の９．１％）、１２２ｋｅＶ（事例の８５．７％）、１３６ｋｅ Ｖ（事例の１０．７％）。 第４Ａ図は、ＣｄＴｅ検出器への理想的な投射の理論的スペクトルを示す。 オーム的なＡｕ／ＣｄＴｅ／Ａｕ構造（３ｘ３ｘ３mm³の検出器、１５０Ｖの バイアス、１０^-7Ａの暗電流）が、第４Ｂ図に示す平均的性能のΥ線分光測定法 を可能にするが、それは測定されたエネルギー解像度（５％から８％の間）が理 論的解像度（２％）から遠く離れているからである。このオーム的構造は、Ｃｄ Ｔｅ検出器体積内に生成された電荷キャリアを確実に活性化し、材料の活性欠陥 に捕らわれることなく、電極の方へ移動させるような高い電界、しかし過剰な暗 電流を結果するような高い電界の印加に利用できない。こうして、高い電界と低 い暗電流は、オーム的構造では両立できないのである。オーム的接点の結果とし て暗電流は制限されないが、代わりに材料の固有抵抗が課される。この暗電流の 結果として、オーム的検出構造は、その捕捉時間（数秒）の間、バイアスされな い、つまり、測定されるスペクトルが安定的である。 ブロッキング／ＣｄＴｅ／ブロッキングダイオードのブロッキング構成（３ｘ ３ｘ３mm³の検出器、３００Ｖのバイアス、１０−９Ａの暗電流）は、第４Ｃ図 に何の信号も検出されてないことを示すように、Υ線分光測定法を得ることがで きない。暗電流は、同じバイアス電圧の先行技術よりも３ないし１０倍低いので 、より高いバイアス電圧を加え得る。しかしながら、スペクトルの不在が示すの は、電界が検出器の体積の全体に加えられてはいないこと、また、連続的なバイ アス電圧にさらされて、ブロッキング／ＣｄＴｅ／ブロッキング検出器がバイア スしていることである。 高い電界の付加と、非常に低い暗電流と、時間的に一定な信号を組み合わせた 構造で、室温でＣｄＴｅに基づいたΥ線の検出をするものは、何も提案されてい ない。 Ｘ線の放射は、通常、数十ヘルツの周波数で、数ミリ秒のパルスの連鎖で構成 される。Ｘ線発生器の高電圧は、２０から１６０ｋＶ間で変化し、輝度は２から ４０ｍＡの間で変化する。第５Ａ図は、２ｍｓのパルス連鎖を示し、周波数は５ ０Ｈｚ、電圧は１２０ｋＶ／２０ｍＡである。 オーム的なＡｕ／ＣｄＴｅ／Λｕ構造（１０ｘ１０ｘ１mm³の検出器、５０Ｖ のバイアス、１０^-7Ａの暗電流）は、良好な感度を有しているが、図５Ｂに示す ように、各パルスＸの終わりに現れる波形２０の存在のため測定値の累積を供う 。 この波形は、ＣｄＴｅの欠陥の存在及び加えられた低い電界の結果として、Ｘパ ルスの間に捕らえられた（ｔｒａｐｐｅｄ）電荷キャリアを取り逃がすこと（ｄ ｅｔｒａｐｐｉｎｇ）につながっている。 ブロッキング／ＣｄＴｅ／ブロッキングダイオードのブロッキング構成（１０ ｘ１０ｘ１mm³の検出器、１５０Ｖのバイアス、１０^-9Ａの暗電流）は、バイア スの影響がなく、しかもＡｕ／ＣｄＴｅ／Ａｕ構造と同等な感度を示す（第５Ｃ 図参照）。この予想外の発見を注目すべき理由は、これが低暗電流での高電界の 利用を是認する構造への道を開くからである。高いまたは強い電界の利用は、電 荷キャリアのトラッピング／デトラッピングを制御することを可能にし、従って 波形を制御し、結果として累積を除去する。これらのブロッキング／ＣｄＴｅ／ ブロッキングのダイオード構造は、４０倍近くの放射のダイナミックな減衰によ り、Ｘ線パルス連鎖の理論的な時間展開に完全に従うように見えるであろう。 これらの現象をより良く理解するために、飛行時間として知られる特徴操作を 使用してこれらの構造を研究した。第６Ａ図と第７Ａ図に示すように、電界の空 間的分布の時間的展開を観察するのは、反復的性質（最大３０Ｈｚ）の非常に早 い紫外線レーザ（５００ピコ秒パルス）によって可能になる（第６Ｂ図参照）。 Υ線の検出では、コバルト５７放射源とともに第６Ａ図に示すように、検出器 が暗闇のなかにあったかのように全てのことが起こるが、これは検出器に入射す るΥ線光子が、少数の電荷キャリアを検出器の体積よりも遙かに小さな空間に生 成するだけだからである。飛行時間の実験は、Ａｕ／ＣｄＴｅ／Ａｕ構造（１０ ｘ１０ｘ１mm³の検出器、５４Ｖのバイアス、１０^-6Ａの暗電流）の陰極側によ り高い時間的に一定な電界の存在を確認し、（第６Ｃ図参照）その曲線３０と３ １は、フィルタ使用時と不使用時に対応する。それはまた、ブロッキング／Ｃｄ Ｔｅ／ブロッキングダイオードのブロッキング構造（１０ｘ１０ｘ１mm³の検出 器、９０Ｖのバイアス、１０^-9Ａの暗電流）では電界が存在しないことを確認す る。１００msの信号は、電圧付加後に消える。 １２０ｋＶ、２０ｍＡの発生器によるＸ線検出（第７Ａ図参照）において、検 出器の一つの面は紫外線レーザによって照射され、一方他の面は発生器からのＸ 線光子に照射される。この場合、検出構造は、Υ線検出の場合よりも遙かに高エ ネルギーの光子の束にさらされ、Ｘ線光子は体積全体に吸収され、多数の電荷キ ャリアが形成される。飛行時間の結果は、Ａｕ／ＣｄＴｅ／Ａｕ構造（１０ｘ１ ０ｘ１mm³の検出器、９０Ｖのバイアス、１０^-6Ａの暗電流）の電界は、入射し た光子の流れが過剰でなければ、僅かに修正されるだけだが、過剰の場合は、Ｘ 線発生器で照射されたのと反対側の電極へ向かって、電界がより高くなる（第７ 図参照）。ブロッキング／ＣｄＴｅ／ブロッキングダイオードのブロッキング構 造（１０ｘ１０ｘ１mm³の検出器、７２Ｖのバイアス、１０^-9Ａの暗電流）につ いての結果は、生成された多数の電荷キャリアが存在すれば、存在しないはずの 電界が再び生成されて存在していることを示す。これら多数の電荷キャリアの存 在は、そのトラッピングにより、バイアスの影響の原因であるきず、すなわち欠 陥の影響を補償できることが理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グラセ，フランシス フランス国 エフ−38320 エイバン，リ ュ ルネ−カッサン，20 (72)発明者 ミギュ，ティエリー フランス国 エフ−38380 アントレ−ド ゥ−ギュエル，アンパッセ ドュ トルウ ボーボワール（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体に基づくＸ線検出装置であって、高い固有抵抗の半導体材料から作 られ、少なくとも二つの電気接点がその上に配置され、少なくともそのうちの一 つが、ブロッキング接点のファミリーから取られていることを特徴とするＸ線検 出装置。 ２．半導体材料は、II−VI族のものである請求の範囲第１項による装置。 ３．次の諸材料の中から材料を選んだことを特徴とする請求の範囲第１項によ る装置。ＣｄＴｅ：Ｃｌ、Ｃｄ_I-XＺｎ_XＴｅ、ＣｄＴｅ_I-XＳｅ_X、Ｃｄ_I-XＺｎ_X Ｔｅ：Ｃｌ、ＣｄＴｅ_I-XＳｅ_X：Ｃｌ、ＧａＡｓ、ＨｇＩｎ。 ４．検出器の相対する二面に配置した二つの金属接点を有することを特徴とす る請求の範囲第１項による装置。