JP2006177940A

JP2006177940A - 放射検出器及びその製造方法

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Publication number: JP2006177940A
Application number: JP2005358601A
Authority: JP
Inventors: Richard Matz; マッツリヒァルト; Wolfgang Rossner; ヴォルフガング　ロスナー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2006-07-06
Also published as: DE102004060932B4; US20060131509A1; CN1790054A; DE102004060932A1

Abstract

【課題】複数の光検出器素子と変換器層とを備え、安いコストで製造することができ、変換器層の高い量子効率を可能にする放射検出器を提供する。
【解決手段】相並んで配置され検出面８を定める複数の検出器素子１と、その上方に置かれ入射する第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する変換器層３とを備え、変換器層３を二次元フォトニック結晶として形成し、このフォトニック結晶は第２の波長範囲の放射に対し検出面８に平行なあらゆる方向において減ぜられた透過性を有し、変換器層中に分離隔壁を設けることなしに検出器素子１の各チャネル間の漏話を防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、相並んで配置され検出面を定める複数の光検出器素子と、その上方に置かれ入射する第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する変換器層とを備え、光検出器素子は第２の波長範囲の放射に感応性である放射検出器及びそのような放射検出器の製造方法に関する。

とりわけ、Ｘ線又はガンマ線の線量反応性の用途、例えば医用におけるＸ線又はガンマ線の位置分析的検出のために、複数の相並んで配置された光検出器素子とその上方に置かれ高いＸ線吸収を有するシンチレータ材料からなる変換器層とから構成された放射検出器が使用される。Ｘ線はこの変換器層において吸収され、光ルミネセンス放射を引き起こし、この放射が光検出器素子によって検出される。この入射するＸ線の光放射への変換によって、在来のフォトダイオードを光検出器素子としてＸ線の検出のために使用することができる。

例えばＸ線検査法又は医用Ｘ線診断法のようなＸ線透視法の代表的な利用分野においては、Ｘ線透視の際に達成され得る解像が重要な役割を演ずる。良好な解像は、密に並んで置かれた小面積の検出器素子を、入射するＸ線の立体角を制限するための散乱線スクリーンと組み合わせた検出器アレイを使用する場合に得られる。変換器層におけるルミネセンス光の等方性の輻射は、もちろん放射損失及び隣接する検出器チャネルへの漏話に導き、この漏話は十分な位置分析を得るためには許されない。

この漏話を避けるために、シンチレータ層はふつう溝、いわゆる分離隔壁によって互いに分離され、この分離隔壁は理想的には光検出器素子間の間隙を介して延びる。Ｘ線検出器のこのような構成が図１に概略的に示されている。この図は、シリコン基板２内のシリコン・フォトダイオード１の配置及びその上方に置かれたシンチレータ層３を断面で示すものである。個々のフォトダイオード１は、その上方に置かれた変換器層のボリウム割当て分と共に放射検出器の画素を形成する。シンチレータ層３内の分離隔壁４はフォトダイオード１間の間隙上にある。このようにして、画素のシンチレータ層３内にＸ線量子５によりひき起こされた可視光量子６は、隣接するチャネルないし画素へ漏話することはない。何故なら、光量子は分離隔壁４に当たりその光量子がひき起こされた画素内へ反射して戻されるからである。シンチレータ層３内のこの分離隔壁４はふつう鋸びき処理で作られる。各画素の境界における反射を高めるため、鋸びきの切り口は二酸化チタンで充填される。

もっともシンチレータ層を鋸びきにより個別化することは、時間及びコストのかかるプロセスステップである。また変換器層を機械的に分割することによって、機械的安定性の理由から変換器層の厚さが制限され、その結果この層の量子吸収及び従って量子効率も制限される。

本発明の課題は、相並んで配置された複数の光検出器素子と、その上方に置かれた変換器層とを備えた放射検出器及びその製造方法であって、安いコストで製造することができ、変換器層の高い量子効率を可能にする放射検出器及びその製造方法を提供することにある。

この課題は本発明によれば、請求項１による放射検出器によって、また請求項１１による方法によって解決される。放射検出器及び方法の有利な実施形態は従属請求項に記載され、また以下の説明及び実施例から明らかであ
る。

本発明の放射検出器は、相並んで配置され検出面を定める複数の光検出器素子、例えばフォトダイオードと、検出面の上方に置かれ第１の波長範囲の入射する放射（一次放射）を第２の波長範囲の放射（二次放射）に変換する変換器層とを備え、光検出器素子は第２の波長範囲の放射に感応性である。本発明の放射検出器においては、変換器層が少なくとも二次元フォトニック結晶として構成され、この結晶は第２の波長範囲の放射に対し、検出面に平行なすべての方向において他の方向より減ぜられた透過性を有する。

その際変換器層は、好ましくは、入射するＸ線を光線、特に赤外又は可視波長範囲の光線に変換するＸ線変換発光物質又はシンチレータを含む。

本発明の放射検出器においては、変換器層は二次元又は三次元のフォトニック結晶として構成され、この結晶は、検出面に平行な、しかしそれに対し垂直でない伝播方向について、第２の波長範囲の放射に対しフォトニック・バンドギャップ又は少なくとも１つの明らかに減ぜられた透過性を有する。その際検出面は通例また変換器層の層面又は表面に平行にある。フォトニック結晶は、異なる屈折率を持った材料の周期的な配列を有する。屈折率差及び周期性は、フォトニック結晶が特定の波長範囲の光及び１つ又は複数の伝播方向に対し電気的半導体に類似してフォトニック・バンドギャップを有するように選ぶことができ、その結果これらの方向の放射は伝播し得ない。本発明の変換器層はこのような結晶（以下PBG(Photonic Bandgap)材料ともいう）から構成され、この結晶は第２の波長範囲の放射の二次元の、即ち検出面に平行なすべての材料面内の伝播を抑制するか少なくとも明白に減少させる。

以下では、Ｘ線を変換器層においてルミネセンス光に変換するＸ線放射検出器に基づいて本発明を詳細に説明する。もちろん本発明の放射検出器は、変換器層及び光検出素子を適切に選ぶことによって他の波長範囲の放射の検出にも使用することができる。その際例えばガンマ線を対象とすることができ、ガンマ線はＸ線と同じようにしてシンチレータ材料によりルミネセンス光に変換され得る。さらにある波長範囲の光線を他の波長範囲の光線に変換することもでき、使用される光検出器素子が他の波長範囲において良好な特性を有する場合には特にそうである。さらに、二次放射がルミネセンス放射を示すことが必要でないことはもちろんである。むしろ放射の変換プロセスは、他の物理的プロセスによっても生ぜしめることが可能である。

理想的な場合、変換器層はＸ線により生ずるルミネセンス光に対し完全な二次元バンドギャップを有するように構成される。そうすれば変換器層のボリウム中にＸ線量子の吸収によって生ずるルミネセンス光は、検出面に垂直な方向にのみ妨げられることなく伝播し得る。検出面に平行な方向においては、変換器層のルミネセンス波長に光学的バンドギャップが存在し、このバンドギャップはこの方向へのルミネセンス光の伝播を妨げる。

好ましくは、変換器層のPBG材料はＸ線ルミネセンスのない且つ光を吸収しない材料の面心立方配列（オパール構造、ダイヤモンド構造）（以下第２の相という）を有し、その際間隙はＸ線ルミネセンス材料で満たされている。第２の相の材料は、好ましくはガス、特に空気である。構造の大きさ、即ち両材料がそれぞれ周期的に繰り返される区間は、古典的な反射防止加工層のデザイン規則にほぼ従う。即ち、
λ＝２・ｎ・Ｄ・ｆ
ここでλは抑制すべき放射の波長、ｎは合成材料の有効屈折率、Ｄは周期的に繰り返される素セルの大きさである。係数ｆは、両材料型のそれぞれ存在する三次元配列に関係して変化する１の程度の補正係数である。

本発明の放射検出器において使用し得るＸ線放射のためのシンチレータ材料、例えばGd₂O₂S：Pr、CsI：Tl、（Y, Gd）₂O₃：Eu、CdWO₄又はLaCl：Ceのような既知の材料に対しては、屈折率ｎは２〜４の間にあり、ルミネセンスの放射波長は370nm〜780nmの間にある。従って第２の相の構造の大きさＤは50nm〜200nmの間で移動する。どんな場合にも完全な光学的バンドギャップを発生させることはできない（透過＝０）。しかしながら、本発明の用途に対しては、意図した漏話を明白に低下させるために、発生したルミネセンスの波長範囲における透過性の部分的な制限で十分である。

本発明の放射検出器における変換器層を既に述べた特性を持ったPBG材料から形成することにより、変換器層の溝ないし分離隔壁による分割は必要としなくなる。さらに垂直の溝を必要とすることなく単軸方向の光伝播が、変換器層を従来よりも十分に厚く形成する可能性を生み出し、その結果より高い量子吸収及び従ってより高い量子効率が放射検出器の位置分解能を低下させることなく可能である。従って通常は反対方向であり妥協を強制する両デザイン量の量子効率とポイント・スプレッド・ファンクションとが互いに分離される。

放射検出器の有利な実施形態においては、この放射検出器は変換器層上に二次放射のための付加の反射層を有する。この反射層によって、入射するＸ線に反対方向に伝播する二次放射は、光検出器素子の方向に戻るように反射される。この反射層は従って放射損失のさらなる減少に導く。

フォトニック結晶は、少なくとも２つの材料から作り上げられる部材である。その部材は、光の波長範囲に周期性を有する第１の材料からなる結晶格子構造によって生じる。この第１の材料の結晶格子構造における周期的な空隙は、第２の材料、例えば空気によって満たされている。フォトニック結晶ないしPBG材料の機能に対する重要な前提条件は、使用される両材料間の明確な屈折率差である。フォトニック結晶は、調整の方向に応じて一次元、二次元及び三次元のフォトニック結晶に分けられる。一次元フォトニック結晶は一方向にのみ屈折率の調整を有する。二次元フォトニック結晶は２つの空間方向に調整を有し、三次元フォトニック結晶は３つのすべての空間方向に調整を有する。二次元フォトニック結晶は、例えば高い屈折率を持った材料中に周期的に配置されたシリンダー状の穴によって形成することができる。フォトニック結晶を作り上げる第２の材料は例えば空気である。穴は出発点から材料中にエッチング形成されることが可能である。

本発明の放射検出器に対しては、変換器層は好ましくは二次元フォトニック結晶として形成される。大きさを決定するためには、マイクロ波用途のためのフォトニック結晶の分野から知られているような計算方法を用いることができる。このことは、同様に製造技術が使用し得る変換器層の製造に対して同じやり方で当て嵌まり、例えば、イー、ヤブロノビッチ（E.Yablonovitch）著「ナノ・フォトニック集積回路のためのフォトニック・バンドギャップ・ベースのデザイン（Photonic Bandgap Based Designs for Nano-Photonic Integrated Circuits）」International Electron Devices Meeting, Technical Digest IEEE：Piscataway、USA、2002年、17〜20頁、又は桐原聡秀他著「格子変更による電磁結晶からのマイクロ波放射の制御（Control of Microwave Emission from Electromagnetic Crystals by Lattice Modifications）Solid State Communications 124(2002)、135〜139頁から知られている。変換器層を三次元フォトニック結晶として形成する場合には、結晶パラメータを適切に選択することにより、結晶が二次放射に対し第三の次元において、即ち検出面に垂直に、バンドギャップを有しないことが保障されていなければならない。

放射検出器の製造のための本発明方法においては、相並んで配置され検出面を定める複数の光検出器素子を有する基板が準備される。この光検出器素子を有する基板は、半導体技術、特にシリコン技術でふつう行われている方法によって作ることができる。光検出器素子を有する基板上に、第１の波長範囲の入射してくる放射を第２の波長範囲の放射に変換する変換器層が設けられる。変換器層は本発明方法においては少なくとも二次元フォトニック結晶として作られ、この結晶は第２の波長範囲の放射に対してフォトニック・バンドギャップ又は少なくとも減ぜられた透過性を検出面に平行なすべての方向において持っている。変換器層を作ることは異なる技術によっても可能であり、それらのいくつかは従属請求項又は以下の実施例に例として挙げられている。

本発明の放射検出器及びこの種の検出器の変換器層を製造するための有利な方法を、以下の実施例について、特許請求の範囲によりあらかじめ定められた保護範囲を制限することなく、図面と関連してさらに説明する。

従来技術に従う放射検出器の既知の構成は、冒頭において図１と関連して既に説明された。シンチレータ層３を個々の画素に分割するための分離隔壁４を作ることは、時間及びコストのかかるプロセスステップである。

シンチレータ層３のこの個別化のステップは、本発明の放射検出器においては図２に断面で示されるように必要としない。本発明の放射検出器は、この例においては同じようにシリコン基板２を有し、その基板中にシリコン・フォトダイオード１が検出器アレイを形成するために行及び列状に配置されている。その際シリコン・フォトダイオード１は図に示されるように検出面８を定める。このフォトダイオード１ないし検出面８上に変換器層３があり、この変換器層は二次元フォトニック結晶として形成され、従って二次元PBG構造を有する。層面内において即ち検出面８に平行に周期的に変化する屈折率を有するこの構造によって、入射するＸ線によりひき起されるルミネセンス放射の検出面８に平行なあらゆる方向における伝播は抑制される。しかしながら検出面８に垂直にはルミネセンス放射はほぼ妨げられることなく伝播し、従ってフォトダイオード１にぶつかり得る。図２はその例としてＸ線量子５の照射を示し、このＸ線量子は変換器層３内において可視光量子６を発生させる。この可視光量子６は変換器材料のフォトニック・バンドギャップに基づいてその下方にあるフォトダイオード１の方向又はその反対方向にだけ伝播し得る。このようにして隣接チャネルへの漏話は変換器層の内部的構成に基づくだけで阻止される。本実施例においては、変換器層３の表面上にさらに薄い金属層７が設けられ、この層は表面にほぼ垂直に出て来るルミネセンス放射の戻り反射のための反射鏡として用いられる。その際金属層の材料例えばアルミニウムは、入射して来るＸ線は妨げられることなく通過し得るように選ばれる。

本発明の放射検出器の変換器層３の製造のためには、種々の技術を用いることができる。変換器層のフォトニック格子の単位セルは、ルミネセンス放射の光の波長に相応する寸法を有し、例えば500nmの範囲にある。以下にこのような変換器層の製造のための４つの例を示す。

図４に極めて概略的に示されている第１の例においては、適切な大きさ例えば200〜400nmの、重合体球１０例えばポリスチロールからなる面心立方構造がセルフオーガニゼーションによって構成される。このことは例えば、これらの球のコロイド溶液を介して行うことができる。溶液からの分離はセルフオーガニゼーションの原理を利用する。懸濁液中の球は、緩慢な沈殿において、系の自由エネルギーの最小化の原動力に基づいて、好ましくは面心立方性の又は六角形状に極めて密なパックを形成する。球の分離は、懸濁液の溶媒の沈殿、蒸発によって、又は電気泳動的分離によって行われる。面心立方の層構造の製造後、空隙は細粒状の、場合によってはナノスケールの、セラミック性のＸ線発光物質１１で満たされる。この発光物質は結合剤をも含むのが好ましい。次いで、作られた層ないし作られた部材は一方向（作るべき変換器層の表面に垂直）に例えば加圧により圧縮されるか、又は強く引っ張られ、この方向の構造パラメータが使用されるＸ線発光物質のルミネセンス光の波長範囲におけるバンドギャップに対し不十分であるようにする。このプリ部材は次いで加熱段階（約600℃まで）で処理され、有機成分、特に重合体球、が熱分解的に取り除かれ、空隙１２が後に残される。続く第２の加熱段階でセラミック性の骨格構造が規則正しく配置された空隙１２を有する固体に焼結される。このようにして、Ｘ線発光物質からなるセラミックの骨格１３と空気で満たされた空隙１２との間に屈折率の所望の調整が生じ、この調整が層平面内の所望の方向に所望のバンドギャップを発生させる。このような層は２mmまでの厚さであり得る。

第２の例においては、変換器層の製造はいわゆるウッドパイル構造を構成することによって行うことができ、この構造はフォトニック結晶に対する従来技術から知られている。本発明の変換器層に対しこのような構造を作る際には、積み重ねられた棒構造が薄膜技術により組み立てられ、シンチレータ材料及び不活性材料、即ちＸ線ルミネセンスせず光を透過しない材料、が体系的に、必要なPBGディメンジョンに交代し合う。このようにしてまず三次元フォトニック結晶が生じる。ルミネセンス波長に対するバンドギャップが存在すべきでない空間方向は、単純な材料変更又はディメンジョン変更によって実現され得る。この製造技術においても、使用される材料との関係で、有機成分の熱分解的除去又は焼結プロセスが含められ得る。

第３の例においては、いわゆるヤブロノビッチ（Yablonovitch）構造に似た構造が組み立てられる。この構造は、既に述べたエイ、ヤブロノビッチ（A. Yablonovitch）の著作刊行物に述べられている。この構造中に存在する孔の代わりに、本発明の方法においては先ず0.2〜0.3μmの厚さの繊維が互いに上下に三次元ダイヤモンド構造に織り合せられる。必要なルミネセンスは、繊維そのもののドーピングによって、繊維の例えばセラミックスによる被層によって、又は織物間隙中へのルミネセンス材料の挿入によって得ることができる。合成材料は、そうして光伝播のための優先方向を形成するため圧力又は伸張によって単軸方向に変形され得る。繊維はこの変形の実施形態においてまた有機材料から、ルミネセンス媒体はグリーンセラミックスから構成することができる。この合成物を燃焼させると、有機構成成分は焼け落ち、セラミックスの骨格が残る。

第４の実施例においては、類似の繊維９が使用されるが、上下に織り合せられるのではなく、図３に示されるように、二次元に六角形の網目に束ねられる。必要なルミネセンスは、この場合も繊維そのもののドーピングによって、繊維の例えばセラミックスによる被層によって、又は織物間隙中へのルミネセンス材料の挿入によって得ることができる。その場合繊維の織り込みは行われる必要はなくなる。何故なら、六角形の配列がセルフオーガニゼーションによって生じるからである。繊維束は最後に板状体の繊維軸に垂直に鋸びきされ、その結果繊維９は変換器層３において検出面８に垂直に立つ。他の変形においては、長い繊維の代わりに既に短くされた繊維片又はドーピングされたナノチューブを使用することができ、その結果繊維板状体の鋸びきは必要でなくなる。

変換器層の製造のための上述の各例はもちろんそれですべてであると見られるべきではない。さらに正確にいえば変換器層の必要なフォトニック結晶構造を発生せしめ得る変換器層の製造のための他の方法も使用し得るものである。

従来技術による放射検出器の構成の一例の概略図である。本発明による放射検出器の構成の一例の概略図である。本発明の放射検出器の変換器層を製造する際の繊維の配置のための一例の概念図である。本発明の放射検出器の変換器層を製造するための他の一例の概略図である。

符号の説明

１シリコン・フォトダイオード
２シリコン基板
３変換器層
４分離隔壁
５Ｘ線量子
６光量子
７金属層
８検出面
９繊維
１０重合体球
１１セラミック材料
１２すき間
１３骨格

Claims

相並んで配置され検出面（８）を定める複数の光検出器素子（１）と、その上方に置かれ第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する変換器層（３）とを備え、光検出器素子（１）は第２の波長範囲の放射に感応性である放射検出器において、変換器層（３）が少なくとも二次元フォトニック結晶として形成され、このフォトニック結晶は第２の波長範囲の放射に対し検出面（８）に平行なあらゆる方向において少なくとも減ぜられた透過性を有することを特徴とする放射検出器。
変換器層（３）が、第２の波長範囲の放射に対し検出面（８）に平行なあらゆる方向においてフォトニック・バンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載の放射検出器。
変換器層（３）が、入射する第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する材料と第２の波長範囲の放射に対し透過性の第２の材料とからなることを特徴とする請求項１又は２記載の放射検出器。
第２の材料が変換器層（３）の面心立方配列中に存在することを特徴とする請求項３記載の放射検出器。
第２の材料がガス、特に空気であることを特徴とする請求項３又は４記載の放射検出器。
変換器層（３）上に、出て来る第２の波長範囲の放射を変換器層へ戻り反射させるための反射層（７）が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１つに記載の放射検出器。
変換器層（３）が、Ｘ線変換発光物質又はシンチレータ材料を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の放射検出器。
変換器層（３）が、Ｘ線、ガンマ線を光線に変換することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の放射検出器。
光検出器素子（１）がフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の放射検出器。
光検出器素子（１）が行及び列状に相並んで配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の放射検出器。
相並んで配置され検出面（８）を定める複数の光検出器素子（１）を有する基板が準備され、入射する第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する変換器層（３）が光検出器素子（１）上に設けられ、変換器層（３）は少なくとも二次元フォトニック結晶として作られ、この結晶は第２の波長範囲の放射に対し検出面（８）に平行なあらゆる方向においてフォトニック・バンドギャップ又は少なくとも減ぜられた透過性を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の放射検出器の製造方法。
変換器層（３）の製造が、有機材料からなるフォトニック結晶構造、特に少なくともほぼ六角形又は面心立方の構造、の構成、第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換するセラミック材料（１１）による構造の間隙の充填及び続く熱処理によって行われ、熱処理において有機材料が焼いて除かれ、セラミック材料（１１）が焼結されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
フォトニック結晶構造の構成のために、重合体材料からなる繊維又は球（１０）が使用されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
変換器層（３）の製造が、第２の波長範囲の放射に対し透過性であり第１の波長範囲の放射を第２の波長範囲の放射に変換する材料でドープされるか被層されている繊維（９）又はナノチューブからなるフォトニック結晶構造、特に少なくともほぼ六角形又は面心立方の構造、の構成によって行われることを特徴とする請求項１１記載の方法。
変換器層（３）を製造するために、あらゆる空間方向において第２の波長範囲の放射に対しバンドギャップ又は少なくとも減ぜられた透過性を有する三次元フォトニック結晶構造が先ず作り上げられ、次いでこの結晶構造が検出面に垂直な空間方向において機械的に引き伸ばされるか圧縮されることにより、第２の波長範囲の放射に対しこの空間方向におけるバンドギャップ又は減ぜられた透過性が相殺されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の方法。