KR101844614B1

KR101844614B1 - 직접 변환형 반도체 층을 이용한 x 선 변환 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101844614B1
Application number: KR1020130004300A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 슈뢰터
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2018-04-02
Also published as: CN103207404A; DE102012200549B3; KR20130084256A; CN103207404B

Abstract

본 발명은, 표면(6)과, 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 연장되는 측면 경계면들(7)을 포함하는 직접 변환형 반도체 층(4)을 이용하여 X 선(5)을 변환하기 위한 변환 방법에 관한 것이다. X 선(5)은 표면(6)을 통해 반도체 층(4) 내로 조사되는 반면에, 그와 동시에 반도체 층(4)은 표면(6)에 대해 평행하게 측면 경계면들(7) 중 하나 이상의 경계면을 통해 적외선 방사선(3)으로 조사된다. 상기 변환 방법의 경우, 적외선 방사선(3)의 세기 프로파일(10, 11)은, 적외선 방사선(3)의 세기가 표면(6)으로부터 시작하여 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 감소하도록 설정된다. 제안되는 변환 방법과 대응하는 변환 장치에 의해서는 직접 변환형 반도체 층을 포함하는 X 선 검출기의 향상된 조건 조정이 달성되며, 이런 조건 조정은 X 선 영상에서 더욱 적은 이미지 인공 음영을 야기한다.

Description

직접 변환형 반도체 층을 이용한 X 선 변환 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONVERTING X-RAYS USING A DIRECTLY-CONVERTING SEMICONDUCTOR LAYER}

본 발명은, 표면과, 반도체 층의 두께에 걸쳐서 연장되는 측면 경계면들을 포함하는 직접 변환형 반도체 층을 이용하여 X 선을 변환하기 위한 변환 방법에 관한 것이며, X 선은 표면을 통해 반도체 층 내로 조사되는 반면에, 그와 동시에 반도체 층은 표면에 대해 평행하게 측면 경계면들 중 하나 이상의 측면 경계면을 통해 적외선 방사선으로 조사된다. 또한, 본 발명은, 변환 방법을 실행하도록 형성되는, X 선을 변환하기 위한 변환 장치에 관한 것이다.

X 선 영상 시스템의 분야에서는 통상 직접 변환형 반도체 층이 이용된다. 이에 대해서는 특히 자체의 높은 흡수 능력을 바탕으로 높은 핵 전하수(nuclear charge number)를 갖는 원소들을 기반으로 하는 반도체가 적합하다. 전형적으로 III-V 반도체 또는 II-IV 반도체가 이용된다. 제2 그룹의 전형적인 대표 원소는 CdTe(카드뮴 텔룰라이드)이지만, CZT(카드뮴 아연 텔룰라이드)와 CST(카드뮴 셀레나이드 텔룰라이드)도 이용된다. 그러나 예컨대 CT 계에서 생성되는 것과 같은 강력한 X 선 하에서 상기 반도체는 이른바 분극을 나타내는 경향이 있다. 이 경우 결정 결함 시에 검출기에서 공간 전하의 형성을 초래하는 전하 캐리어들이 공간 내 고정되는 방식으로 결합된다. 그럼으로써 전하 캐리어 이동을 담당하는 전계가 변경됨으로써 입사되는 X 선에 대한 검출기 응답도 변경된다. 이는 X 선 영상에서 용납할 수 없는 이미지 인공 음영을 초래한다.

분극으로 인한 검출기 드리프트의 방지를 위해서는 반도체 층을 포함하는 검출기의 조건 조정이 실행될 수 있다. 조건 조정은 실질적인 측정 이전에 X 선의 활성화에 의해 달성될 수 있다. 그러나 의료 분야에서 X 선 영상의 경우 상기 방법은 적용할 수 없는데, 그 이유는 상기 방법이 환자에게 추가의 X 선 노출을 야기할 수도 있기 때문이다.

추가적인 가능성은 적외선 광(infrared light)을 이용한 검출기의 조건 조정에 있다. 적외선 광은, 양자 에너지가 반도체의 밴드 갭 에너지보다 더욱 낮은 점에 한해서, 반도체를 관통한다. 그리고 깊은 불순물들(deep impurity)을 채우는 전하 캐리어들이 생성된다. 상기 조건 조정에 의해서는, 적외선 방사선의 세기가 적합하게 선택되는 점에 한해서, 검출기의 평균 분극이 일정하게 유지될 수 있다. 적합한 적외선(IR) 세기의 선택은 예컨대 광 전류(photocurrent)의 불변성(정전류 모드; constant current mode)을 통해 달성될 수 있다. 그러나 X 선 조사 동안 적외선 광의 활성화 시에도 여전히 공간 전하가 재분배됨으로써 검출기 응답이 변경되고 재차 이미지 인공 음영이 발생하게 된다.

본 발명의 목적은, 직접 변환형 반도체 층을 이용하여 X 선을 변환하기 위한 변환 방법 및 그 장치에 있어서, X 선 검출기의 반도체 층에서 분극 효과에 의해 야기되는 검출기 드리프트를 적어도 다시 감소시키는 상기 변환 방법 및 그 장치를 제시하는 것에 있다.

상기 목적은 특허 청구항 제1항 및 제8항에 따르는 변환 방법 및 그 장치에 의해 달성된다. 변환 방법 및 장치의 바람직한 구현예들은 종속 특허 청구항들의 대상이거나, 또는 하기의 설명 및 실시예에서 알 수 있다.

직접 변환형 반도체 층을 이용하여 X 선을 변환하기 위한 제안되는 변환 방법의 경우, X 선이 표면을 통해 반도체 층 내로 조사되는 반면에, 그와 동시에 반도체 층은 표면에 대해 평행하게 반도체 층의 측면 경계면들 중 하나 이상의 경계면을 통해 적외선 방사선 또는 적외선 광으로 조사된다. 바람직하게는 이 경우 적외선 방사선을 이용한 반도체 층의 조사는 이미 X 선의 조사를 개시하기 이전에 시작된다. 제안되는 변환 방법의 경우, 반도체 층은 적외선 방사선으로 균일하게 투과되지 않는다. 오히려, 측면 경계면을 경유하여 반도체 층 내로 입사되는 적외선 방사선의 세기가 표면으로부터 출발하여 반도체 층의 두께에 걸쳐서 감소하게끔 하는 적외선 방사선의 세기 프로파일이 설정된다. 이에 대해 수직인 방향으로 세기는 거의 일정하게 선택된다.

상기 조치로는, 반도체 층의 두께에 걸친, 투사된 적외선 방사선의 세기 곡선이, 반도체 층의 두께에 걸친, 입사된 X 선의 세기 감소에 근사된다. 그에 따라 X 선 조사 동안 공간 전하의 재분배는 감소됨으로써, 검출기 드리프트 및 이미지 인공 음영도 감소된다.

적외선 광은 반도체 내에서 결코 감쇠하지 않기 때문에, 적외선 광은 반도체 층 전체에서 광선 횡단면(ray cross section)에 걸쳐 일정한 세기의 조사 시에 동일한 방식으로 작용하게 된다. 그러나 입사되는 X 선은 조사 방향을 따라서 분명하게 감쇠됨으로써, 표면 근처에서는 반도체 층의 바닥에서보다 훨씬 더 높은 X 선 세기가 발생하게 된다. 그런 다음에는 상기 조합으로 인해 잔류하는 바람직하지 못한 공간 전하의 재분배가 초래된다. 본 발명의 경우, 상기 효과가, 반도체 층의 두께에 걸친, 조사되는 적외선 광의 특별히 선택된 세기 프로파일과 결부되어, 측면 조사에 의해 방지될 수 있거나 적어도 감소될 수 있다는 사실이 확인되었다.

이 경우 세기 프로파일은, 투사되는 적외선 방사선의 세기가, X 선 입사 방향을 따르는 X 선처럼, 반도체 층의 두께에 걸쳐 동일한 세기 곡선을 나타내도록 선택될 수 있다. 이런 경우에 반도체 층을 포함하는 검출기의 최적의 조건 조정이 달성될 수 있다. 여기서 동일한 세기 곡선이란, X 선 및 적외선 방사선의 세기가 그때마다 동일하게 존재하는 것을 의미하는 것이 아니라, 적외선 방사선 및 X 선의 세기의 감소가 반도체 층의 두께에 걸쳐서 동일한 특성 곡선에 따라 이루어지는 것을 의미한다. 그러나 유용한 결과는, 적외선 방사선의 세기가 반도체 층의 표면으로부터 시작하여 반도체 층의 두께에 걸쳐서 선형으로 감소하도록 적외선 방사선의 세기 프로파일이 설정될 때에도 이미 달성된다. 이는 쐐기형 세기 프로파일에 상응한다. 또 다른 세기 프로파일들도 선택되는데, 예컨대 반도체 층의 두께에 걸친 적외선 세기의 지수형 감소도 선택된다.

적외선 광의 생성을 위해서는 예컨대 IR LED들의 2차원 어레이가 이용된다. 상기 어레이들의 개별 LED들의 상이한 구동을 통해 세기 프로파일이 목표하는 방식으로 설정될 수 있다. 또 다른 구현예에 따라, 적외선 광의 광로에는 적외선 방사선을 감쇠하거나 부분적으로 흡수하는 하나 이상의 광학 소자가 제공되며, 상기 광학 소자들은 반도체 층의 측면 표면을 통해 입사되는 적외선 방사선의 세기 프로파일을 그에 상응하게 형성한다. 이런 경우 상기 광학 소자는 예컨대 쐐기형으로, 또는 계단형으로 형성되는 소자들일 수 있다. 추가의 구현예에 따라 적외선 방사선을 부분적으로 흡수하는 층이 반도체 층의 측면 표면 상에 도포된다. 상기 추가 층의 층 두께는 반도체 층의 두께에 걸쳐 목표하는 세기 프로파일에 상응하게 가변한다.

제안되는 변환 장치는, 직접 변환형 반도체 층을 구비한 X 선 검출기뿐 아니라, 표면에 대해 평행하게 반도체 층의 측면 표면들 중 하나 이상의 측면 표면을 통해서 대응하는 세기 프로파일을 갖는 적외선 방사선을 반도체 층 내로 투사하도록 형성되는 적외선 조명 장치를 포함한다.

자명한 사실로서, 이용되는 IR 광원 또는 이용되는 IR 광원들과 반도체 층의 각각의 측면 표면 사이에 광선 형성을 위한 추가의 광학 소자들이 삽입될 수 있다. 또한, 하나의 측면으로부터 반도체 층의 측면 표면들 중 하나의 측면 표면을 통해 적외선 방사선을 투사할 수 있을 뿐 아니라, 하나 이상의 또 다른 측면으로부터 반도체 층의 각각의 또 다른 측면 표면들을 통해 적외선 방사선을 투사할 수도 있다. 투사는 그때마다 반도체 층 전체가 적외선 방사선에 의해 조사되는 방식으로 이루어진다.

이하, 제안되는 변환 방법과 이에 대응하는 변환 장치가 도면과 결부되어 일 실시예를 참조로 다시 상세하게 설명된다.

도 1은 반도체 층의 두께에 걸친 X 선의 세기의 감소에 대한 일례를 도시한다.
도 2는 변환 방법과 대응하는 변환 장치의 실시예에 대한 일례를 도시한다.
도 3은 반도체 층의 두께(z)에 걸친, 측면으로 투사되는 IR 방사선의 세기 프로파일에 대한 2가지 예를 도시한다.

X 선 검출기의 직접 변환형 반도체 층 상에 X 선을 조사할 때 X 선은 반도체 층의 두께(z)에 걸쳐서 강하게 흡수된다. 그러므로 X 선 세기는 반도체 층 내에서 표면으로부터 시작하여 층의 두께(z)에 걸쳐서 감소한다. 이에 대해 도 1에는, 반도체 층의 두께(z)에 걸친, X 선 세기의 예시적인 특성 곡선(1)이 도시되어 있다. 상기 유형의 반도체 층이 IR 광으로 조사되면, 층의 두께에 걸쳐서 상당한 감쇠는 발생하지 않게 된다. 이는 도 1에 IR 조사 시 세기의 특성 곡선(2)으로 도시되어 있다. 그에 따라, 예컨대 검출기의 평균 분극은 일정하게 유지될 수는 있다. 그러나 X 선 조사 동안 깊이에 따라 감소하는 X 선 세기로 인해 재차 공간 전하의 재분배가 이루어지며, 이런 재분배는 검출기 드리프트 및 이미지 인공 음영을 야기한다.

본원에서 제안되는 변환 방법의 경우, IR 광원(9)으로부터 방출된 IR 광(3)은 측면으로부터 X 선 검출기의 직접 변환형 반도체 층(4) 내로 투사된다. 반도체 층(4)의 표면(6) 상에 충돌하는 X 선(5)은 도에 마찬가지로 도시되어 있다. 본 실시예에서 반도체 층의 측면 경계면(7)은, 흡수체로서 이용되고 X 선 조사 방향을 따라 두께 프로파일 또는 흡수 프로파일을 가지면서 IR 광(3)에 대해 반투명성인 재료의 층(8)으로 코팅된다. 상기 프로파일은, 측면으로 투사되는 IR 광(3)의 세기가 X 선(5)처럼 X 선 입사 방향을 따라 동일한 세기 곡선을 나타내도록 형성된다. 이 경우 반도체 층(4)은 측면으로부터 IR 광(3)으로 완전하게 조사되고, 세기 분포는 X 선(5) 및 IR 광(3)의 입사 방향에 대해 수직 방향으로 거의 일정하게 선택된다. 두께를 가지면서 표면(6)을 통해 조사되는 X 선(5)의 X 선 세기의 감소에 적합하게 측면으로 조사되는 IR 광(3)의 세기를 조정하는 것을 통해서는, X 선 조사를 통한 공간 전하의 재분배의 효과가 거의 방지될 수 있다. 그에 따라 최적의 조건 조정이 달성됨으로써 X 선의 조사를 통한 검출기 응답은 더 이상 변경되지 않으며, 그에 따라 이미지 인공 음영도 방지된다.

마지막으로, 도 3에는, 본원의 변환 방법에서 이용될 수 있는 것처럼, 반도체 층의 두께(z)에 걸친, 측면으로 투사되는 IR 방사선의 상이한 세기 프로파일들에 대한 2가지 실시예가 도시되어 있다. 일 구현예에 따라, X 선의 세기 곡선에 대한 대략적인 근사를 달성하기 위해, 쐐기형 세기 프로파일(10)이 설정된다. 제2 구현예에 따라서는 더욱 나은 근사가 달성되게끔 하는 지수형 세기 프로파일(11)이 선택된다. 또한, 자명한 사실로서 세기 프로파일은 또 다른 형태, 예컨대 결과적으로 반도체 층의 두께에 걸쳐 적외선 방사선의 세기의 감소가 보장되는 점에 한 해서 계단 형태도 보유할 수 있다.

이 경우 조사되는 IR 광의 세기의 적합한 선택은 실험상의 방식으로, 예컨대 이미 명세서 도입부에 언급된 광 전류의 불변성(정전류 모드)을 통한 방법으로 이루어질 수 있다. 적합한 세기 프로파일의 선택은 반도체 층의 알려진 X 선 감쇠로 인해 사전에 고려될 수 있다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 세부적으로 더욱 자세히 도해되고 설명되었기는 하지만, 본 발명은 공개된 실시예들로 제한되지 않으며, 또 다른 변형예들도 본 발명의 보호 범위에서 벗어나지 않으면서 당업자로부터 유도될 수 있다.

3: IR 광
4: 반도체 층
5: X 선
6: 표면

Claims

표면(6)과, 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 연장되는 측면 경계면들(7)을 포함하는 직접 변환형 반도체 층(4)을 이용하여 X 선을 변환하기 위한 변환 방법으로서,
- 상기 X 선(5)은 상기 표면(6)을 통해 상기 반도체 층(4) 내로 조사되는 반면에,
- 그와 동시에 상기 반도체 층(4)은 표면(6)에 대해 평행하게 상기 측면 경계면들(7) 중 하나 이상의 경계면을 통해 적외선 방사선(3)으로 조사되고,
- 상기 적외선 방사선(3)의 세기가 상기 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 감소하도록, 상기 적외선 방사선(3)의 세기 프로파일(10, 11)이 설정되는, X 선 변환 방법.
제1항에 있어서, 상기 세기 프로파일(10, 11)은, 상기 적외선 방사선(3)의 세기가 상기 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 선형으로 감소하도록 설정되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
제1항에 있어서, 상기 세기 프로파일(10, 11)은, 상기 적외선 방사선(3)의 세기가 상기 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 지수형으로 감소하도록 설정되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
제1항에 있어서, 상기 세기 프로파일(10, 11)은, 상기 적외선 방사선(3)의 세기의 감소가 상기 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서, 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸친, 조사된 X 선(5)의 X 선 세기의 감소의 특성 곡선에 상응하는 특성 곡선에 따르도록 설정되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 방사선(3)은 IR 광원들(9)의 2차원 어레이를 통해 생성되고, 상기 적외선 방사선(3)의 세기 프로파일(10, 11)의 설정은 상기 IR 광원들(9)의 구동을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 방사선(3)의 세기 프로파일(10, 11)의 설정은 적외선 방사선을 감쇠하는 하나 이상의 소자(8)를 통해 이루어지고, 상기 소자들은 상기 적외선 방사선(3)의 광로에서 적외선 방사선(3)을 생성하기 위한 하나 이상의 IR 광원(9)과 상기 반도체 층(4)의 측면 경계면(7) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적외선 방사선(3)의 세기 프로파일(10, 11)의 설정은 적외선 방사선을 부분적으로 흡수하는 층(8)을 통해 이루어지고, 상기 층은 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 가변하는 두께로 상기 반도체 층(4)의 측면 경계면(7) 상에 도포되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 방법.
X 선을 변환하기 위한 X 선 변환 장치로서,
표면(6)과 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 연장되는 측면 경계면들(7)을 구비하여 X 선을 직접 변환하는 반도체 층(4)과, 표면(6)에 대해 평행하게 상기 측면 경계면들(7) 중 하나 이상의 경계면을 통해서, 적외선 방사선(3)의 세기가 반도체 층(4)을 조사할 때 상기 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 감소하는 세기 프로파일을 나타내는 적외선 방사선(3)을 상기 반도체 층(4)에 조사할 수 있는 방식으로 배치 및 형성되는 적외선 조명 장치(8, 9)를 포함하는, X 선 변환 장치.
제8항에 있어서, 상기 적외선 조명 장치(8, 9)는 IR 광원들(9)의 2차원 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 적외선 조명 장치(8, 9)는 상기 적외선 방사선(3)의 광로에 적외선 방사선을 감쇠하는 하나 이상의 소자(8)를 포함하고, 이 소자를 통해서 세기 프로파일이 형성되는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 장치.
제8항 또는 제9항에 있어서, 적외선 방사선을 부분적으로 흡수하는 층(8)이 상기 반도체 층(4)의 측면 경계면(7) 상에 도포되고, 적외선 방사선을 부분적으로 흡수하는 상기 층(8)의 두께가 상기 반도체 층(4)의 표면(6)으로부터 시작하여 상기 반도체 층(4)의 두께에 걸쳐서 증가하는 것을 특징으로 하는, X 선 변환 장치.