JP2004265933A - Radiation detector - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線、γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に関する。特に、医療画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用可能な放射線検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の液晶TFT技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン(以下、a−Siと略記)を用いた光電変換素子とスイッチTFTにより構成されたセンサアレイと、放射線を可視光などの光に変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器(以下、FPDと略記)が提案され、医療画像分野においても大面積、且つ、デジタル化が達成されている。
【0003】
このFPDは、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り、また、画像は、デジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データーの保管、或いは、加工、転送など取り扱いが便利であると言った特徴がある。また、感度などの諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のスクリーンフィルム系(以下S/F系と略記)撮影法、コンピューティッドラジオグラフィ(以下、CRと略記)撮影法に比較して、同等又はそれ以上であることが確認されている。
【0004】
このFPDの1ビットの等価回路図を図10に示す。また、3×3ビットの模式的等価回路図を図11に示す。図中、101及びS11〜S33は光電変換素子部、102及びT11〜T33は転送用TFT部、104及びVg1〜Vg2は転送用TFT駆動配線、106及びSig1〜Sig3は信号線、107及びVs1〜Vs3は光電変換素子バイアス配線、Aは信号処理回路、Bはバイアス電源、DはTFT駆動回路、CはA/D変換部である。
【0005】
X線などの放射線は図11の紙面上部より入射し、不図示の蛍光体により可視光等の光に変換される。変換光は、光電変換部S11〜S33により電荷に変換され、光電変換素子部S11〜S33内に蓄積される。その後、TFT駆動回路Dより、TFT駆動配線から転送TFT部T11〜T33を動作させ、この蓄積電荷を信号線Sig1〜Sig3に転送し、信号処理回路Aにて処理され、更に、A/D変換部CにてA/D変換され出力される。
基本的には、上述の様な素子構成が一般的であり、特に、前記光電変換素子はPIN型フォトディテクター(以下、PIN型PDと略記)、或いは、本発明者等が採用しているMIS型フォトディテクター(以下、MIS型PDと略記)が一般的であり、その他、様々な素子が提案されている。
【0006】
以上の様に、FPDの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。例えば、SPIE Medical Imaging VI,February 23−27,1992、L.E Antonuk等による報告では、TFT素子上にセンサ素子を積層した構造が開示されている。この提案では、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が、具体的な内容は不明であり、効果も不明である。
【0007】
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。この提案では、TFT素子のソース−ドレイン電極に接続された電極がTFT素子上を被覆し、且つ、センサ個別電極となっている構造である。
【0008】
一方、特許文献2による提案においても、TFT素子上にセンサ素子を積層し、開口率の向上を目的とした構造が示されている。この提案では、TFT素子上に層間膜を介して、センサが積層されている構造である。
【0009】
【特許文献1】
米国特許第5,498,880号
【特許文献2】
特開2000−156522号
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来例では、TFTのチャネル部が様々な形で電位変動を受ける構造となっており、また、シールドを配置すると言った記載においても、具体的には不明である。
【0011】
即ち、従来の積層構造のFPD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することになり、個別電極の電位変動により、TFT素子のリークと言った問題を発生させ、画像品位の劣化を引き起こす。
【0012】
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。
【0013】
そこで、本発明の目的は、TFT素子上に配置したセンサ素子の個別電極が電位変動を起こした場合においても、TFT素子のリークによる特性変動を抑えることを可能し、感度向上を達成するにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の放射線検出装置は、放射線を電気信号に変換するセンサ素子と、該センサ素子に接続される複数の薄膜トランジスタとを備えた画素が複数配列された放射線検出装置において、
前記複数の薄膜トランジスタは直列に接続され且つ同一のゲート配線が用いられ、前記複数の薄膜トランジスタと接続される前記センサ素子の電極は、前記複数の薄膜トランジスタ上に配置され、前記複数の薄膜トランジスタは、基板上に半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層が順次積層されたトップゲート型構成であることを特徴とするものである。
【0015】
本発明は、TFT素子をトップゲート構造とすることにより、TFT上に複雑なシールド構造を配置することなく、TFTチャネル部はゲート電極に保護する構造とし、その結果、センサ電極の出力に応じた電位変動により、TFT素子がバックゲート効果によりONすることなく、安定したTFT特性を得ることにある。即ち、画像品位においても大きく改善が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【0017】
(実施形態1)
本発明の第1の実施形態として、夫々の画素に転送TFT素子とリセットTFT素子が配置された光電変換装置、及び放射線検出装置について述べる。本実施形態は、光電変換装置上に放射線を可視光などの光に波長変換する波長変換体を配し、その変換光を光電変換装置で読み取る間接型放射線検出装置である。光電変換装置の光電変換素子はMIS型PD、或いは、PIN型PD共に用いることが可能である。
【0018】
光電変換装置の1ビット(1画素)の等価回路図を図1に示す。図中、1は光電変換素子部、2は転送TFT部、3はリセットTFT部、4は転送TFT駆動配線、5はリセットTFT駆動配線、6は信号線、7はバイアス配線、8はリセット配線である。
【0019】
同図を用いて、駆動方法の概略を述べる。X線等の放射線は蛍光体等の波長変換体により、波長変換され、光電変換素子部1に入射する。入射光は光電変換され光電変換素子部1に電荷蓄積される。
【0020】
その後、転送TFT部2のゲート電極に転送TFT駆動配線4からON電圧が与えられ、転送TFT部2がONし、光電変換素子から電気信号が信号線6に転送され、別付けの読出しICにより読み出される。読出し後、転送TFT部2のゲート電極に転送TFT駆動配線4からOFF電圧が与えられ、転送TFT部2がOFFし、一連の読出し動作が終了する。
【0021】
次に、リセットTFT部3のゲート電極にリセットTFT駆動配線5からON電圧が与えられ、リセット配線8からリセット電圧が与えられ、光電変換素子部1がリセットされる。その後、リセットTFT部3のゲート電極にリセットTFT駆動配線5からOFF電圧が与えられ終了する。
【0022】
以上、説明を簡略化するために1ビットの等価回路により説明をしたが、実際には、各画素(1ビット)が2次元に配列され、各画素の転送TFT、リセットTFT部は夫々共通の駆動配線に接続され、また、その他、信号線等においても同様に共通に接続される。
【0023】
1画素の模式的平面図を図2に示す。図2において、図1と同一構成部については同一番号を付する。図3は図2のA−A′断面を示す断面図である。なお、図3は転送TFT部2とリセットTFT部3との間の幅が縮小されて示されている。
【0024】
先ず、転送TFT部2から説明する。図3において、11は基板、12は多結晶半導体層、13はソース−ドレイン領域、14はソース−ドレイン領域13と同様な導電型の低濃度領域からなるオフセット領域、15はゲート絶縁層、16は転送TFTゲート駆動配線、17はゲート電極、18は層間絶縁層、19はソース−ドレイン電極である。転送TFT部2は直列に接続された2つのTFTを備え、2つのTFTの2つのゲート電極17は共に転送TFT駆動配線4に共通接続されている。各TFTはLDD構造をなしている。
【0025】
転送TFT部2と同様な構造で、リセットTFT部3が形成され、21はリセットTFTゲート駆動配線、22はリセット配線である。リセットTFT部3も直列に接続された2つのTFTを備え、2つのTFTの2つのゲート電極は共にリセットTFT駆動配線5に共通接続されている。各TFTはLDD構造をなしている。
【0026】
また図3において、23は層間絶縁層、24はセンサ個別電極、25はMIS型PD(絶縁層、半導体層、オーミックコンタクト層の積層構造)、26は透明電極、27はセンサバイアス配線である。MIS型PD25からの電気信号は、センサ個別電極24に接続されるドレイン電極19に転送され、転送TFT部2を介して、ソース電極19に接続される信号線6から読み出される。
【0027】
尚、不図示の蛍光体は光電変換素子部(ここではMIS型PD)上に配置され、放射線検出装置を構成する。以上の様な構成を採用することにより、MIS型PDに接続されたセンサ個別電極24の電位変動に対して、夫々のTFTのチャネル部がゲート電極によりシールドされる構造となる。
【0028】
なお、転送TFT部、リセットTFT部のいずれか一方を、直列に接続された2つのTFTを備えた構成とすることもできる。
【0029】
その結果、センサ個別電極24の光出力に応じたTFTリークが低減できるなど、画像品位が格段に向上される。また、画素サイズに係わらず、開口率は略100%を達成することになり、微細化に対してTFTの占有面積が大きくなるが、それには無関係に開口率が確保でき、大きな構造的な利点となる。
【0030】
更に、TFTを直列に複数接続することにより、TFT特性、特に、OFF特性の改善が図られ、また、ゲート絶縁層を介した上下間ショート、半導体層内のショートなどの不良に対しても冗長性を持たせることも可能となる。
【0031】
(実施形態2)
本発明の第2の実施形態として、夫々の画素に転送TFT素子とリセットTFT素子が配置された放射線検出装置について述べる。本実施形態はa−Seなどを用いて、放射線を直接、電気信号に変換する直接型放射線検出装置である。
【0032】
1ビットの等価回路図を図4に示す。図1と同一構成部ついては同一番号を付する。ただし、1は放射線変換素子部を示している。図中、1は放射線変換素子部であり、ここでは放射線を直接、電気信号に変換する直接型である。2は転送TFT部、3はリセットTFT部、4は転送TFT駆動配線、5はリセットTFT駆動配線、6は信号線、7はバイアス配線、8はリセット配線である。9は直接変換された電荷の蓄積コンデンサである。
【0033】
基本動作は、実施形態1と略同様である。放射線は放射線変換素子部1にて直接電荷に変換され、蓄積コンデンサ9に蓄積され、転送TFT部2により読み出される、その後、リセット動作において、放射線変換素子部1(ここでは直接型変換部材)と蓄積コンデンサ9が同時にリセットされる。
【0034】
1画素の模式的平面図を図5に示す。図5において、図4と同一構成部については同一番号を付する。図6は図5のA−A′断面を示す断面図である。なお、図6は転送TFT部2とリセットTFT部3との間の幅が縮小されて示されている。
【0035】
先ず、転送TFT部2から説明する。図6において、11は基板、12は多結晶半導体層、13はソース−ドレイン領域、14はソース−ドレイン領域13と同様な導電型の低濃度領域からなるオフセット領域、15はゲート絶縁層、16は転送TFTゲート駆動配線、17はゲート電極、18は層間絶縁層、19はソース−ドレイン電極である。転送TFT部2は直列に接続された2つのTFTを備え、2つのTFTの2つのゲート電極17は共に転送TFT駆動配線4に共通接続されている。各TFTはLDD構造をなしている。
【0036】
転送TFT部2と同様な構造で、リセットTFT部3が形成され、21はリセットTFTゲート駆動配線、22はリセット配線である。リセットTFT部3も直列に接続された2つのTFTを備え、2つのTFTの2つのゲート電極は共にリセットTFT駆動配線5に共通接続されている。各TFTはLDD構造をなしている。
【0037】
また図6において、23は層間絶縁層、24はセンサ個別電極、29は直接変換部材(a−Se、その他GaAs、PbI2などがある)、30はセンサ上部電極である。
【0038】
また、蓄積コンデンサ9の構成は、コンデンサ下電極28、層間絶縁層18、ソース−ドレイン電極19を用いて形成される構造である。
【0039】
尚、同様に、以上の様な構成を採用することにより、直接変換部材29に接続されたセンサ個別電極24の電位変動に対して、夫々のTFTのチャネル部がゲート電極によりシールドされる構造となる。
【0040】
その結果、センサ個別電極24の出力に応じたTFTリークが低減できるなど、画像品位が格段に向上される。また、画素サイズに係わらず、開口率は略100%を達成することになり、微細化に対して大きな構造的な利点となる。
【0041】
更に、TFTを直列に複数接続することにより、TFT特性、特に、OFF特性の改善が図られ、また、ゲート絶縁層を介した上下間ショート、半導体層内のショートなどの不良に対しても冗長性を持たせることも可能となる。
【0042】
(実施形態3)
本発明の第3の実施形態として、光電変換素子に発生した電荷をゲート電極に受けるAmpTFT(増幅用TFT)とその電荷に応じた信号を転送する転送TFTなどから構成される放射線検出装置について述べる。本実施形態は、放射線を一旦、可視光などの光に波長変換し、その変換光を光電変換素子で読み取る間接型放射線検出装置である。光電変換素子はMIS型PD、或いは、PIN型PD共に用いることが可能である。
【0043】
光電変換装置の1ビットの等価回路図を図7に示す。図1と同一構成部については同一番号を付する。図中、1は光電変換素子部、31はAmpTFT部、2は転送TFT部、3はリセットTFT部、4は転送TFT駆動配線、5はリセットTFT駆動配線、6は信号線、7はバイアス配線、8はリセット配線、32は転送TFTバイアス配線である。AmpTFT部31も直列に接続された2つのTFTを備えている。
【0044】
同図を用いて、駆動方法の概略を述べる。X線等の放射線は蛍光体等の波長変換体により、波長変換され、光電変換素子部1に入射する。入射光は光電変換され光電変換素子部1に電荷蓄積される。
【0045】
この電荷により、AmpTFT31のゲート電極には光入射量に応じた電位変動が起こる。その後、転送TFT部2のゲート電極に転送TFT駆動配線4からON電圧が印加され、転送TFT部2がONし、光入射量に応じた出力が信号線6を介して発生する。
【0046】
外付けICによる読出し後、転送TFT部2のゲート電極に転送TFT駆動配線4からOFF電圧が与えられ、転送TFT部2がOFFし、一連の読出し動作が終了する。
【0047】
次に、リセットTFT部3のゲート電極にリセットTFT駆動配線5からON電圧が与えられ、リセット配線8からリセット電圧が与えられ、光電変換素子部1がリセットされる。その後、リセットTFT部3のゲート電極にリセットTFT駆動配線5からOFF電圧が与えられ終了する。
【0048】
以上、説明を簡略化するために1ビットの等価回路により説明をしたが、実際には、各画素(1ビット)が2次元に配列され、各画素の転送TFT、リセットTFTは夫々共通の駆動配線に接続され、また、その他、信号線等においても同様に共通に接続される。
【0049】
1画素の模式的平面図を図8に示す。図8において、図1及び図7と同一構成部については同一番号を付する。本実施形態の様に3種類のTFTを用いた場合、従来では、開口率が著しく低下し、十分な感度が確保できないため、機能的な回路設計が困難であったが、本例の様にTFT素子上にセンサ素子を配置することにより、設計自由度の高い放射線検出装置の実現が可能とる。言い換えれば、画像品の高い装置が実現可能となる。
【0050】
(実施形態4)
本実施形態は前述の実施形態1において、TFT構造をオフセット構造とした場合について述べる。模式的平面図を図9に示す。
【0051】
同図より、TFTのゲート電極17に対して、チャネル領域12が幅広となっているオフセット構造としている。本実施形態は、実施形態1のLDD構造と同様、オフセット構造においても、TFTにおいてはOFF電流の安定化など同様の効果がある。
【0052】
次に以上説明した各実施形態の放射線検出装置を用いたX線診断システムについて説明する。
【0053】
図12は本発明による放射線検出装置のX線診断システムへの応用例を示したものである。
【0054】
X線チューブ6050で発生したX線6060は患者あるいは被験者6061の胸部6062を透過し、本実施形態の放射線検出装置(例えば光電変換装置の前に蛍光体を配置した装置)6040に入射する。この入射したX線には患者6061の体内部の情報が含まれている。X線の入射に対応してシンチレータは発光し、これを光電変換素子が光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ6070により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ6080で観察できる。
【0055】
また、この情報は電話回線6090等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどディスプレイ6081に表示もしくは光ディスク等の記録手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録手段となるフィルムプロセッサ6100により記録媒体たるフィルム6110に記録することもできる。
【0056】
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は以下に説明する態様である。
【0057】
(実施態様1) 入射光を電気信号に変換するセンサ素子と、該センサ素子に接続される複数の薄膜トランジスタとを備えた画素が複数配列された光電変換装置において、
前記複数の薄膜トランジスタは直列に接続され且つ同一のゲート配線が用いられ、
前記複数の薄膜トランジスタと接続される前記センサ素子の電極は、前記複数の薄膜トランジスタ上に配置され、
前記複数の薄膜トランジスタは、基板上に半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層が順次積層されたトップゲート型構成であることを特徴とする光電変換装置。
【0058】
(実施態様2) 実施態様1に記載の光電変換装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、前記センサ素子から電気信号を転送する複数の転送用薄膜トランジスタと、前記センサ素子をリセットする複数のリセット用薄膜トランジスタとを含んでいる光電変換装置。
【0059】
(実施態様3) 実施態様1に記載の光電変換装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、前記センサ素子から電気信号が入力される複数の増幅用薄膜トランジスタと、該電気信号を出力するための複数の転送用薄膜トランジスタと、前記センサ素子をリセットする複数のリセット用薄膜トランジスタとを含んでいる光電変換装置。
【0060】
(実施態様4) 実施態様1〜3のいずれかに記載の光電変換装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、チャネル領域がゲート電極より幅が広い光電変換装置。
【0061】
(実施態様5) 実施態様1〜4のいずれかに記載の光電変換装置と、該光電変換装置の光入射側に、放射線を光に変換する変換体とを備えた放射線検出装置。
【0062】
(実施態様6) 放射線を電気信号に変換するセンサ素子と、該センサ素子に接続される複数の薄膜トランジスタとを備えた画素が複数配列された放射線検出装置において、
前記複数の薄膜トランジスタは直列に接続され且つ同一のゲート配線が用いられ、
前記複数の薄膜トランジスタと接続される前記センサ素子の電極は、前記複数の薄膜トランジスタ上に配置され、
前記複数の薄膜トランジスタは、基板上に半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層が順次積層されたトップゲート型構成であることを特徴とする放射線検出装置。
【0063】
(実施態様7) 実施態様6に記載の放射線検出装置において、前記センサ素子に蓄積用コンデンサが接続されている放射線検出装置。
【0064】
(実施態様8) 実施態様6又は7に記載の放射線検出装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、前記センサ素子から電気信号を転送する複数の転送用薄膜トランジスタと、前記センサ素子をリセットする複数のリセット用薄膜トランジスタとを含んでいる放射線検出装置。
【0065】
(実施態様9) 実施態様6又は7に記載の放射線検出装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、前記センサ素子から電気信号が入力される複数の増幅用薄膜トランジスタと、該電気信号を出力するための複数の転送用薄膜トランジスタと、前記センサ素子をリセットする複数のリセット用薄膜トランジスタとを含んでいる放射線検出装置。
【0066】
(実施態様10) 実施態様6〜9のいずれかに記載の放射線検出装置において、前記複数の薄膜トランジスタは、チャネル領域がゲート電極より幅が広い放射線検出装置。
【0067】
(実施形態11) 実施形態5〜9のいずれかに記載の放射線検出装置と、
前記放射線検出装置からの信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
前記放射線を発生させるための放射線源とを具備することを特徴とする放射線撮像システム。
【0068】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特別なシールド構造を配置することなく、センサ素子をTFT上に配置することが可能となる。その結果、高精細化による画素サイズの縮小においても、十分な開口率、即ち、感度を確保でき、また、TFTリークによる画像品位の低下を防ぐことが可能となる。
【0069】
また、各々のTFT素子は複数のTFTを直列に接続することにより、TFTの冗長性が得られると共に、OFF電流の安定性が確保でき、動作マージンの確保、画像品位の向上が達成できる。
【0070】
更に、複数のTFTを1画素内に配置することが可能となるため、回路設計の自由度が増し、画像品位を向上させる駆動が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の1ビットの等価回路図である。
【図2】実施形態1の模式的平面図である。
【図3】実施形態1のA−A′部の模式的断面図である。
【図4】実施形態2の1ビットの等価回路図である。
【図5】実施形態2の模式的平面図である。
【図6】実施形態2のA−A′部の模式的断面図である。
【図7】実施形態3の1ビットの等価回路図である。
【図8】実施形態3の模式的平面図である。
【図9】実施形態4の模式的断面図である。
【図10】従来の1ビットの模式的等価回路である。
【図11】従来の3×3の模式的等価回路である。
【図12】本発明の放射線検出装置によるX線撮影システムの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
1 光電変換素子部
2 転送TFT部
3 リセットTFT部
4 転送TFT駆動配線
5 リセットTFT駆動配線
6 信号線
7 バイアス配線
8 リセット配線
9 蓄積コンデンサ
11 基板
12 多結晶半導体層(チャネル領域)
13 ソース−ドレイン領域
14 オフセット領域
15 ゲート絶縁層
16 転送TFTゲート駆動配線
17 ゲート電極
18 層間絶縁層
19 ソース−ドレイン電極
21 リセットTFTゲート駆動配線
22 リセット配線
23 層間絶縁層
24 センサ個別電極
25 MIS型PD
26 透明電極
27 センサバイアス配線
28 コンデンサ下電極
29 直接変換部材
30 センサ上部電極
31 Amp TFT部
32 転送TFTバイアス配線
S11〜S33 光電変換素子部
T11〜T33 転送用TFT部
Vg1〜Vg2 転送用TFT駆動配線
Sig1〜Sig3 信号線
Vs1〜Vs3 光電変換素子バイアス配線
A 信号処理回路
B バイアス電源
C A/D変換部
D TFT駆動回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation detection device that detects radiation such as X-rays and γ-rays. In particular, the present invention relates to a radiation detection device applicable to a medical image diagnostic device, a nondestructive inspection device, an analysis device using radiation, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the advancement of liquid crystal TFT technology and the improvement of information infrastructure, it is composed of a photoelectric conversion element and a switch TFT using non-single-crystal silicon, for example, amorphous silicon (hereinafter abbreviated as a-Si). Panel detector (hereinafter abbreviated as FPD) combining a sensor array that has been used and a phosphor that converts radiation into light such as visible light has been proposed, achieving a large area and digitization in the field of medical imaging. Have been.
[0003]
This FPD is capable of instantly reading a radiation image and displaying it on a display instantly. Further, since the image can be directly retrieved as digital information, data is stored or processed or transferred. There is a feature that is said to be convenient. Although various characteristics such as sensitivity depend on the photographing conditions, they are compared with conventional screen film (hereinafter abbreviated as S / F) photographing methods and computed radiography (hereinafter abbreviated as CR) photographing methods. Has been confirmed to be equal or better.
[0004]
FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram of one bit of the FPD. FIG. 11 shows a schematic equivalent circuit diagram of 3 × 3 bits. In the figure, 101 and S11 to S33 are photoelectric conversion element portions, 102 and T11 to T33 are transfer TFT portions, 104 and Vg1 to Vg2 are transfer TFT drive wirings, 106 and Sig1 to Sig3 are signal lines, 107 and Vs1 to Sg3. Vs3 is a photoelectric conversion element bias wiring, A is a signal processing circuit, B is a bias power supply, D is a TFT drive circuit, and C is an A / D converter.
[0005]
Radiation such as X-rays enters from the upper part of the paper of FIG. 11 and is converted into light such as visible light by a phosphor (not shown). The converted light is converted into electric charges by the photoelectric conversion units S11 to S33 and stored in the photoelectric conversion element units S11 to S33. Thereafter, the transfer TFT sections T11 to T33 are operated from the TFT drive wiring by the TFT drive circuit D, and the accumulated charges are transferred to the signal lines Sig1 to Sig3, processed by the signal processing circuit A, and further A / D converted. The signal is A / D-converted and output by the unit C.
Basically, the element configuration as described above is generally used. In particular, the photoelectric conversion element is a PIN-type photodetector (hereinafter abbreviated as a PIN-type PD) or a MIS employed by the present inventors. Photodetectors (hereinafter abbreviated as MIS PDs) are common, and various other devices have been proposed.
[0006]
As described above, while commercialization of the FPD has been achieved, various proposals have been made with the aim of further improving the sensitivity. See, for example, SPIE Medical Imaging VI, February 23-27, 1992; A report by E Antonuk et al. Discloses a structure in which a sensor element is stacked on a TFT element. In this proposal, by adopting the above structure, the aperture ratio of the sensor element is improved, and the sensitivity can be improved. At this time, since the TFT element is disposed immediately below the sensor element, unnecessary parasitic capacitance is formed, and therefore, a grounded plane is disposed. However, the specific content is unknown. And the effect is unknown.
[0007]
In addition, the proposal in Patent Document 1 similarly shows a structure in which a sensor element is stacked on a TFT element in order to improve the aperture ratio. In this proposal, an electrode connected to the source-drain electrode of the TFT element covers the TFT element and serves as a sensor individual electrode.
[0008]
On the other hand, the proposal in
[0009]
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,498,880 [Patent Document 2]
JP 2000-156522 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional example, the structure is such that the channel portion of the TFT is subjected to potential fluctuations in various forms, and it is unclear specifically in the description that the shield is disposed.
[0011]
That is, in the conventional FPD having a laminated structure, the individual electrode of the sensor element acts as the back gate electrode of the TFT element, and the potential fluctuation of the individual electrode causes a problem such as leakage of the TFT element. Causes quality degradation.
[0012]
For example, when an area having a large sensor output and an area having a small sensor output are adjacent to each other, crosstalk appears such that the boundary is blurred. In addition, there is a problem that the sensor saturation output decreases and the dynamic range decreases.
[0013]
Accordingly, it is an object of the present invention to suppress the characteristic fluctuation due to the leak of the TFT element even when the individual electrode of the sensor element arranged on the TFT element fluctuates in potential, and to achieve an improvement in sensitivity. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The radiation detection device of the present invention is a radiation detection device in which a plurality of pixels each including a sensor element that converts radiation into an electric signal and a plurality of thin film transistors connected to the sensor element are arranged.
The plurality of thin film transistors are connected in series and use the same gate wiring, the electrodes of the sensor element connected to the plurality of thin film transistors are arranged on the plurality of thin film transistors, and the plurality of thin film transistors are formed on a substrate. And a top gate structure in which a semiconductor layer, a gate insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked.
[0015]
The present invention adopts a structure in which a TFT element is protected by a gate electrode without disposing a complicated shield structure on the TFT by using a top gate structure for the TFT element. An object of the present invention is to obtain stable TFT characteristics without turning on a TFT element due to a back gate effect due to a potential change. That is, the image quality can be greatly improved.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
(Embodiment 1)
As a first embodiment of the present invention, a photoelectric conversion device in which a transfer TFT element and a reset TFT element are arranged in each pixel, and a radiation detection device will be described. The present embodiment is an indirect radiation detection device in which a wavelength converter for converting radiation into light such as visible light is disposed on a photoelectric conversion device, and the converted light is read by the photoelectric conversion device. The photoelectric conversion element of the photoelectric conversion device can be used together with a MIS PD or a PIN PD.
[0018]
FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of one bit (one pixel) of the photoelectric conversion device. In the figure, 1 is a photoelectric conversion element section, 2 is a transfer TFT section, 3 is a reset TFT section, 4 is a transfer TFT drive wiring, 5 is a reset TFT drive wiring, 6 is a signal line, 7 is a bias wiring, and 8 is a reset wiring. It is.
[0019]
The outline of the driving method will be described with reference to FIG. Radiation such as X-rays is wavelength-converted by a wavelength converter such as a phosphor, and is incident on the photoelectric conversion element unit 1. The incident light is photoelectrically converted and stored in the photoelectric conversion element unit 1.
[0020]
Thereafter, an ON voltage is applied to the gate electrode of the
[0021]
Next, an ON voltage is applied to the gate electrode of the
[0022]
In the above, the description has been made using a one-bit equivalent circuit for the sake of simplicity. However, in practice, each pixel (one bit) is two-dimensionally arranged, and the transfer TFT and reset TFT part of each pixel are commonly used. It is connected to the drive wiring, and also commonly connected to signal lines and the like.
[0023]
FIG. 2 shows a schematic plan view of one pixel. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. FIG. 3 is a sectional view showing an AA 'section of FIG. FIG. 3 shows a reduced width between the
[0024]
First, the
[0025]
The
[0026]
In FIG. 3,
[0027]
Note that a phosphor (not shown) is disposed on a photoelectric conversion element unit (here, a MIS type PD) to constitute a radiation detection device. By adopting the above-described configuration, a channel portion of each TFT is shielded by the gate electrode against a potential change of the
[0028]
Note that one of the transfer TFT unit and the reset TFT unit may be configured to include two TFTs connected in series.
[0029]
As a result, the image quality is remarkably improved, for example, the TFT leak according to the light output of the
[0030]
Furthermore, by connecting a plurality of TFTs in series, the TFT characteristics, especially the OFF characteristics, are improved, and there is also redundancy against defects such as short-circuiting between the upper and lower sides via the gate insulating layer and short-circuiting in the semiconductor layer. It is also possible to have the nature.
[0031]
(Embodiment 2)
As a second embodiment of the present invention, a radiation detecting apparatus in which a transfer TFT element and a reset TFT element are arranged in each pixel will be described. The present embodiment is a direct radiation detection device that converts radiation directly into an electric signal using a-Se or the like.
[0032]
FIG. 4 shows a 1-bit equivalent circuit diagram. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Here, 1 indicates a radiation conversion element unit. In the figure, reference numeral 1 denotes a radiation conversion element, which is a direct type in which radiation is directly converted into an electric signal. 2 is a transfer TFT portion, 3 is a reset TFT portion, 4 is a transfer TFT drive wire, 5 is a reset TFT drive wire, 6 is a signal line, 7 is a bias wire, and 8 is a reset wire. 9 is a storage capacitor for the directly converted charges.
[0033]
The basic operation is substantially the same as in the first embodiment. The radiation is directly converted into electric charges by the radiation conversion element unit 1, stored in the storage capacitor 9, and read by the
[0034]
FIG. 5 is a schematic plan view of one pixel. 5, the same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. FIG. 6 is a sectional view showing an AA 'section of FIG. FIG. 6 shows a reduced width between the
[0035]
First, the
[0036]
The
[0037]
In FIG. 6, 23 denotes an interlayer insulating layer, 24 is a sensor separate electrode, 29 is a direct conversion member (a-Se, other GaAs, and the
[0038]
Further, the configuration of the storage capacitor 9 is a structure formed using the capacitor
[0039]
In addition, similarly, by adopting the above-described configuration, a channel portion of each TFT is shielded by a gate electrode against a potential change of the
[0040]
As a result, the image quality is remarkably improved, for example, the TFT leak according to the output of the
[0041]
Furthermore, by connecting a plurality of TFTs in series, the TFT characteristics, especially the OFF characteristics, are improved, and there is also redundancy against defects such as short-circuiting between the upper and lower sides via the gate insulating layer and short-circuiting in the semiconductor layer. It is also possible to have the nature.
[0042]
(Embodiment 3)
As a third embodiment of the present invention, a radiation detection device including an AmpTFT (amplification TFT) that receives a charge generated in a photoelectric conversion element at a gate electrode, a transfer TFT that transfers a signal corresponding to the charge, and the like will be described. . The present embodiment is an indirect radiation detecting apparatus in which radiation is temporarily converted into light such as visible light, and the converted light is read by a photoelectric conversion element. The photoelectric conversion element can be used together with a MIS PD or a PIN PD.
[0043]
FIG. 7 shows a 1-bit equivalent circuit diagram of the photoelectric conversion device. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the figure, 1 is a photoelectric conversion element section, 31 is an AmpTFT section, 2 is a transfer TFT section, 3 is a reset TFT section, 4 is a transfer TFT drive wiring, 5 is a reset TFT drive wiring, 6 is a signal line, and 7 is a bias wiring. , 8 are reset wirings, and 32 is a transfer TFT bias wiring. The
[0044]
The outline of the driving method will be described with reference to FIG. Radiation such as X-rays is wavelength-converted by a wavelength converter such as a phosphor, and is incident on the photoelectric conversion element unit 1. The incident light is photoelectrically converted and stored in the photoelectric conversion element unit 1.
[0045]
Due to this charge, a potential change occurs in the gate electrode of the
[0046]
After reading by the external IC, an OFF voltage is applied to the gate electrode of the
[0047]
Next, an ON voltage is applied to the gate electrode of the
[0048]
In the above, the description has been made using a 1-bit equivalent circuit for simplicity. However, in practice, each pixel (1 bit) is two-dimensionally arranged, and the transfer TFT and reset TFT of each pixel use a common drive. It is connected to wiring, and also commonly connected to signal lines and the like.
[0049]
FIG. 8 shows a schematic plan view of one pixel. 8, the same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals. In the case where three types of TFTs are used as in the present embodiment, conventionally, the aperture ratio is remarkably reduced and sufficient sensitivity cannot be secured, so that it is difficult to design a functional circuit. By arranging the sensor element on the TFT element, it is possible to realize a radiation detection apparatus having a high degree of freedom in design. In other words, a device with high image quality can be realized.
[0050]
(Embodiment 4)
This embodiment describes a case where the TFT structure is an offset structure in the first embodiment. FIG. 9 shows a schematic plan view.
[0051]
As shown in the figure, the offset structure is such that the
[0052]
Next, an X-ray diagnostic system using the radiation detection device of each embodiment described above will be described.
[0053]
FIG. 12 shows an application example of the radiation detecting apparatus according to the present invention to an X-ray diagnostic system.
[0054]
The
[0055]
Further, this information can be transferred to a remote place by a transmission means such as a
[0056]
The embodiments of the present invention have been described above, but the preferred embodiments of the present invention are the following.
[0057]
Embodiment 1 In a photoelectric conversion device in which a plurality of pixels each including a sensor element for converting incident light into an electric signal and a plurality of thin film transistors connected to the sensor element are arranged.
The plurality of thin film transistors are connected in series and use the same gate wiring,
The electrode of the sensor element connected to the plurality of thin film transistors is disposed on the plurality of thin film transistors,
The photoelectric conversion device, wherein the plurality of thin film transistors have a top-gate structure in which a semiconductor layer, a gate insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked on a substrate.
[0058]
Second Embodiment In the photoelectric conversion device according to the first embodiment, the plurality of thin film transistors include a plurality of transfer thin film transistors that transfer an electric signal from the sensor element, and a plurality of reset thin film transistors that reset the sensor element. Photoelectric conversion device containing
[0059]
(Embodiment 3) In the photoelectric conversion device according to Embodiment 1, the plurality of thin film transistors include a plurality of amplifying thin film transistors to which an electric signal is input from the sensor element and a plurality of transfer circuits for outputting the electric signal. And a plurality of resetting thin film transistors for resetting the sensor element.
[0060]
(Embodiment 4) The photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 3, wherein the plurality of thin film transistors have a channel region wider than a gate electrode.
[0061]
(Embodiment 5) A radiation detection apparatus comprising: the photoelectric conversion device according to any one of Embodiments 1 to 4; and a conversion body that converts radiation into light on a light incident side of the photoelectric conversion device.
[0062]
(Embodiment 6) In a radiation detection device in which a plurality of pixels each including a sensor element for converting radiation into an electric signal and a plurality of thin film transistors connected to the sensor element are arranged,
The plurality of thin film transistors are connected in series and use the same gate wiring,
The electrode of the sensor element connected to the plurality of thin film transistors is disposed on the plurality of thin film transistors,
The radiation detector according to claim 1, wherein the plurality of thin film transistors have a top-gate structure in which a semiconductor layer, a gate insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked on a substrate.
[0063]
(Embodiment 7) The radiation detection device according to
[0064]
(Eighth Embodiment) In the radiation detection apparatus according to the sixth or seventh embodiment, the plurality of thin film transistors are a plurality of transfer thin film transistors that transfer an electric signal from the sensor element, and a plurality of reset thin film transistors that reset the sensor element. A radiation detection device including a thin film transistor.
[0065]
(Embodiment 9) In the radiation detecting apparatus according to
[0066]
(Embodiment 10) The radiation detection device according to any one of
[0067]
(Embodiment 11) The radiation detection device according to any of
Signal processing means for processing a signal from the radiation detection device,
Recording means for recording a signal from the signal processing means,
Display means for displaying a signal from the signal processing means,
Transmission processing means for transmitting a signal from the signal processing means,
A radiation source for generating the radiation.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to dispose a sensor element on a TFT without disposing a special shield structure. As a result, even when the pixel size is reduced due to high definition, a sufficient aperture ratio, i.e., sensitivity, can be ensured, and a decrease in image quality due to TFT leak can be prevented.
[0069]
Further, by connecting a plurality of TFTs in series to each TFT element, the redundancy of the TFTs can be obtained, the stability of the OFF current can be secured, the operation margin can be secured, and the image quality can be improved.
[0070]
Further, since a plurality of TFTs can be arranged in one pixel, the degree of freedom in circuit design is increased, and driving for improving image quality can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a 1-bit equivalent circuit diagram of a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic plan view of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of the first embodiment.
FIG. 4 is a 1-bit equivalent circuit diagram of a second embodiment.
FIG. 5 is a schematic plan view of a second embodiment.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of the second embodiment.
FIG. 7 is a 1-bit equivalent circuit diagram of a third embodiment.
FIG. 8 is a schematic plan view of a third embodiment.
FIG. 9 is a schematic sectional view of a fourth embodiment.
FIG. 10 is a schematic equivalent circuit of a conventional one bit.
FIG. 11 is a schematic equivalent circuit of a conventional 3 × 3.
FIG. 12 is a conceptual diagram showing a configuration of an X-ray imaging system using the radiation detection device of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 photoelectric
26
Claims (1)
前記複数の薄膜トランジスタは直列に接続され且つ同一のゲート配線が用いられ、
前記複数の薄膜トランジスタと接続される前記センサ素子の電極は、前記複数の薄膜トランジスタ上に配置され、
前記複数の薄膜トランジスタは、基板上に半導体層、ゲート絶縁層、ゲート電極層が順次積層されたトップゲート型構成であることを特徴とする放射線検出装置。In a radiation detection device in which a plurality of pixels each including a sensor element that converts radiation into an electric signal and a plurality of thin film transistors connected to the sensor element are arranged,
The plurality of thin film transistors are connected in series and use the same gate wiring,
The electrode of the sensor element connected to the plurality of thin film transistors is disposed on the plurality of thin film transistors,
The radiation detector according to claim 1, wherein the plurality of thin film transistors have a top-gate structure in which a semiconductor layer, a gate insulating layer, and a gate electrode layer are sequentially stacked on a substrate.
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