(57)【要約】      （修正有）【課題】アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜形成時に潜在的に生成される構造欠陥と、欠陥の電荷捕獲中心への変化を最低限に抑えて、感度が劣化しない大面積Ｘ線検出器を提供する。【解決手段】Ｘ線に有感な半導体層に、アルカリ金属が０．０１ｐｐｍから１０ｐｐｍの範囲だけドーピングされたアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４を用いる。これにより、構造欠陥と欠陥の電荷捕獲中心への変化が最低限に抑えられ、感度劣化の殆どないＸ線検出器を得ることができる。【選択図】図１
2008151795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属がドーピングされたアモルファス・セレンからなり、Ｘ線入射によって内部に電子・正孔のキャリアを発生する半導体層と、
前記半導体層のＸ線入射面側に設けられ、正のバイアス電圧が印加されるバイアス電圧印加電極と、
前記半導体層のＸ線入射面側とは反対側に設けられ、前記キャリアを収集するためのキャリア収集電極と、
前記キャリア収集電極から収集したキャリアを蓄積するためのコンデンサと、
前記コンデンサに蓄積された電荷を読み出すためのスイッチング素子とを有し、
前記アルカリ金属のドーピング量が、０．０１〜１０ｐｐｍの範囲であることを特徴とするＸ線検出器。
【請求項２】
前記アルカリ金属のドーピング量が、０．０５〜２ｐｐｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
【請求項３】
前記アルカリ金属がナトリウムであることを特徴とする請求項１又は２記載のＸ線検出器。
【請求項４】
単一の前記バイアス電圧印加電極に対して、前記キャリア収集電極、前記コンデンサ、及び、前記スイッチング素子が２次元アレイ状に複数配置されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のＸ線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、医療分野、工業分野、原子力分野等のＸ線を計測するためのＸ線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の両側に電極を形成し、前記電極間に所定のバイアス電圧を印加して、Ｘ線入射によって前記半導体内部に発生する電荷を、電気信号として検出するＸ線検出器では、使用される半導体の材料が用途に応じて種々の材料が使い分けられており、その製法も様々である。一般的に、エネルギー分解能を要するＸ線検出器の用途には、シリコン（Ｓｉ）等の高純度単結晶半導体が使用される傾向にある。
【０００３】
この中で、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）を用いたＸ線検出器は、真空蒸着法等の薄膜形成技術を利用して容易に１０００ｃｍ２以上のサイズの高抵抗厚膜を得ることができ、大面積のＸ線計測が必要な分野への用途として最適である。
【０００４】
しかし、このような方法で形成したアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）膜は、構造欠陥を多く含む。そこで、性能を改善するために、適量の不純物を添加（ドーピング）することが一般的に行われている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】ヨーロッパ特許公開公報  ＥＰ１００９０３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。すなわち、上述した従来の装置では、単結晶半導体と異なり、潜在的に構造欠陥が多数存在する。そのためＸ線入射によって半導体層に生成した電子・正孔の電荷移動媒体（キャリア）がこれらに捕獲されるので、捕捉されたキャリアを電気信号として取り出すことができず、Ｘ線検出器の感度が劣化するという現象が起こる。
【０００６】
以下、上記の現象について図２を参照しながら具体的に説明する。なお、図２は、Ｘ線検出器の内部構造を説明する図である。
【０００７】
アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）中の構造欠陥には、図２（ｂ）に示すように、再結合中心であるＤ０と、Ｄ０がイオン化したＤ＋（電子捕獲中心）およびＤ−（正孔捕獲中心）とがある一定の比率で存在している。この時のＤ＋とＤ−の密度により、Ｘ線検出器の初期の感度の値が決まることになる。この状態は以下の式で表される。
２Ｄ０  →  Ｄ＋  ＋  Ｄ−
【０００８】
この状態でＸ線が入射し、電子（ｅ−）・正孔（ｈ＋）の電荷移動媒体（キャリア）がアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）中に発生すると、これらがまず再結合中心Ｄ０に捕らえられ、それぞれがＤ−とＤ＋に変化する。こうしてＤ＋とＤ−の密度が増加していくことによって、感度の劣化が生ずる。この関係は、次の２つの式で表される。
Ｄ０  ＋  ｅ−  →  Ｄ−Ｄ０  ＋  ｈ＋  →  Ｄ＋
【０００９】
この発明は、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）中の構造欠陥を補償して、感度劣化のないＸ線検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。すなわち、請求項１に記載の発明は、アルカリ金属がドーピングされたアモルファス・セレンからなり、Ｘ線入射によって内部に電子正孔対を発生する半導体層と、
前記半導体層のＸ線入射面側に設けられ、正のバイアス電圧が印加されるバイアス電圧印加電極と、前記半導体層のＸ線入射面側とは反対側に設けられたキャリア収集電極と、前記キャリア収集電極から収集した電荷を蓄積するためのコンデンサと、前記コンデンサに蓄積された電荷を読み出すためのスイッチング素子とを有し、前記ナトリウムのドーピング量が、０．０１〜１０ｐｐｍの範囲であることを特徴とするＸ線検出器であることを特徴とするものである。
【００１１】
（作用・効果）図２（ａ）に示すように、Ｘ線に有感な半導体層であるアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）中に、イオン化傾向の大きいアルカリ金属Ｍが、構造欠陥Ｄ０を補償する量に等しく添加（ドーピング）されているため、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）中の構造欠陥は、再結合中心であるＤ０と、Ｄ０が負イオン化したＤ−（正孔捕獲中心）だけである。この状態は以下の式（１）で表される。
【００１２】
２Ｄ０  ＋  Ｍ  →  Ｍ＋  ＋  Ｄ−  ＋  Ｄ０  ・・・  （１）
【００１３】
この状態でＸ線が入射し、電子（ｅ−）・正孔（ｈ＋）の電荷移動媒体（キャリア）がａ−Ｓｅ中に発生すると、電子は再結合中心Ｄ０に捕らえられ、Ｄ−に変化し、正孔はＤ−に捕らえられてＤ０に変化する。この関係は、次の２つの式（２），（３）で表される。
【００１４】
Ｄ０  ＋  ｅ−  →  Ｄ−  ・・・  （２）
Ｄ−  ＋  ｈ＋  →  Ｄ０  ・・・  （３）
【００１５】
これらの式（２），（３）からわかるように、電子の捕獲確率と正孔の捕獲確率が全く等しければ、Ｄ−の密度が増加していくことはなく、感度の劣化は生じない。たとえ電子の捕獲確率が正孔の捕獲確率よりも大きく、Ｄ−の密度が増加していくことがあったとしても、捕獲量が増加するのは正孔だけであり、電子の捕獲量の増加は起こらないので、感度劣化の量は半分に抑えられる。
【００１６】
また、Ｘ線が入射する側の電極が、正極、すなわち、電位が高くなるようにバイアス電圧が印加されているため、 図３に示すように、Ｘ線入射によって発生した電子はＸ線入射側に、正孔はその反対側に移動する。また、Ｘ線と物質との相互作用の特徴として、物質の表面ほど反応が起こりやすいという性質があるため、Ｘ線入射によって発生する電子の多くはＸ線入射面付近で発生し、かつ、移動方向がＸ線入射側の電極方向であるため移動距離が短い。
【００１７】
したがって、電子が再結合中心Ｄ０に捕らえられずに電極に到達する確率が大きくなり、Ｄ−の増加が最小限に抑えられる。こうして、電子の捕獲量の増加が抑えられるだけでなく、正孔の捕獲量の増加も抑えられ、感度劣化の殆どないＸ線検出器を得ることができる。
【００１８】
更に、添加（ドーピング）されたアルカリ金属の量が、０．０１ｐｐｍから１０ｐｐｍの範囲であるため、ａ−Ｓｅの構造欠陥Ｄ０を補償する量にほぼ等しく、（１）式の反応が確実に起り、感度劣化は抑えられる。
【００１９】
もし仮に、０．０１ｐｐｍよりも少ない場合には、アルカリ金属の効果が薄れて感度劣化が生じ、１０ｐｐｍよりも多い場合には、アルカリ金属が単体で析出する等の現象が起り、暗電流の増加や、感度の急激な低下が起こる。
【００２０】
また、上記のよう構成されたＸ線検出器は、ドーピングされたアルカリ金属の量が０．０５ｐｐｍから２ｐｐｍの範囲である（請求項２）。
【００２１】
当然のことながら、この量の範囲内であっても、アルカリ金属の種類と、蒸着温度や基板温度等の成膜条件によって最適値が存在する。例えば、０．０５ｐｐｍから２ｐｐｍの範囲である。
【００２２】
上記アルカリ金属は、例えばナトリウムである（請求項３）。
【００２３】
また、単一の前記バイアス電圧印加電極に対して、前記キャリア収集電極、前記コンデンサ、及び、前記スイッチング素子が２次元アレイ状に複数配置されていることにしてもよい（請求項４）。このような構成にかかる従来のＸ線検出器の場合は、Ｘ線の入射強度に応じて感度劣化が起こるため、局所的な感度ムラが生じ、その後に撮影する画質への影響が顕著に現れる。その一方、請求項４に係るＸ線検出器は、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体層にアルカリ金属がドーピングされており、バイアス電圧印加電極に正バイアスを印加して使用するため、感度劣化が殆どなく、感度ムラのような画質劣化は生じない。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、Ｘ線に有感な半導体層に、アルカリ金属が０．０１ｐｐｍから１０ｐｐｍの範囲だけ添加（ドーピング）されたアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜を用いているので、構造欠陥と欠陥の電荷捕獲中心への変化が最低限に抑えられ、感度劣化の殆どないＸ線検出器を得ることができる。
【００２５】
このような効果は２次元アレイ構成にした時に顕著に現れ、局所的な感度劣化による感度ムラが生じない大面積Ｘ線画像検出器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。 図１ないし図４はこの発明の一実施例に係り、図１は実施例に係るＸ線検出器の概略断面図、図２は実施例のＸ線検出器の内部構造を説明する図、
none'>図３はＸ線検出器の作用を説明する図、図４はＸ線検出器の変形実施例を示す概略断面図である。
【００２７】
この実施例に係るＸ線検出器は、図１に示すように、キャリア収集電極１と下部キャリア選択層２とが形成されたガラス基板等の絶縁性の基板３上に、０．０１ｐｐｍから１０ｐｐｍの範囲、より好ましくは０．０５ｐｐｍから２ｐｐｍの範囲であるように、アルカリ金属が添加（ドーピング）されたアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４が形成され、ａ−Ｓｅ半導体厚膜１の上面には、上部キャリア選択層５を介して電圧印加電極６が形成されている。
【００２８】
下部及び上部のキャリア選択層２，５は、暗電流を抑えるためのものであり、電圧印加電極６に正バイアスを印加する場合には、上部キャリア選択層５には、正孔の注入を制限するために、例えばＣｄＳのようなｎ型の半導体層やＳｂ２Ｓ３のような半絶縁層が用いられる。また、下部キャリア選択層２には、電子の注入を制限するために、例えばＡｓＳｅのようなｐ型の半導体層やＳｂ２Ｓ３のような半絶縁層が用いられる。
【００２９】
この実施例に係るＸ線検出器は、電圧印加電極６にバイアス電圧を印加して使用し、Ｘ線入射によってアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４内部に発生する電荷（電子・正孔）が、それぞれ両電極方向に移動することによって誘起される電荷を、キャリア収集電極１から電気信号として検出する。
【００３０】
アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４の内部には、図２（ｂ）に示すように、再結合中心であるＤ０と、Ｄ０がイオン化したＤ＋（電子捕獲中心）およびＤ−（正孔捕獲中心）の３種類の構造欠陥が潜在的に存在する。しかし、この実施例に係るＸ線検出器の場合は、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４にはアルカリ金属Ｍが添加（ドーピング）されているので、図２（ａ）に示すように、Ｄ０とＤ−しか存在しない。感度の値はＤ＋，Ｄ−の密度によって決まるが、上記（２）式に従ってＸ線照射によってＤ−が増加して行くが、Ｄ＋の増加はないので、Ｘ線検出器の感度の劣化は半分に抑えられる。
【００３１】
さらに、Ｘ線入射側の電極すなわち、図３においては電圧印加電極６の電位が、キャリア収集電極１の電位よりも高くなるように正のバイアス電圧を印加した場合は、図３に示すように、Ｘ線入射によって発生した電子はＸ線入射側に、正孔はその反対側に移動する。また、Ｘ線と物質との相互作用の特徴として、物質の表面ほど反応が起こりやすいという性質があるので、Ｘ線入射によって発生する電子の多くはＸ線入射面付近で発生し、かつ、移動方向がＸ線入射側の電極方向であるためその移動距離を短くすることができる。よって、電子が再結合中心Ｄ０に捕らえられずに電圧印加電極６に到達する確率は大きくなり、Ｄ−の増加が最小限に抑えられる。その結果、Ｘ線検出器の感度劣化は殆どなくなる。
【００３２】
この実施例に係るＸ線検出器を２次元マトリックス状の複数チャネルに展開し、各キャリア収集電極１１に電荷蓄積用のコンデンサ１２および電荷読み出し用のスイッチ素子１３を設けて２次元アレイ構成とした変形実施例の概略断面図を図４に示す。なお、構成によっては上述したＸ線検出器と同符号を付すことで詳細な説明を省略する。
【００３３】
この変形例に係るＸ線検出器は、共通電極として全面的に形成された電圧印加電極１４にバイアス電圧が印加された状態で、Ｘ線が照射された場合、それに伴って生成した電荷（電子・正孔）が両電極方向にそれぞれ移動し、Ｘ線の入射場所に応じたキャリア収集電極１１を介して接続された電荷蓄積用のコンデンサ１２に誘導電荷が蓄積されるとともに、読み出しタイミングになった時に、ゲートドライバ１５からゲートライン１６を介してオン信号が送り込まれてスイッチ素子１３がオン（接続）となり、蓄積電荷が放射線検出信号として読み出しライン１７から電荷−電圧変換器群１８およびマルチプレクサ１９を順に経てデジタル信号として外部に送り出されて、２次元のＸ線像を得る構成になっている。
【００３４】
このような２次元アレイ構成にした場合、この発明に係るＸ線検出器の特徴が顕著に現れる。すなわち、従来のＸ線検出器の場合は、Ｘ線の入射強度に応じて感度劣化が起こるため、局所的な感度ムラが生じ、その後に撮影する画質への影響が顕著に現れる。その一方、この変形実施例に係るＸ線検出器は、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜２０にアルカリ金属が添加（ドーピング）されており、電圧印加電極１４に正バイアスを印加して使用するため、感度劣化が殆どなく、感度ムラのような画質劣化は生じない。
【００３５】
上述したＸ線検出器と、その変形実施例において、アルカリ金属の例として、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋが代表的であるが、この発明の作用で説明したように、イオン化傾向が大きく、還元効果のある元素であれば、Ｃａのようなアルカリ土類金属や、Ｈのような非金属元素をドーピングしても同様な効果が得られる。
【００３６】
＜この発明品の測定データ及び従来例との比較＞次に、この実施例に係るＸ線検出器で、感度劣化が改善されることを実際に確かめる。
【００３７】
サンプルは、以下の表１に示すように、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜２０中にアルカリ金属Ｎａをそれぞれ、０．０１ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、１．０ｐｐｍ、５．０ｐｐｍ、１０．０ｐｐｍ添加（ドーピング）した試験用１、試験用２、試験用３、試験用４、試験用５および試験用６のＸ線検出器と、２０．０ｐｐｍのアルカリ金属Ｎａをドーピングした比較用１のＸ線検出器と、ノンドープのアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜を形成した比較用２の８つのＸ線検出器である。なお、各Ｘ線検出器のアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜４の厚さは全て１ｍｍである。
【００３８】
【表１】
2008151795.tif 000003
【００３９】
試験用・比較用ともに、電圧印加電極６にそれぞれ±１０ｋＶのバイアス電圧を印加するとともに、キャリア収集電極１に電流計を接続して、信号電流が読み出せるようにした。この状態で、管電圧８０ｋＶ、管電流２．２ｍＡの条件でアルミニウム製のフィルター１ｍｍを通したＸ線を１５分間連続照射し、信号電流の変化を記録した。このときの信号電流の変化の例を図５に示す。
【００４０】
比較用２のＸ線検出器は、正負バイアスともに指数関数的に信号電流が低下していくが、試験用３のＸ線検出器は、正バイアスでは殆ど信号電流が変化せず、負バイアスでも低下傾向が小さいことがわかる。なお、表１中の信号電流劣化量ΔＩは、Ｘ線照射直後の信号電流と、１５分後の信号電流の差、すなわち、感度劣化量を表す。
【００４１】
上記の結果から、アルカリ金属Ｎａのドープ量が０．０１〜１０．０ｐｐｍの範囲で信号電流劣化量ΔＩが小さく、感度劣化が少ないことがわかる。また、負バイアスに比べて、正バイアスの感度劣化の方が小さいことがわかる。
【００４２】
また、同様にカリウム（Ｋ）を０．５ｐｐｍドーピングした試験用７のＸ線検出器を作成し、信号電流の変化を調べた。その結果を次の表２に示す。カリウム（Ｋ）をドープしていない比較用２の検出器よりも、信号電流劣化量が明らかに小さいことがわかる。
【００４３】
【表２】
2008151795.tif 000004
【００４４】
また、リチウム（Ｌｉ）を０．１ｐｐｍドーピングした試験用８のＸ線検出器を作成し、同様に信号電流の変化を調べた。その結果を次の表３に示す。リチウム（Ｌｉ）をドープしていない比較用２の検出器よりも、信号電流劣化量が明らかに小さいことがわかる。
【００４５】
【表３】
2008151795.tif 000005
【００４６】
これらの結果より、ナトリウム（Ｎａ）以外のアルカリ金属をドーピングしても同様な結果が得られ、感度劣化を抑制できることがわかる。
【００４７】
なお、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の一実施形態であるＸ線検出器の構成を示す概略断面図である。
【図２】この発明の一実施形態であるＸ線検出器の内部構造を説明する図である。
【図３】この発明の一実施形態であるＸ線検出器の作用を説明する図である。
【図４】この発明の変形実施例であるＸ線検出器の構成を示す概略断面図である。
【図５】試験用３・比較用２の２つのＸ線検出器の信号電流の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１，１１  …  キャリア収集電極
２  …  下部キャリア選択層
３  …  基板
５  …  上部キャリア選択層
６  …  電圧印加電極
１２  …  コンデンサ
１３  …  スイッチ素子
１４  …  電圧印加電極
１５  …  ゲートドライバ
１６  …  ゲートライン
１７  …  読み出しライン
１８  …  電荷−電圧変換器群
１９  …  マルチプレクサ
４，２０  …  アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）半導体厚膜
【図１】
2008151795.tif 000006
【図２】
2008151795.tif 000007
【図３】
2008151795.tif 000008
【図４】
2008151795.tif 000009
【図５】
2008151795.tif 000010