JP2009094465A - 放射線撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被写体を透過した放射線を吸収することにより発光する蛍光体膜と、上部電極、下部電極、及び該上下の電極間に配置された光電変換膜を有し、該光電変換膜が、光電変換部と、非晶質酸化物により形成された活性層を有する電界効果型薄膜トランジスタを有し、前記電界効果型トランジスタが、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、前記活性層と前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方との間に抵抗層が電気的に接続して配されていることを特徴とする放射線撮像素子。
【選択図】なし
Description
しかし、上述のシリコン薄膜を用いるトランジスタの製造は、比較的高温の熱工程を要し、一般的に耐熱性の低い樹脂基板上に直接形成することは困難である。
このような観点から、可撓性基板上にアモルファス酸化物を用いたTFTを受光部とするX線センサも提案されている(例えば、特許文献3参照)。
また、光電変換部の層構成とスイッチング素子の層構成を共通化して光電変換部とスイッチング素子を並列させた場合、光電変換部と同様にスイッチング素子にもX線に応じた信号がノイズとなってしまう。
基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された光電変換膜、及び前記光電変換膜上方に形成された上部電極を含む光電変換部と、前記上部電極上に形成された蛍光体膜と、前記光電変換部に対応して前記基板に設けられ、前記光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を出力するための電界効果型トランジスタとを含む画素部を複数備え、
前記電界効果型トランジスタが、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、前記活性層と前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方との間に抵抗層が電気的に接続して配されていることを特徴とする放射線撮像素子である。
<2> 前記基板上に少なくとも前記抵抗層と前記活性層を層状に有し、前記活性層が前記ゲート絶縁膜と接し、前記抵抗層が前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方と接することを特徴とする<1>に記載の放射線撮像素子である。
<3> 前記抵抗層の膜厚が前記活性層の膜厚より厚いことを特徴とする<2>に記載の放射線撮像素子である。
<4> 前記抵抗層と前記活性層の間の電気伝導度が連続的に変化していることを特徴とする<1>又は<2>に記載の放射線撮像素子である。
<5> 前記抵抗層および前記活性層が酸化物半導体を含有することを特徴とする<1>〜<4>のいずれかに記載の放射線撮像素子である。
<6> 前記酸化物半導体が非晶質酸化物半導体であることを特徴とする<5>に記載の放射線撮像素子である。
<7> 前記活性層の酸素濃度が前記抵抗層の酸素濃度より低いことを特徴とする<5>又は<6>に記載の放射線撮像素子である。
<8> 前記酸化物半導体がIn、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含むことを特徴とする<5>〜<7>のいずれかに記載の放射線撮像素子である。
<9> 前記酸化物半導体が前記InおよびZnを含有し、前記抵抗層のZnとInの組成比(Inに対するZnの比率Zn/Inで表す)が前記活性層の組成比Zn/Inより大きいことを特徴とする<8>に記載の放射線撮像素子である。
<10> 前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満であることを特徴とする<1>〜<9>のいずれかに記載の放射線撮像素子である。
<11> 前記活性層の電気伝導度が10−1Scm−1以上102Scm−1未満であることを特徴とする<10>に記載の放射線撮像素子である。
<12> 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であることを特徴とする<1>〜<11>のいずれかに記載の放射線撮像素子である。
<13> 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上108以下であることを特徴とする<12>に記載の放射線撮像素子である。
<14> 前記基板が可撓性樹脂基板であることを特徴とする<1>〜<13>のいずれかに記載の放射線撮像素子である。
図1は、本発明の一実施形態である放射線撮像素子の3画素部分の構成を概略的に示す断面模式図である。この放射線撮像素子12は、半導体基板、石英基板、及びガラス基板等の基板1上に、信号出力部14、光電変換部13、及び蛍光体膜8が順次積層しており、信号出力部14、光電変換部13、及び蛍光体膜8により画素部が構成されている。画素部は、基板1上に複数配列されており、各画素部における信号出力部14と光電変換部13とが重なりを有するように構成されている。
蛍光体膜8は、光電変換部13上に透明絶縁膜7を介して形成されており、上方(基板1と反対側)から入射してくる放射線を光に変換して発光する蛍光体を成膜したものである。このような蛍光体膜8を設けることで、被写体を透過した放射線を吸収して発光することになる。
蛍光体膜8に用いる蛍光体としては、具体的には、放射線としてX線を用いて撮像する場合、ヨウ化セシウム(CsI)を含むものが好ましく、X線照射時の発光スペクトルが420nm〜600nmにあるCsI(Ti)(チタンが添加されたヨウ化セシウム)を用いることが特に好ましい。尚、CsI(Ti)の可視光域における発光ピーク波長は565nmである。
また、蛍光体膜8の厚みは、エネルギーにもよるが、600μm以下である。
本発明に於ける光電変換部に用いられる光電変換材料としては、特に限定されるものではないが、例として有機光電変換材料を用いた場合について説明する。
光電変換部13は、上部電極6、下部電極2、及び該上下の電極間に配置された光電変換膜4を有し、光電変換膜4は、蛍光体膜8が発する光を吸収する有機光電変換材料により構成されている。
なお、上部電極6としてAuなどの金属薄膜を用いることもできるが、透過率を90%以上得ようとすると抵抗値が増大し易いため、TCOの方が好ましい。例えば、ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、又はZnO2等を好ましく用いることができ、プロセス簡易性、低抵抗性、透明性の観点からはITOが最も好ましい。尚、上部電極6は、全画素部で共通の一枚構成としてもよいし、画素部毎に分割してあっても良い。
また、上部電極6の厚みは、例えば、30nm以上300nm以下とすることができる。
本発明に係る放射線撮像素子における電磁波吸収/光電変換部位は、1対の電極2,6と、該電極2,6間に挟まれた有機光電変換膜4を含む有機層により構成することができる。この有機層は、より具体的には、電磁波を吸収する部位、光電変換部位、電子輸送部位、正孔輸送部位、電子ブロッキング部位、正孔ブロッキング部位、結晶化防止部位、電極、及び層間接触改良部位等の積み重ねもしくは混合により形成することができる。
有機p型半導体(化合物)は、主に正孔輸送性有機化合物に代表されるドナー性有機半導体(化合物)であり、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは2つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物としては、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等を用いることができる。なお、これらに限らず、n型(アクセプター性)化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いることができる。
なお、図1に示す放射線撮像素子12では、光電変換膜4は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。
下部電極2の厚みは、例えば、30nm以上300nm以下とすることができる。
ここで、光電変換膜に用いられる光電変換材料は、本発明では有機材料に限定されるものではなく、例えばアモルファスSiやアモルファス酸化物等の無機材料も用いることができる。
各画素部の下部電極2下方の基板1の表面には信号出力部14が形成されている。図2は、信号出力部14の構成を概略的に示している。下部電極2に対応して、下部電極2に移動した電荷を蓄積するコンデンサ9と、コンデンサ9に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する電界効果型薄膜トランジスタ(以下、単に薄膜トランジスタという場合がある。)10が形成されている。コンデンサ9及び薄膜トランジスタ10の形成された領域は、平面視において下部電極2と重なる部分を有しており、このような構成とすることで、各画素部における信号出力部14と光電変換部13とが厚さ方向で重なりを有することとなる。なお、放射線撮像素子12(画素部)の平面積を最小にするために、コンデンサ9及び薄膜トランジスタ10の形成された領域が下部電極2によって完全に覆われていることが望ましい。
本発明に用いられる薄膜電界効果型トランジスタ(Thin Film Transistor、”TFT”と略記することがある)は、少なくとも、ゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を順次有し、ゲート電極に電圧を印加して、活性層に流れる電流を制御し、ソース電極とドレイン電極間の電流をスイッチングする機能を有するアクテイブ素子である。TFT構造として、スタガ構造(トップゲート型とも呼ばれる)及び逆スタガ構造(ボトムゲート型とも呼ばれる)のいずれをも形成することができる。
好ましい態様の1つは、図1に概略断面図が示されるような基板上に少なくとも抵抗層と活性層を層状に有し、前記活性層がゲート絶縁膜と接し、前記抵抗層がソース電極及びドレイン電極と接する構造である。
また、動作安定性の観点から、活性層の膜厚が抵抗層の膜厚より厚いことが好ましい。好ましくは、抵抗層の膜厚/活性層の膜厚の比が、1を超え100以下、より好ましくは1を超え10以下である。
また、別の態様として、活性層において抵抗層と活性層の間の電気伝導度が連続的に変化している態様も好ましい。
好ましくは、活性層の酸素濃度が抵抗層の酸素濃度より低い。
好ましくは、抵抗層及び活性層が酸化物半導体を含有し、該酸化物半導体がIn、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含む非晶質酸化物半導体である。より好ましくは、前記酸化物半導体がInおよびZnを含有し、抵抗層のZnとInの組成比(Inに対するZnの比率Zn/Inで表す)が活性層の組成比Zn/Inより大きい。好ましくは、抵抗層のZn/In比が活性層のZn/In比より3%以上大きく、さらに好ましくは10%以上大きい。
好ましくは、抵抗層の電気伝導度に対する活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であり、より好ましくは102以上108以下である。
活性層の電気伝導度が10−4Scm−1を下まわると電界効果移動度としては高移動度が得られず、102Scm−1以上ではOFF電流が増加し、良好なON/OFF比が得られないので、好ましくない。
次に、図面を用いて、詳細に本発明における薄膜電界効果型トランジスタの構造を説明する。
図1は、本発明の薄膜電界効果型トランジスタであって、逆スタガ構造の一例を示す模式図である。基板100がプラスチックフィルムなどの可撓性基板の場合、基板100の一方の面に絶縁層106を配し、その上にゲート電極102、ゲート絶縁膜103、活性層104−1、抵抗層104−2を積層して有し、その表面にソース電極105−1とドレイン電極105−2が設置される。活性層104−1はゲート絶縁膜103に接し、抵抗層104−2はソース電極105−1およびドレイン電極105−2に接する。ゲート電極に電圧が印加されていない状態での活性層104−1の電気伝導度が抵抗層104−2の電気伝導度より大きくなるように、活性層104−1および抵抗層104−2の組成が決定される。
活性層114はその厚み方向に特に電気伝導度の分布を有していない。従来の構成では、OFF電流を低減するために、活性層114の抵抗値を下げる必要がある為に、活性層114のキャリア濃度を下げる必要があった。特開2006−165530号公報によれば、良好なON/OFF比を得るには、活性層104のアモルファス酸化物半導体の伝導度を低減する為に、電子キャリア濃度を1018/cm3未満、より好ましくは1016/cm3未満にすることが開示されている。しかし、特開2006−165530号公報の図2に示されるように、In−Ga−Zn−O系の酸化物半導体では、電子キャリア濃度を下げると膜の電子移動度が減少しまう。その為に、TFTの電界効果移動度で10cm2/Vs以上を得ることができず、充分なON電流を得ることができない。そのため、ON/OFF比も充分な特性が得られない。
また、膜の電子移動度を上げるために、活性層114の酸化物半導体の電子キャリア濃度を上げると、活性層114の電気伝導度が増し、OFF電流が増加し、ON/OFF比特性は悪くなる。
次に、本実施形態の放射線撮像素子12を製造する方法について説明する。
本発明では、薄膜トランジスタ10の活性層24を構成する非晶質酸化物や、光電変換膜4を構成する有機光電変換材料は、いずれも低温での成膜が可能である。従って、基板1としては、半導体基板、石英基板、及びガラス基板等の耐熱性の高い基板に限定されず、プラスチック等の可撓性基板を用いることもできる。具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)等の可撓性基板を用いることができる。このようなプラスチック製の可撓性基板を用いれば、軽量化を図ることもでき、例えば持ち運び等に有利となる。
また、基板1には、絶縁性を確保するための絶縁層、水分や酸素の透過を防止するためのガスバリア層、平坦性あるいは電極等との密着性を向上するためのアンダーコート層等を設けてもよい。
信号出力部14を構成する薄膜トランジスタ10は、図5に示されるように、ゲート電極22、ゲート絶縁膜23、及び活性層(チャネル層)24が積層され、さらに、活性層24上にソース電極25とドレイン電極26が所定の間隔を開けて形成されている。そして、本発明に係る放射線撮像素子12では、活性層24が非晶質酸化物により形成されている。
薄膜トランジスタ10の活性層24を非晶質酸化物で形成したものとすれば、X線等の放射線を吸収せず、あるいは吸収したとしても極めて微量に留まるため、信号出力部14におけるノイズの発生を効果的に抑制することができる。
絶縁基板1上に、例えばMoを用いてスパッタリングにより成膜した後、フォトリソグラフィによってパターニングされたゲート電極22を形成する。このとき、コンデンサ9の下部電極31も同時にパターニングすることができる。
ゲート電極22を形成する材料としては、例えば、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、APC等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物を好適に挙げられる。
ゲート電極22の厚みは、10nm以上1000nm以下とすることが好ましい。
さらに、アモルファス酸化物半導体(IZGO膜)は、スパッタリングの際の酸素分圧を調整することにより形成される膜の電気抵抗を変化させることができる。従って、スパッタリング初期は酸素分圧を低く保ち、スパッタリング後半を酸素分圧を高く保つことによりゲート絶縁膜23に近接する領域を電気伝導度の高い活性層、ソース・ドレイン電極と近接する領域を電気伝導度の低い抵抗層とする構成を形成することができる。こうして活性層と抵抗層を成膜後、フォトリソグラフィによってパターニングされた半導体層24を形成する。
ソース・ドレイン電極26を構成する材料としては、例えば、Al、Mo、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、APC等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ルなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物を好適に挙げられる。
ソース電極25及びドレイン電極26の厚みは、10nm以上1000nm以下とすることが好ましい。
なお、光電変換膜4をアモルファスシリコンで形成する場合、通常、CVD装置を必要とし、製造コストが高くなるが、本発明では有機光電変換材料を用い、例えば真空蒸着法によって光電変換膜4を容易に形成することができるため、製造コストを低く抑えることができる。
人体にX線が照射され、人体を透過したX線が蛍光体膜8に入射すると、蛍光体膜8からは例えば波長420nm〜600nmの光が発せられ、この光が光電変換膜4へと入射する。この入射光のうちの緑色の波長域の光が光電変換膜4で吸収されると、ここで電荷が発生し、発生した電荷のうちの正孔が下部電極2に移動してコンデンサ9に蓄積される。
コンデンサ9に蓄積された正孔は、薄膜トランジスタ10によって電圧信号に変換されて出力される。各画素部から得られた電圧信号により、人体内部を撮影したモノクロ画像が得られる。
2 下部電極
3 電子ブロッキング膜
4 光電変換膜
5 正孔ブロッキング膜
6 上部電極
7 透明絶縁膜
8 蛍光体膜
9 コンデンサ
10 電界効果型薄膜トランジスタ
11 絶縁膜
12 放射線撮像素子
13 光電変換部
14 信号出力部
22 ゲート電極
23 ゲート絶縁膜
24 半導体層
25 ソース電極
26 ドレイン電極
31 コンデンサ下部電極
32 コンデンサ上部電極
100:TFT基板
102、122:ゲート電極
103、113、123:ゲート絶縁膜
104、114:活性層
104−1:活性層
104−2:抵抗層
105−1、105−21:ソース電極
105−2、105−22:ドレイン電極
106:絶縁層
107:高酸素濃度層
108:低酸素濃度層
Claims (14)
- 被写体を透過した放射線を受光して前記放射線量に応じた撮像信号を出力する放射線撮像素子であって、
基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された光電変換膜、及び前記光電変換膜上方に形成された上部電極を含む光電変換部と、前記上部電極上に形成された蛍光体膜と、前記光電変換部に対応して前記基板に設けられ、前記光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を出力するための電界効果型トランジスタとを含む画素部を複数備え、
前記電界効果型トランジスタが、少なくともゲート電極、ゲート絶縁膜、活性層、ソース電極及びドレイン電極を有し、前記活性層と前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方との間に抵抗層が電気的に接続して配されていることを特徴とする放射線撮像素子。 - 前記基板上に少なくとも前記抵抗層と前記活性層を層状に有し、前記活性層が前記ゲート絶縁膜と接し、前記抵抗層が前記ソース電極及び前記ドレイン電極の少なくとも一方と接することを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像素子。
- 前記抵抗層の膜厚が前記活性層の膜厚より厚いことを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像素子。
- 前記抵抗層と前記活性層の間の電気伝導度が連続的に変化していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の放射線撮像素子。
- 前記抵抗層および前記活性層が酸化物半導体を含有することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の放射線撮像素子。
- 前記酸化物半導体が非晶質酸化物半導体であることを特徴とする請求項5に記載の放射線撮像素子。
- 前記活性層の酸素濃度が前記抵抗層の酸素濃度より低いことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の放射線撮像素子。
- 前記酸化物半導体がIn、GaおよびZnからなる群より選ばれる少なくとも1種若しくはこれらの複合酸化物を含むことを特徴とする請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載の放射線撮像素子。
- 前記酸化物半導体が前記InおよびZnを含有し、前記抵抗層のZnとInの組成比(Inに対するZnの比率Zn/Inで表す)が前記活性層の組成比Zn/Inより大きいことを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像素子。
- 前記活性層の電気伝導度が10−4Scm−1以上102Scm−1未満であることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の放射線撮像素子。
- 前記活性層の電気伝導度が10−1Scm−1以上102Scm−1未満であることを特徴とする請求項10に記載の放射線撮像素子。
- 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、101以上1010以下であることを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の放射線撮像素子。
- 前記抵抗層の電気伝導度に対する前記活性層の電気伝導度の比率(活性層の電気伝導度/抵抗層の電気伝導度)が、102以上108以下であることを特徴とする請求項12に記載の放射線撮像素子。
- 前記基板が可撓性樹脂基板であることを特徴とする請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の放射線撮像素子。
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