(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線が入射することにより電荷移動媒体であるキャリアが生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極である電圧印加電極に負のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極であるキャリア収集電極に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度μと平均寿命τの積の値μτ積に関して、正孔のμτ積の方が電子のμτ積よりも大きいとともに、ｎ型の１０９Ωｃｍ以上の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには電子の注入を阻止する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには正孔の注入を許容する構造が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
【請求項２】
放射線が入射することにより電荷移動媒体であるキャリアが生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極である電圧印加電極に正のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極であるキャリア収集電極に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度μと平均寿命τの積の値μτ積に関して、正孔のμτ積の方が電子のμτ積よりも大きいとともに、ｎ型の１０９Ωｃｍ以上の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには正孔の注入を許容する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには電子の注入を阻止する構造が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
【請求項３】
放射線が入射することにより電荷移動媒体であるキャリアが生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極である電圧印加電極に負のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極であるキャリア収集電極に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度μと平均寿命τの積の値μτ積に関して、電子のμτ積の方が正孔のμτ積よりも大きいとともに、ｐ型の１０９Ωｃｍ以上の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには電子の注入を許容する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには正孔の注入を阻止する構造が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
【請求項４】
放射線が入射することにより電荷移動媒体であるキャリアが生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極である電圧印加電極に正のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極であるキャリア収集電極に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度μと平均寿命τの積の値μτ積に関して、電子のμτ積の方が正孔のμτ積よりも大きいとともに、ｐ型の１０９Ωｃｍ以上の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには正孔の注入を阻止する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには電子の注入を許容する構造が設けられていることを特徴とする放射線検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の放射線検出装置において、電圧印加電極のバイアス電圧は、バイアス電圧の絶対値｜ＶA ｜＞ｄ2 ／μτL（但し、ｄ：電極間距離，μτL ：μτ積の大きい方のキャリアのμτ積）なる範囲の電圧値であるよう構成されている放射線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療分野、工業分野、さらには原子力分野などに用いられる直接変換タイプの放射線検出装置に係り、特に放射線の検出感度を高めるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体検出器を用いた放射線検出装置として、放射線（例えばＸ線）が先ず光に変換された後で変換光がさらに光電変換で電気信号へ変換される間接変換タイプの装置と、入射放射線が放射線感応型の半導体層で直に電気信号に変換される直接変換タイプの装置とがある。この直接変換タイプの装置は、放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極を形成して、一方の電極（電圧印加電極）に所定の電圧を印加し、他方の電極（キャリア収集電極）に放射線照射に伴って生成するキャリアを収集し放射線検出信号として取り出すことにより放射線の検出を行う構成となっている。
【０００３】
そして、従来の直接変換タイプの放射線検出装置の場合、半導体層の材料として単結晶半導体が用いられている。単結晶半導体が使われるのは、局在準位や粒界が多数存在するアモルファスや多結晶の半導体に比べて、キャリアの輸送特性が優れているからである。従来の放射線検出装置は、単結晶半導体の優れたキャリアの輸送特性を活かして放射線エネルギー検出器や放射線パルス計数器として使用されたりしている。
また、従来の放射線検出装置は、放射線照射に伴って生成するキャリアだけを信号として取り出すために、両電極サイド共に電極からキャリアの注入を阻止する構造を必要とする。そこで、従来装置は、具体的に以下のような構成となっている。
【０００４】
すなわち、従来装置の場合、図１４に示すように、高比抵抗の単結晶半導体層５１の一方の側がｐ型となり、他方の側がｎ型になるよう不純物をドープして、それぞれの側に電子ｅと正孔ｈの注入を阻止する構造５２，５３を設けるか、或いは、図１５に示すように、比較的低比抵抗のｎ型（またはｐ型）単結晶半導体層６１の一方の側がｐ型（またはｎ型）になるよう不純物をドープしたり、障壁性の金属電極を付ける等して電子ｅ（または正孔ｈ）の注入を阻止する構造６２を設けるとともに、他方の側には結晶自身の伝導性によって正孔ｈ（または電子ｅ）の注入を阻止することが行われている。なお、図１４，１５においては、左側の電極がバイアス電圧の印加電極であり、右側の電極がキャリア収集電極である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の放射線検出装置は、検出エリアの大面積化の要求に応えることが難しいという問題がある。現在、医療・工業さらには原子力等の各分野では放射線検出システムを高速・高感度かつコンパクトなシステムとするために大面積で高感度の半導体式放射線検出装置が強く望まれているが、現状では放射線検出用の単結晶半導体材料だと直径３インチのサイズが限界であり、大面積で高感度の半導体式放射線検出装置の実現は困難である。
一方、アモルファスあるいは多結晶の半導体材料の場合、薄膜形成技術を用いれば、１０００ｃｍ2 以上のサイズを得ることができるが、局在準位や粒界の存在により、感度が不十分となり、やはり大面積かつ高感度の半導体式放射線検出装置の実現は困難である。
【０００６】
この発明は、上記の事情に鑑み、大面積かつ高感度の半導体型の放射線検出装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極（電圧印加電極）に負のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極（キャリア収集電極）に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ（ＯＦＦ）状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン（ＯＮ）状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度（μ）と平均寿命（τ）の積の値（μτ積）に関して、正孔のμτ積の方が電子のμτ積よりも大きいとともに、ｎ型の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには電子の注入を阻止する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには正孔の注入を許容する構造が設けられている。
【０００８】
さらに、請求項２の発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極（電圧印加電極）に正のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極（キャリア収集電極）に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ（ＯＦＦ）状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン（ＯＮ）状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度（μ）と平均寿命（τ）の積の値（μτ積）に関して、正孔のμτ積の方が電子のμτ積よりも大きいとともに、ｎ型の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには正孔の注入を許容する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには電子の注入を阻止する構造が設けられている。
【０００９】
さらに、請求項３の発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極（電圧印加電極）に負のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極（キャリア収集電極）に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ（ＯＦＦ）状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン（ＯＮ）状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度（μ）と平均寿命（τ）の積の値（μτ積）に関して、電子のμτ積の方が正孔のμτ積よりも大きいとともに、ｐ型の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには電子の注入を許容する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには正孔の注入を阻止する構造が設けられている。
【００１０】
さらに、請求項４の発明に係る放射線検出装置は、放射線が入射することにより電荷移動媒体（キャリア）が生成される放射線感応型の半導体層の表裏面にそれぞれ電極が形成されていて、一方の電極（電圧印加電極）に正のバイアス電圧が印加されるとともに、他方の電極（キャリア収集電極）に電荷蓄積用のコンデンサと通常時オフ（ＯＦＦ）状態のスイッチ素子を介して電荷−電圧変換手段とが接続されていて、放射線照射に伴ってコンデンサに蓄積された電荷が、オン（ＯＮ）状態へ移行したスイッチ素子を経由して電荷−電圧変換手段から放射線検出信号である電圧信号として読み出されるよう構成された放射線検出装置において、前記半導体層は、半導体層内の生成キャリアである電子と正孔それぞれの移動度（μ）と平均寿命（τ）の積の値（μτ積）に関して、電子のμτ積の方が正孔のμτ積よりも大きいとともに、ｐ型の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる半導体層であり、かつ、電圧印加電極サイドには正孔の注入を阻止する構造が設けられており、キャリア収集電極サイドには電子の注入を許容する構造が設けられている。
【００１１】
また、請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の放射線検出装置において、電圧印加電極のバイアス電圧は、バイアス電圧の絶対値｜ＶA ｜＞ｄ2 ／μτL （但し、ｄ：電極間距離，μτL ：μτ積の大きい方のキャリアのμτ積）なる範囲の電圧値であるよう構成されている。
【００１２】
〔作用〕
次に、この発明に係る各放射線検出装置における作用を図面を参照しながら説明する。図１〜図４は、おのおの請求項１〜４の各放射線検出装置の要部基本構成例を示す模式図である。
請求項１の放射線検出装置により放射線検出が行われる場合、図１に示すように、ｎ型高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなる放射線感応用の半導体層１Ａは生成キャリアの正孔ｈのμτ積の方が電子ｅのμτ積よりも大きくて、半導体層１Ａでは少数キャリアとなる正孔ｈが放射線検出に寄与するキァリアとなり、また、半導体層１Ａの一方の電極の側にバイアス電圧供給部Ｖｅから−ＶA の負のバイアス電圧が印加されるので、半導体層１Ａのキャリア収集電極サイドに設けられた正孔注入許容構造３Ａにより、放射線入射によって生成されるキャリアの量に応じた量で正孔ｈが速やかに注入される。半導体自身の伝導性によって正孔ｈの注入が阻止されないよう半導体層１Ａは高比抵抗でもある。一方、半導体層１Ａの電圧印加電極サイドに設けられた電子注入阻止構造２Ａにより電子ｅの注入は阻止される。
【００１３】
すなわち、従来の場合、正孔ｈと電子ｅの両方の注入を阻止する構造であったのを、請求項１の発明では、感度向上に寄与しない多数キャリアの電子ｅの注入だけを阻止し、感度向上に寄与する正孔ｈの注入は許容することにより、注入による正孔ｈの増加分だけ感度が向上するのである。また、注入される正孔ｈは半導体層１Ａでは少数キャリアであるから暗電流の増加も抑えられる。もちろん、半導体層１Ａがアモルファスまたは多結晶の半導体材料からなるので、検出エリアの大面積化が図れることも言うまでもない。
【００１４】
なお、正孔ｈの移動によって誘起される電荷はスイッチ素子４がＯＦＦの間は電荷蓄積用のコンデンサＣａに蓄積され、スイッチ素子４がオン（ＯＮ）状態へ移行すると、電荷−電圧変換器５から放射線検出信号である電圧信号として蓄積電荷が読み出される。信号読み出し期間中でなくても、正孔ｈがコンデンサＣａに蓄積されて検出動作が中断されないので、感度面で有利な上に、多チャンネル構成の場合に読み出し用の電荷−電圧変換器５を複数のコンデンサに切替え接続するよう構成して電荷−電圧変換器５の必要個数を少なくすることができる。
【００１５】
次に請求項１の放射線検出装置での検出感度について、定量的な説明を行う。断面積Ｓ，電極間距離ｄの厚みの半導体層１に電界Ｅをかけて放射線（Ｘ線）を照射した時に流れる電流ｉは、ｉ＝Δｉ＋ｉD （但し、Δｉ：信号電流分，ｉD ：暗電流分）と表される。信号電流分Δｉは、式１で表される。
Δｉ＝ｑΔｎ・μＥＳ＝ｑ（Δｎe μe ＋Δｎh μh ）ＥＳ・・・（１）
但し，Δｎ：キャリアの増加量，μＥ：キャリアの移動速度，Δｎe ：電子の増加量，Δｎh ：正孔の増加量，ｑは電気素量である。
【００１６】
一方、単位体積・単位時間当たりのキャリア発生量をｇ（ｃｍ-3ＳＥＣ-1）とすると、放射線の照射は定常的である（ｄｇ／ｄｔ＝０）と仮定したのでΔｎの時間的変化は、ｄΔｎ（ｔ）／ｄｔ＝ｇ−Δｎ（ｔ）／τ（但し、τはキャリアの平均寿命）となり、これを解けば、Δｎ（ｔ）＝ｇτ〔１−exp(−ｔ／τ）〕となるが、ｔ≫τの場合、Δｎ（ｔ）＝ｇτとなり、次の式２および式３が得られる。
Δｎe ＝ｇe τe ・・・（２）      Δｎh ＝ｇh τh ・・・（３）
また、ｇe ＝ｇh ＝ｇであるから、式１に代入して、さらに式４が得られる。
0004059463.tif 000002
さらに、ここでは電子ｅの注入が阻止されるので、式４は式５となる。
Δｉ＝ｑｇｄＳ（μh τh Ｅ）／ｄ・・・（５）
この場合、μe τe ≪μh τh であるため、Δｉの値は殆ど変化しない。
【００１７】
これに対し従来の放射線検出装置の場合、式２および式３のｇe ，ｇh は、次のHecht の式６および式７に置き換えられるので、上の式４は式８となる。
ｇe ＝ｇe 〔１−exp ［−（ｄ−ｒ）／μe τe Ｅ］〕・・・（６）
ｇh ＝ｇh 〔１−exp ［−ｒ／μh τh Ｅ］〕・・・（７）
Δｉ＝ｑｄＳ｛ｇe 〔１−exp ［−（ｄ−ｒ)/μe τe Ｅ］〕（μe τe Ｅ／ｄ）＋ｇh 〔１−exp ［−ｒ／μh τh Ｅ］〕（μh τh Ｅ／ｄ）｝・・（８）
さらに式８の｛｝の中の式はＥの増大につれ〔ｇe （ｄ−ｒ）＋ｇh ｒ〕／ｄに近づき、この値はｇに等しいことから、式８は、最終的に式９となる。
ΔｉMAX ＝ｑｇｄＳ・・・（９）
式９は従来の（非注入型の）放射線検出装置の場合、信号は電界Ｅに依存せずｇ、すなわち生成キャリアのみに依存することが分かる。
【００１８】
この発明の場合の式５と従来の場合の式９とを比較すれば、この発明では、Δｉが（μh τh Ｅ）／ｄ倍に増大しており、増大率は電界Ｅに比例していて、電界Ｅ＝バイアス電圧／電極間距離であることから、感度向上の度合いはバイアス電圧の高くなるに従って増加することになる。
【００１９】
請求項２の発明の放射線検出装置の場合、図２に示すように、半導体層１Ｂの一方の電極の側にバイアス電圧供給部Ｖｅから＋ＶA の正のバイアス電圧が印加されるとともに、半導体層１Ｂの電圧印加電極サイドには正孔注入許容構造２Ｂが設けられ、キャリア収集電極サイドには電子注入阻止構造３Ｂが設けられており、正孔ｈの注入方向が逆である他は、請求項１の発明の場合と全く同様の作用であるので、これ以外の説明は省略する。
【００２０】
請求項３の発明の放射線検出装置の場合、図３に示すように、半導体層１Ｃがｐ型の高比抵抗のアモルファスまたは多結晶からなるとともに、生成キャリアの電子ｅのμτ積の方が正孔ｈのμτ積よりも大きくて、半導体層１Ｃでは少数キャリアの電子ｅが放射線検出に寄与するキァリアとなり、また、半導体層１Ｃの一方の電極の側にバイアス電圧供給部Ｖｅから−ＶA の負のバイアス電圧が印加され、半導体層１Ｃの電圧印加電極サイドに設けられた電子注入許容構造２Ｃにより、放射線入射によって生成されるキャリアの量に応じた量で電子ｅが速やかに注入される。一方、半導体層１Ｃのキャリア収集電極サイドには正孔注入阻止構造３Ｃが設けられており、正孔ｈは注入されず、電子ｅのみの注入がなされる。
したがって、ここでは正孔ｈの注入が阻止されるので、上記の式５は式１０となる。
Δｉ＝ｑｇｄＳ（μe τe Ｅ）／ｄ・・・（１０）
勿論、μh τh ≪μe τe であるため、Δｉの値は殆ど変化しない。そして、Δｉが（μe τe Ｅ）／ｄ倍に増大するため、感度が向上することになる。
この外は、請求項１の発明の場合と全く同様の作用であるので、他の説明は省略する。
【００２１】
請求項４の放射線検出装置の場合、図４に示すように、半導体層１Ｄの一方の電極の側にバイアス電圧供給部Ｖｅから＋ＶA の正のバイアス電圧が印加されるとともに、半導体層１Ｄのキャリア収集電極サイドには電子注入許容構造３Ｄが設けられ、電圧印加電極サイドには正孔注入阻止構造２Ｄが設けられており、電子ｅの注入方向が逆である他は、請求項３の発明の場合と全く同様の作用であるので、これ以外の説明は省略する。
【００２２】
請求項５の放射線検出装置の場合、電圧印加電極のバイアス電圧が、バイアス電圧の絶対値｜ＶA ｜＞ｄ2 ／μτL （但し、ｄ：電極間距離，μτL ：μτ積の大きい方のキャリアのμτ積）を越える範囲の電圧である結果、式５または式１０のΔｉが式９のΔｉよりも大きくなり、高感度の放射線検出が確実に行われる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。図１は第１実施例（請求項１の発明の実施例）に係る放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図、図５は第１実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図、図６は第１実施例装置の放射線センサ部の基本的な電気回路図、図７は第１実施例装置の放射線センサ部の構成を示す平面図である。
【００２４】
第１実施例の放射線検出装置は、図１や図５に示すように、放射線が入射することによりキャリアが生成される放射線感応型の半導体層１Ａと、半導体層１Ａの放射線入射側に設けられた表面電極（電圧印加電極）２ａと、半導体層１Ａの放射線非入射側（放射線入射側とは反対側）に設けられたキャリア収集電極３ａと、キャリア収集電極３ａに集められた収集キャリアを溜める電荷蓄積用のコンデンサＣａと、コンデンサＣａに蓄積された電荷を取り出すための通常時オフ（遮断）のスイッチ素子４である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を放射線センサ部に備えている。また、第１実施例の装置は、表面電極２ａに−ＶA の負のバイアス電圧を印加するバイアス電圧供給部（電源部）Ｖｅを備えていて、バイアス電圧が表面電極２ａに印加された状態で放射線照射に伴う生成キャリアおよび注入されるキャリアが電極部へ移動することによって、コンデンサＣａに誘起電荷が蓄積されるとともに、読み出しタイミングになった時にスイッチ素子４がオン（接続）となって蓄積電荷が放射線検出信号として読み出されて電荷−電圧変換器（プリアンプ）５へ送り込まれ電圧信号に変換される構成になっている。以下、各部の構成を具体的に説明する。
【００２５】
第１実施例の装置の場合、半導体層１Ａは、正孔のμτ積が電子のμτ積よりも大きいｎ型の高比抵抗のアモルファス半導体からなり、この種のアモルファス半導体としては、例えばアモルファス・セレン（ａ−Ｓｅ）などがあげられる。高比抵抗の数値範囲としては、１０9 Ωｃｍ以上が好ましく、１０11Ωｃｍ以上がより好ましい。もちろん、アモルファス半導体は検出エリアの大面積化を実現させられる半導体材料である。
【００２６】
表面電極２ａの金属としては、例えばｎ型半導体との間にショットキー接合を形成するＡｕ，Ｐｔなどが例示され、キャリア収集電極３ａの金属としては、ｎ型半導体にオーミック接合をするＩＴＯ（インジュウム錫酸化物），Ｔｉ，Ｎｉなどが例示される。すなわち、第１実施例の場合、半導体層１Ａと表面電極２ａとの間に形成されるショットキー接合により電圧印加電極サイドの電子注入阻止構造２Ａが構成され、半導体層１Ａとキャリア収集電極３ａとの間のオーミック接合によりキャリア収集電極サイドの正孔注入許容構造３Ａが構成されているのである。もちろん、アモルファス半導体や電極用の金属は上に例示のものに限らない。
【００２７】
第１実施例装置の放射線センサ部では、図５または図７に示すように、半導体層１Ａおよび両電極２ａ，３ａの他に、スイッチ素子４用のＦＥＴタイプの薄膜トランジスタや、電荷蓄積用のコンデンサＣａなども同一の絶縁基板６の上に形成されている。コンデンサＣａはＳｉＯ2 層等からなり、絶縁基板６はガラス基板等からなる。
【００２８】
さらに、第１実施例装置の放射線センサ部の場合、放射線検出構造となっている検出素子ＤＵがＸ，Ｙ方向に沿って多数配列（例えば１０２４×１０２４）された面センサ（２次元センサ）構成となっており、図１では１個の検出素子ＤＵが基本構成として示されていることになる。図５および図７に示すように、表面電極２ａの方は全検出素子ＤＵの共通電極として全面的に形成されているが、キャリア収集電極３ａの方は個別電極として各検出素子ＤＵ毎に分離形成され、スイッチ素子４やコンデンサＣａも各検出素子ＤＵ毎にそれぞれ１個ずつ形成されている。
【００２９】
また、第１実施例装置の放射線センサ部では、図７に示すように、検出素子ＤＵのスイッチ素子（薄膜トランジスタ）４のソースが横（Ｘ）方向の読出し配線７に接続され、ゲートが縦（Ｙ）方向の読出し配線８に接続されている。読出し配線７は電荷−電圧変換器群（プリアンプ群）９を介してマルチプレクサ１０に接続されているとともに、読出し配線８はゲートドライバ１１に接続されている。なお、電荷−電圧変換器群９では、１本の読出し配線７に対して、図１に示すような電荷−電圧変換器４が１個それぞれ接続されている。
【００３０】
そして、第１実施例装置の放射線センサ部の場合、マルチプレクサ１０およびゲートドライバ１１へ信号取り出し用の走査信号が送り込まれることになる。放射線センサ部の各検出素子ＤＵの特定は、Ｘ方向・Ｙ方向の配列に沿って各検出素子ＤＵへ順番に割り付けられているアドレス（例えば０〜１０２３）に基づいて行われるので、取り出し用の走査信号は、それぞれＸ方向アドレスまたはＹ方向アドレスを指定する信号となる。
【００３１】
Ｙ方向の走査信号に従ってゲートドライバー１１からＹ方向の読出し配線８に対し取り出し用の電圧が印加されるのに伴い、各検出素子ＤＵが列単位で選択される。そして、Ｘ方向の走査信号に従ってマルチプレクサ１０が切替えられることにより、選択された列の検出素子ＤＵのコンデンサＣａに蓄積された電荷が、電荷−電圧変換器群９およびマルチプレクサ１０を順に経て外部に送り出されることになる。
【００３２】
第１実施例の放射線検出装置が、例えばＸ線透視撮影装置のＸ線検出器として用いられた場合、各検出素子ＤＵの検出信号がマルチプレクサ１０から画素信号として順に取り出された後、図７に一点鎖線で示すように、画像処理部ＤＴ部でノイズ処理等の必要な信号処理が行われてから画像表示部ＭＴで２次元画像（Ｘ線透視画像）として表示されることになる。
【００３３】
上記のことから、第１実施例装置の放射線センサ部における検出信号の取り出し方式は、概ね通常のＴＶカメラなどの映像機器に類似の構成であると言える。
第１実施例の場合、放射線センサ部に電荷−電圧変換器群９およびマルチプレクサ１０やゲートドライバー１１さらには必要に応じてＡＤ変換器（図示省略）なども設置され、一段と集積化が図られた構成となっている。しかし、電荷−電圧変換器群９およびマルチプレクサ１０やゲートドライバー１１あるいはＡＤ変換器などの全部または一部が別体設置である構成であってもかまわない。
【００３４】
また、第１実施例装置の放射線センサ部を作成する場合は、絶縁基板６の表面に、各種真空蒸着法による薄膜形成技術やフォトリソフィグラフ法によるパターン化技術を利用して、スイッチ素子４用の薄膜トランジスタおよびコンデンサＣａ、キャリア収集電極３ａ、半導体層１Ａ、表面電極２ａなどを順に積層形成してゆくことになる。
【００３５】
一方、バイアス電圧供給部Ｖｅは、生成キャリアのうち正孔を放射線非入射側から放射線入射側へ向かって移動させる極性であるマイナス極性（負）の電圧をバイアス電圧として表面電極２ａへ与えるよう構成されている。バイアス電圧供給部Ｖｅは、特定の電圧だけを固定的に出力する固定電源であってもよいし、電圧を可変的に出力する可変電源であってもよい。
【００３６】
この場合、キャリア収集電極３ａから放射線検出に寄与する正孔ｈが放射線入射によって生成されるキャリアの量に応じて注入される結果、これが（μh τh Ｅ）／ｄ倍というバイアス電圧に比例する検出信号の増大をもたらし、大きな検出感度の向上が図られることになる。また、正孔ｈは半導体層１Ａでは少数キャリアであることから暗電流も少ない。
【００３７】
さらに、第１実施例の放射線検出装置において、電極間距離ｄが０．０７ｃｍ（＝半導体層１Ａの厚み）であるとともに、半導体層１Ａがａ−Ｓｅであり、正孔のμτ積が１０-6ｃｍ2 ／Ｖ，電子のμτ積が１０-7ｃｍ2 ／Ｖである場合ならば、｜−ＶA ｜＞４９００Ｖの範囲の電圧値のバイアス電圧が与えられると、（μh τh Ｅ）／ｄ＞１となり、高感度の放射線検出が確実に行われる。
【００３８】
さらに、第１実施例の装置の場合、信号読み出し期間中でなくても、正孔ｈはコンデンサＣａに蓄積されて検出動作が中断されないので、感度の面で有利な上に、第１実施例のように多チャンネル構成の場合に読み出し用の電荷−電圧変換器５を幾つかのコンデンサＣａに切替え接続するよう構成して電荷−電圧変換器５の個数を少なくし、コンパクトなものにすることができる。つまり、この発明の放射線検出装置は高感度マルチチャンネルタイプに適した装置と言えるのである。
【００３９】
次に、第２実施例（請求項１の発明の実施例）を説明する。図８は第２実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第２実施例の放射線検出装置は、図８に示すように、表面電極２ａと半導体１Ａとの間に低比抵抗の半導体膜又は有機膜から形成されたｐ型層１ａを介在させた構成である。半導体１Ａとｐ型層１ａとのＰＮ接合により電圧印加電極サイドの電子注入阻止構造２Ａが構成されるので、表面電極２ａはショットキー接合材料で形成する必要がなくなる。なお、ｐ型層１ａの低比抵抗の半導体膜としてはＳｂ2 Ｔｅ3 ，Ｓｂ2 Ｓ3 ，ＺｎＴｅが例示され、有機膜としては正孔移動剤を混入させたポリカーボネイト等が例示される。
これ以外は、先の第１実施例の装置と全く同様の構成・作用のものであるから、他の説明は省略する。
【００４０】
さらに、第３実施例（請求項１の発明の実施例）を説明する。図９は第３実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第３実施例の放射線検出装置は、図９に示すように、半導体層１Ａとキャリア収集電極３ａとの間にキャリア選択注入層１ｂが介在する構成である。第３実施例の装置の場合、キャリア選択注入層１ｂはμτ積の大きい正孔がμτ積の小さい電子に比較して選択的に注入されやすいｐ型の半導体または有機膜であって、このｐ型半導体としては、Ｓｂ2 Ｓ3 ，ＺｎＴｅなどがあげられるが、これに限らない。
【００４１】
すなわち、第３実施例の装置の場合、半導体層１Ａの下側に接するキャリア選択注入層１ｂにより正孔注入許容構造３Ａが構成されるので、キャリア収集電極３ａは必ずしもオーミック接合である必要はなく、ショットキー接合等でもよい。その結果、キャリア収集電極３の使用可能材料が広いという利点が加わる。これ以外は、先の第１実施例の装置と全く同様の構成・作用のものであるから、他の説明は省略する。
【００４２】
続いて、第４実施例（請求項２の発明の実施例）を説明する。図２は第４実施例に係る放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図、図１０は第４実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第４実施例の放射線検出装置は、図１０に示すように、表面電極２ｂに＋ＶA の正のバイアス電圧が供給されている。キャリア収集電極３ｂはＩＴＯやＴｉ，Ｎｉ等の金属で形成されている。さらに半導体層１Ｂとキャリア収集電極３ｂとの間に低比抵抗の半導体膜又は有機膜からなるｐ型層１ｃが介設されている。表面電極２ｂはｎ型半導体との間でオーミック接合を形成するＩＴＯ，Ｔｉ，Ｎｉ等の金属で形成されている。またｐ型層１ｃの低比抵抗の半導体膜としてはＳｂ2 Ｔｅ3 ，Ｓｂ2 Ｓ3 ，ＺｎＴｅが例示され、有機膜としては正孔移動剤を混入させたポリカーボネイト等が例示される。
【００４３】
したがって、半導体層１Ｂとｐ型層１ｃとの間に形成されるＰＮ接合によりキャリア収集電極サイドの電子注入阻止構造２Ｂが構成され、半導体層１Ｂと表面電極２ｂとの間のオーミック接合により電圧印加電極サイドの正孔注入許容構造３Ｂが構成されており、従って、正孔ｈの注入方向が第１実施例とは逆向きとなる。これ以外は、先の第１実施例の装置と全く同様の構成・作用のものであるから、その他の説明は省略する。
なお、第４実施例において、キャリア収集電極３ｂをｎ型半導体との間でショットキー接合を形成するＡｕ，Ｐｔ等の金属で形成し、ｐ型層１ｃを省略する形態をとることも可能ではあるが、Ａｕ，Ｐｔ等の重金属の場合、下のスイッチ素子４用の薄膜トランジスタへ金属原子が侵入して特性を劣化させる恐れがあるので通例好ましいとは言い難い。
【００４４】
次に、第５実施例（請求項３の発明の実施例）を説明する。図３は第５実施例に係る放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図、図１１は第５実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第５実施例の放射線検出装置は、図３や図１１に示すように、放射線が入射することによりキャリアが生成される放射線感応型の半導体層１Ｃが電子のμτ積が正孔のμτ積よりも大きいｐ型の高比抵抗の多結晶半導体からなる。検出エリアの大面積化が図れるこの種の多結晶半導体としては、特定の種類に限られるものではないが、例えばＣｄＺｎＴｅなどの化合物半導体があげられる。表面電極２ｃはｐ型半導体との間でオーミック接合するＡｕやＰｔ等の金属で形成され、キャリア収集電極３ｃはｐ型半導体との間でショットキー接合するＩＴＯ，Ｔｉ等の金属で形成されている。もちろん、多結晶半導体や電極用の金属は上に例示のものに限らない。
【００４５】
一方、バイアス電圧供給部Ｖｅは、生成キャリアのうち電子を放射線入射側から放射線非入射側へ向かって移動させる極性であるマイナス極性（負）の電圧をバイアス電圧として表面電極２ｃへ与えるよう構成されている。
したがって、第５実施例の装置の場合、放射線検出に寄与するキャリアは電子ｅであり、半導体層１Ｃと表面電極２ｃとの間に形成されるオーミック接合により電圧印加電極サイドの電子注入許容構造２Ｃが構成され、半導体層１Ｃとキャリア収集電極３ｃとの間に形成されるショットキー接合によりキャリア収集電極サイドの正孔注入阻止構造３Ｃが構成されている。
【００４６】
この場合、表面電極２ｃから放射線検出に寄与する電子ｅが放射線入射によって生成されるキャリアの量に応じて注入される結果、これが（μe τe Ｅ）／ｄ倍というバイアス電圧に比例する検出信号の増大をもたらし、大きな検出感度の向上が図られることになる。また、電子ｅは半導体層１Ｃでは少数キャリアであることから暗電流も少ない。さらに、第５実施例の装置において、電極間距離ｄが０．０３ｃｍ（＝半導体層１Ｃの厚み）であるとともに半導体層１ＣがＣｄＺｎＴｅであって、電子のμτ積が１０-5ｃｍ2 ／Ｖ、正孔のμτ積は１０-6ｃｍ2 ／Ｖである場合ならば、｜−ＶA ｜＞９０Ｖの電圧値のバイアス電圧が与えられると、（μe τe Ｅ）／ｄ＞１となり、高感度の放射線検出が確実に行われる。
これ以外は、先の第１実施例の装置と全く同様の構成・作用のものであるから、その他の説明は省略する。
【００４７】
次に、第６実施例（請求項４の発明の実施例）を説明する。図４は第６実施例に係る放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図、図１２は第６実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第６実施例の放射線検出装置は、図４や図１２に示すように、表面電極２ｄに＋ＶA の正のバイアス電圧が供給されるとともに、表面電極２ｄおよびキャリア収集電極３ｄの両方が、ｐ型半導体との間でショットキー接合を形成するＩＴＯ，Ｔｉ等の金属で形成されている。
【００４８】
したがって、第６実施例の場合、半導体層１Ｄと表面電極２ｄとの間に形成されたショットキー接合にバイアス電圧が逆方向に印加されることにより、電圧印加電極サイドに正孔注入阻止構造２Ｄが構成され、また半導体層１Ｄとキャリア収集電極３ｄとの間に形成されたショットキー接合にバイアス電圧が順方向に印加されることにより、キャリア収集電極サイドに電子注入許容構造３Ｄが構成される。
【００４９】
なお、第６実施例において、キャリア収集電極３ｄをｐ型半導体との間でオーミック接合を形成するＡｕ，Ｐｔ等の金属で形成することも可能ではあるが、Ａｕ，Ｐｔ等の重金属の場合、下のスイッチ素子４用の薄膜トランジスタへ金属原子が侵入して特性を劣化させる恐れがあるので通例好ましいとは言い難い。
【００５０】
さらに、第７実施例（請求項４の発明の実施例）を説明する。図１３は第７実施例装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
第７実施例の放射線検出装置は、図１３に示すように、表面電極２ｄとｐ型半導体１Ｄの間に低比抵抗の半導体膜又は有機膜から形成されたｎ型層１ｄを介在した構成であり、半導体１Ｄとｎ型層１ｄとの間のＰＮ接合にバイアス電圧が逆方向に印加されることにより、電圧印加電極サイドに正孔注入阻止構造２Ｄが構成されており、表面電極２ｄはショットキー接合材料で形成する必要がなくなる。なお、ｎ型層１ｄの低比抵抗半導体膜としてはＣｄＳが例示され、有機膜としては電子移動剤を混入させたポリカーボネイト等が例示される。これ以外は、先の第１実施例の装置と全く同様の構成・作用のものであるから、他の説明は省略する。
【００５１】
この発明は、上記実施の形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
（１）第５実施例では、化合物半導体がＣｄＺｎＴｅであったが、化合物半導体としてＣｄＴｅ，ＰｂＩ2 なども使用可能である。
【００５２】
（２）実施例では、表面電極やキャリア収集電極が金属で形成されていたが、形態によってはＣｄＳなどのｎ型半導体やＳｂ2 Ｔｅ3 ，Ｓｂ2 Ｓ3 などのｐ型半導体が使用可能な場合もある。
【００５３】
（３）第１〜４実施例の放射線検出装置は、いずれも多数個の検出素子ＤＵが縦横に配列された面センサの構成であったが、複数個の検出素子ＤＵが縦または横に１列だけ並んでいるラインセンサの構成の装置や、検出素子ＤＵが１個だけの構成の装置も、変形例としてあげられる。
【００５４】
（４）この発明の放射線検出装置が検出対象とする放射線も、Ｘ線に限らずあらゆる放射線を対象とするものである。
【００５５】
【発明の効果】
以上に詳述したように、請求項１の発明の放射線検出装置によれば、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であって、正孔のμτ積が電子のμτ積よりも大きなｎ型の高比抵抗の半導体層が設けられ、またキャリア収集電極サイドに正孔注入許容構造が、電圧印加電極サイドに電子注入阻止構造がそれぞれ設けられているとともに、負のバイアス電圧が印加される構成を備えているので、放射線検出に寄与しない多数キャリアの電子注入が阻止される一方、放射線検出に寄与する少数キャリアの正孔注入だけが許容される。その結果、電極サイドからの注入正孔による感度が図られる上、放射線検出に寄与する正孔が少数キャリアであるので、暗電流の増加も抑えられる。また、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であるから検出エリアの大面積化が図られる。
加えて、請求項１の放射線検出装置では、読み出し停止期間中も正孔の移動によって誘起される電荷がコンデンサに蓄積されて検出動作が継続されるので、感度の面で有利な上、多チャンネル構成の場合には読み出し用の電荷−電圧変換手段の共用化が図れ、電荷−電圧変換手段の個数を少なくすることもできる。
【００５６】
さらに、請求項２の発明の放射線検出装置によれば、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であって、正孔のμτ積が電子のμτ積よりも大きなｎ型の高比抵抗の半導体層が設けられ、またキャリア収集電極サイドに電子注入阻止構造が、電圧印加電極サイドに正孔注入許容構造がそれぞれ設けられているとともに、正のバイアス電圧が印加される構成を備えているので、放射線検出に寄与しない多数キャリアの電子注入が阻止される一方、放射線検出に寄与する少数キャリアの正孔注入だけが許容される。その結果、電極サイドからの注入正孔による感度が図られる上、放射線検出に寄与する正孔が少数キャリアであるので、暗電流の増加も抑えられる。また、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であるから検出エリアの大面積化が図られる。加えて、読み出し停止期間中の検出動作継続による利点および多チャンネル構成の場合の電荷−電圧変換手段の共用化による利点についても、上と同様である。
【００５７】
さらに、請求項３の発明の放射線検出装置によれば、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であって、電子のμτ積が正孔のμτ積よりも大きなｐ型の高比抵抗の半導体層が設けられ、またキャリア収集電極サイドに正孔注入阻止構造が、電圧印加電極サイドに電子注入許容構造がそれぞれ設けられているとともに、負のバイアス電圧が印加される構成を備えているので、放射線検出に寄与しない多数キャリアの正孔注入が阻止される一方、放射線検出に寄与する少数キャリアの電子注入だけが許容される。その結果、電極サイドからの注入電子による感度が図られる上、放射線検出に寄与する電子が少数キャリアであるので、暗電流の増加も抑えられる。また、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であるから検出エリアの大面積化が図られる。加えて、読み出し停止期間中の検出動作継続による利点および多チャンネル構成の場合の電荷−電圧変換手段の共用化による利点についても、上と同様である。
【００５８】
さらに、請求項４の発明の放射線検出装置によれば、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であって、電子のμτ積が正孔のμτ積よりも大きなｐ型の高比抵抗の半導体層が設けられ、またキャリア収集電極サイドに電子注入許容構造が、電圧印加電極サイドに正孔注入阻止構造がそれぞれ設けられているとともに、正のバイアス電圧が印加される構成を備えているので、放射線検出に寄与しない多数キャリアの正孔注入が阻止されて放射線検出に寄与する少数キャリアの電子注入だけが許容される。その結果、電極サイドからの注入電子による感度が図られる上、放射線検出に寄与する電子が少数キャリアであるので、暗電流の増加も抑えられる。また、放射線感応層の半導体層がアモルファスまたは多結晶であるから検出エリアの大面積化が図られる。加えて、読み出し停止期間中の検出動作継続による利点および多チャンネル構成の場合の電荷−電圧変換手段の共用化による利点についても、上と同様である。
【００５９】
また、請求項５の放射線検出装置によれば、電圧印加電極には、バイアス電圧の絶対値｜ＶA ｜＞ｄ2 ／μτL （ｄ：電極間距離，μτL ：μτ積の大きい方のキャリアのμτ積）という十分な範囲のバイアス電圧が印加されるようになるので、高感度で放射線検出が確実に行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図である。
【図２】請求項２の発明の放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図である。
【図３】請求項３の発明の放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図である。
【図４】請求項４の発明の放射線検出装置の要部基本構成を示す模式図である。
【図５】第１実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図６】第１実施例の装置の放射線センサ部の基本的な電気回路図である。
【図７】第１実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す平面図である。
【図８】第２実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図９】第３実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図１０】第４実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図１１】第５実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図１２】第６実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図１３】第７実施例の装置の放射線センサ部の構成を示す概略断面図である。
【図１４】従来の放射線検出装置の要部基本構成例を示す模式図である。
【図１５】従来の放射線検出装置の他の要部基本構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  …半導体層
２Ａ  ３Ｂ              …電子注入阻止構造
３Ａ，２Ｂ              …正孔注入許容構造
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ  …表面電極
２Ｃ，３Ｄ              …電子注入許容構造
３Ｃ，２Ｄ              …正孔注入阻止構造
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ  …キャリア収集電極
４                      …スイッチ素子
５                      …電荷−電圧変換器
Ｃａ                    …コンデンサ
ｅ                      …電子
ｈ                      …正孔
ｄ                      …電極間距離
＋ＶA ，−ＶA ，        …バイアス電圧
Ｖｅ                    …バイアス電圧供給部
【図１】
0004059463.tif 000003
【図２】
0004059463.tif 000004
【図３】
0004059463.tif 000005
【図４】
0004059463.tif 000006
【図５】
0004059463.tif 000007
【図６】
0004059463.tif 000008
【図７】
0004059463.tif 000009
【図８】
0004059463.tif 000010
【図９】
0004059463.tif 000011
【図１０】
0004059463.tif 000012
【図１１】
0004059463.tif 000013
【図１２】
0004059463.tif 000014
【図１３】
0004059463.tif 000015
【図１４】
0004059463.tif 000016
【図１５】
0004059463.tif 000017