2018 Fiscal Year Research-status Report
広ダイナミックレンジと高感度を両立した新構造シリコンX線センサーの開発
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18K04285
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
有吉 哲也 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 助教 (60432738)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
有馬 裕 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 教授 (10325582)
坂本 憲児 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 准教授 (10379290)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | X線センサー / 単一光子計測 / フォトダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はシリコンX線センサーに関するものである。X線センサーの材料として実効原子番号が高く、X線検知能が高いテルル化カドミウム（以降、CdTeと表記）が用いられているが、シリコン材料の方が無毒性、低材料コスト、高電荷輸送特性、良加工性という特徴を示す。このようなシリコン材料を用いて新構造のシリコンX線センサーを試作し、X線検知能を改善しながらCdTe材料のX線センサーよりも一桁以上広いダイナミックレンジを実証し、次世代の低被曝線量X線画像診断：光子計数型X線CTへの基礎技術を構築する。
新構造のシリコンX線センサーとして、ウエハ基板側をP型半導体、信号検知側をN型半導体としたPN接合型フォトダイオードをトレンチ状に形成したデバイスを提案する。十分な長さを有するセンサーの側面方向からX線を入射させるので、実効的なセンサー長を拡大してX線検知能をCdTeまでに改善できる。また、このX線センサーでは数10Vの低いバイアス電圧にてセンサーを空乏化でき、長デバイス寿命及び高X線計数率が実現できる。
平成30年度では、シリコン基板上にトレンチフォトダイオードとは別の溝を掘って金薄膜を堆積させることで、画像のにじみの指標であるMTFをCdTe程度に改善できることを示した。また、提案する新構造のシリコンX線センサーの設計・試作を行った。フォトダイオードとしての正常な電流電圧特性を確認し、最小で60nAの逆方向漏れ電流も確認した。パルス状の単一光子検出用のオペアンプ付きトランスインピーダンス（TIA）回路をエポキシ樹脂基板上にハンダ工作し、提案シリコンセンサーと組み合わせた。TIA回路の帰還容量は1pFで、センサーの動作確認としてアメリシウム241線源から放出される5.5MeVのα線を試作センサーに照射し、理論予測通りの波高値250mV程度のパルス状信号を観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シリコン材料によるX線センサーについて、画素間に溝を掘って金薄膜を堆積させることでコンプトン散乱X線の影響を抑え、X線画像のにじみの指標であるMTFをCdTe材料のX線センサー程度に改善できることを示し、IEICE Electron Express雑誌に成果を発表した。
提案する新構造のシリコンX線センサーのレイアウト設計を行い、本学の半導体製造装置などを利用して、X線センサーを試作した。数10Vの低いバイアス電圧にてセンサー内を空乏化できるよう、純度が高いFZシリコンウエハ上にX線センサーを作製した。対象とする80keV程度のX線のシリコンに対する侵入長は20mm程度であり、このX線を効率よく検出できるようにセンサーチップのサイズを20mm×20mmと設計した。深さ300μmのトレンチ状のPN接合型フォトダイオードをシリコンウエハ上に形成した。トレンチ状PN接合フォトダイオードのピッチ幅は250μmとした。このトレンチ状PN接合型フォトダイオードを4つ並列につなげることで画素幅1mmの1画素分をとる。フォトダイオードの電流電圧特性を測定し、正常な特性と共に少ない逆方向漏れ電流値を示すトレンチ状PN接合型フォトダイオードを確認した。本研究で評価できる逆方向漏れ電流値1μA以下のトレンチ状PN接合型フォトダイオードの形成確率（歩留まり）は9.8%と、初回のX線センサー作製にしては高い結果を得た。
本研究は単一X線光子計測型X線センサーを目的としており、パルス状の単一光子検出用の信号処理回路：トランスインピーダンス回路を組み立てた。この回路と前述の通り試作したX線センサーと接続し、動作確認として5.5MeVの単一α線を照射し、パルス状の信号波形の観測に成功し、提案X線センサーの基本動作を確認した。
以上により、現在までの研究の進捗状況はおおむね順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現状のトレンチ状PN接合型フォトダイオードの開口幅は約30μmであり、センサー内のX線検出領域を制限する要因となる。従って、この開口幅を狭める必要があり、10μm程度を目指す。トレンチ状PN接合型フォトダイオードのピッチ幅は現状で250μmであり、更にピッチ幅を狭めることでセンサー内の空乏領域の内蔵電界強度が強まり、X線吸収によって光電生成する電荷の収集速度が高まり、X線センサーの更なる高時間分解能化が期待できる。この高速動作は単一X線光子計測には欠かせない要望であり、CdTeよりも一桁以上の1000万カウント/秒を目指す。
試作したX線センサーの後段に接続する単一X線光子計測用のオペアンプ付きトランスインピーダンス（TIA）回路は現状ではエポキシ樹脂基板上に人間の手によってハンダ付けで組み立てており、長いあるいは無駄な配線長やリード線やハンダによる寄生抵抗や寄生容量やアンテナ部が存在し、信号遅延やノイズ生成の原因となっている。また、オペアンプの帰還容量もリード線付きの1pFと、テスト用の5.5MeVのα線ではパルス信号は確認できたものの、対象とする80keVのX線光子計測には大きな値であり、0.01pF程度の帰還容量を採用する必要がある。今後は配線長を短く組み込め、ハンダ利用量を最小限にでき、チップ型の0.01pFの帰還容量を組み込めるプリント基板実装によるTIA回路を作製する。これにより寄生抵抗や寄生容量を抑えることができ、信号遅延抑制やノイズ抑制やX線光子計測が期待できる。
以上のシリコンX線センサーと信号処理回路の改善により、対象とする80keV程度のX線の1000万カウント/秒以上の高速単一X線光子計測システムを構築し、高感度と広ダイナミックレンジ化の両立を実証する。
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| Causes of Carryover |
本科研費事業とは別に民間財団助成金にも採択され、両者の資金を出し合って、論文投稿、X線センサーの試作、放射線源・フォトマスク用ガラス乾板・電子部品・シリコンウエハ・マルチチャネルアナライザ・スペクトロスコピーアンプの購入、国際学会での情報収集などの当研究活動を行った。また、一部の消耗品について当初の見積もりよりも値下がりが生じて、安価で購入できた。以上の結果、本科研費事業での支出額が抑制され、次年度使用額493,700円が生じた。
次年度使用額は493,700円、本年度請求額は1,100,000円、合計1,593,700円が本年度の資金額となる。本年度の当助成金使用計画として、第二回目のX線センサーの試作を行い、本学の半導体製造装置の利用料や技術指導料として40万円、センサー試作に伴う消耗品費（FZシリコンウエハ、フォトマスク用ガラス乾板、オペアンプ）として30万円を計上する。また、TIA回路のプリント基板への実装料金として20万円、国内開催の国際学会への旅費・参加費として10万円、新たに海外での国際学会への旅費・参加費として40万円、国際学会への成果発表料（参加費、英文論文校正料、英文論文投稿料）として20万円、合計で約160万円の利用を新たに計画する。
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