JP7273842B2 - フォトンカウンティング型放射線検出器およびそれを用いた放射線検査装置 - Google Patents

フォトンカウンティング型放射線検出器およびそれを用いた放射線検査装置 Download PDF

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Description

実施形態は、概ね、フォトンカウンティング型放射線検出器およびそれを用いた放射線検査装置に関するものである。
放射線検査装置は、医療機器から工業用非破壊検査装置など様々な分野に用いられている。医療機器としては、ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置やポジトロン断層（ＰＥＴ：ｐｏｓｉｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置が挙げられる。また、放射線としてはＸ線やガンマ線などが使用されている。
Ｘ線ＣＴ装置は、特許第４８８６１５１号公報（特許文献１）に示されているように、固体シンチレータと呼ばれる発光物質を用いたものが主流である。固体シンチレータは、Ｘ線が照射されることにより発光する物質である。固体シンチレータを用いたＸ線ＣＴ装置では、被検体を透過したＸ線を固体シンチレータで可視光に変換する。この可視光をフォトダイオード検出器で電気信号に変えて断層像を得ている。このような方式により、現在では立体画像を得られるまでになっている。一方で、固体シンチレータの発光を電気信号にて検出する方法では、Ｘ線を光に変えるロスがあり、且つフォトダイオードの光感受性の向上に限界があるため、Ｘ線の被爆量の低減には限界があった。また、固体シンチレータは、多結晶体であるため小型化には限界があった。そのため、空間分解能の向上には限界があった。また、固体シンチレータの発光のみを電気信号に変える方式では、Ｘ線情報量が少ないといった問題があった。
近年、被検体を透過した放射線を直接、電気信号に変換する放射線検出器の開発が進められている。特開昭６３－４０３８１号公報（特許文献２）には、フォトンカウンティング型放射線検出器を搭載した放射線検出器が開示されている。フォトンカウンティング方式は、被検体を透過したＸ線フォトンを直接、電気信号に変換することができる。これにより、被爆量の低減などの効果が期待される。
特許第４８８６１５１号公報 特開昭６３－４０３８１号公報
特許文献２では、半導体素子を放射線の入射方向に対して斜めに配置した構造が開示されている。この構造では、半導体素子の一部が重なるように配置されている。これにより、電極面に誘起される総電荷における放射線の入射位置依存性を緩和している。
一方、ＣＴ装置に代表される放射線検査装置は、高解像度にすることが求められている。高解像度にするには、検出画素を小さくする必要がある。高解像度化することで、得られる画像がより精細になる。特許文献２では検出素子の開口率を下げないようにしている。このため、高解像度化するには限界があった。
本発明は、このような問題を解決するためのものであり、得られる画像の高精細化を可能とするフォトンカウンティング型放射線検出器を提供するためのものである。
実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、基板と、前記基板の上に設けられ、放射線が入射するエピタキシャル層と、を含むセル構造を備え、前記基板の厚さをｔｓｕｂ、前記エピタキシャル層の厚さをｔｅｐｉ、前記基板の長さをＬ、前記放射線の入射方向に対する前記基板の傾きをθ（°）としたとき、前記基板の傾きθは以下の式（１）を満たすことを特徴とする。
Figure 0007273842000001
実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、エピタキシャル層を有しているため、放射線の入射面を小型化できる。また、基板の傾きθを特定の範囲内に設定することにより、画像を高精細化することができる。
実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアレイ構造の一例を示す模式図。 実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアレイ構造の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアレイ構造の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアレイ構造の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアレイ構造の別の一例を示す模式図。 実施形態にかかる放射線検査装置の一例を示す図。 実施例２－１のセル構造のＩ－Ｖ特性を示す図。 実施例２－２のセル構造のＩ－Ｖ特性を示す図。 実施例２－３のセル構造のＩ－Ｖ特性を示す図。 実施例２－４のセル構造のＩ－Ｖ特性を示す図。 実施例２－５のセル構造のＩ－Ｖ特性を示す図。
実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、基板と、前記基板の上に設けられ、放射線が入射するエピタキシャル層と、を含むセル構造を備え、前記基板の厚さをｔｓｕｂ、前記エピタキシャル層の厚さをｔｅｐｉ、前記基板の長さをＬ、前記放射線の入射方向に対する前記基板の傾きをθ（°）としたとき、前記基板の傾きθは以下の式（１）を満たすことを特徴とする。
Figure 0007273842000002
図１は、セル構造の一例を示す。図１において、１はセル構造、２はエピタキシャル層、３は基板、１００はフォトンカウンティング型放射線検出器、ｔｓｕｂは基板の厚さ、ｔｅｐｉはエピタキシャル層２の厚さ、Ｌは基板の長さ、θはＸ線入射方向に対する基板の傾き、である。フォトンカウンティング型放射線検出器１００は、セル構造１を含む。セル構造に、図示しない配線や絶縁層などを設けることによりフォトンカウンティング型放射線検出器となる。ここでは、セル構造について主に説明する。また、フォトンカウンティング型放射線検出器１００は、Ｘ線、ガンマ線などの放射線を検出できる。ここでは、フォトンカウンティング型放射線検出器１００がＸ線を検出する例について説明する。以下で説明する技術は、フォトンカウンティング型放射線検出器１００がガンマ線を検出する場合にも、同様に適用可能である。
図２は、セル構造を並べたアレイ構造の一例を示す。図２において、２はエピタキシャル層、３は基板、ｔｓｕｂは基板の厚さ、ｔｅｐｉはエピタキシャル層２の厚さ、θはＸ線入射方向に対する基板の傾き、６はスペーサ、１０はアレイ構造、である。なお、基板の厚さｔｓｕｂは基板、電極、絶縁層の厚さを含めた値である。
基板の厚さｔｓｕｂは、換言すると、エピタキシャル層２と基板３を結ぶ第１方向Ｄ１における基板３の長さである。エピタキシャル層の厚さｔｅｐｉは、第１方向Ｄ１におけるエピタキシャル層２の長さである。基板の長さＬは、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２における基板３の長さである。第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１及びＸ線入射方向ＤＸに沿う面に平行である。傾きθは、Ｘ線入射方向と第２方向Ｄ２との間の角度に対応する。
基板の厚さｔｓｕｂ、エピタキシャル層の厚さｔｅｐｉ、基板の長さＬ、及び基板の傾きθの間には、以下の式（２）が成立する。
Figure 0007273842000003
セル構造は、基板３と、基板３の上に設けられたエピタキシャル層２と、を有している。セル構造の基板は、Ｘ線入射方向に対して傾いている。なお、基板の傾きθは、Ｘ線入射方向を０°とする。また、基板が右下がりに向かって傾いた状態のとき、θはプラス角度とする。また、基板が左下がり向かって傾いた状態のとき、θはマイナス角度とする。図２は、θがプラスの角度の状態を例示している。また、式（２）では、基板３の傾きθは、絶対値で示されている。つまり、式（２）では、傾きθは、マイナス角度であってもプラス角度として示される。入射方向は、例えば複数のセル構造１が並ぶ方向に対して垂直である。
基板３は、エピタキシャル層２を形成するために使われる。また、エピタキシャル層２は、入射したＸ線フォトンを電気信号に変換することができる。Ｘ線入射方向に対しエピタキシャル層が隙間無く存在することにより、Ｘ線フォトンが検出できない領域を低減することができる。その一方で、Ｘ線入射方向において、隣り合うセル構造のエピタキシャル層２が重ならないように、複数のセル構造を配置する必要がある。隣り合うエピタキシャル層２が重なると、Ｘ線フォトンの検出時にコンタミが発生する。このため、正確にＸ線フォトンが検出できない。コンタミとは、同じＸ線フォトンを複数のエピタキシャル層２で検出することにより生じる画像のにじみである。特許文献２では、半導体検出素子を遮へい材で覆うことにより、Ｘ線フォトン検出のコンタミを防いでいる。遮へい材には、鉛が使われている。鉛は毒性があり、使い難い材料である。
実施形態にかかるセル構造では、Ｘ線入射方向に対する基板の傾きθが特定の範囲内に設定されている。基板の厚さ、基板の長さ、エピタキシャル層の厚さに応じて基板の傾きを設定することにより、検出できない領域を減らし、かつ検出のコンタミを抑制することができる。
式（２）について説明する。
まず、図２中に示したように「（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθ－（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）ｃｏｓθ」が０以上の値を有することが必要である。（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθは、Ｘ線入射方向からみた一つのエピタキシャル層２の幅である。（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθは、画素サイズである。また、（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）ｃｏｓθは、Ｘ線入射方向からみた基板３の下側端部からエピタキシャル層２の下側端部の幅である。幅は、換言すると、Ｘ線入射方向に垂直であり且つ複数のセル構造１が配列された方向における長さである。
「（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθ－（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）ｃｏｓθ」がゼロに近いほど、基板３の傾きθとＸ線入射方向との間の角度は小さくなる。
また、隣り合うセル構造において、Ｘ線入射方向に対し、エピタキシャル層２が重ならないように配置するには式（３）の関係が適用される。
Figure 0007273842000004
式（３）は、式（４）で表される。
Figure 0007273842000005
式（４）から基板の傾きθは、式（１）の関係が成り立つ。
Figure 0007273842000006
また、以下の式（４）を満たすとする。
Figure 0007273842000007
基板３の傾きθが式（１）を満たすということは、Ｘ線入射方向に対し、隣り合うセル構造のエピタキシャル層２が重ならないように配置できていることを示している。
Ｘ線入射方向に対し、隣り合うセル構造のエピタキシャル層２が重なっていると、画像のにじみが生じする。一つのＸ線フォトンを２つのセルで検出してしまうためである。
また、基板の傾きθは、Ｘ線入射方向に対する基板の角度の絶対値である。このため、Ｘ線入射方向に対する基板の角度は、プラス角度、マイナス角度のどちらであってもよい。また、基板の傾きθは０°を超えた値であることが好ましい。基板の傾きθが０°のとき、Ｘ線入射方向に対し基板が平行である。基板の傾きθが０°のとき、隣り合うセル構造で検出のコンタミ（画像のにじみ）は発生しない。その一方で、基板３の厚さｔｓｕｂの領域は、Ｘ線フォトンを検出できない領域となる。つまり、Ｘ線入射方向に対し、隣り合うセル構造のエピタキシャル層２同士に隙間ができると検出できない領域が形成される。
また、基板の傾きθを大きくすることにより、（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθが小さくなる。これにより、画素を小さくすることができる。
つまり、数式１を満たす上で、基板の傾きθを調整することにより、画像のにじみを無くし、画素を小さくすることができる。
このため、基板３の傾きθは、式（１）を満たした上で、０°を超えた値であることが好ましい。基板３の傾きθをこの範囲内に設定することにより、検出コンタミの抑制と高精細化を両立させることができる。
また、セル構造は、基板３上にエピタキシャル層２を有している。エピタキシャル層２は、ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ダイヤモンド、ＣｄＴｅから選ばれる１種を含有することが好ましい。また、基板３は、ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ダイヤモンド、ＣｄＴｅから選ばれる１種を含有することが好ましい。また、エピタキシャル層２は、基板３上でエピタキシャル成長させた層であることが好ましい。このため、エピタキシャル層２と基板３の材質は、同じであることが好ましい。また、エピタキシャル層２および基板３は、ＳｉＣまたはＧａ２Ｏ３からなることが好ましい。これらの材料は、基板上でエピタキシャル成長させ易い。また、後述するようにエッチング加工により基板の薄型化を行い易い。また、これらの基板材料はＸ線を透過するので、エピタキシャル層２でＸ線フォトンを検出することに悪影響は無い。また、エピタキシャル層２および基板３を単結晶にすることができる。
また、エピタキシャル層２にＳｉＣを用いる場合、４Ｈ型ＳｉＣを用いることが好ましい。４Ｈ型、６Ｈ型、３Ｃ型のＳｉＣがある。この中では、４Ｈ型ＳｉＣのバンドギャップが、３．２５ｅＶと一番大きい。バンドギャップが大きな材料を用いることにより、リーク電流を小さくすることができる。また、室温動作も可能となる。
また、エピタキシャル層２は、基板３と比べて高品質な層である。具体的には、単位体積あたりのエピタキシャル層２の不純物濃度または欠陥密度は、基板３と比べて２桁以上少ない。例えば、ＳｉＣ基板の不純物濃度が１０１８ｃｍ－３程度であったとき、ＳｉＣエピタキシャル層の不純物濃度は１０１６ｃｍ－３以下である。
欠陥密度についても同様である。また、エピタキシャル層２と基板３は、断面組織を観察することにより判別可能である。エピタキシャル層２は、基板３と比べて高密度である。特に、単結晶の基板を使うことにより、エピタキシャル層２も単結晶にすることができる。基板２が単結晶であると高品質なエピタキシャル層を形成し易くなる。
また、不純物量の測定は、逆方向電圧と空乏層容量の関係から求めることができる。逆方向電圧をＶ、空乏層容量をＣ、ショットキー障壁をφＢ、荷量をｑ、不純物濃度をＮｄ、材料の誘電率をε、とする。逆方向電圧Ｖと空乏層容量Ｃとの間には、１／Ｃ２＝－２（Ｖ－φＢ）／ｑＮｄε、の関係式が成り立つ。
材料の誘電率εは、エピタキシャル層２または基板３を構成する材料の誘電率である。例えば、ＳｉＣの誘電率εは９．７、ＧａＮの誘電率εは９．０、Ｇａ２Ｏ３の誘電率は１０．０、ダイヤモンドの誘電率εは５．５、である。
逆方向電圧Ｖと空乏層容量Ｃ（１／Ｃ２）を測定することにより、上記関係式から不純物濃度Ｎｄを求めることができる。不純物濃度Ｎｄは、ドナー濃度とも呼ばれる。
また、逆方向電圧Ｖとして－２００Ｖ程度の高い電圧を印加できるＬＣＲメータを用いることが好ましい。高い電圧を印加すれば、エピタキシャル層２が空乏化した後で、基板３が空乏化を始める。このため、エピタキシャル層２と基板３が一体になった状態のままで測定可能である。
また、基板の傾きθを所定の値に設定することにより、エピタキシャル層２の側面をＸ線入射面とすることができる。これにより、入射面を小さくできる。入射面を小さくすることにより、検出画素を小さくできる。また、エピタキシャル層の厚さｔｅｐｉは、１００μｍ以下であることが好ましい。エピタキシャル層の厚さｔｅｐｉは３０μｍ以下、さらには１０μｍ以下であることがより好ましい。厚さｔｅｐｉを薄くすることにより、検出画素を小さくできる。エピタキシャル層２の厚さｔｅｐｉの最小値は特に限定されないが、１μｍ以上であることが好ましい。厚さｔｅｐｉが１μｍ未満では、発生する電気信号が小さくなりすぎる。
基板の厚さｔｓｕｂは、５００μｍ以下であることが好ましい。基板の厚さｔｓｕｂが５００μｍを超えて厚いと、検出できない領域が増える可能性が生じる。このため、基板の厚さｔｓｕｂは、５００μｍ以下、さらには１００μｍ以下が好ましい。また、基板の厚さｔｓｕｂの下限値は、特に限定されないが、５μｍ以上であることが好ましい。基板の厚さｔｓｕｂが５μｍ未満であると、基板の強度が低下する。基板の強度が低下すると、アレイ構造を組立てる際に基板が破損し易くなる。このため、基板の厚さｔｓｕｂは、５μｍ以上５００μｍ以下、さらには５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。基板を薄くすることにより、検出できない領域を減らし、空間分解能を向上させることができる。また、基板の厚さの調整は、予め所定の厚さの基板を用いても良いし、研磨加工やエッチング加工などにより基板を薄化してもよい。また、基板の厚さｔｓｕｂには、電極や絶縁層の厚さが含まれるものとする。
セル構造には電極を設けることが好ましい。セル構造に設けられた電極は、炭素、珪素、チタン、白金およびニッケルからなる群より選ばれる１種または２種以上を含有することが好ましい。
図３は、電極を設けたセル構造の一例を示す。図３において、１はセル構造、２はエピタキシャル層、３は基板、４は表側電極、５は裏側電極、１００はフォトンカウンティング型放射線検出器、である。図３では、エピタキシャル層２側に設けた電極を表側電極４、基板３に設けた電極を裏側電極５とした。また、図３は側面からみたセル構造を示す。
表側電極４は、エピタキシャル層２の全面または一部に設けられる。また、エピタキシャル層２表面に複数の表側電極４が設けられても良い。
裏側電極５は、基板３裏面の全面または一部に設けられる。また、基板３裏面に複数の裏側電極５が設けられても良い。
基板の厚さｔｓｕｂは、基板３の厚さと、表側電極４の厚さと、裏側電極５の厚さと、の和に対応する。
また、電極材料としては、金属、金属酸化物、金属炭化物、及び金属珪化物から選ばれる１種が好ましい。
金属電極としては、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｔ（白金）、Ｎｉ（ニッケル）から選ばれる１種が好ましい。また、金属酸化物電極としては、ＴｉＯ２（酸化チタン）が好ましい。また、金属炭化物電極としては、ＴｉＣ（炭化チタン）、ＷＣ（炭化タングステン）、Ｍｏ２Ｃ（炭化モリブデン）、ＴａＣ（炭化タンタル）、及びＮｂＣ（炭化ニオブ）から選ばれる１種が好ましい。また、金属珪化物電極としては、ＴｉＳｉ２（珪化チタン）、ＷＳｉ２（珪化タングステン）、ＭｏＳｉ２（珪化モリブデン）、ＴａＳｉ２（珪化タンタル）、及びＮｂＳｉ２（珪化ニオブ）から選ばれる１種が好ましい。
エピタキシャル層２および基板３がＳｉＣ（炭化珪素）またはダイヤモンドを含有する場合、金属炭化物電極または金属珪化物電極が設けられることが好ましい。これらの中では、Ｍｏ２Ｃ、Ｗ、ＷＣ、及びＷ２Ｃが好ましい。エピタキシャル層２および基板３が炭素成分を含有する場合、金属炭化物電極または金属珪化物電極を用いることにより、電極とエピタキシャル層（または基板）との反応を抑制することができる。これにより、安定した電気特性が得られる。また、セル構造の長寿命化も成しえることができる。
また、エピタキシャル層２および基板３がＧａ２Ｏ３（酸化ガドリニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）またはＣｄＴｅ（カドミウムテルル）を含有する場合、金属電極または金属酸化物電極を用いることが好ましい。これらの中では、Ｐｔ、Ｎｉ、及びＴｉＯ２が好ましい。また、電極には、ＴｉＮ（窒化チタン）を用いてもよい。これにより、電極とエピタキシャル層（または基板）との反応を抑制することができる。
前記金属電極、金属炭化物電極、金属珪化物電極は、スパッタリング法により形成できる。スパッタリング法以外にも、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法、蒸着法、溶射法、メッキ法などが適用できる。
図４は、実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器の構成の一例を示す模式図である。図４において、８は制御部である。各セルの表面側電極及び裏面側電極は、制御部８と接続される。制御部８により、各セルの表面側電極と裏面側電極の間に、電圧が印加される。被検体を透過したＸ線は、セル構造１のエピタキシャル層２に入射する。入射したＸ線フォトンは、エピタキシャル層２で吸収される。Ｘ線フォトンが吸収されると、エピタキシャル層２でキャリア（電子及び正孔）が生成される。電子及び正孔は、それぞれ、表面側電極及び裏面側電極に流れる。これにより、図４に示したように、制御部、表面側電極、裏面側電極の間に、電流ｉが流れる。すなわち、エピタキシャル層２において、Ｘ線フォトンが電気信号に直接的に変換される。制御部８は、電流ｉの大きさを検出する。電流ｉの大きさは、被検体を透過したＸ線フォトンの量に比例する。すなわち、電流ｉの大きさを検出することで、Ｘ線フォトンの量をカウントできる。なお、表面側電極と裏面側電極の間に印加する電圧、電流ｉの方向は、適宜変更可能である。
フォトンカウンティング型放射線検出器は、セル構造を絶縁スペーサを介して横方向に並べたアレイ構造を有することが好ましい。図５は、アレイ構造の一例を示す。アレイ構造１０は、複数のセル構造１と複数のスペーサ６を交互に並べた構造を有している。スペーサ６は、絶縁性を有することが好ましい。セル構造１には、図３に示すように表側電極４と裏側電極５が設けられている。各セル構造１の表側電極４と裏側電極５は、図４に示すように、制御部８と接続される。絶縁性スペーサを設けることにより、隣り合うセル構造同士が導通することを防ぐことができる。スペーサ６として、絶縁性樹脂（接着剤含む）、絶縁フィルムなどが挙げられる。また、両面テープのように絶縁フィルムの両面に接着層を設けたものを用いても良い。また、スペーサ６の厚さは、２００μｍ以下、さらには１００μｍ以下であることが好ましい。スペーサ６の厚さを薄くすることにより、検出できない領域を減らすことができ、空間分解能を高めることができる。なお、横方向に並べるセル構造の数は任意である。
スペーサ６が設けられる場合、１つの基板の厚さｔｓｕｂは、１つの基板３の厚さと、１つの表側電極４の厚さと、１つの裏側電極５の厚さと、１つのスペーサ６の厚さと、の和に対応する。
図６に示すように、フォトンカウンティング型放射線検出器は、アレイ構造１０をＸ線入射方向に積層した構造を有しても良い。セル構造１を横方向に並べたアレイ構造１０をＸ線入射方向に積層することにより、一度に測定できる情報量を増やすことができる。また、アレイ構造１０が積層された構造では、エピタキシャル層２をＸ線が透過することが好ましい。なお、上下に積層されたアレイ構造１０を構成するセル構造１のエピタキシャル層２のサイズは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていても良い。同様に、基板の傾きθは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていても良い。エピタキシャル層２のサイズを変えることまたは傾きθを変えることは、Ｘ線透過距離Ｃを上下のセルで変えることになる。また、アレイ構造１０を積層する際に、上下のエピタキシャル層は重なっていてもよいし、重なっていなくても良い。なお、上下にエピタキシャル層が重なるとは、上側のエピタキシャル層２を透過したＸ線を下側のエピタキシャル層２で検出できる構造を示す。また、アレイ構造１０をＸ線入射方向に積層した構造を有する場合であっても、個々の基板の傾きθは式（１）の範囲内であることが好ましい。
図７は、アレイ構造１０の別の一例を示す。例えば、Ｘ線は、光源から放射状に発せられ、被験者に照射される。被験者を透過したＸ線は、アレイ構造１０の各セル構造１に入射する。Ｘ線が放射状に広がる場合、各セル構造に入射するＸ線の角度は、互いに異なる。例えば、アレイ構造１０は、セル構造１－１と、セル構造１－３と、横方向においてそれらの間に位置するセル構造１－２と、を含む。セル構造１－１へのＸ線の入射方向ＤＸ１、セル構造１－２へのＸ線の入射方向ＤＸ２、セル構造１－３へのＸ線の入射方向ＤＸ３は、互いに異なる。この場合、セル構造１－１～１－３の基板の傾きθ１～θ３は、それぞれ、Ｘ線の入射方向ＤＸ１～ＤＸ３を基準に設定される。セル構造１－１～１－３の基板の傾きθ１～θ３は、それぞれ、Ｘ線の入射方向ＤＸ１～ＤＸ３に対して、式（１）を満たすように設定される。
複数のセル構造１は、図５に示すように直線状に並んでいても良いし、図７に示すように横方向に沿って湾曲して並んでいても良い。ここでは、複数のセル構造１が横方向に並ぶとは、図５に示すように複数のセル構造１が横方向に直線状に並ぶ場合と、複数のセル構造１が横方向に沿って湾曲して並ぶ場合と、を含む。
図８は、アレイ構造１０の別の一例を示す。図８に示すように、セル構造１は、Ｘ線の入射方向ＤＸに垂直であり且つ互いに交差する二方向に並べられても良い。例えば、セル構造１は、入射方向ＤＸに垂直であり且つ互いに直交する第１配列方向ＡＤ１及び第２配列方向ＡＤ２に並べられる。第１配列方向ＡＤ１に並んだ複数のセル構造１は、例えば図５又は図７に示す通りである。二方向に並んだ個々のセル構造１の基板の傾きが式（１）を満たすことが好ましい。また、図８に示した二方向に並ぶ複数のセル構造１が、図６に示すように、Ｘ線入射方向ＤＸに積層されても良い。
また、実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、放射線検出器に用いることができる。図９に放射線検出器の概念図を示した。図中、８は制御部としてのコンピュータ、１０はアレイ構造、２１は被験者、２２はＸ線管、２４はディスプレイ、２５は画像、２０はＸ線ＣＴ装置（放射線検査装置）、１００はフォトンカウンティング型放射線検出器、である。図９では放射線検査装置の一種であるＸ線ＣＴ装置を使って説明する。
Ｘ線ＣＴ装置２０は、アレイ構造１０を有するフォトンカウンティング型放射線検出器１００を備える。アレイ構造１０では、セル構造１が横方向に沿って湾曲して並べられている。アレイ構造１０は、被験者２１の撮影部位を安置する円筒の内壁に張り付けられている。アレイ構造１０が張り付けられた円弧の略中心には、Ｘ線を出射するＸ線管２２が配置されている。アレイ構造１０とＸ線管２２との間には、固定された被験者２１が配置されている。
アレイ構造１０とＸ線管２２は被験者２１を中心にして、Ｘ線による撮影を行いながら、回転方向２３に向けて回転するように構成されている。そして、被験者２１の画像処理が異なる角度から立体的に集められる。Ｘ線撮影により得られた信号（セル構造１により変換された電気信号）はコンピュータ８で処理され、ディスプレイ２４上に画像２５として表示される。画像２５は、例えば被験者２１の断層像である。
実施形態のフォトンカウンティング型放射線検出器１００ではＸ線入射面を小さくできるので、高精細化することができる。これによって、Ｘ線ＣＴ装置２０の医療診断能を大幅に高めることができる。
また、実施形態にかかる放射線検査装置は、医療診断用の検査装置に限らず、工業用のＸ線非破壊検査装置などにも適用できる。また、Ｘ線以外の放射線（例えば、ガンマ線）の検出器に用いることも可能である。
次に、実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器１００の製造方法について説明する。実施形態にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器１００は、上記構成を有していればその製造方法は限定されるものではないが、歩留り良く得るための方法として以下のものが挙げられる。
まず、エピタキシャル層を形成するための基板を用意する。基板は、ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ダイヤモンド、ＣｄＴｅ（カドミウムテルル）、ＩＧＺＯ（イグゾー）、ペロブスカイト結晶構造を有する材料、から選ばれる１種を含有する。なお、ＩＧＺＯとは、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、酸素（Ｏ）からなる化合物のことである。
基板の厚さｔｓｕｂは１０μｍ以上７００μｍ以下、さらには１５μｍ以上４００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、基板は単結晶基板であることが好ましい。また、単結晶基板の厚さは、５μｍ以上２００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
基板の縦横サイズは任意である。セル構造を構成する基板３よりも大きな基板を用いることが好ましい。エピタキシャル成長させた大きな基板を小さく切断してセル構造にすることにより、量産性が向上する。また、切断工程は電極を設ける前であってもよいし、電極を設けた後であってもよい。
また、基板の純度は、９９．０ｗｔ％以上であることが好ましい。基板の純度が低いと、エピタキシャル層に不純物が混入し易くなる。このため、基板の純度は、９９．０ｗｔ％以上、さらには９９．９ｗｔ％以上であることが好ましい。また、基板の表面は、表面粗さＲａが０．２μｍ以下の平坦面であることが好ましい。
次に、基板上にエピタキシャル成長させてエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル成長とは、基板となる結晶の上に結晶成長させる方法である。基板（下地となる基板）の結晶面にそろえて結晶成長させることができる。基板が単結晶であれば、得られるエピタキシャル層も単結晶にすることができる。
また、基板とエピタキシャル層が同じ材料である場合をホモエピタキシャル成長と呼ぶ。また、基板とエピタキシャル層が異なる材料である場合をヘテロエピタキシャル成長と呼ぶ。
また、エピタキシャル成長の方法には、気相エピタキシャル成長、液相エピタキシャル成長、固相エピタキシャル成長、分子線エピタキシャル成長などが挙げられる。
気相エピタキシャル成長は、気相中の成分を基板結晶表面に堆積させる方法である。気相エピタキシャル成長は、VPE（Vapor Phase Epitaxy）またはCVD（Chemical Vapor Deposition）と呼ばれている。また、CVDの一種としてミストCVDも挙げられる。
また、液相エピタキシャル成長は、過飽和溶液から基板結晶表面に結晶成分を析出させる方法であり、LPE（Liquid Phase Epitaxy）と呼ばれている。
また、固相エピタキシャル成長は、基板結晶表面に堆積する材料を電子ビーム照射などにより加熱して、基板結晶と同じ結晶構造に変える方法である。固相エピタキシャル成長は、SPE（Solid Phase Epitaxy）と呼ばれている。
また、分子線エピタキシャル成長は、超高真空（１０－３～１０－９Ｐａ）中で目的の結晶を構成する元素あるいは元素を含む材料を加熱蒸発させ、加熱された基板結晶上に結晶を堆積させる方法である。分子線エピタキシャル成長は、MBE（Molecular Beam Epitaxy）と呼ばれている。
エピタキシャル層は目的とする厚さとなるまでエピタキシャル成長させるものとする。また、成長させたエピタキシャル層は、そのままエピタキシャル層２とする。エピタキシャル層２の厚さは１００μｍ以下、さらには１μｍ以上３０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
エピタキシャル層３を形成した後、必要に応じ、基板の厚さｔｓｕｂを調整する。基板ｔｓｕｂの厚さは薄い方が空間分解能が向上する。このため、基板の厚さｔｓｕｂは、５μｍ以上５００μｍ以下、さらには５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。また、基板の厚さｔｓｕｂは、研磨加工、エッチング加工により薄化できる。
次に、電極を設ける工程を行う。電極材料としては、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属珪化物から選ばれる１種が好ましい。また、スパッタリング法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法、蒸着法、溶射法、メッキ法などの成膜方法が適用できる。これらの成膜方法を使うことにより、任意の場所に電極を形成することができる。また、電極は、エピタキシャル層２の表面の全体に形成しても良いし、表面の一部に形成してもよい。また、複数の電極をエピタキシャル層２の表面に形成してもよい。同様に、基板３の裏面に設ける電極も、裏面全体に形成されても良いし、裏面の一部に形成されても良い。複数の電極を基板３の裏面に形成しても良い。また、エピタキシャル層２の表面全体または基板３の裏面全体に電極を設けた後、エッチング加工により電極をパターン形状にしてもよい。また、必要に応じ、熱処理を加えても良い。また、電極の成膜中に加熱しても良い。
エピタキシャル層２または基板３がＳｉＣ（炭化珪素）またはダイヤモンドを含有する場合は、金属炭化物電極または金属珪化物電極が好ましい。これらの中では、Ｍｏ２Ｃ、Ｗ、ＷＣ、またはＷ２Ｃが好ましい。エピタキシャル層２および基板３が炭素成分を含有する場合、金属炭化物電極または金属珪化物電極を用いることにより、電極とエピタキシャル層または電極と基板との反応を抑制することができる。これにより、安定した電気特性が得られる。また、セル構造の長寿命化も成しえることができる。
また、エピタキシャル層２または基板３がＧａ２Ｏ３（酸化ガドリニウム）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）またはＣｄＴｅ（カドミウムテルル）を含有する場合、金属電極または金属酸化物電極が好ましい。これらの中では、Ｐｔ、Ｎｉ、またはＴｉＯ２が好ましい。また、電極はＴｉＮ（窒化チタン）を含有してもよい。これにより、電極とエピタキシャル層または電極と基板との反応を抑制することができる。
必要に応じ、エピタキシャル成長させた大きな基板を小さく切断してセル構造にする工程を行う。
以上の工程によりセル構造が完成する。次に、複数のセル構造を並べてアレイ構造を作製する。まず、各セル構造の電極に配線を接続する。次に、スペーサを介して、複数のセル構造を並べていく。このとき、Ｘ線入射方向に対して基板の傾きθが数式１を満たすように複数のセル構造を並べる。スペーサは絶縁性を有することが好ましい。セル構造１には表側電極４と裏側電極５が設けられている。絶縁性スペーサとすることにより、隣り合うセル構造同士が導通することを防ぐことができる。スペーサ６としては、絶縁性樹脂（接着剤含む）、絶縁フィルムが挙げられる。また、両面テープのように絶縁フィルムの両面に接着層を設けたものを用いても良い。また、スペーサの厚さは２００μｍ以下、さらには１００μｍ以下であることが好ましい。スペーサの厚さを薄くすることにより、検出できない領域を減らすことができ、空間分解能を高めることができる。なお、横方向に並べるセル構造の数は任意である。
また、アレイ構造を組んだ後、必要に応じ、アレイ構造を樹脂モールドする。樹脂モールドにより、アレイ構造の強度を高めることができる。
（実施例）
（実施例１～９、比較例１）
実施例１～３としてＳｉＣ基板を用意した。ＳｉＣ基板上に、ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させた。また、実施例４～６としてＧａ２Ｏ３基板を用意した。Ｇａ２Ｏ３基板上に、Ｇａ２Ｏ３層をエピタキシャル成長させた。また、実施例７～９としてＧａＮ基板を用意した。ＧａＮ基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。また、ＳｉＣ基板、Ｇａ２Ｏ３基板およびＧａＮ基板はいずれも単結晶のものを用いた。このため、得られたエピタキシャル層はいずれも単結晶であった。
また、基板とエピタキシャル層のサイズは表１に示した通りである。また、基板の厚さｔｓｕｂは、電極や絶縁層の厚さも含めた厚さである。
Figure 0007273842000008
次に、実施例１～９に電極層を設けた。電極層の材料は表２に示した通りである。なお、表側電極と裏側電極は同じ材料とし、膜厚は２０μｍに統一した。これにより、実施例にかかるセル構造を作製した。また、絶縁層は１０μｍ以上１５０μｍ以下のものを用い、表１に示した基板の厚さｔｓｕｂとした。
Figure 0007273842000009
実施例２－１～実施例２－５のセル構造のＩ－Ｖ特性を調べた。セル構造を５００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃の各温度で、窒素雰囲気中、１分間熱処理した後のＩ－Ｖ特性を調べた。図１０～図１４は、それぞれ実施例２－１～２－５のＩ－Ｖ特性を示す。図１０～図１４に示すＩ－Ｖ特性において、横軸は電圧（ｖｏｌｔａｇｅ（ｖ））を表し、縦軸は電流密度（ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ（Ａ／ｃｍ２））を表す。また、図１０～１４において、ａｓｄｅｐｏは熱処理していないセル構造の特性を示す。図１０～１４のＩ－Ｖ特性は、熱処理温度毎の逆方向リーク電流の増加の有無を調べるために用いた。熱処理温度が変化したとき、Ｉ－Ｖ特性のグラフの変化が大きいほど、逆方向リーク電流が増加していることを示している。また、電圧がマイナス領域のときの電流密度が大きいほど、逆方向リーク電流が大きいことを示す。
図１０～１４を比較すると、ＴｉＣ電極（図１０）が逆方向リーク電流の増加傾向が強い。それに対し、Ｍｏ２Ｃ電極（図１１）、Ｗ電極（図１２）、ＷＣ電極（図１３）、Ｗ２Ｃ電極（図１４）については、逆方向リーク電流が小さい。このため、ＳｉＣエピタキシャル層またはＳｉＣ基板を用いたセル構造では、電極材料がＭｏ２Ｃ、Ｗ、ＷＣ、Ｗ２Ｃから選ばれる１種であることが好ましいことが分かった。
また、Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層またはＧａＮエピタキシャル層を用いたセル構造も、同様の傾向を示した。
基板の長さＬが表３に示した値のセル構造を作製した。各セルを複数個並べてアレイ構造を作製した。また、各セルの長さＬは、表３に示した値とした。また、縦横のサイズは同じとした。また、アレイ構造における個々の基板の傾きθは表３に示した値とした。
次に、Ｘ線入射方向に対するセル構造の基板の傾きθを変えて、Ｘ線検出の有無を調べた。Ｘ線検出の有無を調べる際、検出コンタミの有無を調べた。また、併せて画素サイズも示した。画素サイズは（ｔｓｕｂ＋ｔｅｐｉ）／ｃｏｓθにより求めた。実施例は、数式１を満たし、比較例は、数式１を満たさない。表３では、式（１）を満たすものを「○」、満たさないものを「×」とした。
その結果を表３に示す。
Figure 0007273842000010
以上のように実施形態にかかる放射線検出器は、優れた性能を示した。実施例は数式１を満たすため、隣り合うセル構造での検出コンタミは発生しなかった。また、例えば、実施例Ｂと比較例Ａのように基板長さＬが同じとき、基板傾きθを数式１を満たすことにより、検出画素も小さくできることが分かる。このため、高精細化が可能である。
また、実施例にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、エピタキシャル層を検出層に使っているため感度も良かった。また、画素サイズを１ｍｍ（１０００μｍ）以下と小さくしても、Ｘ線フォトンを検出可能であった。
また、実施例にかかるフォトンカウンティング型放射線検出器は、Ｘ線フォトンに基づく数μＡ（マイクロアンペア）レベルの電流も検出可能であった。また、基板の傾きθを大きくすることにより、検出電流が大きくなることが確認された。これは、エピタキシャル層中を透過するＸ線の距離が長くなったためである。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
１…セル構造
２…エピタキシャル層
３…基板
４…表側電極
５…裏側電極
６…スペーサ
８…コンピュータ（制御部）
１０…アレイ構造
２０…Ｘ線ＣＴ装置（放射線検査装置）
２１…被験者
２２…Ｘ線管
２４…ディスプレイ
２５…画像
１００…フォトンカウンティング型放射線検出器
ｔｅｐｉ…エピタキシャル層の厚さ
ｔｓｕｂ…基板の厚さ
Ｌ…基板の長さ
Ｃ…エピタキシャル層中のＸ線透過距離
θ…Ｘ線入射方向に対する基板の傾き

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板の上に設けられ、放射線が入射するエピタキシャル層と、を含むセル構造を備えたフォトンカウンティング型放射線検出器において、
    前記基板の厚さをｔｓｕｂ、前記エピタキシャル層の厚さをｔｅｐｉ、前記基板の長さをＬ、前記放射線の入射方向に対する前記基板の傾きをθ（°）としたとき、前記基板の傾きθは０°を超え且つ以下の式（１）を満たすことを特徴とするフォトンカウンティング型放射線検出器。

    Figure 0007273842000011
  2. 前記基板の厚さは５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  3. 前記エピタキシャル層の厚さは１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  4. 前記エピタキシャル層は、ＳｉＣ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ダイヤモンド、ＣｄＴｅから選ばれる１種を含有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  5. 前記セル構造は、電極をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  6. 前記セル構造に設けられた前記電極は、炭素、珪素、チタン、白金及びニッケルからなる群より選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項５に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  7. 複数の前記セル構造と、
    隣り合う前記セル構造同士の間にそれぞれ設けられた複数の絶縁スペーサと、
    を含み、前記複数のセル構造と前記複数の絶縁スペーサが横方向に交互に並んだアレイ構造を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  8. 前記放射線の前記入射方向に積層された複数の前記アレイ構造を備えたことを特徴とする請求項７記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  9. 直接変換型であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器。
  10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のフォトンカウンティング型放射線検出器を具備したことを特徴とする放射線検査装置。
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