JP4054612B2 - Radiation imaging device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X線、γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に関する。特に、医療画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用されている。
【0002】
【従来の技術】
従来、医療画像診断で用いられる撮影には、静止画像を得る一般撮影と動画像を得る透視撮影とに大きく分類される。夫々の撮影方法は必要に応じて、撮影装置を含めて選択される。
【0003】
一般撮影、すなわち、静止画を得る方法は、蛍光板とフィルムとを組み合わせたスクリーンフィルム系(以下、「S/F」と称する。)を用い、フィルムを露光、現像した後、定着させる方法、或いは、放射線画像を輝尽性蛍光体に潜像として記録した後、輝尽性蛍光体にレーザーを走査し、出力された光出力情報をセンサーで読み取る(コンピューティッドラジオグラフィ、以下、「CR」と称する。)方法が一般的である。
【0004】
しかし、両方法は、放射線画像を得るためのワークフローが煩雑な場合があり、且つ、デジタル化は、間接的には可能であるが、即時性に欠け、他の医療画像診断で用いられるCT、MIRなどのデジタル化された環境を考慮すると、整合性のある十分な状況とは言い難い。
【0005】
また、透視撮影、すなわち、動画像は、電子管を用いたイメージインテンシファイア(以下、「I.I」と称する。)が主に使用されているが、電子管を用いるため装置が大規模となるばかりか、未だ、視野領域、すなわち、検出面積が小さく、医療画像診断分野においては大面積化が切望されている。
【0006】
さらに、装置構成上の問題から、得られた動画像はクロストークが多く、鮮明な画像への改善が期待されている。
【0007】
一方、液晶TFT技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン(以下、「a−Si」と称する。)を用いた光電変換素子とスイッチTFTにより構成されたセンサーアレーと、放射線を可視光などに変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器(以下、「FPD」と称する。)が提案され、大面積で、且つ、真のデジタル化の可能性が出てきている。
【0008】
このFPDは、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できるものであり、また、画像は、デジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データーの保管、或いは、加工、転送など取り扱いが便利であるといった特徴がある。また、感度などの諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のS/F系撮影法、CR撮影法に比較して、同等又はそれ以上であることが確認されている。
【0009】
図8は、従来のFPDの模式的な等価回路図である。図8において、101は光電変換素子部、102はスイッチTFT部、103はスイッチTFT駆動配線、104は信号線、105はバイアス配線、106は信号処理回路、107はTFT駆動回路、108はA/D変換部である。
【0010】
X線などの放射線がFPDに入射すると、図示しない蛍光体により可視光に変換される。変換光は、光電変換部101により電荷に変換され、光電変換部101内に蓄積される。その後、TFT駆動回路107より、TFT駆動配線103からスイッチTFT部102を動作させ、この蓄積電荷を信号線104を通じて、信号処理回路106に転送させ、処理後にA/D変換部108にてA/D変換され出力される。
【0011】
基本的には、上述の様な素子構成が一般的であり、特に、光電変換部101はPIN型フォトダイオード(以下、「PIN型PD」と称する。)、或いは、本発明者等が採用しているMIS型フォトダイオード(以下、「MIS型PD」と称する)など様々な素子が提案されている。
【0012】
PIN型PDを用いたFPDとしては、高開口率を実現するため、且つ、縦方向、或いは、横方向のリーク電流を低減できる構造として、米国特許6288435B1にて開示されている。
【0013】
しかし、PIN型PDにおいて、例えば、I型a−Si層内でのパーティクルなどにより、縦方向、すなわち、上下間のリークが発生した場合、P型、或いは、N型の半導体層を介して、横方向、すなわち、周辺画素に大きな影響を及ぼし、画像診断に影響を及ぼすと考えられる複数画素の連続欠陥として現れる。言い換えれば、光電変換層としてある程度の厚みが必要であるa−Si層を使用した場合、上述の回避し難い問題に対して、重大な欠点があるということになる。
【0014】
上述の場合、問題画素の転送TFTを除去し、単一画素欠陥とし、その出力を隣接画素の出力により補正するといったレーザーリペアー方法があるが、この方法では、PIN型PD内でのリークを修正するのではなく、周辺画素への影響は低減できない。
【0015】
また、直接PIN型PD内のリーク原因を除去する場合、単純なレーザーでは加工側面から新たにリークが発生し、結局、周辺画素への影響は残ることになる。すなわち、高歩留まりでの生産、或いは、リペアーを考慮した生産においても、実現することは、非常に困難であるといった原理的なデバイス構造上の問題を抱えているといって良いと考えられる。
【0016】
一方、MIS型PDは、製造方法が簡便であり、且つ、絶縁層を使用しているため、例えば、I型a−Si層内でのパーティクルなどに対して、周辺画素への影響がほとんどないといった特徴がある。従来例としては、本発明者等により、特登録3066944号、米国特許6075256で開示されている。
【0017】
図9は、図8の光電変換部(MIS型PD)1画素分の模式的平面図である。図9において、201はMIS型PD部下電極、202はスイッチTFT駆動配線、203はスイッチTFTのゲート電極、204はコンタクトホール、205はバイアス配線、206は信号線、207はスイッチTFTソース・ドレイン電極(以下、「SD電極」と称する。)である。
【0018】
図10は、図9の模式的断面図である。図10において、301はガラス基板、305はゲート絶縁層、306は真性a−Si層、307はホールブロッキング層、320は保護層、321は有機樹脂層、322は蛍光体層である。
【0019】
図11A〜図11Eは、図9に示すMIS型PDの製造工程図である。
【0020】
第1に、ガラス基板301上に、スイッチTFT駆動配線202、MIS型PD下電極201、スイッチTFTゲート電極203を形成する(図11A)。
【0021】
第2に、ゲート絶縁層305、真性a−Si層306、ホールブロッキング層307を順次積層する。
【0022】
第3に、MIS型PD下電極201とスイッチTFTのSD電極207とを接合するためのコンタクトホール204を形成する(図11B)。
【0023】
第4に、金属層を積層し、1回目のレジストワークにより、バイアス配線205を形成する。このとき、後述するスイッチTFT SD電極207、及び、信号線206が形成される領域は島状に残される(図11C)。
【0024】
第5に、2回目のレジストワークによりスイッチTFT SD電極207、信号線206を形成し、引き続き、n+半導体層を除去する。すなわち、スイッチTFTのSD電極間のギャップ部が形成され、同時にMIS型PD部のn+半導体層は電極として残される(図11D)。
【0025】
第6に、素子間分離を行う(図11E)。
【0026】
第7に、保護層320を積層し、配線引き出し部など、必要な領域を除去する。
【0027】
その後、蛍光体層322を有機樹脂層321で張り合わる。
【0028】
上述の様に製造されるFPDは、図9及び図10に示すように、MIS型PDとスイッチTFTは層構成が同一であるため、製造方法が簡便で、高歩留まり、低価格を実現できる利点があり、且つ、感度などの諸特性も十分満足できるものと評価されている。
【0029】
そのため、現在、一般撮影に用いられる装置としては、従来のS/F法及びCR法に代わって、上述のFPDが採用されるに至っている。
【0032】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術は、以下のような課題がある。すなわち、従来のFPDにおいては、大面積で、且つ、完全デジタル化が達成され、漸く、一般撮影に主に使用され始めている状況であるが、感度といった点では、更なる向上が期待されており、また、透視撮影を可能とするためには、より一層の感度向上が必須と考えられる。
【0033】
FPDにおいて、MIS型PDとスイッチTFTとの層構成を同一としているため、同一プロセスで同時に作成できる。すなわち、製造方法が簡便であるため、高歩留まり、高品質、低価格で実現できる利点がある。
【0034】
しかし、原理的に同一平面上に各素子を形成するため、開口率の向上、言い換えれば、感度に限度があるといった課題がある。
【0035】
MIS型PDの感度は、CINSを絶縁層の容量、CSEMIを半導体層の容量とすると、CINS /(CINS+CSEMI)で表される内部ゲインに比例する。言い換えれば、半導体層の厚化、或いは、絶縁層の薄化が、感度向上には、望ましい方向と言える。
【0036】
一方、スイッチTFTの転送能力、すなわち、ON抵抗は、通常の範囲では、半導体層の薄化に従い改善される。これは、ソース・ドレイン電極下に形成される寄生抵抗が減少するためであると推定している。
【0037】
また、絶縁層は、原理的に、薄化することによりスイッチTFTの転送能力が向上するが、配線交差部などでの段差でのステップカバレジ性が低下する。その結果、絶縁層厚みは、歩留まりを考慮して決定される。
【0038】
つまり、MIS型PDとスイッチTFTの両特性がバランス良く満足する半導体層の厚みと、歩留まりを考慮した絶縁層の厚みが決定される。その結果、TFTサイズが大きくなり、MIS型PDの開口率は圧縮され、また、夫々の素子の特性は夫々妥協した性能を使用せざるを得ないといった問題がある。
【0039】
そこで、本発明は、MIS型PDを用いたFPDにおいて、MIS型PDとスイッチTFTの両デバイス特性を夫々、単独に改善することが可能なデバイス構成を提案し、更なる、感度向上を達成することを課題とする。
【0040】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、放射線を可視光に変換する波長変換体と、該可視光を電気信号に変換する画素電極、半導体層とを備えた光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電気信号の読み出しを制御するトランジスタとが、それぞれ備えられた放射線撮像装置であって、前記光電変換素子は前記トランジスタの波長変換体側に積層して配置され、前記画素電極は画素ごとに分割され且つ、前記半導体層は複数の画素に渡って延在して配置され、隣接する画素電極間上の前記半導体層上に、前記光電変換素子へのバイアス電圧の印加及び隣接画素への前記可視光の流入防止のためのバイアス配線が配置され、隣接する画素電極間の距離より前記バイアス配線の幅の方が大きいことを特徴とする。
【0041】
本発明の放射線検出システムは、放射線撮像装置を含むことを特徴とする。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0043】
(実施形態1)
[構成の説明]
図1は、本発明の実施形態のMIS型PDを用いたX線検出装置の模式的平面図である。図2は、図1のA−A部の模式的断面図である。図3は、図1のB−B部の模式的断面図である。
【0044】
図1〜図3において、1は絶縁基板、2はスイッチTFTのゲート電極、3は第3の電極であるゲート電極2に接続されたゲート配線、4は第1の絶縁層、5は第1の半導体層、6は第1のオーミックコンタクト層、7はスイッチTFTソース・ドレイン電極、8はソース・ドレイン電極7に接続されている信号線、9は第1の平坦化層、10はコンタクトホール、11はMIS型PDの画素電極、12は第2の絶縁層、13は第2の半導体層、14は第2のオーミックコンタクト層、15は透明電極層、16はMIS型PDのバイアス配線、17は第2の平坦化層、18は接着層、19は蛍光体層である。
【0045】
本実施形態では、X線は、蛍光体層19により可視光に変換され、MIS型PDの第2の半導体層13に入射する。入射光は第2の半導体層13で光電変換されMIS型PD内に蓄積される。その後、ゲート配線3からON電圧が印加され、スイッチTFTがON状態となり、信号線8を介して出力電圧が読み出される。その後、バイアス配線16より、リセット電圧がMIS型PD部に印加され、PDに蓄積された電荷をリセットする。
【0046】
図1〜図3に示すように、MIS型PDの画素電極11は、ゲート配線3と信号線8とにオーバーラップする様に配置されている。また、MIS型PDの第2の絶縁層12、第2の半導体層13、第2のオーミックコンタクト層14は全画素領域にわたり積層されている。この結果、開口率を大幅に改善することが可能となる。
【0047】
すなわち、蛍光体層19からの変換光のほとんどは、第2の半導体層13に入射し、光電変換され、変換された電荷は、MIS型PDの画素電極11に収集されることが可能となる。例えば、画素サイズ160μmの場合には、開口率は従来の1.5倍程度改善されていた。
【0048】
更には、後述の製造方法より確認できる様に、スイッチTFTの層構成とMIS型PDの層構成とが異なる形で実現できるため、MIS型PDの内部ゲインは、1.5倍程度改善され、上述の開口率の向上分と合わせて、約2倍以上の改善が可能となった。
【0049】
また、スイッチTFTの転送能力が少なくとも10倍以上となり、TFTサイズを小型化することができ、その結果、TFTサイズに依存した寄生容量が低減され、ノイズ低減が可能となった。
【0050】
図4(a)〜図4(f)は図1のFPDの模式的な製造工程図である。
【0051】
第1に、絶縁基板1上に、スイッチTFTのゲート電極2及びゲート配線3となる、2500Åの厚さのAl−Nd薄層、300Åの厚さのMo薄層とからなる積層をスパッター装置により形成する。
【0052】
第2に、ウエットエッチングを用いたフォトリソグラフィー法により、スイッチTFTの駆動用ゲート配線3、ゲート電極2をパターン形成する(図4(a))。
【0053】
第3に、第1の絶縁層4となるSiN層、第1の半導体層5となるa−Si層、第1のオーミックコンタクト層6となる燐ドープn+型層をプラズマCVD装置により、夫々2500Å、1000Å、200Åの厚さで形成する。
【0054】
第4に、スイッチTFTのソース・ドレイン電極7となる金属層として、Mo層500Å、Al層4000Å、Mo層300Åをスパッター装置により形成する。
【0055】
第5に、ウエットエッチングを用いたフォトリソグラフィー法により、スイッチTFTのソース・ドレイン電極7、信号線8を形成する。引き続き、同一レジストパターンでスイッチTFTのチャネル部のn+層をRIE法にて除去する(図4(b))。
【0056】
第6に、RIE法或いはCDE法を用いたフォトリソグラフィー法により、第1の絶縁層4、第1の半導体層5、第1のオーミックコンタクト層6を除去し、素子間分離を行う(図4(c))。
【0057】
以上がスイッチTFTを作成する製造工程である。
【0058】
引き続き、MIS型PDをスイッチTFT上に積層する工程について説明する。
【0059】
第7に、第1の平坦化層9、本実施形態では、ダウケミカル社製BCB(ベンゾシクロブテン)を用いて平坦化を行う。この部材は誘電率が2.6程度と通常のSiN層の誘電率6.0程度に比べて非常に低い値を示し、ゲート配線3、或いは、信号線8と後述の画素電極11の寄生容量を低減できる。
【0060】
第8に、RIE法或いはCDE法を用いたフォトリソグラフィー法により、第1の平坦化層9にコンタクトホール10を形成する(図4(d))。
【0061】
第9に、画素電極11となる、500Åの厚さのMo層、2000Åの厚さのAl層、300Åの厚さのMo層をスパッター装置により形成する。
【0062】
第10に、ウエットエッチングを用いたによるフォトリソグラフィー法により、MIS型PD部の画素電極11を形成する(図4(e))。
【0063】
なお、図4(e)では、スイッチTFT、及び、各配線は説明の都合上省略している。
【0064】
第11に、第2の絶縁層12としてSiN層、第2の半導体層13としてa−Si層、第2のオーミックコンタクト層14として燐ドープ n+型層をプラズマCVD装置により、夫々1500Å、6000Å、200Åの厚さで形成する。その後、引き続きITO等の透明電極層15を400Åの厚さで形成する。
【0065】
第12に、MIS型PDのバイアス配線16となる、500Åの厚さのMo層、4000Åの厚さのAl層、300Åの厚さのMo層を、スパッター装置により形成する。
【0066】
第13に、ウエットエッチング法を用いたフォトリソグラフィー法により、MIS型PDのバイアス配線16を形成する(図4(f))。
【0067】
第14に、第2の平坦化層17としてBCBを塗布し、最終保護層としてSiN層を3000Åの厚さで形成する。
【0068】
第15に、RIE法或いはCDE法を用いたフォトリソグラフィー法により、引き出し電極部など露出させる。
【0069】
第16に、蛍光体層19を接着層18で張り合わせる。
【0070】
以上により、本実施形態のFPDが製造される。
【0071】
この様に、スイッチTFTとMIS型PDとが層間絶縁層を介して、積層構造となることにより、スイッチTFT特性の向上とMIS型PD特性の向上が両立して達成でき、さらに、生産上、回避できないa−Si層のパーティクル発生に対する影響が少なくなる。このため、本実施形態のX線検出装置は、生産上、有利に、また、容易に実現できるようになり、光電変換の機能を有する半導体層が、複数の画素に渡って延在して設けられているために、効率を高くすることが可能となる。
【0072】
(実施形態2)
本発明の実施形態2では、MIS型PDを用いたX線検出装置について説明する。
【0073】
図5は、本発明の実施形態2のX線検出装置模式的断面図である。なお、図5において、図1等に示した部分と同様の部分には同一符号を付している。
【0074】
以下、本実施形態のFPDの製造方法について説明する。
【0075】
第1〜第8の工程は実施形態1と同様である。
【0076】
第9に、MIS型PDの第2のオーミックコンタクト層14として燐ドープn+型層をプラズマCVD装置により、1000Åの厚さで形成する。
【0077】
第10に、RIE方或いはCDE方を用いたフォトリソグラフィー法により、第2のオーミックコンタクト層14を、実施形態1でいうところのMIS型PDの画素電極11として形成する。
【0078】
第11に、第2の半導体層13としてa−Si層、第2の絶縁層12としてSiN層をプラズマCVD装置により、夫々6000Å、1500Åの厚さで形成する。その後、ITO等の透明電極層15を400Åの厚さで形成する。
【0079】
第12に、MIS型PDのバイアス配線16となる。500Åの厚さのMo層、4000Åの厚さのAl層、300Åの厚さのMo層をスパッター装置により形成する。
【0080】
第13に、ウエットエッチング方を用いたフォトリソグラフィー法により、MIS型PDのバイアス配線16を形成する。
【0081】
第14に、第2の平坦化層17としてBCBを塗布し、最終保護層としてSiN層を3000Åの厚さで形成する。
【0082】
第15に、RIE法或いはCDE法を用いたフォトリソグラフィー法により、引き出し電極部など露出させる。
【0083】
第16に、蛍光体層19を接着層18で張り合わせる。
【0084】
以上により、本実施形態のFPDが製造される。
【0085】
本実施形態では、上述の様に、実施形態1でいうところの画素電極11として第2のオーミックコンタクト層14を使用しており、抵抗値を考慮して厚化が必要である。しかし、製造装置によっては、厚化ができない場合がある。その場合は、その他導電層と併用することが可能である。すなわち、第8の工程後、導電層を形成し、画素電極11を形成し、その後、第9の工程から製造するも可能である。本実施形態においても光電変換の機能を有する半導体層が、複数の画素に渡って延在して設けられているために、効率を高くすることが可能となる。
【0086】
(実施形態3)
本発明の実施形態3では、MIS型PDを用いたX線検出装置について説明する。本実施形態では、バイアス配線の配置を工夫して、空間分解能を向上させている。
【0087】
図6は、本発明の実施形態3のX線検出装置の模式的平面図である。図6に示すように、本実施形態では、2×2の画素において、隣接するMIS型PDの画素電極11の間にバイアス配線16を配置している。
【0088】
このため、蛍光体層19からの変換光が、MIS型PDに入射する際に、バイアス配線16が隣接画素からの光の流入を防止するので、空間分解能を向上させる効果がある。
【0089】
(実施形態4)
図7は、本発明の実施形態4のX線検出システムの模式的な平面図である。
【0090】
X線チューブ6050で発生したX線6060は患者或いは被験者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。
【0091】
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6100によりフィルム6110に記録することもできる。
【0092】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によると、MIS型PDを用いたFPDにおいて、MIS型PDとスイッチTFTの両デバイス特性を夫々、単独に改善することが可能なデバイス構成を提案し、更なる、感度向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のMIS型PDを用いたX線検出装置の模式的平面図である。
【図2】図1のA−A部の模式的断面図である。
【図3】図1のB−B部の模式的断面図である。
【図4】図1のFPDの模式的な製造工程図である。
【図5】本発明の実施形態2のX線検出装置模式的断面図である。
【図6】本発明の実施形態3のX線検出装置の模式的平面図である。
【図7】本発明の実施形態4のX線検出システムの模式的な平面図である。
【図8】従来のFPDの模式的な等価回路図である。
【図9】図8の光電変換部(MIS型PD)1画素分の模式的平面図である。
【図10】図9の模式的断面図である。
【図11】図9に示すMIS型PDの製造工程図である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
2 スイッチTFTのゲート電極
3 ゲート電極2に接続されたゲート配線
4 第1の絶縁層
5 第1の半導体層
6 第1のオーミックコンタクト層
7 スイッチTFTソース・ドレイン電極
8 ソース・ドレイン電極に接続されている信号線
9 第1の平坦化層
10 コンタクトホール
11 MIS型PDの画素電極
12 第2の絶縁層
13 第2の半導体層
14 第2のオーミックコンタクト層
15 透明電極層
16 MIS型PDのバイアス配線
17 第2の平坦化層
18 接着層
19 蛍光体層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation detection apparatus that detects radiation such as X-rays and γ-rays. In particular, it is applied to medical image diagnostic apparatuses, nondestructive inspection apparatuses, analyzers using radiation, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, photographing used for medical image diagnosis is roughly classified into general photographing for obtaining a still image and fluoroscopic photographing for obtaining a moving image. Each photographing method is selected including a photographing device as necessary.
[0003]
General photography, that is, a method of obtaining a still image is a method of fixing a film after exposing and developing the film using a screen film system (hereinafter referred to as “S / F”) that combines a fluorescent plate and a film, or After recording a radiographic image as a latent image on the photostimulable phosphor, the photostimulable phosphor is scanned with a laser, and the output light output information is read by a sensor (Computed Radiography, hereinafter referred to as “CR”). The method is common.
[0004]
However, in both methods, the workflow for obtaining a radiographic image may be complicated, and digitization is possible indirectly, but it lacks immediacy and is used in other medical imaging diagnosis, Considering a digitized environment such as MIR, it is difficult to say that the situation is consistent and sufficient.
[0005]
Further, for fluoroscopic imaging, that is, a moving image, an image intensifier using an electron tube (hereinafter referred to as “I.I”) is mainly used. However, since the electron tube is used, the apparatus becomes large-scale. In addition, the field of view, that is, the detection area is still small, and there is an urgent need to increase the area in the medical image diagnostic field.
[0006]
Furthermore, due to problems in the apparatus configuration, the obtained moving image has a lot of crosstalk, and an improvement to a clear image is expected.
[0007]
On the other hand, with the progress of liquid crystal TFT technology and the improvement of information infrastructure, photoelectric conversion elements and switch TFTs using non-single crystal silicon, for example, amorphous silicon (hereinafter referred to as “a-Si”). A flat panel detector (hereinafter referred to as “FPD”) that combines a sensor array configured by the above and a phosphor that converts radiation into visible light or the like has been proposed. The possibility of coming out.
[0008]
This FPD can read a radiation image instantly and display it on a display instantly, and since the image can be directly taken out as digital information, it can be stored, processed, transferred, etc. Is convenient. In addition, although various characteristics such as sensitivity depend on imaging conditions, it has been confirmed that they are equivalent to or higher than conventional S / F imaging methods and CR imaging methods.
[0009]
FIG. 8 is a schematic equivalent circuit diagram of a conventional FPD. In FIG. 8, 101 is a photoelectric conversion element portion, 102 is a switch TFT portion, 103 is a switch TFT drive wiring, 104 is a signal line, 105 is a bias wiring, 106 is a signal processing circuit, 107 is a TFT drive circuit, and 108 is an A / A D conversion unit.
[0010]
When radiation such as X-rays enters the FPD , it is converted into visible light by a phosphor (not shown). The converted light is converted into electric charge by the photoelectric conversion unit 101 and accumulated in the photoelectric conversion unit 101. After that, the TFT driving circuit 107 operates the switch TFT unit 102 from the TFT driving wiring 103 and transfers this accumulated charge to the signal processing circuit 106 through the signal line 104. After processing, the A / D conversion unit 108 performs A / D conversion. D-converted and output.
[0011]
Basically, the element configuration as described above is generally used. In particular, the photoelectric conversion unit 101 is a PIN type photodiode (hereinafter referred to as “PIN type PD”) or the present inventors have adopted. Various devices such as a MIS type photodiode (hereinafter referred to as “MIS type PD”) have been proposed.
[0012]
An FPD using a PIN type PD is disclosed in US Pat. No. 6,288,435 B1 as a structure capable of realizing a high aperture ratio and reducing a leakage current in a vertical direction or a horizontal direction.
[0013]
However, in the PIN type PD, for example, when a leak occurs in the vertical direction, that is, between the upper and lower sides due to particles in the I type a-Si layer, the P type or N type semiconductor layer is used. It appears in the horizontal direction, that is, as a continuous defect of a plurality of pixels, which has a great influence on peripheral pixels and is considered to affect image diagnosis. In other words, when an a-Si layer that requires a certain thickness as the photoelectric conversion layer is used, there is a serious drawback with respect to the above-mentioned problems that are difficult to avoid.
[0014]
In the above case, there is a laser repair method in which the transfer TFT of the problem pixel is removed to make a single pixel defect, and the output is corrected by the output of the adjacent pixel, but this method corrects the leak in the PIN type PD. Rather, the influence on surrounding pixels cannot be reduced.
[0015]
Further, when removing the cause of the leak in the PIN type PD directly, a simple laser causes a new leak from the processing side surface, and the influence on the peripheral pixels remains after all. That is, it can be said that there is a problem in the fundamental device structure that it is very difficult to realize even in production with high yield or in consideration of repair.
[0016]
On the other hand, since the MIS type PD has a simple manufacturing method and uses an insulating layer, for example, particles in the I type a-Si layer have little influence on peripheral pixels. There are features such as. Conventional examples are disclosed in Japanese Patent No. 3066944 and US Pat. No. 6,075,256 by the present inventors.
[0017]
FIG. 9 is a schematic plan view for one pixel of the photoelectric conversion unit (MIS type PD) of FIG. In FIG. 9, 201 is a MIS type PD lower electrode, 202 is a switch TFT drive wiring, 203 is a switch TFT gate electrode, 204 is a contact hole, 205 is a bias wiring, 206 is a signal line, and 207 is a switch TFT source / drain electrode. (Hereinafter referred to as “SD electrode”).
[0018]
10 is a schematic cross-sectional view of FIG. In FIG. 10, 301 is a glass substrate, 305 is a gate insulating layer, 306 is an intrinsic a-Si layer, 307 is a hole blocking layer, 320 is a protective layer, 321 is an organic resin layer, and 322 is a phosphor layer.
[0019]
11A to 11E are manufacturing process diagrams of the MIS type PD shown in FIG.
[0020]
First, the switch TFT drive wiring 202, the MIS type PD lower electrode 201, and the switch TFT gate electrode 203 are formed on the glass substrate 301 (FIG. 11A).
[0021]
Second, a gate insulating layer 305, an intrinsic a-Si layer 306, and a hole blocking layer 307 are sequentially stacked.
[0022]
Third, a contact hole 204 for joining the MIS type PD lower electrode 201 and the SD electrode 207 of the switch TFT is formed (FIG. 11B).
[0023]
Fourth, a metal layer is stacked, and the bias wiring 205 is formed by the first resist work. At this time, a region where a switch TFT SD electrode 207 and a signal line 206 to be described later are formed is left in an island shape (FIG. 11C).
[0024]
Fifth, the switch TFT SD electrode 207 and the signal line 206 are formed by the second resist work, and then the n + semiconductor layer is removed. That is, a gap portion between the SD electrodes of the switch TFT is formed, and at the same time, the n + semiconductor layer of the MIS PD portion is left as an electrode (FIG. 11D).
[0025]
Sixth, element isolation is performed (FIG. 11E).
[0026]
Seventh, a protective layer 320 is stacked, and a necessary region such as a wiring lead portion is removed.
[0027]
Thereafter, the phosphor layer 322 is bonded with the organic resin layer 321.
[0028]
As shown in FIGS. 9 and 10, the FPD manufactured as described above has the same layer structure as the MIS type PD and the switch TFT. Therefore, the manufacturing method is simple, high yield, and low price can be realized. In addition, it is evaluated that various characteristics such as sensitivity can be sufficiently satisfied.
[0029]
For this reason, as a device used for general photography, the above-described FPD has been adopted instead of the conventional S / F method and CR method.
[0032]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional techniques have the following problems. In other words, the conventional FPD has a large area and is fully digitalized, and is gradually beginning to be used mainly for general photography. However, further improvement is expected in terms of sensitivity. Further, in order to enable fluoroscopic imaging, it is considered essential to further improve sensitivity.
[0033]
In the FPD, since the MIS type PD and the switch TFT have the same layer configuration, they can be simultaneously produced in the same process. That is, since the manufacturing method is simple, there is an advantage that it can be realized with high yield, high quality, and low price.
[0034]
However, since the elements are formed on the same plane in principle, there is a problem that the aperture ratio is improved, in other words, the sensitivity is limited.
[0035]
The sensitivity of the MIS type PD is proportional to the internal gain represented by C INS / (C INS + C SEMI ), where C INS is the capacitance of the insulating layer and C SEMI is the capacitance of the semiconductor layer. In other words, increasing the thickness of the semiconductor layer or reducing the thickness of the insulating layer is a desirable direction for improving sensitivity.
[0036]
On the other hand, the transfer capability of the switch TFT, that is, the ON resistance is improved in accordance with the thinning of the semiconductor layer in the normal range. This is presumed to be because the parasitic resistance formed under the source / drain electrodes is reduced.
[0037]
In principle, the insulating layer is thinned to improve the transfer capability of the switch TFT, but the step coverage at a step at a wiring intersection or the like is lowered. As a result, the insulating layer thickness is determined in consideration of the yield.
[0038]
That is, the thickness of the semiconductor layer that satisfies both the characteristics of the MIS type PD and the switch TFT in a well-balanced manner and the thickness of the insulating layer in consideration of the yield are determined. As a result, the TFT size becomes large, the aperture ratio of the MIS type PD is compressed, and there is a problem that the characteristics of each element have to use compromised performance.
[0039]
Therefore, the present invention proposes a device configuration capable of independently improving both the device characteristics of the MIS type PD and the switch TFT in the FPD using the MIS type PD, and achieves further improvement in sensitivity. This is the issue.
[0040]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention includes a wavelength converter for converting radiation into visible light, the pixel electrodes for converting the visible light into an electric signal, a photoelectric conversion element that includes a semi-conductor layer, wherein a transistor for controlling the readout of the electric signal converted by the photoelectric conversion element, a radiation imaging apparatus provided respectively, the photoelectric conversion elements are arranged by laminating a wavelength conversion body side of said transistor, said pixel electrode and is divided for each pixel, the semiconductor layer is placed to extend over a plurality of pixels, on the semiconductor layer on between the adjacent pixel electrodes, application of a bias voltage to the photoelectric conversion element and A bias wiring for preventing the visible light from flowing into adjacent pixels is disposed, and the width of the bias wiring is larger than the distance between adjacent pixel electrodes .
[0041]
The radiation detection system of the present invention includes a radiation imaging apparatus.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0043]
(Embodiment 1)
[Description of configuration]
FIG. 1 is a schematic plan view of an X-ray detection apparatus using a MIS type PD according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
[0044]
1 to 3, 1 is an insulating substrate, 2 is a gate electrode of a switch TFT, 3 is a gate wiring connected to a gate electrode 2 which is a third electrode, 4 is a first insulating layer, and 5 is a first electrode. The semiconductor layer, 6 is a first ohmic contact layer, 7 is a switch TFT source / drain electrode, 8 is a signal line connected to the source / drain electrode 7, 9 is a first planarization layer, and 10 is a contact hole. , 11 is a pixel electrode of MIS type PD, 12 is a second insulating layer, 13 is a second semiconductor layer, 14 is a second ohmic contact layer, 15 is a transparent electrode layer, 16 is a bias wiring of MIS type PD, Reference numeral 17 denotes a second planarizing layer, 18 denotes an adhesive layer, and 19 denotes a phosphor layer.
[0045]
In the present embodiment, X-rays are converted into visible light by the phosphor layer 19 and enter the second semiconductor layer 13 of the MIS type PD. Incident light is photoelectrically converted by the second semiconductor layer 13 and accumulated in the MIS type PD. Thereafter, an ON voltage is applied from the gate wiring 3, the switch TFT is turned on, and the output voltage is read out via the signal line 8. Thereafter, a reset voltage is applied to the MIS type PD unit from the bias wiring 16 to reset the charge accumulated in the PD.
[0046]
As shown in FIGS. 1 to 3, the pixel electrode 11 of the MIS type PD is disposed so as to overlap the gate line 3 and the signal line 8. Further, the second insulating layer 12, the second semiconductor layer 13, and the second ohmic contact layer 14 of the MIS type PD are stacked over the entire pixel region. As a result, the aperture ratio can be greatly improved.
[0047]
That is, most of the converted light from the phosphor layer 19 is incident on the second semiconductor layer 13 and is photoelectrically converted, and the converted charge can be collected by the pixel electrode 11 of the MIS type PD. . For example, in the case of a pixel size of 160 μm, the aperture ratio has been improved by about 1.5 times compared to the conventional case.
[0048]
Furthermore, as can be confirmed from the manufacturing method described later, since the layer configuration of the switch TFT and the layer configuration of the MIS type PD can be realized differently, the internal gain of the MIS type PD is improved by about 1.5 times. Combined with the improvement in the aperture ratio described above, an improvement of about twice or more has become possible.
[0049]
Further, the transfer capability of the switch TFT is at least 10 times or more, and the TFT size can be reduced. As a result, the parasitic capacitance depending on the TFT size is reduced, and noise can be reduced.
[0050]
4A to 4F are schematic manufacturing process diagrams of the FPD of FIG.
[0051]
First, on the insulating substrate 1, a stack composed of a 2500-thick Al—Nd thin layer and a 300-thick Mo thin layer to be the gate electrode 2 and the gate wiring 3 of the switch TFT is formed by a sputtering apparatus. Form.
[0052]
Secondly, the gate wiring 3 for driving the switch TFT and the gate electrode 2 are pattern-formed by photolithography using wet etching (FIG. 4A).
[0053]
Third, the SiN layer that becomes the first insulating layer 4, the a-Si layer that becomes the first semiconductor layer 5, and the phosphorus-doped n + type layer that becomes the first ohmic contact layer 6 are each formed by a plasma CVD apparatus. It is formed with a thickness of 2500 mm, 1000 mm, and 200 mm.
[0054]
Fourth, as a metal layer to be the source / drain electrode 7 of the switch TFT, a Mo layer 500 Å, an Al layer 4000 Å, and a Mo layer 300 Å are formed by a sputtering apparatus.
[0055]
Fifth, the source / drain electrodes 7 and the signal lines 8 of the switch TFT are formed by photolithography using wet etching. Subsequently, the n + layer in the channel portion of the switch TFT is removed by the RIE method with the same resist pattern (FIG. 4B).
[0056]
Sixth, the first insulating layer 4, the first semiconductor layer 5, and the first ohmic contact layer 6 are removed by photolithography using RIE or CDE, and element isolation is performed (FIG. 4). (C)).
[0057]
The above is the manufacturing process for producing the switch TFT.
[0058]
Subsequently, a process of stacking the MIS type PD on the switch TFT will be described.
[0059]
Seventh, planarization is performed using the first planarization layer 9, in this embodiment, BCB (benzocyclobutene) manufactured by Dow Chemical. This member has a dielectric constant of about 2.6, which is much lower than that of a normal SiN layer of about 6.0, and the parasitic capacitance of the gate wiring 3 or the signal line 8 and a pixel electrode 11 described later. Can be reduced.
[0060]
Eighth, a contact hole 10 is formed in the first planarizing layer 9 by photolithography using RIE or CDE (FIG. 4D).
[0061]
Ninth, a Mo layer with a thickness of 500 mm, an Al layer with a thickness of 2000 mm, and a Mo layer with a thickness of 300 mm are formed by a sputtering apparatus to be the pixel electrode 11.
[0062]
Tenth, the pixel electrode 11 of the MIS type PD portion is formed by a photolithography method using wet etching (FIG. 4E).
[0063]
In FIG. 4E, the switch TFT and each wiring are omitted for convenience of explanation.
[0064]
Eleventh, the SiN layer as the second insulating layer 12, the a-Si layer as the second semiconductor layer 13, and the phosphorus-doped n + -type layer as the second ohmic contact layer 14 are obtained by using a plasma CVD apparatus, respectively, for 1500Å and 6000Å. , With a thickness of 200 mm. Subsequently, a transparent electrode layer 15 such as ITO is formed to a thickness of 400 mm.
[0065]
Twelfth, a 500-thickness Mo layer, a 4000-thickness Al layer, and a 300-thickness Mo layer, which become the bias wiring 16 of the MIS type PD, are formed by a sputtering apparatus.
[0066]
13th, the bias wiring 16 of MIS type | mold PD is formed by the photolithographic method using the wet etching method (FIG.4 (f)).
[0067]
14th, BCB is apply | coated as the 2nd planarization layer 17, and a SiN layer is formed with a thickness of 3000 と し て as a final protective layer.
[0068]
Fifteenth, the extraction electrode portion and the like are exposed by a photolithography method using an RIE method or a CDE method.
[0069]
Sixteenth, the phosphor layer 19 is bonded with the adhesive layer 18.
[0070]
As described above, the FPD of this embodiment is manufactured.
[0071]
As described above, the switch TFT and the MIS type PD have a laminated structure through the interlayer insulating layer, so that the improvement of the switch TFT characteristic and the improvement of the MIS type PD characteristic can be achieved at the same time. The influence on the generation of particles of the a-Si layer that cannot be avoided is reduced. For this reason, the X-ray detection apparatus of the present embodiment can be advantageously and easily realized in production, and a semiconductor layer having a photoelectric conversion function is provided to extend over a plurality of pixels. Therefore, the efficiency can be increased.
[0072]
(Embodiment 2)
In the second embodiment of the present invention, an X-ray detection apparatus using a MIS type PD will be described.
[0073]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the X-ray detection apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same parts as those shown in FIG.
[0074]
Hereinafter, a method for manufacturing the FPD of this embodiment will be described.
[0075]
The first to eighth steps are the same as those in the first embodiment.
[0076]
Ninth, as the second ohmic contact layer 14 of the MIS type PD, a phosphorus doped n + type layer is formed with a thickness of 1000 mm by a plasma CVD apparatus.
[0077]
Tenth, the second ohmic contact layer 14 is formed as the pixel electrode 11 of the MIS type PD in the first embodiment by a photolithography method using the RIE method or the CDE method.
[0078]
Eleventh, an a-Si layer as the second semiconductor layer 13 and an SiN layer as the second insulating layer 12 are formed with a thickness of 6000 mm and 1500 mm, respectively, by a plasma CVD apparatus. Thereafter, a transparent electrode layer 15 such as ITO is formed with a thickness of 400 mm.
[0079]
12th, it becomes the bias wiring 16 of MIS type | mold PD. A 500-thick Mo layer, a 4000-thick Al layer, and a 300-thick Mo layer are formed by a sputtering apparatus.
[0080]
13th, the bias wiring 16 of MIS type PD is formed by the photolithographic method using the wet etching method.
[0081]
14th, BCB is apply | coated as the 2nd planarization layer 17, and a SiN layer is formed with a thickness of 3000 と し て as a final protective layer.
[0082]
Fifteenth, the extraction electrode portion and the like are exposed by a photolithography method using an RIE method or a CDE method.
[0083]
Sixteenth, the phosphor layer 19 is bonded with the adhesive layer 18.
[0084]
As described above, the FPD of this embodiment is manufactured.
[0085]
In the present embodiment, as described above, the second ohmic contact layer 14 is used as the pixel electrode 11 in the first embodiment, and it is necessary to increase the thickness in consideration of the resistance value. However, thickening may not be possible depending on the manufacturing apparatus. In that case, it can be used in combination with other conductive layers. That is, after the eighth step, it is possible to form a conductive layer, form the pixel electrode 11, and then manufacture from the ninth step. Also in this embodiment, since the semiconductor layer having a photoelectric conversion function is provided so as to extend over a plurality of pixels, efficiency can be increased.
[0086]
(Embodiment 3)
In Embodiment 3 of the present invention, an X-ray detection apparatus using a MIS type PD will be described. In the present embodiment, the spatial resolution is improved by devising the arrangement of the bias wiring.
[0087]
FIG. 6 is a schematic plan view of an X-ray detection apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 6, in this embodiment, in the 2 × 2 pixel, the bias wiring 16 is arranged between the pixel electrodes 11 of the adjacent MIS type PDs.
[0088]
For this reason, when the converted light from the phosphor layer 19 enters the MIS type PD, the bias wiring 16 prevents the inflow of light from the adjacent pixels, so that the spatial resolution is improved.
[0089]
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a schematic plan view of the X-ray detection system according to the fourth embodiment of the present invention.
[0090]
X-rays 6060 generated by the X-ray tube 6050 pass through the chest 6062 of the patient or subject 6061 and enter the photoelectric conversion device 6040 having the phosphor mounted thereon. This incident X-ray includes information inside the body of the patient 6061. The phosphor emits light in response to the incidence of X-rays, and this is photoelectrically converted to obtain electrical information. This information is converted to digital, image processed by an image processor 6070, and can be observed on a display 6080 in the control room.
[0091]
Further, this information can be transferred to a remote place by a transmission means such as a telephone line 6090 and can be displayed on a display 6081 such as a doctor room in another place or stored in a storage means such as an optical disk, and a doctor at a remote place makes a diagnosis. It is also possible. It can also be recorded on the film 6110 by the film processor 6100.
[0092]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the FPD using the MIS type PD, a device configuration capable of independently improving both the device characteristics of the MIS type PD and the switch TFT is proposed. , Sensitivity improvement can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an X-ray detection apparatus using a MIS type PD according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along a line AA in FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along a line BB in FIG.
4 is a schematic manufacturing process diagram of the FPD of FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an X-ray detection apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic plan view of an X-ray detection apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic plan view of an X-ray detection system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic equivalent circuit diagram of a conventional FPD.
9 is a schematic plan view for one pixel of the photoelectric conversion unit (MIS type PD) in FIG. 8;
10 is a schematic cross-sectional view of FIG. 9. FIG.
11 is a manufacturing process diagram of the MIS type PD shown in FIG. 9; FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating substrate 2 Gate electrode 3 of switching TFT Gate wiring 4 connected to gate electrode 2 First insulating layer 5 First semiconductor layer 6 First ohmic contact layer 7 Switch TFT source / drain electrode 8 Source / drain electrode Signal line 9 connected to the first planarizing layer 10 contact hole 11 pixel electrode 12 of MIS type PD second insulating layer 13 second semiconductor layer 14 second ohmic contact layer 15 transparent electrode layer 16 MIS type PD bias wiring 17 Second planarization layer 18 Adhesive layer 19 Phosphor layer

Claims (7)

放射線を可視光に変換する波長変換体と、該可視光を電気信号に変換する画素電極、半導体層とを備えた光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電気信号の読み出しを制御するトランジスタとが、それぞれ備えられた放射線撮像装置であって、
前記光電変換素子は前記トランジスタの波長変換体側に積層して配置され、前記画素電極は画素ごとに分割され且つ、前記半導体層は複数の画素に渡って延在して配置され、
隣接する画素電極間上の前記半導体層上に、前記光電変換素子へのバイアス電圧の印加及び隣接画素への前記可視光の流入防止のためのバイアス配線が配置され、
隣接する画素電極間の距離より前記バイアス配線の幅の方が大きいことを特徴とする放射線撮像装置。
A wavelength converter for converting radiation into visible light, the pixel electrodes for converting the visible light into an electric signal, a photoelectric conversion element that includes a semi-conductor layer, the reading of the electric signal converted by the photoelectric conversion element A radiation imaging apparatus provided with each of the transistors to be controlled;
The photoelectric conversion elements are arranged by laminating the wavelength conversion side of the transistor, the pixel electrode and is divided for each pixel, the semiconductor layer is placed to extend over a plurality of pixels,
On the semiconductor layer between adjacent pixel electrodes, a bias wiring for applying a bias voltage to the photoelectric conversion element and preventing inflow of the visible light to adjacent pixels is disposed,
A radiation imaging apparatus, wherein a width of the bias wiring is larger than a distance between adjacent pixel electrodes .
前記画素電極は、前記トランジスタのソース、もしくはドレインに接続され前記電気信号を伝送する信号線上の一部と、前記トランジスタの制御電極に接続された配線上の一部に位置するように配置されていることを特徴とする請求項1記載の放射線撮像装置。The pixel electrode is disposed so as to be located on a part of a signal line connected to the source or drain of the transistor and transmitting the electric signal and a part of a wiring connected to the control electrode of the transistor. The radiation imaging apparatus according to claim 1, wherein: 前記光電変換素子は更に絶縁層を有し、放射線入射面側から、前記半導体層、前記絶縁層の順で配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載の放射線撮像装置。Wherein a photoelectric conversion element is an insulating layer, from the radiation incident side, the semiconductor layer, the radiation imaging apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is arranged in the order of the insulating layer. 前記光電変換素子は更に絶縁層を有し、放射線入射面側から、前記絶縁層、前記半導体層の順で配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載の放射線撮像装置。The photoelectric conversion element further has an insulating layer, from the radiation incident side, the insulating layer, the radiation imaging apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is arranged in the order of the semiconductor layer. 前記画素電極がオーミックコンタクト層であることを特徴とする請求項記載の放射線撮像装置。The radiation imaging apparatus according to claim 4, wherein the pixel electrode is an ohmic contact layer. 更に、前記光電変換素子の放射線入射面側に透明電極層を有することを特徴とする請求項1からのいずれか1項記載の放射線撮像装置。 Furthermore, radiation imaging apparatus according to any one of claims 1-5, characterized in that it comprises a transparent electrode layer on the radiation incident side of the photoelectric conversion element. 請求項1からのいずれか1項記載の放射線撮像装置を含むことを特徴とする放射線検出システム。The radiation detection system comprising a radiation imaging apparatus according to any one of claims 1 6.
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