(57)【要約】【課題】  ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機時間を無くして、安定かつ高速な動画撮影を行うことを可能とするとともに、低コストでダーク電流の少ない放射線撮像装置を提供する。【解決手段】  入射した放射線を検出する画素において、放射線を電気信号に変換するＭＩＳ型の変換素子１０と、当該電気信号を読み出すソースフォロア型の第１のＴＦＴ（１１）と、駆動用回路部により行単位で選択された前記変換素子の電気信号を前記第１のＴＦＴから読み出すために動作する第２のＴＦＴ（１２）と、前記第１のＴＦＴで読み出された前記変換素子を行単位でリセット又はリフレッシュするために動作する第３のＴＦＴ（１３）を設ける。【選択図】  図１
2005175526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した放射線を検出する複数の画素が基板上に２次元状に配置された放射線検出回路部と、
前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部と
を有する放射線撮像装置であって、
前記画素は、
入射した放射線を電気信号に変換するＭＩＳ型の変換素子と、
前記変換素子で変換された電気信号を読み出すソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、
前記駆動用回路部により行単位で選択された前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第２の電界効果トランジスタと、
前記第１の電界効果トランジスタで読み出された前記変換素子を行単位でリセット又はリフレッシュするために設けられた第３の電界効果トランジスタと
を含むことを特徴とする放射線撮像装置。
【請求項２】
前記変換素子の一方の電極は、前記第３の電界効果トランジスタを介して前記リセットを行うためのリセットバイアスと前記リフレッシュを行うための第１のリフレッシュバイアスとを切り替える第１のスイッチに接続されており、
前記変換素子の他方の電極は、各変換素子に共通のバイアス配線を介して前記変換素子の変換動作を与えるためのセンサバイアスと前記変換素子の電気信号をリフレッシュするための第２のリフレッシュバイアスとを切り替える第２のスイッチに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
【請求項３】
前記変換素子におけるリフレッシュにおいて、前記第１のリフレッシュバイアスは動画画像を取得するために用い、前記第２のリフレッシュバイアスは静止画画像を取得するために用いることを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
【請求項４】
前記第１の電界効果トランジスタにおけるゲート閾値電圧に応じて、前記リセットバイアス、前記第１のリフレッシュバイアス、前記センサバイアス及び前記第２のリフレッシュバイアスのうち、少なくとも１つのバイアス値を決定することを特徴とする請求項２又は３に記載の放射線撮像装置。
【請求項５】
前記放射線検出回路部からの出力信号を読み出す読み出し用回路部を更に有し、
前記読み出し用回路部は、前記放射線検出回路部からの出力信号を増幅する増幅手段と、増幅された出力信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、蓄積された出力信号をシリアル変換するシリアル変換手段とを含むことを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
【請求項６】
前記変換素子、前記第１の電界効果トランジスタ、前記第２の電界効果トランジスタ、及び前記第３の電界効果トランジスタがアモルファスシリコン半導体を主材料として形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
【請求項７】
前記変換素子は、前記基板上に下部電極として形成された第１の金属薄膜層と、前記第１の金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、当該絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、当該光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するＮ型の注入阻止層と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層又は当該注入阻止層上の一部に形成された第２の金属薄膜層とを有して構成され、
リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記第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、前記変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
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前記正孔もしくは前記第２の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
【請求項８】
前記放射線の波長変換を行う波長変換体を更に有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
【請求項９】
前記波長変換体は、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｇｄ2Ｏ3、ＣｓＩのいずれかを主成分とするものであることを特徴とする請求項８に記載の放射線撮像装置。
【請求項１０】
入射した放射線を電気信号に変換するＭＩＳ型の変換素子と、当該電気信号を読み出すソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、選択された前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第２の電界効果トランジスタと、前記変換素子をリセット又はリフレッシュするために設けられた第３の電界効果トランジスタとを備えた画素が基板上に２次元状に配置された放射線検出回路部と、前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部とを有する放射線撮像装置における放射線撮像方法であって、
前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すときに、前記駆動用回路部により行単位で前記第２の電界効果トランジスタを駆動させて行単位で読み出しを行い、
読み出された前記変換素子を前記第３の電界効果トランジスタにより行単位でリセット又はリフレッシュを行うことを特徴とする放射線撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用の診断や工業用の非破壊検査等に用いて好適な放射線撮像装置及び放射線撮像方法に関する。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する。
【背景技術】
【０００２】
従来、病院内などに設置されているＸ線撮影システムには、患者にＸ線を照射し、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を行う画像処理方式とがある。
【０００３】
画像処理方式を実現するひとつの装置として、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を備え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、蛍光体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。患者の体内情報が電気信号に変換されれば、その電気信号を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線画像情報をディジタル値として扱うことができる。
【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。
図１０は、例えば特開平８−１１６０４４号公報（特許文献１）に記載される、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。
【０００５】
図１１は、図１０に示したＡ−Ｂ間における断面図である。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。
図１１に示すように、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１０１の下部電極は、ＴＦＴ１０２の下部電極（ゲート電極）と同一の第１の金属薄膜層１０４で形成されており、また、光電変換素子１０２の上部電極は、ＴＦＴ１０２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で形成されている。
【０００６】
また、第１及び第２の金属薄膜層１０４，１０５は、図１０に示した光電変換回路部（放射線検出回路部）内のゲート駆動用配線１０６及びマトリクス信号配線１０７にも共有して形成されている。図１０においては、画素数として２×２の計４画素分を記載しており、図１０のハッチング部は、光電変換素子１０１の受光面である。また、１０９は光電変換素子にバイアスを与える電源ラインであり、１１０は光電変換素子１０１とＴＦＴ１０２と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１０で示されるような構成を用いれば、光電変換素子１０１、スイッチ素子１０２、ゲート駆動用配線１０６、マトリクス信号配線１０７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（放射線検出回路部）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１０１のデバイス動作について図１２を用いて説明する。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、図１０，図１１で示した光電変換素１０１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１２（ａ），（ｂ）は、それぞれリフレッシュモード及び光電変換モードにおける動作を示しており、横軸は図１１で示した各層の膜厚方向の状態を表している。ここで、Ｍ１は、例えばＣｒなどの第１の金属薄膜層１０４で形成された下部電極（Ｇ電極）である。また、アモルファス窒化シリコン（ａ−ＳｉＮｘ）絶縁薄膜層１１１は、電子とホールをとも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、通常は５０ｎｍ以上で形成される。
【００１０】
水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）薄膜層１１２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。また、Ｎ+層１１３は、水素化アモルファスシリコン薄膜層１１２へのホールの注入を阻止するために形成されたＮ型の水素化アモルファスシリコン薄膜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、例えばＡｌなどの第２金属薄膜層１０５で形成された上部電極（Ｄ電極）である。
【００１１】
図１０では、上部電極であるＤ電極はＮ+層１１３を完全には覆っていないが、Ｄ電極とＮ+層１１３との間は電子の移動が自由に行われるためにＤ電極とＮ+層１１３とは常に同電位であり、以下では、そのことを前提として説明を行う。
光電変換素子１０１のデバイス動作には、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】
図１２（ａ）に示すリフレッシュモードの場合には、Ｄ電極にはＧ電極に対して負の電位が与えられており、図中の黒丸で示したｉ層１１２中のホールは、電界によりＤ電極に導かれる。これと同時に、図中の白丸で示した電子は、ｉ層１１２に注入される。この時、一部のホールと電子はＮ+層１１３、ｉ層１１２において再結合して消滅する。この状態が十分に長い時間続けば、ホールはｉ層１１２から掃き出される。
【００１３】
前述の状態から、図１２（ｂ）に示す光電変換モードにするためには、Ｄ電極にＧ電極に対し正の電位を与える。これにより、ｉ１１２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１１３が注入阻止層として働くため、ｉ層１１２に導かれることはない。この状態でｉ層１１２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電極に導かる。一方、ホールはｉ層１１２内を移動して、ｉ層１１２とアモルファス窒化シリコン絶縁薄膜層１１１との界面に達するが、この絶縁層１１１内には移動できないため、ｉ層１１２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１１２内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子１０１内の電気的中性を保つためにＧ電極から電流が流れる。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、入射した光に比例したものとなる。
【００１４】
図１２（ｂ）に示した光電変換モードの状態をある期間保った後、再び、図１２（ａ）のリフレッシュモードの状態になると、ｉ層１１２に留まっていたホールは前述のようにＤ電極に導かれて、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１１２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であるため、差し引いて検出すればよい。つまり、この光電変換素子１０１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。
【００１５】
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には、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１２（ｃ）に示すように、ｉ層１１２内にホールが多数留まり、このホールによりｉ層１１２内の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなってｉ層１１２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１０１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１１２内のホールは掃き出されるため、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。
【００１６】
また、前述の説明において、リフレッシュモードでｉ層１１２内のホールを掃き出す場合には、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も効果があり、前述と等しい電流が得られて何ら問題はない。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において、図１２（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及びＮ+層１１３の注入阻止層の特性を決めればよい。
【００１７】
また、更にリフレッシュモードにおいて、ｉ層１１２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１１２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１１２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１１３の特性も同様に電子をｉ層１１２に注入できることが必要条件ではない。
【００１８】
図１３は、光電変換素子１０１とＴＦＴ１０２とを備えて構成される１画素分の従来における光電変換回路図である。
図１３において光電変換素子１０１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とを含んでいる。また、ｉ層と注入阻止層との接合点（図１３中のノードＮ）は、光電変換素子１０１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とが再結合するために、ホールキャリアをＮ部に蓄えることができなくなる。
【００１９】
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１３ではダイオード（Ｄ１）を容量成分Ｃｉに並列に接続している。すなわち、光電変換素子１０１は、容量成分Ｃｉ、容量成分ＣSiN、ダイオードＤ１の３つの構成要素を有している。
【００２０】
図１４は、図１３に示した１画素分の光電変換回路における動作を示すタイムチャートである。以下に、図１３，図１４を用いて、光電変換素子１０１とＴＦＴ１０２で構成される画素の回路動作を説明する。
【００２１】
まず、リフレッシュ動作を説明する。
図１３において、Ｖｓを９Ｖ、Ｖｒｅｆを３Ｖに設定する。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。ここで、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、ダイオードＤ１を介しＶｒｅｆにバイアスされる。一方、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。
【００２２】
続いて、ノードＮがＶｒｅｆにバイアスされた後に、スイッチ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１０１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。
【００２３】
次にＸ−ray照射期間について説明する。
図１４に示すように、Ｘ線を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Ｆｌ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。ＴＦＴ１０２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する。
【００２４】
wait期間は、リフレッシュ期間とＸ−ray照射期間との間に設けられている。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１０１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ために設けられた待機期間である。光電変換素子１０１がリフレッシュ動作直後に不安定な特性でない場合、特にwait期間を設ける必要はない。
【００２５】
次に、転送動作について説明する。
転送動作は、スイッチＳＷ−ＢをＶｇ（ｏｎ）側にして、ＴＦＴ１０２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、読み出し容量Ｃ2側からＴＦＴ１０２を介してＧ電極側に流れ、読み出し容量Ｃ2の電位を上昇させる。この時、ＳeとＳhとの関係は、Ｓe＝Ｓh×ＣSiN／（ＣSiN＋Ｃi）である。読み出し容量Ｃ2の電位は、同時にアンプを介し増幅して出力される。ＴＦＴ１０２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。
【００２６】
最後に、リセット動作について説明する。
リセット動作はスイッチＳＷ−Ｃをオンさせ、読み出し容量Ｃ2をＧＮＤ電位にリセットして次回の転送動作に備える。
【００２７】
図１５は、従来の光電変換装置の２次元的回路図である。
図１５では説明を簡略化するために、３×３＝９画素分のみを記載している。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（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）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（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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。
【００２８】
図１５において、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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。また、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。光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）、ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ３、信号配線Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ線、これらを総じて光電変換回路部（放射線検出回路部）７０１と称する。
【００２９】
Ｖｓ線は、電源Ｖｓや電源Ｖｒｅｆによりバイアスされ、これらはＶＳＣのコントロール信号により切り替えられる。ＳＲ１はゲート配線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（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）をオンさせる電圧は外部から供給する。このとき供給される電圧は、電源Ｖｇ（ｏｎ）により決定される。
【００３０】
読み出し用回路部７０２は、光電変換回路部（放射線検出回路部）７０１内の信号配線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は信号配線Ｍ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３は信号配線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蓄積するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドを行うためのスイッチ、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はスイッチ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。
【００３１】
図１６は、図１５に示した光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。以下、このタイムチャートを用いて図１５の光電変換装置の動作について説明する。
【００３２】
制御信号ＶＳＣは、Ｖｓ線、すなわち光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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、制御信号ＶＳＣが“Ｈｉ”の時にＶｒｅｆ（Ｖ）になり、制御信号ＶＳＣが“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。
【００３３】
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７０２のＣＲＥＳ信号を“Ｈｉ”の状態にする。このようにすると、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７０２内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３も導通し、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＧ電極がＧＮＤ電位になる。そして、制御信号ＶＳＣが“Ｈｉ”になると、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＤ電極がリフレッシュ用電源Ｖｒｅｆ（Ｖ）にバイアスされた状態（負電位）になる。これにより、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）はリフレッシュモードとなり、リフレッシュが行われる。
【００３４】
次に、光電変換期間について説明する。
制御信号ＶＳＣが“Ｌｏ”の状態に切り替わると、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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。このようにすると光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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７０２のＣＲＥＳ信号を“Ｌｏ”の状態にする。これにより、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７０２内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３もオフし、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）は容量成分も構成要素として有しているため電位は保持される。
【００３５】
ここまでの時点では、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）に光が入射されていないために電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。この状態で、光源がパルス状にオンすると、それぞれの光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）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１５中に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、この場合はＸ線可視変換用のシンチレータを用いればよい。また、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（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）内に蓄積され、光源がオフ後も保持される。
【００３６】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）、続いて、２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）、続いて、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の順で行われる。
【００３７】
まず、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）を読み出すためにスイッチ素子の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Ｖ（ｏｎ）である。これにより、ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ１−３）がオン状態になり、１行目の光電変換素子（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。
【００３８】
信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図１５中には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（Ｔ１−１〜Ｔ１−３）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、信号配線Ｍ１に接続されている各ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−１）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１３における容量成分Ｃ2に相当する。また、信号配線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。
【００３９】
続いて、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、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、サンプルホールド容量ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果として、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の読み出し動作も同様に行われる。
【００４０】
１行目のＳＭＰＬ信号により信号配線Ｍ１〜Ｍ３の信号をサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、信号配線Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットし、その後、ゲート配線Ｇ２に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、シフトレジスタＳＲ２にて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）の信号電荷をシフトレジスタＳＲ１にて転送することができる。
以上の動作により、第１行から第３行までの全ての光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）の信号電荷を出力することができる。
【００４１】
前述した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。また、連続した動画像を取得する場合には、図１６で記載したタイムチャートを取得したい動画の枚数分だけ繰り返して動作させればよい。
【００４２】
【特許文献１】特開平８−１１６０４４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７７５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
しかしながら、特に画素数が多いＸ線撮像装置で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に共通の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、動画像を取得する際、フレ−ム周波数が小さくなる、すなわち動作スピ−ドが遅くなるという問題を生じる。
【００４４】
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、撮影領域を４０ｃｍ角、画素ピッチを２００μｍとしてＸ線撮像装置を作製した場合には、光電変換素子の数が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を大きくすることになり、安定した撮像を行うことができない。
【００４５】
要求される画像によっては、これらの変動分が緩和するまでＸ線照射の待ち時間を設ける必要もある。図１６では記載していないが、図１４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。
【００４６】
以上述べてきたように、１フレ−ムの読み出し動作毎に、１回の全光電変換素子のリフレッシュ動作を行う従来技術においては、動画撮影を困難にしているといった問題を有している。
【００４７】
また、撮影領域が４０ｃｍ角もの大面積になると、信号配線Ｍ１〜Ｍ３の容量は５０ｐＦ〜１００ｐＦにも及ぶ。そして、撮影画素が２００μｍピッチで配列されたとすると、その画素容量は１ｐＦ〜３ｐＦ程度である。仮に、信号配線の容量が１００ｐＦ、画素容量が２ｐＦであるとして、ＴＦＴを介して転送動作を行うと、その前後で信号電圧が２ｐＦ／（２ｐＦ＋１００ｐＦ）≒１／５０に減少することになる。これと同様に雑音電圧も減少するが、後段の読み出し用回路部７０２における雑音成分、例えば抵抗の熱雑音やトランジスタのショット雑音などのいわゆる回路雑音が零ではないために、結果としてシステムのＳ／Ｎとしては低下するという問題もある。
【００４８】
このシステムとしてのＳ／Ｎの低下を少しでも補うためには、読み出し用回路部７０２の初段部の回路ノイズを低下させなければならない。具体的には、初段部分をかなりの低ノイズ設計を施されたアンプで作りこまなければならない。これを実現しようとすると、アンプを構成するトランジスタの素子サイズが巨大化して、その結果、チップサイズが大きくなる。これにより、消費電流が増大し、発熱による冷却機構を搭載しなければならないといった２次的な問題をも誘発してしまう。
【００４９】
このＳ／Ｎの低下を解決するための１つの方法として、光電変換素子からの信号電位をＴＦＴのゲートに入力させ、このＴＦＴをソースフォロアとして出力する方法が特開平１１−３０７７５６号公報（特許文献２）に提案されている。この場合、光電変換素子の出力信号は低下することなく、読み出し用回路に入力されるため、Ｓ／Ｎが有利である。
【００５０】
しかしながら、ソースフォロアのＴＦＴのゲート端子には、光電変換素子の蓄積電荷による電圧が長時間印加されている。一般に、アモルファスシリコンを主たる材料にしたＴＦＴは、ゲート端子への電界ストレスにより、ＴＦＴがオンするための指標となるゲート閾値電圧（Ｖｔｈ）が変動してしまうといった問題がある。
【００５１】
特許文献２に記載されているような回路構成においては、光電変換素子の蓄積電荷によるソースフォロアのゲート端子電圧Ｖｇに対して、出力信号はそのＴＦＴの閾値電圧Ｖｔｈ分だけ低下してソース端子から出力される。すなわち、Ｖｇ−Ｖｔｈの信号電圧が出力されることになる。この電圧は、読み出し回路部に入力されることになる。一般に、結晶シリコンで構成される読み出し回路（集積ＩＣ）の入力端子に印加できる絶対最大定格は、その光電源電圧に対し、０．５Ｖ程度である。ソースフォロアのＴＦＴにおける閾値電圧Ｖｔｈが変動した場合、読み出し回路の入力定格を超える危険性があり、しいては読み出し回路を破壊させてしまうという問題が生じる。
【００５２】
最近の半導体プロセスは微細化が進み、ニーズの面においても低電源電圧、低消費電流の方向に向かっており、読み出し回路の電源電圧も、５Ｖ単一電源が多くなってきている。すなわち、読み出し回路への入力電圧も０Ｖから５Ｖ内外の仕様が多く、ソースフォロア型ＴＦＴの閾値電圧Ｖｔｈの変動は、極めて低く抑えなければならないといった制限がある。実際にＴＦＴの閾値電圧Ｖｔｈは、工場出荷時（ＴＦＴ作製時）においてもばらつきがあり、また、動作させている過程において変化していくものである。特許文献２においては、このＴＦＴの閾値電圧Ｖｔｈにおける変動の問題に関する解決手段は何ら記載されてはいない。
【００５３】
また、特許文献２における光電変換素子は、ＰＩＮ型フォトダイオードで形成されている。このＰＩＮ型フォトダイオードは、ＭＩＳ型光電変換素子において必要なリフレッシュ動作が必要ないため、リフレッシュ動作に付随した動画撮影に困難であるといった問題は少ないものと思われる。しかしながら、ＰＩ接合とＩＮ接合といった２つの接合が必要となり、ダーク電流が増大してしまうという問題がある。特に、Ｐ層は光電変換素子に特有の層であり、同一基板上に作り込む他のＴＦＴの作製プロセスとは全く別である。このことは、ＴＦＴと光電変換素子とを別々に作製しなければならないために積層構造となってしまい、歩留まりやコストの点で不利となる。
【００５４】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機時間を無くして、安定かつ高速な動画撮影を行うことを可能とするとともに、低コストでダーク電流の少ない放射線撮像装置及び放射線撮方法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】
【００５５】
本発明の放射線撮像装置は、入射した放射線を検出する複数の画素が基板上に２次元状に配置された放射線検出回路部と、前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部とを有する放射線撮像装置であって、前記画素は、入射した放射線を電気信号に変換するＭＩＳ型の変換素子と、前記変換素子で変換された電気信号を読み出すソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、前記駆動用回路部により行単位で選択された前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第２の電界効果トランジスタと、前記第１の電界効果トランジスタで読み出された前記変換素子を行単位でリセット又はリフレッシュするために設けられた第３の電界効果トランジスタとを含む。
【００５６】
本発明の放射線撮像装置における他の態様は、前記変換素子の一方の電極（Ｇ電極）は、前記第３の電界効果トランジスタを介して前記リセットを行うためのリセットバイアスと前記リフレッシュを行うための第１のリフレッシュバイアスとを切り替える第１のスイッチに接続されており、前記変換素子の他方の電極（Ｄ電極）は、各変換素子に共通のバイアス配線を介して前記変換素子の変換動作を与えるためのセンサバイアスと前記変換素子の電気信号をリフレッシュするための第２のリフレッシュバイアスとを切り替える第２のスイッチに接続されている。
【００５７】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記変換素子におけるリフレッシュにおいて、前記第１のリフレッシュバイアスは動画画像を取得するために用い、前記第２のリフレッシュバイアスは静止画画像を取得するために用いる。
【００５８】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記第１の電界効果トランジスタにおけるゲート閾値電圧（Ｖｔｈ）に応じて、前記リセットバイアス、前記第１のリフレッシュバイアス、前記センサバイアス及び前記第２のリフレッシュバイアスのうち、少なくとも１つのバイアス値を決定する。
【００５９】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記放射線検出回路部からの出力信号を読み出す読み出し用回路部を更に有し、前記読み出し用回路部は、前記放射線検出回路部からの出力信号を増幅する増幅手段と、増幅された出力信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、蓄積された出力信号をシリアル変換するシリアル変換手段とを含む。
【００６０】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記変換素子、前記第１の電界効果トランジスタ、前記第２の電界効果トランジスタ、及び前記第３の電界効果トランジスタがアモルファスシリコン半導体を主材料として形成されている。
【００６１】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記変換素子は、前記基板上に下部電極として形成された第１の金属薄膜層と、前記第１の金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、当該絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、当該光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するＮ型の注入阻止層と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層又は当該注入阻止層上の一部に形成された第２の金属薄膜層とを有して構成され、リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記第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、前記変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記第２の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、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前記正孔もしくは前記第２の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出する。
【００６２】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記放射線の波長変換を行う波長変換体を更に有する。
【００６３】
また、本発明の放射線撮像装置におけるその他の態様は、前記波長変換体は、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ、Ｇｄ2Ｏ3、ＣｓＩのいずれかを主成分とするものである。
【００６４】
本発明の放射線撮像方法は、入射した放射線を電気信号に変換するＭＩＳ型の変換素子と、当該電気信号を読み出すソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、選択された前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すために設けられた第２の電界効果トランジスタと、前記変換素子をリセット又はリフレッシュするために設けられた第３の電界効果トランジスタとを備えた画素が基板上に２次元状に配置された放射線検出回路部と、前記放射線検出回路部を駆動させるための駆動用回路部とを有する放射線撮像装置における放射線撮像方法であって、前記変換素子の電気信号を前記第１の電界効果トランジスタから読み出すときに、前記駆動用回路部により行単位で前記第２の電界効果トランジスタを駆動させて行単位で読み出しを行い、読み出された前記変換素子を前記第３の電界効果トランジスタにより行単位でリセット又はリフレッシュを行う。
【発明の効果】
【００６５】
本発明によれば、電気信号が読み出された変換素子を行単位でリフレッシュ（又はリセット）するようにしたので、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機時間を無くして、安定かつ高速な動画撮影を行うことができる。また、変換素子をＭＩＳ型で構成しているため、ＰＩＮ型で構成する場合と比較して、ダーク電流を抑えることができるとともに、当該放射線撮像装置の作製を低コストで行うことができる。本発明における放射線撮像装置の実現により、特に将来の高齢化社会において現在よりも更に質の高い医療環境を作ることができる。
【００６６】
また、変換素子の電気信号をソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタを介して読み出すようにしたので、変換素子の出力信号を減少させることなく読み出すことができ、従来の放射線撮像装置に比べてＳ／Ｎを高くすることができる。また、第１の電界効果トランジスタの閾値電圧（Ｖｔｈ）に応じて、リセットバイアス、第１のリフレッシュバイアス、センサバイアス及び第２のリフレッシュバイアスのうち、少なくとも１つのバイアス値を決定するようにしたので、例えば放射線撮像装置の使用途中で第１の電界効果トランジスタの閾値電圧（Ｖｔｈ）が変化した場合でも、それに合わせてリセットバイアス等を変化させてその変動分を補うことができるため、変換素子の電気信号を安定的に出力することができ、信頼性の高い放射線撮像装置とすることができる。
【００６７】
また、画素を構成する変換素子、第１の電界効果トランジスタ、第２の電界効果トランジスタ及び第３の電界効果トランジスタをアモルファスシリコン半導体を主材料として形成するようにしたので、変換素子と各電界効果トランジスタとを同一基板上に作製することができ、製造における放射線撮像装置の歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
次に、本発明の放射線撮像装置及び放射線撮像方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の実施形態においては、放射線撮像装置として、従来例と同様にＭＩＳ型光電変換素子と電界効果トランジスタの半導体材料としてアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた光電変換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。また、本発明の実施形態においては、放射線としてＸ線を適用した実施例の説明を行うが、本発明はこれに限定されるわけではなく、γ線などの電磁波やα線、β線なども含まれる。
【００６９】
図１は、本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。
図１に示すように、ＭＩＳ型の光電変換素子１０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のｉ層からなる容量成分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）からなる容量成分ＣSiNとを含んでいる。また、この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１０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とが再結合するために、ホールキャリアがＮ部に蓄えることができなくなる。
【００７０】
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）を容量成分Ｃｉに並列に接続している。すなわち、光電変換素子１０は容量成分Ｃｉ、容量成分ＣSiN、ダイオードＤ１の３つの構成要素を有している。
【００７１】
Ｖｒｅｆ１は光電変換素子１０を第３のＴＦＴ（１３）を介してリフレッシュするための第１のリフレッシュバイアス、Ｖｒｓｔは同様に第３のＴＦＴ（１３）を介して光電変換素子１０をリセットするためのリセットバイアスであり、これらのバイアスの切り替えは、第１のスイッチＳＷ１を選択することにより行われる。第３のＴＦＴ（１３）は、光電変換素子１０をリセット又はリフレッシュするための電界効果トランジスタであり、スイッチ素子として機能する。また、Ｖｓは光電変換素子１０のＤ電極に各光電変換素子に共通のＶｓ配線を介して光電変換素子１０の光電変換動作を行うための電圧を供給するセンサバイアス、Ｖｒｅｆ２は光電変換素子１０を各光電変換素子に共通のＶｓ配線を介してリフレッシュするための第２のリフレッシュバイアスであり、これらのバイアスの切り替えは、第２のスイッチＳＷ２を選択することにより行われる。この第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１、リセットバイアスＶｒｓｔ、センサバイアスＶｓ、第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２は、すべて可変電源である。
【００７２】
第１のＴＦＴ（１１）は、光電変換素子１０に蓄積された信号電位を低減させることなく、アンプ１５側へ出力するための電界効果トランジスタであり、光電変換素子１０のＧ電極がゲート端子に接続されたソースフォロア型となっている。第２のＴＦＴ（１２）は、第１のＴＦＴ（１１）のドレイン端子に選択的にドレインバイアスＶｄｄを与えるための電界効果トランジスタであり、スイッチ素子として機能する。容量成分Ｃ2は、第１のＴＦＴ（１１）のソース端子に寄生する読み出し容量である。ＦＬは、Ｘ線を吸収して可視光に変換する蛍光体である。
【００７３】
蛍光体ＦＬで変換された可視光は、ＭＩＳ型の光電変換素子１０に照射され、この光電変換素子で電子や正孔に光電変換される。蛍光体ＦＬは、前述したように、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。この蛍光体ＦＬの母体材料には、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ：ＴｂやＧｄ2Ｏ3：Ｔｂ、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ：Ｎａなどが用いられる。また、光電変換素子１０、第１のＴＦＴ（１１）、第２のＴＦＴ（１２）、第３のＴＦＴ（１３）は、アモルファスシリコンを主たる材料として作製されている。
【００７４】
本発明の実施形態では、光電変換素子１０に蓄えられた信号電荷をソースフォロア接続された第１のＴＦＴ（１１）を介してアンプ１５側へ出力する際に、この第１のＴＦＴ（１１）のゲート閾値電圧Ｖｔｈが例えば使用過程において変動し、当該閾値電圧における変動の出力への影響を、リセットバイアスＶｒｓｔの変更することにより軽減もしくは無くすようにする。
【００７５】
例えば、光電変換素子１０のリセット電圧をＶｒｓｔ１とし、第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧をＶｔｈ１とすると、その出力電圧はダーク状態（信号電荷が零）の場合には、（Ｖｒｓｔ１）−（Ｖｔｈ１）となる。また、信号電荷Ｖｓｉｇが蓄積された場合には、出力電圧は（Ｖｒｓｔ１）＋（Ｖｓｉｇ）−（Ｖｔｈ１）となる。
【００７６】
例えば、使用３年を過ぎた時に、その第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧Ｖｔｈ２が初期の閾値電圧Ｖｔｈ１に対して＋２Ｖ変化し、信号電荷Ｖｓｉｇが蓄積された場合には、その出力電圧は（Ｖｒｓｔ１）＋（Ｖｓｉｇ）−（Ｖｔｈ２）、すなわち（Ｖｒｓｔ１）＋（Ｖｓｉｇ）−（Ｖｔｈ１）−２となり、出力電圧が閾値電圧の変化量分の２Ｖだけ低く出力されることになる。これは、正しく信号検出がされないという問題を生じ、場合によってはアンプ１５（後述する信号読み出し用回路部）の入力定格をオーバーし、装置の故障を誘発する危険性もある。本発明の実施形態では、前述したように、リセットバイアスＶｒｓｔを第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧Ｖｔｈの変化分と等しいバイアス分だけ変化させることにより、この問題を解決している。
【００７７】
第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧Ｖｔｈの変化分は、予め光を照射しない暗状態で得た出力レベルと、既知のＶｒｓｔレベルから算出してもよいし、実験的に得た「使用時間と閾値電圧Ｖｔｈとの変化量」の関数から算出してもよい。第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１は、第３のＴＦＴ（１３）を介して光電変換素子１０をリフレッシュするための電源であるが、リセットバイアスＶｒｓｔの変化分だけ同様に変化させることにより、第１のＴＦＴ（１１）における閾値電圧Ｖｔｈの変化後においても同様のリフレッシュを行うことができる。
【００７８】
光電変換素子１０内に蓄積されたキャリアがホールキャリアである場合、リフレッシュするための条件は、（Ｖｒｅｆ１）＞（Ｖｒｓｔ）の関係でなければならない。閾値電圧Ｖｔｈの変化分をΔＶｔｈとし、（ΔＶｔｈ）＜＜（Ｖｒｅｆ１）−（Ｖｒｓｔ）であれば、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１を変化させる必要性は少ない。
【００７９】
Ｖｓはセンサバイアスであるが、第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧Ｖｔｈが変化することにより第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１を変化させた場合に、光電変換素子１０の半導体層（Ｃｉ）に加わる電位差が変化する。この電位差は飽和電荷量を決定する。この飽和電荷量は、常に一定に設定するほうが望ましい。すなわち、ΔＶｔｈの分だけリセットバイアスＶｒｓｔや第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１と同様、センサバイアスＶｓも変化させることが望ましい。
【００８０】
Ｖｒｅｆ２は、光電変化素子１０をリフレッシュするための第２のリフレッシュバイアスであり、第２のスイッチＳＷ２を切り替えることにより、Ｖｓ配線（共通配線）からリフレッシュを行うための電圧を供給する。このときの第３のＴＦＴ（１３）はオンしており、かつ、第１のスイッチＳＷ１は、リセットバイアスＶｒｓｔ側となっている。すなわち、リフレッシュ中のＤ電極はＶｒｅｆ２であり、Ｇ電極はＶｒｓｔとなっている。このリセットバイアスＶｒｓｔを閾値電圧Ｖｔｈにより変化させているため、第２のリフレッシュバイアスを用いる際には、この第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２をリセットバイアスＶｒｓｔと同様に変化させることが望ましい。
【００８１】
第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２を用いる方式のリフレッシュでは、Ｖｓ配線が共通とされているために、１回のリフレッシュの操作によって莫大な電荷が移動し、系のＧＮＤ電位や基準電位が変動し、その回復を待たなければ次の読み出し動作を行うことができない。この待ち時間は、４０ｃｍ角の光電変換素子を構成した場合には、０．５秒程度から数秒にも及ぶ。したがって、第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２を用いるリフレッシュは、動きがある動画撮影には不適である。本実施形態では、動画撮影には第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１を用いたリフレッシュを行い、静止画撮影には第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２を用いたリフレッシュを行う。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態では、第１のＴＦＴ（１１）における閾値電圧Ｖｔｈの変化に応じた分だけ、リセットバイアスＶｒｓｔを変化させる。また、これに応じて、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１、センサバイアスＶｓ、第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２も変化させるようにする。
【００８３】
図２は、図１に示したＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。図２に示すように、動作期間は、Ｘ−ray照射期間、読み出し期間、リフレッシュ期間、リセット期間の４つの期間に分けられる。
【００８４】
まず、Ｘ−ray照射期間について説明する。
図２に示すように、Ｘ線はパルス状に照射される。被検出体を透過したＸ線が蛍光体ＦＬに照射され、この蛍光体ＦＬで可視光に変換される。蛍光体で変換された可視光は、続いて、光電変換素子１０の半導体層（ｉ層）に照射されて、そこで光電変換される。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。また、Ｇ電極側の電位も同じ分だけ上昇する。なお、Ｘ−ray照射期間では、第１のスイッチＳＷ１はリセットバイアスＶｒｓｔ側に、第２のスイッチＳＷ２はセンサバイアスＶｓ側になっている。
【００８５】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、図１の第２のＴＦＴ（１２）におけるゲート端子Ｖｔに電圧を与え、スイッチ素子としてオン状態とすることにより行われる。Ｘ−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量（Ｓｈ）に対応する電位が第１のＴＦＴ（１１）のゲートに印加されているため、第２のＴＦＴ（１２）がオンすることにより、第１のＴＦＴ（１１）のドレイン−ソ−ス間に電流として流れることになる。これにより、アンプ１５に出力信号が入力される。このとき、第３のＴＦＴ（１３）のゲート閾値電圧Ｖｔｈにより、ゲートに印加されていた電位よりもＶｔｈ分だけシフトした出力信号が出力される。
【００８６】
次に、リフレッシュ動作について説明する。
図２では、容量成分Ｃｉと容量成分ＣSiNとが等しい場合のＤ電極、Ｇ電極、ノードＮの電位を表記している。リフレッシュ動作は、第３のＴＦＴ（１３）のゲート端子Ｖｒに信号を入力してスイッチ素子としてオン状態とし、また、第1のスイッチＳＷ１を第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１側に接続することにより行われる。このとき、ノードＧの電位が高くなるが、同時にノードＮの電位もＣｉ＝ＣSiNにより半分の勾配で上昇する。ただし、ノードＮの電位は、Ｖｓ＝９Ｖを超えることはない。ノードＮの電位を上昇させることにより、ノードＮに蓄えられた信号電荷（ホールキャリア）の一部が、Ｄ電極側に吐き出される。すなわち、光電変換素子１０のリフレッシュ動作が行われる。
【００８７】
次に、リセット動作について説明する。
リセット動作は、第３のＴＦＴ（１３）のゲート端子Ｖｒに信号を入力してスイッチ素子としてオン状態とし、また、第1のスイッチＳＷ１をリセットバイアスＶｒｓｔ側にに接続することにより行われる。この操作により、光電変換素子１０のＧ電極がリセットバイアスＶｒｓｔにリセットされる。このリセット動作において、ノードＮの電位は、リフレッシュ動作時の電位（図２ではＶｓ）から減衰する。その減衰量ΔＶＮは、容量成分Ｃｉと容量成分ＣSiNとが等しい場合、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１とリセットバイアスＶｒｓｔの電位差の１／２になる。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、すなわち飽和電荷量を決定する。
【００８８】
ここで、従来例を示した図１４ではwait期間を設けているが、本実施形態の図２ではこのwait期間を設けていない。その理由について図３，図４を用いて説明する。
【００８９】
図３は、本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の２次元的回路図である。
図３には、説明を簡単化するために３×３＝９画素分を記載している。Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）は光電変換素子である。Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３）は光電変換素子１０のＧ電極がゲート端子に接続された第１のＴＦＴ、Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）は走査において光電変換素子の電気信号を行単位に選択的に読み出しするために設けられた第２のＴＦＴ、Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）は電気信号を読み出された光電変換素子をリフレッシュ又はリセットするために設けられた第３のＴＦＴである。
【００９０】
Ｇ１〜Ｇ４は、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）や、第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）をオン／オフさせるためのゲート配線であり、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。Ｖｓ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のＤ電極にセンサバイアス（Ｖｓ）又は第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）を与えるための全画素に共通の配線である。また、Ｖｒ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のＧ電極にリセットバイアス（Ｖｒｓｔ）又は第１のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）を与えるための全画素に共通の配線である。
【００９１】
光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）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共通配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。光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）、第１のＴＦＴ（Ｔ１(１−１)〜Ｔ１(３−３)）、第２のＴＦＴ（Ｔ２(１−１)〜Ｔ２(３−３)）、第３のＴＦＴ（Ｔ３(１−１)〜Ｔ３(３−３)）、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ３、信号配線Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ共通配線、Ｖｒ共通配線、センサバイアスＶｓ、第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２、リセットバイアスＶｒｓｔ、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１、これらを総じて光電変換回路部（放射線検出回路部）３１と称する。
【００９２】
シフトレジスタＳＲ１は、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ４に駆動用のパルス電圧を与え、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を行単位で第１のＴＦＴ（Ｔ１(１−１)〜Ｔ１(３−３)）から読み出すために、第２のＴＦＴ（Ｔ２(１−１)〜Ｔ２(３−３)）や第３のＴＦＴ（Ｔ３(１−１)〜Ｔ３(３−３)）をオン／オフさせる駆動用回路部３２である。
【００９３】
読み出し用回路部３３は、光電変換回路部３１からの並列の出力信号を読み取り、直列変換して出力するものである。Ａ１〜Ａ３は信号配線Ｍ１〜Ｍ３と反転端子（−）をそれぞれ接続するオペアンプである。この反転端子（−）と出力端子の間には、それぞれ容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３が接続されている。また、信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、それぞれ電流源Ｉ１〜Ｉ３が接続されている。容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３は、第２のＴＦＴ（Ｔ２(１−１)〜Ｔ２(３−３)）がオンしたときに、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を蓄積する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３をリセットするスイッチであり、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３と並列に接続されている。図３では、リセットバイアスは、ＧＮＤで表記している。ＣＬ１〜ＣＬ３は、オペアンプＡ１〜Ａ３や容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３で蓄積された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量である。また、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３でサンプルホールドを行うためのスイッチ、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、１０００は直列変換された信号を出力するアンプである。
【００９４】
図４は、図３に示したＸ線撮像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のタイムチャートには、光電変換期間と読み出し期間の２つの動作期間で示されている。
【００９５】
まず、光電変換期間について説明する。
全光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）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、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）及び第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）はオフとなっている。この状態でＸ線がパルス的に入射すると、蛍光体を介して各光電変換素子のＤ電極（Ｎ+電極）に可視光が照射され、各光電変換素子のｉ層内で電子とホールのキャリアが生成される。このとき、電子はセンサバイアス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、Ｘ線の照射を停止した後においても保持される。
【００９６】
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）、続いて、２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）、続いて、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の順で行われる。
【００９７】
まず、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）を読み出すために、シフトレジスタＳＲ１からゲート配線Ｇ１にゲートパルスを与え、１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））をオンさせる。これにより、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号電荷に応じた電位がゲート端子に印加された１行目の第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（１−３））にドレイン電流が流れ、読み出し用回路部３３の初段部のオペアンプＡ１〜Ａ３に接続されている容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３に当該電流が流入して積分されることになる。
【００９８】
オペアンプＡ１〜Ａ３の出力端子は、光電変換素子の信号量に応じて図４に示されるように変化する。１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））が同時にオンするため、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力は同時に変化する。すなわち並列出力である。その状態で、「ＳＭＰＬ」信号をオンさせることにより、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力信号はサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフするとともに一旦ホールドされる。続いて、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，ＣＬ２，ＣＬ３の順でアンプ１０００から出力される。この結果、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の光電変換信号が順次、直列変換されて出力される。２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の読み出し動作も同様に行われる。
【００９９】
１行目のＳＭＰＬ信号によりオペアンプＡ１〜Ａ３の信号をサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号は光電変換回路部３１から出力されたことになる。したがって、読み出し用回路部３３内でスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３により直列変換されている出力される最中に、光電変換回路部３１内の１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリフレッシュ動作やリセット動作、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３のリセット動作を行うことができる。
【０１００】
本実施形態では、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリフレッシュ動作は２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作と同時に行う。これを実現するために、１行目の第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（１−３））を制御するゲート配線と、２行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（２−１）〜Ｔ２（２−３））を制御するゲート配線は同じゲート配線Ｇ２で共有としている。
【０１０１】
ゲート配線Ｇ２がオンしている間に、Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ信号が「Ｈｉ」になることにより、Ｖｒ共通配線がＶｒｅｆ１にバイアスされ、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）がリフレッシュされる。その後、同様に、ゲート配線Ｇ２がオンしている間に、Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ信号が「Ｌｏ」になることにより、Ｖｒ共通配線がリセットバイアスＶｒｓｔにバイアスされ、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のＧ電極がリセットバイアスＶｒｓｔによりリセットされる。このゲート配線Ｇ２がオンしている間は、同時に、２行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（２−１）〜Ｔ２（２−３））がオン状態になっており、２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の信号電荷に応じた電位が同様に読み出されることになる。このように、本実施形態では、ｎ行目の光電変換素子の読みだし動作と、ｎ−１行目の光電変換素子のリフレッシュ動作及びリセット動作を同時に行っている。
【０１０２】
以上の動作により、第１行から第３行のすべての光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の信号電荷を出力することができる。
前述した動作を行って、光電変換期間と読み出し期間と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１６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、その分だけ動画画像を取得する際のフレーム周波数を大きくすることができる。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を行うために、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、別途に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することができる。
【０１０３】
図５は、本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の撮影シーケンスを示した図である。図５では、透視モード（動画モード）で動作させている状態から、撮影者の静止画の撮影要求により、撮影モード（静止画モード）へ遷移して撮影を行うシーケンスを示している。
【０１０４】
また、図６は、図５に示したＸ線撮像装置の透視モード（動画モード）のタイムチャートである。つまり透視モードにおいては、図６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Ｘ線撮像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を図８に示す。また、透視モードと撮影モードの流れは、図５に示すような撮影モードが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・・・と何回も繰り返してもよい。
【０１０５】
図７は、図５の透視モードにおけるタイムチャートが、図６とは異なる場合の例を示したタイムチャートである。図６との違いは、Ｘ線をパルス状に照射させないことである。これにより、読み出し期間と光電変換期間と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利点がある。また、Ｘ線をパルス状に入射させないため、Ｘ線発生源に対する負荷を軽減できる利点もある。
【０１０６】
本発明のＸ線撮像装置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第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））を介して第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１を与え、透視撮影によって位置決めなどを決定し、静止画撮影モードに遷移した際には、Ｖｓ共通配線から第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２を与える。Ｖｓ共通配線からのリフレッシュは、全画素一括で行うため、リフレッシュ動作後のＧＮＤや系の基準電位の変動が大きくなり、その電位変動を待たなければ読み出し動作が行えないといった短所があるため、動画撮影（透視）には不適である。しかし、この反面、ＴＦＴを介在していないため、Ｖｓ共通配線と第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２の電位差を大きくできるために、飽和電荷を大きく設定できる長所がある。つまり、診断画像を得るような静止画撮影には高いＳ／Ｎが求められ、第２のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ２で共通配線Ｖｓ側からリフレッシュした方が好適である。
【０１０７】
図９は、本発明の実施形態におけるＸ撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示した概略図である。
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、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で可視光に変換し、さらに、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て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で観察される。
【０１０８】
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することができ、ドクタールームなどの別の場所でディスプレイ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、この画像情報を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。
【０１０９】
以上の実施形態では、Ｘ線撮像装置、Ｘ線撮像システムを例にして説明を行ってきたが、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に適用することも可能である。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。また、本発明に用いることができる電界効果トランジスタとしては、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。
【０１１０】
また、本実施形態におけるＭＩＳ型光電変換素子１０は、図１１に示した光電変換素子１０１と同様な層構成で形成されている。すなわち、絶縁基板１０３上に下部電極として形成された第１の金属薄膜層１０４と、当該第１の金属薄膜層上に電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層１１１と、当該絶縁層上に水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層１１２と、当該光電変換層上に正孔の注入を阻止するＮ型の注入阻止層１１３と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層又は当該注入阻止層上の一部に形成された第２の金属薄膜層１０５とを有して形成されている。また、ＭＩＳ型光電変換素子１０のデバイス動作としては、図１２に示すように、リフレッシュモード（図１２（ａ））では、正孔を光電変換層１１２から第２の金属薄膜層１０５に導く方向に電界を与え、光電変換モード（図１２（ｂ））では、光電変換層１１２に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を第２の金属薄膜層１０５に導く方向に電界を与える。そして、光電変換モードにより光電変換層１１２に蓄積される正孔もしくは第２の金属薄膜層１０５に導かれた電子を光信号として検出する。
【０１１１】
本発明の実施形態によれば、読み出されたＭＩＳ型光電変換素子１０を行単位でリフレッシュ（又はリセット）するようにしたので、全画素を一括でリフレッシュする従来のＸ線撮像装置と比較して、リフレッシュされる光電変換素子１０の数を少なくできるため、各リフレッシュ動作直後に流れる過渡電流を少なくすることができ、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機時間を無くして、安定かつ高速な動画撮影を行うことができる。また、光電変換素子１０をＭＩＳ型で構成しているため、ＰＩＮ型で構成する場合と比較して、Ｐ層を形成する必要がなくダーク電流を抑えることができるとともに、当該放射線撮像装置の作製を低コストで行うことができる。
【０１１２】
また、変換素子の電気信号をソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタを介して読み出すようにしたので、変換素子の出力信号を減少させることなく読み出すことができ、従来の放射線撮像装置に比べてＳ／Ｎを高くすることができる。これにより、従来例で示したような読み出し用回路部の初段部におけるアンプを低ノイズ設計が施されたものとする必要が無くなって素子サイズを大きくしなくてもよいため、消費電流が少なく、発熱量を抑えた読み出し用回路部を実現できる。これは、装置の複雑な放熱機構を簡素化でき、装置形状の設計自由度を増大させる。
【０１１３】
また、リセットバイアスＶｒｓｔのバイアス値を可変できるようにしたので、第３のＴＦＴ（１３）を介してＭＩＳ型光電変換素子１０を任意の電圧でリセットできる。これにより、第１のＴＦＴ（１１）のゲート端子に印加される蓄積開始電圧をＶｒｓｔに決定することができるため、第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧（Ｖｔｈ）がいかなる電圧であっても、読み出し用回路部３３に出力される電圧レベルを蓄積開始時点では（Ｖｒｓｔ）−（Ｖｔｈ）に調整することができる。これは、第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧（Ｖｔｈ）が変化した場合でもその変化分を補うことができるため、ＭＩＳ型光電変換素子１０の電気信号を安定的に出力することができ、信頼性の高い放射線撮像装置とすることができる。
【０１１４】
また、本実施形態では、ＭＩＳ型光電変換素子１０を第３のＴＦＴ（１３）を介して、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１でリフレッシュを行うが、ＭＩＳ型光電変換素子１０に蓄積されたホールキャリアをリフレッシュする場合、（Ｖｒｓｔ）＜（Ｖｒｅｆ１）の関係になければならない。したがって、本実施形態では、第１のＴＦＴ（１１）の閾値電圧（Ｖｔｈ）に応じてリセットバイアスＶｒｓｔを変更できるようしているが、第１のリフレッシュバイアスＶｒｅｆ１も同様に変更することができる。
【０１１５】
また、画素を構成する光電変換素子１０、第１のＴＦＴ（１１）、第２のＴＦＴ（１２）及び第３のＴＦＴ（１３）をアモルファスシリコン半導体を主材料として形成するようにしたので、光電変換素子と各電界効果トランジスタとを同一基板上に作製することができ、製造における放射線撮像装置の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の１画素分の等価回路図である。
【図２】図１に示したＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の２次元的回路図である。
【図４】図３に示したＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の撮影シーケンスを示した図である。
【図６】図５に示したＸ線撮像装置の透視モード（動画モード）のタイムチャートである。
【図７】図５に示したＸ線撮像装置の透視モード（動画モード）の他のタイムチャートである。
【図８】図５に示したＸ線撮像装置の撮影モード（静止画モード）のタイムチャートである。
【図９】本発明の実施形態におけるＸ撮像装置のＸ線診断システムへの適用例を示した概略図である。
【図１０】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光電変換基板の上面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ｂ間における断面図である。
【図１２】図１０，図１１で示した光電変換素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。
【図１３】光電変換素子とＴＦＴとを備えて構成される画素の１画素分の光電変換回路図である。
【図１４】図１３に示した画素の１画素分の光電変換回路における動作を示すタイムチャートである。
【図１５】従来のＸ線撮像装置の２次元的回路図である。
【図１６】従来のＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【０１１７】
１０、Ｓ(１−１)〜Ｓ(３−３)  光電変換素子
１１、Ｔ１(１−１)〜Ｔ１(３−３)  第１のＴＦＴ（ソースフォロア接続）
１２、Ｔ２(１−１)〜Ｔ２(３−３)  第２のＴＦＴ（スイッチ機能）
１３、Ｔ３(１−１)〜Ｔ３(３−３)  第３のＴＦＴ（スイッチ機能）
１５  アンプ
３１  光電変換回路部（放射線検出回路部）
３２  駆動用回路部
３３  読み出し用回路部
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
７０１  光電変換回路部（放射線検出回路部）
７０２  読み出し用回路部
１０００、Ａ１〜Ａ３、Ｂ１〜Ｂ３  オペアンプ
Ｃｆ１〜Ｃｆ３  積分容量
Ｉ１〜Ｉ３  電流源
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  Ｃｆ１〜Ｃｆ３に形成される負荷容量をリセットするスイッチ
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、ＳＲ２  シフトレジスタ
Ｖｒｅｆ１  第１のリフレッシュバイアス
Ｖｒｅｆ２  第２のリフレッシュバイアス
Ｖｓ  光電変換素子のセンサバイアス
Ｖｒｓｔ  リセットバイアス
ＳＷ１  第１のスイッチ
ＳＷ２  第２のスイッチ
Ｓ１−１〜Ｓ３−３  光電変換素子
Ｔ１−１〜Ｔ３−３  スイッチ素子
Ｖｒｅｆ  リフレッシュバイアス
Ｖｓ  光電変換素子のセンサバイアス
Ｖｇ（ｏｎ）  ＴＦＴをオンするための電源
Ｖｇ（ｏｆｆ）  ＴＦＴをオフするための電源
ＳＷ−Ａ  光電変換素子のＶs配線に与えるバイアスを切り替えるスイッチ
ＳＷ−Ｂ  ＴＦＴをオン／オフするためのスイッチ
ＳＷ−Ｃ  信号配線をリセットするためのスイッチ
【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】
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【図１６】
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