(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材（５０）上のピクセルのアレイ（２２）で形成されており、シンチレータにより被覆された光検出器（１６）であって、この光検出器（１６）の各々のピクセルは、
高さ方向に離間した一対の接点（５４，３８）を有するフォトダイオード（３４、６４）であって、フォトンを受光して、該受光されたフォトンに応答して、蓄積されていた電荷を消尽するように構成されているフォトダイオード（３４、６４）と、
前記一対の接点の間で前記高さ方向に延び前記フォトダイオードのエッジにおける側面を包囲しており、前記フォトダイオードの前記一対の接点の間の電荷漏れを制限する金属の伝導性のゲート層（３６）と、
を含むことを特徴とする光検出器（１６）。
【請求項２】
各々のピクセルにおいて、前記ゲート層（３６）は、前記フォトダイオードの一対の接点の一方（３８）に電気的に結合されて、該一方の接点と共通の電圧に保たれることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
各々のピクセルにおいて、前記ダイオードは下層の接点層（５４）に形成されており、前記ゲート層は不動態化層（５６）により前記下層の接点層から離隔されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項４】
各々のピクセルにおいて、前記フォトダイオードは上方の接点層（３８）を含んでおり、前記ゲート層（３６）はバイア（６０）により前記上方の接点層に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項５】
各々のピクセルにおいて、前記ゲート層（３６）は、前記フォトダイオードの前記一対の接点（３８，５４）の電圧レベルとは異なる電圧に保たれることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項６】
各々のピクセルは、前記フォトダイオードに結合されており前記フォトンの受光により消尽された前記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切り替え可能な電界効果トランジスタ（４０）をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項７】
前記ゲート層は前記ダイオードの下層の接点層（５４）と同じ材料で作成されている請求項１乃至６のいずれかに記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、Ｘ線撮像応用に用いられるもののような光検出器に関する。さらに具体的には、本発明は、経時的な光検出器の放射線被曝によって生じ得るフォトダイオードからの電荷の漏れを少なくする上述のような検出器のためのフォトダイオード設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディジタルＸ線イメージング・システムは、多くの技術的領域で益々重要になっている。かかるイメージング・システムは現状では、投影式Ｘ線システム、Ｘ線トモシンセシス・システム及び計算機式断層写真法システム等として医療応用で用いられている。ディジタルＸ線システムはまた現状では、部品検査及び小荷物検査、並びに他のかかる非医用にも用いられている。一般的には、ディジタルＸ線イメージング・システムは、被検体又は関心対象を横断した後に検出器アレイに入射する線源からのＸ線放射流に頼っている。Ｘ線放射は検出器のシンチレータによって受光されて、フォトダイオードの電荷がシンチレータからのフォトンによって消尽される。電荷の消尽を測定してフォトダイオード位置での離散的な画素（「ピクセル」）についての情報を得ることができ、これらの情報を解析して画像の再構成を行なうことができる。
【特許文献１】ＥＰ  １  １７９  ８５２  Ａ２  （日本公開特許２００２−１１８７９０）
【特許文献２】ＷＯ  ２００４／１００２７０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ディジタルＸ線システムに現在用いられている形式のフラット・パネル型アモルファス・シリコンを基にしたＸ線検出器は優れた性能を有するが、経時的に劣化し得る。かかる劣化の一つの機構に、アモルファス・シリコン製フォトダイオードがＸ線量の関数として漏れを生じ易くなることがある。この漏れは、フォトダイオードの面積、フォトダイオードの周長、又はこれら二つの組み合わせに比例し得る。
【０００４】
フラット・パネル検出器を医療応用に用いる場合に、投与線量は典型的には、患者及び医療従事者の双方の被曝制限に基づいて規定されている。しかしながら、工業用部品検査の場合のような他の環境では、遥かに強いＸ線量が用いられる場合がある。これらのような強い線量は、漏れを著しく増すことにより従来のディジタルＸ線検出器の寿命を顕著に縮める傾向にある。同様の劣化は、掛かる時間は長くなるが医療応用でも生ずる。漏れが増すのに伴って暗画像オフセット値を変更して漏れを収容することができるが、このことから最終的には個々のピクセルのダイナミック・レンジの縮小が生ずる。すなわち、暗画像電荷と完全照射を受けたときの電荷との間の電荷の量が小さくなり、最終的には、短縮された耐用年数が終わると検出器を廃棄しなければならなくなる。
【０００５】
従って、被曝によるフォトダイオードの劣化に関する問題を回避し得る改良型ディジタルＸ線検出器が必要とされている。特に、漏れ、並びにかかる漏れによって結果として生ずる検出器ピクセル及びピクセルの性能の劣化を少なくし又は制限しつつ従来のＸ線環境において動作し得るフォトダイオード設計が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述のような必要性に応えるように設計されたフォトダイオード及び検出器の新規の設計を提供する。フォトダイオードは、Ｘ線放射を受光するシンチレータ等を介して、フォトンを受光し、かかる受光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・シリコン製フォトダイオードが、検出器の各々のピクセル位置に、同様のフォトダイオードによるアレイとして設けられている。アモルファス・シリコン製フォトダイオードは、ダイオードのエッジの周りでの電荷（すなわち電子）の漏れを制限するゲート層によって包囲されている。ゲート層は、ダイオードの全周に沿って形成されることができ、ダイオードの上面に接触する等によってダイオードに対する接点を形成することができる。ゲート層を別個の接点層と共に用いて、この接点層と同じ電位に保ってもよいし（例えばこれら２層を接続するバイアによって）、又は異なる電位に保ってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明のこれらの特徴、観点及び利点並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を精読するとさらに十分に理解されよう。図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
【０００８】
図面について説明する。先ず、図１には、Ｘ線イメージング・システム１０が図式的に示されている。このイメージング・システムは投影式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てもよい。例えば、本発明を、投影式Ｘ線システム、トモシンセシス・システム及び計算機式断層写真法システム等の検出器に用いてよい。
【０００９】
図１に示す例示的なシステムでは、被検体１２がＸ線放射源１４と検出器１６との間に配置される。被検体は、医療応用での人間又は動物の被検体、工業的応用での部品等、さらに他の環境での小荷物等のような放射線照射によって検査される任意の人体又は物体であってよい。線源１４は移動してもよいし静止していてもよい。さらに、従来のＸ線管及び他形式のＸ線放出器を含めた様々なＸ線源を用いることもできる。Ｘ線源１４は、図１ではファン・ビームとして示されているＸ線ビーム１８を放出する。様々なビーム構成が当技術分野で公知であり、本発明と共に用いることができる。
【００１０】
検出器１６は、広く知られており現状で用いられている形式のディジタル検出器であるが、後に改めて説明するような改良型ピクセル構造を備えている。検出器１６は表面２０を有し、表面２０は離散的な画素又はピクセル２２のアレイとして小分割されている。当業者には認められるように、各々のピクセル位置２２において、１個のピクセル域がフォトダイオードと電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とを含んでいる。本発明によるこれらの構成要素については、後に改めて詳述する。しかしながら、本質的には、検出器に衝突するＸ線放射は検出器（後述する）のシンチレータ層に接触して、これにより相対的に低いエネルギのフォトンを生じ、フォトンが各々のフォトダイオードに入射する。フォトダイオードにおける電荷はこれらのフォトンによって消尽し、フォトダイオードは、それぞれのＦＥＴをイネーブルにしてＦＥＴの導通状態を変化させることにより再充電されることができる。この態様で、各々のフォトダイオード（ピクセル）位置での電荷消尽を読み出して、この情報を用いて、各々のピクセル位置において受光された相対的な放射量に基づいて画像を再構成することができる。
【００１１】
図１に示すシステムはさらに、線源１４の動作を指令する線源制御サーキットリ２４を含んでいる。データ取得サーキットリ２６が、ディジタル検出器１６のイネーブル、読み出し及び他の作用を制御する。線源制御サーキットリ２４及びデータ取得サーキットリ２６は、システム制御サーキットリ２８の全体的な制御の下で作用する。システム制御サーキットリは典型的には、較正及び他のシステム作用のために提供されている様々な撮像ルーチンを実行することを可能にする。画像処理サーキットリ３０が、検出器１６からの取得されたデータに基づく利用者が観察可能な画像の再構成のために設けられている。最後に、ステーション３２の観察及びインタフェイス・サーキットリが、利用者又は操作者が画像を観察する等の全体的なシステム作用を制御することを可能にしている。制御、並びに画像再構成及び画像処理のための回路の具体的な構成は、既存のＸ線イメージング・システムのものと本質的に同様である。
【００１２】
図２は、図１に示す検出器の個々のピクセル２２に配置され得る機能的構成要素の幾つかを示す。図２の実施形態では、各々のピクセルが、Ｘ線放射の検出器への衝突から生ずるフォトンを受光するように設計されているフォトダイオード３４を含んでいる。フォトダイオード３４はダイオード・ゲート３６によって包囲されている。ゲート３６がダイオードを部分的に包囲していてもよいが、図示の実施形態では、ダイオードの全周がダイオード・ゲートによって包囲されている。一般的には、ダイオード・ゲートはダイオード外周の少なくとも約２５％を包囲することができ、構造は一層大きいゲート作用の利点を享受することが現状で思量されている。反射体／接点層３８が、ダイオード・ゲートの上に、フォトダイオードの外周に沿って配設されている。後に改めて詳述するように、反射体／接点３８は、ダイオードの外周の周りからのフォトンをダイオードの感知表面に向けて反射し返すこと、及び接点となるようにダイオードの上面と接触することの両方に役立つ。
【００１３】
各々のピクセル２２はさらに、ＦＥＴ４０を含んでいる。ピクセル位置に伝導性トレースが設けられており、特にフォトダイオードでの電荷の読み出しのために、ピクセルをアレイ内の他のピクセルに結合することを可能にしている。図示の実施形態では、リンク４２及び４４がフォトダイオードの両側に設けられて、フォトダイオードを隣接するピクセルのフォトダイオードに結合している。同様に、参照番号４６及び４８の伝導性トレースも設けられており、ＦＥＴ４０をイネーブルにして（ＦＥＴ４０の導通状態を変化させて）、ＦＥＴを介してピクセルから電荷を読み出すことを可能にしている（例えばピクセルのフォトダイオード及び任意の電荷伝達構造を再充電することにより）。図示の実施形態では、トレース４６はＦＥＴをイネーブルにする走査線であり、トレース４８はピクセル位置での電荷を読み出すデータ線である。当業者には認められるように、実際的には、データ線４８は、フォトダイオードに既に存在する電荷に加わる電荷が被曝事象から生ずる電荷消尽に比例するように、フォトダイオードの再充電を行なう。
【００１４】
図２に示す構造を図３に部分断面図として示す。図３に示すように、ピクセル、及びピクセルのアレイ全体が、シンチレータ層Ｓによって被覆されている。シンチレータは、検出器によって受光されたＸ線放射を、フォトダイオード３４によって検出され得る相対的に低いエネルギのフォトンへ変換するためのものである。ピクセル構造は、例えばガラスであってよい基材層５０の上に構築される。誘電体層５２が基材５０の上に配設される。例示的な誘電体には、窒化物及びガラス等のような材料がある。誘電体層５２の上に、接点層５４が配設される。一般的には、接点層５４は、従来のディジタル検出器構造に用いられているモリブデンのような材料に類似した金属の伝導性の層であるが、アルミニウム、タングステン、チタン及び銅等のような多くの他材料も適当である。ダイオード３４自体は接点層５４の上に形成され、接点層５４が、読み出しのためにダイオードを充電し再充電する接点の一つとなる。
【００１５】
ダイオード・ゲート３６は、ダイオード３４を包囲しており不動態化層５６によってダイオードから離隔された伝導性の層である。不動態化層５６は、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、これらの組み合わせ、又はポリマーを含めた他の様々な適当な材料で製造され得る。ダイオード・ゲート３６は、接点層５４と同様の材料で製造され得る。不動態化層５６の厚みは、ゲート層３６が反射体／接点層３８から接点層５４までフォトダイオード３４のエッジを下降しようとする電荷（すなわち電子）の移動を本質的に制限するように制御される。反射体／接点層３８は、図３の実施形態では、不動態化層５６と本質的に同様であってよい追加の不動態化層５８によってダイオード・ゲート層３６から離隔されている。当業者には認められるように、不動態化層は、化学的気相堆積のような任意の適当な工程によって形成され得る。不動態化層は、構造内の絶縁層又は誘電体層を本質的に画定する。
【００１６】
本実施形態では、厚みが５００Å〜１μｍの範囲にある不動態化層５６が、フォトダイオードからの電荷の漏れを低減するのに実効的であるらしいことが判明した。厚みが約２５００Åであると好ましい場合がある。さらに、ダイオード・ゲート層３６は、図３に示すように、接点バイア６０等によって反射体／接点層３８と共通の電圧に保たれてよい。本実施形態では、例えば反射体／接点層３８は接点層５４に関して約８ボルトの電圧差に保たれる。ダイオードに跨がる電圧差は、システム設計に応じて、約４ボルト〜約１５ボルト等のように様々であってよい。但し、上述の特定の電圧、厚み及び材料等は例示のみのために掲げられていることを特記しておく。本発明の範囲及び意図から逸脱することなく、他の構成要素の仕様を用いることもできる。
【００１７】
ゲート層３６はフォトダイオードからの漏れの低減を容易にし、特に、経時的なフォトダイオード性能の劣化を小さくすることが判明した。ゲート層はフォトダイオードの外周に沿って設けられているため、この点での漏れが最小限になる。本発明の設計の他の観点によれば、フォトダイオードの表面積を縮小して、フォトダイオード外周の構成（例えば形状）を変更することにより、漏れをさらに最小限にすることができる。図４は、これらの特徴を組み入れたフォトダイオードの実施形態の一例を示す。
【００１８】
図４に示すように、表面積を縮小した丸い（円形の）フォトダイオードを有するピクセル６２が示されている。フォトダイオード６４は、前述のものと構造が全体的に類似しているが、外周が丸い点が異なる。接点／反射体層６６がフォトダイオードの周りに設けられて、読み出しのために接点タブ６８によってフォトダイオードに接合される。接点タブ６８の利用によって、接点／反射体層６６によって被覆されるフォトダイオードの実効表面積を小さくし、これにより接点／反射体層のフォトダイオードの感受領域への侵入を少なくし得ることが判明した。ピクセル構造の他の観点は、図２を参照して上述したものと全体的に類似している。
【００１９】
図５に示すように、図４の構造は基材５０を含んでおり、この上に誘電体層５２及び接点層５４が配設されている。不動態化層又は誘電体層７０が、接点／反射体６６と接点層５４との間に設けられている。
【００２０】
接点／反射体層６６は、この層に衝突し得るフォトンを反射して、全構造の感度及びデータ収集能力に加える。すなわち、シンチレータＳに接触する入射放射線１８は、参照番号７２によって示すようにフォトダイオードの丸い感受領域に直接入射するフォトン、又は反射フォトン７４のいずれかを含んでいる。反射フォトンは、接点／反射体６６の任意の部分で反射することができ、最終的にフォトダイオード６４の感受域に接触するまでシンチレータ物質の内部で反跳する。現状で思量される実施形態では、表面積を縮小したフォトダイオード６４は、ピクセルの面積の２０％〜６０％を占める。そして、接点／反射体層６６は、フォトダイオード及び接点／反射体層６６によってカバーされるピクセルの実効フィル・ファクタを、現状で思量される実施形態では合計で６０％を上回るまで増大させる。尚、フォトダイオードについて長円形等のような他の構成も思量されることも特記しておく。但し、図示の円形が、漏れが生じ得る周長を最小にする。
【００２１】
さらに、図５に示す実施形態では、接点／反射体層６６は、フォトダイオード、さらに一般的には、ピクセル位置の全キャパシタンスを増大させるのに役立つ。例えば、図６に示すように、接点／反射体層６６は不動態化層によって接点層５４から離隔され、この不動態化層を、上述の２層によって画定される実効キャパシタ７６のための誘電体として作用するように比較的薄くすることができる。ピクセル位置において電荷を蓄積するかかる内在的キャパシタを用いると、大きいフォトダイオード（すなわち従来の構造）によって提供されるキャパシタンスの６０％を上回るまで実効ピクセル・キャパシタンスを増大させ得ることが判明した。
【００２２】
ピクセル及び検出器設計に対する以上の改良を検出器に共に組み入れてもよい。図６は、かかる結合型の改良型ピクセル構造を示す。図６に示すように、接点／反射体６６自体が、フォトダイオードの外周からの漏れを制限するのに役立ち得る。すなわち、接点／反射体６６がフォトダイオード外周エッジに近接して配置されて１又は複数の不動態化層によって離隔されると、接点／反射体層６６自体が、ダイオードのエッジの周りでの電荷の漏れを制限するゲートとして作用し得る。
【００２３】
次いで、図６は、キャパシタンスを強化した面積縮小型ゲート付きダイオード・ピクセル７８に組み入れられた前述の改良点を示す。前述のように、図６では、面積縮小型フォトダイオード６４はやはり円形の形状を有しており、表面積及び外周エッジ長の両方を小さくしている。接点／反射体層６６はフォトダイオード６４を包囲する領域の上に位置しており、接点タブ６８によってフォトダイオードと接触している。接点／反射体層６６の下方にはダイオード・ゲート３６が設けられる。ダイオード・ゲート３６は、前述のように、導電性バイア６０によって接点／反射体層６６に電気的に結合される。さらに、ダイオード・ゲート３６の下方に、接点層５４が延在してダイオード・ゲート３６から隔設されており、キャパシタを形成してフォトダイオードの実効キャパシタンスを増大させる。ＦＥＴ４０、伝導性トレース４２及び４４、並びに走査線４６及びデータ線４８を含めた他の構造は、前述の構造に本質的に類似している。
【００２４】
そして、図６の改良型ピクセル構造は、フォトダイオードの表面積を縮小し、フォトダイオードの外周エッジ長を短くし、エッジをゲートして、エッジに沿った電子の漏れを少なくすることにより、接点／反射体層６６の反射性によって高められた感度を保ちつつ漏れを実効的に低減し、従ってピクセル位置での劣化を抑える。この構造はまた、中間的な不動態化層又は誘電体層によって伝導性層同士の間にキャパシタを画定することにより、ピクセル位置での実効キャパシタンスを増大させる。
【００２５】
尚、以上に記載した表面積縮小型ダイオードは全体的に丸い形状を有しているが、他の形状もここに記載した設計及び手法の利点を享受し得ることは言うまでもない。例えば、前述のゲート作用、又は反射体若しくはキャパシタの概念を共に又は組み合わせて用いつつ、円形又は多辺形（例えば方形）ダイオードを形成することができる。同様に、現状で思量される実施形態は、フィル・ファクタがピクセルの表面積の約６０％であるが、他のフィル・ファクタを用いてもよい。さらに、反射体がダイオード自体よりも大きい表面積を占めていても、ピクセルは良好な感度を依然として提供することができる。
【００２６】
本書では本発明の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の各観点に従って製造されるディジタル検出器を含むＸ線イメージング・システムの線図である。
【図２】漏れを小さくするゲート機構を有する第一の例示的なレイアウトを示す図１の検出器の例示的なピクセルの平面図である。
【図３】フォトダイオード及びゲート構造の例示的な層を示す図２の例示的なフォトダイオードのエッジ及びその周囲構造の一部の部分断面図である。
【図４】アモルファス・シリコン感光領域の面積及び周長を小さくして、周囲構造を反射体／接点として用いることにより、漏れを少なくするように構成されたフォトダイオードのさらにもう一つの例示的な構成の平面図である。
【図５】例示的な具現化形態において様々な層を示す図４に示す構造の一部の部分断面図である。
【図６】ダイオード・ゲートを反射体／接点と共に用いたピクセル位置におけるフォトダイオードのさらに他の代替的な具現化形態の平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  Ｘ線イメージング・システム
１２  被検体
１４  Ｘ線放射源
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／接点層
４０  電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
４２、４４  リンク
４６、４８  伝導性トレース
５０  基材
５２  誘電体層
５４  接点層
５６、５８  不動態化層
６０  接点バイア
６２  ピクセル
６４  フォトダイオード
６６  接点／反射体層
６８  接点タブ
７０  不動態化層又は誘電体層
７２  直接入射するフォトン
７４  反射フォトン
７６  実効キャパシタ
７８  面積縮小型ゲート付きダイオード・ピクセル
【図１】
0005411403.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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