JP2007103847A - 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１０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、画素電極に接して前記基板上に設けられた光導電層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２３とを備えている。光導電層２０は、それぞれ画素電極１９に重なっているとともに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分割部２１と、分割部間に設けられた絶縁性の他の分割部２２とを有している。
【選択図】 図２

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、かつ、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た光導電層と、
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、
前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられた絶縁性の他の分割部とを有している。

また、本発明の他の態様に係る放射線検出器は、
基板と、
前記基板上に、かつ、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た光導電層と、
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、
前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられているとともにこれら分割部と放射線吸収率の異なる他の分割部とを有している。

また、本発明の他の態様に係る放射線検出器は、
基板と、
前記基板上に、かつ、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た光導電層と、
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、
前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられているとともにこれら分割部と放射線吸収率の異なる絶縁性の他の分割部とを有している。

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、画素電極１９に接して設けられているとともに絶縁層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２３と、このバイアス電極層上に形成された絶縁層２４と、この絶縁層２４上に形成された遮蔽部としてのＸ線グリッド２５とを備えている。

バイアス電極層２３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２５は、バイアス電極層２３上に絶縁層２４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２５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。

図２及び図３に示すように、光導電層２０は、複数の分割部２１と、他の分割部２２とを有している。分割部２１は、それぞれ画素電極１９に重なっているとともに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機能を有している。この実施の形態において、他の分割部２２は、分割部２１間に設けられているとともにこれら分割部より放射線吸収率が高く形成されている。この実施の形態において、分割部２１は高感度光導電材料としてのＰｂＩ_２で形成され、他の分割部２２はＣｓＩで形成されている。他の分割部２２は絶縁性の材料で形成されている。光導電層２０の膜厚は、例えば４００μｍ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２３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、分割部２１で生起された電荷２０ａはバイアス電極層２３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。他の分割部２２では電荷の生起が抑制されるため、他の分割部２２は、画素部１５に隣合う画素部から入射されるＸ線によって生じる不要な電荷の生起を抑制している。このように、他の分割部２２はＸ線グリッド２５とともに散乱Ｘ線による解像度特性の低下を抑制している。さらに、他の分割部２２は絶縁性を有しているため、画素部１５に隣合う画素部からのリーク電流（電荷の移動）を抑制することができ、解像度特性の低下を抑制している。

なお、図２においては、電子ｅがバイアス電極層２３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、まず、図４に示すように、ＴＦＴ１６、蓄積コンデンサ１７、絶縁層１８及び画素電極１９が形成された基板１０を用意する。続いて、図５に示すように、基板１０上に、画素電極１９に重ならずに絶縁層１８に重なるようにマスク３０を配置する。その後、基板１０全面に、ＰｂＩ_２を真空蒸着法により膜厚１２．５μｍに蒸着させる。そして、マスク３０を取り除くことにより、画素電極１９上にのみ膜厚１２．５μｍのＰｂＩ_２膜２１ａが形成される。

次いで、図６に示すように、基板１０上に、画素電極１９にのみ重なるようにマスク４０を配置する。その後、基板１０全面に、ＣｓＩを真空蒸着法により膜厚１２．５μｍに蒸着させる。そして、マスク４０を取り除くことにより、画素電極１９間の絶縁層１８上にのみ膜厚１２．５μｍのＣｓＩ膜２２ａが形成される。

ここで、真空蒸着法を用いる場合において、ＣｓＩ膜２２ａを形成可能とするＣｓＩ膜２２ａと、このＣｓＩ膜を形成する幅との比（アスペクト比：ＣｓＩ膜／ＣｓＩ膜を形成する幅）を０．５とした場合、ＣｓＩ膜２２ａの形成可能な膜厚が判る。上記したことは、ＣｓＩ膜を形成する幅が上記間隔ｇと同様２５μｍであることによる。

そして、上記したようにＰｂＩ_２の蒸着と、ＣｓＩの蒸着とを交互に６４回繰り返すことにより膜厚４００μｍの分割部２１と、膜厚４００μｍの他の分割部２２とを有した光導電層２０を形成することができる。

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、高感度光導電材料で形成された複数の分割部２１と、分割部と異なる放射線吸収率を有した絶縁性の他の分割部２２とを有している。他の分割部２２は、画素部１５に隣合う画素部から入射されるＸ線によって生じる不要な電荷の生起を抑制することができるため、Ｘ線検出器の解像度特性の低下を抑制することができる。

光導電層２０は高密度な材料で形成され、この光導電層を高感度光導電材料でのみ基板１０上に一様に形成した場合、光導電層２０の体積抵抗率は絶縁層１８に対して小さくなり、さらに、隣合う画素電極１９間に電位差が生じた場合には、画素電極１９に隣合う画素電極から流れる微小なリーク電流が発生してしまう可能性がある。

しかしながら、他の分割部２２は、画素部１５に隣合う画素部からのリーク電流を抑制することができるため、Ｘ線検出器の解像度特性の低下を抑制することができる。このため、高解像度特性が要求されるマンモグラフィ用途等において特に有用である。

また、高密度の光導電層２０を高感度光導電材料でのみ基板１０上に一様に形成した場合、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線吸収率とを得るために数百μｍ以上の膜厚に形成する必要がある。この場合、形成時の光導電層２０に大きな内部応力が発生してしまい、光導電層２０の剥がれ及び基板１０の反り等による諸特性及び信頼性の低下が生じてしまう。

しかしながら、この実施の形態において、光導電層２０は分割部２１と分割部と異なる放射線吸収率を有した他の分割部２２とで形成されているため、光導電層２０形成時の内部応力を大幅に緩和させることができる。これにより、光導電層２０が大面積であっても、他の分割部２２は光導電層２０の剥がれ及び基板１０の反り等による信頼性の低下を抑制することが可能となり、Ｘ線検出器の解像度特性の低下の抑制にも寄与することができる。

ここで、上記内部応力について説明する。
内部応力とは、内部応力とは，薄基板上に気相成長法等により薄膜を形成した場合において，薄膜が形成された薄基板に曲がり等の変形を生じさせる薄膜中の応力の事を示している。主な発生原因としては、（１）薄基板と薄膜材料の熱膨張係数差（熱応力）、（２）薄基板と薄膜材料の格子定数の不一致、（３）薄膜の格子欠陥の消失、（４）薄基板と薄膜材料の表面張力差等が挙げられる(一般的には単一では無く、複合要因となる事が多い)が、最も一般的な要因は熱応力である。

この実施の形態においても熱応力が支配的であり、分割部２１（ＰｂＩ_２）と基板１０（ガラス）とでは熱膨張係数差が１０倍程度存在する。また、内部応力は高密度な厚膜を形成する場合の方が，低密度な薄膜を形成するよりも影響が大きくなる。

分割部２１は画素電極１９に重ねて形成したが、この分割部２１はＴＦＴ１６及び蓄積コンデンサ１７の上方にも形成されているため、これらＴＦＴ及び蓄積コンデンサのＸ線耐性の向上に寄与することができる。これにより、光電変換基板１の寿命及び信頼性を向上させることができるため、Ｘ線検出器自体の寿命及び信頼性も向上させることができる。
上記したことから、解像度特性に優れ、光導電層２０の大面積化に対する信頼性が改善でき、寿命及び信頼性を向上させることができるＸ線検出器を得ることができる。

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、光導電層２０を形成する際、始めにＣｓＩを蒸着させて形成しても上述した効果を得ることができる。光導電層２０の形成方法は、上記真空蒸着法に限定されるものではなく、スパッタリング法、ＣＶＤ法、高感度光導電材料とバインダーとの混合塗布法、スクリーン印刷若しくはインクジェット印刷を含む印刷法、高感度光導電材料の粒子を圧縮成型する方法、液相成長法等を用いても上述した効果を得ることができる。

また、分割部２１を形成する高感度光導電材料をＰｂＩ_２とした場合、他の分割部２２を形成する材料はＣｓ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｂｉ等の重金属元素を主成分とする材料、並びにＣｓ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｇ、Ｐｂ、Ｂｉ等の重金属元素を主成分とする酸化物、窒化物及び沃化物等が挙げられる。ただし、ＰｂＩ_２を除く。

他の分割部２２は、分割部２１より放射線吸収率が低く形成されても良い。
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。 上記光電変換基板の光導電層の製造工程を示す断面図。 図４に続く上記光電変換基板の光導電層の製造工程を示す断面図。 図５に続く上記光電変換基板の光導電層の製造工程を示す断面図。

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…分割部、２２…他の分割部、２３…バイアス電極層、２４…絶縁層、２５…Ｘ線グリッド。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に、かつ、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た光導電層と、
   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、
   前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられた絶縁性の他の分割部とを有している放射線検出器。
2. 基板と、
   前記基板上に、かつ、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た光導電層と、
   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、
   前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられているとともにこれら分割部と放射線吸収率の異なる他の分割部とを有している放射線検出器。
3. 基板と、
   前記基板上に、かつ、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た光導電層と、
   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、
   前記光導電層は、それぞれ前記画素電極に重なっているとともに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分割部と、前記分割部間に設けられているとともにこれら分割部と放射線吸収率の異なる絶縁性の他の分割部とを有している放射線検出器。

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