(57)【要約】【課題】直接デジタル画像化および大量生産に適したＸ線検出器を提供すること。【解決手段】Ｘ線検出器（４０１、５０１、６０１）は、ドープされていないゲルマニウム層（４０２、５０２）が、反対にドープされた２つのガリウム砒素層（４０３、４０４、５０３、５０５）の間に密閉された半導体ヘテロ構造を備えた検出素子を有している。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子として、ドープされていないゲルマニウム層（４０２、５０２、１００１）が、反対にドープされた２つのガリウム砒素層（４０３、４０４、５０３、５０５、１０１１、１０１２、１０２１、１０２２）の間に密閉された半導体ヘテロ構造を備えたことを特徴とするＸ線検出器（４０１、５０１、６０１、１１０１）。
【請求項２】
前記ゲルマニウム層（４０２、５０２、１００１）の厚さが、２００マイクロメートルと２ミリメートルの間であり、前記ガリウム砒素層（４０３、４０４、５０３、５０５、１０１１、１０１２、１０２１、１０２２）の各々の厚さが、１マイクロメートルと５マイクロメートルの間であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
【請求項３】
前記Ｘ線検出器に入射するＸ線の空間分布を検出するための多数のピクセル（５０５、５０６）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
【請求項４】
前記ピクセル（５０５、５０６）が、ゲルマニウム層（５０２）の一方の面にガリウム砒素層（５０５）の個別部片を備え、隣接するピクセルの間が物理的に分離され、ゲルマニウム層（５０２）のピクセルを備えない面のガリウム砒素層（５０３）が平坦であることを特徴とする請求項３に記載のＸ線検出器。
【請求項５】
前記ガリウム砒素層の各々が、いくつかのストライプ（１０１１、１０１２、１０２１、１０２２）を備え、一方のガリウム砒素層のストライプの全体配向が、他方のガリウム砒素層のストライプの全体配向とは異なり、それにより異なるガリウム砒素層のストライプ間の交差領域がピクセルを構成することを特徴とする請求項３に記載のＸ線検出器。
【請求項６】
室温で使用するようになされたことを特徴とする請求項１に記載のＸ線検出器。
【請求項７】
Ｘ線を検出し、かつ、検出したＸ線の強度をデジタル値に変換するためのソリッド・ステート半導体検出器（８０２、９０１）を備えたＸ線画像化構造であって、
該ソリッド・ステート半導体検出器（８０２、９０１）が、ドープされていないゲルマニウム層（４０２、５０２）が、反対にドープされた２つのガリウム砒素層（４０３、４０４、５０３、５０５）の間に密閉された半導体ヘテロ構造を備えたことを特徴とするＸ線画像化構造。
【請求項８】
研究中の対象物にＸ線を制御可能に照射するための制御可能Ｘ線源（８０１）を備え、かつ、
前記ソリッド・ステート半導体検出器（８０２）が、研究中の対象物を透過したＸ線を検出するようになされたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項９】
前記ソリッド・ステート半導体検出器（９０１）が、遠方の、もともと不特定の源からのＸ線を検出するようになされたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１０】
前記ソリッド・ステート半導体検出器（８０２、９０１）が、ソリッド・ステート半導体検出器に入射するＸ線の空間分布を検出するための多数のピクセル（５０５、５０６）を備え、
ソリッド・ステート半導体検出器が、検出したピクセル方向のＸ線強度を多数のデジタル値に変換する（８０３、９０３）ようになされ、かつ、
Ｘ線画像化構造が、これらの多数のデジタル値を、デジタル画像の形で記憶する（８０４、９０４）ようになされたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１１】
ゲルマニウム層中の熱励起電子に起因する妨害を小さくするために、前記ソリッド・ステート半導体検出器（９０１）を冷却する冷却構造（９０２）を備えたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１２】
前記ソリッド・ステート半導体検出器（９０１）が、さらに、検出した入射Ｘ線光子のエネルギーをデジタル値に変換するようになされ、かつ、Ｘ線画像化構造が、検出した多数のＸ線光子の分光表現を生成する（９０３）ようになされたことを特徴とする請求項１０に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１３】
前記ガリウム砒素層の一方（５０５）に結合された信号処理回路（５０７）を備えたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１４】
前記ガリウム砒素層の一方（５０５）に直接加工された信号処理回路（６０２）を備えたことを特徴とする請求項７に記載のＸ線画像化構造。
【請求項１５】
Ｘ線検出器を製造するための方法であって、
ドープされていないゲルマニウム・プレートの第１の面に、第１のドープされたガリウム砒素層を生成する工程（７０２、７０３）と、
ドープされていないゲルマニウム・プレートの第２の面に、第１のドープされたガリウム砒素層とは異なってドープされた、第２のドープされたガリウム砒素層を生成する工程（７２２、７２３）とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
ドープされていないゲルマニウム・プレートの第１の面に、第１のガリウム砒素層をエピタキシャル成長させる工程（７０２）と、
該第１のガリウム砒素層に、ドナーまたはアクセプタのいずれかである第１のタイプのドーパントを注入する工程（７０３）と、
前記ドープされていないゲルマニウム・プレートの第２の面に、第２のガリウム砒素層をエピタキシャル成長させる工程（７２２）と、
前記第２のガリウム砒素層に、前記第１のガリウム砒素層に注入されたドーパントのタイプと相対する第２のタイプのドーパントを注入する工程（７２３）とを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
一方のガリウム砒素層にフォトレジスト層を蒸着する工程（７０４）と、
前記一方のガリウム砒素層のピクセルのアレイ上にフォトレジストが残留するよう、ピクセルのアレイを構成するマスクを通して前記フォトレジストを露光し（７０５）、かつ、露光されたフォトレジストを現像する工程（７０５）と、
隣接するピクセルとピクセルの間に物理的な分離が出現するよう、前記ピクセルとピクセルの間からガリウム砒素をエッチング除去する工程（７０６）とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガリウム砒素層の一方に信号処理回路を結合する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記ガリウム砒素層の一方に、信号処理回路を直接加工する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にＸ線を照射された対象物のデジタル画像を生成する技術に関する。特に、本発明は、照射された対象物のデジタル画像を生成するために使用される検出器の構成、構造および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、Ｘ線画像を電子の形態で生成する従来の方法を概略図で示したものである。Ｘ線管１０１は、研究中の対象物（人体の一部など）１０２を透過して伝搬し、光増幅器１０３に入るＸ線を放出している。光増幅器１０３の出力信号は、光学装置１０４によってＣＣＤアレイ１０５に伝えられ、ＣＣＤアレイ１０５から二次元画像が読み出され、メモリ１０６に記憶され、かつ／またはディスプレイ１０７に表示される。従来の手法の欠点は、様々に減衰したＸ線の空間分布を実際の画像に変換している、非常に多くの様々なデバイスおよびコンポーネントに起因している。多種多様なデバイスおよびコンポーネントを通して信号を得ているため、研究中の対象物からの情報収集の効率が悪く、また、雑音の原因になっている。
【０００３】
図２は、ごく最近使用されている手法を示したもので、検出されたＸ線は、より少ない中間フェーズを経て画像に変換されている。光増幅器、光学系およびＣＣＤの全体構造が、単一のデジタル検出器２０１に置き換えられており、その出力信号は、いつでもメモリ１０６に記憶され、かつ／またはディスプレイ１０７に表示することができる。したがってデジタル検出器２０１の構造および動作は、検出器２０１に衝突するＸ線の強度の空間分布を、多少とも直接デジタル・ピクセル値のアレイに変換することができるようになっている。実際に、この種のデジタル画像化は、図１の従来手法と比較すると、Ｘ線画像を電子形態で生成するプロセスを、著しく単純かつより有効にしている。
【０００４】
しかしながら、デジタル検出器２０１を如何に構築すべきかについては依然として疑問がある。本明細書の優先日の時点において最も良く知られているデジタルＸ線画像化検出器の例は、ＧＥ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＣｓＩ／Ｓｉ（ヨウ化セシウム／ケイ素）検出器である。図３は、ＣｓＩ／Ｓｉ検出器パネル３０１の簡易断面を示したものである。ＣｓＩシンチレータ層３０２は、入って来るＸ線光子に遭遇するように構成されている。ＣｓＩ層３０２中への光子の吸収により、ＣｓＩ層３０２のすぐ隣に配置され、かつ、二次元フォトダイオード／トランジスタ・アレイを構成しているアモルファスＳｉパネル３０３中に、光が局部的に放出される。二次元フォトダイオード／トランジスタ・アレイは光を吸収し、吸収した光を電荷に変換している。アモルファスＳｉパネル３０３中のフォトダイオードの各々は、生成すべき画像中のピクセルを表している。アモルファスＳｉパネル３０３の背面の低雑音読出しエレクトロニクス３０４の構造は、蓄積した電荷をフォトダイオードの各々から収集し、収集した電荷の個々の量を対応するデジタル値に変換するために使用されている。デジタル値の二次元配列は、メモリに記憶し、かつ／またはディスプレイに表示することができる画像を表している。
【０００５】
図３に示すタイプの検出器の重要な要素は、ＣｓＩシンチレータ層３０２とアモルファスＳｉパネル３０３の間の光の散乱である。鮮明な画像を生成するためには、シンチレーション光子の各バーストを、可能な限り小さい空間セクタ内に封じ込め続けなければならない。ＧＥ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、ＣｓＩ層のための、散乱を著しく防止する「針様」構造を開発したことを発表している。しかしながら、このような構造を良好な歩留まりで、かつ、検出表面全体にわたる高度な同次利得で生成することには問題がある。検出器の応答の同次性は、例えば、広範囲に及ぶ決定が、基本的には受け取ったＸ線強度の検出空間分布に基づいてなされる医療用画像化適用においては極めて重要である。図３に示す構造のもう１つの欠点は、可視光光子の約半分しか収集することができないことである。アモルファスＳｉが極めて良好な光検出器であることは知られておらず、この構造にアモルファスＳｉが使用されているのは、主として、アモルファスＳｉを使用することによって比較的面積の広い検出器を構築することができることによるものである。Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、対応するＴＲＩＸＥＬＬという商品名の製品を市場に出している。
【０００６】
デジタルＸ線画像を得るための公知の他の技法には、線形検出器が照射ビームの両端間を機械移動するスロット走査技法、光ファイバを介してシンチレータ・プレートに結合されたタイル張りＣＣＤアレイを使用した技術、光誘導プレート上に電子がトラップされ、次に、画像データを生成するべく光誘導プレートが露出されるコンピュータ放射線透過写真技術、および直接変換技法がある。最後に挙げた直接変換技法では、従来、Ｘ線光子を吸収し、Ｓｅ基板のバルク中に電荷を局部蓄積する二次元セレン検出器平面を使用してＸ線光子を受け取り、次に、読出しエレクトロニクスを使用して蓄積電荷を収集し、収集した電荷の値を二次元画像に変換している。Ｓｅをベースとする直接変換検出器構造の欠点は、信頼性に疑問があること、およびＤＱＥ（検出量子効率）の値が比較的小さいことに関連している。ＤＱＥの値が小さいため、画像品質が低下し、また、最新のＸ線診断および治療適用におけるＳｅベース直接変換検出器の使用が憚られる原因になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、直接デジタル画像化に適した、検出器に入射するＸ線光子によって搬送される情報の利用効率の高いＸ線検出器であって、生産歩留まり、生産コストおよび使用に際しての信頼性の点で大量生産に適したＸ線検出器を提供することである。また、本発明の目的は、Ｘ線検出器に良好なＸ線吸収特性および良好なエネルギー分解の潜在的可能性を持たせ、かつ、検出器の漏れ電流を小さくすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、検出器の中心部分に純度の高いゲルマニウム層を使用し、かつ、前記ゲルマニウム層の両面に、ドープされたガリウム砒素層を使用することによって達成される。
【０００９】
本発明によるＸ線検出器は、特許請求の範囲のＸ線検出器を対象とした独立請求項の特徴部分に記載されている特長を特徴としている。
また、本発明は、特許請求の範囲のＸ線画像化構造を対象とした独立請求項の特徴部分に記載されている特長を特徴とするＸ線画像化構造に適用される。
【００１０】
さらに、本発明は、Ｘ線検出器を製造するための方法に適用される。この方法は、特許請求の範囲の方法を対象とした独立請求項の特徴部分に記載されている特長を特徴としている。
【００１１】
直接変換検出器は、入って来る光子のエネルギーを特定の電荷空間分布に必ず変換しなければならない。空間電荷領域を適切な精度で制御し、かつ、検出するためには、品質の高い半導体材料を使用しなければならず、また、検出の確率および精度を、光子が偶然に検出器に衝突する位置とは無関係にするためには、半導体材料の特性は、十分な同次性を有していなければならない。
【００１２】
ゲルマニウム（すなわち、略してＧｅ）は、Ｇｅ中の電子の励起エネルギーが小さく、わずかに０．６５ｅＶでしかないため、その結果として材料の漏れ電流が極端に大きいため、少なくとも室温での直接変換検出器適用には不適切な材料として広く認識されている。Ｇｅ中の電子の励起エネルギーがもっと大きければ、Ｇｅは、多くの有利な特性を有していたものと思われる。極端に純度が高く、かつ、所望の厚さを有するＧｅウェハの製造は比較的容易である。Ｇｅの吸収断面積は、典型的な画像化適用で使用されるエネルギー範囲のＸ線光子に対しては十分な広さである。例えばＳｉの場合、吸収ははるかに小さく、したがってＳｉを使用することができるのは、極めてエネルギーの小さい放射線を検出する場合のみである。Ｇｅは、適正な価格で容易に入手することができ、また、極めて良好なエネルギー分解を有利に提供している。例えば、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）は非常に高価であり、極めて寸法の小さい検出器のみに適し、超小型電子技術への適用はほとんど無く、あるいは潜在的な能力も無い。
【００１３】
本発明によれば、純度の高いＧｅ層が、その両面の、ドープされたガリウム砒素（ＧａＡｓ）層と相補をなしている。負にドープされたＧａＡｓ層が、Ｇｅ層の一方の面に配置され、正にドープされたＧａＡｓ層が、Ｇｅ層の他方の面に配置されている。これによって得られる構造の電気的な動作は、ＧａＡｓダイオードに類似しており、これは、例えば漏れ電流が室温においても比較的小さいことを意味している。ＧａＡｓ層の一方は、ピクセルを生じさせるべく、適切な方法でパターン化されている。Ｇｅ層は、Ｘ線光子の光電吸収対として作用し、Ｇｅ中で吸収されたＸ線光子の各々が局部的な電荷の雲を生成する。この電荷の雲がピクセル中に収集され、適切な統合読出しエレクトロニクスを使用して読み出される。ピクセルから電荷を読み出す回路は、検出器の一方の表面に結合されるか、あるいはドープされたＧａＡｓ層の一方に直接加工されている。
【００１４】
Ｇｅ層は、通常、ＧａＡｓ層と比較すると非常に分厚くなっており、その厚さの範囲は、通常、０．２ｍｍと２ｍｍの間である。一方、その正確な厚さの値は大して重要ではないが、ＧａＡｓ層の厚さの範囲は、マイクロメートルのレンジで、せいぜい１マイクロメートルと５マイクロメートルの間でしかない。Ｇｅ層は、入射するＸ線光子の大半を吸収するだけの十分な厚さでなければならないが、一方ではＧｅ層が厚ければ厚いほど、最小適正ピクセル・サイズが大きくなり、かつ、構造が、Ｇｅ材料中の不純物による妨害の影響を受けて傷つき易くなるため、必要な厚さ以上にＧｅ層を厚くすることは良好な吸収に有利ではない。一般的に、純粋なＧｅ材料の抵抗率が大きいほど、残留不純物による影響を無視することができる。
【００１５】
Ｇｅの励起エネルギーが小さいため、室温における自由電荷キャリアの数に大きな統計的変動が生じる。このことは、ひいては本発明による検出器が、検出器を厳重に冷却しない限り、入って来るＸ線の分光解析にはほとんど適していないことを意味している。しかしながら、結果として生じる、量子エネルギーに関する情報の欠乏は、いずれにせよ本質的には単色Ｘ線が照射用として使用され、また、すべての有用な情報が、研究中の対象物を透過して伝搬したＸ線の空間強度分布の中に存在するほとんどの医療用画像化適用においては、大して重要ではない。また、熱励起がその意義を失い始める温度範囲に検出器を冷却するための冷却構造を構築することは比較的容易であり、その場合も、本発明による検出器を分光適用に使用することができる。
【００１６】
ＧａＡｓとＧｅを単に結合させることによる利点は、２つの材料の特定の格子定数がほぼ同じであることによるものである。格子定数が似通っているということは、製造プロセスにおいて、見事に一様に成長したある材料のエピタキシャル層を、他の材料の頂部に容易に生成することができることを意味している。また、材料界面における再結合を無視することができる。純度の高いＧｅ層は、検出器の検出応答を、検出器の全面積にわたって極めて同次にすることができることを意味している。
【００１７】
特許請求の範囲に、本発明の特徴と見なすことができる新規な特長が詳細に示されているが、本発明自体は、本発明のその他の目的および利点と共に、その構造および動作方法の両方に関して、特定の実施形態についての以下の説明を添付の図面と共に読むことによって最も良く理解されよう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本特許出願において提示する本発明の例示的実施形態は、特許請求の範囲の各請求項の適用の可能性を制限するものと解釈してはならない。本特許出願においては、「構成する」という動詞は、記載されていない特長の存在についても排除しない非制限の意味で使用されている。従属請求項に記載されている特長は、明確に言及されていない限り、相互に自由に組み合わせることができるものとする。
【００１９】
図４は、共にＸ線検出器４０１の放射線感応部分を構成している複数の半導体層のスタックの断面を略図で示したものである。検出器の半導体スタックは、基本的には、２つの反対にドープされたＧａＡｓ層４０３と４０４の間に挟まれた純Ｇｅ層４０２からなっている。「反対にドープされた」とは、ＧａＡｓ層４０３および４０４の一方がｎ型半導体層であり、負の余剰電荷キャリア（電子）を備え、他方のＧａＡｓ層がｐ型半導体層であり、正の余剰電荷キャリア（正孔）を備えていることを意味している。１対の電極４０５および４０６のうちの１つが、ドープされたＧａＡｓ層４０３および４０４にそれぞれ結合されている。Ｇｅ層４０２は、商業的に適正に達成される程度の純粋さ、という意味で「純粋」である。
【００２０】
図４に示す構造の電気的な動作は、普通のＧａＡｓ　ｐｎダイオードとほとんど同じであり、したがって、例えば順方向または逆方向のいずれかにバイアスすることができる。Ｘ線検出器として有用なものにするために、図４に示す構造は、電極４０５と４０６の間に適切な逆バイアス電圧を印加することによって逆方向にバイアスされる。
【００２１】
ＧａＡｓ層４０３および４０４は十分に薄いため、検出器に入射するＸ線を吸収する量はたいした量ではない。一方、Ｇｅ層４０２の厚さは、通常、２００マイクロメートル以上である。より正確には、Ｇｅ層の厚さは、検出するＸ線光子のエネルギーに応じて選択しなければならない。典型的な光子エネルギーは、数ｋｅＶ、数十ｋｅＶさらには数百ｋｅＶ程度であり、例えば乳房造影画像化適用の場合、１７〜２５ｋｅＶのエネルギーが頻繁に使用され、歯科画像化適用では、５０〜６０ｋｅＶのエネルギーが使用されている。また、胸郭画像化適用では、１００ｋｅＶ以上のエネルギーが使用されている。Ｇｅ層のいわゆる十分な厚さとは、入射する重要なＸ線光子のほとんど（９０％以上）をＧｅ層が吸収する厚さである。Ｇｅ層の電気特性は、Ｇｅ層の厚さが分厚くなるほど、Ｇｅ格子中に残された残留不純物によって左右される傾向が強くなるため、Ｇｅ層の厚さを、吸収の目的を達成するために必要な厚さ以上の厚さにすることは推奨できない。Ｇｅ層の厚さに具体的な上限はないが、ピクセル化を必要とする場合、Ｇｅ層の厚さが分厚いほど、ピクセルを大きくしなければならない。ピクセル化の態様については、さらに後述する。Ｇｅ層の厚さは、ほとんどの場合、２ｍｍ未満で十分であるが、ある種の中性子検出器の場合のように、数センチメートルの厚さのＧｅ層を実現することも可能である。
【００２２】
Ｘ線光子が検出器に衝突すると、Ｇｅ原子に光電効果が生じ、光電子が生成される。この光電子によって、他の原子からの多数の外部電子が、その価電子帯から伝導帯へ励起される。励起された各電子は、正孔を置き去りにし、それによって生じる自由電荷の雲は、数マイクロメートル程度の比較的狭い空間領域内に集中する。検出器の両端間の逆方向バイアス電圧により、自由電荷キャリアがＧａＡｓ層に向かってドライブされる。適切な検出技法を使用することにより、生成された自由電荷の量および自由電荷が生成された（二次元）位置の両方を検出することができる。１個のＸ線光子を吸収することによって生成される自由電荷の量は、入射する光子のエネルギーに比例し、また、自由電荷が出現する位置は、光子がＧｅ層に衝突した位置を表している。検出器の温度が室温である場合、熱励起される自由電子の統計的変動が非常に大きいため、光電誘導された電荷の量と入射した光子のエネルギーの間の正確な関係が、検出器によってマスクされ易いが、室温であっても、空間情報は、適正な大きさで保存されている。エネルギーは、大まかなスケールで分解することができ、キャリアの真性濃度は、２・１０１３１／ｃｍ程度である。これは、室温における例示的ピクセル体積１００×１００×１００ミクロン中の電子が２・１０１３個であり、電子の統計的変動が４５００個であることを意味しており、これは、入射する光子１個当たり２０ｋｅＶと等価である。熱励起による妨害の影響は、検出器を冷却することによって軽減することができる。
【００２３】
図５は、本発明の一実施形態による検出器５０１の断面を示したものである。検出器の本体は、純度の高いＧｅ層５０２である。この場合、底部表面であるが、Ｇｅ層５０２の一方の平坦な表面に、ｎ型ＧａＡｓ層５０３が生成されている。このｎ型ＧａＡｓ層５０３は、さらに、オーミック・コンタクト層５０４で覆われている。Ｇｅ層５０２の他方の、この場合、頂部表面である平坦な表面は、個別のｐ型ＧａＡｓピクセル５０５の連続アレイを形成するべくパターン化されたｐ型ＧａＡｓ層を支えている。プレート様検出器の各ピクセルの平面方向の寸法Ｄは、通常、５０〜１００マイクロメートル程度である。検出器５０１に蓄積された自由電荷のピクセル方向の読出しを容易にするために、ピクセル５０５の頂部に、オーミック・コンタクト構造５０６が生成されている。
【００２４】
また、非常に大きいピクセルも可能である。単一「ピクセル」が全検出器領域を覆う非画像化検出器の場合は、ピクセルの大きさが制限される。例えば、Ｘ線放射が微小開口を通って入射し、入射したＸ線放射が検出器に衝突して、撮影方向の先に位置付けされている放射源の種類を大まかに画像化する単純な「ピンホール・カメラ」適用には、スケールが数ミリメートルさらには数センチメートルのピクセルを使用することができる。
【００２５】
検出器５０１のある特定の場所に、読出し機能を実行する集積回路５０７が配置されている。ボンディング・ワイヤ５０８は、集積回路５０７を検出器５０１の表面の必要なすべてのオーミック・コンタクトに結合している。集積回路５０７は、通常、この目的のために特別に設計されたＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）である。
【００２６】
図６は、図５に示す検出器５０１の変形形態である検出器６０１を示したものである。唯一の相異は、読出し回路の実施態様にある。個別に製造されたＡＳＩＣを検出器プレート上に結合する代わりに、図６では、読出し回路６０２が、検出器プレート中の一方のＧａＡｓ層によって構成されたＧａＡｓ半導体基板中に直接加工されている。検出器プレート中のＧａＡｓ層の１つを、集積回路のための基板として使用するためには、ＧａＡｓ材料を比較的重くドープする必要があり、その基準は、それが典型的であるため、ＧａＡｓ層のドーパント濃度が高い本発明に従って使用されるＧａＡｓ−Ｇｅ−ＧａＡｓ半導体ヘテロ構造に対しても合致している。
【００２７】
図５および６のいずれか１つの原理に従って（さらには、両方の原理に同時に従って）、必要に応じて、検出器プレート上に２つ以上の個別回路ユニットを配置することができる。
【００２８】
図７ａおよび７ｂは、いずれも本発明の一実施形態による検出器プレートを製造するための例示的ステップ・バイ・ステップ方法を示したものである。検出器プレートを製造する方法は、工程７０１で、純度の高い、所望する厚さのＧｅウェハを得ることから開始する。ＧａＡｓ層を蒸着するプロセスを開始する前に、Ｇｅウェハの平坦な表面を研磨し、あるいは他の準備を施す必要がある場合、それらの予備処置は、概念的には工程７０１の中で包含することができる。図７ａおよび７ｂに示す方法においては、ピクセル化されたＧａＡｓ層がｐ型層であり、このｐ型層が最初に生成されるものと仮定している。したがって工程７０２では、Ｇｅウェハのピクセル化する方の表面に、ＧａＡｓをエピタキシャル成長させる必要がある。工程７０３で、エピタキシャル成長したＧａＡｓ層にアクセプタ・イオンが注入され、ＧａＡｓ層がｐ型半導体として出現する。典型的なアクセプタ注入には、３３ｋｅＶのエネルギーで注入された、およそ１平方センチメートル当たり３×１０１３個のＭｇ＋のイオンが必要である。アクセプタ・イオンの注入に続いて、８５０℃で２０秒間、熱焼きなましされ、注入イオン・ビームに起因する結晶欠陥が回復される。
【００２９】
イオン注入は、ドープされた半導体層を生成するための唯一知られた方法ではない。ここでは、所望する結果を得るための方法の一例として、イオン注入に言及したに過ぎない。工程７０３（および後述する工程７２３）の重要性は、結局のところ、本発明の目的が工程７０３を通して達成されることであり、完成したＧａＡｓ層は、適切にドープされていなければならない。
【００３０】
工程７０４で、イオンが注入されたＧａＡｓ層に、厚さ約１マイクロメートルのフォトレジストが蒸着される。フォトレジストには、化学エッチングが可能なフォトレジストを選択しなければならない。工程７０５で、ピクセル上およびＧａＡｓが必要な他のすべての場所にフォトレジストが残留し、かつ、ピクセル・セパレータ・ライン上には本質的に残留しないよう、適切なマスクを通してフォトレジストが露光され、かつ、現像される。工程７０６で、ピクセル・セパレータが、例えば、比率が１：１：５０のＮＨ４ＯＨ：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏの溶液、および室温での２０分間の露光時間を使用して、約１〜２マイクロメートルの深さにわたって化学的にエッチング除去される。工程７０７で、ピクセル上およびＧａＡｓが保存されている他の領域に残留している残留フォトレジストが除去される。
【００３１】
工程７０８で、表面全体に、３００℃程度に高められた温度で、Ｓｉ３Ｎ４のような薄い（約４０ナノメートル）絶縁体物質がプラズマ蒸着される。工程７０９で、フォトレジストには、プラズマ・エッチングに耐えることができるよう、約１マイクロメートルの別のフォトレジスト層が蒸着される。工程７１０で、今度は、ピクセルおよび絶縁層を除去しなければならない他のすべての場所を開放した状態で、フォトレジストが露光され、かつ、現像される。続く工程７１１で、プラズマ・エッチングによって、露光領域の絶縁体が選択的に除去される。プラズマ・エッチング工程の例示的プロセス・パラメータは、５０Ｗ、０．０４トル、５０ｃｍ−３ｓ−１である。プラズマ・エッチングは、ＧａＡｓ表面に到達した時点で停止しなければならない。
【００３２】
工程７１２で、熱蒸着によって、ピクセルの露出ＧａＡｓ表面にオーミック・コンタクトが蒸着される。熱蒸着によって蒸着されるオーミック・コンタクトの典型的な組成は、１０ナノメートルのＰｔ、続いて３０ナノメートルのＴｉ、別の１０ナノメートルのＰｔ、最後に３００ナノメートルのＡｕである。工程７１３で、残留フォトレジストが除去され、ピクセル化されたｐ型ＧａＡｓ表面の製造が完了する。
【００３３】
検出器プレートの他方の、この実施例ではパターン化されていないｎ型ＧａＡｓ面である平坦な表面の加工は、より簡単である。例えばＧｅ層の厚さを正確に測定するためにＧｅウェハの残留自由表面を研磨する必要がある場合、工程７２１で残留自由表面が研磨される。工程７２２で、表面にＧａＡｓのエピタキシャル成長が施される。工程７２３で、ＧａＡｓ層にドナー・イオンが注入され、焼きなましされる。工程７２４で、例えば１５ナノメートルのＮｉ、続いて１９．５ナノメートルのＧｅ、３９ナノメートルのＡｕ、５０ナノメートルのＴｉ、最後に２００ナノメートルのＡｕからなる、平坦なバック・オーミック・コンタクトが蒸着される。最後に工程７２５で、検出器プレートのｐ型の面を下にして、Ｈ２フラックスの下で４０秒の間、４００℃で熱焼きなましされ、製造プロセスが終了する。
【００３４】
図８は、本発明の一実施形態によるＸ線画像化構造を示したものである。Ｘ線管８０１は、数十ｋｅＶの範囲のＸ線源として使用されている。検出器構造８０２は、研究中の対象物を透過して伝搬するＸ線を受け取るように構成されている。検出器構造８０２は、ピクセル化されたＧａＡｓ−Ｇｅ−ＧａＡｓ検出器プレートおよび読出し、増幅およびＡ／Ｄ変換回路を備えている。読出し、増幅およびＡ／Ｄ変換回路は、上記検出器プレートに結合されているか、あるいはＧａＡｓ層の一方に直接加工されている。検出器構造８０２は、中央処理ユニット８０３に結合され、Ａ／Ｄ変換した測定の結果を中央処理ユニット８０３に引き渡している。増幅およびＡ／Ｄ変換回路の少なくとも一部を中央処理ユニット８０３の中に組み込むこともできるが、可能な限り実際の検出位置の近くに配置することにより、測定結果から雑音を除去することができる。
【００３５】
中央処理ユニット８０３は、検出器構造から受け取ったデジタル画像を記憶し、かつ、既に記憶されているデジタル画像をメモリから読み出すべく、メモリ８０４に結合されている。また、中央処理ユニットは、デジタル画像を表示するためのディスプレイ８０５および使用者からのキー・コマンドを受け取るキーボード８０６を備えたユーザ・インタフェースを有している。Ｘ線画像化プロセスを制御するために、中央処理ユニット８０３は、Ｘ線管８０１に必要な電圧を発生する高電圧源８０７、および検出器構造８０２に動作電圧を供給する動作電圧源８０８に結合されている。
【００３６】
Ｘ線画像化構造を使用する目的は、それだけではないが、検出器構造８０２中のピクセル化された領域の物理サイズを指示することである。一般的にはピクセル化された領域のサイズは、研究すべき対象物のサイズに正比例している。モノリシック検出器は、全画像化領域にわたる高度に同次の応答が容易に得られるため、ほとんどの場合、画像品質の点で最も有利である。検出器を構築するに当たり、その開始点として６インチさらには８インチのＧｅウェハを使用することにより、乳房造影Ｘ線画像化適用にモノリシック直接変換検出器を使用することができる。さらに大きい画像化領域を必要とする場合は、もっと大きいモノリシック・ウェハ（直径が３００ｍｍさらには４５０ｍｍのディスクが推奨されている）を使用することが可能であり、あるいは複数のモノリシック検出器構造を並べてタイル張りにすることができる。複数の異なる検出器構造を使用する場合、画像化応答の同次性を保証するためには、慎重に較正しなければならない。読出し、増幅およびＡ／Ｄ変換回路を、実際の検出器と共に同じ基板上に統合する（結合または直接加工のいずれかによって）ことにより、自動的に補償することができる。つまり、画像化応答の非同次性が検出された場合に、その非同次性を自動的に補償するべく、検出器の応答を測定し、かつ、統合エレクトロニクスをプログラムすることができる。
【００３７】
究極的に簡易化する場合、検出器構造８０２は、以下に示す条件の少なくとも１つに合致する場合、ピクセルを構成する必要はまったくない。
−研究中の対象物を透過した放射線の強度のみが重要であり、空間分布は重要ではない。
−検出器構造８０２のサイズが、研究中の対象物の細部のサイズと比較して小さく、したがって重要な情報を明らかにするには、正確な位置で得られた１つの画像で十分である。
−画像化構造が、Ｘ線管８０１および検出器構造８０２の少なくとも一方を、研究中の対象物に対して移動させるための手段を備えており、走査によってより広範囲にわたる画像を得ることができる。
【００３８】
図９は、Ｘ線分光学に補助的に使用される、つまり検出器プレート上で受け取るＸ線光子の位置を検出することができるだけでなく、Ｘ線光子のエネルギーを同時に検出することができなければならない他の画像化構造を示したものである。検出器構造９０１は、図８に示す画像化構造に使用される検出器構造と同様の構造にすることができるが、ほとんどの場合、分光学用に最適化された、異なる読出し、増幅およびＡ／Ｄ変換回路を使用することが有利であろう。Ｇｅ層中の熱励起電子による妨害の影響を小さくするために、検出器構造９０１は、例えば熱電（ペルチェ）冷却装置および／または液化ガスを使用した冷却装置を備えた冷却構造９０２によって冷却されている。中央処理ユニット９０３は、検出器構造９０１から空間情報および分光情報の両方を受け取り、かつ、受け取った情報をメモリ９０４に記憶するようになされている。図９に示す画像化構造は、遠隔制御動作用に構築されることが仮定されており、そのために、すべてのローカル・ユーザ・インタフェースが遠隔測定トランシーバ９０５に置き換えられている。動作電圧源９０６は、中央処理ユニット９０３の制御の下に動作し、検出器構造９０１に動作電圧を供給している。冷却構造９０２の内部には温度センサ９０７が設けられており、検出器構造９０１の温度に関する情報を中央処理ユニットに提供している。
【００３９】
図１０は、本発明による、空間分解能力を備えたＸ線検出器を提供するタスクの代替手法を示したものである。純度の高いＧｅ層１００１のみが点線で簡単に示されている。Ｇｅ層１００１の一方の平坦な表面は、ｐ型にドープされた互いに平行なＧａＡｓストライプからなっており、そのうちのストライプ１０１１および１０１２と、それらの間の多数のストライプが示されている。これらのストライプは、特定の長手方向を有している。Ｇｅ層１００１の他方の平坦な表面は、ｎ型にドープされた互いに平行なＧａＡｓストライプからなっており、そのうちのストライプ１０２１および１０２２と、それらの間の多数のストライプが示されている。これらのストライプも特定の長手方向を有しているが、その方向は、第１の表面のストライプ１０１１ないし１０１２の方向とは異なっている。図１０では、図式表現をより明確にするために、すべての層の厚さは極めて誇張されている。
【００４０】
図１１は、図１０に示す検出器構造のＸ線画像化構造における使用方法を示したものである。「二重ストライプ」検出器構造１１０１のＧａＡｓストライプは、Ｇｅ層の一方の面のストライプが、一方のバイアスおよび読出し回路１１０２に接続され、かつ、Ｇｅ層の他方の面のストライプが、他方のバイアスおよび読出し回路１１０３に接続されるように、読出しエレクトロニクスに接続されている（当然、どの信号がどのストライプから来たものであるかについての知識が維持されている限り、すべてのストライプを共通バイアスおよび読出し回路、あるいは共通バイアス回路および共通読出し回路に接続することもできる）。バイアスおよび読出し回路１１０２、１１０３の各々は、接続されている複数のＧａＡｓストライプのうちの１つのＧａＡｓストライプ中で揺動する過渡電位として、Ｘ線光子の衝突を検出している。対応する読出し信号が信号処理エレクトロニクスにもたらされ、検出器構造の両面からの信号間の相関が検出される。ＧａＡｓストライプの配向が検出器の両面で異なっているということは、Ｘ線光子が検出器のこれらのストライプの交点に衝突した時のみ、特定の対のストライプからの信号が同時に発生することを意味している。
【００４１】
Ｇｅ層の両面で配向が異なる真っ直ぐなＧａＡｓ線構成は、両面ピクセル化手法に使用することができる唯一可能な幾何学ではない。画像化検出器の一般分野から、他の幾何学についても知られている。したがって、Ｇｅ層の対向する面に、反対にドープされたＧａＡｓ層を持つという基本着想に、いくつかの知られているピクセル化幾何学を適用することは容易である。
【００４２】
以上、検出器プレートの上に読出しチップを結合し、さらには検出器プレートの半導体材料の上に読出し回路を直接統合する利点について考察したが、その一方で、バイアスおよび読出し回路を検出器に直接接触して配置しないことにより、電子回路中の熱放散による検出器の加熱が防止されることを思い起こす必要がある。例えば図１１に示す構造の場合、バイアスおよび読出し回路１１０２、１１０３と検出器構造１１０１とを熱分離することが最も有利である。本発明のすべての実施形態は、読出しエレクトロニクスと検出器材料を熱分離するべく、容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＸ線画像化構造を示す図である。
【図２】知られている、より最新のＸ線画像化構造を示す図である。
【図３】図２に示す構造に使用される検出器の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による検出器の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による検出器上への読出し回路の結合を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による検出器との読出し回路の統合を示す図である。
【図７ａ】本発明の一実施形態による方法を示す図である。
【図７ｂ】本発明の一実施形態による方法を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態によるＸ線画像化構造を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態によるＸ線画像化構造を示す図である。
【図１０】代替ピクセル化手法を示す図である。
【図１１】読出しエレクトロニクスを実施する有利な方法を示す図である。
【図１】
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【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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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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