(57)【要約】  露光量が少ないときのＳ／Ｎを改善した光電変換装置及びこの光電変換装置を備えた放射線像撮像装置を提供する。この光電変換装置は、基板上に少なくとも第１の電極と光電変換層と第２の電極を有し、第１の電極に常時第１の電圧を印加し、第２の電極に第２の電圧を印加して初期化した後、第２の電極をフローティング状態にして、光電変換層に入射した光により発生した電子またはホールを第２の電極から読み出す光電変換素子において、第２の電極と同一面上に、第２の電極を囲むように第３の電極を設け、第１の電圧が第２の電圧より高いときは、第２の電圧より高い電圧を、第２の電圧が第１の電圧より高いときは、第１の電圧より高い電圧を、第３の電圧として常時第３の電極に印加することを特徴とする。
2007122890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の電極と複数の層から構成される光電変換層と第２の電極を備えた光電変換素子を具備し、
前記第１の電極に常時第１の電圧を印加するバイアス電源と、
前記第２の電極に第２の電圧を印加するリファレンス電源と、
前記第２の電極に前記光電変換素子が逆バイアスになる第２の電圧を印加して初期化する初期化モードと、前記第２の電極をフローティング状態にして、前記光電変換層に入射した光により発生した電子またはホールを前記第２の電極から電気信号に変換する光電変換モードを切り換える切り換え手段と、を有する光電変換装置において、
前記光電変換素子は、前記第２の電極と同一面上に前記第２の電極を囲む第３の電極を備え、前記光電変換装置は、更に前記第３の電極に常時第３の電圧を印加するガード電極電源を備えており、前記第３の電圧は、前記第２の電圧が前記第１の電圧より低いときは、前記第１の電圧より低い電圧であり、前記第２の電圧が前記第１の電圧より高いときは、前記第１の電圧より高い電圧であることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とｉ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とｉ型半導体層から構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光電変換層は、絶縁層とｉ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記光電変換層の少なくとも前記第２の電極と前記第３の電極に接する層は、連続していないことを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記第３の電圧は、前記第２の電圧と同じ電圧であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項の何れか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
請求の範囲第１項乃至第７項の何れか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に備えられた蛍光板と、を有することを特徴とする放射線像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及び放射線像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から放射線像の撮像には、増感紙と放射線写真フィルムを組み合わせたフィルムスクリーンシステムがよく用いられている。この方法によれば、被写体を透過した被写体の内部情報を含む放射線が増感紙によって放射線の強度に比例した可視光に変換され、その可視光が放射線写真フィルムを感光させることにより、放射線像がフィルム上に形成される。しかしながらこのようなフィルム方式では、撮像した放射線画像を医師が得るまでには、途中にフィルムの現像過程があるため、手間と時間を要する等の問題がある。【０００３】
また、最近の技術の進歩により、医療業界において、放射線画像情報を放射線写真フィルムを介さずに直接電気信号として得たいという要求が高まりつつある。すなわち、放射線を蛍光体によって放射線の強度に比例した可視光に変換し、さらにフォトダイオードなどの光電変換素子により変換された電気信号を、薄膜トランジスタ（以降「ＴＦＴ」と呼ぶ）を用いた回路で読み出すフラットパネルディテクタ（以降「ＦＰＤ」と呼ぶ）を用いた放射線像撮像装置が使用され始めている。【０００４】
このような放射線像撮像装置においては、被写体へのＸ線の被爆をできるだけ抑えるため、放射線強度をできるだけ低くする必要がある。そのような条件でも鮮明な画像が得られるよう、フォトダイオードには低ノイズ性能が要求される。【０００５】
フォトダイオードのノイズの発生要因にはいろいろなものがあるが、そのうちのひとつに、リーク電流のため発生するショットノイズがある。リーク電流は、電子が光電変換膜に存在するトラップ準位を介して熱的に励起されることにより発生する。リーク電流は変動しショットノイズと呼ばれるノイズになる。トラップ準位に熱的に励起された電子の数の平均値をＮとすると、√Ｎがショットノイズである。【０００６】
このように、リーク電流およびショットノイズが発生する原因は、光電変換膜にトラップ準位が存在するためである。トラップ準位は光電変換膜の膜中や側面に存在するが、特に、側面はエッチング等の処理により光電変換膜がダメージを受けやすいため、トラップ準位が発生しやすい。【０００７】
このような課題を解決するため、メサ型フォトダイオードを形成し、別の半導体層で埋め込むことで、トラップ準位を低減し、リーク電流を低減する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２３２４４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１を用いて、従来の光電変換素子を用いた光電変換装置で発生するリーク電流の課題について説明する。【０００９】
図１（ａ）は従来の光電変換素子の駆動方法を説明する説明図、図１（ｂ）は露光量と発生する電子・ホール対との関係を示す説明図、図１（ｃ）は露光量とカソード電極電位との関係を示す説明図、図１（ｄ）は露光量とリーク電流との関係を示す説明図である。【００１０】
従来の光電変換素子の一例として、図１（ａ）に示すＰＩＮ（Ｐ−ＩＮＴＲＩＮＳＩＣ−Ｎ）型フォトダイオード１０を例に説明する。ＰＩＮ型フォトダイオード１０は、基板１上のカソード電極２と、アノード電極６と、カソード電極２とアノード電極６の間に形成された光電変換層５０であるＮ型半導体層３、ｉ型半導体層４、Ｐ型半導体層５から構成されている。【００１１】
このようなＰＩＮ型フォトダイオード１０に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順について説明する。カソード電極２にはスイッチ２１を介してリファレンス電源２０のプラス側端子が接続されている。アノード電極６にはリファレンス電源２０のマイナス側端子が接続されている。スイッチ２１をオンにして、カソード電極２に電圧Ｖを印加すると、ＰＩＮフォトダイオードには逆バイアス電圧が印加される。【００１２】
次にスイッチ２１をオフにして、露光を開始する。アノード電極６側は受光面であり、図１（ａ）に矢印で示す光束Ｌは、透明なアノード電極６を透過してＰ型半導体層５に照射する。照射した光束ＬはＰ型半導体層５を通過してｉ型半導体層４に入り、そのエネルギーを吸収してｉ型半導体層４内に電子・ホール対を発生する。図１（ｂ）に示すように露光量が増すと発生する電子・ホール対は増加する。すると、図１（ｃ）に示すようにカソード電極２の電位は低下する。このように、カソード電極２は、初期化状態の電圧Ｖから露光量に比例して低下するので、露光後のカソード電極２の電圧から露光量を得ることができる。【００１３】
一方、カソード電極２とアノード電極６の間の電位差が大きいほど、光電変換層５０の側面を流れるリーク電流ｉｏは大きいので、図１（ｄ）に示すように露光前にスイッチ２１をオンにしてリセットしたときが最も大きく、露光量が増しカソード電極２の電圧が低下するにつれてリーク電流ｉｏは減少する。【００１４】
このように従来の光電変換素子は、露光量が少ないときほど信号電流に対するリーク電流ｉｏの割合が大きくなる特性を持っているが、このような特性は、Ｓ／Ｎの点で問題である。すなわち、露光量が少ないときほど、露光により発生する電子・ホール対による信号電流に対して、ノイズであるリーク電流ｉｏの割合が大きいため、Ｓ／Ｎが悪くなるからである。このため、特許文献１のようにトラップ準位を少なくしてリーク電流ｉｏを低く抑えるようなプロセスを採用してリーク電流ｉｏを低減したとしても、露光量が少ないときにＳ／Ｎが悪いという特性を変えることはできない。【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、露光量が少ないときのＳ／Ｎを改善した光電変換装置及び放射線像撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
１．基板上に第１の電極と複数の層から構成される光電変換層と第２の電極を備えた光電変換素子を具備し、
前記第１の電極に常時第１の電圧を印加するバイアス電源と、
前記第２の電極に第２の電圧を印加するリファレンス電源と、
前記第２の電極に前記光電変換素子が逆バイアスになる第２の電圧を印加して初期化する初期化モードと、前記第２の電極をフローティング状態にして、前記光電変換層に入射した光により発生した電子またはホールを前記第２の電極から電気信号に変換する光電変換モードを切り換える切り換え手段と、を有する光電変換装置において、
前記光電変換素子は、前記第２の電極と同一面上に前記第２の電極を囲む第３の電極を備え、前記光電変換装置は、更に前記第３の電極に常時第３の電圧を印加するガード電極電源を備えており、前記第３の電圧は、前記第２の電圧が前記第１の電圧より低いときは、
前記第１の電圧より低い電圧であり、前記第２の電圧が前記第１の電圧より高いときは、前記第１の電圧より高い電圧であることを特徴とする光電変換装置。【００１７】
２．前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする１に記載の光電変換装置。【００１８】
３．前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とｉ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする１に記載の光電変換装置。【００１９】
４．前記光電変換層は、Ｐ型半導体層とｉ型半導体層から構成されていることを特徴とする１に記載の光電変換装置。【００２０】
５．前記光電変換層は、絶縁層とｉ型半導体層とＮ型半導体層から構成されていることを特徴とする１に記載の光電変換装置。【００２１】
６．前記光電変換層の少なくとも前記第２の電極と前記第３の電極に接する層は、連続していないことを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の光電変換装置。【００２２】
７．前記第３の電圧は、前記第２の電圧と同じ電圧であることを特徴とする１乃至６の何れか１項に記載の光電変換装置。【００２３】
８．１乃至７の何れか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に備えられた蛍光板と、を有することを特徴とする放射線像撮像装置。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、露光量が少ないときのＳ／Ｎを改善した光電変換装置及び放射線像撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の光電変換素子で発生するリーク電流の課題について説明する説明図である。
【図２】本発明に係わる第１の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図である。
【図３】第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３を変化させたときのリーク電流を説明する説明図である
【図４】第１の実施形態の光電変換装置を有するＦＰＤの回路図である。
【図５】本発明に係わる第２の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。
【図６】本発明に係わる第３の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。
【図７】本発明に係わる第４の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。
【図８】本発明に係わる第５の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。
【図９】第２の実施形態の光電変換装置を有するＦＰＤの回路図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  基板
３  Ｎ型半導体層
４  ｉ型半導体層
５  Ｐ型半導体層
２０  リファレンス電源
２１  スイッチ
５０  光電変換層
８７  ガード電極電源
１０１  第１の電極
１０２  第２の電極
１０３  第３の電極
ｉｓ、ｉｕ  リーク電流
Ｖ２  第２の電圧
Ｖ３  第３の電圧
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、実施形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。【００２８】
図２は本発明に係わる第１の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図である。【００２９】
図２（ａ）、図２（ｃ）は第１の実施形態の光電変換装置の駆動方法を説明する説明図、図２（ｂ）は第２の電極１０２と第３の電極１０３の断面Ａ−Ａ’を説明する説明図、図２（ｄ）はＮ型半導体層３の断面Ｂ−Ｂ’を説明する説明図である。【００３０】
図２（ａ）、（ｃ）を用いて、最初に本実施形態の光電変換素子であるＰＩＮ型フォトダイオード１１の構造について説明する。【００３１】
図２（ａ）、（ｃ）に示すように、基板１上には第２の電極１０２と第３の電極１０３が設けられ、第２の電極１０２と第３の電極１０３の間にはｉ型半導体層４が形成されている。図２（ｂ）は、図２（ａ）の断面Ａ−Ａ’を基板１と反対の面から見た正面図である。図２（ｂ）に示すように、ｉ型半導体層４を間に挟んで第２の電極１０２を囲むように第３の電極１０３が形成されている。
第３の電極１０３の形状は、図２（ｂ）に示す第２の電極１０２を囲む閉じた形状に限定する必要はなく、一部が開いている、例えばコの字状としてもよい。第３の電極１０３の形状を、一部を開いた形状とすることで、内側にある第２の電極１０２への配線を第３の電極１０３と第２の電極１０２がある同じ面内に形成することができる。従って、配線のための層を設ける必要がなくなり製造効率を向上させることができる。【００３２】
第２の電極１０２と第３の電極１０３の上層にはＮ型半導体層３が形成されている。図２（ｄ）は図２（ｃ）の断面Ｂ−Ｂ’を基板１と反対の面から見た正面図である。図２（ｄ）に示すように、Ｎ型半導体層３は第２の電極１０２上と第３の電極１０３上に形成され、その間はｉ型半導体層４を間に挟んで分離している。すなわち、第２の電極１０２上と第３の電極１０３上に形成されているＮ型半導体層３は、連続していない。【００３３】
Ｎ型半導体層３の上にはｉ型半導体層４が形成され、さらに上層にはＰ型半導体層５が形成されている。Ｐ型半導体層５の上には、第２の電極１０２と対向する位置に第１の電極１０１が形成されている。このように、ＰＩＮ型フォトダイオード１１の光電変換層５０はＮ型半導体層３、ｉ型半導体層４、Ｐ型半導体層５から構成されている。【００３４】
次に、ＰＩＮ型フォトダイオード１１の光電変換動作について説明する。【００３５】
図２（ｅ）は露光量と発生する電子・ホール対の関係を示す説明図、図２（ｆ）は露光量と第２の電極電位との関係を示す説明図、図２（ｇ）は露光量とリーク電流との関係を示す説明図である。【００３６】
第１の実施形態のＰＩＮ型フォトダイオード１１に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順について説明する。図２（ａ）に示すように、第２の電極１０２にはスイッチ２１を介してリファレンス電源２０のプラス側端子が接続され、第２の電圧Ｖ２が印加される。第１の電極１０１にはリファレンス電源２０のグランド側端子が接続され、常時第１の電圧Ｖ１として０Ｖが印加されている。ガード電極電源８７は、第３の電極１０３に第３の電圧Ｖ３を印加する電源である。本実施形態では第１の電圧Ｖ１＜第２の電圧Ｖ２、第３の電圧Ｖ３＝第２の電圧Ｖ２、すなわち、第１の電圧Ｖ１＜第３の電圧Ｖ３＝第２の電圧Ｖ２の場合について図２を用いて説明する。【００３７】
初期化モード時は、図２（ａ）に示すように、スイッチ２１をオンにして、第２の電極１０２に第２の電圧Ｖ２を印加して、ＰＩＮフォトダイオード１１に逆バイアス電圧を印加する。スイッチ２１は本発明の切り換え手段である。【００３８】
光電変換モードでは、図２（ｃ）に示すように、スイッチ２１をオフにして、露光を開始する。第１の電極１０１側は受光面であり、図２（ｃ）に矢印で示す光束Ｌは、ＩＴＯのようなインジウム又はスズを含む化合物、酸化物などで形成される透明な第１の電極１０１を透過してＰ型半導体層５に照射する。照射した光束ＬはＰ型半導体層５を通過してｉ型半導体層４に入り、電子・ホール対を発生する。図２（ｅ）に示すように露光量が増すと発生する電子・ホール対は増加する。すると、図２（ｆ）に示すように第２の電極１０２の電位は低下する。したがって、図１で説明したＰＩＮ型フォトダイオード１０と同様に、第２の電極１０２の電圧は、露光前にスイッチ２１をオンにして初期化したときが最も高く、露光量が増すにつれて電圧は低下する。【００３９】
本実施形態のＰＩＮ型フォトダイオード１１では、図２（ｃ）に示すように第３の電極１０３から第１の電極１０１に流れるリーク電流ｉｓと、第３の電極１０３から第２の電極１０２に流れるリーク電流ｉｕが発生する。本実施形態では、第３の電極１０３はガード電極電源８７に接続され、常に第３の電圧Ｖ３に固定されているので、リーク電流ｉｓが流れても第２の電極１０２の電位には影響を与えない。【００４０】
一方、リーク電流ｉｕは第３の電極１０３と第２の電極１０２の電位差により発生するので、スイッチ２１をオンにして第３の電極１０３と第２の電極１０２が同じ電圧である第２の電圧Ｖ２と第３の電圧Ｖ３を印加されている初期化状態では、リーク電流ｉｕは０である。スイッチ２１をオフにして露光を与えると、第２の電極１０２の電圧は図２（ｆ）のように低下するので、第３の電極１０３から第２の電極１０２に流れるリーク電流ｉｕは図２（ｇ）に実線で示すように露光量に比例して増加する。図２（ｇ）に破線で示すように、従来のＰＩＮ型フォトダイオード１０で発生するリーク電流ｉｏは露光量が少ないときに最も多いので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが悪かったが、本実施形態ではリーク電流ｉｕが露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが大幅に改善される。【００４１】
また、従来のリーク電流ｉｏは図１に図示するようにＰＩＮ型フォトダイオード１０の側面を通って、第２の電極１０２から第１の電極１０１に流れるが、その間の距離は半導体層の厚みで決定され、例えば１μｍ程度である。【００４２】
一方、本実施形態では、発生するリーク電流ｉｕが流れる第３の電極１０３と第２の電極１０２の間の距離を、たとえば５〜１０μｍ程度と大きく離しその間の抵抗値を高くすることができる。このようにすると、リーク電流ｉｕの最大値を従来のリーク電流ｉｏの最大値より小さくすることができるので、Ｓ／Ｎをさらに改善することができる。【００４３】
また、図２（ｄ）に示すように、本実施形態では、Ｎ型半導体層３は第２の電極１０２と第３の電極１０３の間は分離され、その間はｉ型半導体層４だけなので、Ｎ型半導体層３やＰ型半導体層５を含む場合と比べて抵抗値が高くなっている。このことにより、リーク電流ｉｕの最大値をより小さくすることができるので、Ｓ／Ｎをより改善することができる。【００４４】
これまで本実施形態では、第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３は、初期化状態で第２の電極１０２に与えられている電圧である第２の電圧Ｖ２と同じ電圧にする例を説明したが、第１の電圧Ｖ１＜第２の電圧Ｖ２のとき、第３の電圧Ｖ３は第１の電圧Ｖ１を超える電圧であれば同様の効果が得られる。すなわち、第１の電圧Ｖ１＜第３の電圧Ｖ３であれば良い。なお、第１の電圧Ｖ１≧第３の電圧Ｖ３の場合はＰＩＮ型フォトダイオード１０を順方向にバイアスすることになり、光電変換素子として機能しない。【００４５】
図３は第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３を変化させたときのリーク電流を説明する説明図である。【００４６】
最初に、図３（ａ）、（ｂ）を用いて第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３が、第２の電極１０２に与えられる初期電圧である第２の電圧Ｖ２より低い場合を説明する。すなわち第１の電圧Ｖ１＜第３の電圧Ｖ３＜第２の電圧Ｖ２の場合である。この場合も、第３の電極１０３から第１の電極１０１に流れるリーク電流ｉｓは、図２で説明したように第２の電極１０２の電位には影響を与えない。【００４７】
一方、リーク電流ｉｕは第３の電極１０３と第２の電極１０２の電位差により発生するので、第２の電極１０２が第２の電圧Ｖ２を印加されている初期化状態では、第３の電極１０３の電位（第３の電圧Ｖ３）の方が低く、第２の電極１０２から第３の電極１０３にリーク電流ｉｕが流れる。図２（ｃ）に示すリーク電流ｉｕの方向とは逆方向であり、図３（ｂ）では負の電流値で表す。露光量が増すにつれて、リーク電流ｉｕの絶対値は減少し、第２の電極１０２の電位が第３の電圧Ｖ３と等しくなると、リーク電流ｉｕは０になる。さらに露光量が増すと、リーク電流ｉｕの方向は第３の電極１０３から第２の電極１０２に流れる。【００４８】
次に、図３（ｃ）、（ｄ）を用いて第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３が、第２の電極１０２に与えられる初期電圧が第２の電圧Ｖ２より高い場合を説明する。すなわち第１の電圧Ｖ１＜第２の電圧Ｖ２＜第３の電圧Ｖ３の場合である。この場合も、第３の電極１０３から第１の電極１０１に流れるリーク電流ｉｓは、同様に第２の電極１０２の電位には影響を与えない。【００４９】
一方、第２の電極１０２が第２の電圧Ｖ２を印加されている初期化状態でも、第３の電極１０３の第３の電圧Ｖ３の方が高く、第３の電極１０３から第２の電極１０２にリーク電流ｉｕが流れる。さらに、露光量が増すにつれてリーク電流ｉｕは増加する。【００５０】
このように、露光量が０のときのリーク電流ｉｕは０ではないが、絶対値は従来のリーク電流ｉｏより小さくすることができるので、図１で説明した従来技術よりＳ／Ｎを改善することができる。また、第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３を設定することにのより、リーク電流ｉｕが０になる露光量を設定することができる。一般には、第２の電極１０２に初期化状態で与える電圧である第２の電圧Ｖ２と同じ電圧を第３の電圧Ｖ３とし、露光量が０のときのリーク電流ｉｕを０にすることが望ましい。また、第３の電圧Ｖ３と第２の電圧Ｖ２を同じ電圧にする場合は、ガード電極電源８７とリファレンス電源２０を共通にすることができる。具体的に第３の電圧Ｖ３を決める場合、リーク電流ｉｕの振る舞いが第２の電極１０２と第３の電極１０３との距離やこの電極間に存在するｉ型半導体層４やｉ型半導体層４と基板１との界面の状態等により変化するため実験により決めるのが好ましい。【００５１】
次に、本実施形態のＰＩＮ型フォトダイオード１１を有する光電変換装置の一例として、Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（以下ＦＰＤと記す。）について、図４を用いて説明する。【００５２】
図４は、第１の実施形態の光電変換装置を有するＦＰＤの一例を示す回路図である。【００５３】
図４のＦＰＤ８０は光電変換素子として２行×３列のＰＩＮ型フォトダイオード１１を有している。【００５４】
ＦＰＤ８０は間接型に分類されるタイプのものであり、放射線を可視光に変換する蛍光板２００と、蛍光板２００の可視光を光電変換するＰＩＮ型フォトダイオード１１、およびスイッチ素子８４を用いた読み出し回路を形成した回路基板９５から構成される。【００５５】
図４には、この回路基板９５の回路および周辺回路を示す。なお、図２１で説明した機能要素と同一機能を有する機能要素には同番号を付し、説明を省略する。【００５６】
回路基板９５は、ＰＩＮ型フォトダイオード１１およびスイッチ素子８４のそれぞれ１個の組み合わせで１つの画素を形成し、合わせて２行×３列の画素を有している。【００５７】
図４のスイッチ素子８４は、例えばＴＦＴ（ＴＨＩＮ  ＦＩＬＭ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）であり、スイッチ素子８４のソースはソース線９３ａ、９３ｂ、９３ｃへ接続され、ドレインは各ＰＩＮ型フォトダイオード１１の第２の電極１０２（カソード）に、それぞれ接続されている。なお、スイッチ素子８４は、特に限定されるものではなく、ａ−Ｓｉ  ＴＦＴやｐｏｌｙ−Ｓｉ  ＴＦＴ、有機トランジスタなどスイッチ機能を有する素子なら何でも利用できる。【００５８】
スイッチ素子８４のゲートはゲート線８５ａ、８５ｂへ接続されている。ＰＩＮ型フォトダイオード１１の第１の電極１０１（アノード）はバイアス線８３に接続され、バイアス線８３はバイアス電源８２に接続され、第１の電圧が印加されている。本実施形態では第１の電圧Ｖ１は０Ｖに設定されているものとして説明する。【００５９】
ゲート線８５ａ，８５ｂは、それぞれ走査駆動回路８６の出力端子Ｇ1，Ｇ2に接続され、ソース線９３ａ，９３ｂ，９３ｃは、それぞれＯＰアンプ９０の−入力端子に接続されている。また、ＯＰアンプ９０の＋入力端子にはリファレンス電源２０から第２の電圧Ｖ２が印加されている。ＯＰアンプ９０の−入力端子と出力との間にはコンデンサ９１とス
イッチ９２が並列に接続され、チャージセンシングアンプ９９を構成している。【００６０】
チャージセンシングアンプ９９は公知の積分回路であり、−入力端子に流入した電流はコンデンサ９１で積分され、入力電流の積分値が出力電圧となる。スイッチ９２はコンデンサ９１の両端を短絡し、ＯＰアンプの出力電圧をリセットするために設けられている。図４の例では、読み出し部９７は、ＯＰアンプ９０とコンデンサ９１とスイッチ９２から構成されるチャージセンシングアンプ９９を３回路有している。【００６１】
第３の電極１０３は、ガード電極電源８７に接続され、ガード電極電源８７から第３の電圧Ｖ３が印加されている。第３の電圧Ｖ３は第１の電圧Ｖ１を超える電圧、すなわち第３の電圧Ｖ３＞第１の電圧Ｖ１であれば良い。なお、本実施形態ではガード電極電源８７とリファレンス電源２０を別にしているが、例えば第３の電圧Ｖ３を第２の電圧Ｖ２と同じ電圧に設定し、ガード電極電源８７から第２の電圧Ｖ２を印加するようにしても良い。また、本実施形態では、すべての第３の電極１０３に共通のラインで第３の電圧Ｖ３が印加されているが、第３の電極１０３をブロックごとに分けて、複数のガード電極電源８７から第３の電圧Ｖ３を印加しても良い。【００６２】
走査駆動回路８６はスイッチ素子８４の駆動手段である。走査駆動回路８６はその出力端子Ｇ1，Ｇ2にゲート線８５ａ，８５ｂが接続されており、正の電圧を順に出力しゲート線８５ａ，８５ｂを走査する。走査駆動回路８６から正の電圧が出力されると、同一ゲート線に接続されているスイッチ素子８４がオンになり、第２の電極１０２はソース線９３ａ，９３ｂ，９３ｃを介してＯＰアンプ９０の−入力端子と接続される。すると、ＰＩＮ型フォトダイオード１１に蓄積された電荷は、チャージセンシングアンプ９９で電圧に変換される。なお、本実施形態では、読み出し部９７にチャージセンシングアンプ９９を用いた例を説明するが、ＰＩＮ型フォトダイオード１１の電圧を直接読みとる回路を用いても良い。【００６３】
蛍光板２００は、上述の回路基板を覆い、蛍光板２００で発生した可視光がＰＩＮ型フォトダイオード１１に入射するように構成されている。【００６４】
上述のＦＰＤ８０の動作を説明する。【００６５】
初期化モードでは、スイッチ９２はオンであり、ＯＰアンプ９０の出力電圧は第２の電圧Ｖ２と同じ電圧である。走査駆動回路８６がゲート線８５ａ，８５ｂをハイにすると、そのゲート線に接続されているスイッチ素子８４がすべてオンになり、第２の電極１０２に第２の電圧Ｖ２が印加される。スイッチ素子８４は本発明の切り換え手段である。【００６６】
光電変換モードでは、走査駆動回路８６がゲート線８５ａ，８５ｂをロウにして、スイッチ素子８４をすべてオフにした後、図示せぬ放射線照射装置から放射線の曝射が開始される。放射線が曝射されると、放射線の曝射を受けた蛍光板２００が蛍光を発し、それを受光したＰＩＮ型フォトダイオード１１は、その中で電子・ホール対が発生し、充電されていた電荷を放電させる。そのため、ＰＩＮ型フォトダイオード１１に充電されていた電荷は、発生した電子・ホール対の分だけ減少する。この間、スイッチ９２はすべてオンである。【００６７】
放射線の曝射に続いて、読み出し走査が行われる。読み出し走査の時、スイッチ９２はオフである。走査駆動回路８６は、順次ゲート線８５ａ，８５ｂに正の電圧を出力して、スイッチ素子８４をオンにすると、ＯＰアンプ９０から電荷−電圧変換された電圧が出力される。電荷−電圧変換された電圧は、放射線曝射の時、ＰＩＮ型フォトダイオード１１から放電により消滅した電荷に相当する。このようにして、蛍光板２００に入射した放射線の画像が、電圧として二次元的に読み出される。【００６８】
次に、第２の実施形態について説明する。【００６９】
図５は本発明に係わる第２の実施形態の光電変換装置の構成を説明する説明図である。【００７０】
図５（ａ）、図５（ｃ）は第２の実施形態の光電変換装置の駆動方法を説明する説明図、図５（ｂ）は第２の電極１０２と第３の電極１０３の断面Ｃ−Ｃ’を説明する説明図である。【００７１】
図５（ａ）、（ｃ）を用いて、最初に本実施形態の光電変換素子であるＰＩＮ型フォトダイオード１２の構造について説明する。【００７２】
図２で説明したＰＩＮ型フォトダイオード１１と異なるのは、本実施形態では第２の電極１０２と第３の電極１０３が最も上層に形成されている点である。図５（ａ）、（ｃ）に示すように、基板１上には第１の電極１０１が設けられ、第１の電極１０１と第２の電極１０２、第３の電極１０３の間には、Ｎ型半導体層３、ｉ型半導体層４、Ｐ型半導体層５から構成される光電変換層５０が形成されている。【００７３】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の断面Ｃ−Ｃ’を基板１と反対の面から見た正面図である。図５（ｂ）に示すように、Ｐ型半導体層５の上層に第２の電極１０２を囲むように第３の電極１０３が形成されている。このように、Ｐ型半導体層５は、第２の電極１０２に接する部分と第３の電極１０３に接する部分に分離している。すなわち、第２の電極１０２に接する部分と第３の電極１０３に接するＰ型半導体層５は、連続していない。
第３の電極１０３の形状は、図５（ｂ）に示す第２の電極１０２を囲む閉じた形状に限定する必要はなく、一部が開いている、例えばコの字状としてもよい。第３の電極１０３の形状を、一部を開いた形状とすることで、内側にある第２の電極１０２への配線を第３の電極１０３と第２の電極１０２がある同じ面内に形成することができる。従って、配線のための層を設ける必要がなくなり製造効率を向上させることができる。【００７４】
次に、ＰＩＮ型フォトダイオード１２の光電変換動作について説明する。【００７５】
図５（ｄ）は露光量と発生する電子・ホール対との関係を示す説明図、図５（ｅ）は露光量と第２の電極電位との関係を示す説明図、図５（ｆ）は露光量とリーク電流との関係を示す説明図である。【００７６】
第２の実施形態のＰＩＮ型フォトダイオード１２に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順について説明する。図５（ａ）に示すように、リファレンス電源２０のプラス側端子はグランドに接地され、第２の電極１０２にはスイッチ２１を介してリファレンス電源２０のマイナス側端子が接続されている。そのため、第２の実施形態では第２の電極１０２に負の電圧である第２の電圧Ｖ２が印加される。一方、第１の電極１０１はグランドに接地されているので第１の電圧Ｖ１は０Ｖである。ガード電極電源８７は、第３の電極１０３に第３の電圧Ｖ３を印加する。本実施形態では第２の電圧Ｖ２＜第１の電圧Ｖ１、第３の電圧Ｖ３＝第２の電圧Ｖ２、すなわち、第２の電圧Ｖ２＝第３の電圧Ｖ３＜第１の電圧Ｖ１の場合について図５を用いて説明する。【００７７】
初期化モードにおいて、スイッチ２１をオンにして、第２の電極１０２に第２の電圧Ｖ２を印加すると、ＰＩＮフォトダイオード１２には逆バイアス電圧が印加される。【００７８】
光電変換モードでは、図５（ｃ）に示すように、スイッチ２１をオフにして、露光を開始する。第２の電極１０２側は受光面であり、図５（ｃ）に矢印で示す光束Ｌは、透明な第２の電極１０２を透過してＰ型半導体層５に照射する。照射した光束ＬはＰ型半導体層５を通過してｉ型半導体層４に入り、電子・ホール対を発生する。図５（ｄ）に示すように露光量が増すと発生する電子・ホール対は増加する。すると、図５（ｅ）に示すように第２の電極１０２の電位は上昇する。したがって、第２の実施形態では、第２の電極１０２の電位は、露光前にスイッチ２１をオンにして初期化したときが最も低く、露光量が増すにつれて電圧は上昇する。【００７９】
本実施形態のＰＩＮ型フォトダイオード１２では、図５（ｃ）に示すように第１の電極１０１から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｖと、第２の電極１０２から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｗが発生する。【００８０】
第１の実施形態と同様に、第３の電極１０３はリファレンス電源２０に接続され、常に第３の電圧Ｖ３に固定されているので、リーク電流ｉｖが流れても第２の電極１０２の電位には影響を与えない。【００８１】
一方、リーク電流ｉｗは第３の電極１０３と第２の電極１０２の電位差により発生するので、スイッチ２１をオンにして第３の電極１０３と第２の電極１０２が同じ電圧である第３の電圧Ｖ３と第２の電圧Ｖ２を印加されている初期化状態では、リーク電流ｉｗは０である。スイッチ２１をオフにして露光すると、第２の電極１０２の電圧は図５（ｅ）のように上昇するので、第２の電極１０２から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｗは図５（ｆ）に実線で示すように露光量に比例して増加する。図５（ｆ）に破線で示すように、従来のＰＩＮ型フォトダイオード１０で発生するリーク電流ｉｏは露光量が少ないときに最も多いので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが悪かったが、本実施形態ではリーク電流ｉｗが露光量と比例関係にあるので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが大幅に改善される。【００８２】
また、第１の実施形態と同様に、第３の電極１０３と第２の電極１０２の間の距離を、たとえば５〜１０μｍ程度と大きく離し、その間の抵抗値を高くすることができる。さらに、図５（ａ）に示すように、本実施形態では、Ｐ型半導体層５は第２の電極１０２と第３の電極１０３の間は分離され、その間はＰ型半導体層５も含めて空隙であり、空隙部分にはリーク電流は流れない。このことにより、リーク電流ｉｗの最大値をより小さくすることができるので、Ｓ／Ｎをより改善することができる。【００８３】
なお、図５の説明では、第３の電極１０３に与える第３の電圧Ｖ３は、初期化状態で第２の電極１０２に与えられている電圧である第２の電圧Ｖ２と同じ電圧にする例を説明したが、図３の説明と同様の理由で、第２の電圧Ｖ２＜第１の電圧Ｖ１のとき、第３の電圧Ｖ３は第１の電圧Ｖ１未満の電圧であれば同様の効果が得られる。すなわち、第３の電圧Ｖ３＜第１の電圧Ｖ１であれば良い。具体的に第３の電圧Ｖ３を決める場合、リーク電流ｉｗの振る舞いが第２の電極１０２と第３の電極１０３との距離やこの電極間に存在するＰ型半導体層５やｉ型半導体層４やその表面の状態等により変化するため実験により決めるのが好ましい。【００８４】
また、本実施形態では、全ての層を成膜後、エッチングにより第２の電極１０２と第３の電極１０３とその下層のＰ型半導体層５を分離するので、製造が容易である。【００８５】
今まで光電変換素子の光電変換層５０が、ＰＩＮ型のフォトダイオードの場合について説明したが、本発明はＰＮ型やショットキ型のフォトダイオードなどにも適用できる。【００８６】
図６は本発明に係わる第３の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。図６を用いて、第３の実施形態のＰＮ型フォトダイオード１３について、説明する。なお、図５で説明した構成要素と同じ構成要素には同番号を付し、説明を省略する。【００８７】
図５で説明したＰＩＮ型フォトダイオード１２と異なるのは、本実施形態では光電変換層５０がＮ型半導体層３とＰ型半導体層５から構成され、ｉ型半導体層４が無い点である。照射した光束ＬはＮ型半導体層３とＰ型半導体層５の接合部で電子・ホール対を発生する。第２の電極１０２と第３の電極１０３の構成および動作は、図５で説明した構成と同様であり、リーク電流が露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが大幅に改善される。【００８８】
図７は本発明に係わる第４の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。なお、図５で説明した構成要素と同じ構成要素には同番号を付し、説明を省略する。【００８９】
図７は、ショットキ型フォトダイオード１４であり、光電変換層５０がｉ型半導体層４とＰ型半導体層５から構成されていて、Ｎ型半導体層３は無い。そのかわり、第１の電極１０１がＮ型半導体層３の機能と同様の機能を持っている。第１の電極１０１は仕事関数の小さい金属、例えばＡｌで形成されているので、ｉ型半導体層４で発生した電子・ホール対のうち、電子を通し、ホールをブロックする。ホールは内部電界により第２の電極１０２の方に向かい、図５（ｅ）に示すように第２の電極１０２の電位は上昇する。【００９０】
第２の電極１０２と第３の電極１０３の構成および動作は、図５で説明した構成と同様であり、リーク電流が露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが大幅に改善される。【００９１】
なお、図６、図７では、第２の電極１０２と第３の電極１０３が最も上層にある場合について説明したが、図２のように第２の電極１０２と第３の電極１０３が基板１の上に形成されている場合もＰＮ型またはショットキ型の光電変換層５０を用いることができる。【００９２】
図８は本発明に係わる第５の実施形態の光電変換素子の構成を説明する説明図である。図８を用いて、第５の実施形態の光電変換素子について説明する。第５の実施形態の光電変換素子の基本構成は、ＭＩＳ（ＭＥＴＡＬ  ＩＮＳＵＬＡＴＯＲ  ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ）型光電変換素子１５である。ＭＩＳ型の光電変換素子は、例えば、特許第３４１６３５１号に開示されている、基板１上に第１の電極１０１、絶縁層３０と、ｉ型半導体層４と、Ｎ型半導体層３と、第２の電極１０２から構成された光電変換素子であり、本実施形態では図５（ｂ）のように第２の電極１０２の周囲に第３の電極１０３を設けている。本発明の光電変換層５０は絶縁層３０と、ｉ型半導体層４と、Ｎ型半導体層３から構成されている。【００９３】
絶縁層３０は電子、ホール共に通過を阻止する窒化シリコン（ＳｉＮ）などで形成される絶縁層であり、その厚さはトンネル効果により電子、ホールが通過できないほどの厚さである５００オングストローム以上に設定される。また、Ｎ型半導体層３は、ｉ型半導体層４に第２の電極１０２側からのホールの注入を阻止するためａ−Ｓｉのｎ＋層で形成されている。【００９４】
次に、ＭＩＳ型光電変換素子１５の光電変換動作について説明する。【００９５】
各電極に印加される電圧関係は図５の説明と同じであり、第３の電圧Ｖ３＝第２の電圧Ｖ２として以下説明する。【００９６】
ＭＩＳ型光電変換素子１５に所定時間露光し、電荷を蓄積する手順について説明する。リファレンス電源２０のプラス側端子はグランドに接地され、第２の電極１０２にはスイッチ２１を介してリファレンス電源２０のマイナス側端子が接続されている。一方、第１の電極１０１はグランドに接地されている。【００９７】
初期化モードでは、スイッチ２１をオンにして、第２の電極１０２に第２の電圧Ｖ２として負の電圧を印加する。するとｉ型半導体層４中のホールは電界により第２の電極１０２に導かれ、電子はｉ型半導体層４に注入される。ｉ型半導体層４中のホールがｉ型半導体層４からはき出されるまでスイッチ２１をオンにして、初期化する。【００９８】
光電変換モードでは、スイッチ２１をオフにして、露光を開始する。第２の電極１０２側は受光面であり、図８に矢印で示す光束Ｌは、透明な第２の電極１０２を透過してＮ型半導体層３に照射する。照射した光束ＬはＮ型半導体層３を通過してｉ型半導体層４に入り、電子・ホール対を発生する。図５（ｄ）で説明したように露光量が増すと発生する電子・ホール対は増加する。発生したホールは電界により第２の電極１０２に導かれ、電子はｉ型半導体層４内を移動し、絶縁層３０界面に移動する。しかし、絶縁層３０内には移動できないため、ｉ型半導体層４内に留まる。そのため、第２の電極１０２の電位は図５（ｅ）のように露光前にスイッチ２１をオンにしてリセットしたときが最も低く、露光量が増すにつれて電位は上昇する。【００９９】
本実施形態のＭＩＳ型光電変換素子１５においても、ＰＩＮ型フォトダイオード１２などと同様に、図８に示す第１の電極１０１から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｖと、第２の電極１０２から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｗが発生する。【０１００】
第２の実施形態と同様に、第３の電極１０３はガード電極電源８７に接続され、常に第３の電圧Ｖ３に固定されているので、リーク電流ｉｖが流れても第２の電極１０２の電位には影響を与えない。【０１０１】
また、第２の実施形態と同様に、リーク電流ｉｗは第３の電極１０３と第２の電極１０２の電位差により発生するので、スイッチ２１をオンにして第３の電極１０３と第２の電極１０２が同じ電圧である第３の電圧Ｖ３と第２の電圧Ｖ２を印加されている初期化状態では、リーク電流ｉｗは０である。スイッチ２１をオフにして露光を与えると、第２の電極１０２の電圧は図５（ｅ）のように上昇するので、第２の電極１０２から第３の電極１０３に流れるリーク電流ｉｗは図５（ｆ）に実線で示すように露光量に比例して増加する。図５（ｆ）に破線で示すように、従来のＰＩＮ型フォトダイオード１０で発生するリーク電流ｉｏは露光量が少ないときに最も多いので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが悪かったが、本実施形態ではリーク電流ｉｗが露光量に比例して増加するので、露光量が少ないときのＳ／Ｎが大幅に改善される。【０１０２】
次に、第２の実施形態の光電変換装置を有する、ＦＰＤの構成例について図９を用いて説明する。【０１０３】
図９は、第２の実施形態の光電変換装置を有するＦＰＤ８０’の回路図である。【０１０４】
図９で説明する回路は、光電変換素子であるＰＩＮ型フォトダイオード１２の順方向の向きが図４とは逆に接続されている。それに伴い、第１の電極に与える第１の電圧Ｖ１と、第２の電極に初期化時に与える第２の電圧Ｖ２の電圧関係が逆になっている。すなわちＶ２＜Ｖ１である点が異なっている。【０１０５】
なお、図４で説明した機能要素と同一機能を有する機能要素には同番号を付し、説明を省略する。【０１０６】
回路基板９５は、ＰＩＮ型フォトダイオード１２およびスイッチ素子８４のそれぞれ１個の組み合わせで１つの画素を形成し、合わせて２行×３列の画素を有している。【０１０７】
ＰＩＮ型フォトダイオード１２の第１の電極１０１（カソード）はバイアス線８３に接続され、バイアス線８３はバイアス電源８２に接続され、第１の電圧が印加されている。本実施形態では第１の電圧Ｖ１は０Ｖに設定されているものとして説明する。【０１０８】
第３の電極１０３は、ガード電極電源８７に接続され、ガード電極電源８７から第３の電圧Ｖ３が印加されている。第３の電圧Ｖ３は第１の電圧Ｖ１未満の電圧、すなわち第３の電圧Ｖ３＜第１の電圧Ｖ１であれば良い。【０１０９】
なお、本実施形態ではガード電極電源８７とリファレンス電源２０を別にしているが、例えば第３の電圧Ｖ３を第２の電圧Ｖ２と同じ電圧に設定し、ガード電極電源８７から第２の電圧Ｖ２を印加するようにしても良い。また、本実施形態では、すべての第３の電極１０３に共通のラインで第３の電圧Ｖ３が印加されているが、第３の電極１０３をブロックごとに分けて、複数のガード電極電源８７から第３の電圧Ｖ３を印加しても良い。【０１１０】
上述のＦＰＤ８０’は図４で説明したＦＰＤ８０と同様に動作する。【０１１１】
初期化状態では、スイッチ９２はオンであり、ＯＰアンプ９０の出力電圧は第２の電圧Ｖ２と同じ電圧である。走査駆動回路８６がゲート線８５ａ，８５ｂをハイにすると、そのゲート線に接続されているスイッチ素子８４がすべてオンになり、第２の電極１０２に第２の電圧Ｖ２が印加される。【０１１２】
次に、走査駆動回路８６がゲート線８５ａ，８５ｂをオフにすると、蛍光板２００に放射線の曝射が開始される。放射線が曝射されると、放射線の曝射を受けた蛍光板２００が蛍光を発し、それを受光したＰＩＮ型フォトダイオード１２は、その中で電子・ホール対が発生し、充電されていた電荷を放電させる。そのため、ＰＩＮ型フォトダイオード１２に充電されていた電荷は、発生した電子・ホール対の分だけ減少する。この間、スイッチ９２はすべてオンである。【０１１３】
放射線の曝射に続いて、読み出し走査が行われる。読み出し走査の時、スイッチ９２はオフである。走査駆動回路８６は、ゲート線８５ａ，８５ｂに正の電圧を順次出力して、スイッチ素子８４をオンにすると、ＯＰアンプ９０から電荷−電圧変換された電圧が出力される。電荷−電圧変換された電圧は、放射線曝射の時、ＰＩＮ型フォトダイオード１２から放電により消滅した電荷に相当する。このようにして、蛍光板２００に入射した放射線の画像が、電圧として二次元的に読み出される。【０１１４】
なお、図９の回路に用いる光電変換素子は、ＰＩＮ型フォトダイオード１２に限定されるものではなく、第３の実施形態のＰＮ型フォトダイオード１３、第４の実施形態のショットキ型フォトダイオード１４、第５の実施形態のＭＩＳ型光電変換素子１５も適用できる。【０１１５】
以上このように、本発明によれば、露光量が少ないときのＳ／Ｎを改善した光電変換装置及び放射線像撮像装置を提供できる。
【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６】
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【図９】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2007122890.tif 000013
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