JP2008053672A - Radiation solid sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、X線などの放射線撮像装置に適用して好適な放射線固体センサーおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a radiation solid state sensor suitable for application to a radiation imaging apparatus such as an X-ray and a method for manufacturing the same.
従来より、医療用X線撮影において、被験者の受ける被曝線量の減少、診断性能の向上等のために、X線に感応する光導電層を感光体として用い、この光導電層にX線により形成された静電潜像を、光或いは多数の電極で読み取って記録するX線撮像パネル(放射線固体センサー)が知られている。これらは、周知の撮影法であるTV撮像管による間接撮影法と比較して高解像度である点で優れている。 Conventionally, in medical X-ray imaging, a photoconductive layer that is sensitive to X-rays is used as a photoconductor to reduce the exposure dose received by a subject and improve diagnostic performance. An X-ray imaging panel (a radiation solid state sensor) that reads and records a recorded electrostatic latent image with light or a large number of electrodes is known. These are superior in that the resolution is higher than the indirect photographing method using a TV image pickup tube which is a well-known photographing method.
上述したX線撮像パネルは、この撮像パネル内に設けられた電荷生成層にX線を照射することによって、X線エネルギーに相当する電荷を生成し、生成した電荷を電気信号として読み出すようにしたものであって、上記光導電層は電荷生成層として機能する。従来より、この光導電層としてはアモルファスセレン(a−Se)、PbO、PbI2、HgI2、BiI3、Cd(Zn)Teなどの材料が使用されている。 The X-ray imaging panel described above generates charges corresponding to X-ray energy by irradiating the charge generation layer provided in the imaging panel with X-rays, and reads the generated charges as an electrical signal. The photoconductive layer functions as a charge generation layer. Conventionally, materials such as amorphous selenium (a-Se), PbO, PbI 2 , HgI 2 , BiI 3 , and Cd (Zn) Te are used for the photoconductive layer.
上記アモルファスセレンは、真空蒸着法等の薄膜形成技術を利用して容易に大面積化に対応が可能であるが、アモルファスゆえの構造欠陥を多く含む傾向があるため、感度が劣化しやすい。そこで、性能を改善するために、適量の不純物を添加(ドーピング)することが一般的に行われており、例えば、特許文献1にはアルカリ金属を0.01〜10ppmドーピングしたアモルファスセレンを利用した記録用光導電層が、特許文献2には、アルカリ金属としてNaを70ppmドーピングしたアモルファスセレンを利用した記録用光導電層が、特許文献3にはNaを100ppmドーピングしたアモルファスセレンを利用した記録用光導電層がそれぞれ記載されている。
The amorphous selenium can easily cope with an increase in area by using a thin film forming technique such as a vacuum vapor deposition method, but sensitivity tends to deteriorate because it tends to include many structural defects due to amorphous. Therefore, in order to improve performance, it is generally performed to add (doping) an appropriate amount of impurities. For example,
また、特許文献4には、正孔を伝導せずに電子を伝導する、20ないし200ppmのアルカリ金属を添加したセレンからなる、0.5ないし2μmの厚さを有する半導体層を含むX線画像検出器が記載されている。さらに、特許文献5には、0.5と10μmの厚みを有する、アルカリ金属でドープされた、セレンの単極バッファー層を有する半導体層を有するX線映像用多層版が記載されている。
本発明者が鋭意検討を行ったところ、放射線固体センサーの電極間の所定領域をアルカリ金属濃度が高い領域とし、この所定領域以外の部分を、所定領域よりもアルカリ金属濃度が少ない領域とすれば、記録用光導電層の電子走行性が改良できることがわかった。 As a result of intensive studies by the inventor, if a predetermined region between the electrodes of the radiation solid sensor is a region having a high alkali metal concentration, and a portion other than the predetermined region is a region having a lower alkali metal concentration than the predetermined region. It was found that the electron running property of the recording photoconductive layer can be improved.
また、上記特許文献1に記載されているようなアルカリ金属がドーピングされたアモルファスセレンは局所的な結晶化が起こる場合がある。これを光導電層に使用すると経時による画像欠陥が起こる可能性がある。
Moreover, local crystallization may occur in amorphous selenium doped with an alkali metal as described in
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、ドーピングされたアルカリ金属が特定の濃度分布を有するとともに、欠陥が少なく、電子走行性特性に優れた記録用光導電層を備えた放射線固体センサーおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a radiation solid-state sensor provided with a recording photoconductive layer having a specific concentration distribution of doped alkali metal, few defects, and excellent electron transit characteristics, and The object is to provide a manufacturing method thereof.
本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、該電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって前記記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、前記電極間に所定領域が設けられ、該領域のアルカリ金属平均濃度が、前記電極間の前記領域以外の部分の10倍以上であることを特徴とするものである。 The solid state radiation sensor of the present invention is provided with electrodes on both sides of the recording photoconductive layer, and a predetermined bias voltage is applied between the electrodes to electrically generate charges generated inside the recording photoconductive layer by incidence of radiation. In the radiation solid state sensor to detect as a signal, a predetermined region is provided between the electrodes, and an alkali metal average concentration in the region is 10 times or more of a portion other than the region between the electrodes. is there.
前記濃度は100倍以上であることがより望ましい。前記領域は、前記記録用光導電層の一方の界面からの厚さ方向1000μm以内のいずれかの領域に設けられていることが好ましい。より好ましくは、前記記録用光導電層は、該記録用光導電層の一方の界面から厚さ方向20nmまでに設けられていることが好ましい。 The concentration is more preferably 100 times or more. The region is preferably provided in any region within 1000 μm in the thickness direction from one interface of the recording photoconductive layer. More preferably, the recording photoconductive layer is provided from one interface of the recording photoconductive layer to a thickness direction of 20 nm.
前記領域の厚みは、5nm〜100nmであることが好ましい。また、前記領域のアルカリ金属平均濃度0.2〜10ppmであることがより好ましい。
前記記録用光導電層はアモルファスセレンからなることが好ましい。
The thickness of the region is preferably 5 nm to 100 nm. Further, the alkali metal average concentration in the region is more preferably 0.2 to 10 ppm.
The recording photoconductive layer is preferably made of amorphous selenium.
また、本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、該電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって前記記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、前記記録用光導電層は、アルカリ金属が所定量ドーピングされたアモルファスセレンであって、前記記録用光導電層中のアルカリ金属の平均濃度が10ppm以下であり、かつ前記記録用光導電層の電子寿命が500マイクロ秒以上であることを特徴とするものである。 The radiation solid-state sensor of the present invention has electrodes provided on both sides of the recording photoconductive layer, and a charge generated in the recording photoconductive layer by radiation incident by applying a predetermined bias voltage between the electrodes. The recording photoconductive layer is amorphous selenium doped with a predetermined amount of alkali metal, and the average concentration of alkali metal in the recording photoconductive layer is 10 ppm or less. And the electronic life of the recording photoconductive layer is 500 microseconds or more.
さらに、本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、該電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって前記記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、前記記録用光導電層は、アルカリ金属が所定量ドーピングされたアモルファスセレンであって、前記記録用光導電層のアルカリ金属の平均濃度が該記録用光導電層の原料中のアルカリ金属濃度の1/100以下であることを特徴とするものである。 Further, the radiation solid-state sensor of the present invention is provided with electrodes on both sides of the recording photoconductive layer, and a predetermined bias voltage is applied between the electrodes to generate charges generated in the recording photoconductive layer by radiation incidence. The recording photoconductive layer is amorphous selenium doped with a predetermined amount of alkali metal, and the average concentration of alkali metal in the recording photoconductive layer is the recording light. It is characterized by being 1/100 or less of the alkali metal concentration in the raw material of the conductive layer.
本発明の放射線固体センサーの記録用光導電層は、前記アルカリ金属がNaであることが好ましい。 In the recording photoconductive layer of the radiation solid sensor of the present invention, the alkali metal is preferably Na.
本発明の放射線固体センサーは、アルカリ金属を含有する化合物で改質された蒸着器内で、アルカリ金属を含有しないアモルファスセレンを蒸着して前記記録用光導電層を得ることによって製造することができる。 The radiation solid sensor of the present invention can be manufactured by vapor-depositing amorphous selenium not containing an alkali metal to obtain the recording photoconductive layer in a vapor deposition device modified with a compound containing an alkali metal. .
本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、この電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、電極間に所定領域が設けられ、この領域のアルカリ金属平均濃度が、電極間の所定領域以外の部分の10倍以上としたので、感度劣化が少なく、電子寿命の長い、電子走行性特性に優れた記録用光導電層を備えた放射線固体センサーとすることができる。また、本発明の放射線固体センサーは、正孔走行特性を損なうことがない。 The radiation solid state sensor of the present invention is provided with electrodes on both sides of the recording photoconductive layer, and a predetermined bias voltage is applied between the electrodes to generate electric signals generated in the recording photoconductive layer by radiation incidence. In the radiation solid-state sensor to detect as described above, a predetermined region is provided between the electrodes, and the alkali metal average concentration in this region is 10 times or more that of the part other than the predetermined region between the electrodes. A solid radiation sensor having a long recording photoconductive layer with excellent electron transit characteristics can be obtained. Further, the radiation solid sensor of the present invention does not impair the hole travel characteristics.
特に、前記領域の厚みが5nm〜100nmであって、アルカリ金属平均濃度が0.2〜10ppmである領域を備えた本発明の放射線固体センサーは、電子走行性の改良と、アルカリ金属がドーピングされることによる結晶化のおそれの最小化が両立されるためより好ましい。 In particular, the radiation solid sensor of the present invention having a region having a thickness of 5 nm to 100 nm and an average alkali metal concentration of 0.2 to 10 ppm is improved in electron mobility and doped with an alkali metal. This is more preferable because minimization of the risk of crystallization due to this is compatible.
また、本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層を、アルカリ金属が所定量ドーピングされたアモルファスセレンであって、記録用光導電層中のアルカリ金属の平均濃度が10ppm以下であり、かつ記録用光導電層の電子寿命が500マイクロ秒以上であるものとしたので、電子走行性特性に優れ、電荷収集量の大きい高感度のものとすることができる。 In the solid state radiation sensor of the present invention, the recording photoconductive layer is amorphous selenium doped with a predetermined amount of alkali metal, and the average concentration of alkali metal in the recording photoconductive layer is 10 ppm or less, and Since the recording photoconductive layer has an electron lifetime of 500 microseconds or more, the recording photoconductive layer can have high electron sensitivity and a high sensitivity with a large charge collection amount.
さらに、本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層を、アルカリ金属が所定量ドーピングされたアモルファスセレンであって、記録用光導電層のアルカリ金属の平均濃度がこの記録用光導電層の原料中のアルカリ金属濃度の1/100以下としたので、アルカリ金属由来のキャリアトラップが少なく、欠陥が少なくなるので、優れた電子走行性を得ることができる。 Furthermore, the solid state radiation sensor of the present invention comprises a recording photoconductive layer comprising amorphous selenium doped with a predetermined amount of alkali metal, wherein the average concentration of alkali metal in the recording photoconductive layer is that of the recording photoconductive layer. Since the alkali metal concentration in the raw material is 1/100 or less, carrier traps derived from the alkali metal are few and defects are reduced, so that excellent electron mobility can be obtained.
本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、この電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、電極間に所定領域が設けられ、この所定領域のアルカリ金属平均濃度が、電極間の所定領域以外の部分の10倍以上であることを特徴とする。 The radiation solid state sensor of the present invention is provided with electrodes on both sides of the recording photoconductive layer, and a predetermined bias voltage is applied between the electrodes to generate electric signals generated in the recording photoconductive layer by radiation incidence. In the radiation solid state sensor to detect as described above, a predetermined region is provided between the electrodes, and the average alkali metal concentration of the predetermined region is 10 times or more that of the portion other than the predetermined region between the electrodes.
放射線固体センサーには、放射線を直接電荷に変換し電荷を蓄積する直接変換方式と、放射線を一度CsI:Tl、GOS(Gd2O2S:Tb)などのシンチレータで光に変換し、その光を光導電層で電荷に変換し蓄積する間接変換方式があるが、本発明の放射線固体センサーは、光導電層にアモルファスセレンを用いたものであれば、前者の直接変換方式であっても、間接変換型の光-電子変換層であってもよい。なお、放射線としてはX線の他、γ線、α線などについて使用することが可能である。 In the solid state radiation sensor, a direct conversion system that directly converts radiation into electric charge and accumulates the charge, and the radiation is once converted into light by a scintillator such as CsI: Tl, GOS (Gd 2 O 2 S: Tb), and the light. Although there is an indirect conversion system that converts and accumulates charges in the photoconductive layer, the radiation solid sensor of the present invention uses amorphous selenium in the photoconductive layer, even if the former direct conversion system, An indirect conversion type photoelectric conversion layer may be used. In addition to X-rays, γ rays, α rays, etc. can be used as radiation.
また、本発明の放射線固体センサーは、光の照射により電荷を発生する半導体材料を利用した放射線画像検出器により読み取る、いわゆる光読取方式にも、また、放射線の照射により発生した電荷を蓄積し、その蓄積した電荷を薄膜トランジスタ(thin film transistor:TFT)などの電気的スイッチを1画素ずつON・OFFすることにより読み取る方式(以下、TFT方式という)であってもよい。 In addition, the solid state radiation sensor of the present invention reads a radiation image detector using a semiconductor material that generates a charge by irradiation of light, so-called optical reading method, and also accumulates the charge generated by irradiation of radiation, A method of reading the accumulated charges by turning on and off an electrical switch such as a thin film transistor (TFT) one pixel at a time (hereinafter referred to as a TFT method) may be used.
まず、前者の光読取方式に用いられる放射線固体センサーを例にとって説明する。図1は本発明の放射線固体センサーの一実施の形態を示す断面図を示すものである。 First, a radiation solid state sensor used for the former optical reading method will be described as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solid state radiation sensor of the present invention.
この放射線固体センサー10は、後述する記録用の放射線L1に対して透過性を有する第1の導電層1、この導電層1を透過した放射線L1の照射を受けることにより導電性を呈する記録用放射線導電層2、導電層1に帯電される電荷(潜像極性電荷;例えば負電荷)に対しては略絶縁体として作用し、かつ、電荷と逆極性の電荷(輸送極性電荷;上述の例においては正電荷)に対しては略導電体として作用する電荷輸送層3、後述する読取用の読取光L2の照射を受けることにより導電性を呈する読取用光導電層4、電磁波L2に対して透過性を有する第2の導電層5を、この順に積層してなるものである。なお、図1では電荷輸送層が記録用放射線導電層2と読取用光導電層4との間に設けられている態様を示しているが、これに代えて電荷輸送層は導電層1と記録用放射線導電層2との間に設けられていてもよく、あるいは双方の位置、すなわち2層設けられていてもよい。
The radiation
図1に示す放射線固体センサーにおける所定領域は、導電層1と導電層5との間に設けられ、好ましくは、記録用光導電層2と導電層1との界面から記録用光導電層2側の厚さ方向1000μm以内に設けられるか、または記録用光導電層2と電荷輸送層3との界面から記録用光導電層2側の厚さ方向1000μm以内に設けられるか、さらには電荷輸送層3と記録用光導電層2の界面から電荷輸送層3側に設けられることが望ましい。なお、電荷輸送層3が導電層1と記録用放射線導電層2との間に設けられている場合も同様である。
The predetermined region in the radiation solid sensor shown in FIG. 1 is provided between the
所定領域を記録用光導電層に設ける場合は、平均濃度が所定量のアルカリ金属がドーピングされたアモルファスセレンからなる記録用光導電層を製造しようとする場合に、光導電層の原料中のアルカリ金属濃度を所望とする平均濃度の10倍以上とし、アルカリ金属とアモルファスセレンをあらかじめ反応させてセレン合金とし、これを坩堝につめて蒸着することにより製造することができる。 In the case where the predetermined region is provided in the recording photoconductive layer, the alkali in the raw material of the photoconductive layer is produced when it is intended to produce a recording photoconductive layer made of amorphous selenium doped with an alkali metal having an average concentration of a predetermined amount. It can be manufactured by setting the metal concentration to 10 times or more of the desired average concentration, reacting alkali metal and amorphous selenium in advance to obtain a selenium alloy, and depositing this in a crucible for vapor deposition.
また、記録用光導電層に設けられる所定領域は、アルカリ金属を含有する化合物で改質された蒸着器内(坩堝を含む)で、アルカリ金属を含有しないa−Seを蒸着することによっても製造することができる。ここで、アルカリ金属を含有する化合物で改質されたとは、アルカリ金属を含有する化合物で蒸着などを行って蒸着器内(坩堝も含む)にアルカリ金属が残留していることを意味する。 The predetermined region provided in the recording photoconductive layer is also produced by vapor-depositing a-Se not containing alkali metal in a vapor deposition device (including a crucible) modified with a compound containing alkali metal. can do. Here, being modified with a compound containing an alkali metal means that the alkali metal remains in the vapor deposition device (including the crucible) by performing vapor deposition with the compound containing the alkali metal.
アルカリ金属を含有する化合物は、アルカリ金属がドープされたセレン、NaCl,LiF,RbBr,NaFのようなアルカリハライドや、Na2S,Na2SeあるいはNa2Teのようなアルカリ金属のカルコゲナイドを用いることができる。また、NaOHやLiOHのような水酸化アルカリに坩堝を浸漬させてもよい。 As the compound containing an alkali metal, alkali metal-doped selenium, alkali halide such as NaCl, LiF, RbBr, or NaF, or alkali metal chalcogenide such as Na 2 S, Na 2 Se, or Na 2 Te is used. be able to. Further, the crucible may be immersed in an alkali hydroxide such as NaOH or LiOH.
このように製造される領域を有する放射線固体センサーは、領域のアルカリ金属平均濃度が、電極間の所定領域以外の部分の10倍以上となり、電子寿命の長い放射線固体センサーとすることができる。 A radiation solid sensor having a region manufactured in this way has an alkali metal average concentration in the region that is 10 times or more that of a portion other than the predetermined region between the electrodes, and can be a radiation solid sensor having a long electron lifetime.
導電層1および5としては、例えば、透明ガラス板上に導電性物質を一様に塗布したもの(ネサ皮膜等)、より具体的には、多結晶ITO(In2O3:Sn)、アモルファスITO(In2O3:Sn)、アモルファスIZO(In2O3:Zn)、ATO(SnO2:Sb)、FTO(SnO2:F)、AZO(ZnO:Al)、GZO(ZnO:Ga)、金、銀、白金、アルミニウム、インジウム等の薄膜、10〜1000nm程度のサイズからなる貴金属(白金、金、銀)の分散物の塗布膜等が好ましい。
As the
電荷輸送層3としては、導電層1に帯電される負電荷の移動度と、その逆極性となる正電荷の移動度の差が大きい程良く、ポリN−ビニルカルバゾール(PVK)、N,N'−ジフェニル−N,N'−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1'−ビフェニル〕−4,4'−ジアミン(TPD)やディスコティック液晶等の有機系化合物、或いはTPDのポリマー(ポリカーボネート、ポリスチレン、PVK、ポリビニルアルコール)分散物,As2Se3、Sb2S3、シリコンオイル、Clを10〜200ppmドープしたa−Se等の半導体物質、ポリカーボネートが適当である。特に、有機系化合物(PVK,TPD、ディスコティック液晶等)は光不感性を有するため好ましく、また、誘電率が一般に小さいため電荷輸送層3と読取用光導電層4の容量が小さくなり読み取り時の信号取り出し効率を大きくすることができる。
As the
読取用光導電層4には、a−Se,Clを10〜200ppmドープしたa−Se、AsのようなV族元素を5〜200ppmドープしたセレン、Se−Te,Se−As−Te,As2Se3、無金属フタロシアニン,金属フタロシアニン,MgPc( Magnesium phtalocyanine),VoPc(phaseII of Vanadyl phthalocyanine),CuPc(Cupper phtalocyanine)、Bi12MO20 (M:Ti、Si、Ge)、Bi4M3O12 (M:Ti、Si、Ge)、Bi2O3、BiMO4(M:Nb、Ta、V)、Bi2WO6、Bi24B2O39、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe,MNbO3(M:Li、Na、K)、PbO,HgI2、PbI2 ,CdS、CdSe、CdTe、BiI3等のうち少なくとも1つを主成分とする光導電性物質が好適である。また、一価金属を0.3〜100ppmおよびV族元素を0.1〜4000ppm含有するセレン合金も好ましく用いることもできる。
The
なお、第一の導電層と記録用光導電層2の間に、電子注入阻止層があってもよい。電子注入阻止層としては、硫化アンチモン、N,N'−ジフェニル−N,N'−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1'−ビフェニル〕−4,4'−ジアミン(TPD)が用いられる。読取用光導電層4と第2の導電層5の間に、正孔注入阻止層があってもよい。正孔注入阻止層としては、酸化セリウム、硫化アンチモン、硫化亜鉛が用いられる。
An electron injection blocking layer may be provided between the first conductive layer and the
続いて、静電潜像を読み取るために光を用いる方式について簡単に説明する。図2は放射線固体センサー10を用いた記録読取システム(静電潜像記録装置と静電潜像読取装置を一体にしたもの)の概略構成図を示すものである。この記録読取システムは、放射線固体センサー10、記録用照射手段90、電源50、電流検出手段70、読取用露光手段92並びに接続手段S1、S2とからなり、静電潜像記録装置部分は放射線固体センサー10、電源50、記録用照射手段90、接続手段S1とからなり、静電潜像読取装置部分は放射線固体センサー10、電流検出手段70、接続手段S2とからなる。
Next, a system that uses light to read an electrostatic latent image will be briefly described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a recording / reading system (integrating an electrostatic latent image recording device and an electrostatic latent image reading device) using the radiation
放射線固体センサー10の導電層1は接続手段S1を介して電源50の負極に接続されるとともに、接続手段S2の一端にも接続されている。接続手段S2の他端の一方は電流検出手段70に接続され、放射線固体センサー10の導電層5、電源50の正極並びに接続手段S2の他端の他方は接地されている。電流検出手段70はオペアンプからなる検出アンプ70aと帰還抵抗70b とからなり、いわゆる電流電圧変換回路を構成している。
The
導電層5は、特開2001-337171号や特開2001−160922号記載の構造のものであってもよい。
The
導電層1の上面には被写体9が配設されており、被写体9は放射線L1に対して透過性を有する部分9aと透過性を有しない遮断部9bが存在する。記録用照射手段90は放射線L1を被写体9に一様に曝射するものであり、読取用露光手段92はレーザ光やLED、有機EL、無機EL等の読取光L2を図3中の矢印方向へ走査露光するものであり、読取光L2は直線状に収束された形状をしていることが望ましい。
A subject 9 is disposed on the upper surface of the
以下、上記構成の記録読取システムにおける静電潜像記録過程について電荷モデル(図3)を参照しながら説明する。図2において接続手段S2を開放状態(接地、電流検出手段70の何れにも接続させない)にして、接続手段S1をオンし導電層1と導電層5との間に電源50による直流電圧Edを印加し、電源50から負の電荷を導電層1に、正の電荷を導電層5に帯電させる(図3(A)参照)。これにより、放射線固体センサー10には導電層1と5との間に平行な電場が形成される。
The electrostatic latent image recording process in the recording / reading system configured as described above will be described below with reference to a charge model (FIG. 3). In FIG. 2, the connection means S2 is opened (not connected to either the ground or current detection means 70), the connection means S1 is turned on, and the DC voltage Ed from the
次に記録用照射手段90から放射線L1を被写体9に向けて一様に曝射する。放射線L1は被写体9の透過部9aを透過し、さらに導電層1をも透過する。放射線導電層2はこの透過した放射線L1を受け導電性を呈するようになる。これは放射線L1の線量に応じて可変の抵抗値を示す可変抵抗器として作用することで理解され、抵抗値は放射線L1によって電子(負電荷)とホール(正電荷)の電荷対が生じることに依存し、被写体9を透過した放射線L1の線量が少なければ大きな抵抗値を示すものである(図3(B)参照)。なお、放射線L1によって生成される負電荷(−)および正電荷(+)を、図面上では−または+を○で囲んで表している。
Next, the radiation L1 is uniformly irradiated toward the subject 9 from the recording irradiation means 90. The radiation L1 passes through the
記録用光導電層2中に生じた正電荷は放射線導電層2中を導電層1に向かって高速に移動し、導電層1と記録用光導電層2との界面で導電層1に帯電している負電荷と電荷再結合して消滅する(図3(C),(D)を参照)。一方、記録用光導電層2中に生じた負電荷は記録用光導電層2中を電荷輸送層3に向かって移動する。電荷輸送層3は導電層1に帯電した電荷と同じ極性の電荷(本例では負電荷)に対して絶縁体として作用するものであるから、記録用光導電層2中を移動してきた負電荷は記録用光導電層2と電荷輸送層3との界面で停止し、この界面に蓄積されることになる(図3(C),(D)を参照)。蓄積される電荷量は記録用光導電層2中に生じる負電荷の量、即ち、放射線L1の被写体9を透過した線量によって定まるものである。
The positive charge generated in the
一方、放射線L1は被写体9の遮断部9bを透過しないから、放射線固体センサー10の遮断部9bの下部にあたる部分は何ら変化を生じない( 図3(B)〜(D)を参照)。このようにして、被写体9に放射線L1を曝射することにより、被写体像に応じた電荷を記録用光導電層2と電荷輸送層3との界面に蓄積することができるようになる。なお、この蓄積せしめられた電荷による被写体像を静電潜像という。
On the other hand, since the radiation L1 does not pass through the blocking
次に静電潜像読取過程について電荷モデル(図4)を参照しつつ説明する。接続手段S1を開放し電源供給を停止すると共に、S2を一旦接地側に接続し、静電潜像が記録された放射線固体センサー10の導電層1および5を同電位に帯電させて電荷の再配列を行った後に(図4(A)参照)、接続手段S2を電流検出手段70側に接続する。
Next, an electrostatic latent image reading process will be described with reference to a charge model (FIG. 4). The connection means S1 is opened to stop the power supply, and S2 is temporarily connected to the ground side, and the
読取用露光手段92により読取光L2を放射線固体センサー10の導電層5側に走査露光すると、読取光L2は導電層5を透過し、この透過した読取光L2が照射された光導電層4は走査露光に応じて導電性を呈するようになる。これは上記記録用光導電層2が放射線L1の照射を受けて正負の電荷対が生じることにより導電性を呈するのと同様に、読取光L2の照射を受けて正負の電荷対が生じることに依存するものである(図4(B)参照)。なお、記録過程と同様に、読取光L2によって生成される負電荷(−)および正電荷(+)を、図面上では−または+を○で囲んで表している。
When the reading light L2 is scanned and exposed to the
電荷輸送層3は正電荷に対しては導電体として作用するものであるから、読み取り光導電層4に生じた正電荷は蓄積電荷に引きつけられるように電荷輸送層3の中を急速に移動し、記録用光導電層2と電荷輸送層3との界面で蓄積電荷と電荷再結合し消滅する(図4(C)参照)。一方、光導電層4に生じた負電荷は導電層5の正電荷と電荷再結合し消滅する(図4(C)参照)。光導電層4は読取光L2により十分な光量でもって走査露光されており、記録用光導電層2と電荷輸送層3との界面に蓄積されている蓄積電荷、即ち静電潜像が全て電荷再結合により消滅せしめられる。このように、放射線固体センサー10に蓄積されていた電荷が消滅するということは、放射線固体センサー10に電荷の移動による電流Iが流れたことを意味するものであり、この状態は放射線固体センサー10を電流量が蓄積電荷量に依存する電流源で表した図4(D)のような等価回路でもって示すことができる。
Since the
このように、読取光L2を走査露光しながら、放射線固体センサー10から流れ出す電流を検出することにより、走査露光された各部(画素に対応する)の蓄積電荷量を順次読み取ることができ、これにより静電潜像を読み取ることができる。なお、本放射線検出部動作については特開2000-105297号等に記載されている。
Thus, by detecting the current flowing out of the radiation
次に、後者のTFT方式の放射線固体センサーについて説明する。この放射線固体センサーは、図5に示すように放射線検出部100とアクティブマトリックスアレイ基板(以下AMA基板)200が接合された構造となっている。図6に示すように放射線検出部100は大きく分けて放射線入射側から順に、バイアス電圧印加用の共通電極103と、検出対象の放射線に感応して電子−正孔対であるキャリアを生成する記録用光導電層104と、キャリア収集用の検出電極107とが積層形成された構成となっている。共通電極の上層には放射線検出部支持体を有していてもよい。
Next, the latter TFT type radiation solid sensor will be described. As shown in FIG. 5, the radiation solid sensor has a structure in which a
図6に示す放射線固体センサーにおける所定領域は、バイアス電圧印加用の共通電極103とキャリア収集用の検出電極107との間に設けられ、好ましくは、記録用光導電層104とバイアス電圧印加用の共通電極103との界面から記録用光導電層104側の厚さ方向1000μm以内に設けられる。
The predetermined region in the radiation solid-state sensor shown in FIG. 6 is provided between the
共通電極103や検出電極107は、例えばITO(インジウム錫酸化物)や、AuあるいはPtなどの導電材料からなる。バイアス電圧の極性に応じて、正孔注入阻止層、電子注入阻止層が共通電極103や検出電極107に付設されていてもよい。正孔注入阻止層としては、酸化セリウム、硫化アンチモン、硫化亜鉛が用いられ、そして、電子注入阻止層としては、硫化アンチモン、N,N'−ジフェニル−N,N'−ビス(3−メチルフェニル)−〔1,1'−ビフェニル〕−4,4'−ジアミン(TPD)が用いられる。
The
AMA基板200の各部の構成について簡単に説明する。AMA基板200は図7に示すように、画素相当分の放射線検出部105の各々に対して電荷蓄積容量であるコンデンサ210とスイッチング素子としてTFT220とが各1個ずつ設けられている。支持体102においては、必要画素に応じて縦1000〜3000×横1000〜3000程度のマトリックス構成で画素相当分の放射線検出部105が2次元配列されており、また、AMA基板200においても、画素数と同じ数のコンデンサ210およびTFT220が、同様のマトリックス構成で2次元配列されている。記録用光導電層で発生した電荷はコンデンサ210に蓄積され、光読取方式に対応して静電潜像となる。TFT方式においては、放射線で発生した静電潜像は電荷蓄積容量に保持される。
The configuration of each part of the
AMA基板200におけるコンデンサ210およびTFT220の具体的構成は、図6に示す通りである。すなわち、AMA基板支持体230は絶縁体であり、その表面に形成されたコンデンサ210の接地側電極210aとTFT220のゲート電極220aの上に絶縁膜240を介してコンデンサ210の接続側電極210bとTFT220のソース電極220bおよびドレイン電極220cが積層形成されているのに加え、最表面側が保護用の絶縁膜250で覆われた状態となっている。また接続側電極210bとソース電極220bはひとつに繋がっており同時形成されている。コンデンサ210の容量絶縁膜およびTFT220のゲート絶縁膜の両方を構成している絶縁膜240としては、例えば、プラズマSiN膜が用いられる。このAMA基板200は、液晶表示用基板の作製に用いられるような薄膜形成技術や微細加工技術を用いて製造される。
Specific configurations of the
続いて放射線検出部100とAMA基板200の接合について説明する。検出電極107とコンデンサ210の接続側電極210bを位置合わせした状態で、両基板100、200を銀粒子などの導電性粒子を含み厚み方向のみに導電性を有する異方導電性フィルム(ACF)を間にして加熱・加圧接着して貼り合わせることで、両基板100、200が機械的に合体されると同時に、検出電極107と接続側電極210bが介在導体部140によって電気的に接続される。
Subsequently, the joining of the
さらに、AMA基板200には、読み出し駆動回路260とゲート駆動回路270とが設けられている。読み出し駆動回路260は、図7に示すように、列が同一のTFT220のドレイン電極を結ぶ縦(Y)方向の読み出し配線(読み出しアドレス線)280に接続されており、ゲート駆動回路270は行が同一のTFT220のゲート電極を結ぶ横(X)方向の読み出し線(ゲートアドレス線)290に接続されている。なお、図示しないが、読み出し駆動回路260内では、1本の読み出し配線280に対してプリアンプ(電荷−電圧変換器)が1個それぞれ接続されている。このように、AMA基板200には、読み出し駆動回路260とゲート駆動回路270とが接続されている。ただし、AMA基板200内に読み出し駆動回路260とゲート駆動回路270とを一体成型し、集積化を図ったものも用いられる。
Further, the
なお、上述の放射線検出器100とAMA基板200とを接合合体させた放射線撮像装置による放射線検出動作については、例えば特開平11−287862号などに記載されている。
以下に本発明の放射線固体センサーを構成する記録用光導電層の実施例を示す。
The radiation detection operation by the radiation imaging apparatus in which the
Examples of the recording photoconductive layer constituting the radiation solid-state sensor of the present invention are shown below.
(実施例1〜6、比較例2)
高純度5Nセレン、NaドープのためのNa2Seを添加してパイレックス(登録商標)ガラス管中に充填し、0.1Pa以下で真空封入し、550℃で反応させて、表1に示すセレン合金を作製した。このセレン合金及び高純度5Nセレンを、それぞれ別のステンレスルツボにつめて、ルツボ温度280℃、真空度0.0001Paの条件で、アモルファスIZOガラス基板に、基板温度65度、蒸着速度1μm/minの条件で、1000μm膜厚のNaを含有したSe蒸着膜を作製した。セレン合金と高純度5Nセレンのそれぞれの蒸着時の蒸着時間を調整することによって、表1に示すそれぞれの位置及び厚みを有するNa局在領域を作製した。最後に金を上部電極として100nmの厚みになるように蒸着し、実施例1〜6、比較例2のデバイスを作製した。
(Examples 1-6, Comparative Example 2)
High purity 5N selenium, Na 2 Se for Na doping was added, filled into a Pyrex (registered trademark) glass tube, vacuum sealed at 0.1 Pa or less, reacted at 550 ° C., and selenium shown in Table 1 An alloy was made. The selenium alloy and high-purity 5N selenium are packed in different stainless steel crucibles, and the amorphous IZO glass substrate is heated to a temperature of 280 ° C. and a vacuum degree of 0.0001 Pa. The substrate temperature is 65 ° C. and the deposition rate is 1 μm / min. Under the conditions, a Se vapor deposition film containing Na having a thickness of 1000 μm was prepared. By adjusting the deposition time during the deposition of the selenium alloy and the high purity 5N selenium, Na localized regions having the respective positions and thicknesses shown in Table 1 were prepared. Finally, gold was deposited as an upper electrode to a thickness of 100 nm, and devices of Examples 1 to 6 and Comparative Example 2 were produced.
(実施例7〜10、比較例1)
高純度5Nセレン、NaドープのためのNa2Seを添加してパイレックス(登録商標)ガラス管中に充填し、0.1Pa以下で真空封入し、550℃で反応させ、表1に示すセレン合金を作製した。このセレン合金を、ステンレスルツボにつめて、ルツボ温度280℃、真空度0.0001Paの条件で、アモルファスIZOガラス基板に、基板温度65度、蒸着速度1μm/minの条件で、250μm膜厚のNaを含有したSe蒸着膜を作製した。セレン合金と高純度5Nセレンのそれぞれの蒸着時の蒸着時間を調整することによって、表1に示すそれぞれの位置及び厚みを有するNa局在領域を作製した。金を上部電極として、100nmの厚みになるように、蒸着法で実施例7〜10、比較例1のデバイスを作製した。
(Examples 7 to 10, Comparative Example 1)
High purity 5N selenium, Na 2 Se for Na doping is added, filled into a Pyrex (registered trademark) glass tube, vacuum sealed at 0.1 Pa or less, reacted at 550 ° C., and selenium alloys shown in Table 1 Was made. This selenium alloy is packed in a stainless steel crucible and applied to an amorphous IZO glass substrate under conditions of a crucible temperature of 280 ° C. and a degree of vacuum of 0.0001 Pa, a substrate temperature of 65 ° C., and a deposition rate of 1 μm / min. An Se vapor-deposited film containing was produced. By adjusting the deposition time during the deposition of the selenium alloy and the high purity 5N selenium, Na localized regions having the respective positions and thicknesses shown in Table 1 were prepared. Devices of Examples 7 to 10 and Comparative Example 1 were fabricated by vapor deposition using gold as an upper electrode so as to have a thickness of 100 nm.
(実施例11)
実施例8の蒸着の後に、蒸着ルツボに残った2ppmNaドープのセレン合金を380℃30分の条件で除去した後に、同じルツボに、5Nセレンを充填し、同様に蒸着して、デバイスを作製した。
(Example 11)
After the vapor deposition of Example 8, the 2 ppm Na-doped selenium alloy remaining in the vapor deposition crucible was removed under the condition of 380 ° C. for 30 minutes, and then the same crucible was filled with 5N selenium and vapor deposition was performed in the same manner to produce a device. .
(電子寿命の測定)
S.O.Kasap,J.A.Rowlands著、Journal of Matericals Science:Materials in Electronics,11,179(2000)の記述に基づき、タイムオブフライト(TOF)法で電子寿命を測定した。正孔寿命は、バイアス電圧を逆にして測定した。
(Measurement of electronic lifetime)
S. O. Kasap, J .; A. Based on the description of Rowlands, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 11, 179 (2000), the electronic lifetime was measured by the time-of-flight (TOF) method. The hole lifetime was measured with the bias voltage reversed.
(電荷収集量の測定)
Mo管球で電圧30kVの条件で10mRのX線を0.2秒間、実施例1〜10、比較例1および2で得られた記録用光導電層であるSe蒸着膜に照射し、電圧を印加した条件で生じたパルス状の光電流を電流増幅器で電圧に変換し、デジタルオシロスコープで測定した。印加電圧は電場10V/μmに相当するように印加し、電流を時間積分することで電荷収集量を測定した。
(Measurement of charge collection amount)
An X-ray of 10 mR was irradiated to the Se vapor-deposited film obtained in Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 and 2 for 0.2 seconds under the condition of a voltage of 30 kV with a Mo tube, and the voltage was applied. The pulsed photocurrent generated under the applied conditions was converted to a voltage with a current amplifier and measured with a digital oscilloscope. The applied voltage was applied so as to correspond to an electric field of 10 V / μm, and the charge collection amount was measured by integrating the current over time.
(デバイスに用いた原材料の分析)
原材料のNaの分析は、原子吸光法で行った。セレン中の元素濃度は、セレンに対する重量分率をppmで表した。なお、比較例1の5Nセレンは、測定限界以下で、Na濃度0.01ppm未満であった。
(Analysis of raw materials used in devices)
The raw material Na was analyzed by the atomic absorption method. The element concentration in selenium was expressed in ppm by weight with respect to selenium. In addition, 5N selenium of Comparative Example 1 was below the measurement limit and had a Na concentration of less than 0.01 ppm.
(デバイス蒸着膜の分析)
比較例1および2のデバイスと実施例1〜10のデバイスにおける蒸着膜中のNa濃度を測定するために、アモルファスIZO層と櫛型電極が設けられた5cm角ガラス基板とともにシリコンウェファーを用意して同時に蒸着を行った。シリコン基板上のセレン合金膜の全量を硝酸で溶解し、その溶液のセレン量はICP発光で定量し、Na量は黒鉛型の原子吸収分光法で定量し、膜中のセレンに対するNaの平均濃度を求めた。
(Analysis of device deposition film)
In order to measure the Na concentration in the deposited film in the devices of Comparative Examples 1 and 2 and the devices of Examples 1 to 10, a silicon wafer was prepared together with a 5 cm square glass substrate provided with an amorphous IZO layer and a comb electrode. At the same time, vapor deposition was performed. The total amount of the selenium alloy film on the silicon substrate is dissolved with nitric acid, the amount of selenium in the solution is determined by ICP emission, the amount of Na is determined by graphite-type atomic absorption spectroscopy, and the average concentration of Na with respect to selenium in the film Asked.
また、界面から20nm、1μm、100μm、1000μmの膜厚のNa濃度は、Se蒸着膜を濃硝酸溶液で種々の時間で溶解させ、溶解液中のセレン量と、膜面積とセレンの比重より膜厚を計算することで、エッチング膜厚との関係を求め、この検量線より20nm、1μm、100μm、1000μmエッチングできる時間を決め、界面20nm、1μm、100μm、1000μmにおけるNa濃度を求めた。この際、表層のNaの汚染の影響を取り除くために、水洗を二回行い、セレン層に組み込まれていないNa,Kを除去し、さらに、ICP分析では殆どセレンが検出できない程度の0.1nm以下のエッチングを二回行った。 Also, the Na concentration of 20 nm, 1 μm, 100 μm, and 1000 μm from the interface is obtained by dissolving the Se vapor-deposited film with concentrated nitric acid solution for various times. By calculating the thickness, the relationship with the etching film thickness was obtained, the time during which etching was possible at 20 nm, 1 μm, 100 μm, and 1000 μm was determined from this calibration curve, and the Na concentration at the interface 20 nm, 1 μm, 100 μm, and 1000 μm was obtained. At this time, in order to remove the influence of the contamination of Na on the surface layer, washing with water was performed twice to remove Na and K which have not been incorporated into the selenium layer. The following etching was performed twice.
なお、セレン層の上に、セレン以外の無機層や有機層が付設されている場合には、セレン層が結晶化した後の体積変化する場合の歪み応力による剥離、あるいは冷却することでの膨脹率差による剥離により、基板に付着しているセレン層もしくは、セレン層単独のNa濃度を得ることができる。
結果を表1に示す。
The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、実施例1〜10のデバイスは、アルカリ金属をドープしていない比較例1に比べて電子寿命が5〜十数倍高く、また、アルカリ金属平均濃度に対する局在アルカリ金属濃度が10倍未満である比較例2に比べて1.25〜数倍高かった。また、表1には示していないが、測定した電荷収集量は比較例1に比べて1.2倍程度大きかった。 As is apparent from Table 1, the devices of Examples 1 to 10 have an electron lifetime that is 5 to 10 times higher than that of Comparative Example 1 that is not doped with an alkali metal, and the localized alkali relative to the average alkali metal concentration. The metal concentration was 1.25 to several times higher than Comparative Example 2 in which the metal concentration was less than 10 times. Although not shown in Table 1, the measured charge collection amount was about 1.2 times larger than that of Comparative Example 1.
なお、表1には示していないが、正孔寿命は実施例、比較例すべての試料で5〜10μsであった。すなわち、本発明のデバイスは、従来のものと比して正孔の走行性において悪影響を受けていないことが分かる。 In addition, although not shown in Table 1, the hole lifetime was 5 to 10 μs in all the examples and comparative examples. That is, it can be seen that the device of the present invention is not adversely affected in the hole mobility as compared with the conventional device.
実施例1〜10の経時によるアモルファスセレンの結晶化を見積もるために、アモルファスIZO層と櫛型電極が設けられた5cm角ガラス基板とともに透明ガラス基板を用意して同時に蒸着を行った。40℃相対湿度20%の条件で、300時間経時させて、表面を光学顕微鏡の反射モード100倍の拡大倍率で、局所的に結晶化した粒状の領域を観察し、単位面積あたりの個数をカウントした。実施例6のみ約470個/mm2の結晶化した部分を観察したが、実施例1〜5、7〜10は、全く結晶化した部分を観察できなかった。このように、本発明の放射線固体センサーの中でも、5nm〜100nmの厚みと0.2〜10ppmのアルカリ金属平均濃度を有する領域を備えたものは、電子走行性の改良と、アルカリ金属がドーピングされることによる結晶化の最小化が両立されるため、特に優れているものであることが分かる。 In order to estimate the crystallization of amorphous selenium over time in Examples 1 to 10, a transparent glass substrate was prepared together with a 5 cm square glass substrate provided with an amorphous IZO layer and a comb-shaped electrode, and vapor deposition was simultaneously performed. At 300 degrees Celsius and 20% relative humidity for 300 hours, the surface is observed at a magnification of 100 times the reflection mode of the optical microscope, and a locally crystallized granular region is observed, and the number per unit area is counted. did. Although only the crystallized part of about 470 / mm 2 was observed only in Example 6, Examples 1 to 5 and 7 to 10 could not observe the crystallized part at all. As described above, among the radiation solid-state sensors of the present invention, those having a thickness of 5 nm to 100 nm and a region having an alkali metal average concentration of 0.2 to 10 ppm are doped with an alkali metal and improved electron mobility. It can be seen that the crystallization is particularly excellent because the crystallization can be minimized.
実施例11はアルカリ金属を含有する化合物で改質された蒸着ルツボで、アルカリ金属を含有しないa−Seを蒸着したものであるが、この場合にもアルカリ金属をドープしていない比較例1に比べて電子寿命が7倍強高かった。 Example 11 is a vapor deposition crucible modified with a compound containing an alkali metal, in which a-Se not containing an alkali metal is vapor-deposited. In this case as well, Comparative Example 1 in which no alkali metal is doped is used. Compared with the electron lifetime, it was 7 times higher.
以上のように、本発明の放射線固体センサーは、記録用光導電層の両側に電極が設けられ、この電極間に所定のバイアス電圧を印加して、放射線入射によって記録用光導電層内部に発生する電荷を電気信号として検出する放射線固体センサーにおいて、電極間に所定領域が設けられ、この領域のアルカリ金属平均濃度が、電極間の領域以外の部分の10倍以上としたので、電子寿命の長い、電子走行性特性に優れた記録用光導電層を備えた放射線固体センサーとすることができた。また、正孔走行性を損なわないことが可能である。 As described above, the radiation solid state sensor of the present invention has electrodes provided on both sides of the recording photoconductive layer, and a predetermined bias voltage is applied between the electrodes, and is generated inside the recording photoconductive layer by radiation incidence. In a radiation solid state sensor that detects an electric charge as an electric signal, a predetermined region is provided between the electrodes, and the average alkali metal concentration in this region is 10 times or more that of the portion other than the region between the electrodes, so that the electron lifetime is long. Thus, it was possible to obtain a radiation solid sensor provided with a photoconductive layer for recording excellent in electron running characteristics. Moreover, it is possible not to impair hole travelability.
1 第1の導電層
2 記録用光導電層
3 電荷輸送層
4 読取光導電層
5 第2の導電層
10 放射線固体センサー
70 電流検出手段
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