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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024139290
(43)【公開日】2024-10-09
(54)【発明の名称】放射線検出器
(51)【国際特許分類】
   G01T 1/20 20060101AFI20241002BHJP
   H01L 29/786 20060101ALI20241002BHJP
【FI】
G01T1/20 E
G01T1/20 G
H01L29/78 618B
H01L29/78 613Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023050165
(22)【出願日】2023-03-27
(71)【出願人】
【識別番号】503382542
【氏名又は名称】キヤノン電子管デバイス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高橋 佑太
【テーマコード(参考)】
2G188
5F110
【Fターム(参考)】
2G188AA03
2G188BB02
2G188BB04
2G188CC15
2G188CC22
2G188DD05
2G188DD09
5F110AA14
5F110BB09
5F110CC07
5F110EE01
5F110FF01
5F110GG01
5F110GG06
5F110HK01
(57)【要約】
【課題】製品寿命が長い放射線検出器を提供する。
【解決手段】シンチレータと、アレイ基板と、薄膜光学フィルタとを備える放射線検出器であって、シンチレータは受けた入射放射線を蛍光に変換するものであり、アレイ基板の上に設けられており、アレイ基板は蛍光を電気信号に変換するものであり、基板上に設けられた光電変換部と、薄膜トランジスタとを備えており、薄膜トランジスタは、光電変換部と電気的に接続されたソース電極と、データラインと電気的に接続されたドレイン電極と、制御ラインと電気的に接続されたゲート電極と、ソース電極とドレイン電極とに接続されたチャンネルと、ゲート電極とチャンネル間に設けられたゲート絶縁膜とを備えており、
薄膜光学フィルタは、シンチレータとアレイ基板との間に設けてあり、少なくとも薄膜トランジスタの領域上に位置しており、シンチレータの呈する蛍光のピーク波長よりも小さい波長をカットオフする。
【選択図】 図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シンチレータと、アレイ基板と、薄膜光学フィルタとを備え、
前記シンチレータは、受けた入射放射線を蛍光に変換するものであり、前記アレイ基板の上に設けられており、
前記アレイ基板は、蛍光を電気信号に変換するものであり、基板上に設けられた光電変換部と、薄膜トランジスタとを備え、
前記薄膜トランジスタは、前記光電変換部と電気的に接続されたソース電極と、データラインと電気的に接続されたドレイン電極と、制御ラインと電気的に接続されたゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極とに接続されたチャンネルと、前記ゲート電極と前記チャンネル間に設けられたゲート絶縁膜とを備え、
前記薄膜光学フィルタは、前記シンチレータと前記アレイ基板との間に設けてあり、少なくとも前記薄膜トランジスタの領域上に位置しており、前記シンチレータの呈する蛍光のピーク波長よりも小さい波長をカットオフする放射線検出器。
【請求項2】
前記薄膜トランジスタを構成するチャンネルは、材料としてIn, Znの内少なくとも1つを含み、且つGa、Sn、W、Hf、Ti、Cu、Zrの内、少なくとも1つを含むような金属酸化物半導体で形成されることを特徴とする請求項1に記載の放射線検出器。
【請求項3】
前記薄膜光学フィルタは、前記シンチレータの呈する蛍光の内540nmよりも小さい波長をカットオフする請求項1に記載の放射線検出器。
【請求項4】
前記薄膜光学フィルタは、前記シンチレータの呈する蛍光の内450nm~500nmより小さい波長をカットオフする請求項3に記載の放射線検出器。
【請求項5】
前記薄膜光学フィルタは、屈折率の異なる誘電体層を複数層備える請求項1に記載の放射線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、放射線検出器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、放射線画像検出器では、画素のスイッチング素子としてチャンネルにa-Si(amorphous silicon)を材料とした薄膜トランジスタ(TFT;Thin-Film-Transistor)が用いられているが、a-Siは蛍光体からの光を吸収、キャリア電荷を生成してしまうことで、ゲート電極にOFF電圧が印加されているにも関わらずリーク電流(光リーク電流と呼ぶ)が流れてしまいSNR(Signal to Noise Ratio)画像特性が悪化するという問題がある。
近年、上記の光リーク電流の問題の他、移動度が低い、On/Off比が低い等のa-Si TFTが持つ課題を解決すべく、ディスプレイで既に広く用いられている酸化物半導体をチャンネルとした酸化物半導体TFTで代替とする製品が開発されている。
【0003】
TFTの信頼性に関わる現象としてVthのネガティブシフトが挙げられる。
これは、放射線検出器またはディスプレイの動作時にTFTへゲート電極OFF電圧の印加及びシンチレータまたはバックライトからの光の入射という2つの負荷が同時にかかるが、この負荷をNBIS(Negative Bias Illumination Stress)とよび、酸化物半導体TFTの閾値電圧Vthの負方向へのシフト(ネガティブシフト)を引き起こすとされている。シフトが進行していくと、やがてTFTはスイッチング素子としての機能を果たさなくなり、電流が常に流れるようになってしまうため製品として使用不可能となることから、Vthのネガティブシフトの抑制はTFTの信頼性に大きくかかわる課題とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2022-096426号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
酸化物半導体TFTは、ディスプレイ用途としては動作時のNBISによるVthネガティブシフトは小さく、その動作信頼性に大きな影響が見られなかったが、放射線検出器として用いた場合、a-Si TFTに比べて累積照射線量に対するVthネガティブシフトが大きく、動作信頼性に劣ることから、その製品寿命の短さが問題とされている。
【0006】
本実施形態の目的は、製品寿命が長い放射線検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施形態は、シンチレータと、アレイ基板と、薄膜光学フィルタとを備え、前記シンチレータは、受けた入射放射線を蛍光に変換するものであり、前記アレイ基板の上に設けられており、前記アレイ基板は、蛍光を電気信号に変換するものであり、基板上に設けられた光電変換部と、薄膜トランジスタとを備え、前記薄膜トランジスタは、前記光電変換部と電気的に接続されたソース電極と、データラインと電気的に接続されたドレイン電極と、制御ラインと電気的に接続されたゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極とに接続されたチャンネルと、前記ゲート電極と前記チャンネル間に設けられたゲート絶縁膜とを備え、前記薄膜光学フィルタは、前記シンチレータと前記アレイ基板との間に設けてあり、少なくとも前記薄膜トランジスタの領域上に位置しており、前記シンチレータの呈する蛍光のピーク波長よりも小さい波長をカットオフする放射線検出器である。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1図1は、実施形態に係る放射線検出器の概略的構成を示す縦断面図である。
図2図2は、酸化物半導体のバンドギャップと深さの関係を示すグラフである。
図3図3は、感度維持率とカットオフ波長との関係を示すグラフである。
図4図4は、図1に示す放射線検出器の概略的構成を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。
【0010】
本実施形態においては、放射線検出器の一例として、X線検出器について説明する。なお、本実施形態にて開示する主要な構成要素は、X線の他にもγ線などの各種放射線を検出するための放射線検出器にも適用可能である。ここでは、一例として、放射線の中の代表的なものとしてX線に係る場合を例にとり説明をする。したがって、以下の実施形態の「X線」を「他の放射線」に置き換えることにより、他の放射線にも適用させることができる。
【0011】
放射線検出器は、例えば、一般医療などに用いることができる。ただし、放射線検出器の用途は、一般医療に限定されるわけではない。
【0012】
図4は、本実施形態に係る放射線検出器1を示す分解斜視図である。
放射線検出器1は、シンチレータ3と、アレイ基板5と、回路基板7と、を備えている。
シンチレータ3は、受けた入射放射線(X線)を蛍光に変換するものである。シンチレータとして、例えば、CsI(Tl)(タリウム賦活ヨウ化セシウム)やGOS(ガドリニウム酸硫化物)を使うことができる。
これらのシンチレータ3は入射したX線により励起した後に蛍光を発するが、その波長成分は300nm~900nmと広い幅を持っている。
【0013】
アレイ基板5は、蛍光を電気信号に変換するものである。具体的構成については、後述する。
【0014】
回路基板7は、アレイ基板5のデータライン17と制御ライン(図示せず)に電気的に接続されており、アレイ基板5からの出力信号を電気的に処理して、画像信号に変換する。
【0015】
図1は、図4に示す放射線検出器1の概略断面図である。図1に示すように、本実施形態では、シンチレータ3とアレイ基板5との間に薄膜光学フィルタ9が設けてられている。この薄膜光学フィルタ9は、シンチレータ3が呈する蛍光の内、所定の波長をカットオフ(取り除く)するものである。薄膜光学フィルタ9の詳細は後述する。
【0016】
アレイ基板5は、ガラス基板(基板)11と、ガラス基板11上に設けられた光電変換部13と、薄膜トランジスタ15とを備えている。光電変換部13は、受けた蛍光を電気信号に変換するものであり、ガラス基板11上に、行及び列方向に2次元的に複数形成されている。
光電変換部13には、a-Si(アモルファス シリコン) フォトダイオード(PD:Photo-diode)を用いることができる。
【0017】
薄膜トランジスタ(TFT)15は、光電変換部13と電気的に接続されたソース電極15aと、データライン17と電気的に接続されたドレイン電極15bと、制御ライン(図示せず)と電気的に接続されたゲート電極15cと、ソース電極15aとドレイン電極15bに接続されたチャンネル15dと、ゲート電極15cとチャンネル15d間に設けられたゲート絶縁膜15eとを備えている。
【0018】
チャンネル15dは、材料としてIn(インジウム)、Zn(亜鉛)の内少なくとも1つを含み、且つGa(ガリウム)、Sn(スズ)、W(タングステン)、Hf(ハフニウム)、Ti(チタン)、Cu(銅)、Zr(ジルコニウム)の内、少なくとも1つを含むような金属酸化物半導体で形成されている。
In, Znは、電子の高い移動度を持たせるため、Ga、Sn等のその他の元素は特性安定化のために用いられる。
例えば、チャンネル15dの材料としては、IGZO(InGaZn複合酸化物半導体)を用いることもできる。
【0019】
次に、薄膜光学フィルタ9について説明する。
薄膜光学フィルタ9は、シンチレータ3の呈する蛍光の内、所定の発光波長成分以下をカットオフし、それ以下の波長成分を反射または減衰させることで透過させず、一方それよりも大きい波長成分はほぼ100%透過するような光学特性を持つように設計することで薄膜トランジスタ15に入射する波長成分をカットオフ波長成分よりも大きい成分のみとするものである。
このような薄膜光学フィルタ9としては、例えば、ダイクロイックフィルタを利用することができ、これは異なる屈折率を持つ誘電体を複数層蒸着した複層構造薄膜を形成することで、その膜内界面での干渉により選択的な分光透過率変化させることが可能な光学フィルタである。
【0020】
薄膜光学フィルタ9の材料は、TiO2(酸化チタン)、SiO2(酸化シリコン)、Ta2O5(酸化タリウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)等の誘電体で、それらの材料を低屈折率、高屈折率材料で交互に且つカットしたい波長λに対して1/2λ、1/4λ、1/8λ、というようにλ×偶数分の1の厚さで積層していくことで製造することができる。使用する材料の組み合わせ(屈折率の組み合わせ)や各層の厚さ、層の総数等を変更することでカットしたい波長、透過させたい波長を設計することができる。
薄膜光学フィルタ9の形成方法としては、真空蒸着、イオンアシスト蒸着、プラズマスパッタリング、IBS(Ion Beam Spattering)、ALD(Atom Layer Deposition)等を用いることができ、材料としては、酸化物、窒化物、フッ化物等を利用可能である。
【0021】
薄膜光学フィルタ9による解像度への影響については、薄膜光学フィルタ9の厚さが数um程度と非常に薄いことから無視することが可能となる。
一方、薄膜光学フィルタ9で一部の波長成分を遮蔽したことによる放射線検出器1の感度低下は避けられないため、カットオフ波長は感度低下による画質への影響を考慮して設計する必要がある。
【0022】
次に、第1実施形態に係る放射線検出器1の作用効果について説明する。
第1実施形態に係る放射線検出器では、図1に示すように、入射した放射線(X線)は、シンチレータ3で可視光である蛍光に変換される。シンチレータ3で変換された蛍光は、薄膜光学フィルタ9を透過して所定の波長成分よりも小さい波長成分がカットオフされた後、アレイ基板5の光電変換部23で受光され、画像信号として電気信号に変換される。
【0023】
図3に示すように、薄膜光学フィルタ9は、光電変換部の感度ピーク波長よりも小さい波長をカットするので、シンチレータ3としてCsI(Tl)を用いた場合、450nmよりも小さい波長をカットした場合に、98%の感度維持率を得ることができ、500nmよりも小さい波長をカットした場合に、85%の感度維持率を得ることができ、540nmよりも小さい波長をカットした場合には65%の感度維持率を得ることができる。
【0024】
ここで、カットオフする波長成分について説明する。
カットオフ波長を適切に設計することにより前記TFTへの欠陥準位深さ以上のエネルギーを持つ光の入射を抑制でき、光励起による正孔濃度の上昇を抑制し、結果としてVthネガティブシフト発生を抑制できる。
本実施形態に係るシンチレータ3では、それが呈する波長成分は300nm~900nmと広い幅を持っている。
一方、図2に示すように、酸化物半導体のバンドギャップは約3.0eV(光波長換算約410nm)であり、これ以上のエネルギーを持った光が入射すると光励起され、電子-正孔対が生成される。さらにギャップ内には酸素空孔が形成する欠陥準位が存在しており、この欠陥準位以上のエネルギーを持った光入射の場合も同様にチャンネル内の欠陥準位から電子が励起され、同時に正孔が生成される。欠陥準位は約3.0eVから2.3eV(波長換算540nm)程度の深さまでテールを形成している。
【0025】
NBIS印加中では、光励起された電子はゲート電極15cの負電圧によりソース/ドレイン側へ流れるため、チャンネル内で再結合が起こりにくくなり、正孔濃度が大きくなる。正孔濃度が大きくなると酸素空孔にトラップされてイオン化酸素空孔を形成したり、2つの酸素に2つの正孔が捕獲されることで過酸化物欠陥を形成したりする。このように正孔がトラップされたことで形成された正に荷電した欠陥はゲート電極15cの負電圧に引き寄せられ、ゲート絶縁層15e近傍へ移動し、ゲート電極15cの負電圧を実効的に中和することでVthのネガティブシフトが発生する。
よって、酸化物半導体TFTのVthネガティブシフト抑制は光励起による正孔濃度の上昇を抑制し、欠陥準位の深さ以上のエネルギーを持つ光の酸化物半導体への入射をできるだけ抑制することで可能となる。
【0026】
カットオフ波長は、欠陥準位の深さのみ考慮すると540nm以上とすることが望ましいが、図2に示すように、欠陥準位は深い準位(約3.0eV;410nm)から浅い準位(約2.3eV)にかけてテールを形成していることから、カットオフ波長を450nmよりも小さい波長と設計した場合でも十分に光励起による正孔濃度の上昇量を低減でき、Vthネガティブシフト抑制効果を得ることが可能となる。
【0027】
図3に、光電変換部にはa-Si PD、シンチレータにはCsI(Tl)を使用した場合における感度維持率のカットオフ波長依存性をプロットしたグラフを示している。
この図3から明らかなように、符号Aで示すようにカットオフ波長を450nmよりも小さい波長で設計した場合、感度は98%維持され、符号Bで示すように500nmよりも小さい波長で設計したとしても、感度は85%以上維持され、画質への影響は小さいため、カットオフ波長は500nmよりも小さい波長が望ましい。
【0028】
尚、符号Cで示すように、カットオフ波長を540nmで設計した場合Cの感度は65%まで低下してしまうが、限定した特定用途向け製品であれば問題ない。尚、図3において、波長540nmを示すCは、シンチレータが呈するピーク波長でもある。
【0029】
したがって、本実施形態では、画質を維持しながら、酸化物半導体TFTのVthネガティブシフトを抑制し、長い製品寿命を持つことを特徴とする放射線検出器の提供が可能となる。
【0030】
更に、本実施形態では、前記薄膜光学フィルタ9は、屈折率の異なる誘電体層を複数層備える構成とすることで、直接パネル表面に光学フィルタを積層して作成でき、余計な光学経路を作らずに済み、解像度や感度の低下を抑制できる。例えば、何かしらの基板材料に積層させた光学フィルタを貼り合わせするとなると、基板および接着剤層分だけ光学経路や界面が増えるため、シンチレータ光の余計な反射や拡がりが増えてしまい画質が低下する。
【0031】
なお、この発明は、上記実施形態そのものに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【0032】
1…放射線検出器、3…シンチレータ、5…アレイ基板、7…回路基板、
9…薄膜光学フィルタ、13…光電変換部、15…薄膜トランジスタ、
15a…ソース電極、15b…ドレイン電極、15c…ゲート電極、15d…チャンネル、15e…ゲート絶縁膜。
図1
図2
図3
図4