【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトセンサーを有する固体撮像装置、及び放射線を用いて診断用の動画像を得るのに適した放射線撮像装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書では、α線、β線、γ線、Ｘ線等も放射線の範疇に含むものとして説明する。
【０００３】
【従来の技術】
胃、腸等の消火器系や心臓の診断用Ｘ線画像の撮影は、イメージ・インテンシファイヤー（Ｉ．Ｉ）を用いられている。これら常に動いている臓器の静止画撮影では、医師の欲しい画像が得られないことが多く、動画による診断又は動画を見ながら、静止画の撮影タイミングを見極める等、動画像の必要性が求められるところである。
【０００４】
図７は、Ｉ．Ｉの構造を示す図であり、Ｉ．Ｉは、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）をガラス面に蒸着した蛍光面１０１、この蛍光面に接するように配置された陰極板１０２、さらに陰極板１０２から発生した電子を集束加速する電子レンズ１０３、及び電子レンズ１０３で集束された電子像を可視画像へ変換、表示するためのアルミ膜上に蛍光体を蒸着した出力面１０４から成る。
【０００５】
人体１０９を透過したＸ線１１０は、まず、ＣｓＩの蛍光面１０１でＸ線像へ変換される。ＣｓＩが発する像は対向する陰極板１０２で電子像へ変換される。電子像は電子レンズ１０３によって集束、加速され、出力面１０４へ照射され、出力面１０４で可視画像となる。出力面１０４で映し出された画像は、ＴＶカメラ１０５、又はＣＣＤカメラで観察することでモニター１０７に表示することができる。
【０００６】
しかしながら、Ｉ．Ｉは、原理上以下の問題を抱えている。
【０００７】
一つは、電子レンズ１０３を採用しているため画像に歪みが生じる。二つ目に電子レンズ１０３や、陰極板１０２のサイズの制限から大きな視野が得られない、装置が大型で狭いＸ線室では取り回しが難しいといった問題がある。
【０００８】
近年、半導体技術の進歩により平面検出器（フラットパネルディテクター：ＦＰＤ）を用いた、固体撮像装置としてのＸ線撮像装置が実用化している。
【０００９】
ＦＰＤを用いたＸ線撮像装置の利点は、フィルムより優れた感度や画質、画像のディジタル化による画像管理の簡便さ、画像処理による新たな診断方法の確立等のほかに、静止画のみならず、動画像も撮影できることである。
【００１０】
さらに、ＦＰＤを用いたＸ線動画像は、Ｉ．Ｉにくらべ画像の歪みが無い、大角サイズのフィルムと同じ視野が得られる、Ｉ．Ｉのような高電圧が不要、ＦＰＤ自身が薄く取り回しが容易なことが特徴である。
【００１１】
よって、ＦＰＤを用いた動画撮影装置を用いることでＩ．Ｉの抱える画質の歪み等の問題を解決できること、静止画と動画を１台の装置で撮影できることによるＸ線画像診断の効率化ならびに患者に対する負荷の軽減が実現できることから、ＦＰＤによる動画撮影が注目されている。
【００１２】
図８は、ＦＰＤの構造を示す図であり、ＦＰＤ２１２は、蛍光体２０１で人体を透過したＸ線を可視光２０２に変換しその画像を、ガラス基板上にアモルファスシリコンプロセスを用いて作られるセンサー基板２０３によって等倍で読み取る。センサー基板２０３はフォトセンサーとフォトセンサーからの信号の出力をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチング素子から成る画素が２次元状に配置されたものであり、読み取られたＸ線画像は、電気信号としてセンサー基板２０３から出力される。
【００１３】
さらに、出力された電気信号は、信号増幅回路２０４で増幅された後、中継基板２２３を介して、制御基板２２４へ送られ、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２０６でディジタル信号へ変換される。中継基板２２３は、制御基板２２４から出力される制御信号を信号増幅器に伝達するほか、センサー基板２０３、垂直駆動回路２０５、信号増幅回路２０４で必要な電源を作ることができる。
【００１４】
ディジタル信号へ変換された画像データは画像処理装置２０９によって動画像に処理されモニター２１８へ表示される。Ｘ線動画像撮影装置は、コントロールＰＣ２１１によってすべてが制御され、Ｘ線源２１９との同期や画像の保存、画像の印刷、病院内ネットワークとの接続等もこのコントロールＰＣ２１１で行うことができる。
【００１５】
図９は、ＦＰＤの１画素の断面図である。１画素は、ＰＩＮ型フォトセンサーとスイッチング素子としてＴＦＴ（薄膜トランジスタ）から成る。
【００１６】
画素は、ガラス基板３００上に形成され、ＴＦＴ部は、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るゲート電極層３０１、アモルファス窒化シリコン膜で形成される絶縁層３０２、アモルファスシリコンによって形成されるチャネル層３０３、チャネル層と金属の電極層とをオーミックコンタクトをとるためのＮ＋型アモルファスシリコン層３０４、アルミニウム、又はアルミニウムとモリブデンの積層した膜から成るソース電極層３０５、及びドレイン電極層３０６、ＴＦＴを保護するための保護層３０８から構成される。
【００１７】
フォトセンサー部は、ＰＩＮ型アモルファスシリコンフォトセンサーであり、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るカソード電極層３０９、ＰＩＮ型フォトセンサーのＮ＋層となるＮ＋型アモルファスシリコン層３１０、水素化アモルファスシリコンによって形成される光電変換層（Ｉ層）３１１、ＰＩＮ型フォトセンサーのＰ＋層となるＰ＋型アモルファスシリコン層３１２、ＰＩＮ型フォトセンサーに電圧を供給するための、ＩＴＯ等の透明電極材料、又はアルミニウムやアルミニウムの合金等の金属で形成されるセンサーバイアス線３１３から構成される。
【００１８】
さらに、フォトセンサーとＴＦＴを湿度や異物から保護するための保護層３１４、放射線を可視光に変換する蛍光体３１６、蛍光体３１６を接着するための接着層３１５、及び蛍光体３１６を湿度から保護するための蛍光体保護層３１７が有る。
【００１９】
ＦＰＤにアモルファスシリコンプロセスが用いられる理由は、大面積を均一に成膜でき、ディテクターの特性を均一にできるためである。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したアモルファスシリコンを用いたＦＰＤでは、ＰＩＮ型アモルファスシリコンダイオードの光応答特性が悪いため、フレームレートが高くできない問題がある。
【００２１】
すなわち、前フレームで強い光が照射された画素が次フレームの読み出しまでにほとんど光があたらない条件のとき、光応答特性による出力が発生する。この画素特性が、動画像に残像となって現れるため読み出し間隔を長くし残像を抑えなくてはならない。
【００２２】
フォトセンサーの応答速度が遅い原因は、アモルファスシリコンのバンドギャップ内にあるトラップ準位と、トラップ準位がある層内を移動するキャリア伝導に関係している。
【００２３】
図１０は、光電変換層でのキャリア伝導を示している。光電効果で発生した電子４０１は、センサーに印加された電圧によって生じる電界によってドリフトしＮ＋層へと導かれる。しかし、電子が伝導していく層内には局在準位が存在し電子の一部はこの準位にトラップされる。
【００２４】
トラップされた電子４０３は、４０２として示されるように熱的励起によってある確率で放出されるが、局在準位にトラップされてから放出されるまでの時間、すなわち時定数が長いため光電流が光照射後も局在準位から発生した電子に起因するセンサー出力が発生し、このセンサー出力がセンサーの光応答特性となる。
【００２５】
局在準位の電子を放出する時定数は、局在準位の深さや電子の移動度等の物理定数が関与するため光電変換層の膜質や材料で決まる。ゆえに、応答特性を改善する為には局在準位を減らすよう膜質や材料を変更する方法が考えられる。
【００２６】
アモルファスシリコンにおいてトラップ準位が多量に存在するのは、非晶質であるためであり、準位を減らすためには膜の結晶性を上げた、ポリシリコンや結晶のシリコンを用いるのが良い。しかし、一方で、アモルファスシリコンがフォトセンサー材料として好適な理由は、多くの局在準位があることによってフォトセンサーに適した比抵抗が得られるためである。よって、膜質を変えて局在準位を減らすことはフォトセンサーの特性を悪くする方向に働くため現実的でない。
【００２７】
また、材料に関してもアモルファスシリコンと同等の均質性と、光感度、比抵抗を持ちながら、局在準位の少ない材料は現在見つかっておらず、材料の変更による光応答の改善は難しい。
【００２８】
しかしながら、光電効果によって発生したキャリアと、準位にトラップされ熱的に励起されたキャリアでは、伝導のし易さが異なることに着目し、センサーの構造を変えることによって光応答を改善することが考えられる。
【００２９】
つまり、光電効果によって発生したキャリアは移動度が高く、準位にトラップされ熱的に励起された電子の移動度は遅いため、フォトセンサーの電極近傍に適当なエネルギーの障壁を設けると、遅い移動度のキャリアは障壁を越えられず、速い移動度のキャリアだけ障壁を通過することができる。
【００３０】
すなわち、光電効果によって発生したキャリアのみを取り出すことが可能となり応答特性を改善することができる。
【００３１】
本発明は、応答特性を改善し、動画像を得るのに適した固体撮像装置、及び放射線撮像装置を提供することを目的としている。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、光を電気信号に変換するフォトセンサーと、前記フォトセンサーから出力される電気信号を読み出すための手段とを２次元状に配置してなる固体撮像装置において、前記フォトセンサーは、第１の電極層、第１の半導体層、障壁層として働く第２の半導体層、光電変換層である第３の半導体層、第４の半導体層、及び第２の電極層から構成されている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を示す。
【００３４】
［実施形態１］
図１は、本発明に係る実施形態１の原理を示す図であり、フォトセンサーのバンドダイアグラムを示す。図１において、光電変換層であるＩ層５０２とＮ＋層５０４の間に障壁層５０３としてＰ型アモルファスシリコン層を設けたＰＩＰＮ型フォトセンサーであり、このＰＩＰＮ型センサーにセンサー光強度に応じた電流を出力するようにセンサー両端に電圧を印加した状態を示している。
【００３５】
このＰ型アモルファスシリコン層によって、５０７として示されるように光電効果によって発生した後準位にトラップされ、その後準位から励起した移動度の低い電子５０６は、障壁層５０３を越えることができず結果として、遮蔽することができる。一方、光電効果で発生した移動度の大きい電子５０５は障壁を乗り越えＮ＋層へ到達することができる。
【００３６】
この障壁層の厚みを厚くする、又は、障壁層のエネルギー障壁が高いほど電子の遮断効果は大きくなるため、光電効果によって発生した電子を遮断する確率も高くなり感度の低下につながる。よって、Ｐ型アモルファスシリコン層のアクセプタ量に依存する障壁層の障壁高さ、及び障壁層の厚みは、応答特性の改善効果と感度低下を考慮に入れ最適な膜厚と障壁高さにする。
【００３７】
よって、障壁を越えることのできる、光電効果で発生した電子によって応答特性で画素の応答特性が決まるため、従来のＰＩＮ型フォトセンサーにくらべ光応答特性が大きく改善される。
【００３８】
図２は、本実施形態における１画素の層構成を示す図である。
【００３９】
画素は、ガラス基板６００上に形成され、ＴＦＴ部は、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るゲート電極層６０１、アモルファス窒化シリコン膜で形成される絶縁層６０２、水素化アモルファスシリコンによって形成されるチャネル層６０３、チャネル層と金属電極とをオーミックコンタクトをとるためのＮ＋型アモルファスシリコン層６０４、アルミニウム、又はアルミニウムとモリブデンの積層した膜によって形成されるソース電極層６０５、ドレイン電極層６０６、及びＴＦＴを保護するための保護層６０８から構成される。
【００４０】
フォトセンサー部は、ＰＩＰＮ型アモルファスシリコンフォトセンサーであり、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るカソード電極層６０９、ＰＩＰＮ型フォトセンサーのＮ＋層となるＮ＋型アモルファスシリコン層６１０、Ｐ型アモルファスシリコンによって形成される障壁層６１８、水素化アモルファスシリコンによって形成される光電変換層６１１、ＰＩＰＮ型フォトセンサーのＰ層となるＰ＋型アモルファスシリコン層６１２、フォトセンサーに電圧を供給するための、ＩＴＯ等の透明電極材料、又はアルミニウムやアルミニウムの合金で形成されるセンサーバイアス線６１３から構成される。
【００４１】
さらに、フォトセンサーとＴＦＴを湿度や異物から保護するための保護層６１４、放射線を可視光に変換する蛍光体６１６、蛍光体６１６を接着するための接着層６１５、及び蛍光体６１６を湿度から保護するための蛍光体保護層６１７がある。蛍光体６１６は、ヨウ化セシウムを主な材料とした蛍光板、又はＧＯＳ蛍光板である。
【００４２】
各層の膜厚は、ゲート電極層６０１が２０００Å、絶縁層６０２が２０００Å、チャネル層６０３が１５００Å、Ｎ＋型アモルファスシリコン層６０４が７００Å、ソース電極層６０５、ドレイン電極層６０６、及び信号線６０４が１μｍ、カソード電極層６０９が２０００Å、Ｎ＋型アモルファスシリコン層６１０が７００Å、障壁層６１８が１００Å、光電変換層６１１が６０００Å、Ｐ＋型アモルファスシリコン層６１２が２００Å、センサーバイアス線が１μｍである。
【００４３】
本発明において、各層の厚みは上記に限らず、蛍光体の発光スペクトルや、ＴＦＴの電流‐電圧特性、応答特性から最適な膜厚を用いることとする。
【００４４】
図３は、本実施形態における画素のセンサー基板のプロセスフローを示す図である。
【００４５】
画素は、ガラス基板６００上に、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜をスパッタ法によって堆積した後、ＴＦＴのゲート電極層６０１とＰＩＰＮ型フォトセンサーのカソード電極層６０９にパターニングによって分離する。
【００４６】
その後、ＴＦＴの絶縁層６０２となるアモルファス窒化シリコン膜、チャネル層６０３となるアモルファスシリコン層、Ｎ＋型アモルファスシリコン層６０４を化学気相成長（ＣＶＤ）法、又はプラズマＣＶＤ法によって順次堆積する。各層を堆積後、パターニングしＴＦＴとなる部分を除きエッチングにより除去する。また、Ｎ＋アモルファスシリコン層６０４はソース側とドレイン側に分離する。
【００４７】
さらに、アルミニウム、又はアルミニウムとモリブデンの積層した膜をスパッタ法により堆積し、ソース電極層６０５、ドレイン電極層６０６、及び信号線６０７をパターニングによって形成する。
【００４８】
ＴＦＴを次のプロセスから保護する目的で、アモルファス窒化膜の保護層６１４をＣＶＤ法、又はプラズマＣＶＤ法により堆積し、パターニングでＴＦＴ上部のみを残す。
【００４９】
次にＰＩＰＮ型フォトセンサーを形成する。カソード電極層６０９の上に、Ｎ＋型アモルファスシリコン層６１０、障壁層となるＰ型アモルファスシリコン層６１８、光電変換層となるアモルファスシリコン層６１１、Ｐ＋型アモルファスシリコン層６１２をＣＶＤ法、及びプラズマＣＶＤ法によって順次堆積する。これら堆積した層をパターニングしてセンサー部に形成する。ＩＴＯをスパッタ法によって堆積し、パターニングしセンサーバイアス線６１３を形成する。
【００５０】
ＴＦＴとＰＩＰＮ型フォトセンサーを形成した後、全面に保護層となるアモルファスシリコン窒化膜６１４を堆積し、蛍光体６１６、蛍光体保護層６１７を接着する。
【００５１】
本発明において、ソース電極層６０５、及びドレイン電極層６０６は、アルミニウム、又はアルミニウムとモリブデンの積層した膜に限らずＩＴＯ等の透明電極を用いてもよい。
【００５２】
また、ＴＦＴ及びＰＩＰＮ型センサーの膜圧は、それぞれ、動画撮影に要求される性能を満たすよう最適化された値が用いられる。
【００５３】
図４に、本発明であるＰＩＰＮ型アモルファスフォトセンサー（Ｓ１１〜Ｓ３３）を用いた３×３画素の光電変換装置とそのタイミングチャートを示す。光電変換装置は、各画素のＴＦＴ（Ｔ１１〜Ｔ３３）のゲートバイアスを制御する垂直駆動回路８０４、画素からの信号を増幅するオペアンプ（Ａｍｐ１〜３）、オペアンプからの信号を一時保持するサンプルホールド回路８０２、サンプルホールド回路８０２から出力される信号をシリアルデータにして出力するマルチプレキサー８０１、各信号線（ｓｉｇ１〜ｓｉｇ３）の電位をリセットするために設けられたリセットスイッチ（ＲＣ１〜ＲＣ３）、及びセンサーバイアス源８０３から成る。
【００５４】
また、光電変換装置には、図４では図示していないが、蛍光体６１６、オペアンプ（Ａｍｐ１〜３）、サンプルホールド回路８０２、マルチプレキサー８０１、垂直駆動回路８０４、及びリセットスイッチ（ＲＣ１〜ＲＣ３）を駆動するために必要な中継基板も含む。また、オペアンプ（Ａｍｐ１〜３）、サンプルホールド回路８０２、マルチプレキサー８０１は、図８における信号増幅回路２０４に相当する。
【００５５】
以下に、１フレームの読み出し方法を説明する。
【００５６】
まず、リセットスイッチ（ＲＣ１〜ＲＣ３）によって信号線（ｓｉｇ１〜ｓｉｇ３）の電位をリセットし、前フレームでの信号線電位の履歴をリセットする。次に垂直駆動回路８０４によってゲート線ｇ１の電位をＴＦＴがオンする電圧にする。ＴＦＴがＯＮすると１行目のラインのＰＩＰＮ型フォトセンサーＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３から信号線（ｓｉｇ１〜ｓｉｇ３）へ電荷が転送される。信号線（ｓｉｇ１〜ｓｉｇ３）へ送られた電荷は、オペアンプ（Ａｍｐ１〜３）で増幅された後、サンプルホールド回路８０２で保持される。ＴＦＴは、フレームレートからくる時間的制約と転送効率から決められた最適な時間ＯＮした後、ＯＦＦされる。
【００５７】
再度、リセットスイッチ（ＲＣ１〜ＲＣ３）によって信号線（ｓｉｇ１〜ｓｉｇ３）の電位をリセットした後、垂直駆動回路８０４によって、ゲート線ｇ２をＯＮし次のラインの画素を読み出す。このとき、マルチプレキサー８０１によってサンプルホールド回路８０２に保持された前ラインの信号が出力される。
【００５８】
この動作を最後のラインまで繰り返すことにより１フレームの読み出しができる。
【００５９】
本発明において、画素数は３×３画素に限らず、ＦＰＤの有効エリアと必要な空間解像力から求められる画素ピッチにより決定される。
【００６０】
［実施形態２］
以下に、本発明に係る実施形態２について説明する。
【００６１】
図５は、本発明に係る実施形態２の原理を示す図であり、フォトセンサーのバンドダイアグラムである。本実施形態ではフォトセンサーの光応答特性を改善するため、光電変換層であるＩ層に用いられるアモルファスシリコンよりもバンドギャップが大きく、光電変換層と同じように光を吸収し光電効果を起こす材料を用いた層、Ｉ’層を障壁層として用いていることが特徴である。
【００６２】
このＩ’層では、光照射時はＩ層と同様光電効果によってキャリアを発生する。このため、Ｉ’層とＩ層の界面でＩ’層とＩ層のバンドギャップの差の１／２の障壁が存在するが、光照射時は、Ｉ’層内の電子密度が増加するため、Ｉ層で発生した電子９０１はＩ’層を容易に通過することができる。
【００６３】
センサーに光が照射されなくなると、Ｉ’層の電子密度が減るため、Ｉ層から移動してくる電子はＩ’層を通過することができない。このため応答を悪くする要因である光電効果によって発生した後局在準位にトラップされた電子９０２が９０３として示されるように励起されても、Ｉ’層を越えることができなくなる。
【００６４】
よって、フォトセンサーの応答特性を改善することができる。
【００６５】
図６は、本実施形態における１画素の層構成を示す図である。
【００６６】
画素は、ガラス基板６００上に形成され、ＴＦＴ部は、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るゲート電極層６０１、アモルファス窒化シリコン膜で形成される絶縁層６０２、水素化アモルファスシリコンによって形成されるチャネル層６０３、チャネル層と金属の電極層とのオーミックコンタクトをとるためのＮ＋型アモルファスシリコン層６０４、アルミニウム、又はアルミニウムとモリブデンの積層した膜によって形成されるソース電極層６０５、ドレイン電極層６０６、及びＴＦＴを保護するための保護層６０８から構成される。
【００６７】
フォトセンサー部は、ＰＩＩ’Ｎ型アモルファスシリコンフォトセンサーであり、クロム、もしくはアルミニウムの合金、又はアルミニウムの合金とモリブデンの積層した膜から成るカソード電極層６０９、ＰＩＩ’Ｎ型フォトセンサーのＮ＋層となるＮ＋型アモルファスシリコン層６１０、光電変換層のバンドギャップより大きいバンドギャップをもち、かつ、水素化アモルファスシリコンと同様の光吸収特性をもつ材料で形成された障壁層１００１、水素化アモルファスシリコンによって形成される光電変換層６１１、ＰＩＩ’Ｎ型フォトセンサーのＰ層となるＰ＋型アモルファスシリコン層６１２、ＩＴＯ等の透明電極材料、又はアルミニウムやアルミニウムの合金で形成される、ＰＩＩ’Ｎ型フォトセンサーに電圧を供給するためのセンサーバイアス線６１３から構成される。
【００６８】
さらに、フォトセンサーとＴＦＴを湿度や異物から保護するための保護層６１４、放射線を可視光に変換する蛍光体６１６、蛍光体６１６を接着するための接着層６１５、蛍光体６１６を湿度から保護するための蛍光体保護層６１７が有る。蛍光体６１６は、ヨウ化セシウムを主な材料とした蛍光板、又はＧＯＳ蛍光板である。
【００６９】
障壁層の材料は、例えば光電変換層に用いられる水素化アモルファスシリコンより膜中水素濃度を高くしバンドギャップを大きくしたものや、アモルファス硫化砒素（Ａｓ２Ｓ３）等であってもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のものに比べ、応答特性を改善し、静止画と歪みの無い動画の両方を撮影可能でかつＸ線ディジタル画像を得ることのできるＦＰＤを用いた固体撮像装置、特に動画像用の放射線撮像装置のフレームレートを向上させることができる。
【００７１】
これにより、従来のものと同等かそれ以上の画質とフレームレートを持つ動画撮影と静止画撮影が１台の撮像装置で行え画像診断の効率化が図れ、また患者の負担を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態１の原理を示す図
【図２】実施形態１における１画素の層構成を示す図
【図３】センサー基板のプロセスフローを示す図
【図４】３×３画素の光電変換装置とそのタイミングチャート
【図５】本発明に係る実施形態２の原理を示す図
【図６】実施形態２における１画素の層構成を示す図
【図７】従来技術のＩ．Ｉの構造を示す図
【図８】フラットパネルディテクター（ＦＰＤ）の構造を示す図
【図９】１画素の断面図
【図１０】光電変換層でのキャリア伝導を示す図
【符号の説明】
６００ ガラス基板
６０１ ゲート電極層
６０２ 絶縁層
６０３ チャネル層
６０４ Ｎ＋型アモルファスシリコン層
６０５ ソース電極層
６０６ ドレイン電極層
６０９ カソード電極層
６１０ Ｎ＋型アモルファスシリコン層
６１１ 光電変換層
６１２ Ｐ＋型アモルファスシリコン層
６１３ センサーバイアス線
６１６ 蛍光体
６１８，１００１ 障壁層
Ｓ１１〜Ｓ３３ フォトセンサー
Ｔ１１〜Ｔ３３ ＴＦＴ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device having a photosensor and a radiation imaging device suitable for obtaining a moving image for diagnosis using radiation.
[0002]
In this specification, description will be made assuming that α-rays, β-rays, γ-rays, X-rays and the like are also included in the category of radiation.
[0003]
[Prior art]
An image intensifier (II) is used to capture diagnostic X-ray images of a fire extinguisher system such as the stomach and intestines and the heart. In still image capturing of these constantly moving organs, an image desired by a doctor cannot be obtained in many cases, and the necessity of a moving image is required, such as determining the timing of capturing a still image while diagnosing with a moving image or watching a moving image. By the way.
[0004]
FIG. 1 shows the structure of I.I. I is a fluorescent screen 101 in which cesium iodide (CsI) is vapor-deposited on a glass surface, a cathode plate 102 disposed in contact with the fluorescent screen, an electron lens 103 for focusing and accelerating electrons generated from the cathode plate 102, and It comprises an output surface 104 in which a phosphor is deposited on an aluminum film for converting and displaying the electron image focused by the electron lens 103 into a visible image.
[0005]
The X-ray 110 transmitted through the human body 109 is first converted into an X-ray image by the CsI phosphor screen 101. The image generated by CsI is converted into an electronic image by the cathode plate 102 facing the CsI. The electronic image is focused and accelerated by the electron lens 103, and is emitted to the output surface 104, where it becomes a visible image. The image projected on the output surface 104 can be displayed on the monitor 107 by observing with the TV camera 105 or the CCD camera.
[0006]
However, I. I has the following problems in principle.
[0007]
One is that the image is distorted because the electronic lens 103 is employed. Second, there is a problem that a large field of view cannot be obtained due to a limitation in the size of the electron lens 103 and the cathode plate 102, and it is difficult to manage the apparatus in a large and narrow X-ray room.
[0008]
2. Description of the Related Art In recent years, an X-ray imaging device as a solid-state imaging device using a flat panel detector (flat panel detector: FPD) has been put into practical use due to the progress of semiconductor technology.
[0009]
The advantages of an X-ray imaging device using FPD include sensitivity and image quality superior to film, simplification of image management by digitizing images, establishment of a new diagnostic method by image processing, etc. In addition, a moving image can be captured.
[0010]
Further, an X-ray moving image using the FPD is an I.D. I can obtain the same field of view as a large-angle film without distortion of the image as compared with I. It is characterized in that a high voltage such as I is unnecessary, and the FPD itself is thin and easy to handle.
[0011]
Therefore, by using a moving image photographing apparatus using FPD, I.D. Focusing on FPD video imaging because it can solve problems such as image quality distortion that I have, improve the efficiency of X-ray image diagnosis by being able to capture still images and video with a single device, and reduce the burden on patients Have been.
[0012]
FIG. 8 is a diagram showing the structure of an FPD. An FPD 212 converts an X-ray transmitted through a human body by a phosphor 201 into visible light 202 and converts the image into a sensor formed on a glass substrate using an amorphous silicon process. It is read at the same magnification by the substrate 203. The sensor substrate 203 has a two-dimensionally arranged pixel composed of a photosensor and a switching element for turning on / off the output of a signal from the photosensor. The read X-ray image is converted into an electric signal by the sensor. Output from the substrate 203.
[0013]
Further, the output electric signal is amplified by the signal amplifier circuit 204, sent to the control board 224 via the relay board 223, and converted into a digital signal by the analog / digital converter (A / D converter) 206. Is converted. The relay board 223 transmits a control signal output from the control board 224 to the signal amplifier, and can also generate necessary power for the sensor board 203, the vertical drive circuit 205, and the signal amplifier circuit 204.
[0014]
The image data converted into the digital signal is processed into a moving image by the image processing device 209 and displayed on the monitor 218. The X-ray moving image photographing apparatus is entirely controlled by a control PC 211, and the control PC 211 can synchronize with the X-ray source 219, store images, print images, and connect to a hospital network.
[0015]
FIG. 9 is a cross-sectional view of one pixel of the FPD. One pixel includes a PIN photosensor and a TFT (thin film transistor) as a switching element.
[0016]
The pixel is formed over a glass substrate 300, and the TFT portion includes a gate electrode layer 301 formed of a film of chromium or aluminum alloy or a laminated film of aluminum alloy and molybdenum, and an insulating layer 302 formed of an amorphous silicon nitride film. A channel layer 303 formed of amorphous silicon, an N + type amorphous silicon layer 304 for making ohmic contact between the channel layer and a metal electrode layer, a source electrode layer 305 made of aluminum, or a laminated film of aluminum and molybdenum. , A drain electrode layer 306, and a protective layer 308 for protecting the TFT.
[0017]
The photosensor portion is a PIN type amorphous silicon photosensor, and has a cathode electrode layer 309 made of a film of a chromium or aluminum alloy or a laminated film of an aluminum alloy and molybdenum, and N + to be an N + layer of the PIN type photosensor. -type amorphous silicon layer 310, a photoelectric conversion layer formed by a hydrogenated amorphous silicon (I layer) 311, and supplies the voltage to the PIN-type P + -type amorphous silicon layer 312 serving as a photo sensor of the P + layer, PIN photosensor And a sensor bias line 313 formed of a transparent electrode material such as ITO or a metal such as aluminum or an aluminum alloy.
[0018]
Further, a protective layer 314 for protecting the photosensor and the TFT from humidity and foreign substances, a phosphor 316 for converting radiation into visible light, an adhesive layer 315 for bonding the phosphor 316, and a phosphor 316 for protection from humidity. There is a phosphor protective layer 317 for performing the operation.
[0019]
The reason why the amorphous silicon process is used for the FPD is that a large area can be formed uniformly and the characteristics of the detector can be made uniform.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-mentioned FPD using amorphous silicon has a problem that the frame rate cannot be increased because the optical response characteristics of the PIN type amorphous silicon diode are poor.
[0021]
That is, when the pixel irradiated with the strong light in the previous frame is hardly exposed to light until the next frame is read, an output due to the light response characteristic occurs. Since this pixel characteristic appears as an afterimage in a moving image, the readout interval must be lengthened to suppress the afterimage.
[0022]
The cause of the slow response speed of the photosensor is related to a trap level in the band gap of amorphous silicon and carrier conduction moving in the layer in which the trap level exists.
[0023]
FIG. 10 shows carrier conduction in the photoelectric conversion layer. Electrons 401 generated by the photoelectric effect drift by an electric field generated by a voltage applied to the sensor and are guided to the N + layer. However, a localized level exists in the layer where electrons are conducted, and some of the electrons are trapped in this level.
[0024]
The trapped electrons 403 are emitted with a certain probability by thermal excitation as shown as 402, but the time from being trapped by the localized level to being emitted, that is, the photocurrent is large because the time constant is long. After the light irradiation, a sensor output due to the electrons generated from the localized level is generated, and the sensor output becomes a light response characteristic of the sensor.
[0025]
The time constant for emitting localized level electrons is determined by the film quality and material of the photoelectric conversion layer because physical constants such as the localized level depth and electron mobility are involved. Therefore, in order to improve the response characteristics, a method of changing the film quality or the material so as to reduce the localized level can be considered.
[0026]
The large number of trap levels in amorphous silicon is due to the amorphous state, and in order to reduce the levels, it is preferable to use polysilicon or crystalline silicon whose crystallinity is increased. However, on the other hand, the reason that amorphous silicon is suitable as a photosensor material is that specific resistance suitable for a photosensor can be obtained due to the presence of many localized levels. Therefore, it is not realistic to change the film quality and reduce the localized levels, because it works in the direction of deteriorating the characteristics of the photosensor.
[0027]
As for the material, a material having the same homogeneity, light sensitivity, and specific resistance as amorphous silicon, but having a small localized level has not been found at present, and it is difficult to improve the optical response by changing the material.
[0028]
However, focusing on the fact that the carrier generated by the photoelectric effect and the carrier trapped at the level and thermally excited are different in conduction, it is possible to improve the optical response by changing the sensor structure. Conceivable.
[0029]
In other words, carriers generated by the photoelectric effect have high mobility, and the mobility of electrons trapped in a level and thermally excited is low. Therefore, if an appropriate energy barrier is provided near the electrode of the photosensor, slow movement occurs. Carriers with high mobility cannot cross the barrier, and only carriers with high mobility can cross the barrier.
[0030]
That is, only the carriers generated by the photoelectric effect can be taken out, and the response characteristics can be improved.
[0031]
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device and a radiation imaging device that are suitable for obtaining a moving image with improved response characteristics.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a solid-state imaging device in which a photosensor that converts light into an electric signal and a unit that reads an electric signal output from the photosensor are two-dimensionally arranged. The photosensor includes a first electrode layer, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer serving as a barrier layer, a third semiconductor layer serving as a photoelectric conversion layer, a fourth semiconductor layer, and a second electrode. It is composed of layers.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0034]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of Embodiment 1 according to the present invention, and shows a band diagram of a photosensor. In FIG. 1, a PIPN-type photosensor in which a P-type amorphous silicon layer is provided as a barrier layer 503 between an I-layer 502 and an N + layer 504 serving as a photoelectric conversion layer. A state where a voltage is applied to both ends of the sensor so as to output a current is shown.
[0035]
Due to this P-type amorphous silicon layer, electrons generated by the photoelectric effect are trapped in the level as shown by 507, and electrons 506 having a low mobility excited from the level cannot pass through the barrier layer 503. And can be shielded. On the other hand, electrons 505 having high mobility generated by the photoelectric effect can cross the barrier and reach the N + layer.
[0036]
The greater the thickness of the barrier layer or the higher the energy barrier of the barrier layer, the greater the effect of blocking electrons. Therefore, the probability of blocking electrons generated by the photoelectric effect increases, leading to a decrease in sensitivity. Therefore, the barrier height of the barrier layer and the thickness of the barrier layer, which depend on the amount of the acceptor in the P-type amorphous silicon layer, are set to the optimum thickness and barrier height in consideration of the effect of improving the response characteristics and the reduction in sensitivity.
[0037]
Therefore, since the response characteristics of the pixel are determined by the response characteristics by the electrons generated by the photoelectric effect that can cross the barrier, the light response characteristics are greatly improved as compared with the conventional PIN photosensor.
[0038]
FIG. 2 is a diagram illustrating a layer configuration of one pixel in the present embodiment.
[0039]
The pixel is formed over a glass substrate 600, and the TFT portion is formed of a gate electrode layer 601 made of a chromium or aluminum alloy or a laminated film of an aluminum alloy and molybdenum, and an insulating layer 602 made of an amorphous silicon nitride film. 603, a channel layer 603 formed of hydrogenated amorphous silicon, an N + type amorphous silicon layer 604 for making ohmic contact between the channel layer and the metal electrode, aluminum, or a source electrode formed of a laminated film of aluminum and molybdenum. It comprises a layer 605, a drain electrode layer 606, and a protective layer 608 for protecting the TFT.
[0040]
Photosensor parts are PIPN type amorphous silicon photosensor, a chromium, or an alloy of aluminum, or the cathode electrode layer 609 made of laminated films of aluminum alloys and molybdenum, PIPN photosensor of N + layer N + -Type amorphous silicon layer 610, barrier layer 618 formed of P-type amorphous silicon, photoelectric conversion layer 611 formed of hydrogenated amorphous silicon, P + -type amorphous silicon layer 612 serving as a P layer of a PIPN-type photosensor, photosensor And a sensor bias line 613 formed of a transparent electrode material such as ITO or aluminum or an aluminum alloy for supplying a voltage to the sensor.
[0041]
Further, a protective layer 614 for protecting the photosensor and the TFT from humidity and foreign substances, a phosphor 616 for converting radiation into visible light, an adhesive layer 615 for bonding the phosphor 616, and a phosphor 616 for protecting the phosphor from humidity. There is a phosphor protective layer 617 for performing The phosphor 616 is a fluorescent plate mainly composed of cesium iodide or a GOS fluorescent plate.
[0042]
The thickness of each layer is 2000 Å for the gate electrode layer 601, 2000 Å for the insulating layer 602, 1500 Å for the channel layer 603, 700 が for the N + type amorphous silicon layer 604, and the source electrode layer 605, the drain electrode layer 606, and the signal line 604. The thickness is 1 μm, the cathode electrode layer 609 is 2000 °, the N + type amorphous silicon layer 610 is 700 °, the barrier layer 618 is 100 °, the photoelectric conversion layer 611 is 6000 °, the P + type amorphous silicon layer 612 is 200 °, and the sensor bias line is 1 μm.
[0043]
In the present invention, the thickness of each layer is not limited to the above, and an optimum film thickness is used from the emission spectrum of the phosphor, the current-voltage characteristics and the response characteristics of the TFT.
[0044]
FIG. 3 is a diagram illustrating a process flow of the sensor substrate of the pixel according to the present embodiment.
[0045]
The pixel is obtained by depositing a film of chromium or an aluminum alloy, or a laminated film of an aluminum alloy and molybdenum on a glass substrate 600 by a sputtering method, and then depositing the gate electrode layer 601 of the TFT and the cathode electrode layer 609 of the PIPN photosensor. And separated by patterning.
[0046]
Thereafter, an amorphous silicon nitride film to be an insulating layer 602 of the TFT, an amorphous silicon layer to be a channel layer 603, and an N + type amorphous silicon layer 604 are sequentially deposited by a chemical vapor deposition (CVD) method or a plasma CVD method. After each layer is deposited, it is patterned and removed by etching except for the portion that will become the TFT. Further, the N + amorphous silicon layer 604 is separated into a source side and a drain side.
[0047]
Further, a film of aluminum or a stacked layer of aluminum and molybdenum is deposited by a sputtering method, and a source electrode layer 605, a drain electrode layer 606, and a signal line 607 are formed by patterning.
[0048]
In order to protect the TFT from the next process, a protective layer 614 of an amorphous nitride film is deposited by a CVD method or a plasma CVD method, and only the upper portion of the TFT is left by patterning.
[0049]
Next, a PIPN type photo sensor is formed. On the cathode electrode layer 609, an N + type amorphous silicon layer 610, a P type amorphous silicon layer 618 serving as a barrier layer, an amorphous silicon layer 611 serving as a photoelectric conversion layer, and a P + type amorphous silicon layer 612 are formed by CVD and plasma. They are sequentially deposited by a CVD method. These deposited layers are patterned to form a sensor portion. ITO is deposited by sputtering and patterned to form a sensor bias line 613.
[0050]
After the TFT and the PIPN type photosensor are formed, an amorphous silicon nitride film 614 serving as a protective layer is deposited on the entire surface, and the phosphor 616 and the phosphor protective layer 617 are bonded.
[0051]
In the present invention, the source electrode layer 605 and the drain electrode layer 606 are not limited to aluminum or a film in which aluminum and molybdenum are stacked, and a transparent electrode such as ITO may be used.
[0052]
Further, as the film pressure of the TFT and the PIPN type sensor, a value optimized to satisfy the performance required for moving image shooting is used.
[0053]
FIG. 4 shows a 3 × 3 pixel photoelectric conversion device using the PIPN type amorphous photosensor (S11 to S33) of the present invention and a timing chart thereof. The photoelectric conversion device includes a vertical drive circuit 804 for controlling the gate bias of the TFT (T11 to T33) of each pixel, operational amplifiers (Amp1 to 3) for amplifying a signal from the pixel, and a sample and hold circuit for temporarily holding a signal from the operational amplifier. 802, a multiplexer 801 that converts a signal output from the sample hold circuit 802 into serial data and outputs the data, a reset switch (RC1 to RC3) provided to reset the potential of each signal line (sig1 to sig3), and a sensor It comprises a bias source 803.
[0054]
Although not shown in FIG. 4, the photoelectric conversion device includes a phosphor 616, operational amplifiers (Amp1 to Amp3), a sample hold circuit 802, a multiplexer 801, a vertical drive circuit 804, and reset switches (RC1 to RC3). It also includes a relay board necessary for driving the. Further, the operational amplifiers (Amp1 to Amp3), the sample hold circuit 802, and the multiplexer 801 correspond to the signal amplifier circuit 204 in FIG.
[0055]
Hereinafter, a method for reading one frame will be described.
[0056]
First, the potentials of the signal lines (sig1 to sig3) are reset by the reset switches (RC1 to RC3), and the history of the signal line potentials in the previous frame is reset. Next, the vertical drive circuit 804 sets the potential of the gate line g1 to a voltage at which the TFT is turned on. When the TFT is turned on, charges are transferred from the PIPN type photosensors S11, S12, and S13 in the first line to the signal lines (sig1 to sig3). The charges sent to the signal lines (sig1 to sig3) are amplified by the operational amplifiers (Amp1 to Amp3) and then held by the sample and hold circuit 802. The TFT is turned on after being turned on for an optimum time determined from the time constraint and the transfer efficiency due to the frame rate.
[0057]
After resetting the potentials of the signal lines (sig1 to sig3) again by the reset switches (RC1 to RC3), the gate line g2 is turned on by the vertical drive circuit 804 to read out the pixels of the next line. At this time, the signal of the previous line held in the sample hold circuit 802 by the multiplexer 801 is output.
[0058]
By repeating this operation up to the last line, one frame can be read.
[0059]
In the present invention, the number of pixels is not limited to 3 × 3 pixels, but is determined by the pixel pitch obtained from the effective area of the FPD and the required spatial resolution.
[0060]
[Embodiment 2]
Hereinafter, Embodiment 2 according to the present invention will be described.
[0061]
FIG. 5 is a diagram showing the principle of Embodiment 2 according to the present invention, and is a band diagram of a photosensor. In this embodiment, in order to improve the light response characteristics of the photosensor, a material having a larger band gap than amorphous silicon used for the I layer, which is a photoelectric conversion layer, and absorbing light and causing a photoelectric effect similarly to the photoelectric conversion layer It is characterized in that a layer using GaN and an I ′ layer are used as barrier layers.
[0062]
In the I ′ layer, carriers are generated by the photoelectric effect as in the I layer during light irradiation. Therefore, at the interface between the I ′ layer and the I layer, there is a barrier that is の of the difference between the band gaps of the I ′ layer and the I layer. However, during light irradiation, the electron density in the I ′ layer increases. , 901 generated in the I layer can easily pass through the I ′ layer.
[0063]
When light is no longer irradiated on the sensor, the electron density of the I ′ layer decreases, so that electrons moving from the I layer cannot pass through the I ′ layer. For this reason, even if the electrons 902 generated by the photoelectric effect, which is a factor that degrades the response, and then trapped in the localized level, are excited as shown by 903, the electrons 902 cannot cross the I ′ layer.
[0064]
Therefore, the response characteristics of the photo sensor can be improved.
[0065]
FIG. 6 is a diagram illustrating a layer configuration of one pixel in the present embodiment.
[0066]
The pixel is formed over a glass substrate 600, and the TFT portion is formed of a gate electrode layer 601 made of a chromium or aluminum alloy or a laminated film of an aluminum alloy and molybdenum, and an insulating layer 602 made of an amorphous silicon nitride film. A channel layer 603 formed of hydrogenated amorphous silicon, an N + type amorphous silicon layer 604 for making ohmic contact between the channel layer and a metal electrode layer, aluminum, or a film formed by stacking aluminum and molybdenum. It includes a source electrode layer 605, a drain electrode layer 606, and a protective layer 608 for protecting the TFT.
[0067]
The photosensor portion is a PII'N-type amorphous silicon photosensor, and includes a cathode electrode layer 609 formed of a chromium or aluminum alloy or a laminated film of an aluminum alloy and molybdenum, and an N + layer of the PII'N-type photosensor. An N + type amorphous silicon layer 610, a barrier layer 1001 having a band gap larger than that of the photoelectric conversion layer, and formed of a material having the same light absorption characteristics as hydrogenated amorphous silicon; Layer 611, a P + type amorphous silicon layer 612 which is a P layer of a PII'N type photosensor, a transparent electrode material such as ITO, or a PII'N type formed of aluminum or an aluminum alloy. Sensor for supplying voltage to the photo sensor It is composed of a surbias line 613.
[0068]
Further, a protective layer 614 for protecting the photosensor and the TFT from humidity and foreign substances, a phosphor 616 for converting radiation into visible light, an adhesive layer 615 for bonding the phosphor 616, and protecting the phosphor 616 from humidity. There is a phosphor protective layer 617 for the purpose. The phosphor 616 is a fluorescent plate mainly composed of cesium iodide or a GOS fluorescent plate.
[0069]
The material of the barrier layer may be, for example, a material in which the hydrogen concentration in the film is higher than that of hydrogenated amorphous silicon used for the photoelectric conversion layer to increase the band gap, or amorphous arsenic sulfide (As 2 S 3 ).
[0070]
【The invention's effect】
According to the present invention, a solid-state imaging device using an FPD that has improved response characteristics, can capture both still images and moving images without distortion, and can obtain an X-ray digital image, in particular, in particular, The frame rate of the moving image radiation imaging apparatus can be improved.
[0071]
As a result, it is possible to perform moving image shooting and still image shooting with an image quality and a frame rate equal to or higher than those of the conventional one with a single imaging device, thereby improving the efficiency of image diagnosis and reducing the burden on the patient. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing the principle of Embodiment 1 according to the present invention. FIG. 2 is a view showing a layer configuration of one pixel in Embodiment 1. FIG. 3 is a view showing a process flow of a sensor substrate. FIG. 5 is a diagram showing the principle of the second embodiment according to the present invention. FIG. 6 is a diagram showing the layer configuration of one pixel in the second embodiment. FIG. . FIG. 8 shows a structure of a flat panel detector (FPD). FIG. 9 shows a cross section of one pixel. FIG. 10 shows a carrier conduction in a photoelectric conversion layer.
600 Glass substrate 601 Gate electrode layer 602 Insulating layer 603 Channel layer 604 N + type amorphous silicon layer 605 Source electrode layer 606 Drain electrode layer 609 Cathode electrode layer 610 N + type amorphous silicon layer 611 Photoelectric conversion layer 612 P + type amorphous silicon layer 613 Sensor bias line 616 Phosphor 618, 1001 Barrier layers S11 to S33 Photosensors T11 to T33 TFT
