JP2016504567A - 検出器結晶のためのサブバンド赤外照射 - Google Patents

Abstract

本発明は、入射放射線を電気信号に変換する直接変換半導体層による放射線検出に関する。サブバンド赤外（ＩＲ）放射は、放射線を受ける際に直接変換半導体材料における分極を大きく減らし、それにより、計数が、より高い管電流においてベースラインのシフトなく可能になる。ＩＲ照射装置は、読み出し回路に集積され、ＩＲ照射装置が集積された読み出し回路には結晶がフリップチップ接合され、４辺突き合わせ可能な結晶を実現する。

Description

本発明は、放射線検出器の分野に関し、非制限的な例として、入射放射線を電気信号に変換する直接変換半導体層を有するＸ線検出器のような、放射線検出器の分野に関する。より具体的には、本発明は、例えば人間の医用イメージング又は他の目的のための光子計数（エネルギー分解）検出器の分野に関する。

直接変換半導体層を有するＸ線検出器は、個別のＸ線量子又は光子が、定量的に及びエネルギー選択的に検出されることを可能にする。このタイプのＸ線検出器の場合、入射Ｘ線光子は、半導体材料を有する部分的に多段階の物理的相互作用プロセスのために、半導体層に電子−正孔対の形の自由電荷担体を生成する。例えば、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ（ＣＺＴ）、ＣｄＴｅＳｅ、ＣｄＺｎＴｅＳｅ、ＣｄＭｎＴｅ、ＩｎＰ、ＴＩＢｒ２又はＨＧＩ２の形の半導体材料は、これらの材料が医用イメージングのエネルギーレンジ内で高いＸ線吸収を有するという理由で、Ｘ線光子を検出するのに適している。一例として、ＣＺＴは、それが室温で動作するとともに毎秒１平方ミリメートルにつき百万より多くの光子を処理することができるという点で、シリコン及びゲルマニウム検出器と比較してユニークである。ＣＺＴの分光解像度は、ほとんどの他の検出器を上回る。

Ｘ線光子に対応する吸収イベントを検出するために、各電極が、半導体層の２つの面にフィットされ、電圧が、電界を生成するように電極に印加される。吸収イベントの空間的に分解された検出のために、一方の電極は、ピクセル化された態様で実現され、読み出し電極と呼ばれる。その反対側に配置される他方の電極は、通常は平坦な態様で実現され、反対電極と呼ばれる。これらの電極（すなわちアノード及びカソード）の間に生成される電界において、自由電荷担体は、電荷のタイプ及び電極の極性に依存して加速され、電極において電流の形で電気信号を誘起する。電流は、例えば評価ユニットによって、評価信号に変換され、その大きさは、電流曲線の面積積分に比例し、ゆえに、入射Ｘ線光子によって自由にされる電荷の量に比例する。こうして生成された評価信号は、その後パルス弁別器に伝達され、パルス弁別器は、閾値を利用したやり方でＸ線を検出する。

光子計数エネルギー分解スペクトルコンピュータトモグラフィ（ＰＣＳ―ＣＴ）検出器は、医療ＣＴにおける次の大きなステップになると期待されている。個々の光子は、２０Ｍｃｐｓ／ｍｍ^２の光子計数レートでそれらのエネルギーに関して計数され、粗く特徴づけられることができるので、そのような検出器は、シンチレーション（電離放射線によって励起された発光の特性）を呈し及びＣＺＴより非常に遅いシンチレータに代わって、Ｃｄ［Ｚｎ］Ｔｅのような直接変換材料によって構築される必要がある。将来のガーネットベースのシンチレータの場合、これは変わりうるが、このような装置の場合には、光を電気信号に変換しなければならない非常に速いフォトダイオードも更に必要とされる。それゆえ、Ｃｄ［Ｚｎ］Ｔｅのような現在の直接変換材料が、ＰＣＳ―ＣＴに関して好ましいオプションのままである。

しかしながら、ＣＺＴ材料は、Ｘ線によって照射されるとき、分極される傾向、すなわちピクセルボリュームに空間電荷を形成する傾向があり、空間電荷は、印加される電界を弱め、それにより、ＣＺＴ材料とＸ線光子との相互作用の際に生成される電子―正孔対は、もはやアノード及びカソードの方へ十分に速くはドリフトしない。結果として、不十分な電荷が集められ又は電荷は集められず、測定結果が間違ったものになる。これは図４ａに示されており、図４ａは、４つのそれぞれ異なる閾値（３０ｋｅＶ、３３ｋｅＶ、３６ｋｅＶ、５１ｋｅＶ）による４つの異なるエネルギーチャネルＣｈ１乃至Ｃｈ４を通じて１００μｓの１２０００の短い測定期間にわたる測定カウントを示す。２０００の測定期間の前に、Ｘ線照射が始まり（シャッタが開かれ）、約７０００測定期間のところで、Ｘ線照射が止まる（シャッタが閉じられる）。Ｘ線照射の開始後の検出材料ボリュームにおける分極効果のため、カウント数は、のちの測定期間の間降下する。生じる空間電荷は電界を弱め、従ってより少ない電子がアノードに達し、これは、減少したカウント数に現れる。実際の閾値に依存して、この降下は、異なる時点に観察される。

本発明の目的は、変換材料内においてより少ない分極を呈するより効果的な放射線検出を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の放射線検出器、請求項１１に記載の検出方法、及び請求項１２に記載の製造方法によって達成される。

それに応じて、放射線光子は、直接変換材料のピクセル内における分極傾向を減少させ、ゆえに、より高いＸ線フラックスでの計数が可能になる。付加される赤外光は、深いトラップがリリースされるようにし、それにより、空間電荷が生まれないようにする。より具体的には、サブバンド赤外光を使用することにより、検出される放射線は、単に直接変換材料によって吸収されないのではなく、電子―正孔対（例えば欠損状態で）を生成することができる。提案される赤外線照射が、メタライゼーションがない側から行われる場合、赤外光は吸収されず（厳密に言えば：欠損状態によってのみ吸収される）、それにより、赤外光源から最も離れているピクセルもが、充分なサブバンド赤外光を受け取る。

第１の見地によれば、複数の赤外放射源が、直接変換半導体層のバンドギャップより小さい光子エネルギーを有するサブバンド赤外線により、直接変換半導体層を照射するように適応される。バンドギャップより小さいエネルギーを有する放射光子は、直接変換材料のピクセル内における分極傾向を低減する。

第１の見地と組み合わせられることができる第２の見地によれば、複数の赤外放射源は、赤外線源層に設けられることができ、赤外放射源層は、直接変換半導体層と基板の読み出しチップとの間に配置され、ピクセルパッドを通じて直接変換半導体層にフリップチップ接合される。フリップチップ接合を有するこのような構造は、４辺突き合わせ可能（4-side-buttable）な構造のため、高い実装密度を可能にする。

第１又は第２の見地と組み合わせられることができる第３の見地によれば、複数の赤外放射源の各々は、ピクセルパッドの間隙部分に配置されることができ、すなわち、直接変換材料がパッドメタライゼーションによってカバーされていない部分に配置されることができる。このことにより、少なくとも赤外放射線の一部は、電極メタライゼーションによるいかなる減衰もなく、直接変換半導体層に入射することができる。

第１乃至第３の見地と組み合わせられることができる第４の見地によれば、赤外線源層は、ピクセルパッドを、読み出しチップ上の関連する接点部分に電気的に接続するためのスルー接続部分を有することができる。この方策は、配線の複雑さを低減し、こうして実装密度を一層増大させる。

第１乃至第４の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第５の見地によれば、複数の赤外線源は、異なる波長のサブバンド赤外線放射を有する赤外線源をそれぞれが有する複数のグループを構成することができる。こうして、赤外線照射の効率は、より広い放射線スペクトルを供給することによって増大されることができる。第４の見地のより特化した実現例において、複数のグループのうち１つのグループの各赤外線源は、直接変換半導体層の別個のピクセルパッドの異なる角に配置されることができる。このことにより、それぞれ異なる波長の空間分布が、バランスされることができる。

第１乃至第５の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第６の見地によれば、複数の赤外線源は、アノード側から直接変換半導体層を照射するように構成されることができる。これは、アノード電極が間隙部分を備えるので、電極メタライゼーションによる放射損失が減らされることができるという利点を提供する。

第１乃至第６の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第７の見地によれば、赤外線源の各々は、放射線検出器のピクセルのサブセットに割り当てられることができる。これは、赤外線源の数を減らし、より高い実装密度を可能にする。

第１乃至第７の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第８の見地によれば、直接変換半導体層は、Ｃｄ［Ｚｎ］Ｔｅ結晶で作られることができる。この材料は、速い光子計数を可能にする。ここで、Ｃｄ［Ｚｎ］Ｔｅという表現は、２つの材料ＣｄＴｅ及びＣｄＺｎＴｅ（すなわちＣＺＴ）を表すために使用される。

第１乃至第８の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第９の見地によれば、製造プロセスは、複数の赤外放射源を有する赤外線源層を、直接変換半導体層と読み出しチップとの間に配置することを含むことができる。

第１乃至第９の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第１０の見地によれば、製造プロセスは、接続される又は集積される赤外放射源を有する読み出しチップに、直接変換半導体層を結合することを含むことができる。

第１乃至１０の見地のいずれか１つと組み合わせられることができる第１１の見地によれば、製造方法は、読み出しチップに赤外線源層を取り付ける前に、直接変換半導体層をテストするために、その赤外線源層を介在物として使用することを含むことができる。これにより、提案される付加の赤外放射の効果が、製造プロセス中に評価されることができる。

請求項１に記載の放射線検出器、請求項１１に記載の検出方法及び請求項１２に記載の製造方法は、特に従属請求項に記載されるようなものと同様の及び／又は同一の好適な実施形態を有することが理解される。

本発明の好適な実施形態は更に、それぞれの独立請求項と従属請求項の任意の組み合わせでありうることが理解されるべきである。

本発明のこれら及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

第１の実施形態による放射線検出器の断面を例示的且つ概略的に示す図。 第１の実施形態による放射線検出器の上面を例示的且つ概略的に示す図。 さまざまな異なる赤外波長に関する第２の実施形態による放射線検出器の例示的且つ概略的な上面図。 赤外線ＬＥＤ照射のない場合に複数の短い測定期間にわたって測定されたカウントを示す図。 赤外線ＬＥＤ照射のある場合に複数の短い測定期間にわたって測定されたカウントを示す図。

図１は、第１の実施形態による放射線検出器の断面を概略的に及び例示的に示している。赤外線ＬＥＤ層１０は、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のような４辺突き合わせ可能なＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）読み出し回路又はチップ５０と、ＣＺＴ結晶６０との間に配置される。ＣＺＴ結晶６０は、ピクセルパッド２０を通じて、読み出しを行う基板（すなわち赤外線ＬＥＤ１０及び読出しチップ５０）にフリップチップ接合される。より具体的には、赤外線照射装置（すなわち赤外線ＬＥＤ層１０）は、読み出しチップ５０に集積化され、それに、ＣＺＴ結晶６０がフリップチップ接合されて、電気入力／出力回路がそのエッジではなくデバイスの下に配置される４辺突き合わせ可能な結晶が達成される。この３次元実装は、複数の放射線検出器の極めて近接したスペーシングを可能にする。

光子がバンドギャップより小さいエネルギーを有するサブバンド赤外線ＬＥＤ光による照射は、ＣＺＴ結晶６０のピクセル内における分極傾向を低下させ、それにより、より高いＸ線フラックスの計数が可能になる。しかしながら、側方からの赤外線照射は、それが３辺突き合わせ可能な検出器モジュールのみを可能にするという不利益を有する。４辺突き合わせ可能な検出器をサポートするために、赤外線照射が、カソード側（すなわち図１の上側）から行われることができ、その場合、カソードのメタライゼーション（図示せず）は、それが薄いので、おそらく障壁にならない。しかしながら、赤外線ＬＥＤ層１０は、Ｘ線ビーム内にある。代わりの選択肢として、赤外線照射が、アノード側（すなわち図１の下側）から行われることができる。これは、アノード側には金属化されていない領域があるという理由で有利である。これらのピクセル間隙が照射される場合、赤外線照射は一層改善される。

それゆえ、図１に示されるように、読み出しチップ５０の読み出し電子部品のピクセルが、それぞれのソルダーバンプ及びスルー接続部分４０を通じて、ＣＺＴ結晶６０のピクセルパッド２０に直接に結合される。加えて、赤外線ＬＥＤ層１０のための給電接点４２が設けられる。読み出し回路を有する基板は、読み出し電子部品のほかに、１又は複数のサブバンド赤外線ＬＥＤ源３０を実現する。任意には、第２の実施形態に関連して後述されるように、それぞれ異なる赤外光波長が使用されることができる場合、１ピクセルあたり２以上の赤外線ＬＥＤ源３０が実現されることができ、これは、それは異なるエネルギーの深いトラップのより多くの電荷をリリースするのを助けることができる。

代替として、ピクセルのサブセットにのみ赤外線ＬＥＤ源３０を実現することが十分でありうる。赤外線ＬＥＤ源３０は、ＣＭＯＳと異なるＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ材料から製造されることができるので、赤外線ＬＥＤ源３０は、別の基板（すなわち赤外線ＬＥＤ層１０）上に実現されることができ、これは、ＣＭＯＳ技術で製造される読み出しチップ５０の読み出し電子部品にフリップチップ接合される。これについては、例えばMcKendry他の"Individually addressable AlInGaN micro-LED arrays with CMOS control and subnanosecond output pulses", IEEE Photonics Techn Let, Vol. 21, No. 12, June 15, 2009.に述べられている。読み出しチップ５０のＣＭＯＳ基板は、各ピクセルごとに接点パッドを実装し、赤外線ＬＥＤ層１０のための電力供給を更に実現することができる。赤外線ＬＥＤ層１０は、スルー接続部分４０によってピクセルパッド２０とスルー接続し、それにより、赤外線ＬＥＤ層１０が、ＣＺＴ結晶５０にフリップチップ接合される。赤外線ＬＥＤ層１０上の赤外線ＬＥＤ源３０の発光するドットは、ピクセル間隙を照射し、又はピクセルパッド２０の薄いパッドメタライゼーションを通じて照射する。

更に、製造プロセス中、ＬＥＤ赤外線層１０は、ＬＥＤ赤外線層１０を読み出し電子部品に取り付ける前に、ＣＺＴ結晶６０をテストするために介在物として使用されることができ、従って、ＬＥＤ赤外線層１０を取り付けた後、ＣＺＴ結晶６０は、赤外線光の照射を伴って、エネルギー分解されたＸ線光子検出のためのその性能に関してテストされることができる。こうして、考えられるＣＺＴ結晶６０が、付加される赤外照射によりその性能をどの程度高めることができるかを測定することが可能である。

図２は、第１の実施形態による放射線検出器の上面図を概略的に及び例示的に示しており、単一の赤外波長について赤外線ＬＥＤ層上１０に赤外線ＬＥＤ源３０の２Ｄ配置が施されている。図２から分かるように、赤外線ＬＥＤ源３０は、ＣＺＴ結晶６０（図２に示さず）のピクセルパッド２０の間のピクセル間隙に配置される。

図３は、４つの異なる赤外波長を提供する赤外線ＬＥＤ源３２の２Ｄ配置を有する第２の実施形態による放射線検出器の（アノード側を向いた）上面図を概略的に及び例示的に示している。第２の実施形態において、異なる赤外波長の４つの赤外線ＬＥＤ源３２が、ＣＺＴ結晶６０（図３において図示せず）の隣接ピクセルパッド２０のエッジに配置されている。

上述の第１及び第２の実施形態において、赤外線ＬＥＤ源３０、３２は、ＣＭＯＳ読み出しチップ５０に集積化されることができる。例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）が、シリコンＣＭＯＳ ＡＳＩＣに集積されることができる。このような集積化に関して、実施形態の更なる簡略化が可能である。

図４ｂは、図４ａと同様の図であるが、付加される赤外線ＬＥＤ照射（８８０ｎｍ）により４つの異なる閾値（３０ｋｅＶ、３３ｋｅＶ、３６ｋｅＶ、５１ｋｅＶ）を用いて４つの異なるエネルギーチャネルＣｈ１乃至Ｃｈ４を通じて１００μｓの短い測定期間の幾つかにわたって測定された光子数を示している。図４ｂから分かるように、赤外光は、計数レートの降下を消滅させ、これは、空間電荷が生じないように深いトラップがリリースされることにより説明されることができる。提案されるサブバンド赤外放射線によって、赤外光は、単にＣＺＴ材料によって吸収されるのではなく、（欠損状態により）電子―正孔対を生成することができる。図４ｂの図の基礎をなす実験において、赤外線照射は、側面から行われることができる。光が吸収されないので、光源から最も遠くにあるピクセルも、充分なサブバンド赤外線光を受け取る。

要するに、入射放射線を電気信号に変換する直接変換半導体層を有する放射線検出が記述されている。サブバンド赤外線（ＩＲ）照射は、照射される際の直接変換半導体材料における分極を低減させるので、計数が、より高い管電流においてもベースラインシフト無しに可能である。赤外線照射装置は、読み出し回路に集積化され、そこに、結晶がフリップチップ接合されて、４辺突き合わせ可能な結晶を実現する。

上述した実施形態において、検出される放射線はＸ線であるが、他の実施形態では、他のタイプの放射線が使用されることができる。例えば、放射線源は、例えば可視波長レンジのような他の波長レンジ内の光を生成する放射線源でありうる。放射線源は、レージング装置でありうる。
更に、前述の実施形態では、サブバンド赤外光が記述されているが、他の放射線波長も、分極効果を減らすことが可能でありうる。それゆえ、本発明は、サブバンド放射線に制限されることを意図しない。記述されている赤外線源は、赤外線ＬＥＤ３０に代わって赤外線レーザダイオード又は他の波長を有する他の線源であってもよい。更に、読み出しチップ５０は、ＣＭＯＳ技術に制限されることを意図せず、他の任意の半導体技術に基づいて実現されることもできる。直接変換材料は、ＣＺＴに限定されない。そうではなく、ＣｄＴｅ、ＣｄＴｅＳｅ、ＣｄＺｎＴｅＳｅ、ＣｄＭｎＴｅ、ＩｎＰ、ＴＩＢｒ２又はＨＧＩ２の形の他の任意の適切な半導体が、Ｘ線又は他の放射線光子を検出するために、ＣＺＴ結晶６０の代わりに使用されることができる。

開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され達成されることができる。

図面は概略的に示されているにすぎない。例えば、それらは一定の比率で描かれておらず、すなわち、例えば電極は、図に示されるよりも薄い。

請求項において、「有する、含む（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外しない。

単一のユニット又は装置が、請求項に記載されるいくつかのアイテムの機能を達成することができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

請求項に記載の参照符号は、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. ａ）入射放射線を電気信号に変換する直接変換半導体層と、
   ｂ）前記直接変換半導体層に配されるピクセルパッドを通じて前記電気信号を受け取る読み出し電子部品を有する基板と、
   ｃ）前記基板に接続され又は集積化され、前記直接変換半導体層を照射するように構成される複数の放射源と、
   を有する放射線検出器。
2. 前記複数の放射源は、前記直接変換半導体層のバンドギャップより小さい光子エネルギーを有するサブバンド赤外放射により前記直接変換半導体層を照射するように構成される、請求項１に記載の放射線検出器。
3. 複数の赤外放射源が、前記直接変換半導体層と前記基板の読み出しチップとの間に配された赤外線源層に設けられ、前記赤外線源層は、前記ピクセルパッドを通じて前記直接変換半導体層にフリップチップ接合される、請求項１に記載の放射線検出器。
4. 前記複数の赤外放射源の各々が、前記ピクセルパッドの間隙部分に配される、請求項３に記載の放射線検出器。
5. 前記赤外光源層が、前記読み出しチップ上の関連する接点部分に前記ピクセルパッドを電気的に接続するスルー接続部分を有する、請求項３に記載の放射線検出器。
6. 複数の赤外線源が、それぞれ異なる波長のサブバンド赤外放射をもつ個々の赤外線源を各々が有する複数のグループを構成する、請求項１に記載の放射線検出器。
7. 前記複数のグループのうち１つのグループの各赤外線源が、前記直接変換半導体層の個別のピクセルパッドの異なる角に配される、請求項６に記載の放射線検出器。
8. 複数の赤外線源が、アノード側から前記直接変換半導体層を照射するように配される、請求項１に記載の放射線検出器。
9. 赤外線源の各々が、前記放射線検出器のピクセルのサブセットに割り当てられる、請求項１に記載の放射線検出器。
10. 前記直接変換半導体層が、Ｃｄ［Ｚｎ］Ｔｅ結晶で作られている、請求項１に記載の放射線検出器。
11. 放射線を検出する方法であって、
    ａ）直接変換半導体層において、放射線を電気信号に変換するステップと、
    ｂ）前記直接変換半導体層に配されたピクセルパッドを通じて、読み出しチップにおいて前記電気信号を受け取るステップと、
    ｃ）前記読み出しチップに接続され又は集積された複数の放射源による放射によって、前記直接変換半導体層を照射するステップと、
    を含む方法。
12. 放射線検出器を製造する方法であって、
    ａ）入射放射線を電気信号に変換する直接変換半導体層に、複数のピクセルパッドを配するステップと、
    ｂ）前記ピクセルパッドに、前記電気信号を受け取る読み出しチップを接続するステップと、
    ｃ）前記読み出しチップに、複数の赤外放射源を接続し又は集積化するステップと、
    を含む方法。
13. 前記複数の赤外放射源を有する赤外線源層を、前記直接変換半導体層と前記読み出しチップとの間に配するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記接続され又は集積された赤外放射源を有する前記読み出しチップに、前記直接変換半導体層をフリップチップ接合するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記読み出しチップに前記赤外線源層を取り付ける前に、前記直接変換半導体層をテストするために前記赤外線源層を介在物として使用するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。

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