JP2007103846A - 放射線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度特性に優れた放射線検出器を提供する。
【解決手段】放射線検出器は、基板と、基板上に互いに隙間を置いて配設された複数の画素電極１９と、画素電極に接して基板上に設けられ、入射される放射線の強度に対応する大きさの電荷に変換する複数の結晶３１を含む光導電層２０と、光導電層に所定のバイアス電圧を印加可能なバイアス電極層とを備えている。複数の結晶３１の面方向の平均粒径は、画素電極１９間の隙間ｇ未満である。
【選択図】 図３

Description

この発明は、放射線検出器に関し、特に、直接変換方式の放射線検出器に関する。

近年、新世代のＸ線診断用検出器としてアクティブマトリックス型のＸ線平面検出器が大きな注目を集めている。このＸ線平面検出器において、照射されたＸ線を検出することにより、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像がデジタル信号として出力される。Ｘ線平面検出器は固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。このため、多くの大学やメーカーが研究開発に取り組んでいる。

実用化の最初の用途として、比較的大きなＸ線量で、静止画像を収集する人体の胸部・一般撮影用に開発され、近年商品化されている。より高い技術的なハードルをクリアして、透視線量下で毎秒３０コマ以上のリアルタイム動画を実現させる必要のある循環器、消化器分野への応用に対しても近い将来に商品化が予想される。この動画用途に対しては、ノイズ（Ｓ／Ｎ：シグナル／ノイズ比）の改善や微小信号のリアルタイム処理技術等が重要な開発項目となっている。

Ｘ線平面検出器には、大きく分けて直接変換方式と間接変換方式との２通りがある。
直接変換方式は、Ｘ線をａ−Ｓｅなどの光導電膜を用いて直接信号電荷に変換し、変換した信号電荷を電荷蓄積用キャパシタに蓄積する方式である（例えば、特許文献１参照）。この直接変換方式は、Ｘ線により発生した光導電電荷を高電界により直接に電荷蓄積用キャパシタに導く方式である。

一方、間接変換方式は、シンチレータ層によりＸ線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をａ−ＳｉフォトダイオードやＣＣＤにより信号電荷に変換して、電荷蓄積用キャパシタに導く方式である。シンチレータ層からの可視光は、フォトダイオードやＣＣＤに到達する迄に光学的な拡散及び散乱が生じてしまうため、解像度特性が低下してしまう。
特開２００５−３３００３号公報

上記したＸ線平面検出器において、特に直接変換方式のＸ線平面検出器は、アクティブマトリックスの画素ピッチで規定される解像度特性を得ることが求められている。このため、Ｘ線平面検出器の解像度特性の低下を抑制する技術が求められる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、解像度特性に優れた放射線検出器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る放射線検出器は、
基板と、
前記基板上に、この基板の平面に平行な面方向に１次元または２次元的に互いに隙間を置いて配設された複数の画素電極と、
前記画素電極に接して前記基板上に設けられ、入射される放射線の強度に対応する大きさの電荷に変換する複数の結晶を含む光導電層と、
前記光導電層に所定のバイアス電圧を印加可能なバイアス電極層とを備え、
前記複数の結晶の前記面方向の平均粒径は、前記画素電極間の隙間未満である。

この発明によれば、解像度特性に優れた放射線検出器を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の放射線検出器を直接変換方式のＸ線検出器に適用した実施の形態について詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、Ｘ線検出器は、アクティブマトリクス型の光電変換基板１を備えている。光電変換基板１は、ガラス等の絶縁性の材料で形成されているとともに画素領域Ｒを有した矩形状の基板１０と、複数の第１駆動線１１と、複数の第２駆動線１２と、入射されるＸ線（放射線）の量に対応した電荷信号を出力する複数の画素部１５とを備えている。

複数の画素部１５は基板１０の画素領域Ｒに設けられている。より詳しくは、複数の画素部１５は、複数の第１駆動線１１及び複数の第２駆動線１２で囲まれたマトリクス状の複数の領域に設けられている。図１に示した例では、１６個の画素部１５が図示されている。

複数の第１駆動線１１及び複数の第２駆動線１２は基板１０上に配設されている。画素領域Ｒにおいて、複数の第１駆動線１１及び複数の第２駆動線１２は互いに交差して配設されている。

画素部１５は、スイッチング素子としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１６と、蓄積コンデンサ１７と、画素電極１９とを備えている。
ＴＦＴ１６は、基板１０上に形成され、第１駆動線１１の一部を延出したゲート電極１６ａと、基板及びゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜１６ｂと、ゲート電極に重ねてゲート絶縁膜上に形成された半導体膜１６ｃと、半導体膜のソース領域に接続されたソース電極１６ｄと、半導体膜のドレイン領域に接続されたドレイン電極１６ｅとで形成されている。

蓄積コンデンサ１７は、基板１０上に形成された下部電極１７ａと、ゲート絶縁膜１６ｂを介して下部電極に対向して設けられた上部電極１７ｂとで形成されている。上部電極１７ｂは、ＴＦＴ１６のドレイン電極１６ｅと電気的に接続されている。

画素電極１９は、ＴＦＴ１６及び蓄積コンデンサ１７上の絶縁層１８上に形成され、この絶縁層の一部に形成されたスルーホール１８ｈを介してＴＦＴ１６のドレイン電極１６ｅに電気的に接続されている。絶縁層１８は酸化珪素（ＳｉＯ_２）等で形成されている。画素電極１９は、基板１０の平面に平行な面方向にマトリクス状に配設けられているとともに互いに隙間を置いて設けられている。

この実施の形態において、画素電極１９は、矩形状であり、より詳しくは幅ｗが１２５μｍ、長さｌが１２５μｍの正方形である。隣合う画素電極１９間の隙間ｇは２５μｍである。隣合う画素電極１９間のピッチｐは、１５０μｍである。

光電変換基板１は、さらに、絶縁層１８及び画素電極１９上に形成された光導電層２０と、この光導電層上に形成されたバイアス電極層２１と、このバイアス電極層上に形成された絶縁層２２と、この絶縁層２２上に形成された遮蔽部としてのＸ線グリッド２３とを備えている。

バイアス電極層２１は、光導電層２０に所定のバイアス電圧を印加可能に形成されている。Ｘ線グリッド２３は、バイアス電極層２１上に絶縁層２２等を介して設けられているとともに画素電極１９間に重なっている。このため、Ｘ線グリッド２３は、画素部１５に隣合う画素部から入射されるＸ線を遮蔽する機能を有し、散乱Ｘ線による解像度特性の低下を抑制している。このため、上記遮蔽部は、入射される放射線を遮蔽する機能を有し、散乱放射線による解像度特性の低下を抑制することができる。

図２及び図３に示すように、光導電層２０は、画素電極１９に接して設けられ、入射されるＸ線（放射線）の強度に対応する大きさの電荷に変換する複数の結晶３１を含んでいる。光導電層２０の厚さは、例えば４００μｍである。

この実施の形態において、結晶３１の面方向の粒径ｄの平均値（以下、平均粒径と称する）は１０μｍであり、画素電極１９間の隙間ｇ未満である。

次に、上記したようなＸ線検出器を用いて例えば人体を検査し、Ｘ線像を撮影する場合について説明する。
まず、光電変換基板１およびＸ線管を人体を挟むように配置する。光電変換基板１のバイアス電極層２１に所定のバイアス電圧Ｖｂが印加された状態で、Ｘ線管から光電変換基板１に向けてＸ線が当てられる。

Ｘ線は人体を透過する等して光電変換基板１の光導電層２０に照射される。これにより、光導電層２０で生起された電荷２０ａはバイアス電極層２１に印加されているバイアス電圧Ｖｂにより方向付けられる電界により、任意の各画素部１５の画素電極１９に移動する。なお、図２においては、電子ｅがバイアス電極層２１に、ホール（正孔）ｈが画素電極１９にそれぞれ向かう状態として説明されている。画素電極１９に移動した電荷２０ａは、ＴＦＴ１６のドレイン電極１６ｅを経由して各蓄積コンデンサ１７に蓄積される。

続いて、第１駆動線１１にＴＦＴ１６をオン状態またはオフ状態に切替えるための駆動信号が入力される。ここで、駆動信号は図示しない駆動回路から出力されている。駆動信号によりＴＦＴ１６がオン状態になると、各画素部１５の蓄積コンデンサ１７に蓄積された電荷は電荷信号として第２駆動線１２に出力され、第２駆動線を介して図示しない信号処理部に伝送される。

信号処理部に伝送された電荷信号は信号処理され、例えばモニタに伝送される。これにより、モニタの表示画面にはＸ線検出器によって撮影された画像を表示させることができる。なお、ＴＦＴ１６をオン状態にする駆動信号は第１駆動線１１毎に、それぞれ位相をずらして入力される。

次に、光導電層２０の形成方法について説明する。
光導電層２０を形成する際、形成材料に、高感度光導電材料としてＰｂＩ_２を用い、形成方法に真空蒸着法を用いる。そして、基板１０の加熱温度を２００℃以下、形成速度を１０μｍ／ｈ以下にそれぞれ設定して光導電層２０を形成した。上記のように形成した場合、面方向において、光導電層２０の結晶３１の平均粒径を測定したところ１０μｍ以下であった。このため、結晶３１の面方向の平均粒径が隣合う画素電極１９間の隙間ｇ未満となるように結晶３１の粒径ｄが小さい光導電層２０を形成することができる。

結晶３１の面方向の平均粒径が小さい光導電層２０を形成する方法は上述した実施の形態に限られるものではない。次に、結晶３１の面方向の平均粒径が小さい光導電層２０を形成する方法について詳細説明する。

このため、結晶３１の面方向の平均粒径が小さい光導電層２０の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタリング法または液相成長法等を用い、その際、光導電層２０が形成される母材となる基板１０の加熱温度を低温化し、かつ、形成速度の低速化または形成材料に結晶成長抑制物質（不純物）の添加を行えば良い。上記したことは、形成材料が、ＰｂＩ_２やＨｇＩ_２等の金属沃化物や金属ハロゲン化合物系の高感度光導電材料であっても適用することができる。これらの形成材料を用いることにより、入射したＸ線に対する出力信号強度を向上させることができる。

上述したことから、結晶３１の面方向の平均粒径が小さい光導電層２０を形成する場合、〈１〉基板１０の加熱温度の低温化、〈２〉光導電層２０の形成速度の低速化、〈３〉形成材料への不純物の添加といった形成条件の最適化を行えば良い。また、上述していないが、〈４〉光導電層２０形成時の雰囲気等の最適化といった形成条件の最適化を行っても良い。例えば、真空蒸着法及びスパッタ法等では，低真空中若しくは不活性ガス中で成膜した場合の方が、高真空中で成膜した場合よりも結晶成長を抑制させることができる。なお、一般的には上記〈１〉、〈２〉、〈３〉の方が支配的である。

次に、光導電層２０の結晶３１の面方向の平均粒径の信頼性区間について統計学を用いて説明する。
始めに、標本の平均値をＸ、標本の大きさをｎ、母分散をσ、母平均をμとすると、母平均μに対する９５％の信頼性区間は、（Ｘ−１．９６σ／√ｎ）以上、（Ｘ＋１．９６σ／√ｎ）以下の区間であり、この区間は、
（Ｘ−１．９６σ／√ｎ， Ｘ＋１．９６σ／√ｎ）・・・（１）
と表されることが知られている。

このため、例えば、光導電層２０の１００個の結晶３１の面方向の平均粒径を０．９５ｇとした場合、上記Ｘを０．９５ｇに、上記σを結晶３１の平均粒径の標準偏差として５ｇ／１９．６に、上記ｎを結晶３１の個数として１００にそれぞれ置き換えることができる。

すると、上記（１）は、
（０．９５ｇ−１．９６（５ｇ／１９．６）／√１００， ０．９５ｇ＋１．９６（５ｇ／１９．６）／√１００）
となり、計算すると、
（０．９ｇ， １．０ｇ）・・・（２）
と表される。

上記（２）は、光導電層２０の１００個の結晶３１の内、９５個の結晶３１は、粒径ｄが０．９ｇ以上、１．０ｇ以下の範囲内の値となることを意味していることから、結晶３１の平均粒径の９５％の信頼性区間は、画素電極１９間の隙間ｇ以下といえる。

上記したことから、光導電層２０の複数の結晶３１の面方向の平均粒径の標準偏差が５ｇ／１９．６以下であり、且つ、光導電層２０のｎ個（ｎ≧１００）の結晶の面方向の平均粒径が０．９５ｇ以下であれば、少なくとも結晶３１の平均粒径の９５％の信頼性区間は、画素電極１９間の隙間ｇ以下といえる。

次に、上述した光導電層２０の結晶３１の平均粒径を測定する測定方法について説明する。結晶３１の平均粒径を測定する方法としては，画素電極１９が形成されている領域の光導電層２０からランダムに選んだｎ個(ｎ≧１００)の結晶３１の平均粒径を求めれば良い。例えば、１００個の結晶３１の平均粒径を求めた場合は、その値が０．９５ｇ以下となれば良い。

以上のように構成されたＸ線検出器によれば、光導電層２０は形成条件の最適化が行われて形成されている。これにより、結晶３１の面方向の平均粒径が画素電極１９間の隙間ｇ未満となる。このため、１つの結晶３１が隣合う複数の画素電極１９を跨ぐことはほとんどない。上述した実施の形態では、結晶３１の面方向の平均粒径が１０μｍ、画素電極１９間の隙間ｇが２５μｍであるため、１つの結晶が隣合う複数の画素電極を跨ぐ可能性は無い。上記したことから、電荷が１つの結晶３１から複数の画素電極１９に与えられることはほとんどなくなるため、Ｘ線検出器の解像度特性の低下を抑制することができ、解像度特性に優れたＸ線検出器を得ることができる。

ここで、形成条件の最適化を行わずに光導電層２０を形成した場合の解像度特性について説明する。光導電層２０は、入射したＸ線に対する出力信号強度と十分なＸ線吸収率を得るために膜厚が数百μｍ以上となり、また、基板１０上に一様に形成されることが多いが、真空蒸着法やスパッタリング法等を用いて一様に形成した場合、基板１０上の絶縁層１８及び画素電極１９表面の構造（凹凸等）並びに性状（材質、結晶性等）から、光導電層を構成する物質（結晶）を単結晶とすることは非常に困難であり、多結晶体となることが多い。

上述した場合、結晶の粒径の増大が多く生じてしまい、結晶の平均粒径の増大も生じてしまう。これにより、結晶の面方向の平均粒径が画素電極１９間の隙間ｇ以上になると、結晶が複数の画素電極１９を跨ぐ可能性が高くなってしまう。上記したことから、形成条件の最適化を行わずに光導電層２０を形成した場合、解像度特性は低下してしまう。

また、光導電層２０の複数の結晶３１の面方向の平均粒径の標準偏差が５ｇ／１９．６以下であり、且つ、光導電層２０の１００個以上の結晶３１の面方向の平均粒径が０．９５ｇ以下である。これにより、結晶３１の平均粒径の９５％の信頼性区間は、画素電極１９間の隙間ｇ以下となるため、結晶３１が複数の画素電極１９を跨ぐ可能性は極めて低くなり，解像度特性の低下を防止する事が可能となる。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、ＴＦＴ１６及び画素電極１９は、基板１０上に、かつ、面方向に１次元または２次元的に配置されていれば良く、さらに、画素電極１９は互いに隙間を置いて配設されていれば良い。上述した実施の形態ではＸ線検出器について説明したが、これに限らずγ線等、他の放射線を検出する放射線検出器に適用することができる。

この発明の実施の形態に係るＸ線検出器の光電変換基板の一部を模式的に示す概略構成図。 上記光電変換基板の一部を拡大して模式的に示す断面図。 上記光電変換基板の画素電極及び光導電層を取り出して光導電層側からみた平面図。

符号の説明

１…光電変換基板、１０…基板、１５…画素部、１６…ＴＦＴ、１７…蓄積コンデンサ、１８…絶縁層、１９…画素電極、２０…光導電層、２１…バイアス電極層、２２…絶縁層、２３…Ｘ線グリッド、３１…結晶、ｇ…隙間、ｐ…ピッチ。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に、この基板の平面に平行な面方向に１次元または２次元的に互いに隙間を置いて配設された複数の画素電極と、
   前記画素電極に接して前記基板上に設けられ、入射される放射線の強度に対応する大きさの電荷に変換する複数の結晶を含む光導電層と、
   前記光導電層に所定のバイアス電圧を印加可能なバイアス電極層とを備え、
   前記複数の結晶の前記面方向の粒径の平均値は、前記画素電極間の隙間未満である放射線検出器。
2. 前記画素電極間の隙間をｇとした場合、前記光導電層の複数の結晶の前記面方向の粒径の平均値の標準偏差が５ｇ／１９．６以下であり、且つ、前記光導電層の１００個以上の結晶の前記面方向の粒径の平均値が０．９５ｇ以下である請求項１に記載の放射線検出器。
3. 前記バイアス電極層上に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層上に設けられているとともに前記画素電極間に設けられ、入射される放射線を遮蔽する遮蔽部とをさらに備えている請求項１に記載の放射線検出器。

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