JP5700973B2 - 検出装置及び放射線検出システム - Google Patents

Description

本発明は、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置などに応用される検出装置、放射線検出装置、及び放射線検出システムに関するものである。なお、本願明細書において放射線は、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギーを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども、含まれるものとする。また、本願明細書において変換素子は、光または放射線を電気信号に変換する半導体素子をいう。

近年、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いた液晶ディスプレイ用パネルの製造技術が進展し、パネルの大型化と共に表示部の大画面化が進んでいる。この製造技術は、半導体によって構成された光電変換素子等の変換素子とＴＦＴ等のスイッチ素子を有する大面積エリアセンサ（検出装置）に応用されている。このようなエリアセンサは、Ｘ線等の放射線を可視光等の光に波長変換する蛍光体と組み合わせて、医療用Ｘ線検出装置のような放射線検出装置の分野で利用されている。一般に、放射線検出装置の画素構造は、変換素子とスイッチ素子とを同一平面上に配置する平面型と、スイッチ素子の上方に変換素子を配置する積層型の２つに分類される。平面型は、変換素子とスイッチ素子を同じ半導体製造プロセスで形成可能なため、製造プロセスを簡略化できる。また積層型の検出装置では、変換素子をスイッチ素子の上方に配置するため、平面型と比べて１画素における変換素子の面積を大きく形成することができる。そのため、積層型の検出装置では、より大きな信号を得ることが可能であり、平面型の検出装置と比べて高Ｓ／Ｎ、即ち高感度となる。

このような検出装置において、特に医療用Ｘ線検出装置においては、患者へのＸ線の爆射量低減が望まれており、センサの高感度化、即ちＳ／Ｎの向上が重要である。ここで、ノイズについて説明する。一般にノイズの発生源は、変換素子、スイッチ素子、信号線、積分アンプ、周辺回路に分類される。信号線の寄生容量をＣとし、信号線を発生源とするノイズを信号線ノイズと称すると、
信号線ノイズ＝√ｋＴＣ
となる。また、積分アンプに電荷読み出しアンプを使用する場合には、積分アンプの帰還容量をＣｆとし、積分アンプを発生源とするノイズをアンプノイズと称すると、
アンプノイズ＝Ｃ／Ｃｆ×アンプ入力ノイズ
となる。そのため、信号線の寄生容量Ｃの低減は、検出装置のノイズ低減に有効である。即ち、高感度化を実現する方法として、信号線の寄生容量低減によるノイズ低減が有効である。

また、検出装置では、駆動速度の向上が望まれている。ここで、スイッチ素子の導通及び非導通を制御する駆動パルスが印加される駆動線の容量をＣｇ、抵抗をＲｇとすると、駆動線の時定数τは
τ＝Ｃｇ×Ｒｇ
となる。つまり、駆動線の容量及び／又は抵抗が増加すると駆動線の時定数τが大きくなり、駆動線に印加される駆動パルスになまりが生じる。そのため、スイッチ素子の導通時間を短くすると、発生したなまりによりスイッチ素子の導通時間が十分に確保できない場合が生じる。そのためスイッチ素子の導通時間を短くすることができず、結果、駆動速度の向上が困難となる。

特許文献１では、平面型の放射線検出装置において、配線の低抵抗化について提案が成されている。また、特許文献２では、積層型の放射線検出装置において、配線の低抵抗化について提案が成されている。

特開２００２−７６３６０号公報 特開２００７−９６２８２号公報

このような検出装置においては、更なる小画素ピッチ化及び多画素化が求められており、それに伴い更なる感度及び駆動速度の向上が求められている。特に、医療用Ｘ線検出装置においては、一般撮影用Ｘ線検出装置に加え、より小画素ピッチで且つ多画素のマンモ撮影用Ｘ線検出装置や、動画撮影可能な透視撮影用Ｘ線検出装置など、装置の多様化が進んでいる。

このような検出装置において、小画素ピッチ化及び多画素化に伴い、配線数が増加し、信号線と駆動線の交差部が増加することで、信号線容量及び駆動線容量が増加する。特に、特許文献２のような積層型の検出装置においては、信号線と変換素子の交差部の数も増加することで、信号線容量が更に増加する。結果、信号線容量に起因するノイズが増加し、感度が低下する。このため、信号線容量の低減によるノイズ低減が更に必要となる。また、駆動線の時定数低減も更に必要となる。特に、積層型の検出装置においては、信号線と駆動線の交差部の影響に加えて、駆動線と変換素子の交差部の影響も考慮しなければならない。

以上のように、検出装置、特に放射線検出装置においては、高感度化のために画素構造を積層型とした場合でも、更なる感度及び駆動速度の向上が必要である。

そこで、本発明の課題は、更なる小画素ピッチ化及び多画素化が求められる検出装置、特に、積層型の検出装置において、信号線容量の更なる低減による低ノイズ化及び駆動線の時定数の更なる低減による高速駆動化が可能な検出装置を提供することである。

本発明の検出装置は、放射線又は光を電荷に変換する変換素子と、前記電荷に応じた電気信号を出力するスイッチ素子と、を含み、行方向及び列方向に配列された複数の画素と、行方向の複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、を有し、前記駆動線は、前記変換素子と前記スイッチ素子の間の絶縁部材に埋め込んで配置された導電層からなり、前記信号線は、前記駆動線の最上位表面よりも下層で前記スイッチ素子と前記駆動線との間に配置された絶縁部材に埋め込んで配置された導電層からなることを特徴とする。

本発明により、検出装置、特に積層型の検出装置において、信号線容量の更なる低減による更なる低ノイズ化が可能であり、かつ駆動線の時定数の更なる低減による更なる高速駆動化が可能な検出装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態である検出装置を説明する等価回路図である。 本発明の第１の実施形態である検出装置を説明する１画素の平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施形態である検出装置を説明する１画素の断面図である。 本発明の第３の実施形態である検出装置を説明する等価回路図である。 本発明の第３の実施形態である検出装置を説明する１画素の平面図及び断面図である。 本発明の第４の実施形態である検出装置を説明する等価回路図である。 本発明の第４の実施形態である検出装置を説明する１画素の平面図及び断面図である。 本発明の第５の実施形態である検出装置のＸ線診断システムへの応用例を説明する概略図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例と共に、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の検出装置の実施形態である放射線検出装置について、図面を用いて説明する。

本実施形態における放射線検出装置１００は、ガラス基板等の絶縁基板１０１上に、行方向及び列方向に配列された複数の画素１０２を含む画素領域１０３が設けられている。各画素１０２は、放射線又は光を電荷に変換する変換素子１０４と、変換素子１０４の電荷に応じた電気信号を出力するスイッチ素子１０５と、を含む。本実施形態では、変換素子としてＭＩＳ型光電変換素子を用いており、スイッチ素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いている。変換素子が放射線を電荷に変換することが求められる場合には、光電変換素子の放射線入射側に、放射線を光電変換素子が感知可能な可視光に波長変換する蛍光体が配置され得る。変換素子１０４の第１電極Ｌには、スイッチ素子１０５の第１主電極が電気的に接続され、変換素子１０４の第２電極Ｕには、バイアス線１０６が電気的に接続される。バイアス線１０６は、列方向に配列された複数の変換素子１０４の第２電極Ｕに共通に接続される。スイッチ素子１０５の制御電極には、駆動線１０７が電気的に接続され、スイッチ素子１０５の第２主電極には、信号線１０８が電気的に接続される。駆動線１０７は、行方向に配列された複数のスイッチ素子１０５の制御電極に共通に接続され、また、第１接続配線１０９を介して駆動回路１１０に電気的に接続される。駆動回路１１０が列方向に複数配列された駆動線１０７に駆動パルスを順次に又は同時に供給することにより、行単位で画素からの電気信号が、行方向に配列された複数の信号線１０５に並列に出力される。信号線１０５は、列方向に配列された複数のスイッチ素子１０５の第２主電極に共通に接続され、また、第２接続配線１１１を介して読出回路１１２に電気的に接続される。読出回路１１２は、信号線１０５毎に、信号線１０５からの電気信号を積分して増幅する積分増幅器１１３と、積分増幅器１１３で増幅して出力された電気信号をサンプルホールドするサンプルホールド回路を備える。読出回路１１２は更に、複数のサンプルホールド回路から並列に出力される電気信号を直列の電気信号に変換するマルチプレクサ１１５と、出力された電気信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器１１６を含む。読出回路１１２の非反転入力端子には電源回路１１９から基準電位Ｖｒｅｆが供給される。電源回路１０９は更に、共通バイアス線１１７及び第３接続配線１１８を介して、行方向に配列された複数のバイアス線１０６に電気的に接続されており、変換素子１０４の第２電極Ｕにバイアス電位Ｖｓ又は初期化電位Ｖｒを供給する。

次に、図１を用いて本実施形態の検出装置の動作について説明する。変換素子１０４の第１電極Ｌにはスイッチ素子を介して基準電位Ｖｒｅｆを与え、第２電極Ｕにはバイアス電位Ｖｓを与えることにより、ＭＩＳ型光電変換素子の光電変換層が空乏化するようなバイアスを変換素子１０４に与える。この状態で、被検体に向けて曝射された放射線は、被検体により減衰を受けて透過し、ここでは図示しない蛍光体で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射し、電荷に変換される。この電荷に応じた電気信号は、駆動回路１１０から駆動線１０７に印加される駆動パルスによりスイッチ素子１０５が導通状態となることで、信号線１０８に出力され、読出回路１１２によりデジタルデータとして外部に読み出される。その後、バイアス線１０６の電位をバイアス電位Ｖｓから初期化電位Ｖｒに変化させてスイッチ素子１０５を導通状態とすることにより、光電変換素子で発生し残留した正又は負のキャリアが除去される。その後、バイアス線１０６の電位を初期化電位Ｖｒからバイアス電位Ｖｓに変化させることにより、変換素子１０４の初期化がなされる。

以下に、図２を用いて画素の層構成を説明する。ここで、図２（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ、図２（ａ）中のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の断面図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態の放射線検出装置の１画素内には、変換素子１０４である光電変換素子と、スイッチ素子１０５であるＴＦＴと、信号線１０８の一部と、駆動線１０７の一部と、バイアス線１０６の一部が配置されている。また、図２（ｂ）〜（ｄ）に示すように、スイッチ素子１０５であるＴＦＴは、絶縁基板１０１上に形成された第１導電層２０１、第１絶縁層２０２、第１半導体層２０３、第１不純物半導体層２０４、第２導電層２０５から構成されている。第１導電層２０１はＴＦＴの制御電極（ゲート電極）として、第１絶縁層２０２はゲート絶縁膜として用いられている。また、第１半導体層２０３はＴＦＴのチャネルとして、第１不純物半導体層２０４はオーミックコンタクト層として、第２導電層２０５は第１又は第２主電極（ソース又はドレイン電極）として用いられている。

それらの上層には、第２絶縁層２０６と第３絶縁層２０７が配置されており、信号線１０８として用いられる第３導電層２０８が、第２絶縁層２０６及び第３絶縁層２０７の中に形成されている。つまり、第３導電層２０８は、第２絶縁層２０６及び第３絶縁層２０７に埋め込まれており、第３導電層２０８の最上位表面は第３絶縁層２０７の最上位表面と概略同一表面を構成している。そして、第２導電層２０５上における第２絶縁層２０６の膜厚と第３絶縁層２０７の膜厚の和は、第３導電層２０８の膜厚と概略等しくされている。また、スイッチ素子１０５の第２主電極となる第２導電層２０５は、信号線１０８となる第３導電層２０８と接続される。ここで、最上位表面とは、各配線となる導電層又は各絶縁層において変換素子から最も近い表面である。

第３絶縁層２０７及び第３導電層２０８の上層には、第４絶縁層２０９が配置されており、第４絶縁層２０９には第４導電層２１０が埋め込まれており、第４導電層２１０の最上位表面は第４絶縁層２０９の最上位表面と概略同一表面を構成している。そのため、第４絶縁層２０９と第４導電層２１０の膜厚は概略等しくされている。第４絶縁層２０９及び第４導電層２１０の上層には第５絶縁層２１１が配置されており、駆動線１０７として用いられる第５導電層２１２が、概略等しい膜厚の第２絶縁層２１１に埋め込まれている。それにより、第５導電層２１２の最上位表面は第５絶縁層２１１の最上位表面と概略同一表面を構成している。ここで、第４導電層２１０は、スイッチ素子１０５の第１主電極となる第２導電層２０５と変換素子１０４の第２電極Ｌとなる第６導電層２１４を接続するための接続電極である。また第４導電層２１０は、スイッチ素子１０５の制御電極となる第１導電層２０１と駆動線１０７となる第５導電層２１２を接続するための接続電極である。

その上層には、第６絶縁層２１３を介して、変換素子１０４としてＭＩＳ型光電変換素子が形成されている。ＭＩＳ型光電変換素子は、第６導電層２１４、第７絶縁層２１５、第２半導体層２１６、第２不純物半導体層２１７、第８導電層２１９から構成されている。第６導電層２１４は光電変換素子の下電極（第１電極Ｌ）として、第７絶縁層２１５は発生した正及び負のキャリアの移動をブロックする完全絶縁層として、第２半導体層２１６は放射線又は光を電荷に変換する光電変換層として用いられる。また、第２不純物半導体層２１７は正又は負のキャリアの移動をブロックするブロッキング層として、第８導電層２１９は上電極（第２電極Ｕ）として用いられている。また、第７導電層２１８はバイアス線１０６として用いられる。そして、第８導電層２１９からなる上電極（第２電極Ｕ）は、バイアス線１０６から供給されるバイアス電位Ｖｓ又は初期化電位Ｖｒと、第１電極Ｌに供給される基準電位Ｖｒｅｆとの電位差であるバイアスを、変換素子１０４全体に印加する電極として用いられる。

以上のように、本実施形態の放射線検出装置は、絶縁基板１０１上にスイッチ素子１０５、信号線１０８、ゲート線１０７、変換素子１０４、バイアス線１０６が順次配置される。また、更にその上層には、第８絶縁層２２０、保護層（不図示）、蛍光体（不図示）が配置される。これらにより１つの画素が構成される。つまり、本実施形態の検出装置は、スイッチ素子の上方に変換素子が配置された積層型の放射線検出装置である。

上述のように、本実施形態では、スイッチ素子１０５であるＴＦＴの第１主電極及び第２主電極と、信号線１０８を別々の層で形成している。そして、信号線１０８となる第３導電層２０８を第２絶縁層２０６及び第３絶縁層２０７に埋め込んで配置してある。それにより、信号線となる第３導電層２０８を厚く形成することが可能である。そのため、小画素ピッチ化及び多画素化が要求される放射線検出装置において、それに応じて線幅を細くした場合でも、信号線１０８の抵抗増加を防止することが可能となる。また、信号線１０８は、駆動線１０７との交差部で容量を形成し、また変換素子１０４の第１電極Ｌとの交差部で容量を形成する。しかしながら、本実施形態のように信号線１０８が細い場合には、交差部での重なり面積が小さくなり、これら交差部での容量が小さくなる。また、信号線１０８と駆動線１０７の重なり面積に比べ、信号線１０８と変換素子１０４の第１電極Ｌとの重なり面積の方が大きい。そこで、信号線１０８の更なる容量低減のため、信号線１０８は、変換素子１０４の下方に配置された駆動線１０７となる導電層の最上位表面よりも下層の絶縁部材である第２絶縁層２０６及び第３絶縁層２０７に埋め込んで配置された第３導電層２０８からなる。それにより、信号線１０８の最上位表面を駆動線１０７の最上位表面よりも変換素子から離間して配置している。そのため、信号線１０８と変換素子との交差部による容量が低減される。更に、本実施形態では、第４導電層２１０を第４絶縁層２０９に埋め込んで配置しており、第５導電層２１２を第５絶縁層２１１に埋め込んで配置している。そのため、信号線１０８と駆動線１０７の間に配置された第４絶縁層２０９を、また、信号線１０８と変換素子１０４の第１電極Ｌとの間に配置された第４絶縁層２０９及び第５絶縁層２１２を厚く形成できる。そのため、信号線１０８と駆動線１０７との交差部の容量及び信号線１０８と変換素子１０４の第１電極Ｌとの交差部の容量を小さくすることが可能である。その結果、小画素ピッチ化及び多画素化が要求され、信号線１０８と重なる駆動線１０７及び変換素子１０４の数が増えた場合でも、信号線１０８は低抵抗で且つ低容量となり、信号線容量に起因するノイズの増加を防止することが可能となる。また、信号線１０８の線幅を細くすることが可能となるため、信号線１０８と駆動線１０７の交差部における駆動線１０７の容量も小さくすることができる。

一方、スイッチ素子１０５であるＴＦＴの制御電極と駆動線１０７を別々の導電層で形成している。そして、駆動線１０７となる第５導電層２１２を、第５絶縁層２１１に埋め込んで配置している。このため、駆動線１０７となる第５導電層２１２を厚く形成することが可能であり、レイアウトの関係上、線幅を太くすることが困難な場合でも駆動線１０７の低抵抗化を実現できる。また、駆動線１０７を厚く形成することが可能となるため、抵抗を増加することなく駆動線１０７を細くできる。そのため、駆動線１０７を細くすることで、信号線１０６との重なり面積が減り、駆動線１０７の容量のうち、信号線との重なりに起因する容量の低減が可能である。更に、駆動線１０７と変換素子の第１電極Ｌとの距離は短くなってしまうが、駆動線１０７の線幅を細くすることが可能となるため、駆動線１０７と第１電極Ｌの交差部の面積が小さくできる。そのため、駆動線１０７と第１電極Ｌの交差部の容量が著しく増加することを防止できる。その結果、小画素ピッチ化及び多画素化が要求され、駆動線１０７と重なる信号線１０８及び変換素子１０４の数が増えた場合でも、駆動線１０７は低抵抗で且つ低容量となり、駆動線の時定数の増加を防止することが可能となる。

以上のことから、本実施形態により、低ノイズであり、かつ高速駆動が可能な積層型の検出装置を実現できる。

なお、図１には３×３画素を示しているが、実際には例えば２０００×２０００画素が配置されて放射線検出装置を構成している。また本実施形態において、光電変換素子と蛍光体と組み合わせた間接型の放射線検出装置を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。光電変換素子に代えて、Ｘ線，γ線、あるいはα線，β線などの粒子線を直接電荷に変換するアモルファスセレン等の半導体層を電極間に挟んだ変換素子を用いた直接型の放射線検出装置においても同様の効果が得られる。また、間接型の放射線検出装置の変換素子は、ＭＩＳ型光電変換素子とは別の光電変換素子、例えばＰＩＮ型のフォトダイオードを用いてもかまわない。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、図２（ａ）中の、Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の断面図である。その他第１の実施形態と同じものには同じ番号を付与し、ここでは説明を省略する。なお、本実施形態においては、画素の層構成についても、第１実施形態と同様であるが、絶縁層の特性を利用し、信号線１０８となる第３導電層２０８と駆動線１０７となる第５導電層２１２の形状を制御している点が第１の実施形態と異なる。

まず、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて信号線１０８となる第３導電層２０８の形状について説明する。第２絶縁層２０６には無機膜を、第３絶縁層２０７にはネガ型の感光性を有する有機絶縁膜を用いている。ここで、第２絶縁層２０６となる無機膜、第３絶縁層２０７となる有機絶縁膜を順に成膜し、有機絶縁膜を光照射によりパターニングして第３絶縁層２０７を形成する。続いて、第３絶縁層２０７をマスクとして無機膜にエッチングを実施し第２絶縁層２０６を形成する。その後、第３導電層２０８となる導電膜を成膜し、表面研磨により不要な部分の導電膜を削り取ることで、信号線１０８となる第３導電層２０８は第２絶縁層２０６及び第３絶縁層２０８の中に形成される。このように形成されることにより、信号線１０８の上部幅をＳＴ、最大幅をＳＭとした場合、ＳＴ＜ＳＭとなる。

次に、駆動線１０７となる第５導電層２１２の形状について説明する。第４絶縁層２０９及び第４導電層２１０を形成した後、第５絶縁層２１１を形成する。第５絶縁層２１１には、ポジ型の感光性を有する有機絶縁膜を用いており、有機絶縁膜を成膜した後、光照射によりパターニングして第５絶縁層２１１を形成する。続いて、第５導電層２１２となる導電膜を成膜し、表面研磨により不要な部分の導電膜を削り取ることで、駆動線１０７となる第５導電層２１２は図３のように、第５絶縁層２１１内に形成される。このように形成されることにより、駆動線１０７の下部幅をＧＢ、最大幅をＧＭとした場合、ＧＢ＜ＧＭとなる。

以上のように、信号線１０８の形状をその線幅の関係がＳＴ＜ＳＭとなるように制御することにより、信号線１０８と駆動線１０７の重なり面積、または信号線１０８と変換素子１０４の重なり面積が低減する。そのため、第１の実施形態に対して、本実施形態は更なる信号線容量の低減が可能となる。また、駆動線１０７の形状をその線幅がＧＢ＜ＧＭとなるように制御することにより、信号線１０８と駆動線１０７の重なり面積が低減する。そのため、第１の実施形態に対して、本実施形態は更なる信号線容量と駆動線容量の低減が可能となる。結果、より低ノイズであり、かつ高速駆動が可能な積層型の放射線検出装置を実現できる。

なお、本実施形態では、信号線１０８及び駆動線をそれぞれ有機絶縁膜の中に形成したが、有機絶縁膜の上層に例えば無機絶縁膜を形成することで、表面研磨時に有機絶縁膜の削れを防止できる。即ち、研磨のストッパー層として有機絶縁膜上に無機絶縁膜を配置することで、更なる加工精度の向上が可能である。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態について、図面を用いて説明する。図４は本実施形態の等価回路図、図５（ａ）は本実施形態の１画素の平面図、図５（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ図５（ａ）中のＤ−Ｄ’、Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’の断面図である。なお、第１の実施形態と同じものには同じ番号を付与し、ここでは説明を省略する。

本実施形態の画素１０２は、変換素子１０４を初期化するための初期化用スイッチ素子４０１を更に含んでいる。初期化用スイッチ素子４０１の制御端子は初期化用駆動線４０２に、初期化用スイッチ素子４０１の第１主電極は変換素子１０４の第１電極Ｌに、初期化用スイッチ素子４０１の第２主電極は初期化用バイアス線４０３に、それぞれ電気的に接続される。初期化用駆動線４０２は行方向に配列された複数の初期化用スイッチ素子４０１の制御電極に共通に接続され、第４接続配線４０４を介して初期化用駆動回路４０５に電気的に接続される。初期化用駆動回路４０５が列方向に複数配列された初期化用駆動線４０２に駆動パルスを順次に又は同時に供給することにより、行単位で変換素子４０１の初期化を行う。初期化用バイアス線４０３は列方向に配列された複数の初期化用スイッチ素子４０１の第２主電極に共通に接続される。また、電源回路１１９は、共通初期化バイアス線４０６及び第５接続配線４０７を介して、行方向に配列された複数の初期化バイアス線４０３に電気的に接続されており、変換素子１０４の第１電極Ｌに初期化用電位Ｖｔを供給する。一方、本実施形態の電源回路１１９は、変換素子１０４の第２電極Ｕに対しては、共通バイアス線１１７及び第３接続配線１１８を介してバイアス電位Ｖｓのみを供給する。

次に、図４を用いて本実施形態の検出装置の動作について説明する。まず、変換素子１０４の第１電極Ｌにはスイッチ素子を介して基準電位Ｖｒｅｆを与え、第２電極Ｕにはバイアス電位Ｖｓを与えることにより、ＭＩＳ型光電変換素子の光電変換層が空乏化するようなバイアスを変換素子に与える。この状態で、被検体に向けて曝射された放射線は、被検体により減衰を受けて透過し、ここでは図示しない蛍光体で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射し、電荷に変換される。この電荷に応じた電気信号は、駆動回路１１０から駆動線１０７に印加される駆動パルスにより信号出力用のスイッチ素子１０５が導通状態となることで、信号線１０８に出力され、読出回路１１２によりデジタルデータとして外部に読み出される。その後、初期化用駆動回路４０５から初期化用駆動線４０２に駆動パルスが印加され、初期化用スイッチ素子４０１を導通状態にする。これにより初期化バイアス線４０３を介して変換素子１０４の第１電極Ｌに初期化用電位Ｖｔが供給される。変換素子１０４を初期化するためのバイアスＶｓ−Ｖｔが変換素子１０４に印加されることにより、変換素子１０４で発生し残留した正又は負のキャリアが除去される。その後、変換素子１０４の第１電極Ｌの電位を初期化電位Ｖｔからバイアス電位Ｖｒｅｆに変化させることにより、変換素子１０４の初期化がなされる。以上の動作を行単位で繰り返すことにより、１画像の画像信号が得られ、更にこの一連の動作を繰り返すことで動画像が得られる。

以下に、図５を用いて画素の層構成を説明する。図５（ａ）に示すように、本実施形態の放射線検出装置の１画素内には、変換素子１０４と、信号出力用のスイッチ素子１０５と、初期化用スイッチ素子４０１と、が配置されている。１画素内には更に、信号線１０８の一部と、駆動線１０７の一部と、初期化用駆動線４０２の一部と、初期化用バイアス線４０３の一部と、バイアス線１０６の一部が配置されている。また、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、スイッチ素子１０５と初期化用スイッチ素子４０１は、絶縁基板１０１上の第１絶縁層５０１、第１半導体層５０２、第２絶縁層５０３、第１導電層５０４、第３絶縁層５０５、第２導電層５０６から構成される。第１導電層５０４はＴＦＴの制御電極（ゲート電極）として、第２絶縁層５０３はゲート絶縁膜として用いられている。また、第１半導体層５０２はＴＦＴのチャネルとして用いられるポリシリコンであり、第２導電層５０６は第１又は第２主電極（ソース又はドレイン電極）として用いられている。

それらの上層には、第４絶縁層５０７と第５絶縁層５０８が配置されており、信号線１０８及び初期化用バイアス線４０３として用いられる第３導電層５０９が、第４絶縁層５０７及び第５絶縁層５０８の中に形成されている。また、第２導電層５０６で構成されるスイッチ素子１０５の第２主電極と初期化用スイッチ素子４０１の第２主電極は、信号線１０８及び初期化用バイアス線４０３として用いられる第３導電層５０９と接続される。ここで、第４絶縁層５０７にポジ型の感光性を有する有機絶縁膜を用い、第５絶縁層５０８にネガ型の感光性を有する有機絶縁膜を用いる。それにより、信号線１０８及び初期化用バイアス線４０３の上部幅をＳＴ、最大幅をＳＭとした場合、ＳＴ＜ＳＭとなる。

その上層には、ポジ型の感光性を有する有機絶縁膜である第６絶縁層５１０が配置されており、第４導電層５１１が第６絶縁層５１０に埋め込まれて配置されている。その上層には第７絶縁層５１２、第８絶縁層５１３が配置されており、駆動線１０７又は初期化用駆動線４０２として用いられる第５導電層５１４が、第７絶縁層５１２及び第８絶縁層５１３の中に形成されている。ここで、第７絶縁層５１２にポジ型の感光性を有する有機絶縁膜を用い、第８絶縁層５１３にネガ型の感光性を有する有機絶縁膜を用いる。それにより、駆動線１０７又は初期化用駆動線４０２の上部幅をＧＴ、下部幅をＧＢ、最大幅をＧＭとした場合、ＧＢ＜ＧＭ、かつＧＴ＜ＧＭとなる。第４導電層５１１は、スイッチ素子１０５又は初期化用スイッチ素子４０１の第１主電極となる第２導電層５０６と変換素子１０４の第２電極Ｌとなる第６導電層５１６とを接続するための接続電極である。また第４導電層５１１は、スイッチ素子１０５又は初期化用スイッチ素子４０１の制御電極となる第１導電層５０４と駆動線１０７又は初期化用駆動線４０２となる第５導電層５１４とを接続するための接続電極である。

その上層には、第９絶縁層５１５を介して、変換素子１０４としてＭＩＳ型光電変換素子が形成されている。ＭＩＳ型光電変換素子は、第６導電層５１６、第１０絶縁層５１７、第２半導体層５１８、不純物半導体層５１９、第８導電層５２１から構成されている。第６導電層５１６は光電変換素子の下電極（第１電極Ｌ）として、第１０絶縁層５１７は発生した正及び負のキャリアの移動をブロックする完全絶縁層として、第２半導体層５１８は放射線又は光を電荷に変換する光電変換層として用いられる。また、不純物半導体層５１９は正又は負のキャリアの移動をブロックするブロッキング層として、第８導電層５２１は上電極（第２電極Ｕ）として用いられている。また、第７導電層５２０はバイアス線１０６として用いられる。そして、第８導電層５２１からなる上電極（第２電極Ｕ）は、バイアス線１０６から供給されるバイアス電位Ｖｓと、第１電極Ｌに供給される基準電位Ｖｒｅｆ又は初期化電位Ｖｔとの電位差であるバイアスを、変換素子１０４全体に印加する電極として用いられる。

以上のように、ネガ型、またはポジ型の感光性を有する複数の絶縁層の中に各配線を形成することにより、各配線の形状を容易に制御することができる。これにより、信号線容量の低減が可能となる。また、本実施例では駆動線１０７の上部幅ＧＴが最大幅ＧＭより小さいため、実施形態１又は２に比べて、駆動線と変換素子の下電極（第１電極Ｌ）との重なり面積が減少する。そのため、駆動線と変換素子との交差部での容量が低減する。結果、抵抗と容量の積で決まる駆動線の時定数が小さくなり、更なる高速駆動が可能となる。

（第４の実施形態）
以下に、本発明の第４の実施形態について、図面を用いて説明する。図６は等価回路図、図７（ａ）、（ｂ）は１画素の平面図、図７（ｃ）〜（ｆ）は図７（ａ）、（ｂ）中のＧ−Ｇ’、Ｈ−Ｈ’、Ｉ−Ｉ’、Ｊ−Ｊ’の断面図である。その他、第３の実施形態と同じものには同じ番号を付与し、ここでは説明を省略する。

本実施形態の放射線検出装置は、第３の実施形態に対して更に小画素ピッチ化に対応するものである。小画素ピッチ化のために各配線を細くした場合でも、１画素内における接続ホールの占める割合が大きくなり、信号出力用のスイッチ素子と初期化用スイッチ素子の接続ホールが重なるおそれがある。ここで、接続ホールとは、各スイッチ素子の電極と各配線とを接続するためのホールである。

上記問題を解決するため、本実施形態では、図７（ａ）に示す第１画素Ａと図７（ｂ）に示す第２画素Ｂとを、交互に配置している。なお、第２画素Ｂは、画素Ａを１８０度回転させた画素である。層構成は第３の実施形態と同様であるが、接続ホールの配置位置、及び各配線の構造がと異なる。

以下に、第３の実施形態と異なる点を詳細に説明する。まず、本実施形態では、１列分の信号線１０８は、第２導電層５０６からなる第１信号線１０８ａと、第５絶縁層５０８中の第３導電層５０９からなる第２信号線１０８ｂと、を含む。また１列分の初期化用バイアス線４０３は、第２導電層５０６からなる第１初期化用バイアス線４０３ａと、第５絶縁層５０８中の第３導電層５０９からなる第２初期化用バイアス線４０３ｂと、を含む。これらに対して、第４絶縁層５０７中の第３導電層５０９が接続ホールを形成している。一方、１行分の駆動線１０７は、第１導電層５０４からなる第１駆動線１０７ａと、第５導電層５１４からなる第２駆動線１０７ｂと、を含む。また、１行分の初期化用駆動線４０２は、第１導電層５０４からなる第１初期化用駆動線４０２ａと、第５導電層５１４からなる第２初期化用駆動線４０２ｂと、を含む。これらに対して、第３導電層５０９と第４導電層５１１が接続ホールを形成している。

次に、第１画素Ａでは、信号出力用のスイッチ素子１０５の制御電極と第２駆動線１０７ｂとを接続するための接続ホールと、第２主電極と第２信号線１０８ｂとを接続するための接続ホールと、が配置されている。そのため、スイッチ素子１０５の制御電極は第１駆動線１０７ａと第２駆動線１０７ｂの両方に接続されており、第２主電極は第１信号線１０８ａと第２信号線１０８ｂの両方に接続されている。一方、初期化用スイッチ素子４０１の制御電極と第２初期化用駆動線４０２ｂとを接続するための接続ホールと、第２主電極と第２初期化用バイアス線４０３ｂとを接続するための接続ホールと、は配置されていない。そのため、初期化用スイッチ素子４０１の制御電極は第１初期化用駆動線４０２ａにのみ接続されており、第２主電極は第１初期化用バイアス線４０３ａにのみ接続されている。これに対して第２画素Ｂでは、信号出力用のスイッチ素子１０５の制御電極と第２駆動線１０７ｂとを接続するための接続ホールと、第２主電極と第２信号線１０８ｂとを接続するための接続ホールと、は配置されていない。そのため、スイッチ素子１０５の制御電極は第１駆動線１０７ａのみに接続されており、第２主電極は第１信号線１０８ａのみに接続されている。一方、初期化用スイッチ素子４０１の制御電極と第２初期化用駆動線４０２ｂとを接続するための接続ホールと、第２主電極と初期化用バイアス線４０３ｂとを接続するための接続ホールと、が配置されている。そのため、初期化用スイッチ素子４０１の制御電極は第１初期化用駆動線４０２ａと第２初期化用駆動線４０２ｂの両方に接続されており、第２主電極は第１初期化用バイアス線４０３ａと第２初期化用バイアス線４０３ｂの両方に接続されている。この、接続ホールの配置位置の異なる２種類の画素を交互に配置している点が第３の実施形態と異なる。

以上のように、画素Ａと画素Ｂを交互に配置することにより、１画素内の接続ホールの数を削減できるため、更なる小画素ピッチ化が要求される場合でも、１画素内に複数のスイッチ素子を配置することが可能となる。また、第３の実施形態と同様に、信号線容量及び抵抗の低減、及び駆動線の抵抗低減が更に可能となり、低ノイズで、かつ高速駆動が可能な積層型の放射線検出装置を実現できる。なお、本実施形態は２種類の画素を交互に配置しているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、接続ホールの配置位置が異なる画素を複数種設け、これを組み合わせることで、同様の効果が得られる。

（第５の実施形態）
図８は本発明による放射線検出装置を用いた放射線検出システムへの応用例を示したものである。

図８に示すように、放射線源である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、蛍光体を上部に実装した放射線検出装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者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は発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され、制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理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に設置された表示手段となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録手段に保存でき、遠隔地の医師が診断することも可能である。また記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１００ 検出装置
１０１ 絶縁基板
１０２ 画素
１０３ 画素領域
１０４ 変換素子
１０５ スイッチ素子
１０６ バイアス線
１０７ 駆動線
１０８ 信号線
２０１ 第１導電層
２０２ 第１絶縁層
２０３ 第１半導体層
２０４ 第１不純物半導体層
２０５ 第２導電層
２０６ 第２絶縁層
２０７ 第３絶縁層
２０８ 第３導電層
２０９ 第４絶縁層
２１０ 第４導電層
２１１ 第５絶縁層
２１２ 第５導電層
２１３ 第６絶縁層
２１４ 第６導電層
２１５ 第７絶縁層
２１６ 第２半導体層
２１７ 第２不純物半導体層
２１８ 第７導電層
２１９ 第８導電層
２２０ 第８絶縁層

Claims (9)

1. 放射線又は光を電荷に変換する変換素子と、前記電荷に応じた電気信号を出力するスイッチ素子と、を含み、行方向及び列方向に配列された複数の画素と、
   前記行方向の複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、
   前記列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、を有し、
   前記変換素子が前記スイッチ素子の上方に配置された検出装置であって、
   前記駆動線は、前記変換素子と前記スイッチ素子の間の絶縁部材に埋め込んで配置された導電層からなり、
   前記信号線は、前記駆動線の最上位表面よりも下層で前記スイッチ素子と前記駆動線との間に配置された絶縁部材に埋め込んで配置された導電層からなることを特徴とする検出装置。
2. 前記変換素子と、絶縁基板の上に配置された前記スイッチ素子と、の間に複数の絶縁層を有し、
   前記絶縁部材は、前記複数の絶縁層のうち、前記変換素子の下方に配置された前記駆動線となる導電層の最上位表面よりも下層の絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記スイッチ素子は、前記絶縁基板の上の第１導電層と、前記第１導電層の上の第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上の第１半導体層と、前記第１半導体層の上の第１不純物半導体層と、前記第１不純物半導体層の上の第２導電層と、を含み、
   前記信号線は、前記スイッチ素子の上の第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上の第３絶縁層と、に埋め込んで配置された第３導電層からなり、
   前記駆動線は、前記第３導電層と、前記第３絶縁層の上の第４絶縁層に埋め込んで配置された第４導電層と、によって前記スイッチ素子に接続され、前記第４絶縁層の上の第５絶縁層に埋め込んで配置された第５導電層からなり、
   前記信号線と前記駆動線とが交差する領域では、前記信号線は前記第３導電層からなり、前記駆動線は前記第５導電層からなり、前記第４絶縁層を挟んで前記信号線と前記駆動線が交差しており、
   前記変換素子は、前記第３導電層と前記第４導電層と前記第５導電層とによって前記スイッチ素子に接続され、前記第５絶縁層の上の第６絶縁層を介して配置された第７導電層を下電極として有する請求項２に記載の検出装置。
4. 前記画素は、前記変換素子を初期化する初期化用スイッチ素子を更に含み、
   前記行方向の複数の前記初期化用スイッチ素子に接続された初期化用駆動線と、
   前記列方向の複数の前記初期化用スイッチ素子に接続された初期化用バイアス線と、
   を更に含む請求項２に記載の検出装置。
5. 前記スイッチ素子は、前記絶縁基板の上の第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上の第１半導体層と、前記第１絶縁層の上の第２絶縁層と、前記第２絶縁層の上の第１導電層と、前記第１導電層の上の第３絶縁層と、前記第３絶縁層の上の第２導電層と、を含み、
   前記信号線は、前記スイッチ素子の上の第４絶縁層の上の第５絶縁層に埋め込んで配置された第３導電層を含み、
   前記駆動線は、前記第３導電層と、前記第５絶縁層の上の第６絶縁層に埋め込んで配置された第４導電層と、によって前記スイッチ素子に接続され、前記第６絶縁層の上の第７絶縁層に埋め込んで配置された第５導電層を含み、
   前記信号線と前記駆動線とが交差する領域では、前記信号線は前記第３導電層からなり、前記駆動線は前記第５導電層からなり、前記第４絶縁層を挟んで前記信号線と前記駆動線が交差していることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
6. 前記第５導電層は、前記第７絶縁層の上の第８絶縁層に更に埋め込んで配置されており、
   前記変換素子は、前記第３導電層と前記第４導電層と前記第５導電層とによって前記スイッチ素子に接続され、前記第８絶縁層の上の第９絶縁層を介して配置された第６導電層を下電極として有する請求項５に記載の検出装置。
7. 前記信号線の上部幅をＳＴ、最大幅をＳＭとした場合、
   ＳＴ＜ＳＭ
   を満たすことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の検出装置。
8. 前記駆動線の下部幅をＧＢ、最大幅をＧＭとした場合、
   ＧＢ＜ＧＭ
   を満たすことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の検出装置と、
   前記検出装置からの信号を処理する信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
   前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
   前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
   を具備することを特徴とする放射線検出システム。

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