JP4037917B2 - Ｘ線検出素子及び該素子の作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、Ｘ線検出素子及び該素子の作動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ断層撮影用のＸ線検出素子には種々異なる要求が課せられる。Ｘ線ビームは比較的高い感度でできるだけ障害を受けずに電気信号に変換されるべきである。またＸ線強度と電気信号レベルとの間では可及的に良好な比例特性を備えた感度に広いダイナミックレンジが求められる。このダイナミックレンジの時間的な応答特性は迅速たるべきであり、また測定信号は約１ｍｓ後には十分に減衰されるべきである。その他にも検出素子の長期的安定性も求められる。
【０００３】
これまでに使用されてきたコンピュータ断層撮影用のＸ線検出素子にはＸ線ビーム検出のための種々異なる物理的原理が用いられている。例えばガスの充填された電離箱においてはＸ線ビームのイオン化特性が用いられる。イオン化ガス中に生ぜしめられた電荷は直接検出することができる。
【０００４】
シンチレータ方式により作動する検出器においては種々異なる結晶性螢光体の発光特性が用いられる。この螢光体はＸ線ビームを可視にする。これによりＸ線ビームは肉眼又は光電膜又は光検出器に対して可視となる。
【０００５】
電気信号へのＸ線ビームの直接変換は例えば単結晶ゲルマニウム半導体材料からなるｐｎ−ダイオードを用いて行うことができる。Ｘ線ビームの直接検出のために光起電力効果を利用することは既に提案されている。
【０００６】
電離箱による局所分解能のＸ線検出器は製造プロセスに手間がかかり、Ｘ線ビームを電気パルスに変換する際の効率もほんの僅かである。これは検査すべき患者に対する放射線の負担を大きくする。
【０００７】
螢光体は基本的には良好にマッチするが、しかしながら装置化にはコストがかかる。またシンチレータとその検出に要する光検出器との間の障害を被り易い接続によっても新たな問題が生じる。この場合はそれに加えて変換の際の電気的な損失も甘受せざるを得ない。
【０００８】
ゲルマニウムからなる半導体ダイオードは液体窒素による冷却を必要とする。なぜならゲルマニウムのバンド（エネルギ）ギャップが比較的僅かなため熱雑音が高まるからである。この冷却は特に個々のＸ線検出器の検出アレイを、透過すべき被検体の回りで移動させなければならないコンピュータ断層撮影の場合には多大なコストと手間がかかる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記したような公知Ｘ線検出器の欠点を解消し、比較的高い効率でＸ線ビームを電気信号に変換することができ、かつ局所分解能が可能で製造も容易なＸ線検出器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば上記課題は、その抵抗率が１０^７Ω・ｃｍよりも大きい結晶性半絶縁性半導体基体を有する薄膜によって形成された光電抵抗ないし光導電体が設けられており、前記半導体基体は、ＧａＡｓ，ｃｄＴｅ，ｃｄＳｅ，ＨｇＴｅ，Ｃｕｌｎ_ｘＧａ_{１ - ｘ}Ｓｅ_{２ - ２ｙ}Ｓ_２ｙ（１≧ｘ，ｙ≧０）からなるグループの中から選択された材料で形成されており、さらに前記半導体は、相対向する表面を有しており、複数の電極が設けられており、該複数の電極は、前記半導体基体の相対向する表面上に配列され、Ｘ線に対する入力面として定められており、前記入力面は、前記相対向する表面に対して実質的に垂直に配向されており、前記半導体基体は、前記相対向する各表面における電極の直ぐ下方にフラットな層領域を有しており、コンデンサが設けられており、定電圧源が設けられており、前記定電圧源は、前記コンデンサに並列に接続され、さらに前記電極への定電圧の充電と、前記電極間で前記半導体基体を通して実質的に均一の電界を形成するために当該電極に接続されており、前記光導電体の入力面に入射するＸ線の結果として当該光導電体を通って流れる光電流を検出する測定装置が設けられている構成によって解決される。
【００１１】
本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。
【００１２】
化合物半導体はゲルマニウムに比べて有利な荷電キャリヤ特性（ｋｅｒｎｌａｄｕｎｇｓｖｅｒｈａｅｌｔｎｉｓ）を有しており、そのためＸ線ビームの吸収率が高い。また化合物半導体は単結晶で比較的高い品質と純度で製造され得る。有利な単結晶半導体においては吸収したＸ線ビームによって生成される荷電キャリヤが最長の寿命と最大の運動能力を有する。これにより、印加された電場における多数電荷キャリヤが事前の再結合なしに分離され、電極において測定可能な電流として読出されることが保証される。Ｘ線ビームの高い吸収効率と電気信号への直接的な変換はＳ／Ｎ比が１０³よりも大きい半導体によっても得ることができる。本発明による検出素子は半導体のバンド（エネルギ）ギャップがゲルマニウムよりも高いため室温でも使用可能である。
【００１３】
半導体は内部において高純度であり、ほとんど補償的なドーピングしかされていないが、しかしながら電極下方にはそれぞれ１つの扁平な高ドーピング領域を有している。このことは半導体と電極との間の良好なオーム接点と、半導体全体に亘って均一で安定した電場を補償する。それにより空間的に限定されたショットキ−接点又はｐｎ−接合部よりも高い荷電キャリヤのドリフト−集電効率が可能となる。なぜなら前者では電荷搬送に対する拡散の関与の度合いがほんの僅かな弱い電場領域が存在しているからである。その他にも少数電荷キャリアの短寿命が光起電力方式における半導体においては臨界的となる。
【００１４】
典型的には光電抵抗モードにおいて抵抗率ρ＝１０⁷〜１０⁹Ω・ｃｍの半絶縁性半導体を用いると有利である。なぜならこの半導体には帯電可能な障害個所がほとんど含まれていないからである。このような障害個所の電荷キャリアによっては内部の電場変化や過度に長い電荷補償作用が引き起こされる。
【００１５】
本発明による検出素子の別の重要な特徴は定電圧源である。この定電圧源は、測定信号が光電抵抗の電極の印加電圧に依存するため重要である。電圧の変化は測定信号の変化も引き起こし、それと共にノイズが高まる。あるいは有効なＳ／Ｎ比を悪化させることとなる。
【００１６】
前記定電圧源としては例えば十分な電流容量のバッテリか又は蓄電池が適している。光電抵抗の電極に印加する電圧は例えば８Ｖ〜３０Ｖの範囲にすることができる。いずれにせよ降伏電圧以下におかれる。検出素子の短絡を回避するために光電抵抗はバイアス抵抗と直列に接続される。この場合前記バイアス抵抗は有利には光電抵抗と同じオーダを有している。測定装置は光電抵抗に並列に接続され、暗電流の分離のためにこの抵抗と容量結合される。大きく変動する光電流のもとで安定した電位を維持するために電圧源に対して付加的にコンデンサが並列に接続される。
【００１７】
【実施例】
次に本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
有利な半導体材料としてはガリウムヒ素ＧａＡｓが選択される。このガリウムヒ素はその元素のオーダ数からＸ線ビームの吸収に対してはゲルマニウムと比較可能である。しかしながらガリウムヒ素は１.４３ｅＶのバンドギャップを有しているため、室温のもとでの検出器の作動に対してはゲルマニウムに比べて非常に良好に適合する。有効な結晶品質に関してもガリウムヒ素は比較可能な化合物半導体の中でも上級のものである。
【００１９】
検査装置に対しては厚さ０.６ｍｍのガリウムヒ素ウエハが選定される。このウエハは２.２×１０⁷Ｏｈｍ・ｃｍの抵抗率を有する。
【００２０】
図１：第１のステップでは半導体構成体１として用いられるガリウムヒ素ウエハの両側に、電極として用いられる層がオームコンタクト７として被着される。それに対してまず扁平な高濃度ドープ領域２がウエハ表面の両側に生成される。それにより例えば深さ約２００ｎｍのｎ⁺−ドーピングが拡散か又は移植によって生ぜしめられる。この領域は良好な荷電キャリヤの収集とオームコンタクトへの次のステップの容易化のために用いられる。これは本来の金属電極層に対する拡散領域３を表わしている。それに対して例えば厚さ１３ｎｍのゲルマニウム層が高濃度ドープ層領域２上にデポジットされる。次に第１の金属接点層４（例えば厚さ２７ｎｍのゴールド層）がそれに続く。さらに別の拡散障壁層５（例えば厚さ１０ｎｍのニッケル層）が続く。最後に本来の電極層（これは例えば厚さ３００ｎｍのゴールド接触層からなる）が続く。
【００２１】
オームコンタクト層７のデポジットに対しては慣用の薄膜技術を用いてもよい（例えば蒸着、スパッタリング、電気的又は非電気的金属化手法等）。ここにおいて選択されたオームコンタクト層７に対する層組合せは既にガリウムヒ素からなるマイクロ波−電子構成素子用の接点として公知である。もちろんその他の電極材料を使用することも可能である。しかしながら良好でかつ長期的にも安定したオームコンタクトを半導体に対して構成し、長期的作動の場合にも半導体特性が拡散によって損なわれないようにすることが前提とされる。
【００２２】
前記したようなオームコンタクトを備えたウエハからは約１.５ｃｍ²の大きさのサンプルが光電抵抗８として選択され、切断される。この光電抵抗８にはまず電気的接点が設けられ、さらに図２に示されているような測定回路に接続される。それに対して光電抵抗８は定電圧源９としての１８Ｖのバッテリに接続され、バイアス抵抗（１ＭΩ）１０に直列に接続される。電圧源９に並列に電界コンデンサ１１（４μＦ）が接続され、さらにこれに対して並列に別のコンデンサ１２（１００ｎＦ）が接続される。測定器１４は光電抵抗８に並列に接続され、第３のコンデンサ１３（１μＦ）を介して切換回路に結合される。
【００２３】
この回路は給電部と光電抵抗を含めて１つのケーシング内に組み込まれる。このケーシングは例えば０.５ｍｍのアルミニウム板からなり、光電抵抗８を外部からの電気的な障害や光の侵入から保護するために用いられる。
【００２４】
測定器１４としては１０μＶ／ｃｍの最小入力感度で１ＭΩの入力抵抗を有するオシロスコープが用いられる。
【００２５】
ここにおいて装置は抵抗検出器の端面から電極７に対して平行にＸ線ビームを照射される。
【００２６】
サンプルとして前記装置において約１ＭΩの暗抵抗が示される。それに応じて約１０²Ｖ／ｃｍの試験電界強度のもとで約１０μＡの暗電流が生じる。生ぜしめられたＸ線パルスは４５ｍｓのシーケンスの中で２ｍｓの持続時間を有している。Ｘ線管は光電抵抗に対して２５ｃｍの間隔を空けて配置され、さらに８ｍｍ厚のアルミニウム薄片でフィルタリングされる。Ｘ線発生器の出力は被透過体の種々異なる吸収率をシミュレーションするために２０ｋＶ〜５５ｋＶの間で変えられる。オシロスコープにおける試験信号は０.１ｍＶ〜２Ｖの間で測定される。これは２×１０⁴のダイナミックレンジに相応する。
【００２７】
オシロスコープ１４において観察される測定信号の形状はほぼ矩形である。これはＸ線ビームの照射中断の際の光電抵抗の良好な応働と光電流の迅速な減衰に結び付く。信号電流と暗電流の商から形成される信号対雑音比は出力５５ｋＶのＸ線発生源のもとでは７×１０³となる。
【００２８】
前記したガリウムヒ素光電抵抗と同じ様な形式でさらにオームコンタクトを備えた別の化合物半導体サンプルに、同じような測定装置における光電抵抗８としてパルス状Ｘ線ビームを印加してもよい。光電抵抗８に対して選定された半導体材料の変化特性データに応じて測定回路中の特性量も変化する。以下の表はその場合に得られた測定値に関するデータを表わすものである。
【００２９】
【表１】

【００３０】
これは本発明による検出素子が他の半導体材料からなる光電抵抗を用いてもＸ線ビームの検出の際にはそれぞれ１０³よりも大きい信号対雑音比を有していることを表わしている。その他の前記表には示されていない二元又は三元の化合物半導体に対しても同様に当てはまる。
【００３１】
高いＳ／Ｎ比（これは高感度のしるしである）のために本発明による検出素子は特に人体のＸ線検査に適している。本発明による検出素子は吸収したＸ線ビームを直接変換するので、測定された変換効率（７％）も理論的な変換効率も検出素子の効果が公知のＸ線検出器に比べてが２０％以上アップする。それにより例えばシンチレーション検出器の場合変換効率だけで４％まで測定される。またＳ／Ｎ比もＳｉ−ダイオードを有するシンチレータの場合よりも向上する。
【００３２】
医療用のＸ線検査用検出素子を例えばコンピュータ断層撮影装置に用いるならば、検出素子の幾何学的な大きさが可及的に完全なＸ線の吸収と所望の分解能に関して最適となる。入射するＸ線ビームのエネルギに応じて吸収長さ、すなわちＸ線ビームが完全に吸収される範囲の長さは例えばガリウムヒ素に対しては２ｍｍとなりカドミウムテルライドに対しては１ｍｍとなる。従って適切な検出素子が半導体構成体上に組み込まれる。この構成体の、入射Ｘ線ビームに平行な方向で測定された“深度”をいくらか上回る。小板形状の半導体構成体の厚さは所望の分解能に応じて選定される。公知のコンピュータ断層撮影では解像グリッドは約１ｍｍである。これは本発明による検出素子に対しても求められるものである。
【００３３】
コンピュータ断層撮影においては個々の検出器は、検出器ライン又は検出器アレイに対して平行に配設される。個々のＸ線量子が複数の検出器に感応することを避けるために、個々の検出素子のビーム密な分離が必要である。これは個々の検出器間の吸収性の高い分離手段によって達成され得る。例えば重金属からなる分離板が良好に適する。この場合は非能動的な検出器面に対する能動的に使用可能な検出器面の比を最適化することが図られる。なぜならこれは検出素子の感度に対する絶対格子寸法の他に重要だからである。
【００３４】
本発明による検出素子を用いたＸ線検査は例えば連続動作の中で行われる。前記測定回路ないし前記測定条件を用いれば、入射するＸ線ビームの変化が測定可能である。しかしながらＸ線検査がパルス動作で実施されるならばさらに有利である。この場合は補償によって入射ビームの強さに対する絶対値を検出することができる。この値はデジタルＸ線画像撮影に対して必要である。
【００３５】
基本的には測定が位相と同期して行われる限り、あるいは光電抵抗の電圧供給がトリガによって正しい位相で行われる限り、直流電源（例えば蓄電池）を用いた作動の他に交流電源を用いることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的高い効率でＸ線ビームを電気信号に変換することができ、局所解析が可能でかつ製造が容易なＸ線検出器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＸ線ビーム用検出素子の概略的な横断面図である。
【図２】検出素子の駆動のための回路を示した図である。
【符号の説明】
１ 半導体構成体
２ 高濃度ドープ領域
３ 拡散領域
４ 金属接点層
５ 拡散障壁層
６ 電極層
７ オームコンタクト
８ 光電抵抗
９ 定電圧源
１０ バイアス抵抗
１１ 電解コンデンサ
１２ コンデンサ
１４ 測定装置

Claims (9)

1. Ｘ線を検出するための素子において、
   その抵抗率が１０^７Ω・ｃｍよりも大きい結晶性半絶縁性半導体基体（１）を有する薄膜によって形成された光電抵抗ないし光導電体（８）が設けられており、
   前記半導体基体（１）は、ＧａＡｓ，ｃｄＴｅ，ｃｄＳｅ，ＨｇＴｅ，
   Ｃｕｌｎ_ｘＧａ_{１ - ｘ}Ｓｅ_{２ - ２ｙ}Ｓ_２ｙ（１≧ｘ，ｙ≧０）からなるグループの中から選択された材料で形成されており、さらに前記半導体は、相対向する表面を有しており、
   複数の電極（７）が設けられており、該複数の電極（７）は、前記半導体基体の相対向する表面上に配列され、Ｘ線に対する入力面として定められており、
   前記入力面は、前記相対向する表面に対して実質的に垂直に配向されており、
   前記半導体基体は、前記相対向する各表面における電極の直ぐ下方にフラットな層領域を有しており、
   コンデンサ（１１，１２）が設けられており、
   定電圧源（９）が設けられており、
   前記定電圧源（９）は、前記コンデンサに並列に接続され、さらに前記電極への定電圧の充電と、前記電極間で前記半導体基体を通して実質的に均一の電界を形成するために当該電極に接続されており、
   前記光導電体（８）の入力面に入射するＸ線の結果として当該光導電体を通って流れる光電流を検出する測定装置が設けられていることを特徴とする、Ｘ線検出素子。
2. 前記定電圧源（９）に対して並列にコンデンサ（１１、１２）が接続されている、請求項１記載のＸ線検出素子。
3. 前記Ｘ線を検出するための素子は室温において１０^３よりも大きいＳ／Ｎ比を有している、請求項１又は２記載のＸ線検出素子。
4. 前記半導体基体（１）はドーピングされていない単結晶ＧａＡｓからなる、請求項１から３いずれか１項に記載のＸ線検出素子。
5. 前記電極（７）は、半導体基体（１）上にｎ^＋ＧａＡｓ／Ｇｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ（２，３，４，５，６）からなる層列を含んでいる、請求項４記載のＸ線検出素子。
6. 請求項１記載のＸ線検出素子の作動方法において、
   前記半導体（１）の電極（７）を入射Ｘ線ビームに対して平行になるように整列（アライメント）させ、前記電極に約８〜３０Ｖの定電圧を印加し、前記半導体において生ぜしめられた光電流を前記光電抵抗（８）に並列に接続されている容量結合された測定装置（１４）を介して検出することを特徴とする、Ｘ線検出素子作動方法。
7. 分断されたＸ線ビームが用いられる請求項６記載の方法。
8. 前記光電抵抗（８）を室温にて作動させる、請求項６又は７記載の方法。
9. 前記検出素子をコンピュータ断層撮影における検出アレイにおいて用いる、請求項６記載の方法。

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