JP2000111653A - 放射線２次元検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電荷増倍作用を持つ非晶質半導体層よりなる
変換層の電荷増倍作用が、入射Ｘ線量に応じて変化する
ようにする。 【解決手段】 電荷阻止層２の間に挟まれた電荷増倍作
用を持つ非晶質半導体層３からなるＸ線を電荷に変換す
る変換層１と、スイッチング素子マトリックス６とが一
体化されており、変換層１の信号電極５に対する共通の
バイアス電極４を、抵抗Ｒを介してバイアス電源Ｅに接
続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｘ線撮像装置な
どの医療診断に好適なＸ線等の放射線を検出する放射線
２次元検出器、特に、Ｘ線等の放射線を電荷に変換する
変換層が電荷阻止層に挟まれた電荷増倍作用を持つ非晶
質半導体からなる固体操作方式の放射線２次元検出器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線を電荷に変換する変換層が、電荷増
倍作用を持つ固体操作方式の放射線２次元検出器は、特
開平７−６３８５９号公報で知られているように、電荷
阻止層に挟まれた電荷増倍作用を持つ非晶質半導体層か
らなる変換層と、薄膜効果トランジスタ（ＴＦＴ）等の
スイッチング素子で構成されたスイッチング素子マトリ
ックスとを一体化し、スイッチング素子を２次元的に走
査して画像信号を得るようにしたもので、その構成を図
３、図４に示す。

【０００３】図３において、１はＸ線を電荷に変換する
変換層で、変換層は、電子・正孔の電荷の注入を阻止す
る電荷阻止層２に挟まれた電荷増倍作用を持つセレンを
主成分とする非晶質半導体層３と、非晶質半導体層３の
一方の面に形成されたバイアス電源Ｅに接続されるバイ
アス電極４と、他方面に検出素子（画素）が縦横に配列
するように形成されたマトリックス状の信号電極５とよ
りなる。６は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチ
ング素子７で構成されたスイッチング素子マトリックス
で、各スイッチング素子７は変換層１のそれぞれの信号
電極５に接続されており、変換層１とスイッチング素子
マトリックス６とは薄膜技術で製造される。なお、図
中、８は電荷を蓄積するコンデンサで、変換層１、スイ
ッチング素子マトリックス６と同様に薄膜技術で製造さ
れる。

【０００４】この構成において、被検体を透過したＸ線
がバイアス電極４を透過して変換層１に入射すると、Ｘ
線は非晶質半導体層３内で吸収され、電子−正孔対（電
荷）を生成する。生成された電荷は、バイアス電源Ｅよ
りバイアス電極４に印加された電圧による電界によって
電荷シフトする際にアバランシェされて電荷が増倍され
る。この増倍された電荷がコンデンサ８に蓄積され、こ
のコンデンサ８に蓄積される電荷の量は、変換層１に入
射するＸ線量に依存する。

【０００５】スイッチング素子マトリックス６を構成す
るＴＦＴ（スイッチング素子）７のスイッチングライン
９は、図４の等価回路に示すようにスイッチング素子駆
動回路10に、読み出しライン11は増幅器12を介してマル
チプレクサ13に接続されており、スイッチング素子駆動
回路10でＴＦＴ７が駆動されると、ＴＦＴ７がオンされ
た１ラインの各検出素子（画素）のコンデンサ８に蓄積
された電荷が同時に読み出しライン11に出力され、スイ
ッチング素子駆動回路10がＴＦＴ７を順次駆動すること
により、２次元的に走査され、読み出しライン11に出力
された信号は、マルチプレクサ13で画素ごとの画像信号
とされてＡ／Ｄ変換器14に入力され、Ａ／Ｄ変換器14よ
り各画素ごとのデジタル画像信号が得られ、このデジタ
ル画像信号を処理することによりＸ線２次元画像が得ら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の放射線２次元検出器では、次ぎの問題がある。す
なわち、多量のＸ線等の放射線が変換層に入射した場合
には、変換層の電荷増倍作用で電荷された電荷の充電に
よりコンデンサにかかる電圧が上昇し、このコンデンサ
にかかる電圧の上昇が、蓄積量の飽和によるダイナミッ
クレンジの制限、ならびに、コンデンサにつながるスイ
ッチング素子の耐電圧破壊を引き起こすことになる。

【０００７】この発明は、上記の事情に鑑み、電荷増倍
作用を持つ非晶質半導体層よりなる変換層の電荷増倍作
用が、入射Ｘ線量に応じて自動的に変化するようにし、
多量の放射線が入射した際のコンデンサにかかる電圧の
上昇による蓄積量の飽和、ならびに、コンデンサにつな
がるスイッチング素子を耐電圧破壊させることのないダ
イナミックレンジの広い放射線２次元検出器を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の放射線２次元検出器は、電荷増倍作用
を持つ非晶質半導体層からなる変換層のバイアス電極
を、インピーダンス素子を介してバイアス電源に接続し
たことを特徴としている。

【０００９】この構成により、この発明の放射線２次元
検出器にあっては、変換層に放射線、例えば、Ｘ線が入
射すると、その大部分が変換層である非晶質半導体層で
吸収され電子−正孔対（電荷）を生成する。生成された
電荷は、変換層内の電界によって電荷シフトする際にア
バランシェしてその電荷が増倍されてコンデンサに蓄積
され、コンデンサの電圧は上昇する。コンデンサに蓄積
された電荷は、スイッチング素子マトリックスのスイッ
チング素子を順次駆動することにより順次読み出され、
Ａ／Ｄ変換器により各画素ごとのデジタル画像信号に変
換される。

【００１０】変換層の非晶質半導体層のバイアス電極
は、インピーダンス素子を介してバイアス電源に接続さ
れているので、変換層に多量のＸ線が入射した場合に
は、インピーダンス素子に流れる電流が増大し、インピ
ーダンス素子による電圧降下がおこり、この電圧降下も
変換層への入射Ｘ線が多量であるほど大きくなり、電圧
降下した分、非晶質半導体層のバイアス電極に印加され
る電圧は低くなる。変換層へのＸ線の入射でバイアス電
源よりインピーダンス素子を通して変換層のバイアス電
極に電流が流れる。インピーダンス素子を流れる電流
は、入射Ｘ線量に応じて変化するので、変換層のバイア
ス電極に印加される電圧は、入射Ｘ線量に応じて変化
し、入射Ｘ線量が多くなる程、インピーダンス素子によ
る電圧降下が大きくなり、変換層に印加される電圧は低
下する。

【００１１】電荷増倍作用を持つ非晶質半導体層よりな
る変換層の電荷増倍作用は、変換層内の電界、すなわ
ち、変換層に印加するバイアス電圧に比例するので、変
換層の印加電圧が低下すると、電荷増倍作用（効果）が
緩和するので、コンデンサに蓄積される電荷が抑制さ
れ、かつ、その抑制も変換層への入射Ｘ線量に応じてな
されるので、コンデンサの電圧の上昇が抑えられてコン
デンサの蓄積量の飽和が防止でき、また、コンデンサに
つながるスイッチング素子の耐電圧破壊を引き起こすこ
とのないダイナミックレンジの広い放射線２次元検出器
が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図面を参照してこの発明の実
施例を説明する。図１はこの発明の１実施例にかかる放
射線２次元検出器の構成を示す断面模式図で、図３と同
一機能をなす構成要素には、同一符号を付し、その説明
を省略する。図１において、Ｒは、抵抗（インピーダン
ス素子）で、バイアス電源Ｅと変換層１のバイアス電極
４との間に接続されている。

【００１３】なお、信号電極５は、検出素子（画素）が
縦横に配列するようにマトリックス状に分割形成する必
要があるが、バイアス電極２は、図２(a) に示すように
非晶質半導体層の前面に形成し、信号電極（図示せず）
全てに共通の単一電極であっても、また、図２(b) 、
(c) 、(d) に示すように複数に分割し、分割されたバイ
アス電極が覆う群の信号電極に対してのみ共通である分
割電極であってもよい。

【００１４】なお、図２(b) は縦に３分割し３個の分割
バイアス電極とした例であり、図２(c) は縦横に３分割
し９個の分割バイアス電極とした例であり、また、図２
(d)は中央部とその周囲部とに分割し２個の分割バイア
ス電極とした例である。また、バイアス電極を分割し、
複数の分割バイアス電極とした場合には、図２(b) 、
(c) 、(d) に示すように各分割バイアス電極それぞれ
は、抵抗を介してバイアス電源Ｅに接続する。

【００１５】次に、バイアス電源Ｅと変換層１のバイア
ス電極２との間に接続された抵抗Ｒの作用について説明
する。図１において、上部から入射したＸ線は変換層１
で吸収され、電子−正孔対（電荷）を生成し、生成され
た電荷は、バイアス電源Ｅより抵抗Ｒを介してバイアス
電極４に印加された電圧で生ずる電界によって電荷シフ
トする際にアバランシェしてその電荷が増倍し、増倍し
た電荷がコンデンサ８に蓄積され、コンデンサ８の電圧
は上昇する。

【００１６】コンデンサ８に蓄積された電荷信号の読み
出しは、スイッチング素子マトリックス６のＴＦＴ（ス
イッチング素子）７を順次駆動することにより、１ライ
ン分ずつの各画素の蓄積電荷が、それぞれ読み出しライ
ンを通ってマルチプレクサで各画素ごとの信号とされ、
Ａ／Ｄ変換器により各画素ごとのデジタル画像信号に変
換される。以上の動作は、従来技術の項で説明した通り
である。

【００１７】なお、変換層１、すなわち、バイアス電極
４には、図示のように正の電圧を印加する場合と、負の
電圧を印加する場合とがあるが、印加電圧が低く非晶質
半導体層の内部電界が小さい場合は、生成された電子と
正孔は電極に達する前に再結合し消滅してしまい電荷と
してコンデンサに蓄積されないので、半導体層のバイア
ス電極に対する印加電圧としては、電子と正孔それぞれ
の移動度とライフタイムの積から計算される、電極に達
する前に再結合し消滅しない十分な電界が得られる電圧
としておく必要がある。

【００１８】図１にもどって、Ｘ線の入射で変換層１内
に電子−正孔対（電荷）を生成されると、陰極側の信号
電極５に接続するコンデンサ８に電荷が蓄積される一
方、陽極側のバイアス電極４には、バイアス電源Ｅより
抵抗Ｒを通して電流が流れ、抵抗Ｒによる電圧降下が生
じ、バイアス電極４の印加電圧が、抵抗Ｒにより電圧降
下された分低下し、変換層１内の電界は緩和される。

【００１９】変換層１の電界の緩和により、変換層１の
非晶質半導体層１内での電荷シフト時におけるアバラン
シェ効果による電荷増倍作用が小さくなり、コンデンサ
８に蓄積される電荷が抑制される。その結果、コンデン
サの蓄積量の飽和、コンデンサにかかる電圧の上昇が防
止でき、且つ、スイッチング素子を耐電圧破壊させない
ダイナミックレンジの広い２次元放射線検出器が得られ
る。

【００２０】また、バイアス電源Ｅとバイアス電極４の
間に介在する抵抗Ｒに流れる電流は、変換層１に入射す
るＸ線量が多い程多くなるので、その分、抵抗Ｒによる
電圧降下は大きくなり、バイアス電極４の印加電圧が低
下して変換層１内部の電界が緩和され、非晶質半導体層
３の電荷増倍作用が小さくなるので、変換層１への多量
のＸ線入射によるコンデンサの蓄積量の飽和、コンデン
サにかかる電圧の上昇を確実に防止できる。

【００２１】次に、図１の構成の２次元放射線検出器の
製造方法の一例について説明する。ガラス等の絶縁基板
上に薄膜技術により、マトリックス状にスイッチング素
子が作製される。これにより、各素子ごとに分れたＴＦ
ＴやＭＩＭ構造、あるいは、ダブルダイオード構造のス
イッチング素子と、さらにこのスイッチング素子につな
がった信号電極と、スイッチング素子を駆動する駆動ラ
イン（例えば列方向）と、スイッチング素子を通って電
荷が流れる読み出しライン（データライン）（例えば行
方向）が作られる。一般には、スイッチング素子は、ア
モルファスシリコンやポリシリコンで作製され、絶縁物
には、窒化膜、酸化膜、ポリイミドなどの化学材料、金
属材料には、チタン、アルミ、クロム、タンタル、銅な
どの種々の材料が使用される。

【００２２】信号電極の上には変換層を設けるがこの層
は、電荷生成層を電荷阻止層で挟み込んだ構造で、一方
の電荷阻止層は信号電極から電子が注入されるのを阻止
し、他方の電荷阻止層はバイアス電極から電荷が注入さ
れるのを阻止する。これらの電荷阻止層は移動する電子
／正孔の違いにより種々の材料が適用でき、この電荷阻
止層は、暗電流を減少させる。２つの電荷阻止層の間に
は、砒素やテルルなどを数％以下でドープしたセレンを
主成分とした非晶質半導体からなる電荷生成層を設け
る。この電荷生成層において、Ｘ線の入射により生成さ
れた電子正孔対は、電界によって電荷シフトする間にア
バランシェし電荷増倍する。

【００２３】さらに、変換層上にバイアス電極を設け
る。このバイアス電極の材料には、入射線が光の場合に
はＩＴＯ（インジウム・錫・オキサイド合金）が主に用
いられるが、入射線がＸ線の場合には、Ｘ線の透過力が
高いので金薄膜などの種々の薄膜の金属層や合金層でも
よい。また、バイアス電極は、非晶質半導体層の前面を
覆うものであっても（図２（ａ））、図２（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）に示すように２以上に分割された分割バ
イアス電極であってもよく、各分割バイアス電極は、抵
抗を介してバイアス電源に接続される。

【００２４】なお、上記の実施例は、変換層でＸ線を電
荷に直接変換する直接変換タイプの２次元放射線検出器
であつたが、この発明は、変換層のＸ線等の放射線入射
面にＣｓＩ等のシンチレータ層を設けて放射線を光に変
換し、変換された光を非晶質半導体層よりなる変換層で
電荷に変換する間接変換タイプの２次元放射線検出器に
も適用できるものである。

【００２５】また、入射Ｘ線量に応じてインピーダンス
素子の降下電圧で変換層のバイアス電圧が変わり、電荷
増倍作用も変わるので、検出器の全領域で利得の一様な
データが得られない。したがって、検出器の全領域で利
得の一様なデータを得るには、インピーダンス素子の降
下電圧が、各画素の利得が決まることから、各画像素ご
とのインピーダンス素子の降下電圧を検出し、この検出
電圧で決まる利得の逆数（１／利得）を係数として、読
み出された画素の信号に対応する係数を乗じれば、各画
素の信号が補正され、検出器の全領域で利得の一様なデ
ータが得られる。なお、この場合には、スイッチング素
子マトリクスのスイッチング素子をＸ、Ｙ方向のスイッ
チング素子駆動回路で順次駆動して画素ごとに信号を読
み出すようにすればよく、また、画素ごとに読み出され
た信号に乗じる係数は、ファントムや計算で求めておけ
ばよい。

【００２６】

【発明の効果】この発明の２次元放射線検出器によれ
ば、電荷増倍作用を持つ非晶質半導体層よりなる変換層
の電荷増倍作用が、入射Ｘ線量に応じて自動的に変化す
るで、多量のＸ線入射によるコンデンサの蓄積量の飽
和、ならびに、コンデンサにかかる電圧の上昇によりそ
れにつながるスイッチング素子を耐電圧破壊させること
のないダイナミックレンジの広い放射線２次元検出器が
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す断面模式図である。

【図２】この発明の他の実施例を示す略図である。

【図３】従来の２次元放射線検出器の構成を示す模式図
である。

【図４】図４の等価回路図である。

【符号の説明】

１…変換層 ２…電荷阻止層 ３…非晶質半導体層 ４…バイアス電
極 ５…信号電極 ６…スイッチン
グ素子マトリックス ７…スイッチング素子（ＴＦＴ） ８…コンデンサ ９…スイッチングライン 10…スイッチン
グ素子駆動回路 11…読み出しライン（データライン） 12…増幅器 13…マルチプレクサ 14…Ａ／Ｄ変換
器 Ｒ…抵抗 Ｅ…バイアス電
源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G088 EE01 FF02 FF14 FF18 GG21 JJ05 JJ33 JJ35 JJ37 KK05 KK40 4M118 AA02 AA08 AB01 BA05 CB05 CB14 FA06 FB13 FB16 GA10 5F088 AA09 AA11 BA05 BA20 BB03 BB07 CB05 DA03 DA05 FA04 FA05 GA02 KA01 KA02 KA03 KA08 KA10 LA08

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方面にバイアス電極を、他方面に検出
   素子が縦横に配列するように形成されたマトリックス状
   の信号電極とを有する、電荷阻止層に挟まれた電荷増倍
   作用を持つ非晶質半導体からなる、放射線を電荷に変換
   する変換層と、前記変換層の信号電極を２次元的に走査
   し、変換層に蓄えられた電荷を読み出すスイッチング素
   子マトリックスとを備えた放射線２次元検出器であっ
   て、前記変換層のバイアス電極を、インピーダンス素子
   を介してバイアス電源に接続したことを特徴とする放射
   線２次元検出器。