阅读说明：本技术 放射线检测器 (Radiation detector ) 是由 盐田昌弘 田口滋也 进藤刚宏 饭塚邦彦 芦田伸之 于 2019-06-18 设计创作，主要内容包括：实现一种高灵敏度的放射线检测器。放大器晶体管(3)被构成为光电二极管(1)在放大器晶体管(3)被预先导通的状态下接收光。(A radiation detector with high sensitivity is realized. The amplifier transistor (3) is configured such that the photodiode (1) receives light in a state where the amplifier transistor (3) is turned on in advance.)

放射线检测器

技术领域

本发明涉及一种放射线检测器。

背景技术

近年来，作为检测X射线等的放射线的放射线检测器，正进行使用了摄像元件等的固体设备的开发，来代替使用传统的增感纸-X射线膜。尤其是，使用了TFT(Thin FilmTransistor：薄膜晶体管)面板的放射线检测器(放射线摄像器)与使用了CCD(ChargeCoupled Device：电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal-Oxide SemiconductorDevice：互补型金属氧化物半导体)等的摄像元件的放射线检测器相比较，具有不需要透镜以及适合于大画面的摄像的优点，因此正积极地开发。

专利文献1公开了一种放射线检测器，其使用APS(有源·像素·传感器)方式的放射线检测器提高了信噪比。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-010202号公报(2017年1月19日公开)

发明内容

本发明所要解决的技术问题

在APS方法中，所产生的电荷被TFT放大以进行放射线量的检测，因此与PPS(无源·像素·传感器)方式的放射线检测器相比，可以检测到更少量的电荷。

专利文献1中公开了如何读出由TFT放大的检测电流，但还没有充分研究TFT的应该使用电流特性的哪一部分来进行TFT的放大。因此，在专利文献1中公开的技术中，产生难以以足够高的灵敏度构成放射线检测器的问题。

本发明的一个方式的目的在于实现高灵敏度的放射线检测器。

解决问题的方案

(1)本发明的一个实施方式的放射线检测器，包括：受光元件，其接收从放射线获得的光，并将所述光转换为电信号；以及放大器晶体管，其对所述电信号进行放大，所述放大器晶体管被构成为所述受光元件在所述放大器晶体管被预先导通的状态下接收所述光。

(2)另外，本发明的某个实施方式的放射线检测器，在上述(1)的构成的基础上，所述受光元件是光电二极管。

(3)另外，本发明的某个实施方式的放射线检测器，在上述(1)或(2)的构成的基础上，所述放大器晶体管具有沟道层，所述沟道层包含具有不是非晶态的晶体结构的氧化物半导体。

(4)另外，本发明的某个实施方式的放射线检测器，在上述(1)至(3)中任一个构成的基础上，所述放大器晶体管具有沟道层，所述沟道层的构成元素至少包含铟及锌。

(5)另外，本发明的某个实施方式的放射线检测器，在上述(1)至(4)中任一个构成的基础上，所述受光元件配置在所述放大器晶体管之上。

发明效果

根据本发明的一个方式，能够实现高灵敏度的放射线检测器。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第一工序。

图2是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第二工序。

图3是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第三工序。

图4是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第四工序。

图5是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第五工序。

图6是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第六工序。

图7是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第四工序的变形例。

图8是图1所示的放射线检测器中的光电二极管与放大器晶体管的栅极之间的连接关系的示意图。

图9是表示比较例涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第一工序。

图10是表示比较例涉及的放射线检测器的构成的电路图，并且示出操作机制中的第二工序。

图11是图9所示的放射线检测器中的光电二极管与放大器晶体管的栅极之间的连接关系的示意图。

图12是对多个图1所示的放射线检测器的每个放大器晶体管的特性偏差进行说明的曲线图。

图13是说明图12的比较例的曲线图。

图14是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器的剖面结构的图。

具体实施方式

〔实施方式一〕

图1至图6均是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器100的构成的电路图，并且分别示出操作机制中的第一工序至第六工序。图7是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器100的构成的电路图，并且示出操作机制中的第四工序的变形例。图1至图7一并示出表示在放大器晶体管3中流动的电流Id(纵轴：单位A)相对于放大器晶体管3中的栅极电压Vg(横轴：单位V)的特性的曲线图。以下，将该第四工序的变形例称为第四’工序。

放射线检测器100是包括由光电二极管1、读取晶体管2、放大器晶体管3以及复位晶体管4的APS。图1至图7在放射线检测器100的基础上还示出测量电路111。

图8是图1所示的放射线检测器100中的光电二极管1与放大器晶体管3的栅极之间的连接关系的示意图。

光电二极管1利用接受到的光产生电荷。读取晶体管2是进行放大器晶体管3和测量电路111的连接的开关。放大器晶体管3流过与光电二极管1产生的电荷成比例的电流Id。复位晶体管4用于对光电二极管1产生的电荷进行复位。

换言之，如下所述。光电二极管1例如是接收来自未图示的闪烁器的光(从放射线获得的光)，将该光转换为电信号的受光元件。放大器晶体管3对该电信号进行放大。读取晶体管2是与放大器晶体管3和测量电路111之间连接的开关，对将由放大器晶体管3放大后的电信号向测量电路111供给的时机进行控制。

另外，测量电路111基于由放大器晶体管3放大后的电信号的电平，求出光电二极管1接收到的光的发光量。由此，可以以与放射线检测器100对应的未图示的像素单位来检测放射线量。测量电路111例如是向一个输入端供给由放大器晶体管3放大后的电信号，向另一个输入端供给成为基准的电压的比较器。但是，测量电路111的结构并不限定于此。

光电二极管1的阴极连接到放大器晶体管3和复位晶体管4的节点。如图8所示，光电二极管1为如下构成，作为n型半导体层的n层6和作为p型半导体层的p层7经由不含杂质的i层5而连接。当被施加具有p层7侧比n层6低的电位的偏置电压并且光电二极管1接收光时，若光入射到p层7上，则分别地，霍尔(空穴)集中在p层7侧，电子集中在n层6侧。在放射线检测器100中，n层6连接到放大器晶体管3的栅极。由此，在放射线检测器100中，通过光电二极管1的光接收产生的电子而电压Vg降低，并且可以使对应于该电压Vg的降低的电流Id流动。

在放射线检测器100中，放大器晶体管3被构成为使得光电二极管1在放大器晶体管3被预先导通的状态下接收光。以下，参照图1至图6说明与该构成相关的放射线检测器100的操作机制。

首先，在第一工序中，通过导通复位晶体管4，电压Vg被设置为经由处于导通状态的复位晶体管4且由外部提供的电压Vreset(参照点8)。在本实施方式中，电压Vreset设为3V。并且，此时由于读取晶体管2不导通，因此电流Id不流动。

接着，在第二工序中，复位晶体管4变为不导通，由此放射线检测器100的复位结束。由于在该复位后立即进行第二工序，因此电压Vg仍为电压Vreset。另外，在第二工序中，读取晶体管2导通，由此电流Id流动。然后，来自放大器晶体管3的电荷(与电流Id×读取晶体管2的导通状态的持续时间成比例)被提供给测量电路111。

接着，在第三工序中，将读取晶体管2设置为不导通，并且结束将来自放大器晶体管3的电荷提供给测量电路111。在第三工序中，电流Id不流动。

接着，在第四工序中，通过光电二极管1接收光，电荷在光电二极管1中的放大器晶体管3侧存储，此处，在光电二极管1的阴极侧存储，电压Vg下降(参照点9)。此处，将伴随第四工序的电压Vg相对于电压Vreset的减少量作为电压ΔVg。另外，由于读取晶体管2不导通，因此电流Id不流动。

接着，在第五工序中，光电二极管1的光接收结束，但此时，电压Vg为(电压Vreset-电压ΔVg)。换言之，第五工序中的电压Vg与第四工序中的电压Vg相同。

接着，在第六工序中，读取晶体管2导通，由此电流Id流动。并且，与第二工序同样地，来自放大器晶体管3的电荷被提供给测量电路111。此时，随着在第四工序中电压Vg降低，电流Id也降低。每次检测到放射线量时，放射线检测器100重复执行第一工序至第六工序。

来自第二工序中的放大器晶体管3的电荷量与来自第六工序中的放大器晶体管3的电荷量之间的差分与光电二极管1接收到的光的发光量相关。如此，通过将光电二极管1产生的电荷提供给放大器晶体管3的栅极，可以取出比光电二极管1产生的电荷更放大的差分电荷。即，可以将放大器晶体管3用作电信号的放大器。

在第四’工序中，光电二极管1接收光。在第四’工序中光电二极管1接收的光的发光量远远大于在第四工序中光电二极管1接收的光的发光量。通过光电二极管1接收光，电荷储存在光电二极管1的阴极侧，并且电压Vg下降(参照点10)。此处，将伴随第四’工序的电压Vg相对于电压Vreset的减少量作为电压ΔVg'。电压ΔVg'大于电压ΔVg。另外，由于读取晶体管2不导通，因此电流Id不流动。

从第一工序的开始时间点开始，电压Vg被设置为电压Vreset，并且施加有电压Vreset的放大器晶体管3的栅极处于导通状态。由此，可以看出，放大器晶体管3被构成为使得光电二极管1在放大器晶体管3被预先被导通的状态下接收光。

根据放射线检测器100，当伴随光电二极管1的光接收的电压Vg的变化很小时，容易使电流Id产生大的变化。这是因为，电压Vg越大，对应于电压Vg的变化量的电流Id的变化量变大，并且，容易将电压Vreset设定得大，所述电压Vreset用于确定光电二极管1的光接收之前的电压Vg。因此，根据上述构成，可以实现高灵敏度的放射线检测器100。

图9和图10均是表示比较例涉及的放射线检测器100a的构成的电路图，并且分别示出操作机制中的第一工序和第二工序。图9和图10分别还示出表示与图1等所示的曲线图对应的特性的曲线图。图11是图9所示的放射线检测器100a中的光电二极管1与放大器晶体管3的栅极之间的连接关系的示意图。

放射线检测器100a和放射线检测器100之间的不同点如下。即，在放射线检测器100a中，光电二极管1的阳极连接到放大器晶体管3和复位晶体管4的节点上。在放射线检测器100a中，p层7连接到放大器晶体管3的栅极(参照图11)。由此，在放射线检测器100a中，通过光电二极管1的光接收产生的霍尔而电压Vg上升，并且可以使对应于该电压Vg的上升的电流Id流动。

在放射线检测器100a中，放大器晶体管3被构成为使得光电二极管1在放大器晶体管3被预先设为不导通的状态下接收光。

首先，在第一工序中，通过导通复位晶体管4，电压Vg为大致0V(参照点11)。接着，在第二工序中，通过光电二极管1接收光，电荷在光电二极管1中的放大器晶体管3侧存储，此处，在光电二极管1的阳极侧存储，且电压Vg上升(参照点12)。此处，相对于上述大致0V时的电压Vg的上升量和电流Id的上升量分别被设置为电压ΔVg和电流ΔId。之后，当电流Id流动时，在第二工序中随着电压Vg上升，电流Id也上升。

根据放射线检测器100a，当伴随光电二极管1的光接收的电压Vg的变化很小时，电流Id的变化小。因此，与放射线检测器100相比，难以提高放射线检测器100a的灵敏度。

图12是对多个图1所示的放射线检测器100的每个放大器晶体管3的特性偏差进行说明的曲线图。

图12中所示的曲线图的横轴和纵轴的定义分别与图1中所示的曲线图的横轴和纵轴的定义相同。

当光电二极管1接收的光的发光量大时，电压ΔVg变大。这可以说与由光电二极管1的光接收所产生的电信号的电平的变大的意义相同。

放射线检测器100中，对流入测量电路111的电荷量进行计数。该电荷量由下式给出。另外，电流Id流入测量电路111的时间等于读取晶体管2的导通状态的持续时间。

充电量＝电流Id×电流Id流入测量电路111的时间

此处，将考虑多个放射线检测器100。关于电压Vreset，每个放射线检测器100几乎没有产生偏差。另一方面，电流Id相对于电压Vg的特性可能针对每个放射线检测器100(换言之，针对每个放大器晶体管3)产生相对大的偏差。该偏差由图12中的曲线13至曲线15示出。即，当电压Vreset被施加到多个放大器晶体管3的每一个时，产生根据该特性的偏差的电流Id的偏差(参照点16至点18)。

以下，还考虑通过积分器构成测量电路111的情况。在这种情况下，测量电路111不能对超过一定量的电荷进行计数。因此，需要确定电流Id以及电流Id流入测量电路111的时间，使得被提供给测量电路111的电荷不超过一定量。尽管电流Id流入测量电路111的时间是可控制的，但是使每个放射线检测器100不同是不现实的。因此，需要确定电流Id流入测量电路111的时间，使得与多个放射线检测器100对应的多个测量电路111的一个也不饱和。

即，优选根据相对于特定电压Vg电流Id为最大的特性，即图12中的曲线15，来确定电流Id流入测量电路111的时间。具体地，优选该时间是可以避免从具有曲线15的特性的放大器晶体管3提供电荷的测量电路111的饱和的时间的最大值。另外，不仅电流Id，对于电压Vreset也是同样地，优选相对于特定的该时间，为可以避免从具有曲线15的特性的放大器晶体管3提供电荷的测量电路111的饱和的最大值。由此，可以实现可靠地避免测量电路111的饱和，并且具有最高灵敏度的放射线检测器100。

另一方面，关于多个放射线检测器100中的每一个，如下所述。通过光电二极管1的光接收产生电荷，并且电压Vg降低电压ΔVg的量。在光接收之后，由测量电路111测量基于已降低的电流Id的电荷量，并且根据该光接收之前和之后的电荷量之间的差分可知电压ΔVg，并且如果电压ΔVg是已知的，则可知发光量。由此可以监测上述每个像素的放射线量。

此外，在放射线检测器100a中，光电二极管1接收的光的发光量越大，电流Id理想地无限增加。因此，在光电二极管1接收的光的发光量非常大的情况下，无论电流Id流入测量电路111的时间、电压Vreset的具体值是多少，都难以可靠地避免测量电路111的饱和(参照图13)。图13中所示的曲线图的横轴和纵轴的定义分别与图1中所示的曲线图的横轴和纵轴的定义相同。

图14是表示本发明的实施方式一涉及的放射线检测器100的剖面结构的图。放射线检测器100具有：玻璃基板51、栅极电极52、沟道层53、漏极电极54、源极电极55、绝缘膜56～60、光电二极管下部电极层61、光电二极管主体层62、光电二极管上部电极层63、上部配线电极64以及光电二极管下部电极层的基底65。光电二极管下部电极层61、光电二极管主体层62、光电二极管上部电极层63、上部配线电极64以及光电二极管下部电极层的基底65与光电二极管1对应。栅极电极52、沟道层53、漏极电极54以及源极电极55与放大器晶体管3对应。

栅极电极52通过配线与光电二极管下部电极层的基底65连接，光电二极管下部电极层的基底65与光电二极管下部电极层61连接。另外，光电二极管1配置在放大器晶体管3之上，由此，光电二极管下部电极层61配置在放大器晶体管3之上。由此，可以使光电二极管下部电极层61作为放大器晶体管3的背栅发挥功能。其结果，放大器晶体管3的阈值电压稳定化，因此可以抑制放射线量的检测偏差。

〔实施方式二〕

沟道层53优选包含具有不是非晶态的晶体结构的氧化物半导体。由此，由于可以更加减小放大器晶体管3的阈值电压的变动，因此可以更加抑制放射线量的检测偏差。例如，可以想到采用其中在沟道膜生长方向上沿C轴(垂直于膜表面的方向)强烈取向的晶体结构作为沟道层53，而不是非晶态结构。

另外，沟道层53的构成元素，优选至少包含In(铟)及Zn(锌)。由此，可以使放大器晶体管3较小地形成。由此，即使高密度地制作光电二极管1，也可以确保受光面积，因此可以开发能够由微小的放射线获取高分辨率的图像的装置。例如，可以想到通过使用In-Ga(镓)-Zn氧化物半导体的晶体管来构成放大器晶体管3。

〔总结〕

本发明的方面1涉及的放射线检测器，包括：受光元件，其接收从放射线获得的光，将该光转换为电信号；以及放大器晶体管，其对所述电信号进行放大，所述放大器晶体管被构成为所述受光元件在所述放大器晶体管被预先导通的状态下接收所述光。

根据上述构成，当伴随受光元件的光接收的放大器晶体管的栅极电压的变化很小时，容易使在放大器晶体管流动的电流产生大的变化。因此，根据上述构成，可以实现高灵敏度的放射线检测器。

本发明的方面2涉及的放射线检测器，在上述方面1中，优选所述受光元件是光电二极管。

本发明的方面3涉及的放射线检测器，在上述方面1或2中，所述放大器晶体管具有沟道层，所述沟道层包含具有不是非晶态的晶体结构的氧化物半导体。

根据上述构成，由于可以更加减小放大器晶体管的阈值电压的变动，因此可以更加抑制放射线量的检测偏差。

本发明的方面4涉及的放射线检测器，在上述方面1至3的任一个中，所述放大器晶体管具有沟道层，所述沟道层的构成元素至少包含铟及锌。

根据上述构成，放大器晶体管可以形成得小。由此，即使高密度地制作受光元件，也可以确保受光面积，因此可以开发能够由微小的放射线获取高分辨率的图像的装置。

本发明的方面5涉及的放射线检测器，在上述方面1至4的任一个中，所述受光元件配置在所述放大器晶体管之上。

根据上述构成，具有与放大器晶体管的栅极相同的电位的受光元件的电极可以作为放大器晶体管的背栅发挥功能。其结果，放大器晶体管的阈值电压稳定化，因此可以抑制放射线量的检测偏差。

本发明不限于上述各实施方式，能在权利要求所示的范围中进行各种变更，将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含于本发明的技术范围。而且，能够通过组合各实施方式分别公开的技术方法来形成新的技术特征。

附图标记说明

1 光电二极管(受光元件)

2 读取晶体管

3 放大器晶体管

4 复位晶体管

5 i层

6 n层

7 p层

51 玻璃基板

52 栅极电极

53 沟道层

54 漏极电极

55 源极电极

56～60 绝缘膜

61 光电二极管下部电极层

62 光电二极管主体层

63 光电二极管上部电极层

64 上部配线电极

65 光电二极管下部电极层的基底

100 放射线检测器

111 测量电路