JP2011146541A - Ｘ線センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線センサにおけるＸ線光電変換層において、堆積に長時間を要すること、電極等の腐食による歩留まり低下、形成工程での高温の使用、単結晶基板または張り合わせ工程の必要性、などの理由によるコストの上昇が必至であった。また、駆動に高電圧を必要とした。また、Ｘ線の波長情報を得ることができるセンサが容易に得られなかった。
【解決手段】照射されたＸ線強度に応じて電荷を生成するＸ線光電変換層２と、Ｘ線光電変換層２で生成された電荷を収集する収集電極１ｄと、Ｘ線光電変換層２の収集電極１ｄが設けられている面とは反対の面に設けられた共通電極１ｃと、収集電極１ｄで収集された電荷を蓄積する蓄積容量２０と、蓄積容量２０に蓄積された電荷を外部へ読み出す読み出し部３０とを具備し、収集電極１ｄと共通電極１ｃとの間に電圧を印加するように構成されているＸ線センサであって、Ｘ線光電変換層２が酸化物多結晶体であることを特徴とするＸ線センサ。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線照射を検知するセンサに関する。特にＸ線照射量を１次元あるいは２次元で計測するセンサアレイに関する。

医療検査や工業検査において、Ｘ線を人体または物体に照射し、透過するＸ線の吸収コントラストにより人体または物体の内部情報を得る技術が広く用いられている。透過Ｘ線像を得るためには、過去においては写真乾板やイメージングプレートを用いる方法が主流であったが、最近は透過Ｘ線強度を電子情報に変換して処理を行う、２次元のＸ線センサが用いられている。Ｘ線センサには、Ｘ線を可視光に変換してから電子情報に変換する間接変換型と、Ｘ線を直接電子情報に変換する直接変換型の２種類がある。現在は間接変換型Ｘ線センサが主流であるが、より良質の画像を得ることができる直接変換型Ｘ線センサの開発が望まれている。

直接変換型を高性能化するためには、Ｘ線を電子に変換するＸ線光電変換層の高感度化が必要である。直接変換型Ｘ線センサに用いるＸ線光電変換層としては、アモルファスセレン膜や多結晶ＣｄＴｅなどが用いられるが、性能を向上させるために、よりＸ線感度の高いＸ線光電変換層の開発が進められている。具体的には、ビスマス酸化物膜、ＣｄＴｅ単結晶、特許文献１に開示されているヨウ化鉛やヨウ化タリウムなどである。

特開２００６−４９７７３号公報

第一の課題はＸ線光電変換層の形成工程に長時間を要していたことである。Ｘ線の吸収効率を向上させるために、Ｘ線光電変換層は数１００ミクロンから１ｍｍほどの厚さで形成しなければならない。蒸着等の堆積手法を用いてこのような厚い膜を形成するには時間がかかり、コストの上昇が見込まれる。また、成膜方法としてゾルゲル法を用いた場合には、膜の形成に高温が必要となり、他の構成部材の変質や劣化を招き、歩留まりの低下が起こっていた。

第二の課題は従来用いられたセレンやヨウ化物を光電変換層に用いた場合には、素子を構成する他の構成要素、たとえば電極など、と容易に反応し、腐食や変質を起こしていたことである。それにより歩留まりの低下が起こっていた。
第三の課題はＣｄＴe等の単結晶体をＸ線光電変換層に用いる場合、単結晶体は非常に高価であるので、コストの上昇が必至であることである。

第四の課題は、第三の課題への解としてＣｄＴｅ等の多結晶体を用いる場合、多結晶体の表面はアモルファス膜や単結晶表面のように平滑ではないため、その上に直接、薄膜トランジスタなどの他の構成部材を歩留まりよく形成することができないことである。以下、薄膜トランジスタは「ＴＦＴ」とも表記する。歩留まりを向上させるために、従来、ＴＦＴを形成した基板とＸ線光電変換層を形成した基板をそれぞれ別々に形成し、張り合わせる方法を用いていた。しかしこの張り合わせ工程もコストを上昇させる一因となり得る。

第五の課題は、これらのＸ線光電変換層は、上述のように数１００ミクロンから１ｍｍほどの厚さで形成しなければならないため、Ｘ線光電変換層に数１０００ボルト程度もの大きな電圧を印加しなければならないことである。
第六の課題は、従来の直接変換型Ｘ線センサでは、異なる波長のＸ線に関する情報を得ることができなかったことである。つまり、単一の波長のＸ線に関する情報しか得ることができなかったことである。

第一から第三の課題を解決するために、本発明は、多結晶体粉末からあらかじめ形成した板状の酸化物多結晶体をＸ線光電変換層として用い、その上にＴＦＴや蓄積容量など、他の構成部材を形成する。
第四の課題を解決するために、本発明は、酸化物多結晶体表面に有機物等で形成された表面平坦化層を形成し、その上にＴＦＴなどの他の構成部材を形成する。

第五の課題を解決するために、本発明は、酸化物多結晶板を複数積層し、酸化物多結晶板と酸化物多結晶板との間に形成する電極を交互に積層体の側面の一端およびその対向の一端に接続し、該側面の一端と、その対向の一端に電圧を印加する。
例えば、第１の酸化物多結晶板と第２の酸化物多結晶板との間に第１の電極を設け、第２の酸化物多結晶板と第３の酸化物多結晶板との間に第２の電極を設ける。さらに、第３の酸化物多結晶板と第４の酸化物多結晶板との間に第３の電極を設、第４の酸化物多結晶板と第５の酸化物多結晶板との間に第４の電極を設ける。そして、第１の電極と第３の電極とを左端で接続し、第２の電極と第４の電極とを右端で接続する。第１の電極及び第３の電極と、第２の電極及び第４の電極との間に電圧を印加する。

第六の課題を解決するために、本発明は、酸化物多結晶板を複数積層し、酸化物多結晶板と酸化物多結晶板との間に、該酸化物多結晶板より高密度な物質からなる層（以下、「高密度物質層」とも表記する。）を１層あるいは複数層形成する。そして、該高密度物質層の上方の酸化物多結晶板の上下に設けられた一対の電極と、下方の酸化物多結晶板の上下に設けられた他の一対の電極とをそれぞれ別の蓄積容量に接続する。
例えば、第１の電極と第２の電極との間に第１の酸化物多結晶板を設け、第２の電極と第３の電極との間に高密度物質を設け、第３の電極と第４の電極との間に第２の酸化物多結晶板極を設ける。そして、第１の電極を第１の蓄積容量に接続し、第４の電極を第２の蓄積容量に接続する。

酸化物多結晶体は安定であり、Ｘ線センサのＸ線光電変換層として使用した場合であっても、電極等の他の構成部材を変質、腐食させることはない。また、粉末の多結晶体から板状の酸化物多結晶体をあらかじめ形成することにより、十分な厚さのＸ線光電変換層が容易に得られる。また、粉末の酸化物多結晶体を形成する工程およびそれを板状に成形する工程においては高温を必要とする。しかし、その酸化物多結晶体板を基板として使用し、他の構成部材をその酸化物多結晶体板の上に形成する工程においては、高温工程はもはや必要としない。

酸化物多結晶体の表面に有機物等で形成された表面平坦化層を形成し、その上に蓄積容量やＴＦＴなどの他の構成部材を形成することにより、表面平滑な単結晶基板を使用する必要はなくなり、Ｘ線センサを安価に提供することができる。
層間に形成する電極を交互に積層体の側面の一端およびその対向の一端に接続し、該側面の一端と、その対向の一端に電圧を印加する構造にする。このような構造とすることで、酸化物多結晶体を２枚の電極で挟んだ構造体の実効厚さ、すなわち電極間距離を短く、且つ実効電極面積を大きくすることができる。これにより、電極間に印加する電圧を低減でき、且つ実効電極面積の増大に起因してＸ線検出能力を上昇させることができる。

酸化物多結晶板を複数積層した層間に、高密度物質層を１層あるいは複数層挿入し、該高密度物質層の上方の酸化物多結晶板に関して設けられた電極と、高密度物質層の下方の酸化物多結晶板に関して設けられた電極とをそれぞれ別の蓄積容量等に接続する。このような構造とすることにより、該高密度物質層の上方、下方の酸化物多結晶板から構成される素子がそれぞれ独立したＸ線センサ素子として働く。このとき、Ｘ線源から遠いＸ線センサ素子は、Ｘ線源に近いＸ線センサ素子に比べて短波長（高エネルギー）のＸ線のみ検知する。両者の強度を比較することにより、Ｘ線の波長成分に応じた情報（長波長に関する情報と短波長に関する情報）を得ることができ、Ｘ線検査の被検体の元素成分や密度の情報を得ることができる。

酸化物多結晶体を用いたＸ線センサアレイの一例の模式図 酸化物多結晶体板よりなる積層体を用いたＸ線センサのＸ線照射時および非照射時のＸ線検出電流を示す図 酸化物多結晶体板よりなる積層体を用いたＸ線センサのＸ線照射時および非照射時のＸ線検出電流を示す図 酸化物多結晶体板よりなる積層体を用いたＸ線センサの一例の模式図 酸化物多結晶体板よりなる積層体を用いたＸ線センサアレイの一例の模式図 酸化物多結晶体板よりなる積層体を用いたＸ線センサの一例の模式図

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を用いて説明する。ただし本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、酸化物多結晶体をＸ線光電変換層として使用することについて述べる。本発明者らは酸化亜鉛を主成分とするセラミック多結晶粉末を板状に成形して得た酸化物多結晶板をＸ線光電変換層とした。そして、このＸ線光電変換層を挟むように電極を形成したものを用いて、Ｘ線照射時の電流を測定した。その結果、図２に示すとおり、検出に十分なＸ線感度を得た（印加電圧＋２Ｖ）。
このとき、図３に示すように印加電圧を大きくすると（印加電圧＋２０Ｖ）、Ｘ線照射時と非照射時の検出電流の差が小さくなることから、この検出電流は多結晶粒界に存在するショットキーバリア等の粒界障壁によるものであることがわかった。このように、多結晶体を用いたＸ線光電変換層においては、単結晶体やアモルファスでのＸ線照射時の電子・正孔対生成という検出機構とは別の機構で、Ｘ線検出を行うことができる。本発明の実施例では、電子・正孔対の生成によるＸ線検出能が小さいと予想される、低抵抗な酸化物を用いたため、粒界障壁からの検出電流のみが現れた。しかし、酸化物多結晶粒自身に電子・正孔対の生成によるＸ線検出能が高い物質を用いることで、さらにＸ線検出能を向上させることができる。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。本発明は下記実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示すＸ線センサアレイは、以下のものを具備する。照射されたＸ線強度に応じて電荷を生成するＸ線光電変換層２。Ｘ線光電変換層２で生成された電荷を収集する収集電極１ｄ。Ｘ線光電変換層２の収集電極１ｄが設けられている面とは反対の面に設けられた共通電極１ｃ。収集電極１ｄで収集された電荷を蓄積する蓄積容量２０。蓄積容量２０に蓄積された電荷を外部へ読み出す読み出し部３０。
収集電極１ｄと共通電極１ｃとの間に電圧を印加するように構成されていて、Ｘ線光電変換層２は酸化物多結晶体である。

酸化物多結晶体が亜鉛酸化物あるいはカドミウム酸化物の少なくともいずれかを主成分の一つとすることが好ましい。
読み出し部が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）３０であり、薄膜トランジスタを構成するチャネル半導体が、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏであることが好ましい。
酸化物多結晶板２の上に蓄積容量２０およびＴＦＴ３０を形成するにあたり、酸化物多結晶板２と収集電極１ｄの上にあらかじめ平坦化層３を形成することが望ましい。この平坦化層３としてはアクリルやポリイミドなどの有機物からなる層を用いることが望ましい。
収集電極１ｄごとに蓄積容量２０（図１ではＭｏ電極６ａ、６ｃとＳｉＯ_２膜４とからなる）およびＴＦＴ３０（図５ではアモルファスＩＧＺＯをチャネル５としたＴＦＴ）をアレイ状に形成することにより、Ｘ線センサアレイを得ることができる。
平坦化層３の上に画素電極６ａとゲート６ｂが形成される。画素電極６ａは収集電極１ｄに電気的に接続されている。画素電極６ａとゲート６ｂの上にＳｉＯ_２膜４が形成される。ＳｉＯ_２膜４の上にソース６ｃ、ドレイン６ｄ及びチャネル５が形成される。

図１に示すＸ線センサの製造方法を説明する。
まず、酸化物多結晶体の粉末を板状に成形して、照射されたＸ線強度に応じて電荷を生成するＸ線光電変換層２を形成する。次に、Ｘ線光電変換層２の一方の面に共通電極１ｃを形成し、他方の面にＸ線強度に応じて生成された電荷を収集する収集電極１ｄを形成する。次に、Ｘ線光電変換層２と収集電極１ｄとの上に有機物からなる平坦化層３を形成する。次に、平坦化層３の上に、収集電極１ｄごとに、収集電極で収集された電荷を蓄積する蓄積容量２０と、蓄積容量２０に蓄積された電荷を外部へ読み出す読み出し部（ＴＦＴ）３０とを形成する。

ＴＦＴ３０は平坦化層３の上に形成する場合は、平坦化層３がＴＦＴ形成時の熱によって変質することを防止するため、高温プロセスを用いない。そのため、低温で形成できるＴＦＴを用いる。そのＴＦＴ形成プロセスにおける最高温度は３００℃以下が望ましい。
上記のプロセス条件を満たすＴＦＴの一つとして、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ−ＴＦＴ（アモルファスＩＧＺＯをチャネルとするＴＦＴ）を用いる。なぜなら、アモルファスＩＧＺＯは、Ｘ線光電変換層である酸化物多結晶体と同じ酸化物であり、雰囲気などのプロセス条件において、酸化物にダメージを与えるものが少ないため、ＴＦＴ形成プロセス中でのＸ線光電変換層へのダメージが少ないためである。
このようにして、安価かつ容易にＸ線センサアレイを得ることができる。

＜実施例２＞
酸化物多結晶体として、酸化亜鉛を主成分とするセラミック多結晶体を用いた。他にＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ（以下「ＩＧＺＯ」とも表記する。）、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏ、Ｃｄ−Ｓｎ−Ｏ、Ｃｄ−Ｇｅ−Ｏなどを用いることができる。これを板状に成形し、成形した板の上に電極を印刷し、それを積層し焼結したものを用いた。
電極の接続は、層間に存在する電極を交互に積層体の側面の一端およびその対向の一端に接続し、その側面の一端と、その対向の一端に電圧を印加して行う。例えば、ある一層の板の上方にある電極は板の右側に、下方にある電極は板の左側にある電極に接続する。積層体ではそれを交互に積み重ねる。

図４に示す例では、酸化物多結晶体２の上に収集電極４０が設けられ、酸化物多結晶体２の中に第１の内部電極４１及び第２の内部電極４２が設けられる。収集電極４０と第２の内部電極４２とが電気的に接続され、収集電極４０と第２の内部電極４２との間に第１の内部電極４１が配置され、第１の内部電極４１と共通電極４８とが電気的に接続されている。
図４に示す例ではさらに、第４の内部電極４４と第６の内部電極４６の左端が収集電極４０と第２の内部電極４２とに電気的に接続され、第３の内部電極４３と第５の内部電極４５の右端が第１の内部電極４１と共通電極４８とに電気的に接続されている。
このような積層体を形成することにより、酸化物Ｘ線光電変換層の実効的な厚さは薄くなる。すなわち、対向した電極間の距離は短くなる。これにより、Ｘ線センサ動作させる際の印加電圧を下げることができる。

上記積層体に２ボルトの電圧を印加し、Ｘ線照射時および非照射時における電流を測定した。Ｘ線源にはモリブデン回転対陰極を用い、印加電圧は４０ｋＶ、印加電流は２０ｎＡであった。発生したＸ線は単色化せずに積層体に照射した。その時のＸ線照射時および非照射時の電流を図２に示す。Ｘ線照射時には非照射時の約１０倍の電流値が得られ、良好なＸ線検出能を示した。
この積層体の上に蓄積容量およびＴＦＴを形成することにより、Ｘ線センサが得られる。

＜実施例３＞
複数の酸化物多結晶板と複数の電極が交互に積層された積層体を用いてＸ線センサアレイを製造した。
図５に示すように、酸化物多結晶体２の最表面の一面に共通電極１ｃを、反対の一面に収集電極１ｄをそれぞれ形成する。酸化物多結晶体２の内部に共通電極１ｃに接続された内部電極１ｂと、収集電極１ｄに接続された内部電極１ａを形成する。
図５に示すように、内部電極１ａは３枚の電極からなり、内部電極１ｂも３枚の電極からなり、内部電極１ａを構成する３枚の電極と内部電極１ｂを構成する３枚の電極は交互に配置される。内部電極１ａを形成する３枚の電極は、酸化物多結晶体２に形成したビアホールを介して左端が接続され、かつ収集電極１ｄに接続される。内部電極１ｂを形成する３枚の電極は、酸化物多結晶体２に形成するビアホールを介して右端が接続され、かつ共通電極１ｃに接続される。
その上に実施例１と同様に平坦化層３、蓄積容量２０およびＴＦＴ３０を形成し、蓄積容量２０を構成するＭｏ電極（画素電極）６ａを収集電極１ｄと接続することで、安価かつ容易で、かつ低印加電圧で駆動可能なＸ線センサアレイを得ることができる。

＜実施例４＞
酸化物多結晶体より高密度の物質を、酸化物多結晶体の間に挿入することで、Ｘ線波長（エネルギー）の情報も検知することができるＸ線センサあるいはＸ線センサアレイを得ることができる。
図６は、酸化物多結晶体の内部に１層の高密度物質層７を挿入した例である。複数の高密度物質層を挿入するとしても良い。
酸化物多結晶体２の中に第１の内部電極６１、第２の内部電極６２及び第３の内部電極６３が設けられ、第１の内部電極６１と第２の内部電極６２とが共通電極１ｃに電気的に接続されている。
収集電極１ｄと第１の内部電極６１との間で生成された電荷は収集電極１ｄに収集され、第２の内部電極６２と第３の内部電極６３との間で生成された電荷は第３の内部電極６３に収集される。
収集電極１ｄは第１の蓄積容量２０に電気的に接続され、第３の内部電極６３は第２の蓄積容量４０に電気的に接続されている。

第１の内部電極６１と第２の内部電極６２との間に、酸化物多結晶体２より高密度な物質の層（高密度物質層）７が挿入されていることが好ましい。高密度物質層７を複数層挿入するとしても良い。
高密度物質層７はＸ線光電変換層として用いる酸化物多結晶体より高原子番号の元素を主成分とした絶縁体であり、酸化物が望ましい。例えば、ＨｆＯ_２やＴａ_２Ｏ_５などである。

図６の下方よりＸ線を照射した場合、下方のＸ線光電変換層２ａにおいては照射されたＸ線のうち、光電変換層に用いた酸化物多結晶体２の吸収波長以下のＸ線に関する検知を行う。
一方、図６の上方に位置するＸ線光電変換層２ｂにおいては、高密度物質層７の吸収波長以下のＸ線に関する検知を行う。光電変換層２ａ、２ｂに用いた酸化物の吸収波長に比べて、高密度物質層７の吸収波長のほうが短いため、Ｘ線光電変換層２ｂより成るＸ線センサは、Ｘ線光電変換層２ａより成るＸ線センサより短波長のＸ線照射量を検知することになる。
よって、Ｘ線光電変換層２ｂより成るＸ線センサのＸ線検知量と、Ｘ線光電変換層２ａより成るＸ線センサのＸ線検知量を比較することにより、照射Ｘ線の全照射強度に係る量の検知のみならず、照射Ｘ線の波長に係る量の検知も行うことができる。

１：電極（内部電極、共通電極、収集電極）
２：酸化物多結晶体
３：平坦化層
４：ＳｉＯ_２膜
５：アモルファスＩＧＺＯ（チャネル）
６：Ｍｏ電極（画素電極、ゲート、ソース、ドレイン）
７：高密度物質層

Claims (10)

1. 照射されたＸ線強度に応じて電荷を生成するＸ線光電変換層と、
   前記Ｘ線光電変換層で生成された電荷を収集する収集電極と、
   前記Ｘ線光電変換層の前記収集電極が設けられている面とは反対の面に設けられた共通電極と、
   前記収集電極で収集された電荷を蓄積する蓄積容量と、
   前記蓄積容量に蓄積された電荷を外部へ読み出す読み出し部とを具備し、前記収集電極と前記共通電極との間に電圧を印加するように構成されているＸ線センサであって、
   前記Ｘ線光電変換層が酸化物多結晶体であることを特徴とするＸ線センサ。
2. 前記酸化物多結晶体が亜鉛酸化物あるいはカドミウム酸化物の少なくともいずれかを主成分の一つとすることを特徴とする請求項１に記載のＸ線センサ。
3. 前記読み出し部が薄膜トランジスタであり、前記薄膜トランジスタを構成するチャネル半導体が、アモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線センサ。
4. 前記酸化物多結晶体の上に有機物からなる平坦化層が設けられ、前記平坦化層の上に前記蓄積容量及び前記読み出し部が設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＸ線センサ。
5. 前記酸化物多結晶体の中に第１の内部電極及び第２の内部電極が設けられ、
   前記収集電極と前記第２の内部電極とが電気的に接続され、
   前記収集電極と前記第２の内部電極との間に前記第１の内部電極が配置され、
   前記第１の内部電極と前記共通電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＸ線センサ。
6. 前記酸化物多結晶体の中に第１の内部電極、第２の内部電極及び第３の内部電極が設けられ、
   前記第１の内部電極と前記第２の内部電極とが前記共通電極に電気的に接続され、
   前記収集電極と前記第１の内部電極との間で生成された電荷は前記収集電極に収集され、
   前記第２の内部電極と前記第３の内部電極との間で生成された電荷は前記第３の内部電極に収集され、
   前記収集電極は第１の蓄積容量に電気的に接続され、前記第３の内部電極は第２の蓄積容量に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＸ線センサ。
7. 前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との間に、前記酸化物多結晶体より高密度な物質の層が１層又は複数層挿入されていることを特徴とする、請求項６に記載のＸ線センサ。
8. 酸化物多結晶体の粉末を板状に成形して、照射されたＸ線強度に応じて電荷を生成するＸ線光電変換層を形成し、
   前記Ｘ線光電変換層の一方の面に共通電極を形成し、
   他方の面に前記Ｘ線強度に応じて生成された電荷を収集する収集電極を形成し、
   前記Ｘ線光電変換層と前記収集電極との上に有機物からなる平坦化層を形成し、
   前記平坦化層の上に、前記収集電極ごとに、前記収集電極で収集された電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された電荷を外部へ読み出す読み出し部とを形成することを特徴とするＸ線センサの製造方法。
9. 前記読み出し部が薄膜トランジスタであり、前記薄膜トランジスタを形成する際の温度が３００℃以下であることを特徴とする請求項８に記載のＸ線センサの製造方法。
10. 前記薄膜トランジスタのチャネル半導体形成工程が、スパッタ法によるアモルファスＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ膜の成膜工程を含むことを特徴とする請求項８又は９に記載のＸ線センサの製造方法。

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