JPH0992807A - 光電変換装置、及びその駆動方法、及びそれを用いたｘ線撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大きなダイナミックレンジを必要とする動画
像を得る場合と、ノイズを小さくすることを必要とする
静止画像を得る場合を簡単に切り換え可能な光電変換装
置を実現する。 【解決手段】 光電変換素子のリフレッシュ動作時に、
該光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極の電位をＧ電極
の電位より高くするモードと、低くするモードとを切り
換えて前記リフレッシュを行なう手段ＳＷｘを有するこ
とを特徴とする光電変換装置であり、異なる電圧のリフ
レッシュ用電源Ｖｇ１，Ｖｇ２をスイッチ手段ＳＷｘを
用いて切り換え可能としたことを特徴とする。また、リ
フレッシュ電圧を任意に変更することで、動画像と静止
画像のそれぞれの所望の光電変換信号を得られるように
することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換装置、そ
の駆動方法及びそれを有するＸ線システムに係わり、た
とえばファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像
装置等の等倍読み取りを行うことの可能な、一次元もし
くは二次元の光電変換装置、その駆動方法及びそれを有
するシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ファクシミリ、デジタル複写機あ
るいはＸ線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系
とＣＣＤ型センサを用いた読み取り系が用いられていた
が、近年、水素化アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓ
ｉと記す）に代表される光電変換半導体材料の開発によ
り、光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成
し、情報源と等倍の光学系で読み取るいわゆる密着型セ
ンサの開発がめざましい。特にａ−Ｓｉは光電変換材料
としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ（以下
ＴＦＴと記す）としても用いることができるので光電変
換半導体層とＴＦＴの半導体層とを同時に形成すること
ができる利点を有している。

【０００３】図２０は、従来の光センサの構成を示す。
図２０（ａ）、図２０（ｂ）は二種類の光センサの層構
成を示し、図２０（ｃ）は共通した代表的な駆動方法を
示している。図２０（ａ）、図２０（ｂ）共にフォト・
ダイオード型の光センサであり、図２０（ａ）はＰＩＮ
型、図２０（ｂ）はショットキー型と称されている。図
中１は絶縁基板、２は下部電極、３はｐ型半導体層（以
下ｐ層と記す）、４は真性半導体層（以下ｉ層と記
す）、５はｎ型半導体層（以下ｎ層と記す）、および６
は透明電極である。ショットキー型図２０（ｂ）では下
部電極２の材料を適当に選び、下部電極２からｉ層４に
電子が注入されないようショットキーバリア層が形成さ
れている。１０は上記光センサを記号化して表わした光
センサを示し、１１は電源、１２は電流アンプ等の検出
部を示している。光センサ１０中Ｃで示された方向は図
２０（ａ）、図２０（ｂ）中の透明電極６側、Ａで示さ
れた方向が下部電極２側であり電源１１はＡ側に対しＣ
側に正の電圧が加わるように設定されている。ここで動
作を簡単に説明する。矢印で示された方向から光が入射
され、ｉ層４に達すると、光は吸収され電子とホールが
発生する。ｉ層４には電源１１により電界が印加されて
いるため電子はＣ側、つまりｎ層５を通過して透明電極
６に移動し、ホールはＡ側、つまり下部電極２に移動す
る。よって光センサ１０に光電流が流れたことになる。
また、光が入射しない場合ｉ層４で電子もホールも発生
せず、また、透明電極６内のホールはｎ層５がホールの
注入阻止層として働き、下部電極２内の電子はＰＩＮ型
図２０（ａ）ではｐ層３が、ショットキー型図２０
（ｂ）ではショットキーバリア層が、電子の注入阻止層
として働き、電子、ホール共に移動できず、電流は流れ
ない。したがって光の入射の有無で電流が変化し、これ
を図２０（ｃ）の検出部１２で検出すれば光センサとし
て動作する。

【０００４】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来の光センサでＳＮ比が高く、低コストの光電変換
装置を生産するのは困難であった。以下その理由につい
て説明する。

【０００５】第一の理由は、ＰＩＮ型図２０（ａ）、シ
ョットキー型図２０（ｂ）は共に２カ所に注入阻止層が
必要なところにある。ＰＩＮ型図２０（ａ）において注
入阻止層であるｎ層５は電子を透明電極６に導くと同時
にホールがｉ層４に注入するのを阻止する特性が必要で
ある。どちらかの特性を逸すれば光電流が低下したり、
光が入射しない時の電流（以下暗電流と記す）が発生、
増加することになりＳＮ比の低下の原因になる。この暗
電流はそれ自身がノイズと考えられると同時にショット
ノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含んで
おりたとえ検出部１２で暗電流を差し引く処理をして
も、暗電流に伴う量子ノイズを小さくすることはできな
い。通常この特性を向上させるためｉ層４やｎ層５の成
膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化を図る必
要がある。しかし、もう一つの注入阻止層であるｐ層３
についても電子ホールが逆ではあるが同等の特性が必要
であり、同様に各条件の最適化が必要である。通常、前
者ｎ層の最適化と後者ｐ層の最適化の条件は同一でな
く、両者の条件を同時に満足させるのは困難である。つ
まり、同一光センサ内に二カ所の注入阻止層が必要なこ
とは高ＳＮ比の光センサの形成を困難にする。これはシ
ョットキー型図２０（ｂ）においても同様である。また
ショットキー型図２０（ｂ）においては片方の注入阻止
層にショットキーバリア層を用いているが、これは下部
電極２とｉ層４の仕事関数の差を利用するもので、下部
電極２の材料が限定されたり、界面の局在準位の影響が
特性に大きく影響し、条件を満足させるのはさらに困難
である。また、さらにショットキーバリア層の特性を向
上させるために、下部電極２とｉ層４の間に１００オン
グストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、窒化
膜を形成することも報告されているが、これはトンネル
効果を利用し、ホールを下部電極２に導き、電子のｉ層
４への注入を阻止する効果を向上させるもので、やはり
仕事関数の差を利用しているため下部電極２の材料の限
定は必要であるし、電子の注入の阻止とトンネル効果に
よるホールの移動という逆の性質を利用するため酸化膜
や窒化膜は１００オングストローム前後と非常に薄いと
ころに限定され、かつ、厚さや膜質の制御は難しく生産
性を低下させられる。

【０００６】また、注入阻止層が２カ所必要なことは生
産性を低下させコストもアップする。これは注入阻止層
が特性上重要なため２カ所中１カ所でもゴミ等で欠陥が
生じた場合、光センサとしての特性が得られないからで
ある。

【０００７】第二の理由を図２１を用いて説明する。図
２１は薄膜の半導体層で形成した電界効果型トランジス
タ（ＴＦＴ）の層構成を示している。ＴＦＴは光電変換
装置を形成するうえで制御部の一部として利用すること
がある。図中図２０と同一なものは同番号で示してあ
る。７はゲート絶縁膜であり、６０は上部電極である。
形成法を順を追って説明する。絶縁基板１上にゲート電
極として働く下部電極２、ゲート絶縁膜７、ｉ層４、ｎ
層５、ソース、ドレイン電極として働く上部電極６０を
順次成膜し、上部電極６０をエッチングによりソース、
ドレイン電極を形成し、その後ｎ層５をエッチングによ
りチャネル部を構成している。ＴＦＴの特性はゲート絶
縁膜７とｉ層４の界面の状態に敏感で通常その汚染を防
ぐために同一真空内で連続に堆積する。

【０００８】従来の光センサをこのＴＦＴと同一基板上
に形成する場合この層構成が問題となりコストアップや
特性の低下を招く。この理由は図２０で示した従来の光
センサの構成が、ＰＩＮ型図２０（ａ）が電極／ｐ層／
ｉ層／ｎ層／電極、ショットキー型図２０（ｂ）が電極
／ｉ層／ｎ層／電極という構成であるのに対しＴＦＴは
電極／絶縁膜／ｉ層／ｎ層／電極という構成で両者が異
なるからである。これは同一プロセスで形成できないこ
とを示し、プロセスの複雑化による歩留まりの低下、コ
ストアップを招く。また、ｉ層／ｎ層を共通化するには
ゲート絶縁層７やｐ層３のエッチング工程が必要とな
り、先に述べた光センサの重要な層である注入阻止層の
ｐ層３とｉ層４が同一真空内で成膜できなかったり、Ｔ
ＦＴの重要なゲート絶縁膜７とｉ層４の界面がゲート絶
縁膜のエッチングにより汚染され、特性の劣化やＳＮ比
の低下の原因になる。

【０００９】また、前述した図２０のショットキー型図
２０（ｂ）の特性を改善するため、下部電極２とｉ層４
の間に酸化膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順に同
一ではあるが、先に述べたように酸化膜や窒化膜は１０
０オングストローム前後である必要がありゲート絶縁膜
と共用することは困難である。

【００１０】図２２に、ゲート絶縁膜とＴＦＴの歩留ま
りについて、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜
厚が１０００オングストローム以下で歩留まりは急激に
低下し、８００オングストロームで約３０％、５００オ
ングストロームで歩留まり０％、２５０オングストロー
ムではＴＦＴの動作すら確認できなかった。トンネル効
果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と、電子やホー
ルを絶縁しなければならないＴＦＴのゲート絶縁膜を共
用化することは明らかに困難であり、これをデータが示
している。

【００１１】またさらに、図示はしていないが電荷や電
流の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子
（以下コンデンサと記す）を従来の光センサと同一の構
成でリークが少ない良好な特性のものを作るのは難し
い。コンデンサは２つの電極間に電荷を蓄積するのが目
的なため電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を
阻止する層が必要であるのに対し、従来の光センサは電
極間に半導体層のみ利用しているため熱的に安定したリ
ークの少ない良好な特性の中間層を得るのは難しいから
である。

【００１２】このように光電変換装置を構成するうえで
重要な素子であるＴＦＴやコンデンサとプロセス的にま
たは特性的にマッチングが良くないことは複数の光セン
サを一次元もしくは二次元に多数配置しこの光信号を順
次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程が
多くかつ複雑になるため歩留まりが非常に悪く、低コス
トで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題にな
る。

【００１３】［発明の目的］本発明の目的は、ＳＮ比が
高く、特性が安定している光電変換装置、及びその駆動
方法及びそれを有するシステムを提供することを目的と
する。

【００１４】具体的には、本発明の光電変換装置は、光
電変換素子のリフレッシュ動作に於いて、リフレッシュ
用電源をスイッチを用いて切り換え可能とし、Ｄ電極の
電位をＧ電極の電位より低い場合と高い場合の２つの場
合を実現可能とする事により、大きなダイナミックレン
ジを必要とする動画像を得る場合と、ノイズを小さくす
る事を必要とする静止画像を得る場合の両方の場合を実
現する事が可能となる。即ち、本発明に於いては、画像
ごとにリフレッシュ電圧を変え、必要に応じた画像を得
る事を目的とする。

【００１５】又、本発明は歩留まりが高く、特性が安定
している光電変換装置及びそれを有するシステムを提供
することを目的とする。

【００１６】加えて本発明は、ＴＦＴと同一プロセスで
形成することが可能で、生産プロセスの複雑化を生じる
ことが無く、低コストで作製可能な光電変換装置、及び
その駆動方法及びそれを有するシステムを提供すること
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を有する。

【００１８】［１］ 光電変換素子のリフレッシュ動作
時に、該光電変換素子のＤ電極の電位をＧ電極の電位よ
り高くするモードと、低くするモードとを切り換えて前
記リフレッシュを行なう手段を有することを特徴とする
光電変換装置。

【００１９】［２］ 異なる電圧のリフレッシュ用電源
をスイッチ手段を用いて切り換え可能としたことを特徴
とする［１］記載の光電変換装置。

【００２０】［３］ 絶縁基板上に、第一の電極層、第
一の型のキャリアおよび前記第一の型のキャリアとは、
正負の異なる第二のキャリア両方のキャリアの通過を阻
止する第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層へ
の前記第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止
層、第二の電極層を堆積した光電変換素子を有する光電
変換装置に於いて、前記光電変換素子の第一の電極層の
電圧をＶ_rG、前記第一の型のキャリアの電荷をｑ、前記
第二の電極層の電圧をＶ_D 、ある閾値電圧をＶ_FBとした
時、 （Ｖ_rG・ｑ）＜（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第１のリフレッシュモ
ードと、 （Ｖ_rG・ｑ）≧（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第２のリフレッシュモ
ードと、を有するリフレッシュモード動作手段と、前記
リフレッシュモードを切り換えて、どちらかのモードで
動作させるスイッチ手段と、を有することを特徴とする
［１］記載の光電変換装置。

【００２１】［４］ 前記光電変換素子を一次元または
二次元的に複数個配置し、全光電変換素子を複数のブロ
ックに分割し、前記光電変換素子毎に接続されたスイッ
チ素子を、前記各ブロック毎に動作させることにより、
前記複数のブロックに分割した全光電変換素子の光信号
を、マトリクス信号配線に出力することを特徴とする
［１］記載の光電変換装置。

【００２２】［５］ 前記マトリクス信号配線の交差部
が、少なくとも第一電極層、絶縁層、半導体層、第二の
電極層の順の積層構造で構成され、この積層構造の各層
が前記光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、光電変換
半導体層、第二の電極層の各層と同一層から形成されて
おり、且つ同じ膜厚であることを特徴とする［４］記載
の光電変換装置。 ［６］ ［１］〜［５］のいずれかに記載の光電変換装
置の駆動方法において、前記光電変換素子のリフレッシ
ュ電圧を、任意に変更することで、所望の光電変換信号
を得られるように駆動することを特徴とする光電変換装
置の駆動方法。 ［７］ ［３］に記載の光電変換装置において、静止画
像を得る場合は、 前記（Ｖ_rG・ｑ）＜（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第１のリフレッシュモ
ードに切り換え、動画像を得る場合は、 前記（Ｖ_rG・ｑ）≧（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第２のリフレッシュモ
ードに切り換えることを特徴とする光電変換装置の駆動
方法。 ［８］ リフレッシュモードを有する光電変換装置と、
該光電変換装置に設けられた蛍光体と、該蛍光体に入射
して光情報を発生するＸ線源と、を有するＸ線撮像装置
において、必要とする画像毎に、前記リフレッシュ電圧
を変更する手段を有することを特徴とするＸ線撮像装
置。

【００２３】［９］ 前記光電変換装置に備えられた蛍
光体と、前記蛍光体に入射されて光情報を発生させるＸ
線源と、該光電変換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為の記
録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示する為の
表示手段と、前記信号処理手段からの信号を電送する為
の電送手段と、を有することを特徴とする［８］記載の
Ｘ線撮像装置。

【００２４】

【発明の実施の形態】

［作用］本発明の光電変換装置によれば、光電変換素子
のリフレッシュ動作に於いて、リフレッシュ用電源をス
イッチ手段を用いて切り換え可能とし、Ｄ電極の電位を
Ｇ電極の電位より低い場合と高い場合の２つの場合を実
現可能とすることにより、大きなダイナミックレンジを
必要とする動画像を得る場合と、ノイズを小さくする事
を必要とする静止画像を得る場合の両方の場合を実現す
る事が可能となる。即ち、本発明に於いては、画像ごと
にリフレッシュ電圧を変え、必要に応じた画像を得るこ
とができる作用が得られる。

【００２５】又、本発明によれば、歩留まりが高く、Ｓ
Ｎ比が高く、特性が安定した光電変換装置及びそれを有
するシステムを提供することができる。

【００２６】加えて、本発明の光電変換素子は、ＴＦＴ
と同一プロセスで形成することが可能であるため、生産
プロセスの複雑化を生じることが無く、低コストで作製
可能となる作用が得られる。

【００２７】［本発明の原理の説明］本発明の実施形態
の説明の前に、以前我々が提案した先行技術及びそのリ
フレッシュ動作の説明を行う。

【００２８】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ順
に、我々が以前提案した光電変換装置の光電変換素子を
説明するための模式的層構成図、光電変換装置の概略的
回路図である。

【００２９】図９（ａ）においては、１はガラスなどで
形成される絶縁基板、２はＡｌやＣｒなどで形成される
下部電極である。７０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。４は水素化アモルファスシリコン（ａ−
Ｓｉ：Ｈ）の真性半導体ｉ層で形成される光電変換半導
体層、５は光電変換半導体層４に透明電極６側からのホ
ールの注入を阻止するａ−Ｓｉのｎ⁺ 層で形成される注
入阻止層、透明電極６はＩＴＯのようなインジウム又は
スズを含む化合物、酸化物などで形成される。

【００３０】図９（ｂ）において１００は図９（ａ）で
示した光電変換素子を記号化したものでＤが透明電極６
側、Ｇが下部電極２側の電極を示している。１２０は検
出部、１１０は電源部であり、電源部１１０はＤ電極に
正の電位を与える正電源１１１、負の電位を与える負電
源１１２の両者を切り換えるスイッチ１１３で構成され
る。スイッチ１１３はリフレッシュモードではｒｅｆｒ
ｅｓｈ側、光電変換モードではｒｅａｄ側に接続される
よう制御される。

【００３１】ここで光電変換素子１００の動作について
説明する。

【００３２】図１０（ａ）、図１０（ｂ）は、それぞれ
光電変換素子１００のリフレッシュモードおよび光電変
換モードの動作を示す光電変換部のエネルギーバンド図
で、光電変換素子の各層の厚さ方向の状態を表してい
る。

【００３３】リフレッシュモード（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いるため、ｉ
層４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４に注入され
る。この時一部のホールと電子はｎ層５、ｉ層４におい
て再結合して消滅する。充分に長い時間この状態が続け
ばｉ層４内のホールはｉ層４から掃き出される（図１０
（ａ））。

【００３４】この状態で光電変換モード（ｂ）になる
と、Ｄ電極はＧ電極に対して正の電位が与えられるため
ｉ層４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５が注入阻止層として働くためｉ層４に導かれ
ることはない。この状態でｉ層４内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４内を移動し絶縁
層７０の界面に達する。しかし、絶縁層７０内には移動
できないため、ｉ層４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４内の絶縁層７０界
面に移動するため、素子内の電気的中性を保つため、電
流がＧ電極から検出部１２０に流れる。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（図１０（ｂ））。

【００３５】ある期間光電変換モード（ｂ）を保った
後、再びリフレッシュモード（ａ）の状態になると、ｉ
層４内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荷が検出部１２０
に流れる。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し、検出部１２０に流れる電荷は光
の総量に対応する。この時ｉ層４内に注入される電子の
量に対応した電荷も流れるが、この量はおよそ一定なた
め差し引いて検出すればよい。

【００３６】つまり、光電変換部１００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
射した光の総量も出力することもできる。このことは我
々が以前提案した構成例の大きな特徴といえる。検出部
１２０は目的に応じてどちらか一方、もしくは両方を検
出すればよい。

【００３７】ここで図１１を用いて我々が以前提案した
光電変換装置の動作について説明する。

【００３８】図１１は図９の光電変換装置における動作
のタイミングチャートである。図中Ｖ_dgは光電変換部１
００のＧ電極に対するＤ電極の電位であり、Ｐは光の入
射の状態を示し、ＯＮで光が入射の状態、ＯＦＦで光の
入射がない。つまりダーク状態を示している。Ｉｓは検
出部１２０に流れ込む電流を示し、横軸方向は時間の経
過を示す。

【００３９】始めにスイッチ１１３がｒｅｆｒｅｓｈ方
向に接続されるとリフレッシュモードに入り、Ｖ_dgは負
電圧となり、図１０（ａ）のようにホールが掃き出さ
れ、また電子がｉ層４に注入されるにともない検出部１
２０には図１１のＥで示される負の突入電流Ｅが流れ
る。その後リフレッシュモードは終了し、スイッチ１１
３がｒｅａｄ方向に接続されるとｉ層４内の電子が掃き
出され正の突入電流Ｅ′が流れ光電変換モードに入る。
この時光が入射されているとＡで示される光電流Ａが流
れる。もし同様な動作でダーク状態であればＡ′で示さ
れるように電流は流れない。よって光電流Ａを直接、も
しくは一定の期間、光電流Ａを積分すれば光の入射を検
出できる。

【００４０】また、Ａの状態からスイッチ１１３がｒｅ
ｆｒｅｓｈ方向に接続されると突入電流Ｂが流れる。こ
れは直前の光電変換モード期間における光の入射の総量
に反映された量になり、この突入電流Ｂを積分もしくは
積分相当の値を得ればよい。直前の光電変換モードで光
が入射していなければ突入電流はＢ′のように小さくな
り、その差を検出すれば、光の入射を検出できる。また
前述の突入電流Ｅ′やＥ″はおよそ突入電流Ｂ′と等し
いため、突入電流Ｂからこれらを差し引いてもよい。

【００４１】また、さらに、同じ光電変換モード期間で
あっても光の入射の状態が変化すれば、Ｃ、Ｃ′のよう
にＩｓは変化する。これを検出しても光の入射状態を検
出できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレ
ッシュモードにする必要はないことを示している。

【００４２】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り、入射する光の照度が
強い場合、Ｄのように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１０（ｃ）のよう
に、ｉ層４内にホールが多数留まり、このホールのため
ｉ層４内の電界が小さくなり、発生した電子がＤ電極に
導びかれなくなり、ｉ層４内のホールと再結合してしま
うからである。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４内のホールは掃き出され、次
の光電変換モードではＡ″のようにＡと等しい電流が得
られる。

【００４３】以上の説明において、入射光は一定で説明
したが、入射光の強弱によりＡ，Ｂ，Ｃの電流はともに
連続的に変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱に
ついても定量的に検出できることはいうまでもない。

【００４４】また、前述の説明において、リフレッシュ
モードで、ｉ層４内のホールを掃き出す場合、全てのホ
ールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き
出すだけでも効果はあり、光電流であるＡもしくはＣに
おいて全てを掃き出した場合と値は変わらず、問題はな
い。また、常に一定量が残るように掃き出せば、Ｂの電
流によっても光の量を定量的に検出することができる。
つまり、次の光電変換モードでの検出機会において電流
値がＤの状態、すなわち図１０（ｃ）の状態にならなけ
ればよく、リフレッシュモードのＶ_dgの電圧、リフレッ
シュモードの期間、および、ｎ層５の注入阻止層の特性
を決めればよい。

【００４５】また、さらに、リフレッシュモードにおい
て、ｉ層４への電子の注入は必要条件でなく、Ｖ_dgの電
圧は負に限定されるものでもない。ホールの一部がｉ層
４から掃き出されればよい。ホールが多数ｉ層４に留ま
っている場合には、たとえＶ _dgが正の電圧であってもｉ
層４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。ｎ層５の注入阻止層の特性も同様に電子をｉ層
４に注入できることが必要条件ではない。

【００４６】図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２
（ｃ）、図１２（ｄ）は、それぞれ検出部の較正例を示
したものである。１２１は電流Ａｍｐで代表される電流
計、１２２は電圧計、１２３は抵抗器、１２４はコンデ
ンサ、１２５はスイッチ素子、１２６はオペアンプであ
る。

【００４７】図１２（ａ）は直接電流を検出するもの
で、電流計１２１の出力は電圧や、増幅された電流であ
る。図１２（ｂ）は電流を抵抗器１２３に流して電圧を
電圧計１２２で検出している。図１２（ｃ）は電荷をコ
ンデンサ１２４に蓄積し、その電圧を電圧計１２２で検
出している。図１２（ｄ）はオペアンプ１２６により電
流の積分値を電圧として検出している。図１２（ｃ）、
図１２（ｄ）においてスイッチ素子１２５は毎回の検出
に対して初期値を与える役割をし、検出の方法によって
高抵抗の抵抗器に置き換えることも可能である。

【００４８】電流計や電圧計は、トランジスタやこれを
組み合せたオペアンプ、抵抗、コンデンサ等で構成し、
高速で動作するものを使用することができる。検出部は
これら４種に限定するものでなく、電流もしくは電荷を
直接もしくは積分値を検出できればよく、電流もしくは
電圧値を検出する検出器と、抵抗器、コンデンサ、スイ
ッチ素子を組合せ、複数の光電変換部を同時もしくは順
次出力するよう構成することもできる。

【００４９】ラインセンサやエリアセンサを構成する場
合は、電源部の配線やスイッチ素子と組合せてマトリク
スで１０００ケ以上の光電変換部の電位を制御し、また
検出する。この場合、スイッチ素子やコンデンサ、抵抗
の一部は光電変換部と同一基板上に構成するとＳＮ比
や、コスト面で有利である。この場合、我々が以前提案
した構成例の光電変換部は代表的なスイッチ素子である
ＴＦＴと同一膜構成のため同一プロセスで同時に形成す
ることが可能であり低コストの高ＳＮ比の光電変換装置
が実現できる。

【００５０】次に、リフレッシュモードにおけるリフレ
ッシュ電圧値による光電変換装置の特性の違いについて
以前我々が提案した光電変換装置を用いて説明する。

【００５１】図１３はＴＦＴ１７００及び電源１１１５
で構成される光電変換装置の１ビット等価回路図であ
り、図１４がその動作を示すタイミングチャートであ
る。

【００５２】ここでは、ＴＦＴ１７００を介して光電変
換素子のＧ電極に正の電位を与える場合である図１３に
示した光電変換装置の１ビット等価回路図を用いて説明
を行う。そして光電変換素子のＤ電極の電位は電源１１
４によりＶ_D に設計され、リフレッシュ動作時のＧ電極
の電位は電源１１１５によりＶ_rGに設定されるものとす
る。

【００５３】まず図９に示すように、光電変換素子１０
０のＧ電極の電位（Ｖ₀ ）をＤ電極の電位（Ｖ_D ）以上
にリフレッシュする場合（Ｖ₀ ＝Ｖ_rG≧Ｖ_D ）について
説明する。このような状態にリフレッシュされると光電
変換素子１００のｉ層４内に留まっていたホール及びｉ
層４と絶縁層７０との界面に存在する界面欠陥にトラッ
プされる。以下この電流を負の突入電流という。そして
リフレッシュ動作終了後、光電変換素子１００のＧ電極
の電位をＧＮＤ電位等に初期化する時、ｉ層４内及び界
面欠陥にトラップされていた電子が全てＤ電極へ掃き出
される。以下この電流を正の突入電流という。ｉ層４と
絶縁層７０との界面に存在する界面欠陥は一般にエネル
ギー準位が深い為、界面欠陥位置に存在する電子及びホ
ールを移動させるエネルギー、及びほかの位置から界面
欠陥位置へ電子及びホールを移動させるエネルギーは相
対的に高く、見かけ上の移動度も低くなる。その為、正
の突入電流がゼロになるまで即ち界面欠陥にトラップさ
れていた電子の全てがＤ電極へ掃き出されるまで数十マ
イクロ秒から数秒かかることになり、Ｇ電極リセット動
作が終了しても大きな突入電流が流れる。その結果、Ｇ
電極が持つ容量に蓄積された電荷の中にはノイズ成分で
ある突入電流による電荷が含まれ、結果的にその電荷分
ＳＮ比が低下してしまうのである。

【００５４】上記の理由について、更に図１３と図１４
を用いて詳細に説明する。

【００５５】図１３のＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄは、各々
図１３におけるスイッチ素子１１２５、転送用ＴＦＴ１
３００、リフレッシュ用ＴＦＴ１７００、リセット用Ｔ
ＦＴ１４００を駆動するパルスのタイミングを示してい
る。ここでＨは各駆動素子をオン状態にするハイレベル
を示しており、一般に結晶シリコン半導体スイッチ素子
では＋５ｖ〜＋１２ｖ、ａ−ＳｉＴＦＴでは＋８ｖ〜＋
１５ｖ位が用いられる。又、Ｌは一般的に０ｖが多く用
いられる。Ｉ_S とＶ₀ は、図１３中の矢印で示す様に、
各々光電変換素子１００に一定の信号光が照射された状
態において、矢印の方向へ流れる電流とＧ電極の電位を
示している。ここで、Ｐａ〜Ｐｄのパルス幅を２０μｓ
の動作時におけるＩ_S とＶ₀ を図１４に示している。

【００５６】図１４において、Ｖ₀ はＰｃのリフレッシ
ュ用パルス立ち上がりから、Ｐｄのリセット用パルス立
ち上がりまで一定の高い電位に保たれている。その為正
の突入電流はその間に発生せず、Ｐｄのパルス立ち上が
り時に初めて、界面欠陥にトラップされていた電子の掃
き出しによると考えられる。正の突入電流が発生してい
る。この正の突入電流が減衰しほぼゼロになるまで、我
々の作製した装置では約８０〜１００μ秒かかる為、Ｇ
電極がもつ容量に信号電荷を蓄積しはじめるＰｄのパル
スの立ち下がり時には、正の突入電流が多く発生してお
り、図中の斜線で示した部分の電荷及び電圧値がノイズ
成分として蓄積されてしまうのである。その結果その蓄
積分ＳＮ比が低下してしまうのである。正の突入電流を
低減する方法としてはＰｄの初期化パルスの時間を長く
することが考えられるが、その時間にも限界があり、又
時間を長くすることにより装置全体の信号読み取り時間
が長くなり、装置の低速化即ち性能ダウンを引き起こす
ことになる。

【００５７】次に図１５を用いて光電変換素子１００を
リフレッシュさせる時の印加電圧の条件について説明す
る。図１５は光電変換素子１００のエネルギーバンド図
であり、両端の各々の電極（Ｄ電極及びＧ電極）は開放
（オープン）状態である。光電変換素子１００は一般に
いわれているＭＩｓ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ
−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造であり両端の電極
に加わる電圧条件により全容量が相対的に小さい状態
（デプレッション状態）と全容量が相対的に大きい状態
（アキュムレーション状態）が現れる。

【００５８】図１５における各デバイスの両端はオープ
ンであるが、エネルギーバンド図については図１５
（ｂ）の場合が上記デプレッション状態のエネルギーバ
ンド図と同じであり、図１５（ｃ）の場合がアキュムレ
ーション状態のエネルギーバンド図と同じである。

【００５９】一般にＭＩｓコンデンサは、作製直後にお
いて図１５の（ａ）の状態即ちｉ層のバンドがフラット
な状態（フラットバンド電圧Ｖ_FB＝０ｖ）又は図１５
（ｂ）の状態即ち若干デプレッション状態（３ｖ≧Ｖ_FB
＞０ｖ）である事が多い。又、ＭＩｓコンデンサの両端
に電圧を加える事によりＶ_FBはある程度任意の正及び負
の値にする事も可能である。

【００６０】以上のことより、正の突入電流（減衰時間
が長く、且つ電流値が大であること）をもたらす電圧値
の条件を以下においてまとめる。

【００６１】まず、光電変換素子１００のｉ層のフラッ
トバンド電圧Ｖ_FBがゼロの時はリフレッシュ時のＧ電極
の電位（Ｖ_rG）はＤ電極の電位（Ｖ_D ）より高ければ、
即ちＶ_rG＞Ｖ_D であれば、上述した問題の正の突入電流
が流れる。

【００６２】又、光電変換素子１００のｉ層のフラット
バンド電圧Ｖ_FBがゼロでない時はリフレッシュ時のＧ電
極の電位（Ｖ_rG）はＤ電極の電位（Ｖ_D ）からＶ_FBを差
し引いた電圧値よりも高ければ、即ちＶ_rG≧Ｖ_D −Ｖ_FB
であれば上述した問題の正の突入電流が流れるのであ
る。

【００６３】上記のメカニズムを図１６を用いて説明す
る。

【００６４】図１６はＶ_rG≧Ｖ_D −Ｖ_FBの場合の光電変
換素子１００のエネルギーバンド図で図１６（ａ）の２
から６各層の厚さ方向の状態を表している。リフレッシ
ュ動作の図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いるため、ｉ層４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４に注入される。又、ｉ層４と
絶縁層７０の界面欠陥にトラップされていたホールはあ
る程度の時間を費しＤ電極に導かれ、ｉ層４に注入され
た電子のうち一部は逆に、ある程度の時間を費してｉ層
４と絶縁層７０の界面欠陥にトラップされる。この時一
部のホールと電子はｎ層５、ｉ層４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４内の
ホールはｉ層４から掃き出される。この状態で光電変換
動作の図１６（ｂ）になるとＤ電極はＧ電極に対して正
の電位が与えられるためｉ層４中の電子は瞬時にＤ電極
に導かれる。そしてｉ層４と絶縁層７０の界面欠陥にト
ラップされていた電子は、ある程度時間を費してＤ電極
へ導かれる。この界面欠陥にトラップされていた電子が
前述した問題の突入電流の原因である。ここでホールは
ｎ層５が注入阻止層として働く為、ｉ層４に導かれるこ
とはない。この状態でｉ層４内に光が入射すると、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４内を移動しｉ層４
と絶縁層７０の界面に達する。しかし、絶縁層７０内に
は移動できない為、ｉ層４内に留まることになる。そし
てある期間光電変換動作の図１６（ｂ）を保った後の状
態が図１６（ｃ）である。

【００６５】次に、このようなリフレッシュ条件におけ
る光電変換素子１００のダイナミックレンジ（Ｄ・Ｒ）
について説明する。図１３に示される光電変換素子１０
０のＤ・Ｒを電荷量で示すと、Ｄ・Ｒ＝Ｖ_rG×Ｃ_S とな
る。ここでＣ_S は光電変換素子１００の容量である。よ
って、光電変換素子１００のダイナミックレンジ（Ｄ・
Ｒ）はリフレッシュ電圧Ｖ_rGが高いほど大きくなる。そ
のため光電変換素子１００に照射される信号光が多く得
られる場合は光による信号量を多く得ることができるの
でＳＮ比が大きくなる。

【００６６】次に、光電変換素子１００のＧ電極の電位
（Ｖ₀ ）以下にリフレッシュする場合（Ｖ_rG＜Ｖ_D −Ｖ
_FB）について説明する。

【００６７】図１７は、光電変換装置の１ビットの概略
的等価回路図である。図１８は図１７の光電変換装置を
実際に駆動した時のタイミングチャートである。

【００６８】図１７において図１３と同じ番号で示され
る部分については同じものを示しているので説明は省略
する。図１３に示される概略的等価回路と図１７に示さ
れる概略的等価回路との違いはＴＦＴ１７００に接続さ
れる電源の大きさである。なお、ここで光電変換素子１
００は図９（ａ）と同一の構造をしているので、ｉ層と
第２の電極層との間の注入阻止層はｎ型であり、注入が
阻止されるキャリアはホールである。その為注入が阻止
されるキャリア１個の電荷をｑとするとこの場合もｑ＞
０となる。

【００６９】なお、図１７において信号検出部は図１７
の点線内の検出手段とＴＦＴ１３００及びハイレベルパ
ルスＰｂを印加する手段を含む。

【００７０】図１７において図１３と異なる点は、光電
変換素子１００のリフレッシュ動作においてＧ電極に正
の電位を与える電源１１１５の電位Ｖ_rGが、Ｄ電極に正
の電位を与える電源１１４の電位Ｖ_D に比べて低くして
いる点のみである。詳細にいえば、光電変換素子１００
には、ｉ層のエネルギーバンドをフラットにする為にＧ
電極に印加するフラットバンド電圧（Ｖ_FB）が存在する
ので実際には、図１３の例ではＶ_rG≧Ｖ_D −Ｖ_FBの状態
で駆動していたのに対し、図１７ではＶ_rG＜Ｖ _D −Ｖ_FB
の状態で駆動するのである。

【００７１】次に図１８においてＶ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FBの状
態での光電変換装置の動作を説明する。

【００７２】図１８において図１４と異なる点は、光電
変換素子１００の電流Ｉｓと電流ＩｓによるＧ電極の電
位Ｖ₀ の振舞いである。

【００７３】図１８において、Ｐｃのリフレッシュパル
スが立ち上がり、光電変換素子１００のＧ電極に電圧Ｖ
_rG（Ｖ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FB）が印加されると光電変換素子１
００のｉ層内に留まっていたホールの一部がＤ電極に掃
き出される。この時、ｉ層と絶縁層の界面欠陥にトラッ
プされていたホールのほぼ全てはそのままの状態である
と考えられる。又、この時電子はＤ電極に掃き出された
一部のホールに相当する量もしくはそれ以下の数量がＤ
電極からｉ層内へ流れ込むが、ｉ層内における電界はＧ
電極側の電位が低い為、ｉ層と絶縁層の界面欠陥にトラ
ップされる電子はほぼゼロであると考えられる。よって
図１８におけるＩｓはＰｃのリフレッシュパルス立ち上
がり時において小さな負の突入電流しか生じることな
く、又減衰時間も短くなっている。又、Ｐｃのリフレッ
シュパルス立ち上がりからＰｄのＧ電極リセットパルス
立ち上がりまでのＧ電極の電圧Ｖ₀ はＶ_rGにほぼ一致し
ており、その電位はＶ_D −Ｖ_FBより下がっていることを
図１８は示している。

【００７４】次にＧ電極リセットパルスが立ち上がり、
光電変換素子１００のＧ電極がＧＮＤに接地されるとｉ
層内に留まっていた若干の電子は全てＤ電極に流れ出す
ことになる。この時、ｉ層と絶縁層の界面欠陥には電子
は存在しない為、電子は少量で且つ瞬時に流れ出ると考
えられる。又、この時界面欠陥に存在するホールはほと
んど移動しないと思われる。よってＰｄのＧ電極リセッ
トパルス立ち上がり時において、Ｉｓは小さな正の突入
電流しか生じることなく、又減衰時間も短くなってい
る。ＰｄのＧ電極リセットパルスの立ち上がりから立ち
下がりまでを約２０マイクロ秒で動作させると、図のよ
うに光電変換動作開始となるＰｄのパルスの立ち下がり
時には、ほぼ突入電流はゼロになる。よってＰｄのパル
スの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、ほぼすべ
てが光電変換素子１００内に入射した信号光による電荷
となり、その信号電圧を読み出すことによりＳＮ比の高
い情報を得ることが可能となる。

【００７５】我々が以前提案した構成例における基本的
なメカニズムについて図を用いてさらに以下で説明す
る。

【００７６】図１９（ａ）〜図１９（ｃ）はＶ_rG＜Ｖ_D
−Ｖ_FBの場合の光電変換素子１００の動作を示すエネル
ギーバンド図であり、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示
したエネルギーバンド図に対応している。

【００７７】リフレッシュ動作の図１９（ａ）において
Ｄ電極はＧ電極に対して正の電位が与えられている為、
ｉ層４中の黒丸で示されたホールの一部が電界によりＤ
電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はｉ層４に
注入される。ここでｉ層４と絶縁層７０の界面欠陥にト
ラップされていたホールはほとんど移動せず、又電子が
界面欠陥にトラップされることもない。

【００７８】この状態で光電変換動作の図１９（ｂ）に
なるとＧ電極はＤ電極に対して更に大きな負の電位が与
えられる為、ｉ層４中の電子は瞬時にＤ電極に導かれる
が、界面欠陥にトラップされた電子はほとんど存在しな
い為、先に説明した図１３の光電変換装置で問題となる
突入電流はほとんど存在しなくなる。

【００７９】そしてある期間光電変換動作の図１９
（ｂ）を保った後の状態の図１９（ｃ）になる。

【００８０】このようにＶ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FBの条件にリフ
レッシュする場合においては、ｉ層４と絶縁層７０の界
面欠陥に電子が存在することはほとんどない為、電子の
出入りに長い時間を費すことがなくなり、結果的にノイ
ズ成分となる突入電流を大きく削減することが可能とな
る。

【００８１】しかしながら、このようなリフレッシュ条
件であり、図１７に示される光電変換素子１００のダイ
ナミックレンジ（Ｄ・Ｒ）は、Ｄ・Ｒ＝Ｖ_rG×Ｃ_S とな
り、Ｖ_rG≧Ｖ_D −Ｖ_FBの場合に比べてＶ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FB
の場合のダイナミックレンジは小さくなる。その為信号
処理が多い場合には、信号光による発生電荷が飽和し、
ＳＮ比を下げることが生じる。

【００８２】［実施形態１］図１は、本発明の光電変換
装置の第１の実施形態を示す全体回路図、図２（ａ）は
本実施形態中の１画素に相当する各素子の平面図、図２
（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ｂ線断面図である。

【００８３】図１において、Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換
素子で下部電極側をＧ、上部電極側をＤで示している。
Ｃ１１〜Ｃ３３は蓄積用コンデンサ、Ｔ１１〜Ｔ３３は
転送用ＴＦＴである。Ｖ_S は読み出し用電源、Ｖｇ１及
びＶｇ２はリフレッシュ用電源であり、スイッチＳＷｘ
によりＶｇ１かＶｇ２が選択されたＶ_S はスイッチＳＷ
ｓ、Ｖｇ１またはＶｇ２はＳＷｇを介して全光電変換素
子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極に接続されている。ここで、
センサのＧ電極に印加される各電源の電位はＶｇ１＞０
＞Ｖｇ２＞Ｖ_S と設定している。スイッチＳＷｓはイン
バータを介して、スイッチＳＷｇは直接にリフレッシュ
制御回路ＲＦに接続されており、リフレッシュ期間はス
イッチＳＷｇがｏｎ、その他の期間はスイッチＳＷｓが
ｏｎするよう制御されている。１画素は１個の光電変換
素子とコンデンサ、およびＴＦＴで構成され、その信号
出力は信号配線ＳＩＧにより検出用集積回路ＩＣに接続
されている。

【００８４】本実施形態の光電変換装置は、計９個の画
素を３つのブロックに分け１ブロックあたり３画素の出
力を同時に転送しこの信号配線ＳＩＧを通して検出用集
積回路ＩＣによって順次出力に変換され出力される（Ｖ
ｏｕｔ）。また１ブロック内の３画素を横方向に配置
し、３ブロックを順に縦に配置することにより各画素を
二次元的に配置している。

【００８５】図中破線で囲んだ部分は大面積の同一絶縁
基板上に形成されているが、このうち第１画素に相当す
る部分の平面図を図２（ａ）に示す。また図中破線Ａ−
Ｂで示した部分の断面図を図２（ｂ）に示す。

【００８６】図２において、Ｓ１１は光電変換素子、Ｔ
１１はＴＦＴＣ１１はコンデンサ、およびＳＩＧは信号
配線である。本実施形態においてはコンデンサＣ１１と
光電変換素子Ｓ１１とは特別に素子を分離しておらず、
光電変換素子Ｓ１１の電極の面積を大きくすることによ
りコンデンサＣ１１を形成している。これは本実施形態
の光電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可
能なことである。

【００８７】また、画素上部にはパッシベーション用窒
化シリコン膜ＳｉＮとヨウ化セシウム等の蛍光体ＣｓＩ
が形成されている。上方よりＸ線（Ｘ−ｒａｙ）が入射
すると蛍光体ＣｓＩより光（破線矢印）に変換され、こ
の光が光電変換素子に入射される。

【００８８】次に図１乃至図３を用いて本実施形態の光
電変換装置の動作について説明する。図３は本実施形態
の動作を示すタイミングチャートである。

【００８９】はじめに、シフトレジスタＳＲ１およびＳ
Ｒ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓｇ１〜ｓｇ３にＨｉ
が印加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３と
スイッチＭ１〜Ｍ３がｏｎし導通し、全光電変換素子Ｓ
１１〜Ｓ３３のＤ電極はＧＮＤ電位になる（積分検出器
Ａｍｐの入力端子はＧＮＤ電位に設計されているた
め）。

【００９０】同時に、リフレッシュ制御回路ＲＦがＨｉ
を出力しスイッチＳＷｇがｏｎし全光電変換素子Ｓ１１
〜Ｓ３３のＧ電極はリフレッシュ用電源Ｖｇ１またはＶ
ｇ２になる。この時、リフレッシュ用電源は正の電位
（Ｖｇ１）または負の電位（Ｖｇ２）の２つが用意され
ており、スイッチＳＷｘにより、どちらかの電源に選択
された状態となっている。

【００９１】リフレッシュ用電源のＶｇ１を選択した場
合は、先に図１３で説明したＶ_rG≧Ｖ_D −Ｖ_FBと同じ条
件になる為、先に説明したようにＶｇ２を選択した図１
７のＶ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FBの条件と比較して突入電流が多く
発生し、ノイズが増える。しかしながら光電変換素子の
ダイナミックレンジは増大する。

【００９２】その後、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は
リフレッシュモードになりリフレッシュされる。

【００９３】つぎにリフレッシュ制御回路ＲＦがＬｏを
出力しスイッチＳＷｓがｏｎし全光電変換素子Ｓ１１〜
Ｓ３３のＧ電極は読み取り用電源Ｖ_S により負電位にな
る。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換モ
ードになり同時にコンデンサＣ１１〜Ｃ３３は初期化さ
れる。この状態でシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２に
より制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓｇ１〜ｓｇ３にＬｏが印加
される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッ
チＭ１〜Ｍ３がｏｆｆし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３
のＤ電極はＤＣ的にはオープンになるがコンデンサＣ１
１〜Ｃ３３によって電位は保持される。

【００９４】しかしこの時点ではＸ線は入射されていな
いため全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３には光は入射され
ず光電流は流れない。この状態でＸ線がパルス的出射さ
れ人体等を通過し蛍光体ＣｓＩに入射されると光に変換
され、その光がそれぞれの光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３
に入射する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれ
ている。

【００９５】この光により流れた光電流は電荷としてそ
れぞれのコンデンサＣ１１〜Ｃ３３に蓄積されＸ線の入
射終了後も保持される。つぎにシフトレジスタＳＲ１に
より制御配線ｇ１にＨｉの制御パルスが印加され、シフ
トレジスタＳＲ２の制御配線ｓｇ１〜ｓｇ３への制御パ
ルス印加によって転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３、スイ
ッチＭ１〜Ｍ３を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。
これにより人体等の内部構造の二次元的情報がｖ１〜ｖ
９として得られる。

【００９６】静止画像を得る場合はここまでの動作であ
るが、動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。
一般に動画像を得る場合は静止画像を得る場合と比較し
て照射されるＸ線の強度は弱いが、照射時間は長い場合
が多い。その為、信号光量が多くなり、大きなダイナミ
ックレンジが必要となる。また、一般に動画像を得る場
合はおおまかな位置決めをする場合が多く、多少のノイ
ズ等は無視できる場合が多い。よって静止画像を得る場
合は、上記のＶ_rG＜Ｖ_D −Ｖ_FBの条件即ちＶｇ２を選択
する方がよい。又、動画像を得る場合はダイナミックレ
ンジが大きいＶ _rG≧Ｖ_D −Ｖ_FBの条件即ちＶｇ１を選択
する方がよい。このように本実施形態においては必要と
する画像毎にリフレッシュ電圧を変えることが可能とな
る。

【００９７】ここで、光電変換素子は、図９（ａ）と同
一の構造をしているので、ｉ層と第２の電極層との間の
注入阻止層はｎ型であり、注入が阻止されるキャリアは
ホールである。その為、注入が阻止されるキャリア１個
の電荷をｑとすると、この場合もｑ＞０となる。

【００９８】また、上記実施形態の説明において、ホー
ルと電子を逆に構成してもよい。例えば、注入阻止層は
ｐ層でもよい。この場合、上記の実施形態において、電
圧や電界の方向を逆にし、その他の部分を同様に構成す
れば、上記実施形態と同様の動作結果が得られる。その
ような場合は、注入阻止層により注入が阻止されるキャ
リア１個の電荷ｑは、ｑ＜０となる。

【００９９】即ち、絶縁基板上に、第一の電極層、第一
の型のキャリアおよび前記第一の型のキャリアとは、正
負の異なる第二のキャリア両方のキャリアの通過を阻止
する第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への
前記第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、
第二の電極層を堆積した光電変換素子を有する光電変換
装置に於いて、前記光電変換素子の第一の電極層の電圧
をＶ_rG、前記第一の型のキャリアの電荷をｑ、前記第二
の電極層の電圧をＶ_D 、ある閾値電圧をＶ_FBとした時、 （Ｖ_rG・ｑ）＜（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第１のリフレッシュモ
ードと、 （Ｖ_rG・ｑ）≧（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第２のリフレッシュモ
ードと、を有するリフレッシュモード動作手段と、前記
リフレッシュモードを切り換えて、どちらかのモードで
動作させるスイッチ手段と、を有することを特徴とする
光電変換装置である。

【０１００】また、本実施形態では、光電変換素子のＧ
電極が共通に接続され、この共通の配線をスイッチＳＷ
ｇとスイッチＳＷｓを介してリフレッシュ用電源Ｖｇ１
又はＶｇ２と読み取り用電源Ｖ_S 電位に制御しているた
め、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電
変換モードに切り換えることができる。このため複雑な
制御なくして１画素あたり１個のＴＦＴで光出力を得る
ことができる。

【０１０１】上述した実施形態では、９個の画素を３×
３に二次元配置し３画素ずつ同時に、３回に分割して転
送・出力したが、これに限らず、例えば縦横１ｍｍあた
り５×５個の画素を２０００×２０００個の画素として
二次元的に配置すれば４０ｃｍ×４０ｃｍのＸ線検出器
が得られる。

【０１０２】これをＸ線フィルムの代わりにＸ線発生器
と組み合わせＸ線レントゲン装置を構成すれば胸部レン
トゲン検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルム
と異なり瞬時にその出力をＣＲＴで映し出すことが可能
で、さらに出力をディジタルに変換しコンピュータで画
像処理して目的に合わせた出力に変換することも可能で
ある。また光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を
瞬時に検索することもできる。また感度もフィルムより
良く人体に影響の少ない微弱なＸ線で鮮明な画像を得る
こともできる。

【０１０３】図４、図５に、２０００×２０００個の画
素を持つ検出器の実装を示す概念図を示す。２０００×
２０００個の検出器を構成する場合、図１で示した破線
内の素子を縦・横に数を増せば良いが、この場合制御配
線もｇ１〜ｇ２０００と２０００本になり信号配線ＳＩ
Ｇもｓｉｇ１〜ｓｉｇ２０００と２０００本になる。ま
たシフトレジスタＳＲ１や検出用集積回路ＩＣも２００
０本の制御・処理をしなければならず大規模となる。こ
れをそれぞれ１チップの素子で行なうことは１チップが
非常に大きくなり製造時の歩留りや価格等で不利であ
る。

【０１０４】そこで、シフトレジスタＳＲ１は例えば１
００段ごと１個のチップに形成し、２０個（ＳＲ１−１
〜ＳＲ１−２０）を使用すればよい。また検出用集積回
路も１００個の処理回路ごと１個のチップに形成し、２
０個（ＩＣ１〜ＩＣ２０）を使用する。

【０１０５】図４には、左側（Ｌ）に２０チップ（ＳＲ
１−１〜ＳＲ１−２０）と下側（Ｄ）に２０チップ実装
し、１チップあたり１００本の制御配線、信号配線をお
のおのワイヤーボンディングでチップと接続している。
図４中破線部は図１の破線部に相当する。また外部への
接続は省略している。また、ＳＷｇ，ＳＷｓ，ＳＷｘ，
Ｖｇ１，Ｖｇ２，ＲＦ等も省略している。集積用回路Ｉ
Ｃ１〜ＩＣ２０からは２０本の出力（Ｖｏｕｔ）がある
が、これらはスイッチ等を介して１本にまとめたり、２
０本をそのまま出力し並列処理すればよい。

【０１０６】あるいは図５に示すように左側（Ｌ）に１
０チップ（ＳＲ１−１〜ＳＲ１−１０）、右側（Ｒ）に
１０チップ（ＳＲ１−１１〜ＳＲ１−２０）と上側に１
０チップ（ＩＣ１〜１０）、下側（Ｄ）に１０チップ
（ＩＣ１１〜２０）を実装してもよい。この構成は上・
下・左・右側（Ｕ・Ｄ・Ｌ・Ｒ）にそれぞれ各配線を１
０００本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度
が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度
も小さく、歩留りが向上する。配線の振り分けは左側
（Ｌ）にｇ１，ｇ３，ｇ５，…，ｇ１９９９、右側
（Ｒ）にｇ２，ｇ４，ｇ６，…，ｇ２０００とし、つま
り奇数番目の制御線を左側（Ｌ）、偶数番目の制御線を
右側（Ｒ）に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に
引き出され配線されるので密度の集中なく一層歩留りが
向上する。また、上側（Ｕ）下側（Ｄ）への配線も同様
に振り分ければよい。また、図示していないが別の実施
形態として配線の振り分けは左側（Ｌ）にｇ１〜ｇ１０
０，ｇ２０１〜ｇ３００，…，ｇ１８０１〜ｇ１９０
０、右側（Ｒ）にｇ１０１〜ｇ２００，ｇ３０１〜ｇ４
００，…，ｇ１９０１〜ｇ２０００を振り分け、つま
り、１チップごと連続な制御線を振り分け、これを左・
右側（Ｌ・Ｒ）交互に振り分ける。こうすると、１チッ
プ内は連続に制御でき、駆動タイミングが楽で回路を複
雑にしなくてよく安価なものが使用できる。上側
（Ｕ）、下側（Ｄ）についても同様で、連続な処理が可
能で安価な回路が使用できる。

【０１０７】即ち、光電変換素子を一次元または二次元
的に複数個配置し、全光電変換素子を複数のブロックに
分割し、前記光電変換素子毎に接続されたスイッチ素子
を、前記各ブロック毎に動作させることにより、前記複
数のブロックに分割した全光電変換素子の光信号を、マ
トリクス信号配線に出力することを特徴とする光電変換
装置である。

【０１０８】また、前記マトリクス信号配線の交差部
が、少なくとも第一電極層、絶縁層、半導体層、第二の
電極層の順の積層構造で構成され、この積層構造の各層
が前記光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、光電変換
半導体層、第二の電極層の各層と同一層から形成されて
おり、且つ同じ膜厚であることを特徴とする光電変換装
置でもある。

【０１０９】また図４、図５に示される例は共に１枚の
基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上にチッ
プを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部の回
路基板とチップを実装してもよい。また、チップをフレ
キシブル基板上に実装して破線部の回路基板に貼り付け
接続してもよい。

【０１１０】またこのような非常に多くの画素をもつ大
面積の光電変換装置は従来の光センサを用いた複雑な工
程では不可能であったが、本発明の光電変換装置の工程
は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が
少なく、簡易的な工程で済むため高歩留まりが可能で低
コストで大面積・高性能の光電変換装置の生産を可能と
している。また、コンデンサと光電変換素子とが同じ素
子内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさ
らに歩留まりを向上できる。 ［実施形態２］図６は、本発明の光電変換装置を用いた
システム全体を表す模式的ブロック図である。６００１
はａ−Ｓｉセンサ基板であるこの図では複数のシフトレ
ジスタＳＲ１を直列に、また検出用集積回路ＩＣも複数
で駆動している。検出用集積回路ＩＣの出力は処理回路
６００８内のアナログ−デジタル変換器６００２に入力
されデジタル化される。この出力は固定パターン補正用
の引き算器６００３を介してメモリ６００４に記憶され
る。メモリの中の情報はコントローラ６００５により制
御されバッファ６００６を介し信号処理手段としてのイ
メージプロセッサに転送され、そこで画像処理される。

【０１１１】図７（ａ）、図７（ｂ）は本発明をＸ線検
出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び
模式的断面図である。

【０１１２】光電変換素子とＴＦＴはａ−Ｓｉセンサ基
板６０１１内に複数個形成され、シフトレジスタＳＲ１
と検出用集積回路ＩＣが実装されたフレキシブル回路基
板６０１０が接続されている。フレキシブル回路基板６
０１０の逆側は回路基板ＰＣＢ１、ＰＣＢ２に接続され
ている。前記ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１の複数枚が基
台６０１２の上に接着され大型の光電変換装置を構成す
る基台６０１２の下には処理回路６０１８内のメモリ６
０１４をＸ線から保護するため鉛板６０１３が実装され
ている。ａ−Ｓｉセンサ基板６０１１上にはＸ線を可視
光に変換するための蛍光体６０３０たとえばＣｓＩが、
塗布または貼り付けられている。前述の図１、図２で説
明したＸ線検出方法と同じ原理に基き、Ｘ線を検出する
ことができる。本実施形態では図７（ｂ）に示されるよ
うに全体をカーボンファイバー製のケース６０２０に収
納している。

【０１１３】図８は本発明の光電変換装置のＸ線診断シ
ステムへの応用例を示したものである。

【０１１４】Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０
６０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光電変換装置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イメージプロセッサ６０７
０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。

【０１１５】また、この情報は電話回線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６
１００によりフィルム６１１０に記録することもでき
る。

【０１１６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電変換
装置は、光電変換素子のリフレッシュ動作において、リ
フレッシュ用電源をスイッチを用いて切り換え可能と
し、Ｄ電極の電位をＧ電極の電位より高い場合と低い場
合を実現可能とすることにより、大きなダイナミックレ
ンジを必要とする動画像を得る場合とノイズを小さくす
ることを必要とする静止画を得る場合の両方の場合を実
現することが可能となる。即ち、本実施形態において
は、画像毎にリフレッシュ電圧を変えることが可能とな
り、必要に応じた画像を得ることができる。

【０１１７】さらに、以上説明したように本発明によれ
ばＳＮ比が高く、特性が安定している光電変換装置、そ
の駆動方法及びそれを有するシステムを提供することが
できる。

【０１１８】また上記したような優れた特性を有する光
電変換装置を利用することでより低コストで大面積・高
機能・高特性のファクシミリやＸ線レントゲン装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の光電変換装置を説明する
ための概略的回路図。

【図２】本発明の光電変換装置の一例を説明する為の模
式的平面図（ａ）、及び模式的断面図（ｂ）。

【図３】本発明の光電変換装置の動作の一例を説明する
ためのタイミングチャート。

【図４】本発明の光電変換装置の実装例を説明するため
の模式的配置構成図。

【図５】本発明の光電変換装置の実装例を説明するため
の模式的配置構成図。

【図６】本発明の光電変換装置を有するシステムの一例
を説明するためのシステム構成図。

【図７】Ｘ線検出用装置に適用した場合の一例を説明す
る模式的構成図（ａ）、模式的断面図（ｂ）。

【図８】本発明の光電変換装置を有するシステムの一例
を説明するためのシステム構成図。

【図９】我々が以前提案した光電変換部の構成例を説明
する模式的断面図（ａ）、及び概略的回路図（ｂ）。

【図１０】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図。

【図１１】我々が以前提案した光電変換装置の一例を説
明するためのタイミングチャート。

【図１２】検出部の構成例を説明するための概略的回路
図。

【図１３】本発明の光電変換装置を説明するための概略
的回路図。

【図１４】光電変換装置の動作の一例を説明するための
タイミングチャート。

【図１５】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図。

【図１６】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図。

【図１７】光電変換装置を説明するための概略的回路
図。

【図１８】光電変換装置の動作の一例を説明するための
タイミングチャート。

【図１９】光電変換部のエネルギー状態を説明するため
のエネルギーバンド図。

【図２０】光センサの構成の一例を説明する模式的断面
図。

【図２１】ＴＦＴの構成例を説明するための模式的断面
図。

【図２２】ＴＦＴのゲート絶縁膜の厚さと歩留りの関係
の一例を説明するための図。

【符号の説明】

１ 絶縁基板 ２ 下部電極 ４ ｉ層 ５ ｎ層 ６ 透明電極 ７０ 絶縁層 １００ 光電変換素子 ２００ リフレッシュ用ＴＦＴ ３００ 転送用ＴＦＴ ４００ リセット用ＴＦＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹田 慎市 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 森下 正和 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換素子のリフレッシュ動作時に、
   該光電変換素子のＤ電極の電位をＧ電極の電位より高く
   するモードと、低くするモードとを切り換えて前記リフ
   レッシュを行なう手段を有することを特徴とする光電変
   換装置。
2. 【請求項２】 異なる電圧のリフレッシュ用電源をスイ
   ッチ手段を用いて切り換え可能としたことを特徴とする
   請求項１記載の光電変換装置。
3. 【請求項３】 絶縁基板上に、第一の電極層、第一の型
   のキャリアおよび前記第一の型のキャリアとは、正負の
   異なる第二のキャリア両方のキャリアの通過を阻止する
   第一の絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への前記
   第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二
   の電極層を堆積した光電変換素子を有する光電変換装置
   に於いて、 前記光電変換素子の第一の電極層の電圧をＶ_rG、 前記第一の型のキャリアの電荷をｑ、 前記第二の電極層の電圧をＶ_D 、 ある閾値電圧をＶ_FBとした時、 （Ｖ_rG・ｑ）＜（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第１のリフレッシュモ
   ードと、 （Ｖ_rG・ｑ）≧（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第２のリフレッシュモ
   ードと、を有するリフレッシュモード動作手段と、 前記リフレッシュモードを切り換えて、どちらかのモー
   ドで動作させるスイッチ手段と、を有することを特徴と
   する請求項１記載の光電変換装置。
4. 【請求項４】 前記光電変換素子を一次元または二次元
   的に複数個配置し、全光電変換素子を複数のブロックに
   分割し、 前記光電変換素子毎に接続されたスイッチ素子を、前記
   各ブロック毎に動作させることにより、前記複数のブロ
   ックに分割した全光電変換素子の光信号を、マトリクス
   信号配線に出力することを特徴とする請求項１記載の光
   電変換装置。
5. 【請求項５】 前記マトリクス信号配線の交差部が、少
   なくとも第一電極層、絶縁層、半導体層、第二の電極層
   の順の積層構造で構成され、この積層構造の各層が前記
   光電変換素子の第一の電極層、絶縁層、光電変換半導体
   層、第二の電極層の各層と同一層から形成されており、
   且つ同じ膜厚であることを特徴とする請求項４記載の光
   電変換装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の光電変
   換装置の駆動方法において、 前記光電変換素子のリフレッシュ電圧を、任意に変更す
   ることで、所望の光電変換信号を得られるように駆動す
   ることを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
7. 【請求項７】 請求項３に記載の光電変換装置におい
   て、 静止画像を得る場合は、 前記（Ｖ_rG・ｑ）＜（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第１のリフレッシュモ
   ードに切り換え、 動画像を得る場合は、 前記（Ｖ_rG・ｑ）≧（Ｖ_D −Ｖ_FB）・ｑ … となるように各層に電界を与える第２のリフレッシュモ
   ードに切り換えることを特徴とする光電変換装置の駆動
   方法。
8. 【請求項８】 リフレッシュモードを有する光電変換装
   置と、 該光電変換装置に設けられた蛍光体と、 該蛍光体に入射して光情報を発生するＸ線源と、を有す
   るＸ線撮像装置において、 必要とする画像毎に、前記リフレッシュ電圧を変更する
   手段を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
9. 【請求項９】 前記光電変換装置に備えられた蛍光体
   と、 前記蛍光体に入射されて光情報を発生させるＸ線源と、 該光電変換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為の記録手段
   と、 前記信号処理手段からの信号を表示する為の表示手段
   と、 前記信号処理手段からの信号を電送する為の電送手段
   と、を有することを特徴とする請求項８記載のＸ線撮像
   装置。