JP2004241653A - Ｘ線撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】広いエネルギー範囲のＸ線を簡単な構造で検出することができるＸ線撮像素子を提供する。
【解決手段】Ｘ線撮像素子１は、半導体基板２３の被検出Ｘ線の入射面の反対面側に形成され、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し、Ｘ線及び可視光線の像を撮像する撮像部２と、半導体基板の反対面側に撮像部２を覆うように配設され、所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を吸収することによって所定波長帯の可視光線を放射するシンチレータ３１と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電荷結合素子（以下「ＣＣＤ」という）を用いたＸ線撮像素子は優れたエネルギー分解能と位置分解能を併せ持つ撮像素子である。特に裏面入射型としたＣＣＤを用いたものは電荷転送用の電極に被検出Ｘ線が遮られることがないため小さいエネルギーのＸ線検出効率に優れ、所定エネルギー帯域のＸ線（例えば０．１〜２０ｋｅＶのＸ線（以下「軟Ｘ線」という））を検出することができる。ＣＣＤは材質としてシリコンを用いているため所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線（例えば２０〜１００ｋｅＶのＸ線（以下「硬Ｘ線」という））に対する吸収は極端に下がり、検出することなく透過してしまう。所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を撮像するにはＸ線を可視光線に変換してから検出すべく、別途シンチレータを配設したＸ線検出素子を用いるしかなく、同一の撮像素子で広いエネルギー範囲のＸ線を撮像することはできなかった。一方、同一の装置で異なるエネルギー帯域のＸ線を検出する装置としては、複数のＰＩＮホトダイオードを絶縁体を介して積層することによってそれぞれのホトダイオードがエネルギー帯域の異なるＸ線を検出する放射線検出装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２７５２２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、当該放射線検出装置は構造が複雑なものとなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題を解決し、同一の素子によって広いエネルギー範囲のＸ線を簡単な構造で検出することが可能なＸ線撮像素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のＸ線撮像素子は、半導体基板の被検出Ｘ線の入射面の反対面側に形成され、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し、Ｘ線及び可視光線の像を撮像する撮像部と、半導体基板の反対面側に撮像部を覆うように配設され、所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を吸収することによって所定波長帯の可視光線を放射するシンチレータと、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明のＸ線撮像素子によれば、撮像部によって所定エネルギー帯域のＸ線の像を撮像することができる。また、本発明のＸ線撮像素子はシンチレータを備えているため所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線が入射された場合にはシンチレータにより所定波長帯の可視光線に変換することができ、撮像部は変換された所定波長帯の可視光線の像を撮像することができる。結果的に本発明のＸ線撮像素子によれば上記所定エネルギー帯域から更に高いエネルギー帯域のＸ線までの範囲の広いエネルギー帯域のＸ線の像を撮像することができる。
【０００８】
また、本発明のＸ線撮像素子は、撮像部が、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し２次元状に配列された複数の光電変換素子を有することを特徴としてもよい。
【０００９】
また、本発明のＸ線撮像素子は、シンチレータがＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２を含むことを特徴としてもよい。Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２は柱状結晶を成すため、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２を含むシンチレータを用いることすればＸ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２を含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、Ｘ線撮像素子として高いエネルギー分解能を得ることができる。Ｂｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２は−１００℃程度の冷却時にも高い発光光量を示すので、上記Ｘ線撮像素子は冷却して用いる場合であっても高いシンチレータの発光光量が得られ、高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１０】
また、本発明のＸ線撮像素子は、シンチレータがＣｓＩを含むことを特徴としてもよい。ＣｓＩは柱状結晶を成すため、ＣｓＩを含むシンチレータを用いることすればＸ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、ＣｓＩを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、上記Ｘ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１１】
また、本発明のＸ線撮像素子は、シンチレータがＧｄ_２Ｏ_２Ｓ（ガドリニウムオキシサルファイド）を含むことを特徴としてもよい。Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓは柱状結晶を成すため、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓを含むシンチレータを用いることすればＸ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、上記Ｘ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１２】
また、本発明のＸ線撮像素子は、シンチレータの被検出Ｘ線入射方向後方に設けられ、所定波長帯の可視光線を反射する反射膜を有することを特徴としてもよい。反射膜を有することでシンチレータで発生した光のうち被検出Ｘ線入射側と反対側に向かう光を反射することができるため発光量の損失を低減し、検出感度を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本実施形態に係るＸ線撮像素子１の断面図である。以下の説明において被検出Ｘ線の入射面（図１において下側の面）側を裏面側、その反対側の面（図１において上側の面）側を表面側という。図１に示すとおりＸ線撮像素子１は、ＣＣＤ部１０及びシンチレーション部３０を有している。
【００１５】
ＣＣＤ部１０は高濃度のｐ^＋型半導体層１９の表面側にｐ型エピタキシャル層２１を堆積した半導体基板２３を有している。半導体基板２３の表面側には絶縁層２５が設けられ、更に表面側にはポリシリコン電極２７が設けられている。ｐ^＋型半導体層１９はボロンをドーピングしたシリコン基板からなり、厚さ３００μｍ程度である。ｐ型エピタキシャル層２１はｐ型半導体層上に数ｋΩｃｍ程度の高抵抗に形成した、厚さ５０〜１００μｍ程度の領域である。絶縁層２５はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはこれらの複合領域からなり、厚さ０．１μｍ程度である。
【００１６】
半導体基板２３のうち撮像部２に対応する領域は裏面側から薄化され、凹部２９が形成されている。凹部２９の深さはｐ型エピタキシャル層２１とほぼ同じ深さとなっており、凹部２９とｐ型エピタキシャル層２１に挟まれたｐ^＋型半導体層１９の薄層部分はアキュムレーション層として働く。
【００１７】
ここで図２を参照しながらＣＣＤ部１０について詳細に説明する。図２は、第１実施形態に係るＸ線撮像素子１の概略平面図である。ＣＣＤ部１０には、ＦＦＴ型ＣＣＤが形成されており、図に示すとおりＣＣＤ部１０には撮像部２となる垂直シフトレジスタ部分３と水平シフトレジスタ部分５とが設けられている。撮像部２は受光エリア７、オプティカルブラックエリア９、及びアイソレーションエリア１１を含んでいる。受光エリア７は、複数の光電変換素子（画素）が２次元的に配置されることにより形成されている。光電変換素子は軟Ｘ線及び５５０ｎｍ付近の波長帯の可視光線に感度を有すようになっているため、撮像部２は軟Ｘ線像及び上記波長帯の可視光線像の撮像が可能である。
【００１８】
オプティカルブラックエリア９は、受光エリア７の外側に位置しており、光が入射しない構成とされた光電変換素子が受光エリア７を取り囲むようにして配置されている。また、アイソレーションエリア１１は、受光エリア７とオプティカルブラックエリア９とを電気的に分離するために、受光エリア７とオプティカルブラックエリア９との間に配置されている。これらのアイソレーションエリア１１およびオプティカルブラックエリアは通常の表面入射型ＣＣＤでは暗電流のレファレンスなどとして用いられるが本発明においては必ずしも必要は無い。
【００１９】
入力部１３は、垂直シフトレジスタ部分３及び水平シフトレジスタ部分５に電気信号を注入するためのものである。電荷蓄積期間に受光・撮像によってポテンャル井戸に蓄積された電荷は、垂直シフトレジスタ部分３と、水平シフトレジスタ部分５とによって、電荷転送期間に順次転送され、時系列信号となる。転送された電荷は、出力部１５にて電圧に変換され、画像信号として出力される。
【００２０】
垂直シフトレジスタ部分３、水平シフトレジスタ部分５、入力部１３、及び出力部１５は、図示していないチップ上の配線によってＸ線撮像素子１の端部に配置された電極パッド１７のうち対応する電極パッドと電気的に接続されている。電極パット１７は、ＣＣＤに直流電圧やクロックを供給したり撮像部２の信号出力を取り出すためのもので、ボンディングワイヤ（図示せず）が取り付けられることによって外部と電気的に接続される。
【００２１】
再び図１を参照しながらシンチレーション部３０について説明する。シンチレーション部３０は撮像部２の表面側に撮像部２を覆うように形成されており、シンチレータ３１及び保護膜３３を含んでいる。シンチレータ３１は入射した硬Ｘ線を撮像部２の光電変換素子が感度を有する５５０ｎｍの波長帯の可視光線に変換するようになっている。シンチレータ３１は、撮像部２（垂直シフトレジスタ部分３）の表面側に成長、形成されており、ＣｓＩからなる。シンチレータ３１の厚さは１００〜５００μｍ程度となっている。
【００２２】
シンチレータ３１の表面側には、保護膜３３がコーティングされている。保護膜３３はポリパラキシレンからなる有機膜３３ａ及びアルミ等からなる反射薄膜３３ｂが積層されて構成されている。有機膜はシンチレータ３１が空気に触れるのを防止し潮解性による発光効率の劣化を防ぐようになっている。反射薄膜３３ｂは、シンチレータ３１で発生した光を反射するようになっており、発生した光のうちＸ線入射側と反対側に向かう光を反射することで発光量の損失を低減し、検出器の検出感度を増大させることができる。また、反射薄膜３３ｂは、外部からの直接光を遮断することもできる。有機膜３３ａの厚さは数〜１０数μｍ程度となっている。反射薄膜３３ｂの厚さは１μｍ程度となっている。
【００２３】
続いて、Ｘ線像撮像素子１の動作を説明する。まず、被検出Ｘ線がＸ線像撮像素子１の裏面側から入射する。入射した被検出Ｘ線が軟Ｘ線である場合、撮像部２の光電変換素子はかかるエネルギー帯域のＸ線に対する感度を有しＸ線はＣＣＤ部の空乏化したエピタキシャル層２１中で光電変換によって電子を発生させる。発生した電子は絶縁層２５下に形成された電荷転送チャネル（図示せず）のポテンシャル井戸に一定時間蓄積される。すなわち、軟Ｘ線はＣＣＤ部１０によって検出されることとなる（図３（ａ）参照）。各々の光電変換素子に蓄積されている電子数は、入射するＸ線のエネルギーに比例した数になり、Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。
【００２４】
一方、Ｘ線像撮像素子１の裏面側から入射した被検出Ｘ線が硬Ｘ線である場合、撮像部２の光電変換素子はかかるエネルギー帯域のＸ線に対して感度を有せず、Ｘ線はＣＣＤ部１０（半導体基板２３、絶縁層２５、ポリシリコン電極２７）を透過し、シンチレータ３１に達する。Ｘ線は、シンチレータ３１で吸収され、撮像部２の光電変換素子が感度を有する可視光線がＸ線の光量に比例して放射される。放射された可視光線のうち、裏面側へ向かう光は撮像部２の光電変換素子へ入射する。表面側へ向かう光は、保護膜３３の反射薄膜３３ｂで反射され撮像部２の光電変換素子へ入射する（図３（ｂ）参照）。結果として、シンチレータ３１で発生した光はほとんど全てが撮像部２へと入射することとなる。
【００２５】
光電変換素子は上記放射された可視光に対して感度を有するので、光電変換により、この可視光の光量に対応する電気信号が生成されて一定時間蓄積される。この可視光の光量は入射するＸ線の光量に対応しているため、各々の光電変換素子に蓄積されている電気信号は、入射するＸ線の光量に対応することになり、Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。
【００２６】
光電変換素子に蓄積されたこの画像信号を信号ライン（図示せず）を介して電極パッド１７から順次出力することにより、外部へと転送する。この画像信号を外部の処理装置（図示せず）で処理することにより、Ｘ線像を表示することができる。
【００２７】
上述のように本実施形態のＸ線撮像素子１によれば、軟Ｘ線の像は直接ＣＣＤ部１０の撮像部２で検出し撮像することが可能である。また、ＣＣＤ部１０の撮像部２で直接撮像することが不可能な硬Ｘ線の像はシンチレータ３１を発光させることによって間接的に検出し撮像することが可能である。よって軟Ｘ線及び硬Ｘ線の双方、すなわち０．１〜１００ｋｅＶの極めて広いエネルギー帯域のＸ線の像を撮像することが可能となる。
【００２８】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１は、シンチレータとしてＣｓＩを用いている。ＣｓＩは柱状結晶を成すため、シンチレータとして用いることによってＸ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、ＣｓＩを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、当該シンチレータを用いたＸ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００２９】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１のシンチレータには反射薄膜３３ｂを含む保護膜３３がコーティングされている。反射薄膜３３ｂが発生した光のうちＸ線入射側と反対側に向かう光を反射することで発光量の損失を低減するため、高い検出感度を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１はｐ^＋型半導体層１９が薄化された裏面側からＸ線を入射させることとしている。エネルギーの高い硬Ｘ線については裏面側から入射し電荷転送用の電極を通過してシンチレータを発光させ、放射した可視光線を検出することができる。一方、エネルギーの低い軟Ｘ線については、ｐ^＋型半導体層１９が薄化されているのでｐ^＋型半導体層１９で吸収されることもほとんどなく、電荷転送用の電極のない裏面側から入射させているので電極に遮られることもなく効率よく検出することができる。結果として軟Ｘ線、硬Ｘ線の広いエネルギー帯域のＸ線について効率よく撮像することが可能となる。
【００３１】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１では半導体基板をｐ型としているが、これに限られず、半導体基板をｎ型としてもよい。この場合、同じシリコンウェハの比抵抗でｎ型半導体の方が不純物濃度を低くできるため、同程度の電圧でｎ型半導体基板を用いた場合では空乏層を厚くでき、部分的に薄型化する必要が無くなるので、裏面側の凹部を形成する工程が不要となる。
【００３２】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１は、シンチレータ３１としてＣｓＩからなるシンチレータを用いているが、これに限られることなくＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２（以下「ＢＧＯ」という。）を含む（ＢＧＯからなるものに限られず、他の物質を含んだものであってもよいが、ＢＧＯの重量含有率は９５〜１００％であることが好ましい）シンチレータを用いてもよい。ＢＧＯはＣｓＩと同様に柱状結晶を成すため、シンチレータとして用いることによってＸ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、このシンチレータは高い発光光量が得られるため、Ｘ線撮像素子１は高いエネルギー分解能を得ることができる。また、一般にＸ線撮像素子は熱雑音を抑制するために冷却して用いる場合が多いが、特にＢＧＯは−１００℃程度の冷却時にも高い発光光量を示すので、Ｘ線撮像素子１は冷却して用いる場合であってもシンチレータの高い発光光量が得られ、高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００３３】
また、シンチレータ３１としてＧｄ_２Ｏ_２Ｓを含むシンチレータを用いてもよい。Ｇｄ_２Ｏ_２ＳもまたＣｓＩと同様に柱状結晶を成すため、シンチレータとして用いることによってＸ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、当該シンチレータを用いたＸ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、同一の素子によって広いエネルギー範囲のＸ線を簡単な構造で検出することが可能なＸ線撮像素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るＸ線撮像素子の断面図である。
【図２】実施形態に係るＸ線撮像素子のＣＣＤ部の概略平面図である。
【図３】（ａ）は実施形態に係るＸ線撮像素子の軟Ｘ線の検出を説明する図である。
（ｂ）は実施形態に係るＸ線撮像素子の硬Ｘ線の検出を説明する図である。
【符号の説明】
１…Ｘ線撮像素子、２…撮像部、１０…ＣＣＤ部、３０…シンチレーション部、３１…シンチレータ、３３…保護膜、３３ａ…有機膜、３３ｂ…反射薄膜、１９…ｐ^＋型半導体層、２１…ｐ型エピタキシャル層。

Claims (6)

1. 半導体基板の被検出Ｘ線の入射面の反対面側に形成され、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し、前記Ｘ線及び前記可視光線の像を撮像する撮像部と、
   前記半導体基板の反対面側に前記撮像部を覆うように配設され、前記所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を吸収することによって前記所定波長帯の可視光線を放射するシンチレータと、
   を備えたことを特徴とするＸ線撮像素子。
2. 前記撮像部は、
   前記所定エネルギー帯域のＸ線及び前記所定波長帯の可視光線に対して感度を有し２次元状に配列された複数の光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像素子。
3. 前記シンチレータはＢｉ_４Ｇｅ_３Ｏ_１２を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
4. 前記シンチレータはＣｓＩを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
5. 前記シンチレータはＧｄ_２Ｏ_２Ｓを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
6. 前記シンチレータの被検出Ｘ線入射方向後方に設けられ、前記所定波長帯の可視光線を反射する反射膜を有することを特徴とする請求項１〜５何れか１項に記載のＸ線撮像素子。

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