JP2003163345A - 放射線変換基板、放射線検出装置 - Google Patents
放射線変換基板、放射線検出装置Info
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Abstract
を画素電極へ移動しないようにして、その電荷による画
質の異常を防止することができるようにする。 【解決手段】 放射線を電荷に変換する変換部と、前記
変換部の端面から発生した電荷を収集する電極を、前記
変換部の端面近傍に配設することにより、前記変換部を
有する放射線変換基板の端部に発生した不要な電荷を端
部近傍に備えた電極で収集し、高感度な放射線変換基板
を提供することができるようにする。
Description
に変換する放射線変換基板と、これと電荷転送部を併せ
もつ放射線検出装置に関し、特に、X線を含む撮像装置
に用いて好適なものである。
術を応用した放射線機器のデジタル化が進んでいる。こ
の放射線機器のデジタル化により、従来はフィルムや紙
で保存していた画像や医療情報をデジタル情報として記
録でき、また、リアルタイムで画像や情報を表示した
り、遠隔地へ転送することを可能とするにとどまらず、
新しい原理、材料を用いてより高感度、高性能な装置を
誕生させるまでに至っている。
患者に照射する線量を少なくすることができ、患者の負
担が軽減できる。さらに、従来は別々の装置であった静
止画撮影装置と動画撮影装置を一つの装置で行うことが
可能となり、診断や検診の効率化により患者の負担を軽
減できることから、医療現場の大きな進歩として期待さ
れている。
に蛍光体を用いて可視光に変換し、その可視光を半導体
光センサで読み取りを行い、さらに電気信号へと変換す
る方式で実現している。この方式を用いて、より高感度
のX線撮像装置を作る場合には、蛍光体の変更、半導体
光センサの効率向上やS/N比の向上を行う必要があ
る。
可視光から電気信号への変換での損失があるために、大
きな感度向上は困難である。
X線を直接電気信号へと変換する材料を用いた変換素子
を有するX線撮像装置が注目されつつある。X線を直接
電気信号へ変換するために、前述の場合と比べて電気信
号を得るまでの損失は少なく、従来のデジタルX線撮像
装置に比べて十数倍〜数十倍の感度向上が望める。この
ような、X線を直接電気信号へ変換するX線撮像装置を
直接型X線撮像装置と呼ぶ。
放射線を吸収しやすく、かつ効率よく電気信号に変換で
きるアモルファスセレン(α-Se)や、ヨウ化水銀
(HgI2)、砒素化ガリウム(GaAs)、シリコン
(Si)、テルル化カドミウム(CdTe)などの結晶
半導体材料があげられる。この中で、扱いの容易さ、材
料の入手のし易さ、室温での安定度や室温での感度を考
慮した上で直接型X線撮像装置に好適な材料は、砒素化
ガリウム(GaAs)およびシリコン(Si)などであ
る。
sやSiを用いた直接型X線撮像装置では、実用的な大
きさの撮像素子を作ることが出来ないことが課題となっ
ている。
円盤状のもので流通しており、これを切り出して使用す
る。現在もっとも大きな結晶半導体ウェハーは、シリコ
ンの直径30cmのウェハーである。また、Siより放
射線の感度が優れているGaAsでは6インチの直径の
ものが最大である。
な面積(人体の胸部撮影)である40cm×40cm程
度の有効領域をもつ撮像装置を作るためには、変換素子
を複数枚タイル状に貼り合わせることが必然的となる。
体ウェハーの厚さ方向にダイオードを形成し、このダイ
オードに電圧を印加して光電変換により発生した電荷を
引き出す方法をとっている。このとき半導体の端面部分
は、端面に存在する結晶欠陥による電荷の発生や、それ
を介したリーク電流の存在など電気的特性に問題があ
り、端部に近い画素は他の画素と異なる感度や特性とな
ってしまう。
大面積化することは、有効領域に感度や特性の異なる画
素が存在することとなり、大面積化をしても安定した画
質が得られないという問題がある。特に、大口径のウェ
ハーを手に入れるのが困難な砒素化ガリウムを変換素子
に用いる場合は、必要な面積にするために多くの変換基
板を複数枚貼り合わせる必要があり、端部の部分も多く
なってしまう。
たもので、変換素子を有する放射線変換基板の端部で発
生した不要な電荷を画素電極へ移動しないようにして、
その電荷による画質の異常を防止する放射線変換基板、
放射線検出装置を提供することを目的とする。
は、放射線を電荷に変換する変換部と、前記変換部によ
って変換された電荷を収集するための画素電極と、前記
画素電極とは別に、前記変換部の端面から発生した電荷
を収集し、前記変換部の端面近傍に配設された電極とを
有することを特徴としている。本発明の放射線変換基板
の他の態様は、前記変換部は、砒素化ガリウムを用いた
ダイオード型であることを特徴としている。
れた放射線変換基板と、前記画素電極と接続され、前記
変換部で変換された電荷を蓄積するキャパシタと、前記
キャパシタに蓄積された電荷を転送するスイッチング素
子とを有する電荷転送基板とを有することを特徴として
いる。本発明の放射線検出装置の他の態様は、前記電荷
転送基板は、少なくとも絶縁性基板上に下部電極層、絶
縁層、半導体層及び上部電極層をこの順で設けた構成を
有することを特徴としている。また、本発明の放射線検
出装置の更に他の態様は、前記画素電極がマトリクス状
に形成されていることを特徴としている。また、本発明
の放射線検出装置の更に他の態様は、前記放射線変換基
板が複数に分割されていることを特徴としている。
本発明の放射線変換基板、放射線検出装置の実施形態に
ついて説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
おける放射線変換基板の概略断面図である。本実施の形
態では、変換素子としてGaAsを用いた例を示し説明
する。
極で、複数の画素電極に対して共通して設けられた共通
電極である。この上部電極100を用いて変換素子に電
圧を印加する。101は有機金属化学気相堆積(MOC
VD)法などで形成したP型GaAs層であり、上部電
極100とのオーミックコンタクトおよびエレクトロン
ブロッキング層として働く。102は高抵抗N型GaA
s層であり抵抗率10 8Ωcm程度のものが用いられ
る。
GaAs層であり、画素電極とのオーミックコンタクト
およびエレクトロンブロッキング層として働く。104
は画素電極であり、後述する電荷転送基板と接続され
る。105は端部電極で、各放射線変換基板の端部に設
けられて、端部106に発生した電荷を吸収する。放射
線変換基板は、共通電極、P型半導体層101、高抵抗
N型半導体層102、N型半導体層103、及び画素電
極104を含む変換部と端部電極105から構成されて
いる。
について、図2を用いて説明する。本実施形態の放射線
変換基板はPN型フォトダイオードとなっている。図2
(a)は放射線変換基板の層構成図を示し、また、図2
(b)に放射線変換基板の上部電極100に電圧を印加
しない平衡状態のバンドダイアグラムを、図2(c)に
放射線変換基板の上部電極100にマイナスの電圧を与
えたときのバンドダイアグラムを示す。
型GaAs基板102を用いた場合、図2(b)に示す
ように上部電極100に電圧を印加しない状態では、P
N接合のビルトイン電圧によって、高抵抗N型GaAs
層102の電子は、N型GaAs層103へ(電子20
1)、また、その正孔はP型GaAs層101へ拡散す
るため(正孔202)、高抵抗N型GaAs基板102
内にはキャリアが枯渇した層、つまり空乏層203が形
成される。
が極めて低いため、図2(c)に示すように光電効果に
よって発生した電子204/正孔205が、再結合によ
って消滅するまでの時間は長い。
電圧はせいぜい1V程度であり、光電効果によって発生
した電子204/正孔205が消滅する前に、光電効果
によって発生した電子204をN型GaAs層103ま
たは、光電効果によって発生した正孔205をP型Ga
As層101へ移動させるに十分なエネルギーを与える
ことが出来ない。
を与えて電子をN型GaAs層103へ、正孔をP型G
aAs層101へ移動させるエネルギーを与え、消滅す
る前に電極へ導くことで光電効果によって発生した電子
204/正孔205を電気信号として取り出すことが出
来る。
は、使用する高抵抗N型GaAs基板102の抵抗率や
結晶の質によって左右されるが、100V程度の電圧で
光電効果により発生した電子204/正孔205を取り
出すことが出来る。尚、キャリアの飽和速度に達するま
では、印加する電圧が高いほど効率がよくなることは言
うまでもない。
換素子に流れる電流は空乏層で熱的に発生したキャリア
および、拡散電流によるものであり、光電効果により発
生する電流に比べてごく僅かである。
に応じた電気信号を発生することができる。
うに上部電極100に電圧を印加することにより、光電
変換によって発生した電荷を電極へ導いている。半導体
上下面に形成されている電極が同じ大きさであれば、半
導体内部の電界分布や電位分布は一様となるが、図1に
示すように画素ごとに分割された画素電極104の形状
であると、画素電極104へ電荷を集中させるように電
界が発生する。図1に示すように放射線変換基板の端部
106で発生した電荷は、電界によって画素電極104
へ引き寄せられ画像信号として蓄積されてしまう。この
放射線変換基板端面からの電荷分が画素値異常などの原
因となる。
変換基板の端部106に端部電極105を設けて、これ
を画素電極104と同じ電位か、または接地電位にする
ことで端部電極105へ電荷を引きよせるように電界を
発生させ、半導体の端部106で発生した電荷を収集
し、放射線変換基板内において電界を均一にするための
ものである。
と同電位にしたとき、放射線変換基板の端部106で発
生した電荷の振る舞いを考える。P型GaAs層101
と高抵抗N型GaAs層102の接合面と端面の交点を
原点とし、接合面に垂直な方向にx軸を、厚み方向をy
軸にとる。
ぞれvx0、vy0とおくと、電子のx軸方向、y軸方向の速
度は、それぞれ式1、式2のようになる。
は電子の有効質量、Eは高抵抗N型GaAs層102に
発生する電界である。
ことからy軸方向にほぼ一定であるとしている。また、
x軸方向の電界は端部電極105上では0であるとす
る。
に到達する時間をtdとすると、td間に電子が移動する距
離x、yは、それぞれ式3、式4のようになる。
μm、抵抗率1×108Ωcmと仮定し、電子が端部電
極105に到達するまでにx方向へ移動する距離を求め
ると、y=600μm、抵抗率から求めたτc=2.13×
10-13sec、初速度として電子の熱速度を式4に代入しtd
を求めるとtd=5nsecとなる。このときx方向への移動
距離は9.6×10-2μmとなる。よって端部電極105の
厚みは1μmもあれば十分と言える。
の実施形態における撮像装置の概略断面図である。本実
施形態の撮像装置は、放射線を電荷に変換する変換素子
とその電荷を転送する電荷転送部(基板)とをマトリク
ス状に構成したものである。以下、撮像装置の1画素分
を説明する。
板の上面、放射線入射側を保護する保護層であり、シリ
コン窒化膜や絶縁性の樹脂などで形成される。306は
画素電極面に形成された下部保護層であり、シリコン窒
化膜によって形成される。
するときに形成されるバリアメタルであり、チタンとパ
ラジウム、金をスパッタで積層したものである。308
はメッキ処理で形成した金のバンプメタルである。ま
た、309は、バンプメタル308を介して放射線変換
基板322と電荷転送基板323とを電気的に接続する
接続電極である。
極にバンプメタル308を介して接続されている電荷転
送基板であり、キャパシタ321、そのキャパシタ32
1に蓄積された電荷をリセットするリセットTFT31
9、その蓄積された電荷を転送する転送用TFT320
から構成されている。
をもつガラスなどの絶縁基板310上に形成されてお
り、絶縁基板310上に、クロムなどの金属をスパッタ
しリソグラフィーによりパターニングして形成した、リ
セットTFT(薄膜トランジスタ)ゲート電極311、
転送用TFTゲート電極313、キャパシタ下部電極3
12が形成されている。
リセットTFTゲート電極311上にアモルファス窒化
シリコン膜で形成したTFTの絶縁層314が形成され
ており、また、アモルファスシリコン膜で形成されたチ
ャネル層と、そのチャネル層と金属電極とのオーミック
コンタクト取るためN+型アモルファスシリコン膜で形
成されたオーミックコンタクト層316と、アルミなど
の金属をスパッタで堆積しリソグラフィーによって形成
したリセットライン318などで構成されている。
送用TFTゲート電極313上に絶縁アモルファス窒化
シリコン膜で形成した絶縁膜と、チャネル層となるアモ
ルファスシリコン膜で形成されたチャネル層315、金
属電極とチャネル層をオーミックコンタクト取るために
N+型アモルファスシリコン膜のオーミックコンタクト
層316、および、アルミなど金属をスパッタで堆積し
リソグラフィーによって形成した、信号線317などで
構成されている。
ャパシタ下部電極312上に絶縁アモルファス窒化シリ
コン膜で形成した絶縁膜と、また、金属電極とのオーミ
ックコンタクト取るためN+型アモルファスシリコン膜
で形成されのオーミックコンタクト層と、アルミなど金
属をスパッタで堆積しリソグラフィーによって形成した
キャパシタ上部電極321などで構成されている。
FT319、キャパシタ321、転送用TFT320を
湿度などから保護するために、シリコン窒化膜によって
形成されるパッシベーション層325も有している。放
射線変換基板322と電荷転送基板323との接続は、
図3には図示されていないが、アモルファスシリコンの
TFTなどに影響を与えない程度の低融点ハンダ、また
は、導電性接着材によって、バンプメタル308と接続
電極309を電気的及び、機械的に接続することで行わ
れる。
て図4を用いて説明する。図4は、本実施形態の撮像装
置の1画素に相当する回路図を示したものである。
にセンサバイアス源400が、またリセットTFT31
9にリセットバイアス401がそれぞれバイアスされて
いる。
ついて説明する。変換素子402にX線が入射すると、
変換素子402はX線量に比例した電荷を流し、その電
荷はキャパシタ321に蓄積される。電荷の読み出し
は、転送用TFT320のゲート電圧をHiにして、転
送用TFT320をONにし、キャパシタ321に蓄積
した電荷を信号線317へ転送することで行われる。
にして、転送用TFT320をOFFにし電荷の転送が
終了した後、リセットTFT319をONにし、キャパ
シタ321を所望の電圧になるようにリセットをかけ
る。以上の動作の各部位におけるタイミングチャート
を、図4の回路図の下に示す。
像装置の回路図を示す。図5では、3×3画素の回路図
を示しているが、本発明はこれに限らない。
イアス線のすべては垂直駆動回路503へ接続されてい
る。この垂直駆動回路503は接続されたゲートバイア
ス線Vgtrに順次Hi/LOWのバイアスをかけることが
出来る。リセットTFT319のゲートバイアス線Vgr
はすべての画素で共通になっており、リセットTFTゲ
ートバイアス源501でHi/LOWを一括で制御す
る。
0から転送された電荷を増幅する。マルチプレキサー5
02は各信号増幅AMP504からの信号をシリアル信
号へと変換する装置である。さらに各信号線317に接
続されている信号リセットスイッチ505は、信号線3
17に蓄積した電荷をリセットするためのものである。
施形態の撮像装置は、端部の電極の電位を固定するため
の電源または、電位を持つ。
いて説明する。信号線317は、信号リセットスイッチ
505によってリセットされ、また、X線が照射され、
各画素のキャパシタ321に電荷が蓄積された状態で、
垂直駆動回路503によってVgtr1の電位がHiとな
り、Vgtr1に接続されている転送用TFT320がON
になる。これにより、横1ラインの画素のキャパシタ3
21に蓄積されている電荷が各信号線317へと転送さ
れる。信号は信号線317に接続されている信号増幅A
MP504によって増幅されマルチプレキサー502へ
送られる。
完全に転送される時間であり、この時間は転送用TFT
320のON抵抗と信号線容量からなる時定数によって
決まる。Vgtr1をLOWにし転送用TFT320をOF
Fにすることで、電荷の転送が終了する。電荷転送終了
後、信号線317のリセットを行う。
うことで、すべての画素信号を読みだすことが出来る。
すべての画素の読みだしが終了した後、各画素のキャパ
シタ321をリセットTFT319によってリセットす
る。
に発生する不要な電荷を端部近傍に備えた電極で収集す
ることができる。これにより、端部で発生した電荷によ
る画質の異常を防止することができ、高感度な放射線変
換基板とすることができる。また、放射線変換基板の端
部に発生する不要な電荷を収集する電極を設けたこと
で、この放射線変換基板を複数枚貼り合わせた大面積を
有する高感度な放射線検出装置の作製が可能となる。
板の概略断面図である。
板の原理を説明する図である。
略断面図である。
画素に相当する回路図である。
路図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 放射線を電荷に変換する変換部と、 前記変換部によって変換された電荷を収集するための画
素電極と、 前記画素電極とは別に、前記変換部の端面から発生した
電荷を収集し、前記変換部の端面近傍に配設された電極
とを有することを特徴とする放射線変換基板。 - 【請求項2】 前記変換部は、砒素化ガリウムを用いた
ダイオード型であることを特徴とする請求項1に記載の
放射線変換基板。 - 【請求項3】 請求項1に記載された放射線変換基板
と、 前記画素電極と接続され、前記変換部で変換された電荷
を蓄積するキャパシタと、前記キャパシタに蓄積された
電荷を転送するスイッチング素子とを有する電荷転送基
板とを有することを特徴とする放射線検出装置。 - 【請求項4】 前記電荷転送基板は、少なくとも絶縁性
基板上に下部電極層、絶縁層、半導体層及び上部電極層
をこの順で設けた構成を有することを特徴とする請求項
3に記載の放射線検出装置。 - 【請求項5】 前記画素電極がマトリクス状に形成され
ていることを特徴とする請求項3に記載の放射線検出装
置。 - 【請求項6】 前記放射線変換基板が複数に分割されて
いることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記
載の放射線検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001361259A JP2003163345A (ja) | 2001-11-27 | 2001-11-27 | 放射線変換基板、放射線検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001361259A JP2003163345A (ja) | 2001-11-27 | 2001-11-27 | 放射線変換基板、放射線検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003163345A true JP2003163345A (ja) | 2003-06-06 |
JP2003163345A5 JP2003163345A5 (ja) | 2006-12-28 |
Family
ID=19171950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001361259A Pending JP2003163345A (ja) | 2001-11-27 | 2001-11-27 | 放射線変換基板、放射線検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003163345A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009139346A (ja) * | 2007-12-11 | 2009-06-25 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 放射線検出センサおよび放射線検出センサユニット |
WO2012008072A1 (ja) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置 |
-
2001
- 2001-11-27 JP JP2001361259A patent/JP2003163345A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009139346A (ja) * | 2007-12-11 | 2009-06-25 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 放射線検出センサおよび放射線検出センサユニット |
WO2012008072A1 (ja) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置 |
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