DE102013216406A1

DE102013216406A1 - Strahlungsdetektionsplatte, Strahlungsbildgebungsvorrichtung und diagnostische Bildgebungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102013216406A1
Application number: DE102013216406.8A
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Kurokawa; Takayuki Ikeda
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: DE102013216406B4; US20140056405A1; JP6151126B2; US9204849B2; KR102069683B1; KR20140026255A; JP2014059293A; TW201415062A; TWI593990B

Abstract

Damit eine Strahlungsdetektionsplatte erzielt werden kann, die ein Signal zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit einer Umwandlungseinheit ausgeben kann, beinhaltet eine Detektionsschaltung, die ein Signal zum Erzeugen eines Pixelsignals ausgibt, eine erste Ausgangsschaltung, die ein Signal wegen Nachleuchtens ausgibt, und eine zweite Ausgangsschaltung, die ein Signal einschließlich sowohl eines Signals aufgrund einer Strahlungsemission als auch eines Signals wegen Nachleuchtens ausgibt. Transistoren, bei denen ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, werden als einige Transistoren in den ersten und zweiten Ausgangsschaltungen verwendet. In der Strahlungsdetektionsplatte mit dieser Struktur kann das Signal (ein erstes Signal oder ein zweites Signal) in jeder Ausgangsschaltung gehalten; deshalb können dann, nachdem alle Ausgangsschaltungen das Signal (das erste Signal oder das zweite Signal) gehalten haben, das erste Signal und das zweite Signal sequentiell von Detektionsschaltungen ausgegeben werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlungsdetektionsplatte und eine Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die die Strahlungsdetektionsplatte beinhaltet. Die Strahlungsbildgebungsvorrichtung betrifft insbesondere eine diagnostische Bildgebungsvorrichtung, in der eine Strahlenquelle Röntgenstrahlen emittieren kann.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Vorrichtung, die einen Gegenstand mittels Strahlung abbildet (nachstehend als Strahlungsbildgebungsvorrichtung bezeichnet), wird für verschiedene Verwendungszwecke auf medizinischen und industriellen Gebieten verwendet; beispielsweise wird auf dem medizinischen Gebiet eine diagnostische Bildgebungsvorrichtung, die das Innere eines menschlichen Körpers mittels Röntgenstrahlen abbildet, weithin in der Arztpraxis verwendet.
Bei einer herkömmlichen diagnostischen Bildgebungsvorrichtung mittels Röntgenstrahlen emittiert eine Röntgenstrahlenquelle Röntgenstrahlen an einen bestimmten Bereich (z. B. einen Knochen oder eine Lunge) eines Patienten, und Röntgenstrahlen, die den Bereich passiert haben, werden auf einen fotografischen Film oder dergleichen projiziert. Dann wird der fotografische Film entwickelt, so dass das Innere des bestimmten Bereichs visualisiert werden kann.
Im Fall der Verwendung eines fotografischen Films wird im Allgemeinen ein Verfahren zum Digitalisieren der Abbildungsdaten verwendet, weil das Speichern fotografischer Filme, d. h. das Speichern der Daten nach der Abbildung, lästig ist.
Ein Beispiel für ein Verfahren zum Digitalisieren der Abbildungsdaten ist ein Verfahren, bei dem eine Abbildungsplatte (imaging plate) und ein Bio-Imaging-Analysator (bio-imaging analyzer) verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird eine Platte (eine Abbildungsplatte) verwendet, in der eine Materialschicht, die durch die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen Licht emittiert (solche Eigenschaften werden als Stimulierbarkeit oder Photostimulierbarkeit bezeichnet), auf einer Stütze ausgebildet ist, und Röntgenstrahlen, die einen bestimmten Bereich eines Patienten passiert haben, werden auf die Abbildungsplatte projiziert. Nach der Röntgenstrahlprojektion wird Licht, das aus der Platte emittiert wird, mittels eines Bio-Imaging-Analysators detektiert, wodurch Abbildungsdaten gebildet werden, um digitalisierte Daten zu erhalten.
Obwohl Abbildungsdaten durch das Verfahren digitalisiert werden können, ist der Prozess kompliziert, da ein Bild zuerst mit der Abbildungsplatte als analoge Daten erhalten wird und dann mittels des Bio-Imaging-Analysators digitalisiert wird.
Aus diesem Grund hat anstatt des vorstehenden Verfahrens eine Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die unter Verwendung einer Strahlungsdetektionsplatte (auch als Flachbilddetektor bezeichnet) digitale Abbildungsdaten erhält, in den letzten Jahren Aufmerksamkeit erregt (z. B. siehe Patentdokument 1).
Die Strahlungsdetektionsplatte besteht aus einer Umwandlungseinheit, die Strahlung (z. B. Röntgenstrahlen), die aus einer Strahlenquelle emittiert wird, in eine Ladung oder Licht (z. B. sichtbares Licht) umwandelt, und einer Detektionseinheit, die eine Vielzahl von Detektionsschaltungen zum Detektieren der Ladung oder des Lichts beinhaltet. Abbildungsdaten eines Gegenstandes können digitalisiert werden, indem sie von aus der Detektionseinheit ausgegebenen Signalen gebildet werden.
Bei einem Flachbilddetektor, der zur direkten Umwandlung geeignet ist, wird eine Ladung direkt aus Strahlung erzeugt, und eine Detektionsschaltung erzeugt unter Verwendung der Ladung ein Ausgangssignal.
Im Gegensatz dazu wird bei einem Flachbilddetektor, der zur indirekten Umwandlung geeignet ist, Strahlung zuerst in Licht umgewandelt (z. B. eine Umwandlungseinheit erzeugt durch die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen sichtbares Licht), das Licht wird weiter in eine Ladung umgewandelt, und eine Detektionsschaltung erzeugt unter Verwendung der Ladung ein Ausgangssignal.
[Referenz]

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H 11-316428

Zusammenfassung der Erfindung
Damit unter Verwendung einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die die Strahlungsdetektionsplatte beinhaltet, eine geeignete Diagnose mit feinem Kontrast des betroffenen Gebiets gestellt werden kann, ist es nötig, dass ein Signal, das Abbildungsdaten des Gegenstandes bildet (das Signal wird nachstehend als Pixelsignal bezeichnet), die präzise Menge der Strahlung, die in die Umwandlungseinheit der Strahlungsdetektionsplatte eingetreten ist (d. h. die Menge der Strahlung, die den Gegenstand passiert hat), darstellt.
In einer Umwandlungseinheit (z. B. einem Szintillator) einer Strahlungsdetektionsplatte, die zur indirekten Umwandlung geeignet ist, tritt ein Phänomen auf, in dem sich eine Lichtemission fortsetzt, auch wenn eine Strahlungsemission beendet ist (welches als Nachleuchten bezeichnet wird). Jedoch kann dann, wenn beispielsweise ein Zeitintervall, das zur ausreichenden Verringerung des Nachleuchtens lang genug ist, zwischen dem Beenden der Strahlungsemission (A1 in 11A) und der nächsten Strahlungsemission (A2 in 11A) wie in 11A gezeigt vorgesehen ist, der nachteilige Einfluss des Nachleuchtens auf ein Signal, das aus einer Detektionsschaltung ausgegeben wird, reduziert werden.
Jedoch muss dann, wenn bewegte Bilder (oder zeitlich kontinuierliche Standbilder) aufgenommen werden, um beispielsweise den Blutfluss in Blutgefäßen zu beobachten, die zeitliche Auflösung einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung erhöht werden, um hochauflösende Bilder zu erhalten; deshalb ist es erwünscht, dass ein Zeitraum nach dem Beenden der Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen vor dem Beginn der nächsten Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen so kurz wie möglich ist.
Wenn ein Zeitraum nach dem Beenden der Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen vor dem Beginn der nächsten Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen wie oben beschrieben kurz ist, beginnt die nächste Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen, während aufgrund des Nachleuchtens ein Signal in der Umwandlungseinheit aus der Detektionsschaltung ausgegeben wird. Folglich wird wie in 11B gezeigt ein Signal, das durch Zusetzen von Signalen wegen des vorhergehenden Nachleuchtens (entsprechend einem Bereich 1101 in 11B) zu einem Signal basierend auf der Strahlungsemission (entsprechend einem Bereich 1100 in 11B) resultiert, aus der Detektionsschaltung ausgegeben und dient als Pixelsignal.
Infolgedessen entsteht dann, wenn ein Zeitraum nach dem Beenden der Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen vor dem Beginn der nächsten Bestrahlung mit den Röntgenstrahlen kurz ist und ein Signal, das aus der Detektionsschaltung der Strahlungsdetektionsplatte ausgegeben wird, ohne Veränderung als Pixelsignal verwendet wird, ein Unterschied zwischen der Menge der Strahlung, die in die Umwandlungseinheit der Strahlungsdetektionsplatte eintritt, und Abbildungsdaten des Gegenstandes.
In den letzten Jahren ist eine Umwandlungseinheit entwickelt worden, in der das Nachleuchten sehr gering ist (d. h. eine Lichtemission nach dem Beenden einer Strahlungsemission schell abnimmt und das Nachleuchten in sehr kurzer Zeit verschwindet (oder geringfügig wird)); jedoch ist die Umwandlungseinheit mit solchen Eigenschaften im Allgemeinen teuer und somit ist deren Verwendung beschränkt. Insbesondere wird beispielsweise eine Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Umwandlungseinheiten oder eine großflächige Umwandlungseinheit beinhaltet, durch die Verwendung der Umwandlungseinheit mit sehr geringem Nachleuchten sehr teuer. Angesichts der vorstehenden Probleme ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der hier offenbarten Erfindung, eine Strahlungsdetektionsplatte bereitzustellen, die Signale zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit einer Umwandlungseinheit ausgibt.
Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der hierbei offenbarten Erfindung ist, eine Strahlungsbildgebungsvorrichtung bereitzustellen, die die Strahlungsdetektionsplatte mit den vorstehenden Eigenschaften beinhaltet und eine hohe Auflösung aufweist, um ein hochauflösendes Bild zu erhalten.
Um diese Aufgaben zu erzielen, soll ein Pixelsignal kein Signal wegen eines Nachleuchtens enthalten.
Angesichts des Obigen besteht bei einer Ausführungsform der hierbei offenbarten Erfindung eine Detektionsschaltung, die zum Erzeugen eines Pixelsignals verwendete Signale ausgibt, aus einer ersten Ausgangsschaltung, die ein erstes Signal einschließlich einer Information über eine Lichtemission wegen eines Nachleuchtens ausgibt, und einer zweiten Ausgangsschaltung, die ein zweites Signal einschließlich sowohl einer Information über eine Lichtemission aufgrund einer Strahlungsemission als auch einer Information über eine Lichtemission wegen eines Nachleuchtens ausgibt.
Die Gründe dafür, warum die zwei Ausgangsschaltungen in der Detektionsschaltung bereitgestellt werden, werden nachstehend anhand von 12 beschrieben.
Zuerst detektiert vor einer Strahlungsemission die erste Ausgangsschaltung die Menge an Licht, das aus einer Umwandlungseinheit in einem Zeitraum M einfällt (die Menge entspricht einem Bereich 1200 in 12). Die Menge des einfallenden Lichts ist auf das Nachleuchten in der Umwandlungseinheit zurückzuführen.
Dann detektiert die zweite Ausgangsschaltung die Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit in einem Zeitraum N einfällt (die Menge entspricht einem Bereich 1201 in 12). Dieses einfallende Licht enthält ein auf der Strahlungsemission basierendes Licht aus der Umwandlungseinheit und ein Licht aus der Umwandlungseinheit wegen eines Nachleuchtens. Damit man das Konzept einfach verstehen kann, sind die Längen des Zeitraums M und des Zeitraums N in 12 gleich.
Im Allgemeinen wird das Licht aus der Umwandlungseinheit wegen Nachleuchtens in kurzer Zeit, die einige Millisekunden beträgt, nach dem Ende der Strahlungsemission stark verringert und dann allmählich verringert. Daher sind die Menge des einfallenden Lichts wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum M und diejenige in dem Zeitraum N einander ähnlicher, wenn der Zeitraum M und der Zeitraum N kürzer werden.
Auf eine solche Weise gibt die erste Ausgangsschaltung ein Signal aufgrund der Menge an Licht aus, das aus der Umwandlungseinheit in dem Zeitraum M einfällt (nachstehend wird das Signal, das aus der ersten Ausgangsschaltung ausgegeben wird, als „erstes Signal” bezeichnet), und die zweite Ausgangsschaltung gibt ein Signal aufgrund der Menge an Licht aus, das aus der Umwandlungseinheit in dem Zeitraum N einfällt (nachstehend wird das Signal, das aus der zweiten Ausgangsschaltung ausgegeben wird, als „zweites Signal” bezeichnet). Infolgedessen kann ein Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen diesen beiden Signalen erzeugt werden; als Ergebnis können präzise Abbildungsdaten eines Gegenstandes erhalten werden.
In der Detektionseinheit werden Detektion der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit in dem Zeitraum M einfällt, durch die erste Ausgangsschaltung und Detektion der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit in dem Zeitraum N einfällt, durch die zweite Ausgangsschaltung in allen Detektionsschaltungen sequentiell durchgeführt, und dann werden das erste Signal und das zweite Signal aus jeder der Detektionsschaltungen ausgegeben. Demzufolge müssen die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen Daten (die auch als Ladung oder Potential bezeichnet werden können) halten, die aufgrund der Menge an aus der Umwandlungseinheit einfallendem Licht erzeugt werden, wenigstens bis alle Detektionsschaltungen den Detektionsprozess abschließen.
Damit Daten, die von der ersten Ausgangsschaltung aufgrund der Menge an aus der Umwandlungseinheit einfallendem Licht erzeugt werden, und Daten, die von der zweiten Ausgangsschaltung aufgrund der Menge an aus der Umwandlungseinheit einfallendem Licht erzeugt werden, nicht abfließen, ist angesichts des Obigen bei einer Ausführungsform der hierbei offenbarten Erfindung jede der ersten und zweiten Ausgangsschaltungen konfiguriert, die Daten zwischen einem Drain (oder Source) eines Transistors, bei dem ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, und einem Gate eines anderen Transistors, zu halten.
Die Bandlücke eines Films aus einem Oxidhalbleitermaterial ist größer als oder gleich 3,0 eV (Elektronenvolt), welche viel größer als die Bandlücke von Silizium (1,1 eV) ist.
Der Widerstand in einem ausgeschalteten Zustand eines Transistors (Widerstand zwischen einem Source und einem Drain des Transistors in einem ausgeschalteten Zustand) steht im umgekehrten Verhältnis zu der Konzentration der Ladungsträger, die thermisch in einem Kanalbildungsbereich angeregt werden. Da die Bandlücke von Silizium 1,1 eV beträgt, ist die Konzentration der thermisch angeregten Ladungsträger selbst in einem Zustand, in dem keine Ladungsträger von einem Donator oder einem Akzeptor verursacht werden (d. h. auch im Fall eines intrinsischen Halbleiters), bei Raumtemperatur (200 K) etwa 1 × 10¹¹ cm^–3.
Die Bandlücke eines Films aus einem Oxidhalbleitermaterial ist wie oben beschrieben im Allgemeinen 3,0 eV oder mehr, und die Konzentration der thermisch angeregten Ladungsträger in einem Film mit einer Bandlücke von 3,2 eV ist beispielsweise etwa 1 × 10^–7 cm^–3. Wenn die Elektronenbeweglichkeit gleich ist, steht die Resistivität im umgekehrten Verhältnis zu der Ladungsträgerkonzentration, und somit ist die Resistivität des Halbleiters mit einer Bandlücke von 3,2 eV um 18 Größenordnungen höher als diejenige von Silizium.
Da ein Transistor, bei dem ein Oxidhalbleitermaterial mit einer solchen großen Bandlücke für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird, einen sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand erzielen kann, können unter Verwendung des Transistors auf die vorstehende Weise Daten, die aufgrund der Menge an aus der Umwandlungseinheit einfallendem Licht erzeugt werden, in der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung für lange Zeit gehalten werden.
Deshalb können die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung Daten aufgrund der Menge an aus der Umwandlungseinheit einfallendem Licht halten (nachstehend werden die Daten in der ersten Ausgangsschaltung als erste Daten bezeichnet und die Daten in der zweiten Ausgangsschaltung werden als zweite Daten bezeichnet), bis alle Detektionsschaltungen den Detektionsprozess abschließen.
Nachdem alle Detektionsschaltungen den Detektionsprozess abgeschlossen haben, gibt jede der Detektionsschaltungen ein Signal, das mittels der ersten Daten erzeugt wird (nachstehend wird das Signal als das erste Signal bezeichnet), und ein Signal, das mittels der zweiten Daten erzeugt wird (nachstehend wird das Signal als das zweite Signal bezeichnet), aus.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Strahlungsdetektionsplatte, die beinhaltet: eine Umwandlungseinheit, die konfiguriert ist, Strahlung in Licht umzuwandeln, und eine Detektionseinheit, die eine Vielzahl von Detektionsschaltungen beinhaltet, die jeweils eine erste Ausgangsschaltung und eine zweite Ausgangsschaltung beinhalten. Die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung beinhalten jeweils ein photoelektrisches Umwandlungselement, das als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, eine Ladung erzeugt, einen ersten Transistor, dessen Gate-Potential entsprechend der Menge der Ladung variiert, einen zweiten Transistor, der ein von dem ersten Transistor ausgegebenes Signal steuert, und einen dritten Transistor, der das Gate-Potential des ersten Transistors hält und ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet. Die erste Ausgangsschaltung erzeugt erste Daten entsprechend der Menge der Ladung, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement erzeugt wird, wenn keine Strahlung emittiert wird, und hält die ersten Daten. Die zweite Ausgangsschaltung erzeugt zweite Daten entsprechend der Menge der Ladung, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement erzeugt wird, wenn eine Strahlung emittiert wird, und hält die zweiten Daten. Die Detektionseinheit gibt ein erstes Signal, das unter Verwendung der ersten Daten erzeugt wird, und ein zweites Signal, das unter Verwendung der zweiten Daten erzeugt wird, aus jeder der Detektionsschaltungen aus, nachdem in der Detektionseinheit die ersten Daten in allen ersten Ausgangsschaltungen gehalten worden sind und die zweiten Daten in allen zweiten Ausgangsschaltungen gehalten worden sind.
In der Strahlungsdetektionsplatte mit der obigen Struktur kann eine Signalkomponente wegen Nachleuchtens in der Umwandlungseinheit beseitigt werden, was dazu führt, dass eine Strahlungsdetektionsplatte erzielt wird, in der Signale zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit erhalten werden.
Detaillierte Verbindungen zwischen dem photoelektrischen Umwandlungselement und den ersten bis dritten Transistoren in der vorstehenden Strahlungsdetektionsplatte werden wie folgt dargestellt. Eine von Elektroden des photoelektrischen Umwandlungselements ist elektrisch mit einer ersten Leitung verbunden, und die andere ist elektrisch mit einem von Source und Drain(-Anschluss) des dritten Transistors verbunden. Einer von Source und Drain des ersten Transistors ist elektrisch mit einer zweiten Leitung verbunden, und der andere ist elektrisch mit einem von Source und Drain des zweiten Transistors verbunden. Der andere von Source und Drain des zweiten Transistors ist elektrisch mit einer dritten Leitung verbunden. Ein Gate des zweiten Transistors ist elektrisch mit einer vierten Leitung verbunden. Der andere von Souce und Drain des dritten Transistors ist elektrisch mit einem Gate des ersten Transistors verbunden. Ein Gate des dritten Transistors ist elektrisch mit einer fünften Leitung verbunden.
In der Strahlungsdetektionsplatte ist es bevorzugt, dass die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung zum Erzeugen eines Pixelsignals benachbart angeordnet sind, weil ein präzises Pixelsignal schwer zu erhalten ist, wenn sie voneinander entfernt angeordnet sind.
Die Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die erste Ausgangsschaltung (nachstehend auch als erste Detektionszeit bezeichnet) ist vorzugsweise kürzer als oder gleich der Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die zweite Ausgangsschaltung (nachstehend auch als zweite Detektionszeit bezeichnet). Wie oben beschrieben worden ist, ist die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in der ersten Detektionszeit und der zweiten Detektionszeit ungefähr gleich. Jedoch ist die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in der zweiten Detektionszeit manchmal kleiner als diejenige in der ersten Detektionszeit, abhängig von dem Material für die Umwandlungseinheit. Infolgedessen kann dann, wenn die erste Detektionszeit kürzer als die zweite Detektionszeit gemacht wird, eine Verringerung der Menge an Licht wegen Nachleuchtens in der zweiten Detektionszeit reguliert werden.
In der Strahlungsdetektionsplatte kann wenigstens einer des ersten Transistors und des zweiten Transistors in jeder der ersten und zweiten Ausgangsschaltungen einen Kanalbildungsbereich aufweisen, der unter Verwendung eines Oxidhalbleitermaterials ausgebildet ist.
Eine Strahlungsbildgebungsvorrichtung, die präzise Abbildungsdaten erhalten kann, kann durch eine Kombination erzielt werden, die umfasst: die Strahlungsdetektionsplatte, eine Strahlenquelle und eine Einheit zum Erzeugen eines Pixelsignals, die ein Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal erzeugt, die aus der Strahlungsdetektionsplatte ausgegeben werden.
Eine Ausführungsform der Strahlungsbildgebungsvorrichtung ist eine diagnostische Bildgebungsvorrichtung, in der die Strahlenquelle eine Röntgenstrahlenquelle ist und die Umwandlungseinheit einen Szintillator beinhaltet, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt. Die diagnostische Bildgebungsvorrichtung kann den inneren Zustand präziser mit einem präziseren Pixelsignal und einem höheren Kontrast diagnostizieren. Darüber hinaus kann der innere Zustand präzise diagnostiziert werden, indem beispielsweise feiner unterteilte Abtastbilder (Scan-Bilder) durch Verkürzen jeder Emissionszeit der Strahlenquelle und Verkürzen eines Zeitintervalls zwischen Detektionsvorgängen erhalten werden.
Die Detektionsschaltung zum Erzeugen eines Pixelsignals besteht aus der ersten Ausgangsschaltung, die das erste Signal einschließlich einer Information über eine Lichtemission wegen Nachleuchtens ausgibt, und der zweiten Ausgangsschaltung, die das zweite Signal einschließlich sowohl einer Information über eine Lichtemission aufgrund einer Strahlungsemission als auch einer Information über eine Lichtemission wegen Nachleuchtens ausgibt.
Ein Transistor, der ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet, wird für einige Transistoren in den ersten und zweiten Ausgangsschaltungen verwendet.
In der Strahlungsdetektionsplatte mit der vorstehenden Struktur kann das Signal (das erste Signal oder das zweite Signal) in jeder der Ausgangsschaltungen gehalten werden; deshalb können das erste Signal und das zweite Signal sequentiell aus den Detektionsschaltungen ausgegeben werden, nachdem alle Ausgangsschaltungen das Signal (das erste Signal oder das zweite Signal) gehalten haben.
Dann werden Pixelsignale, die Abbildungsdaten bilden, unter Verwendung der ersten Signale und der zweiten Signale erzeugt, die aus den Detektionsschaltungen in der Strahlungsdetektionsplatte ausgegeben werden.
Unter Verwendung der Strahlungsdetektionsplatte in einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung kann die Strahlungsbildgebungsvorrichtung präzise Abbildungsdaten erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den begleitenden Zeichnungen:
1 zeigt die Struktur einer Strahlungsdetektionsplatte;
2A bis 2E zeigen jeweils die Struktur einer Detektionseinheit in einer Strahlungsdetektionsplatte;
3A zeigt die Struktur einer Detektionsschaltung, und 3B ist ein Diagramm, das den Betrieb der Detektionsschaltung zeigt;
4 zeigt die Struktur einer Detektionseinheit;
5 ist ein Diagramm, das den Betrieb der Detektionseinheit zeigt;
6A bis 6C zeigen jeweils die Struktur einer Operationsverstärkerschaltung;
7A zeigt die Struktur einer Detektionseinheit, die sich von derjenigen bei der Ausführungsform 1 unterscheidet, und 7B ist ein Diagramm, das den Betrieb der Detektionseinheit zeigt;
8 zeigt die Struktur einer Detektionseinheit, die sich von derjenigen bei der Ausführungsform 1 unterscheidet;
9A zeigt die Struktur einer Detektionseinheit, die sich von derjenigen bei der Ausführungsform 1 unterscheidet, und 9B ist ein Diagramm, das den Betrieb der Detektionseinheit zeigt;
10 zeigt die Struktur einer Detektionseinheit, die sich von derjenigen bei der Ausführungsform 1 unterscheidet;
11A und 11B zeigen jeweils Signale, die aus einer Detektionsschaltung ausgegeben werden;
12 stellt das Konzept zur Erzeugung eines Pixelsignals dar;
13 zeigt die Struktur einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung;
14A und 14B zeigen die Anordnung einer Detektionsschaltung; und
15A und 15B stellen das Konzept eines Verfahrens zum Erzielen eines Unterschiedes zwischen Detektionssignalen dar.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen werden nachstehend anhand der begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Es sei angemerkt, dass unten beschriebene Ausführungsformen auf verschiedene Weisen implementiert werden können, und dass ein Fachmann leicht verstehen kann, dass Modi und Details auf verschiedene Weisen verändert werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung nicht als auf die folgende Beschreibung der Ausführungsformen beschränkt angesehen werden. In den Zeichnungen zum Beschreiben der Ausführungsformen werden die gleichen Teile oder Teile mit ähnlichen Funktionen durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und Beschreibung solcher Teile wird nicht wiederholt.
Es sei angemerkt, dass bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen „ein Anschluss” eines Transistors eine von Source-Elektrode und Drain-Elektrode bezeichnet, und „der andere Anschluss” des Transistors die andere von Source-Elektrode und Drain-Elektrode bezeichnet. Das heißt, dass dann, wenn ein Anschluss des Transistors die Source-Elektrode ist, der andere Anschluss des Transistors die Drain-Elektrode bezeichnet.
(Ausführungsform 1)
Bei der Ausführungsform 1 wird die Struktur einer Strahlungsdetektionsplatte anhand von 1 und 2A bis 2E beschrieben.
<Struktur der Strahlungsdetektionsplatte>
Eine Übersicht der Struktur einer Strahlungsdetektionsplatte wird anhand von 1 beschrieben. In 1 beinhaltet eine Strahlungsdetektionsplatte 100 eine Umwandlungseinheit 101, die eine von außen emittierte Strahlung 104 empfängt und die Strahlung 104 in Licht umwandelt, und eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110, die jeweils eine erste Ausgangsschaltung 111 und eine zweite Ausgangsschaltung 112 beinhalten, die jeweils ein Signal aufgrund von aus der Umwandlungseinheit 101 emittiertem Licht 105 ausgeben. Es sei angemerkt, dass die Strahlung 104 aus einer Strahlenquelle 103 emittiert wird und in die Strahlungsdetektionsplatte 100 eintritt. Ein Gegenstand 106 ist zwischen der Strahlungsdetektionsplatte 100 und der Strahlenquelle 103 angeordnet.
Die Umwandlungseinheit 101 enthält eine Substanz, die Energie der einfallenden Strahlung (z. B. Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Betastrahlen oder Neutronenstrahlen) absorbiert und Licht (z. B. Infrarotstrahlen, sichtbares Licht oder Ultraviolettstrahlen) emittiert, oder ein Material, das die Substanz enthält; bekannte Beispiele für eine solche Substanz und ein solches Material sind ein Material wie z. B. Gd₂O₂S:Tb, Gd₂O₂S:Pr, Gd₂O₂S:Eu, BaFCl:Eu, CsI:Ti, ZnS:Ag, LiF:W oder LiI:Eu, und ein Harz oder Keramik, in dem/der eines der obigen Materialien verteilt ist. Es sei angemerkt, dass die Substanz nach dem Doppelpunkt einen Fremdstoff darstellt, der beigemischt wird, um das Einfangen angeregter Elektronen zu vereinfachen.
Eine Detektionseinheit 102 beinhaltet die Vielzahl von Detektionsschaltungen 110, die jeweils die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 beinhalten.
Wie oben beschrieben wird ein Pixelsignal unter Verwendung eines ersten Signals und eines zweiten Signals erzeugt, die aus der ersten Ausgangsschaltung 111 bzw. aus der zweiten Ausgangsschaltung 112 ausgegeben werden, wobei die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 in der Detektionsschaltung 110 enthalten sind. Daher kann dann, wenn beispielsweise die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung zum Erzeugen eines Pixelsignals voneinander getrennt angeordnet sind, unter Umständen kein präzises Pixelsignal erhalten werden.
Das heißt, dass ein Pixelsignal vorzugsweise unter Verwendung eines Paars der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 erzeugt wird, die aus der Umwandlungseinheit 101 emittiertes Licht unter den im Wesentlichen gleichen Bedingungen empfangen können (das heißt, dass die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 in Positionen angeordnet sind, in denen Licht, das von einem Punkt der Umwandlungseinheit 101 emittiert wird, ungefähr die gleiche Intensität aufweist). Folglich werden vorzugsweise die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112, die als Paar verwendet werden, um ein Pixelsignal zu erzeugen, benachbart angeordnet.
Beispielsweise kann die Detektionseinheit 102, die von oben gesehen wird, eine Struktur, bei der eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110 jeweils ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 beinhalten, die wie in 2A in horizontaler Richtung nebeneinander liegen, eine Struktur, bei der eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110 jeweils ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 beinhalten, die wie in 2B in vertikaler Richtung nebeneinander liegen, oder eine Struktur, bei der eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110 jeweils ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 beinhalten, die wie in 2C in schräger Richtung nebeneinander liegen, aufweisen.
Es sei angemerkt, dass die ersten Ausgangsschaltungen 111 und die zweiten Ausgangsschaltungen 112 nicht notwendigerweise geordnet in einer Matrix angeordnet sein müssen; beispielsweise kann wie in 2D eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110, die jeweils ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 beinhalten, nicht ausgerichtet sein (das heißt, dass ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 mit einem anderen Paar nicht ausgerichtet sein kann).
Alternativ kann wie in 2E eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110, die jeweils ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 beinhalten, einander kreuzen (d. h. auf eine solche Weise, dass ein Paar der ersten Ausgangschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 ein anderes Paar kreuzt).
Es sei angemerkt, dass in den Detektionsschaltungen 110 in 2A bis 2E die erste Ausgangschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 in umgekehrten Positionen angeordnet sein können. Beispielsweise ist in 2A die erste Ausgangschaltung 111 auf der linken Seite der Detektionsschaltung 110 platziert, und die zweite Ausgangsschaltung 112 ist auf der rechten Seite der Detektionsschaltung 110 platziert; jedoch kann die erste Ausgangschaltung 111 auf der rechten Seite der Detektionsschaltung 110 platziert sein, und die zweite Ausgangsschaltung 112 kann auf der linken Seite der Detektionsschaltung 110 platziert sein.
<Konfiguration der Ausgangsschaltung>
Ein Beispiel für die Konfiguration der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 wird nachstehend anhand von 3A beschrieben. Es sei angemerkt, dass die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 die gleiche Konfiguration aufweisen können.
Wie in 3A sind die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 konfiguriert, das Folgende zu beinhalten: ein photoelektrisches Umwandlungselement 300, das als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 emittiert wird, eine Ladung erzeugt; einen ersten Transistor 301, in dem sich ein an einen Gate(-Anschluss) angelegtes Potential entsprechend der Menge der Ladung, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement 300 erzeugt wird, ändert; einen zweiten Transistor 302, der ein aus dem ersten Transistor 301 ausgegebenes Signal steuert; und einen dritten Transistor 303, der das an den Gate des ersten Transistors 301 angelegte Potential (auch als das Potential einer zweiten Leitung 312 bezeichnet) hält.
Eine Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 ist mit einer ersten Leitung 311 (auch als eine Leitung PR bezeichnet) verbunden.
Der Gate des ersten Transistors 301 ist elektrisch mit der zweiten Leitung 312 (auch als eine Leitung FD bezeichnet) verbunden. Einer von Source und Drain des ersten Transistors 301 ist elektrisch mit einer dritten Leitung 313 (auch als eine Leitung VR bezeichnet) verbunden. Der andere von Source und Drain des ersten Transistors 301 ist elektrisch mit einem von Source und Drain des zweiten Transistors 302 verbunden.
Der andere von Source und Drain des zweiten Transistors 302 ist elektrisch mit einer vierten Leitung 314 (auch als eine Leitung OUT bezeichnet) verbunden. Ein Gate des zweiten Transistors 302 ist elektrisch mit einer fünften Leitung 315 (auch als eine Leitung SE bezeichnet) verbunden.
Es sei angemerkt, dass eine Integrierschaltung mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden sein kann. Durch Verbinden der Integrierschaltung mit der vierten Leitung 314 (OUT) wird S/N erhöht, wodurch Detektion von schwachem Licht ermöglicht wird. Ein konkretes Konfigurationsbeispiel für die Integrierschaltung wird bei der Ausführungsform 2 beschrieben.
Einer von Source und Drain des dritten Transistors 303 zwischen dem photoelektrischen Umwandlungselement 300 und dem ersten Transistor 301 ist elektrisch mit der anderen Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 verbunden. Der andere von Source und Drain des dritten Transistors 303 ist elektrisch mit der zweiten Leitung 312 (FD) verbunden. Ein Gate des dritten Transistors 303 ist elektrisch mit einer sechsten Leitung 316 (auch als eine Leitung TX bezeichnet) verbunden.
Beispiele für das photoelektrische Umwandlungselement 300 sind ein Element, das eine Ladung durch Empfangen von Infrarotstrahlen erzeugt, ein Element, das eine Ladung durch Empfangen von sichtbarem Licht erzeugt, und ein Element, das eine Ladung durch Empfangen von Ultraviolettstrahlen erzeugt.
Der dritte Transistor 303 in einem ausgeschalteten Zustand muss eine Funktion zum Halten der Ladung, die zum Zeitpunkt erzeugt wird, wenn das photoelektrische Umwandlungselement 300 Licht empfängt, als Potential der zweiten Leitung 312 aufweisen. Folglich muss der dritte Transistor 303 ein Transistor mit einer hohen Beweglichkeit und einem sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand sein. Aus diesem Grund wird ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich des dritten Transistors 303 verwendet. In 3A ist der Einfachheit halber „OS” neben dem Transistor geschrieben, der ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet.
Die Struktur des Transistors, der ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet, wird bei der Ausführungsform 5 detailliert beschrieben.
Der erste Transistor 301 kann ein Dünnschichttransistor sein, bei dem amorphes Silizium, mikrokristallines Silizium, polykristallines Silizium, Einkristallsilizium oder dergleichen für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird. Da der erste Transistor 301 bereitgestellt ist, um ein von dem photoelektrischen Umwandlungselement 300 erzeugtes elektrisches Signal zu verstärken, braucht der erste Transistor 301 eine hohe Beweglichkeit. Darüber hinaus braucht der erste Transistor 301 einen kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand, um zu verhindern, dass ein unnötiges Potential an die dritte Leitung 313 (VR) ausgegeben wird. Aus diesen Gründen ist es auch wirksam, einen Transistor zu verwenden, der ein Oxidhalbleitermaterial in einem Kanalbildungsbereich verwendet, das sowohl eine hohe Beweglichkeit als auch einen kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand ermöglicht.
Der zweite Transistor 302 kann ein Dünnschichttransistor sein, in dem amorphes Silizium, mikrokristallines Silizium, polykristallines Silizium, Einkristallsilizium oder dergleichen für einen Kanalbildungsbereich verwendet wird. Da der zweite Transistor 302 bereitgestellt ist, um eine Ausgabe aus der Detektionsschaltung 110 zu steuern, braucht der zweite Transistor 302 eine hohe Beweglichkeit. Darüber hinaus braucht der zweite Transistor 302 einen kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand, um zu verhindern, dass ein unnötiges Potential an die vierte Leitung 314 (OUT) ausgegeben wird. Aus diesen Gründen ist es auch wirksam, einen Transistor zu verwenden, der ein Oxidhalbleitermaterial in einem Kanalbildungsbereich verwendet, das sowohl eine hohe Beweglichkeit als auch einen kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand ermöglicht.
Die Verwendung der Transistoren, die ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwenden, für alle Transistoren in der Detektionsschaltung 110 kann den Herstellungsprozess der Detektionsschaltung vereinfachen.
Wenn ein Halbleitermaterial, das eine höhere Beweglichkeit ermöglicht als ein Oxidhalbleitermaterial, wie z. B. polykristallines Silizium oder Einkristallsilizium für die Kanalbildungsbereiche des ersten Transistors 301 und des zweiten Transistors 302 verwendet wird, können Daten mit einer hohen Geschwindigkeit aus der Detektionsschaltung 110 gelesen werden.
Es ist wirksam, einen Kondensator mit der vierten Leitung 314 (OUT) zu verbinden, weil damit das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) stabilisiert wird.
In 3A sind der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 elektrisch in dieser Reihenfolge in Serie zwischen der dritten Leitung 313 (VR) und der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden. Alternativ können der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 umgekehrt verbunden sein. Mit anderen Worten: der zweite Transistor 302 und der erste Transistor 301 können elektrisch in dieser Reihenfolge in Serie zwischen der dritten Leitung 313 (VR) und der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden sein.
In 3A hat der dritte Transistor 303 einen Gate nur auf einer Seite einer Halbleiterschicht; jedoch kann der dritte Transistor 303 ein Paar von Gates haben, die derart angeordnet sind, dass die Halbleiterschicht dazwischen liegt. Wenn der dritte Transistor 303 ein Paar von Gates hat, die derart angeordnet sind, dass die Halbleiterschicht dazwischen liegt, kann einer der Gates als Front-Gate (front gate) dienen, an den das Potential der zweiten Leitung 312 angelegt wird, und der andere Gate kann als Rück-Gate (backgate) dienen, der die Schwellenspannung oder dergleichen des dritten Transistors 303 steuert. In diesem Fall liegt das Potential, das an den anderen Gate angelegt wird, vorzugsweise im Bereich von –20 V bis +2 V in Bezug auf das Source-Potential. Wenn eine Veränderung der Schwellenspannung des dritten Transistors 303 den Betrieb der Detektionsschaltung 110 in dem Fall nicht nachteilig beeinflusst, in dem sich das an den anderen Gate angelegte Potential im obigen Bereich verändert, kann der andere Gate elektrisch isoliert sein (offener Zustand bzw. floating).
Das Obige ist die Beschreibung eines Beispiels für die Konfiguration der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 in der Detektionsschaltung 110. Ein Anordnungsbeispiel für die Ausgangsschaltung in 3A wird bei der Ausführungsform 4 beschrieben.
<Betriebsablauf der Ausgangsschaltung>
Der Betrieb der Ausgangsschaltung in 3A wird anhand eines Zeitdiagramms in 3B beschrieben. Es sei angemerkt, dass die erste Ausgangsschaltung 111 und die zweite Ausgangsschaltung 112 einen Lesevorgang auf die gleiche Weise durchführen können.
In 3B entsprechen Signale 311S, 312S, 314S, 315S und 316S Potentialen der ersten Leitung 311 (PR), der zweiten Leitung 312 (FD), der vierten Leitung 314 (OUT), der fünften Leitung 315 (SE) und der sechsten Leitung 316 (TX) in 3A. Das Potential der dritten Leitung 313 (VR) ist auf einem niedrigen Pegel festgelegt.
sZuerst wird zu einem Zeitpunkt T1 das Potential der ersten Leitung 311 (PR) (das Signal 311S) auf einen hohen Pegel eingestellt, und das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) wird auf einen hohen Pegel eingestellt (d. h. ein Rücksetzvorgang beginnt), so dass eine Vorwärtsvorspannung bzw. Durchlassvorspannung an das photoelektrische Umwandlungselement 300 angelegt wird und das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) einen hohen Pegel aufweist. Es sei angemerkt, dass Aufladen im Voraus durchgeführt wird, so dass das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) einen hohen Pegel hat.
Als Nächstes wird zu einem Zeitpunkt T2 das Potential der ersten Leitung 311 (PR) (das Signal 311S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt, und das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) wird auf einem hohen Pegel gehalten (d. h. der Rücksetzvorgang abgeschlossen wird und ein Ansammlungsvorgang beginnt), so dass ein Photostrom durch das photoelektrische Umwandlungselement 300 als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 emittiert wird, fließt und das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) beginnt, niedriger zu werden.
Da die Menge eines Photostroms vergrößert wird, wenn das photoelektrische Umwandlungselement 300 mit Licht bestrahlt wird, verändert sich die Geschwindigkeit, mit der das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) verringert wird, entsprechend der Menge an emittiertem Licht. Mit anderen Worten: der Kanalwiderstand zwischen dem Source und dem Drain des ersten Transistors 301 verändert sich entsprechend der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 an das photoelektrische Umwandlungselement 300 emittiert wird
Dann wird zu einem Zeitpunkt T3 das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt (d. h. der Ansammlungsvorgang abgeschlossen wird).
Da der dritte Transistor 303 ein Transistor ist, dessen Kanalbildungsbereich wie oben beschrieben unter Verwendung eines Oxidhalbleitermaterials ausgebildet ist und der somit einen sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand aufweist, kann die Ladung auf/bei der zweiten Leitung 312 (FD) gehalten werden, die auch als Leitung zwischen dem anderen von Souce und Drain des dritten Transistors und dem Gate des ersten Transistors bezeichnet wird, bis ein folgender Auswahlvorgang durchgeführt wird. Die Menge der Ladung entspricht Daten, die in der Ausgangschaltung gehalten sind (ersten Daten in der ersten Ausgangsschaltung 111 und zweiten Daten in der zweiten Ausgangsschaltung 112).
Hier hängt das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) von der Menge der Ladung ab, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement 300 während des Ansammlungsvorgangs erzeugt wird. Mit anderen Worten: das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) verändert sich entsprechend der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 an das elektrische Umwandlungselement 300 emittiert wird.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt wird, sich das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) manchmal wegen der parasitären Kapazität zwischen der sechsten Leitung 316 (TX) und der zweiten Leitung 312 (FD) verändert. Eine große Menge der Veränderung des Potentials verunmöglicht, dass eine präzise Menge der Ladung, die während des Ansammlungsvorgangs von dem photoelektrischen Umwandlungselement 300 erzeugt wird, erhalten wird. Beispiele für effektive Maßnahmen zur Verringerung der Menge der Veränderung des Potentials umfassen: Verringern der Kapazität zwischen dem Gate und dem Source (oder zwischen dem Gate und dem Drain) des dritten Transistors 303, Erhöhen der Gate-Kapazität des ersten Transistors 301 und Bereitstellen eines Speicherkondensators, der mit der zweiten Leitung 312 (FD) verbunden ist. Es sei angemerkt, dass in 3B die Veränderung des Potentials durch Anwenden dieser Maßnahmen ignoriert werden kann.
Dann wird zu einem Zeitpunkt T4 das Potential der fünften Leitung 315 (SE) (das Signal 315S) auf einen hohen Pegel eingestellt (d. h. der Auswahlvorgang beginnt), so dass das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) abfällt. Es sei angemerkt, dass das Aufladen der vierten Leitung 314 (OUT) im Voraus vor dem Zeitpunkt T4 abgeschlossen wird.
Hier hängt die Geschwindigkeit der Abnahme des Potentials der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) von dem Kanalwiderstand zwischen dem Source und dem Drain des ersten Transistors 301 ab. Mit anderen Worten: diese Geschwindigkeit verändert sich entsprechend der Menge an Licht, das während des Ansammlungsvorgangs aus der Umwandlungseinheit 101 an das photoelektrische Umwandlungselement 300 emittiert wird.
Als Nächstes wird zu einem Zeitpunkt T5 das Potential der fünften Leitung 315 (SE) (das Signal 315S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt (d. h. der Auswahlvorgang wird abgeschlossen), so dass ein Strom, der zwischen dem Source und dem Drain des zweiten Transistors 302 fließt, unterbrochen wird und das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) konstant wird. Dieses Potential entspricht einem Signal, das aus der Ausgangsschaltung ausgegeben wird (dem ersten Signal in der ersten Ausgangsschaltung 111 und dem zweiten Signal in der zweiten Ausgangsschaltung 112).
Hier verändert sich das konstante Potential der vierten Leitung 314 (OUT) abhängend von der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 in das photoelektrische Umwandlungselement 300 einfällt. Deshalb kann die Menge an Licht, das während des Ansammlungsvorgangs aus der Umwandlungseinheit 101 in das photoelektrische Umwandlungselement 300 einfällt, gefunden werden, indem das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) erhalten wird.
Insbesondere wird mit der zunehmenden Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 in das photoelektrische Umwandlungselement 300 einfällt, das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) niedriger und das Gate-Potential des ersten Transistors 301 wird niedriger; daher wird die Geschwindigkeit niedriger, mit der das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) verringert wird. Folglich ist das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) höher.
Außerdem wird mit der abnehmenden Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 in das photoelektrische Umwandlungselement 300 einfällt, das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) höher und das Gate-Potential des ersten Transistors 301 wird höher; daher wird die Geschwindigkeit höher, mit der das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) verringert wird. Folglich ist das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) niedriger.
Wie oben beschrieben worden ist, wird durch Wiederholen des Rücksetzvorgangs, des Ansammlungsvorgangs und des Auswahlvorgangs der Betrieb der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 durchgeführt.
Es sei angemerkt, dass die Konfiguration und der Betriebsablauf der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 nicht auf diejenigen in 3A und 3B beschränkt sind. Eine andere Konfiguration der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 und ein Betriebsablauf für die Konfiguration werden bei der Ausführungsform 3 beschrieben.
Der Vorgang zum Lesen eines Signals aus einer Ausgangsschaltung in der Detektionsschaltung 110 ist bisher beschrieben worden. Um eine Bildgebung in der Strahlungsdetektionsplatte in kurzer Zeit durchzuführen, müssen all die Detektionsschaltungen den Rücksetzvorgang, den Ansammlungsvorgang und den Auswahlvorgang mit einer hohen Geschwindigkeit durchführen. Der Betriebsablauf der ganzen Detektionseinheit 102, die eine Vielzahl von Detektionsschaltungen 110 beinhaltet, wird nachstehend anhand von 4 und 5 beschrieben.
<Betriebsablauf der ganzen Detektionseinheit>
Wie in 4 gezeigt beinhaltet die Detektionseinheit 102 die ersten Ausgangsschaltungen 111 und die zweiten Ausgangsschaltungen 112, die in einer Matrix mit m Zeilen und n Spalten angeordnet sind. Bei der Konfiguration sind dann, wenn man von oben an in Zeilenrichtung zählt, die ersten Ausgangsschaltungen 111 in ungeradzahligen Zeilen angeordnet, und die zweiten Ausgangsschaltungen 112 sind in geradzahligen Zeilen angeordnet. Mit anderen Worten: die Vielzahl von Detektionsschaltungen 110 hat die in 2B gezeigte Struktur, bei der die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung, die zum Erzeugen eines Pixelsignals verwendet werden, in vertikaler Richtung angeordnet sind.
5 ist ein Beispiel für ein Zeitdiagramm, das den Betriebsablauf der ganzen Detektionseinheit 102 zeigt, und zeigt den Betrieb des Bereichs in 4, der von einer Strich-Punkt-Linie umgeben ist. Es sei angemerkt, dass der Betrieb der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 gleich demjenigen ist, der vorstehend beschrieben worden ist.
In dem Zeitdiagramm in 5 entsprechen ein Signal PR(1), ein Signal PR(2), ein Signal PR(3) und ein Signal PR(4) den Potentialen der Leitungen PR in der ersten Zeile, der zweiten Zeile, der dritten Zeile bzw. der vierten Zeile der Pixel.
Ein Signal TX(1), ein Signal TX(2), ein Signal TX(3) und ein Signal TX(4) entsprechen den Potentialen der Leitungen TX in der ersten Zeile, der zweiten Zeile, der dritten Zeile bzw. der vierten Zeile der Pixel.
Ein Signal SE(1), ein Signal SE(2), ein Signal SE(3) und ein Signal SE(4) entsprechen den Potentialen der Leitungen SE in der ersten Zeile, der zweiten Zeile, der dritten Zeile bzw. der vierten Zeile der Pixel.
Ein Zeitraum T_fr ist ein Zeitraum, der zur einzelnen Bildgebung erforderlich ist.
Ein Zeitraum T_re1 ist ein Zeitraum, während dessen die ersten Ausgangsschaltungen 111, die die Schaltungen in den ersten und dritten Zeilen sind, den Rücksetzvorgang durchführen. Ein Zeitraum T_ac1 ist ein Zeitraum, während dessen die ersten Ausgangsschaltungen 111 den Ansammlungsvorgang durchführen.
Ein Zeitraum T_re2 ist ein Zeitraum, während dessen die zweiten Ausgangsschaltungen 112, die die Schaltungen in den zweiten und vierten Zeilen sind, den Rücksetzvorgang durchführen. Ein Zeitraum T_ac2 ist ein Zeitraum, während dessen die zweiten Ausgangsschaltungen 112 den Ansammlungsvorgang durchführen.
Zeiträume T_se1 bis T_se4 sind Zeiträume, während derer die Schaltung in der ersten Zeile (die erste Ausgangsschaltung 111) bis die Schaltung in der vierten Zeile (die zweite Ausgangsschaltung 112) den Auswahlvorgang durchführen.
In 5 führen die Schaltungen in den ersten und dritten Zeilen (die ersten Ausgangsschaltungen 111) gleichzeitig den Rücksetzvorgang oder den Ansammlungsvorgang durch, und die Schaltungen in den zweiten und vierten Zeilen (die zweiten Ausgangsschaltungen 112) führen gleichzeitig den Rücksetzvorgang oder den Ansammlungsvorgang durch. Jedoch führen Pixel in benachbarten Zeilen, d. h. in den ersten und zweiten Zeilen, den zweiten und dritten Zeilen und den dritten und vierten Zeilen, in unterschiedlichen Zeiträumen den Rücksetzvorgang oder den Ansammlungsvorgang durch. Nachdem der Ansammlungsvorgang abgeschlossen worden ist, wird der Auswahlvorgang sequentiell von der ersten Zeile an durchgeführt.
Hier ist der Ansammlungszeitraum der Schaltungen in den ersten und dritten Zeilen (der ersten Ausgangsschaltungen 111), d. h. der Zeitraum T_ac1, ein Zeitraum, während dessen keine Strahlung aus der Strahlenquelle 103 emittiert wird, und der Ansammlungszeitraum der Schaltungen in den zweiten und vierten Zeilen (der zweiten Ausgangsschaltungen 112), d. h. der Zeitraum T_ac2, ist ein Zeitraum, während dessen eine Strahlung aus der Strahlenquelle 103 emittiert wird.
Mit anderen Worten: Daten (erste Daten), die Licht entsprechen, das aus der Umwandlungseinheit 101 wegen Nachleuchtens emittiert wird, werden in der ersten Ausgangsschaltung 111 in dem Zeitraum T_ac1 erzeugt, und Daten (zweite Daten), die Licht entsprechen, das aus der Umwandlungseinheit 101 wegen der Strahlungsemission emittiert wird, werden in der zweiten Ausgangsschaltung 112 in dem Zeitraum T_ac2 erzeugt. Die erzeugten Daten werden in den jeweiligen Schaltungen gehalten.
Angenommen, dass die Größe jeder Ausgangsschaltung in der Detektionseinheit 102 klein genug ist, können Licht, das durch die Detektionsschaltung in der ersten Zeile (die erste Ausgangsschaltung 111) detektiert wird, und Licht, das durch die Detektionsschaltung in der zweiten Zeile (die zweite Ausgangsschaltung 112) detektiert wird, als Licht, das aus dem gleichen Punkt emittiert wird, d. h. Licht, das in Reaktion auf eine an den gleichen Punkt des Gegenstandes emittierte Strahlung erzeugt wird, betrachtet werden. Ähnlicherweise können Licht, das durch die Detektionsschaltung in der dritten Zeile (die erste Ausgangsschaltung 111) detektiert wird, und Licht, das durch die Detektionsschaltung in der vierten Zeile (die zweite Ausgangsschaltung 112) detektiert wird, als Licht, das aus dem gleichen Punkt emittiert wird, d. h. Licht, das in Reaktion auf eine an den gleichen Punkt des Gegenstandes emittierte Strahlung erzeugt wird, betrachtet werden.
Wie oben beschrieben worden ist, wird im Allgemeinen die Menge an Licht wegen Nachleuchtens etwa einige Millisekunden lang nach dem Ende der Strahlungsemission stark verringert und dann allmählich verringert. Daher kann die Menge an Licht wegen Nachleuchtens entsprechend einer vor dem Zeitraum T_ac2 emittierten Strahlung als ungefähr gleich in dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 betrachtet werden.
Folglich kann ein präzises Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen dem Signal (erstem Signal), das aus der Schaltung in der ersten Zeile (der ersten Ausgangsschaltung 111) erhalten wird, und dem Signal (zweitem Signal), das aus der Schaltung in der zweiten Zeile (der zweiten Ausgangsschaltung 112) erhalten wird, unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit 101 erzeugt werden. Darüber hinaus kann ein präzises Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen dem Signal (erstem Signal), das aus der Schaltung in der dritten Zeile (der ersten Ausgangsschaltung 111) erhalten wird, und dem Signal (zweitem Signal), das aus der Schaltung in der vierten Zeile (der zweiten Ausgangsschaltung 112) erhalten wird, unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit 101 erzeugt werden.
Da die Detektionseinheit 102 die vorstehende Konfiguration aufweist, kann die Strahlungsdetektionsplatte 100 Signale zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit 101 ausgeben.
Es sei angemerkt, dass ein System (nachstehend auch als Einheit zum Erzeugen eines Pixelsignals bezeichnet), das ein Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen einem ersten Detektionssignal (dem ersten Signal) und einem zweiten Detektionssignal (dem zweiten Signal) erzeugt, in der Strahlungsdetektionsplatte 100, so beispielsweise in der Detektionseinheit 102, angeordnet sein kann. Alternativ kann wie in 13 gezeigt eine Einheit 1301 zum Erzeugen eines Pixelsignals in einer Strahlungsbildgebungsvorrichtung 1300 zusammen mit der Strahlenquelle 103 und der Strahlungsdetektionsplatte 100 angeordnet sein und elektrisch mit der Strahlungsdetektionsplatte 100 verbunden sein.
Außerdem ist ein externer Ausgangsanschluss 1302, der elektrisch mit der Einheit 1301 zum Erzeugen eines Pixelsignals verbunden ist, mit einer Anzeigevorrichtung verbunden, und Abbildungsdaten des Gegenstandes werden angezeigt. Es sei angemerkt, dass die Anzeigevorrichtung auch in der Strahlungsbildgebungsvorrichtung 1300 angeordnet sein kann.
Die Struktur der Einheit 1301 zum Erzeugen eines Pixelsignals kann von einem Fachmann angemessen bestimmt werden.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn sich der Gegenstand zwischen dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 viel bewegt, nicht nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Emission von Röntgenstrahlen, sondern auch die Außenlinie des Gegenstandes oder dergleichen den Unterschied beeinflusst. Aus diesem Grund kann durch Einstellen einer Detektionszeit in dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 auf 20 ms oder kürzer, bevorzugt auf 10 ms oder kürzer, stärker bevorzugt auf 5 ms oder kürzer, Rauschen aufgrund der Bewegung des Gegenstandes möglichst verringert werden.
Während die Detektionszeit in dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 kürzer wird, wird die Menge der Veränderung der Nachleuchtenskomponente zwischen dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 kleiner; folglich können die Menge der Nachleuchtenskomponente in dem Zeitraum T_ac1 und diejenige in dem Zeitraum T_ac2 einander ähnlicher werden. Somit kann ein Pixelsignal, das unter Verwendung des ersten Signals und des zweiten Signals erzeugt wird, ein präziseres Bild bilden.
Es sei angemerkt, dass der Zeitraum T_ac1 vorzugsweise kürzer als der Zeitraum T_ac2 ist. Wie oben beschrieben worden ist, ist die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum T_ac1 und dem Zeitraum T_ac2 ungefähr gleich. Jedoch ist die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum T_ac2 manchmal kleiner als diejenige in dem Zeitraum T_ac1, abhängig von dem Material für die Umwandlungseinheit 101. Infolgedessen kann dann, wenn der Zeitraum T_ac1 kürzer als der Zeitraum T_ac2 gemacht wird, eine Verringerung der Menge an Licht wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum T_ac2 reguliert werden.
Die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum T_ac1 und diejenige in dem Zeitraum T_ac2 können auf die folgende Weise aneinander angenähert werden: nachdem das erste Signal in dem Zeitraum T_ac1 erhalten worden ist, der wie oben beschrieben verkürzt ist, wird das zweite Signal in dem Zeitraum T_ac2 erhalten, und dann wird ein Pixelsignal unter Verwendung eines Unterschiedes zwischen dem zweiten Signal und einem Signal erzeugt, das durch ein ganzzahliges Vielfaches des ersten Signals erhalten wird.
Beispielsweise wird angenommen, dass der Zeitraum T_ac2 X [ms] ist. Die Menge an Licht wegen Nachleuchtens in dem Zeitraum T_ac1 und diejenige in dem Zeitraum T_ac2 können aneinander angenähert werden, wenn der Zeitraum T_ac1 auf (1/10)X [ms] eingestellt wird, ein in dem Zeitraum T_ac1 erhaltenes Signal verzehnfacht wird (siehe 15B), und ein Unterschied zwischen dem resultierenden Signal und dem Signal in dem Zeitraum T_ac2 erhalten wird, anstatt dass der Zeitraum T_ac1 auch auf X [ms] eingestellt wird (siehe 15A), um ein Signal zu erhalten, und dass ein Unterschied zwischen den Signalen erhalten wird. Natürlich ist der Multiplikator nicht auf zehn beschränkt.
In dem Fall, in dem der Zeitraum T_ac1 und der Zeitraum T_ac2 wie oben reguliert werden, kann ein Fachmann angemessen unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Materials für die Umwandlungseinheit 101 oder dergleichen bestimmen, so beispielsweise: wie lange der Zeitraum T_ac1 in Bezug auf den Zeitraum T_ac2 dauert; wie kurz der Zeitraum T_ac1 im Vergleich zu dem Zeitraum T_ac2 dauert; ob der Zeitraum T_ac1 multipliziert wird; und wie oft der Zeitraum T_ac1 multipliziert wird (was die Zahl zum Multiplizieren des Zeitraums T_ac1 ist).
Diese Ausführungsform zeigt das Beispiel, in dem die Ansammlungszeiträume der Ausgangsschaltungen in den ersten und dritten Zeilen und in den zweiten und vierten Zeilen gleich sind; jedoch ist die Struktur nicht darauf beschränkt, so lange die Ansammlungszeiträume zwischen benachbarten Zeilen unterschiedlich sind. Beispielsweise ist es möglich, dass die Ansammlungszeiträume der Ausgangsschaltungen in den ersten und vierten Zeilen und in den zweiten und dritten Zeilen gleich sind, so dass eine Strahlungsemission in dem Ansammlungszeitraum in den ersten und vierten Zeilen angehalten wird und eine Strahlung in dem Ansammlungszeitraum in den zweiten und dritten Zeilen emittiert wird. In diesem Fall können dann, wenn ein Unterschied zwischen den benachbarten ersten und zweiten Zeilen und zwischen den benachbarten dritten und vierten Zeilen erhalten wird, Effekte, die den Obigen ähnlich sind, erhalten werden.
Es sei angemerkt, dass es in Ausgangsschaltungen mit dem gleichen Rücksetzzeitraum und dem gleichen Ansammlungszeitraum (entsprechend Ausgangsschaltungen in der gleichen Zeile in 4) zweckmäßig ist, die zusammen verwendete erste Leitung 311 (PR) und die zusammen verwendete sechste Leitung 316 (TX) zu verwenden (siehe 4). Unter Verwendung der zusammen verwendeten Leitung ist eine besondere Ansteuerschaltung nicht erforderlich und kann eine Peripherieschaltung vereinfacht werden.
Mit der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Strahlungsdetektionsplatte Signale zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit ausgeben.
Im Industriebereich kann beispielsweise die Strahlungsdetektionsplatte in einer zerstörungsfreien Bildgebungsvorrichtung eingesetzt werden, die eine Strahlenquelle verwendet, die Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Betastrahlen oder Neutronenstrahlen emittiert.
Auf dem medizinischen Gebiet oder dergleichen kann die Strahlungsdetektionsplatte als Detektionseinheit in einer diagnostischen Bildgebungsvorrichtung verwendet werden, in der eine Strahlenquelle eine Röntgenstrahlenquelle ist und ein Szintillator, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, für eine Umwandlungseinheit verwendet wird.
Diese Bildgebungsvorrichtungen, die die bei dieser Ausführungsform beschriebene Strahlungsdetektionsplatte verwenden, können hochleistungsfähige Vorrichtungen sein, die kontrastreiche Bilder aufnehmen können.
(Ausführungsform 2)
Ausführungsform 2 zeigt Beispiele für die Struktur einer Integrierschaltung, die mit der vierten Leitung 314 (OUT) zu verbinden ist.
6A zeigt eine Integrierschaltung, die eine Operationsverstärkerschaltung (auch als op-amp bezeichnet) beinhaltet. Ein invertierender Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit der vierten Leitung 314 (OUT) über einen Widerstand R verbunden. Ein nicht invertierender Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist geerdet. Ein Ausgangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung über einen Kondensator C verbunden.
Hier wird die Operationsverstärkerschaltung als ideale Operationsverstärkerschaltung angenommen. Mit anderen Worten: es wird angenommen, dass die Eingangsimpedanz unendlich ist (die Eingangsanschlüsse nehmen keinen Strom auf). Da das Potential des nicht invertierenden Eingangsanschlusses und das Potential des invertierenden Eingangsanschlusses in einem stationären Zustand gleich sind, kann das Potential des invertierenden Eingangsanschlusses als Erdpotential betrachtet werden.
Vergleichsausdrücke Vi = i1·R, i2 = C·dVo/dt und i1 + i2 = 0 gelten, wo Vi das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) ist, Vo das Potential des Ausgangsanschlusses der Operationsverstärkerschaltung ist, i1 ein Strom ist, der durch den Widerstand R fließt, und i2 ein Strom ist, der durch den Kondensator C fließt. Wenn hier eine Ladung in dem Kondensator C zu dem Zeitpunkt t = 0 frei wird, wird das Potential Vo des Ausgangsanschlusses der Operationsverstärkerschaltung zu dem Zeitpunkt t = t durch Vo = –(1/CR)∫Vidt dargestellt. Mit anderen Worten: mit längerer Zeit t (Integralzeit) kann sich das zu lesende Potential (Vi) steigern und als das Detektionssignal Vo ausgegeben werden. Außerdem bedeutet das Verlängern der Zeit t das Bilden eines Durchschnitts thermischer Geräusche oder dergleichen und kann S/N des Detektionssignals Vo erhöhen.
In einer realen Operationsverstärkerschaltung fließt ein Vorspannungsstrom, auch wenn kein Signal in die Eingangsanschlüsse eingegeben wird, so dass eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss erzeugt wird und Ladungen in dem Kondensator C angesammelt werden. Es ist daher wirksam, einen Widerstand parallel zu dem Kondensator C zu verbinden, so dass der Kondensator C entladen werden kann.
6B zeigt eine Integrierschaltung, die eine Operationsverstärkerschaltung beinhaltet, die eine andere Struktur als diejenige in 6A hat. Ein invertierender Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit der vierten Leitung 314 (OUT) über einen Widerstand R und einen Kondensator C1 verbunden. Ein nicht invertierender Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist geerdet. Ein Ausgangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung über einen Kondensator C2 verbunden.
Hier wird die Operationsverstärkerschaltung als ideale Operationsverstärkerschaltung angenommen. Mit anderen Worten: es wird angenommen, dass die Eingangsimpedanz unendlich ist (die Eingangsanschlüsse nehmen keinen Strom auf). Da das Potential des nicht invertierenden Eingangsanschlusses und das Potential des invertierenden Eingangsanschlusses in einem stationären Zustand gleich sind, kann das Potential des invertierenden Eingangsanschlusses als Erdpotential betrachtet werden.
Vergleichsausdrücke Vi = (1/C1)∫i1dt + i1·R, i2 = C2·dVo/dt und i1 + i2 = 0 gelten, wo Vi das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) ist, Vo das Potential des Ausgangsanschlusses der Operationsverstärkerschaltung ist, i1 ein Strom ist, der durch den Widerstand R und den Kondensator C1 fließt, und i2 ein Strom ist, der durch den Kondensator C2 fließt. Angenommen, dass hier eine Ladung in dem Kondensator C2 zu dem Zeitpunkt t = 0 frei wird, wird das Potential Vo des Ausgangsanschlusses der Operationsverstärkerschaltung zu dem Zeitpunkt t = t durch Vo = –(1/C2R)∫Vidt dargestellt, wenn Vo « dVo/dt, welches einer Hochfrequenzkomponente entspricht, und durch Vo = –C1/C2·Vi dargestellt, wenn Vo » dVo/dt, welches einer Niedrigfrequenzkomponente entspricht. Mit anderen Worten: durch angemessenes Einstellen des Kapazitätsverhältnisses des Kondensators C1 zu dem Kondensator C2 kann das zu lesende Potential (Vi) gesteigert und als das Detektionssignal Vo ausgegeben werden. Außerdem kann durch Zeitintegration ein Durchschnitt einer Hochfrequenzgeräuschkomponente des Eingangssignals gebildet werden werden, und S/N des Detektionssignals Vo kann erhöht werden.
In einer realen Operationsverstärkerschaltung fließt ein Vorspannungsstrom, auch wenn kein Signal in die Eingangsanschlüsse eingegeben wird, so dass eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss erzeugt wird und Ladungen in dem Kondensator C2 angesammelt werden. Es ist daher wirksam, einen Widerstand parallel zu dem Kondensator C2 zu verbinden, so dass der Kondensator C2 entladen werden kann.
6C zeigt eine Integrierschaltung, die eine Operationsverstärkerschaltung beinhaltet, die eine andere Struktur als diejenigen in 6A und 6B hat. Ein nicht invertierender Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit der vierten Leitung 314 (OUT) über einen Widerstand R verbunden und über einen Kondensator C1 geerdet. Ein Ausgangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss der Operationsverstärkerschaltung verbunden. Der Widerstand R und der Kondensator C bilden eine CR-Integrierschaltung. Die Operationsverstärkerschaltung ist ein Pufferverstärker (unity gain buffer).
Die Beziehung Vo = (1/CR)∫Vidt gilt, wo Vi das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) ist und Vo das Potential des Ausgangsanschlusses der Operationsverstärkerschaltung ist. Obwohl Vo mit dem Wert von Vi gesättigt ist, kann ein Durchschnitt einer Geräuschkomponente in dem Eingangssignal Vi durch die CR-Integrierschaltung gebildet werden, und im Ergebnis kann S/N des Detektionssignals Vo erhöht werden.
Die Obigen sind die Beispiele für die Struktur der Integrierschaltung, die mit der vierten Leitung 314 (OUT) zu verbinden ist. Wenn die Integrierschaltung mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden ist, kann S/N des Detektionssignals erhöht werden und schwächeres Licht kann detektiert werden; somit kann die Leitungsfähigkeit der Strahlungsdetektionsplatte weiter verbessert werden.
(Ausführungsform 3)
Bei der Ausführungsform 3 werden die Konfiguration und der Betriebsablauf der Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112, die sich von denjenigen bei der Ausführungsform 1 unterscheiden, anhand von 7A und 7B, 8, 9A und 9B und 10 beschrieben.
<Andere Konfiguration und Betriebsablauf (1)>
Die Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 kann eine Konfiguration wie in 7A aufweisen. Zwar sind die Bestandteile der Detektionsschaltung in 7A gleich denjenigen in 3A, aber ein Unterschied der Konfiguration in 7A von derjenigen in 3A besteht darin, dass eine Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 elektrisch mit einem von Source und Drain des dritten Transistors 303 verbunden ist und die andere Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 elektrisch mit der ersten Leitung 311 (PR) verbunden ist.
Es sei angemerkt, dass wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben es möglich ist, eine der folgenden Strukturen zu verwenden: ein Kondensator oder eine Integrierschaltung ist angeordnet, um mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden zu werden; der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 sind umgekehrt verbunden; und der dritte Transistor 303 hat einen Rück-Gate (backgate).
Ein Beispiel für den Betriebsablauf der Detektionsschaltung in 7A wird anhand eines Zeitdiagramms in 7B beschrieben.
Zuerst wird zu dem Zeitpunkt T1 das Potential der ersten Leitung 311 (PR) (das Signal 311S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt, und das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) wird auf einen hohen Pegel eingestellt (d. h. der Rücksetzvorgang beginnt), so dass ein Vorwärtsvorspannung an das photoelektrische Umwandlungselement 300 angelegt wird und das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) auf einen niedrigen Pegel eingestellt wird. Das heißt, dass das Potential der zweiten Leitung 312 (FD), die der Ladungsansammlungsbereich ist, zurückgesetzt wird. Es sei angemerkt, dass Aufladen im Voraus durchgeführt wird, so dass das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) (das Signal 314S) einen hohen Pegel hat.
Als Nächstes wird zu dem Zeitpunkt T2 das Potential der ersten Leitung 311 (PR) (das Signal 311S) auf einen hohen Pegel eingestellt, und das Potential der sechsten Leitung 316 (TX) (das Signal 316S) wird auf einem hohen Pegel gehalten (d. h. dass der Rücksetzvorgang abgeschlossen wird und der Ansammlungsvorgang beginnt), so dass eine Rückwärtsvorspannung bzw. Sperrvorspannung an das photoelektrische Umwandlungselement 300 angelegt wird, und im Ergebnis beginnt das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) wegen des Rückstroms anzusteigen. Da der Rückwärtsstrom vergrößert wird, wenn das photoelektrische Umwandlungselement 300 mit Licht bestrahlt wird, verändert sich die Geschwindigkeit des Anstiegs des Potentials der zweiten Leitung 312 (FD) (das Signal 312S) entsprechend der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 emittiert wird. Mit anderen Worten: der Kanalwiderstand zwischen dem Source und dem Drain des ersten Transistors 301 verändert sich entsprechend der Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit 101 an das photoelektrische Umwandlungselement 300 emittiert wird.
Die Schritte nach dem Zeitpunkt T3 sind denjenigen in dem Zeitdiagramm in 3B ähnlich. Indem das Potential der vierten Leitung 314 (OUT) zu dem Zeitpunkt T5 erhalten wird, kann die Menge an Licht, das während des Ansammlungsvorgangs aus der Umwandlungseinheit 101 an das photoelektrische Umwandlungselement 300 emittiert wird, gefunden werden.
<Andere Konfiguration und Betriebsablauf (2)>
Die Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 kann eine Konfiguration wie in 8 aufweisen. Die Detektionsschaltung in 8 beinhaltet einen vierten Transistor 304 zusätzlich zu den Bestandteilen der Detektionsschaltung in 3A. Ein Gate des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit der ersten Leitung 311 (PR) verbunden. Einer von Source und Drain des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit der zweiten Leitung 312 (FD) verbunden. Der andere von Source und Drain des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit einer siebten Leitung 317 verbunden. Eine Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 ist elektrisch mit einer achten Leitung 318 verbunden. Hier ist die achte Leitung 318 eine Signalleitung (Leitung mit niedrigem Potential) zum ständigen Anlegen einer Rückwärtsvorspannung an das photoelektrische Umwandlungselement 300. Die siebte Leitung 317 ist eine Signalleitung (Leitung mit hohem Potential) zum Zurücksetzen der zweiten Leitung 312 (FD) auf ein hohes Potential.
Der vierte Transistor 304 dient als Rücksetztransistor zum Zurücksetzen der zweiten Leitung 312 (FD). Folglich wird im Gegensatz zu der Detektionsschaltung in 3A der Rücksetzvorgang, bei dem das photoelektrische Umwandlungselement 300 verwendet wird, nicht durchgeführt, und eine Rückwärtsvorspannung wird stets an das photoelektrische Umwandlungselement 300 angelegt. Die zweite Leitung 312 (FD) kann durch Einstellen des Potentials der ersten Leitung 311 (PR) auf einen hohen Pegel zurückgesetzt werden, und die Detektionsschaltung in 8 kann gemäß dem Zeitdiagramm in 3B wie die Detektionsschaltung in 3A arbeiten.
Der vierte Transistor 304 kann aus einem Siliziumhalbleiter wie z. B. amorphem Silizium, mikrokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium oder Einkristallsilizium ausgebildet werden. Jedoch kann dann, wenn der Leckstrom groß ist, der Ladungsansammlungsbereich eine Ladung nicht lang genug halten. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, wie für den dritte Transistor 303 einen Transistor zu verwenden, bei dem eine Halbleiterschicht (wenigstens ein Kanalbildungsbereich) aus einem Oxidhalbleitermaterial ausgebildet ist, das einen sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand erzielen kann.
Es sei angemerkt, dass wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben es möglich ist, eine der folgenden Strukturen zu verwenden: ein Kondensator oder eine Integrierschaltung ist angeordnet, um mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden zu werden; der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 sind umgekehrt verbunden; und der dritte Transistor 303 hat einen Rück-Gate (backgate).
<Andere Konfiguration und Betriebsablauf (3)>
Die Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 kann eine Konfiguration in 9A aufweisen. Die Detektionsschaltung in 9A beinhaltet den vierten Transistor 304 zusätzlich zu den Bestandteilen der Detektionsschaltung in 7A. Der Gate des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit der ersten Leitung 311 (PR) verbunden. Einer von Source und Drain des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit der zweiten Leitung 312 (FD) verbunden. Der andere von Source und Drain des vierten Transistors 304 ist elektrisch mit einer siebten Leitung 317 verbunden. Die andere Elektrode des photoelektrischen Umwandlungselements 300 ist elektrisch mit der achten Leitung 318 verbunden. Hier ist die achte Leitung 318 eine Signalleitung (Leitung mit hohem Potential) zum ständigen Anlegen einer Rückwärtsvorspannung an das photoelektrische Umwandlungselement 300. Die siebte Leitung 317 ist eine Signalleitung (Leitung mit niedrigem Potential) zum Zurücksetzen der zweiten Leitung 312 (FD) auf ein niedriges Potential.
Der vierte Transistor 304 dient als Rücksetztransistor zum Zurücksetzen der zweiten Leitung 312 (FD). Folglich wird im Gegensatz zu der Detektionsschaltung in 7A der Rücksetzvorgang, bei dem das photoelektrische Umwandlungselement 300 verwendet wird, nicht durchgeführt, und eine Rückwärtsvorspannung wird stets an das photoelektrische Umwandlungselement 300 angelegt. Die zweite Leitung 312 (FD) kann durch Einstellen des Potentials der ersten Leitung 311 (PR) auf einen hohen Pegel zurückgesetzt werden.
Die Detektionsschaltung in 9A kann nach einem Zeitdiagramm in 9B arbeiten.
Der vierte Transistor 304 kann aus einem Siliziumhalbleiter wie z. B. amorphem Silizium, mikrokristallinem Silizium, polykristallinem Silizium oder Einkristallsilizium ausgebildet werden. Jedoch kann dann, wenn der Leckstrom groß ist, der Ladungsansammlungsbereich die Ladung nicht lang genug halten. Aus diesem Grund wird vorzugsweise wie der dritte Transistor 303 ein Transistor verwendet, der unter Verwendung eines Oxidhalbleiters ausgebildet ist, der einen sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand erzielen kann.
Es sei angemerkt, dass wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben es möglich ist, eine der folgenden Strukturen zu verwenden: ein Kondensator oder eine Integrierschaltung ist angeordnet, um mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden zu werden; der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 sind umgekehrt verbunden; und der dritte Transistor 303 hat einen Rück-Gate (backgate).
<Andere Konfiguration und Betriebsablauf (4)>
Die Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 kann eine Konfiguration in 10 aufweisen. Bei der Konfiguration der Detektionsschaltung in 10 ist das photoelektrische Umwandlungselement 300 in der Konfiguration in 8 oder 9A durch einen verändlichen Widerstand 330 ersetzt. Der verändliche Widerstand 330 kann ein Paar von Elektroden und eine Schicht aus amorphem Silizium vom I-Typ zwischen dem Paar von Elektroden beinhalten. Da der Widerstand der Schicht aus amorphem Silizium vom I-Typ durch eine Lichtemission variiert, kann das Potential der zweiten Leitung 312 (FD) wie im Fall der Verwendung des photoelektrischen Umwandlungselements 300 verändert werden. Daher kann die Menge an Licht, das während des Ansammlungsvorgangs aus der Umwandlungseinheit 101 an den verändlichen Widerstand 330 emittiert wird, gefunden werden.
Wie bei der Ausführungsform 1 beschrieben ist es möglich, eine der folgenden Strukturen zu verwenden: ein Kondensator oder eine Integrierschaltung ist angeordnet, um mit der vierten Leitung 314 (OUT) verbunden zu werden; der erste Transistor 301 und der zweite Transistor 302 sind umgekehrt verbunden; und der dritte Transistor 303 hat einen Rück-Gate (backgate).
Die Detektionsschaltung in 10 kann gemäß dem Zeitdiagramm in 3B betrieben werden, wenn die achte Leitung 318 das niedrige Potential hat und die siebte Leitung 317 das hohe Potential hat, während die Detektionsschaltung gemäß dem Zeitdiagramm in 9B betrieben werden kann, wenn die achte Leitung 318 das hohe Potential hat und die siebte Leitung 317 das niedrige Potential hat.
Die Detektionsschaltung 110 einschließlich der ersten Ausgangsschaltung 111 und der zweiten Ausgangsschaltung 112 kann verschiedene Konfigurationen, die die Obigen umfassen, aufweisen.
(Ausführungsform 4)
Bei der Ausführungsform 4 wird ein Beispiel für die Anordnung der Detektionsschaltung in 3A der Ausführungsform 1 anhand von 14A und 14B beschrieben.
14A ist eine Draufsicht der Detektionsschaltung in 3A, und 14B ist eine Querschnittsansicht entlang der Strich-Punkt-Linie A1-A2 in 14A.
Die Detektionsschaltung beinhaltet über einem Substrat 1460, auf dem ein Isolierfilm 1461 ausgebildet ist, einen leitenden Film 1411, der als die erste Leitung 311 (PR) dient, einen leitenden Film 1412, der als die zweite Leitung 312 (FD) dient, einen leitenden Film 1413, der als die dritte Leitung 313 (VR) dient, einen leitenden Film 1414, der als die vierte Leitung 314 (OUT) dient, einen leitenden Film 1415, der als die fünfte Leitung 315 (SE) dient, und einen leitenden Film 1416, der als die sechste Leitung 316 (TX) dient.
Das photoelektrische Umwandlungselement 300 beinhaltet einen Halbeiterfilm 1401 vom P-Typ, einen Halbeiterfilm 1402 vom I-Typ und einen Halbeiterfilm 1403 vom N-Typ, die in dieser Reihenfolge gestapelt sind.
Der leitende Film 1411, der als die erste Leitung 311 (PR) dient, ist elektrisch mit dem Halbleiterfilm 1401 vom P-Typ verbunden, der als eine der Elektroden (die Anode) des photoelektrischen Umwandlungselements 300 dient.
Ein leitender Film 1418 dient als Gate des dritten Transistors 303 und ist elektrisch mit dem leitenden Film 1416 verbunden, der als die sechste Leitung 316 (TX) dient.
Ein leitender Film 1419 dient als einer von Source und Drain des dritten Transistors 303.
Ein leitender Film 1420 dient als der andere von Source und Drain des dritten Transistors 303.
Ein leitender Film 1421 ist elektrisch mit dem Halbleiterfilm 1403 vom N-Typ und dem leitenden Film 1419 verbunden.
Ein leitender Film 1422 dient als Gate des ersten Transistors 301 und ist elektrisch mit dem leitenden Film 1420 verbunden. Es sei angemerkt, dass die leitenden Filme 1420 und 1422 der zweiten Leitung 312 (FD) in der Detektionsschaltung in 3A entsprechen.
Ein leitender Film 1423 dient als der eine von Source und Drain des ersten Transistors 301 und ist elektrisch mit dem leitenden Film 1413 verbunden, der als die dritte Leitung 313 (VR) dient.
Ein leitender Film 1424 dient als der andere von Source und Drain des ersten Transistors 301 und einer von Source und Drain des zweiten Transistors 302.
Ein leitender Film 1425 dient als der andere von Source und Drain des zweiten Transistors 302 und ist elektrisch mit dem leitenden Film 1414 verbunden, der als die vierte Leitung 314 (OUT) dient.
Ein leitender Film 1426 dient als Gate des zweiten Transistors 302 und ist elektrisch mit dem leitenden Film 1415 verbunden, der als die fünfte Leitung 315 (SE) dient.
Die leitenden Filme 1413, 1414, 1418, 1422 und 1426 können durch Verarbeiten eines leitenden Films, der auf der isolierenden Oberfläche ausgebildet ist, in eine erwünschte Form ausgebildet werden. Ein Gate-Isolierfilm 1428 ist über den leitenden Filmen 1413, 1414, 1418, 1422 und 1426 ausgebildet. Halbleiterschichten 1451 bis 1453 sind über dem Gate-Isolierfilm 1428 ausgebildet. Die Halbleiterschichten 1451 bis 1453 sind die Halbleiterschichten der ersten bis dritten Transistoren 301 bis 303. Die leitenden Filme 1411, 1415, 1416, 1419, 1420, 1423, 1424 und 1425 können durch Verarbeiten eines leitenden Films, der über den Halbleiterschichten 1451 bis 1453 und dem Gate-Isolierfilm 1428 ausgebildet ist, in eine erwünschte Form ausgebildet werden.
Ein Isolierfilm 1481 und ein Isolierfilm 1482 sind über den leitenden Filmen 1411, 1415, 1416, 1419, 1420, 1423, 1424 und 1425 ausgebildet. Der leitende Film 1421 ist über den Isolierfilmen 1481 und 1482 ausgebildet.
Ein Oxidhalbleiter wird vorzugsweise für die Halbleiterschicht 1453 des dritten Transistors 303 verwendet. Damit der Ladungsansammlungsbereich eine Ladung, die durch Bestrahlung des photoelektrischen Umwandlungselements 300 mit Licht erzeugt wird, für lange Zeit speichern kann, muss der dritte Transistor 303, der elektrisch mit dem Ladungsansammlungsbereich verbunden ist, einen sehr kleinen Strom in einem ausgeschalteten Zustand aufweisen. Aus diesem Grund kann die Verwendung eines Oxidhalbleitermaterials für die Halbleiterschicht 1453 die Leistungsfähigkeit der Detektionsschaltung verbessern. Es sei angemerkt, dass der Ladungsansammlungsbereich die zweite Leitung 312 (FD) in der Detektionsschaltung bezeichnet.
In der Detektionsschaltung können die Elemente wie z. B. die Transistoren und das photoelektrische Umwandlungselement 300 einander überlappen. Diese Struktur kann die Pixeldichte erhöhen und kann somit die Auflösung einer Bildgebungsvorrichtung erhöhen. Des Weiteren kann die Fläche des photoelektrischen Umwandlungselements 300 vergrößert werden, und die Empfindlichkeit der Bildgebungsvorrichtung kann dadurch erhöht werden.
Diese Ausführungsform kann angemessen mit einer der anderen in dieser Beschreibung offenbarten Ausführungsformen kombiniert werden.
(Ausführungsform 5)
Die Ausführungsform 5 zeigt eine Struktur des Transistors, der ein Oxidhalbleitermaterial für einen Kanalbildungsbereich verwendet und bei der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist, ein Material für die Halbleiterschicht des Transistors und ein Herstellungsverfahren und eine Struktur der Halbleiterschicht.
<Struktur des Transistors>
Beispielsweise kann der Transistor die Struktur aufweisen, die in der Draufsicht und der Querschnittsansicht von 14A und 14B des dritten Transistors 303, der die Halbleiterschicht 1453 beinhaltet, dargestellt ist. Diese Struktur ist ein Beispiel für eine Struktur mit geätztem Kanal und unterem Gate (channel-etched bottom-gate structure), aber der Transistor kann verschiedene andere bekannte Strukturen wie z. B. eine Kanal schützende Struktur mit unterem Gate (channel-protective bottom-gate structure), eine nicht selbst ausgerichtete Struktur mit oberem Gate (non-self-aligned top-gate structure) und eine selbst ausgerichtete Struktur mit oberem Gate (self-aligned top-gate structure) aufweisen.
<Material für die Halbleiterschicht>
Ein Oxidhalbleitermaterial für die Halbleiterschicht enthält vorzugsweise wenigstens Indium (In) oder Zink (Zn). Insbesondere enthält das Oxidhalbleitermaterial vorzugsweise In und Zn. Zudem enthält vorzugsweise das Oxidhalbleitermaterial Gallium (Ga), Zinn (Sn), Hafnium (Hf) und/oder Aluminium (Al) als Stabilisator zum Verringern der Schwankungen der elektrischen Eigenschaften von Transistoren, die das Oxidhalbleitermaterial verwenden.
Als weiterer Stabilisator kann das Oxidhalbleitermaterial ein oder mehrere Arten von Lanthanoiden, wie z. B. Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu), enthalten.
Beispiele für das zu verwendende Oxidhalbleitermaterial sind Indiumoxid, Zinnoxid, Zinkoxid, ein Oxid auf In-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Mg-Basis, ein Oxid auf In-Ga-Basis, ein Oxid auf In-Ga-Zn-Basis (auch als IGZO bezeichnet), ein Oxid auf In-Al-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Sn-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Hf-Zn-Basis, ein Oxid auf In-La-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Ce-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Pr-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Nd-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Sm-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Eu-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Gd-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Tb-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Dy-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Ho-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Er-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Tm-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Yb-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Lu-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Sn-Ga-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Hf-Ga-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Al-Ga-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Sn-Al-Zn-Basis, ein Oxid auf In-Sn-Hf-Zn-Basis und ein Oxid auf In-Hf-Al-Zn-Basis.
Beispielsweise steht ein Oxid auf In-Ga-Zn-Basis für ein Oxid, das In, Ga und Zn als seine Hauptkomponenten enthält, und es gibt keine Beschränkung hinsichtlich des Zusammensetzungsverhältnisses von In, Ga und Zn. Das Oxid auf In-Ga-Zn-Basis kann ein Metallelement, das sich von In, Ga und Zn unterscheidet, enthalten. Das Oxid auf In-Ga-Zn-Basis hat einen ausreichend hohen Widerstand, wenn kein elektrisches Feld daran angelegt wird, so dass der Strom in einem ausgeschalteten Zustand ausreichend verkleinert werden kann. Darüber hinaus hat das Oxid auf In-Ga-Zn-Basis eine hohe Beweglichkeit und ist daher ein Halbleitermaterial, das für einen Transistor in einer Strahlungsdetektionsplatte geeignet ist.
Beispielsweise kann ein Oxid auf In-Ga-Zn-Basis mit einem Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 (= 1/3:1/3:1/3) oder In:Ga:Zn = 2:2:1 (= 2/5:2/5:1/5) oder ein Oxid mit einem Atomverhältnis, das den zuvor erwähnten Atomverhältnissen nahe ist, verwendet werden. Alternativ kann ein Oxid auf In-Sn-Zn-Basis mit einem Atomverhältnis von In:Sn:Zn = 1:1:1 (= 1/3:1/3:1/3), In:Sn:Zn = 2:1:3 (= 1/3:1/6:1/2) oder In:Sn:Zn = 2:1:5 (= 1/4:1/8:5/8) oder ein Oxid mit einem Atomverhältnis, das den zuvor erwähnten Atomverhältnissen nahe ist, verwendet werden.
Alternativ kann ein Material, das durch InMO₃(ZnO)_m (m > 0, wobei m keine ganze Zahl ist) dargestellt wird, als Oxidhalbleitermaterial verwendet werden. Es sei angemerkt, dass M ein oder mehrere Metallelemente darstellt, die aus Ga, Fe, Mn und Co ausgewählt werden. Alternativ kann als Oxidhalbleitermaterial ein Material, das durch In₂SnO₅(ZnO)_n (n > 0, wobei n eine ganze Zahl ist) dargestellt wird, verwendet werden.
<Verfahren zum Ausbilden einer Halbleiterschicht>
Als Halbleiterschicht kann beispielsweise ein Film, der unter Verwendung eines Oxidhalbleitermaterials ausgebildet ist (nachstehend als Oxidhalbleiterfilm bezeichnet), auf die folgende Weise ausgebildet werden: ein Oxidhalbleiterfilm wird durch physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition: PVD) wie z. B. Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfung ausgebildet; eine Fotolackmaske wird über dem Film durch Fotolithografie oder dergleichen ausgebildet; und dann wird der Oxidhalbleiterfilm wahlweise durch Trockenätzen, Nassätzen oder dergleichen entfernt.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der Oxidhalbleiterfilm eine große Menge an Wasserstoff enthält, der Wasserstoff und der Oxidhalbleiter aneinander gebunden sind, so dass ein Teil des Wasserstoffs als Donator dient und eine Erzeugung eines Elektrons verursacht, das ein Ladungsträger ist. Folglich verschiebt sich die Schwellspannung des Transistors in negativer Richtung. Dementsprechend beträgt die Wasserstoffkonzentration des Oxidhalbleiterfilms bevorzugt niedriger als 5 × 10¹⁸ Atome/cm³, stärker bevorzugt 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder niedriger, noch stärker bevorzugt 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder niedriger, noch weiter stärker bevorzugt 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ oder niedriger. Es sei angemerkt, dass die Wasserstoffkonzentration der Oxidhalbleiterschicht mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (secondary ion mass spectrometry, SIMS) gemessen wird.
Aus dem obigen Grund ist es bevorzugt, dass das Gas zur Abscheidung des Oxidhalbleiterfilms keine Fremdstoffe wie z. B. Wasser, Wasserstoff, eine Hydroxylgruppe oder ein Hydrid enthält.
Beispielsweise wird ein Abscheidungsgas mit einer Reinheit von 6 N oder höher, bevorzugt 7 N oder höher (d. h. einer Konzentration der Fremdstoffe von 1 ppm oder weniger, bevorzugt 0,1 ppm oder weniger) verwendet. Alternativ wird vorzugsweise ein Abscheidungsgas mit einem Taupunkt von –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger verwendet.
Eine Einfang-Vakuumpumpe wie z. B. eine Kryopumpe, eine Ionenpumpe oder eine Titan-Sublimationspumpe wird vorzugsweise verwendet, um Feuchtigkeit (einschließlich Wassers, Wasserdampfs, Wasserstoffs, einer Hydroxlgruppe oder eines Hydroxides) in einer Abscheidekammer zu entfernen. Die Absaugeinheit kann auch eine Turbo-Molekularpumpe, die eine Kühlfalle aufweist, sein. Aus der, Abscheidekammer, die mit einer Kryopumpe entleert wird, werden ein Wasserstoffatom, eine Verbindung, die ein Wasserstoffatom enthält, wie z. B. Wasser (H₂O) (vorzugsweise auch eine Verbindung, die ein Kohlenstoffatom enthält), und dergleichen entfernt, wodurch die Konzentration der Fremdstoffe wie Z. B. Wasserstoff oder Feuchtigkeit in dem Oxidhalbleiterfilm, der in der Abscheidekammer ausgebildet wird, verringert werden kann.
Es ist auch bevorzugt, dass der Oxidhalbleiterfilm möglichst wenig Stickstoff enthält. Das liegt daran, dass, da Stickstoff wie Wasserstoff an den Oxidhalbleiterfilm gebunden wird, ein Teil des Stickstoffs als Donator dient und Erzeugung eines Elektrons, das ein Ladungsträger ist, verursacht. Deshalb ist es bevorzugt, einen Halbleiterfilm zu verwenden, der einen Peak der Menge an freigesetzten Ammoniakmolekülen von 5,0 × 10²¹ Moleküle/cm³ oder weniger, bevorzugt 1,0 × 10²¹ Moleküle/cm³ oder weniger, stärker bevorzugt 8,0 × 10²⁰ Moleküle/cm³ oder weniger hat, wenn die Messung nach der Erwärmung des Halbleiterfilms durch Temperatur-programmierte Desorption (TPD) durchgeführt wird.
Darüber hinaus ist die Konzentration eines Alkalimetalls oder eines Erdalkalimetalls in dem Oxidhalbleiterfilm bevorzugt 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder niedriger, starker bevorzugt 2 × 10¹⁶ Atome/cm³ oder niedriger. Das liegt daran, dass Ladungsträger erzeugt werden könnten, wenn ein Alkalimetall oder ein Erdalkalimetall wie oben beschrieben Wasserstoff und Stickstoff an den Oxidhalbleiter gebunden wird, was zu einer Erhöhung des Stroms in einem ausgeschalteten Zustand des Transistors führt.
Der Oxidhalbleiterfilm wird grob in einen Einkristall-Oxidhalbleiterfilm und einen Nicht-Einkristall-Oxidhalbleiterfilm unterteilt. Der Nicht-Einkristall-Oxidhalbleiterfilm umfasst einen von einem amorphen Oxidhalbleiterfilm, einem mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm, einem polykristallinen Oxidhalbleiterfilm, einem Film aus einem kristallinen Oxidhalbleiter mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse (c-axis aligned crystalline Oxide semiconductor; CAAC-OS) und dergleichen. Es sei angemerkt, dass der Oxidhalbleiterfilm ein gestapelter Film sein kann, der beispielsweise zwei oder mehr Filme aus einem amorphen Oxidhalbleiterfilm, einem mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilm und einem CAAC-OS-Film aufweist.
Der amorphe Oxidhalbleiterfilm weist eine ungeordnete Atomanordnung und keine kristalline Komponente auf. Ein typisches Beispiel für den amorphen Oxidhalbleiterfilm ist ein Oxidhalbleiterfilm, in dem auch in einem mikroskopischen Bereich kein Kristallbereich besteht, wobei der ganze Film amorph ist.
Der mikrokristalline Oxidhalbleiterfilm enthält beispielsweise einen Mikrokristall (auch als Nanokristall bezeichnet) mit einer Größe von größer als oder gleich 1 nm und kleiner als 10 nm. Daher weist der mikrokristalline Oxidhalbleiterfilm einen höheren Grad von Atomanordnung als der amorphe Oxidhalbleiterfilm auf. Dementsprechend ist die Dichte der Defektzustände des mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilms niedriger als diejenige des amorphen Oxid halbleiterfilms.
Der Oxidhalbleiterfilm ist vorzugsweise ein kristalliner Oxidhalbleiterfilm mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse, d. h. ein Film von c-axis aligned crystalline Oxide semiconductor (CAAC-OS).
Der CAAC-OS-Film ist einer von Oxidhalbleiterfilmen, die eine Vielzahl von Kristallbereichen enthalten, und die meisten der Kristallbereiche passen in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 100 nm. Deswegen gibt es einen Fall, in dem ein Kristallbereich in dem CAAC-OS-Film in einen Würfel mit einer Kantenlänge von weniger als 10 nm, weniger als 5 nm oder weniger als 3 nm passt. Die Dichte der Defektzustände des CAAC-OS-Films ist niedriger als diejenige des mikrokristallinen Oxidhalbleiterfilms. Der CAAC-OS-Film wird ausführlich nachstehend beschrieben.
In der folgenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „parallel”, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet ist, größer als oder gleich –10° und kleiner als oder gleich 10° ist, und daher umfasst der Ausdruck auch den Fall, in dem der Winkel größer als oder gleich –5° und kleiner als oder gleich 5° ist. Zusätzlich bedeutet der Ausdruck „senkrecht”, dass der Winkel, der zwischen zwei geraden Linien gebildet ist, größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 100° ist, und daher umfasst der Ausdruck auch den Fall, in dem der Winkel größer als oder gleich 85° und kleiner als oder gleich 95° ist.
In einem Transmissionselektronenmikroskop-(TEM-)Bild des CAAC-OS-Films wird eine Grenze zwischen Kristallbereichen, d. h. eine Korngrenze, nicht deutlich beobachtet. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass in dem CAAC-OS-Film eine Verringerung der Elektronenbeweglichkeit wegen der Korngrenze entsteht.
Laut des TEM-Bildes des CAAC-OS-Films, der in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu einer Probenoberfläche ist, beobachtet wird (Querschnitt-TEM-Bild, cross-sectional TEM image), sind Metallatome in einer geschichteten Weise in den Kristallbereichen angeordnet. Jede Metallatomlage weist eine Gestalt auf, die durch die Form einer Oberfläche, über der der CAAC-OS-Film ausgebildet ist (eine Oberfläche, über der der CAAC-OS-Film ausgebildet ist, wird nachstehend als Ausbildungsoberfläche bezeichnet), oder die Form einer nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films widergespiegelt wird, und jede Metallatomlage ist parallel zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films angeordnet.
Andererseits sind laut des TEM-Bildes des CAAC-OS-Films, der in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche ist, beobachtet wird (Flächen-TEM-Bild, plan TEM image), Metallatome in einer dreieckigen oder hexagonalen Konfiguration in den Kristallbereichen angeordnet. Zwischen unterschiedlichen Kristallbereichen gibt es jedoch keine Regelmäßigkeit der Anordnung von Metallatomen.
Aus den Ergebnissen des Querschnitt-TEM-Bildes und des Flächen-TEM-Bildes wird eine Ausrichtung in den Kristallbereichen in dem CAAC-OS-Film gefunden.
Ein CAAC-OS-Film wird einer Strukturanalyse mittels eines Röntgenbeugungs-(X-ray diffraction; XRD-)Geräts unterzogen. Wenn beispielsweise der CAAC-OS-Film, der einen InGaZnO₄-Kristall enthält, durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, erscheint oft ein Peak bei einem Beugungswinkel (2θ) von zirka 31°. Dieser Peak stammt aus der (009)-Fläche des InGaZnO₄-Kristalls, was darauf hindeutet, dass Kristalle in dem CAAC-OS-Film eine Ausrichtung bezüglich der c-Achse aufweisen, und dass die c-Achsen in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbildungsoberfläche oder der nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films ist.
Andererseits erscheint dann, wenn der CAAC-OS-Film durch ein In-Plane-Verfahren (in-plane method) analysiert wird, in dem ein Röntgenstrahl in eine Probe in einer Richtung eintritt, die senkrecht zur c-Achse ist, oft ein Peak bei 2θ von zirka 56°. Dieser Peak stammt aus der (110)-Fläche des InGaZnO₄-Kristalls. Hier wird die Analyse (ϕ-Scan) unter Bedingungen durchgeführt, wobei die Probe um einen Normalenvektor einer Probenoberfläche als Achse (ϕ-Achse) gedreht wird, wobei 2θ auf zirka 56° festgelegt wird. In dem Fall, in dem die Probe ein Einkristall-Oxidhalbleiterfilm aus InGaZnO₄ ist, erscheinen sechs Peaks. Die sechs Peaks stammen aus Kristallflächen, die der (110)-Fläche gleich sind. Dagegen wird im Fall eines CAAC-OS-Films ein Peak nicht deutlich beobachtet, auch wenn ein ϕ-Scan durchgeführt wird, wobei 2θ auf zirka 56° festgelegt wird.
Nach den obigen Ergebnissen sind in dem CAAC-OS-Film mit Ausrichtung bezüglich der c-Achse die c-Achsen in einer Richtung, die parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ist, ausgerichtet, während die Richtungen von a-Achsen und b-Achsen zwischen Kristallbereichen verschieden sind. Jede Metallatomlage, die im Querschnitt-TEM-Bild als in einer geschichteten Weise angeordnet beobachtet wird, entspricht daher einer Fläche, die parallel zur a-b-Fläche des Kristalls ist.
Es sei angemerkt, dass der Kristallbereich gleichzeitig mit einer Abscheidung des CAAC-OS-Films gebildet wird oder durch eine Kristallisierungsbehandlung wie z. B. eine Wärmebehandlung gebildet wird. Wie zuvor beschrieben worden ist, ist die c-Achse des Kristalls in einer Richtung ausgerichtet, die parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche ist. Deshalb könnte beispielsweise in dem Fall, in dem die Form des CAAC-OS-Films durch Ätzen oder dergleichen verändert wird, die c-Achse nicht immer parallel zu einem Normalenvektor einer Ausbildungsoberfläche oder einem Normalenvektor einer nach oben weisenden Oberfläche des CAAC-OS-Films sein.
Der Grad der Kristallinität in dem CAAC-OS-Film ist nicht notwendigerweise gleichmäßig. Zum Beispiel ist in dem Fall, in dem das Kristallwachstum zum Ausbilden des CAAC-OS-Films von der Nähe der nach oben weisenden Oberfläche des Films aus beginnt, der Grad der Kristallinität in der Nähe der nach oben weisenden Oberfläche unter Umständen höher als derjenige in der Nähe der Ausbildungsoberfläche. Ferner wird bei einem Fremdstoffzusatz zu dem CAAC-OS-Film die Kristallinität in einem Bereich, dem der Fremdstoff zugesetzt wird, verändert, und der Grad der Kristallinität in dem CAAC-OS-Film variiert in Abhängigkeit vom Ort.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der einen InGaZnO₄-Kristall enthaltende CAAC-OS-Film durch ein Out-of-Plane-Verfahren (out-of-plane method) analysiert wird, auch ein Peak bei 2θ von zirka 36° zusätzlich zu dem Peak bei 2θ von zirka 31° beobachtet werden kann. Der Peak bei 2θ von zirka 36° deutet darauf hin, dass ein Kristall ohne Ausrichtung bezüglich der c-Achse in einem Teil des CAAC-OS-Films enthalten ist. Es ist bevorzugt, dass in dem CAAC-OS-Film ein Peak bei 2θ von zirka 31° erscheint und kein Peak bei 2θ von zirka 36° erscheint.
Unter Verwendung des CAAC-OS-Films in einem Transistor, ist die Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Transistors infolge Bestrahlung mit sichtbarem Licht oder UV-Licht klein. Folglich weist der Transistor eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Beispielsweise wird der CAAC-OS-Film durch Sputtern mit einem polykristallinen Oxidhalbleiter-Sputtertarget ausgebildet. Wenn Ionen mit dem Sputtertarget zusammenstoßen, kann ein in dem Sputtertarget enthaltener Kristallbereich entlang einer a-b-Fläche abgetrennt werden, und gesputterte Teilchen mit einer Fläche, die parallel zu der a-b-Fläche ist (flachplatte- oder pelletähnliche gesputterte Teilchen) können von dem Sputtertarget abgetrennt werden. In diesem Fall erreichen die flachplatte-ähnlichen (oder pelletähnlichen) gesputterten Teilchen unter Bewahrung ihrer Kristallzustände ein Substrat, wodurch der CAAC-OS-Film ausgebildet werden kann.
Für die Abscheidung des CAAC-OS-Films finden vorzugsweise die folgenden Bedingungen Anwendung.
Eine Verschlechterung des Kristallzustandes durch Fremdstoffe kann durch Verringern der Menge der Fremdstoffe, die in den CAAC-OS-Film während seiner Abscheidung eintreten, z. B. durch Verringern der Konzentration der in der Abscheidekammer oder in einem Abscheidungsgas vorhandenen Fremdstoffe (z. B. Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff), verhindert werden. Insbesondere wird ein Abscheidungsgas mit einem Taupunkt von –80°C oder niedriger, bevorzugt –100°C oder niedriger verwendet.
Bei einer höheren Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung ist es wahrscheinlich, dass eine Migration der gesputterten Teilchen auftritt, nachdem die gesputterten Teilchen eine Oberfläche des Substrats erreicht haben. Im Besonderen liegt die Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung im Bereich von 100°C bis 740°C, bevorzugt im Bereich von 150°C bis 500°C. Durch Erhöhen der Erwärmungstemperatur des Substrats während der Abscheidung findet dann, wenn das flachplatteähnliche gesputterte Teilchen das Substrat erreicht, auf der Oberfläche des Substrats eine Migration statt, derart, dass eine ebene Fläche des flachplatteähnlichen gesputterten Teilchens an das Substrat haftet.
Es ist bevorzugt, dass der Sauerstoffanteil an dem Abscheidungsgas erhöht wird und die Leistung optimiert wird, um Plasmaschäden bei der Abscheidung zu minimieren. Der Sauerstoffanteil an dem Abscheidungsgas beträgt 30 Vol.-% oder höher, bevorzugt 100 Vol.-%. Ein höherer Sauerstoffanteil an dem Abscheidungsgas vereinfacht die Ausbildung des CAAC-OS-Films, da kein überflüssiges Atom (z. B. ein Edelgasatom) in den CAAC-OS-Film eintritt.
Als Beispiel für das Sputtertarget wird nachstehend ein Target aus einer In-Ga-Zn-O-Verbindung beschrieben.
Ein Target aus einer polykristallinen In-Ga-Zn-O-Verbindung wird durch Mischen von InO_X-Pulver, GaO_Y-Pulver und ZnO_Z-Pulver in einem vorbestimmten Molverhältnis, Ausüben von Druck auf das Gemisch und dann Durchführen einer Wärmebehandlung an dem Gemisch bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1500°C hergestellt. Es sei angemerkt, dass X, Y und Z jeweils eine beliebige positive Zahl sind. Hier beträgt das vorbestimmte Molverhältnis von InO_X-Pulver zu GaO_Y-Pulver und ZnO_Z-Pulver beispielsweise 2:2:1, 8:4:3, 3:1:1, 1:1:1, 4:2:3 oder 3:1:2. Die Pulverarten und das Molverhältnis zum Mischen der Pulver können angemessen abhängig von dem beabsichtigen Sputtertarget bestimmt werden.
<Struktur der Halbleiterschicht>
Die Halbleiterschicht kann ein Einzelschicht-Oxidhalbleiterfilm, der unter Verwendung des oben beschrieben Materials und Verfahrens ausgebildet wird, oder ein Stapel aus einer Vielzahl von solchen Oxidhalbleiterfilmen sein. Beispielsweise kann die Oxidhalbleiterschicht ein Stapel aus einem ersten Oxidhalbleiterfilm, einem zweiten Oxidhalbleiterfilm und einem dritten Oxidhalbleiterfilm sein, welche verschiedene Zusammensetzungen aufweisen.
Beispielsweise ist es möglich, dass die ersten, zweiten und dritten Oxidhalbleiterfilme unter Verwendung der gleichen Elemente als Bestandteile ausgebildet werden und unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Beispielsweise können der erste Oxidhalbleiterfilm und der dritte Oxidhalbleiterfilm jeweils ein Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:1:1 aufweisen, und der zweite Oxidhalbleiterfilm kann ein Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 3:1:2 aufweisen. Alternativ können der erste Oxidhalbleiterfilm und der dritte Oxidhalbleiterfilm jeweils ein Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 1:3:2 aufweisen, und der zweite Oxidhalbleiterfilm kann ein Atomverhältnis von In:Ga:Zn = 3:1:2 aufweisen.
Dabei enthält der zweite Oxidhalbleiterfilm vorzugsweise mehr In als Ga (In > Ga). Des Weiteren enthalten der erste Oxidhalbleiterfilm und der dritte Oxidhalbleiterfilm vorzugsweise In und Ga im Verhältnis von In ≤ Ga.
In einem Oxidhalbleiter trägt das s-Orbital von Schwermetall hauptsächlich zur Ladungsträgerleitung bei, und es ist wahtscheinleich, dass eine Überlappung der s-Orbitale zunimmt, wenn der In-Gehalt in dem Oxidhalbleiter ansteigt. Deswegen weist ein Oxid mit einer Zusammensetzung von In > Ga eine höhere Beweglichkeit auf als ein Oxid mit einer Zusammensetzung von In ≤ Ga. Außerdem ist in Ga die Bildungsenergie für eine Sauerstoffleerstelle höher als in In, und deshalb wird weniger wahrscheinlich eine Sauerstoffleerstelle als in In erzeugt. Folglich weist das Oxid mit einer Zusammensetzung von In ≤ Ga stabilere Eigenschaften auf als das Oxid mit einer Zusammensetzung von In > Ga.
Es sei angemerkt, dass dann, wenn der Film, der sich von dem Oxidhalbleiterfilm unterscheidet und der in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm steht (z. B. dem Isolierfilm 1481 und dem Gate-Isolierfilm 1428 in 14B), bereitgestellt wird, Fremdstoffe in den Oxidhalbleiterfilm aus dem Film diffundieren könnte, der in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm steht. Wenn beispielsweise Silizium, Kohlenstoff oder dergleichen, der in dem Isolierfilm 1481 und dem Gate-Isolierfilm 1428 enthalten ist, in den Oxidhalbleiterfilm diffundiert, können die elektrischen Eigenschaften des Transistors nachteilig beeinflusst werden.
Jedoch hat der Oxidhalbleiterfilmdie oben beschriebene Stapelstruktur. Insbesondere wird ein Oxidhalbleiterfilm (d. h. ein Oxidhalbleiterfilm mit einer Zusammensetzung von In ≤ Ga, der dem ersten Oxidhalbleiterfilm und dem dritten Oxidhalbleiterfilm bei dieser Ausführungsform entspricht), der weniger Sauerstoffleerstellen und stabilere Eigenschaften aufweist als ein Oxidhalbleiterfilm, der eine hohe Beweglichkeit aufweist (d. h. der Oxidhalbleiterfilm mit einer Zusammensetzung von In > Ga, der dem zweiten Oxidhalbleiterfilm bei dieser Ausführungsform entspricht), in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm mit einer hohen Beweglichkeit bereitgestellt. Dadurch kann der Oxidhalbleiterfilm mit einer hohen Beweglichkeit von dem Film, der in Kontakt mit dem Oxidhalbleiterfilm steht (der Isolierfilm 1481, der Gate-Isolierfilm 1428 oder dergleichen in 14B), abgewandt sein. Folglich kann der nachteilige Einfluss der Fremdstoffdiffusion auf die elektrischen Eigenschaften des Transistors (z. B. eine Verringerung der Beweglichkeit) unterdrückt werden. Auf diese Weise können die Beweglichkeit und Zuverlässigkeit des Transistors verbessert werden.
Unter Verwendung eines Transistors, der eine aus dem bei dieser Ausführungsform beschriebenen Oxidhalbleiterfilm ausgebildete Halbleiterschicht beinhaltet, für wenigstens einige Transistoren in der Detektionsschaltung 110 können erste Daten und zweite Daten, die aufgrund der Menge an Licht erzeugt werden, das aus der Umwandlungseinheit 101 einfällt, in der ersten Ausgangsschaltung 111 bzw. der zweiten Ausgangsschaltung 112 gehalten werden. Dadurch kann die Strahlungsdetektionsplatte 100 Signale zum Erzeugen eines präzisen Pixelsignals unabhängig von der Leistungsfähigkeit der Umwandlungseinheit 101 ausgeben.
Diese Ausführungsform kann angemessen in Kombination mit einer der Strukturen der anderen Ausführungsformen implementiert werden.
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Seriennr. 2012-184985 , eingereicht beim japanischen Patentamt am 24. August 2012, deren gesamter Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenlegung gemacht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2012-184985 [0240]

Claims

Bildgebungsvorrichtung, die umfasst: eine Detektionseinheit; eine Umwandlungseinheit; und eine Strahlenquelle, wobei die Umwandlungseinheit konfiguriert ist, Strahlung aus der Strahlenquelle in Licht umzuwandeln, wobei die Detektionseinheit eine Vielzahl von Detektionsschaltungen umfasst, die jeweils eine erste Ausgangsschaltung und eine zweite Ausgangsschaltung umfassen, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung ein photoelektrisches Umwandlungselement umfasst, das konfiguriert ist, als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, eine Ladung zu erzeugen, wobei die erste Ausgangsschaltung konfiguriert ist, erste Daten entsprechend einer Menge einer Ladung, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement erzeugt wird, zu erzeugen, wenn keine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die ersten Daten zu halten, wobei die zweite Ausgangsschaltung konfiguriert ist, zweite Daten entsprechend einer Menge einer Ladung, die von dem photoelektrischen Umwandlungselement erzeugt wird, zu erzeugen, wenn eine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die zweiten Daten zu halten, und wobei die Detektionseinheit konfiguriert ist, ein erstes Signal entsprechend den ersten Daten und ein zweites Signal entsprechend den zweiten Daten aus jeder der Detektionsschaltungen auszugeben.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, wobei der erste Transistor der ersten Ausgangsschaltung konfiguriert ist, ein Potential eines Gates des zweiten Transistors der ersten Ausgangsschaltung, das den ersten Daten entspricht, zu halten, wobei der erste Transistor der zweiten Ausgangsschaltung konfiguriert ist, ein Potential eines Gates des zweiten Transistors der zweiten Ausgangsschaltung, das den zweiten Daten entspricht, zu halten, und wobei der erste Transistor jeder der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen Kanalbildungsbereich umfasst, der ein Oxidhalbleitermaterial umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen in schräger Richtung benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die erste Ausgangsschaltung kürzer als oder gleich einer Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die zweite Ausgangsschaltung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen Transistor umfasst, der einen Kanalbildungsbereich umfasst, der ein Oxidhalbleitermaterial umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlenquelle eine Röntgenstrahlenquelle ist, und wobei die Umwandlungseinheit ein Szintillator ist, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt.
Bildgebungsvorrichtung, die umfasst: eine Detektionseinheit; und eine Umwandlungseinheit, wobei die Umwandlungseinheit konfiguriert ist, Strahlung aus einer Strahlenquelle in Licht umzuwandeln, wobei die Detektionseinheit eine Vielzahl von Detektionsschaltungen umfasst, die jeweils eine erste Ausgangsschaltung und eine zweite Ausgangsschaltung umfassen, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung ein photoelektrisches Umwandlungselement umfasst, das konfiguriert ist, als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, eine Ladung zu erzeugen, wobei die erste Ausgangsschaltung konfiguriert ist, erste Daten entsprechend einer Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, zu erzeugen, wenn keine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die ersten Daten zu halten, wobei die zweite Ausgangsschaltung konfiguriert ist, zweite Daten entsprechend einer Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, zu erzeugen, wenn eine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die zweiten Daten zu halten, und wobei die Detektionseinheit konfiguriert ist, ein erstes Signal entsprechend den ersten Daten und ein zweites Signal entsprechend den zweiten Daten aus jedem der Detektionsschaltungen auszugeben.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, wobei der erste Transistor der ersten Ausgangsschaltung konfiguriert ist, ein Potential eines Gates des zweiten Transistors der ersten Ausgangsschaltung, das den ersten Daten entspricht, zu halten, wobei der erste Transistor der zweiten Ausgangsschaltung konfiguriert ist, ein Potential eines Gates des zweiten Transistors der zweiten Ausgangsschaltung, das den zweiten Daten entspricht, zu halten, und wobei der erste Transistor jeder der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen Kanalbildungsbereich umfasst, der ein Oxidhalbleitermaterial umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen in schräger Richtung benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die erste Ausgangsschaltung kürzer als oder gleich einer Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die zweite Ausgangsschaltung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen Transistor umfasst, der einen Kanalbildungsbereich umfasst, der ein Oxidhalbleitermaterial umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Strahlenquelle eine Röntgenstrahlenquelle ist, und wobei die Umwandlungseinheit ein Szintillator ist, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt.
Bildgebungsvorrichtung, die umfasst: eine Detektionseinheit, wobei die Detektionseinheit eine Vielzahl von Detektionsschaltungen umfasst, die jeweils eine erste Ausgangsschaltung und eine zweite Ausgangsschaltung umfassen, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung ein photoelektrisches Umwandlungselement umfasst, das konfiguriert ist, als Reaktion auf Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, die konfiguriert ist, Strahlung aus einer Strahlenquelle in das Licht umzuwandeln, , eine Ladung zu erzeugen, wobei die erste Ausgangsschaltung konfiguriert ist, erste Daten entsprechend einer Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, zu erzeugen, wenn keine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die ersten Daten zu halten, wobei die zweite Ausgangsschaltung konfiguriert ist, zweite Daten entsprechend einer Menge an Licht, das aus der Umwandlungseinheit einfällt, zu erzeugen, wenn eine Strahlung aus der Strahlenquelle emittiert wird, und konfiguriert ist, die zweiten Daten zu halten, und wobei die Detektionseinheit konfiguriert ist, ein erstes Signal entsprechend den ersten Daten und ein zweites Signal entsprechend den zweiten Daten aus jeder der Detektionsschaltungen auszugeben.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die erste Ausgangsschaltung und die zweite Ausgangsschaltung in jeder der Detektionsschaltungen in schräger Richtung benachbart angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die erste Ausgangsschaltung kürzer als oder gleich einer Zeitdauer zum Detektieren von Licht durch die zweite Ausgangsschaltung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei jede der ersten Ausgangsschaltung und der zweiten Ausgangsschaltung einen Transistor umfasst, der einen Kanalbildungsbereich umfasst, der ein Oxidhalbleitermaterial umfasst.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Strahlenquelle eine Röntgenstrahlenquelle ist, und wobei die Umwandlungseinheit ein Szintillator ist, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt.