JP2002040144A - 光電変換装置並びに光電変換デバイス、像情報処理システム及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換装置において、長期使用における特
性変動や、ダーク出力によるＳ／Ｎ低下を低減し、又、
撮影サイクルを短くする。 【解決手段】 アモルファス半導体を材料とするＭＩＳ
型光電変換素子には、光電変換用バイアス（Ｖｓ）を与
える電源と、蓄積電荷リセット用の電源（ＶＲＥＦ）
と、素子の非動作時の零バイアス（ＶＧＮＤ）を与える
設置点とがＳＷ１を介して接続される。第１の光源たる
Ｘ線源からの出射Ｘ線は、図示しない被検体を通過して
蛍光体に当たった後、蛍光体に吸収されて可視光に変換
される。蛍光体からの可視光は光電変換素子に照射され
る。Ｘ線像の読み取りに先立って、ＬＥＤ光源を点灯す
る。ＳＷ２及びＳＷ３は、各々、Ｘ線源及びＬＥＤ光源
を点灯させるスイッチである。本形態では、読み取りと
非読み取りの動作期間があり、Ｘ線源は読み取り期間に
点灯し、ＬＥＤ光源は非読み取り期間に点灯する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、光電変換装置に関
し、特に、複写機、ファクシミリ、スキャナ等の事務機
用の光電変換装置や、病院内の撮影、診断に用いられる
医療用Ｘ線撮像装置、又は非破壊検査装置に利用される
光電変換装置並びに光電変換デバイス、像情報処理シス
テム及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、病院における患者のＸ線直接撮影
は、患者にＸ線を照射させてその透過Ｘ線を、可視変換
蛍光体を介して感光フィルムに転写させる、いわゆるフ
ィルム方式が主流となっている。このフィルム方式は、
撮影から現像までに時間がかかるという不具合や、膨大
な撮影フィルムの保管、検索が必要であるなど、病院内
の管理、運営の面で不具合が残っている。

【０００３】ところで、このフィルムの代わりに輝尽性
蛍光体を用い、いったん患者のＸ線像をこの輝尽性蛍光
体に蓄像し、その後レーザー光でスキャンさせ、Ｘ線像
をデジタル値として読み取る方式がある。画像をデジタ
ル化すれば、種々の媒体に記録できるため、画像の保
管、検索、転送が容易に行われ、病院内の管理、運営の
面で効率がよくなる。又、画像情報をデジタル値として
得ることは、コンピュータによって高度な画像処理を高
速で行うことができるため、診断の向上が期待される。
しかし、この輝尽性蛍光体を用いる方式も、フィルム方
式と同様に、撮影から現像にいたるまでに時間がかかる
という不具合を有している。

【０００４】一方、ＣＣＤやアモルファスシリコン半導
体のような固体撮像素子を用いたＸ線撮像装置が提案さ
れている。これは、フィルム方式と同様に、Ｘ線そして
可視変換蛍光体を介し、患者のＸ線像を、多数個の２次
元アレー上に配列された撮像素子で直接デジタル化して
読み取る方式である。ほぼリアルタイムでデジタル画像
が得られるため、上述したフィルム方式や輝尽性蛍光体
を用いる方式に比べて、大きなメリットがある。特に、
アモルファスシリコンは大面積で作成できるため、その
ようなものを用いたＸ線撮像装置では、胸部撮影のよう
な大きな部位が等倍で撮像される。従って、光の利用効
率も良く、高Ｓ／Ｎ比が期待されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、医療用
のＸ線撮像装置において、人体胸部を等倍で撮影するた
めには、４０ｃｍ×４０ｃｍ以上の大面積を有する固体
撮像素子を用意しなければならず、画素の数も５００万
〜１０００万個と多数になる。

【０００６】これら多数の画素の特性を、すべて均一
に、そして高信頼性で作り込むことは容易ではない。例
えば、光電変換素子や電荷転送用のスイッチング素子に
アモルファスシリコンを用いる場合には、長い年月の
間、連続動作をさせれば、光電変換素子のダーク電流の
上昇やスイッチング素子としての特性の変化が起こる。
この場合の対策としては、撮影のときにのみ光電変換素
子やスイッチング素子を動作させ、撮影しないときは光
電変換素子及びスイッチング素子を動作させない設計が
施される。例えば患者が撮影室にいないときは、光電変
換素子のバイアス線、スイッチング素子のゲート線及び
読み出し線が零電位にバイアスされ、アモルファス素子
内部に電界を与えず、長期間の使用における素子の特性
変動を低減させている。しかしこの場合、撮像装置付近
の患者の有無を撮影技師が認識した後、光電変換素子や
スイッチング素子を動作させ、更に撮影操作に移る、と
いった煩雑さが残る。すなわち装置の操作性が損なわれ
る。患者の有無を自動的に認識させる設計も考えられる
が、装置のコストアップにもつながるという問題もあ
る。

【０００７】一方、アモルファスシリコン薄膜を用い
て、大面積で多数の光電変換素子を作る場合には、製造
過程に混入する微量の不純物やダングリングボンドの増
加等により、それらが膜中に欠陥準位として形成される
という問題がある。これらはトラップ準位として働き、
光電変換過程において不必要なダーク電流となってＳ／
Ｎ比の低下をもたらす。これらのダーク電流を軽減させ
る光電変換装置の駆動法としては、光電変換素子（やス
イッチング素子）にバイアスしてから数秒から数１０秒
程度待って、ダーク電流が緩和された後に光電変換する
という方法が考えられる。しかし、Ｘ線撮像装置にこの
方法を適用すると、複数の患者を撮影するサイクルが長
くなったり、装置の操作性が悪くなるという問題があ
る。

【０００８】以上述べてきたように、アモルファスシリ
コンを用いた大面積の光電変換装置においては、長期間
の使用における特性変動や、膜中の欠陥準位によるＳ／
Ｎ比の低下という問題があった。そして、それを補うた
めに施された駆動方法は、装置の使い勝手を犠牲にする
ものであった。

【０００９】そこで、本発明は、光電変換装置並びに光
電変換デバイス、像情報処理システム及びその駆動方法
において、長期間の使用における特性変動や、ダーク電
流によるＳ／Ｎ比の低下を低減し、更に撮影サイクルを
短くし、装置の使い勝手を向上させることを課題として
いる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の光電変換装置は、基板上に複数の光電変換素
子が１次元又は２次元アレー状に配列された光電変換基
板と、第１の光源と、第２の光源とを具備し、上記第１
の光源は被読み取り物体に照射されるように配置され、
上記第２の光源はその出射光が上記光電変換素子の受光
面に到達するように配置された光電変換装置において、
上記被読み取り物体を光電変換し画像情報を得るための
読み取り期間と、上記読み取り期間以外の非読み取り期
間を設け、上記第１の光源は上記読み取り期間内に点灯
し、上記第２の光源は上記非読み取り期間内に点灯す
る。

【００１１】又、上記課題を解決するための本発明の光
電変換デバイスは、入射された像情報を有する光を光電
変換するための光電変換素子の複数を備える基板と、上
記像情報を有する光とは別に上記光電変換素子の複数に
像情報を担わない光を入射するための光源とを具備す
る。

【００１２】又、上記課題を解決するための本発明の像
情報処理システムは、入射された像情報を有する光を光
電変換するための光電変換素子の複数を備える基板と、
上記像情報を有する光とは別に上記光電変換素子の複数
に像情報を担わない光を入射するための光源とを備える
光電変換デバイスと、上記光電変換デバイスに像情報を
入射するために用いられる電磁波照射手段と、上記電磁
波照射手段及び上記光源を含む上記光電変換デバイスを
制御する制御手段とを具備する。

【００１３】上記課題を解決するための本発明の像情報
処理システムの駆動方法は、電磁波照射手段から電磁波
を照射して被写体を通過した像情報を有する光を光電変
換素子に入射して光電変換する工程と、上記電磁波を照
射しない期間に、上記電磁波照射手段とは別の光源から
像情報を担わない光を上記光電変換素子に入射する工程
と、を含む。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下、本発明の実
施形態を図面に基づいて説明する。

【００１５】図１は、本発明に係る光電変換装置の実施
形態１を示す断面図である。本実施形態は、本発明の光
電変換装置をＸ線撮像装置として実施したものである。

【００１６】図１において、Ｘ線源から出射したＸ線
は、被読み取り物体に入射される。被読み取り物体を透
過した透過Ｘ線は、蛍光体に到達する。蛍光体では、Ｘ
線を吸収して蛍光体内部の発光中心を励起し、可視光を
放出する。蛍光体からの可視光は、絶縁基板上に配置さ
れた光電変換素子の受光面に照射され、その受光面で光
電変換される。光電変換素子は、耐湿性向上を目的とし
た保護膜で覆われている。

【００１７】絶縁基板の材料としては、主に、アルカリ
成分の少ない透明なガラスが用いられる。又、蛍光体の
材料としては、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ：ＴｂやＣ_SＩ：Ｔｌ等が用
いられる。

【００１８】一方、絶縁基板の下に配置されたＬＥＤか
ら出射された光（可視光）は、絶縁基板を透過し、光電
変換素子の側面を通過した後、蛍光体で反射し、光電変
換素子の受光面に照射される。蛍光体は、その材料によ
って、ＬＥＤからの光の反射特性が異なるが、完全に吸
収するものでなければよく、数％程度の光が光電変換素
子に到達するものであればよい。

【００１９】図１では、ＬＥＤからの光が蛍光体に垂直
に照射されているように表記されているが、実質上、斜
め方向から入射する光もあるため、蛍光体面での鏡面反
射成分を含めれば、蛍光体で光をすべて吸収することは
ない。

【００２０】図１において、本実施形態の光電変換装置
は、蛍光体、光電変換素子及びＬＥＤ等をシャーシで覆
ったものになっている。このシャーシは、Ｘ線の吸収が
極めて少ない材料を用いればよく、アルミニウムやステ
ンレススチール等の金属が、安価で強度的にも優れてお
り、適している。

【００２１】上記光電変換装置を実施するＸ線撮像装置
が医療用であれば、被読み取り物体とは患者（人体）の
ことであり、又、被破壊検査用のＸ線撮像装置であれ
ば、例えば飛行機や船などに使用されている部品のよう
な、検査をする物体である。

【００２２】又、図１は、光電変換装置の断面構成の図
として表記してあるが、紙面奥行き方向にも光電変換素
子やＬＥＤが２次元状に配置されている。又、図１では
省略しているが、絶縁基板上に光電変換素子と一対でス
イッチング素子が配置されていてもよい。

【００２３】図２は、図１に示した光電変換装置に用い
る光電変換素子１個分の信号検出回路を示す図である。

【００２４】図２において、光電変換素子は、アモルフ
ァスシリコン半導体を材料とするＭＩＳ型光電変換素子
である。ＭＩＳ型の光電変換素子は、下部の金属電極層
（Ｍｅｔａｌ）の上に絶縁層（Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）と
半導体層（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｕｒ）を積層したも
のである。通常、半導体層の上には注入素子層（Ｎ層又
はＰ層）と上部電極が配置される。ＭＩＳ型光電変換素
子の詳細な作成方法及び動作原理は後述する。

【００２５】図２において、ＭＩＳ型光電変換素子に
は、光電変換するためのバイアス（Ｖｓ）を与える電源
と、ＭＩＳ型光電変換素子の容量内の蓄積電荷をリセッ
トするための電源（ＶREF ）と、光電変換素子を動作さ
せない時の零バイアス（ＶGND）を与えるための接地点
（ＧＮＤ）とが、ＳＷ１を介して接続されている。

【００２６】第１の光源であるＸ線源から出射したＸ線
は、図示しない被検体（病院では患者）に照射され、そ
こを通過したＸ線は蛍光体にあたる。

【００２７】図２において、蛍光体でＸ線は吸収され、
可視光に変換される。蛍光体からの可視光は光電変換素
子に照射される。図２は、１画素分の図であるで、光電
変換素子と蛍光体の位置関係は図示されていないが、図
１をみてわかるように、両者を実質上密着させることに
より、画像の解像度特性を向上させている。一方、第２
の光源であるＬＥＤ光源からの可視光は、Ｘ線とは別の
光路で光電変換素子に照射される。ＳＷ２、ＳＷ３は、
それぞれ、Ｘ線源、ＬＥＤ光源を点灯させるスイッチで
ある。

【００２８】図３は、図２で示した回路における動作の
タイミングチャートであり、Ｘ線源、ＬＥＤ光源、光電
変換素子のバイアス及び光電変換素子の出力が記載され
ている。

【００２９】図３では、光電変換素子のダーク出力（ダ
ーク電流）の様子を示すために、敢えて、Ｘ線やＬＥＤ
を点灯させていない。図３では、（Ｆ１）〜（Ｆ６）ま
での６サイクル分のタイムチャートを図示している。

【００３０】サイクル（Ｆ１）において、光電変換素子
にバイアスを与えると、ダーク電流が流れる。このダー
ク電流は、理想的には零であればよいが、実際には零で
はない。又、電源をオンすると同時に一定の電流が流れ
るのではなく、オン直後のダーク電流は、オン直後は大
きく、時間と共に減衰する。

【００３１】この原因として、以下に示す２つのことが
考えられる。

【００３２】一つは、一般に、光電変換素子をアモルフ
ァスシリコン半導体の主たる材料に形成する場合には、
アモルファス半導体膜中のダングリングボンドや作成過
程で混入した不純物によって、欠陥準位が形成される。
それらは、トラップ準位として働き、電源をオンした直
後あるいはオンさせる前においても、電子又は正孔をト
ラップしており、数ミリ秒〜数十秒間の時間を経てか
ら、伝導帯あるいは価電子帯に熱的に励起され、伝導電
流（ダーク電流）が流れる。特に半導体層（Ｉ層）と注
入阻止層（例えばＮ層）との界面部分は、トラップ準位
が多いと言われている。アモルファス半導体膜を用いず
に、結晶型のＭＩＳ型光電変換素子を用いる場合には、
作成するプロセス条件や装置にも依存するが、アモルフ
ァスほどトラップ準位は多くないと言われる。しかし、
半導体層（Ｉ層）と注入阻止層（例えばＮ層）との界面
部分は、結晶格子のミスマッチが多く、トラップ準位は
零ではなく、図３で示した光電変換素子の出力の傾向を
もつ。

【００３３】もう一つの原因は、注入阻止層の特性に関
係しているものであると考えられる。例えば、注入阻止
層のＮ型のアモルファスシリコンで構成した場合には、
理想的には、正孔を半導体層側に注入することはない。
しかしながら、現実には、特にアモルファスの場合に
は、Ｎ層が正孔を完全にブロックすることはない。Ｎ層
を通って半導体層（Ｉ層）に注入した正孔はダーク電流
になる。正孔は半導体層（Ｉ層）と絶縁層との界面に蓄
えられ、Ｉ層の内部電界は正孔の蓄積と共に緩和され
る。その電界の緩和と共に、Ｎ層からＩ層に注入される
正孔の量が減少するため、ダーク電流が減衰する。

【００３４】図３で示される光電変換素子のダーク出力
が十分減衰したのを待てば、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得ら
れる。しかし、目標とするダーク出力レベルに減衰する
までに数秒〜数１０秒の長い時間を要する場合には、非
常に使い勝手が良くない装置となる。なぜならば、例え
ば、病院で使用するＸ線撮像装置の場合、撮影室に患者
を誘導して、光電変換素子を投入し、数秒〜数十秒待っ
てからＸ線を爆射させなければならないからである。

【００３５】患者が撮影室に入る前から光電変換素子の
電源を投入させておけばよいが、その場合には、光電変
換素子の劣化（特性変化、腐食等）が促進され、長寿命
の装置の提供が困難である。

【００３６】ＭＩＳ型の光電変換素子は、内部の絶縁層
に電子も正孔も通らず、発生したキャリアは半導体層と
絶縁層の界面に蓄えられる。図２に示した光電変換用の
バイアス（Ｖｓ）がプラス（＋）バイアスの場合には、
蓄積キャリアは正孔であり、上部電極と半導体層との間
には、正孔に半導体層への注入を阻止するＮ層が配置さ
れる。半導体層と絶縁層との界面に蓄えられた正孔のキ
ャリアと等量の電子が、電流計が配置された電極側に、
ＧＮＤから供給される。蓄積された正孔は、やがて、セ
ンサのバイアスをＶREFとすることによって、全部又は
一部が掃き出される。通常、ＶREFの電位はＶSの電位よ
り小さく設定されている。図３のタイミングチャート上
では、ＶREFの電位はＧＮＤに設定されている。サイク
ル（Ｆ２）において、再びＶSの電位を与えることによ
り、サイクル（Ｆ１）と同様なダーク電流が流れる。

【００３７】この時、ダーク電流は、サイクル（Ｆ１）
のときのそれと比べて、小さくなっている。これは、Ｉ
層内の、特に絶縁層界面近傍に存在するトラップ準位に
捕獲されていたダーク電流に寄与するキャリアが、サイ
クル（Ｆ１）のときと比べて、サイクル（Ｆ２）のとき
の方が少なくなっているためと考えられる。又、サイク
ル（Ｆ１）のリセット電位ＶREFで、蓄積されていた正
孔が完全に追い払われず、その一部が半導体層に残るこ
とにより、サイクル（Ｆ２）における半導体内部の電界
がサイクル（Ｆ１）より緩和されているためとも考えら
れる。

【００３８】同様に、サイクル（Ｆ３）〜サイクル（Ｆ
６）へと進むにつれて、ダーク電流は小さくなってい
き、やがて、飽和する。但し、飽和するといっても、Ｖ
REF→ＶSにバイアスを切り替える際には、突入電流が流
れるため、切り替えた直後は、一定の電流値にはならな
い。一つのサイクルの中でも、後半、特にＶREFに切り
替える直前では、時間的に変化しない一定の電流値にな
っている。Ｘ線撮像装置として高いＳ／Ｎ比を確保する
ためには、ダーク電流が十分に小さくなってから、Ｘ線
を照射しなければならない。

【００３９】図４は、十分時間をおいたサイクル（Ｆ
６）でＸ線を照射したタイムチャートである。サイクル
（Ｆ５）とサイクル（Ｆ６）のダーク電流の特性はほぼ
等しいので、サイクル（Ｆ６）のＸ線による電流出力に
重畳している固定的な部分は、サイクル（Ｆ５）の出力
をメモリしておいて、後で引き算処理で容易に補正され
る。尚、図示してはいないサイクル（Ｆ７）の出力を用
いてもよい。

【００４０】光電変換素子のダーク電流の特性や装置の
駆動条件などにもよるが、（Ｆ１）〜（Ｆ６）の各サイ
クルの周期は、通常０.１秒〜３秒程度必要となる。仮
に２秒／サイクルとすると、６サイクルで１２秒必要と
なる。つまり、バイアスをオンしてから、Ｘ線を撮影す
るまでに１０秒以上の時間が必要となる。これは、先に
述べたように、使い勝手を大きく損なうものである。

【００４１】図５は、図２の動作を示す別の例のタイム
チャートである。

【００４２】図５において、読み取り期間と非読み取り
期間という、２つの動作期間があり、第１の光源は、読
み取り期間に点灯し、第２の光源は非読み取り期間に点
灯する。医療用のＸ線撮像装置の場合には、第１の光源
はＸ線源である。非破壊検査装置の場合の第１の光源
は、Ｘ線や他の放射線である。一方、第２の光源は、Ｌ
ＥＤ（発光ダイオード）やＥＬ（エレクトロルミネッセ
ンス）等で、光電変換素子の光吸収波長領域に発光波長
を有する光源である。

【００４３】第１の光源からの光は、図示していない
が、撮影体（被写体）の画像情報を得るために、撮影体
に照射される光である。医療用Ｘ線撮像装置であれば、
撮影体とは、来院患者の体である。第２の光源からの光
は、特に撮影体（被写体）に照射される必要はなく、何
らかの光路を経て、光電変換素子に到達されればよい。

【００４４】図５において、サイクル（Ｆ２）でＬＥＤ
（第２の光源）を点灯させ、サイクル（Ｆ３）でＸ線源
（第１の光源）を点灯させている。図５に示す例では、
サイクル（Ｆ１）及びサイクル（Ｆ２）を非読み取り期
間、サイクル（Ｆ３）を読み取り期間としている。

【００４５】ＬＥＤ光の照射によって流れる光電流は、
画像信号として読み取らない。すなわち非読み取り期間
サイクル（Ｆ２）でＬＥＤを点灯させている。

【００４６】ＬＥＤの光照射によって光電流が流れる
が、光のオフと同時にダーク電流が流れる状態にもど
る。しかしながら、ＬＥＤをオフした後は、図５に示し
たように、ＬＥＤをサイクル（Ｆ２）で照射しなかった
場合のダーク出力（破線）よりも小さく安定したダーク
出力（ダーク電流）を示す。

【００４７】これは、半導体層でＬＥＤの光エネルギー
を吸収し、生成したキャリアが絶縁層界面に溜まり、半
導体層の内部電界が緩和されて注入阻止層から流入キャ
リアが減少したことによる。次のサイクル（Ｆ３）にお
いては、図３に示したように、サイクル（Ｆ２）のＬＥ
Ｄ光による生成キャリアが、ダーク状態で数サイクル分
駆動させた効果があるため、ダーク電流は安定した状態
になっている。更に、予めトラップされていたダーク電
流に寄与する電子又は正孔が、光照射によって減少した
とも考えられる。

【００４８】このダーク電流の低い状態において、Ｘ線
を照射すれば、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得られる。

【００４９】つまり、Ｘ線撮影前にＬＥＤ光を照射して
ダーク電流を小さくすれば、長い時間を待つことなくＳ
／Ｎ比の高いＸ線画像が得られる。

【００５０】この非読み取り期間サイクル（Ｆ２）の操
作によって、次のサイクル（Ｆ３）は、ダーク電流が小
さいサイクルとなっている。図３におけるサイクル（Ｆ
６）以降のダーク電流の挙動が飽和したサイクルと同じ
であると考えてよい。読み取り期間サイクル（Ｆ３）に
Ｘ線を爆射させれば、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得られる。
図示していないがサイクル（Ｆ４）の信号を取り込み、
サイクル（Ｆ３）のＸ線出力から減算処理を施せば、サ
イクル（Ｆ３）の信号Ｘ線に含まれるダーク電流の固定
成分が補正される。結果として、Ｘ線撮影前にＬＥＤ光
を照射してダーク電流を小さくすれば、長い時間を待つ
ことなく、Ｓ／Ｎ比の高いＸ線画像が得られる。

【００５１】図５は、サイクル（Ｆ１）及びサイクル
（Ｆ２）を非読み取り期間に、サイクル（Ｆ３）を読み
取り期間にしたタイミングチャートであるが、もちろん
サイクル（Ｆ１）を非読み取り期間に、サイクル（Ｆ
２）を読み取り期間にしてもよい。その場合、Ｘ線爆射
までの時間は更に短縮される。

【００５２】図６は、図１に示した絶縁基板上に配置し
た光電変換素子及びスイッチング素子を、アモルファス
シリコン半導体薄膜を用いて構成した場合の光電変換基
板の平面図であり、それらを結線する配線を含めて記載
したものである。又、図７は、図６に示したＡ−Ｂ線に
おける断面図である。

【００５３】図６及び図７において、光電変換素子３０
１及びスイッチング素子３０２（アモルファスシリコン
ＴＦＴ、以下、ＴＦＴ）は、同一の光電変換基板（絶縁
基板）３０３上に形成されており、光電変換素子３０１
の下部電極は、ＴＦＴ３０２の下部電極（ゲート電極）
と同一の第１の金属薄膜層３０４とで共有されており、
光電変換素子３０１の上部電極は、ＴＦＴ３０２の上部
電極（ソース電極、ドレイン電極）と同一の第２の金属
薄膜層３０５とで共有されている。又、第１、第２の金
属薄膜層３０４、３０５は、光電変換回路部内の、ゲー
ト駆動用配線３０６、マトリクス信号配線３０７も共有
している。

【００５４】図６において、画素数は、２×２の計４画
素分である。図６に示したハッチング部は、光電変換素
子３０１の受光面である。３０９は、光電変換素子にバ
イアスを与える電源ラインである。又、３１０は、光電
変換素子３０１とＴＦＴ３０２とを接続するためのコン
タクトホールである。光電変換基板３０３下に配置され
たＬＥＤ光源からの光は、光電変換素子３０１の周囲
で、第１の金属薄膜層３０４や第２の金属薄膜層３０５
が存在していない領域から、蛍光体側に導かれる。光電
変換素子３０１の直下からは、第１の金属薄膜層３０５
で遮光されているため、ＬＥＤ光は入り込めない。

【００５５】次に、本実施形態を示す光電変換装置の回
路部の形成方法を説明する。

【００５６】図７は、上述したように、光電変換基板の
平面図である図６に示したＡ−Ｂ線における断面図であ
る。

【００５７】図７において、まず、絶縁基板３０３上に
スパッタ法や抵抗加熱法を用いて、クロム（Ｃｒ）を、
第１の金属薄膜層３０４として約５０ｎｍ蒸着し、フォ
トリソグラフィーによりパターニングして不必要なエリ
アをエッチングする。この第１の金属薄膜層３０４は、
光電変換素子３０１の下部電極及びスイッチング素子３
０２のゲート電極となる。次に、ＣＶＤ法によってり、
同一真空内でａ−ＳｉＮｘ（３１１）、ａ−Ｓｉ：Ｈ
（３１２）及びＮ⁺層（３１３）をそれぞれ、３００ｎ
ｍ、５００ｎｍ及び１００ｎｍずつ順次積層させる。こ
れらの各層３１１〜３１３は、それぞれ光電変換素子３
０１の絶縁層／光電変換半導体層／ホール注入阻止層で
あり、そして、スイッチング素子３０２（ＴＦＴ）のゲ
ート絶縁膜／半導体層／オーミックコンタクト層とな
る。又、第１の金属薄膜層３０４と第２の金属薄膜層３
０５とのクロス部（図６の３１４）の絶縁層としても利
用される。各層３１１〜３１３の膜厚は、上述した厚さ
に限らず、光電変換装置として使用する電圧、電荷や、
光電変換素子受光面の入射光量などによって最適に設計
される。少なくとも、ａ−ＳｉＮｘ３１１は、エレクト
ロンとホールが通過できず、更に、ＴＦＴのゲート絶縁
膜として十分機能できる５０ｎｍ以上のものが望まし
い。

【００５８】各層３１１〜３１３を堆積した後、コンタ
クトホール（図６の３１０参照）となるエリアをＲＩＥ
又はＣＤＥ等でドライエッチングし、その後、第２の金
属薄膜層３０５としてアルミニウム（Ａｌ）を、スパッ
タ法や抵抗加熱法で約１０００ｎｍ堆積させる。更に、
フォトリソグラフィーによってパターニングして、不必
要なエリアをエッチングする。第２の金属薄膜層３０５
は光電変換素子３０１の上部電極、スイッチングＴＦＴ
３０２のソース、ドレイン電極、その他の配線等とな
る。又、第２の金属薄膜層３０５の成膜と同時に、コン
タクトホール部３１０で上下の金属薄膜層が接続され
る。更に、ＴＦＴ３０２のチャネル部を形成するため
に、ソース電極、ドレイン電極間の一部をＲＩＥ法でエ
ッチングし、その後、不必要なａ−ＳｉＮｘ層、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層及びＮ⁺層を、ＲＩＥ法でエッチングして各素
子を分離する。これで、光電変換素子３０１、スイッチ
ングＴＦＴ３０２、他の配線類（３０６、３０７、３０
９）及びコンタクトホール部３１０が形成される。

【００５９】尚、図６においては４画素分のみしか図示
されていないが、多数の画素が同時に絶縁基板３０３上
に形成される。最後に、耐湿性向上を目的として、各素
子、配線類を、ＳｉＮｘのパッシベーション膜（保護
膜）３１５で被覆する。

【００６０】以上の説明の通り、光電変換素子、スイッ
チングＴＦＴ、配線類が同時に堆積された共通の第１の
金属薄膜層、ａ−ＳｉＮｘ、ａ−Ｓｉ：Ｈ、Ｎ⁺層及び
第２の金属薄膜層と各層のエッチングのみで本実施形態
の光電変換装置は形成される。

【００６１】図７において、蛍光体は、保護膜３１５の
上に直接、真空蒸着してもよいが、ある程度の厚さを確
保しなければならないため（０.１〜１ｍｍ）、別個の
プロセスでシート状に形成した後、接着剤を用いて貼り
あわせたほうが容易である。

【００６２】以上述べたような、アモルファスシリコン
半導体を主たる材料にしたプロセスを用いれば、光電変
換素子、スイッチング素子、ゲート駆動用配線、マトリ
クス信号配線が、同一基板上に同時に作製され、大面積
の光電変換回路部が、容易に、しかも安価で提供され
る。

【００６３】図８は、図１に示した光電変換装置の２次
元的回路図である。この回路では、説明を簡単化するた
めに３×３＝９画素分のみを記載してある。

【００６４】図８において、光電変換素子やスイッチン
グ素子（ＴＦＴ）等の平面図、断面図は図６や図７に示
したものと同一である。光電変換素子は、スイッチング
素子と同一の層構成であり、ＭＩＳ型のコンデンサとし
て構成されている。但し、光を入射させる都合上、通常
のＭＩＳコンデンサと異なるのは、Ｎ⁺層を光電変換素
子の上部電極として利用していることである。光電変換
素子は容量素子でもあり、光電変換された信号電荷は、
自らの容量に蓄積される。

【００６５】次に、図１〜図８に示した本実施形態にお
いて、外部に設けたバイアス回路を用いてコンデンサで
もある光電変換素子のリセットを行った上で、光電変換
電荷の蓄積、ＴＦＴによる転送、信号の読み出し、とい
った動作を行う方法について説明する。尚、前述した光
電変換素子のリセット動作を、今後「リフレッシュ」と
称する。又、図８において、光電変換素子はＳ１−１〜
Ｓ３−３であり、図６における第１の金属薄膜層は、光
電変換素子の「Ｇ」電極、第２の金属薄膜層は「Ｄ」電
極である。但し、Ｄ電極は、光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ
３−３にとっては、前述したようにＮ⁺層も含めて電極
として機能する。

【００６６】次に、光電変換素子単体のデバイス動作に
ついて説明する。

【００６７】図９（ａ）、〜図９（ｃ）は、その光電変
換素子単体のデバイス動作を説明するためのエネルギー
バンド図である。

【００６８】図９（ａ）、図９（ｂ）は、それぞれ、本
実施形態のリフレッシュモード及び光電変換モードの動
作を示す図であり、図７に示した各層の膜厚方向の状態
を表している。

【００６９】Ｍ１は、第１の金属薄膜層（Ｃｒ）で形成
された下部電極（Ｇ電極）である。ａ−ＳｉＮｘ層は、
電子及びホール両者の通過を阻止する絶縁層である。ト
ンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、５
０ｎｍ以上に設定される。ａ−Ｓｉは、真性半導体ｉ層
で形成された光電変換半導体層である。Ｎ⁺層は、ａ−
Ｓｉ層へのホールの注入を阻止するために形成されたＮ
型ａ−Ｓｉ層の注入阻止層である。又、Ｍ２は、第２金
属薄膜層（Ａｌ）で形成される上部電極（Ｄ電極）であ
る。

【００７０】本実施形態では、Ｄ電極はＮ⁺層を完全に
は覆っていないが、Ｄ電極とＮ⁺層との間は電子の移動
が自由に行われるため、Ｄ電極とＮ⁺層とは常に同電位
であり、以下の説明では、そのことを前提としている。

【００７１】本実施形態の光電変換素子には、Ｄ電極、
Ｇ電極の電圧の印可方法によって、リフレッシュモード
と光電変換モードという２種類のモードがある。

【００７２】図９（ａ）（リフレッシュモード）におい
て、Ｄ電極はＧ電極に対して負の電位が与えられてお
り、ｉ層中の黒丸で示されたホールは、電界によりＤ電
極に導かれる。同時に白丸で示された電子は、ｉ層に注
入される。このとき、一部のホールと電子は、Ｎ⁺層、
ｉ層において再結合して消滅する。十分に長い時間この
状態が続けば、ｉ層内のホールはｉ層から掃き出され
る。

【００７３】この図９（ａ）の状態（リフレッシュモー
ド）から図９（ｂ）の状態（光電変換モード）にするた
めには、Ｄ電極に、Ｇ電極に対して正の電位を与える。
すると、ｉ層中の電子は瞬時にＤ電極に導かれる。しか
し、ホールは、Ｎ⁺層が注入阻止層として働くため、ｉ
層に導かれることはない。この状態でｉ層に光が入射す
ると、光が吸収されて電子ホール対が発生する。この電
子は、電界によりＤ電極に導かれ、ホールはｉ層内を移
動し、ｉ層とａ−ＳｉＮｘ絶縁層との界面に達する。し
かし、絶縁層内には移動できないため、ｉ層内に留まる
ことになる。このとき、電子はＤ電極に移動し、ホール
はｉ層内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子内
の電気的中性を保つために、電流がＧ電極から流れる。
この電流は、光により発生した電子・ホール対に対応す
るため、入射した光に比例する。

【００７４】ある期間、光電変換モードである図９
（ｂ）の状態を保った後、再びリフレッシュモードの図
９（ａ）の状態になると、ｉ層に留まっていたホール
は、前述したようにＤ電極に導かれ、同時に、このホー
ルに、対応した電流が流れる。このホールの量は、光電
変換モード期間に入射した光の総量に対応する。このと
き、ｉ層内に注入される電子の量に対応した電流も流れ
るが、この量はおよそ一定であるため差し引いて検出す
ればよい。つまり、本実施形態において、この光電変換
素子は、リアルタイムで入射する光の量を出力すると同
時に、ある期間に入射した光の総量も検出する。

【００７５】しかしながら、何らかの理由によって光電
変換モードの期間が長かったり、入射する光の照度が強
い場合には、光の入射があるにもかかわらず電流が流れ
ないことがある。この原因は、図９（ｃ）のように、ｉ
層内にホールが多数留まり、このホールのためにｉ層内
の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなり、
ｉ層内でホールと再結合してしまうことにある。この状
態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に流れ
ることもあるが、再びリフレッシュモードにすれば、ｉ
層内のホールは掃き出されて、次の光電変換モードで
は、再び光に比例した電流が流れる。

【００７６】又、前述した説明において、リフレッシュ
モードでｉ層内のホールを掃き出す場合には、すべての
ホールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃
き出すだけでも効果はあり、すべてのホールを掃き出す
のと等しい電流が得られる。

【００７７】つまり、次の光電変換モードでの検出機会
において、図９（ｃ）の状態になっていなければよく、
リフレッシュモードにおけるＤ電極のＧ電極に対する電
位、リフレッシュモードの期間及びＮ⁺層の注入阻止層
の特性を決めればよい。又、更にリフレッシュモードに
おいて、ｉ層への電子の注入は必要条件でなく、Ｄ電極
のＧ電極に対する電位は負に限定されるものでもない。
その理由は、ホールが多数ｉ層に留まっている場合に
は、たとえＤ電極のＧ電極に対する電位が正の電位であ
っても、ｉ層内の電界は、ホールをＤ電極に導く方向に
加わるからである。又、Ｎ⁺層の注入阻止層の特性も、
同様に、電子をｉ層に注入できることが必要条件ではな
い。

【００７８】次に、本実施形態の光電変換装置の動作に
ついて、前述した図８と、図１０とを用いて説明する。

【００７９】図１０は、図８の光電変換装置の動作を示
すタイミングチャートである。

【００８０】図１０において、制御信号ＶＳＣは、光電
変換素子のバイアスラインＲＥＦすなわち光電変換素子
のＤ電極に、２種類のバイアスを与えるためのものであ
る。Ｄ電極は、ＶＳＣが「Ｈｉ」のときにＶＲＥＦ
（Ｖ）になり、「Ｌｏ」のときにＶＳ（Ｖ）になる。符
号１０６Ａ及び符号１０６Ｂの示すものは、直流電源で
あり、それぞれ、読み取り用電源ＶＳ（Ｖ）、リフレッ
シュ用電源ＶＲＥＦ（Ｖ）である。

【００８１】まず、リフレッシュ期間の動作について説
明する。

【００８２】シフトレジスタ１０２の信号をすべて「Ｈ
ｉ」の状態にし、読み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を
「Ｈｉ」の状態にする。そうすると、スイッチング用の
全ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）が導通し、読み出し用
回路内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３も導通し、全
光電変換素子のＧ電極が、ＧＮＤ電位になる。そして、
制御信号ＶＳＣが「Ｈｉ」になると、全光電変換素子の
Ｄ電極がリフレッシュ用電源ＶＲＥＦにバイアスされた
状態（負電位）になる。すると、全光電変換素子Ｓ１−
１〜Ｓ３−３はリフレッシュモードになり、いわゆるリ
フレッシュが行われる。

【００８３】次に、光電変換期間について説明する。

【００８４】制御信号ＶＳＣが「Ｌｏ」の状態に切り替
わると、全光電変換素子のＤ電極は読み取り用電源ＶＳ
にバイアスされた状態（正電位）になる。すると、光電
変換素子は、光電変換モードになる。この状態でシフト
レジスタ１０２の信号をすべて「Ｌｏ」の状態にし、読
み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を「Ｌｏ」の状態にす
る。すると、スイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ
３−３）がオフし、読み出し用回路内のスイッチ素子Ｒ
ＥＳ１〜ＲＥＳ３もオフし、全光電変換素子のＧ電極
は、直流的にはオープン状態になるが、光電変換素子は
コンデンサでもあるため電位は保持される。

【００８５】しかし、この時点では、光電変換素子に光
は入射されていないため、電荷は発生しない。すなわち
電流は流れない。この状態で光源がパルス的に（交流的
に）オンすると、それぞれの光電変換素子のＤ電極（Ｎ
＋電極）に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光
源については、図８において、特に記載はしていない
が、例えば、複写機であれば、蛍光灯、ＬＥＤ、ハロゲ
ン灯等である。Ｘ線撮像装置であれば文字通りＸ線源で
あり、Ｘ線可視変換用のシンチレータを用いればよい。
これらの光によって流れた光電流は、電荷として、それ
ぞれの光電変換素子内に蓄積され、光源がオフ後も保持
される。

【００８６】次に読み出し期間に移行するが、その動作
については、上述した内容と全く同じであるため、説明
はここでは省略する。

【００８７】リフレッシュ期間、光電変換期間及び読み
出し期間を経て、１枚の画像が得られるが、動画のよう
な複数枚の画像を得る場合には、上述した動作を繰り返
せば良い。本実施形態では、光電変換素子のＤ電極が共
通に接続され、この共通の配線を制御信号ＶＳＣで、リ
フレッシュ用電源ＶＲＥＦと読み取り用電源ＶＳの電位
に制御しているため、全光電変換素子を、同時に、リフ
レッシュモードと光電変換モードとに切り替えることが
できる。このため、複雑な制御をすることなしに、１画
素あたり１個のＴＦＴで、光出力が得られる。

【００８８】（実施形態２）図１１は、本発明に係る光
電変換装置の実施形態２を示す断面図である。

【００８９】図１に示した実施形態１の光電変換装置と
異なる点は、光電変換基板（絶縁基板）の下に導光体が
配置されており、ＬＥＤが導光体の側面に具備されてい
ることである。導光体の材質は、アクリルやガラスな
ど、屈折率が空気と異なる透明なものを用いている。

【００９０】図１１は、光電変換装置の断面構成の図と
して表記しているが、紙面奥行き方向にも光電変換素子
は２次元状に配置されている。又、ＬＥＤも紙面奥行き
方向に１次元状に配置されている。導光体の側面から入
射した光は、導光体内部に進入する。このとき、導光体
の屈折率と周囲の空気の屈折率とで決まる臨界角よりも
浅い角度で進む光は、導光体界面で全反射して、更に内
部に進入する。しかし、導光体上面で臨界角よりも深い
角度で入った光は、一部が屈折して光電変換基板側へ導
かれる。

【００９１】図１１で示した導光体の上面及び下面は平
面状に書かれているが、粗面状に加工しておけば、そこ
での拡散性も増し、導光体から光電変換基板の側へ出射
する光が多くなる。絶縁基板側へ出た光は、光電変換素
子の側面を抜け、蛍光体面で反射し、光電変換素子の受
光面に到達する。本実施形態での光電変換装置は、ＬＥ
Ｄの数を大幅に減らすことができるため、コスト的に有
利に働き、又、消費電力が軽減される。

【００９２】（実施形態３）図１２は、本発明に係る光
電変換装置の実施形態３を示す断面図である。

【００９３】図１に示した実施形態１の光電変換装置と
異なる点は、光電変換素子が配置されている絶縁基板と
導光体とを兼用している点である。導光体兼絶縁基板の
材質は、ガラスなどの、屈折率が空気と異なる透明なも
のを用いる。図１２は、光電変換装置の断面構成の図と
して表記しているが、紙面奥行き方向にも光電変換素子
は２次元状に配置されている。又、ＬＥＤも紙面奥行き
方向に１次元状に配置されている。

【００９４】図１２において、導光体兼絶縁基板の側面
から入射した光は、内部に進入する。このとき、導光体
兼絶縁基板の下面において周囲の空気の屈折率で決まる
臨界角よりも浅い角度で進む光は、導光体界面で全反射
して、更に内部に進入する。しかし、導光体兼絶縁基板
下面で臨界角よりも深い角度で入った光は、一部が屈折
し、光電変換基板側へ導かれる。図１２内で示した導光
体兼絶縁基板の下面は平面状に書かれているが、租面状
に加工しておけば、そこでの拡散性も増し、導光体兼絶
縁基板から蛍光体側へ出射する光が多くなる。蛍光体側
へ出た光は、光電変換素子の側面を抜け、蛍光体面で反
射し、光電変換素子の受光面に到達する。一方、導光体
兼絶縁基板の上面においては、光電変換素子（やスイッ
チング素子）の第１の金属薄膜層に衝突した光は、すべ
て反射される。又、第１の金属薄膜層以外の保護層に衝
突した光は、保護層の屈折率と導光体兼絶縁基板の屈折
率で決定される光の進行条件に基づいて、反射あるいは
屈折する。

【００９５】本実施形態での光電変換装置は、ＬＥＤの
数を大幅に減らすことができるため、コスト的に有利に
働き、又、消費電力を軽減させることができる。又、導
光体を絶縁基板と兼用するため光電変換装置を軽量、小
型にすることができる。

【００９６】（実施形態４）図１３は、本発明に係る光
電変換装置の実施形態４を示す断面図である。

【００９７】図１に示した実施形態１の光電変換装置と
異なる点は、ＬＥＤ光源を用いず、外光を用いている点
である。シャーシは、外光を導光体側に取り入れるとき
に開き、そうでないときには閉じている。この開閉は、
モータなどを用いて自動的に制御すればよい。上述した
実施形態３に比べて、ＬＥＤを配置するスペース分だ
け、装置が小型化される。又、モータの消費電力にもよ
るが、ＬＥＤを並べた実施形態３よりも消費電力が軽減
される可能性がある。又、外光が、ＬＥＤよりも光量が
大きい場合には有効である。

【００９８】（実施形態５）図１４は、本発明に係る光
電変換装置の実施形態５を示す断面図である。

【００９９】本実施形態の光電変換装置は、今までの説
明に使用した医療用Ｘ線撮像装置や被破壊検査装置な
ど、被読み取り物体にＸ線を照射する形態ではなく、原
稿を読み取る複写機やファクシミリなどへ応用した形態
である。

【０１００】図１４は、光電変換装置の断面構成の図と
して表記しているが、紙面奥行き方向にも、光電変換素
子やＬＥＤが２次元状に配置されている。又、実施形態
１を示した図１では省略しているが、絶縁基板上に、光
電変換素子と一対でスイッチング素子が配置されていて
もよい。

【０１０１】絶縁基板の下に配置されたＬＥＤから出射
された光（可視光）は、絶縁基板を透過し、光電変換素
子の側面を通過して被読み取り物体である原稿に到達す
る。原稿表面に記載されている文字や画像の濃度に応じ
て、光は原稿面で反射し、光電変換素子の受光面に照射
されるようになっている。

【０１０２】ＬＥＤは、「読み取り期間」及び「非読み
取り期間」両方の期間に点灯する。「読み取り期間」で
のＬＥＤの点灯は文字どおり、原稿情報を光電変換素子
によって読み取るために点灯し、「非読み取り期間」で
のＬＥＤの点灯は、「読み取り期間」での原稿情報をＳ
／Ｎ比よく光電変換するために点灯させている。「非読
み取り期間」内でのＬＥＤ点灯においては、原稿が光電
変換素子上部に配置されていても、配置されていなくて
もかまわない。すなわち、どちらでも、幾分かの光が光
電変換素子の受光面に到達するからである。

【０１０３】情報が記載されている原稿は、その原稿や
インクの原料により、ＬＥＤからの光の反射特性が異な
るが、完全に吸収するものでなければよく、数％程度の
光が光電変換素子に到達すればよい。実施形態１の光電
変換装置を示した図１においては、ＬＥＤ光が蛍光体に
垂直に照射されているように表記されているが、実質
上、斜め方向から入射する光もあるため、原稿面での鏡
面反射成分を含めれば、原稿面で光をすべて吸収するこ
とはない。又、原稿が存在しない場合には、垂直方向に
昇ったＬＥＤ光は光電変換素子に到達されない。しか
し、保護層と周囲空気とでは屈折率が異なるため、ＬＥ
Ｄからの斜め方向からの光や、光電変換素子やスイッチ
ング素子の金属薄膜層エッジ部で散乱した斜めの光は、
保護層界面で、光電変換素子側へ一部が反射する。

【０１０４】（実施形態６）図１５は、本発明に係る実
施形態６を示す光電変換素子１画素分の回路図である。

【０１０５】光電変換素子は、ＰＩＮ型ホトダイオード
を示しており、材料としてはアモルファスシリコン、結
晶シリコンのどちらでもよい。

【０１０６】光電変換素子のダイオードのカソード側
は、ＳＷ１に、アノード側は電流計に接続されている。
ＳＷ１の他方は、光電変換素子にバイアスを与えるため
の電源（Ｖｓ）に接続されるか、又は零バイアス（ＧＮ
Ｄ）に接続されるか、どちらかに切り替えることができ
る。第１の光源であるＸ線源から照射したＸ線は、図示
しない被験体（病院では患者）に照射され、そこを通過
したＸ線は蛍光体にあたる。蛍光体でＸ線は吸収され、
可視光に変換される。蛍光体からの可視光は、光電変換
素子に照射される。

【０１０７】図１５に示した本実施形態の光電変換素子
の回路図は１画素分の回路図なので、光電変換素子と蛍
光体との位置関係は表現されていないが、図１に示した
実施形態１と同様に、実質上密着させることによって画
像の解像度特性を向上させている。一方、第２の光源で
あるＬＥＤ光源は、Ｘ線とは別の光路で光電変換素子に
照射される。ＳＷ２、ＳＷ３は、それぞれ、Ｘ線源、Ｌ
ＥＤ光源を点灯させるスイッチである。

【０１０８】図１６は、図１５で示した実施形態６の回
路における動作のタイミングチャートであり、Ｘ線源、
ＬＥＤ光源、光電変換素子のバイアス、光電変換素子の
出力を記載している。図１６では、光電変換素子のダー
ク出力の様子を示すために敢えてＸ線やＬＥＤを点灯さ
せていない。

【０１０９】図１６において、光電変換素子のバイアス
を与えると、光電変換素子にダーク電流が流れる。理想
的には零でありたいが、実際には零ではない。又、電源
をオンすると同時に一定の電流が流れるのではなく、ダ
ーク電流は、オン直後は大きく、時間と共に減衰する。

【０１１０】一般に、光電変換素子を、アモルファスシ
リコン半導体を主たる材料にするＰＩＮホトダイオード
で形成する場合には、アモルファス半導体膜中のダング
リングボンドや作成過程で混入した不純物によって、欠
陥準位を形成する。それらは、トラップ準位として働
き、電源をオンした直後あるいはオンさせる前において
も、電子又は正孔をトラップしており、数ミリ秒〜数十
秒間の時間を経てから、伝導帯あるいは価電子帯に熱的
に励起され、伝導電流（ダーク電流）が流れる。特に、
Ｐ層とＩ層との界面部分やＩ層とＮ層との界面部分は、
トラップ準位が多いと言われ、それらがダーク電流に寄
与するものと考えられている。

【０１１１】又、Ｐ層、Ｎ層のブロッキング特性も完全
なものではなく、外からＩ層内部へ流入してくるキャリ
アによるダークの成分も増加するとも考えられている。

【０１１２】又、アモルファス半導体膜を用いずに、結
晶型のＰＩＮ型ホトダイオードを用いる場合には、作成
するプロセス条件や装置などにも依存するが、アモルフ
ァスほどトラップ準位は多くはないと言われる。しか
し、Ｐ層とＩ層との界面部分又はＩ層とＮ層との界面部
分は、結晶格子のミスマッチが多く、トラップ準位は零
ではなく、やはり、図１６で示した光電変換素子の出力
の傾向をもつ。

【０１１３】光電変換素子のダーク出力（ダーク電流）
が十分減衰するのを待てば、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得ら
れる。しかし、目標とするダーク出力レベルに減衰する
までに数秒〜数１０秒の長い時間を要する場合には、非
常に使い勝手がよくない装置となる。なぜならば、例え
ば、病院で使用するＸ線撮像装置の場合には、撮影室に
患者を誘導して、光電変換素子を投入し、数秒〜数十秒
待ってからＸ線を爆射させなければならないからであ
る。患者が撮影室に入る前から光電変換素子の電源を投
入させておけばよいが、その場合には、光電変換素子の
劣化（特性変化、腐食等）が促進され、長寿命の装置の
提供が困難である。

【０１１４】図１７は、図１５に示した実施形態６の回
路における動作のタイミングチャートであり、光電変換
素子の電源をオンした後にＬＥＤ光源を点灯した場合を
示している。

【０１１５】ＬＥＤをオンさせることにより、ホトダイ
オードに光電流が流れ、やがてＬＥＤをオフすると同時
に、光電流は絶たれる。このとき、ＬＥＤのオフ後のダ
ーク電流は、ＬＥＤをオンさせなかったとき（タイミン
グチャートは図１６）に比べて、ダーク電流が時間に対
して安定し、場合によって小さくなる。これは、照射し
たＬＥＤの光エネルギーによって、半導体層内部に生成
された過剰なキャリアによって半導体層内の内部状態
（特に界面部）が安定化され、電子又は正孔が光を照射
したことによって、解き放たれたことによるものであ
る。このダーク電流の低い状態において、Ｘ線を照射す
れば、Ｓ／Ｎ比の高い信号が得られる。

【０１１６】つまり、Ｘ線撮影前にＬＥＤ光を照射し、
ダーク電流を小さくすれば、長い時間を待つことなくＳ
／Ｎ比の高いＸ線画像が得られる。

【０１１７】図１８は、ＬＥＤをオンさせた後にＸ線を
オンさせたときの光電変換素子の出力の様子を示したタ
イミングチャートである。

【０１１８】ＬＥＤは、短時間でＸ線爆射を行う際に、
光電変換素子のダーク電流を小さくするために予め点灯
させる。そのときに流れる光電流は、画像情報の読み取
りとしてはなんら関係ない。ＬＥＤを点灯させるための
期間を、非読み取り期間と称する。一方、Ｘ線は、患者
の体内情報を読み取るために照射される。Ｘ線が照射さ
れる期間は、読み取り期間と称する。非読み取り期間内
にＬＥＤ（第２の光源）が照射され、読み取り期間内に
Ｘ線（第１の光源）が照射される。非読み取り期間と読
み取り期間の長さ、あるいはＬＥＤの照射時間などは、
光電変換素子のダーク出力（ダーク電流）の特性や光電
変換装置として求められるＳ／Ｎ比によって設計され
る。

【０１１９】（実施形態７）図１９は、本発明に係る実
施形態７を示す光電変換装置のブロック図である。図１
９のブロック図では、病院内で使用されるＸ線撮像装置
としての概要を表記している。

【０１２０】図１９において、Ｘ線源を出射したＸ線は
患者に照射され、患者を透過したＸ線がＸ線可視変換蛍
光体に到達する。そのＸ線は、Ｘ線可視変換蛍光体で可
視光に変換され、その可視光が光電変換素子に照射され
る。その可視光は、患者の体内の像情報を有する光であ
る。光電変換素子とＸ線可視変換蛍光体とは実質上密着
しており、図１９においては、薄い保護層を介在して密
着している。又、光電変換素子は、基板上に配置されて
いる。基板の光電変換素子と反対側には、ＬＥＤ光源が
配置されている。ＬＥＤの光は、基板を通過して、Ｘ線
可視変換蛍光体で反射した後、光電変換素子に到達す
る。

【０１２１】Ｘ線の照射（スイッチオン）及びＬＥＤ光
源の点灯（スイッチオン）は、制御手段によって制御さ
れる。もちろん、この制御手段は、スイッチのオンだけ
ではなくスイッチのオフも制御している。

【０１２２】図１９においては、光電変換素子を１種類
でしか表記していないが、図８に示した２次元的電気回
路図のようにＴＦＴと１対で存在していると考えてよ
い。更に図１９では、基板上に配置された光電変換素子
のみが図示されているが、図８に示したような光電変換
回路部１０１及び読み出し用回路部１０７が具備されて
いると考えてもよい。光電変換回路部１０１及び読み出
し用回路部１０７などは、図１０で示されるタイミング
チャートに基づく信号で駆動されることになる。それら
の信号は、ＶＳＣ、ＲＥＦ、ＣＲＥＳ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ
３、ＳＭＰＬ、Ｓｒ1、Ｓｒ2、Ｓｒ3などである。これ
らは、タイミング発生装置から出力され、そして光電変
換装置（図８に示した１０１、１０７）に入力される。
つまりタイミング発生装置からの信号は、光電変換装置
を駆動させることになる。そして、図１９で示されるよ
うに、タイミング発生回路は、制御手段によって制御
（オン／オフ）される。つまり、光電変換装置が制御手
段によって制御される。制御手段を構成する例として
は、コンピュータがあげられる。制御手段は、Ｘ線源、
光電変換装置及びＬＥＤを独立に制御でき、そして、そ
の制御手段にコンピュータを用いれば、その制御方法は
ソフトによるプログラムが可能となる。つまり、使い勝
手が向上し、ひいては、病院内で使用されるＸ線撮像装
置として付加価値も高くなる。

【０１２３】又、図１９では図示していないが、、図８
に示したＡ／Ｄ変換回路部１０５を、光電変換回路部１
０１及び読み出し用回路部１０７の近傍に配置し、Ａ／
Ｄ変換回路部１０５のディジタルデータをコンピュータ
（制御手段）内のメモリに格納するといった方法も考え
られる。

【０１２４】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、第１の光
源とは別に第２の光源を非読み取り期間に照射した後、
第１の光源を読み取り期間に照射することによって、撮
影時間が大幅に短縮され、ダーク電流が小さくＳ／Ｎ比
の高い画像が得られる光電変換装置が可能となる。又、
撮影時間を大幅に短縮することによって、使い勝手を向
上させることができる。又、１枚の撮影において、光電
変換素子やスイッチング素子に印加されるバイアスの時
間が減少し、装置としての耐久性能も向上する。撮影時
間が短縮されれば、医療装置の場合には、患者に対する
心的負担が大きく軽減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態１の光電変換装置を示す
断面図である。

【図２】本発明に係る実施形態１の光電変換素子を用い
た回路図である。

【図３】図２に示した回路のタイミング図（１）であ
る。

【図４】図２に示した回路のタイミング図（２）であ
る。

【図５】図２に示した回路のタイミング図（３）であ
る。

【図６】図１に示した光電変換素子及びスイッチ素子の
平面図である。

【図７】図６に示したＡ−Ｂ線における断面図である。

【図８】図１に示した光電変換装置の２次元的電気回路
図である。

【図９】図１に示したＭＩＳ型光電変換素子の動作を示
すバンド図である。

【図１０】図８の動作を示すタイミング図である。

【図１１】本発明に係る実施形態２の光電変換装置を示
す断面図である。

【図１２】本発明に係る実施形態３の光電変換装置を示
す断面図である。

【図１３】本発明に係る実施形態４の光電変換装置を示
す断面図である。

【図１４】本発明に係る実施形態５の光電変換装置を示
す断面図である。

【図１５】本発明に係る実施形態６の光電変換素子を用
いた回路図である。

【図１６】図１５に示した回路のタイミング図（１）で
ある。

【図１７】図１５に示した回路のタイミング図（２）で
ある。

【図１８】図１５に示した回路のタイミング図（３）で
ある。

【図１９】本発明に係る実施形態７の光電変換装置のブ
ロック図である。

【符号の説明】

Ｓ１−１〜Ｓ３−３ 光電変換素子 Ｔ１−１〜Ｔ３−３ スイッチング素子 ＳＲ１ シフトレジスタ（スイッチング素
子用） ＳＲ２ シフトレジスタ（読み出しスイッ
チ用） Ｇ１〜Ｇ３ ゲート駆動配線 Ｍ１〜Ｍ３ マトリクス信号配線 １０６Ａ 光電変換素子のバイアス電源 １０６Ｂ 光電変換素子のリフレッシュ電源 １０１ 光電変換回路部 １０７ 読み出し用回路部 １０５ Ａ／Ｄ変換回路部 ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ Ｍ１〜Ｍ３に形成される負荷容量
をリセットするスイッチ Ａ１〜Ａ３ バッファアンプ Ｂ１〜Ｂ３ バッファアンプ Ｓｎ１〜Ｓｎ３ 読み出し容量に信号を転送するた
めの転送スイッチ Ｓｒ１〜Ｓｒ３ 読み出し容量の信号を順次読み出
すためのスイッチ ３０１ 光電変換素子 ３０２ スイッチング素子（ＴＦＴ） ３０６ ゲート駆動用配線 ３０７ マトリクス信号配線 ３１０ コンタクトホール部 ３１４ 配線クロス部 ３０４ 第１の金属薄膜層 ３０５ 第２の金属薄膜層 ３１１ ｓ−ＳｉＮ絶縁薄膜層 ３１２ ｓ−Ｓｉ半導体薄膜層 ３１３ Ｎ⁺層 ３０３ 絶縁基板 ３１５ 保護膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 31/10 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ ５Ｆ０８８ Ｈ０４Ｎ 5/32 31/00 Ａ 5/335 31/10 Ａ Ｆターム(参考） 2G088 EE01 FF02 GG19 GG20 JJ04 JJ05 KK32 LL11 4M118 AA05 AA08 AB10 BA05 CA05 CA07 CA32 CA40 CB06 CB11 DD12 FB08 FB09 FB13 FB16 GA10 5B047 AA17 BA02 BB06 BC12 CA19 CB04 5C024 AX12 AX17 CX32 GY31 5F049 MA01 MA20 MB05 NA17 NB05 SE04 UA02 WA07 5F088 AA01 AB05 BA10 BB03 CA02 DA01 EA04 FA04 LA08

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に複数の光電変換素子が１次元又
   は２次元アレー状に配列された光電変換基板と、第１の
   光源と、第２の光源とを具備し、前記第１の光源は被読
   み取り物体に照射されるように配置され、前記第２の光
   源はその出射光が前記光電変換素子の受光面に到達する
   ように配置された光電変換装置において、 前記被読み取り物体を光電変換し画像情報を得るための
   読み取り期間と、前記読み取り期間以外の非読み取り期
   間を設け、前記第１の光源は前記読み取り期間内に点灯
   し、前記第２の光源は前記非読み取り期間内に点灯する
   ことを特徴とする光電変換装置。
2. 【請求項２】 前記光電変換基板に複数の光電変換素子
   及び複数のスイッチング素子を１次元又は２次元アレー
   状に配置することを特徴とする請求項１に記載の光電変
   換装置。
3. 【請求項３】 前記光電変換基板上に配置した光電変換
   素子及びスイッチング素子の材料として、アモルファス
   シリコン半導体を用いることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 前記第２の光源として、ＬＥＤ、ＥＬ、
   冷陰極管又は半導体レーザを用いることを特徴とする請
   求項１に記載の光電変換装置。
5. 【請求項５】 前記第１の光源と前記第２の光源とが同
   一であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装
   置。
6. 【請求項６】 前記第１の光源にＸ線源を、前記第２の
   光源に可視光源を用い、前記光電変換素子は可視波長領
   域に光吸収帯を有し、前記Ｘ線源により照射された前記
   被読み取り物体からのＸ線を可視光に変換するための波
   長変換体を具備したことを特徴とする請求項１乃至４の
   いずれか一つに記載された光電変換装置。
7. 【請求項７】 前記波長変換体は蛍光体を有することを
   特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 【請求項８】 前記蛍光体として、その母体材料に、Ｇ
   ｄ₂Ｏ₂Ｓ、Ｇｄ₂Ｏ₃又はＣ_SＩを用いたことを特徴とす
   る請求項７に記載の光電変換装置。
9. 【請求項９】 入射された像情報を有する光を光電変換
   するための光電変換素子の複数を備える基板と、前記像
   情報を有する光とは別に前記光電変換素子の複数に像情
   報を担わない光を入射するための光源とを具備する光電
   変換デバイス。
10. 【請求項１０】 前記像情報を有する光は、波長変換体
    によって波長変換された光であることを特徴とする請求
    項９に記載の光電変換デバイス。
11. 【請求項１１】 前記波長変換体は蛍光体を有すること
    を特徴とする請求項１０に記載の光電変換デバイス。
12. 【請求項１２】 前記光源は、ＬＥＤ、ＥＬ、冷陰極管
    又は半導体レーザからなる群から選択された光源を有す
    ることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に
    記載の光電変換デバイス。
13. 【請求項１３】 入射された像情報を有する光を光電変
    換するための光電変換素子の複数を備える基板と、前記
    像情報を有する光とは別に前記光電変換素子の複数に像
    情報を担わない光を入射するための光源とを備える光電
    変換デバイスと、前記光電変換デバイスに像情報を入射
    するために用いられる電磁波照射手段と、前記電磁波照
    射手段及び前記光源を含む前記光電変換デバイスを制御
    する制御手段とを具備することを特徴とする像情報処理
    システム。
14. 【請求項１４】 前記像情報を有する光は、波長変換体
    によって波長変換された光であることを特徴とする請求
    項１３に記載の像情報処理システム。
15. 【請求項１５】 前記波長変換体は蛍光体を有すること
    を特徴とする請求項１４に記載の像情報処理システム。
16. 【請求項１６】 前記電磁波照射手段は、Ｘ線源である
    ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に
    記載の像情報処理システム。
17. 【請求項１７】 前記制御手段は、像情報を読み取る期
    間に前記電磁波照射手段を駆動し、像情報の非読み取り
    期間に前記光電変換デバイスを駆動するために用いられ
    ることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項
    に記載の像情報処理システム。
18. 【請求項１８】 電磁波照射手段から電磁波を照射して
    被写体を通過した像情報を有する光を光電変換素子に入
    射して光電変換する工程と、 前記電磁波を照射しない期間に、前記電磁波照射手段と
    は別の光源から像情報を担わない光を前記光電変換素子
    に入射する工程と、 を含むことを特徴とする像情報処理システムの駆動方
    法。
19. 【請求項１９】 前記像情報を有する光は、波長変換体
    によって前記電磁波が波長変換された光であることを特
    徴とする請求項１８に記載の像情報処理システムの駆動
    方法。
20. 【請求項２０】 前記波長変換体は、蛍光体を有するこ
    とを特徴とする請求項１９に記載の像情報処理システム
    の駆動方法。
21. 【請求項２１】 前記電磁波はＸ線であることを特徴と
    する請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の像情報
    処理システムの駆動方法。
22. 【請求項２２】 前記電磁波の照射期間は像情報読み取
    り期間であり、前記光源の駆動期間は像情報の非読み取
    り期間であることを特徴とする請求項１８乃至２１のい
    ずれか１項に記載の像情報処理システムの駆動方法。