JP3740435B2 - 放射線撮像装置とその駆動方法、及び放射線撮像システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用の診断や工業用の非破壊検査に用いて好適な放射線撮像装置に関する。なお、本明細書では、Ｘ線、γ線などの電磁波やα線、β線も放射線に含めるものとして説明する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、病院内などに設置されているＸ線撮影システムは、患者にＸ線を照射させ、患者を透過したＸ線をフィルムに露光するフィルム撮影方式と、患者を透過したＸ線を電気信号に変換してディジタル画像処理する画像処理方式とがある。
【０００３】
画像処理方式のひとつに、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体と可視光を電気信号に変換する光電変換装置とで構成された放射線撮像装置がある。患者を透過したＸ線が、蛍光体に照射され、そこで可視光に変換された患者の体内情報を光電変換装置により電気信号として出力する。電気信号に変換されればＡＤコンバータでディジタル変換し、記録、表示、印刷、診断などを行うためのＸ線画像情報はディジタル値として扱うことが出来る。
【０００４】
最近では、光電変換装置にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた放射線撮像装置が実用化されている。
【０００５】
図１４は、ＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図であり、それらを結線する配線を含めて表している。図１５は図１４内Ａ−Ｂでの断面を示す。以後の説明では、簡単化のために、ＭＩＳ型光電変換素子は、単に光電変換素子と呼ぶことにする。
【０００６】
光電変換素子１０１及びスイッチ素子１０２（アモルファスシリコンＴＦＴ、以下単にＴＦＴと記す）は同一基板１０３上に形成されており、光電変換素子の下部電極は、ＴＦＴの下部電極（ゲート電極）と同一の第１の金属薄膜層１０４で共有されており、光電変換素子の上部電極は、ＴＦＴの上部電極（ソース電極、ドレイン電極）と同一の第２の金属薄膜層１０５で共有されている。また、第１及び第２の金属薄膜層は、光電変換回路部内の、ゲート駆動用配線１０６、マトリクス信号配線１０７も共有している。図１４においては、画素数として２×２の計４画素分が記載されている。図１４のハッチング部は、光電変換素子の受光面である。１０９は光電変換素子にバイアスを与える電源ラインである。また、１１０は光電変換素子とＴＦＴを接続するためのコンタクトホールである。
【０００７】
アモルファスシリコン半導体を主たる材料にした図１４で示されるような構成を用いれば、光電変換素子、スイッチ素子、ゲート駆動用配線、マトリクス信号配線を、同一基板上に同時に作製することができ、大面積の光電変換回路部が容易に、しかも安価に提供することができる。
【０００８】
次に、光電変換素子単体のデバイス動作について説明する。図１６（ａ）〜（ｃ）は図１４、図１５の光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【０００９】
図１６（ａ）、（ｂ）は、それぞれリフレッシュモードおよび光電変換モードの動作を示しており、図１５で示される各層の膜厚方向の状態を表している。Ｍ１は第１の金属薄膜層（例えばＣｒ）で形成された下部電極（Ｇ電極）である。アモルファス窒化シリコン（ａ−ＳｉＮｘ）層は、電子、ホール共にその通過を阻止する絶縁層であり、トンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、通常５００オングストローム以上に設定される。水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層は意図的にドーパントをドープしていない真性半導体層（ｉ層）で形成された光電変換半導体層である。Ｎ⁺層は、ａ−Ｓｉ：Ｈ層へのホールの注入を阻止するために形成されたＮ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層などの非単結晶半導体からなる単一導電型キャリアの注入阻止層である。またＭ２は第２金属薄膜層（例えばＡｌ）で形成される上部電極（Ｄ電極）である。
【００１０】
図１４では、Ｄ電極はＮ⁺層を完全には覆っていないが、Ｄ電極とＮ⁺層との間は電子の移動が自由に行われるためＤ電極とＮ⁺層は常に同電位であり、以下の説明では、そのことを前提としている。
【００１１】
本光電変換素子にはＤ電極やＧ電極への電圧の印可の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという２種類の動作モードがある。
【００１２】
リフレッシュモードを示す図１６（ａ）においてＤ電極はＧ電極に対して負の電位が与えられており、ｉ層中の黒丸で示されたホールは電界によりＤ電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はｉ層に注入される。この時、一部のホールと電子はＮ⁺層、ｉ層において再結合して消滅する。十分に長い時間この状態が続けばｉ層内のホールはｉ層から掃き出される。
【００１３】
この状態から光電変換モードを示す図１６（ｂ）にするためにはＤ電極にＧ電極に対し正の電位を与える。するとｉ層中の電子は瞬時にＤ電極に導かれる。しかしホールはＮ⁺層が注入阻止層として働くため、ｉ層に導かれることはない。この状態でｉ層に光が入射すると、光は吸収され電子ホール対が発生する。この電子は電界によりＤ電極に導かれ、ホールはｉ層内を移動しｉ層とａ−ＳｉＮｘ絶縁層との界面に達する。しかし、絶縁層内には移動できないため、ｉ層内に留まることになる。この時、電子はＤ電極に移動し、ホールはｉ層内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子内の電気的中性を保つため電流がＧ電極から流れる。この電流は光により発生した電子・ホール対に対応するため入射した光に比例する。ある期間光電変換モードである図１６（ｂ）の状態を保った後、再びリフレッシュモードの図１６（ａ）の状態になると、ｉ層に留まっていたホールは前述のようにＤ電極に導かれ、同時にこのホールに対応した電流が流れる。このホールの量は光電変換モード期間に入射した光の総量に対応する。この時、ｉ層内に注入される電子の量に対応した電流も流れるが、この量はおよそ一定なため差し引いて検出すればよい。つまり、この光電変換素子はリアルタイムに入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入射した光の総量も検出することができる。
【００１４】
しかしながら、何らかの理由により光電変換モードの期間が長くなった場合や入射する光の照度が強い場合、光の入射があるにもかかわらず電流が流れないことがある。これは図１６（ｃ）のようにｉ層内にホールが多数留まり、このホールのためｉ層内の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなりｉ層内でホールと再結合してしまうからである。この状態を光電変換素子の飽和状態と称する。この状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモードにすればｉ層内のホールは掃き出され次の光電変換モードでは再び光に比例した電流が流れる。
【００１５】
また、前述の説明において、リフレッシュモードでｉ層内のホールを掃き出す場合、すべてのホールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き出すだけで効果はあり、前述と等しい電流が得られ、問題はない。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において図１６（ｃ）の飽和状態になっていなければよく、リフレッシュモードでのＤ電極のＧ電極に対する電位、リフレッシュモードの期間およびＮ⁺層の注入阻止層の特性を決めればよい。また、更にリフレッシュモードにおいてｉ層への電子の注入は必要条件でなく、Ｄ電極のＧ電極に対する電位は負に限定されるものでもない。ホールが多数ｉ層に留まっている場合には、たとえＤ電極のＧ電極に対する電位が正の電位であってもｉ層内の電界はホールをＤ電極に導く方向に加わるからである。また、注入阻止層であるＮ⁺層の特性も同様に電子をｉ層に注入できることが必要条件ではない。
【００１６】
図１７は、光電変換素子とＴＦＴで構成される従来の光電変換回路の１画素分の回路を示している。図１７において光電変換素子は、ｉ層からなる容量成分のＣｉと注入阻止層からなる容量成分のＣ_SiNとで表記している。また、ｉ層と注入阻止層との接合点（図１７中のノードＮ）は、光電変換素子が飽和状態になった時、すなわちＤ電極とノードＮの間（ｉ層）に電界がない（小さい）状態になった時、光によって生成された電子とホールは再結合するために、ホールキャリアがＮ部に蓄えることが出来なくなる。つまり、ノードＮの電位はＤ電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図１７ではダイオード（Ｄ1）をＣｉに並列に接続している。すなわち図１７において光電変換素子をＣｉ、Ｃ_SiN、Ｄ1の３つのコンポーネントで表記している。
【００１７】
図１８は、図１７に示される１画素分の回路の動作を示すタイムチャートである。図１７、図１８を用いて、光電変換素子とＴＦＴで構成される１画素分の回路動作を説明する。
【００１８】
まず、リフレッシュ動作を説明する。Ｖsは９Ｖ、Ｖrefは３Ｖとする。リフレッシュ動作は、スイッチＳＷ−ＡをＶref、スイッチＳＷ−ＢをＶｇ（ｏｎ）、スイッチＳＷ−Ｃをオンにする。この状態にすることにより、Ｄ電極はＶref（６Ｖ）にバイアスされ、Ｇ電極は、ＧＮＤ電位にバイアスされ、ノードＮは、最大Ｖref（６Ｖ）にバイアスされる。最大というのは、今回のリフレッシュ動作以前の光電変換動作により、ノードＮの電位が既にＶref以上の電位まで蓄積されていた場合、Ｄ１を介しＶrefにバイアスされる。しかし、以前の光電変換動作によりノードＮの電位がＶref以下であった場合、本リフレッシュ動作によりＶrefの電位にバイアスされることはない。実際の使用にあたっては、複数回の光電変換動作を過去に繰り返していれば、ノードＮは、本リフレッシュ動作により事実上Ｖref（６Ｖ）にバイアスされると言ってよい。ノードＮがＶrefにバイアスされた後に、ＳＷ−ＡをＶs側に切り替える。これにより、Ｄ電極はＶs（９Ｖ）にバイアスされる。このリフレッシュ動作により、光電変換素子のノードＮに蓄えられていたホールキャリアがＤ電極側へ一掃されたことになる。
【００１９】
次にＸ-ray照射期間について説明する。Ｘ線は図示したようにパルス状に照射する。検出体を透過したＸ線が蛍光体Ｆｌに照射され、可視光に変換される。蛍光体からの可視光は半導体層（ｉ層）に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアはノードＮに蓄積され電位を上昇させる。ＴＦＴはオフした状態なのでＧ電極側の電位も同じ分だけ上昇させる。
【００２０】
wait期間はリフレッシュ期間とＸ-ray照射期間の間に設けている。特に何かを動作させているわけではなく、リフレッシュ動作直後の暗電流などで光電変換素子の特性が不安定な状態にある場合、緩和するまでに何も動作させない待機期間である。光電変換素子がリフレッシュ動作直後に不安定な特性がない場合、特にwait期間を設ける必要はない。
【００２１】
次に転送動作の説明をする。転送動作は、ＳＷ−ＢをＶｇ（ｏｎ）側にして、ＴＦＴをオン状態にする。これによりＸ-ray照射により蓄えられたホールキャリアの量（Ｓ_h）に対応する電子キャリア（Ｓ_e）が、Ｃ2側からＴＦＴを介しＧ電極の側に流れ、それにより読み出し容量Ｃ2の電位を上昇させる。この時、Ｓ_eとＳ_hの関係は、Ｓ_e＝Ｓ_h×Ｃ_SiN／（Ｃ_SiN＋Ｃ_i）である。Ｃ2の電位は同時にアンプを介し増幅して出力される。ＴＦＴは信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
【００２２】
最後にリセット動作について説明する。リセット動作はＳＷ−Ｃをオンさせ、Ｃ2をＧＮＤ電位にリセットし次回の転送動作に備える。
【００２３】
図１９は、従来の光電変換装置の２次元的回路図である。説明を簡単化するために３×３＝９画素分のみを記載してある。Ｓ1-1〜Ｓ3-3は光電変換素子、Ｔ1-1〜Ｔ3-3はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン・オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線、Ｖs線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えたり、リフレッシュバイアスを与えたりするための配線である。光電変換素子の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖs線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いＮ⁺層をＤ電極として利用している。Ｓ1-1〜Ｓ3-3、Ｔ1-1〜Ｔ3-3、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖs線、これらを総じて光電変換回路部と称する。
【００２４】
Ｖs線は、電源Ｖsや電源Ｖrefによりバイアスされ、それらはＶＳＣのコントロ−ル信号により切り替えられる。ＳＲ２はＧ１〜Ｇ３に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、ＴＦＴをオンさせる電圧は外部から供給する。電源Ｖｇ（ｏｎ）により決定される。読み出し用回路部は、光電変換回路部内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。
【００２５】
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はアンプＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２はＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Ａｂは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００２６】
図２０は図１９の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。図１９の光電変換装置の動作について図２０のタイムチャートを用いて説明する。制御信号ＶＳＣは、光電変換素子のＶｓ線すなわち光電変換素子のＤ電極に、２種類のバイアスを与えるためのものである。Ｄ電極は、ＶＳＣが“Ｈｉ”の時にＶref（Ｖ）になり、“Ｌｏ”の時にＶs（Ｖ）になる。読み取り用電源Ｖs（Ｖ）、リフレッシュ用電源Ｖref（Ｖ）は、それぞれ直流電源である。
【００２７】
まず、リフレッシュ期間の動作について説明する。シフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｈｉ”で、かつ読み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を“Ｈｉ”の状態にする。するとスイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）が導通し、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３も導通し、全光電変換素子のＧ電極がＧＮＤ電位になる。そしてＶＳＣ信号が“ＨＩ”になると全光電変換素子のＤ電極がリフレッシュ用電源Ｖrefにバイアスされた状態（負電位）になる。すると、全光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ3-3はリフレッシュモードになり、リフレッシュが行われる。
【００２８】
次に、光電変換期間について説明する。ＶＳＣが“Ｌｏ”の状態に切り替わり、全光電変換素子のＤ電極は読み取り用電源Ｖsにバイアスされた状態（正電位）になる。すると光電変換素子は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｌｏ”で、かつ読み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を“Ｌｏ”の状態にする。するとスイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）がオフし、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３もオフし、全光電変換素子のＧ電極は、直流的にはオープン状態になるが光電変換素子はコンデンサでもあるため電位は保持される。しかし、この時点では、光電変換素子に光は入射されていないため、電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。この状態で光源がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子のＤ電極（Ｎ⁺電極）に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光源については、図１９中特に記載はしていないが、例えば、複写機であれば蛍光灯、ＬＥＤ、ハロゲン灯等である。Ｘ線撮影装置であれば文字通りＸ線源であり、この場合Ｘ線可視変換用のシンチレータを用いればよい。光によって流れた光電流は電荷としてそれぞれの光電変換素子内に蓄積され、光源がオフ後も保持される。
【００２９】
次に読み出し期間について説明する。読み出し動作は、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3、次に２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3、次に３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の順で行われる。まず、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3を読み出しするためにスイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ1-1〜Ｔ1-3のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。この時ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されている電圧Ｖｃｏｍである。これにより、Ｔ1-1〜Ｔ1-3がオン状態になり、Ｓ1-1〜Ｓ1-3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図１９中記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量は、Ｍ１に接続されているＴ1-1〜Ｔ3-1各ＴＦＴのゲート／ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）であり、図１７におけるＣ2に相当する。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。そしてＣＲＥＳ信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＣＲＥＳ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果としてＳ1-1、Ｓ1-2、Ｓ1-3の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の読み出し動作、３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の読み出し動作も同様に行われる。
【００３０】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットしその後Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、同時に２行目の光電変換素子Ｓ2−1〜Ｓ2−3の信号電荷をＳＲ１により転送することができる。
【００３１】
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。以上述べてきたＸ線撮像装置の動作は、リフレッシュ動作を行い、Ｘ線を照射し、そして読み出し動作を行うことにより、いわば１枚の静止画像を取得するための動作である。連続した動画像を取得する場合、図２０で記載したタイムチャートで、取得したい動画の枚数分、繰り返して動作させればよい。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に画素数が多くなってきたときに動画像を得ようとした場合には、更なるフレーム周波数の改善が必要となってくる。光電変換素子のリフレッシュ動作が全光電変換素子共通のＶｓ線を介して行われる場合には、１フレ−ムに１回のリフレッシュ期間を設けることが必須となる。このことは、特に、動画画像を取得する際、フレ−ム周波数が小さくなる、すなわちスピ−ドが遅くなるという課題を有している。一般的に、胸部の単純撮影において必要とされるスペックとして、撮影領域が４０ｃｍ角以上、画素ピッチが２００μｍ以下と言われている。仮に４０ｃｍ角、２００μｍで作成した場合、光電変換素子の数は４百万個にも及ぶ。こういった大多数の画素を、一括でリフレッシュすることは、リフレッシュ時に流れる電流も大きくなるため、Ｘ線撮像装置のＧＮＤや電源ラインの電圧変動も大きくなる。要求される画像によってはこれらの変動分を緩和するまで、Ｘ線の照射までの待ち時間を設ける必要もある。図２０では記載していないが図１８におけるwait期間がそれに相当する。つまり、光電変換装置を一括でリフレッシュすることは、１フレ−ムに１回のリフレッシュ期間を設けるだけでなく、１フレ−ムに１回のwait期間をも必要となる。
【００３３】
以上述べてきたように、１枚の読み出し動作毎に、１回の全素子リフレッシュ動作を行う従来技術において動画撮影を困難にしているといった課題を有している。
【００３４】
そこで本発明は、光電変換画素を各ライン単位で順次リフレッシュしていくことによりＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、フレーム毎の待機（wait）期間を無くして、動画撮影を容易にする放射線撮像装置を提供することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明は、基板上に２次元状に配置された、それぞれＭＩＳ型光電変換素子とスイッチング素子とを含む画素の複数と、複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された制御配線の複数と、複数の前記ＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出す信号配線の複数とを備えた光電変換素子アレイと、前記スイッチング素子の導通を制御するために前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段とを有し、前記第１のバイアスは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作用のバイアスであり、前記第２のバイアスは前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する転送用のバイアスであり、共通の前記制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を、前記第２のバイアスで導通させて転送動作を行った後、該制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を前記第１のバイアスで導通させることにより１ラインごとに前記リフレッシュ動作を行うことを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、蓄積電荷をシフトレジスタにより任意の１ライン分（1行分）の信号電荷を転送した後から、次のラインの信号電荷を転送する前までの間に、その転送が終了したラインのＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュすることができる。リフレッシュは、同じシフトレジスタを用いてＴＦＴのゲート配線に高い電圧パルスを印加することにより、ＴＦＴのゲート絶縁膜の容量を介してＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュする。そして、本発明では、このリフレッシュ動作を、各ラインの走査単位で、順次行うことができる。
【００３７】
本発明では、読み取りフレームごとに全画素を一括でリフレッシュ動作を行うのではなく各ライン単位で順次リフレッシュしていくことができるため、リフレッシュされるＭＩＳ型光電変換素子の数は大変少なく１ライン分の画素数である。そのため各リフレッシュ単位で直後に流れる過渡電流の量は従来に比べて大変少なく、Ｘ線撮像装置のＧＮＤや電源ラインの電圧変動がほとんどない。その結果、１ラインごとに順次繰り返して動作させることができる。更に、フレームの読み出し走査を同様に繰り返すことにより、動画像を得ることができる。
【００３８】
こうして得られた動画像は、Ｘ線の照射までの待ち時間が少ないため動画のフレーム周波数が大きくなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは、放射線撮像装置として、従来例と同様のＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子の半導体材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用た光電変換素子アレイが形成された基板を有する装置を例に挙げて説明する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。光電変換素子は、半導体光電変換層としての水素化アモルファスシリコンなどからなるｉ層による容量成分のＣｉとアモルファス窒化シリコンなどの絶縁層（両導電型のキャリアの注入阻止層）による容量成分のＣ_SiNとで表記している。また、ｉ層と絶縁層との接合点（図１中のノードＮ）は、光電変換素子が飽和状態になった時、すなわちＤ電極とノードＮの間（ｉ層）に電界がない（小さい）状態になった時、光によって生成された電子とホールは再結合するために、ホールキャリアがＮ部に蓄えることが出来なくなる。つまり、ノードＮの電位はＤ電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図１ではダイオード（Ｄ１）をＣｉに並列に接続している。すなわち図１において光電変換素子をＣｉ、Ｃ_SiN、Ｄ１の３つのコンポーネントで表している。
【００４１】
Ｖｓは光電変換素子のＤ電極にバイアスを与えるための電源である。ＴＦＴは薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor)でスイッチ素子である。Ｃ2は信号配線に付加される読み出し容量である。
【００４２】
ＦｌはＸ線波長を可視領域波長に変換するための波長変換用の蛍光体であり、直接又は間接的にＴＦＴと密着した位置に配置されている。蛍光体の母体材料にはＧｄ₂Ｏ₂ＳやＧｄ₂Ｏ₃などを用い、発光中心にはＴｂ³⁺やＥｕ³⁺など希土類元素が用いられる。またはＣｓＩ：ＴｌやＣｓＩ：Ｎａ等、ＣｓＩを母体材料に用いた蛍光体も用いられる。
【００４３】
スイッチＳＷ−ＣはＣ2をＧＮＤ電位にリセットするためのスイッチであり、ＲＣ信号により制御される。Ｖｇ（ｏｎ１）はＴＦＴをオンさせ信号電荷をＣ2に転送するための電源、Ｖｇ（ｏｎ２）は光電変換素子をリフレッシュするための電源、Ｖｇ（ｏｆｆ）はＴＦＴをオフさせるための電源である。
【００４４】
ＳＷ−ＥはＶｇ（ｏｎ１）とＶｇ（ｏｎ２）を切り替えるスイッチ、ＳＷ−ＤはＶｇ（ｏｎ１）又はＶｇ（ｏｎ２）とＶ（ｏｆｆ）とを切り替えるスイッチである。ＣｇはＴＦＴのゲート電極とドレイン電極（光電変換素子側）の間に形成される容量である。
【００４５】
図２は、図１に示される１画素分の回路動作を示すタイムチャートである。図１、図２を用いて、光電変換素子とＴＦＴで構成される１画素分の回路動作を説明する。
【００４６】
まず、Ｘ-ray照射期間について説明する。Ｘ線は図示したようにパルス状に照射する。被検体を透過したＸ線が蛍光体Ｆｌに照射され、可視光に変換される。蛍光体からの可視光は半導体層（ｉ層）に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアはｉ層と絶縁層（注入阻止層）界面に蓄えられ、ノードＮの電位を上昇させる。ＴＦＴはオフした状態なのでＧ電極側の電位も同じ分だけ上昇させる。なお、Ｘ-ray照射期間では、ＳＷ−ＤはＶ（ｏｆｆ）側に、ＳＷ−Ｃはオフしている。
【００４７】
次に転送期間について説明する。転送動作は、ＳＷ−ＤをＶｇ（ｏｆｆ）の反対側すなわちＳＷ−Ｅ側にして、ＳＷ−ＥをＶｇ（ｏｎ１）側にすることにより、ＴＦＴをオン状態にする。これによりＸ-ray照射により蓄えられたホールキャリアの量（Ｓｈ）に対応する電子キャリア（Ｓｅ）が、Ｃ2側からＴＦＴを介しＧ電極側に流れ、それにより読み出し容量Ｃ2の電位を上昇させる。この時、ＳｅとＳｈの関係は、Ｓｅ＝Ｓｈ×Ｃ_SiN／（Ｃ_SiN＋Ｃｉ）である。Ｃ2の電位は同時にアンプを介し増幅して出力される。ＴＦＴは信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
【００４８】
次にリフレッシュ動作について説明する。図３はノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャートである。例として、Ｖｓ＝９（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｆｆ）＝−５（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｎ１）＝１２（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｎ２）＝３０（Ｖ）とする。
【００４９】
リフレッシュ動作は、ＳＷ−ＤをＳＷ−Ｅ側、ＳＷ−ＥをＶｇ（ｏｎ２）側、そしてＳＷ−Ｃを導通させる。ＴＦＴのゲートバイアスがＶｇ（ｏｆｆ）＝−５（Ｖ）からＶｇ（ｏｎ２）＝３０（Ｖ）に、ΔＶ＝３５Ｖの電位差を与えた場合、瞬間的に光電変換素子のＧ電極、ノードＮの電位は上昇する。これは、Ｃｇ、Ｃ_SiN、Ｃｉの容量により３５Ｖのバイアス印加により電荷が各容量に分配される（チャージシェア）。Ｇ電極、ノードＮの電位の上昇量は、Ｃｇ、Ｃ_SiN、Ｃｉの容量により決定されるが、ノードＮの電位は、Ｄ１により９Ｖ以上に上昇することはない。ノードＮの電位が９Ｖを上回るようなＶｇ（ｏｎ２）電圧を与えた場合、ノードＮは９Ｖを維持しながらホールキャリアがＤ電極側にリフレッシュされることになる。チャージシェアにより一度上昇したＧ電極は、その後ＴＦＴのオン抵抗Ｒｏｎと光電変換素子の容量（（Ｃ_SiN//Ｃｉ）：Ｃ_SiNとＣｉの直列合成容量）で決定される時定数でＧＮＤ電位に減衰する。同時にノードＮもＧ電極と同様に減衰する。ノードＮの減衰量ΔＶＮはＧ電極の減衰量ΔＶＧに対しΔＶＮ／ΔＶＧ＝Ｃ_SiN／（Ｃ_SiN＋Ｃｉ）となる。ノードＮの減衰量ΔＶＮは、次回の光電変換動作で蓄えられるホールキャリアの量を決定する。ノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャートを図３に示しておく。
【００５０】
最後にリセット動作について説明する。リセット動作はＳＷ−Ｃをオンさせ、Ｃ2をＧＮＤ電位にリセットし、次回の転送動作に備える。なお、図1８ではwait期間を記述しているが図２では記述していない。その理由について図３、４を用いて説明する。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換装置の２次元的回路図である。説明を簡単化するために３×３＝９画素分で記載してある。Ｓ1-1〜Ｓ3-3は光電変換素子、Ｔ1-1〜Ｔ3-3はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線、Ｖｓ線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えるための配線である。光電変換素子の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖｓ線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いＮ⁺層をＤ電極として利用している。Ｓ1-1〜Ｓ3-3、Ｔ1-1〜Ｔ3-3、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて光電変換回路部と称する。Ｖｓ線は、電源Ｖsによりバイアスされる。ＳＲ１はＧ１〜Ｇ３に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、ＴＦＴをオンさせる電圧は外部から供給され、２種類の外部電源であるＶｇ（ｏｎ１）、Ｖｇ（ｏｎ２）がＳＷ−Ｅにより選択される。読み出し用回路部は、光電変換回路部内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３ははＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２は、Ｓｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Ａｂは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００５２】
図５は、図４の光電変換装置の動作を示すタイムチャートであり、２フレーム分の動作を表している。図４の光電変換装置の動作について図５のタイムチャートを用いて説明する。
【００５３】
まず、光電変換期間について説明する。全光電変換素子のＤ電極は読み取り用電源Ｖs（正電位）にバイアスされた状態にある。シフトレジスタＳＲ１の信号はすべて“Ｌｏ”であり、スイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）がオフしている。この状態で光源がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子のＤ電極（Ｎ⁺電極）に光が照射され、光電変換素子のｉ層内で電子とホールのキャリアが生成される。電子はＶsによりＤ電極に移動するが、ホールは光電変換素子内のｉ層と絶縁層の界面に蓄えられ、電源がオフ後も保持される。
【００５４】
次に読み出し期間について説明する。読み出し動作は、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3、次に２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3、次に３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の順で行われる。まず、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3を読み出しするためにＴ1-1〜Ｔ1-3のスイッチ素子（ＴＦＴ）のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。この時ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されているＶｇ（ｏｎ１）の電圧である。これにより、Ｔ1-1〜Ｔ1-3がオン状態になり、Ｓ1-1〜Ｓ1-3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図４中記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１に付加されている読み出し容量は、Ｍ１に接続されているＴ1-1〜Ｔ3-1各ＴＦＴのゲートソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）であり、図１におけるＣ2に相当する。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。そしてＣＲＥＳ信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＣＲＥＳ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果としてＳ1-1、Ｓ1-2、Ｓ1-3の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の読み出し動作、３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の読み出し動作も同様に行われる。
【００５５】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｓ1-1〜Ｓ3-1の信号は、光電変換回路部からは出力されたことになる。従って、読み出し用回路部内でＳｒ１〜Ｓｒ３により直列変換されている最中に、光電変換回路部内のＳ1-1〜Ｓ3-1のリフレッシュ動作とＭ１〜Ｍ３のリセット動作を行うことができる。
【００５６】
Ｓ1-1〜Ｓ3-1のリフレッシュ動作は、ＣＲＥＳ信号によりＲＥＳ１〜ＲＥＳ３のスイッチを導通状態にして、ＴＦＴのゲート配線に電圧Ｖｇ（ｏｎ２）を印加する。電圧Ｖｇ（ｏｎ２）は電圧Ｖｇ（ｏｎ１）よりも、高く設定している。その後、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３のスイッチを導通状態のまま、ＴＦＴをオフし、信号配線Ｍ１〜Ｍ３の読み出し容量をＧＮＤ電位にリセットする。Ｍ１〜Ｍ３のリセット終了後、Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、光電変換回路部の中で、同時に光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ1-3をリフレッシュし、Ｍ１〜Ｍ３をリセットし、そして２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の信号電荷をＳＲ１によりＭ１〜Ｍ３に転送することが可能となる。
【００５７】
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。
【００５８】
以上で述べた光電変換期間と読み出し期間を繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。本実施形態で示したタイムチャートが、従来例で示した図２０のタイムチャートと異なるところは、リフレッシュ期間を設けていないところであり、その分だけ動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくできるメリットがある。また、従来例では、すべての光電変換素子を一括でリフレッシュしていたため、リフレッシュ時の暗電流成分による、ＧＮＤや電源などの変動を緩和させるためのwait期間を設ける必要があった。本実施形態では、各行単位でリフレッシュしているために、一度にリフレッシュする光電変換素子の数がはるかに少ないため、特別にwait期間を設ける必要がなく、その分だけ動画のフレーム周波数を大きくできる可能性がある。
【００５９】
（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２を示すＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。図２のタイムチャートにおいてはＸ線がパルス的な照射方法であるのに対し、図６では、Ｘ線を連続して（直流的に）照射している。この場合光電変換期間とは、リフレッシュが終了してから転送を開始するまでの間である。実際の医療用Ｘ線撮像装置は（Ｎ行×Ｍ列）の多数の画素で構成されている。例えば１行目の光電変換素子にとっては、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いた、２行目からＮ行目までのＮ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。他の行の光電変換素子にとっても同様で、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いた、Ｎ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。例えば１００行目の光電変換素子にとっては、１０１行目からＮ行目までの読み出し期間と次フレームにおける１行目から９９行目までの読み出し期間の合計、すなわちＮ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。つまりＸ線を直流的に照射した本実施形態では、光電変換期間が２フレーム分にまたがってしまうが、光電変換期間はすべて同じになり、何ら特異なことは生じない。
【００６０】
本実施形態においては、Ｘ線照射期間すなわち図２あるいは図５における光電変換期間が省けるために動画のフレームレートを更に大きくできるメリットがある。また、パルス照射方法に比べ、Ｘ線の強度を弱くすることができるためＸ線源の管球や電源への負担を軽減できるメリットがある。
【００６１】
（実施形態３）
図７は本発明の実施形態３を示すＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。図６のタイムチャートにおいては光電変換素子をリフレッシュしてからその後Ｍ１〜Ｍ３のリセットするのに対し、図７では、光電変換素子のリフレッシュ動作とＭ１〜Ｍ３のリセット動作を同時に行っている。
【００６２】
リフレッシュ動作、リセット動作ともにＣＲＥＳ制御信号（ＲＣ制御信号）により図１におけるスイッチＳＷ−Ｃ、図４におけるスイッチＲＥＳ１〜ＲＥＳ３を導通状態にすることが必要条件であるために、リフレッシュ動作とリセット動作を同時に行うことができる。本実施形態においてもＸ線は直流的に照射しているため実施形態２と同様、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いたＮ−１行分の読み出し期間が、実質上の光電変換期間となる。
【００６３】
本実施形態においては、図６におけるリセット期間が省けるために、実施形態２に比べて、動画のフレームレートを更に大きくできるメリットがある。また実施形態２と同様に、実施形態１に比べてＸ線の強度を弱くすることができるためＸ線源の管球や電源への負担を軽減できるメリットがある。
【００６４】
（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。図１の回路図においては光電変換素子のＤ電極を一定の電圧Ｖｓでバイアスしているのに対し、図８では、電圧Ｖｓと電圧ＶrefをスイッチＳＷ−Ｆにより切り替え可能にしている。本実施形態の特徴は、光電変換素子のリフレッシュ動作をさせるための印加電圧を、Ｇ電極側から与えるかＤ電極側から与えるかを選択できる点にある。例えば、１枚の静止画像を取得する場合は、Ｄ電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法すなわち図１８のタイムチャートで動作させ、一方、複数枚の静止画像を取得する場合は、Ｇ電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法すなわち図２で示すタイムチャートで動作させる。本実施形態では、ひとつのＸ線撮像装置で、従来の静止画像を撮影するモード（撮影モードまたは静止画モード）と、動画の画像を取得するモード（透視モードまたは動画モード）の両方の撮影が可能となる。
【００６５】
図９は、本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の２次元的回路図である。図９の回路図において、図４と異なる点は、センサのバイアスラインをＶs電圧とＶref電圧をＶＳＣ制御信号により切り替え可能にしていることである。図１０は透視モード（動画モード）から撮影モード（静止画モード）へ遷移し、撮影を行うタイミングチャートの略図である。また、図１１は、透視モードにおける図９の回路図の動作を示すタイミングチャートである。つまり透視モードにおいては、図１０のタイミング動作を繰り返している。この期間、撮影者は、静止画像を撮影のための被写体（患者）の位置や角度を決めるために、患者の透視画像をモニターしている。一般的にこの期間中のＸ線量は弱めに照射している。撮影者が、装置に曝射要求信号（静止画像を撮影する意思信号）を発令すると、透視モードから撮影モードに遷移する。撮影モードにおける動作タイミングは図２０で示されるタイミングチャートと同じである。
【００６６】
また透視モードと撮影モードの流れは、図１０に示すのように撮影モードが１回だけとは限らず、撮影する被写体の撮影構図に応じ、透視モード→撮影モード→透視モード→撮影モード・・・と繰り返してもよい。
【００６７】
図１２は、図１０の透視モードにおけるタイミングチャートが、図１１とは異なる例である。図１１との違いは、Ｘ線をパルス状に照射させないことである。こうすることにより、読み出し期間と光電変換期間を同時に行うことができるため、透視モードにおける動作周波数を大きくできる長所がある。またＸ線をパルス状に動作させないため、Ｘ線発生源に対する負荷を軽減できる長所もある。
【００６８】
本発明を透視装置に応用した場合において、透視モードにおいてはＴＦＴのゲートからのリフレッシュを行いながら連続画像を取得し、透視によって位置決めが完了し静止画撮影モードに遷移した際には、ＳＷ−Ｆからのリフレッシュを行うことによって高いＳＮの静止画像を得るよう構成することができる。つまり、一般にＴＦＴ側からのリフレッシュよりもＳＷ−Ｆ側からのリフレッシュの方が、リフレッシュ効率が高く，Ｓ／Ｎもよい。Ｓ／Ｎが比較的悪くてもよい透視位置決め画像を撮影する際にＴＦＴのゲートからのリフレッシュを採用し、Ｓ／Ｎが高く高画質を要求される静止画撮影する際には、ＳＷ−Ｆ側からのリフレッシュを採用することは理にかなっている。
【００６９】
（実施形態５）
図１３は、本発明による放射線撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示したものである。
【００７０】
Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線撮像装置（イメージセンサ）６０４０に入射する。この入射したＸ線には被験者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応して蛍光体によって可視光に変換し、これを光電変換して、電気信号を得る。この電気信号はディジタル変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室のディスプレイ６０８０で観察できる。
【００７１】
また、この画像情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
【００７２】
以上の実施形態では、Ｘ線撮像システムを例に説明したが、α，β，γ線等の放射線を光に変換し、この光を光電変換する装置構成としても、同様である。
【００７３】
また、本発明の光電変換素子アレイは、通常の可視光や赤外光を検出する撮像装置に用いることもできる。
【００７４】
本発明に用いることができるスイッチ素子としては、水素化アモルファスシリコンなどの非単結晶半導体を用いてチャネル領域を形成した薄膜トランジスタが好ましく用いられ、その形態は下ゲートスタガー型に限定されることはなく、上ゲートスタガー型、上ゲートコプラナー型などであってもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放射線撮像装置によれば、光電変換画素を各ライン単位で順次リフレッシュしていくことができ、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、フレーム毎のwait期間を無くしたので、従来にない高速のＸ線動画撮影が達成できる。しかも、アモルファスシリコン半導体を主材料に用いれば、光電変換素子とスイッチ素子を同一基板上に、同時に成膜するといった非常に簡単なプロセスで作成できるため、歩留まりもよく、非常に安価なＸ線撮像装置を提供できる。しかも得られた動画像は、光電変換された電気信号として取り出せるためディジタル化が容易である。ディジタル情報は記録、表示、診断の面で、アナログ情報を扱う場合と比べて、非常に時間的にもコスト的にも効率が高くなる効果がある。そして、将来の高齢化社会、ＩＴ社会の中で、現在より更に質の高い医療環境を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図
【図２】図１に示される１画素分の回路動作を示すタイムチャート
【図３】図１のリフレッシュ期間における光電変換素子のノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャート
【図４】本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換装置の２次元的回路図
【図５】図４の光電変換装置の動作を示すタイムチャート
【図６】本発明の実施形態２を示すＸ線撮像装置の駆動を示すタイムチャート
【図７】本発明の実施形態３を示すＸ線撮像装置の駆動を示すタイムチャート
【図８】本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図
【図９】本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換回路部の２次元的回路図
【図１０】実施形態４を示す透視モードと撮影モードの動作タイミングの略図
【図１１】図１０における透視モードのタイミングチャート
【図１２】図１０における透視モードの他のタイミングチャート
【図１３】本発明による放射線撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示す図
【図１４】光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図
【図１５】図１４のＡ−Ｂでの断面図
【図１６】図１４，１５における光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図
【図１７】光電変換素子とＴＦＴで構成される従来の光電変換回路の１画素分の回路図
【図１８】図１７に示される１画素分の回路の動作を示すタイムチャート
【図１９】従来の光電変換装置の２次元的回路図
【図２０】従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャート
【符号の説明】
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ａｂ バッファアンプ
Ｆｌ Ｘ線を可視光に変換する蛍光体
Ｇ１〜Ｇ３ ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３ マトリクス信号配線
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ Ｍ１〜Ｍ３に形成される負荷容量をリセットするスイッチ
Ｓ1-1〜Ｓ3-3 光電変換素子
Ｔ1-1〜Ｔ3-3 スイッチ素子
Ｓｎ１〜Ｓｎ３ 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３ 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
ＳＲ１ シフトレジスタ（スイッチ素子用）
ＳＲ２ シフトレジスタ（読み出しスイッチ用）
Ｖref 光電変換素子のリフレッシュ電源
Ｖs 光電変換素子のバイアス電源
１０１ 光電変換素子
１０２ スイッチ素子（ＴＦＴ）
１０３ 絶縁基板
１０４ 第１の金属薄膜層
１０５ 第２の金属薄膜層
１０６ ゲート駆動用配線
１０７ マトリクス信号配線
１１０ コンタクトホール部
１１１ ａ−ＳｉＮ絶縁薄膜層
１１２ ａ−Ｓｉ半導体薄膜層
１１３ Ｎ⁺層
１１４ 配線クロス部
１１５ 保護膜

Claims (12)

1. 基板上に２次元状に配置された、それぞれＭＩＳ型光電変換素子とスイッチング素子とを含む画素の複数と、
   複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された制御配線の複数と、
   複数の前記ＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出す信号配線の複数と、を備えた光電変換素子アレイと、
   前記スイッチング素子の導通を制御するために前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段と、を有し、
   前記第１のバイアスは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作用のバイアスであり、前記第２のバイアスは前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する転送用のバイアスであり、
   共通の前記制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を、前記第２のバイアスで導通させて転送動作を行った後、該制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を前記第１のバイアスで導通させることにより１ラインごとに前記リフレッシュ動作を行うことを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記バイアス切り換え手段は、更に前記スイッチング素子を非導通にするために前記制御電極に印加される第３のバイアスに切り換えることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記第１のバイアスと第２のバイアスにおいて、前記第１のバイアス＞第２のバイアス、であることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記基板上に配置したＭＩＳ型光電変換素子及びスイッチング素子の材料としてアモルファスシリコン半導体を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放射線撮像装置。
5. 前記ＭＩＳ型光電変換素子と前記スイッチング素子は、同一基板上に同一工程によって形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放射線撮像装置。
6. 前記ＭＩＳ型光電変換素子は、前記基板側から下部電極として第１の金属薄膜層、エレクトロンおよびホールの通過を阻止するアモルファス窒化シリコン絶縁層、水素化アモルファスシリコン光電変換層、ホールの注入を阻止するＮ型の注入阻止層、上部電極として透明導電層または前記注入阻止層上の一部に配置した第２の金属薄膜層で構成され、
   前記スイッチング素子は、前記ＭＩＳ型光電変換素子と同一の基板上に形成されると共に、前記基板側から下部ゲート電極として第１の金属薄膜層、アモルファス窒化シリコンのゲート絶縁層、水素化アモルファスシリコンの半導体層、Ｎ型のオーミックコンタクト層、ソース、ドレインの電極として透明導電層または第２の金属薄膜層で構成され、
   リフレッシュモードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対しホールキャリアを前記光電変換層から第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、光電変換モードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対し前記光電変換層に入射した光により発生したキャリアを前記光電変換層に留まらせエレクトロンを前記第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与える電源部を有し、
   前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積されるホールもしくは前記第２の金属薄膜層に導かれたエレクトロンを光信号として検出する読み出し用回路部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射線撮像装置。
7. 更に、放射線を波長変換する波長変換体を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放射線撮像装置。
8. 前記波長変換体は、Ｇｄ₂Ｏ₂Ｓ、Ｇｄ₂Ｏ₃、ＣｓＩのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項７記載の放射線撮像装置。
9. 更に、前記光電変換素子にバイアスを印加するバイアス配線を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の放射線撮像装置。
10. 被験者または被験物に放射線を照射するための放射線源と、
    この放射線を検出する請求項１〜９のいずれかに記載の放射線撮像装置と、
    この検出された信号をディジタル変換して画像処理する画像処理手段と、
    この処理された画像を表示する表示手段とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。
11. 放射線撮像装置の駆動方法であって、
    該放射線撮像装置は、基板と、それぞれＭＩＳ(Metal Insulator Semiconductor)型光電変換素子とスイッチング素子とを含み、該基板上に２次元状に配された、複数の画素と、複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された複数の制御配線と、複数のＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出すための複数の信号配線と、前記スイッチング素子の導通を制御するために複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段を含み、
    前記第１のバイアスを前記制御配線に接続された複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に与えることにより１ラインごとに前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作を行い、
    前記第２のバイアスを前記制御配線に接続された複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に与えることにより１ラインごとに前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する
    ことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。
12. 動画モードでは、前記スイッチング素子の制御電極に印加される前記バイアスを切り換えることによって、前記ＭＩＳ型光電変換素子からのキャリアの掃き出しを行い、
    静止画モードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に接続されたバイアス配線に印加されるバイアスを切り換えることによって、前記ＭＩＳ型光電変換素子のキャリアの掃き出しを行うことを特徴とする請求項１１に記載の放射線撮像装置の駆動方法。

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