DE60033894T2

DE60033894T2 - Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE60033894T2
Application number: DE60033894T
Authority: DE
Inventors: Kenji Sato; Msahito Kofu-shi Sato
Original assignee: Shimadzu Corp; Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Shindengen Sensor Device Co Ltd
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2020-08-12
Also published as: CN1286406A; JP3832615B2; EP1079437B1; DE60033894D1; EP1079437A3; EP1079437A2; JP2001068656A; KR20010067103A; KR100356115B1; CN1148807C; US6495817B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(1) Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor des Direktumwandlungstyps, der auf medizinischem, industriellem, nuklearem und anderen Gebieten verwendet wird, und insbesondere auf eine Technik zur Unterdrückung von Kriechentladungen als Folge einer an eine strahlungsempfindliche Halbleiterschicht angelegten Vorspannung.
(2) Beschreibung des Standes der Technik
Zu Strahlungsdetektoren (z.B. für Röntgenstrahlung) gehört der Indirektumwandlungstyp, der zunächst Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung) in Licht und dann das Licht durch photoelektrische Umwandlung in elektrische Signale umwandelt, und der Direktumwandlungstyp, welcher einfallende Strahlung mit einer strahlungsempfindlichen Halbleiterschicht direkt in elektrische Signale umwandelt. Letztere, die Direktumwandlungsvorrichtung, weist eine Spannungsanlegeelektrode, die auf einer Vorderfläche der strahlungsempfindlichen Halbleiterschicht ausgebildet ist, an welche eine bestimmte Vorspannung angelegt wird, und Ladungsträgersammelelektroden, die auf einer Rückfläche der strahlungsempfindlichen Halbleiterschicht ausgebildet sind, zum Sammeln von durch einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträgern auf. Die Ladungsträger werden, als Strahlungsnachweissignale abgenommen, womit die Detektion von Strahlung möglich wird.
Gewisse der herkömmlichen Strahlungsdetektoren des Direktumwandlungstyps verwenden eine dicke Schicht aus einem amorphen Halbleiter, wie etwa amorphem Selen, als strahlungsempfindliche Halb leiterschicht. Ein amorpher Halbleiter lässt sich einfach zu einer dicken und weiten Schicht durch Vakuumabscheidung oder dergleichen verarbeiten, weshalb er für einen Aufbau einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung, die eine große dicke Schicht erfordert, geeignet ist.
Wie in 1 gezeigt, enthält eine Strahlungsdetektorvorrichtung mit einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung, bekannt aus EP-A-1 009 038, welche ein Dokument nach Art. 54(3) EPÜ ist, eine dicke amorphe Haltleiterschicht 1 zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren (Ladungsträgern) ansprechend auf einfallende Strahlung, eine Spannungsanlegeelektrode 2, die auf der Vorderfläche der Halbleiterschicht 1 angeordnet ist und an welche eine Vorspannung angelegt wird, sowie eine Anzahl von Ladungsträgersammelelektroden 3, die in Form einer zweidimensionalen Matrix auf der Rückfläche der Halbleiterschicht sind. An jede Ladungsträgersammelelektrode 3 ist ein Ladungsspeicherkondensator Ca und ein Ladungsleseschaltelement (z.B. ein Dünnschichttransistor) 4, welcher normalerweise abgeschaltet ist, angeschlossen. Ladungen, die sich in den Kondensatoren Ca als Folge einfallender Strahlung ansammeln, werden als Strahlungsdetektionssignale über die eingeschalteten Schaltelemente 4 gelesen.
Die Strahlungsdetektionsvorrichtung, die den in 1 gezeigten Aufbau einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung aufweist, kann in einer Röntgenvorrichtung zur Feststellung von Röntgendurchleuchtungsbildern verwendet werden. In diesem Fall werden Röntgenbilder beruhend auf den Strahlungsdetektionssignalen, die von der Strahlungsdetektionsvorrichtung ausgegeben werden, gewonnen. Die oben angegebene herkömmliche Strahlungsdetektionsvorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass die an die dicke amorphe Halbleiterschicht angelegte Vorspannung die Neigung hat, zu Kriechentladungen zu führen. Die Kriechentladungen werden durch dielektrische Zusammenbrüche, die längs Oberflächen von Rändern 2a der Spannungsanlegeelekt rode 2 zu Rändern 1a der dicken amorphen Halbleiterschicht 1, bevor sie geerdet werden, auftreten, wie diese in 1 gezeigt sind.
Im Falle beispielsweise eines Röntgenbildes führen die Kriechentladungen zu einem Rauschen in den Strahlungsdetektionssignalen, was der Bildqualität abträglich ist. Die Kriechentladungen könnten durch Verringerung der Vorspannung unterdrückt werden. Ein amorpher Halbleiter ist jedoch einem Einkristallhalbleiter unterlegen, was die Ladungsträgertransporteigenschaften anbelangt, und zeigt keine ausreichende Nachweisempflindlichkeit bei niedriger Vorspannung.
Ein ähnlicher Aufbau wie der in EP-A-1 009 038 beschriebene, ohne Ladungsspeicherkondensatoren, ist aus US-A-4 233 514 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung wurde in Hinblick auf den oben angegebenen Stand der Technik gemacht, und ihre Aufgabe ist es, eine Strahlungsdetektorvorrichtung zu schaffen, welche Kriechentladungen unterdrückt, die auf eine an eine strahlungsempfindliche Halbleiterschicht angelegte Vorspannung zurückgehen.
Obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strahlungsdetektorvorrichtung gelöst, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist.
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird festzustellende Strahlung emittiert, während eine Vorspannung an die auf der Vorderfläche der strahlungsempfindlichen amorphen Halbleiterschicht ausgebildete Spannungsanlegeelektrode angelegt wird. Dann sammeln sich Ladungen in den mit den Ladungsträgersammelelektroden verbundenen Ladungsspeicherkondensatoren in einer Menge an, die den durch einfallende Strahlung in der amorphen Halbleiterschicht erzeugten Ladungsträgern entspricht. Wenn die Ladungsleseschaltelemente eingeschaltet werden, werden die Ladungen, die sich angesammelt haben, als Strahlungsdetektionssignale über die Schaltelemente gelesen.
Wenn Strahlung festgestellt wird, blockiert also die Ladungsträgerselektivität des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms eine Injektion dieser Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die nicht zur Detektion von Strahlung beitragen, sondern Dunkelströme werden, womit Dunkelströme unterdrückt werden. Eine Injektion der Ladungsträger, die zur Detektion von Strahlung beitragen, wird nicht blockiert, wodurch die Signalansprechcharakteristik beibehalten wird.
Die Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht ist vollständig mit dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm abgedeckt. Dieser Aufbau verhindert Kristallisation der amorphen Halbleiterschicht als Folge von Feuchtigkeit und dergleichen, womit eine Verminderung des Oberflächenwiderstands vermieden wird. Außerdem ist der elektrodenlose Bereich über den gesamten Umfang zwischen Rändern der Spannungsanlegeelektrode und Rändern der amorphen Halbleiterschicht ausgebildet. Die Spannungsanlegeelektrode ist von dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm mit hohem Oberflächenwiderstand umgeben. Da eine ausreichende Oberflächenspannungsfestigkeit zwischen der Spannungsanlegeelektrode und der Masseseite vorgesehen ist, werden Kriechentladungen aus der strahlungsempfindlichen amorphen Halbleiterschicht, die auf die Vorspannung zurückgehen, unterdrückt. Folglich wird eine ausreichende Nachweisempfindlichkeit durch Anlegen einer hohen Vorspannung sichergestellt.
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung können die Ladungsträgersammelelektroden in großer Anzahl und angeordnet in einer zweidimensionalen Matrix ausgebildet sein, wobei jede der Ladungsträgersammelelektroden jeweils einen der Ladungsspeicherkondensatoren und eines der Ladungsleseschaltelemente enthält, womit ein Aufbau einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung gebildet wird. Dann ist je de Strahlungsdetektionseinheit in der Lage, lokal Strahlung festzustellen, womit die Messung einer zweidimensionalen Verteilung von Strahlungsintensität möglich wird.
Wo der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm ein p-leitender Film ist, wird eine negative Vorspannung an die Spannungsanlegeelektrode angelegt. Dies verhindert eine Injektion von Elektronen, die nicht zur Strahlungsdetektion beitragen, sondern Dunkelströme werden. Eine Injektion von Löchern, die zur Detektion von Strahlung beitragen, ist zugelassen, womit Strahlung zuverlässig festgestellt wird.
Wo der strahlungsselektive Hochwiderstandsfilm ein n-leitender Film ist, verhindern eine positive Vorspannung und der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm vom n-Typ eine Injektion von Löchern, die nicht zur Detektion von Strahlung beitragen, sondern Dunkelströme werden, wobei eine Injektion von Elektronen, die zum Nachweis von Strahlung beitragen, zugelassen ist. Strahlung kann also zuverlässig detektiert werden.
Ferner hat der elektrodenlose Bereich vorzugsweise eine Breite, wie sie in Anspruch 4 definiert ist. Mit der auf den oben bevorzugten Bereich eingestellten Breite des elektrodenlosen Bereichs ist eine ausreichende Oberflächenspannungsfestigkeit zur Verhinderung von Kriechentladungen, die auf die Vorspannung zurückgehen, zuverlässig sichergestellt. Der obige Bereich reduziert den empfindlichen Bereich (d.h., die Größe des Nachweisbereichs) der amorphen Halbleiterschicht nicht wesentlich. Kriechentladungen, die auf die Vorspannung zurückgehen werden also unterdrückt, wobei gleichzeitig von der amorphen Halbleiterschicht, die einer Realisierung eines vergrößerten Bereichs angepasst ist, voll Gebrauch gemacht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat die amorphe Halbleiterschicht vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm. Mit der auf den obigen bevorzugten Bereich eingestellten Dicke der a morphen Halbleiterschicht wird Strahlung durch die Halbleiterschicht ausreichend absorbiert, ohne dass sie durchgeht. Die dicke amorphe Halbleiterschicht ist vorzugsweise aus amorphen Selen (a-Se) ausgebildet. Die dicke amorphe Selenschicht ist zur Realisierung eines vergrößerten Detektionsbereichs besonders geeignet.
Der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm hat vorzugsweise einen Oberflächenwiderstand von wenigsten 10⁸ Ω/☐. Mit dem auf den obigen bevorzugten Wert eingestellten Oberflächenwiderstand des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms werden Kriechentladungen durch den hohen Oberflächenwiderstand unterdrückt.
Der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,01 μm bis 10 μm. Mit der auf den obigen bevorzugten Bereich eingestellten Dicke des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms ist eine Injektion von unerwünschten Ladungsträgern verhindert, während eine Injektion von benötigen Ladungsträgern ausreichend zugelassen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen mehrere gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen gezeigt, wobei sich jedoch versteht, dass die Erfindung nicht auf die exakte Anordnung und Mittel, wie sie gezeigt sind, beschränkt ist.
1 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Hauptabschnitt einer herkömmlichen Strahlungsdetektionsvorrichtung zeigt;
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Strahlungssensor in einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 ist eine Draufsicht des Strahlungssensors in der ersten Ausführungsform;
4 ist eine Erläuterungsdarstellung, welche einen Nachweisvorgang einer Strahlungsdetektionseinheit in der ersten Ausführungsform zeigt;
5 ist eine Blockdiagramm, welches eine Gesamtvorrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Graph, der zeitabhängige Änderungen der Nachweisausgabe einer zum Testen verwendeten Strahlungsdetektionsvorrichtung zeigt;
7 ist ein Graph, der zeitabhängige Änderungen der Strahlungsdetektionsausgabe einer zum Vergleich verwendeten Strahlungsdetektionsvorrichtung zeigt;
8 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Strahlungssensor in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 ist eine Draufsicht eines Strahlungssensors in der zweiten Ausführungsform; und
10 ist eine Erläuterungsdarstellung, die einen Nachweisvorgang einer Strahlungsdetektionseinheit in der zweiten Ausführungsform zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend im Einzelnen unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
2 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Strahlungssensor eines Strahlungsdetektors in einer ersten Ausführungsform zeigt. 3 ist eine Draufsicht des Strahlungssensors in der ersten Ausführungsform. 4 ist eine Erläuterungsdarstellung, welche einen Nachweisvorgang einer Strahlungsdetektionseinheit in der ersten Ausführungsform zeigt. 5 ist ein Blockdiagramm, welches die Gesamtvorrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 2 gezeigt, enthält der Strahlungsdetektor in der ersten Ausführungsform einen Strahlungssensor mit einer dicken, strahlungsempfindlichen amorphen Halbleiterschicht 1 zur Erzeugung von Ladungsträgern ansprechend auf einfallende Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung), eine Spannungsanlegeelektrode 2, die auf einer Vorderfläche, d.h., einer Strahlungseinfallsseite, der Halbleiterschicht 1 angeordnet ist, Ladungsträgersammelektroden 3, die auf einer Rückfläche, d.h., einer Strahlungs-Nichteinfallsseite (entgegengesetzt zur Strahlungseinfallsseite) der Halbleiterschicht 1 angeordnet ist, Ladungsspeicherkondensatoren Ca zur Speicherung von durch die Ladungsträgersammelelektroden 3 gesammelten Ladungsträger und als Schaltelemente wirkende Dünnschichttransistoren (TFT), die normalerweise ausgeschaltet (nicht leitend) sind, zum Abnehmen von in den Kondensatoren Ca gespeicherten Ladungen. Die Vorrichtung in der ersten Ausführungsform enthält ferner eine Vorspannungsversorgung (Spannungsquelle) Ve zum Anlegen einer negativen Vorspannung –V_A an die Spannungsanlegeelektrode 2. Die durch einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträger werden bei an die Spannungsanlegeelektrode 2 angelegter Vorspannung aus den Ladungsträgersammelelektroden 3 auf die Kondensatoren Ca übertragen und in ihnen gesammelt. Beim Lesen werden die Schaltelemente 4 eingeschaltet (verbunden), wodurch die Ladungen als Strahlungsdetektionssignale gelesen werden. Jede Komponente wird nachstehend besonders beschrieben.
Bei der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform ist die dicke amorphe Halbleiterschicht 1 eine hochreine amorphe Selen-(a-Se-) Schicht mit einem hohen spezifischen Widerstand von 10⁹ Ωcm oder mehr (vorzugsweise 10¹¹ Ωcm oder mehr) und einer Dicke von 0,5 mm bis 1 mm. Die dicke amorphe Selenschicht 1 ist zur Verwirklichung eines vergrößerten Nachweisbereichs besonders geeignet. Die amorphe Halbleiterschicht hat die erhebliche Dicke vorzugsweise von 0,5 mm bis 1 mm, da Strahlung durch eine dünne Schicht einfach hindurchgehen würde, ohne dass sie darin ausreichend absorbiert würde.
Die Spannungsanlegeelektrode 2 und die Ladungsträgersammelelektroden 3 können aus einem Metall, ausgewählt aus Au, Pt, Ni, In und dergleichen, oder ITO gebildet sein. Natürlich sind der amorphe Halbleiter und die Elektroden nicht auf die oben angegebenen Materialien beschränkt.
Wie in 2 gezeigt, enthält die Vorrichtung in der ersten Ausführungsform als charakteristisches Merkmal derselben einen ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1A vom p-Typ, der zwischen der amorphen Halbleiterschicht 1 und der Spannungsanlegeelektrode 2 so ausgebildet ist, dass er die gesamte Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht abdeckt. Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich ein elektrodenloser Bereich 2A über den gesamten Umfang mit einer gleichförmigen Breite d zwischen den Rändern der Spannungsanlegeelektrode 2 und den Rändern der amorphen Halbleiterschicht 1.
Der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm 1A vom p-Typ hat vorzugsweise einen Oberflächenwiderstand (Flächenwiderstand) von 10⁸Ω/☐ oder mehr und eine Filmdicke von 0,01 μm bis 10 μm (üblicherweise in der Größenordnung von 0,1 μm). Der Film 1A kann geeigneterweise aus Sb₂S₃, SbTe, ZnTe, CdTe oder AsSe ausgebildet oder ein organischer Film sein. Eine Filmdicke von weniger als 0,01 μm würde es schwierig machen, eine Injektion von unerwünschten Ladungsträgern zu verhindern. Eine 10 μm überschreitende Filmdicke hätte die Neigung, eine Injektion von benötigten Ladungsträgern zu behindern. Es ist bevorzugt, dass der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm 1A die amorphe Halbleiterschicht 1 gänzlich (zu 100 %) ab deckt. Zur bequemeren Herstellung oder dergleichen können jedoch schmale Randabschnitte der Halbleiterschicht 1 unbedeckt bleiben.
Gemäß einer von den Erfindern über Experimente gemachten Bestätigung ist die Breite d des elektrodenlosen Bereichs vorzugsweise im Bereich B mm bis 3B mm. In obigem Bereich ist B ein nummerischer Wert, wenn der Absolutwert der mit der Vorspannungsquelle V_e angelegten Vorspannung in kV (Kilovolt) ausgedrückt ist. Wo beispielsweise der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm 1A 500 mm lang und 500mm breit ist, wird die Vorspannung üblicherweise bei –10000 V (= –10 kV) angelegt. In diesem Fall ist, da der Absolutwert von „–10" 10 ist, B gleich 10 und damit die Breite d des elektrodenlosen Bereichs im Bereich vom 10 mm bis 30 mm.
Wie in 2 gezeigt, enthält der Strahlungssensor der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform Dünnschichttransistoren (des FET-Typs), die als die Schaltelemente 4 wirken, und die Ladungsspeicherkondensatoren Ca außer der amorphen Halbleiterschicht 1 und den Elektroden 2 und 3, alle auf einem einzigen isolierenden Substrat 6 ausgebildet. Die Kondensatoren Ca sind in der Form von SiO₂ Schichten oder dergleichen. Das isolierende Substrat 6 ist in der Form des Glassubstrats oder dergleichen.
Ferner hat der Strahlungssensor der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform, wie in 2 und 5 gezeigt, zahlreiche Ladungsträgersammelelektroden 3, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Jede Ladungsträgersammelelektrode 3 weist einen Ladungsspeicherkondensator Ca und ein Ladungsleseschaltelement 4 auf und bildet so ein Strahlungsdetektionselement DU, das als Strahlungsdetektionseinheit wirkt. Zahlreiche solche Strahlungsdetektionselemente sind längs der X- und der Y-Richtung angeordnet (z.B. 1024×1024) und bilden einen Platten-Strahlungssensor (Bereichssensor) mit einem Aufbau einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung.
Das heißt, die Spannungsanlegeelektrode 2 ist durchgängig als gemeinsame Elektrode für alle Detektionselemente DU ausgebildet. Die Ladungsträgersammelelektroden 2 sind in einer zweidimensionalen Matrix als individuelle Elektroden für die betreffenden Nachweiselemente DU angeordnet. Jede Ladungsträgersammelelektrode 3 weist jeweils einen Ladungsspeicherkondensator Ca und jeweils ein Ladungsleseschaltelement 4, die mit ihre verbunden sind, auf. Jede Strahlungsdetektionseinheit ist also in der Lage, lokal Strahlung festzustellen, womit die Messung einer zweidimensionalen Verteilung von Strahlungsintensität ermöglicht wird.
Bei dem Strahlungssensor in der ersten Ausführungsform weisen, wie in 2 und 5 gezeigt, die Dünnschichttransistoren, die die Schaltelemente von Detektionselementen DU bilden, Drains auf, die mit in der horizontalen (X-)Richtung angeordneten Abfühlleitungen 7 verbunden sind, sowie Gates, die mit in der vertikalen (Y-)Richtung angeordneten Abfühlleitungen 8 verbunden sind. Abfühlleitungen 7 sind über eine Gruppe von Ladungs-Spannungs-Wandlern (Gruppe von Vorverstärkern) 9 mit einem Multiplexer 10 verbunden sind. Die Abfühlleitungen 8 sind mit einem Gate-Treiber 11 verbunden. In der Ladungs-Spannungs-Wandler Gruppe 9 ist jeweils ein Ladungs-Spannungs-Wandler 5, wie in 4 gezeigt, mit einer Abfühlleitung 7 verbunden.
Bei dem Strahlungssensor in der ersten Ausführungsform werden Abtastsignale zum Auslesen von Signalen dem Multiplexer 10 und dem Gate-Treiber 11 eingegeben. Die Detektionselemente DU des Strahlungssensors werden mittels Adressen (z.B. 0 bis 1023), die sequentiell den Detektionselementen DU längs der X- und der Y-Richtung zugeordnet sind, identifiziert. Die auslesenden Abtastsignale dienen also als Signale, die die Adressen in der X-Richtung oder Y-Richtung bezeichnen.
Ansprechend auf Abtastsignale für die Y-Richtung gibt der Gate-Treiber 11 eine Auslesespannung auf die in der Y-Richtung angeordne ten Abfühlleitungen 8. Detektionselemente DU werden dann auf einer Spalte-für-Spalte-Basis ausgewählt. Wenn der Multiplexer 10 durch Abtastsignale für die X-Richtung geschaltet wird, werden die in den Kondensatoren Ca der Detektionselemente DU in den ausgewählten Spalten gespeicherten Ladungen über die Ladungs-Spannungs-Wandlergruppe 9 und den Multiplexer 10 nacheinander ausgegeben.
Wo der Strahlungsdetektor in der ersten Ausführungsform beispielsweise als Röntgenstrahlungsdetektor eines Röntgengeräts verwendet wird, werden Detektionssignale der Detektionselemente DU, wie sie gestrichelt in 5 gezeigt sind, nacheinander aus dem Multiplexer 10 als Pixelsignale abgenommen. Ein Bildprozessor DT führt dann eine notwendige Signalverarbeitung, darin eingeschlossen eine Rauschsignalverarbeitung, durch, und eine Bildanzeige MT zeigt ein zweidimensionales Bild (Röntgenbild) an.
Der Detektionssignalauslesemodus des Strahlungssensors der ersten Ausführungsform kann also grob ähnlich zu den von gewöhnlichen Abbildungsvorrichtungen, wie etwa TV-Kameras, angesehen werden.
In der ersten Ausführungsform kann der Strahlungssensor nach Bedarf einen (nicht gezeigten) Analog-Digital-Wandler zusätzlich zu Ladungs-Spannungs-Wandlergruppe 9, Multiplexer 10 und Gate-Treiber 11 aufweisen, um einen integrierten Aufbau zu fördern. Die Ladungs-Spannungs-Wandlergruppe 9, der Multiplexer 10, der Gate-Treiber 11 und der Analog-Digital-Wandler können ganz oder teilweise getrennt angebracht sein.
Beim Herstellen des Strahlungssensors in der ersten Ausführungsform werden die Dünnschichttransistoren für die Schaltelemente 4, Kondensatoren Ca, Ladungsträgersammelelektroden 3, amorphe Halbleiterschicht 1, ladungsträgerselektiver Hochwiderstandsfilm 1A und Spannungsanlegeelektrode 2 nacheinander auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats 6 unter Verwendung der Dünnschichtausbildungs technik beruhend auf einer oder verschiedenen Vakuumabscheidemethoden oder der Musterausbildungstechnik beruhend auf einer fotolithographischen Methode aufgeschichtet.
Als Nächstes wird unter Bezug auf 4 ein Strahlungsdetektionsvorgang der Strahlungsdetektionsvorrichtung in der ersten Ausführungsform beschrieben. Zur Feststellung von Strahlung mit der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, wird festzustellende Strahlung emittiert, während eine negative (minus) Vorspannung (–V_A) angelegt wird. Diese Vorspannung hat eine Polarität, dass Löcher h unter den durch die einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträgern zur Spannungsanlegeelektrode 2 auf der Vorderseite der amorphen Halbleiterschicht 1 bewegt werden.
Andererseits blockiert die Ladungsträgerselektivität des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms 1A vom p-Typ die Injektion von Elektronen e, die nicht zum Nachweis von Strahlung beitragen, sondern Dunkelströme werden, womit Dunkelströme unterdrückt werden. Die Injektion von Löchern h, die zum Nachweis von Strahlung beitragen, wird nicht blockiert, wodurch die Signalantwortcharakteristik aufrechterhalten wird. Die dicke amorphe Halbleiterschicht 1 mit dem hohen spezifischen Widerstand unterdrückt auch auf Löcher h zurückgehende Dunkelströme, womit die Gesamtdunkelströme auf ein sehr niedriges Niveau unterdrückt werden.
Andererseits werden Löcher h, die zum Nachweis von Strahlung beitragen (und keine Dunkelströme bewirken) über die Ladungsträgersammelelektrode 3 in großer Menge entsprechend den durch einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträgern injiziert, womit eine ausreichende Nachweisempfindlichkeit sichergestellt ist. Mit der Erzeugung und Injektion von Löchern h sammeln sich Ladungen in den mit den Ladungsträgerelektroden 3 verbundenen Ladungsspeicherkondensatoren Ca an. Wenn die Ladungsleseschaltelemente 4 eingeschaltet werden, werden die Ladungen, die sich angesammelt haben, als Strahlungsdetektionssignale über die Schaltelemente 4 gelesen und dann durch die Ladungs-Spannungs-Wandler 5 in Spannungssignale umgewandelt.
Ferner ist bei der Strahlungsdetektionsvorrichtung der ersten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, die Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht 1 vollständig mit dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1A abgedeckt. Dieser Aufbau verhindert eine Kristallisation der amorphen Halbleiterschicht 1 durch Feuchtigkeit und dergleichen und vermeidet so eine Verminderung des Oberflächenwiderstands. Außerdem ist der elektrodenlose Bereich 2A über den gesamten Umfang hinweg zwischen den Rändern der Spannungsanlegeelektrode 2 und den Rändern der amorphen Halbleiterschicht 1 ausgebildet. Die Spannungsanlegeelektrode 2 ist von dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1A mit einem hohen Oberflächenwiderstand umgeben. Da eine ausreichende Oberflächenspannungsfestigkeit zwischen der Spannungsanlegeelektrode 2 und der Masseseite vorgesehen ist, werden auf die Vorspannung (–V_A) zurückgehende Kriechentladungen unterdrückt.
Wie oben ausgeführt, liegt die Breite d des elektrodenlosen Bereichs vorzugsweise im Bereich B mm bis 3B mm. Dieser Bereich vermindert den empfindlichen Bereich (d.h. die Größe des Nachweisbereichs) der amorphen Halbleiterschicht 1 nicht wesentlich, während er die Oberflächenspannungsfestigkeit zur Verhinderung von Kriechentladungen zuverlässig sicherstellt. Auf die Vorspannung zurückgehende Kriechentladungen werden also unterdrückt, wobei gleichzeitig die amorphe Halbleiterschicht 1, die zur Verwirklichung eines vergrößerten Bereichs geeignet ist, voll genutzt wird. Das heißt, eine Breite d des elektrodenlosen Bereichs von weniger als B mm würde die Länge des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms 1A mit seinem hohen Oberflächenwiderstand und die Spannungsanlegeelektrode 2 umgebend vermindern, was es schwierig machen würde, eine ausreichende Isolati onsspannungsfestigkeit sicherzustellen. Umgekehrt hat, wo die Breite d des den Strahlungsfeststellungsbereich begrenzenden elektrodenlosen Bereichs 3B mm übersteigt, die amorphe Halbleiterschicht 1 einen verminderten empfindlichen Bereich (d.h., verminderte Größe des Nachweisbereichs).
Zur Bestätigung, dass Kriechentladungen bei der Vorrichtung der ersten Ausführungsform tatsächlich unterdrückt sind, wurde eine Strahlungsdetektionsvorrichtung ähnlich der Strahlungsdetektionsvorrichtung der ersten Ausführungsform zu Testzwecken gebaut. Im Einzelnen wurde die Testvorrichtung unter Verwendung einer a-Se-Schicht mit einer Dicke von 500 μm als die amorphe Halbleiterschicht 1, eines Sb₂S₃-Films mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 μm als ladungsträgerselektiver Hochwiderstandsfilm 1A aufgebaut, wobei die Spannungsanlegeelektrode 2 auf der Vorderfläche der amorphen Halbleiterschicht 1 unter Belassen des elektrodenlosen Bereichs mit einer Breite d von 5 mm ausgebildet ist und die Ladungsträgersammelelektroden 3 auf der Rückfläche der amorphen Halbleiterschicht 1 ausgebildet sind. Ferner wurde eine Strahlungsdetektionsvorrichtung zu Vergleichszwecken aufgebaut, welche ähnlich der Teststrahlungsdetektionsvorrichtung war, mit Ausnahme, dass der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm 1A nicht ausgebildet war.
Eine negative Vorspannung von 1 kV wurde an die Spannungsanlegeelektrode 2 von sowohl der Test- als auch der Vergleichs-Strahlungsdetektionsvorrichtung angelegt, wobei Detektionsausgaben (Stromwerte) der Ladungsträgersammelelektroden 3 gemessen wurden, während eine Emission von Strahlung (Röntgenstrahlung) von 60 Sekunden bis 120 Sekunden nach dem Beginn eines Anlegens von Vorspannung fortgesetzt wurde. 6 zeigt Messergebnisse der Test-Strahlungsdetektionsvorrichtung. 7 zeigt Messergebnisse der Vergleichs-Strahlungsdetektionsvorrichtung. Als Nächstes wurde eine ähnli che Messung unter Erhöhen der Vorspannung in Schritten von 1 kV wiederholt. Die Messung wurde für die Test-Strahlungsdetektionsvorrichtung mit Vorspannungen bis zu 6 kV und für die Vergleichs-Strahlungsdetektionsvorrichtung mit Vorspannungen bis zu 5 kV ausgeführt.
Bei der Test-Strahlungsdetektionsvorrichtung erscheinen, wie in 6 gezeigt, Kriechentladungen als ein büschelartiger Impulsstrom das erste Mal, wenn eine Vorspannung von –6 kV angelegt wird. Bei der Vergleichs-Strahlungsdetektionsvorrichtung erscheinen, wie in 7 gezeigt, Kriechentladungen häufig als ein scharfer büschelartiger Impulsstrom bereits, wenn eine Vorspannung von –3 kV angelegt wird.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Kriechentladungen ausreichend verhindert werden können, indem die Oberfläche einer amorphen Halbleiterschicht 1 mit dem strahlungsselektiven Hochwiderstandsfilm 1A, wie bei der Strahlungsdetektionsvorrichtung in der ersten Ausführungsform abgedeckt wird.
In 6 erscheinen Kriechentladungen bei der Vorspannung von 5 kV noch nicht. Man sieht, dass, wo der Absolutwert der Vorspannung B kV (z.B. 5 kV) ist, Kriechentladungen zuverlässig verhindert werden können, indem die Breite d des elektrodenlosen Bereichs auf B mm (z.B. 5 mm) oder mehr eingestellt wird. Ferner sind die Nachweisausgaben auch bei Erhöhungen der Vorspannung zu Zeiten einer Nicht-Einstrahlung nahezu null, was klar anzeigt, dass Dunkelströme ausreichend unterdrückt werden. Die Nachweisausgaben nehmen in einer entsprechenden Beziehung zu der Vorspannung zu, was angibt, dass eine ausreichende Nachweisempfindlichkeit durch Anlegen einer hohen Vorspannung sichergestellt wird.
Zweite Ausführungsform
8 ist eine schematische Schnittansicht, welche einen Strahlungssensor einer Strahlungsdetektionsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform zeigt. 9 ist eine Draufsicht des Strahlungssensors in der zweiten Ausführungsform. 10 ist eine Erläuterungsdarstellung, welche einen Nachweisvorgang einer Strahlungsdetektionseinheit in der zweiten Ausführungsform zeigt.
Wie in den 8 bis 10 gezeigt, enthält die Strahlungsdetektionsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform zwischen der amorphen Halbleiterschicht 1 und der Spannungsanlegeelektrode 2 einen ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1b vom n-Typ, welches der zum p-Typ der ersten Ausführungsform entgegengesetzte Leitungstyp ist. Wie in 8 gezeigt, wird eine positive Vorspannung V_A an die Spannungsanlegeelektrode 2 angelegt. In den anderen Aspekten ist die Vorrichtung dieser Ausführungsform die gleiche wie die Vorrichtung der ersten Ausführungsform. Nur die unterschiedlichen Aspekte werden nachstehend beschrieben. Der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm 1B vom n-Typ hat vorzugsweise einen Oberflächenwiderstand (Flächenwiderstand) von 10⁸ Ω/☐ oder mehr und eine Filmdicke von 0,01 μm (üblicherweise in der Größenordnung von 0,1 μm). Der Film 1B kann geeignet aus CdS oder CeO₂ ausgebildet sein.
Zur Strahlungsdetektion mit der Vorrichtung in der zweiten Ausführungsform, wie sie in 10 gezeigt ist, wird nachzuweisende Strahlung emittiert, während eine positive (plus) Vorspannung (+V_A) angelegt wird. Diese Vorspannung hat eine Polarität zur Bewegung von Elektronen e unter den durch einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträgern zu der Spannungsanlegeelektrode 2 auf der Vorderfläche der amorphen Halbleiterschicht 1.
Andererseits blockiert die Ladungsträgerselektivität des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms 1B die Injektion von Löchern h, die nicht zum Nachweis von Strahlung beitragen, sondern Dunkelströme werden, womit Dunkelströme unterdrückt werden. Die Injektion von Elektronen e, die zum Strahlungsnachweis beitragen, ist nicht blockiert, wodurch die Signalantwortcharakteristik aufrecht erhalten wird. Die dicke amorphe Halbleiterschicht 1 mit dem hohen spezifischen Widerstand unterdrückt auch die auf Elektronen e zurückgehenden Dunkelströme, wodurch die gesamten Dunkelströme unterdrückt werden.
Andererseits werden Elektronen e, die zum Strahlungsnachweis beitragen (und keine Dunkelströme bewirken), über die Ladungsträgersammelelektrode 3 in einer großen Menge entsprechend den durch die einfallende Strahlung erzeugten Ladungsträgern injiziert, um eine ausreichende Detektionsempfindlichkeit sicherzustellen. Mit der Erzeugung und Injektion von Elektronen e sammeln sich Ladungen in den mit den Ladungsträgersammelelektroden 3 verbundenen Ladungsspeicherkondensatoren Ca an. Wenn die Ladungslese-Schaltelemente 4 eingeschaltet werden, werden die Ladungen, die sich angesammelt haben, als Strahlungsdetektionssignale über die Schaltelemente 4 ausgelesen und dann in Spannungssignale durch die Ladungs-Spannungs-Wandler 5 umgewandelt.
Bei der Strahlungsdetektionsvorrichtung der zweiten Ausführungsform ist auch, wie in 9 gezeigt, die Oberfläche der amorphen Halbleiterschicht 1 vollständig mit dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1B abgedeckt. Dieser Aufbau verhindert eine auf Feuchtigkeit und dergleichen zurückgehende Kristallisation der amorphen Halbleiterschicht 1 und vermeidet ein Absinken des Oberflächenwiderstands. Außerdem wird ein elektrodenloser Bereich 2A über den gesamten Umfang hinweg zwischen den Rändern der Spannungsanlegeelektrode 2 und den Rändern der amorphen Halbleiterschicht 1 ausgebildet. Die Spannungsanlegeelektrode 2 ist von dem ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilm 1B mit einem hohen Oberflächenwiderstand umgeben. Da eine ausreichende Oberflächenspannungsfestigkeit zwischen der Span nungsanlegeelektrode 2 und der Masseseite vorgesehen ist, werden Kriechentladungen, die auf die Vorspannung (V_A) zurückgehen, unterdrückt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen, sondern kann folgendermaßen modifiziert werden:

(1) Bei den vorstehenden Ausführungsformen ist die dicke amorphe Halbleiterschicht eine dicke hochreine a-Se-Schicht. Die dicke amorphe Halbleiterschicht gemäß der Erfindung kann aber auch eine dicke a-Se-Schicht sein, die mit As oder Te, die Kristallisationsverhinderungswirkung haben, dotiert ist, oder eine dicke amorphe Halbleiterschicht aus einer Se-Verbindung.
(2) In den vorstehenden Ausführungsformen sind Sb₂S₃, SbTe, ZnTe, CdTe und AsSe als Beispiele für Materialien zur Ausbildung des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms 1A vom p-Typ und CdS und CeO₂ als Beispiele zur Ausbildung des ladungsträgerselektiven Hochwiderstandsfilms 1B vom n-Typ aufgeführt. Die obigen Kombinationen sind nicht einschränkend, da diese Hochwiderstandsfilme oft umgekehrt leitende Typen, abhängig vom Ausbildungsverfahren, werden. Beispielsweise kann Sb₂S₃ auch als ladungsträgerselektiver Hochwiderstandsfilm 1B des n-Typs verwendet werden.
(3) In den vorstehenden Ausführungsformen hat der zwischen den Rändern der Spannungsanlegeelektrode und den Rändern der amorphen Halbleiterschicht ausgebildete elektrodenlose Bereich über den gesamten Umfang hinweg eine gleichförmige Breite. Die Breite des elektrodenlosen Bereichs braucht aber nicht über den gesamten Umfang hinweg die gleiche zu sein, sondern kann sich an gewissen Stellen ändern. Wo jedoch der elektrodenlose Bereich unterschiedliche Breiten hat, wird die Oberflächenspannungsfestigkeit der Vorrichtung als ganzer durch eine Oberflächenspannungsfestigkeit an einem Ort bestimmt, an dem die Breite des elektrodenlosen Bereichs klein ist.
(4) Die vorstehenden Ausführungsformen sind als einen zweidimensionalen regelmäßigen Anordnungsaufbau, der zahlreiche in Matrixform angeordnete Detektionselemente DU enthält, vorstehend beschrieben worden. Dieser Aufbau kann zu einem Liniensensor mit einer Anzahl von Detektionselementen DU, die nur in einer Spalte oder Zeile angeordnet sind, oder einem Aufbau mit einem einzigen Detektionselement Du modifiziert sein.
(5) Die mit der Strahlungsdetektionsvorrichtung der Erfindung detektierbare Strahlung ist nicht auf Röntgenstrahlung beschränkt, sondern kann jede Art von Strahlung sein.

Claims

Strahlungsdetektorvorrichtung mit einer strahlungsempfindlichen Halbleiterschicht (1) zur Erzeugung von Ladungsträgern, d. h. Elektron-Loch-Paaren, ansprechend auf einfallende Strahlung, einer Spannungsanlegeelektrode (2) die an einer Frontfläche der Halbleiterschicht für den Erhalt einer daran angelegten Vorspannung ausgebildet ist, Ladungsträgersammelelektroden (3), die auf einer rückseitigen Fläche der Halbleiterschicht (1) ausgebildet sind, und Ladungsspeicherkondensatoren (Ca) und Ladungsleseschaltelementen (4), die mit den Ladungsträgersammelelektroden verbunden sind, wobei in den Kondensatoren als Ergebnis der einfallenden Strahlung sich ansammelnde Ladungen als Ladungsdetektionssignale über die eingeschalteten Schaltelemente gelesen werden, wobei die strahlungsempflindliche Halbleiterschicht (1) eine amorphe Halbleiterschicht ist; ein ladungsträgerselektiver Hochwiderstandsfilm (1A) zwischen der amorphen Halbleiterschicht und der Spannungsanlegeelektrode (2) so ausgebildet ist, dass eine Fläche der amorphen Halbleiterschicht gänzlich bedeckt wird; und gekennzeichnet durch einen elektrodenlosen Bereich (2A) auf der Oberseite des Hochwiderstandsfilms (1A), der sich über einen Umfang der amorphen Halbleiterschicht (1) zwischen dem äußeren Rand der Spannungsanlegeelektrode (2) und dem äußeren Rand der amorphen Halbleiterschicht (1) erstreckt.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm (1A) ein p-leitender Film ist und eine negative Vorspannung an die Spannungsanlegeelektrode (2) angelegt ist.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm (1A) ein n-leitender Film ist und eine positive Vorspannung an die Spannungsanlegeelektrode (2) angelegt ist.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrodenlose Bereich (2A) eine Breite d hat, welche als d = k × V_A definiert ist, wobei V_A _: Absolutwert [kV] der Vorspannung; und k: Faktor [mm/kV] mit einem Wert von 1 bis 3 einschließlich.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungsträgersammelelektroden (3) so vorgesehen sind, dass sie eine zweidimensionale Matrix bilden, wobei jede der Ladungsträgersammelelektroden jeweils einen der Ladungsträgerspeicherkondensatoren (Ca) und eines der Ladungsleseschaltelemente (4) zur Bildung eines Aufbaus einer zweidimensionalen regelmäßigen Anordnung aufweist.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die amorphe Halbleiterschicht (1) eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm hat.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die amorphe Halbleiterschicht (1) aus amorphem Selen ausgebildet ist.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm (1A) einen Oberflächenwiderstand von wenigstens 10⁸ Ω/☐.
Strahlungsdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der ladungsträgerselektive Hochwiderstandsfilm (1A) eine Dicke im Bereich von 0,01 μm bis 10 μm hat.