JP2012247327A - 放射線撮像装置および放射線撮像表示システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放射線撮像装置は、光電変換素子を有するセンサー基板10と、センサー基板上に設けられた非イオン性層20と、非イオン性層上に設けられると共に、放射線の波長を光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換部材30とを備える。入射した放射線は、波長変換部材を通過後、光電変換素子111Aにおいて受光され、その受光量に対応する電気信号(画像情報)が得られる。波長変換部材とセンサー基板10との間に、結露によって水が溜まると、水に含まれるイオン成分と光電変換素子(光電変換素子の電極等)とのカップリングが生じ、暗電流が増加することがあるが、非イオン性層20が設けられていることにより、そのようなカップリングが抑制され、暗電流が生じにくい。
【選択図】図1
Description
1.実施の形態(センサー基板とシンチレータプレートとの間に高平坦化膜(非イオン性層)を設けた例)
2.変形例1(センサー基板上の一部に非イオン性層を設けた例)
3.変形例2(センサー基板とシンチレータプレートとを防湿層により封止した例)
4.変形例3(パッシブ駆動方式による画素回路の例)
5.変形例4(フォトダイオードのp型半導体層に非晶質シリコンを用いた例)
6.適用例(放射線撮像表示システムの例)
[構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置1)の全体構成を表すものである。放射線撮像装置1は、α線、β線、γ線、X線に代表される放射線を波長変換して受光し、放射線に基づく画像情報を読み取るものである。この放射線撮像装置1は、医療用をはじめ、手荷物検査等のその他の非破壊検査用のX線撮像装置として好適に用いられるものである。
センサー基板10は、複数の画素を有するものであり、基板11の表面にフォトダイオード111A(光電変換素子)とトランジスタ111Bとを含む画素回路(後述の画素回路12a)が形成されたものである。本実施の形態では、これらのフォトダイオード111Aおよびトランジスタ111Bは、ガラス等よりなる基板11上に並設されており、それらの一部(ここでは、後述のゲート絶縁膜121,第1層間絶縁膜112A,第2層間絶縁膜112B)が互いに共通の層となっている。
フォトダイオード111Aは、入射光の光量(受光量)に応じた電荷量の電荷(光電荷)を発生して内部に蓄積する光電変換素子であり、例えばPIN(Positive Intrinsic Negative Diode) フォトダイオードよりなる。フォトダイオード111Aでは、その感度域が例えば可視域となっている(受光波長帯域が可視域である)。このフォトダイオード111Aは、例えば、基板11上の選択的な領域に、ゲート絶縁膜121を介してp型半導体層122を有している。基板11上(詳細にはゲート絶縁膜121上)には、そのp型半導体層122に対向してコンタクトホール(貫通孔)H1を有する第1層間絶縁膜112Aが設けられている。第1層間絶縁膜112AのコンタクトホールH1において、p型半導体層122上にはi型半導体層123が設けられており、このi型半導体層123上にn型半導体層124が形成されている。n型半導体層124には、第2層間絶縁膜112BのコンタクトホールH2を介して上部電極125が接続されている。尚、ここでは、基板側(下部側)にp型半導体層122、上部側にn型半導体層16をそれぞれ設けた例を挙げたが、これと逆の構造、即ち下部側(基板側)をn型、上部側をp型とした構造であってもよい。
トランジスタ111Bは、例えば電界効果トランジスタ(FET:Field effect transistor)である。基板11上に、例えばTi、Al、Mo、W、Cr等からなるゲート電極120が形成され、このゲート電極120上にはゲート絶縁膜121が形成されている。ゲート絶縁膜121上に半導体層126が形成されており、この半導体層126は、チャネル領域と126aと、LDD(Lightly Doped Drain)126bと、n+領域(またはp+領域)126cを有している。半導体層126は、例えば多結晶シリコン、微結晶シリコンまたは非晶質シリコンにより構成され、望ましくは低温多結晶シリコン(LTPS:Low-temperature Poly Silicon)により構成されている。あるいは、酸化インジウムガリウム亜鉛(InGaZnO)または酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物半導体により構成されていてもよい。このような半導体層126上に設けられた第1層間絶縁膜112Aには、読出し用の信号線や各種の配線に接続された配線層128(ソース電極またはドレイン電極)がTi、Al、Mo、W、Cr等によって形成されている。尚、このトランジスタ111Bは、後述の3つのトランジスタTr1,Tr2,Tr3のいずれかに相当するものである。
行走査部13は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素部12の各画素Pを、例えば行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部13によって選択走査された画素行の各画素Pから出力される信号は、垂直信号線18の各々を通して水平選択部14に供給される。水平選択部14は、垂直信号線18ごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。
図3は、画素回路(画素回路12a)の一例を表したものである。画素回路12aは、フォトダイオード111Aと、トランジスタTr1,Tr2,Tr3(前述のトランジスタ111Bに相当)と、前述の垂直信号線18と、画素駆動線17としての行選択線171およびリセット制御線172とを含むものである。
シンチレータプレート30は、上述のように、センサー基板とは別のモジュールとして作製されるものである。このシンチレータプレート30は、平板状(プレート状)の波長変換部材であり、例えばガラスなどの透明な基板上にシンチレータ層(図示せず)が設けられたものである。シンチレータ層上には、更に防湿性を有する保護膜が形成されていてもよく、あるいはシンチレータ層および基板の全体を覆うように保護膜が設けられていてもよい。
上記のようなセンサー基板10とシンチレータプレート30との間には、高平坦化膜20が設けられている。上述のように、センサー基板10の表面は、フォトダイオード111Aの形成領域に対応して凹み10aを有するが、高平坦化膜20は、少なくともこのような凹み10aを埋め込むようにセンサー基板10上に設けられている。ここでは、高平坦化膜20は、センサー基板10上にフォトダイオード111Aの各層の厚みよりも大きな厚みで設けられており、センサー基板10の表面に形成された凹凸形状を平坦化する役割を有している。換言すると、高平坦化膜20は、センサー基板10側にその凹凸形状に倣った凹凸面を有する一方、シンチレータプレート30側の面は平坦となっている。
上記のような放射線撮像装置1は、例えば次のようにして製造することができる。即ち、まず、センサー基板10を作製する。例えば、ガラスよりなる基板11上に、フォトダイオード111Aおよびトランジスタ111Bを、公知の薄膜プロセスにより形成する。本実施の形態では、これらのフォトダイオード111Aおよびトランジスタ111Bの少なくとも一部を、同一プロセスにおいて一括形成するが、ここでは、フォトダイオード111Aの形成方法について詳細に説明する。図4〜図8は、フォトダイオード111Aの形成方法を工程順に表したものである。
本実施の形態の作用、効果について、図1〜図3,図9および図10を参照して説明する。放射線撮像装置1では、図示しない放射線(例えばX線)照射源から照射され、被写体(検出体)を透過した放射線が入射すると、この入射した放射線が波長変換後に光電変換され、被写体の画像が電気信号として得られる。詳細には、放射線撮像装置1に入射した放射線は、まず、シンチレータプレート30において、フォトダイオード111Aの感度域(ここでは可視域)の波長に変換される(シンチレータプレート30において可視光を発光する)。このようにしてシンチレータプレート30から発せられた可視光は、高平坦化膜20を経てセンサー基板10へ入射する。
ここで、図9に、本実施の形態の比較例に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置100)における断面構造について示す。比較例においても、本実施の形態と同様の積層構造を有するセンサー基板101上に、シンチレータプレート103が非接触の状態で配設されている。センサー基板101の表面には、フォトダイオード111Aの形成箇所に対応して凹み101aが形成されている。但し、比較例の放射線撮像装置100では、このような凹凸面を有するセンサー基板10上に、シンチレータプレート103が重ね合わせられているために、センサー基板10とシンチレータプレート103との間の間隙部分が、水蒸気を含む大気層102となる。
図10は、変形例1に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置1A)の断面構成を表したものである。放射線撮像装置1Aは、上記実施の形態の放射線撮像装置1と同様、センサー基板10上に、シンチレータプレート30を配設したものである。また、センサー基板10とシンチレータプレート30との間には、非イオン性層20Aが設けられている。但し、本変形例では、その非イオン性層20Aが、センサー基板10上の凹み10aに対向する領域にのみ選択的に設けられ、その他の領域は空気層Aとなっている。
図11は、変形例2に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置1B)の断面構成を表したものである。放射線撮像装置1Bは、上記実施の形態の放射線撮像装置1と同様、センサー基板10上に、シンチレータプレート30を配設したものである。但し、本変形例では、非イオン性の層として空気層B(水蒸気を含まず)が設けられており、センサー基板10と、シンチレータプレート30との間に、防湿層20Bが設けられている。防湿層20Bは、例えばセンサー基板10およびシンチレータプレート30の周辺領域に設けられ、空気層Bへの水蒸気の侵入を抑制するようになっている。尚、この防湿層20Bがシール層として機能してもよい。
上記実施の形態では、各画素Pに設けられる画素回路として、アクティブ駆動方式による画素回路12aについて説明したが、センサー基板10に設けられる画素回路は、図12に示したようなパッシブ駆動方式による画素回路12bであってもよい。本変形例では、単位画素Pが、フォトダイオード111A、容量成分138およびトランジスタTr(読出し用のトランジスタTr3に相当)を含んで構成されている。トランジスタTrは、蓄積ノードNと垂直信号線18との間に接続されており、行走査信号Vreadに応答してオンすることにより、フォトダイオード111Aにおける受光量に基づいて蓄積ノードNに蓄積された信号電荷を垂直信号線18へ出力する。尚、トランジスタTr(Tr3)が、上記実施の形態等のトランジスタ111Bに相当する。また、変形例のパッシブ駆動方式の場合には、例えば図13に示したような断面構造において、上部電極125が信号取り出しのための電極として機能し(蓄積ノードNを兼ねており)、TFT111B(配線層128)と電気的に接続されている。このように、画素の駆動方式は、上記実施の形態で述べたアクティブ駆動方式に限らず、本変形例のようなパッシブ駆動方式であってもよい。
上記実施の形態では、フォトダイオードのp型半導体層122にポリシリコンを用いたが、このp型半導体層122は、非晶質シリコンから構成されていてもよい(PIN全ての層が非晶質シリコンであってもよい)。尚、この場合、図14に示したように、第1層間絶縁膜113A(SiN)上に、下部電極115(Mo/Al/Mo)を介してp型半導体層122が設けられる。下部電極115は、信号取り出し用の電極として機能し、第1層間絶縁膜113Aに形成されたコンタクトホールを通じてトランジスタ111Bの配線層128(ソース・ドレイン電極)に接続されている。この例では、トランジスタ111Bの半導体層126も非晶質シリコンにより構成されている。このように、p型半導体層(n型半導体層も同様)に非晶質シリコンを用いる場合には、金属電極(金属配線)を別途設ければよい。
上記実施の形態および変形例1〜3において説明した放射線撮像装置は、例えば図15に示したような放射線撮像表示システム2に適用可能である。放射線撮像表示システム2は、放射線撮像装置1と、画像処理部25と、表示装置28とを備えている。このような構成により、放射線撮像表示システム2では、放射線撮像装置1が、放射線源26から被写体27に向けて照射された放射線に基づき、被写体27の画像データDoutを取得し、画像処理部25へ出力する。画像処理部25は、入力された画像データDoutに対して所定の画像処理を施し、その画像処理後の画像データ(表示データD1)を表示装置28へ出力する。表示装置28は、モニタ画面28aを有しており、そのモニタ画面28aに、画像処理部25から入力された表示データD1に基づく画像を表示する。
(1)光電変換素子を有するセンサー基板と、前記センサー基板上に設けられた非イオン性層と、前記非イオン性層上に設けられると共に、放射線の波長を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換部材とを備えた放射線撮像装置。
(2)前記センサー基板は、絶縁保護膜により被覆されており、前記非イオン性層は前記絶縁保護膜上に設けられている上記(1)に記載の放射線撮像装置。
(3)前記センサー基板の光入射側の面は凹凸形状を有し、前記非イオン性層は、少なくとも前記凹凸形状の凹部を埋め込むように設けられている上記(1)または(2)に記載の放射線撮像装置。
(4)前記非イオン性層は、前記センサー基板側に前記凹凸形状に倣った凹凸面、前記波長変換部材側に平坦面をそれぞれ有する上記(3)に記載の放射線撮像装置。
(5)前記非イオン性層は、シリコン樹脂、アクリル樹脂またはパリレン樹脂により構成されている上記(1)〜(4)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(6)前記非イオン性層は、シリコン樹脂により構成されている上記(1)〜(5)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(7)前記波長変換部材は平板状のものであり、前記非イオン性層に対して非接着となっている上記(1)〜(6)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(8)前記センサー基板および前記波長変換部材の間に、外部からの水分の介入を抑制する防湿層が設けられ、前記非イオン性層として空気層を有する上記(1)〜(7)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(9)前記センサー基板および前記波長変換部材の間に、吸湿層が設けられ、前記非イオン性層として空気層を有する上記(1)〜(8)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(10)前記光電変換素子は、PINダイオードである上記(1)〜(9)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(11)前記センサー基板では、前記光電変換素子およびトランジスタが並設されている上記(1)〜(10)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(12)前記トランジスタは、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非晶質シリコンおよび酸化物半導体のうちのいずれかにより構成された半導体層を含む上記(1)〜(11)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(13)前記半導体層は、低温多結晶シリコンにより構成されている上記(1)〜(12)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
Claims (14)
- 光電変換素子を有するセンサー基板と、
前記センサー基板上の少なくとも一部に設けられた非イオン性層と、
前記非イオン性層上に設けられると共に、放射線の波長を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換部材とを備えた
放射線撮像装置。 - 前記センサー基板は、絶縁保護膜により被覆されており、
前記非イオン性層は前記絶縁保護膜上に設けられている
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記センサー基板の光入射側の面は凹凸形状を有し、
前記非イオン性層は、少なくとも前記凹凸形状の凹部を埋め込むように設けられている
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記非イオン性層は、前記センサー基板側に前記凹凸形状に倣った凹凸面、前記波長変換部材側に平坦面をそれぞれ有する
請求項3に記載の放射線撮像装置。 - 前記非イオン性層は、シリコン樹脂、アクリル樹脂またはパリレン樹脂により構成されている
請求項4に記載の放射線撮像装置。 - 前記非イオン性層は、シリコン樹脂により構成されている
請求項5に記載の放射線撮像装置。 - 前記波長変換部材は平板状のものであり、前記非イオン性層に対して非接着となっている
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記センサー基板および前記波長変換部材の間に、外部からの水分の介入を抑制する防湿層が設けられ、
前記非イオン性層として空気層を有する
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記センサー基板および前記波長変換部材の間に、吸湿層が設けられ、
前記非イオン性層として空気層を有する
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記光電変換素子は、PINダイオードである
請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記センサー基板では、前記光電変換素子およびトランジスタが並設されている
請求項10に記載の放射線撮像装置。 - 前記トランジスタは、多結晶シリコン、微結晶シリコン、非晶質シリコンおよび酸化物半導体のうちのいずれかにより構成された半導体層を含む
請求項11に記載の放射線撮像装置。 - 前記半導体層は、低温多結晶シリコンにより構成されている
請求項12に記載の放射線撮像装置。 - 放射線に基づく画像を取得する撮像装置と、前記撮像装置により取得された画像を表示する表示装置とを有し、
前記撮像装置は、
光電変換素子を有するセンサー基板と、
前記センサー基板上に設けられた非イオン性層と、
前記非イオン性層上に設けられると共に、放射線の波長を前記光電変換素子の感度域の波長に変換する波長変換部材とを備えた
放射線撮像表示システム。
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