(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変換層と、変換層からの出力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導入するためのトランジスタスイッチとを備え、そのトランジスタスイッチのＯＮ／ＯＦＦを電圧信号によって制御するように構成された放射線検出器において、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が、上記変換層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方向と同じ極性であることを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が負であり、かつ、変換層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方向も負であることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
【請求項３】
トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が正であり、かつ、変換層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方向も正であることを特徴とする請求項１記載の放射線検出器。
【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器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療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＋撮像管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。
【０００３】
近年、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）センサが開発されている。例えば、文献；W.Zhao,et al.,“A flat panel detector for digital radiology using active matrix readout of amorphous selenium,”Proc.SPIE Vol.2708,pp.523-531,1996. には、信号読み出しスイッチとして機能するＴＦＴ(Thin Film Transistor)を行列状に配置し、それら２次元配置のＴＦＴ上にアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）膜を蒸着することで、Ｘ線面センサを構成した例が開示されている。
【０００４】
ところで、ａ−ＳｅのようなＸ線信号を直接電気信号に変換するタイプの変換層を用いた放射線（Ｘ線）検出器では、その変換層に高電圧（ａ−Ｓｅの場合には、１０００Ｖ以上）を印加する必要がある。そのため、変換層に過剰な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が永久破壊することがある。
【０００５】
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（W.Zhao,et al.,“Digital radiology using acive matrix readout of amorphous selenium:Detectors with high voltage protection,”Med.Phys.Vol.25,No.4,pp.539-549,1998.)。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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手法によれば、ＴＦＴ構造が複雑になるという問題がある。ここで、医療用のＸ線面センサでは、通常、３０００画素×３０００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（放射線検出器）に設けることは好ましくない。
【０００７】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、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ことのできる放射線検出器の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、放射線に感応し電荷信号を出力する変換層と、変換層からの出力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導入するためのトランジスタスイッチ（ＴＦＴ）とを備え、そのトランジスタスイッチのＯＮ／ＯＦＦを電圧信号によって制御するように構成された放射線検出器において、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が、変換層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方向（変換層に印加するバイアス電圧の極性）と同じ極性であることによって特徴づけられる。
【０００９】
より具体的には、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が負である場合、変換層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方向を負とし、また、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向が正である場合には、変換層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方向を正にする。
【００１０】
本発明の放射線検出器の作用を述べる。
まず、蓄積容量に蓄積された電荷信号を外部回路に導入するためのトランジスタスイッチのＯＮ／ＯＦＦを電圧信号によって制御する構造の放射線検出器において、蓄積容量に電荷を蓄積している期間すなわちトランジスタスイッチがＯＦＦになっている期間に、変換層に過剰な放射線（Ｘ線）照射があったとすると、通常の構成の場合には、蓄積容量の電位が過剰に上昇し、トランジスタスイッチを破壊することになる。
【００１１】
これに対し、本発明の放射線検出器では、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向を、変換層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方向と同じ極性としているので、蓄積容量電位が所定値まで上昇すると、トランジスタスイッチが自動的にＯＮに転じて蓄積電荷が放電される結果、過剰な電位上昇による破壊を防ぐことができる。
【００１２】
ここで、本発明の放射線検出器において、蓄積容量は変換層と物理的に分離して作製したものであってもよいし、あるいは、変換層自体の寄生容量が比較的大きい場合には、その寄生容量を蓄積容量として代用してもよい。
【００１３】
本発明の放射線検出器に用いる変換層としては、半導体結晶まはた半導体膜であることが好ましい。その半導体材料としては、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ、Ｓｅ、ＰｂＩ2 、ＴｌＢｒが挙げられる。
【００１４】
本発明の放射線検出器は、複数個を行列状に配置して放射線（Ｘ線）面センサを構成することができ、また、複数個を１列に配置して１次元のセンサアレイを構成することもできる。さらに、単体で用いることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、以下、図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１はＸ線撮像装置の構成を模式的に示す図である。
Ｘ線面センサ１は、その内部に５行×５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６１，６２，・・，６５と、各列共通の読み出し信号線７１，７２，・・，７５が配線されている。
【００１７】
ゲート線６１，６２，・・，６５は、ゲートドライバ回路２により順次選択的に駆動される。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、読み出しアンプ回路３に入力される。制御回路４は、ゲートドライバ回路２と読み出しアンプ回路３の動作を統括制御するために設けられており、ゲート線を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。
【００１８】
図２は、図１に示すＸ線面センサの１つのセンサ画素１２の構成を模式的に示す断面図である。
【００１９】
センサ画素１２は、バイアス電圧を印加するための共通電極８、入射Ｘ線を電荷信号に変換するＸ線変換層（例えばａ−Ｓｅ）９、Ｘ線変換層９内で発生した電荷信号を収集するための画素電極１２１、収集された電荷を蓄積するための蓄積容量１２２、並びに蓄積容量１２２に蓄積された電荷を外部回路に導入するためのトランジスタスイッチ１２３とから構成されている。
【００２０】
トランジスタスイッチ１２３は、一般に薄膜技術を用いて製造され、ＴＦＴ(Thin Film Trasistor) と呼ばれている。このトランジスタスイッチ１２３には、ゲート、ソース、ドレインの３端子があり、ソース端子（またはドレイン端子）が蓄積容量１２２に、ドレイン端子（またはソース端子）が読み出し信号線７２に接続されている。ソース端子とドレイン端子の導通／非導通は、ゲート端子（ゲート線６１に接続）の電位（制御電圧）によって制御され、トランジスタスイッチ１２３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が、もちろん、これに限定されるものではなく、例えば＋５Ｖで導通、＋０．５Ｖで非導通となるようなトランジスタスイッチも考えることができる（以下の実施の形態では、簡単のため、前者の正電位で導通し、負電位で非導通となる例を用いて解説する）。
【００２１】
さて、本実施の形態では、蓄積容量に蓄積された電荷を外部回路に導入するためのトランジスタスイッチとして、ｎ型トランジスタを用い、そのトランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移極性（負電圧）と、Ｘ線変換層９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線変換層９に印加するバイアス電圧の極性）とを同じ極性（負電圧）にしたところに特徴がある。
【００２２】
次に、本実施の形態の作用を図３，図４を用いて説明する。
図３，図４は、図２のセンサ画素１２の等価回路を示したものであり、Ｘ線変換層９は容量Ｃｓとして、蓄積容量１２２は容量Ｃとして表記している。また、トランジスタスイッチ１２３の信号読み出し端子７２は、回路動作上はＧＮＤ電位に等価となるため、ＧＮＤ（０）として表記している。
【００２３】
まず、従来のケースとして、図３（ａ）に示すように、共通電極８の電位（バイアス電圧）をＶｂで表し、ここに正電位Ｖｂ＝＋Ｅを与える場合を考える。ただし、初期状態においては、蓄積容量１２２の電位Ｖｓは０（ＧＮＤ電位）であるとし、トランジスタスイッチ１２３のゲート電位Ｖｇには、負電位Ｖｇ＝−Ｖがかかっており、トランジスタスイッチ１２３がＯＦＦ状態（ｎ型トランジスタ）であると仮定する。
【００２４】
いま、Ｘ線変換層９にＸ線が入射し、総電荷量＋Ｑが発生したとする（図３（ｂ））。このとき発生した電荷＋Ｑは、一般にＣｓの値がＣの値に比べて十分に小さいため、その殆どが容量Ｃに蓄積され、蓄積容量１２２にＶｓ＝＋Ｑ／Ｃの電位が発生することになる。従って、もし過剰なＸ線照射があった場合には、＋Ｑの値が非常に大きくなり、トランジスタスイッチ１２３がＯＦＦ状態のまま、ドレイン−ソース間の電圧が過剰に上昇する。その結果として、最終的にはドレイン−ソース間の耐圧を超えてしまい、トランジスタスイッチ１２３の永久破壊に至ることになる。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、図４（ａ），（ｂ）に示すように、Ｘ線変換層９に印加するバイアス電圧Ｖｂを負電圧（Ｖｂ＝−Ｅ）とすることで、以上のような問題を解決している。
【００２６】
すなわち、バイアス電圧Ｖｂを、トランジスタスイッチ１２３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線変換層９へのＸ線の入射にともなって、蓄積容量１２２の電位Ｖｓが、Ｖｓ＝−Ｑ／Ｃの関係式で降下（負電位側にシフト）してゆき（図４（ｂ））、やがてトランジスタスイッチ１２３のゲート電位Ｖｇ＝−Ｖを下回ることになる。そして、Ｖｓ＜Ｖｇとなれば、トランジスタスイッチ１２３はＯＮに転じ、容量Ｃに蓄積された電荷は、トランジスタスイッチ１２３のチャンネルを通じて放電され、それ以上の電位シフトは起こらなくなるので、トランジスタスイッチ１２３の永久破壊を防ぐことができる。
【００２７】
ここで、以上の実施の形態では、ゲート電位を負方向に遷移させた場合にＯＦＦとなるｎ型のトランジスタスイッチを用いているが、これに限定されず、トランジスタスイッチとしてｐ型のもの、つまりゲート電位を正方向に遷移させた場合にＯＦＦとなるトランジスタスイッチを用いても、本発明は実施可能である。この場合、Ｘ線変換層９に印加するバイアス電圧を正とし、Ｘ線入射による蓄積容量の電位シフトも正になるように構成する。
【００２８】
また、以上の実施の形態では、蓄積容量１２２を、Ｘ線変換層９とは物理的に分離して作製しているが、これに限られることなく、Ｘ線変換層９自体の寄生容量が比較的大きい場合には、その寄生容量を蓄積容量として代用してもよい。
【００２９】
さらに、以上の実施の形態では、５画素×５画素の面センサの例を示したが、本発明の放射線検出器はこれに限定されることなく、任意の画素数の面センサを構成することもできる。また、このような面センサのほか、画素が一列に並ぶ１次元センサアレイも構成することもできる。さらに、本発明の放射線検出器は、単体（１個）での使用も可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蓄積容量に蓄積された電荷信号を外部回路に導入するためのトランジスタスイッチ（ＴＦＴ）のＯＮ／ＯＦＦを電圧信号によって制御する構造の放射線検出器において、トランジスタスイッチをＯＮからＯＦＦにするときの制御電圧の遷移方向と、変換層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方向とを同じ極性にしているので、過剰な放射線（Ｘ線）照射があっても、トランジスタスイッチが永久破壊することを防ぐことができる。しかも、そのような効果を、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設けることなく達成できるので、製造歩留りが悪化することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線撮像装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示すＸ線面センサの１つのセンサ画素１２の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】従来の放射線検出器の動作説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の動作説明図である。
【符号の説明】
１  Ｘ線面センサ
１１，１２，・・，５５  センサ画素（放射線検出器）
２  ゲートドライバ回路
３  読み出しアンプ回路
４  制御回路
６１，６２，・・，６５  ゲート線
７１，７２，・・，７５  読み出し信号線
８  共通電極
９  Ｘ線変換層
１２１  画素電極
１２２  蓄積容量
１２３  トランジスタスイッチ（ＴＦＴ）
【図１】
0004066531.tif 000002
【図２】
0004066531.tif 000003
【図３】
0004066531.tif 000004
【図４】
0004066531.tif 000005