JPH03185865A - 固体素子放射線センサアレイパネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、画像のような放射線パターンを直接検出する
ための広領域センサアレイパネル及びその画素単位の電
子読み取りに関するものである。

例えば、このセンサアレイパネルは、可視或いはＵＶ光
、Ｘ線、ガンマ線、高エネルギイオン化粒子及び音声波
に至る入カバターンを表わす電気的画像情報を提供する
ことが可能である。

センサアレイは、−膜内に医学及び科学分野において診
断のための撮像に用いられる。従来、このセンサアレイ
の出力は、フィルム画像となるように可視であるか、或
いは適当なデータ処理装置に伝送する電気的データとな
るようなディジタルでなければならない。利用できるよ
うにするためには、優れた空間的エネルギ解像度を必要
とする。

すなわち、分解された単位面積当りの画素数及び予期さ
れたエネルギスペクトルに対する感度が、タスクの必要
条件に一致しなければならない。

アモルファスシリコン製造技術における最近の進歩によ
り、この材料を広い領域にデポジットしてパターン化し
、これによってページサイズの集積電子装置を作りだせ
るようになった。典型的には、光学検知分野だけでなく
ほとんどの電子的応用にあっては、前述の材料は、僅か
数ミクロンの厚さにすぎない。放射線検出用蛍光スクリ
ーンと一緒に用いられると、Ｘ線が蛍光物質に衝突して
可視光を放射させる。この可視光は、普通隣接のアモル
ファスシリコン検出器層を流れる電流を発生し、この電
流が適当な検出回路によって検出されなければならない
。この種のデバイスの主な欠点は、検出効率が極めて低
いことである。典型的には、蛍光スクリーンは、入射線
に応答して発生する光において普通１０％以下の効率で
あり、これに接続された高い効率の光学センサにおいて
も、この種のデイバイスでは僅か約１０％の効率にすぎ
ない。

薄膜アモルファスシリコン層は、可視光の検出に高い効
率を示すが、厚膜アモルファスシリコン層（１０ないし
５０μｍ台）は、９０％以上の高い効率で高エネルギ放
射線（すなわち、高エネルギ光子或いは粒子の放射線）
が検出できる。米国特許第４、７８５．１８６号（スト
リー）　（Ｓｔｅｅｔ）他）において、電気的にバイア
スされた上下の金属電極を備えたｐ−１−ｎドープ構造
の厚膜アモルファスシリコン層が電流を通過させるので
、これによって高エネルギ放射線の存在が検出できる。

粒子の位置検出は、出力電流が増幅器の入力に接続され
たこの種のデバイスのアレイによって達成できる。検出
層を通る放射線誘起電子−正孔対の直接的検出は、高エ
ネルギ放射線が、隣接するセンサによって検出される可
視光に変換されるシンチレーションシステムによって提
供される構成よりもずっと簡単である。

カザン（Ｋａｚａｎ）他による「光導電性帯電層を備え
た新しいタイプの電界効果画像記憶パネル（ＡＮｅｗ　
Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ　Ｉｍａｇ
ｅ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｐａｎｅｌｗｉｔｈ　ａ　Ｐｈｏ
ｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｈａｒｇｉｎｇ　Ｌａｙ
ｅｒ）Ｊと題すル１９６８年１１月発行の■ＥＥＥ会報
、　Ｖｏｌ、５６゜Ｎ１１ｌｌ、　２０５７〜２０５９
頁において、隣接する半導体層（ＺｎＯ）の局部的な帯
電或いは放電が、次の隣接する光導電性層によって制御
される電界発光画像形成パネルについて開示されている
。従って、紫外放射線によって照射された領域において
、光導電層を流れる結果として生じる電流は、ＺｎＯ層
との境界面でトラップされた電荷を発生し、次いで、こ
れがＺｎＯ層の局部的な導電率を制御する。このような
導電率の変化により、局部的な電流が、両端間に電圧が
維持されている電界発生蛍光体に流れることができるよ
うになる。従って、記憶されている可視画像が、過渡的
な画像に対応して電界発光蛍光体によって発生される。

多重走査用トランジスターフォトダイオードアレイが、
１９８３年発行の「撮像及び表示における進歩（Ａｄｖ
ａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｉｃｋｕｐ　ａｎｄ
　Ｄｉｓｐｌａｙ）Ｊ　。

Ｖｏｌ、６．１８４〜１８５頁のワイマー（Ｗｅｉｍｅ
ｒ）他による「テレビジョン用イメージセンサ及び関連
する適用例（Ｉｍａｇｅ　５ｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｔｅ
１ｅｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅ１ａｔｅｄＡｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎｓ）」と題する章に開示されている。

第４図に概略的に示されるように、各画素位置には、フ
ォトセンサとトランジスタが設けられている。

上述のいずれの構成も、現在の診断画像に要求される高
い解像度（１インチ当り数１００スポット台）を、比較
的安価で簡単な製作構造で満足させるものではない。公
知の薄膜リソグラフィツク技術を使用し、各画素位置に
おいてセンサとトランジスタを組み合わせて二次元セン
サアレイを製造することは知られている。しかし、これ
らのデバイスにおいて、センサとトランジスタは、両者
がほぼ同じ厚み（すなわち、トランジスタが約なμｍの
全体厚で、センサが約１μｍの全体厚である）を有して
いるので、一体内製造に適している。各画素位置で、非
常に厚い検出器（約２０から１００μｍ以上まで）と非
常に薄いトランジスタ（約１μｍ）とを一体化して２−
Ｄセンサアレイを形成するのは実質上不可能である。

例えばアモルファスセレン、多結晶硫化亜鉛、セレン化
ヒ素及び他のカルコゲンガラス（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉ
ｃ　ｇｌａｓｓｅｓ）のような光導電性材料の薄膜が、
その原子質量が大きいために、Ｘ線或いは他の高エネル
ギ粒子検出器として望ましいと考えられる有機光導電体
も高エネルギ放射線を検出するのに用いることができる
が、これは原子質量が小さいために同様には機能を発揮
しない。しかし、これらの材料は、概して、これらの材
料に関連して小さいエレメントのパターンの発生を許容
するフォトリソグラフ技術は何もない。検出器材料がニ
フッ化物ポリビニリデンのような圧電素子であれば超音
波或いは他の圧力波を検出可能である。

従って、本発明の主たる目的は、厚い放射線検出器を用
いた直接的放射線検出及び読み取り装置を提供するもの
であって、この装置はパターン化される必要がなく、各
画素位置に照射される放射線量に応答してアナログ電気
出力信号を発生するための広領域薄膜トランジスタ（Ｔ
ＰＴ）アレイに組み入れられるものである。

この目的は、一つの形態として、照射時に電子−正孔対
を発生することのできる厚くデポジットされた放射線検
出器層と、ソース電極素子及びドレイン電極素子からな
るトランジスタのマトリクスアレイと、電荷移動層と、
検出層の片面に配置された誘電体層とからなる固体放射
線センサアレイパネルを提供することによって達成され
る。検出器層を横切って電界を確立するための手段が設
けられており、この電界が照射領域において崩壊して（
ｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅ）誘電体を横切って、より高い
電界を確立して、画素領域中で電荷移動層を介してソー
ス電極素子とドレン電極素子間に電流か流れるのを許容
する。画素領域を通って流れる電流は、次に、放射線画
像情報を処理するために読み取り回路に送られる。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下のより詳細な
説明を、添付の図面とともに考慮することにより明らか
になるであろう。

第１図は広領域の画像センサパネルｌＯを示す。

このパネルは、例えばＸ線、ガンマ線或いは高エネルギ
イオン化粒子のような、電子−正孔対を励起することに
なるあらゆる放射線に用いることができる。このパネル
は、医学用或いは他の診断用の撮像に必要とされるよう
なあらゆる適当な太きさに作ることができる。このパネ
ルは、ガラスのような基板１２を含んでいる。この基板
は、その上にデポジットされるべき層の製造温度（３０
０℃台）に耐えうるものでなければならない。このデポ
ジット層は、薄くて（約５００入庫）連続した平坦なり
ロム或いはアルミニウムのような導電層１４である。検
出器パネルが、放射線が導電層を通過しなければならな
いように用いられている場合、この導電層は、このよう
な通過を許容する材料で作る必要がある。次に隣接する
層は、厚い連続した平坦な検出器層１６で、検出される
べき放射線の種類に応じて適当な吸収率及び厚みを有し
、且つ、放射線に応答して電子−正孔対を生ずるあらゆ
る半導体材料とすることができる。高エネルギ放射線に
とっては大きい原子番号の材料が最適である。

現在、アモルファスシリコンの厚膜は、約５０μｍが実
際的な製造限界であり、カルコゲンガラスの実際的な厚
みの限界は、約１００ないし２００μｍである。

検出器層の上に薄膜トランジスタの多層マトリクスアレ
イ１８を直接成長させる。このマトリクスアレイは、典
型的には窒化シリコンから作られる薄い（約３０００Å
厚）連続した平坦なゲート誘電体層２０と、典型的には
アモルファスシリコンから作られるドープされていない
或いは僅かにドープされた薄い（約１０００ないし３０
００人厚）連続した平坦な半導体チャネル層２２と、各
電極と同等厚の金属接触ラインをそれぞれ備えたほぼ直
角のｎ゛ソース電極２４とｎ０ドレイン電極２６（約２
００ないし５００ス厚）からなるパターン化アレイと、
ソース電極とドレイン電極との間に配置され且つドレイ
ン金属接触ライン３０に重ねて置かれてクロスオーバを
短絡から保護する窒化シリコン絶縁層３２（約３０００
Å厚）とからなる。ポリイミド或いは窒化シリコンのよ
うな最終的なパシベーション絶縁層３４（約１００ない
し３０００Å厚〉が、デバイスを保護している。

第２図に示すように、ソース金属接触ライン２８がほぼ
水平に伸延し、且つ、ソース電極セグメントがクシの歯
となるクシ状構造でソース電極セグメント２４（第１図
参照）上に重ねて置かれて相互に接続している。これら
のソース電極セグメント２４が垂直方向にカラム状に配
列され、ドレイン電極の中間垂直ストライプとともに、
パネルａ１ないしａｌからｅｌないしｅ、（各々破線に
よる長方形で示す）までの各画素を規定している。ソー
ス電極とドレイン電極との間隔は、その用途が決まれば
、アレイの所望の解像度を決定する。多くの診断への適
用にあっては、高い解像度、例えば１インチ当り３００
スポット或いはそれ以上が望ましく、一方、治療への適
用にあっては、１インチ当り　１００スポツトあれば十
分である。注目しなければならないのは・、単一の画素
が、単一のソース電極セグメントから次の隣接するドレ
イン電極ラインに伸延するようにして規定されるか、或
いは、一つのソース電極セグメントから次の水平方向に
隣接するソース電極セグメントに伸延するように規定さ
れていることであり、この場合、各ソース電極セグメン
トは、電流を中間ドレイン電極ラインに流す。

本発明のセンサアレイパネルの製造においては、層のほ
とんどは、次に続くパターン化工程なしに基板上に平坦
なデポジションを直接施すだけでよい。これによって非
常に簡単且つ安価な構造となる。ただ一つ必要とするパ
ターン化工程は、薄膜トランジスタアレイを形成するこ
とである。典型的なパターン化工程は次の通りである。

ａ）ｎ”層をデポジットする。

ｂ）ｎ＋層をパターン化しエツチングして、ソース電極
セグメント２４とドレイン電極ストライプ２６を形成す
る。

Ｃ）ドレイン金属層をデポジットする。

ｄ）ドレイン金属ライン３０をパターン化しエツチング
して、これをドレイン電極ストライプ２６に重ねて配置
する。

ｅ）窒化物絶縁層３２をデポジットする。

ｆ）絶縁層をパターン化しエツチングして、ソース電極
セグメントを露呈させ、一方ドレイン電極を埋めそのメ
タライズを行う。

ｇ）ソース金属層をデポジットする。

ｈ〉ソース金属ライン２８をパターン化しエツチングし
て、その一部をソース電極セグメントに重ねて配置する
。

ｉ）最上部の窒化物絶縁層３４をデポジットする。

第１図の描写は実寸通りではないが、薄膜トランジスタ
１８を形成する数種の層の総厚さは、約１μｍないしそ
れ以下であり、一方、検出器層１６自体は２０μｍ或い
はそれ以上の厚さでデポジットされることに注目すべき
である。この種の厚い検出器と薄いトランジスタを各画
素位置に並べて集積することを必要とする製造工程を規
定するのは、不可能でないとしても実際的でないことは
明白である。

導電層１４は、スイッチ３８を介して選択的に１００ボ
ルト台の高電位源３６或いはアースに接続される。

各ドレイン電極ライン３０は、接地電位近くに維持され
ている適当な読み取り回路（図示省略）に接続されてお
り、各ソース電極ライン２８は、スイッチ４０を介して
アースのような基準電位源４２か或いはｌＯボルト台の
電位読み取り電源４４に接続される。

動作について説明すると、放射線がないときに、略接地
電位に維持されたマトリクスネットワーク（ソース及び
ドレイン電極ライン）に接続された導電層１４に加えら
れている高い電位（正極性で示される）が、パネルｌＯ
を横切って、より詳しくは厚い検出器層１６に電界を確
立する。この高電位は、放射線のないときに、電界がト
ランジスタをオンさせるのに不十分となるように選ばれ
る。パネルに例えばＸ線のような照射線（矢印へで示す
）によって画像が形成されると、半導体検出器層１６が
層内の電子／正孔対の励起によって導電状態となる。電
荷キャリアが、電界の影響下で半導体検出器層を通過し
て移動し、検出器層を横切る電界を崩壊させ、誘電体層
２０を横切ってこれよりもっと高い局部化された電界を
確立する。第１図に示すように、正孔が窒化物／検出器
層境界面に収集され、電子が導電層１４に収集される。

境界面における正孔は、検出器の材料がその非照射領域
では導電性が弱いために横方向に移動しない。画像形成
の後、スイッチ３８が開かれ、画体情報が窒化物／検出
器境界面において正電荷として記憶状態に維持され、そ
れが電気的に電位源に接続されていないために、フロー
ティングゲートと見做される。

次いで、フローティングゲート電位が電子蓄積により半
導体チャネル２２（図示のように）を横切って負電荷を
誘起させ、これによってトランジスタがオンされる。単
一の画素が照射されるとぐ矢印Ｂ〉、ゲートが単一のソ
ース電極セグメントからドレイン電極ラインに伸延し、
一方、共通のソース電極ラインを含み二つの水平方向に
隣接する画素が照射されると（矢印Ａ）、ゲートか一方
ののソース電極セグメントから他方のソース電極セグメ
ントに伸延する。

情報の読み取りは、従来のようにしてライン毎に、駆動
電圧（１０ボルト台）が印加された各ソース電極ライン
を順次アドレスし、これと同時に全ドレイン電極ライン
からの電流を読み取るようにして達成される。各ソース
ライン（例えばソースラインｂ）がアドレスされると、
ゲート電圧か印加されている照射された画素位置が、ト
ランジスタを駆動することになり、電流が単一のソース
電極セグメント或いは二つの隣接するソース電極セグメ
ントから適当なドレイン電極ラインに沿って読み取り電
子装置に流れる。トランジスタを流れる電流はゲート電
圧に非常に敏感なので、照射エネルギに比例する増幅さ
れたアナログ信号が、適当な記憶装置と情報処理装置に
送られる。

全アレイにわたって読み取りがなされた後、正孔はまだ
窒化物／検出器境界面で維持されており、パネルを再使
用するためにこれを除去する必要がある。導電層に加え
られた電圧が一度遮断されるために、これは、自然にあ
る時間にわたって発生し、厚い検出器層を横切って分離
された電子と正孔が、逆方向に電界を誘起し、再結合し
ようとする。ここで関係する時間は、検出器層の導電率
とその厚さによって決まる。約２０μｍ厚のアモルファ
スシリコン検出器層においては、数秒で発生する。しか
し、境界面の電荷は、導電層に接続された高電圧源の極
性を逆にし、これと同時に、光導電体を通過する放射線
でパネル全体を照射することによって、より迅速に除去
することができる。

第３図及び第４図において、本発明の検出器パネルの変
形例を示し、金属ゲートパッド４６がその上に電荷を保
持するために各画素位置に設けられている。さらに、電
荷急速消滅回路を第４図に示す。ゲートパッド４６と、
パストランジスタ４８、放電ライン５０及びアドレスラ
イン５２を含む電荷消滅回路が、検出器層１６と誘電体
層２０の間にデポジットされる。放電ラインはスイッチ
５４を介して選択的にアースに接続され、アドレスライ
ンはスイッチ５８を介して選択的に全てのパストランジ
スタをオンさせるのに十分な低電位源５６（５ボルト台
）に接続される。（スイッチ５４が開かれた状態で）画
像形成が終了した後に、両スイッチ５４及び５８が閉じ
られて、その結果、全てのパストランジスタ４８がオン
され、ゲートパッドの電荷をアースに流せるようになる
。

厚い検出器材料１６における制約は、アモルファスシリ
コンにおいては約３５０℃であるＴＰＴ製造温度に耐え
なければならないことである。検出器材料がこの温度に
耐えられない場合、パネルの別の実施例は、パターン化
されたトランジスタ層を最初に基板上にデポジットし、
その上に厚い検出器層をデポジットする反転された構造
である。

本発明による放射線強度の直接検出に加えて、本発明は
実質上画像の細部が拡散することかないという点で蛍光
スクリーンデバイスより有利である。蛍光体層が蛍光ス
クリーンとして用いられると、蛍光体層が等方位的に光
を放射し、これによって円錐状光線が各照射領域から放
射される。この結果、あるスポットの最小横方向解像度
か蛍光体層の厚みと同等なので固有のぼけが発生する。

蛍光体層の感度はその厚さに比例するので、デバイスの
感度と解像度との間のバランスをとる必要がある。この
作用を克服する一つの方法は、コリメーション構造を蛍
光体層上或いは層内に作り、光を拘束する（ｃｏｎｓｔ
ｒａｉｎ）ことである。しかし、この種の装置は製造に
より費用がかかる。

これに比べる−と、本発明におけるゲート電荷（第１図
において）は、電界で拘束されており、実質上、検出器
層の厚さに関係なく発散していない。室温での励起され
たキャリアの横方向拡散は、次式で与えられる。

ここに、Ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｅは電荷、ｄ
は検出器層の厚さ、Ｅは電界であって、室温における式
ＫＴ／ｅは約１／４０である。厚さを１００μｍ、高圧
電位を１００ボルトとすると、電界は１ポルト／μｍす
なわち、１０．０００ボルト／　ｃｍとなり、横方向の
拡散は２ミクロン以下である。蛍光スクリーンにおける
これと等価な横方向拡散距離は、約１００ミクロンであ
る。

本発明の他の利点は、ディジタル表示された画像を強調
するために重要な「減法」診断技術への適用か簡単なこ
とである。干渉背景に対して作用域を目立たせるために
、放射線に対して不透明なコントラスト強調剤の患者へ
の投与（バリウムを含む流体摂取のような）によって分
離された二つの画像が撮られる。従来技術において、二
つの別々の画像が比較され、或いは、各画像からの代表
データが記憶され、処理され比較される。本発明によれ
ば、直接差分（減算）出力を得ることができる。これは
、まず高電位源の一方の極性を導電層１４に印加した状
態で対象を撮像し、次いでその高電圧源の反対の極性を
印加した状態で対象を再撮像するだけで達成することが
できる。金属ゲートパッド４６の有無にかかわらず、得
られたゲート電位は自動的に減算画像を示し、トランジ
スタが電流情報を直接読み取り回路に流す。

ゼロラジオグラフィー技術においては、セレンプレート
が、対象を通過するＸ線にさらされる。

このセレンプレートは、典型的にはアルミニウム基板（
約１０インチＸＩＯインチ）上に真空デポジットされた
約１５０μｍのアモルファスセレンと、さらにその上に
薄い保護ポリマー層で反覆されたものとからなる。普通
約１５００ボルトの表面電位に帯電され、そこを横切っ
て電界が確立される。Ｘ線照射後、電界が放射領域で崩
壊し、セレンプレート上に静電潜像を形成する。この潜
像は、次いて色合いを着けることにより見えるようにな
る。従って、本発明の必然的な適用は、この種のプレー
トの電気的な読み取りと情報の記憶を提供することであ
る。これは、ラジオグラフィーの分野における顕著な進
歩を示す。セレンプレートに隣接して、第１図の１８で
示したトランジスタと同等の薄膜トランジスタの多層マ
トリクスアレイをデポジット、読み取り電子装置に接続
することによって、グレースケール画像を上述したよう
に容易に得ることができる。

適当な励起エネルギに応答して、それを横切って電圧を
発生する検出器層に依存している本発明の他の実施例に
おいて、検出器層はそれが変形されたときにそれを横切
って電圧を発生する圧電物質から作ることかできる。検
出器層が超音波画像で励起された場合、その変形領域は
トランジスタのゲート領域にＡＣ電荷を発生する。この
ＡＣ電荷は、トランジスタマトリクスアレイをアドレス
してそのＡＣ電荷に応答してＤＣ信号を発生する。

これはトランジスタが単一の極性に応答してのみスイッ
チオンするからである。ＡＣ電荷がゲート領域に記憶さ
れるべき正味の電荷とはならず、入力画像が維持されて
いる間でのみ画像情報の読み取りが可能であることに注
目すべきである。

第５図においては、圧電層６０を組み込んだセンサアレ
イパネル１０′の変形例を示す。例えば、ｐ−ｎ、ｐ−
ｉ或いはｎ−１（ｐ−ｎを図示する）のドープされたア
モルファスシリコン層のような整流層６２が、圧電層６
０と誘電体層２０°間に挿入され、電荷の蓄積が生じ、
入力の除去後像情報か保持される。

以上実施例についてのみ説明したが、種々の変形例が本
発明の思想範囲で考えられることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体画像センサアレイの側面断面図、
第２図はパシベーション層を取り除いた状態にある薄膜
トランジスタの読み取りマトリクスを示す第１図のセン
サアレイの平面図、第３図は第１図と同様の図で、金属
ゲート電極を含む画像センサアレイの変形例を示す側面
断面図、第４図はゲート電極放電ネットワークを示す概
略平面図、第５図は第１図と同様の図で、圧電検出器と
電荷蓄積手段を含むセンサアレイの変形例を示す側面断
面図である。 ｌＯ画像センサパネル　１２：基板 Ｉ４：導電！　　　　　　　１６：検出器層１８：多層
マトリクスアレイ　（薄膜トランジスタ）２０：ゲート
誘電体層　　２２：半導体チャネル層２４：ソース電極
　　　　２６；ドレイン電極２８：ソース金属接触ライ
ン ３０ニドレイン金属接触ライン ３２．３４：絶縁層　　　　　３６：高電位源３８、４
０．５４．５８：スイッチ　４２．基準電位源４４：電
位読み取り電源　４６　　金属ゲートバッド４８：パス
トランジスタ　５０：放電ライン５２ニアドレスライン
　　５６：低電位源６０　　圧電層　　　　　　６２：
整流層特許出［ゼロックスコーポレーション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上面及び下面を有するとともに、照射に応答して電
   子−正孔対の発生可能な厚いデポジットされた放射線検
   出器層と、 前記検出器層の片面上に配置されたソース及びドレイン
   電極素子のマトリクスアレイと、前記マトリクスアレイ
   に隣接配置された電荷移動層と、 前記検出器層と前記電荷移動層とを分離する誘電体層と
   、 前記ソース電極手段とドレイン電極手段との間に前記電
   荷移動層の画素領域を介して電流を流すことができるよ
   うに、照射領域で崩壊する電界を前記検出器層を横切っ
   て確立する手段と、前記画素領域を通過する電流を読み
   取る手段と、 からなる固体放射線センサアレイパネル。