(57)【要約】【課題】放射線像検出器の高精細化をできるようにする。【解決手段】放射線像検出器１が、二次元アレイ状に配列された複数のダブルゲートトランジスタ２０と、これらダブルゲートトランジスタ２０上に形成されたシンチレータ５０と、を備える。ダブルゲートトランジスタ２０が、ボトムゲート電極２１と、ボトムゲート電極２１上に形成されたボトムゲート絶縁膜２２と、ボトムゲート絶縁膜２２上に形成された半導体膜２３と、半導体膜２３に接した２つの不純物半導体膜２５，２６と、不純物半導体膜２５上に形成されたソース電極２７と、不純物半導体膜２６上に形成されたドレイン電極２８と、半導体膜２３を被覆したトップゲート絶縁膜２９と、トップゲート絶縁膜２９上に形成されたトップゲート電極３１と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元アレイ状に配列された複数のダブルゲートトランジスタ型受光素子と、
前記複数のダブルゲートトランジスタ型受光素子の上に形成されたシンチレータと、を備えることを特徴とする放射線像検出器。
【請求項２】
前記ダブルゲートトランジスタ型受光素子が、
ボトムゲート電極と、
前記ボトムゲート電極の上に形成されたボトムゲート絶縁膜と、
前記ボトムゲート絶縁膜の上に形成された半導体膜と、
ソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体膜、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を被覆したトップゲート絶縁膜と、
前記トップゲート絶縁膜の上に形成されたトップゲート電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の放射線像検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線像検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線感光フィルムに代えて、ＣＭＯＳ型イメージセンサ、ＣＣＤ型イメージセンサ、ＴＦＴ型イメージセンサといった固体撮像デバイスの受光面の上にシンチレータが形成された放射線像検出器が普及してきている。特許文献１には、ａ−Ｓｅからなる電荷発生層と、電荷発生層で発生した電荷に応じた信号電荷を蓄積するキャパシタ部と、キャパシタ部から信号電荷を読み出すためのＴＦＴスイッチ素子とを有する画素部が２次元状に多数配列された放射線像検出器が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２４４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような放射線像検出器の電荷発生層が十分厚いため、１０ｋｅＶ程度の高電圧を印加しなければならないので、電圧生成回路の大型化を招き、また画素毎に、キャパシタが設けられているから、放射線像検出器全体が大きくなってしまっていた。そこで、本発明は、放射線像検出器の高精細化をできるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以上の課題を解決するために、本発明によれば、放射線像検出器が、二次元アレイ状に配列された複数のダブルゲートトランジスタ型受光素子と、前記複数のダブルゲートトランジスタ型受光素子の上に形成されたシンチレータと、を備えることとした。
【０００６】
好ましくは、前記ダブルゲートトランジスタ型受光素子が、ボトムゲート電極と、前記ボトムゲート電極の上に形成されたボトムゲート絶縁膜と、前記ボトムゲート絶縁膜の上に形成された半導体膜と、ソース電極及びドレイン電極と、前記半導体膜、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を被覆したトップゲート絶縁膜と、前記トップゲート絶縁膜の上に形成されたトップゲート電極と、を有することとした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、１画素につき１つのダブルゲート型受光素子が設けられているから、１画素につきフォトダイオード、ＴＦＴ及びキャパシタの三素子を必要としたＴＦＴ型イメージセンサを用いた場合よりも、放射線像検出器を高精細化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における放射線像検出器の斜視図である。
【図２】同実施形態における放射線像検出器の固体撮像デバイスの平面図である。
【図３】同実施形態において固体撮像デバイスの画素を示した平面図である。
【図４】IV−IV矢視断面図である。
【図５】放射線像検出器の変形例の斜視図である。
【図６】同実施形態において固体撮像デバイス及びその周辺回路を示した図面である。
【図７】同実施形態において固体撮像デバイスの信号の推移を示したチャートである。
【図８】本発明の放射線像例を示した図面である。
【図９】本発明の実施例によって得られた放射線像を示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
【００１０】
図１は、放射線像検出器１の斜視図である。
図１に示すように、この放射線像検出器１は、固体撮像デバイス１０、シンチレータ５０及び保護膜６０を有する。
【００１１】
〔固体撮像デバイス〕
図２〜図４を用いて固体撮像デバイス１０について説明する。図２は、固体撮像デバイス１０の受光面の一部の平面図である。図３は、１つのダブルゲートトランジスタ２０を示す平面図である。図４は、図３に示されたIV−IVに沿った面の矢視断面図である。
【００１２】
固体撮像デバイス１０は、基板１３と、ボトムゲート絶縁膜２２と、トップゲート絶縁膜２９と、保護絶縁膜３２とを積層してなる。基板１３は、ガラス基板（例えば、石英ガラス製の基板）、プラスチック基板（例えば、ポリカーボネート又はＰＭＭＡ製の基板）その他の絶縁性基板である。ボトムゲート絶縁膜２２、トップゲート絶縁膜２９及び保護絶縁膜３２は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜である。
【００１３】
この固体撮像デバイス１０については、ダブルゲートトランジスタ２０が受光素子（光電変換素子）として利用され、１画素につき１つのダブルゲートトランジスタ２０が設けられている。複数のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が基板１３上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列されている。これらダブルゲートトランジスタ２０，２０，…が保護絶縁膜３２によってまとめて被覆されている。
【００１４】
また、この固体撮像デバイス１０については、ダブルゲートトランジスタ２０のアドレス指定をすべく、複数本のボトムゲートライン４１，４１，…、複数本のソースライン４２，４２，…、複数本のドレインライン４３，４３，…及び複数本のトップゲートライン４４，４４，…が形成されている。ボトムゲートライン４１，４１，…は、互いに平行となって横方向に延在するとともに、基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間に形成されている。ソースライン４２，４２，…及びドレインライン４３，４３，…は、互いに平行となって縦方向に延在するとともに、ボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間に形成されている。ソースライン４２とドレインライン４３は交互に配列されている。トップゲートライン４４，４４，…は、互いに平行となって横方向に延在するとともに、トップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間に形成されている。なお、図２において、ボトムゲートライン４１は、トップゲートライン４４によって隠れている。
【００１５】
ダブルゲートトランジスタ２０は、ボトムゲート電極２１、半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７、ドレイン電極２８及びトップゲート電極３１を有する。
【００１６】
ボトムゲート電極２１は基板１３とボトムゲート絶縁膜２２との間に形成されている。半導体膜２３、チャネル保護膜２４、不純物半導体膜２５、不純物半導体膜２６、ソース電極２７及びドレイン電極２８はボトムゲート絶縁膜２２とトップゲート絶縁膜２９との間に形成されている。トップゲート電極３１はトップゲート絶縁膜２９と保護絶縁膜３２との間に形成されている。
【００１７】
ボトムゲート電極２１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに基板１３上に形成されている。横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のボトムゲート電極２１が共通のボトムゲートライン４１と一体となって形成されている。ボトムゲート電極２１及びボトムゲートライン４１は、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金のいずれかからなる。
【００１８】
半導体膜２３は、ボトムゲート電極２１との間にボトムゲート絶縁膜２２を挟んで、ボトムゲート電極２１に相対している。半導体膜２３は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立して形成されている。半導体膜２３は、アモルファスシリコンからなる。半導体膜２３が受光部であり、励起光となるシンチレータ５０からの蛍光が半導体膜２３に入射した蛍光の量に応じた量の電子−正孔対が半導体膜２３に形成される。
【００１９】
チャネル保護膜２４は、半導体膜２３の中央部上に形成されている。チャネル保護膜２４は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされたものである。チャネル保護膜２４は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなり、シンチレータ５０からの蛍光に対して高い透過性を示す。チャネル保護膜２４は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜２３のチャネル領域を保護するものである。半導体膜２３に光が入射すると、入射した光の量に従った量の電子−正孔対によって生じる電荷がチャネル保護膜２４と半導体膜２３との界面付近を中心に蓄積する。
【００２０】
不純物半導体膜２５は、半導体膜２３の一部に重なるように形成されている。不純物半導体膜２５の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２６は、半導体膜２３の別の部分に重なるように形成されている。不純物半導体膜２６の一部は、チャネル保護膜２４に重なっている。不純物半導体膜２５，２６は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜２５，２６は、ｎ型の不純物を含むアモルファスシリコン（ｎ+シリコン）からなる。
【００２１】
ソース電極２７は、不純物半導体膜２５に重なっている。ドレイン電極２８は、不純物半導体膜２６に重なっている。ソース電極２７及びドレイン電極２８はダブルゲートトランジスタ２０ごとに形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のソース電極２７は共通のソースライン４２と一体となって形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のドレイン電極２８は共通のドレインライン４３と一体なって形成されている。ソース電極２７、ドレイン電極２８、ソースライン４２及びドレインライン４３は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【００２２】
トップゲート電極３１は、半導体膜２３との間にチャネル保護膜２４及びトップゲート絶縁膜２９を挟んで、半導体膜２３に相対している。トップゲート絶縁膜２９は、チャネル保護膜２４と同様に、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなり、シンチレータ５０からの蛍光に対して高い透過性を示す。トップゲート電極３１は、ダブルゲートトランジスタ２０ごとにトップゲート絶縁膜２９上に形成されている。横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ２０，２０，…のトップゲート電極３１が共通のトップゲートライン４４と一体となって形成されている。トップゲート電極３１及びトップゲートライン４４は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物（例えば、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、亜鉛ドープ酸化インジウム）で形成されている。
【００２３】
以上のように構成された固体撮像デバイス１０は保護絶縁膜３２の上面を受光面としており、固体撮像デバイス１０が駆動されることによってダブルゲートトランジスタ２０の半導体膜２３において受光した光の量が電気信号に変換される。
【００２４】
この固体撮像デバイス１０では、１画素につき１つのダブルゲートトランジスタ２０が設けられているので、１画素につきフォトダイオード、ＴＦＴ及びキャパシタの三素子を必要としたＴＦＴ型イメージセンサよりもこの固体撮像デバイス１０が高精細である。つまり、固体撮像デバイス１０の各画素密度ｄｐｉ（dot per inch）は、ＴＦＴ型イメージセンサのｄｐｉよりも高い。従って、固体撮像デバイス１０を用いた放射線像検出器１を高精細化することができる。
【００２５】
〔シンチレータ〕
シンチレータ５０は、固体撮像デバイス１０の保護絶縁膜３２の上面に膜状に形成されている。シンチレータ５０は、Ｘ線、α線、β線、γ線といった放射線を可視光に変換するものである。つまり、放射線がシンチレータ５０に照射されると、可視光がシンチレータ５０から発する。シンチレータ５０は、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｎａ）、ＣａＦ2（Ｅｕ）、ＺｎＳ（Ａｇ）その他のシンチレーション材料からなる。
【００２６】
保護絶縁膜３２の上面に塗布されたシンチレーション材料が焼成されることで、シンチレーション材料が針状結晶化して、シンチレータ５０が形成される。
【００２７】
シンチレータ５０は、固体撮像デバイス１０の受光面、つまり、保護絶縁膜３２の上面に直接形成されていなくてもよい。例えば、図５に示すように、固体撮像デバイス１０の受光面の上にファイバオプティクプレート５１が搭載され、ファイバオプティックプレート５１の上にシンチレータ５０が形成されていてもよい。ファイバオプティックプレート（ＦＯＰ）５１は、多数の光ファイバを束ねて板状にしたものであり、シンチレータ５０から入射された光を高解像度で固体撮像デバイス１０に伝搬する。
【００２８】
〔保護膜〕
保護膜６０は、シンチレータ５０の上面に成膜されている。保護膜６０は、シンチレータ５０を保護する透明の膜である。
【００２９】
〔固体撮像デバイスの駆動回路〕
図６は、固体撮像デバイス１０及びその周辺回路を示した回路図である。
固体撮像デバイス１０のトップゲートライン４４，４４，…がトップゲートドライバ７１の端子に接続され、ボトムゲートライン４１，４１，…がボトムゲートドライバ７２の端子に接続され、ドレインライン４３，４３，…がドレインドライバ７３の端子に接続されている。また、固体撮像デバイス１０のソースライン４２，４２，…が一定電圧源（Ｖｓｓ）に接続され、この例ではソースライン４２，４２，…が接地されている。
【００３０】
図７は、固体撮像デバイス１０を駆動するための信号の推移を示したタイミングチャートである。
ドライバ７１〜７３による固体撮像デバイス１０の撮像動作について説明する。
トップゲートドライバ７１が１行目のトップゲートライン４４から最終行目のトップゲートライン４４へと順次正電圧であるリセットパルスを出力し、ボトムゲートドライバ７２がボトムゲートライン４１，４１，４１，…に順次リードパルスを出力する。その際、ドレインドライバ７３が各行でリセットパルスが出力されているリセット期間と各行でリードパルスが出力されている期間との間に、正電圧であるプリチャージパルスを全てのドレインライン４３，４３，…に出力する。
【００３１】
ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０の動作について詳細に説明する。トップゲートドライバ７１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力すると、ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになる。ｉ行目のトップゲートライン４４がハイレベルになっている間（この期間をリセット期間という。）、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０では、半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積されたキャリア（ここでは、正孔である。）が、トップゲート電極３１の電圧により反発して吐出される。
【００３２】
次に、トップゲートドライバ７１がｉ行目のトップゲートライン４４にリセットパルスを出力することを終了して、半導体膜２３に蛍光が入射することによって半導体膜２３内に生成された電子−正孔対のうちの正孔を電気的に捕捉するためのするため負電位（−２０〔Ｖ〕）をトップゲートライン４４に出力する。つまり、ｉ行目のトップゲートライン４４のリセットパルスが終了してから、ｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスが出力されるまでの間（この期間をキャリア蓄積期間という。）、入射光の量に従った量の電子−正孔対が半導体膜２３内で生成されるが、そのうちの正孔がトップゲート電極３１の電界により半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積される。
【００３３】
次に、キャリア蓄積期間中に、ドレインドライバ７３が全てのドレインライン４３，４３，…にプリチャージパルスを出力する。プリチャージパルスが出力されている間（プリチャージ期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０においては、トップゲート電極３１に印加されている電位が−２０〔Ｖ〕である。そうすると、この負電界によって半導体膜２３内や半導体膜２３とチャネル保護膜２４との界面近傍に蓄積された正孔による電界は、必然的に負電界を完全に相殺して半導体膜２３のチャネル領域にｎチャネルを形成する程度の正電界には成り得ない。そうすると、ボトムゲート電極２１に印加されている電位が±０〔Ｖ〕であるため、ドレイン電極２８とソース電極２７との間にプリチャージパルスの電位差が生じても半導体膜２３にはチャネルが形成されず、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流は流れない。プリチャージ期間において、ドレイン電極２８とソース電極２７との間に電流が流れないため、ドレインライン４３，４３，…に出力されたプリチャージパルスによってｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のドレイン電極２８に電圧がチャージされ、ドレイン電極２８及びソース電極２７の間に電位差が生じる。
【００３４】
次に、ドレインドライバ７３がプリチャージパルスの出力を終了するとともに、ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力する。ボトムゲートドライバ７２がｉ行目のボトムゲートライン４１にリードパルスを出力している間（この期間を、リード期間という。）では、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０のボトムゲート電極２１に＋１０〔Ｖ〕の電位が印加されているため、ボトムゲート電極２１の正電圧及び蓄積された正孔によってもたらされる正の電界が、トップゲート電極３１の負電圧による電界より強くなり、これらの合成電界がダブルゲートトランジスタ２０のゲート電圧となって、ゲート−ソース間にしきい値を越える電位差が生じ、ｉ行目の各ダブルゲートトランジスタ２０がオン状態になる。
【００３５】
このように、リード期間においては、キャリア蓄積期間において蓄積されたキャリアがトップゲート電極３１の負電界を緩和するように働くため、入射される光の量が十分であってキャリアの量が十分であれば、ボトムゲート電極２１の正電界とあわせて半導体膜２３にｎチャネルが形成されて、ドレイン電極２８からソース電極２７に電流が流れるようになる。従って、リード期間では、ドレインライン４３，４３，…の電圧は、ドレイン−ソース間電流によって時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【００３６】
キャリア蓄積期間において半導体膜２３に入射した光量が多くなるにつれて、蓄積されるキャリアも多くなり、蓄積されるキャリアが多くなるにつれて、リード期間においてドレイン電極２８からソース電極２７に流れる電流のレベルも大きくなる。従って、リード期間におけるドレインライン４３，４３，…の電圧の減少傾向は、キャリア蓄積期間で半導体膜２３に入射した光の量に深く関連する。
【００３７】
そして、ｉ行目のリード期間から次の行のプリチャージ期間までの間に、リード期間が開始してから所定の時間経過後のドレインライン４３，４３，…の電圧がドレインドライバ７３によって検出される。その電圧が光量を示す。ドレインドライバ７３は、ドレインライン４３，４３，…の電圧を列順次に出力する（Ｖout）。
【００３８】
上述した一連の動作を１サイクルとして、全ての行の各ダブルゲートトランジスタ２０にも同等の処理手順を繰り返すことにより、固体撮像デバイス１０の受光面における光量分布が得られる。
【００３９】
〔放射線像検出器の使用方法〕
放射線像検出器１のシンチレータ５０を放射線源に向けて、放射線像検出器１を配置する。次に、放射線像検出器１のシンチレータ５０の前に被写体をセッティングし、放射線源から被写体に向けて放射線を照射する。被写体を透過した放射線がシンチレータ５０に入射し、シンチレータ５０から蛍光が発する。その状態において、ドライバ７１〜７３による固体撮像デバイス１０が駆動され、固体撮像デバイス１０によって画像が読み取られる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなっても良い。
【実施例１】
【００４１】
図８に示すように、Ｘ線透過性の樹脂（合成ゴム）８１にＸ線難透過性の鉄の針８２を刺し込み、その樹脂８１を放射線像検出器１の保護膜６０の上に載置する。放射線源が、１．２ｍｍ径の円形の絞り穴を有する遮光板８３を介して樹脂８１上に向けて放射線（Ｘ線）を照射し、固体撮像デバイス１０を駆動した。放射線源には、５０ｋＶ、１ｍＡの蛍光Ｘ線分析装置を用いている。固体撮像デバイス１０の駆動によって入力された画像を図９に示す。図９に示すように、針８１が黒い影となってその周囲のＸ線が正常に撮像されたことがわかる。
【符号の説明】
【００４２】
１  放射線像検出器
１０  固体撮像デバイス
１３  基板
２０  ダブルゲートトランジスタ
２１  ボトムゲート電極
２２  ボトムゲート絶縁膜
２３  半導体膜
２４  チャネル保護膜
２５，２６  不純物半導体膜
２７  ソース電極
２８  ドレイン電極
２９  トップゲート絶縁膜
３１  トップゲート電極
３２  保護絶縁膜
４１  ボトムゲートライン
４２  ソースライン
４３  ドレインライン
４４  トップゲートライン
５０  シンチレータ
５１  ファイバオプティクプレート
６０  保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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