側面X線照射方式を用いた低被曝線量X線CT用高感度X線センサの研究開発

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26390104
• 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, マイクロ化総合技術センター, 教授 (10325582) ; 馬場 昭好 九州工業大学, マイクロ化総合技術センター, 准教授 (80304872)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: X線CT / 低被曝線量 / 側面X線検出

Outline of Annual Research Achievements

日本人の発癌の3.2%はX線CTなどの医療被曝が原因とされている。本研究では桁違いに少ない被曝線量にて、従来と同質のX線CT像を得るような高感度X線センサの研究開発を行うことを目的としている。
汎用のX線CTのX線センサはシンチレータでX線を可視光に変換した後にフォトセンサで計測する。用いられているシンチレータのX線-可視光変換効率は約10%であり、X線の検知効率は低い。そこで、X線をシンチレータではなく、直接フォトセンサに照射することで、100%近いX線検知効率を維持しながらCT撮像する方法が考えられる。この方法ではシンチレータを利用する方法と比べてX線検知効率が10倍優れているので、被曝線量を従来比で10分の1程度に抑えられると考えられる。100%近いX線検知効率を達成するためにはセンサ構造に工夫が必要となる。
そこで本研究では、シリコンセンサLSIの側面からX線を直接検出する方式のX線センサを提案した。センサ中のフォトダイオードを側面からのX線の入射方向に沿って横長に形成する。そのフォトダイオード長をX線の侵入長以上とすることで、X線を100%近い効率で検出することができる。
デバイスシミュレーションによると、通常のシリコンCMOSプロセスではセンサ中のX線を検知する空乏層の幅が狭く、また高逆バイアス電圧の印加も困難である。そこで、本研究では通常のシリコンウェハよりも基板濃度が薄いエピウェハを用いた。また、形成するダイオード領域のドーピング濃度を適切に調整することで、高逆バイアス電圧を印加して空乏層幅を大幅に広げることをデバイスシミュレーションで確認した。これにより、X線の検知効率を100%近くに押し上げられると考えられる。以上のデバイスシミュレーションの結果をもとに、新しい構造を有するX線センサのレイアウト設計を行った。さらに、センサチップの第一回目の試作を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

汎用のシリコンフォトセンサにCT用X線を直接照射したときのX線検知効率は0.1%以下であるので、センサ構造に工夫が必要である。提案方式のX線センサは、フォトダイオードを側面からのX線入射方向に沿って横長に形成することで、側面照射X線を100%近い効率で直接検知できる。同時に、フォトダイオードをセンサ基板の深さ方向にトレンチ構造とした。基板やフォトダイオード部のドーピング濃度を調整して半導体デバイスシミュレーションにかけて、20～30V耐圧トランジスタを用いたX線センサLSIを設計した。X線検知箇所であるフォトダイオード部の空乏層幅を100umと拡大することが見積もられ、X線を効率的に且つ高SN比にて検知できることが予想できる。以上のデバイスシミュレーションの結果をもとにドーピング濃度、フォトダイオード長、センサ構造、トレンチ深さを決定し、提案する高感度X線センサのレイアウト設計を行った。並行して、研究分担者には高感度X線センサの試作のための条件出しやレシピの検討を行っていただいた。その後、実際の高感度X線センサの第一試作を行った。

Strategy for Future Research Activity

まず、試作した高感度X線センサの側面からX線を照射し、フォトダイオードを横長構造にした効果を確認する。次にセンサ正面からX線を照射し、フォトダイオードをトレンチ構造にした効果を確認する。いずれも、汎用のX線照射方法・X線センサと比較して、X線の検出効率の向上具合を調査する。また、高逆バイアス電圧印加によるセンサ画素の低容量化の効果を確認する。次に、次世代のX線CTと言われているフォトンカウンティング法の可能性も探る。
センサ材料にシリコンを利用するが、その際にコンプトン散乱とホットキャリアによる画質劣化が予想される。その対策として、各画素間に溝を掘り、Auなどの金属で埋めることで上述の画質劣化を抑えることが考えられる。本学マイクロ化総合技術センターのMEMSなどを含めたプロセスを新たに検討し、コンプトン散乱とホットキャリアによる画質劣化対策に関する効果を評価する。その後、第二のセンサ試作のためのレイアウト設計を行う。

Causes of Carryover

購入物品が予想よりも安価に購入できたこと、および別経費で一部の物品を購入したことにより、次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

X線センサ評価用治具の購入および論文発表用の校正費・掲載費として使用予定。