JP3689619B2 - 放射線撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、放射線撮像装置に係わり、特に、人体などの被検体を透過したＸ線などの放射線像を電子画像化するために好適に用いることができる放射線撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線の一つであるＸ線を電気信号に変換するＸ線撮像装置として、Ｘ線を光に変換するイメージ・インテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）、テレビジョンカメラ及びテレビジョン装置を組み合わせ、Ｘ線像を得る方式がある（Ｉ．Ｉ．−ＴＶシステム）。この方式は、イメージ・インテンシファイアのＸ線入力面サイズが撮影可能サイズとなる。入力面サイズは大体１６インチ視野程度のものまである。
【０００３】
光に変換されたＸ線像はイメージ・インテンシファイア出力部で一度結像される。この出力像を、光学系を介して、テレビジョンカメラで撮像し、電気的映像として出力する。この方式では、Ｘ線像をリアルタイムに観察できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方式では、解像度が充分とは言えず改良の余地がある。又、フィルムと比較して、撮影装置が大きく、設置場所が限られたり、移動に制限を受けるなど取り扱い上の改善点を持っている。
【０００５】
（目的）
本発明の目的は、上記Ｘ線撮像装置に好適に用いることができる放射線撮像装置を提供することにある。
【０００６】
又、本発明の目的は、入射した放射線に対する感度特性の優れた放射線撮像装置を提供することである。
【０００７】
加えて、本発明の目的は、過大な入力がなされた場合でも、スイッチを介してのキャリア・オーバーフローを防止することが可能な放射線撮像装置を提供することである。
【０００８】
更に本発明の目的は、残像が少なく、安定した画像情報の電気的変換を行うことができる放射線撮像装置を提供することである。
【０００９】
又、本発明の目的は、より高感度化が可能な放射線撮像装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、入射した放射線を電荷に変換する電荷変換手段と、変換された前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、前記電荷変換手段と前記電荷蓄積手段との間に設けられた、前記電荷変換手段に加えられる電界を固定する制御手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す読み出し手段と、を有する入力画素の複数、
該入力画素から読み出された電荷を出力する、該入力画素の複数に接続された出力線、
前記電荷蓄積手段をリセットするためのスイッチ手段、とを有し、
少なくとも前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段が、同一の絶縁基板上に形成され、
前記電荷変換手段が、前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段上に積層され、
少なくとも前記制御手段及び前記読み出し手段が薄膜トランジスタからなることを特徴とする放射線撮像装置である。
【００１２】
なお、本発明において、放射線とは、Ｘ線に限られるわけではなく、α、β、γ線等の電磁波を含んでよい。もちろん、Ｘ線がもっとも一般的である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明によるＸ線センサの概略的断面図である。
【００１５】
図１において、１００は、Ｘ線のセンシング部で、Ｘ線の照射によって電子−正孔を生成する。生成されたキャリアの一方のキャリアは蓄積され、画像情報を有する信号として読み出される。２００は、電気キャリアの読み出し部で、絶縁基板１の上にトランジスタ２などが形成されている。
【００１６】
Ｘ線センシング部１００は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇｅ、Ｓｉなどの半導体からなる、ｐ⁺層１０、ｎ―（又はｉ）層２０、ｎ⁺層３０で構成され、空乏層がｐ⁺層１０とｎ―層２０の界面から広がるｐｉｎダイオードと、ｎ⁺層３０上に形成される金属層３１、３２、ｐ⁺層１０下に形成された金属層１１、１２により構成されている。金属層１２はバリアメタルである。なお、図中４０、５０は保護膜である。Ｘ線センシング部１００は、上記した半導体の単結晶基板に形成することができる。
【００１７】
読み出し部２００は、絶縁基板１上に回路を構成するトランジスタ２を有する。トランジスタ２は、ゲート１０１、ソース、ドレイン１０２、活性層１０３、ソース、ドレインと接続される金属配線１１０からなる。トランジスタ２は、保護膜１１３で覆われている。薄膜トランジスタを構成する半導体材料としては、アモルファスシリコン、ポリシリコン、マイクロクリスタルシリコン等の非単結晶材料が好適に用いられる。これらは、大基板ガラス基板上に４００℃以下の低温で作製することができるため、大面積基板を用いた大型のセンサ面を有した放射線撮像装置に最適である。１１１はＡｌ層、１１２は金属層である。図１では図示されていないが、読み出し部２００はキャパシタンスも有している。
【００１８】
読み出し部２００の金属層１１２とＸ線センシング部１００の金属層１１とは、バンプ金属１３によって接続されている。
【００１９】
トランジスタ２は、概略的等価回路図を示す図２のトランジスタ１２４に対応している。
【００２０】
なお、図２３（Ａ）は、読み出し部分２００の他の一例を説明する模式的平面図、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のＸ−Ｘ′における模式的断面図である。又、図２３（Ａ）に示される部材番号については、以下の図２に沿って説明する。
【００２１】
図２は、本発明によるＸ線撮像装置の一例を説明するための概略的等価回路である。
【００２２】
図２において、入力画素である単位セルは、電荷変換手段であるＸ線センサセル１２１、電荷蓄積手段である蓄積容量１２２、Ｘ線センサセル１２１からの信号を蓄積容量１２２に転送する、電界を制御する制御手段である第１のトランジスタ１２３、蓄積容量１２２から信号を読み出す、読み出し手段である第２のトランジスタ１２４を有する。この単位セルは、図２に示されるように、縦横に所望間隔で配置され、つまり、マトリクス状に配置されている。第１のトランジスタ１２３は、Ｘ線センサセル１２１に加えられる電界を制御する制御手段となる。
【００２３】
Ｘ線センサセル１２１は、第１のトランジスタと接続されていない他端に、Ｘ線センサセル１２１の該他端に所望の電位を与えるための、センサ電位固定手段が接続され、蓄積容量１２２の第１及び第２のトランジスタ１２３、１２４と接続されない他端には、蓄積容量１２２の該他端の電位を固定するための蓄積電位固定手段が接続される。
【００２４】
水平走査回路（シフトレジスター等の走査手段）１２０により、行ごとに各単位セルの第２のトランジスタ１２４が選択されて、各単位セルの蓄積容量１２２から出力線１２５に信号が読み出され、この信号が、出力線１２５に接続されるアンプ１４０を介して出力回路１３０に入力され、出力回路１３０によって列ごとに順次出力される。各出力線１２５は、出力線リセットトランジスタ１５０により電位Ｖ_Vに設定される。出力回路１３０は、例えば出力線ごとに設けられた蓄積容量（不図示）と、この蓄積容量と共通出力線とを接続するトランジスタ（不図示）とからなり、不図示の走査回路からφ_H1、φ_H2、…が出力回路１３０に順次入力されてトランジスタがオンして、蓄積容量から列ごとに信号が共通出力線に読み出されて出力される。
【００２５】
図２３（Ａ）及び図２３（Ｂ）について説明する。
【００２６】
ガラス基板のような絶縁基板１上に、下部電極２３１、絶縁膜（シリコン窒化膜）２３２、高抵抗アモルファスシリコン２３３、ｎ⁺アモルファスシリコン２３４及び上部電極２３５の層が順に形成されている。薄膜トランジスタ１２３、１２４と蓄積容量１２２は、図示されるように同一の積層膜構成で作製されている。同一の積層膜構成のため、作製工程が短く出来、製造コストが安く、かつ製造歩留まりも向上する。
【００２７】
金属層１１２は、トランジスタ１２３の主電極の一方となる。金属層１１２上にＸ線センシング部１００が電気的に接続される。ここでは、各画素毎にセンシング部が分離された例が示されている。
【００２８】
絶縁基板１上に形成された非単結晶材料の薄膜トランジスタ回路部は、薄膜で形成されているために、大型の絶縁基板上に形成することが容易である。回路部を薄膜トランジスタで形成するのは、薄膜トランジスタは活性層が薄い（通常は0．5μｍ以下）ために、放射線吸収の確立が低く、放射線検出部であるＸ線センシング部１００を通過した一部の放射線による材料損傷の問題が発生しにくいこと、放射線が読み出し回路中でほとんど吸収されないので、雑音が発生しづらく雑音特性が優れているという点で好適である。
【００２９】
放射線のＸ線センシング部１００と読み出し回路部を積層構造にすることにより、Ｘ線センシング部は、１００％の開口率を有していることになる。又、絶縁基板上に読み出し回路のみを形成することにより、Ｘ線の入射部領域のための面積を割く必要がないため、薄膜トランジスタのゲート幅を十分とることが出来、薄膜トランジスタの高速動作化を図ることができる。形成される半導体の特性、画素数にもよるが、３０ＦＰＳ（１秒に３０回の画像読み出し：フレーム/秒）から６０ＦＰＳの情報の読み出しも十分達成することができる。
【００３０】
図３（Ａ）は、単位セルの等価回路であり、図３（Ｂ）乃至図３（Ｄ）は、上記Ｘ線撮像装置の単位セルの動作を説明する概略的なポテンシャル図である。図３（Ｂ）乃至図３（Ｄ）において、横軸は単位セル上の場所を示し、縦軸は各場所でのポテンシャルを示す。
【００３１】
図３（Ｂ）は、センサリセット状態を示すポテンシャル図である。図２に示す第２のトランジスタ１２４、出力線リセットトランジスタ１５０がオンすると、図３（Ｂ）に示すように、蓄積容量１２２の電位は、リセット電圧Ｖ_Vとなる。トランジスタ１２３のゲートに一定電圧Ｖ_Aを与えておくと、トランジスタ１２３は、常にＶ_A−Ｖ_T（Ｖ_Tはトランジスタ１２３のしきい値電圧）の電位となっている。
【００３２】
図３（Ｃ）は、信号蓄積状態を示すポテンシャル図である。トランジスタ１２４がオフの状態で、Ｘ線がセンサセル１２１に照射されると、センサセル１２１中で、キャリアを生成し、そのキャリアが、トランジスタ１２３を介して蓄積容量１２２に蓄積され、蓄積容量１２２の電位が電位Ｖ_Vから変化する。
【００３３】
図３（Ｄ）は、読み出し状態を示すポテンシャル図である。出力線リセットトランジスタ１５０がオフした状態で、トランジスタ１２４がオンすると、蓄積容量１２２に蓄積された電荷が出力線１２５に読み出される。
【００３４】
原理的には、上記のセンサリセット、信号蓄積及び読み出しの動作が繰り返される。
【００３５】
図４は、Ｘ線撮像装置の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【００３６】
トランジスタ１２３のゲートに与える電圧を、一定電圧（電圧Ｖ_A）とする。出力線１２５のリセット（リセット電位Ｖ_V）を、φ_VRをＶ_Rとして、出力線リセットトランジスタ１５０をオンすることで行なった後、水平走査回路１２０でφ_V1にパルスを加え、蓄積容量１２２に蓄積された信号に、各出力線１２５に読み出し、各水平走査をφ_H2、φ_H2…と行なうことにより、出力回路１３０から順次出力（Ｖ_out）がされる。
【００３７】
図１に示したＸ線センサの半導体材料によるＸ線の吸収は、光電効果、コンプトン及び電子対創生の３つのメカニズムによって決まる。図５に、ＳｉとＧｅの例を示す。
【００３８】
医療用及び分析用などの用途では、０．１ＭｅＶ以下を使用することが多いので、主に光電効果によって吸収が決まる。
【００３９】
Ｘ線吸収は、原子番号が大きい材料の方が、吸収係数は大である。半導体で、ｐｎ接合による検出を考えた場合、バンドギャップが１ｅＶより小さい場合は、室温で使う場合でも暗電流が多くなり、雑音特性が低下するので、それに対する対策が必要になる。したがって、バンドギャップ１ｅＶ以上で、ｐｎ接合の暗電流が小さく、かつ、Ｘ線吸収の大きい材料が望ましい。ＧａＡｓやＧａＰ等は、バンドギャップがＳｉより大きく、放射線検出材料として好ましい。
【００４０】
図５に示した様に、Ｓｉは、Ｘ線の吸収係数が比較的小さいので、これを鑑みて、低エネルギー用とすれば良い。
【００４１】
図６は、半導体の材料の放射線によるキャリアの生成をするために必要なエネルギーを示す。横軸は半導体エネルギーギャップ、縦軸は生成に必要なエネルギーを示す。キャリア生成に必要なエネルギーについては、小さい方が、たくさんキャリアを発生するので望ましい。
【００４２】
ＧａＡｓ、ＣｄＴｅは５ｅＶ程度でる。したがって、例えば、５０ｋｅＶのＸ線から１００００個のキャリア対を生成することができる。ＧａＡｓ、ＣｄＴｅはバンドギャップも大きく、かつ、ε（ｅＶ）が小さく、かつ、Ｘ線吸収が大きいために、Ｘ線検出材料として望ましい。
【００４３】
さらに、ＧａＡｓは、結晶の完全性が高く、暗電流が小さく、使用材料として望ましい。ＧａＡｓは、Ｇｅと非常に近いＸ線吸収特性を持つ。上記特性を鑑みると、照射されるＸ線量が制限される、医療用途などに好適に用いることができる。ＧａＡｓの量産性は、現在Ｓｉ同様に良好であり、経済的にも非常に好適である。
【００４４】
図１のＸ線センサにおいて、Ｘ線を検出する部分（Ｘ線センシング部１００）のｎ⁺層３０、ｐ⁺層１０のところは、放射線（ここではＸ線）の不感帯となる。空乏層中でＸ線のキャリアへの変換が有効に行われる。
【００４５】
図７には、Ｓｉにおけるｎ⁺あるいはｐの抵抗率をパラメータとし、印加電圧と空乏層の厚さを示す。抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上で高く、かつ、印加電圧は１０Ｖ以上、望ましくは１００Ｖ以上とすることが好ましい。１ｍｍ近くの空乏層にするには、１０００Ｖ以上も印加電圧が求められる。ＧａＡｓでは、１０７Ωｃｍ以上の抵抗のウエハを作製できるので、Ｓｉに比べると低い電圧で、厚い空乏層が得られ、高感度化できる。又、ＧａＡｓは、Ｇｅと同様なＸ線吸収特性を有しているので、直接Ｘ線材料として好適である。
【００４６】
図２で、端子１０００には、Ｓｉでは１０００Ｖ以上の電圧を印加する。ＧａＡｓでは、より低い電圧となる。
【００４７】
トランジスタ（薄膜トランジスタ：ＴＦＴ）１２３に、一定電圧Ｖ_Aを常に加えることにより、センサセル１２１のもう一方の電極は、常にＶA−ＶT になっている。そのため、センサセル１２１は、常に一定の電圧が印加され、空乏層の厚みも変化なく、安定な動作が可能である。
【００４８】
図８は、ＴｉＢｒ、ＣｓＩ、ＳｅのＸ線吸収特性を示す図である。
【００４９】
図２４においては、単結晶の半導体を高抵抗Ｘ線検出部として使う例を示している。単結晶高抵抗部２０′の材料として、高抵抗を有すること（＞１０⁷Ωｃｍ）、暗電流（バンドギャップ〜１．５ｅＶ）が小さいこと、大口径ウエハ（６インチφ）ができることなどから、ＧａＡｓは特によい。１０′はｎ+層を示している。
【００５０】
図９は、本発明の他の実施形態によるＸ線センサの断面図である。
【００５１】
本実施形態は、ｐ+層１０の周辺に、ｐ+より低い濃度のｐ領域５００（ガード領域となる）を設けることにより、Ｘ線検出器に高電圧印加をする場合の、周辺の急峻な電界の緩和を図り、ｐｎ接合の耐圧を改善したものである。
【００５２】
図１０は、本発明の、さらに他の実施形態によるＸ線センサの断面図である。
【００５３】
本実施形態は、上部ｎ+領域３０を分離したものであり、解像度を改良するのに効果がある。３３はｎ+領域３０を分離する絶縁膜である。
【００５４】
図１１は、本発明の、さらに他の実施形態によるＸ線センサの断面図である。
【００５５】
図１１は、下側基板を単結晶基板にした例である。単結晶基板１１４を用いることで、周辺回路も下側基板にとり込むこともでき、高機能化、高速読み出しにもさらに効果を発揮する。半導体基板である単結晶基板１１４内に、ｎ型領域であるソース、ドレイン１０２が形成され、ｐ領域１１６上に絶縁層を介してゲート電極が形成されて、トランジスタ１１５が形成されている。
【００５６】
図１２は、本発明によるＸ線撮像装置の他の実施形態である等価回路である。本実施形態では、センサセル１２１にリセットトランジスタ１２６を接続した。リセットトランジスタ（リセット薄膜トランジスタ）１２６の導入により、センサの残像を改善できる。電圧ＶRSを、ＶA−ＶT より若干大きく設定することにより、残像の改善されたＸ線センサとなった。なお、リセットトランジスタ１２６は、センサセル１２１の電位を一定期間固定する電位固定手段となる。
【００５７】
図２２に、上記Ｘ線撮像装置のタイミング・チャートを示す。
【００５８】
φR1、φR2…、φV1、φV2、…をφVRにそれぞれ同期して、センサ部をリセットする。φR1、φR2のオフ時は、完全にオフ状態にしないで、リセットトランジスタ１２６のゲートにＶB の電圧を与えておくと、センサ部に強力な入力Ｘ線が入り、蓄積容量１２２（容量値Ｃ₁）に大きな電荷Ｑ_Lange が蓄積されたとき、Ｖ_Lange ＝Ｑ_Lange ／Ｃ₁ は、Ｖ_B−Ｖ_THより大きくならない。これにより、スイッチ・トランジスタ１２４に過大な電圧がかからないようにできる。過大な電圧とは、例えば、図３（Ｃ）で示したトランジスタ１２４のＶmaxより大きな電圧であり、Ｖmax以上の電圧が蓄積容量Ｃ（１２２）に蓄積されると、トランジスタ１２４の出力側にキャリアが流れ出し、画像に大きな影響がでる。ＣＣＤなどで、ブルーミングとよばれているような画像への影響をなくすことができる。
【００５９】
図１３は、蓄積容量をリセットするリセットスイッチ１２７を、各蓄積容量に設けた例を示す図である。
【００６０】
スイッチトランジスタ１２７の動作を、図１２のセンサのトランジスタ１２６と同様の動作とすると、同様にオフ時にＶBの電圧を与えておくと、蓄積容量１２２（容量値Ｃ1 ）は、ＶB−ＶTH以上の電圧にならない様にできる。読み出しトランジスタ１２４からの蓄積容量１２２のキャリアのオーバーフローを防止することにより、縦方向画像の特性を改善することができた。
【００６１】
Ｘ線光量が十分に小さいときは、オフ時の電圧は完全なオフ電位でよい。
【００６２】
この機能により、過大Ｘ線入力が入った場合の保護機能をもたすことができる。スイッチトランジスタ１２７は、リセット・スイッチとキャリアオーバーフロー防止の保護回路との二つの機能をもたせることができる。
【００６３】
図１４は、トランジスタ１２６、１２７を同時に設けた実施形態を示す図である。
【００６４】
Ｖ_B は、Ｖ_A より若干大きいか、同じ程度にすると（（Ｖ_A−Ｖ_TH126 ）≒（Ｖ_B−Ｖ_TH128 ））、センサの最大蓄積電荷は、
Ｑ_max ＝（Ｖ_A−Ｖ_TH126−Ｖｖ）Ｃ₁
である。
【００６５】
Ｖ_A 、Ｖ_B 、Ｖ_Rを変えることにより、Ｑ_max を容易に変えることができる。かつ、スイッチトランジスタ１２４のソース・ゲート耐電圧（Ｖ_S-G_max）かソース−ドレイン間の耐電圧（Ｖ_S-D_max）の小さい方より、Ｖ_B を設定すれば、スイッチ・トランジスタの電圧破壊の保護もできる。
【００６６】
図１５は、各セルに、ソースフォロアを有し、すなわち、各セルにアンプを有しているため、信号増幅ができ、感度向上を図ることができる。各セルには、選択用のトランジスタ１２８、アンプとなるトランジスタ１２９を有し、ソースフォロアを構成している。
【００６７】
図１６、図１７及び図１８は、図１２、図１３及び図１４の構成の単位セルに、それぞれ、図１５のソースフォロアを設けたものである。図１６、図１８では、リセットトランジスタ１２６をそれぞれ設けることで、残像改善を行なっている。
【００６８】
図１９は、固定パターンノイズを除去するために、出力系を２系統設けた実施形態である。図１９において、φＶＲをオンすることにより、セルおよび容量Ｃをリセットした後、セルから、センサリセット後の雑音（Ｎ）を、トランジスタ１３１を介して、蓄積容量Ｃ_Nに蓄積する。その後、セルに信号（Ｓ）が蓄積された後、同セルから、雑音成分を含む信号（Ｓ＋Ｎ）を、トランジスタ１３２を介して読み出して蓄積容量Ｃ_Sに蓄積する。その後、蓄積容量Ｃ_N、Ｃ_Sの両方から、トランジスタ１３５、１３６をオンし、雑音と雑音成分を含む信号を読み出し、減算アンプ１３７により、雑音成分を含む信号（Ｓ＋Ｎ）から雑音成分（Ｎ）をさし引いて信号（Ｓ）を出力する（Ｖｏｕｔ）。１３３、１３４は、蓄積容量Ｃ_N、Ｃ_Sをリセットするトランジスタである。セルをリセットする前に容量Ｃ_NとＣ_sは、φＨＲによりトランジスタ１３５、１３６をオンし、リセットしておく。
【００６９】
次に、本発明の別のＸ線撮像装置の一例について説明する。
【００７０】
図２５は、本発明によるＸ線センサの概略的断面図である。
【００７１】
図２５において、図１と同じ参照番号の部材は、図１で説明したものと同じであるので、その詳細についての説明は省略する。図２５に示されるＸ線センサは、図１で説明したように、センシング部１００に照射されたＸ線から、電子−正孔対を生成し、一方のキャリアを蓄積し、画像情報を担う電気信号として読み出す。
【００７２】
Ｘ線センシング部１００は、上述したように、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉなどの半導体を用いて構成され、ｎ⁺ 層３１０、ｐ^-層（ｉ層）３２０、ｐ⁺ 層３３０を有する。これら層は、空乏層がｎ⁺ 層３１０とｐ^-層３２０の界面から広がるｐｉｎダイオードを形成する。ｐ⁺ 層３３０上、つまり、Ｘ線入射側には、金属層３１、３２が形成され、ｎ⁺ 層３１０下、つまり、Ｘ線入射側と反対側、ここでは読み出し部２００側に形成された金属層１１、１２を有する。金属層１２は、前述したようにバリアメタルである。Ｘ線センシング部１００は、上述のように、単結晶半導体基板を利用して形成することができる。
【００７３】
図示されるように、本例は、Ｘ線センシング部１００のダイオードの接続方向が異なっている点が、図１及び図２に示される例と異なっている。
【００７４】
読み出し部２００は、絶縁基板１上に回路を構成するｎ型薄膜トランジスタ２２０を有し、ｎ型薄膜トランジスタ２は、ゲート２２１、ｎ+ソース、ｎ+ドレイン２２２、低不純物濃度の半導体活性層２２３、ソース、ドレインと接続される金属配線２３０を有する。薄膜トランジスタ２２０は、保護膜１１３で覆われている。前述したように、薄膜トランジスタの半導体材料としては、アモルファスシリコン、ポリシリコン、マイクロクリスタルシリコン等の非単結晶材料が好適に使用される。図１と同様、図２５では図示されていないが、読み出し部２００には、蓄積容量となるキャパシタンスが形成されている。
【００７５】
図２６に、図２５に示されたＸ線センサを有するＸ線撮像装置の概略的等価回路を示す。図２に示される参照番号と同じ部材は、図２に示されたものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。
【００７６】
図２６においては、単位セルは、Ｘ線センサセル１２１、蓄積容量１２２、Ｘ線センサセル１２１からの信号を蓄積容量１２２に転送する第１のｎ型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１２３、蓄積容量１２２から信号を読み出す第２のｎ型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１２４を有する。
【００７７】
図２６では、ダイオードとして図示されているＸ線センサセル１２１の極性が図２に示される等価回路図と異なっている。
【００７８】
水平走査回路（シフトレジスター等）１２０により、行ごとに各単位セルの第２の薄膜トランジスタ１２４が選択されて、各単位セルの蓄積容量１２２から出力線１２５に信号が読み出され、この信号が、出力線１２５に接続されるアンプ１４０を介して出力回路１３０に入力され、出力回路１３０によって、列ごとに順次出力される。各信号線に増幅器（140：アンプ）を接続することは、ガラス基板上に形成された大型の回路基板（たとえば、20cm×20cmや43cm×43cmの大きさ）の放射線撮像装置では、放射線撮像装置の電荷蓄積容量の容量値（通常0．5〜3ｐＦ程度）に比べて、出力線の配線クロス部及び薄膜トランジスタのゲートと出力線とつながっているソース間の容量等からなる寄生容量値が、数十ｐＦから100ｐＦ程度になって大きいので、信号対雑音比を十分とるために効果的である。各蓄積容量１２２と各出力線１２５は、出力線リセットトランジスタ１５０により、トランジスタ１２４を介して電位Ｖｖに設定される。出力回路１３０は、例えば出力線ごとに設けられたサンプリング蓄積容量１６０と、このサンプリング蓄積容量と共通出力線とを接続するトランジスタ１７０を有する。（図３５の概略的回路図参照）この出力回路３０では、転送パルスφTにより、出力線からの電気信号をサンプリング蓄積容量１６０に順次蓄積し、シフトレジスタのような走査回路１９５からφH1、φH2、…のタイミングパルスが回路中のトランジスタ１８０に順次入力されてトランジスタ１８０が順次オンして、サンプリング蓄積容量１６０から列ごとに信号が共通出力線に接続されたバッファアンプ１９０に読み出されて出力（V_OUT）される。
【００７９】
図２７は、図２６に示されるＸ線撮像装置を駆動するためのタイミングチャートの一例である。
【００８０】
トランジスタ１２３のゲートに与える電圧を一定電圧（電圧ＶA）とする。蓄積容量１２２と出力線１２５のリセットのために、φV_RをＶ_Rとして、リセット電位Ｖｖに接続された出力線リセットトランジスタ１５０をオンとし、同時に、φV₁をオンとする（リセットモード）。その後、φV_R、φV₁をオフにして、X線センサセル１２１は、蓄積モードにはいる。次に、水平走査回路１２０でφV₁にパルスを加え、蓄積容量１２２に蓄積された信号を、各出力線１２５に読み出す（読み出しモード）。その後、転送パルスにより、サンプリング蓄積容量（不図示）に一括で電荷を転送した後、各水平走査をφH1、φH2…と行なうことにより、サンプリング蓄積容量から順次出力（Ｖout）がされる。蓄積電荷が出力線１２５に転送された後は、又再びリセットモードに戻る。
【００８１】
上記したサイクルは、各水平ラインに対して同様に行い、順次情報を読み出してゆく。
【００８２】
なお、読み出しモードのφVｉ（i＝１、２、３…）がオンされる直前に読み出し手段であるトランジスタ１２４をオフした状態（φViをオフ状態）で、リセット手段であるトランジスタ１５０をオンした状態（ΦV_Rをオン状態）にすることより、出力線のみのリセットをさらに行っても良い。この場合、他の動作は、図２７に示したものと同様に行えば良い。この動作により、一部の撮像装置の撮影領域に強い放射線が入射したとき、蓄積容量からスイッチ１２４を介して出力線に電荷がもれて、他のセル読み出し時に影響する現象（ＣＣＤ等でブルーミングと呼ばれている現象）を防止することが出来る。
【００８３】
図２５のＸ線センサにおいて、Ｘ線を検出する部分のｐ⁺層３３０、ｎ⁺層３１０のところは、放射線の不感帯となる。空乏層中でＸ線のキャリアへの変換が有効に行われる。
【００８４】
薄膜トランジスタ１２３に一定電圧ＶA を常に加えることにより、センサセル１２１のもう一方の電極は、常にＶA−ＶT になっている。そのため、センサセル１２１は、常に一定の電圧印加され、空乏層の厚みも変化なく、安定な動作が可能である。
【００８５】
図２８は、本発明の別のＸ線センサの一例を示す概略的断面図である。図示されるように、本例は、図２４に示されるＸ線センサのＸ線センシング部１００の極性が異なっている例であり、p−型あるいはｉ型の単結晶の半導体を高抵抗Ｘ線検出部として使う例を示している。単結晶高抵抗部（ここではp^-領域）３２０の材料として、高抵抗を有すること（＞１０⁷Ωｃｍ）、暗電流（バンドギャップ〜１．５ｅＶ）が小さいこと、大口径ウエハ（６インチφ）ができることなどから、ＧａＡｓを利用することが望ましい。３１０はｎ⁺層、３３０はp⁺領域である。
【００８６】
図２９は、本発明の、他のＸ線センサの一例を示す概略的断面図である。
【００８７】
本例は、図２９に示されるＸ線センサの、Ｘ線センシング部１００の極性が異なっている例であり、p^-型あるいはｉ型の単結晶の半導体（図ではｐ^-領域）を高抵抗Ｘ線検出部として使う例を示している。ここでは、ｎ⁺ 層３１０の周辺に、ｎ⁺ より低い濃度のｎ領域３５００（ガード領域となる）を設けることにより、Ｘ線検出器に高電圧印加をする場合の、周辺の急峻な電界の緩和を図り、ｐｎ接合の耐圧を改善している。
【００８８】
図３０は、本発明の、さらに他のＸ線センサの一例を示す概略的断面図である。
【００８９】
本例は、図２９に示されるＸ線センサの、Ｘ線センシング部１００の極性が異なっている例であり、p^-型あるいはｉ型の単結晶の半導体（図ではｐ^-領域３２０）を高抵抗Ｘ線検出部として使う例を示している。ここでは、上部ｐ⁺ 領域３３０を分離したものであり、解像度を改良するのに効果がある。３３は、ｐ⁺ 領域３０を分離する絶縁膜である。
【００９０】
図３０で、ｐ^-領域３２０を反対導電型ｎ^-にすると、空乏層は表面側から広がり、確実にＸ線入射の多い所で、空乏層があるため、感度、解像度が安定する。ただし、空乏層はｐ⁺とｎ⁺の間、ｎ^-領域全厚みに広がっていることが求められる。
【００９１】
図３１は、本発明の、さらに他の実施形態によるＸ線センサの概略的断面図である。
【００９２】
図３１は、図２８に示されるＸ線センサの下側基板を、単結晶基板にした例であり、図１１のＸ線センサとは、Ｘ線センシング部１００の極性を異ならした場合の例である。ここでは、単結晶基板１１４を用いることで、周辺回路も下側基板にとり込むこともでき、高機能化、高速読み出しにも、さらに効果を発揮する。ｐ領域１１６上にゲート電極を形成することで、トランジスタ１１５が形成されている。
【００９３】
図３２は、他のＸ線センサの一例を説明するための概略的断面図である。図３２には、図３１に示されるＸ線センサにおいて、ｎ⁺領域３１０の周り全体に、ｎ⁺領域３１０より不純物密度の低いｎ型領域３１１を設けている。このような構成とすることにより、ｐｎ接合でのｎ⁺領域３１０の周辺電界の低減により、ｐｎ接合の耐圧改善と空乏層領域中での暗電流の低減を図ることができる。
【００９４】
図３３は、本発明によるＸ線撮像装置の、他の例を説明するための概略的等価回路図である。本例では、図１２に示される概略的等価回路図におけるセンサセル１２１の極性を逆にした例が示されている。
【００９５】
図３４は、上記Ｘ線撮像装置を駆動の一例を説明するためのタイミング・チャートである。
【００９６】
φＲ₁、φＲ₂…、φＶ₁、φＶ₂、・・をφＶ_Rにそれぞれ同期して、トランジスタ１２４、１２６、１３０を駆動し、センサセル（センサ部）１２１をリセットする。φＲ₁、φＲ₂のオフ時は、リセットトランジスタ１２６を完全にオフ状態にしないで、リセットトランジスタ１２６のゲートにＶ_B の電圧を与えておくと、センサ部に強力な入力Ｘ線が入り、蓄積容量１２２（容量値Ｃ₁）に大きな電荷Ｑ_Lange が蓄積されたとき、Ｖ_Lange ＝Ｑ_Lange ／Ｃ₁ は、Ｖ_B−Ｖ_THより大きくならない。これにより、トランジスタ１２４に過大な電圧がかからない様にできる。過大な電圧とは、例えば図３（Ｃ）で示した薄膜トランジスタ１２４のＶmaxより大きな電圧であり、Ｖ_max以上の電圧が蓄積容量（Ｃ）１２２に蓄積されると、トランジスタ１２４の出力側にキャリアが流れ出し、画像に大きな影響がでる。このように、トランジスタ１２６の駆動を制御することで、ＣＣＤなどでブルーミングとよばれているような画像への影響をなくすことができる。
【００９７】
もちろん、Ｘ線センシング部１００の極性を変えた場合であっても、図１３乃至図１９に示されるような概略的等価回路図において、Ｘ線センシング部の極性を逆にすることによって、同様にそれら回路が適用できることは言うまでもない。
【００９８】
図３５は、出力回路の１実施形態である。
トランジスタ１７０により、各ラインからの出力をアンプ１４０を介して容量１６０に転送パルスφＴにより同時に転送後、シフトレジスタ１９５から順次パルスがトランジスタ１８０に出力されてアンプ１９０を介してＶｏｕｔの出力がなされる。図２７、図３４の転送パルスは、φＴを示している。
【００９９】
図２０は、絶縁性基板上に形成された読み出し回路等を形成した基板２００の上に、複数枚のＸ線センシング部１００を組み合わせることにより、大画面の放射線撮像装置を作製した一例を示す模式的斜視図である。図中１５００、１６００はそれぞれ駆動回路、出力回路を示し、回路基板部である読み出し部２００上に設置される。読み出し部２００の基板１としてガラス基板を用いることで、撮像装置を大型化できる。
【０１００】
図２１は、本発明の撮像装置を用いた医療用診断機器の一例を示す模式図である。
【０１０１】
図２１において、１００１はＸ線発生源となるＸ線管、１００２はＸ線通過の開閉制御を行うＸ線シャッター、１００３は照射筒又は可動絞り、１００４は被写体、１００５は本発明を用いた放射線検出器、１００６は放射線検出器１００５からの信号をデータ処理するデータ処理装置である。１００７はコンピュータであり、データ処理装置１００６からの信号に基づいて、Ｘ線画像等をＣＲＴ等のディスプレイ１００９に表示したり、カメラ制御器１０１０、Ｘ線制御器１０１１及びコンデンサ式高電圧発生器１０１２を介して、Ｘ線管１００１を制御してＸ線発生量の制御を行う。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、次の効果を得ることができる。
（１）高電圧の印加される放射線検出部の印加電界を一定に保つことにより、センサの読み取り感度の直線性を保つことができる。ｐｎ接合構造Ｘ線検出部において、印加電圧一定で空乏層の厚みを一定にできることにより、量子効率を高いまま一定にできる。中性領域は検出不感帯となる。導電度変調型も電界を一定にすることにより、電荷発生率を一定にすることができ直接性を一定にできる。
（２）放射線の過大入力時に、センサのスイッチを介してのキャリア・オーバーフローを防止することができる。
（３）残像を少なくすることができる。
（４）高感度とすることができる。
（５）絶縁基板上の読み出し回路と放射線検出部を積層することで、開口率高く、且つ薄膜トランジスタにより、雑音低く高Ｓ／Ｎで動画対応できる特性が得られ、信頼性の高い放射線撮像装置が得られる。
（６）絶縁性基板上の非単結晶半導体の薄膜トランジスタを使うことで、絶縁性基板をベースにして大型面積放射線撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図２】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価回路図である。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、放射線撮像装置の単位セルの一例を示す概略的等価回路図（図３（Ａ））及びその動作の一例を示すポテンシャル図（図３（Ｂ）、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ））である。
【図４】放射線撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】ＳｉとＧｅのＸ線エネルギーと吸収割合との一例を示す特性図である。
【図６】半導体の材料の放射線によるキャリアの生成をするために必要なエネルギーの一例を示す特性図である。
【図７】Ｓｉにおけるｎ⁺ 型領域あるいはｐ型領域の抵抗率をパラメータとした、印加電圧と空乏層の厚さとの関係の一例を示す特性図である。
【図８】ＴｉＢｒ、ＣｓＩ及びＳｅのＸ線吸収特性の一例を示す図である。
【図９】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図１０】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図１１】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図１２】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価断面図である。
【図１３】本発明の単位セルの一例を示す等価回路図である。
【図１４】本発明の単位セルの一例を示す等価回路図である。
【図１５】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価回路図である。
【図１６】本発明の単位セルの一例を示す等価回路図である。
【図１７】本発明の単位セルの一例を示す等価回路図である。
【図１８】本発明の単位セルの一例を示す等価回路図である。
【図１９】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価回路図である。
【図２０】Ｘ線撮像装置の一構成例を示す模式的斜視図である。
【図２１】本発明の放射線撮像装置を用いた医療用診断機器に代表される非破壊検査装置の一例を示す模式的構成図である。
【図２２】放射線撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図２３】図２３（Ａ）は、放射線撮像装置の一構成例を示す模式的平面図であり、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）のＸ−Ｘ’における模式的断面図である。
【図２４】単結晶の半導体を高抵抗Ｘ線検出部として使う場合を示す概略的断面図である。
【図２５】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図２６】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価回路図である。
【図２７】放射線撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図２８】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図２９】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図３０】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図３１】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図３２】本発明の放射線撮像装置の一例を示すＸ線センサの概略的断面図である。
【図３３】本発明の放射線撮像装置の一例を示す概略的等価回路図である。
【図３４】放射線撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図３５】出力回路の一例を示す概略的回路図である。
【符号の説明】
１ 絶縁基板
２ トランジスタ
１０ ｐ+ 層
２０ ｉ層
３０ ｎ+ 層
３１、３２ 金属層
１１、１２ 金属層
１３ バンプ金属
４０、５０ 保護膜
１０１ ゲート
１０２ ソース、ドレイン
１０３ 活性層
１１０ 金属配線
１１１ Ａｌ層
１１２ 金層層
１１３ 保護膜
１２０ 水平走査回路
１２１ Ｘ線センサセル
１２２ 蓄積容量
１２３ 第１のトランジスタ
１２４ 第２のトランジスタ
１２５ 出力線
１３０ 出力回路
１４０ アンプ
１５０ 出力線リセットトランジスタ
１００ Ｘ線センシング部
２００ 読み出し部

Claims (21)

1. 入射した放射線を電荷に変換する電荷変換手段と、変換された前記電荷を蓄積する電荷蓄積手段と、前記電荷変換手段と前記電荷蓄積手段との間に設けられた、前記電荷変換手段に加えられる電界を固定する制御手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷に基づく信号を読み出す読み出し手段と、を有する入力画素の複数、
   該入力画素から読み出された電荷を出力する、該入力画素の複数に接続された出力線、
   前記電荷蓄積手段をリセットするためのスイッチ手段、とを有し、
   少なくとも前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段が、同一の絶縁基板上に形成され、
   前記電荷変換手段が、前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段上に積層され、
   少なくとも前記制御手段及び前記読み出し手段が薄膜トランジスタからなることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記電荷に基づく信号は、前記電荷による電位に基づく信号である請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記制御手段の薄膜トランジスタのゲート電極に一定電圧が印加される請求項１に記載の放射線撮像装置。
4. 前記スイッチ手段は、前記電荷蓄積手段の一方の端子の電位を所望の電位にするための蓄積電位固定手段に接続されている請求項１に記載の放射線撮像装置。
5. 前記スイッチ手段は、一端が該出力線側に接続され、他端が前記電荷蓄積手段の一方の端子の電位を所望の電位にするための蓄積電位固定手段に接続されている請求項１に記載の放射線撮像装置。
6. 前記電荷変換手段が、ｐｎ構造を有している請求項１に記載の放射線撮像装置。
7. ｐｎ構造を構成する一方の導電型半導体領域の周辺に、電界緩和のためのガード領域を有する請求項６に記載の放射線撮像装置。
8. 前記電荷変換手段が、導電変調型素子である請求項１に記載の放射線撮像装置。
9. 前記入力画素は、二次元マトリクス状に配置されている請求項１に記載の放射線撮像装置。
10. 更に、前記出力線に接続された、画像情報成分と雑音成分を含む信号を記憶する手段と、雑音成分を記憶する手段と、前記画像情報成分と雑音成分を含む信号から前記雑音成分をさし引く手段と、を有する請求項１に記載の放射線撮像装置。
11. 前記電荷変換手段のｐｎ構造は、半導体単結晶基板に作製されている請求項６に記載の放射線撮像装置。
12. 前記半導体単結晶基板は、バンドギャップが１ｅＶ以上である請求項１１に記載の放射線撮像装置。
13. 前記電荷変換手段の一方の端子の電位を所望の電位にするためのセンサ電位固定手段と、前記電荷蓄積手段の一方の端子の電位を所望の電位にするための蓄積電位固定手段とを有し、少なくともどちらか一方の電位固定手段が掃き出し手段として動作する請求項１に記載の放射線撮像装置。
14. 前記電荷変換手段が、単結晶ＧａＡｓを有する請求項１に記載の放射線撮像装置。
15. ｐｎ接合を構成する一方の導電型半導体領域の領域全体に、電界緩和のための前記一方の導電型半導体領域の不純物濃度より低い同一導電型半導体領域を有する請求項６に記載の放射線撮像装置。
16. 少なくとも前記制御手段、前記読み出し手段がｎ型薄膜トランジスタであり、前記ｐｎ接合のｎ領域の端子が前記制御手段のｎ型薄膜トランジスタのソースあるいはドレインに電気回路的に接続され、前記ｐｎ接合のｐ領域の端子は、バイアス手段に接続され、ｐｎ接合は逆バイアスされ前記半導体基板中に放射線検出に十分な空乏層が形成されている請求項６に記載の放射線撮像装置。
17. 少なくとも前記スイッチ手段と前記読み出し手段を同時にオンすることにより電荷蓄積手段をリセットするリセットモード、前記スイッチ手段と前記読み出し手段をオフし、前記電荷変換手段で入射放射線により発生した電荷を電荷蓄積手段に蓄積する蓄積モード、前記読み出し手段をオン、スイッチ手段をオフし、前記電荷蓄積手段から出力線に信号電荷を出力する読み出しモード、の動作を有する請求項１に記載の放射線撮像装置。
18. 前記蓄積モードと前記読み出しモードの間に、スイッチ手段をオン、読み出し手段をオフにし、出力線だけをリセットする出力線リセットモードを有する請求項１７に記載の放射線撮像装置。
19. 前記薄膜トランジスタが非単結晶半導体を有する請求項１に記載の放射線撮像装置。
20. 少なくとも、前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段が前記絶縁基板上の１面に下部電極、絶縁膜、高抵抗半導体膜、低抵抗半導体膜及び上部電極の同じ層構成である請求項１に記載の放射線撮像装置。
21. 少なくとも、前記制御手段、前記電荷蓄積手段及び前記読み出し手段が作製された前記絶縁基板上に、前記電荷変換手段を形成する複数の半導体基板が配置されている請求項１に記載の放射線撮像装置。

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