(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線による像を電荷の画像に変換する半導体層と、この半導体層を挟むようにその両面にそれぞれ設けられた信号読み出し層及び走査スイッチ層と、この走査スイッチ層に接続された駆動回路を備え、
上記走査スイッチ層は、上記半導体層の表面に各画素に対応すべくマトリクス状に配置されてなる複数の画素電極と、各画素に共通のバイアス電圧を印加するための共通電極と、マトリクス状に配置された画素電極の各々と共通電極との間にそれぞれ配置されたスイッチング素子と、この各スイッチング素子に上記駆動回路からの駆動信号を行ごとに与える行電極を備え、
上記信号読み出し層は、マトリクス状に配置された画素電極の列に対応して分割された複数の列電極を有し、その列電極の各々が信号読み出しラインに接続されており、
上記列電極と各画素電極との間の、各画素に相当する部分の半導体層の一部に、それぞれ高誘電率物質層が形成されていることを特徴とする２次元放射線検出器。
【請求項２】
上記信号読み出しラインには、各列電極で読み出された信号を増幅する素子として、結晶性半導体からなる増幅器が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の２次元放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば食品やプリント基板等の非破壊検査装置、あるいはＸ線撮影する医療用診断装置などに用いるのに適した２次元放射線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用診断装置等においては、Ｘ線等の放射線をその２次元的な入射位置をも含めて検出することのできる、固体走査方式の２次元放射線検出器が用いられている。
【０００３】
その固体走査方式の検出器に関して、従来、種々の提案がなされている。
例えば、特開平４−２１２４５８号公報には、図１１に示すように、Ｘ線等の放射線の入射により電荷を発生する半導体層１０１の両面に、それぞれバイアス電極１０２と走査スイッチ層１０３を積層した構造の２次元放射線検出器が開示されている。
【０００４】
図１１の２次元放射線検出器において、共通電極１０２は図１２（Ａ）に示すように全面に均一面状に形成されている。また走査スイッチ層１０３は、図１２（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、半導体層１０１に接触するマトリクス状の画素電極１３１・・１３１と、そのマトリクスの行に対応して配置されたストライプ状パターンの行電極１３２・・１３２と、列に対応して配置されたストライプ状パターンの列電極１３３・・１３３を備えており、さらに図１３、図１４に示すように、各画素電極１３１・・１３１のそれぞれにドレインＤが接続され、ソースＳが各列電極１３３に、またゲートＧが各行電極１３２に接続された複数個のスイッチング素子（ＦＥＴ）１３４・・１３４が設けられている。
【０００５】
走査スイッチ層１０３の各行電極１３２は、図１３に示すように駆動回路１０４のＦＥＴコントロールラインにそれぞれ接続され、各列電極１３３はそれぞれ信号読み出しラインの信号読み出し回路１０５に接続されている。また共通電極１０２には各画素に所定の電位を印加するためのバイアス電源１３５が接続されている（図１４参照）。
【０００６】
そして、以上の構造の２次元放射線検出器において、Ｘ線が半導体層１０１に入射すると、半導体層１０１中に電子・正孔対が発生しその表面上に電荷が発生する。この半導体層１０１上の電荷は、スイッチング素子（ＦＥＴ）１３４をオンとすることにより、各画素電極１３１・・１３１の各々に相当する画素ごとに読み出される。
【０００７】
すなわち、駆動回路１０４により１つの行電極１３２に駆動信号を送ることによって１行（例えばｉ行）のＦＥＴ１３４の全てがオンになり、列電極１３３の各々を経て、ｉ行の各列の画素電極１３１・・１３１から、各画素ごとの電荷（電流）が各列で同時に取り出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の放射線２次元検出器では、スイッチング素子のスイッチングノイズが読み出し信号電流に重畳して画質が劣化するという問題がある。
【０００９】
本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、スイッチング素子のスイッチングノイズが読み出し信号電流に重畳し難くい上、画素容量の両端間に生じる電位差の電荷発生に伴う変動幅を適当な範囲に設定することができ、もって良質のＸ線画像信号を得ることのできる２次元放射線検出器の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の２次元放射線検出器は、図１〜図４に例示するように、放射線による像を電荷の画像に変換する半導体層１と、この半導体層１を挟むようにその両面にそれぞれ設けられた信号読み出し層２及び走査スイッチ層３と、この走査スイッチ層３に接続された駆動回路４を備え、その走査スイッチ層３は、半導体層１の表面に各画素に対応すべくマトリクス状に配置されてなる複数の画素電極３１・・３１と、各画素に共通のバイアス電圧を印加するための共通電極３３と、マトリクス状に配置された画素電極３１・・３１の各々と共通電極３３との間にそれぞれ配置されたスイッチング素子（ＦＥＴ）３４・・３４と、この各スイッチング素子３４・・３４に駆動回路４からの駆動信号を行ごとに与える行電極３２・・３２を備えており、さらに信号読み出し層２は、マトリクス状に配置された画素電極３１・・３１の列に対応して分割された複数の列電極２１・・２１からなり、その列電極２１・・２１の各々が信号読み出しラインに接続されている。そして、図７に例示するように、上記列電極２１各画素電極３１との間の、各画素に相当する部分の半導体層の一部に、それぞれ高誘電率物質層１０が形成されていることによって特徴づけられる。
【００１１】
以上の構造の本発明の２次元放射線検出器において、半導体層１にＸ線が入射すると、その入射位置・入射エネルギに応じた電荷が半導層１表面に発生し、この状態で、走査スイッチ層３に駆動信号が行ごとに与えらえ、スイッチング素子（ＦＥＴ）３４がオンとなって画素電極３１にバイアス電圧が印加されると、その電荷の放電電流が信号読み出し層２の列電極２１を通じて信号読み出しラインに流れる。そして、このようにして読み出された信号電流を、チャージセンシティブプレアンプと積分コンデンサからなる信号読み出し回路（図４、図５参照）で電圧信号に変換することによって画像信号を得ることができる。
【００１２】
ここで、本発明の２次元放射線検出器では、図４、図５の等価回路図に示すように、スイッチング素子３４と信号読み出しラインとの間に、半導体層１が介在することになるので、その両者間に距離があること、及び半導体層１に容量があることに起因して、スイッチングノイズが信号読み出しラインに乗り難くなる。従ってＳ／Ｎ比の優れた画像信号を得ることができ、画質を向上させることができる。
【００１３】
なお、本発明の２次元放射線検出器において、各列電極で読み出された信号を増幅する素子（チャージセンシティブプレアンプ）として、シリコン等の結晶性半導体からなる増幅器を用いることが好ましく、このような結晶性半導体製の増幅器を使用すると、薄膜増幅器を使用した場合と比較して、信号ノイズ及び感度が良好になるとともに、信号読み出しラインの構成が簡単になるという利点がある。
【００１４】
本発明の２次元放射線検出器に用いるスイッチング素子（ＦＥＴ）としては、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）が好ましい。また放射線の検出に用いる半導体層としては、ＣｄＴｅ等の化合物半導体あるいはドープトＳｅなどが挙げられる。
【００１５】
ここで、本発明の２次元放射線検出器では、上記したように画素電極と信号読み出し層の列電極との間に半導体層による容量を介在させる構造であるので、その画素容量の大きさが問題となる。
【００１６】
すなわち、この種の２次元放射検出器において半導体層は、Ｘ線の捕獲率を確保するため通常５００μｍ程度の厚さとしているが、その膜厚で得られる１画素の等価容量は極めて小さくなる（例えば０．０１ｐＦ）ため、本発明の構造を採用すると、画素容量の両端間に生じる電位差の電荷発生に伴う変動幅が非常に大きくなるという問題が発生する。
【００１７】
これを解消するため、本発明では、図７に示すように画素容量を構成する半導体層１の一部（画素の端部）に、列電極２１と画素電極３１に接触する高誘電率物質層１０を形成するという方法を採用しており、このような高誘電率物質層１０を形成しておくと、図８の等価回路図に示すように、半導体層１による容量に加えて高誘電率物質層１０による付加容量が並列に接続されるので、画素容量の両端間に生じる電位差の電荷発生に伴う変動幅を適当な範囲に設定することができる。なお、高誘電率物質としては、チタン酸バリウム磁器等が挙げられる。
【００１９】
【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。
この実施の形態の放射線２次元検出器は、図１に示すように、放射線による像を電荷の画像に変換する半導体層１、この半導体層１を挟むようにその両面にそれぞれ設けられた信号読み出し層２と走査スイッチ層３、及び走査スイッチ層３に接続された駆動回路４で主として構成されている。
【００２０】
信号読み出し層２は、図２（Ａ）に示すように、列分割されたストライプ状パターンの複数の列電極２１・・２１によって構成されており、その各列電極２１に信号読み出し回路５が接続されている。
【００２１】
走査スイッチ層３は、図１及び図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、半導体層１の表面にマトリクス状に配置された画素電極３１・・３１と、そのマトリクス状の画素電極３１・・３１の行に対応して分割されたストライプ状パターンの複数の行電極３２・・３２と、バイアス電源３５によりバイアス電圧が印加される共通電極（均一面状導体）３３を備えており、それら画素電極３１・・３１の各々と共通電極３３との間にそれぞれＦＥＴ３４・・３４が配置されている。
【００２２】
各ＦＥＴ３４は、図３及び図４に示すように、ドレインＤが画素電極３１に接続され、ソースＳが共通電極３３に接続されている。またＦＥＴ３４のゲートＧは行電極３２に接続されており、そのゲートＧに接続された行電極３２は駆動回路４のＦＥＴコントロールラインに接続されている。
【００２３】
駆動回路４は、図３に示すように、フローティング部４１、光アイソレーション部４２及びグランド部４３によって構成されている。
このように光アイソレーション部４２によってフローティング部４１及びＦＥＴコントロールラインをグランド部４３から電気的に切り離しているのは、本実施の形態では共通電極３３を介してＦＥＴ３４のソースＳにバイアス電圧が印加されるので、ＦＥＴ３４のゲートＧに接続されたＦＥＴコントロールラインをグランドから浮かす必要があるためである。なお、ＦＥＴコントロールラインをグランドから電気的に切り離すための構成は、上記したような光アイソレーション部４２を用いる以外にも考えられる。
【００２４】
なお、以上の構造において、信号読み出し層２の前面側にはガラス等の支持基板２２（図７参照）が設けられており、また、走査スイッチ層３の背面側にも同様に支持基板（図示せず）が設けられている。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態の動作を説明する。
半導体層１にＸ線が入射すると、その入射位置・入射エネルギに応じた電荷が半導層１表面に発生する。この半導体層１の表面上の電荷を、ＦＥＴ３４をオンとすることにより、画素電極３１・・３１の各々に相当する画素ごとに読み出すわけであるが、本実施の形態においては、画素信号電流が、信号読み出し層２の列電極２１の各々を介して取り出されて、チャージセンシティブプレアンプ５１の積分コンデンサ５２に蓄えられ、電圧信号として出力されて、図示しないＡ／Ｄ変換器に送られる。
【００２６】
例えばｉ行のＦＥＴコントロールラインに駆動信号が与えられて、ｉ行のＦＥＴ３４が全てオンになったとすると、そのｉ行の画素電極３１・・３１に相当する画素の信号が、各列同時に読み出されることになる。
【００２７】
なお、信号読み出し回路５の積分スイッチ５３は、上記したＡ／Ｄ変換が終了した後、次の走査に備えて積分コンデンサ５２を短絡してそのコンデンサ５２を放電させるためのものである。
【００２８】
ここで、本実施の形態においては、信号読み出し回路５が、半導体層１の走査スイッチ層３とは反対側の面に配置した列電極２１に接続されているので、信号読み出し回路５とＦＥＴ３４との間に半導体層１が介在することになって、その半導体層１の容量効果と、ＦＥＴ３４のゲートＧと信号読み出し層２の列電極２１との距離が離れているという距離効果とによって、ＦＥＴ３４のゲート漏れ電流や、その他の走査スイッチ層３からのスイッチングノイズが信号読み出しラインに乗り難くなり信号電流のＳ／Ｎ比が向上する結果、質の高い画像信号を得ることができる。また、走査スイッチ層３のＦＥＴ３４のソースＳに接続される共通電極３３を均一面状導体としているので、シールド効果が生じ、外来ノイズに影響され難くいという利点もある。
【００２９】
次に、本実施の形態の動作を更に具体的に説明する。
図６は、図１に示した構造の２次元放射線検出器において、画素電極３１・・３１が１０００行×１０００列のマトリクス状に形成されていて、この画素電極３１・・３１の全てを走査スイッチ層３により１秒当たり３０回走査して、毎秒３０フレームで画像信号を出力する場合のタイムチャートを示している。
【００３０】
図６（Ａ）は、ＦＥＴコントロールラインのバイアス電圧を基準にした電位を示し、ＦＥＴコントロールラインが各行ごとに順次駆動回路４により高い電圧とされ、その行（例えばｉ行）のＦＥＴ３４がオンとなる。
【００３１】
例えばマトリクス状の画素電極３１・・３１のｉ行、ｊ列に位置するものに着目すると、その画素に相当する半導体層１の電位がＸ線入射による電荷蓄積によって、図６（Ｂ）のように上昇していたものが、ｉ行のＦＥＴ３４のオンによってバイアス電圧のレベルに降下する（なお、図６（Ｂ）はバイアス電圧を基準として表されている）。
【００３２】
これに対応して、ｊ列の信号読み出しラインに（ｉ，ｊ）画素分の信号読み出し電流が図６（Ｃ）に示すように流れる。この信号電流がチャージセンシチィブプレアンプ５１の積分コンデンサ５２に蓄えられ、図６（Ｄ）に示すように積分電圧信号として出力されて、積分スイッチ５３がオンになるまでの間のホールド期間にＡ／Ｄ変換される。
【００３３】
図７は本発明の他の実施の形態の要部構造を模式的に示す図である。
この実施の形態では、画素容量を構成する半導体層１の一部（画素の端部）に、列電極２１に沿って延びるスリット状の層で、列電極２１と画素電極３１の双方に接触する高誘電率物質層１０を形成したところに特徴があり、このように高誘電率物質層１０を形成しておくと、図８の等価回路図に示すように、半導体層１による容量に加えて高誘電率物質層１０による付加容量が並列に接続されることになるので、画素容量の両端間に生じる電位差の電荷発生に伴う変動幅を適当な範囲に設定することができる。
【００３４】
また、図９の等価回路図に示すように、画素電極３１と所定の共通電位Ｖａとの間に付加容量１１を、半導体層１に対して並列となるように接続するという方法を採用しても、先と同様に、画素容量の両端間の電位差の電荷発生に伴う変動幅を適当な範囲に設定することができる。
【００３５】
ここで、以上の実施の形態では、走査スイッチ層３の共通電極３３にバイアス電源３５を接続して各画素にバイアス電圧を印加する構造としているが、このほか、図１０の等価回路図に示すように、信号読み出し回路５側にバイアス電源３５を接続するという形態を採ることもできる。
【００３６】
また、以上の実施の形態では、共通電極３３を均一面状導体としているが、これに代えて、例えば配線パターン（バイアス線）の引回し等の構成を採用しても本発明は実施可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の放射線２次元検出器によれば、半導体層の一面に信号読み出し層を配置しその反対側の面に走査スイッチ層を配置して、スイッチング素子と信号読み出しラインとの間に半導体層が介在する構造としたから、スイッチングノイズを拾わず信号電流のＳ／Ｎ比が向上する。その結果、質の高いＸ線画像信号を得ることができる。
【００３８】
また、半導体層の表裏にゲート線とデータ線（信号読み出し線）を振り分けているので、ゲート線とデータ線の交差距離が従来に比して１００倍以上となりクロストークが減少するとともに、ゲート線の低抵抗化と、データ線の低抵抗化・低容量化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構造を模式的に示す図
【図２】その実施の形態の各層の構造を模式的に示す図
【図３】本発明の実施の形態におけるＦＥＴの接続関係を模式的に示す図
【図４】本発明の実施の形態の等価回路図
【図５】本発明の実施の形態の１画素分の等価回路図
【図６】本発明の実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート
【図７】本発明の他の実施の形態の要部構造を模式的に示す図
【図８】図７に示す実施の形態の１画素分の等価回路図
【図９】本発明の別の実施の形態の１画素分の等価回路図
【図１０】本発明の更に別の実施の形態の１画素分の等価回路図
【図１１】従来の２次元放射線検出器の構造を模式的に示す図
【図１２】図１１に示す２次元放射線検出器の各層の構造を模式的に示す図
【図１３】図１１に示す２次元放射線検出器のＦＥＴの接続関係を模式的に示す図
【図１４】図１１に示す２次元放射線検出器の等価回路図
【符号の説明】
１  半導体層
２  信号読み出し層
２１  列電極
３  走査スイッチ層
３１  画素電極
３２  行電極
３３  共通電極
３４  ＦＥＴ（スイッチング素子）
３５  バイアス電源
４  駆動回路
５  信号読み出し回路
５１  チャージセンシティブプレアンプ
５２  積分コンデンサ
５３  積分スイッチ
１０  高誘電率物質層
１１  付加容量
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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