放射线检测装置制造方法及图纸

一种具有增大的检测面积和改进的放射线检测灵敏度的放射线检测装置，包括一个由具有高电阻率的ｎ－型非晶或多晶半导体构成的半导体层，其中空穴的μτ乘积（迁移率×平均寿命）大于电子的μτ乘积。在半导体的一个表面上形成一个表面电极，对其提供一个负的偏压，在另外的一个表面上形成一个载流子收集电极。在半导体层的表面电极一侧上提供一个电子注入阻止结构，并在载流子收集电极一侧上提供一个空穴注入允许结构。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于医疗、工业、原子核和其他领域中的直接转换型的放射线检测装置，更具体的涉及一种改进放射线检测灵敏度的技术。使用半导体检测器的放射线检测装置包含一个非直接转换型装置，其首先将放射线(例如X射线)转换为光，然后通过光电转换将光转换为电信号，和直接转换型装置，其使用放射线感应半导体层将入射的放射线直接转换为电信号。直接转换型装置在放射线感应半导体层的两相对的表面上形成有电极。将预定的电压提供给其中的一个电极(电压应用电极)。另外的一个电极(载流子收集电极)收集由入射放射线产生的载流子。载流子被作为放射线检测信号取出，从而可对放射线进行检测。传统的直接转换型放射线检测装置使用单晶半导体作为用于半导体层的材料。由于单晶半导体与具有大量局部能级和晶界的非晶或多晶半导体相比具有优异的载流子传输特性，从而其被使用。传统的具有单晶半导体的优异的载流子传输特性的放射线检测装置被用做放射线能量检测器或放射线脉冲计数器。由于只有入射的放射线产生的载流子被作为信号取出，传统的放射线检测装置需要在两相对侧面上用于阻止从电极注入载流子的结构。因此，传统的装置具有下面的特定的结构。如附图说明图1中所示，传统的装置包含高电阻率的单晶半导体层51，通过对其掺入杂质而使其一个侧面成为P-型而另外一个侧面成为n-型。在半导体层51的两相对侧面上形成结构52和结构53以分别阻止电子e和空穴h的注入。另外，入图2中所示，传统的装置还可包含一个相对低电阻率的n-型(或P-型)单晶半导体层61，通过对其掺入杂质而使其一个侧面成为P-型(或n-型)或具有结构62的形式，即在一个侧面上具有一个阻挡金属电极用于阻止电子e(或空穴h)的注入。另一侧面通过可通过晶体自身的导电性防止空穴(或电子e)的注入。在图1和图2中，左面的电极作为偏压应用电极，而右面的电极作为载流子收集电极。然而，传统的放射线检测装置具有一个缺点，即其无法满足增大的检测面积的需要。在医疗、工业、原子和其他的各个领域中，对具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置具有很大的需求，以获得高速、高灵敏度和小巧的放射线检测系统。在当前的条件下，3-英寸直径为用于放射线检测的单晶半导体材料的极限。很难获得具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。对于非晶或多晶半导体，另一方面，通过使用薄膜制造技术可获得1000平方厘米和更大的面积。然而，由于存在局部能级和晶界从而灵敏度不足。同时，很难获得具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。本专利技术已经注意到现有技术中的上述的问题，其目的是提供一种具有大面积和高灵敏度的半导体型放射线检测装置。根据本专利技术的第一方面是通过用于将入射放射线转化为电子信号的放射线装置实现上述的目的，该装置包括用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；一对分别形成在半导体层的相对表面上的电极，其中的一个电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极；一个与载流子收集电极相连的用于存储由在半导体层中的载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；一个与电容器相连的开关元件，该开关元件用于在电容器中积累电荷时被断开，而在当电容器放电时被接通；及电荷-电压转换装置，用于将通过开关器件从电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；其中半导体层由n-型非晶半导体和n-型多晶半导体中的一种构成，二者均为高电阻率，具有空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及其中半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许注入空穴的结构。图3中所示的本专利技术的第一方面的放射线检测装置包含由n-型非晶或多晶高电阻率的半导体构成的放射线感应半导体层1A，其中在所产生的载流子中空穴h的μτ乘积大于电子e的μτ乘积。当通过检测装置检测放射线时，半导体层1A中的作为少数载流子的空穴h对放射线检测有贡献。从偏压源Ve向半导体层1A的一个电极侧提供负偏压-VA。接着，迅速从形成在半导体层1A的载流子收集电极侧上的空穴注入允许结构3A注入空穴h，注入量对应于由入射放射线所产生的载流子的量。半导体层1A具有高电阻率，从而半导体层1A的电导性不会阻止空穴h的注入。另一方面，通过形成在半导体层1A的电压应用电极侧上的电子注入阻止结构2A阻止电子e的注入。在现有技术中，同时阻止空穴h和电子e的注入。本专利技术的第一方面只阻止对提高灵敏度不起作用的作为大多数载流子的电子e的注入。而允许注入对提高灵敏度有贡献的空穴h，以将灵敏度提高对应于空穴h的增加的程度。所注入的空穴h在半导体层1A中为少数载流子，因此可抑制暗电流的增加。自然，由于半导体层1A由非晶或多晶半导体材料构成，从而可增大检测面积。在断开开关元件4时，在电荷存储电容器Ca中累积由空穴h的移动所产生的电荷。当接通开关元件4时，所存储的电荷被从电荷-电压转换器5作为充当放射线检测信号的电压信号读出。因此，在电容器Ca中累积电荷时，甚至在非-信号读出期间，也不会中断检测操作，其就敏感度而言存在优势。此外，在多沟道结构的情况下，用于读出检测信号的电荷-电压转换装置5可被设计成可被切换的与多个电容器相连，从而可减少所需的电荷-电压转换器的数量。接着，将对本专利技术的第一方面的放射线检测装置的检测灵敏度进行量上的描述。当施加电场E和向半导体层1入射放射线(X射线)时流过的电流i表示为i＝Δi+iD(其中Δi为信号电流部分，而iD为暗电流部分)，其中的半导体层1的截面积为S而厚度对应于电极间的距离d。通过下面的方程(1)表示信号电流部分ΔiΔi＝qΔn·μES＝q(Δneμe+Δnhhμ)ES (1)其中Δn表示增加的载流子，μE表示载流子的迁移速度，Δne为增加的电子数，Δnh为增加的空穴数，而q为电量。另一方面，在每单位体积和每单位时间所产生的载流子的量为g(每立方厘米每秒)时，由于假设放射线稳定(dg/dt＝0)，Δn的时间流逝的变化表示为dΔn(t)/dt＝g-Δn(t)/τ(其中τ为载流子的平均寿命)。通过解此方程可得到Δn(t)＝gτ[1-exp(-t/τ)]。其中t》τ，Δn(t)＝gτ，并可获得下面的方程Δne＝geτe(2)Δnh＝ghτh(3)由于ge＝gh＝g，将上面的方程带入方程(1)可获得方程(4)Δi＝qgES(μeτe+μhτh)＝qgdS(μeτeE/d)+(μhτhE/d)(4)另外，由于这里阻止电子e的注入，方程(4)变为方程(5)Δi＝qgdS(μhτhE)/d(5)在此情况下，由于μeτe《μhτh，Δi的值基本上不变。通过对比，在传统的放射线检测装置中，由于方程(2)和(3)中的ge和gh可用下面的Hecht’s方程(6)和(7)替代，上面的方程(4)变为方程(8)ge＝ge{1-exp[-(d-r)/μeτeE]}(6)gh＝gh{1-exp[-r/μhτhE]} (7)Δi＝qdS{ge[1-exp[-(d-r)/μeτeE]](μeτeE/d)+gh[1-exp[-r/μhτhE]](μhτhE/d)} (8)另外，方程(8)中的{}中本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于将入射放射线转化为电子信号的放射线装置，其中包含： 用于响应入射放射线产生电子－空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层； 一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极； 一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器； 一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在所述当电容器放电时被接通；及 电荷－电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为用作放射线检测信号的电压信号； 其中所述半导体层由一个ｎ－型非晶半导体和一个ｎ－型多晶半导体构成，二者均为高电阻率，空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及 其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许注入空穴的结构。

【技术特征摘要】
JP 1999-4-9 102528/99;JP 1998-12-10 351309/981.用于将入射放射线转化为电子信号的放射线装置，其中包含用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加负偏压，另外一个电极为载流子收集电极；一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在所述当电容器放电时被接通；及电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为用作放射线检测信号的电压信号；其中所述半导体层由一个n-型非晶半导体和一个n-型多晶半导体构成，二者均为高电阻率，空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于阻止电子注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于允许注入空穴的结构。2.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积的较大的一个。3.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层由未掺杂杂质的非掺杂非晶硒和掺杂有碱金属的碱-掺杂非晶硒中的一种构成。4.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止电子注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的肖特基结。5.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止电子注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。6.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许注入空穴的结构包含形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间的电阻结。7.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含要用于注入空穴而不是电子的p-型有机膜和p-型半导体膜中的一种的载流子选择注入层，其形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。8.根据权利要求1所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。9.用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置，其中包含用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射线感应半导体层；一对分别形成在所述半导体层的相对表面上的电极，其中的一个所述电极为电压应用电极，对其施加正偏压，另外一个电极为载流子收集电极；一个与所述载流子收集电极相连的用于存储由在所述半导体层中载流子的移动所产生的电荷的电荷存储电容器；一个与所述电容器相连的开关元件，所述开关元件用于在所述电容器中积累电荷时被断开，而在当所述电容器放电时被接通；及电荷-电压转换装置，用于将通过所述开关器件从所述电容器中取出的电荷转化为作为放射线检测信号的电压信号；其中所述半导体层由一个n-型非晶半导体和一个n-型多晶半导体构成，二者均为高电阻率，空穴的μτ乘积大于电子的μτ乘积，μτ乘积为由入射放射线产生的电子和空穴的迁移率μ和平均寿命τ的乘积；及其中所述半导体层具有一个形成在电压应用电极侧上的用于允许空穴注入的结构，和形成在载流子收集电极侧上的用于阻止电子注入的结构。10.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于被提供到所述电压应用电极上的偏压位于偏压的绝对值|VA|为|VA|＞d2/μτL的范围内，其中d为电极间的距离，而μτL为载流子的μτ乘积的较大的一个。11.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述半导体层由未掺杂杂质的非掺杂非晶硒和掺杂有碱金属的碱-掺杂非晶硒中的一种构成。12.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间的电阻结。13.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于允许空穴注入的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述电压应用电极之间。14.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述用于阻止注入电子的结构包含半导体膜和有机膜中的一种的一p-型层，二者都为低电阻率，形成在所述半导体层和所述载流子收集电极之间。15.根据权利要求9所述的放射线检测装置，其特征在于所述装置包含多个二维结构的检测元件，每个至少具有所述的半导体层，所述电压应用电极，所述载流子收集电极，所述电荷存储电容器和所述开关元件。16.用于将入射放射线转化为电信号的放射线检测装置包含用于响应入射放射线产生电子-空穴对形式的载流子的放射...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤贤治，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]