JP2012159483A - 放射線撮像装置および放射線撮像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】画素トランジスタにおける被曝量を軽減することが可能な放射線撮像装置を提供する。
【解決手段】放射線撮像装置１は、画素部１２において、第１基板１１上に、画素トランジスタおよびフォトダイオードを含む光電変換部１１１、絶縁膜１１２、保護膜１１３、第２基板１１４、レンズアレイ１１５、平坦化膜１１６およびシンチレータ層１１７がこの順に設けられている。放射線は、シンチレータ層１１７において波長変換された後、第２基板１１４を透過して第１基板１１に設けられた光電変換部１１１へ到達する。波長変換後の光が、フォトダイオードにおいて受光され、その受光量に対応する電気信号が取得される。第２基板１１４が放射線遮蔽機能を有することにより、波長変換されずにシンチレータ層１１７を透過した放射線が第１基板１１へ到達しにくくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば医療用や非破壊検査用のＸ線撮影に好適な放射線撮像装置に関する。

近年、画像を電気信号として取得する手法（光電変換による撮像手法）として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを用いた手法が主流となっている。これらのイメージセンサでの撮像エリアは、結晶基板（シリコンウェハ）のサイズに制限されることとなる。ところが、特にＸ線を使用して撮像を行う医療分野等では、撮像エリアの大面積化が要求されており、また動画性能に対する需要も高まりつつある。

例えば、人体の胸部Ｘ線撮影装置として、放射線写真フィルムを介さずに、直接電気信号として得る次のような放射線撮像装置が用いられている。即ち、フォトダイオード等の光電変換素子および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含む回路基板上に波長変換層を設けたものである。このような構成により、装置へ入射した放射線は波長変換層において可視光に変換され、この可視光が光電変換素子において受光される。ＴＦＴを含む回路により光電変換素子の読み出しがなされ、電気信号が得られるようになっている。このようなＴＦＴは、例えばゲート電極とチャネルを形成する半導体層との間にゲート絶縁膜を有しており、光電変換素子毎（撮像画素毎）に配設されている。

ところが、上記ＴＦＴのゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を用いた場合（あるいは、酸化シリコンを含む積層膜を用いた場合）、ゲート絶縁膜中に放射線が取り込まれると、光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により膜中の電子が励起される。その結果、正孔が界面や欠陥にトラップされて残存し、これによって閾値電圧（Ｖth）が負にシフトしてしまう（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−８４２６号公報

一方、上記放射線撮像装置では、波長変換層へ入射する放射線の中に、波長変換層をそのまま（可視光へ変換されずに）透過するものがある。このため、ＴＦＴが少なからず被曝し、上記のような正の固定電荷の蓄積によるトランジスタ特性劣化が生じる。従って、ＴＦＴにおける被曝量を軽減することが可能な放射線撮像装置の実現が望まれている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、画素トランジスタにおける被曝量を軽減することが可能な放射線撮像装置を提供することにある。

本発明の放射線撮像装置は、第１基板上に画素トランジスタと共に設けられた光電変換素子と、放射線の波長を光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換層と、光電変換素子と波長変換層との間に設けられ、上記感度域の波長に対して透明性を有すると共に放射線遮蔽機能を有する第２基板とを備えたものである。

本発明の放射線撮像装置では、入射した放射線は、波長変換層において波長変換された後、第２基板を透過して第１基板へ到達する。これにより、波長変換後の光は、第１基板上に画素トランジスタと共に設けられた光電変換素子において受光され、その受光量に対応する電気信号（撮像データ）が取得される（光電変換される）。第２基板が放射線遮蔽機能を有することにより、波長変換されずに波長変換層を透過してしまった放射線がある場合にも、そのような放射線が第１基板へ到達しにくい。

本発明の放射線撮像表示システムは、放射線に基づく画像を取得する撮像装置（上記本発明の放射線撮像装置）と、この撮像装置により取得された画像を表示する表示装置とを備えたものである。

本発明の放射線撮像装置および放射線撮像表示システムによれば、第１基板上に画素トランジスタと共に設けられた光電変換素子と、放射線の波長変換を行う波長変換層との間に第２基板を設け、この第２基板が放射線遮蔽機能を有するようにしたので、波長変換層を波長変換されずに透過した放射線を、第１基板へ到達する前に遮蔽することができる。従って、画素トランジスタにおける被曝量を軽減することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る放射線撮像装置の全体構成を表す機能ブロック図である。 図１に示した画素部の断面構造を表す模式図である。 図２に示した光電変換部における回路構成の一例である。 図３に示したフォトダイオードおよびトランジスタの断面構造を表す模式図である。 図２に示したレンズアレイと単位画素との配置関係を表す模式図である。 マイクロレンズの光学設計の一例である。 図２に示したシンレータ層材料のＸ線吸収率と管電圧との関係を表す特性図である。 図２に示した画素部の作製方法を説明するための断面模式図である。 図８に続く工程を表す断面図である。 図９に続く工程を表す断面図である。 比較例に係る画素部の概略構成について表す断面図である。 放射線照射による閾値電圧のシフトについて説明するための特性図である。 ガラス板厚と放射線透過率との関係を表す特性図である。 変形例１に係る画素回路構成（パッシブ駆動方式）の一例である。 適用例に係る放射線撮像表示システムの全体構成を表す模式図である。 他の変形例に係る画素部の概略構成を表す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。尚、説明は以下の順序で行う。

・実施の形態（光電変換部とシンチレータ層との間にガラス基板およびレンズアレイを配置した例）
１．構成
２．製造方法
３．作用、効果

＜実施の形態＞
［構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係る放射線撮像装置（放射線撮像装置１）の全体構成を表すものである。放射線撮像装置１は、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を波長変換して受光し、放射線に基づく画像情報を読み取るものである。この放射線撮像装置１は、医療用をはじめ、手荷物検査等のその他の非破壊検査用のＸ線撮像装置として好適に用いられるものである。

放射線撮像装置１は、第１基板１１上に画素部１２を有し、この画素部１２の周囲には、例えば行走査部１３、水平選択部１４、列走査部１５およびシステム制御部１６からなる周辺回路部（駆動部）が設けられている。

画素部１２は、放射線撮像装置１における撮像エリアとなるものである。この画素部１２には、入射光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換部（後述の光電変換部１１１）を含む単位画素１２ａ（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行列状に２次元配置されている。単位画素１２ａには、画素駆動線１７として例えば２本の配線（具体的には行選択線およびリセット制御線）が画素行ごとに設けられている。

画素部１２には更に、行列状の画素配列に対して画素行ごとに画素駆動線１７が行方向（画素行の画素の配列方向）に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線１８が列方向（画素列の画素の配列方向）に沿って配線されている。画素駆動線１７は、画素からの信号読み出しのための駆動信号を伝送するものである。図１では、画素駆動線１７について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１７の一端は、行走査部１３の各行に対応した出力端に接続されている。この画素部１２の構成については後述する。

行走査部１３は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素部１２の各画素１２ａを、例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部１３によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線１８の各々を通して水平選択部１４に供給される。水平選択部１４は、垂直信号線１８ごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。

列走査部１５は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部１４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１５による選択走査により、垂直信号線１８の各々を通して伝送される各画素の信号が順番に水平信号線１９に出力され、当該水平信号線１９を通して基板１１の外部へ伝送される。

行走査部１３、水平選択部１４、列走査部１５および水平信号線１９からなる回路部分は、基板１１上に直に形成された回路であってもよいし、あるいは外部制御ＩＣに配設されたものであってもよい。また、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いてもよい。

システム制御部１６は、基板１１の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータなどを受け取り、また、放射線撮像装置１の内部情報などのデータを出力する。システム制御部１６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のタイミング信号を基に行走査部１３、水平選択部１４および列走査部１５などの周辺回路部の駆動制御を行う。

［画素部１２の詳細構成］
図２は、画素部１２の断面構造を表したものである。画素部１２は、第１基板１１上に、画素１２ａ毎に光電変換部１１１を有し、これらの光電変換部１１１上に、層間絶縁膜等よりなる絶縁膜１１２が形成されている。この絶縁膜１１２上には、例えば保護膜１１３が設けられている。尚、絶縁膜１１２と保護膜１１３との間には、図示しない平坦化膜が設けられていてもよいし、保護膜１１３が平坦化膜を兼ねていてもよい。

この保護膜１１３上には、第２基板１１４、レンズアレイ１１５、平坦化膜１１６およびシンチレータ層１１７（波長変換層）が例えばこの順に設けられている。即ち、画素部１２では、その最も光入射側（第１基板１１から遠い側）に、シンチレータ層１１７が配置され、このシンチレータ層１１７と保護膜１１３との間に、第２基板１１４と、レンズアレイ１１５が設けられた積層構造となっている。以下、画素部１２の要部の構成について具体的に説明する。

（光電変換部１１１の回路構成）
図３は、光電変換部１１１の回路構成の一例である。光電変換部１１１は、フォトダイオード１１１Ａ（光電変換素子）と、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３（後述のトランジスタ１１１Ｂに相当）と、前述の垂直信号線１８と、画素駆動線１７としての行選択線１７１およびリセット制御線とを含むものである。

フォトダイオード１１１Ａは、例えばＰＩＮ(Positive Intrinsic Negative Diode) フォトダイオードであり、例えばその感度域が可視域である（受光波長帯域が可視域である）。このフォトダイオード１１１Ａは、カソード（端子１３３）に基準電位Ｖxrefが印加されることで、入射光の光量（受光量）に応じた電荷量の信号電荷を発生するものである。フォトダイオード１１１Ａのアノードは蓄積ノードＮに接続されている。蓄積ノードＮには容量成分１３１が存在し、フォトダイオード１１１Ａで発生した信号電荷は蓄積ノードＮに蓄積される。尚、フォトダイオード１１１Ａを蓄積ノードＮとグランド（ＧＮＤ）との間に接続した構成としてもよい。

トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３（画素トランジスタ）はいずれも、例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタであり、例えば微結晶シリコンまたは多結晶シリコン等のシリコン系半導体が用いられている。あるいは、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩｎＧａＺｎＯ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物半導体が用いられていてもよい。

トランジスタＴｒ１は、リセットトランジスタであり、参照電位Ｖrefが与えられる端子１３２と蓄積ノードＮとの間に接続されている。このトランジスタＴｒ１は、リセット信号Ｖrstに応答してオンすることによって蓄積ノードＮの電位を参照電位Ｖrefにリセットするものである。トランジスタＴｒ２は、読出トランジスタであり、ゲートが蓄積ノードＮに、端子１３４（ドレイン）が電源ＶＤＤにそれぞれ接続されている。このトランジスタＴｒ２は、フォトダイオード１１１Ａで発生した信号電荷をゲートで受け、当該信号電荷に応じた信号電圧を出力する。トランジスタＴｒ３は、行選択トランジスタであり、トランジスタＴｒ２のソースと垂直信号線１８との間に接続されており、行走査信号Ｖreadに応答してオンすることにより、トランジスタＴｒ２から出力される信号を垂直信号線１８に出力する。このトランジスタＴｒ３については、トランジスタＴｒ２のドレインと電源ＶＤＤとの間に接続する構成を採ることも可能である。

（光電変換部１１１の断面構成）
図４は、光電変換部１１１の断面構成の一例である。但し、図４では、簡便化のため、フォトダイオード１１１Ａと、上記３つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔ ｒ３のうち１つのトランジスタ（トランジスタ１１１Ｂとする）の積層構造について示している。

フォトダイオード１１１Ａは、ガラス等よりなる第１基板１１上の選択的な領域に、ゲート絶縁膜１２１を介してｐ型半導体層１２２を有している。第１基板１１上（詳細にはゲート絶縁膜１２１上）には、また、そのｐ型半導体層１２２に対向してコンタクトホール（貫通孔）Ｈを有する第１層間絶縁膜１１２Ａが設けられている。第１層間絶縁膜１１２ＡのコンタクトホールＨにおいて、ｐ型半導体層１２２上にはｉ型半導体層１２３が設けられており、このｉ型半導体層１２３上にはｎ型半導体層１２４が形成されている。ｎ型半導体層１２４に、第２層間絶縁膜１１２Ｂのコンタクトホールを介して上部電極１２５が接続されている。尚、ここでは、基板側（下部側）にｐ型半導体層１２２、上部側にｎ型半導体層１６をそれぞれ設けた例を挙げたが、これと逆の構造、即ち下部側（基板側）をｎ型、上部側をｐ型とした構造であってもよい。

ゲート絶縁膜１２１は、例えば、トランジスタ１１１Ｂにおけるゲート絶縁膜と同一の層として形成され、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜、あるいは酸化シリコン膜および酸窒化シリコン膜および窒化シリコン膜等の絶縁膜を積層したものである。

ｐ型半導体層１２２は、例えば多結晶シリコン（ポリシリコン）あるいは微結晶シリコンに、例えばボロン（Ｂ）がドープされてなるｐ＋領域であり、厚みは例えば４０ｎｍ〜５０ｎｍである。このｐ型半導体層１２２は、例えば信号電荷を読み出すための下部電極（アノード）を兼ねており、前述の蓄積ノードＮに接続されている（あるいは、ｐ型半導体層１２２が蓄積ノードＮとなって、電荷を蓄積させるようになっている）。

第１層間絶縁膜１１２Ａは、例えば酸化シリコン膜および窒化シリコン膜等の絶縁膜を積層したものである。この第１層間絶縁膜１１２Ａは、例えばトランジスタ１１１Ｂにおける層間絶縁膜と同一層として形成されている。第２層間絶縁膜１１２Ｂは、例えば酸化シリコン膜により構成されている。尚、これらの第１層間絶縁膜１１２Ａおよび第２層間絶縁膜１１２Ｂが、前述の絶縁膜１１２に相当するものである。

ｉ型半導体層１２３は、ｐ型とｎ型の中間の導電性を示す半導体層、例えばノンドープの真性半導体層であり、例えば非結晶シリコン（アモルファスシリコン）により構成されている。ｉ型半導体層１２３の厚みは、例えば４００ｎｍ〜１０００ｎｍであるが、厚みが大きい程、光感度を高めることができる。ｎ型半導体層１２４は、例えば非結晶シリコン（アモルファスシリコン）により構成され、ｎ＋領域を形成するものである。このｎ型半導体層１２４の厚みは例えば、１０ｎｍ〜５０ｎｍである。

上部電極１２５（カソード）は、光電変換のための基準電位を供給するための電極であり、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜により構成されている。この上部電極１２５には、この上部電極１２５に電圧を供給するための電源配線１２７が接続されている。電源配線１２７は上部電極１２５よりも低抵抗の材料、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等によって構成されている。

トランジスタ１１１Ｂでは、第１基板１１上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等からなるゲート電極１２０が形成され、このゲート電極１２０上にはゲート絶縁膜１２１が形成されている。ゲート絶縁膜１２１の上に半導体層１２６が形成されており、この半導体層１２６には、リーク電流を低減するためにチャネル領域とドレイン・ソース領域との間にＬＤＤ(Lightly Doped Drain) １２６ａ，１２６ｂが設けられている。半導体層１２６は例えば多結晶シリコン、低温多結晶シリコン、微結晶シリコン、単結晶シリコンまたは非結晶シリコンにより構成されている。半導体層１２６上に設けられた第１層間絶縁膜１１２Ａには、読出し用の信号線や各種の配線を含む配線層１２８がＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等によって形成されている。

（第２基板１１４）
第２基板１１４は、例えば可視光に対して高い透明性を有するガラスやプラスチック等により構成されている。但し、この第２基板１１４は、フォトダイオード１１１Ａにおける感度域の光に対して透明性を有する材料であればよく、必ずしも可視域に限定されるものではない。

第２基板１１４は、上記のような透明性を有する一方、放射線遮蔽機能を有しており、即ち、放射線（電磁波）に対する阻止能を有している。このような阻止能は、原始番号の大きな（密度の高い）物質を含有する程、高いものとなる。このような第２基板１１４としては、例えば無アルカリガラス（例えば旭硝子（株）製ＡＮ１００）や、パラジウムやバリウムを含有させたガラス等が好適に用いられる。０．７ｍｍの厚みの無アルカリガラスを用いた場合には、管電圧８０ｋＶで１８％、管電圧１４０ｋＶで２６％も放射線透過率を減弱することができる（後述の図１３参照）。また、パラジウムやバリウムの含有により、鉛フリーのガラス基板を用いて放射線（Ｘ線）遮蔽率を高めることができる。

尚、上記のようなガラスにおける放射線の阻止能をＳとすると、この阻止能Ｓは、ある物質中における飛跡の単位長当たりのエネルギー損失で定義され、以下の式（１）で表される。これは、ベーテの式（２）により、ＮＺに依存する。但し、υを入射粒子の速度、ｅを入射粒子の電荷（電子の素電荷）、ｚを入射粒子の電荷（核電荷数：原子番号）、Ｉをイオン化ポテンシャル、Ｎを単位面積あたりの吸収物質原子個数、Ｚを吸収物質の原子番号、ｍ０を入射粒子の静止質量とする。

このような第２基板１１４の光入射側（シンチレータ層１１７側）および光出射側（保護膜１１３側）の一方または両方（ここでは、光入射側）に、レンズアレイ１１５が配置されている。平坦化膜１１６は、このレンズアレイ１１５の表面の凹凸を平坦化するために形成されている。

（レンズアレイ１１５）
図５は、レンズアレイ１１５と、単位画素１２ａの配置関係を模式的に表したものである。レンズアレイ１１５は、複数のマイクロレンズ１１５ａが２次元配列してなるものであり、各マイクロレンズ１１５ａは、単位画素１２ａに対向して設けられている（単位画素１２ａ毎にマイクロレンズ１１５ａが配置されている）。このレンズアレイ１１５ａは、光電変換部１１１の受光面が、各マイクロレンズ１１５ａの焦点面に略一致するように設計、配置されている。但し、このような１画素に１つのマイクロレンズが配設された構成に限定されず、複数の画素１２ａ（例えばｍ×ｎの画素１２ａからなる領域；ｍ，ｎは１以上の整数）に対して１つのマイクロレンズ１１５ａが配設されていてもよい。

詳細には、図６に示したように、マイクロレンズ１１５ａの光入射側の物質（平坦化膜１１６）の屈折率をＡ、マイクロレンズ１１５ａの屈折率をＢ、光出射側の物質（第２基板１１４）の屈折率をＣとした場合、Ａ＜Ｂであれば、マイクロレンズ１１５ａは、凸レンズとなり、反対にＡ＞Ｂであれば、凹レンズとなるように設計される。例えば、画素ピッチ（幅）を１５０μｍ、屈折率Ａ＝１．３８、屈折率Ｂ＝１．５８、屈折率Ｃ＝１．５２、レンズ直径Ｐ＝１５０μｍ、レンズ高さＤ＝３５μｍ、曲率半径Ｒ＝１０３μｍに設計した場合、マイクロレンズ１１５ａの焦点距離ｄ１は約５７０μｍとなる。即ち、このマイクロレンズ１１５ａの焦点距離に応じて、第２基板１１４の厚みが設定されている。あるいは、第２基板１１４の厚みに応じて、マイクロレンズ１１５ａのレンズ設計がなされている。尚、このレンズアレイ１１５は、上記第２基板１１４と同様に、放射線遮蔽機能を有していてもよい。

（シンチレータ層１１７）
シンチレータ層１１７は、放射線をフォトダイオード１１１Ａの感度域に波長変換するものである。このシンチレータ層１１７は、例えばＸ線を可視光に変換する蛍光体が用いられる。このような蛍光体としては、例えば、ＣｓＩ，Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ，ＢａＦＸ（ＸはＣｌ，Ｂｒ，Ｉ等）等が挙げられる。シンチレータ層１１７の厚みは例えば４００μｍ〜６００μｍである。尚、これらの蛍光体材料は水分によって劣化し易いものが多いため、シンチレータ層１１７上には、例えばパリレンＣよりなる有機保護膜（図示せず）が設けられていることが望ましい。

ここで、図７に、上記材料のうちのＣｓＩ（４００ｍｍ）とＧｄ₂Ｏ₂Ｓ（３７０ｍｍ）とにおける管電圧とＸ線吸収率との関係を示す。このように、ＣｓＩは、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓに比べ、Ｘ線吸収率が高いことがわかる。即ち、ＣｓＩでは、発光強度がＧｄ₂Ｏ₂Ｓに比べて高く、透過するＸ線も少なくなる。

［製造方法］
次に、放射線撮像装置１における画素部１２の作製方法について説明する。画素部１２は、例えば次のようにして作製することができる。図８〜図１０は、画素部１２の作製方法を工程順に説明するための断面図である。

まず、所定の放射線遮蔽機能を発揮するような組成を有する第２基板１１４を用意し、図８（Ａ）に示したように、この第２基板１１４の一主面に、光学基材（図示せず）を塗布した後、例えばフォトレジスト等よりなる樹脂層１１５０を成膜する。続いて、図８（Ｂ）に示したように、例えばフォトリソグラフィ法を用いて、樹脂層１１５０を露光および現像することにより、格子状に細分化する。これにより、パターン層１１５ｂを形成する。この後、図８（Ｃ）に示したように、形成したパターン層１１５ｂを熱処理（熱フロー）することにより、曲面（レンズ形状）を形成する。このようにして、複数のマイクロレンズ１１５ａからなるレンズアレイ１１５を形成する。

尚、レンズアレイ１１５は、上記のような手法（いわゆるレジストリフロー法）に限定されず、他の様々な手法により形成可能である。例えば、第２基板１１４上に光学基材を塗布し、インプリント法によりレンズ形状を転写することにより、形成するようにしてもよい。また、グレースケールマスクによりフォトレジストを露光および現像することにより、グレースケールに応じた立体的なレンズ形状を形成するようにしてもよい。

次に、図９（Ａ）に示したように、レンズアレイ１１５上に、有機材料よりなる平坦化膜１１６を成膜して、レンズアレイ１１５の表面を平坦化する。尚、この平坦化膜１１６上には、必要に応じて、例えば窒化シリコンよりなる保護膜を成膜してもよい。続いて、図９（Ｂ）に示したように、その平坦化膜１１６上（あるいは保護膜を形成した場合には保護膜上）に、上述した材料よりなるシンチレータ層１１７を、例えば蒸着法により形成する。また、シンチレータ層１１７として、特に吸湿性の高い材料（例えばＣｓＩ等）を用いる場合には、このシンチレータ層１１７上に、パリレンＣよりなる保護膜を、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により形成することが望ましい。

この一方で、例えばガラスよりなる第１基板１１を用意し、第１基板１１上に、光電変換部１１１（フォトダイオード１１１Ａ，トランジスタ１１１Ｂ含む）と、絶縁膜１１２とを、公知の薄膜プロセスにより形成した後、保護膜１１３を例えばＣＶＤ法により成膜しておく。

最後に、図１０に示したように、第２基板１１４の下面（シンチレータ層１１７が設けられていない側の面）と保護膜１１３とが向かい合うように、第１基板１１と第２基板１２とを重ね合わせた後、これらを、例えば外周をシールすることにより貼り合わせる。重ね合わせの際には、第２基板１１４には、アライメントマークを形成しておく。以上により、図２に示した画素部１２を作製することができる。

［作用・効果］
本実施の形態の作用、効果について、図１〜図６および図１１〜図１３を参照して説明する。放射線撮像装置１では、図示しない放射線（例えばＸ線）照射源から照射され、被写体（検出体）を透過した放射線を取り込み、この放射線を波長変換した後に光電変換することによって、被写体の画像を電気信号として得る。詳細には、放射線撮像装置１に入射した放射線は、まず、シンチレータ層１１７において、光電変換部１１１（即ちフォトダイオード１１１Ａ）の感度域（ここでは可視域）の波長に変換される。そして、この波長変換後の光は、シンチレータ層１１７を出射すると、平坦化層１１６、レンズアレイ１１５、第２基板１１４、保護膜１１３および絶縁膜１１２を順に透過し、光電変換部１１１へ入射する。

光電変換部１１１では、フォトダイオード１１１Ａに、図示しない電源配線から上部電極１２５を介して所定の電位が印加されると、例えば上部電極１２５の側から入射した光を、その受光量に応じた電荷量の信号電荷に変換する（光電変換がなされる）。この光電変換によって発生した信号電荷は、ｐ型半導体層１２２の側から光電流として取り出される。

詳細には、フォトダイオード１１１Ａにおける光電変換によって発生した電荷は、蓄積層（ｐ型半導体層１２２，蓄積ノードＮ）により収集され、この蓄積層から電流として読み出され、トランジスタＴｒ２（読出トランジスタ）のゲートに与えられる。トランジスタＴｒ２は当該信号電荷に応じた信号電圧を出力する。トランジスタＴｒ２から出力される信号は、行走査信号Ｖreadに応答してトランジスタＴｒ３がオンすると、垂直信号線１８に出力される（読み出される）。読み出された信号は、垂直信号線１８を介して画素列ごとに、水平選択部１４へ出力される。

本実施の形態では、上記のようにして、入射した放射線（Ｘ線）の波長変換および光電変換により電気信号（撮像データ）が取得されるが、この一方で、シンチレータ層１１７において波長変換されずに、シンチレータ層１１７を透過してしまう光が存在する。このような放射線が、光電変換部１１１へ入射すると、特にトランジスタ１１１Ｂにおいて次のような不具合が生じる。即ち、トランジスタ１１１Ｂは、酸化シリコン膜を含むゲート絶縁膜１２１を有するが、このゲート絶縁膜１２１中に放射線が取り込まれると、光電効果、コンプトン散乱あるいは電子対生成等により膜中の電子が励起される。その結果、正孔が界面や欠陥にトラップされて残存し、これによって閾値電圧（Ｖth）が負側にシフトしてしまう。

（比較例）
ここで、本実施の形態の比較例に係る画素部１００の断面構造と、シンチレータ層への入射光およびシンチレータ層からの出射光について模式化したものを、図１１に示す。画素部１００は、基板１０１上に、フォトダイオードおよびトランジスタを含む光電変換部１０２、絶縁膜１０３、保護膜１０４およびシンチレータ層１０５をこの順に有する。このような構造の場合、放射線Ｌ１がシンチレータ層１０５に入射すると、波長変換されて出射する可視光Ｌ２以外にも、上記のように波長変換されずに出射する放射線Ｌ１’が存在する。この放射線Ｌ１’が、光電変換部１０２へ入射すると、トランジスタが被曝し、これにより閾値電圧がシフトしてトランジスタ特性が劣化してしまう。

また、図１２には、低温ポリシリコンを用いたトランジスタへ放射線を照射した場合の、ゲート電圧に対するドレイン電流の関係（電流電圧特性）について示す。この際、Ｘ線照射条件としては、管電圧１４０ｋＶ，管電流７０μＡとし、トランジスタ測定条件としては、Ｎ型トランジスタのＶds（ソース・ドレイン電圧）を６Ｖ、Ｐ型トランジスタのＶdsを−６Ｖとした。また、ソース・ドレイン電流Ｉdsは絶対値表記とした。この結果、放射線を照射した場合、閾値電圧が負側にシフトし、照射量が、０Ｇｙ，４６Ｇｙ，３９７Ｇｙ，６３９Ｇｙと増大するに従って、閾値電圧のシフト量が大きくなることがわかる。

これに対し、本実施の形態では、図２に示したように、シンチレータ層１１７と光電変換部１１１との間に、第２基板１１４が設けられている。そして、この第２基板１１４が、フォトダイオード１１１Ａの感度域の光（例えば可視光）に対して透明性を有する一方、放射線遮蔽機能を有している。これにより、シンチレータ層１１７を波長変換されずに透過した放射線は、第１基板１１（光電変換部１１１）へ到達する前に、第２基板１１４において遮蔽される。従って、特に光電変換部１１１におけるトランジスタ１１１Ｂへの放射線の入射が抑制される。

ここで、図１３に、第２基板１１４として無アルカリガラスを用いた場合のガラス板厚（ｍｍ）と放射線透過率（％）との関係について示す。但し、測定時の管電圧を８０ｋＶ，１４０ｋＶとした。図１３に示したように、第２基板１１４として無アルカリガラスを用いることにより、放射線を効果的に遮蔽することができ、また板厚を大きくすることによりその遮蔽効果が高まることがわかる。

以上のように、本実施の形態では、撮像エリアとなる画素部１２において、第１基板１１上の光電変換部１１１とシンチレータ層１１７との間に、放射線遮蔽機能を有する第２基板１１４を設けるようにしたので、放射線を、光電変換部１１１へ到達する前に遮蔽することができる。よって、画素トランジスタの被曝量を軽減することが可能となる。これにより、閾値電圧の負側へのシフトを抑制してトランジスタ特性を向上させることができる。

このように、第２基板１１４を設けることで画素トランジスタの被曝量が軽減されるが、その一方で、第２基板１１４の厚みの分だけ、シンチレータ層１１７と光電変換部１１１との間の距離が離れてしまうことになる。一般に、シンチレータ層１１７では、波長変換後の光が分散しないように、柱状（針状）結晶となるように蛍光体材料が成膜されるが、上記のように光電変換部１１１までの距離が大きくなると、シンチレータ層１１７からの出射光が分散し、Ｓ／Ｎ比が低下することがある。これは、取得画像の劣化を招く。

本実施の形態では、この第２基板１１４上にレンズアレイ１１５を設けているので、シンチレータ層１１７からの出射光は、マイクロレンズ１１５ａにより、光電変換部１１１におけるフォトダイオード１１１ａへ集光させることができる。このようにレンズアレイ１１５を用いることにより、フォトダイオード１１１ａへの集光率を向上させることができ、これにより画素トランジスタの被曝量を軽減することができる。即ち、第２基板１１４と共にレンズアレイ１１５を設けることにより、Ｓ／Ｎ比低下による画像劣化を防ぎつつ、画素トランジスタの被曝量を軽減することができる。これは、第２基板１１４の板厚の設定と、レンズアレイ１１５のレンズ設計とを適切に行うことによって実現される。

＜変形例１＞
上記実施の形態では画素回路構成としてアクティブ駆動方式によるものを例に挙げて説明したが、図１４に示したようなパッシブ駆動方式であってもよい。尚、上記実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明は省略する。本変形例では、単位画素Ｐが、フォトダイオード１１１Ａ、容量成分１３８およびトランジスタＴｒ（読出し用のトランジスタＴｒ３に相当）を含んで構成されている。トランジスタＴｒは、蓄積ノードＮと垂直信号線１８との間に接続されており、行走査信号Ｖreadに応答してオンすることにより、フォトダイオード１１１Ａにおける受光量に基づいて蓄積ノードＮに蓄積された信号電荷を垂直信号線１８へ出力する。このように、画素の駆動方式は、上記実施の形態で述べたアククティブ駆動方式に限らず、本変形例のようなパッシブ駆動方式であってもよい。

＜適用例＞
上記第１の実施の形態（第２の実施の形態および変形例１についても同様）において説明した放射線撮像装置１は、例えば図１５に示したような放射線撮像表示システム２に適用可能である。放射線撮像表示システム２は、放射線撮像装置１と、画像処理部２５と、表示装置２８とを備えている。このような構成により、放射線撮像表示システム２では、放射線撮像装置１が、Ｘ線源２６から被写体２７に向けて照射された放射線に基づき、被写体２７の画像データＤoutを取得し、画像処理部２５へ出力する。画像処理部２５は、入力された画像データＤoutに対して所定の画像処理を施し、その画像処理後の画像データ（表示データＤ１）を表示装置２８へ出力する。表示装置２８は、モニタ画面２８ａを有し、入力された表示データＤ１に基づいて、そのモニタ画面２８ａに画像情報を表示する。

このように、放射線撮像表示システム２では、放射線撮像装置１において、被写体２７の画像を電気信号として取得可能であるため、取得した電気信号を表示装置２８へ伝送することで、画像表示を行うことができる。即ち、放射線写真フィルムを用いることなく、被写体２７の画像を観察可能となり、また、動画撮影および動画表示にも対応可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、第２基板１１４の光入射側にレンズアレイ１１５を設けた場合について説明したが、このレンズアレイ１１５は必ずしも設けられていなくともよい。例えば、図１６に示したように、第１基板１１上に、光電変換部１１１、絶縁膜１１２、保護膜１１３、第２基板１１４およびシンチレータ層１１７をこの順に積層した構造であってもよい。即ち、シンチレータ層１１４と光電変換部１１１との間に所定の機能を有する第２基板１１４が設けられてさえいれば、本発明の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、レンズアレイ１１５を、第２基板１１４の光入射側にのみ形成した場合を例に挙げて説明したが、レンズアレイ１１５の配置場所はこれに限定されず、第２基板１１４の光出射側であってもよいし、第２基板１１４の両側に設けられていてもよい。いずれの場合にも、マイクロレンズの集光機能により、Ｓ／Ｎ比を向上させることができると共に、画素トランジスタの被曝量を軽減することが可能となる。

更に、シンチレータ層１１７に用いられる波長変換材料は、上述したものに限定されず、他の様々な蛍光体材料を使用することができる。

加えて、上記実施の形態では、フォトダイオード１１１Ａを、基板側から、ｐ型半導体層、ｉ型半導体層およびｎ型半導体層の順に積層した構造としたが、基板側から、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層およびｐ型半導体層の順に積層してもよい。

また、本発明の放射線撮像装置は、上記実施の形態で説明した各構成要素を全て備えている必要はなく、また逆に他の層を備えていてもよい。例えば、上部電極１２５上に更に、ＳｉＮ等からなる保護膜が形成されていてもよい。

１…放射線撮像装置、２…放射線撮像表示システム、１１…第１基板、１２…画素部、１２ａ…単位画素、１３…行走査部、１４…水平選択部、１５…列走査部、１６…システム制御部、１１１…光電変換部、１１１Ａ…フォトダイオード、１１１Ｂ…トランジスタ、１１２…絶縁膜、１１３…保護膜、１１４…第２基板、１１５…レンズアレイ、１１５ａ…マイクロレンズ、１１６…平坦化膜、１１７…シンチレータ層。

Claims (12)

1. 第１基板上に画素トランジスタと共に設けられた光電変換素子と、
   放射線の波長を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換層と、
   前記光電変換素子と前記波長変換層との間に設けられ、前記感度域の波長に対して透明性を有すると共に放射線遮蔽機能を有する第２基板と
   を備えた放射線撮像装置。
2. それぞれが前記光電変換素子および前記画素トランジスタを含む複数の画素を有し、
   前記第２基板の光入射側および光出射側の一方または両方にレンズアレイが設けられている
   請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記レンズアレイでは、複数のレンズがそれぞれ各画素に対向して設けられている
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記レンズアレイでは、各レンズが複数の画素に対向して設けられている
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
5. 前記レンズアレイが放射線遮蔽機能を有する
   請求項２に記載の放射線撮像装置。
6. 前記波長変換層は放射線を可視光に変換する機能を有し、
   前記第２基板は、ガラスまたはプラスチックよりなる
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
7. 前記第２基板は、無アルカリガラスよりなる
   請求項６に記載の放射線撮像装置。
8. 前記第２基板は、パラジウム（Ｐｄ）およびバリウム（Ｂａ）のうちの少なくとも１種を含有する鉛フリーガラスよりなる
   請求項６に記載の放射線撮像装置。
9. 前記画素トランジスタはゲート電極、ゲート絶縁膜および半導体層を積層した構造を有する
   請求項１に記載の放射線撮像装置。
10. 前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンを有する
    請求項９に記載の放射線撮像装置。
11. 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、単結晶シリコンまたは非結晶シリコンを有する
    請求項９または請求項１０に記載の放射線撮像装置。
12. 放射線に基づく画像を取得する撮像装置と、前記撮像装置により取得された画像を表示する表示装置とを備え、
    前記撮像装置は、
    第１基板上に画素トランジスタと共に設けられた光電変換素子と、
    放射線の波長を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換層と、
    前記光電変換素子と前記波長変換層との間に設けられ、前記感度域の波長に対して透明性を有すると共に放射線遮蔽機能を有する第２基板と
    を有する放射線撮像表示システム。

Images