(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられ、入射放射線に応答して電荷キャリアを発生する放射線変換層によってバイアス電極から分離された材料層から形成されたセンサアレイを具えて成る放射線を感知するイメージ検出器において、
各センサは、前記放射線変換層に発生した電荷キャリアを捕捉する捕捉電極と、電荷を蓄積するコンデンサと、少なくとも第１と第２の電極を有するスイッチング素子とを具え、これら第１と第２の電極の一方を前記捕捉電極に結合して当該センサに蓄積された電荷を読取り得るようにし、
各捕捉電極は、スイッチング素子の上方に設けられた第２の絶縁層上にスイッチング素子を越えて横方向に延在させて、この第２の絶縁層により前記捕捉電極から分離された下側の基準電極と相俟ってコンデンサを形成するようにし、
センサごとに、前記基準電極は他の絶縁層上に設けられ、該他の絶縁層は、前記スイッチング素子の上方に延在すると共に、当該基準電極の上に設けられる前記第２の絶縁層の下にあることを特徴とするイメージ検出器。
【請求項２】
各捕捉電極は前記第２の絶縁層上に設けると共に、前記スイッチング素子の第１および第２の電極の一方の電極上方の前記第２の絶縁層を貫通して形成された孔を経て関連する１つの電極に接触せしめるようにしたことを特徴とする請求項１記載のイメージ検出器。
【請求項３】
各スイッチング素子は１つの薄膜トランジスタを具えることを特徴とする請求項１又は２記載のイメージ検出器。
【請求項４】
各スイッチング素子はそのゲート電極が基板に近接したスタガ型薄膜トランジスタを具えることを特徴とする請求項３に記載のイメージ検出器。
【請求項５】
基準電極を相互結合して共通電位点に接続するようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載のイメージ検出器。
【請求項６】
前記スイッチング素子は２次元マトリックスアレイに配列するようにしたことを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載のイメージ検出器。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は放射線を感知するイメージ検出器に関するものである。
発明の背景
基板上に設けられ、入射放射線に応答して電荷キャリアを発生する放射線変換層によってバイアス電極から分離された材料層から形成されたセンサアレイを具えて成る放射線、特にＸ線放射を感知するイメージ検出器はヨーロッパ特許出願公開EP-A-0588397に記載されている。各センサには放射線変換層に発生した電荷キャリアを捕捉する捕捉電極、電荷を蓄積するコンデンサおよび少なくとも第１および第２電極を有するスイッチング素子を設ける。各センサのスイッチング素子の第１および第２電極の一方を前記捕捉電極に結合してセンサに蓄積された電荷を読取り得るようにする。各捕捉電極は関連するスイッチング素子を越えて横方向に延在して下側の基準電極と相俟って関連するコンデンサを形成する。前記ヨーロッパ特許出願公開EP-A-0588397に記載されている例では、スイッチング素子を形成する薄膜トランジスタのゲート絶縁層の形成に用いられる絶縁層と同一の絶縁層によって基準電極を捕捉電極から分離している。従って、この層の厚さはある状態のもとでは不所望となるスイッチング素子のスレシホルド特性に影響を与える事なく変化させることはできない。
発明の概要
本発明の目的は上述した問題を回避するかまたは少なくとも軽減するようにしたイメージ検出器を提供せんとするものである。
本発明は基板上に設けられ、入射放射線に応答して電荷キャリアを発生する放射線変換層によってバイアス電極から分離された材料層から形成されたセンサアレイを具えて成る放射線を感知するイメージ検出器において、各センサは放射線変換層に発生した電荷キャリアを捕捉する捕捉電極と、電荷を蓄積するコンデンサと、少なくとも第１および第２電極を有するスイッチング素子とを具え、これら第１および第２電極の一方を前記捕捉電極に結合してセンサに蓄積された電荷を読取り得るようにし、各捕捉電極は関連するスイッチング素子を越えてスイッチング素子上に設けられた絶縁層上に横方向に延在させてこの絶縁層により前記捕捉電極から分離された下側の基準電極と相俟って関連するコンデンサを形成するようにしたことを特徴とする。
これがため、本発明イメージ検出器では、上側の捕捉電極から基準電極を分離する絶縁層はスイッチング素子の機能的構成に含まれず、従ってこの絶縁層の特性、特にその厚さはスイッチング素子の特性に影響を与えることなく所望の容量が得られるように調整する。
前記基準電極を一方の電極と同一材料層から形成するようにする。これにより構成を比較的簡単とするとともにイメージセンサの製造を容易とする。
本発明の他の例では、各センサに対し、前記基準電極は前記センサを形成する層と比較して厚く、前記スイッチング層上に延在する他の絶縁層上に設け、この絶縁層を前記基準電極上全体に亘って設けるようにする。斯様に他の絶縁層を比較的厚くすることによってクロストークおよび読出し容量を最小にしながら、捕捉電極の面積を最大とする。
各捕捉電極は絶縁層上に設けるとともに１つの電極上の絶縁層を貫通して形成された孔を経て関連する１つの電極に接触せしめるようにする。
各スイッチング素子は１つの薄膜トランジスタを具えるとともに各薄膜トランジスタはそのゲート電極が基板に近接したジグザグ配置の薄膜トランジスタを具えるようにする。
一般に、基準電極を相互結合して共通電位点に接続するようにする。
前記スイッチング素子は２次元マトリックスアレイに配列することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明イメージセンサのブロック回路図のレイアウトを示す説明図；
図２は本発明イメージセンサの１例の１つの撮像素子の可能なレイアウトを示す平面図；
図３は図２に示す撮像素子の図におけるIII−III線上の断面図；
図４は本発明イメージセンサの他の例の１つの撮像素子の可能なレイアウトを示す平面図；
図５は図４に示す撮像素子の図４におけるＶ−Ｖ線上の断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図に示す放射線検出用イメージ検出器１，１ａ，１ｂは基板４上に設けられ、入射放射線に応答して電荷キャリアを発生する放射線変換層６によってバイアス電極５から分離された材料層から形成されたセンサ３のアレイ２を具え、各センサ３は放射線変換層６に発生した電荷キャリアを捕捉する捕捉電極７ａ，７ｂと、電荷を蓄積するコンデンサＣと、少なくとも第１および第２電極９および１０を有するスイッチング素子８を具え、各センサ３のスイッチング素子８の第１および第２電極９および１０の一方の電極１０を前記捕捉電極７ａ，７ｂに結合してセンサ３に蓄積された電荷を読取り得るようにし、各捕捉電極７ａ，７ｂは、前記スイッチング素子８の上方に設けられた絶縁層１１ａ，１１ｂ上にスイッチング素子８を越えて横方向に延在させて、前記絶縁層により前記捕捉電極７ａ，７ｂから分離された下側の基準電極１２，１２ａ，１２ｂと相俟って関連するコンデンサＣを形成する。
これがため、本発明イメージ検出器１，１ａでは、上側の捕捉電極７ａ，７ｂから基準電極１２，１２ａ，１２ｂを分離する絶縁層はスイッチング素子８の機能的構成に含まれず、従ってこの絶縁層１１ａ，１１ｂの特性、特にその厚さはスイッチング素子８の特性に影響を与えることなく所望の容量が得られるように調整することができる。
図１において、まず最初、本発明イメージセンサの可能な回路のレイアウトを示す。図示の例では、イメージセンサ１は撮像素子、即ち、センサ３の２次元アレイを具える。各撮像素子３は薄膜トランジスタの形態のスイッチング素子８と、関連するコンデンサＣと捕捉電極７とを具える。
図１から明らかなように、各撮像素子、即ち、センサ３では、各捕捉電極７を関連する薄膜スイッチングトランジスタ８のドレインおよび関連するコンデンサＣの一方の電極に結合し、関連するコンデンサＣの他方の電極を通常共通（接地）導体による好適な基準電位、一般に接地点に接続する。
このトランジスタスイッチング素子８は行列マトリックスに配列し、そのうちの３つの行および３つの列を図１に示す。所定行の各トランジスタ８のゲートを行駆動または復号／アドレッシング回路１５の同一行導体１４に結合し、所定列の各薄膜トランジスタ８のソース電極を同一列導体１６および関連する電荷感知読出し増幅器１８を経て適宜の列復号／読出し回路１７に結合する。
当業者にとって既知のように、アレイは実際上図１に示すものよりも多くの撮像素子３を具えている。
図１の破線１９は光感知アレイ２の区域、すなわち、境界を示す。
放射線の実際の検出は、電荷キャリアが入射放射線に応答して発生する放射線変換層６によって達成する。説明の便宜上この層を光導電層と称し、図１に線図的にのみ示す。以下の記載から明らかなように、光導電層６によってアレイ２全体を被覆するとともに光導電層自体はバイアス電極５によって被覆される。このバイアス電極５はイメージセンサの使用時に適宜のバイアス電圧源２０に結合する。
光導電層６の実際の特性は感知すべき特定の放射線に依存する。この放射線は電磁放射線、可能には特定の放射線とする。例えば、紫外線から赤外線までの電磁放射スペクトルを考慮する場合には、光導電層６を形成するために、酸化亜鉛、硫化カドミウム、シリコン、またはゲルマニウムのような材料が考えられ、当業者にとって明らかなように酸化亜鉛は紫外線の検出に最も好適であり、ゲルマニウムは赤外線の検出に好適である。検出すべき放射線がＸ線の場合にはセレンのような他の好適な材料を用いることができる。使用すべき放射線をＸ線とすると、上記ヨーロッパ特許出願公開EP-A-0588397に記載されているように、導電率を適宜の不純物ドーピングによって調整可能とし得るHgl2,CdSe,CdTe,PbOおよびSeのような負電荷キャリアよりも正電荷キャリアに対して良好な導体である半導体層を具える多層構体として光導電層を形成するのが有利である。例えば、この半導体層は厚さが１乃至５μｍで、塩素のドーピング濃度が２２−100パーツ／ミリオンのセレン層を具える。実際の光導電層はこのドープ半導体層上に設けるとともに例えば0.1-1％の砒素を添加し得るアモルファスセレン層とすることができる。この光導電層が例えば医療検査中この場合Ｘ線こ好適に吸収するに充分な厚さを有することは勿論である。代表的には、アモルファスセレン層の厚さは200−800μｍとする。この半導体層上にはさらに他のドープ半導体層を全体に亘り設ける。本例ではこの他の半導体層は第１半導体層に対し正電荷よりも負電荷を良好に導通するように不純物ドープする。この他の半導体層は、例えばリチウム、ナトリウム、カリウムまたはセシウムのような好適なアルカリ金属２０−200パーツ／ミリオンでドープされたセレンで構成し、代表的にはその厚さを0.5−２μｍとする。
上述したイメージ検出器１は上記ヨーロッパ特許出願公開EP-A-0588397に記載されているように作動する。これがため、作動中、１−１０ｋＶの正電圧をバイアス電極５に供給する。従って、光導電層を囲むドープ半導体層は、上記ヨーロッパ特許出願公開EP-A-0588397に記載されているように、捕捉電極７またはバイアス電極５により注入された電荷キャリアをブロックして、暗電流が著しく低減されるようにする。イメージ（像）はヨーロッパ特許出願公開EP-A-444720に記載されている所と同様に感知されて検出される。これがため、まず最初、イメージ検出器がイメージ形成用の電磁放射線に曝される前に、スイッチング素子８により適切な信号を行導体１４に供給することによって導通させてコンデンサＣが放電されるようにする。
イメージを感知し得るようにするためには、適宜の行導体１４に供給される信号によってスイッチング素子８を非導通状態にする。このいわゆる積分周期中スイッチ８を非導通状態とするとこのコンデンサＣは各捕捉電極７により捕捉され、関連する撮像素子、即ち、センサ３に入射した電磁放射線を示す電荷を蓄積する。各捕捉電極７およびバイアス電極５間を高電界としてセンサ、即ち、撮像素子３間のクロストークを禁止する。
一般に、蓄積されたイメージはイメージ検出器に蓄積された電荷を一回に１行づつ読出すことによって読取る。これがため行導体１４に適宜の電圧を順次印加して第１行１４ａに蓄積された電荷、次いで第２行１４ｂに蓄積された電荷・・・最終行１４ｎに蓄積された電荷を順次読出す。当業者にとって明らかなように、読出し周期中、読出される行の特定の撮像素子３のキャパシタにより蓄積された電荷は関連する列導体１６に流れ、関連する電荷感知増幅器１８によって積分する。この期間中捕捉電極７は接地電位に保持されているものとする。電荷感知増幅器１８の出力信号は列読出し回路１７に供給してこの回路により並列信号をビデオまたはＴＶ信号として用いるに好適な直列信号に変換し、この直列信号は例えばＴＶ表示装置の適宜の記憶装置に蓄積することができる。
本発明イメージ検出器の例を図２、３、４および５につき詳細に説明する。
これらの例の各々において、イメージセンサのアレイ２は絶縁性、一般にガラスまたはプラスチック材料の基板４上に薄膜技術を用いて形成する。通常、行復号器およびアドレス指定回路１５並びに列復号器および読出し回路１７は分離された個別の基板に形成して所望の素子が特定の機能に対し最適化され得るようにする。これらの回路は任意の慣例の形態とし得るため、さらに詳細には説明しない。
図２および３は本発明イメージ検出器１ａの１例を示す。特に、図２および３はイメージ検出器１ａの１つの撮像素子３の可能なレイアウトおよび断面を示す。
図３に示すように、イメージ検出器１ａは絶縁性、一般にガラスまたはプラスチック材料の基板４上に薄膜層を堆積して形成する。
本例では、スイッチング素子８は逆スタガ型薄膜トランジスタを具え、従って基板４に設けられた第１層は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）８のゲート電極１３および関連する行導体１４を形成するに好適な層とする。ゲート電極１３はクロムのような任意の好適な導電材料で形成するとともに行導体１４上に他の導電層を設けて直列抵抗を低減し得るようにしても関連する行導体１４と一体に形成することができる。
導電層をパターン化してゲート電極１３および行導体１４を形成した後、構体上に全体に亘り絶縁層２０を設けてＴＦＴ８のゲート絶縁領域１３ａを形成する。一般に、絶縁層２０は２酸化珪素、窒化珪素のような任意好適な材料あるいはこれら２種類の材料の組合せとすることができる。
絶縁層２０は適宜の真性材料層２１によって被覆する。この真性材料層はアモルファスシリコンの層のような意図的にドープされた半導体層ではない。次いで行導体上に任意の他の保護絶縁層、一般に、窒化珪素層を堆積し、パターン化して絶縁区域（図示せず）を画成し上側の絶縁厚さを増大して寄生容量を増大するとともに各トランジスタ８の中央領域上に保護領域２２を設けてエッチングストップとして用いる。
当業者にとって容易であるように、次に、図３には示さないが、一般に前記真性材料層２１と同一材料のドープされた半導体層を堆積してソースおよびドレイン半導体接点領域を形成する。ＮチャネルＴＦＴの場合にはドープされた半導体層をＮ導電型の不純物でドープする。次いでゲート電極と同一材料で形成し得る金属化層を堆積して半導体層２１（および存在する場合にはドープされた半導体層）並びに他の導電層を慣例のフォトリソグラフおよびエッチング技術を用いて画成し導電チャネル領域２１ａ並びにＴＦＴ８のソースおよびドレイン電極９および１０並びに基準電極１２ａを形成する。次に、他の絶縁層２３を堆積し、フォトリソグラフ処理して接点窓を形成する。この絶縁層によってコンデンサＣの絶縁層、即ち、誘電体層１１ａを提供する。任意の好適な材料例えばアルミニウムで形成し得る他の金属化層を堆積し且つ画成して捕捉電極７ａ，列導体１６および行導体１４の導電性部分をさらに減少する任意の抵抗を形成する。
次に、光導電層６およびバイアス電極５を堆積してイメージ検出器１ａの構体を完了する。上述したように光導電層６の実際の材料および構成は感知すべき放射線の種類に依存する。Ｘ線を感知する必要がある場合には、図３には示さないが、光導電層６はヨーロッパ特許出願公開EP-A0588397に示すような多層構体とするか、または他の任意の好適な光導電層を設けることができる。
図２から明らかなように、撮像素子、即ち、センサ３は一般に行および列導体１４および１６により囲まれた長方形構体とする。図２にそのまま示さないが、各基準電極１２ａおよび関連する上側の捕捉電極７ａはコンデンサＣに対し所望のキャパシタンスを得るように形成することができることは勿論である。しかし、図２には示さないが、捕捉区域を最大化するためには、ＴＦＴ８が占有しない行および列導体１４および１６によって囲まれた区域を実際上充分に捕捉電極７ａが占有するようにする必要がある。図２に示すように、基準電極１２ａは細条１２ａ′に結合して装置１ａの作動中任意好適な基準電位、一般に接地電位に接続するための共通導体１２０を形成する。しかし、また基準電極１２ａは、例えばソースおよびドレイン電極９および１０を画成する必要のある箇所に孔およびギャップのみを有する連続層として有効に形成するのが望ましい。基準電極１２ａおよび関連する捕捉電極の各区域およびオーバーラップ並びに絶縁層１１ａの厚さおよび／または材料を調整して所望のキャパシタンス（例えば薄膜技術により形成されるｐｉｎダイオードの自己キャパシタンスに等しいかこれよりも大きなキャパシタンス）を得ると同時に捕捉電極７ａの所望の区域をも得るようにする。
図３からさらに明らかなように、各ＴＦＴ８のドレイン電極および下側の真性半導体層２１はＴＦＴ８の作動に必要な場合よりもゲート電極１３を横切ってさらに横方向に延在し捕捉電極７ａをドレイン電極１３に接続し得るようにする。捕捉電極７ａはそれ自体ゲート電極１０を横切って横方向に延在し上述したように電荷キャリアを捕捉し得るようにする。基準電極１２ａはソースおよびドレイン電極９および１０と同一の層から形成し、これによりイメージ検出器１ａの製造を促進し且つ簡単化する。さらに、コンデンサＣの誘電体層１１ａはＴＦＴ８の動作特性にはそれ自体寄与しない絶縁層２３によって形成し、従って厚さおよび材料の組成のような誘電体層１１ａの特性はコンデンサＣの所望の電気定数および厚さを得るに最適とし得るようにする。
図４および５は本発明イメージ検出器１ｂの他の例の１つの撮像素子３の可能なレイアウトおよび断面図をそれぞれ示す。
図２および３に示す場合のようにイメージ検出器は絶縁性、一般にガラスまたはプラスチック材料の基板４上に薄膜を堆積して構成する。また、スイッチング素子８は逆スタガ構造を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の形態とする。
この場合、かかる構造は、図２および３につき説明した所と同様に、まず最初形成する。これがため、ＴＦＴ８のゲート電極１３および関連する行導体１４を画成し、次にゲート絶縁領域１３ａを形成する絶縁層２０を堆積し次いで真性半導体層２１（および上述したようにソースおよびドレイン接点領域を形成する任意のドープ半導体層）を堆積する。各ＴＦＴ８にはエッチングストップ領域２２を設ける。次に、さらに他の導電層、一般にクロム層を堆積し半導体層２１（および所望に応じドープされた層）と相俟って真性半導体層２１がＴＦＴの導電チャネル領域１３ａを形成するとともに他の導電層が列導体１６およびドレイン電極１０と一体のソース電極９を形成し得るようにする。
図２および３につき説明した所と対比して、本例では、薄膜トランジスタ８上に肉厚絶縁層２４を設ける。この肉厚絶縁層２４は両立処理を用い得る任意の好適な材料、例えばポリイミド、二酸化珪素、窒化珪素とすることができ、且つその厚さを５μｍとすることができる。次いで肉厚絶縁層上に例えばクロムのような任意の好適な材料の他の金属化層を設けるとともにこれを画成して基準電極１２ｂを形成する。ポリイミドまたはスピンーオフガラスのような流動可能な絶縁材料を用いる場合には平坦表面を有する肉厚絶縁層２４を形成するのが有利となる。また、一般に二酸化珪素または窒化珪素の肉薄絶縁層２６を基準電極１２ｂ上に設けてコンデンサＣの誘電体領域１１ｂを形成する。この肉薄絶縁層２６および下側の肉厚絶縁層２４を貫通する孔、即ち、接点窓を形成して各ドレイン電極１０の各接点区域を露出する。次いでアルミニウムのような任意の好適な材料の他の金属化層を堆積し、パターン化して捕捉電極７ｂを形成して各捕捉電極７ｂが各ドレイン電極１０と接触するとともに肉薄絶縁層１１ｂ上をスイッチング素子８の横方向に延在して関連するコンデンサＣを形成する。次いでこの構体をヨーロッパ特許出願公開EP-A-058835に記載したように継続する。
図２および３につき説明した例において、コンデンサＣの誘電体領域１１ｂはスイッチング素子８の動作特性に影響を与えない絶縁層２６によって形成し、従ってその特性、例えばその組成および厚さをコンデンサＣに対し最適とすることができる。さらに、図４および５に示す例において肉厚絶縁層２４を用いることによって図４から最も明らかなように捕捉電極７ｂをスイッチング素子構体の全体を仮想的に被覆して寄生容量問題を著しく増大することなく捕捉区域を最小とし得るようにする。実際上肉厚全体を２４を設けることによって図４に示すように寄生読出し容量問題を著しく増大することなく捕捉電極７ｂを読出しライン即ち、列導体１６上に延在させるようにする。同様に、各撮像素子、即ち、センサ３の基準電極１２ｂの区域は出来るだけ大きくすることができ、しかも所望に応じ関連する列導体１６上に延在させることができる。
図４に示す可能なレイアウト構体では、各撮像素子３の捕捉電極７ｂを行および列導体１４および１６によって囲まれた区域の大部分上に延在させることができる。この例では、関連する捕捉電極７ｂはこの撮像素子３の列導体１６（即ち、スイッチング素子８に結合された列導体）と重畳するとともにこの行における次の撮像素子３の列導体近くまで延在する。下側の基準電極１２ｂは図２および３につき説明した例の場合のように互いに結合されて共通導体１２０を形成し、この共通導体を装置の作動時に共通電位点、一般に接地点に接続する。図４に示す例ではこの基準電極１２ｂは、図２に示す所と同様に、一体に形成された導電細条によりによって結合するが、この基準電極１２ｂは基準電極７ｂが肉薄絶縁層を貫通してドレイン電極と接触する区域にのみ設けられた孔を有する単一の導電層として形成することができる。
上述した例において、各区域の１つ以上および基準電極１２ｂのオーバラップおよび関連する捕捉電極７ｂ並びに絶縁層１１ｂの厚さおよび／または材料はを調整して所望の容量（例えば、薄膜技術によって形成されるｐｉｎダイオードの自己容量に等しいかこれよりも大きな容量）を得、しかもこれと同時に捕捉電極７ｂの所望の区域が得られるようにすることができる。
上述した例は薄膜トランジスタとしてスイッチング素子を形成することに関するものであるが、薄膜ダイオード、ｐｉｎダイオードまたはその組合せのような他の形態のスイッチング素子を用いることができる。さらに、慣例のバルク半導体技術を用い、即ち、絶縁性基板上に半導体層を堆積するよりもむしろ半導体本体内に拡散領域を形成することによりスイッチング素子８を形成することができる。
本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内で種々の変形や変更が可能である。
【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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