倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2020 年度（第 52 回）助成

自然科学・工学－健康・医療：1 年助成

奨励金№1449

短受検時間・低被曝線量な光子計数型 X 線 CT 用
新構造シリコン X 線センサーの創製有吉哲也

福岡工業大学准教授

Development of a new structure silicon X-ray sensor
for photon counting type X-ray CT with shortinspection time and low radiation dose
Tetsuya Ariyoshi,Fukuoka Institute of Technology, Associate Professor

光子計数型 X 線 CT スキャナ用のシリコン X 線光子センサーを研究している。X 線光子検出効率及び応答時間を改善するために、半導体加工技術を応用して PN 接合シリコンフォトダイオードをトレンチ（溝）状に形成する。試作した長さ 20 mm のセンサーに 60 keV の γ 線光子を照射したところ検出信号を観測することに成功した。
信号電荷を損失なく収集でき、ナノ秒に迫る信号立ち上がり時間を達成でき、X 線光子センサーとしての要素技術を構築した。
Silicon X-ray photon sensors for photon-counting X-ray CT（Computed Tomography）scanner were studied. Thissilicon material is inexpensive and has excellent processability. To improve X-ray photon detection efficiency andresponse time, PN-junction silicon photodiodes are formed in a trench shape by applying semiconductor processing
technology. The fabricated 20 mm-long sensor was irradiated with 60 keV γ-ray photons used in the photon-counting
CT scanner, and the detection pulse signal was successfully observed. The signal charge generated by photoelectric
conversion could be collected without loss, and signal rise time approaching nanoseconds level could be achieved.
We have developed the elemental technology as an X-ray photon sensor.

1．研究目的

グを得る光子計数型 X 線 CT スキャナの開発が行

物体識別や物体内の構造解析や物質の元素分析われている。この方式ではまた、閾値を超えた Xなどの非破壊検査で、我々は光を利用している。

線光子のみを計測するので、従来型の CT スキャ

ここでいう「光」とは可視光線はもちろん、赤外ナと比べて検出器の暗電流の影響を避けることが線や X 線などの不可視光も含める。特に、透過力できる。よって高 SN 比が実現でき、余計な X 線があり放射線の一種である X 線は健康診断でレンの照射を抑えることができ、被曝線量の低減にもトゲン写真撮影として広く利用されており、身近貢献する。情報量が多い元素濃度マッピング CTである。また、物体や人体の断面像を得る CT ス

像を得るためにはナノ秒レベルの X 線光子検出信キャナも X 線が利用されている。従来ではこの X号を得て、1000 万カウント／秒以上の X 線光子計

線の強度情報のみ利用されて像は濃淡のみであっ数率を有する X 線光子検出器が求められる。実現たが、近年は X 線の光量子（光子）のエネルギーすれば短受検時間及び従来比で一桁以上少ない被情報も活用して、撮像画素毎に元素濃度マッピン曝線量での CT スキャナが実現でき、被験者の負倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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担軽減となる。本研究では無害で加工が容易で安的な X 線有感領域（空乏領域）をセンサー中に広価で高いキャリア移動度寿命積を示すシリコン材

げ、センサー基板の側面方向から X 線を照射する料を用いて新構造の X 線光子検出器を提案する。

ことで検出効率を 80％以上に改善できる。先の研

具体的な目的として、シリコン基板中に PN 接合

究では抵抗率 1500±500 Ωcm の FZ シリコンウエハ

シリコンフォトダイオードをトレンチ（溝）状に基板中に作製するトレンチフォトダイオードの奥行形成し、センサー基板の側面方向から γ (X) 線光きの長さを 20 mm、印加逆バイアス電圧を－20 V子を照射し、応答特性を評価する。

として、管電圧 80 kV の X 線に対して 83.8％の X線-信号電流変換効率を達成している［1］。

2．提案するシリコン X 線光子センサー
X 線は透過力があるので人体や物体の内部構造

3．γ (X) 線光子検出実験のイメージングができるが、別の見方をすると、信号処理回路系として図 2 に示すような、単一透過力があるが故に、センサーで効率よく X 線をX 線光子検出パルスを検出できるように帰還容量検出することが課題である。シリコンは上述の通Cf を備えた電荷増幅器系をプリント基板上に製作り無害で加工が容易で安価で高いキャリア移動度した。試作した X 線センサーをこのプリント基板寿命積を示す有用な検出器材料である。しかし、上に実装し、法規制対象外の強度 I＝8 kBq で 60唯一の問題点として原子番号が低く、通常のイkeV の γ 線光子を放出する 241Am 線源を用いて光メージセンサー用 PN 接合シリコンフォトダイ子検出信号を評価する。図 3 に、その幾何学的関オードでは光子計数型 CT スキャナで利用される係を示す。センサー長 L は 20 mm、センサー開口

硬 X 線は検出されにくく、検出効率が 1％以下と面積 2a×2b は 120 μm×300 μm、線源とセンサー低い。そこでこの問題を解決すべく、図 1 に新た間距離 d0 は 1.5 mm、使用した円板型線源の半径な高検出効率 X 線光子検出器として提案するトレRs は 1.2 mm であった。電荷増幅器の帰還容量をンチ（溝）構造型シリコンフォトダイオードの概25 fF、センサーに印加する逆バイアス電圧を－20略図及び試作した素子の断面 SEM（走査型電子顕V としたところ、図 4 に示すような 60 keV の γ 線微鏡）写真を示す。

光子検出パルス波形を電荷増幅器にて観測した。

半導体加工技術を応用し、PN 接合シリコンフォ波高値は 104 mV であり、理論予測の 107 mV とトダイオードをトレンチ（溝）状に形成して、数ほぼ一致し、γ 線光子による光電変換電荷を損失十ボルト程度の低い印加逆バイアス電圧にて実効なく収集することを実証した。また、電荷収集時

図 1．提案するトレンチ（溝）状 PN 接合型シリコンフォトダイオード
左図：概略図、右図：断面 SEM（走査型電子顕微鏡）写真

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線源の強度 I、γ 線放出確率 P、線源がセンサー)
入射窓（開口部）を見込む立体角 Ω ( l［2］、素子中のトレンチ部の割合 vtrench、線減弱係数 μ、センサー長 L、とすると、試作センサーの γ (X) 線の計数率 r は、以下のようになる。
r  I  P (1  vtrench ) 1 L
( l )  exp(   l )   dl4 0

この γ(X) 線計数率 r の理論値は 1.07×10－1［cps］
図 2．γ(X) 線光子検出用信号処理回路である。一方、実測値では 1.09×10－1［cps］という結果となり、両者で近い値となった。以上の各実験によって試作センサーは γ(X) 線光子を正常に検出・計数していることが実証された。但し、今回は法規制外の弱い線源を用いての実験だったので、より強度の高い線源を用いての評価が必須である。
今後の課題として、得られた γ 線光子検出パルスの立ち上がり時間 12 ns の理論的裏付け、及び、

図 3．試作センサーと γ(X) 線源との幾何学的関係図

より高速に生成電荷を収集できる素子構造を検討する。また、画素間に溝を掘り、画素中に生成した信号電荷が隣接画素に漏出することを防ぎ、画像のにじみを抑制するセンサー構造も検討する。
以上はプロセスデバイスシミュレーションにて検証可能とされ、その評価結果をもとに実際のセンサーを試作していく。
参考文献：［1］T. Ariyoshi, Y. Takane, J. Iwasa, K. Sakamoto,
A. Baba, and Y. Arima, “Silicon trench
photodiodes on a wafer for efficient X-ray-tocurrent signal conversion using side-X-rayirradiation mode, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 57,

図 4．60keV の γ 線光子検出パルス波形の観測

no. 4S, pp. 04FH04-1〜04FH04-6, Mar. 2018.
［2］N. Tsoulfanidis and S. Landsberger,間に比例する信号立ち上がり時間は 12 ns であり、Measurement and Detection of Radiation, 5th

本提案センサーは光子計数型 CT スキャナ用の X

ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

線光子検出器として高速で、目標とする光子計数
率 1000 万カウント／秒を達成できる可能性も実証

4．発表（研究成果の発表）した。

（1）T. Ariyoshi, “Response Properties of Silicon

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Trench Photodiodes to Single α- and γ-Ray in Pulse
Mode”, IEEE Access, vol. 10, pp. 56218-56231,2022.
（2）（採 択 決 定）T. Ariyoshi and T. Matsunaga.,“Experimental and Simulating Demonstration ofFast Response by Using a Silicon X-ray Photon
Sensor”, 55th Int. Conf. on Solid State Devices andMaterials.

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