JP2019220685A - 放射線検出器 - Google Patents

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昌弘 塩田
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剛宏 進藤
Takehiro Shindo
剛宏 進藤
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Kunihiko Iizuka
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伸之 芦田
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伸之 芦田
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Abstract

【課題】高感度の放射線検出器を実現する。【解決手段】アンプトランジスタ（３）は、アンプトランジスタ（３）が予め導通された状態でフォトダイオード（１）が光を受けるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線検出器に関する。
近年、Ｘ線等の放射線を検出する放射線検出器として、従来の増感紙‐Ｘ線フィルムを用いたものに代わって、撮像素子等の固体デバイスを用いたものの開発が進んでいる。特に、ＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）パネルを用いた放射線検出器（放射線撮像器）は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）またはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor Device：相補型金属酸化膜半導体）等の撮像素子を用いた放射線検出器に比べて、レンズが不要であるという利点、および大画面の撮像に適しているという利点があることから、盛んに開発が進められている。
特許文献１には、ＡＰＳ（アクティブ・ピクセル・センサー）方式の放射線検出器を使用して、ＳＮ比を向上させた放射線検出器について開示されている。
国際公開２０１７−０１０２０２号公報（２０１７年１月１９日公開）
ＡＰＳ方式においては、発生した電荷をＴＦＴにて増幅して、放射線量の検出を行うため、ＰＰＳ（パッシブ・ピクセル・センサー）方式の放射線検出器に比べて、より小さな電荷を検出することが可能となる。
特許文献１においては、ＴＦＴで増幅した検出電流をどのように読み出すかが開示されているが、ＴＦＴの増幅をＴＦＴの電流特性のどの部分を使用して行うべきか十分に検討されていない。このため、特許文献１に開示されている技術においては、放射線検出器を十分高感度に構成することが困難であるという問題が発生する。
本発明の一態様は、高感度の放射線検出器を実現することを目的とする。
（１）本発明の一実施形態は、放射線から得られた光を受け、当該光を電気信号に変換する受光素子と、上記電気信号を増幅するアンプトランジスタとを備えており、上記アンプトランジスタは、上記アンプトランジスタが予め導通された状態で上記受光素子が上記光を受けるように構成されている、放射線検出器。
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、上記受光素子は、フォトダイオードである、放射線検出器。
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）または（２）の構成に加え、上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、上記チャネル層は、非晶質でない結晶構造を持つ酸化物半導体を含む、放射線検出器。
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から（３）のいずれかの構成に加え、上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、上記チャネル層の構成元素は、インジウムおよび亜鉛を少なくとも含む、放射線検出器。
（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）から（４）のいずれかの構成に加え、上記受光素子が上記アンプトランジスタの上に配置されている、放射線検出器。
本発明の一態様によれば、高感度の放射線検出器を実現することができる。
本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第１工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第２工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第３工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第４工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第５工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第６工程を示している。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第４工程の変形例を示している。 図１に示す放射線検出器におけるフォトダイオードとアンプトランジスタのゲートとの接続関係のイメージ図である。 比較例に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第１工程を示している。 比較例に係る放射線検出器の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第２工程を示している。 図９に示す放射線検出器におけるフォトダイオードとアンプトランジスタのゲートとの接続関係のイメージ図である。 複数の、図１に示す放射線検出器のそれぞれのアンプトランジスタの特性バラツキについて説明するグラフである。 図１２の比較例を説明するグラフである。 本発明の実施の形態１に係る放射線検出器の断面構造を示す図である。
〔実施の形態１〕
図１〜図６は、いずれも本発明の実施の形態１に係る放射線検出器１００の構成を示す回路図であり、それぞれ動作メカニズムにおける第１工程〜第６工程を示している。図７は、本発明の実施の形態１に係る放射線検出器１００の構成を示す回路図であり、動作メカニズムにおける第４工程の変形例を示している。図１〜図７には、アンプトランジスタ３におけるゲート電圧Ｖｇ（横軸：単位Ｖ）に対するアンプトランジスタ３に流れる電流Ｉｄ（縦軸：単位Ａ）の特性を示す曲線のグラフを併せて示している。以下、当該第４工程の変形例を、第４´工程と称する。
放射線検出器１００は、フォトダイオード１、読み取りトランジスタ２、アンプトランジスタ３、およびリセットトランジスタ４を備えたＡＰＳである。図１〜図７には、放射線検出器１００に加え、計測回路１１１を示している。
図８は、図１に示す放射線検出器１００におけるフォトダイオード１とアンプトランジスタ３のゲートとの接続関係のイメージ図である。
フォトダイオード１は、受けた光で電荷を発生する。読み取りトランジスタ２は、アンプトランジスタ３と計測回路１１１との接続を行うスイッチである。アンプトランジスタ３は、フォトダイオード１が発生した電荷に比例した電流Ｉｄを流す。リセットトランジスタ４は、フォトダイオード１が発生した電荷をリセットするためのものである。
換言すれば、以下のとおりである。フォトダイオード１は、例えば図示しないシンチレータからの光（放射線から得られた光）を受け、当該光を電気信号に変換する受光素子である。アンプトランジスタ３は、当該電気信号を増幅する。読み取りトランジスタ２は、アンプトランジスタ３と計測回路１１１との間に接続されたスイッチであり、アンプトランジスタ３によって増幅された電気信号を計測回路１１１に供給するタイミングを制御する。
また、計測回路１１１は、アンプトランジスタ３によって増幅された電気信号のレベルに基づいて、フォトダイオード１が受けた光の発光量を求める。これにより、放射線検出器１００に対応する図示しないピクセル単位で放射線量を検出することが可能である。計測回路１１１は例えば、一方の入力端にアンプトランジスタ３によって増幅された電気信号が供給され、他方の入力端に基準となる電圧が供給される比較器である。但し、計測回路１１１の構成はこれに限定されない。
アンプトランジスタ３とリセットトランジスタ４とのノードに、フォトダイオード１のカソードが接続されている。図８に示すように、フォトダイオード１は、ｎ型の半導体層であるｎ層６とｐ型の半導体層であるｐ層７とが、不純物を含まないｉ層５を介して接続された構成である。ｎ層６側よりｐ層７側が低い電位のバイアス電圧が印加されており、フォトダイオード１が光を受けるとき、ｐ層７に光が入射すると、ｐ層７側にホール（正孔）が、ｎ層６側に電子がそれぞれ集まる。放射線検出器１００においては、ｎ層６がアンプトランジスタ３のゲートに接続されることとなる。これにより、放射線検出器１００においては、フォトダイオード１の受光により生じた電子によって電圧Ｖｇが下がり、当該電圧Ｖｇの低下に応じた電流Ｉｄを流すことが可能である。
放射線検出器１００において、アンプトランジスタ３は、アンプトランジスタ３が予め導通された状態でフォトダイオード１が上記光を受けるように構成されている。以下、当該構成に関連する放射線検出器１００の動作メカニズムについて、図１〜図６を参照して説明する。
まず、第１工程においては、リセットトランジスタ４が導通することにより、電圧Ｖｇは、導通状態にあるリセットトランジスタ４を経由して外部から与えられる電圧Ｖｒｅｓｅｔとされる（点８参照）。本実施の形態においては、電圧Ｖｒｅｓｅｔを３Ｖとしている。なおこのとき、読み取りトランジスタ２が非導通であるため、電流Ｉｄは流れない。
続いて、第２工程においては、リセットトランジスタ４が非導通となり、これにより放射線検出器１００のリセットは終了する。第２工程は、当該リセットの直後に対応するため、電圧Ｖｇは引き続き電圧Ｖｒｅｓｅｔである。また、第２工程においては、読み取りトランジスタ２が導通し、これにより電流Ｉｄが流れる。そして、アンプトランジスタ３からの電荷（電流Ｉｄ×読み取りトランジスタ２の導通状態の継続時間に比例）が計測回路１１１に供給される。
続いて、第３工程においては、読み取りトランジスタ２を非導通とし、アンプトランジスタ３からの電荷を計測回路１１１に供給することを終了する。第３工程において、電流Ｉｄは流れない。
続いて、第４工程においては、フォトダイオード１が光を受けることにより、フォトダイオード１におけるアンプトランジスタ３側、ここではフォトダイオード１のカソード側に電荷が蓄積され、電圧Ｖｇが下がる（点９参照）。ここでは、電圧Ｖｒｅｓｅｔに対する第４工程に伴う電圧Ｖｇの低下量を、電圧ΔＶｇとしている。また、読み取りトランジスタ２が非導通であるため、電流Ｉｄは流れない。
続いて、第５工程においては、フォトダイオード１による受光が終了するが、このとき、電圧Ｖｇは、（電圧Ｖｒｅｓｅｔ−電圧ΔＶｇ）である。換言すれば、第５工程における電圧Ｖｇは、第４工程における電圧Ｖｇと同じである。
続いて、第６工程においては、読み取りトランジスタ２が導通し、これにより電流Ｉｄが流れる。そして、第２工程と同様に、アンプトランジスタ３からの電荷が計測回路１１１に供給される。このとき、第４工程で電圧Ｖｇが下がったことに伴い、電流Ｉｄも下がっている。放射線検出器１００は、放射線量の検出の度に、第１工程〜第６工程を繰り返し実行する。
第２工程におけるアンプトランジスタ３からの電荷の量と、第６工程におけるアンプトランジスタ３からの電荷の量との差分は、フォトダイオード１が受けた光の発光量と相関がある。このように、フォトダイオード１で発生した電荷をアンプトランジスタ３のゲートに与えることで、フォトダイオード１で発生した電荷よりも増幅された差分電荷を取り出すことができる。すなわち、アンプトランジスタ３を電気信号の増幅器として使用することができる。
第４´工程においては、フォトダイオード１が光を受ける。第４´工程においてフォトダイオード１が受ける光の発光量は、第４工程においてフォトダイオード１が受ける光の発光量に比べて大幅に大きい。フォトダイオード１が光を受けることにより、フォトダイオード１のカソード側に電荷が蓄積され、電圧Ｖｇが下がる（点１０参照）。ここでは、電圧Ｖｒｅｓｅｔに対する第４´工程に伴う電圧Ｖｇの低下量を、電圧ΔＶｇ´としている。電圧ΔＶｇ´は、電圧ΔＶｇより大きい。また、読み取りトランジスタ２が非導通であるため、電流Ｉｄは流れない。
第１工程の開始時点から、電圧Ｖｇは電圧Ｖｒｅｓｅｔとされており、電圧Ｖｒｅｓｅｔが印加されているアンプトランジスタ３のゲートは導通状態にある。このことから、アンプトランジスタ３は、アンプトランジスタ３が予め導通された状態でフォトダイオード１が上記光を受けるように構成されていることが分かる。
放射線検出器１００によれば、フォトダイオード１の受光に伴う電圧Ｖｇの変化が僅かであるときに、電流Ｉｄを大きく変化させることが容易である。なぜなら、電圧Ｖｇが大きい程、電圧Ｖｇの変動量に応じた電流Ｉｄの変動量が大きくなり、かつ、フォトダイオード１の受光以前における電圧Ｖｇを決定する電圧Ｖｒｅｓｅｔを大きく設定することが容易であるためである。従って、上記の構成によれば、高感度の放射線検出器１００を実現することが可能となる。
図９および図１０は、いずれも比較例に係る放射線検出器１００ａの構成を示す回路図であり、それぞれ動作メカニズムにおける第１工程および第２工程を示している。図９および図１０のそれぞれには、図１等に示すグラフに対応する特性を示す曲線のグラフを併せて示している。図１１は、図９に示す放射線検出器１００ａにおけるフォトダイオード１とアンプトランジスタ３のゲートとの接続関係のイメージ図である。
放射線検出器１００ａと放射線検出器１００との相違点は、以下のとおりである。すなわち、放射線検出器１００ａにおいては、アンプトランジスタ３とリセットトランジスタ４とのノードに、フォトダイオード１のアノードが接続されている。放射線検出器１００ａにおいては、ｐ層７がアンプトランジスタ３のゲートに接続されることとなる（図１１参照）。これにより、放射線検出器１００ａにおいては、フォトダイオード１の受光により生じたホールによって電圧Ｖｇが上がり、当該電圧Ｖｇの上昇に応じた電流Ｉｄを流すことが可能である。
放射線検出器１００ａにおいて、アンプトランジスタ３は、アンプトランジスタ３が予め非導通とされた状態でフォトダイオード１が上記光を受けるように構成されている。
まず、第１工程においては、リセットトランジスタ４が導通することにより、電圧Ｖｇはほぼ０Ｖとされる（点１１参照）。続いて、第２工程においては、フォトダイオード１が光を受けることにより、フォトダイオード１におけるアンプトランジスタ３側、ここではフォトダイオード１のアノード側に電荷が蓄積され、電圧Ｖｇが上がる（点１２参照）。ここでは、上記のほぼ０Ｖのときに対する電圧Ｖｇの上昇量および電流Ｉｄの上昇量を、それぞれ電圧ΔＶｇおよび電流ΔＩｄとしている。その後電流Ｉｄが流れる際には、第２工程で電圧Ｖｇが上がったことに伴い、電流Ｉｄも上がる。
放射線検出器１００ａによれば、フォトダイオード１の受光に伴う電圧Ｖｇの変化が僅かであるときに、電流Ｉｄの変化が小さい。従って、放射線検出器１００ａは、放射線検出器１００に比べて、感度を上げることが困難である。
図１２は、複数の、図１に示す放射線検出器１００のそれぞれのアンプトランジスタ３の特性バラツキについて説明するグラフである。図１２に示すグラフの横軸および縦軸の定義は、それぞれ、図１等に示すグラフの横軸および縦軸の定義と同じである。
フォトダイオード１が受ける光の発光量が大きい場合、電圧ΔＶｇが大きくなる。これは、フォトダイオード１の受光により生じる電気信号のレベルが大きくなることと同義であると言える。
放射線検出器１００では、計測回路１１１に流れ込む電荷の量をカウントしている。この電荷の量は、次の数式で与えられる。なお、計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間は、読み取りトランジスタ２の導通状態の継続時間に等しい。
電荷量＝電流Ｉｄ×計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間
ここで、多数の放射線検出器１００について考える。電圧Ｖｒｅｓｅｔについては、放射線検出器１００毎のバラツキはほぼ生じない。一方、電圧Ｖｇに対する電流Ｉｄの特性は、放射線検出器１００毎に（換言すれば、アンプトランジスタ３毎に）比較的大きなバラツキが生じ得る。当該バラツキを、図１２に曲線１３〜曲線１５で示した。つまり、多数のアンプトランジスタ３の各々に対して電圧Ｖｒｅｓｅｔが印加されたとき、当該特性のバラツキに応じた電流Ｉｄのバラツキが生じる（点１６〜点１８参照）。
以下さらに、計測回路１１１を積分器によって構成する場合を考える。この場合、計測回路１１１は、一定量を超える電荷をカウントすることはできない。このため、計測回路１１１に供給される電荷が一定量を超えることのないように、電流Ｉｄおよび計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間を決定する必要がある。計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間は、制御可能でこそあるが、放射線検出器１００毎に異ならせることは現実的でない。このため、多数の放射線検出器１００に対応する多数の計測回路１１１が１つたりとも飽和しないように、計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間を決定する必要がある。
つまり、特定の電圧Ｖｇに対して、電流Ｉｄが最大となる特性、図１２では曲線１５に合わせて、計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間を決定することが好ましい。具体的に、当該時間は、曲線１５の特性を持つアンプトランジスタ３から電荷が供給される計測回路１１１の飽和を避けることが可能な時間の最大値であることが好ましい。また、電流Ｉｄひいては電圧Ｖｒｅｓｅｔについても同様に、特定の当該時間に対して、曲線１５の特性を持つアンプトランジスタ３から電荷が供給される計測回路１１１の飽和を避けることが可能な最大値であることが好ましい。これらにより、計測回路１１１の飽和を確実に避けつつ、感度を最高化した放射線検出器１００を実現することができる。
一方、多数の放射線検出器１００の各々に関し、以下のことが言える。フォトダイオード１の受光により電荷が生じ、電圧Ｖｇが電圧ΔＶｇだけ下がる。当該受光の後、低下した電流Ｉｄに基づく電荷量を計測回路１１１で計測し、当該受光の前後の電荷量の差分から電圧ΔＶｇが分かり、電圧ΔＶｇが分かれば発光量が分かる。これによって上述したピクセル毎に放射線量を監視することができる。
なお、放射線検出器１００ａにおいては、フォトダイオード１が受ける光の発光量が大きい程、電流Ｉｄが理想的には無限に大きくなる。このため、フォトダイオード１が受ける光の発光量が極端に大きい場合においては、計測回路１１１に電流Ｉｄが流れ込む時間や電圧Ｖｒｅｓｅｔの具体的な値をどれだけ工夫しても、計測回路１１１の飽和を確実に避けることは難しい（図１３参照）。図１３に示すグラフの横軸および縦軸の定義は、それぞれ、図１等に示すグラフの横軸および縦軸の定義と同じである。
図１４は、本発明の実施の形態１に係る放射線検出器１００の断面構造を示す図である。放射線検出器１００は、ガラス基板５１、ゲート電極５２、チャネル層５３、ドレイン電極５４、ソース電極５５、絶縁膜５６〜６０、フォトダイオード下部電極層６１、フォトダイオード本体層６２、フォトダイオード上部電極層６３、上部配線電極６４、およびフォトダイオード下部電極層の下地６５を有している。フォトダイオード下部電極層６１、フォトダイオード本体層６２、フォトダイオード上部電極層６３、上部配線電極６４、およびフォトダイオード下部電極層の下地６５は、フォトダイオード１と対応する。ゲート電極５２、チャネル層５３、ドレイン電極５４、およびソース電極５５は、アンプトランジスタ３と対応する。
ゲート電極５２は、配線によりフォトダイオード下部電極層の下地６５と接続されており、フォトダイオード下部電極層の下地６５はフォトダイオード下部電極層６１と接続されている。また、フォトダイオード１がアンプトランジスタ３の上に配置されており、これにより、フォトダイオード下部電極層６１がアンプトランジスタ３の上に配置されている。これにより、フォトダイオード下部電極層６１を、アンプトランジスタ３のバックゲートとして機能させることが可能となる。この結果、アンプトランジスタ３の閾値電圧が安定化するため、放射線量の検出バラツキを抑制することが可能となる。
〔実施の形態２〕
チャネル層５３は、非晶質でない結晶構造を持つ酸化物半導体を含むことが好ましい。これにより、アンプトランジスタ３の閾値電圧の変動をより小さくすることができるため、放射線量の検出バラツキをより抑制することが可能となる。例えば、チャネル層５３として、アモルファス構造ではなく、チャネル膜成長方向でＣ軸（膜表面に垂直な方向）に強く配向した結晶構造を採用することが考えられる。
また、チャネル層５３の構成元素は、Ｉｎ（インジウム）およびＺｎ（亜鉛）を少なくとも含むことが好ましい。これにより、アンプトランジスタ３を小さく形成することが可能である。このことにより、フォトダイオード１を高密度に作成しても受光面積を確保することができるため、微小な放射線で高解像の画像を取得することができる装置の開発が可能となる。例えば、アンプトランジスタ３をＩｎ‐Ｇａ（ガリウム）‐Ｚｎ酸化物半導体を用いたトランジスタによって構成することが考えられる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る放射線検出器は、放射線から得られた光を受け、当該光を電気信号に変換する受光素子と、上記電気信号を増幅するアンプトランジスタとを備えており、上記アンプトランジスタは、上記アンプトランジスタが予め導通された状態で上記受光素子が上記光を受けるように構成されている。
上記の構成によれば、受光素子の受光に伴うアンプトランジスタのゲート電圧の変化が僅かであるときに、アンプトランジスタに流れる電流を大きく変化させることが容易である。従って、上記の構成によれば、高感度の放射線検出器を実現することが可能となる。
本発明の態様２に係る放射線検出器は、上記態様１において、上記受光素子は、フォトダイオードであることが好ましい。
本発明の態様３に係る放射線検出器は、上記態様１または２において、上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、上記チャネル層は、非晶質でない結晶構造を持つ酸化物半導体を含む。
上記の構成によれば、アンプトランジスタの閾値電圧の変動をより小さくすることができるため、放射線量の検出バラツキをより抑制することが可能となる。
本発明の態様４に係る放射線検出器は、上記態様１から３のいずれかにおいて、上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、上記チャネル層の構成元素は、インジウムおよび亜鉛を少なくとも含む。
上記の構成によれば、アンプトランジスタを小さく形成することが可能である。このことにより、受光素子を高密度に作成しても受光面積を確保することができるため、微小な放射線で高解像の画像を取得することができる装置の開発が可能となる。
本発明の態様５に係る放射線検出器は、上記態様１から４のいずれかにおいて、上記受光素子が上記アンプトランジスタの上に配置されている。
上記の構成によれば、アンプトランジスタのゲートと同電位である受光素子の電極を、アンプトランジスタのバックゲートとして機能させることが可能となる。この結果、アンプトランジスタの閾値電圧が安定化するため、放射線量の検出バラツキを抑制することが可能となる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１ フォトダイオード（受光素子）
２ 読み取りトランジスタ
３ アンプトランジスタ
４ リセットトランジスタ
５ ｉ層
６ ｎ層
７ ｐ層
５１ ガラス基板
５２ ゲート電極
５３ チャネル層
５４ ドレイン電極
５５ ソース電極
５６〜６０ 絶縁膜
６１ フォトダイオード下部電極層
６２ フォトダイオード本体層
６３ フォトダイオード上部電極層
６４ 上部配線電極
６５ フォトダイオード下部電極層の下地
１００ 放射線検出器
１１１ 計測回路

Claims (5)

  1. 放射線から得られた光を受け、当該光を電気信号に変換する受光素子と、
    上記電気信号を増幅するアンプトランジスタとを備えており、
    上記アンプトランジスタは、上記アンプトランジスタが予め導通された状態で上記受光素子が上記光を受けるように構成されていることを特徴とする放射線検出器。
  2. 上記受光素子は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  3. 上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、
    上記チャネル層は、非晶質でない結晶構造を持つ酸化物半導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  4. 上記アンプトランジスタは、チャネル層を有しており、
    上記チャネル層の構成元素は、インジウムおよび亜鉛を少なくとも含むことを特徴とする請求項１に記載の放射線検出器。
  5. 上記受光素子が上記アンプトランジスタの上に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放射線検出器。
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