JP2004265932A - 放射線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造の放射線撮像装置において、ＴＦＴ素子上に配置したセンサ素子が電位変動を起こした場合にも、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑え、感度向上を達成する。
【解決手段】放射線撮像装置は、蛍光体層１０にて入射されたＸ線から波長変換された可視光を電荷に変換する複数個の光電変換素子Ｐ１１と、その下層に形成された複数個のＴＦＴ（Ｔ１１）とから成る画素が、絶縁基板２０上にマトリクス状に配設されている。このうち、ＴＦＴ（Ｔ１１）は、絶縁基板２０上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、高濃度不純物半導体層Ｌ３、半導体層を成す第１の半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、及びゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６が順次形成された構造をもつ。
【選択図】 図３
【解決手段】放射線撮像装置は、蛍光体層１０にて入射されたＸ線から波長変換された可視光を電荷に変換する複数個の光電変換素子Ｐ１１と、その下層に形成された複数個のＴＦＴ（Ｔ１１）とから成る画素が、絶縁基板２０上にマトリクス状に配設されている。このうち、ＴＦＴ（Ｔ１１）は、絶縁基板２０上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、高濃度不純物半導体層Ｌ３、半導体層を成す第１の半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、及びゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６が順次形成された構造をもつ。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線撮像装置に係り、とくに医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用される光電変換用基板及び光電変換装置、放射線撮像用基板及び放射線撮像装置に関するものである。なお、本明細書で使用する「放射線」には、可視光等の電磁波やＸ線、α線、β線、γ線なども含まれるものとする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）を用いた液晶パネルの製造技術の発展や、光電変換素子を有するエリアセンサーの各分野への利用（例えば医療機器）の進展により、医療用放射線撮像装置においても大面積化、かつディジタル化が達成されている。
【０００３】
医療用放射線撮像装置は、液晶パネル等とは異なり、微小信号をディジタル変換して画像出力するという特徴を持っており、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものである。
【０００４】
この放射線撮像装置は、製品化が達成されている一方、更なる感度向上を目指して種々の提案がなされている。
【０００５】
例えば、非特許文献１等による報告では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子上にセンサ素子（半導体変換素子）を積層した構造が開示されている。本従来例は、前記構造を採用することでセンサ素子の開口率を向上させ、感度向上が可能としている。また、この時、ＴＦＴ素子はセンサ素子の直下に配置されているため、不要な寄生容量を形成し、故に、接地されたＰｌａｎｅを配置することが記載されている。
【０００６】
また、特許文献１による提案においては、同様に、開口率を向上させるため、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴ素子のソースまたはドレイン電極に接続された電極がＴＦＴ素子上を被覆し、かつセンサの個別電極となっている構造である。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｌ．Ｅ Ａｎｔｏｎｕｋ， ”ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＯＦ ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ， ＦＬＡＴ−ＰＡＮＥＬ ＡＲＲＡＹＳ ＦＯＲ ＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣ ＡＮＤ ＲＡＤＩＯＴＨＥＲＡＰＹ ＩＭＡＧＩＮ，” ＳＰＩＥ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ＶＩ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２３−２７， １９９２
【特許文献１】
米国特許第５４９８８８０号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造の放射線撮像装置においては、センサ素子の個別電極がＴＦＴ素子のバックゲート電極として作用してしまう。つまり、センサ素子の電位変動により、ＴＦＴ素子のリークといった問題を発生させ、画像品位の劣化となって現れる。
【０００９】
例えば、センサ出力が大きい領域と小さい領域が隣接した場合、境界がにじむ様なクロストークが現れる。また、センサ飽和出力が低下し、ダイナミックレンジが低下すると言った問題が生じる。
【００１０】
そこで本発明は、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造の放射線撮像装置において、ＴＦＴ素子上に配置したセンサ素子が電位変動を起こした場合にも、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑え、感度向上を達成する放射線撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ＴＦＴ素子をソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁膜層、ゲート電極の順に順次形成し、これにより、センサ素子の電位変化によるＴＦＴ素子の特性変動を抑え、感度向上を達成する放射線撮像装置を提供する。
【００１２】
すなわち、本発明は、少なくとも放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタは、ソース及びドレイン電極、ソース及びドレイン領域を成す高濃度不純物半導体層、チャネル部を含む半導体層、絶縁層、及びゲート電極を有し、前記絶縁基板上に、前記ソース及びドレイン電極、前記高濃度不純物半導体層、前記半導体層、前記絶縁層、及び前記ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする。
【００１３】
なお、本明細書で使用する「波長変換体」とは、放射線を波長変換するもので、例えばＸ線等の放射線を光信号に変換する蛍光体を含み、さらに、本明細書で使用する「半導体変換素子」とは、少なくとも放射線を電荷に変換するもので、例えば光信号を電荷に変換する光電変換素子を含むものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る放射線撮像装置の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本実施形態は、入射されたＸ線等の放射線を蛍光体層（波長変換体）にて可視光に変換し、その可視光を光電変換素子（半導体変換素子、センサ素子）にて電荷に変換し、薄膜トランジスタ（スイッチ素子）を介して読み出す間接型の放射線撮像装置に適用したものである。
【００１５】
図１は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図、図２は、その平面図、図３は、その断面図（図３中のＡ−Ａ’線に沿った断面図）である。
【００１６】
図１〜図３において、Ｐ１１〜Ｐ４４（図２では点線で囲まれた領域参照）は、図３に示す蛍光体層１０下に形成され且つその蛍光体層１０にて入射Ｘ線の波長変換により生成された可視光を電荷に変換する半導体変換素子（センサ素子）としての光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ４４は、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４にて変換された電荷を読み出すスイッチ素子としての薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」）であり、それぞれ画素Ｃ１１〜Ｃ４４を構成し、これらの画素が図３に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に形成されている。なお、ここでは画素エリアに４×４画素を示しているが、実際には例えば１０００×２０００画素が図３に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に配置されている。
【００１７】
図１及び図２に示すように、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４は、共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に接続され、このバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４を介して読み出し装置３０から一定バイアスが印加されている。
【００１８】
各ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に接続され、このゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４を介してゲート駆動装置４０からＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続される。この信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００１９】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、図３に示す蛍光体層１０で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置４０により印加されるゲート駆動パルスによりＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）を介して信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に転送され、読み出し装置３０により外部に読み出される。その後、共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４により、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４で発生し転送されず残存している電荷が除去される。
【００２０】
ここで、上記各素子の構成について図３を参照して説明する。ここでは、図１及び図２に示す画素Ｃ１１の構成を例に説明するが、他の画素Ｃ１２〜Ｃ４４の構成も全て同様である。
【００２１】
図３に示すように、画素Ｃ１１は、絶縁基板２０上に、第１の絶縁層Ｌ１、ＴＦＴ（Ｔ１１）、光電変換素子Ｐ１１と順次形成されている。
【００２２】
第１の絶縁層Ｌ１は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかで構成される。
【００２３】
ＴＦＴ（Ｔ１１）を成す各層は、図３に示すように、第１の絶縁層Ｌ１上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、ソース及びドレイン領域を含む高濃度不純物半導体層Ｌ３、ソース及びドレイン領域間のチャネル部を含む半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６の順に順次形成されている。このうち、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６は、第２の絶縁層Ｌ５を挟んで下層に位置するソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２に水平方向の位置が互いに重なるように、半導体層Ｌ４のチャネル幅よりも大きく形成されている。第１の電極層Ｌ２は、図１及び図２に示す信号線Ｓｉｇ１に、また第２の電極層Ｌ６は、図１及び図２に示すゲート線Ｖｇ１にそれぞれ接続される。
【００２４】
また、光電変換素子Ｐ１１を成す各層は、図３に示すように、第２の電極層Ｌ６上に、第３の絶縁層Ｌ７を介して、第３の電極層Ｌ８、第４の絶縁層Ｌ９、第２の半導体層Ｌ１０、ｎ＋型半導体層Ｌ１１、及び共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に接続される第４の電極層Ｌ１２の順にそれぞれ形成されている。このうち、第３の電極層Ｌ８は、ＴＦＴ（Ｔ１１）の第１の電極層Ｌ２に接続される。また、第４の電極層Ｌ１２は、図１及び図２に示すバイアス線Ｖｓ１に接続される。第４の電極層Ｌ１２上には、図３に示すように、第５の絶縁層Ｌ１３、有機保護層Ｌ１４が順に形成され、その有機保護層Ｌ１４上に接着層Ｌ１５を介して蛍光体層１０が配設されている。
【００２５】
従って、ＴＦＴ（Ｔ１１）上部に形成された光電変換素子Ｐ１１の電位変動が起た場合にも、ＴＦＴ（Ｔ１１）のＯＮ、ＯＦＦを制御するゲート電極が光電変換素子Ｐ１１とチャネル部Ｃｈ１１の間に存在するため、ＴＦＴ特性は安定する。
【００２６】
また、このような構造のＴＦＴ（Ｔ１１）は、高濃度不純物半導体層Ｌ３をパターニングした後に半導体層（第１の半導体層Ｌ４）を形成することでチャネル部Ｃｈ１１のエッチングが不要となり、半導体層を薄膜にすることが可能となるため、駆動能力の高いＴＦＴとなる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、光電変換素子（半導体変換素子）の下層に形成されたＴＦＴ素子（スイッチ素子）を、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造にすることにより、特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子を形成できる。
【００２８】
なお、本実施形態では、半導体変換素子をＭＩＳ型としたが、これはＰＩＮ型であっても同様の効果が得られる。
【００２９】
また、本実施形態では、放射線を蛍光体層で可視光に変換し、この可視光が光電変換素子で電荷に変換される間接型の放射線撮像装置を例示しているが、アモルファスセレン等の放射線を直接電荷に変換できる材料を用いた直接型の放射線撮像装置を用いても同様の効果が得られる。
［第２の実施形態］
本実施形態は、上記第１の実施形態と同様の構成に加え、各画素毎にリセット用ＴＦＴを設けた放射線撮像装置に適用したものである。
【００３０】
図４は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図、図５は、その平面図、図６は、その断面図（図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図）である。
【００３１】
図４〜図６において、Ｐ１１〜Ｐ４４（図５では点線に囲まれた領域参照）は、図６に示す蛍光体層１０下に形成され且つその蛍光体層１０にて入射Ｘ線の波長変換により生成された可視光を電荷に変換する半導体変換素子（センサ素子）としての光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ４４は、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４にて変換された電荷を読み出すスイッチ素子としての読み出し用薄膜ＴＦＴ、Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４は、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ１４）により転送されず残った光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４の電荷を読み出してリセットするためのリセット用ＴＦＴであり、それぞれ画素Ｃ１１〜Ｃ４４を構成し、これらの画素が図６に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に形成されている。なお、ここでは画素エリアに４×４画素を示しているが、実際には例えば１０００×２０００画素が図６に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に配置されている。
【００３２】
図４及び図５に示すように、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４は共通のバイアス線Ｖｓ１〜４に接続され、このバイアス線Ｖｓ１〜４を介して読み出し装置３０から一定バイアスが印加されている。
【００３３】
読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に接続され、このゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４を介してゲート駆動装置４０から読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続される。この信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００３４】
また、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｒ１〜Ｖｒ４に接続され、このゲート線Ｖｒ１〜Ｖｒ４を介してゲート駆動装置４０からリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通のリセット配線Ｒ１〜Ｒ４に接続される。このリセット配線Ｒ１〜Ｒ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００３５】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、図６に示す蛍光体層１０で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置４０により印加されるゲート駆動パルスにより読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）を介して信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に転送され、読み出し装置３０により外部に読み出される。その後、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４で発生し転送されきれなかった電荷が、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）を介してリセット配線Ｒ１〜Ｒ４に転送され、読み出し装置３０により除去される。
【００３６】
ここで、上記各素子の構成について図６を参照して説明する。ここでは、図４及び図５に示す画素Ｃ１１の構成を例に説明するが、他の画素Ｃ１２〜Ｃ４４の構成も同様である。
【００３７】
図６に示すように、画素Ｃ１１は、絶縁基板２０上に、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかで構成された第１の絶縁層Ｌ１、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）・リセット用ＴＦＴ（図６中では不図示）、及び光電変換素子Ｐ１１と順次形成されている。
【００３８】
このうち、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）は、図６に示すように、第１の絶縁層Ｌ１上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、ソース及びドレイン領域を含む高濃度不純物半導体層Ｌ３、ソース及びドレイン領域間のチャネル部を含む半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６の順にそれぞれ形成されている。このうち、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６は、第２の絶縁層Ｌ５を挟んで下層に位置するソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２に水平方向の位置が互いに重ならないように、半導体層Ｌ４のチャネル部上にみに形成されている。第１の電極層Ｌ２は、図４及び図５に示す信号線Ｓｉｇ１に、また第２の電極層Ｌ６は、図４及び図５に示すゲート線Ｖｇ１にそれぞれ接続される。
【００３９】
上記構成は、リセット用ＴＦＴの場合も同様である。図６の断面図では、上記画素Ｃ１１に隣接する画素Ｃ２１の光電変換素子Ｐ２１下に形成されたリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１２）のリセット配線Ｒ２が示されている。このリセット配線Ｒ２は、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１２）の第１の電極層（ソース又はドレイン電極）Ｌ２に接続されるもので、その上位に、高濃度不純物半導体層Ｌ３、半導体層Ｌ４、第２の絶縁層Ｌ５が順次形成されている。
【００４０】
一方、光電変換素子Ｐ１１は、図６に示すように、第２の電極層Ｌ６上に、第３の絶縁層Ｌ７を介して、第３の電極層Ｌ８、第４の絶縁層Ｌ９、第２の半導体層Ｌ１０、ｎ＋型半導体層Ｌ１１、及び第４の電極層Ｌ１２の順にそれぞれ形成されている。このうち、第３の電極層Ｌ８は、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）の第１の電極層Ｌ２を成すソース又はドレイン電極に接続されている。また、第４の電極層Ｌ１２は、図４及び図５に示すバイアス線Ｖｓ１にそれぞれ接続される。第４の電極層Ｌ１２上には、図６に示すように、第５の絶縁層Ｌ１３、有機保護層Ｌ１４が順に形成され、その有機保護層Ｌ１４上に接着層Ｌ１５を介して蛍光体層１０が配設されている。
【００４１】
従って、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）及びリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１）上部に形成された光電変換素子Ｐ１１の電位変動が起た場合にも、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）及びリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１）のＯＮ、ＯＦＦを制御するゲート電極が光電変換素子Ｐ１１とチャネル部Ｃｈ１１の間に存在するため、ＴＦＴ特性は安定する。
【００４２】
また、このような構造の読み出し用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴは、高濃度不純物半導体層をパターニングした後に半導体層（第１の半導体層）を形成することでチャネル部のエッチングが不要となり、半導体層を薄膜にすることが可能となるため、駆動能力の高いＴＦＴとなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、読み出し用及びリセット用ＴＦＴのゲート電極をチャネル部上のみに形成しているため、ソースまたはドレイン電極と重なりをもたず、これにより信号線容量をより低減でき、低ノイズの放射線撮像装置を提供可能となる。
【００４４】
以上のように、本実施形態によれば、光電変換素子（半導体変換素子）の下層に形成されたＴＦＴ素子（読み出し用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴ）を、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造にすることにより、特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子を形成できる。
【００４５】
なお、本実施形態では、半導体変換素子をＭＩＳ型としたが、これはＰＩＮ型であっても同様の効果が得られる。
【００４６】
また、本実施形態では、放射線を蛍光体層で可視光に変換し、この可視光が光電変換素子で電荷に変換される間接型の放射線撮像装置を例示しているが、アモルファスセレン等の放射線を直接電荷に変換できる材料を用いた直接型の放射線撮像装置を用いても同様の効果が得られる。
［第３の実施形態］
本実施形態は、ソースフォロアータイプの放射線撮像装置に適用したものである。図７は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図である。
【００４７】
図７に示す放射線撮像装置において、スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇに接続され、このゲート線Ｖｇを介してゲート駆動装置４０からスイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のゲートのＯＮ、ＯＦＦを制御する。各スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のソース若しくはドレイン電極は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）を介して共通の信号線Ｓｉｇに接続される。この信号線Ｓｉｇは、読み出し装置３０に接続されている。
【００４８】
光電変換素子Ｐの一方の電極は、図示しない共通電極ドライバに、その他方の電極は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）の制御電極（ゲート電極）にそれぞれ接続されている。
【００４９】
リセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）のソース若しくはドレイン電極の一方は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のゲート電極に、その他方は、リセット配線Ｒにそれぞれ接続されている。
【００５０】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて入射された放射線は、被検体により減衰を受けて透過し、ここでは図示しない蛍光体層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐに入射し、電荷に変換される。この電荷は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のゲート電極に対し光照射量に見合った電位変動を発生させる。
【００５１】
この電位変動により読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）を流れる電流量が変化し、これが信号配線Ｓｉｇに転送され、読み出し装置３０により画素列毎に設けたＴＦＴ（ＴＦＴ４）を介して外部に読み出され、アンプ５０にて増幅され、Ａ／Ｄ６０にてデジタル信号に変換され、メモリ７０に記憶され、出力可能となる。
【００５２】
スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のソース、ドレイン間に電圧を印加するスイッチ用として使用される。また、信号読み出し後にリセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）を駆動させ、リセット配線Ｒを介してリセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）と接続された光電変換素子Ｐの電極に電圧を印加することで、光電変換素子Ｐに蓄積された電荷を除去することができる。
【００５３】
上記のようなソースフォロアータイプの放射線撮像装置では、１画素エリアに複数のＴＦＴを配置する必要がある。よって、上述した従来例及び第１及び第２の実施形態と同様に、光電変換素子は、開口率を向上させるためにＴＦＴの上部に形成することが望ましい。
【００５４】
そこで、本実施形態でも、上述した第１又は第２の実施形態と同様に、ＴＦＴ素子（ＴＦＴ１〜３）は、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造をもち、これにより特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子が形成されている。
［応用例］
次に、本実施形態の応用例を説明する。この応用例は、上記実施形態の放射線撮像装置をＸ線デジタルラジオグラフィー方式のＸ線画像診断システム（放射線撮像システム）に適用したものである。このＸ線画像診断システムの一例を図８に示す。
【００５５】
図８に示すＸ線画像診断システムは、病院等の医療施設の検査室内で被検体のＸ線撮影を行い、得られたＸ線画像を必要に応じて画像処理してディスプレイ上に表示したり、レーザプリンタからフィルムとして出力したりして、医師が被検体のＸ線像を読影、診断できるようにしたものである。このＸ線画像診断システムは、その一例として、検査室（Ｘ線ルーム及びコントロールルーム）及びドクタールーム等の各室にそれぞれ分かれて配置される複数の装置、機器、ユニット等から構成される。
【００５６】
この内、検査室のＸ線ルーム側には、被検体ＰＳを挟んで対向する位置にＸ線チューブ（放射線源）８０１及びイメージセンサ（放射線撮像装置）８０２がそれぞれ配置される。これにより、Ｘ線撮影時には、Ｘ線チューブ８０１にて発生されたＸ線８００が被検体ＰＳの撮影部位を透過し、イメージセンサ８０２に入射される。これにより、イメージセンサ８０２においては、上記実施形態で説明したように、入射されたＸ線を蛍光体層にて光信号に変換し、その光信号を画素毎に光電変換素子にて電荷に変換し、その電荷をＴＦＴを介して読み取って電気信号として外部に出力する。この出力信号は、被検体ＰＳの撮影部位でのＸ線吸収係数を反映したＸ線画像の元になるデータに相当する。
【００５７】
一方、検査室のコントロールルーム側には、Ｘ線チューブ８０１及びイメージセンサ８０２に接続されるイメージプロセッサ８０３と、この接続されたディスプレイ８０４とが配置される。これにより、Ｘ線撮影時には、イメージプロセッサ８０３にて、Ｘ線チューブ８０１に対する撮影条件等の各種制御のほか、イメージセンサ８０２にて検出された電気信号に対しＸ線画像データ用の各種画像処理が実行され、その処理で得られる被検体ＰＳのＸ線画像がディスプレイ８０４上に表示される。
【００５８】
また、ドクタールーム内には、検査室内のイメージプロセッサ８０３にＬＡＮＮ等のネットワーク８０５を介して接続されるフィルムプロセッサ８０６と、このフィルムプロセッサ８０６に接続される医師用ディスプレイ８０７とが配置される。これにより、上記Ｘ線撮影で得られたＸ線画像データ等がフィルムプロセッサ８０６を介してレーザプリンタからフィルム８０８として出力され、また医師用ディスプレイ８０７上に表示され、読影・診断に供せられる。
【００５９】
なお、上記第１〜第３実施形態の放射線撮像装置は、上記応用例のＸ線画像診断システムで用いるイメージセンサに限らず、その他の放射線撮像システムで用いる放射線検出器等でも適用可能である。
【００６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
［実施態様１］
少なくとも放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタが、絶縁基板上に、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
［実施態様２］
前記薄膜トランジスタのゲート電極が、前記ソース及びドレイン電極と重なるよう形成されていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様３］
前記薄膜トランジスタのゲート電極が、前記ソース及びドレイン電極と重ならないよう形成されていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様４］
前記薄膜トランジスタのソース及びドレイン電極が、前記高濃度不純物半導体層で覆われていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様５］
前記絶縁基板と前記薄膜トランジスタとの間に、絶縁層が形成されていることを特徴とする実施態様１乃至４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
［実施態様６］
前記絶縁基板と前記薄膜トランジスタとの間に形成された絶縁層が、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかであることを特徴とする実施態様５に記載の放射線撮像装置。
［実施態様７］
放射線を波長変換する波長変換体と、波長変換された放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタとから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタが絶縁基板上に、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
［実施態様８］
実施態様１乃至７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
前記放射線撮像装置により得られた電気信号に基づいて撮像対象の画像を生成する処理手段と、
前記処理手段により生成された画像を表示する表示手段とを有することを特徴とする放射線撮像システム。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる放射線撮像装置によれば、半導体変換素子の下層に形成されたスイッチ素子を、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に形成された構造にすることにより、半導体変換素子が電位変動を起こした場合にも、ＴＦＴ素子の特性変動を抑え、感度向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放射線撮像装置の第１の実施形態を説明する等価回路図である。
【図２】本発明の放射線撮像装置の第１の実施形態を説明する平面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】本発明の放射線撮像装置の第２の実施形態を説明する等価回路図である。
【図５】本発明の放射線撮像装置の第２の実施形態を説明する平面図である。
【図６】図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図７】本発明の放射線撮像装置の第３の実施形態を説明する等価回路図である。
【図８】応用例のＸ線画像診断システムを示す全体構成図。
【符号の説明】
１０ 蛍光体層
２０ 絶縁層基板
３０ 読み出し装置
４０ ゲート駆動装置
５０ アンプ
６０ Ａ／Ｄ
７０ メモリ
ＴＦＴ 薄膜トランジスタ
Ｖｇ線 ゲート線
Ｓｉｇ線 信号線
Ｖｓ線 バイアス線
Ｐ１１〜４４ 光電変換素子
Ｔ１１〜４４ 読み出し用ＴＦＴ
Ｔｒ１１〜４４ リセット用ＴＦＴ
ＴＦＴ１ スイッチ用ＴＦＴ
ＴＦＴ２ 読み出し用ＴＦＴ
ＴＦＴ３ リセット用ＴＦＴ
Ｖｇ１〜４ 共通のゲート線
Ｓｉｇ１〜４ 共通の信号線
Ｖｓ１〜４ 共通のバイアス線
Ｖｒ１〜４ 共通のゲート線
Ｒ１〜４ リセット配線
Ｌ１ 第１の絶縁層
Ｌ２ 第１の電極層（ソース及びドレイン電極）
Ｌ３ 高濃度不純物半導体層
Ｌ４ 第１の半導体層
Ｌ５ 第２の絶縁層
Ｌ６ 第２の電極層（ゲート電極）
Ｌ７ 第３の絶縁層
Ｌ８ 第３の電極層
Ｌ９ 第４の絶縁層
Ｌ１０ 第２の半導体層
Ｌ１１ ｎ＋型半導体層
Ｌ１２ 第４の電極層
Ｌ１３ 第５の絶縁層
Ｌ１４ 有機保護層
Ｌ１５ 接着層
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線撮像装置に係り、とくに医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用される光電変換用基板及び光電変換装置、放射線撮像用基板及び放射線撮像装置に関するものである。なお、本明細書で使用する「放射線」には、可視光等の電磁波やＸ線、α線、β線、γ線なども含まれるものとする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：薄膜トランジスタ）を用いた液晶パネルの製造技術の発展や、光電変換素子を有するエリアセンサーの各分野への利用（例えば医療機器）の進展により、医療用放射線撮像装置においても大面積化、かつディジタル化が達成されている。
【０００３】
医療用放射線撮像装置は、液晶パネル等とは異なり、微小信号をディジタル変換して画像出力するという特徴を持っており、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものである。
【０００４】
この放射線撮像装置は、製品化が達成されている一方、更なる感度向上を目指して種々の提案がなされている。
【０００５】
例えば、非特許文献１等による報告では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）素子上にセンサ素子（半導体変換素子）を積層した構造が開示されている。本従来例は、前記構造を採用することでセンサ素子の開口率を向上させ、感度向上が可能としている。また、この時、ＴＦＴ素子はセンサ素子の直下に配置されているため、不要な寄生容量を形成し、故に、接地されたＰｌａｎｅを配置することが記載されている。
【０００６】
また、特許文献１による提案においては、同様に、開口率を向上させるため、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造が示されている。本従来例では、ＴＦＴ素子のソースまたはドレイン電極に接続された電極がＴＦＴ素子上を被覆し、かつセンサの個別電極となっている構造である。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｌ．Ｅ Ａｎｔｏｎｕｋ， ”ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＯＦ ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ， ＦＬＡＴ−ＰＡＮＥＬ ＡＲＲＡＹＳ ＦＯＲ ＤＩＡＧＮＯＳＴＩＣ ＡＮＤ ＲＡＤＩＯＴＨＥＲＡＰＹ ＩＭＡＧＩＮ，” ＳＰＩＥ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ＶＩ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２３−２７， １９９２
【特許文献１】
米国特許第５４９８８８０号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造の放射線撮像装置においては、センサ素子の個別電極がＴＦＴ素子のバックゲート電極として作用してしまう。つまり、センサ素子の電位変動により、ＴＦＴ素子のリークといった問題を発生させ、画像品位の劣化となって現れる。
【０００９】
例えば、センサ出力が大きい領域と小さい領域が隣接した場合、境界がにじむ様なクロストークが現れる。また、センサ飽和出力が低下し、ダイナミックレンジが低下すると言った問題が生じる。
【００１０】
そこで本発明は、ＴＦＴ素子上にセンサ素子を積層する構造の放射線撮像装置において、ＴＦＴ素子上に配置したセンサ素子が電位変動を起こした場合にも、ＴＦＴ素子のリークによる特性変動を抑え、感度向上を達成する放射線撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ＴＦＴ素子をソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁膜層、ゲート電極の順に順次形成し、これにより、センサ素子の電位変化によるＴＦＴ素子の特性変動を抑え、感度向上を達成する放射線撮像装置を提供する。
【００１２】
すなわち、本発明は、少なくとも放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタは、ソース及びドレイン電極、ソース及びドレイン領域を成す高濃度不純物半導体層、チャネル部を含む半導体層、絶縁層、及びゲート電極を有し、前記絶縁基板上に、前記ソース及びドレイン電極、前記高濃度不純物半導体層、前記半導体層、前記絶縁層、及び前記ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする。
【００１３】
なお、本明細書で使用する「波長変換体」とは、放射線を波長変換するもので、例えばＸ線等の放射線を光信号に変換する蛍光体を含み、さらに、本明細書で使用する「半導体変換素子」とは、少なくとも放射線を電荷に変換するもので、例えば光信号を電荷に変換する光電変換素子を含むものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る放射線撮像装置の実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本実施形態は、入射されたＸ線等の放射線を蛍光体層（波長変換体）にて可視光に変換し、その可視光を光電変換素子（半導体変換素子、センサ素子）にて電荷に変換し、薄膜トランジスタ（スイッチ素子）を介して読み出す間接型の放射線撮像装置に適用したものである。
【００１５】
図１は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図、図２は、その平面図、図３は、その断面図（図３中のＡ−Ａ’線に沿った断面図）である。
【００１６】
図１〜図３において、Ｐ１１〜Ｐ４４（図２では点線で囲まれた領域参照）は、図３に示す蛍光体層１０下に形成され且つその蛍光体層１０にて入射Ｘ線の波長変換により生成された可視光を電荷に変換する半導体変換素子（センサ素子）としての光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ４４は、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４にて変換された電荷を読み出すスイッチ素子としての薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」）であり、それぞれ画素Ｃ１１〜Ｃ４４を構成し、これらの画素が図３に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に形成されている。なお、ここでは画素エリアに４×４画素を示しているが、実際には例えば１０００×２０００画素が図３に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に配置されている。
【００１７】
図１及び図２に示すように、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４は、共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に接続され、このバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４を介して読み出し装置３０から一定バイアスが印加されている。
【００１８】
各ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に接続され、このゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４を介してゲート駆動装置４０からＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続される。この信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００１９】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、図３に示す蛍光体層１０で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置４０により印加されるゲート駆動パルスによりＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）を介して信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に転送され、読み出し装置３０により外部に読み出される。その後、共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４により、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４で発生し転送されず残存している電荷が除去される。
【００２０】
ここで、上記各素子の構成について図３を参照して説明する。ここでは、図１及び図２に示す画素Ｃ１１の構成を例に説明するが、他の画素Ｃ１２〜Ｃ４４の構成も全て同様である。
【００２１】
図３に示すように、画素Ｃ１１は、絶縁基板２０上に、第１の絶縁層Ｌ１、ＴＦＴ（Ｔ１１）、光電変換素子Ｐ１１と順次形成されている。
【００２２】
第１の絶縁層Ｌ１は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかで構成される。
【００２３】
ＴＦＴ（Ｔ１１）を成す各層は、図３に示すように、第１の絶縁層Ｌ１上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、ソース及びドレイン領域を含む高濃度不純物半導体層Ｌ３、ソース及びドレイン領域間のチャネル部を含む半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６の順に順次形成されている。このうち、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６は、第２の絶縁層Ｌ５を挟んで下層に位置するソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２に水平方向の位置が互いに重なるように、半導体層Ｌ４のチャネル幅よりも大きく形成されている。第１の電極層Ｌ２は、図１及び図２に示す信号線Ｓｉｇ１に、また第２の電極層Ｌ６は、図１及び図２に示すゲート線Ｖｇ１にそれぞれ接続される。
【００２４】
また、光電変換素子Ｐ１１を成す各層は、図３に示すように、第２の電極層Ｌ６上に、第３の絶縁層Ｌ７を介して、第３の電極層Ｌ８、第４の絶縁層Ｌ９、第２の半導体層Ｌ１０、ｎ＋型半導体層Ｌ１１、及び共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に接続される第４の電極層Ｌ１２の順にそれぞれ形成されている。このうち、第３の電極層Ｌ８は、ＴＦＴ（Ｔ１１）の第１の電極層Ｌ２に接続される。また、第４の電極層Ｌ１２は、図１及び図２に示すバイアス線Ｖｓ１に接続される。第４の電極層Ｌ１２上には、図３に示すように、第５の絶縁層Ｌ１３、有機保護層Ｌ１４が順に形成され、その有機保護層Ｌ１４上に接着層Ｌ１５を介して蛍光体層１０が配設されている。
【００２５】
従って、ＴＦＴ（Ｔ１１）上部に形成された光電変換素子Ｐ１１の電位変動が起た場合にも、ＴＦＴ（Ｔ１１）のＯＮ、ＯＦＦを制御するゲート電極が光電変換素子Ｐ１１とチャネル部Ｃｈ１１の間に存在するため、ＴＦＴ特性は安定する。
【００２６】
また、このような構造のＴＦＴ（Ｔ１１）は、高濃度不純物半導体層Ｌ３をパターニングした後に半導体層（第１の半導体層Ｌ４）を形成することでチャネル部Ｃｈ１１のエッチングが不要となり、半導体層を薄膜にすることが可能となるため、駆動能力の高いＴＦＴとなる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、光電変換素子（半導体変換素子）の下層に形成されたＴＦＴ素子（スイッチ素子）を、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造にすることにより、特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子を形成できる。
【００２８】
なお、本実施形態では、半導体変換素子をＭＩＳ型としたが、これはＰＩＮ型であっても同様の効果が得られる。
【００２９】
また、本実施形態では、放射線を蛍光体層で可視光に変換し、この可視光が光電変換素子で電荷に変換される間接型の放射線撮像装置を例示しているが、アモルファスセレン等の放射線を直接電荷に変換できる材料を用いた直接型の放射線撮像装置を用いても同様の効果が得られる。
［第２の実施形態］
本実施形態は、上記第１の実施形態と同様の構成に加え、各画素毎にリセット用ＴＦＴを設けた放射線撮像装置に適用したものである。
【００３０】
図４は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図、図５は、その平面図、図６は、その断面図（図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図）である。
【００３１】
図４〜図６において、Ｐ１１〜Ｐ４４（図５では点線に囲まれた領域参照）は、図６に示す蛍光体層１０下に形成され且つその蛍光体層１０にて入射Ｘ線の波長変換により生成された可視光を電荷に変換する半導体変換素子（センサ素子）としての光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ４４は、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４にて変換された電荷を読み出すスイッチ素子としての読み出し用薄膜ＴＦＴ、Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４は、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ１４）により転送されず残った光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４の電荷を読み出してリセットするためのリセット用ＴＦＴであり、それぞれ画素Ｃ１１〜Ｃ４４を構成し、これらの画素が図６に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に形成されている。なお、ここでは画素エリアに４×４画素を示しているが、実際には例えば１０００×２０００画素が図６に示す絶縁基板２０上にマトリックス状に配置されている。
【００３２】
図４及び図５に示すように、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４は共通のバイアス線Ｖｓ１〜４に接続され、このバイアス線Ｖｓ１〜４を介して読み出し装置３０から一定バイアスが印加されている。
【００３３】
読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に接続され、このゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４を介してゲート駆動装置４０から読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続される。この信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００３４】
また、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｒ１〜Ｖｒ４に接続され、このゲート線Ｖｒ１〜Ｖｒ４を介してゲート駆動装置４０からリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のゲート電極のＯＮ、ＯＦＦを制御する。各リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）のソース若しくはドレイン電極は、共通のリセット配線Ｒ１〜Ｒ４に接続される。このリセット配線Ｒ１〜Ｒ４は、読み出し装置３０に接続されている。
【００３５】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、図６に示す蛍光体層１０で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置４０により印加されるゲート駆動パルスにより読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ４４）を介して信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に転送され、読み出し装置３０により外部に読み出される。その後、光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４４で発生し転送されきれなかった電荷が、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１〜Ｔｒ４４）を介してリセット配線Ｒ１〜Ｒ４に転送され、読み出し装置３０により除去される。
【００３６】
ここで、上記各素子の構成について図６を参照して説明する。ここでは、図４及び図５に示す画素Ｃ１１の構成を例に説明するが、他の画素Ｃ１２〜Ｃ４４の構成も同様である。
【００３７】
図６に示すように、画素Ｃ１１は、絶縁基板２０上に、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかで構成された第１の絶縁層Ｌ１、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）・リセット用ＴＦＴ（図６中では不図示）、及び光電変換素子Ｐ１１と順次形成されている。
【００３８】
このうち、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）は、図６に示すように、第１の絶縁層Ｌ１上に、ソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２、ソース及びドレイン領域を含む高濃度不純物半導体層Ｌ３、ソース及びドレイン領域間のチャネル部を含む半導体層Ｌ４、絶縁層を成す第２の絶縁層Ｌ５、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６の順にそれぞれ形成されている。このうち、ゲート電極を成す第２の電極層Ｌ６は、第２の絶縁層Ｌ５を挟んで下層に位置するソース及びドレイン電極を成す第１の電極層Ｌ２に水平方向の位置が互いに重ならないように、半導体層Ｌ４のチャネル部上にみに形成されている。第１の電極層Ｌ２は、図４及び図５に示す信号線Ｓｉｇ１に、また第２の電極層Ｌ６は、図４及び図５に示すゲート線Ｖｇ１にそれぞれ接続される。
【００３９】
上記構成は、リセット用ＴＦＴの場合も同様である。図６の断面図では、上記画素Ｃ１１に隣接する画素Ｃ２１の光電変換素子Ｐ２１下に形成されたリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１２）のリセット配線Ｒ２が示されている。このリセット配線Ｒ２は、リセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１２）の第１の電極層（ソース又はドレイン電極）Ｌ２に接続されるもので、その上位に、高濃度不純物半導体層Ｌ３、半導体層Ｌ４、第２の絶縁層Ｌ５が順次形成されている。
【００４０】
一方、光電変換素子Ｐ１１は、図６に示すように、第２の電極層Ｌ６上に、第３の絶縁層Ｌ７を介して、第３の電極層Ｌ８、第４の絶縁層Ｌ９、第２の半導体層Ｌ１０、ｎ＋型半導体層Ｌ１１、及び第４の電極層Ｌ１２の順にそれぞれ形成されている。このうち、第３の電極層Ｌ８は、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）の第１の電極層Ｌ２を成すソース又はドレイン電極に接続されている。また、第４の電極層Ｌ１２は、図４及び図５に示すバイアス線Ｖｓ１にそれぞれ接続される。第４の電極層Ｌ１２上には、図６に示すように、第５の絶縁層Ｌ１３、有機保護層Ｌ１４が順に形成され、その有機保護層Ｌ１４上に接着層Ｌ１５を介して蛍光体層１０が配設されている。
【００４１】
従って、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）及びリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１）上部に形成された光電変換素子Ｐ１１の電位変動が起た場合にも、読み出し用ＴＦＴ（Ｔ１１）及びリセット用ＴＦＴ（Ｔｒ１１）のＯＮ、ＯＦＦを制御するゲート電極が光電変換素子Ｐ１１とチャネル部Ｃｈ１１の間に存在するため、ＴＦＴ特性は安定する。
【００４２】
また、このような構造の読み出し用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴは、高濃度不純物半導体層をパターニングした後に半導体層（第１の半導体層）を形成することでチャネル部のエッチングが不要となり、半導体層を薄膜にすることが可能となるため、駆動能力の高いＴＦＴとなる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、読み出し用及びリセット用ＴＦＴのゲート電極をチャネル部上のみに形成しているため、ソースまたはドレイン電極と重なりをもたず、これにより信号線容量をより低減でき、低ノイズの放射線撮像装置を提供可能となる。
【００４４】
以上のように、本実施形態によれば、光電変換素子（半導体変換素子）の下層に形成されたＴＦＴ素子（読み出し用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴ）を、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造にすることにより、特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子を形成できる。
【００４５】
なお、本実施形態では、半導体変換素子をＭＩＳ型としたが、これはＰＩＮ型であっても同様の効果が得られる。
【００４６】
また、本実施形態では、放射線を蛍光体層で可視光に変換し、この可視光が光電変換素子で電荷に変換される間接型の放射線撮像装置を例示しているが、アモルファスセレン等の放射線を直接電荷に変換できる材料を用いた直接型の放射線撮像装置を用いても同様の効果が得られる。
［第３の実施形態］
本実施形態は、ソースフォロアータイプの放射線撮像装置に適用したものである。図７は、本実施形態の放射線撮像装置の等価回路図である。
【００４７】
図７に示す放射線撮像装置において、スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇに接続され、このゲート線Ｖｇを介してゲート駆動装置４０からスイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のゲートのＯＮ、ＯＦＦを制御する。各スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）のソース若しくはドレイン電極は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）を介して共通の信号線Ｓｉｇに接続される。この信号線Ｓｉｇは、読み出し装置３０に接続されている。
【００４８】
光電変換素子Ｐの一方の電極は、図示しない共通電極ドライバに、その他方の電極は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）の制御電極（ゲート電極）にそれぞれ接続されている。
【００４９】
リセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）のソース若しくはドレイン電極の一方は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のゲート電極に、その他方は、リセット配線Ｒにそれぞれ接続されている。
【００５０】
上記放射線撮像装置において、被検体に向けて入射された放射線は、被検体により減衰を受けて透過し、ここでは図示しない蛍光体層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子Ｐに入射し、電荷に変換される。この電荷は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のゲート電極に対し光照射量に見合った電位変動を発生させる。
【００５１】
この電位変動により読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）を流れる電流量が変化し、これが信号配線Ｓｉｇに転送され、読み出し装置３０により画素列毎に設けたＴＦＴ（ＴＦＴ４）を介して外部に読み出され、アンプ５０にて増幅され、Ａ／Ｄ６０にてデジタル信号に変換され、メモリ７０に記憶され、出力可能となる。
【００５２】
スイッチ用ＴＦＴ（ＴＦＴ１）は、読み出し用ＴＦＴ（ＴＦＴ２）のソース、ドレイン間に電圧を印加するスイッチ用として使用される。また、信号読み出し後にリセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）を駆動させ、リセット配線Ｒを介してリセット用ＴＦＴ（ＴＦＴ３）と接続された光電変換素子Ｐの電極に電圧を印加することで、光電変換素子Ｐに蓄積された電荷を除去することができる。
【００５３】
上記のようなソースフォロアータイプの放射線撮像装置では、１画素エリアに複数のＴＦＴを配置する必要がある。よって、上述した従来例及び第１及び第２の実施形態と同様に、光電変換素子は、開口率を向上させるためにＴＦＴの上部に形成することが望ましい。
【００５４】
そこで、本実施形態でも、上述した第１又は第２の実施形態と同様に、ＴＦＴ素子（ＴＦＴ１〜３）は、ソース及びドレイン電極（第１の電極層）、高濃度不純物半導体層、半導体層（第１の半導体層）、絶縁層（第２の絶縁層）、ゲート電極（第２の電極層）の順に形成された構造をもち、これにより特性が安定し、かつ駆動能力の高いＴＦＴ素子が形成されている。
［応用例］
次に、本実施形態の応用例を説明する。この応用例は、上記実施形態の放射線撮像装置をＸ線デジタルラジオグラフィー方式のＸ線画像診断システム（放射線撮像システム）に適用したものである。このＸ線画像診断システムの一例を図８に示す。
【００５５】
図８に示すＸ線画像診断システムは、病院等の医療施設の検査室内で被検体のＸ線撮影を行い、得られたＸ線画像を必要に応じて画像処理してディスプレイ上に表示したり、レーザプリンタからフィルムとして出力したりして、医師が被検体のＸ線像を読影、診断できるようにしたものである。このＸ線画像診断システムは、その一例として、検査室（Ｘ線ルーム及びコントロールルーム）及びドクタールーム等の各室にそれぞれ分かれて配置される複数の装置、機器、ユニット等から構成される。
【００５６】
この内、検査室のＸ線ルーム側には、被検体ＰＳを挟んで対向する位置にＸ線チューブ（放射線源）８０１及びイメージセンサ（放射線撮像装置）８０２がそれぞれ配置される。これにより、Ｘ線撮影時には、Ｘ線チューブ８０１にて発生されたＸ線８００が被検体ＰＳの撮影部位を透過し、イメージセンサ８０２に入射される。これにより、イメージセンサ８０２においては、上記実施形態で説明したように、入射されたＸ線を蛍光体層にて光信号に変換し、その光信号を画素毎に光電変換素子にて電荷に変換し、その電荷をＴＦＴを介して読み取って電気信号として外部に出力する。この出力信号は、被検体ＰＳの撮影部位でのＸ線吸収係数を反映したＸ線画像の元になるデータに相当する。
【００５７】
一方、検査室のコントロールルーム側には、Ｘ線チューブ８０１及びイメージセンサ８０２に接続されるイメージプロセッサ８０３と、この接続されたディスプレイ８０４とが配置される。これにより、Ｘ線撮影時には、イメージプロセッサ８０３にて、Ｘ線チューブ８０１に対する撮影条件等の各種制御のほか、イメージセンサ８０２にて検出された電気信号に対しＸ線画像データ用の各種画像処理が実行され、その処理で得られる被検体ＰＳのＸ線画像がディスプレイ８０４上に表示される。
【００５８】
また、ドクタールーム内には、検査室内のイメージプロセッサ８０３にＬＡＮＮ等のネットワーク８０５を介して接続されるフィルムプロセッサ８０６と、このフィルムプロセッサ８０６に接続される医師用ディスプレイ８０７とが配置される。これにより、上記Ｘ線撮影で得られたＸ線画像データ等がフィルムプロセッサ８０６を介してレーザプリンタからフィルム８０８として出力され、また医師用ディスプレイ８０７上に表示され、読影・診断に供せられる。
【００５９】
なお、上記第１〜第３実施形態の放射線撮像装置は、上記応用例のＸ線画像診断システムで用いるイメージセンサに限らず、その他の放射線撮像システムで用いる放射線検出器等でも適用可能である。
【００６０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の好適な実施の態様を以下のとおり列挙する。
［実施態様１］
少なくとも放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタが、絶縁基板上に、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
［実施態様２］
前記薄膜トランジスタのゲート電極が、前記ソース及びドレイン電極と重なるよう形成されていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様３］
前記薄膜トランジスタのゲート電極が、前記ソース及びドレイン電極と重ならないよう形成されていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様４］
前記薄膜トランジスタのソース及びドレイン電極が、前記高濃度不純物半導体層で覆われていることを特徴とする実施態様１に記載の放射線撮像装置。
［実施態様５］
前記絶縁基板と前記薄膜トランジスタとの間に、絶縁層が形成されていることを特徴とする実施態様１乃至４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
［実施態様６］
前記絶縁基板と前記薄膜トランジスタとの間に形成された絶縁層が、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、及びＳｉＯＮのいずれかであることを特徴とする実施態様５に記載の放射線撮像装置。
［実施態様７］
放射線を波長変換する波長変換体と、波長変換された放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタとから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、前記薄膜トランジスタが絶縁基板上に、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
［実施態様８］
実施態様１乃至７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
前記放射線撮像装置により得られた電気信号に基づいて撮像対象の画像を生成する処理手段と、
前記処理手段により生成された画像を表示する表示手段とを有することを特徴とする放射線撮像システム。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わる放射線撮像装置によれば、半導体変換素子の下層に形成されたスイッチ素子を、ソース及びドレイン電極、高濃度不純物半導体層、半導体層、絶縁層、ゲート電極の順に形成された構造にすることにより、半導体変換素子が電位変動を起こした場合にも、ＴＦＴ素子の特性変動を抑え、感度向上を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放射線撮像装置の第１の実施形態を説明する等価回路図である。
【図２】本発明の放射線撮像装置の第１の実施形態を説明する平面図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図４】本発明の放射線撮像装置の第２の実施形態を説明する等価回路図である。
【図５】本発明の放射線撮像装置の第２の実施形態を説明する平面図である。
【図６】図５中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図７】本発明の放射線撮像装置の第３の実施形態を説明する等価回路図である。
【図８】応用例のＸ線画像診断システムを示す全体構成図。
【符号の説明】
１０ 蛍光体層
２０ 絶縁層基板
３０ 読み出し装置
４０ ゲート駆動装置
５０ アンプ
６０ Ａ／Ｄ
７０ メモリ
ＴＦＴ 薄膜トランジスタ
Ｖｇ線 ゲート線
Ｓｉｇ線 信号線
Ｖｓ線 バイアス線
Ｐ１１〜４４ 光電変換素子
Ｔ１１〜４４ 読み出し用ＴＦＴ
Ｔｒ１１〜４４ リセット用ＴＦＴ
ＴＦＴ１ スイッチ用ＴＦＴ
ＴＦＴ２ 読み出し用ＴＦＴ
ＴＦＴ３ リセット用ＴＦＴ
Ｖｇ１〜４ 共通のゲート線
Ｓｉｇ１〜４ 共通の信号線
Ｖｓ１〜４ 共通のバイアス線
Ｖｒ１〜４ 共通のゲート線
Ｒ１〜４ リセット配線
Ｌ１ 第１の絶縁層
Ｌ２ 第１の電極層（ソース及びドレイン電極）
Ｌ３ 高濃度不純物半導体層
Ｌ４ 第１の半導体層
Ｌ５ 第２の絶縁層
Ｌ６ 第２の電極層（ゲート電極）
Ｌ７ 第３の絶縁層
Ｌ８ 第３の電極層
Ｌ９ 第４の絶縁層
Ｌ１０ 第２の半導体層
Ｌ１１ ｎ＋型半導体層
Ｌ１２ 第４の電極層
Ｌ１３ 第５の絶縁層
Ｌ１４ 有機保護層
Ｌ１５ 接着層
Claims (1)
- 少なくとも放射線を電荷に変換する複数個の半導体変換素子と、前記半導体変換素子の下層に形成された複数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とから成る画素が、絶縁基板上にマトリクス状に配設された放射線撮像装置において、
前記薄膜トランジスタは、ソース及びドレイン電極、ソース及びドレイン領域を成す高濃度不純物半導体層、チャネル部を含む半導体層、絶縁層、及びゲート電極を有し、前記絶縁基板上に、前記ソース及びドレイン電極、前記高濃度不純物半導体層、前記半導体層、前記絶縁層、及び前記ゲート電極の順に順次形成されていることを特徴とする放射線撮像装置。
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