TWI501413B - 光電轉換裝置及射線成像裝置 - Google Patents

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Description

光電轉換裝置及射線成像裝置
本發明係關於一種光電轉換裝置及一種射線成像裝置，且特別係關於一種射線成像裝置或射線讀取裝置，其藉由一波長轉換構件將藉由α光線、β光線、γ光線及X光線表示之放射性光線波長轉換成在一光電轉換裝置之一敏感範圍內之光線，以基於該等放射性光線來讀取資訊。
在光電轉換裝置及射線成像裝置中，將藉由光電轉換區段基於輸入資訊之光電轉換產生的電荷轉移至外部電容器，藉由該外部電容器將該電荷轉換成信號電壓。藉由以此方式將電荷自光電轉換區段自身之電容器轉移至外部電容器以將電荷轉換成信號電壓，可獲得比較高的S/N比。
附帶而言，在應用複數個像素彼此係以並列關係加以配置之組態的情況下，用於自一像素讀出信號之信號線的配線長度根據該等像素之數目變得極大，且有時會形成寄生電容。舉例而言，假定個別地具有200 μm×200 μm之大小的大量像素係以在垂直方向上之2,000個像素×在水平方向上之2,000個像素的矩陣加以配置，以產生大小等於X光片之大小(例如，大小為40 cm×40 cm)的面積感測器(area sensor)。
在面積感測器之大小等於X光片之大小的情況下，藉由用於電荷轉移之電晶體之源極區域與閘極電極的重疊而形成電容。因為形成等於像素之數目的許多重疊，所以即使重疊電容Cgs為大約每一處0.05 pF，在一個信號線上亦形成0.05 pF×2,000=100 pF之電容。
因為光電轉換區段自身之電容Cs(亦即，感測器電容)為大約1 pF(其中藉由V1表示在像素中所產生之信號電壓)，所以藉由下式給出信號線之輸出電壓V0：
V0={Cs/(Cs+Cgs×1000)}×V1
且輸出電壓變為大約1/100。換言之，在組態具有大面積之面積感測器的情況下，輸出電壓急劇地減低。
另外，為了在諸如上文所描述之情形的情形下執行動態圖片影像之讀取，需要敏感度及高速操作效能(在該效能之情況下，進行每一秒30個或更多影像之影像讀取)。特定而言，亦需要最小化在非破壞性檢測(包括醫療中之X光線診斷)中待照射之X光線的劑量，且需要進一步增強敏感度，使得信號電荷量可增加至100至400倍。
另一方面，舉例而言，在日本專利特許公開案第Hei 11-307756號(特別參考第0040段至第0044段及圖7，在下文中被稱為專利文件1)中已知且揭示經組態成使得針對每一像素提供一源極隨耦器電路(source follower circuit)之光電轉換裝置。源極隨耦器電路包括場效電晶體，場效電晶體用於接收藉由光電轉換區段在其閘極處產生之信號電荷，以將對應於信號電荷之信號電壓讀出至信號線中。源極隨耦器電路使亦有可能在形成於信號線上之電容較高的情況下以高速讀出信號。
圖10中展示先前技術中之像素結構之實例。參看圖10，所展示之像素100包括驅動器件區段，驅動器件區段包括具有底部閘極結構之電晶體101及PIN(正本質負二極體)光電二極體102。PIN光電二極體102具有一結構，其中n型半導體層103、i型半導體層104及p型半導體層105按次序被層壓且經圖案化成實質上相同形狀。i型半導體層104係由非晶矽形成，其具有(例如)大約1 μm之厚度。
在專利文件1中所揭示之光電轉換裝置經結構化成使得n型半導體層103及p型半導體層105具有實質上相同形狀。因此，半導體層103及105兩者之邊緣部分經安置成彼此極接近，其間夾著具有至多大約1 μm之厚度的i型半導體層104。因此，很可能在n型半導體層103及p型半導體層105與層間絕緣膜106之界面上於n型半導體層103之邊緣與p型半導體層105之邊緣之間產生洩漏電流。
先前技術中之光電轉換裝置具有如下問題：因為經產生有洩漏電流之光電轉換器件(例如，PIN光電二極體102)不能夠正常地累積經光電轉換之電荷，所以光電轉換器件變為有缺陷器件。即使光電轉換器件未變為有缺陷器件，但若弱洩漏電流流動，則洩漏電流仍成為器件特性之分散因素。因此，不能達成根據入射光或入射能量之準確光電轉換或影像拾取。
因此，需要提供一種可抑制光電轉換器件中具有相反導電類型之半導體層之邊緣之間的洩漏電流之光電轉換裝置，及一種使用該光電轉換裝置之射線成像裝置。
根據本發明之一實施例，提供：一種光電二極體，其包括：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中該第一半導體層之一邊緣係自該第二半導體層之一邊緣插入。
一種光電轉換裝置，其包括：一像素陣列區段，其包括複數個單元像素，每一單元像素具有一光電二極體，該等光電二極體包括：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中該第一半導體層之一邊緣係自該第二半導體層之一邊緣插入。
一種射線成像裝置，其包括：一波長轉換構件，其用於對放射性光線進行波長轉換；及一光電轉換裝置，其經組態以自該波長轉換構件接收該等經轉換之放射性光線，該光電轉換裝置包括一像素陣列區段，該像素陣列區段包括複數個單元像素，每一單元像素具有一光電二極體，該等光電二極體包括：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中該第一半導體層之一邊緣係自該第二半導體層之一邊緣插入。
在該光電轉換裝置及該射線成像裝置中，該第一半導體層經由形成於絕緣層中之接觸孔而與該第三半導體層接觸，該接觸孔具有一小於該第三半導體層之面積的面積。另外，與該第三半導體層接觸之該第一半導體層之一邊緣相對於該第二半導體層之一邊緣定位於內側上。因此，該第一半導體層之該邊緣與該第二半導體層之該邊緣之間的距離變得大於在該第一半導體層及該第二半導體層係以一實質上相同形狀形成之一替代狀況下的距離。因此，與該第一半導體層及該第二半導體層係以一實質上相同形狀形成之該替代狀況相比較，可抑制在與絕緣層之界面上於該第一半導體層之該邊緣與該第二半導體層之該邊緣之間所產生的洩漏電流。
總之，在使用該光電轉換裝置及該射線成像裝置的情況下，可抑制在相反導電類型半導體層之邊緣之間的洩漏電流之產生。因此，可防止器件缺陷之出現，且可達成對應於入射光或入射能量之準確光電轉換。
在結合隨附圖式考慮時，以上及其他特徵將自以下描述及附加申請專利範圍變得顯而易見，在該等圖式中，相同部分或元件係藉由相同參考符號表示。
本文中描述額外特徵及優勢，且該等額外特徵及優勢將自以下[實施方式]及諸圖變得顯而易見。
在下文中，參看圖式來詳細地描述一實施例。應注意，按以下次序給出該描述。
1.　本發明之一實施例所適用之光電轉換裝置
2.　該實施例之特徵
2-1.　工作實例1(未採用像素分離結構之實例)
2-2.　工作實例2(採用像素分離結構之實例)
3.　修改
<1.一實施例所適用之光電轉換裝置> 系統組態
圖1示意性地展示一實施例中之光電轉換裝置之系統組態。
參看圖1，所展示之光電轉換裝置10包括形成於諸如玻璃基板之絕緣基板(在下文中有時被簡單地稱為基板)11上的像素陣列區段12，及類似於像素陣列區段12整合於基板11上的周邊電路區段。在本發明之實施例中，提供(例如)列掃描區段或垂直驅動區段13、水平選擇區段14、行掃描區段或水平驅動區段15及系統控制區段16以作為周邊電路區段。
包括光電轉換區段或光電轉換器件之單元像素(在下文中有時被簡單地稱為像素)二維地以矩陣形式(亦即，以列及行形式)安置於像素陣列區段12中，光電轉換區段或光電轉換器件用於產生具有對應於入射光之光量之電荷量的光電荷且在其中累積所產生之光電荷。在下文中描述像素單元之特定組態。
另外，在像素陣列區段12中，對於關於以列及行形式配置之像素陣列之像素列中之每一者，使像素驅動線17沿著列方向(亦即，沿著像素列之像素的陣列方向)進行配線，且對於像素行中之每一者，使垂直信號線18沿著行方向(亦即，沿著像素行之像素的陣列方向)進行配線。像素驅動線17傳輸用於執行驅動以自像素讀出信號之驅動信號。在圖1中，雖然將像素驅動線17指示為一個配線，但此等像素驅動線之數目不限於一個。像素驅動線17在其一端子處連接至對應於列掃描區段13之每一列的輸出端子。
列掃描區段13係自移位電阻器、位址解碼器或其類似者加以組態，且充當用於(例如)以列為單位驅動像素陣列區段12之像素的像素驅動區段。自藉由列掃描區段13選擇性地掃描之像素列之每一單元像素所輸出的信號經由對應於該單元像素之垂直信號線18而供應至水平選擇區段14。水平選擇區段14係自針對每一垂直信號線18所提供之放大器、水平選擇開關或其類似者加以組態。
行掃描區段15係自移位電阻器、位址解碼器或其類似者加以組態，且按次序掃描及驅動水平選擇區段14之水平選擇開關。藉由行掃描區段15所進行之此選擇性掃描，將經由垂直信號線18而傳輸的像素之信號按次序輸出至水平信號線19，且經由水平信號線19而傳輸至基板11之外部。
應注意，包括水平選擇區段14、行掃描區段15及水平信號線19之電路區段係自形成於諸如玻璃基板之絕緣基板11上的電路及/或外部控制IC加以組態。
系統控制區段16接收自基板11之外部所供應的時脈、用於操作模式之指令的資料等等，且輸出諸如本發明之光電轉換裝置10之內部資訊等等的資料。另外，系統控制區段16包括用於產生各種時序信號之時序產生器，且基於藉由時序產生器產生之各種時序信號來執行諸如列掃描區段13、水平選擇區段14及行掃描區段15之周邊電路區段的驅動控制。
像素組態
圖2展示單元像素20之電路組態之實例。參看圖2，所展示之單元像素20包括光電轉換器件21、重設電晶體22、讀出電晶體23及列選擇電晶體24。舉例而言，在單元像素20中，對於每一像素列，對作為像素驅動線17之兩個配線(特定而言，列選擇線171及重設控制線172)進行配線。
此處，將N通道型場效電晶體用於重設電晶體22、讀出電晶體23及列選擇電晶體24。然而，重設電晶體22、讀出電晶體23及列選擇電晶體24之導電類型的此組合僅僅為一實例。
光電轉換器件21為(例如)PIN(正本質負二極體)光電二極體，且藉由將(例如)大約3 V至10 V之標準電位Vxref施加至陰極而產生具有對應於入射光之光量之電荷量的信號電荷。光電轉換器件21之陽極連接至累積節點N。電容組件25存在於累積節點N處，且藉由光電轉換器件21產生之信號電荷累積至累積節點N中。
重設電晶體22連接於參考電位Vref被施加至之端子26與累積節點N之間，且藉由回應於具有(例如)-5 V至5 V之振幅的重設信號Vrst使其接通而將累積節點N之電位重設至參考電位Vref。
讀出電晶體23分別在其閘極及汲極處連接至累積節點N及電源VDD，且接收藉由光電轉換器件21在其閘極處產生之信號電荷且回應於信號電荷而輸出信號電壓。
列選擇電晶體24連接於讀出電晶體23之源極與垂直信號線18之間，且藉由回應於列掃描信號Vread使其接通而將自讀出電晶體23所輸出之信號輸出至垂直信號線18。關於列選擇電晶體24，亦可應用列選擇電晶體24連接於讀出電晶體23之汲極與電源VDD之間的組態。
恆定電流源30連接至垂直信號線18之一末端。此處，源極隨耦器電路係由讀出電晶體23及恆定電流源30形成，恆定電流源30經由列選擇電晶體24及垂直信號線18而連接至讀出電晶體23之源極。在使用源極隨耦器電路的情況下，存在以下優點：即使在待形成於垂直信號線18上之電容器極大的情況下，亦可以高速執行信號讀出。
經由垂直信號線18而將藉由用於源極隨耦器之讀出電晶體23讀出之信號輸入至放大器141，放大器141針對每一像素行組態水平選擇區段14之一輸入區段。
射線成像裝置
在具有上文所描述之組態之複數個單元像素20係以列及行形式加以安置的光電轉換裝置10中，用於基於放射性光線而讀出資訊之射線成像裝置可自與波長轉換構件之組合加以組態，該波長轉換構件用於將藉由α光線、β光線、γ光線及X光線表示之放射性光線波長轉換成在光電轉換裝置10之敏感範圍內之波長的光線。詳言之，如圖3所示，射線成像裝置50可藉由提供類似於螢光材料(諸如，在光電轉換裝置10之像素陣列區段12之光接收側上的閃爍器)之波長轉換構件40加以組態。
<2.該實施例之特徵>
在具有上文根據本發明之實施例所描述之組態的光電轉換裝置10或射線成像裝置50中，光電轉換器件21為(例如)PIN光電二極體，其包括：第一半導體層；第二半導體層，其具有與第一半導體層之導電類型相反的導電類型；及第三半導體層，其係由介於第一半導體層之導電類型與第二半導體層之導電類型之間的導電類型形成，且插入於第一半導體層與第二半導體層之間。
光電轉換器件21包括形成於第一半導體層與第三半導體層之間的絕緣層，及面積小於第二半導體層之面積的形成於絕緣層中之接觸孔，且具有第一半導體層及第三半導體層經由接觸孔而彼此接觸的結構。
因為第一半導體層及第三半導體層以此方式經由經形成為面積小於第二半導體層之面積的接觸孔而彼此接觸，所以與第三半導體層接觸之第一半導體層之邊緣相對於第二半導體層之邊緣定位於內側上。因此，第一半導體層之邊緣與第二半導體層之邊緣之間的距離大於在第一半導體層及第二半導體層係以實質上相同形狀形成之替代狀況下的距離。
因此，與第一半導體層及第二半導體層係以實質上相同形狀形成之替代狀況相比較，會抑制在與絕緣層之界面上於第一半導體層之邊緣與第二半導體層之邊緣之間所產生的洩漏電流。結果，可防止諸如PIN光電二極體或其類似者之光電轉換器件21變為有缺點器件，且可達成回應於入射光或入射能量之準確光電轉換。
下文描述可抑制在與絕緣層之界面上於第一半導體層之邊緣與第二半導體層之邊緣之間所產生的洩漏電流之像素結構之特定工作實例。
2-1.　工作實例1 像素結構
圖4為展示根據工作實例1之像素結構的部分剖視圖。此處，採取光電轉換器件21係由PIN光電二極體形成之狀況作為一實例來給出描述。
參看圖4，由Ti、Al、Mo、W、Cr或其類似者形成之閘極電極62形成於諸如玻璃基板之絕緣基板61上，且由SiNx、SiO2或其類似者形成之閘極絕緣膜63形成於閘極電極62上。在閘極絕緣膜63上，形成根據本發明之工作實例1的PIN光電二極體60A之第一半導體層(例如，p型半導體層(p+區域)64)。
p型半導體層64亦充當用於讀出藉由PIN光電二極體60光電轉換之信號電荷的下部電極。諸如讀出電晶體23之像素電晶體之半導體層65進一步形成於閘極絕緣膜63上。在像素電晶體之半導體層65中，有效的係在通道區域與源極及汲極區域之間形成LDD(輕微摻雜的汲極)，以便減少洩漏電流。
由SiNx、SiO2或其類似者形成之第一層間絕緣膜66形成於像素電晶體之第一半導體層64及第二半導體層65上。在第一層間絕緣膜66上方，包括用於讀出之信號線及各種配線的配線層67係由Ti、Al、Mo、W、Cr等等形成。由SiNx、SiO2、有機絕緣膜或其類似者形成之第二層間絕緣膜68形成於配線層67上。
接觸孔69形成於由第一層間絕緣膜66及第二層間絕緣膜68形成之絕緣層中。為由介於p型與n型之間的導電類型形成之第三半導體層的i型半導體層70形成於面積大於接觸孔69之上側上之開口面積的第二層間絕緣膜68上。i型半導體層70經由接觸孔69而與p型半導體層64接觸。
舉例而言，為形狀與i型半導體層70之形狀實質上相同之第二半導體層的n型半導體層(n+區域)71被層壓於i型半導體層70上。另外，根據本發明之工作實例1的PIN光電二極體60A係由為第一半導體層之p型半導體層64、為第三半導體層之i型半導體層70及為第二半導體層之n型半導體層71形成。
在PIN光電二極體60A中，可將非晶矽、微晶矽、多晶矽或其類似者用於半導體層64、70及71。另外，可將諸如鍺、碳或其類似者之材料引入至剛才所描述之矽中，使得空間敏感度變化。另外，可應用反向方向組態以作為PIN光電二極體60A，其中在下側上之導電類型為n型且在上側上之導電類型為p型。
用於將指定電壓施加至PIN光電二極體60A之上部電極72係由ITO(氧化銦錫)或其類似者之透明導電膜形成於n型半導體層71上。另外，在上部電極72上，用於將電壓供應至上部電極72之電源配線73係由電阻低於上部電極72之透明導電膜之電阻的低電阻材料(亦即，Ti、Al、Mo、W、Cr或其類似者)形成。此等電源配線73係以(例如)網格形式形成於像素陣列區段12之整個面之上，以便環繞單元像素20。
以諸如上文所描述之方式的方式形成用於收集藉由入射光或入射能量激發之電荷的光電轉換器件(例如，PIN光電二極體60A)，且藉由經由電源配線73及上部電極72而施加指定電壓來執行光電轉換。使用p型半導體層64作為累積層來收集藉由光電轉換產生之電荷，且自該累積層讀出該電荷以作為電流且接著將其施加至(例如)圖2所示之源極隨耦器類型讀出電晶體23之閘極。
另外，儘管未圖示，但藉由將用於將諸如X光線或其類似者之放射性光線轉換成可見光輻射的螢光材料(所謂的閃爍器)安置於PIN光電二極體60A上方，可組態藉由入射放射性光線敏化之放射性光線偵測器或輻射感光計。詳言之，由旋塗玻璃材料形成之有機平坦化膜或平坦化膜形成於PIN光電二極體60A上，且螢光材料係由CsI、NaI、CaF2或其類似者形成於經形成有該等膜之部分上。若使用放射性光線偵測器以代替PIN光電二極體60A，則可組態上文所描述之射線成像裝置50。
工作效應
如上文所描述，藉由應用p型半導體64及i型半導體層70經由面積(亦即，上部開口面積)小於形成於絕緣層(66、68)上之n型半導體層71之面積的接觸孔69而彼此接觸的結構，可達成諸如下文所描述之工作效應的工作效應。詳言之，在使用該像素結構的情況下，p型半導體層64及n型半導體層71在空間上彼此間隔，且與i型半導體層70接觸之p型半導體層64之邊緣(亦即，接觸孔69之下部開口末端)相對於n型半導體層71之邊緣定位於內側上。
因此，與i型半導體層70接觸之p型半導體層64之邊緣與n型半導體層71之邊緣之間的距離變得大於在以下替代狀況下之距離：在該替代狀況下，如在先前技術之技術中，p型半導體層64及n型半導體層71係以彼此相同之形狀形成，且p型半導體層64及i型半導體層70彼此直接接觸。因此，與p型半導體層64及n型半導體層71係以彼此實質上相同之形狀形成的狀況相比較，可抑制在與絕緣層(66、68)之界面上於p型半導體層64之邊緣與n型半導體層71之邊緣之間所產生的洩漏電流。
此處，作為一實例，在n型半導體層71之大小經設定為大約50 μm至100 μm的情況下，大約10-10 A之洩漏電流有時在先前技術之結構中流動，在該結構中，p型半導體層64及n型半導體層71係以彼此實質上相同之形狀形成。另一方面，已藉由本發明之發明人的模擬而確認以下事實：藉由使與i型半導體層70接觸之p型半導體層64之邊緣相對於n型半導體層71之邊緣達大約1 μm而定位於內側上，可將洩漏電流減少至大約10-14 A。
特別在照射光的情況下，已確認洩漏電流之減少效應係進一步顯著的。詳言之，雖然大約10-7 A之洩漏電流在先前技術之結構中流動(在該結構中，p型半導體層64及n型半導體層71係以實質上相同形狀形成)，但已確認：在使用本發明之像素結構的情況下，洩漏電流變為10-13 A或更少。
應注意，在工作實例1中，可將非晶矽、微晶矽及多晶矽用於PIN光電二極體60A之半導體層64、70及71。然而，較佳的係特別將非晶矽、微晶矽或非晶矽與微晶矽之層壓膜用於i型半導體層70。
另外，較佳的係將多晶矽用於p型半導體層64。在將非晶矽用於p型半導體層64的情況下，不能獲得具有充分低電阻之膜，且在照射具有相同量之光的狀況下，像素陣列區段12中之分散亦增加。因此，較佳的係不將非晶矽用於p型半導體層64，而將多晶矽用於p型半導體層64。
另外，p型半導體層64提供於用於收集信號電荷之累積層側上，使得與n型半導體層71提供於累積層側上之替代狀況相比較，在藉由重設電晶體22(參看圖2)進行重設操作之後的殘像減少。藉由亦在重設操作之後的弱電流流動，在累積層中(亦即，在p型半導體層64中)收集到非少量電荷，且基於根據該電荷而自該累積層所提取之電流的影像變為殘像。
圖5中說明關於在重設操作之後的殘像的p側提取電流Ip及n側提取電流In相對於時間之變化方式。此處，p側提取電流Ip為自累積層所提取之電流，其中p型半導體層64提供於累積層側上，且n側提取電流In為自累積層所提取之電流，其中n型半導體層71提供於累積層側上。
自圖5認識到，與在n型半導體層71提供於累積層側上之情況下的n側提取電流In相比較，在p型半導體層64提供於累積層側上之情況下的p側提取電流Ip隨著時間流逝而減低。因此，與n型半導體層71提供於累積層側上之狀況相比較，在p型半導體層64提供於累積層側上之狀況下，在重設操作之後的殘像減少。另外，已確認：關於用於p型半導體層64之矽，殘像以多晶矽、微晶矽及非晶矽之次序(多晶矽>微晶矽>非晶矽)減少。
另外，在根據本發明之工作實例1的像素結構中，i型半導體層70及n型半導體層71延續著i型半導體層70及n型半導體層71形成於相鄰單元像素20之間，亦即，在相鄰PIN光電二極體60A之間且在該等像素之間未分離。雖然存在可藉由消除該等像素之間的此分離而消除用於分離之步驟的優點，但有必要採取用於減少該等像素之間的串擾的對策。此處，術語「串擾」表示洩漏電流在相鄰單元像素20之間流動。
在i型半導體層70係由非晶矽或微晶矽形成的情況下，在光照射後相鄰PIN光電二極體60A之接觸孔69之間的電阻值為大約10-6 A。另一方面，如圖6所示，藉由在接觸孔69之間形成用於阻擋入射光或入射能量之光阻擋層74，在藉由光阻擋層74阻擋光所在之部分處的電阻增加，且因此，像素之間的串擾可減少。
圖7中說明光阻擋層74之光阻擋寬度與串擾電壓之間的關係。如在圖7中所見，藉由將光阻擋層74之光阻擋寬度設定為3 μm或更多，相鄰像素之間(亦即，相鄰光電二極體之間)的串擾可充分地減少。
光阻擋層74係以網格形式形成於像素陣列區段12之整個面之上，以便環繞單元像素20。然而，遇必要時，可經組態成，不在正交於垂直信號線18之方向上(亦即，在像素列之像素陣列方向上)所配置的像素之間應用光阻擋以用於自單元像素20讀出信號，而在垂直信號線18之延伸方向上(亦即，在像素行之像素陣列方向上)所配置的像素之間應用光阻擋。
此處，以像素列為單位逐次執行藉由重設電晶體22進行之重設操作。因此，很可能在彼此相鄰之兩個像素列(包括在重設之後的一像素列及在重設之前的另一像素列)中的像素之間出現極大電位差。此表示：與在相同像素列中之像素相比較，在兩個相鄰像素列中之像素之間的串擾較低。
因此，應用一像素結構，其中不在串擾較低之像素列之像素陣列方向上之像素之間應用光阻擋。因此，PIN光電二極體60A之最大光接收面積可被緊固藉由不在像素列之像素陣列方向上之像素之間提供光阻擋層74所提供的量。
另外，亦可應用以下組態：其中光阻擋層74亦充當(例如)以網格形式形成於像素陣列區段12之整個面之上且電連接至n型半導體層71的電源配線73，且將指定電位供應至n型半導體層71。剛才所描述之組態係有利的，此在於：藉由以此方式將電源配線73亦用作光阻擋層74，PIN光電二極體60A之最大光接收面積可被緊固不提供光阻擋層74所達的量。
應注意，在工作實例1中，雖然假設p型半導體層64及i型半導體層70經由接觸孔69而彼此接觸(以便不在側壁上形成p型半導體層64)之器件結構，但本發明可適用於p型半導體層64及i型半導體層70彼此直接接觸(以便在接觸孔69之側壁上形成p型半導體層64)之器件結構。下文描述根據本申請案之PIN光電二極體60B。
詳言之，如圖8所示，在具有p型半導體層64及i型半導體層70彼此直接接觸之器件結構的PIN光電二極體60B中，形成p型半導體層64之邊緣，以便相對於n型半導體層71之邊緣達尺寸d而置放於內側上。應注意，在該器件結構中，下部電極75經提供成與p型半導體層64分離。因而，經由下部電極75而讀出將p型半導體層64用作累積層所累積之電荷以作為電流。
以此方式，亦在具有p型半導體層64及i型半導體層70彼此直接接觸之器件結構的PIN光電二極體60B中，藉由形成p型半導體層64之邊緣，以便相對於n型半導體層71之邊緣置放於內側上，可獲得類似於工作實例1之工作效應的工作效應。詳言之，因為p型半導體層64之邊緣與n型半導體層71之邊緣之間的距離變得大於在半導體層64及71兩者係以實質上相同形狀形成且p型半導體層64與i型半導體層70彼此直接接觸(如在先前技術之技術中)之替代狀況下的距離，所以可抑制洩漏電流。
2-2.　工作實例2
圖9為展示根據工作實例2之像素結構的部分剖視圖。在圖9中，藉由相同參考字符表示與圖4中之元件相同的元件，且省略對其之重複描述以避免冗餘。亦關於工作實例2，採取光電轉換器件21係由PIN光電二極體形成之狀況作為一實例來給出描述。
在根據工作實例1之像素結構中，i型半導體層70及n型半導體層71在相鄰單元像素20之間彼此不分離。另外，藉由以網格形式形成於像素陣列區段12之整個面之上以便環繞單元像素20的光阻擋層74或工作線層73來阻擋入射光或入射能量，會抑制單元像素20之間的串擾。
如上文中所描述，因為以像素列為單位逐次執行藉由重設電晶體22進行之重設操作，所以很可能在兩個相鄰像素列(包括在重設之後的一像素列及在重設之前的另一像素列)中的像素之間出現極大電位差。結果，在兩個相鄰像素列中之像素之間的串擾高於在同一像素列中之像素之間的串擾。以此視點來看產生根據本發明之工作實例2的像素結構。
詳言之，在根據本發明之工作實例2的像素結構中，應用以下結構：其中在很可能出現極大電位差之兩個相鄰像素列中之像素之間(亦即，在像素行之像素陣列方向上之像素之間)嘗試像素分離。詳言之，如圖9所示，在像素行之像素陣列方向上之像素之間，延伸至第二層間絕緣膜68之凹槽部分76沿著像素列之像素陣列方向形成於i型半導體層70及n型半導體層71中，且第三層間絕緣膜77形成於凹槽部分76中。接著，i型半導體層70及n型半導體層71在像素之間藉由第三層間絕緣膜77(亦即，藉由像素分離結構)分離。
應注意，亦在本發明之工作實例2中，其基本像素結構類似於工作實例1中之像素結構，在工作實例2之像素結構中，面積小於n型半導體層71之面積的接觸孔69形成於絕緣層(66、68)中，且p型半導體層64與i型半導體層70經由接觸孔69而彼此接觸。
工作效應
以此方式，第三層間絕緣膜77形成於像素行之像素陣列方向上之像素之間，且i型半導體層70與n型半導體層71在像素之間藉由層間絕緣膜77分離，使得可確實地抑制很可能出現極大電位差之兩個相鄰像素列中之像素之間的串擾。關於在像素列之像素陣列方向上之像素之間的分離，如在工作實例1之像素結構中，可應用一光阻擋結構，在該光阻擋結構中，藉由電源配線73或光阻擋層74阻擋入射光或入射能量。另外，因為同一像素列中之像素之間的串擾低於兩個相鄰像素列中之像素之間的串擾，所以亦可能不採用光阻擋結構。
<3.修改>
在上文所描述之實施例中，雖然應用包括用於驅動像素之列掃描區段13之周邊電路區段類似於像素陣列區段12提供於基板11上的組態，但亦可應用周邊電路區段提供於基板11外部之組態。
然而，若(例如)應用列掃描區段13提供於基板11上之組態，則可在下文所描述之點處獲得一優勢。舉例而言，因為未產生在自提供於基板11外部之複數個驅動IC執行時序控制時所產生的在驅動IC之間的同步分散，所以消除了針對驅動IC之間的同步控制系統及用於同步控制系統之調整工作的必要性。另外，因為不需要用於使複數個驅動IC及基板11彼此連接之工作，所以可實施顯著的成本減少。
另外，在輕便類型之射線成像裝置中之斷開、由移動後產生之振動引起之斷開或其類似者的可能性減少，且可顯著地增強可靠性。另外，存在以下優勢：與複數個驅動IC及基板11藉由可撓性纜線或其類似者而彼此連接之替代狀況相比較，可實施裝置主體之小型化，且可顯著地增強併入至主體裝置中之自由度。
本申請案主張2009年7月3日申請之日本優先權專利申請案JP 2009-158353的優先權，該案之整個內容在此係以引用之方式併入。
應理解，對本文中所描述之目前較佳實施例的各種改變及修改對於熟習此項技術者而言將為顯而易見的。在不脫離本發明之標的之情況下及在不減少其所意欲之優勢的情況下，可進行此等改變及修改。因此，此等改變及修改意欲藉由附加申請專利範圍涵蓋。
10．．．光電轉換裝置
11．．．絕緣基板
12．．．像素陣列區段
13．．．列掃描區段/垂直驅動區段
14．．．水平選擇區段
15．．．行掃描區段/水平驅動區段
16．．．系統控制區段
17．．．像素驅動線
18．．．垂直信號線
19．．．水平信號線
20．．．單元像素
21．．．光電轉換器件
22．．．重設電晶體
23．．．讀出電晶體
24．．．列選擇電晶體
25．．．電容組件
26．．．端子
30．．．恆定電流源
40．．．波長轉換構件
50．．．射線成像裝置
60A．．．PIN(正本質負二極體)光電二極體
60B．．．PIN(正本質負二極體)光電二極體
61．．．絕緣基板
62．．．閘極電極
63．．．閘極絕緣膜
64．．．p型半導體層(p+區域)/第一半導體層
65．．．第二半導體層
66．．．第一層間絕緣膜/絕緣層
67．．．配線層
68．．．第二層間絕緣膜/絕緣層
69．．．接觸孔
70．．．i型半導體層
71．．．n型半導體層(n+區域)
72．．．上部電極
73．．．電源配線/工作線層
74．．．光阻擋層
76．．．凹槽部分
77．．．第三層間絕緣膜
100．．．像素
101．．．電晶體
102．．．PIN(正本質負二極體)光電二極體
103．．．n型半導體層
104．．．i型半導體層
105．．．p型半導體層
106．．．層間絕緣膜
141．．．放大器
171．．．列選擇線
172．．．重設控制線
N．．．累積節點
VDD．．．電源
Vread．．．列掃描信號
Vref．．．參考電位
Vrst．．．重設信號
圖1為示意性地展示一實施例中之一光電轉換裝置之一系統組態的方塊圖；
圖2為展示單元像素之電路組態之實例的電路圖；
圖3為展示自光電轉換裝置與波長轉換構件之組合所組態之射線成像裝置的示意圖；
圖4為展示根據工作實例1之像素結構的部分剖視圖；
圖5為說明關於在重設操作之後的殘像的p側提取電流及n側提取電流相對於時間之變化方式的曲線圖；
圖6為展示在相鄰單元像素之間提供光阻擋層之像素結構的部分剖視圖；
圖7為說明光阻擋層之光阻擋寬度與串擾電壓之間的關係的曲線圖；
圖8為展示本發明之實例適用於一器件結構之像素結構的部分剖視圖，在該器件結構中，p型半導體層與i型半導體層彼此直接接觸；
圖9為展示根據工作實例2之像素結構的部分剖視圖；及
圖10為展示先前技術中之像素結構的剖視圖。
60A．．．PIN(正本質負二極體)光電二極體
61．．．絕緣基板
62．．．閘極電極
63．．．閘極絕緣膜
64．．．p型半導體層(p+區域)/第一半導體層
65．．．第二半導體層
66．．．第一層間絕緣膜/絕緣層
67．．．配線層
68．．．第二層間絕緣膜/絕緣層
69．．．接觸孔
70．．．i型半導體層
71．．．n型半導體層(n+區域)
72．．．上部電極
73．．．電源配線/工作線層

Claims (30)

  1. 一種光電二極體，其包含：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中至少一絕緣膜形成於該第一半導體層之至少一部分上，一接觸孔形成於該絕緣膜中以曝露該第一半導體層之一部分，該第三半導體層形成於該絕緣膜之部分上及藉由該接觸孔曝露的該第一半導體層之該部分上，使得該第三半導體層經由該接觸孔以定位於相對該第二半導體層之一邊緣的內側上之該接觸孔的下部端與該第一半導體層接觸，該第二半導體層形成於該第三半導體層上，且該第二半導體層具有一與該第三半導體層之形狀實質上相同的形狀。
  2. 如請求項1之光電二極體，其中該第一半導體層之一部分作用為一用於讀出由該光電二極體光電轉換之信號電荷的下部電極。
  3. 如請求項1之光電二極體，其中該第一半導體層形成於與一場效電晶體之一半導體層相同的層，該場效電晶體之該半導體層接收一由該光電二極體產生之信號電荷。
  4. 如請求項3之光電二極體，其中該第一半導體層包含多晶矽。
  5. 如請求項1之光電二極體，其中該第一半導體層形成於一閘極絕緣膜上。
  6. 如請求項1之光電二極體，其中自該第二半導體層嵌入的該第一半導體層之一邊緣內埋於該絕緣膜之一部分之下。
  7. 如請求項1之光電二極體，其中一光阻擋層形成於該第二半導體層之部分之上。
  8. 如請求項7之光電二極體，其中該光阻擋層電連接至該第二半導體層，且亦作用為一用於將一電壓供應至一形成於該光阻擋層與該第二半導體層之間的電極之電源配線。
  9. 如請求項7之光電二極體，其中該第三半導體層經形成為一連續層，且該光阻擋層形成於該第三半導體層之一部分之上。
  10. 如請求項1之光電二極體，其中一凹槽部分經形成通過該第二半導體層且延伸至該絕緣膜，且其中一層間絕緣膜形成於該凹槽部分中。
  11. 一種光電轉換裝置，其包含：一像素陣列區段，其包括複數個單元像素，每一單元像素具有一光電二極體，該等光電二極體包括：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第 二半導體層之間，其中至少一絕緣膜形成於該第一半導體層之至少一部分上，一接觸孔形成於該絕緣膜中以曝露該第一半導體層之一部分，該第三半導體層形成於該絕緣膜之部分上及藉由該接觸孔曝露的該第一半導體層之該部分上，使得該第三半導體層經由該接觸孔以定位於相對該第二半導體層之一邊緣的內側上之該接觸孔的下部端與該第一半導體層接觸，該第二半導體層形成於該第三半導體層上，且該第二半導體層具有一與該第三半導體層之形狀實質上相同的形狀。
  12. 如請求項11之光電轉換裝置，其中該第一半導體層之一部分作用為一用於讀出由該光電二極體光電轉換之信號電荷的下部電極。
  13. 如請求項11之光電轉換裝置，其中該第一半導體層形成於與一場效電晶體之一半導體層相同的層，該場效電晶體之該半導體層接收一由該光電二極體產生之信號電荷。
  14. 如請求項13之光電轉換裝置，其中該第一半導體層包含多晶矽。
  15. 如請求項11之光電轉換裝置，其中該第一半導體層形成於一閘極絕緣膜上。
  16. 如請求項11之光電轉換裝置，其中自該第二半導體層嵌入的該第一半導體層之一邊緣內埋於該絕緣膜之一部分之下。
  17. 如請求項11之光電轉換裝置，其中一光阻擋層形成於該第二半導體層之部分之上。
  18. 如請求項17之光電轉換裝置，其中該光阻擋層電連接至該第二半導體層，且亦作用為一用於將一電壓供應至形成於各別單元像素之該等光阻擋層與該等第二半導體層之間的電極之電源配線。
  19. 如請求項17之光電轉換裝置，其中該第三半導體層經形成為一在相鄰單元像素之間延伸的連續層，且該光阻擋層形成於該第三半導體層之部分之上。
  20. 如請求項11之光電轉換裝置，其中複數個凹槽部分經形成通過該第二半導體層且延伸至該絕緣膜，且其中層間絕緣膜形成於該等凹槽部分中，使得該等層間絕緣膜分離相鄰單元像素之該等第二半導體層與該等第三半導體層。
  21. 一種射線成像裝置，其包含：一波長轉換構件，其用於對放射性光線進行波長轉換；及一光電轉換裝置，其經組態以自該波長轉換構件接收該等經轉換之放射性光線，該光電轉換裝置包括一像素陣列區段，該像素陣列區段包括複數個單元像素，每一單元像素具有一光電二極體，該等光電二極體包括：一第一半導體層，其具有一第一導電類型；一第二半導體層，其具有一第二導電類型，該第二導電類型係與該第一半導體層之該第一導電類型相反；及 一第三半導體層，其插入於該第一半導體層與該第二半導體層之間，其中至少一絕緣膜形成於該第一半導體層之至少一部分上，一接觸孔形成於該絕緣膜中以曝露該第一半導體層之一部分，該第三半導體層形成於該絕緣膜之部分上及藉由該接觸孔曝露的該第一半導體層之該部分上，使得該第三半導體層經由該接觸孔以定位於相對該第二半導體層之一邊緣的內側上之該接觸孔的下部端與該第一半導體層接觸，該第二半導體層形成於該第三半導體層上，且該第二半導體層具有一與該第三半導體層之形狀實質上相同的形狀。
  22. 如請求項21之射線成像裝置，其中該第一半導體層之一部分作用為一用於讀出由該光電二極體光電轉換之信號電荷的下部電極。
  23. 如請求項21之射線成像裝置，其中該第一半導體層形成於與一場效電晶體之一半導體層相同的層，該場效電晶體之該半導體層接收一由該光電二極體產生之信號電荷。
  24. 如請求項23之射線成像裝置，其中該第一半導體層包含多晶矽。
  25. 如請求項21之射線成像裝置，其中該第一半導體層形成於一閘極絕緣膜上。
  26. 如請求項21之射線成像裝置，其中自該第二半導體層嵌入的該第一半導體層之一邊緣內埋於該絕緣膜之一部分之下。
  27. 如請求項21之射線成像裝置，其中一光阻擋層形成於該第二半導體層之部分之上。
  28. 如請求項27之射線成像裝置，其中該光阻擋層電連接至該第二半導體層，且亦作用為一用於將一電壓供應至形成於各別單元像素之該等光阻擋層與該等第二半導體層之間的電極之電源配線。
  29. 如請求項27之射線成像裝置，其中該第三半導體層經形成為一在相鄰單元像素之間延伸的連續層，且該光阻擋層形成於該第三半導體層之部分之上。
  30. 如請求項21之射線成像裝置，其中複數個凹槽部分經形成通過該第二半導體層且延伸至該絕緣膜，且其中若干層間絕緣膜形成於該等凹槽部分中，使得該等層間絕緣膜分離相鄰單元像素之該等第二半導體層與該等第三半導體層。
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