JP5302506B2 - 放射線硬質フォトダイオード設計を持つｘ線検出器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に云えば、撮像システム及び撮像システム検出器の分野に関するものである。より具体的には、本発明は、新規なフォトダイオード装置を含むＸ線用途に使用するためのディジタル検出器に関するものである。

ディジタルＸ線撮像システムは様々な技術分野において次第に重要になっている。このような撮像システムは、透視型Ｘ線、Ｘ線トモシンセシス、コンピュータ断層撮影システムなどのためのように医学的用途に現在使用されている。ディジタルＸ線システムはまた現在では部品及び小包検査のため並びに他のこのような非医学的用途のために使用されている。一般に、ディジタルＸ線撮像システムは、関心のある被検体又は物体を横切った後に検出器アレイに衝突する線源からのＸ線放射の流れに依存する。Ｘ線放射は検出器内のシンチレータに入射し、該シンチレータからの光子によってフォトダイオード内の電荷を減少させる。この電荷の減少は測定されて、フォトダイオードの複数の位置における個別の画素（ピクセル）についての情報を生じさせることができ、それらの情報は画像の再構成のために分析することができる。

ディジタルＸ線システムに現在使用されている種類の、アモルファス・シリコンをベースとしたフラットパネルＸ線検出器は、優れた性能を有しているが、時間につれて劣化する。このような劣化の１つの機構は、アモルファス・シリコンのフォトダイオードがＸ線照射線量の関数として漏洩を生じ易くなることに関係する。この漏洩は多分にフォトダイオードの面積、フォトダイオードの外周の長さ、又はこれらの組合せに比例する。

フラットパネル検出器が医学的用途に使用される場合、照射線量が典型的には患者及び医療スタッフの両者の被爆限界に基づいて規定される。しかしながら、工業部品検査用のような他の実施形態では、よりずっと大きいＸ線照射線量が使用されることがある。このような大きい照射線量は、漏洩をかなり増大させることによって従来のディジタルＸ線検出器の寿命をかなり短くする傾向がある。期間がより長くなるが、同様な劣化が医学的用途でも生じる。漏洩が増大するにつれて、漏洩に対処するように暗い画像のオフセット値を変更することができるが、この結果、最終的には個々のピクセルのダイナミックレンジが減少する。すなわち、暗い画像の電荷と最大露出時の電荷との間の電荷量が少なくなり、その結果、最終的には短縮された有効寿命の終わりにおいて検出器が廃棄される。
米国特許第６８３８６７４号明細書 米国特許出願公開第２００２／００１４５９２号明細書

従って、露出に起因したフォトダイオードの劣化に伴う問題を防止することができるようにディジタルＸ線検出器を改善する必要がある。漏洩とこのような漏洩の結果生じる検出器ピクセル及びそれらの性能の劣化を減少させ又は制限しながら、従来のＸ線設定で動作できるようなフォトダイオードの設計が特に必要である。

本発明は上記のような必要性に応じて設計されるフォトダイオード及び検出器についての新規な設計を提供する。フォトダイオードは、Ｘ線放射を受けるシンチレータなどから光子を受け取り、このような受け取った光子に基づいて信号を発生するように構成されている。アモルファス・シリコン・フォトダイオードが検出器の各ピクセル位置に設けられ、同様な他のフォトダイオードと共にアレイ（配列体）を形成する。アモルファス・シリコン・フォトダイオードは反射体／コンタクトによって囲まれており、反射体／コンタクトは、該反射体／コンタクトに衝突する光子をフォトダイオードの検知領域の方へ向け直すように作用する。フォトダイオードはまた、ピクセル位置での電荷蓄積のための付加的な容量を形成する素子を含む。この付加的な容量は、反射体／コンタクト自体と、誘電体及び不動態化層によって隔てられた金属コンタクト層とによって構成することができる。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面並びに利点は添付の図面を参照して以下の詳しい説明を読むことによって一層良く理解されよう。図面においては、図面全体にわたって、同様な部品を同じ参照符号で表している。

次に図面を参照して説明すると、先ず図１にはＸ線撮像システム１０の概要を例示している。この撮像システムは透視型Ｘ線システムとして設計されているが、他のシステムを用いることができる。例えば、本発明は、透視型Ｘ線システム、トモシンセシス・システム、コンピュータ断層撮影システム等の検出器に使用することができる。

図１に示している模範的なシステムでは、被検体１２がＸ線源１４と検出器１６との間に位置決めされる。被検体は、医学的用途における人又は動物の被検体、工業用用途における部品など、小包、及び更に別の環境におけるものなどのような、放射線への露出によって検査すべき任意の人又は物体であってよい。線源１４は可動であっても静止したものであってもよい。更に、従来のＸ線管、及び他の形式のＸ線放出装置を含む様々なＸ線源を用いることができる。Ｘ線源１４は図１に扇形ビームとして示すＸ線ビーム１８を放出する。様々なビーム形状が当該技術分野で知られており、それらは本発明で用いることができる。

検出器１６は一般に知られていて現在使用されている形式のディジタル検出器であるが、以下に説明するように改善されたピクセル構造を持つ。検出器１６は、個別の画素すなわちピクセル２２のアレイに細分割された表面２０を持つ。当業者に理解されるように、各々のピクセル位置２２において、ピクセル区域はフォトダイオード及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む。本発明によるこれらの構成要素は後でより詳しく説明する。しかしながら、本質的に、検出器に入射するＸ線放射は検出器のシンチレータ層（後で説明する）に接触し、その結果、各フォトダイオードに入射するより低いエネルギの光子を生じる。フォトダイオードにおける電荷が光子によって減少し、そこでフォトダイオードは、それぞれのＦＥＴを作動してそのＦＥＴの導電状態を変更することによって再充電することができる。このようにして、電荷の減少を各フォトダイオード（ピクセル）位置で読み出すことができ、その情報を使用して、各ピクセル位置における相対的な放射線の量に基づいた画像を再構成することができる。

図１に示すシステムは更に、線源１４の動作を指令する線源制御回路２４を含む。データ取得回路２６が検出器１６の作動、読出し及びその他の機能を制御する。線源制御回路２４及びデータ取得回路２６はシステム制御回路２８の全体的な制御の下で機能する。システム制御回路は典型的には、実施すべき様々な撮像ルーチンを作動し、較正を行い、他の機能を提供する。検出器１６からの取得データに基づいてユーザの観察可能な画像を再構成するために画像処理回路３０が設けられる。最後に、ステーション３２における観察及びインターフェース回路によりユーザ又はオペレータが全体のシステム機能を制御し、画像を観察することなどを行うことが可能になる。制御及び画像再構成及び処理のための回路の特定の構成は本質的にそれらの既存のＸ線撮像システムと同様であってよい。

図２は、図１に示された検出器の個々のピクセル２２に配置することのできる機能性素子の幾つかを例示する。図２の実施形態では、各ピクセルは、検出器上でのＸ線の入射から生じる光子を受け取るように設計されたフォトダイオード３４を含む。フォトダイオード３４はダイオード・ゲート３６によって取り囲まれる。ゲート３６はダイオードを部分的に取り囲むことができるが、図示の実施形態では、ダイオードの全外周がダイオード・ゲート３６によって取り囲まれている。一般的に云えば、ダイオード・ゲートはダイオードの外周の約２５％以上を取り囲めばよく、その構造はより大きいゲートからでも利益を受けると現在考えられる。反射体／コンタクト層３８がダイオード・ゲートの上方に且つフォトダイオードの外周の周りに配置される。後でより詳しく説明するように反射体／コンタクト層３８はダイオードの外周の周りから光子をダイオードの検知表面へ向かって反射するように作用すると共に、ダイオードの上表面と接触してコンタクトとして作用する。

各ピクセル２２は更にＦＥＴ４０を含む。あるピクセルをアレイ内の他のピクセルに結合することができるように、特にフォトダイオードの電荷を読み出すために、ピクセル位置に導電性トレースが設けられる。例示した実施形態では、フォトダイオードの両側に、そのフォトダイオードを隣接のピクセルのフォトダイオードに連結するためのリンク４２及び４４が設けられる。同様に、ＦＥＴ４０を作動するために（ＦＥＴの導電状態を変えるために）且つ（フォトダイオード及びピクセルの任意の電荷担持構造を再充電することによって）ＦＥＴを介してピクセルから電荷を読み出すために、導電性トレース４６及び４８が設けられる。例示した実施形態では、トレース４６はＦＥＴを作動するための走査線であり、またトレース４８はピクセル位置で電荷を読み出すためのデータ線である。当業者に理解されるように、実際には、データ線４８は、フォトダイオードで既存の電荷に付加される電荷が露出事象により生じる電荷の減少分に比例するように、フォトダイオードを再充電するために設けられる。

図２に例示される構造の一部の断面図を図３に示す。図３に示されているように、ピクセル、従って、ピクセル・アレイの全体が、シンチレータ層Ｓによって覆われる。シンチレータは検出器で受け取ったＸ線を、フォトダイオード３４で検出できるエネルギの低い光子に変換するように作用する。ピクセル構造は、例えばガラスのような、基板層５０の上に構築される。誘電体層５２が基板５０上に配置される。模範的な誘電体は、窒化物、ガラスなどのような材料を含むことができる。誘電体層５２の上には、コンタクト層５４が配置される。一般に、コンタクト層５４は、従来のディジタル検出器構造で用いられている層と同様に、モリブデンのような金属の導電層である。しかしながら、導電層には、アルミニウム、タングステン、チタン、銅などのような他の多数の材料も適当である。ダイオード３４自体はコンタクト層５４の上に形成され、コンタクト層５４は読み出しのためにダイオードを充電及び再充電するための複数のコンタクトの内の１つとして作用する。

ダイオード・ゲート３６はダイオード３４を取り囲む導電層であり、不動態化層５６によってダイオードから隔てられている。不動態化層５６は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン、又はこれらの組合せで作ることができ、或いはポリマーを含む様々な他の適当な材料で作ることができる。ダイオード・ゲート３６はコンタクト層５４と同様な材料で作ることができる。不動態化層５６の厚さは、ゲート層３６が本質的に反射体／コンタクト層３８からコンタクト層５４までフォトダイオード３４の縁部に沿って電荷（すなわち、電子）が移動するのを制限するように制御される。図３の実施形態では、反射体／コンタクト層３８は、本質的に不動態化層５６と同様なものであってよい付加的な不動態化層５８によってダイオード・ゲート層３６から隔てられている。当業者に理解されるように、不動態化層は化学蒸着のような任意の適当なプロセスによって形成することができる。不動態化層は本質的に、構造においては絶縁層又は誘電体層を規定する。

現在の一実施形態では、厚さが５００オングストローム（Å）〜１マイクロメートル（μｍ）の範囲内にある不動態化層５６がフォトダイオードからの漏洩を低減するのに有効であると思えることが判明した。ほぼ２５００Åの厚さが好ましいと考えられる。更に、ダイオード・ゲート層３６は、図３に例示されているように、コンタクト・バイア６０等を介して、反射体／コンタクト層３８と共通の電圧に保持される。現在の一実施形態では、例えば、反射体／コンタクト層３８はコンタクト層５４に対してほぼ８ボルトの電圧差に保持される。ダイオードの両端間の電圧差は、システム設計に依存して、ほぼ４ボルトからほぼ１５ボルトまで変化することがある。ところで、上記の特定の電圧、厚さ、材料などは例として示したものに過ぎないことに留意されたい。本発明の範囲及び趣旨から逸脱せずに構成要素について他の仕様を使用することができる。

ゲート層３６がフォトダイオードからの漏洩を低減するのに役立つ、特に時間につれてのフォトダイオードの性能の劣化を少なくするのに役立つことが判明した。ゲート層がフォトダイオードの外周の周りに設けられるので、この点における漏洩が最小にされる。本設計の他の面によれば、フォトダイオードの表面積を減少させることによって、またフォトダイオードの外周の構成（例えば、形状）を修正することによって、漏洩を更に最小にすることができる。図４は、これらの特徴を取り入れた模範的な実施形態のフォトダイオードを例示する。

図４に示されるように、ピクセル６２は、表面積を小さくした丸い（円形の）フォトダイオードを有する。フォトダイオード６４は大体上記のものと同様な構造であるが、丸い外周を有する。コンタクト／反射体６６がフォトダイオードの周りに設けられて、コンタクト・タブ６８によって読み出しのためにフォトダイオードに接合される。コンタクト・タブ６８の使用により、コンタクト／反射体６６によって覆われるフォトダイオードの実効表面積を減少させ、もってフォトダイオードの検知領域の中へのコンタクト／反射体層の侵入を減少させることができることが判明した。ピクセル構造の他の面は、図２に関して上述したものと大体同様である。

図５に示されるように、図４の構造は基板５０を含み、その上に誘電体層５２及びコンタクト層５４が配置されている。不動態化層又は誘電体層７０がコンタクト／反射体６６とコンタクト層５４との間に設けられる。

コンタクト／反射体６６は、この層に衝突する光子を反射して、構造全体の感度及びデータ収集能力を増大させる。すなわち、シンチレータＳに入射する放射線１８は、フォトダイオードの丸い検知領域に直接入る（参照数字７２によって示されるような）光子か又は反射された光子７４のいずれかを含む。これらの反射された光子はコンタクト／反射体６６のいずれかの部分によって反射されて、最終的にフォトダイオード６４の検知区域に入るまでシンチレータ材料内を跳ね返る。現在考えている実施形態では、表面積を減少させたフォトダイオード６４はピクセルの面積の２０〜６０パーセントを占める。そのとき、コンタクト／反射体６６は、フォトダイオードとコンタクト／反射体６６との組合せによって覆われるピクセルの実行充填率を、現在考えている実施形態では、６０％以上まで増大させる。また、フォトダイオードについて卵形などのような他の構成も考えられることに留意されたい。しかしながら、例示した円形の形状が漏洩の生じる可能性のある外周を最小にする。

更に、図５に例示された実施形態では、コンタクト／反射体６６はフォトダイオードの、より一般的にはピクセル位置の、全体の容量を増大させるように作用する。例えば、図６に例示されているように、コンタクト／反射体６６は不動態化層によってコンタクト層５４から隔てられており、不動態化層はこれらのこれらの層によって形成される実効コンデンサ７６について誘電体として作用するように比較的薄く作ることができる。ピクセル位置で電荷を蓄積するためにこのような固有のコンデンサを使用することにより、実効ピクセル容量を、大きいフォトダイオード（すなわち、従来の構造）によって構成される容量の６０％以上まで増大させることができることが判明した。

ピクセル及び検出器の設計に対する上記の改良は検出器に取り入れることができる。図６はこのように組み合わせて改良したピクセル構造を例示する。図６に示されるように、コンタクト／反射体６６自体はフォトダイオードの外周からの漏洩を制限するように作用することができる。すなわち、コンタクト／反射体６６がフォトダイオードの外周縁部に極めて接近して配置され且つ１つ以上の不動態化層によって隔てられているとき、コンタクト／反射体６６自体はダイオードの縁部に沿った電荷の漏洩を制限するゲートとして作用することができる。

図６は、増大した容量を持つ、面積を減少したゲート型ダイオード・ピクセル７８に、上述の改善を組み入れた例を示す。前に述べたように、図６では、面積を減少したフォトダイオードがその表面積とその外周縁部の長さの両方を減少させるために円形の形状を持つ。コンタクト／反射体６６はフォトダイオード６４を取り囲む領域の上に位置し且つコンタクト・タブ６８によってフォトダイオードと接続されている。コンタクト／反射体６６の下方には、ダイオード・ゲート３６が設けられている。ダイオード・ゲート３６は、前に述べたように導電性のバイア６０によってコンタクト／反射体６６に電気的に結合される。更に、ダイオード・ゲート３６の下方には、コンタクト層５４が延在し且つダイオード・ゲート３６から隔てられていて、フォトダイオードの実効容量を増大させるコンデンサを形成する。ＦＥＴ４０、導電性トレース４２及び４４、並びに走査及びデータ線４６及び４８を含む他の構造は、本質的に前に述べたものと同様である。

図６の改良ピクセル構造は、コンタクト／反射体６６の反射によって増大した感度を維持しながら、フォトダイオードの表面積を小さくし、フォトダイオードの外周縁部の長さを短くし、並びに縁部に沿った電子の漏洩を減らすように縁部をゲートすることによって、ピクセル位置において漏洩、従って劣化を効果的に減少させる。この構造はまた、中間の不動態化層又は誘電体層によって導電層間にコンデンサを形成することによってピクセル位置における実効容量を増大する。

上述の表面積を減少させたダイオードは大体丸い形状を持っているが、勿論、他の形状も上記の設計及び技術の利点を持つことができることに留意されたい。例えば、上述のゲート、或いは反射体又はコンデンサの概念を一緒に又は組み合わせて用いる丸い形又は多面体（例えば、四角）のダイオードを形成することができる。同様に、現在考えられている実施形態がピクセルの表面積のほぼ６０％の充填率を持つが、他の充填率を使用することもできる。更に、反射体はダイオード自体よりも大きい表面積を占めることができ、ピクセルは良好な感度を維持する。

本発明の様々な特定の実施形態のみを例示し説明したが、当業者には、多くの修正及び変更をなし得よう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の精神内に入るようなこのような全ての修正及び変更をカバーしようとするものであることを理解されたい。

本発明の様々な面に従って作られたディジタル検出器を含むＸ線撮像システムの略図である。 漏洩を減少させるためのゲート機構を持つ模範的なレイアウトを例示する、図１の検出器の模範的なピクセルの平面図である。 フォトダイオード及びゲート構造の模範的な層を例示する、図２の模範的なフォトダイオード及びそれを取り囲む構造の縁部の一部分の断面図である。 周囲構造を反射体／コンタクトとして使用し、またアモルファス・シリコン光検知領域の面積及び外周長さを減じることによって漏洩を減少させるようにしたフォトダイオードの別の模範的な構成の平面図である。 模範的な実施形態における様々な層を例示する、図４に示した構造の一部分の断面図である。 反射体／コンタクトと共にダイオード・ゲートを利用するピクセル位置におけるフォトダイオードの更に別の実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１０ Ｘ線撮像システム
１２ 被検体
１４ Ｘ線源
１６ 検出器
１８ Ｘ線ビーム
２０ 表面
２２ ピクセル
３４ フォトダイオード
３６ ダイオード・ゲート
３８ 反射体／コンタクト層
４０ ＦＥＴ
４２、４４ リンク
４６ 走査線
４８ データ線
５０ 基板
５２ 誘電体層
５４ コンタクト層
５６ 不動態化層
５８ 不動態化層
６０ バイア
６２ 減少した面積のピクセル
６４ フォトダイオード
６６ コンタクト／反射体
６８ コンタクト・タブ
７０ 不動態化層
７６ 実効コンデンサ
７８ ゲート型ダイオード・ピクセル

Claims (8)

1. 基板（５０）上に設けられ且つシンチレータによって覆われているピクセル（２２）のアレイで形成されている光検出器（１６）であって、各ピクセルが、
   コンタクト層（５４）と、
   前記コンタクト層（５４）上に設けられ且つ、光子を受け取って、該受け取った光子に応じて信号を発生するように構成されているフォトダイオード（３４，６８）と、
   前記フォトダイオードの少なくとも一部分の周りに配置され、前記フォトダイオードの上表面に結合されている反射層（６６）であって、当該反射層に入射する光子を反射して前記シンチレータを介して前記フォトダイオードの方へ向けるようにする反射層（６６）と、
   前記フォトダイオードからの電荷の漏洩を制限するために前記フォトダイオードを実質的に取り囲むゲート層（３６）と、
   を有し、
   前記反射層（６６）は導電性材料で作られ且つ誘電体材料（５６）によって前記コンタクト層（５４）から隔てられ、前記誘電体材料（５６）の層が前記フォトダイオードの実効ピクセル容量を増大させ、
   前記誘電体材料（５６）は、前記コンタクト層（５４）と前記ゲート層（３６）の間に配置された第１の不動態化層（５６）と、前記ゲート層（３６）と前記反射層（６６）の間に配置された第２の不動態化層（５８）とを含み、
   前記ゲート層（３６）はバイア（６０）を介して前記反射層に電気的に結合されている、
   ことを特徴とする光検出器（１６）。
2. 透視型Ｘ線システム、トモシンセシス・システム及び、コンピュータ断層撮影システムのいずれかの検出器に使用される、請求項１記載の光検出器。
3. 前記反射層（６６）及び前記コンタクト層（５４）は前記フォトダイオードで受け取る光子によって減少させられる電荷を蓄積するためのコンデンサを形成している、請求項１又は２記載の光検出器。
4. 前記反射層（６６）は、前記フォトダイオードの上表面に結合された前記フォトダイオードのコンタクトを形成している、請求項１乃至３のいずれかに記載の光検出器。
5. 前記反射層（６６）は、前記フォトダイオードの前記上表面まで延在する少なくとも１つのタブ（６８）を介して、前記フォトダイオードの前記上表面に結合されている、請求項４記載の光検出器。
6. 前記第１の不動態化層（５６）は５００オングストローム（Å）〜１マイクロメートル（μｍ）の厚さを有している、請求項１記載の光検出器。
7. 各ピクセルは更に、前記フォトダイオードに結合されていて、前記光子によって減少した電荷の読み出しのために前記フォトダイオードを再充電するようにスイッチ可能である電界効果トランジスタ（４０）を含んでいる、請求項１乃至６のいずれかに記載の光検出器。
8. 前記フォトダイオード（３４，６４）は各ピクセルの全表面積の内のほぼ２０％〜ほぼ６０％の表面積を占め、
   前記反射層（６６）及び前記フォトダイオード（３４，６４）はそれらの組み合わせた表面積が各ピクセルの全表面積の内のほぼ６０％以上を占めている、請求項１乃至７のいずれかに記載の光検出器。
   

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