JP4508429B2 - センサマトリックス - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、行及び列のマトリックスに配され、入射する照射量に依存して電荷を発生させる光感知又はＸ線感知センサを含む装置であって、各センサが、それぞれのトランジスタと共に、端子と並列に接続されるストレージキャパシタ又は固有のストレージキャパシタンスを備えたそれぞれの光センサ素子を含み、センサの各行には、少なくとも１つのスイッチングラインが備えられ、このラインを介して前記トランジスタが活性化され、関連して活性化されたセンサＳの電荷が読取りライン８を介して同時に読み取れる装置に関する。さらに本発明は、当該装置を動作させる方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
前述のような装置は、欧州特許出願公報ＥＰ ０ ４４０ ２８２ Ａ２号により知られている。特にＸ線アプリケーションの場合、僅かのＸ線量がセンサに入射する。その結果、入射放射線に依存して光センサ素子で発生された電荷もまた極く僅かである。多くの量のノイズが読み取られる信号上に重畳されるので、この僅かな電荷量がしばしば問題を生じさせる。この問題を緩和させるために、上記ＥＰ ０ ４４０ ２８２ Ａ２号の公報で開示された装置の１つのセンサは、放射線の感度を高めるためにできるだけ大きい感知表面エリアを持つ。このような大きな表面エリアを実現させるべく、マトリックスの各読取りラインがこのマトリックス列のすべてのセンサから読み取られる信号を増幅するのに役に立つ、ただ一つの増幅器を具備する。
【０００３】
【発明の開示】
本発明の目的は、前述の種類の改良された装置を提供し、当該装置を動作させる方法を提案することである。特に、装置の動作モードに依存して、センサの読取りにより生じるスイッチングノイズが減少され、及び／又はより高い画像のリピートレート、光センサ素子のより安定した動作条件、また大きな信号の場合には、光センサ素子の増大したダイナミックレンジも可能であろう。
【０００４】
上述の目的は、第１のトランジスタとは独立して駆動可能な他のトランジスタと、各センサにおいて付加的なキャパシタとの協働を供給するというアイデアを基にして達成される。
【０００５】
特に、上記目的は、各センサが光センサ素子と直接接続され少なくとも一つの制御ラインを介して活性化される他のトランジスタを含み、各センサのこれら２つのトランジスタが直列接続され、他のキャパシタの電極が前記２つのトランジスタの接合部に接続される装置において達成される。
【０００６】
本発明の好ましい実施例において、センサのこれらトランジスタは両方共、導電チャネルが直列接続されている電界効果トランジスタとして構成される。この装置の動作の種々のモードが、制御ラインを介して光センサ素子に接続された電界効果トランジスタ（制御用電界効果トランジスタ）のゲート端子の駆動に依存して実現可能である。動作の個々のモードは、請求項９乃至１１に記載された発明による装置を動作させる方法から実行される。
【０００７】
制御用電界効果トランジスタと直列に接続される電界効果トランジスタ（スイッチング用電界効果トランジスタ）のゲート端子は、既知の態様でセンサを読み取るために活性化されるスイッチングラインに接続されている。
【０００８】
既知のスイッチングラインに適合するように、センサの各行に対して、他のトランジスタ、特に制御用電界効果トランジスタを制御する少なくとも一つの制御ラインが設けられる。しかしながら、択一的に、マトリックス全体のすべての他のトランジスタを駆動するただ一つの制御ラインを設けることもできる。
【０００９】
スイッチング用電界効果トランジスタのスイッチングノイズを効果的に減ずるために、本発明の実施例では、他のキャパシタが、固有のキャパシタンスよりも小さいか、及び／又は光センサ素子と並列に接続されたストレージキャパシタよりも小さいように選択される。
【００１０】
各センサの構成素子は、薄膜基板上に近接して配されるか、及び／又は一方の素子の上に他の素子が配されている。付加的な制御用電界効果トランジスタは、アモルファスシリコン又はポリ結晶シリコンから構成されてもよい。
【００１１】
本発明による装置が、請求項９の特徴によって動作するとき、上記他のキャパシタへの連続的な電荷転送が達成される。光センサ素子にかかる電圧が一定に維持されるとき、上記他のキャパシタは、照射線が当該光センサ素子に入射するときに上記ストレージキャパシタの代わりに放電される。以下、「チャージポンプ」の語句が、制御用電界効果トランジスタの動作のこのモードのために用いられる。結果として、他のキャパシタが読み出しラインを介して読み出されている間、再びチャージされる。他のキャパシタがストレージキャパシタよりも小さいとき、読みとられた容量の大きさに比例するスイッングノイズが減少される。
【００１２】
光センサ素子にかかる電圧が一定に維持されるので、該光センサ素子の動作は大きな信号の場合でさえ安定する。なぜならば、同一の動作点で連続して動作するからである。さらに、センサのより大きなダイナミックレンジが、他のキャパシタにかかる最大電圧揺れ幅が適当に選択される場合に得られる。
【００１３】
ストレージキャパシタと上記他のキャパシタとの間の制御された電荷転送は、請求項１０の特徴に適合した発明による装置の動作によって達成しうる。動作のこのようなモードでは、電荷が他のキャパシタから読みとられる一方、光センサに入射する放射線が既にストレージキャパシタ内に新たな電荷を作り出している。このため、上記制御用電界効果トランジスタは一時的にチャージポンプとして動作する。
【００１４】
ストレージキャパシタよりも小さい他のキャパシタは、制御された電荷転送の場合においてもスイッチング用電界トランジスタのスイッチングノイズを減少する効果を及ぼす。ストレージキャパシタにかかる電荷の蓄積の一時的な重畳及び他のキャパシタの読み取りのために、この動作モードは、これまで知られている装置で達成されるより高いイメージ（画像）リピートレートを許容する。
【００１５】
請求項１１の特徴に適合する発明による装置の動作モードでは、ストレージキャパシタが他のキャパシタにより効果的に大きくされる。光センサ素子、特にフォトダイオードにかかる所定のバイアス電圧の存在が、そのダイナミックレンジを増大させる。
【００１６】
本発明による装置を実現するための経済的で簡便な可能性が、請求項６に記載のように上に被さっている光センサ素子、特にフォトダイオードを伴う既知の多層画像センサ技術により提供される。
【００１７】
ボトムゲート型電界効果トランジスタが使用されるとき、請求項７の特徴に適合する２つの直列接続のキャパシタとしての他のキャパシタンスの構成が、ゲート誘電体を通るスルーコンタクトの必要性を排除し、よってセンサの製造において処理ステップを節約する。
【００１８】
請求項８の特徴に適合する装置の構成は、共通電極と読みとりラインとの間の交差を避けるのに効果的である。
【００１９】
本発明の実施例は、図を参照してこれ以降詳細に述べられるだろう。
【００２０】
【発明の実施の態様】
本発明の実施例は、センサマトリックスの一部を示す図１を参照して以下詳細に述べられる。
【００２１】
図１は、一つの照射線感知センサＳだけを、単に本発明による装置の一部として示す。この実施例のすべてのセンサは、ｎチャネルの電界効果トランジスタを備えている。明らかに、異なる構造を持つ電界効果トランジスタも本発明の中で使用可能である。
【００２２】
マトリックスは、行及び列で配される、例えば２０００ｘ２０００個の大きさのセンサＳの既知の態様で構成される。マトリックスの行の各第１のセンサＳが一緒になって第１の列を形成し、各行の各第２のセンサのそれぞれが一緒になって第２の列を構成する。以下、同様である。
【００２３】
各センサＳは光センサ素子を含む。適当な半導体が使用される場合、光センサ素子自体がすでにＸ線に敏感になりうる。しかしながら、それは、Ｘ線がその上に配されるシンチレータ層に入射するときはいつでも光を受光する光感知フォトダイオード１であってもよい。シンチレータ層がない場合には、当該装置は、光を直接検知するためにも適している。フォトダイオード１の端子と並列に、ストレージキャパシタ２が接続される。フォトダイオード１のアノード及びストレージキャパシタ２の電極が、負のDC電圧を用いてバイアスする共通電極９に接続されている。フォトダイオード１のカソード及びストレージキャパシタ２の他の電極が、制御用電界効果トランジスタ５のソース端子に接続されている。順に制御用電界効果トランジスタ５のドレイン端子が、スイッチング用電界効果トランジスタ３のソース端子に接続される。
【００２４】
照射線がフォトダイオード１に入射するとき、チャージキャリアペア（電荷）がフォトダイオード１に発生される。これはチャージされたストレージキャパシタが一部放電される結果を伴う。この放電はフォトダイオード１に入射されたフォトンの数に依存する。各センサは、電界効果トランジスタ３及び５の導電チャネルを介して、各電荷の欠乏を補償することにより個々に読み取られうる。このために、制御ライン６及びスイッチングライン７は、センサマトリックスの各行に具備される。スイッチングライン７はスイッチング用電界効果トランジスタ３のゲート端子に接続され、制御ラインはセンサＳの制御用電界効果トランジスタ５のゲート端子に接続される。
【００２５】
スイッチングライン及び制御ライン６、７は、マトリックスの関連する行の電界効果トランジスタ３及び５を活性化させる。これらは、例えば図示しないがそれ自体既知である駆動回路により駆動される。この駆動回路は異なるアナログ制御電圧をライン６及び７に印加する。駆動回路は、センサＳに記憶された電荷を読み取るために連続してセンサマトリックスの行を活性化するのに役立つ。
【００２６】
読取りライン８は、マトリックスの各列に対して既知の態様で具備される。すべての読取りライン８は関連する列のセンサのスイッチング用電界効果トランジスタ３のドレイン端子に接続される。増幅器１１は各読取りライン８に規則的に関連づけられ、この増幅器は個々のセンサＳにおいて行方向に流れる電荷を蓄積する。増幅器１１はアナログマルチプレサ（不図示）により先行され、これら入力部は当該増幅器の出力部に接続される。アナログマルチプレサは、マトリックスの一つの行毎に同時かつ平行に到達する電荷を、さらに処理するためにアナログマルチプレサのシリアル出力部に存在するシリアル信号に変換する。
【００２７】
他のキャパシタ４の電極は、制御用電界効果トランジスタ５のドレイン端子及びスイッチング用電界効果トランジスタ３のソース端子それぞれと接続される。前記他のキャパシタの他の電極４ａは一般的電極９、又はそことは独立した一般的電極とさらに接続される。本発明の情況下で、制御用電界効果トランジスタ５にかかるドレイン電圧を安定させるために、各センサＳのスイッチング用電界効果トランジスタ３と、制御用電界効果トランジスタ５との間の接続部に一つ以上のカスコードトランジスタを挿入することができる。
【００２８】
制御用電界効果トランジスタ５と関連して、そのゲート端子が制御ライン６を介して駆動され、他のキャパシタ４が本発明による装置の個別のセンサＳに対して以下のモードの動作を可能にする。
【００２９】
Ａ．連続電荷転送
適切な電圧が制御ライン６を介して制御用電界効果トランジスタ５のゲート端子に印加されるとき、このトランジスタはチャージポンプとして動作しうる。適切な電圧とは、制御用電界効果トランジスタ５を飽和レンジで動作させる電圧である。フォトダイオード１とストレージキャパシタ２とにかかる電圧は、このようにして一定に保たれる。
【００３０】
照射線がセンサＳの動作のこのモードでフォトダイオード１に入射するとき、フォトダイオード１のストレージキャパシタ２はもはや放電されず、他のキャパシタ４が放電される。スイッチング用電界効果トランジスタ３がそれから読み取りの目的で閉じられるとき、他のキャパシタ４が読取りライン８を介して電荷の読み取り中に再びチャージされる。
【００３１】
Ｂ．制御電荷転送
他のキャパシタ４からストレージキャパシタ２への電荷転送は、制御ライン６の電圧により支配される。この関係に基づけば、（ソース端子の電圧に関連した）負電圧を制御ライン６を介して電界効果トランジスタ５のゲート端子に印加することによるイメージデータ取得の所定の相において上述のサブＡで述べられた電荷転送を抑制することが可能であり、制御用電界効果トランジスタ５がターンオフされる。
【００３２】
電荷転送が抑制されるとき、まず、ストレージキャパシタ２のみが放電され、その後他のキャパシタ４から再びチャージされる。放射線が既にフォトダイオード１に再び入射し、キャパシタ２が放電されるとき、活性化されるスイッチング用電界効果トランジスタ３と読取りライン８を介して、他のキャパシタ４にかかる電荷の補償がそのとき起こりうる。
【００３３】
Ｃ．ストレージキャパシタの増大
ソース端子の電圧と比較して、大きな正電圧が制御用電界効果トランジスタ５のゲート端子に印加されるとき、それのチャネルは導電性になる。この電圧が維持される場合、連続した接続がストレージキャパシタ２と他のキャパシタ４との間で確立される。フォトダイオード１と並列に接続された全体にわたるキャパシタンスがこのようにして、追加のキャパシタンス４により増大される。フォトダイオード１のダイナミックレンジは、所与のバイアス電圧に対してこのように増大されうる。
【００３４】
図２は、例えば、M.J. Powell, C. Glasse, I.D. French, A.R. Franklin, J.R. Hughes 及び J.E. Curran著による、 Materials Research Symposium Proceedings, 467 863 (1997)で述べられているような、上に被さった（overlying）ダイオードを持つ既知の多層画像センサ技術によって、図１に示されるような回路の可能性ある実施例を示す。図１に対応して、図２は、同一の構成の複数のセンサを有するマトリックスの一部としてのセンサを単なる例示として示す。
【００３５】
２つの主要な接続部が当該センサの両方向に設けられていて、各ラインと直角に延在するスイッチングライン７，制御ライン６，読みとりライン８及び一般的電極９を具備する。図３及び図４に示されるように、３つの金属化層１２，１３，１４が、原則として２方向の１つが共通電極９のコースに対して自由に選択できるようなやり方で、多層画像センサ技術で構成される。しかしながら、図２に示されるように、読みとりライン８との交差を避けることが有利である。
【００３６】
図３は、多層画像センサ技術で構成されたセンサＳの断面図であり、ボトムゲート型電界効果トランジスタとして制御用電界効果トランジスタ５及びスイッチング用電界効果トランジスタ３を含む。さらに言うと、センサＳは、第１金属化層１２，その上に配される第２金属化層１３及びその上に配される第３金属化層１４を含む。
【００３７】
第１金属化層１２は、他のキャパシタ４の一部を形成する他の金属化領域１５とともに、スイッチングライン７及び制御ライン６に対するゲートメタルを含む。上に配された金属化層１３と第１金属化層１２との間に、アモルファスシリコンの形式で、半導体物質１７を具備する部分上にゲート誘電体層１２が設けられる。第２の金属化層１３において、半導体物質１７上に、他のキャパシタ４の一部をも形成する２つの他の金属化領域１８，１９とともに、制御用電界効果トランジスタ５及びスイッチング用電界効果トランジスタ３のドレイン及びソース端子が設けられる。第１及び第２金属化層の金属化領域１５，１８，１９は、ゲート誘電体１６により分離されて、他のキャパシタ４を作る直列接続を持つ２つのキャパシタを形成する。第１金属化層１２の金属化領域１５は、前記２つの連続して接続されたキャパシタの導電接続部及び共通電極であり、一方金属化領域１８，１９は前記２つの連続して接続されたキャパシタの対向電極を形成する。この直列接続部は、ゲート誘電体１６を通るスルーコンタクトの必要性を排除する。なぜならば、追加のキャパシタ４は、スイッチング用電界効果トランジスタ３のソース端子と共通電極９との間に位置する。
【００３８】
金属化領域１８により形成された前記対向電極は、追加のスルーコンタクト２１を介して一般的電極９に接続される。金属化領域１８は、この実施例では一般的電極９に接続された図１の追加のキャパシタ４の端子４ａに対応する。スルーコンタクト２２は、従来の多層画像センサ技術に適合して製造されたセンサに既に存在し、固有のキャパシタンスを持って、フォトダイオード１，２を金属化層１３の制御用電界効果トランジスタ５のソース端子に接触させる（図１も参照）。
【００３９】
図４は、多層画像センサ技術で構成されたセンサＳの断面図であり、トップゲート型電界効果トランジスタとして制御用電界効果トランジスタ５及びスイッチング用電界効果トランジスタ３を含む。センサＳのこの実施例では、スイッチング用電界効果トランジスタ３のソース端子は、金属化層１２内にある。キャパシタ４は、センサＳの全領域間に延在する電界効果トランジスタ３，５のゲート誘電体１６を利用する。このレイアウトにおいて、他のキャパシタ４を２つの直列接続キャパシタに副分割する必要はない、なぜならば、スイッチング用電界効果トランジスタ３のソース端子が、他のキャパシタ４の対向電極とともに２つの電界効果トランジスタ３，５のソース／ドレインメタルを形成する金属化層１２内に位置するからである。金属化層１３は、２つの電界効果トランジスタ３，５のゲート端子とともに共通電極９に接続される追加のキャパシタ４の電極を含む。
【００４０】
これらの好ましい実施例に加えて、他のキャパシタ４は、フォトダイオード１，２のパッシベーションのために絶縁層２３内にも実現できた。しかしながら、このことは、前に述べたようにスルーコンタクトを必要とした。その上、その領域に配されたキャパシタは、絶縁体２４の表面領域を占めるので、フォトダイオード１，２の活性領域を低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｘ線を感知するセンサの回路装置の一部を示す。
【図２】 図１に示される回路装置の概略的レイアウトを示す。
【図３】 図１に示される回路装置を持つマトリックスのボトムゲート型電界効果トランジスタ技術をともなうセンサの断面図である。
【図４】 図１に示される回路装置を持つマトリックスのトップゲート型電界効果トランジスタ技術をともなうセンサの断面図である。
【符号の説明】
Ｓ Ｘ線感知センサ
１ 光センサ素子
２ ストレージキャパシタ
３ トランジスタ
４ 他のキャパシタ
５ 制御用電界効果トランジスタ
６ 各センサ
７ スイッチングライン
８ 読取りライン

Claims (11)

1. 行及び列のマトリックスに配され、入射する照射量に依存して電荷を発生させる光感知又はＸ線感知センサを含む装置であって、各センサが、それぞれのトランジスタと共に、端子と並列に接続されるストレージキャパシタ及び／又は固有のストレージキャパシタンスを備えたそれぞれの光センサ素子を含み、センサの各行には、少なくとも１つのスイッチングラインが備えられ、このラインを介して前記トランジスタが活性化され、関連して活性化されたセンサの電荷が読取りラインを介して同時に読み取れる装置において、各センサが前記トランジスタと前記光センサ素子との間に直列に接続され、少なくとも１つの制御ラインを介して活性化される他のトランジスタを含み、各センサのこれら２つのトランジスタが直列に接続され、他のキャパシタの電極がこれら２つのトランジスタの接合部に接続されていることを特徴とする装置。
2. 前記他のトランジスタが、センサの行あたり少なくとも１つの制御ライン又は全体のマトリックスに対して１つの制御ラインを介して活性化されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 各センサのこれらトランジスタが、電界効果トランジスタとして構成されており、これらの導電チャネルは直列に接続され、前記光センサ素子に接続される制御用電界効果トランジスタのゲート端子は前記制御ラインに接続され、一方、直列に接続されたスイッチング用電界効果トランジスタのゲート端子は前記スイッチングラインに接続されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記他のキャパシタが前記ストレージキャパシタよりも小さいことを特徴とする請求項１又は３に記載の装置。
5. 前記センサの連続した素子が、薄膜基板上で一方の素子が他方の素子の上若しくはとなり、又は上であって且つ隣に配されることを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
6. 各センサは、第１金属化層、その上に配される第２金属化層、第２金属化層の上に配される第３金属化層、第１金属化層と第２金属化層との間のゲート誘電体層、及び前記センサのエッジ領域に位置するスルーコンタクトを介して一般的電極に接続される前記他のキャパシタを形成する第１及び第２金属化層の金属化領域をともなった、光センサ素子の多層画像センサ技術で構成されることを特徴とする請求項１又は５に記載の装置。
7. 第１金属化層の金属化領域が前記他のキャパシタの一部を形成し、第２金属化層の２つの金属化領域も前記他のキャパシタの一部を形成し、第１及び第２の金属化層のこれら金属化領域が、前記他のキャパシタを形成するために直列に接続される２つのキャパシタの電極を形成し、第１の金属化層の前記金属化領域が前記２つの直列接続されたキャパシタの導電接続と共通電極とを形成する一方、第２金属化層の前記金属化領域が前記２つの直列接続されたキャパシタの対向電極を構成することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記スイッチングラインと前記制御ラインとが、互いに平行に、且つ前記読みとりライン及び前記一般的電極に直交して延在することを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 各センサの前記制御用電界効果トランジスタのゲート端子にかかる電圧は、前記光センサ素子にかかる電圧を一定に維持して、チャージポンプとして動作するように選択されることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の装置を動作させる方法。
10. 各センサの前記制御用電界効果トランジスタの前記導電チャネルは、前記光センサ素子に入射する照射線の前記ストレージキャパシタにおける電荷蓄積の間ブロックされ、電荷がブロックされていない導電チャネルにより前記他のキャパシタに転送され、前記スイッチング用電界効果トランジスタのブロックされていない導電チャネルにより、そこから読み出されることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の装置を動作する方法。
11. 各センサの前記制御用電界効果トランジスタのゲート端子にかかる電圧が非常に高くなるように選択され、導電チャネルが前記ストレージキャパシタを前記他のキャパシタに直接接続することを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項に記載の装置を動作する方法。

Images