JP2022122046A - Radiation imaging device, radiation imaging system including the same, and structure inspection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、X線等を用いた放射線撮像装置、および放射線撮像装置を備える放射線撮像システムや構造物検査装置に関する。 The present invention relates to a radiation imaging apparatus using X-rays and the like, and a radiation imaging system and a structure inspection apparatus equipped with the radiation imaging apparatus.
放射線を用いて被検者、構造物の撮像を行う装置(以下、放射線撮像装置と記載する)は、医療分野や工業分野など様々な用途で用いられており、例えば医療分野では、X線を用いて人体内部の撮像を行う画像診断装置が広く医療現場で用いられている。 Devices that use radiation to image subjects and structures (hereinafter referred to as radiation imaging devices) are used in various fields such as the medical and industrial fields. An image diagnostic apparatus for imaging the inside of a human body using a medical imaging apparatus is widely used in the medical field.
従来のX線を用いた放射線撮像装置では、患者の特定部位(骨、肺など)にX線源からX線を照射し、当該特定部位を透過したX線を直接、或いは間接的にセンサで受光し、デジタルデータとして画像データを取得していた。なお、間接的とは、放射線を、光電変換素子で感応できる波長の光にシンチレータを用いて変換した後にセンサで受光することを意味する。 In conventional radiation imaging apparatuses using X-rays, X-rays are emitted from an X-ray source to a specific part of a patient (bone, lung, etc.), and the X-rays that pass through the specific part are directly or indirectly detected by a sensor. It received light and acquired image data as digital data. Indirect means that radiation is received by a sensor after being converted into light of a wavelength that can be sensed by a photoelectric conversion element using a scintillator.
この様な放射線撮像装置においては、汎用的な製品ではアモルファスシリコンや多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタで画素回路が構成されていた。また、高性能な製品では単結晶シリコンを用いて画素回路が構成されていた。 In such a radiation imaging apparatus, a general-purpose product has a pixel circuit composed of a thin film transistor using amorphous silicon or polycrystalline silicon. In addition, in high-performance products, the pixel circuit was constructed using single crystal silicon.
しかしながら、アモルファスシリコンを用いた構成では、そのキャリア移動度の低さから高フレームレートでの動画撮影が困難であったり、薄膜トランジスタのサイズの小型化が困難で消費電力が大きなってしまうという問題があった。このため、バッテリー駆動の場合、頻繁に充電しなければならず、緊急時に撮影ができないという状況が生じていた。また、画素回路における増幅素子をアモルファスシリコンで構成した場合、ヒステリシスやオフ電流が問題となり、精度の高い画像を取得することが困難であるという問題もあった。 However, in a configuration using amorphous silicon, it is difficult to shoot moving images at a high frame rate due to its low carrier mobility, and it is difficult to reduce the size of thin film transistors, resulting in large power consumption. there were. For this reason, in the case of battery drive, the camera must be recharged frequently, resulting in a situation in which shooting cannot be performed in an emergency. Further, when the amplifying element in the pixel circuit is made of amorphous silicon, hysteresis and off-current become problems, and it is difficult to acquire a highly accurate image.
また、多結晶シリコンを用いた構成では、キャリア移動度がアモルファスシリコンに比べ100倍以上速いので、高フレームレートでの動画撮影が可能であり、また、薄膜トランジスタのサイズを小型化できるため低消費電力化を図ることが可能である。しかしながら、増幅素子におけるヒステリシスやオフ電流の問題は解決されておらず、精度の高い画像データを取得することに支障をきたしていた。癌等の疾病は病巣が非常に小さい状態で発見されることが望ましいが、画像データの精度が低いとそういった病巣が不鮮明に映り、医師が見落としてしまうという問題を生じる。 In addition, in a configuration using polycrystalline silicon, the carrier mobility is 100 times faster than that of amorphous silicon, so it is possible to shoot moving images at a high frame rate, and the size of the thin film transistor can be reduced, so power consumption is low. It is possible to improve However, the problems of hysteresis and off-current in the amplifying element have not been solved, which has hindered acquisition of highly accurate image data. Diseases such as cancer are desirably discovered with very small lesions, but if the accuracy of the image data is low, such lesions appear unclear and pose the problem of being overlooked by doctors.
また、単結晶シリコンを用いた構成の場合は上述したような問題は無いが、非常に高価であり、高性能な高級製品にしか用いることができなかった。 Also, in the case of a structure using single crystal silicon, there is no problem as described above, but it is very expensive and could only be used for high-performance high-end products.
なお、先行文献である特開2004-59293号公報には、チャネル形成領域に多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタと、チャネル形成領域に酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタとを混在させた画素を備える放射線撮像装置の示唆がある。しかしながら、本公報に開示された発明は、光電変換素子の発生した電荷を蓄積するための第3のトランジスタのチャネル形成領域を酸化物半導体で構成することを特徴とするものである。増幅素子として機能する第1のトランジスタやスイッチ素子と機能する第2のトランジスタのチャネル形成領域に用いる材料には、多結晶シリコン、酸化物半導体が並列して列挙されてはいる。しかしながら、段落0071乃至0074に記載された通り、第1のトランジスタと第2のトンジスタには同じ種類の半導体材料を用いることが好ましいことを示唆しており、敢えて異種の半導体材料を組み合わせて用いることの示唆はない。 In addition, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-59293, which is a prior document, a radiographic imaging device including a pixel in which a thin film transistor using polycrystalline silicon in a channel forming region and a thin film transistor using an oxide semiconductor in a channel forming region are mixed is disclosed. There are hints of equipment. However, the invention disclosed in this publication is characterized in that the channel formation region of the third transistor for storing charges generated by the photoelectric conversion element is formed of an oxide semiconductor. Polycrystalline silicon and oxide semiconductor are listed side by side as materials used for channel formation regions of the first transistor functioning as an amplifying element and the second transistor functioning as a switching element. However, as described in paragraphs 0071 to 0074, it suggests that it is preferable to use the same type of semiconductor material for the first transistor and the second transistor. There is no suggestion of
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、汎用製品にも適用できるように安価で、且つ、高速駆動、低消費電力、高精度な画像データの取得を可能とする放射線撮像装置の提供を目的とするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the conventional art. It is an object of the present invention to provide a radiation imaging apparatus that
本発明の放射線撮像装置は、放射線或いは該放射線から変換された光を受光し、電荷を発生する変換素子と、該変換素子が発生した電荷に基づくゲート電圧で駆動される増幅素子としての薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタが発生した電気信号を信号線に出力するための第1のスイッチ素子としての薄膜トランジスタと、を備え、前記増幅素子としての薄膜トランジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体から構成され、前記第1のスイッチ素子としての薄膜トランジスタのチャネル形成領域は多結晶シリコンから構成されていることを特徴としている。 The radiation imaging apparatus of the present invention comprises a conversion element that receives radiation or light converted from the radiation and generates charges, and a thin film transistor as an amplification element that is driven by a gate voltage based on the charges generated by the conversion element. , a thin film transistor as a first switch element for outputting an electric signal generated by the thin film transistor to a signal line, a channel forming region of the thin film transistor as the amplifying element being composed of an oxide semiconductor, the first The channel forming region of the thin film transistor as the switching element is made of polycrystalline silicon.
本発明の放射線撮像装置は、画素回路において、増幅素子としてヒステリシスやオフ電流が小さな酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを用い、且つ、画素から信号線に電気信号を供給するスイッチ素子として動作が高速で、低消費電力化が可能な多結晶シリコンをチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタを用いている。 In the radiation imaging device of the present invention, in the pixel circuit, a thin film transistor using an oxide semiconductor having a small hysteresis and off current as a channel formation region is used as an amplification element, and a switching element for supplying an electric signal from the pixel to the signal line is used. A thin film transistor using polycrystalline silicon for a channel formation region, which operates at high speed and can reduce power consumption, is used.
本発明では、このように従来に示唆のない異種の半導体材料を用いた薄膜トランジスタのコンビネーションにより、安価、且つ高いフレームレートでの高速駆動、低消費電力、精度の高い放射線撮像画像の取得を可能とした放射線撮像装置の提供を実現した。 In the present invention, by combining thin film transistors using different semiconductor materials, which has not been suggested in the past, it is possible to obtain a radiographic image at low cost, high-speed driving at a high frame rate, low power consumption, and high accuracy. We have realized the provision of a radiation imaging apparatus that
以下、本発明を好適に適用可能な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明において放射線は、放射線崩壊によって放出される粒子(光子を含む)の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギーを有するビーム、例えばX線や粒子線、宇宙線なども、含まれるものとする。 Embodiments to which the present invention can be suitably applied will be described in detail below with reference to the drawings. In the present invention, radiation refers to beams of particles (including photons) emitted by radiation decay such as α-rays, β-rays, and γ-rays. , particle beams, and cosmic rays are also included.
図1は、本発明の放射線撮像装置1の概略の構成を示す。図1に示すように、放射線撮像装置は、平板ガラスなどの基板上に形成された、夫々が入射する光又は放射線を電気信号に変換する複数の画素5を有する。画素部4は、複数の画素5が行列状に配置された領域を構成(平面検出器)する。例えば17インチの放射線撮像装置では約2800行×約2800列の画素を有している。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a radiation imaging apparatus 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the radiation imaging apparatus has a plurality of
前記基板上には、画素5を駆動するためのゲートドライバ2、画素5から電気信号を読み出す読み出し回路3、それらの動作タイミングなどを制御するシステム制御回路6が、半田または導電性接着剤を用いて基板上の金属配線のような導電性経路に結合されている。
A
ゲートドライバ2は、変更可能な画素加算数で画素部5を駆動する。読み出し回路3は、駆動された画素部4からの電気信号をデジタル化した画像データとして出力する。放射線撮像装置1は更に、読み出し回路3からの画像データを画像処理して出力する信号処理部(不図示)と、各構成要素に夫々バイアスを供給する電源部(不図示)等を含む。
The
ゲートドライバ2は、システム制御回路6からの制御信号を受けて、走査領域や画素加算数を切り替えることが可能な構成を有している。電源部は、不図示の外部電源や内蔵バッテリーから電圧を受けて、ゲートドライバ2、読み出し回路3、画素部4、システム制御回路6で必要な電圧を供給するレギュレータ等の電源回路を内包している。
The
また、本実施形態では、システム制御回路6は複数の撮像動作を切り替え可能な機能を有している。本発明における撮像動作には、複数のパラメータがあり、あらかじめ用意された各パラメータの値の組み合わせによって決まるものである。このパラメータには、例えばフレームレート、増幅率(ゲイン)、画素加算数(ビニング)といったものがある。なお、画素加算数は、ゲートドライバ2により同時に駆動される画素行の数に対応し、例えば同時に駆動される画素行が1行のみであれば加算数は1、同時に駆動される行が2行であれば加算数は2となる。
Further, in this embodiment, the
次に、画素5の構成、動作について図2を用いて説明する。変換素子21は、放射線又はシンチレータにより放射線から変換された光を電荷に変換する光電変換素子である。スイッチ素子21(第2のスイッチ素子)は、変換素子21を初期化するために変換素子21とリセット電位Vrstとの接続状態を切り替える機能を有し、ゲートドライバ2により駆動配線26を介して制御される。キャパシタ23は、変換素子21が発生した電荷を保持する機能を有する。増幅素子24は、キャパシタ23に保持された電荷に応じたゲート電圧で駆動され、ドレイン電極に前記ゲート電圧に応じた出力電流を発生する。スイッチ素子25(第1のスイッチ素子)は、前記出力電流を電気信号として信号線28に出力する機能を有し、ゲートドライバ2により駆動配線27を介して制御される。
Next, the configuration and operation of the
本実施形態では、変換素子21として、放射線入射側に放射線を変換素子21が感知可能な波長帯域の光に変換するシンチレータを備えた間接型を用いている。具体的には、アモルファスシリコンを主材料とするPIN型フォトダイオードを用いる。なお、変換素子21としては、間接型以外にも放射線を直接電荷に変換する直接型の変換素子を用いても良い。その場合、アモルファスセレンや、カドニウムテルルなどが主材料として用いられる。
In this embodiment, as the
スイッチ素子24,25、増幅素子24としては、制御端子と2つの主端子を有するMOS型トランジスタが好適に用いられ、本実施形態では薄膜トランジスタ(TFT)が用いられる。詳しくは、後述する。
As the
変換素子21の一方の電極であるカソードはスイッチ素子22の2つの主端子の一方であるドレイン電極に電気的に接続され、他方の電極であるアノードはバイアス電位又はグラウンド電位に接続されている。また、スイッチ素子22の主端子の他方であるソース電極はリセット電位Vrstに接続されている。
One electrode of the
スイッチ素子22を制御する駆動配線26は、同一行方向に存在する複数の画素5それぞれのスイッチ素子22の制御端子と共通に電気的に接続されており、ゲートドライバ2からスイッチ素子22の導通状態を制御する駆動信号が与えられる。このようにゲートドライバ2が同一行に存在する複数の画素5それぞれのスイッチ素子22の接続状態と非接続状態を同時に制御することにより、同一行に存在する複数の画素5の変換素子21は、同時にリセットされる。また、このリセット動作を全行同時に行うことにより、画素部4に存在する複数の画素5の変換素子22を同時に初期化することも可能である。
A
スイッチ素子25を制御する駆動配線27は、同一行方向に存在する複数の画素5のスイッチ素子25の制御端子と共通に電気的に接続されており、ゲートドライバ2からスイッチ素子25の導通状態を制御する駆動信号が行単位で与えられる。このようにゲートドライバ2が行単位でスイッチ素子25の接続状態と非接続状態を制御することにより、画素5からの電気信号を行単位で各信号線28に出力することが可能である。
The
次に、画素5の動作について図2を用いて説明する。被験者の撮影に先立ち、ゲートドライバ2からスイッチ素子22を導通状態にする駆動信号が全行の駆動配線26に同時に供給され、画素部4に存在する複数の画素5の変換素子21がリセット電位Vrstに同時に接続される。変換素子21は、カソードがリセット電位Vrstに設定された状態においては逆バイアスが印可された状態となる。このリセット動作は全画素一括でなくても行単位で順次行っても良い。また、このリセット動作の際、リセット電位Vrstによりキャパシタ23もリセットされる。
Next, operation of the
その後、スイッチ素子22は、再び非導通状態に駆動されるが、変換素子22等はリセットされた状態を維持する。次に、被験者に対するX線撮影が行われ、撮影により発生したX線である放射線、或いはその放射線からシンチレータにより変換された光が変換素子21に入射される。変換素子21は入射された放射線量或いは光量に応じた電荷を発生する。所定の撮影時間中、発生した電荷はキャパシタ23に蓄積され、蓄積された電荷量に応じた電圧をその一端子に発生する。増幅素子24は、その発生した電圧をゲート電圧として駆動され、ドレイン電極にゲート電圧に応じた出力電流を発生する。なお、増幅素子24のソース電極はバイアス電位VDDに接続されており、ソースフォロワ回路を構成している。所定の撮影時間後、ゲートドライバ2からスイッチ素子25を導通状態にする駆動信号が行単位で順次駆動配線27に供給され、同一行に存在する画素5の前記出力電流が電気信号として各列の信号線28に順次出力される。この一連動作が被験者のX線画像を取得するための各画素5の基本的な動作であり、他の撮影動作は、指定されたビニング数に応じて同時に駆動される行数を変えたり、スイッチ素子25を駆動する周波数等を変えることによって行う。
After that, the
次に、読み出し回路3について説明する。読み出し回路3は、信号線28毎(画素部4の列毎)に設けられた列回路202と、マルチプレクサ203と、バッファアンプ204と、アナログ/デジタル変換器(A/D変換器)205を含む。各列回路202の構成については、図4(b)を用いて後で詳細に説明する。マルチプレクサ203は、各列回路202から出力された並列のアナログ電気信号を直列のアナログ電気信号に変換する。バッファアンプ204は、マルチプレクサ203からの直列のアナログ電気信号をA/D変換器205に伝送する。A/D変換器205は、バッファアンプ204から出力されるアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換し、後段の信号処理回路(不図示)に出力する。信号処理回路は、入力されたデジタル電気信号を画像信号として所定或いは指定の画像処理を施したのち、放射線撮像装置1の外部に出力する。
Next, the readout circuit 3 will be described. The readout circuit 3 includes a
列回路202について図4(b)を用いて説明する。列回路202は、ボルテージフォロワ回路、ローパスフィルタ、サンプルホールド回路を備える。ボルテージフォロワ回路は、定電流源とオペアンプを含み、オペアンプは、正側の入力端子に信号線28が接続されると共に、負側の入力端子と出力端子とが互いに接続されている。尚、信号線28の一端側には定電流源の一方の端子が接続され、この定電流源の他方の端子にはバイアス電位VSSが接続されている。このボルテージフォロワ回路により信号線28に出力された画素5の電気信号は電流信号から電圧信号に変換される。
The
サンプルホールド回路は、入力された電圧信号を保持する保持動作を行う第1サンプルホールド部CDS1と第2サンプルホールド部CDS2を有する。第1サンプルホールド部CDS1は、容量素子C-CDS1及び、容量素子C-CDS1の一方の電極に接続されたリセットスイッチ素子SW―CDS1とによって構成される。第2サンプルホールド部CDS2は、容量素子C-CDS2及び、容量素子C-CDS2の一方の電極に接続されたリセットスイッチ素子SW―CDS2とによって構成される。リセットスイッチ素子SW―CDS1、SW―CDS2のオン・オフは、システム制御回路6から供給される制御信号によってそれぞれ制御される。リセットスイッチ素子SW―CDS1がオフからオンに切り替わると、第1サンプルホールド部CDS1はホールドモードからサンプリングモードに切り替わる。サンプリングモードの間、第1サンプルホールド部への入力信号が容量素子C-CDS1に充電される。リセットスイッチ素子SW―CDS1がオンからオフに切り替わると、第1サンプルホールド部はサンプリングモードからホールドモードに切り替わる。ホールドモードの間、容量素子C-CDS1に保持されている信号がホールド(固定)され、その後マルチプレクサ203へ供給される。
The sample-and-hold circuit has a first sample-and-hold section CDS1 and a second sample-and-hold section CDS2 that perform a holding operation to hold an input voltage signal. The first sample-and-hold section CDS1 is composed of a capacitive element C-CDS1 and a reset switch element SW-CDS1 connected to one electrode of the capacitive element C-CDS1. The second sample-and-hold section CDS2 is composed of a capacitive element C-CDS2 and a reset switch element SW-CDS2 connected to one electrode of the capacitive element C-CDS2. On/off of the reset switch elements SW-CDS1 and SW-CDS2 are controlled by control signals supplied from the
第2サンプルホールド部についても基本的な動作は同様であるが、動作するタイミングが第1サンプルホールド部と異なり、その結果、サンプル/ホールドする電気信号の内容も異なる。具体的には、第1サンプルホールド部は非撮像時のノイズ信号としての電気信号をサンプル/ホールドし、第2サンプルホールド部は撮像時の画像信号としての電気信号をサンプル/ホールドする。即ち、サンプルホールド回路は相関2重サンプリング(CDS)を行うためのものである。両信号はバッファアンプ204として用いられる差動アンプによって差動処理されて画像信号からノイズ信号成分が除去され、その後A/D変換器205に送られる。
The basic operation of the second sample-and-hold section is the same, but the operating timing is different from that of the first sample-and-hold section, and as a result, the content of the electrical signal to be sampled/held is also different. Specifically, the first sample/hold section samples/holds an electrical signal as a noise signal during non-imaging, and the second sample/hold section samples/holds an electrical signal as an image signal during imaging. That is, the sample-and-hold circuit is for performing correlated double sampling (CDS). Both signals are differentially processed by a differential amplifier used as a
また、ボルテージフォロワ回路とサンプルホールド回路との間に可変抵抗素子RLPFが接続されている。可変抵抗素子RLPFは、システム制御回路6から供給される制御信号に応じて、自身の抵抗値を変更する。リセットスイッチ素子SW―CDS1がオンになると、可変抵抗素子RLPFと容量素子C-CDS1との間が導通状態となり、可変抵抗素子RLPFと容量素子C―CDS1よってローパスフィルタが形成される。ローパスフィルタは、オペアンプから出力される信号をフィルタリングするためのフィルタ回路である。
A variable resistance element RLPF is connected between the voltage follower circuit and the sample-and-hold circuit. Variable resistance element RLPF changes its own resistance value according to a control signal supplied from
次に、画素部4に設けられた画素5のスイッチ素子22、25及び増幅素子24の詳細について説明する。スイッチ素子22,25及び増幅素子24は、MOS型トランジスタである。スイッチ素子22、25は、多結晶シリコンをチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタで構成されている。増幅素子24は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタで構成されている。
Next, details of the
多結晶シリコンはアモルファスシリコンに対してキャリア移動度が100倍程度高いので、高速なスイッチング動作が可能となる。これは、情報の読み出しを高速化できることを意味し、例えば、高フレームレートでの動画撮影用途の放射線撮像装置に適している。また、高いキャリア移動度によりチャネル幅の小さな薄膜トランジスタとして実装できるため、ゲート電圧の低減、それによる消費電力の低減を図ることができる。 Since polycrystalline silicon has a carrier mobility about 100 times higher than that of amorphous silicon, high-speed switching operation is possible. This means that information can be read out at high speed, and is suitable for, for example, a radiation imaging apparatus for motion picture imaging at a high frame rate. In addition, since it can be implemented as a thin film transistor with a small channel width due to high carrier mobility, it is possible to reduce the gate voltage and thus the power consumption.
酸化物半導体(アモルファスインジウムガリウム亜鉛酸化物等)はアモルファスシリコンに対して20倍程度高いキャリア移動度を有し、且つ、アモルファスシリコンや多結晶シリコンに比べオフ電流が非常に小さいという特性を持つ。 Oxide semiconductors (amorphous indium gallium zinc oxide, etc.) have a carrier mobility that is about 20 times higher than that of amorphous silicon, and an off current that is much smaller than that of amorphous silicon or polycrystalline silicon.
このオフ電流について詳しく説明する。酸化物半導体は、バンドギャップが3.0電子ボルト以上であり、シリコンのバンドギャップ(1.1電子ボルト)と比較して非常に大きい。薄膜トランジスタのオフ抵抗は、チャネル形成領域における熱励起によるキャリア濃度に反比例する。シリコンの場合にはバンドギャップが1.1電子ボルトであるため、室温(200K)での熱励起キャリアの濃度は1×1011cm-3程度である。一方、酸化物半導体のバンドギャップは、3.0電子ボルト以上と大きく、例えばバンドギャップが3.2電子ボルトの場合では、熱励起キャリアの濃度は1×10-7cm-3程度となる。キャリア移動度が同じ場合、抵抗率は、キャリア濃度に反比例するので、バンドギャップ3.2電子ボルトの半導体の抵抗率は、シリコンより18桁も大きい。このため酸化物半導体をチャネル形成領域に適用した薄膜トランジスタは極めて低いオフ電流を実現できる。 This off current will be described in detail. An oxide semiconductor has a bandgap of 3.0 eV or more, which is much larger than the bandgap of silicon (1.1 eV). The off resistance of a thin film transistor is inversely proportional to the carrier concentration due to thermal excitation in the channel formation region. Since silicon has a bandgap of 1.1 electron volts, the concentration of thermally excited carriers at room temperature (200 K) is about 1×10 11 cm −3 . On the other hand, the bandgap of an oxide semiconductor is as large as 3.0 electron volts or more. For example, when the bandgap is 3.2 electron volts, the concentration of thermally excited carriers is approximately 1×10 −7 cm −3 . Since resistivity is inversely proportional to carrier concentration for the same carrier mobility, the resistivity of a semiconductor with a bandgap of 3.2 eV is 18 orders of magnitude higher than that of silicon. Therefore, a thin film transistor in which an oxide semiconductor is used for a channel formation region can achieve extremely low off-state current.
また、酸化物半導体を薄膜トランジスタとして実装する際、アモルファスシリコンや多結晶シリコンに比べ、チャネル長を相対的に短く設計できる傾向にある。これにより、低ヒステリシスを実現できる。 In addition, when an oxide semiconductor is mounted as a thin film transistor, the channel length tends to be designed to be relatively short compared to amorphous silicon or polycrystalline silicon. Thereby, low hysteresis can be realized.
増幅素子24は、変換素子21が生成する電荷に基づく電気信号を精度よく増幅する機能を求められるため、低いヒステリシスと高いキャリア移動度が必要である。一方で、バイアス電位VDDに不必要な電位を出力することを防ぐため、低いオフ電流が必要である。そのため、低ヒステリシス、高キャリア移動度、低オフ電流といった性能を併せ持つ酸化物半導体材料をチャネル形成領域に用いることは有効である。そして、これは精度の高い画像データを取得するうえで重要な性能となる。
The amplifying
従来は、製造の低コスト化を優先して画素部4に設けられる薄膜トランジスタは全て同一の半導体材料で形成されるのが一般的であった。しかしながら、画素5内の薄膜トランジスタはそれぞれ機能が異なり、求められる性能も異なっている。そのため、従来の構成は、性能面で最適化されているとは言い難かった。
Conventionally, all the thin film transistors provided in the pixel section 4 were generally made of the same semiconductor material in order to reduce manufacturing costs. However, the thin film transistors in the
本発明では、スイッチ素子22,24は、多結晶シリコンをチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタで構成し、増幅素子24は、酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタで構成している。これにより高速な読み出し動作、駆動時の低消費電力化、精度の高い画像データの取得を同時に実現できる。その結果、高精度、高速な動画撮影、低消費電力化を実現した放射線撮像装置を提供できる。
In the present invention, the
次に、本実施形態における薄膜トランジスタ及び変換素子の1画素の構造について図3を用いてさらに詳細に説明する。 Next, the structure of one pixel of the thin film transistor and the conversion element in this embodiment will be described in more detail with reference to FIG.
平板ガラスの基板30上にSiONからなる保護層31が設けられている。保護層31上には多結晶シリコンからなる層32-1、32-2、32-3が公知の製法によって成膜され、パターニングされている。32-1はスイッチ素子22のチャネル形成領域、32-2はキャパシタ23の一方の電極、32-3はスイッチ素子25のチャネル形成領域を構成している。
A
多結晶シリコンからなる層の上にはSiOからなるゲート絶縁膜35が形成されている。ゲート絶縁膜35上には、Al或いはその合金からなる金属層36-1、36-2、36-3がパターニングにより形成されている。36-1は、スイッチ素子22のゲート電極、36-2は、キャパシタ23の他方の電極、36-3は、スイッチ素子25のゲート電極を構成している。
A
金属層36-1,36-2,36-3上にはSiNからなる保護層(不図示)が形成され、更にその上にSiOからなる層間絶縁膜36が形成されている。層間絶縁膜36上にはAl或いはその合金からなる配線層38,39,41がパターニングにより形成されている。この配線層は、その上下に隣接する層との密着性やマイグレーション防止のために上下にTiやTiNからなる層を設けた多層構成であっても良い。38は、スイッチ素子22のソース電極と接続し、リセット電位Vrstを供給する配線を構成している。39は、スイッチ素子22のドレイン電極、変換素子21のカソード電極、キャパシタ23の一端子、及び増幅素子24のゲート電極を相互に電気的に接続する配線を構成している。41は、スイッチ素子25のドレイン電極と信号線28を電気的に接続する配線である。配線層38,39,41の上にはSiOからなる層間絶縁膜37が形成されている。
A protective layer (not shown) made of SiN is formed on the metal layers 36-1, 36-2, and 36-3, and an
層間絶縁膜37上には酸化物半導体(例えば、インジウムガリウム亜鉛酸化物等)からなる酸化物半導体層44が公知のスパッタ法やALD法などにより成膜された後、パターニングされている。なお、酸化物半導体層44には増幅素子24のチャネル形成領域が含まれる。
An
増幅素子24のドレイン電極を兼ねる、Al或いはその合金からなる配線層40が、酸化物半導体層44の一端に掛かる状態でパターニングにより形成されている。この配線層40は、その上下に隣接する層との密着性やマイグレーション防止、酸化物半導体層44とのオーミックコンタクト改善のために上下にTi、TiNからなる層を設けた多層構成であっても良い。この配線層40は、スイッチ素子25のソース電極とコンタクトホールを介して接続されている。
A
配線層40、酸化物半導体層44上にはSiOからなる層間絶縁膜43が形成されている。層間絶縁膜43上にはAlやその合金からなる配線層45がパターニングにより形成されている。この配線層45は、増幅素子24のソース電極を兼ね、増幅素子24にバイアス電位VDDを供給する。
An interlayer insulating
配線層45の上にはTEOS等からなる平坦化層46が形成されている。平坦化層46上には変換素子21が形成されている。変換素子21は、平坦化層46側からAlなどの金属からなるカソード48、Si等からなるP型半導体層50/I型半導体層51/N型半導体層52、Alなどの金属からなるアノード53をその順で積層した構成となっている。カソード48は、平坦化層46に形成されたコンタクトホール47を介して、配線層39の一部に電気的に接続している。また、カソード48の端部及びコンタクトホール47上にはSiOからなるバンク層49が形成されている。このバンク層49は、変換素子21のカソード48の端部でのアノード53との短絡を防止するほかにコンタクトホール47上の平坦化、変換素子21のレイアウトを規定する目的で形成されている。
A
酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた薄膜トランジスタは、一般的にnチャネルデバイス(すなわちNMOSトランジスタ)である。多結晶シリコンからなる薄膜トランジスタは、pチャネルデバイスまたはnチャネルデバイスのどちらでも設計可能であるが、本実施形態ではPMOSを用いている。 A thin film transistor using an oxide semiconductor for a channel formation region is generally an n-channel device (that is, an NMOS transistor). A thin film transistor made of polycrystalline silicon can be designed as either a p-channel device or an n-channel device, but in this embodiment a PMOS is used.
上述した構造は、周知の半導体プロセスを用いて容易に製造することが可能である。なお、キャパシタ23の一端子を構成する多結晶シリコンに不純物をドープして導電性を高めてもよい。また、スイッチ素子22,25、増幅素子24のソース電極/ドレイン電極と多結晶シリコンとの接触部位をシリサイド化しても良い。また、配線層にAl以外のMo等の金属や合金を用いても良い。また、多結晶シリコンや酸化物半導体からなるチャネル形成領域を遮光する目的で金属からなるシールド層を層間絶縁膜間に設けても良い。また、酸化物半導体層44はアモルファス、結晶、或いはそれらの混在状態のいずれであっても良い。
The structure described above can be easily manufactured using well-known semiconductor processes. The polycrystalline silicon forming one terminal of the
次に、図5を用いて、本発明の放射線撮像装置を適用した放射線撮像システムについて説明する。 Next, a radiation imaging system to which the radiation imaging apparatus of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
図5において、60は、X線を発生するX線源である。61は、撮影対象である被検者或いは被検者の患部部位である。63は、本発明の放射線撮像装置である。62は、その放射線撮像装置を内包及び支持する支持体であり、被検者61を挟んでX線源60に対向配置されている。64は、放射線撮像装置63を制御するコンピュータであり、放射線撮像装置63のシステム制御回路6に対して複数種の撮像動作の切り替えの指示、撮像動作の開始、中断、停止のタイミング指示などを送信する。また、放射線撮像装置63から撮像した画像データを取得し、更なる画像処理を行い、また、ディスプレイ65への表示を行う。
In FIG. 5, 60 is an X-ray source that generates X-rays. Reference numeral 61 denotes a subject to be imaged or an affected part of the subject. 63 is the radiation imaging apparatus of the present invention.
次に、撮影方法について説明する。被験者61は、医師或いは技師の指示に従い、撮影対象とする患部を支持体62上に支持された放射線撮像装置63の正面に配置する。医師或いは技師は、コンピュータ64を操作し、放射線撮像装置63を起動すると共にレディ状態に設定する。
Next, the imaging method will be described. A subject 61 places an affected area to be imaged in front of a
レディ状態におかれた放射線撮像装置63は、ゲートドライバ2から駆動配線26を介してスイッチ素子22に駆動信号を供給し、導通状態とする。スイッチ素子22が導通状態とされた場合、変換素子21のカソード、キャパシタ23の一方の電極、増幅素子24の制御電極であるゲート電極は、リセット電位Vrstにリセットされる。このリセット動作は画素部4の全画素に行われる。その状態でゲートドライバ2は駆動配線27を介してスイッチ素子25に駆動信号を供給し、リセット電位Vrstをゲート電位として増幅素子25のドレイン電極に発生する電流を電気信号として信号線28に出力する。信号線28に出力された電流は、読み出し回路3内の列回路202のオペアンプで電圧に変換された後、第1のサンプルホールド部で非撮影時のノイズ信号(暗電流信号)としてホールドされる。ここまでがレディ状態における動作であり、レディ状態が完了したら放射線撮像装置63は、コンピュータに対して撮像可能状態であることを伝達する。
The
撮像可能状態であることを知らされた医師或いは技師は、X線源60を操作し、被検者61の患部に向けてX線を発光させる。X線源60から発光したX線は、被験者61の患部を透過し、支持体62に指示された放射線撮像装置63の画素部4に受光される。受光されたX線は放射線撮像装置63の受光面側に配置されたシンチレータにより変換素子21が感知できる波長の光に変換される。変換された光は変換素子21の夫々で受光され光電変換され、受光した光量に従った量の電荷を発生する。発生した電荷は、各画素5のキャパシタ23に所定の撮影時間中、蓄積され、蓄積された電荷によりキャパシタ23の一端子に発生した電圧をゲート電圧として増幅素子24が駆動され、ゲート電圧に応じた電流を増幅素子24のドレイン電極に発生する。
The doctor or technician informed that the imaging is possible operates the
放射線撮像装置63には、不図示であるが、X線の入射を検知する既知のX線入射自動検知機能を備えている。X線入射自動検知機能は、X線の入射が検知すると検知信号をシステム制御回路6に伝達する。検知信号を受けたシステム制御回路6は、所定の撮影時間経過後、発生した電流を電気信号として読み出すためにゲートドライバ2及び読み出し回路3の駆動を開始する。この際、ゲートドライバ2は、画素部4の画素5を行単位で駆動する。ここではビニング数を1として1行単位での読み出しを例として説明する。
Although not shown, the
ゲートドライバ2から駆動配線26介して供給された駆動信号は、1行目に配置された複数の画素5それぞれにおけるスイッチ素子25のゲート電極36-3に一斉に供給され、各スイッチ素子25は導通状態となる。そして、スイッチ素子25のドレイン電極に流れる電流を電気信号としての画素部4の各画素列に設けられた信号線28のそれぞれに出力する。
A drive signal supplied from the
信号線28に出力された電流は、読み出し回路3内の各列回路202のオペアンプで電圧に変換された後、第2のサンプルホールド部で撮影時の画像信号としてサンプルホールドされる。次に、マルチプレクサ203は、各列回路202の第1サンプルホールド部の容量素子C―CDS1及び第2サンプルホールド部の容量素子C-CDS2にホールドされた電圧信号を信号線毎に順次読み出す。バッファアンプ204は、マルチプレクサ203から伝送された容量素子C―CDS1にホールドされた電圧信号と容量素子C―CDS2にホールドされた電圧信号の差動を取り、A/D変換器205に伝送する。A/D変換器205は、バッファアンプ204から出力された差動信号をデジタル電気信号に変換し、後段の信号処理回路(不図示)に出力する。
The current output to the
以上の処理を行単位で各列回路毎に順次繰り返し、画素部4の全ての画素5から画像信号としての電気信号を読み出す。そして、読み出し回路3によって読み出された画像信号は、不図示の信号処理回路で所定の画像処理を施された後、放射線撮像装置1からコンピュータ64に伝送され、ディスプレイ65に画像データとして表示される。医師は、ディスプレイに表示された画像に基づいて被検者61の患部の診断を行う。
The above processing is sequentially repeated for each column circuit in units of rows, and electric signals as image signals are read out from all the
以上の実施形態では、医療用との放射線撮像装置として説明を行ったが、本発明の放射線撮像装置は、この用途に限らず、建物等の内部構造を検査する構造物検査装置等にも適用可能である。 In the above embodiments, the radiation imaging apparatus for medical use has been described, but the radiation imaging apparatus of the present invention is not limited to this application, and can be applied to a structure inspection apparatus for inspecting the internal structure of a building or the like. It is possible.
1、63 放射線撮像装置
2 ゲートドライバ
3 読み出し回路
4 画素部
5 画素
21 変換素子
22 第2のスイッチ素子
23 キャパシタ
24 増幅素子
25 第1のスイッチ素子
26、27 駆動配線
28 信号線
30 基板
31 保護層
32 多結晶シリコン
35 ゲート絶縁膜
36 金属層
37、43 層間絶縁膜
38,39,40,41、45 配線層
44 酸化物半導体
46 平坦化層
47 コンタクトホール
48 カソード電極
49 バンク層
50 P型半導体層
51 I型半導体層
52 N型半導体層
53 アノード電極
60 X線源
61 被検者
62 支持体
64 コンピュータ
65 ディスプレイ
202 列回路
203 マルチプレクサ
204 バッファアンプ
205 ADC
Claims (12)
該変換素子が発生した電荷に基づいたゲート電圧で駆動される増幅素子としての薄膜トランジスタと、
該薄膜トランジスタが発生した電気信号を信号線に出力する第1のスイッチ素子としての薄膜トランジスタと、を備え、
前記増幅素子としての薄膜トランジスタのチャネル形成領域は酸化物半導体から構成され、前記第1のスイッチ素子としての薄膜トランジスタのチャネル形成領域は多結晶シリコンから構成されていることを特徴とする放射線撮像装置。 a conversion element that receives radiation or light converted from the radiation and generates an electric charge;
a thin film transistor as an amplifying element driven by a gate voltage based on the charge generated by the conversion element;
a thin film transistor as a first switching element that outputs an electrical signal generated by the thin film transistor to a signal line;
A radiation imaging device, wherein a channel forming region of a thin film transistor as said amplifying element is made of an oxide semiconductor, and a channel forming region of said thin film transistor as said first switching element is made of polycrystalline silicon.
該放射線撮像装置を制御するコンピュータと、
該コンピュータに指示された画像データを表示するディスプレイと、
前記放射線撮像装置にX線を放射するX線源と、を備える放射線撮像システム。 a radiation imaging apparatus according to claim 10;
a computer that controls the radiation imaging device;
a display for displaying image data instructed by the computer;
and an X-ray source that emits X-rays to the radiation imaging device.
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