JP2020516056A5 - - Google Patents

Description

放射線検出装置

本発明は放射線検出装置に関する。

デジタルラジオグラフィー（ＤＲ）などの用途においては、フラットパネルディテクター（ＦＰＤ）を使用して間接的にＸ線画像を取得することができる。ＦＰＤは、典型的には、個々の画素センサ回路からなるマトリックスを備え、ディテクターの全領域にわたって「蛍光体」（図示せず）を用いるＸ線光子から光学光子への間接的変換を使用する。Ｘ線撮像に使用される典型的なシンチレーション物質は、例えば構造化ヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））やＧａｄＯｘまたはＧＯＳとしても知られる酸硫化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ２Ｓ）Ｔｂ））などの、蛍光体である。それぞれの画素回路内のフォトダイオードに到達する蛍光体からの光学光子は、単一の電子―正孔対へと変換され、結果として生じる電荷は、個別キャパシタおよび／または寄生容量のいずれかまたは両方を用いて画素回路内に蓄えられる。

図１は、アクティブマトリックス（ＡＭ）順次アドレッシング方式を使用する、従来のアモルファスシリコンバックプレーンシリコンＦＰＤの３ｘ３画素部分の回路図を示す。図２は、図１で示したマトリックス部分の個々の画素の第１の例の断面を示す。図３は、シリコンオングラスプロセスを用いて形成した個々の画素の第２の例の断面を示す。図２および３に示すように、個々の画素は、対応する薄膜スイッチングトランジスタに電気的に接続された単一の検出ダイオードを備える。

動作時には、画素回路のＸ線照射の間に（図示しないキャパシタ内に）蓄積された電荷は、行ゲート電極に順次アドレスすることにより読み出され、これによって、画素回路のスイッチング薄膜トランジスタがオフ状態からオン状態になる。結果として生じる電荷は、当該画素位置におけるＸ線強度に比例しており、列のそれぞれの読出し回路へ伝導される。

特許文献１（ＲｏｗｌａｎｄｓおよびＺｈａｏ）は、アクティブマトリックスアドレッシング方式を用いた、Ｘ線撮像間接変換検出器におけるアバランシェ層の使用を記載している。ここで、Ｘ線はヨウ化セシウム（ＣｓＩ）などの蛍光体に入り、光学光子のシャワーを生成し、光学光子が更に、アモルファスセレンまたはアモルファスシリコンでもよいアバランシェ層における光電効果により電子―正孔対を生成する。

しかし、これらの検出器には、入射電磁放射線の線量が低い場合、検出量子効率（ＤＱＥ）によって限界がある。

したがって、高リスクカテゴリに入る妊婦、子供、または肥満者などの被検者の高品質で広範囲のＸ線画像は、有用な画像を得るためには高い線量レベルを必要とする。続行するには被爆リスクが高すぎると思われる場合、より劣った別の診断方法を使用しなければならない。

これとは別に、バーチャルリアリティでの用途では、現在、ジェスチャー認識や眼球追跡が、典型的には赤外波長範囲において、照明下で体または眼を撮像することにより実施されている。しかし、近赤外撮像センサ、特に眼球追跡用の近赤外撮像センサには、取得／集積時間によって制限される速度およびシーン照明強度により、限界がある。

国際公開第２０１３／０１８００６号には、光子の衝突に応答して破壊するように構成された単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器からなる検出器アレイを含む光子検出器が開示されている。

米国特許第７，３２３，６９２号明細書

本発明の目的は、これらの弱点を軽減することである。

本発明によれば、請求項１に係る放射線検出装置が提供される。

本発明は、放射線検出装置のダイオードにおけるアバランシェ増倍ガイガーモード降伏に基づき、信号に変換された電磁放射線量子または光子ごとに高電荷パルスを生成する。これは、数千の電子電荷が単一の光子により生成された信号に寄与し得ることを意味する。これは、変換利得が均一でない従来のアモルファスシリコンダイオード実施例におけるプロセスとは異なるものである。

放射線検出装置の各セルまたは画素は、複数のダイオードセグメントを含むセグメント化構造を有し、アバランシェ増倍の利得を制御する。高抵抗の抵抗器がセルの各ダイオードセグメントに直列接続されており、一旦アバランシェが始まると、個々のダイオードセグメントの暴走アバランシェを防止またはクエンチする。したがって、本発明の実施形態は、高リスクカテゴリに入る被検者などの高品質広範囲のＸ線撮像を、より低くより安全な照射線量で可能にする。いくつかの使用例においては、被検者の例えば血管造影などの高フレームレートのシーケンシャル撮像が、現在の技術よりも低い線量かつ高いフレームレートで行われ得る。

あるいは、検出装置を使用する際にＸ線線量を制限する必要のない場合では、１フレームあたりの照射時間を低減させることができる。これによって、照射の間の、例えば血流や心拍などの患者の動きによる画像のぶれが低減され、結果として、画像品質が改善される。また、貨物を動的に走査する、危険や脅威のある場面での適用では、照射時間をより短くすると、走査中に物体の動きが少なくなるため、ぶれが少なくなる。

本発明による放射線検出装置の医療用途には、ＣＴ撮像、ＰＥＴ撮像、ＳＰＥＣＴ撮像、およびＤＲ（デジタルラジオグラフィー）撮像がある。

他の非医療用途には、空港での貨物走査もしくは検出、または（例えば、核物理実験、
非破壊検査、もしくは広範囲にわたる危険および脅威のための）放射線検出が含まれる。

本電磁放射線検出装置の使用によって恩恵を受ける他の撮像用途には、ＬｉＤＡＲ撮像、ＶＲ網膜カメラ、低光レベルのコンタクトイメージセンサ（ＣＩＳ）、および（例えば低光レベルカメラ用の）セキュリティ用途がある。

他の形態では、ダイオード内で単一の光子が複数の電子を生成する際に当該光子の到着時刻を特定し当該装置の検出品質を向上することを目的とする場合に、適用することができる。

この態様の実施形態の用途には、測距または三角測量用途が含まれる。

アモルファスシリコンアクティブマトリックスＦＰＤの先行技術の部分を示す。 ダイオードのアノードが薄膜トランジスタを介してデータ線に接続されている、図１に示したＦＰＤ部分の先行技術の第１の例示の個々のセルの断面を示す。 シリコンオングラスプロセスから形成された薄膜トランジスタを介してダイオードがデータ線に接続されている、先行技術の第２の例示の個々の画素の断面を示す。 本発明の例示の実施形態によるアクティブマトリックスＦＰＤの部分を示す。 図４に示したＦＰＤ部分の個々のセルの実施形態の断面を示す。 図５に示した個々のセルの単一のダイオードセグメント構造の平面図、ならびにこのセグメントを形成する層を並べた平面図である。 図５に示した個々のセルの平面図、ならびにこのセルを形成する層を並べた平面図である。 図４に示したＦＰＤで使用可能なアモルファスシリコンダイオードのダイオード積層を示す。 図８（ａ）のダイオード積層の代替物を示す。 図４で示したＦＰＤで使用可能な混合相シリコンダイオードのダイオード積層を示す。 光学透明導電層を有する、図５に示したセルの変形例を断面で示す。 図４で示したＦＰＤ部分の個々のセルの更なる実施形態を断面で示す。 図１の例示のＦＰＤと図４で示したＦＰＤ実施形態とで比較した、シミュレートしたＤＱＥ対線量を示す。 図４の実施形態の代替構成を示す。 シリコンオングラスプロセスから形成された図１３に示したＦＰＤ部分の個々のセルの実施形態の断面を示す。 図４の実施形態の更に代替の構成を示す。 シリコンオングラスプロセスから形成された図１５に示したＦＰＤ部分の個々のセルの実施形態の断面を示す。 本発明の例示の実施形態によるアクティブマトリックス飛行時間撮像装置の部分を示す。 シリコンオングラスプロセスから形成された図１７に示したＦＰＤ部分の個々のセルの実施形態の断面を示す。 図１７の装置のための例示のタイミング図を示す。 図１７の装置のための例示のタイミング図を示す。 図１７の装置のための例示のタイミング図を示す。

図４を参照して、本発明によるアクティブマトリックスＦＰＤ１の例示の実施形態が開示されている。ＦＰＤ１は、複数Ｍ列に分割された複数Ｎ行のセル２（その３ｘ３部分のみ示す）を有するマトリックスを備える。マトリックスは、集束用光学素子（図示せず）を備え得る検出器に組み込まれている。集束用光学素子は検出器の視野を定めるものであり、それ以外は従来のものと同じである。

各セル２は、ＦＰＤ１に入射する電磁放射線に反応する複数のダイオードセグメント３を備える。実施形態において、各セルは、３ｘ３の格子状にレイアウトされた９個のダイオードセグメントを備える。しかし、この配置は、変更可能であり、別の配置にレイアウトされた様々な数のセグメントを含んでよいことが、理解されるであろう。それにもかかわらず、本用途の実施形態のダイオードセグメントは、先行技術の単一式ダイオード実施例と同様の面積を占め、したがって、それと同様の解決策を提供できる。

各セル２は、読取り部５に関連付けられたデータ線６にセル２のダイオードセグメント３を選択的に接続するためのトランジスタ１０を更に備える。ダイオードセグメント３の各々は、それぞれのアバランシェクエンチング抵抗器８を介してトランジスタ１０と並列
に接続されている。

間接的にＸ線を検出する用途のために、ＦＰＤ１は、入射Ｘ線光子をセル２のダイオードセグメント３に到達し得る光学光子へ変換するための、例えば蛍光体などの少なくとも１つのシンチレーション物質の層を備えることができる。入射光学光子に応じて、ダイオードセグメント３は電荷信号を生成する。このようにして、ＦＰＤ１は間接的Ｘ線／電荷信号変換を行うことができる。

ダイオードセグメント３の動作には、ダイオードセグメント３のカソードへ電力供給手段７により付与された逆駆動電圧バイアスがかかっている。逆電圧バイアスはダイオードセグメント３の降伏電圧より大きいため、ダイオードセグメント３はアバランシェ増倍ガイガーモードで動作する。このモードでは、単一の光子吸収イベントに対して、多数の電子―正孔対がダイオードセグメント３によって生成され、その結果、図１２のグラフに示すように、あるＸ線照射に対し先行技術の解決策と比べてより高い電荷が生成される。

図４には図示していないが、この電荷は、セル内に設けられた個別キャパシタ内に、または寄生容量を使用して、蓄えることができる。

ダイオードセグメント３の降伏電圧に依存して、逆電圧バイアスの典型的な値は、１０Ｖから３０Ｖの範囲にあってよい。かけられる逆電圧バイアスはＤＣ電圧であるが、フレーム時間（一般的には、５０Ｈｚフレームレートで２０ｍｓ）によって、ゲートされ得る。あるいは、逆電圧バイアスは、パルス幅がＸ線パルス幅（一般的には約２ｍｓ）によって定められる、パルスモードでかけられてもよい。このようにすると、信頼性が向上し、ＦＰＤ１の読み出す動作が、ＤＣバイアスを用いるときよりも低い電圧で起こり得る。

図５、１０、１１、および１４に示す例示の実施形態を参照して、セル２内のダイオードセグメント３の側壁２２が、誘電材料２３によって互いから横方向に離間されており、これによって、横方向に制限された構造を提供してガイガーアバランシェ増倍の利得を制御している。ダイオードセグメントのサイズは、２μｍ（典型的なフォトリソグラフィック製造方法フィーチャーサイズによる限界）から１５０μｍ（最大画素サイズ限界）であり得る。

各抵抗器８は、アバランシェイベントの後、ダイオードセグメント３を降伏前の状態に戻すのに十分高い限流抵抗を提供するように、設計されている。抵抗値は、使用するダイオードセグメント３に依存するが、５０ｋΩから２ＭΩの範囲、より典型的には１００ｋΩから４００ｋΩの範囲であり得る。

図４に戻って、セル２の読み出しは、図１に示した先行技術の例におけるのと同様に生じる。特に、ＦＰＤ１は、
複数Ｎ個の走査線信号をマトリックスのそれぞれの行に提供する走査ドライバ４であって、各走査線信号は選択された行のセル２からの電荷値を読み取り可能にする、走査ドライバ４と、
マトリックスのそれぞれの列から複数Ｍ個の可変電荷値信号を読み取る読取り部５であって、各可変電荷値信号は選択された行内のセル２に対応する、読取り部５と、
を備える。

走査ドライバ４からの走査線信号は、選択された行内のトランジスタ１０のゲート１１に送られ、これらのトランジスタ１０をオンにする。このように、選択された行内のセル２のダイオードセグメント３は、対応するデータ線６に動作可能に接続されており、読取り部５は、選択された行内のセル２のダイオードセグメント３によって生成された可変電荷値信号を、データ線６から順次読み取ることができる。このように、行のラインの順次アクティブマトリックスアドレッシングを行って、ＦＰＤ１の各セル位置における電荷値、したがって入射放射線強度を、求めることができる。

製造に関連して、図５、１０、および１１に示した例示の実施形態において、セル２は基板２０上に形成された金属層１１、２１を備え、セル２のダイオードセグメント３は、金属層２１のそれぞれの部分上で互いから離間して形成されている。上述したように、金属部分１１は、トランジスタ１０のゲートコンタクトとして機能する。金属層２１の部分はダイオードセグメント３のカソードとして機能し、電力供給手段７へ接続されている。このようにして、動作逆バイアス電圧をダイオードセグメント３にかけることができる。

セル２は、更に、ダイオードセグメント３にわたって形成された、電磁放射線に対して透明である、透明導電層２５を備える。例えば、層２５は、導電性酸化物、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、からできていてもよい。

シンチレーション物質の層は、ＦＰＤ１内に存在する場合、層２５の上に配置され、層２５により、シンチレーション物質によって生成された光子は、層２５を通りぬけてダイオードセグメント３に到達可能となる。

層２５を堆積させる前に、不動態化誘電材料２３、例えば酸化ケイ素、をダイオードセグメント３の側壁２２の周りに堆積させる。材料２３の露出表面はダイオードセグメント３の露出表面と同一平面上になくてもよく、したがって、実施形態に示すように、ダイオードセグメント３および誘電材料２３にわたって堆積される層２５は、平面でなくてもよく、したがって、この場合、層２５は、ダイオードセグメント３ごとに、ダイオードセグメント３の上端にあるパッド２７と、パッド２７から離れるように不動態化材料の上に延びる２つの側方部分２８とを備える。

ダイオードセグメントおよび層３、２３、２５の表面を成形できるため、図１０の実施形態に示すようなものが可能となる。図１０の実施形態では、パッド２７が、ドーム形２９で形成されて光学レンズとして機能し、下にある対応するダイオードセグメント３の中心に入射放射線を合焦させる。このドーム形は、複数の堆積工程を用いてウェル内で層２５の連続部分を堆積することによって、作成および制御できる。

図５および１０の実施形態において、層２５は、セル２のダイオードセグメント３のアノードと、トランジスタ１０との間の電気接続として機能し、その接続トラックが抵抗器８を提供している。トランジスタ１０は、セル２が属するマトリックス列のデータ線６に、金属層１２を介して動作可能に接続されている。このように、走査ドライバ４からの走査行信号がゲート１１に送られてトランジスタ１０をオンにすると、ダイオードセグメント３によって生成された電荷信号は、データ線６に到達して読取り部５によって読み取られることができる。

図５および１０に示すセル２の構造をより明確に示すために、図６は、セル２の単一のダイオードセグメント構造２６の平面図を、この構造２６を構成する基本的な層の平面図とともに示している。まず、部分１１、２１を備える金属層が堆積され、次いで半導体ダイオード層３が堆積される。次いで、不動態化層２３が堆積される（図６（ｃ）において、矩形はこの層における開口を表しており、この開口を通してダイオード層３および金属コンタクト１１とのコンタクトが実現され得る）。次いで、ＩＴＯ層２５が堆積され、図６（ｄ）はダイオードセグメントをトランジスタ１０に接続する抵抗器８を形成するトラックを示している。トランジスタ１０およびコンタクト層１２を形成する更なる層は図示していないが、それ以外は従来のものである。

図７は完全なセル２の平面図を、層２１、１１、３、２３、および２５の平面図とともに示す。ここで、ダイオードセグメント３とそれらの抵抗器８とは互いに並列に接続されている。

ここで図１３を参照して、セル２’内のダイオードセグメント３’の極性を逆にすることも可能である。この場合、各ダイオードアノードはクエンチング抵抗器８を介して電力供給手段７に接続され、一方、各カソードはトランジスタ１０に接続される。図１４は、基板２０を備えるそのようなセル２’を示す。基板２０上には、ダイオードセグメント３’と薄膜トランジスタ１０がシリコンオングラスプロセスを用いて形成されている。この場合、セル２’は、トランジスタ１０に接続する第１の金属層部分３１と第２の金属層部分３２とを備える。金属層３１はセル２が属するマトリックス列のデータ線６に関連付けられている。

誘電材料２３ａの第１の層が、金属層部分３１、３２と基板２０との間の空間を埋めている。材料２３ａと同時に誘電体２３ｃを堆積することができる。誘電材料２３ｂの第２の層が第１および第２の金属層部分３１、３２にわたって配置されており、金属材料３３の第３の層は、誘電材料２３ｂの第２の層の上に配置され、第２の金属層部分３２に接続されている。

ダイオードセグメント３’は、金属材料３３の第３の層にわたって配置されており、透明導電層２５はダイオードセグメント３’および不動態化材料２３の各上端の上にある。再び、層２５は、ダイオードセグメント３のアノードを電力供給手段７へ繋ぐコンタクトとして機能し、ダイオードカソードは、層３３および３２を介してトランジスタ１０に接続され、抵抗器８は層２５内に画成される。

走査ドライバ４からの走査駆動信号がトランジスタ１０のゲート１１を駆動してトランジスタ１０をオンにすると、ダイオードセグメント３’によって生成された電荷信号は、金属層３３、３２、３１を通ってデータ線６に到達し、読取り部５によって読み取られることができる。

図４および１３に例示した実施形態の変形例において、抵抗器８はダイオードセグメント３と電力供給手段７との間、またはダイオードセグメント３’とトランジスタ１０との間にそれぞれ接続され得ることが、理解されるであろう。
この場合も、シンチレーション物質の層が、ＦＰＤ１内に存在する場合には、層２５上に配置される。

図１１に示す実施形態において、セル２は、図５および１０に示す構造と同様に、基板２０上の金属層２１、１１上にある互いに離間したダイオードセグメント３ａの下側アレイを備える。セル２は、更に、互いに離間したダイオードセグメント３ｂの上側アレイを備え、ダイオードセグメント３ａは、上側アレイのダイオードセグメント３ｂに対してダイオードセグメント３ｂ同士の間の空間の下に配置されるように、オフセットされている。ＩＴＯ層２５ａ、２５ｂが、ダイオードセグメント３ａ、３ｂの各アレイ上にわたってそれぞれ形成されている。

ダイオードセグメント３ｂは、対応する互いに離間した金属部分３０上にあり、金属部分３０はダイオードセグメント３ｂのためのカソードコンタクトとして機能する。金属部分３０は、下側の並びのダイオードセグメント３ａの上端にある透明導電層２５に対し、Ｚ方向上方に配置されているが、横方向にはオフセットしている。層２５ａおよび２５ｂは、ダイオードセグメント３ｂならびにセグメント３ａのためのアノード接続として機能するように、仲介部２５ｃを介して接続されている。

このように、上側アレイのダイオードセグメント３ｂによって吸収されない光子は、下側の並びのダイオードセグメント３ａによって吸収される。これにより、セグメント化ダイオード構造を用いた１００％のフィルファクタ検出が達成される。

更に、図１１に示すように、ダイオードセグメント３ｂのうちのいくつかがトランジスタ１０の上に配置されるようにダイオードセグメント３ｂの上側の並びを延ばすことによって、検出率を更に上昇できる。

図１１に例示した原理は、図１４のシリコンオングラス実施形態にも同様に適用可能である。

ここで図１５および１６を参照して、先の実施形態の更なる変形例において、読取り部５’’ではなくマトリックスが、リセット回路９を含む。したがって、各セルは、電力供給手段７とダイオード２’’との間に接続された更なるトランジスタ１２を含む。トランジスタゲートは、リセット回路９によって駆動され、必要に応じて各ダイオード２’’の電荷をクリアする。以前と同様に、各ダイオード２’’は、信号回収が始まる前に初期化されなければならない。これは、リセットされたトランジスタ１２にパルスを送り、ダイオードにかける電圧をガイガーモード動作用に設定することによって、達成される。一旦リセットされたトランジスタ１２がオフになると、集積期間が開始する。入射光（放射線）は、各ダイオード２’’においてアバランシェイベントを開始可能な電子―正孔対を生成し、その結果、画素の電荷に変化が生じる。集積期間の終わりに、トランジスタ１１をオンにすることよって読み出しＴＦＴ（行）が選択され、総蓄積電荷が読取り部回路５’’へ送られる。図１５の例では、図４および１３の実施形態の電荷増幅器１３ではなく、負荷抵抗器１３’が、読取り部回路５’’にデータ線６を接続する。また、これらは互換的に使用され得ることが、理解されるであろう。図１６は、図１４の実施例と同様の方式での本回路の例示のシリコンオングラス実施例を示す。ここでは、ＩＴＯ層２５がダイオードセグメント３’’を別々の抵抗器（図示せず）を介して更なるトランジスタ１２に接続している。

ＦＰＤ撮像システムに共通の読み出しシステムで実施される本発明の実施形態は、画素における所与の光子率につき、電磁放射線検出装置の信号対雑音比を増加させる。結果として生じる検出装置の検出量子効率（ＤＱＥ）は、入射電磁放射線の所与の線量につき、増加する。逆に、所与のＤＱＥ値での線量は減少する。例示のために、図１の従来の手法と図４の実施形態とで比較した、ＤＱＥ対線量のグラフを図１２に示す。図１２は、本発明の実施形態のＳ字型のＤＱＥ対Ｘ線線量レベル曲線が、図１、２、および３の従来の手法による曲線の左へどのようにシフトしているかを示す。これは、ＤＱＥ５０％を必要とするＸ線画像については、達成された線量の減少は８２％であり、これは５倍の線量レベル減少に相当する。ＤＱＥは、Ｘ線画像の、特に低照射レベルでの品質に影響する、原理的な性能指数であるが、変調伝達関数（ＭＴＦ）などの他のパラメータは本発明によって必ずしも悪影響を受けないことに留意されたい。

図５〜７、１０〜１１、および１３〜１４に示す実施形態において、セル２、２’のダイオードセグメント３、３’に直列接続されているアバランシェクエンチング抵抗器８は、ダイオードセグメント３のためのコンタクトとして使用される透明導電層２５内にパターニングされている。あるいは、または更に、アバランシェクエンチング抵抗器８は、
更なる高抵抗層としてダイオードメサに集積される、かつ／または
ダイオードセグメント３の下にある金属層２１、３３に集積されることができる。

ここで図８〜９を参照して、ＦＰＤ１のダイオードセグメント３（または３’）を実現するための例示の実施形態を開示する。

ダイオードセグメント３はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）で実現可能である。Ｊ．
−Ｗ．Ｈｏｎｇらによる「The Hydrogenated Amorphous Silicon Reach-Through Avalanc
he Diodes（水素化アモルファスシリコンリーチスルー型アバランシェダイオード）（暫
定訳）」IEEE Journal of Quantum Electronics, IEEE, 1990は、アモルファスシリコンアバランシェフォトダイオードの製造プロセスを記載している。図８（ａ）は、以下の様々なドープ層を備えた例示のａ―Ｓｉダイオードセグメント３を示す。すなわち、
金属層２１（図５に示すセル２の金属層部分２１など）上の高濃度ドープｎ型層４１、
層４１上の低濃度ドープｎ型層４０、および
層４０の上かつ透明導電層２５（図５に示すセル２の層２５など）の下にある高濃度ドープｐ型層４２。

ダイオードセグメント３の層は、イオン注入を用いてドープできる。例えば、パターニングされたイオン注入により連続層のダイオードセグメント３をドープする。

図８（ａ）の積層の代わりに、図８（ｂ）では、電子―正孔対生成用の誘電サブ層４０ａが、感光性電子―正孔対生成用の半導体層４０ｂの下に設けられる。

一実施形態では、ダイオードセグメント３は、混合相シリコンを備えることができる。図９を参照して、そのようなダイオードセグメント３は、
金属層２１上の高濃度ドープｎ型層４１と、
低濃度ドープのｎ型混合相シリコン層４３と、
層４３の上かつ透明導電層２５の下にある高濃度ドープｐ型層４２と、
を備える。

混合相シリコン層４３は、アモルファスシリコンおよび多結晶またはナノ結晶シリコンなどの結晶シリコンの交互の領域４４、４５からなる。この混合相シリコン層４３は、ダイオードセグメント３の降伏電圧を下げる。Ｐ．Ａ． Ｂｅｃｋ「High Current Density in μc-Si PECVD Diodes for Low Temperature Applications（低温用途のためのμｃ−Ｓｉ ＰＥＣＶＤダイオードにおける高電流密度）（暫定訳）」（この開示は参照により本明細書に援用される）はμｃ−Ｓｉダイオードの製造方法を開示している。

上記実施形態で示したように、別々の電子―正孔生成およびアバランシェ層を使用することにより薄い絶縁アバランシェ層を使用できることが、理解されるであろう。

また、図８（ａ）、８（ｂ）、および９に示した高濃度ドープｐ型層４２および高濃度
ドープｎ型層４１の位置は入れ替え可能であることが分かるであろう。

上述したように、いくつかの実施形態では、ＦＰＤ１は、Ｘ線／電荷の間接的変換用のシンチレーション物質の層を備える。他の実施形態では、ＦＰＤ１は、例えば赤外（ＩＲ）光を検出する、直接検出器として使用できる。この場合、シンチレーション物質は必要なく、赤外線／電荷の直接変換は、マトリックスセル２のダイオードセグメント３において生じ得る。

これらの実施形態の更なる変形例では、ダイオードセグメント３用の適切な材料を選ぶことによって、ＦＰＤ１は、シンチレーション物質なしでＸ線を直接検出するように使用できる。

例えば、ダイオードセグメント３は、ガリウムインジウム亜鉛酸化物（ＧＩＺＯまたはＩＧＺＯ）のｎ型層などの、非相補的半導体の１つ以上の層を備え得る。

Ｘ線放射に直接感応する他のダイオードはＧａＡｓまたはＳｉＣを含む。これらは、例えば、Ｒ．Ｂ． Ｇｏｍｅｓらによる「GaAs/Al0.8Ga0.2As avalanche photodiodes for soft X-ray spectroscopy（軟Ｘ線分光法のためのGaAs/Al0.8Ga0.2Asアバランシェフォトダイオード）（暫定訳）」Journal of Instrumentation, Volume 9, Issue 03, article id. P03014 (2014)、およびhttp://www2.le.ac.uk/departments/physics/research/src/res/bioimaging-unit/silicon-carbide-detectorsに掲載されている。

更なる変形例では、ダイオードセグメント３は、ペンタセンのｐ型層などの有機半導体の１つ以上の層を備え得る。

上記実施形態をアクティブマトリックスの観点から説明したが、本発明の他の実施形態はまた、マトリックスセル２のダイオードセグメント３がスイッチング装置を使用せずにＦＰＤ１のそれぞれの行および列のラインに接続される、受動マトリックス回路によって実現できる。

また、ダイオードとデータ線とは１対１対応である必要はなく、データ線６のグループを組み合わせてセグメント化ＦＰＤ１を実現できることが、分かるであろう。

本発明の実施形態を実現するために使用した製造技術は、フラットパネルディスプレイを製造するのに使用するものと同様であってよいことが、理解されるであろう。例えば、Ｗ． Ｂｏｅｒ「Active Matrix Liquid Crystal Displays（アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（暫定訳）」2005, ISBN-10: 0-7506-7813-5に開示されるようなものであってよい（その開示は参照により本明細書に援用される）。したがって、本発明によるＦＰＤは、フラットパネルマトリックスディスプレイに統合され得る。

したがって、着用者の注視を追跡できるように画像取得装置を使用して着用者の眼の画像を取得するような、バーチャルリアリティ（ＶＲ）用途においては、画像取得装置はＶＲディスプレイに統合され得る。そのような用途では、ＶＲヘッドセットディスプレイからの照明を使用して、画像取得装置を介し、低い光レベルかつ高速度で着用者の眼の高品質画像を提供することができる。

ＶＲ以外の用途では、指紋もしくはジェスチャー認識またはディスプレイ統合型放射線モニタリングなどの、ディスプレイ用バックプレーンに本画像取得装置を統合することによりもたらされる改善されたフォームファクタから恩恵を受け得ることが、理解されるであろう。

そのような検出器の製造はＣＭＯＳベースであり得る。そのような用途は簡単なエネルギースペクトル測定装置を使用する。あるいは、検出装置を測距用途のための時間―距離変換器（ＴＤＣ）と組み合わせてもよい。そのような用途においては、本発明のより高感応度な検出装置が有するより短くより鋭い窓内で反射パルスを捕らえる能力は、当該測距装置の精度を高めるのに寄与する。

上記実施形態のより複雑な実施例においては、温度補償回路（図示せず）をセル２または電力供給手段７のいずれかに組み込んで、様々な環境における装置の一貫した動作を確実にできることも、理解されるであろう。

最後に、上記実施形態の原理は、シーンの深さマップを生成するために飛行時間（ＴｏＦ）画像の生成に応用できる、ということが分かるであろう。ここで、図１７および１８を参照して、マトリックスは、各装置行の読み出しと比較して既知の時間にパルス出力されてシーンに照明をあてる光（放射線）源（図示せず）に、動作可能に結合されている。一旦開始されると、ダイオードセグメント３’’’のアノードに接続されたトランジスタ１４がリニアモードで開き、キャパシタ１９と並列で抵抗素子として機能する。そして、キャパシタ１９のＲＣ時間が、画素の電荷が時間とともに変動しＴＯＦ検出器の所望の範囲に対応する時間内で放電するように、選ばれる。典型的なインドア用途では、最大範囲１０ｍが適用され、総ラウンドトリップタイム６７ｎｓに匹敵するＲＣ時間が選ばれ得る。照らされたシーンからの反射光子が検出器画素に到達すると、アバランシェダイオードセグメント３’’’が作動し、トランジスタ１４を閉じて画素キャパシタ１９のＶｄｄヘの放電を停止させる。そして、画素に残る電荷は、光の飛行時間に一意的に関連付けられ、画素アレイは従来通りに読みだされ、焦点面アレイを形成するマトリックス内の位置ごとに距離のマップが生成できるようになる。

図１９は、図１７の飛行時間撮像回路の例示のタイミング図である。初期化の間、Ｖｒｅｓｅｔが図１５の例におけるようにアサートされると、ダイオードセグメント３’’’はリセットされる。Ｖｒｅｓｅｔがまだアサートされている間に、行ドライバ信号（Ｖｒｏｗ）がアサートされて、Ｖｐｉｘｅｌと表示されている既知の電圧にキャパシタ１９が充電できるようになる。一旦行ドライバ信号Ｖｒｏｗがディアサートされると、キャパシタ１９は既知のレートで放電を開始し、受け取った光子に応じてダイオードセグメント３’’’がオンとなるまで、放電を続ける。わずかなリークとは別に、行ドライバ信号が再アサートされるまで、電荷はキャパシタ１９に維持される。その段階で、Ｖｒｏｗ信号がアサートされている間に、キャパシタ１９のアナログ電荷値（ＶＴＯＦ）を読み出すことができる。図２０は、例えば５０ｎｓなどのより長い飛行時間を示す。一方、図２１は、例えば１０ｎｓなどのより短い飛行時間を示す。

図１７のマトリックスは、各行を順次読み取らせながら、放射線の単一のパルスに反応できる。この場合、行ごとに異なるリークを考慮する何らかの較正が必要となり得る。

あるいは、そのような較正をしなくてすむように、放射線の単一のパルスに応じて画像の各行を構成してもよい。

上記実施形態は、飛行時間を求めるためにキャパシタ１９の放電の程度を測定することに基づくものであるが、図１７の回路の代替実施例において、キャパシタは、放電状態で始めてもよく、飛行時間はダイオードセグメント３’’’が作動したときの電荷状態に従って決定されてもよいことが、理解されるであろう。

Claims (11)

1. 放射線検出装置（１）であって、
   少なくともマトリックス領域の一部を有する基板（２０）にわたって設けられる複数の層を有し、
   該マトリックス領域は、複数Ｍ列に分割された複数Ｎ行のセル（２）を有し、各セルは、複数のダイオードセグメント（３）を備え、
   各ダイオードセグメント（３）は、
   アバランシェ増倍ガイガーモードで動作するように、アバランシェクエンチング抵抗器（８）を介して駆動電圧に直列接続されており、
   放射線検出装置（１）は、前記駆動電圧から前記マトリックス領域の各セルへの第１の接続セットを備え、
   各ダイオードセグメント（３）は、
   前記金属層上に形成される第１の半導体型の第１ドープ層（４１）と、
   前記第１ドープ層上に形成されるアモルファス半導体及び結晶半導体の交互領域（４４，４５）からなる混合相半導体層（４３）と、
   前記混合相半導体層上に形成される半導体材料からなる第２ドープ層（４２）と、
   セル内の前記ダイオードセグメントは、それぞれ、誘電材料によって互いから離間されていること、
   前記第２層上に形成され、電子スイッチング装置（１０）から前記マトリックス領域の各セルへの第２の接続セットを備えた、少なくとも１つの透明導電層（２５）と、
   を有する
   放射線検出装置（１）。
2. 前記混合相半導体層はシリコンからなる
   請求項１に記載の装置。
3. 半導体材料の前記第２の層は、前記第１ドープ層と逆の型を有する
   請求項１に記載の装置。
4. 前記セル（２）の前記ダイオードセグメント（３）にわたるシンチレーション物質の少なくとも１つの層を更に備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの透明導電層（２５）は、前記ダイオードセグメント（３）と前記シンチレーション物質の少なくとも１つの層との間に配置される、請求項４に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つの透明導電層（２５）は、入射電磁放射線を前記セル（２）の前記ダイオードセグメント（３）へ収束されるように成形される、請求項１に記載の装置。
7. 前記少なくとも１つの透明導電層（２５）は、ダイオードセグメント（３）ごとに、前記ダイオードセグメント（３）上に位置づけられたドーム形部分（２７）を備える、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記少なくとも１つの透明導電層（２５）は導電性酸化物を含む、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記ダイオードセグメント（３）は、互いに対向かつ離間している側壁（２２）を有し、前記誘電材料は、前記ダイオードセグメント（３）の前記側壁（２２）を覆っている、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のダイオードセグメント（３）は、少なくとも、互いに空間をあけて配置された第１のダイオードセグメント（３ｂ）の上側アレイと、第２のダイオードセグメント（３ａ）の下側アレイとを備え、
    前記第２のダイオードセグメント（３ａ）は、前記第１のダイオードセグメント（３ｂ）と基板（２０）との間で、前記第１のダイオードセグメント（３ｂ）同士の間の前記空間の下に配置されるように前記第１のダイオードセグメント（３ｂ）に対して横方向にオフセットしている、請求項１に記載の装置。
11. 各セルは、更に、前記ダイオードセグメントによって生成された電荷を蓄えるためのストレージキャパシタを備える、請求項１に記載の装置。

Images