JP2007035773A - 電磁波検出装置、放射線検出装置及び放射線撮像システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 スイッチ素子であるＴＦＴに裏面光の入射を抑え、光電変換素子に裏面からの光を効率よく照射可能な構成とする。
【解決手段】 絶縁基板の第１面上に配置された第１の電極と、該第１の電極上に配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された半導体層と、により構成された電磁波を電気信号に変換する変換素子と、該変換素子に接続されたスイッチ素子と、を有する画素が複数設けられた電磁波検出装置であって、前記第１の電極は前記絶縁基板の前記第１面と対向する第２面側に配置された光源から発せられた光を透過する光透過性導電材料によって構成され、且つ、前記スイッチ素子は前記光源からの前記光が前記スイッチ素子へ入射することを防ぐ遮光部材を有することを特徴とする。
【選択図】図４
【解決手段】 絶縁基板の第１面上に配置された第１の電極と、該第１の電極上に配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された半導体層と、により構成された電磁波を電気信号に変換する変換素子と、該変換素子に接続されたスイッチ素子と、を有する画素が複数設けられた電磁波検出装置であって、前記第１の電極は前記絶縁基板の前記第１面と対向する第２面側に配置された光源から発せられた光を透過する光透過性導電材料によって構成され、且つ、前記スイッチ素子は前記光源からの前記光が前記スイッチ素子へ入射することを防ぐ遮光部材を有することを特徴とする。
【選択図】図４
Description
本発明は、可視光，赤外線等の光、X線，γ線などの放射線を含む電磁波を検出する電磁波検出装置に関する。特に、X線，γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に好適に用いられ、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される。
可視光，赤外線等の光や、X線，γ線などの放射線を含む電磁波を電気信号に変換する変換素子として、水素化非晶質シリコン（以下ａ−Ｓｉと略記する）等の非単結晶半導体を用いた変換素子が知られている。このような変換素子を用いた放射線検出装置として、絶縁基板上に非単結晶半導体によって準備された変換素子と、非単結晶半導体によって準備された薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと略記する）等のスイッチ素子とを有する画素が、２次元マトリクス状に複数配置されて構成されたフラットパネル検出器（以下ＦＰＤと略記する）を用いたものが注目されている。このＦＰＤは、変換素子に所定のバイアスが印加された状態で画像情報を有する放射線を変換素子により電荷に変換し、この電荷をスイッチ素子によって読み出すことにより画像情報に基づいた電気信号を取得することができるものである。このような非単結晶半導体を用いた変換素子は、長時間にわたる変換素子へのバイアス印加により、センサ特性の劣化を誘発する場合がある。そこで、撮影時以外は変換素子へ零電位バイアスを印加し、撮影時にのみ変換素子へ所定のバイアスを印加することにより、長時間使用によるセンサ特性の劣化を低減する試みがなされている。しかしながら、変換素子に対して撮影時にのみ所定のバイアス印加が行なわれると、非単結晶半導体の本質的問題である非単結晶半導体内の欠陥準位に捕獲される電荷等による不要な電流が発生し、この不要な電流がノイズの原因となって信号対ノイズ比である感度を低下させる場合がある。
このような不要な電流に起因する感度の低下に対して、変換素子への所定のバイアス印加後に所定の期間変換素子からの信号を読み出さない待機期間を設けることで、不要な電流に起因する感度の低下を低減させることは可能である。しかしながら、変換素子からの信号を読み出さない期間を設けるために、実際の装置の稼動においては即時性を考えると改善すべき点であった。
そこで、特許文献１に開示されている様に、ａ−Ｓｉを用いた変換素子である光電変換素子に対して、放射線を照射する前に画像情報を有さない光によって照射を行うことにより、変換素子への所定のバイアス印加後直ちに変換素子の撮像が可能となる駆動方法及び装置が知られている。特許文献１に開示された装置は、光電変換素子を設けた基板の裏面に画像情報を有さない光を照射する光源が配置され、その光源からの光が光電変換素子もしくは画素の間を通過して、光電変換素子の受光面から光を受ける構造となっている。また、特許文献２においても、同様な構成が開示されている。
特開２００２−０４０１４４号公報
特開２００２−０５５１６８号公報
上記の光電変換素子では、感度の向上、即ち、出力の向上とノイズの低減は常に要求されている。具体的には、出力の向上として１画素における変換素子の占有面積比率である開口率の向上があげられる。一方、ノイズの低減としては、各配線抵抗の低減、言い換えれば各配線の配線幅の増大があげられる。即ち、高性能な放射線検出装置を得るための感度の向上には配線幅の増大と開口率の向上を同時に達成することが求められる。
そこで、１画素内の変換素子とスイッチ素子との間の空間や、変換素子と信号配線もしくは駆動配線との間の空間を減らすことにより開口率を上げ、また配線幅を広げる方法が考えられる。しかしながら、前述の方法では感度は改善されるが、基板裏面からの光が通り抜けるスペースが縮小されるため、その分感度低下を低減するために必要な基板裏面からの光照射にかかる時間が長くなる。つまり、動作の即時性が失われることになる。
上述の方法において、単純に動作の即時性を確保し更に最大限の感度を達成するには、基板の裏面に配置された画像情報を有さない光を照射するための光源として高出力光源を用いることにより可能となるが、装置のコンパクト性の低下、価格の上昇を引き起こす場合がある。
また、基板裏面からの光照射を行う場合、変換素子以外のＴＦＴ等のスイッチ素子にも光が照射される。そのため、半導体素子であるスイッチ素子でも光電変換がおこるためスイッチとしての機能が失われてしまう可能性がある。
そこで、本発明では、効率良く光電変換素子等の変換素子に裏面からの画像情報を有さない光を入射させ、且つ、高感度で、且つ、即時性の高い放射線検出素子を達成するデバイス構造を提案する。
本発明の電磁波検出装置は、絶縁基板の第１面上に配置された第１の電極と、該第１の電極上に配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された半導体層と、により構成された電磁波を電気信号に変換する変換素子と、該変換素子に接続されたスイッチ素子と、を有する画素が複数設けられた電磁波検出装置であって、前記第１の電極は前記絶縁基板の前記第１面と対向する第２面側に配置された光源から発せられた光を透過する光透過性導電材料によって構成され、且つ、前記スイッチ素子は前記光源からの前記光が前記スイッチ素子へ入射することを防ぐ遮光部材を有することを特徴とする電磁波検出装置である。
本発明の放射線検出装置は、上記本発明の電磁波検出装置を用いた放射線検出装置であって、前記光電変換素子上に、入射する放射線を前記光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換する波長変換体を設けた放射線検出装置である。
また本発明の放射線検出装置は、上記本発明の電磁波検出装置を用いた放射線検出装置であって、前記変換素子は入射する放射線を電気信号に変換する半導体素子である放射線検出装置である。
本発明の放射線撮像システムは、上記本発明の放射線検出装置を用いたものである。
ここで、電磁波とは、可視光，赤外線等の光、Ｘ線，γ線などの放射線を含むものである。変換素子はこれらの電磁波を電気信号に変換する素子であり、可視光，赤外線等の光を電気信号に変換する光電変換素子、放射線を電気信号に変換する半導体素子を含むものである。波長変換体は入射するＸ線，γ線などの放射線を光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換するものである。
本発明によれば、電磁波を電気信号に変換する変換素子の基板側の電極を光透過性とすることで光入射可能な構成とするとともに、薄膜トランジスタなどのスイッチ素子の半導体層への光入射を抑えることにより、パネル特性が安定化され、即時性も失われることなく、高信頼性の電磁波検出装置、特に放射線検出装置を実現可能となる。
更に薄膜トランジスタなどのスイッチ素子上に変換素子を設ける構造とすれば、感度も同時に向上することが可能となる。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態として、変換素子としてのＭＩＳ型センサとスイッチ素子としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）とから構成されている画素を有する基板上に、波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
本発明の第１の実施形態として、変換素子としてのＭＩＳ型センサとスイッチ素子としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）とから構成されている画素を有する基板上に、波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
図１は本発明の第１実施形態の放射線検出装置の１画素分の模式的断面図である。図１において、１１０はガラス基板等の光透過性の絶縁基板、１１２は入射するＸ線等の放射線を可視光や赤外光等のＭＩＳ型センサで感知可能な波長の光に変換する波長変換体としてのヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のシンチレータ層である。２０１はスイッチ素子であるＴＦＴ、２０２は変換素子であるＭＩＳ型センサ、２０３はＡｌ等からなる遮光層、２０４は第１の層間絶縁層、２０５は第２の層間絶縁層である。第１の層間絶縁層２０４、及び第２の層間絶縁層２０５は蛍光体層１１２からの光及び光透過性の絶縁基板１１０を透過する裏面に配置された光源からの光を透過するものである。
ガラス基板等の絶縁基板１１０上に、Ａｌ合金などの遮光層２０３を形成し、その上に、ＳＯＧ（ＳｉＯ２）を塗布、焼成することにより、平坦化層として機能する第１の層間絶縁層（光透過性絶縁層となる）２０４を形成する。その後、ＴＦＴ、及びＭＩＳ型センサを形成する。
ＴＦＴ２０１は、基板（第１の層間絶縁層）側から順に、ゲート電極、ゲート絶縁層、ａ−Ｓｉ等からなる半導体層、オーミックコンタクト層として機能する不純物半導体層、ソース・ドレイン電極で構成される。また、ＭＩＳ型センサ２０２は、基板（第１の層間絶縁層）側から順に、下電極（基板側の電極）、絶縁層、ａ−Ｓｉ等からなる半導体層、キャリアブロッキング層としてい機能する不純物半導体層、上電極（基板とは反対側の電極）で構成される。即ち、ＴＦＴとＭＩＳ型センサとは同様な層構成である。ＭＩＳ型センサの下電極（基板側の電極）は、光透過性導電材料であるＩＴＯで形成され、ＴＦＴのゲート電極もＩＴＯで形成される。
変換素子であるＭＩＳ型センサ２０２の下電極を光透過性とすることで、下電極を介して効率よく光が照射可能となり、例えば特許文献１に開示されている様に、読み込み動作前に光照射を行い、直ちに、画像読み込みが可能となる駆動方法を採用して、即時読み込みが可能となる。図１に示すように、本実施形態の放射線検出装置では、基板１１０の裏面側（ＭＩＳ型センサ２０２が形成される面と反対面）より光照射を行った場合に、図中、矢印で示している様に、ＭＩＳ型センサ２０２の下電極から光が入射する構造となっている。また、それとともに、ＭＩＳ型センサ周辺に存在するスペースから透過した光はシンチレータ層１１２で反射し、センサ受光面より入射する構造となっている。特に半導体層は光吸収、或いは、センサ容量低減（ノイズ低減）を考えると厚膜が望ましいため、光を裏面及び受光面の両面から入射させることで、半導体層全体により効率よく光入射可能となる。一方、基板１１０の裏面側（ＭＩＳ型センサが形成される面と反対面）より光照射を行った場合でも、ＴＦＴ２０１は遮光層２０３により遮光され、誤動作が防止される。ここで、遮光層２０３は、光源からの光がＴＦＴのチャネル領域に入射されないように、ＴＦＴのチャネル領域より大きい面積で形成されることが望ましい。
図２に画素を３×３配置したときの放射線検出装置の模式的回路図を示す。図中、３０１は変換素子であるＭＩＳ型センサ、３０２はＭＩＳ型センサ３０１からの信号を信号線３０４に転送するスイッチ素子であるＴＦＴ、３０３はＴＦＴ３０２に制御信号を送るゲート駆動配線である。３０４は信号線、３０５は列方向に配置されＭＩＳ型センサ３０１の上電極に共通のバイアスを加えるセンサーバイアス線、３０６は信号線３０４と接続され、電気信号が入力される信号処理回路、３０７はゲート駆動線３０３に走査信号を加える駆動回路、３０８はＡ／Ｄ変換器などの周辺回路である。
図３は、上記放射線検出装置に光源を配置した場合の模式的断面図である。１０１は変換素子とスイッチ素子を有する画素が２次元状に複数形成されたセンサ基板、１０２はセンサ基板１０１の受光面と反対側の面（裏面）から光を照射する光源、１０３はＸ線等の放射線を放出する放射線源、１０４はＸ線等の放射線が照射される検体（ここでは人間）である。センサ基板１０１は、ガラス基板等の光透過性の絶縁基板１１０上に２次元に変換素子であるＭＩＳ型センサとスイッチ素子であるＴＦＴとからなる画素１１１が配列されており、その上部にはＸ線等の放射線を波長変換するシンチレータ層１１２が配置されている。ここで、先に述べたようにＭＩＳ型センサの下電極（基板側の電極）が光透過性導電材料であるＩＴＯで形成されている。検体を通過したＸ線等の放射線は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のシンチレータ層１１２で可視光、赤外線等の光１１３に変換され、画素１１１に入射する。一方、光源１０２は光源基板１１４上に２次元にＬＥＤ１１５が複数配列されており、センサ基板１０１の裏面側に配置される。光源１０２より照射された光１１６はセンサ基板１０１の裏面（画素が設けられた面の反対面）より画素１１１に入射する。
このように、ＭＩＳ型センサの下電極（基板側の電極）を光透過性導電材料で構成することにより、センサ基板１０１の裏面側に配置された光源１０２からの光を効率よく吸収でき、読み込み動作前に光照射を行い、直ちに画像読み込みが可能となる駆動方法を採用して、即時読み込みが可能となる。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、スイッチ素子であるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）上に層間絶縁層を介して変換素子としてのＰＩＮ型センサを積層したセンサ基板を準備し、そのセンサ基板上に、波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、スイッチ素子であるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）上に層間絶縁層を介して変換素子としてのＰＩＮ型センサを積層したセンサ基板を準備し、そのセンサ基板上に、波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
本実施形態においても図３に示した配置と同様に、光透過性の絶縁基板の裏面（画素が設けられる面の反対面）側に光源が配置され、この光源から光がセンサ基板に対して照射される。
図４は、本発明の第２実施形態の放射線検出装置の１画素分の模式的断面図である。１１０はガラス基板等の光透過性の絶縁基板、１１は絶縁基板１１０上に形成されたスイッチ素子であるＴＦＴのゲート電極、１２はゲート絶縁層、１３はスイッチ素子であるＴＦＴのａ−Ｓｉ等からなる半導体層、１４はオーミックコンタクト層として機能する不純物反動体層、１５はスイッチ素子であるＴＦＴのソース・ドレイン電極、１６は層間絶縁層である。１７は変換素子であるＰＩＮ型センサの下電極（基板側の電極）、１８はＰＩＮ型センサのａ−Ｓｉ等からなる半導体層、１９はＰＩＮ型センサの上電極（基板とは反対側の電極）、２０は保護層、２１はセンサーバイアス線、１１２は入射するＸ線等の放射線を可視光や赤外光等のＰＩＮ型センサで感知可能な波長の光に変換する波長変換体としてのヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のシンチレータ層である。ここで、ゲート絶縁層１２、層間絶縁層１６、及び保護層２０は、シンチレータ１１２及び光源からの光を透過する構成となっている。また、変換素子であるＰＩＮ型センサの下電極（光源が配置される側の電極）は光源からの光を透過する材料、例えばＩＴＯなどの光透過性導電材料によって構成されている。一方、スイッチ素子であるＴＦＴのゲート電極は、光源からの光がＴＦＴのチャネル領域に入射することを防止するために、光源からの光を遮光する遮光性材料によって構成されている。さらに、ゲート電極はＴＦＴのチャネル領域より大きい面積で形成されることが望ましい。
本実施形態の構成では、スイッチ素子であるＴＦＴ上に変換素子であるＰＩＮ型センサを積層しており、このようにＴＦＴ作成後にＰＩＮ型センサを形成することで、ＴＦＴの最適化、即ち、高速動作可能な構造と、高開口率、即ち、高感度が達成できる構成となっている。
具体的には、ＴＦＴにおいては、ゲート電極１１は耐熱性が高く、低抵抗であるＡｌ合金等の金属材料を用いるとともに、ＴＦＴの半導体層１３はＴＦＴに適するａ-Ｓｉ膜を用い、また、信号線はＡｌ配線を用いることで、低ノイズ、高速ＴＦＴを実現している。一方、ＰＩＮ型センサはＴＦＴ形成後に形成されるので、センサに適する半導体層を用いる事ができ、更に、スイッチ素子であるＴＦＴの直上にも変換素子であるＰＩＮ型センサを形成することが可能となるので、開口率を向上させることもできる。
ＩＴＯなど光透過性材料は熱処理により透過率が変動する。例えばＩＴＯなどで下電極を形成した後に、２５０℃前後の加熱を行うと透過率が低下することが確認されている。そのため、ＩＴＯなど光透過性材料からなるセンサの下電極１７を形成した後に、２５０℃前後を越える高熱処理を行うことは、透過率の低下を招くことになる。したがって、センサの下電極１７としてＩＴＯ等の光透過性材料を用いる場合、透過率の低下を抑制するために、製造プロセスで２５０℃を超えないセンサを形成することが望ましい。
ここで、センサの下電極１７をＩＴＯなどの光透過性導電材料で構成し、ゲート電極を遮光性材料で構成することで、光透過性の絶縁基板１１０の裏面（ＰＩＮ型センサが形成される面と反対面）から照射される光源からの光は、ゲート電極１１で遮光され、また、センサの下電極１７を透過して半導体層１８（光電変換層）に効率よく入射することが可能となる。
本構成では、スイッチ素子であるＴＦＴと変換素子であるＰＩＮ型センサを層間絶縁層１６を介して積層した構造であるので、上記のようにＰＩＮ型センサとＴＦＴを個別に最適化することができ高感度化を達成できる。それと共に、裏面に配置された光源からの光照射に対しては、ＴＦＴのゲート電極は遮光構造とし、ＰＩＮ型センサは光照射できる様、下電極に光透過性の導電材料を用いることが可能となる。ＴＦＴのゲート電極は裏面に配置された光源からＴＦＴのチャネルへ光の照射を防ぐための遮光層として機能しており、ゲート電極の幅がチャネル長（ソース電極とドレイン電極との間の距離Ｌ）よりも大きく、さらにＴＦＴのチャネル領域より大きい面積で設定されることが望ましい。
層間絶縁層１６としては光透過性の有機絶縁層が用いることができ、例えば、一般的なポジ型のアクリル樹脂（日本合成ゴム製、オプトマーＰＣ）、或いは、ベンゾシクロブテン（ダウ・ケミカル製ＣＹＣＬＯＴＥＮ）、或いは、ポリイミドなどが用いられる。かかる有機絶縁層は無機系のＳｉＮ層などに比較して低誘電率であり、また２〜１０μｍ程度の厚膜化が可能である利点を有する。本実施形態では、２〜１０μｍ、より好ましくは４〜６μｍに設定することが好ましい。ＴＦＴの上部にＰＩＮ型センサを配置する構成を取った場合、寄生容量を抑制する観点から、低誘電率で、厚く形成可能な有機絶縁層を用いて平坦化層とすることが好ましい。層間絶縁層１６としてＳｉＮなどの無機絶縁層を用いると、２〜１０μｍの厚さまで堆積することは困難である。層間絶縁層１６はＳｉＮ層等の無機絶縁層上に有機絶縁層を設けることで構成されてもよい。図４の様にＴＦＴがギャップエッチング型の場合は、特に、ギャップ部の安定化のため、ＳｉＮなどの無機絶縁層を第１層に使用することが望まれる。しかし、一般的にＳｉＮなどの無機絶縁層の誘電率は有機絶縁層の約２倍程度であるため、特性安定化を達成するために１０００〜２０００Å程度を必要最低限度の厚みとし、ＳｉＮなどの無機絶縁層からなる第1の層間絶縁層上に寄生容量低減のための有機絶縁層からなる第２の層間絶縁層を積層することが望ましい。
さらに、本実施形態では、光透過性の有機絶縁層からなる層間絶縁層に接してＩＴＯ等の光透過性導電材料からなるセンサ下電極が配置されており、このように構成することで、裏面からの照射光を効率良くセンサ内部に導入できる。
ここで、ＳｉＮなどの無機絶縁層のみで層間絶縁層１６を形成した場合、１μｍを越える厚い層を用いると、大きな応力が発生し、その応力による基板のそりの発生、または、基板が割れるなどの問題が発生する場合がある。そこで、低応力化を試みるために、Ｓｉの比重の大きい層を用いる方法があるが、Ｓｉの比重が大きくなると層の透過率が低下し、裏面からの光照射が十分に行なわれない場合がある。以上の理由からも、無機絶縁層と有機絶縁層の組み合わせで層間絶縁層１６を形成することが望ましい。
勿論、ＴＦＴ構造、或いは、信頼性を考慮して、層間絶縁層として有機絶縁層を単層で用いることも可能である。例えば、スイッチ素子としてギャップストッパー型のＴＦＴを用いる場合には、有機絶縁層を単層で層間絶縁層として用いることが可能である。寧ろ、低価格化を実現する上では単層が望ましい。即ち、ＩＴＯと有機絶縁層の組み合わせは、性能の向上と低価格化を実現する事になる。
絶縁基板１１０の裏面から入射した光は、絶縁基板１１０、層間絶縁層１６、及び透過性導電材料からなるセンサ下電極１７を通過して、ＰＩＮ型センサの半導体層１８に到達する。このとき、絶縁基板１１０であるガラスの屈折率は１．５〜１．６程度、層間絶縁層１６である有機絶縁層の屈折率は１．６〜１．７程度、センサ下電極１７であるＩＴＯの屈折率は１．８〜１．９程度であり、光入射側から徐々に大きくなる構成となっている。また、各界面の屈折率差が０．２以下と小さいため、裏面からの光が各界面で反射されることを低減できる構造となっている。この結果、センサの半導体層１８への裏面からの光照射が効率良く実行される。一方、無機絶縁層を層間絶縁層１６として用いた場合には、無機絶縁層の屈折率は２．５程度となり、層間絶縁層１６とセンサ下電極１７との屈折率の差が大きくなる。そのため層間絶縁層１６とセンサ下電極１７の界面における光の反射が大きくなり、裏面からの光入射の効率が悪い構造となる。このように、層間絶縁層１６とセンサ下電極１７の屈折率の差が小さい、望ましくは０．２以下となるようにそれぞれの材料を選択して構成する。このような構成とすることにより、層間絶縁層１６とセンサ下電極１７との界面における反射が抑制され、裏面からセンサの半導体層１８への光照射が効率よく行われる。
更に、図８に示した様に、無機絶縁層を層間絶縁層１６として用いた場合では、同図の円で示した部分の段差はそのまま保持される。そのため、層間絶縁層１６の上方に形成されるセンサにもその段差が影響し、段差に形成されるセンサ下電極が良好に形成されない、或いは、センサ上電極とセンサ下電極との間でショートが発生するなどセンサの欠陥が発生する可能性があった。一方、図９に示すように、無機絶縁層１６−１と有機絶縁層１６−２、少なくとも有機絶縁層１６−２を層間絶縁層として用いることで層間絶縁層の表面を平坦化すると、配線、或いは、ＴＦＴの段差の影響が層間絶縁層で緩和されることにより、層間絶縁層上に形成されるセンサの欠陥の発生を抑制することが可能となる。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、１画素にスイッチ素子であるＴＦＴを複数設け、複数のＴＦＴ上に層間絶縁層を介して、変換素子であるＭＩＳ型センサを積層した基板上に波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態として、１画素にスイッチ素子であるＴＦＴを複数設け、複数のＴＦＴ上に層間絶縁層を介して、変換素子であるＭＩＳ型センサを積層した基板上に波長変換体としてのシンチレータ層を形成した放射線検出装置について説明する。
本実施形態においても図３に示した配置と同様に、光透過性の絶縁基板の裏面（画素が設けられた面の反対面）側に光源が配置され、この光源から光が光透過性の絶縁基板を透過して変換素子に照射される。
図５は本発明の第３実施形態の放射線検出装置の１画素分の模式的断面図である。図中、３１はガラス基板等の光透過性の絶縁基板、３２は絶縁基板３１上に形成された転送用のスイッチ素子である転送用ＴＦＴのゲート電極、３３は変換素子をリセットするためのスイッチ素子であるリセット用ＴＦＴのゲート電極、３４はゲート絶縁層、３５は転送用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴのａ−Ｓｉ等の半導体層、３６は転送用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴのオーミックコンタクト層として機能する不純物半導体層、３７は転送用ＴＦＴ及びリセット用ＴＦＴのギャップ保護膜である。
３８は不図示のリセットバイアス線に接続されるリセット用ＴＦＴのソース電極、３９はセンサ下電極に接続されるリセット用ＴＦＴのドレイン電極である。また、４０は不図示の信号線に接続される転送用ＴＦＴのソース電極、４１はセンサ下電極に接続される転送用ＴＦＴのドレイン電極である。さらに、４２は保護層、４３は層間絶縁層、４４は変換素子であるＭＩＳ型センサの下電極、４５はＭＩＳ型センサの絶縁層、４６はＭＩＳ型センサの半導体層、４７はＭＩＳ型キャリアブロッキング層として機能する不純物半導体層、４８はＭＩＳ型センサの上電極、４９はセンサーバイアス配線、５０はヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等の波長変換体であるシンチレータ層である。
本実施形態においても、転送ＴＦＴのゲート電極３２、リセットＴＦＴのゲート電極３３及びゲート配線は、低抵抗でかつ遮光機能を有する金属配線を用い、センサの下電極４４は光透過性導電材料であるＩＴＯを用いている。ここで、ゲート電極３２，３３は裏面に配置された光源からＴＦＴのチャネルへ光の照射を防ぐための遮光層として機能しており、ゲート電極の幅がチャネル長（ソース電極とドレイン電極との間の距離Ｌ）よりも大きく、さらにＴＦＴのチャネル領域より大きい面積で設定されることが望ましい。その結果、裏面側に配置された光源からの光を十分センサ内に導入でき、また、不必要なＴＦＴへの光入射を防止することが可能となる。また、積層構造であるため、開口率を低減することなく複数のＴＦＴを配置することができ、高速駆動、高感度、高信頼性を同時に達成可能となる。
本実施形態の模式的回路図を図６に示す。図中、３０１はＭＩＳ型センサ、３０２はＭＩＳ型センサ３０１からの信号を信号線３０４に転送する転送用ＴＦＴ、３０３は転送用ＴＦＴ３０２のゲートに制御信号を送るゲート駆動配線、３０４は信号線、３０５は列方向に配置されたＭＩＳ型センサの上電極に共通のバイアスを加えるセンサーバイアス線、３０６は信号線３０４と接続され、電気信号が入力される信号処理回路、３０７はゲート駆動線３０３及びゲート駆動配線３１０に順次走査信号を加える駆動回路、３０８はＡ／Ｄ変換器など周辺回路、３０９はリセット用ＴＦＴ、３１０はリセット用ＴＦＴ３０９のゲートに制御信号を送るゲート駆動配線、３１１はリセット用ＴＦＴ３０９にリセット電圧を与えるリセットバイアス線である。
Ｘ線等の放射線は、不図示の波長変換体であるシンチレータ層により可視光、赤外光等の変換素子で検出可能な波長に変換され、その光が変換素子であるＭＩＳ型センサ３０１に入射する。入射光は光電変換されＭＩＳ型センサ３０１内に蓄積される。その後、転送用ＴＦＴ３０２の転送動作により、信号処理回路３０６及び周辺回路３０８に読み出される。その後、リセット用ＴＦＴ３０９を動作させて、ＭＩＳ型センサ３０１をリセットする。
本実施形態の構造は、転送用ＴＦＴとリセット用ＴＦＴを用いることにより、各ライン毎に読出し、リセット、蓄積を行うことができ、実質的には、読出し時間の総和で駆動できる。即ち、１ラインが読み出し動作をしていると同時に、既に読み出されたラインのセンサをリセットしていることになる。その結果、30FPS以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく実現できるものである。
以上説明した各実施形態での放射線検出装置は、シンチレータ層と光電変換素子を用いた変換素子を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、放射線を直接電荷に変換するａ−Ｓｅ（非晶質セレン）などの半導体層などを用いた直接型の変換素子を用いた放射線検出装置においても適応可能である。これはａ−Ｓｅ材料が基本的にはａ−Ｓｉ同様非晶質材料であり、内部に構造欠陥を有していることによる。
また各実施形態においては、ＭＩＳ型センサ等の光電変換素子の上にＣｓＩ等のシンチレータを直接堆積した例を示しているが、カーボン等の放射線を透過させる材料からなる基板上にシンチレータを形成し、その蛍シンチレータの面を接着材により、ＭＩＳ型センサ等の光電変換素子とＴＦＴが対となる画素を設けた基板と貼り合わせてもよい。
さらに、各実施形態において図３に示すようにセンサ基板に対して、２次元にＬＥＤ１１５が配列された光源を用いている。しかし他の形態として、特許文献１の図１１に示したような、導光体とその端面にＬＥＤを配置して光源を構成してもよく、また特許文献１の図１２に示したような、基板の側面にＬＥＤ等の光源を配してもよい。この場合、導光体の端面や基板の側面から光を入射させ、反射光を光電変換素子や放射線を直接、電荷に変換する素子に入射させることになる。つまり、光源はシンチレータ層からの光入射側と反対側から光を照射するように構成できれば、図３の構成に限定されない。
次に本発明に係わる放射線検出装置を用いた放射線検出システムについて図７を用いて説明する。
図７に示すように、放射線源となるＸ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者或いは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線検出装置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放射線検出装置６０４０の蛍光体は発光し、その光を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。
また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理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等の表示手段となるディスプレイ６０８１に表示又は光ディスク装置等の記録手段により光ディスク等の記録媒体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。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
以上、放射線検出装置とそれを用いた放射線検出システムについて説明したが、本発明の技術的思想によれば、放射線検出装置とそれを用いた放射線検出システムに限られず、蛍光体層を設けず、入射する可視光や赤外光等の光を電気信号に変換する光電変換装置にも適用可能である。
本発明は、可視光，赤外線等の光、X線，γ線などの放射線を含む電磁波を検出する電磁波検出装置、特に、X線，γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に好適に用いられ、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される。
１１ ＴＦＴの不透明なゲート電極
１２ 光透過性ゲート絶縁層
１３ ＴＦＴの半導体層
１４ オーミックコンタクト層
１５ ＴＦＴソース/ドレイン電極
１６ 光透過性層間絶縁層
１７ 光透過性センサ下電極
１８ ＰＩＮ型、或いは、ＭＩＳ型センサ
１９ センサ上電極
２０ 光透過性保護層
２１ センサーバイアス線
３１ 光透過性基板
３２ 転送用ＴＦＴの不透明なゲート電極
３３ リセット用ＴＦＴの不透明なゲート電極
３４ ゲート絶縁層
３５ 水素化非晶質シリコン（ａ-Ｓｉ）半導体層
３６ オーミックコンタクト層
３７ ギャップ保護膜
３８ リセット用ＴＦＴのソース電極
３９ リセット用ＴＦＴのドレイン電極
４０ 転送用ＴＦＴのソース電極
４１ 転送用ＴＦＴのドレイン電極
４２ 保護膜
４３ 層間絶縁層
４４ 光透過性のセンサ下電極
４５ センサ絶縁層
４６ センサ半導体層
４７ キャリアブロッキング層
４８ センサ上電極
４９ センサーバイアス配線
５０ 蛍光体層
１０１ センサ基板
１０２ 光源
１０３ 放射線源
１０４ 検体
１１０ 光透過性基板
１１２ 蛍光体層
２０１ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
２０２ ＭＩＳ型センサ
２０３ 遮光層
２０４，２０５ 層間絶縁層
１２ 光透過性ゲート絶縁層
１３ ＴＦＴの半導体層
１４ オーミックコンタクト層
１５ ＴＦＴソース/ドレイン電極
１６ 光透過性層間絶縁層
１７ 光透過性センサ下電極
１８ ＰＩＮ型、或いは、ＭＩＳ型センサ
１９ センサ上電極
２０ 光透過性保護層
２１ センサーバイアス線
３１ 光透過性基板
３２ 転送用ＴＦＴの不透明なゲート電極
３３ リセット用ＴＦＴの不透明なゲート電極
３４ ゲート絶縁層
３５ 水素化非晶質シリコン（ａ-Ｓｉ）半導体層
３６ オーミックコンタクト層
３７ ギャップ保護膜
３８ リセット用ＴＦＴのソース電極
３９ リセット用ＴＦＴのドレイン電極
４０ 転送用ＴＦＴのソース電極
４１ 転送用ＴＦＴのドレイン電極
４２ 保護膜
４３ 層間絶縁層
４４ 光透過性のセンサ下電極
４５ センサ絶縁層
４６ センサ半導体層
４７ キャリアブロッキング層
４８ センサ上電極
４９ センサーバイアス配線
５０ 蛍光体層
１０１ センサ基板
１０２ 光源
１０３ 放射線源
１０４ 検体
１１０ 光透過性基板
１１２ 蛍光体層
２０１ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
２０２ ＭＩＳ型センサ
２０３ 遮光層
２０４，２０５ 層間絶縁層
Claims (14)
- 絶縁基板の第１面上に配置された第１の電極と、該第１の電極上に配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された半導体層と、により構成された電磁波を電気信号に変換する変換素子と、該変換素子に接続されたスイッチ素子と、を有する画素が複数設けられた電磁波検出装置であって、
前記第１の電極は前記絶縁基板の前記第１面と対向する第２面側に配置された光源から発せられた光を透過する光透過性導電材料によって構成され、且つ、前記スイッチ素子は前記光源からの前記光が前記スイッチ素子へ入射することを防ぐ遮光部材を有することを特徴とする電磁波検出装置。 - 請求項１に記載の電磁波検出装置において、前記スイッチ素子は、前記絶縁基板上に配置された薄膜トランジスタであり、前記遮光部材は前記薄膜トランジスタのゲート電極であることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項１または２に記載の電磁波検出装置において、前記遮光部材は、前記スイッチ素子のチャネル領域よりも大きい面積を有し、前記チャネル領域と前記絶縁基板との間に配置されていることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電磁波検出装置において、前記変換素子は前記スイッチ素子上に配置され、前記第１の電極と前記スイッチ素子との間に光透過性の層間絶縁層を有して前記変換素子と前記スイッチ素子とが接続されていることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項４に記載の電磁波検出装置において、前記第１の電極は前記層間絶縁層と接して配置されている電磁波検出装置。
- 請求項４または５に記載の電磁波検出装置において、前記層間絶縁層は光透過性の有機絶縁材料によって構成されていることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の電磁波検出装置において、層間絶縁層の厚さは２〜１０μｍである電磁波検出装置。
- 請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の電磁波検出装置において、前記第１の電極の屈折率が前記層間絶縁層との屈折率より大きく、前記第１の電極の屈折率と前記層間絶縁層の屈折率の差が０．２以下であることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の電磁波検出装置において、前記変換素子は、前記半導体層が非単結晶半導体によって構成されている光電変換素子であることを特徴とする電磁波検出装置。
- 請求項９に記載の電磁波検出装置において、前記光電変換素子はＭＩＳ型センサである電磁波検出装置。
- 請求項９に記載の電磁波検出装置において、前記光電変換素子はＰＩＮ型センサである電磁波検出装置。
- 請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の電磁波検出装置を用いた放射線検出装置であって、前記光電変換素子上に、入射する放射線を前記光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換する波長変換体を設けた放射線検出装置。
- 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電磁波検出装置を用いた放射線検出装置であって、前記変換素子は入射する放射線を電気信号に変換する半導体素子である放射線検出装置。
- 請求項１２又は請求項１３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、
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。
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