WO2007122890A1 - 光電変換装置及び放射線像撮像装置 - Google Patents

光電変換装置及び放射線像撮像装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2007122890A1
WO2007122890A1 PCT/JP2007/054664 JP2007054664W WO2007122890A1 WO 2007122890 A1 WO2007122890 A1 WO 2007122890A1 JP 2007054664 W JP2007054664 W JP 2007054664W WO 2007122890 A1 WO2007122890 A1 WO 2007122890A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
voltage
photoelectric conversion
type semiconductor
semiconductor layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/054664
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Naoki Masazumi
Kouichi Ishida
Satoshi Masuda
Original Assignee
Konica Minolta Medical & Graphic, Inc.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. filed Critical Konica Minolta Medical & Graphic, Inc.
Priority to JP2008512006A priority Critical patent/JP4858540B2/ja
Publication of WO2007122890A1 publication Critical patent/WO2007122890A1/ja

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
    • H01L27/14645—Colour imagers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/241—Electrode arrangements, e.g. continuous or parallel strips or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/30—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming X-rays into image signals

Definitions

  • the present invention relates to a photoelectric conversion device and a radiation image capturing device.
  • a film screen system combining an intensifying screen and a radiographic film is often used for capturing a radiation image.
  • the radiation including the internal information of the subject that has passed through the subject is converted into visible light proportional to the intensity of the radiation by the intensifying screen, and the visible light is exposed to the radiographic film, so that the radiation image is formed. Formed on a film.
  • a film system there is a problem in that it takes time and effort because there is a film development process in the middle before the doctor obtains the captured radiographic image.
  • the thin film transistor (hereinafter referred to as “TFT”) converts the electrical signal converted into visible light proportional to the intensity of the radiation by a phosphor and converted by a photoelectric conversion element such as a photodiode.
  • FPDs flat panel detectors
  • the cause of leakage current and shot noise is the trap in the photoelectric conversion film. This is because a pre-level exists.
  • the trap level is present in the photoelectric conversion film and on the side surface. In particular, the side surface is prone to damage because the photoelectric conversion film is easily damaged by etching or the like.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6-232443
  • FIG. 1 (a) is an explanatory diagram for explaining a conventional method of driving a photoelectric conversion element
  • FIG. 1 (b) is an explanatory diagram showing a relationship between an exposure amount and a generated electron'hole pair
  • FIG. ) Is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the force sword electrode potential
  • FIG. 1 (d) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the leakage current.
  • a PIN (P—INTRINSIC—N) type photodiode 10 shown in FIG. 1A will be described as an example.
  • the PIN photodiode 10 includes a cathode electrode 2 on the substrate 1, an anode electrode 6, an N-type semiconductor layer 3 that is a photoelectric conversion layer 50 formed between the force sword electrode 2 and the anode electrode 6, and an i-type. Consists of semiconductor layer 4 and P-type semiconductor layer 5
  • the positive terminal of the reference power supply 20 is connected to the force sword electrode 2 through the switch 21.
  • the negative terminal of the reference power supply 20 is connected to the anode electrode 6.
  • the switch 21 is turned off to start exposure.
  • the anode electrode 6 side is a light receiving surface, and a light beam L indicated by an arrow in FIG. 1 (a) is transmitted through the transparent anode electrode 6 and irradiated onto the P-type semiconductor layer 5.
  • the irradiated light beam L passes through the P-type semiconductor layer 5 and enters the i-type semiconductor layer 4, and its energy Absorbs energy and generates electron-hole pairs in the i-type semiconductor layer 4.
  • the electron-hole pairs generated increase as the exposure dose increases.
  • FIG. 1 (c) the potential of the force sword electrode 2 decreases.
  • the force sword electrode 2 decreases in proportion to the voltage V force exposure amount in the initialized state, the exposure amount can be obtained from the voltage of the force sword electrode 2 after exposure.
  • the leakage current io flowing through the side surface of the photoelectric conversion layer 50 is larger. Therefore, as shown in FIG. When 1 is turned on and reset, the largest exposure dose increases and the leakage current io decreases as the voltage of the force sword electrode 2 decreases.
  • the conventional photoelectric conversion element has a characteristic that the ratio of the leakage current io to the signal current increases as the exposure amount decreases.
  • a characteristic is problematic in terms of SZN. is there.
  • the smaller the exposure amount the greater the ratio of the leakage current io that is noise to the signal current due to electron-hole pairs generated by exposure, and thus the power that makes SZN worse.
  • the leak current io is reduced by adopting a process that reduces the trap level and keeps the leak current io low, as in Patent Document 1, even if the exposure dose is small V, sometimes SZN is bad. You cannot change the characteristics!
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a photoelectric conversion device and a radiation image capturing device that improve SZN when the exposure amount is small. Means for solving the problem
  • a photoelectric conversion element including a first electrode, a photoelectric conversion layer composed of a plurality of layers, and a second electrode on a substrate,
  • a bias power source that constantly applies a first voltage to the first electrode
  • An initialization mode in which the second electrode is initialized by applying a second voltage at which the photoelectric conversion element is reverse-biased, and light incident on the photoelectric conversion layer with the second electrode in a floating state A switching means for switching a photoelectric conversion mode for converting electrons or holes generated by the above-mentioned second electrode force into an electrical signal,
  • the photoelectric conversion element includes a third electrode surrounding the second electrode on the same plane as the second electrode, and the photoelectric conversion device further applies a third voltage to the third electrode at all times.
  • a guard electrode power source to be applied, and the third voltage is when the second voltage is lower than the first voltage
  • the photoelectric conversion device wherein the voltage is lower than the first voltage and the second voltage is higher than the first voltage when the second voltage is higher than the first voltage.
  • photoelectric conversion device includes a P-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer.
  • photoelectric conversion device includes an insulating layer, an i-type semiconductor layer, and an N-type semiconductor layer.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a problem of leakage current generated in a conventional photoelectric conversion element.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a leakage current when the third voltage V3 applied to the third electrode 103 is changed.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of an FPD having the photoelectric conversion device of the first embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a configuration of a photoelectric conversion element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a configuration of a photoelectric conversion element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a configuration of a photoelectric conversion element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a configuration of a photoelectric conversion element according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of an FPD having the photoelectric conversion device of the second embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the photoelectric conversion device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (c) are explanatory diagrams for explaining a driving method of the photoelectric conversion device of the first embodiment
  • FIG. 2 (b) is a diagram illustrating the second electrode 102 and the third electrode 103
  • FIG. 2D is an explanatory diagram for explaining a cross section B—B ′ of the N-type semiconductor layer 3.
  • FIG. 2B is a front view of the cross section A—A ′ of FIG.
  • the third electrode 103 is formed so as to surround the second electrode 102 with the i-type semiconductor layer 4 interposed therebetween.
  • the shape of the third electrode 103 need not be limited to the closed shape surrounding the second electrode 102 shown in FIG. 2 (b), and may be, for example, a U-shape.
  • the wiring to the second electrode 102 on the inner side is formed in the same plane where the third electrode 103 and the second electrode 102 exist. can do. Therefore, it is not necessary to provide a layer for wiring, and the manufacturing efficiency can be improved.
  • FIG. 2 (d) is a front view of the cross-section BB ′ of FIG.
  • the N-type semiconductor layer 3 is formed on the second electrode 102 and the third electrode 103, and is separated with the i-type semiconductor layer 4 interposed therebetween. Yes. That is, the N-type semiconductor layer 3 formed on the second electrode 102 and the third electrode 103 is continuously! /! /.
  • An i-type semiconductor layer 4 is formed on the N-type semiconductor layer 3, and a P-type semiconductor layer 5 is formed on the upper layer.
  • a first electrode 101 is formed on the P-type semiconductor layer 5 at a position facing the second electrode 102.
  • the photoelectric conversion layer 5 of the PIN photodiode 11 0 is composed of an N-type semiconductor layer 3, an i-type semiconductor layer 4, and a P-type semiconductor layer 5.
  • FIG. 2 (e) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the generated electron 'hole pair
  • FIG. 2 (f) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the second electrode potential
  • FIG. g) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the leakage current.
  • the positive terminal of the reference power supply 20 is connected to the second electrode 102 via the switch 21, and the second voltage V2 is applied.
  • a ground side terminal of the reference power supply 20 is connected to the first electrode 101, and OV is always applied as the first voltage VI.
  • the guard electrode power supply 87 is a power supply that applies the third voltage V3 to the third electrode 103.
  • the first voltage VI ⁇ the second voltage V2
  • the third voltage V3 the second voltage V2
  • switch 21 is turned on, the second voltage V2 is applied to the second electrode 102, and the PIN photodiode 11 is reverse-biased. Apply voltage.
  • Switch 21 is the switching means of the present invention.
  • the switch 21 is turned off to start exposure.
  • the first electrode 101 side is a light receiving surface, and a light beam L indicated by an arrow in FIG. 2 (c) is a transparent first formed of a compound containing indium or tin, such as ITO, or an oxide.
  • the P-type semiconductor layer 5 is irradiated through the electrode 101.
  • the irradiated light beam L passes through the P-type semiconductor layer 5 and enters the i-type semiconductor layer 4 to generate electron 'hole pairs.
  • the electron-hole pairs generated increase as the exposure dose increases.
  • FIG. 2 (f) the potential of the second electrode 102 decreases. Therefore, as with the PIN photodiode 10 described in FIG. 1, the voltage of the second electrode 102 decreases as the exposure amount increases most when the switch 21 is turned on and initialized before exposure. To do.
  • the third electrode 103 forces the leak current is flowing through the first electrode 101, and the third electrode 103 to the second electrode A leak current iu flowing in the electrode 102 is generated.
  • the third electrode 103 is a guard electrode power supply 8 Since it is connected to 7 and is always fixed at the third voltage V3, the potential of the second electrode 102 is not affected even if the leakage current is flows! /.
  • the third electrode 103 and the second electrode 102 have the same voltage when the switch 21 is turned on. In the initialization state where the second voltage V2 and the third voltage V3 are applied, the leakage current iu is zero.
  • the voltage of the second electrode 102 decreases as shown in FIG. 2 (f), so the leakage current iu flowing from the third electrode 103 to the second electrode 102 is as shown in FIG. As shown by the solid line in (g), it increases in proportion to the exposure amount.
  • the leakage current io generated in the conventional PIN photodiode 10 is the largest when the exposure is small, and the power that SZN exerts when the exposure is small In this embodiment, since the leakage current increases in proportion to the exposure amount, SZN when the exposure amount is small is greatly improved.
  • the conventional leakage current io is a force flowing from the second electrode 102 to the first electrode 101 through the side surface of the PIN photodiode 10 as shown in FIG.
  • the thickness is determined, for example, about 1 ⁇ m.
  • the distance between the third electrode 103 and the second electrode 102 through which the generated leakage current iu flows is greatly separated from, for example, about 5 to about L0 m, and the resistance value therebetween is set. Can be high. In this way, the maximum value of the leakage current iu can be made smaller than the maximum value of the conventional leakage current io, so that SZN can be further improved.
  • the N-type semiconductor layer 3 is separated between the second electrode 102 and the third electrode 103, and the i-type semiconductor layer 4 is interposed therebetween. Therefore, the resistance value is higher than when the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are included. As a result, the maximum value of the leak current iu can be further reduced, and SZN can be further improved.
  • the third voltage V3 applied to the third electrode 103 is the same voltage as the second voltage V2 that is the voltage applied to the second electrode 102 in the initialized state.
  • the first voltage VI ⁇ the second voltage V2 the same effect can be obtained if the third voltage V3 exceeds the first voltage VI. That is, the first voltage VI ⁇ the third voltage V3 may be satisfied.
  • the PIN type photo diode The diode 10 is forward biased and does not function as a photoelectric conversion element.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the leakage current when the third voltage V 3 applied to the third electrode 103 is changed.
  • the third voltage V3 applied to the third electrode 103 using FIGS. 3 (a) and 3 (b) is the second voltage V2 that is the initial voltage applied to the second electrode 102.
  • the lower case will be described. That is, the case of the first voltage VI ⁇ the third voltage V3 and the second voltage V2. Also in this case, the leakage current is flowing from the third electrode 103 to the first electrode 101 does not affect the potential of the second electrode 102 as described in FIG.
  • the leakage current iu is generated by the potential difference between the third electrode 103 and the second electrode 102, in the initialization state where the second electrode 102 is applied with the second voltage V2, A leakage current iu flows from the second electrode 102 to the third electrode 103 where the potential of the third electrode 103 (the third voltage V3) is lower.
  • the direction of the leakage current iu shown in Fig. 2 (c) is the opposite direction, and in Fig. 3 (b), it is represented by a negative current value.
  • the absolute value of the leakage current iu decreases, and when the potential of the second electrode 102 becomes equal to the third voltage V3, the leakage current iu becomes zero.
  • the direction of the leakage current iu flows from the third electrode 103 to the second electrode 102.
  • the third voltage V3 applied to the third electrode 103 is higher than the second voltage V2 when the initial voltage applied to the second electrode 102 is higher.
  • the first voltage VI ⁇ the second voltage V2 ⁇ the third voltage V3.
  • the leakage current is flowing through the first electrode 101 and the third electrode 103 does not affect the potential of the second electrode 102.
  • the third voltage V3 of the third electrode 103 is higher than the third electrode 103 even in the initialized state.
  • a leakage current iu flows through the second electrode 102. Furthermore, the leakage current iu increases as the exposure dose increases.
  • the leakage current iu when the exposure amount is 0 is not 0! /, But the absolute value can be made smaller than the conventional leakage current io. SZN can be improved. Further, by setting the third voltage V3 applied to the third electrode 103, the exposure amount at which the leak current iu becomes 0 can be set. In general, the same voltage as the second voltage V2, which is the voltage applied to the second electrode 102 in the initialization state, is the third voltage V3, and exposure It is desirable to set the leakage current iu when the amount is zero to zero. When the third voltage V3 and the second voltage V2 are the same voltage, the guard electrode power supply 87 and the reference power supply 20 can be shared.
  • the behavior of the leakage current iu is the distance between the second electrode 102 and the third electrode 103, the i-type semiconductor layer 4 or the i-type semiconductor layer 4 existing between the electrodes. It is preferable to determine by experiment because it changes depending on the state of the interface between substrate and substrate 1.
  • FPD Flat Panel Detector
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of an FPD having the photoelectric conversion device of the first embodiment.
  • the FPD 80 in FIG. 4 has a PIN type photodiode 11 of 2 rows ⁇ 3 columns as a photoelectric conversion element.
  • the FPD80 is a type classified as an indirect type, and uses a fluorescent plate 200 that converts radiation into visible light, a PIN photodiode 11 that photoelectrically converts visible light from the fluorescent plate 200, and a switch element 84.
  • the circuit board 95 is formed with a read circuit formed thereon.
  • FIG. 4 shows a circuit of the circuit board 95 and peripheral circuits. Note that functional elements having the same functions as the functional elements described with reference to FIG.
  • the circuit board 95 forms one pixel by one combination of each of the PIN photodiode 11 and the switch element 84, and has 2 rows ⁇ 3 columns of pixels in total.
  • the switch element 84 in FIG. 4 is, for example, a TFT (THIN FILM TRANSISTOR), the source of the switch element 84 is connected to the source lines 93a, 93b, and 93c, and the drain is the second of each PIN photodiode 11 Each is connected to an electrode 102 (force sword).
  • the switch element 84 is not particularly limited, and any element having a switch function such as an a-Si TFT, a poly-Si TFT, or an organic transistor can be used.
  • the gate of the switch element 84 is connected to the gate lines 85a and 85b.
  • the first electrode 101 (anode) of the PIN photodiode 11 is connected to a bias line 83, and the bias line 83 is connected to a noisy power source 82, to which a first voltage is applied.
  • the first voltage VI is assumed to be set to 0V.
  • the gate lines 85a and 85b are connected to the output terminals G and G of the scan driving circuit 86, respectively.
  • the source lines 93a, 93b, 93c are connected to the —input terminal of the OP amplifier 90, respectively.
  • the second voltage V2 is applied from the reference power supply 20 to the + input terminal of the OP amplifier 90.
  • a capacitor 91 and a switch 92 are connected in parallel between one input terminal of the OP amplifier 90 and the output to constitute a charge sensing amplifier 99.
  • the charge sensing amplifier 99 is a known integration circuit.
  • the current flowing into one input terminal is integrated by the capacitor 91, and the integrated value of the input current becomes the output voltage.
  • the switch 92 is provided to short-circuit both ends of the capacitor 91 and reset the output voltage of the OP amplifier.
  • the reading unit 97 has three circuits of charge sensing amplifiers 99 that are configured by an OP amplifier 90, a capacitor 91, and a switch 92 force.
  • the third electrode 103 is connected to the guard electrode power supply 87, and the third voltage V3 is applied from the guard electrode power supply 87.
  • the third voltage V3 may be a voltage exceeding the first voltage VI, that is, the third voltage V3> the first voltage VI.
  • the force that separates the guard electrode power supply 87 and the reference power supply 20 for example, the third voltage V3 is set to the same voltage as the second voltage V2, and the second voltage V2 is set from the guard electrode power supply 87. May be applied.
  • a force in which the third voltage V 3 is applied to a line common to all the third electrodes 103 is divided into blocks, and the plurality of guard electrode power supplies 87 are divided. To the third voltage V3 may be applied.
  • the scanning drive circuit 86 is a drive means for the switch element 84.
  • the scanning drive circuit 86 has gate lines 85a and 85b connected to its output terminals G and G, and sequentially outputs positive voltages to gates.
  • Scan lines 85a and 85b When a positive voltage is output from the scanning drive circuit 86, the switch element 84 connected to the same gate line is turned on, and the second electrode 102 is connected to the OP amplifier 90 via the source lines 93a, 93b, and 93c. Connected to one input terminal. Then, the charge accumulated in the PIN photodiode 11 is converted into a voltage by the charge sensing amplifier 99.
  • the charge sensing amplifier 99 is used for the reading unit 97 will be described, but a circuit that directly reads the voltage of the PIN photodiode 11 may be used.
  • the fluorescent plate 200 covers the circuit board described above, and is configured such that visible light generated by the fluorescent plate 200 is incident on the PIN photodiode 11. [0064] The operation of the above FPD 80 will be described.
  • the switch 92 In the initialization mode, the switch 92 is on, and the output voltage of the OP amplifier 90 is the same voltage as the second voltage V2.
  • the scanning drive circuit 86 makes the gate lines 85a and 85b noise, all the switch elements 84 connected to the gate lines are turned on, and the second voltage V2 is applied to the second electrode 102.
  • the switch element 84 is the switching means of the present invention.
  • the radiation irradiation device force (not shown) also starts radiation exposure. .
  • the fluorescent plate 200 exposed to the radiation emits fluorescence, and the PIN photodiode 11 that has received the fluorescence generates an electron hole pair therein, and the charged charge is generated. Is discharged. Therefore, the charge charged in the PIN photodiode 11 is reduced by the amount of the generated electron'hole pair.
  • all switches 92 are on.
  • a readout scan is performed. During the readout scan, switch 92 is off.
  • the scan drive circuit 86 sequentially outputs positive voltages to the gate lines 85a and 85b, and when the switch element 84 is turned on, the voltage converted from the charge voltage is output from the OP amplifier 90. Charge The voltage-converted voltage corresponds to the charge extinguished by the discharge from the PIN photodiode 11 during radiation exposure. In this way, an image of the radiation incident on the fluorescent screen 200 is read out two-dimensionally as a voltage.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the photoelectric conversion apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5A and 5C are explanatory diagrams for explaining a driving method of the photoelectric conversion device of the second embodiment
  • FIG. 5B is a diagram illustrating the second electrode 103 and the third electrode 103. It is explanatory drawing explaining the cross section CC 'of C
  • the difference from the PIN photodiode 11 described in FIG. 2 is that the second electrode 102 and the third electrode 103 are formed in the uppermost layer in this embodiment.
  • Fig. 5 (a) and (c) As described above, the first electrode 101 is provided on the substrate 1, and the N-type semiconductor layer 3 and the i-type semiconductor layer 4 are provided between the first electrode 101, the second electrode 102, and the third electrode 103.
  • a photoelectric conversion layer 50 composed of the P-type semiconductor layer 5 is formed.
  • FIG. 5B is a front view of the cross-section C—C ′ in FIG.
  • a third electrode 103 is formed on the P-type semiconductor layer 5 so as to surround the second electrode 102.
  • the P-type semiconductor layer 5 is separated into a portion in contact with the second electrode 102 and a portion in contact with the third electrode 103. That is, the portion in contact with the second electrode 102 and the P-type semiconductor layer 5 in contact with the third electrode 103 are not continuous.
  • the shape of the third electrode 103 need not be limited to the closed shape surrounding the second electrode 102 shown in FIG.
  • the wiring to the second electrode 102 on the inner side is formed in the same plane where the third electrode 103 and the second electrode 102 exist. can do. Therefore, it is not necessary to provide a layer for wiring, and the manufacturing efficiency can be improved.
  • Fig. 5 (d) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure dose and the generated electron 'hole pair
  • Fig. 5 (e) is an explanatory diagram showing the relationship between the exposure light amount and the second electrode potential
  • Fig. 5 (f) is an explanatory view showing the relationship between the exposure amount and the leakage current.
  • the positive terminal of the reference power supply 20 is grounded to the ground, and the negative terminal of the reference power supply 20 is connected to the second electrode 102 via the switch 21. Therefore, in the second embodiment, the second voltage V2, which is a negative voltage, is applied to the second electrode 102.
  • the first voltage VI is 0V.
  • the guard electrode power supply 87 applies the third voltage V3 to the third electrode 103.
  • the second voltage V2 is the first voltage VI
  • the third voltage V3 is the second voltage V2, that is, the second voltage V2 is the third voltage V3 ⁇ the first voltage V1. Will be described with reference to FIG.
  • the switch 21 In the initialization mode, when the switch 21 is turned on and the second voltage V 2 is applied to the second electrode 102, a reverse bias voltage is applied to the PIN photodiode 12.
  • the switch 21 In the photoelectric conversion mode, as shown in FIG. 5 (c), the switch 21 is turned off and exposure is started.
  • the second electrode 102 side is a light receiving surface, and a light beam L indicated by an arrow in FIG. 5C passes through the transparent second electrode 102 and is irradiated onto the P-type semiconductor layer 5.
  • the irradiated light beam L passes through the P-type semiconductor layer 5 and enters the i-type semiconductor layer 4 to generate electron 'hole pairs.
  • the number of electron-hole pairs generated increases as the amount of exposure increases.
  • the potential of the second electrode 102 rises. Therefore, in the second embodiment, the voltage of the potential of the second electrode 102 increases as the exposure amount that becomes the lowest when the switch 21 is turned on and initialized before exposure increases.
  • the third electrode 103 is connected to the reference power supply 20, and is always fixed at the third voltage V3. Therefore, even if the leakage current iv flows, the second electrode 102 Does not affect the potential.
  • the leakage current iw is generated by the potential difference between the third electrode 103 and the second electrode 102, the third electrode 103 and the second electrode 102 have the same voltage when the switch 21 is turned on. In the initialized state where the third voltage V3 and the second voltage V2 are applied, the leakage current iw is zero.
  • the voltage of the second electrode 102 rises as shown in Fig. 5 (e), so the leakage current iw flowing from the second electrode 102 to the third electrode 103 is equal to Fig. 5 (f ) Increases in proportion to the exposure as shown by the solid line. As shown by the broken line in Fig.
  • the leakage current io generated in the conventional PIN photodiode 10 is the largest when the exposure is small, so the SZN is weak when the exposure is small.
  • the leakage current iw is proportional to the exposure amount, SZN when the exposure amount is small is greatly improved.
  • the distance between the third electrode 103 and the second electrode 102 is greatly separated, for example, about 5 to about L0 m, and the resistance value therebetween is increased. can do.
  • the P-type semiconductor layer 5 is separated between the second electrode 102 and the third electrode 103, and the P-type semiconductor layer 5 is also included between them. And no leakage current flows through the gap. As a result, the maximum value of the leakage current iw can be made smaller. Can improve SZN.
  • the third voltage V3 applied to the third electrode 103 is the same voltage as the second voltage V2, which is the voltage applied to the second electrode 102 in the initialized state.
  • the second voltage V2 is less than the first voltage VI and the second voltage V2 is less than the first voltage VI for the same reason as described in FIG. Similar effects can be obtained. That is, if the third voltage V3 ⁇ the first voltage VI, it is ok!
  • the behavior of the leakage current iw is the distance between the second electrode 102 and the third electrode 103, the P-type semiconductor layer 5 or the i-type semiconductor layer 4 existing between these electrodes. It is preferable to determine by experiment because it varies depending on the condition of the surface and the surface.
  • the second electrode 102, the third electrode 103, and the P-type semiconductor layer 5 thereunder are separated by etching, so that the manufacturing is easy. .
  • the photoelectric conversion layer 50 of the photoelectric conversion element is a PIN type photodiode
  • the present invention can also be applied to a PN type or Schottky type photodiode or the like.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the photoelectric conversion element according to the third embodiment of the present invention.
  • the PN photodiode 13 of the third embodiment will be described with reference to FIG. Note that the same constituent elements as those described in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the photoelectric conversion layer 50 is composed of an N-type semiconductor layer 3 and a P-type semiconductor layer 5, and there is no i-type semiconductor layer 4. It is.
  • the irradiated light beam L generates electron-hole pairs at the junction between the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5.
  • the configuration and operation of the second electrode 102 and the third electrode 103 are the same as those described with reference to FIG. 5, and the leakage current increases in proportion to the exposure amount. Therefore, the SZN when the exposure amount is small is reduced. Greatly improved.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the configuration of the photoelectric conversion element according to the fourth embodiment of the present invention. Note that the same components as those described in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 7 shows a Schottky photodiode 14 in which the photoelectric conversion layer 50 is composed of the i-type semiconductor layer 4 and the P-type semiconductor layer 5, and the N-type semiconductor layer 3 is not present. Instead, the first electrode 1 01 has the same function as that of the N-type semiconductor layer 3. Since the first electrode 101 is formed of a metal having a small work function, for example, A1, the electron among the electron'hole pairs generated in the i-type semiconductor layer 4 is allowed to pass through and blocks holes. The holes are directed toward the second electrode 102 by the internal electric field, and the potential of the second electrode 102 rises as shown in FIG. 5 (e).
  • FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the photoelectric conversion element of the fifth embodiment according to the present invention.
  • a photoelectric conversion element of the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the basic configuration of the photoelectric conversion element in the fifth embodiment is a MIS (METAL INSULATOR SEMIC ONDUCTOR) type photoelectric conversion element 15.
  • the MIS type photoelectric conversion element is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3416351.
  • a third electrode 103 is provided around the second electrode 102 as shown in FIG. 5 (b).
  • the photoelectric conversion layer 50 of the present invention includes an insulating layer 30, an i-type semiconductor layer 4, and an N-type semiconductor layer 3.
  • the insulating layer 30 is an insulating layer formed of silicon nitride (SiN) or the like that blocks passage of both electrons and holes, and has a thickness that prevents electrons and holes from passing through the tunnel effect. Set to angstrom or higher.
  • the N-type semiconductor layer 3 is formed of an a-Si n + layer in order to prevent the injection of holes from the second electrode 102 side into the i-type semiconductor layer 4.
  • a procedure for exposing the MIS photoelectric conversion element 15 for a predetermined time and accumulating charges will be described.
  • the A positive terminal of the reference power supply 20 is grounded to the ground, and a negative terminal of the reference power supply 20 is connected to the second electrode 102 via the switch 21.
  • the first electrode 101 is grounded.
  • the switch 21 is turned on and a negative voltage is applied to the second electrode 102 as the second voltage V2. Then, the holes in the i-type semiconductor layer 4 are turned into the second electrode 102 by the electric field, and electrons are injected into the i-type semiconductor layer 4. The switch 21 is turned on to initialize until holes in the i-type semiconductor layer 4 are ejected from the i-type semiconductor layer 4.
  • the switch 21 is turned off and exposure is started.
  • the second electrode 102 side is a light receiving surface, and a light beam L indicated by an arrow in FIG. 8 passes through the transparent second electrode 102 and irradiates the N-type semiconductor layer 3.
  • the irradiated light beam L passes through the N-type semiconductor layer 3 and enters the i-type semiconductor layer 4 to generate electron 'hole pairs.
  • the number of electron'-hole pairs generated increases as the exposure dose increases.
  • the generated holes are guided to the second electrode 102 by the electric field, and the electrons move in the i-type semiconductor layer 4 and move to the interface of the insulating layer 30.
  • the potential of the second electrode 102 rises as the lowest amount of exposure increases when the switch 21 is turned on and reset before exposure.
  • Leak current iw flowing from the first electrode 102 to the third electrode 103 is generated.
  • the third electrode 103 is connected to the guard electrode power supply 87 and is always fixed to the third voltage V3. Therefore, even if the leakage current iv flows, the second electrode 103 It does not affect the 102 potential.
  • the leakage current iw is generated by the potential difference between the third electrode 103 and the second electrode 102, so that the switch 21 is turned on and the second electrode 103 and the second electrode 102 are turned on.
  • the leakage current iw is zero.
  • the voltage of the second electrode 102 rises as shown in Fig. 5 (e), so the leakage current iw flowing from the second electrode 102 to the third electrode 103 is 5 As shown by the solid line in (f), it increases in proportion to the exposure amount.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of an FPD 80 ′ having the photoelectric conversion device of the second embodiment.
  • the forward direction of the PIN photodiode 12 that is a photoelectric conversion element is connected in the opposite direction to that in FIG. Accordingly, the voltage relationship between the first voltage VI applied to the first electrode and the second voltage V2 applied to the second electrode at the time of initialization is reversed. In other words, V2 ⁇ VI is different.
  • the circuit board 95 forms one pixel by one combination of the PIN photodiode 12 and the switch element 84, and has 2 rows ⁇ 3 columns of pixels in total.
  • the first electrode 101 (force sword) of the PIN photodiode 12 is connected to the bias line 83, and the noise line 83 is connected to the bias power source 82, to which the first voltage is applied.
  • the first voltage VI is assumed to be set to 0V.
  • the third electrode 103 is connected to the guard electrode power supply 87, and the third voltage V 3 is applied from the guard electrode power supply 87.
  • the third voltage V3 may be a voltage lower than the first voltage VI, that is, the third voltage V3 ⁇ the first voltage VI.
  • the guard electrode power supply 87 and the reference power supply 20 are separately provided.
  • the third voltage V3 is set to the same voltage as the second voltage V2, and the second voltage V2 is set to The voltage V2 may be applied.
  • a force in which the third voltage V3 is applied on a common line to all the third electrodes 103 is divided into blocks, and the plurality of guard electrode power supplies 87 are separated.
  • a third voltage V3 may be applied.
  • the switch 92 In the initialization state, the switch 92 is on and the output voltage of the OP amplifier 90 is the second voltage. The same voltage as V2.
  • the scanning drive circuit 86 makes the gate lines 85a and 85b noise, all the switch elements 84 connected to the gate lines are turned on, and the second voltage V2 is applied to the second electrode 102. .
  • the scanning drive circuit 86 turns off the gate lines 85a and 85b, exposure of the radiation to the fluorescent screen 200 is started.
  • the fluorescent plate 200 exposed to the radiation emits fluorescence, and the PIN photodiode 12 receiving the fluorescence generates an electron'hole pair therein, and the charged charge is generated. Discharge. Therefore, the charge charged in the PIN photodiode 12 is reduced by the amount of the generated electron'hole pair.
  • all switches 92 are on.
  • a readout scan is performed. During the readout scan, switch 92 is off.
  • the scan drive circuit 86 sequentially outputs positive voltages to the gate lines 85a and 85b, and when the switch element 84 is turned on, the voltage converted from the charge voltage is output from the OP amplifier 90. Charge The voltage-converted voltage corresponds to the charge extinguished by the discharge from the PIN photodiode 12 during radiation exposure. In this way, an image of the radiation incident on the fluorescent screen 200 is read out two-dimensionally as a voltage.
  • the photoelectric conversion element used in the circuit of FIG. 9 is not limited to the PIN photodiode 12, the PN photodiode 13 of the third embodiment, and the Schottky photodiode of the fourth embodiment.
  • the diode 14 and the MIS type photoelectric conversion element 15 of the fifth embodiment can also be applied.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

　露光量が少ないときのＳ／Ｎを改善した光電変換装置及びこの光電変換装置を備えた放射線像撮像装置を提供する。 この光電変換装置は、基板上に少なくとも第１の電極と光電変換層と第２の電極を有し、第１の電極に常時第１の電圧を印加し、第２の電極に第２の電圧を印加して初期化した後、第２の電極をフローティング状態にして、光電変換層に入射した光により発生した電子またはホールを第２の電極から読み出す光電変換素子において、第２の電極と同一面上に、第２の電極を囲むように第３の電極を設け、第１の電圧が第２の電圧より高いときは、第２の電圧より高い電圧を、第２の電圧が第１の電圧より高いときは、第１の電圧より高い電圧を、第３の電圧として常時第３の電極に印加することを特徴とする。

Description

明 細 書
光電変換装置及び放射線像撮像装置
技術分野
[0001] 本発明は、光電変換装置及び放射線像撮像装置に関する。
背景技術
[0002] 従来カゝら放射線像の撮像には、増感紙と放射線写真フィルムを組み合わせたフィ ルムスクリーンシステムがよく用いられている。この方法によれば、被写体を透過した 被写体の内部情報を含む放射線が増感紙によって放射線の強度に比例した可視光 に変換され、その可視光が放射線写真フィルムを感光させることにより、放射線像が フィルム上に形成される。しかしながらこのようなフィルム方式では、撮像した放射線 画像を医師が得るまでには、途中にフィルムの現像過程があるため、手間と時間を要 する等の問題がある。
[0003] また、最近の技術の進歩により、医療業界において、放射線画像情報を放射線写 真フィルムを介さずに直接電気信号として得たいという要求が高まりつつある。すな わち、放射線を蛍光体によって放射線の強度に比例した可視光に変換し、さらにフォ トダイオードなどの光電変換素子により変換された電気信号を、薄膜トランジスタ (以 降「TFT」と呼ぶ）を用いた回路で読み出すフラットパネルディテクタ（以降「FPD」と 呼ぶ)を用いた放射線像撮像装置が使用され始めて!/、る。
[0004] このような放射線像撮像装置においては、被写体への X線の被爆をできるだけ抑え るため、放射線強度をできるだけ低くする必要がある。そのような条件でも鮮明な画 像が得られるよう、フォトダイオードには低ノイズ性能が要求される。
[0005] フォトダイオードのノイズの発生要因にはいろいろなものがある力 そのうちのひとつ に、リーク電流のため発生するショットノイズがある。リーク電流は、電子が光電変換 膜に存在するトラップ準位を介して熱的に励起されることにより発生する。リーク電流 は変動しショットノイズと呼ばれるノイズになる。トラップ準位に熱的に励起された電子 の数の平均値を Nとすると、 Nがショットノイズである。
[0006] このように、リーク電流およびショットノイズが発生する原因は、光電変換膜にトラッ プ準位が存在するためである。トラップ準位は光電変換膜の膜中や側面に存在する 力 特に、側面はエッチング等の処理により光電変換膜がダメージを受けやすいため 、トラップ準位が発生しやすい。
[0007] このような課題を解決するため、メサ型フォトダイオードを形成し、別の半導体層で 埋め込むことで、トラップ準位を低減し、リーク電流を低減する方法が提案されている (例えば特許文献 1参照)。
特許文献 1：特開平 6— 232443号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 図 1を用いて、従来の光電変換素子を用いた光電変換装置で発生するリーク電流 の課題について説明する。
[0009] 図 1 (a)は従来の光電変換素子の駆動方法を説明する説明図、図 1 (b)は露光量と 発生する電子'ホール対との関係を示す説明図、図 1 (c)は露光量と力ソード電極電 位との関係を示す説明図、図 1 (d)は露光量とリーク電流との関係を示す説明図であ る。
[0010] 従来の光電変換素子の一例として、図 1 (a)に示す PIN (P— INTRINSIC— N)型 フォトダイオード 10を例に説明する。 PIN型フォトダイオード 10は、基板 1上のカソー ド電極 2と、アノード電極 6と、力ソード電極 2とアノード電極 6の間に形成された光電 変換層 50である N型半導体層 3、 i型半導体層 4、 P型半導体層 5から構成されている
[0011] このような PIN型フォトダイオード 10に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順につ いて説明する。力ソード電極 2にはスィッチ 21を介してリファレンス電源 20のプラス側 端子が接続されている。アノード電極 6にはリファレンス電源 20のマイナス側端子が 接続されている。スィッチ 21をオンにして、力ソード電極 2に電圧 Vを印加すると、 PI Nフォトダイオードには逆バイアス電圧が印加される。
[0012] 次にスィッチ 21をオフにして、露光を開始する。アノード電極 6側は受光面であり、 図 1 (a)に矢印で示す光束 Lは、透明なアノード電極 6を透過して P型半導体層 5に照 射する。照射した光束 Lは P型半導体層 5を通過して i型半導体層 4に入り、そのエネ ルギーを吸収して i型半導体層 4内に電子 ·ホール対を発生する。図 1 (b)に示すよう に露光量が増すと発生する電子'ホール対は増加する。すると、図 1 (c)に示すように 力ソード電極 2の電位は低下する。このように、力ソード電極 2は、初期化状態の電圧 V力 露光量に比例して低下するので、露光後の力ソード電極 2の電圧から露光量を 得ることができる。
[0013] 一方、力ソード電極 2とアノード電極 6の間の電位差が大きいほど、光電変換層 50 の側面を流れるリーク電流 ioは大きいので、図 1 (d)に示すように露光前にスィッチ 2 1をオンにしてリセットしたときが最も大きぐ露光量が増し力ソード電極 2の電圧が低 下するにつれてリーク電流 ioは減少する。
[0014] このように従来の光電変換素子は、露光量が少ないときほど信号電流に対するリー ク電流 ioの割合が大きくなる特性を持っている力 このような特性は、 SZNの点で問 題である。すなわち、露光量が少ないときほど、露光により発生する電子'ホール対に よる信号電流に対して、ノイズであるリーク電流 ioの割合が大きいため、 SZNが悪く なる力もである。このため、特許文献 1のようにトラップ準位を少なくしてリーク電流 io を低く抑えるようなプロセスを採用してリーク電流 ioを低減したとしても、露光量が少な V、ときに SZNが悪 ヽと 、う特性を変えることはできな!、。
[0015] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、露光量が少ないときの SZN を改善した光電変換装置及び放射線像撮像装置を提供することを課題とする。 課題を解決するための手段
[0016] 1.基板上に第 1の電極と複数の層から構成される光電変換層と第 2の電極を備え た光電変換素子を具備し、
前記第 1の電極に常時第 1の電圧を印加するバイアス電源と、
前記第 2の電極に第 2の電圧を印加するリファレンス電源と、
前記第 2の電極に前記光電変換素子が逆バイアスになる第 2の電圧を印加して初期 化する初期化モードと、前記第 2の電極をフローティング状態にして、前記光電変換 層に入射した光により発生した電子またはホールを前記第 2の電極力 電気信号に 変換する光電変換モードを切り換える切り換え手段と、を有する光電変換装置にお いて、 前記光電変換素子は、前記第 2の電極と同一面上に前記第 2の電極を囲む第 3の電 極を備え、前記光電変換装置は、更に前記第 3の電極に常時第 3の電圧を印加する ガード電極電源を備えており、前記第 3の電圧は、前記第 2の電圧が前記第 1の電圧 より低いときは、
前記第 1の電圧より低い電圧であり、前記第 2の電圧が前記第 1の電圧より高いとき は、前記第 1の電圧より高い電圧であることを特徴とする光電変換装置。
[0017] 2.前記光電変換層は、 P型半導体層と N型半導体層から構成されていることを特 徴とする 1に記載の光電変換装置。
[0018] 3.前記光電変換層は、 P型半導体層と i型半導体層と N型半導体層から構成され て 、ることを特徴とする 1に記載の光電変換装置。
[0019] 4.前記光電変換層は、 P型半導体層と i型半導体層から構成されていることを特徴 とする 1に記載の光電変換装置。
[0020] 5.前記光電変換層は、絶縁層と i型半導体層と N型半導体層から構成されている ことを特徴とする 1に記載の光電変換装置。
[0021] 6.前記光電変換層の少なくとも前記第 2の電極と前記第 3の電極に接する層は、 連続していないことを特徴とする 1乃至 5の何れか 1項に記載の光電変換装置。
[0022] 7.前記第 3の電圧は、前記第 2の電圧と同じ電圧であることを特徴とする 1乃至 6の 何れか 1項に記載の光電変換装置。
[0023] 8. 1乃至 7の何れか 1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に備えられた蛍光板と、を有することを特徴とする放射線像撮像 装置。
発明の効果
[0024] 本発明によれば、露光量が少な ヽときの SZNを改善した光電変換装置及び放射 線像撮像装置を提供できる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]従来の光電変換素子で発生するリーク電流の課題について説明する説明図で ある。
[図 2]本発明に係わる第 1の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図であ る。
[図 3]第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3を変化させたときのリーク電流を説明す る説明図である
[図 4]第 1の実施形態の光電変換装置を有する FPDの回路図である。
[図 5]本発明に係わる第 2の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図であ る。
[図 6]本発明に係わる第 3の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図であ る。
[図 7]本発明に係わる第 4の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図であ る。
[図 8]本発明に係わる第 5の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図であ る。
[図 9]第 2の実施形態の光電変換装置を有する FPDの回路図である。
符号の説明
1 基板
3 N型半導体層
4 i型半導体層
5 P型半導体層
20 リファレンス電源
21 スィッチ
50 光電変換層
87 ガード電極電源
101 第 1の電極
102 第 2の電極
103 第 3の電極
is、 iu リーク電流
V2 第 2の電圧
V3 第 3の電圧 発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、実施形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるもの ではない。
[0028] 図 2は本発明に係わる第 1の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図 である。
[0029] 図 2 (a)、図 2 (c)は第 1の実施形態の光電変換装置の駆動方法を説明する説明図 、図 2 (b)は第 2の電極 102と第 3の電極 103の断面 A— A，を説明する説明図、図 2 ( d)は N型半導体層 3の断面 B— B'を説明する説明図である。
[0030] 図 2 (a)、（c)を用いて、最初に本実施形態の光電変換素子である PIN型フォトダイ オード 11の構造にっ 、て説明する。
[0031] 図 2 (a)、（c)に示すように、基板 1上には第 2の電極 102と第 3の電極 103が設けら れ、第 2の電極 102と第 3の電極 103の間には i型半導体層 4が形成されている。図 2 (b)は、図 2 (a)の断面 A— A'を基板 1と反対の面から見た正面図である。図 2 (b)に 示すように、 i型半導体層 4を間に挟んで第 2の電極 102を囲むように第 3の電極 103 が形成されている。
第 3の電極 103の形状は、図 2 (b)に示す第 2の電極 102を囲む閉じた形状に限定 する必要はなぐ一部が開いている、例えばコの字状としてもよい。第 3の電極 103の 形状を、一部を開いた形状とすることで、内側にある第 2の電極 102への配線を第 3 の電極 103と第 2の電極 102がある同じ面内に形成することができる。従って、配線 のための層を設ける必要がなくなり製造効率を向上させることができる。
[0032] 第 2の電極 102と第 3の電極 103の上層には N型半導体層 3が形成されている。図 2 (d)は図 2 (c)の断面 B—B'を基板 1と反対の面力 見た正面図である。図 2 (d)に 示すように、 N型半導体層 3は第 2の電極 102上と第 3の電極 103上に形成され、そ の間は i型半導体層 4を間に挟んで分離している。すなわち、第 2の電極 102上と第 3 の電極 103上に形成されて!、る N型半導体層 3は、連続して!/、な！/、。
[0033] N型半導体層 3の上には i型半導体層 4が形成され、さらに上層には P型半導体層 5 が形成されている。 P型半導体層 5の上には、第 2の電極 102と対向する位置に第 1 の電極 101が形成されている。このように、 PIN型フォトダイオード 11の光電変換層 5 0は N型半導体層 3、 i型半導体層 4、 P型半導体層 5から構成されている。
[0034] 次に、 PIN型フォトダイオード 11の光電変換動作について説明する。
[0035] 図 2 (e)は露光量と発生する電子'ホール対の関係を示す説明図、図 2 (f)は露光 量と第 2の電極電位との関係を示す説明図、図 2 (g)は露光量とリーク電流との関係 を示す説明図である。
[0036] 第 1の実施形態の PIN型フォトダイオード 11に所定時間露光し、電荷を蓄積する手 順について説明する。図 2 (a)に示すように、第 2の電極 102にはスィッチ 21を介して リファレンス電源 20のプラス側端子が接続され、第 2の電圧 V2が印加される。第 1の 電極 101にはリファレンス電源 20のグランド側端子が接続され、常時第 1の電圧 VIと して OVが印加されている。ガード電極電源 87は、第 3の電極 103に第 3の電圧 V3を 印加する電源である。本実施形態では第 1の電圧 VI <第 2の電圧 V2、第 3の電圧 V 3 =第 2の電圧 V2、すなわち、第 1の電圧 Vl <第 3の電圧 V3 =第 2の電圧 V2の場 合について図 2を用いて説明する。
[0037] 初期化モード時は、図 2 (a)に示すように、スィッチ 21をオンにして、第 2の電極 10 2に第 2の電圧 V2を印加して、 PINフォトダイオード 11に逆バイアス電圧を印加する 。スィッチ 21は本発明の切り換え手段である。
[0038] 光電変換モードでは、図 2 (c)に示すように、スィッチ 21をオフにして、露光を開始 する。第 1の電極 101側は受光面であり、図 2 (c)に矢印で示す光束 Lは、 ITOのよう なインジウム又はスズを含む化合物、酸ィ匕物などで形成される透明な第 1の電極 101 を透過して P型半導体層 5に照射する。照射した光束 Lは P型半導体層 5を通過して i 型半導体層 4に入り、電子'ホール対を発生する。図 2 (e)に示すように露光量が増す と発生する電子'ホール対は増加する。すると、図 2 (f)に示すように第 2の電極 102 の電位は低下する。したがって、図 1で説明した PIN型フォトダイオード 10と同様に、 第 2の電極 102の電圧は、露光前にスィッチ 21をオンにして初期化したときが最も高 ぐ露光量が増すにつれて電圧は低下する。
[0039] 本実施形態の PIN型フォトダイオード 11では、図 2 (c)に示すように第 3の電極 103 力 第 1の電極 101に流れるリーク電流 isと、第 3の電極 103から第 2の電極 102に流 れるリーク電流 iuが発生する。本実施形態では、第 3の電極 103はガード電極電源 8 7に接続され、常に第 3の電圧 V3に固定されているので、リーク電流 isが流れても第 2の電極 102の電位には影響を与えな!/、。
[0040] 一方、リーク電流 iuは第 3の電極 103と第 2の電極 102の電位差により発生するの で、スィッチ 21をオンにして第 3の電極 103と第 2の電極 102が同じ電圧である第 2の 電圧 V2と第 3の電圧 V3を印加されて ヽる初期化状態では、リーク電流 iuは 0である 。スィッチ 21をオフにして露光を与えると、第 2の電極 102の電圧は図 2 (f)のように 低下するので、第 3の電極 103から第 2の電極 102に流れるリーク電流 iuは図 2 (g) に実線で示すように露光量に比例して増加する。図 2 (g)〖こ破線で示すように、従来 の PIN型フォトダイオード 10で発生するリーク電流 ioは露光量が少ないときに最も多 いので、露光量が少ないときの SZNが悪力つた力 本実施形態ではリーク電流 が 露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときの SZNが大幅に改善される。
[0041] また、従来のリーク電流 ioは図 1に図示するように PIN型フォトダイオード 10の側面 を通って、第 2の電極 102から第 1の電極 101に流れる力 その間の距離は半導体 層の厚みで決定され、例えば 1 μ m程度である。
[0042] 一方、本実施形態では、発生するリーク電流 iuが流れる第 3の電極 103と第 2の電 極 102の間の距離を、たとえば 5〜： L0 m程度と大きく離しその間の抵抗値を高くす ることができる。このようにすると、リーク電流 iuの最大値を従来のリーク電流 ioの最大 値より小さくすることができるので、 SZNをさらに改善することができる。
[0043] また、図 2 (d)に示すように、本実施形態では、 N型半導体層 3は第 2の電極 102と 第 3の電極 103の間は分離され、その間は i型半導体層 4だけなので、 N型半導体層 3や P型半導体層 5を含む場合と比べて抵抗値が高くなつている。このこと〖こより、リー ク電流 iuの最大値をより小さくすることができるので、 SZNをより改善することができ る。
[0044] これまで本実施形態では、第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3は、初期化状態 で第 2の電極 102に与えられている電圧である第 2の電圧 V2と同じ電圧にする例を 説明したが、第 1の電圧 VI <第 2の電圧 V2のとき、第 3の電圧 V3は第 1の電圧 VI を超える電圧であれば同様の効果が得られる。すなわち、第 1の電圧 VI <第 3の電 圧 V3であれば良い。なお、第 1の電圧 VI≥第 3の電圧 V3の場合は PIN型フォトダ ィオード 10を順方向にバイアスすることになり、光電変換素子として機能しない。
[0045] 図 3は第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3を変化させたときのリーク電流を説明 する説明図である。
[0046] 最初に、図 3 (a)、（b)を用いて第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3が、第 2の電 極 102に与えられる初期電圧である第 2の電圧 V2より低い場合を説明する。すなわ ち第 1の電圧 VI <第 3の電圧 V3く第 2の電圧 V2の場合である。この場合も、第 3の 電極 103から第 1の電極 101に流れるリーク電流 isは、図 2で説明したように第 2の電 極 102の電位には影響を与えない。
[0047] 一方、リーク電流 iuは第 3の電極 103と第 2の電極 102の電位差により発生するの で、第 2の電極 102が第 2の電圧 V2を印加されている初期化状態では、第 3の電極 1 03の電位（第 3の電圧 V3)の方が低ぐ第 2の電極 102から第 3の電極 103にリーク 電流 iuが流れる。図 2 (c)に示すリーク電流 iuの方向とは逆方向であり、図 3 (b)では 負の電流値で表す。露光量が増すにつれて、リーク電流 iuの絶対値は減少し、第 2 の電極 102の電位が第 3の電圧 V3と等しくなると、リーク電流 iuは 0になる。さらに露 光量が増すと、リーク電流 iuの方向は第 3の電極 103から第 2の電極 102に流れる。
[0048] 次に、図 3 (c)、（d)を用いて第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3が、第 2の電極 102に与えられる初期電圧が第 2の電圧 V2より高い場合を説明する。すなわち第 1 の電圧 VI <第 2の電圧 V2<第 3の電圧 V3の場合である。この場合も、第 3の電極 1 03力 第 1の電極 101に流れるリーク電流 isは、同様に第 2の電極 102の電位には 影響を与えない。
[0049] 一方、第 2の電極 102が第 2の電圧 V2を印加されて 、る初期化状態でも、第 3の電 極 103の第 3の電圧 V3の方が高ぐ第 3の電極 103から第 2の電極 102にリーク電流 iuが流れる。さらに、露光量が増すにつれてリーク電流 iuは増加する。
[0050] このように、露光量が 0のときのリーク電流 iuは 0ではな!/、が、絶対値は従来のリーク 電流 ioより小さくすることができるので、図 1で説明した従来技術より SZNを改善する ことができる。また、第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3を設定することにのより、リ ーク電流 iuが 0になる露光量を設定することができる。一般には、第 2の電極 102に 初期化状態で与える電圧である第 2の電圧 V2と同じ電圧を第 3の電圧 V3とし、露光 量が 0のときのリーク電流 iuを 0にすることが望ましい。また、第 3の電圧 V3と第 2の電 圧 V2を同じ電圧にする場合は、ガード電極電源 87とリファレンス電源 20を共通にす ることができる。具体的に第 3の電圧 V3を決める場合、リーク電流 iuの振る舞いが第 2の電極 102と第 3の電極 103との距離やこの電極間に存在する i型半導体層 4や i型 半導体層 4と基板 1との界面の状態等により変化するため実験により決めるのが好ま しい。
[0051] 次に、本実施形態の PIN型フォトダイオード 11を有する光電変換装置の一例として
, Flat Panel Detector (以下 FPDと記す。）について、図 4を用いて説明する。
[0052] 図 4は、第 1の実施形態の光電変換装置を有する FPDの一例を示す回路図である
[0053] 図 4の FPD80は光電変換素子として 2行 X 3列の PIN型フォトダイオード 11を有し ている。
[0054] FPD80は間接型に分類されるタイプのものであり、放射線を可視光に変換する蛍 光板 200と、蛍光板 200の可視光を光電変換する PIN型フォトダイオード 11、および スィッチ素子 84を用いた読み出し回路を形成した回路基板 95から構成される。
[0055] 図 4には、この回路基板 95の回路および周辺回路を示す。なお、図 21で説明した 機能要素と同一機能を有する機能要素には同番号を付し、説明を省略する。
[0056] 回路基板 95は、 PIN型フォトダイオード 11およびスィッチ素子 84のそれぞれ 1個の 組み合わせで 1つの画素を形成し、合わせて 2行 X 3列の画素を有している。
[0057] 図 4のスィッチ素子 84は、例えば TFT (THIN FILM TRANSISTOR)であり、 スィッチ素子 84のソースはソース線 93a、 93b、 93cへ接続され、ドレインは各 PIN型 フォトダイオード 11の第 2の電極 102 (力ソード）に、それぞれ接続されている。なお、 スィッチ素子 84は、特に限定されるものではなぐ a— Si TFTや poly— Si TFT、 有機トランジスタなどスィッチ機能を有する素子なら何でも利用できる。
[0058] スィッチ素子 84のゲートはゲート線 85a、 85bへ接続されている。 PIN型フォトダイ オード 11の第 1の電極 101 (アノード）はバイアス線 83に接続され、バイアス線 83は ノ ィァス電源 82に接続され、第 1の電圧が印加されている。本実施形態では第 1の 電圧 VIは 0Vに設定されているものとして説明する。 [0059] ゲート線 85a, 85bは、それぞれ走査駆動回路 86の出力端子 G , Gに接続され、
1 2
ソース線 93a, 93b, 93cは、それぞれ OPアンプ 90の—入力端子に接続されている 。また、 OPアンプ 90の +入力端子にはリファレンス電源 20から第 2の電圧 V2が印加 されている。 OPアンプ 90の一入力端子と出力との間にはコンデンサ 91とス イッチ 92が並列に接続され、チャージセンシングアンプ 99を構成している。
[0060] チャージセンシングアンプ 99は公知の積分回路であり、一入力端子に流入した電 流はコンデンサ 91で積分され、入力電流の積分値が出力電圧となる。スィッチ 92は コンデンサ 91の両端を短絡し、 OPアンプの出力電圧をリセットするために設けられ ている。図 4の例では、読み出し部 97は、 OPアンプ 90とコンデンサ 91とスィッチ 92 力も構成されるチャージセンシングアンプ 99を 3回路有している。
[0061] 第 3の電極 103は、ガード電極電源 87に接続され、ガード電極電源 87から第 3の 電圧 V3が印加されている。第 3の電圧 V3は第 1の電圧 VIを超える電圧、すなわち 第 3の電圧 V3 >第 1の電圧 VIであれば良い。なお、本実施形態ではガード電極電 源 87とリファレンス電源 20を別にしている力 例えば第 3の電圧 V3を第 2の電圧 V2 と同じ電圧に設定し、ガード電極電源 87から第 2の電圧 V2を印加するようにしても良 い。また、本実施形態では、すべての第 3の電極 103に共通のラインで第 3の電圧 V 3が印加されている力 第 3の電極 103をブロックごとに分けて、複数のガード電極電 源 87から第 3の電圧 V3を印加しても良い。
[0062] 走査駆動回路 86はスィッチ素子 84の駆動手段である。走査駆動回路 86はその出 力端子 G , Gにゲート線 85a, 85bが接続されており、正の電圧を順に出力しゲート
1 2
線 85a, 85bを走査する。走査駆動回路 86から正の電圧が出力されると、同一ゲート 線に接続されているスィッチ素子 84がオンになり、第 2の電極 102はソース線 93a, 9 3b, 93cを介して OPアンプ 90の一入力端子と接続される。すると、 PIN型フォトダイ オード 11に蓄積された電荷は、チャージセンシングアンプ 99で電圧に変換される。 なお、本実施形態では、読み出し部 97にチャージセンシングアンプ 99を用いた例を 説明するが、 PIN型フォトダイオード 11の電圧を直接読みとる回路を用いても良い。
[0063] 蛍光板 200は、上述の回路基板を覆い、蛍光板 200で発生した可視光が PIN型フ オトダイオード 11に入射するように構成されて 、る。 [0064] 上述の FPD80の動作を説明する。
[0065] 初期化モードでは、スィッチ 92はオンであり、 OPアンプ 90の出力電圧は第 2の電 圧 V2と同じ電圧である。走査駆動回路 86がゲート線 85a, 85bをノヽィにすると、その ゲート線に接続されているスィッチ素子 84がすべてオンになり、第 2の電極 102に第 2の電圧 V2が印加される。スィッチ素子 84は本発明の切り換え手段である。
[0066] 光電変換モードでは、走査駆動回路 86がゲート線 85a, 85bをロウにして、スィッチ 素子 84をすベてオフにした後、図示せぬ放射線照射装置力も放射線の曝射が開始 される。放射線が曝射されると、放射線の曝射を受けた蛍光板 200が蛍光を発し、そ れを受光した PIN型フォトダイオード 11は、その中で電子 'ホール対が発生し、充電 されていた電荷を放電させる。そのため、 PIN型フォトダイオード 11に充電されてい た電荷は、発生した電子'ホール対の分だけ減少する。この間、スィッチ 92はすべて オンである。
[0067] 放射線の曝射に続いて、読み出し走査が行われる。読み出し走査の時、スィッチ 9 2はオフである。走査駆動回路 86は、順次ゲート線 85a, 85bに正の電圧を出力して 、スィッチ素子 84をオンにすると、 OPアンプ 90から電荷 電圧変換された電圧が出 力される。電荷 電圧変換された電圧は、放射線曝射の時、 PIN型フォトダイオード 11から放電により消滅した電荷に相当する。このようにして、蛍光板 200に入射した 放射線の画像が、電圧として二次元的に読み出される。
[0068] 次に、第 2の実施形態について説明する。
[0069] 図 5は本発明に係わる第 2の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図 である。
[0070] 図 5 (a)、図 5 (c)は第 2の実施形態の光電変換装置の駆動方法を説明する説明図 、図 5 (b)は第 2の電極 102と第 3の電極 103の断面 C— C'を説明する説明図である
[0071] 図 5 (a)、 (c)を用いて、最初に本実施形態の光電変換素子である PIN型フォトダイ オード 12の構造について説明する。
[0072] 図 2で説明した PIN型フォトダイオード 11と異なるのは、本実施形態では第 2の電 極 102と第 3の電極 103が最も上層に形成されている点である。図 5 (a)、 （c)に示す ように、基板 1上には第 1の電極 101が設けられ、第 1の電極 101と第 2の電極 102、 第 3の電極 103の間には、 N型半導体層 3、 i型半導体層 4、 P型半導体層 5から構成 される光電変換層 50が形成されている。
[0073] 図 5 (b)は、図 5 (a)の断面 C— C'を基板 1と反対の面力も見た正面図である。図 5 ( b)に示すように、 P型半導体層 5の上層に第 2の電極 102を囲むように第 3の電極 10 3が形成されている。このように、 P型半導体層 5は、第 2の電極 102に接する部分と 第 3の電極 103に接する部分に分離している。すなわち、第 2の電極 102に接する部 分と第 3の電極 103に接する P型半導体層 5は、連続していない。
第 3の電極 103の形状は、図 5 (b)に示す第 2の電極 102を囲む閉じた形状に限定 する必要はなぐ一部が開いている、例えばコの字状としてもよい。第 3の電極 103の 形状を、一部を開いた形状とすることで、内側にある第 2の電極 102への配線を第 3 の電極 103と第 2の電極 102がある同じ面内に形成することができる。従って、配線 のための層を設ける必要がなくなり製造効率を向上させることができる。
[0074] 次に、 PIN型フォトダイオード 12の光電変換動作について説明する。
[0075] 図 5 (d)は露光量と発生する電子'ホール対との関係を示す説明図、図 5 (e)は露 光量と第 2の電極電位との関係を示す説明図、図 5 (f)は露光量とリーク電流との関 係を示す説明図である。
[0076] 第 2の実施形態の PIN型フォトダイオード 12に所定時間露光し、電荷を蓄積する手 順について説明する。図 5 (a)に示すように、リファレンス電源 20のプラス側端子はグ ランドに接地され、第 2の電極 102にはスィッチ 21を介してリファレンス電源 20のマイ ナス側端子が接続されている。そのため、第 2の実施形態では第 2の電極 102に負 の電圧である第 2の電圧 V2が印加される。一方、第 1の電極 101はグランドに接地さ れているので第 1の電圧 VIは 0Vである。ガード電極電源 87は、第 3の電極 103に 第 3の電圧 V3を印加する。本実施形態では第 2の電圧 V2く第 1の電圧 VI、第 3の 電圧 V3 =第 2の電圧 V2、すなわち、第 2の電圧 V2 =第 3の電圧 V3<第 1の電圧 V 1の場合について図 5を用いて説明する。
[0077] 初期化モードにお!、て、スィッチ 21をオンにして、第 2の電極 102に第 2の電圧 V2 を印加すると、 PINフォトダイオード 12には逆バイアス電圧が印加される。 [0078] 光電変換モードでは、図 5 (c)に示すように、スィッチ 21をオフにして、露光を開始 する。第 2の電極 102側は受光面であり、図 5 (c)に矢印で示す光束 Lは、透明な第 2 の電極 102を透過して P型半導体層 5に照射する。照射した光束 Lは P型半導体層 5 を通過して i型半導体層 4に入り、電子'ホール対を発生する。図 5 (d)に示すように露 光量が増すと発生する電子'ホール対は増加する。すると、図 5 (e)に示すように第 2 の電極 102の電位は上昇する。したがって、第 2の実施形態では、第 2の電極 102の 電位は、露光前にスィッチ 21をオンにして初期化したときが最も低ぐ露光量が増す につれて電圧は上昇する。
[0079] 本実施形態の PIN型フォトダイオード 12では、図 5 (c)に示すように第 1の電極 101 力 第 3の電極 103に流れるリーク電流 ivと、第 2の電極 102から第 3の電極 103に流 れるリーク電流 iwが発生する。
[0080] 第 1の実施形態と同様に、第 3の電極 103はリファレンス電源 20に接続され、常に 第 3の電圧 V3に固定されているので、リーク電流 ivが流れても第 2の電極 102の電 位には影響を与えない。
[0081] 一方、リーク電流 iwは第 3の電極 103と第 2の電極 102の電位差により発生するの で、スィッチ 21をオンにして第 3の電極 103と第 2の電極 102が同じ電圧である第 3の 電圧 V3と第 2の電圧 V2を印加されて 、る初期化状態では、リーク電流 iwは 0である 。スィッチ 21をオフにして露光すると、第 2の電極 102の電圧は図 5 (e)のように上昇 するので、第 2の電極 102から第 3の電極 103に流れるリーク電流 iwは図 5 (f)に実 線で示すように露光量に比例して増加する。図 5 (f)〖こ破線で示すように、従来の PI N型フォトダイオード 10で発生するリーク電流 ioは露光量が少ないときに最も多いの で、露光量が少ないときの SZNが悪力つた力 本実施形態ではリーク電流 iwが露光 量と比例関係にあるので、露光量が少ないときの SZNが大幅に改善される。
[0082] また、第 1の実施形態と同様に、第 3の電極 103と第 2の電極 102の間の距離を、た とえば 5〜： L0 m程度と大きく離し、その間の抵抗値を高くすることができる。さらに、 図 5 (a)に示すように、本実施形態では、 P型半導体層 5は第 2の電極 102と第 3の電 極 103の間は分離され、その間は P型半導体層 5も含めて空隙であり、空隙部分に はリーク電流は流れない。このことにより、リーク電流 iwの最大値をより小さくすること ができるので、 SZNをより改善することができる。
[0083] なお、図 5の説明では、第 3の電極 103に与える第 3の電圧 V3は、初期化状態で 第 2の電極 102に与えられている電圧である第 2の電圧 V2と同じ電圧にする例を説 明したが、図 3の説明と同様の理由で、第 2の電圧 V2く第 1の電圧 VIのとき、第 3の 電圧 V3は第 1の電圧 VI未満の電圧であれば同様の効果が得られる。すなわち、第 3の電圧 V3 <第 1の電圧 VIであれば良!、。具体的に第 3の電圧 V3を決める場合、 リーク電流 iwの振る舞いが第 2の電極 102と第 3の電極 103との距離やこの電極間に 存在する P型半導体層 5や i型半導体層 4やその表面の状態等により変化するため実 験により決めるのが好ましい。
[0084] また、本実施形態では、全ての層を成膜後、エッチングにより第 2の電極 102と第 3 の電極 103とその下層の P型半導体層 5を分離するので、製造が容易である。
[0085] 今まで光電変換素子の光電変換層 50が、 PIN型のフォトダイオードの場合につい て説明したが、本発明は PN型やショットキ型のフォトダイオードなどにも適用できる。
[0086] 図 6は本発明に係わる第 3の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図 である。図 6を用いて、第 3の実施形態の PN型フォトダイオード 13について、説明す る。なお、図 5で説明した構成要素と同じ構成要素には同番号を付し、説明を省略す る。
[0087] 図 5で説明した PIN型フォトダイオード 12と異なるのは、本実施形態では光電変換 層 50が N型半導体層 3と P型半導体層 5から構成され、 i型半導体層 4が無い点であ る。照射した光束 Lは N型半導体層 3と P型半導体層 5の接合部で電子 ·ホール対を 発生する。第 2の電極 102と第 3の電極 103の構成および動作は、図 5で説明した構 成と同様であり、リーク電流が露光量に比例して増加するので、露光量が少ないとき の SZNが大幅に改善される。
[0088] 図 7は本発明に係わる第 4の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図 である。なお、図 5で説明した構成要素と同じ構成要素には同番号を付し、説明を省 略する。
[0089] 図 7は、ショットキ型フォトダイオード 14であり、光電変換層 50が i型半導体層 4と P 型半導体層 5から構成されていて、 N型半導体層 3は無い。そのかわり、第 1の電極 1 01が N型半導体層 3の機能と同様の機能を持っている。第 1の電極 101は仕事関数 の小さい金属、例えば A1で形成されているので、 i型半導体層 4で発生した電子'ホ ール対のうち、電子を通し、ホールをブロックする。ホールは内部電界により第 2の電 極 102の方に向力い、図 5 (e)に示すように第 2の電極 102の電位は上昇する。
[0090] 第 2の電極 102と第 3の電極 103の構成および動作は、図 5で説明した構成と同様 であり、リーク電流が露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときの SZN が大幅に改善される。
[0091] なお、図 6、図 7では、第 2の電極 102と第 3の電極 103が最も上層にある場合につ いて説明したが、図 2のように第 2の電極 102と第 3の電極 103が基板 1の上に形成さ れている場合も PN型またはショットキ型の光電変換層 50を用いることができる。
[0092] 図 8は本発明に係わる第 5の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図 である。図 8を用いて、第 5の実施形態の光電変換素子について説明する。第 5の実 施开態の光電変換素子の基本構成は、 MIS (METAL INSULATOR SEMIC ONDUCTOR)型光電変換素子 15である。 MIS型の光電変換素子は、例えば、特 許第 3416351号に開示されている、基板 1上に第 1の電極 101、絶縁層 30と、 i型半 導体層 4と、 N型半導体層 3と、第 2の電極 102から構成された光電変換素子であり、 本実施形態では図 5 (b)のように第 2の電極 102の周囲に第 3の電極 103を設けて!/、 る。本発明の光電変換層 50は絶縁層 30と、 i型半導体層 4と、 N型半導体層 3から構 成されている。
[0093] 絶縁層 30は電子、ホール共に通過を阻止する窒化シリコン（SiN)などで形成され る絶縁層であり、その厚さはトンネル効果により電子、ホールが通過できないほどの 厚さである 500オングストローム以上に設定される。また、 N型半導体層 3は、 i型半導 体層 4に第 2の電極 102側からのホールの注入を阻止するため a— Siの n+層で形 成されている。
[0094] 次に、 MIS型光電変換素子 15の光電変換動作について説明する。
[0095] 各電極に印加される電圧関係は図 5の説明と同じであり、第 3の電圧 V3 =第 2の電 圧 V2として以下説明する。
[0096] MIS型光電変換素子 15に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順について説明す る。リファレンス電源 20のプラス側端子はグランドに接地され、第 2の電極 102にはス イッチ 21を介してリファレンス電源 20のマイナス側端子が接続されている。一方、第 1 の電極 101はグランドに接地されている。
[0097] 初期化モードでは、スィッチ 21をオンにして、第 2の電極 102に第 2の電圧 V2とし て負の電圧を印加する。すると i型半導体層 4中のホールは電界により第 2の電極 10 2〖こ導力ゝれ、電子は i型半導体層 4に注入される。 i型半導体層 4中のホールが i型半 導体層 4からはき出されるまでスィッチ 21をオンにして、初期化する。
[0098] 光電変換モードでは、スィッチ 21をオフにして、露光を開始する。第 2の電極 102 側は受光面であり、図 8に矢印で示す光束 Lは、透明な第 2の電極 102を透過して N 型半導体層 3に照射する。照射した光束 Lは N型半導体層 3を通過して i型半導体層 4に入り、電子'ホール対を発生する。図 5 (d)で説明したように露光量が増すと発生 する電子'ホール対は増加する。発生したホールは電界により第 2の電極 102に導か れ、電子は i型半導体層 4内を移動し、絶縁層 30界面に移動する。しかし、絶縁層 30 内には移動できないため、 i型半導体層 4内に留まる。そのため、第 2の電極 102の電 位は図 5 (e)のように露光前にスィッチ 21をオンにしてリセットしたときが最も低ぐ露 光量が増すにつれて電位は上昇する。
[0099] 本実施形態の MIS型光電変換素子 15においても、 PIN型フォトダイオード 12など と同様に、図 8に示す第 1の電極 101から第 3の電極 103に流れるリーク電流 ivと、第 2の電極 102から第 3の電極 103に流れるリーク電流 iwが発生する。
[0100] 第 2の実施形態と同様に、第 3の電極 103はガード電極電源 87に接続され、常に 第 3の電圧 V3に固定されているので、リーク電流 ivが流れても第 2の電極 102の電 位には影響を与えない。
[0101] また、第 2の実施形態と同様に、リーク電流 iwは第 3の電極 103と第 2の電極 102の 電位差により発生するので、スィッチ 21をオンにして第 3の電極 103と第 2の電極 10 2が同じ電圧である第 3の電圧 V3と第 2の電圧 V2を印加されて 、る初期化状態では 、リーク電流 iwは 0である。スィッチ 21をオフにして露光を与えると、第 2の電極 102 の電圧は図 5 (e)のように上昇するので、第 2の電極 102から第 3の電極 103に流れ るリーク電流 iwは図 5 (f)に実線で示すように露光量に比例して増加する。図 5 (f)に 破線で示すように、従来の PIN型フォトダイオード 10で発生するリーク電流 ioは露光 量が少ないときに最も多いので、露光量が少ないときの SZNが悪かった力 本実施 形態ではリーク電流 iwが露光量に比例して増加するので、露光量が少な 、ときの S ZNが大幅に改善される。
[0102] 次に、第 2の実施形態の光電変換装置を有する、 FPDの構成例について図 9を用 いて説明する。
[0103] 図 9は、第 2の実施形態の光電変換装置を有する FPD80'の回路図である。
[0104] 図 9で説明する回路は、光電変換素子である PIN型フォトダイオード 12の順方向の 向きが図 4とは逆に接続されている。それに伴い、第 1の電極に与える第 1の電圧 VI と、第 2の電極に初期化時に与える第 2の電圧 V2の電圧関係が逆になつている。す なわち V2< VIである点が異なっている。
[0105] なお、図 4で説明した機能要素と同一機能を有する機能要素には同番号を付し、 説明を省略する。
[0106] 回路基板 95は、 PIN型フォトダイオード 12およびスィッチ素子 84のそれぞれ 1個の 組み合わせで 1つの画素を形成し、合わせて 2行 X 3列の画素を有している。
[0107] PIN型フォトダイオード 12の第 1の電極 101 (力ソード）はバイアス線 83に接続され 、ノ ィァス線 83はバイアス電源 82に接続され、第 1の電圧が印加されている。本実施 形態では第 1の電圧 VIは 0Vに設定されているものとして説明する。
[0108] 第 3の電極 103は、ガード電極電源 87に接続され、ガード電極電源 87から第 3の 電圧 V3が印加されている。第 3の電圧 V3は第 1の電圧 VI未満の電圧、すなわち第 3の電圧 V3<第 1の電圧 VIであれば良い。
[0109] なお、本実施形態ではガード電極電源 87とリファレンス電源 20を別にしているが、 例えば第 3の電圧 V3を第 2の電圧 V2と同じ電圧に設定し、ガード電極電源 87から 第 2の電圧 V2を印加するようにしても良い。また、本実施形態では、すべての第 3の 電極 103に共通のラインで第 3の電圧 V3が印加されている力 第 3の電極 103をブ ロックごとに分けて、複数のガード電極電源 87から第 3の電圧 V3を印加しても良い。
[0110] 上述の FPD80'は図 4で説明した FPD80と同様に動作する。
[0111] 初期化状態では、スィッチ 92はオンであり、 OPアンプ 90の出力電圧は第 2の電圧 V2と同じ電圧である。走査駆動回路 86がゲート線 85a, 85bをノヽィにすると、そのゲ ート線に接続されているスィッチ素子 84がすべてオンになり、第 2の電極 102に第 2 の電圧 V2が印加される。
[0112] 次に、走査駆動回路 86がゲート線 85a, 85bをオフにすると、蛍光板 200に放射線 の曝射が開始される。放射線が曝射されると、放射線の曝射を受けた蛍光板 200が 蛍光を発し、それを受光した PIN型フォトダイオード 12は、その中で電子'ホール対 が発生し、充電されていた電荷を放電させる。そのため、 PIN型フォトダイオード 12 に充電されていた電荷は、発生した電子'ホール対の分だけ減少する。この間、スィ ツチ 92はすべてオンである。
[0113] 放射線の曝射に続いて、読み出し走査が行われる。読み出し走査の時、スィッチ 9 2はオフである。走査駆動回路 86は、ゲート線 85a, 85bに正の電圧を順次出力して 、スィッチ素子 84をオンにすると、 OPアンプ 90から電荷 電圧変換された電圧が出 力される。電荷 電圧変換された電圧は、放射線曝射の時、 PIN型フォトダイオード 12から放電により消滅した電荷に相当する。このようにして、蛍光板 200に入射した 放射線の画像が、電圧として二次元的に読み出される。
[0114] なお、図 9の回路に用いる光電変換素子は、 PIN型フォトダイオード 12に限定され るものではなぐ第 3の実施形態の PN型フォトダイオード 13、第 4の実施形態のショッ トキ型フォトダイオード 14、第 5の実施形態の MIS型光電変換素子 15も適用できる。
[0115] 以上このように、本発明によれば、露光量が少ないときの SZNを改善した光電変 換装置及び放射線像撮像装置を提供できる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板上に第 1の電極と複数の層から構成される光電変換層と第 2の電極を備えた光 電変換素子を具備し、
前記第 1の電極に常時第 1の電圧を印加するバイアス電源と、
前記第 2の電極に第 2の電圧を印加するリファレンス電源と、
前記第 2の電極に前記光電変換素子が逆バイアスになる第 2の電圧を印加して初期 化する初期化モードと、前記第 2の電極をフローティング状態にして、前記光電変換 層に入射した光により発生した電子またはホールを前記第 2の電極力 電気信号に 変換する光電変換モードを切り換える切り換え手段と、を有する光電変換装置にお いて、
前記光電変換素子は、前記第 2の電極と同一面上に前記第 2の電極を囲む第 3の電 極を備え、前記光電変換装置は、更に前記第 3の電極に常時第 3の電圧を印加する ガード電極電源を備えており、前記第 3の電圧は、前記第 2の電圧が前記第 1の電圧 より低いときは、前記第 1の電圧より低い電圧であり、前記第 2の電圧が前記第 1の電 圧より高いときは、前記第 1の電圧より高い電圧であることを特徴とする光電変換装置
[2] 前記光電変換層は、 P型半導体層と N型半導体層から構成されていることを特徴とす る請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
[3] 前記光電変換層は、 P型半導体層と i型半導体層と N型半導体層から構成されている ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
[4] 前記光電変換層は、 P型半導体層と i型半導体層から構成されていることを特徴とす る請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
[5] 前記光電変換層は、絶縁層と i型半導体層と N型半導体層から構成されていることを 特徴とする請求の範囲第 1項に記載の光電変換装置。
[6] 前記光電変換層の少なくとも前記第 2の電極と前記第 3の電極に接する層は、連続し ていないことを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 5項の何れ力 1項に記載の光電 変換装置。
[7] 前記第 3の電圧は、前記第 2の電圧と同じ電圧であることを特徴とする請求の範囲第 1項乃至第 6項の何れか 1項に記載の光電変換装置。
請求の範囲第 1項乃至第 7項の何れか 1項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に備えられた蛍光板と、を有することを特徴とする放射線像撮像 装置。
PCT/JP2007/054664 2006-03-24 2007-03-09 光電変換装置及び放射線像撮像装置 WO2007122890A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008512006A JP4858540B2 (ja) 2006-03-24 2007-03-09 光電変換装置及び放射線像撮像装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006-082444 2006-03-24
JP2006082444 2006-03-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007122890A1 true WO2007122890A1 (ja) 2007-11-01

Family

ID=38624803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2007/054664 WO2007122890A1 (ja) 2006-03-24 2007-03-09 光電変換装置及び放射線像撮像装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4858540B2 (ja)
WO (1) WO2007122890A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015084068A1 (ko) * 2013-12-04 2015-06-11 주식회사 레이언스 엑스선 디텍터 및 이를 이용한 엑스선 영상장치와 이의 구동방법
WO2016052972A1 (ko) * 2014-09-30 2016-04-07 주식회사 레이언스 엑스선 디텍터 및 그 구동방법
JP2017005051A (ja) * 2015-06-08 2017-01-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置および撮像モジュール
CN109841701A (zh) * 2017-11-24 2019-06-04 宁波比亚迪半导体有限公司 光电二极管及其制造工艺
JP2021114611A (ja) * 2014-10-23 2021-08-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置および画像取得装置
US11532652B2 (en) 2014-10-23 2022-12-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device and image acquisition device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08116044A (ja) * 1993-12-27 1996-05-07 Canon Inc 光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステム
JP2003130959A (ja) * 2001-10-24 2003-05-08 Konica Corp 放射線画像検出器
JP2003344545A (ja) * 2002-05-23 2003-12-03 Konica Minolta Holdings Inc 放射線画像検出器
JP2004247647A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Trecenti Technologies Inc フォトダイオードおよびイメージセンサ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08116044A (ja) * 1993-12-27 1996-05-07 Canon Inc 光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステム
JP2003130959A (ja) * 2001-10-24 2003-05-08 Konica Corp 放射線画像検出器
JP2003344545A (ja) * 2002-05-23 2003-12-03 Konica Minolta Holdings Inc 放射線画像検出器
JP2004247647A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Trecenti Technologies Inc フォトダイオードおよびイメージセンサ

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015084068A1 (ko) * 2013-12-04 2015-06-11 주식회사 레이언스 엑스선 디텍터 및 이를 이용한 엑스선 영상장치와 이의 구동방법
US10222487B2 (en) 2013-12-04 2019-03-05 Rayence Co., Ltd. X-ray detector, X-ray imaging device using same, and driving method therefor
WO2016052972A1 (ko) * 2014-09-30 2016-04-07 주식회사 레이언스 엑스선 디텍터 및 그 구동방법
US20170299734A1 (en) * 2014-09-30 2017-10-19 Rayence Co., Ltd. X-ray detector and driving method therefor
JP2021114611A (ja) * 2014-10-23 2021-08-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置および画像取得装置
JP7178644B2 (ja) 2014-10-23 2022-11-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置および画像取得装置
US11532652B2 (en) 2014-10-23 2022-12-20 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device and image acquisition device
JP2017005051A (ja) * 2015-06-08 2017-01-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 撮像装置および撮像モジュール
US10199408B2 (en) 2015-06-08 2019-02-05 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Imaging device including first and second pixels
CN109841701A (zh) * 2017-11-24 2019-06-04 宁波比亚迪半导体有限公司 光电二极管及其制造工艺
CN109841701B (zh) * 2017-11-24 2021-09-10 比亚迪半导体股份有限公司 光电二极管及其制造工艺

Also Published As

Publication number Publication date
JP4858540B2 (ja) 2012-01-18
JPWO2007122890A1 (ja) 2009-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10468450B2 (en) Apparatus for radiation detection in a radiography imaging system
US20090206237A1 (en) Phototransistor
US20080237474A1 (en) Semiconductor photodiode and method for manufacturing same, radiation detection device, and radiation imaging apparatus
JP2018530169A (ja) デジタル撮像システムにおける放射線検出のための装置
JP4858540B2 (ja) 光電変換装置及び放射線像撮像装置
US20130063631A1 (en) Solid-state imaging apparatus and camera
US10297625B2 (en) Photoelectric conversion device and imaging system
WO2019216242A1 (ja) 裏面入射型半導体光検出装置
US9780140B2 (en) X-ray image sensor substrate
US9401383B2 (en) Photoconductive element for radiation detection in a radiography imaging system
KR100790586B1 (ko) Ｃｍｏｓ 이미지 센서 액티브 픽셀 및 그 신호 감지 방법
US11860033B2 (en) Photodetector, photodetector array, and drive method comprising a second transistor including a channel of first conductivity type and a first transistor including a channel of second conductivity type that has polarity opposite to polarity of the first conductivity type
JP5108369B2 (ja) 撮像素子の製造方法及び撮像素子の駆動方法
EP2981069B1 (en) Photoelectric conversion apparatus and photoelectric conversion system
WO2023008026A1 (en) Backside illuminated single photon avalanche diode
KR100790585B1 (ko) Ｃｍｏｓ 이미지 센서 픽셀 및 그 신호 감지 방법
JP2007324304A (ja) 固体撮像素子及び撮像装置
CN111987112B (zh) 放射线感测装置
JP7268986B2 (ja) 整流性を有する素子と薄膜トランジスタとを含む装置
US8258559B2 (en) Image sensor photodiode arrangement
US20140231880A1 (en) Imaging sensor
WO2021225036A1 (ja) 光検出装置、及び光センサの駆動方法
JP7576928B2 (ja) 光検出装置、及び光センサの駆動方法
US20230387149A1 (en) Optical sensor
JP7402635B2 (ja) 固体撮像素子および撮像装置、ならびに白キズ抑制方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07738149

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2008512006

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07738149

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1