JP2697767B2 - 放射線撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ｘ線、γ線等の放射線を、１次元あるいは
２次元的に検出する放射線撮像装置に関する。 〔従来の技術〕 Ｘ線、γ線等の放射線を検出する装置として、放射線
のイオン化現象を利用したガス検出器（GM管、比例計数
管、イオンチェンバー、霧箱等）や蛍光発光現像を利用
した検出器（シンチレーション検出器）が知られてい
る。 半導体素子を放射線検出用のポイントセンサとして使
用する方法としては、蛍光作用によって生じた光をホト
セルで検出する法、あるいは、Liを活性剤としたSi、Ge
のPNダイオード構造に逆バイアス電圧を加え、空乏層内
の放射線による励起キャリヤを検出する方法がある。２
次元的に検出する技術としては、CsIを放射線の吸収体
および発光体として利用し、この発光を光電陰極により
光電子に変換し、加速、収束させて蛍光体を発光させる
Ｘ線イメージインテンシファイヤや、酸化鉛の放射線に
対する光導電性を利用した撮像管などを用いた技術があ
る。また、上述の蛍光板によって放射線像を光に変換
し、これを位置検出能力のあるCCDやMOS光検出素子、あ
るいは可視光像を読み取る撮像管で検出する方法も知ら
れている。 第７図を参照して、放射線（γ線、Ｘ線）を蛍光板に
よって光に変換し、放射線の線量率や位置を検出する従
来の放射線撮像装置を説明する。放射線は試料70に吸収
されて放射線透過率に応じた量で蛍光体71を輝かす。こ
のとき、直接この像を写真乾板72で撮像することもでき
る。ここでは、蛍光体71の像をレンズ73によって縮小し
た像を、フォーカス面の位置に固体撮像素子74あるいは
撮像管75をおいて２次元光像を２次元電気信号に変換
し、時系列信号として映像信号を得ている。なお、高解
像度を必要とするときには撮像管75を、必要としないと
きには固体撮像素子74を用いている。 第８図（Ａ）にMOSの画像構造の固体撮像素子の例、
同図（Ｂ）にその等価回路を示す。入射光（放射線）が
ホトダイオード部81で電気信号に変換され貯えられる。
ゲート部82に信号を加えることにより、この電気信号は
ゲート下のダイオード部82に移動し、これを信号線に電
荷を移動し、Φ_１、Φ_２、……によって順次にゲートを
駆動し次々に信号を読み出す。 〔発明が解決しようとする問題点〕 前述した装置のように、蛍光体によって放射線を光に
変換した後に検出する技術には、種々の問題がある。す
なわち、蛍光体には各種のものが考案され実用化されて
いるが、発光効率が低いことで感度の問題がある。ま
た、発光には時間的に立ち上がりと減衰に遅延を伴うの
で、これらの特性で時間的応答が遅くなる。また、位置
情報として発光現象をとらえても、発光には光拡散によ
る拡がりが生じる。さらに、光に変換された像を光学レ
ンズによって縮小して固体撮像素子に結像するため、固
体撮像素子の分解能との関係で、解像度の点で不十分な
点がある。 そのため、固体撮像素子に直接放射線を入射させる従
来例もある。ここで放射線像は、光学的レンズにより倍
率を替えるなどの変換ができないために、また、ある程
度の分解を得るためには、放射線像の検出には試料に対
応する充分な大きさをもつ固体撮像素子が必要になる。
これらの要請を充たすために、Si材料を用いて種々の実
用化実験が行われているが、通常のSiチップを用いた固
体撮像素子では受光面のサイズが小さく制限される。ま
た、Siでは放射線に対する信号変換効率が低いという問
題がある。そのため現時点では、大面積かつ高解像度か
つ高感度の素子は得られていない。 本発明の目的は、放射線像の検出に適した大面積で高
い感度をもち、かつ製造が容易である放射線撮像装置を
提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明に係る放射線撮像装置は、同一絶縁基板（７）
上に光電変換部と薄膜トランジスタ部を対にした放射線
撮像素子を１次元あるいは２次元に複数個配列させた放
射線撮像装置において、絶縁基板（７）上の複数の撮像
素子の第１の領域に一体に形成され、負の電圧が印加さ
れる負電極（５）と、高比抵抗となる重元素の多結晶化
合物半導体からなり、負電極（５）上の絶縁基板（７）
表面全体に形成された入射放射線を吸収して信号電荷を
発生する創成層（62）と、多結晶化合物半導体よりも軽
元素のアモルファスシリコンからなり、創成層（62）上
に積層されて形成され、創成層（62）と半導体異種接合
して信号電荷を蓄積するとともに、撮像素子内で前記第
１の領域に隣接する第２の領域まで延在して薄膜トラン
ジスタ部のチャンネル層を兼ねるアモルファスシリコン
層（63）と、それぞれの撮像素子の第１の領域から第２
の領域の一部までを覆ってアモルファスシリコン層（6
3）上に個別に形成され、薄膜トランジスタ部のソース
電極を兼ねる複数の正電極（４）と、複数の第２の領域
の露出されたアモルファスシリコン層（63）を覆って一
体に形成され、外部に形成された信号出力電極に接続さ
れているドレイン電極（12）と、複数の正電極（64）及
びドレイン電極（12）並びにアモルファスシリコン層
（63）の露出表面を覆って形成された絶縁膜（64）と、
絶縁膜（64）上のそれぞれの第２の領域に個別に形成さ
れた複数のゲート電極（９）と、を備えていることを特
徴とする。 〔作用〕 本発明によれば、光電変換部の創成層で放射線入射に
より生成された信号電荷は、これに半導体異種接合され
た蓄積層に蓄積され、薄膜トランジスタ部を介して読み
出される。ここで、光電変換部と薄膜トランジスタ部は
対（ペア）をなしており、これらの対が、絶縁基板上に
一次元または二次元に配列されることにより、放射線像
のイメージングが可能になっている。そして、本発明で
は特に、創成層を重元素の多結晶化合物半導体で構成
し、蓄積層及び薄膜トランジスタ部をアモルファスシリ
コンで構成しているので、放射線による信号電荷の発生
（いわゆる放射線の直接光電変換）を、創成層において
極めて好適になさしめる一方で、軽元素であるシリコン
からなるアモルファスシリコンで構成された薄膜トラン
ジスタ部ではＸ線を吸収することがほとんどなく、その
蓄積と読み出しを良好になし得る。つまり、画素（光電
変換部）ごとに重元素による高抵抗の創成層で信号電荷
を発生すると、この信号電荷は画素ごとに蓄積される
が、これらは軽元素であるシリコンからなる低抵抗のア
モルファスシリコンからなる薄膜トランジスタ部を画素
ごとにオン、オフさせることにより、Ｘ線妨害を受ける
ことなく共通の電極からシリアルに信号出力として得る
ことができる。 ここで、第６図に示されるように、創成層を構成する
多結晶化合物半導体の層および蓄積層を構成するアモル
ファスシリコンの層は、絶縁基板上の光電変換部の領域
およびこれに隣接する領域に形成され、複数の薄膜トラ
ンジスタ部のドレイン電極は隣接する領域のアモルファ
スシリコンの層上に一体に形成されて互いに共通されて
おり、光電変換部と薄膜トランジスタ部のソースとは対
ごとにアモルファスシリコンの層上に形成された電極に
より接続されている。このようにすれば、光電変換部を
構成する層と同一の層上に、光電変換部と薄膜トランジ
スタ部の各対を接続する電極パターンと、薄膜トランジ
スタ部からの信号出力用の電極パターンを実現できる。 〔実施例〕 以下、図面等を参照して、本発明をさらに詳しく説明
する。 第６図に示される本発明の実施例を説明する前に、そ
の理解を容易にするため、光電変換部と薄膜トランジス
タ部を対にして同一基板上に形成した放射線撮像装置の
基本構成を説明する。第１図はこの基本構成の放射線撮
像装置の断面図、第２図は同底面図、第３図は等価回路
である。 この装置は主として、放射線を検出して信号電荷とし
て蓄積するホトダイオード部（光電変換部）Ｉと、蓄積
された信号電荷を読み出すスイッチとしての薄膜トラン
ジスタ部IIから構成されている。このホトダイオード部
Ｉは、信号電荷の蓄積層としての水素化アモルファスシ
リコン（ａ−Si:H）層１と、放射線により信号電荷を生
じさせる創成層としてのカドミュームテルル（Cd⁴⁸T
e⁵²）層２から形成されている。この異種接合では、カ
ドミュームテルル層２が高純度高抵抗率の多結晶半導体
の層である。さらに、この接合に電界を加えるための電
極として、Ｎ形の水素化アモルファスシリコン層１側に
は、N⁺形の水素化アモルファスシリコン層３を介してモ
リブデン金属（Mo）の電極４が設けられており、カドミ
ュームテルル層２は窒化シリコン（Si₃N₄）膜６を介し
て、絶縁基板としてのガラス基板７上のモリブデン金属
（Mo）の電極５に接続されている。電極４に正、電極５
に負を印加すると、この異種接合において空乏層は、主
として高抵抗のカドミュームテルル層２側に拡がるが、
これはカドミュームテルル層２に比べてＮ形の水素化ア
モルファスシリコン層１が低比抵抗であることに起因し
ている。 この状態で放射線（例えばγ線、Ｘ線）が入射する
と、信号電荷の創成層すなわちカドミュームテルル層２
で電子、正孔対が生成し、異種接合によって形成されて
いるコンデンサを放電する。これにより、負電極すなわ
ちガラス板７上に配置された電極５は、放射線の入射量
に応じて電位が高くなっていく。これが信号電荷による
電圧変化である。この蓄積電荷は、薄膜トランジスタ部
IIのゲート電極９に正電圧を加えることにより、アモル
ファス窒化シリコン（SI₃N₄）膜10下のチャネルを通し
て信号電極12に伝達される。 第３図は、第１図に示される装置の等価回路である。
Ｎ形の水素化アモルファスシリコン層１とカドミューム
テルル層２で形成される複数のホトダイオード部Ｉは、
それぞれ画素を形成するように分離されて形成される。
なお、正電極４は共通電極として配置されている。負電
極５は画素毎に、、、……と置され、薄膜トラン
ジスタ部IIのゲート電極９の対応するゲート電極、
、、……と対向して配置されている。ホトダイオー
ド部Ｉと対（ペア）になっている薄膜トランジスタ部II
の信号電極12は、各々について共通に設けられている。
ゲート電極９のパルス電圧によって電極５と電極12間の
スイッチがオン−オフさせされると、ホトダイオード部
Ｉの蓄積電荷は薄膜トランジスタ部IIを介して信号電極
12に出力される。 第４図は、第１図に示される装置の製造工程を示す略
図である。以下、同図（Ｉ）、（II）、（III）に従
い、プロセスを説明する。 （Ｉ）まず硼珪酸ガラスからなるガラス板７上にモリブ
デン金属をスパッタ蒸着し、電極５、５・・・と信
号電極12を形成する。 （II）次に、高周波上スパッタまたは蒸着法により、ま
ずＰ形のカドミュークテルル層２を形成する。このと
き、薄膜トランジスタ部IIが形成される部分を金属マス
クで覆っておく。そして、Ｎ形水素化アモルファスシリ
コン層２およびN⁺形水素化アモルファスシリコン層３
を、モノシラン（SiH₄）ガスのグロー放電法により形成
する。そして、最後に正の電極４を形成する金属を蒸着
する。 （III）次に、上記工程により形成されたホトダイオー
ド部Ｉを覆っておき、上記グロー放電法により水素化ア
モルファスシリコン層11と、アモルファス窒化シリコン
層10を堆積させる。そして、ゲート電極９、９、９
・・・を形成するモリブデン金属を蒸着する。この
後、ホトエッチング技術により各画素を分離する。 第５図は、第１図に示される装置の特性を示すグラフ
である。横軸を毎分当たりの入射放射線量、縦軸を電極
12から取り出される信号電流値としてある。第１図に示
した装置のホトダイオードの電極４、５間に、ダイオー
ドに対するバイアス逆方向に10、20、30Vの各電圧を印
加したときの出力電極12からの出力電流を示したもので
ある。現在実用化されているシリコンを利用したものと
比較して、感度が５〜10倍向上している。 第６図は、本発明による放射線撮像装置の実施例を示
す断面図、第９図は、同平面図、第10図は、同等価回路
図である。第１図〜第３図に関連して説明した基本構成
の部分と共通する機能を持つ部分には、共通の数字を付
してある。ガラス板７の上にホトダイオード部Ｉの電極
５を形成し、その上に窒化シリコン層61を形成する。さ
らにＰ形のカドミュームテルル層62を形成し、その上に
Ｎ形の水素化アモルファスシリコン層63を形成する。そ
して、ホトダイオード部の電極４、４、…と薄膜ト
ランジスタ部IIの出力電極12を同時に形成する。その上
に窒化シリコン膜64を形成して、最後に薄膜トランジス
タ部IIのゲート電極９、９、…を形成する。 放射線検出器では放射線を検出するためには吸収係数
の大きなものが最も望ましい。実施例として示したカド
ミュームテルル層は原子量が大きいもの同士の化合物半
導体層であるから吸収係数も大きい。またカドミューム
テルルはIn添加によりＮ形、Sb添加によりＰ形にするこ
とができる。それと同時に、単結晶のCdTeでは大面積の
ものを得ることは不可能であり、必ず結晶欠陥が画像を
検出する場合に大きな障害となる。これに対し、多結晶
のCdTeで結晶粒径等良く制御されたものでは、画像検出
用として欠陥の無いものを得ることが出来、大面積のも
のも可能である。 現在実用になっているPbO半導体もCdTeに匹敵するＸ
線γ線の吸収体ではあるが、PbOは空気によって著しい
変化を受け炭酸塩、水素化物に変わり半導体としての性
質を損なう点で問題になる。前述したようにCd⁴⁸Se³⁴ま
たは、Zn³⁰Te⁵²層もカドミュームテルル層と同様に原子
量が大きいもの同士の化合物半導体層であり、信号生成
層（創成層）に適している。 〔発明の効果〕 以上詳しく説明したように、本発明による放射線撮像
装置は、信号電荷の蓄積層と放射線の吸収体である信号
の創成層が半導体異種接合で形成されている信号変換部
と、異種接合で得られた信号電荷を読み出す薄膜トラン
ジスタ部との対を絶縁基板上に１次元または２次元に配
列して構成されている。このため、大面積化が可能であ
り、高感度の放射線像のイメージングを行うことが可能
になる。 また本発明による放射線撮像装置は、カドミュームテ
ルルと水素化アモルファスシリコンのヘテロ接合に放射
線によって生じた信号電荷を、水素化アモルファスシリ
コンの薄膜トランジスタによりゲート信号制御で読み出
せる。したがって、信号処理が水素化アモルファスシリ
コンのゲート（スイッチ）を用いて駆動されるので、非
常に簡便で増幅器への導入が容易である。また、構造が
簡単であるので、微細加工技術も回数が少なくできるの
で精度良くできる。 本発明によれば、放射線の吸収体である信号の創成層
を、カドミュームテルル多結晶膜としての高周波スパッ
タ法または蒸着法により高抵抗状態で成膜できる。前述
した製造方法によれば、スパッタ装置の真空層の大きさ
まで均一な成膜ができ、通常の手法でも６インチはいう
におよばず、９インチ径のものまで容易に製作できる。
もちろん、この上に形成される信号電荷の蓄積層となる
水素化アモルファスシリコンは、スパッタ法またはグロ
ー放電法により高抵抗膜に形成できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、光電変換部と薄膜トランジスタを対にして同
一基板上に形成した放射線撮像装置の基本構成を示す断
面図である。第２図は、第１図に係る装置の底面図であ
る。第３図は、第１図に係る装置の等価回路を示す回路
図である。第４図は、第１図に係る装置の製造工程を示
す図である。第５図は、第１図に係る装置の特性を示す
グラフである。第６図は、本発明による放射線撮像装置
の実施例を示す断面図である。第７図は、従来の放射線
撮像装置を示す略図である。第８図は、従来の放射線撮
像装置に利用されるMOSの画素構造の固体撮像素子の断
面図（Ａ）とその等価回路図（Ｂ）である。第９図は、
第６図に係る装置の平面図である。第10図は、第６図に
係る装置の等価回路を示す回路図である。 １……Ｎ形の水素化アモルファスシリコン層、２……カ
ドミュームテルル層、３……Ｎ＋の水素化アモルファス
シリコン層、４……正電極、５……電極、６……窒化シ
リコン膜、７……ガラス板、９……ゲート電極、10……
窒化シリコン層、11……水素化アモルファスシリコン
層、12……信号電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−138968（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−87479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−211262（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−211263（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−227168（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．同一絶縁基板上に光電変換部と薄膜トランジスタ部
   を対にした放射線撮像素子を１次元あるいは２次元に複
   数個配列させた放射線撮像装置において、 前記絶縁基板上の複数の前記撮像素子の第１の領域に一
   体に形成され、負の電圧が印加される負電極と、 高比抵抗体となる重元素の多結晶化合物半導体からな
   り、負電極上の前記絶縁基板表面全体を覆って形成され
   た入射放射線を吸収して信号電荷を発生する創成層と、 前記多結晶化合物半導体よりも軽元素のアモルファスシ
   リコンからなり、前記創成層上に積層されて形成され、
   前記創成層と半導体異種接合して前記信号電荷を蓄積す
   るとともに、前記撮像素子内で前記第１の領域に隣接す
   る第２の領域まで延在して前記薄膜トランジスタ部のチ
   ャンネル層を兼ねるアモルファスシリコン層と、 それぞれの前記撮像素子の前記第１の領域から前記第２
   の領域の一部までを覆って前記アモルファスシリコン層
   上に個別に形成され、前記薄膜トランジスタ部のソース
   電極を兼ねる複数の正電極と、 複数の前記第２の領域の露出された前記アモルファスシ
   リコン層を覆って一体に形成され、外部に形成された信
   号出力電極に接続されているドレイン電極と、 前記複数の正電極及び前記ドレイン電極並びに前記アモ
   ルファスシリコン層の露出表面を覆って形成された絶縁
   膜と、 前記絶縁膜上のそれぞれの前記第２の領域に個別に形成
   された複数のゲート電極と、 を備えている放射線撮像装置。 ２．前記多結晶化合物半導体はカドミュームテルル（Cd
   ⁴⁸Te⁵²）またはカドミュームセレン（Cd⁴⁸Se³⁴）または
   亜鉛テルル（Zn³⁰Te⁵²）である特許請求の範囲第１項記
   載の放射線撮像装置。 ３．前記アモルファスシリコンはＮ形水素化アモルファ
   スシリコンである特許請求の範囲第１項記載の放射線撮
   像装置。