JPWO2013065212A1 - 放射線検出器 - Google Patents
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Abstract
ＦＰＤ１のコンデンサ１１は、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されている。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層２によって、Ｘ線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。それらの電荷をコンデンサ１１に蓄積することができる。すなわち、高感度の半導体層（変換層）２を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサ１１の容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサ１１の容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
Description
本発明は、医用（診断用）および異物検査等の産業用に用いられる放射線（Ｘ線、γ線等）を検出する放射線検出器に関する。
従来の放射線検出器として、例えば、被検体等を透過したＸ線を検出して２次元のＸ線画像を得るためのフラットパネル型Ｘ線検出器（以下適宜、「ＦＰＤ」と略する）が挙げられる。ＦＰＤは、間接変換方式のものと、直接変換方式のものとがある（例えば、特許文献１および２参照）。
間接変換方式のＦＰＤは、Ｘ線を光に変換するＣｓＩ（ヨウ化セシウム）等の蛍光体層と、その直下に行列状（マトリクス状）に配置され、光を電荷に変換する光電変換素子（フォトダイオード）と、光電変換素子で変換された電荷を蓄積するコンデンサと、コンデンサに蓄積された電荷を読み出すスイッチング素子としての薄膜トランジスタ（以下適宜、「ＴＦＴ」と略する）と、を備えている。１画素は、それぞれ１つの光電変換素子、コンデンサおよびＴＦＴで構成されている。
一方、直接変換方式のＦＰＤ１０１は、図９に示すように、Ｘ線に感応し入射線量に応じた電荷を直接変換する変換層１０２と、その直下に行列状に配置され、変換層１０２で変換された電荷を蓄積するコンデンサ１１１と、コンデンサ１１１に蓄積された電荷を読み出すスイッチング素子としてのＴＦＴ１１２と、を備えている。１画素は、それぞれ１つのコンデンサ１１１およびＴＦＴ１１２で構成されている。なお、変換層１０２には、ａ−Ｓｅ（アモルファスセレン）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）またはＣｄＺｎＴｅ（テルル化カドミウム亜鉛）の高抵抗半導体が用いられる。
画素電極１２５は、容量電極１２７と電気的に接続されている。コンデンサ１１１は、容量電極１２７とグランド層１３１とを有する。共通電極１０６にはバイアス電圧が印加されており、Ｘ線入射により変換された電荷は、変換層１０２から順番に正孔注入阻止層１０８、対向電極１０９、バンプ電極１４１、画素電極１２５、スルーホール１３３を通過して、コンデンサ１１１に蓄積される。コンデンサ１１１に蓄積された電荷は、ＴＦＴ１１２の動作によりコンデンサ１１１から読み出される。
しかしながら、このような従来例の場合には、次のような問題がある。すなわち、変換層１０２が、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅで構成される場合は、変換層１０２が高感度となる。これにより、例えばａ−Ｓｅ等の変換層１０２に比べ、Ｘ線入射により多くの電荷が変換される。また、Ｘ線入射により変換された電荷の他にも、ａ−Ｓｅ等の変換層１０２に比べ、Ｘ線が照射されていないときのリーク電流による電荷も多く発生する。すなわち、Ｘ線入射により変換された電荷とリーク電流による電荷とがａ−Ｓｅ等の変換層１０２よりも多くコンデンサ１１１に蓄積される。そのため、従来のコンデンサ１１１では、長時間の撮影時にその容量がオーバーフローしてしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することが可能な放射線検出器を提供することを目的とする。
本発明者は、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。コンデンサの容量Ｃは、Ｃ＝ε×（Ｓ／ｄ）の式に示すように、εは誘電率、Ｓは面積、ｄは電極間距離によって設定される。そのため、コンデンサの容量Ｃを増やすためには、誘電率εを大きくする、面積Ｓを広くする、電極間距離ｄを短く（薄く）することの少なくともいずれかを行って容量Ｃを設定すればよい。しかしながら、電極間の絶縁膜を薄く形成するには、膜厚を均一しなければならない問題がある。また、面積Ｓは、画素ピッチに影響され、その大きさに制限がある。
このような知見に基づく本発明は、次のような構成をとる。すなわち、本発明に係る放射線検出器は、入射した放射線に感応して電荷を生成するＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層と、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記半導体層で生成された電荷を蓄積するコンデンサと、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記コンデンサに蓄積された電荷を読み出すスイッチング素子と、を備え、前記コンデンサは、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されることを特徴とするものである。
本発明に係る放射線検出器によれば、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層は、入射した放射線に感応して電荷を生成し、コンデンサは半導体層で生成された電荷を蓄積する。スイッチング素子はコンデンサに蓄積された電荷を読み出す。コンデンサおよびスイッチング素子は、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられている。そして、コンデンサは、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されている。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層によって、放射線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。それらの電荷をコンデンサに蓄積することができる。すなわち、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサの容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
また、本発明に係る放射線検出器において、前記コンデンサは、積層して設けられる互いに電気的に接続された複数の容量電極と、前記複数の容量電極の間に設けられるグランド層と、前記容量電極と前記グランド層との間に設けられる電極間絶縁膜とを有することが好ましい。これにより、電極間絶縁膜を挟んで対向する容量電極とグランド層との組合せが増えることになり、コンデンサの容量を形成する面積を増やすことができ、コンデンサの容量を大きくすることができる。そのため、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサの容量がオーバーフローすることを防止することができる。
また、本発明に係る放射線検出器において、前記グランド層は、複数のグランド層が積層して設けられ、前記複数のグランド層は、互いに電気的に接続され、前記複数のグランド層の間には、前記複数の容量電極のいずれか１つが設けられることが好ましい。これにより、複数の容量電極と複数のグランド層とが交互に配置された積層構造とすることができる。そのため、コンデンサの容量を形成する面積を増やすことができる。
また、本発明に係る放射線検出器において、前記コンデンサの電極間絶縁膜は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３のいずれかで構成されることが好ましい。コンデンサの電極間絶縁膜に、高誘電体材料が用いられることにより、コンデンサの容量を大きくすることができる。
本発明に係る放射線検出器によれば、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層は、入射した放射線に感応して電荷を生成し、コンデンサは半導体層で生成された電荷を蓄積する。スイッチング素子はコンデンサに蓄積された電荷を読み出す。コンデンサおよびスイッチング素子は、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられている。そして、コンデンサは、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されている。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層によって、放射線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。それらの電荷をコンデンサに蓄積することができる。すなわち、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサの容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。本実施例では、フラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）を放射線検出器の一例として説明する。なお、図１は、実施例１に係るフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）の構成を示す縦断面図である。図２は、フラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）の対向基板の構成を示す縦断面図である。図３は、（ａ）〜（ｃ）は、図１中のＡ方向から見た、第１グランド層、容量電極および第１，第２スルーホールの一例を示す部分平面図である。図４は、半導体層にＣｄＺｎＴｅとａ−Ｓｅを用いたフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）の感度およびリーク電流量を比較した図である。図５は、フラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）の構成を示すブロック図である。
図１および図２を参照する。フラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）１は、入射したＸ線に感応して電荷（電子−正孔対キャリア）を生成する半導体層２を有する対向基板（検出基板ともいう）３と、生成された電荷を蓄積するとともに蓄積された電荷を読み出すアクティブマトリクス基板４とを備えている。
＜対向基板＞
対向基板３は、Ｘ線入射方向（図１および図２中の符号ｘ）から順番に、半導体層２の基礎となる支持基板５と、支持基板５の下面に形成されるバイアス電圧印加用の共通電極６と、半導体層２への電荷（電子）の注入を阻止する電子注入阻止層７と、半導体層２と、半導体層２への電荷（正孔）の注入を阻止する正孔注入阻止層８と、電荷収集用の対向電極９と、が積層形成された構成となっている。
対向基板３は、Ｘ線入射方向（図１および図２中の符号ｘ）から順番に、半導体層２の基礎となる支持基板５と、支持基板５の下面に形成されるバイアス電圧印加用の共通電極６と、半導体層２への電荷（電子）の注入を阻止する電子注入阻止層７と、半導体層２と、半導体層２への電荷（正孔）の注入を阻止する正孔注入阻止層８と、電荷収集用の対向電極９と、が積層形成された構成となっている。
支持基板５は、Ｘ線の吸収係数が小さなものが好ましく、例えば、グラファイトや、セラミック（Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ）、シリコン等が用いられる。共通電極６は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）や、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）などの導電材料から構成され、支持基板５上に蒸着法やスパッタリング等で形成される。支持基板５にグラファイトのような導電性材料を用いる場合は、共通電極６を省略してもよい。
電子注入阻止層７は、ＺｎＴｅ、Ｓｂ２Ｓ３、またはＳｂ２Ｔｅ３等のｐ型半導体で構成され、共通電極６上に昇華法、蒸着もしくはスパッタリング、化学析出法、または電析法等によって形成される。
半導体層２は、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅといった化合物半導体が用いられ、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅは、多結晶膜で構成される。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの半導体層２は、近接昇華法により形成される。すなわち、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの半導体層２は、共通電極６および電子注入阻止層７が形成された支持基板５を、焼結体または混合焼結体に対向して近接配置し、減圧下で加熱して昇華させることにより形成される。焼結体または混合焼結体（これらをソースとも言う）は、例えば、ＣｄＴｅの粉末材料の焼結体や、ＣｄＴｅの粉末材料とＺｎＴｅの粉末材料との混合焼結体や、ＣｄＺｎＴｅの粉末材料の焼結体を用いる。半導体層２は、近接昇華法により６００〜７００μｍに形成され、５００μｍ程の厚みに研磨される。
正孔注入阻止層８は、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、またはＳｂ２Ｓ３（硫化アンチモン）等のｎ型半導体で構成され、昇華法、蒸着法、スパッタリング、化学析出法、または電析法等で形成される。正孔注入阻止層８は、必要に応じてパターニングして画素ごとに分離して形成する。但し、正孔注入阻止層８が高抵抗で隣接画素リークによる空間解像度低下などの弊害が無ければ、分離して形成しなくてもよい。
なお、必要に応じて、電子注入阻止層７と正孔注入阻止層８との配置を交換した構成としてもよいし、また、電子注入阻止層７および正孔注入阻止層８のいずれか一方あるいは両方を形成しない構成としてもよい。
対向電極９は、共通電極６と同様に、ＩＴＯや、Ａｕ、Ｐｔなどの導電材料から構成され、正孔注入阻止層８上に蒸着法やスパッタリング等で形成される。なお、必要に応じて、対向電極９を形成しない構成としてもよい。
＜アクティブマトリクス基板＞
一方、アクティブマトリクス基板４は、生成された電荷を蓄積するコンデンサ１１と、コンデンサ１１に蓄積された電荷を読み出す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１２などを備えている。コンデンサ１１とＴＦＴ１２等は、絶縁基板１３上に形成される。ＴＦＴ１２は、後述する第１容量電極２７および絶縁膜１５、データ線１７、ゲートチャネル１９、ゲート線２１で構成されている。なお、絶縁膜２３は保護膜として形成される。また、ＴＦＴ１２は、本発明のスイッチング素子に相当する。
一方、アクティブマトリクス基板４は、生成された電荷を蓄積するコンデンサ１１と、コンデンサ１１に蓄積された電荷を読み出す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１２などを備えている。コンデンサ１１とＴＦＴ１２等は、絶縁基板１３上に形成される。ＴＦＴ１２は、後述する第１容量電極２７および絶縁膜１５、データ線１７、ゲートチャネル１９、ゲート線２１で構成されている。なお、絶縁膜２３は保護膜として形成される。また、ＴＦＴ１２は、本発明のスイッチング素子に相当する。
コンデンサ１１は、厚み方向２４に積層して形成された、画素電極２５、第１容量電極２７、第１グランド層２９、および第２グランド層３１を有している。画素電極２５と第１容量電極２７は、第１スルーホール３３によって、互いに電気的に接続されている。また、第１グランド層２９と第２グランド層３１は、第２スルーホール３５によって、互いに電気的に接続されている。第１グランド層２９と第２グランド層３１は、アースされたり、予め設定された所定電圧が印加されていたりする。
また、画素電極２５と第１グランド層２９との間には、絶縁膜３７が設けられている。同様に、第１グランド層２９と第１容量電極２７との間には、絶縁膜３９が設けられ、第１容量電極２７と第２グランド層３１との間には、絶縁膜１５が設けられている。
また、図３は、（ａ）〜（ｃ）は、図１中のＡ方向から見た部分平面図である。図３（ａ）に示すように、第１スルーホール３３は、第１グランド層２９と重ならない（接続しない）位置に形成され、第２スルーホール３５も第１容量電極２７と重ならない位置に形成されている。図３（ａ）に示す形態に限らず、図３（ｂ）に示すように、第１スルーホール３３は、第１グランド層２９の内側であって、第１グランド層２９と接続しないように設けてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、平面視で対向する位置に第１スルーホール３３および第２スルーホール３５を設けてもよい。
図１に戻る。コンデンサ１１は、画素電極２５、第１容量電極２７、第１グランド層２９、第２グランド層３１、第１スルーホール３３、第２スルーホール３５、および絶縁膜１５，３７，３９を有している。なお、画素電極２５および第１容量電極２７は本発明の容量電極に相当し、第１グランド層２９および第２グランド層３１は本発明のグランド層に相当する。絶縁膜１５，３７，３９が本発明の電極間絶縁膜に相当する。
ゲートチャネル１９は、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）やｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）を蒸着法で形成し、不純物を拡散させて例えばｎ＋層としたもので構成される。データ線１７、ゲート線２１、画素電極２５、第１容量電極２７、第１グランド層２９、第２グランド層３１、第１スルーホール３３、および第２スルーホール３５は、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）等の金属膜で構成される。これらの金属膜は、蒸着法またはスパッタリング等で形成される。
絶縁膜１５，２３，３５，３７は、Ｔａ２Ｏ５（酸化タンタル）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＴｉＯ２（酸化チタン）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２（ＢＳＴ：チタン酸バリウムストロンチウム）、およびＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ：チタン酸ストロンチウム）等のいずれか１つの高誘電体材料で構成される。これらの高誘電体材料は、ＣＶＤ法またはスパッタリング等で形成される。また、絶縁膜１５，２３，３５，３７は、ＳｉＮｘやＳｉＯｘで構成してもよい。この場合、絶縁膜１５，２３，３５，３７は蒸着法等で形成される。また、絶縁膜１５，２３，３５，３７は、無機膜の他にアクリルやポリイミド等で構成してもよい。
次に、コンデンサ１１の容量について説明する。図４は、半導体層２にＣｄＺｎＴｅとａ−Ｓｅを用いたＦＰＤの感度およびリーク電流量を比較した図である。なお、感度は、１画素当たりのＸ線照射線量に対する生成（変換）された電子数を示した値で表す。例えば、ＣｄＺｎＴｅ膜は、ａ−Ｓｅ膜に対し、４〜７倍程度の感度を示す。さらに、ａ−Ｓｅ膜の１００倍程度のリーク電流量を示す。そのため、長時間撮影時には、半導体層２でＸ線入射により生成（変換）された電荷のみならず、リーク電流による電荷を考慮してコンデンサ１１の容量を設定しなければならない。
コンデンサ１１の容量は、まず、一般撮影の条件（例えば、腰椎、側面）でＸ線照射を行い、コンデンサ１１に蓄積される電荷を求める。蓄積電荷Ｑは、半導体層２でＸ線入射により変換された電荷とリーク電流による電荷とを加算した電荷とで求められる。コンデンサ１１に加わる電圧Ｖは、ゲート線２１の入力電圧Ｖｇｌ（−１０Ｖ）の３〜５分の１程度が好ましく、式（１）から求められる。この式（１）により、コンデンサ１１の容量Ｃは、５ｐＦ以上であることが好ましい。
Ｑ／Ｃ＝Ｖ＜Ｖｇｌ／（３〜５） …（１）
Ｑ／Ｃ＝Ｖ＜Ｖｇｌ／（３〜５） …（１）
また、ＴＦＴ１２のオン抵抗によるリセットノイズは、コンデンサ１１の容量が大きいほど大きくなる。リセットノイズは、ＴＦＴ１２をＯＦＦにした後に現れるノイズである。リセットノイズは、不規則なゆらぎ成分であるランダムノイズであり、このランダムノイズのうち、比較的大きいＸ線量子ノイズｎｘよりも小さいことが望まれる。リセットノイズｎｒがＸ線量子ノイズｎｘよりも大きくなると、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。リセットノイズは、式（２）により求められ、式（３）のような関係となるように、コンデンサ１１の容量Ｃｓが設定される。なお、リセットノイズｎｒおよびＸ線量子ノイズｎｘは、ノイズ電子数で表される。また、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｃｓは容量、ｑは電荷素量を示す。これら式（２）および式（３）により、コンデンサ１１の容量Ｃは、３０ｐＦ未満であることが好ましい。
ｎｒ＝√（２×ｋ×Ｔ×Ｃｓ／ｑ２） …（２）
ｎｒ＜ｎｘ …（３）
ｎｒ＝√（２×ｋ×Ｔ×Ｃｓ／ｑ２） …（２）
ｎｒ＜ｎｘ …（３）
すなわち、コンデンサ１１は、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されることが好ましい。
次に、対向基板３とアクティブマトリクス基板４との貼り合わせ等について説明する。対向基板３とアクティブマトリクス基板４は、図１に示すように、対向基板３の対向電極９とアクティブマトリクス基板４の画素電極２５とがバンプ電極４１で接合されることにより、貼り合わされている。
バンプ電極４１は、導電性ペーストで構成され、例えば、ゴムを主成分とした母材に、カーボンを主成分とした導電性材料と、常温で放置することにより有機物質が徐々に揮発して硬化する、あるいは空気中の水分と縮合反応して硬化するバインダー樹脂とを配合したもので構成される。この導電性ペーストに含まれる導電性材料については、導電性を有していれば、適宜材料を選択しても良い。また、例えば、母材の主成分をゴムと例示したが、その他の高分子材料でもよい。バインダー樹脂についても、必ずしも樹脂に限定されず、接着性および硬化性を有する素材の混合物であってもよい。
また、導電性ペーストには、例えば、バインダー樹脂のように常温で放置することにより有機物質が徐々に揮発して硬化する、あるいは空気中の水分と縮合反応して硬化する素材が含まれていることが好ましいが、温度変化（１００℃程度まで）を与えることにより硬化する物質が含まれていてもよい。
対向基板３の対向電極９とアクティブマトリクス基板４の画素電極２５上に形成されたバンプ電極４１とを接合する。これにより、対向基板３とアクティブマトリクス基板４とが貼り合われる。接合は、予め設定された所定の圧力を加えながら、常温放置、あるいは必要に応じて加熱することにより行われる。また、バンプ電極４１以外にも、異方導電性フィルム（ＡＣＦ）を用いて接合（接続）してもよい。
図１は、１つのＸ線検出素子を示しており、Ｘ線検出素子での検出が１画素に相当する。Ｘ線検出素子ＤＵは、図５に示すように、２次元マトリクス状に配置され、例えば１５００×１５００個程度（２３０×２３０ｍｍ程度）で構成される。Ｘ線検出素子ＤＵは、図示の便宜上３×３個で構成されている。すなわち、コンデンサ１１およびＴＦＴ１２は、マトリクス状に構成された３×３のＸ線検出素子ＤＵ（画素）に個別に設けられている。
図５において、ゲート線２１は、行（Ｘ）方向のＸ線検出素子ＤＵで共通に接続するように構成されており、データ線１７は、列（Ｙ）方向のＸ線検出素子ＤＵで共通に接続するように構成されている。また、ゲート線２１は、ゲート駆動部４３と接続しており、データ線１７は、順番に電荷電圧変換アンプ４５、マルチプレクサ４７と接続している。ゲート駆動部４３、電荷電圧変換アンプ４５およびマルチプレクサ４７は、駆動制御部４９で制御されるようになっており、例えば図示しない外部装置からの信号で駆動される。
次に、図１および図５を参照して、ＦＰＤ１の動作を簡単に説明をする。Ｘ線管から被検体に向けてＸ線が照射され（Ｘ線管と被検体は共に図示しない）、被検体を透過したＸ線はＦＰＤ１に入射する。半導体層２にＸ線が入射すると、光導電効果により半導体層２で電荷が生成される。このとき、コンデンサ１１と半導体層２は、正孔注入阻止層８、対向電極９およびバンプ電極４１により直列に接続された構成となっている。そのため、共通電極６にバイアス電圧（Ｖｈ）を印加しておくと、半導体層２内で生成された電荷が移動する。そして、生成された電荷は、対向電極９で収集されてコンデンサ１１に蓄積される。
コンデンサ１１に蓄積された電荷は、ＴＦＴ１２により読み出される。ゲート駆動部４３は、例えば図５の上側のゲート線２１から１行ずつ順番に電圧を印加して信号を送信することで、ＴＦＴ１２を接続（ＯＮ）の状態にし、コンデンサ１１に蓄積された電荷をデータ線１７から読み出す。電荷電圧変換アンプ４５は、データ線１７を通じて取り出された電荷を電圧に変換して電圧信号として出力する。マルチプレクサ４７は、複数の電圧信号から１つの電圧信号を選択して出力する。このようにして出力された電圧信号に基づいてＸ線画像が取得される。
上述した実施例１に係るＦＰＤ１によれば、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層２は、入射したＸ線に感応して電荷を生成し、コンデンサ１１は半導体層２で生成された電荷を蓄積する。ＴＦＴ１２はコンデンサ１１に蓄積された電荷を読み出す。コンデンサ１１およびＴＦＴ１２は、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられている。そして、コンデンサ１１は、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されている。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層２によって、Ｘ線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。しかしながら、それらの電荷をコンデンサ１１に蓄積することができる。すなわち、高感度の半導体層（変換層）２を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサ１１の容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサ１１の容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
また、コンデンサ１１は、積層して設けられる互いに電気的に接続された画素電極２５および第１容量電極２７と、画素電極２５と第１容量電極２７との間に設けられる第１グランド層２９と、画素電極２５と第１グランド層２９との間、および第１グランド層２９と第１容量電極２７との間に設けられる絶縁膜３７，３９とを有している。これにより、絶縁膜３７，３９を挟んで対向する容量電極とグランド層との組合せが増えることになり、コンデンサ１１の容量を形成する面積（画素電極２５と第１グランド層２９との間、および第１グランド層２９と第１容量電極２７との間）を増やすことができ、コンデンサ１１の容量を大きくすることができる。そのため、高感度の半導体層２を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサ１１の容量がオーバーフローすることを防止することができる。
また、第１グランド層２９および第２グランド層３１は積層して設けられ、第１グランド層２９および第２グランド層３１は互いに電気的に接続されている。第１グランド層２９と第２グランド層３１との間には、第１容量電極２７が設けられている。これにより、画素電極２５および第１容量電極２７と、第１グランド層２９および第２グランド層３１とが交互に配置された積層構造とすることができる。そのため、コンデンサ１１の容量を形成する面積（さらに第１容量電極２７と第２グランド層３１との間）を増やすことができる。
また、絶縁膜１５，３７，３９は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３のいずれかで構成されている。絶縁膜１５，３７，３９に、高誘電体材料が用いられることにより、コンデンサ１１の容量を大きくすることができる。
次に、図面を参照して本発明の実施例２を説明する。図６は、実施例２に係るフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）の構成を示す縦断面図である。なお、各実施例と重複する部分の説明は省略する。実施例２のコンデンサ６１は、実施例１よりも多く容量電極およびグランド層が積層して形成されている。
図６を参照する。ＦＰＤ６０のコンデンサ６１は、第２グランド層３１と絶縁基板１３との間に、第２容量電極６３および第３グランド層６５を備えている。第１容量電極２７と第２容量電極６３は、第３スルーホール６７によって、互いに電気的に接続されている。また、第２グランド層３１と第３グランド層６５は、第４スルーホール６９によって、互いに電気的に接続されている。また、第２グランド層３１と第２容量電極６３との間には、絶縁膜７１が設けられ、第２容量電極６３と第３グランド層６５との間には、絶縁膜７３が設けられている。
すなわち、コンデンサ６１は、実施例１のコンデンサ１１の構成に加え、第２容量電極６３、第３グランド層６５、第３スルーホール６７、第４スルーホール６９および絶縁膜７１，７３を有している。なお、第２容量電極６３は本発明の容量電極に相当し、第３グランド層６５は本発明のグランド層に相当する。絶縁膜７１，７３は本発明の電極間絶縁膜に相当する。
画素電極２５、第１容量電極２７、第２容量電極６３、第１スルーホール３３、および第３スルーホール６７は、第１〜第３グランド層２９，３１，６５、第２スルーホール３５および第４スルーホール６９と、電気的に接続していない。
また、実施例１と同様に、第２容量電極６３、第３グランド層６５、第３スルーホール６７、および第４スルーホール６９は、Ｔａ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉ等の金属膜で構成される。これらの金属膜は、蒸着法またはスパッタリング等で形成される。絶縁膜７１，７３は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２、およびＳｒＴｉＯ３等のいずれか１つの高誘電体材料で構成される。これらの高誘電体材料は、ＣＶＤ法またはスパッタリング等で形成される。
なお、ＴＦＴ１２は、第１容量電極２７からコンデンサ６１に蓄積された電荷を読み出すように絶縁膜１５，３９の層に形成されている。しかしながら、ＴＦＴ１２は、第２容量電極６３からコンデンサ６１に蓄積された電荷を読み出すように絶縁膜７１，７３の層に形成されてもよい。
上述した実施例２に係るＦＰＤ６０によれば、実施例１に対し、コンデンサ６１の容量を形成する面積（さらに第２グランド層３１と第２容量電極６３との間、第２容量電極６３と第３グランド層６５との間）をさらに増やすことができる。そのため、コンデンサ６１の容量を増やすことができる。
本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）上述した実施例２において、第３グランド層６５と絶縁基板１３との間に、第２容量電極６３とスルーホールにより電気的に接続された容量電極と、第３グランド層６５とスルーホールにより電気的に接続されたグランド層と、容量電極とグランド層との間に設けられた絶縁膜とを設けてもよい。これにより、さらに容量電極とグランド層とを多くすることができ、コンデンサの容量を増やすことができる。
（２）上述した各実施例および変形例（１）において、コンデンサ１１（６１）は、容量電極とグランド層とが同数の層で構成されている。しかしながら、例えば、図７に示すように、コンデンサ８１は、容量電極として、画素電極２５、第１容量電極２７および第２容量電極６３の３層と、グランド層として、第１グランド層２９および第２グランド層３１の２層とを有するようにしてもよい。
（３）上述した各実施例および各変形例において、図８に示すように、コンデンサ８３は、図６のコンデンサ６１における画素電極２５、第１グランド層２９、第１スルーホール３３、第２スルーホール３５、および絶縁膜３７，３９を省略する構成としてもよい。この場合、第１容量電極２７が画素電極２５として機能する。
（４）上述した各実施例および各変形例において、半導体層２は、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜で構成されるが、これに限定されない。半導体層２は、例えばａ−Ｓｅと比較して高感度な材料であれば適応可能である。
（５）上述した各実施例および各変形例において、入射したＸ線に感応して直接電荷を生成する半導体層２を変換層として採用している。しかしながら、変換層は、Ｘ線を光に変換するＣｓＩ（ヨウ化セシウム）等の蛍光体層と、光を電荷に変換する光電変換素子（フォトダイオード）と、を備えるものでもよい。
（６）上述した各実施例および各変形例において、図５に示すように、ＦＰＤ１（６０）は、Ｘ線検出素子ＤＵ（画素）を２次元マトリクス（アレイ）状に配置し、２次元のＸ線画像を取得するように構成される。しかしながら、１次元のＸ線画像を取得するように構成してもよい。
（７）上述した各実施例および各変形例において、コンデンサ１１に代えて、図９のコンデンサ１１１を用いてもよい。この場合、容量電極１２７とグランド層１３１との間に設けられた絶縁層（電極間絶縁膜）１１５は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２、およびＳｒＴｉＯ３等のいずれか１つの高誘電体材料で構成される。
１，６０ … フラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）
２ … 半導体層
１１，６１，８１，８３ … コンデンサ
１２ … 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
１５，２３，３７，３９，７１，７３ … 絶縁膜
２５ … 画素電極
２７ … 第１容量電極
２９ … 第１グランド層
３１ … 第２グランド層
３３ … 第１スルーホール
３５ … 第２スルーホール
６３ … 第２容量電極
６５ … 第３グランド層
６７ … 第３スルーホール
６９ … 第４スルーホール
２ … 半導体層
１１，６１，８１，８３ … コンデンサ
１２ … 薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
１５，２３，３７，３９，７１，７３ … 絶縁膜
２５ … 画素電極
２７ … 第１容量電極
２９ … 第１グランド層
３１ … 第２グランド層
３３ … 第１スルーホール
３５ … 第２スルーホール
６３ … 第２容量電極
６５ … 第３グランド層
６７ … 第３スルーホール
６９ … 第４スルーホール
このような知見に基づく本発明は、次のような構成をとる。すなわち、本発明に係る放射線検出器は、入射した放射線に感応して電荷を生成するＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層と、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記半導体層で生成された電荷を蓄積するコンデンサと、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記コンデンサに蓄積された電荷を読み出すスイッチング素子と、を備え、前記コンデンサの容量は、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層で放射線の入射により変換された電荷と、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層のリーク電流による電荷とを加算した電荷に基づいて設定されることを特徴とするものである。
本発明に係る放射線検出器によれば、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層は、入射した放射線に感応して電荷を生成し、コンデンサは半導体層で生成された電荷を蓄積する。スイッチング素子はコンデンサに蓄積された電荷を読み出す。コンデンサおよびスイッチング素子は、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられている。そして、コンデンサの容量は、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層で放射線の入射により変換された電荷と、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層のリーク電流による電荷とを加算した電荷に基づいて設定される。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層によって、放射線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。それらの電荷をコンデンサに蓄積することができる。すなわち、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサの容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
また、本発明に係る放射線検出器において、前記コンデンサの容量は、さらに、前記スイッチング素子のオン抵抗によるリセットノイズがＸ線量子ノイズよりも小さくなる関係を有するように設定されることが好ましい。コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
また、本発明に係る放射線検出器において、前記コンデンサの容量は、さらに、前記スイッチング素子のオン抵抗によるリセットノイズがＸ線量子ノイズよりも小さくなる関係を有するように設定されることが好ましい。コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
本発明に係る放射線検出器によれば、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層は、入射した放射線に感応して電荷を生成し、コンデンサは半導体層で生成された電荷を蓄積する。スイッチング素子はコンデンサに蓄積された電荷を読み出す。コンデンサおよびスイッチング素子は、マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられている。そして、コンデンサの容量は、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層で放射線の入射により変換された電荷と、ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層のリーク電流による電荷とを加算した電荷に基づいて設定される。ＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層によって、放射線の入射で多くの電荷が生成され、また、リーク電流による多くの電荷が発生する。それらの電荷をコンデンサに蓄積することができる。すなわち、高感度の変換層を採用した場合でも多くの電荷を蓄積することができ、コンデンサの容量がオーバーフローすることを防止することができる。また、コンデンサの容量の大きくするとリセットノイズが大きくなる。しかしながら、リセットノイズよりも比較的に大きなＸ線量子ノイズに対し、リセットノイズを小さくすることで、Ｓ／Ｎ比に与える影響を抑えることができる。
Claims (4)
- 入射した放射線に感応して電荷を生成するＣｄＴｅまたはＣｄＺｎＴｅの多結晶膜の半導体層と、
マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記半導体層で生成された電荷を蓄積するコンデンサと、
マトリクス状に構成された複数の画素に個別に設けられる前記コンデンサに蓄積された電荷を読み出すスイッチング素子と、を備え、
前記コンデンサは、５ｐＦ以上３０ｐＦ以下の容量で構成されることを特徴とする放射線検出器。 - 請求項１に記載の放射線検出器において、
前記コンデンサは、積層して設けられる互いに電気的に接続された複数の容量電極と、前記複数の容量電極の間に設けられるグランド層と、前記容量電極と前記グランド層との間に設けられる電極間絶縁膜とを有することを特徴とする放射線検出器。 - 請求項２に記載の放射線検出器において、
前記グランド層は、複数のグランド層が積層して設けられ、
前記複数のグランド層は、互いに電気的に接続され、
前記複数のグランド層の間には、前記複数の容量電極のいずれか１つが設けられることを特徴とする放射線検出器。 - 請求項１から３のいずれかに記載の放射線検出器において、
前記コンデンサの電極間絶縁膜は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３のいずれかで構成されることを特徴とする放射線検出器。
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| Title |
|---|
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