JP5482286B2 - 放射線撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
本発明は放射線撮像装置およびその駆動方法に係り、特に、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を波長変換して放射線に基づく情報を読み取る放射線撮像装置（放射線読取装置）に関する。
放射線撮像装置においては、光電変換部で光電変換された入力情報に基づく電荷を外部容量へ転送し、当該外部容量にて信号電圧に変換することが行なわれる。このように、光電変換部自身の容量から外部容量へ電荷を転送して信号電圧に変換することで、Ｓ／Ｎを比較的大きくとることができる。
ところで、画素を複数個並べて配置する構成を採る場合、画素から信号が読み出される信号線が画素の数に応じて配線長が長くなるために寄生容量が形成されることがある。例えば、２００μｍ×２００μｍの大きさの画素を縦２０００個×横２０００個配置し、Ｘ線フィルム相当の大きさ、例えば４０ｃｍ×４０ｃｍの大きさのエリアセンサを作製した場合を考える。
Ｘ線フィルム相当の大きさのエリアセンサの場合、電荷転送するトランジスタのゲート電極とソース領域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Ｃｇｓ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という容量が形成されることになる。
光電変換部自身の容量（センサ容量）Ｃｓは約１ｐＦ程度であるため、画素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＝｛Ｃｓ／（Ｃｓ＋Ｃｇｓ×１０００）｝×Ｖ1 となり、出力電圧は約１／１００になってしまう。すなわ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低下することになる。
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、さらに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動作の高速性が要求される。特に、医療におけるＸ線診断を含む非破壊検査などでは照射するＸ線の線量をでき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、即ち更なる高感度化が要望されている。
これに対して、従来、光電変換部で発生した信号電荷をゲートで受ける電界効果トランジスタを有し、当該電界効果トランジスタによって信号電荷に応じた信号電圧を信号線に読み出すソースフォロワ回路を画素ごとに設ける構成が採られている（例えば、特許文献１参照）。このソースフォロワ回路によれば、信号線に形成される容量が大きな場合でも高速の信号読み出しが可能になる。
この種のソースフォロワ回路を備えた放射線撮像装置において、各画素には、ボトムゲート構造の電界効果トランジスタ（画素トランジスタ）を含む駆動素子部と、ＰＩＮ(Positive Intrinsic NegativeDiode)フォトダイオードとが設けられている。このうち電界効果トランジスタは半導体層（チャネル層）が微結晶シリコンや多結晶シリコンで構成されている。
しかしながら、この放射線撮像装置では、測定対象のＸ線などにより、画素トランジスタの半導体層およびその半導体層とゲート絶縁膜や層間絶縁膜との界面近傍に結晶欠陥が生じる、という問題があった。このような欠陥が発生すると、画素トランジスタの閾値（Ｖth) が変動（シフト）すると共にトランジスタ間の特性にばらつきが生じ、入射エネルギーに対応した正確な放射線の光電変換（撮像）を行うことができない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、画素トランジスタに生じた特性変動を回復可能な放射線撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
本発明による放射線撮像装置は、それぞれ少なくとも１の画素トランジスタと光電変換素子とを含む複数の単位画素を有し、入射した放射線に応じて電気信号を発生する画素部と、画素部の単位画素を選択的に駆動するための駆動部と、画素トランジスタに対してアニール電流を流すことにより画素トランジスタの特性を回復させる特性回復部と、を備えている。特性回復部には、アニール用の第１定電流源、および放射線の非測定時において単位画素からの電流流路を第１定電流源側に切り換えるための切換えスイッチとが含まれる。
本発明の放射線撮像装置の駆動方法は、それぞれ少なくとも１の画素トランジスタと光電変換素子とを含む複数の単位画素を有し、入射した放射線に応じて電気信号を発生する画素部と、画素部の単位画素を選択的に駆動するための駆動部と、を備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、アニール用定電流源を設け、放射線の非測定時において、単位画素からの電流流路をアニール用定電流源側に切り換えると共に、画素トランジスタに対してアニール電流を流すことにより画素トランジスタの特性を回復させるものである。
本発明の放射線撮像装置またはその駆動方法では、放射線の非測定時において、単位画素からの電流流路がアニール用定電流源側に切り換えられると共に、画素トランジスタにアニール電流が流れる。これにより当該トランジスタのチャネル層に発熱が生じて放射線により劣化した画素トランジスタの特性が回復される。
本発明に係る放射線撮像装置またはその駆動方法によれば、アニール用定電流源を設け、放射線の非測定時において、単位画素からの電流流路をアニール用定電流源側に切り換えると共に、画素トランジスタに対してアニール電流を流すようにしたので、結晶欠陥による画素トランジスタの特性が回復されると共に、入射エネルギーに対応した正確な測定を行うことが可能になる。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（放射線撮像装置）の構成
２．作用効果の説明
３．変形例
４．第２の実施の形態
１．第１の実施の形態（放射線撮像装置）の構成
２．作用効果の説明
３．変形例
４．第２の実施の形態
［第１の実施の形態］
（システム構成）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る放射線撮像装置のうち光電変換装置１０のシステム構成を表すものである。放射線撮像装置は、この光電変換装置１０の上に波長変換体４０（図３）を設けたものであり、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を波長変換して放射線に基づく情報を読み取るようになっている。
（システム構成）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る放射線撮像装置のうち光電変換装置１０のシステム構成を表すものである。放射線撮像装置は、この光電変換装置１０の上に波長変換体４０（図３）を設けたものであり、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を波長変換して放射線に基づく情報を読み取るようになっている。
光電変換装置１０は、ガラス等の絶縁材料からなる基板１１上に画素部１２を有し、この画素部１２の周囲に、例えば行走査部（垂直駆動部）１３、水平選択部１４、列走査部（水平駆動部）１５およびシステム制御部１６からなる周辺回路部（駆動部）が設けられている。
画素部１２には、入射光の光量に応じた電荷量の光電荷を発生して内部に蓄積する光電変換部（光電変換素子）を有する単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合もある）が行列状に２次元配置されている。単位画素の具体的な構成については後述する。
画素部１２にはさらに、行列状の画素配列に対して画素行ごとに画素駆動線１７が行方向（画素行の画素の配列方向）に沿って配線され、画素列ごとに垂直信号線１８が列方向（画素列の画素の配列方向）に沿って配線されている。画素駆動線１７は、画素からの信号読み出しのための駆動信号を伝送するものである。図１では、画素駆動線１７について１本の配線として示しているが、１本に限られるものではない。画素駆動線１７の一端は、行走査部１３の各行に対応した出力端に接続されている。
行走査部１３は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素部１２の各画素を、例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部１３によって選択走査された画素行の各単位画素から出力される信号は、垂直信号線１８の各々を通して水平選択部１４に供給される。水平選択部１４は、垂直信号線１８ごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。
列走査部１５は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部１４の各水平選択スイッチを走査しつつ順番に駆動する。この列走査部１５による選択走査により、垂直信号線１８の各々を通して伝送される各画素の信号が順番に水平信号線１９に出力され、当該水平信号線１９を通して基板１１の外部へ伝送される。
行走査部１３、水平選択部１４、列走査部１５および水平信号線１９からなる回路部分は、ガラス基板等の基板１１上に形成された回路もしくは外部制御ＩＣあるいはその両方を併用して構成される。あるいは、それらの回路部分は、ケーブル等により接続された他の基板に形成されていてもよい。
システム制御部１６は、基板１１の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータなどを受け取り、また、光電変換装置１０の内部情報などのデータを出力する。システム制御部１６はさらに、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部１３、水平選択部１４および列走査部１５などの周辺回路部の駆動制御を行う。
システム制御部１６は、また、詳細は後述するが、放射線の非測定時において、外部からの指令に応じてあるいは自動的に、単位画素の各端子に供給される電圧を変更すると共に、単位画素からの電流の経路を変更して、アニール電流による画素トランジスタの回復動作を行うようになっている。なお、非測定時とは、具体的には、装置の立上げ時、放射線の照射後、定期的な補正時などのタイミングをいう。
（画素の回路構成）
図２は単位画素２０の回路構成を表すものである。単位画素２０には、光電変換素子２１と共に、リセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４が設けられている。この単位画素２０に対して、画素駆動線１７として例えば２本の配線、具体的には行選択線１７１およびリセット制御線１７２が画素行ごとに配線されている。
図２は単位画素２０の回路構成を表すものである。単位画素２０には、光電変換素子２１と共に、リセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４が設けられている。この単位画素２０に対して、画素駆動線１７として例えば２本の配線、具体的には行選択線１７１およびリセット制御線１７２が画素行ごとに配線されている。
リセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４はそれぞれ例えばＮチャネル型の電界効果トランジスタにより構成されている。但し、これらリセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４の導電型の組み合わせは一例に過ぎず、これらの組み合わせに限られるものではない。
光電変換素子２１は、例えばＰＩＮ(Positive Intrinsic Negative Diode) フォトダイオードであり、カソード（端子２７）に例えば３Ｖ〜１０Ｖ程度の基準電位Ｖｘｒｅｆが印加されることで、入射光の光量に応じた電荷量の信号電荷を発生する。光電変換素子２１のアノードは蓄積ノードＮに接続されている。蓄積ノードＮには容量成分２５が存在し、光電変換素子２１で発生した信号電荷は蓄積ノードＮに蓄積される。なお、光電変換素子２１を蓄積ノードＮとグランド（ＧＮＤ）との間に接続した構成とすることもできる。
リセットトランジスタ２２は、参照電位Ｖｒｅｆが与えられる端子２６と蓄積ノードＮとの間に接続されており、例えば−５Ｖ〜５Ｖの振幅のリセット信号Ｖｒｓｔに応答してオンすることによって蓄積ノードＮの電位を参照電位Ｖｒｅｆにリセットする。
読出トランジスタ２３は、ゲートが蓄積ノードＮに、端子２８（ドレイン）が電源ＶＤＤにそれぞれ接続されており、光電変換素子２１で発生した信号電荷をゲートで受け、当該信号電荷に応じた信号電圧を出力する。
行選択トランジスタ２４は、読出トランジスタ２３のソースと垂直信号線１８との間に接続されており、行走査信号Ｖｒｅａｄに応答してオンすることにより、読出トランジスタ２３から出力される信号を垂直信号線１８に出力する。この行選択トランジスタ２４については、読出トランジスタ２３のドレインと電源ＶＤＤとの間に接続する構成を採ることも可能である。
以上のリセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４には、それぞれ例えば微結晶シリコンまたは多結晶シリコン等のシリコン系半導体が用いられる。あるいは、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩｎＧａＺｎＯ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物半導体を用いてもよい。微結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）および酸化物半導体は、アモルファスシリコンに比べて移動度μが高いため、特に読出トランジスタ２３による信号の高速読み出しが可能になる。
垂直信号線１８の一端には測定用定電流源３１Ａ（第２定電流源）が接続されている。ここで、読出トランジスタ２３とそのソースに対して行選択トランジスタ２４および垂直信号線１８を介して接続された測定用定電流源３１Ａとによって、ソースフォロワ回路が形成されている。このソースフォロワ回路によれば、垂直信号線１８に形成される容量が大きな場合でも高速の信号読み出しが可能になる。ソースフォロワ用の読出トランジスタ２３によって読み出された信号は、垂直信号線１８を介して画素列ごとに、水平選択部１４の入力部を構成するアンプ３３に入力される。
垂直信号線１８の測定用定電流源３１Ａの前段には切換えスイッチ３２が設けられている。切換えスイッチ３２は可動接点３２ａおよび固定接点３２ｂ，３２ｃにより構成されている。固定接点３２ｂには測定用定電流源３１Ａおよびアンプ３３の入力端、固定接点３２ｃにはアニール用定電流源３１Ｂ（第１定電流源）がそれぞれ接続されている。可動接点３２ａは、放射線の測定時（放射線検出期間）には固定接点３２ｂに接続され、非測定時（放射線を検出していない期間）には固定接点３２ｃに接続され、あるいはオープン状態（固定接点３２ｂ，３２ｃのいずれにも接続されていない状態）となる。なお、これらアニール定電流源３１Ｂおよび切換えスイッチ３２と前述のシステム制御部１６とにより、本発明の特性回復部３０が構成されている。
放射線測定時には測定用定電流源３１Ａには例えば−７Ｖ、非測定時にはアニール用定電流源３１Ｂには例えば−７Ｖの電圧が供給されるようになっている。リセットトランジスタ２２の端子２６、光電変換素子２１の端子２７、読出トランジスタ２３の端子２８および行選択トランジスタ２４の端子２９（ゲート電極）には、放射線測定時に上記のようにそれぞれ参照電位Ｖｒｅｆ、基準電位Ｖｘｒｅｆ、電源電位ＶＤＤ、行選択電位Ｖｒｅａｄがそれぞれ供給される。また、放射線の非測定時には、各トランジスタのソース・ドレイン電極間に所定（例えば１ｍＡ）のアニール電流が流れるように、これら端子２６〜２９に供給される電圧が所定の電圧値に変更されるようになっている。そのため端子２６〜２９には例えば電圧値の異なる複数の電圧供給源が接続されている。このような各端子への供給電圧の変更、および切換えスイッチ３２の可動接点３２ａの切り換え動作は、前述のようにシステム制御部１６の制御の下に行われるようになっている。
本実施の形態の放射線撮像装置１は、上記単位画素２０が行列状に配置されてなる光電変換装置１０上（画素部１２の受光側）に波長変換体４０が配置されたものである（図３）。波長変換体４０は、α線、β線、γ線、Ｘ線に代表される放射線を光電変換装置１０の感度域に波長変換するものであり、これにより光電変換装置１０では放射線に基づく情報を読み取るようになっている。波長変換体４０は例えばＸ線などの放射線を可視光に変換する蛍光体（例えば、シンチレータ）である。具体的には、光電変換素子２１の上部に、有機平坦化膜、スピンオングラス材料等からなる平坦化膜を形成し、その上部に蛍光体膜をＣｓＩ、ＮａＩ、ＣａＦ２等によって形成する。
（画素の断面構造）
図４は光電変換装置１０の要部（単位画素２０）の断面構造を表すものである。ここでは、光電変換素子２１がＰＩＮフォトダイオードからなる場合を例に挙げて説明する。
図４は光電変換装置１０の要部（単位画素２０）の断面構造を表すものである。ここでは、光電変換素子２１がＰＩＮフォトダイオードからなる場合を例に挙げて説明する。
この光電変換装置１０では、ガラス基板などの絶縁性基板６１上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等からなるゲート電極６２が形成され、このゲート電極６２上にはＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等からなるゲート絶縁膜６３が形成されている。ゲート絶縁膜６３の上には、ＰＩＮフォトダイオード６０を構成する例えばｐ型半導体層（ｐ＋領域）６４（第１半導体層）が形成されている。
ｐ型半導体層６４は、光電変換素子２１で光電変換された信号電荷を読み出すための下部電極を兼ねている。ゲート絶縁膜６３上にはさらに、読出トランジスタ２３等の画素トランジスタの半導体層６５が形成されている。半導体層６５には、リーク電流を低減するためにチャネル領域とドレイン・ソース領域との間にＬＤＤ(Lightly Doped Drain) ６５ａ，６５ｂが設けられている。半導体層６５は例えば微結晶シリコンあるいは多結晶シリコンにより構成されている。
ｐ型半導体層６４および画素トランジスタの半導体層６５の上にはＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等からなる第１層間絶縁膜６６が設けられている。第１層間絶縁膜６６の上部には、読出し用の信号線や各種の配線を含む配線層６７がＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等によって形成されている。配線層６７の上にはＳｉＮｘ，ＳｉＯ２、有機絶縁膜等からなる第２の層間絶縁膜６８が設けられている。
第１，第２層間絶縁膜６６，６８からなる絶縁層には、コンタクトホール６９が形成されている。第２層間絶縁膜６８の上にはｐ型とｎ型の間の導電型からなる第３半導体層（ｉ型半導体層７０）が形成されている。このｉ型半導体層７０の面積はコンタクトホール６９の上部側の開口面積よりも大きくなっている。ｉ型半導体層７０はｐ型半導体層６４とコンタクトホール６９を介して接している。
ｉ型半導体層７０の上には、このｉ型半導体層７０とほぼ同一形状の第２半導体層（例えばｎ型半導体層（ｎ＋領域）７１）が積層されている。これらｐ型半導体層６４（第１半導体層）、ｉ型半導体層７０（第３半導体層）およびｎ型半導体層７１（第２半導体層）により光電変換素子２１（ＰＩＮフォトダイオード）が構成されている。
この光電変換素子２１において、各半導体層６４，７０，７１はアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどで形成することができる。これらのシリコンに、ゲルマニウムや炭素などの材料を導入して、分光感度を変えるようにしてもよい。光電変換素子２１としては、下部側をｎ型、上部側をｐ型にするような逆向きの構成でも構わない。
ｎ型半導体層７１の上には、光電変換素子２１に対して規定の電圧を印加するための上部電極７２がＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜によって形成されている。上部電極７２の上には、この上部電極７２に電圧を供給するための電源配線７３が設けられている。電源配線７３は上部電極７２の透明導電膜よりも低抵抗の材料、即ちＴｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等によって構成されている。この電源配線７３は、例えば単位画素２０を囲むようにメッシュ状に画素部１２の全面に亘って形成される。この上部電極７２上には更に、ＳｉＮ等からなる保護膜（図示せず）が形成されていてもよい。
図５はこのような単位画素２０中の画素トランジスタのゲート絶縁膜６３および第１層間絶縁膜６６の断面構造の詳細を表したものである。ゲート絶縁膜６３は、例えば膜厚５０ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）６３Ａと膜厚３０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）６３Ｂとの積層構造を有している。ここでは窒化膜６３Ａはゲート電極６２側、酸化膜６２Ｂは半導体層６５側に設けられているが、その位置関係は逆にしてもよい。すなわち酸化膜６３Ｂをゲート電極６２側、窒化膜６３Ａを半導体層６５側に設けるようにしてもよい。但し、半導体層５５に多結晶シリコンを用いる場合には、一般的には酸化膜６３Ｂが半導体層５５に接するように設けられる。また、窒化膜６３Ａとしては、水素を含有するＳｉＯＮ：Ｈ膜としてもよい。
第１層間絶縁膜６６は、半導体層６５および酸化膜６３Ｂ上に、例えば膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）６６Ａ、膜厚２００ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）６６Ｂおよび膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）６６Ｃをこの順に積層して構成したものである。なお、これらゲート絶縁膜６３および第１層間絶縁膜６６の断面構成は１例であって、図５の構造に限定されるものではないが、酸化膜（ＳｉＯ2 ）の近傍に水素を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）が存在することが好ましい。ＳｉＮｘ膜は例えばモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、アンモニア（ＮＨ3 ）を原料として例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition;化学的気相成長）法により形成されるため、結晶欠陥の捕捉効果を有する水素（Ｈ）がＳｉＯ2 膜に比べて多く含まれている。そのため、ＳｉＮｘ膜がＨの供給源となり、後述のようにより多くの結晶欠陥を捕捉することができ、画素トランジスタの回復動作を促進する。
（作用効果）
以上の構成を有する放射線撮像装置１では、放射線の測定時には、図２に示したようにソースフォロワ回路のスイッチ３１の可動接点３２ａが固定接点３２ｂに接続される。放射線例えばＸ線が入射すると、このＸ線は蛍光体（シンチレータ）からなる波長変換体４０（図３）によって可視光に変換される。光電変換素子２１では、電源配線７３および上部電極７２を介して規定の電圧が印加されることによってこの可視光を信号電荷に変換（光電変換）する。この光電変換によって発生した電荷は、ｐ型半導体層６４を蓄積層（図２では蓄積ノードＮ）として収集され、この蓄積層から電流として読み出され、ソースフォロワ型の読出トランジスタ２３のゲートに与えられる。読出トランジスタ２３は当該信号電荷に応じた信号電圧を出力する。読出トランジスタ２３から出力される信号は、行走査信号Ｖｒｅａｄに応答して行選択トランジスタ２４がオンすると、読出トランジスタ２３、行選択トランジスタ２４および測定用定電流源３１Ａから構成されたソースフォロワ回路によって、垂直信号線１８に出力される（読み出される）。読み出された信号は、垂直信号線１８を介して画素列ごとに、水平選択部１４の入力部を構成するアンプ３３により増幅されたのち出力される。
以上の構成を有する放射線撮像装置１では、放射線の測定時には、図２に示したようにソースフォロワ回路のスイッチ３１の可動接点３２ａが固定接点３２ｂに接続される。放射線例えばＸ線が入射すると、このＸ線は蛍光体（シンチレータ）からなる波長変換体４０（図３）によって可視光に変換される。光電変換素子２１では、電源配線７３および上部電極７２を介して規定の電圧が印加されることによってこの可視光を信号電荷に変換（光電変換）する。この光電変換によって発生した電荷は、ｐ型半導体層６４を蓄積層（図２では蓄積ノードＮ）として収集され、この蓄積層から電流として読み出され、ソースフォロワ型の読出トランジスタ２３のゲートに与えられる。読出トランジスタ２３は当該信号電荷に応じた信号電圧を出力する。読出トランジスタ２３から出力される信号は、行走査信号Ｖｒｅａｄに応答して行選択トランジスタ２４がオンすると、読出トランジスタ２３、行選択トランジスタ２４および測定用定電流源３１Ａから構成されたソースフォロワ回路によって、垂直信号線１８に出力される（読み出される）。読み出された信号は、垂直信号線１８を介して画素列ごとに、水平選択部１４の入力部を構成するアンプ３３により増幅されたのち出力される。
本実施の形態の放射線撮像装置１では、このようにして放射線（Ｘ線）の測定がなされるが、このＸ線の照射によって素子に結晶欠陥が発生する。そのため特に、画素トランジスタでは閾値（Ｖth) の変動などの支障が発生する。例えば読出トランジスタ２３では、図５に示したように、微結晶シリコンや多結晶シリコンにより構成された半導体層６５と第１層間絶縁膜６６との界面近傍や第２層間絶縁膜６８内などに結晶欠陥ＣＤが生ずる。
このようなことから本実施の形態では、測定用定電流源３１Ａとは別にアニール用定電流源３１Ｂを設け、放射線の非測定時において、画素トランジスタに所定の電流（アニール電流）を供給することによって素子の劣化を回復する。すなわち、画素トランジスタのゲート電極に、ソース電極若しくはドレイン電極の電圧よりも相対的に正の電圧を印加して、ソース・ドレイン電極間に電流（アニール電流）を流しチャネル半導体層をアニールすることにより、特性シフト量に応じた回復動作を行うものである。このときチャネル半導体層との界面近傍の酸化膜（ＳｉＯ2 ）を薄く（例えば５０ｎｍ以下、好ましくは５〜２０ｎｍ）することでより効果的に回復がなされる。
具体的に、リセットトランジスタ２２の特性を回復する場合には、図６に示したように、スイッチ３１の可動接点３２ａがオープン状態（固定接点３２ｂ，３２ｃのいずれにも接続されていない状態）となると共に、リセットトランジスタ２２の端子２６への供給電圧が例えば０Ｖ、光電変換素子２１の端子２７への供給電圧が例えば−２Ｖ、リセットトランジスタ２２のゲート電極への供給電圧（Ｖrst）を１５Ｖにそれぞれ切り換わる。これにより図示のようにリセットトランジスタ２２にアニール電流Ａ1 （例えば１ｍＡ）が流れる。
次に、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４の特性を回復する場合には、図７に示したように、可動接点３２ａが固定接点３２ｃに接続されるようスイッチ３１が切り換わる。これにより垂直信号線１８がアニール用定電流源３１Ｂに接続されると共に、リセットトランジスタ２２の端子２６、読出トランジスタ２３の端子２８および行選択トランジスタ２４の端子２９（ゲート）への供給電圧がそれぞれ測定時とは異なる値に変更される。例えばリセットトランジスタ２２の端子２６（読出トランジスタ２３のゲート電位）への供給電圧が１０Ｖ、読出トランジスタ２３の端子２８への供給電圧が−５Ｖ、行選択トランジスタ２４の端子２９（ゲート）への供給電圧が１０Ｖに切り換わる。これにより図示のように読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４にアニール電流Ａ2 （例えば１ｍＡ）が流れる。
このようにリセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４にアニール電流が流れると、図５に示した半導体層６５（チャネル層）では自身のチャネル抵抗と電流値で決まるジュール熱が発生する。このときの温度が瞬間的に２００°Ｃ以上になると、その発熱の影響が半導体層６５の上下の第１層間絶縁膜６６および第２層間絶縁膜６８まで及ぶこととなる。このような発熱の影響が及ぶ範囲Ｐでは、チャネル近傍の結晶欠陥ＣＤが捕捉（ターミネート）される。丸印で囲まれた結晶欠陥ＣＤが捕捉された結晶欠陥を表している。このような結晶欠陥ＣＤの捕捉には水素（Ｈ）が効果的に働く。ここで、酸化膜（ＳｉＯ2 ）６６Ｂ，６８Ａ，６８Ｂ，６８Ｄ中にはＨが少ないが、本実施の形態では、その近傍にＨを多く含む窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）６６Ａ，６８Ｃが設けられており、これら窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）６６Ａ，６８ＣがＨの供給源となり、より多くの結晶欠陥ＣＤを捕捉することができる。これによりリセットトランジスタ２２、読出トランジスタ２３および行選択トランジスタ２４それぞれの特性回復がなされる。よって放射線の入射エネルギーに対応した正確な測定を行うことが可能になる。
図８は、Ｘ線の照射により劣化したサンプル（電界効果トランジスタ）に対してアニール電流を流して回復動作を行った結果（ゲート電圧（Ｖｇ）とドレイン電流（Ｉｄ）との関係）を表している。図中、Ａは１１０ＧｙのＸ線が照射されたサンプルの特性を表すものである。このサンプルでは閾値Ｖｔｈが−０．５Ｖ変動して劣化している。このサンプルに対して、１ｍＡのアニール電流を１回流した結果がＢ、２回流した結果がＣである。アニール電流を流すことにより特性が回復していることがわかる。また、１回のアニールでほぼ全ての欠陥を捕捉し、初期状態にまで回復するため、２回目のアニールでは、大きな回復は生じず、即ちそれ以上のアニールを行っても変化が生じないことがわかる。Ｘ線照射による劣化の無いサンプルではアニールによる回復効果はないが、劣化したサンプルに対しては有効である。また、回復動作は、最適な条件で行うと、劣化前のレベルで制限されて過度の特性シフトを起こすことはない。加えて、移動度μの最大値についても、劣化サンプルとアニールにより回復したサンプルとの間では変化はなく、素子能力の変動もないことが確認された。
（変形例１）
図９は画素トランジスタの断面構造の変形例を表している。本変形例では欠陥の影響をより効果的に防ぐようにしたものであり、ここでは、画素トランジスタの半導体層６５の上下に２つのゲート電極６２Ａ，６２Ｂを設けている。第１ゲート絶縁膜８０は、例えば膜厚８０ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８０Ａと膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８０Ｂとの積層構造を有している。窒化膜８０Ａはゲート電極６２Ａ側、酸化膜８０Ｂは半導体層６５側に設けられている。第２ゲート絶縁膜８１は、半導体層６５および酸化膜８０Ｂ上に、例えば膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ａ、膜厚７０ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８１Ｂ、膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｃを積層したものである。層間絶縁膜８２は、膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｄ、膜厚２００ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８１Ｅ、および膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｆをこの順に積層して構成したものである。
図９は画素トランジスタの断面構造の変形例を表している。本変形例では欠陥の影響をより効果的に防ぐようにしたものであり、ここでは、画素トランジスタの半導体層６５の上下に２つのゲート電極６２Ａ，６２Ｂを設けている。第１ゲート絶縁膜８０は、例えば膜厚８０ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８０Ａと膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８０Ｂとの積層構造を有している。窒化膜８０Ａはゲート電極６２Ａ側、酸化膜８０Ｂは半導体層６５側に設けられている。第２ゲート絶縁膜８１は、半導体層６５および酸化膜８０Ｂ上に、例えば膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ａ、膜厚７０ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８１Ｂ、膜厚１０ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｃを積層したものである。層間絶縁膜８２は、膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｄ、膜厚２００ｎｍの水素（Ｈ）を含有する窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ）８１Ｅ、および膜厚１００ｎｍの酸化膜（ＳｉＯ2 ）８１Ｆをこの順に積層して構成したものである。
ゲート電極６２Ａ，６２Ｂの構成材料は上記実施の形態のゲート電極６２と同一の金属であり、両者は電気的に接続されている。このように上下にゲート電極６２Ａ，６２Ｂを配置することにより、発熱の影響が広範囲に及ぶことがなくなる。そのため素子上に形成した光電変換素子２１を構成するシンチレータ材料や有機材料への影響を抑制することができる。その他の構成および作用効果は上記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
（第２の実施の形態）
上記実施の形態では画素の駆動回路をアクティブ駆動回路により構成した例について説明したが、図１０に示したようなパッシブ駆動回路であってもよい。なお、上記実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明は省略する。
上記実施の形態では画素の駆動回路をアクティブ駆動回路により構成した例について説明したが、図１０に示したようなパッシブ駆動回路であってもよい。なお、上記実施の形態と同一の構成要素については同一符号を付してその説明は省略する。
本実施の形態では、単位画素９０は、光電変換素子２１、容量成分２５および読出トランジスタ９１により構成されている。読出トランジスタ９１は、蓄積ノードＮと垂直信号線１８との間に接続されており、行走査信号Ｖｒｅａｄに応答してオンすることにより、蓄積ノードＮに蓄積された信号電荷を垂直信号線１８に出力する。
垂直信号線１８の一端は、一方の入力端９２ａが接地された測定用チャージアンプ９２の他方の入力端９２ｂに接続されている。測定用チャージアンプ９２の入力端９２ｂと出力端９２ｃとの間はキャパシタ９２ｄを介して接続されている。垂直信号線１８に出力された信号電荷は、画素列ごとに、水平選択部１４の入力部を構成する測定用チャージアンプ９２に入力される。測定用チャージアンプ９２と垂直信号線１８との間には切換えスイッチ９３が設けられている。切換えスイッチ９３は可動接点９３ａおよび固定接点９３ｂ，９３ｃにより構成されている。固定接点９３ｂには測定用チャージアンプ９２の入力端９２ｂ、固定接点９３ｃにはアニール用定電流源９４がそれぞれ接続されている。可動接点９３ａは、測定時（放射線検出期間）には固定接点９３ｂに接続され、非測定時には固定接点９３ｃに接続されるようになっている。本実施の形態では、切換えスイッチ９３およびアニール用定電流源９４と、システム制御部１６とにより本発明の特性回復部が構成されている。
本実施の形態では、放射線の測定時には、図１０に実線で示したように切換えスイッチ９３の可動接点９３ａが固定接点９３ｂに接続されると共に、光電変換素子２１の端子２０ａ（アノード）に対して所定のバイアス電圧（例えば０Ｖ）、読出トランジスタ９１の端子９１ａ（ゲート電極）へ読出電圧（例えば５Ｖ）がそれぞれ印加される。これによりＸ線照射に基づき光電変換素子２１によって発生した電荷が読出トランジスタ９１を介して垂直信号線１８に出力される（読み出される）。読み出された信号は、垂直信号線１８を介して測定用チャージアンプ９２により増幅されたのち出力される。
次に、読出トランジスタ９１の特性を回復する場合には、図１０に破線で示したように切換えスイッチ９３の可動接点９３ａが固定接点９３ｃ側に切り換わる。これにより垂直信号線１８がアニール用定電流源９４に接続されると共に、光電変換素子２１の端子２０ａ（アノード）への供給電圧が例えば−５Ｖ、読出トランジスタ９１の端子９１ａ（ゲート電極）への供給電圧が例えば１０Ｖに切り換わる。同時にアニール用定電流源９４には−７Ｖの電圧が供給され、これにより読出トランジスタ９１にアニール電流Ａ3 （例えば１ｍＡ）が流れる。その他の構成および作用効果は上記第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
（変形例２）
図１１は、単位画素の断面構造の変形例を表している。上記第１の実施の形態では、ＰＩＮフォトダイオードの層構造において、電荷の蓄積層（蓄積ノード）をｐ型半導体層６４とし、上部電極７２に電源配線７３を接続した例を挙げたが、本変形例では、それと逆の接続構造となるようにしている。即ち、ｐ型半導体層６４に電源配線（図示せず）が接続され、上部電極７２側から電荷を取り出すようになっている（上部電極７２が蓄積ノードに接続されている）。また、ここでは、第２層間絶縁膜６８、ｉ型半導体層７０およびｎ型半導体層７１を覆って、平坦化膜８３が形成されている。平坦化膜８３は、ｎ型半導体層７１および配線層６７に対向して開口を有しており、この平坦化膜８３の開口部分に上部電極７２が形成されている。
図１１は、単位画素の断面構造の変形例を表している。上記第１の実施の形態では、ＰＩＮフォトダイオードの層構造において、電荷の蓄積層（蓄積ノード）をｐ型半導体層６４とし、上部電極７２に電源配線７３を接続した例を挙げたが、本変形例では、それと逆の接続構造となるようにしている。即ち、ｐ型半導体層６４に電源配線（図示せず）が接続され、上部電極７２側から電荷を取り出すようになっている（上部電極７２が蓄積ノードに接続されている）。また、ここでは、第２層間絶縁膜６８、ｉ型半導体層７０およびｎ型半導体層７１を覆って、平坦化膜８３が形成されている。平坦化膜８３は、ｎ型半導体層７１および配線層６７に対向して開口を有しており、この平坦化膜８３の開口部分に上部電極７２が形成されている。
本変形例では、上部電極７２から取り出された電荷は、配線層６７を蓄積層（蓄積ノード）として収集され、読出トランジスタ２３により電流として読み出される。このような構造によれば、受光側に蓄積ノードを形成可能であるため、光電変換効率の低下を軽減できるというメリットがある。なお、画素トランジスタとしては、上記第２の実施の形態において説明した２つのゲート電極６２Ａ，６２Ｂを有するものを用いているが、ゲート電極は勿論１つであってもよい。また、上部電極７２上には更に、ＳｉＮ等からなる保護膜（図示せず）が形成されていてもよい。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、画素トランジスタにアニール電流を流す際に各端子に供給する電圧、電流値については上記実施の形態の例に限るものではなく、任意である。
１…放射線撮像装置、１０…光電変換装置、１１…絶縁性基板、１２…画素部、１３…行走査部（垂直駆動部）、１４…水平選択部、１５…列走査部（水平駆動部）、１６…システム制御部、２０…単位画素、２１…光電変換素子、２２…リセットトランジスタ（第２トランジスタ）、２３…読出トランジスタ（第１トランジスタ）、２４…行選択トランジスタ（第３トランジスタ）、３０…特性回復部、３１Ａ…測定用定電流源（第２定電流源）、３１Ｂ，９４…アニール用定電流源（第１定電流源）、３２，９３…切換えスイッチ、４０…波長変換体。
Claims (10)
- それぞれ少なくとも１の画素トランジスタと光電変換素子とを含む複数の単位画素を有し、入射した放射線に応じて電気信号を発生する画素部と、
前記画素部の単位画素を選択的に駆動するための駆動部と、
アニール用の第１定電流源、および前記放射線の非測定時において前記単位画素からの電流流路を前記第１定電流源側に切り換えるための切換えスイッチを含み、 前記画素トランジスタに対してアニール電流を流すことにより前記画素トランジスタの特性を回復させる特性回復部と
を備えた放射線撮像装置。 - 前記画素トランジスタは電界効果トランジスタであり、
前記特性回復部は、前記電界効果トランジスタのゲート電極にソース電極若しくはドレイン電極の電圧より相対的に正の電圧を印加し、前記ソース・ドレイン電極間のチャネル層に電流を流すことにより前記チャネル層およびその近傍を発熱させる
請求項１記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の単位画素は行列状に配置されており、
前記単位画素は、前記画素トランジスタとして、前記光電変換素子で収集された信号電荷をゲート電極で受け、前記信号電荷に応じた電気信号を読み出す第１トランジスタと、前記第１トランジスタのゲート電極を参照電位にリセットするための第２トランジスタと、前記第１トランジスタから出力される信号を選択的に出力する第３トランジスタとを有し、
前記駆動部は、前記第１トランジスタとともにソースフォロワ回路を構成する測定用の第２定電流源を有し、放射線の測定時において、前記第３トランジスタの出力端と前記第２定電流源とを電気的に接続させ、
前記特性回復部は、前記第１トランジスタおよび第３トランジスタの特性回復を行うときには、前記切換えスイッチにより前記第３トランジスタの出力端と前記第１定電流源とを電気的に接続させて前記第１トランジスタおよび第３トランジスタにアニール電流を流し、前記第２トランジスタの特性回復を行うときには、前記切換えスイッチにより前記第３トランジスタの出力端をオープン状態として第２トランジスタにアニール電流を流す
請求項２記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の単位画素は行列状に配置されており、
前記単位画素は、前記画素トランジスタとして、前記光電変換素子で収集された信号電荷を選択的に出力する第４トランジスタを有し、
前記特性回復部は、前記第４トランジスタの特性回復を行うときには、前記切換えスイッチにより前記第４トランジスタの出力端と前記第１定電流源とを電気的に接続させて前記第４トランジスタにアニール電流を流す
請求項２記載の放射線撮像装置。 - 前記電界効果トランジスタは、チャネル層として微結晶若しくは多結晶のシリコンからなる半導体層を有する
請求項２ないし４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。 - 前記電界効果トランジスタは、前記半導体層とゲート電極との間にゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層に接する第１シリコン酸化膜と、前記第１シリコン酸化膜と前記ゲート電極との間に設けられた、水素を含有する第１シリコン窒化膜とを有し、
前記第１シリコン酸化膜の膜厚は５０ｎｍ以下である
請求項５記載の放射線撮像装置。 - 前記電界効果トランジスタは、前記半導体層上に層間絶縁膜を有し、前記層間絶縁膜は、前記半導体層に接する第２シリコン酸化膜と、前記第２シリコン酸化膜とソースおよびドレインの配線層との間に設けられた、水素を含有する第２シリコン窒化膜とを有し、
前記第２シリコン酸化膜の膜厚は５０ｎｍ以下である
請求項６記載の放射線撮像装置。 - 前記光電変換素子は、光入射側から順に、透明電極、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層およびｐ型半導体層を有し、
前記透明電極側において信号電荷が収集され、
前記ｐ型半導体層側が電源配線に接続されている
請求項１に記載の放射線撮像装置。 - 前記光電変換素子は、光入射側から順に、透明電極、ｎ型半導体層、ｉ型半導体層およびｐ型半導体層を有し、
前記ｐ型半導体層側において信号電荷が収集され、
前記透明電極側が電源配線に接続されている
請求項１に記載の放射線撮像装置。 - それぞれ少なくとも１の画素トランジスタと光電変換素子とを含む複数の単位画素を有し、入射した放射線に応じて電気信号を発生する画素部と、
前記画素部の単位画素を選択的に駆動するための駆動部と、を備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、
アニール用定電流源を設け、前記放射線の非測定時において、前記単位画素からの電流流路を前記アニール用定電流源側に切り換えると共に、前記画素トランジスタに対してアニール電流を流すことにより前記画素トランジスタの特性を回復させる
放射線撮像装置の駆動方法。
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