JP5913272B2 - 放射線検出素子、及び、放射線検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学の分野で利用される放射線検出素子、画像診断装置、及び、イメージング装置に関する。
ポジトロン放出断層撮影（PET：Positron Emission Tomography）は、放射能の存在位置を測定する核医学検査法の一つである。X線CTが、放射線源を被検体（人体）の外部において放射線の透過を測定するのに対し、PETでは、放射性薬剤の投与により人体内部の特定の臓器に分布した放射線同位元素(RI)の位置を体外に放出される放射線により測定する。PETは、陽電子（ポジトロン）を放出するRIで標識をつけた放射性薬剤を放射線源にしている。陽電子は近くの電子と結合して消滅し、代わりに透過力の強いγ線が2本、その場所から互いに反対方向へ飛び去る。この一対の放射線を人体周囲に並べた検出器で同時に計数することで、放射線源のあった方向と位置がわかる。PETは、同時に計数したデータから放射線源の体内集積度を3次元的に再構成する技術であり、例えば、癌の全身検査や、脳、心臓など各種臓器の機能診断、脳神経系の研究、薬物動態や代謝の研究等に広く用いられている。
PETの放射線検出素子として用いられる半導体素子は、従来用いられていたシンチレータと光電子増倍管を用いた放射線検出素子に比べ、小型、軽量、高い画像分解能、放射線を直接電気信号に変換可能という特徴を持ち、近年、研究開発が進められている。
PETの放射線検出素子として用いられる半導体素子は、従来用いられていたシンチレータと光電子増倍管を用いた放射線検出素子に比べ、小型、軽量、高い画像分解能、放射線を直接電気信号に変換可能という特徴を持ち、近年、研究開発が進められている。
図７(a)は、特許文献１に開示された従来のショットキーダイオードを用いた放射線検出素子の断面図である。Ｐ型CdTe半導体基板１０２の一方の面に、InCdTeからなる電極１０１が形成され、電極１０１と半導体基板１０２の界面には、ショットキー接合が形成されている。半導体基板１０２の他方の面には、Ptからなるオーミック電極１０３が形成されている。電極１０１が半導体基板１０２に対し高電位となるようにバイアス電圧を印加すると、ショットキー接合は逆バイアスとなる。この時、放射線が半導体基板１０２に入射するとショットキー接合における空乏層で電子正孔対が生成され、バイアス電圧により形成された電界により半導体基板１０２内を移動する。電極１０１とオーミック電極１０３間に流れる電流を計測することにより入射した放射線を高速で検出できる。
図７(a)に示す従来の半導体素子を用いた放射線検出素子は、シンチレータと光電子増倍管を用いた放射線検出素子に比べ、放射線の検出効率が低く、その原因は十分に解明されていなかった。特に、PETに用いられる放射線検出素子の場合は、反対方向に放出される2個のγ線を被検体の両側に配置した放射線検出素子で同時に検出する方式なので、例えば、ひとつの検出素子の感度が半分の場合、PET装置としては感度が1/4になり、SN比の低下や検出素子を微細化して解像度を上げるのが困難などの問題があった。
本発明（１）は、ｎ型半導体基板又はｐ型半導体基板と、前記ｎ型半導体基板又はｐ型半導体基板上の放射線入射側に設けた電極とからなり、前記電極が金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜である放射線検出素子であって、
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子である。
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子である。
本発明（２）は、真性半導体基板と、前記真性半導体基板上の放射線入射側に設けた電極と、前記真性半導体基板の前記電極と反対側に設けたn型半導体領域又はp型半導体領域とからなり、前記電極が金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜である放射線検出素子であって、
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子である。
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子である。
本発明（３）は、前記放射線が、γ線、又は、X線であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）の放射線検出素子である。
本発明（４）は、前記金属からなる膜が、W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金からなる膜であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の放射線検出素子である。
本発明（５）は、前記金属からなる膜が、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の放射線検出素子である。
本発明（６）は、前記ｎ型半導体基板、ｐ型半導体基板、真性半導体基板が、Si、Ge、ZnO、CdTe、CdZnTe、SiC、GaN、又は、GaAsからなる基板であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（５）の放射線検出素子である。
本発明（７）は、前記発明（１）乃至前記発明（６）の放射線検出素子により放射線を検出する放射線検出装置である。
本発明（８）は、前記発明（１）乃至前記発明（６）の放射線検出素子により放射線を検出するPET装置である。
１．放射線検出素子の放射線入射側に金属膜を配置し、入射した放射線のエネルギー損失を生じさせることで、放射線入射によるキャリア生成効率を向上することができ、放射線検出効率が向上する。
２．W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金からなる金属膜、又は、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜は、放射線阻止能が高く、薄い膜でも効果的に放射線のエネルギー損失が生じるので、放射線検出素子の軽量化、小型化に効果がある。
3．放射線検出素子の基板として真性半導体基板を用いることにより、基板中に形成される空乏層の厚さを厚くできる。放射線の入射により生成される反跳電子が、真性半導体領域と空乏層中を通過して大量の正孔と電子が発生するので、放射線検出の応答速度と検出感度が向上する。
4．放射線検出効率の高い半導体検出素子を用いることにより、高感度、高解像度のPET装置などの放射線検出装置を製造することができる。
２．W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金からなる金属膜、又は、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜は、放射線阻止能が高く、薄い膜でも効果的に放射線のエネルギー損失が生じるので、放射線検出素子の軽量化、小型化に効果がある。
3．放射線検出素子の基板として真性半導体基板を用いることにより、基板中に形成される空乏層の厚さを厚くできる。放射線の入射により生成される反跳電子が、真性半導体領域と空乏層中を通過して大量の正孔と電子が発生するので、放射線検出の応答速度と検出感度が向上する。
4．放射線検出効率の高い半導体検出素子を用いることにより、高感度、高解像度のPET装置などの放射線検出装置を製造することができる。
以下、本発明の最良形態について説明する。
<放射線検出素子>
（半導体素子を用いた放射線検出素子）
本願発明者は、半導体素子を用いた放射線検出素子の感度が低い原因を調査した結果、放射線は半導体に対する透過力が強く、半導体結晶に作用してキャリアを生成せずに半導体を透過する確率が高いことを見出した。PETにおいて陽電子と電子が結合消滅して発生する消滅γ線も、511kevと高いエネルギーを持っているため非常に透過力が強い。このことは、人体内部に分布した放射線同位元素から体外に配置した放射線検出素子にγ線が到達する割合が高いという意味では有利であるが、検出素子である半導体基板を容易に透過するため高感度の検出素子を実現するのが困難という問題があった。
<放射線検出素子>
（半導体素子を用いた放射線検出素子）
本願発明者は、半導体素子を用いた放射線検出素子の感度が低い原因を調査した結果、放射線は半導体に対する透過力が強く、半導体結晶に作用してキャリアを生成せずに半導体を透過する確率が高いことを見出した。PETにおいて陽電子と電子が結合消滅して発生する消滅γ線も、511kevと高いエネルギーを持っているため非常に透過力が強い。このことは、人体内部に分布した放射線同位元素から体外に配置した放射線検出素子にγ線が到達する割合が高いという意味では有利であるが、検出素子である半導体基板を容易に透過するため高感度の検出素子を実現するのが困難という問題があった。
図７(b)及び(c)は、従来の放射線検出素子にγ線が入射した時の状態を示す図である。InCdTeからなる電極１０１は、放射線阻止能が高くない。そのため、電極１０１に入射したγ線１０４は（図７(b)）、容易に電極１０１と半導体基板１０２を通過する（図７(c)）。
この問題を解決するために、検出素子の放射線入射側に放射線阻止能の高いWなどの金属からなる電極を配置することにした。また、ショットキー電極の厚さを放射線検出効率が高くなる最適範囲に設定することにした。さらに、半導体基板として真性半導体基板を用いることにした。
図１(a)は、本発明に係る放射線検出素子の断面図である。本発明に係る放射線検出素子は、例えば、Siなどからなる真性半導体基板２の放射線が入射する側にWからなる電極１を配置し、その裏面にAlなどのオーミック電極４を配置して構成される。オーミック電極４に接する領域には、PなどのN型不純物をドープし、N型半導体層３を形成している。
上記のように構成された放射線検出素子は、電極１から真性半導体基板２に向かう方向が、ダイオードの順方向になるので、オーミック電極４が電極１に対し高電位となるように外部電源からバイアス電圧を印加すると、電極１と真性半導体基板２の境界に形成されるショットキー接合は逆バイアスになり、接合において空乏層が形成される。そのため、放射線が入射しない時には、真性半導体基板２の中をリーク電流程度の微小な電流しか流れない。また、放射線が入射した時には、放射線入射により発生するパルス電流を検出することにより、放射線の入射数を検出することができる。
本発明の放射線検出素子では、真性半導体領域を設けたショットキー接合構造であるため、真性半導体領域を設けない従来のショットキー接合構造と比較して、リーク電流が大幅に低減される。
また、従来の放射線検出素子と異なり、本発明に係る検出素子では、放射線阻止能が高いWなどの金属膜を電極１の材料として用いている。さらに、本願発明者は、係る金属膜の厚さを適切な範囲にすることにより、放射線検出効率を従来の検出素子よりも飛躍的に高くできることを見出した。そのメカニズムは、まだ十分に解明できていないが、金属膜を放射線が通過するときにエネルギー損失が生じ、そこで発生したエネルギーにより電子が励起されることも考えられるし、また、半導体基板に入射する放射線のエネルギーを金属膜で減衰させることにより、半導体基板内で放射線励起によりキャリアが生成する確率が高くなることも考えられる。金属膜が薄すぎると、放射線エネルギー損失或いは減衰効果が高くない。金属膜が厚すぎると金属膜を透過できる放射線数が著しく減少する。一方、金属膜厚を材料に応じた適切な範囲とする場合には、放射線入射によるキャリア生成効率が高くなり、検出効率が向上する。
また、従来の放射線検出素子と異なり、本発明に係る検出素子では、放射線阻止能が高いWなどの金属膜を電極１の材料として用いている。さらに、本願発明者は、係る金属膜の厚さを適切な範囲にすることにより、放射線検出効率を従来の検出素子よりも飛躍的に高くできることを見出した。そのメカニズムは、まだ十分に解明できていないが、金属膜を放射線が通過するときにエネルギー損失が生じ、そこで発生したエネルギーにより電子が励起されることも考えられるし、また、半導体基板に入射する放射線のエネルギーを金属膜で減衰させることにより、半導体基板内で放射線励起によりキャリアが生成する確率が高くなることも考えられる。金属膜が薄すぎると、放射線エネルギー損失或いは減衰効果が高くない。金属膜が厚すぎると金属膜を透過できる放射線数が著しく減少する。一方、金属膜厚を材料に応じた適切な範囲とする場合には、放射線入射によるキャリア生成効率が高くなり、検出効率が向上する。
図１(b)乃至(d)は、本発明に係る放射線検出素子にγ線が入射した時の状態を示す図である。電極１に入射したγ線５は（図１(b)）、電極１を通過する際にエネルギーが減衰する。γ線の入射で励起され、電子６と図示しない正孔からなるキャリア対が生成する（図１(c)）。オーミック電極４には、電極１に対して正のバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧により形成された電界により、電子はオーミック電極４側に向かって移動し、正孔は電極１側に移動するので、真性半導体基板２内を電流が流れ、放射線の入射を検出できる（図１(d)）。
（放射線検出効率vs金属膜厚）
図２は、本発明の放射線検出素子による放射線検出効率vs金属膜厚を算出したグラフである。検出効率の算出には、Cern libraryの低エネルギー用シミュレーションソフトGate(GEANT4 Application for Tomographic
Emission)を用いた。検出対象となる放射線はエネルギー511keVのγ線を想定している。金属膜の材料として、W、Pt、Pb、In、Alを用いる場合について計算を行った。放射線検出効率yの算出式は、金属膜の厚さをx(cm)、金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、
y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)
で近似される。
グラフからわかるように、検出効率yはxに対してプロットしたときに最大値ymax（ピーク値）をもつ。従って、シミュレーションを行って、x1=x2=ymax/2(x1<x2)となる厚さx1、x2を求めることができる。例えば、金属膜材料としてWを用いた場合は、ymax=0.0325であるため、1/2*ymax=0.01625であるので、x1=0.005cm、x2=0.050cmと算出できる。この結果から、金属膜の厚さxを、0.005cm以上、0.050cm以下、すなわち半値幅以内に設定することにより、検出効率が0.015%以上となり、従来の放射線検出装置と比較して大幅に検出効率が改善できることがわかる。
また、他の金属（Pb、Pt、In）を用いた場合でも、放射線検出効率を金属膜厚に対してプロットしたときの最大値の半値幅以内に膜厚を設定することにより、放射線検出効率を向上することができる。図２に示さない金属についても計算を行った結果、W、Pt、In、Fe、Pb、Cuが特に放射線検出効率の向上に効果があることがわかった。
図２は、本発明の放射線検出素子による放射線検出効率vs金属膜厚を算出したグラフである。検出効率の算出には、Cern libraryの低エネルギー用シミュレーションソフトGate(GEANT4 Application for Tomographic
Emission)を用いた。検出対象となる放射線はエネルギー511keVのγ線を想定している。金属膜の材料として、W、Pt、Pb、In、Alを用いる場合について計算を行った。放射線検出効率yの算出式は、金属膜の厚さをx(cm)、金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、
y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)
で近似される。
グラフからわかるように、検出効率yはxに対してプロットしたときに最大値ymax（ピーク値）をもつ。従って、シミュレーションを行って、x1=x2=ymax/2(x1<x2)となる厚さx1、x2を求めることができる。例えば、金属膜材料としてWを用いた場合は、ymax=0.0325であるため、1/2*ymax=0.01625であるので、x1=0.005cm、x2=0.050cmと算出できる。この結果から、金属膜の厚さxを、0.005cm以上、0.050cm以下、すなわち半値幅以内に設定することにより、検出効率が0.015%以上となり、従来の放射線検出装置と比較して大幅に検出効率が改善できることがわかる。
また、他の金属（Pb、Pt、In）を用いた場合でも、放射線検出効率を金属膜厚に対してプロットしたときの最大値の半値幅以内に膜厚を設定することにより、放射線検出効率を向上することができる。図２に示さない金属についても計算を行った結果、W、Pt、In、Fe、Pb、Cuが特に放射線検出効率の向上に効果があることがわかった。
（放射線検出素子の構造）
図１に示す本発明の放射線検出素子は、真性半導体基板上の放射線入射側に金属膜を配置し、その反対側にN型半導体領域又はP型半導体領域を配置したショットキーダイオード構造の素子である。真性半導体基板を用いることで、基板中に形成される空乏層の厚さを厚くできる。放射線の入射により生成される反跳電子が、真性半導体領域と空乏層中を通過して大量の正孔と電子が発生するので、放射線検出の応答速度と検出感度が向上する。そのため、金属膜厚によらず、従来の真性半導体基板を用いない放射線検出素子に比べ、優れた放射線検出特性を示す。さらに、金属膜厚を適切な範囲に設定することにより、放射線検出特性の改善が可能である。
図１に示す本発明の放射線検出素子は、真性半導体基板上の放射線入射側に金属膜を配置し、その反対側にN型半導体領域又はP型半導体領域を配置したショットキーダイオード構造の素子である。真性半導体基板を用いることで、基板中に形成される空乏層の厚さを厚くできる。放射線の入射により生成される反跳電子が、真性半導体領域と空乏層中を通過して大量の正孔と電子が発生するので、放射線検出の応答速度と検出感度が向上する。そのため、金属膜厚によらず、従来の真性半導体基板を用いない放射線検出素子に比べ、優れた放射線検出特性を示す。さらに、金属膜厚を適切な範囲に設定することにより、放射線検出特性の改善が可能である。
図３(a)は、真性半導体基板を用いないショットキーダイオード構造の放射線検出素子の断面図である。ショットキー電極として、InCdTeではなく、W、Pt、In、Fe、Pb、Cuなどの金属、又は、これらの合金を用い、膜厚を最適化することにより検出効率を向上することが可能になる。放射線のエネルギーを抑制する金属膜とショットキー電極を兼用膜（単層膜）として形成することも可能であるし、図３(b)に示すように金属膜とショットキー電極を別の材料膜からなる積層膜として形成することも可能である。単層膜にする場合は、製造プロセスが簡単になるという利点があるが、積層膜にする場合は、金属膜としては放射線阻止能が適切な材料を用い、ショットキー電極としては加工性が高く、半導体材料に対し適切なショットキー接合を形成できる材料を用いることができ、デバイス設計が容易になるという利点がある。
また、図１、図３(a)においては、N型の半導体基板を用い、放射線入射側からオーミック電極側に向かう方向が順方向のダイオードである検出素子について説明したが、P型の半導体基板を用い、オーミック電極側から放射線入射側に向かう方向が順方向のダイオードである検出素子を用いても、放射線入射側に金属膜を形成し、その膜厚を適切な範囲とすることにより、検出効率を向上することができる。
（ショットキーダイオード以外の検出素子）
本発明に係る放射線デバイスとしては、ショットキーダイオード以外に、PN接合を持つフォトダイオード、PINダイオード、SITなどのデバイスを用いることが可能である。
本発明に係る放射線デバイスとしては、ショットキーダイオード以外に、PN接合を持つフォトダイオード、PINダイオード、SITなどのデバイスを用いることが可能である。
図３(b)は、本発明に係るPINダイオード構造の放射線検出素子の断面図である。図３(b)に示す放射線検出素子は、例えば、Siなどからなる真性半導体基板１８の一方の面にP型半導体層１９を配置し、もう一方の面にN型半導体層１７を配置し、PINダイオードを形成している。放射線が入射する側であるP型半導体層１９上にWからなる金属膜２０が形成されている。また、N型半導体層１７上にはAlなどのオーミック電極１６が形成されている。電極２０がWなどの金属でできているので、その厚さを適切な範囲に設定することにより、放射線検出効率を向上することができる。また、電極２０については、図３(b)に示すような単層膜を用いずに、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜を用いることも可能である。
図３(c)は、本発明に係るSIT構造の放射線検出素子の断面図である。図３(c)に示す放射線検出素子は、例えば、N型Siからなる真性半導体基板２３の表面にP型ゲート領域２４を拡散やイオン注入などの方法で形成する。また、P型ゲート領域２４に囲まれた真性半導体基板２３の表面に、例えばWなどの金属膜でソース電極２５を形成する。真性半導体基板２３上には絶縁膜２６を堆積し、さらに、ゲート領域２４に放射線が入射しないように金属からなる遮蔽膜２７を形成する。真性半導体基板２３の裏面には、ドレイン電極２１とオーミックコンタクト用のN+型半導体層２２を形成する。ゲート領域２４と真性半導体基板２３におけるPN接合が逆バイアスになるようにゲート領域２４に印加するゲート電圧を設定し、ゲート領域２４の近傍に空乏層を形成する。ソース電極２５側から放射線が入射した時に、ドレイン電極２１に流れる電流の変化を検出して、放射線の入射を検出する。ソース電極２５がWなどの金属でできているので、その厚さを適切な範囲に設定することにより、放射線検出効率を向上することができる。また、ソース電極２５については、図３(c)に示すような単層膜を用いずに、金属膜と他の金属膜との積層膜とする、或いは、N型不純物を高濃度に拡散して形成したN+領域上に金属膜を形成することも可能である。
本発明に係る放射線検出素子は、いずれのデバイス構造においても、放射線の入射方向に対し複数の電極を垂直方向に配置して放射線を検出している。そのため、複数の電極を入射方向に対し水平方向に配置した場合と比較して放射線の入射により生成するキャリアの収集効率が高い。
（金属膜、及び、半導体層の材料）
本発明に係る放射線検出素子の金属膜の材料としては、W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金を用いることができる。また、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜とすることも可能である。金属膜の材料としては、特に、Wが好ましい。Wは放射線吸収効率が高く、放射線入射により薄い膜でも多くの電子が生成するので、検出素子の小型軽量化にも効果がある。
また、放射線検出素子に金属膜/ショットキー電極からなる積層膜を形成した場合の膜の材料としては、例えば、W/Pt、W/Pb、W/Pb合金を用いることができる。Wは融点が高く加工性が低いので、Pt、Pb、Pb合金（半田）などの材料膜を半導体基板と接する面に形成することにより、放射線検出素子の製造が容易になる。
また、本発明に係る放射線検出素子の半導体基板の材料としては、Si、Ge、ZnO、CdTe、CdZnTe、SiC、GaN、又は、GaAsなどを用いることができる。例えば、ZnOはフィルム状に加工することができるので、検出素子を平板状に形成するだけでなく曲面状に形成することが可能である。
本発明に係る放射線検出素子の金属膜の材料としては、W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金を用いることができる。また、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜とすることも可能である。金属膜の材料としては、特に、Wが好ましい。Wは放射線吸収効率が高く、放射線入射により薄い膜でも多くの電子が生成するので、検出素子の小型軽量化にも効果がある。
また、放射線検出素子に金属膜/ショットキー電極からなる積層膜を形成した場合の膜の材料としては、例えば、W/Pt、W/Pb、W/Pb合金を用いることができる。Wは融点が高く加工性が低いので、Pt、Pb、Pb合金（半田）などの材料膜を半導体基板と接する面に形成することにより、放射線検出素子の製造が容易になる。
また、本発明に係る放射線検出素子の半導体基板の材料としては、Si、Ge、ZnO、CdTe、CdZnTe、SiC、GaN、又は、GaAsなどを用いることができる。例えば、ZnOはフィルム状に加工することができるので、検出素子を平板状に形成するだけでなく曲面状に形成することが可能である。
<放射線検出装置>
（放射線検出アレイ）
図４(a)は、本発明の放射線検出装置を構成する放射線検出アレイの平面図である。放射線検出アレイは、2次元平面又は曲面からなる基板上に複数の放射線検出素子を配置したものである。図４(a)においては、絶縁性の基板３１上に8×8=64個の放射線検出素子を互いに離間して配置している。放射線が入射する側のショットキー電極は共通電極としている。図４(a)は、ショットキー電極と反対側のオーミック電極側からみた平面図であり、基板の周辺には放射線検出素子の数に対応する個数のパッド３３が配置されている。パッド３３とオーミック電極３２の間はボンディングワイヤー３４により電気的に接続する。
（放射線検出アレイ）
図４(a)は、本発明の放射線検出装置を構成する放射線検出アレイの平面図である。放射線検出アレイは、2次元平面又は曲面からなる基板上に複数の放射線検出素子を配置したものである。図４(a)においては、絶縁性の基板３１上に8×8=64個の放射線検出素子を互いに離間して配置している。放射線が入射する側のショットキー電極は共通電極としている。図４(a)は、ショットキー電極と反対側のオーミック電極側からみた平面図であり、基板の周辺には放射線検出素子の数に対応する個数のパッド３３が配置されている。パッド３３とオーミック電極３２の間はボンディングワイヤー３４により電気的に接続する。
放射線検出装置の検出部は、通常、被検体の周囲に放射線検出アレイを複数個リング状に配置した構造とする（図４(b)）。被検体から反対方向に放出されたγ線を対向して置かれた2個の放射線検出アレイにより同時に検出することにより、放射線が放出された位置と方向を識別することができる。
さらに、図４(b)に示すリング状に配置した放射線検出アレイを複数積層して（図４(c)）、筒状の検出装置を構成することも可能である。筒状の検出装置の中に人体などの被検体を置き、放出される放射線を測定する。検出された信号を処理することにより、放射性薬剤の3次元密度分布を画像表示することができる。
さらに、図４(b)に示すリング状に配置した放射線検出アレイを複数積層して（図４(c)）、筒状の検出装置を構成することも可能である。筒状の検出装置の中に人体などの被検体を置き、放出される放射線を測定する。検出された信号を処理することにより、放射性薬剤の3次元密度分布を画像表示することができる。
図４(d)乃至(g)は、本発明の放射線検出アレイの別の具体例の外観図である。図４(a)に示すような基板周辺に配置したパッドと各検出素子の電極をボンディングワイヤーで接続する方式では、Nが増えた時に、N×Nアレイの検出素子の数がNの2乗で増えるので、ボンディングを行うことが極めて困難になる。図４(d)乃至(g)に示す別の具体例は、検出素子数が多い場合や検出素子が微細な場合など高密度実装が必要な場合に対応可能なアレイ構造の例である。
図４(d)は、絶縁体からなる電極補強板の平面図であり、基板８１上の検出素子を配置する位置に対応して複数の開口部が形成されている。図４(e)は、検出素子の外観図である。検出素子は、電極８２、半導体８３、オーミック電極８４から構成されるショットキーダイオードである。電極８２は、W、In、Pbなどの金属からなる電極であり、平板状の電極である。電極８２の上には、真性Si/N型Siなどからなる例えば円筒状の半導体８３が形成されている。電極８２と半導体８３の界面には、ショットキー接合が形成されている。オーミック電極８４は、Alなどからなる金属電極であり、例えばピン状の電極とし、半導体８３上に取り付けられ、半導体８３に対し、界面に形成されたN+領域を介して接触し、オーミック接合を形成している。
図４(f)は、基板８５上に複数の放射線検出素子を配置した放射線検出アレイの斜視図である。また、図４(g)は、その側面図である。複数の検出素子におけるショットキー電極８３は共通電極としている。一方、半導体８３、オーミック電極８４は、互いに離間して配置しており、電気的に分離している。基板８５は、図４(g)に示すように、ショットキー電極８９と補強版８８を積層したものである。検出素子にγ線８６が入射すると、電極８９とオーミック電極８７間に電流が流れ、γ線の入射検出が行われる。
また、図示はしていないが、放射線検出素子のオーミック電極側にWなどの金属膜からなる遮蔽膜又はキャップを取付け、オーミック電極側からの放射線の入射を防止し、放射線の誤検出を防止することも可能である。
図４(f)に示す放射線検出アレイは、剣山状に配置したピンにより直接プリント基板に取り付ける、或いは、コネクターなどのインターフェースに接続することで、検出回路や制御回路に検出信号を送ることが可能となるため、高密度実装が可能である。
図４(d)は、絶縁体からなる電極補強板の平面図であり、基板８１上の検出素子を配置する位置に対応して複数の開口部が形成されている。図４(e)は、検出素子の外観図である。検出素子は、電極８２、半導体８３、オーミック電極８４から構成されるショットキーダイオードである。電極８２は、W、In、Pbなどの金属からなる電極であり、平板状の電極である。電極８２の上には、真性Si/N型Siなどからなる例えば円筒状の半導体８３が形成されている。電極８２と半導体８３の界面には、ショットキー接合が形成されている。オーミック電極８４は、Alなどからなる金属電極であり、例えばピン状の電極とし、半導体８３上に取り付けられ、半導体８３に対し、界面に形成されたN+領域を介して接触し、オーミック接合を形成している。
図４(f)は、基板８５上に複数の放射線検出素子を配置した放射線検出アレイの斜視図である。また、図４(g)は、その側面図である。複数の検出素子におけるショットキー電極８３は共通電極としている。一方、半導体８３、オーミック電極８４は、互いに離間して配置しており、電気的に分離している。基板８５は、図４(g)に示すように、ショットキー電極８９と補強版８８を積層したものである。検出素子にγ線８６が入射すると、電極８９とオーミック電極８７間に電流が流れ、γ線の入射検出が行われる。
また、図示はしていないが、放射線検出素子のオーミック電極側にWなどの金属膜からなる遮蔽膜又はキャップを取付け、オーミック電極側からの放射線の入射を防止し、放射線の誤検出を防止することも可能である。
図４(f)に示す放射線検出アレイは、剣山状に配置したピンにより直接プリント基板に取り付ける、或いは、コネクターなどのインターフェースに接続することで、検出回路や制御回路に検出信号を送ることが可能となるため、高密度実装が可能である。
（放射線検出信号処理回路）
放射線検出素子の出力信号は、信号処理回路を用いデータ解析を行う。図５は、信号処理回路のブロック図である。各放射線検出素子の出力信号は、それぞれ、直接、信号処理回路に接続されている。そのため、CCDなどの信号処理回路と異なり、各素子の出力信号を同時に処理することができ、高精度の画像解析が可能になる。
図５において、放射線検出ダイオード４１とリセット回路４２で表される回路ブロックは、それぞれの検出素子における回路を表すものである。例えば、ショットキーダイオードからなる検出素子は、図に示すようにダイオードと寄生抵抗からなる等価回路で表される。検出素子４１に放射線が入射すると、電子と正孔からなるキャリアが生成し、キャリアが半導体結晶格子に衝突して新たなキャリアを生成することで、一度放射線が入射するとダイオード内を継続的に電流が流れる。1個ごとの放射線を区別して検出するために、電流が検出されるとリセット回路４２が作動し、ダイオードを流れる電流を遮断する。
さらに、放射線検出装置全体は、放射線検出部４３、リセット回路部４４、OR論理回路４５、転送ユニット４６、コンピュータ４７からなる回路ブロックで表される。図に示す具体例は、放射線検出素子が8×8=64個ある場合のブロック図である。転送ユニット４６は、放射線検出部４３で検出された信号をコンピュータ４７に転送するものである。OR論理回路は、全ての検出素子に検出電流が流れなかった場合にデータを転送しないように制御するものである。転送ユニット４６により転送された検出信号は、コンピュータ４７により信号処理が行われ、例えば、放射性薬剤の3次元密度分布画像として図示しない表示部に表示される。
放射線検出素子の出力信号は、信号処理回路を用いデータ解析を行う。図５は、信号処理回路のブロック図である。各放射線検出素子の出力信号は、それぞれ、直接、信号処理回路に接続されている。そのため、CCDなどの信号処理回路と異なり、各素子の出力信号を同時に処理することができ、高精度の画像解析が可能になる。
図５において、放射線検出ダイオード４１とリセット回路４２で表される回路ブロックは、それぞれの検出素子における回路を表すものである。例えば、ショットキーダイオードからなる検出素子は、図に示すようにダイオードと寄生抵抗からなる等価回路で表される。検出素子４１に放射線が入射すると、電子と正孔からなるキャリアが生成し、キャリアが半導体結晶格子に衝突して新たなキャリアを生成することで、一度放射線が入射するとダイオード内を継続的に電流が流れる。1個ごとの放射線を区別して検出するために、電流が検出されるとリセット回路４２が作動し、ダイオードを流れる電流を遮断する。
さらに、放射線検出装置全体は、放射線検出部４３、リセット回路部４４、OR論理回路４５、転送ユニット４６、コンピュータ４７からなる回路ブロックで表される。図に示す具体例は、放射線検出素子が8×8=64個ある場合のブロック図である。転送ユニット４６は、放射線検出部４３で検出された信号をコンピュータ４７に転送するものである。OR論理回路は、全ての検出素子に検出電流が流れなかった場合にデータを転送しないように制御するものである。転送ユニット４６により転送された検出信号は、コンピュータ４７により信号処理が行われ、例えば、放射性薬剤の3次元密度分布画像として図示しない表示部に表示される。
（放射線検出装置の応用）
本発明の放射線検出装置の測定対象としては、PET装置で測定対象としているγ線だけでなく、α線、β線、中性子線、X線など他の放射線検出に用いても検出効率向上に高い効果が得られる。また、本発明の放射線検出装置を用いる応用分野としては、PET装置だけでなく、核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学の分野で利用される放射線検出素子、画像診断装置、イメージング装置など、広い範囲の放射線検出装置に用いて高い効果がある。
本発明の放射線検出装置の測定対象としては、PET装置で測定対象としているγ線だけでなく、α線、β線、中性子線、X線など他の放射線検出に用いても検出効率向上に高い効果が得られる。また、本発明の放射線検出装置を用いる応用分野としては、PET装置だけでなく、核医学、原子力、天文学、宇宙線物理学の分野で利用される放射線検出素子、画像診断装置、イメージング装置など、広い範囲の放射線検出装置に用いて高い効果がある。
以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図６(a)乃至(c)は、放射線検出感度のシミュレーション結果である。シミュレーションには、直径4mm、0.2mm厚さの容積中線源18F（同位体18フッ素、PET用の注入薬）から10mm離れたところに、以下に述べる3種類の実験素材を置いた放射線検出モデルを用いた。線源から7400万個（event数）発生する消滅γ線が、実験素材に衝突した数（enrties数）をモンテカルロ法で算出し、衝突したγ線のうち、それぞれのエネルギー値を持ったγ線を検出できた数（count数）を算出した。縦軸に放射線検出感度（count数）、横軸にエネルギー値をとり、横軸のエネルギーは、0から600kevを128分割して、図６に示すヒストグラムを出した。エネルギー511kevにおける検出感度をグラフの右上に太字の数値で表示した。
図(a):（従来例）CdTe（厚さ1mm）のみ、検出感度18574図(b):（本発明）W(厚さ0.1mm)/CdTe(厚さ1mm)、検出感度20058（従来例より約10%増）図(c):（本発明）Pb（厚さ0.1mm）/CdTe(厚さ1mm)/Pb(厚さ1mm)、検出感度21116（従来例より約20%増加）
以上のシミュレーション結果から、本発明の放射線検出素子では検出感度が10%〜20%と大幅に増加することが示された。
また、例えば、1個の放射線検出素子で20%の検出感度向上があると、PETの場合には放射線源に対し両側に放射線検出素子が配置されるので、検出効率は1.2の2乗で計算され、44%の効率向上になる。
図６(a)乃至(c)は、放射線検出感度のシミュレーション結果である。シミュレーションには、直径4mm、0.2mm厚さの容積中線源18F（同位体18フッ素、PET用の注入薬）から10mm離れたところに、以下に述べる3種類の実験素材を置いた放射線検出モデルを用いた。線源から7400万個（event数）発生する消滅γ線が、実験素材に衝突した数（enrties数）をモンテカルロ法で算出し、衝突したγ線のうち、それぞれのエネルギー値を持ったγ線を検出できた数（count数）を算出した。縦軸に放射線検出感度（count数）、横軸にエネルギー値をとり、横軸のエネルギーは、0から600kevを128分割して、図６に示すヒストグラムを出した。エネルギー511kevにおける検出感度をグラフの右上に太字の数値で表示した。
図(a):（従来例）CdTe（厚さ1mm）のみ、検出感度18574図(b):（本発明）W(厚さ0.1mm)/CdTe(厚さ1mm)、検出感度20058（従来例より約10%増）図(c):（本発明）Pb（厚さ0.1mm）/CdTe(厚さ1mm)/Pb(厚さ1mm)、検出感度21116（従来例より約20%増加）
以上のシミュレーション結果から、本発明の放射線検出素子では検出感度が10%〜20%と大幅に増加することが示された。
また、例えば、1個の放射線検出素子で20%の検出感度向上があると、PETの場合には放射線源に対し両側に放射線検出素子が配置されるので、検出効率は1.2の2乗で計算され、44%の効率向上になる。
１ 電極
２、１８ 真性半導体基板
３、１７ N型半導体層
４、１６ オーミック電極
５ γ線
６ 電子
１１ オーミック電極
１２ N+型半導体層
１３ 半導体基板
１４ ショットキー電極
１５ 金属膜
１９ P型半導体層
２０ 金属膜
２１ ドレイン電極
２２ N+型半導体層
２３ N型半導体層
２４ P型ゲート領域
２５ ソース電極
２６ 絶縁層
２７ 遮蔽膜
３１ 基板
３２ 放射線検出素子
３３ パッド
３４ ボンディングワイヤー
３５、３６ 放射線検出アレイ
４１ 放射線検出ダイオード
４２ リセット回路
４３ γ線検出部
４４ リセット回路部
４５ OR論理回路
４６ 転送ユニット
４７ コンピュータ
８１、８５ 基板
８２、８９ 電極
８３ 半導体
８４、８７ オーミック電極
８６ γ線
８８ 電極補強板
１０１ ショットキー電極
１０２ 半導体基板
１０３ オーミック電極
１０４ γ線
２、１８ 真性半導体基板
３、１７ N型半導体層
４、１６ オーミック電極
５ γ線
６ 電子
１１ オーミック電極
１２ N+型半導体層
１３ 半導体基板
１４ ショットキー電極
１５ 金属膜
１９ P型半導体層
２０ 金属膜
２１ ドレイン電極
２２ N+型半導体層
２３ N型半導体層
２４ P型ゲート領域
２５ ソース電極
２６ 絶縁層
２７ 遮蔽膜
３１ 基板
３２ 放射線検出素子
３３ パッド
３４ ボンディングワイヤー
３５、３６ 放射線検出アレイ
４１ 放射線検出ダイオード
４２ リセット回路
４３ γ線検出部
４４ リセット回路部
４５ OR論理回路
４６ 転送ユニット
４７ コンピュータ
８１、８５ 基板
８２、８９ 電極
８３ 半導体
８４、８７ オーミック電極
８６ γ線
８８ 電極補強板
１０１ ショットキー電極
１０２ 半導体基板
１０３ オーミック電極
１０４ γ線
Claims (8)
- ｎ型半導体基板又はｐ型半導体基板と、前記ｎ型半導体基板又はｐ型半導体基板上の放射線入射側に設けた電極とからなり、前記電極が金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜である放射線検出素子であって、
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子。 - 真性半導体基板と、前記真性半導体基板上の放射線入射側に設けた電極と、前記真性半導体基板の前記電極と反対側に設けたn型半導体領域又はp型半導体領域とからなり、前記電極が金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜である放射線検出素子であって、
前記金属からなる膜、又は、金属からなる膜を含む積層膜の厚さをx(cm)、前記金属の放射線吸収係数をa(1/cm)、前記金属において生成する反跳電子の平均飛程をb(cm)として、近似式y=(1-exp(-a*x))*exp(-b*x)で表される前記放射線検出素子の放射線検出効率yをxに対してプロットしたときに最大値を持つyにおいて、前記プロットの半値幅以内になるようにxを設定し、前記電極を形成することを特徴とする放射線検出素子。 - 前記放射線が、γ線、又は、X線であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の放射線検出素子。
- 前記金属からなる膜が、W、Pt、In、Fe、Pb、Cu、又は、これらの合金からなる膜であることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項記載の放射線検出素子。
- 前記金属からなる膜が、W/Pt、W/Pb、W/Fe、W/In、W/Cu、又は、これらの合金からなる積層膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の放射線検出素子。
- 前記ｎ型半導体基板、ｐ型半導体基板、真性半導体基板が、Si、Ge、ZnO、CdTe、CdZnTe、SiC、GaN、又は、GaAsからなる基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の放射線検出素子。
- 請求項１乃至６のいずれか1項記載の放射線検出素子により放射線を検出する放射線検出装置。
- 請求項１乃至６のいずれか1項記載の放射線検出素子により放射線を検出するPET装置。
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