WO2000070864A1 - Sensormatrix - Google Patents

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WO2000070864A1
WO2000070864A1 PCT/EP2000/004607 EP0004607W WO0070864A1 WO 2000070864 A1 WO2000070864 A1 WO 2000070864A1 EP 0004607 W EP0004607 W EP 0004607W WO 0070864 A1 WO0070864 A1 WO 0070864A1
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WO
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sensor
metallization
arrangement according
transistors
effect transistor
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Application number
PCT/EP2000/004607
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Inventor
Falko Busse
Michael Overdick
Walter RÜTTEN
Martin J. Powell
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics N.V.
Philips Corporate Intellectual Property Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to US09/743,656 priority patent/US6894283B1/en
Priority to EP00929546A priority patent/EP1097569A1/de
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/50—Control of the SSIS exposure
    • H04N25/57—Control of the dynamic range
    • H04N25/59—Control of the dynamic range by controlling the amount of charge storable in the pixel, e.g. modification of the charge conversion ratio of the floating node capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
    • H04N25/771—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising storage means other than floating diffusion
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/30—Transforming light or analogous information into electric information
    • H04N5/32—Transforming X-rays

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with light or X-ray sensitive sensors arranged in a matrix in rows and columns, which generate charges as a function of the incident amount of radiation, each sensor each having a photo sensor element with intrinsic storage capacity and / or connections connected in parallel with its connections and each has a transistor, with at least one switching line per sensor line, via which the transistors can be activated, so that the charges of the respectively activated sensors S can be read out simultaneously via read lines 8.
  • the invention also relates to a method for operating the arrangement.
  • the switching noise caused by the reading process of the sensors is to be reduced and / or a higher frame rate, more stable operating conditions of the photo sensor element, even with larger signals, and an increase in the dynamic range of the photo sensor element become.
  • the solution to the problem is based on the idea of providing a further transistor which can be controlled independently of the first transistor and which interacts with an additional capacitance in each sensor.
  • each sensor has a further transistor connected directly to the photo sensor element, which can be activated via at least one control line, in that the two transistors of each sensor are connected in series and on an electrode of a further capacitance is connected to the connection of the two transistors.
  • both transistors of the sensor are designed as field effect transistors, the conductive channels of which are connected in series.
  • control field effect transistor different operating modes of the arrangement can be realized.
  • the individual modes of operation result from the methods for operating the arrangements according to the invention according to claims 6 to 8.
  • the gate connection of the field-effect transistor (switching field-effect transistor) connected in series with the control field-effect transistor is connected in a manner known per se to the switching line which is activated for reading out the sensor.
  • At least one control line can be provided for each sensor row for driving the further transistors, in particular the control field effect transistors.
  • the further capacitance is smaller than the intrinsic and / or the storage capacitance connected in parallel with the photo sensor element.
  • each sensor can be arranged side by side and / or one above the other in a thin film substrate.
  • the additional control field effect transistor can consist of amorphous silicon or polycrystalline silicon.
  • the photo sensor element Since the voltage on the photo sensor element is kept constant, the photo sensor element still works stably even with large signals, because it is constantly operated at the same working point. In addition, there is a larger dynamic range of the sensor if the maximum voltage swing above the additional capacitance is selected appropriately.
  • a controlled charge transfer between the storage capacity and the further capacity can be realized by operating the arrangement according to the invention.
  • the charge is read from the additional capacitance, while that on the photo sensor element incident radiation on the storage capacity already generates new charges.
  • the control field effect transistor is temporarily operated as a charge pump.
  • the storage capacity is effectively increased by the additional capacity.
  • the photo sensor element in particular a photo diode, its dynamic range is increased.
  • Figure 1 Section of the circuit arrangement for an X-ray sensitive sensor.
  • Figure 2 is a schematic representation of a layout of a
  • Figure 3 shows a cross section through a sensor with bottom gate field effect transistor.
  • Technology of a matrix with a circuit arrangement according to FIG. 1 and FIG. 4 a cross section through a sensor with a top gate
  • a matrix consists of a multiplicity, for example 2000 ⁇ 2000 sensors S, which are arranged in rows and columns.
  • the first sensors S of a row of the matrix together form the first column, the second sensors of each row together form the second column, etc.
  • Each sensor S has a photo sensor element.
  • this photo sensor element can itself be sensitive to X-rays. However, it can also be a light-sensitive photodiode 1, which receives light when X-radiation strikes a scintillator layer arranged above it. Without a scintillator layer, the arrangement is also suitable for direct detection of light.
  • a storage capacitance 2 is connected in parallel with the connections of the photodiode 1.
  • the anode of the photodiode 1 and an electrode of the storage capacitance 2 are connected to a general electrode 9, which biases them with a negative DC voltage.
  • the cathode of the photodiode 1 and the other electrode of the storage capacitance 2 are connected to a source terminal of a control field-effect transistor 5.
  • the drain Connection of this control field-effect transistor 5 is in turn connected to a source connection of a switching field-effect transistor 3.
  • Carrier pairs are generated, whereby the charged storage capacity is partially discharged.
  • the discharge depends on the number of photons striking the photodiode 1.
  • Each sensor can be read out individually by compensating for the respective missing charge via the conductive channels of the field effect transistors 3, 5.
  • a control line 6 and a switching line 7 are provided for each line of the sensor matrix.
  • the switching line 7 is connected to the gate connections of the switching field-effect transistors 3 and the control line to the gate connections of the control field-effect transistors 5 of the sensors S.
  • the switching and control lines 6, 7 thus activate the field effect transistors 3, 5 of the row of the matrix assigned to them. They are controlled, for example, by means of a driver circuit, not shown in the figure, which is known per se and which connects various analog control voltages to lines 6, 7.
  • the driver circuit is used to successively activate the rows of the sensor matrix in order to read out the charges stored in the sensors S.
  • a readout line 8 is provided for each column of the matrix in a known manner.
  • the read lines 8 are all connected to the drain connections of the switching field effect transistors 3 of the sensors of the respective column.
  • Each readout line 8 is regularly assigned an amplifier 11 which integrates the charges flowing line by line in the individual sensors S.
  • These amplifiers 11 are connected upstream of an analog multiplexer, not shown, whose inputs are connected to the outputs of the amplifiers. In the analog multiplexer, the charges arriving simultaneously and in parallel from one row of the matrix are converted into a serial signal which is available for further processing at a serial output of the analog multiplexer.
  • An electrode of a further capacitance 4 is connected to the drain connection of the control field-effect transistor 5 or the source connection of the switching field-effect transistor 3, the other electrode 4a of which is also connected to the general electrode 9 or an independent general electrode is connected. It is within the scope of the invention to switch one or more cascode transistors in the connection between control field effect transistor 5 and switching field effect transistor 3 of each sensor S in order to stabilize the drain voltage at control field effect transistor 5.
  • the control field-effect transistor 5 In connection with the control field-effect transistor 5, the gate connection of which is controlled via the control line 6, the further capacitance 4 permits the following modes of operation of the individual sensors S of the arrangement according to the invention:
  • control field-effect transistor 5 By applying a suitable voltage via the control line 6 to the gate connection of the control field-effect transistor 5, the latter can operate as a charge pump. A voltage is suitable if the control field effect transistor 5 operates in the saturation range. As a result, the voltage applied to the photodiode 1 and the storage capacitance 2 is kept constant.
  • the charge transfer from the further capacitance 4 to the storage capacitance 2 is determined by the voltage on the control line 6. Because of this relationship, it is possible to prevent the charge transfer described under A. in certain phases of the image data acquisition by applying a voltage which is negative in relation to the voltage at the source terminal via the control line 6 to the gate terminal of the field effect transistor 5, so that the control field effect transistor 5 blocks. By preventing the transfer of charge, only the storage capacity 2 is initially discharged and only then recharged from the additional capacity 4. The balancing of the charge on the additional capacitance 4 via the activated switching field-effect transistor 3 and the read-out line 8 can then take place when radiation already hits the photodiode 1 again and the capacitance 2 is discharged.
  • FIG. 2 shows one possibility of realizing a circuit according to FIG. 1 in the multi-layer image sensor technology known per se with an overhead diode, as described, for example, in M.J. Powell, C. Glasse, I.D. French, A.R. Franklin, J.R. Hughes and J.E. Curran, Materials Research Symposium Proceedings, 467 863 (1997).
  • FIG. 2 shows, by way of example only, a sensor as a section of the matrix from a large number of sensors of the same structure.
  • FIG. 3 shows a cross section through a sensor S implemented in multi-layer image sensor technology with the switching field-effect transistor 3 and control field-effect transistor 5 as a bottom gate field-effect transistor.
  • the sensor S has a first metallization layer 12, a second metallization layer 13 arranged above it and a third metallization layer 14 arranged above it.
  • the gate metal for the control line 6 and the switching line 7 as well as a further metallization area 15 which is part of the further capacitance 4.
  • Metallization layer 13 and the first metallization layer 12 there is a layer of gate dielectric 16, on which amorphous silicon is applied in some areas as semiconductor material 17.
  • Metallization layer 13 on the semiconductor material 17 are the drain and source connections of the switching field effect transistor 3 and the control field effect transistor 5 and two further metallization regions 18, 19, which are also components of the further capacitance 4.
  • the metallization regions 15, 18, 19 of the first and second metallization layers form, separated by the gate dielectric 16, two capacitors which, in series connection, result in the additional capacitance 4.
  • the metallization region 15 in the first metallization layer 12 is the common electrode and galvanic connection of the two capacitors connected in series, while the metallization regions 18, 19 form the counter electrodes of the two capacitors connected in series.
  • the series connection avoids the need for plated-through holes through the gate dielectric 16, since the additional capacitance 4 lies between the common electrode 9 and the source connection of the switching field-effect transistor 3.
  • the counterelectrode formed by the metallization area 18 is connected to the general electrode 9 via an additional via 21.
  • the metallization area 18 corresponds to the connection 4 a of the additional capacitance 4 in FIG. 1, which is connected to the general electrode 9 in this embodiment.
  • the plated-through hole 22 is also present in the sensors manufactured in conventional multilayer image sensor technology and connects one intrinsic capacitance photodiode 1, 2 with the source terminal of the control field-effect transistor 5 in the metallization layer 13 (see also FIG. 1).
  • FIG. 4 shows a cross section through a multi-layer
  • Image sensor technology designed sensor S with the switching field effect transistor 3 and control field effect transistor 5 as a top gate field effect transistor.
  • the source connection of the switching field-effect transistor 3 is located in the metallization layer 12.
  • the capacitance 4 uses the gate dielectric 16 of the field-effect transistors 3, 5, which extends over the entire area of the sensor S. With this layout, it is not necessary to divide the additional capacitance 4 into two capacitors connected in series, because the source connection of the switching field-effect transistor 3 is located in the metallization layer 12, which is the source / drain metal of the two field-effect transistors 3, 5 and forms the counter electrode of the further capacitance 4.
  • the metallization layer 13 contains the electrode of the additional capacitance 4 connected to the common electrode 9 and the gate connections of the two field effect transistors 3, 5.
  • the further capacitance 4 could be implemented in the insulating layer 23 for the passivation of the photodiode 1, 2. However, this would still require a via connection. In addition, a capacitance placed there claims Hache on the insulator 24 and thus reduces the active area of the photodiode 1, 2.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit in einer Matrix in Zeilen und Spalten angeordneten licht- oder röntgenstrahlenempfindlichen Sensoren, die in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlungsmenge Ladungen erzeugen, wobei jeder Sensor jeweils ein Foto-Sensorelement mit intrinsischer und/oder zu dessen Anschlüssen parallel geschalteter Speicherkapazität und jeweils einen Transistor aufweist, mit mindestens einer Schaltleitung je Sensoren-Zeile, über die die Transistoren aktivierbar sind, so daß die Ladungen der jeweils aktivierten Sensoren (S) gleichzeitig über Ausleseleitungen (8) ausgelesen werden können, um je nach Betriebsweise der Anordnung das Schaltrauschen, das durch den Auslesevorgang der Sensoren verursacht wird, zu reduzieren und/oder eine höhere Bildwiederholrate, stabilere Betriebsbedingungen des Foto-Sensorelements, auch bei größeren Signalen, sowie eine Vergrößerung des dynamischen Bereichs des Foto-Sensorelements zu ermöglichen, indem jeder Sensor (S) einen weiteren direkt mit dem Foto-Sensorelement (1) verbundenen Transistor (5) aufweist, der über mindestens eine Steuerleitung (6) aktivierbar ist und die beiden Transistoren (3, 5) jedes Sensors (S) in Reihe geschaltet sind und an der Verbindung der beiden Transistoren (3, 5) eine Elektrode einer weiteren Kapazität (4) angeschlossen ist.

Description

Sensormatrix
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit in einer Matrix in Zeilen und Spalten angeordneten licht- oder röntgenstrahlenempfindlichen Sensoren, die in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlungsmenge Ladungen erzeugen, wobei jeder Sensor jeweils ein Foto-Sensorelement mit intrinsischer und/oder zu dessen Anschlüssen parallel geschalteter Speicherkapazität und jeweils einen Transistor aufweist, mit mindestens einer Schaltleitung je Sensoren-Zeile, über die die Transistoren aktivierbar sind, so daß die Ladungen der jeweils aktivierten Sensoren S gleichzeitig über Ausleseleitungen 8 ausgelesen werden können. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung.
Eine derartige Anordnung ist aus der EP 0440 282 A2 bekannt. Insbesondere bei Anwendungen in der Röntgentechnik treffen auf die Sensoren nur geringe Röntgenstrahlendosen. Infolge dessen ist auch die elektrische Ladung, die in den Foto- Sensorelementen in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlung erzeugt wird, nur sehr gering. Die geringen Ladungsmengen verursachen häufig Probleme, da das ausgelesene Signal mit starkem Rauschen überlagert ist. Um diesem Problem zu begegnen, weist der einzelne Sensor der Anordnung nach der EP 0440 282 A2 eine möglichst große sensitive Oberfläche auf, um die Strahlungsempfindlichkeit zu vergrößern. Um die großen Oberflächen realisieren zu können, ist in jeder Ausleseleitung der Matrix nur ein Verstärker vorgesehen, der dazu dient, die ausgelesenen Signale aller Sensoren dieser Spalte zu verstärken.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben und ein Verfahren zu deren Betrieb vorzuschlagen. Insbesondere soll je nach Betriebsweise der Anordnung das Schaltrauschen, das durch den Auslesevorgang der Sensoren verursacht wird, reduziert und/oder eine höhere Bildwiederholrate, stabilere Betriebsbedingungen des Foto-Sensorelements, auch bei größeren Signalen, sowie eine Vergrößerung des dynamischen Bereichs des Foto-Sensorelements ermöglicht werden. Die Lösung der Aufgabe basiert auf dem Gedanken, einen weiteren, unabhängig von dem ersten Transistor ansteuerbaren Transistor vorzusehen, der mit einer zusätzlichen Kapazität in jedem Sensor zusammenwirkt.
Im einzelnen wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß jeder Sensor einen weiteren direkt mit dem Foto-Sensorelement verbundenen Transistor aufweist, der über mindestens eine Steuerleitung aktivierbar ist, daß die beiden Transistoren jedes Sensors in Reihe geschaltet sind und an der Verbindung der beiden Transistoren eine Elektrode einer weiteren Kapazität angeschlossen ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind beide Transistoren des Sensors als Feldeffekttransistoren ausgebildet, deren leitfähige Kanäle in Reihe geschaltet sind. Je nach Ansteuerung des Gate-Anschlusses des mit dem Foto-Sensorelement verbundenen Feldeffekttransistors über die Steuerleitung (Steuer-Feldeffekttransistor) lassen sich unterschiedliche Betriebsweisen der Anordnung realisieren. Die einzelnen Betriebsweisen ergeben sich aus den Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Ansprüchen 6 bis 8.
Der Gate-Anschluß des mit dem Steuer-Feldeffekttransistor in Reihe geschalteten Feldeffekttransistors (Schalt-Feldeffekttransistor) ist in an sich bekannter Weise mit der Schaltleitung verbunden, die zum Auslesen des Sensors aktiviert wird.
Entsprechend den bekannten Schaltleitungen kann je Sensoren-Zeile mindestens eine Steuerleitung zur Ansteuerung der weiteren Transistoren, insbesondere der Steuer-Feldeffekttransistoren vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, nur eine Steuerleitung zur Ansteuerung sämtlicher weiteren Transistoren der gesamten Matrix vorzusehen. Um wirksam das Schaltrauschen des Schalt-Feldeffekttransistors zu reduzieren, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die weitere Kapazität kleiner als die intrinsische und/oder die zu dem Foto-Sensorelement parallelgeschaltete Speicherkapazität ist.
Die Bauteile jedes Sensors können in einem Dünnfilmsubstrat nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Der zusätzliche Steuer-Feldeffekttransistor kann aus amorphem Silizium oder aus polykristallinem Silizium bestehen.
Wird die erfindungsgemäße Anordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 9 betrieben, erzielt man eine kontinuierliche Ladungsübertragung auf die weitere Kapazität. Indem die Spannung an dem Foto-Sensorelement konstant gehalten wird, wird anstelle der Speicherkapazität die weitere Kapazität entladen, wenn Strahlung auf das Foto- Sensorelement fällt. Für diese Betriebsweise des Steuer-Feldeffektransistors wird im folgenden die Bezeichnung "Ladungspumpe" verwendet. Folglich wird die weitere Kapazität während des Auslesens über die Ausleseleitung wieder aufgeladen. Wenn die weitere Kapazität kleiner als die Speicherkapazität ist, reduziert sich das Schaltrauschen, das proportional zur Größe der ausgelesenen Kapazität ist.
Da die Spannung an dem Foto-Sensorelement konstant gehalten wird, arbeitet das Foto-Sensorelement auch bei großen Signalen noch stabil, weil es ständig am gleichen Afbeitspunkt betrieben wird. Zusätzlich ergibt sich ein größerer dynamischer Bereich des Sensors, wenn der maximale Spannungshub über der weiteren Kapazität geeignet gewählt wird.
Eine gesteuerte Ladungsübertragung zwischen der Speicherkapazität und der weiteren Kapazität läßt sich durch einen Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 realisieren. Bei einer solchen Betriebsweise wird die Ladung von der weiteren Kapazität ausgelesen, während die auf dem Foto-Sensorelement auftreffende Strahlung auf der Speicherkapazität bereits neue Ladungen erzeugt. Hierzu wird der Steuer-Feldeffekttransistor zeitweise als Ladungspumpe betrieben.
Auch bei der gesteuerten Ladungsübertragung wirkt sich eine gegenüber der Speicherkapazität kleinere weitere Kapazität reduzierend auf das Schaltrauschen des Schalt- Feldeffekttransistors aus. Durch die zeitliche Überlappung der Ladungsintegration auf der Speicherkapazität und des Auslesens der weiteren Kapazität läßt diese Betriebsweise höhere Bildwiederholraten zu, als dies bei bisherigen Anordnungen möglich war.
Bei einem Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung gem. den Merkmalen des Anspruchs 11, wird die Speicherkapazität effektiv um die weitere Kapazität vergrößert. Bei einer gegebenen Vorspannung an dem Foto-Sensorelement, insbesondere einer Fotodiode wird deren dynamischer Bereich vergrößert.
Eine preiswerte und einfache Möglichkeit zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Anordnung eröffnet die an sich bekannte Mehrschicht- Bildsensortechnologie mit obenliegendem Foto-Sensorelement, insbesondere Fotodiode, in Ausgestaltung des Anspruchs 6.
Sollen Bottomgate-Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen, vermeidet ein Aufbau der weiteren Kapazität als Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 die Notwendigkeit von Durchkontaktierungen durch das Gate- Dielektrikum und spart somit Prozess-Schritte in der Herstellung der Sensoren.
Um Kreuzungen der gemeinsamen Elektrode mit der Ausleseleitung zu vermeiden, ist ein Aufbau der Anordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 zweckmäßig. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert,
Figur 1 : Ausschnitt der Schaltungsanordnung für einen röntgenstrahlempf indlichen S ensor. Figur 2: eine schematische Darstellung eines Layouts einer
Schaltungsanordnung nach Figur 1,
Figur 3: einen Querschnitt durch einen Sensor mit Bottomgate- Feldeffekttransistor. Technologie einer Matrix mit einer Schaltungsanordnung nach Figur 1 sowie Figur 4: einen Querschnitt durch einen Sensor mit Topgate-
Feldeffekttransistor-. Technologie einer Matrix mit einer Schaltungsanordnung nach Figur 1.
In Figur 1 ist lediglich ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, der lediglich einen röntgenstrahlempfindlichen Sensor S zeigt. Sämtliche Sensoren des Ausführungsbeispiels weisen n-Kanal-Feldeffekttransistoren auf. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung anders ausgeführte Feldeffekttransistoren zu verwenden.
In an sich bekannter Weise besteht eine Matrix aus einer Vielzahl, beispielsweise 2000 x 2000 Sensoren S, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die jeweils ersten Sensoren S einer Zeile der Matrix bilden zusammen die erste Spalte, die jeweils zweiten Sensoren jeder Zeile zusammen die zweite Spalte usw.
Jeder Sensor S weist ein Foto-Sensorelement auf. Dieses Foto-Sensorelement kann bei Einsatz geeigneter Halbleiter selbst bereits für Röntgenstrahlen empfindlich sein. Es kann sich aber auch um eine lichtempfindliche Fotodiode 1 handeln, die dann Licht empfängt, wenn auf eine über ihr angeordnete Szintillatorschicht Röntgenstrahlung trifft. Ohne Szintillatorschicht ist die Anordnung auch zur direkten Erfassung von Licht geeignet. Parallel zu den Anschlüssen der Fotodiode 1 ist eine Speicherkapazität 2 geschaltet. Die Anode der Fotodiode 1 sowie eine Elektrode der Speicherkapazität 2 sind mit einer allgemeinen Elektrode 9 verbunden, welche diese mit einer negativen Gleichspannung vorspannt. Die Kathode der Fotodiode 1 sowie die andere Elektrode der Speicherkapazität 2 sind mit einem Source- Anschluß eines Steuer-Feldeffekttransistors 5 verbunden. Der Drain- Anschluß dieses Steuer-Feldeffekttransistors 5 ist wiederum mit einem Source- Anschluß eines Schalt-Feldeffekttransistors 3 verbunden.
Trifft auf die Fotodiode 1 Strahlung auf, werden in der Fotodiode 1
Ladungsträgerpaare (Ladungen) erzeugt, wodurch die geladene Speicherkapazität teilweise entladen wird. Die Entladung hängt von der Anzahl der auf die Fotodiode 1 auftreffenden Photonen ab. Durch Ausgleichen der jeweils fehlenden Ladung über die leitfähigen Kanäle der Feldeffekttransistoren 3, 5 läßt sich jeder Sensor einzeln auslesen. Dazu ist für jede Zeile der Sensormatrix eine Steuerleitung 6 und eine Schaltleitung 7 vorgesehen. Die Schaltleitung 7 ist mit den Gate- Anschlüssen der Schalt-Feldeffekttransistoren 3 und die Steuerleitung mit den Gate-Anschlüssen der Steuer-Feldeffekttransistoren 5 der Sensoren S verbunden.
Die Schalt- und Steuerleitungen 6, 7 aktivieren somit die Feldeffekttransistoren 3, 5 der ihnen zugeordneten Zeile der Matrix. Sie werden beispielsweise mittels einer in der Figur nicht dargestellten, an sich bekannten Treiberschaltung angesteuert, die verschiedene analoge Steuerspannungen auf die Leitungen 6,7 aufschaltet. Die Treiberschaltung dient dazu, zum Auslesen der in den Sensoren S gespeicherten Ladungen die Zeilen der Sensormatrix nacheinander zu aktivieren.
Für jede Spalte der Matrix ist in bekannter Weise eine Ausleseleitung 8 vorgesehen. Die Ausleseleitungen 8 sind sämtlich mit den Drain-Anschlüssen der Schalt- Feldeffekttransistoren 3 der Sensoren der jeweiligen Spalte verbunden. Regelmäßig ist jeder Ausleseleitung 8 ein Verstärker 11 zugeordnet, der die in den einzelnen Sensoren S zeilenweise fließenden Ladungen integriert. Diese Verstärker 11 sind einem nicht dargestellten Analogmultiplexer vorgeschaltet, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Verstärker verbunden sind. In dem Analogmultiplexer werden die gleichzeitig und parallel eintreffenden Ladungen aus jeweils einer Zeile der Matrix in ein serielles Signal umgesetzt, das zur Weiterverarbeitung an einem seriellen Ausgang des Analogmultiplexers zur Verfügung steht.
An dem Drain-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 bzw. dem Source- Anschluß des Schalt-Feldeffekttransistors 3 ist eine Elektrode einer weiteren Kapazität 4 angeschlossen, deren andere Elektrode 4a ebenfalls an der allgemeinen Elektrode 9 oder einer davon unabhängigen allgemeinen Elektrode angeschlossen ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, in die Verbindung zwischen Steuer-Feldeffekttransistor 5 und Schalt- Feldeffekttransistors 3 jedes Sensors S einen oder mehrere Kaskodetransistoren zu schalten, um die Drain-Spannung am Steuer-Feldeffekttransistor 5 zu stabilisieren.
Die weitere Kapazität 4 erlaubt in Verbindung mit dem Steuer- Feldeffekttransistor 5, dessen Gate- Anschluß über die Steuerleitung 6 angesteuert wird, folgende Betriebsweisen der einzelnen Sensoren S der erfindungsgemäßen Anordnung:
A. Kontinuierliche Ladungsübertragung
Indem eine geeignete Spannung über die Steuerleitung 6 an den Gate- Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 angelegt wird, kann dieser als Ladungspumpe arbeiten. Geeignet ist eine Spannung, wenn der Steuer-Feldeffekttransistor 5 im Sättigungsbereich arbeitet. Hierdurch wird die an der Fotodiode 1 und der Speicherkapazität 2 anliegende Spannung konstant gehalten.
Wenn in diesem Betriebsmodus des Sensors S auf die Fotodiode 1 Strahlung auftrifft, wird nicht mehr die Speicherkapazität 2 der Fotodiode 1 entladen, sondern die weitere Kapazität 4. Wird nun der Schalt-Feldeffekttransistor 3 zum Auslesen geschlossen, wird die weitere Kapazität 4 während des Auslesens der Ladung über die Ausleseleitung 8 wieder aufgeladen.
B. Gesteuerte Ladungsübertragung
Die Ladungsübertragung von der weiteren Kapazität 4 auf die Speicherkapazität 2 wird durch die Spannung an der Steuerleitung 6 bestimmt. Aufgrund dieses Zusammenhangs ist es möglich, in bestimmten Phasen der Bilddatenaquisition die unter A. beschriebene Ladungsübertragung zu unterbinden, indem über die Steuerleitung 6 an den Gate- Anschluß des Feldeffekttransistors 5 eine im Verhältnis zur Spannung am Source- Anschluß negative Spannung angelegt wird, so daß der Steuer-Feldeffekttransistor 5 sperrt. Durch Unterbinden der Ladungsübertragung wird zunächst lediglich die Speicherkapazität 2 entladen und erst anschließend aus der weiteren Kapazität 4 wieder aufgeladen. Das Ausgleichen der Ladung auf der weiteren Kapazität 4 über den aktivierten Schalt-Feldeffekttransistor 3 und die Ausleseleitung 8 kann dann stattfinden, wenn auf die Fotodiode 1 bereits wieder Strahlung auf trifft und die Kapazität 2 entladen wird.
C. Vergrößerung der Speicherkapazität
Indem eine im Verhältnis zur Spannung am Source-Anschluß große positive Spannung am Gate-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors 5 angelegt wird, wird dessen Kanal leitfähig. Indem diese Spannung aufrecht erhalten wird, wird eine ständige Verbindung zwischen der Speicherkapazität 2 und der weiteren Kapazität 4 hergestellt. Im Ergebnis ist daher die Gesamtkapazität, die zur Fotodiode 1 parallelgeschaltet ist, um die zusätzliche Kapazität 4 vergrößert. Durch diese Maßnahme läßt sich der dynamische Bereich der Fotodiode 1 bei gegebener Vorspannung vergrößern.
Figur 2 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung einer Schaltung nach Figur 1 in der an sich bekannten Mehrschicht-Bildsensortechnologie mit obenliegender Diode, wie sie beispielsweise in M.J. Powell, C. Glasse, I.D. French, A.R. Franklin, J.R. Hughes and J.E. Curran, Materials Research Symposium Proceedings, 467 863 (1997) beschrieben ist. Übereinstimmend mit Figur 1 gibt Figur 2 lediglich exemplarisch einen Sensor als Ausschnitt der Matrix aus einer Vielzahl von gleich aufgebauten Sensoren wieder.
Zwei Hauptverbindungen sind in beiden Richtungen des Sensors vorgesehen: die Schaltleitung 7 und die Steuerleitung 6 und rechtwinklig zu diesen Leitungen die Ausleseleitung 8 und die allgemeine Elektrode 9. Wie aus den Figuren 3 und 4 erkennbar sind in der Mehrschicht-Bildsensortechnologie drei Metallisierungsschichten 12, 13, 14 ausgeführt, so daß grundsätzlich für den Verlauf der gemeinsamen Elektrode 9 eine der beiden Richtungen frei gewählt werden kann. Es ist jedoch vorteilhaft, wie in Figur 2 gezeigt, Kreuzungen mit der Ausleseleitung 8 zu vermeiden. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen in der Mehrschicht- Bildsensortechnologie ausgeführten Sensor S mit dem Schalt-Feldeffekttransistor 3 und Steuer-Feldeffekttransistor 5 als Bottomgate-Feldeffekttransistor. Im einzelnen weist der Sensor S eine erste Metallisierungsschicht 12, eine darüber angeordnete zweite Metallisierungsschicht 13 und eine darüber angeordnete dritte Metallisierungsschicht 14 auf.
In der ersten Metallisierungsschicht 12 befindet sich das Gate-Metall für die Steuerleitung 6 und die Schaltleitung 7 sowie ein weiterer Metallisierungsbereich 15, der Bestandteil der weiteren Kapazität 4 ist. Zwischen der darüberliegenden
Metallisierungsschicht 13 und der ersten Metallisierungsschicht 12 befindet sich eine Schicht Gate-Dielektrikum 16, auf der bereichsweise amorphes Silizium als Halbleitermaterial 17 aufgebracht ist. In der zweiten. Metallisierungsschicht 13 auf dem Halblei termaterial 17 befinden sich die Drain- und Source Anschlüsse des Schalt-Feldeffekttransistors 3 und des Steuer-Feldeffekttransistors 5 sowie zwei weitere Metallisierungsbereiche 18, 19, die ebenfalls Bestandteile der weiteren Kapazität 4 sind. Die Metallisierungsbereiche 15, 18, 19 der ersten und zweiten Metallisierungsschicht bilden, getrennt durch das Gate-Dielektrikum 16, zwei Kondensatoren, die in Reihenschaltung die weitere Kapazität 4 ergeben. Der Metallisierungsbereich 15 in der ersten Metallisierungsschicht 12 ist gemeinsame Elektrode und galvanische Verbindung der beiden hintereinandergeschalteten Kondensatoren, während die Metallisierungsbereiche 18, 19 die Gegenelektroden der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren bilden. Die Reihenschaltung vermeidet die Notwendigkeit von Durchkontaktierungen durch das Gate-Dielektrikum 16, da die zusätzliche Kapazität 4 zwischen der gemeinsamen Elektrode 9 und dem Source- Anschluss des Schalt- Feldeffekttransistors 3 liegt.
Die durch den Metallisierungsbereich 18 gebildete Gegenelektrode ist über eine zusätzliche Durchkontaktierung 21 mit der allgemeinen Elektrode 9 verbunden. Der Metallisierungsbereich 18 entspricht dem Anschluß 4 a der zusätzlichen Kapazität 4 in Figur 1, der in dieser Ausführungsform mit der allgemeinen Elektrode 9 verbunden ist. Die Durchkontaktierung 22 ist auch bei den in herkömmlicher Mehrschicht- Bildsensortechnologie hergestellten Sensoren schon vorhanden und verbindet die eine intrinsische Kapazität aufweisende Fotodiode 1, 2 mit dem Source Anschluß des Steuer- Feldeffekttransistors 5 in der Metallisierungsschicht 13 (vgl. auch Figur 1).
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen in der Mehrschicht-
Bildsensortechnologie ausgeführten Sensor S mit dem Schalt-Feldeffekttransistor 3 und Steuer-Feldeffekttransistor 5 als Topgate-Feldeffekttransistor. In dieser Ausführung des Sensors S befindet sich der Source- Anschluß des Schalt-Feldeffekttransistors 3 in der Metallisierungsschicht 12. Die Kapazität 4 nutzt das Gate-Dielektrikum 16 der Feldeffekttransistoren 3, 5, das sich über den gesamten Bereich des Sensors S erstreckt. Bei diesem Layout ist es nicht notwendig, die weitere Kapazität 4 in zwei in Serie geschaltete Kondensatoren aufzuteilen, weil sich der Source-Anschluss des Schalt-Feldeffekttransistors 3 in der Metallisierungsschicht 12 befindet, die das Source-/Drainmetall der beiden Feldeffekttransistoren 3,5 sowie die Gegenelektrode der weiteren Kapazität 4 bildet. Die Metallisierungsschicht 13 beinhaltet die mit der gemeinsamen Elektrode 9 verbundene Elektrode der zusätzlichen Kapazität 4 sowie die Gate-Anschlüsse der beiden Feldeffekttransistoren 3,5.
Neben den beschriebenen Ausführungsformen könnte die weitere Kapazität 4 in der Isolierschicht 23 zur Passivierung der Fotodiode 1,2 realisiert werden. Dies würde allerdings nach wie vor eine Durchkontaktierung erfordern. Außerdem beansprucht eine dort plazierte Kapazität Hache auf dem Isolator 24 und verringert damit den aktiven Bereich der Fotodiode 1,2.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Anordnung mit in einer Matrix in Zeilen und Spalten angeordneten licht- oder röntgenstrahlenempfindlichen Sensoren (S), die in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlungsmenge Ladungen erzeugen, wobei jeder Sensor (S) jeweils ein Foto-Sensorelement (1) mit intrinsischer und/oder zu dessen Anschlüssen parallel geschalteter Speicherkapazität (2) und jeweils einen Transistor (3) aufweist, mit mindestens einer Schaltleitung (7) je Sensoren-Zeile, über die die Transistoren (3) aktivierbar sind, so daß die Ladungen der jeweils aktivierten Sensoren (S) gleichzeitig über Ausleseleitungen (8) ausgelesen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (S) einen weiteren direkt mit dem Foto- Sensorelement (1) verbundenen Transistor (5) aufweist, der über mindestens eine Steuerleitung (6) aktivierbar ist, daß die beiden Transistoren (3, 5) jedes Sensors (S) in Reihe geschaltet sind und an der Verbindung der beiden Transistoren (3, 5) eine Elektrode einer weiteren Kapazität (4) angeschlossen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aß die weiteren Transistoren (5) über mindestens eine Steuerleitung (6) je Sensoren-Zeile oder eine
Steuerleitung für die gesamte Matrix aktivierbar sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Transistoren (3, 5) jedes Sensors als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind, deren leitfähige Kanäle in Reihe geschaltet sind, wobei der Gate- Anschluß des mit dem Foto- Sensorelement (1) verbundenen Steuer-Feldeffekttransistors (5) mit der Steuerleitung (6) und der Gate-Anschluß des in Reihe geschalteten Schalt-Feldeffekttransistors (3) mit der Schaltleitung (7) verbunden ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kapazität (4) kleiner als die Speicherkapazität (2) ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bestandteile des Sensors (5) in einem Dünnfilmsubstrat übereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (S) in Mehrschicht-Bildsensortechnologie mit obenliegendem Foto- Sensorelement (1) mit einer ersten Metallisierungsschicht (12), einer darüber angeordneten zweiten Metallisierungsschicht (13) und einer über der zweiten Metallisierungsschicht (13) angeordneten dritten Metallisierungsschicht (14) sowie einer Schicht Gate-Dielektrikum (16) zwischen der ersten und zweiten Metallisierungsschicht (12, 13) ausgeführt ist, wobei
Metallisierungsbereiche (15, 18, 19) in der ersten und zweiten Metallisierungsschicht (12, 13) die weitere Kapazität (4) bilden, die über eine im Randbereich des Sensors (S) angeordnete Durchkontaktierung (21) mit der allgemeinen Elektrode (9) verbunden ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Metallisierungsbereich (15) in der ersten Metallisierungsschicht (12) Bestandteil der weiteren Kapazität (4) ist, daß zwei Metallisierungsbereiche (18, 19) in der zweiten Metallisierungsschicht (13) ebenfalls Bestandteile der weiteren Kapazität (4) sind, wobei die Metallisierungsbereiche (15, 18, 19) der ersten und zweiten Metallisierungsschicht (12, 13) die Elektroden von zwei Kondensatoren bilden, die in Reihenschaltung die weitere Kapazität (4) ergeben, wobei der Metallisierungsbereich (15) in der ersten Metallisierungsschicht (12) gemeinsame Elektrode und galvanische Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren ist, während die Metallisierungsbereiche (18, 19) in der zweiten Metallisierungsschicht (13) die Gegenelektroden der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren bilden.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt-(7) und die Steuerleitung (6) parallel zueinander und senkrecht zur Ausleseleitung (8) und allgemeinen Elektrode (9) verlaufen.
9. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Gate-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors (5) jedes Sensors (S) anliegende Spannung so gewählt wird, daß dieser die Spannung an dem Foto- Sensorelement(l) konstant hält und somit als Ladungspumpe arbeitet.
10. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 3 -8, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Kanal des Steuer-Feldeffekttransistors (5) jedes Sensors (S) während der Ladungsintegration der auf dem Foto-Sensorelement (1) auftreffenden Strahlung auf die Speicherkapazität (2) gesperrt wird und daß die Ladung anschließend durch Entsperren des leitfähigen Kanals auf die weitere Kapazität (4) übertragen und von dort durch Entsperren des leitfähigen Kanals des Schalt- Feldeffekttransistors (3) ausgelesen wird.
11. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der Ansprüche 3 - 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Gate-Anschluß des Steuer-Feldeffekttransistors (5) anliegende Spannung jedes Sensors (S) so groß gewählt wird, daß dessen leitfähiger Kanal die Speicherkapazität (2) direkt mit der weiteren Kapazität (4) verbindet.
12. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Röntgen-Untersuchungsgerät.
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