JP6463136B2 - 放射線検出装置及び放射線検出システム - Google Patents

Description

本発明は放射線検出装置及び放射線検出システムに関する。

変換素子とスイッチ素子とを組み合わせた画素が複数配された放射線検出装置が用いられている。変換素子としてはＰＩＮ型ダイオードやＭＩＳ型ダイオードが用いられる。特に、２つの電極の間に半導体層を挟持したＰＩＮ型構造は、製造や動作機構が簡便であるため、広く用いられている。半導体層を画素ごとに島状に分離することにより、画素間のクロストークが少なく鮮鋭度が高い画像が得られる。しかし、半導体層を島状に分離した構造では、半導体層の側壁にリークパスが形成されやすい。リークパスが形成されると、逆方向暗電流が増大し、放射線検出装置のダイナミックレンジが減少するなどの悪影響が出る。そこで、特許文献１では、半導体層の側壁におけるリークパスの形成を抑制すべく、半導体層の外周が電極の外周よりも外側に位置する構造の変換素子を提案する。

特開２０１３−０１２６９７公報

特許文献１に記載された放射線検出装置では、後述するように、電荷の転送残りが発生しやすい。そこで、本発明の１つの側面では、半導体層の外周が電極の外周よりも外側に位置する変換素子を有する放射線検出装置において、電荷の転送残りを低減するために有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、一部の実施形態では、複数の画素を有する放射線検出装置であって、画素ごとにそれぞれが分割された第１電極、半導体層及び第２電極を含む変換素子と、前記第１電極に電気的に接続されたスイッチ素子と、隣接する画素の前記変換素子を相互に分離する第１絶縁層とを有し、前記半導体層は前記第１電極と前記第２電極との間にあり、前記半導体層の外周は前記第１電極の外周及び前記第２電極の外周よりも外側にあり、前記半導体層は、前記第１電極に接する部分を含む第１不純物半導体層と、前記第２電極に接する部分を含む第２不純物半導体層と、これらの不純物半導体層の間にある真性半導体層とを含み、前記スイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りが２％以下になるように、前記第１不純物半導体層の外周と前記真性半導体層の外周と前記第２不純物半導体層の外周とが同一面上に位置し、前記第１不純物半導体層の外周から前記第１不純物半導体層に沿って進み前記第１不純物半導体層が前記第１電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｌ１、前記第２不純物半導体層の外周から前記第２不純物半導体層に沿って進み前記第２不純物半導体層が前記第２電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｕ、前記第１不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｌ１、前記第２不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｕ、前記複数の画素の画素ピッチをＰ、前記スイッチ素子のオン抵抗をＲ_ｏｎ、とした場合に、｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＜５×Ｒ_ｏｎかつ｛Ｄ_Ｕ／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｕ＜１００×Ｒ_ｏｎを満たすことを特徴とする放射線検出装置が提供される。

上記手段により、半導体層の外周が電極の外周よりも外側に位置する変換素子を有する放射線検出装置において、電荷の転送残りを低減するために有利な技術が提供される。

一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 図１の放射線検出装置の１つの画素の断面模式図。 図２の一部分を拡大した図。 様々な放射線検出装置で電荷の転送残りを測定した結果を説明する図。 様々な放射線検出装置で電流密度を測定した結果を説明する図。 一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 様々な放射線検出装置で電荷の転送残りを測定した結果を説明する図。 様々な放射線検出装置で電流密度を測定した結果を説明する図。 一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 一部の実施形態の放射線検出装置の等価回路図。 一部の実施形態の放射線検出システムの構成図。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

図１〜図５を参照して一部の実施形態に係る放射線検出装置１００について説明する。放射線検出装置１００は、例えば医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに用いられる。図１は放射線検出装置１００の模式的等価回路図である。放射線検出装置１００は複数の画素１１０を有する。複数の画素１１０は２次元行列状に配され、画素アレイを構成する。各画素１１０は、変換素子１１１とスイッチ素子１１２とを有する。変換素子１１１はスイッチ素子１１２を介して信号線１３１に接続される。放射線検出装置１００は複数の信号線１３１を有する。各信号線１３１は列方向（図１の縦方向）に並んだ複数の画素１１０で共有される。信号線１３１の一端は読み出し回路１３０に接続される。スイッチ素子１１２の制御端子は駆動線１２１に接続される。放射線検出装置１００は複数の駆動線１２１を有する。各駆動線１２１は行方向（図１の横方向）に並んだ複数の画素１１０で共有される。駆動線１２１の一端は駆動回路１２０に接続される。

図２は、図１の１つの画素１１０に着目した断面模式図である。この断面図は、複数の画素１１０の行方向に平行な方向で基板に垂直な面で画素１１０を切断した断面を示す。放射線検出装置１００の画素アレイには、図２の構成が２次元行列状に配される。複数の画素１１０はガラスなどの絶縁材料で形成された基板２０１の上に形成される。放射線検出装置１００は、複数の画素１１０の上に、シンチレータ層２０２を有する。シンチレータ層２０２は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）やガドリニウムオキシ硫化物（ＧＯＳ）などで形成される。シンチレータ層２０２は、放射線を、変換素子１１１が検出可能な波長の光である可視光に変換する。放射線は放射線検出装置１００のシンチレータ層２０２側（図面の上側）から入射してもよいし、基板２０１側（図面の下側）から入射してもよい。駆動回路１２０及び読み出し回路１３０は基板２０１の上に形成され、導電パターンを通じて画素アレイに電気的に接続されてもよい。これに代えて、駆動回路１２０及び読み出し回路１３０は、基板２０１とは別の基板に形成され、基板２０１上の導電パッドを介して画素アレイに電気的に接続されてもよい。

基板２０１の上に、駆動線１２１、信号線１３１（図２では不図示）及びゲート電極２０３が形成され、その上に絶縁層２０４が形成される。駆動線１２１とゲート電極２０３とは電気的に接続される。絶縁層２０４のうちゲート電極２０３の上にある部分がゲート絶縁膜として機能する。ゲート絶縁膜の上にはチャネル層２０５が形成される。チャネル層２０５の一端はソース電極２０６で覆われ、チャネル層２０５の他端はドレイン電極２０７で覆われる。ソース電極２０６は信号線１３１に電気的に接続される。ソース電極２０６と信号線１３１とは同じ導電層において一体的に構成されてもよい。ゲート電極２０３、ゲート絶縁膜、チャネル層２０５、ソース電極２０６及びドレイン電極２０７によって薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）が形成される。このＴＦＴが図１のスイッチ素子１１２として機能する。チャネル層２０５とソース電極２０６との間及びチャネル層２０５とドレイン電極２０７との間にコンタクト層として不純物半導体層を形成してもよい。

上述の薄膜トランジスタ、駆動線１２１及び信号線１３１の上に、保護層２０８及び平坦化層２０９が順に形成される。保護層２０８はＳｉＮなどの無機絶縁膜である。平坦化層２０９はアクリルやポリイミドなどの有機絶縁膜である。保護層２０８及び平坦化層２０９はドレイン電極２０７の上に開口を有する。平坦化層２０９の上面は、開口を除いて平坦である。

平坦化層２０９の上に、第１電極２１０、第１不純物半導体層２１１、真性半導体層２１２、第２不純物半導体層２１３、第２電極２１４、保護層２１５及び平坦化層２１６が順に形成される。第１不純物半導体層２１１、真性半導体層２１２及び第２不純物半導体層２１３をまとめて半導体層２２０と呼ぶ。半導体層２２０は例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）で形成される。第１電極２１０、半導体層２２０及び第２電極２１４によってＰＩＮ型フォトダイオードが形成される。このフォトダイオードが図１の変換素子１１１として機能する。第１電極２１０は画素１１０ごとに分割される。すなわち、隣接する画素１１０の第１電極２１０同士は相互に分離されている。第１不純物半導体層２１１、真性半導体層２１２、第２不純物半導体層２１３及び第２電極２１４も、画素１１０ごとに分割される。保護層２１５及び平坦化層２１６は、複数の画素１１０に対して共通に配される。隣接する画素１１０の変換素子１１１は、保護層２１５及び平坦化層２１６によって相互に分離される。保護層２１５はＳｉＮなどの無機絶縁膜である。平坦化層２１６はアクリルやポリイミドなどの有機絶縁膜である。平坦化層２１６の上面は平坦である。

第１電極２１０の一部は保護層２０８の開口及び平坦化層２０９の開口に入り込み、ドレイン電極２０７に接合する。第２電極２１４はバイアス線（不図示）に接続される。バイアス線を通じて、変換素子１１１が光電変換を行うためのバイアス電圧が第２電極２１４に印加される。第１不純物半導体層２１１と第２不純物半導体層２１３とは互いに異なる導電型を有する。以下では、第１不純物半導体層２１１がｎ＋型であり、第２不純物半導体層２１３がｐ＋型である場合を扱うが、その逆であってもよい。第１不純物半導体層２１１は、第１電極２１０から真性半導体層２１２へホールが注入されることを防ぐブロッキング層として機能する。第２不純物半導体層２１３は、第２電極２１４から真性半導体層２１２へ電子が注入されることを防ぐブロッキング層として機能する。真性半導体層２１２は、不純物を全く含まない半導体であってもよいし、第１不純物半導体層２１１及び第２不純物半導体層２１３よりも不純物濃度が小さいｎ型又はｐ型の半導体であってもよい。

続いて、図３を参照して、変換素子１１１の構成を詳細に説明する。図３は、図２の領域２００の拡大図である。第１不純物半導体層２１１、真性半導体層２１２及び第２不純物半導体層２１３は、３層の半導体層を同一のマスクを用いて連続してエッチングすることによって分割される。そのため、第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａと、真性半導体層２１２の外周２１２ａと、第２不純物半導体層２１３の外周２１３ａとは同一面上に位置し、半導体層２２０の外周を形成する。言い換えると、第１不純物半導体層２１１の上面と真性半導体層２１２の下面とが合致し、真性半導体層２１２の上面と第２不純物半導体層２１３の下面とが合致する。

第１不純物半導体層２１１は、第１電極２１０の上面及び側面に接しており、平坦化層２０９のうち第１電極２１０の周囲にある部分にも接している。その結果として、第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａは、第１電極２１０の外周２１０ａよりも外側に位置する。

第２不純物半導体層２１３は、第２電極２１４の下面に接しており、保護層２１５のうち第２電極２１４の周囲にある部分にも接している。その結果として、第２不純物半導体層２１３の外周２１３ａは、第２電極２１４の外周２１４ａよりも外側に位置する。

図２に示す構成では、半導体層２２０の側面におけるリークパスの発生が抑制され、開口率（Ｆｉｌｌ Ｆａｃｔｏｒ、ＦＦ）及び感度が向上する。しかし、第１不純物半導体層２１１は第１電極２１０よりも高い抵抗値を有するので、第１不純物半導体層２１１に寄生抵抗が発生する。真性半導体層２１２の外周２１２ａ付近（例えば、位置３０１）で発生した電子は第１電極２１０に収集される際にこの寄生抵抗の影響を受けるので、電荷の転送残りの原因となる。また、第２不純物半導体層２１３においても同様に寄生抵抗が発生する。真性半導体層２１２の外周２１２ａ付近（例えば、位置３０２）で発生したホールは第２電極２１４に収集される際にこの寄生抵抗の影響を受けるので、やはり電荷の転送残りの原因となる。

本実施形態では、電荷の転送残りを軽減するために、以下の式（１）、（２）の両方を満たすように、変換素子１１１が形成される。
｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＜５×Ｒ_ｏｎ …（１）
｛Ｄ_Ｕ／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｕ＜１００×Ｒ_ｏｎ …（２）

以上の式において、Ｄ_Ｌ１は、第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａから、第１不純物半導体層２１１に沿って進み、第１不純物半導体層２１１が第１電極２１０に接する部分に到達するまでの長さである。このような長さのうち、最短の長さを採用してもよい。Ｄ_Ｕは、第２不純物半導体層２１３の外周２１３ａから、第２不純物半導体層２１３に沿って進み、第２不純物半導体層２１３が第２電極２１４に接する部分に到達するまでの長さである。Ｒ_□Ｌ１は、第１不純物半導体層２１１のシート抵抗である。Ｒ_□Ｕは、第２不純物半導体層２１３のシート抵抗である。Ｒ_ｏｎ［Ω］は、スイッチ素子１１２のオン抵抗である。Ｐは、１つの画素１１０の幅（すなわち、画素ピッチ、図２参照）である。式（１）の左辺は、長さＤ_Ｌ１の部分の第１不純物半導体層２１１の寄生抵抗の大きさを表す。式（２）の左辺は、長さＤ_Ｕの部分の第２不純物半導体層２１３の寄生抵抗の大きさを表す。

図４を参照して、式（１）、（２）の両方を満たす場合の転送残りについて検討する。図４は、式（１）、（２）のパラメータを様々な値に規定した放射線検出装置を室温（２５℃）の実験室に設置し、スイッチ素子１１２を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを測定した実験結果を示す。式（１）と式（２）との両方を満たす放射線検出装置１００では、転送残りが１．２％となった。式（２）を満たすが式（１）を満たさない第１比較例では、転送残りが３．３％となった。式（１）を満たすが式（２）を満たさない第２比較例では、転送残りが２．９％となった。

一般に、放射線検出装置では、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りが２％以下であることが要求される。その理由の一例を以下に説明する。スイッチ素子１１２を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りをｒ（％）とすると、単純な指数関数型の電荷転送を前提とした場合、転送時定数τ（ｓ）は以下の式（３）で表される。
τ＝−１０×１０^-6／ｌｎ（ｒ／１００） …（３）

また、放射線検出装置をフレーム周波数ＦＲ（ｆｐｓ）で動作させる際、以下の式（４）が成り立つ。
ＦＲ＝１／Ｔ＝１／｛Ｎ（ｔ_ｓｗ＋ｔ_ａｍｐ）｝ …（４）

ただし、式（４）の変数は以下のとおりである。
Ｔ：フレーム期間（ｓ）
Ｎ：駆動線の本数
ｔ_ｓｗ：電荷転送に必要な期間（＝スイッチ素子を導通状態とする期間）の長さ）（ｓ）
ｔ_ａｍｐ：読み出し回路での電荷量測定に必要な期間（ｓ）

スイッチ素子１１２を導通させてからｔ_ｓｗ（ｓ）経過後の電荷転送残りをＴｈ（％）とすると、以下の式（５）が成り立つ。
ｔ_ｓｗ＝−τ・ｌｎ（Ｔｈ／１００）
＝１０×１０^-6ｌｎ（Ｔｈ／１００）／ｌｎ（ｒ／１００）） …（５）

そのため、ｒ≦２％であれば、Ｔｈ＝１％、ｔ_ａｍｐ＝２０μｓ、Ｎ＝２１００、ＦＲ＝１５ｆｐｓで放射線検出装置を動作できる。これらの値は、放射線検出装置で一般的に要求される値である。放射線検出装置１００において、式（１）、（２）の両方を満たすことによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。

上述の式（１）を満たすため、第１電極２１０の外周２１０ａを半導体層２２０の外周に近づけると、第１電極２１０から半導体層２２０の側面へのホールのトンネリングの影響により、リーク電流が増加しやすくなる。そこで、一部の実施形態では、リーク電流を低減するために、第１電極２１０の外周２１０ａから半導体層２２０の外周までの長さＤ_Ｌ２を５ｎｍ以上とする。第１電極２１０の外周２１０ａから半導体層２２０の外周までの長さは、第１電極２１０の外周２１０ａから半導体層２２０の外周までの最短距離によって定義されてもよい。図３に示すように、放射線検出装置１００では、Ｄ_Ｌ１＝Ｄ_Ｌ２となる。

さらに、一部の実施形態では、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とする。図５は、長さＤ_Ｌ２を様々に変化させた場合の逆方向暗電流の電流密度の測定結果を示す。図５に示すように、長さＤ_Ｌ２が１μｍ以上であれば、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

一般に、放射線検出装置では、逆方向暗電流の電流密度が１０^-10Ａ／ｍｍ²以下であることが要求される。その理由の一例を以下に説明する。変換素子の面積をＡ（ｍｍ²／画素）、キャパシタンスをＣ１（Ｆ／画素）、変換素子に印加する逆バイアスの大きさをＶｒ（Ｖ）とすると、変換素子の飽和電荷量Ｑｓａｔ（Ｃ／画素）は、以下の式（６）で与えられる。
Ｑｓａｔ＝Ｃ１・Ｖｒ …（６）

変換素子に暗電流がＪｄａｒｋ（Ａ／ｍｍ²）流れるとすると、フレーム周期Ｔ（ｓ）の間に変換素子に蓄積される電荷量Ｑｄａｒｋ（Ｃ／画素）は、以下の式（７）で与えられる。
Ｑｄａｒｋ＝Ａ・Ｊｄａｒｋ・Ｔ …（７）

Ｃ１＝１．７（ｐＦ）、Ｖｒ＝１２（Ｖ）、Ａ＝２６０００（μｍ²）、１／Ｔ＝１５（Ｈｚ）の場合を検討する。この場合に、Ｊｄａｒｋが１．２ｘ１０−１０（Ａ／ｍｍ²）以下であれば、暗電流によるダイナミックレンジの損失（Ｑｄａｒｋ／Ｑｓａｔ）を１％以下に抑えることができる。人間の目の知覚量のダイナミックレンジは１：１００〜１：１０００であるため、ダイナミックレンジの損失が１％以下であれば、ダイナミックレンジの損失による画質の劣化が認識されにくくなる。

上述の同様の理由から、第２電極２１４の外周２１４ａから半導体層２２０の外周までの長さを５ｎｍ以上としてもよいし、１μｍ以上としてもよい。第２電極２１４の外周２１４ａから半導体層２２０の外周までの長さは、第２電極２１４の外周２１４ａから半導体層２２０の外周までの最短距離によって定義されてもよい。

上述の実施形態では、スイッチ素子１１２として非晶質シリコンを主材料とした半導体層を用いた逆スタガ型のＴＦＴを用いたが、例えば、多結晶シリコンを主材料としたスタガ型のＴＦＴや、有機ＴＦＴ、酸化物ＴＦＴ等を用いてもよい。

図６〜図８を参照して、一部の実施形態に係る放射線検出装置６００について説明する。図６は、放射線検出装置６００のうち、図３の領域２００に対応する部分を示した断面模式図である。放射線検出装置６００は図６に示す部分の構造が放射線検出装置１００とは異なる。放射線検出装置６００の他の部分は放射線検出装置１００と同様であってもよいので、重複する説明を省略する。

放射線検出装置６００は、保護層６０１を更に有する。保護層６０１は、例えばＳｉＮなどの無機絶縁膜である。保護層６０１は、第１電極２１０の端部を覆う。具体的には、保護層６０１は、第１電極２１０の上面の端部と、第２電極の側面と、平坦化層２０９の上面のうち第１電極２１０で覆われていない部分とに接する。保護層６０１の上に第１不純物半導体層２１１及び保護層２１５が形成される。このような保護層６０１は、例えば、ＣＶＤで成膜された無機保護膜をパターニングすることによって得られる。保護層６０１を有することによって、放射線検出装置６００における逆方向暗電流は更に抑制される。また、半導体層２２０をエッチングして分割する際に、保護層６０１がエッチングストッパ層として機能するため、平坦化層２０９の有機材料をエッチングしたことに起因するリークパスの形成を抑制できる。

放射線検出装置６００においても、上述の式（１）と式（２）との両方を満たすように変換素子１１１を形成することによって、電荷の転送残りを低減することができる。放射線検出装置６００における式（１）、（２）の変数の定義は、放射線検出装置１００のものと同じである。ただし、図６に示すように、放射線検出装置６００では、長さＤ_Ｌ１と長さＤ_Ｌ２とは異なる値となる。

図７は、式（１）、（２）のパラメータを様々な値に設定した放射線検出装置を室温（２５℃）の実験室に設置し、スイッチ素子１１２を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを測定した実験結果を示す。式（１）と式（２）との両方を満たす放射線検出装置６００では、転送残りが１．３％となった。式（２）を満たすが式（１）を満たさない第１比較例では、転送残りが３．５％となった。式（１）を満たすが式（２）を満たさない第２比較例では、転送残りが２．７％となった。放射線検出装置６００においても、式（１）、（２）の両方を満たすことによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。

さらに、図６に示す構成において、保護層６０１のうち第１電極２１０の側面に接する部分において、電荷のトンネリングが発生しやすい。そこで、放射線検出装置１００と同様にＤ_Ｌ２を５ｎｍとすることで、半導体層２２０の側面におけるリーク電流の発生を抑制できる。また、図８に示すように、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とすることによって、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

図９を参照して、一部の実施形態に係る放射線検出装置９００について説明する。図９は、放射線検出装置９００のうち、図３の領域２００に対応する部分を示した断面模式図である。放射線検出装置９００は図９に示す部分の構造が放射線検出装置６００とは異なる。放射線検出装置９００の他の部分は放射線検出装置６００と同様であってもよいので、重複する説明を省略する。

放射線検出装置９００は、保護層６０１と第１電極２１０との位置関係が放射線検出装置６００とは異なる。保護層６０１は、平坦化層２０９のうち、画素１１０の境界の部分を覆う。第１電極２１０は、保護層６０１の端部を覆うように形成される。

放射線検出装置６００においても、上述の式（１）と式（２）との両方を満たすように変換素子１１１を形成することによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。放射線検出装置９００における式（１）、（２）の変数の定義は、放射線検出装置１００のものと同じである。長さＤ_Ｌ１と長さＤ_Ｌ２とは互いに等しい。

また、放射線検出装置１００と同様にＤ_Ｌ２を５ｎｍとすることで、半導体層２２０の側面におけるリーク電流の発生を抑制できる。さらに、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とすることによって、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

図１０を参照して、一部の実施形態に係る放射線検出装置１０００について説明する。図１０は、放射線検出装置１０００のうち、図３の領域２００に対応する部分を示した断面模式図である。放射線検出装置１０００は図１０に示す部分の構造が放射線検出装置１００とは異なる。放射線検出装置１０００の他の部分は放射線検出装置１００と同様であってもよいので、重複する説明を省略する。

放射線検出装置１０００では、真性半導体層２１２の外周２１２ａが、第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａよりも外側に位置する。言い換えると、第１不純物半導体層２１１と保護層２１５とが真性半導体層２１２によって相互に分離されている。

放射線検出装置１０００では、真性半導体層２１２の外周２１２ａ付近で発生した電子は第１電極２１０に収集される際に第１不純物半導体層２１１の寄生抵抗の影響だけでなく、真性半導体層２１２の寄生抵抗の影響も受ける。そこで、放射線検出装置１０００では、上述の式（１）、（２）に加えて、以下の式（８）を満たすように変換素子１１１が形成される。
｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＋｛Ｄ_Ｌ３／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ３＜５×Ｒ_ｏｎ …（８）

ここで、Ｄ_Ｌ３は、真性半導体層２１２の外周から第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａまでの長さである。Ｒ_□Ｌ３は、真性半導体層２１２のシート抵抗である。その他の変数の定義は、放射線検出装置１００のものと同じである。なお、式（８）を満たせば、式（１）も自動的に満たす。放射線検出装置１０００において、上述の式（８）と式（２）との両方を満たすように変換素子１１１を形成することによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。

また、放射線検出装置１００と同様にＤ_Ｌ２を５ｎｍとすることで、半導体層２２０の側面におけるリーク電流の発生を抑制できる。さらに、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とすることによって、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

図１１を参照して、一部の実施形態に係る放射線検出装置１１００について説明する。図１１は、放射線検出装置１１００のうち、図３の領域２００に対応する部分を示した断面模式図である。放射線検出装置１１００は、放射線検出装置１０００のように真性半導体層２１２の外周２１２ａが第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａよりも外側に位置する構成において、図６で説明した保護層６０１を更に設けたものである。放射線検出装置１１００においても、上述の式（８）と式（２）との両方を満たすように変換素子１１１を形成することによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。また、放射線検出装置１００と同様にＤ_Ｌ２を５ｎｍとすることで、半導体層２２０の側面におけるリーク電流の発生を抑制できる。さらに、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とすることによって、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

図１２を参照して、一部の実施形態に係る放射線検出装置１２００について説明する。図１２は、放射線検出装置１２００のうち、図３の領域２００に対応する部分を示した断面模式図である。放射線検出装置１２００は、放射線検出装置１０００のように真性半導体層２１２の外周２１２ａが第１不純物半導体層２１１の外周２１１ａよりも外側に位置する構成において、図７で説明した保護層６０１を更に設けたものである。放射線検出装置１２００においても、上述の式（８）と式（２）との両方を満たすように変換素子１１１を形成することによって、変換素子に接続されたスイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りを２％以下にできる。また、放射線検出装置１００と同様にＤ_Ｌ２を５ｎｍとすることで、半導体層２２０の側面におけるリーク電流の発生を抑制できる。さらに、長さＤ_Ｌ２を１μｍ以上とすることによって、逆方向暗電流の電流密度を１０^-10Ａ／ｍｍ²以下に抑えることができる。

図１３は本発明に係る放射線用の検出装置のＸ線診断システム（放射線検出システム）への応用例を示した図である。Ｘ線チューブ６０５０（放射線源）で発生した放射線としてのＸ線６０６０は、被験者又は患者６０６１の胸部６０６２を透過し、シンチレータを本発明の検出装置の上部に配置した検出装置６０４０に入射する。ここで、シンチレータを上部に配置した検出変換装置は放射線用の検出装置を構成する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータは発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタル信号に変換され信号処理部となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示部となるディスプレイ６０８０で観察できる。なお、放射線検出システムは、検出装置と、検出装置からの信号を処理する信号処理部とを少なくとも有する。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理部により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなど表示部となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録部に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録部となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１００ 放射線検出装置、２１０ 第２電極、２１１第１不純物半導体層、２１２ 真性半導体層、２１３ 第２不純物半導体層、２１４ 第２電極

Claims (11)

1. 複数の画素を有する放射線検出装置であって、
   画素ごとにそれぞれが分割された第１電極、半導体層及び第２電極を含む変換素子と、
   前記第１電極に電気的に接続されたスイッチ素子と、
   隣接する画素の前記変換素子を相互に分離する第１絶縁層とを有し、
   前記半導体層は前記第１電極と前記第２電極との間にあり、
   前記半導体層の外周は前記第１電極の外周及び前記第２電極の外周よりも外側にあり、
   前記半導体層は、前記第１電極に接する部分を含む第１不純物半導体層と、前記第２電極に接する部分を含む第２不純物半導体層と、これらの不純物半導体層の間にある真性半導体層とを含み、
   前記スイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りが２％以下になるように、前記第１不純物半導体層の外周と前記真性半導体層の外周と前記第２不純物半導体層の外周とが同一面上に位置し、前記第１不純物半導体層の外周から前記第１不純物半導体層に沿って進み前記第１不純物半導体層が前記第１電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｌ１、前記第２不純物半導体層の外周から前記第２不純物半導体層に沿って進み前記第２不純物半導体層が前記第２電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｕ、前記第１不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｌ１、前記第２不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｕ、前記複数の画素の画素ピッチをＰ、前記スイッチ素子のオン抵抗をＲ_ｏｎ、とした場合に、
   ｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＜５×Ｒ_ｏｎかつ
   ｛Ｄ_Ｕ／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｕ＜１００×Ｒ_ｏｎ
   を満たすことを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記第１電極の外周から前記半導体層の外周までの長さが５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記第１電極の外周から前記半導体層の外周までの長さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
4. 前記第２電極の外周から前記半導体層の外周までの長さが５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線検出装置。
5. 前記第２電極の外周から前記半導体層の外周までの長さが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線検出装置。
6. 前記第１不純物半導体層の外周が前記第１絶縁層に接していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の放射線検出装置。
7. 前記第１不純物半導体層と前記第１絶縁層とが前記真性半導体層によって相互に分離されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の放射線検出装置。
8. 複数の画素を有する放射線検出装置であって、
   画素ごとにそれぞれが分割された第１電極、半導体層及び第２電極を含む変換素子と、
   前記第１電極に電気的に接続されたスイッチ素子と、
   隣接する画素の前記変換素子を相互に分離する第１絶縁層とを有し、
   前記半導体層は前記第１電極と前記第２電極との間にあり、
   前記半導体層の外周は前記第１電極の外周及び前記第２電極の外周よりも外側にあり、
   前記半導体層は、前記第１電極に接する部分を含む第１不純物半導体層と、前記第２電極に接する部分を含む第２不純物半導体層と、これらの不純物半導体層の間にある真性半導体層とを含み、
   前記スイッチ素子を導通状態としてから１０μｓ経過後の電荷の転送残りが２％以下になるように、前記真性半導体層の外周と前記第２不純物半導体層の外周とが同一面上に位置し、前記真性半導体層の外周が前記第１不純物半導体層の外周よりも外側に位置し、前記第１不純物半導体層の外周から前記第１不純物半導体層に沿って進み前記第１不純物半導体層が前記第１電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｌ１、前記第２不純物半導体層の外周から前記第２不純物半導体層に沿って進み前記第２不純物半導体層が前記第２電極に接する部分に到達するまでの長さをＤ_Ｕ、前記第１不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｌ１、前記第２不純物半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｕ、前記複数の画素の画素ピッチをＰ、前記スイッチ素子のオン抵抗をＲ_ｏｎ、前記第１不純物半導体層の外周から前記真性半導体層の外周までの長さをＤ_Ｌ３、前記真性半導体層のシート抵抗をＲ_□Ｌ３とした場合に、
   ｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＜５×Ｒ_ｏｎ
   ｛Ｄ_Ｕ／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｕ＜１００×Ｒ_ｏｎかつ
   ｛Ｄ_Ｌ１／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ１＋｛Ｄ_Ｌ３／（４×Ｐ）｝×Ｒ_□Ｌ３＜５×Ｒ_ｏｎ
   を満たすことを特徴とする放射線検出装置。
9. 前記第１電極の外周と前記第１不純物半導体層とを相互に分離する第２絶縁層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線検出装置。
10. 前記複数の画素の上に、放射線を、前記変換素子が検出可能な波長の光に変換するシンチレータ層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の放射線検出装置。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線検出装置と、
    前記放射線検出装置によって得られた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検出システム。