JPH077831B2 - 固体素子放射線センサアレイパネル - Google Patents

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力パターンを表
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、一般的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、この種のディバイスでは僅か約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50
μｍ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（ストリート（Stee
t）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−ｉ−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
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（A New Type of
Field-Effect Image Storage Panel with a Photocondu
ctive Charging Layer）」と題する1968年11月発行のIE
EE会報,Vol.56, No.11,2057〜2059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−フォトダイオードアレイが、
1983年発光の「撮像及び表示における進歩（Advances i
n Image Pickup and Display）」,Vol.6,184〜185頁の
ワイマー（Weimer）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 Sensor for Televis
ion and Related Applications）」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ック技術を使用し、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1/2μｍ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、一体的製造に適している。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（chalcogenic glasse
s）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。検出器材料が二フッ化物ポリ
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（TF
T）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が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10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
る適当な大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（300℃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500Å厚）連続した平坦な、クロム或いはア
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200
μｍ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3000Å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n⁺ドレイン電極26（約200ないし500Å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3000Å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10
0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置さ
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anからe₁ないしen（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スポッ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ッチングして、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をパターン化しエッチングし
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ッチングして、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をパターン化しエッチングし
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10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10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Ａ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、画像情報が窒化物／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（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）、ゲートが一方の
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
ート電圧が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TFT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が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放射領域から放
射される。この結果、あるスポットの最小横方向解像度
が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（constrai
n）ことである。しかし、この種の装置は装置により費
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ボルト／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」診断技術への適用が簡単なこ
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撮り回路に流す。

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×10
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
皮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、次いで色合いを着け
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ができる。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電極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−ｉ（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60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
像情報が保持される。

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。 10:画像センサパネル、12:基板 14:導電層、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:ドレイン金属接触ライン 32,34:絶縁層、36:高電位源 38,40,54,58:スイッチ、42:基準電位源 44:電位読み取り電源、46:金属ゲートパッド 48:パストランジスタ、50:放電ライン 52:アドレスライン、56:低電位源 60:圧電層、62:整流層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 該基板上にデポジットされた導電層と、 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前記導電層上にデポジットされ
   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の前記検出器層側に隣接配置され
   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、 前記検出器層の他面上に配置された平坦な導電層と該導
   電層を電源に接続する手段とからなり、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。