JP4307230B2 - 放射線撮像装置及び放射線撮像方法 - Google Patents
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Description
図10は、例えば特開平8−116044号公報(特許文献1)に記載される、MIS型光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図であり、それらを結線する配線を含めて表している。
図11に示すように、光電変換素子101及びスイッチ素子102(アモルファスシリコンTFT、以下単にTFTと記す)は同一基板103上に形成されており、光電変換素子101の下部電極は、TFT102の下部電極(ゲート電極)と同一の第1の金属薄膜層104で形成されており、また、光電変換素子102の上部電極は、TFT102の上部電極(ソース電極、ドレイン電極)と同一の第2の金属薄膜層105で形成されている。
図12(a)〜(c)は、図10,図11で示した光電変換素101のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
光電変換素子101のデバイス動作には、D電極やG電極への電圧の印可の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという2種類の動作モードがある。
図13において光電変換素子101は、i層からなる容量成分のCiと注入阻止層からなる容量成分のCSiNとを含んでいる。また、i層と注入阻止層との接合点(図13中のノードN)は、光電変換素子101が飽和状態になった時、すなわちD電極とノードNの間(i層)に電界がない(小さい)状態になった時、光によって生成された電子とホールとが再結合するために、ホールキャリアをN部に蓄えることができなくなる。
図13において、Vsを9V、Vrefを3Vに設定する。リフレッシュ動作は、スイッチSW−AをVref、スイッチSW−BをVg(on)、スイッチSW−Cをオンにする。この状態にすることにより、D電極はVref(6V)にバイアスされ、G電極はGND電位にバイアスされ、ノードNは最大Vref(6V)にバイアスされる。ここで、最大というのは、今回のリフレッシュ動作以前の光電変換動作により、ノードNの電位が既にVref以上の電位まで蓄積されていた場合、ダイオードD1を介しVrefにバイアスされる。一方、以前の光電変換動作によりノードNの電位がVref以下であった場合、本リフレッシュ動作によりVrefの電位にバイアスされることはない。実際の使用にあたっては、複数回の光電変換動作を過去に繰り返していれば、ノードNは、本リフレッシュ動作により事実上Vref(6V)にバイアスされると言ってよい。
図14に示すように、X線をパルス状に照射する。検出体を透過したX線が蛍光体Flに照射され、可視光に変換される。蛍光体Flからの可視光は、半導体層(i層)に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアは、ノードNに蓄積され電位を上昇させる。TFT102はオフした状態なので、G電極側の電位も同じ分だけ上昇する。
転送動作は、スイッチSW−BをVg(on)側にして、TFT102をオン状態にする。これによりX−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量(Sh)に対応する電子キャリア(Se)が、読み出し容量C2側からTFT102を介してG電極側に流れ、読み出し容量C2の電位を上昇させる。この時、SeとShとの関係は、Se=Sh×CSiN/(CSiN+Ci)である。読み出し容量C2の電位は、同時にアンプを介し増幅して出力される。TFT102は、信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
リセット動作はスイッチSW−Cをオンさせ、読み出し容量C2をGND電位にリセットして次回の転送動作に備える。
図15では説明を簡略化するために、3×3=9画素分のみを記載している。S1−1〜S3−3は光電変換素子、T1−1〜T3−3はスイッチ素子(TFT)、G1〜G3はTFT(T1−1〜T3−3)をオン/オフさせるためのゲート配線、M1〜M3は信号配線、Vs線は光電変換素子(S1−1〜S3−3)に蓄積バイアスを与えたり、リフレッシュバイアスを与えたりするための配線である。
RES1〜RES3は信号配線M1〜M3をリセットするスイッチ、A1〜A3は信号配線M1〜M3の信号を増幅するアンプ、CL1〜CL3はアンプA1〜A3で増幅された信号を一時的に蓄積するサンプルホールド容量、Sn1〜Sn3はサンプルホールドを行うためのスイッチ、B1〜B3はバッファアンプ、Sr1〜Sr3は並列信号を直列変換するためのスイッチ、SR2はスイッチSr1〜Sr3に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Abは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
シフトレジスタSR1の信号をすべて“Hi”で、かつ読み出し用回路部702のCRES信号を“Hi”の状態にする。このようにすると、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)が導通し、かつ読み出し用回路702内のスイッチ素子RES1〜RES3も導通し、全光電変換素子(S1−1〜S3−3)のG電極がGND電位になる。そして、制御信号VSCが“Hi”になると、全光電変換素子(S1−1〜S3−3)のD電極がリフレッシュ用電源Vref(V)にバイアスされた状態(負電位)になる。これにより、全光電変換素子(S1−1〜S3−3)はリフレッシュモードとなり、リフレッシュが行われる。
制御信号VSCが“Lo”の状態に切り替わると、全光電変換素子(S1−1〜S3−3)のD電極は読み取り用電源Vsにバイアスされた状態(正電位)になる。このようにすると光電変換素子(S1−1〜S3−3)は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタSR1の信号をすべて“Lo”で、かつ読み出し用回路部702のCRES信号を“Lo”の状態にする。これにより、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)がオフし、かつ読み出し用回路702内のスイッチ素子RES1〜RES3もオフし、全光電変換素子(S1−1〜S3−3)のG電極は、直流的にはオープン状態になるが、光電変換素子(S1−1〜S3−3)は容量成分も構成要素として有しているため電位は保持される。
読み出し動作は、1行目の光電変換素子(S1−1〜S1−3)、続いて、2行目の光電変換素子(S2−1〜S2−3)、続いて、3行目の光電変換素子(S3−1〜S3−3)の順で行われる。
以上の動作により、第1行から第3行までの全ての光電変換素子(S1−1〜S3−3)の信号電荷を出力することができる。
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記変換素子におけるリフレッシュにおいて、前記リフレッシュバイアスは動画画像を取得するために用い、前記他のリフレッシュバイアスは静止画画像を取得するために用いる。
図1に示すように、MIS型の光電変換素子10は、半導体光電変換層としての水素化アモルファスシリコンなどのi層からなる容量成分Ciと、アモルファス窒化シリコンなどの絶縁層(両導電型のキャリアの注入阻止層)からなる容量成分CSiNとを含んでいる。また、このi層と絶縁層との接合点(図1中のノードN)は、光電変換素子10が飽和状態になった時、すなわちD電極とノードNの間(i層)に電界がない(小さい)状態になった時、光によって生成された電子とホールとが再結合するために、ホールキャリアがN部に蓄えることができなくなる。
図2に示すように、X線はパルス状に照射される。被検出体を透過したX線が蛍光体FLに照射され、この蛍光体FLで可視光に変換される。蛍光体で変換された可視光は、続いて、光電変換素子10の半導体層(i層)に照射されて、そこで光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアはi層と絶縁層(注入阻止層)界面に蓄えられ、ノードNの電位を上昇させる。また、G電極側の電位も同じ分だけ上昇する。なお、X−ray照射期間では、第1のスイッチSW1はリセットバイアスVrst側に、第2のスイッチSW2はセンサバイアスVs側になっている。
読み出し動作は、図1の第2のTFT(12)におけるゲート端子Vtに電圧を与え、スイッチ素子としてオン状態とすることにより行われる。X−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量(Sh)に対応する電位が第1のTFT(11)のゲートに印加されているため、第2のTFT(12)がオンすることにより、第1のTFT(11)のドレイン−ソ−ス間に電流として流れることになる。これにより、アンプ15に出力信号が入力される。このとき、第3のTFT(13)のゲート閾値電圧Vthにより、ゲートに印加されていた電位よりもVth分だけシフトした出力信号が出力される。
図2では、容量成分Ciと容量成分CSiNとが等しい場合のD電極、G電極、ノードNの電位を表記している。リフレッシュ動作は、第3のTFT(13)のゲート端子Vrに信号を入力してスイッチ素子としてオン状態とし、また、第1のスイッチSW1を第1のリフレッシュバイアスVref1側に接続することにより行われる。このとき、ノードGの電位が高くなるが、同時にノードNの電位もCi=CSiNにより半分の勾配で上昇する。ただし、ノードNの電位は、Vs=9Vを超えることはない。ノードNの電位を上昇させることにより、ノードNに蓄えられた信号電荷(ホールキャリア)の一部が、D電極側に吐き出される。すなわち、光電変換素子10のリフレッシュ動作が行われる。
リセット動作は、第3のTFT(13)のゲート端子Vrに信号を入力してスイッチ素子としてオン状態とし、また、第1のスイッチSW1をリセットバイアスVrst側にに接続することにより行われる。この操作により、光電変換素子10のG電極がリセットバイアスVrstにリセットされる。このリセット動作において、ノードNの電位は、リフレッシュ動作時の電位(図2ではVs)から減衰する。その減衰量ΔVNは、容量成分Ciと容量成分CSiNとが等しい場合、第1のリフレッシュバイアスVref1とリセットバイアスVrstの電位差の1/2になる。ノードNの減衰量ΔVNは、次回の光電変換動作で蓄えられるホールキャリア、すなわち飽和電荷量を決定する。
図3には、説明を簡単化するために3×3=9画素分を記載している。S(1−1)〜S(3−3)は光電変換素子である。T1(1−1)〜T1(3−3)は光電変換素子10のG電極がゲート端子に接続された第1のTFT、T2(1−1)〜T2(3−3)は走査において光電変換素子の電気信号を行単位に選択的に読み出しするために設けられた第2のTFT、T3(1−1)〜T3(3−3)は電気信号を読み出された光電変換素子をリフレッシュ又はリセットするために設けられた第3のTFTである。
全光電変換素子S(1−1)〜S(3−3)のD電極は、読み取り用電源Vs(正電位)にバイアスされた状態にある。シフトレジスタSR1の信号はすべて“Lo”であり、第2のTFTであるT2(1−1)〜T2(3−3)及び第3のTFTであるT3(1−1)〜T3(3−3)はオフとなっている。この状態でX線がパルス的に入射すると、蛍光体を介して各光電変換素子のD電極(N+電極)に可視光が照射され、各光電変換素子のi層内で電子とホールのキャリアが生成される。このとき、電子はセンサバイアスVsによりD電極に移動するが、ホールは光電変換素子内のi層と絶縁層の界面に蓄えられ、X線の照射を停止した後においても保持される。
読み出し動作は、1行目の光電変換素子(S1−1〜S1−3)、続いて、2行目の光電変換素子(S2−1〜S2−3)、続いて、3行目の光電変換素子(S3−1〜S3−3)の順で行われる。
前述した動作を行って、光電変換期間と読み出し期間とを繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。本実施形態で示したタイムチャートが従来例で示した図16のタイムチャートと異なるところは、リフレッシュ期間を設けていないところであり、その分だけ動画画像を取得する際のフレーム周波数を大きくすることができる。また、従来例では、すべての光電変換素子を一括でリフレッシュしていたため、リフレッシュ時の暗電流成分による、GNDや電源などの変動を緩和させるためのwait期間を設ける必要があった。本実施形態では、各行単位でリフレッシュを行うために、一度にリフレッシュする光電変換素子の数がはるかに少ないため、別途にwait期間を設ける必要がなく、その分だけ動画のフレーム周波数を大きくすることができる。
X線チューブ6050で発生したX線6060は、患者あるいは被験者6061の胸部6062を透過し、放射線撮像装置(イメージセンサ)6040に入射する。この入射したX線には、被験者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で可視光に変換し、さらに、これを光電変換して電気信号を得る。この電気信号は、ディジタル変換されて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で観察される。
11、T1(1−1)〜T1(3−3) 第1のTFT(ソースフォロア接続)
12、T2(1−1)〜T2(3−3) 第2のTFT(スイッチ機能)
13、T3(1−1)〜T3(3−3) 第3のTFT(スイッチ機能)
15 アンプ
31 光電変換回路部(放射線検出回路部)
32 駆動用回路部
33 読み出し用回路部
101 光電変換素子
102 スイッチ素子(TFT)
103 絶縁基板
104 第1の金属薄膜層
105 第2の金属薄膜層
106 ゲート駆動用配線
107 マトリクス信号配線
110 コンタクトホール部
111 a−SiN絶縁薄膜層
112 a−Si半導体薄膜層
113 N+層
114 配線クロス部
115 保護膜
701 光電変換回路部(放射線検出回路部)
702 読み出し用回路部
1000、A1〜A3、B1〜B3 オペアンプ
Cf1〜Cf3 積分容量
I1〜I3 電流源
FL X線を可視光に変換する蛍光体
G1〜G3 ゲート駆動配線
M1〜M3 マトリクス信号配線
RES1〜RES3 Cf1〜Cf3に形成される負荷容量をリセットするスイッチ
Sn1〜Sn3 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Sr1〜Sr3 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
SR1、SR2 シフトレジスタ
Vref1 第1のリフレッシュバイアス
Vref2 第2のリフレッシュバイアス
Vs 光電変換素子のセンサバイアス
Vrst リセットバイアス
SW1 第1のスイッチ
SW2 第2のスイッチ
S1−1〜S3−3 光電変換素子
T1−1〜T3−3 スイッチ素子
Vref リフレッシュバイアス
Vs 光電変換素子のセンサバイアス
Vg(on) TFTをオンするための電源
Vg(off) TFTをオフするための電源
SW−A 光電変換素子のVs配線に与えるバイアスを切り替えるスイッチ
SW−B TFTをオン/オフするためのスイッチ
SW−C 信号配線をリセットするためのスイッチ
Claims (11)
- 入射した放射線を検出する複数の画素が基板上に2次元状に配置された放射線検出回路部と、
前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部と
を有する放射線撮像装置であって、
前記画素は、
入射した放射線を電気信号に変換するMIS型の変換素子と、
前記変換素子で変換された電気信号を読み出すソースフォロア型の第1の電界効果トランジスタと、
前記駆動用回路部により行単位で選択された前記変換素子の電気信号を前記第1の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第2の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタで電気信号が読み出された前記変換素子のリセットを行単位で行うために設けられた第3の電界効果トランジスタと
を含み、
前記変換素子の一方の電極は前記第3の電界効果トランジスタに接続され、前記変換素子の他方の電極は前記変換素子が変換動作を行うためのセンサバイアスを与える共通のバイアス配線に接続されており、
前記第3の電界効果トランジスタは前記リセットを行単位で行うためのリセットバイアスと前記変換素子のリフレッシュを行単位で行うためのリフレッシュバイアスとを切り替えるスイッチに接続されており、
前記第3の電界効果トランジスタが前記駆動用回路部により行単位でオン状態とされている間に前記スイッチが前記リフレッシュバイアス側に接続されることにより前記リフレッシュが行単位で行われ、前記第3の電界効果トランジスタが前記駆動用回路部により行単位でオン状態とされている間に前記スイッチが前記リセットバイアス側に接続されることにより前記リセットが行単位で行われることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記変換素子の他方の電極は、前記バイアス配線を介して前記センサバイアスと前記変換素子の電気信号をリフレッシュするための他のリフレッシュバイアスとを切り替える他のスイッチに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。
- 前記変換素子におけるリフレッシュにおいて、前記リフレッシュバイアスは動画画像を取得するために用い、前記他のリフレッシュバイアスは静止画画像を取得するために用いることを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像装置。
- 前記第1の電界効果トランジスタにおけるゲート閾値電圧に応じて、前記リセットバイアス、前記リフレッシュバイアス、前記センサバイアス及び前記他のリフレッシュバイアスのうち、少なくとも1つのバイアス値を決定することを特徴とする請求項2又は3に記載の放射線撮像装置。
- 前記放射線検出回路部からの出力信号を読み出す読み出し用回路部を更に有し、
前記読み出し用回路部は、前記放射線検出回路部からの出力信号を増幅する増幅手段と、増幅された出力信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、蓄積された出力信号をシリアル変換するシリアル変換手段とを含むことを特徴する請求項1〜4のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記変換素子、前記第1の電界効果トランジスタ、前記第2の電界効果トランジスタ、及び前記第3の電界効果トランジスタがアモルファスシリコン半導体を主材料として形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記変換素子は、前記基板上に下部電極として形成された第1の金属薄膜層と、前記第1の金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、当該絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、当該光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するN型の注入阻止層と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層又は当該注入阻止層上の一部に形成された第2の金属薄膜層とを有して構成され、
リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
光電変換モードでは、前記変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積される前記正孔もしくは前記第2の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 - 前記放射線の波長変換を行う波長変換体を更に有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 前記波長変換体は、Gd2O2S、Gd2O3、CsIのいずれかを主成分とするものであることを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像装置。
- 前記放射線検出回路部において、複数行の前記画素のうちの1行の画素における前記第2の電界効果トランジスタと、前記1行とは異なる行の画素における前記第3の電界効果トランジスタとが、前記1行のゲート配線に接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
- 入射した放射線を電気信号に変換するMIS型の変換素子と、当該電気信号を読み出すソースフォロア型の第1の電界効果トランジスタと、選択された前記変換素子の電気信号を前記第1の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第2の電界効果トランジスタと、前記変換素子のリセットを行単位で行うために設けられた第3の電界効果トランジスタとを備えた画素が基板上に2次元状に配置された放射線検出回路部と、前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部とを有し、前記変換素子の一方の電極は前記第3の電界効果トランジスタに接続され、前記変換素子の他方の電極は前記変換素子が変換動作を行うためのセンサバイアスを与える共通のバイアス線に接続され、前記第3の電界効果トランジスタは前記リセットを行単位で行うためのリセットバイアスと前記変換素子のリフレッシュを行単位で行うためのリフレッシュバイアスとを切り替えるスイッチに接続されている放射線撮像装置における放射線撮像方法であって、
前記第3の電界効果トランジスタが前記駆動用回路部により行単位でオン状態とされている間に前記スイッチを前記リフレッシュバイアス側に接続することにより、前記変換素子の前記リフレッシュを行単位で行い、
前記駆動用回路部により行単位で前記第3の電界効果トランジスタを駆動している間に前記スイッチを前記リセットバイアス側に接続することにより、前記変換素子の前記リセットを行単位で行うことを特徴とする放射線撮像方法。
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