JP2007273576A - Ｘ線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、画素電極との界面または前記バイアス電極との界面でのヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜の結晶構造の乱れを防止したＸ線検出器を提供する。
【解決手段】電荷蓄積容量とスイッチ素子と画素電極とを有する画素が複数配列されたアクティブマトリックス基板と、前記アクティブマトリックス基板上に形成されたヨウ化鉛からなるＸ線光導電膜と、前記光導電膜上に形成されたバイアス電極とを具備し、結晶構造制御層は、前記Ｘ線光導電膜と前記画素電極との間、または前記Ｘ線光導電膜と前記バイアス電極と間に形成されていることを特徴とするＸ線検出器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線検出器に関し、特にヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜（Ｘ線光電変換膜）の結晶性を改良した直接変換方式のＸ線検出器に係わる。

Ｘ線検出器は、Ｘ線を電気信号に変換するデバイスで、Ｘ線撮影像またはリアルタイムのＸ線画像をデジタル信号化として出力するものである。このＸ線検出器には、レントゲンフィルムの代替となる静止画以外にリアルタイム動画への応用要求も高まっている。Ｘ線検出器には、直接変換方式と間接変換方式の二通りに大別される。直接変換方式は、ａ−Ｓｉ等の光導電膜によりＸ線を直接電荷信号に変換し、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てＸ線を可視光に変換し、可視光をａ−ＳｉフォトダイオードやＣＣＤで電荷信号とした後に電荷蓄積用キャパシタに導く方式である。

直接変換方式は、Ｘ線照射により光導電膜で生じた電荷を高電界で電荷蓄積キャパシタに直接導く方式であるため、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が得られる。これに対し、間接変換方式ではシンチレータで生じた可視光がフォトダイオードに到達する間の光学的な拡散や散乱により解像度が低下する。このため、高解像度のＸ線検出器を実現するには直接変換方式の方が有利である。

従来の直接変換方式のＸ線検出器は、図６に示すようにガラス板１０１上に薄膜トランジスタのゲート電極１０２およびキャパシタの第１電極１０３が形成されている。ゲート絶縁膜および誘電体膜を兼ねる絶縁膜１０４は、前記電極１０２，１０３を含む前記ガラス板１０１の全面に形成されている。多結晶シリコンからなる活性層１０５は、前記絶縁膜１０４上に前記ゲート電極１０２と対向するように形成されている。キャパシタの第２電極１０６は、前記絶縁膜１０４上に前記第１電極１０３と対向するように形成されている。ドレイン電極１０７は、前記活性層１０５の一方の端部（例えば左端部）に重なるように前記絶縁膜１０４上に形成されている。ソース電極１０８は、前記活性層１０５の他方の端部（例えば右端部）および前記第２電極１０６の一端（例えば左端部）に重なるように前記絶縁膜１０４上に形成されている。平坦化樹脂層１０９は、前記活性層１０５、第２電極１０６、ドレイン電極１０７およびソース電極１０８を含む前記絶縁膜１０４全面に形成されている。例えばＩＴＯからなる画素電極１１０は、前記平坦化樹脂層１０９上にその平坦化樹脂層１０９に開口されたスルーホール１１１を通して前記ドレイン電極１０７に接続されるように形成されている。なお、前記ゲート電極１０２、ゲート絶縁膜を兼ねる絶縁膜１０４、活性層１０５、ドレイン電極１０７およびソース電極１０８により薄膜トランジスタＴｒを構成している。また、第１電極１０３、誘電体膜を兼ねる絶縁膜１０４および第２電極１０６により電荷蓄積用キャパシタＣを構成している。このようなガラス板１０１、このガラス板１０１に形成された薄膜トランジスタＴｒ、電荷蓄積用キャパシタＣおよび画素電極１１０によりＴＦＴアレイ基板を構成している。

ヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜１１２、前記画素電極１１０を含む平坦化樹脂層１０９上に形成されている。バイアス電極１１３は、このＸ線光導電膜１１２上に形成されている。

しかしながら、Ｘ線光導電膜として金属ハロゲン化物であるヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）を用いた従来のＸ線検出器では、ヨウ化鉛膜を形成する初期においてその構成元素である化学反応性の高いヨウ素により下地の画素電極表面が腐食されるため、その上に形成されるヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）の結晶構造が乱れる。その結果、Ｘ線検出時において暗電流の増加およびＸ線感度の低下を招く。なお、ヨウ化鉛膜を予めバイアス電極表面に形成し、このバイアス電極付きＸ線光導電膜をアレイ基板の画素電極側に導電性接着剤で接合する場合には、ヨウ化鉛膜を形成する初期においてその構成元素である化学反応性の高いヨウ素により下地のバイアス電極表面が腐食されるため、その上に形成されるヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）の結晶構造が同様に乱れる。

本発明は、画素電極との界面または前記バイアス電極との界面でのヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜の結晶構造の乱れを防止したＸ線検出器を提供しようとするものである。

本発明によると、電荷蓄積容量とスイッチ素子と画素電極とを有する画素が複数配列されたアクティブマトリックス基板と、前記アクティブマトリックス基板上に形成されたヨウ化鉛からなるＸ線光導電膜と、前記Ｘ線光導電膜上に形成されたバイアス電極とを具備し、結晶構造制御層は、前記Ｘ線光導電膜と前記画素電極との間、または前記Ｘ線光導電膜と前記バイアス電極と間に形成されていることを特徴とするＸ線検出器が提供される。

本発明によれば、画素電極との界面または前記バイアス電極との界面でのヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜の結晶性を改善し、暗電流特性およびＸ線光導電特性を向上させることによって、高感度でかつ高解像度のＸ線検出器を提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係るＸ線検出器を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るＸ線検出器を示す要部断面図である。

ガラス板１上には、薄膜トランジスタのゲート電極２およびキャパシタの第１電極３が形成されている。ゲート絶縁膜および誘電体膜を兼ねる絶縁膜４は、前記電極２，３を含む前記ガラス板１全面に形成されている。例えば不純物ドープ多結晶シリコンからなる活性層５は、前記絶縁膜４上に前記ゲート電極２と対向するように形成されている。不純物ドープ多結晶シリコンからなる第２電極６は、前記絶縁膜４上に前記第１電極３と対向するように形成されている。ドレイン電極７は、前記活性層５の一方の端部（例えば左端部）に重なるように前記絶縁膜４上に形成されている。ソース電極８は、前記活性層５の他方の端部（例えば右端部）および前記第２電極６の一端（例えば左端部）に重なるように前記絶縁膜４上に形成されている。平坦化樹脂層９は、前記活性層５、第２電極６、ドレイン電極７およびソース電極８を含む前記絶縁膜４全面に形成されている。例えばＩＴＯからなる画素電極１０は、前記平坦化樹脂層９上にその平坦化樹脂層９に開口されたスルーホール１１を通して前記ドレイン電極７に接続されるように形成されている。

このようなゲート電極２、ゲート絶縁膜を兼ねる絶縁膜４、活性層５、ドレイン電極７およびソース電極８により薄膜トランジスタＴｒを構成している。また、第１電極３、誘電体膜を兼ねる絶縁膜４および第２電極６により電荷蓄積用キャパシタＣを構成している。さらに、前記ガラス板１およびこのガラス板１上の薄膜トランジスタＴｒ、電荷蓄積用キャパシタＣおよび画素電極１０等によりアクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板２１を構成している。

ヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜１２、前記画素電極１０を含む平坦化樹脂層９上に形成されている。結晶構造制御層１３は、前記画素電極１０を含む平坦化樹脂層９と前記Ｘ線光導電膜１２との間に形成されている。バイアス電極１４は、前記Ｘ線光導電膜１２上に形成されている。

前記平坦化樹脂としては、例えばアクリル系樹脂を用いることができる。

前記画素電極としては、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）または酸化インジウムから作ることができる。

前記Ｘ線光導電膜層の形成は、例えばヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）を真空蒸着する方法、またはヨウ化鉛の粉体を適当なバインダーと混ぜて塗布する方法等を採用することができる。

前記結晶構造制御層は、酸化物、窒化物、炭化物、またはこれらの混合物から作ることができる。酸化物としては、例えばＳｉＯ₂、ＺｎＯ等を挙げることができる。窒化物としては、例えばＴａＮ，ＴｉＮ等を挙げることができる。炭化物しては、例えばＳｉＣ等を挙げることができる。これらの中で、特にＺｎＯはヨウ素に対する化学的安定性に優れ、かつヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）の成膜時にＸ線光導電膜特性の向上に寄与するｃ軸配向性を向上できるため、有益である。

前記結晶構造制御層は、２〜３００ｎｍの厚さを有することが好ましい。特に、前記結晶構造制御層がＺｎＯのような絶縁物から作られる場合には、Ｘ線光導電膜で生成した電荷を画素電極およびバイアス電極に輸送する必要があるため、２〜５０ｎｍのより薄い厚さを有することが好ましい。また、前記結晶構造制御層がＳｉＣのような導電物から作られる場合には、隣接する画素間での電荷リークを抑制するため２〜１０ｎｍの一層薄い厚さを有することが好ましい。ただし、フォトリソグラフィなどにより前記結晶構造制御層を各画素に対応して分離形成する場合には前記厚さの範囲（２〜３００ｎｍ）で任意に選択することができる。

前記バイアス電極は、例えばＡｌから作られる。

次に、前述したＸ線検出器の製造方法の一例を説明する。

まず、ガラス板上に導電膜（例えばＡｌ膜）を成膜した後、パターニングしてゲート電極およびキャパシタの第１電極をそれぞれ形成する。つづいて、全面にＳｉＯ₂のような絶縁膜を例えばＣＶＤ法により堆積する。ひきつづき、絶縁膜上に不純物ドープ多結晶シリコン膜を例えばＣＶＤにより形成し、パターニングすることにより活性層およびキャパシタの第２電極をそれぞれ形成する。全面にＡｌ膜を真空蒸着した後、パターニングすることにより前記活性層に接続するドレイン電極と前記活性層および第２電極と接続されるソース電極をそれぞれ形成する。

次いで、アクリル系の樹脂を前面に塗布し、乾燥して平坦化樹脂層を形成する。この平坦化樹脂層のソース電極に対応する部分にスルーホールを開口する。つづいて、このスルーホールを含む前記平坦化樹脂層上に例えばスパッタリングによりＩＴＯ膜を成膜した後、パターニングすることにより前記ソース電極にスルーホールを通して接続される画素電極を形成する。

次いで、前記画素電極を含む平坦化樹脂層上に例えばスパッタリングによりＺｎＯのような結晶構造制御層を形成する。なお、画素電極を酸素、窒素または炭素を含むガスを用いたプラズマ処理や紫外線処理、つまり酸化処理、窒化処理または炭化処理により画素電極表面に結晶構造制御層を形成してもよい。つづいて、この結晶制御層上に例えばＣＶＤ法によりヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）を成膜してＸ線光導電膜を形成する。ひきつづき、このＸ線光導電膜に例えば真空蒸着によりＡｌを成膜してバイアス電極を形成する。この後、信号取り出し用および信号処理用の回路を実装することにより、前述した図１に示す直接変換方式のＸ線検出器を製造する。

なお、バイアス電極１４の形成後、このバイアス電極、Ｘ線光導電膜１２、結晶構造制御層１３および画素電極１０等が湿気などにより変質、劣化を生じるのを防止するため、Ｘ線平面検出器全体を真空あるいは窒素などの不活性ガスでパッケージすることが好ましい。

次に、前述したＸ線検出器の作用を図２に示す原理図を参照して説明する。

Ｘ線検出器は、図２に示すように電荷蓄積用キャパシタＣおよび薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）Ｔｒがそれぞれ複数形成され、かつ各キャパシタＣおよび各薄膜トランジスタＴｒにそれぞれ接続された画素電極１０を有するアクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板２１と、この基板２１上に順次形成された結晶構造制御層１３、Ｘ線光導電膜１２およびバイアス電極１４とを備えている。なお、各薄膜トランジスタＴｒにおいて、ゲートは走査制御ラインへ、ドレインはデータバスラインへ接続されている。

Ｘ線発生器から放射されたＸ線は、人体等の被検体を透過した後、バイアス電極１４からＸ線光導電膜１２に入射される。このＸ線光導電膜１２では、入射されたＸ線の量に応じた電荷（電子−正孔対）が励起される。発生した電荷（電子あるいは正孔）は、Ｘ線光導電膜１２にバイアス電極１４から印加される極性に従ってアクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板２１の画素電極１０に移動し、電荷蓄積用キャパシタＣに蓄積される。蓄積された電荷情報は各薄膜トランジスタＴｒのゲート線を順次に走査することによりドレインのデータラインから読み出される。データバスラインの端部には増幅回路およびＡ／Ｄコンバータが接続されており、読み出された電荷情報はデジタル画像信号に変換され、出力される。

以上説明した第１実施形態によれば、ヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜１２と画素電極１０との間に結晶構造制御層１３を介在させることによって、画素電極１０との界面でのＸ線光導電膜１２の結晶性を改善できる。

すなわち、Ｘ線光導電膜となるヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）膜の結晶性を制御するにはその下地となる画素電極表面の状態を制御することが重要となる。このヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）膜の結晶性や配向を制御するには、成膜される下地との界面を安定させるとともに、所望の結晶構造が優先的に得られるような結晶構造を下地に与えることが有効である。

Ｘ線光導電膜にヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）を用いたＸ線検出器では、その成膜初期において化学反応性の高いヨウ素により下地の画素電極表面が腐食される。このため、この画素電極上に形成されるヨウ化鉛の結晶構造は乱れる。

第１実施形態のように画素電極１０上に例えばＺｎＯ等からなるヨウ素に対して化学的に安定な結晶構造制御層１３を形成することによって、前記ヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）１２を画素電極１０との界面においてｃ軸配向性に優れた結晶状態で成膜できる、つまり結晶性を改善できる。その結果、Ｘ線光導電膜１２の暗電流特性およびＸ線光導電特性を向上できるため、高感度でかつ高解像度のＸ線検出器を提供することができる。

特に、結晶構造制御層１３をＺｎＯを用いて形成することによって、ヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）１２を画素電極１０界面においてより一層ｃ軸配向性に優れた結晶状態で成膜できる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るＸ線検出器を示す要部断面図である。なお、図３において前述した図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係るＸ線検出器は、前記画素電極１０を含む平坦化樹脂層９上にヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜１２を導電性接着剤層１５を介して形成し、かつＸ線光導電膜１２とバイアス電極１４の間に結晶構造制御層１３を形成した構造を有する。

前記結晶構造制御層は、前記第１実施形態で説明したのと同様な材料から作られ、かつ厚さを有する。結晶構造制御層は、特にヨウ素に対する化学的安定性に優れ、かつヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）の成膜時にＸ線光導電膜特性の向上に寄与するｃ軸配向性を向上できるＺｎＯから作ることが有益である。

このような第２実施形態に係るＸ線検出器の製造において、バイアス電極上に結晶構造制御層を形成する際、アクティブマトリックス基板とは別の基板上にバイアス電極、結晶構造制御層、Ｘ線光導電膜を順次形成した後、この積層体のＸ線光導電膜をアクティブマトリックス基板の画素電極上に導電性接着剤層を介して接着する方法により製造される。

以上説明した第２実施形態によれば、ヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）からなるＸ線光導電膜１２とバイアス電極１４との間に結晶構造制御層１３を介在させることによって、バイアス電極１４との界面でのＸ線光導電膜１２の結晶性を改善できる。

すなわち、Ｘ線光導電膜となるヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）膜の結晶性を制御するにはその下地となるバイアス電極表面の状態を制御することが重要となる。このヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）膜の結晶性や配向を制御するには、成膜される下地との界面を安定させるとともに、所望の結晶構造が優先的に得られるような結晶構造を下地に与えることが有効である。

Ｘ線光導電膜にヨウ化鉛（ＰｂＩ₂）を用いたＸ線検出器では、その成膜初期において化学反応性の高いヨウ素により下地のバイアス電極表面が腐食される。このため、このバイアス電極上に形成されるヨウ化鉛の結晶構造は乱れる。

第２実施形態のようにアクティブマトリックス基板２１とは別の基板上にバイアス電極、Ｘ線光導電膜を順次形成する際、バイアス電極１４上に例えばＺｎＯ等からなるヨウ素に対して化学的に安定な結晶構造制御層１３を形成することによって、前記ヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）１２をバイアス電極１４との界面においてｃ軸配向性に優れた結晶状態で成膜できる、つまり結晶性を改善できる。その結果、Ｘ線光導電膜１２の暗電流特性およびＸ線光導電特性を向上できるため、高感度でかつ高解像度のＸ線検出器を提供することができる。

特に、結晶構造制御層１３をＺｎＯを用いて形成することによって、ヨウ化鉛膜（Ｘ線光導電膜）１２をバイアス電極１４界面においてより一層ｃ軸配向性に優れた結晶状態で成膜できる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１）
ガラス板上にＴＦＴおよび電荷蓄積用キャパシタを画素ピッチ１５０μｍ×１５０μｍ、画素サイズ１２０μｍ×１２０μｍで形成した後、アクリル系樹脂で平坦化樹脂層を形成し、画素毎にスルーホールを形成した。この平坦化樹脂層上にスパッタリング法でＩＴＯ膜を成膜し、フォトリソグラフィにより各画素に対応するように分離された画素電極を形成した。このように作製したアクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板の画素電極を含む平坦化樹脂層上にスパッタリング法によりＺｎＯからなる厚さ５ｎｍの結晶構造制御層を形成した。つづいて、真空蒸着によりＸ線光導電膜となる厚さ２００μｍのＰｂＩ₂膜を形成し後、真空蒸着によりバイアス電極となるＡｌ膜を形成することにより前述した図１に示す構造のＸ線検出器を製造した。

（比較例１）
実施例１と同様なアクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板の画素電極を含む平坦化樹脂層上に真空蒸着によりＸ線光導電膜となる厚さ２００μｍのＰｂＩ₂膜を形成し後、真空蒸着によりバイアス電極となるＡｌ膜を形成することにより前述した図６に示す構造のＸ線検出器を製造した。

実施例１および比較例１のＸ線検出器について、Ｘ線光導電膜であるＰｂＩ₂膜の結晶配向性をＸ線回折法（θ−２θ法）により測定した。実施例１の測定結果を図４、比較例１の測定結果を図５に示す。

図４、図５から明らかなようにＩＴＯ画素電極上にＺｎＯからなる結晶構造制御層を形成し、この上にＰｂＩ₂膜（Ｘ線光導電膜）を成膜した実施例１のＸ線検出器では、ＰｂＩ₂膜の（００３）面および（００４）面のような高次面のピーク強度が（００１）面より大きくなるのに対し、ＩＴＯ画素電極上にＰｂＩ₂膜（Ｘ線光導電膜）を直接成膜した比較例１のＸ線検出器ではＰｂＩ₂膜の（００１）面のピーク強度が（００３）面、（００４）面のような高次面より高くなることがわかる。したがって、ＰｂＩ₂膜の高次面ピークが高くなる実施例１では、比較例１に比べ＜００１＞配向、すなわちｃ軸配向性が強いことを示し、ＰｂＩ₂膜のＸ線光導電特性の向上が可能となる。

また、実施例１および比較例１のＸ線検出器について暗電流特性とＸ線感度特性を比較した結果を下記表１に示す。この特性評価において、バイアス印加電界を−０．６Ｖ／μｍ（画素電極側を接地）、照射Ｘ線量を２４３０ｎＣ／ｋｇの条件で行った。

前記表１から明らかなように実施例１のＸ線検出器は、比較例１のＸ線検出器に比べて低暗電流であり、かつ高いＸ線感度の特性を示すことがわかる。

本実施の形態では、Ｘ線型の検出器には、一例として平面型の検出器を用いて説明を行った。しかしながら、これに限らず、所謂ラインセンサー型の検出器を用い、本実施の形態において前述のように適用することも可能である。その場合において、Ｘ線光導電膜の結晶性を改善し、暗電流特性、Ｘ線光導電特性を向上させること等によって、高感度でかつ高解像度のＸ線検出器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るＸ線検出器の要部断面図。 第１実施形態に係るＸ線検出器の原理図。 本発明の第２実施形態に係るＸ線検出器の要部断面図。 実施例１のＸ線光導電膜の結晶配向性を示す図。 比較例１のＸ線光導電膜の結晶配向性を示す図。 従来のＸ線検出器の要部断面図。

符号の説明

１…ガラス板、９…平坦化樹脂層、１０…画素電極、１２…Ｘ線光導電膜、１３…結晶構造制御層、１４…バイアス電極、２１…アクティブマトリックスＴＦＴアレイ基板、Ｔｒ…薄膜トランジスタ、Ｃ…電荷蓄積用キャパシタ。

Claims (3)

1. 電荷蓄積容量とスイッチ素子と画素電極とを有する画素が複数配列されたアクティブマトリックス基板と、
   前記アクティブマトリックス基板上に形成されたヨウ化鉛からなるＸ線光導電膜と、
   前記Ｘ線光導電膜上に形成されたバイアス電極とを具備し、
   結晶構造制御層は、前記Ｘ線光導電膜と前記画素電極との間、または前記Ｘ線光導電膜と前記バイアス電極との間に形成されていることを特徴とするＸ線検出器。
2. 前記結晶構造制御層は、酸化物、窒化物もしくは炭化物またはこれらの混合物から作られることを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
3. 前記結晶構造制御層は、厚さが２〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。

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