專利名稱：Ct系統(tǒng)所用檢測(cè)器的檢測(cè)器材料、檢測(cè)器元件以及檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于CT系統(tǒng)(特別是雙能CT系統(tǒng))所用檢測(cè)器的檢測(cè)器材料， 所述檢測(cè)器材料由一摻有一施主(Donator)的半導(dǎo)體構(gòu)成。本發(fā)明此外還涉及一種具有復(fù)數(shù)個(gè)檢測(cè)器元件的檢測(cè)器，所述檢測(cè)器使用的是上述檢測(cè)器材料。
背景技術(shù)：
為了檢測(cè)伽馬輻射和X射線輻射，特別是在CT系統(tǒng)和雙能CT系統(tǒng)中檢測(cè)上述輻射，傳統(tǒng)方法主要采用基于如CdTe、CdZnTe, CdTeSe和CdSiTek等半導(dǎo)體材料的直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器。為了產(chǎn)生檢測(cè)器工作所需的電特性，需要對(duì)這些材料進(jìn)行摻雜處理。通常使用 Cl、h和Al中的一種元素或由元素周期表第三主族中的至少一種元素與元素周期表第八副族中的至少一種元素所構(gòu)成的組合進(jìn)行摻雜。
半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)過程各不相同，本征雜質(zhì)及其對(duì)電荷遷移的影響也各不相同， 因此，傳統(tǒng)方法無(wú)法將例如計(jì)算機(jī)斷層攝影領(lǐng)域所用的較高輻射密度直接且無(wú)損耗地轉(zhuǎn)換成電脈沖。造成這種情況的原因是極化現(xiàn)象。“極化”指的是電場(chǎng)因通常結(jié)合在深雜質(zhì)上固定位置的電荷而減弱，這些電荷會(huì)捕獲輻射所產(chǎn)生的載流子并與之重組。在此情況下，這些載流子將無(wú)法再用于在位于檢測(cè)器底面的電極上被感應(yīng)的電脈沖，從而大幅減小輻射強(qiáng)度。
載流子受到捕獲會(huì)大幅降低載流子的有效遷移率。但輻射檢測(cè)器只有在載流子遷移率很高的情況下才能將輻射過程中所產(chǎn)生的電子與空穴分開，從而避免檢測(cè)器中產(chǎn)生空間電荷及其所引發(fā)的極化效應(yīng)。因此，極化限制的是直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器的最大可檢測(cè)通量。
目前，現(xiàn)有技術(shù)中的任何已知方案都不能防止直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器出現(xiàn)極化效應(yīng)。 即，目前尚無(wú)法通過直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器測(cè)量例如CT系統(tǒng)中所出現(xiàn)的較高輻射通量。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種用于CT系統(tǒng)所用直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器的檢測(cè)器材料，這種檢測(cè)器不會(huì)出現(xiàn)摻雜雜質(zhì)的極化效應(yīng)，因而適用于高通量測(cè)量。
本發(fā)明用以達(dá)成上述目的的解決方案為本案獨(dú)立權(quán)利要求所述的特征。本發(fā)明的有利改進(jìn)方案是從屬權(quán)利要求的標(biāo)的。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)器中防止出現(xiàn)與輻射強(qiáng)度相關(guān)的極化效應(yīng)是可以實(shí)現(xiàn)的。通過摻雜過量的摻雜材料可在半導(dǎo)體中產(chǎn)生附加雜質(zhì)。即，對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜至其溶度極限。 一般而言，一種材料的溶解度定義為這種材料可溶于某一溶劑的濃度。這同樣適用于處于固態(tài)聚集態(tài)的兩種材料。摻雜材料的溶度極限指的則是該材料可溶于待摻雜半導(dǎo)體的最大濃度。關(guān)于材料的溶解度可參閱I. Ruge和H. Mader所著的“Halbleiter-Technologie”(《半導(dǎo)體技術(shù)》)一書(施普林格(Springer)出版社第三版)。
初看起來(lái)，摻雜至溶度極限會(huì)降低檢測(cè)器性能，因?yàn)楦郊与s質(zhì)會(huì)捕獲更多載流子， 從而應(yīng)該增強(qiáng)極化現(xiàn)象。但本發(fā)明所采用的摻雜材料的濃度接近其在半導(dǎo)體中的溶度極限，這類摻雜材料產(chǎn)生的是淺(flache)施主雜質(zhì)。這些淺施主雜質(zhì)的激勵(lì)能為IOmeV至 200meV，因而位于導(dǎo)帶下方且鄰近導(dǎo)帶，S卩，該激勵(lì)能處于環(huán)境溫度下的熱能范圍內(nèi)，也就是約為25meV。因此，這些雜質(zhì)實(shí)際并不影響載流子遷移，而載流子遷移對(duì)完全捕獲X射線輻射所產(chǎn)生的載流子具有重要意義。由于涉及的是施主雜質(zhì)，這些施主雜質(zhì)因在熱能作用下在半導(dǎo)體中釋放至少一個(gè)電子而被自動(dòng)電離。在此情況下，這些雜質(zhì)用來(lái)捕獲載流子的捕獲截面變大。然而，由于這些雜質(zhì)都是淺雜質(zhì)，因此對(duì)載流子遷移的影響可以忽略不計(jì)， 其原因在于，這些雜質(zhì)的結(jié)合能處于載流子的熱激勵(lì)能的數(shù)量級(jí)上，因而總是可以將載流子從雜質(zhì)激勵(lì)到導(dǎo)帶中。
摻雜至溶度極限的最大優(yōu)點(diǎn)在于，淺施主雜質(zhì)所釋放的過量電子會(huì)占據(jù)本征深雜質(zhì)。由于深雜質(zhì)能級(jí)已被占據(jù)，高能電磁輻射(例如伽馬輻射或X射線輻射)所產(chǎn)生的載流子就不會(huì)再被捕獲。即，檢測(cè)器中不會(huì)出現(xiàn)與時(shí)間及輻射強(qiáng)度相關(guān)的極化效應(yīng)，而這種極化效應(yīng)曾使得傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器無(wú)法應(yīng)用于高通量領(lǐng)域(例如計(jì)算機(jī)斷層攝影)。
也就是說(shuō)，本發(fā)明是將基于淺雜質(zhì)的附加缺陷送入直接轉(zhuǎn)換型輻射檢測(cè)器的材料。由此所利用的理想摻雜材料范圍的特征是，可抑制深雜質(zhì)的極化效應(yīng)所帶來(lái)的影響并使直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器也能應(yīng)用于高通量領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)斷層攝影，特別是雙能計(jì)算機(jī)斷層攝影。
本發(fā)明根據(jù)上述基本理念提出，對(duì)由摻有施主的半導(dǎo)體構(gòu)成的用于CT系統(tǒng)(特別是雙能CT系統(tǒng))所用檢測(cè)器的檢測(cè)器材料進(jìn)行改進(jìn)，使得所述施主的濃度接近其在半導(dǎo)體材料中的最大溶解度，且所述施主在半導(dǎo)體材料中形成淺雜質(zhì)。
所謂“接近”指的是相應(yīng)濃度至少為最大溶解度的33%。濃度達(dá)到至少75%更為有利，更佳90 %，尤佳95 %。原則上說(shuō)，濃度越高，填滿深雜質(zhì)的效果越好，也更有助于防止出現(xiàn)極化效應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明檢測(cè)器材料的一種有利實(shí)施方案，可在所述半導(dǎo)體材料(例如CdTe、 CdZnTe、CdZnSe、CdTeSE 或 CdZniTek)中摻雜 -元素F、Cl、Br、I或者這些元素中至少兩種元素的組合；或者 -元素B、Al、Ga、In或者這些元素中至少兩種元素的組合；或者 -由元素周期表第三主族中的至少一種元素與元素周期表第八副族中的至少一種元素所構(gòu)成的組合。
上述摻雜材料或摻雜材料組合的特征在于，它們均可形成淺雜質(zhì)且均可以接近其溶度極限的濃度被送入所述半導(dǎo)體。
本發(fā)明還涉及一種可對(duì)待檢對(duì)象進(jìn)行斷層攝影的CT系統(tǒng)，特別是雙能CT系統(tǒng)，所述CT系統(tǒng)或雙能CT系統(tǒng)可以采用由至少一個(gè)檢測(cè)器元件構(gòu)成的檢測(cè)器，所述檢測(cè)器有利地由本發(fā)明的檢測(cè)器材料構(gòu)成。
采用本發(fā)明實(shí)施方案的檢測(cè)器材料在應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器時(shí)具有以下優(yōu)占.
^ \\\ · -能夠?qū)O高的輻射通量和較低的輻射通量進(jìn)行無(wú)偽影精確測(cè)量； -通過減小局部電場(chǎng)的波動(dòng)增強(qiáng)了信號(hào)穩(wěn)定性和測(cè)量的可重復(fù)性，因?yàn)橄嚓P(guān)深雜質(zhì)帶來(lái)的影響較?。? -直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器能夠以幾乎與通量無(wú)關(guān)的方式對(duì)X射線輻射作出響應(yīng)。特別是在檢測(cè)器應(yīng)用為計(jì)數(shù)檢測(cè)器的情況下，這就提高了檢測(cè)器將通量波動(dòng)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)率變化的能力； -提高了信噪比，因?yàn)檩d流子很難被深雜質(zhì)捕獲因而載流子的遷移時(shí)間很少變化； -涂層較薄因而使用的材料較少。目前市場(chǎng)上有售的直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器的厚度至少為3mm ； -可用各種晶體培育方法制造所述檢測(cè)器，包括摻雜步驟在內(nèi)，例如物理氣相傳輸法(PVT)、移動(dòng)加熱器法(THM)、垂直布里奇曼法(VBM)、金屬有機(jī)氣相外延/沉積法 (MOVPE)、各種氣相外延/沉積法(VPE)、分子束外延法(MBE)、原子層外延法(ALE)；以及 -通過對(duì)摻雜材料進(jìn)行濃度測(cè)量能夠方便地檢驗(yàn)材料成分，濃度測(cè)量可以采用二次離子質(zhì)譜法(SIMQ、光致發(fā)光法(PL)及化學(xué)分析。


下面借助附圖所示的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，需要指出的是，附圖僅對(duì)直接有助于了解本發(fā)明的主要元件予以顯示。下文所使用的參考符號(hào)如下&,fla。h: 淺施主雜質(zhì)的激勵(lì)能；ED,fla。h:淺施主雜質(zhì)的能級(jí)；Ed,tirf:深施主雜質(zhì)的激勵(lì)能；ED,tirf: 深施主雜質(zhì)的能級(jí)導(dǎo)帶下帶邊的能級(jí)；EthCTm = kB*T 環(huán)境溫度下的熱能；EV 價(jià)帶 (Valenzbandes)上帶邊的能級(jí)；Kb 玻爾茲曼常數(shù)8. 617343*10_5eV/K ；X 半導(dǎo)體材料；Y 施主材料。
圖1為一帶有一施主原子的半導(dǎo)體的示意圖； 圖2為一 η型摻雜半導(dǎo)體的能帶模型，其中包括了基態(tài)下各能級(jí)的定性位置； 圖3為一 η型摻雜半導(dǎo)體的能帶模型，其中包括了激勵(lì)狀態(tài)下各能級(jí)的定性位置； 以及 圖4為一 η型摻雜半導(dǎo)體的能帶模型，其中包括了各能級(jí)的定性位置和一在深雜質(zhì)中被捕獲的電子。
具體實(shí)施例方式圖1為摻有一施主原子的半導(dǎo)體的示意圖。半導(dǎo)體晶體的原子標(biāo)示為X，施主原子標(biāo)示為Y。這些原子間的鍵用短線表示。在這個(gè)一般性實(shí)施例中，施主原子位于半導(dǎo)體晶體中的正常原子位置上，從而取代了一個(gè)半導(dǎo)體原子。根據(jù)施主原子的相關(guān)定義，施主原子將一個(gè)弱結(jié)合電子釋放到導(dǎo)帶中。也就是，該施主原子被電離。同時(shí)，這個(gè)施主原子帶正電荷的原子核則留在原地。
作為本發(fā)明對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的具體實(shí)施例，對(duì)CdTe半導(dǎo)體進(jìn)行氯摻雜。用于檢測(cè)伽馬輻射和X射線輻射的傳統(tǒng)CdTe = Cl檢測(cè)器的Cl濃度約為I^lO1Vcm3至2^1017/^!^ 由于會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的極化現(xiàn)象，因此這類檢測(cè)器不適于高通量應(yīng)用領(lǐng)域。如果將Cl濃度提高到至少^lO1Vcm3,通常是提高到5*1017/0113至^lO1Vcm3,就能通過前述機(jī)制大幅改善檢測(cè)器性能。即，本征深雜質(zhì)被淺雜質(zhì)的附加載流子所占據(jù)，在此情況下，輻射所產(chǎn)生的載流子不會(huì)再被捕獲。在這個(gè)Cl濃度下，CdTe檢測(cè)器適用于高通量應(yīng)用領(lǐng)域，即適合用于計(jì)算機(jī)斷層攝影領(lǐng)域，因?yàn)橐呀?jīng)有效防止了極化效應(yīng)的產(chǎn)生。另一優(yōu)點(diǎn)是，與傳統(tǒng)的摻雜檢測(cè)器相比，這種檢測(cè)器能夠?qū)﹄姶泡椛?例如伽馬輻射或X射線輻射)和/或輻射強(qiáng)度的變化更快地作出響應(yīng)，因?yàn)橐呀?jīng)不存在可以捕獲載流子的深雜質(zhì)或者這樣的深雜質(zhì)已所剩無(wú)幾。
圖2至圖4為一 η型摻雜半導(dǎo)體在能帶模型中的能級(jí)定性位置?？v坐標(biāo)表示以 meV為單位的電子能E，橫坐標(biāo)表示位置坐標(biāo)χ。價(jià)帶的上帶邊Ev與導(dǎo)帶的下帶邊&之間存在一個(gè)能隙&_EV。如圖2所示，這個(gè)能隙的上部區(qū)域內(nèi)分布有淺施主雜質(zhì)的能級(jí)&,fla。h， 該能隙的中央分布有深施主雜質(zhì)的能級(jí)Ed,tirf。通常情況下，淺雜質(zhì)是通過對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行選擇性摻雜而產(chǎn)生，深雜質(zhì)則是所謂的“材料相關(guān)本征雜質(zhì)”，也就是半導(dǎo)體本身的一種特性。
價(jià)帶在基態(tài)下處于空白狀態(tài)。通過輸入能量可以激勵(lì)一個(gè)電子從導(dǎo)帶或雜質(zhì)能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶，該電子在此具有可遷移性。從圖3可以看出這一點(diǎn)。半導(dǎo)體中的施主原子(即雜質(zhì))釋放電子的概率與該施主原子的能級(jí)和導(dǎo)帶的下帶邊&之間的距離有關(guān)。如果能級(jí)與導(dǎo)帶帶邊&之間的距離較小(淺雜質(zhì)就是這種情況)，即載流子在環(huán)境溫度下的平均熱能Ettom至少等于相對(duì)于帶邊&的能差，就可通過輸入Ed,fla。h彡Etherm的能量激勵(lì)電子進(jìn)入導(dǎo)帶。在此情況下，帶正電荷的原子核將停留在雜質(zhì)的^lifladJg級(jí)上。
物理學(xué)上一般采用四3開爾文(20°C )的環(huán)境溫度，此時(shí)產(chǎn)生的熱能Ettom = kB*T =25meV0 如果所述施主原子的能級(jí)大致處于所述半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的帶隙 El-Ev的中央，即在具有能級(jí)的深雜質(zhì)情況下，載流子的熱能Ethmi《&,tirf就不足以將施主原子電離，即激勵(lì)電子進(jìn)入導(dǎo)電帶。在此情況下，只有加大從外部輸入的能量(例如提高溫度)，才能將施主原子電離。
此外，還可以由帶正電荷的原子核將導(dǎo)帶中的電子捕獲到一個(gè)較低能級(jí)(例如深雜質(zhì)的能級(jí))中。圖4示意了這種特性。本發(fā)明充分利用了這一特性。如果不存在淺雜質(zhì)， 則幾乎所有的自由載流子都會(huì)被深雜質(zhì)捕獲。即，自由載流子與正原子核在深雜質(zhì)中的重組會(huì)減弱電場(chǎng)或載流子通量，從而大幅減小待檢測(cè)輻射的強(qiáng)度。
通過在半導(dǎo)體中最大可能地飽和式摻雜施主原子以及通過自動(dòng)電離處理使電子進(jìn)入導(dǎo)帶，將產(chǎn)生附加的自由遷移載流子。自動(dòng)進(jìn)行電離處理，也就是不輸入比環(huán)境溫度下的熱能Ethmi更多的能量。在此情況下，淺雜質(zhì)的可自由遷移的電離載流子就能被空間分離且攜帶正電荷的深雜質(zhì)捕獲并就地與正原子核重組。如果不輸入超過熱能Ethmi的能量，就無(wú)法激勵(lì)載流子進(jìn)入導(dǎo)帶，在此情況下，這部分載流子會(huì)占據(jù)深雜質(zhì)。這樣就不會(huì)使高能電磁輻射所產(chǎn)生的載流子被捕獲。其結(jié)果是不會(huì)再出現(xiàn)任何與時(shí)間及輻射相關(guān)的效應(yīng)，例如極化。因此，采用本發(fā)明η型摻雜半導(dǎo)體材料的直接轉(zhuǎn)換型檢測(cè)器可以毫無(wú)問題地應(yīng)用于高通量領(lǐng)域，例如CT系統(tǒng)或雙能CT系統(tǒng)。
綜上所述，本發(fā)明提供一種用于CT系統(tǒng)(特別是雙能CT系統(tǒng))所用檢測(cè)器的檢測(cè)器材料，所述檢測(cè)器材料由一摻雜半導(dǎo)體構(gòu)成，所述檢測(cè)器材料以某種方式得到改進(jìn)，使得所述半導(dǎo)體中摻有一定濃度的施主，其中，所述施主的濃度至少為該施主在所述半導(dǎo)體材料中的最大溶解度的50%，且所述施主在所述半導(dǎo)體材料中形成淺雜質(zhì)。
本發(fā)明此外還涉及這種檢測(cè)器材料在用于對(duì)待檢對(duì)象進(jìn)行斷層攝影的CT系統(tǒng)或雙能CT系統(tǒng)中的應(yīng)用。
本發(fā)明的上述特征無(wú)論就本文所述的特征組合而言，就這些特征的其他組合形式而言還是作為單項(xiàng)特征，均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于一檢測(cè)器的檢測(cè)器材料，所述檢測(cè)器應(yīng)用于CT系統(tǒng)，特別是雙能CT系統(tǒng)， 所述檢測(cè)器材料由一摻雜有一施主的半導(dǎo)體構(gòu)成，其特征在于，所述施主的濃度達(dá)到所述施主在所述半導(dǎo)體材料中的最大溶解度，以及所述施主在所述半導(dǎo)體材料中形成淺雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述摻雜使得所述半導(dǎo)體材料中所有深雜質(zhì)的至少三分之一被占據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述摻雜使得所述半導(dǎo)體材料中絕大多數(shù)深雜質(zhì)被占據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自以下材料中的一種CdTe、CdZnTe, CdZnSe, CdTeSe和CdZniT必e。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述施主由材料F、Cl、Br和I中的一種材料或至少兩種材料的組合構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述施主由材料B、AL、Ga和h中的一種材料或至少兩種材料的組合構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的檢測(cè)器材料，其特征在于，所述施主由元素周期表第三主族的至少一種元素和元素周期表第八副族的至少一種元素的組合構(gòu)成。
8.—種檢測(cè)器元件，具有如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的檢測(cè)器材料。
9.一種檢測(cè)器，具有如權(quán)利要求8所述的檢測(cè)器元件。
10.一種CT系統(tǒng)，特別是雙能CT系統(tǒng)，其具有如權(quán)利要求9所述的檢測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于一檢測(cè)器的檢測(cè)器材料，所述檢測(cè)器應(yīng)用于CT系統(tǒng)，特別是雙能CT系統(tǒng)，所述檢測(cè)器材料包括一摻雜半導(dǎo)體。本發(fā)明的特征在于，所述半導(dǎo)體中摻雜有一具有一定濃度的施主，其中，所述施主的濃度至少為該施主在所述半導(dǎo)體材料中最大溶解度的50％，且所述施主在所述半導(dǎo)體中形成具有激勵(lì)能ED的淺雜質(zhì)。所述淺雜質(zhì)可電離且可產(chǎn)生附加的自由遷移載流子。這些自由遷移載流子可被空間分離的深雜質(zhì)捕獲，從而減少帶有電荷的深雜質(zhì)的數(shù)量。這樣就能防止出現(xiàn)純粹與時(shí)間及輻射相關(guān)的效應(yīng)，例如極化。本發(fā)明此外還涉及所述檢測(cè)器材料在用于對(duì)一待檢對(duì)象進(jìn)行斷層攝影的CT系統(tǒng)或雙能CT系統(tǒng)中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102187462SQ200980140817
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者彼得·哈肯施米德, 馬蒂亞斯·施特拉斯堡 申請(qǐng)人:西門子公司