KR101864963B1 - 방사선 디텍터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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정원규
이진민
김동욱
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 방사선 디텍터 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 불순물 타입의 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부; 상기 제1 영역 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제2 영역 상에 형성되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성되는 신틸레이터(scintillator)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방사선 디텍터 및 그 제조 방법{RADIATION DETECTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}
본 발명의 실시예들은 실리콘카바이드(SiC) 기판 상에 형성된 제1 영역 및 제1 영역에 부분적으로 형성된 제2 영역을 포함하는 광전변환부를 구비하는 방사선 디텍터에 관한 것이다.
엑스선(X-ray) 및 감마선(γ-ray)과 같은 방사선은 투과성이 강하여 이를 이용하면 물체의 내부를 볼 수 있다. 따라서 방사선은 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 중요하게 쓰인다. 피사체 내부의 밀도에 따라서 방사선의 투과량이 달라지고, 이러한 투과량의 차이를 측정하여 피사체의 내부를 영상화할 수 있다.
방사선 촬영장치는 방사선을 피사체에 조사하는 방사선 발생장치(Radiation Generator)와 피사체를 투과한 방사선을 검출하는 방사선 디텍터(Radiation Detector)로 구성된다.
방사선 디텍터는 방사선을 조사함으로써 방사선 이미지 또는 실시간 방사선 이미지가 전기 신호로써 출력되고 이를 아날로그 또는 디지털 신호로 변화시킬 수 있다. 방사선 디텍터는 광을 전기 신호로 변환하는 광전변환부와, 광전변환기판에 접촉하고 외부에서 입사한 방사선을 광으로 변환하는 신틸레이터 층을 포함한다. 그 다음, 신틸레이터 층에 의해 입사된 방사선으로부터 변환된 광은 광전변환부에 도달하여 전하로 변환된다. 이 전하는 출력 신호로 읽혀서 예를 들면 소정의 신호처리회로에 의해 디지털 이미지 신호로 변환된다.
기존의 방사선 디텍터는 대부분 엑스선과 같은 저준위 방사선량을 검출하기 위한 것으로 이러한 시스템에 1MeV 이상의 고준위 방사선량을 조사할 경우 모든 방사선 디텍터가 파괴되는 문제점이 있다.
또한, 광전변환부에 형성되는 다이오드는 수직 구조의 PIN 구조 또는 PN구조를 가지고 있으며, 이는 실리콘 웨이퍼를 관통하는 구조를 가지고 있기 때문에 집적화에 적합하지 않아. 해상도가 1㎜ 이하에서는 검출이 어려운 문제점이 있다.
대한민국 특허공개공보 제10-2016-0088125호, "방사선 검출기 및 이를 포함하는 방사선 촬영장치" 대한민국 특허공개공보 제10-2016-0077167호", "방사선 검출기, 신틸레이터 패널, 및 그것들의 제조방법"
본 발명의 실시예들은 실리콘카바이드(SiC)를 이용하여 광전변환부를 제조함으로써, 1MeV 이상의 고준위에서도 측정이 가능한 방사선 디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 전류 이동 경로를 기판의 표면에서 수평으로 흐르도록 유도하여, 광전변환부의 사이즈를 감소시켜, 집적도 향상이 가능한 방사선 디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 모든 전극을 광전변환부의 상단에 배치하여 소자의 공정을 단순화하고, 검사 및 측정 분석이 편리한 방사선 디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 외부 배선과 연결시키기 위해 FPC(flexible printed circuit)를 사용하여 제조된 유연한 방사선 디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 유연 기판을 이용하여 다양한 각도에서도 방사선 조사를 실시간으로 검출할 수 있고, 인체의 곡면에 접촉이 가능한 방사선 디텍터에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 불순물 타입의 기판; 상기 제1 불순물 타입의 기판 상에 형성된 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부; 상기 제1 영역 상에 형성되는 제1 전극; 상기 제2 영역 상에 형성되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성되는 신틸레이터(scintillator)를 포함한다.
상기 제1 불순물 타입의 기판은 실리콘카바이드(SiC)로 구성되고, 상기 제1 불순물 타입은 n-type 및 상기 제2 불순물 타입은 p-type 일 수 있다.
상기 제2 영역은 상기 제1 영역 내에 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일 층에 형성될 수 있다.
상기 제2 영역은 B, Al 및 Ga로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 불순물 타입의 기판은 상기 제1 불순물 타입의 제1 영역 및 상기 제2 불순물 타입의 제2 영역 사이에 I-type 반도체층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 비아 통해 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 연결될 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은, 금, 백금 등의 금속류 이거나 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
상기 방사선 디텍터는 FPC(flexible printed circuit)를 이용하여 외부 배선과 연결될 수 있다.
상기 방사선 디텍터는 유연 소자일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터 제조 방법은 제1 불순물 타입의 기판을 준비하는 단계; 상기 제1 불순물 타입의 기판 상에 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부를 형성하는 단계; 상기 제1 영역 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제2 영역 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상에 신틸레이터(scintillator)를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2 영역은 상기 제1 영역 내에 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 동일 층에 형성될 수 있다.
상기 제2 영역 이온 주입에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제1 전극을 연결하는 제1 비아를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 영역과 상기 제2 전극을 연결하는 제2 비아를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 실리콘카바이드(SiC)를 이용하여 광전변환부를 제조함으로써 1MeV 이상의 고준위에서도 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 전류이동 경로를 기판의 표면에서 수평으로 흐르도록 유도하여, 광전변환부의 사이즈를 감소시, 집적도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 사이즈를 조절함으로써, 기존 실리콘카바이드(SiC)가 가지는 전기적 특성인 400V의 구동전압 범위를 40V미만의 구동전압 범위로 구현시켜 직접적인 인체접촉의 위험성을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 단순 PIN 다이오드 및 PN 다이오드를 관통하는 반도체가 가지는 전류 경로(current path) 100㎛~650㎛를 ≤100㎛ 이하로 제조하여 검출 위치 정교함을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 영역 상에 부분적으로 제2 영역을 형성함으로써, 방사선 디텍터의 일부에만 센서 면적을 형성함으로써, 방사선이 인체로 투과되는 양을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 모든 전극을 광전변환부의 상단에 배치하여 소자의 구조를 단순화시키고, 검사 및 측정 분석이 편리해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 외부 배선과 연결시키기 위해 FPC(flexible printed circuit)를 사용하여 유연 소자로 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 FPC(flexible printed circuit)를 사용함으로써, 온/오프(on/off)가 아닌 리니어 신호를 검출 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 유연 기판을 이용하여 다양한 각도에서도 방사선 조사를 실시간으로 검출할 수 있고, 인체의 곡면에 접촉이 가능한 방사선 디텍터를 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 인체에 부착이 가능하여 환자의 작은 움직임에 대해서도 트래킹시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터의 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터를 도시한 입체도이다.
도 3a 및 3b은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터에 사용되는 FPC를 도시한 이미지 이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터의 단면도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 불순물 타입의 기판(110), 제1 불순물 타입의 기판(110) 상에 형성된 제1 불순물 타입의 제1 영역(121)과 제1 영역(121)과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역(122)을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부, 제1 영역(121) 상에 형성되는 제1 전극(141), 제2 영역(122) 상에 형성되는 제2 전극(142) 및 제1 전극(141) 및 제2 전극(142) 상에 형성되는 신틸레이터(scintillator, 150)를 포함한다.
또한, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 비아(131, 132) 통해 제1 영역(121) 및 제2 영역(122)에 연결될 수 있고, 비아(131, 132)는 제1 영역(121) 상에 형성되는 제1 비아(131) 및 제2 영역(122) 상에 형성되는 제2 비아(132)를 포함할 수 있다.
도 1은 제1 불순물 타입의 기판(110) 상에 별도로 제1 불순물 타입의 제1 영역(121)이 형성되는 구조에 대해 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않고, 제1 불순물 타입의 기판(110) 자체가 제1 불순물 타입의 제1 영역(121)인 구조로 형성될 수도 있다.
제1 불순물 타입의 기판(110)은 실리콘카바이드(SiC)로 구성될 수 있다.
종래에 사용되는 방사선 디텍터는 실리콘(Si) 기판을 사용하고, 이는 주로 엑스레이 검출을 위해 사용된다.
하지만 방사선 디텍터를 엑스선이 아닌 고준위 방사선에 사용하게 되면 실리콘 기판이 고준위 방사선에 의해 파괴되는 문제가 발생하기 때문에 실리콘 기판을 고준위 방사선에 사용하기에 적합하지 않다.
하지만 본 발명의 실시예에 따른 제1 불순물 타입의 기판(110)은 실리콘카바이드(SiC)를 사용하기 때문에 1MeV 이상의 고준위에서도 기판이 파괴되지 않는 장점이 있어, 엑스선 외에 다양한 방사선을 검출하는데 사용될 수 있다.
제1 불순물 타입의 기판(110) 상에 제1 영역(121)이 형성된다.
제1 영역(121)은 제1 불순물 타입의 기판(110) 상에 형성되고, 제1 불순물 타입은 기판(110)과 동일한 물질이 사용될 수 있으며, 제1 불순물 타입은 n-type일 수 있다.
또한, 제1 영역(121) 상에 제2 불순물 타입의 제2 영역(122)이 형성될 수 있다.
제2 영역(122)의 제2 불순물 타입은 p-type 일 수 있고, 예를 들어, 제2 영역은 B, Al 및 Ga로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 불순물 타입의 제1 영역(121)과 제2 불순물 타입의 제2 영역(122)을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부를 포함할 수 있다.
광전변환부는 P(positive)형 반도체층 및 N(negative)형 반도체층으로 이루어진 PN 구조의 포토 다이오드 또는 P(positive)형 반도체층, I(intrinsic)형 반도체층 및 N(negative)형 반도체층으로 이루어진 PIN 구조의 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, PIN 구조의 포토 다이오드는 진성(intrinsic) SiC 웨이퍼를 사용하고, 이때, p형과 n형을 따로 이온 주입시킴으로써, 중간에 I(intrinsic)형 반도체층이 형성되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 단순 PIN 다이오드 및 PN 다이오드를 관통하는 반도체가 가지는 전류 경로(current path) 100㎛~650㎛를 ≤100㎛ 이하로 제조하여 검출 위치 정교함을 증가시킬 수 있다.
또한, 제2 영역(122)은 제1 영역(121) 내에 부분적으로 형성될 수 있고, 이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 광전변환부는 수직 구조의 포토 다이오드가 아닌 수평 구조의 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
종래와 같은 상하로 전류가 흐르는 즉, 기판을 관통시키는 수직 구조의 포토 다이오드는 변화시킬 수 있는 값이 면적 밖에 없기 때문에 포토 다이오드의 전류가 흐르는 전류의 길이는 기판의 두께에 의해 고정되는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 광전변환부를 수평 구조로 형성함으로써, 포토 다이오드로 흐르는 전류의 폭과 길이를 설계자의 의도대로 조정할 수 있다.
다만, 이온주입에 의한 깊이(두께)가 얕아지므로 전류가 흐르는 단면적은 작아지지만 집적화 소자에서 요구되는 크기 즉, 전류의 변화를 다면화 시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 전류 이동 경로를 기판의 표면에서 수평으로 흐르도록 유도하여, 광전변환부의 사이즈를 감소시켜, 집적도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실리콘카바이드가 가지는 전기적 특성인 400V의 구동전압은 전류가 적게 흐른다 하더라도 인체 접촉 시에 위험성이 존재한다. 이러한 위험성을 감소시키기 위해서는 전류가 흐르는 경로를 감소시킴으로써, 구동 전압이 감소시켜야 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 방사선 디텍터는 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 사이즈를 조절함으로써, 기존 실리콘카바이드(SiC)가 가지는 전기적 특성인 400V의 구동전압 범위를 40V미만의 구동전압으로 구현시켜 직접적인 인체접촉의 위험성을 제거할 수 있다. 이때, 문턱 전압은 불순물의 농도에 의존되기 때문에 문턱 전압 조절은 불순물의 양을 변화시켜 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 영역(121)에 부분적으로 형성된 제2 영역(122)을 포함하여, 방사선 디텍터의 일부에만 센서 면적을 형성함으로써, 방사선이 인체로 투과되는 양을 증가시킬 수 있다.
광전변환부는 신틸레이터(150)의 후면에 형성되어 신틸레이터(150)를 통과하여 변환된 가시광선을 흡수하고 이를 전기적 신호로 변환시킨다. 즉, 광전변환부 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 발생할 수 있고, 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전기적 신호로 변환될 수 있다.
또한, 광전변환부는 기판(110)상에 복수 개의 픽셀 단위로 형성되어 방사선 영상을 구성하는 픽셀 어레이를 형성할 수 있다.
제1 영역(121) 및 제2 영역(122) 상에는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)과 연결되는 비아(131, 132)가 형성된다.
비아(131, 132)는 제1 비아(131) 및 제2 비아(132)를 포함하고, 제1 비아(131)은 제1 영역(121) 및 제1 전극(141)을 연결하며, 제2 비아(132)는 제2 영역(122) 및 제2 전극(142) 전극을 연결할 수 있다.
제1 비아(131) 및 제2 비아(132)는 제1 영역(121) 및 제2 영역(122) 상에 형성된 제1 절연층(160)에 패터닝되어 형성될 수 있다.
제1 비아(131) 및 제2 비아(132)는 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은, 금, 백금 등의 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
제1 영역(121) 및 제2 영역(122) 상에는 제1 비아(131) 및 제2 비아(132)를 통해 연결되는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 형성된다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 동일 층에 형성될 수 있고, 모두 광전변환부의 상단에 형성될 수 있다.
종래에는 광전변환부의 하단에 제1 전극(141)을 형성하고 광전변환부의 상단에 제2 전극(142)을 형성하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 광전변환부의 상단에 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 모두 형성하기 때문에, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 형성하기 위한 공정을 단순화시킬 수 있다.
또한, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 형성하기 위한 패터닝 공정이 필요하게 되지만, 광전변환부의 상단에 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 모두 형성되기 때문에, 검사 및 측정 분석이 편리하다.
제1 전극(141)은 데이터전극일 수 있고, 제1 영역(121)에 연결되어 광전변환부에서 발생한 전기적 신호에 대응되는 전기적 신호가 유도될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 전극(141)과 연결되는 리드아웃소자(ROIC, Read out IC)는 이러한 제1 전극(141)의 전기적 신호를 감지하여 그에 따른 영상신호를 출력한다.
제2 전극(142)은 신호전극일 수 있고, 제2 영역(122)에 연결되어 외부의 전원공급부로부터 역방향(reverse bias)전압 및 순방향(forward bias)전압을 인가 받을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 동일한 방향으로 평행하게 형성될 수 있고, 배선 형태로 배열될 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 제1 영역(121) 및 제2 영역(122) 상에 형성된 제2 절연층(170)에 패터닝되어 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오 디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은 또는 이들의 합금, 산화인듐주석(ITO) 또는 산화인듐아연(IZO)과 같은 광을 투과시킬 수 있도록 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
제1 전극(141) 및 제2 전극(142) 상에는 신틸레이터(scintillator, 150)가 형성된다.
신틸레이터(150)는 피조체를 투과한 방사선이 입사할 수 있도록 방사선 디텍터의 전면 방향에 형성되고, 방사선을 광전변환부에서 흡수할 수 있는 파장의 광, 예를 들면 녹색 파장대의 가시광선으로 변환시킬 수 있다.
신틸레이터(150)는 고체, 액체 및 기체 신틸레이터(150)를 포함할 수 있고, 고체 신틸레이터(150)는 유기 및 무기 신틸레이터(150)를 포함할 수 있다.
유기 신틸레이터(150)의 경우, 엑스선 변환 효율이 낮은 반면 반응속도가 빠른 장점이 있고, 무기 신틸레이터(150)는 광출력이 높고 선형성이 좋은 장점이 있으며, 필요에 따라 적절한 신틸레이터가 사용될 수 있다.
예를 들어, 신틸레이터(150)는 탈륨 또는 나트륨이 도핑된 요오드화 세슘과 같은 할로겐 화합물로 형성되거나 가돌리늄 황산화물과 같은 산화물계 화합물이 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
신틸레이터(150)는 광전변환부의 전면에 필름형태로 부착될 수 있고 화학기상증착(CVD)방법에 의해 증착되어 형성될 수도 있다.
또한, 신틸레이터(150)는 엑스선이 입사되는 전면에 반사층을 더 포함할 수 있다. 반사층은 엑스선이 투과될 수 있는 물질로 형성될 수 있고, 예를 들면, 반사층은 알루미늄 또는 티탄과 같은 금속으로 형성될 수 있고, 유리, 탄소 또는 세라믹과 같은 유기재료로 형성될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반사층은 신틸레이터(150)에서 변환된 가시광선 중 외부로 방출되어 손실되는 가시광선을 다시 내부로 반사시킴으로써 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 FPC(flexible printed circuit)를 이용하여 외부 배선과 연결될 수 있다.
방사선 디텍터를 플렉서블 구조로 형성하기 위해서는 상단과 하단의 배선이 FPC로 형성되어야 한다. 그렇기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 FPC를 사용함으로써, 플렉서블 구조를 가질 수 있어, 유연 소자로 형성될 수 있다.
종래에는 사람을 고정시킨다 하더라도 기침 또는 심호흡과 같은 임의의 상황에 의한 신체의 미세한 움직임에도 치료 또는 측정 위치가 변화되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 인체에 부착이 가능하여, 방사선 디텍터의 매트릭스 배열을 주소화시키고, 방사선 조사 시에 방사선 디텍터에서 검출되는 신호를 위치 추적으로 사용하여 미세한 움직임에 대해서도 트래킹이 가능해질 수 있다.
또한, 측정하려고 하는 대상체(예; 암세포) 또는 그 주변에 금을 삽입한 후, 그 신호와 연동시켜 보다 정교하게 방사선을 트래킹할 수 있다.
또한, 상단에 형성된 FPC와 하단에 형성된 FPC는 90도로 배치될 수 있고, 상단에 형성된 FPC는 전기적 특성을 검출하기 위한 용도로 사용될 수 있고, 하단에 형성된 FPC는 소자 고정용으로 전기적 배선의 역할보다는 고정의 기능이 더 많도록 형성될 수 있다.
FPC는 일부에 홀을 형성하여 전기적 배선과 납땜을 이용하여 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 FPC를 사용함으로써, 온/오프(on/off)가 아닌 리니어 신호를 검출 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터를 유연 소자로 형성함으로써, 인체 접촉이 가능한 방사선 디텍터를 제조할 수 있다.
또한, 종래에는 환자가 누워 있기 전에 기기에 조사되는 방사선을 준비하는 방식, 바닥에 방사선 디텍터를 두고 그 위치나 양이 맞는지 고정된 상태로 준비하는 방식 또는 사이버 나이프처럼 좌표 값으로 조정하여 준비하는 방식으로 사람을 고정된 위치에 맞게 이동하여 위치를 파악하거나 고정된 환자에게 제3의 방사선을 조사하여 위치를 파악하였다.
그러나, 환자에게 제3의 방사선을 조사하여 위치를 파악 것은 위험성이 존재하고 방사선 조사 전후로 인체의 변동이 파악되었다 하더라도 인체의 위치 변동이 생기면 변동된 값들이 피드백되지 않은 상태에서 대략적인 위치로 치료를 진행하게 된다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 환자의 위치를 직접 센싱시킬 수 있어 사전 조사 시에 매우 낮은 방사선의 포인트로만 위치를 추적하고, 신호에서 발생되는 값으로 어느 부분을 조사시킬 것인지 파악할 수 있어, 사전 준비 시간 감소 및 대응 시간이 매우 빨라지게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터를 도시한 입체도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터를 입체 구조로 도시한 것을 제외하면, 도 1과 동일한 구성요소를 포함함으로, 중복되는 구성요소에 대해서는 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 광전변환부는 기판(110)상에 복수 개의 픽셀 단위로 형성되어 방사선 영상을 구성하는 픽셀 어레이를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터의 제2 영역(122)는 제1 영역(121)에 전체적으로 형성되지 않고 부분적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 광전변환부를 수평 구조의 포토다이오드로 형성하여 전류이동 경로를 기판의의 표면에서 수평으로 흐르도록 유도하여, 광전변환부의 사이즈를 감소시켜, 집적도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 영역(121)에 부분적으로 제2 영역(122)을 형성함으로써, 방사선 디텍터의 일부에 센서 면적 형성됨으로써, 방사선이 인체로 투과되는 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 동일한 층에 평행하게 형성된 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 서로 다른 층에 교차하게 형성될 수 있으나, 이 경우, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 모두 광전변환부의 상단에 형성되는 것을 전제로 한다.
이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 모두 광전변환부의 상단에 배치함으로써, 소자의 구조 단순화가 가능하고, 검사 및 측정 분석이 편리하다.
제1 영역(121) 및 제2 영역(122)과 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 연결하는 제1 비아(131) 및 제2 비아(132)는 원통형으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고, 다양한 구조로 형성될 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터에 사용되는 FPC를 도시한 이미지 이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FPC(200)는 가지(branch) 형태로 형성될 수 있고, FPC(200)는 방사선 디텍터의 상단에 전극이 일체 배선으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터는 FPC(200)를 사용함으로써, 온/오프(on/off)가 아닌 리니어 신호를 검출 할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 FPC(210,220)는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터(300)의 상단 및 하단에 배치될 수 있고, 방사선 디텍터(300)의 상단 및 하단에 배치된 FPC(210,220)는 90도로 형성될 수 있다.
상단에 형성된 FPC(220)는 전기적 특성을 검출하기 위한 용도로 사용될 수 있고, 하단에 형성된 FPC(210)는 소자 고정용으로 전기적 배선의 역할보다는 고정의 기능이 더 많도록 형성될 수 있다.
또한, FPC(210,220)는 일부에 홀을 형성하여 전기적 배선과 납땜을 이용하여 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터(300)는 외부 배선과 연결시키기 위해 FPC(200)를 사용하여 유연 소자로 제조될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 1 및 도 2와 동일한 구성요소를 포함함으로, 중복되는 설명에 대해서는 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 디텍터 제조 방법은 제1 불순물 타입의 기판을 준비하는 단계 S410, 제1 불순물 타입의 기판 상에 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부를 형성하는 단계 S420을 포함한다.
또한, 제1 영역 상에 제1 전극을 형성하는 단계 S430, 제2 영역 상에 제2 전극을 형성하는 단계 S440 및 제1 전극 및 제2 전극 상에 신틸레이터(scintillator)를 형성하는 단계 S450을 포함한다.
또한, 제1 영역과 제1 전극을 연결하는 제1 비아를 형성하는 단계 및 제2 영역과 제2 전극을 연결하는 제2 비아를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계 S410에서, 제1 불순물 타입의 기판을 준비한다.
제1 불순물 타입의 기판은 실리콘카바이드(SiC)로 구성될 수 있다.
단계 S420에서, 제1 불순물 타입의 기판 상에 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부를 형성한다.
제1 불순물 타입의 기판 자체가 제1 영역일 있고, 제1 불순물 타입의 기판 상에 별도로 제1 불순물 타입의 기판과 동일한 물질을 포함하는 제1 불순물 타입의 제1 영역이 형성될 수 있다.
또한, 제2 영역은 제1 영역 내에 부분적으로 형성될 수 있다.
제1 불순물 타입의 기판 상에 별도로 제1 불순물 타입의 기판과 동일한 물질을 포함하는 제1 불순물 타입의 제1 영역이 형성되는 경우, 제1 불순물 타입의 제1 영역은 성장(epitaxy) 방법, 용액코팅 방법 또는 증착 방법을 통해 기판 상에 형성될 수 있다.
제1 불순물 타입의 제1 영역을 형성하는 용액코팅 방법은 예를 들어, 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 울트라스프레이코팅(ultra-spray coating), 전기방사코팅, 슬롯다이코팅(slot die coating), 그라비아코팅(gravure coating), 바코팅(bar coating), 롤코팅(roll coating), 딥코팅(dip coating), 쉬어코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)이 사용될 수 있고, 증착 방법은 예를 들어, 감압, 상압 또는 가압조건에서, 스퍼터링(sputtering), 원자층증착(ALD), 화학기상증착(CVD), 열증착(thermal evaporation), 동시증발법(co-evaporation) 또는 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD)이 사용될 수 있다.
제1 불순물 타입의 기판은 실리콘카바이드(SiC)일 수 있고, 제1 불순물 타입은 p-type이며, 제2 불순물 타입의 제2 영역은 n-type일 수 있다.
이로 인해, 광전변환부는 PN 구조 또는 PIN 구조의 포토 다이오드가 사용될 수 있다.
제2 불순물 타입의 제2 영역은 제1 불순물 타입의 제1 영역에 이온 주입을 진행하여 형성될 수 있고, 예를 들어, 제2 불순물 타입의 제2 영역은 B, Al 및 Ga로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
단계 S430에서, 제1 영역 상에 제1 전극을 형성한다.
제1 전극은 데이터전극일 수 있고, 제1 영역에 연결되어 광전변환부에서 발생한 전기적 신호에 대응되는 전기적 신호가 유도될 수 있다.
제1 전극은 제1 영역 상에 형성된 제2 절연층에 패터닝되어 형성될 수 있다.
또한, 제1 전극은 제1 영역 상에 형성된 제1 비아를 통해 연결될 수 있고, 제1 비아는 제1 영역 상에 형성된 제1 절연층에 패터닝되어 형성될 수 있다.
제1 전극은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오 디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은, 금, 백금 등의 금속 또는 이들의 합금 또는 산화인듐주석(ITO) 또는 산화인듐아연(IZO)과 같은 광을 투과시킬 수 있도록 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
단계 S440에서, 제2 영역 상에 제2 전극을 형성한다.
제2 전극은 신호전극일 수 있고, 제2 영역에 연결되어 외부의 전원공급부(미도시)로부터 역방향(reverse bias)전압 및 순방향(forward bias)전압을 인가 받을 수 있다.
제2 전극은 제2 영역 상에 형성된 제2 절연층에 패터닝되어 형성될 수 있다.
또한, 제2 전극은 제2 영역 상에 형성된 제2 비아를 통해 연결될 수 있고, 제2 비아는 제2 영역 상에 형성된 제1 절연층에 패터닝되어 형성될 수 있다.
제2 전극(142)은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오 디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은, 금, 백금 등의 금속 또는 이들의 합금 또는 산화인듐주석(ITO) 또는 산화인듐아연(IZO)과 같은 광을 투과시킬 수 있도록 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
단계 S450에서, 제1 전극 및 제2 전극 상에 신틸레이터(scintillator)를 형성한다.
신틸레이터는 제1 전극 및 제2 전극 상에 필름형태로 부착될 수 있고 화학기상증착(CVD)방법에 의해 증착되어 형성될 수도 있다.
신틸레이터는 피조체를 투과한 방사선이 입사할 수 있도록 방사선 디텍터의 전면방향에 형성되고, 방사선을 광전변환부에서 흡수할 수 있는 파장의 광, 예를 들면 녹색 파장대의 가시광선으로 변환시킬 수 있다.
신틸레이터는 탈륨 또는 나트륨이 도핑된 요오드화 세슘과 같은 할로겐 화합물로 형성되거나 가돌리늄 황산화물과 같은 산화물계 화합물이 포함될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 검출기는 방사선 검출기 상단 또는 하단에 FPC를 더 형성할 수 있다.
상단에 형성된 FPC와 하단에 형성된 FPC는 90도로 배치될 수 있고, 상단에 형성된 FPC는 전기적 특성을 검출하기 위한 용도로 사용될 수 있고, 하단에 형성된 FPC는 소자 고정용으로 전기적 배선의 역할보다는 고정의 기능이 더 많도록 형성될 수 있다.
또한, FPC는 일부에 홀을 형성하여 전기적 배선과 납땜을 이용하여 연결될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 기판 121: 제1 영역
122: 제2 영역 131: 제1 비아
132: 제2 비아 141: 제1 전극
142: 제2 전극 150: 신틸레이터
160: 제1 절연층 170: 제2 절연층
200: FPC 210: 하단 FPC
220: 상단 FPC 300: 방사선 디텍터

Claims (16)

  1. 제1 불순물 타입의 기판;
    상기 제1 불순물 타입의 기판 상에 형성된 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부;
    상기 제1 영역 상에 형성되고, 상기 광전변환부 상단에 배치되는 제1 전극;
    상기 제2 영역 상에 형성되고, 상기 광전변환부 상단에 배치되는 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성되는 신틸레이터(scintillator)
    를 포함하고,
    상기 광전변환부는 수평 구조의 포토다이오드로 형성되어 전류이동 경로를 상기 제1 불순물 타입의 기판에서 수평으로 흐르도록 유도하는 방사선 디텍터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 불순물 타입의 기판은
    실리콘카바이드(SiC)로 구성되고, 상기 제1 불순물 타입은 n-type 및 상기 제2 불순물 타입은 p-type 인 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역은
    상기 제1 영역 내에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동일 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역은 B, Al 및 Ga로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 불순물 타입의 기판은
    상기 제1 불순물 타입의 제1 영역 및 상기 제2 불순물 타입의 제2 영역 사이에 I-type 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 비아 통해 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 연결되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 알루미늄, 몰리브덴, 크롬, 네오디뮴, 탄탈륨, 티타늄, 텅스텐, 구리, 은, 금, 백금 등의 금속 또는 이들의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 디텍터는 FPC(flexible printed circuit)를 이용하여 외부 배선과 연결되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 디텍터는 유연 소자인 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터.
  11. 제1 불순물 타입의 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 불순물 타입의 기판 상에 제1 불순물 타입의 제1 영역과, 상기 제1 영역과 구분되는 제2 불순물 타입의 제2 영역을 포함하는 적어도 하나 이상의 광전변환부를 형성하는 단계;
    상기 광전변환부 상단의 상기 제1 영역 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 광전변환부 상단의 상기 제2 영역 상에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 상에 신틸레이터(scintillator)를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 광전변환부는 수평 구조의 포토다이오드로 형성되어 전류이동 경로를 상기 제1 불순물 타입의 기판에서 수평으로 흐르도록 유도하는 방사선 디텍터 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 영역은
    상기 제1 영역 내에 부분적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동일 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 영역은 이온 주입에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제1 전극을 연결하는 제1 비아를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2 영역과 상기 제2 전극을 연결하는 제2 비아를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 디텍터 제조 방법.
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