(57)【要約】【課題】製造コストの増大、ノイズの増大、及び面積の増大を防ぐことが可能な放射線撮像素子を提供する。【解決手段】被写体を透過したＸ線を受光してそのＸ線量に応じた撮像信号を出力する放射線撮像素子であって、基板１上方に形成された下部電極２、下部電極２上方に形成された光電変換膜４、及び光電変換膜４上方に形成された上部電極６を含む光電変換部と、上部電極６上方に形成された蛍光体膜８と、前記光電変換部に対応して基板１に設けられ、光電変換膜４で発生した電荷に応じた信号を出力する信号出力部１０とを含む画素部を複数備え、平面視において前記画素部の信号出力部１０と前記画素部の光電変換部とが重なりを有しており、光電変換膜４が有機光電変換材料を含んで構成されている。【選択図】図１
2008227000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を透過した放射線を受光して前記放射線量に応じた撮像信号を出力する放射線撮像素子であって、
基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された光電変換膜、及び前記光電変換膜上方に形成された上部電極を含む光電変換部と、前記上部電極上方に形成された蛍光体膜と、前記光電変換部に対応して前記基板に設けられ、前記光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を出力する信号出力部とを含む画素部を複数備え、
平面視において前記画素部の前記信号出力部と前記画素部の前記光電変換部とが重なりを有しており、
前記光電変換膜が前記蛍光体膜で発光された光を吸収する有機光電変換材料を含んで構成される放射線撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の放射線撮像素子であって、
可視域における前記有機光電変換材料の吸収ピーク波長が、可視域における前記蛍光体膜の前記放射線に対する発光ピーク波長と略一致する放射線撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の放射線撮像素子であって、
前記有機光電変換材料が、キナクリドン系有機化合物又はフタロシアニン系有機化合物である放射線撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記蛍光体膜がヨウ化セシウムを含んで構成される放射線撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記放射線がＸ線である放射線撮像素子。
【請求項６】
請求項１又は２記載の放射線撮像素子であって、
前記放射線がＸ線であり、
前記有機光電変換材料がキナクリドンであり、
前記蛍光体膜の材料がチタンを添加したヨウ化セシウムである放射線撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記下部電極が前記画素部毎に分割され、
前記光電変換膜、前記上部電極、及び前記蛍光体膜がそれぞれ前記複数の画素部で共通化されている放射線撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記上部電極がＩＴＯである放射線撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記下部電極と前記光電変換膜との間に、前記下部電極と前記上部電極間にバイアス電圧を印加したときに前記下部電極から前記光電変換膜に電荷が注入されるのを抑制する第１の電荷ブロッキング膜を備える放射線撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の放射線撮像素子であって、
前記上部電極と前記光電変換膜との間に、前記下部電極と前記上部電極間にバイアス電圧を印加したときに前記上部電極から前記光電変換膜に電荷が注入されるのを抑制する第２の電荷ブロッキング膜を備える放射線撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体を透過した放射線を受光して前記放射線量に応じた撮像信号を出力する放射線撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野では、Ｘ線等の放射線を人体に照射し、人体を透過した放射線の強度を検出することで人体内部の撮像を行う放射線撮像装置が用いられている。このような放射線撮像装置には、大きく分けて直接型撮像装置と間接型撮像装置が存在する。直接型撮像装置は、人体を透過した放射線を電気信号に直接変換して外部に取り出す方式であり、間接型撮像装置は、人体を透過した放射線を一旦蛍光体に入射させて可視光に変換し、この可視光を電気信号に変換して外部に取り出す方式である。
【０００３】
間接型撮像装置に用いる放射線撮像素子の一例が特許文献１の図２０（ｂ）に開示されている。この放射線撮像素子の１画素は、一対の電極とこれに挟まれた光電変換膜からなる光電変換部と、この光電変換膜で発生した電荷を蓄積するためのコンデンサと、このコンデンサに蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力するＴＦＴスイッチとが表面に並べられた基板上方に、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）からなる蛍光体が設けられた構成となっている。この放射線撮像素子では、光電変換膜がアモルファスシリコン等の無機光電変換材料で構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１１６０４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無機光電変換材料はブロードな吸収スペクトルを有する。このため、特許文献１に開示された放射線撮像素子の光電変換膜では、蛍光体で発光された光以外に、蛍光体を透過してしまったＸ線の一部も吸収してしまう。この結果、吸収されたＸ線に応じた信号がノイズとなってしまい、画質が劣化するという問題点がある。
【０００６】
又、一般に、放射線撮像素子は、その受光面積（光電変換膜の占める面積）を例えば人体の胸部の大きさと同等にする必要があり、受光面積の大面積化が求められる。しかし、特許文献１に開示された放射線撮像素子は、光電変換膜とコンデンサ及びＴＦＴスイッチが同一面上に形成されているため、受光面積を大きくしようとすると、コンデンサ及びＴＦＴスイッチの形成領域も大きくなり、素子面積がかなり大きくなってしまう。又、このように素子面積が大きくなると、大掛かりな製造装置等が必要となり、素子の製造が容易ではなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製造コストの増大、ノイズの増大、及び面積の増大を防ぐことが可能な放射線撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の放射線撮像素子は、被写体を透過した放射線を受光して前記放射線量に応じた撮像信号を出力する放射線撮像素子であって、基板上方に形成された下部電極、前記下部電極上方に形成された光電変換膜、及び前記光電変換膜上方に形成された上部電極を含む光電変換部と、前記上部電極上方に形成された蛍光体膜と、前記光電変換部に対応して前記基板に設けられ、前記光電変換膜で発生した電荷に応じた信号を出力する信号出力部とを含む画素部を複数備え、平面視において前記画素部の前記信号出力部と前記画素部の前記光電変換部とが重なりを有しており、前記光電変換膜が前記蛍光体膜で発光された光を吸収する有機光電変換材料を含んで構成される。
【０００９】
本発明の放射線撮像素子は、可視域における前記有機光電変換材料の吸収ピーク波長が、可視域における前記蛍光体膜の前記放射線に対する発光ピーク波長と略一致する。
【００１０】
本発明の放射線撮像素子は、前記有機光電変換材料が、キナクリドン系有機化合物又はフタロシアニン系有機化合物である。
【００１１】
本発明の放射線撮像素子は、前記蛍光体膜がヨウ化セシウムを含んで構成される。
【００１２】
本発明の放射線撮像素子は、前記放射線がＸ線である。
【００１３】
本発明の放射線撮像素子は、前記放射線がＸ線であり、前記有機光電変換材料がキナクリドンであり、前記蛍光体膜の材料がチタンを添加したヨウ化セシウムである。
【００１４】
本発明の放射線撮像素子は、前記下部電極が前記画素部毎に分割され、前記光電変換膜、前記上部電極、及び前記蛍光体膜がそれぞれ前記複数の画素部で共通化されている。
【００１５】
本発明の放射線撮像素子は、前記上部電極がＩＴＯである。
【００１６】
本発明の放射線撮像素子は、前記下部電極と前記光電変換膜との間に、前記下部電極と前記上部電極間にバイアス電圧を印加したときに前記下部電極から前記光電変換膜に電荷が注入されるのを抑制する第１の電荷ブロッキング膜を備える。
【００１７】
本発明の放射線撮像素子は、前記上部電極と前記光電変換膜との間に、前記下部電極と前記上部電極間にバイアス電圧を印加したときに前記上部電極から前記光電変換膜に電荷が注入されるのを抑制する第２の電荷ブロッキング膜を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、製造コストの増大、ノイズの増大、及び面積の増大を防ぐことが可能な放射線撮像素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態である放射線撮像素子の３画素部分の概略構成を示す断面模式図である。
放射線撮像素子の１画素部は、半導体基板、石英基板、及びガラス基板等の基板１（ここではガラス基板とする）上方に絶縁膜１１を介して形成された下部電極２と、下部電極２上に形成された電子ブロッキング膜３と、電子ブロッキング膜３上に形成された光電変換膜４と、光電変換膜４上に形成された正孔ブロッキング膜５と、正孔ブロッキング膜５上に形成された上部電極６と、上部電極６上に形成されたＳｉＯ２やＳｉＮ等の透明絶縁膜７と、透明絶縁膜７上に形成された蛍光体膜８とを備える。下部電極２と、上部電極６と、これらに挟まれた電子ブロッキング膜３、光電変換膜４、及び正孔ブロッキング膜５の各々とにより、光電変換部が構成されている。
【００２１】
蛍光体膜８は、ここに上方から入射してくる放射線を可視光に変換して発光する蛍光体を成膜したものである。蛍光体が発する光の波長域は、この放射線撮像素子によってモノクロ撮像を可能とするために、緑色の波長域を含んでいることが好ましい。したがって、蛍光体膜８に用いる蛍光体としては、放射線をＸ線としたとき、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を含むものが好ましく、Ｘ線照射時の発光スペクトルが４２０ｎｍ〜６００ｎｍに延びているＣｓＩ（Ｔｉ）（チタンが添加されたヨウ化セシウム）を用いることが特に好ましい。尚、ＣｓＩ（Ｔｉ）の可視域における発光ピーク波長は５６５ｎｍである。
【００２２】
上部電極６は、光電変換膜４に光を入射させる必要があるため、少なくとも蛍光体膜８の発光波長に対して透明な導電性材料で構成される。上部電極６の材料としては、可視光に対する透過率が高く、抵抗値が小さい透明導電性酸化物（TCO;Transparent Conducting Oxide）を用いることができる。Ａｕなどの金属薄膜も用いることができるが、透過率を９０%以上得ようとすると抵抗値が極端に増大するため、ＴＣＯの方が好ましい。ＴＣＯとして、特に、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ２等を好ましく用いることができ、プロセス簡易性、低抵抗性、透明性の観点からはＩＴＯが最も好ましい。尚、上部電極６は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。
【００２３】
下部電極２は、画素部毎に分割された薄膜であり、透明又は不透明の導電性材料で構成される。下部電極２の材料としてアルミニウムや銀等を用いることができる。
【００２４】
光電変換膜４は、有機光電変換材料を含んで構成され、蛍光体膜８から発せられた光を吸収して、吸収した光に応じた電荷を発生する。光電変換膜４は、全画素部で共通の一枚構成であるが、画素部毎に分割してあっても良い。光電変換膜４を構成する有機光電変換材料は、蛍光体膜８で発光した光を最も効率良く吸収するために、その吸収ピーク波長が、蛍光体膜８の発光ピーク波長とほぼ同じであることが好ましい。有機光電変換材料の吸収ピーク波長と蛍光体膜８の発光ピーク波長とが完全に一致することが理想的であるが、双方の差が５ｎｍ以内であれば、蛍光体膜８から発光された光を十分に吸収することが可能である。このような条件を満たすことが可能な有機光電変換材料としては、キナクリドン系有機化合物やフタロシアニン系有機化合物が挙げられる。例えばキナクリドンの可視域における吸収ピーク波長は５６０ｎｍであるため、有機光電変換材料としてキナクリドンを用い、蛍光体膜８の材料としてＣｓＩ（Ｔｉ）を用いることで、上記差を５ｎｍ以内にすることが可能となり、光電変換膜４で発生する電荷量をほぼ最大にすることができる。
【００２５】
各画素部に含まれる光電変換部は、下部電極２、光電変換膜４、上部電極６を少なくとも含んでいれば良い。このような光電変換部では、上部電極６と下部電極２の間に所定のバイアス電圧を印加することで、光電変換膜４で発生した電荷（正孔、電子）のうちの一方を上部電極６に移動させ、他方を下部電極２に移動させることができる。本実施形態では、上部電極６に配線が接続され、この配線を介してバイアス電圧が上部電極６に印加されるものとする。又、バイアス電圧は、光電変換膜４で発生した電子が上部電極６に移動し、正孔が下部電極２に移動するように極性が決められているものとするが、この極性は逆であっても良い。
【００２６】
電子ブロッキング膜３は、下部電極２と上部電極６間にバイアス電圧を印加したときに、下部電極２から光電変換膜４に電子が注入されてしまうことで暗電流が増加してしまうのを抑制するために設けられている。
【００２７】
電子ブロッキング膜３には、電子供与性有機材料を用いることができる。具体的には、低分子材料では、Ｎ，Ｎ’−ビス（３−メチルフェニル）−（１，１’−ビフェニル）−４，４’−ジアミン（ＴＰＤ）や４，４’−ビス［Ｎ−（ナフチル）−Ｎ−フェニル−アミノ］ビフェニル（α−ＮＰＤ）等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ）、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジザゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アニールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体などを用いることができ、高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体や、その誘導体を用いることができる。
【００２８】
電子ブロッキング膜３の厚みは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、特に好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。この厚みが薄すぎると、暗電流抑制効果が低下してしまい、厚すぎると光電変換部の光電変換効率が低下してしまうためである。
【００２９】
実際に電子ブロッキング膜３に用いる材料は、隣接する電極の材料および隣接する光電変換膜の材料により、選択の幅が規定される。隣接する電極の材料の仕事関数（Ｗｆ）より１．３ｅＶ以上電子親和力（Ｅａ）が大きく、かつ、隣接する光電変換膜の材料のイオン化ポテンシャル（Ｉｐ）と同等のＩｐもしくはそれより小さいＩｐを持つものがよい。
【００３０】
正孔ブロッキング膜５は、下部電極２と上部電極６間にバイアス電圧を印加したときに、上部電極６から光電変換膜４に正孔が注入されてしまうことで暗電流が増加してしまうのを抑制するために設けられている。
【００３１】
正孔ブロッキング膜５には、電子受容性有機材料を用いることができる。電子受容性材料としてはＣ６０、Ｃ７０をはじめとするフラーレンやカーボンナノチューブ、及びそれらの誘導体や、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）等のオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、バソクプロイン、バソフェナントロリン、及びこれらの誘導体、トリアゾール化合物、トリス（８−ヒドロキシキノリナート）アルミニウム錯体、ビス（４−メチル−８−キノリナート）アルミニウム錯体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール化合物などを用いることができる。
【００３２】
正孔ブロッキング膜５の厚みは、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、特に好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。この厚みが薄すぎると、暗電流抑制効果が低下してしまい、厚すぎると光電変換部の光電変換効率が低下してしまうためである
【００３３】
実際に正孔ブロッキング膜５に用いる材料は、隣接する電極の材料および隣接する光電変換膜の材料により、選択の幅が規定される。隣接する電極の材料の仕事関数（Ｗｆ）より１．３ｅＶ以上イオン化ポテンシャル（Ｉｐ）が大きく、かつ、隣接する光電変換膜の材料の電子親和力（Ｅａ）と同等のＥａもしくはそれより大きいＥａを持つものが良い。
【００３４】
尚、光電変換膜４で発生した電荷のうち、正孔が上部電極６に移動し、電子が下部電極２に移動するように、バイアス電圧を設定する場合には、電子ブロッキング膜３と正孔ブロッキング膜５の位置を逆にすれば良い。又、電子ブロッキング膜３と正孔ブロッキング膜５は両方設けなくてもよく、いずれかを設けておけば、ある程度の暗電流抑制効果を得ることができる。
【００３５】
各画素部の下部電極２下方の基板１表面には、この下部電極２に対応させて、この下部電極２に移動した電荷を蓄積するための電荷蓄積部として機能するコンデンサ９と、このコンデンサ９に蓄積された電荷を電圧信号に変換して出力する信号出力部として機能する電界効果トランジスタ１０とが形成されている。コンデンサ９及び電界効果トランジスタ１０の形成された領域は、平面視において下部電極２と重なる部分を有している。放射線撮像素子の平面積を最小にするために、この領域が下部電極２によって完全に覆われていることが望ましい。
【００３６】
コンデンサ９は、絶縁膜１１を貫通して形成された導電性材料のプラグ（不図示）によって対応する下部電極２と電気的に接続されており、これにより、下部電極２で捕集された電荷をコンデンサ９に移動させることができる。電界効果トランジスタ１０の素材は、例えばアモルファスシリコンを用いることができる。
【００３７】
尚、基板１が例えばｎ型半導体基板である場合は、下部電極２下方のｎ型半導体基板表面に形成したｐウェル層内にｎ型不純物拡散領域を形成してこれを電荷蓄積部とし、この電荷蓄積部と下部電極２とを導電性材料によって接続し、ｎ型半導体基板の中及び表面にＭＯＳ回路を形成してこれを信号出力部とすれば良い。
【００３８】
以上のように構成された放射線撮像素子の動作について説明する。
人体にＸ線が照射され、人体を透過したＸ線が蛍光体膜８に入射すると、蛍光体膜８からは波長４２０〜６００ｎｍの光が発せられ、この光が光電変換膜４へと入射する。この入射光のうちの緑色の波長域の光が光電変換膜４で吸収されると、ここで電荷が発生し、発生した電荷のうちの正孔が下部電極２に移動してコンデンサ９に蓄積される。コンデンサ９に蓄積された正孔は、電界効果トランジスタ１０によって電圧信号に変換されて出力される。各画素部から得られた電圧信号により、人体内部を撮影したモノクロ画像が得られる。
【００３９】
このように、本実施形態の放射線撮像素子によれば、各画素部において、光電変換部の下に電荷蓄積部と信号出力部が形成されているため、特許文献１に開示された素子のように、光電変換部と電荷蓄積部と信号出力部を同一平面上に形成する構成に比べて、素子面積を大幅に縮小することができる。
【００４０】
又、本実施形態の放射線撮像素子によれば、光電変換膜４の材料に吸収ピーク波長をコントロールするのが容易な有機光電変換材料を用いているため、蛍光体膜８の発光ピーク波長と光電変換膜４の吸収ピーク波長をほぼ一致させることが可能となり、蛍光体から発せられた光を無駄なく吸収することができる。
【００４１】
又、本実施形態の放射線撮像素子によれば、光電変換膜４の材料として、無機光電変換材料のようにブロードな吸収スペクトルではなく、可視域にシャープな吸収スペクトルを持つ有機光電変換材料を用いているため、蛍光体膜８の発した可視光以外の光が光電変換膜４で吸収されることがほとんどなく、Ｘ線が光電変換膜４で吸収されることによって発生するノイズを極力少なくすることができる。このような効果は、光電変換膜４の吸収スペクトルを、可視光を吸収し、赤外光をほとんど吸収しないものにすることで得ることができる。
【００４２】
又、本実施形態の放射線撮像素子によれば、電荷蓄積部、信号出力部、及び下部電極２を形成後は、基板全面に材料を成膜していくだけで各構成要素を形成することができる。このため、放射線撮像素子の面積の大型化を図る場合でも、微細化プロセスをあまり増やす必要がなくなるため、その製造を容易に行うことができる。
【００４３】
又、本実施形態の放射線撮像素子によれば、電子ブロッキング膜３と正孔ブロッキング膜５によって暗電流を抑制することができるため、高画質な撮像が可能となる。この放射線撮像素子を医療用に用いる場合には、その面積が非常に大きくなるが、面積が大きいと、下部電極２や上部電極６から光電変換膜４に注入される電荷も多くなることが予想される。したがって、電子ブロッキング膜３と正孔ブロッキング膜５を設けて暗電流を積極的に抑制することが効果的となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態である放射線撮像素子の３画素部分の概略構成を示す断面模式図
【符号の説明】
【００４５】
１  基板
２  下部電極
３  電子ブロッキング膜
４  光電変換膜
５  正孔ブロッキング膜
６  上部電極
７  透明絶縁膜
８  蛍光体膜
９  コンデンサ
１０  電界効果トランジスタ
１１  絶縁膜
【図１】
2008227000.tif 000003