JP2003240861A - 放射線検出素子、放射線撮像装置及び放射線検出方法 - Google Patents

放射線検出素子、放射線撮像装置及び放射線検出方法

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JP2003240861A JP2002043580A JP2002043580A JP2003240861A JP 2003240861 A JP2003240861 A JP 2003240861A JP 2002043580 A JP2002043580 A JP 2002043580A JP 2002043580 A JP2002043580 A JP 2002043580A JP 2003240861 A JP2003240861 A JP 2003240861A
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貴陽 沼居
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射した放射線に対する感度特性の優れた放
射線検出素子を実現することにより、雑音の要因となる
暗電流の小さい、かつ、解像度が良好な放射線撮像装置
を提供することができるようにする。 【解決手段】 電荷放出層２０と第１の半導体層１０及
び第２の半導体層３０のうち少なくとも一方の半導体層
との間に形成され、少なくとも一方の半導体層から電荷
放出層２０へのキャリアの拡散を防止するキャリア拡散
防止層２５を設けるようにして、捕獲準位による暗電流
を小さくするようにする。これにより、キャリアの収集
効率を高めることができ、高感度の放射線検出素子を実
現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、放射線検出素子、
放射線撮像装置及び放射線検出方法に関し、特に、人体
などの被検体を透過したＸ線などの放射線像を電子画像
化するＸ線撮像装置に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】リアルタイムに画像を出力するための高
速な放射線検出素子としては、半導体放射線検出器が注
目を集めている。しかし、この半導体放射線検出器で
は、雑音としての暗電流が問題となる。この文献とし
て、例えば１９９９年発行のニュークリア・インスツル
メンツ・アンド・メソッズ・イン・フィジックス・リサ
ーチ（Nuclear＿Instruments＿and＿Methods＿in＿Phys
ics＿Research）Ａ第４３４巻４４−５６ページ記載の
論文がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体放射線
検出器では、電荷放出層における捕獲準位からの発生電
流が支配的で、この暗電流が雑音となって、微小信号が
検出できないという問題があった。
【０００４】本発明は前述の問題点にかんがみてなされ
たもので、入射した放射線に対する感度特性の優れた放
射線検出素子を作製することにより、雑音の要因となる
暗電流の小さい、かつ、解像度が良好な放射線撮像装置
を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の放射線検出素子
は、放射線を吸収し電荷を放出する電荷放出層と、第１
の半導体層と、前記第１の半導体層と反対導電型を有す
る第２の半導体層とを含み、前記電荷放出層が前記第１
の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられると
ともに、前記電荷放出層と前記第１の半導体層及び前記
第２の半導体層のうち少なくとも一方の半導体層との間
に形成され、前記少なくとも一方の半導体層から前記電
荷放出層へのキャリアの拡散を防止するキャリア拡散防
止層を備えてなることを特徴とするものである。
【０００６】本発明の放射線撮像装置は、前記放射線検
出素子と、前記放射線検出素子で放射線から変換された
電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、前記放射線検出素子に
印加する電界を制御する制御手段と、前記電荷蓄積手段
に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す読み出し手段
とを有する入力画素と、前記読み出し手段から読み出さ
れた信号を前記入力画素から出力する出力線と、前記電
荷蓄積手段が所定の電圧になるようにリセットをかける
リセット手段とを有することを特徴とするものである。
【０００７】本発明の放射線検出方法は、放射線を吸収
し電荷を放出する電荷放出層を含み、前記電荷放出層が
第１の半導体層と、前記第１の半導体層と反対導電型を
有する第２の半導体層との間に設けられてなる放射線検
出素子を用いて、前記電荷放出層と前記第１の半導体層
及び前記第２の半導体層のうち少なくとも一方の半導体
層との間に形成されたキャリア拡散防止層により、前記
少なくとも一方の半導体層から前記電荷放出層へのキャ
リアの拡散を防止することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照しながら、
本発明の放射線検出素子、放射線撮像装置の実施形態に
ついて詳細に説明する。尚、発明の実施の形態におい
て、放射線としてＸ線を用いた実施例を示すが、本発明
の放射線とは、Ｘ線に限られるわけではなく、α線、β
線、γ線等の電磁波も含んでいる。
【０００９】（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検出素子の概略断面図であ
る。図１において、１０はＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇｅ、Ｓ
ｉなどの半導体からなるｐ層、２０は放射線を吸収し電
荷を放出する電荷放出層のｉ層であり、Ｘ線の照射によ
って電子と正孔を生成する。また、ｉ層２０におけるキ
ャリア濃度は小さい。このため、ｎ型のｉ層２０をｎ-
型（ν型）、ｐ型のｉ層２０をｐ-型（π型）と表す。
【００１０】また、２５はｐ層、３０はｎ層であり、４
１及び４２は、金属層から構成される電極である。ここ
で、ｐ層２５は、本発明の特徴となるｎ層３０から電荷
放出層のｉ層２０への電子の拡散を防止するキャリア拡
散防止層として機能する層である。さらに、電極４１に
は、キャパシタを介して放射線検出素子から取り出した
電気信号を増幅する増幅器６０が接続されている。ま
た、放射線検出素子には、ｉ層２０での電界を制御する
ための電源５１が接続されており、放射線源７０から印
加される放射線により、発生したキャリアを収集するこ
とができる。
【００１１】さて、電荷放出層のｉ層２０には、捕獲準
位が存在することが多い。図２に、放射線検出素子の捕
獲準位を示したエネルギーバンド図を示す。図２におい
て、ＥCは伝導帯の底、ＥVは価電子帯の頂上、ＥTは捕
獲準位のそれぞれのエネルギーを示している。また、●
は電子、○は正孔であり、ｎTは電子が占有している捕
獲準位の濃度、ｐTは電子が空の捕獲準位の濃度を表し
ており、さらに、ｎは伝導電子の濃度、ｐは正孔の濃
度、矢印は遷移過程（矢印の向きは、電子の遷移する方
向）を示している。
【００１２】そして、捕獲準位ＥTから伝導帯への電子
の遷移レートはｅeｎT、伝導帯から捕獲準位ＥTへの電
子の遷移レートはＣeｐTｎと表すことができる。同様に
して、捕獲準位ＥTから価電子帯への正孔の遷移レート
はｅhｐT、価電子帯から捕獲準位ＥTへの正孔の遷移レ
ートはＣhｎTｐと表すことができる。ここで、ｅeとｅ h
はそれぞれ電子放出率と正孔放出率、ＣeとＣhはそれぞ
れ電子の捕獲係数と正孔の捕獲係数である。
【００１３】また、電子の捕獲係数Ｃeは、電子の捕獲
断面積σeと伝導電子の熱速度ｖethとの積で表すことが
でき（Ｃe＝σeｖeth）、正孔の捕獲係数Ｃhは、正孔の
捕獲断面積σhと正孔の熱速度ｖhthとの積で表すことが
できる（Ｃh＝σhｖhth）。
【００１４】この結果、電荷放出層のｉ層２０が孤立し
ている場合には、伝導電子と正孔に対するレート方程式
は、それぞれ式（１）、式（２）のように表される。
【００１５】
【数１】
【００１６】ここで、まず、伝導電子の濃度について考
える。式（１）から、定常状態における電荷放出層のｉ
層２０の電子濃度ＮBは、式（３）で与えられる。
【００１７】
【数２】
【００１８】一方、ｐ層１０やｎ層３０と電荷放出層の
ｉ層２０との接合が形成されている場合には、熱平衡状
態では、両者のフェルミ準位が一致するように電子と正
孔が拡散し、接合界面が空乏化する。この拡散によって
電荷放出層のｉ層２０において電子が増加する効果を取
り入れると、電荷放出層のｉ層２０における電子に対す
るレート方程式は、式（４）のように修正される。
【００１９】
【数３】
【００２０】ここで、Ｄeは接合層から電荷放出層のｉ
層２０に向かって拡散する電子に対する拡散定数であ
る。さて、捕獲準位ＥTが存在しない場合において、熱
平衡状態で拡散電流とドリフト電流が打ち消し合うとす
ると、緩和時間近似を用いて、式（５）と表すことがで
きる。
【００２１】
【数４】
【００２２】ここで、ｎ0は接合形成前の接合層におけ
る電子濃度、τecは電子の平均衝突時間である。式
（５）を式（４）に代入すると、式（６）が得られる。
【００２３】
【数５】
【００２４】したがって、定常状態において、空乏化し
た電荷放出層のｉ層２０における電子濃度ｎsは、式
（７）となる。
【００２５】
【数６】
【００２６】ここで、電子のドリフト速度をｖedとする
と、捕獲準位ＥTから発生する電子による電流密度Ｊeg
は、式（８）で与えられる。
【００２７】
【数７】
【００２８】同様にして、捕獲準位ＥTから発生する正
孔による電流密度Ｊhgは、式（９）と表せる。
【００２９】
【数８】
【００３０】ここで、ｖhdは正孔のドリフト速度であ
る。また、捕獲準位ＥTから発生するキャリアによる電
流は、式（８）と（９）の和で与えられる。したがっ
て、これらの式から、半導体層側から電荷放出層のｉ層
２０に拡散する電子濃度および正孔濃度が大きいほど、
暗電流が大きくなることがわかる。
【００３１】また、電荷放出層のｉ層２０に拡散したキ
ャリアが捕獲準位ＥTに捕獲された場合には、捕獲準位
ＥTから発生するキャリアが増えるので、暗電流が大き
くなってしまう。したがって、捕獲準位ＥTに捕獲され
うるキャリアをキャリア拡散防止層によってせき止める
ことは、暗電流を低減するうえで効果が大きい。たとえ
ば、ＧａＡｓ中のＥＬ２のような捕獲準位ＥTに対して
は、ｎ層３０からｉ層２０に拡散する電子をせき止める
ことが有効である。
【００３２】さて、電子のドリフト速度ｖedが正孔のド
リフト速度ｖhdに比べて十分大きい場合には、暗電流は
式（８）で支配される。この場合も、ｎ層３０から電荷
放出層のｉ層２０に拡散する電子濃度を低減すること
が、暗電流を小さくする上で有効である。
【００３３】このためには、ｎ層３０とｉ層２０との間
にｐ型の半導体層であるｐ層２５を挿入すればよい。こ
れは、ｎ層３０からｉ層２０に向かって拡散しようとす
る電子が、その間にあるｐ層２５で正孔と再結合し、ｉ
層２０まで届かなくなるからでである。
【００３４】また、ここで暗電流において正孔による電
流が支配的ならば、図３に示したように、ｐ層１０と電
荷放出層のｉ層２０との間にｎ層１５を追加して挿入す
ればよい。
【００３５】次に、図４に、放射線検出装置におけるｎ
層３０と電極４２との界面からの距離と、電子濃度との
特性図を示す。この図４において、破線で示したグラフ
がｎ層３０（電子濃度１０18ｃｍ-3、厚み２μｍ）と電
荷放出層のｉ層２０（電子濃度１０7ｃｍ-3、厚み６０
０μｍ）との間にｐ層２５がない場合の電子濃度を示し
ており、また、実線で示したグラフがｎ層３０と電荷放
出層のｉ層２０との間にｐ層２５（正孔濃度１０19ｃｍ
-3、厚み１μｍ）を挿入した場合の電子濃度を示してい
る。
【００３６】ここで、ｎ層３０とｉ層２０との間にｐ層
２５がない場合には、電子の拡散長は１０．７μｍであ
ったのに対し、ｎ層３０とｉ層２０との間にｐ層２５を
挿入した場合は、電子の拡散長は０．１８μｍまで低減
した。この結果から、ｐ層２５を挿入した場合には、暗
電流がｐ層２５がないときに比べて、２桁近く低下する
ことになる。
【００３７】次に、キャリアの収集効率について考え
る。図１の放射線源７０からＸ線を照射して、電子濃度
がｎ＝ｎs ＋Δｎ（ｎsはＸ線を照射していないときの
定常値）になったとする。これを式（６）に代入する
と、式（１０）が得られる。
【００３８】
【数９】
【００３９】式（１０）の右辺において、第１項は捕獲
準位ＥTによる電子消失を表し、第２項は電子が電極に
向かうレートを示している。ここで、捕獲準位ＥTによ
る電子濃度の減衰係数をαeTとすると、式（１１）の関
係が存在する。
【００４０】
【数１０】
【００４１】式（１１）において、ｖedは電子のドリフ
ト速度である。式（１０）の右辺第１項と式（１１）と
の比較から、減衰係数αeTは、式（１２）で与えられ
る。
【００４２】
【数１１】
【００４３】一方、空乏層幅Ｗ＝１ｍｍに対して、ＤＱ
Ｅ＝０．７とすると、電子濃度Δｎの空間分布は、平均
して、式（１３）と表すことができる。
【００４４】
【数１２】
【００４５】以上から、電子の収集効率ηは、式（１
４）となる。
【００４６】
【数１３】
【００４７】次に、この結果を図５に示す。図５は、放
射線検出素子におけるキャリアの収集効率とそれに印加
する電圧との関係を示した図である。尚、図５の特性図
に示した放射線検出装置は、ｎ層３０とｉ層２０との間
に層２５（正孔濃度１０19ｃｍ-3、厚み１μｍ）を挿入
してあり、また、空乏層幅Ｗ＝６００μｍ、捕獲準位の
濃度ＮT＝１０16ｃｍ-3としている。この図５から、印
加電圧１１３Ｖ以上で電子の収集効率η≧５０％を満た
すことがわかる。
【００４８】このように、ｎ層３０とｉ層２０との間に
ｐ層２５を挿入した場合でも高い収集効率が得られるの
は、Ｘ線を吸収して発生したキャリアを電界で加速して
いるため、大部分の電子がｐ層２５内で正孔と再結合し
ないうちに電極４２に到達するためである。
【００４９】一方、ｎ層３０からｉ層２０に向かって拡
散しようとする電子は、電界によって減速されると同時
に、ｐ層２５内で正孔と再結合して、ｉ層２０まで到達
できなくなる。
【００５０】以上説明したように、ｎ層３０とｉ層２０
との間に挿入したｐ層２５は、拡散電子をせき止めると
同時に、Ｘ線を吸収してｉ層２０で発生した電子の大部
分を通過させることができる。
【００５１】また、これまでに述べたことは、図３に示
したｐ層１０とｉ層２０との間にｎ層１５を挿入した場
合にも当てはまる。すなわち、ｐ層１０とｉ層２０との
間に挿入したｎ層１５は、正孔の拡散はくい止めるが、
Ｘ線を吸収してｉ層２０で発生した正孔の大部分を通過
させることができる。
【００５２】さて、図１に示した放射線検出素子におい
て、ｉ層２０を構成する半導体におけるＸ線やγ線の吸
収は、光電効果、コンプトン散乱、及び電子対創生の３
つのメカニズムによって決まる。図６に、ＳｉとＧｅに
照射するＸ線エネルギーとその吸収の割合との一例を示
す特性図を示す。
【００５３】医療用及び分析用などの用途では、０．１
ＭｅＶ以下のＸ線を使用することが多いので、この場合
について図６を参照すると、半導体における吸収は主に
光電効果によって決まることがわかる。
【００５４】次に、半導体のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接
合による放射線検出を考えた場合に、キャリアの拡散に
よる暗電流により、その放射線検出に影響を与える。こ
こで、図７に、半導体のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合に
よる暗電流とバンドギャップエネルギーとの特性図を示
す。図７に示すように、この暗電流は、バンドギャップ
エネルギーに依存する。また、バンドギャップエネルギ
ーが１ｅＶより小さい場合は、室温で使う場合でも拡散
電流による暗電流密度が１０-10Ａ／ｃｍ2以上になる。
この結果、雑音特性が低下し、特別な対策が必要にな
る。
【００５５】また、一般に原子番号が大きい材料ほど、
Ｘ線に対する吸収係数は大きい。したがって、バンドギ
ャップエネルギーが１ｅＶ以上でｐｎ接合あるいはｐｉ
ｎ接合の暗電流が小さく、かつ、原子番号が大きくＸ線
に対する吸収係数の大きい材料が望ましい。この点で、
ＧａＡｓやＧａＰ等は、Ｓｉよりも放射線検出材料とし
て好ましい。
【００５６】さらに、本実施形態における放射線検出素
子のように、キャリア拡散防止層を含むｐｉｐｎ接合や
ｐｎｉｎ接合では、よりいっそう拡散による暗電流が小
さくなる。また、Ｓｉは、図６に示したように、Ｘ線に
対する吸収係数が比較的小さいので、これに鑑みて、低
エネルギー用とすれば良い。
【００５７】次に、図８に、半導体に放射線を照射した
とき、キャリアを生成するために必要な放射線エネルギ
ーの特性図を示す。図８において、横軸は半導体のバン
ドギャップエネルギー、縦軸はキャリア生成に必要なエ
ネルギーである。放射線のエネルギーが一定の場合に
は、キャリア生成に必要なエネルギーが小さいほど、多
数のキャリアが発生するので望ましい。
【００５８】図８に示したように、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ
では、キャリア生成に必要なエネルギーは５ｅＶ程度で
ある。したがって、例えば、５０ｋｅＶのＸ線エネルギ
ーからは、１００００個のキャリア対を生成することが
できることになる。ＧａＡｓ、ＣｄＴｅはバンドギャッ
プが１ｅＶよりも大きく、キャリア生成に必要なエネル
ギーε（ｅＶ）が小さく、かつ、Ｘ線に対する吸収係数
が大きいために、Ｘ線検出材料として望ましい。
【００５９】さらに、ＧａＡｓは、結晶の完全性が高
く、しかも暗電流が小さいため、使用材料として望まし
い。また、ＧａＡｓは、Ｇｅと非常に近いＸ線吸収特性
を持つ。前記特性を鑑みると、ＧａＡｓは、照射される
Ｘ線量が制限される医療用途などに好適に用いることが
できる。ＧａＡｓの量産性は、現在Ｓｉ同様に良好であ
り、経済的にも非常に好適である。
【００６０】次に、放射線からキャリアへの変換につい
て説明する。図１に示した放射線検出素子において、ｎ
層３０とｐ層１０は放射線（本実施形態ではＸ線）に対
しての感度がきわめて低く、放射線からキャリアへの変
換はほとんど行われない。一方、放射線からキャリアへ
の変換が有効に行われるのは、ｉ層２０のうちの空乏化
した領域である。
【００６１】図９に、Ｓｉにおける空乏層への印加電圧
と空乏層の厚さとの特性図を示す。図９は、ｉ層２０の
バックグランドの電子濃度ＮBが３．１８×１０13ｃｍ
-3としたときの特性図である。この図９から、電圧を５
００Ｖ印加しても、空乏層厚は１５０μｍ程度しか広が
らないことがわかる。
【００６２】これに対して、ＧａＡｓの場合について考
える。図１０に、ＧａＡｓにおける空乏層への印加電圧
と空乏層の厚さとの特性図を示す。ＧａＡｓの場合に
は、ＮB≦１０7ｃｍ-3のウエハを作製できるので、図１
０に示すように、Ｓｉに比べると低い印加電圧で厚い空
乏層が得られ、放射線に対しての感度を高感度化するこ
とができる。また、ＧａＡｓは、Ｇｅと同様なＸ線吸収
特性を有しているので、直接Ｘ線材料として好適であ
る。
【００６３】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図１１は、本発明の第２の実施形態における放射線撮像
装置の概略断面図である。図１１において、１００はＸ
線センシング部で、Ｘ線の照射によって電子と正孔を生
成する。また、生成された一方のキャリアは蓄積され、
画像情報を有する信号として読み出される。２００は電
気キャリアの読み出し部で、絶縁基板１の上にトランジ
スタ２などが形成されて構成されている。
【００６４】Ｘ線センシング部１００は、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＰ、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体からなる濃度ｐ+のｐ層
１０、ｎ-層であるｉ層２０、濃度ｐ+のｐ層２５、濃度
ｎ+のｎ層３０で構成され、空乏層がｐ層１０とｉ層２
０の界面から広がるｐｉｐｎダイオードと、ｎ層３０上
に形成される金属層３１及び３２、ｐ層１０の下層に形
成された金属層１１及び１２により構成されている。金
属層１２はバリアメタルである。また、図１１中の４０
及び５０は保護膜である。なお、Ｘ線センシング部１０
０は、前記の半導体の単結晶基板に形成することができ
る。
【００６５】読み出し部２００は、絶縁基板１上に回路
を構成するトランジスタ２を有する。トランジスタ２
は、ゲート１０１、ソース及びドレイン１０２、活性層
１０３、ソース及びドレイン１０２と接続される金属配
線１１０とから構成されている。また、トランジスタ２
は、保護膜１１３で覆われている。
【００６６】ここで、薄膜トランジスタを構成する半導
体材料としては、アモルファスシリコン、ポリシリコ
ン、マイクロクリスタルシリコン等の非単結晶材料が好
適に用いられる。これらは、大基板ガラス基板上に４０
０℃以下の低温で作製することができるため、大面積基
板を用いた大型のセンサ面を有した放射線撮像装置に最
適である。
【００６７】図１１において、１１１はＡｌ層、１１２
は金属層である。また、図１１では図示されていない
が、読み出し部２００はキャパシタも有している。読み
出し部２００の金属層１１２とＸ線センシング部１００
の金属層１１とは、バンプ金属１３によって接続されて
いる。
【００６８】次に、図１２に、本実施形態における放射
線撮像装置の等価回路図を示す。図１２において、入力
画素である単位セルは、電荷変換手段である放射線検出
素子１２１、電荷蓄積手段である蓄積容量１２２、放射
線検出素子１２１に加えられる電界を制御する制御手段
の第１のトランジスタ１２３、蓄積容量１２２から信号
を読み出す読み出し手段の第２のトランジスタ１２４を
有している。この入力画素である単位セルは、図１２に
示されているように、縦横に所望の間隔で二次元マトリ
クス状に配置されている。
【００６９】図１２の放射線検出素子１２１には、第１
のトランジスタ１２３と接続されていない他端に、放射
線検出素子１２１の前記他端に所望の電位を与えるため
のセンサ電位固定手段が接続されている。また、蓄積容
量１２２には、第１のトランジスタ１２３及び第２のト
ランジスタ１２４と接続されない他端に、蓄積容量１２
２の前記他端の電位を固定するための蓄積電位固定手段
が接続されている。
【００７０】このように、放射線検出素子の一方の端子
電位を所望の電位にするための手段を設けることによ
り、その残像を少なくすることができる。また、放射線
の過大入力時に、前記手段を蓄積手段に蓄積された過大
電荷を掃き出す手段として動作させることができる。こ
れにより、電荷読み出し手段を介してのキャリアオーバ
ーフローを防止することができる。
【００７１】図１２に示したシフトレジスタ等の走査手
段である水平走査回路１２０により、行ごとに各単位セ
ルの第２のトランジスタ１２４が選択されて、各単位セ
ルの蓄積容量１２２から出力線１２５に信号が読み出さ
れる。また、この信号は出力線１２５に接続されるアン
プ１４０を介して出力回路１３０に入力されて、その出
力回路１３０から列ごとに順次出力される。また、各出
力線１２５は、出力線リセットトランジスタ１５０によ
り電位ＶVに設定される。
【００７２】ここで、図１２に示した出力回路１３０に
ついて、詳しく説明する。図１３は、出力回路の構成例
を示した図である。図１３に示したように、出力回路１
３０は、出力線１２５ごとに設けられたサンプリング蓄
積容量１６０と、このサンプリング蓄積容量１６０と共
通出力線とを接続するトランジスタ１７０を有してい
る。
【００７３】この出力回路１３０では、転送パルスφＴ
により、出力線１２５からの電気信号をサンプリング蓄
積容量１６０に順次蓄積して、走査回路のシフトレジス
タ１９５からφＨ1、φＨ2、…のタイミングパルスが回
路中のトランジスタ１８０に順次入力される。これによ
り、トランジスタ１８０が順次オンして、列ごとにサン
プリング蓄積容量１６０からの信号が、共通出力線に接
続されたバッファアンプ１９０に読み出されて出力（Ｖ
out）される。
【００７４】次に、図１４を参照しながら、読み出し部
２００について説明する。図１４（Ａ）には、読み出し
部２００の平面図を示し、図１４（Ｂ）は、図１４
（Ａ）のＸ−Ｘ′における断面図である。
【００７５】図１４（Ｂ）に示したように、読み出し部
２００は、ガラス基板のような絶縁基板１上に、下部電
極２３１、シリコン窒化膜で形成された絶縁膜２３２、
高抵抗アモルファスシリコン２３３、ｎ+アモルファス
シリコン２３４及び金属層１１２の層が順に形成されて
いる。また、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示した薄膜トラ
ンジスタ１２３、１２４と蓄積容量１２２は、同一の積
層膜の構成で作製されている。同一の積層膜構成のた
め、作製工程を短縮することができ、製造コストが安
く、かつ製造歩留まりも向上する。
【００７６】図１４（Ｂ）の金属層１１２は、図１４
（Ａ）のトランジスタ１２３の主電極の一方となる。ま
た、金属層１１２上にＸ線センシング部１００が電気的
に接続されている。ここでは、画素毎にセンシング部１
００が分離された例を示している。
【００７７】また、絶縁基板１上に形成された非単結晶
材料の薄膜トランジスタ回路部は、薄膜で形成されてい
るために、大型の絶縁基板上に形成することが容易であ
る。また、薄膜トランジスタは活性層が薄い（通常は
０．５μｍ以下）ために、放射線吸収の確率が低く、放
射線検出部であるＸ線センシング部１００を通過した一
部の放射線による材料損傷の問題が発生しにくいこと
や、放射線が読み出し回路中でほとんど吸収されないの
で雑音が発生しづらく、雑音特性が優れていることか
ら、回路部を薄膜トランジスタで形成することは好適で
ある。
【００７８】ここで、放射線のＸ線センシング部１００
と読み出し回路部とを金属電極を介して積層構造とする
ことにより、Ｘ線センシング部は、１００％の開口率を
有していることになる。また、絶縁基板１上に読み出し
回路のみを形成することにより、Ｘ線の入射部領域のた
めの面積を割く必要がない。そのため、薄膜トランジス
タのゲート幅を十分にとることができ、薄膜トランジス
タの高速動作化を図ることができる。形成される半導体
の特性や、画素数にもよるが、３０ＦＰＳ（１秒に３０
回の画像読み出し：フレーム／秒）から６０ＦＰＳの情
報の読み出しも十分に達成することができる。
【００７９】次に、図１５を参照して、本実施形態にお
ける放射線撮像装置の動作について説明する。図１５
（Ａ）は、放射線撮像装置の単位セルの等価回路図を示
している。また、図１５（Ｂ）、図１５（Ｃ）、及び図
１５（Ｄ）は、放射線撮像装置の単位セルの動作を説明
する概略的なポテンシャル図である。ここで、図１５
（Ｂ）、図１５（Ｃ）、及び図１５（Ｄ）において、横
軸は単位セル上の場所を示し、縦軸は各場所でのポテン
シャルを示している。
【００８０】図１５（Ｂ）は、単位セルのリセット状態
を示すポテンシャル図である。図１２に示す第２のトラ
ンジスタ１２４及び出力線リセットトランジスタ１５０
がオンすると、図１５（Ｂ）に示すように、蓄積容量１
２２の電位は、リセット電圧ＶVとなる。第１のトラン
ジスタ１２３のゲートに一定電圧ＶAを与えておくと、
第１のトランジスタ１２３は、常にＶA−ＶTの電位とな
っている。ここで、ＶTは第１のトランジスタ１２３の
しきい値電圧である。
【００８１】次に、図１５（Ｃ）は、単位セルの信号蓄
積状態を示すポテンシャル図である。トランジスタ１２
４がオフの状態で、Ｘ線が放射線検出素子１２１に照射
されると、放射線検出素子１２１中でキャリアが生成さ
れ、そのキャリアがトランジスタ１２３を介して蓄積容
量１２２に蓄積され、蓄積容量１２２の電位が電位Ｖ V
から変化する。
【００８２】次に、図１５（Ｄ）は、単位セルの読み出
し状態を示すポテンシャル図である。出力線リセットト
ランジスタ１５０がオフした状態で、トランジスタ１２
４がオンすると、蓄積容量１２２に蓄積された電荷が出
力線１２５に読み出される。原理的には、前記の単位セ
ルのリセット、信号蓄積及び読み出しの動作が繰り返さ
れる。
【００８３】次に、図１２の放射線撮像装置の等価回路
図をもとに、図１６に示した放射線撮像装置の駆動動作
のタイミングチャートを説明する。ここで、第１のトラ
ンジスタ１２３のゲートに与える一定電圧をＶAと表
す。尚、リセット動作となったときの出力線１２５の電
圧はＶVである。また、このときの出力線リセットトラ
ンジスタ１５０のゲート（φＶR）の電圧をＶRとして表
す。
【００８４】まず、出力線リセットトランジスタ１５０
のゲート（φＶR）に電圧ＶRをかけてトランジスタをオ
ンさせ、これにより出力線１２５がリセットされる。次
に、水平走査回路１２０からφＶ1にパルスが加えられ
て、そのφＶ1に接続している第２のトランジスタ１２
４により、蓄積容量１２２に蓄積された信号が各出力線
１２５に読み出される。そして、各水平走査をφＨ1、
φＨ2、…と行うことにより、出力回路１３０から順次
出力（Ｖout）がされる。
【００８５】−変形例− 次に、第２の実施形態における放射線撮像装置の変形例
について説明する。まず、図１７に、ｎ型あるいはｐ型
Ｓｉにおける抵抗率をパラメータとした、印加電圧と空
乏層の厚さとを関係図を示す。図１７において、実線が
ｐ型Ｓｉにおける抵抗率、破線がｎ型Ｓｉにおける抵抗
率である。ここで、抵抗率が１００Ωｃｍ以上で、か
つ、印加電圧は１０Ｖ以上、望ましくは１００Ｖ以上と
することが好ましい。
【００８６】図１７に示したように、１ｍｍ近くの空乏
層にするには、１０００Ｖ以上も印加電圧が求められ
る。一方、ＧａＡｓでは、１０7Ωｃｍ以上の抵抗のウ
エハを作製できるので、Ｓｉに比べると低い電圧で厚い
空乏層が得られ、高感度化できる。また、ＧａＡｓは、
Ｇｅと同様なＸ線吸収特性を有しているので、直接Ｘ線
材料として好適である。
【００８７】ここで、参考として、図１８に、ＴｉＢ
ｒ、ＣｓＩ、ＳｅのＸ線吸収特性を示す。横軸は照射さ
れるＸ線のエネルギーであり、縦軸はその出力の減少の
度合いのを示す減衰係数である。各物質ともに、照射さ
れるＸ線のエネルギーが大きくなるにつれてＸ線吸収量
が低下することがわかる。ただし、あるエネルギーのと
ころで階段状にＸ線吸収量が増加する。
【００８８】前述したように、図１２における放射線検
出素子１２１内のＸ線センシング部１００をＳｉにより
構成した場合には、その一方の電極端子１０００に、１
０００Ｖ以上の電圧を印加する必要がある。一方、Ｇａ
Ａｓでは、Ｓｉよりも低い電圧の印加となる。
【００８９】また、図１２における第１のトランジスタ
（薄膜トランジスタ：ＴＦＴ）１２３に、一定電圧ＶA
を常に加えることにより、放射線検出素子１２１のもう
一方の電極端子の電位は、常にＶA−ＶTになっている。
そのため、放射線検出素子１２１には、常に一定の電圧
が印加され、空乏層の厚みも変化なく、安定な動作が可
能となる。
【００９０】次に、図１９に、本実施形態の放射線撮像
装置の変形例として、図１１におけるＸ線センシング部
１００の単結晶半導体に高抵抗半導体を用いた概略断面
図を示す。図１９の単結晶高抵抗部２０′の材料として
は、１０7Ωｃｍ以上の高抵抗を有し、バンドギャップ
が１．５ｅＶ程度あり暗電流が小さく、また、直径６イ
ンチ程度の大口径ウエハができることなどから、ＧａＡ
ｓは特に優れている。尚、１０′はｎ+層である。
【００９１】次に、図２０に、本実施形態の放射線撮像
装置の他の変形例を示した概略断面図を示す。図２０に
示した変形例としては、図１１におけるｐ層１０の周辺
に、そのｐ層１０の濃度ｐ+よりも低い濃度のｐ領域の
ガード領域５００を設けたものである。これにより、放
射線検出素子１２１に高電圧を印加した場合に、周辺の
急峻な電界の緩和を図ることができ、ｐｎ接合の耐圧を
改善することができる。
【００９２】次に、図２１に、本実施形態の放射線撮像
装置のその他の変形例を示した概略断面図を示す。図２
１に示した変形例としては、図１１におけるｎ層３０を
分離したものであり、解像度を改良するのに効果があ
る。また、３３はｎ層３０を分離する絶縁膜である。
【００９３】さらに、図２２に、本実施形態の放射線撮
像装置のその他の変形例を示した概略断面図を示す。図
２２に示した変形例としては、図１１における絶縁基板
１を半導体単結晶基板にしたものである。半導体単結晶
基板１１４を用いることで、周辺回路もこの半導体単結
晶基板１１４にとり込むことができ、高機能化、高速読
み出しにもさらに効果を発揮する。図２２の例では、半
導体単結晶基板１１４内に、ｎ型領域であるソース及び
ドレイン１０２が形成され、ｐ領域１１６上に絶縁層を
介してゲート１０１が形成されて、トランジスタ１１５
が形成されている。
【００９４】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図２３は、本発明の第３の実施形態における放射線撮像
装置の等価回路図である。本実施形態は、放射線検出素
子１２１にリセットトランジスタ１２６を接続したもの
である。
【００９５】図２３に示したように、リセットトランジ
スタ（リセット薄膜トランジスタ）１２６を放射線検出
素子１２１に接続することにより、放射線検出素子１２
１からの残像を改善できる。電圧ＶRを、ＶA−ＶTより
若干大きく設定することにより、残像の改善された放射
線撮像装置とすることができる。尚、リセットトランジ
スタ１２６は、放射線検出素子１２１の電位を一定期間
固定する電位固定手段として働く。
【００９６】次に、図２４に、本実施の形態における放
射線撮像装置の駆動動作のタイミングチャートを示す。
各水平走査線φＲ1、φＲ2…、φＶ1、φＶ2、…を、φ
ＶRにそれぞれ同期させて、各単位セルをリセットす
る。また、水平走査線φＲ1、φＲ2のオフ時には、完全
なオフ状態にしないで、リセットトランジスタ１２６の
ゲートにＶBの電圧を与えておくと、放射線検出素子１
２１に強力な入力Ｘ線が入り、容量値Ｃ１の蓄積容量１
２２に大きな電荷ＱLangeが蓄積されたときに、ＶLange
＝ＱLange／Ｃ１により求められる蓄積容量１２２の電
圧は、ＶB−ＶTより大きくならない。これにより、第２
のトランジスタ１２４に過大な電圧がかからないように
することができる。
【００９７】ここで、過大な電圧とは、例えば図１５
（Ｃ）で示した第２のトランジスタ１２４にかかる電圧
Ｖmaxよりも大きな電圧であり、Ｖmax以上の電圧による
電荷が蓄積容量１２２に蓄積されると、第２のトランジ
スタ１２４の出力側にキャリアが流れ出し、これが画像
に大きな影響を与えることになる。前述のように、リセ
ットトランジスタ１２６のゲートにＶBの電圧を与えて
おくことで、ＣＣＤなどでブルーミングとよばれている
ような画像への影響をなくすことができる。
【００９８】次に、図２５に、図２３に示した放射線撮
像装置の蓄積容量１２２にリセットトランジスタを設け
た場合のその単位セルの等価回路図を示す。図２５に示
したリセットトランジスタ１２７の動作を、図２３にお
けるリセットトランジスタ１２６と同様の動作とし、前
述のようにそのゲートにＶBの電圧を与えておくと、容
量値Ｃ１の蓄積容量１２２は、ＶB−ＶT以上の電圧にな
らないようにすることができる。
【００９９】また、蓄積容量１２２のキャリアによる第
２のトランジスタ１２４へのオーバーフローを防止する
ことにより、縦方向画像の特性を改善することができ
る。尚、ここで、Ｘ線光量が十分に小さいときは、その
ゲート電圧は完全なオフ電位でよい。この機能により、
過大なＸ線入力があった場合の保護機能を持たせること
ができる。これらから、リセットトランジスタ１２７に
は、リセットスイッチ機能と保護回路としてのキャリア
オーバーフロー防止機能との二つの機能を有することに
なる。
【０１００】次に、図２６に、リセットトランジスタ１
２６、１２７を同時に設けた場合の等価回路図を示す。
ここで電圧ＶBを、電圧ＶAよりも若干大きいかまたは同
じ程度にすると、（Ｖ A−ＶTH126）≒（ＶB−ＶTH127）
となる。尚、ＶTH126はリセットトランジスタ１２６の
しきい値電圧、ＶTH127はリセットトランジスタ１２７
のしきい値電圧である。
【０１０１】これにより、蓄積容量１２２における最大
蓄積電荷Ｑmaxは、 Ｑmax＝（ＶA−ＶTH126−ＶV）・Ｃ１ となる。
【０１０２】また、電圧ＶA、電圧ＶB、電圧ＶRを変え
ることにより、最大蓄積電荷Ｑmaxを容易に変えること
ができる。そして、第２のトランジスタ１２４のソース
・ゲート耐電圧（ＶS-Gmax）、または、ソース−ドレイ
ン間の耐電圧（ＶS-Dmax）の小さい方を考慮して電圧Ｖ
Bを設定すれば、第２のトランジスタ１２４の電圧破壊
を保護することもできる。
【０１０３】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図２７は、本発明の第４の実施形態における放射線撮像
装置の等価回路図である。本実施形態は、各単位セルに
ソースフォロアを設置して、信号増幅を行うことで感度
向上を図るように構成したものである。図２７に示すよ
うに、各単位セルは、選択用のトランジスタ１２８と、
増幅用のトランジスタ１２９とを有しており、これらに
よりソースフォロアが構成されている。
【０１０４】ここで、放射線撮像装置の単位セルにソー
スフォロアを配設した例を以下に挙げる。図２８は、図
２３に示した放射線撮像装置の第２のトランジスタ１２
４に、前述のソースフォロアを配設したときのその単位
セルの等価回路図である。また、図２９は、図２５に示
した放射線撮像装置の第２のトランジスタ１２４に、前
述のソースフォロアを配設したときのその単位セルの等
価回路図であり、図３０は、図２６に示した放射線撮像
装置の第２のトランジスタ１２４に、前述のソースフォ
ロアを配設したときのその単位セルの等価回路図であ
る。図２８及び図３０では、リセットトランジスタ１２
６をそれぞれ設けることで、残像改善を行っている。
【０１０５】（第５の実施形態）次に、本発明の第５の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図３１は、本発明の第５の実施形態における放射線撮像
装置の等価回路図である。本実施形態は、固定パターン
のノイズを除去するために、出力系を２系統設けたもの
である。図３１において、φＶRに信号パルスを与えト
ランジスタ１３８をオンさせることにより、セル１３９
および容量Ｃをリセットする。その後、セル１３９から
のリセット後の雑音（Ｎ）を、トランジスタ１３１を介
して、蓄積容量ＣNに蓄積する。
【０１０６】次に、セル１３９に信号（Ｓ）が蓄積され
た後に、同セル１３９からの雑音成分を含む信号（Ｓ＋
Ｎ）を、トランジスタ１３２を介して読み出して、蓄積
容量ＣSに蓄積する。その後、蓄積容量ＣN、ＣSの両方
から、トランジスタ１３５、１３６をオンさせ、雑音と
雑音成分を含む信号を読み出して、減算アンプ１３７に
より、雑音成分を含む信号（Ｓ＋Ｎ）から雑音成分
（Ｎ）をさし引いた信号（Ｓ）を出力する（Ｖout）。
【０１０７】ここで、１３３は蓄積容量ＣNをリセット
するトランジスタであり、１３４は蓄積容量ＣSをリセ
ットするトランジスタである。尚、セル１３９をリセッ
トする前に、φＨRからの信号によりトランジスタ１３
５、１３６をオンさせて、蓄積容量ＣNとＣSをリセット
しておく。
【０１０８】（第６の実施形態）次に、本発明の第６の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図３２は、本発明の第６の実施形態における放射線撮像
装置の概略断面図である。本実施形態は、図１１におけ
る電荷放出層のｉ層２０がｎ-層であったものを、ｐ-層
として構成したものである。以下、図１１と同じ参照番
号の構成部は、図１１で説明したものと同様であるの
で、その詳細についての説明は省略する。
【０１０９】図３２に示した放射線撮像装置は、図１１
で説明したように、Ｘ線センシング部１００に照射され
たＸ線から電子−正孔対を生成し、一方のキャリアを蓄
積し、画像情報を担う電気信号として読み出す。ここ
で、Ｘ線センシング部１００は、前述したようにＧａＡ
ｓ、ＧａＰ、Ｓｉなどの半導体を用いて構成され、ｎ層
３１０、ｐ層３１５、ｐ-層として形成された電荷放出
層のｉ層３２０、ｐ層３３０を有している。これら層
は、空乏層がｎ層３１０とｉ層３２０の界面から広がる
ｐｉｎダイオードを形成する。
【０１１０】さらに、Ｘ線入射側のｐ層３３０の上層に
は、金属層３１、３２が形成され、また、ｎ層３１０の
下層には、読み出し部２００側に金属層１１、１２が形
成されている。尚、前述したように金属層１２は、バリ
アメタルである。また、Ｘ線センシング部１００は、単
結晶半導体基板を利用して形成することができる。
【０１１１】本実施形態は、図３２に示されているよう
に、Ｘ線センシング部１００のダイオードの接続方向が
異なっている点で、第２の実施形態の図１１及び図１２
に示した構成と異なっている。
【０１１２】また、図３２の放射線撮像装置において、
Ｘ線センシング部１００のｐ層３３０、ｎ層３１０は、
放射線の不感帯となっている。これにより、Ｘ線照射に
よる空乏層領域でのキャリア生成が有効に行われる。
【０１１３】次に、読み出し部２００は、絶縁基板１上
に回路を構成するｎ型薄膜トランジスタ２２０を有し、
そのｎ型薄膜トランジスタ２２０は、ゲート２２１、ソ
ース及びドレイン２２２、低不純物濃度の半導体活性層
２２３、ソース及びドレイン２２２と接続される金属配
線２３０とから構成されている。また、薄膜トランジス
タ２２０は、保護膜１１３で覆われている。
【０１１４】ここで、前述したように、薄膜トランジス
タの半導体材料としては、アモルファスシリコン、ポリ
シリコン、マイクロクリスタルシリコン等の非単結晶材
料が好適に用いられる。また、図３２では図示されてい
ないが、読み出し部２００は、蓄積容量となるキャパシ
タが形成されている。
【０１１５】次に、図３３に、本実施形態における放射
線撮像装置の等価回路図を示す。図３３において、図１
２に示した参照番号と同じ構成部は、図１２に示された
ものと同様であるため、その詳細な説明は省略する。
【０１１６】図３３において、入力画素である単位セル
は、放射線検出素子１１２１、蓄積容量１２２、放射線
検出素子１１２１からの信号を蓄積容量１２２に転送す
る第１のトランジスタ１２３、蓄積容量１２２から信号
を読み出す第２トランジスタ１２４を有している。図３
３では、ダイオードとして図示されている放射線検出素
子１１２１の極性が図１２に示される等価回路図に示し
たものと異なっている。
【０１１７】図３３に示した、シフトレジスタ等の水平
走査回路１２０により、行ごとに各単位セルの第２のト
ランジスタ１２４が選択されて、各単位セルの蓄積容量
１２２から出力線１２５に信号が読み出され、出力線１
２５に接続されるアンプ１４０を介して出力回路１３０
に入力されて、その出力回路１３０から列ごとに順次出
力される。
【０１１８】また、各出力線１２５にアンプ１４０を接
続することは、ガラス基板上に形成された大型の回路基
板（たとえば、20cm×20cmや43cm×43cmの大きさ）の放
射線撮像装置において、その放射線撮像装置の電荷蓄積
容量の容量値が通常０．５〜３ｐＦ程度なのに比べて、
出力線１２５の配線クロス部及び薄膜トランジスタのゲ
ートと出力線１２５とつながっているソース間との容量
等の寄生容量値が、数十ｐＦから１００ｐＦ程度となっ
て大きいので、信号対雑音比を十分とるために効果的で
ある。
【０１１９】また、各蓄積容量１２２と各出力線１２５
は、出力線リセットトランジスタ１５０により、第２の
トランジスタ１２４を介して電位ＶVに設定される。こ
こで、出力回路１３０は、図１３に示したように、出力
線１２５ごとに設けられたサンプリング蓄積容量１６０
と、このサンプリング蓄積容量１６０と共通出力線とを
接続するトランジスタ１７０を有している。この出力回
路１３０では、走査回路のシフトレジスタ１９５からφ
Ｈ1、φＨ2、…が出力回路１３０に順次入力されて、回
路中のトランジスタ１８０がオンし、蓄積容量から列ご
とに信号が共通出力線に読み出されて出力されるように
なっている。
【０１２０】また、第１のトランジスタ１２３に一定電
圧ＶAを常に加えることにより、放射線検出素子１１２
１のもう一方の電極は、常にＶA−ＶTになっている。そ
のため、放射線検出素子１１２１は、常に一定の電圧が
印加され、空乏層の厚みも変化なく、安定な動作が可能
である。
【０１２１】次に、図３３の放射線撮像装置の等価回路
図をもとに、図３４に示した放射線撮像装置の駆動動作
のタイミングチャートを説明する。ここで、第１のトラ
ンジスタ１２３のゲートに与える一定電圧をＶAと表
す。尚、リセット動作となったときの出力線１２５の電
圧はＶVである。また、このときの出力線リセットトラ
ンジスタ１５０のゲート（φＶR）の電圧をＶRとして表
す。ここで、転送パルスは、図１３に示した出力回路１
３０内のφＴを示している。
【０１２２】まず、出力線リセットトランジスタ１５０
のゲート（φＶR）に電圧ＶRをかけてトランジスタをオ
ンさせ、それと同時に、φＶ1をオンとすると、リセッ
トモードになる。その後、φＶR、φＶ1をオフにするこ
とにより、放射線検出素子１１２１は、蓄積モードに入
いる。
【０１２３】次に、水平走査回路１２０でφＶ1に信号
パルスを加え、蓄積容量１２２に蓄積された信号を、各
出力線１２５に読み出しを行う読み出しモードとなる。
その後、転送パルスにより、出力回路１３０内のサンプ
リング蓄積容量（図１３）に一括で電荷を転送した後、
各水平走査をφＨ1、φＨ2…と行うことにより、サンプ
リング蓄積容量から順次出力（Ｖout）がされる。蓄積
電荷が出力線１２５に転送された後は、再びリセットモ
ードに戻る。
【０１２４】前述した一連のサイクルは、各水平ライン
に対して同様に行い、順次情報を読み出して行く。尚、
読み出しモードのφＶｉ（i＝１、２、３…）がオンさ
れる直前に、読み出し手段である第２のトランジスタ１
２４をオフした状態（φＶiをオフ状態）で、リセット
手段である出力線リセットトランジスタ１５０をオンし
た状態（φＶRをオン状態）にすることより、出力線１
２５のみのリセットをさらに行っても良い。また、この
場合の他の動作は、図３４に示したものと同様に行えば
よい。
【０１２５】前述の動作を行うことにより、撮像装置の
一部の撮影領域に強い放射線が入射したときに、蓄積容
量１２２から第２のトランジスタ１２４を介して出力線
１２５に電荷がもれて他のセルの読み出し時に影響を与
える現象（ＣＣＤ等でブルーミングと呼ばれている現
象）を防止することができる。
【０１２６】−変形例−ここで、第６の実施形態におけ
る放射線撮像装置の変形例について説明する。まず、図
３５は、本実施形態の放射線撮像装置の変形例を示した
概略断面図である。図３５に示した変形例は、図３２に
おけるＸ線センシング部１００の単結晶半導体に高抵抗
半導体を用いたものである。
【０１２７】図３５に示した単結晶高抵抗部３２０′の
材料としては、１０7Ωｃｍ以上の高抵抗を有し、バン
ドギャップが１．５ｅＶ程度あり暗電流が小さく、ま
た、直径６インチ程度の大口径ウエハができることなど
から、ＧａＡｓを利用することが望ましい。尚、３１０
はｎ+層、３３０はｐ+層である。
【０１２８】次に、図３６に、本実施形態の放射線撮像
装置の他の変形例を示した概略断面図を示す。図３６に
示した変形例としては、図３１におけるｎ層３１０の周
辺に、そのｎ層３１０の濃度ｎ+よりも低い濃度のｎ領
域のガード領域５０１を設けるたものである。これによ
り、放射線検出素子１１２１に高電圧を印加した場合
に、周辺の急峻な電界の緩和を図ることができ、ｐｎ接
合の耐圧を改善することができる。
【０１２９】次に、図３７に、本実施形態の放射線撮像
装置のその他の変形例を示した概略断面図を示す。図３
７に示した変形例としては、図３２におけるｐ層３３０
を分離したものであり、解像度を改良するのに効果があ
る。また、３３はｐ層３３０を分離する絶縁膜である。
【０１３０】また、図３７で、ｐ-層である電荷放出層
のｉ層３２０を反対導電型のｎ層とすると、空乏層は表
面側から広がり、Ｘ線入射の多い所で確実に空乏層が存
在することになるために、感度、解像度が安定する。た
だし、ここで空乏層はｐ層３３０とｎ層３１０の間、ｉ
層３２０の全厚みに広がっていることが求められる。
【０１３１】さらに、図３８に、本実施形態の放射線撮
像装置のその他の変形例を示した概略断面図を示す。図
３８に示した変形例としては、図３２における絶縁基板
１を、半導体単結晶基板にしたものである。また、これ
は、図２２の放射線撮像装置とは、Ｘ線センシング部１
００の極性を異ならしめた場合の例である。
【０１３２】ここでは、単結晶基板１１４を用いること
で、周辺回路もこの半導体単結晶基板１１４にとり込む
ことができ、高機能化、高速読み出しにもさらに効果を
発揮する。ｐ領域１１６上に絶縁層を介してゲート１０
１が形成されて、トランジスタ１１５が形成されてい
る。
【０１３３】さらに、図３９に、本実施形態の放射線撮
像装置のその他の変形例を示した概略断面図を示す。図
３９に示した変形例は、図３８に示した放射線撮像装置
において、ｎ層３１０の周り全体に、ｎ層３１０の濃度
ｎ+よりも不純物密度の低いｎ型領域３１１を設けてい
る。このような構成とすることにより、ｐｎ接合におけ
るｎ層３１０の周辺の電界が低減されることにより、ｐ
ｎ接合の耐圧改善と空乏層領域中での暗電流の低減を図
ることができる。
【０１３４】（第７の実施形態）次に、本発明の第７の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図４０は、本発明の第７の実施形態における放射線撮像
装置の等価回路図である。本実施形態は、図２３に示し
た等価回路図における放射線検出素子１２１の極性を逆
にした構成である。また、図４０に示した放射線検出素
子１１２１は、第６の実施形態における放射線撮像装置
のものと同様である。
【０１３５】次に、図４０の放射線撮像装置の等価回路
図をもとに、図４１に示した放射線撮像装置の駆動動作
のタイミングチャートを説明する。尚、転送パルスは、
図１３に示した出力回路１３０内のφＴを示している。
各水平走査線φＲ1、φＲ2…、φＶ1、φＶ2、…をφＶ
Rにそれぞれ同期させて、第２のトランジスタ１２４、
リセットトランジスタ１２６及び出力回路１３０を駆動
し、放射線検出素子１１２１のリセットを行う。
【０１３６】また、水平走査線φＲ1、φＲ2のオフ時
は、リセットトランジスタ１２６を完全なオフ状態にし
ないで、リセットトランジスタ１２６のゲートにＶBの
電圧を与えておくと、放射線検出素子１１２１に強力な
入力Ｘ線が入射し、容量値Ｃ１の蓄積容量１２２に大き
な電荷ＱLangeが蓄積されたときに、ＶLange＝ＱLange
／Ｃ１により求められる蓄積容量１２２の電圧は、ＶB
−ＶTより大きくならない。これにより、第２のトラン
ジスタ１２４に過大な電圧がかからないようにすること
ができる。
【０１３７】ここで、過大な電圧とは、例えば図１５
（Ｃ）で示した第２のトランジスタ１２４にかかる電圧
Ｖmaxよりも大きな電圧であり、Ｖmax以上の電圧による
電荷が蓄積容量１２２に蓄積されると、第２のトランジ
スタ１２４の出力側にキャリアが流れ出し、これが画像
に大きな影響を与えることになる。前述のように、リセ
ットトランジスタ１２６の駆動を制御することで、ＣＣ
Ｄなどでブルーミングとよばれているような画像への影
響をなくすことができる。
【０１３８】また、放射線検出素子１１２１を適用した
他の構成としては、図２６及び図３０に示されるような
等価回路図において、放射線検出素子１２１の極性を逆
にすることによって、同様にそれらの回路が適用できる
ことは言うまでもない。
【０１３９】（第８の実施形態）次に、本発明の第８の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図４２は、本発明の第８の実施形態における放射線撮像
装置を示した概略構成図である。本実施形態は、図４２
に示したように、絶縁性基板上に形成された読み出し部
２００上に、複数枚のＸ線センシング部１００を組み合
わせて大画面の放射線撮像装置としたものである。図４
２の１５００は駆動回路部、１６００は出力回路部を示
し、これらが読み出し部２００上に設置されている。読
み出し部２００の絶縁性基板としてガラス基板を用いる
ことで、撮像装置を大型化することができる。
【０１４０】（第９の実施形態）次に、本発明の第９の
実施形態における放射線撮像装置の説明を以下に行う。
図４３は、本発明の第９の実施形態を示し、放射線撮像
装置を用いた医療用診断機器の一例を示す模式図であ
る。図４３において、１００１はＸ線発生源となるＸ線
管、１００２はＸ線管１００１からのＸ線に対して、そ
の通過の開閉制御を行うＸ線シャッター、１００３は照
射筒又は可動絞り、１００４は被写体、１００５は本発
明の実施形態における放射線検出器である。
【０１４１】また、１００６は放射線検出器１００５か
らの信号をデータ処理するデータ処理装置である。１０
０７はコンピュータであり、データ処理装置１００６か
らの信号に基づいて、Ｘ線画像等をＣＲＴ等のディスプ
レイ１００９に表示したり、カメラ制御器１０１０、Ｘ
線制御器１０１１及びコンデンサ式高電圧発生器１０１
２を介して、Ｘ線管１００１を制御したりして、Ｘ線発
生量の制御を行う役割を果たしている。このように、本
発明の実施形態における放射線撮像装置をシステムとし
て用いることにより、医療診断等に応用することができ
る。
【０１４２】
【発明の効果】本発明によれば、半導体層から電荷放出
層へのキャリアの拡散を防止するキャリア拡散防止層
を、電荷放出層と半導体層との間に形成するようにした
ので、捕獲準位による暗電流を小さくすることができ
る。これにより、キャリアの収集効率を高めることがで
き、高感度の放射線検出素子を実現することができる。
【０１４３】また、本発明の他の特徴によれば、放射線
検出素子への印加電界を一定に保つ手段を設けたので、
放射線検出素子内のｐｎ接合構造を有する放射線検出部
において、空乏層の厚みを一定にできることから、量子
効率を高い水準のまま一定に保つことができる。これに
より、放射線検出素子の読み取り感度を高い水準で安定
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における放射線検出素
子の概略断面図である。
【図２】放射線検出素子の捕獲準位を示したエネルギー
バンド図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における放射線検出素
子の概略断面図である。
【図４】ｎ層と電極との界面からの距離と、電子濃度と
の特性図である。
【図５】放射線検出素子におけるキャリアの収集効率と
それに印加する電圧との関係を示した図である。
【図６】ＳｉとＧｅに照射するＸ線エネルギーとその吸
収の割合との一例を示す特性図である。
【図７】半導体のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合による暗
電流とバンドギャップエネルギーとの特性図である。
【図８】半導体に放射線を照射したとき、キャリアを生
成するために必要な放射線エネルギーの特性図である。
【図９】Ｓｉにおける空乏層への印加電圧と空乏層の厚
さとの特性図である。
【図１０】ＧａＡｓにおける空乏層への印加電圧と空乏
層の厚さとの特性図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における放射線撮像
装置の概略断面図である。
【図１２】第２の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図１３】出力回路の構成例を示した図である。
【図１４】読み出し部の概略断面図である。
【図１５】第２の実施形態における放射線撮像装置の単
位セルの等価回路図及びそのポテンシャル図である。
【図１６】第２の実施形態における放射線撮像装置の駆
動動作のタイミングチャートである。
【図１７】ｎ型あるいはｐ型Ｓｉにおける抵抗率をパラ
メータとした、印加電圧と空乏層の厚さとを関係図であ
る。
【図１８】ＴｉＢｒ、ＣｓＩ及びＳｅのＸ線吸収特性を
示す図である。
【図１９】第２の実施形態における放射線撮像装置の変
形例として、図１１におけるＸ線センシング部の単結晶
半導体に高抵抗半導体を用いた例を示した概略断面図で
ある。
【図２０】第２の実施形態における放射線撮像装置の他
の変形例を示した概略断面図である。
【図２１】第２の実施形態における放射線撮像装置のそ
の他の変形例を示した概略断面図である。
【図２２】第２の実施形態における放射線撮像装置のそ
の他の変形例を示した概略断面図である。
【図２３】第３の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図２４】第３の実施形態における放射線撮像装置の駆
動動作のタイミングチャートである。
【図２５】第３の実施形態における放射線撮像装置の蓄
積容量にリセットトランジスタを設けた場合のその単位
セルの等価回路図である。
【図２６】第３の実施形態における放射線撮像装置にリ
セットトランジスタを同時に設けた場合のその単位セル
の等価回路図である。
【図２７】第４の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図２８】図２３に示した放射線撮像装置の第２のトラ
ンジスタに、ソースフォロアを配設したときのその単位
セルの等価回路図である。
【図２９】図２５に示した放射線撮像装置の第２のトラ
ンジスタに、ソースフォロアを配設したときのその単位
セルの等価回路図である。
【図３０】図２６に示した放射線撮像装置の第２のトラ
ンジスタに、ソースフォロアを配設したときのその単位
セルの等価回路図である。
【図３１】第５の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図３２】第６の実施形態における放射線撮像装置の概
略断面図である。
【図３３】第６の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図３４】第６の実施形態における放射線撮像装置の駆
動動作のタイミングチャートである。
【図３５】第６の実施形態における放射線撮像装置の変
形例を示した概略断面図である。
【図３６】第６の実施形態における放射線撮像装置の他
の変形例を示した概略断面図である。
【図３７】第６の実施形態における放射線撮像装置のそ
の他の変形例を示した概略断面図である。
【図３８】第６の実施形態における放射線撮像装置のそ
の他の変形例を示した概略断面図である。
【図３９】第６の実施形態における放射線撮像装置のそ
の他の変形例を示した概略断面図である。
【図４０】第７の実施形態における放射線撮像装置の等
価回路図である。
【図４１】第７の実施形態における放射線撮像装置の駆
動動作のタイミングチャートである。
【図４２】第８の実施形態における放射線撮像装置を示
した概略構成図である。
【図４３】本発明の第９の実施形態を示し、放射線撮像
装置を用いた医療用診断機器の一例を示す模式図であ
る。
【符号の説明】
１ 絶縁基板 ２、２２０ トランジスタ １０ ｐ層 １１、１２ 金属層 １３ バンプ金属 １５、３１５ ｎ層（キャリア拡散防止層） ２０、３２０ ｉ層 ２５ ｐ層（キャリア拡散防止層） ３０ ｎ層 ３１、３２ 金属層 ４１、４２ 電極 ４０、５０ 保護膜 ５１ 電源 ６０ 増幅器 ７０ 放射線源 １００ Ｘ線センシング部 １０１、２２１ ゲート １０２、２２２ ソース、ドレイン １０３、２２３ 活性層 １１０、２３０ 金属配線 １１１ Ａｌ層 １１２ 金層層 １１３ 保護膜 １２０ 水平走査回路 １２１、１１２１ 放射線検出素子 １２２ 蓄積容量 １２３ 第１のトランジスタ １２４ 第２のトランジスタ １２５ 出力線 １２６、１２７ リセットトランジスタ １３０ 出力回路 １４０ アンプ １５０ 出力線リセットトランジスタ ２００ 読み出し部 ５００、５０１ ガード領域
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｆ Ｆターム(参考） 2G088 EE01 FF02 GG21 JJ05 JJ09 LL11 LL15 4M118 AA05 AA10 AB01 BA05 BA07 BA19 CA03 CA05 CA11 CB01 CB02 CB05 DD12 FB03 FB09 FB13 FB16 FB24 GA10 5C024 AX11 AX16 CX32 CX37 5F088 AA03 AB07 BA04 BB03 EA04 EA08 GA02 KA08 LA08

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射線を吸収し電荷を放出する電荷放出
    層と、 第１の半導体層と、 前記第１の半導体層と反対導電型を有する第２の半導体
    層とを含み、 前記電荷放出層が前記第１の半導体層と前記第２の半導
    体層との間に設けられるとともに、 前記電荷放出層と前記第１の半導体層及び前記第２の半
    導体層のうち少なくとも一方の半導体層との間に形成さ
    れ、前記少なくとも一方の半導体層から前記電荷放出層
    へのキャリアの拡散を防止するキャリア拡散防止層を備
    えてなることを特徴とする放射線検出素子。
  2. 【請求項２】 前記キャリア拡散防止層は、前記キャリ
    ア拡散防止層と接合を形成している前記第１の半導体層
    または第２の半導体層と、反対導電型を有することを特
    徴とする請求項１に記載の放射線検出素子。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の放射線検出素
    子と、 前記放射線検出素子で放射線から変換された電荷を蓄積
    する電荷蓄積手段と、 前記放射線検出素子に印加する電界を制御する制御手段
    と、 前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷に基づく信号を読み
    出す読み出し手段とを有する入力画素と、 前記読み出し手段から読み出された信号を前記入力画素
    から出力する出力線と、 前記電荷蓄積手段が所定の電圧になるようにリセットを
    かけるリセット手段とを有することを特徴とする放射線
    撮像装置。
  4. 【請求項４】 前記第１の半導体層及び前記第２の半導
    体層のうち、いずれか一方の半導体層の周辺に、電界緩
    和のためのガード領域を設けたことを特徴とする請求項
    ３に記載の放射線撮像装置。
  5. 【請求項５】 少なくとも、前記制御手段、前記電荷蓄
    積手段及び前記読み出し手段が、同一の絶縁基板上に形
    成されていることを特徴とする請求項３または４に記載
    の放射線撮像装置。
  6. 【請求項６】 前記第１の半導体層及び前記第２の半導
    体層のうち、何れか一方の半導体層の周辺に、前記一方
    の半導体層の不純物濃度よりも低い同一導電型の半導体
    層を設けたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１
    項に記載の放射線撮像装置。
  7. 【請求項７】 少なくとも、前記制御手段、前記電荷蓄
    積手段及び前記読み出し手段が形成された絶縁基板上
    に、前記放射線検出素子を形成する複数の半導体基板が
    配置されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれ
    か１項に記載の放射線撮像装置。
  8. 【請求項８】 放射線を吸収し電荷を放出する電荷放出
    層を含み、 前記電荷放出層が第１の半導体層と、前記第１の半導体
    層と反対導電型を有する第２の半導体層との間に設けら
    れてなる放射線検出素子を用いて、 前記電荷放出層と前記第１の半導体層及び前記第２の半
    導体層のうち少なくとも一方の半導体層との間に形成さ
    れたキャリア拡散防止層により、前記少なくとも一方の
    半導体層から前記電荷放出層へのキャリアの拡散を防止
    することを特徴とする放射線検出方法。
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