(57)【要約】【課題】Ｘ線撮影およびＸ線透視のためのデジタル検出器を提供する。【解決手段】この検出器（１０）は、従来のＸ線室バッキートレイに容易に適合する大面積の平面パネルを具備する。この検出器は、Ｘ線を検出して該Ｘ線のエネルギーを電荷に変換する光導電体の層（３６）と、この電荷を読み出すための、非常に大きい領域に集積された回路の形のアクティブマトリックス薄膜トランジスタ（１６）アレイとを利用する。薄膜トランジスタアレイのために二重ゲート構造が使用され、ここでは薄膜トランジスタアレイの高電圧保護を提供するように、画素電極（１２）の延長として頂部ゲートが形成される。低い画素電圧、低い漏れ電流および大きな電荷漏れ時間定数でＸ線エネルギーの吸収を高めるための、集積された画素蓄積キャパシタ（１４）が提供される。【選択図】図４Ａ
2007110139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブマトリックス撮像装置であって:
a)複数の行および列に配置された薄膜トランジスタのアレイであって、前記薄膜トランジスタは夫々第一の制御末端および一対の信号末端を備えているアレイと;
b)前記夫々の薄膜トランジスタを覆う誘電体層と;
c)複数の制御ラインを備えた操作制御回路手段であって、前記制御ラインは夫々、前記複数の行のうちの一つに含められた、前記薄膜トランジスタの夫々の制御末端に接続されている操作制御回路手段と;
d)複数のデータラインを備えた読み出し回路手段であって、前記データラインは、夫々、前記複数の列のうちの一つに含められた、夫々の薄膜トランジスタにおける前記一対の信号末端のうちの第一の末端に接続されている読み出し回路手段と;
e)各々が前記薄膜トランジスタアレイに含められた夫々の薄膜トランジスタにおける、前記一対の信号末端のうちの第二の末端に接続された複数の画素電極と;
f)前記複数の画素電極の夫々に接続された、複数の蓄積キャパシタと;
g)前記複数の画素電極および前記誘電体層を覆って重ねられた光導電層であって、内部で放射線に対する前記光導電層の曝露に応答して電子／正孔対が発生する光導電層と、
h)前記光導電層を覆って重ねられたバイアス電極と;
i)前記バイアス電極と前記複数の画素電極の一つとの間に高電圧差を樹立するための第一の電圧手段であって、該電圧差によって、前記電子／正孔対により発生した電荷が前記複数の画素電極の一つに夫々捕集され、該捕集された電荷は前記放射線曝露の強度に比例するような第一の電圧手段と;
j)前記夫々の薄膜トランジスタの前記第一の制御末端とは反対側の更なる制御末端であって、その夫々は前記画素電極の夫々一方の延設部を形成しており、前記誘電体層の所定の膜厚について、所望の電圧とは無関係の予め定められた過剰量の画素電圧が前記第一の制御末端に印加された場合にも、前記薄膜トランジスタの夫々が動作可能なまま残り、これによって過剰な高画素電圧に対する前記薄膜トランジスタの保護を与える更なる制御末端とを具備した、アクティブマトリックス撮像装置。
【請求項２】
夫々の前記蓄積キャパシタが、関連した一つの前記薄膜トランジスタにおける前記画素電極と共通末端を有する第一の電極と、隣接した一つの前記薄膜トランジスタの制御末端と共通末端を有する第二の電極と、それら電極の間の誘電体層とを具備する請求項１に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項３】
更に、前記電子／正孔対により生じた前記電荷とは反対の極性の電荷を受け取って捕集するための前記バイアス電極における複数の放射線量検出領域と、前記放射線に対する撮像装置の積算曝露量を表す出力信号を発生させるための、前記放射線量検出領域に接続された増幅器手段とを具備した請求項１に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項４】
アクティブマトリックス撮像装置であって:
a)複数の行および列に配置された薄膜トランジスタのアレイであって、前記薄膜トランジスタは夫々第一の制御末端および一対の信号末端を備えているアレイと;
b)前記夫々の薄膜トランジスタを覆う誘電体層と;
c)複数の制御ラインを備えた操作制御回路手段であって、前記制御ラインは夫々、前記複数の行のうちの一つに含められた、前記薄膜トランジスタの夫々の制御末端に接続されている操作制御回路手段と;
d)複数のデータラインを備えた読み出し回路手段であって、前記データラインは、夫々、前記複数の列のうちの一つに含められた、夫々の薄膜トラシジスタにおける前記一対の信号末端のうちの第一の末端に接続されている読み出し回路手段と;
e)各々が前記薄膜トランジスタアレイに含められた夫々の薄膜トランジスタにおける、前記一対の信号末端のうちの第二の末端に接続された複数の画素電極と;
f)前記複数の画素電極の夫々に接続された、複数の蓄積キャパシタと;
g)前記複数の画素電極および前記誘電体層を覆って重ねられた光導電層であって、内部で放射線に対する前記光導電層の曝露に応答して電子／正孔対が発生する光導電層と、
h)前記光導電層を覆って重ねられたバイアス電極と;
i)前記バイアス電極と前記複数の画素電極の一つとの間に高電圧差を樹立するための第一の電圧手段であって、該電圧差によって、前記電子／正孔対により発生した電荷が前記複数の画素電極の一つに夫々捕集され、該捕集された電荷は前記放射線曝露の強度に比例するような第一の電圧手段と;
j)前記電子／正孔対により生じた前記電荷とは反対の極性の電荷を受け取って捕集するための前記バイアス電極における複数の放射線量検出領域と、
k)前記放射線に対する撮像装置の積算曝露量を表す出力信号を発生させるための、前記放射線量検出領域に接続された増幅器手段とを具備した、アクティブマトリックス撮像装置。
【請求項５】
更に、前記線量検出領域と前記バイアス電極との中間に、両者間の電気的絶縁を与えるための間隙を有する請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項６】
更に、前記放射線量検出領域と前記バイアス電極との中間に、両者間の電気的絶縁を与えるための絶縁物層を有する請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項７】
更に、前記増幅器手段の出力端および一つの入力単に接続されたリレーを具備し、該リレーが閉じられたときに、X線透視またはX線撮影の何れかに際して、前記撮像装置を動作させる一つの撮像モードで放射線量検出を行うために、前記出力端と前記一つの入力端との間のフィードバック経路が与えられる請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項８】
更に、前記増幅器手段の出力端および一つの入力端に接続された抵抗器を具備し、前記撮像装置を動作させるX線透視モードで放射線量検出を行うために、前記出力端と前記一つの入力端との間のフィードバック経路が与えられる請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項９】
更に、前記増幅器手段の出力端および一つの入力端に接続されたキャパシタを具備し、前記撮像装置を動作させるX線撮影モードで放射線量検出を行うために、前記出力端と前記一つの入力端との間のフィードバック経路が与えられる請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【請求項１０】
夫々の前記蓄積キャパシタが、関連した一つの前記薄膜トランジスタにおける前記画素電極と共通末端を有する第一の電極と、隣接した一つの前記薄膜トランジスタの制御末端と共通末端を有する第二の電極と、それら電極の間の誘電体層とを具備する請求項４に記載のアクティブマトリックス撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には医療診断撮像システムに関し、より具体的にはセレンアクティブマトリックス万能読み出しアレイ撮像器(selenium active matrix universal readout array imager)に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータトモグラフィー（ＣＴ）撮像、超音波撮像、核医学的撮像および磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）のような最近の医学的撮像方式（これらはすべてデジタルである）の発展にもかかわらず、Ｘ線撮像システムは、未だ医学的診断のための重要な手段である。現在使用されている主要なＸ線撮像システムはアナログ設計であるが、最近著しく成長しているのはデジタルデジタル放射線医学の領域である。デジタル放射線医学は、他の撮像方式から得た画像との比較の容易さ；遠隔アクセスおよび記録保管所に保管するための病院内での画像ネットワークを提供する能力；放射線科医師によるコンピュータによる診断を容易にすること；遠隔放射線医学(teleradiology)（即ち、中央施設から人口過疎地域への遠隔診断サービス）といった、アナログ放射線医学よりも優れた著しい利益を提供する。
【０００３】
現在のところ、デジタル放射線医学には二つの商業的アプローチが存在する。
即ち、（１）Ｘ線画像増強器(X-ray imaging intensifier)に光学的に結合したビデオカメラからの信号のデジタル化、および（２）刺激性蛍光体システムである。従来技術の刺激性蛍光体システムは、オペレータがカセットをリーダーに運ぶことを必要とするのに対して、従来技術の増強システムは即時的読み出しを可能にする。これらのシステムは何れも、全ての適用について許容可能な画質を与えない。
【０００４】
Ｘ線画像増強器の使用に基づくデジタルシステムは、次のような欠点を有している。即ち、増強器が嵩高いことは患者へのアクセスを制限するため、臨床医の邪魔になり、重要なＸ線撮影写真(radiographic view)の取得を妨げることが多いこと；Ｘ線および光の散乱による画像コントラストの喪失（即ち、際立ちの低下）；主に湾曲した入力蛍光体に起因した、画像に対する幾何学的（ピンクッション）歪みである。
【０００５】
現在新たな興味を惹いている他の従来技術によるＸ線撮像方式は、非晶質セレン光導電体を燐の代わりに使用することである。放射線ゼログラフィー(Xeroradiogrphy)、即ち、トナーで読み出される非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）板を用いることは、1970 年代の初期に技術的および商業的な成功を納めたものである。放射線ゼログラフィーは、もはや商業的な競争力はない。これは、トナー読み出し法に起因するものであり、ａ−Ｓｅの根元的な性質によるものではないと思われる。ａ−Ｓｅに対する商業的興味および科学的興味が復活してきている。例えば、フィリップス社は、アーヘンに所在の同社の研究所での初期の研究に基づいて、胸部Ｘ線撮影のためのａ−Ｓｅｒドラムスキャナーに関する商業的可能性について述べている。コダック社は、顕著なアーティクラフトのない高精細乳房Ｘ線写真画像を調製するために、燐コートされたトナーおよびレーザスキャナーを用いた、ａ−Ｓｅプレート読み出しを使用している。３Ｍ社もまた、ａ−Ｓｅのレーザ放電読み出しに関する彼等の研究について、その予備的記述を公表している。
【０００６】
この研究は、かなり前に発行された刊行物、即ち、（１）「電子写真画像および電子Ｘ線撮影画像の電子的読み出し法」(Korn et a，Journal of Applied Photographic Engineering，4，178-182(1978))；（２）「静電写真のレーザ読み出し」(Zermeno et al，In Application of Optical Instrumentation to Medicine VII，Edited by J．Gray，et al，SPIE 173，81-87(1979)；および（３）「デジタルＸ線撮影のための新規な光導電体撮像システム」(DeMonts et al，Medical Physics，16，105-109(1989))に関連したものである。
【０００７】
全ての現存する医学的Ｘ線画像システムの基礎は、「スクリーン」上の燐層である。該スクリーンに吸収されたＸ線は光を放出し、この光は表面に到達して画像を形成する。光の横方向の広がりは拡散によってのみ制限されるから、スクリーンの厚さに関係する。従って、スクリーンが厚い（これは量子吸光係数を増大させるためには望ましいものである）ほど、画像はぼやけてくる。これは従来技術の燐システムにおける高度画像情報の喪失を示すものであり、基本的かつ殆ど不可逆的なものである。この喪失は、光ファイバーの形で成長され得るＣｓＩのような蛍光体を用いることによって、或る程度緩和することができる。
【０００８】
ぼやけを排除するためのより良い方法が見出されており、これにはＸ線を検出する無構造の光導電体の使用が含まれる。光導電体中で相互作用するＸ線は電子／正孔対を放出し、これは印加された電界によって光導電体の表面へと直接引っ張られる。従って、光導電体表面における電荷潜像は、光導電体層が殆どの入射Ｘ線を吸収するのに十分に厚くても、顕著にぼやけることはない。非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）は、Ｘ線適用のための最も高度に開発された光導電体である。その非晶質状態は、大きな領域に亘って、均一な特徴を極微小なレベルに維持する。
【０００９】
Ｘ線を収束させる手段が設けられておらず、撮像すべき身体部分よりも大きな影Ｘ線を伴うので、Ｘ線撮影には大面積の検出器が不可欠である。
光導電体Ｘ線検出器の領域にで活発に行われている研究の一つの領域は、電荷読み出しシステムの開発である。アントヌク等(Antonuk et al)は、下記の文献に記載されているように、電荷読み出しのためのアクティブマトリックスアレイを利用したＸ線撮像検出器の概念を開示した：（１）「放射線による治療および診断撮像用の非晶質シリコン光ダイオードアレイの開発における、信号、ノイズおよび読み出しの考察」(Medical Imaging V: Imaging Physics，SPIE 1443，108-119(1991))、（２）「デジタルＸ線撮像のための、高解像度および高フレーム速度の平面パネルＴＦＴアレイ」（Medical Imaging 1994: Physics of Medical Imaging，Rodney Shaw，Editor，Proceedings of SPIE，2163，118-128(1994)）、および（３）「水素添加非晶質シリコンアレイを用いた、メガボルトの診断用Ｘ線撮像」(Medical Physics 19，1455-1466(1992))。彼等の初期の研究は、他の研究者によって引き続き発展された：「２ｄ・ａ−Ｓｉ画像センサの高感度読み出し」(Ichiro Fujieda，Robert A．Street，Richard L．Weisfield，Steve Nelson，Per Nylen，Victor Perez-Mendez and Gyuseong Cho，Jpn．J．Appl．Phys．32，198-204)； 「直接的なＸ線光変換プロセス」(Henri Rougeot，In: Digital imaging: AAPM 1993 Summer School Proceedings Ed: William Hendee and Jon Trueblood(AAPM monograph 22，Medical Physics Publishing，1993)pp．49-96)； 「非晶質シリコン薄膜アレイを用いたＸ線透視(fluoroscopy)Ｘ線撮像」(UW Schiebel，N Conrads，N Uung，M Weilbrecht，H Wieczorek，TT Zaengel，MJ Powell，ID French and C Glasse，Medical Imaging 1994：Physics of Medical Imaging，Rodney Shew，Editor，Proc．SPIE，2163，129-140(1994))；および「非晶質シリコン画像センサアレイ」(MJ Powell，ID French，JR Jughes，NC Bird，OS Davies，C Glasse and JE Curran，Mat．Res．Soc．Symp．Proc．258，1127-1137(1992))。
これら従来技術のシステムでは、Ｘ線を吸収するために蛍光体スクリーン（好ましくは構築されたＣｓＩ層）が用いられ、発生した軽い光子は各画素に一つの光ダイオードおよびトランジスタを有するアクティブマトリックスアレイにより検出される。アントヌクは、「多重エレメント非晶質シリコン検出器アレイ(Multi-element Amorphous Silicon Detector Array)」について、MASDA という頭文字略語を案出した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明によれば、現在入手可能な放射線医学方式、Ｘ線撮影（迅速な連続Ｘ線撮影を含む）およびＸ線透視の全てを実行する、デジタル検出器が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
該検出器は、従来のＸ線室バッキートレイ(bucky tray)に容易に適合する大面積の平面パネルを具備する。この検出器は、Ｘ線を検出して該Ｘ線のエネルギーを電荷に変換する光導電体（即ち、好ましい実施例ではａ−Ｓｅ）の層と、非常に大きい領域に集積された回路の形のアクティブマトリックスＴＦＴアレイとを利用する。本発明を導く広い概念が、下記の論文に開示されている： 「非晶質セレンの自己走査読み出しを用いたデジタル放射線医学」(Medical Imagin VII:Physics of Medical Imaging，SPIE 1896，114-120(1993))。しかし、この従来技術には、該装置の実施における一定の発明的側面は開示されておらず、この側面は本件出願の基礎を形成するものに過ぎない。
【００１２】
本発明の一つの側面に従えば、ＴＦＴの高電圧保護を与えるために、二重ゲート構造が利用される。追加されるゲートは、下層電極の延設部として形成され、半導体チャンネルを覆う所定厚さの誘電体を覆ってその上に重ねられる。過剰電荷が電極に集められると、ＴＦＴがオンして、高い漏れ電流が画素電極上の過剰電荷を流し去る。
【００１３】
本発明の更なる側面に従えば、低い画素電圧、低い漏れ電流および大きな電荷漏れ時間定数をもった、Ｘ線エネルギーの吸収を高めるための集積された画素蓄積キャパシタが提供される。好ましい実施例では、アクティブマトリックス読み出しアレイの隣接したゲートラインまたは別の接地ラインに画素電極を重ねることによって、集積された画素蓄積キャパシタが作製される。
【００１４】
本発明の他の側面に従えば、画像電荷捕集効率は、光導電層における電界分布を操作して、画像電荷が画素電極に負荷され且つＴＦＴ読み出し装置には付加されないようにすることによって改善される。本発明の更に別の側面に従えば、Ｘ線曝露を測定するために、画像検出器の中に光タイマーが集積される。
【発明の効果】
【００１５】
以下で更に詳細に説明するように、静電的なＸ線画像変換器が利用されるので、好ましい実施例のシステムは、蛍光体に基づくシステム（構築されたＣｓＩを用いたものも含む）よりも高い解像度の画像を提供する。従来技術のMASDA システムおよび好ましい実施例のシステムにおける信号／ノイズ比は、（NASDA ではＣｓＩおよびａ−Ｓｉ：Ｎ、好ましい実施例のシステムではａ−Ｓｅと仮定すれば）両者についてのＸ線から電荷への変換利得が同じであるから、本質的には同一である。従って、本発明によるシステムの全体の画質は、従来のMASDA 装置を用いて発生された画像の質よりも遥かに良好である。
【００１６】
更に、従来のMASDA システムに比較すると、好ましい実施例のシステムを製造するための要件は有利である。第一に、MASDA はＣｓＩ構造を必要とし、これは原理的には、均一なａ−Ｓｅ層よりも製造が困難である。第二に、Ｘ線はａ−Ｓｅにより直接的に電子に変換されるから、各画素に光ダイオードを設ける必要がなくなり、アクティブマトリックスアレイは単純化される。これによって、本発明によるシステムは、従来技術のMASDA 装置に比較して更に単純化される結果、経済的な製造をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
好ましい実施例の詳細な説明については、図面を参照して後述する。
図１を参照すると、複数の画素を有するアクティブマトリックス１０が示されており、夫々の画素は画素電極１２、蓄積キャパシタ１４および薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１６を備えている。外部の走査制御回路１８は、画像電荷を画素から複数のデータライン２０へ転送し、次いで外部の夫々の電荷増幅器２２へと送るために、複数の制御ライン１９を介して、一行のＴＦＴを一度にオンさせる。同時に、電荷増幅器２２の入力（仮想接地）によって、夫々の画素電極１２の電位がリセットされる。夫々の行について得られた増幅された信号は、並列／直列変換器またはマルチプレクサ２４によって複合化され、次いでアナログ／デジタル変換器またはデジタイザ２６に送られる。
【００１８】
夫々のＴＦＴ１６は、三つの電気的接続を具備している。即ち、ドレイン（Ｄ）は画素電極１２および画素蓄積キャパシタ１４に接続されている。ソース（Ｓ）は、同じ列の全てのＴＦＴに共有された共通データライン２０に接続され、また外部の電荷感受性増幅器２２に接続されている。ゲート（Ｇ）は、ＴＦＴ１６の「オン」および「オフ」状態を制御するために用いられる。通常は、ＴＦＴ１６をオンおよびオフさせるために、１０Ｖおよび−５Ｖが夫々適用される。
【００１９】
走査制御回路１８は、アクティブマトリックスＴＦＴアレイにワイヤボンディングされた、単結晶シリコン集積回路として製造すればよい。電荷増幅器２２およびマルチプレクサ２４もまた、当該アクティブマトリックスアレイにワイヤボンディングされた単結晶シリコン集積回路として製造すればよい。
【００２０】
次に図２を参照すると、大面積集積回路アクティブマトリックスの一つの画素が示されている。
先ず、ガラス基板２８上に金属層（好ましくはＣｒまたはＡｌ）を蒸着し（熱蒸着またはスパッタリング）、フォトリソグラフィーを用いてパターンニングして、ＴＦＴアレイのためのゲート電極領域（Ｇ）を形成する。以下で更に詳細に説明するように、隣接した画素のゲートラインを延出させて、ゲートラインおよび画素電極１２が、それらの間で延出した絶縁層３０と共に集積された、画素蓄積キャパシタ１４を形成するようにしてもよい。或いは、蓄積キャパシタのための別の接地復帰電極を、第一の金属層上で、ゲート電極ラインの間に形成してもよい。絶縁層３０は、ＰＥＣＶＤ（プラズマ増強化学的気相成長）または熱蒸着を用いて堆積される。この絶縁材料は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、または両者を交互に積層したものとすることができる。該絶縁層の厚さは、典型的には0.1 〜0.5 μｍである。
【００２１】
次に、ドレイン（Ｄ）およびソース（Ｓ）の金属層を堆積し（熱蒸着またはスパッタリングによる）、フォトリソグラフィーを用いてパターンニングして、ＴＦＴのためのドレインおよびソースのコンタクトパッド、画素電極およびソースライン（即ち、データライン）を形成する。ＤコンタクトパッドおよびＳコンタクトパッドの好ましい材料はＣｒであり、また、特別のＡｌコーティングをソースラインに追加して、ソースライン抵抗を低下させるのが好ましい。次に、半導体層３２（厚さは数百オングストローム）を蒸着し（例えば、ＣｄＳｅの場合は熱的蒸着またはスパッタリングを用いる）、次いでフォトリソグラフィーを用いることによりパターンニングして、ＴＦＴチャンネルを形成する（例えば幅は30μで長さは50μｍだが、図示のＴＦＴの形状は本発明の可能な一つの実施例のみを示している）。上記の蒸着プロセスは、底部におけるＤおよびＳコンタクトＴＦＴ構造について、ドレイン金属、ソース金属および半導体の製造工程に使用される。頂部コンタクト構造を形成するためには、二つの工程を逆にすればよい。
【００２２】
次に、0.3 〜５μｍの厚さをもった誘電体層３４（ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４または両者の交互積層膜）を堆積する。次いで、画素電極の頂部上の誘電体をエッチング除去して、画素電極を露出させる。
ＴＦＴの最終的な頂部金属層（好ましくはＡｌまたはＩＴＯ）は、スパッタリングまたは熱蒸着を用いて堆積され、フォトグラフィーを用いることによりパターンニングして、画素電極１２（この領域の誘電体は既にエッチングにより除去されているから、これは底部画素電極である）を形成する。以下で更に詳細に説明するように、画素電極１２はゲート絶縁層３４の頂部を覆って延出し、二重ゲートＴＦＴ構造を形成する。画素電極からＸ線光導電体への陰電荷注入を防止するために、頂部金属（Ａｌ）層を熱酸化することによりブロック層を形成してもよい。
【００２３】
次いで、均一層のＸ線感受性光導電体３６を、略500 μｍの厚さになるまで、アクティブマトリックスの表面に直接堆積させる。好ましくは、光導電体は非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）から製造される。
適切なブロックコンタクトを有する光導電層３６上に頂部バイアス電極３８を堆積させて、光導電層のバルク中で発生した電荷を該バイアス電極に流す一方、このバイアス電極から光導電体へは電荷を注入させないようにする。Ａｕおよびインジウム等の幾つかのタイプの金属によって、セレンとのブロックコンタクトを形成することができる。別の実施例は、該バイアス電極を堆積する前に、絶縁体（例えばＣｓＯ２）薄層をセレンの表面に堆積させるものであり、この絶縁膜薄層はブロック層として働く。
【００２４】
図１Ｂに戻って簡単に説明すると、セレン層３６および頂部バイアス電極３８は、各画素の陰極で高バイアス電圧（ＨＶ）に接続された光ダイオードとして、模式的に示されている。
Ｘ線の照射に際し、Ｘ線エネルギーはＸ線光導電体３６により吸収され、電子／正孔対が発生する。バイアス電極３８と画素電極１２との間の電位差により発生した印加電界の下で、放射線により発生した電荷は光導電体３６の表面に引き寄せられ、画素電極１２に集められる。各画素における電荷の差がＸ線画像を表す。
【００２５】
上記で述べたように、画素電極はＴＦＴ１６のドレイン（Ｄ）に接続される。
夫々の読み取りの際に、電荷増幅器２２の仮想接地入力により、画素電極の電位はＴＦＴを通して接地電位にリセットされる。Ｘ線透視を適用するためには、バイアス電極３８に一定の高電圧が印加されて、撮像検出器がリアルタイムで走査される（即ち、１秒当たり３０フレーム）。
１／３０秒フレーム毎に画像が得られ、リアルタイムで処理されて表示される。
Ｘ線撮影の適用については、バイアス電極３８に高電圧が適用され、またＸ線曝露の際には走査は停止される（即ち、全てのＴＦＴ１６はオフされる）。当該画像を読み出すために、曝露の直後に走査が再会される。
ａ−Ｓｅの場合、殆どの入射Ｘ線を吸収するためには、光導電体層３６は500μｍオーダーの厚さとすることが必要とされる。従って、バイアス電圧は、10Ｖ／μｍの電界下で5000ボルトのオーダーとしなければならない。異常な条件下では、各画素での電位は損傷を与える高い値（例えば1000ボルト）に到達し得る。
好ましい実施例のＣｄＳｅ・ＴＦＴ１６は、略200 ボルト以下のＶｐで正常な機能を維持することができる。従って、誤った異常な条件下であったとしても、Ｖｐは確実に100Ｖを超えないようにする必要がある。
上記で簡単に述べ且つ図２に示したように、ＴＦＴ１６を高電圧による破損から保護するために、二重ゲート構造が利用される。特に、画素電極１２（これはＴＦＴのドレイン（Ｄ）に接続される）がＴＦＴ１６の上を延出し、第二ゲートとして働く。頂部ゲートの電圧は、画素電圧に等しい印（即ち、ＶＴＧ＝ＶＰ）。
【００２６】
頂部誘電体層３４の厚さを調節することによって、ＴＦＴ１６の転送特性に対するＶＰの影響を制御することができる。頂部誘電体層３４は、100 Ｖの画素電位での高電圧保護のために、通常は底部ゲート誘電体層の厚さの５〜１０倍である。図３は、異なったＶＰ値における、二重ゲートＴＦＴついてのＩＤ−ＶＧ特性曲線を示している。正常な撮像条件（即ち、ＶＰ＜10Ｖ）において、底部ゲート制御パルスはＴＦＴ１６を正しくオン・オフさせる。しかし、ＶＰが100 Ｖを超えると、底部ゲート制御パルスはもはやＴＦＴ１６をオフさせることができない。この場合、高い漏れ電流によって画素電極１２上の過剰電荷が流出されてしまうので、ＶＰはもはや危険な高電位に到達することはない。
【００２７】
最大画素電圧ＶＰ（ｍａｘ）と誘電体厚さとの間の関係は、次のように表される。
（εａ／ｄａ）＝（Ｖｔｈ／ＶＰ（ｍａｘ））×（εｂ／ｄｂ）
ここで、εａは誘電体層３４の誘電定数であり、ｄａは誘電体層３４の厚さであり、ＶＰ（ｍａｘ）は画素に印加される最大電圧であり、εｂは誘電体層３０の誘電定数であり、ｄｂはその厚さである。ＶＰ（ｍａｘ）（通常は−５Ｖ）が底部ゲート（Ｇ）に印加される場合は、画素電極１２がＶＰ（ｍａｘ）に達するときにＴＦＴがオンしないことが望ましい。Ｖｔｈは、これが底部ゲート（Ｇ）に印加された場合に、Ｖｐ＝０の時のＴＦＴをオンさせるであろう最小電圧を表す定数である。従って、0.1〜0.5 μｍの範囲の厚さ、100 Ｖの最大画素電圧、および10Ｖの定数Ｖｔｈを有する誘電体層３０について、誘電体層３４は、誘電体層３０と同じ誘電性が与えられるならば１〜５μｍの厚さを有するであろう。
【００２８】
可能な限り多くのＸ線エネルギーを吸収するように厚い光導電体層を作製することの別の重要性は、各画素のための小さなセンサー容量（例えば略0.01ｐＦ）が創られることである。これによって三つの問題が生じ得る。第一に、画素容量（即ち、センサ容量Ｃｃａ、並びにＴＦＴのゲートおよびドレイン間のカップリング容量（Ｃｃｐ））が小さいために、ＴＦＴ１６のドレイン（Ｄ）上の画素電圧Ｖｐは、画像電荷と共に迅速に上昇する（例えば略100 Ｖ／ｐｃ）。これは、ＴＦＴ１６および外部電子部品（例えば走査制御回路１８、電荷増幅器２２、マルチプレクサ２４）に高電圧破損を起こし得る。第二には、夫々のＴＦＴ１６がオフしたときに、操作制御回路１８から出力されるゲートパルス（例えば15ボルト）の負の縁部(negative edge)による画素電極１２への電荷注入によって、画素に負の電位が発生し、ゲート（Ｇ）とドレイン（Ｄ）との間に小さな順方向のバイアスがもたらされる。これによって、ＴＦＴ１６の漏れ電流は著しく増大し得る。第三に、夫々の画素についての電荷漏れ時間定数Ｃｐ×Ｒｏｆｆ（略１０１３Ω）は、100 ｍＳである。従って、Ｘ線撮影適用の場合、最後に読み出される画素では、短い漏れ時間定数に起因して著しい信号ロスが生じるであろう。
【００２９】
好ましい実施例に従えば、図１および図２に示すように（ここでは、画素電極１２を隣接画素のゲートライン（Ｇ）に重ねることにより、蓄積キャパシタ１４が形成される）、画素電極１２を隣接画素のゲートライン（Ｇ）に重ねることによって、集積された画素蓄積容量（ＣＳＴ）がＴＦＴアクティブマトリックスアレイに与えられる。画素電極１２を隣接ゲートラインに重ねる代わりに、別の接地ラインを利用しても良い。薄い絶縁層３０（典型的には0.1 〜0.5 μｍ）から大きな画素容量が得られ、0.5 〜１ｐＦの蓄積容量ＣＳＴを生じるが、これはＣＧＤよりも20倍大きく、光導電体層３６の容量よりも二桁大きい。画素電極の大きさが200 μｍ（例えばＸ線透視および典型的なＸ線撮影について）よりも大きいとき、このＣＳＴの値は、各画素電極１２の領域の下にゲート電極（または別の接地ライン）のパターンを延設することによって達成される。乳房Ｘ線写真の適用については、画素の寸法はもっと小さくなければならないから（50μｍのオーダー）、ゲート電極を延設することに加えて、絶縁体を薄くすることが必要とされる。
【００３０】
大きな集積された画素蓄積容量ＣＳＴにより、第一には、画素電圧ＶＰが画像電荷と共に２Ｖ／ＰＣよりも大きく上昇せず、従って診断時のＸ線曝露レベル下において破壊的な高電位に達しないことが保証される。第二に、ＴＦＴ１６がオフした後は、画素電極上の電圧が接地電位近傍に復帰することにより、低い漏れ電流が保証される。第三に、電荷漏れ時間定数は略１０秒であり、従ってＸ線撮影適用のための如何なる有意な信号ロスも生じない。
【００３１】
図４を参照すると、図２と同様の、隣接した二つの画素に亘る断面図が示されている。しかし、図２の断面図は蓄積キャパシタ１４を横切っているのに対して、図２の断面図はこれを横切っていない。図４に示した実施例に従えば、画素電極１２に隣接したグリッドとして、複数の平行なレール４０がソース線（Ｓ）と重なるように配設されている。アクティブマトリックスのセンサアレイにおける画像電荷の捕集効率は、充填因子（即ち、画素電極１２によって占められる各画素面積の一部）によって制御される。典型的なＣｄＳｅ・ＴＦＴアレイの充填因子は、200 μｍの画素について略80％である。各画素の残りの部分は、殆どがソース線（Ｓ）で占められている。グリッド４０に対し、画素電位よりも有意に高い電位を適用することによって、光導電層３６における電界分布は、画素電極１２のみに画像電荷が負荷され且つソース線（Ｓ）には負荷されないように操作される。図４に見られるように、電界線４２は画素電極１２の方に向けて曲げられ、有効充填因子は増大され得る。実際のところ、グリッド４０に印加される電位は、画素電極１２の電荷捕集効率を顕著に増大させるのに十分なもの（例えば、典型的には数百ボルトのオーダー）でなければならない。
【００３２】
グリッド４０の平面図は、図４Ｂに示されている。
図４Ｃを参照すると、グリッドを利用して電界を曲げる代わりに、図４Ａおよび４Ｂの実施例に示したように、画素電極における頂部誘電体材料の電荷トラップ特性を利用して電界を曲げてもよい。即ち、検出器の構築が完了した後に、シーズンニング加工(seasoning process)を行う。このシーズンニングを行うために、検出器は多量のＸ線（或いは、頂部バイアス電極３８がＡｕのように半透明であるときは可視光）に曝露され、ＴＦＴ１６は全てオンされ、電界がセレン光導電体３６に印加される。光導電体３６の中で発生した正孔は、該光導電体の底面へと引っ張られて画素電極１２に負荷されるか、或いは画素電極間の誘電材料３４にトラップされることになる。画素電極１２に負荷された正孔は、オンしたＴＦＴ１６を通って流れ去り、絶縁体３４にトラップされた正孔は、トラップされた正孔の数に比例して増大する表面電位を発生する。該絶縁体の電位が更なる正孔を排斥するレベルにまで上昇したときに、該システムは平衡に達する。正孔のトラップは長期に亘る効果をもつから、この段階の後に撮像のために検出器を使用すると、Ｘ線により発生した正孔は優先的に画素電極１２に負荷され、これにより当該システムの有効充填因子は略100 ％に増大する。このシーズンニング加工は、検出器が構築された後に１回行ってもよく、或いは撮像を行なうことが予想される各当日の開始時に行ってもよい。更に、十分な使用時間後には、正孔の排斥を行うのに十分なセレンの暗電流が発生するので、当該装置の長期使用後に反復シーズンニングを行う必要はないと思われる。
【００３３】
本発明の更なる側面に従えば、アクティブマトリックス平面パネル検出器にＸ線曝露量を測定する手段を組み込んで、画像検出と同時に、光タイミング機能(photo timing function)を実行するようにしてもよい。
図５は、上記のように高電圧電源に接続された頂部センサバイアス電極３８の平面図である。複数（例えば、胸部放射線電極については３個が好ましい）の、より小さい電極４２によってＸ線量の測定領域が与えられる。
【００３４】
バイアス電極３８は、ＤＣ高電圧（ＨＶ）の供給源に接続される。夫々の光タイマー電極４２は、それ自身の線量／線量比率測定回路(dose/dose rate measurement circuit)に接続される。図７に示すように、各電極４２は、光導電体３６に適用されるＤＣ・ＨＶバイアス電位にセットされた接地レファレンスに対して＋15Ｖおよび−１５Ｖを与えるために、一対の分離された電源により電源を供給される増幅器７１の反転入力端に接続される。増幅器７１の反転入力端は、その非反転入力端と同じ電位にあり、これはＤＣ／ＨＶバイアスに接続される。従って、電極４２は電極３８と同じ電位にある。Ｘ線が光導電体３６に吸収されると、光タイマーの領域に発生した電流は増幅器７１へと流れる（蓄積キャパシタ１４およびＣＧＤにより閉ループ回路が与えられるからである）。Ｘ線透視の場合、Ｘ線により発生した電流が増幅器のフィードバック抵抗で測定されて、出力電圧信号を生じ、該電圧信号はＸ線発生器（図示せず）によって測定されて、それが予測された値であるかどうか、従ってＸ線管電流を変化させるべきかどうかが決定される。Ｘ線撮影の場合は、短いパルス（１秒の数分の１）によるＸ線曝露の間に発生した光電流が、増幅器のフィードバックキャパシタ７５によって積算される。増幅器７１の出力（Ｘ線発生器における回路によってもモニターされる）が予め定められた値に達したときに、Ｘ線発生器はＸ線の発生を停止することになる。
【００３５】
撮像モード（Ｘ線透視またはＸ線撮影）は、リレー７７によって電気的に選択される。リレー７７は増幅器回路に接続されているから、それは同じレファレンス（即ち、ＤＣ・ＨＶ電位）をもった制御信号により動作されなければならない。
図６Ａの実施例の断面図においては、光タイマーバイアス電極４２を共通の頂部バイアス電極３８から絶縁するために、間隙４３が設けられているのに対して、図６Ｂの実施例の断面図では、電界適用のための間隙は示されておらず（平面で見たとき）、電極間の必要な絶縁は絶縁層４４の追加によって与えられている。
本発明の他の実施例および変形もまた可能である。このような全ての改変および変形は、添付の請求の範囲により定義される本発明の範囲内にあるものと信ずる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１Ａ】好ましい実施例に従う撮像アレイの模式的平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの撮像アレイについての等価回路である。
【図２】図１に示したアレイの一つの画素を横切る断面図である。
【図３】本発明による高電圧保護ＴＦＴのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【図４Ａ】図１に示したアレイの二つの画素を横切る断面図であり、好ましい実施例に従い、ガイドレールを用いて電界線を曲げることにより改善された充填因子(fill factor)を示している。
【図４Ｂ】アレイの頂部層の平面図であり、ガードレールの配置を示している。
【図４Ｃ】別の実施例を示しており、ここでは、画素電極の間に頂部誘電材料の電荷トラップ特性を用い、電界線を曲げることにより充填因子が改善されている。
【図５】好ましい実施例の光導電層をバイアスし、且つ別の実施例に従うドーズ測定を与えるための、バイアス電極の配置を示す平面図である。
【図６Ａ】図５の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。
【図６Ｂ】図５の線ＶＩ−ＶＩに沿った図６Ａとは異なる断面図である。
【図７】図５および図６の実施例に従った、ドーズ／ドーズ比率を測定するための光タイマー(photo-timer)および回路構成の模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  アクティブマトリックス
１２  画素電極
１４  蓄積キャパシタ
１６  薄膜トランジスタ
１８  走査制御回路
１９  制御ライン
２０  データライン
２２  電荷増幅器
２４  マルチプレクサ
２６  デジタイザ
２８  ガラス基板
３０  絶縁層
３２  半導体層
３４  誘電体層
３６  光導電層
３８  バイアス電極
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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