JP3624165B2 - Electromagnetic wave detection device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は紫外線、赤外線、可視光、X線、α線、γ線などの電磁波の電磁波検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
紫外線、赤外線、可視光、X線、α線、γ線などの電磁波を直接或いは間接的に半導体によって電荷に変換し、それを読み出す電磁波検出装置は、撮像装置などに応用されている。
【0003】
このうち、X線などの高いエネルギー電磁波を可視光に変換し、その可視光を半導体によって電荷に変換し、それを読み出す電磁波検出装置は、例えば米国特許第5,811,790号、特開平09−288184号公報、米国特許第5,856,699号、特開平09−260626号公報などに記載されている。
【0004】
又、紫外線、赤外線、可視光、X線、α線、γ線などの電磁波を直接半導体によって電荷に変換する電磁波検出装置としては、例えば米国特許第5,391,881号に記載される装置がある。
【0005】
図14(a),(b)は単結晶バルクX線検出部と単結晶読み出しICの積層構造による検出器を示す断面図及び平面図である。
【0006】
図14(a),(b)において、X線などの高エネルギーの電磁波108が入射すると、Si,GaAs,CdTe,HgI2等の半導体基板106で電荷が生じ、この電荷は電極114,バンプ120,電極119を介して集積回路チップ110a,110bの読み出し回路116に転送される。電極134a〜134d、電極130a〜130dは半導体基板106、集積回路チップ110a,110bを接続するための電極である。
【0007】
また、米国特許5,198,673号に記載される、保護ダイオード付直接型センサーがある。図15はシンチレータと保護ダイオード付の光センサーの読み出し・リセット回路の概略的ブロック図である。図15において、222a,222bはスキャンスイッチ、210はセンサー、212は高電圧源、214は蓄積容量、240は過電圧保護素子(保護ダイオード)である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の電磁波検出装置において、発生した電荷を蓄積容量に蓄積し、蓄積された電荷を読み出す回路構成を採る時に、蓄積容量から電荷を読み出した後に電荷が残ることがある。この電荷は次の蓄積時に加算されて、動画などの場合は残像となる。
【0009】
又、蓄積容量に過剰な電荷が蓄積されると、これが読み出し回路側などに漏れ出し、CCDイメージセンサにおけるブルーミングと同じような現象が発生することがある。この現象は、とりわけ、X線のような可視光より高いエネルギーの電磁波を検出する場合に顕著である。
【0010】
或いは、蓄積された電荷を読み出すためのトランジスタを単結晶ウエハを用いてバルクで形成すると、高いエネルギーの電磁波によりバルク内で不本意に発生した電荷が、当該トランジスタに悪影響を与え、正常動作を妨げることもある。
【0011】
本発明の目的は、高いエネルギーの電磁波であっても良好に検出できる、従来の装置より優れた電磁波検出装置を提供することにある。
【0012】
本発明の別の目的は、撮像面積の大きな電磁波検出装置を従来より安価に提供することにある。
【0013】
更に、本発明の別の目的は、残像や電荷の漏れ出しを抑制し、高いエネルギーの電磁波が入射しても誤動作を生じ難い電磁波検出装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射した電磁波を電荷に変換する変換素子と、
前記変換素子で変換された前記電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された電荷を読み出すための読み出し用薄膜トランジスタと、
一端が前記蓄積容量に接続され、ゲートに第1の電圧が印加されて前記蓄積容量にリセット電位を与えるリセット用薄膜トランジスタと、
を有する電磁波検出装置において、
蓄積期間中に前記リセット用薄膜トランジスタのゲートに印加する第2の電圧が、前記蓄積期間中に前記読み出し用薄膜トランジスタのゲートに印加する第3の電圧より、前記第1の電圧に近い値に設定されていることを特徴とする。
【0015】
又、本発明は、入射した電磁波を電荷に変換する変換素子と、
絶縁基板上に設けられ、前記変換素子で変換された前記電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された前記電荷を転送して読み出すための読み出し用薄膜トランジスタと、一端が前記蓄積容量に接続され、ゲートにオン電圧が印加されて前記蓄積容量にリセット電位を与えるリセット用薄膜トランジスタと、を含む検出装置と、
を有する電磁波検出装置において、
蓄積期間中に、前記リセット用薄膜トランジスタを通して前記蓄積容量に蓄積可能な電荷量より過剰な電荷を放出することを特徴とする。
【0016】
前記変換素子は、可視光より高エネルギーの電磁波を吸収して電荷に変換する素子であることが好ましい。
【0017】
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとは絶縁性基板上に形成された非単結晶半導体層を有することが好ましい。
【0018】
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとは絶縁性基板上に形成され、
前記変換素子は前記絶縁性基板とは別の基板に形成され、前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとに電気的に接続されていることが好ましい。
【0019】
前記変換素子は、電磁波を電荷に変換する半導体基板と、該半導体基板の一面に設けられた共通電極と、該半導体基板の他面に設けられ、二次元状の複数の画素に対応して、各々分離されて形成された複数の電極と、を有し、
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとを含む単位セルが前記各画素に対応して、絶縁性基板上に配置され、
前記半導体基板と前記絶縁基板とは積層構造をとり、それらの基板間において前記複数の電極と前記各単位セルとが電気的に接続されていることが好ましい。
【0020】
前記半導体基板の複数を前記絶縁基板上に二次元状に並べて積層配置し、各半導体基板の共通電極同士を短絡させることが好ましい。
【0021】
前記変換素子の共通電極に高圧電位を与え、該共通電極の近傍にはシールドする導電体が設けられていることが好ましい。
【0022】
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとを駆動するドライバー回路と、前記読み出し用薄膜トランジスタから信号を読み出す読み出し回路とが、前記絶縁性基板に設けられていることが好ましい。
【0023】
前記読み出し用薄膜トランジスタは、読み出し動作の初期状態で、該薄膜トランジスタのソース・ドレイン間の電位差が少なくとも1V以上となるようにソース・ドレインに印加される電圧を定めることが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1〜図6を参照して、本発明の実施形態による電磁波検出装置について説明する。
【0025】
図1は本発明の実施形態による電磁波検出装置の回路構成図である。図2は、1単位セルから信号を読み出すための出力回路を含んだ回路構成図である。
【0026】
1は変換素子、2は蓄積容量、3はリセット用トランジスタ、4は読み出し用トランジスタ、5は出力線、6は水平駆動制御線、7はリセット制御線、8は出力線のリセットトランジスタである。11は必要に応じて設けられるリセット用トランジスタ、12は水平転送用のトランジスタ、13は水平走査回路、14はリセット回路、15はアンプ、16は出力回路である。
【0027】
1画素となる単位セルは、入射した電磁波を電荷に変換する変換素子1と、変換素子1からの信号電荷を蓄積する蓄積容量2と、蓄積容量2から信号を読み出すトランジスタ4と、信号電荷をリセットするためのリセット用トランジスタ3とを有する。この単位セルはマトリクス状に二次元に配置されて所謂エリアイメージセンサを構成している。
【0028】
水平走査回路(シフトレジスター等)13により行ごとに各単位セルのトランジスタ4が選択されて、各単位セルの蓄積容量2から出力線5に信号が読み出され、この信号が出力線5に接続されるアンプ15を介して出力回路16に入力され、出力回路16によって列ごとに順次、出力端子OUTに出力される。
【0029】
各出力線5は出力線リセットトランジスタ8により基準電位VR2にリセットされる。出力回路16は例えば出力線5ごとに設けられた、蓄積容量CSHと、この蓄積容量CSHと共通出力線とを接続するトランジスタ12とからなり、不図示の走査回路からφH1,φH2,…が出力回路16に順次入力されてトランジスタ12が順次オンして、蓄積容量CSHから列ごとに信号が共通出力線の出力端子OUTに読み出されて出力される。より詳しい駆動方法は後述する。
【0030】
容量C2は出力線5により生ずる容量であり、その容量値をC2とする。この容量C2は、横方向の各制御線6,7と出力線5とのクロス部の容量やトランジスタ4におけるソース(又はドレイン)の容量からなる。大基板パネルつまり撮像エリアが大きい装置においては、この容量C2が大きくなり、信号(S)と雑音(H)の比に大きく影響する。
【0031】
装置を単結晶基板(Siなど)で作製すると、基板と配線の容量がさらに加算される。ガラス板のような絶縁性表面を有する基板上に形成することにより20cm角パネル程度であっても数10pF程度にすることができて、有利である。
【0032】
電磁波が、変換素子1に入射する場合、変換素子1の容量値をC0、発生電荷をQとすると、蓄積容量2(容量値C1)に発生する電圧Vsは、
Vs=Q/(C1+C0) (1)
となり、
C1>>C0(C1≧10C0)とすれば、実質的にはVs≒Q/C1となる。
【0033】
蓄積容量2(容量値C1)から容量C2(容量値もC2とする)に読み出す場合も、容量C2に読み出される電位は、VC2=Q/(C1+C2)となる。
【0034】
通常C2>>C1であるので、結局VC2≒Q/C2となる。
【0035】
換言すれば、VC2/Vs=C1/C2となり、蓄積容量2(容量値C1)と容量C2の容量比に応じた電圧として読み出される。
【0036】
そのため、容量C2があまりにも大きくなると、読み出し系のアンプの雑音が支配的になり、センサーとしてのSN比を下げてしまう。
【0037】
前述したように、絶縁性基板を用いれば容量C2を小さくすることができるので、大版の装置に好適である。絶縁性基板上に作製するトランジスタの代表的な構成を図3に示す。
【0038】
図3(a)は、下ゲートスタガー型と呼ばれる薄膜トランジスタの構成を示す。21はアルミニウム、クロム、タンタルなどの金属により形成されるゲート電極である。22は窒化シリコン、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどのゲート絶縁膜である。23は非晶質シリコンや多結晶シリコンなどからなるチャネルを提供する半導体層、24は非晶質シリコンや微結晶シリコンなどの高濃度N型半導体からなるオーミックコンタクト層、25はアルミニウム、チタンなどの金属からなるソース・ドレイン電極である。
【0039】
図3(b)も、下ゲートスタガー型と呼ばれる薄膜トランジスタの構成の別の例を示す。図3(a)と異なる点は、ゲート電極21の上方の半導体層24を保護するチャンネル保護層26が設けられている点である。チャンネル保護層26は、オーミックコンタクト層24のエッチングレートより低いエッチングレートを呈する窒化シリコンや酸化シリコンなどの絶縁体からなる。
【0040】
図3(a)と図3(b)は、半導体層として水素化非晶質シリコンのような非晶質材料を用いた場合に有効な構成である。
【0041】
図3(c)は、上ゲートコプラナー型と呼ばれる構成の薄膜トランジスタであり、チャンネル23と、P型或いはN型のソース・ドレインとなる高濃度不純物領域27と、必要に応じて設けられる低濃度不純物領域28と、を構成する半導体として多結晶シリコンのような多結晶材料或いは単結晶材料を用いた場合に有効な構成である。21は多結晶シリコンや金属などからなるゲート電極、22は酸化シリコンなどのゲート絶縁膜、25はソース・ドレイン電極、29は酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁膜である。
【0042】
非晶質半導体や多結晶半導体のような非単結晶半導体を用いてチャンネル領域を構成した薄膜トランジスタのキャリアの移動度は、単結晶半導体用いてチャンネル領域を構成した薄膜トランジスタのそれに比べて低い。しかしながら、この原因となる結晶粒界や未結合手などによる欠陥が、高エネルギー線に入射により不本意に発生した電荷をトラップする役目を果たすため、非単結晶半導体薄膜トランジスタは単結晶半導体薄膜トランジスタに比べて誤動作し難いという利点が顕在化する。
【0043】
本実施形態においては、これらを含めた薄膜トランジスタを用いて、少なくともリセット用スイッチ3と読み出し用スイッチ4を作製する。少なくともリセット用スイッチ3と読み出し用スイッチ4とは同じ成膜プロセスにより作製することが好ましい。更には、必要に応じて、トランジスタ8や水平走査回路13やリセット回路14や出力回路16などを構成するトランジスタをも薄膜トランジスタにより作製してもよい。
【0044】
次に、本実施形態の薄膜トランジスタからなるトランジスタ3の動作について述べる。
【0045】
容量C2から電荷を読み出した後、蓄積容量2にQ・C1/C2の電荷が残る。例えば、蓄積容量2を1pF、容量C2を40pFとすれば、2.5%の電荷が残り、次の蓄積時に加算されて、次の読み出しの時のノイズとなり、動画などの場合は残像として顕著に現れる。
【0046】
本実施形態では、トランジスタ3により、残った電荷をリセットすることにより、残像を抑制することができる。また、本発明の実施形態においては、トランジスタ3により、蓄積容量2に蓄積すべき所定の電荷量より過剰な電荷を放出することができる。こうして蓄積容量2の電位範囲(蓄積電荷量の範囲)を決めることができる。
【0047】
蓄積容量2のリセット直後の初期電位はトランジスタ3に充分なオン電圧を与えて、トランジスタ3をオンして、リセット用基準電位VR1とする。リセット後は、変換素子1から流入する電荷Qにより容量2に電荷が蓄積されるが、これが所定の量を超えると、読み出し用トランジスタ4を介して出力線5に漏れ出る恐れがある。本実施形態は、発生した電荷により生ずる容量2の電位の最終点(飽和電位)をトランジスタ3のゲートに与えるゲート電圧によって定めるものである。例えば、ゲートの電位VGを決めるためにゲートに与えられる電圧をオフ電圧VBとすると、容量2の最終電圧はVB−Vth(Vthはトランジスタ3の閾値)となる。例えば、VB=Vthとすると容量2の最終電圧は零となり、容量2の電圧範囲はVR1〜0Vとなる。
【0048】
このように、本実施形態では、トランジスタ3は、リセット用のスイッチとしても働き且つ、各画素の動作範囲(ダイナミックレンジ)決定する素子としても働く。
【0049】
図4(a)にnチェンネル型薄膜トランジスタの回路を示し、図4(b)にVG−VS対ID特性を示す。図4(b)のVthを2V程度とする。
【0050】
ゲートのオフ電圧VBを−1Vとすると、VB−Vth=−3Vとなる。トランジスタ3のソースが蓄積容量2に接続され、ドレインにVR1の基準電圧が与えられている。
【0051】
この状態で、電磁波が変換素子1に照射され、発生したキャリアの電子(−Q)を蓄積容量2に蓄積すると、VS=−Q/C1で−電位になる。トランジスタ3のゲート・ソース間電圧は、VG−VS=VB+(Q/C1)から、蓄積キャリアにより変化する。
{VB+(Q/C1)}≧Vthになるとドレインに電流が流れて、ソース電圧VSはそれ以上上昇しなくなる。
【0052】
上記条件では、−Q/C1=−(Vth−VB)=−(2+1)V=−3Vとなり、−3V以下にはならない。
【0053】
このような、蓄積容量2の電位コントロールがない場合は、蓄積容量2の電位が大きく下がり、例えば−20V以上になっていくと、読み出し用トランジスタ4のトランジスタにおいて、ゲートとソース間の電圧が大きくなり、トランジスタ4のゲート・ソース間のリークが発生したり、あるいはそれ以上の電圧になると絶縁膜が壊れたりする。
【0054】
又、トランジスタス4のソースとドレインの電圧が一定電圧(〜20V)以上になるとトランジスタ4のゲートに、トランジスタ4を完全にオフするためのオフ電圧が印加されていてもソースとドレイン間の電流が流れ出るため、センサーの縦ラインにキャリアが流れだし、CCDイメージセンサで呼ばれるところのブルーミング現象が生じる。
【0055】
すなわち、蓄積容量2からトランジスタ4を通して電荷があふれ出し、特に強く照射された部分の影響が縦方向に影響するのである。
【0056】
本発明の実施形態ではこの現象を抑制できる。
【0057】
図5を参照して、動作タイミングを説明する。リセット、蓄積、読み出しが基本的動作である。
【0058】
図5において、φVR1はリセット回路14からリセット用トランジスタ3のゲートに印加される電圧を示し、例えばハイレベルのオン電圧は+15V、ローレベルのオフ電圧VBは+5V程度とすることができる。
【0059】
φVはVC1は水平走査回路13から読み出し用トランジスタ4のゲートに印加される電圧を示し、例えばハイレベルのオン電圧は+15V、ローレベルのオフ電圧は−5Vとすることが出来る。
【0060】
リセット用トランジスタ3のオフ電圧VBと読み出し用トランジスタ4のオフ電圧を比べればわかるように、リセット用トランジスタ3のオフ電圧VBの方が、読み出し用トランジスタ4のオフ電圧より、オン電圧側(ここでは正電圧側)に近い電圧となっている。φVR2は出力線5の容量C2を基準電位VR2にリセットするためにトランジスタ8のゲートに印加される電圧を、φVR3は容量CSHを基準電位VR3にリセットするためにトランジスタ11のゲートに印加される電圧を示している。VC1は蓄積容量2の浮遊端子側の電位を示している。
【0061】
パルスφV1をハイレベルとしてリセット用トランジスタ3をオンしてリセットを行った後、例えば電磁波としてのX線照射を一定期間行なう。そして、パルスφVR2,φVR3をオンして配線、サンプルホールドのリセットを行った後、パルスφVにより読み出し用トランジスタ4をオンして蓄積容量2に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す。その後、この動作を繰り返す。X線は連続照射でもあってもよい。
【0062】
S1〜S5は電磁波の強度が異なる場合の電圧の変化を示しており、電磁波の強度が高く多くの光生成電荷が生じた場合にはS1のように早い時期に飽和電圧VSATに飽和し、電磁波の強度が若干低い場合には光生成電荷は少ないのでS2のように飽和する時期が遅くなる。更には電磁波の強度によっては、S4、S5のように飽和しない場合もある。この場合は、電圧VR1と電圧VSATがダイナミックレンジを決めることになる。
【0063】
ΦVR1とφVのローレベルの電圧を比べると判るように、電荷蓄積期間中リセット用トランジスタ3のゲートには、完全にオフする電圧(例えば−5V)を与えるのではなく、+5Vを与えて、言うなれば完全オン状態と完全オフ状態の中間にしておく。これにより、読み出し用トランジスタ4よりもリセット用トランジスタ3を通して電荷が流れ易くなるので、過剰な電荷が発生してもそれはトランジスタ3を通じて放出される。
【0064】
以上の例では、リセット用トランジスタ3と読み出し用トランジスタ4の構成を略同じものとし、それらの閾値が同じ(製造工程のばらつきに因る1V未満の閾値誤差は、同じ閾値とみなす)になるように設計した場合に効果的である。とりわけ、各トランジスタを同一基板上に同じ成膜プロセスにより作製した場合により効果的である。
【0065】
一方、変形例としては、リセット用トランジスタ3と読み出し用トランジスタ4の閾値を互いに異ならしめる方法がある。例えば、リセット用トランジスタ3と読み出し用トランジスタ4のうち少なくともいずれか一方のチャネルに不純物をドープして、それぞれのトランジスタ3、4のチャンネルドープ量を異ならせる方法である。この方法を採用し、リセット用トランジスタ3が完全にオフ状態になる時のゲート電圧の閾値を例えば−5Vより低い電圧、読み出し用トランジスタ4が完全にオフ状態になる時のゲート電圧の閾値を例えば−5Vとした場合、リセット用トランジスタ3と読み出し用トランジスタ4のそれぞれのゲートに与えるゲート電圧を同じ値(例えば−5V)にしたとしても、読み出し用トランジスタ4は完全にオフになるが、リセット用トランジスタ3の方は完全にオフにならないので、リセット用トランジスタ3を通して優先的に、過剰電荷を放出させることができる。
【0066】
図6は、電磁波検出装置の動作を説明するタイミング図である。この例ではX線は連続して照射されている。
【0067】
D1,D2,…DNは各行の駆動を示し、たとえばD1が1行目に関する各タイミングを示している。D1の中で、φVR11はリセット回路14から出力されるリセットパルス、φV1は水平走査回路13から出力される1行全ラインへのドライブパルス、φH(φH1,φH2,…)は不図示の走査回路から出力回路16へ出力される読み出しパルスである。これによって出力端子OUTから、外部の出力アンプ(不図示)を介してアナログ・デジタル変換回路(不図示)に送られ、メモリ(不図示)に記憶される。
【0068】
D1については、期間T2′内のパルスφRESET1により1行ラインの蓄積容量2の電位がリセットされ、期間T1における蓄積動作が開始され、ほぼ期間(T1−T2)中、X線照射による光をX線センサセルのような変換素子1で受光し、発生した電荷を蓄積容量2に蓄積する。この形態では、発生した電荷により蓄積容量2の電位が低下するために、リセット動作により蓄積容量2に蓄積された電荷を放出するものと見なすこともできる。期間T2におけるパルスφDRIVE1によりトランジスタ4がオンされ、各列の容量C2に電荷を転送する。そして期間T2内のパルスφRESET1により1行ラインの蓄積容量2の電位がリセットされ、次の期間T1″の蓄積動作が開始される。
【0069】
期間T1″の蓄積動作と並行して、各列からφREAD1のパルスにより、期間T1で蓄積された信号電荷に基づく信号を順次、出力アンプを介してA/D変換回路(不図示)に出力する。また、期間T1″の蓄積動作と並行して、D2において、期間T1内で蓄積動作が開始された信号電荷の各列の容量C2へ転送動作が行われる。
【0070】
このようにして、D1,D2,…DNまで各行の読み出しを行なう。なお、図6に示した、期間T1′、T1、T1″の時間は同一であり、期間T2′、T2の時間は同一であり、期間T3′、T3の時間は同一である。
【0071】
期間T1の時間は、例えば1秒間に30フレームの画像を撮像する場合は33msec(T1≒1/30sec)となる。変換素子1が行列に500×500個配置された場合は、D1,…,D500までの読み出しが必要となり、T2≒T1/500となり、概略T2≒66μsec、T3=T2/500であり、T3は130nsec程度となる。
【0072】
期間T2の時間内に、トランジスタ4による信号の読み出し(φDRIVE1)とリセット(φRESET1)を行なう。ここで、特に、信号の読み出しには、充分な読み出しを行なわないとセンサーの出力減少となる。蓄積容量2と読み出し用トランジスタ4のオン抵抗RONRにより、時定数tread=C1RONRが決まり、充分な読み出しには、3tread以上が望まれる。φRESETも同様な時間が望まれる。リセット回路の時定数も同様に、
treset=C1RONResetで表わされる。
従って、T2≧3C1(RONR+RONReset)が望まれる。
【0073】
ここで、例えば、T2=66μsecとすれば、
C1(RonR+RONReset)≦22μsec
となる。また、5tread以上とすれば、
C1(RonR+RONReset)≦13μsec
である。RonRとRONResetは充分に小さくすることが望まれる。
【0074】
図7はアモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタのオン抵抗の一例を示す特性図である。アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタの構成は図3(a)、(b)のような構成と考えてよい。横軸はTFTのチャネル幅Wとチャネル長Lの比(W/L)、縦軸はオン抵抗値である。図7において、破線は半導体層としてのノンドープの水素化非晶質シリコン層(i層)の厚さが300nmの試料の場合の計算値、実線は同厚さが100nmの試料の場合の計算値、▲,●,△は実測値を示す。
【0075】
容量値C1は通常、数pFになる。薄膜トランジスタの設計により、容易に各々の時定数は10μsec以下にできる。
【0076】
しかしながら、薄膜トランジスタのオン抵抗は、ソースとドレイン間Vdの電位差依存性がある。
【0077】
図8は、i層の厚さが500nmの試料と、同厚さが300nmの試料のVd依存性を示す特性図である。Vdが1Vより小さくなってくると急激にオン抵抗が大となる。従って、ソース・ドレイン間の電位差は1V以上にすると、時定数改善ができる。
【0078】
C1<<C2の時は、容量2の電位は略々VR1/C2と(VB−Vth)/C2の間となる。VR1/C2と(VB−Vth)/C2のいずれに対しても、スイッチとなるトランジスタ4のソース・ドレイン間の電圧Vdが、1V以上になるように設定する。
【0079】
VR2は少なくとも|VB−Vth|+1≦|VR2|Vに設定することにより、すべての動作条件に対してトランジスタ4を通じて高速の読み出しをすることができる。
【0080】
図9は、本発明の別の実施形態による電磁波検出装置の1画素の回路構成図である。上述した形態とは、トランジスタ9が変換素子1と容量2の間に設けられている点が異なる点であり、それ以外の構成は上述した形態と同じ構成にすることができる。動作の概略は以下のとおりである。
【0081】
まず、トランジスタ9をオフにした状態で電磁波を受けた変換素子1が電荷を蓄積する。
【0082】
トランジスタ2をオンして容量2をリセットする。この直後にトランジスタ4をオンして所謂リセットノイズを出力線5側に読み出してもよい。このリセットノイズの読み出しは、後述する光信号電荷の読み出し直後に行っても良い。
【0083】
トランジスタ9をオフした状態で光生成電荷の変換素子での蓄積開始から所定時間経過した後、トランジスタ9のゲートにオンパルスφTを印加して、トランジスタ9をオンし、電荷を容量2に転送する。このとき、回路設計により予め定めた容量2の飽和電荷量(容量2に蓄積し得る絶対飽和量とは限らない)を超えた過剰な電荷はトランジスタ2を通してリセット電位を与えるリセット用基準電源側に放出される。
【0084】
トランジスタ9をオフした後、トランジスタ4をオンして、光信号電荷を出力線5側に読み出す。ここで読み出された信号と先のリセットノイズの差分をとれば、ノイズが低減された信号を得ることができる。
【0085】
図10は、本発明による電磁波検出装置の一例を示す模式的断面図である。
【0086】
30は、検出装置であり、薄膜トランジスタ33のアレイを有する絶縁性基板32で構成されている。少なくとも前述したトランジスタ3、4はこのような薄膜トランジスタで形成される。
【0087】
31は変換素子であり、電磁波受光用の半導体基板40と、共通電極41と、個別電極39と、絶縁膜42とを有している。変換素子は、入射したX線などから電子−正孔を生成し、一方のキャリアを蓄積することができる。
【0088】
薄膜トランジスタ33は、ゲート電極43、チャネル44、ソース・ドレイン領域45、ソース・ドレイン電極46とを有している。34は層間絶縁膜、35は接続用の電極である。
【0089】
変換素子31と検出装置30とは、接続パッドとなる金属層36、38と、バンプ37により、電気的且つ機械的に接続固定されている。接続形態はこれに限るものではない。
【0090】
半導体基板40、例えば半絶縁性GaAs単結晶基板などで構成され、X線等の放射線が基板40とオーミックコンタクトするAuGeNi合金などの共通電極41を通して入射するように構成されている。本例ではpn接合でなく、半絶縁性基板中で、放射線を電荷に変える。各画素に対応するオーミックコンタクト用のAuGeNi合金の電極39は電気的に容量2や、薄膜トランジスタ33で構成されたリセット用トランジスタ3及び読み出し用トランジスタ4に接続されているので、発生した電荷は容量2に蓄積されることになる。
【0091】
図11は、本発明による電磁波検出装置の別の例を示す模式的断面図である。図10の構成と異なる点は、変換素子がPIN接合ダイオードとなっている点である。具体的には、GaAs,GaP,Ge,Si,CdTeなどを主成分とする半導体からなるn+層47,i層40,p+層48でダイオードが構成されている。空乏層はi層40全体に広がっており、電荷を収集しやすくなっている。
【0092】
図12は本発明のX線検出装置の外観を示し、図12(a)は平面、図12(b)図は断面を示している。
【0093】
図12において、ここでは、ガラス等の絶縁性基板上に、リセット用薄膜トランジスタや読み出し用薄膜トランジスタが形成された共通の検出装置30上に、上述した変換素子31の複数が2次元マトリクス状に配置されている。各変換素子31と検出装置30とはバンプ37により接続されている。
【0094】
信号処理回路は、所定の数の出力線5からの信号を処理するテープキャリアパッケージされた信号処理回路チップ50の複数と、それらを接続する共通のプリント配線基板52とを有する。信号処理回路チップ50は、前述したアンプ15や出力回路16やトランジスタ8などを含む。
【0095】
同様に、ドライバー回路は、所定数の駆動制御線6、7を駆動するテープキャリアパッケージされたドライバー回路チップ51の複数と、それらを接続する共通のプリント配線基板53とを有する。ドライバー回路チップ51は、走査回路13とリセット回路14を含む。
【0096】
チップ50、51は、単結晶半導体基体にトランジスタが作り込まれたモノリシック集積回路のチップである。
【0097】
薄膜トランジスタとして、多結晶半導体薄膜トランジスタや単結晶半導体薄膜トランジスタを採用する場合には、信号処理回路やドライバー回路の全部或いは一部を、基板32上に、多結晶薄膜トランジスタや単結晶半導体薄膜トランジスタからなるCMOS型薄膜集積回路で構成し、複数の単位セルとともに基板32上に集積化してもよい。こうすれば、基板32外との接続端子の数が減り、実装が簡単になる。
【0098】
また、54は複数の変換素子31を短絡し、共通にバイアスするための1板の導電体である。導電体54はここではシート状としているが、メッシュなどでもよい。55は絶縁シート、56はバイアス用導電体54のシールド用のシートである。導電体54には100V以上の高電圧が印加されるので、シート56はその保護用として作用する。特に、医療用途等では高電圧が印加される導電体が、人体側に配置されないように、シート56を設けることが望まれている。
【0099】
導電体54とシート56との間には必ずしも絶縁シート55を設けなくてもよく、エア・ギップでもよい。その場合は、検出装置のハウジングとの間にシールド54を配置する。
【0100】
図14の装置では、また上基板と下基板とも単結晶基板を用い、上下とも複数の基板を使用しているため配線が複雑で、大型化に困難がともなうのに対して、上記実施形態の装置では、大型化は容易い。
【0101】
さらに、図14の装置では、上基板、下基板とも配線が多層になり、製作が複雑、多工程にわたり、製造的には歩留りが悪くなる。また配線としては浮遊容量が大きくなり、検出のスピードが遅くなったり、電気利得がおちる。これに対して、上述した実施形態の装置では、絶縁性基板上に形成した薄膜トランジスタを用いるので、こうした点が改善される。
【0102】
以上説明した本実施形態の電磁波検出装置によれば、
(1)リセット用薄膜トランジスタにより残像をなくすことができる。
(2)蓄積容量2の飽和電圧VSをリセット用薄膜トランジスタのオフ電圧と閾値電圧との差VB−Vthで設定することができ、過大な入力が入った時にも、出力線への電荷のもれを防止できる。
(3)変換素子となる基板を二次元状に配置して、これに共通の大版絶縁性基板の検出装置を積層して構成できるので、撮像装置の大版化が容易となる。
(4)キヤリア移動度が低いといわれる非晶質半導体薄膜トランジスタを用いても、動画の撮影が良好に行なえる。もちろん、ダイナミックレンジの広い高感度な静止画撮影も容易にできる。
(5)読み出し用薄膜トランジスタのソース・ドレイン間の電位差をリセット電位の設定により少なくとも1V以上にすることにより、応答が速くなる。
(6)高感度、広ダイナミックレンジが得られることから、医療用途以外にも、生物や非生物を対象とした分析装置、非破検査装置にも適用できる。
(7)薄膜トランジスタを用いるので、高エネルギー線により不本意に発生した電荷による誤動作の確立が低い。
【0103】
図13は、本発明の電磁波検出装置を用いた医療用診断機器の一例を示す模式図である。図13において、1001はX発生源となるX線管、1002はX線通過の開閉制御を行なうX線シャッター、1003は照射筒又は可動絞り、1004は被写体、1005は本発明の電磁波検出装置を用いた放射線検出器、1006は放射線検出器1005からの信号をデータ処理するデータ処理装置である。1007はコンピュータであり、データ処理装置1006からの信号に基づいて、X線画像等をCRT等のディスプレイ1009に表示したり、カメラ制御器1010,X線制御器1011,コンデンサ式高電圧発生器1012を介してX線管1001を制御してX線発生量の制御を行なう。
【0104】
X線などの高エネルギー線は、被写体を透過してきた放射線と、被写体を透過せずに空気中を通ってきた放射線とでは、変換素子に入射するエネルギー量が極端に異なるため、発生する電荷量の差異も極めて大きい。よって、被写体像とその背景における発生電荷量の差から、背景部分において蓄積電荷量が飽和し易い。本発明では、過剰な電荷を薄膜トランジスタを通して排出するために、こうした過剰電荷による画像品質の低下をより良く防止することができる。また、薄膜トランジスタを用いるために、高エネルギー線が薄膜トランジスタ部分に入射しても、それによる誤動作が生じ難い。さらには、検出装置の大面積化も容易である。
【0105】
【発明の効果】
本発明によれば、残像や電荷の漏れ出しを抑制し、高いエネルギーの電磁波が入射しても誤動作が生じ難いので、高いエネルギーの電磁波であっても良好に検出できる、従来の装置より優れた電磁波検出装置を提供できる。更には、撮像面積の大きな電磁波検出装置を従来より安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態による電磁波検出装置の回路構成図である。
【図2】本発明の実施形態による電磁波検出装置の1画素分の回路構成図である。
【図3】本発明に用いられる薄膜トランジスタの構成を示す模式的断面図である。
【図4】本発明に用いられる薄膜トランジスタの回路と特性を示す図である。
【図5】本発明の実施形態による電磁波検出装置の基本的な駆動タイミングチャートを示す図である。
【図6】本発明の実施形態による電磁波検出装置の駆動タイミングチャートを示す図である。
【図7】本発明に用いられる薄膜トランジスタのオン抵抗の特性を示す図である。
【図8】本発明に用いられる薄膜トランジスタのオン抵抗のVd依存性を示す図である。
【図9】本発明の別の実施形態による電磁波検出装置の1画素の回路構成図である。
【図10】本発明の一実施形態による電磁波検出装置の模式的断面図である。
【図11】本発明の別の実施形態による電磁波検出装置の模式的断面図である。
【図12】本発明の一実施形態による電磁波検出装置の上面と断面を示す模式図である。
【図13】本発明の電磁波検出装置を撮像装置として用いた医療用診断機器の一例を示す模式図である。
【図14】単結晶バルクX線検出部と単結晶読み出しICの積層構造による検出器を示す断面図及び平面図である。
【図15】保護ダイオード付直接型センサーの読み出し・リセット回路の回路構成図である。
【符号の説明】
1 変換素子
2 蓄積容量
3 リセット用トランジスタ
4 読み出し用トランジスタ
5 出力線
6 水平駆動制御線
7 リセット制御線
8 出力線のリセットトランジスタ
11 リセット用トランジスタ
12 水平転送用のトランジスタ
13 水平走査回路
14 リセット回路
15 アンプ
16 出力回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electromagnetic wave detection device for electromagnetic waves such as ultraviolet rays, infrared rays, visible light, X-rays, α rays, and γ rays.
[0002]
[Prior art]
An electromagnetic wave detection device that converts electromagnetic waves such as ultraviolet rays, infrared rays, visible light, X-rays, α-rays, and γ-rays directly or indirectly into charges by a semiconductor and reads out the charges is applied to an imaging device or the like.
[0003]
Among these, an electromagnetic wave detection device that converts high-energy electromagnetic waves such as X-rays into visible light, converts the visible light into charges by a semiconductor, and reads out the charges is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,811,790, -288184, U.S. Pat. No. 5,856,699, and JP-A 09-260626.
[0004]
Further, as an electromagnetic wave detection device that converts electromagnetic waves such as ultraviolet rays, infrared rays, visible light, X-rays, α rays, γ rays and the like directly into charges by a semiconductor, for example, a device described in US Pat. No. 5,391,881. is there.
[0005]
14A and 14B are a cross-sectional view and a plan view showing a detector having a laminated structure of a single crystal bulk X-ray detector and a single crystal readout IC.
[0006]
14A and 14B, when a high energy
[0007]
There is also a direct sensor with a protective diode described in US Pat. No. 5,198,673. FIG. 15 is a schematic block diagram of a read / reset circuit for an optical sensor with a scintillator and a protective diode. In FIG. 15, 222a and 222b are scan switches, 210 is a sensor, 212 is a high voltage source, 214 is a storage capacitor, and 240 is an overvoltage protection element (protection diode).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the electromagnetic wave detection device described above, when a circuit configuration is adopted in which the generated charge is stored in the storage capacitor and the stored charge is read, the charge may remain after the charge is read from the storage capacitor. This charge is added at the next accumulation, and becomes an afterimage in the case of a moving image or the like.
[0009]
In addition, if excessive charges are accumulated in the accumulation capacitor, this may leak to the readout circuit side and the like, and a phenomenon similar to blooming in a CCD image sensor may occur. This phenomenon is particularly noticeable when detecting electromagnetic waves with higher energy than visible light such as X-rays.
[0010]
Alternatively, when a transistor for reading out accumulated charges is formed in a bulk using a single crystal wafer, the charges generated unintentionally in the bulk due to high-energy electromagnetic waves adversely affect the transistor and prevent normal operation. Sometimes.
[0011]
An object of the present invention is to provide an electromagnetic wave detection device superior to conventional devices that can detect even high-energy electromagnetic waves satisfactorily.
[0012]
Another object of the present invention is to provide an electromagnetic wave detection device having a large imaging area at a lower cost than before.
[0013]
Furthermore, another object of the present invention is to provide an electromagnetic wave detection device that suppresses afterimages and leakage of electric charges and is unlikely to malfunction even when high-energy electromagnetic waves are incident.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a conversion element that converts incident electromagnetic waves into electric charges,
A storage capacitor for storing the electric charge converted by the conversion element;
A readout thin film transistor for reading out the electric charge accumulated in the storage capacitor;
One end is connected to the storage capacitor and the gateFirst voltageA reset thin film transistor for applying a reset potential to the storage capacitor by applying
In the electromagnetic wave detection device having
Applied to the gate of the reset thin film transistor during the accumulation periodSecond voltageIs applied to the gate of the readout thin film transistor during the accumulation periodThird voltageFrom the aboveFirst voltageIt is characterized by being set to a value close to.
[0015]
The present invention also includes a conversion element that converts incident electromagnetic waves into electric charges;
Provided on an insulating substrate,A storage capacitor for storing the charge converted by the conversion element, and a storage capacitor stored in the storage capacitor;SaidChargeForwardA reading thin film transistor for reading, a reset thin film transistor in which one end is connected to the storage capacitor, an on-voltage is applied to the gate to apply a reset potential to the storage capacitor,A detection device comprising:
In the electromagnetic wave detection device having
Through the reset thin film transistor during the accumulation periodFrom the amount of charge that can be stored in the storage capacitorIt is characterized by releasing an excessive charge.
[0016]
The conversion element is preferably an element that absorbs electromagnetic waves having higher energy than visible light and converts the electromagnetic waves into charges.
[0017]
The reading thin film transistor and the reset thin film transistor preferably include a non-single-crystal semiconductor layer formed over an insulating substrate.
[0018]
The readout thin film transistor and the reset thin film transistor are formed on an insulating substrate,
The conversion element is preferably formed on a substrate different from the insulating substrate, and is electrically connected to the readout thin film transistor and the reset thin film transistor.
[0019]
The conversion element includes a semiconductor substrate that converts electromagnetic waves into electric charges, a common electrode provided on one surface of the semiconductor substrate, and provided on the other surface of the semiconductor substrate, corresponding to a plurality of two-dimensional pixels, A plurality of electrodes formed separately from each other,
A unit cell including the readout thin film transistor and the reset thin film transistor is disposed on an insulating substrate corresponding to each pixel,
Preferably, the semiconductor substrate and the insulating substrate have a laminated structure, and the plurality of electrodes and the unit cells are electrically connected between the substrates.
[0020]
It is preferable that a plurality of the semiconductor substrates are two-dimensionally arranged and stacked on the insulating substrate, and the common electrodes of the semiconductor substrates are short-circuited.
[0021]
It is preferable that a high voltage potential is applied to the common electrode of the conversion element, and a shielding conductor is provided in the vicinity of the common electrode.
[0022]
It is preferable that a driver circuit for driving the read thin film transistor and the reset thin film transistor and a read circuit for reading a signal from the read thin film transistor are provided on the insulating substrate.
[0023]
In the read thin film transistor, it is preferable that a voltage applied to the source and the drain is determined so that a potential difference between the source and the drain of the thin film transistor is at least 1 V or more in an initial state of the read operation.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
With reference to FIGS. 1-6, the electromagnetic wave detection apparatus by embodiment of this invention is demonstrated.
[0025]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an electromagnetic wave detection device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit configuration diagram including an output circuit for reading a signal from one unit cell.
[0026]
1 is a conversion element, 2 is a storage capacitor, 3 is a reset transistor, 4 is a read transistor, 5 is an output line, 6 is a horizontal drive control line, 7 is a reset control line, and 8 is a reset transistor of the output line. 11 is a reset transistor provided as necessary, 12 is a horizontal transfer transistor, 13 is a horizontal scanning circuit, 14 is a reset circuit, 15 is an amplifier, and 16 is an output circuit.
[0027]
A unit cell that is one pixel includes a
[0028]
The horizontal scanning circuit (shift register or the like) 13 selects the
[0029]
Each
[0030]
The capacitance C2 is a capacitance generated by the
[0031]
If the device is made of a single crystal substrate (such as Si), the capacitance of the substrate and wiring is further added. By forming on a substrate having an insulating surface such as a glass plate, even a 20 cm square panel can be reduced to several tens of pF, which is advantageous.
[0032]
When electromagnetic waves are incident on the
Vs = Q / (C1 + C0) (1)
And
If C1 >> C0 (C1 ≧ 10C0), Vs≈Q / C1 is substantially satisfied.
[0033]
Even when reading from the storage capacitor 2 (capacitance value C1) to the capacitor C2 (capacitance value is also C2), the potential read to the capacitor C2 is VC2= Q / (C1 + C2).
[0034]
Usually C2 >> C1, so VC2≒ Q / C2.
[0035]
In other words, VC2/ Vs = C1 / C2, and is read as a voltage corresponding to the capacity ratio of the storage capacitor 2 (capacitance value C1) and the capacitor C2.
[0036]
Therefore, if the capacitance C2 becomes too large, the noise of the readout amplifier becomes dominant, and the SN ratio as a sensor is lowered.
[0037]
As described above, if the insulating substrate is used, the capacitance C2 can be reduced, which is suitable for a large-sized apparatus. A typical structure of a transistor manufactured over an insulating substrate is shown in FIG.
[0038]
FIG. 3A shows a structure of a thin film transistor called a lower gate stagger type.
[0039]
FIG. 3B also shows another example of a structure of a thin film transistor called a lower gate stagger type. A difference from FIG. 3A is that a channel
[0040]
FIGS. 3A and 3B are effective configurations when an amorphous material such as hydrogenated amorphous silicon is used as the semiconductor layer.
[0041]
FIG. 3C shows a thin film transistor having a structure called an upper gate coplanar type. The
[0042]
The carrier mobility of a thin film transistor in which a channel region is formed using a non-single crystal semiconductor such as an amorphous semiconductor or a polycrystalline semiconductor is lower than that of a thin film transistor in which a channel region is formed using a single crystal semiconductor. However, non-single-crystal semiconductor thin film transistors are more difficult than non-single-crystal semiconductor thin-film transistors because defects caused by crystal grain boundaries and dangling bonds that cause this cause trapping of electric charges generated unintentionally by incidence on high-energy rays. And the advantage of being hard to malfunction becomes obvious.
[0043]
In the present embodiment, at least the
[0044]
Next, the operation of the
[0045]
After the charge is read from the capacitor C2, the charge of Q · C1 / C2 remains in the
[0046]
In this embodiment, the afterimage can be suppressed by resetting the remaining charge by the
[0047]
The initial potential immediately after the reset of the
[0048]
Thus, in the present embodiment, the
[0049]
FIG. 4A shows an n-channel thin film transistor circuit, and FIG. 4B shows VG-VS vs. ID characteristics. The Vth in FIG. 4B is set to about 2V.
[0050]
When the gate off voltage VB is -1V, VB-Vth = -3V. The source of the
[0051]
In this state, when the
When {VB + (Q / C1)} ≧ Vth, a current flows through the drain, and the source voltage VS does not increase any more.
[0052]
Under the above condition, −Q / C1 = − (Vth−VB) = − (2 + 1) V = −3V, which is not −3V or less.
[0053]
When the potential of the
[0054]
Further, when the source and drain voltage of the
[0055]
That is, the charge overflows from the
[0056]
In the embodiment of the present invention, this phenomenon can be suppressed.
[0057]
The operation timing will be described with reference to FIG. Reset, accumulation, and readout are the basic operations.
[0058]
In FIG. 5, φVR1 represents a voltage applied from the
[0059]
φV denotes a voltage applied from the
[0060]
As can be seen by comparing the off voltage VB of the
[0061]
After resetting the
[0062]
S1 to S5 indicate changes in voltage when the intensity of the electromagnetic wave is different. When the intensity of the electromagnetic wave is high and a lot of photogenerated charges are generated, the saturation voltage VSAT is saturated at an early stage as in S1, and the electromagnetic wave When the intensity is slightly low, the photogenerated charge is small, and the saturation time is delayed as in S2. Furthermore, depending on the intensity of the electromagnetic wave, it may not be saturated as in S4 and S5. In this case, the voltage VR1 and the voltage VSAT determine the dynamic range.
[0063]
As can be seen by comparing the low level voltages of ΦVR1 and φV, the gate of the
[0064]
In the above example, the configurations of the
[0065]
On the other hand, as a modification, there is a method of making the threshold values of the
[0066]
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the electromagnetic wave detection device. In this example, X-rays are continuously irradiated.
[0067]
D1, D2,... DN indicate the driving of each row, and for example, D1 indicates each timing relating to the first row. In D1, φVR11 is a reset pulse output from the
[0068]
As for D1, the potential of the
[0069]
In parallel with the accumulation operation in the period T1 ″, a signal based on the signal charge accumulated in the period T1 is sequentially output to an A / D conversion circuit (not shown) via the output amplifier by a pulse of φREAD1 from each column. In parallel with the accumulation operation in the period T1 ″, a transfer operation is performed in D2 to the capacitor C2 of each column of signal charges for which the accumulation operation has started in the period T1.
[0070]
In this way, each row is read up to D1, D2,. The time periods T1 ′, T1, and T1 ″ shown in FIG. 6 are the same, the time periods T2 ′ and T2 are the same, and the time periods T3 ′ and T3 are the same.
[0071]
The time period T1 is 33 msec (T1≈ 1/30 sec) when, for example, an image of 30 frames is captured per second. When 500 × 500
[0072]
Within the period T2, signal reading (φDRIVE1) and resetting (φRESET1) are performed by the
It is represented by treset = C1RONReset.
Therefore, T2 ≧ 3C1 (RONR + RONReset) is desired.
[0073]
Here, for example, if T2 = 66 μsec,
C1 (RonR + RONReset) ≦ 22 μsec
It becomes. Also, if it is 5tread or more,
C1 (RonR + RONReset) ≦ 13 μsec
It is. RonR and RONReset are desired to be sufficiently small.
[0074]
FIG. 7 is a characteristic diagram showing an example of on-resistance of a thin film transistor using amorphous silicon. The structure of the thin film transistor using amorphous silicon may be considered as a structure as shown in FIGS. The horizontal axis represents the ratio (W / L) between the channel width W and the channel length L of the TFT, and the vertical axis represents the on-resistance value. In FIG. 7, the broken line indicates a calculated value in the case where the thickness of the non-doped hydrogenated amorphous silicon layer (i layer) as the semiconductor layer is 300 nm, and the solid line indicates a calculated value in the case where the thickness is 100 nm. , ▲, ●, △ indicate actual measurement values.
[0075]
The capacitance value C1 is usually several pF. Each time constant can be easily reduced to 10 μsec or less by designing the thin film transistor.
[0076]
However, the on-resistance of the thin film transistor is dependent on the potential difference between the source and drain Vd.
[0077]
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the Vd dependence of a sample with an i layer thickness of 500 nm and a sample with the same thickness of 300 nm. When Vd becomes smaller than 1V, the on-resistance rapidly increases. Therefore, when the potential difference between the source and drain is 1 V or more, the time constant can be improved.
[0078]
When C1 << C2, the potential of the
[0079]
By setting VR2 to at least | VB−Vth | + 1 ≦ | VR2 | V, high-speed reading can be performed through the
[0080]
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of one pixel of an electromagnetic wave detection device according to another embodiment of the present invention. The configuration described above is different in that the transistor 9 is provided between the
[0081]
First, the
[0082]
The
[0083]
After a predetermined time has elapsed from the start of accumulation of photogenerated charges in the conversion element with the transistor 9 turned off, an on pulse φT is applied to the gate of the transistor 9 to turn on the transistor 9 and transfer the charge to the
[0084]
After the transistor 9 is turned off, the
[0085]
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of the electromagnetic wave detection device according to the present invention.
[0086]
[0087]
A
[0088]
The
[0089]
The
[0090]
The
[0091]
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of the electromagnetic wave detection device according to the present invention. The difference from the configuration of FIG. 10 is that the conversion element is a PIN junction diode. Specifically, n made of a semiconductor whose main component is GaAs, GaP, Ge, Si, CdTe or the like.+Layer 47,
[0092]
FIG. 12 shows the appearance of the X-ray detection apparatus of the present invention, FIG. 12 (a) shows a plan view, and FIG. 12 (b) shows a cross section.
[0093]
In FIG. 12, a plurality of the
[0094]
The signal processing circuit includes a plurality of signal
[0095]
Similarly, the driver circuit includes a plurality of driver circuit chips 51 in a tape carrier package that drives a predetermined number of
[0096]
[0097]
When a polycrystalline semiconductor thin film transistor or a single crystal semiconductor thin film transistor is adopted as the thin film transistor, all or part of the signal processing circuit and the driver circuit are formed on the
[0098]
[0099]
The insulating
[0100]
In the apparatus shown in FIG. 14, the upper substrate and the lower substrate are single crystal substrates, and a plurality of substrates are used on both the upper and lower sides. Therefore, the wiring is complicated and the enlargement is difficult. It is easy to increase the size of the device.
[0101]
Furthermore, in the apparatus shown in FIG. 14, the upper substrate and the lower substrate have a multi-layered wiring, which is complicated to manufacture, has many processes, and has a poor yield in manufacturing. In addition, the stray capacitance increases as the wiring, the detection speed becomes slow, and the electrical gain falls. On the other hand, since the thin film transistor formed on the insulating substrate is used in the apparatus of the above-described embodiment, such a point is improved.
[0102]
According to the electromagnetic wave detection device of the present embodiment described above,
(1) An afterimage can be eliminated by the reset thin film transistor.
(2) The saturation voltage VS of the
(3) Since the substrate serving as the conversion element can be two-dimensionally arranged and a common large-plate insulating substrate detection device can be stacked on the substrate, it is easy to increase the size of the imaging device.
(4) Even when an amorphous semiconductor thin film transistor, which is said to have low carrier mobility, is used, moving images can be taken well. Of course, high-sensitivity still images with a wide dynamic range can be easily captured.
(5) By setting the potential difference between the source and drain of the readout thin film transistor to at least 1 V or more by setting the reset potential, the response becomes faster.
(6) Since high sensitivity and a wide dynamic range can be obtained, it can be applied not only to medical use but also to analyzers and non-destructive inspection devices for living organisms and non-living organisms.
(7) Since a thin film transistor is used, the establishment of malfunction due to unintentionally generated charges due to high energy rays is low.
[0103]
FIG. 13 is a schematic view showing an example of a medical diagnostic instrument using the electromagnetic wave detection device of the present invention. In FIG. 13, reference numeral 1001 denotes an X-ray tube as an X generation source, 1002 denotes an X-ray shutter for controlling opening / closing of X-ray passage, 1003 denotes an irradiation tube or movable diaphragm, 1004 denotes a subject, and 1005 denotes an electromagnetic wave detection device of the present invention. A
[0104]
High energy rays such as X-rays generate an amount of charge generated because the amount of energy incident on the conversion element is extremely different between radiation that has passed through the subject and radiation that has passed through the air without passing through the subject. The difference is extremely large. Therefore, the accumulated charge amount tends to be saturated in the background portion due to the difference between the generated charge amount in the subject image and the background. In the present invention, since excessive charges are discharged through the thin film transistor, deterioration of image quality due to such excessive charges can be better prevented. In addition, since a thin film transistor is used, even if a high energy beam is incident on the thin film transistor portion, a malfunction due to the high energy beam hardly occurs. Furthermore, it is easy to increase the area of the detection device.
[0105]
【The invention's effect】
According to the present invention, afterimages and leakage of charges are suppressed, and even if high-energy electromagnetic waves are incident, malfunctions are unlikely to occur. Therefore, even high-energy electromagnetic waves can be detected well, which is superior to conventional devices. An electromagnetic wave detection device can be provided. Furthermore, an electromagnetic wave detection device having a large imaging area can be provided at a lower cost than before.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of an electromagnetic wave detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of one pixel of the electromagnetic wave detection device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a thin film transistor used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a circuit and characteristics of a thin film transistor used in the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a basic drive timing chart of the electromagnetic wave detection device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a drive timing chart of the electromagnetic wave detection device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing on-resistance characteristics of a thin film transistor used in the present invention.
FIG. 8 is a graph showing Vd dependence of on-resistance of a thin film transistor used in the present invention.
FIG. 9 is a circuit configuration diagram of one pixel of an electromagnetic wave detection device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detection device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing an upper surface and a cross section of an electromagnetic wave detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of a medical diagnostic instrument using the electromagnetic wave detection device of the present invention as an imaging device.
FIGS. 14A and 14B are a cross-sectional view and a plan view showing a detector having a stacked structure of a single crystal bulk X-ray detector and a single crystal readout IC.
FIG. 15 is a circuit configuration diagram of a read / reset circuit of a direct sensor with a protective diode.
[Explanation of symbols]
1 Conversion element
2 storage capacity
3 Reset transistor
4 Reading transistor
5 output lines
6 Horizontal drive control line
7 Reset control line
8 Output line reset transistor
11 Reset transistor
12 Horizontal transfer transistors
13 Horizontal scanning circuit
14 Reset circuit
15 amplifier
16 Output circuit
Claims (19)
前記変換素子で変換された前記電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された電荷を読み出すための読み出し用薄膜トランジスタと、
一端が前記蓄積容量に接続され、ゲートに第1の電圧が印加されて前記蓄積容量にリセット電位を与えるリセット用薄膜トランジスタと、
を有する電磁波検出装置において、
蓄積期間中に前記リセット用薄膜トランジスタのゲートに印加する第2の電圧が、前記蓄積期間中に前記読み出し用薄膜トランジスタのゲートに印加する第3の電圧より、前記第1の電圧に近い値に設定されていることを特徴とする電磁波検出装置。A conversion element that converts incident electromagnetic waves into electric charges;
A storage capacitor for storing the electric charge converted by the conversion element;
A readout thin film transistor for reading out the electric charge accumulated in the storage capacitor;
A reset thin film transistor, one end of which is connected to the storage capacitor and a first voltage is applied to the gate to apply a reset potential to the storage capacitor;
In the electromagnetic wave detection device having
The second voltage applied to the gate of the reset thin film transistor during the accumulation period is set to a value closer to the first voltage than the third voltage applied to the gate of the read thin film transistor during the accumulation period. An electromagnetic wave detection device characterized by that.
前記変換素子は前記絶縁性基板とは別の基板に形成され、前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとに電気的に接続されている請求項1記載の電磁波検出装置。The readout thin film transistor and the reset thin film transistor are formed on an insulating substrate,
The electromagnetic wave detection device according to claim 1, wherein the conversion element is formed on a substrate different from the insulating substrate and is electrically connected to the readout thin film transistor and the reset thin film transistor.
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとを含む単位セルが前記各画素に対応して、絶縁性基板上に配置され、
前記半導体基板と前記絶縁基板とは積層構造をとり、それらの基板間において前記複数の電極と前記各単位セルとが電気的に接続されている請求項1記載の電磁波検出装置。The conversion element includes a semiconductor substrate that converts electromagnetic waves into electric charges, a common electrode provided on one surface of the semiconductor substrate, and provided on the other surface of the semiconductor substrate, corresponding to a plurality of two-dimensional pixels, A plurality of electrodes formed separately from each other,
A unit cell including the readout thin film transistor and the reset thin film transistor is disposed on an insulating substrate corresponding to each pixel,
The electromagnetic wave detection apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor substrate and the insulating substrate have a laminated structure, and the plurality of electrodes and the unit cells are electrically connected between the substrates.
絶縁基板上に設けられ、前記変換素子で変換された前記電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された前記電荷を転送して読み出すための読み出し用薄膜トランジスタと、一端が前記蓄積容量に接続され、ゲートにオン電圧が印加されて前記蓄積容量にリセット電位を与えるリセット用薄膜トランジスタと、を含む検出装置と、
を有する電磁波検出装置において、
蓄積期間中に、前記リセット用薄膜トランジスタを通して前記蓄積容量に蓄積可能な電荷量より過剰な電荷を放出することを特徴とする電磁波検出装置。A conversion element that converts incident electromagnetic waves into electric charges;
It provided on an insulating substrate, and a storage capacitor for storing the converted electric charge in the conversion element, and the reading TFT for reading and transferring the accumulated electric charge in the storage capacitor, to one end of the storage capacitor A reset thin film transistor connected to and applied with an on-voltage to the gate to provide a reset potential to the storage capacitor ;
In the electromagnetic wave detection device having
An electromagnetic wave detecting device, wherein during the accumulation period, an excessive charge is discharged through the reset thin film transistor than the amount of charge that can be accumulated in the storage capacitor .
前記変換素子は前記絶縁性基板とは別の基板に形成され、前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとに電気的に接続されている請求項9記載の電磁波検出装置。The readout thin film transistor and the reset thin film transistor are formed on an insulating substrate,
The electromagnetic wave detection device according to claim 9, wherein the conversion element is formed on a substrate different from the insulating substrate, and is electrically connected to the readout thin film transistor and the reset thin film transistor.
前記読み出し用薄膜トランジスタと前記リセット用薄膜トランジスタとを含む単位セルが前記各画素に対応して、絶縁性基板上に配置され、
前記半導体基板と前記絶縁基板とは積層構造をとり、それらの基板間において前記複数の電極と前記各単位セルとが電気的に接続されている請求項9記載の電磁波検出装置。The conversion element includes a semiconductor substrate that converts electromagnetic waves into electric charges, a common electrode provided on one surface of the semiconductor substrate, and provided on the other surface of the semiconductor substrate, corresponding to a plurality of two-dimensional pixels, A plurality of electrodes formed separately from each other,
A unit cell including the readout thin film transistor and the reset thin film transistor is disposed on an insulating substrate corresponding to each pixel,
The electromagnetic wave detection device according to claim 9, wherein the semiconductor substrate and the insulating substrate have a laminated structure, and the plurality of electrodes and the unit cells are electrically connected between the substrates.
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