JP4861789B2 - アクティブマトリックスx線撮像アレイ - Google Patents
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Description
即ち、(1)X線画像増強器(X-ray imaging intensifier)に光学的に結合したビデオカメラからの信号のデジタル化、および(2)刺激性蛍光体システムである。従来技術の刺激性蛍光体システムは、オペレータがカセットをリーダーに運ぶことを必要とするのに対して、従来技術の増強システムは即時的読み出しを可能にする。これらのシステムは何れも、全ての適用について許容可能な画質を与えない。
光導電体X線検出器の領域にで活発に行われている研究の一つの領域は、電荷読み出しシステムの開発である。アントヌク等(Antonuk et al)は、下記の文献に記載されているように、電荷読み出しのためのアクティブマトリックスアレイを利用したX線撮像検出器の概念を開示した:(1)「放射線による治療および診断撮像用の非晶質シリコン光ダイオードアレイの開発における、信号、ノイズおよび読み出しの考察」(Medical Imaging V: Imaging Physics,SPIE 1443,108-119(1991))、(2)「デジタルX線撮像のための、高解像度および高フレーム速度の平面パネルTFTアレイ」(Medical Imaging 1994: Physics of Medical Imaging,Rodney Shaw,Editor,Proceedings of SPIE,2163,118-128(1994))、および(3)「水素添加非晶質シリコンアレイを用いた、メガボルトの診断用X線撮像」(Medical Physics 19,1455-1466(1992))。彼等の初期の研究は、他の研究者によって引き続き発展された:「2d・a−Si画像センサの高感度読み出し」(Ichiro Fujieda,Robert A.Street,Richard L.Weisfield,Steve Nelson,Per Nylen,Victor Perez-Mendez and Gyuseong Cho,Jpn.J.Appl.Phys.32,198-204); 「直接的なX線光変換プロセス」(Henri Rougeot,In: Digital imaging: AAPM 1993 Summer School Proceedings Ed: William Hendee and Jon Trueblood(AAPM monograph 22,Medical Physics Publishing,1993)pp.49-96); 「非晶質シリコン薄膜アレイを用いたX線透視(fluoroscopy)X線撮像」(UW Schiebel,N Conrads,N Uung,M Weilbrecht,H Wieczorek,TT Zaengel,MJ Powell,ID French and C Glasse,Medical Imaging 1994:Physics of Medical Imaging,Rodney Shew,Editor,Proc.SPIE,2163,129-140(1994));および「非晶質シリコン画像センサアレイ」(MJ Powell,ID French,JR Jughes,NC Bird,OS Davies,C Glasse and JE Curran,Mat.Res.Soc.Symp.Proc.258,1127-1137(1992))。
これら従来技術のシステムでは、X線を吸収するために蛍光体スクリーン(好ましくは構築されたCsI層)が用いられ、発生した軽い光子は各画素に一つの光ダイオードおよびトランジスタを有するアクティブマトリックスアレイにより検出される。アントヌクは、「多重エレメント非晶質シリコン検出器アレイ(Multi-element Amorphous Silicon Detector Array)」について、MASDA という頭文字略語を案出した。
図1を参照すると、複数の画素を有するアクティブマトリックス10が示されており、夫々の画素は画素電極12、蓄積キャパシタ14および薄膜トランジスタ(TFT)16を備えている。外部の走査制御回路18は、画像電荷を画素から複数のデータライン20へ転送し、次いで外部の夫々の電荷増幅器22へと送るために、複数の制御ライン19を介して、一行のTFTを一度にオンさせる。同時に、電荷増幅器22の入力(仮想接地)によって、夫々の画素電極12の電位がリセットされる。夫々の行について得られた増幅された信号は、並列/直列変換器またはマルチプレクサ24によって複合化され、次いでアナログ/デジタル変換器またはデジタイザ26に送られる。
先ず、ガラス基板28上に金属層(好ましくはCrまたはAl)を蒸着し(熱蒸着またはスパッタリング)、フォトリソグラフィーを用いてパターンニングして、TFTアレイのためのゲート電極領域(G)を形成する。以下で更に詳細に説明するように、隣接した画素のゲートラインを延出させて、ゲートラインおよび画素電極12が、それらの間で延出した絶縁層30と共に集積された、画素蓄積キャパシタ14を形成するようにしてもよい。或いは、蓄積キャパシタのための別の接地復帰電極を、第一の金属層上で、ゲート電極ラインの間に形成してもよい。絶縁層30は、PECVD(プラズマ増強化学的気相成長)または熱蒸着を用いて堆積される。この絶縁材料は、SiO2、Si3N4、または両者を交互に積層したものとすることができる。該絶縁層の厚さは、典型的には0.1 〜0.5 μmである。
TFTの最終的な頂部金属層(好ましくはAlまたはITO)は、スパッタリングまたは熱蒸着を用いて堆積され、フォトグラフィーを用いることによりパターンニングして、画素電極12(この領域の誘電体は既にエッチングにより除去されているから、これは底部画素電極である)を形成する。以下で更に詳細に説明するように、画素電極12はゲート絶縁層34の頂部を覆って延出し、二重ゲートTFT構造を形成する。画素電極からX線光導電体への陰電荷注入を防止するために、頂部金属(Al)層を熱酸化することによりブロック層を形成してもよい。
適切なブロックコンタクトを有する光導電層36上に頂部バイアス電極38を堆積させて、光導電層のバルク中で発生した電荷を該バイアス電極に流す一方、このバイアス電極から光導電体へは電荷を注入させないようにする。Auおよびインジウム等の幾つかのタイプの金属によって、セレンとのブロックコンタクトを形成することができる。別の実施例は、該バイアス電極を堆積する前に、絶縁体(例えばCsO2)薄層をセレンの表面に堆積させるものであり、この絶縁膜薄層はブロック層として働く。
X線の照射に際し、X線エネルギーはX線光導電体36により吸収され、電子/正孔対が発生する。バイアス電極38と画素電極12との間の電位差により発生した印加電界の下で、放射線により発生した電荷は光導電体36の表面に引き寄せられ、画素電極12に集められる。各画素における電荷の差がX線画像を表す。
夫々の読み取りの際に、電荷増幅器22の仮想接地入力により、画素電極の電位はTFTを通して接地電位にリセットされる。X線透視を適用するためには、バイアス電極38に一定の高電圧が印加されて、撮像検出器がリアルタイムで走査される(即ち、1秒当たり30フレーム)。
1/30秒フレーム毎に画像が得られ、リアルタイムで処理されて表示される。
X線撮影の適用については、バイアス電極38に高電圧が適用され、またX線曝露の際には走査は停止される(即ち、全てのTFT16はオフされる)。当該画像を読み出すために、曝露の直後に走査が再会される。
a−Seの場合、殆どの入射X線を吸収するためには、光導電体層36は500μmオーダーの厚さとすることが必要とされる。従って、バイアス電圧は、10V/μmの電界下で5000ボルトのオーダーとしなければならない。異常な条件下では、各画素での電位は損傷を与える高い値(例えば1000ボルト)に到達し得る。
好ましい実施例のCdSe・TFT16は、略200 ボルト以下のVpで正常な機能を維持することができる。従って、誤った異常な条件下であったとしても、Vpは確実に100Vを超えないようにする必要がある。
上記で簡単に述べ且つ図2に示したように、TFT16を高電圧による破損から保護するために、二重ゲート構造が利用される。特に、画素電極12(これはTFTのドレイン(D)に接続される)がTFT16の上を延出し、第二ゲートとして働く。頂部ゲートの電圧は、画素電圧に等しい印(即ち、VTG=VP)。
(εa/da)=(Vth/VP(max))×(εb/db)
ここで、εaは誘電体層34の誘電定数であり、daは誘電体層34の厚さであり、VP(max)は画素に印加される最大電圧であり、εbは誘電体層30の誘電定数であり、dbはその厚さである。VP(max)(通常は−5V)が底部ゲート(G)に印加される場合は、画素電極12がVP(max)に達するときにTFTがオンしないことが望ましい。Vthは、これが底部ゲート(G)に印加された場合に、Vp=0の時のTFTをオンさせるであろう最小電圧を表す定数である。従って、0.1〜0.5 μmの範囲の厚さ、100 Vの最大画素電圧、および10Vの定数Vthを有する誘電体層30について、誘電体層34は、誘電体層30と同じ誘電性が与えられるならば1〜5μmの厚さを有するであろう。
図4Cを参照すると、グリッドを利用して電界を曲げる代わりに、図4Aおよび4Bの実施例に示したように、画素電極における頂部誘電体材料の電荷トラップ特性を利用して電界を曲げてもよい。即ち、検出器の構築が完了した後に、シーズンニング加工(seasoning process)を行う。このシーズンニングを行うために、検出器は多量のX線(或いは、頂部バイアス電極38がAuのように半透明であるときは可視光)に曝露され、TFT16は全てオンされ、電界がセレン光導電体36に印加される。光導電体36の中で発生した正孔は、該光導電体の底面へと引っ張られて画素電極12に負荷されるか、或いは画素電極間の誘電材料34にトラップされることになる。画素電極12に負荷された正孔は、オンしたTFT16を通って流れ去り、絶縁体34にトラップされた正孔は、トラップされた正孔の数に比例して増大する表面電位を発生する。該絶縁体の電位が更なる正孔を排斥するレベルにまで上昇したときに、該システムは平衡に達する。正孔のトラップは長期に亘る効果をもつから、この段階の後に撮像のために検出器を使用すると、X線により発生した正孔は優先的に画素電極12に負荷され、これにより当該システムの有効充填因子は略100 %に増大する。このシーズンニング加工は、検出器が構築された後に1回行ってもよく、或いは撮像を行なうことが予想される各当日の開始時に行ってもよい。更に、十分な使用時間後には、正孔の排斥を行うのに十分なセレンの暗電流が発生するので、当該装置の長期使用後に反復シーズンニングを行う必要はないと思われる。
図5は、上記のように高電圧電源に接続された頂部センサバイアス電極38の平面図である。複数(例えば、胸部放射線電極については3個が好ましい)の、より小さい電極42によってX線量の測定領域が与えられる。
図6Aの実施例の断面図においては、光タイマーバイアス電極42を共通の頂部バイアス電極38から絶縁するために、間隙43が設けられているのに対して、図6Bの実施例の断面図では、電界適用のための間隙は示されておらず(平面で見たとき)、電極間の必要な絶縁は絶縁層44の追加によって与えられている。
本発明の他の実施例および変形もまた可能である。このような全ての改変および変形は、添付の請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあるものと信ずる。
12 画素電極
14 蓄積キャパシタ
16 薄膜トランジスタ
18 走査制御回路
19 制御ライン
20 データライン
22 電荷増幅器
24 マルチプレクサ
26 デジタイザ
28 ガラス基板
30 絶縁層
32 半導体層
34 誘電体層
36 光導電層
38 バイアス電極
Claims (3)
- アクティブマトリックス撮像装置であって:
a)複数の行および列に配置された薄膜トランジスタのアレイであって、前記薄膜トランジスタは夫々第一の制御末端および一対の信号末端を備えているアレイと;
b)前記夫々の薄膜トランジスタを覆う誘電体層と;
c)複数の制御ラインを備えた操作制御回路手段であって、前記制御ラインは夫々、前記複数の行のうちの一つに含められた、前記薄膜トランジスタの夫々の第一の制御末端に接続されている操作制御回路手段と;
d)複数のデータラインを備えた読み出し回路手段であって、前記データラインは、夫々、前記複数の列のうちの一つに含められた、夫々の薄膜トランジスタにおける前記一対の信号末端のうちの第一の末端に接続されている読み出し回路手段と;
e)各々が前記薄膜トランジスタアレイに含められた夫々の薄膜トランジスタにおける、前記一対の信号末端のうちの第二の末端に接続された複数の画素電極と;
f)前記複数の画素電極の夫々に接続された、複数の蓄積キャパシタと;
g)前記複数の画素電極および前記誘電体層を覆って重ねられたX線光導電層であって、内部でX線に対する前記X線光導電層の曝露に応答して電子/正孔対が発生するX線光導電層と、
h)前記X線光導電層を覆って重ねられたバイアス電極と;
i)前記バイアス電極と前記複数の画素電極の一つとの間に高電圧差を樹立するための第一の電圧手段であって、該電圧差によって、前記電子/正孔対により発生した電荷が前記複数の画素電極の一つに夫々捕集され、該捕集された電荷は前記X線曝露の強度に比例するような第一の電圧手段と;
j)前記夫々の薄膜トランジスタの前記第一の制御末端と対向するように、前記誘電体層の上に延出した更なる制御末端であって、その夫々は前記画素電極の夫々の、前記一対の信号末端のうちの前記第二の末端に接続された方の延設部を形成しており、前記誘電体層の所定の膜厚について、所望の電圧とは無関係の予め定められた過剰量の画素電圧が前記第一の制御末端に印加された場合にも、前記薄膜トランジスタの夫々が動作可能なまま残り、これによって過剰な高画素電圧に対する前記薄膜トランジスタの保護を与える更なる制御末端とを具備した、アクティブマトリックス撮像装置。 - 夫々の前記蓄積キャパシタが、関連した一つの前記薄膜トランジスタにおける前記画素電極と共通末端を有する第一の電極と、隣接した一つの前記薄膜トランジスタの制御末端と共通末端を有する第二の電極と、それら電極の間の誘電体層とを具備する請求項1に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
- 更に、前記電子/正孔対により生じた前記電荷とは反対の極性の電荷を受け取って捕集するための前記バイアス電極におけるX線曝露量の測定領域となる複数の光タイマーバイアス電極と、前記X線に対する撮像装置の積算曝露量を表す出力信号を発生させるための、前記光タイマーバイアス電極に接続された増幅器手段とを具備した請求項1に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
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