(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に下部電極を形成し、その上に少なくともセレン層、三硫化アンチモン層及び上部電極層をこの順に積層した構造であって、前記下部電極と上部電極層との間に直流電圧を印加する際、上部電極層に正（＋）の極性の電圧を印加したことを特徴とする放射線検出器。
【請求項２】
前記絶縁基板上に形成された下部電極がＩＴＯ膜からな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】
前記絶縁基板上に形成された下部電極が、放射線が入射することによりセレン層に発生した電荷を収集する電荷収集機能と、収集した電荷を蓄積する電荷蓄積機能と、蓄積した電荷を読み取る電気的スイッチ機能とを備えた複数の画素からな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４】
前記絶縁基板上に形成された下部電極が、所定間隔ごとに配列された帯状の導電体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方式の放射線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放射線（例えばＸ線）の検出器としては、Ｘ線を光に変換した後に電気信号へ変換する間接変換方式のものと、放射線感応型の半導体膜に入射したＸ線を直ちに電気信号に変換する直接変換方式のものとがある。後者の直接変換方式の装置として、例えば図５に示したように、ガラス基板１の上にＩＴＯ膜を蒸着して下部電極２とし、その上にＸ線感応型の半導体膜としてセレン層４を設け、さらにその上に上部電極層５を設けた構造のものが知られている。なお、符号３はグランド電極である。このような構造からなるＸ線検出器にあっては、下部電極２と上部電極層５の間に電源６から直流電圧を印加し、その状態でＸ線が上部電極層５の上方から照射されるとセレン層４中に電荷（電子・正孔対）が発生し、下部電極２に集められた後にＸ線照射電流Ｉ１として読み出される。なお、下部電極２は酸化インジウムに酸化錫をドーピングし、得られたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）粉末を蒸着することでＩＴＯ膜として形成したものである。
【０００３】
また、直接変換方式の他の例として、ガラス基板上に約１００〜２００μｍ角の画素を多数設けて下部電極とし、その上に上述と同様のセレン層と上部電極層を設けた構造のものもある。各画素毎にＸ線を照射したときに発生する電荷を収集する機能、収集した電荷を蓄積する機能及び蓄積した電荷を読み取る電気的スイッチ機能が設けられ、Ｘ線照射に伴って蓄積された電荷がスイッチ機構を経由してＸ線照射電流Ｉ１として読み出されるものである。
【０００４】
ところで、Ｘ線検出器は高感度であることが要求されるが、Ｘ線検出器の感度はＸ線の照射量が一定の時には下部電極に集められる電荷の量、つまり下部電極に流れるＸ線照射電流Ｉ１の多少によって決まる。また、Ｘ線検出器のＳ／Ｎ比（Ｘ線照射時の電流値ＳとＸ線を照射しない時の暗電流値Nの比）は、大きい方が望ましい。
【０００５】
上述したように、Ｘ線感応型の半導体膜としてセレン層を用いた場合、セレン層中で発生した電荷の移動速度は、下部電極と上部電極層の間に印加される直流電圧が高いほど速くなり、その結果として下部電極に流れる電流が多くなることから、Ｘ線検出器が高感度であるためには、Ｘ線検出器に印加する直流電圧を高くする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示したように、印加電圧を高くするとセレン層の表面に沿って表面放電Ｉ２がグランド電極３に流れ、検出器として利用するＸ線照射電流Ｉ１に雑音が入って画像に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、図５に示したように、上部電極層５の外周縁とセレン層４の外周縁との間の距離Ｙを大きくすることで表面放電Ｉ２が発生しにくい構造とし、それによって印加電圧を高くするといった提案もなされているが、距離Ｙを大きくするとＸ線の検出部分である上部電極層５の面積が小さくなってしまうといった問題があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、印加電圧を高くしても表面放電の発生が少ない高感度の放射線検出器を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明者はセレン層と上部電極層との間に三硫化アンチモン層を設け、直流電圧の印加の極性方向を選択することによって表面放電を抑制できることを見出した。具体的には本発明の請求項１に係る放射線検出器は、絶縁基板上に下部電極を形成し、その上に少なくともセレン層、三硫化アンチモン層及び上部電極層をこの順に積層した構造であって、前記下部電極と上部電極層との間に直流電圧を印加する際、上部電極層に正（＋）の極性の電圧を印加したことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、三硫化アンチモン（Ｓｂ２Ｓ３）層の表面に蓄積される電荷が少ないために、三硫化アンチモン層の表面に沿って放電が発生しにくくなる。また、暗い中でＸ線を照射しない時の暗電流がセレン層のみのときと比べて小さくなり、Ｓ／Ｎ値が大きくなる。なお、本発明で用いられる絶縁基板としては、ガラスやプラスチックなどがある。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記請求項１記載の放射線検出器において、前記絶縁基板上に形成された下部電極がＩＴＯ膜からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記請求項１記載の放射線検出器において、前記絶縁基板上に形成された下部電極が、放射線が入射することによりセレン層に発生した電荷を収集する電荷収集機能と、収集した電荷を蓄積する電荷蓄積機能と、蓄積した電荷を読み取る電気的スイッチ機能とを備えた複数の画素からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記請求項１記載の放射線検出器において、前記絶縁基板上に形成された下部電極が、所定間隔ごとに配列された帯状の導電体であることを特徴とする。
【００１３】
上述したように、絶縁基板上に形成される下部電極の選択幅が大きくなり、用途等に応じて最適な下部電極を形成することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る放射線検出器の実施形態を説明する。図１は第１実施形態に係るＸ線検出器の基本構成を示した図である。この図において、１はガラス基板、２はＩＴＯ膜を利用した下部電極、３はグランド電極、４はセレン層、５は上部電極層、６は直流電圧を印加するための電源、８は前記セレン層４と上部電極層５との間に設けられた三硫化アンチモン層である。
【００１５】
上記の三硫化アンチモン層８は、上部電極層５で発生する表面放電の抑制作用を持つが、これは三硫化アンチモン層８の抵抗率が約１０９Ωcmであって、セレン層４の抵抗率約１０１４Ωcmに比べて小さいため、三硫化アンチモン層８の表面に蓄積される電荷が少なく、三硫化アンチモン層８の表面に沿って放電が発生しにくくなるからである。また、三硫化アンチモン層を設けた場合は、暗い中でＸ線を照射しない時の暗電流がセレン層のみのときと比べて小さくなり、Ｓ／Ｎ値が大きくなる。これは、図１に示したように、上部電極層付近において、暗電流の一つの原因である上部電極層からのセレン層中への電荷の注入が押えられる結果、矢印１７方向の電流が小さくなって暗電流が減少する一方、Ｘ線照射時にはセレン層中に発生した電子が矢印１８方向への移動するのには障壁とならないので、Ｘ線照射時の電流は変わらないためである。
【００１６】
下部電極２を構成するＩＴＯ膜は、前述したように、酸化インジウムに酸化錫をドーピングし、得られたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）粉末を蒸着することによって形成することができる他、スパッタリング法などによっても形成することができる。また、下部電極２としてはアルミニウム、クロム、ニッケルなどの導電体を使用することができる。
【００１７】
前記下部電極２の上面に形成されるセレン層４の膜厚は、約２００〜１５００μｍの範囲が望ましい。膜厚が２００μｍより薄いとＸ線に対する量子効率が下がって十分な感度を得ることができない一方、１５００μｍより厚くなるとセレン層４中で捕獲される電荷が多くなり、Ｘ線に対する応答性が悪くなるからである。
【００１８】
セレン層４は、セレン単体で形成される場合のみならず、セレンとヒ素との合金又はセレンとテルルとの合金等によって形成される場合も含まれる。セレン・ヒ素合金層はセレン層４の結晶化を防止する効果があり、３０μｍ以下の層厚が望ましい。また、図２に示したように、ガラス基板１とセレン層４との間に中間層１５を設けることもできる。この中間層１５をポリカーボネート樹脂の有機膜で形成した場合には、ガラス基板１に対するセレン層４の接着性が向上する。また、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）などの無機膜によって中間層１５を形成した場合には、ガラス基板１からセレン層４への電荷注入を阻止する役目を果たす。
【００１９】
前記三硫化アンチモン層８の膜厚は、０．０１〜１０．０μｍの範囲が望ましい。膜厚が０．０１μｍより薄いと表面放電を抑制する効果が小さくなると同時に暗電流を抑制する効果も小さくなる。一方、膜厚が１０．０μｍより厚くなると表面放電を抑制する効果はあるものの、Ｘ線照射電流が減少してしまうからである。なお、三硫化アンチモン層８は、蒸着法によって形成することができる。
【００２０】
三硫化アンチモン層８の上に設ける上部電極層５の材料としては、金、銀、アルミニウム、ニッケル等の導電材であり、蒸着法やスパッタリング法などによって形成することができる。上部電極層５の厚みは、０．０１〜３．０μｍの範囲が望ましい。
【００２１】
図３及び図４は、ガラス基板１上に形成される下部電極２の他の実施形態を示したものである。図３に示した下部電極２は、ガラス基板１の上に１００〜２００μｍ角の画素１０をマトリックス状に配設したものであり、各画素１０にはＸ線の入射でセレン層４に発生した電荷を収集する電荷収集電極１１と、収集した電荷を蓄積する電荷蓄積コンデンサ１２と、蓄積した電荷を読み取る電気的スイッチ機構としての薄膜トランジスタ１３とが形成されている。また、図４に示した下部電極２は、ガラス基板１の上面に帯状電極２ａを一定間隔毎に配列して形成したものである。この帯状電極２ａの材料としては、アルミニウム、クロム、ＩＴＯなどが用いられる。
【００２２】
上記下部電極２におけるＸ線照射電流Ｉ１の大きさは、下部電極２がＩＴＯ膜や帯状電極２ａの場合には、図１に示したように、下部電極２に接続される電流計７によって読み取られる。また、図３に示したように、下部電極２を多数の画素１０で形成した場合には、電荷収集電極１１により集められた電流が電荷蓄積コンデンサ１２に充電され、ゲートドライバからスイッチングライン１９を通して薄膜トランジスタ１３のゲート端子に電圧が印加されると、薄膜トランジスタ１３がオン状態となる。すると前記電荷蓄積コンデンサ１２に充電された電荷は、薄膜トランジスタ１３のソース端子に接続されている読み出しライン２０を介して読み取られることになる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
大きさ７５ｍｍ×７５mm、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１（コーニング社製製品番号７０５９）の上にＩＴＯ膜を形成して下部電極２とした。下部電極２の大きさは２８ｍｍ×２８mmである。この上に真空蒸着により大きさ４０mm×４０ｍｍのセレン層４を５００μｍの厚みに形成し、次いでセレン層４の上に真空蒸着により大きさ４０mm×４０ｍｍの三硫化アンチモン層８を０．１μｍの厚みに形成した。さらに、三硫化アンチモン層８の上に真空蒸着によって大きさ２８mm×２８ｍｍの金層を０．１μｍの厚みに形成して上部電極層５とし、図１に示したようなＸ線検出器を作製した。なお、前記上部電極層５は、セレン層４を挟んで下部電極２と対向する位置にある。
【００２４】
上記作製したＸ線検出器に対して、上部電極層５と下部電極２との間にセレン層４の膜厚１μｍ当たり１０ｖの電圧を印加すると共に、上部電極層５の上方からＸ線を照射し（Ｘ線量６０ｍＲ／分）、読み出されたＸ線照射電流Ｉ１の波形から表面放電の有無を調査した。なお、電圧を印加する際、上部電極層５に正（＋）極性の電圧を印加した時の結果を表１に示す。また、暗電流やＸ線照射電流を測定してＳ／Ｎ比を求めた時の結果を表２に示す。
【００２５】
（実施例２）
上記実施例１おいて、三硫化アンチモン層８の厚みを０．０１μｍにした他は同様な方法でＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００２６】
（実施例３）
上記実施例１おいて、三硫化アンチモン層８の厚みを１０．０μｍにした他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００２７】
（実施例４）
上記実施例１において、セレン層４をセレン・ヒ素合金層（濃度０．１重量％）で形成した他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００２８】
（実施例５）
上記実施例１において、ＩＴＯ膜の代わりに、ガラス基板１上に電極幅０．４ｍｍ、ピッチ幅０．６ｍｍのクロムよりなる帯状電極２ａを配列し、図４に示したような電極基板を使用した他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。なお、電流の測定は帯状電極２ａにコネクタを接続して実行した。
【００２９】
（実施例６）
上記実施例１において、ＩＴＯ膜を設けた電極基板の代わりに、ガラスの大きさが７５ｍｍ×７５ｍｍのＴＦＴマトリックス基板（画素サイズ１５０μｍ角）を使用した他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。各画素は、入射したＸ線によりセレン層４に発生した電荷を収集する電荷収集電極１１と、収集した電荷を蓄積する電荷蓄積コンデンサ１２と、蓄積した電荷を読み取る電気的スイッチである薄膜トランジスタ１３とを有する。上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３０】
（実施例７）
前記実施例６において、上部電極層５の大きさを３２ｍｍ×３２ｍｍした他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３１】
（実施例８）
上記実施例１において、セレン層４と下部電極２との間に厚み約２０μｍのセレン・ヒ素合金層（ヒ素濃度０．５重量％）を中間層１５として設けた他は同様な方法によりＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３２】
（比較例１）
上記実施例１において、三硫化アンチモン層を除いた他は同様な方法でＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を測定した時の結果を表１に示す。また、暗電流やＸ線照射電流を測定してＳ／Ｎ比を求めた時の結果を表２に示す。
【００３３】
（比較例２）
上記実施例５において、三硫化アンチモン層を除いた他は同様な方法でＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３４】
（比較例３）
上記実施例６において、三硫化アンチモン層を除いた他は同様な方法でＸ線検出器を作製した。また、上記実施例１と同様の方法で表面放電の有無を調査した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0004240707.tif 000002
【００３６】
【表２】
0004240707.tif 000003
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る放射線検出器によれば、印加電圧を高くしても表面放電の発生が少なく、またＳ／Ｎ比も稼ぐことができる高感度のＸ線検出器が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線検出器の一実施形態を示す概念図である。
【図２】本発明に係るＸ線検出器の他の実施形態を示す概念図である。
【図３】下部電極を画素の集合体で構成した場合の説明図である。
【図４】下部電極を帯状電極で構成した場合の説明図である。
【図５】従来におけるＸ線検出器の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板（絶縁基板）
２  下部電極
２ａ  帯状電極
４  セレン層
５  上部電極層
８  三硫化アンチモン層
１０  画素
１１  電荷収集電極
１２  電荷蓄積コンデンサ
１３  薄膜トランジスタ
１５  中間層
【図１】
0004240707.tif 000004
【図２】
0004240707.tif 000005
【図３】
0004240707.tif 000006
【図４】
0004240707.tif 000007
【図５】
0004240707.tif 000008