(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
読出し動作中に画像アーティファクトの少ない画像を生成するフラットパネル放射線撮像装置において、
基板上に配設された画素アレイであって、行および列の撮像アレイ・パターンに配設された複数の画素を含むと共に、前記撮像アレイ・パターンに配設された複数のアドレス線を含み、前記複数の画素の各々が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に結合された光センサで構成されており、前記複数のアドレス線が、第１の軸に沿った方向に延在して行に配列された複数の走査線および第２の軸に沿った方向に延在して行に配列された複数のデータ線を構成している画素アレイと、
前記画素アレイの上に配設された低容量結合共通電極であって、前記第２の軸に沿った方向に延在する複数の共通電極列セグメントを含み、各々の共通電極列セグメントは前記撮像アレイ・パターンの光センサのそれぞれの列に対応し、更に各々の共通電極列セグメントは前記第１の軸に沿った方向において、前記光センサの列に隣接するデータ線から所定の離隔距離（Ｓ）だけ離隔するように配設されている低容量結合共通電極とを有することを特徴とするフラットパネル放射線撮像装置。
【請求項２】
前記共通電極列セグメントが更に、前記撮像アレイ・パターンのそれぞれの列に配列された光センサの各々の能動光感知領域の上に重なるように配設されており、前記共通電極列セグメントの各々が更に前記それぞれの列の光センサの各々に配設されたそれぞれの画素電極の内の前記第２の軸に沿った方向に延在する境界から所定のオーバーラップ距離だけ張り出している請求項１記載のフラットパネル放射線撮像装置。
【請求項３】
前記共通電極列セグメントと隣接するデータ線の前記第２の軸に沿った方向に延在する境界縁との間の前記離隔距離が、３〜２０μｍの範囲内にある請求項１記載のフラットパネル放射線撮像装置。
【請求項４】
各々の前記走査線は前記撮像アレイ・パターンの画素の１行に対応し、各々の前記走査線は前記撮像アレイ・パターンの画素のそれぞれの行に沿って配設された各画素の前記画素スイッチング・トランジスタのそれぞれのゲート電極に結合されており、各々の前記データ線は前記撮像アレイ・パターンの画素の１列に対応し、各々の前記データ線は前記撮像アレイ・パターンの画素のそれぞれの列に沿って配設された各画素の前記画素スイッチング・トランジスタのそれぞれの読出し電極に結合されており、前記共通電極が互いに隣接する共通電極列セグメントの間に延在する相互接続セグメントを更に含んでいる請求項１記載のフラットパネル放射線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にソリッドステート放射線撮像装置に関し、特にこのような撮像装置において幻影（ｐｈａｎｔｏｍ）ノイズおよび画像アーティファクト（ａｒｔｉｆａｃｔ）を低減するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソリッドステート放射線撮像装置は、典型的には行および列に配列された複数の画素（ｐｉｘｅｌ）を有する大きなフラットパネル撮像装置で構成されている。各画素は、ホトダイオードのような光センサを有し、この光センサはスイッチング・トランジスタを介して、「走査線」および「データ線」と呼ばれる２つの別々のアドレス線に結合されている。画素の各行においては、それぞれのスイッチング・トランジスタ（典型的には薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ））がそのゲート電極を介して共通の走査線に結合されている。画素の各列においては、トランジスタの読出し電極（例えば、ＦＥＴのソース電極）がデータ線に結合されており、このデータ線は読出し増幅器に選択的に結合される。ここで説明するような撮像装置は通常、フラットパネル撮像装置と称されている。
【０００３】
正規動作中、放射線（例えばＸ線束）がパルス状に発生されて、被検体を通過して撮像アレイに入射する。この放射線はシンチレータ材に入射し、画素の光センサがシンチレータと放射線（Ｘ線）との相互作用によって発生する光の量を（ダイオード中の電荷の変化によって）測定する。この代わりに、Ｘ線により光センサに電子・ホール対を直接発生させてもよい（これは通常、「直接検出」と呼ばれる）。光センサの電荷データを読み出すには、画素の行を順次駆動し（駆動信号を走査線に印加して、その走査線に結合されたスイッチング・トランジスタを導通状態にし）、それぞれの駆動された画素から信号をそれぞれのデータ線を介して読み出す（ホトダイオードの電荷信号は、導通したスイッチング・トランジスタとデータ線に結合された関連する読出し電極とを介して、データ線に結合される）。このように、所与の画素は、その画素に結合された走査線を駆動し且つその画素に結合されたデータ線から読み出すという動作の組合せによってアドレスすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フラットパネル撮像装置の性能は、データ線と画素のホトダイオード電極との間の容量性結合によって劣化する。特に、撮像装置のいくつかの通常の動作では、画素の読出し中、Ｘ線束がオン状態に留まっている。このような動作の一例は、外科または携帯用途で使用されるような小さなまたは精巧でないユニットにおけるＸ線蛍光透視の場合である。このようなユニットは適切な出力信号を発生するために連続的にオンでなければならない軽量で低価格のＸ線発生器を使用している。更に、このようなユニットは典型的には読出し期間中の放射線の発生を防止するように適切な期間の間にＸ線ビームを迅速にオン・オフするようになっていない。他の例は放射線源が（射出量を最大にすべく）連続的にオンにされるるか又は周期的にオンにパルス駆動される放射線療法で使用される撮像装置である。このパルスは読出し期間中発生することができる。このように画素を読み出しながら撮像装置を同時に励起する結果、画像アーティファクトまたは「幻影」画像が生じる。幻影画像はそれぞれのホトダイオード電極と隣接データ線との間の容量結合の結果として発生する。所与のデータ線に結合された所与の画素の読出しの間、他の画素電極（例えば、非読出し画素）の電位は放射線束が撮像装置に当っているので変化し続ける。読み出されていない画素の電位の変化はデータ線に容量結合されて、別の電荷を誘起する。この電荷は増幅器で読み出されて、アドレスされた画素からの信号の一部として現れる。この影響は画像にクロストーク、すなわちコントラストの劣化を生じ、表示装置の読出しにおいて明るい線として通常現れる。
【０００５】
従って、ソリッドステート撮像装置アレイはクロストークが最小であること、並びにＸ線束が印加されている間に画素を読み出す動作モードを含めて多数の動作モードで安定した正確な画像を発生できることが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、画素のホトダイオード電極と読出しデータ線との間の容量結合を低減し、動作中の幻影画像および画像アーティファクトを低減するフラットパネル放射線撮像装置を提供する。この装置は、光センサの画素アレイの上に配設された低容量結合共通電極、スイッチング・トランジスタ、並びに行および列の撮像アレイ・パターンに配列されたアドレス線を含む。低容量結合共通電極は、アレイのデータ線と同じ軸に沿った方向に延在する複数の共通電極列セグメントを有し、各々の共通電極列セグメントは撮像アレイ・パターンの光センサのそれぞれの列に対応している。各々の共通電極列セグメントは、光センサの列に隣接するデータ線から所定の離隔距離（Ｓ）だけ離隔するように配設されると共にし、所定のオーバーラップ距離（Ｄ）だけオーバーラップすなわち張り出すように光センサ画素電極の上に配設される。オーバーラップ距離は、典型的には共通電極列セグメントと画素電極との間の垂直方向の分離距離（Ｈ）の１〜１０倍である。
【０００７】
本発明の新規な特徴は特に特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自身の構造および動作方法は本発明の他の目的および利点とともに添付図面を参照した以下の説明からより良く理解することができよう。添付図面においては同じ符号は同じ部品を示している。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の説明に先立って、従来の典型的な構成について図１および２を参照して説明する。ソリッドステート放射線撮像装置１００は、行および列のマトリックス状の撮像アレイ・パターンに配列されている複数の画素１１０を有する（図１では、その代表的な１つが図示されている）。限定の意味でなく、説明のために、撮像装置１００は第１の軸１０１および第２の軸１０２を有し、画素の行は第１の軸１０１に沿って配列され、画素の列は第２の軸１０２に沿って配列されている。各々の画素１１０は光センサ１２０および薄膜スイッチング・トランジスタ１３０を有する。光センサ１２０は典型的にはホトダイオードで構成され、該素子の能動（すなわち、光感知）領域と一致する画素電極１２２を持つ。スイッチング・トランジスタ１３０は典型的には薄膜電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成され、ゲート電極１３２、ドレイン電極１３４およびソース電極（すなわち読出し電極）１３６を持つ。更に、撮像装置１００は複数のデータ線１４０および走査線１５０（包括的に「アドレス線」と称する）を有する。撮像アレイ・パターンの画素の各々の行に対して少なくとも１本の走査線１５０が第１の軸１０１に沿って配設されている。各走査線はその行のそれぞれの画素のゲート電極１３２に結合されている。撮像アレイ・パターンの画素の各々の列に対して少なくとも１本のデータ線１４０が第２の軸１０２に沿って配設され、その列のそれぞれの画素の読出し電極１３６に結合されている。
【０００９】
１つの画素１１０の断面図が図２に示されている。ホトダイオードすなわち光センサ１２０は基板１０５の上に配設されている。第１の誘電体層１２１が典型的に画素電極１２２と基板１０５との間に配設されている。更に、ホトダイオード１２０は光感知材料本体部１２４（典型的にはアモルファスシリコンで構成される）を有し、この光感知材料本体部１２４は撮像アレイの上に配設された共通電極１２６に電気的に結合されている。共通電極１２６は酸化インジウム錫などのような光透過性導電材料で構成されている。典型的には窒化シリコンなどで構成される第２の誘電体層１２３が光感知材料本体部１２４の側壁の一部の上に延在し、ポリイミドなどで構成される第３の誘電体層１２５が共通電極１２６と撮像アレイの他の構成要素（但し、第２の誘電体層１２３および第３の誘電体層１２５の中のバイア（ｖｉａ）を介した光感知材料本体部１２４への接触点を除く）との間に配設されている。
【００１０】
図２に示すような撮像アレイにおいては、導電性部品間にいくつかの容量結合が生じる。例えば、各データ線１４０と隣接する画素電極１２２との間の容量結合である。本明細書で用いる「隣接する」導電性部品とは、空間的に互いに接近しているが物理的に直接接触していず、従って２つの部品間には直接的な導電路（すなわち短絡）が存在しない部品を表す。分析のために、データ線と隣接するホトダイオードのベース電極との間の容量結合は複数の容量に分割できる。その内の第１の容量Ｃ10は、画素電極１２２の下に位置する材料および基板を介しての容量結合を表す。（ここで、図２の想像線は説明のためのものであって、アレイ内の個別のコンデンサ部品を表しているものではないことに留意されたい。また、ここで使用されている用語「下」、「上」、「上方」などは基板１０５に対する部品の相対的位置を表すために使用されており、いずれにしても撮像アレイの配置方向、使用法または動作を制限するものではないことに注意されたい。）。また第２の容量Ｃ20は、ベース電極１２２の上に位置する部品を介しての容量結合を表す。「下側」の経路の容量Ｃ10は、しばしば「上側」の経路の容量Ｃ20よりも、誘起容量の内の大きな割合を占めることが観察された。他の容量結合の発生源としては、画素電極１２２と共通電極１２６との間の容量（図２にＣ21として示す）、データ線１４０と共通電極１２６との間の容量（図２にＣ22として示す）、およびデータ線がＦＥＴ構造および交差領域（図示せず）に接近していること（例えば、走査線の上を交差していること）によるいくらかの容量がある。所与のデータ線について生じる主要な容量ＣDATAは次のように表される。
【００１１】
ＣDATA＝ ２（Ｃ10＋Ｃ20）＋Ｃ22
アレイ内の殆どのデータ線（すなわち、両側に画素が隣接していない、アレイの境界に沿ったデータ線以外のデータ線）では、ＣDATAは、データ線の両側の画素に対する誘起容量の関数であり、従ってＣ10とＣ20との和を２倍したものの関数になる。
【００１２】
データ線の容量は２つの方法で撮像装置のノイズに影響している。第１は、容量が撮像装置の読出し動作シーケンスの間に所与の画素上の電荷を読み出すために使用される増幅器（図示せず）に対して付加的な負荷になることである。この負荷の影響は増幅器の設計によって変えることができるが、一般にデータ線の容量から生じる電気ノイズは、該容量が増幅器の入力容量よりも大きいと、データ線の容量に比例して増大する。増幅器の入力容量は通常３０ｐｆのオーダである。約２００μｍのピッチを有するアレイでデータ線の長さが１０ｃｍである場合、全データ線容量は約３０ｐｆである。第２は、データ線容量がデータ線の抵抗によるノイズ源になることである。例えば、データ線抵抗ノイズ（ＮDATA）は次のように表される。
【００１３】
ＮDATA＝［（８）（ｋ）（Ｔ）（ＲDATA）（ＡNBW ）］1/2 ×（ＣDATA）
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ＲDATAはデータ線の抵抗、ＣDATAはデータ線の容量、ＡNBW は増幅器のノイズ帯域幅である。
容量結合の影響は、画素が読み出されている期間の全体または一部の間に撮像装置が励起される（すなわち、Ｘ線の様な対象とする放射線が撮像装置に入射する）動作において最も多く問題となる。撮像装置が励起されている期間に読み出された信号は、撮像装置が励起されていない時に読み出された信号よりも大きい。この増大し平均に対して正規化した信号の１つの近似値が、次のように表される。すなわち、２［（Ｃ10＋Ｃ20）／Ｃpixel ］×［（読出しチャンネル当りの画素数）／（放射線ビームに露出された画素に関連する走査線の数）］×［（積分時間）／（線の走査時間）］。
【００１４】
項（Ｃ10＋Ｃ20）は、１つの画素電極と１つの隣接するデータ線との間の結合容量を表している。アレイのレイアウトでは、各データ線１４０は典型的には２つの画素電極１４０に隣接している。増幅器の積分時間と線の走査時間との比（式の第３項）は比較的小さく、約０．８５である。連続Ｘ線蛍光透視法またはパルス式Ｘ線蛍光透視法では、ビームのオン時間がフレーム間時間の内のかなりの割合を占める場合、式の第２項は約１の値であり、結合効果の大きさは２［（Ｃ10＋Ｃ20）／Ｃpixel ］であり、この比は容量結合効果の大きさを特徴づける有益な方法を提供する。図１および２について上述した構成を有する撮像装置の場合、上記構造から計算または撮像装置のデータから推定される２［（Ｃ10＋Ｃ20）／Ｃpixel ］の値は、約０．５％の範囲内にある。この値は、Ｘ線撮像装置における典型的なコントラスト変調が約０．１〜１０％の範囲内であるので重要である。
【００１５】
本発明によれば、上述した放射線撮像装置１００に、図３および４に示すように、パターン形成した低容量結合共通電極１８０を設ける。パターン形成した低容量結合共通電極１８０は、アレイの光センサの上に配設される。パターン形成した共通電極１８０は、それぞれアレイの第１の軸１０２に沿った方向に延在し且つアレイ構造の対応する光センサ１２０の列の上に配設された複数の共通電極列セグメント１８２を有する。更に、各々の共通電極列セグメント１８２は、隣接するデータ線１４０の上に重ならないように配設される。互いに隣接する共通電極列セグメント１８２は、共通電位に維持されるように電気的に結合される。典型的には、それぞれの互いに隣接する共通電極列セグメント１８２は、それらの間に配設された少なくとも１つの相互接続セグメント１８４によって互いに結合されている。このような相互接続セグメントは、アレイに沿って各画素毎にまたは多数の画素毎に配設するか、或いはアレイの縁部の所にのみ配設してもよい。更に別の実施態様では、共通電極列セグメントは、それぞれアレイから離れているた共通電位（図示せず）に結合するか、或いはアレイから離れている導電性相互接続分路に結合することができる。
【００１６】
各々の共通電極列セグメント１８２は対応する光センサ１２０の列の上に配設されていて、共通電極列セグメント１８２の縁が、オーバーラップ距離「Ｄ」だけ、第２の軸１０２に沿った光センサ画素電極１２２の境界縁１２８から張り出している。ここで、オーバーラップ距離Ｄは、ＴＦＴ１３０の領域内でなく、図３に示すように光センサ本体部（例えば、ホトダイオードの半導体材料）の下に位置する画素電極１２２の部分の（第２の軸１０２に沿った方向に延在する）境界縁１２８に対して定められる。共通電極列セグメント１８２と境界縁１２８との間のオーバーラップ距離Ｄの大きさは、典型的には画素電極１２２と該画素電極の上にある共通電極１８０の部分との間の垂直方向の分離距離「Ｈ」の約１〜１０倍であり、公称オーバーラップ距離Ｄは約３Ｈである。典型的な大きな面積の（例えば、約１００ｃｍ2 以上の画素アレイ面積を有する）撮像装置では、分離距離Ｈは典型的には約１〜約２μｍの範囲にあり、オーバーラップ距離Ｄは約１〜２０μｍの間の範囲にある。設計の立場からは、オーバーラップ距離Ｄの低い方の（すなわち、最小の）値は、（撮像装置の動作中に画素電極１２２で十分な電荷が確実に収集されるように光センサ１２０の共通電極カバー範囲を十分にしながら）共通電極と画素電極との間の容量結合の所望の低減を行うのに十分なオーバーラップ距離であるかどうかによって定められ、他方、オーバーラップ距離「Ｄ」の高い方の（すなわち、最大の）値は、アレイにおけるフィル・ファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）、すなわちアレイの面積の内の、画素１１０の光感知素子によって占有される部分を、十分に高く維持する必要性によって定められる。本発明による大きな面積のアレイでは、望ましくない容量結合効果を低減するように十分なオーバーラップ距離を維持しながら、約８０％以上のフィル・ファクタを達成することができる。
【００１７】
各々の共通電極列セグメント１８２は更に、その（第２の軸１０２に沿った方向に延在する）境界が、該共通電極列セグメント１８２の下に位置する対応する光センサ１２０の列に隣接して配設されたデータ線１４０の境界縁１４１から所定の離隔距離「Ｓ」だけ離隔するように配設される。離隔距離「Ｓ」は典型的には約４μｍ〜４０μｍの範囲内にあり、公称値は約５μｍである。従来の撮像装置においてデータ線１４０の上に配設されていた共通電極の部分を除去したことにより、共通電極とデータ線との間の容量結合が低減される。
【００１８】
設計の立場からは、離隔距離「Ｓ」とオーバーラップ距離「Ｄ」の両方の大きさは、組み合わせて考えなければならない。例えば、両方の距離ＤおよびＳが大きい場合には、アレイのフィル・ファクタが不満足なものになる。Ｓが小さい場合には、データ線の容量が増大して、撮像装置のノイズが高くなる。Ｄが小さい場合には、撮像装置は容量結合が増大する。
【００１９】
図３に示す本発明の一実施態様では、相互接続セグメント１８４が互いに隣接する共通電極列セグメント１８２の間に配設されて、それらの列セグメントを互いに電気的に結合する。相互接続セグメント１８４は、互いに隣接する共通電極列セグメント１８２の間に設けられているデータ線１４０の一部の上に配設されている。限定のためでなく、一例として、図３に示すように相互接続セグメント１８４は画素１１０の下側部分に配設される。この代わりに、相互接続セグメント１８４は走査線１５０の上またはＴＦＴ１３０の上に配設される。相互接続セグメント１８４の幅「Ｗ」は、典型的には互いに隣接する共通電極列セグメント１８２の（第２の軸１０２に沿った）境界の間の間隙距離「Ｇ」の約５〜４０％の範囲内にある。
【００２０】
パターン形成した低容量結合共通電極１８０は、典型的には酸化インジウム錫、酸化錫、酸化亜鉛などのような実質的に光透過性で導電性の材料で構成され、この材料をスパッタ、蒸着、化学蒸着または同様な処理によってアレイの上に堆積し、次いでホトリソグラフィックエッチング技術を使用してパターン形成することにより所望の寸法のそれぞれの共通電極列セグメント１８２および相互接続セグメント１８４を形成する。パターン形成した共通電極１８０の厚さは、典型的には酸化インジウム錫の電極材料の場合、約２０〜４００ｎｍの範囲にある。共通電極のいくつかの部品は、ＦＥＴを光から遮蔽するかまたは共通電極の導電性を増大する金属のような不透明な導体であってよい。
【００２１】
本発明によれば、パターン形成した低容量結合共通電極を有するフラットパネル放射線撮像装置は、データ線と共通電極との間の誘起容量を低減する構造により性能が改善され、この結果、撮像装置の動作中の幻影画像および画像アーティファクトが低減する。本発明によるパターン形成した低容量結合共通電極１８０を有する撮像装置１００は、従来の撮像装置に比較してデータ線の容量を低減している。例えば、約１０ｃｍの長さおよび約２００μｍの画素ピッチ（すなわち、列の隣接する画素間の中心から中心までの距離）を有するデータ線を持つアレイでは、本発明による撮像装置の所与のデータ線の容量は、同様な大きさの従来の撮像装置の約３５ｐｆのデータ線容量に比較して、約２２ｐｆであると計算された。
【００２２】
以上、本発明について図示し説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示した実施態様に変更および改変を行うことができることは当業者に明らかなことであろう。従って、特許請求の範囲は本発明の精神内に入るこのようなすべての変更および改変をカバーするように記載してあることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の撮像装置アレイの一部の平面図である。
【図２】図１の線Ｉ−Ｉに沿った代表的な画素部分の断面図である。
【図３】本発明の一実施態様による撮像アレイの一部を示す平面図である。
【図４】図３の線Ｉ−Ｉに沿った、本発明による撮像アレイの代表的な部分の断面図である。
【符号の説明】
１００    ソリッドステート放射線撮像装置
１０１    第１の軸
１０２    第２の軸
１１０    画素
１２０    光センサ
１２２    画素電極
１４０    データ線
１８０    低容量結合共通電極
１８２    共通電極列セグメント
１８４    相互接続セグメント
【図１】
0004022276.tif 000002
【図２】
0004022276.tif 000003
【図３】
0004022276.tif 000004
【図４】
0004022276.tif 000005