JPH09135012A

JPH09135012A - 電磁波検出装置

Info

Publication number: JPH09135012A
Application number: JP8198758A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Tashiro; 和昭田代; Isao Kobayashi; 功小林; Noriyuki Umibe; 紀之海部; Shinichi Takeda; 慎市竹田; Toshio Kameshima; 登志男亀島; Tadao Endo; 忠夫遠藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1997-05-20
Anticipated expiration: 2016-07-29
Also published as: US6080997A; JP3703217B2

Abstract

(57)【要約】【課題】システム全体が大がかりで、コストも莫大と
なり、かつＸ線の利用効率が悪く、画像が暗く、暗電流
が大きい。【解決手段】Ｘ線のような電磁波の入射方向にＭ組
（Ｍ≧１）の金属層１０２、絶縁層１０３を配し、次に
半導体層１０４，１０５を配した構造の電磁波検出部を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁波検出装置に係
わり、特に医療診断用Ｘ線装置、金属材料などのＸ線透
過試験装置、欠陥検出装置、空港などで使われるＸ線手
荷物検査装置、Ｘ線回折装置、Ｘ線分析装置、Ｘ線厚み
測定装置、Ｘ線応力測定装置などのＸ線に感度を有する
電磁波検出装置に関する。

【０００２】

【関連技術】近年電磁波、なかでもＸ線を利用したさま
ざまな応用機器が使われている。たとえば医療用機器
（胸部、胃部などのＸ線撮像装置）、金属材料のＸ線欠
陥検出器、空港などで使われるＸ線手荷物検査器、Ｘ線
回折装置、Ｘ線分析装置などがＸ線の持つ透過、回折、
吸収、散乱などの特性を利用して広く使用されている。

【０００３】一例として従来の医療用に使われているＸ
線装置の構成の一例を図１６（ａ）に示す。９０１はＸ
線発生管、９０２は撮影の対象物、９０３はＸ線を可視
光に変換する蛍光体、９０４はＸ線フィルムを示す。こ
れは胸部Ｘ線撮像装置などの静止画を撮影する場合の装
置である。また、別の一例を図１６（ｂ）に示す。図１
６（ｂ）では胃部Ｘ線撮像装置などの動画を撮像する例
を示す。９０１はＸ線発生管、９０２は撮影の対象物、
９０３はＸ線を可視光に変換する蛍光体、９０５は可視
光をセンサ上に結像させるための光学系、９０６はＣＣ
Ｄなどの撮像素子を用いた２次元の光センサである。こ
の光学系とＣＣＤを用いた２次元光センサのところに、
テレビカメラを設置し撮像する方法も現在実用化されて
いる。これらの従来の方法でＸ線を検出するには、銀塩
フィルムをＸ線で露光させたり、蛍光体で銀塩フィルム
をはさみ、Ｘ線とＸ線があたることで蛍光体から発する
蛍光により露光させたりして感度を増してＸ線像を得て
いた。またＸ線を蛍光体に当て、蛍光体によりＸ線を可
視光に変換し、その光を光学系を用いて、光センサ、例
えばＣＣＤを用いた光センサ上に結像させ、Ｘ線像を得
たり、テレビカメラで撮像したりしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記銀塩フィルムを使
う方法では、繊細な画像が得られ、またＸ線の当たる部
位とフィルム面が１対１に対応するので単に検体の、Ｘ
線源と反対側にフィルムカセットを設置すればよく、シ
ステムの構造が簡単になるという利点があった。しかし
ながらこの方法ではリアルタイムでＸ線画像が手にでき
ず、また動画も得られない。さらに得られた画像を画像
処理して利用することも難しく、利用範囲が限定され
る。

【０００５】一方、光センサを用いる方法ではリアルタ
イムに画像を得られ、動画も得られ画像処理すること
で、様々な情報を得る事ができる。しかしながら従来の
光センサやテレビカメラを用いた方法では、大面積の画
像を一度に得るためには特殊な縮小光学系が必要となっ
たり、システム全体が大がかりになったりし、コストも
莫大なものになる。その結果大きな病院でしか、このよ
うな診断検査装置が使えないという現状があった。さら
に蛍光体を用いて、Ｘ線を一度可視光に変換するので、
Ｘ線の利用効率が悪く、可視光の照度が小さいため得ら
れた画像が暗い。医療現場のように弱いＸ線しか使えな
いところでは、より一層の高効率化が望まれるところで
ある。

【０００６】ところで、これまでに蛍光体を用いずにＸ
線を検出するセンサがいくつか考案されている。たとえ
ば１９８５年度応用物理学会春季講演会では水素化アモ
ルファスシリコンを用いて、ｐｉｎ型センサ、光導電型
センサを作成し、これで直接Ｘ線を検出する試みが発表
されている。しかしながら水素化アモルファスシリコン
はＸ線に対する感度が低く、このままでは現実に利用す
るのが難しい。そこで実用的には、蛍光体をセンサ上に
設けることで実質的に感度を２〜３桁稼いでいる（予稿
集２９ａ−Ｕ−７）。

【０００７】またＹ．ＮＡＲＵＳＥ等は、金属層でＸ線
を吸収させ、ここで発生した光電子を水素化アモルファ
スシリコン層に導き検出する試みをしている（Ｉｎｔ．
Ｃｏｎｆ．ｏｎＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＳｅｎｎｓ
ｏｒ＆Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ｔｏｋｙｏ，ｐ２６２，１
９８７）。光電効果を利用して、Ｘ線感度を増加させて
いるところは秀逸であるが、しかしこの構造では後述す
るように暗電流が大きいので、たとえば感度的により厳
しい条件（Ｘ線量が少ない医療用装置）では大きな問題
になる。

【０００８】このようにより一層の高感度化をめざして
いろいろ試みられているが、以上述べてきた問題が解決
されたとは言い難く、またこういった問題は医療用に限
らず、あらゆるＸ線装置に代表される電磁波検出装置に
共通のものであり、今後解決の期待されるものであっ
た。

【０００９】（発明の目的）本発明は上記問題点を解消
する電磁波検出装置を提供することを目的とする。

【００１０】又、本発明は動画をリアルタイムで得るた
めに使用することができる電磁波検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】更に本発明は検出された電磁波情報を画像
処理して利用することができる電磁波検出装置を提供す
ることも目的とする。

【００１２】加えて本発明は特別な縮小光学系を使用せ
ず、従来のフィルムカセットに代えて使用することが可
能な電磁波検出装置を提供することを目的とする。

【００１３】又本発明は安価で高機能化が可能なＸ線の
ような電磁波検出装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の銀塩フ
ィルム、ＣＣＤ等のセンサに置き替わる、まったく新し
い方法によるＸ線のような電磁波検出装置を提供するも
のである。

【００１５】即ち、本発明は、Ｘ線のような電磁波の入
射方向にＭ組（Ｍ≧１）の金属層と絶縁層との組を配
し、該絶縁層側に半導体層を有するＸ線のような電磁波
の検出部を有する電磁波検出装置である。

【００１６】また本発明は、上記電磁波検出装置におい
て、金属層がタングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、タンタ
ル（Ｔａ）、鉛（Ｐｂ）からなる群から少なくとも一つ
から選択された原子を有する材料からなり、絶縁層がシ
リコンを母体とし窒素、炭素、酸素の少なくともいずれ
か一種を含有する非晶質材料、たとえば水素化アモルフ
ァス窒化シリコン膜、水素化アモルファスシリコンカー
ボン膜、シリコン酸化膜、金属酸化膜からなる群から少
なくとも一つ選択された材料からなり、半導体層が非単
結晶半導体膜、好適にはシリコン含有非単結晶半導体
膜、特に好適には水素化アモルファスシリコン膜を有す
る電磁波検出装置である。

【００１７】また本発明は、上記電磁波検出装置におい
て、半導体がｉ型水素化アモルファスシリコン膜及びｎ
⁺型水素化アモルファスシリコン膜を有する電磁波検出
装置である。

【００１８】また本発明は、上記電磁波検出装置におい
て、半導体がｐ⁺型水素化アモルファスシリコン膜、ｉ
型水素化アモルファスシリコン膜及びｎ⁺型水素化アモ
ルファスシリコン膜を有する電磁波検出装置である。

【００１９】また本発明は、上記電磁波検出装置におい
て、検出部と駆動部を有する画素を同一基板上に１次
元、あるいは２次元に配した構造を有する電磁波検出装
置である。

【００２０】また本発明は、上記電磁波検出装置におい
て、金属層がＸ線発生管のターゲット材料と同じ材料を
有する電磁波検出装置である。

【００２１】上記本発明は、銀塩フィルムを使うことで
は得られない動画をリアルタイムで手にすることがで
き、さらに得られた画像を画像処理して、さらに利用す
ることもできる、コンパクトなシステムを低コストで提
供する事ができる。また従来のものより感度の良いＸ線
のような電磁波検出装置を安価に作ることができ、いろ
いろなＸ線利用のＸ線検出装置として利用できるように
なる。

【００２２】

【発明の実施の形態】まず、本発明のＸ線のような電磁
波検出装置の原理について簡単に説明する。

【００２３】図３（ａ）は検出素子の模式的断面図で、
８０１は金属層、８０２はｉ型水素化アモルファスシリ
コン層のような半導体層、８０３はｎ⁺アモルファスシ
リコン層のようなオーミックコンタクト層、８０４は金
属層である。これら各層が順次積層され、電磁波は図中
矢印で示される方向、すなわち、半導体層８０２と接し
ている金属層８０１側から入射する。

【００２４】図３（ｂ）は図３（ａ）に示される構成の
場合の模式的エネルギーバンド図である。図中８０１は
金属層、８０２は半導体層、８０３はｎ⁺半導体層、８
０４は電極層である。本発明に係わるＸ線検出装置のＸ
線検出の原理をまず説明する。金属層８０１と半導体層
８０２では一般に仕事関数が異なり、これらを接触させ
ると、その仕事関数の差が生じる。これがいわゆるバリ
アハイトφｂである。この金属層８０１にエネルギーε
＝ｈν≧φｂの光が入射する場合を考える。金属層８０
１に入射した光は金属層中の伝導帯の電子を励起する。
光のエネルギーが十分大きい場合には伝導帯ばかりでな
く、内殻電子をも励起する。これらの電子はε＝ｈνの
エネルギーをもらって金属層から飛び出す。これが光電
効果である。この場合、電子はバリアハイトφｂ以上の
エネルギーを持っているので飛び出した電子はこのバリ
アを越えて半導体層８０２側に注入される。これを外部
から観測すると、電流として検出できる。

【００２５】図４に金属層にタングステン、半導体層に
シリコンを用いた場合の光電効果特性の一例を示す。横
軸は入射した光のエネルギーを示す。縦軸は電流に対応
する量である。

【００２６】入射フォトン数を一定とし、波長を変えて
つまりエネルギーを変えて測定している。入射する光の
エネルギーがφｂを越えると上記の原理から、電流が流
れ始める。よって図４中Ａ点はφｂに対応し、０．６５
Ｖとなる。実際のＸ線検出装置ではＸ線の波長を変化さ
せて強度を一定にして使う場合、Ｘ線の波長を一定に保
って、強度を変化させて利用する場合などがある。

【００２７】たとえば金属層にタングステン、半導体に
水素化アモルファスシリコン層を用いても同様の効果が
得られるが、水素化アモルファスシリコン層の場合、膜
中の欠陥が多いため金属層と水素化アモルファスシリコ
ン層の界面では、この欠陥を介したトンネルリーク電流
が流れ易い。

【００２８】そこで本発明者等は、さらにこの問題を解
決すべく、図１（ｂ）に示すエネルギーバンド構造を考
えた。図中、１０２は金属層、１０３は絶縁層、１０４
は半導体層、１０５はｎ⁺半導体層、１０６は電極層で
ある。金属層１０２と半導体層１０４の間に、例えば水
素化アモルファス窒化シリコン層のような充分広いエネ
ルギーバンドギャップの層を挟み、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ
／Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）
構造とする。金属層１０２と水素化アモルファス窒化シ
リコン層１０３のバリアハイトφｂは２から３ｅＶ程度
と十分あり、またこの厚さを適当に選べば、トンネルリ
ーク電流を非常に低く抑えることができる。Ｘ線のよう
な高エネルギー線の検知に用いる場合、このバリアハイ
トは極力高い方が望ましい。通常であればこのＭＩＳ構
造に紫外線までの光を当てても、光のエネルギーがこの
バリアハイトより低いため、光電効果による電流は流れ
ない。つまり紫外線以下のエネルギーの光に対しては、
感度はほとんどない。しかしながらＸ線はエネルギーが
非常に高いので、Ｘ線で励起された電子はこのバリアハ
イトを飛び越すに十分なエネルギーを持ち得る。この電
子は半導体層へ入り、光電流として検出することができ
る。つまりこの構造でＸ線に対しては感度を持つのであ
る。この考えを適用することにより、蛍光体を必要とせ
ず、Ｘ線を直接、感度良く、さらにＳ／Ｎの非常に良く
検出するＸ線検出装置を作り出すことができた。

【００２９】以下、本発明の実施例について図面を用い
て説明する。（実施例１）本発明の電磁波検出装置の好適な一例を図
１（ａ）に示す。本実施例では単体のＸ線検出装置を示
す。図１（ａ）に示した模式的断面構造を有する装置の
構造及び製造方法について説明する。

【００３０】洗浄したガラス基板上１０１上に、まず金
属層１０２としてタングステンを１μｍスパッター法に
より成膜する。この金属層１０２がＸ線の吸収層となる
ので（図中Ｘは入射Ｘ線を示す。）、材料としてはタン
グステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、タンタル（Ｔａ）、鉛
（Ｐｂ）などの原子量の重い元素からなるＸ線吸収係数
の大きいものを選ぶ。本実施例ではタングステンを使っ
た。次にＳｉＨ₄、ＮＨ ₃、Ｈ₂を用い絶縁層１０３と
して水素化アモルファス窒化シリコン膜をプラズマＣＶ
Ｄ法により５００Å堆積する。水素化アモルファス窒化
シリコンはバンドギャップが５ｅＶ近くあり、金属との
間に十分なバリアハイトを形成することができる。充分
高いバリアハイトが作れれば、基本的にどういう絶縁物
を持ってきても良い。

【００３１】例えば、水素化アモルファス窒化シリコン
膜の他に、水素化アモルファスシリコンカーボン膜、水
素化アモルファスシリコン酸化膜、シリコン酸化膜、酸
化アルミニウム等の金属酸化膜を用いることができる。
また、水素化以外にもたとえばフッ素のようなハロゲン
原子でハロゲン化（好ましくはフッ素化）したものであ
ってもよく、所望の特性の膜が得られるのであれば必ず
しも水素化やハロゲン化が行なわれなくともよい。加え
て、窒素、炭素、酸素はそれらが単独にあるいはそれら
から選択された２種以上の原子を含有するのであっても
よい。この点については、後述する好ましい別の実施例
でも同様である。

【００３２】次に半導体層１０４として非単結晶半導体
層、たとえばｉ型又は実質的ｉ型水素化アモルファスシ
リコン層を原料ガスとしてたとえばＳｉＨ₄、Ｈ₂を用
いプラズマＣＶＤ法によりたとえば１０００Å堆積し、
さらに原料ガスとしてたとえばＳｉＨ₄、ＰＨ₃、Ｈ₂
を用い半導体層と電極とをオーミック接続するｎ⁺型水
素化アモルファスシリコン層１０５をプラズマＣＶＤ法
により５００Å堆積する。一連の水素化アモルファスシ
リコン系の材料を用いると同じ装置を用いて容易に作製
することができる。またプラズマＣＶＤ方法は大面積で
かつ均一な膜作製ができることから、大面積なＸ線検出
装置を安価に作る場合には非常に有利である。

【００３３】最後にアルミニウム電極１０６をスパッタ
ー法により１μｍ堆積する。本実施例ではＸ線吸収層で
あるタングステン金属層１０２をまず最初に形成した
が、金属層と絶縁層と半導体層が接していればよいので
上述とは逆に、アルミニウム金属層から成膜し、最後に
タングステン金属層で終わる製造工程も可能である。

【００３４】このようにして作成した本実施例のエネル
ギーバンド構造を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）中、φ
ｂは金属と水素化アモルファス窒化シリコンのバリアハ
イトである。本実施例の条件ではφｂは２．５ｅＶであ
る。図中、Ｅｇ（ＳｉＮ）は水素化アモルファス窒化シ
リコンのバンドギャップである。図中、Ｅｇ（Ｓｉ）は
水素化アモルファスシリコンのバンドギャップである。
図中Ｘは入射Ｘ線を示す。今回この単体Ｘ線検出装置の
特性を評価するために、Ｘ線発生管としてタングステン
ターゲットのクーリッジ管を使った。管電圧は１４０Ｋ
Ｖとし管電流をかえることにより、Ｘ線照射線量率を変
化させた。Ｘ線としては連続Ｘ線、タングステンの特性
Ｘ線を利用する。Ｘ線管のターゲットはＸ線検出装置の
金属層１０２と同じ材料とした。これは、タングステン
の特性Ｘ線の吸収効率を良くし、このとき励起される電
子によるオージェ過程を通してのオージェ電子の放出を
効率良くさせるためである。単純な光電効果による光電
子とオージェ過程を含む光電効果による光電子を利用で
き、感度の向上が期待される。管電圧を一定とすること
により、連続Ｘ線の最短波長は一定である。Ｘ線検出時
にタングステン側が負に、アルミニウム側が正に、更に
ｉ型アモルファスシリコン層内の電界強度が適度になる
ように外部からバイアス電圧を加えた。Ｘ線照射線量率
はあらかじめＸ線照射線量計で、Ｘ線検出装置面上での
値を測定した。この構造でのトンネルリーク電流は１０
^-13Ａ程度と非常に低く抑えることができた。蛍光体を
必要とせず、Ｘ線を直接、感度良く検出するＸ線検出装
置を作り出すことができた。

【００３５】図２に本実施例でのＸ線検出特性をＡで示
す。図２は横軸にＸ線照射線量率、縦軸に単位面積当た
りの出力電流を示す。図２から明かなようにＸ線照射線
量率と出力電流はほぼ３桁から４桁のレンジにわたり良
好な直線性を示した。（実施例２）金属層の厚さが厚ければ、Ｘ線の吸収率が
上がる。しかし金属層の厚さを厚くし過ぎるとＸ線の光
電効果により金属層中に発生したキャリアが半導体に届
くまで距離があり、半導体層へ届くまえに再結合する割
合が増え、結局半導体層への注入効率が下がる。この場
合金属層の膜厚には最適値がある。そこで金属層を最適
膜厚で設計し、これを多層に重ねることにより、Ｘ線の
利用効率をより一層向上させ、また半導体へのキャリア
の注入効率を向上させることができる。

【００３６】実施例１では、金属層と絶縁層の組Ｍ＝１
の場合について説明してきたが本実施例では、Ｍ＝２の
場合について説明する。もちろんＭは２以上（Ｍ≧２）
であってよい。図５（ａ）にＭ＝２の場合、つまり金属
層１０２と絶縁層１０３の組を２組積層した場合を示
す。他の構成部分は実施例１の図１（ａ）と同じであ
る。この形態に対応するエネルギーバンド構造を図５
（ｂ）に示す。

【００３７】金属層１０２と絶縁層１０３を２組積層す
ることにより、第１の金属層に入射し、かつ透過したＸ
線を第２の金属層で吸収させることにより、同じ原理か
ら光電子を放出する。こうすることにより、Ｘ線の利用
効率を高め、その結果Ｘ線検出装置の感度を上げること
ができる。この場合何組積層するかはＸ線の入射強度、
光電子の半導体層への注入効率等によって設計的事項と
して最適積層数が決定される。この場合も、Ｘ線の入射
により発生したキャリア（電子）は絶縁層を越えて半導
体層中へ所望量注入できるように設計される。

【００３８】また、図５（ｂ）においては、金属層１０
２、絶縁層１０３に全く同一材からなるものを用いた
が、金属層と絶縁層の間のバリアハイトφｂ、また絶縁
層のバンドギャップＥｇを各組で最適にするために、金
属層、絶縁層の材料をそれぞれの組で変えて構成するこ
ともできる。

【００３９】本実施例では簡単のため単体の形態で作成
し、評価したが、後述するように画素分割しても良く、
またいろいろな形に加工して用いることも可能である。（実施例３）実施例３の検出装置の概略的断面図を図６
（ａ）に示す。本実施例ではｐｉｎ構造の内部電界型と
した。本実施例では単体のＸ線検出装置を示す。図に示
した本実施例の構造及び製造方法について説明する。

【００４０】洗浄したガラス基板２０１上に、まず金属
層２０２としてタングステンを１μｍスパッター法によ
り成膜する。この金属層２０２がＸ線の吸収層となるの
で、材料としてはタングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、タ
ンタル（Ｔａ）、鉛（Ｐｂ）などの原子量の重い元素か
らなるＸ線吸収係数の大きいものを選ぶ。本実施例では
タングステンを使った。次に原料ガスとしてＳｉＨ₄、
ＮＨ₃、Ｈ₂を用い絶縁層２０３として水素化アモルフ
ァス窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により５００Å
堆積する。水素化アモルファス窒化シリコンはバンドギ
ャップが５ｅＶ近くあり、金属との間に十分なバリアハ
イトを形成することができる。充分高いバリアハイトが
作れれば、基本的にどういう絶縁物を持ってきても良
い。次に、ｐ⁺型水素化アモルファスシリコン層２０４
をＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、Ｈ₂を用いプラズマＣＶＤ法に
より２００Å堆積する。本実施例の特徴はｐ⁺型層であ
り、これとｎ⁺型層により、実施例１と違って、ｉ型半
導体層中に内部電界を作り出すことができる。この内部
電界によりキャリアを効率良く電極へ移動させ、さらに
感度向上をはかることができる。この次にｉ型半導体層
２０５としてｉ型水素化アモルファスシリコン層を原料
ガスとしてＳｉＨ₄、Ｈ₂を用いプラズマＣＶＤにより
１０００Å堆積し、さらに原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｐ
Ｈ₃、Ｈ₂を用いｎ⁺型水素化アモルファスシリコン層
２０６をプラズマＣＶＤ法により５００Å堆積する。一
連の水素化アモルファスシリコン系の材料を用いると同
じ装置を用いて容易に作成することができ、また大面積
均一な膜作成ができることから、大面積なＸ線検出装置
を安価に作る場合には非常に有利である。最後にアルミ
ニウム電極層２０７をスパッター法により１μｍ堆積す
る。本実施例ではＸ線吸収層であるタングステン金属層
をまず最初に形成したが、金属層と絶縁層と半導体層が
接していればよいので、アルミニウム金属層から成膜
し、最後にタングステン金属層で終わる製造工程も可能
である。

【００４１】このようにして作成した本実施例のエネル
ギーバンド構造を図６（ｂ）に示す。図中φｂは金属と
水素化アモルファス窒化シリコンのバリアハイトであ
る。本実施例の条件ではφｂは２．５ｅＶである。図中
Ｘは入射Ｘ線を示す。今回この単体Ｘ線検出装置の特性
を評価するために、本実施例でもＸ線発生管としてタン
グステンターゲットのクーリッジ管を使った。管電圧は
１４０ＫＶとし管電流をかえることにより、Ｘ線照射線
量率を変化させた。Ｘ線としては連続Ｘ線、タングステ
ンの特性Ｘ線を利用する。Ｘ線管のターゲットはＸ線検
出装置の金属層２０２と同じ材料とした。これは、タン
グステンの特性Ｘ線の吸収効率を良くし、このとき励起
される電子によるオージェ過程を通してのオージェ電子
の放出を効率良くさせるためである。単純な光電効果に
よる光電子とオージェ過程を含む光電効果による光電子
を利用でき、感度の向上が期待される。管電圧を一定と
することにより、連続Ｘ線の最短波長は一定である。Ｘ
線検出時にタングステン側が負に、アルミニウム側が正
に、更にｉ型アモルファスシリコン層内の電界強度が適
度になるように外部からバイアス電圧を加えた。Ｘ線照
射線量率はあらかじめＸ線照射線量計で、Ｘ線検出装置
面上での値を測定した。この構造でもトンネルリーク電
流は１０^-13Ａ程度と非常に低く抑えることができた。
さらにこの構造では半導体内に内部電界が形成されてお
り、この空乏領域でのキャリアの再結合を低く抑えるこ
とができ、より感度を上げることができた。蛍光体を必
要とせず、Ｘ線を直接、感度良く検出するＸ線検出装置
を作り出すことができた。

【００４２】図２に本実施例でのＸ線検出特性をＢで示
す。横軸にＸ線照射線量率、縦軸に単位面積当たりの出
力電流を示す。図から明かなようにＸ線照射線量率と出
力電流はほぼ３桁から４桁のレンジにわたり良好な直線
性を示した。感度は実施例１より、上であった。（実施例４）実施例３では金属層と絶縁層の組の数が１
つの場合、すなわちＭ＝１の場合について説明してき
た。本実施例では、Ｍ≧２の場合について説明する。図
７（ａ）にＭ＝２の場合、つまり金属層２０２と絶縁層
２０３の組を２組積層した場合の模式的断面図を示す。
他の構成部分は図６（ａ）と同じである。この形態に対
応するエネルギーバンド構造を図７（ｂ）に示す。

【００４３】金属層２０２と絶縁層２０３を２組積層す
ることにより、第１の金属層に入射し、かつ透過したＸ
線を第２の金属層で吸収させることにより、同じ原理か
ら光電子を放出する。こうすることにより、Ｘ線の利用
効率をさらに高め、その結果Ｘ線検出装置の感度をいっ
そう上げることができる。この場合何組積層するかはＸ
線の入射強度、光電子の半導体層への注入効率等によっ
て設計的事項として最適積層数が決定される。

【００４４】また、図７（ｂ）においては、金属層２０
２、絶縁層２０３に全く同一材からなるものを用いた
が、金属層と絶縁層の間のバリアハイトφｂ、また絶縁
層のバンドギャップＥｇを各組で最適にするために、金
属層、絶縁層の材料をそれぞれの組で変えて構成するこ
ともできる。

【００４５】本実施例では簡単のため単体の形態で作成
し、評価したが、後述するように画素分割しても良く、
またいろいろ形に加工して用いることも可能である。（実施例５）本実施例は電磁波検出装置が複数画素に分
割され、それら画像が２次元に配されたＸ線検出装置と
した場合を示す。本実施例の１画素分の模式的平面図を
図８（ａ）に示す。図８（ｂ）にその模式的Ａ−Ｂ断面
構造を示す。各画素は配線部を通して外部の駆動回路に
より駆動されて、各画素での信号は１画素ずつ外部へ読
み出される。本実施例ではＸ線検出装置は各画素に分割
され、各画素夫々は実施例１で述べたＭＩＳ型Ｘ線セン
サを用いたＸ線センサ部と配線部と蓄積コンデンサ部と
センサ駆動用薄膜トランジスタを有する。本実施例では
これらはすべて金属層、絶縁層、半導体層の層構成を持
ち、同一の材料で、同一プロセスを用いて一体的に作成
することができる。本実施例ではこの利点をいかし、製
作プロセスが簡略化された分、低コストの大面積の２次
元Ｘ線検出装置を製作することができた。

【００４６】図８（ａ）及び図８（ｂ）を用いて本実施
例について説明する。

【００４７】洗浄したガラス基板４０１上に、まず金属
層としてタングステンを１μｍスパッターにより成膜す
る。この金属層がＸ線の吸収層となるので、材料として
はタングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、タンタル（Ｔ
ａ）、鉛（Ｐｂ）などの原子量の重い元素からなるＸ線
吸収係数の大きいものを選ぶ。本実施例ではタングステ
ンを使った。この金属層上に所望の形状のレジストパタ
ーンを作成し、エッチングにより、不要な金属層を除去
した。レジストを剥離洗浄し、Ｘ線センサの下電極４０
２、薄膜トランジスタのゲート電極４０３を形成した。
次に原料ガスとしてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｈ₂を用い絶縁
層として水素化アモルファス窒化シリコン膜４０４をプ
ラズマＣＶＤ法により５００Å堆積する。水素化アモル
ファス窒化シリコンはバンドギャップが５ｅＶ近くあ
り、金属との間に十分なバリアを形成することができ
る。次に半導体層４０５としてｉ型水素化アモルファス
シリコン層を原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｈ₂を用いプラ
ズマＣＶＤ法により１０００Å堆積し、さらに原料ガス
としてＳｉＨ₄、ＰＨ₃、Ｈ₂を用いｎ⁺型水素化アモ
ルファスシリコン層４０６をプラズマＣＶＤ法により５
００Å堆積する。一連の水素化アモルファスシリコン系
の材料を用いると同じ装置を用いて容易に作成すること
ができ、また大面積均一な膜作成ができることから、大
面積なＸ線検出装置を安価に作る場合には非常に有利で
ある。次に所望の形状のレジストコンタクトホールパタ
ーンを作成し、ドライエッチングにより、不要な絶縁
層、半導体層、ｎ ⁺層を除去した。レジストを剥離洗浄
し、コンタクトホールを形成した。アルミニウムをスパ
ッター法により１μｍ堆積する。次に所望の形状のレジ
ストパターンを作成し、エッチングにより、不要なアル
ミニウムを除去した。レジストを剥離洗浄し、Ｘ線セン
サの上電極４０７、薄膜トランジスタのソース、ドレイ
ン電極４０８，４０９を形成した。つぎにこのアルミニ
ウムパターンをマスクに用いて、ドライエッチングによ
り、薄膜トランジスタのチャネル部のｎ⁺層４０６を除
去した。最後に原料ガスとしてＳｉＨ₄、ＮＨ₃、Ｈ₂
を用いパッシベーション層４１０として水素化アモルフ
ァス窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により３０００
Å堆積した。本実施例ではＸ線吸収層であるタングステ
ン金属層をまず最初に形成したが、金属層と絶縁層と半
導体層が接していればよいので、アルミニウム金属層か
ら成膜し、最後にタングステン金属層で終わる製造工程
も可能である。

【００４８】この構造でのトンネルリーク電流は１０
^-13Ａ程度と非常に低く抑えることができた。蛍光体を
必要とせず、Ｘ線を直接、感度良く検出するＸ線検出装
置を作り出すことができた。

【００４９】本実施例での各画素でのＸ線センサのＸ線
検出特性は実施例１におけるものと同様である。実施例
２のセンサ構造をとってももちろん良い。しかしこの場
合薄膜トランジスタと層構成が異なり、若干プロセスが
複雑になる。

【００５０】図９に１画素分の等価回路を示す。図１０
は本実施例の全体回路を示す。図１１に１画素等価回路
でのタイミングチャートを示す。

【００５１】図９において、Ｓ１１はＸ線センサ、Ｔ１
１は信号出力用のトランジスタ、ＴＲ１１はリフレッシ
ュ用のトランジスタ、ＶｓはＸ線センサに印加される電
圧である。図１０に示すように、画素は３×３に配列さ
れ、各画素の行方向の信号出力用のトランジスタ（Ｔ１
１〜Ｔ１３、Ｔ２１〜Ｔ２３、Ｔ３１〜Ｔ３３）はシフ
トレジスタＳＲ１により制御され、各画素の列方向のリ
フレッシュ用のトランジスタ（ＴＲ１１〜ＴＲ３１、Ｔ
Ｒ１２〜ＴＲ３２、ＴＲ１３〜ＴＲ３３）はシフトレジ
スタＳＲ２により制御される。また行方向の各画素から
出力された信号はシフトレジスタＳＲ３によって制御さ
れるスイッチＭ１〜Ｍ２によって順次選択されて出力さ
れる。

【００５２】次に図９に示した本実施例の動作を図１１
を用いて説明する。まずトランジスタＴＲ１１のゲート
電極に正の電位をあたえ、ＯＮさせる。Ｘ線センサＳ１
１中の残電荷はリフレッシュされる。トランジスタＴＲ
１１のゲート電極に負の電位を与えＯＦＦさせる。つぎ
にＸ線発生管をＯＮさせて、適当な時間Ｘ線を照射す
る。このときＸ線量に応じた電流が流れ、コンデンサを
兼ねるセンサに蓄積される。Ｘ線照射終了後、トランジ
スタＴ１１のゲート電極に正の電位を与え、ＯＮさせ
る。するとこの蓄積された電荷はトランジスタＴ１１を
通して、信号として取り出される。

【００５３】たとえば本実施例を医療用のＸ線検出装置
として用いることにより、リアルタイムにＸ線画像が得
られ、また動画も得られ、そのデータを画像処理するこ
とで、様々な情報を得る事ができるようになった。また
特別な光学系を何等必要とせず、従来のフィルムカセッ
ト用の検出装置とすることで、使い勝手もよく、システ
ム全体を小型軽量化する事ができ、コストも大幅に削減
でき、従来高価な高級機でしか得られなかった機能をよ
り高機能で安価な普及機装置として提供することができ
た。さらに蛍光体を用いず、Ｘ線を直接利用するので、
Ｘ線の利用効率よく、少ないＸ線でも感度よく検出する
ことができるようになった。（実施例６及び実施例７）実施例６を図１２（ａ）及び
実施例７を図１２（ｂ）を用いて説明する。本実施例は
薄膜トランジスタ型の典型的な構成例である。

【００５４】本実施例では単体のＸ線検出装置であり、
ＴＦＴ型センサのゲート電極をＸ線吸収材として利用
し、Ｘ線の強度に応じて、ゲート電極から注入された電
荷をソース・ドレイン電極間の電流として取り出す構成
をとった。

【００５５】図１２（ａ）は逆スタガー型であり、図１
２（ｂ）はコプラナ型の場合である。

【００５６】図１２（ａ）ではＸ線は基板側から照射す
ることになり、図１２（ｂ）では基板と反対側からの照
射となる。

【００５７】図１２（ａ）においては、基板でのＸ線の
吸収を抑えるために、Ｘ線吸収率の小さい樹脂基板やガ
ラス基板等を用いる方が好適である。実施例６の図１２
（ａ）に示される装置においては０．５ｍｍの厚さのガ
ラス基板を用いた。図１２（ｂ）は基板を自由に選べる
点で好適な構成である。実施例７の図１２（ｂ）に示さ
れる装置においては１ｍｍ厚のガラス基板を用いた。

【００５８】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）において、
図中１３０２はＸ線を吸収し光電変換を行い、かつゲー
ト電極として機能する金属層である。実施例６及び７で
は、タングステンを用いた。この金属層としてはタング
ステンのほか、金（Ａｕ）、タンタル（Ｔａ）、鉛（Ｐ
ｂ）等のＸ線吸収率の大きい金属を用いることができ
る。さらにこれらの合金を用いることもできる。１３０
３は水素化アモルファス窒化シリコンを用いた絶縁層、
１３０４は水素化アモルファスシリコンを用いた半導体
層、１３０５はｎ⁺型水素化アモルファスシリコン、１
３０６は信号取りだしのためのアルミニウムを用いたソ
ース電極、１３０７はドレイン電極である。

【００５９】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示される
実施例の製造方法は、基本的な実施例１のＭＩＳ型のセ
ンサを作成する場合と同じである。ただし、実施例６及
び実施例７では、第２の電極層をＴＦＴ型センサの信号
取りだしの電極として利用するため、ソース電極とドレ
イン電極が形成される。

【００６０】尚、図１２（ａ）と図１２（ｂ）では各層
の作成順序が逆になる部分があるが、基本的な作製は他
の実施例と同じである。

【００６１】図１３に本実施例におけるエネルギーバン
ド図を示す。

【００６２】φｂ（金属と水素化アモルファス窒化シリ
コンのバリアハイト）は、本実施例の条件では２．５ｅ
Ｖである。

【００６３】今回この単体Ｘ線検出装置の特性を評価す
るために、Ｘ線発生管としてタングステンターゲットの
クーリッジ管を使った。管電圧は１４０ＫＶとし管電流
２ｍＡ、２０ｍＡ、２００ｍＡと変化させ、Ｘ線照射線
量率（照度）を１、１０、１００（任意単位）と変え
た。Ｘ線としては連続Ｘ線、タングステンの特性Ｘ線を
利用する。また管電圧を一定とすることにより、連続Ｘ
線の最短波長は一定である。

【００６４】Ｘ線検出時にタングステンゲート電極に電
圧Ｖｇを、ドレイン電極側に、電圧Ｖｄを１２Ｖ印加
し、ソース電極をアースとした。

【００６５】図１４に本実施例でのＸ線検出特性を示
す。横軸にゲート電圧、縦軸にドレイン電流Ｉｄを示
す。Ｘ線照度を変化させるにつれ（この時の照度を１、
１０、１００と一桁ずつ変化させる。ただし任意単位
（Ａ．Ｕ．）である）、各ゲート電圧でのドレイン電流
が照度に応じて、変化しているのが判る。

【００６６】Ｖｇ＝−２ＶのときのＩｄのＸ線照度依存
を図１５に示す。ガンマ（γ）は、ほぼ１で、照度に対
して出力のリニアリティは十分得られている。

【００６７】その結果本実施例では蛍光体を必要とせ
ず、Ｘ線を直接、感度良く検出するＸ線検出装置を作り
出すことができた。

【００６８】本実施例では簡単なため単体の形態で作成
し、評価したが、実施例５で詳述するように画素分割し
ても良く、またいろいろな形に加工して用いることも可
能である。

【００６９】また本実施例でも金属層の厚さを最適膜厚
で設計し、これを多層に重ねることにより、Ｘ線の利用
効率が上がりまた半導体へのキャリアの注入効率も上が
るのでより好適である。

【００７０】このように、半導体層の金属層と絶縁層と
の組を設けた側と同じ側あるいは反対側に該半導体層と
オーミックに接続した少なくとも一対の電極を設けるこ
とでより最適化設計が容易になる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高感度で、銀塩フィルムを使うことでは得られない動画
をリアルタイムで手にすることができ、得られた画像を
画像処理して、さらに利用することもできる。

【００７２】また特別な縮小光学系を必要とせず、従来
のフィルムカセット用の検出装置に代えるだけで使用し
得、使い勝手もよく、コンパクトなシステムを低コスト
で提供する事ができた。

【００７３】更に従来高価な高級機でしか得られなかっ
た機能より高機能のＸ線検出装置を安価に作ることがで
き、いろいろなＸ線利用のＸ線検出装置として利用でき
るようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するため
の概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例の
概略的エネルギーバンド図である。

【図２】本発明の一実施例の特性を説明するための図で
ある。

【図３】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するため
の概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例の
概略的エネルギーバンド図である。

【図４】光電効果特性を説明するための図である。

【図５】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するため
の概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例の
概略的エネルギーバンド図である。

【図６】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するため
の概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例の
概略的エネルギーバンド図である。

【図７】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するため
の概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例の
概略的エネルギーバンド図である。

【図８】（ａ）は電磁波検出装置の一検出単位（画素）
の概略的平面図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例を説明
するための概略的断面構成図である。

【図９】電磁波検出装置の一検出単位の等価回路の一例
を説明するための概略的回路図である。

【図１０】検出単位をマトリクス状に配置した場合の回
路の一例を説明するための概略的回路図である。

【図１１】駆動の一例を説明するための概略的タミング
チャートである。

【図１２】（ａ）は電磁波検出装置の一例を説明するた
めの概略的断面構成図、（ｂ）は電磁波検出装置の一例
を説明するための概略的断面構成図である。

【図１３】電磁波検出装置の一例の概略的エネルギーバ
ンド図である。

【図１４】本発明の一実施例の特性を説明するための図
である。

【図１５】本発明の一実施例の特性を説明するための図
である。

【図１６】（ａ）はＸ線撮像装置の基本構成を説明する
ための概略的構成図、（ｂ）はＸ線撮像装置の基本構成
を説明するための概略的構成図である。

【符号の説明】

ＸＸ線１０１，２０１，４０１ガラス基板１０２，２０２，４０２，８０１，８０４金属層１０３，２０３，４０４絶縁層２０４ｐ⁺型水素化アモルファスシリコン層１０４，２０５，４０５，８０２半導体層１０５，２０６，４０６，８０３オーミックコンタク
ト層（ｎ⁺半導体層）１０６，２０７電極層９０１Ｘ線発生管９０２撮像の対象物９０３蛍光体９０４フィルム９０５縮小光学系９０６ＣＣＤセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹田慎市東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者亀島登志男東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者遠藤忠夫東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁波入射方向にＭ組（Ｍ≧１）の金属
層と絶縁層との組を配し、絶縁層側に半導体層を有する
電磁波検出部を有する電磁波検出装置。
【請求項２】前記金属層がタングステン（Ｗ）、金
（Ａｕ）、タンタル（Ｔａ）、鉛（Ｐｂ）からなる群か
ら選択される少なくとも一つの原子を有する材料からな
る請求項１に記載の電磁波検出装置。
【請求項３】請求項１に記載の電磁波検出装置におい
て、前記絶縁層はシリコンを母体とし、窒素、炭素及び
酸素からなる群より選択された少なくとも一種の原子を
含有する非晶質材料を有する電磁波検出装置。
【請求項４】請求項３に記載の電磁波検出装置におい
て、前記非晶質材料は水素化及び／又はハロゲン化アモ
ルファス窒化シリコン膜、水素化及び／又はハロゲン化
アモルファスシリコンカーボン膜、水素化及び／又はハ
ロゲン化アモルファスシリコン酸化膜からなる群から選
択される少なくとも１つを有する電磁波検出装置。
【請求項５】請求項１に記載の電磁波検出装置におい
て、前記絶縁層は、シリコン酸化膜又は金属酸化膜を有
する電磁波検出装置。
【請求項６】請求項１に記載の電磁波検出装置におい
て、前記半導体層は非単結晶半導体を有する電磁波検出
装置。
【請求項７】請求項６に記載の電磁波検出装置におい
て、前記非単結晶半導体はアモルファスシリコンを含む
電磁波検出装置。
【請求項８】請求項１に記載の電磁波検出装置におい
て、前記半導体層はｉ型半導体層を有する電磁波検出装
置。
【請求項９】請求項１に記載の電磁波検出装置におい
て、前記半導体層は前記絶縁層とは反対側にｎ⁺層と接
している電磁波検出装置。
【請求項１０】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記半導体層は前記絶縁層とは反対側で電極とオ
ーミックコンタクトしている電磁波検出装置。
【請求項１１】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記半導体層はｉ型層領域とｎ型層領域を有する
電磁波検出装置。
【請求項１２】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記半導体層はｐ型層領域、ｉ型層領域、ｎ型層
領域を絶縁層側から有する電磁波検出装置。
【請求項１３】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記金属層と絶縁層との組の数Ｍが２以上であ
り、各組の金属層及び絶縁層は夫々同じ材質で形成され
ている電磁波検出装置。
【請求項１４】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記半導体層にオーミックに接続された一対の電
極を有する電磁波検出装置。
【請求項１５】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記金属層と絶縁層との組が設けられている面側
の前記半導体層にオーミックに接続された少なくとも一
対の電極を有する電磁波検出装置。
【請求項１６】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記金属層と絶縁層との組が設けられている面側
とは反対側の前記半導体層にオーミックに接続された少
なくとも一対の電極を有する電磁波検出装置。
【請求項１７】請求項６に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記非単結晶半導体はシリコン原子を有する電磁
波検出装置。
【請求項１８】請求項７に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記アモルファスシリコンは水素化アモルファス
シリコンである電磁波検出装置。
【請求項１９】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記絶縁層は少なくとも５００Åの厚さを有する
電磁波検出装置。
【請求項２０】前記検出部と駆動部からなる画素を同
一基板上に１次元、あるいは２次元に配した請求項１に
記載の電磁波検出装置。
【請求項２１】請求項１に記載の電磁波検出装置にお
いて、前記電磁波はＸ線を含む電磁波検出装置。
【請求項２２】前記金属層が前記Ｘ線を発生するＸ線
発生管のターゲット材料と同じ材料を有する請求項２１
に記載の電磁波検出装置。