JP4343893B2 - 光電変換装置、放射線読取装置及び光電変換装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置、放射線読取装置及び光電変換装置の駆動方法に関し、更に詳しくは、より高感度で高速の読取動作を行なうことのできる光電変換装置及びα線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線に係る情報を高感度に読取ることが可能な放射線読取装置に関する。

光電変換装置や放射線を蛍光体（たとえばシンチレーター）のような波長変換体で光電変換装置の感度域に波長変換して放射線に基づく情報を読取る放射線読取装置においては、光電変換部で光電変換された入力情報に基づいた電荷を容量へ転送して信号電圧を増幅することが行なわれている。
特開平４−３３４８２号公報 国際公開第９７／１４１８６号パンフレット 特開平５−４８８２５号公報 特開平４−３７３１７２号公報 特開昭６３−２７６３７７号公報

しかしながら、従来回路での信号電荷の読み出しのように、光電変換素子自身の容量から外部容量へ電荷転送して信号電圧を増幅する場合、Ｓ／Ｎ比は比較的大きくとれるが、センサを複数個並べる場合、信号線上に寄生容量が形成されることがある。例えばＸ線フィルム相当のエリアセンサを１セル２００μｍ×２００μｍの大きさで縦横２０００個×２０００個配置し、４０ｃｍ×４０ｃｍの大きさのエリアセンサを作製した場合を考えると、電荷転送するトランジスタのゲートとソースの重なりで容量が形成される。この重なりは画素数に応じるため重なり容量Ｃ_gsは、１箇所について約０．０５ｐＦであるとしても、１本の信号線には０．０５ｐＦ×２０００個＝１００ｐＦという容量となる。センサ容量Ｃ_sは約１ｐＦ程度であるため、センサに発生した信号電圧をＶ₁ とすると信号線の出力電圧Ｖ₀ はＶ₀ ＝（Ｃ_s ／（Ｃ_s ＋Ｃ_gs×１０００））×Ｖ₁となり、出力電圧は約１／１００になってしまう。

即ち大面積のエリアセンサを構成する場合には出力電圧は大幅にダウンすることになる。

また、このような状況下において動画読取りを行なうためには、更に１秒あたり３０枚以上の画像読取りを行なうことができる感度と高速動作性が要求される。特にＸ線診断を含む非破壊検査などでは照射するＸ線の線量を出来るだけ少なくしたいという要求もあり、信号電荷量を１００〜４００倍に増加できるような、すなわち、更なる高感度化が要望されている。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、寄生容量の増大等による出力電圧の低下を抑えることができ、結果としてより高感度、高性能な光電変換装置及び該光電変換装置を有する放射線読取装置を提供することを目的とする。

加えて、本発明はより開口率、すなわち一画素に必要な面積中の受光部領域の割合、が大きく、結果として高感度化、高性能化を達成し得る光電変換装置及び該光電変換装置を有する放射線読取装置を提供することを目的とする。

更に本発明は動画読取り可能な光電変換装置及び該光電変換装置を提供することを目的とする。

加えて本発明はＸ線などの放射線の照射線量をより一層少なくすることが可能な放射線読取り装置を提供することを目的とする。

本発明は、光電変換素子と、該光電変換素子に発生した電荷を受けるゲートと該ゲートに蓄積された前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すためのソース又はドレインを有して前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すために絶縁性支持体上に準備された非単結晶半導体層を有する電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタを選択するための選択スイッチ手段と、前記ゲートをリセットするリセット手段と、を含み、前記絶縁性支持体上に配列された画素と、
前記電界効果トランジスタによって増幅して読み出された信号を出力する読み出し回路と、を少なくとも備えた光電変換装置であって、
前記読み出し回路は、ノイズを含む前記増幅して読み出された信号を蓄積するための第１の蓄積手段と、前記ノイズを蓄積するための第２の蓄積手段と、前記第１の蓄積手段からの第１の出力と前記第２の蓄積手段からの第２の出力との差をとり前記ノイズを取り除いた信号を得るための処理手段と、を含み、
前記ゲートに接続される前記光電変換素子の電極が前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されることにより、前記光電変換素子は、前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、放射線を電荷に変換する変換素子と、該変換素子に発生した電荷を受けるゲートと該ゲートに蓄積された前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すためのソース又はドレインを有して前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すために絶縁性支持体上に準備された非単結晶半導体層を有する電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタを選択するための選択スイッチ手段と、前記ゲートをリセットするリセット手段と、を含み、前記絶縁性支持体上に配列された画素と、
前記電界効果トランジスタによって増幅して読み出された信号を出力する読み出し回路と、を少なくとも備え、放射線に基づく情報を読み取るための放射線読取装置であって、
前記読み出し回路は、ノイズを含む前記増幅して読み出された信号を蓄積するための第１の蓄積手段と、前記ノイズを蓄積するための第２の蓄積手段と、前記第１の蓄積手段からの第１の出力と前記第２の蓄積手段からの第２の出力との差をとり前記ノイズを取り除いた信号を得るための処理手段と、を含み、
前記ゲートに接続される前記変換素子の電極が前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されることにより、前記変換素子は、前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されていることを特徴とする。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、光電変換素子に発生した信号電荷を読出用電界効果トランジスタのゲートに送り、この読出用電界効果トランジスタにより増幅して信号を出力することで、光電変換素子を複数並べる場合に伴う寄生容量の増大等による出力電圧の低下を抑えることができる。

また、光電変換素子を、読出用電界効果トランジスタと選択スイッチ手段とリセット手段のうち少なくとも一つの上部に配置することにより、開口率をより大きくすることができる。

また、本発明によればより高感度で高性能な光電変換装置及び該光電変換装置を有する放射線読取装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。なお本発明の放射線に基づく情報を読み取るための放射線読取装置は、以下に説明するＸ線読取装置に特に限定されず、α線、β線、γ線等に基づく情報の読取装置にも適用可能である。

（第１の実施例）
図１は本発明の光電変換装置の一例をあらわす概略的回路図である。尚、本例では波長変換体を用いて放射線読取装置として適用した例に基づいて以下、説明を行なう。

図１において、光電変換素子（フォトダイオードなど）２１はＸ線が波長変換されて得られた感光波長域の光の入射光量に応じた電荷を蓄積する。この光電変換素子は２次元状に配置されている。尚、この場合も光電変換素子自体に充分な容量があれば、各画素に付加されている容量３００はなくてもよい。光電変換素子２１の一端はソースフォロワ入力ＭＯＳ（Metal Oxide Silicon Transistor）２２のゲートに接続し、ソースフォロワ入力ＭＯＳ２２のドレインは垂直選択スイッチＭＯＳ２３のソースに接続し、またソースは垂直出力線３５を経て負荷電流源２５へと接続し、垂直選択スイッチＭＯＳ（トランジスタ）２３のドレインは電源線３４を経て電源端子２７に接続されており、これらは全体でソースフォロワ回路を構成している。

また、２４はリセットスイッチであり、そのソースはソースフォロワ入力ＭＯＳ２２のゲートに接続し、ドレインは電源線３４を経て電源端子２７に接続されている。

本回路は各画素の光電変換素子に蓄積された電荷に応じてソースフォロワ入力ＭＯＳ２２のゲートに信号電圧が発生し、それをソースフォロワ回路で電流増幅して読み出すものである。

垂直選択スイッチＭＯＳ２３のゲートは垂直ゲート線２９で垂直走査回路３２に接続される。リセットスイッチ２４のゲートはリセットゲート線２８で垂直走査回路３２に接続される。また、ソースフォロワ回路の出力信号は、垂直出力線３５、水平転送ＭＯＳスイッチ２６、水平出力線３０、出力アンプ３１を通して外部に出力される。水平転送ＭＯＳスイッチ２６のゲートは水平走査回路３３にそれぞれ接続されている。

本回路の動作を説明すると、まずリセットスイッチ２４により光電変換素子２１をリセットする。次に蓄積動作に入る。ソースフォロワ入力ＭＯＳ２２のゲートには蓄積された信号電荷の量に応じて信号電圧が発生する。蓄積時間終了後、垂直走査回路３２および水平走査回路３３によって選択された画素の信号はソースフォロワ回路によって増幅された後、順次出力アンプ３１を通して出力される。

本回路構成は、ソースフォロワの電源線とリセット電源線を共通化しているためコンパクトなレイアウトが可能となる、選択スイッチ２３を電源側に配置したことでソースフォロワ入力ＭＯＳ２２のソース端と定電流源の間に選択スイッチ２３の抵抗が介在しなくなり線形性のよいソースフォロワ出力が得られる、といった利点を有するものである。

次に、図１の回路の駆動の一例について図２を参照しながら記述する。

図２は、駆動のタイミングの一例を示す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。

Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ …Ｄ_N 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のみを示している。Ｄ₁ の中で垂直走査回路３２から出るφ₁₁はリセットパルス、φ₂₁は１行全ラインへのドライブパルス、φ₃₁は水平走査回路３３から出る読み出しパルスである。これによって出力アンプ３１を介してアナログ・デジタル変換回路（Ａ／Ｄ）４０に送られ、メモリ４１に記憶される。

リセットパルスφ₁₁でパルスφ_RESET1により１行ラインの光電変換素子２１の電位がリセットされ、ほぼ（Ｔ₁ −Ｔ₂ ）の時間、Ｘ線照射による光を光電変換素子２１で検出し、キャパシタＣ₁ ３００に電荷を蓄積する。パルスφ_DRIVE1によりトランジスタ２３がｏｎされ、各列のＣ₂ に電位を転送する。その後、各列からφ_READ1のパルスにより、順次、出力アンプ３１を介してＡ／Ｄに出力する。

その後Ｄ₂ ，Ｄ₃ …Ｄ_N まで各行の読み出しを行なう。Ｔ₁ の時間は例えば１秒間に３０フレームの場合は３３msec（Ｔ₁≒１／３０sec）となる。光電変換素子が行列に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。

これらの時間は１秒間あたりのフレーム数と画素数によってきめられる。上述した駆動例においては連続的にＸ線が照射されている場合を示したが、Ｘ線をパルス的に、間欠に照射した場合を第２の駆動法として図３に示す。

本例では全行のラインの光電変換素子をすべて同時にリセットするため各リセットパルスをφ₁₁…φ_1nによりリセットする。その後Ｘ線をパルス状に（Ｔ_x 時間）照射する。その後は図２で説明された第１の１駆動と同じくφ₂₁，φ₃₁…φ_2n,φ_3nのパルスにより、電荷を順次読み出す。

本例ではＸ線のパルスの照射時間Ｔ_x を必要とするため、前述の例とＴ₂ ，Ｔ₃の決め方は少し、異なる。たとえば、上記例と同様の画素数、同じフレーム数とすると、Ｔ₁≒１／３０sec，Ｔ₂ ≒（Ｔ₁ −Ｔ_x ）／５００，Ｔ₃ ≒Ｔ₂ ／５００である。

ところで、センサの性能を充分に引き出すためには、蓄積時間中の暗電流の影響や各セルのソース・フォロア（ＳＦ）のオフセット電位のバラツキが固定パターンノイズとしてあらわれることが問題となる場合がある。

固定パターンノイズを除去する第１の方法は第１、第２の駆動方法においてＸ線の照射のない時の各素子の出力データを、あらかじめメモリに記憶し暗電流とＳＦのオフセット電位による雑音をＸ線照射時の出力から差し引くことである。これによって、センサ特性を改善することができる。

第２の方法は、第２の駆動法において、Ｘ線照射を行なわない一連のシーケンスを行ない、そのＸ線照射のないときの出力を雑音データ（Ｎ）とする。また、均一にＸ線照射された時の光電変換出力を信号＋雑音データ（Ｓ＋Ｎ）として、それらデータの差分をとり（（Ｓ＋Ｎ）−Ｎ）、信号出力を得ることである。これによって雑音の補正を行なうことができる。

（第２の実施例）
図４は本発明の光電変換装置を放射線読取装置に適用した他の一例の構成を示す模式的断面図である。電気回路的には図１の回路を用いることができる。

図４において、ＰＩＮ型のフォトダイオードセンサは上部電極をＩＴＯ７１０で構成しており、そのＩＴＯ電極７１０に負の電位を与える配線が第１Ａｌ層７１２である。下部電極は第２Ａｌ層７０８で構成されており、各薄膜トランジスタ（増幅用、選択スイッチ用、及びリセット用トランジスタ）の上部にも絶縁層（ＳｉＮ層）７０７を介して第２Ａｌ層７０８が配置されている。７１１はＳｉＮ等の絶縁膜、７０９はＰＩＮ接合層である。

ＰＩＮ型フォトダイオードセンサの下部電極である第２Ａｌ層７０８はＣｒ層７１５と接続されており、Ｃｒ層７１５は増幅用薄膜トランジスタのゲート電極７０２と接続されている（図においては、Ｃｒ層７１５とゲート電極７０２との接続は模式的に示している。）。

各薄膜トランジスタ（増幅用、選択スイッチ用、及びリセット用トランジスタ）はガラス基板７０１上にＣｒのゲート電極７０２、絶縁層７０３、半導体層７０４、オーミック層７０５、ソース・ドレイン電極７０６と積層されて構成されている。なお、コンデンサは後に説明する図５の構成と同様にＳｉＮ等の絶縁層を介してＣｒ電極を第２Ａｌ層７０８下に設けることで作成することができる。

なお、ＰＩＮ型フォトダイオードセンサは可視光に感度があるため、Ｘ線などの放射線読取装置として用いる場合は、図４のようにセンサ上部にＰＩ（ポリイミド）ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ₄ 等の絶縁層７１３を介して、Ｘ線を可視光に変換する波長変換体としての蛍光体７１４を配置する。

本実施例の構成については、ＰＩＮ型フォトダイオードセンサと各薄膜トランジスタ（増幅用及び選択スイッチ用及びリセット用）は、各薄膜トランジスタともアモルファスシリコン又はポリシリコンを用いることができる。

以上説明した本実施例によれば、次の効果を得ることができる。

（１） ＰＩＮ型フォトダイオードセンサが各薄膜トランジスタ（断面図では増幅用トランジスタのみ図示してあるが、実際は選択スイッチ用及びリセット用トランジスタを含む）の上部にも配置されているため、センサ開口率をほぼ１００％近い値にすることが可能になり、よりＳ／Ｎ比を増大させることが可能になる。

（２） ＰＩＮ型フォトダイオードセンサにより蓄積された信号電荷を、第１実施例で用いた増幅回路（ソースフォロア増幅回路）で信号電荷を増幅することにより、従来例で示したＸ線フィルム相当のエリアセンサを構成した場合、増幅回路の増幅率に対応してＳ／Ｎの向上が可能となる。

以上の（１）、（２）により、従来のエリアセンサに比べて飛躍的なＳ／Ｎ比向上が可能となる（例えば、（１）の構成で約２倍の開口率向上がなされ、（２）の構成により１００倍の電荷増幅がなされ、結果として飛躍的なＳ／Ｎ比向上がなされることになる）。

（第３の実施例）
図５は本発明の光電変換装置を放射線読取装置に適用した場合の別の一例の構成を示す模式的断面図である。実施回路は図１を応用して適用することができる。図５において、ＰｂＩ₂ を主体とするＸ線直接変換型センサは、上部電極を第１Ａｌ層８１３で、下部電極を第２Ａｌ層８１０で構成している。上部電極の第１Ａｌ層８１３とＰｂＩ₂ ８１１との間にはＰＩ（ポリイミド）等の絶縁層８１２を配置することにより、上部電極の第１Ａｌ層８１３からＰｂＩ₂ ８１１へ電荷が注入されることを阻止している。なお、本実施例はＸ線入射により電子／ホールペアを多数発生する材料、例えばａ−Ｓｅ、ＰｂＩ₂、ＨｇＩ₂ 、ＰｂＯなど（ここではＰｂＩ₂を用いている）を上下の電極で挟み、上下の電極間に電界を加えることにより、Ｘ線入射により発生した電荷を直接取り出すことが可能となる。図のような絶縁層８１２は必ずしも必要ではない。図６に示す如く、絶縁層８１２のないセンサにおいても充分出力電荷を出力として、取り出すことができる。

下部電極の第２Ａｌ層８１０と最下層のＣｒ層８０８により信号電荷蓄積用コンデンサを構成し、Ｘ線入射により発生した信号電荷をこのコンデンサに蓄積する。８０７はＳｉＮ等からなる絶縁膜である。

ここで下部電極の第２Ａｌ層８１０は、第３実施例の図４と同様に、各薄膜トランジスタ（増幅用、選択スイッチ用、及びリセット用）の上部にも絶縁層（ＳｉＮ層）８０７を介して配置されている。

蓄積用コンデンサの上部電極である第２Ａｌ層８１０は、最下層のＣｒ層である、増幅用薄膜トランジスタのゲート電極８０２と接続されている（図５においては、第２Ａｌ層８１０とゲート電極８０２との接続は模式的に示している。）。

各薄膜トランジスタ（増幅用、選択スイッチ用、及びリセット用トランジスタ）はガラス基板８０１上にＣｒのゲート電極８０２、絶縁層８０３、半導体層８０４、オーミック層８０５、ソース・ドレイン電極８０６と積層されて構成されている。

本実施例の構成については、各薄膜トランジスタ（増幅用及び選択スイッチ用及びリセット用）は、第３実施例と同様に、アモルファスシリコン又はポリシリコンでもよい。

以上説明した本実施例によれば、次の効果を得ることができる。

（１） Ｘ線直接変換型センサが各薄膜トランジスタ（断面図では増幅用トランジスタのみ図示してあるが、実際は選択スイッチ用及びリセット用トランジスタを含む）の上部にも配置されているため、センサ開口率をほぼ１００％に近い値にすることが可能になり、より開口率を２倍近く増大させることが可能になる。

（２） ＰｂＩ₂ 等を主体とするＸ線直接変換型センサは、蛍光体がＸ線を可視光に変換することを必要としないため、入射Ｘ線を電気信号電荷に変換後の集収効率が高く、結果的に入射Ｘ線から電気信号電荷への変換効率がすぐれている。又、直接変換材料は電荷を有効に電界により収集できるため、厚みを比較的厚くでき、Ｘ線収集量も大きくでき量子交換率も高くできる。

（３） ＰｂＩ₂ 等を主体とするＸ線直接変換型センサにより蓄積された信号電荷を、第１実施例で用いた増幅回路（ソースフォロア増幅回路）で信号電荷を増幅することにより、従来型１トランジスタ型に比べて、よりＳ／Ｎにおいて有利となる。

（第４の実施例）
図７は第１〜４実施例に適用可能な他の回路の例である。ここに示される回路は信号からＳＦオフセットなどをリアルタイムに差し引くことができる回路の一例である。

なお、図８は各信号φX，φR，φN，φSのタイミングの一例である。ここで、図７において、（１）はセンサ蓄積端子部をリセット用トランジスタでリセットをかける時に発生するリセットランダムノイズ、（２）はソースフォロワ部に発生するオフセット固定パターンノイズである。Ｘ線はＸ線照射タイミングを示している。但し連続に照射されていてもよい。

上記２つのノイズを取り除くために、図７R>０の回路のようにコンデンサＣ_T1及びＣ_T2を配置し、例えば暗状態時に蓄積した信号をφNのパルスによりコンデンサＣ_T1へ転送し、明状態時に蓄積した信号をφSのパルスによりコンデンサＣ_T2へ転送し、コンデンサＣ_T2及びＣ_T1の両者の信号をパルスφHにより差動増幅器に入力して、減算処理することにより、上記（１）、（２）のノイズを取り除いたセンサ信号を得ることが可能となる。

図９は図７の光電変換装置をマトリクス状に配設して順次走査により信号を出力する光電変換装置を示す回路図である。

図７における１ビット回路部（図９中Ｓで示す）、即ちセンサ及び増幅回路（増幅用トランジスタ及び選択用トランジスタ及びリセット用トランジスタ）をＸ方向及びＹ方向に各々ｍ個及びｎ個ずつ配置し、各信号線には図７で説明したように、Ｃ_T2及びＣ_T1のコンデンサが配置してある。

よって、Ｘ方向とＹ方向のシフトレジスタにより、ｍ×ｎ個の信号出力を暗状態と明状態で交互に読み出し、差動増幅器で減算処理することにより、ノイズの低減されたＳ／Ｎの高い信号出力を得ることができる。マトリクスに配された各画素の駆動はいずれにしてもＸ線などの光源の連続または間欠照射で前述のように行なうことができる。

（第５の実施例）
図１０は第１〜４実施例に応用する他の回路の例である。
図１１は各信号φX，φR1，φR2，φN，φSのタイミングの一例である。

ここで、（１）はリセットパルスφR1によるリセット用トランジスタでリセットをかける時に発生するランダムノイズ、（２）はソースフォロワ部に電荷蓄積する間に発生する１／ｆランダムノイズ、（３）はソースフォロワ部に発生するオフセット固定パターンノイズである。リセットパルスφR1，φR2ＯＮでセンサセルのリセットを行ない、その後センサの蓄積動作に入る。Ｘ線がパルスの場合は、リセットパルスφR2（パルスφR2）のｏｆｆ後、Ｘ線照射が行なわれる。Ｘ線は連続照射でもよい。

上記３つのノイズを取り除くために、図１０R>３の回路のようにコンデンサＣ_T1及びＣ_T2を配置し、例えば暗状態時に蓄積した信号をφNのパルスによりコンデンサＣ_T1へ転送し、明状態時に蓄積した信号をφSのパルスによりコンデンサＣ_T2へ転送し、コンデンサＣ_T2及びＣ_T1の両者の信号をパルスφHにより差動増幅器に入力して、減算処理することにより、上記（１）、（２）、（３）のノイズを取り除いたセンサ信号を得ることが可能となる。

図１２は図１０の光電変換装置をマトリクス状に配設して順次走査により信号を出力する光電変換装置を示す概略的回路図である。図１２にはＣ_T1,Ｃ_T2のリセットの回路を組み込んである。図９も同様のＣ_T1,Ｃ_T2のリセット回路を組み込むことができる。

図１０における１ビット回路部（図１２中Ｓで示す）、即ちセンサ及び増幅回路（増幅用トランジスタ及び選択用トランジスタ及びリセット用トランジスタ）をＸ方向及びＹ方向に各々ｍ個及びｎ個ずつ配置し、各信号線には図１９で説明したように、Ｃ_T2及びＣ_T1のコンデンサが配置してある。

よって、Ｘ方向とＹ方向のシフトレジスタにより、ｍ×ｎ個の信号出力を暗状態と明状態で交互に読み出し、差動増幅器で減算処理することにより、ノイズの低減されたＳ／Ｎの高い信号出力を得ることができる。各光電変換素子の駆動はＸ線連続とパルスにより、図２又は図３を用いて説明したのと同様にできる。

各信号線には、ｎ個の１ビット回路が接続されているため、増幅用トランジスタのソース・ゲートの重なり容量Ｃ_gsがｎ個並列につながる。ここでＸ線エリアセンサを例にとると、ｎ＝５００〜２０００個以上になる。よって信号線配線容量Ｃ₂ はＣ₂ ＝Ｃ_gs×（５００〜２０００）となり、Ｃ_gsが大きいとＣ₂ は非常に大きな値となる。

静止画だけの読み出しであれば、Ｃ₂ が大きいことは、あまり問題とならないが、動画的読み出しを行なう場合は、読み出し速度に大きく、影響する。

絶縁基板上に作成した図４、図５、図６などの場合、受光部（＋必要に応じて設けられる容量）、リセットＭＯＳ、ソースフォロアを有する光電変換部が絶縁基板上に作成され、他は外部回路で通常作成される。そのため、センサセル中のトランジスタのＯＮ抵抗Ｒ_ONとキャパシタンスＣ₂ の積の時定数（Ｒ_ON×Ｃ₂）が最も問題となる。

図１３はアモルファス・シリコンをトランジスタの材料として用いた場合のトランジスタのＯＮ抵抗とトランジスタの幅（Ｗ）とチャネル長（Ｌ）の比のデータの一例を示す。破線はアモルファスシリコンの厚さが３０００Å、実線は１０００Åの計算値を示している。▲、△、●は測定されたデータ値を示す。

通常Ｗ／Ｌは２〜１０程度を使用し、ＯＮ抵抗Ｒ_ONは、１〜１０メガオーム程度有る。Ｃ₂ は設計により異なるが１０〜５０ｐＦ程度は通常有るから、Ｒ_ON・Ｃ₂ は１０〜５００μsec程の範囲となる。通常読み出しのためにはパルス長（例えば図２のＴ₂ ）はＲ_ON・Ｃ₂ の３倍以上必要であるから、上記の場合３０〜１５００μsec以上となる。図２の説明で行ったように、Ｔ₂ は例えば、６６μsecである。最少領域なら対応できるが、通常の範囲ではスイッチスピードに対応できない場合がある。そこでｉ層を薄くすると同時にＷ／Ｌを１０以上にすることによって、速いスイッチイングに対応することができる。

図４、図５、図６などに示される積層型の光電変換装置では、画素又は光電変換素子形成領域の実質的に全面を使ってトランジスタを作成できるため、充分なＲ_ONの低減が可能である。

図４、図５、図１９の実施例は充分なスイッチ速度がとれ、動画に適した構造とすることができる。

（第６の実施例）
本発明は光電変換素子とスイッチトランジスタを単結晶基板上に形成してもよい。

図１４にＳｉ単結晶基板５１０上に光電変換部１７０１とＭＯＳトランジスタ１７０２を有する光電変換装置の模式的断面図を示す。前述した絶縁基板上に光電変換素子やＴＦＴを形成したのと同様に光電変換装置を形成することができる。但し、単結晶では、蛍光体（５０６）中で完全に吸収されずに通過したＸ線が単結晶中で吸収されると余剰キャリアが、Ｓｉ単結晶中で生成されて、蛍光体からの光により生じたＸ線による信号に対して雑音となる。

そのため、図１４で示した如く、基板５１０とセンサあるいはスイッチ領域は電気的に分離する必要がある（図ではＰ型とＮ型によって電気的に分離）。Ｐ型の領域（Ｐウェル）５０１の厚みは蛍光体５０６により波長変換された光が充分検出できる厚みにして、概略蛍光体の発光波長の吸収係数の２〜３倍程度以下にするのが望ましい。Ｐウェル５０１と基板５１０は逆バイアスを印加し、電気的に分離される。そうするとＰウェル５０１の厚みだけ（概略２〜３μｍ以下）のＸ線吸収だけになり、直接Ｘ線吸収による雑音が少なくなり、性能が向上する。

Ｐウェル（５０１）の厚みを薄くすることにより、Ｘ線吸収が少なくなり、雑音特性は改善される。蛍光体によってもかわるが、蛍光体５０６としてＧｄ系の材料を使う場合、蛍光体５０６では３０〜５０％程度吸収され、残りは蛍光体５０６で波長変換されずに蛍光体５０６を通過する。これをすべてＳｉ基板で吸収するとこの吸収に伴って得られる情報は信号か雑音か判別できなくなる。５０ｋｅＶ程度のＸ線でたとえば２μｍの厚さのＳｉ単結晶で吸収されるのは、ほぼ１／１００００程度となるので上述したような領域の厚さと電気的分離を行なうことで雑音成分の低減をすることできる。

図１４に示される光電変換装置においては、垂直選択スイッチ２３のしきい値電圧とリセットスイッチ２４のしきい値電圧をかえることが望ましい。以下、その理由について説明する。

まず、ソース・フォロアの入力ＭＯＳトランジスタ２２が下記の条件式をみたしていなければならない。

Ｖ_ds＞Ｖ_gs−Ｖ_th2 （１）
ここで、Ｖ_dsはドレイン／ソース間電位差、Ｖ_gsはゲート／ソース間電位差、Ｖ_th2はしきい値電圧である。

ここで、リセットスイッチ２４がオン時のゲート電圧をＶ₂ 、垂直選択スイッチ２３がオン時のゲート電圧をＶ₃ 、ソースフォロワの入力ＭＯＳトランジスタ２２のドレイン電圧をＶ₁ 、リセットスイッチ２４のしきい値電圧をＶ_th0 、垂直選択スイッチ２３のしきい値電圧をＶ_th1 、ソースフォロワ入力ＭＯＳトランジスタ２２のしきい値電圧をＶ_th2 とする。

リセットスイッチ２４、垂直選択スイッチ２３がともに５極管領域（ソース・ドレイン間バイアス（ＶDS）がピンチオフ電圧以下の領域）で動作している場合を考えた時、まず、リセットの電圧Ｖ_sig0は次式であらわされる。

Ｖ_sig0＝Ｖ₂ −Ｖ_th0 …（２）
つぎに、垂直選択スイッチ２３に流れる電流がソースフォロワ回路に流れる電流に等しいことを考えると、次式が成り立つ。

Ｉａ＝Ｋ（Ｖ₃ −Ｖ₁ −Ｖ_th1 ）² …（３）
Ｋ＝１／２×μ×Ｃ_ox×Ｗ／Ｌμ ：移動度Ｃ_ox：単位面積当たりのゲート酸化膜容量Ｗ ：ゲート幅Ｌ ：ゲート長ここでは説明を簡略化するためにグラジュアルチャネル近似の式を用いた。

この式を変形すると、次式が導かれる。

この、（２）式、（４）式を（１）式に代入すると、ソースフォロワ回路が線形動作領域で動作するための条件式は、

となる。リセットスイッチ２４と垂直選択スイッチ２３がともに５極管領域で動作する例として、従来はゲートの電圧Ｖ₂ 、Ｖ₃ はともに電源電圧と等しい電圧を使用し、また各スイッチ２３、２４のしきい値電圧も同じ値のものを使用していたが、その時（５）式は

と変形され、ソースフォロワ回路に流せる電流が各スイッチのしきい値電圧に律速されてしまうことが分かる。

そのため、多画素化等が進みソースフォロワ回路が駆動しなければならない負荷が増加した時には、垂直選択スイッチ２３のしきい値電圧とリセットスイッチ２４のしきい値電圧を変えて、上式を満たすことができるようにすることがより望ましい。例えば、各トランジスタのしきい値（Ｖth）を０．５Ｖ〜１．０Ｖ程度変えることが望ましい。

リセットスイッチ２４のしきい値電圧を垂直選択スイッチ２３のしきい値電圧に比べて、１Ｖ大きくする例を以下に示す。
（ア） リセットスイッチ２４のゲートメタルをクロムにし、垂直選択スイッチ２３のゲートメタルをアルミニウムで構成する。そうすることにより、リセットスイッチ２４のしきい値は約２．５Ｖとなり、垂直選択スイッチ２３のしきい値は約１．５Ｖとなる。
（イ） 垂直選択スイッチ２３及びリセットスイッチ２４のゲートメタルをアルミニウムで構成した場合、リセットスイッチ２４のゲートメタルの電位Ｖ₂に全ビット共通で＋２０Ｖを印加し、更に垂直選択スイッチ２３のゲートメタルの電位Ｖ₃をＧＮＤにして、常温において約３時間駆動することにより、リセットスイッチ２４のしきい値は約２．５Ｖとなり、垂直選択スイッチ２３のしきい値は約１．５Ｖのままとなる。

次に単結晶基板に、光電変換素子、この光電変換素子の出力側とゲートが接続される電界効果型トランジスタ（ＭＯＳトランジスタ）、垂直選択スイッチ、およびリセットスイッチを形成する場合に、垂直選択スイッチのしきい値電圧とリセットスイッチのしきい値電圧を変える方法について説明する。

図１５はしきい値電圧を変える方法の一例を示す断面図である。同図において、５０１は半導体基板であり、ここではＰ型半導体の例を示している。５０２は半導体基板５０１の上にゲート酸化膜を介して形成されたゲート電極であり、たとえばポリシリコンやポリサイドなどで形成される。５０３は半導体基板５０１中にイオン注入などにより形成された半導体基板５０１とは反対導電型のソース領域、およびドレイン領域であり、以上により電界効果トランジスタが構成される。また、耐久性を向上させるため通常各素子の上部をＳｉＮ等のパッシベーション膜５０５で覆い、その上に蛍光体層５０６を形成する。入射したＸ線は蛍光体層５０６で、光電変換素子で光電変換可能な波長帯域の光（代表的には可視光）に変換される。

ここで、所望のトランジスタのみにチャネル領域にチャネルドープ層５０４を形成することで、それ以外のトランジスタとしきい値電圧を容易に異ならせることができる。たとえば、図１５の例で５０４としてＮ型のイオン種をドープすればドープしないものに比べしきい値電圧を下げることができ、逆にＰ型のイオン種をドープすればしきい値電圧をあげることができる。その変化量は、チャネルドープ層５０４の濃度を制御することで、精度良く決めることができる。

ここではＮ型の電界効果トランジスタを例にとって説明したがもちろんこれに限るものではなく、Ｐ型の電界効果トランジスタにおいても同様な効果が得られることはいうまでもない。また、本実施例では、一方のトランジスタのチャネルドープ層を制御する例について説明したが、これに限るものではなく、複数種類のチャネルドープ層を混在させて、おのおの最適な条件に設定し使用してもよい。

なお、上述した説明では電界効果トランジスタに流れる電流の式としてグラジュアルチャネル近似の（３）式を用いたが、このような理想的なトランジスタの場合に限らず、たとえば微細化が進み上式から若干ずれが生じても、効果が変わるものではない。（１）式を満たすように電界効果トランジスタのオン抵抗を制御することが本質であり、そのために垂直選択スイッチのしきい値電圧とリセットスイッチのしきい値電圧を変えることはきわめて有効な手段である。

しきい値電圧を変える別な方法として図１６R>９に示したような構造がある。同図において、６０１は所望のトランジスタ領域のみに設けられたウエル領域である。その他の構成は図１５に示したものと同じである。図１６のように構成することによっても、所望のトランジスタのしきい値電圧を容易に制御することができる。また、図１６ではＰ型基板中にＰ型のウエル領域を形成した場合を例にとって説明したが、これに限るものではなく、Ｎ型の基板中に、複数の濃度の異なるＰ型ウエルを設け、それぞれの濃度を制御して所望のしきい値電圧を決めてもよい。また、Ｎ型電界効果トランジスタを例にとり説明したがこれに限るものではなく、Ｐ型電界効果トランジスタにおいても同様な効果が得られることはいうまでもない。
単結晶基板上に図５及び図６に示される直接型の光電変換素子を形成することも同様に有効である。そのときは図１４と同様に基板とトランジスタは電気的に分離できる様にするとよい。又前述した回路及び動作を直接型Ｘ線センサに適用できるのはもちろんである。

単結晶基板をセンサ基板として用いるときは基板中で吸収される透過Ｘ線の吸収を少なくすることはすでに述べたが、Ｐウェルなどの領域を薄く設定するだけでなく上部に遮へい層を用いてもよい。

たとえば、ＭＯＳトランジスタのゲートをポリシリコンでなく、重金属メタルで作成する。具体的には図１４の電極５０２を重金属（Ｐｔ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｄなど）で作成する。ＭＯＳトランジスタの場合はメタルを２〜３層構造にし、下部をポリシリコン、上部を重金属シリサイド、あるいは重金属にすることは好ましい。

また、図１７の如く、光検出部以外の部分に蛍光体と基板の間にＸ線遮へい層６００を導入しても良い。

図１８と図１９に遮へい材として用いることができるプラチナＰｔとタングステンＷのＸ線吸収特性を示す。例えばＰｔで１０μｍの厚みで遮へい層として使用すると５０ｋｅＶ，１０ｋｅＶのＸ線に対して１３％，９１％のＸ線遮へい効果が得られる。特に低エネルギーに対して非常に効果を発揮する。

直接型の図５、図６に示される構成を単結晶基板へ適用した場合は、第２Ａｌ層８１０をＡｌ（アルミニウム）の代わりに遮へい層として重金属（例、Ｐｔ，Ｗ，Ｍｏ，Ｐｄなど）を使うことができる。

画素を複数マトリクス状に配置した場合の一例を示す概略的回路構成図である。 放射線読取装置に光電変換装置を適用した場合の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。 放射線読取装置に光電変換装置を適用した場合の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。 放射線読取装置の一例を説明するための模式的断面構成図である。 放射線読取装置の一例を説明するための模式的断面構成図である。 放射線読取装置の一例を説明するための模式的断面構成図である。 光電変換装置の光電変換部の１画素部分を説明するための概略的回路図である。 放射線読取装置に光電変換装置を適用した場合の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図７の画素をマトリクス状に配した場合の回路構成の一例を示す概略的回路図である。 光電変換装置の光電変換部の１画素部分を説明するための概略的回路図である。 放射線読取装置に光電変換装置を適用した場合の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図１０の画素をマトリクス状に配した場合の回路構成の一例を示す概略的回路図である。 トランジスタのＯＮ抵抗とトランジスタのチャネル幅（Ｗ）とチャネル長（Ｌ）の関係の一例を示すグラフである。 放射線読取装置の一画素部分の一例を示す模式的断面図である。 放射線読取装置の一画素部分の一例を示す模式的断面図である。 放射線読取装置の一画素部分の一例を示す模式的断面図である。 放射線読取装置の一画素部分の一例を示す模式的断面図である。 遮へい材のＸ線吸収特性の一例を示す図である。 遮へい材のＸ線吸収特性の一例を示す図である。

符号の説明

２１ 光電変換素子
２２ ＭＯＳトランジスタ
２３ ＭＯＳトランジスタ
２４ ＭＯＳトランジスタ
２５ 電流源
２６ ＭＯＳトランジスタ
２７ 電圧源と接続される端子
２８ リセットゲート線
２９ 垂直ゲート線
４１ 電圧源
４２ 信号Ｖ2を出力する信号源
４３ 信号Ｖ3を出力する信号源
３００ 容量

Claims (10)

1. 光電変換素子と、該光電変換素子に発生した電荷を受けるゲートと該ゲートに蓄積された前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すためのソース又はドレインを有して前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すために絶縁性支持体上に準備された非単結晶半導体層を有する電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタを選択するための選択スイッチ手段と、前記ゲートをリセットするリセット手段と、を含み、前記絶縁性支持体上に配列された画素と、
   前記電界効果トランジスタによって増幅して読み出された信号を出力する読み出し回路と、を少なくとも備えた光電変換装置であって、
   前記読み出し回路は、ノイズを含む前記増幅して読み出された信号を蓄積するための第１の蓄積手段と、前記ノイズを蓄積するための第２の蓄積手段と、前記第１の蓄積手段からの第１の出力と前記第２の蓄積手段からの第２の出力との差をとり前記ノイズを取り除いた信号を得るための処理手段と、を含み、
   前記ゲートに接続される前記光電変換素子の電極が前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されることにより、前記光電変換素子は、前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記処理手段は、前記第１及び第２の出力を入力して減算処理する差動増幅器を有し、前記第１及び第２の出力は共通の制御信号により前記差動増幅器に入力されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段は、薄膜トランジスタからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
4. 前記リセット手段は、前記ゲートとリセットするための電源とを接続するための第１のスイッチと、前記ゲートと前記光電変換素子とを接続するための第２のスイッチと、を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
5. 前記薄膜トランジスタはアモルファスシリコン又はポリシリコンを用いて構成されている請求項３に記載の光電変換装置。
6. 放射線を電荷に変換する変換素子と、該変換素子に発生した電荷を受けるゲートと該ゲートに蓄積された前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すためのソース又はドレインを有して前記電荷に応じた信号を増幅して読み出すために絶縁性支持体上に準備された非単結晶半導体層を有する電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタを選択するための選択スイッチ手段と、前記ゲートをリセットするリセット手段と、を含み、前記絶縁性支持体上に配列された画素と、
   前記電界効果トランジスタによって増幅して読み出された信号を出力する読み出し回路と、を少なくとも備え、放射線に基づく情報を読み取るための放射線読取装置であって、
   前記読み出し回路は、ノイズを含む前記増幅して読み出された信号を蓄積するための第１の蓄積手段と、前記ノイズを蓄積するための第２の蓄積手段と、前記第１の蓄積手段からの第１の出力と前記第２の蓄積手段からの第２の出力との差をとり前記ノイズを取り除いた信号を得るための処理手段と、を含み、
   前記ゲートに接続される前記変換素子の電極が前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されることにより、前記変換素子は、前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段の上部に配置されていることを特徴とする放射線読取装置。
7. 前記変換素子は、光電変換素子と、該光電変換素子上に設けられ前記放射線を吸収して前記光電変換素子が検知可能な波長帯域の光を放出する波長変換体と、を有し、
   前記処理手段は、第１及び第２の出力を入力して減算処理する差動増幅器を有し、前記第１及び第２の出力は共通の制御信号により前記差動増幅器に入力されることを特徴とする請求項６に記載の放射線読取装置。
8. 前記電界効果トランジスタ、前記選択スイッチ手段、及び前記リセット手段は、薄膜トランジスタからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の放射線読取装置。
9. 前記リセット手段は、前記ゲートとリセットするための電源とを接続するための第１のスイッチと、前記ゲートと前記光電変換素子とを接続するための第２のスイッチと、を含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の放射線読取装置。
10. 前記薄膜トランジスタはアモルファスシリコン又はポリシリコンを用いて構成されている請求項８に記載の放射線読取装置。