(57)【要約】【課題】  簡単な構造を有する同一の素子によって広いエネルギー範囲のＸ線を検出することが可能なＸ線撮像素子を提供すること。【解決手段】  Ｘ線撮像素子１は、ＣＣＤ部１０及びシンチレーション部３０を備える。ＣＣＤ部１０は、高濃度のｐ＋型半導体層１９と、ｐ＋型半導体層１９の表面側に堆積されたｐ型エピタキシャル層２１とを含む半導体基板２３を有する。半導体基板２３（ｐ型エピタキシャル層２１）における複数の転送電極２７に対応する領域により、撮像部２が構成される。シンチレーション部３０は、撮像部２に対応する半導体基板２３の裏面側の領域（凹部２９の底面）を覆うように形成されており、シンチレータ３１及び保護膜３３を含んでいる。シンチレータ３１は、入射した硬Ｘ線を撮像部２の光電変換素子が感度を有する５５０ｎｍの波長帯の可視光線に変換する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の被検出Ｘ線の入射面側に形成され、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し、当該Ｘ線及び当該可視光線の像を撮像する撮像部と、
前記半導体基板の前記入射面の反対面側における少なくとも前記撮像部に対応する領域を覆うように配設され、前記所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を吸収することによって前記所定波長帯の可視光線を放射するシンチレータと、を備えることを特徴とするＸ線撮像素子。
【請求項２】
前記撮像部は、２次元状に配列された複数の光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像素子。
【請求項３】
前記シンチレータは、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
【請求項４】
前記シンチレータは、ＣｓＩを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
【請求項５】
前記シンチレータは、Ｇｄ２Ｏ２Ｓを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像素子。
【請求項６】
前記所定波長帯の可視光線を反射する反射膜が、前記シンチレータの被検出Ｘ線入射方向後方に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＸ線撮像素子。
【請求項７】
前記半導体基板は、前記撮像部に対応する領域が薄化されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＸ線撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電荷結合素子（以下「ＣＣＤ」という）を用いたＸ線撮像素子は、優れたエネルギー分解能及び位置分解能を有する撮像素子である。特に、裏面入射型ＣＣＤを用いたＸ線撮像素子は、電荷転送用の電極に被検出Ｘ線が遮られることがないため、小さいエネルギーのＸ線検出効率に優れている。このため、裏面入射型ＣＣＤを用いたＸ線撮像素子は、所定エネルギー帯域のＸ線（例えば０．１〜２０ｋｅＶのＸ線（以下「軟Ｘ線」という））を検出することができる。
【０００３】
ＣＣＤはシリコン（Ｓｉ）を用いて製造されるため、所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線（例えば２０〜１００ｋｅＶのＸ線（以下「硬Ｘ線」という））に対する吸収は極端に低くなる。このため、硬Ｘ線は、ＣＣＤにて検出されることなく、当該ＣＣＤを透過することとなる。したがって、硬Ｘ線を検出するためには、Ｘ線を可視光線に変換するシンチレータが配設されたＸ線撮像素子を用いるしかなく、同一の撮像素子で広いエネルギー範囲のＸ線（軟Ｘ線及び硬Ｘ線）を検出することはできなかった。
【０００４】
同一の装置で異なるエネルギー帯域のＸ線を検出する装置としては、それぞれがエネルギー帯域の異なるＸ線を検出する複数のＰＩＮホトダイオードを、絶縁体を介して積層した構成の放射線検出装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−２７５２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された放射線検出装置では、複数のホトダイオードを積層しているため、構造が複雑なものとなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、簡単な構造を有する同一の素子によって広いエネルギー範囲のＸ線を検出することが可能なＸ線撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＸ線撮像素子は、半導体基板の被検出Ｘ線の入射面側に形成され、所定エネルギー帯域のＸ線及び所定波長帯の可視光線に対して感度を有し、当該Ｘ線及び当該可視光線の像を撮像する撮像部と、半導体基板の入射面の反対面側における少なくとも撮像部に対応する領域を覆うように配設され、所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線を吸収することによって所定波長帯の可視光線を放射するシンチレータと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るＸ線撮像素子では、所定エネルギー帯域のＸ線が入射すると、撮像部によって所定エネルギー帯域のＸ線の像が撮像される。一方、所定エネルギー帯域のＸ線よりも高いエネルギー帯域のＸ線が入射すると、当該Ｘ線がシンチレータにより所定波長帯の可視光線に変換され、変換された所定波長帯の可視光線の像が撮像部によって撮像される。この結果、上記所定エネルギー帯域から更に高いエネルギー帯域までの広範囲にわたるＸ線の像を撮像することができる。また、半導体基板の被検出Ｘ線の入射面側に撮像部を形成し、半導体基板の入射面の反対面側における少なくとも撮像部に対応する領域を覆うようにシンチレータを配設するという簡単な構造により、広範囲にわたるエネルギー帯域のＸ線の像を撮像することができる。
【０００９】
また、上記撮像部は、２次元状に配列された複数の光電変換素子を含むことが好ましい。
【００１０】
また、上記シンチレータは、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２を含むことが好ましい。Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２は柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２を含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、Ｘ線撮像素子として高いエネルギー分解能を得ることができる。Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２は−１００℃程度の冷却時にも高い発光光量を示すので、上記Ｘ線撮像素子を冷却して用いる場合であっても、高いシンチレータの発光光量が得られ、高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１１】
また、上記シンチレータは、ＣｓＩを含むことが好ましい。ＣｓＩは柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、ＣｓＩを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、上記Ｘ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１２】
また、上記シンチレータは、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ（ガドリニウムオキシサルファイド）を含むことが好ましい。Ｇｄ２Ｏ２Ｓは柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の決定精度を向上することができる。また、Ｇｄ２Ｏ２Ｓを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、上記Ｘ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００１３】
また、所定波長帯の可視光線を反射する反射膜が、シンチレータの被検出Ｘ線入射方向後方に設けられていることが好ましい。このように構成した場合、シンチレータにて発生した光のうち被検出Ｘ線入射側と反対側に向かう光が反射膜により反射されるため、発生した光を逃がすことなく、検出感度を向上させることができる。
【００１４】
また、上記半導体基板は、撮像部に対応する領域が薄化されていることが好ましい。このように構成した場合、シンチレータにて発生した光に対する検出感度の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡単な構造を有する同一の素子によって広いエネルギー範囲のＸ線を検出することが可能なＸ線撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係るＸ線撮像素子について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るＸ線撮像素子の断面構成を説明するための概略図である。以下の説明において、被検出Ｘ線の入射面（図１において上側の面）側を表面側、その反対側の面（図１において下側の面）側を裏面側という。Ｘ線撮像素子１は、ＣＣＤ部１０及びシンチレーション部３０を備えている。
【００１８】
ＣＣＤ部１０は、半導体基板２３を有する。半導体基板２３は、高濃度のｐ＋型半導体層１９と、ｐ＋型半導体層１９の表面側に堆積されたｐ型エピタキシャル層２１とを含む。半導体基板２３（ｐ型エピタキシャル層２１）の表面側には、絶縁層２５が設けられている。絶縁層２５の表面側には、ポリシリコンからなる複数の転送電極２７が絶縁層２６中に設けられている。絶縁層２６の表面側には、絶縁層２８及び後述するパッド電極１７が設けられている。半導体基板２３（ｐ型エピタキシャル層２１）における複数の転送電極２７に対応する領域により、後述する撮像部２が構成される。半導体基板２３の裏面側には、シリコン酸化膜２４が形成されている。
【００１９】
ｐ＋型半導体層１９は、ボロンをドーピングしたシリコン基板からなる。ｐ＋型半導体層１９の厚みは、３００μｍ程度である。ｐ型エピタキシャル層２１は、ｐ＋型半導体層１９上に形成されている。ｐ型エピタキシャル層２１は、数ｋΩｃｍ程度の高抵抗であり、厚みが５０〜１００μｍ程度である。絶縁層２５はシリコン酸化膜からなり、厚さ０．１μｍ程度である。絶縁層２６は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはこれらの複合領域からなる。
【００２０】
半導体基板２３（ｐ＋型半導体層１９）のうち撮像部２に対応する領域は裏面側から薄化され、凹部２９が形成されている。凹部２９の深さはｐ＋型半導体層１９とほぼ同じ深さとなっており、ｐ＋型半導体層１９の薄化領域は、アキュムレーション層として機能する。ｐ＋型半導体層１９の薄化領域の厚みは、１μｍ程度である。
【００２１】
次に、図２を参照して、ＣＣＤ部１０について詳細に説明する。図２は、第１実施形態に係るＸ線撮像素子の概略平面図である。ＣＣＤ部１０では、フルフレーム転送（ＦＦＴ）型ＣＣＤが構成されている。ＣＣＤ部１０は、撮像部２に対応する垂直シフトレジスタ部分３と、水平シフトレジスタ部分５とを有する。撮像部２は、受光エリア７、オプティカルブラックエリア９、及びアイソレーションエリア１１を含んでいる。ＣＣＤ部１０の端部には、複数の電極パッド１７が配置されている。
【００２２】
受光エリア７には、複数の光電変換素子（画素）が２次元的に配置されている。各光電変換素子は、ｐ型エピタキシャル層２１における各垂直シフトレジスタ部分３に対応する領域にて構成される。光電変換素子は、軟Ｘ線及び５５０ｎｍ付近の波長帯の可視光線に感度を有すようになっている。このため、撮像部２により、軟Ｘ線像及び上記波長帯の可視光線像が撮像されることとなる。
【００２３】
オプティカルブラックエリア９は、受光エリア７の外側に位置している。オプティカルブラックエリア９では、光が入射しない構成とされた光電変換素子が受光エリア７を囲むようにして配置されている。また、アイソレーションエリア１１は、受光エリア７とオプティカルブラックエリア９とを電気的に分離するために、受光エリア７とオプティカルブラックエリア９との間に配置されている。アイソレーションエリア１１及びオプティカルブラックエリアは、通常の表面入射型ＣＣＤでは暗電流のレファレンスなどとして用いられるが、本実施形態においては必ずしも必要ない。
【００２４】
入力部１３は、垂直シフトレジスタ部分３及び水平シフトレジスタ部分５に電気信号を入力する。電荷蓄積期間にわたってポテンャル井戸に蓄積された電荷は、垂直シフトレジスタ部分３と、水平シフトレジスタ部分５とによって、電荷転送期間に順次転送され、時系列信号となる。転送された電荷は、出力部１５にて電圧に変換され、画像信号として出力される。
【００２５】
垂直シフトレジスタ部分３、水平シフトレジスタ部分５、入力部１３、及び出力部１５は、配線電極（図示せず）によって対応する電極パッド１７と電気的に接続されている。電極パッド１７は、ＣＣＤ部１０（垂直シフトレジスタ部分３、水平シフトレジスタ部分５、あるいは、入力部１３）に直流電圧やクロックを供給する、及び、撮像部２の信号出力を取り出すためのものである。電極パッド１７は、ボンディングワイヤ（図示せず）が電気的に接続されることによって、外部基板等と電気的に接続される。
【００２６】
再び図１を参照して、シンチレーション部３０について説明する。シンチレーション部３０は、撮像部２に対応する半導体基板２３の裏面側の領域（凹部２９の底面）を覆うように形成されている。シンチレーション部３０は、シンチレータ３１及び保護膜３３を含む。シンチレータ３１は、入射した硬Ｘ線を撮像部２の光電変換素子が感度を有する５５０ｎｍの波長帯の可視光線に変換する。シンチレータ３１は、撮像部２に対応する基板裏面（凹部２９の底面部分）側に成長、形成されており、ＣｓＩからなる。シンチレータ３１の厚さは１００〜５００μｍ程度となっている。
【００２７】
シンチレータ３１の裏面側には、保護膜３３がコーティングされている。保護膜３３は、ポリパラキシレンからなる有機膜３３ａ及びアルミ等からなる反射薄膜３３ｂが積層されて構成されている。有機膜３３ａは、シンチレータ３１が空気に触れるのを防止して、潮解性による発光効率の劣化を防ぐ。反射薄膜３３ｂは、シンチレータ３１で発生した光のうちＸ線入射方向とは反対方向に向かう光を反射する。また、反射薄膜３３ｂは、外部からの直接光を遮断する。有機膜３３ａの厚みは、数〜１０数μｍ程度である。反射薄膜３３ｂの厚みは、１μｍ程度である。
【００２８】
続いて、Ｘ線撮像素子１の動作を説明する。まず、被検出Ｘ線がＸ線撮像素子１の表面側から入射する。入射した被検出Ｘ線が軟Ｘ線である場合、撮像部２の光電変換素子は軟Ｘ線に対する感度を有しているため、入射した軟Ｘ線はＣＣＤ部１０の空乏化したｐ型エピタキシャル層２１中で光電変換によって電子を発生させる。発生した電子は、絶縁層２５下に形成された電荷転送チャネルのポテンシャル井戸に一定時間蓄積される。これにより、軟Ｘ線は、ＣＣＤ部１０によって検出されることとなる（図３（ａ）参照）。各々の光電変換素子に蓄積されている電子数は、入射する軟Ｘ線のエネルギーに比例した数になり、軟Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。
【００２９】
一方、Ｘ線撮像素子１の表面側から入射した被検出Ｘ線が硬Ｘ線である場合、撮像部２の光電変換素子は硬Ｘ線に対して感度を有しないため、硬Ｘ線はＣＣＤ部１０（転送電極２７、絶縁層２５、半導体基板２３）を透過し、薄化された半導体基板２３の裏面側（凹部２９の底面）に配置されたシンチレータ３１に達する。硬Ｘ線は、シンチレータ３１で吸収され、撮像部２の光電変換素子が感度を有する可視光線に変換されて、シンチレータ３１に達した硬Ｘ線の量に比例して放射される。放射された可視光線のうち、表面側へ向かう光は半導体基板２３の裏面（凹部２９の底面）から撮像部２の光電変換素子へ入射する（ＣＣＤ部１０が、所謂裏面入射型ＣＣＤとして機能する）。裏面側へ向かう光は、保護膜３３の反射薄膜３３ｂで反射され、シンチレータ３１を通過して半導体基板２３の裏面（凹部２９の底面）から撮像部２の光電変換素子へ入射する（図３（ｂ）参照）。このため、シンチレータ３１で発生した光は、ほとんど全てが撮像部２に入射することとなる。
【００３０】
光電変換素子は上記放射された可視光に対して感度を有するので、光電変換により、この可視光の光量に対応する電気信号が生成されて一定時間蓄積される。この可視光の光量は入射する硬Ｘ線の量に対応しているため、各々の光電変換素子に蓄積されている電子数は、入射する硬Ｘ線の量に比例した数になり、硬Ｘ線画像に対応する画像信号が得られる。
【００３１】
光電変換素子に蓄積された画像信号は、信号ライン（図示せず）を介して電極パッド１７から順次出力され、ＣＣＤ部１０の外部へと転送される。この画像信号を外部の処理装置（図示せず）で処理することにより、Ｘ線像を得ることができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態においては、軟Ｘ線が入射すると、ＣＣＤ部１０の撮像部２によって軟Ｘ線の像が直接撮像される。一方、硬Ｘ線が入射すると、当該硬Ｘ線がシンチレータ３１により可視光線に変換され、変換された可視光線の像が撮像部２によって撮像される。この結果、軟Ｘ線及び硬Ｘ線の双方、すなわち０．１〜１００ｋｅＶの極めて広いエネルギー帯域のＸ線の像を効率よく撮像することができる。
【００３３】
また、本実施形態においては、半導体基板２３の表面側に撮像部２を形成し、半導体基板２３の裏面側における少なくとも撮像部２に対応する領域を覆うようにシンチレータ３１を配設するという簡単な構造により、広範囲にわたるエネルギー帯域のＸ線の像を撮像することができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、シンチレータ３１としてＣｓＩからなるシンチレータを用いている。ＣｓＩは柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、ＣｓＩを含むシンチレータ３１は高い発光光量が得られるため、当該シンチレータ３１を用いたＸ線撮像素子１は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００３５】
また、本実施形態においては、反射薄膜３３ｂが、シンチレータ３１の被検出Ｘ線入射方向後方に設けられている。これにより、シンチレータ３１にて発生した光のうち被検出Ｘ線入射側と反対側に向かう光が反射薄膜３３ｂにより反射され、発生した光を逃がすことなく、検出感度を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施形態において、半導体基板２３（ｐ＋型半導体層１９）は、撮像部２に対応する領域が薄化されている。半導体基板２３（ｐ＋型半導体層１９）が薄化されているので、シンチレータ３１にて発生した光が半導体基板２３（ｐ＋型半導体層１９）にて吸収されるのが抑制されることとなる。この結果、シンチレータ３１にて発生した光の検出感度が低下するのを抑制できる。
【００３７】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体基板２３をｐ型としているが、これに限られず、半導体基板２３をｎ型としてもよい。
【００３８】
また、本実施形態のＸ線撮像素子１では、シンチレータ３１としてＣｓＩからなるシンチレータを用いているが、これに限られることなく、Ｂｉ４Ｇｅ３Ｏ１２（以下「ＢＧＯ」という。）を含む（ＢＧＯからなるものに限られず、他の物質を含んだものであってもよいが、ＢＧＯの重量含有率は９５〜１００％であることが好ましい）シンチレータを用いてもよい。ＢＧＯはＣｓＩと同様に柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、ＢＧＯを用いたシンチレータは高い発光光量が得られるため、Ｘ線撮像素子１は高いエネルギー分解能を得ることができる。また、一般にＸ線撮像素子は熱雑音を抑制するために冷却して用いる場合が多いが、特にＢＧＯは−１００℃程度の冷却時にも高い発光光量を示すので、Ｘ線撮像素子１は冷却して用いる場合であってもシンチレータ３１の高い発光光量が得られ、高いエネルギー分解能を得ることができる。
【００３９】
また、シンチレータ３１としてＧｄ２Ｏ２Ｓを含むシンチレータを用いてもよい。Ｇｄ２Ｏ２ＳもまたＣｓＩと同様に柱状結晶を成すため、Ｘ線入射位置の高い決定精度が得られる。また、Ｇｄ２Ｏ２Ｓを含むシンチレータは高い発光光量が得られるため、当該シンチレータを用いたＸ線撮像素子は高いエネルギー分解能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施形態に係るＸ線撮像素子の断面構成を説明するための概略図である。
【図２】実施形態に係るＸ線撮像素子のＣＣＤ部の概略平面図である。
【図３】（ａ）は実施形態に係るＸ線撮像素子の軟Ｘ線の検出を説明する図である。（ｂ）は実施形態に係るＸ線撮像素子の硬Ｘ線の検出を説明する図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…Ｘ線撮像素子、２…撮像部、３…垂直シフトレジスタ部分、７…受光エリア、１０…ＣＣＤ部、１９…ｐ＋型半導体層、２１…ｐ型エピタキシャル層、２３…半導体基板、２９…凹部、３０…シンチレーション部、３１…シンチレータ、３３…保護膜、３３ｂ…反射薄膜、３３ａ…有機膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005203708.tif 000005