2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of a uniquely structured silicon X-ray detector for photon counters with ultra-low radiation exposure and ultra-high counting rate
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21K04196
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
有吉 哲也 福岡工業大学, 情報工学部, 准教授 (60432738)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | X線センサー / シリコン / PN接合フォトダイオード / 深掘り加工 / フォトンカウンティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
X線イメージングは人体や物体の内部構造を得る手段で幅広く利用されている。従来のエネルギー積分方式では透過X線のエネルギー情報はX線検出器にて積算されて失う。また、暗電流も積算されるので、この暗電流を凌駕するために過剰なX線照射量を必要とし、被験者の被曝線量が増加する。新たなX線イメージング法としてフォトンカウント方式が提案されている。この方式では透過X線光子を一つ一つ計測し、エネルギー情報も取得する。従って、X線イメージング像はそのエネルギー情報から元素マッピングが可能となる。また、波高値の閾値を超えたX線パルス信号のみを計測するので暗電流などの雑音を除去でき、高SN比でのX線イメージングが可能となる。また、照射X線量を抑えることができ、人体への被曝線量を少なくできる。
本研究では安価で良加工性で信号キャリアの輸送特性に優れたシリコンをフォトンカウント方式でのX線検出器材料として利用する。P型シリコン基板中にPN接合型フォトダイオードをトレンチ状に形成する。このような素子構造を採ることで数十ボルト程度の低バイアス電圧にて検出器を完全空乏化できる。また、センサー基板の側面方向からX線を照射することでX線を効率よく検出することができる。加えて、検出器全体が空乏化しているので、光電生成した信号キャリアを高速収集することができる。
以前、試作した提案シリコンX線センサーにアメリシウム241から放出される59.5keVの単色γ線を照射し、立ち上がり時間が12ns程度の検出信号パルスを得た。プロセスデバイスシミュレータ（TCAD）と回路シミュレータを用い、提案シリコンX線センサーの形成、ポテンシャル分布の計算、γ線の吸収による信号電荷の光電生成とその信号電荷の収集を模擬した。その結果、実測の検出信号パルスと合致することを実証した。
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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
厚さ550μm、比抵抗1500±500ΩcmのFZシリコンウエハ基板に、深さ300μm、幅15μm、長さ20cm、ピッチ幅166.6μmのトレンチ状PN接合型フォトダイオードをMEMS技術によって形成し、提案X線センサーとして動作させた。フォトダイオードとしての電流電圧特性を示し、-20Vの逆バイアス電圧のもと、暗電流は55nAを観測した。現状ではテスト用照射X線として、アメリシウム241線源から放出される、人体向けフォトンカウンティング用X線帯域に含まれる59.5keVのγ(X)線を利用した。
信号処理回路として、試作センサーがX線検出時に生成するパルス信号電流を帰還容量に収集してパルス信号電圧に変換するトランスインピーダンス回路を設計・試作した。用いたオペアンプはスルーレートが+1500V/μsと-1000V/μsで、利得帯域幅積が4GHzであった。帰還容量は0.025pF、帰還抵抗は1MΩとした。これらのトランスインピーダンス回路（オペアンプと帰還容量と帰還抵抗など）と試作X線センサーをプリント基板上に実装した。59.5keVのγ(X)線を試作センサーに照射し、12nsの信号立ち上がり時間、230nsの信号立下り時間、104mVの信号波高値のγ(X)線検出パルス電圧信号を観測した。
シリコンの一つのイオン対を作るときに費やされる平均エネルギー3.6eVを考慮したところ、信号波高値が予測通りの104mVであり、光電生成信号電荷を損失なく収集できたことを実証した。また、信号立ち上がり時間は信号電荷収集時間に比例する。試作センサーの形成、ポテンシャル分布の計算、二次効果を考慮した生成信号電荷の収集、パルス信号電流の生成を一貫して模擬できるTCADによるプロセスデバイスシミュレーション及び回路シミュレーションを行った。その結果、観測パルス電圧信号とほぼ合致した。
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| Strategy for Future Research Activity |
一般的にフォトンカウンティングで必要とされているX線光子計数率は100万カウント/(mm2・s)とされている。本研究ではこの必要とされているX線光子計数率を現状では辛うじて満たしている。しかし、より広いダイナミックレンジを得る、あるいは経時変化などを考慮すると、もっと高いX線光子計数率を達成する必要がある。そのためには現状のトレンチフォトダイオードのピッチ幅166μmをより狭くして、光電生成電荷の輸送距離の短縮化や空乏層内のポテンシャル分布の急傾斜化による高速信号電荷収集を実現し、より高速な信号処理の検討をTCADによるシミュレーションおよび実際にデバイスを試作して評価を行うことを今後の研究の推進方策とする。
これまでは単一画素での評価を行ってきた。今後は複数画素での評価実験を行う必要がある。一例として、画素の境界付近での光電生成電荷の隣接画素への漏出を防ぐために、トレンチフォトダイオード間に溝を掘るデバイス構造も検討する。信号電荷の隣接画素への漏出は画像にじみの主な原因となるので、このような画素間の溝の形成といった対策例の検討は必要である。
また、現状の試作トランスインピーダンスアンプは原因不明の雑音が信号に乗っており、SN比の改善が課題である。推測段階ではあるが、電源系の安定化や電磁遮蔽筐体やプリント基板上の実装形態などを見直さなければならない。あるいは高スルーレートや高利得帯域幅積を持ちつつ、低雑音なオペアンプを選定する必要がある。既にいくつかの候補とするオペアンプを選定しており、簡易的に評価回路を組み、模擬γ(X)線検出信号を発するパルサーを用いて事前評価を行って最適なオペアンプを選び出し、センサーなどとともにプリント基板へ実装して本評価を行う。
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| Causes of Carryover |
本科研費事業とは別に2021～2022年度に民間財団助成金にも採択され、研究助成金を受領し、機器の購入などで当研究に充てた。また、当方は2021年度に現大学へ異動し、本科研費事業の採択とともに独立基盤形成支援の研究基盤整備経費Ⅰ・Ⅱを受領し、新研究室立ち上げに必要な機器類の整備に充ててきた。このような過去の支援によって必要な機器類が早くから整備され、そのおかげで昨年度は学会参加や海外学術論文の投稿費（英文校正費を含む）の支出に留まり、また、参加の計画をしていた学会が担当授業日と被るケースが多かったことや、近年の物価高などの影響で別途計画していた第二次提案X線センサーの試作を断念して研究計画を見直し、次年度使用額が生じた。
2024年度使用計画として、SSDM2024（International Conference on Solid State Devices and Materials：国際固体素子・材料コンファレンス）へ出席、再度見直したうえで第二次提案X線センサーの試作費用、トランスインピーダンス回路や試作センサーなどの評価回路実装のためのプリント基板試作費用、海外学術論文の投稿費（英文校正費を含む）、微小信号電流検出素子の購入などに充てる予定とする。
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