JP4217444B2 - 放射線検出装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置等に好適な放射線検出装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、代表的な放射線検出装置として、ＭＩＳ型光電変換素子及びスイッチＴＦＴから構成されたＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサと、放射線を可視光線に変換するための蛍光体とを組み合わせたものがある。なお、本明細書では、α線、β線、γ線等の他に、可視光線、Ｘ線等の電磁波も、放射線に含まれるものとする。
【０００３】
図９は、従来の放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図１０は、図９に示す従来の放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。図９及び図１０には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、実際には例えば２０００×２０００画素が絶縁基板に配置されている。
【０００４】
放射線検出装置の一例としては、画素毎に、１個の光電変換素子（半導体変換素子）と１個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とが設けられている構成が考えられる。具体的には、図９及び図１０中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｍｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられている（ａ、ｂ＝１、２、３、４）。
【０００５】
また、第ｂ列に配置された４個の光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個のＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個のＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【０００６】
また、放射線検出装置の照射面にはＸ線を可視光線に変換する蛍光体層が設けられている。
【０００７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層で可視光線に変換される。そして、この可視光線が光電変換素子に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じてＴＦＴを介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。その後、共通のバイアス線から光電変換素子で発生し転送されなかった電荷が除去される。この動作は、リフレッシュとよばれる。
【０００８】
図１１は、従来のＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサの１画素の層構成を示す１画素分の断面図である。図１１には、ＭＩＳ型光電変換素子及びスイッチＴＦＴが互いに並行して形成された光センサの例を示している。
【０００９】
絶縁基板１１１上に、ＭＩＳ型光電変換素子１０１及びスイッチＴＦＴ１０２が形成されている。ＭＩＳ型光電変換素子１０１には、下部電極１１７、絶縁体層１１８、半導体層１１９、ｎ+半導体層１２０及び上部電極１２２が設けられている。スイッチＴＦＴ１０２には、ゲート電極１１２、ゲート絶縁体層１１３、半導体層１１４、オーミックコンタクト層１１５及び２個のソース・ドレイン電極１１６が設けられている。
【００１０】
下部電極１１７及びゲート電極１１２は、同一の電極層から形成されている。絶縁体層１１８及びゲート絶縁体層１１３は、同一の絶縁体層から形成されている。半導体層１１９及び半導体層１１４は、同一の半導体層から形成されている。上部電極１２２及びソース・ドレイン電極１１６は、同一の電極層から形成されている。
【００１１】
ＭＩＳ型光電変換素子１０１の下部電極１１７は、スイッチＴＦＴ１０２の一方のソース・ドレイン電極１１６に接続されている。上部電極１２２はバイアス線に接続され、他方のソース・ドレイン電極は信号線に接続され、ゲート電極１１２はゲート線に接続されている。更に、各素子の上には、絶縁体層（保護層）１２５、有機保護層１２６、接着層１２７及び蛍光体層１２８が形成されている。
【００１２】
次に、放射線検出装置において、Ｘ線源から照射されるＸ線の露出を自動的に制御するＸ線自動露出制御装置（ＡＥＣ）について説明する。
【００１３】
一般に、２次元に配設されたセンサを有する放射線検出装置においては、被検体毎に又は撮影毎に入射するＸ線量を調整（ＡＥＣ制御）する必要がある。このＸ線量の調整方法は、以下の２つに分類することができる。
（１）ＡＥＣ制御用センサを放射線検出装置とは別に別途設ける。
（２）放射線検出装置内の画像撮像用センサの全部又はは一部からＸ線量を高速で読み出して、この信号をＡＥＣ制御用信号とする。
【００１４】
従来、（１）の方法を採用する場合には、Ｘ線の減衰率が５％程度の薄型の複数個のＡＥＣ制御用センサを放射線検出装置の前面に、即ち放射線検出装置の蛍光体層よりも被検知体側に別途設けている。そして、これらのＡＥＣ制御用センサの出力に基づいてＸ線の曝射を停止させ、画像化に適切なＸ線量を得ている。この方法で使用されるＡＥＣ制御用センサとしては、Ｘ線をイオンチャンバで直接電荷として取り出すものや、蛍光体を介して蛍光体光をファイバーで外部に取り出し、フォトマルで電荷に変換するものがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２次元状に配設された放射線検出装置において、別途ＡＥＣ制御用センサを設け、入射する放射線量を調整（ＡＥＣ制御）する場合、このセンサの配置が問題となる。
【００１６】
つまり、一般にＡＥＣ制御に必要な情報は被写体の中央部にあるため、画像撮像用センサによる撮像に支障の無いようにＡＥＣ制御用センサを配置するためには、別途放射線の減衰が非常に小さいＡＥＣ制御用センサが必要となる。このため、装置全体のコスト上昇が引き起こされる。また、全く減衰の無いセンサは存在しないため、その分の撮像画像の画質低下は避けられない。
【００１７】
また、放射線検出装置内の画像撮像用センサをＡＥＣ制御用センサと兼用する方法は、画素数の比較的少ないセンサでは、特段の問題は生じないが、例えば画素数が２０００×２０００画素のようなセンサでは、高速駆動用回路が必要となり、装置全体のコストの上昇が引き起こされる。更に、高速で駆動する必要があるために、画像撮像用センサにおいて、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することが困難である。この結果、撮像画像の画質低下を引き起こすという問題が生じる。
【００１８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、検出前での放射線の減衰を抑制しながら、高速駆動を必要とせずに入射する放射線量を自動調整することができる放射線検出装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線検出装置は、基板上に複数の画素を備えてなる放射線検出装置であって、前記複数の画素は、放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含み、前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備え、前記第１及び第２の半導体変換素子は、互いに前記スイッチ素子よりも上方に配設された同一の層から形成された半導体層を有し、前記第２の画素における前記第１の半導体変換素子は、前記第１の画素における前記第１の半導体変換素子より減少された開口率を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る放射線検出装置の製造方法は、放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含む複数の画素を基板上に備えてなり、前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備えた放射線検出装置の製造方法であって、前記基板上に前記スイッチ素子を形成する工程と、前記スイッチ素子上に準備された同一の層から、前記第１の半導体変換素子の半導体層及び前記第２の半導体変換素子の半導体層を同時に形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２３】
これらの本発明においては、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことが可能である。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰は生じない。また、第１の半導体変換素子を自動制御用に使用する必要がないため、これらを高速駆動する必要もない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る放射線検出装置及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図２は、第１の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図であり、図３は、第１の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。図１及び図２には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではなく、例えば２０００×２０００画素が設けられていてもよい。
【００２６】
本実施形態においては、画素毎に、ＭＩＳ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（スイッチ素子）との組み合わせ、又はＭＩＳ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）とＡＥＣ制御用のＴＦＴ型センサ（第２の半導体変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図１及び図２中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｍｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられており（ａ、ｂ＝１、２、３、４）、第ａ行、第３列の画素には、更に、１個のＴＦＴ型センサＭＡ３ａが設けられている。
【００２７】
また、第ｂ列に配置された４個のＭＩＳ型光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個の読出用ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個の読出用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【００２８】
ここで、図３を参照して、ＴＦＴ型センサが設けられた画素の層構成について説明する。この画素には、チャネルエッチ型の読出用ＴＦＴ１、ＭＩＳ型光電変換素子２及びＴＦＴ型センサ３が設けられている。
【００２９】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ１のゲート電極１２、及びこのゲート電極１２を覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ１のゲート絶縁膜として機能する。
【００３０】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ１の半導体層（チャネル層）１４が形成されている。半導体層１４上には、オーミックコンタクト層１５が形成され、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。一方のソース・ドレイン電極１６は、オーミックコンタクト層１５上から第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されている。このソース・ドレイン電極１６は、ＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極としても機能する。第１の絶縁体層１３上には、更に、ＴＦＴ型センサ３のゲート電極１７が形成されている。そして、ゲート電極１７及びソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。第２の絶縁体層１８は、ＴＦＴ型センサ３のゲート絶縁膜として機能する。
【００３１】
第２の絶縁体層１８上には、半導体層１９及びｎ+半導体層２０が、平面視でＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極としても機能するソース・ドレイン電極１６と整合するようにして形成され、ＴＦＴ型センサ３の半導体層（チャネル層）２１が形成されている。半導体層１９及び２１は、後述のように、互いに同一の層から形成されている。ｎ+半導体層２０上には、ＭＩＳ型光電変換素子２の上部電極２２が形成されている。ｎ+半導体層２０は、上部電極として機能する。半導体層２１上には、オーミックコンタクト層（ｎ+半導体層）２３が形成され、オーミックコンタクト層２３上にソース・ドレイン電極２４が形成されている。そして、上部電極２２及びソース・ドレイン電極２３等を覆う第３の絶縁体層２５が形成されている。
【００３２】
第３の絶縁体層２５上には、有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８が順次形成されている。
【００３３】
ここで、読出用ＴＦＴ１としては転送速度が速いものを使用することが望ましい。従って、半導体層１４は薄膜とする。一方、ＭＩＳ型光電変換素子２及びＴＦＴ型センサ３については、入射光を十分に吸収できることが望ましい。従って、半導体層１９及び２１は半導体層１４より厚いことが望ましい。また、読出用ＴＦＴ１として、ポリシリコンからなるものを用いることによりさらに速度を向上させてもよい。
【００３４】
ＴＦＴ型センサ３が設けられていない画素の層構成は、図３に示すものから、ゲート電極１７、半導体層２１、オーミックコンタクト層２３及びソース・ドレイン電極２４が除かれたものとなっている。
【００３５】
ＭＩＳ型光電変換素子２の上部電極２２はバイアス線に接続されている。ソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極と兼用されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、ＴＦＴ型センサ３については、ゲート電極１７及びソース・ドレイン電極２４は、いずれも読み出し装置に接続されている。
【００３６】
次に、上述のように構成された第１の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００３７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層２８で可視光線に変換される。そして、この可視光線がＭＩＳ型光電変換素子２に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ１を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。その後、共通のバイアス線からＭＩＳ型光電変換素子２で発生し転送されなかった電荷が除去される。
【００３８】
この一方で、ＴＦＴ型センサ３に対しては、例えば半導体層２１空乏化させる一定バイアスをソース・ドレイン電極２４間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射光に応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００３９】
このような第１の実施形態によれば、絶縁基板上にＡＥＣ制御用のセンサを画像撮像用のセンサとは別に設けているため、画像撮像用のセンサ（ＭＩＳ型光電変換素子２）を高速に駆動しなくても、十分にＸ線の総照射量を検出することができる。また、ＭＩＳ型光電変換素子２を高速で駆動する必要がないため、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することが可能である。従って、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【００４０】
また、ＭＩＳ型光電変換素子２にＸ線が入射するまでの間に、ＡＥＣ制御用のセンサによりＸ線が減衰を受けることはない。従って、良好な画質を得ることができる。
【００４１】
なお、ＴＦＴ型センサ３は必要な場所に選択的に配置することができる。つまり、図１に示すように、画素の１列内に全てのＴＦＴ型センサ３が収められている必要はない。ＴＦＴ型センサ３が存在する画素においては、ＭＩＳ型光電変換素子２の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００４２】
次に、第１の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００４３】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００４４】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６及びゲート電極１７を形成する。次に、全面に第２の絶縁体層１８を形成する。
【００４５】
次いで、全面に第２の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１９及び２１を同時に形成する。その後、半導体層１９上にｎ+半導体層２０を、半導体層２１上にオーミックコンタクト層２３を形成する。次に、全面に第３の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、上部電極２２及びソース・ドレイン電極２４を形成する。次いで、全面に第３の絶縁体層２５を形成する。
【００４６】
その後、全面に有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８を順次形成する。また、本発明においてｎ+半導体層２０又はオーミックコンタクト層２３と、第３の絶縁体層２５との間に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等からなる透明電極層を形成することによって、ｎ+半導体層２０の膜厚を薄くすることが可能となり、これによって入射光量自体を増大させることができる。また、ＴＦＴ型センサ３においても、ソース・ドレイン電極２４に透明電極層を使用すれば、入射光量を増大させることができるため、ＴＦＴ型センサの感度が向上する。
【００４７】
このようにして、第１の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図５は、第２の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図であり、図６は、第２の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。図４及び図５には、第１の実施形態と同様、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではなく、例えば２０００×２０００画素が設けられていてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、画素毎に、ＰＩＮ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）との組み合わせ、又はＰＩＮ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）とＡＥＣ制御用のＰＩＮ型センサ（第２の半導体変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図４及び図５中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｐｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられており（ａ、ｂ＝１、２、３、４）、第ａ行、第３列の画素には、更に、１個のＰＩＮ型センサＰＡ３ａが設けられている。
【００５０】
また、第ｂ列に配置された４個のＰＩＮ型光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個の読出用ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個の読出用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【００５１】
ここで、図６を参照して、ＰＩＮ型センサが設けられた画素の層構成について説明する。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６が設けられている。
【００５２】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ４のゲート電極１２、及びこのゲート電極１２を覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ４のゲート絶縁膜として機能する。
【００５３】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ４の半導体層（チャネル層）１４が形成されている。半導体層１４上には、第４の絶縁体層３１が形成され、更に、この第４の絶縁体層３１を間に挟むようにしてオーミックコンタクト層１５が形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５は、第４の絶縁体層３１及び半導体層１４上から第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されている。そして、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。更に、ソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。
【００５４】
第２の絶縁体層１８には、第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されたソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールが形成されている。そして、このコンタクトホールを介してソース・ドレイン電極１６に接続されたＰＩＮ型光電変換素子５の下部電極３２が第２の絶縁体層１８上に形成されている。下部電極３２上には、ｎ型半導体層３３、真性半導体層３４及びｐ型半導体層３５が順次形成されている。更に、ｐ型半導体層３５上には、ＰＩＮ型光電変換素子５の上部電極３６が形成されている。
【００５５】
第２の絶縁体層１８上には、更に、ＰＩＮ型センサ６の下部電極３７が形成されている。下部電極３７上には、ｎ型半導体層３８、真性半導体層３９及びｐ型半導体層４０が順次形成されている。後述のように、ｎ型半導体層３３及び３８は互いに同一の層から形成され、真性半導体層３４及び３９は互いに同一の層から形成され、ｐ型半導体層３５及び４０は互いに同一の層から形成されている。ｐ型半導体層４０上には、ＰＩＮ型センサ６の上部電極４１が形成されている。そして、上部電極３６及び４１等を覆う第３の絶縁体層２５が形成されている。
【００５６】
第３の絶縁体層２５上には、第１の実施形態と同様に、有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８が順次形成されている。
【００５７】
ここで、読出用ＴＦＴ４としては転送速度が速いものを使用することが望ましい。従って、半導体層１４は薄膜とする。一方、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６については、入射光を十分に吸収できることが望ましい。従って、真性半導体層３４及び３９は半導体層１４より厚いことが望ましい。また、ポリシリコンからなるＴＦＴを用いることも可能である。
【００５８】
ＰＩＮ型センサ６が設けられていない画素の層構成は、図６に示すものから、下部電極３７、ｎ型半導体層３８、真性半導体層３９、ｐ型半導体層４０及び上部電極４１が除かれたものとなっている。
【００５９】
ＰＩＮ型光電変換素子５の上部電極３６はバイアス線に接続されている。ソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極３２に接続されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、ＰＩＮ型センサ６については、下部電極３７及び上部電極４１は、いずれも読み出し装置に接続されている。
【００６０】
次に、上述のように構成された第２の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００６１】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層２８で可視光線に変換される。そして、この可視光線がＰＩＮ型光電変換素子５に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００６２】
この一方で、ＰＩＮ型センサ６に対しては、例えば一定バイアスを下部電極３７と上部電極４１との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射光に応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００６３】
このような第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２の実施形態においては、ＰＩＮ型光電変換素子５の下部電極３２が、第１の実施形態におけるＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極（一方のソース・ドレイン電極１６）よりも広くなるので、より高い効率で放射線を検出することができる。
【００６４】
なお、ＰＩＮ型センサ６は必要な場所に選択的に配置することができる。つまり、図４に示すように、画素の１列内に全てのＰＩＮ型センサ６が収められている必要はない。ＰＩＮ型センサ６が存在する画素においては、ＰＩＮ型光電変換素子５の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００６５】
次に、第２の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００６６】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００６７】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。次に、半導体層１４の中央に、第４の絶縁体層３１を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６を形成する。次に、全面に第２の絶縁体層１８を形成し、この第２の絶縁体層１８に、ソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールを形成する。
【００６８】
次いで、コンタクトホールを埋め込むようにして第４の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、下部電極３２及び３７を同時に形成する。その後、全面に第３乃至第５の半導体層を形成し、これらをパターニングすることにより、ｎ型半導体層３３及び３８を同時に形成し、真性半導体層３４及び４９を同時に形成し、ｐ型半導体層３５及び４０を同時に形成する。続いて、全面に第５の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、上部電極３６及び４１を形成する。次いで、全面に第３の絶縁体層２５を形成する。
【００６９】
その後、全面に有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８を順次形成する。
【００７０】
このようにして、第２の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００７１】
なお、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６を形成せずに、下部電極３３上に絶縁膜を形成して、その上にＭＩＳ型光電変換素子及びＴＦＴ型センサを形成してもよい。
【００７２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、画素毎に、光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）との組み合わせ、又は光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）とＡＥＣ制御用の光伝導センサ（第２の光伝導素子）との組み合わせが設けられている。
【００７３】
ここで、図７を参照して、光伝導センサが設けられた画素の層構成について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８及び画像撮像用コンデンサ９が設けられている。読出用ＴＦＴ４の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００７４】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ４のゲート電極１２及び画像撮像用コンデンサ９の下部電極４２、並びにこれらを覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ４のゲート絶縁膜として機能する。
【００７５】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ４の半導体層（チャネル層）１４が、平面視でゲート電極１２と整合するようにして形成されている。半導体層１４上には、第４の絶縁体層３１が形成され、更に、この第４の絶縁体層３１を間に挟むようにしてオーミックコンタクト層１５が形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５は、第４の絶縁体層３１及び半導体層１４上から第１の絶縁体層１３上で、平面視で下部電極４２と整合して拡がるようにして形成されている。そして、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。更に、ソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。第２の絶縁体層１８は、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）から形成されている。
【００７６】
第２の絶縁体層１８には、第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されたソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールが形成されている。そして、このコンタクトホールを介してソース・ドレイン電極１６に接続された光伝導素子７の下部電極（電荷収集用電極）４３が第２の絶縁体層１８上に形成されている。第２の絶縁体層１８上には、更に、光伝導センサ８の下部電極（電荷収集用電極）４４が形成されている。そして、下部電極４３及び４４を覆うアモルファスセレン層４５が形成されている。アモルファスセレン層４５は、光伝導素子７及び光伝導センサ８により共有されている。
【００７７】
更に、アモルファスセレン層４５上に、光伝導素子７及び光伝導センサ８が共有する上部電極（共通電極）４６、第５の絶縁体層４７及び有機保護層４８が順次形成されている。下部電極４４及び上部電極４６は、例えばｐ型半導体又はｎ型半導体から形成されていてもよい。
【００７８】
光伝導センサ８が設けられていない画素の層構成は、図７に示すものから、下部電極４４が除かれたものとなっている。
【００７９】
上部電極４６は、各画素間で共有されており、バイアス線に接続されている。２個のソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極４３に接続されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、光伝導センサ８については、下部電極４４は読み出し装置に接続されている。
【００８０】
次に、上述のように構成された第３の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００８１】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、アモルファスセレン層４５に入射される。アモルファスセレン層４５では、内部光電効果（光伝導効果）により、入射したＸ線のエネルギに応じた量のプラス電荷及びマイナス電荷が発生する。本実施形態においては、予め上部電極４６と下部電極４３との間に数キロボルトの電圧を印加しておく。このように電圧が印加された状態で、上述のように、アモルファスセレン層４５内に光伝導効果により電荷が発生すると、これらの電荷は電場に沿って移動するため、光電流が発生する。そして、この光電流の発生によって、画像撮像用コンデンサ９に電荷が蓄電される。この電荷は、その後、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００８２】
この一方で、光伝導センサ８に対しては、例えば一定バイアスを上部電極４６と下部電極４４との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射したＸ線のエネルギに応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００８３】
このような第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８４】
なお、光伝導センサ８は必要な場所に選択的に配置することができる。光伝導センサ８が存在する画素においては、光伝導素子７の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００８５】
また、本実施形態において、オーミックコンタクト層１５や有機保護層４８は形成されていなくてもよい。
【００８６】
次に、第３の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００８７】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２及び下部電極４２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００８８】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。次に、半導体層１４の中央に、第４の絶縁体層３１を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６を形成する。次に、全面に、例えばＢＣＢからなる第２の絶縁体層１８を形成し、この第２の絶縁体層１８に、ソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールを形成する。第２の絶縁体層１８は、平坦化しておく。
【００８９】
次いで、コンタクトホールを埋め込むようにして第６の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、下部電極４３及び４４を形成する。その後、全面にアモルファスセレン層４５を形成する。続いて、全面に第７の電極層として上部電極４６を形成する。
【００９０】
次に、全面に第５の絶縁体層４７及び有機保護層４８を順次形成する。
【００９１】
このようにして、第３の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００９２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、画素毎に、光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）との組み合わせ、又は光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）と光伝導センサ（第２の光伝導素子）とＡＥＣ制御用コンデンサとの組み合わせが設けられている。
【００９３】
ここで、図８を参照して、光伝導センサが設けられた画素の層構成について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８、画像撮像用コンデンサ９及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０が設けられている。読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８及び画像撮像用コンデンサ９の構成は、第３の実施形態と同様であるため、これらについての説明は省略する。
【００９４】
ＡＥＣ制御用コンデンサ１０には、絶縁基板１１上に形成された下部電極４９、並びに第１の絶縁体層１３上に順次形成された導電層５０及び上部電極５１が設けられている。また、第２の絶縁体層１８には、上部電極５１まで到達するコンタクトホールが形成されており、このコンタクトホールを介して下部電極４４が上部電極５１に接続されている。
【００９５】
ここで、本実施形態においては、第３の実施形態とは異なり、光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０に関し、下部電極４４の代わりに上部電極５１又は導電層５０が読み出し装置に接続されている。
【００９６】
次に、上述のように構成された第４の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００９７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、アモルファスセレン層４５に入射される。アモルファスセレン層４５では、内部光電効果（光伝導効果）により、入射したＸ線のエネルギに応じた量のプラス電荷及びマイナス電荷が発生する。本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、予め上部電極４６と下部電極４３との間に数キロボルトの電圧を印加しておく。このように電圧が印加された状態で、上述のように、アモルファスセレン層４５内に光伝導効果により電荷が発生すると、これらの電荷は電場に沿って移動するため、光電流が発生する。そして、この光電流の発生によって、画像撮像用コンデンサ９に電荷が蓄電される。この電荷は、その後、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００９８】
この一方で、光伝導センサ８に対しては、例えば一定バイアスを上部電極４６と下部電極４４との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射したＸ線のエネルギに応じた電荷が、ＡＥＣ制御用コンデンサ１０を介して常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００９９】
このような第４の実施形態においても、第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１００】
なお、光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０は必要な場所に選択的に配置することができる。光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０が存在する画素においては、光伝導素子７の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【０１０１】
また、本実施形態において、オーミックコンタクト層１５及び導電層５０や有機保護層４８は形成されていなくてもよい。
【０１０２】
次に、第４の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。下部電極４９は、第１の電極層をパターニングすることにより、ゲート電極１２及び下部電極４２と同時に形成することができる。導電層５０は、オーミックコンタクト層１５と同時に形成することができる。上部電極５１は、第２の電極層をパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６と同時に形成することができる。上部電極５１まで到達するコンタクトホールは、一方のソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールと同時に形成することができる。他の構成要素は、第３の実施形態と同様にして形成する。
【０１０３】
このようにして、第４の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【０１０４】
なお、第３及び第４の実施形態において、アモルファスセレン層４５の代わりにガリウム砒素層等の他の光電動効果を示す層が形成されていてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことができる。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰を防止することができる。また、第１の半導体変換素子をＡＥＣ制御のために使用する必要はないため、これらを高速駆動する必要がない。従って、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することができる。このため、本発明によれば、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図９】従来の放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図１０】図９に示す従来の放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図１１】従来のＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサの１画素の層構成を示す１画素分の断面図である。
【符号の説明】
１、４；読出用薄膜トランジスタ（スイッチ素子）
２；ＭＩＳ型光電変換素子（第１の光電変換素子）
３；ＴＦＴ型センサ（第２の光電変換素子）
５；ＰＩＮ型光電変換素子（第１の光電変換素子）
６；ＰＩＮ型センサ（第２の光電変換素子）
７；光伝導素子（第１の光伝導素子）
８；光伝導センサ（第２の光伝導素子）
９；画像撮像用コンデンサ
１０；ＡＥＣ制御用コンデンサ
Ｍ１１〜Ｍ１４、Ｍ２１〜Ｍ２４、Ｍ３１〜Ｍ３４、Ｍ４１〜Ｍ４４；ＭＩＳ型光電変換素子
Ｐ１１〜Ｐ１４、Ｐ２１〜Ｐ２４、Ｐ３１〜Ｐ３４、Ｐ４１〜Ｐ４４；ＰＩＮ型光電変換素子
ＭＡ３１〜ＭＡ３４；ＴＦＴ型センサ
ＰＡ３１〜ＰＡ３４；ＰＩＮ型センサ
Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１〜Ｔ３４、Ｔ４１〜Ｔ４４；読出用ＴＦＴ
Ｖｓ１〜Ｖｓ４；バイアス線
Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４；信号線
Ｖｇ１〜Ｖｇ４；ゲート線
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置等に好適な放射線検出装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、代表的な放射線検出装置として、ＭＩＳ型光電変換素子及びスイッチＴＦＴから構成されたＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサと、放射線を可視光線に変換するための蛍光体とを組み合わせたものがある。なお、本明細書では、α線、β線、γ線等の他に、可視光線、Ｘ線等の電磁波も、放射線に含まれるものとする。
【０００３】
図９は、従来の放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図１０は、図９に示す従来の放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。図９及び図１０には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、実際には例えば２０００×２０００画素が絶縁基板に配置されている。
【０００４】
放射線検出装置の一例としては、画素毎に、１個の光電変換素子（半導体変換素子）と１個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とが設けられている構成が考えられる。具体的には、図９及び図１０中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｍｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられている（ａ、ｂ＝１、２、３、４）。
【０００５】
また、第ｂ列に配置された４個の光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個のＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個のＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【０００６】
また、放射線検出装置の照射面にはＸ線を可視光線に変換する蛍光体層が設けられている。
【０００７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層で可視光線に変換される。そして、この可視光線が光電変換素子に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じてＴＦＴを介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。その後、共通のバイアス線から光電変換素子で発生し転送されなかった電荷が除去される。この動作は、リフレッシュとよばれる。
【０００８】
図１１は、従来のＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサの１画素の層構成を示す１画素分の断面図である。図１１には、ＭＩＳ型光電変換素子及びスイッチＴＦＴが互いに並行して形成された光センサの例を示している。
【０００９】
絶縁基板１１１上に、ＭＩＳ型光電変換素子１０１及びスイッチＴＦＴ１０２が形成されている。ＭＩＳ型光電変換素子１０１には、下部電極１１７、絶縁体層１１８、半導体層１１９、ｎ+半導体層１２０及び上部電極１２２が設けられている。スイッチＴＦＴ１０２には、ゲート電極１１２、ゲート絶縁体層１１３、半導体層１１４、オーミックコンタクト層１１５及び２個のソース・ドレイン電極１１６が設けられている。
【００１０】
下部電極１１７及びゲート電極１１２は、同一の電極層から形成されている。絶縁体層１１８及びゲート絶縁体層１１３は、同一の絶縁体層から形成されている。半導体層１１９及び半導体層１１４は、同一の半導体層から形成されている。上部電極１２２及びソース・ドレイン電極１１６は、同一の電極層から形成されている。
【００１１】
ＭＩＳ型光電変換素子１０１の下部電極１１７は、スイッチＴＦＴ１０２の一方のソース・ドレイン電極１１６に接続されている。上部電極１２２はバイアス線に接続され、他方のソース・ドレイン電極は信号線に接続され、ゲート電極１１２はゲート線に接続されている。更に、各素子の上には、絶縁体層（保護層）１２５、有機保護層１２６、接着層１２７及び蛍光体層１２８が形成されている。
【００１２】
次に、放射線検出装置において、Ｘ線源から照射されるＸ線の露出を自動的に制御するＸ線自動露出制御装置（ＡＥＣ）について説明する。
【００１３】
一般に、２次元に配設されたセンサを有する放射線検出装置においては、被検体毎に又は撮影毎に入射するＸ線量を調整（ＡＥＣ制御）する必要がある。このＸ線量の調整方法は、以下の２つに分類することができる。
（１）ＡＥＣ制御用センサを放射線検出装置とは別に別途設ける。
（２）放射線検出装置内の画像撮像用センサの全部又はは一部からＸ線量を高速で読み出して、この信号をＡＥＣ制御用信号とする。
【００１４】
従来、（１）の方法を採用する場合には、Ｘ線の減衰率が５％程度の薄型の複数個のＡＥＣ制御用センサを放射線検出装置の前面に、即ち放射線検出装置の蛍光体層よりも被検知体側に別途設けている。そして、これらのＡＥＣ制御用センサの出力に基づいてＸ線の曝射を停止させ、画像化に適切なＸ線量を得ている。この方法で使用されるＡＥＣ制御用センサとしては、Ｘ線をイオンチャンバで直接電荷として取り出すものや、蛍光体を介して蛍光体光をファイバーで外部に取り出し、フォトマルで電荷に変換するものがある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、２次元状に配設された放射線検出装置において、別途ＡＥＣ制御用センサを設け、入射する放射線量を調整（ＡＥＣ制御）する場合、このセンサの配置が問題となる。
【００１６】
つまり、一般にＡＥＣ制御に必要な情報は被写体の中央部にあるため、画像撮像用センサによる撮像に支障の無いようにＡＥＣ制御用センサを配置するためには、別途放射線の減衰が非常に小さいＡＥＣ制御用センサが必要となる。このため、装置全体のコスト上昇が引き起こされる。また、全く減衰の無いセンサは存在しないため、その分の撮像画像の画質低下は避けられない。
【００１７】
また、放射線検出装置内の画像撮像用センサをＡＥＣ制御用センサと兼用する方法は、画素数の比較的少ないセンサでは、特段の問題は生じないが、例えば画素数が２０００×２０００画素のようなセンサでは、高速駆動用回路が必要となり、装置全体のコストの上昇が引き起こされる。更に、高速で駆動する必要があるために、画像撮像用センサにおいて、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することが困難である。この結果、撮像画像の画質低下を引き起こすという問題が生じる。
【００１８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、検出前での放射線の減衰を抑制しながら、高速駆動を必要とせずに入射する放射線量を自動調整することができる放射線検出装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線検出装置は、基板上に複数の画素を備えてなる放射線検出装置であって、前記複数の画素は、放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含み、前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備え、前記第１及び第２の半導体変換素子は、互いに前記スイッチ素子よりも上方に配設された同一の層から形成された半導体層を有し、前記第２の画素における前記第１の半導体変換素子は、前記第１の画素における前記第１の半導体変換素子より減少された開口率を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る放射線検出装置の製造方法は、放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含む複数の画素を基板上に備えてなり、前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備えた放射線検出装置の製造方法であって、前記基板上に前記スイッチ素子を形成する工程と、前記スイッチ素子上に準備された同一の層から、前記第１の半導体変換素子の半導体層及び前記第２の半導体変換素子の半導体層を同時に形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００２３】
これらの本発明においては、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことが可能である。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰は生じない。また、第１の半導体変換素子を自動制御用に使用する必要がないため、これらを高速駆動する必要もない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る放射線検出装置及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図２は、第１の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図であり、図３は、第１の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。図１及び図２には、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではなく、例えば２０００×２０００画素が設けられていてもよい。
【００２６】
本実施形態においては、画素毎に、ＭＩＳ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（スイッチ素子）との組み合わせ、又はＭＩＳ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）とＡＥＣ制御用のＴＦＴ型センサ（第２の半導体変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図１及び図２中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｍｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられており（ａ、ｂ＝１、２、３、４）、第ａ行、第３列の画素には、更に、１個のＴＦＴ型センサＭＡ３ａが設けられている。
【００２７】
また、第ｂ列に配置された４個のＭＩＳ型光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個の読出用ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個の読出用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【００２８】
ここで、図３を参照して、ＴＦＴ型センサが設けられた画素の層構成について説明する。この画素には、チャネルエッチ型の読出用ＴＦＴ１、ＭＩＳ型光電変換素子２及びＴＦＴ型センサ３が設けられている。
【００２９】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ１のゲート電極１２、及びこのゲート電極１２を覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ１のゲート絶縁膜として機能する。
【００３０】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ１の半導体層（チャネル層）１４が形成されている。半導体層１４上には、オーミックコンタクト層１５が形成され、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。一方のソース・ドレイン電極１６は、オーミックコンタクト層１５上から第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されている。このソース・ドレイン電極１６は、ＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極としても機能する。第１の絶縁体層１３上には、更に、ＴＦＴ型センサ３のゲート電極１７が形成されている。そして、ゲート電極１７及びソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。第２の絶縁体層１８は、ＴＦＴ型センサ３のゲート絶縁膜として機能する。
【００３１】
第２の絶縁体層１８上には、半導体層１９及びｎ+半導体層２０が、平面視でＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極としても機能するソース・ドレイン電極１６と整合するようにして形成され、ＴＦＴ型センサ３の半導体層（チャネル層）２１が形成されている。半導体層１９及び２１は、後述のように、互いに同一の層から形成されている。ｎ+半導体層２０上には、ＭＩＳ型光電変換素子２の上部電極２２が形成されている。ｎ+半導体層２０は、上部電極として機能する。半導体層２１上には、オーミックコンタクト層（ｎ+半導体層）２３が形成され、オーミックコンタクト層２３上にソース・ドレイン電極２４が形成されている。そして、上部電極２２及びソース・ドレイン電極２３等を覆う第３の絶縁体層２５が形成されている。
【００３２】
第３の絶縁体層２５上には、有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８が順次形成されている。
【００３３】
ここで、読出用ＴＦＴ１としては転送速度が速いものを使用することが望ましい。従って、半導体層１４は薄膜とする。一方、ＭＩＳ型光電変換素子２及びＴＦＴ型センサ３については、入射光を十分に吸収できることが望ましい。従って、半導体層１９及び２１は半導体層１４より厚いことが望ましい。また、読出用ＴＦＴ１として、ポリシリコンからなるものを用いることによりさらに速度を向上させてもよい。
【００３４】
ＴＦＴ型センサ３が設けられていない画素の層構成は、図３に示すものから、ゲート電極１７、半導体層２１、オーミックコンタクト層２３及びソース・ドレイン電極２４が除かれたものとなっている。
【００３５】
ＭＩＳ型光電変換素子２の上部電極２２はバイアス線に接続されている。ソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極と兼用されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、ＴＦＴ型センサ３については、ゲート電極１７及びソース・ドレイン電極２４は、いずれも読み出し装置に接続されている。
【００３６】
次に、上述のように構成された第１の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００３７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層２８で可視光線に変換される。そして、この可視光線がＭＩＳ型光電変換素子２に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ１を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。その後、共通のバイアス線からＭＩＳ型光電変換素子２で発生し転送されなかった電荷が除去される。
【００３８】
この一方で、ＴＦＴ型センサ３に対しては、例えば半導体層２１空乏化させる一定バイアスをソース・ドレイン電極２４間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射光に応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００３９】
このような第１の実施形態によれば、絶縁基板上にＡＥＣ制御用のセンサを画像撮像用のセンサとは別に設けているため、画像撮像用のセンサ（ＭＩＳ型光電変換素子２）を高速に駆動しなくても、十分にＸ線の総照射量を検出することができる。また、ＭＩＳ型光電変換素子２を高速で駆動する必要がないため、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することが可能である。従って、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【００４０】
また、ＭＩＳ型光電変換素子２にＸ線が入射するまでの間に、ＡＥＣ制御用のセンサによりＸ線が減衰を受けることはない。従って、良好な画質を得ることができる。
【００４１】
なお、ＴＦＴ型センサ３は必要な場所に選択的に配置することができる。つまり、図１に示すように、画素の１列内に全てのＴＦＴ型センサ３が収められている必要はない。ＴＦＴ型センサ３が存在する画素においては、ＭＩＳ型光電変換素子２の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００４２】
次に、第１の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００４３】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００４４】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６及びゲート電極１７を形成する。次に、全面に第２の絶縁体層１８を形成する。
【００４５】
次いで、全面に第２の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１９及び２１を同時に形成する。その後、半導体層１９上にｎ+半導体層２０を、半導体層２１上にオーミックコンタクト層２３を形成する。次に、全面に第３の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、上部電極２２及びソース・ドレイン電極２４を形成する。次いで、全面に第３の絶縁体層２５を形成する。
【００４６】
その後、全面に有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８を順次形成する。また、本発明においてｎ+半導体層２０又はオーミックコンタクト層２３と、第３の絶縁体層２５との間に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等からなる透明電極層を形成することによって、ｎ+半導体層２０の膜厚を薄くすることが可能となり、これによって入射光量自体を増大させることができる。また、ＴＦＴ型センサ３においても、ソース・ドレイン電極２４に透明電極層を使用すれば、入射光量を増大させることができるため、ＴＦＴ型センサの感度が向上する。
【００４７】
このようにして、第１の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図であり、図５は、第２の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図であり、図６は、第２の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。図４及び図５には、第１の実施形態と同様、画素エリアに４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、その数はこれに限定されるものではなく、例えば２０００×２０００画素が設けられていてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、画素毎に、ＰＩＮ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）との組み合わせ、又はＰＩＮ型光電変換素子（第１の半導体変換素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）とＡＥＣ制御用のＰＩＮ型センサ（第２の半導体変換素子）との組み合わせが設けられている。具体的には、図４及び図５中の上から第ａ行、第ｂ列の画素には、１個の光電変換素子Ｐｂａと１個の薄膜トランジスタＴｂａとが設けられており（ａ、ｂ＝１、２、３、４）、第ａ行、第３列の画素には、更に、１個のＰＩＮ型センサＰＡ３ａが設けられている。
【００５０】
また、第ｂ列に配置された４個のＰＩＮ型光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓｂに接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加されている。第ａ行に配置された４個の読出用ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇａに接続されており、ゲート駆動装置によりゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。更に、第ｂ列に配置された４個の読出用ＴＦＴのソース電極又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇｂに接続されている。信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置に接続されている。
【００５１】
ここで、図６を参照して、ＰＩＮ型センサが設けられた画素の層構成について説明する。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６が設けられている。
【００５２】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ４のゲート電極１２、及びこのゲート電極１２を覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ４のゲート絶縁膜として機能する。
【００５３】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ４の半導体層（チャネル層）１４が形成されている。半導体層１４上には、第４の絶縁体層３１が形成され、更に、この第４の絶縁体層３１を間に挟むようにしてオーミックコンタクト層１５が形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５は、第４の絶縁体層３１及び半導体層１４上から第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されている。そして、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。更に、ソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。
【００５４】
第２の絶縁体層１８には、第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されたソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールが形成されている。そして、このコンタクトホールを介してソース・ドレイン電極１６に接続されたＰＩＮ型光電変換素子５の下部電極３２が第２の絶縁体層１８上に形成されている。下部電極３２上には、ｎ型半導体層３３、真性半導体層３４及びｐ型半導体層３５が順次形成されている。更に、ｐ型半導体層３５上には、ＰＩＮ型光電変換素子５の上部電極３６が形成されている。
【００５５】
第２の絶縁体層１８上には、更に、ＰＩＮ型センサ６の下部電極３７が形成されている。下部電極３７上には、ｎ型半導体層３８、真性半導体層３９及びｐ型半導体層４０が順次形成されている。後述のように、ｎ型半導体層３３及び３８は互いに同一の層から形成され、真性半導体層３４及び３９は互いに同一の層から形成され、ｐ型半導体層３５及び４０は互いに同一の層から形成されている。ｐ型半導体層４０上には、ＰＩＮ型センサ６の上部電極４１が形成されている。そして、上部電極３６及び４１等を覆う第３の絶縁体層２５が形成されている。
【００５６】
第３の絶縁体層２５上には、第１の実施形態と同様に、有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８が順次形成されている。
【００５７】
ここで、読出用ＴＦＴ４としては転送速度が速いものを使用することが望ましい。従って、半導体層１４は薄膜とする。一方、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６については、入射光を十分に吸収できることが望ましい。従って、真性半導体層３４及び３９は半導体層１４より厚いことが望ましい。また、ポリシリコンからなるＴＦＴを用いることも可能である。
【００５８】
ＰＩＮ型センサ６が設けられていない画素の層構成は、図６に示すものから、下部電極３７、ｎ型半導体層３８、真性半導体層３９、ｐ型半導体層４０及び上部電極４１が除かれたものとなっている。
【００５９】
ＰＩＮ型光電変換素子５の上部電極３６はバイアス線に接続されている。ソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極３２に接続されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、ＰＩＮ型センサ６については、下部電極３７及び上部電極４１は、いずれも読み出し装置に接続されている。
【００６０】
次に、上述のように構成された第２の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００６１】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、蛍光体層２８で可視光線に変換される。そして、この可視光線がＰＩＮ型光電変換素子５に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００６２】
この一方で、ＰＩＮ型センサ６に対しては、例えば一定バイアスを下部電極３７と上部電極４１との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射光に応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００６３】
このような第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第２の実施形態においては、ＰＩＮ型光電変換素子５の下部電極３２が、第１の実施形態におけるＭＩＳ型光電変換素子２の下部電極（一方のソース・ドレイン電極１６）よりも広くなるので、より高い効率で放射線を検出することができる。
【００６４】
なお、ＰＩＮ型センサ６は必要な場所に選択的に配置することができる。つまり、図４に示すように、画素の１列内に全てのＰＩＮ型センサ６が収められている必要はない。ＰＩＮ型センサ６が存在する画素においては、ＰＩＮ型光電変換素子５の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００６５】
次に、第２の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００６６】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００６７】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。次に、半導体層１４の中央に、第４の絶縁体層３１を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６を形成する。次に、全面に第２の絶縁体層１８を形成し、この第２の絶縁体層１８に、ソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールを形成する。
【００６８】
次いで、コンタクトホールを埋め込むようにして第４の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、下部電極３２及び３７を同時に形成する。その後、全面に第３乃至第５の半導体層を形成し、これらをパターニングすることにより、ｎ型半導体層３３及び３８を同時に形成し、真性半導体層３４及び４９を同時に形成し、ｐ型半導体層３５及び４０を同時に形成する。続いて、全面に第５の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、上部電極３６及び４１を形成する。次いで、全面に第３の絶縁体層２５を形成する。
【００６９】
その後、全面に有機保護層２６、接着層２７及び蛍光体層２８を順次形成する。
【００７０】
このようにして、第２の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００７１】
なお、ＰＩＮ型光電変換素子５及びＰＩＮ型センサ６を形成せずに、下部電極３３上に絶縁膜を形成して、その上にＭＩＳ型光電変換素子及びＴＦＴ型センサを形成してもよい。
【００７２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては、画素毎に、光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）との組み合わせ、又は光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）とＡＥＣ制御用の光伝導センサ（第２の光伝導素子）との組み合わせが設けられている。
【００７３】
ここで、図７を参照して、光伝導センサが設けられた画素の層構成について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８及び画像撮像用コンデンサ９が設けられている。読出用ＴＦＴ４の構成は、第２の実施形態と同様である。
【００７４】
この画素の層構成としては、絶縁基板１１上に、読出用ＴＦＴ４のゲート電極１２及び画像撮像用コンデンサ９の下部電極４２、並びにこれらを覆う第１の絶縁体層１３が形成されている。第１の絶縁体層１３は、読出用ＴＦＴ４のゲート絶縁膜として機能する。
【００７５】
第１の絶縁体層１３上には、読出用ＴＦＴ４の半導体層（チャネル層）１４が、平面視でゲート電極１２と整合するようにして形成されている。半導体層１４上には、第４の絶縁体層３１が形成され、更に、この第４の絶縁体層３１を間に挟むようにしてオーミックコンタクト層１５が形成されている。一方のオーミックコンタクト層１５は、第４の絶縁体層３１及び半導体層１４上から第１の絶縁体層１３上で、平面視で下部電極４２と整合して拡がるようにして形成されている。そして、オーミックコンタクト層１５上にソース・ドレイン電極１６が形成されている。更に、ソース・ドレイン電極１６等を覆う第２の絶縁体層１８が形成されている。第２の絶縁体層１８は、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）から形成されている。
【００７６】
第２の絶縁体層１８には、第１の絶縁体層１３上で拡がるようにして形成されたソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールが形成されている。そして、このコンタクトホールを介してソース・ドレイン電極１６に接続された光伝導素子７の下部電極（電荷収集用電極）４３が第２の絶縁体層１８上に形成されている。第２の絶縁体層１８上には、更に、光伝導センサ８の下部電極（電荷収集用電極）４４が形成されている。そして、下部電極４３及び４４を覆うアモルファスセレン層４５が形成されている。アモルファスセレン層４５は、光伝導素子７及び光伝導センサ８により共有されている。
【００７７】
更に、アモルファスセレン層４５上に、光伝導素子７及び光伝導センサ８が共有する上部電極（共通電極）４６、第５の絶縁体層４７及び有機保護層４８が順次形成されている。下部電極４４及び上部電極４６は、例えばｐ型半導体又はｎ型半導体から形成されていてもよい。
【００７８】
光伝導センサ８が設けられていない画素の層構成は、図７に示すものから、下部電極４４が除かれたものとなっている。
【００７９】
上部電極４６は、各画素間で共有されており、バイアス線に接続されている。２個のソース・ドレイン電極１６のうち、下部電極４３に接続されていないものは、信号線に接続されている。ゲート電極１２はゲート線に接続されている。また、光伝導センサ８については、下部電極４４は読み出し装置に接続されている。
【００８０】
次に、上述のように構成された第３の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００８１】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、アモルファスセレン層４５に入射される。アモルファスセレン層４５では、内部光電効果（光伝導効果）により、入射したＸ線のエネルギに応じた量のプラス電荷及びマイナス電荷が発生する。本実施形態においては、予め上部電極４６と下部電極４３との間に数キロボルトの電圧を印加しておく。このように電圧が印加された状態で、上述のように、アモルファスセレン層４５内に光伝導効果により電荷が発生すると、これらの電荷は電場に沿って移動するため、光電流が発生する。そして、この光電流の発生によって、画像撮像用コンデンサ９に電荷が蓄電される。この電荷は、その後、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００８２】
この一方で、光伝導センサ８に対しては、例えば一定バイアスを上部電極４６と下部電極４４との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射したＸ線のエネルギに応じた電荷が常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００８３】
このような第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８４】
なお、光伝導センサ８は必要な場所に選択的に配置することができる。光伝導センサ８が存在する画素においては、光伝導素子７の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【００８５】
また、本実施形態において、オーミックコンタクト層１５や有機保護層４８は形成されていなくてもよい。
【００８６】
次に、第３の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。
【００８７】
先ず、絶縁基板１１上に第１の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ゲート電極１２及び下部電極４２を形成する。次に、全面に第１の絶縁体層１３を形成する。
【００８８】
次いで、第１の絶縁体層１３上に第１の半導体層を形成し、これをパターニングすることにより、半導体層１４を形成する。次に、半導体層１４の中央に、第４の絶縁体層３１を形成する。その後、半導体層１４上にオーミックコンタクト層１５を形成する。続いて、全面に第２の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６を形成する。次に、全面に、例えばＢＣＢからなる第２の絶縁体層１８を形成し、この第２の絶縁体層１８に、ソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールを形成する。第２の絶縁体層１８は、平坦化しておく。
【００８９】
次いで、コンタクトホールを埋め込むようにして第６の電極層を形成し、これをパターニングすることにより、下部電極４３及び４４を形成する。その後、全面にアモルファスセレン層４５を形成する。続いて、全面に第７の電極層として上部電極４６を形成する。
【００９０】
次に、全面に第５の絶縁体層４７及び有機保護層４８を順次形成する。
【００９１】
このようにして、第３の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【００９２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態においては、画素毎に、光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）との組み合わせ、又は光伝導素子（第１の光伝導素子）と読出用ＴＦＴ（スイッチ素子）と画像撮像用コンデンサ（容量素子）と光伝導センサ（第２の光伝導素子）とＡＥＣ制御用コンデンサとの組み合わせが設けられている。
【００９３】
ここで、図８を参照して、光伝導センサが設けられた画素の層構成について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。この画素には、エッチストッパ型の読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８、画像撮像用コンデンサ９及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０が設けられている。読出用ＴＦＴ４、光伝導素子７、光伝導センサ８及び画像撮像用コンデンサ９の構成は、第３の実施形態と同様であるため、これらについての説明は省略する。
【００９４】
ＡＥＣ制御用コンデンサ１０には、絶縁基板１１上に形成された下部電極４９、並びに第１の絶縁体層１３上に順次形成された導電層５０及び上部電極５１が設けられている。また、第２の絶縁体層１８には、上部電極５１まで到達するコンタクトホールが形成されており、このコンタクトホールを介して下部電極４４が上部電極５１に接続されている。
【００９５】
ここで、本実施形態においては、第３の実施形態とは異なり、光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０に関し、下部電極４４の代わりに上部電極５１又は導電層５０が読み出し装置に接続されている。
【００９６】
次に、上述のように構成された第４の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。
【００９７】
このように構成された放射線検出装置上で、人体等の被検体に向けてＸ線が曝射されると、このＸ線は被検体により減衰を受けながら、被検体を透過し、アモルファスセレン層４５に入射される。アモルファスセレン層４５では、内部光電効果（光伝導効果）により、入射したＸ線のエネルギに応じた量のプラス電荷及びマイナス電荷が発生する。本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、予め上部電極４６と下部電極４３との間に数キロボルトの電圧を印加しておく。このように電圧が印加された状態で、上述のように、アモルファスセレン層４５内に光伝導効果により電荷が発生すると、これらの電荷は電場に沿って移動するため、光電流が発生する。そして、この光電流の発生によって、画像撮像用コンデンサ９に電荷が蓄電される。この電荷は、その後、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスに応じて読出用ＴＦＴ４を介して信号線に転送され、読み出し装置を介して外部に出力される。
【００９８】
この一方で、光伝導センサ８に対しては、例えば一定バイアスを上部電極４６と下部電極４４との間に印加しておく。このように、一定バイアスを印加しておくことにより、入射したＸ線のエネルギに応じた電荷が、ＡＥＣ制御用コンデンサ１０を介して常に出力される。従って、この出力値を増幅器（ＡＭＰ）で増幅させ、加算することにより、Ｘ線の総照射量を読み出し装置により検出することができる。そして、Ｘ線の総照射量に基づいてＸ線の曝射を制御する。
【００９９】
このような第４の実施形態においても、第１乃至第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１００】
なお、光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０は必要な場所に選択的に配置することができる。光伝導センサ８及びＡＥＣ制御用コンデンサ１０が存在する画素においては、光伝導素子７の開口率が減少してしまうが、この面積の減少分は読み出した後の画像補正により容易に補うことが可能である。
【０１０１】
また、本実施形態において、オーミックコンタクト層１５及び導電層５０や有機保護層４８は形成されていなくてもよい。
【０１０２】
次に、第４の実施形態に係る放射線検出装置を製造する方法について説明する。下部電極４９は、第１の電極層をパターニングすることにより、ゲート電極１２及び下部電極４２と同時に形成することができる。導電層５０は、オーミックコンタクト層１５と同時に形成することができる。上部電極５１は、第２の電極層をパターニングすることにより、ソース・ドレイン電極１６と同時に形成することができる。上部電極５１まで到達するコンタクトホールは、一方のソース・ドレイン電極１６まで到達するコンタクトホールと同時に形成することができる。他の構成要素は、第３の実施形態と同様にして形成する。
【０１０３】
このようにして、第４の実施形態に係る放射線検出装置を製造することができる。
【０１０４】
なお、第３及び第４の実施形態において、アモルファスセレン層４５の代わりにガリウム砒素層等の他の光電動効果を示す層が形成されていてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第２の半導体変換素子を介して検出された放射線量に基づいてＡＥＣ制御を行うことができる。このとき、第２の半導体変換素子が、第１の半導体変換素子と同一の基板上に形成されているので、第２の半導体変換素子による放射線の減衰を防止することができる。また、第１の半導体変換素子をＡＥＣ制御のために使用する必要はないため、これらを高速駆動する必要がない。従って、電荷の蓄積時間、電荷の転送時間及び容量のリセット時間等を十分に確保することができる。このため、本発明によれば、良好な画質の撮像画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る放射線検出装置の層構成を示す１画素分の断面図である。
【図９】従来の放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。
【図１０】図９に示す従来の放射線検出装置のレイアウト構成を示す平面図である。
【図１１】従来のＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサの１画素の層構成を示す１画素分の断面図である。
【符号の説明】
１、４；読出用薄膜トランジスタ（スイッチ素子）
２；ＭＩＳ型光電変換素子（第１の光電変換素子）
３；ＴＦＴ型センサ（第２の光電変換素子）
５；ＰＩＮ型光電変換素子（第１の光電変換素子）
６；ＰＩＮ型センサ（第２の光電変換素子）
７；光伝導素子（第１の光伝導素子）
８；光伝導センサ（第２の光伝導素子）
９；画像撮像用コンデンサ
１０；ＡＥＣ制御用コンデンサ
Ｍ１１〜Ｍ１４、Ｍ２１〜Ｍ２４、Ｍ３１〜Ｍ３４、Ｍ４１〜Ｍ４４；ＭＩＳ型光電変換素子
Ｐ１１〜Ｐ１４、Ｐ２１〜Ｐ２４、Ｐ３１〜Ｐ３４、Ｐ４１〜Ｐ４４；ＰＩＮ型光電変換素子
ＭＡ３１〜ＭＡ３４；ＴＦＴ型センサ
ＰＡ３１〜ＰＡ３４；ＰＩＮ型センサ
Ｔ１１〜Ｔ１４、Ｔ２１〜Ｔ２４、Ｔ３１〜Ｔ３４、Ｔ４１〜Ｔ４４；読出用ＴＦＴ
Ｖｓ１〜Ｖｓ４；バイアス線
Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４；信号線
Ｖｇ１〜Ｖｇ４；ゲート線
Claims (10)
- 基板上に複数の画素を備えてなる放射線検出装置であって、
前記複数の画素は、放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含み、
前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備え、
前記第１及び第２の半導体変換素子は、互いに前記スイッチ素子よりも上方に配設された同一の層から形成された半導体層を有し、前記第２の画素における前記第１の半導体変換素子は、前記第１の画素における前記第１の半導体変換素子より減少された開口率を有することを特徴とする放射線検出装置。 - 前記半導体層は、前記同一の層から同時に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
- 前記第１及び第２の半導体変換素子はＭＩＳ型の光電変換素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
- 前記第１の半導体変換素子はＭＩＳ型の光電変換素子であり、前記第２の半導体変換素子は電界効果トランジスタ型の光電変換素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
- 前記第１及び第２の半導体変換素子はＰＩＮ型の光電変換素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
- 前記第１及び第２の半導体変換素子よりも上方に配設され、照射された放射線の波長を変換する波長変換材を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
- 前記第１及び第２の半導体変換素子は光伝導素子であり、前記半導体層は光伝導層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
- 前記光伝導層は、アモルファスセレン層又はガリウム砒素層からなることを特徴とする請求項７に記載の放射線検出装置。
- 前記第１及び第２の半導体変換素子は、前記スイッチ素子よりも上方に積層して配設されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
- 放射線を電気信号に変換する第１の半導体変換素子と、前記第１の半導体変換素子に接続されたスイッチ素子と、を備えた第１及び第２の画素を含む複数の画素を基板上に備えてなり、
前記第２の画素は、更に、前記複数の画素に入射した放射線の照射量を検出するために放射線を電気信号に変換する第２の半導体変換素子を備えた放射線検出装置の製造方法であって、
前記基板上に前記スイッチ素子を形成する工程と、
前記スイッチ素子上に準備された同一の層から、前記第１の半導体変換素子の半導体層及び前記第２の半導体変換素子の半導体層を同時に形成する工程と、
を有することを特徴とする放射線検出装置の製造方法。
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