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JP2564979B2 - Radiation detector - Google Patents

Radiation detector

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JP2564979B2
JP2564979B2 JP2258573A JP25857390A JP2564979B2 JP 2564979 B2 JP2564979 B2 JP 2564979B2 JP 2258573 A JP2258573 A JP 2258573A JP 25857390 A JP25857390 A JP 25857390A JP 2564979 B2 JP2564979 B2 JP 2564979B2
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JP
Japan
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crystal
radiation
compound semiconductor
cdte
carriers
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敏幸 佐藤
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Shimadzu Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、医用放射線受像装置、非破壊検査用放射線
検査装置等に用いられる、放射線検出器に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a radiation detector used in a medical radiation image receiving apparatus, a non-destructive inspection radiation inspection apparatus, and the like.

<従来の技術> 医用放射線の検出に使用される半導体検出器において
は、高バンドギャップのCdTeなどの化合物半導体が用い
られている。この種の半導体放射線検出器としては、一
般に、化合物半導体基板の片面に、各画素に対応させる
べく複数個の信号取り出し電極を形成し、その裏面には
共通のバイアス電極を形成した構造のものが知られてい
る。このような放射線検出器には、バイアス電極に逆バ
イアスが印加され、これにより半導体中に放射線フォト
ンが入射した際に、その入射フォトンの量に応じてキャ
リア(電子・正孔)が発生する。そして、その電子およ
び正孔がそれぞれ各電極に移動することにより電荷パル
スが発生する。
<Prior Art> In a semiconductor detector used for detecting medical radiation, a compound semiconductor such as CdTe having a high band gap is used. This type of semiconductor radiation detector generally has a structure in which a plurality of signal extraction electrodes are formed on one surface of a compound semiconductor substrate so as to correspond to each pixel, and a common bias electrode is formed on the back surface thereof. Are known. In such a radiation detector, a reverse bias is applied to the bias electrode, and when a radiation photon enters the semiconductor, carriers (electrons / holes) are generated according to the amount of the incident photon. Then, the electrons and holes move to the respective electrodes, so that a charge pulse is generated.

<発明が解決しようとする課題> ところで、CdTe等の化合物半導体は結晶成長が難し
く、その結晶中には格子欠陥や残留不純物が内在する。
これらの欠陥は電気的に深い準位を形成し、結晶内のキ
ャリアを捕獲したり、放出したりする。このため、化合
物半導体結晶に多量のフォトンが入射すると、発生した
キャリアが結晶内のトラップに捕獲され、また再放出さ
れる。これにより、例えば第4図に示すように、トラッ
プされた電荷eが半導体結晶1内にとどまって、結晶内
での散乱中心となったり、空間電荷を発生したりしてキ
ャリアの移動を妨げる。このことが検出器の検出効率の
低下をまねく原因となっている。
<Problems to be Solved by the Invention> By the way, crystal growth of a compound semiconductor such as CdTe is difficult, and lattice defects and residual impurities are inherent in the crystal.
These defects form an electrically deep level, and trap or emit carriers in the crystal. Therefore, when a large amount of photons are incident on the compound semiconductor crystal, the generated carriers are trapped by the trap in the crystal and re-emitted. As a result, for example, as shown in FIG. 4, the trapped charge e remains in the semiconductor crystal 1 and becomes a scattering center in the crystal or generates a space charge to hinder the movement of carriers. This causes a decrease in detection efficiency of the detector.

<課題を解決するための手段> 本発明は、上記の従来の問題点を解決すべくなされた
もので、その構成を実施例に対応する第1図を参照しつ
つ説明すると、本発明は、化合物半導体(CdTe)1aの互
いに対向する面にそれぞれ電極1bおよび1cが形成され、
放射線入射により電荷パルスを発生する放射線センサ
と、化合物半導体1aのバンドギャップエネルギより小さ
く、かつこの半導体結晶中に存在するトラップレベルよ
り大きなエネルギの赤外線を、化合物半導体1a中に照射
するための光源(例えば赤外線レーザダイオード)4を
備え、放射線センサの動作時に、光源4から化合物半導
体1aの内部に赤外線を照射して、当該半導体結晶中にト
ラップされたキャリアを励起するように構成されている
ことによって特徴づけられる。
<Means for Solving the Problems> The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and the configuration thereof will be described with reference to FIG. 1 corresponding to the embodiment. Electrodes 1b and 1c are formed on the surfaces of the compound semiconductor (CdTe) 1a facing each other,
A radiation sensor that generates a charge pulse upon incidence of radiation, and a light source for irradiating the compound semiconductor 1a with infrared light having an energy smaller than the band gap energy of the compound semiconductor 1a and larger than the trap level existing in the semiconductor crystal ( For example, an infrared laser diode) 4 is provided, and when the radiation sensor is operating, infrared rays are emitted from the light source 4 into the compound semiconductor 1a to excite the carriers trapped in the semiconductor crystal. Characterized.

<作用> 放射線入射によりCdTe等の結晶内で発生したキャリア
は結晶欠陥等によりトラップされると、例えば、第2図
(a)に示すように深い準位におちこみ、そのレベルが
深いので室温程度の温度では再放出されない。そこで、
本発明では、トラップレベルより大きなエネルギの赤外
線を結晶内に照射し、そのエネルギhνによってトラッ
プされたキャリアを励起する。これにより、同図(b)
に示すようにキャリアCは伝導帯に戻り、CdTe結晶中を
移動して電極に収集される。
<Action> When carriers generated in a crystal such as CdTe due to radiation incidence are trapped by crystal defects or the like, for example, as shown in FIG. It is not re-emitted at the temperature of. Therefore,
In the present invention, the crystal is irradiated with infrared rays having an energy higher than the trap level, and the trapped carriers are excited by the energy hν. As a result, the figure (b)
As shown in, the carrier C returns to the conduction band, moves in the CdTe crystal, and is collected in the electrode.

ここで、照射する赤外線のエネルギが、CdTe等の化合
物半導体のバンドギャップエネルギよりも大きいと、結
晶中にリーク電流が発生して検出感度が低下するため、
赤外線の照射エネルギはそれ以下にする必要がある。
Here, when the energy of the infrared rays to be irradiated is larger than the band gap energy of the compound semiconductor such as CdTe, a leak current occurs in the crystal and the detection sensitivity is lowered,
The irradiation energy of infrared rays needs to be less than that.

<実施例> 本発明の実施例を、以下、図面に基づいて説明する。<Examples> Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明実施例の構成図である。 FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention.

CdTe基板1aの片面には、共通のバイアス電極1bが、そ
の反対面には信号取り出し電極1cがそれぞれ形成されて
おり、全体としてX線センサ1を構成している。なお、
この放射線センサ1はその信号取り出し電極1cが、複数
の画素を形成すべく1次元状もしくは2次元状に配列さ
れなる、いわゆるアレイ型X線センサである。
A common bias electrode 1b is formed on one surface of the CdTe substrate 1a, and a signal extraction electrode 1c is formed on the opposite surface thereof, which constitutes the X-ray sensor 1 as a whole. In addition,
The radiation sensor 1 is a so-called array type X-ray sensor in which the signal extraction electrodes 1c are arranged in a one-dimensional form or a two-dimensional form to form a plurality of pixels.

以上の構造のX線センサ1は、フリップチップ法等に
よって配線基板3上に実装されており、そのバイアス電
極1bには逆バイアスが配線基板3を介して印加される。
また、配線基板3にはセンサ実装面と同一の面にICチッ
プ2が同じくフリップチップ法等によって実装されてお
り、このICチップ2には例えばアンプ等、X線センサ1
の各画素から出力信号をそれぞれ増幅・波形整形等を行
うための信号処理回路が集積されている。そして、この
ようなX線センサ1およびICチップ2を搭載した配線基
板3がケーシング5内に収納され、X線センサ1にはケ
ーシング5の窓を通じてX線が入射するよう構成されて
いる。
The X-ray sensor 1 having the above structure is mounted on the wiring board 3 by a flip chip method or the like, and a reverse bias is applied to the bias electrode 1b via the wiring board 3.
Further, an IC chip 2 is also mounted on the wiring board 3 on the same surface as the sensor mounting surface by a flip chip method or the like, and for example, an amplifier or the like X-ray sensor 1 is mounted on the IC chip 2.
A signal processing circuit for amplifying the output signal from each pixel of FIG. The wiring board 3 on which the X-ray sensor 1 and the IC chip 2 are mounted is housed in the casing 5, and the X-ray sensor 1 is configured so that X-rays enter through the window of the casing 5.

さて、本発明実施例においては、ケーシング5内に、
かつX線センサ1の側方近傍に赤外線レーザダイオード
4を設置している。このレーザダイオード4は、X線セ
ンサ1に使用するCdTeのバンドギャップエネルギより小
さく、かつそのCdTe結晶内に存在するトラップレベルよ
りも大きいエネルギ、例えば0.6〜1.5eV程度のエネルギ
の赤外線を出力するものであって、その出力光はX線セ
ンサ1のCdTeの基板1aの側方からその内部に入射する。
Now, in the embodiment of the present invention, in the casing 5,
In addition, an infrared laser diode 4 is installed near the side of the X-ray sensor 1. The laser diode 4 outputs an infrared ray having an energy smaller than the band gap energy of CdTe used for the X-ray sensor 1 and larger than the trap level existing in the CdTe crystal, for example, an energy of about 0.6 to 1.5 eV. The output light is incident on the inside of the CdTe substrate 1a of the X-ray sensor 1 from the side.

次に、本発明実施例の作用を述べる。第2図はその作
用説明図である。
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is an explanatory view of its operation.

まず、X線がX線センサ1に入射すると、CdTe基板1a
内には、その入射フォトンの量に応じたキャリア(電子
・正孔)が発生する。この発生したキャリアは基板表面
1aに形成した電極1bもしくは1cに向かって移動すること
によってパルス状の電荷が発生する。その電荷パルスは
ICチップ2に導かれここで所定の信号処理が施さる。そ
して処理後のパルス数を計数することにより、その計数
値からX線センサ1の各画素に入射したX線線量を知る
ことができる。
First, when X-rays enter the X-ray sensor 1, the CdTe substrate 1a
Carriers (electrons / holes) corresponding to the amount of incident photons are generated inside. This generated carrier is the substrate surface
A pulsed charge is generated by moving toward the electrode 1b or 1c formed on 1a. The charge pulse is
It is guided to the IC chip 2 and undergoes predetermined signal processing there. By counting the number of processed pulses, the X-ray dose incident on each pixel of the X-ray sensor 1 can be known from the counted value.

ところで、X線入射によりCdTe基板1a内で発生したキ
ャリアはそのCdTe結晶中に存在する結晶欠陥等にトラッ
プされ結晶中にとどまり、このことが、従来、検出効率
の低下の原因となっていた。そこで、本発明実施例で
は、X線検出時つまりX線センサ1の動作時にそのCdTe
基板1a中にレーザダイオード4からの赤外線を照射する
ことにより、欠陥等にトラップされたキャリアを開放し
て速やかに電極1bもしくは1cに収集する。すなわち、結
晶内で発生したキャリアは結晶欠陥等によりトラップさ
れると、第2図(a)に示すように深い準位におちこ
み、そのレベルが深いので室温程度の温度では再放出さ
れないわけであるが、そのトラップレベルより大きなエ
ネルギの赤外線を結晶内に照射すると、その光エネルギ
hνによって、トラップされたキャリアは励起され、同
図(b)に示すようにキャリアCは伝導帯へと戻り、そ
してCdTe結晶中を移動して電極に収集される。以上のよ
うに、CdTe基板1a内に赤外線を照射することにより、発
生したキャリアは全て電極に収集されることになり、そ
の結果、X線センサの検出効率が向上する。
By the way, carriers generated in the CdTe substrate 1a by X-ray incidence are trapped by crystal defects and the like existing in the CdTe crystal and remain in the crystal, which has conventionally been a cause of reduction in detection efficiency. Therefore, in the embodiment of the present invention, when the X-ray is detected, that is, when the X-ray sensor 1 is operating, the CdTe
By irradiating the substrate 1a with infrared rays from the laser diode 4, carriers trapped by defects and the like are released and quickly collected in the electrode 1b or 1c. That is, when the carriers generated in the crystal are trapped by crystal defects or the like, they fall into a deep level as shown in FIG. 2 (a), and since the level is deep, they are not re-emitted at a temperature around room temperature. However, when the crystal is irradiated with infrared rays having an energy higher than the trap level, the trapped carriers are excited by the light energy hν, and the carrier C returns to the conduction band as shown in FIG. It moves through the CdTe crystal and is collected at the electrode. As described above, by irradiating the CdTe substrate 1a with infrared rays, all the generated carriers are collected in the electrodes, and as a result, the detection efficiency of the X-ray sensor is improved.

ここで、同一のX線センサ1を用いて、そのCdTe基板
1a内に赤外線を照射した場合と、照射なし場合のセンサ
出力を測定したところ、第3図に示すように、赤外線を
照射しない場合(b)では、入射X線の強度が高い領域
において検出出力の低下が見られたのに対し、赤外線を
照射した場合(a)では、その領域においても検出出力
の低下は見られず、赤外線照射によって高フォトン領域
での出力低下が回復することが確認できた。
Here, using the same X-ray sensor 1, the CdTe substrate
The sensor output was measured with and without irradiation of infrared rays in 1a. As shown in Fig. 3, when infrared rays were not irradiated (b), the detection output was detected in the region where the intensity of the incident X-ray was high. In contrast, in the case of irradiation with infrared rays (a), no decrease in the detected output was observed in that area, and it was confirmed that the decrease in output in the high photon area was recovered by infrared irradiation. It was

なお、以上の本発明実施例において、レーザダイオー
ドに代えて赤外線レーザ等の他の赤外線源を用いてもよ
い。
In the above-described embodiments of the present invention, another infrared source such as an infrared laser may be used instead of the laser diode.

また、本発明はCdTeのほか、他の化合物半導体を用い
た放射線検出器に適用可能である。
Further, the present invention is applicable to radiation detectors using other compound semiconductors in addition to CdTe.

<発明の効果> 以上説明したように、本発明によれば、放射線センサ
の化合物半導体の内部に、その結晶中に存在するトラッ
プレベルよりも大きいエネルギの赤外線を照射するの
で、キャリアが結晶欠陥等によってトラップされても、
そのキャリアは速やかに放出され電極に収集される。従
って、放射線入射によって発生したキャリアは全て収集
され、検出効率が向上する。特に、従来では高フォトン
領域の放射線検出において出力低下が著しかったのに対
し、本発明ではその領域における出力を回復することが
できる。
<Effects of the Invention> As described above, according to the present invention, the compound semiconductor of the radiation sensor is irradiated with infrared rays having an energy higher than the trap level existing in the crystal, so that the carriers are crystal defects. Trapped by
The carrier is promptly released and collected on the electrode. Therefore, all the carriers generated by the incident radiation are collected, and the detection efficiency is improved. In particular, in the prior art, the output reduction was remarkable in the radiation detection in the high photon region, but in the present invention, the output in that region can be recovered.

なお、CdTe等の化合物半導体中に存在する結晶欠陥等
の分布は一様でないため、放射線センサの各画素におい
て発生キャリアがトラップされる確率がそれぞれ異な
る。このため、従来では、各画素間において出力のバラ
ツキが発生していたが、本発明においてはそのバラツキ
も軽減できるといった点の効果もある。
Since the distribution of crystal defects existing in the compound semiconductor such as CdTe is not uniform, the probability that generated carriers are trapped in each pixel of the radiation sensor is different. For this reason, in the past, variations in output occurred between the pixels, but the present invention also has the effect of reducing the variations.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明実施例の構成図で、第2図はその作用説
明図である。 第3図はX線強度に対するX線センサ出力を示すグラフ
で、(a)はセンサの化合物半導体内に赤外線を照射し
た場合を、また(b)は照射しない場合をそれぞれ示
す。 第4図は従来の放射線検出器の問題点を説明するための
図である。 1……X線センサ 1a……CdTe基板 1b……バイアス電極 1c……信号取り出し電極 2……ICチップ 3……配線基板 4……赤外線レーザダイオード
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of its operation. FIG. 3 is a graph showing the output of the X-ray sensor with respect to the intensity of X-rays. (A) shows the case where the compound semiconductor of the sensor is irradiated with infrared rays, and (b) shows the case where it is not irradiated. FIG. 4 is a diagram for explaining the problems of the conventional radiation detector. 1 ... X-ray sensor 1a ... CdTe substrate 1b ... Bias electrode 1c ... Signal extraction electrode 2 ... IC chip 3 ... Wiring substrate 4 ... Infrared laser diode

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】化合物半導体の互いに対向する面にそれぞ
れ電極が形成され、放射線入射により電荷パルスを発生
する放射線センサと、上記化合物半導体のバンドギャッ
プエネルギより小さく、かつこの半導体結晶中に存在す
るトラップレベルより大きなエネルギの赤外線を、その
化合物半導体の内部に照射するための光源を備え、放射
線センサの動作時に、上記光源から化合物半導体の内部
に赤外線を照射して、当該半導体結晶中にトラップされ
たキャリアを励起するように構成されてなる放射検出
器。
1. A radiation sensor in which electrodes are formed on surfaces of a compound semiconductor facing each other, and a charge pulse is generated by incidence of radiation, and a trap having a band gap energy smaller than that of the compound semiconductor and existing in the semiconductor crystal. A light source for irradiating the inside of the compound semiconductor with an infrared ray having an energy larger than the level is irradiated, and the infrared ray is radiated from the above-mentioned light source to the inside of the compound semiconductor during the operation of the radiation sensor and trapped in the semiconductor crystal. A radiation detector configured to excite a carrier.
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