(57)【要約】【課題】ピクセル電極単位での良好な放射線のエネルギー分解能および位置分解能を得る。【解決手段】放射線検出用の半導体結晶１の両面に設けられた電極膜Ａと、両面または片面に設けられた電極膜Ａを機械的切削による切削溝３によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極２とを備える。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜を機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極とを備えたことを特徴とする半導体放射線検出素子。
【請求項２】
前記半導体結晶が、カドミウムテルルまたはカドミウム亜鉛テルルであることを特徴とする請求項１に記載の半導体放射線検出素子。
【請求項３】
放射線検出用の半導体結晶の両面に電極膜を形成し、両面または片面の前記電極膜を機械的切削によって縦横に切削し、この切削による切削溝によって複数のピクセル電極を分割形成することを特徴とする半導体放射線検出素子の製造方法。
【請求項４】
放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜を機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極と、該ピクセル電極とともに回路基板に設けられて、該ピクセル電極から出力される放射線検出信号を読み出して処理する信号処理集積回路と、該信号処理集積回路で処理された信号を外部へ出力する出力ピンとを備えたことを特徴とする放射線検出器。
【請求項５】
放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜を機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極と、該ピクセル電極とともに回路基板に設けられて、該ピクセル電極から出力される放射線検出信号を読み出して処理する信号処理集積回路と、該信号処理集積回路で処理された信号を外部へ出力する出力ピンと、該出力ピンを通して取り出された信号から情報の収集および蓄積を行って画像の構成をリアルタイムで実施し、該画像を画像表示部に表示させる画像処理部とを備えたことを特徴とする放射線画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核医学、放射線診断、エックス線天文学、宇宙線物理学等の分野で利用する半導体放射線検出素子およびその製造方法、放射線検出器、放射線画像処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カドミウムテルルやカドミウム亜鉛テルルなどの半導体結晶を検出媒体とする従来の位置敏感型の放射線検出素子は、例えばその半導体結晶上にフォトリソグラフ技術等によってマスクパターン、フォトレジスト、エッチング処理を施して形成された複数のピクセル電極を持つ。
【０００３】
一方、このような放射線検出素子をパルスモードで高感度に動作させて、精度の高い被測定対象の放射線画像を得るためには、各ピクセル電極に入射するガンマ線光子のエネルギーを精度良く測定する必要がある。このため、従来の放射線検出素子では、前記のようにカドミウムテルルまたはカドミウム亜鉛テルルの半導体結晶を検出媒体として、この検出媒体に対する前記マスクパターン、フォトレジスト、ウェットエッチングなどの光学的、機械的、化学的な処理を行って得たピクセル電極が必要となる。
【０００４】
【特許文献１】
特表２０００−５１６３９２号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平２−２３２９７８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のようなフォトリソグラフ技術を利用する従来の方法で製造された放射線検出素子にあっては、前記光学的、化学的な各処理によって形成されたピクセル電極間の溝が浅いため、このピクセル電極間である電極がない部分（溝）への電荷の流れ込みによって、ピクセル電極単位での洩れ電流が大きくなり、従って、放射線検出感度を上げるためにこれらのピクセル電極に十分なバイアス電圧を印加することができず、パルスモードでの動作に必要なエネルギー分解能を得にくいという問題があった。
【０００７】
また、前記ピクセル電極間の半導体結晶中では前記バイアス電圧による電場が弱いために、その部分への入射放射線によって生成された電荷が溜り易く、従ってこのように半導体結晶中に溜った電荷は、捕獲中心として働いたり、周辺のピクセル電極に比較的長い時定数をもって浸み出し、この影響がノイズや低エネルギー成分として、入射放射線のエネルギースペクトラムに現れ、従ってエネルギー分解能が劣化する要因になるという問題があった。
【０００８】
本発明は前記のような従来の問題を解決するためになされたものであり、ピクセル電極単位での良好な放射線のエネルギー分解能および位置分解能が得られる半導体放射線検出素子およびその製造方法、放射線検出器、放射線画像処理装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的達成のために、請求項１の発明にかかる半導体放射線検出素子は、放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜を機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極とを備えたことを特徴とする。これにより、放射線検出時におけるピクセル電極間への電荷の流れ込みによるピクセル電極単位での洩れ電流や電荷の溜りを抑えて、パルスモードでのエネルギー分解能を良好にすることができる。
【００１０】
また、請求項２の発明にかかる半導体放射線検出素子は、前記半導体結晶が、カドミウムテルルまたはカドミウム亜鉛テルルであることを特徴とする。これにより、放射線を高感度検出することができる。
【００１１】
また、請求項３の発明にかかる半導体放射線検出素子の製造方法は、放射線検出用の半導体結晶の両面に電極膜を形成し、両面または片面の前記電極膜を機械的切削によって縦横に切削して、この切削による切削溝によって複数のピクセル電極を分割形成することを特徴とする。これにより、ピクセル電極間に電荷の流れ込みや溜りを回避できる半導体放射線検出素子を、工程が複雑で時間のかかる光学的および化学的処理を施すことなく、簡単な機械切削加工のみで迅速に得ることができる。
【００１２】
また、請求項４の発明にかかる放射線検出器は、放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜が機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極と、該ピクセル電極とともに回路基板に設けられて、該ピクセル電極から出力される放射線検出信号を読み出して処理する信号処理集積回路と、該信号処理集積回路で処理された信号を外部へ出力する出力ピンとを備えたことを特徴とする。これにより、半導体結晶上に形成されたピクセル電極が高感度検出した出力信号の処理にもとづいて、性能の高い放射線測定を実現することができる。
【００１３】
また、請求項５の発明にかかる放射線画像処理装置は、放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜が機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極と、該ピクセル電極とともに回路基板に設けられて、該ピクセル電極から出力される放射線検出信号を読み出して処理する信号処理集積回路と、該信号処理集積回路で処理された信号を外部へ出力する出力ピンと、該出力ピンを通して取り出された信号から情報の収集および蓄積を行って画像の構成をリアルタイムで実施して、該画像を画像表示部に表示させる画像処理部とを備えたことを特徴とする。これにより、分解能の高い測定対象物の放射線画像を画像表示部上で明示することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図について説明する。図１は本発明の位置敏感型の半導体放射線検出素子Ｐを示す斜視図であり、これが、放射線検出用のカドミウムテルルや亜鉛テルルなどの半導体結晶１の両面に形成された白金の電極膜Ａを、機械切削による切削溝３によって縦横に分割して、多数のピクセル電極２としたものからなる。
【００１５】
また、この半導体放射線検出素子Ｐは、放射線検出用の半導体結晶１の両面に電極膜Ａを形成し、この両面または片面の電極膜Ａを機械的切削手段、例えばダイシング装置やワイヤーソーなどを用いて縦横に切削し、この切削による切削溝３によって複数のピクセル電極２を分割形成して製造される。
【００１６】
この場合において、放射線検出用の半導体結晶１として用いられる例えばカドミウムテルルは、縦横の長さがそれぞれ２２．６ｍｍ、厚さが５ｍｍとされ、この半導体結晶１の両面に、電圧を印加するためのコンタクト材料である白金の電極膜Ａが形成される。また、これらの両面の電極膜Ａのうち片面に幅が０．２ｍｍ、深さが１ｍｍの前記切削溝３を作って、縦横の長さがそれぞれ１．２ｍｍの複数個のピクセル電極２に分割形成される。なお、前記切削溝３は前記ダイシング装置やワイヤーソーなどを使用して切削形成される。
【００１７】
図２は、前記のようにして形成された位置敏感型の半導体放射線検出素子Ｐの各ピクセル電極２について、ガンマ線光子に対する応答を測定する測定回路を示す。この測定回路は、複数個のピクセル電極のうち隣り合う測定対象の各一のピクセル電極２ａ、２ｂに対しそれぞれ抵抗４、５の直列回路および抵抗６、７の直列回路を介して一つの電源から電流が各別に供給される構成とし、各抵抗４、５の接続点および抵抗６、７の接続点がそれぞれコンデンサ８、９を介して接地されている。
【００１８】
一方、測定対象のピクセル電極２ｂには、このピクセル電極２ｂとピクセル電極２ａとにガンマ線光子が入射されることによって発生する電位変化を測定値として取り出す前置増幅器１０および主増幅器１１が、カップリングコンデンサ１２、１３をそれぞれ介して縦続接続されている。図３はこの測定によって得られたガンマ線光子のエネルギースペクトルを示す説明図である。これにより、コバルト５７から放出される１２２ＫｅＶのガンマ線に対して、半値幅（ＦＷＨＭ）で５％以下の５．５ＫｅＶという優れたエネルギー分解能が得られ、安定に動作することが確かめられた。
【００１９】
図４は、前記半導体放射線検出素子Ｐを備えたモジュール型の放射線検出器Ｑを示す正面図である。ここでは、半導体放射線検出素子Ｐが回路基板１４の上面に当接されて、前記ピクセル電極２が回路基板１４の電極パッド１５に対し電気的に接続されている。一方、回路基板１４の下面には信号読出し用集積回路１６および信号出力用ピン１７が取り付けられている。従って、この放射線検出器Ｑは前記回路基板１４上に信号読出し用集積回路１６などを一体に組み付けたユニット部品として取り扱われる。
【００２０】
このような構成の放射線検出器Ｑは、半導体放射線検出素子Ｐを構成する各ピクセル電極２で発生した信号パルスを、回路基板１４上の電極パッド１５を通して信号読出し用集積回路１６に送り込む。信号読出し用集積回路１６ではその信号パルスを受けて、測定対象物を通して得られる放射線のエネルギーレベルに応じた信号情報の波形整形や増幅などの処理を実行し、その処理結果を信号出力ピン１７を介して外部へ出力する。
【００２１】
このモジュール型の放射線検出器Ｑにあっては、半導体放射線検出素子Ｐおよび信号読出し用集積回路１６が一体化されることで配線容量が小さくなり、ノイズ特性が改善されるほか、装置全体の小形化が図れるために取り扱いが簡便になる。また、必要に応じ放射線検出器Ｑを複数個並置することによって、簡単に放射線検出領域の拡大を図ることができ、システムの拡張性に優れるという利点が得られる。
【００２２】
図５は、前記のモジュール型の放射線検出器Ｑを備えた放射線画像処理装置を示すこの放射線画像処理装置は、複数個の放射線検出器Ｑを並置した放射線検出装置１８と、信号処理部１９と画像処理部２０と画像表示部２１とを図示のように接続したものからなる。この放射線画像処理装置では、入射された放射線の光子エネルギーを半導体放射線検出素子Ｐを持つ各一の放射線検出器Ｑで電気信号に変換し、前記信号読出し用集積回路１６を通じて出力される信号である微小電流パルスを、回路基板（図示しない）上に設けられた各種の集積回路や演算回路からなる信号処理部２０へ入力する。
【００２３】
信号処理部２０では前記微小電流パルスの増幅、波形整形を行い、さらに論理演算を行って波高値情報および位置情報を出力する。一方、画像処理部２１では信号処理部２０から出力された波高値情報および位置情報を収集および蓄積し、同時に測定対象物の画像を生成して、この画像をリアルタイムで画像表示部２２に表示させることができる。これにより、分解能の高い被測定対象物の放射線画像が得られる。
【００２４】
そこで、実験により、縦横の長さが２２．６ｍｍで、厚みが５ｍｍのカドミウムテルル結晶の一面の全体にコンタクト材料としての白金電極を形成し、他面にフォトリソグラフ技術によって縦横の長さが１．２ｍｍのピクセル電極を０．２ｍｍ間隔をおいて形成し、各ピクセル電極２間（電極のない部分）では結晶がむき出しの状態の、図６に示す半導体放射線検出素子について、ガンマ線被子に対する応答特性を測定した。これによれば、コバルト５７から放出される１２２ＫｅＶのガンマ線に対して１０％以下程度のエネルギー分解能しか得られず、ノイズレベルも高く不安定であった。図７はこの測定で得られたエネルギースペクトルを示す説明図であり、図３に示した本発明によるエネルギースペクトルに対しノイズレベルが高いことが分かる。
【００２５】
また、図８に示すように、カドミウムテルル結晶の両面に、コンタクト材料として白金電極２２を形成し、細長いチップ状に整形した後、電圧を印加するための金属板を備えた樹脂製の枠２３内に並べ、各チップから独立に信号を取り出せるように金属製の信号電極２４取り付け、二次元配列の放射線検出素子モジュールを作成した。このモジュールを複数個重ねれば、放射線画像装置の放射線検出部を構成することができる。なお、２５前記金属板に高電圧を印加するための高電圧ピンである。
【００２６】
この放射線検出素子について実験すると、放射線検出素子の側面からバイアス電圧方向と垂直に放射線Ｈが入射することになるが、カドミウムテルルの結晶中では正孔の移動度が電子の２０分の１程度と小さいために、陽極付近で放射線の相互作用が起った場合に、電荷収集が不十分になるという不都合が生じる。このため、図１に示した陰極入射タイプの半導体放射線検出素子Ｐに比べて放射線光子に対するエネルギー分解能が劣化した。
【００２７】
さらに、この放射線検出素子では図１に示した半導体放射線検出素子Ｐに比べて構造が複雑で部品数が多いため、組み立て工程に多大の時間と手間がかかり、生産性の向上が困難である。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば放射線検出用の半導体結晶の両面に設けられた電極膜と、両面または片面に設けられた前記電極膜を機械的切削による切削溝によって縦横に分割して形成されてなる複数のピクセル電極とを設けたことで、切削溝によって電場の弱い部分の結晶を除去でき、放射線検出時におけるこの部分（ピクセル電極間）への電荷の流れ込みによるピクセル電極単位での洩れ電流の増加や電荷の溜りを抑えて、パルスモードでのエネルギー分解能を良好に維持することができる。また、前記半導体結晶を、カドミウムテルルまたはカドミウム亜鉛テルルとしたことで、放射線を高感度検出することができる。
【００２９】
また、放射線検出用の半導体結晶の両面に電極膜を形成し、両面または片面の前記電極膜を機械的切削によって縦横に切削して、この切削による切削溝によって複数のピクセル電極を分割形成することにより、ピクセル電極間に電荷の流れ込みや溜りを回避できる半導体放射線検出素子を、工程が複雑で、時間のかかる光学的処理、化学的処理によらず、簡単な機械切削加工のみで迅速に製造することができる。
【００３０】
さらに、前記半導体放射線検出素子と、前記ピクセル電極とともに回路基板に設けられて、該ピクセル電極から出力される放射線検出信号を読み出して処理する信号処理集積回路と、該信号処理集積回路で処理された信号を外部へ出力する出力ピンとを設けたことで、半導体結晶上に形成されたピクセル電極が高感度検出した出力信号の処理にもとづいて、性能の高い放射線測定を実現する放射線検出器を得ることができる。
【００３１】
また、前記放射線検出器と、この放射線検出器の出力ピンを通して取り出された信号から情報の収集および蓄積を行って画像の構成をリアルタイムで実施し、画像表示部に表示させる画像処理部とを設けたことで、分解能の高い測定対象物の放射線画像を表示する放射線画像処理装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による半導体放射線検出素子を示す斜視図である。
【図２】図１に示す半導体放射線検出素子の性能評価実験の測定システムを示す回路図である。
【図３】図１に示す半導体放射線検出素子のエネルギー応答特性を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態による放射線検出器を示す正面図である。
【図５】本発明の実施の形態による放射線画像処理装置を示す構成図である。
【図６】従来の半導体放射線検出素子を示す斜視図である。
【図７】図６に示す半導体放射線素子のエネルギー応答特性を示す特性図である。
【図８】従来の放射線検出器を示す平面図である。
【符号の説明】
１　半導体結晶
２　ピクセル電極
３　切削溝
１４　回路基板
１６　信号処理集積回路
１７　出力ピン
２０　画像処理部
２１　画像表示部
Ａ　電極膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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