(57)【要約】【課題】Ｘ線等の放射線照射に対して安定性が高く、電気特性の低下を抑制できる構成の撮像装置を提供する。【解決手段】基板と、画素回路と、シンチレータと、が上記順序で重畳しており、画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された回路部と、を有し、基板には発熱体が形成されている構成とし、撮像時以外に当該発熱体に通電させることにより画素回路を構成するトランジスタを加熱し、当該トランジスタのＸ線照射による電気特性の劣化を回復させる。【選択図】図１
2015065433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シンチレータと、
画素回路と、
基板と、
が上記順序で重畳しており、
前記画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された回路部と、
を有し、
前記基板には発熱体が形成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
シンチレータと、
画素回路と、
基板と、
発光装置と、
が上記順序で重畳しており、
前記画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された回路部と、
を有し、
前記基板には発熱体が形成され、
前記発光装置が発する光は前記画素回路に照射される構成であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記発光装置は、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の単色光、または当該範囲の波長が混在した光を含んで発することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項において、前記画素回路は酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた、トップゲート型のトランジスタを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
シンチレータと、
画素回路と、
基板と、
が上記順序で重畳しており、
前記画素回路は、
受光素子および当該受光素子と電気的に接続された撮像用回路部と、
発光素子および当該発光素子と電気的に接続された発光用回路部と、
を有し、
前記基板には発熱体が形成されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項において、前記受光素子は、フォトダイオードであることを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項において、前記受光素子は、一対の電極間に半導体層を有する可変抵抗素子であることを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項において、前記発熱体は、透光性を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項において、前記基板は、透光性を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか一項において、前記発光素子は、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の単色光、または当該範囲の波長が混在した光を含んで発することを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか一項において、前記画素回路は酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた、ボトムゲート型のトランジスタを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物、方法、または、製造方法に関する。または、本発明は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物（コンポジション・オブ・マター）に関する。特に、本発明は、例えば、半導体装置、表示装置、発光装置、蓄電装置、光電変換装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法に関する。特に、本発明は、シンチレータを有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療現場では、Ｘ線フィルムを用いた写真技術による医療用画像診断装置が広く普及している。
【０００３】
上記Ｘ線フィルムを用いた撮像方法では、撮影したＸ線フィルムの管理が煩雑となるため、画像の電子化が進められている。画像を電子化する方法の一つとして、イメージングプレートを用いる方法が知られている。イメージングプレートは、Ｘ線が照射されることで光を発することができ、当該光をスキャナで検出することによって、電子化された画像を得ることができる。
【０００４】
イメージングプレートは、Ｘ線が照射されることによって光を発する特性（輝尽性）を有する材料（輝尽性蛍光体）が塗布された板であり、Ｘ線フィルムよりもＸ線吸収差の検出感度が高い。また、Ｘ線照射の情報を消去することができ、繰り返して使用することができる。しかしながら、イメージングプレートで取得できる情報はアナログ情報であり、それを電子化するにはデジタル化処理をするという工程が残されていた。
【０００５】
そのため、近年では、デジタルデータを直接取得できるフラットパネルディテクタが注目されている（例えば、特許文献１、２）。フラットパネルディテクタは、直接方式と間接方式の二方式があり、直接方式はＸ線検出素子を用いてＸ線を電荷に直接変換する方式であり、間接方式はＸ線をシンチレータによって可視光に変換し、その光をフォトダイオードで電荷に変換する方式である。いずれの方式においても、フラットパネルディテクタは、マトリクス状に配置された複数の画素回路を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−１６４０６７号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フラットパネルディテクタの画素回路が有するトランジスタは、半導体材料や絶縁材料を含んで構成されている。エネルギーの強いＸ線等の放射線が当該半導体材料や当該絶縁材料に照射されると欠陥準位や固定電荷などが生成され、トランジスタの電気特性を変動させてしまうことがある。
【０００８】
このような現象は、シンチレータを透過してしまう微量の放射線によっても起こりうるため、フラットパネルディテクタの消費電力の増加や信頼性の悪化の一要因となっている。
【０００９】
したがって、本発明の一態様では、Ｘ線等の放射線照射に対して安定性が高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、解像度の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、少ない放射線量で撮像することができる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、表示機能を有する構成の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。
【００１０】
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、画素回路に酸化物半導体を用いたトランジスタを有し、Ｘ線等の放射線を用いて画像を取得する撮像装置に関する。
【００１２】
本発明の一態様は、基板と、画素回路と、シンチレータと、が上記順序で重畳しており、画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された回路部と、を有し、基板には発熱体が形成されていることを特徴とする撮像装置である。
【００１３】
また、本発明の他の一態様は、発光装置と、基板と、画素回路と、シンチレータと、が上記順序で重畳しており、画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された回路部と、を有し、基板には発熱体が形成され、発光装置が発する光は画素回路に照射される構成であることを特徴とする撮像装置である。
【００１４】
上記発光装置は、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の単色光、または当該範囲の波長が混在した光を含んで発することが好ましい。
【００１５】
上記画素回路は酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた、トップゲート型のトランジスタを有することが好ましい。
【００１６】
また、本発明の他の一態様は、基板と、画素回路と、シンチレータと、が上記順序で重畳しており、画素回路は、受光素子および当該受光素子と電気的に接続された撮像用回路部と、発光素子および当該発光素子と電気的に接続された発光用回路部と、を有し、基板には発熱体が形成されていることを特徴とする撮像装置である。
【００１７】
上記３つの態様の撮像装置において、受光素子には、フォトダイオード、または、一対の電極間に半導体層を有する可変抵抗素子を用いることができる。
【００１８】
また、上記基板および発熱体は、透光性を有していてもよい。
【００１９】
また、上記発光素子が発する光は、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の単色光、または当該範囲の波長が混在した光を含んで発することが好ましい。
【００２０】
また、発光素子を有する撮像装置の態様において、画素回路は酸化物半導体をチャネル形成領域に用いた、ボトムゲート型のトランジスタを有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様により、Ｘ線等の放射線照射に対して安定性が高い撮像装置を提供することができる。または、解像度の高い撮像装置を提供することができる。または、少ない放射線量で撮像することができる撮像装置を提供することができる。または、低消費電力の撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、表示機能を有する構成の撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。なお、本発明の一態様はこれらの効果に限定されるものではない。例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果以外の効果を有する場合もある。または、例えば、本発明の一態様は、場合によっては、または、状況に応じて、これらの効果を有さない場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】撮像装置を説明する断面図。
【図２】撮像装置を説明する上面図。
【図３】発熱体を説明する図。
【図４】Ｘ線照射前後のトランジスタのＩｄ−Ｖｇ特性。
【図５】熱処理後のＩｄ−Ｖｇ特性からシフト値の戻り量を算出した結果を示す図。
【図６】熱処理と同時に光照射を行った場合のシフト値の戻り量をＩｄ−Ｖｇ特性から算出した結果を示す図。
【図７】画素回路の構成を説明する図。
【図８】画素回路の動作を説明するタイミングチャート。
【図９】画素回路の構成を説明する図。
【図１０】画素回路の構成を説明する図。
【図１１】画素回路の構成を説明する図。
【図１２】積分回路を説明するための図。
【図１３】撮像装置を説明する断面図および上面図。
【図１４】画素回路の構成を説明する図。
【図１５】表示機能を有する撮像装置を説明する図。
【図１６】グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式の動作を説明するタイミングチャート。
【図１７】撮像システムの構成を説明する図。
【図１８】画素回路の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。
【００２４】
例えば、本明細書等において、ＸとＹとが接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合と、ＸとＹとが直接接続されている場合とが、本明細書等に開示されているものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図または文章に示された接続関係に限定されず、図または文章に示された接続関係以外のものも、図または文章に記載されているものとする。
【００２５】
ここで、Ｘ、Ｙは、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００２６】
ＸとＹとが直接的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に接続されていない場合であり、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）を介さずに、ＸとＹとが、接続されている場合である。
【００２７】
ＸとＹとが電気的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの電気的な接続を可能とする素子（例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態（オン状態）、または、非導通状態（オフ状態）になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。または、スイッチは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有している。なお、ＸとＹとが電気的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合を含むものとする。
【００２８】
ＸとＹとが機能的に接続されている場合の一例としては、ＸとＹとの機能的な接続を可能とする回路（例えば、論理回路（インバータ、ＮＡＮＤ回路、ＮＯＲ回路など）、信号変換回路（ＤＡ変換回路、ＡＤ変換回路、ガンマ補正回路など）、電位レベル変換回路（電源回路（昇圧回路、降圧回路など）、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など）、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路（信号振幅または電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など）、信号生成回路、記憶回路、制御回路など）が、ＸとＹとの間に１個以上接続されることが可能である。なお、一例として、ＸとＹとの間に別の回路を挟んでいても、Ｘから出力された信号がＹへ伝達される場合は、ＸとＹとは機能的に接続されているものとする。なお、ＸとＹとが機能的に接続されている場合は、ＸとＹとが直接的に接続されている場合と、ＸとＹとが電気的に接続されている場合とを含むものとする。
【００２９】
なお、ＸとＹとが電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、ＸとＹとが電気的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合）と、ＸとＹとが機能的に接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合）と、ＸとＹとが直接接続されている場合（つまり、ＸとＹとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合）とが、本明細書等に開示されているものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載されている場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同様な内容が、本明細書等に開示されているものとする。
【００３０】
なお、例えば、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１を介して（又は介さず）、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２を介して（又は介さず）、Ｙと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース（又は第１の端子など）が、Ｚ１の一部と直接的に接続され、Ｚ１の別の一部がＸと直接的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）が、Ｚ２の一部と直接的に接続され、Ｚ２の別の一部がＹと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
【００３１】
例えば、「ＸとＹとトランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とは、互いに電気的に接続されており、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、Ｘと電気的に接続され、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）はＹと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。または、「Ｘは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とドレイン（又は第２の端子など）とを介して、Ｙと電気的に接続され、Ｘ、トランジスタのソース（又は第１の端子など）、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）、Ｙは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
【００３２】
または、別の表現方法として、例えば、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した、トランジスタのソース（又は第１の端子など）とトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）との間の経路であり、前記第１の接続経路は、Ｚ１を介した経路であり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有しておらず、前記第３の接続経路は、Ｚ２を介した経路である。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の接続経路によって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の接続経路は、第２の接続経路を有しておらず、前記第２の接続経路は、トランジスタを介した接続経路を有し、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の接続経路によって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の接続経路は、前記第２の接続経路を有していない。」と表現することができる。または、「トランジスタのソース（又は第１の端子など）は、少なくとも第１の電気的パスによって、Ｚ１を介して、Ｘと電気的に接続され、前記第１の電気的パスは、第２の電気的パスを有しておらず、前記第２の電気的パスは、トランジスタのソース（又は第１の端子など）からトランジスタのドレイン（又は第２の端子など）への電気的パスであり、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）は、少なくとも第３の電気的パスによって、Ｚ２を介して、Ｙと電気的に接続され、前記第３の電気的パスは、第４の電気的パスを有しておらず、前記第４の電気的パスは、トランジスタのドレイン（又は第２の端子など）からトランジスタのソース（又は第１の端子など）への電気的パスである。」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続経路について規定することにより、トランジスタのソース（又は第１の端子など）と、ドレイン（又は第２の端子など）とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。
【００３３】
なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚ１、Ｚ２は、対象物（例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など）であるとする。
【００３４】
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、１つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
【００３５】
なお、「膜」という言葉と、「層」という言葉とは、場合によっては、または、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。または、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。
【００３６】
（実施の形態１）
本実施の形態では、本発明の一態様であるＸ線等の放射線を用いる撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は、本発明の一態様の撮像装置の構成を示す断面図である。図１（Ａ）に示す撮像装置１０は、基板１００上に画素アレイ１１０が形成され、当該画素アレイ上にシンチレータ１２０が形成された構成となっている。
【００３８】
シンチレータ１２０は、Ｘ線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収して可視光や紫外光を発する物質、または当該物質を含む材料からなる。例えば、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｔｂ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｐｒ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＢａＦＣｌ：Ｅｕ、ＮａＩ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＣｅＦ３、ＬｉＦ、ＬｉＩ、ＺｎＯなどの材料や、それらを樹脂やセラミクスに分散させたものが知られている。
【００３９】
基板１００上に形成される画素アレイ１１０は、例えば、図２の上面図に示すような構成とすることができる。なお、図２では明瞭化のため、シンチレータ１２０を省いて図示している。
【００４０】
画素アレイ１１０はマトリクス状に形成された複数の画素回路２１０からなり、当該画素回路には、受光素子２２０および当該受光素子と電気的に接続された回路部２３０が含まれる。
【００４１】
また、本発明の一態様の撮像装置では、回路部２３０に酸化物半導体を活性層としたトランジスタを用いることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも移動度が高いため、トランジスタを小さくすることが容易であり、画素を小さくすることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
【００４２】
また、基板１００上には、画素アレイ１１０だけでなく、画素アレイ１１０を駆動するための第１の回路２４０および第２の回路２５０が設けられていてもよい。
【００４３】
なお、図２では、一例として画素アレイ１１０を駆動するための回路を二つの領域に配置する構成を例示したが、当該回路の構成はこれに限られない。例えば、画素アレイ１１０を駆動するための回路を一つの領域にまとめて配置してもよい。また、画素アレイ１１０を駆動するための回路を三つ以上に分割して配置してもよい。また、画素アレイ１１０を駆動するための回路は、画素回路２１０に含まれるトランジスタと同様に基板１００上に直接形成する構成であってもよいし、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）などでＩＣチップを実装する構成であってもよい。また、ＴＣＰ（Ｔａｐｅ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐａｃｋａｇｅ）やＣＯＦ  （Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｆｉｌｍ）などを画素アレイ１１０に接続する構成であってもよい。または、それらが混在する構成であってもよい。
【００４４】
基板１００には、例えば、図３に示すような発熱体１０１が形成されている。発熱体１０１には金属線や導電膜などの抵抗体を用いることができ、通電させることによりジュール熱を発する。発熱体１０１は基板の表裏のどちらに形成されていてもよく、基板１００に埋め込まれていてもよい。なお、図３に示す構成は一例であり、発熱体１０１の形状は限定されない。また、本発明の一態様の撮像装置の構成では、発熱体１０１を含む基板１００に高い透光性が望まれる場合がある。当該構成においては、発熱体１０１に透光性を有する抵抗体を用いることが好ましい。例えば、発熱体１０１には、タングステン、クロム、チタン、窒化チタン、窒化タンタル等の金属や窒化物、または酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウムなどの酸化物を用いることができる。
【００４５】
また、本発明の一態様の撮像装置は、図１（Ｂ）に示す構成であってもよい。撮像装置２０は、図１（Ａ）に示す撮像装置１０の基板１００に接して発光装置１３０が設けられた構成となっている。発光装置１３０の光源としては、発光ダイオード等を用いることができる。
【００４６】
被写体を透過したＸ線等の放射線はシンチレータ１２０に入射され、フォトルミネッセンスと呼ばれる現象により可視光や紫外光などの光（蛍光）に変換される。そして、当該光を画素回路２１０に設けられた受光素子２２０で検知し、画像データを取得する。
【００４７】
ただし、シンチレータ１２０に照射された放射線の一部はフォトルミネッセンスに利用されず、シンチレータ１２０を通過してしまう。Ｘ線等の放射線がトランジスタを構成する半導体材料や絶縁材料に照射されるとその部位に欠陥準位などが生成し、トランジスタの電気特性を変動させてしまう。そのため、撮像装置の消費電力を増加させたり、信頼性を悪化させたりすることがある。
【００４８】
例えば、チャネル形成領域が酸化物半導体で形成され、ゲート絶縁膜が酸化シリコン膜を含んで形成されたトランジスタに強いＸ線を照射する加速試験を行うと、トランジスタのしきい値電圧がマイナス方向にシフトしてしまう。
【００４９】
図４は、酸化物半導体を活性層に用いたトランジスタのＸ線照射前後におけるＩｄ−Ｖｇ特性（Ｖｄ＝１０Ｖ）の一例である。当該トランジスタは活性層に酸化物半導体、ゲート絶縁膜に窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層を用いたボトムゲート型の構成であり、Ｌ／Ｗ＝６／５０（μｍ）である。
【００５０】
初期状態ではオフ電流が低く、ノーマリーオフの優れた特性を示すが、５０ＧｙのＸ線照射後では、電流の立ち上がるゲート電圧（Ｖｇ）がマイナス方向に大きくシフトする。当該トランジスタの、しきい値電圧のシフト量（ΔＶｔｈ）は−２．６Ｖ、シフト値のシフト量（ΔＳｈｉｆｔ）は−２．７Ｖである。ここで、シフト値（Ｓｈｉｆｔ）とは、Ｉｄ＝１×１０−１２［Ａ］におけるゲート電圧（Ｖｇ）と本明細書では定義する。なお、トランジスタはトップゲート型であっても同様に劣化する。
【００５１】
Ｘ線照射時の劣化に関しては、次のようなモデルを立てることができる。まず、Ｘ照射により酸化物半導体（トランジスタの活性層、例えばＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ酸化物）中に電子−正孔が生成される。次に、生成された正孔が酸素欠損に起因する酸化物半導体中の深い欠陥準位にトラップされる。次にトラップされた正孔が酸化シリコン（トランジスタのゲート絶縁膜）におけるＮＢＯＨＣ（Ｎｏｎ  Ｂｒｉｄｇｉｎｇ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｈｏｌｅ  Ｃｅｎｔｅｒ）の欠陥準位に注入される。そして、注入された正孔は、酸化シリコン中において正の電荷を持つ固定電荷となり、トランジスタのしきい値電圧を変動させる。
【００５２】
このように劣化したトランジスタに対して、熱処理を行うと電流の立ち上がるゲート電圧（Ｖｇ）がプラス方向にシフトする。熱処理後のＩｄ−Ｖｇ特性からシフト値の戻り量（ΔＳｈｉｆｔ２）を算出した結果を図５に示す。２５℃のプロットは熱処理なしを示し、６０℃および１２５℃のプロットはそれぞれの温度で３０分間の熱処理を行ったサンプルの結果を示している。図５に示すように熱処理を高い温度で行うほど、シフト値が回復しやすいことがわかる。
【００５３】
また、図６は、上記同様の劣化したトランジスタに対して、熱処理と同時に光照射を行った場合のシフト値の戻り量（ΔＳｈｉｆｔ２）をＩｄ−Ｖｇ特性から算出した結果である。熱処理温度は６０℃とし、各波長で３０分間の光照射を行っている。なお、ｄａｒｋは光照射を行わずに、熱処理のみとしている。また、縦軸はｄａｒｋの値を１として規格化した値である。
【００５４】
図６から、シフト値の戻り量（ΔＳｈｉｆｔ２）がｄａｒｋのときよりも値が大きくなる条件がＸ線照射時の劣化を回復することができるといえる。具体的には、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長が好ましく、５５０ｎｍ前後の波長がより好ましい。熱処理および当該波長範囲の光は、前述したゲート絶縁膜中の固定電荷を減少させることに大きく寄与する。つまり、これらの熱と光は、新たな劣化原因にはならず、かつ劣化の回復に要する活性化エネルギーを供給するといえる。
【００５５】
一方、５００ｎｍよりも短い波長の光や６００ｎｍよりも長い波長の光は、上記固定電荷の減少に対する寄与が小さい、別の劣化要因を生じさせる、またはＩｄ−Ｖｇ特性をマイナスシフトさせるような一時的な光電流を生じさせるため、シフト値の戻り量が小さくなる。
【００５６】
したがって、熱処理の温度および時間を調整することで、Ｘ線照射時の劣化を回復することができる。または、５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の光を照射することで、Ｘ線照射時の劣化を回復することができる。または、熱処理と光照射を組み合すことでＸ線照射時の劣化を回復することができる。ただし、高温での熱処理は撮像装置の構成要素および撮像装置周辺に不具合を生じさせないための冷却対策または熱対策が必要なことから、温度を抑えた熱処理と光照射を組み合すことでＸ線照射時の劣化を回復することが好ましい。例えば、６０乃至８０℃程度の熱処理と５５０ｎｍ前後の波長の光を照射することにより、大規模な冷却対策または熱対策を不要とし、Ｘ線照射時の劣化を迅速に回復することができる。
【００５７】
上記実験結果から、発明者らは図１（Ａ）、（Ｂ）に示す撮像装置を提案するに至った。図１（Ａ）に示す撮像装置１０では、基板１００に形成された発熱体により画素アレイ１１０を熱処理し、Ｘ線照射により劣化したトランジスタの電気特性を回復させる。なお、十分な冷却対策または熱対策が施されていれば、１００℃以上の高温で画素アレイ１１０を熱処理してもよい。
【００５８】
また、図１（Ｂ）に示す撮像装置２０では、基板１００に形成された発熱体１０１により画素アレイ１１０を熱処理し、かつ発光装置１３０から画素アレイ１１０に向かって光を照射し、Ｘ線照射により劣化したトランジスタの電気特性を回復させる。なお、十分な冷却対策または熱対策が施されていれば、１００℃以上の高温で画素アレイ１１０を熱処理してもよい。また、発光装置１３０から発せられる光は５００ｎｍ乃至６００ｎｍの波長の単色光のほか、当該範囲の光が混在した光であってもよい。なお、発光装置１３０から発せられる光が画素アレイ１１０が有するトランジスタの活性層に効率良く照射されるように、当該トランジスタはトップゲート構造であることが好ましい。
【００５９】
本発明の一態様の撮像装置１０、２０において、上記の発熱体１０１による画素アレイ１１０の熱処理、および発光装置１３０による画素アレイ１１０への光照射は、撮像操作時以外のタイミングで行うことが好ましい。撮像時に画素アレイ１１０の熱処理を行うと、トランジスタのオフ電流が増加し、ダイナミックレンジが低下してしまう。また、発光装置１３０から光が発せられると受光素子２２０で検知されてしまうため、撮像が不可能となってしまう。したがって、撮像の合間などの待機時に上記熱処理および光照射を行うことが好ましい。または、当該撮像装置を含む撮像システムの電源投入時や遮断時に、タイマーなどを用いて上記熱処理および光照射を行ってもよい。また、当該撮像システムには熱処理後の撮像動作が速やかに行えるように、撮像装置を冷却する手段（送風装置など）を備えていてもよい。
【００６０】
以上により、Ｘ線等の放射線照射に対して安定性が高く、電気特性の低下を抑制できる構成の撮像装置を提供することができる。
【００６１】
図１７（Ａ）は、撮像装置１０または撮像装置２０が収納されたディテクタユニットの一例である。ディテクタユニット９９１には、取っ手９９２が設けられている。なお、ディテクタユニット９９１には、本発明の一態様の撮像装置だけでなく、当該撮像装置の周辺機器の一部、または、全部が収納されている場合もある。
【００６２】
図１７（Ｂ）には、撮像システム９９８の全体構成図の一例を示す。ディテクタユニット９９１が、台９９５に取り付けられている。ディテクタユニット９９１には、コンピュータ９９９が接続されている場合がある。Ｘ線源９９６から照射されたＸ線９９７は被写体９９４を透過し、ディテクタユニット９９１で検出される。
【００６３】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した画素回路２１０ついて説明する。
【００６４】
図２に示す画素回路２１０として用いることのできる回路の一例を図７（Ａ）に示す。回路２１１は、受光素子２２０としてフォトダイオード３２０、当該受光素子と接続される回路部２３０に第１のトランジスタ３０１、第２のトランジスタ３０２、および第３のトランジスタ３０３を含んだ構成となっている。
【００６５】
フォトダイオード３２０のアノードは第１の配線３１１（ＲＳ）、フォトダイオード３２０のカソードは第１のトランジスタ３０１のソースまたはドレインの一方、第１のトランジスタ３０１のソースまたはドレインの他方は配線３０５（ＦＤ）、第１のトランジスタ３０１のゲートは第２の配線３１２（ＴＸ）、第２のトランジスタ３０２のソースまたはドレインの一方は第４の配線３１４（ＧＮＤ）、第２のトランジスタ３０２のソースまたはドレインの他方は第３のトランジスタ３０３のソースまたはドレインの一方、第２のトランジスタ３０２のゲートは配線３０５（ＦＤ）、第３のトランジスタ３０３のソースまたはドレインの他方は第５の配線３１５（ＯＵＴ）、第３のトランジスタ３０３のゲートは第３の配線３１３（ＳＥ）、に各々電気的に接続されている。
【００６６】
なお、第４の配線３１４には、ＧＮＤ、ＶＳＳ、ＶＤＤなどの電位が供給されていてもよい。ここで、電位や電圧は相対的なものである。そのため、ＧＮＤの電位の大きさは、必ずしも、０ボルトであるとは限らないものとする。
【００６７】
フォトダイオード３２０は受光素子であり、画素回路に入射した光に応じた電流を生成する動作を行う。第１のトランジスタ３０１は、フォトダイオード３２０による配線３０５（ＦＤ）への電荷蓄積を制御する。第２のトランジスタ３０２は、配線３０５（ＦＤ）の電位に応じた信号を出力する動作を行う。第３のトランジスタ３０３は、読み出し時に画素回路の選択を制御する。
【００６８】
なお、配線３０５（ＦＤ）は、電荷保持ノードであり、フォトダイオード３２０が受ける光の量に応じて変化する電荷を保持する、所謂電荷蓄積部である。実質的な電荷蓄積部は、配線３０５（ＦＤ）と電気的に接続される第１のトランジスタのソース領域またはドレイン領域近傍の空乏層容量、配線３０５（ＦＤ）の配線容量、配線３０５（ＦＤ）と電気的に接続される第２のトランジスタ３０２のゲート容量などである。
【００６９】
なお、第２のトランジスタ３０２と第３のトランジスタ３０３とは、第５の配線３１５と第４の配線３１４との間で、直列接続されていればよい。したがって、第４の配線３１４、第２のトランジスタ３０２、第３のトランジスタ３０３、第５の配線３１５の順で並んでもよいし、第４の配線３１４、第３のトランジスタ３０３、第２のトランジスタ３０２、第５の配線３１５の順で並んでもよい。
【００７０】
第１の配線３１１（ＲＳ）は、配線３０５（ＦＤ）をリセットするための信号線である。なお、回路２１１における第１の配線３１１（ＲＳ）は、配線３０５（ＦＤ）への電荷蓄積を行うための信号線でもある。第２の配線３１２（ＴＸ）は、第１のトランジスタ３０１を制御するための信号線である。第３の配線３１３（ＳＥ）は、第３のトランジスタ３０３を制御するための信号線である。第４の配線３１４（ＧＮＤ）は、基準電位（例えばＧＮＤ）を設定する信号線である。第５の配線３１５（ＯＵＴ）は、回路２１１で得られた情報を読み出すための信号線である。
【００７１】
また、画素回路２１０は、図７（Ｂ）に示す構成であってもよい。図７（Ｂ）に示す回路２１２は、図７（Ａ）に示す回路２１１と構成要素は同じであるが、フォトダイオード３２１のアノードが第１のトランジスタ３０１のソースまたはドレインの一方と電気的に接続され、フォトダイオード３２１のカソードが第１の配線３１１（ＲＳ）と電気的に接続される点で異なる。
【００７２】
次に、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す各素子の構成について説明する。
【００７３】
フォトダイオード３２０、３２１には、シリコン半導体などでｐｎ型やｐｉｎ型の接合が形成された素子を用いることができる。シンチレータが可視光を発する場合は、ｉ型の半導体層を非晶質シリコンで形成したｐｉｎ型フォトダイオードを用いることが好ましい。非晶質シリコンは可視光の波長領域における感度が高く、微弱な可視光を検知しやすい。
【００７４】
なお、ｉ型の半導体とは、フェルミ準位がバンドギャップの中央に位置する所謂真性半導体の他、半導体に含まれるｐ型を付与する不純物、またはｎ型を付与する不純物がそれぞれ１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度であり、暗伝導度に対して光伝導度が高い半導体を指す。
【００７５】
第１のトランジスタ３０１、第２のトランジスタ３０２、および第３のトランジスタ３０３は、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導体を用いて形成することも可能であるが、酸化物半導体を用いたトランジスタで形成することが好ましい。酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタは、極めてオフ電流が低い特性を示す特徴を有している。
【００７６】
特に、配線３０５（ＦＤ）と接続されている第１のトランジスタ３０１のリーク電流が大きいと、配線３０５（ＦＤ）に蓄積された電荷が保持できる時間が十分でなくなる。したがって、当該トランジスタに酸化物半導体を用いたトランジスタを使用することで、フォトダイオード３２０を介した不要な電荷の流出を防止することができる。
【００７７】
また、第２のトランジスタ３０２、第３のトランジスタ３０３においても、リーク電流が大きいと、第４の配線３１４または第５の配線３１５に不必要な電荷の出力が起こるため、これらのトランジスタとして、酸化物半導体でチャネル形成領域を形成したトランジスタを用いることが好ましい。
【００７８】
また、第２のトランジスタ３０２に酸化物半導体を用いた極めてオフ電流の低いトランジスタを用いることで、撮像のダイナミックレンジを拡大することができる。図７（Ａ）に示す画素回路構成では、フォトダイオード３２０に入射される光の強度が大きいときに第２のトランジスタ３０２のゲート電位が小さくなる。また、図７（Ｂ）に示す画素回路構成では、フォトダイオード３２１に入射される光の強度が小さいときに第２のトランジスタ３０２のゲート電位が小さくなる。酸化物半導体を用いたトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ゲート電位が極めて小さい場合においても当該ゲート電位に応じた電流を正確に出力することができる。したがって、検出することのできる照度のレンジ、すなわちダイナミックレンジを広げることができる。
【００７９】
また、図７（Ｂ）に示す画素回路構成においては、第２のトランジスタ３０２のゲート電位が比較的小さいとき、すなわち、シンチレータからフォトダイオード３２１に照射される光の強度が小さい場合においても十分なダイナミックレンジを得られる。つまり、シンチレータが発する光の強度は小さくてもよいことになるため、被写体に照射するＸ線強度を小さくすることができる。
【００８０】
次に、図７（Ａ）の回路２１１の動作の例について図８（Ａ）に示すタイミングチャートを用いて説明する。
【００８１】
図８（Ａ）では簡易に説明するため、各配線の電位は、二値変化する信号として与える。ただし、各電位はアナログ信号であるため、実際には状況に応じて二値に限らず種々の値を取り得る。なお、図に示す信号４０１は第１の配線３１１（ＲＳ）の電位、信号４０２は第２の配線３１２（ＴＸ）の電位、信号４０３は第３の配線３１３（ＳＥ）の電位、信号４０４は配線３０５（ＦＤ）の電位、４０５は第５の配線３１５（ＯＵＴ）の電位に相当する。
【００８２】
時刻Ａにおいて、第１の配線３１１の電位（信号４０１）を”Ｈｉｇｈ”、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、フォトダイオード３２０に順方向バイアスが印加され、配線３０５の電位（信号４０４）が”Ｈｉｇｈ”となる。すなわち、電荷蓄積部の電位は第１の配線３１１の電位に初期化され、リセット状態となる。以上がリセット動作の開始である。なお、第５の配線３１５の電位（信号４０５）は、”Ｈｉｇｈ”にプリチャージしておく。
【００８３】
時刻Ｂにおいて、第１の配線３１１の電位（信号４０１）を”Ｌｏｗ”、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｈｉｇｈ”とするとリセット動作が終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード３２０には逆方向バイアスが印加されるため、逆方向電流により、配線３０５の電位（信号４０４）が低下し始める。フォトダイオード３２０は、光が照射されると逆方向電流が増大するので、照射される光の量に応じて配線３０５の電位（信号４０４）の低下速度は変化する。すなわち、フォトダイオード３２０に照射する光の量に応じて、第２のトランジスタ３０２のソースとドレイン間のチャネル抵抗が変化する。
【００８４】
なお、ここでフォトダイオード３２０に照射される光とは、シンチレータによってＸ線等の放射線から変換された光を指す。
【００８５】
時刻Ｃにおいて、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｌｏｗ”とすると蓄積動作が終了し、配線３０５の電位（信号４０４）は一定となる。ここで、当該電位は、蓄積動作中にフォトダイオード３２０が生成した電荷量により決まる。すなわち、フォトダイオード３２０に照射されていた光の量に応じて変化する。また、第１のトランジスタ３０１は、酸化膜半導体層でチャネル形成領域を形成したオフ電流が極めて低いトランジスタで構成されているため、後の選択動作（読み出し動作）を行うまで、配線３０５の電位を一定に保つことが可能である。
【００８６】
なお、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｌｏｗ”とする際に、第２の配線３１２と配線３０５との間における寄生容量により、配線３０５の電位に変化が生じることがある。当該電位の変化量が大きい場合は、蓄積動作中にフォトダイオード３２０が生成した電荷量を正確に取得できないことになる。当該電位の変化量を低減するには、第１のトランジスタ３０１のゲート−ソース（もしくはゲート−ドレイン）間容量を低減する、第２のトランジスタ３０２のゲート容量を増大する、配線３０５に保持容量を設ける、などの対策が有効である。なお、本実施の形態では、これらの対策により当該電位の変化を無視できるものとしている。
【００８７】
時刻Ｄに、第３の配線３１３の電位（信号４０３）を”Ｈｉｇｈ”にすると、第３のトランジスタ３０３が導通して選択動作が開始され、第４の配線３１４と第５の配線３１５が、第２のトランジスタ３０２と第３のトランジスタ３０３とを介して導通する。そして、第５の配線３１５の電位（信号４０５）は、低下していく。なお、第５の配線３１５のプリチャージは、時刻Ｄ以前に終了しておけばよい。ここで、第５の配線３１５の電位（信号４０５）が低下する速さは、第２のトランジスタ３０２のソースとドレイン間の電流に依存する。すなわち、蓄積動作中にフォトダイオード３２０に照射されている光の量に応じて変化する。
【００８８】
時刻Ｅにおいて、第３の配線３１３の電位（信号４０３）を”Ｌｏｗ”にすると、第３のトランジスタ３０３が遮断されて選択動作は終了し、第５の配線３１５の電位（信号４０５）は、一定値となる。ここで、一定値となる値は、フォトダイオード３２０に照射されていた光の量に応じて変化する。したがって、第５の配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオード３２０に照射されていた光の量を知ることができる。
【００８９】
より具体的には、フォトダイオード３２０に照射されている光が強いと、配線３０５の電位は低くなり、第２のトランジスタ３０２のゲート電圧は低くなるので、第５の配線３１５の電位（信号４０５）はゆっくりと低下する。したがって、第５の配線３１５からは比較的高い電位を読み出すことができる。
【００９０】
逆に、フォトダイオード３２０に照射されている光が弱いと、配線３０５の電位は高くなり、第２のトランジスタ３０２のゲート電圧は高くなるので、第５の配線３１５の電位（信号４０５）は速く低下する。したがって、第５の配線３１５からは比較的低い電位を読み出すことができる。
【００９１】
次に、図７（Ｂ）の回路２１２の動作の例について図８（Ｂ）に示すタイミングチャートを用いて説明する。
【００９２】
時刻Ａにおいて、第１の配線３１１の電位（信号４０１）を”Ｌｏｗ”、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｈｉｇｈ”とすると、フォトダイオード３２１に順方向バイアスが印加され、配線３０５の電位（信号４０４）が”Ｌｏｗ”となる。すなわち、電荷蓄積部の電位はリセット状態となる。以上がリセット動作の開始である。なお、第５の配線３１５電位（信号４０５）は、”Ｈｉｇｈ”にプリチャージしておく。
【００９３】
時刻Ｂにおいて、第１の配線３１１の電位（信号４０１）を”Ｈｉｇｈ”、第２の配線３１２の電位（信号４０２）を”Ｈｉｇｈ”とするとリセット動作が終了し、蓄積動作が開始される。ここで、フォトダイオード３２１には逆方向バイアスが印加されるため、逆方向電流により、配線３０５の電位（信号４０４）が増加し始める。フォトダイオード３２１は、光が照射されると逆方向電流が増大するので、照射される光の量に応じて配線３０５の電位（信号４０４）の増加速度は変化する。すなわち、フォトダイオード３２１に照射する光の量に応じて、第２のトランジスタ３０２のソースとドレイン間のチャネル抵抗が変化する。
【００９４】
時刻Ｃ以降の動作は、図８（Ａ）のタイミングチャートの説明を参照することができ、時刻Ｅにおいて、第５の配線３１５の電位を取得することで、蓄積動作中にフォトダイオード３２１に照射されていた光の量を知ることができる。
【００９５】
また、画素回路２１０は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示す構成であってもよい。
【００９６】
図９（Ａ）に示す回路２１３は、図７（Ａ）に示す回路２１１の構成に第４のトランジスタ３０４が加えられた構成であり、当該トランジスタのゲートは第１の配線３１１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの一方は配線３０５（ＦＤ）と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は第７の配線３１７と電気的に接続され、フォトダイオード３２０のアノードが第６の配線３１６に電気的に接続される。ここで、第６の配線３１６はフォトダイオード３２０に常時逆バイアスを印加するための信号線（低電位線）である。また、第７の配線３１７は配線３０５を高電位にリセットするための信号線（高電位線）である。
【００９７】
第４のトランジスタ３０４は、配線３０５（ＦＤ）をリセットするためのリセットトランジスタとして機能する。したがって、図７（Ａ）に示す回路２１１とは異なり、フォトダイオード３２０を介したリセット動作は行われず、該フォトダイオードは常時逆バイアスが印加されている。配線３０５（ＦＤ）のリセットは、第１の配線３１１（ＲＳ）の電位を”Ｈｉｇｈ”に制御することで行うことができ、回路２１３は、図７（Ａ）に示す回路２１１と同じく、図８（Ａ）に示すタイミングチャートで動作することができる。
【００９８】
また、図９（Ｂ）に示す回路２１４は、図８（Ｂ）に示す回路２１２の構成に第４のトランジスタ３０４が加えられた構成であり、当該トランジスタのゲートは第１の配線３１１と電気的に接続され、ソースまたはドレインの一方は配線３０５（ＦＤ）と電気的に接続され、ソースまたはドレインの他方は第７の配線３１７と電気的に接続され、フォトダイオード３２１のカソードが第６の配線３１６に電気的に接続される。ここで、第６の配線３１６はフォトダイオード３２１に常時逆バイアスを印加するための信号線（高電位線）である。また、第７の配線３１７は配線３０５を低電位にリセットするための信号線（低電位線）である。
【００９９】
第４のトランジスタ３０４は、配線３０５（ＦＤ）をリセットするためのリセットトランジスタとして機能する。したがって、図７（Ｂ）に示す回路２１２とは異なり、フォトダイオード３２１を介したリセット動作は行われず、フォトダイオード３２１は常時逆バイアスが印加されている。配線３０５（ＦＤ）のリセットは、第１の配線３１１（ＲＳ）の電位を”Ｈｉｇｈ”に制御することで行うことができ、回路２１４は、図８（Ｃ）に示すタイミングチャートで動作することができる。
【０１００】
なお、図９（Ａ）、（Ｂ）では、第１のトランジスタ３０１が設けられている場合の例を示したが、本発明の実施形態の一態様は、これに限定されない。図１８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、図９（Ａ）、（Ｂ）に示す回路２１３、２１４の構成から第１のトランジスタ３０１がのぞかれた構成の回路２１６、２１７を有することも可能である。
【０１０１】
なお、第４のトランジスタ３０４は、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどのシリコン半導体を用いて形成することも可能であるが、リーク電流が大きいと、電荷蓄積部で電荷が保持できる時間が十分でなくなってしまう。したがって、第１のトランジスタ３０１と同じく、酸化物半導体で形成したオフ電流が極めて小さい特性を有するトランジスタを用いることが好ましい。
【０１０２】
また、画素回路２１０は、図１０に示す構成であってもよい。図１０に示す回路２１５は、図７（Ａ）または図７（Ｂ）の構成における受光素子をフォトダイオードから可変抵抗素子３３０に置き換えた構成である。当該可変抵抗素子には、一対の電極と、その一対の電極間に設けられたｉ型の導電型を有する半導体層を用いることができる。
【０１０３】
例えば、当該半導体層としてｉ型非晶質シリコン層を用いると、可視光が照射されることにより抵抗が変化するため、フォトダイオードを用いた場合と同様に配線３０５の電位を変化させることができ、蓄積動作中に可変抵抗素子３３０に照射されていた光の量を知ることができる。また、ｉ型の導電型を有する半導体層として、バンドギャップが３ｅＶ以上の酸化物半導体を用いてもよい。当該酸化物半導体は、紫外光が照射されることにより抵抗が変化するため、配線３０５の電位を変化させることができ、蓄積動作中に可変抵抗素子３３０に照射されていた光の量を知ることができる。なお、可変抵抗素子３３０に照射される光の波長を選択するには、シンチレータ１２０の種類を変更すればよい。
【０１０４】
図１０に示す回路２１５は、第６の配線３１６の電位を”Ｌｏｗ”、第７の配線３１７の電位を”Ｈｉｇｈ”とすれば、図８（Ａ）のタイミングチャートに従って動作させることができる。また、第６の配線３１６の配線を”Ｈｉｇｈ”、第７の配線３１７の電位を”Ｌｏｗ”とすることで、図８（Ｃ）のタイミングチャートに従って動作させることができる。
【０１０５】
また、画素回路２１０に用いるトランジスタは、図１１（Ａ）または図１１（Ｂ）に示すように、第１のトランジスタ３０１、第２のトランジスタ３０２、および第３のトランジスタ３０３にバックゲートを設けた構成であってもよい。図１１（Ｂ）はフロントゲートと同じ電位がバックゲートに印加される構成であり、オン電流を増加させることができる。また、図１１（Ａ）はバックゲートに定電位を印加する構成であり、しきい値電圧を制御することができる。なお、図１１（Ａ）においては、バックゲートが第４の配線３１４（ＧＮＤ）と電気的に接続される構成を例示したが、定電位が供給される別の配線と電気的に接続されていてもよい。なお、図１１（Ａ）、（Ｂ）は回路２１１においてトランジスタにバックゲートを設けた例を示したが、同様の構成を回路２１２、回路２１３、回路２１４、回路２１５、回路２１６、回路２１７に示す回路にも適用することもできる。また、一つの画素回路に含まれるトランジスタに対し、フロントゲートと同じ電位がバックゲートに印加される構成、バックゲートに定電位を印加する構成、またはバックゲートを設けない構成を必要に応じて任意に組み合わせた回路構成としてもよい。
【０１０６】
なお、上述した回路例において、第５の配線３１５（ＯＵＴ）には、図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような積分回路が接続されていてもよい。当該回路によって、読み出し信号のＳ／Ｎ比を高めることができ、より微弱な光を検出することができる。すなわち、撮像装置の感度を高めることができる。
【０１０７】
図１２（Ａ）は、演算増幅回路（ＯＰアンプともいう）を用いた積分回路である。演算増幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して第５の配線３１５（ＯＵＴ）に接続される。演算増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回路の出力端子は、容量素子Ｃを介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
【０１０８】
図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）とは異なる構成の演算増幅回路を用いた積分回路である。演算増幅回路の反転入力端子は、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃ１を介して第５の配線３１５（ＯＵＴ）に接続される。演算増幅回路の非反転入力端子は、接地電位に接続される。演算増幅回路の出力端子は、容量素子Ｃ２を介して演算増幅回路の反転入力端子に接続される。
【０１０９】
図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）とは異なる構成の演算増幅回路を用いた積分回路である。演算増幅回路の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒを介して第５の配線３１５（ＯＵＴ）に接続される。演算増幅回路の反転入力端子は、演算増幅回路の出力端子に接続される。なお、抵抗素子Ｒと容量素子Ｃは、ＣＲ積分回路を構成する。また、演算増幅回路はユニティゲインバッファを構成する。
【０１１０】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１１１】
（実施の形態３）
本実施の形態では、Ｘ線等の放射線を用いる撮像装置について、実施の形態１とは異なる例を図面を参照して説明する。なお、実施の形態１と共通する部分は符号を同じとし、詳細な説明は省略する。
【０１１２】
図１３（Ａ）は、本発明の一態様の撮像装置の構成を示す断面図である。図１３（Ａ）に示す撮像装置３０は、基板１００上に画素アレイ１１１が形成され、当該画素アレイ上にシンチレータ１２０が形成された構成となっている。
【０１１３】
基板１００上に形成される画素アレイ１１１は、例えば、図１３（Ｂ）の上面図に示すような構成とすることができる。なお、図１３（Ｂ）では明瞭化のため、シンチレータ１２０を省いて図示している。
【０１１４】
画素アレイ１１１はマトリクス状に形成された複数の画素回路７１０からなり、当該画素回路には、受光素子７２０および当該受光素子と電気的に接続された撮像用回路部７３０と、発光素子７６０および当該発光素子と電気的に接続された発光用回路部７７０が含まれる（図１３（Ｃ）参照）。
【０１１５】
本発明の一態様の撮像装置では、撮像用回路部７３０および発光用回路部７７０に酸化物半導体を活性層としたトランジスタを用いることができる。酸化物半導体を用いたトランジスタは非晶質シリコンを用いたトランジスタよりも移動度が高いため、トランジスタを小さくすることが容易であり、画素を小さくすることができる。すなわち、撮像装置の解像度を高めることができる。
【０１１６】
上記酸化物半導体を活性層としたトランジスタは、実施の形態１で説明したように、シンチレータ１２０を通過する一部のＸ線によって劣化が生じる。当該劣化を回復させる手段として、実施の形態１では発熱体１０１による熱処理および発光装置１３０による光照射を用いたが、本実施の形態の撮像装置３０では、発熱体１０１による熱処理に加え、発光素子７６０による光照射を用いる。
【０１１７】
発光素子７６０としては、例えば有機ＥＬ素子を用いることができる。また、当該発光素子が発する光の波長は、実施の形態１で説明したように５００ｎｍ乃至６００ｎｍであることが好ましく、５５０ｎｍ前後であることがさらに好ましい。
【０１１８】
なお、発光素子７６０は、図示するように撮像用回路部７３０および発光用回路部７７０上に形成され、両方の回路部に光が照射されるようにするため、ボトムエミッション構造（基板１００側に光を射出する構成）とすることが好ましい。また、撮像用回路部７３０および発光用回路部７７０に含まれるトランジスタの活性層に光が効率よく照射されるように、当該トランジスタはボトムゲート構造とすることが好ましい。
【０１１９】
図１４は、撮像用回路部７３０として図７（Ａ）に示した回路２１１を用い、基準電位線である第４の配線３１４（ＧＮＤ）を共有して発光素子７６０および発光用回路部７７０を接続した画素回路７１０の回路図である。
【０１２０】
発光用回路部７７０は、第５のトランジスタ８４０のソースまたはドレインの一方に信号線８２０が接続され、ソースまたはドレインの他方に第６のトランジスタ８９０のゲートおよび容量素子８５０の一方の電極が接続され、第５のトランジスタ８４０のゲートには走査線８１１が接続され、第６のトランジスタ８９０のソースまたはドレインの一方には電源線８３０が接続され、ソースまたはドレインの他方には発光素子７６０の一方の電極が接続され、発光素子７６０の他方の電極は第４の配線３１４（ＧＮＤ）と接続されている。
【０１２１】
発光素子７６０および発光用回路部７７０は、少なくとも容量素子８５０の電位が保持可能という特徴を生かすことで、次のように、発光の保持が可能である。
【０１２２】
まず、第５のトランジスタ８４０がオン状態となる電位を走査線８１１に供給する。この動作により、信号線８２０の電位が、容量素子８５０の一方の電極、および第６のトランジスタ８９０のゲート電極に与えられる。すなわち、容量素子８５０および第６のトランジスタ８９０のゲートを含むノードには、所定の電荷が与えられる。ここで、第６のトランジスタ８９０は、当該ノードに供給された電位に応じた電流を発光素子７６０に流し、発光強度を制御する。
【０１２３】
その後、走査線８１１の電位を第５のトランジスタ８４０がオフ状態となる電位として、第５のトランジスタ８４０をオフ状態とすることにより、容量素子８５０および第６のトランジスタ８９０のゲートを含むノードの電位が保持され、発光素子７６０からの発光が保持される。なお、第５のトランジスタ８４０に酸化物半導体で形成したオフ電流が極めて小さいトランジスタを用いると上記ノードの電位は長期間保持できる。そのため、当該ノードに電位を供給するための動作の間隔を拡大しても発光素子７６０の発光強度が長期間維持できるようになり、消費電力を低減することができる。
【０１２４】
当該発光素子が発する光を撮像用回路部７３０および発光用回路部７７０が有するトランジスタの活性層に照射することでＸ線照射による電気特性の劣化を回復することができる。
【０１２５】
なお、撮像用回路部７３０および発光用回路部７７０に開口部を設け、かつ基板１００および発熱体１０１に発光素子７６０が発する光に対して透光性を有する材料を用いれば撮像装置３０を表示装置としても用いることができる。例えば、図１５に示すように撮像装置３０を含む撮像システム９００の入力側（シンチレータ１２０側）に被写体９２０を透過したＸ線を入射させる。そして、撮像装置３０の撮像用回路部７３０から出力された映像信号は信号処理装置９１０で諧調信号に変換され、撮像装置３０の発光用回路部７７０に入力されることにより撮像システム９００の出力側（基板１００側）で画像を表示することができる。
【０１２６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【０１２７】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した画素回路の駆動方法の一例について説明する。
【０１２８】
実施の形態２で説明したように、画素回路の動作は、リセット動作、蓄積動作、および選択動作の繰り返しである。Ｘ線等の放射線を用いた撮像装置においては、生体への影響を考慮し、放射線の照射時間を極力短くすることが好ましい。放射線の照射時間の短縮し、短時間での撮像を実現するためには、全画素回路のリセット動作、蓄積動作、選択動作を速やかに実行することが必要である。
【０１２９】
そのため、撮像方法としては、図１６（Ａ）のタイミングチャートに示すようなグローバルシャッタ方式での駆動方法を用いることが好ましい。なお、図１６（Ａ）は、マトリクス状に複数の画素回路を有し、当該画素回路に図７（Ａ）の回路２１１を有する撮像装置を例として、第１行目から第ｎ行目（ｎは３以上の自然数）の回路２１１の動作を説明するものである。なお、下記の動作説明は、図９（Ａ）の回路２１３、図１０の回路２１５、および図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す回路にも適用することができる。
【０１３０】
図１６（Ａ）において、信号５０１、信号５０２、信号５０３は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された第１の配線３１１（ＲＳ）に入力される信号である。また、信号５０４、信号５０５、信号５０６は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された第２の配線３１２（ＴＸ）に入力される信号である。また、信号５０７、信号５０８、信号５０９は、第１行目、第２行目、第ｎ行目の各画素回路に接続された第３の配線３１３（ＳＥ）に入力される信号である。
【０１３１】
また、期間５１０は、１回の撮像に要する期間である。また、期間５１１は、各行の画素回路がリセット動作を同時に行っている期間であり、期間５２０は、各行の画素回路が蓄積動作を同時に行っている期間である。なお、選択動作は各行の画素回路で順次行われる。一例として、期間５３１は、第１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。このように、グローバルシャッタ方式では、全画素回路で略同時にリセット動作が行われた後、全画素回路で略同時に蓄積動作が行われ、１行毎に順次読み出し動作が行われる。
【０１３２】
つまり、グローバルシャッタ方式では、全ての画素回路において蓄積動作が略同時に行われているため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保される。したがって、放射線照射と蓄積動作とを同期させることで、被写体へ放射線を照射する時間を短くすることができる。すなわち、グローバルシャッタ方式では、期間５２０のみに放射線照射を行えばよい。
【０１３３】
一方、図１６（Ｂ）は、ローリングシャッタ方式を用いた場合のタイミングチャートである。なお、信号５０１乃至５０９は図１６（Ａ）の説明を参照することができる。期間６１０は１回の撮像に要する期間である。期間６１１、期間６１２、期間６１２はそれぞれ、第１行目、第２行目、第ｎ行目のリセット期間であり、期間６２１、期間６２２、期間６２３はそれぞれ、第１行目、第２行目、第ｎ行目の蓄積動作期間である。また、期間６３１は、１行目の画素回路が選択動作を行っている期間である。このように、ローリングシャッタ方式では、蓄積動作が全ての画素回路では同時に行われず、行毎に順次行われるため、各行の画素回路における撮像の同時性が確保されない。したがって、放射線照射と蓄積動作とを同期させたとしても、放射線照射時間に相当する期間６２０（期間６２１乃至期間６２３の合計）は、グローバルシャッタ方式における放射線照射期間である期間５２０よりも長くなってしまう。ただし、蓄積動作期間を短くすることなどによって、期間６２０を短くすることができるため、本発明の一態様の撮像装置の駆動方式として、ローリングシャッタ方式を用いることもできる。
【０１３４】
グローバルシャッタ方式を実現するためには、蓄積動作が終了した後も、読み出しまでの間に各画素回路における配線３０５（ＦＤ）の電位を長時間保つ必要がある。配線３０５（ＦＤ）の電位の長時間の保持は、前述したように第１のトランジスタ３０１に極めてオフ電流の低い、チャネル形成領域を酸化物半導体で形成したトランジスタを用いることで実現できる。一方、第１のトランジスタ３０１にチャネル形成領域をシリコン半導体などで形成したトランジスタを適用した場合は、オフ電流が高いために配線３０５（ＦＤ）の電位を長時間保持できず、グローバルシャッタ方式を用いることが困難となる。
【０１３５】
以上のように、画素回路にチャネル形成領域を酸化物半導体で形成したトランジスタを用いることでグローバルシャッタ方式を容易に実現することができ、被写体に照射する放射線量が少ない撮像装置を提供することができる。
【０１３６】
本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０    撮像装置
２０    撮像装置
３０    撮像装置
１００    基板
１０１    発熱体
１１０    画素アレイ
１１１    画素アレイ
１２０    シンチレータ
１３０    発光装置
２１０    画素回路
２１１    回路
２１２    回路
２１３    回路
２１４    回路
２１５    回路
２１６    回路
２１７    回路
２２０    受光素子
２３０    回路部
２４０    回路
２５０    回路
３０１    第１のトランジスタ
３０２    第２のトランジスタ
３０３    第３のトランジスタ
３０４    第４のトランジスタ
３０５    配線
３１１    第１の配線
３１２    第２の配線
３１３    第３の配線
３１４    第４の配線
３１５    第５の配線
３１６    第６の配線
３１７    第７の配線
３２０    フォトダイオード
３２１    フォトダイオード
３３０    可変抵抗素子
４０１    信号
４０２    信号
４０３    信号
４０４    信号
４０５    信号
５０１    信号
５０２    信号
５０３    信号
５０４    信号
５０５    信号
５０６    信号
５０７    信号
５０８    信号
５０９    信号
５１０    期間
５１１    期間
５２０    期間
５３１    期間
６１０    期間
６１１    期間
６１２    期間
６２０    期間
６２１    期間
６２２    期間
６２３    期間
６３１    期間
７１０    画素回路
７２０    受光素子
７３０    撮像用回路部
７６０    発光素子
７７０    発光用回路部
８１１    走査線
８２０    信号線
８３０    電源線
８４０    第５のトランジスタ
８５０    容量素子
８９０    第６のトランジスタ
９００    撮像システム
９１０    信号処理装置
９２０    被写体
９９１    ディテクタユニット
９９２    手
９９４    被写体
９９５    台
９９６    Ｘ線源
９９７    Ｘ線
９９８    撮像システム
９９９    コンピュータ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2015065433.tif 000017
【図１６】
2015065433.tif 000018
【図１７】
2015065433.tif 000019
【図１８】
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