(57)【要約】【課題】化学堆積法で作製した多結晶ＣｄＳｅ膜のＸ線−電荷変換効率を飛躍的に増大させる。【解決手段】放射線を電気信号に変換する放射線変換膜７は化学堆積法で形成された多結晶ＣｄＳｅ膜であり、化学堆積中に多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させる。酸素の吸着は化学堆積中に化学堆積面に光を照射するか、又は正電位を印加することで行う。また、光の照射又は正電位の印加は周期的に行うことが可能である。この製造方法により作製された多結晶ＣｄＳｅ膜を、電界効果トランジスタが２次元マトリックス状に配置されたアクティブマトリックス基板上に形成することで、直接変換型Ｘ線イメージセンサーを得る。【選択図】　　　図１
2004128151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を電気信号に変換する放射線変換膜の製造方法において、
前記放射線変換膜は化学堆積法で形成された多結晶ＣｄＳｅ膜であり、化学堆積中に多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることを特徴とする放射線変換膜の製造方法。
【請求項２】
前記放射線変換膜に入射される放射線が、Ｘ線撮影で使用される波長のＸ線であることを特徴とする請求項１記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項３】
前記放射線変換膜の多結晶ＣｄＳｅ膜の化学堆積中に化学堆積面に光を照射することで、多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることを特徴とする請求項１記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項４】
前記光の照射を周期的に行うことを特徴とする請求項３記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項５】
前記放射線変換膜の多結晶ＣｄＳｅ膜の化学堆積中に化学堆積面に負電位を印加することで、多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることを特徴とする請求項１記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項６】
前記負電位の印加を周期的に行うことを特徴とする請求項５記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項７】
溶液中での化学堆積法による前記放射線変換膜の多結晶ＣｄＳｅ膜の堆積中に、該溶液に酸素を供給することを特徴とする請求項１記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項８】
前記溶液中において酸素をバブリングさせて前記溶液に酸素を供給することを特徴とする請求項７記載の放射線変換膜の製造方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載された製造方法により作製された多結晶ＣｄＳｅ膜を、電界効果トランジスタが２次元マトリックス状に配置されたアクティブマトリックス基板上に形成したことを特徴とする直接変換型放射線イメージセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の直接変換型放射線イメージセンサと、
前記直接変換型放射線イメージセンサからの信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
前記放射線を発生させるための放射線源とを具備することを特徴とする放射線撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射線変換膜の製造方法、直接変換型放射線イメージセンサおよび放射線撮像システムに係わり、特に医療用のＸ線撮像装置に利用されるディジタルＸ線イメージセンサおよびそのセンサで使用されるＸ線電荷変換膜に好適に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線等の放射線を吸収して直接電気信号に変換する放射線電荷変換膜（放射線変換膜）に適した特性として、（１）Ｘ線等の放射線の吸収率が高い、（２）放射線−電荷変換効率が高い、（３）バンドギャップが大きい（＞１．４ｅＶ）、（４）抵抗率が高い（＞１０９Ωｃｍ）、（５）キャリヤの移動度μ（ｃｍ２／Ｖｓ）と寿命τ（ｓ）の積μτ（ｃｍ２／Ｖ）が大きい、（６）アクティブマトリックス基板上に直接成膜が可能、などがある。
【０００３】
上記（１）、（２）は、Ｘ線等の放射線を高感度で検出するために必要な特性であり、上記（３）、（４）は、室温で低ノイズを実現するものであり、上記（５）は高速動作、上記（６）は製造工程の簡易化に有効である。
【０００４】
直接変換膜の従来技術として、例えば特許文献１に記載されているアモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）が知られている。アモルファスＳｅ膜は、上記（３），（４），（６）に挙げた特性に優れており、直接変換型Ｘ線イメージセンサとして商品化されている。
【０００５】
しかし、アモルファスＳｅ膜は、上記（１）のＸ線の吸収効率があまり高くない、上記（２）の電気信号への変換効率が低い、上記（５）のμτ積が小さい、また、使用の際に高電圧（〜１０ｋＶ）の印加を必要とするなどの点で改善が望まれている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５３１９２０６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
多結晶ＣｄＳｅは、アモルファスＳｅに比較して、（ａ）Ｘ線の吸収率が高い、（ｂ）バンドギャップが大きい（〜１．７ｅＶ）等の特性において優れており、化学堆積法により大面積基板への低温成膜も容易であり、高感度・低電圧駆動の光電変換膜として期待できる。
【０００８】
しかし、化学堆積法で形成された多結晶ＣｄＳｅは、ポストアニールなしでは、光照射による抵抗変化率が小さいが、大気中で４５０℃程度のポストアニールを加えることで、光照射による抵抗変化率が大幅に増大することから、Ｘ線−電荷変換効率も大きく増大する。
【０００９】
しかしながら、前記Ｘ線電荷変換膜を使った直接変換型Ｘ線イメージセンサは、大面積かつ１画素毎に素子選択のためのＦＥＴを必要とし、これらの選択ＦＥＴはガラス基板上にアモルファスシリコンで構成されることが多い。しかしながら、アモルファスシリコンで構成されるＦＥＴは、４５０℃のアニール耐性はないので、このＦＥＴ上にＸ線電荷変換膜を直接形成できることは困難であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の放射線変換膜の製造方法は、放射線を電気信号に変換する放射線変換膜の製造方法において、前記放射線変換膜は化学堆積法で形成された多結晶ＣｄＳｅ膜であり、化学堆積中に多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の直接変換型放射線イメージセンサは、上記本発明の放射線変換膜の製造方法により作製された多結晶ＣｄＳｅ膜を、ａ−Ｓｉで構成されたＦＥＴが２次元マトリックス状に配置されたアクティブマトリックス基板上に形成したことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の放射線撮像システムは、上記本発明の直接変換型放射線イメージセンサと、前記直接変換型放射線イメージセンサからの信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、前記放射線を発生させるための放射線源とを具備することを特徴とするものである。
【００１３】
なお、本願において、放射線とはＸ線やα，β，γ線等をいう。また、化学堆積法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　または　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂａｔｈ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とは、堆積させたい化合物を構成する元素を含むそれぞれの物質を溶かした溶液を作製し、この中に設置した基板上に目的とする化合物、今の場合多結晶ＣｄＳｅを堆積させるものである。
【００１４】
本発明では、低温のポストアニールで、実用的な放射線−電荷変換効率が得られる多結晶ＣｄＳｅを形成することで、アモルファスシリコンで構成したＦＥＴ上に直接放射線電荷変換膜を形成した直接変換型放射線イメージセンサの製造を可能にする。
【００１５】
化学堆積法で形成された多結晶ＣｄＳｅを大気中で４５０℃程度のポストアニールすることは、多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させる工程である。この粒界に吸着された酸素が、光照射によって励起されたキャリヤを捕獲または放出して、粒界の障壁エネルギーが低くなり、多結晶ＣｄＳｅ膜中のキャリヤの移動が容易になって、抵抗が格段に低下する。
【００１６】
本発明では、この大気中４５０℃のポストアニールによって粒界に酸素を吸着させる代わりに、化学堆積中に多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることで、ポストアニールを不要、または、低温のポストアニールで、大きな放射線−電荷変換効率を得る。
【００１７】
化学堆積中に多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させる第１の方法は、化学堆積中のＣｄＳｅ表面に、ＣｄＳｅ内でキャリヤを励起できる波長の光を含む光を断続的に照射する。これにより、ＣｄＳｅ表面近傍の溶液中に溶けている酸素を結晶表面に吸着させるものである。
【００１８】
第２の方法は、化学堆積中のＣｄＳｅ表面に正電位を印加することで、ＣｄＳｅ表面近傍の溶液中に溶けている酸素を結晶表面に吸着させるものである。
【００１９】
また、溶液中の酸素濃度を一定に維持するために、溶液中で酸素をバブリングさせて供給することは、厚い多結晶ＣｄＳｅ膜を形成する場合に有効である。
【００２０】
以上の工程により、多結晶ＣｄＳｅの粒界に酸素を吸着させることが可能になり、ポストアニールを不要、または、低温のポストアニールで、大きな放射線−電荷変換効率を得ることができ、応答特性・感度に優れた放射線電荷変換膜およびディジタル放射線イメージセンサが実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ここでは、放射線変換膜としてＸ線電荷変換膜、それを用いた直接変換型Ｘ線イメージセンサを例に取って説明する。
【００２２】
図１は、本発明を実施した直接変換型Ｘ線イメージセンサの原理図である。基本構成は、Ｘ線を電気信号に変換する放射線変換膜となるＸ線電荷変換膜７、Ｘ線電荷変換膜からの電気信号を電荷として蓄積する蓄積容量（コンデンサ）１２、および、蓄積容量１２への電荷蓄積・電圧の読み出しに使用するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１３、Ｘ線電荷変換膜７にバイアス電圧Ｖを印加するためのバイアス電極８とピクセル電極１１からなる。バイアス電極８が正電位、ピクセル電極１１が負電位となるようにバイアス電圧Ｖが印加される。
【００２３】
蓄積容量１２およびＦＥＴ１３が一次元または二次元に配列されたＴＦＴアレイのほぼ全面を覆うように、ピクセル電極１１、Ｘ線電荷変換膜７、バイアス電極８が積層されている。Ｘ線発生器から放射されたＸ線の中で、人体等の被検体で吸収されず透過したＸ線がＸ線電荷変換膜７に入射する。直接変換方式では、Ｘ線電荷変換膜７内に入射したＸ線量に応じた電荷（正孔−電子対）が励起される。
【００２４】
Ｘ線電荷変換膜７には全面に形成されたバイアス電極８とセルごとに形成されたピクセル電極１１とによりバイアス電圧Ｖが印加される。発生したキャリヤは、Ｘ線電荷変換膜７に印加されているバイアスの極性に従い電子はバイアス電極８へ、正孔はピクセル電極１１に移動し、電荷としてＴＦＴアレイ内の蓄積容量（Ｃｓ）１２に蓄積される。
【００２５】
Ｘ線電荷変換膜を化学堆積した多結晶ＣｄＳｅで構成すると、図３の概略ポテンシャルに示すように、多結晶粒界の障壁が高いので、Ｘ線吸収で発生したキャリヤの内、膜内を移動できるキャリヤは少なく信号は小さい。ＣｄＳｅの多結晶粒界に酸素を化学吸着させ、この粒界酸素がキャリヤを捕獲（または放出）すると図４の概略ポテンシャル図のように障壁ポテンシャルが低くなって、非常に低抵抗状態になり、Ｘ線を高感度で検出できる。
【００２６】
化学堆積した多結晶ＣｄＳｅの粒界に十分な量の酸素を吸着させるために、化学堆積中のＣｄＳｅ表面にＣｄＳｅ内でキャリヤを励起する波長成分を含む光を周期的に照射する。ＣｄＳｅ表面では、近傍の溶液中に存在する酸素と電荷の遣り取りを行って、酸素がＣｄＳｅ表面に吸着される。この工程が周期的に行われることで、溶液中の酸素が多結晶ＣｄＳｅの粒界に吸着される。この工程において、ＣｄＳｅ表面の電位を一定に保持することは、多結晶ＣｄＳｅの化学堆積および粒界への酸素吸着を安定に行う上で有効である。
【００２７】
また、化学堆積中のＣｄＳｅ表面に光を周期的に照射する代わりに、ＣｄＳｅ表面に周期的に正電位を与えることで、ＣｄＳｅ表面近傍の溶液中に存在する酸素を多結晶ＣｄＳｅの粒界に吸着させることも可能である。
【００２８】
以上の工程において、溶液中の酸素濃度を一定に維持するために、溶液中で酸素をバブリングさせて供給することは、厚い多結晶ＣｄＳｅ膜を形成する場合に有効である。
【００２９】
また、以上の工程で形成された多結晶ＣｄＳｅ膜をアモルファスＦＥＴが劣化しない程度の低温でポストアニールすることは、粒界に吸着された酸素を活性化する上で効果がある。
【００３０】
上記工程で形成された多結晶ＣｄＳｅは、Ｘ線の吸収効率、Ｘ線−電荷変換効率が高く、応答特性・感度に優れたＸ線電荷変換膜となる。
【００３１】
一方、ＴＦＴアレイ内の蓄積容量（Ｃｓ）１２に蓄積された電荷情報は、ＴＦＴ１３を線順次に走査することで、データバスラインを通して読み出すことができる。データバスラインの端部には、増幅回路（ＣＳＡ：Ｃｈａｒｇｅ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とＡ／Ｄコンバータが接続されており、読み出された電荷情報はディジタル画像信号に変換されて順次出力される。
【００３２】
これにより、ボケの少ない、高精度のＸ線撮影像を得るとともに、撮影に必要な照射Ｘ線量を低減するとともに、高精彩な動画撮影が可能になる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【００３４】
［実施例１］
図２は、本発明を実施した直接変換型Ｘ線イメージセンサの１ピクセル部分の断面図である。同図において、まず、ガラス板１上にＦＥＴのゲート電極２と電荷蓄積のためのコンデンサの一方の電極９を形成し、その上に窒化シリコン層３を全面を覆うように形成する。窒化シリコン層３は、ＦＥＴのゲート絶縁膜であり、コンデンサを構成する絶縁層でもある。さらに、ＦＥＴのチャネルとなるアモルファスシリコン層６をゲート電極の上部にのみ形成する。続いて、コンデンサのもう一方の電極であり、ＦＥＴのドレイン電極でもある電極１０を形成する（なお、電極１０はピクセル電極をも兼ねる）。ここまでの構成は、液晶ディスプレイのアクティブマトリックス基板と同様の工程で作られる。その上に、Ｘ線電荷変換膜であるＣｄＳｅ層７を積層し、バイアス電極８を形成してＸ線センサの基本構成が完成する。
【００３５】
ＣｄＳｅ層は、図５に示す製造装置により、溶液中で化学堆積法により形成した。図５において、２１は溶液、２２はＣｄＳｅ層を堆積する基板、２３は撹拌手段、２４は酸素供給手段である。
【００３６】
ＣｄＳｅ層は、０．５Ｍの硫化カドミウム：ｃａｄｍｉｕｍｓｕｌｆａｔｅ　（ＣｄＳＯ４）と０．２Ｍの硫化セレンナトリウム：Ｓｏｄｉｕｍ　ｓｅｌｅｎｏｓｕｌｆａｔｅ（Ｎａ２ＳｅＳＯ３）を含む溶液２１中において、化学堆積により厚さ数十μｍの多結晶膜として得られた。化学堆積中は、ＣｄＳｅ表面の電位変動を低減するために基板２２を接地し、数分間隔で３０秒程度周期的に２００Ｗのハロゲンランプ光を照射した。
光励起されたキャリヤは、ＣｄＳｅ表面で、近傍の溶液中に存在する酸素をイオン化し、酸素がＣｄＳｅ表面に吸着される。この工程が周期的に行われることで、溶液中の酸素が多結晶ＣｄＳｅの粒界に選択的に吸着される。この際、図中に示すように、溶液中で容器内にリング状の酸素供給手段２４に設けられた細穴から酸素を放出させ、酸素をバブリングさせて（酸素を泡状に放出させて）、溶液中の酸素濃度を一定に保持した。また、撹拌子２３を溶液中で回転させることで溶液の濃度を一定に保持した。
【００３７】
得られた多結晶ＣｄＳｅ膜は、アモルファスＦＥＴが劣化しない温度の２００℃でポストアニール後、ダーク時に〜１０９Ωｃｍ程度の高い抵抗率を有し、Ｘ線−電荷変換効率が高く、応答特性・感度に優れたＸ線電荷変換膜であった。
【００３８】
［実施例２］
図６は、本発明の第２の実施例の製造方法に用いる製造装置を示す図であり、第１実施例との違いは、周期的にハロゲンランプの光を照射する代わりに、溶液内に設けた標準電極２５と基板２２の間で、数分間隔で１０秒程度周期的に数ボルトのバイアスを印加する。ＣｄＳｅ表面では、近傍の溶液中に存在する酸素と電荷の遣り取りを行って、酸素がＣｄＳｅ表面に吸着される。この工程が周期的に行われることで、溶液中の酸素が多結晶ＣｄＳｅの粒界に吸着される。得られた多結晶ＣｄＳｅ膜は、ポストアニール後、ダーク時に〜１０９Ωｃｍ程度の高い抵抗率を有し、Ｘ線−電荷変換効率が高く、応答特性・感度に優れたＸ線吸収膜であった。
【００３９】
この高感度、光応答性に優れたＸ線電荷変換膜により、高感度の直接変換型Ｘ線イメージセンサが実現できる。
【００４０】
図７は本発明による直接変換型放射線イメージセンサのＸ線診断システムへの応用例を示す説明図である。
【００４１】
放射線源となる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、直接変換型放射線イメージセンサ６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者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直接変換型放射線イメージセンサ６０４０により電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。
【００４２】
また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理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表示手段となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等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。また記録手段となる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。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多結晶ＣｄＳｅ膜の粒界に吸着された酸素は、放射線照射によって励起されたキャリヤを捕獲して、粒界の障壁を低下させ、多結晶ＣｄＳｅ膜中のキャリヤの移動度を増大させ、抵抗が格段に低下させる。つまり、放射線の検出感度を格段に上げる。この粒界に酸素を吸着させる工程を多結晶ＣｄＳｅ膜の化学堆積中に行うことで、ポストアニールを不要、または、低温のポストアニールで、大きな放射線−電荷変換効率を得る。
【００４４】
本工程により、多結晶ＣｄＳｅ膜を低温で大面積に容易に成膜できるので、ａ−Ｓｉで構成されたＦＥＴが２次元マトリックス状に配置されたアクティブマトリックス基板上に直接形成も可能であり、高感度の直接変換型放射線イメージセンサ容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直接変換型Ｘ線イメージセンサーの原理構成図である。
【図２】本発明の直接変換型Ｘ線センサーの断面図である。
【図３】多結晶ＣｄＳｅ膜のダーク状態における粒界障壁を表すエネルギーバンド図である。
【図４】多結晶ＣｄＳｅ膜のダーク状態における粒界障壁を表す粒界に吸着した酸素がキャリヤを捕獲して粒界障壁が低下したエネルギーバンド図である。
【図５】多結晶ＣｄＳｅ膜の化学堆積中に光照射により粒界に酸素を吸着させる製造装置を示す図である。
【図６】多結晶ＣｄＳｅ膜の化学堆積中にバイアス印加により粒界に酸素を吸着させる製造装置を示す図である。
【図７】本発明による直接変換型放射線イメージセンサのＸ線診断システムへの応用例を示す説明図である。
【符号の説明】
１　ガラス板
２　ＦＥＴゲート電極
３　ゲート絶縁層
４　ＦＥＴソース電極
５，９　コンデンサ電極
６　ＦＥＴのチャネル層
７　Ｘ線電荷変換膜
８　バイアス電極
１１　ピクセル電極
１２　蓄積容量
１３　ＦＥＴ
【図１】
2004128151.tif 000003
【図２】
2004128151.tif 000004
【図３】
2004128151.tif 000005
【図４】
2004128151.tif 000006
【図５】
2004128151.tif 000007
【図６】
2004128151.tif 000008
【図７】
2004128151.tif 000009