JP2007103578A - 光電変換装置及び放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子上に変換素子を積層した光電変換装置において、画素ピッチが小さい場合でも、高感度化と高歩留まり化を共に実現する。
【解決手段】絶縁基板上に少なくとも光を電気信号に変換する変換素子と、変換素子に接続されたスイッチ素子とから成る画素が２次元状に配列され、スイッチ素子上に変換素子を積層した光電変換装置において、変換素子を形成する層が画素毎に分離された領域が有り、領域の下層に光の反射層が配置されている。反射層は、金属膜、無機膜、又は有機膜である。
【選択図】図２

Description

本発明は、可視光、赤外線等の光を電気信号に変換する光電変換装置、及びＸ線、α線、β線、γ線等の放射線を電気信号に変換する放射線検出装置に関し、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置等に応用される。

従来の放射線検出装置は、光電変換装置と入射する放射線を光電変換可能な波長領域の光に変換する波長変換体とを備える装置、又は半導体変換素子が入射する放射線を直接電気信号に変換する装置である。光電変換装置は、１画素に光を電気信号に変換する半導体の変換素子（光電変換素子）とスイッチ素子としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を有し、各画素を２次元状に配列したものである。

１画素における光電変換素子とスイッチ素子は、同一平面上に形成していたが、開口率の向上、すなわち感度に限界があった。そこで、下記特許文献１に記載のような、スイッチ素子上に光電変換素子を積層した光電変換装置の提案がなされている。

図８は、従来の光電変換装置の１画素の断面図である。

図８において、絶縁基板６１の上には、スイッチ素子であるＴＦＴ６２が形成されており、その上部にＳｉＯＮ層６３を介して光電変換素子であるＰＩＮ型フォトダイオード６４が形成されている。

ＴＦＴ６２は、ゲート電極６５、ゲート絶縁膜６６、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層６７、エッチストッパー層であるＳｉＮ層６８、ｎ+半導体層６９、金属層７０，７１から構成されている。金属層７０，７１は、それぞれＴＦＴのソース電極７９、ドレイン電極８０である。

フォトダイオード６４は、ｎ+層７２、光電変換層であるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層７３、ｐ+層７４、電極層７５から構成されており、隣接するフォトダイオード間で各層が切り欠き７６により分離されている。

フォトダイオード６４上、及び切り欠き７６には、ＳｉＯＮ層７７と保護層７８が形成されており、フォトダイオード６４のｎ+層７２とＴＦＴのドレイン電極８０が接続されている。
米国特許第５，６１９，０３３号明細書

光電変換装置は、光電変換素子とＴＦＴを有し、微小信号をディジタル変換して画像出力するという特徴を持っている。このことから、Ｓ／Ｎ比が大きく、高感度な光電変換装置が望まれている。高感度化の一つ方法として、光電変換素子の開口率を大きくし、光電変換素子への入射光をより多くすることにより、出力信号Ｓを大きくする方法が挙げられる。このため、光電変換素子の開口率を大きくするための提案が数多くなされている。

例えば、特許文献１のように、スイッチ素子（ＴＦＴ）上に光電変換素子（ＰＩＮ型フォトダイオード）を積層した構造とすれば、同一平面上にスイッチ素子と光電変換素子を形成した場合よりも、光電変換素子の開口率を大きくすることが可能である。

しかしながら、光電変換素子は各画素毎に分離されるため、各光電変換素子間には分離領域ができてしまい、この分離領域に入射した光は信号として取り出すことができない。その損失を軽減して開口率を大きくするために、分離領域の幅を例えば３μｍと小さくすれば、光電変換素子間のショート等による歩留まり低下が発生する。これに対して、歩留まりを考慮し、分離領域の幅を１０μｍとすると、１画素に占める分離領域の割合は、画素ピッチが２００μｍの場合には約１０％であるが、画素ピッチが５０μｍの場合には約３６％となってしまう。すなわち特許文献１のような構造の光電変換装置においても、特に画素ピッチが小さい場合には、高開口率化と高歩留まり化が共に実現されていると言うには不十分である。

本発明では、このような従来の事情を考慮して成されたもので、スイッチ素子上に変換素子を積層した光電変換装置において、画素ピッチが小さい場合でも、高感度化と高歩留まり化を共に実現することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、絶縁基板上に少なくとも光を電気信号に変換する変換素子と、前記変換素子に接続されたスイッチ素子とから成る画素が２次元状に配列され、前記スイッチ素子上に前記変換素子を積層した光電変換装置において、前記変換素子を前記画素毎に分離する領域を有し、前記領域の下層に反射層が配置されていることを特徴とする。

なお、本明細書で、放射線は、Ｘ線、γ線、あるいはα線、β線等の粒子線を含むものとする。

本発明において、スイッチ素子上に光を電気信号に変換する変換素子を積層した光電変換装置において、変換素子を形成する層が画素毎に分離された領域が有り、前記領域の下層に光の反射層が配置されている。このことにより、分離された領域に入射する光もできるだけ検出し、画素ピッチが小さい場合でも、高感度化と高歩留まり化を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態である放射線撮像装置について説明する。

本実施形態において、光電変換素子（ＰＩＮ型フォトダイオード）をスイッチ素子（ＴＦＴ）上に積層した光電変換基板に、放射線を可視光に変換するための波長変換体（シンチレータ）を組み合わせて放射線検出装置を構成する。光電変換基板は、光電変換装置として捉えることができる。放射線撮像装置は、放射線検出装置と周辺回路から構成される。

図１は、本実施形態の放射線撮像装置の概念図、図２は、本実施形態における放射線検出装置の１画素の断面図、図３は、同じく放射線検出装置の他の例である１画素の断面図である。

図１において、Ｐ１１〜Ｐ３３は、光を電気信号（電荷）に変換する変換素子である光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ３３は、光電変換素子に接続されたスイッチ素子となる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。光電変換素子は、例えば水素化アモルファスシリコンを用いたＰＩＮ型フォトダイオードである。各ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に接続されており、ゲート駆動装置からＴＦＴのゲートのＯＮ、ＯＦＦを制御する。また、各ＴＦＴのソースもしくはドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に接続されており、Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３は、読み出し装置に接続されている。

１つの光電変換素子と、１つのスイッチ素子と、そのスイッチ素子に接続されるゲート線と、そのスイッチ素子に接続される信号線と、光電変換素子に共通に接続されるバイアス線（不図示）が、１画素を構成している。各画素は２次元状（マトリクス状）に配列されている。なお、図１には画素エリアに３×３画素を示しているが、実際には例えば２０００×２０００画素が絶縁基板に配列され、放射線検出装置を構成している。

図２及び図３において、ＴＦＴと光電変換素子は、絶縁基板Ａ１０上に順次形成される。ＴＦＴはゲート電極層（金属膜）Ａ１１、ゲート絶縁層（ＳｉＮ膜）Ａ１２、半導体層（ａ−Ｓｉ膜）Ａ１３、エッチストッパー層（ＳｉＮ膜）Ａ１４、不純物半導体層（ｎ+膜）Ａ１５、ソース・ドレイン電極層（金属膜）Ａ１６から構成される。光電変換素子は、ＴＦＴ上に保護層（ＳｉＮ膜）Ｃ１１と平坦化のための有機樹脂からなる層間絶縁層（アクリル系樹脂膜）Ｃ１２を介して配置される。光電変換素子は、ｎ型不純物半導体層（ｎ+膜）Ｂ１１、半導体層（ａ−Ｓｉ膜）Ｂ１２、ｐ型不純物半導体層（ｐ+膜）Ｂ１３、電極層（ＩＴＯ膜）Ｂ１４から構成される。更にその上層には、保護層（ＳｉＮ膜）Ｃ１３、有機保護層（ポリイミド膜）Ｃ１４、接着層Ｃ１５、波長変換層である蛍光体Ｃ１６が配置されている。

また、被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、Ｘ１及びＸ２として蛍光体Ｃ１６に入射する。このＸ線は、蛍光体でそれぞれ可視光Ｐ１及びＰ２に変換される。この時、光電変換素子上に入射する可視光は、Ｐ１のように直接光電変換素子に入射し、電荷に変換される。

図２において、光電変換素子が分離された領域で、かつ光電変換素子の下層には、ＴＦＴを構成する半導体層Ａ１３と不純物半導体層Ａ１５と同様の半導体層Ａ１３と不純物半導体層Ａ１５が配置されており、この不純物半導体層Ａ１５が反射層となる。分離領域は、２次元方向にあり、１行内の画素の光電変換素子間及び１列内の画素の光電変換素子間にある。反射層は、ＴＦＴと同時に形成される。ここで、光電変換素子が分離された領域について説明する。光電変換素子間に配置された、有機保護層Ｃ１４と保護層Ｃ１３と層間絶縁層Ｃ１２と保護層Ｃ１１は、屈折率がほぼ同等であるのに対して、反射層である不純物半導体層Ａ１５はこれらの膜と屈折率が大きく異なる。このため、光電変換素子間に入射する可視光Ｐ２は、ａ１もしくはａ２のように、不純物半導体層Ａ１５と保護層Ｃ１１の界面で反射し光電変換素子に入射する。

図３では、保護層Ｃ１１上に反射層となる不純物半導体層Ｄ１１を形成している。ここで、光電変換素子が分離された領域について説明する。光電変換素子間に配置された、有機保護層Ｃ１４と保護層Ｃ１３と層間絶縁層Ｃ１２は屈折率がほぼ同等であるのに対して、反射層である不純物半導体層Ｄ１１はこれらの膜と屈折率が大きく異なる。このため、光電変換素子間に入射する可視光Ｐ２は、ａ１もしくはａ２のように、不純物半導体層Ｄ１１と層間絶縁層Ｃ１２の界面で反射し光電変換素子に入射する。ここでは、反射層を不純物半導体層としたが、光電変換素子間に配置された膜と屈折率が異なれば、シリコン系の膜、または有機膜であってもよい。

以上のように本実施形態では、分離領域への入射光を光電変換素子に入射させることが可能となる。よって、分離領域の幅を小さくしない場合でも、大きな出力信号を得ることができるため、高歩留まりで高感度な放射線検出装置が実現可能となる。反射層を光電変換素子が分離された全ての領域に配置すれば、より大きな効果が得られる。

本実施形態では、光電変換基板と蛍光体は接着層を介して組み合わせたが、沃化セシウム（ＣｓＩ）等の柱状結晶構造を有するアルカリハライド系の材料を、画素上に直接蒸着により形成しても構わない。

［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態である放射線撮像装置について説明する。

本実施形態において、光電変換素子（ＰＩＮ型フォトダイオード）をスイッチ素子（ＴＦＴ）上に積層した光電変換基板に、放射線を可視光に変換するための波長変換体（シンチレータ）を組み合わせて放射線検出装置を構成する。光電変換基板は、光電変換装置として捉えることができる。放射線撮像装置は、この放射線検出装置と周辺回路から構成される。これらの点は実施形態１と同様であるため、概念的な説明は省略する。

図４は、本実施形態における放射線検出装置の１画素の断面図、図５は、同じく放射線検出装置の他の例である１画素の断面図である。図６は、同じく放射線検出装置の更に他の例を示す平面図である（周辺回路も含めた放射線撮像装置として示している）。

図４及び図５において、ＴＦＴと光電変換素子は、絶縁基板Ａ１０上に順次形成される。また、各素子を構成する層について、反射層以外の箇所は実施形態１と同様であるため、説明は省略する。

図４において、光電変換素子が分離された領域で、かつ光電変換素子の下層には、ＴＦＴを構成するソース・ドレイン電極層Ａ１６と同様の金属膜Ａ１６が配置されており、これが反射層となる。この反射層は、ＴＦＴと同時に形成される。ここで、光電変換素子が分離された領域について説明する。光電変換素子間に配置された、有機保護層（ポリイミド膜）Ｃ１４と保護層（ＳｉＮ膜）Ｃ１３と平坦化のための有機樹脂からなる層間絶縁層（アクリル系樹脂膜）Ｃ１２と保護層（ＳｉＮ膜）Ｃ１１は屈折率がほぼ同等である。これに対して、反射層である金属膜Ａ１６はこれらの膜と屈折率が大きく異なる。このため、光電変換素子間に入射する可視光Ｐ２は、ａ１もしくはａ２のように、金属膜Ａ１６と保護層Ｃ１１の界面で反射し光電変換素子に入射する。

図５では、ＴＦＴを構成するゲート電極層と同様の金属膜Ａ１１が配置されており、これが反射層となる。この反射層は、ＴＦＴと同時に形成される。ここで、光電変換素子が分離された領域について説明する。光電変換素子間に配置された、有機保護層Ｃ１４と保護層Ｃ１３と層間絶縁層Ｃ１２と保護層Ｃ１１とゲート絶縁層（ＳｉＮ膜）Ａ１２は屈折率がほぼ同等であるのに対して、反射層である金属膜Ａ１１はこれらの膜と屈折率が大きく異なる。このため、光電変換素子間に入射する可視光Ｐ２は、ａ１もしくはａ２のように、金属膜Ａ１１とゲート絶縁層Ａ１２の界面で反射し光電変換素子に入射する。

以上のように本実施形態では、分離領域への入射光を光電変換素子に入射させることが可能となる。よって、分離領域の幅を小さくしない場合でも、大きな出力信号を得ることができるため、高歩留まりで高感度な放射線検出装置が実現可能となる。反射層を光電変換素子が分離された全ての領域に配置すれば、より大きな効果が得られる。

図６において、各光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ３に接続されており、読み出し装置から一定バイアスが印加される。ここでは、金属膜Ａ１１でゲート線を、金属膜Ａ１６で信号線を形成しており、光電変換素子の分離領域は、２次元方向にあるので、各ゲート線及び各信号線を光電変換素子間に配置して反射層としている。こうすることで、上記と同様の効果が得られる。

本実施形態においても、光電変換装置と蛍光体は接着層を介して組み合わせたが、沃化セシウム（ＣｓＩ）等の柱状結晶構造を有するアルカリハライド系の材料を、直接蒸着により形成しても構わない。

以上、本発明の第１〜第２の実施形態について説明したが、以下、本発明による放射線撮像システムへの応用例について説明する。

図７は、本発明の光電変換装置を用いた放射線撮像装置の放射線撮像システムへの応用例を示した図である。

Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、シンチレータ（蛍光体層）を上部に実装した放射線撮像装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータは発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理されコントロールルームに有る表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は、電話回線６０９０等の伝送処理手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなど表示手段となるディスプレイ６０８１に表示又は光ディスク等の記録手段に保存することができる。これにより、遠隔地の医師が診断することも可能である。また、記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

本発明は、医療用や非破壊検査用のＸ線等の放射線の検出装置に適用できる。また、可視光等の光を電気信号に変換する光電変換装置、特に大面積な光電変換領域を有する装置に適用できる。

本発明の第１の実施形態における放射線撮像装置を説明する概念図 第１の実施形態における放射線検出装置の１画素の断面図 第１の実施形態における放射線検出装置の他の例である１画素の断面図 第２の実施形態における放射線検出装置の１画素の断面図 第２の実施形態における放射線検出装置の他の例である１画素の断面図 第２の実施形態における放射線検出装置の更に他の例を示す平面図 本発明の放射線撮像装置の放射線撮像システムへの応用例を説明する概略図 従来の放射線検出装置の１画素の断面図

符号の説明

Ｐ１１〜Ｐ３３…光電変換素子
Ｔ１１〜Ｔ３３…ＴＦＴ
Ｖｇ１〜３…共通のゲート線
Ｓｉｇ１〜３…共通の信号線
Ｖｓ１〜３…共通バイアス線
Ａ１５…不純物半導体層（ｎ+膜）
Ｄ１１…不純物半導体層
Ａ１６…金属膜
Ａ１１…金属膜

Claims (9)

1. 絶縁基板上に、光を電気信号に変換する変換素子と、前記変換素子に接続されたスイッチ素子とから成る画素が２次元状に配列され、前記スイッチ素子上に前記変換素子を積層した光電変換装置において、前記変換素子を前記画素毎に分離する領域を有し、前記領域の下層に反射層が配置されていることを特徴とする光電変換装置。
2. 前記反射層が金属膜であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
3. 前記反射層が無機膜であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
4. 前記反射層が有機膜であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
5. 前記反射層は、前記スイッチ素子を構成する層の一つと共通する材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
6. 前記スイッチ素子は、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
7. 前記反射層が、前記薄膜トランジスタのソース・ドレイン電極層に接続された信号線、及びゲート電極層に接続されたゲート線であることを特徴とする請求項６に記載の光電変換装置。
8. 請求項１に記載の光電変換装置上に放射線を光電変換可能な波長領域の光に変換する波長変換体を備えていることを特徴とする放射線検出装置。
9. 請求項８に記載の放射線検出装置と、
   前記放射線検出装置からの信号を処理する信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
   前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
   前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
   前記放射線を発生させるための放射線源とを具備することを特徴とする放射線撮像システム。

Images