JP3740435B2 - Radiation imaging apparatus, driving method thereof, and radiation imaging system - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用の診断や工業用の非破壊検査に用いて好適な放射線撮像装置に関する。なお、本明細書では、Ｘ線、γ線などの電磁波やα線、β線も放射線に含めるものとして説明する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、病院内などに設置されているＸ線撮影システムは、患者にＸ線を照射させ、患者を透過したＸ線をフィルムに露光するフィルム撮影方式と、患者を透過したＸ線を電気信号に変換してディジタル画像処理する画像処理方式とがある。
【０００３】
画像処理方式のひとつに、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体と可視光を電気信号に変換する光電変換装置とで構成された放射線撮像装置がある。患者を透過したＸ線が、蛍光体に照射され、そこで可視光に変換された患者の体内情報を光電変換装置により電気信号として出力する。電気信号に変換されればＡＤコンバータでディジタル変換し、記録、表示、印刷、診断などを行うためのＸ線画像情報はディジタル値として扱うことが出来る。
【０００４】
最近では、光電変換装置にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた放射線撮像装置が実用化されている。
【０００５】
図１４は、ＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図であり、それらを結線する配線を含めて表している。図１５は図１４内Ａ−Ｂでの断面を示す。以後の説明では、簡単化のために、ＭＩＳ型光電変換素子は、単に光電変換素子と呼ぶことにする。
【０００６】
光電変換素子１０１及びスイッチ素子１０２（アモルファスシリコンＴＦＴ、以下単にＴＦＴと記す）は同一基板１０３上に形成されており、光電変換素子の下部電極は、ＴＦＴの下部電極（ゲート電極）と同一の第１の金属薄膜層１０４で共有されており、光電変換素子の上部電極は、ＴＦＴの上部電極（ソース電極、ドレイン電極）と同一の第２の金属薄膜層１０５で共有されている。また、第１及び第２の金属薄膜層は、光電変換回路部内の、ゲート駆動用配線１０６、マトリクス信号配線１０７も共有している。図１４においては、画素数として２×２の計４画素分が記載されている。図１４のハッチング部は、光電変換素子の受光面である。１０９は光電変換素子にバイアスを与える電源ラインである。また、１１０は光電変換素子とＴＦＴを接続するためのコンタクトホールである。
【０００７】
アモルファスシリコン半導体を主たる材料にした図１４で示されるような構成を用いれば、光電変換素子、スイッチ素子、ゲート駆動用配線、マトリクス信号配線を、同一基板上に同時に作製することができ、大面積の光電変換回路部が容易に、しかも安価に提供することができる。
【０００８】
次に、光電変換素子単体のデバイス動作について説明する。図１６（ａ）〜（ｃ）は図１４、図１５の光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
【０００９】
図１６（ａ）、（ｂ）は、それぞれリフレッシュモードおよび光電変換モードの動作を示しており、図１５で示される各層の膜厚方向の状態を表している。Ｍ１は第１の金属薄膜層（例えばＣｒ）で形成された下部電極（Ｇ電極）である。アモルファス窒化シリコン（ａ−ＳｉＮｘ）層は、電子、ホール共にその通過を阻止する絶縁層であり、トンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、通常５００オングストローム以上に設定される。水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層は意図的にドーパントをドープしていない真性半導体層（ｉ層）で形成された光電変換半導体層である。Ｎ+層は、ａ−Ｓｉ：Ｈ層へのホールの注入を阻止するために形成されたＮ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層などの非単結晶半導体からなる単一導電型キャリアの注入阻止層である。またＭ２は第２金属薄膜層（例えばＡｌ）で形成される上部電極（Ｄ電極）である。
【００１０】
図１４では、Ｄ電極はＮ+層を完全には覆っていないが、Ｄ電極とＮ+層との間は電子の移動が自由に行われるためＤ電極とＮ+層は常に同電位であり、以下の説明では、そのことを前提としている。
【００１１】
本光電変換素子にはＤ電極やＧ電極への電圧の印可の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという２種類の動作モードがある。
【００１２】
リフレッシュモードを示す図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おり、ｉ層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層に注入される。この時、一部のホールと電子はＮ+層、ｉ層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層内のホールはｉ層から掃き出される。
【００１３】
この状態から光電変換モードを示す図１６（ｂ）にするためにはＤ電極にＧ電極に対し正の電位を与える。するとｉ層中の電子は瞬時にＤ電極に導かれる。しかしホールはＮ+層が注入阻止層として働くため、ｉ層に導かれることはない。この状態でｉ層に光が入射すると、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層内を移動しｉ層とａ−ＳｉＮｘ絶縁層との界面に達する。しかし、絶縁層内には移動できないため、ｉ層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層内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子内の電気的中性を保つため電流がＧ電極から流れる。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。ある期間光電変換モードである図１６（ｂ）の状態を保った後、再びリフレッシュモードの図１６（ａ）の状態になると、ｉ層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流が流れる。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する。この時、ｉ層内に注入される電子の量に対応した電流も流れるが、この量はおよそ一定なため差し引いて検出すればよい。つまり、この光電変換素子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検出することができる。
【００１４】
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場合や入射する光の照度が強い場合、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１６（ｃ）のようにｉ層内にホールが多数留まり、このホールのためｉ層内の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなりｉ層内でホールと再結合してしまうからである。この状態を光電変換素子の飽和状態と称する。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層内のホールは掃き出され次の光電変換モードでは再び光に比例した電流が流れる。
【００１５】
また、前述の説明において、リフレッシュモードでｉ層内のホールを掃き出す場合、すべ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効果はあり、前述と等しい電流が得られ、問題はない。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において図１６（ｃ）の飽和状態になっていなければよく、リフレッシュモードでのＤ電極のＧ電極に対する電位、リフレッシュモードの期間およびＮ+層の注入阻止層の特性を決めればよい。また、更にリフレッシュモードにおいてｉ層への電子の注入は必要条件でなく、Ｄ電極のＧ電極に対する電位は負に限定されるものでもない。ホールが多数ｉ層に留まっている場合には、たとえＤ電極のＧ電極に対する電位が正の電位であってもｉ層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。また、注入阻止層であるＮ+層の特性も同様に電子をｉ層に注入できることが必要条件ではない。
【００１６】
図１７は、光電変換素子とＴＦＴで構成される従来の光電変換回路の１画素分の回路を示している。図１７において光電変換素子は、ｉ層からなる容量成分のＣｉと注入阻止層からなる容量成分のＣSiNとで表記している。また、ｉ層と注入阻止層との接合点（図１７中のノードＮ）は、光電変換素子が飽和状態になった時、すなわちＤ電極とノードＮの間（ｉ層）に電界がない（小さい）状態になった時、光によって生成された電子とホールは再結合するために、ホールキャリアがＮ部に蓄えることが出来なくなる。つまり、ノードＮの電位はＤ電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図１７ではダイオード（Ｄ1）をＣｉに並列に接続している。すなわち図１７において光電変換素子をＣｉ、ＣSiN、Ｄ1の３つのコンポーネントで表記している。
【００１７】
図１８は、図１７に示される１画素分の回路の動作を示すタイムチャートである。図１７、図１８を用いて、光電変換素子とＴＦＴで構成される１画素分の回路動作を説明する。
【００１８】
まず、リフレッシュ動作を説明する。Ｖsは９Ｖ、Ｖrefは３Ｖとする。リフレッシュ動作は、スイッチＳＷ−ＡをＶref、スイッチＳＷ−ＢをＶｇ（ｏｎ）、スイッチＳＷ−Ｃをオンにする。この状態にすることにより、Ｄ電極はＶref（６Ｖ）にバイアスされ、Ｇ電極は、ＧＮＤ電位にバイアスされ、ノードＮは、最大Ｖref（６Ｖ）にバイアスされる。最大というのは、今回のリフレッシュ動作以前の光電変換動作により、ノードＮの電位が既にＶref以上の電位まで蓄積されていた場合、Ｄ１を介しＶrefにバイアスされる。しかし、以前の光電変換動作によりノードＮの電位がＶref以下であった場合、本リフレッシュ動作によりＶrefの電位にバイアスされることはない。実際の使用にあたっては、複数回の光電変換動作を過去に繰り返していれば、ノードＮは、本リフレッシュ動作により事実上Ｖref（６Ｖ）にバイアスされると言ってよい。ノードＮがＶrefにバイアスされた後に、ＳＷ−ＡをＶs側に切り替える。これにより、Ｄ電極はＶs（９Ｖ）にバイアスされる。このリフレッシュ動作により、光電変換素子のノードＮに蓄えられていたホールキャリアがＤ電極側へ一掃されたことになる。
【００１９】
次にＸ-ray照射期間について説明する。Ｘ線は図示したようにパルス状に照射する。検出体を透過したＸ線が蛍光体Ｆｌに照射され、可視光に変換される。蛍光体からの可視光は半導体層（ｉ層）に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアはノードＮに蓄積され電位を上昇させる。ＴＦＴはオフした状態なのでＧ電極側の電位も同じ分だけ上昇させる。
【００２０】
wait期間はリフレッシュ期間とＸ-ray照射期間の間に設けている。特に何かを動作させているわけではなく、リフレッシュ動作直後の暗電流などで光電変換素子の特性が不安定な状態にある場合、緩和するまでに何も動作させない待機期間である。光電変換素子がリフレッシュ動作直後に不安定な特性がない場合、特にwait期間を設ける必要はない。
【００２１】
次に転送動作の説明をする。転送動作は、ＳＷ−ＢをＶｇ（ｏｎ）側にして、ＴＦＴをオン状態にする。これによりＸ-ray照射により蓄えられたホールキャリアの量（Ｓh）に対応する電子キャリア（Ｓe）が、Ｃ2側からＴＦＴを介しＧ電極の側に流れ、それにより読み出し容量Ｃ2の電位を上昇させる。この時、ＳeとＳhの関係は、Ｓe＝Ｓh×ＣSiN／（ＣSiN＋Ｃi）である。Ｃ2の電位は同時にアンプを介し増幅して出力される。ＴＦＴは信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
【００２２】
最後にリセット動作について説明する。リセット動作はＳＷ−Ｃをオンさせ、Ｃ2をＧＮＤ電位にリセットし次回の転送動作に備える。
【００２３】
図１９は、従来の光電変換装置の２次元的回路図である。説明を簡単化するために３×３＝９画素分のみを記載してある。Ｓ1-1〜Ｓ3-3は光電変換素子、Ｔ1-1〜Ｔ3-3はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン・オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線、Ｖs線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えたり、リフレッシュバイアスを与えたりするための配線である。光電変換素子の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖs線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いＮ+層をＤ電極として利用している。Ｓ1-1〜Ｓ3-3、Ｔ1-1〜Ｔ3-3、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖs線、これらを総じて光電変換回路部と称する。
【００２４】
Ｖs線は、電源Ｖsや電源Ｖrefによりバイアスされ、それらはＶＳＣのコントロ−ル信号により切り替えられる。ＳＲ２はＧ１〜Ｇ３に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、ＴＦＴをオンさせる電圧は外部から供給する。電源Ｖｇ（ｏｎ）により決定される。読み出し用回路部は、光電変換回路部内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。
【００２５】
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３はＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はアンプＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２はＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Ａｂは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００２６】
図２０は図１９の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。図１９の光電変換装置の動作について図２０のタイムチャートを用いて説明する。制御信号ＶＳＣは、光電変換素子のＶｓ線すなわち光電変換素子のＤ電極に、２種類のバイアスを与えるためのものである。Ｄ電極は、ＶＳＣが“Ｈｉ”の時にＶref（Ｖ）になり、“Ｌｏ”の時にＶs（Ｖ）になる。読み取り用電源Ｖs（Ｖ）、リフレッシュ用電源Ｖref（Ｖ）は、それぞれ直流電源である。
【００２７】
まず、リフレッシュ期間の動作について説明する。シフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｈｉ”で、かつ読み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を“Ｈｉ”の状態にする。するとスイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）が導通し、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３も導通し、全光電変換素子のＧ電極がＧＮＤ電位になる。そしてＶＳＣ信号が“ＨＩ”になると全光電変換素子のＤ電極がリフレッシュ用電源Ｖrefにバイアスされた状態（負電位）になる。すると、全光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ3-3はリフレッシュモードになり、リフレッシュが行われる。
【００２８】
次に、光電変換期間について説明する。ＶＳＣが“Ｌｏ”の状態に切り替わり、全光電変換素子のＤ電極は読み取り用電源Ｖsにバイアスされた状態（正電位）になる。すると光電変換素子は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｌｏ”で、かつ読み出し用回路部のＣＲＥＳ信号を“Ｌｏ”の状態にする。するとスイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）がオフし、かつ読み出し用回路内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３もオフし、全光電変換素子のＧ電極は、直流的にはオープン状態になるが光電変換素子はコンデンサでもあるため電位は保持される。しかし、この時点では、光電変換素子に光は入射されていないため、電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。この状態で光源がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子のＤ電極（Ｎ+電極）に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光源については、図１９中特に記載はしていないが、例えば、複写機であれば蛍光灯、ＬＥＤ、ハロゲン灯等である。Ｘ線撮影装置であれば文字通りＸ線源であり、この場合Ｘ線可視変換用のシンチレータを用いればよい。光によって流れた光電流は電荷としてそれぞれの光電変換素子内に蓄積され、光源がオフ後も保持される。
【００２９】
次に読み出し期間について説明する。読み出し動作は、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3、次に２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3、次に３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の順で行われる。まず、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3を読み出しするためにスイッチ素子（ＴＦＴ）Ｔ1-1〜Ｔ1-3のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。この時ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されている電圧Ｖｃｏｍである。これにより、Ｔ1-1〜Ｔ1-3がオン状態になり、Ｓ1-1〜Ｓ1-3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図１９中記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量は、Ｍ１に接続されているＴ1-1〜Ｔ3-1各ＴＦＴのゲート／ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）であり、図１７におけるＣ2に相当する。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。そしてＣＲＥＳ信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＣＲＥＳ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果としてＳ1-1、Ｓ1-2、Ｓ1-3の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の読み出し動作、３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の読み出し動作も同様に行われる。
【００３０】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットしその後Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、同時に２行目の光電変換素子Ｓ2−1〜Ｓ2−3の信号電荷をＳＲ１により転送することができる。
【００３１】
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。以上述べてきたＸ線撮像装置の動作は、リフレッシュ動作を行い、Ｘ線を照射し、そして読み出し動作を行うことにより、いわば１枚の静止画像を取得するための動作である。連続した動画像を取得する場合、図２０で記載したタイムチャートで、取得したい動画の枚数分、繰り返して動作させればよい。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に画素数が多くなってきたときに動画像を得ようとした場合には、更なるフレーム周波数の改善が必要となってくる。光電変換素子のリフレッシュ動作が全光電変換素子共通のＶｓ線を介して行われる場合には、１フレ−ムに１回のリフレッシュ期間を設けることが必須となる。このことは、特に、動画画像を取得する際、フレ−ム周波数が小さくなる、すなわちスピ−ドが遅くなるという課題を有している。一般的に、胸部の単純撮影において必要とされるスペックとして、撮影領域が４０ｃｍ角以上、画素ピッチが２００μｍ以下と言われている。仮に４０ｃｍ角、２００μｍで作成した場合、光電変換素子の数は４百万個にも及ぶ。こういった大多数の画素を、一括でリフレッシュすることは、リフレッシュ時に流れる電流も大きくなるため、Ｘ線撮像装置のＧＮＤや電源ラインの電圧変動も大きくなる。要求される画像によってはこれらの変動分を緩和するまで、Ｘ線の照射までの待ち時間を設ける必要もある。図２０では記載していないが図１８におけるwait期間がそれに相当する。つまり、光電変換装置を一括でリフレッシュすることは、１フレ−ムに１回のリフレッシュ期間を設けるだけでなく、１フレ−ムに１回のwait期間をも必要となる。
【００３３】
以上述べてきたように、１枚の読み出し動作毎に、１回の全素子リフレッシュ動作を行う従来技術において動画撮影を困難にしているといった課題を有している。
【００３４】
そこで本発明は、光電変換画素を各ライン単位で順次リフレッシュしていくことによりＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、フレーム毎の待機（wait）期間を無くして、動画撮影を容易にする放射線撮像装置を提供することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明は、基板上に２次元状に配置された、それぞれＭＩＳ型光電変換素子とスイッチング素子とを含む画素の複数と、複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された制御配線の複数と、複数の前記ＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出す信号配線の複数とを備えた光電変換素子アレイと、前記スイッチング素子の導通を制御するために前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段とを有し、前記第１のバイアスは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作用のバイアスであり、前記第２のバイアスは前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する転送用のバイアスであり、共通の前記制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を、前記第２のバイアスで導通させて転送動作を行った後、該制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を前記第１のバイアスで導通させることにより１ラインごとに前記リフレッシュ動作を行うことを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、蓄積電荷をシフトレジスタにより任意の１ライン分（1行分）の信号電荷を転送した後から、次のラインの信号電荷を転送する前までの間に、その転送が終了したラインのＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュすることができる。リフレッシュは、同じシフトレジスタを用いてＴＦＴのゲート配線に高い電圧パルスを印加することにより、ＴＦＴのゲート絶縁膜の容量を介してＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュする。そして、本発明では、このリフレッシュ動作を、各ラインの走査単位で、順次行うことができる。
【００３７】
本発明では、読み取りフレームごとに全画素を一括でリフレッシュ動作を行うのではなく各ライン単位で順次リフレッシュしていくことができるため、リフレッシュされるＭＩＳ型光電変換素子の数は大変少なく１ライン分の画素数である。そのため各リフレッシュ単位で直後に流れる過渡電流の量は従来に比べて大変少なく、Ｘ線撮像装置のＧＮＤや電源ラインの電圧変動がほとんどない。その結果、１ラインごとに順次繰り返して動作させることができる。更に、フレームの読み出し走査を同様に繰り返すことにより、動画像を得ることができる。
【００３８】
こうして得られた動画像は、Ｘ線の照射までの待ち時間が少ないため動画のフレーム周波数が大きくなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、ここでは、放射線撮像装置として、従来例と同様のＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子の半導体材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用た光電変換素子アレイが形成された基板を有する装置を例に挙げて説明する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。光電変換素子は、半導体光電変換層としての水素化アモルファスシリコンなどからなるｉ層による容量成分のＣｉとアモルファス窒化シリコンなどの絶縁層（両導電型のキャリアの注入阻止層）による容量成分のＣSiNとで表記している。また、ｉ層と絶縁層との接合点（図１中のノードＮ）は、光電変換素子が飽和状態になった時、すなわちＤ電極とノードＮの間（ｉ層）に電界がない（小さい）状態になった時、光によって生成された電子とホールは再結合するために、ホールキャリアがＮ部に蓄えることが出来なくなる。つまり、ノードＮの電位はＤ電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図１ではダイオード（Ｄ１）をＣｉに並列に接続している。すなわち図１において光電変換素子をＣｉ、ＣSiN、Ｄ１の３つのコンポーネントで表している。
【００４１】
Ｖｓは光電変換素子のＤ電極にバイアスを与えるための電源である。ＴＦＴは薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor)でスイッチ素子である。Ｃ2は信号配線に付加される読み出し容量である。
【００４２】
ＦｌはＸ線波長を可視領域波長に変換するための波長変換用の蛍光体であり、直接又は間接的にＴＦＴと密着した位置に配置されている。蛍光体の母体材料にはＧｄ2Ｏ2ＳやＧｄ2Ｏ3などを用い、発光中心にはＴｂ3+やＥｕ3+など希土類元素が用いられる。またはＣｓＩ：ＴｌやＣｓＩ：Ｎａ等、ＣｓＩを母体材料に用いた蛍光体も用いられる。
【００４３】
スイッチＳＷ−ＣはＣ2をＧＮＤ電位にリセットするためのスイッチであり、ＲＣ信号により制御される。Ｖｇ（ｏｎ１）はＴＦＴをオンさせ信号電荷をＣ2に転送するための電源、Ｖｇ（ｏｎ２）は光電変換素子をリフレッシュするための電源、Ｖｇ（ｏｆｆ）はＴＦＴをオフさせるための電源である。
【００４４】
ＳＷ−ＥはＶｇ（ｏｎ１）とＶｇ（ｏｎ２）を切り替えるスイッチ、ＳＷ−ＤはＶｇ（ｏｎ１）又はＶｇ（ｏｎ２）とＶ（ｏｆｆ）とを切り替えるスイッチである。ＣｇはＴＦＴのゲート電極とドレイン電極（光電変換素子側）の間に形成される容量である。
【００４５】
図２は、図１に示される１画素分の回路動作を示すタイムチャートである。図１、図２を用いて、光電変換素子とＴＦＴで構成される１画素分の回路動作を説明する。
【００４６】
まず、Ｘ-ray照射期間について説明する。Ｘ線は図示したようにパルス状に照射する。被検体を透過したＸ線が蛍光体Ｆｌに照射され、可視光に変換される。蛍光体からの可視光は半導体層（ｉ層）に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアはｉ層と絶縁層（注入阻止層）界面に蓄えられ、ノードＮの電位を上昇させる。ＴＦＴはオフした状態なのでＧ電極側の電位も同じ分だけ上昇させる。なお、Ｘ-ray照射期間では、ＳＷ−ＤはＶ（ｏｆｆ）側に、ＳＷ−Ｃはオフしている。
【００４７】
次に転送期間について説明する。転送動作は、ＳＷ−ＤをＶｇ（ｏｆｆ）の反対側すなわちＳＷ−Ｅ側にして、ＳＷ−ＥをＶｇ（ｏｎ１）側にすることにより、ＴＦＴをオン状態にする。これによりＸ-ray照射により蓄えられたホールキャリアの量（Ｓｈ）に対応する電子キャリア（Ｓｅ）が、Ｃ2側からＴＦＴを介しＧ電極側に流れ、それにより読み出し容量Ｃ2の電位を上昇させる。この時、ＳｅとＳｈの関係は、Ｓｅ＝Ｓｈ×ＣSiN／（ＣSiN＋Ｃｉ）である。Ｃ2の電位は同時にアンプを介し増幅して出力される。ＴＦＴは信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
【００４８】
次にリフレッシュ動作について説明する。図３はノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャートである。例として、Ｖｓ＝９（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｆｆ）＝−５（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｎ１）＝１２（Ｖ）、Ｖｇ（ｏｎ２）＝３０（Ｖ）とする。
【００４９】
リフレッシュ動作は、ＳＷ−ＤをＳＷ−Ｅ側、ＳＷ−ＥをＶｇ（ｏｎ２）側、そしてＳＷ−Ｃを導通させる。ＴＦＴのゲートバイアスがＶｇ（ｏｆｆ）＝−５（Ｖ）からＶｇ（ｏｎ２）＝３０（Ｖ）に、ΔＶ＝３５Ｖの電位差を与えた場合、瞬間的に光電変換素子のＧ電極、ノードＮの電位は上昇する。これは、Ｃｇ、ＣSiN、Ｃｉの容量により３５Ｖのバイアス印加により電荷が各容量に分配される（チャージシェア）。Ｇ電極、ノードＮの電位の上昇量は、Ｃｇ、ＣSiN、Ｃｉの容量により決定されるが、ノードＮの電位は、Ｄ１により９Ｖ以上に上昇することはない。ノードＮの電位が９Ｖを上回るようなＶｇ（ｏｎ２）電圧を与えた場合、ノードＮは９Ｖを維持しながらホールキャリアがＤ電極側にリフレッシュされることになる。チャージシェアにより一度上昇したＧ電極は、その後ＴＦＴのオン抵抗Ｒｏｎと光電変換素子の容量（（ＣSiN//Ｃｉ）：ＣSiNとＣｉの直列合成容量）で決定される時定数でＧＮＤ電位に減衰する。同時にノードＮもＧ電極と同様に減衰する。ノードＮの減衰量ΔＶＮはＧ電極の減衰量ΔＶＧに対しΔＶＮ／ΔＶＧ＝ＣSiN／（ＣSiN＋Ｃｉ）となる。ノードＮの減衰量ΔＶＮは、次回の光電変換動作で蓄えられるホールキャリアの量を決定する。ノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャートを図３に示しておく。
【００５０】
最後にリセット動作について説明する。リセット動作はＳＷ−Ｃをオンさせ、Ｃ2をＧＮＤ電位にリセットし、次回の転送動作に備える。なお、図1８ではwait期間を記述しているが図２では記述していない。その理由について図３、４を用いて説明する。
【００５１】
図４は、本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換装置の２次元的回路図である。説明を簡単化するために３×３＝９画素分で記載してある。Ｓ1-1〜Ｓ3-3は光電変換素子、Ｔ1-1〜Ｔ3-3はスイッチ素子（ＴＦＴ）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線、Ｖｓ線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えるための配線である。光電変換素子の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖｓ線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いＮ+層をＤ電極として利用している。Ｓ1-1〜Ｓ3-3、Ｔ1-1〜Ｔ3-3、Ｇ１〜Ｇ３、Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて光電変換回路部と称する。Ｖｓ線は、電源Ｖsによりバイアスされる。ＳＲ１はＧ１〜Ｇ３に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、ＴＦＴをオンさせる電圧は外部から供給され、２種類の外部電源であるＶｇ（ｏｎ１）、Ｖｇ（ｏｎ２）がＳＷ−Ｅにより選択される。読み出し用回路部は、光電変換回路部内のＭ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３はＭ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３ははＭ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はＡ１〜Ａ３で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２は、Ｓｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Ａｂは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
【００５２】
図５は、図４の光電変換装置の動作を示すタイムチャートであり、２フレーム分の動作を表している。図４の光電変換装置の動作について図５のタイムチャートを用いて説明する。
【００５３】
まず、光電変換期間について説明する。全光電変換素子のＤ電極は読み取り用電源Ｖs（正電位）にバイアスされた状態にある。シフトレジスタＳＲ１の信号はすべて“Ｌｏ”であり、スイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ1-1〜Ｔ3-3）がオフしている。この状態で光源がパルス的にオンすると、それぞれの光電変換素子のＤ電極（Ｎ+電極）に光が照射され、光電変換素子のｉ層内で電子とホールのキャリアが生成される。電子はＶsによりＤ電極に移動するが、ホールは光電変換素子内のｉ層と絶縁層の界面に蓄えられ、電源がオフ後も保持される。
【００５４】
次に読み出し期間について説明する。読み出し動作は、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3、次に２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3、次に３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の順で行われる。まず、1行目のＳ1-1〜Ｓ1-3を読み出しするためにＴ1-1〜Ｔ1-3のスイッチ素子（ＴＦＴ）のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。この時ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されているＶｇ（ｏｎ１）の電圧である。これにより、Ｔ1-1〜Ｔ1-3がオン状態になり、Ｓ1-1〜Ｓ1-3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図４中記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はＴＦＴを介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば信号配線Ｍ１に付加されている読み出し容量は、Ｍ１に接続されているＴ1-1〜Ｔ3-1各ＴＦＴのゲートソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）であり、図１におけるＣ2に相当する。Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。そしてＣＲＥＳ信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＣＲＥＳ信号をオフするとともにホールドされる。次にシフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果としてＳ1-1、Ｓ1-2、Ｓ1-3の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の読み出し動作、３行目のＳ3-1〜Ｓ3-3の読み出し動作も同様に行われる。
【００５５】
１行目のＳＭＰＬ信号によりＭ１〜Ｍ３の信号をＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、Ｓ1-1〜Ｓ3-1の信号は、光電変換回路部からは出力されたことになる。従って、読み出し用回路部内でＳｒ１〜Ｓｒ３により直列変換されている最中に、光電変換回路部内のＳ1-1〜Ｓ3-1のリフレッシュ動作とＭ１〜Ｍ３のリセット動作を行うことができる。
【００５６】
Ｓ1-1〜Ｓ3-1のリフレッシュ動作は、ＣＲＥＳ信号によりＲＥＳ１〜ＲＥＳ３のスイッチを導通状態にして、ＴＦＴのゲート配線に電圧Ｖｇ（ｏｎ２）を印加する。電圧Ｖｇ（ｏｎ２）は電圧Ｖｇ（ｏｎ１）よりも、高く設定している。その後、ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３のスイッチを導通状態のまま、ＴＦＴをオフし、信号配線Ｍ１〜Ｍ３の読み出し容量をＧＮＤ電位にリセットする。Ｍ１〜Ｍ３のリセット終了後、Ｇ２のゲートパルスを印加することができる。すなわち１行目の信号をＳＲ２により直列変換動作をする間に、光電変換回路部の中で、同時に光電変換素子Ｓ1-1〜Ｓ1-3をリフレッシュし、Ｍ１〜Ｍ３をリセットし、そして２行目のＳ2-1〜Ｓ2-3の信号電荷をＳＲ１によりＭ１〜Ｍ３に転送することが可能となる。
【００５７】
以上の動作により、第１行から第３行全ての光電変換素子の信号電荷を出力することができる。
【００５８】
以上で述べた光電変換期間と読み出し期間を繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。本実施形態で示したタイムチャートが、従来例で示した図２０のタイムチャートと異なるところは、リフレッシュ期間を設けていないところであり、その分だけ動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくできるメリットがある。また、従来例では、すべての光電変換素子を一括でリフレッシュしていたため、リフレッシュ時の暗電流成分による、ＧＮＤや電源などの変動を緩和させるためのwait期間を設ける必要があった。本実施形態では、各行単位でリフレッシュしているために、一度にリフレッシュする光電変換素子の数がはるかに少ないため、特別にwait期間を設ける必要がなく、その分だけ動画のフレーム周波数を大きくできる可能性がある。
【００５９】
（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２を示すＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。図２のタイムチャートにおいてはＸ線がパルス的な照射方法であるのに対し、図６では、Ｘ線を連続して（直流的に）照射している。この場合光電変換期間とは、リフレッシュが終了してから転送を開始するまでの間である。実際の医療用Ｘ線撮像装置は（Ｎ行×Ｍ列）の多数の画素で構成されている。例えば１行目の光電変換素子にとっては、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いた、２行目からＮ行目までのＮ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。他の行の光電変換素子にとっても同様で、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いた、Ｎ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。例えば１００行目の光電変換素子にとっては、１０１行目からＮ行目までの読み出し期間と次フレームにおける１行目から９９行目までの読み出し期間の合計、すなわちＮ−１行分の読み出し期間が、実質上光電変換期間となる。つまりＸ線を直流的に照射した本実施形態では、光電変換期間が２フレーム分にまたがってしまうが、光電変換期間はすべて同じになり、何ら特異なことは生じない。
【００６０】
本実施形態においては、Ｘ線照射期間すなわち図２あるいは図５における光電変換期間が省けるために動画のフレームレートを更に大きくできるメリットがある。また、パルス照射方法に比べ、Ｘ線の強度を弱くすることができるためＸ線源の管球や電源への負担を軽減できるメリットがある。
【００６１】
（実施形態３）
図７は本発明の実施形態３を示すＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。図６のタイムチャートにおいては光電変換素子をリフレッシュしてからその後Ｍ１〜Ｍ３のリセットするのに対し、図７では、光電変換素子のリフレッシュ動作とＭ１〜Ｍ３のリセット動作を同時に行っている。
【００６２】
リフレッシュ動作、リセット動作ともにＣＲＥＳ制御信号（ＲＣ制御信号）により図１におけるスイッチＳＷ−Ｃ、図４におけるスイッチＲＥＳ１〜ＲＥＳ３を導通状態にすることが必要条件であるために、リフレッシュ動作とリセット動作を同時に行うことができる。本実施形態においてもＸ線は直流的に照射しているため実施形態２と同様、自らの光電変換素子の転送、リフレッシュ、リセットを除いたＮ−１行分の読み出し期間が、実質上の光電変換期間となる。
【００６３】
本実施形態においては、図６におけるリセット期間が省けるために、実施形態２に比べて、動画のフレームレートを更に大きくできるメリットがある。また実施形態２と同様に、実施形態１に比べてＸ線の強度を弱くすることができるためＸ線源の管球や電源への負担を軽減できるメリットがある。
【００６４】
（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。図１の回路図においては光電変換素子のＤ電極を一定の電圧Ｖｓでバイアスしているのに対し、図８では、電圧Ｖｓと電圧ＶrefをスイッチＳＷ−Ｆにより切り替え可能にしている。本実施形態の特徴は、光電変換素子のリフレッシュ動作をさせるための印加電圧を、Ｇ電極側から与えるかＤ電極側から与えるかを選択できる点にある。例えば、１枚の静止画像を取得する場合は、Ｄ電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法すなわち図１８のタイムチャートで動作させ、一方、複数枚の静止画像を取得する場合は、Ｇ電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法すなわち図２で示すタイムチャートで動作させる。本実施形態では、ひとつのＸ線撮像装置で、従来の静止画像を撮影するモード（撮影モードまたは静止画モード）と、動画の画像を取得するモード（透視モードまたは動画モード）の両方の撮影が可能となる。
【００６５】
図９は、本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の２次元的回路図である。図９の回路図において、図４と異なる点は、センサのバイアスラインをＶs電圧とＶref電圧をＶＳＣ制御信号により切り替え可能にしていることである。図１０は透視モード（動画モード）から撮影モード（静止画モード）へ遷移し、撮影を行うタイミングチャートの略図である。また、図１１は、透視モードにおける図９の回路図の動作を示すタイミングチャートである。つまり透視モードにおいては、図１０のタイミング動作を繰り返している。この期間、撮影者は、静止画像を撮影のための被写体（患者）の位置や角度を決めるために、患者の透視画像をモニターしている。一般的にこの期間中のＸ線量は弱めに照射している。撮影者が、装置に曝射要求信号（静止画像を撮影する意思信号）を発令すると、透視モードから撮影モードに遷移する。撮影モードにおける動作タイミングは図２０で示されるタイミングチャートと同じである。
【００６６】
また透視モードと撮影モードの流れは、図１０に示すのように撮影モードが１回だけとは限らず、撮影する被写体の撮影構図に応じ、透視モード→撮影モード→透視モード→撮影モード・・・と繰り返してもよい。
【００６７】
図１２は、図１０の透視モードにおけるタイミングチャートが、図１１とは異なる例である。図１１との違いは、Ｘ線をパルス状に照射させないことである。こうすることにより、読み出し期間と光電変換期間を同時に行うことができるため、透視モードにおける動作周波数を大きくできる長所がある。またＸ線をパルス状に動作させないため、Ｘ線発生源に対する負荷を軽減できる長所もある。
【００６８】
本発明を透視装置に応用した場合において、透視モードにおいてはＴＦＴのゲートからのリフレッシュを行いながら連続画像を取得し、透視によって位置決めが完了し静止画撮影モードに遷移した際には、ＳＷ−Ｆからのリフレッシュを行うことによって高いＳＮの静止画像を得るよう構成することができる。つまり、一般にＴＦＴ側からのリフレッシュよりもＳＷ−Ｆ側からのリフレッシュの方が、リフレッシュ効率が高く，Ｓ／Ｎもよい。Ｓ／Ｎが比較的悪くてもよい透視位置決め画像を撮影する際にＴＦＴのゲートからのリフレッシュを採用し、Ｓ／Ｎが高く高画質を要求される静止画撮影する際には、ＳＷ−Ｆ側からのリフレッシュを採用することは理にかなっている。
【００６９】
（実施形態５）
図１３は、本発明による放射線撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示したものである。
【００７０】
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、放射線撮像装置（イメージセンサ）６０４０に入射する。この入射したＸ線には被験者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によって可視光に変換し、これを光電変換して、電気信号を得る。この電気信号はディジタル変換されイメージプロセッサ６０７０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。
【００７１】
また、この画像情報は電話回線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６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
【００７２】
以上の実施形態では、Ｘ線撮像システムを例に説明したが、α，β，γ線等の放射線を光に変換し、この光を光電変換する装置構成としても、同様である。
【００７３】
また、本発明の光電変換素子アレイは、通常の可視光や赤外光を検出する撮像装置に用いることもできる。
【００７４】
本発明に用いることができるスイッチ素子としては、水素化アモルファスシリコンなどの非単結晶半導体を用いてチャネル領域を形成した薄膜トランジスタが好ましく用いられ、その形態は下ゲートスタガー型に限定されることはなく、上ゲートスタガー型、上ゲートコプラナー型などであってもよい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放射線撮像装置によれば、光電変換画素を各ライン単位で順次リフレッシュしていくことができ、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、フレーム毎のwait期間を無くしたので、従来にない高速のＸ線動画撮影が達成できる。しかも、アモルファスシリコン半導体を主材料に用いれば、光電変換素子とスイッチ素子を同一基板上に、同時に成膜するといった非常に簡単なプロセスで作成できるため、歩留まりもよく、非常に安価なＸ線撮像装置を提供できる。しかも得られた動画像は、光電変換された電気信号として取り出せるためディジタル化が容易である。ディジタル情報は記録、表示、診断の面で、アナログ情報を扱う場合と比べて、非常に時間的にもコスト的にも効率が高くなる効果がある。そして、将来の高齢化社会、ＩＴ社会の中で、現在より更に質の高い医療環境を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図
【図２】図１に示される１画素分の回路動作を示すタイムチャート
【図３】図１のリフレッシュ期間における光電変換素子のノードＮとＧ電極およびＴＦＴのゲート電極の電位を表すタイムチャート
【図４】本発明の実施形態１を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換装置の２次元的回路図
【図５】図４の光電変換装置の動作を示すタイムチャート
【図６】本発明の実施形態２を示すＸ線撮像装置の駆動を示すタイムチャート
【図７】本発明の実施形態３を示すＸ線撮像装置の駆動を示すタイムチャート
【図８】本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図
【図９】本発明の実施形態４を示すＸ線撮像装置に含まれる光電変換回路部の２次元的回路図
【図１０】実施形態４を示す透視モードと撮影モードの動作タイミングの略図
【図１１】図１０における透視モードのタイミングチャート
【図１２】図１０における透視モードの他のタイミングチャート
【図１３】本発明による放射線撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示す図
【図１４】光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図
【図１５】図１４のＡ−Ｂでの断面図
【図１６】図１４，１５における光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図
【図１７】光電変換素子とＴＦＴで構成される従来の光電変換回路の１画素分の回路図
【図１８】図１７に示される１画素分の回路の動作を示すタイムチャート
【図１９】従来の光電変換装置の２次元的回路図
【図２０】従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャート
【符号の説明】
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ａｂ バッファアンプ
Ｆｌ Ｘ線を可視光に変換する蛍光体
Ｇ１〜Ｇ３ ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３ マトリクス信号配線
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３ Ｍ１〜Ｍ３に形成される負荷容量をリセットするスイッチ
Ｓ1-1〜Ｓ3-3 光電変換素子
Ｔ1-1〜Ｔ3-3 スイッチ素子
Ｓｎ１〜Ｓｎ３ 読み出し容量に信号を転送するための転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３ 読み出し容量の信号を順次読み出すための読み出し用スイッチ
ＳＲ１ シフトレジスタ（スイッチ素子用）
ＳＲ２ シフトレジスタ（読み出しスイッチ用）
Ｖref 光電変換素子のリフレッシュ電源
Ｖs 光電変換素子のバイアス電源
１０１ 光電変換素子
１０２ スイッチ素子（ＴＦＴ）
１０３ 絶縁基板
１０４ 第１の金属薄膜層
１０５ 第２の金属薄膜層
１０６ ゲート駆動用配線
１０７ マトリクス信号配線
１１０ コンタクトホール部
１１１ ａ−ＳｉＮ絶縁薄膜層
１１２ ａ−Ｓｉ半導体薄膜層
１１３ Ｎ+層
１１４ 配線クロス部
１１５ 保護膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiation imaging apparatus suitable for use in medical diagnosis and industrial nondestructive inspection. In this specification, it is assumed that electromagnetic waves such as X-rays and γ rays, α rays, and β rays are included in the radiation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an X-ray imaging system installed in a hospital or the like has a film imaging system in which a patient is irradiated with X-rays and X-rays transmitted through the patient are exposed on a film, and X-rays transmitted through the patient are converted into electrical signals. There is an image processing system that performs digital image processing after conversion.
[0003]
One of the image processing methods is a radiation imaging apparatus including a phosphor that converts X-rays into visible light and a photoelectric conversion device that converts visible light into electric signals. X-rays transmitted through the patient are irradiated onto the phosphor, and the in-vivo information of the patient converted into visible light there is output as an electrical signal by the photoelectric conversion device. If converted into an electric signal, it is converted into an digital signal by an AD converter, and X-ray image information for recording, display, printing, diagnosis, etc. can be handled as a digital value.
[0004]
Recently, a radiation imaging apparatus using an amorphous silicon semiconductor thin film for a photoelectric conversion device has been put into practical use.
[0005]
FIG. 14 is a top view of a conventional photoelectric conversion substrate configured by using an amorphous silicon semiconductor thin film as the material of the MIS type photoelectric conversion element and the switch element, and includes wirings for connecting them. FIG. 15 shows a cross section taken along AB in FIG. In the following description, for the sake of simplicity, the MIS photoelectric conversion element is simply referred to as a photoelectric conversion element.
[0006]
The
[0007]
If the configuration as shown in FIG. 14 using an amorphous silicon semiconductor as a main material is used, a photoelectric conversion element, a switch element, a gate driving wiring, and a matrix signal wiring can be simultaneously manufactured on the same substrate, and a large area is obtained. This photoelectric conversion circuit portion can be provided easily and inexpensively.
[0008]
Next, device operation of a single photoelectric conversion element will be described. FIGS. 16A to 16C are energy band diagrams for explaining the device operation of the photoelectric conversion elements of FIGS.
[0009]
FIGS. 16A and 16B show the operation in the refresh mode and the photoelectric conversion mode, respectively, and show the state in the film thickness direction of each layer shown in FIG. M1 is a lower electrode (G electrode) formed of a first metal thin film layer (for example, Cr). The amorphous silicon nitride (a-SiNx) layer is an insulating layer that blocks the passage of both electrons and holes, and needs to have a thickness that does not cause a tunnel effect, and is usually set to 500 angstroms or more. The hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) layer is a photoelectric conversion semiconductor layer formed by an intrinsic semiconductor layer (i layer) not intentionally doped with a dopant. N + The layer is a single conductivity type carrier injection blocking layer made of a non-single-crystal semiconductor such as an N-type a-Si: H layer formed to prevent hole injection into the a-Si: H layer. M2 is an upper electrode (D electrode) formed of a second metal thin film layer (for example, Al).
[0010]
In FIG. 14, the D electrode is N + The layer is not completely covered, but the D electrode and N + Since electrons move freely between the layers, the D electrode and N + The layers are always at the same potential, which is assumed in the following description.
[0011]
This photoelectric conversion element has two types of operation modes, a refresh mode and a photoelectric conversion mode, depending on how the voltage is applied to the D electrode and the G electrode.
[0012]
In FIG. 16A showing the refresh mode, the D electrode is given a negative potential with respect to the G electrode, and the holes indicated by black circles in the i layer are guided to the D electrode by an electric field. At the same time, electrons indicated by white circles are injected into the i layer. At this time, some holes and electrons are N + Recombination and disappear in layers i and i. If this state continues for a sufficiently long time, the holes in the i layer are swept out of the i layer.
[0013]
In order to change from this state to FIG. 16B showing the photoelectric conversion mode, a positive potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode. Then, the electrons in the i layer are instantaneously guided to the D electrode. But Hall is N + Since the layer acts as an injection blocking layer, it is not led to the i layer. When light is incident on the i layer in this state, the light is absorbed and an electron hole pair is generated. The electrons are guided to the D electrode by an electric field, and the holes move in the i layer and reach the interface between the i layer and the a-SiNx insulating layer. However, since it cannot move into the insulating layer, it remains in the i layer. At this time, electrons move to the D electrode and holes move to the interface of the insulating layer in the i layer, so that a current flows from the G electrode in order to maintain electrical neutrality in the photoelectric conversion element. This current is proportional to the incident light because it corresponds to the electron-hole pair generated by the light. After maintaining the state of photoelectric conversion mode in FIG. 16B for a certain period and then entering the state of FIG. 16A in refresh mode again, the holes remaining in the i layer are led to the D electrode as described above. At the same time, a current corresponding to this hole flows. The amount of holes corresponds to the total amount of light incident during the photoelectric conversion mode period. At this time, a current corresponding to the amount of electrons injected into the i layer also flows, but since this amount is approximately constant, it may be detected by subtracting. That is, this photoelectric conversion element outputs the amount of light incident in real time, and at the same time can detect the total amount of light incident during a certain period.
[0014]
However, when the period of the photoelectric conversion mode becomes longer for some reason or when the illuminance of incident light is strong, current may not flow even though light is incident. This is because a large number of holes remain in the i layer as shown in FIG. 16C, and the electric field in the i layer is reduced due to these holes, and the generated electrons are not guided and recombined with the holes in the i layer. Because. This state is referred to as a saturated state of the photoelectric conversion element. If the light incident state changes in this state, the current may flow in an unstable manner. However, if the refresh mode is set again, the holes in the i layer are swept away and the current proportional to the light is again used in the next photoelectric conversion mode. Flows.
[0015]
In the above description, when sweeping out the holes in the i layer in the refresh mode, it is ideal to sweep all the holes, but it is effective only by sweeping out some holes, and the same current as the above can be obtained. ,No problem. That is, it is sufficient that the detection state in the next photoelectric conversion mode does not reach the saturation state of FIG. 16C, the potential of the D electrode with respect to the G electrode in the refresh mode, the refresh mode period, and N + What is necessary is just to determine the characteristic of the injection | pouring prevention layer of a layer. Further, in the refresh mode, injection of electrons into the i layer is not a necessary condition, and the potential of the D electrode with respect to the G electrode is not limited to negative. This is because when many holes remain in the i layer, the electric field in the i layer is applied in the direction leading the holes to the D electrode even if the potential of the D electrode with respect to the G electrode is a positive potential. N, which is an injection blocking layer + Similarly, it is not a necessary condition for the characteristics of the layer that electrons can be injected into the i layer.
[0016]
FIG. 17 shows a circuit for one pixel of a conventional photoelectric conversion circuit including a photoelectric conversion element and a TFT. In FIG. 17, the photoelectric conversion element includes a capacitance component Ci consisting of an i layer and a capacitance component C consisting of an injection blocking layer. SiN It is written with. Further, the junction point (node N in FIG. 17) between the i layer and the injection blocking layer has no electric field when the photoelectric conversion element is saturated, that is, between the D electrode and the node N (i layer) ( When the (small) state is reached, electrons and holes generated by light recombine, so that hole carriers cannot be stored in the N part. That is, the potential of the node N does not become higher than the potential of the D electrode. In order to realize the operation in this saturation state, a diode (D1) is connected in parallel with Ci in FIG. That is, in FIG. SiN , D1.
[0017]
FIG. 18 is a time chart showing the operation of the circuit for one pixel shown in FIG. The circuit operation for one pixel composed of the photoelectric conversion element and the TFT will be described with reference to FIGS.
[0018]
First, the refresh operation will be described. Vs is 9V and Vref is 3V. In the refresh operation, the switch SW-A is set to Vref, the switch SW-B is set to Vg (on), and the switch SW-C is turned on. In this state, the D electrode is biased to Vref (6 V), the G electrode is biased to the GND potential, and the node N is biased to the maximum Vref (6 V). The maximum is that when the potential of the node N has already been accumulated to a potential equal to or higher than Vref by the photoelectric conversion operation prior to the current refresh operation, it is biased to Vref via D1. However, when the potential of the node N is equal to or lower than Vref due to the previous photoelectric conversion operation, the refresh operation is not biased to the potential of Vref. In actual use, if a plurality of photoelectric conversion operations have been repeated in the past, it can be said that the node N is effectively biased to Vref (6 V) by this refresh operation. After node N is biased to Vref, SW-A is switched to the Vs side. As a result, the D electrode is biased to Vs (9 V). By this refresh operation, the hole carriers stored in the node N of the photoelectric conversion element are wiped out to the D electrode side.
[0019]
Next, the X-ray irradiation period will be described. X-rays are irradiated in pulses as shown. X-rays that have passed through the detector are irradiated onto the phosphor Fl and converted into visible light. Visible light from the phosphor is irradiated to the semiconductor layer (i layer) and subjected to photoelectric conversion. The hole carriers generated by the photoelectric conversion are accumulated at the node N and raise the potential. Since the TFT is in an off state, the potential on the G electrode side is also increased by the same amount.
[0020]
The wait period is provided between the refresh period and the X-ray irradiation period. In particular, something is not operated, and when the characteristics of the photoelectric conversion element are unstable due to dark current immediately after the refresh operation or the like, this is a standby period in which nothing is operated until relaxation. When the photoelectric conversion element does not have an unstable characteristic immediately after the refresh operation, it is not necessary to provide a wait period.
[0021]
Next, the transfer operation will be described. In the transfer operation, SW-B is set to Vg (on) side, and the TFT is turned on. As a result, the amount of hole carriers stored by X-ray irradiation (S h ) Electron carrier (S e ) Flows from the C2 side to the G electrode side via the TFT, thereby raising the potential of the read capacitor C2. At this time, S e And S h The relationship of S e = S h × C SiN / (C SiN + C i ). The potential of C2 is simultaneously amplified through an amplifier and output. The TFT is turned on for a time sufficient to sufficiently transfer the signal charge, and then turned off.
[0022]
Finally, the reset operation will be described. The reset operation turns on SW-C and resets C2 to the GND potential to prepare for the next transfer operation.
[0023]
FIG. 19 is a two-dimensional circuit diagram of a conventional photoelectric conversion device. In order to simplify the explanation, only 3 × 3 = 9 pixels are shown. S1-1 to S3-3 are photoelectric conversion elements, T1-1 to T3-3 are switching elements (TFTs), G1 to G3 are gate wirings for turning on / off the TFTs, M1 to M3 are signal wirings, and Vs lines Is a wiring for applying a storage bias or a refresh bias to the photoelectric conversion element. The electrode on the black side of the photoelectric conversion element is a G electrode, and the opposite side is a D electrode. The D electrode is shared with a part of the Vs line, but it is thin N for convenience of light incidence. + The layer is used as the D electrode. S1-1 to S3-3, T1-1 to T3-3, G1 to G3, M1 to M3, Vs lines, and these are collectively referred to as a photoelectric conversion circuit unit.
[0024]
The Vs line is biased by the power supply Vs and the power supply Vref, and they are switched by the VSC control signal. SR2 is a shift register that applies a driving pulse voltage to G1 to G3, and a voltage for turning on the TFT is supplied from the outside. It is determined by the power supply Vg (on). The reading circuit unit amplifies the parallel signal outputs of M1 to M3 in the photoelectric conversion circuit unit, converts them in series, and outputs them.
[0025]
RES1 to RES3 are switches that reset M1 to M3, A1 to A3 are amplifiers that amplify the signals of M1 to M3, CL1 to CL3 are sample and hold capacitors that temporarily store the signals amplified by the amplifiers A1 to A3, Sn1 ~ Sn3 is a switch for sample and hold, B1 to B3 are buffer amplifiers, Sr1 to Sr3 are switches for serial conversion of parallel signals, SR2 is a shift register that gives a pulse for serial conversion to Sr1 to Sr3, Ab is This is a buffer amplifier that outputs a serially converted signal.
[0026]
FIG. 20 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. The operation of the photoelectric conversion device in FIG. 19 will be described with reference to the time chart in FIG. The control signal VSC is for applying two types of bias to the Vs line of the photoelectric conversion element, that is, the D electrode of the photoelectric conversion element. The D electrode becomes Vref (V) when VSC is “Hi”, and becomes Vs (V) when “Lo”. The reading power source Vs (V) and the refreshing power source Vref (V) are each a DC power source.
[0027]
First, the operation during the refresh period will be described. All signals of the shift register SR1 are set to “Hi”, and the CRES signal of the reading circuit portion is set to “Hi”. Then, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned on, and the switch elements RES1 to RES3 in the reading circuit are also turned on, so that the G electrodes of all the photoelectric conversion elements become the GND potential. When the VSC signal becomes “HI”, the D electrodes of all the photoelectric conversion elements are biased to the refresh power source Vref (negative potential). Then, all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are in the refresh mode, and refresh is performed.
[0028]
Next, the photoelectric conversion period will be described. VSC is switched to the “Lo” state, and the D electrodes of all the photoelectric conversion elements are biased to the reading power source Vs (positive potential). Then, the photoelectric conversion element enters a photoelectric conversion mode. In this state, all the signals of the shift register SR1 are set to “Lo”, and the CRES signal of the reading circuit section is set to “Lo”. Then, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned off, and the switch elements RES1 to RES3 in the readout circuit are also turned off, and the G electrodes of all the photoelectric conversion elements are in an open state in terms of DC. However, since the photoelectric conversion element is also a capacitor, the potential is maintained. However, at this time, since no light is incident on the photoelectric conversion element, no charge is generated. That is, no current flows. In this state, when the light source is turned on in a pulsed manner, the D electrodes (N + The electrode is irradiated with light, and so-called photocurrent flows. The light source is not particularly described in FIG. 19, but for example, in the case of a copying machine, it is a fluorescent lamp, an LED, a halogen lamp, or the like. An X-ray imaging apparatus is literally an X-ray source. In this case, a scintillator for X-ray visible conversion may be used. The photocurrent flowing by the light is accumulated in each photoelectric conversion element as an electric charge, and is retained even after the light source is turned off.
[0029]
Next, the reading period will be described. The read operation is performed in the order of S1-1 to S1-3 in the first row, then S2-1 to S2-3 in the second row, and then S3-1 to S3-3 in the third row. First, in order to read S1-1 to S1-3 in the first row, a gate pulse is applied from SR1 to the gate wiring G1 of the switch elements (TFT) T1-1 to T1-3. At this time, the high level of the gate pulse is the voltage Vcom supplied from the outside. As a result, T1-1 to T1-3 are turned on, and the signal charges accumulated in S1-1 to S1-3 are transferred to the signal wirings M1 to M3. Although not specifically shown in FIG. 19, a read capacitor is added to the signal wirings M1 to M3, and the signal charge is transferred to the read capacitor via the TFT. For example, the readout capacitance added to the signal wiring M1 is the sum (for three) of the interelectrode capacitance (Cgs) between the gates / sources of the TFTs T1-1 to T3-1 connected to M1, This corresponds to C2 in FIG. The signal charges transferred to M1 to M3 are amplified by the amplifiers A1 to A3. When the CRES signal is turned on, the CRES signal is transferred to the sample hold capacitors CL1 to CL3, and the CRES signal is turned off and held. Next, by applying pulses from the shift register SR2 in the order of the switches Sr1, Sr2, and Sr3, signals held in the CL1 to CL3 are output from the amplifier Ab in the order of CL1, CL2, and CL3. As a result, photoelectric conversion signals for one row of S1-1, S1-2, and S1-3 are sequentially output. The read operation of S2-1 to S2-3 in the second row is performed in the same manner as the read operation of S3-1 to S3-3 in the third row.
[0030]
If the signals M1 to M3 are sampled and held in CL1 to CL3 by the SMPL signal in the first row, M1 to M3 can be reset to the GND potential by the CRES signal, and then the G2 gate pulse can be applied. That is, the signal charges of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row can be simultaneously transferred by SR1 while the signal in the first row is subjected to serial conversion operation by SR2.
[0031]
With the above operation, the signal charges of the photoelectric conversion elements in all the first to third rows can be output. The operation of the X-ray imaging apparatus described above is an operation for acquiring a single still image by performing a refresh operation, irradiating X-rays, and performing a read operation. When acquiring continuous moving images, the operation may be repeated for the number of moving images to be acquired in the time chart shown in FIG.
[0032]
[Problems to be solved by the invention]
However, when trying to obtain a moving image especially when the number of pixels increases, it is necessary to further improve the frame frequency. When the refresh operation of the photoelectric conversion elements is performed via the Vs line common to all the photoelectric conversion elements, it is essential to provide one refresh period per frame. This has a problem that the frame frequency becomes small, that is, the speed becomes slow, especially when a moving image is acquired. In general, it is said that the specs required for simple imaging of the chest are an imaging area of 40 cm square or more and a pixel pitch of 200 μm or less. If it is created with a 40 cm square and 200 μm, the number of photoelectric conversion elements reaches 4 million. Refreshing the majority of these pixels at once increases the current that flows during the refresh, and therefore the voltage fluctuations in the GND and power supply line of the X-ray imaging apparatus also increase. Depending on the required image, it is necessary to provide a waiting time until X-ray irradiation until these fluctuations are alleviated. Although not shown in FIG. 20, the wait period in FIG. 18 corresponds to this. That is, refreshing the photoelectric conversion devices collectively requires not only one refresh period per frame, but also one wait period per frame.
[0033]
As described above, there is a problem in that it is difficult to shoot moving images in the conventional technique in which one full-element refresh operation is performed for each readout operation.
[0034]
Therefore, the present invention suppresses the voltage fluctuation of the GND and the power supply line by sequentially refreshing the photoelectric conversion pixels for each line, eliminates the wait period for each frame, and facilitates radiographic imaging. An object is to provide an apparatus.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention is connected to a plurality of pixels each including a MIS photoelectric conversion element and a switching element, two-dimensionally arranged on a substrate, and a plurality of control electrodes of the switching elements. A photoelectric conversion element array including a plurality of control wirings and a plurality of signal wirings for reading signals from the plurality of MIS photoelectric conversion elements, and the switching element for controlling conduction of the switching elements. Bias switching means for switching the bias applied to the control electrode to at least a first bias or a second bias, and the first bias is a carrier remaining in the MIS photoelectric conversion element. For the refresh operation, and the second bias is a signal charge stored in the MIS photoelectric conversion element. Bias der for the transfer to be transferred to the signal line A plurality of the switching elements connected to the common control wiring are conducted with the second bias to perform a transfer operation, and then the plurality of switching elements connected to the control wiring are The refresh operation is performed for each line by conducting with a first bias. It is characterized by that.
[0036]
According to the present invention, the transfer of the accumulated charge is completed after the signal charge of any one line (one row) is transferred by the shift register and before the signal charge of the next line is transferred. It is possible to refresh the MIS photoelectric conversion element in the line. In the refresh, the MIS type photoelectric conversion element is refreshed through the capacitance of the gate insulating film of the TFT by applying a high voltage pulse to the gate wiring of the TFT using the same shift register. In the present invention, this refresh operation can be sequentially performed in units of scanning of each line.
[0037]
In the present invention, since all the pixels can be refreshed sequentially for each line instead of performing the refresh operation all at once for each reading frame, the number of MIS photoelectric conversion elements to be refreshed is very small and is equivalent to one line. The number of pixels. Therefore, the amount of transient current that flows immediately after each refresh unit is very small compared to the conventional case, and there is almost no voltage fluctuation in the GND or power supply line of the X-ray imaging apparatus. As a result, the operation can be repeated sequentially for each line. Furthermore, a moving image can be obtained by repeating the frame reading scanning in the same manner.
[0038]
Since the moving image obtained in this way has a small waiting time until X-ray irradiation, the frame frequency of the moving image becomes large.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, as an example of the radiation imaging apparatus, an apparatus having a substrate in which a photoelectric conversion element array using an amorphous silicon semiconductor thin film as a semiconductor material of a MIS type photoelectric conversion element and a switch element similar to the conventional example is formed. I will explain.
[0040]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for one pixel of an X-ray imaging
[0041]
Vs is a power source for applying a bias to the D electrode of the photoelectric conversion element. The TFT is a thin film transistor and is a switch element. C2 is a read capacitor added to the signal wiring.
[0042]
Fl is a wavelength converting phosphor for converting an X-ray wavelength into a visible region wavelength, and is disposed at a position in close contact with the TFT directly or indirectly. Gd is the base material of the phosphor 2 O 2 S or Gd 2 O Three Etc., and the emission center is Tb 3+ And Eu 3+ Rare earth elements are used. Alternatively, a phosphor using CsI as a base material such as CsI: Tl or CsI: Na is also used.
[0043]
The switch SW-C is a switch for resetting C2 to the GND potential, and is controlled by an RC signal. Vg (on1) is a power source for turning on the TFT and transferring the signal charge to C2, Vg (on2) is a power source for refreshing the photoelectric conversion element, and Vg (off) is a power source for turning off the TFT.
[0044]
SW-E is a switch for switching between Vg (on1) and Vg (on2), and SW-D is a switch for switching between Vg (on1) or Vg (on2) and V (off). Cg is a capacitance formed between the gate electrode and the drain electrode (photoelectric conversion element side) of the TFT.
[0045]
FIG. 2 is a time chart showing the circuit operation for one pixel shown in FIG. A circuit operation for one pixel including a photoelectric conversion element and a TFT will be described with reference to FIGS.
[0046]
First, the X-ray irradiation period will be described. X-rays are irradiated in pulses as shown. X-rays that have passed through the subject are irradiated onto the phosphor Fl and converted into visible light. Visible light from the phosphor is irradiated to the semiconductor layer (i layer) and subjected to photoelectric conversion. The hole carriers generated by the photoelectric conversion are stored at the interface between the i layer and the insulating layer (injection blocking layer) and raise the potential of the node N. Since the TFT is in an off state, the potential on the G electrode side is also increased by the same amount. In the X-ray irradiation period, SW-D is on the V (off) side and SW-C is off.
[0047]
Next, the transfer period will be described. In the transfer operation, the TFT is turned on by setting SW-D to the opposite side of Vg (off), that is, the SW-E side, and SW-E to the Vg (on1) side. As a result, electron carriers (Se) corresponding to the amount (Sh) of hole carriers stored by X-ray irradiation flow from the C2 side to the G electrode side via the TFT, thereby increasing the potential of the read capacitor C2. At this time, the relationship between Se and Sh is Se = Sh × C SiN / (C SiN + Ci). The potential of C2 is simultaneously amplified through an amplifier and output. The TFT is turned on for a time sufficient to sufficiently transfer the signal charge, and then turned off.
[0048]
Next, the refresh operation will be described. FIG. 3 is a time chart showing potentials of the node N, the G electrode, and the gate electrode of the TFT. For example, Vs = 9 (V), Vg (off) = − 5 (V), Vg (on1) = 12 (V), and Vg (on2) = 30 (V).
[0049]
In the refresh operation, SW-D is turned on by SW-E, SW-E is turned on by Vg (on 2), and SW-C is turned on. When the gate bias of the TFT gives a potential difference of ΔV = 35V from Vg (off) = − 5 (V) to Vg (on2) = 30 (V), the G electrode of the photoelectric conversion element and the node N The potential rises. This is Cg, C SiN The charge is distributed to each capacitor by applying a bias of 35 V by the capacitor of Ci (charge share). The amount of increase in the potential of the G electrode and the node N is Cg, C SiN , Ci is determined by the capacitance, but the potential of the node N does not rise above 9V by D1. When a Vg (on2) voltage is applied such that the potential of the node N exceeds 9V, the hole carriers are refreshed to the D electrode side while maintaining the node N at 9V. The G electrode once increased by the charge share is then applied to the on-resistance Ron of the TFT and the capacitance of the photoelectric conversion element ((C SiN // Ci): C SiN Is attenuated to the GND potential with a time constant determined by a serial combined capacity of C and Ci. At the same time, the node N attenuates in the same manner as the G electrode. The attenuation amount ΔVN of the node N is ΔVN / ΔVG = C with respect to the attenuation amount ΔVG of the G electrode. SiN / (C SiN + Ci). The attenuation amount ΔVN of the node N determines the amount of hole carriers stored in the next photoelectric conversion operation. A time chart showing the potentials of the node N, the G electrode, and the gate electrode of the TFT is shown in FIG.
[0050]
Finally, the reset operation will be described. The reset operation turns on SW-C, resets C2 to the GND potential, and prepares for the next transfer operation. In FIG. 18, the wait period is described, but not illustrated in FIG. The reason will be described with reference to FIGS.
[0051]
FIG. 4 is a two-dimensional circuit diagram of the photoelectric conversion device included in the X-ray imaging
[0052]
FIG. 5 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 4 and shows the operation for two frames. The operation of the photoelectric conversion device in FIG. 4 will be described with reference to the time chart in FIG.
[0053]
First, the photoelectric conversion period will be described. The D electrodes of all the photoelectric conversion elements are biased to the reading power source Vs (positive potential). All the signals of the shift register SR1 are “Lo”, and all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are off. In this state, when the light source is turned on in a pulsed manner, the D electrodes (N + Electrode) is irradiated with light, and electrons and hole carriers are generated in the i layer of the photoelectric conversion element. Electrons move to the D electrode by Vs, but holes are stored at the interface between the i layer and the insulating layer in the photoelectric conversion element, and are retained even after the power is turned off.
[0054]
Next, the reading period will be described. The read operation is performed in the order of S1-1 to S1-3 in the first row, then S2-1 to S2-3 in the second row, and then S3-1 to S3-3 in the third row. First, in order to read S1-1 to S1-3 in the first row, a gate pulse is applied from SR1 to the gate wiring G1 of the switching elements (TFTs) of T1-1 to T1-3. At this time, the high level of the gate pulse is the voltage of Vg (on1) supplied from the outside. As a result, T1-1 to T1-3 are turned on, and the signal charges accumulated in S1-1 to S1-3 are transferred to the signal wirings M1 to M3. Although not specifically shown in FIG. 4, a read capacitor is added to the signal wirings M1 to M3, and the signal charge is transferred to the read capacitor via the TFT. For example, the readout capacitance added to the signal wiring M1 is the sum (three) of the interelectrode capacitance (Cgs) between the gate and source of each TFT T1-1 to T3-1 connected to M1. 1 corresponds to C2. The signal charges transferred to M1 to M3 are amplified by the amplifiers A1 to A3. When the CRES signal is turned on, the CRES signal is transferred to the sample hold capacitors CL1 to CL3, and the CRES signal is turned off and held. Next, by applying pulses from the shift register SR2 in the order of the switches Sr1, Sr2, and Sr3, signals held in the CL1 to CL3 are output from the amplifier Ab in the order of CL1, CL2, and CL3. As a result, photoelectric conversion signals for one row of S1-1, S1-2, and S1-3 are sequentially output. The read operation of S2-1 to S2-3 in the second row is performed in the same manner as the read operation of S3-1 to S3-3 in the third row.
[0055]
If the signals M1 to M3 are sampled and held in CL1 to CL3 by the SMPL signal in the first row, the signals S1-1 to S3-1 are output from the photoelectric conversion circuit unit. Therefore, during the serial conversion by Sr1 to Sr3 in the readout circuit unit, the refresh operation of S1-1 to S3-1 and the reset operation of M1 to M3 in the photoelectric conversion circuit unit can be performed.
[0056]
In the refresh operation of S1-1 to S3-1, the switches RES1 to RES3 are turned on by the CRES signal, and the voltage Vg (on2) is applied to the gate wiring of the TFT. The voltage Vg (on2) is set higher than the voltage Vg (on1). Thereafter, the TFTs are turned off while the switches of RES1 to RES3 are kept in a conductive state, and the read capacitors of the signal wirings M1 to M3 are reset to the GND potential. After the reset of M1 to M3, the gate pulse of G2 can be applied. That is, while the signal in the first row is subjected to serial conversion operation by SR2, the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are simultaneously refreshed in the photoelectric conversion circuit unit, M1 to M3 are reset, and two rows The signal charges of S2-1 to S2-3 of the eye can be transferred to M1 to M3 by SR1.
[0057]
With the above operation, the signal charges of the photoelectric conversion elements in all the first to third rows can be output.
[0058]
By repeating the photoelectric conversion period and the readout period described above, continuous moving images can be acquired. The time chart shown in the present embodiment is different from the time chart of FIG. 20 shown in the conventional example in that the refresh period is not provided, and the merit that the frame frequency at the time of acquiring the moving image can be increased accordingly. There is. In the conventional example, since all the photoelectric conversion elements are collectively refreshed, it is necessary to provide a wait period for alleviating fluctuations in GND, power supply, etc. due to dark current components at the time of refresh. In this embodiment, since refreshing is performed in units of rows, the number of photoelectric conversion elements to be refreshed at one time is much smaller, so there is no need to provide a special wait period, and the frame frequency of the moving image can be increased accordingly. there is a possibility.
[0059]
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a time chart showing the operation of the X-ray imaging
[0060]
In the present embodiment, the X-ray irradiation period, that is, the photoelectric conversion period in FIG. 2 or FIG. In addition, compared to the pulse irradiation method, the intensity of X-rays can be reduced, so there is an advantage that the burden on the tube and power supply of the X-ray source can be reduced.
[0061]
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a time chart showing the operation of the X-ray imaging apparatus showing Embodiment 3 of the present invention. In the time chart of FIG. 6, the photoelectric conversion elements are refreshed and thereafter M1 to M3 are reset. In FIG. 7, the photoelectric conversion elements are refreshed and M1 to M3 are reset simultaneously.
[0062]
Since both the refresh operation and the reset operation are required to make the switch SW-C in FIG. 1 and the switches RES1 to RES3 in FIG. 4 conductive by the CRES control signal (RC control signal), the refresh operation and the reset operation are performed. Can be done simultaneously. In this embodiment as well, since X-rays are radiated in a direct current manner, the readout period for N-1 rows excluding transfer, refresh, and reset of its own photoelectric conversion element is substantially the same as in the second embodiment. Conversion period.
[0063]
In this embodiment, since the reset period in FIG. 6 can be omitted, there is an advantage that the frame rate of the moving image can be further increased as compared with the second embodiment. Further, as in the second embodiment, since the intensity of X-rays can be reduced compared to the first embodiment, there is an advantage that the burden on the tube and power supply of the X-ray source can be reduced.
[0064]
(Embodiment 4)
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram for one pixel of the X-ray imaging apparatus showing Embodiment 4 of the present invention. In the circuit diagram of FIG. 1, the D electrode of the photoelectric conversion element is biased at a constant voltage Vs, whereas in FIG. 8, the voltage Vs and the voltage Vref can be switched by a switch SW-F. The feature of this embodiment is that it is possible to select whether to apply the applied voltage for refreshing the photoelectric conversion element from the G electrode side or from the D electrode side. For example, when acquiring a single still image, a method of applying a refresh bias from the D electrode side, that is, the time chart of FIG. 18 is operated. On the other hand, when acquiring a plurality of still images, from the G electrode side. The refresh bias is applied, that is, the operation is performed according to the time chart shown in FIG. In this embodiment, one X-ray imaging apparatus can shoot both a conventional still image shooting mode (shooting mode or still image mode) and a moving image acquisition mode (perspective mode or moving image mode). It becomes possible.
[0065]
FIG. 9 is a two-dimensional circuit diagram of the X-ray imaging apparatus showing Embodiment 4 of the present invention. The circuit diagram of FIG. 9 is different from FIG. 4 in that the Vs voltage and the Vref voltage of the sensor bias line can be switched by the VSC control signal. FIG. 10 is a schematic diagram of a timing chart for performing shooting by transitioning from the fluoroscopic mode (moving image mode) to the shooting mode (still image mode). FIG. 11 is a timing chart showing the operation of the circuit diagram of FIG. 9 in the fluoroscopic mode. That is, in the fluoroscopic mode, the timing operation in FIG. 10 is repeated. During this period, the photographer monitors the fluoroscopic image of the patient in order to determine the position and angle of the subject (patient) for photographing the still image. In general, the X-ray dose during this period is weakly irradiated. When the photographer issues an exposure request signal (intention signal for photographing a still image) to the apparatus, the mode changes from the fluoroscopic mode to the photographing mode. The operation timing in the shooting mode is the same as the timing chart shown in FIG.
[0066]
As shown in FIG. 10, the flow of the fluoroscopy mode and the shooting mode is not limited to one shooting mode, but according to the shooting composition of the subject to be shot, the fluoroscopy mode → the shooting mode → the fluoroscopy mode → the shooting mode.・ You may repeat.
[0067]
FIG. 12 is an example in which the timing chart in the perspective mode of FIG. 10 is different from FIG. The difference from FIG. 11 is that X-rays are not irradiated in pulses. By doing so, since the reading period and the photoelectric conversion period can be performed simultaneously, there is an advantage that the operating frequency in the fluoroscopic mode can be increased. Further, since the X-ray is not operated in a pulsed manner, there is an advantage that the load on the X-ray generation source can be reduced.
[0068]
When the present invention is applied to a fluoroscopic device, in the fluoroscopic mode, a continuous image is acquired while refreshing from the gate of the TFT. When positioning is completed by fluoroscopy and the mode is changed to the still image shooting mode, the SW-F It is possible to obtain a still image with a high SN by performing a refresh from. That is, in general, refresh from the SW-F side has higher refresh efficiency and better S / N than refresh from the TFT side. When taking a fluoroscopic positioning image that may have a relatively poor S / N, refresh from the gate of the TFT is adopted, and when taking a still image that requires a high image quality with a high S / N, SW-F It makes sense to adopt a refresh from the side.
[0069]
(Embodiment 5)
FIG. 13 shows an application example of the radiation imaging apparatus according to the present invention to an X-ray diagnostic system.
[0070]
[0071]
Further, this image information can be transferred to a remote place by a transmission means such as a
[0072]
In the above embodiments, the X-ray imaging system has been described as an example, but the same applies to an apparatus configuration that converts radiation such as α, β, and γ rays into light and photoelectrically converts the light.
[0073]
The photoelectric conversion element array of the present invention can also be used in an imaging device that detects normal visible light or infrared light.
[0074]
As the switch element that can be used in the present invention, a thin film transistor in which a channel region is formed using a non-single crystal semiconductor such as hydrogenated amorphous silicon is preferably used, and the form thereof is not limited to the lower gate stagger type. An upper gate stagger type, an upper gate coplanar type, or the like may be used.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the radiation imaging apparatus of the present invention, photoelectric conversion pixels can be sequentially refreshed in units of lines, voltage fluctuations in GND and power supply lines are suppressed, and there is no wait period for each frame. As a result, unprecedented high-speed X-ray video imaging can be achieved. In addition, if an amorphous silicon semiconductor is used as the main material, the photoelectric conversion element and the switch element can be formed on the same substrate at the same time by a very simple process, so the yield is good and the X-ray imaging is very inexpensive. Equipment can be provided. Moreover, since the obtained moving image can be taken out as an electric signal subjected to photoelectric conversion, it can be easily digitized. Digital information has the effect of increasing efficiency in terms of recording, display, and diagnosis, both in terms of time and cost, compared to the case of handling analog information. And in the future aging society and IT society, it is possible to create a higher quality medical environment than the present.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for one pixel of an X-ray imaging
FIG. 2 is a time chart showing circuit operation for one pixel shown in FIG.
3 is a time chart showing potentials of the node N and the G electrode of the photoelectric conversion element and the gate electrode of the TFT in the refresh period of FIG. 1;
FIG. 4 is a two-dimensional circuit diagram of a photoelectric conversion device included in the X-ray imaging
5 is a time chart showing the operation of the photoelectric conversion device of FIG. 4;
FIG. 6 is a time chart showing driving of the X-ray imaging
FIG. 7 is a time chart showing driving of the X-ray imaging apparatus showing Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram for one pixel of an X-ray imaging apparatus showing Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 9 is a two-dimensional circuit diagram of a photoelectric conversion circuit unit included in an X-ray imaging apparatus showing Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram of operation timings in the fluoroscopic mode and the imaging mode according to the fourth embodiment.
11 is a timing chart of the fluoroscopic mode in FIG.
12 is another timing chart of the fluoroscopic mode in FIG.
FIG. 13 is a diagram showing an application example of the radiation imaging apparatus according to the present invention to an X-ray diagnosis system.
FIG. 14 is a top view of a conventional photoelectric conversion substrate configured using an amorphous silicon semiconductor thin film as a material for photoelectric conversion elements and switch elements.
15 is a cross-sectional view taken along line AB of FIG.
FIG. 16 is an energy band diagram for explaining the device operation of the photoelectric conversion element in FIGS.
FIG. 17 is a circuit diagram for one pixel of a conventional photoelectric conversion circuit including a photoelectric conversion element and a TFT.
18 is a time chart showing the operation of the circuit for one pixel shown in FIG.
FIG. 19 is a two-dimensional circuit diagram of a conventional photoelectric conversion device.
FIG. 20 is a time chart showing the operation of a conventional photoelectric conversion device.
[Explanation of symbols]
A1-A3, B1-B3, Ab buffer amplifier
Fl Phosphor that converts X-rays into visible light
G1 to G3 Gate drive wiring
M1-M3 matrix signal wiring
RES1 to RES3 Switches for resetting load capacitances formed in M1 to M3
S1-1 to S3-3 Photoelectric conversion element
T1-1 ~ T3-3 Switch element
Sn1-Sn3 transfer switch for transferring a signal to a read capacitor
Sr1 to Sr3 Read switch for sequentially reading the read capacity signal
SR1 Shift register (for switch element)
SR2 Shift register (for readout switch)
Vref Photoelectric conversion element refresh power supply
Vs Bias power supply for photoelectric conversion element
101 photoelectric conversion element
102 Switch element (TFT)
103 Insulating substrate
104 1st metal thin film layer
105 Second metal thin film layer
106 Gate drive wiring
107 Matrix signal wiring
110 Contact hole
111 a-SiN insulating thin film layer
112 a-Si semiconductor thin film layer
113 N + layer
114 Wiring cross part
115 Protective film
Claims (12)
複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された制御配線の複数と、
複数の前記ＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出す信号配線の複数と、を備えた光電変換素子アレイと、
前記スイッチング素子の導通を制御するために前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段と、を有し、
前記第１のバイアスは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作用のバイアスであり、前記第２のバイアスは前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する転送用のバイアスであり、
共通の前記制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を、前記第２のバイアスで導通させて転送動作を行った後、該制御配線に接続されている前記スイッチング素子の複数を前記第１のバイアスで導通させることにより１ラインごとに前記リフレッシュ動作を行うことを特徴とする放射線撮像装置。A plurality of pixels each including a MIS photoelectric conversion element and a switching element, two-dimensionally arranged on the substrate;
A plurality of control wires connected to the control electrodes of the plurality of switching elements;
A plurality of signal wirings for reading signals from the plurality of MIS photoelectric conversion elements, and a photoelectric conversion element array comprising:
Bias switching means for switching a bias applied to the control electrode of the switching element to at least one of a first bias and a second bias in order to control conduction of the switching element;
The first bias is a refresh operation bias for sweeping out carriers remaining in the MIS photoelectric conversion element, and the second bias is a signal charge stored in the MIS photoelectric conversion element in the signal wiring. Ri bias der for the transfer to be transferred,
The plurality of switching elements connected to the common control wiring are conducted with the second bias to perform a transfer operation, and then the plurality of switching elements connected to the control wiring are connected to the first control wiring. A radiation imaging apparatus , wherein the refresh operation is performed for each line by conducting with a bias of .
前記スイッチング素子は、前記ＭＩＳ型光電変換素子と同一の基板上に形成されると共に、前記基板側から下部ゲート電極として第１の金属薄膜層、アモルファス窒化シリコンのゲート絶縁層、水素化アモルファスシリコンの半導体層、Ｎ型のオーミックコンタクト層、ソース、ドレインの電極として透明導電層または第２の金属薄膜層で構成され、
リフレッシュモードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対しホールキャリアを前記光電変換層から第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、光電変換モードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対し前記光電変換層に入射した光により発生したキャリアを前記光電変換層に留まらせエレクトロンを前記第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与える電源部を有し、
前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積されるホールもしくは前記第２の金属薄膜層に導かれたエレクトロンを光信号として検出する読み出し用回路部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射線撮像装置。The MIS photoelectric conversion element serves as a lower electrode from the substrate side, the first metal thin film layer, the amorphous silicon nitride insulating layer that blocks the passage of electrons and holes, the hydrogenated amorphous silicon photoelectric conversion layer, and the hole injection. An N-type injection blocking layer, a transparent conductive layer as an upper electrode, or a second metal thin film layer disposed on a part of the injection blocking layer;
The switching element is formed on the same substrate as the MIS photoelectric conversion element, and from the substrate side as a lower gate electrode, a first metal thin film layer, an amorphous silicon nitride gate insulating layer, an amorphous silicon hydride layer It is composed of a semiconductor layer, an N-type ohmic contact layer, a transparent conductive layer or a second metal thin film layer as source and drain electrodes,
In the refresh mode, an electric field is applied to the MIS photoelectric conversion element in a direction in which hole carriers are guided from the photoelectric conversion layer to the second metal thin film layer. In the photoelectric conversion mode, the photoelectric conversion is performed on the MIS photoelectric conversion element. A power supply unit that applies an electric field in a direction in which carriers generated by light incident on the layer remain in the photoelectric conversion layer and guide electrons to the second metal thin film layer;
According to claim 1-5, characterized in that it comprises a read circuit for detecting holes or electrons guided to the second metal thin film layer are accumulated in the photoelectric conversion layer by the photoelectric conversion mode as an optical signal The radiation imaging apparatus in any one.
この放射線を検出する請求項１〜９のいずれかに記載の放射線撮像装置と、
この検出された信号をディジタル変換して画像処理する画像処理手段と、
この処理された画像を表示する表示手段とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。A radiation source for irradiating the subject or subject with radiation; and
The radiation imaging apparatus according to any one of claims 1 to 9 , which detects the radiation,
Image processing means for digitally converting the detected signal and performing image processing;
A radiation imaging system comprising display means for displaying the processed image.
該放射線撮像装置は、基板と、それぞれＭＩＳ(Metal Insulator Semiconductor)型光電変換素子とスイッチング素子とを含み、該基板上に２次元状に配された、複数の画素と、複数の前記スイッチング素子の制御電極に接続された複数の制御配線と、複数のＭＩＳ型光電変換素子からの信号を読み出すための複数の信号配線と、前記スイッチング素子の導通を制御するために複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に印加されるバイアスを少なくとも第１のバイアスと第２のバイアスのいずれかに切り換えるためのバイアス切り換え手段を含み、
前記第１のバイアスを前記制御配線に接続された複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に与えることにより１ラインごとに前記ＭＩＳ型光電変換素子に残留したキャリアを掃き出すリフレッシュ動作を行い、
前記第２のバイアスを前記制御配線に接続された複数の前記スイッチング素子の前記制御電極に与えることにより１ラインごとに前記ＭＩＳ型光電変換素子に蓄えられた信号電荷を前記信号配線に転送する
ことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。A method for driving a radiation imaging apparatus, comprising:
The radiation imaging apparatus includes a substrate, a MIS (Metal Insulator Semiconductor) type photoelectric conversion element, and a switching element, and a plurality of pixels arranged two-dimensionally on the substrate, and a plurality of the switching elements. A plurality of control wirings connected to the control electrode, a plurality of signal wirings for reading signals from a plurality of MIS photoelectric conversion elements, and the control of a plurality of the switching elements to control conduction of the switching elements Bias switching means for switching the bias applied to the electrode to at least one of the first bias and the second bias;
A refresh operation for sweeping out carriers remaining in the MIS photoelectric conversion element for each line by applying the first bias to the control electrodes of the plurality of switching elements connected to the control wiring ,
By transferring the second bias to the control electrodes of the plurality of switching elements connected to the control wiring, the signal charge stored in the MIS photoelectric conversion element is transferred to the signal wiring for each line. A method for driving a radiation imaging apparatus, comprising:
静止画モードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に接続されたバイアス配線に印加されるバイアスを切り換えることによって、前記ＭＩＳ型光電変換素子のキャリアの掃き出しを行うことを特徴とする請求項１１に記載の放射線撮像装置の駆動方法。In the moving image mode, by switching the bias applied to the control electrode of the switching element, carriers are swept out from the MIS photoelectric conversion element,
In the still image mode, according to claim 11, by switching the bias applied to the connected bias line to the MIS-type photoelectric conversion element, and performing sweep of carrier in the MIS-type photoelectric conversion element A method for driving a radiation imaging apparatus.
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