JP4366047B2

JP4366047B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4366047B2
Application number: JP2002187886A
Authority: JP
Inventors: 孝昌石井; 千織望月; 正和森下
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2003124450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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などに用いられる光検出装置および放射線検出装置などの撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線検出装置に適用される撮像装置の等価回路図の一例を図８に、その平面図を図９に示す。図８、図９において、Ｐ１１〜Ｐ４４は光電変換素子、Ｔ１１〜Ｔ４４はＴＦＴである。光電変換素子は共通のバイアス線Ｖｓ１〜４に接続されており、一定バイアスが印加されている。各ＴＦＴのゲート電極は共通のゲート線Ｖｇ１〜４に接続されている。各ゲート線はゲート駆動装置に接続され、ゲート駆動装置からの駆動パルスにより、ＴＦＴのＯＮ、ＯＦＦが制御される。また各ＴＦＴのソースまたはドレイン電極は共通の信号線Ｓｉｇ１〜４に接続されており、Ｓｉｇ１〜４は読み出し装置に接続されている。
【０００３】
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、蛍光体層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射し、光電変換素子で電荷が発生する。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動パルスによりＴＦＴを介して信号線に転送され、読み出し装置により読み出される。その後共通のバイアス線Ｖｓ１〜４により、光電変換素子で発生した電荷は除去される。
【０００４】
従来この種の代表的な放射線検出装置としては、ＭＩＳ型光電変換素子とスイッチＴＦＴとから構成されたＭＩＳ−ＴＦＴ構造の撮像装置に上述の蛍光体を接着した放射線検出装置がある。
【０００５】
図１０にその模式的断面図の一例を示す。１０は光電変換素子、２０はＴＦＴを示す。１１は光電変換素子の下電極、１２は絶縁層、１５は光電変換素子１０にバイアスを印加するためのバイアス線、１６は光電変換素子１０の光電変換層およびＴＦＴ２０の半導体層、１７は半導体層１６上に形成される配線と半導体層１６のオーミックコンタクトをとるための電極層、２１はＴＦＴ２０のゲート電極、２２はＴＦＴ２０のソース・ドレイン電極、３０は入射の放射線を可視光に変換するための蛍光体層、３１は蛍光体層３０を接着するための接着層、３２は実装用保護層、３６は耐湿保護層である。放射線は図１０の上部より入射し、蛍光体により可視光に変換され、ＭＩＳ型光電変換素子に入射し、電荷として変換され蓄積される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような放射線撮像装置において、放射線量を低減する目的等で高感度化の要求が高まる一方、入射した可視光が保護膜等により反射され、光学的な損失が発生していることが、高感度化を達成する上での大きな問題となっていた。特に、機能分離した保護膜を複数層設けた場合には上記問題が大きくなる可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は、蛍光体からの発光を効率良く光電変換素子に導入するために、光電変換素子上の保護膜等の構成を改良し、光電変換層より上層の膜による反射を低減し、高感度な撮像装置および放射線検出装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明の撮像装置は、光電変換層と、前記光電変換層上に配置された電極層と、前記電極層上に配置された複数の保護層と、前記保護層上に配置された波長変換体と、を有し、前記光電変換層の屈折率をｎａ、前記電極層の屈折率をｎｂとし、前記複数の保護層の屈折率を前記電極層側から順に、ｎｃ１、ｎｃ２・・・・ｎｃｉ、ｎｃｉ＋１（ｉ＝１、２、３・・・）とする場合、前記波長変換体が発光する５５０ｎｍの光に対し、ｎａ−ｎｂ≦１．５かつｎｂ−ｎｃ１≦１．５かつｎｃ１−ｎｃ２≦１．５かつ・・・・ｎｃｉ−ｎｃｉ＋１≦１．５の関係を有し、前記複数の保護層は、前記電極層側から、膜厚が２００ｎｍ以下で屈折率が２．１以上である第１の窒化シリコン、屈折率が２．１未満である第２の窒化シリコンを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、光電変換層と、前記光電変換層上に配置された電極層と、前記電極層上に配置された透明電極層と、前記透明電極層上に配置された第１の保護層と、前記第１の保護層上に配置された第２の保護層と、前記第２の保護層上に配置された波長変換体と、を有し、前記電極層は、１５から３０ｎｍの膜厚を有し、前記第１、第２の保護層の屈折率をｎｃ１、ｎｃ２とする場合、前記波長変換体が発光する５５０ｎｍの光に対し、ｎｃ１−ｎｃ２≦１．５の関係を有することを特徴とする。
【００１１】
詳細は発明の実施の形態で述べる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態の撮像装置の等価回路および平面図の一例として図８および図９を用いて説明する。
【００１３】
以下、撮像装置の基本構成の例として、図１０に示すように波長変換体としての蛍光体層が設けられ、光電変換層、電極層および保護層が基板側からこの順で積層されているものとし、この構成の積層膜における屈折率と入射光量との関係について説明する。光電変換層の屈折率ｎ_aをｎ_a＝４．４、電極層の屈折率ｎ_bをｎ_b＝３．８とし、保護層の屈折率ｎ_cを可変とする。また、光電変換層の吸収係数ｋ_aをｋ_a＝０．４０、電極層の吸収係数ｋ_bをｋ_b＝０．１５、保護層の吸収係数ｋ_cをｋ_c＝０．００とする。また、光電変換層の膜厚をｄ_a、電極層の膜厚をｄ_b＝６０ｎｍ、保護層の膜厚を一定とする。
【００１４】
この条件において、横軸を電極層の屈折率から保護層の屈折率を減じた差Δｎ＝ｎ_b−ｎ_cとし、縦軸を保護層への入射光量に対する光電変換層への入射光量とすると、図１の結果が得られる。ここで、実際の撮像装置においては、光電変換層の膜厚ばらつき等の原因でその出力は装置間、装置面内で±５％程度のばらつきをもつ。
【００１５】
すなわち、図１において入射光量の損失は、屈折率の差が０である場合に対して、１０％以内であることが望ましいため、電極層の屈折率から保護層の屈折率を減じた差Δｎは１．５以下であることが望ましい。また、図１では、光電変換層の屈折率から電極層の屈折率を減じた差は０．６であり、１．５以下である。
【００１６】
このように、上記の層構成を有する撮像装置において、光電変換層の屈折率をｎ_a、電極層の屈折率をｎ_b、保護層の屈折率をｎ_cとする場合、ｎ_a−ｎ_b≦１．５かつｎ_b−ｎ_c≦１．５の関係が成り立つと、光電変換層に入射する光の光量損失が少なく、１０％以内とすることができる。
【００１７】
保護層が複数形成される場合も同様に、光電変換層の屈折率をｎ_a、電極層の屈折率をｎ_bとし、保護層の屈折率を電極層に隣接する側から順に、ｎ_c1、ｎ_c2・・・・ｎ_ci、ｎ_ci+1（ｉ＝１、２、３・・・）とする場合、ｎ_a−ｎ_b≦１．５かつｎ_b−ｎ_c1≦１．５かつｎ_c1−ｎ_c2≦１．５・・・・・ｎ_ci−ｎ_ci+1≦１．５の関係が成り立つと、光電変換層に入射する光の光量損失が少なくてすむ。
【００１８】
〔実施形態１〕
以下、本発明の第１の実施形態を図面を用いて説明する。図２は、本実施形態の１画素の断面図を示し、１０は光電変換素子、２０はＴＦＴを示す。光電変換素子１０およびＴＦＴ２０においてアモルファスシリコンで形成される半導体層１６上にＰまたはＢがドープされたアモルファスシリコンである、オーミックコンタクトをとるための電極層１７（ここではｎ⁺層）が積層され、保護層としてＴＦＴ用表面安定化保護層３７と耐湿性用の保護層３６と実装用保護層３２とが、光電変換素子１０とＴＦＴ２０を覆うように電極層１７上にこの順で積層されている。本実施形態では、ＴＦＴ用表面安定化保護層３７にはＳｉＮ−２が使用されており、耐湿用の保護層３６にはＳｉＮ−１が、実装用保護層３２にはＰＩ（ポリイミド）が使用されている。つまり、機能分離された保護層が３層形成されていることになる。
【００１９】
上記のような層構成の画素が複数形成されている光センサに、Ｘ線等の放射線を可視光等の光に変換するための波長変換体として、例えば蛍光体層３０が接着層３１を介して接着されている。
【００２０】
このとき半導体層１６、ｎ⁺層１７の屈折率をそれぞれｎ_a、ｎ_bとし、耐湿性用の保護層の屈折率ｎ_cとし、吸収係数をそれぞれｋ_a、ｋ_b、ｋ_cとし、膜厚をそれぞれｄ_a、ｄ_b、ｄ_cとする。
【００２１】
ここで、蛍光体層３０として使用されるＧＯＳの発光ピーク付近である５５０ｎｍの波長の光に対する各膜の屈折率、吸収係数、膜厚が図３中の（１）、（２）、（３）のような関係にある場合、図４の結果が得られる。図４は、横軸が耐湿性用の保護層の膜厚を、縦軸が実装用保護層３２への入射光量に対する半導体層１６への入射光量を示しており、図３中の（１）、（２）、（３）の条件の比較結果である。
【００２２】
（１）は図１０に示す層構成であり、耐湿性用の保護層３６には屈折率が１．９のＳｉＮ−１を用いている。（２）は同様に図１０に示す層構成の放射線検出装置を用いた結果であるが、耐湿性用の保護層３６にはｎ⁺層１７との屈折率差が１．５以下になるような屈折率２．４のＳｉＮ−２を用いている。
【００２３】
また（３）は、図２に示す層構成の場合の結果であり、光電変換素子１０とＴＦＴ２０上にはＴＦＴ用表面安定化保護層３７としてＳｉＮ−２と耐湿性用保護層３６としてＳｉＮ−１が形成される構成になっている。
【００２４】
ここでは、どの条件においても屈折率がｎ_a＞ｎ_b＞ｎ_cの関係となっているが、（１）ではｎ⁺層１７と耐湿用保護層３６としてのＳｉＮ−１との屈折率差が１．９と大きいため、この界面での反射による入射光量の損失も大きい。
【００２５】
これに対して（２）では、ｎ⁺層１７と耐湿性用保護層３６としてのＳｉＮ−２の屈折率差が１．４となっており、この界面での反射は低減されているために、保護膜の膜厚によっては入射光量が８０％近くに達し大きくなるが、屈折率が２．４のＳｉＮ−２では吸収がおこるため、耐湿性用の保護層として機能する膜厚においては（１）より入射光量の損失が大きくなる場合がある。したがって、図４において膜厚が２００ｎｍ以内で、ある程度正確に膜厚分布を制御することが可能で、その膜厚で保護膜としての機能を十分満たしているような場合においては、入射光量を大きくすることができるため、このような構成も有効である。この構成で、更に屈折率が２．４程度で、波長変換体である蛍光体層によって変換された光に対して吸収の少ない、特に吸収係数が０の薄膜を用いて実施すれば、膜厚の変化による入射光量の変化も小さくすることができ、更に効果は大きくなる。
【００２６】
これに対して、（３）ではｎ⁺層１７と耐湿性用保護層３６としてのＳｉＮ−１との屈折率差を表面安定化保護層３７としてのＳｉＮ−２により小さく、実装用の保護層との差を更に小さくすることにより、ｎ_a−ｎ_b≦１．５かつｎ_b−ｎ_c1≦１．５かつｎ_c1−ｎ_c2≦１．５の関係が成り立つため入射光量の損失を低減できる。加えて、保護膜の膜厚分布に対する光入射量の変化率も小さく保つことが可能となる。
【００２７】
ここでは、実装用保護層３２のＰＩの屈折率をｎ_zとおいたが、ｎ_c3とおいてもｎ_c2−ｎ_c3≦１．５の関係が成り立っている。
【００２８】
具体的には、図４に示すように膜厚によって最小値と最大値の間で変化する入射光量の最小値が（１）の６５％から（３）の７３％へと８％増加した。また、屈折率差の大きい膜が隣接して積層されていると、（１）のように耐湿性用の保護層３６の膜厚ばらつきが入射光量に大きな影響を与える場合があり、特に（３）のように隣接する層の屈折率差を小さくすることにより、感度ばらつきを低減する効果もある。
【００２９】
〔実施形態２〕
以下、本発明の第２の実施形態を図面を用いて説明する。
【００３０】
図５は、本実施形態における１画素の断面図を示す。光電変換素子１０およびＴＦＴ２０において半導体層１６上にオーミックコンタクト層である電極層１７（ここではｎ⁺層）が積層され、保護層としてＴＦＴ用表面安定化保護層３７と平坦化膜３９と耐湿性用の保護層３６と実装用保護層３２とが電極層１７上にこの順で積層されている。
【００３１】
ＴＦＴ用表面安定化保護層３７にはＳｉＮ−２が、平坦化膜にはＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）が、耐湿用の保護層３６にはＳｉＮ−１がそれぞれ使用されており、実装用保護層３２にはＰＩ（ポリイミド）が使用されている。
【００３２】
上記のような層構成を有する画素が複数形成されている光センサに、Ｘ線等の放射線を可視光等の光に変換するための波長変換体、例えば蛍光体層３０が接着層３１を介して接着されている。
【００３３】
このとき半導体層１６、ｎ⁺層１７の屈折率をそれぞれｎ_a、ｎ_bとし、保護層の屈折率を電極側にある層の屈折率から順にｎ_c1、ｎ_c2・・・ｎ_ciとし、吸収係数をそれぞれｋ_a、ｋ_b、ｋ_c1、ｋ_c2・・・ｋ_ciとし、膜厚をそれぞれｄ_a、ｄ_b、ｄ_c1、ｄ_c2・・・ｄ_ciとする。
【００３４】
ここで、蛍光体層３０として使用されるＣｓＩの発光ピーク付近である５５０ｎｍの波長の光に対する各膜の屈折率、吸収係数、膜厚が図６中の（１）、（２）の条件の場合、図７の結果が得られる。図７では、横軸が耐湿性用の保護層の膜厚を、縦軸が実装用保護層への入射光量に対する半導体層への入射光量を示しており、図中の（１）、（２）の場合の結果である。
【００３５】
（１）はｎ⁺層１７の上に屈折率が１．６である平坦化膜３９が形成され、それを覆って屈折率が１．９の耐湿性用の保護層３６が形成される構成の場合の結果である。すなわち、これは図５において、ＴＦＴ用表面化安定化保護層３７がない構成のときに使用した場合の例である。
【００３６】
（２）は図５に示す構成のときの結果で、ｎ⁺層１７上にＴＦＴ用表面安定化保護層３７としての、屈折率２．４のＳｉＮ−２が形成され、それを覆って平坦化膜３９が形成され、さらにその上に耐湿性用の保護層３６としてのＳｉＮ−１が形成される構成の例である。
【００３７】
図７から明らかなように、（１）ではｎ⁺層１７と平坦化膜３９のＢＣＢとの屈折率差が２．２と大きいため、この界面での反射による入射光量の損失も非常に大きい。
【００３８】
これに対して（２）では、ＴＦＴ用表面安定化保護層３７としてＳｉＮ−２が形成されることで、平坦化層３９としてのＢＣＢとＳｉＮ−２との屈折率の差が０．８、ｎ⁺層１７とＳｉＮ−２との屈折率の差が１．４となり、各々の界面での反射が低減できている。
【００３９】
つまり、ｎ_a−ｎ_b≦１．５かつｎ_b−ｎ_c1≦１．５かつｎ_c1−ｎ_c2≦１．５かつｎ_c2−ｎ_c3≦１．５の関係が成り立つため入射光量の損失を低減できる。
【００４０】
ここでは、実装用保護層３２のＰＩの屈折率をｎ_zとおいたが、ｎ_c4とおいてもｎ_c3−ｎ_c4≦１．５の関係が成り立っている。
【００４１】
具体的には、膜厚によって最小値と最大値の間で変化する入射光量の最小値が（１）の６１％から（２）の７５％へと１４％増加した。また、屈折率差の大きい膜が隣接していると、（１）のように耐湿性用の保護層の膜厚ばらつきが入射光量に大きな影響を与える場合があるため、感度ばらつきを低減する効果もある。
【００４２】
〔実施形態３〕
以下、本発明の第３の実施形態を図面を用いて説明する。
【００４３】
図１１は、本実施形態における１画素の断面図を示す。光電変換素子１０およびＴＦＴ２０において半導体層１６上にオーミックコンタクト層である電極層１７（ここではｎ⁺層）が積層され、その上に透明導電層、本実施形態においてはＩＴＯ４０が形成されている点が他の実施形態と異なる。このように、バイアス配線上に更にＩＴＯ４０を設けることによって、ｎ⁺層の膜厚を小さくすることが可能となり、これによって入射光量を更に向上させることが可能となる。このＩＴＯ４０は、センサ素子上に存在するものであって、ＴＦＴのソース・ドレイン電極上はあってもなくてもどちらでもよい。
【００４４】
上記のような層構成を有する画素が複数形成されている光センサに、Ｘ線等の放射線を可視光等の光に変換するための波長変換体、例えば蛍光体層３０が接着層３１を介して接着されている。
【００４５】
このとき半導体層１６、ｎ⁺層１７の屈折率をそれぞれｎ_a、ｎ_bとし、ＩＴＯ４０の屈折率はｎ_c1=１.９、吸収係数はｋ_c1＝０．００とする。
【００４６】
ここで、蛍光体層３０として使用されるＣｓＩの発光ピーク付近である５５０ｎｍの波長の光に対する各膜の屈折率、吸収係数、膜厚が図１２の条件の場合、図１３の結果が得られる。図１３では、横軸が耐湿性用の保護層の膜厚を、縦軸が実装用保護層への入射光量に対する半導体層への入射光量を示している。
【００４７】
本実施形態においては、保護膜と電極層（ｎ⁺層）との間にＩＴＯ４０などからなる透明電極層を形成することによって、吸収係数を有する電極層（ｎ⁺層）を薄くしてセンサ素子への入射光量を高めることができ、入射光量の膜厚依存をおおむね１０％以内とすることができた。特にそのときの電極層であるｎ⁺層の膜厚は１５ｎｍ〜３０ｎｍが好ましい。この膜厚よりも薄くなるとオーミックコンタクトをとるのが難しくなり、逆に厚くなると入射光量が減少するためである。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光電変換層側に形成される層の屈折率から隣接する入射側の層の屈折率を引いた値がおおむね１．５以下になるような層構成にすることにより、光電変換層より入射側に形成される層による入射光量の損失を低減することができる。
【００４９】
また本発明によれば、ｎ⁺層からなる電極層と保護層との間に透明電極層を形成することによって、電極層の膜厚を薄くすることが可能となり、これによって入射光量自体を増大させ、保護層の膜厚ばらつきによる入射光量のばらつきを１０％以内とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するためのグラフである。
【図２】本発明の第１の実施形態の１画素における断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における屈折率、吸収係数および膜厚の条件および従来例における屈折率、吸収係数および膜厚の条件を示す表である。
【図４】図３における条件（１）から（３）の下での耐湿性保護層３６の膜厚の変化に対する実装用保護層３２の入射光量と半導体層１６への入射光量の比率の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態の１画素における断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の比較で適用される屈折率、吸収係数および膜厚の条件を示す表である。
【図７】図６における条件（１）および（２）の耐湿性保護層３６の膜厚の変化に対する実装用保護層３２の入射光量と半導体層１６への入射光量の比率の変化を示すグラフである。
【図８】撮像装置の等価回路を示す図である。
【図９】撮像装置の平面図である。
【図１０】撮像装置の１画素における断面図を示す一例である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の撮像装置の１画素の断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態における屈折率、吸収係数および膜厚の条件および従来例における屈折率、吸収係数および膜厚の条件を示す図である。
【図１３】図１２における条件の下での耐湿性保護層３６の膜厚の変化に対する実装用保護層３２の入射光量と半導体層１６への入射光量の比率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０光電変換素子
１６半導体層
１７電極層
２０ＴＦＴ
３２実装用保護層
３６保護層
３７ＴＦＴ用表面安定化保護層

Claims

光電変換層と、前記光電変換層上に配置された電極層と、前記電極層上に配置された複数の保護層と、前記保護層上に配置された波長変換体と、を有し、
前記光電変換層の屈折率をｎａ、前記電極層の屈折率をｎｂとし、前記複数の保護層の屈折率を前記電極層側から順に、ｎｃ１、ｎｃ２・・・・ｎｃｉ、ｎｃｉ＋１（ｉ＝１、２、３・・・）とする場合、前記波長変換体が発光する５５０ｎｍの光に対し、ｎａ−ｎｂ≦１．５かつｎｂ−ｎｃ１≦１．５かつｎｃ１−ｎｃ２≦１．５かつ・・・・・ｎｃｉ−ｎｃｉ＋１≦１．５の関係を有し、
前記複数の保護層は、前記電極層側から、膜厚が２００ｎｍ以下で屈折率が２．１以上である第１の窒化シリコン、屈折率が２．１未満である第２の窒化シリコンを有することを特徴とする撮像装置。
前記光電変換層は絶縁基板上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記光電変換層はアモルファスシリコンを材料としていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記電極層はＰまたはＢがドープされたアモルファスシリコンを材料としていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記保護層は、前記波長変換体により変換された光に対する吸収係数が０であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
光電変換層と、前記光電変換層上に配置された電極層と、前記電極層上に配置された透明電極層と、前記透明電極層上に配置された第１の保護層と、前記第１の保護層上に配置された第２の保護層と、前記第２の保護層上に配置された波長変換体と、を有し、
前記電極層は、１５から３０ｎｍの膜厚を有し、前記第１、第２の保護層の屈折率をｎｃ１、ｎｃ２とする場合、前記波長変換体が発光する５５０ｎｍの光に対し、ｎｃ１−ｎｃ２≦１．５の関係を有することを特徴とする撮像装置。
前記光電変換層は絶縁基板上に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
前記光電変換層はアモルファスシリコンを材料としていることを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像装置。
前記電極層はＰまたはＢがドープされたアモルファスシリコンを材料としていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第１の保護層は窒化シリコンからなることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記第２の保護層はポリイミドからなることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置。