JP3372783B2

JP3372783B2 - 光電変換装置及びその駆動方法及びそれを有するシステム

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Publication number: JP3372783B2
Application number: JP28234396A
Authority: JP
Inventors: 功小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: JPH10125891A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置、及
びその駆動方法及びそれを有するシステムに係わり、た
とえばファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像
装置等の等倍読み取りを行うことの可能な一次元もしく
は二次元の光電変換装置、及びその駆動方法、及びそれ
を有するシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ファクシミリ、デジタル複写機あ
るいはＸ線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系
とＣＣＤ型センサを用いた読み取り系が用いられていた
が、近年、水素化アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓ
ｉと記す）に代表される光電変換半導体材料の開発によ
り、光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成
し、情報源と等倍の光学系で読み取るいわゆる密着型セ
ンサの開発がめざましい。特にａ−Ｓｉは光電変換材料
としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ（以下
ＴＦＴと記す）としても用いることができるので光電変
換半導体層とＴＦＴの半導体層とを同時に形成すること
ができる利点を有している。

【０００３】図２２は、従来の光センサの構成を示す。
図２２（ａ）、図２２（ｂ）は二種類の光センサの層構
成を示し、図２２（ｃ）は共通した代表的な駆動方法を
示している。

【０００４】図２２（ａ）、図２２（ｂ）共にフォト・
ダイオード型の光センサであり、図２２（ａ）はＰＩＮ
型、図２２（ｂ）はショットキー型と称されている。

【０００５】図２２において、１は絶縁基板、２は下部
電極、３はｐ型半導体層（以下ｐ層と記す）、４は真性
半導体層（以下ｉ層と記す）、５はｎ型半導体層（以下
ｎ層と記す）、および６は透明電極である。ショットキ
ー型の図２２（ｂ）では下部電極２の材料を適当に選
び、下部電極２からｉ層４に電子が注入されないようシ
ョットキーバリア層が形成されている。

【０００６】図２２（ｃ）において、１０は上記光セン
サを記号化して表わした光センサを示し、１１は電源、
１２は電流アンプ等の検出部を示している。光センサ１
０中Ｃで示された方向は図２２（ａ）、図２２（ｂ）中
の透明電極６側、Ａで示された方向が下部電極２側であ
り、電源１１はＡ側に対しＣ側に正の電圧が加わるよう
に設定されている。

【０００７】ここで動作を簡単に説明する。矢印で示さ
れた方向から光が入射され、ｉ層４に達すると、光は吸
収され電子とホールが発生する。ｉ層４には電源１１に
より電界が印加されているため電子はＣ側、つまりｎ層
５を通過して透明電極６に移動し、ホールはＡ側、つま
り下部電極２に移動する。よって光センサ１０に光電流
が流れたことになる。

【０００８】また、光が入射しない場合は、ｉ層４で電
子もホールも発生せず、また、透明電極６内のホールは
ｎ層５がホールの注入阻止層として働き、下部電極２内
の電子はＰＩＮ型の図２２（ａ）ではｐ層３が、ショッ
トキー型の図２２（ｂ）ではショットキーバリア層が電
子の注入阻止層として働き、電子、ホール共に移動でき
ず、電流は流れない。したがって光の入射の有無で電流
が変化し、これを図２２（ｃ）の検出部１２で検出すれ
ば光センサとして動作する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光センサでは、ＳＮ比が高く、低コストの光電変換
装置を生産するのは困難であった。以下その理由につい
て説明する。

【００１０】第一の理由は、ＰＩＮ型の図２２（ａ）、
ショットキー型の図２２（ｂ）は、共に２カ所に注入阻
止層が必要なところにある。ＰＩＮ型の図２２（ａ）に
おいて、注入阻止層であるｎ層５は電子を透明電極６に
導くと同時にホールがｉ層４に注入するのを阻止する特
性が必要である。どちらかの特性を逸すれば光電流が低
下したり、光が入射しない時の電流（以下暗電流と記
す）が発生、増加することになりＳＮ比の低下の原因に
なる。この暗電流はそれ自身がノイズと考えられると同
時にショットノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノ
イズを含んでおり、たとえ検出部１２で暗電流を差し引
く処理をしても、暗電流に伴う量子ノイズを小さくする
ことはできない。通常この特性を向上させるため、ｉ層
４やｎ層５の成膜の条件や、作成後のアニールの条件の
最適化を図る必要がある。

【００１１】しかし、もう一つの注入阻止層であるｐ層
３についても、電子ホールが逆ではあるが同等の特性が
必要であり、同様に各条件の最適化が必要である。通
常、前者ｎ層の最適化と後者ｐ層の最適化の条件は同一
でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難であ
る。つまり、同一光センサ内に二カ所の注入阻止層が必
要なことは高ＳＮ比の光センサの形成を困難にする。こ
れはショットキー型の図２２（ｂ）においても同様であ
る。

【００１２】また、ショットキー型の図２２（ｂ）にお
いては、片方の注入阻止層にショットキーバリア層を用
いているが、これは下部電極２とｉ層４の仕事関数の差
を利用するもので、下部電極２の材料が限定されたり、
界面の局在準位の影響が特性に大きく影響し、条件を満
足させるのはさらに困難である。

【００１３】また、さらにショットキーバリア層の特性
を向上させるために、下部電極２とｉ層４の間に１００
オングストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、
窒化膜を形成することも報告されているが、これはトン
ネル効果を利用し、ホールを下部電極２に導き、電子の
ｉ層４への注入を阻止する効果を向上させるもので、や
はり仕事関数の差を利用しているため下部電極２の材料
の限定は必要であるし、電子の注入の阻止とトンネル効
果によるホールの移動という逆の性質を利用するため、
酸化膜や窒化膜は１００オングストローム前後と非常に
薄いところに限定され、かつ、厚さや膜質の制御は難し
く生産性を低下させられる。

【００１４】また、注入阻止層が２カ所必要なことは、
生産性を低下させ、コストもアップする。これは注入阻
止層が特性上重要なため２カ所中１カ所でもゴミ等で欠
陥が生じた場合、光センサとしての特性が得られないか
らである。

【００１５】第二の理由を図２３を用いて説明する。図
２３は薄膜の半導体層で形成した電界効果型トランジス
タ（ＴＦＴ）の層構成を示している。ＴＦＴは光電変換
装置を形成するうえで制御部の一部として利用すること
がある。図中、図２２と同一なものは同番号で示してあ
る。７はゲート絶縁膜であり、６０は上部電極である。

【００１６】形成法を順を追って説明する。絶縁基板１
上にゲート電極として働く下部電極２、ゲート絶縁膜
７、ｉ層４、ｎ層５、ソース、ドレイン電極として働く
上部電極６０を順次成膜し、上部電極６０をエッチング
によりソース、ドレイン電極を形成し、その後ｎ層５を
エッチングによりチャネル部を構成している。ＴＦＴの
特性はゲート絶縁膜７とｉ層４の界面の状態に敏感で、
通常その汚染を防ぐために同一真空内で連続に堆積す
る。

【００１７】従来の光センサをこのＴＦＴ同一基板上に
形成する場合、この層構成が問題となりコストアップや
特性の低下を招く。この理由は図２２で示した従来の光
センサの構成が、ＰＩＮ型の図２２（ａ）が電極／ｐ層
／ｉ層／ｎ層／電極、ショットキー型の図２２（ｂ）が
電極／ｉ層／ｎ層／電極という構成であるのに対し、Ｔ
ＦＴは電極／絶縁膜／ｉ層／ｎ層／電極という構成で両
者が異なるからである。これは同一プロセスで形成でき
ないことを示し、プロセスの複雑化による歩留まりの低
下、コストアップを招く。

【００１８】また、ｉ層／ｎ層を共通化するにはゲート
絶縁層７やｐ層３のエッチング工程が必要となり、先に
述べた光センサの重要な層である注入阻止層のｐ層３と
ｉ層４が同一真空内で成膜できなかったり、ＴＦＴの重
要なゲート絶縁膜７とｉ層４の界面がゲート絶縁膜のエ
ッチングにより汚染され、特性の劣化やＳＮ比の低下の
原因になる。

【００１９】また、前述した図２２のショットキー型の
図２２（ｂ）の特性を改善するため、下部電極２とｉ層
４の間に酸化膜や窒化膜を形成したものは、膜構成の順
は同一ではあるが、先に述べたように酸化膜や窒化膜は
１００オングストローム前後である必要があり、ゲート
絶縁膜と共用することは困難である。

【００２０】図２４は、ゲート絶縁膜とＴＦＴの歩留ま
りについて、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜
厚が１０００オングストローム以下で歩留まりは急激に
低下し、８００オングストロームで約３０％、５００オ
ングストロームで歩留まり０％、２５０オングストロー
ムではＴＦＴの動作すら確認できなかった。トンネル効
果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と、電子やホー
ルを絶縁しなければならないＴＦＴのゲート絶縁膜を共
用化することは明らかに困難であり、これをデータが示
している。

【００２１】またさらに、図示はしていないが、電荷や
電流の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子
（以下コンデンサと記す）を従来の光センサと同一の構
成でリークが少ない良好な特性ものを作るのは難しい。
コンデンサは２つの電極間に電荷を蓄積するのが目的な
ため電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を阻止
する層が必要であるのに対し、従来の光センサは電極間
に半導体層のみ利用しているため熱的に安定したリーク
の少ない良好な特性の中間層を得るのは難しいからであ
る。

【００２２】このように光電変換装置を構成するうえで
重要な素子であるＴＦＴやコンデンサとプロセス的にま
たは特性的にマッチングが良くないことは複数の光セン
サを一次元もしくは二次元に多数配置し、この光信号を
順次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程
が多くかつ複雑になるため、歩留まりが非常に悪く、低
コストで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題に
なる。

【００２３】次に、以前我々が提案した光電変換装置の
先行技術及びそのリフレッシュ動作の説明を行う。

【００２４】図１１（ａ）は、我々が以前提案した光電
変換装置の光電変換素子を説明するための模式的層構成
図であり、図１１（ｂ）は、その光電変換装置の概略的
回路図である。

【００２５】図１１（ａ）において、１はガラスなどで
形成される絶縁基板、２はＡｌやＣｒなどで形成される
下部電極である。７０は電子、ホール共に通過を阻止す
る窒化シリコン（ＳｉＮ）などで形成される絶縁層であ
り、その厚さはトンネル効果により電子、ホールが通過
できないほどの厚さである５００オングストローム以上
に設定される。４は水素化アモルファスシリコン（ａ−
Ｓｉ：Ｈ）の真性半導体ｉ層で形成される光電変換半導
体層、５は光電変換半導体層４に透明電極６側からのホ
ールの注入を阻止するａ−Ｓｉのｎ⁺層で形成される注
入阻止層、透明電極６はＩＴＯのようなインジウム又は
スズを含む化合物、酸化物などで形成される。

【００２６】図１１（ｂ）において、１００は図１１
（ａ）で示した光電変換素子を記号化したものでＤが透
明電極６側、Ｇが下部電極２側の電極を示している。１
２０は検出部、１１０は電源部であり、電源部１１０は
Ｄ電極に正の電位を与える正電源１１１、負の電位を与
える負電源１１２の両者を切り換えるスイッチ１１３で
構成される。スイッチ１１３はリフレッシュモードでは
ｒｅｆｒｅｓｈ側、光電変換モードではｒｅａｄ側に接
続されるよう制御される。

【００２７】ここで光電変換素子１００の動作について
説明する。図１２（ａ）、図１２（ｂ）はそれぞれ光電
変換素子１００のリフレッシュモードおよび光電変換モ
ードの動作を示す光電変換部のエネルギーバンド図で、
光電変換素子の各層の厚さ方向の状態を表している。

【００２８】リフレッシュモード（ａ）において、Ｄ電
極はＧ電極に対して負の電位が与えられているため、ｉ
層４中の黒丸で示されたホールは電界によりＤ電極に導
かれ、同時に白丸で示された電子はｉ層４に注入され
る。この時一部のホールと電子はｎ層５、ｉ層４におい
て再結合して消滅する。充分に長い時間この状態が続け
ばｉ層４内のホールはｉ層４から掃き出される（図１２
（ａ））。

【００２９】この状態で光電変換モード（ｂ）になる
と、Ｄ電極はＧ電極に対して正の電位が与えられるため
ｉ層４中の白丸で示された電子は、瞬時にＤ電極に導か
れる。しかし黒丸で示されたホールは、ｎ層５が注入阻
止層として働くためｉ層４に導かれることはない。この
状態でｉ層４内に光が入射すると光は吸収され電子・ホ
ール対が発生する。この電子は電界によりＤ電極に導か
れ、ホールはｉ層４内を移動し絶縁層７０の界面に達す
る。しかし、絶縁層７０内には移動できないため、ｉ層
４内に留まることになる。この時電子はＤ電極に移動
し、ホールはｉ層４内の絶縁層７０界面に移動するた
め、素子内の電気的中性を保つため、電流がＧ電極から
検出部１２０に流れる。この電流は光により発生した電
子・ホール対に対応するため入射した光に比例する（図
１２（ｂ））。

【００３０】ある期間、光電変換モード（ｂ）を保った
後、再びリフレッシュモード（ａ）の状態になると、ｉ
層４内に留まっていたホールは前述のようにＤ電極に導
かれ、同時にこのホールに対応した電荷が検出部１２０
に流れる。このホールの量は光電変換モード期間に入射
した光の総量に対応し、検出部１２０に流れる電荷は光
の総量に対応する。この時ｉ層４内に注入される電子の
量に対応した電荷も流れるが、この量はおよそ一定なた
め差し引いて検出すればよい。

【００３１】つまり、光電変換部１００は、リアルタイ
ムに入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入
射した光の総量も出力することもできる。このことは我
々が以前提案した構成例の大きな特徴といえる。検出部
１２０は目的に応じてどちらか一方、もしくは両方を検
出すればよい。

【００３２】ここで図１３を用いて我々が以前提案した
光電変換装置の動作について説明する。

【００３３】図１３は、図１１の光電変換装置における
動作のタイミングチャートである。図中Ｖ_dgは光電変換
部１００のＧ電極に対するＤ電極の電位であり、Ｐは光
の入射の状態を示し、オンで光が入射の状態、オフで光
の入射がない。つまりダーク状態を示している。Ｉ_Sは
検出部１２０に流れ込む電流を示し、横軸方向は時間の
経過を示す。

【００３４】初めにスイッチ１１３がｒｅｆｒｅｓｈ方
向に接続されるとリフレッシュモードに入り、Ｖ_dgは負
電圧となり、図１２（ａ）のようにホールが掃き出さ
れ、また電子がｉ層４に注入されるにともない、検出部
１２０には図１３のＥで示される負の突入電流Ｅが流れ
る。

【００３５】その後、リフレッシュモードは終了し、ス
イッチ１１３がｒｅａｄ方向に接続されるとｉ層４内の
電子が掃き出され、正の突入電流Ｅ’が流れ光電変換モ
ードに入る。この時光が入射されているとＡで示される
光電流Ａが流れる。もし同様な動作でダーク状態であれ
ばＡ’で示されるように電流は流れない。よって光電流
Ａを直接、もしくは一定の期間、積分すれば光の入射を
検出できる。

【００３６】また、Ａの状態からスイッチ１１３がｒｅ
ｆｒｅｓｈ方向に接続されると突入電流Ｂが流れる。こ
れは直前の光電変換モード期間における光の入射の総量
に反映された量になり、この突入電流Ｂを積分もしくは
積分相当の値を得ればよい。直前の光電変換モードで光
が入射していなければ突入電流はＢ’のように小さくな
り、その差を検出すれば、光の入射を検出できる。また
前述の突入電流Ｅ’やＥ”はおよそ突入電流Ｂ’と等し
いため、突入電流Ｂからこれらを差し引いてもよい。

【００３７】また、さらに、同じ光電変換モード期間で
あっても光の入射の状態が変化すれば、Ｃ、Ｃ’のよう
にＩ_Sは変化する。これを検出しても光の入射状態を検
出できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレ
ッシュモードにする必要はないことを示している。しか
しながら、何らかの理由により、光電変換モードの期間
が長くなったり、入射する光の照度が強い場合、Ｄのよ
うに光の入射があるにもかかわらず電流が流れないこと
がある。これは図１２（ｃ）のように、ｉ層４内にホー
ルが多数留まり、このホールのためｉ層４内の電界が小
さくなり、発生した電子がＤ電極に導かれなくなり、ｉ
層４内のホールと再結合してしまうからである。この状
態で光の入射の状態が変換すると、電流が不安定に流れ
ることもあるが、再びリフレッシュモードにすればｉ層
４内のホールは掃き出され、次の光電変換モードでは
Ａ”のようにＡと等しい電流が得られる。

【００３８】以上の説明において、入射光は一定で説明
したが、入射光の強弱によりＡ，Ｂ，Ｃの電流はともに
連続的に変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱に
ついても定量的に検出できることはいうまでもない。

【００３９】また、前述の説明において、リフレッシュ
モードで、ｉ層４内のホールを掃き出す場合、全てのホ
ールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き
出すだけでも効果はあり、光電流であるＡもしくはＣに
おいて全てを掃き出した場合と値は変わらず、問題はな
い。また、常に一定量が残るように掃き出せば、Ｂの電
流によっても光の量を定量的に検出することができる。
つまり、次の光電変換モードでの検出機会において電流
値がＤの状態、すなわち図１２（ｃ）の状態にならなけ
ればよく、リフレッシュモードのＶ_dgの電圧、リフレッ
シュモードの期間、およびｎ層５の注入阻止層の特性を
決めればよい。

【００４０】また、さらに、リフレッシュモードにおい
て、ｉ層４への電子の注入は必要条件でなく、Ｖ_dgの電
圧は負に限定されるものでもない。ホールの一部がｉ層
４から掃き出されればよい。ホールが多数ｉ層４に留ま
っている場合には、たとえＶ_dgが正の電圧であってもｉ
層４内の電界はホールをＤ電極に導く方向に加わるから
である。ｎ層５の注入阻止層の特性も同様に電子をｉ層
４に注入できることが必要条件ではない。

【００４１】図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４
（ｃ）、図１４（ｄ）は、それぞれ検出部の較正例を示
したものである。１２１は電流Ａｍｐで代表される電流
計、１２２は電圧計、１２３は抵抗器、１２４はコンデ
ンサ、１２５はスイッチ素子、１２６はオペアンプであ
る。

【００４２】図１４（ａ）は直接電流を検出するもの
で、電流計１２１の出力は電圧や、増幅された電流であ
る。図１４（ｂ）は電流を抵抗器１２３に流して電圧を
電圧計１２２で検出している。図１４（ｃ）は電荷をコ
ンデンサ１２４に蓄積し、その電圧を電圧計１２２で検
出している。図１４（ｄ）はオペアンプ１２６により電
流の積分値を電圧として検出している。図１４（ｃ）、
図１４（ｄ）においてスイッチ素子１２５は毎回の検出
に対して初期値を与える役割をし、検出の方法によって
高抵抗の抵抗器に置き換えることも可能である。

【００４３】電流計や電圧計は、トランジスタやこれを
組み合せたオペアンプ、抵抗、コンデンサ等で構成し、
高速で動作するものを使用することができる。検出部は
これら４種に限定するものでなく、電流もしくは電荷を
直接もしくは積分値を検出できればよく、電流もしくは
電圧値を検出する検出器と、抵抗器、コンデンサ、スイ
ッチ素子を組合せ、複数の光電変換部を同時もしくは順
次出力するよう構成することもできる。

【００４４】ラインセンサやエリアセンサを構成する場
合は、電源部の配線やスイッチ素子と組合せてマトリッ
クスで１０００個以上の光電変換部の電位を制御し、ま
た検出する。この場合、スイッチ素子やコンデンサ、抵
抗の一部は光電変換部と同一基板上に構成するとＳＮ比
や、コスト面で有利である。この場合、我々が以前提案
した構成例の光電変換部は代表的なスイッチ素子である
ＴＦＴと同一膜構成のため同一プロセスで同時に形成す
ることが可能であり低コストの高ＳＮ比の光電変換装置
が実現できる。

【００４５】次に、リフレッシュモードにおけるリフレ
ッシュ電圧値による光電変換装置の特性の違いについて
以前我々が提案した光電変換装置を用いて説明する。

【００４６】図１５は、ＴＦＴ１７００及び電源１１１
５で構成される光電変換装置の１ビット等価回路図であ
り、図１６がその動作を示すタイミングチャートであ
る。

【００４７】ここでは、図１５に示した光電変換装置の
１ビット等価回路図を用いて、ＴＦＴ１７００を介して
光電変換素子のＧ電極に正の電位を与える場合につい
て、説明を行う。そして光電変換素子のＤ電極の電位
は、電源１１４によりＶ_Dに設計され、リフレッシュ動
作時のＧ電極の電位は電源１１１５によりＶ_rGに設定さ
れるものとする。

【００４８】まず、図１１（ａ）に示すように光電変換
素子１００のＧ電極の電位（Ｖ_O）をＤ電極の電位
（Ｖ_D）以上にリフレッシュする場合（Ｖ_O＝Ｖ_rG≧
Ｖ_D）について説明する。

【００４９】このような状態にリフレッシュされると、
光電変換素子１００のｉ層４内に留まっていたホール及
び電子がｉ層４と絶縁層７０との界面に存在する界面欠
陥にトラップされる。以下この電流を負の突入電流とい
う。そしてリフレッシュ動作終了後、光電変換素子１０
０のＧ電極の電位をＧＮＤ電位等に初期化する時、ｉ層
４内及び界面欠陥にトラップされていた電子が全てＤ電
極へ掃き出される。以下この電流を正の突入電流とい
う。

【００５０】ｉ層４と絶縁層７０との界面に存在する界
面欠陥は一般にエネルギー準位が深い為、界面欠陥位置
に存在する電子及びホールを移動させるエネルギー、及
び他の位置から界面欠陥位置へ電子及びホールを移動さ
せるエネルギーは相対的に高く、見かけ上の移動度も低
くなる。その為、正の突入電流がゼロになるまで即ち界
面欠陥にトラップされていた電子の全てがＤ電極へ掃き
出されるまで数十マイクロ秒から数秒かかることにな
り、Ｇ電極リセット動作が終了しても大きな突入電流が
流れる。その結果、Ｇ電極が持つ容量に蓄積された電荷
の中にはノイズ成分である突入電流による電荷が含ま
れ、結果的にその電荷分ＳＮ比が低下してしまうのであ
る。

【００５１】上記の理由について、更に図１５と図１６
を用いて詳細に説明する。図１５のＰａ、Ｐｂ、Ｐｃ、
Ｐｄは、各々図１５におけるスイッチ素子１１２５、転
送用ＴＦＴ１３００、リフレッシュ用ＴＦＴ１７００、
リセット用ＴＦＴ１４００を駆動するパルスのタイミン
グを示している。ここでＨは各駆動素子をオン状態にす
るハイレベルを示しており、一般に結晶シリコン半導体
スイッチ素子では＋５ｖ〜＋１２ｖ、ａ−ＳｉＴＦＴ
では＋８ｖ〜＋１５ｖ位が用いられる。又、Ｌは一般的
に０ｖが多く用いられる。

【００５２】Ｉ_SとＶ_Oは、図１５中の矢印で示す様
に、各々光電変換素子１００に一定の信号光が照射され
た状態において、矢印の方向へ流れる電流とＧ電極の電
位を示している。

【００５３】ここで、図１６は、Ｐａ〜Ｐｄのパルス幅
を２０μｓの動作時におけるＩ_SとＶ_Oを示す図であ
る。

【００５４】図１６において、Ｖ_OはＰｃのリフレッシ
ュ用パルス立ち上がりから、Ｐｄのリセット用パルス立
ち上がりまで一定の高い電位に保たれている。その為、
正の突入電流はその間に発生せず、Ｐｄのパルス立ち上
がり時に初めて、界面欠陥にトラップされていた電子の
掃き出しによると考えられる正の突入電流が発生してい
る。この正の突入電流が減衰しほぼゼロになるまで、我
々の作製した装置では約８０〜１００μ秒かかる為、Ｇ
電極がもつ容量に信号電荷を蓄積し始めるＰｄのパルス
の立ち下がり時には、正の突入電流が多く発生してお
り、図中の斜線で示した部分の電荷及び電圧値がノイズ
成分として蓄積されてしまうのである。その結果蓄積分
ＳＮ比が低下してしまうのである。

【００５５】正の突入電流を低減する方法としては、Ｐ
ｄの初期化パルスの時間を長くすることが考えられる
が、その時間にも限界があり、又時間を長くすることに
より装置全体の信号読み取り時間が長くなり、装置の低
速化即ち性能ダウンを引き起こすことになる。

【００５６】次に図１７を用いて光電変換素子１００を
リフレッシュさせる時の印加電圧の条件について説明す
る。図１７は光電変換素子１００のエネルギーバンド図
であり、両端の各々の電極（Ｄ電極及びＧ電極）は開放
（オープン）状態である。光電変換素子１００は一般に
いわれているＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造であり、両端の電
極に加わる電圧条件により全容量が相対的に小さい状態
（デプレッション状態）と全容量が相対的に大きい状態
（アキュムレーション状態）が現れる。

【００５７】図１７における各デバイスの両端はオープ
ンであるが、エネルギーバンド図については図１７
（ｂ）の場合が上記デプレッション状態のエネルギーバ
ンド図と同じであり、図１７（ｃ）の場合がアキュムレ
ーション状態のエネルギーバンド図と同じである。

【００５８】一般にＭＩＳコンデンサは、作製直後にお
いて図１７の（ａ）の状態即ちｉ層のバンドがフラット
な状態（フラットバンド電圧Ｖ_FB＝０ｖ）又は図１７
（ｂ）の状態即ち若干デプレッション状態（３ｖ≧Ｖ_FB
＞０ｖ）である事が多い。又、ＭＩＳコンデンサの両端
に電圧を加える事によりＶ_FBはある程度任意の正及び負
の値にする事も可能である。

【００５９】ここで図１１に示す１ビット回路を図１３
に示すタイミングで駆動する場合、リフレッシュ時間は
光電変換時間より短くすることが可能となる。２次元的
に光電変換素子を配列しマトリクス駆動を行う場合は光
電変換素子の数が増えれば増えるほどリフレッシュ時間
と光電変換時間の比は大きくなる。

【００６０】一般にＭＩＳ型コンデンサのフラットバン
ド電圧Ｖ_FBは、電界、時間、温度に大きく依存すること
が知られているが、上述の光電変換素子はリフレッシュ
時においてフラットバンド電圧Ｖ_FBは正の電圧方向へ移
動し、反対に光電変換時にはフラットバンド電圧Ｖ_FBは
負の電圧方向へ移動する。

【００６１】よって図１１に示す光電変換装置における
光電変換素子はフラットバンド電圧Ｖ_FBが結果的に負の
電圧方向に移動し、光電変換素子のダイナミックレンジ
を小さくしてしまう。そうなると、光電変換装置として
のＳＮ比は小さくなり、安定した特性が得られなくなっ
てしまう。

【００６２】又、ここで正の突入電流（減衰時間が長
く、且つ電流値が大であること）をもたらす電圧値の条
件を以下においてまとめる。

【００６３】まず、光電変換素子１００のｉ層のフラッ
トバンド電圧Ｖ_FBがゼロの時はリフレッシュ時のＧ電極
の電位（Ｖ_rG）はＤ電極の電位（Ｖ_D）より高ければ、
即ちＶ_rG＞Ｖ_Dであれば、上述した問題の正の突入電流
が流れる。

【００６４】又、光電変換素子１００のｉ層のフラット
バンド電圧Ｖ_FBがゼロでない時はリフレッシュ時のＧ電
極の電位（Ｖ_rG）はＤ電極の電位（Ｖ_D）からＶ_FBを差
し引いた電圧値よりも高ければ、即ちＶ_rG≧Ｖ_D−Ｖ_FB
であれば上述した問題の正の突入電流が流れるのであ
る。

【００６５】上記のメカニズムを図１８を用いて説明す
る。

【００６６】図１８は、Ｖ_rG≧Ｖ_D−Ｖ_FBの場合の光電
変換素子１００のエネルギーバンド図で図１１（ａ）の
２から６各層の厚さ方向の状態を表している。

【００６７】リフレッシュ動作の図１８（ａ）におい
て、Ｄ電極はＧ電極に対して負の電位が与えられている
ため、ｉ層４中の黒丸で示されたホールは、電界により
Ｄ電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はｉ層４
に注入される。又、ｉ層４と絶縁層７０の界面欠陥にト
ラップされていたホールはある程度の時間を費しＤ電極
に導かれ、ｉ層４に注入された電子のうち一部は、逆
に、ある程度の時間を費してｉ層４と絶縁層７０の界面
欠陥にトラップされる。この時一部のホールと電子はｎ
層５、ｉ層４において再結合して消滅する。十分に長い
時間この状態が続けばｉ層４内のホールはｉ層４から掃
き出される。

【００６８】この状態で光電変換動作の図１８（ｂ）に
なると、Ｄ電極はＧ電極に対して正の電位が与えられる
ためｉ層４中の電子は瞬時にＤ電極に導かれる。そして
ｉ層４と絶縁層７０の界面欠陥にトラップされていた電
子は、ある程度時間を費してＤ電極へ導かれる。この界
面欠陥にトラップされていた電子が前述した問題の突入
電流の原因である。ここでホールはｎ層５が注入阻止層
として働く為、ｉ層４に導かれることはない。この状態
でｉ層４内に光が入射すると、光は吸収され電子・ホー
ル対が発生する。この電子は電界によりＤ電極に導か
れ、ホールはｉ層４内を移動しｉ層４と絶縁層７０の界
面に達する。しかし、絶縁層７０内には移動できない
為、ｉ層４内に留まることになる。そしてある期間光電
変換動作の図１８（ｂ）を保った後の状態が図１８
（ｃ）である。

【００６９】次に、このようなリフレッシュ条件におけ
る光電変換素子１００のダイナミックレンジ（Ｄ・Ｒ）
について説明する。図１５に示される光電変換素子１０
０のＤ・Ｒを電荷量で示すと、Ｄ・Ｒ＝Ｖ_rG×Ｃｓとな
る。ここでＣｓは光電変換素子１００の容量である。よ
って、光電変換素子１００のダイナミックレンジ（Ｄ・
Ｒ）はリフレッシュ電圧Ｖ_rGが高いほど大きくなる。そ
のため光電変換素子１００に照射される信号光が多く得
られる場合は光による信号量を多く得ることができるの
でＳＮ比が大きくなる。

【００７０】次に、光電変換素子１００のＧ電極の電位
（Ｖ_O）以下にリフレッシュする場合（Ｖ_rG＜Ｖ_D−Ｖ
_FB）について説明する。

【００７１】図１９は、光電変換装置の１ビットの概略
的等価回路図である。また、図２０は図１９の光電変換
装置を実際に駆動した時のタイミングチャートである。

【００７２】図１９において、図１５と同じ番号で示さ
れる部分については同じものを示しているので説明は省
略する。図１５に示される概略的等価回路と図１９に示
される概略的等価回路との違いはＴＦＴ１７００に接続
される電源の大きさである。なお、ここで光電変換素子
１００は図１１（ａ）と同一の構造をしているので、ｉ
層と第２の電極層との間の注入阻止層はｎ型であり、注
入が阻止されるキャリアはホールである。その為注入が
阻止されるキャリア１個の電荷をｑとするとこの場合も
ｑ＞０となる。

【００７３】なお、図１９において、信号検出部は図１
９の点線内の検出手段とＴＦＴ１３００及びハイレベル
パルスＰｂを印加する手段を含む。

【００７４】図１９において、図１５と異なる点は、光
電変換素子１００のリフレッシュ動作において、Ｇ電極
に正の電位を与える電源１１１５の電位Ｖ_rGが、Ｄ電極
に正の電位を与える電源１１４の電位Ｖ_Dに比べて低く
している点のみである。詳細にいえば、光電変換素子１
００には、ｉ層のエネルギーバンドをフラットにする為
にＧ電極に印加するフラットバンド電圧（Ｖ_FB）が存在
するので、実際には、図１５の例ではＶ_rG≧Ｖ_D−Ｖ_FB
の状態で駆動していたのに対し、図１９ではＶ_rG＜Ｖ_D
−Ｖ_FBの状態で駆動するのである。

【００７５】次に図２０において、Ｖ_rG＜Ｖ_D−Ｖ_FBの
状態での光電変換装置の動作を説明する。

【００７６】図２０において、図１６と異なる点は、光
電変換素子１００の電流Ｉ_Sと電流Ｉ_SによるＧ電極の
電位Ｖ_Oの振舞いである。

【００７７】図２０において、Ｐｃのリフレッシュパル
スが立ち上がり、光電変換素子１００のＧ電極に電圧Ｖ
_rG（Ｖ_rG＜Ｖ_D−Ｖ_FB）が印加されると光電変換素子１
００のｉ層内に留まっていたホールの一部がＤ電極に掃
き出される。この時、ｉ層と絶縁層の界面欠陥にトラッ
プされていたホールのほぼ全てはそのままの状態である
と考えられる。又、この時電子はＤ電極に掃き出された
一部のホールに相当する量もしくはそれ以下の数量がＤ
電極からｉ層内へ流れ込むが、ｉ層内における電界はＧ
電極側の電位が低い為、ｉ層と絶縁層の界面欠陥にトラ
ップされる電子はほぼゼロであると考えられる。よって
図２０におけるＩ_SはＰｃのリフレッシュパルス立ち上
がり時において小さな負の突入電流しか生じることな
く、又減衰時間も短くなっている。

【００７８】又、Ｐｃのリフレッシュパルス立ち上がり
からＰｄのＧ電極リセットパルス立ち上がりまでのＧ電
極の電圧Ｖ_OはＶ_rGにほぼ一致しており、その電位はＶ
_D−Ｖ_FBより下がっていることを図２０は示している。

【００７９】次に、Ｇ電極リセットパルスが立ち上が
り、光電変換素子１００のＧ電極がＧＮＤに接地される
とｉ層内に留まっていた若干の電子は全てＤ電極に流れ
出すことになる。この時、ｉ層と絶縁層の界面欠陥には
電子は存在しない為、電子は少量で且つ瞬時に流れ出る
と考えられる。又、この時界面欠陥に存在するホールは
ほとんど移動しないと思われる。よってＰｄのＧ電極リ
セットパルス立ち上がり時において、Ｉ_Sは小さな正の
突入電流しか生じることなく、又減衰時間も短くなって
いる。ＰｄのＧ電極リセットパルスの立ち上がりから立
ち下がりまでを約２０マイクロ秒で動作させると、図の
ように光電変換動作開始となるＰｄのパルスの立ち下が
り時には、ほぼ突入電流はゼロになる。よってＰｄのパ
ルスの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、ほぼす
べてが光電変換素子１００内に入射した信号光による電
荷となり、その信号電圧を読み出すことによりＳＮ比の
高い情報を得ることが可能となる。

【００８０】我々が以前提案した構成例における基本的
なメカニズムについて図を用いてさらに以下で説明す
る。

【００８１】図２１（ａ）〜図２１（ｃ）はＶ_rG＜Ｖ_D
−Ｖ_FBの場合の光電変換素子１００の動作を示すエネル
ギーバンド図であり、図１８（ａ）〜図１８（ｃ）に示
したエネルギーバンド図に対応している。

【００８２】リフレッシュ動作の図２１（ａ）において
Ｄ電極はＧ電極に対して正の電位が与えられている為、
ｉ層４中の黒丸で示されたホールの一部が電界によりＤ
電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はｉ層４に
注入される。ここでｉ層４と絶縁層７０の界面欠陥にト
ラップされていたホールはほとんど移動せず、又電子が
界面欠陥にトラップされることもない。

【００８３】この状態で光電変換動作の図２１（ｂ）に
なると、Ｇ電極はＤ電極に対して更に大きな負の電位が
与えられる為、ｉ層４中の電子は瞬時にＤ電極に導かれ
るが、界面欠陥にトラップされた電子はほとんど存在し
ない為、先に説明した図１５の光電変換装置で問題とな
る突入電流はほとんど存在しなくなる。

【００８４】そしてある期間、光電変換動作の図２１
（ｂ）を保った後の状態の図２１（ｃ）になる。

【００８５】このようにＶ_rG＜Ｖ_D−Ｖ_FBの条件にリフ
レッシュする場合においては、ｉ層４と絶縁層７０の界
面欠陥に電子が存在することはほとんどない為、電子の
出入りに長い時間を費すことがなくなり、結果的にノイ
ズ成分となる突入電流を大きく削減することが可能とな
る。

【００８６】しかしながら、このようなリフレッシュ条
件では、図１９に示される光電変換素子１００のダイナ
ミックレンジ（Ｄ・Ｒ）は、Ｄ・Ｒ＝Ｖ_rG×Ｃｓとな
り、Ｖ_rG≧Ｖ_D−Ｖ_FBの場合に比べてＶ_rG＜Ｖ_D−Ｖ_FB
の場合のダイナミックレンジは小さくなる。その為信号
処理が多い場合には、信号光による発生電荷が飽和し、
ＳＮ比を下げることが生じる。

【００８７】ここで以前我々が提案した光電変換装置に
おいて、ＳＮ比を保ち特性を安定させるべき項目につい
て再度説明する。

【００８８】図１１（ｂ）に示す１ビット回路を図１３
に示すタイミングで駆動する場合、リフレッシュ時間は
光電変換時間より短くすることが可能となる。２次元的
に光電変換素子を配列しマトリクス駆動を行う場合は光
電変換素子の数が増えれば増えるほどリフレッシュ時間
と光電変換時間の比は大きくなる。

【００８９】一般に、ＭＩＳ型コンデンサのフラットバ
ンド電圧Ｖ_FBは、電界、時間、温度に大きく依存するこ
とが知られているが、本発明の光電変換装置における光
電変換素子はリフレッシュ時においてフラットバンド電
圧Ｖ_FBは正の電圧方向へ移動し、反対に光電変換時には
フラットバンド電圧Ｖ_FBは負の電圧方向へ移動する。

【００９０】よって図１１に示す光電変換装置における
光電変換素子はフラットバンド電圧Ｖ_FBが結果的に負の
電圧方向に移動し、光電変換素子のダイナミックレンジ
を小さくしてしまう。そうなると、光電変換装置として
のＳＮ比は小さくなり、安定した特性が得られなくなっ
てしまうという解決すべき課題がある。

【００９１】［発明の目的］本発明は、ＳＮ比が高く、特性が安定している光電変換
装置、及びその駆動方法及びそれを有するシステムを提
供することを目的とする。

【００９２】具体的には、本発明の光電変換装置は、光
電変換素子のフラットバンド電圧の移動を測定するため
に、光電変換モードでの光電変換素子の各層に印加する
電界を変化させ、半導体層に蓄積される第一の型のキャ
リアもしくは第二の電極層に導かれた第二の型のキャリ
アを検出することにより、光電変換素子のフラットバン
ド電圧に相当する電圧値を得、その結果を用いて、フラ
ットバンド電圧を元に戻すことにより、結果的にダイナ
ミックレンジを小さくしないこと、即ちＳＮ比が高く、
特性が安定していることを目的とする。

【００９３】更に具体的には、本発明の光電変換装置
は、光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑える
ために、光電変換動作をしているときと逆方向の電界を
光電変換素子に印加し、結果的にダイナミックレンジを
小さくしないこと、即ちＳＮ比が高く、特性が安定して
いることを目的とする。

【００９４】加えて本発明は、ＴＦＴと同一プロセスで
形成することが可能で、生産プロセスの複雑化を生じる
こと無く、低コストで作製可能な光電変換装置、及びそ
の駆動方法及びそれを有するシステムを提供することを
目的とする。

【００９５】又、本発明は、歩留まりが高く、特性が安
定している光電変換装置及びそれを有するシステムを提
供することを目的とする。

【００９６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、上記
課題を解決するための手段として、絶縁基板上に、第一
の電極層、第一の型のキャリア及び前記第一の型のキャ
リアとは正負の異なる第二の型のキャリアの通過を阻止
する第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への
前記第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、
第二の電極層を堆積した光電変換素子を有する光電変換
装置であって、前記光電変換素子のフラットバンド電圧
測定手段と、該フラットバンド電圧測定手段による測定
結果を用いたフラットバンド電圧シフト抑制手段を含む
出力読み出し手段と、前記フラットバンド電圧測定手段
と前記出力読み出し手段とを切り替える第１のスイッチ
手段と、を有し、前記フラットバンド電圧測定手段は、
前記光電変換素子の各層に印加する電界を変化させ、該
光電変換素子の半導体層に蓄積される第一の型のキャリ
アもしくは前記第二の電極層に導かれた第二の型のキャ
リアを検出することにより、前記光電変換素子のフラッ
トバンド電圧に相当する電圧値を得る手段を有し、前記
出力読み出し手段は、入射光量に応じて発生した電荷を
読み出すための読み出し用電圧電源と、光電変換素子内
に蓄積された電荷をリフレッシュするリフレッシュ用電
圧電源と、光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を
抑制するフラットバンド電圧シフト抑制用電圧電源とを
有するとともに、各電源を切り替えて、前記光電変換素
子に印加する電位を切り替える第２のスイッチ手段を有
することを特徴とする光電変換装置において達成され
る。

【００９７】又、本発明は上記課題を解決するための手
段として、絶縁基板上に、第一の電極層、第一の型のキ
ャリア及び前記第一の型のキャリアとは正負の異なる第
二の型のキャリアの通過を阻止する第一の絶縁層、光電
変換半導体層、該半導体層への前記第一の型のキャリア
の注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を堆積した
光電変換素子を有する光電変換装置の駆動方法であっ
て、前記光電変換素子に印加する電界を変化させて、該
光電変換素子の半導体層に蓄積される第一の型のキャリ
アもしくは前記第二の電極層に導かれた第二の型のキャ
リアを検出することにより、前記光電変換素子のフラッ
トバンド電圧に相当する電圧値を得るフラットバンド電
圧測定モードと、前記光電変換素子に印加する電圧を切
り替えることにより駆動される、（ａ）入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換
モード；（ｂ）光電変換素子内に蓄積された電荷をリフレッシュ
するリフレッシュモード；（ｃ）光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制
するフラットバンド電圧シフト抑制モード；の各モードを含む出力読み出しモードと、を有し、前記
フラットバンド電圧測定モードと前記出力読み出しモー
ドとを切り替えて駆動することを特徴とする光電変換装
置の駆動方法を提案する。

【００９８】更に、本発明は、光電変換装置が蛍光体を
有し、該光電変換装置からの信号を処理する信号処理手
段と、前記信号処理手段からの信号を記録する為の記録
手段と、前記信号処理手段からの信号を表示する為の表
示手段と、前記信号処理手段からの信号を電送する為の
電送手段と、前記光電変換装置に入力される光情報を発
生させるためのＸ線源を有するシステムを提供する。

【００９９】［作用］本発明によれば、光電変換素子のフラットバンド電圧の
移動を測定するために、光電変換モードでの光電変換素
子の各層に印加する電界を変化させ、半導体層に蓄積さ
れる第一の型のキャリアもしくは第二の電極層に導かれ
た第二の型のキャリアを検出することにより、光電変換
素子のフラットバンド電圧に相当する電圧値を得、その
結果を用いて、フラットバンド電圧を元に戻すことによ
り、結果的にダイナミックレンジを小さくしないこと、
即ちＳＮ比が高く、特性が安定した光電変換装置とする
ことができる。

【０１００】更に、本発明によれば、光電変換素子のフ
ラットバンド電圧の移動を抑えるために、光電変換動作
をしているときと逆方向の電界を光電変換素子に印加す
ることにより、結果的にダイナミックレンジを小さくし
ないこと、即ちＳＮ比が高く、特性を安定にすることが
できる。

【０１０１】加えて本発明によれば、ＴＦＴと同一プロ
セスで形成することが可能で、生産プロセスの複雑化を
生じること無く、低コストで作製可能な光電変換装置、
及びその駆動方法及びそれを有するシステムを提供する
ことができる。

【０１０２】更に又、本発明によれば、歩留まりが高
く、特性が安定している光電変換装置及びそれを有する
システムを提供することができる。

【０１０３】

【発明の実施の形態】以上の点を鑑み、本発明において
新たに考案した実施例が以下に示すものである。

【０１０４】［実施例１］［構成］図１は、本発明の第１の実施例に係る光電変換装置の全
体回路図である。

【０１０５】図１において、Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換
素子で下部電極側をＧ、上部電極側をＤで示している。
Ｃ１１〜Ｃ３３は蓄積用コンデンサ、Ｔ１１〜Ｔ３３は
転送用ＴＦＴである。Ｖ_g1はリフレッシュ用電源、Ｖ_s1
はフラットバンド電圧を観測するための可変電圧電源で
あり、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極の電位を
リセットするものであり上述したＶ _Dと同じ働きをす
る。各電源は各々スイッチＳＷ_s1 、スイッチＳＷ_g1を介
して全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極に接続され
ている。ここで、スイッチＳＷ_s1、スイッチＳＷ_g1は直
接にタイミングパルスＲＦに接続されており、スイッチ
ＳＷ_s1、スイッチＳＷ_g1は同時にオンしないように制御
されている。又、各スイッチのオン時間は任意の設定が
可能である。

【０１０６】また、図１において、１画素は１個の光電
変換素子とコンデンサ、およびＴＦＴで構成され、その
信号出力は信号配線ＳＩＧにより検出用集積回路ＩＣに
接続されている。本実施例の光電変換装置は計９個の画
素を３つのブロックに分け１ブロックあたり３画素の出
力を同時に転送しこの信号配線ＳＩＧを通して検出用集
積回路ＩＣによって順次出力に変換され出力される（Ｖ
_out）。また１ブロック内の３画素を横方向に配置し、
３ブロックを順に縦に配置することにより各画素を二次
元的に配置している。図中破線で囲んだ部分は大面積の
同一絶縁基板上に形成されている。

【０１０７】又、図２（ａ）は本実施例中の１画素に相
当する各素子の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−
Ｂ線断面図である。

【０１０８】図２において、Ｓ１１は光電変換素子、Ｔ
１１はＴＦＴ、Ｃ１１はコンデンサ、およびＳＩＧは信
号配線である。本実施例においてコンデンサＣ１１と光
電変換素子Ｓ１１とは特別に素子を分離しておらず、光
電変換素子Ｓ１１の電極の面積を大きくすることにより
コンデンサＣ１１を形成している。これは本実施例の光
電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可能な
ことである。また、画素上部にはパッシベーション用窒
化シリコン膜ＳｉＮとヨウ化セシウム等の蛍光体ＣｓＩ
を形成する事も考えられ、上方よりＸ線（Ｘ−ｒａｙ）
が入射すると蛍光体ＣｓＩにより、光（図２（ｂ）の破
線矢印）に変換され、この光が光電変換素子に入射され
ることも可能となる。

【０１０９】［フラットバンド電圧測定モードの説明］次に、図１、図３、図５を用いて図１においてタイミン
グパルスＳＥＬがＨｉの場合、即ちタイミングパルスＲ
Ｆ１の側の回路が選択されフラットバンド電圧を測定す
る場合の動作について説明する。

【０１１０】図３は、本実施例の図１においてタイミン
グパルスＳＥＬがＨｉの場合、即ちタイミングパルスＲ
Ｆ１の側の回路が選択されフラットバンド電圧を測定す
る場合の動作を示すタイミングチャートである。

【０１１１】［リフレッシュモード］はじめに、図１に示す、シフトレジスタＳＲ１およびＳ
Ｒ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨｉが印
加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイ
ッチＭ１〜Ｍ３がオンして導通し、全光電変換素子Ｓ１
１〜Ｓ３３のＤ電極及びコンデンサＣ１１〜Ｃ３３のＤ
電極側はＶ_RES 電位になる。これは、光電変換素子１０
０のＧ側の電位をＧＮＤではなくプラス側の電位Ｖ_RES
にリセットし、このリセットによる光電変換素子１００
に蓄積された電荷を転送用ＴＦＴで電荷を転送すること
と同じであり、転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３を用いて
Ａｍｐ側に転送することにより積分検出器Ａｍｐ側の電
位Ｖ_outは常にプラスの電位となる。

【０１１２】同時にタイミングパルスＲＦ１にＨｉを出
力してスイッチＳＷ_g1がオンし、全光電変換素子Ｓ１１
〜Ｓ３３のＧ電極はリフレッシュ用電源電位Ｖ_g1にな
る。その後、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はリフレッ
シュモードになりリフレッシュされる。

【０１１３】また、前述した図１６においては、光電変
換素子１００に光信号が入射する事が前提であり、光電
変換素子１００の光電流Ｉｓが生成されていたが、本実
施例の全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の状態は、暗状態
にしてあり、光入射量はゼロにしてある。

【０１１４】［フラットバンド電圧測定モード］図３において、ｇ１〜ｇ３の信号がＬｏになり、ｓ１〜
ｓ３の信号がＨｉの状態になると、積分検出器Ａｍｐの
入力端子はＧＮＤ電位に設計されているため、Ｖ_outは
ＧＮＤになる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は
光電変換モードになり同時にコンデンサＣ１１〜Ｃ３３
は初期化される。

【０１１５】次にシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２に
より制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＬｏが印加され
る。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ
１〜Ｍ３がオフし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電
極はＤＣ的にはオープンになるがコンデンサＣ１１〜Ｃ
３３によって電位は保持される。

【０１１６】つぎにシフトレジスタＳＲ１により制御配
線ｇ１にＨｉの制御パルスが印加され、シフトレジスタ
ＳＲ２の制御配線ｓ１〜ｓ３への制御パルス印加によっ
て転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３、スイッチＭ１〜Ｍ３
を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。これにより全光
電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の容量に相当する二次元的情
報がｖ１〜ｖ９として得られる。

【０１１７】ここで、模擬的なＣ−Ｖ特性の説明をす
る。

【０１１８】図５は、模擬的なＣ−Ｖ特性を示す図であ
り、図１における可変電圧Ｖ_s1電源を、図５のＡ，Ｂ，
Ｃのように変化させることにより、全光電変換素子Ｓ１
１〜Ｓ３３の容量値は変化し、その変化に伴い、全光電
変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極及びコンデンサＣ１１
〜Ｃ３３のＤ電極側に蓄積された電荷が変化する。その
様子を示すのが図３のＶ_outＡ，Ｂ，Ｃである。

【０１１９】これを見ると、可変電圧Ｖ_S1電源を変化さ
せることにより、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の容量
値は変化し、その変化に伴い、全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３のＤ電極及びコンデンサＣ１１〜Ｃ３３のＤ電極
側に蓄積された電荷が変化する様子が判り、結果的に擬
似的なＣ−Ｖ特性即ちフラットバンド電圧を得られるこ
とが確認できる。

【０１２０】［出力読み出しモードの説明］次に、図１において、タイミングパルスＳＥＬがＬｏの
場合、即ちＳＲ３の側の回路が選択され、フラットバン
ド電圧の移動を抑制するモードを含む出力読み出しモー
ドとなった場合の説明を行う。

【０１２１】図１において、Ｖ_s2は読み出し用電源、Ｖ
_g2はリフレッシュ用電源、Ｖ_cはフラットバンド電圧シ
フト抑制用電源であり、各電源は各々スイッチＳＷ_s、
スイッチＳＷ_g、スイッチＳＷc を介して全光電変換素
子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極に接続されている。ここで、
センサのＧ電極に印加される各電源の電位はＶ _c ＞Ｖ
_g2 ＞０＞Ｖ _s2と設定している。スイッチＳＷ_s2、スイ
ッチＳＷ_g2、スイッチＳＷ_cは直接にシフトレジスタＳ
Ｒ３に接続されており、スイッチＳＷ_s2、スイッチＳＷ
_g2、スイッチＳＷ_cは同時にオンしないように制御され
ている。又、各スイッチのオン時間は任意に設定可能で
ある。

【０１２２】図４は、本実施例の出力読み出しモードの
タイミングチャートであり、図１乃至図４を用いて本実
施例の光電変換装置の動作について説明する。

【０１２３】［リフレッシュモード］はじめに、シフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制
御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨｉが印加される。す
ると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイッチＭ１〜Ｍ
３がオンし導通し、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ
電極はＧＮＤ電位になる（積分検出器Ａｍｐの入力端子
はＧＮＤ電位に設計されているため）。同時にシフトレ
ジスタＳＲ３がＲＦ２にＨｉを出力してスイッチＳＷ_g2
がオンし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極はリフ
レッシュ用電源電位Ｖ_g2になる。リフレッシュ用電源の
Ｖ_g2＞０を選択した場合は、先に図１５で説明したＶ_rG
≧Ｖ_D−Ｖ_FBと同じ条件になる為、先に説明したように
Ｖ_g2＜０を選択した図１９のＶ_rG＜Ｖ_D−Ｖ_FBの条件と
比較して突入電流が多く発生し、ノイズが増える。しか
しながら光電変換素子のダイナミックレンジは増大す
る。その後全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はリフレッシ
ュモードになりリフレッシュされる。

【０１２４】［読み取りモード］つぎに、シフトレジスタＳＲ３がＲＦ２にＬｏを、ＲＥ
にＨｉを出力しスイッチＳＷ_g2がオフし、スイッチＳＷ
_s2がオンし、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極は
読み取り用電源Ｖ_s2により負電位になる。すると全光電
変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換モードになり同時に
コンデンサＣ１１〜Ｃ３３は初期化される。この状態で
シフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制御配線ｇ１
〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＬｏが印加される。すると転送用
ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ１〜Ｍ３がオフし
全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極はＤＣ的にはオ
ープンになるがコンデンサＣ１１〜Ｃ３３によって電位
は保持される。しかしこの時点ではＸ線は入射されてい
ないため全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３には光は入射さ
れず光電流は流れない。

【０１２５】この状態でＸ線がパルス的に出射され人体
等を通過し蛍光体ＣｓＩに入射されると光に変換され、
その光がそれぞれの光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に入射
する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれてい
る。この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれの
コンデンサＣ１１〜Ｃ３３に蓄積されＸ線の入射終了後
も保持される。つぎにシフトレジスタＳＲ１により制御
配線ｇ１にＨｉの制御パルスが印加され、シフトレジス
タＳＲ２の制御配線ｓ１〜ｓ３への制御パルス印加によ
って転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３、スイッチＭ１〜Ｍ
３を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。これにより人
体等の内部構造の二次元的情報がｖ１〜ｖ９として得ら
れる。

【０１２６】［フラットバンド電圧シフト抑制モード］その後、シフトレジスタＳＲ３のＲＦ２はＬｏになり、
ＣＯがＨｉとなる。又、シフトレジスタＳＲ１およびＳ
Ｒ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨｉが印
加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイ
ッチＭ１〜Ｍ３がオンし導通し、全光電変換素子Ｓ１１
〜Ｓ３３のＤ電極はＧＮＤ電位になる（積分検出器Ａｍ
ｐの入力端子はＧＮＤ電位に設計されているため）。よ
って、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極は正の電
位（Ｖｃ）になり、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はフ
ラットバンド電圧シフト抑制モードになる。

【０１２７】静止画像を得る場合はここまでの動作であ
るが動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。一
般に動画像を得る場合は静止画像を得る場合と比較して
照射されるＸ線の強度は弱いが、照射時間は長い場合が
多い。その為、信号光量が多くなり、大きなダイナミッ
クレンジが必要となる。また、一般に動画像を得る場合
は、おおまかな位置決めをする場合が多く、多少のノイ
ズ等は無視できる場合が多い。よって動画像を得る場合
はダイナミックレンジが大きいＶ_rG≧Ｖ_D−Ｖ_FBの条件
即ちＶ_g2＞０を選択する方がよい。

【０１２８】図１と同様に、図３において光電変換素子
１００のＧ電極のリフレッシュ電源Ｖ_g2を正の値に設定
しているが、上記で説明したように突入電流を小さくす
る目的でリフレッシュ電源Ｖ_g2を負の値で用いることが
可能であることはいうまでもない。

【０１２９】また、ここでは電源Ｖ_Cを比較的大きな電
圧を印加できる電源にすることにより、フラットバンド
電圧の移動を抑制する時間即ち、ＳＷ_Cをオンする時間
を比較的短くすることを可能とし、総合的な光電変換装
置の駆動時間を短くすることが可能となる。

【０１３０】本実施例の光電変換装置は、光電変換モー
ドとリフレッシュモードとフラットバンド電圧シフト抑
制モードを、順番に切り替えて駆動することが可能とな
り、上記で説明したフラットバンド電圧のシフトを小さ
くすることが可能となる。この為センサのダイナミック
レンジが小さくなることを防ぐことができ、高いＳＮ比
を保ち、安定した特性を得ることが可能となる。

【０１３１】本実施例では、光電変換素子のＧ電極が共
通に接続され、この共通の配線をスイッチＳＷ_g2とスイ
ッチＳＷ_S2とスイッチＳＷ_Cを介してリフレッシュ用電
源Ｖ_g2読み出し用電源Ｖ_S2及びフラットバンド電圧シフ
ト抑制用電源Ｖ_Cに接続しているため、全光電変換素子
を同時にリフレッシュモードと光電変換モード及びフラ
ットバンド電圧シフト抑制モードに切り換えることがで
きる。このため複雑な制御なくして１画素あたり１個の
ＴＦＴで光出力を得ることができる。

【０１３２】又、本実施例では９個の画素を３×３に二
次元配置し３画素ずつ同時に、３回に分割して転送・出
力したがこれに限らず、例えば縦横１ｍｍあたり５×５
個の画素を２０００×２０００個の画素として二次元的
に配置すれば４０ｃｍ×４０ｃｍのＸ線検出器が得られ
る。これをＸ線フィルムの代わりにＸ線発生器と組み合
わせてＸ線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン
検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異な
り瞬時にその出力をＣＲＴで映し出すことが可能で、さ
らに出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理
して目的に合わせた出力に変換することも可能である。
また光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に
検索することもできる。また感度もフィルムより良く人
体に影響の少ない微弱なＸ線で鮮明な画像を得ることも
できる。

【０１３３】［実施例２］図６、図７に、本発明の実施例２を示す２０００×２０
００個の画素を持つ検出器の実装を示す概念図を示す。
ここで示す２０００×２０００個の画素を持つ検出器の
実装を示す概念図の中には、図１〜図５で説明した光電
変換装置が搭載されていることは言うまでもない。

【０１３４】２０００×２０００個の検出器を構成する
場合、図１で示した破線内の素子を縦・横に数を増せば
良いが、この場合制御配線もｇ１〜ｇ２０００と２００
０本になり信号配線ＳＩＧもｓｉｇ１〜ｓｉｇ２０００
と２０００本になる。またシフトレジスタＳＲ１や検出
用集積回路ＩＣも２０００本の制御・処理をしなければ
ならず大規模となる。これをそれぞれ１チップの素子で
行うことは１チップが非常に大きくなり、製造時の歩留
りや価格等で不利である。そこで、シフトレジスタＳＲ
１は例えば１００段ごと１個のチップに形成し、２０個
（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−２０）を使用すればよい。また
検出用集積回路も１００個の処理回路ごと１個のチップ
に形成し、２０個（ＩＣ１〜ＩＣ２０）を使用する。

【０１３５】図６には左側（Ｌ）に２０チップ（ＳＲ１
−１〜ＳＲ１−２０）と下側（Ｄ）に２０チップ実装
し、１チップあたり１００本の制御配線、信号配線をお
のおのワイヤーボンディングでチップと接続している。
図６中破線部は図３の破線部に相当する。また外部への
接続は省略している。また、ＳＷ_g，ＳＷ_S，ＳＷ_C，
Ｖ_g，Ｖ_S，Ｖ_C，ＲＦ，ＲＥ，ＣＯ等も省略してい
る。集積回路ＩＣ１〜ＩＣ２０からは２０本の出力（Ｖ
_out）があるが、これらはスイッチ等を介して１本にま
とめたり、２０本をそのまま出力し並列処理すればよ
い。

【０１３６】あるいは図７に示すように左側（Ｌ）に１
０チップ（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−１０）、右側（Ｒ）に
１０チップ（ＳＲ１−１１〜ＳＲ１−２０）と上側に１
０チップ（ＩＣ１〜１０）、下側（Ｄ）に１０チップ
（ＩＣ１１〜２０）を実装してもよい。この構成は上・
下・左・右側（Ｕ・Ｄ・Ｌ・Ｒ）にそれぞれ各配線を１
０００本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度
が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度
も小さく、歩留りが向上する。配線の振り分けは左側
（Ｌ）にｇ１，ｇ３，ｇ５，…ｇ１９９９、右側（Ｒ）
にｇ２，ｇ４，ｇ６，…ｇ２０００とし、つまり奇数番
目の制御線を左側（Ｌ）、偶数番目の制御線を右側
（Ｒ）に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に引き
出され配線されるので密度の集中なく一層歩留りが向上
する。また、上側（Ｕ）下側（Ｄ）への配線も同様に振
り分ければよい。

【０１３７】また、図示していないが別の実施例として
配線の振り分けは左側（Ｌ）にｇ１〜ｇ１００，ｇ２０
１〜ｇ３００，…ｇ１８０１〜ｇ１９００、右側（Ｒ）
にｇ１０１〜ｇ２００，ｇ３０１〜ｇ４００，…ｇ１９
０１〜ｇ２０００を振り分け、つまり、１チップごと連
続な制御線を振り分け、これを左・右側（Ｌ・Ｒ）交互
に振り分ける。こうすると、１チップ内は連続に制御で
き、駆動タイミングが楽で回路を複雑にしなくてよく安
価なものが使用できる。上側（Ｕ）、下側（Ｄ）につい
ても同様で、連続な処理が可能で安価な回路が使用でき
る。

【０１３８】また、図６、図７に示される例は、共に１
枚の基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上に
チップを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部
の回路基板とチップを実装してもよい。また、チップを
フレキシブル基板上に実装して破線部の回路基板に貼り
付け接線してもよい。

【０１３９】またこのような非常に多くの画素をもつ大
面積の光電変換装置は従来の光センサを用いた複雑な工
程では不可能であったが、本発明の光電変換装置の工程
は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が
少なく、簡易的な工程で済むため高歩留まりが可能で低
コストで大面積・高性能の光電変換装置の生産を可能と
している。また、コンデンサと光電変換素子とが同じ素
子内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさ
らに歩留まりを向上できる。

【０１４０】［実施例３］図８は、本発明の実施例３を示す光電変換装置を用いた
システム全体を表す模式的ブロック図である。ここで示
す光電変換装置を用いたシステム全体を表す模式的ブロ
ック図の中には、図１〜図５で説明した光電変換装置が
搭載されていることは言うまでもない。

【０１４１】図８において、６００１はａ−Ｓｉセンサ
基板であるこの図では複数のシフトレジスタＳＲ１を直
列に、また検出用集積回路ＩＣも複数で駆動している。
検出用集積回路ＩＣの出力は処理回路６００８内のアナ
ログ−デジタル変換器６００２に入力されデジタル化さ
れる。この出力は固定パターン補正用の引き算器６００
３を介してメモリ６００４に記憶される。メモリの中の
情報はコントローラ６００５により制御されバッファ６
００６を介し信号処理手段としてのイメージプロセッサ
に転送され、そこで画像処理される。

【０１４２】図９（ａ）、図９（ｂ）は本発明をＸ線検
出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び
模式的断面図である。

【０１４３】図９において、光電変換素子とＴＦＴは、
ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１内に複数個形成され、シフ
トレジスタＳＲ１と検出用集積回路ＩＣが実装されたフ
レキシブル回路基板６０１０が接続されている。フレキ
シブル回路基板６０１０の逆側は回路基板ＰＣＢ１，Ｐ
ＣＢ２に接続されている。前記ａ−Ｓｉセンサ基板６０
１１の複数枚が基台６０１２の上に接着され大型の光電
変換装置を構成する基台６０１２の下には処理回路６０
１８内のメモリ６０１４をＸ線から保護するため鉛板６
０１３が実装されている。ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１
上にはＸ線を可視光に変換するための蛍光体６０３０た
とえばＣｓＩが、塗布または貼り付けられている。前述
の図２で説明したＸ線検出方法と同じ原理に基き、Ｘ線
を検出することができる。本実施例では図９（ｂ）に示
されるように全体をカーボンファイバー製のケース６０
２０に収納している。

【０１４４】図１０は、本発明の光電変換装置のＸ線診
断システムへの応用例を示したものである。

【０１４５】図１０において、Ｘ線チューブ６０５０で
発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の
胸部６０６２を透過し、蛍光体を上部に実装した光電変
換装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者
６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に
対応して蛍光体は発光し、これを光電変換して、電気的
情報を得る。この情報はディジタルに変換されイメージ
プロセッサ６０７０により画像処理され制御室のディス
プレイ６０８０で観察できる。

【０１４６】また、この情報は電話回線６０９０等の伝
送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタール
ームなどディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディス
ク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が
診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６
１００によりフィルム６１１０に記録することもでき
る。

【０１４７】［実施例４］図２５は、第４の実施例に係る光電変換装置の駆動方法
を説明するための１ビットの等価回路図である。図２５
において図１５と同じ番号で示される部分は同じものを
示す。

【０１４８】図１５と異なる点は、まず第一に光電変換
素子１００のフラットバンド電圧（Ｖ_FB）の測定をする
ための電圧Ｖ_d可変電源２１１４が電源１１４の代わり
に追加されており、光電変換素子１００を、Ｖ_dがプラ
ス側の全容量が相対的に小さい状態（デプレッション状
態）と全容量が相対的に大きい状態（アキュムレーショ
ン状態）に変化させる作用を行う。

【０１４９】第二には、光電変換素子１００のＧ側の電
位をＧＮＤではなくプラス側の電位Ｖ_RESにリセットす
るための電源２１１５が配置されている点である。光電
変換素子１００のＧ側の電位をＧＮＤではなくプラス側
の電位Ｖ_RESにリセットし、このリセットによる光電変
換素子１００に蓄積された電荷をＴＦＴ１３００を用い
てコンデンサ１１２４に転送することによりコンデンサ
１１２４のＴＦＴ１３００側の電位Ｖ_O ’は常にプラス
の電位となる。

【０１５０】また図１５においては光電変換素子１００
に光信号が入射する事が前提であり、光電変換素子１０
０の光電流Ｉｓが生成されていたが、本実施例の光電変
換素子１００の駆動方法は暗状態にしてあり光入射量は
ゼロにしてある。

【０１５１】次に本実施例の動作を図２５、図２６、図
１６を用いて説明する。

【０１５２】基本的な動作は上記で述べたように、図１
６と同じであるが、暗状態にしてあるため光電流Ｉｓは
常にゼロである。ＰｂのＨｉ信号により、ＴＦＴ１３０
０がｏｎした直後のＶ_O及びＶ_O’は、図２５における
可変電圧Ｖ_dの大きさにより、光電変換素子１００の容
量値が変化し、それに伴い光電変換素子１００のＧ側に
蓄積される（ＴＦＴ１４００によりＶ_RESへ）電荷量が
異なるためＶ_O及びＶ_O’は可変電圧Ｖ_dに依存を示
す。

【０１５３】図２６においてその様子を示す。図２６の
Ｖ_O’−Ｖ_d特性図において光電変換素子１００の容量
値がアキュムレーション状態２０２１からデプレッショ
ン状態２０２３へ変化していく部分２０２２即ちＶ_O’
が高い状態から低い状態へ変化していく部分２０２２
の、直線部分の延長線２０２４とアキュムレーション状
態を示す直線部分の延長線２０２５の交点をフラットバ
ンド電圧Ｖ_FBとする。

【０１５４】また上記で説明したように、本発明の図１
１に示す光電変換装置における光電変換素子はフラット
バンド電圧Ｖ_FBが結果的に負の電圧方向に移動し、図２
６における２０２６の点線のように特性が変化するの
で、その結果、光電変換素子のダイナミックレンジを小
さくしてしまう。そうなると、光電変換装置としてのＳ
Ｎ比は小さくなり、安定した特性が得られなくなってし
まう。

【０１５５】本発明のような駆動方法を用いることによ
り、光電変換素子１００の擬似的なＣ−Ｖ特性を得るこ
とが可能になり、その結果フラットバンド電圧Ｖ_FBを得
ることができフラットバンド電圧Ｖ_FBの移動量が確認で
きた場合は、そのフラットバンド電圧Ｖ_FBの移動量をゼ
ロにする駆動方法を用いることが可能になる。

【０１５６】この為、光電変換素子１００のダイナミッ
クレンジが小さくなることを防ぐことができ、高いＳＮ
比を保ち、安定した特性を得ることが可能となる。

【０１５７】［実施例５］図２７は、本発明の光電変換装置の第５の実施例を示す
全体回路図である。

【０１５８】図２７において、Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変
換素子で下部電極側をＧ、上部電極側をＤで示してい
る。Ｃ１１〜Ｃ３３は蓄積用コンデンサ、Ｔ１１〜Ｔ３
３は転送用ＴＦＴである。Ｖ_gはリフレッシュ用電源、
Ｖ_Sはフラットバンド電圧を観測するための可変電圧電
源であり、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極の電
位をリセットするものであり、実施例４の中で説明した
Ｖ_dと同じ働きをする。

【０１５９】また、各電源は、各々スイッチＳＷ_Sスイ
ッチＳＷ_gを介して全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ
電極に接続されている。ここで、スイッチＳＷ_S、スイ
ッチＳＷ_gは直接にタイミングパルスＲＦに接続されて
おり、スイッチＳＷ_S、スイッチＳＷ_g は同時にオンし
ないように制御されている。又、各スイッチのオン時間
は任意の設定が可能である。

【０１６０】１画素は１個の光電変換素子とコンデン
サ、およびＴＦＴで構成され、その信号出力は信号配線
ＳＩＧにより検出用集積回路ＩＣに接続されている。本
実施例の光電変換装置は計９個の画素を３つのブロック
に分け１ブロックあたり３画素の出力を同時に転送し、
この信号配線ＳＩＧを通して検出用集積回路ＩＣによっ
て順次出力に変換され出力される（Ｖ_out）。また１ブ
ロック内の３画素を横方向に配置し、３ブロックを順に
縦に配置することにより各画素を二次元的に配置してい
る。

【０１６１】図中破線で囲んだ部分は、大面積の同一絶
縁基板上に形成されている。図２は、このような光電変
換素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

【０１６２】図２において、Ｓ１１は光電変換素子、Ｔ
１１はＴＦＴ、Ｃ１１はコンデンサ、およびＳＩＧは信
号配線である。本実施例においてはコンデンサＣ１１と
光電変換素子Ｓ１１とは特別に素子を分離しておらず、
光電変換素子Ｓ１１の電極の面積を大きくすることによ
りコンデンサＣ１１を形成している。これは本実施例の
光電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可能
なことである。また、画素上部にはパッシベーション用
窒化シリコン膜ＳｉＮとヨウ化セシウム等の蛍光体Ｃｓ
Ｉを形成する事も考えられ、上方よりＸ線（Ｘ−ｒａ
ｙ）が入射すると蛍光体ＣｓＩより光（破線矢印）に変
換され、この光が光電変換素子に入射されることも可能
となる。

【０１６３】次に、図２７、図２８、図２９を用いて本
実施例の光電変換装置の動作について説明する。

【０１６４】図２８は、本実施例の動作を示すタイミン
グチャートである。

【０１６５】はじめにシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ
２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨｉが印加
される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイッ
チＭ１〜Ｍ３がオンし導通し、全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３のＤ電極及びコンデンサＣ１１〜Ｃ３３のＤ電極
側はＶ_RES電位になる。これは前記実施例第一に示した
ように、光電変換素子１００のＧ側の電位をＧＮＤでは
なくプラス側の電位Ｖ_RESにリセットし、このリセット
による光電変換素子１００に蓄積された電荷を転送用Ｔ
ＦＴで転送することと同じであり、転送用ＴＦＴ・Ｔ１
１〜Ｔ３３を用いてＡｍｐ側に転送することにより積分
検出器Ａｍｐ側の電位Ｖ_outは常にプラスの電位とな
る。図２７に示すｇ１〜ｇ３及びｓ１〜ｓ３の信号とａ
ｎｄ素子及び積分検出器Ａｍｐ側の電位Ｖ_outをリセッ
トするスイッチとリセット用電源Ｖ_RESは以上説明した
動作を行うための素子である。

【０１６６】同時にタイミングパルスＲＦにＨｉを出力
してスイッチＳＷ_gがオンし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ
３３のＧ電極はリフレッシュ用電源電位Ｖ_gになる。そ
の後全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はリフレッシュモー
ドになりリフレッシュされる。

【０１６７】また図１５においては、光電変換素子１０
０に光信号が入射する事が前提であり、光電変換素子１
００の光電流Ｉｓが生成されていたが、本実施例の全光
電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の状態は、実施例４で示した
光電変換素子１００と同様に暗状態にしてあり光入射量
はゼロにしてある。

【０１６８】図２８においてｇ１〜ｇ３の信号がＬｏに
なり、ｓ１〜ｓ３の信号がＨｉの状態になると積分検出
器Ａｍｐの入力端子はＧＮＤ電位に設計されているため
Ｖ_outはＧＮＤになる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３は光電変換モードになり同時にコンデンサＣ１１
〜Ｃ３３は初期化される。次にシフトレジスタＳＲ１お
よびＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＬ
ｏが印加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３
のスイッチＭ１〜Ｍ３がオフし全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３のＤ電極はＤＣ的にはオープンになるがコンデン
サＣ１１〜Ｃ３３によって電位は保持される。

【０１６９】つぎにシフトレジスタＳＲ１により制御配
線ｇ１にＨｉの制御パルスが印加され、シフトレジスタ
ＳＲ２の制御配線ｓ１〜ｓ３への制御パルス印加によっ
て転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３、スイッチＭ１〜Ｍ３
を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。これにより全光
電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の容量値に相当する二次元的
情報がｖ１〜ｖ９として得られる。

【０１７０】ここで、上記で説明した実施例４の図２６
の模擬的なＣ−Ｖ特性の説明をする。

【０１７１】図２９は、模擬的なＣ−Ｖ特性を説明する
ための図であり、図２７における可変電圧Ｖ_S電源を、
図２９のＡ，Ｂ，Ｃのように変化させることにより全光
電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の容量値は変化し、その変化
に伴い、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極及びコ
ンデンサＣ１１〜Ｃ３３のＤ電極側に蓄積された電荷が
変化する、その様子を示すのが図２８のＶ_outＡ，Ｂ，
Ｃである。

【０１７２】これを見ると、可変電圧Ｖ_S電源を変化さ
せることにより、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の容量
値は変化し、その変化に伴い、全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３のＤ電極及びコンデンサＣ１１〜Ｃ３３のＤ電極
側に蓄積された電荷が変化する様子が判り、結果的に模
擬的なＣ−Ｖ特性即ちフラットバンド電圧を得ることが
できることが確認できる。

【０１７３】又、本実施例では９個の画素を３×３に二
次元配置し３画素ずつ同時に、３回に分割して転送・出
力したがこれに限らず、例えば縦横１ｍｍあたり５×５
個の画素を２０００×２０００個の画素として二次元的
に配置し、その上にＸ線を可視光に変換する蛍光板を配
置すれば４０ｃｍ×４０ｃｍのＸ線検出器が得られる。
これをＸ線フィルムの代わりにＸ線発生器と組み合わせ
てＸ線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診
や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬
時にその出力をＣＲＴで映し出すことが可能で、さらに
出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して
目的に合わせた出力に変換することも可能である。また
光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に検索
することもできる。また感度もフィルムより良く人体に
影響の少ない微弱なＸ線で鮮明な画像を得ることもでき
る。

【０１７４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電変換
装置によれば、光電変換素子のフラットバンド電圧の移
動を測定するために、光電変換モードでの光電変換素子
の各層に印加する電界を変化させ、半導体層に蓄積され
る第一の型のキャリアもしくは第二の電極層に導かれた
第二の型のキャリアを検出することにより、光電変換素
子のフラットバンド電圧に相当する電圧値を得、その結
果を用いて、フラットバンド電圧を元に戻すことによ
り、結果的にダイナミックレンジを小さくしないこと、
即ちＳＮ比が高く、特性が安定していることを可能にす
る。

【０１７５】また、本発明によれば、光電変換モードと
リフレッシュモードとフラットバンド電圧シフト抑制モ
ードを順番に切り替えて駆動することが可能となり、フ
ラットバンド電圧のシフトを小さくすることが可能とな
る。この為センサのダイナミックレンジが小さくなるこ
とを防ぐことができ、高いＳＮ比を保ち、安定した特性
を得ることが可能となる。

【０１７６】さらに、本発明によれば、ＳＮ比が高く、
特性が安定している光電変換装置、その駆動方法及びそ
れを有するシステムを提供することができる。

【０１７７】また上記したような優れた特性を有する光
電変換装置を利用することにより、より低コストで大面
積・高機能・高特性のファクシミリやＸ線レントゲン装
置を提供できる。

【０１７８】加えて本発明は、ＴＦＴと同一プロセスで
形成する事が可能で、生産プロセスの複雑化を生じるこ
と無く、低コストで作製可能な光電変換装置、及びその
駆動方法及びそれを有するシステムを提供することを可
能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光電変換装置を説明するた
めの概略的回路図である。

【図２】本発明の光電変換装置の一例を説明する為の模
式的平面図（ａ）、及び模式的断面図（ｂ）である。

【図３】本発明の光電変換装置の動作の一例を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図４】本発明の光電変換装置の動作の一例を説明する
ためのタイミングチャートである。

【図５】本発明の光電変換装置の動作の一例を説明する
ための擬似的な光電変換素子のＣ−Ｖ特性である。

【図６】本発明の光電変換装置の実装例２を説明するた
めの模式的配置構成図である。

【図７】本発明の光電変換装置の実装例２を説明するた
めの模式的配置構成図である。

【図８】本発明の光電変換装置を有するシステムの実施
例３の一例を説明するためのシステム構成図である。

【図９】Ｘ線検出装置に適用した場合の実施例３の一例
を説明する模式的構成図（ａ）、模式的断面図（ｂ）で
ある。

【図１０】本発明の光電変換装置を有するシステムの実
施例３の一例を説明するためのシステム構成図である。

【図１１】我々が以前提案した光電変換部の構成例を説
明する模式的断面図（ａ）、及び概略的回路図（ｂ）で
ある。

【図１２】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図である。

【図１３】我々が以前提案した光電変換部の動作の一例
を説明するためのタイミングチャートである。

【図１４】検出部の構成例を説明するための概略的回路
図である。

【図１５】本発明の光電変換装置を説明するための概略
的回路図である。

【図１６】光電変換装置の動作の一例を説明するための
タイミングチャートである。

【図１７】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図である。

【図１８】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図である。

【図１９】光電変換装置を説明するための概略的回路図
である。

【図２０】光電変換装置の動作の一例を説明するための
タイミングチャートである。

【図２１】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図である。

【図２２】光センサの構成の一例を説明する模式的断面
図である。

【図２３】ＴＦＴの層構成図である。

【図２４】ゲート絶縁膜厚に対するＴＦＴの歩留まりを
示すグラフである。

【図２５】本発明の実施例４の光電変換装置の動作を説
明するための１ビット等価回路図である。

【図２６】本発明の実施例４の光電変換装置の動作を説
明するための擬似的なＣ−Ｖ特性図である。

【図２７】本発明の実施例５の光電変換装置を説明する
ための概略的回路図である。

【図２８】本発明の実施例５の光電変換装置の動作の一
例を説明するためのタイミングチャートである。

【図２９】本発明の実施例５光電変換装置の動作を説明
するための擬似的なＣ−Ｖ特性図である。

【符号の説明】Ｓ１１〜Ｓ３３光電変換素子、Ｃ１１〜Ｃ３３蓄積
用コンデンサ、Ｔ１１〜Ｔ３３転送用ＴＦＴ、Ｖ_g1
リフレッシュ用電源、Ｖ_S1 フラットバンド電圧を観測
するための可変電圧電源、Ｖ_S2 読み出し用電源、Ｖ_g2
リフレッシュ用電源、Ｖ_C フラットバンド電圧シフ
ト抑制用電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/146 H01L 31/10 H04N 5/335

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板上に、第一の電極層、第一の型
のキャリア及び前記第一の型のキャリアとは正負の異な
る第二の型のキャリアの通過を阻止する第一の絶縁層、
光電変換半導体層、該半導体層への前記第一の型のキャ
リアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を堆積
した光電変換素子を有する光電変換装置であって、前記光電変換素子のフラットバンド電圧測定手段と、該フラットバンド電圧測定手段による測定結果を用いた
フラットバンド電圧シフト抑制手段を含む出力読み出し
手段と、前記フラットバンド電圧測定手段と前記出力読み出し手
段とを切り替える第１のスイッチ手段と、を有し、前記フラットバンド電圧測定手段は、前記光電変換素子
の各層に印加する電界を変化させ、該光電変換素子の半
導体層に蓄積される第一の型のキャリアもしくは前記第
二の電極層に導かれた第二の型のキャリアを検出するこ
とにより、前記光電変換素子のフラットバンド電圧に相
当する電圧値を得る手段を有し、前記出力読み出し手段は、入射光量に応じて発生した電
荷を読み出すための読み出し用電圧電源と、光電変換素
子内に蓄積された電荷をリフレッシュするリフレッシュ
用電圧電源と、光電変換素子のフラットバンド電圧の移
動を抑制するフラットバンド電圧シフト抑制用電圧電源
とを有するとともに、各電源を切り替えて、前記光電変
換素子に印加する電位を切り替える第２のスイッチ手段
を有することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】更に、フラットバンド電圧測定時に、前
記光電変換素子のフラットバンド電圧に相当する電圧値
を得るために前記光電変換素子に電界を印加するフラッ
トバンド電圧測定用可変電圧電源を有することを特徴と
する請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】前記フラットバンド電圧測定用可変電圧
電源の電圧を変化させることにより、前記光電変換素子
の容量値を変化させ、該光電変換素子に蓄積された電荷
の変化を検出することにより、フラットバンド電圧を測
定することを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項４】前記光電変換素子のフラットバンド電圧
の移動を抑制するために、光電変換動作をしているとき
と逆方向の電界を前記光電変換素子に印加することを特
徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電変換
装置。
【請求項５】前記光電変換素子を一次元または二次元
的に複数個配置し、前記光電変換素子毎に該光電変換素
子選択用の第３のスイッチ素子を接続すると共に、全光
電変換素子を複数のｎブロックに分割し、各ブロック毎
に前記第３のスイッチ素子を動作させることにより前記
複数のｎブロックに分割したｎ×ｍ個の全光電変換素子
の光信号をマトリクス信号配線により出力し、前記マト
リクス信号配線の交差部が、少なくとも第一電極層、絶
縁層、半導体層、第二の電極層の順の積層構造で構成さ
れ、各層が前記光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、
光電変換半導体層、第二の電極層の各層と同一層から形
成されており、且つ同じ膜厚であることを特徴とする請
求項１〜４のいずれか１項記載の光電変換装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項記載の光電
変換装置と、該光電変換装置上に設けられた蛍光体と、前記光電変換装置に入力される光情報を発生させるため
のＸ線源と、前記光電変換装置からの信号を処理する信号処理手段
と、前記信号処理手段からの信号を記録する為の記録手段
と、前記信号処理手段からの信号を表示する為の表示手段
と、前記信号処理手段からの信号を電送する為の電送手段
と、を有することを特徴とするシステム。
【請求項７】絶縁基板上に、第一の電極層、第一の型
のキャリア及び前記第一の型のキャリアとは正負の異な
る第二の型のキャリアの通過を阻止する第一の絶縁層、
光電変換半導体層、該半導体層への前記第一の型のキャ
リアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を堆積
した光電変換素子を有する光電変換装置の駆動方法であ
って、前記光電変換素子に印加する電界を変化させて、該光電
変換素子の半導体層に蓄積される第一の型のキャリアも
しくは前記第二の電極層に導かれた第二の型のキャリア
を検出することにより、前記光電変換素子のフラットバ
ンド電圧に相当する電圧値を得るフラットバンド電圧測
定モードと、前記光電変換素子に印加する電圧を切り替えることによ
り駆動される、（ａ）入射光量に応じて電荷を発生し蓄積する光電変換
モード；（ｂ）光電変換素子内に蓄積された電荷をリフレッシュ
するリフレッシュモード；（ｃ）光電変換素子のフラットバンド電圧の移動を抑制
するフラットバンド電圧シフト抑制モード；の各モードを含む出力読み出しモードと、を有し、前記フラットバンド電圧測定モードと前記出力読み出し
モードとを切り替えて駆動することを特徴とする光電変
換装置の駆動方法。
【請求項８】前記測定結果を用いて、前記光電変換素
子のフラットバンド電圧の移動を抑えるために、前記フ
ラットバンド電圧シフト抑制モードが、光電変換動作を
しているときと逆方向の電界を前記光電変換素子に印加
するモードであることを特徴とする請求項７記載の光電
変換装置の駆動方法。
【請求項９】前記光電変換素子を一次元または二次元
的に複数個配置し、前記光電変換素子毎にスイッチ素子
を接続すると共に、全光電変換素子を複数のｎブロック
に分割し、各ブロック毎に前記スイッチ素子を動作させ
ることにより前記ｎブロックに分割したｎ×ｍ個の光電
変換素子の光信号をマトリクス信号配線により出力し、
ｎブロック毎に各光電変換素子のフラットバンド電圧に
相当する電圧値を得ることを特徴とする請求項７または
８記載の光電変換装置の駆動方法。
【請求項１０】絶縁基板上に、第一の電極層、第一の
型のキャリア及び前記第一の型のキャリアとは正負の異
なる第二の型のキャリアの通過を阻止する第一の絶縁
層、光電変換半導体層、該半導体層への前記第一の型の
キャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二の電極層を
堆積した光電変換素子を有する光電変換装置の駆動方法
であって、光が入射しない状態で、前記光電変換素子に印加する電
界を変化させて、該光電変換素子の半導体層に蓄積され
る第一の型のキャリアもしくは前記第二の電極層に導か
れた第二の型のキャリアを検出することにより、前記光
電変換素子のフラットバンド電圧に相当する電圧値を得
るフラットバンド電圧測定モードと、前記光電変換素子
内に蓄積された電荷をリフレッシュするリフレッシュモ
ードと、を有することを特徴とする光電変換装置の駆動
方法。