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

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04285
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 有馬 裕 九州工業大学, オープンイノベーション推進機構, 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)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: X線センサー / 単一光子計測 / フォトダイオード / フォトンカウンタ / シリコン

Outline of Annual Research Achievements

広がるAI・IoT化によって無数のセンサーで社会同士が繋がり、物体や人体の内部を非破壊にて観測するX線CTの寄与も大きい。近年、物体や人体からの透過X線のエネルギー情報も利用して撮像画素毎に元素濃度をマッピングする次世代の非破壊X線撮像：光子計数型X線CTの開発が進行している。この方式では情報量の多い元素濃度マッピングを画素毎に処理するので、受検時間の長時間化が課題として挙げられるが、被験者にとって当然のことながら、低被曝線量や短受検時間化などといった負担軽減が求められる。
X線センサーの材料として研究されているシリコン（Si）は他のX線センサー材料のテルル化カドミウム（CdTe）やアモルファスセレン（a-Se）と比べて、１）高い電荷キャリア移動度、２）桁違いに長い電荷キャリア寿命、３）加工技術が発達、安価、無害　の利点を示す。本研究ではシリコンをMEMS技術で加工し、X線の検出効率を改善しつつ高電荷輸送特性を生かしたナノ秒レベルの高速電荷収集を実現する新構造シリコンX線光子センサーの創製を目的とする。このセンサーではX線の光電変換で生じる信号電荷を再結合なく、僅かナノ秒レベルで収集し、CdTe型よりも2～3桁早い処理時間にて元素濃度マッピングを実現でき、被験者の負担軽減（短受検時間化、一桁低い被曝線量化）や低消費電力化にも貢献する。
新構造X線センサーとして、シリコン基板中にPN接合をトレンチ状に形成したフォトダイオードを作製した。基板側面からX線を照射し、実効センサー長を十分に長くでき、X線検知能を大幅に改善する。センサー内も数十ボルトの低いバイアス電圧にて容易に空乏化でき、光電変換で生成した電荷キャリアも高速・高収集効率にて観測できる。本年度ではSN比の向上と速い立ち上がり時間を目指して新たなX線光子観測用プリント基板を設計した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

提案X線センサーは平成30年度に試作済である。平成31年度（令和元年度）ではX線光子検知用の信号処理回路搭載のプリント基板を試作している。信号遅延の要因となる寄生容量の減少、短配線長化、及び電源ノイズの抑制を目的とし、試作X線センサーと組み合わせた。60keVのγ（X）線光子を試作X線センサーに照射したところ、波高値約110mV、立ち上がり時間が数10nsの信号パルスを観測したが、ノイズが想定以上に多く、エネルギースペクトルや応答時間スペクトルの取得には至らなかった。
令和2年度はノイズの抑制を目指し、市販の放射線検出器用の電荷有感型前置増幅器を採用したが、信号パルスは観測できなかった。662keVクラスの高エネルギーγ線の検出向けのもので帰還容量が大きく、60keVのγ（X）線光子やターゲットとしている管電圧80kVのX線に対しては出力波高値が小さいと見込んだ。また、シールドボックスに試作X線センサーと信号処理回路搭載のプリント基板を収納してはいたものの、ノイズが大きく、光子検出パルスの観測及びエネルギースペクトルや応答時間スペクトルの取得には至らなかった。
そこで令和元年度に作製した信号処理回路搭載のプリント基板回路を今一度見直した。オペアンプと帰還容量は現状のままの、60keVのγ（X）線光子や管電圧80kVのX線向けとし、信号処理回路の動作シミュレーションを行った。その結果、オペアンプに印加する電源電圧や入力端子に印加する参照電圧や試作X線センサーに印加する逆バイアス電圧に乗る白色ノイズが出力信号のSN比を劣化させることを明らかにした。そこで、これら直流電圧ラインに抵抗を直列に入れた低域通過RCフィルタを組み入れたところ、シミュレーション上でSN比を大幅に改善できることを示した。

Strategy for Future Research Activity

現状ではオペアンプの電源電圧、入力端子に印加する参照電圧、試作X線センサーに印加する逆バイアス電圧の配線に並列にコンデンサを挿入しているだけで、これでは十分にノイズを落とし切れていないことを明らかにした。これら直流電圧ライン上に抵抗を直列に挿入することで十分なノイズカット効果をシミュレーション上で示し、プリント基板上の、これら直流電圧ラインに低域通過RCフィルタを実装する設計を行う。また、オペアンプ周りの、ノイズによる電圧変動を受けやすい高インピーダンス配線部に同電位の低インピーダンスのガード・リングを施し、更なるSN比の改善対策を行う。
以上のような改良版の信号処理回路搭載のプリント基板を作製し、試作済のX線センサーと組み合わせて60keVのγ（X）線光子や管電圧80kVのX線の検知信号観測実験を行う。数10V程度の、トレンチ状シリコンフォトダイオードへの低印加逆バイアス電圧の下、数ns程度のX線光子検知時間を観測し、現在他で研究進行中の、CdTe材料でのX線センサーのX線光子検知時間（100ns～1μs）よりも高速であることを実証する。容易なセンサー全空乏化の利点を生かし、光電生成した信号電荷の高収集効率も実証する。その結果、情報量の多い被検体内元素濃度マッピングを得るフォトンカウント方式のX線CTで必要とされる1000万カウント/秒のX線光子計数率を実証していく。
必要に応じて再度デバイスシミュレーションを行い、トレンチ状シリコンフォトダイオードの幅や間隔を調整・最適化し、更なるX線光子検知時間の高速化を行う。以上により、シリコンX線センサーによるフォトンカウント方式のX線CTが実用化すれば、被曝線量は従来比で1/10以下に抑えることができる。低被曝線量で様々なX線画像診断が制限なく短時間で可能となり、手軽に誰もが高度で安全性が高いX線画像診断を受検可能と期待される。

Causes of Carryover

2017年度～2018年度に本科研費事業以外に民間財団助成金にも採択され、研究費を得た。その結果として支出が抑えられ、2018年度は科研費について次年度使用額が生じ、引き続き2019年度、2020年度に影響した。加えて、予定していた学会出張（2020年6月：VLSI Symposia@ホノルル、2020年9月：SSDM@富山県、2020年12月：IEDM@サンフランシスコ）が立て続けに新型コロナウイルスの影響によるオンライン化となり、出張旅費を支出することはなかった。以上の理由により次年度使用額519,001円が生じ、補助事業期間の延長を申請し、承認された。
この519,001円が2021年度の資金額となる。使用計画として、プリント基板試作費用として30万円、学会（オンラインの見込み）参加費用として2021年9月：SSDMで6万円、2021年12月：IEDMで7万円、成果発表料として英文論文校正料：4万円と英文論文投稿料：5万円、計約52万円の利用を計画する。