JP2012028617A - 放射線検出装置及び放射線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トランジスタの閾値電圧のシフトを抑制する。
【解決手段】放射線検出装置１では、光電変換素子が入射した放射線を光に変換し、光に応じた電荷を発生し、トランジスタ５が光電変換素子で発生した電荷に対応する検出信号を出力して、紫外線変換部３が当該トランジスタ５に入射される放射線を紫外線に変換する。トランジスタ５は紫外線が入射されることにより、トランジスタ５の帯電量がゼロに近づくようになり、トランジスタ５の閾値電圧のシフトが抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は放射線検出装置及び放射線撮像装置に関し、特に、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を波長変換して放射線に基づく情報を読み取る放射線検出装置及び放射線撮像装置に関する。

放射線検出装置は、放射線の入力情報がシンチレータ（波長変換層）で可視光に変換した光を光変換素子で、電気信号に変換して、放射線の情報を検出するものである（例えば、特許文献１，２を参照）。

このような放射線検出装置が放射線を検出する際に、トランジスタのゲート絶縁膜にも放射線が入射すると、トランジスタがプラス（正）に帯電してしまい、閾値電圧がマイナス（負）側にシフトしてしまう。この結果、トランジスタが正常に動作しなくなり、放射線検出装置の信頼性が低下してしまうという問題があった。

そこで、トランジスタを正常に動作させるために、例えば、特許文献１では、バイアス供給スイッチを設けてＰＮ接合等に対して印加される外部電界を緩和する方法が開示されている。また、特許文献２では、電源遮蔽時に、トランジスタのゲート端子に正のＤＣ電源を印加する方法が開示されている。

特開２００８−２５２０７４号公報 特開平８−８４２６号公報

特許文献１，２のような閾値電圧の負側へのシフトを抑制する方法では、回路構成が複雑であって、このような回路の作成のみならず、作成した回路に対するスイッチ操作が煩雑であるという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、トランジスタの閾値電圧のシフトが抑制された放射線検出装置及び放射線撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、放射線を入射して、入射した放射線を光に変換し、光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷に対応する検出信号を出力するトランジスタと、トランジスタに入射する放射線を紫外線に変換する紫外線変換部と、を有する。

また、上記目的を達成するために、放射線撮像装置が提供される。この放射線撮像装置は、放射線を入射して、入射した放射線を光に変換し、光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、光電変換素子で発生した電荷に対応する検出信号を出力するトランジスタと、トランジスタに入射する放射線を紫外線に変換する紫外線変換部とを有する放射線検出装置と、放射線検出装置で検出した検出信号を画像処理して画像を表示する画像表示処理部と、を有する。

このような放射線検出装置及び放射線撮像装置では、光電変換素子が入射した放射線に応じて電荷を発生し、トランジスタが光電変換素子から発生した電荷を入力して検出信号を出力して、紫外線変換部が当該トランジスタに入射される放射線を紫外線に変換する。

このような放射線検出装置及び放射線撮像装置では、トランジスタの閾値電圧のシフトを抑制することができる。

第１の実施の形態に係る放射線検出装置及び原理を説明するための図である。 トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の特性を示す図である。 第２の実施の形態に係る放射線検出装置を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る画素トランジスタを説明するための図である。 第２の実施の形態に係るＴＦＴ部を説明するための図である。 第２の実施の形態に係るＴＦＴ部のゲート電圧に対するドレイン電流を示す図である。 第３の実施の形態に係るＴＦＴ部を説明するための図である。 第３の実施の形態に係るＴＦＴ部のゲート電圧に対するドレイン電流を示す図である。 第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対する閾値電圧を示す図である。 第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対する相互コンダクタンスを示す図である。 第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対するサブスレッショルドスイング値を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る放射線検出装置及び原理を説明するための図である。

なお、図１（Ａ）は放射線検出装置１を、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は放射線検出装置１の光電変換装置４に具備されたトランジスタ５を模式的にそれぞれ示している。

放射線検出装置１は、α線、β線、γ線、Ｘ線等に代表される放射線が入射されてもトランジスタ５の閾値電圧の変動を抑制することができるものである。

このような放射線検出装置１は、図１（Ａ）に示されるように、可視光変換部２、紫外線変換部３及び光電変換装置４を有しており、放射線を可視光変換部２に入射して、当該放射線を検出する。

可視光変換部２は、入射された放射線を可視光に波長変換する。放射線から変換された可視光は紫外線変換部３を透過して光電変換装置４に入射する。なお、可視光変換部２に入射する放射線の一部は、可視光に変換されずに、可視光変換部２を透過する。

紫外線変換部３は、入射された、可視光に変換されなかった放射線を紫外線に波長変換する。放射線から変換された紫外線は光電変換装置４に入射する。

光電変換装置４は、光電変換素子とトランジスタとを有する。放射線から変換された可視光が入射された光電変換素子が当該可視光に応じた電荷を発生し、発生した電荷に応じてトランジスタが検出信号を出力する。

また、光電変換装置４が備えるトランジスタ５は、図１（Ｂ）（及び図１（Ｃ））に示されるように、基板５ａ、ゲート電極膜５ｂ、ゲート絶縁膜５ｃ、半導体層５ｄ及び層間絶縁膜５ｅが順に積層されて構成されている。層間絶縁膜５ｅには、半導体層５ｄに達する電極層５ｆが形成されている。さらに、ゲート絶縁膜５ｃは、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ_x）のゲート絶縁膜５ｃ１と、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）のゲート絶縁膜５ｃ２とが順に積層して構成されている。層間絶縁膜５ｅは、例えば、酸化シリコンの層間絶縁膜５ｅ１と、窒化シリコンの層間絶縁膜５ｅ２と、酸化シリコンの層間絶縁膜５ｅ３とが順に積層して構成されている。また、半導体層５ｄは、低濃度Ｐ型（Ｐ−）の半導体層５ｄ１と、低濃度Ｎ型（ＬＤＤ（Light Doped Drain））の半導体層５ｄ２と、高濃度Ｎ型（Ｎ＋）の半導体層５ｄ３とを具備しており、例えば、多結晶シリコンで構成されている。

なお、トランジスタ５として、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）では、ボトムゲート型のトランジスタを示しているが、この場合に限らず、トップゲート型、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型等のトランジスタでも構わない。

このようなトランジスタ５では、光電変換素子に入射した放射線から変換された可視光に応じて発生した電荷がゲート電極膜５ｂに入力すると、一方の電極層５ｆから半導体層５ｄを通り他方の電極層５ｆにドレイン電流が流れて、放射線が検出される。

次に、放射線が入射されるトランジスタ５について説明する。

まず、放射線検出装置１に紫外線変換部３が配置されていない場合には、光電変換装置４に対して入射した放射線は、トランジスタ５のゲート絶縁膜５ｃ及び層間絶縁層５ｅにも入射して、ゲート絶縁膜５ｃのゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁層５ｅの層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とに電子正孔対を生成する。生成された正孔は酸化シリコンのゲート絶縁膜５ｃ２と層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３との中の欠陥、界面等にトラップされる。この時、図１（Ｂ）に示されるように、トラップされた正孔が、図１（Ｂ）（及び図１（Ｃ））中の＋（プラス）で表される、正の固定電荷となり、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とが正に帯電する。なお、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とに、酸化シリコンに代わって、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を適用した場合にも、この場合と同様に、放射線の入射によって電子正孔対が生成される。

このような放射線検出装置１に紫外線変換部３が配置されていない場合のトランジスタ５に入射される放射線量に応じた、トランジスタ５のゲート電圧に対するドレイン電流について説明する。

図２は、トランジスタのゲート電圧に対するドレイン電流の特性を示す図である。

なお、図２ではトランジスタ５に入射される放射線の放射線量が０グレイ（Ｇｙ）、４６Ｇｙ、３９７Ｇｙ、６３９Ｇｙの場合のトランジスタ５のゲート電圧Ｖｇに対するドレイン電流Ｉｄｓ（Ｖｇ−Ｉｄｓ特性）を示している。また、横軸はゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を、縦軸はドレイン電流Ｉｄｓ［Ａ］をそれぞれ表している。

また、図２の実線で表された、放射線量が０Ｇｙの場合、ゲート電圧Ｖｇが−６Ｖから増加するに伴って、ドレイン電流Ｉｄｓが減少し、ゲート電圧Ｖｇが０Ｖを超えると、ドレイン電流Ｉｄｓが増加する特性を示すのはＰチャネルのトランジスタ５である。また、このドレイン電圧は−６．１Ｖ程度である。一方、ゲート電圧Ｖｇが６Ｖから減少するに伴って、ドレイン電流Ｉｄｓが減少し、ゲート電圧Ｖｇが０Ｖを下回るとドレイン電流Ｉｄｓが略一定となる特性を示すのはＮチャネルのトランジスタ５である。また、このドレイン電圧は６．１Ｖ程度である。Ｐチャネル及びＮチャネルのトランジスタ５のＶｇ−Ｉｄｓ特性は、ゲート電圧Ｖｇが０Ｖで交わる。

このような特性のトランジスタ５に放射線が入射されると、既述の通り、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とが正の固定電荷により正に帯電する。トランジスタ５に入射される放射線量が４６Ｇｙの場合には、図２中の破線で表されるように、Ｖｇ−Ｉｄｓ特性が０Ｇｙの場合から負側にシフトしている。また、Ｖｇ−Ｉｄｓ特性の負側へのシフトにより閾値電圧もシフトしていることが考えられる。これは、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とが正に帯電したために、正に帯電した分だけ負側にシフトしたものと考えられる。

さらに、トランジスタ５に入射する放射線量を増加すると、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とに帯電する正の固定電荷の数が増加して、トランジスタ５のＶｇ−Ｉｄｓ特性も負側に、よりシフトしてしまう。放射線量が３９７Ｇｙ、６３９Ｇｙまで増加すると、回生電流（Ｉｂａｃｋ）も増加しており、トランジスタ５としてはほぼ機能しなくなっていることが分かる。

これに対して、放射線検出装置１に図１（Ａ）に示されるように、光電変換装置４に対して紫外線変換部３を配置する場合について説明する。この場合にも、放射線がトランジスタ５に入射されると、上記と同様に、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とは正に帯電する。

さらに、紫外線変換部３で放射線から波長変換された紫外線がトランジスタ５の半導体層５ｄに入射する。半導体層５ｄが多結晶シリコンで構成される場合には、当該多結晶シリコンはシリコンに結合された水素を含有する。なお、水素は多結晶シリコンの半導体層５ｄの製造するための材料に含有されている。このような半導体層５ｄに入射した紫外線により半導体層５ｄ内の水素結合が切れて、水素イオン（Ｈ⁺）が離脱して、半導体層５ｄは、図１（Ｃ）中の−（マイナス）で表される負イオンが発生して、負に帯電する。この時、ゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とが正に帯電しているのに対して、半導体層５ｄが負に帯電するために、互いの電界が相殺されることにより、トランジスタ５全体の電界がゼロに近づく。

このように、放射線検出装置１では、紫外線変換部３を設けることにより、光電変換装置４に入射する放射線を紫外線に変換するようにした。これにより、トランジスタ５のゲート絶縁膜５ｃ２と、層間絶縁膜５ｅ１，５ｅ３とが正に帯電すると共に、紫外線により半導体層５ｄが負に帯電して、トランジスタ５全体の電界がゼロに近づく。この結果、トランジスタ５の閾値電圧の負側へのシフトが抑制されて、放射線によるトランジスタ５の動作不良が防止されて、放射線を入射しても放射線検出装置１の信頼性が維持されるようになる。

［第２の実施の形態］
次に、上記の放射線検出装置を具体的により説明すると共に、トランジスタの一例としてボトムゲート型を適用した場合について説明する。

図３は、第２の実施の形態に係る放射線検出装置を説明するための図である。

なお、図３（Ａ）は放射線検出装置１０の側面模式図、図３（Ｂ）は放射線検出装置１０の光電変換装置４０の上面模式図である。

放射線検出装置１０は、図３（Ａ）に示されるように、紫外線発光層２０、可視光変換層（シンチレータ）３０及び光電変換装置４０を有しており、Ｘ線を紫外線発光層２０側から入射して、当該Ｘ線を検出する。

また、放射線撮像装置は、このような放射線検出装置１０と、画像処理装置（図示を省略）とを有し、検出したＸ線に対して画像処理装置で画像処理を実行して、Ｘ線の撮像を得ることができる。このため、放射線検出装置１０は、例えば、医療分野では、レントゲン装置、マンモグラフィー装置等のＸ線撮影で利用することができる。また、医療分野に限らず、材料、配管、構造物等の内部の検査等でも利用することができる。

紫外線発光層２０は、Ｘ線を３００〜３９０ｎｍ程度の波長の光、即ち、紫色の可視光から紫外線に波長変換する。このような紫外線発光層２０としては、主波長が３００ｍｍのリン酸ハフニウム（ＨｆＰ₂Ｏ₇）（膜厚：５００〜６００ｎｍ）を適用することができる。また、ブリッジマン法で単結晶のフッ化バリウム（ＢａＦ₂）（膜厚：２１０〜３１０ｎｍ）及びフッ化セシウム（ＣｅＦ₂）（膜厚：３００〜３４０ｎｍ）を順に積層するようにすることもできる。

上記の他、タリウム（Ｔｌ）を添加したリン酸カルシウム（Ｃａ₃（ＰＯ₄）₂：Ｔｌ⁺）、（以下、元素記号で表す）、（Ｃａ，Ｚｎ）₃（ＰＯ₄）₂：Ｔｌ⁺、ＳｒＭｇＰ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺、ＳｒＢ₄Ｏ₇Ｆ：Ｅｕ²⁺、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇：Ｐｂ²⁺、（Ｂａ，Ｍｇ，Ｚｎ）₃Ｓｉ₂Ｏ₇：Ｐｂ²⁺、ＢａＳｉ₂Ｏ₅：Ｐｂ²⁺、（Ｓｒ，Ｂａ）Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₈：Ｅｕ²⁺、ＣｅＭｇＡｌ₁₁Ｏ₁₉、（Ｃｅ，Ｇｄ）（Ｍｇ，Ｂａ）Ａｌ₁₁Ｏ₁₉：Ｅｕ²⁺、ＳｒＢ₄Ｏ₇：Ｅｕ²⁺、ＣｅＦ、ＢａＳＯ₄：Ｅｕ²⁺、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ²⁺、ＢａＦＢｒ：Ｅｕ²⁺、ＬｉＦ等を適用することもできる。また、これらの材料に限らず、Ｘ線を紫色の可視光から紫外線に波長変換することができるものであれば、紫外線発光層２０に適用することができる。また、紫外線発光層２０は、後述する可視光変換層３０に対して蒸着により形成することができる。

可視光変換層３０は、Ｘ線を可視光に波長変換する蛍光体である。このような蛍光体としては、例えば、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）にタリウム（Ｔｌ）を添加したもの、酸化硫黄カドミウム（Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ）にテルビウム（Ｔｂ）を添加したもの等を用いて、Ｘ線を緑色に発光させることができる。また、当該ヨウ化セシウムを利用する場合には、ヨウ化セシウムを蒸着により柱状結晶を形成して成膜することができる。また、可視光変換層３０の膜厚は１００〜１０００μｍ程度が望ましい。また、可視光変換層３０は当該ヨウ化セシウム、当該酸化硫黄カドミウムに限らず、Ｘ線を可視光に波長変換することができるものであれば、可視光変換層３０に適用することができる。

なお、紫外線発光層２０と可視光変換層３０との配置位置は、図３（Ａ）の場合に限らず、紫外線発光層２０が可視光変換層３０の下部に配置されていても構わない。また、紫外線発光層２０及び可視光変換層３０に入射するＸ線の一部は、紫外線及び可視光にそれぞれ変換されずに、紫外線発光層２０及び可視光変換層３０を透過する。

光電変換装置４０は、可視光変換層３０で波長変換された可視光を受光して、当該可視光に応じて電荷を発生し、発生した電荷に基づいて検出信号を出力して、Ｘ線を検出する。以下、光電変換装置４０を具体的に説明する。

光電変換装置４０は、図３（Ｂ）に示されるように、ガラス等の絶縁材料で構成される基板４１上に、画素部４２と、画素部４２の周囲に画素部４２に画素駆動線４７で行方向（画素行の画素の配列方向）に沿って接続された行走査部４３が配置されている。また、画素部４２の周囲に画素部４２に垂直信号線４８で列方向（画素列の画素の配列方向）に沿って接続された水平選択部４４が配置されている。水平選択部４４には水平信号線４９で接続された列走査部４５が配置されている。さらに、基板４１上には、行走査部４３、水平選択部４４及び列走査部４５をそれぞれ制御するシステム制御部４６が配置されている。なお、図３（Ｂ）では、画素駆動線４７及び垂直信号線４８については１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線４７及び垂直信号線４８の一端は行走査部４３及び列走査部４５の各行列に対応した出力端に接続されている。

画素部４２は、入射光の光線量に応じた電荷を発生する光電変換素子部と、光電変換素子で発生した電荷が入力されるＴＦＴ（Thin Film Transistor）部とを有する単位面積（以下、単に「画素トランジスタ」と記述）が行列状に２次元配置されている。また、ＴＦＴ部は入力された電荷に応じた検出信号を信号線に読み出して、画素トランジスタの外に配置したアンプ回路で電圧変換が実行される。なお、画素トランジスタの具体的な構成については後述する。

行走査部４３は、シフトレジスタ及びアドレスデコーダ等によって構成され、画素部４２を構成する各画素トランジスタを、例えば、行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部４３によって選択走査された画素行の各画素トランジスタから出力される信号は、垂直信号線４８の各々を通して水平選択部４４に供給される。水平選択部４４は、垂直信号線４８ごとに設けられたアンプ及び水平選択スイッチ等によって構成されている。

列走査部４５は、シフトレジスタ及びアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部４４の各水平選択スイッチを走査しつつ順番に駆動する。この列走査部４５による選択走査により、垂直信号線４８の各々を通して伝送される各画素トランジスタの信号に水平信号線４９に出力され、当該水平信号線４９を通して基板４１の外部へ伝送される。

なお、行走査部４３、水平選択部４４、列走査部４５及び水平信号線４９は回路もしくは外部制御ＩＣ（Integrated Circuit）あるいはその両方を併用して構成される。あるいは、それらの回路部分は、ケーブル等により接続された他の基板に形成されてもよい。

システム制御部４６は、基板４１の外部から与えられるクロック並びに動作モードを指令するデータ等を受け取り、また、光電変換装置４０の内部情報等のデータを出力する。システム制御部４６は、さらに、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種タイミング信号を元に行走査部４３、水平選択部４４及び列走査部４５等の周辺回路部の駆動制御を行う。

次に、光電変換装置４０の画素部４２を構成する画素トランジスタについて説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る画素トランジスタを説明するための図である。

画素トランジスタ４２ａは、上記の通り、ＴＦＴ部５０と光電変換素子部６０とを具備する。

まず、ＴＦＴ部５０について説明する。

画素トランジスタ４２ａは、ガラス基板等の絶縁基板５１上に、ゲート電極膜５２及びゲート絶縁膜５３が順に積層され、当該ゲート絶縁膜５３上に、ｐ型半導体層５４及び半導体層５５がそれぞれ積層されている。なお、ゲート電極膜５２は、導電部材により構成されており、例えば、チタン、アルミニウム、モリブデン、タングステンまたはクリプトンのうちの一種または複数からなる合成材料を適用することができる。また、ゲート絶縁膜５３は、酸化シリコンまたは酸窒化シリコン、あるいは、酸化シリコン、酸窒化シリコンまたは窒化シリコンのうち２種の積層膜により構成されている。半導体層５５は、多結晶シリコン、低温多結晶シリコン、微結晶シリコン、または、非結晶シリコンで構成されている。

ｐ型半導体層５４及び半導体層５５の上部には層間絶縁膜５６が設けられ、層間絶縁膜５６の上部には、読み出し用の信号線や各種の配線を含む配線層５７が形成されている。また、配線層５７上には層間絶縁膜５８が設けられている。なお、層間絶縁膜５６は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンのうちの一種または複数が積層されて構成されている。配線層５７は、導電部材により構成されており、例えば、チタン、アルミニウム、モリブデン、タングステンまたはクリプトンのうちの一種または複数からなる合成材料を適用することができる。また、層間絶縁膜５８は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは有機絶縁膜等で構成されている。

これら絶縁基板５１、ゲート電極膜５２、ゲート絶縁膜５３、半導体層５５、層間絶縁膜５６及び配線層５７によりＴＦＴ部５０が構成されている。なお、ＴＦＴ部５０の構成の詳細については後述する。

次いで、光電変換素子部６０について説明する。

層間絶縁膜５６，５８には、コンタクトホール６１が形成されている。層間絶縁膜５８の上部及びコンタクトホール６１にはｐ型及びｎ型の間の導電型からなるｉ型半導体層６２が形成されている。このｉ型半導体層６２の面積はコンタクトホール６１の上部側の開口面積よりも大きくなっている。ｉ型半導体層６２はｐ型半導体層５４とコンタクトホール６１を介して接している。

ｉ型半導体層６２の上には、このｉ型半導体層６２とほぼ同一形状のｎ型半導体層６３が積層されている。これらｐ型半導体層５４、ｉ型半導体層６２及びｎ型半導体層６３により光電変換素子部６０が構成されている。なお、図４に示される画素トランジスタ４２ａの光電変換素子部６０は、例えば、ＰＩＮ（Positive Intrinsic Negative）フォトダイオードである場合を示している。なお、光電変換素子部６０としては、ＰＩＮフォトダイオードに限らず、その他、ＭＩＳ（Metal Insulating Semiconductor）フォトダイオード等、光を電荷に変換することができる光電変換素子を適用することができる。

なお、この光電変換素子部６０において、ｐ型半導体層５４、ｉ型半導体層６２及びｎ型半導体層６３はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン等で形成することができる。これらのシリコン系材料に、ゲルマニウムまたは炭素等の材料を導入して、分光感度を変えるようにしてもよい。光電変換素子部６０としては、下部側をｎ型、上部側をｐ型にするような逆向きの構成でも構わない。

さらに、ｎ型半導体層６３の上には、光電変換素子部６０に対して規定の電圧を印加するための上部電極６４がＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜によって形成されている。上部電極６４の上には、この上部電極６４に電圧を供給するための電源配線６５が設けられている。電源配線６５は上部電極６４の透明導電膜よりも低抵抗の材料、即ち、チタン、アルミニウム、モリブデン、タングステン、クリプトン等によって構成されている。この上部電極６４上にはさらに、窒化シリコン等からなる保護膜（図示せず）が形成されていてもよい。

なお、このような画素トランジスタ４２ａを構成する各膜等は、熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を、各膜等に応じて、適宜利用して形成することができる。

次に、ＴＦＴ部５０についてさらに説明する。

図５は、第２の実施の形態に係るＴＦＴ部を説明するための図である。

なお、図５は、図４のＴＦＴ部５０を拡大したものである。

ＴＦＴ部５０は、図５に示されるように、絶縁基板５１上に、ゲート電極膜５２、ゲート絶縁膜５３、半導体層５５、層間絶縁膜５６及び配線層５７により構成されており、配線層５７上に層間絶縁膜５８が形成されている。

また、ＴＦＴ部５０では、例えば、低温多結晶シリコンで構成される半導体層５５が、Ｎ＋の半導体層５５ａと、ＬＤＤの半導体層５５ｂと、Ｐ−の半導体層５５ｃとを具備しており、ゲート絶縁膜５３が窒化シリコン膜５３ａ及び酸化シリコン膜５３ｂで構成されている。また、層間絶縁膜５６が酸化シリコン膜５６ａ、窒化シリコン膜５６ｂ及び酸化シリコン膜５６ｃが順に積層されて構成されている。なお、窒化シリコン膜５３ａ，５６ｂは水素を多く含有している。また、酸化シリコン膜５６ａ、窒化シリコン膜５６ｂ及び酸化シリコン膜５６ｃの膜厚はそれぞれ１５０ｎｍ、３００ｎｍ及び２００ｎｍ程度である。また、層間絶縁膜５８の膜厚は２００ｎｍ程度である。

このようなＴＦＴ部５０は、半導体層５５に低温多結晶シリコンを利用していることにより、多結晶シリコンを利用した場合よりも電子移動度が早くなり、高速動作が可能となる。

このような放射線検出装置１０のＴＦＴ部５０に入射されるＸ線の線量に応じたゲート電圧に対するドレイン電流について説明する。

図６は、第２の実施の形態に係るＴＦＴ部のゲート電圧に対するドレイン電流を示す図である。

なお、図６では横軸はゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を、縦軸はドレイン電流Ｉｄｓ［Ａ］をそれぞれ表している。

また、図６では、図５に示したＴＦＴ部５０のサンプルを形成し、このＴＦＴ部５０（Ｎチャネル）に予めＸ線（６０Ｇｙ）を入射しておく。Ｘ線が入射されたＴＦＴ部５０に対して、３０ジュール（Ｊ）、６０Ｊ、９０Ｊの紫外線（波長：３５０ｎｍ）をそれぞれ入射した場合のＴＦＴ部５０のゲート電圧に対するドレイン電流を表している。なお、図６のドレイン電圧は６Ｖ、ＴＦＴ部５０のチャネル幅及びチャネル長はそれぞれ２０．５μｍ及び５．２５μｍである。

まず、ＴＦＴ部５０にＸ線が入射されると、既述の通り、ゲート絶縁膜５３の酸化シリコン膜５３ｂと層間絶縁膜５６の酸化シリコン膜５６ａとでは、電子正孔対が生成される。生成された正孔が酸化シリコン膜５３ｂ，５６ａ中の欠陥、結晶粒界及び酸化シリコン膜５３ｂ，５６ａの界面等にトラップされると、正の固定電荷となり、ゲート絶縁膜５３及び層間絶縁膜５６が正に帯電する。このため、ＴＦＴ部５０のＶｇ−Ｉｄｓ特性は、Ｘ線の入射前と比較すると、負側にシフトする。なお、この時のＶｇ−Ｉｄｓ特性は図６の実線で表される。

そして、正に帯電したＴＦＴ部５０に、３０Ｊ、６０Ｊ、９０Ｊの紫外線をそれぞれ入射したＴＦＴ部５０のＶｇ−Ｉｄｓ特性についても図６に示している。

ＴＦＴ部５０の半導体層５５を構成する低温多結晶シリコンは、シラン（ＳｉＨ₄）とジシラン（ＳｉＨ₆）とを原料として形成されたアモルファスシリコンを加熱・冷却することにより形成される。このため、低温多結晶シリコンの半導体層５５では水素がシリコンに結合している箇所が存在する。また、ゲート絶縁膜５３の窒化シリコン膜５３ａと層間絶縁膜５６の窒化シリコン膜５６ｂとには、既述の通り、水素が多く含有されている。半導体層５５の欠陥（シリコンのダングリングボンド）に、これらの窒化シリコン膜５３ａ，５６ｂからの水素が結合している場合もある。

このような半導体層５５に入射した紫外線は、低温多結晶シリコンにおけるシリコンに結合した水素を切断する。切断された水素イオン（Ｈ⁺）が離脱すると、半導体層５５には水素イオンと結合していたシリコンイオン（Ｓｉ^-）が残存して、半導体層５５が負に帯電する。

また、入射する紫外線の入射線量に応じて水素イオンの離脱が増加すると共に、半導体層５５の負の帯電化も進行することから、図６に示されるように、紫外線の入射線量の増加に伴って、Ｖｇ−Ｉｄｓ特性が右（正）側にシフトする。

したがって、Ｘ線を入射して正に帯電したＴＦＴ部５０に紫外線を入射することにより、ＴＦＴ部５０を負に帯電することができる。この結果、Ｘ線によってゲート絶縁膜５３の酸化シリコン膜５３ｂと層間絶縁膜５６の酸化シリコン膜５６ａとが正に電荷しても、ＴＦＴ部５０全体としては電界をほぼゼロに近づけることができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、光電変換装置４０の画素トランジスタ４２ａに別のＴＦＴ部を適用した場合について説明する。

図７は、第３の実施の形態に係るＴＦＴ部を説明するための図である。

ＴＦＴ部１５０は、図７に示されるように、ＴＦＴ部５０に対し、層間絶縁膜５６において、半導体層５５上に、新たに、酸化シリコン膜５６ａ１、ゲート電極膜１５２、酸化シリコン膜５６ａ２を順に積層したトランジスタである。その他については図５のＴＦＴ部５０と同様の構成をなしており、ゲート電極膜１５２は、半導体層５５を挟んでゲート電極膜５２と対向配置している。

このような放射線検出装置１０のＴＦＴ部１５０に入射されるＸ線量に応じたゲート電圧に対するドレイン電流について説明する。

図８は、第３の実施の形態に係るＴＦＴ部のゲート電圧に対するドレイン電流を示す図である。

なお、図８では横軸はゲート電圧Ｖｇ［Ｖ］を、縦軸はドレイン電流Ｉｄｓ［Ａ］をそれぞれ表している。

また、図８も、図７に示したＴＦＴ部１５０（Ｎチャネル）のサンプルを形成して、図６と同様に、Ｘ線（６０Ｇｙ）の入射後、紫外線（３０Ｊ、６０Ｊ、９０Ｊ）の入射を行って、それぞれの場合におけるゲート電圧に対するドレイン電流について表している。なお、図６と同様に、図８のドレイン電圧は６Ｖ、ＴＦＴ部５０のチャネル幅及びチャネル長はそれぞれ２０．５μｍ及び５．２５μｍである。

この結果によれば、図６の場合と同様に、紫外線の入射線量の増加に伴って、Ｖｇ−Ｉｄｓ特性が右（正）側にシフトしている。なお、この場合には回生電流が、紫外線の入射線量の増加に伴って回復している。即ち、この場合では、ゲート電極膜１５２を新たに形成したにも関わらず、図５と同様に、入射する紫外線の入射線量に応じて水素イオンの離脱が増加すると共に、半導体層５５が負に帯電したものと考えられる。

したがって、Ｘ線を入射して正に帯電したＴＦＴ部１５０に紫外線を入射することにより、ＴＦＴ部１５０を負に帯電することができる。この結果、Ｘ線によってゲート絶縁膜５３の酸化シリコン膜５３ｂと層間絶縁膜５６の酸化シリコン膜５６ａ１，５６ａ２とが正に電荷しても、ＴＦＴ部１５０全体としては電界をほぼゼロに近づけることができる。

次に、上記の第２及び第３の実施の形態における紫外線が入射されたＴＦＴ部５０，１５０の様々な特性について説明する。

まず、ＴＦＴ部５０，１５０の閾値電圧について説明する。

図９は、第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対する閾値電圧を示す図である。

なお、図９では、横軸は紫外線（ＵＶ）入射量［Ｊ］を、縦軸は閾値電圧（Ｖｔｈ）［Ｖ］をそれぞれ表している。また、実線はＴＦＴ部５０を、破線はＴＦＴ部１５０をそれぞれ表している。

この結果によれば、ＴＦＴ部５０，１５０の両方の場合において、紫外線の入射量が増加するに伴って、閾値電圧が増加している。

これは、紫外線の入射量に応じたＶｇ−Ｉｄｓ特性の変化と同様の理由が考えられる。即ち、入射する紫外線の入射線量に応じて水素イオンの離脱が増加すると共に、ＴＦＴ部５０，１５０の半導体層５５の負の帯電化も進行することから、図９に示されるように、紫外線の入射線量の増加に伴って、閾値電圧が増加（正にシフト）していると考えられる。

次いで、ＴＦＴ部５０，１５０の相互コンダクタンスについて説明する。

図１０は、第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対する相互コンダクタンスを示す図である。

なお、図１０では、横軸はＵＶ入射量［Ｊ］を、縦軸は、相互コンダクタンスの最大値（Ｇｍｍａｘ）［Ｓ］をそれぞれ表している。

この結果によれば、紫外線の入射量に応じて、ＴＦＴ部５０，１５０の相互コンダクタンスの最大値はほとんど変化しないことが分かる。即ち、ゲート電圧の増加に対するドレイン電流の増加率は、紫外線の入射に依存しておらず、ＴＦＴ部５０，１５０の動作速度は悪影響を受けていないことが考えられる。

最後に、ＴＦＴ部５０，１５０のサブスレッショルドスイング値について説明する。

図１１は、第２，３の実施の形態に係るＴＦＴ部の紫外線入射量に対するサブスレッショルドスイング値を示す図である。

なお、図１１では、横軸はＵＶ入射量［Ｊ］を、縦軸はサブスレッショルドスイング（Ｓ）値をそれぞれ表している。

この結果によれば、図１０の場合と同様に、紫外線の入射量に応じて、ＴＦＴ部５０，１５０のサブスレッショルドスイング値はほとんど変化しないことが分かる。即ち、ゲート電流を変化させるために要するゲート電圧は紫外線の入射に依存しておらず、ＴＦＴ部５０，１５０のゲート電圧の制御性が低下していないことが考えられる。

したがって、図９〜図１１の結果によれば、紫外線が入射されたＴＦＴ部５０，１５０の相互コンダクタンス及びサブスレッショルドスイング値が変化しないため、ＴＦＴ部５０，１５０の性能を劣化させずに、閾値電圧のみをシフトさせることが可能となる。

このように、放射線検出装置１０では、紫外線発光層２０を設けることにより、光電変換装置４０に入射するＸ線を紫外線に変換するようにした。これにより、ＴＦＴ部５０，１５０のゲート絶縁膜５３及び層間絶縁膜５６がＸ線により正に帯電すると共に、紫外線により半導体層５５が負に帯電して、ＴＦＴ部５０，１５０全体の電界がゼロに近づく。このため、ＴＦＴ部５０，１５０の閾値電圧の負側へのシフトが抑制される。また、ＴＦＴ部５０，１５０は、紫外線が入射されても、相互コンダクタンス及びサブスレッショルドスイング値は変化しないため、他の特性に影響を与えずに、閾値電圧のみをシフトすることができる。この結果、Ｘ線によるＴＦＴ部５０，１５０の動作不良が防止されて、Ｘ線を入射しても放射線検出装置１０の信頼性が維持されるようになる。

１，１０……放射線検出装置、２……可視光変換部、３……紫外線変換部、４，４０……光電変換装置、５……トランジスタ、５ａ，４１……基板、５ｂ，５２，１５２……ゲート電極膜、５ｃ，５ｃ１，５ｃ２，５３……ゲート絶縁膜、５ｄ，５ｄ１，５ｄ２，５ｄ３，５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ……半導体層、５ｅ，５ｅ１，５ｅ２，５ｅ３……層間絶縁膜、５ｆ……電極層、２０……紫外線発光層、３０……可視光変換層、４２……画素部、４２ａ……画素トランジスタ、４３……行走査部、４４……水平選択部、４５……列走査部、４６……システム制御部、４７……画素駆動線、４８……垂直信号線、４９……水平信号線、５０，１５０……ＴＦＴ部、５１……絶縁基板、５３ａ，５６ｂ……窒化シリコン膜、５３ｂ，５６ａ，５６ａ１，５６ａ２，５６ｃ……酸化シリコン膜、５４……ｐ型半導体層、５６，５８……層間絶縁膜、５７……配線層、６０……光電変換素子部、６１……コンタクトホール、６２……ｉ型半導体層、６３……ｎ型半導体層、６４……上部電極、６５……電源配線

Claims (11)

1. 放射線を入射して、
   入射した前記放射線を光に変換し、前記光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、
   前記光電変換素子で発生した前記電荷に対応する検出信号を出力するトランジスタと、
   前記トランジスタに入射する前記放射線を紫外線に変換する紫外線変換部と、
   を有する放射線検出装置。
2. 前記トランジスタは、ゲート絶縁膜を有する請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記トランジスタは、前記ゲート絶縁膜と積層構造をなす半導体層を有する請求項２記載の放射線検出装置。
4. 前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜を有する請求項２記載の放射線検出装置。
5. 前記半導体層は、多結晶シリコン、低温多結晶シリコン、微結晶シリコンまたは非結晶シリコンを有する請求項３記載の放射線検出装置。
6. 前記トランジスタは、前記光電変換素子で発生した前記電荷に対応する検出信号が入力され、前記ゲート絶縁膜と積層構造をなすゲート電極膜を有する請求項２記載の放射線検出装置。
7. 前記トランジスタは、前記ゲート電極膜に対して半導体層を挟んで対向する側に別のゲート電極膜をさらに有する請求項６記載の放射線検出装置。
8. 前記光電変換素子に入射する前記放射線を可視光に変換する可視光変換部をさらに有する請求項１記載の放射線検出装置。
9. 前記トランジスタは、前記半導体層と積層構造をなす層間絶縁膜を有する請求項３記載の放射線検出装置。
10. 前記層間絶縁膜は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜を有する請求項９記載の放射線検出装置。
11. 放射線を入射して、
    入射した前記放射線を光に変換し、前記光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した前記電荷に対応する検出信号を出力するトランジスタと、前記トランジスタに入射する前記放射線を紫外線に変換する紫外線変換部とを有する放射線検出装置と、
    前記放射線検出装置で検出した前記検出信号を画像処理して画像を表示する画像表示処理部と、
    を有する放射線撮像装置。

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