(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線に感応し電荷信号を出力する放射線変換膜と、この放射線変換膜の放射線入射側に設けられた共通電極と、前記放射線変換膜からの出力電荷を収集する画素電極と、この画素電極に収集された電荷を蓄積する蓄積容量と、この蓄積容量に蓄積された信号電荷を外部回路に出力する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイと、前記放射線変換膜と前記ＴＦＴとの間に設けられるとともに、固定電位にバイアスされたシールド電極とを備え、前記画素電極は、前記ＴＦＴのドレイン電極としても兼用される下部の部分と、前記放射線変換膜と前記下部の部分との間に形成された上部部分とからなり、かつ前記上部部分は前記ＴＦＴ上に延在しておらず、前記共通電極に前記ＴＦＴをオフする時の電位と同じ極性のバイアス電圧を印加して動作させることを特徴とする放射線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用放射線撮像装置あるいは産業用非破壊検査装置などに用いられる放射線検出装置、特に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイに放射線変換膜を接続した放射線検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用Ｘ線装置等において、Ｘ線像を収集する手段として、従来、フィルムスクリーンまたはシンチレータと撮像管との組み合わせが長期にわたって用いられていたが、これらの手段は収集データがデジタルでないため、データ保存やデータ処理の面で問題があり、また、被曝線量、濃度分解能などの性能面においても問題があった。
最近、これに代わるものとして、半導体膜を用いた２次元の放射線（Ｘ線）検出装置が開発されている。
【０００３】
このような半導体膜を用いた従来の２次元のＸ線検出装置を図５〜図８により説明する。図５はＸ線検出装置の構成を模式的に示す図であり、図６はＸ線検出装置のＸ線変換膜の一部を除去した斜視図、図７はＸ線検出装置の一つのセンサ画素の詳細な構造を示す図、図８はセンサ画素の構成を模式的に示す図である。
このＸ線検出装置は、図５に示すように、内部に５行ｘ５列の行列状に配置された２５個のセンサ画素（放射線検出器）１１、１２、・・、５５を有しており、各行共通に入力されるゲート線６（６１、６２、・・、６５）と、各列共通の読み出し信号線７（７１、７２、・・、７５）が配線されている。
【０００４】
ゲート線６１、６２、・・、６５は、ゲート・ドライバ回路１０１により順次選択的に駆動され、駆動された行に属するセンサ画素からの出力は、読み出し信号線７１、７２、・・、７５を通じて外部に取り出されてアンプアレイ回路１０２に入力される。制御回路１０３は、ゲート・ドライバ回路１０１とアンプアレイ回路１０２の動作を統括制御するために設けられており、ゲート線６を６１、６２、６３・・・ と順次駆動してゆくことにより、全センサ画素１１、１２、・・、５５からの出力データを収集し、最終的に２次元画像を構成することができる。
【０００５】
図６〜図８に示すように、センサ画素は、入射Ｘ線を電荷信号に変換するＸ線変換膜（例えば、ａ−Ｓｅ）１、Ｘ線変換膜１にバイアス電圧を印加するための共通電極２、Ｘ線変換膜１内で発生した電荷信号を収集するための画素電極３、画素電極３との間で電荷を蓄積するための蓄積容量５を形成するための電荷蓄積容量電極１０、並びに蓄積容量５に蓄積された電荷を外部回路に出力するための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）４、とから構成され、これらの電極、ＴＦＴはガラス基板８上に、薄膜技術を用いて製造される。
ＴＦＴ４は、ドレイン電極４ａ、ソース電極４ｂ、ゲート電極４ｃで構成されており、ドレイン電極４ａが蓄積容量５に、ソース電極４ｂが読み出し信号線７に、ゲート電極４ｃがゲート線６に接続されている。ドレイン電極４ａとソース電極４ｂの導通／非導通は、ゲート電極４ｃの電位（制御電圧）によって制御され、ＴＦＴがｎ型である場合には、制御電圧を正方向に遷移させることで導通状態、負方向に遷移させることで非導通状態になる。一般的には、導通時の制御電位は正電位（＋１０Ｖ程度）、非導通時の制御電位は負電位（−１０Ｖ程度）とするのが通常である。
【０００６】
ところで、アモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）のようなＸ線を直接電気信号に変換するタイプの変換膜を用いた放射線（Ｘ線）検出器では、その変換膜に高電圧（ａ−Ｓｅの場合には、１０００Ｖ以上）を印加する必要がある。そのため、変換膜に過剰なＸ線照射があった場合には、接続されているＴＦＴに高圧がかかってしまい、ＴＦＴが耐圧限界（通常５０Ｖ程度）を越えて破壊されることがある。
【０００７】
これを解消する手法として、従来、デュアルゲートのＴＦＴを用いる方法や、保護ダイオードを挿入する方法などが提案されている。しかしながら、デュアルゲートのＴＦＴや保護ダイオードを用いると、ＴＦＴ構造が複雑になるという問題がある。医療用のＸ線面センサでは、通常、３０００画素ｘ３０００画素＝９００万画素程度を一枚の基板上に集積しなければならないため、一画素の基本構造が少しでも複雑になると、全体の製造歩留りが極端に悪化してしまうので、デュアルゲートのＴＦＴや保護ダイオード等の高電圧保護機構を各センサ画素に設けることは好ましくない。
【０００８】
このため、デュアルゲートのＴＦＴや保護ダイオード等を付加することなく、過剰な電位上昇によるトランジスタスイッチの永久破壊を防ぐために、蓄積容量５に蓄積された電荷を外部回路に導入するためのＴＦＴ４として、ｎ型トランジスタを用い、そのＴＦＴ４をＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移極性（負電圧）と、Ｘ線変換膜１からの出力電荷の蓄積によって変位する蓄積容量電位の遷移極性（すなわちＸ線変換膜１に印加するバイアス電圧の極性）とを同じ極性（負電圧）にすることが提案されている。
共通電極２に印加するバイアス電圧Ｖｈｖを、ＴＦＴ４をＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向と同じ極性（負電圧）とすれば、Ｘ線変換膜１へのＸ線の入射にともなって、図９のＴＦＴのスイッチング特性（Ｖｐは画素電圧、Ｉｄはドレイン電流）に示すように、蓄積容量５の電位ＶｐがＶｐ＝−Ｑ／Ｃ（Ｑは蓄積電荷量、Ｃは蓄積容量５の容量）の関係式で降下（負電位側にシフト）してゆく。すなわち、初期状態ではＴＦＴはオフ（ａ）であるが、Ｘ線が照射されると、電位Ｖｐが下がり（ｂ）、やがてＴＦＴ４のゲート電位Ｖｇを下回ることになる。そして、Ｖｐ＜Ｖｇとなれば、ＴＦＴ４はＯＮ（ｃ）に転じ、蓄積容量５に蓄積された電荷は、ＴＦＴ４のチャンネルを通じて放電され、それ以上電位が下がらなくなるので、ＴＦＴ４の破壊を防ぐことができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放射線検出装置は上記のように構成されているが、Ｘ線の過剰照射により発生した電荷が、ＴＦＴの直近にトラップされるような構造になっていた場合、ＴＦＴが必ずしも正常にＯＮせず、高圧保護の役割を果たさないという問題があった。
Ｘ線の照射により発生した電子は、通常画素電極３に収集されるが、その一部は図１０に示すように、ＴＦＴの上部にトラップされる。このトラップ電荷がＴＦＴのＩ−Ｖ特性に影響を与えることとなる。すなわち、図１０に示すように、ＴＦＴの近傍に電荷トラッピングがあると、Ｘ線が照射されて蓄積容量５の電位Ｖｐが下がるとともに、ＴＦＴの上部にトラッピングされる電荷も増加し、ＴＦＴのスイッチング特性は図１１に示すように変化していき、Ｖｐ＜Ｖｇとなっても（ｃ）、ＴＦＴ４は期待通りＯＮにならない。この場合には、蓄積容量５の過剰電荷が放電されないため、Ｖｐの値は下がり続け、最終的にＴＦＴが破壊に至る状況となる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｘ線変換膜のトラップ電荷の影響を除去し、安定したＴＦＴの高圧保護動作を実現することができる放射線検出装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、放射線に感応し電荷信号を出力する放射線変換膜と、この放射線変換膜の放射線入射側に設けられた共通電極と、前記放射線変換膜からの出力電荷を収集する画素電極と、この画素電極に収集された電荷を蓄積する蓄積容量と、この蓄積容量に蓄積された信号電荷を外部回路に出力する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイと、前記放射線変換膜と前記ＴＦＴとの間に設けられるとともに、固定電位にバイアスされたシールド電極とを備え、前記画素電極は、前記ＴＦＴのドレイン電極としても兼用される下部の部分と、前記放射線変換膜と前記下部の部分との間に形成された上部部分とからなり、かつ前記上部部分は前記ＴＦＴ上に延在しておらず、前記共通電極に前記ＴＦＴをオフする時の電位と同じ極性のバイアス電圧を印加して動作させることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の放射線検出装置は上記のように構成され、ＴＦＴとＸ線変換膜との間に必ず一定電位に設定されるシールド電極を設けたので、Ｘ線変換膜のトラップ電荷による影響を完全に遮断することができる。したがって、常に一定したＴＦＴのＩ−Ｖ特性が保証されるので、ＴＦＴの安定した高圧保護動作を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の放射線検出器の一実施例を説明する。本発明の放射線検出装置を模式的に示す図は図５に示す従来の放射線検出装置の模式図と同様であり、内部に５行ｘ５列の行列状に配置された２５個のセンサ画素（放射線検出器）１１、１２、・・、５５を有しており、各行共通に入力されるゲート線６（６１、６２、・・、６５）と、各列共通の読み出し信号線７（７１、７２・・、７５）が配線されている。
【００１４】
一方、本発明の放射線検出装置の一つのセンサ画素の構造は従来の図７とは異なり、図１に示す構造を有している。
図１の詳細構造図に示すように、本発明の放射線検出装置のセンサ画素は、入射Ｘ線を電荷信号に変換するＸ線変換膜（例えば、ａ−Ｓｅ）１、Ｘ線変換膜１にバイアス電圧を印加するための共通電極２、Ｘ線変換膜１内で発生した電荷信号を収集するための画素電極３、画素電極３との間で電荷を蓄積するための蓄積容量５を形成するための電荷蓄積容量電極１０、蓄積容量５に蓄積された電荷を外部回路に出力するためのＴＦＴ４、並びにＴＦＴ４の上部に形成されたシールド電極９とから構成されている。ＴＦＴ４は、図７と同様に、ドレイン電極４ａ、ソース電極４ｂ、ゲート電極４ｃで構成されており、ドレイン電極４ａが蓄積容量５に、ソース電極４ｂが読み出し信号線７に、ゲート電極４ｃがゲート線６に接続されている。
【００１５】
この放射線検出装置の製造方法について説明する。まず、ガラス基板８には無アルカリガラス基板を用い、その上にＴａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｏ（モリブデン）等の金属膜からなるゲート電極４ｃを形成する。ゲート電極４ｃは、上記金属膜をスパッタ蒸着で成膜した後、所望の形状にパターニングすることにより形成する。この時同時に、蓄積容量５を構成している電荷蓄積容量電極１０も形成しておく。
【００１６】
次に、ＳｉＮｘ（窒化シリコン）やＳｉＯｘ（酸化シリコン）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法で成膜して、絶縁層を形成する。この絶縁層は、ゲート絶縁膜および電荷蓄積容量５の誘電体として作用する。次に、ＴＦＴ４のチャネル部となるａ−Ｓｉ層４ｄを、ＣＶＤ法で成膜した後、所望の形状にパターニングして形成する。
【００１７】
次に、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ（チタン）等の金属膜からなるソース電極４ｂとドレイン電極４ａとしても兼用される画素電極３の下部の部分とを形成する。このソース電極４ｂおよび画素電極３の下部部分は、上記金属膜をスパッタ蒸着で成膜した後、所望の形状にパターニングして形成する。更にその後、画素電極３の上部部分との接続部以外の領域を絶縁保護する目的で絶縁保護膜を形成する。この絶縁保護膜は、ＳｉＮｘやＳｉＯｘの絶縁膜をＣＶＤ法で成膜した後、所望の形状にパターニングすることにより形成する。
【００１８】
次に、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ等の金属膜からなるシールド電極９と画素電極３の上部部分とを形成する。このシールド電極９および画素電極３の上部部分は、上記金属膜をスパッタ蒸着で成膜した後、所望の形状にパターニングして形成する。更にその後、画素電極３の上部部分の開口部以外の領域を絶縁保護する目的で絶縁保護膜を形成する。この絶縁保護膜は、ＳｉＮｘやＳｉＯｘの絶縁膜をＣＶＤ法で成膜した後、所望の形状にパターニングすることにより形成する。
【００１９】
この後、真空蒸着法によりａ−Ｓｅ膜を成膜することにより、Ｘ線変換膜１を形成した後、Ｘ線変換膜１上にＡｕ（金）を真空蒸着法によって成膜することにより、共通電極２を形成する。
【００２０】
次に、図１のＸ線検出装置にＸ線が照射された場合の作用について説明する。Ｘ線変換膜１に入射したＸ線は、Ｘ線変換膜１内で電荷信号に変換され、印加されている内部電界で駆動されて画素電極３に到達し、そこで電荷信号として電荷蓄積容量５に蓄えられることになる。共通電極２に負バイアス（通常−１ｋＶ〜−１０ｋＶ程度）を印加して使用する場合には、画素電極には電子が移動することになり、結果として画素電極３の電位がＸ線の入射量に応じて負にシフトしていく。この時、図２に示すように、ＴＦＴ４の上部に、トラップされた電子により空間電荷が形成される場合があるが、これによる影響は固定電位（通常は０Ｖ）にバイアスされたシールド電極９によって遮断されるため、ＴＦＴのＩ−Ｖ特性が図１１に示すような変調を受けることはない。したがって、図９に示すようなスイッチング特性が保持され、過剰なＸ線入射があった場合でも、ＴＦＴ４が安定にオンすることが可能となり、放電破壊を防ぐことができる。
【００２１】
上記の実施例では、シールド電極と画素電極とを別々に分離して形成したが、図３に示すように、画素電極の上部部分を延長してシールド電極と兼ねる構成とすることもできる。図３に示す構造の放射線検出装置では、ＴＦＴのスイッチング特性は、図４に示すように、画素電極の電位変化に伴い若干の影響を受けることとなるが、ＴＦＴと画素電極間の間隙ｄを１μｍ以上とることにより、この影響を最小限にとどめることができる。この場合、シールド電極に一定電位を与える構成が不要となり、構成を簡単にすることができる。
【００２２】
また、上記実施例では、画素電極を上部部分と下部部分に分けて別々に形成しているが、画素電極の上部部分を省略することにより、構成を簡略化することもできる。
さらに、上記実施例では、Ｘ線変換膜の材料として、ａ−Ｓｅを使用したが、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＨｇＩ２、ＰｂＩ２等を使用することもできる。また、上記実施例では、説明の都合上、Ｘ線検出装置が５行ｘ５列、２５個のセンサ画素を有するものとして説明したが、実際には３０００画素ｘ３０００画素等、多くのセンサ画素を有している。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の放射線検出装置は、上記のように、ＴＦＴとＸ線変換膜との間に必ず一定電位に設定されるシールド電極を設けたので、Ｘ線変換膜のトラップ電荷による影響をこのシールド電極によって完全に遮断することができる。したがって、常に一定したＴＦＴのスイッチング特性が保持され、過剰なＸ線入射があった場合でも、ＴＦＴが安定にオンすることが可能となり、放電破壊を防ぐことができる。
また、画素電極の上部部分を延長してシールド電極と兼ねる構成とすることもでき、この場合、シールド電極に一定電位を与える構成が不要となり、構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の放射線検出装置のセンサ画素の詳細構造を示す図である。
【図２】図１のセンサ画素のＸ線照射時の状態を示す図である。
【図３】本発明の放射線検出装置のセンサ画素の他の実施例を示す図である。
【図４】図３の放射線検出装置のＴＦＴのスイッチング特性の変化を示す図である。
【図５】従来の放射線検出装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】従来の放射線検出装置のＸ線変換膜の一部を除去した斜視図である。
【図７】従来の放射線検出装置のセンサ画素の構造を示す図である。
【図８】従来の放射線検出装置のセンサ画素を模式的に示す図である。
【図９】放射線検出装置のＴＦＴのスイッチング特性を示す図である。
【図１０】従来の放射線検出装置のセンサ画素のＸ線照射時の状態を示す図である。
【図１１】従来の放射線検出装置のＴＦＴのスイッチング特性の変化を示す図である。
【符号の説明】
１  Ｘ線変換膜
２  共通電極
３  画素電極
４  ＴＦＴ
５  蓄積容量
６  ゲート線
７  信号線
８  ガラス基板
９  シールド電極
１０  電荷蓄積容量電極
【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】
0004026377.tif 000010
【図１０】
0004026377.tif 000011
【図１１】
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