JP5173234B2 - 放射線撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

放射線撮像装置及び放射線撮像システム Download PDF

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Description

本発明は、放射線を用いた放射線撮像装置及び放射線撮像システムに関する。
近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのスイッチ素子を用いた液晶ディスプレイパネルの製造技術が進展し、パネルの大型化と共に表示部の大画面化が進んでいる。この製造技術は、半導体変換素子などの変換素子とスイッチ素子を有する大面積エリアセンサに応用され、放射線撮像装置等の各分野でフルディジタル化が実現されている（特許文献１を参照）。
放射線撮像装置に用いられる変換素子は、直接型と間接型に分けられる。直接型変換素子は、放射線を直接電荷に変換する。間接型変換素子は、シンチレータなどの波長変換体を用いて波長変換された可視光等の放射線を電荷に変換する。直接型としては、例えば、アモルファスセレン、ガリウム砒素、ガリウムリン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅなどを用いて形成される変換素子が挙げられる。間接型としては、例えば、ＭＩＳ型変換素子やＰＩＮ型変換素子が挙げられる。可視光を電荷に変換する場合には、一般的には、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層が変換素子に適用される。
特開２００６−４９９８号公報
しかしながら、放射線撮像装置は、微小信号をディジタル変換して画像を出力するため、微小信号にわずかなノイズが含まれても、撮像画像のＳ／Ｎ比が悪化しうる。特に、変換素子に接続されるバイアス線とスイッチ素子に接続される信号線は、ノイズ源となり易く、これらの配線に対するノイズ対策が望まれていた。
本発明者らは、バイアス線及び信号線により発生するノイズについて、鋭意研究を行った結果、これらの配線が特定の配置構造をとる場合に、ノイズが発生しうることを見出した。
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、バイアス線及び信号線により発生するノイズを抑えることを目的とする。
本発明の第１の側面は、電極と半導体層と不純物半導体層とをこの順に含んで放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の前記電極に電気的に接続されたスイッチ素子と、を含む画素がマトリクス状に配置された画素領域と、前記スイッチ素子に電気的に接続され、前記変換素子の前記電極に所定の電圧を与えるための第１の電圧が与えられる第１の線と、前記変換素子の前記不純物半導体層に電気的に接続され、前記所定の電圧との差により前記変換素子の前記半導体層を空乏化する第２の電圧が与えられる第２の線と、前記画素領域の外で、前記第１の線と前記第２の線とが交差する交差部と、を基板上に備える放射線撮像装置であって、前記交差部では、前記第１の線と前記第２の線との間に半導体層が配置され、前記交差部の前記半導体層と前記第２の線との間に前記変換素子の前記不純物半導体層と同じ型の不純物半導体層が配置され、前記交差部の前記半導体層と前記第１の線との間にキャリア阻止部が配置されていることを特徴とする。
本発明の第２の側面は、放射線撮像システムに係り、上記の放射線撮像装置と、前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、バイアス線と信号線によって発生するノイズを抑えることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、図１１〜図１６、図１８を参照して、本発明者らが見出したノイズの発生機構について説明する。次いで、図１〜図１０、図１６、図１７、図１９を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本明細書では、可視光等の電磁波やＸ線、α線、β線、γ線なども、放射線に含まれるものとする。
図１１は、一般的な放射線撮像装置１１００の等価回路図である。図１２は、図１１の等価回路図から予想される放射線撮像装置１１００のレイアウト図である。図１１に示すように、放射線撮像装置１１００は、絶縁基板１１０１と、絶縁基板１１０１上に配置されたｍ列×ｎ行の（ｍ、ｎは１以上の整数。以下も同様とする。）画素１１０２とを備える。画素１１０２は、放射線を電荷に変換する変換素子としてのＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎと、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎに接続された信号転送用のスイッチ素子Ｔｍｎとで構成される。画素数は特に限定されないが、２０００×２０００の画素が絶縁基板上に配置されうる。
Ｓｉｇｍは、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎで光電変換された電荷を読み出すための第１の線としての信号線（以下「Ｓｉｇ線」という。）である。Ｖｓｍは、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎにバイアスを与えるための第２の線としての共通のバイアス線（以下「Ｖｓ線」という。）である。Ｖｇ１〜Ｖｇｎは、スイッチ素子Ｔｍｎのオン・オフを制御するゲート線（以下「Ｖｇ線」という。）である。
絶縁基板１１０１は、画素１１０２がマトリクス状に配列された画素領域１１０３と、画素領域１１０３の外側の周辺領域１１０４とに分けられる。周辺領域１１０４には、Ｖｓ線に接続されたＶｓ接続配線１１０５が配置される。また、周辺領域１１０４では、Ｖｓ接続配線１１０５とＳｉｇ線とが交差する交差部１１０９が形成されている。以下、放射線撮像装置１１００の動作原理について説明する。
まず、画素領域１１０３に配置されたＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎの光電変換層が空乏化するように、Ｖｓ線にバイアスを与える。例えば、Ｓｉｇ線に第１の電圧としての基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に基準電位よりも高い第２の電圧としての電圧（例えば、１０Ｖ）を与える。この状態で、被検体に向けて曝射された放射線は、被検体により減衰を受けながら透過する。被検体を透過した放射線は、シンチレータ層で可視光に変換される。この可視光は、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎに入射して、電荷に光電変換される。この電荷は、ゲート駆動装置１１０６からＶｇ線に印加されるゲート駆動パルスによって、スイッチ素子Ｔｍｎを介してＳｉｇ線に転送され、読み出し装置１１０７により外部に読み出される。その後、Ｖｓ線の電位変化により、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎで発生し、転送されなかった残留電荷が除去される。残留電荷の除去は、例えば、図１６（ｂ）に示すように、Ｖｓ線の電位を基準電位よりも低い電圧（−５Ｖ）に変化させ、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎの半導体層に残留したホールをＶｓ線まで移動させることにより行われる。また、残留電荷の除去は、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎに接続されたスイッチ素子Ｔｍｎを用いて行ってもよい。動画の撮影の場合には、更に、図１６（ａ）に示すように、Ｖｓ線の電位を基準電位よりも高い電圧（例えば、１０Ｖ）に戻して、上記動作を繰り返す。
次に、図１３及び図１４を用いて放射線撮像装置１１００の層構成について説明する。図１３は、図１２に示す１画素の破線部Ｇ−Ｇ’の断面図である。図１４は、図１２に示すＶｓ接続ホール１２０１の破線部Ｈ−Ｈ’の断面図である。
図１３に示すように、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎは、第１の電極層１３０１と、第１の絶縁層１３０２と、光電変換層である半導体層１３０３（ａ−Ｓｉ層）と、不純物半導体層１３０４と、Ｖｓ線を形成する第２の電極層１３０５とで構成される。また、スイッチ素子Ｔｍｎは、第１の電極層１３０１と、第１の絶縁層１３０２と、半導体層（ａ−Ｓｉ層）１３０３と、不純物半導体層１３０４と、第２の電極層１３０５とで構成される。ゲート電極とＶｇ線とは第１の電極層１３０１により形成される。ソースまたはドレイン電極とＳｉｇ線とは、第２の電極層１３０５により形成される。
更に、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎとスイッチ素子Ｔｍｎとの上層には、第２の絶縁層１３０６と、保護層１３０７と、接着層１３０８と、放射線１３１０を可視光に波長変換するシンチレータ層１３０９とが順次形成される。このように、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎとスイッチ素子Ｔｍｎとを、同一の層で形成することによって、製造プロセスが簡略化される。
また、図１４に示すように、第２の電極層１３０５により形成された各Ｖｓ線は、Ｖｓ接続ホール１２０１を介して、第１の電極層１３０１により形成されたＶｓ接続配線１１０５と接続される。よって、各Ｖｓ線は、Ｖｓ接続配線１１０５により共通化される。
図１１及び図１２に示すように、画素領域１１０３の外側の周辺領域１１０４では、Ｖｓ接続配線１１０５とＳｉｇ線とが交差する交差部１１０９を形成している。図１５は、交差部１１０９の構造の一例を示す図である。図１５は、図１２に示す破線部Ｉ−Ｉ’の断面図である。第２の電極層１３０５により形成された各Ｓｉｇ線は、第１の絶縁層１３０２、半導体層１３０３、不純物半導体層１３０４を介して、第１の電極層１３０１により形成されたＶｓ接続配線１１０５、即ちＶｓ線と交差する。よって、Ｖｓ線は、交差部１１０９では第１の電極層１３０１により形成される。このような構造において、上記の動作原理の説明で示したようにバイアスを印加する。すると、撮影時（即ち光電変換時）には、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎの半導体層１３０３は欠乏状態（すなわち、図１６（ａ）に示すように半導体層にキャリアがほとんど存在しない状態）となる。これに対し、交差部１１０９の半導体層１３０３は、図１８（ａ）に示すように導電状態（すなわち、図１６（ｂ）に示すように半導体層にキャリアが注入可能な状態）となる。一方、残留電荷の除去時には、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐｍｎの半導体層１３０３は導電状態（すなわち、図１６（ｂ）に示す状態）となる。これに対し、交差部１１０９の半導体層１３０３は、図１８（ｂ）に示すように空乏状態となる。
放射線撮像装置１１００は、液晶ディスプレイと異なり、微小信号をディジタル変換して画像出力する。特に、動画撮影の場合には、被検者が長時間放射線を浴びるため、放射線の曝射量の低減が望まれている。そのためには、放射線撮像装置１１００の更なる高感度化を達成しなければならない。しかしながら、図１８（ａ）に示すように、交差部１１０９において、半導体層１３０３を導電状態とした場合、Ｓｉｇ線には第１の絶縁層１３０２により形成される容量のみが負荷される。この容量は、半導体層１３０３を空乏化し、半導体層１３０３と第１の絶縁層１３０２により容量を形成する場合に比べて、容量が大きくなる。その結果、ノイズが大きくなり、感度ロスが生じうる。
また、半導体層１３０３は非常に高抵抗であり、周波数特性を有する。そのため、導電状態とするためには、バイアスを低周波かつ十分な時間与える必要がある。ここで、Ｖｓ線について考えると、図１１中のＸ部分とＹ部分では、配線抵抗と寄生容量が異なるため、バイアス印加時の時定数が異なる。即ち、バイアス供給装置１１０８に近いＸ部分においては、短時間で所望のバイアスが供給可能であるのに対し、バイアス供給装置１１０８から離れたＹ部分においては、所望のバイアスを供給するために十分長い時間を必要とする。
一方、静止画撮影における撮影から表示までの時間短縮若しくは動画撮影における高速駆動の実現をするためには、以下の点が必要とされる。具体的には、変換素子の残留電荷を除去した後、次の撮影を開始するためにＶｓ線の電位を−５Ｖから１０Ｖへ変化させて、その後直ぐに光電変換及び信号読み出しを行う必要がある。このため、信号読み出し時に基板内において、アモルファスシリコン層（ａ−Ｓｉ層）が導電状態となった部分とそうでない部分が混在し、Ｖｓ線とＳｉｇ線の交差部で形成される寄生容量が異なる。その結果、基板内において各Ｓｉｇ線のＳ／Ｎが異なり、出力ばらつきを生じる場合がある。
以上の考察に基づいて、本発明者らは交差部１１０９におけるノイズを抑えることが可能な放射線撮像装置及びそのシステムの構成を見出した。本発明の好適な実施の形態では、スイッチ素子に接続されたＳｉｇ線とＶｓ線との間に半導体層を配置し、半導体層とＳｉｇ線との間にキャリア阻止部を配置することを特徴としている。キャリア阻止部としては、絶縁層を用いることができるが、これに限定されず、例えばショットキー障壁を利用することも可能である。
以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置及びそのシステムを詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置の平面図である。図２は、図１に示す１画素の破線部Ａ−Ａ’の断面図である。図３は、図１に示すＳｉｇ接続ホール１０３、Ｖｓ線及びＳｉｇ線の交差部１０２の破線部Ｂ−Ｂ’の断面図である。なお、図１には３列×２行の画素が示されているが、画素数はこれに限定されない。
本実施形態に係る放射線撮像装置は、変換素子としてＭＩＳ型光電変換素子を用いており、その上部に放射線を可視光に変換するためのシンチレータを有した間接型の放射線撮像装置である。本実施形態に係る放射線撮像装置の等価回路図及び動作原理については、図１１及び図１２に示す放射線撮像装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。
図２及び図３を参照して、本実施形態に係る放射線撮像装置の層構成について説明する。図２に示すように、ＭＩＳ型光電変換素子は、第１の電極層２０１と、第１の絶縁層２０２と、光電変換層となる半導体層２０３と、不純物半導体層２０４と、Ｖｓ線を形成する第２の電極層２０５と、第３の電極層２１１とで構成される。半導体層２０３は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。第３の電極層２１１は、Ｖｓ線から供給されるバイアスを、ＭＩＳ型光電変換素子の全体に印加するための電極を形成している。また、スイッチ素子は、ゲート電極とＶｇ線を形成する第１の電極層２０１と、第１の絶縁層２０２と、半導体層２０３と、不純物半導体層２０４と、ソースまたはドレイン電極とＳｉｇ線を形成する第２の電極層２０５とで構成される。更に、ＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子との上層には、第２の絶縁層２０６と、保護層２０７と、接着層２０８と、放射線を可視光に波長変換するシンチレータ層２０９とが順次形成される。このように、ＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子とを、同一の層で形成することによって、製造プロセスが簡略化される。
また、図１及び図２に示すように、第２の電極層２０５により形成された各Ｖｓ線は、第２の電極層２０５により形成されたＶｓ接続配線と接続され、共通化される。
図３に示すように、Ｖｓ線とＳｉｇ線との交差部１０２は、Ｓｉｇ接続配線１０１となる第１の電極層２０１と、第１の絶縁層２０２と、半導体層２０３と、不純物半導体層２０４と、Ｖｓ線となる第２の電極層２０５とで構成される。ここで、半導体層２０３は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。また、第２の電極層２０５により形成されるＳｉｇ線は、Ｖｓ線との交差部１０２の前後において、Ｓｉｇ接続ホール１０３を介してＳｉｇ接続配線１０１に接続される。よって、Ｓｉｇ線は、交差部１０２では第１の電極層２０１により形成される。
上記構成における、Ｖｓ線とＳｉｇ線との交差部１０２におけるエネルギーバンド図を図１６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。ここでは、一例として、不純物半導体層はｎ型半導体層とする。
図１６（ａ）に示すように、ＭＩＳ型光電変換素子において、第１の電極層（Ｓｉｇ接続配線）に対して正の電位が第２の電極層（Ｖｓ線）に与えられて、第２の電極層のフェルミ準位Ｅｆ２が第１の電極層のフェルミ準位Ｅｆ１よりも低くなる場合を考える。この場合には、第２の電極層に存在する電子は、半導体層に注入されない。また、不純物半導体層がｎ型であるため、半導体層中にホールが注入されることもない。よって、半導体層には電子もホールも存在せず、半導体層が空乏化された状態（空乏状態）となる。
これに対し、図１６（ｂ）に示すように、ＭＩＳ型光電変換素子において、第１の電極層（Ｓｉｇ接続配線）に対して負の電位が第２の電極層（Ｖｓ線）に与えられる。そして、第２の電極層のフェルミ準位Ｅｆ２が第１の電極層のフェルミ準位Ｅｆ１よりも高くなる場合を考える。この場合、電子（黒丸）が第２の電極層から半導体層中に注入される。これにより、半導体層は電子で満たされて導電状態となる。
従って、例えばＳｉｇ線に基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に基準電位よりも高い電位（例えば、１０Ｖ）を与えて、ＭＩＳ型光電変換素子を図１６（ａ）に示すように空乏状態にした場合を考える。この場合、Ｖｓ線とＳｉｇ線の交差部１０２においても同様に、図１６（ａ）に示すように半導体層２０３が空乏化される。これにより、交差部１０２においてＳｉｇ線に負荷される容量は、第１の絶縁層２０２と半導体層２０３の容量との合成容量となり、半導体層２０３を導電状態とする場合に比べて小さくなる。その結果、ノイズが小さくなる。
一方、図１６（ｂ）に示すように、ＭＩＳ型光電変換素子において、例えばＶｓ線の電位を基準電位よりも低い電位（例えば、−５Ｖ）として光電変換素子の残留電荷（この場合、ホール）を除去する。そして、その後、図１６（ａ）に示すように、Ｖｓ線の電位を基準電位よりも高い電位（１０Ｖ）に変化させ、直に光電変換及び信号読み出しを行った場合を考える。この場合でも、信号読み出し時には、どの部分のＳｉｇ線においても、同等の寄生容量が付加されることになる。
［第２の実施形態］
図４は、本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置の平面図である。図５は、図４に示す１画素の破線部Ｃ−Ｃ’の断面図である。図６は、図４に示すＳｉｇ接続ホール４０３、Ｖｓ線及びＳｉｇ線の交差部４０２の破線部Ｄ−Ｄ’の断面図である。なお、図４には３列×２行の画素が示されているが、画素数はこれに限定されない。
本実施形態に係る放射線撮像装置は、変換素子としてＰＩＮ型光電変換素子を用いており、その上部に放射線を可視光に変換するためのシンチレータを有した間接型の放射線撮像装置である。本実施形態に係る放射線撮像装置の等価回路図は、図１１に示す放射線撮像装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。
以下、本実施形態に係る放射線撮像装置の動作原理について図１９（ａ）、図１９（ｂ）を用いて説明する。まず、図１９（ａ）に示すように、ＰＩＮ型光電変換素子の光電変換層（半導体層）が空乏化するように、Ｖｓ線にバイアスを与える。例えば、ＰＩＮ型光電変換素子の下電極（第１の電極層）に基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）を与える。この状態で、被検体に向けて曝射された放射線は、被検体により減衰を受けながら透過する。被検体を透過した放射線は、シンチレータ層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射して、電荷に変換される。この時、ＰＩＮ型光電変換素子の下電極は、発生した電荷に応じて電位が変化する。続いて、この電荷は、ゲート駆動装置１１０６からＶｇ線に印加されるゲート駆動パルスによって、スイッチ素子を介してＳｉｇ線に転送され、読み出し装置１１０７により外部に読み出される。ＰＩＮ型光電変換素子の場合も、必要に応じて、撮影開始直前又は撮影毎に残留電荷の除去を行う。この場合は、図１９（ｂ）に示すように、例えば、Ｖｓ線の電位を基準電位よりも高い電位（例えば５Ｖ）に変化させる。動画の撮影の場合には、更に、図１９（ａ）に示すように、Ｖｓ線の電位を基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）に戻して、上記動作を繰り返す。
次に、図５及び図６に示す放射線撮像装置１１００の層構成について説明する。図５に示すように、ＰＩＮ型光電変換素子は、第１の電極層５０１と、第１の不純物半導体層５０２と、第１の半導体層５０３と、第２の不純物半導体層５０４と、第２の電極層５０５と、Ｖｓ線を形成する第３の電極層５０６とで構成される。第１の不純物半導体層５０２は、例えば、ｎ型半導体層で形成される。また、第２の不純物半導体層５０４は、例えば、ｐ型半導体層で形成される。第２の電極層５０５は、Ｖｓ線から供給されるバイアスを、ＰＩＮ型光電変換素子の全体に印加するための電極を形成している。また、スイッチ素子は、ゲート電極とＶｇ線を形成する第１の電極層５０１と、第１の絶縁層５０７と、第２の半導体層５０８と、第３の不純物半導体層５０９と、ソースまたはドレイン電極とＳｉｇ線を形成する第３の電極層５０６とで構成される。第２の半導体層５０８は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。第３の不純物半導体層５０９は、例えば、ｎ型半導体層で形成される。
更に、ＰＩＮ型光電変換素子とスイッチ素子との上層には、第２の絶縁層５１０と、保護層５１１と、接着層５１２と、放射線を可視光に波長変換するシンチレータ層５１３とが順次形成される。
また、図４及び図５に示すように、第３の電極層５０６により形成された各Ｖｓ線は、同様の第３の電極層５０６により形成されたＶｓ接続配線と接続されて、共通化される。
本実施形態の特徴は、Ｖｓ線とＳｉｇ線との交差部４０２が図６に示すように構成されている点にある。すなわち、第１の電極層５０１と、第１の絶縁層５０７と、第１の不純物半導体層５０２と、第１の半導体層５０３と、第２の不純物半導体層５０４と、第２の電極層５０５と、第３の電極層５０６とで構成されている。ここで、第１の半導体層５０３は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。また、Ｓｉｇ接続配線４０１は第１の電極層５０１により形成され、また、Ｖｓ線は第３の電極層５０６により形成される。また、第３の電極層５０６により形成されるＳｉｇ線は、Ｖｓ線との交差部４０２の前後において、Ｓｉｇ接続ホール４０３を介してＳｉｇ接続配線４０１に接続される。よって、Ｓｉｇ線は、交差部４０２では第１の電極層５０１により形成される。
上記構成において、図１９（ａ）に示すように、ＰＩＮ型光電変換素子において、下電極に基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）を与えたとする。この場合には、Ｖｓ線接続配線とＳｉｇ線の交差部４０２においても同様に、図１７（ａ）に示すように第１の半導体層５０３が空乏化される。これにより、交差部４０２においてＳｉｇ線に負荷される容量は、第１の絶縁層５０７と第１の半導体層５０３の容量との合成容量となり、第１の半導体層を導電状態として扱う場合に比べて小さくなる。その結果、ノイズが小さくなる。
また、図１９（ａ）に示すように例えばＶｓ線の電位を基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）として光電変換素子で光電変換を行った後、図１９（ｂ）に示すように、例えばＶｓ線の電位を基準電位よりも高い電位（例えば、５Ｖ）に変化させる。そして、光電変換素子に残留した電荷（ここでは電子）を除去する場合を考える。この場合でも、残留電荷を除去した後に、図１７（ａ）に示すように、Ｖｓ線の電位を５Ｖから−１０Ｖに変動させ、直に光電変換及び信号読み出しを行えば、信号読み出し時には、どの部分のＳｉｇ線においても、同等の寄生容量が付加される。
［第３の実施形態］
図７は、本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置の平面図である。図８は、図７に示す１画素の破線部Ｅ−Ｅ’の断面図である。図９は、図７に示すＳｉｇ接続ホール７０２、Ｖｓ線及びＳｉｇ線の交差部７０１の破線部Ｆ−Ｆ’の断面図である。なお、図１には３列×２行の画素が示されているが、画素数はこれに限定されない。
本実施形態に係る放射線撮像装置は、変換素子としてＰＩＮ型光電変換素子を用いており、その上部に放射線を可視光に変換するためのシンチレータを有した間接型の放射線撮像装置である。本実施形態に係る放射線撮像装置の等価回路図は、図１１に示す放射線撮像装置と同様であり、その動作原理は第２の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本実施形態に係る放射線撮像装置の層構成について図８及び図９を用いて説明する。図８に示すように、スイッチ素子は、第１の電極層８０１と、第１の絶縁層８０２と、第１の半導体層８０３と、第２の絶縁層８０４と、第１の不純物半導体層８０５と、第２の電極層８０６とで構成される。ゲート電極とＶｇ線とは、第１の電極層８０１により形成される。また、ソースまたはドレイン電極とＳｉｇ線は、第２の電極層８０６により形成される。
スイッチ素子の上層には、第３の絶縁層８０７と、平坦化膜である第４の絶縁層８０８とを介して、ＰＩＮ型光電変換素子が形成される。ＰＩＮ型光電変換素子は、第３の電極層８０９と、第２の不純物半導体層８１０と、第２の半導体層８１１と、第３の不純物半導体層８１２と、第４の電極層８１３と、Ｖｓ線を形成する第５の電極層８１４とで構成される。第２の不純物半導体層８１０は、例えば、ｎ型半導体層で形成される。第２の半導体層８１１は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。第３の不純物半導体層８１２は、例えば、ｐ型半導体層で形成される。第４の電極層８１３は、Ｖｓ線から供給されるバイアスを、ＰＩＮ型光電変換素子の全体に印加するための電極を形成している。更に、ＰＩＮ型光電変換素子の上層には、第５の絶縁層８１５と、保護層８１６と、接着層８１７と、放射線を可視光に波長変換するシンチレータ層８１８とが順次形成される。
また、図７及び図８に示すように、第５の電極層８１４により形成された各Ｖｓ線は、同様の第５の電極層８１４により形成されたＶｓ接続配線と接続されて、共通化される。
本実施形態の特徴は、Ｖｓ線とＳｉｇ線との交差部７０１が図９に示すように構成されている点にある。すなわち、第１の絶縁層８０２と、第１の半導体層８０３と、第１の不純物半導体層８０５と、第２の電極層８０６と、第３の絶縁層８０７と、第４の絶縁層８０８とで構成されている。さらに、第２の不純物半導体層８１０と、第２の半導体層８１１と、第３の不純物半導体層８１２と、第５の電極層８１４とで構成されている。第１の半導体層８０３、第２の半導体層８１１は、例えば、ａ−Ｓｉ層で形成される。Ｓｉｇ線は、第２の電極層８０６により形成される。Ｖｓ線は、第５の電極層８１４により形成される。
また、Ｓｉｇ線は、Ｖｓ線との交差部７０１以外は、Ｖｓ線と同様に第５の電極層８１４により形成され、図示しない周辺回路への接続端子を形成する。
上記構成の場合、ＰＩＮ型光電変換素子の下電極（第３の電極層）に基準電位（ＧＮＤ）を、Ｖｓ線に基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）を与えて、ＰＩＮ型光電変換素子を図１９（ａ）に示すように空乏状態にした場合を考える。この場合には、Ｖｓ線接続配線とＳｉｇ線の交差部７０１においても同様に、図１７（ａ）に示すように第２の半導体層８１１が空乏化される。これにより、交差部７０１においてＳｉｇ線に負荷される容量は、第３、第４の絶縁層８０７、８０８と第２の半導体層８１１の容量との合成容量となり、第２の半導体層８１１を導電状態として扱う場合に比べて小さくなる。その結果、ノイズが小さくなる。
また、光電変換素子の残留電荷の除去を必要とする場合には、図１９（ｂ）に示すように残留電荷（ここでは電子）を除去した後に、図１９（ａ）に示すようにＶｓ線の電位を基準電位よりも低い電位（例えば、−１０Ｖ）に変動させる。その後、直に光電変換及び信号読み出しを行った場合でも、信号読み出し時には、どの部分のＳｉｇ線においても、同等の寄生容量が付加される。
以上のように、本発明の好適な第１〜第３の実施形態に係る放射線撮像装置によれば、Ｖｓ線（Ｖｓ接続配線）及びＳｉｇ線で構成される交差部の容量を低下し、これによって発生するノイズを抑えることができる。その結果、例えば、高感度ロス及び撮影時間の短縮または高速駆動を実施した場合の出力ばらつきを防止することができる。
［応用例］
図１０は、本発明の好適な実施の形態に係る放射線撮像装置を放射線診断システムへ適用した場合の応用例を示す図である。
放射線チューブ１００１で発生した放射線１００２は、被験者（患者など）１００３の胸部などの体の部位１００４を透過し、シンチレータ（蛍光体）を上部に実装した放射線撮像装置１１００に入射する。この入射した放射線１００２には被験者１００３の体内部の情報が含まれている。放射線撮像装置１１００では、放射線１００２の入射に対応してシンチレータが発光し、これを光電変換して電気的情報を得る。また、放射線撮像装置１１００では、放射線１００２を直接電荷に変換して、電気的情報を得てもよい。この情報はディジタルに変換され、信号処理手段としてのイメージプロセッサ１００５により画像処理されて、制御室の表示手段としてのディスプレイ１００６に表示される。
また、この情報は、無線又は電話回線などの有線等の伝送手段１００７により遠隔地へ転送することができる。これによって、別の場所のドクタールーム等に設置された、表示手段としてのディスプレイ１００８に表示するか、或いは、記憶手段としてのフィルムプロセッサ１００９により光ディスク等の記録媒体に保存することができる。これによって、遠隔地の医師が診断することも可能である。また、フィルムプロセッサ１００９は、印刷手段としてのレーザプリンタに接続され、伝送手段１００７により伝送された情報をフィルム等の記録媒体に記録することができる。
本発明の好適な第１の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する平面図である。 本発明の好適な第１の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図１中Ａ−Ａ’の断面図である。 本発明の好適な第１の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図１中Ｂ−Ｂ’の断面図である。 本発明の好適な第２の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する平面図である。 本発明の好適な第２の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図４中Ｃ−Ｃ’の断面図である。 本発明の好適な第２の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図４中Ｄ−Ｄ’の断面図である。 本発明の好適な第３の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する平面図である。 本発明の好適な第３の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図７中Ｅ−Ｅ’の断面図である。 本発明の好適な第３の実施形態に係る放射線撮像装置を説明する図７中Ｆ−Ｆ’の断面図である。 本発明の好適な放射線撮像装置の放射線診断システムへの応用例を説明する概略図である。 放射線撮像装置を説明する等価回路図である。 放射線撮像装置の課題を説明する平面図である。 放射線撮像装置の課題を説明する図１２中のＧ−Ｇ’の断面図である。 放射線撮像装置の課題を説明する図１２中のＨ−Ｈ’の断面図である。 放射線撮像装置の課題を説明する図１２中のＩ−Ｉ’の断面図である。 放射線撮像装置の空乏状態（ａ）及び導電状態（ｂ）を説明するエネルギーバンド図である。 本発明の好適な第２、第３の実施形態に係る放射線撮像装置の交差部における空乏状態（ａ）及び導電状態（ｂ）を説明するエネルギーバンド図である。 従来の放射線撮像装置の交差部における導電状態（ａ）及び空乏状態（ｂ）を説明する他のエネルギーバンド図である。 本発明の好適な第２、第３の実施形態に係る放射線撮像装置の空乏状態（ａ）及び導電状態（ｂ）を説明するエネルギーバンド図を示す図である。
符号の説明
１０２ 交差部
１１０１ 基板
１１０３ 画素領域

Claims (13)

  1. 電極と半導体層と不純物半導体層とをこの順に含んで放射線を電荷に変換する変換素子と、前記変換素子の前記電極に電気的に接続されたスイッチ素子と、を含む画素がマトリクス状に配置された画素領域と、
    前記スイッチ素子に電気的に接続され、前記変換素子の前記電極に所定の電圧を与えるための第１の電圧が与えられる第１の線と、
    前記変換素子の前記不純物半導体層に電気的に接続され、前記所定の電圧との差により前記変換素子の前記半導体層を空乏化する第２の電圧が与えられる第２の線と、
    前記画素領域の外で、前記第１の線と前記第２の線とが交差する交差部と、
    を基板上に備える放射線撮像装置であって、
    前記交差部では、前記第１の線と前記第２の線との間に半導体層が配置され、前記交差部の前記半導体層と前記第２の線との間に前記変換素子の前記不純物半導体層と同じ型の不純物半導体層が配置され、前記交差部の前記半導体層と前記第１の線との間にキャリア阻止部が配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
  2. 前記第１の線は、前記基板と前記第２の線との間に配置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。
  3. 前記変換素子の前記不純物半導体層及び前記交差部の前記不純物半導体層は、ｎ型半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
  4. 前記変換素子で放射線を電荷に変換する際に、前記第１の線のフェルミ準位が前記第２の線のフェルミ準位よりも高くなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の放射線撮像装置。
  5. 前記変換素子で放射線を電荷に変換する際に、前記第１の線に前記第１の電圧を与え、前記第２の線に前記第２の電圧を与えるよう構成され、前記第２の電圧が前記第１の電圧よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。
  6. 前記変換素子の前記不純物半導体層及び前記交差部の前記不純物半導体層は、ｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
  7. 前記キャリア阻止部と前記交差部の前記半導体層との間にｎ型半導体層が配置されていることを特徴とする請求項６に記載の放射線撮像装置。
  8. 前記第２の線と前記交差部の前記半導体層との間に電極層が配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の放射線撮像装置。
  9. 前記変換素子で放射線を電荷に変換する際に、前記第１の線のフェルミ準位が前記第２の線のフェルミ準位よりも低くなるように構成されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
  10. 前記変換素子で放射線を電荷に変換する際に、前記第１の線に前記第１の電圧を与え、前記第２の線に前記第２の電圧を与えるよう構成され、前記第２の電圧が前記第１の電圧よりも低いことを特徴とする請求項９に記載の放射線撮像装置。
  11. 前記キャリア阻止部は、第１の絶縁層及び第２の絶縁層を含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
  12. 前記交差部の前記半導体層は、アモルファスシリコンで形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理手段と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
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