KR100720610B1 - 방사선 검출기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 조사 기구나 추가 전극을 형성하지 않고도 전기적으로 방사선 검출기에 발생하는 전계를 안정화시킬 수 있으며, 감도 변동이 없으면서 동영상 구현이 가능한 반도체 방사선 검출기에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 반도체 방사선 검출기는 방사선 검출기에 있어서, 방사선에 의해 전자-정공쌍이 생성되는 반도체(20)와 ; 상기 반도체(20)에 일측에 형성된 공통 전극(10)과 ; 상기 반도체(20)의 공통전극(10) 반대측에 형성된 다수의 분할 전극(30)과 ; 상기 반도체(20)의 분할 전극(30)이 형성된 면의 분할 전극(30)들 사이에 도포된 절연 물질 박막(50) 및 ; 상기 절연 물질 박막(50)의 표면에 형성되어 상기 반도체의 분할 전극(30) 측의 표면 전위 및 전하를 조정하여 조절층(60)을 형성하는 게이트 전극(40)을 포함하여 구성되며,
각각의 분할 전극 사이의 공간에 축적될 수 있는 전하들이 게이트 전극에 의해 생겨난 조절층으로 침투하지 못하고 분할 전극으로 이동하므로, 분할 전극 사이에 전하들이 축적되는 현상을 해소하는 효과가 있다. 또한, 감도의 변동이나 영상의 잔상을 제거할 수 있으므로 우수한 품질의 방사선 이미지를 실시간으로 획득할 수 있으며, 추가적인 전류 성분의 생성 없이 전기적인 신호만으로 전하의 축적 여부를 제어하기 때문에 장치의 구성이 간편하고, 소형 경량화가 가능하며, 소모 전력의 감소시킬 수 있다.
방사선, 검출기, 조절층, 게이트 전극
Description
도 1은 종래의 방사선 검출기를 일예를 도시한 단면도이고,
도 2는 종래의 방사선 검출기를 다른 일예를 도시한 단면도이고,
도 3은 종래의 방사선 검출기를 또 다른 일예를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 방사선 검출기의 구성도이고,
도 5는 본 발명에 따른 방사선 검출기를 일예를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5에 도시한 본 발명에 따른 방사선 검출기 어레이의 평면도이고,
도 7은 도 5에 도시한 본 발명에 따른 방사선 검출기에 나타난 전기장의 모양을 유한 요소법을 통해 계산하여 도시한 그래프이고,
도 8은 본 발명에 따른 방사선 검출기를 다른 일예를 도시한 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
10 : 공통전극 20 : 반도체
30 : 분할전극 40 : 게이트전극
50 : 절연물질박막 60 : 조절층
70 : 범프 78 : 전극
80 : 반도체 기판 90 : TFT기판
본 발명은 방사선 검출기에 관한 것으로 보다 상세하게는 광 조사 기구나 추가 전극을 형성하지 않고도 전기적으로 방사선 검출기에 발생하는 전계를 안정화시킬 수 있으며, 감도 변동이 없으면서 동영상 구현이 가능한 반도체 방사선 검출기에 관한 것이다.
기술의 발달에 따라 여러 가지 다양한 전기, 전자 기계기구가 개발되어 제공되고 있다.
이러한 것들 중 방사선 검출기가 있으며, 이러한 방사선 검출기는 의료용 방사선 영상진단장치 분야에 널리 사용되고 있다.
이러한 방사선 검출기를 응용한 장비는 전체 의료용 진단 장비 시장의 70%를 차지하고 있으며, 기존의 필름을 사용하는 아날로그 방식에서 빠르게 디지털 방식으로의 전환이 이루어지고 있어 연 10%이상의 높은 성장세를 보이고 있다.
또한, 디지털 방식으로 바뀜에 따라 사용법이 간편해지고 성능이 개선되어 기존에 방사선 영상진단장치를 이용하지 못하던 분야에서도 방사선 영상을 통한 진단이 시도되고 있다.
이러한 디지털 영상진단장치의 핵심 부품인 방사선 검출기 센서 모듈은 대부분 수입에 의존하고 있으나, 디지털화된 영상진단 장비는 빠른 속도로 성능의 향상 이 이루어지고 있으며, 향후 고해상도의 동영상 촬영을 통한 정밀 진단장치의 수요가 예상된다.
이 분야는 선진 G7국가를 중심으로 집중적인 연구가 이루어지고 있으므로, 기술을 선점하여 경쟁력을 확보하는 것이 중요한 과제이다.
이러한 반도체 방사선 검출기는 일반적으로 반도체 양면에 전극을 형성하는 방법으로 만들어지며, 전극 사이에 전압을 인가하여 입사된 방사선에 의해 형성된 전자-정공 쌍을 전기 신호로 변환하는 구조를 가지고 있다.
방사선 영상을 획득하기 위해서는 이러한 구조의 검출기를 배열 형태로 제작하는 방법이 사용되고 있는데, 도 1에서 나타낸 것과 같이 일반적으로 방사선에 의해 전자-정공 쌍이 형성되는 반도체(2)의 한쪽 면에는 공통 전극(1)을 형성하고, 나머지 한쪽 면에 분할 전극(3)을 형성하고 양면의 전극에 전압을 인가함으로써 방사선의 공간 분포를 검출한다.
그러나 이와 같은 경우 방사선이 입사하지 않을 경우 도 1에서와 같이 평행하던 전기력선의 분포가 방사선이 입사하여 전자-정공 쌍이 형성될 경우 분할 전극(3)측의 반도체 내부에서 전하가 쌓이는 문제점이 발생하며, 특히 분할 전극(3) 사이의 전극이 형성되지 않는 부분에 전하가 집중적으로 쌓여 전기력선이 삐뚤어져 방사선 검출기의 방사선 검출 영역의 크기가 변화하고, 이에 따라 감도가 변화하거나, 이렇게 쌓인 전하가 서서히 방출되면서 잔류 출력이 발생해 동영상을 구현하는 데 있어 잔상이 남는 등의 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 2와 같이 반도체 방사선 검출기의 분할 전극(3) 사이에 추가 전극(4)을 형성하거나(Bolotnikov et al.), 도 3에서 나타낸 것과 같이 반도체 방사선 검출기의 분할 전극 면에 광 조사기구(5)를 통해 광을 조사함으로써 광에 의한 전하(5a)를 미리 형성시켜 방사선에 의해 형성된 전하를 침투하지 못하게 하는 방법 있다.
이러한 종래의 방법 중 도 2에 도시한 바와 같이 분할 전극(3) 사이에 추가 전극(4)을 형성하여 전기력선의 모양을 원하는 대로 조정하는 방법은 추가 전극(4)이 직접 반도체 물질에 닿도록 하여 추가 전극(4)에 전압을 인가하는 방식이므로 원하지 않는 전류가 흐르게 되고, 이는 잡음의 한 요인이 되므로 방사선 검출기의 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
또한, 종래의 방법 중 도 3에 도시한 바와 같이 광을 조사하여 전기력선을 조정하는 방법은 별도의 광 조사 기구(5)가 존재해야 할 뿐만 아니라, 방사선을 받는 면에는 장애물이 있어서는 안되므로, 광 조사 기구(5)가 임의의 기판 아래쪽에 존재하는 구조가 될 수밖에 없고, 이에 따라서 투명한 기판의 사용을 전제로 한다.
따라서 유리 기판에 형성된 TFT와 같은 기판을 방사선 검출기의 신호처리 회로로 사용해야만 한다는 제약이 있다.
TFT로 구성된 회로의 경우 대면적으로 제작할 수 있다는 장점은 있지만 여타 단결정반도체에 제작된 회로에 비해 성능이 크게 떨어지는 단점이 있어서 상대적으로 작은 크기에 고성능을 요하는 치과용 혹은 불량품 검사용 방사선 검출기에는 적합하지 못하다.
또한, 종래의 방법에서 조사된 광은 신호처리를 위해 기판에 형성된 TFT에도 전하를 형성하게 되며, 이러한 전하들은 방사선 검출기의 신호와 혼합되어 잡음 성분으로 기여하게 되므로 결과적으로 방사선 검출기의 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 광을 사용하거나 반도체에 직접적인 추가 전극을 형성하지 않고도 전기적으로 방사선 검출기에 발생하는 전계를 안정화시킬 수 있으며, 감도 변동이 없으면서 동영상 구현이 가능한 반도체 방사선 검출기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 목적은 방사선 검출기에 있어서, 방사선에 의해 전자-정공쌍이 생성되는 반도체와 ; 상기 반도체에 일측에 형성된 공통 전극과 ; 상기 반도체의 공통전극 반대측에 형성된 다수의 분할 전극과 ; 상기 반도체의 분할 전극이 형성된 면의 분할 전극들 사이에 도포된 절연 물질 박막 및 ; 상기 절연 물질 박막의 표면에 형성되어 상기 반도체의 분할 전극 측의 표면 전위 및 전하를 조정하여 조절층을 형성하는 게이트 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 방사선 검출기에 의해 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 방사선 검출기의 일예를 첨부된 도면을 참조하여 상세 하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 방사선 검출기의 구성도이다.
도시한 바와 같이 본 발명에 따른 방사선 검출기는 반도체(20)의 분할 전극(30) 측의 표면 전위 및 전하를 조정하여 조절층(48)을 형성하는 게이트 전극(40)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 방사선 검출기는 반도체(20), 절연 물질 박막(50) 그리고 게이트 전극(40)으로 구성된 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)구조로 반도체(20)의 표면 전하의 양을 자유롭게 제어할 수 있으며, 반도체(20)의 표면 전하는 필요에 따라 약하게 혹은 강하게 공핍되는 형태가 바람직하다.
상기와 같이 게이트전극(4)이 형성된 검출기는 게이트 전극(40)과 인접한 반도체 부분에 조절층(60)이 형성되며, 이 때 게이트 전극(40)에 의해 제어되는 운반자 종류는 해당 물질에서의 이동도와 운반자 수명의 곱인 ????가 작은 쪽이 바람직하다.
이와 같이 반도체(20)에 표면 전하가 공핍되어 조절층(60)이 형성되면 전기력선의 변화가 생기고, 방사선에 의해 형성된 전하들이 더 이상 분할전극(30)들 사이의 공간으로 침투할 수 없게 되므로 감도 변경이 없는 방사선 검출기의 제작이 가능하게 된다.
또한, 필요에 따라서는 게이트 전극(40)에 인가되는 전압을 조정하여 반도체(20)의 표면에서 전하를 축적하는 것도 가능하며, 표면에 형성되는 전하의 종류를 반전시키는 것도 가능하므로, 잔류 출력을 완벽하게 제어할 수 있게 되며, X-선 동 영상의 획득이 가능하다.
또한 본 발명에서는 게이트 전극(40)에 의해 간접적으로 반도체(20) 표면의 전하를 조정하므로 직접 반도체(20)에 전류가 흐르는 것을 방지하여 원하지 않는 전류에 의한 잡음의 발생 요인을 원천적으로 방지하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 있어서, 전자-정공쌍이 생성되는 반도체(20)는 도핑되지 않은 CdTe, CdZnTe 혹은 할로겐 원소로 도핑된 CdTe, CdZnTe의 다결정체 혹은 단결정체로 이루어지는 것이 바람직하다.
이외에도 도핑되지 않은 Se 혹은 Se화합물의 비정질체, As, Te, 알카리 금속, 할로겐 원소 중 적어도 한 가지 이상을 도핑한 Se 혹은 Se화합물의 비정질체, 도핑되지 않은 PbI2, HgI2, TlBr, GaAs 화합물 반도체의 다결정체 혹은 단결정체 혹은 할로겐 원소로 도핑된 상기 화합물 반도체의 다결정체 혹은 단결정체로 구성될 수 있다. 상기 반도체 물질의 두께는 검출을 원하는 X선이 갖는 에너지에 대한 해당 반도체 물질의 흡수 계수의 0.5~10배로 구성할 수 있으며, CdTe 혹은 CdZnTe의 경우 0.1mm에서 2 mm의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 공통 전극(10) 및 분할 전극(30)은 가해지는 전압에 관계없이 일정한 저항 값을 갖는 오옴(Ohmic) 특성을 가지거나, 암전류의 억제를 위해서 두 전극 중 어느 한 쪽 전극, 혹은 양쪽 전극 모두 쇼트키(Schottky) 특성을 갖도록 금속 물질을 선정해 제작할 수 있으며, 이러한 전극을 제조하는 방법으로는 현재까지 널리 알려진 진공 증착법 및 스퍼터링 방법, 화학 기상 증착법 중 하나가 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 있어서, 반도체(20)의 분할 전극(30) 측에 형성된 절연 물질 박막(50)은 반도체(20)보다 밴드 갭(bandgap)이 더 큰 물질로써 전도도가 반도체(20)에 비해 현저히 낮은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
그러므로 상기 절연 물질 박막(50)은 단결정, 다결정 혹은 비정질 상태의 ZnS, ZnTe, SiOx, SiNx, SiC, AlN, Al2O3물질 중 적어도 하나를 사용하거나 상기 물질이 조합된 형태의 박막을 사용할 수 있다.
본 발명을 설명하기 위해 현재 적절하다고 판단되는 몇 가지의 형태를 제시하고 있으나, 발명이 도시된 대로의 구성 및 방법으로 한정된 것만은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다.
실시예1
도 5는 본 발명에 따른 방사선 검출기를 일예를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 본 발명에 따른 방사선 검출기 어레이의 평면도이다.
실시예1의 방사선 검출기 어레이는 입사한 방사선에 의해 전자-정공 쌍이 형성되는 반도체(20)로 750um두께의 CdTe단결정 물질을 사용하고, 공통 전극(10)으로 인듐 금속을 사용하며, 다른 면에 형성된 분할 전극(30)은 금을 사용하였다.
또한, 분할 전극(30) 면에 형성된 절연 물질 박막(50)으로 증착된 다결정상 의 ZnS를 사용하였으며, 그리고 절연 물질 상에 형성된 게이트 전극(40)으로 금을 사용한다.
또한, 실시예1에서 제작된 방사선 검출기 어레이는 인듐을 주 재료로 하는 범프(70)를 통해 신호처리회로 반도체 기판(80)에 직접 연결되는 구조를 가지며, 신호처리회로 반도체 기판(80)은 범프(70)를 접합하기 위한 전극(78)이 형성되어 있다.
상기 신호처리회로 반도체 기판(80)은 내부에 스위치, 적분기, 증폭기 및 A/D변환기 중 적어도 하나 이상의 회로 요소를 포함하나 이러한 기술을 통상적으로 사용되는 기술로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 실시예1의 방사선 검출기 어레이를 분할 전극(30) 면에서 관찰하면 도 6과 같으며, 평면 구조로 볼 때 분할 전극(30) 사이로 게이트 전극(40)이 통과하는 구조를 갖는다.
도 7은 실시예1의 구성에서 공통 전극(10)에 높은 (+)전압, 게이트 전극(40)에 적절한 (+)전압, 분할 전극(30)에는 0전압을 인가했을 때의 전기장의 모양을 유한 요소법을 통해 계산하여 나타낸 도표이다.
상기 게이트 전극(40)에 인가된 (+)전압에 의해 게이트 전극(40)과 마주하는 반도체(20) 내부는 전하가 없는 상태가 되며, 결국 반도체(20) 내부의 전기장의 모양을 변화시켜 방사선에 의해 발생한 전하가 표면에 잔류하지 못하도록 한다.
실시예 2
본 발명을 구현하는 또 다른 방법으로, 대면적의 방사선 검출기를 제작하기 위해서는 범프를 이용하는 플립-칩 본딩 방식이 쓰이기 어려우므로, 도 8에 도시한 바와 같이 TFT기판에 구성된 것이다.
실시예2의 방사선 검출기 어레이는 기존의 TFT기판(90) 및 분할 전극(30) 구조에 게이트 전극(40) 및 절연 물질 박막(50)을 추가로 형성하며, 그 위에 X-선에 의해 전자-정공쌍이 형성되는 반도체(20) 및 공통 전극(10)을 형성한다.
실시예2에서의 절연 물질 박막(50)은 화학 기상 증착법에 의해 형성된 SiO2 박막이 구성되었으며, 반도체(20)는 도핑된 a-Se 화합물을 100um내지 500um 증착하였다.
상기 공통 전극(10)에 높은 (-) 전압, 게이트 전극(40)에 적절한 (-)전압, 분할 전극(30)에 0전압을 인가하게 되면 실시예1에서 관찰하였던 바와 비슷한 형태로 전하의 공핍이 일어나며, 방사선에 의해 발생한 전하가 표면에 잔류하지 못하게 된다.
본 발명에 의하면 방사선 검출기 어레이에서 각각의 분할 전극 사이의 공간에 축적될 수 있는 전하들이 게이트 전극에 의해 생겨난 조절층으로 침투하지 못하고 분할 전극으로 이동하므로, 분할 전극 사이에 전하들이 축적되는 현상을 해소할 수 있다.
이에 따라서 분할 전극 사이에 전하가 축적됨으로 인해 일어나는 감도의 변동이나 영상의 잔상을 제거할 수 있으므로 우수한 품질의 방사선 이미지를 실시간으로 획득할 수 있다.
또한 본 발명은 기존의 동일한 목적을 달성하기 위한 발명과 달리 추가적인 전류 성분의 생성 없이 전기적인 신호만으로 전하의 축적 여부를 제어하기 때문에 장치의 구성이 간편하고, 소형 경량화가 가능하며, 소모 전력의 감소를 기대할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방사선 검출기는 우수한 품질의 실시간 방사선 이미지 획득 시스템을 간편하게 구현할 수 있으므로 의료진단 및 비파괴 진단에 장비의 개발에 큰 도움이 될 수 있다.
Claims (5)
- 기판 상에 설치되어 입사된 방사선에 의해 형성된 전자-정공 쌍을 전기 신호로 변환하는 방사선 검출기에 있어서,방사선에 의해 전자-정공쌍이 생성되는 반도체(20)와 ;상기 반도체(20)에 일측에 형성된 공통 전극(10)과 ;상기 반도체(20)의 공통전극(10) 반대측에 형성된 다수의 분할 전극(30)과 ;상기 반도체(20)의 분할 전극(30)이 형성된 면의 분할 전극(30)들 사이에 도포된 절연 물질 박막(50) 및 ;상기 절연 물질 박막(50)의 표면에 형성되어 상기 반도체의 분할 전극(30) 측의 표면 전위 및 전하를 축적 또는 공핍되게 조정하여 조절층(60)을 형성하는 게이트 전극(40)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체(20)는 도핑되지 않은 CdTe, CdZnTe 혹은 할로겐 원소로 도핑된 CdTe, CdZnTe의 다결정체 혹은 단결정체 또는 도핑되지 않은 Se 혹은 Se화합물의 비정질체와 As, Te, 알카리 금속, 할로겐 원소 중 적어도 한 가지 이상을 도핑한 Se 혹은 Se화합물의 비정질체와, 도핑되지 않은 PbI2, HgI2, TlBr, GaAs 화합물 반도체의 다결정체 혹은 단결정체 혹은 할로겐 원소로 도핑된 상기 화합물 반도체의 다결정체 혹은 단결정체 중 어느 하나임을 특징으로 하는 방 사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방사선 검출기는 반도체 기판 상에 범프가 접합되어 이루어지며, 상기 반도체 기판에는 범프 접합을 위한 전극이 형성됨을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방사선 검출기는 TFT기판에 직접 접합되어 구성됨을 특징으로 하는 방사선 검출기.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연 물질 박막(50)은 단결정, 다결정 혹은 비정질 상태의 ZnS, ZnTe, SiOx, SiNx, SiC, AlN, Al2O3물질 중 적어도 하나 또는 이들을 조합한 것임을 특징으로 하는 방사선 검출기.
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Applications Claiming Priority (1)
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| JPH0878718A (ja) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Hitachi Ltd | 半導体ｘ線検出器およびｘ線検出装置 |
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-
2005
- 2005-09-12 KR KR1020050084857A patent/KR100720610B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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| JPH0878718A (ja) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Hitachi Ltd | 半導体ｘ線検出器およびｘ線検出装置 |
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| KR20050095814A (ko) | 2005-10-04 |
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