JP2005203708A - X-ray imaging device - Google Patents

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Emi Miyata
恵美 宮田
Kazuhisa Miyaguchi
和久 宮口
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provided an X-ray imaging device capable of detecting X-ray of large energy range using the same device having a simple structure. <P>SOLUTION: An X-ray imaging device 1 comprises a CCD 10 and a scintillation portion 30. The CCD 10 has a highly-concentrated p<SP>+</SP>-type semiconductor layer 19 and a semiconductor substrate 23 comprising a p-type epitaxial layer 21 deposited on the front surface side of the p<SP>+</SP>-type semiconductor layer 19. An imaging portion 2 is structured by a region corresponding to a plurality of transfer electrodes 27 in the semiconductor substrate 23 (p-type epitaxial layer 21). The scintillation portion 30 is formed such that a region (the bottom surface of a recess 29) on the rear surface side of the semiconductor substrate 23 corresponding to the imaging portion 2 is covered with it. The scintillation portion 30 comprises a scintillator 31 and a protection film 33. The scintillator 31 converts incident hard X-ray to visible light of a wavelength band of 550 nm to which a photoelectric conversion device of the imaging portion 2 has sensitivity. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、X線撮像素子に関する。   The present invention relates to an X-ray imaging device.

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及び位置分解能を有する撮像素子である。特に、裏面入射型CCDを用いたX線撮像素子は、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線検出効率に優れている。このため、裏面入射型CCDを用いたX線撮像素子は、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。   An X-ray imaging device using a charge coupled device (hereinafter referred to as “CCD”) is an imaging device having excellent energy resolution and position resolution. In particular, an X-ray imaging device using a back-illuminated CCD is excellent in X-ray detection efficiency with a small energy because the X-ray to be detected is not blocked by the charge transfer electrode. For this reason, an X-ray imaging device using a back-illuminated CCD can detect X-rays in a predetermined energy band (for example, X-rays of 0.1 to 20 keV (hereinafter referred to as “soft X-rays”)).

CCDはシリコン(Si)を用いて製造されるため、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低くなる。このため、硬X線は、CCDにて検出されることなく、当該CCDを透過することとなる。したがって、硬X線を検出するためには、X線を可視光線に変換するシンチレータが配設されたX線撮像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(軟X線及び硬X線)を検出することはできなかった。   Since a CCD is manufactured using silicon (Si), the absorption of X-rays in an energy band higher than X-rays in a predetermined energy band (for example, 20 to 100 keV X-rays (hereinafter referred to as “hard X-rays”)) is extremely high. It becomes low. For this reason, hard X-rays pass through the CCD without being detected by the CCD. Therefore, in order to detect hard X-rays, an X-ray imaging device provided with a scintillator that converts X-rays into visible light can only be used. X-rays (soft X-rays) having a wide energy range with the same imaging device. And hard X-rays) could not be detected.

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、それぞれがエネルギー帯域の異なるX線を検出する複数のPINホトダイオードを、絶縁体を介して積層した構成の放射線検出装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
特開平9−275223号公報
As an apparatus for detecting X-rays in different energy bands with the same apparatus, there is known a radiation detection apparatus having a configuration in which a plurality of PIN photodiodes, each detecting X-rays in different energy bands, are stacked via an insulator. (For example, refer to Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 9-275223

しかしながら、特許文献1に記載された放射線検出装置では、複数のホトダイオードを積層しているため、構造が複雑なものとなってしまう。   However, in the radiation detection apparatus described in Patent Document 1, since a plurality of photodiodes are stacked, the structure becomes complicated.

本発明は、上記事情に鑑み、簡単な構造を有する同一の素子によって広いエネルギー範囲のX線を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。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an X-ray imaging element capable of detecting X-rays in a wide energy range with the same element having a simple structure.

本発明に係るX線撮像素子は、半導体基板の被検出X線の入射面側に形成され、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、当該X線及び当該可視光線の像を撮像する撮像部と、半導体基板の入射面の反対面側における少なくとも撮像部に対応する領域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、を備えることを特徴とする。   An X-ray imaging device according to the present invention is formed on the incident surface side of a detected X-ray of a semiconductor substrate and has sensitivity to X-rays in a predetermined energy band and visible light in a predetermined wavelength band. An imaging unit that captures an image of the visible light, and an X of an energy band higher than an X-ray of a predetermined energy band are disposed so as to cover at least a region corresponding to the imaging unit on the side opposite to the incident surface of the semiconductor substrate. And a scintillator that emits visible light in a predetermined wavelength band by absorbing the line.

本発明に係るX線撮像素子では、所定エネルギー帯域のX線が入射すると、撮像部によって所定エネルギー帯域のX線の像が撮像される。一方、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線が入射すると、当該X線がシンチレータにより所定波長帯の可視光線に変換され、変換された所定波長帯の可視光線の像が撮像部によって撮像される。この結果、上記所定エネルギー帯域から更に高いエネルギー帯域までの広範囲にわたるX線の像を撮像することができる。また、半導体基板の被検出X線の入射面側に撮像部を形成し、半導体基板の入射面の反対面側における少なくとも撮像部に対応する領域を覆うようにシンチレータを配設するという簡単な構造により、広範囲にわたるエネルギー帯域のX線の像を撮像することができる。   In the X-ray imaging device according to the present invention, when X-rays in a predetermined energy band are incident, an X-ray image in the predetermined energy band is captured by the imaging unit. On the other hand, when X-rays in an energy band higher than X-rays in a predetermined energy band are incident, the X-rays are converted into visible light in a predetermined wavelength band by a scintillator, and the converted visible light image in the predetermined wavelength band is an imaging unit. Is imaged. As a result, X-ray images over a wide range from the predetermined energy band to a higher energy band can be taken. In addition, a simple structure in which an imaging unit is formed on the incident surface side of the detected X-ray of the semiconductor substrate, and a scintillator is disposed so as to cover at least a region corresponding to the imaging unit on the opposite surface side of the incident surface of the semiconductor substrate. Thus, an X-ray image in a wide energy band can be taken.

また、上記撮像部は、2次元状に配列された複数の光電変換素子を含むことが好ましい。   The imaging unit preferably includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional manner.

また、上記シンチレータは、BiGe12を含むことが好ましい。BiGe12は柱状結晶を成すため、X線入射位置の決定精度を向上することができる。また、BiGe12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。BiGe12は−100℃程度の冷却時にも高い発光光量を示すので、上記X線撮像素子を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。 Moreover, the scintillator preferably includes a Bi 4 Ge 3 O 12. Since Bi 4 Ge 3 O 12 forms a columnar crystal, the determination accuracy of the X-ray incident position can be improved. Moreover, the scintillator comprising Bi 4 Ge 3 O 12 is for high light emission amount can be obtained, it is possible to obtain high energy resolution as X-ray imaging device. Since Bi 4 Ge 3 O 12 exhibits a high light emission amount even when cooled to about −100 ° C., a high scintillator light emission amount can be obtained even when the X-ray imaging device is used in a cooled state, and a high energy resolution. Can be obtained.

また、上記シンチレータは、CsIを含むことが好ましい。CsIは柱状結晶を成すため、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。   The scintillator preferably contains CsI. Since CsI forms a columnar crystal, the determination accuracy of the X-ray incident position can be improved. Moreover, since the scintillator containing CsI can obtain a high light emission amount, the X-ray imaging device can obtain a high energy resolution.

また、上記シンチレータは、GdS(ガドリニウムオキシサルファイド)を含むことが好ましい。GdSは柱状結晶を成すため、X線入射位置の決定精度を向上することができる。また、GdS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。 The scintillator preferably contains Gd 2 O 2 S (gadolinium oxysulfide). Since Gd 2 O 2 S forms a columnar crystal, the determination accuracy of the X-ray incident position can be improved. Further, since the scintillator including Gd 2 O 2 S high light emission amount can be obtained, the X-ray imaging device can obtain high energy resolution.

また、所定波長帯の可視光線を反射する反射膜が、シンチレータの被検出X線入射方向後方に設けられていることが好ましい。このように構成した場合、シンチレータにて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が反射膜により反射されるため、発生した光を逃がすことなく、検出感度を向上させることができる。   Further, it is preferable that a reflective film that reflects visible light in a predetermined wavelength band is provided behind the scintillator in the X-ray incident direction. When configured in this way, the light traveling from the scintillator toward the opposite side to the detected X-ray incidence side is reflected by the reflective film, so that the detection sensitivity is improved without escaping the generated light. Can do.

また、上記半導体基板は、撮像部に対応する領域が薄化されていることが好ましい。このように構成した場合、シンチレータにて発生した光に対する検出感度の低下を抑制することができる。   Further, the semiconductor substrate preferably has a thinned area corresponding to the imaging unit. When comprised in this way, the fall of the detection sensitivity with respect to the light which generate | occur | produced with the scintillator can be suppressed.

本発明によれば、簡単な構造を有する同一の素子によって広いエネルギー範囲のX線を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。   According to the present invention, it is possible to provide an X-ray imaging device capable of detecting X-rays in a wide energy range with the same device having a simple structure.

本発明の実施形態に係るX線撮像素子について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   An X-ray imaging device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.

図1は、本実施形態に係るX線撮像素子の断面構成を説明するための概略図である。以下の説明において、被検出X線の入射面(図1において上側の面)側を表面側、その反対側の面(図1において下側の面)側を裏面側という。X線撮像素子1は、CCD部10及びシンチレーション部30を備えている。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a cross-sectional configuration of the X-ray imaging device according to the present embodiment. In the following description, the incident surface (upper surface in FIG. 1) side of the detected X-ray is referred to as the front surface side, and the opposite surface (lower surface in FIG. 1) side is referred to as the back surface side. The X-ray imaging device 1 includes a CCD unit 10 and a scintillation unit 30.

CCD部10は、半導体基板23を有する。半導体基板23は、高濃度のp型半導体層19と、p型半導体層19の表面側に堆積されたp型エピタキシャル層21とを含む。半導体基板23(p型エピタキシャル層21)の表面側には、絶縁層25が設けられている。絶縁層25の表面側には、ポリシリコンからなる複数の転送電極27が絶縁層26中に設けられている。絶縁層26の表面側には、絶縁層28及び後述するパッド電極17が設けられている。半導体基板23(p型エピタキシャル層21)における複数の転送電極27に対応する領域により、後述する撮像部2が構成される。半導体基板23の裏面側には、シリコン酸化膜24が形成されている。 The CCD unit 10 has a semiconductor substrate 23. The semiconductor substrate 23 includes a high concentration p + type semiconductor layer 19 and a p type epitaxial layer 21 deposited on the surface side of the p + type semiconductor layer 19. An insulating layer 25 is provided on the surface side of the semiconductor substrate 23 (p-type epitaxial layer 21). A plurality of transfer electrodes 27 made of polysilicon are provided in the insulating layer 26 on the surface side of the insulating layer 25. An insulating layer 28 and a pad electrode 17 described later are provided on the surface side of the insulating layer 26. An imaging unit 2 to be described later is configured by a region corresponding to the plurality of transfer electrodes 27 in the semiconductor substrate 23 (p-type epitaxial layer 21). A silicon oxide film 24 is formed on the back side of the semiconductor substrate 23.

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る。p型半導体層19の厚みは、300μm程度である。p型エピタキシャル層21は、p型半導体層19上に形成されている。p型エピタキシャル層21は、数kΩcm程度の高抵抗であり、厚みが50〜100μm程度である。絶縁層25はシリコン酸化膜からなり、厚さ0.1μm程度である。絶縁層26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る。 The p + type semiconductor layer 19 is made of a silicon substrate doped with boron. The thickness of the p + type semiconductor layer 19 is about 300 μm. The p type epitaxial layer 21 is formed on the p + type semiconductor layer 19. The p-type epitaxial layer 21 has a high resistance of about several kΩcm and a thickness of about 50 to 100 μm. The insulating layer 25 is made of a silicon oxide film and has a thickness of about 0.1 μm. The insulating layer 26 is made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a composite region thereof.

半導体基板23(p型半導体層19)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型半導体層19とほぼ同じ深さとなっており、p型半導体層19の薄化領域は、アキュムレーション層として機能する。p型半導体層19の薄化領域の厚みは、1μm程度である。 A region corresponding to the imaging unit 2 in the semiconductor substrate 23 (p + type semiconductor layer 19) is thinned from the back side, and a recess 29 is formed. The depth of the recess 29 has a substantially same depth as the p + -type semiconductor layer 19, a thin region of the p + -type semiconductor layer 19 functions as an accumulation layer. The thickness of the thinned region of the p + type semiconductor layer 19 is about 1 μm.

次に、図2を参照して、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線撮像素子の概略平面図である。CCD部10では、フルフレーム転送(FFT)型CCDが構成されている。CCD部10は、撮像部2に対応す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とを有する。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。CCD部10の端部には、複数の電極パッド17が配置されている。   Next, the CCD unit 10 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic plan view of the X-ray imaging device according to the first embodiment. In the CCD unit 10, a full frame transfer (FFT) type CCD is configured. The CCD unit 10 includes a vertical shift register portion 3 corresponding to the imaging unit 2 and a horizontal shift register portion 5. The imaging unit 2 includes a light receiving area 7, an optical black area 9, and an isolation area 11. A plurality of electrode pads 17 are arranged at the end of the CCD unit 10.

受光エリア7には、複数の光電変換素子(画素)が2次元的に配置されている。各光電変換素子は、p型エピタキシャル層21における各垂直シフトレジスタ部分3に対応する領域にて構成される。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。このため、撮像部2により、軟X線像及び上記波長帯の可視光線像が撮像されることとなる。   A plurality of photoelectric conversion elements (pixels) are two-dimensionally arranged in the light receiving area 7. Each photoelectric conversion element is configured in a region corresponding to each vertical shift register portion 3 in the p-type epitaxial layer 21. The photoelectric conversion element is sensitive to soft X-rays and visible light in a wavelength band near 550 nm. For this reason, the imaging unit 2 captures a soft X-ray image and a visible light image in the wavelength band.

オプティカルブラックエリア9は、受光エリア7の外側に位置している。オプティカルブラックエリア9では、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。アイソレーションエリア11及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、本実施形態においては必ずしも必要ない。   The optical black area 9 is located outside the light receiving area 7. In the optical black area 9, photoelectric conversion elements that are configured not to receive light are arranged so as to surround the light receiving area 7. In addition, the isolation area 11 is disposed between the light receiving area 7 and the optical black area 9 in order to electrically separate the light receiving area 7 and the optical black area 9. The isolation area 11 and the optical black area are used as a dark current reference in a normal front-illuminated CCD, but are not necessarily required in this embodiment.

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に電気信号を入力する。電荷蓄積期間にわた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。   The input unit 13 inputs an electrical signal to the vertical shift register part 3 and the horizontal shift register part 5. The charges accumulated in the potential well over the charge accumulation period are sequentially transferred during the charge transfer period by the vertical shift register portion 3 and the horizontal shift register portion 5 to be a time series signal. The transferred charge is converted into a voltage at the output unit 15 and output as an image signal.

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、配線電極(図示せず)によって対応する電極パッド17と電気的に接続されている。電極パッド17は、CCD部10(垂直シフトレジスタ部分3、水平シフトレジスタ部分5、あるいは、入力部13)に直流電圧やクロックを供給する、及び、撮像部2の信号出力を取り出すためのものである。電極パッド17は、ボンディングワイヤ(図示せず)が電気的に接続されることによって、外部基板等と電気的に接続される。   The vertical shift register portion 3, the horizontal shift register portion 5, the input unit 13, and the output unit 15 are electrically connected to corresponding electrode pads 17 by wiring electrodes (not shown). The electrode pad 17 is used to supply a DC voltage or a clock to the CCD unit 10 (vertical shift register unit 3, horizontal shift register unit 5 or input unit 13) and to extract a signal output from the imaging unit 2. is there. The electrode pad 17 is electrically connected to an external substrate or the like by electrically connecting a bonding wire (not shown).

再び図1を参照して、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に対応する半導体基板23の裏面側の領域(凹部29の底面)を覆うように形成されている。シンチレーション部30は、シンチレータ31及び保護膜33を含む。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。シンチレータ31は、撮像部2に対応する基板裏面(凹部29の底面部分)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。   With reference to FIG. 1 again, the scintillation unit 30 will be described. The scintillation unit 30 is formed so as to cover a region on the back surface side of the semiconductor substrate 23 corresponding to the imaging unit 2 (the bottom surface of the recess 29). The scintillation unit 30 includes a scintillator 31 and a protective film 33. The scintillator 31 converts the incident hard X-rays into visible light having a wavelength band of 550 nm where the photoelectric conversion element of the imaging unit 2 is sensitive. The scintillator 31 is grown and formed on the substrate back surface (bottom surface portion of the recess 29) corresponding to the imaging unit 2, and is made of CsI. The thickness of the scintillator 31 is about 100 to 500 μm.

シンチレータ31の裏面側には、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33aは、シンチレータ31が空気に触れるのを防止して、潮解性による発光効率の劣化を防ぐ。反射薄膜33bは、シンチレータ31で発生した光のうちX線入射方向とは反対方向に向かう光を反射する。また、反射薄膜33bは、外部からの直接光を遮断する。有機膜33aの厚みは、数〜10数μm程度である。反射薄膜33bの厚みは、1μm程度である。   A protective film 33 is coated on the back side of the scintillator 31. The protective film 33 is formed by laminating an organic film 33a made of polyparaxylene and a reflective thin film 33b made of aluminum or the like. The organic film 33a prevents the scintillator 31 from coming into contact with air and prevents deterioration in light emission efficiency due to deliquescence. The reflective thin film 33 b reflects light traveling in the direction opposite to the X-ray incident direction among the light generated by the scintillator 31. The reflective thin film 33b blocks direct light from the outside. The thickness of the organic film 33a is about several to several tens of micrometers. The thickness of the reflective thin film 33b is about 1 μm.

続いて、X線撮像素子1の動作を説明する。まず、被検出X線がX線撮像素子1の表面側から入射する。入射した被検出X線が軟X線である場合、撮像部2の光電変換素子は軟X線に対する感度を有しているため、入射した軟X線はCCD部10の空乏化したp型エピタキシャル層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のポテンシャル井戸に一定時間蓄積される。これにより、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、入射する軟X線のエネルギーに比例した数になり、軟X線画像に対応する画像信号が得られる。   Next, the operation of the X-ray image sensor 1 will be described. First, X-rays to be detected enter from the surface side of the X-ray imaging element 1. When the incident X-ray to be detected is a soft X-ray, the photoelectric conversion element of the imaging unit 2 has sensitivity to the soft X-ray, and therefore the incident soft X-ray is depleted in the CCD unit 10 p-type epitaxial. Electrons are generated in the layer 21 by photoelectric conversion. The generated electrons are accumulated in the potential well of the charge transfer channel formed under the insulating layer 25 for a certain time. As a result, the soft X-rays are detected by the CCD unit 10 (see FIG. 3A). The number of electrons stored in each photoelectric conversion element is a number proportional to the energy of the incident soft X-ray, and an image signal corresponding to the soft X-ray image is obtained.

一方、X線撮像素子1の表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の光電変換素子は硬X線に対して感度を有しないため、硬X線はCCD部10(転送電極27、絶縁層25、半導体基板23)を透過し、薄化された半導体基板23の裏面側(凹部29の底面)に配置されたシンチレータ31に達する。硬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に変換されて、シンチレータ31に達した硬X線の量に比例して放射される。放射された可視光線のうち、表面側へ向かう光は半導体基板23の裏面(凹部29の底面)から撮像部2の光電変換素子へ入射する(CCD部10が、所謂裏面入射型CCDとして機能する)。裏面側へ向かう光は、保護膜33の反射薄膜33bで反射され、シンチレータ31を通過して半導体基板23の裏面(凹部29の底面)から撮像部2の光電変換素子へ入射する(図3(b)参照)。このため、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に入射することとなる。   On the other hand, when the detected X-ray incident from the surface side of the X-ray image pickup device 1 is a hard X-ray, the photoelectric conversion element of the image pickup unit 2 has no sensitivity to the hard X-ray. The light passes through the portion 10 (transfer electrode 27, insulating layer 25, semiconductor substrate 23) and reaches the scintillator 31 disposed on the back surface side of the thinned semiconductor substrate 23 (bottom surface of the recess 29). The hard X-rays are absorbed by the scintillator 31, converted into visible light having sensitivity by the photoelectric conversion element of the imaging unit 2, and emitted in proportion to the amount of hard X-rays reaching the scintillator 31. Of the emitted visible light, the light traveling toward the front surface is incident on the photoelectric conversion element of the imaging unit 2 from the back surface of the semiconductor substrate 23 (the bottom surface of the recess 29) (the CCD unit 10 functions as a so-called back-illuminated CCD). ). The light traveling toward the back surface side is reflected by the reflective thin film 33b of the protective film 33, passes through the scintillator 31, and enters the photoelectric conversion element of the imaging unit 2 from the back surface of the semiconductor substrate 23 (the bottom surface of the recess 29) (FIG. 3 ( b)). For this reason, almost all of the light generated by the scintillator 31 enters the imaging unit 2.

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硬X線の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子数は、入射する硬X線の量に比例した数になり、硬X線画像に対応する画像信号が得られる。   Since the photoelectric conversion element is sensitive to the emitted visible light, an electric signal corresponding to the amount of visible light is generated by photoelectric conversion and accumulated for a certain period of time. Since the amount of visible light corresponds to the amount of incident hard X-rays, the number of electrons stored in each photoelectric conversion element is proportional to the amount of incident hard X-rays. An image signal corresponding to the line image is obtained.

光電変換素子に蓄積された画像信号は、信号ライン(図示せず)を介して電極パッド17から順次出力され、CCD部10の外部へと転送される。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線像を得ることができる。   The image signals accumulated in the photoelectric conversion elements are sequentially output from the electrode pad 17 via a signal line (not shown) and transferred to the outside of the CCD unit 10. An X-ray image can be obtained by processing this image signal with an external processing device (not shown).

以上のように、本実施形態においては、軟X線が入射すると、CCD部10の撮像部2によって軟X線の像が直接撮像される。一方、硬X線が入射すると、当該硬X線がシンチレータ31により可視光線に変換され、変換された可視光線の像が撮像部2によって撮像される。この結果、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線の像を効率よく撮像することができる。   As described above, in this embodiment, when soft X-rays are incident, an image of soft X-rays is directly captured by the imaging unit 2 of the CCD unit 10. On the other hand, when hard X-rays enter, the hard X-rays are converted into visible light by the scintillator 31, and an image of the converted visible light is captured by the imaging unit 2. As a result, both soft X-rays and hard X-rays, that is, X-ray images in an extremely wide energy band of 0.1 to 100 keV can be taken efficiently.

また、本実施形態においては、半導体基板23の表面側に撮像部2を形成し、半導体基板23の裏面側における少なくとも撮像部2に対応する領域を覆うようにシンチレータ31を配設するという簡単な構造により、広範囲にわたるエネルギー帯域のX線の像を撮像することができる。   In the present embodiment, the imaging unit 2 is formed on the front surface side of the semiconductor substrate 23, and the scintillator 31 is disposed so as to cover at least a region corresponding to the imaging unit 2 on the back surface side of the semiconductor substrate 23. Depending on the structure, an X-ray image of a wide energy band can be taken.

また、本実施形態においては、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。CsIは柱状結晶を成すため、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31は高い発光光量が得られるため、当該シンチレータ31を用いた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。   In this embodiment, a scintillator made of CsI is used as the scintillator 31. Since CsI forms a columnar crystal, high determination accuracy of the X-ray incident position can be obtained. Moreover, since the scintillator 31 containing CsI can obtain a high light emission amount, the X-ray imaging device 1 using the scintillator 31 can obtain high energy resolution.

また、本実施形態においては、反射薄膜33bが、シンチレータ31の被検出X線入射方向後方に設けられている。これにより、シンチレータ31にて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が反射薄膜33bにより反射され、発生した光を逃がすことなく、検出感度を向上させることができる。   In the present embodiment, the reflective thin film 33 b is provided behind the scintillator 31 in the detected X-ray incident direction. Thereby, the light which goes to the opposite side to the detected X-ray incident side among the light generated in the scintillator 31 is reflected by the reflective thin film 33b, and the detection sensitivity can be improved without escaping the generated light.

また、本実施形態において、半導体基板23(p型半導体層19)は、撮像部2に対応する領域が薄化されている。半導体基板23(p型半導体層19)が薄化されているので、シンチレータ31にて発生した光が半導体基板23(p型半導体層19)にて吸収されるのが抑制されることとなる。この結果、シンチレータ31にて発生した光の検出感度が低下するのを抑制できる。 In the present embodiment, the semiconductor substrate 23 (p + type semiconductor layer 19) has a thinned area corresponding to the imaging unit 2. Since the semiconductor substrate 23 (p + -type semiconductor layer 19) is thinned, the light generated by the scintillator 31 is suppressed from being absorbed by the semiconductor substrate 23 (p + -type semiconductor layer 19). Become. As a result, it can suppress that the detection sensitivity of the light which generate | occur | produced in the scintillator 31 falls.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体基板23をp型としているが、これに限られず、半導体基板23をn型としてもよい。   The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, although the semiconductor substrate 23 is p-type, the present invention is not limited to this, and the semiconductor substrate 23 may be n-type.

また、本実施形態のX線撮像素子1では、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、BiGe12(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、X線入射位置の高い決定精度が得られる。また、BGOを用いた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31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。 In the X-ray imaging device 1 of the present embodiment, a scintillator made of CsI is used as the scintillator 31, but is not limited to this, and includes Bi 4 Ge 3 O 12 (hereinafter referred to as “BGO”) ( A scintillator may be used, which is not limited to the one made of BGO and may contain other substances, but the weight content of BGO is preferably 95 to 100%. Since BGO forms columnar crystals in the same manner as CsI, high determination accuracy of the X-ray incident position can be obtained. Moreover, since the scintillator using BGO can obtain a high light emission amount, the X-ray imaging device 1 can obtain a high energy resolution. In general, the X-ray image sensor is often used after being cooled in order to suppress thermal noise. In particular, since BGO exhibits a high light emission amount even when cooled at about −100 ° C., the X-ray image sensor 1 is cooled. Even if it is used, a high amount of emitted light of the scintillator 31 can be obtained, and a high energy resolution can be obtained.

また、シンチレータ31としてGdSを含むシンチレータを用いてもよい。GdSもまたCsIと同様に柱状結晶を成すため、X線入射位置の高い決定精度が得られる。また、GdS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。 A scintillator containing Gd 2 O 2 S may be used as the scintillator 31. Since Gd 2 O 2 S also forms columnar crystals in the same way as CsI, high determination accuracy of the X-ray incident position can be obtained. In addition, since a scintillator containing Gd 2 O 2 S can obtain a high light emission amount, an X-ray imaging device using the scintillator can obtain high energy resolution.

実施形態に係るX線撮像素子の断面構成を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the cross-sectional structure of the X-ray image sensor which concerns on embodiment. 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。It is a schematic plan view of the CCD unit of the X-ray imaging device according to the embodiment. (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。(A) is a figure explaining the detection of the soft X-ray of the X-ray image sensor which concerns on embodiment. (B) is a figure explaining the detection of the hard X-ray of the X-ray image sensor which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…X線撮像素子、2…撮像部、3…垂直シフトレジスタ部分、7…受光エリア、10…CCD部、19…p型半導体層、21…p型エピタキシャル層、23…半導体基板、29…凹部、30…シンチレーション部、31…シンチレータ、33…保護膜、33b…反射薄膜、33a…有機膜。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... X-ray image sensor, 2 ... Imaging part, 3 ... Vertical shift register part, 7 ... Light receiving area, 10 ... CCD part, 19 ... p + type semiconductor layer, 21 ... p type epitaxial layer, 23 ... Semiconductor substrate, 29 Recess, 30 ... scintillation part, 31 ... scintillator, 33 ... protective film, 33b ... reflective thin film, 33a ... organic film.

Claims (7)

半導体基板の被検出X線の入射面側に形成され、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、当該X線及び当該可視光線の像を撮像する撮像部と、
前記半導体基板の前記入射面の反対面側における少なくとも前記撮像部に対応する領域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、を備えることを特徴とするX線撮像素子。
An imaging unit that is formed on the incident surface side of the X-ray to be detected of the semiconductor substrate and has sensitivity to X-rays in a predetermined energy band and visible light in a predetermined wavelength band, and captures images of the X-rays and the visible light When,
The semiconductor substrate is disposed so as to cover at least a region corresponding to the imaging unit on the surface opposite to the incident surface, and absorbs X-rays in an energy band higher than the X-rays in the predetermined energy band, thereby An X-ray imaging device comprising: a scintillator that emits visible light in a wavelength band.
前記撮像部は、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。   The X-ray imaging device according to claim 1, wherein the imaging unit includes a plurality of photoelectric conversion elements arranged two-dimensionally. 前記シンチレータは、BiGe12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。 The X-ray imaging device according to claim 1, wherein the scintillator includes Bi 4 Ge 3 O 12 . 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。   The X-ray imaging device according to claim 1, wherein the scintillator includes CsI. 前記シンチレータは、GdS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。 The X-ray imaging device according to claim 1, wherein the scintillator includes Gd 2 O 2 S. 前記所定波長帯の可視光線を反射する反射膜が、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ていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のX線撮像素子。   The X-ray imaging according to claim 1, wherein a reflective film that reflects visible light in the predetermined wavelength band is provided behind the scintillator in the X-ray incident direction to be detected. element. 前記半導体基板は、前記撮像部に対応する領域が薄化されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のX線撮像素子。
The X-ray imaging device according to claim 1, wherein a region of the semiconductor substrate corresponding to the imaging unit is thinned.
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