JP2011501149A - ＣｄＴｅ／ＣｄＺｎＴｅ放射線イメージング検出器及び高／バイアス電圧手段 - Google Patents

ＣｄＴｅ／ＣｄＺｎＴｅ放射線イメージング検出器及び高／バイアス電圧手段 Download PDF

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Abstract

ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅ放射線イメージング検出器、及び該検出器の安定した性能を保証するために連続的な電極に高電圧を印加する高電圧バイアス部。該高電圧バイアス部は、直径３０μｍより大きく、望ましくは、容易に酸化されない、又はアルミニウムより酸化されにくい物質群から選択された、複数の導体を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射線検出、及び検出放射線エネルギーが５ｋｅＶを超えるような、典型的には５ｋｅＶから１ＭｅＶであるようなデジタル放射線イメージングに関する。本発明は、特に、高電圧又はバイアス電圧を化合物半導体放射線検出器の表面に接続する方法に関する。
半導体検出器結晶内で電界を生じさせるために、半導体放射線検出器はその表面の一つに高／バイアス電力を必要とする。電界は、入射放射線（Ｘ又はガンマ線、又は粒子放射線）によって結晶中に生成する信号電荷（電子及び正孔）を確実に効果的に収集するために必要である。従来、高電圧接点は、典型的には厚さ１０−２５μｍのアルミニウム細線を備える。この線は、一般に超音波接合により取り付けられる。検出器表面とＡｌ線との間に高電圧接点を与えるその他の手段は、機械的圧力により検出器表面に近づけられた金属バネ、又は導電性エポキシ樹脂を含む。これら従来の高電圧を接触させる手段は、特定用途におけるある種の半導体検出器に対しては有効に働く。
入射放射線が低電圧（接地／信号）側から検出器結晶に入射する用途では、検出器表面とプリント基板（ＰＣＢ）等の支持基板との間に電気的接触をもたらす導電性エポキシ樹脂によって、高電圧が接続できる。Ａｌ細線は、明確且つ安定した特性の高成熟半導体であるシリコン製検出器用の高電圧コネクタとして完璧に適している。
放射線を自由に受けるためにむき出しのままになった検出器の高／バイアス電圧表面を必要とする用途では、検出器表面の全部又は一部を覆う従来の金属バネ又は類似の手段は、いずれも、検出器高電圧を接続させるために用いることができない。同様にこのような用途では、高電圧表面は、エポキシ樹脂を用いて基板に接着することができない。その代わり、検出器における高電圧表面の非常に小さいスポットのみを覆う細線が好適である。
むき出しのままになった検出器の高／バイアス表面を必要とする用途の一例は、集積読み出し回路にバンプ・ボンディングされた半導体結晶（即ち、検出器）からなるハイブリッド検出器を備えた放射線イメージングである。
本発明の一の態様によれば、入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧バイアス手段を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を備え、前記バイアス手段は、銅、金、銀若しくは白金製導体、又は導電性エポキシ樹脂、プラスチック若しくはゴムを備える放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器が提供される。
本発明の第２の態様によれば、入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧バイアス手段を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を備え、前記バイアス手段は、直径が３０μｍよりも大きい導線を備える放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器が提供される。
本発明の第３の態様によれば、入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧バイアス手段を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を備え、前記バイアス手段は、７００μｍ２よりも大きい当該導体の接触面を有する導体を備える放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器が提供される。
本発明の第４の態様によれば、入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧バイアス手段を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を備え、前記バイアス手段は、二以上の個々の導体を備える放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器が提供される。
本発明の第５の態様によれば、少なくとも二の別個の検出器要素を備え、前記検出器要素の各々が、入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧バイアス手段を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を有し、前記第２の主要な面は、（一又は複数の）導体を用いてデイジーチェーン連結される放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器が提供される。
本発明は、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅに基づく放射線イメージング／放射線検出器を用いた特定の用途に適用される。
本発明は、特定の方法で半導体検出器の表面に高／バイアス電圧を接続させた、改良された検出器を提供する。従来の接続は、連続電極を備えた検出器面に高電圧を伝達して接続させるアルミニウム細線を用いて行われるが、ＣｄＴｅ及びＣｄＺｎＴｅの場合には、それが検出器を不安定な状態にし、検出器の応答における急激な変化をたびたび生じさせることが分かっている。本発明は、継続的に信頼できる検出器の性能及び高電圧の安定供給を保証する。
本発明の発明者等は、画素化ＣｄＴｅイメージング検出器の高電圧接続がアルミニウム細線を用いて提供される場合は、検出器の応答がたびたび不安的な状態に陥り、出力信号レベルの急激な変化を引き起こすことを発見した。これらの変化は、例えば、大幅且つ急激な基準面変動（明滅又はＤＣレベル変動）として、又は個々の画素又は局在化した画素クラスタにおける信号スパイクとして見られる。この不安定性の根本的理由は、電荷トラップを引き起こす結晶の不均一性に関連すると理解される。これは、接続線と、金属膜に覆われたＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅ表面との間の物理的接触に関連してもよい。ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅ結晶のもろい性質及び金属膜の特性のために、一般的には、超音波接合によりワイヤをＣｄＴｅ表面に接続することはできない。代わりに、導電性エポキシ樹脂が用いられる。アルミニウム線の表面が酸化した場合、これが、接触点において望ましくない電気抵抗を引き起こし、観察された不安定性を招く可能性がある。
本発明者等は、高電圧接続が銅製の太いワイヤを用いて提供される場合に、ＣｄＴｅ及びＣｄＺｎＴｅ検出器の性能は安定した状態を保つことを観察した。同様に、高品質高電圧接続は、金、白金、又は銀等の酸化しにくい金属の太いワイヤによっても確保できる。直径が５μｍから２５μｍの範囲にあるアルミニウム細線を用いて高電圧接続が行われる際に観察される不安定問題を取り除くような、マイクロスプリング又は複数滴の導電性エポキシ樹脂等の、高電圧を供給する他の手段も用いることができる。
ハイブリッドピクセル検出器の上面に高電圧を接続させる従来の方法を示す図である。 高電圧コネクタとして用いられる太い銅線を備えた本発明の実施形態を示す図である。 高電圧コネクタとして用いられるマイクロスプリングを備えた本発明の実施形態を示す図である。 高電圧を検出器表面に接続するために用いられる一滴の導電性エポキシ樹脂を備えた本発明の実施形態を示す図である。 検出器表面に対する一つの接続部のみを介して高電圧を隣接検出器要素の夫々に印加するために、どのように隣接検出器要素をつなぐことができるかを示す図である。 検出器表面と上面との間の二以上の導電性パスを用いて、どのように高電圧接続を安定にできるかを示す図である。
本発明によれば、検出器高／バイアス電圧手段は、半導体検出器の使用時における安定した性能の確保に適している。このような手段について以下に説明する。これらは、十分に大きな断面を有し導電性パスであって、検出器表面上の連続バイアス電極に対して高／バイアス電圧が事実上無抵抗で接続されることを保障するのに適した特性を有する導電性パスとアルミニウム細線とを置き換える本発明の技術の例であるが、これらに限定されない。これらの例で導入された導電性材料は、アルミニウムと比べて、深刻な酸化の問題はそれほど示さないと考えられている。同様にアルミニウムよりも良好な酸化特性を有するその他の導電性材料を用いてもよい。
図１は、先行技術の例を示しており、特に、読み出し回路にバンプ・ボンディングされたハイブリッド半導体放射線イメージング検出器の場合について示している。図１に示すように、この種の構成において、上面に半導体イメージング検出器（２）を備えた集積回路（１）が、ＰＣＢ等の基板（３）に取り付けられる。この基板は、イメージング検出器（２）の上面に必要とされる高電圧／バイアス電圧を供給する。検出器（２）の低電圧又は接地側（４）は、集積回路（１）に、典型的にはバンプ・ボンディング又はその他の類似の手段によって結合される。高電圧／バイアス電圧面（５）は放射線を受けるので、むき出しのままでなければならない。高電圧を基板に対する上面（５）に接続させる従来の方法は、アルミニウム細線（６）を用いている。このアルミニウム線は、典型的には基板（３）と、超音波接合部（７）及び（８）を有する検出器表面（５）とに結合されている。検出器が不安定である場合は（例えば、ＣｄＴｅ又はＣｄＺｎＴｅ）、接合（８）も導電性エポキシ樹脂を用いて実現できる。
本発明者等は、ある種の化合物半導体放射線イメージング検出器にとって、図１に示すように高電圧をアルミニウム細線で接続する従来の方法は、適切又は理想的ではなく、重大な操作上の問題すら引き起こす可能性があることに気付いた。本発明は、特にＣｄＴｅ検出器及びＣｄＺｎＴｅ検出器を用いて適用できるが、ＧａＡｓ又はＨｇＩ２等のその他の化合物半導体検出器にも適用されてよい。
図２は、バイアス電極面（１２）及び基板（１１）に接続された高／バイアス電圧伝導手段としての銅線（１０）を備えた本発明に係る放射線イメージング検出器ハイブリッド（９）を示している。この銅線は、従来のアルミニウム線よりも太い。銅線の直径は３０μｍから２００μｍの間であるが、それより太くてもよい。好ましくは、銅線は円形断面を有するが、本発明は、導体におけるその他の形状及び形態、即ち、円形（又は円筒状）ではないが少なくとも７００μｍ２の半導体のバイアス表面との接触面を有する形状及び形態を含む。これは、３０μｍ円形断面銅線における有効接触面積である。銅線は、基板（１１）及び検出器バイアス表面（１２）に、例えば導電性エポキシ樹脂によって結合できる。或いは、本発明によれば、より太い線の材料は、金、銀、白金、導電性プラスチック又は緩慢酸化特性、即ち、アルミニウムの酸化率（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）よりも低い酸化率、又は良好な導電性を有するその他の材料であってよい。
他の実施形態によれば、図３は、高／バイアス電圧印加手段としてのマイクロスプリング（１４）を備えた検出器ハイブリッド（１３）を示している。或いは、スプリング（１４）は、導電性プラスチックにより作成することができる。スプリング（１４）は、例えば基板（１５）に、はんだ付けされてよい。検出器表面（１６）での接触は、スプリング（１４）の機械的圧力によって確保される。
他の実施形態によれば、図４は、基板から印加された高電圧に検出器ハイブリッドを接続させるために、一滴の導電性エポキシ樹脂（１７）をどのように用いることができるかを示している。エポキシ樹脂（１７）は、基板から伸びる高電圧ピン（１８）を、検出器ハイブリッド（２０）の検出器上面（１９）に接続させる。
他の実施形態によれば、図５は、より大きな活性検出領域を形成する複数の隣接検出器ハイブリッド（２１）に、高電圧がどのように接続できるかを示している。この種のハイブリッド配置は、スキャンイメージングにおいてよく用いられる。この例における高／バイアス電圧は、例えば太い銅線（２３）を備えた第１ハイブリッド（２２）の表面に印加される。残りのハイブリッドのバイアス表面を個別に基板（２４）に接続することによって高／バイアス電圧を残りのハイブリッドに印加する代わりに、各ハイブリッドのバイアス表面が、金属線若しくは金属薄板の細長い一片（ｓｔｒｉｐｅ）、又は複数滴の導電性エポキシ樹脂であってよい接続部（２５）を用いてつながれる。
他の実施形態によれば、図６は、高電圧接続の信頼性が、更なる金属線を用いてどのように改良されるかを示している。場合によっては（例えば、製造上の理由により）、従来のアルミニウム細線以外の手段は高電圧コネクタとして不可能である。このような場合、高電圧接続における不具合又は不安定性の確率を低くするために、二以上のワイヤ（２６）を用いてよい。
１ 集積回路
２ 半導体イメージング検出器
３ 基板
４ 低電圧又は接地側
５ 高電圧／バイアス電圧面
６ アルミニウム細線
７ 超音波接合部
８ 超音波接合部

Claims (20)

  1. 入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び高電圧を印加するための第２の主要な面の、二つの主要な面を有する放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器と、
    前記検出器の内部で電界を発生させるために高電圧バイアスを提供する前記第２の主要な面上の高電圧バイアス手段接続部と、
    を備え、
    前記バイアス手段接続部は、二以上の個々の導体のうち、アルミニウムよりも低い酸化率を有する導体、７００μｍ２よりも大きい当該導体の接触面を有する導体、直径が３０μｍよりも大きい導線、銅製導体、金製導体、銀製導体、白金製導体、導電性エポキシ樹脂接続部、導電性プラスチック接続部、及び導電性ゴム接続部からなる一群のうちの一つを備える
    ことを特徴とする放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器アセンブリ。
  2. 前記バイアス手段接続部は、直径が３０μｍよりも大きく、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  3. 前記バイアス手段接続部は、７００μｍ２よりも大きい当該導体の接触面を有し、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導体を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  4. 前記バイアス手段接続部は、二以上の個々の導体を備え、各導体は前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  5. 入射放射線に応答して生成された電子信号を読み出すための第１の主要な面、及び第２の主要な面の、二つの主要な面を有する複数の前記放射線イメージング／放射線検出・直接変換・化合物半導体検出器を備え、
    前記複数の検出器のうちの第１検出器は、前記検出器の内部で電界を発生させるために高電圧バイアスを提供する前記第２の主要な面上の前記高電圧バイアス手段接続部を有し、
    前記複数の検出器のうちの他の検出器の各々は、複数の導体を用いて前記第２の主要な面が一の面から他の面にデイジーチェーン連結されるように、前記複数の検出器のうちの他の検出器にデイジーチェーン方式で一の導体を用いて接続された高電圧バイアス手段接続部を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  6. 前記検出器は、ＣｄＴｅ系検出器であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  7. 前記検出器は、ＣｄＺｎＴｅ系検出器であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  8. 前記バイアス手段接続部は、銅線導体、金線導体、銀線導体、及び白金線導体からなる一群のうちの一の導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  9. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える銅製導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  10. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える金製導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  11. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える銀製導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  12. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える白金製導線を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  13. 前記バイアス手段接続部は、導電性エポキシ樹脂接続部、導電性プラスチック接続部、及び導電性ゴム接続部からなる一群のうちの一つを備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  14. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導体に接続された導電性エポキシ樹脂接続部を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  15. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導体に接続された導電性プラスチック接続部を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  16. 前記バイアス手段接続部は、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導体に接続された導電性ゴム接続部を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  17. 前記バイアス手段接続部は、アルミニウムよりも低い酸化率を有し、前記検出器の内部で電界を発生させるために前記高電圧バイアスを伝える導体を備えることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
  18. 前記バイアス手段接続部は、前記第２の主要な面に立て掛けた金属マイクロスプリング接続部を備えることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
  19. 前記バイアス手段接続部は、前記第２の主要な面に立て掛けた金属マイクロスプリング接続部を備えることを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ。
  20. 前記バイアス手段接続部は、前記第２の主要な面に立て掛けた金属マイクロスプリング接続部を備えることを特徴とする請求項８に記載のアセンブリ。
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