醫療感光顯影系統

非晶硒(或是穩定化的非晶硒)，曾經被運用於靜電複印術

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(xerography)上，第一個自動化的商業辦公用複印機 Xerox 914 於 1959 來，Philips Medical Imaging Systems 開發的商用數位胸腔 X 光顯影系 統(Thoravision system)以靜電計讀出光所產生的電荷的訊號，來替代 以往碳粉的成像，成功的將醫療感光顯影系統數位化。然而，此時的 靜電放射攝影術的主要運作概念仍脫離不開靜電複印術的概念──先 將非晶硒光感受器的表面帶正電荷，然後再依照 X 光經過物體之後 所產生的強弱變化，到達光感受器之後，選擇性的「photodischarged」。

一直到以 a-Si:H 薄膜電晶體組成的主動陣列(hydrogenated

amorphous silicon thin film transistor based active matrix arrays)的製程 技術成熟之後，非晶硒感測器於醫療感光顯影系統上的應用才有了長 足的進步，由靜電放射攝影術(xeroradiography)轉變為主動陣列平板 X 光感測器(active matrix flat panel X-ray imager)，如圖 2-5 所示。其單 一像素的運作原理如圖 2-6 所示，非晶硒層吸收了 X 光並將光子轉 換為電子電洞對之後，此光載子即被收集並且儲存於存儲電容器內 (Cpx)，如果對薄膜電晶體的閘極施以一電訊號，存儲電容器內的載

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子即會被傳輸至 data line 中，最後抵達外部系統[10]。

圖 2-5 主動陣列平板 X 光感測器(active matrix flat panel X-ray imager)[15]。

圖 2-6 主動陣列平板 X 光感測器(active matrix flat panel X-ray imager) 單一像素示意圖[10]。

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非晶硒平板 X 光感測器又分為直接式與間接式。直接式非晶硒平 板 X 光感測器之優點為較高的影像空間解析度，較簡單的 TFT 陣列 結構也使它可以用製造 AMLCD(active matrix liquid crystal displays) 的標準設備來生產[16]，缺點為產品使用壽命較短；間接式非晶硒平 板 X 光感測器(如圖 2-7)與直接式非晶硒平板 X 光感測器在運作上的 不同之處為入射 X 光會先經過 CsI:Tl 閃爍體(thallium-doped caesium iodide scintillator)，閃爍體會將 X 光轉換成可見光，所以其非晶硒層 所接收到的為可見光，非 X 光，間接式非晶硒平板 X 光感測器的優 點為產品使用壽命較長。

截至目前，閃爍體直接接觸技術的發展，可使從閃爍體出來的光 直接由二極體接收，不用經過封裝材料，如此可以減少光的損失，使 間接式非晶硒平板 X 光感測器的量子檢測效率大幅提升，降低病患 照射所需的劑量[17]。

間接式非晶硒平板感測器除了應用於 X 光的感測之外，也有應用 於γ 射線的感測，而應用於 γ 射線的感測所需要的閃爍體材料為鈰摻 雜镥釔酸乙酯(Cerium doped lutetium yttrium orthosilicate,簡稱為

LYSO)[8]。正子造影(Positron Emission Tomography)技術即屬於間接 式非晶硒平板γ 射線感測器的應用之一。正子造影一般簡稱為 PET，

是檢查及判斷癌症復發最有效的方法之一。

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圖 2-7 SHARP-AMFPI(scintillator HARP active matrix flat panel imager) [16]。

為了將 HARP 應用於醫療感光顯影系統，必須以固態形式之電極 取代應用於 HARP 攝像管之真空電子束作為元件負極的像素電極陣 列。然而在技術面上卻有許多問題需要克服。第一個問題，金屬電極 在元件運作過程中會漸漸退化(degrade)。Bubon 等人曾用金(Au)電極 來取代電子束，他們發現元件之雜訊相較於用電子束做偵測時產生的 雜訊還多，他們推測此多出來的雜訊是因為在量測過程中，金原子漸 漸擴散進入非晶硒層中所造成的。第二個問題，零星的擊穿現象 (sporadic dielectric breakdown)容易在金屬電極之邊緣(the edges of metal electrodes)產生。這是因為，為了使元件發生雪崩效應所施加之 高電場，在電極邊緣處(contact edge)有增強的現象。此現象在發生的 初期只會使得暗電流上升，但此上升之暗電流所產生之焦耳熱會使得 非晶硒發生不可逆的相變化，使鄰近電極處的非晶硒結晶，結晶硒之 導電度大於未發生雪崩現象之非晶硒，故暗電流會依此惡性循環逐漸

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增加，最後導致整體元件失效[18]。

Bubon 等人於 2012 年發表的文獻[18]當中指出，固態形式之電極 引入 HARP 元件所產生的問題，可藉由在鍍金屬電極之前，於半完 成的元件上旋塗一層厚度為 1 µm 之分散電阻層(醋酸纖維素，

cellulose acetate)，即可解決上一段所述之問題。該文獻所研究之 HARP 元件結構圖如圖 2-8。此分散電阻層之製程是在無塵室中進行，

控制適當的旋塗參數(例如加速度、減速度，轉速以及溫度)來旋塗溶 於丙酮之醋酸纖維素溶液。

一般認為，在固態電極以及非晶硒層之間多加一層薄膜(像是分散 電阻層)會增加載子在介面間被捕獲的機率，因而影響到光感測器瞬 變性能(transient performance)的表現。所以 Bubon 等人藉由

time-of-flight (TOF)光電導的量測結果對照實驗結果，證明他們將分 散電阻層引入 HARP 元件之後，除了能夠避免元件提早崩壞，非晶 硒載子之傳輸性質並不會被影響。理論計算之雪崩效應的 gain、電子 束之 HARP 元件和固態電極之 HARP 元件經由 time-of-flight(TOF)光 電導之量測結果所推算出來之 gain，三者之結果相當吻合(如圖 2-9)

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圖 2-8 含分散電阻層之單一像素固態電極 HARP 元件結構[18]

(二氧化鈰層厚 10 nm，非晶硒層厚 15 µm，三硫化二鍗層厚 0.5 nm，

金屬電極大小 0.8 mm²)。

圖 2-9 雪崩效應之 gain 隨著施加電場的變化(a)理論計算結果與固態 電極元件量測結果之比較(b)固態電極元件與電子束掃描之 HARP 元

件量測結果之比較[18]。

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