JP2013214758A - 画像検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】並列配置された複数のスキャン配線と、スキャン配線と交差して設けられた複数のデータ配線と、スキャン配線とデータ配線とに接続されマトリクス状に設けられた薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタに接続されマトリクス状に設けられたセンサ部と、マトリクス状に設けられたセンサ部に対して共通にバイアス電圧を印加するために配置された複数の共通配線と、を備えた画像検出器において、電子ノイズを低減させて検出画像の画質を向上させる。
【解決手段】間接変換型の放射線画像検出器において、スキャン配線101、データ配線3および蓄積容量配線(共通配線)102のそれぞれを絶縁膜を介して設けられた互いに異なる金属層により形成する。
【選択図】図5

Description

本発明は、薄膜トランジスタを有する多数の画素が2次元状に配列された画像検出器に関するものであり、特にその画素の構造に関するものである。
近年、TFTアクティブマトリックス基板上にX線感応層を配置し、X線情報を直接デジタルデータに変換できるFPD(flat panel detector)が実用化されている。従来のイメージングプレートに比べて、即時に画像を確認でき、動画も確認できるといったメリットがあり、急速に普及が進んでいる。
まず、図20を用いて、FPDを用いた放射線画像検出器について説明する。
放射線画像検出器は、電荷収集電極11をアレイ状に配置したアクティブマトリックス基板10上に、電磁波導電性を有する半導体膜6が形成され、その上にバイアス電極7が順次形成されている。バイアス電極7は高圧電源に接続されている。
そして、半導体膜6は、セレンを主成分とする膜厚100〜1000μmの非晶質a−Se膜で、X線が照射されると膜の内部に電荷を発生する。アクティブマトリックス基板10上にアレイ状に配置された電荷収集電極11の近傍には、TFTスイッチ4と電荷蓄積容量5とが設けられており、TFTスイッチ4のドレイン電極と電荷蓄積容量5の一方の電極とが接続されている。そして、電荷蓄積容量5の他方の電極は蓄積容量配線102に接続されている。TFTスイッチ4のゲート電極にはスキャン配線101が接続されており、ソース電極にはデータ配線3が接続されており、データ配線3の終端には信号検出器(アンプ)105が接続されている(たとえば、特許文献1、特許文献2参照)。
次に、上記構造の放射線画像検出器の動作原理について説明する。
図20の上方よりX線が照射されると半導体膜6は内部に電荷を発生する。その発生した電荷のうち正孔はバイアス電極7と電荷収集電極11との間の電位差により電荷収集電極11に集められ、電荷収集電極11に電気的に接続された電荷蓄積容量5に蓄積される。半導体膜6はX線量に応じて異なる電荷量を発生するため、X線が担持した画像情報に応じた電荷が各画素の電荷蓄積容量に蓄積される。その後、スキャン配線101を介してTFTスイッチ4をオン状態にする信号を順次加え、データ配線3を介して各電荷蓄積容量5に蓄積された電荷を取り出す。さらに信号検出器105で各画素の電荷量を検出することにより画像情報を読み取ることができる。
次に、一般的な液晶パネル等の製造技術を用いてTFTアクティブマトリックス基板を製造した場合の画素の構造について説明する。図21は、放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す断面図、図22はその平面図である。図21は、図22の21−21線断面図である。
放射線画像検出器は、図21および図22に示すように、ガラス基板1上に、ゲート電極2、スキャン配線101、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102が設けられている。そして、ゲート電極2、スキャン配線101、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102の上方には、ゲート絶縁膜15が設けられている。ゲート電極2の上方には、ゲート絶縁膜15を介して、半導体層8が形成されている。そして、半導体層8上には、ソース電極9とドレイン電極13とが形成されている。蓄積容量上部電極18は、電荷蓄積容量5を構成する層の上方に積層されている。そして、ソース電極9、ドレイン電極13および蓄積容量上部電極18と同じ金属層に、データ配線3が設けられている。そして、データ配線、蓄積容量上部電極18、ソース電極9およびドレイン電極13の上方に絶縁保護膜17が配されている。
そして、絶縁保護膜17の上方には、層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12の上層、すなわちアクティブマトリックス基板10の最上層には電荷収集電極11が設けられている。電荷収集電極11とTFTスイッチ4とは蓄積容量上部電極18およびドレイン電極13を介して接続されている。また、データ配線3とスキャン配線101および蓄積容量配線102とは、ゲート絶縁膜15を介して交差している。そして、アクティブマトリックス基板10上に半導体膜6およびバイアス電極7が形成されている。
特開平11−190774号公報 特開2001−135809号公報
上記のような構成の放射線画像検出器において、TFTアレイの製造歩留り低下と検出画像の画質劣化の2つの解決すべき重要課題が存在する。
まず、TFTアレイの製造歩留りの課題について説明する。
TFTアレイ製造時における不良は、大きく分けると、ライン欠陥不良と点欠陥不良が存在する。このうち、点欠陥不良は、画像検出器では、画像処理によって補正処理が可能なため、あまり大きな問題とはならない。一方、ライン欠陥不良、なかでも蓄積容量配線とスキャン配線あるいはデータ配線とのリーク不良は、TFTアレイ工程におけるレーザーリペア等の物理的修正や、画像補正による修正も困難であるため、致命的な欠陥となり、TFTアレイの製造コストを上昇させる原因である。
図21において、スキャン配線、ゲート電極および蓄積容量配線は、同層の金属層(ゲートレイヤ)に形成されている。このため、ゲートレイヤ形成時にパターンニング不良が発生し、スキャン配線あるいはゲート電極と蓄積容量配線間に導電材料が残った場合、スキャン配線と蓄積容量配線間でリーク不良を発生する。
この不良は、画像検出器の解像度が狭くなるほど、発生頻度が高くなる。
次に、検出画像の画質の課題について説明する。
上記のような構成の放射線画像検出器において、検出画像の画質を向上させるためには、当然ながら放射線画像検出器の電子ノイズの低減が重要である。一般的に、上記のような構成のアクティブマトリックス基板を用いた放射線画像検出器においては、電子ノイズは、データ配線の配線容量による影響が大きい。したがって、検出画像の画質を向上させるためには、データ配線の配線容量の低減が最大の課題となっている。
このデータ配線の配線容量は、例えば、1本のデータ配線の配線容量をCd_lineとすると、下式のように表現できる。
Cd_line=Ngate× (Cdgx + Cdcsx + Ctft + Cdp)+Ccom
ただし、Ngateはデータ配線に交差するスキャン配線数、Cdgxはデータ配線とスキャン配線の交差部容量、Cdcsxはデータ配線と蓄積容量配線の交差部容量、Ctftはデータ配線とTFTスイッチとの間のTFT部容量、Cdpはデータ配線と電荷収集電極との間のカップリング容量、Ccomはバイアス電極とデータ配線との間の容量である。
通常、CcomとCdpは小さいので省略でき、下式のように表現できる。
Cd_line=Ngate × (Cdgx + Cdcsx + Ctft)
ここで、ゲート絶縁膜15として、膜厚300nm、比誘電率7.5の膜を使用した場合について考える。スキャン配線101および蓄積容量配線102の幅は10μm、データ配線3の幅は10μmである。TFT部容量は、チャネル幅とチャネル長によって決定するが0.01pFとする。データ配線に交差するスキャン配線数は1500本である。そうすると、Cdgx=0.0256pF、Cdcsx=0.0256pF、Ctft=0.01pF、Ngete=1500であるため、Cd_line=91.8pFとなる。
ゲート絶縁膜15を厚くすることにより上記の交差部容量を低減することも可能であるが、その場合、TFTスイッチ4の駆動能力は反比例して低下する。このため、TFTスイッチ4のサイズを拡大する必要があり、面積が大きくなってしまう。
本発明は、上記の事情に鑑み、TFTアレイの製造歩留りを向上させ、また、電子ノイズを低減させて検出画像の画質を向上させることができる画像検出器を提供することを目的とする。
本発明の画像検出器は、基板上に、放射線を受けて光に変換するシンチレータ層と、シンチレータ層から生じる光を受けて電荷を発生する半導体膜、半導体膜にバイアス電圧を与える第1電極、半導体膜で発生した電荷を収集する第2電極、および第2電極で収集された電荷を読み出すスイッチ素子を各々含む、2次元状に設けられた複数の画素と、並列配置された複数のスキャン配線と、スキャン配線と交差して設けられた複数のデータ配線と、複数の共通配線であって、各々が、複数のデータ配線と並列に設けられ、かつ、複数の第1電極に接続され、半導体膜よりも光の下流側に形成され半導体膜に対して共通にバイアス電圧を印加する複数の共通配線と、を備え、複数のスキャン配線、複数のデータ配線、及び複数の共通配線が絶縁膜を介して互いに異なる層に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の画像検出器は、スイッチ素子はソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を含む薄膜トランジスタであり、基板上に、スキャン配線および薄膜トランジスタのゲート電極を形成する第1金属層と、単層または複層の第1絶縁膜と、薄膜トランジスタのソース電極、及びドレイン電極を形成する第2金属層と、単層または複層の第2絶縁膜と、第2絶縁膜に形成されたコンタクト部を介してソース電極と接続されたデータ配線とがこの順に積層されていることが好ましい。
また、本発明の画像検出器のスイッチ素子はソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を含む薄膜トランジスタであり、基板上に、スキャン配線および薄膜トランジスタのゲート電極を形成する第1金属層と、単層または複層の第1絶縁膜と、薄膜トランジスタのソース電極、ドレイン電極及び共通配線を形成する第2金属層と、単層または複層の第2絶縁膜と、第2絶縁膜に形成されたコンタクト部を介してソース電極と接続された複数のデータ配線とがこの順に積層されていてもよい。
また、本発明の画像検出器は、データ配線上に積層された単層または複層の第3絶縁膜と、第2電極を形成する第4金属層と、複数の半導体膜と、複数の第1電極とがこの順に積層されていてもよい。
また、本発明の画像検出器は、データ配線は、ソース電極及びドレイン電極よりも厚く形成されていてもよい。
また、本発明の画像検出器は、第2絶縁膜が、第1絶縁膜よりも厚くすることができる。
また、本発明の画像検出器は、第2絶縁膜の誘電率が、第1絶縁膜の誘電率よりも低誘電率にすることができる。
また、本発明の画像検出器のデータ配線を、薄膜トランジスタの上部まで延伸するようにすることができる。
本発明の画像検出器は、スキャン配線、データ配線および共通配線のそれぞれが絶縁膜を介して設けられた互いに異なる金属層により形成しているので、TFTアレイの製造歩留りを向上させることができる。また、検出画像の画質が向上する。
本発明の第1の実施形態の画像検出器の等価回路図である。 本発明の第1の実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態の放射線画像検出器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第3実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の第3実施形態の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第3の実施形態の放射線画像検出器の製造工程を説明するための図である。 本発明の第3の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第3の実施形態の放射線画像検出器の変形例の1画素単位の構造を示す断面図である。 本発明の放射線検出システムの概略構成図である。 従来の放射線画像検出器の概略構成図である。 従来の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す断面図である。 従来の放射線画像検出器の1画素単位の構造を示す平面図である。 本発明の第2及び第3の実施形態の画像検出器の等価回路図である。
以下、図面を参照して本発明の画像検出器の一実施形態を適用した放射線画像検出器について説明する。
図1は、第1の実施形態の放射線画像検出器の等価回路である。
第1の実施形態の放射線画像検出器は、後述するバイアス電極と半導体膜と電荷収集電極とから構成される画像センサ部103と、画像センサ部103で検出された電荷信号を蓄積する電荷蓄積容量5と、電荷蓄積容量5に蓄積された電荷を読み出すための薄膜トランジスタ(以下「TFTスイッチ」という。)4とから構成される画素が2次元状に多数配列されたものである。そして、上記TFTスイッチ4をオン/オフするための多数のスキャン配線101と上記電荷蓄積容量に蓄積された電荷が読み出される多数のデータ配線3とが設けられている。また、電荷蓄積容量5の一方の電極には、蓄積容量配線102が接続されている。
そして、各データ配線3には、各データ配線に流れ出した電荷を電気信号として検出する信号検出器105が接続され、各スキャン配線101には、各スキャン配線にTFTスイッチ4をオン/オフするための制御信号を出力するスキャン信号制御装置104が接続されている。そして、各信号検出器105およびスキャン信号制御装置104には、各信号検出器105において検出された電気信号に所定の処理を施すとともに、各信号検出器105およびスキャン信号制御装置104に信号検出のタイミングを示す制御信号やスキャン信号の出力のタイミングを示す制御信号を出力する信号処理装置106が接続されている。
ここで、まず、第1の実施形態の放射線画像検出器100についてより詳細に説明する。図2は、第1の実施形態の放射線画像検出器100の1画素単位の構造を示す断面図、図3はその平面図である。図2は、図3の2−2線断面図である。
図2に示すように、第1の実施形態の放射線画像検出器100は、アクティブマトリックス基板10上に、電磁波導電性を有する半導体膜6、及び、図示しない高圧電源に接続されたバイアス電極7が順次形成されている。半導体膜6は、X線などの電磁波が照射されることにより、内部に電荷(電子−正孔)を発生するものである。つまり、半導体膜6は電磁波導電性を有し、X線による画像情報を電荷情報に変換するためのものである。また、半導体膜6は、例えば、セレンを主成分とする非晶質のa−Se(アモルファスセレン)からなる。ここで、主成分とは、50%以上の含有率を有するということである。
以下に、アクティブマトリックス基板10について詳しく説明する。
アクティブマトリックス基板10は、ガラス基板1、ゲート電極2、蓄積容量下部電極14、ゲート絶縁膜15、半導体層8、ソース電極9、ドレイン電極13、蓄積容量上部電極18、絶縁保護膜17、データ配線3、層間絶縁膜12、および電荷収集電極11を有している。なお、図2においては図示していないが、ゲート電極2には、図3に示すように、スキャン配線101が接続されており、ゲート電極2とスキャン配線101とは同じ金属層により形成されている。また、蓄積容量下部電極14には、図3に示すように、蓄積容量配線102が接続されており、蓄積容量下部電極14と蓄積容量配線102とは同じ金属層により形成されている。
また、ゲート電極2やゲート絶縁膜15、ソース電極9、ドレイン電極13、半導体層8等によりTFTスイッチ4が構成されており、蓄積容量下部電極14やゲート絶縁膜15、蓄積容量上部電極18等により電荷蓄積容量5が構成されている。
ガラス基板1は支持基板であり、ガラス基板1としては、例えば、無アルカリガラス基板(例えば、コーニング社製#1737等)を用いることができる。スキャン配線101及びデータ配線3は、図3に示すように、格子状に配列された電極配線であり、その交点にはTFTスイッチ4が形成されている。TFTスイッチ4はスイッチング素子であり、そのソース電極9は、コンタクトホールを介して各々データ配線3に接続され、ドレイン電極13は蓄積容量上部電極18に接続されている。
ゲート絶縁膜15は、SiNや、SiO等からなっている。ゲート絶縁膜15は、ゲート電極2、スキャン配線101、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102を覆うように設けられており、ゲート電極2上に位置する部位がTFTスイッチ4におけるゲート絶縁膜として作用し、蓄積容量下部電極14上に位置する部位は電荷蓄積容量5における誘電体層として作用する。つまり、電荷蓄積容量5は、ゲート電極2と同一層に形成された蓄積容量下部電極14と蓄積容量上部電極18との重畳領域によって形成されている。
また、半導体層8はTFTスイッチ4のチャネル部であり、データ配線3に接続されたソース電極9と蓄積容量上部電極18に接続されたドレイン電極13とを結ぶ電流の通路である。
絶縁保護膜17は、ガラス基板1上に、ほぼ全面(ほぼ全領域)にわたって形成されている。これにより、ドレイン電極13とソース電極9とを保護すると共に、電気的な絶縁分離を図っている。また、絶縁保護膜17は、蓄積容量下部電極14と対向している部分上に位置する部位に、コンタクトホール16を有している。
電荷収集電極11は、非晶質透明導電酸化膜からなっている。電荷収集電極11は、コンタクトホール16を埋めるようにして形成されており、ソース電極9およびドレイン電極13上、蓄積容量上部電極18上に積層されている。電荷収集電極11と半導体膜6とは電気的に導通しており、半導体膜6で発生した電荷を電荷収集電極11で収集できるようになっている。
層間絶縁膜12は、感光性を有するアクリル樹脂からなり、TFTスイッチ4の電気的な絶縁分離を図っている。層間絶縁膜12には、コンタクトホール16が貫通しており、電荷収集電極11はコンタクトホール16を介して蓄積容量上部電極18に接続されている。
ガラス基板1上には、ゲート電極2、スキャン配線101、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102が設けられている。ゲート電極2の上方には、ゲート絶縁膜15を介して、半導体層8が形成されている。半導体層8上には、ソース電極9とドレイン電極13とが形成されている。蓄積容量上部電極18は、電荷蓄積容量5を構成する層の上方に積層されている。また、蓄積容量上部電極18とソース電極9およびドレイン電極13の上方には絶縁保護膜17が配されている。
絶縁保護膜17の上方には、データ配線3が配されている。そして、絶縁保護膜17およびデータ配線3の上方には、層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12の上層、すなわちアクティブマトリックス基板10の最上層には電荷収集電極11が設けられている。電荷収集電極11とTFTスイッチ4とは蓄積容量上部電極18およびドレイン電極13を介して接続されている。
バイアス電極7と蓄積容量下部電極14との間には、図示しない高圧電源が接続されている。
以下に、第1の実施形態の放射線画像検出器の製造工程の一例を、図4を用いて説明する。
まず、ガラス基板1上に、ゲート配線層として、ゲート電極2、スキャン配線101、蓄積容量下部電極14、蓄積容量配線102を形成する(図4(A))。ゲート配線層は、AlもしくはAl合金等の低抵抗金属、又は低抵抗金属と高融点金属からなるバリアメタル層との積層膜からなる。膜厚は100〜300nm前後でスパッタリング法にてガラス基板上に堆積される。その後、フォトリソグラフィー技術にてレジスト膜のパターンニングを行う。その後、Al用のエッチャントによるウェットエッチ法か、ドライエッチ法にて金属膜をパターンニングする。その後、レジストを除去し、ゲート配線層が完成する。
次に、ゲート配線層上に、ゲート絶縁膜15、半導体層(アモルファスシリコン層)8、不純物添加半導体層(不図示)を順次堆積する(図4(B))。ゲート絶縁膜はSiNからなり膜厚は200〜600nm、半導体層8はアモルファスシリコン層からなり膜厚20〜100nm前後、不純物添加半導体層は不純物添加アモルファスシリコン層からなり膜厚10〜50nm前後で、P−CVD法にて堆積する。その後、ゲート配線層と同様に、フォトリソグラフィー技術によりレジストのパターンニングを行う。その後、半導体層8と不純物添加半導体層をゲート絶縁膜に対し選択的にドライエッチングすることにより半導体活性領域を形成する。
次に、ソース電極9、ドレイン電極13、蓄積容量上部電極18を形成する(図4(C))。ゲート絶縁膜15および半導体層8の上層に、ソース配線層を堆積する。ソース配線層もゲート配線層と同じく金属膜からなり、AlもしくはAl合金等の低抵抗金属、又は低抵抗金属とバリアメタル層との積層膜、又はMo等の金属膜単層からなる。膜厚は、100〜300nm前後である。ゲート配線層と同様にフォトリソグラフィー技術にてパターンニングを行い、Al用のエッチャントによるウェットエッチ法か、ドライエッチ法にて金属膜をパターンニングする。その際、選択的にエッチング法を採用することによりゲート絶縁膜は除去されない。その後、ドライエッチ法にて、不純物添加半導体層と半導体層8の一部を除去しチャネル領域を形成する。
次に、上記のようにして形成された層の上層に、絶縁保護膜17を堆積する(図4(D))。絶縁保護膜17は、SiN、SiO等の無機材料からなり、P−CVD法により堆積される。膜厚は200〜600nm前後である。ゲート配線層と同様に、フォトリソグラフィー技術にてコンタクトホールのパターンニングを行い、ドライエッチ法にて選択的にパターンニングする。
次に、データ配線3を形成する(図4(E))。絶縁保護膜17の上層に、ゲート配線層と同じく金属膜からなり、AlもしくはAl合金等の低抵抗金属、又は低抵抗金属とバリアメタル層との積層膜を形成する。膜厚は100〜400nm前後である。ゲート配線層と同様に、フォトリソグラフィー技術にてパターンニングを行い、Al用のエッチャント等によるウェットエッチ法か、ドライエッチ法にて金属膜をパターンニングする。その際、選択的にエッチング法を採用することにより、絶縁保護膜17は除去されない。
次に、上記のように形成された層の上層に、層間絶縁膜12を堆積する(図4(F))。層間絶縁膜はSiN、SiO等の無機材料か、もしくはSOG、感光性アクリル材料等の有機絶縁膜材料からなる。一般的に有機絶縁膜材料の方が誘電率が低く、また厚膜化が容易なためデータ配線−電荷収集電極間の容量低減に効果があり好ましい。感光性有機絶縁膜材料の場合には、材料を1〜3μm前後の膜厚でスピン塗布後、フォトリソグラフィー技術にてコンタクトホール16のパターンニングを行い、専用エッチャントにてパターンニングし、焼成することにより完成する。感光性材料でない場合には他のレイヤーと同様にフォトリソグラフィー後にドライエッチなどを行いコンタクトホールの形成を行う。なお、コンタクトホール16の大きさは、10μm角よりも小さいことが望ましい。コンタクトホール16が大きい場合、半導体膜6を製膜後に段差部により結晶化が生じるからである。
次に、電荷収集電極11を形成する(図4(G))。上記のようにして形成された層の上層に、ITO等の透明電極材料をスパッタリング法により堆積する。膜厚は20〜200nm前後である。フォトリソグラフィー技術にてパターンニングを行い、ITO用のエッチャント等によるウェットエッチ法か、ドライエッチ法にてパターンニングする。その際、選択的にエッチングを採用することにより、下層の層間絶縁膜はダメージを受けない。
次に、半導体膜6およびバイアス電極7を形成する(図4(H))。上記のように形成された層の上層に、a−Seからなり電磁波導電性を有する半導体膜6を真空蒸着法により膜厚が約0.5mm〜1.5mmになるように成膜する。そして、最後に、半導体膜6の略全面にAu、Alなどからなるバイアス電極7を真空蒸着法により約100nmの厚さで形成する。
次に、上記構造の放射線画像検出器の動作原理について説明する。バイアス電極7と蓄積容量下部電極14との間に電圧を印加した状態で、半導体膜6にX線が照射されると、半導体膜6内に電荷(電子−正孔対)が発生する。そして、半導体膜6と電荷蓄積容量5とは電気的に直列に接続された構造となっているので、半導体膜6内に発生した電子は+電極側に、正孔は−電極側に移動し、その結果、電荷蓄積容量5に電荷が蓄積される。
電荷蓄積容量5に蓄積された電荷は、スキャン配線101への入力信号によってTFTスイッチ4をオン状態にすることによりデータ配線3を介して外部に取り出すことが可能となる。
そして、スキャン配線101とデータ配線3、TFTスイッチ4及び電荷蓄積容量5は、すべてXYマトリクス状に設けられているため、スキャン配線101に入力する信号を順次走査し、データ配線3からの信号をデータ配線3毎に検知することにより、二次元的にX線の画像情報を得ることが可能となる。
第1の実施形態の放射線画像検出器100においては、図2に示すように、データ配線3が絶縁保護膜17を介しソース電極9およびドレイン電極13の上層に形成されている。このため、データ配線3とスキャン配線101との交差部、データ配線3と蓄積容量配線102との交差部には、ゲート絶縁膜15および絶縁保護膜17が存在している。したがって、データ配線3の配線容量を小さくすることができる。一方、電荷蓄積容量5やTFTスイッチ4には、ゲート絶縁膜15しか存在しないため蓄積容量電極面積の肥大化や、TFT駆動能力の低下を防ぐことができる。
また、TFTスイッチの製造工程において、静電破壊に起因し、ゲート配線層とソース配線層との間のリーク不良が多発することが問題となっている。第1の実施形態の放射線画像検出器の構造を採用した場合、TFTスイッチのソース電極−ゲート電極間の方がデータ配線とスキャン配線の交差部よりも絶縁膜が薄いため耐電圧が低く設定されている。これにより、静電気によりリーク不良が発生した場合にも、高い確率でTFTスイッチのリーク不良となる。配線間のリーク不良の場合には、ライン欠陥不良となるが、TFTスイッチでのリーク不良の場合には、TFTスイッチを切り離せば単一画素の不良とすることができる。通常、放射線画像検出器では、周辺画素のデータから欠陥画素の情報を生成し、画像補正することにより良品化することができる。一方、ライン欠陥の場合、画像補間による修正は困難な場合が多い。したがって、上記のようにライン欠陥を回避するようにすることによって製造歩留まりを向上することができる。
また、データ配線は低抵抗化することが必要なため、厚膜化することが好ましい。つまり、データ配線の金属層は、ソース電極とドレイン電極の金属層よりも厚くすることが望ましい。しかし、ソース電極とドレイン電極と同層に形成した場合には、金属膜を厚膜化した場合、パターンニングの精度が落ちるため、膜厚に制限があった。これに対し、第1の実施形態の放射線画像検出器によれば、データ配線を、ソース電極およびドレイン電極とは異なる層に形成するようにしたので、データ配線を厚膜化して低抵抗なデータ配線を実現することができ、データ配線ノイズを低減できる。また、ソース電極およびドレイン電極の金属層を薄くすることができるのでプロセスを削減することができる。
次に、具体的な数値を用いて、第1の実施形態の放射線画像検出器のデータ配線の配線容量について説明する。
上述したようにデータ配線の配線容量Cd_lineは下式で表現できる。
Cd_line ≒ Ngate×(Cdgx + Cdcsx +Ctft)
ここでは、ゲート絶縁膜15としてSiNを用い、膜厚は300nm、比誘電率は7.5である。一方、絶縁保護膜17もSiNを用い、膜厚は500nm、比誘電率は7.5である。スキャン配線101、蓄積容量配線102の配線幅は10μm、データ配線3の配線幅は10μmである。TFT容量は、チャネル幅W、チャネル長Lによって決定するが、今回は0.01pFのものを採用した。ゲートライン数は1500本である。従来の構造の場合には、Cdgx=0.0256pF、Cdcsx=0.0256pF、Ctft=0.01pF、Ngate=1500であるため、Cd_line=91.8pFとなる。一方、第1の実施形態の放射線画像検出器の構造では、Cdgx=0.0096pF、Cdcsx=0.0096pFとなり、Cd_line=43.8pFとなる。したがって、データ配線の配線容量を48%に低減でき、これにより電子ノイズが低減する。
なお、第1の実施形態の放射線画像検出器においては、図3に示すように、データ配線3とスキャン配線101との交差部のゲート絶縁膜15と絶縁保護膜17との間に半導体層19を設けるようにしてもよい。このように構成することによりさらにデータ配線3とスキャン配線101の交差部の容量を低減することができる。また、半導体層19を設けるようにすることにより、半導体層のエッチング、ソース電極層のエッチングによるゲート絶縁膜15の膜減りを防ぐことができるため、ゲート絶縁膜15の残膜量も厚く、低容量が実現でき、電子ノイズを削減することができる。
次に、第2の実施形態の放射線画像検出器200についてより詳細に説明する。図23は、第2の実施形態の放射線画像検出器の等価回路である。図5は、第2の実施形態の放射線画像検出器200の1画素単位の構造を示す断面図、図6はその平面図である。図5は、図6の5−5線断面図である。
第2の実施形態の放射線画像検出器200は、第1の実施形態の放射線画像検出器とは、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102と、蓄積容量上部電極18の位置が異なる。そして、第2の実施形態の放射線画像検出器200の蓄積容量配線102は、図23及び図6に示すようにデータ配線3に並行配置されている。この蓄積容量配線102は、所定本数毎に、画像センサ部103が設けられたセンサアレイ部の領域外で配線107に接続されており、この配線107がそれぞれ信号検出器105に接続されている。各蓄積容量配線102には、信号検出器105より配線107を介して所定電圧Vcomが印加されている。なお、図23では、各蓄積容量配線102が1本の配線107に接続されており、簡略化して示している。その他の構成要素については、第1の実施形態と同様である。
図5に示すように、第2の実施形態の放射線画像検出器200のガラス基板1上には、ゲート電極2、スキャン配線101が設けられている。ゲート電極2およびスキャン配線の上方には、ゲート絶縁膜15が設けられ、そのゲート絶縁膜15を介して、半導体層8が形成されている。半導体層8上には、ソース電極9とドレイン電極13とが形成されている。そして、ソース電極9とドレイン電極13と同じ金属層に蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102が形成されている。そして、ソース電極、ドレイン電極13、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102の上方には、絶縁保護膜17が形成されている。
そして、絶縁保護膜17の上方には、データ配線3が配されており、そのデータ配線3と同じ金属層に蓄積容量上部電極18が形成されている。そして、データ配線3および蓄積容量上部電極18の上方には層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12の上層には電荷収集電極11が設けられている。電荷収集電極11とTFTスイッチ4とは蓄積容量上部電極18およびドレイン電極13を介して接続されている。
また、電荷収集電極11と蓄積容量上部電極18とは、層間絶縁膜12を貫通するコンタクトホール16によって接続されている。なお、コンタクトホール16の大きさは、10μm角よりも小さいことが望ましい。コンタクトホール16が大きい場合、半導体膜6を製膜後に段差部により結晶化が生じるからである。
また、蓄積容量上部電極18とドレイン電極13もコンタクトホールによって接続されている。
以下に、第2の実施形態の放射線画像検出器の製造工程の一例を、図7を用いて説明する。なお、製造工程の詳細および材料などについては、第1の実施形態の放射線画像検出器と同様である。
まず、ガラス基板1上に、ゲート配線層として、ゲート電極2、スキャン配線101を形成する(図7(A))。次に、ゲート配線層上に、ゲート絶縁膜15、半導体層8、不純物添加半導体層(不図示)を順次堆積する(図7(B))。次に、ソース電極9、ドレイン電極13、蓄積容量下部電極14および蓄積容量配線102を形成する(図7(C))。次に、上記のようにして形成された層の上層に、絶縁保護膜17を堆積する(図7(D))。次に、データ配線3および蓄積容量上部電極18を形成する(図7(E))。次に、上記のように形成された層の上層に、層間絶縁膜12を堆積する(図7(F))。次に、電荷収集電極11を形成する(図7(G))。次に、半導体膜6およびバイアス電極7を形成する(図7(H))。
第2の実施形態の放射線画像検出器200においては、第1の実施形態の放射線画像検出器100と同様に、データ配線3が絶縁保護膜17を介しソース電極9およびドレイン電極13の上層に形成されている。このため、データ配線3とスキャン配線101との交差部、データ配線3と蓄積容量配線102との交差部には、ゲート絶縁膜15および絶縁保護膜17が存在している。したがって、データ配線3の配線容量を小さくすることができる。一方、電荷蓄積容量5やTFTスイッチ4には、ゲート絶縁膜15しか存在しないため蓄積容量電極面積の肥大化や、TFT駆動能力の低下を防ぐことができる。
また、第1の実施形態の放射線画像検出器100と同様に、TFTスイッチのソース電極−ゲート電極間の方がデータ配線とスキャン配線の交差部よりも絶縁膜が薄いため耐電圧が低く設定されている。これにより、静電気によりリーク不良が発生した場合にも、高い確率でTFTスイッチのリーク不良となる。配線間のリーク不良の場合には、ライン欠陥不良となるが、TFTスイッチでのリーク不良の場合には、TFTスイッチを切り離せば単一画素の不良とすることができる。通常、放射線画像検出器では、周辺画素のデータから欠陥画素の情報を生成し、画像補正することにより良品化することができる。一方、ライン欠陥の場合、画像補間による修正は困難な場合が多い。したがって、上記のようにライン欠陥を回避するようにすることによって製造歩留まりを向上することができる。
また、蓄積容量配線102は、スキャン配線101とゲート絶縁膜15を介して別層の金属材料で形成されており、データ配線3と絶縁保護膜17を介して別層の金属材料で形成されている。これにより、蓄積容量配線102層形成時にパターンニング不良が発生し、導電材料の膜が残った場合であっても、スキャン配線101、データ配線3とのリーク不良を生じない。これにより、画像検出器用のTFTアレイの製造歩留りを大きく改善するため、特に高精細(画素ピッチ<200μm)の画像検出器用TFTアレイを製造する場合に有効である。例えば、画素ピッチ200μm、データ配線3の配線幅10μm、蓄積容量配線102の幅10μmの時、配線間のギャップが90μmしかない(さらに、例えば、電荷蓄積容量5の蓄積容量上部電極18もしくは蓄積容量下部電極14と同層に形成した場合、この蓄積容量上部電極18もしくは蓄積容量下部電極14の幅が110μmとすると、配線間ギャップは40μmしかない)。一方で、蓄積容量配線102とスキャン配線101とデータ配線3とを別層に形成することで、配線形成時のパターンニング不良が発生して導電材料膜の残りが発生しても、蓄積容量配線102とデータ配線3間のリーク不良も発生しない。
また、蓄積容量配線102は半導体膜6よりも下層に形成されている。これにより、半導体膜6を形成するよりも前の工程で、蓄積容量配線102の配線層が形成されるため、放射線画像検出器100の製造ラインの生産効率を改善することができる。
すなわち、放射線画像検出器100において、半導体膜6は十分な検出感度を維持するためアクティブマトリックス基板10に形成される他の層よりも厚い膜を必要とする。例えば、本実施形態では半導体膜6として0.5mm〜1.5mmのa−Seを蒸着している。この半導体膜6の堆積工程は、処理時間は長く、高い製造コストが必要である。そこで、半導体膜6よりも下層の主要な配線層の形成を完了し、各工程の画像検査、導通検査等を行なって良品とされたアクティブマトリックス基板10にのみ半導体膜6を形成する。これにより、もっとも製造効率が低い半導体膜6層の堆積工程の処理枚数を減らすことができ、製造効率が改善する。
また、第1の実施形態の放射線画像検出器100と同様に、データ配線3を厚膜化して、低抵抗なデータ配線を実現し、データ配線ノイズを低減できる。つまり、データ配線の金属層は、ソース電極とドレイン電極の金属層よりも厚くすることが望ましい。
また、蓄積容量配線102をデータ配線3に並行に配置した結果、蓄積容量配線102とデータ配線3との交差部がなくなるので、蓄積容量配線102とデータ配線3との交差部容量を低減することができ、さらに電子ノイズを削減できる。
また、電荷蓄積容量5を蓄積容量下部電極14と絶縁保護膜17と蓄積容量上部電極18とから構成するようにしたので、TFTスイッチ4を構成するゲート絶縁膜15とは異なる絶縁膜で電荷蓄積容量5を構成することができる。ゲート絶縁膜15で電荷蓄積容量5を構成するようにした場合、TFTスイッチのオン電流をアップするためにゲート絶縁膜15を薄くすると、電荷蓄積容量5の蓄積容量も比例して増える。一方、第2の実施形態の放射線画像検出器によれば、ゲート絶縁膜15を薄くしても電荷蓄積容量5の蓄積容量が増加しないため、画素の電荷転送時間を短縮できる。その結果、理想的なセンサ素子の設計ができるようになり、電子ノイズを削減できる。
次に、具体的な数値を用いて、第2の実施形態の放射線画像検出器のデータ配線の配線容量について説明する。
上述したようにデータ配線の配線容量Cd_lineは下式で表現できる。
Cd_line ≒ Ngate×(Cdgx + Cdcsx +Ctft)
ここでは、ゲート絶縁膜15としてSiNを用い、膜厚は300nm、比誘電率は7.5である。一方、絶縁保護膜17もSiNを用い、膜厚は500nm、比誘電率は7.5である。スキャン配線101、蓄積容量配線102の配線幅は10μm、データ配線3の配線幅は10μmである。TFT容量は、チャネル幅W、チャネル長Lによって決定するが、今回は0.01pFのものを採用した。ゲートライン数は1500本である。従来の構造の場合には、Cdgx=0.0256pF、Cdcsx=0.0256pF、Ctft=0.01pF、Ngate=1500であるため、Cd_line=91.8pFとなる。一方、第2の実施形態の放射線画像検出器の構造では、Cdgx=0.0096pF、Cdcsx=0pF(データ配線と蓄積容量配線との交差部がないため)となり、Cd_line=29.4pFとなる。したがって、データ配線の配線容量を32%に低減でき、これにより電子ノイズが低減する。
なお、第2の実施形態の放射線画像検出器においても、図6に示すように、データ配線3とスキャン配線101との交差部のゲート絶縁膜15と絶縁保護膜17との間に半導体層19を設けるようにしてもよい。このように構成することによりさらにデータ配線3とスキャン配線101の交差部の容量を低減することができる。
また、第2の実施形態の放射線画像検出器において、図8に示すように、蓄積容量上部電極18を延伸して、絶縁保護膜17を介してTFTスイッチ4の上部に配置するようにしてもよい。図9に図8の9−9線断面図を示す。たとえば、放射線画像検出器のバイアス電極への印加が正バイアスの場合、電荷蓄積容量5に蓄積される電荷は正となるが、電荷収集電極11と接続する蓄積容量上部電極18を図8および図9に示すようにTFTスイッチ4上に延伸することにより、蓄積電荷が大きくなった場合には、TFTスイッチ4が自動的にオンする構造を実現できる。これにより蓄積電荷が大きくなることによって画素が破壊されるのを回避することができる。
また、第2の実施形態の放射線画像検出器において、図10に示すように、TFTスイッチ4の上方の層間絶縁膜を除去するようにしてもよい。上記のような構成にすることにより、画素の蓄積電荷が大きくなった場合にTFTスイッチ4が自動的にオンする閾値電圧を低くすることができ、より効果的に画素が破壊されるのを回避することができる。
また、第2の実施形態の放射線画像検出器において、図11に示すように、データ配線3をTFTスイッチ4の上方まで延伸して設けるようにしてもよい。図12に図11の12−12線断面図を示す。上記のように構成することにより電荷収集電極11の電位に対するシールド構造を実現することができる。たとえば、電荷収集電極11に100Vが印加されたとしても、データ配線3の電位が0VならばTFTスイッチ4のバックチャネルに電界は印加されない。
また、上記第2の実施形態の放射線画像検出器においては、蓄積容量配線102をデータ配線3に並行になるように配置するようにしたが、図13に示すように、蓄積容量配線102をスキャン配線101に並行になるように設けてもよい。なお、層構成および製造工程については、上記第2の実施形態の放射線画像検出器と同様である。
次に、第3の実施形態の放射線画像検出器300についてより詳細に説明する。図14は、第3の実施形態の放射線画像検出器300の1画素単位の構造を示す断面図、図15はその平面図である。図14は、図15の14−14線断面図である。
第3の実施形態の放射線画像検出器200は、第2の実施形態の放射線画像検出器とは、蓄積容量配線102の位置が異なり、また、電荷収集電極11が蓄積容量下部電極14に接続されている。その他の構成要素については、第2の実施形態と同様である。
第3の実施形態の放射線画像検出器300のガラス基板1上には、ゲート電極2、スキャン配線101が設けられている。そして、ゲート電極2およびスキャン配線の上方には、ゲート絶縁膜15が設けられ、そのゲート絶縁膜15を介して、半導体層8が形成されている。半導体層8上には、ソース電極9とドレイン電極13とが形成されている。そして、ソース電極9とドレイン電極13と同じ金属層に蓄積容量下部電極14が形成されている。そして、ソース電極、ドレイン電極13、蓄積容量下部電極14の上方には、絶縁保護膜17が形成されている。
そして、絶縁保護膜17の上方には、データ配線3が配されており、そのデータ配線3と同じ金属層に蓄積容量上部電極18および蓄積容量配線102が形成されている。そして、データ配線3、蓄積容量上部電極18および蓄積容量配線102の上方には層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12の上層には電荷収集電極11が設けられている。電荷収集電極11とTFTスイッチ4とは蓄積容量下部電極14およびドレイン電極13を介して接続されている。
また、電荷収集電極11と蓄積容量下部電極14とは、層間絶縁膜12および絶縁保護膜17を貫通するコンタクトホール16によって接続されている。なお、コンタクトホール16の大きさは、10μm角よりも小さいことが望ましい。コンタクトホール16が大きい場合、半導体膜6を製膜後に段差部により結晶化が生じるからである。
以下に、第3の実施形態の放射線画像検出器の製造工程の一例を、図16を用いて説明する。なお、製造工程の詳細および材料などについては、第1の実施形態の放射線画像検出器と同様である。
まず、ガラス基板1上に、ゲート配線層として、ゲート電極2、スキャン配線101を形成する(図16(A))。次に、ゲート配線層上に、ゲート絶縁膜15、半導体層8、不純物添加半導体層(不図示)を順次堆積する(図16(B))。次に、ソース電極9、ドレイン電極13、蓄積容量下部電極14を形成する(図16(C))。次に、上記のようにして形成された層の上層に、絶縁保護膜17を堆積する(図16(D))。次に、データ配線3、蓄積容量上部電極18および蓄積容量配線102を形成する(図16(E))。次に、上記のように形成された層の上層に、層間絶縁膜12を堆積する(図16(F))。次に、電荷収集電極11を形成する(図16(G))。次に、半導体膜6およびバイアス電極7を形成する(図16(H))。
第3の実施形態の放射線画像検出器300においても、基本的には、第2の実施形態の放射線画像検出器200と同様の効果を得ることができる。
また、第3の実施形態の放射線画像検出器は、蓄積容量配線102とスキャン配線101との交差部にもゲート絶縁膜15と絶縁保護膜17が配置されている。これにより、蓄積容量配線102およびスキャン配線101の配線容量を低減することができる。
また、電荷蓄積容量5は、蓄積容量下部電極14−蓄積容量上部電極18間と、電荷収集電極11−蓄積容量上部電極18間の上下2層で構成される。このため、単位面積あたりの容量を大きくすることができ、蓄積容量上部電極18の面積を小さくすることができる。蓄積容量上部電極18の面積が小さい場合には、データ配線3−蓄積容量上部電極18間の距離を広くとることができ、リーク不良を低減することができる。
また、電荷蓄積容量5を蓄積容量下部電極14と絶縁保護膜17と蓄積容量上部電極18とから構成するようにしたので、TFTスイッチ4を構成するゲート絶縁膜15とは異なる絶縁膜で電荷蓄積容量5を構成することができる。ゲート絶縁膜15で電荷蓄積容量5を構成するようにした場合、TFTスイッチのオン電流をアップするためにゲート絶縁膜15を薄くすると、電荷蓄積容量5の蓄積容量も比例して増える。一方、第2の実施形態の放射線画像検出器によれば、ゲート絶縁膜15を薄くしても電荷蓄積容量5の蓄積容量が増加しないため、画素の電荷転送時間を短縮できる。その結果、理想的なセンサ素子の設計ができるようになり、電子ノイズを削減できる。
なお、第2及び第3の実施形態の放射線画像検出器では、共通配線として、各電荷蓄積容量5の蓄積容量下部電極14に対して共通にバイアス電圧を印加するための蓄積容量配線102をデータ配線3と並行に配置した場合について説明し、また、第2の実施形態の放射線画像検出器では、スキャン配線101、データ配線3及び蓄積容量配線102をそれぞれが絶縁膜を介して設けられた互いに異なる金属層により形成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、各画像センサ部103に対応して個別にバイアス電極7を形成して、半導体膜6に対して各バイアス電極7からバイアス電圧を印加するように構成した場合、共通配線として、各バイアス電極7にバイアス電圧を印加するためのバイアス配線をデータ配線3と並行に配置し、また、当該バイアス配線、スキャン配線101、データ配線3を絶縁膜を介して互いに異なる金属層により形成するようにしてもよい。
また、第1〜第3の実施形態の放射線画像検出器では、半導体膜6において放射線を直接電荷に変換する、いわゆる直接変換型の放射線画像検出器に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、放射線が衝突することにより電磁波(例えば、光)を発する物質、いわゆるシンチレータにより発生した光を光電変換し、得られる電荷を各光電変換素子に付随する容量(補助容量をさらに付設する場合もある)に蓄積する、いわゆる間接変換型の放射線画像検出器において、各光電変換素子の電極にバイアス電圧を印加するためのバイアス配線を同様の構成としてもよい。
また、第3の実施形態の放射線画像検出器においても、図15に示すように、データ配線3とスキャン配線101との交差部のゲート絶縁膜15と絶縁保護膜17との間に半導体層19を設けるようにしてもよい。このように構成することによりさらにデータ配線3とスキャン配線101の交差部の容量を低減することができる。
また、第3の実施形態の放射線画像検出器において、図17に示すように、蓄積容量上部電極18を延伸して、絶縁保護膜17を介してTFTスイッチ4の上部に配置するようにしてもよい。図18に図17の18−18線断面図を示す。上記のように構成することにより電荷収集電極11の電位に対するシールド構造を実現することができる。たとえば、電荷収集電極11に100Vが印加されたとしても、データ配線3の電位が0VならばTFTスイッチ4のバックチャネルに電界は印加されない。
また、上記第1〜第3の実施形態の放射線画像検出器においては、絶縁保護膜17の厚さはゲート絶縁膜15の厚さよりも厚くすることが望ましい。表1に、ゲート絶縁膜15および絶縁保護膜17の材料、ゲート絶縁膜15および絶縁保護膜17の厚さおよび誘電率の適切な範囲、より好ましい範囲および理想値を示す。ゲート絶縁膜15はTFTスイッチ4の駆動能力を高くするために薄くすることが望ましく、絶縁保護膜17はデータ配線の配線容量を低減するために厚くすることが望ましい。
また、上記第1から第3の実施形態の放射線画像検出器においては、絶縁保護膜17の誘電率はゲート絶縁膜15の誘電率よりも低誘電率とすることが望ましい。表2に、ゲート絶縁膜15と絶縁保護膜17の材料、ゲート絶縁膜15および絶縁保護膜17の厚さおよび誘電率の適切な範囲、より好ましい範囲および理想値を示す。
また、上記第1から第3の実施形態の放射線画像検出器は、たとえば、人体を透過したX線像を画像化するX線撮像装置等に使用され、X線等の画像を検出できるイメージセンサである。
すなわち、例えば、図19に示すように、X線管球91から出射されるX線による被検体92の透過X線像が、本実施形態の放射線画像検出器100、200、300により画像信号に変換されるようになっている。
この放射線画像検出器100、200、300から出力されたアナログ信号は、A/D変換器93によりディジタル画像信号に変換され、画像処理装置94に取り込まれる。画像処理装置94は、種々の画像処理を行うとともに、保存が必要な画像を画像記憶装置96に記憶させる。また、画像処理装置94から出力されるディジタル画像信号は、D/A変換器95によりアナログ信号に変換されて、画像モニタ装置97の画面に表示することができるものとなっている。
また、上記第1〜第3の実施形態の放射線画像検出器においては、半導体膜6は、a−Se、a−SeにLi、Na、K、Cs、Rb等のアルカリ金属を0.001ppm〜20ppmまでの間で微量にドープしたもの、a−SeにLiF、NaF、KF、CsF、RbF等のフッ化物を10ppm〜10000ppmまでの間で微量にドープしたもの、a−SeにP、As、Sb、Geを50ppm〜0.5%までの間添加したもの、またはa−SeにAsを50ppm〜0.5%までの間添加し、さらにCl、Br、Iを1ppm〜100ppmの間で微量にドープしたもの等から形成することができる。また、a−SeにBi12MO20(M:Ti、Si、Ge)、Bi12(M:Ti、Si、Ge)、Bi、BiMO(M:Nb、Ta、V)、BiWO、Bi2439、ZnO、ZnS、ZnTe、MNbO(M:Li、Na、K)、PbO、HgI、PbI、CdS、CdSe、CdTe、BiI、またはGaAs等のうち少なくとも1つを主成分とする光導電性物質を含有させたものを利用することができる。
また、半導体膜6が、X線を直接受けて電荷を発生する場合には、厚みは100μm〜2mmの範囲内がよい。
特にマンモグラフィ用途では150〜250μm、一般撮影用途においては500μm〜1.5mmの範囲がよい。
また、半導体膜6として酸化ビスマス複合酸化物を用いてもよい。たとえば、特開2005−274257号公報に記載されている。
半導体膜6としてa−Seを主成分とするアモルファス半導体を用いる場合は、その結晶化を防止するために半導体膜6とバイアス電極7との間に上部電極界面層を、半導体膜6と電荷収集電極11との間に下部電極界面層を結晶化を防止するために設けるようにしてもよい。上記電極界面層としては、a−SeにAsを1%〜20%の範囲で添加したもの、a−SeにS、Te、P、Sb、Geを1%〜10%の範囲で添加したもの、a−Seに上記の元素と他の元素を組み合わせて添加したものなどを用いることができる。または、より結晶化温度の高いAsやAsSeを用いてもよい。
さらに、バイアス電極7または電荷収集電極11からの電荷注入を防止する目的で、上記添加元素に加えて、特に正孔注入を防止するためにLi、Na、K、Rb、Cs等のアルカリ金属や、LiF、NaF、KF、RbF、CsF、LiCl、NaCl、KCl、RbCL、CsCl、CsBr等の分子を10ppm〜5000ppmの範囲でドープするようにしてもよい。逆に電子注入を防止するためには、Cl、I、Br等のハロゲン元素や、In等の分子を10ppm〜5000ppmの範囲でドープするようにしてもよい。また、上部電極界面層および下部電極界面層の厚さは、上記目的を十分果たすように0.05μm〜1μmの間に設定するようにすればよい。
また、上記の下部電極界面層、半導体膜、上部電極界面層は、真空度10−3〜10−7Torrの間の真空槽内において、基板を常温〜70℃の間に保持し、上記各合金を入れたボート、あるいは坩堝を抵抗加熱あるいは電子ビームにより昇温し、合金、化合物を蒸発または昇華させることにより基板上に積層される。
合金、化合物の蒸発温度が大きく異なる場合には、複数の蒸発源に対応した複数のボートを同時に加熱し、個々に制御することで添加濃度、ドープ濃度を制御してもよい。たとえば、AsSe、a−Se、LiFをそれぞれボートに入れ、AsSeのボートを340℃、a−Seのボートを240℃、LiFのボートを800℃として各ボートのシャッターを開閉することで、a−SeAs10%:LiF500ppm/a−Se/a−SeAs10%という層構成を実現できる。
また、バイアス電極7は金属薄膜であり、材料としては、Au、Ni、Cr、Pt、Ti、Al、Cu、Pd、Ag、Mg、MgAg3〜20%合金、Mg−Ag系金属間化合物、MgCu3〜20%合金、Mg−Cu系金属間化合物などの金属から形成するようにすればよい。たとえば、Auを用いた場合、厚さは15nm〜200nm程度であることが望ましい。たとえば、MgAg3〜20%合金を用い、厚さを100nm〜400nm程度とすることがより好ましい。
バイアス電極7は、半導体膜6の上面に蒸着により形成されるものである。たとえば、抵抗加熱方式によりボート内で金属塊が融解後にシャッターを開け、15秒間蒸着し一旦冷却する。そして、抵抗値が十分低くなるまで複数回繰り返すことで形成される。
なお、上記第1から第3の実施形態の放射線画像検出器は、放射線の照射を直接受けて電荷を発生する、いわゆる直接変換型の放射線画像検出器であるが、本発明の画像検出器は、直接変換型の放射線画像検出器に限らず、放射線を蛍光体により一旦光に変換し、その光の照射を受けて電荷を発生する、いわゆる間接変換型の放射線画像検出器にも適用可能である。
間接変換型の放射線画像検出器では、半導体膜6上に蛍光体による層を形成し、一旦X線を蛍光体に吸収させ、その際に蛍光体から生じる光を受けて半導体膜6が電荷を発生することになるが、半導体膜6としては1μm〜20μm程度の厚さでよい。これにより、画素毎の電荷収集電極11の静電容量が大きくなるので、直接変換型のように電荷蓄積容量5を別途形成しない場合も多い。
間接変換型の放射線画像検出器では、直接変換型の放射線画像検出器のように半導体膜6を連続的に形成しても良いが、画素毎に区切られた半導体膜6を有する光検出素子アレイが用いられることが多い。その場合、バイアス電極7は共通配線によって接続される。
間接変換型の放射線画像検出器では、半導体膜6としてX線吸収が大きい素材を用いる必要がないので、アモルファスシリコン(a−Si)や、電荷発生層と電荷輸送層の積層構造にした有機化合物、などを用いることができる。たとえば、気相成長法、スピンコーティング法やディップコーティング法によって半導体膜6を連続的に形成することによりTFTスイッチ4上に半導体膜6を積層することができる。電荷発生層としては、ベンジミダゾールペリレン(benzimidazoleperylene)、ヒドロキシガリウムフタロシアニン(hydroxygallium phthalocyanine)、チタニルフタロシアニン(titanyl phthalocyanine)、電荷輸送層としてはテトラフェニルジアミン(tetraphenyldiamine)などを用いることができる。
また、間接変換型の放射線画像検出器では、バイアス電極7としてはX線を吸収した蛍光体から生じる光を透過する必要があるので、ITOやIZOなどの光透過性電極が用いられる。
1 ガラス基板
2 ゲート電極
3 データ配線
4 TFTスイッチ
5 電荷蓄積容量
6 半導体膜
7 バイアス電極
8 半導体層
9 ソース電極
10 アクティブマトリックス基板
11 電荷収集電極
12 層間絶縁膜
13 ドレイン電極
14 蓄積容量下部電極
15 ゲート絶縁膜
16 コンタクトホール
17 絶縁保護膜
18 蓄積容量上部電極
19 半導体層
100,200,300 放射線画像検出器
101 スキャン配線
102 蓄積容量配線(共通配線)
102 信号検出器
103 スキャン信号制御装置
104 スキャン信号制御装置
105 信号検出器
106 信号処理装置

Claims (8)

  1. 基板上に、
    放射線を受けて光に変換するシンチレータ層と、
    該シンチレータ層から生じる光を受けて電荷を発生する半導体膜、該半導体膜にバイアス電圧を与える第1電極、該半導体膜で発生した電荷を収集する第2電極、および該第2電極で収集された電荷を読み出すスイッチ素子を各々含む、2次元状に設けられた複数の画素と、
    並列配置された複数のスキャン配線と、
    前記スキャン配線と交差して設けられた複数のデータ配線と、
    複数の共通配線であって、各々が、前記複数のデータ配線と並列に設けられ、かつ、前記複数の第1電極に接続され、前記半導体膜よりも前記光の下流側に形成され前記半導体膜に対して共通にバイアス電圧を印加する複数の共通配線と、
    を備え、
    前記複数のスキャン配線、前記複数のデータ配線、及び前記複数の共通配線が絶縁膜を介して互いに異なる層に形成されていることを特徴とする
    画像検出器。
  2. 前記スイッチ素子はソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を含む薄膜トランジスタであり、
    前記基板上に、
    前記スキャン配線および前記薄膜トランジスタのゲート電極を形成する第1金属層と、
    単層または複層の第1絶縁膜と、
    前記薄膜トランジスタのソース電極、及びドレイン電極を形成する第2金属層と、
    単層または複層の第2絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜に形成されたコンタクト部を介して前記ソース電極と接続された前記データ配線と
    がこの順に積層されたことを特徴とする
    請求項1に記載の画像検出器。
  3. 前記スイッチ素子はソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を含む薄膜トランジスタであり、
    前記基板上に、
    前記スキャン配線および前記薄膜トランジスタのゲート電極を形成する第1金属層と、
    単層または複層の第1絶縁膜と、
    前記薄膜トランジスタのソース電極、ドレイン電極及び前記共通配線を形成する第2金属層と、
    単層または複層の第2絶縁膜と、
    前記第2絶縁膜に形成されたコンタクト部を介して前記ソース電極と接続された前記複数のデータ配線と
    がこの順に積層されたことを特徴とする
    請求項2に記載の画像検出器。
  4. 前記データ配線上に積層された単層または複層の第3絶縁膜と、
    前記第2電極を形成する第4金属層と、
    前記複数の半導体膜と、
    前記複数の第1電極と
    がこの順に積層されたことを特徴とする
    請求項2または請求項3に記載の画像検出器。
  5. 前記データ配線は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極よりも厚く形成されたことを特徴とする
    請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の画像検出器。
  6. 前記第2絶縁膜が、前記第1絶縁膜よりも厚いことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の画像検出器。
  7. 前記第2絶縁膜の誘電率が、前記第1絶縁膜の誘電率よりも低誘電率であることを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1項に記載の画像検出器。
  8. 前記データ配線が、前記薄膜トランジスタの上部まで延伸されていることを特徴とする請求項2から請求項7のいずれか1項に記載の画像検出器。
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