JPH10511817A - 有機及び無機パシベーション層からなる画像センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 画像センサは、基板（１）上のスイッチング素子（３０）からなる。絶縁分離層（９）は、スイッチング素子の上に配置され、そのため絶縁分離層（９）の上に配置された光ダイオード装置（２０ａ）は、スイッチング素子（３０）と重なり、画像センサの最大領域を占めうる。障壁層（１０）は、絶縁分離層（９）と光ダイオード装置（２０ａ）との間に挟まれ、時間の経過による光ダイオードの特徴の劣化を防ぐ。絶縁分離層（９）及び障壁層（１０）は、夫々ポリイミド及び窒化ケイ素から作られることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 有機及び無機パシベーション層からなる画像センサ 本発明は放射線を検出する画像センサに関する。 従来は、複数のスイッチング素子を有する基板と、夫々のスイッチング素子に 関連する感光性素子とからなる画像センサが提案されてきた。適当な放射線が感 光性素子上に入射すると、感光性素子の自己容量、又は追加的な電荷蓄電手段に よって蓄電されうる電荷が生ずる。 装置の効率を増加させるため、感光性素子によって占められるセンサの領域の 部分を最大化することが望ましい。 日本国特許出願第０４−３１７３７３号は、薄膜レジスタが基板上に形成され 、絶縁フィルムがトランジスタ上に形成されている画像センサ装置を開示してい る。光電性の変換装置は、絶縁フィルム上に形成され、これは光電性の変換装置 がスイッチングトランジスタ上に重なることを可能にする。結果として、変換装 置によって占められるセンサの領域の部分は、最大化されうる。 日本国特許出願第０４−３１７３７３号は、特にセンサの大きさの最小化が望 ましい、機械的走査の画像センサに関する。日本国特許出願第０４−３１７３７ ３号はまた、平坦な上面を有する絶縁フィルムの製造に特に向けられており、そ のため画像センサの光受容面は均一であり、従って感知されるべき画像から一定 の距離に維持されうる。 従来の技術の画像センサの問題は、光電性装置の特徴は時間の経過と共に劣化 することであり、特に光電性装置の中の暗電流である。 本発明は、光電性装置の特徴の劣化は、絶縁分離層からダイオードの構造への 、ポリマー分子の浸透の結果であるという認識に基づ く。 本発明によれば、複数のスイッチング素子を担持する基板と基板の上に配置さ れ実質的にスイッチング素子を覆う絶縁分離層とからなり、感光性素子は夫々の スイッチング素子に関連し、各感光性素子は第１及び第２の電極からなり、各感 光性素子の第１の電極は、関連するスイッチング素子の第１の電極に結合される 画像検出器であって、 絶縁障壁層は絶縁分離層の上に配置され、感光性素子は絶縁障壁層の上に配置 される画像検出器が提供される。 本発明による検出器構造は、絶縁分離層及び感光性素子の間にある絶縁障壁層 を提供する。この障壁層は、感光性素子の特性の劣化、特に暗電流の原因である ことが分かっている絶縁層からの感光性素子の汚染を防ぐ。障壁層は、窒化ケイ 素からなることが望ましい。 望ましくは、感光性素子の第１の電極は、絶縁分離層の中に画成されたチャネ ルの中に配置された導電性の部材によって、関連するスイッチング素子の第１の 電極に結合される。第１の電極は、上方の電極、即ち基板から最も遠い電極であ り、放射線受け取り面であることが望ましい。そのような場合は、感光性素子の 下方の電極、即ち基板に最も近い電極は、感光性素子の上方の放射線受け取り面 と装置の出力との間の静電遮蔽として働き、よってこれらの構成部分の間の容量 性カップリングを減少させる。 絶縁分離層は、低い誘電定数を有することが望ましく、それにより検出器出力 容量に寄与しうる、層によって導入された追加的な容量性カップリングもまた最 小まで減少される。 スイッチング素子は、スイッチングダイオード又はトランジスタからなる。ど ちらの場合でも、スイッチング操作は、感光性素子の制御を変更させ、それによ り、感光性素子が絶縁され、感光性素子上に入射した光による電荷を発生させる ような１つの作業のモードが提供され、感光性素子がセンサ回路によって充電又 は放電される 他の作業のモードが提供される。 惑光性素子は、感光性素子の行及び列からなるマトリックスで配置される。 トランジスタのスイッチング素子が感光性素子のマトリックスで使用された場 合は、感光性素子の行に関連するスイッチング素子のゲート電極は、共に夫々の 行電極に接続され、感光性素子の列に関連するトランジスタのチャネル電極の１ つは、共に夫々の列電極に接続される。 本発明による実施例を、以下例を用い、添付の図面を参照して説明する。図面 において： 図１は、本発明による画像検出器が実施されうる装置の、画像検出装置の動作 を示す簡単化され系統化された回路を示す図であり、 図２は、本発明による画像検出器を使用して構成されうる感光性素子及びスイ ッチング素子のアレーの簡単化され系統化された回路設計を示す図であり、 図３は、本発明による画像検出器形状の断面図を示す図であり、 図４は、本発明による画像検出器形状の系統的な平面図を示す図であり、 図５及び図６は、本発明による画像検出器の感光性素子のの改善された暗電流 及び減少された暗電流劣化を示すグラフを示す図である。 図は、概略的であり、寸法通りではない。特に、層又は領域の厚 さといったある寸法が誇張されている一方で、他の寸法は減少されている。全て の図面において、同じ又は同様の部分を示すために、同じ参照番号が使用されて いる。 ここで図面を参照するに、特に図１乃至図３には、感光性素子２０のアレー２ を画成するようパターン化された一連の異なる材料を有し、該感光性素子は、夫 々第１の電極２１が第２の電極２２よりも基板１に近い、向かい合う第１の電極 ２１及び第２の電極２２を有する基板１と、夫々のスイッチング素子は、第１の 主電極３１、第２の主電極３２及び制御電極３３を有する複数のスイッチング素 子３０とからなる画像検出器１００が示されている。夫々のスイッチング素子３ ０の第２の主電極３２は、関連する１つの感光性素子２０の第２の電極２２に接 続され、感光性素子２０の第１の電極２１は、共通線４０に接続されている。 図に示されるスイッチング素子は、２つの主電極及び制御電極を有するトラン ジスタ、特に薄膜トランジスタである。しかしながら、当業者は、本発明が、ス イッチング素子が薄膜ダイオード、ピンダイオード又はダイオードの組合せとい ったスイッチングダイオードからなる他の装置に対して、同様に適用されうるこ とを理解するであろう。しかしながら、感光性素子の間のクロストークは最小に 保たれ、それは例えば医療用Ｘ線画像化といった高精度の応用のために望ましい ため、トランジスタの使用が望ましい。 本発明は、スイッチング素子３０が基板１の上に配置され、絶縁分離層９が実 質的にスイッチング素子３０を覆う装置に関する。この分離層は、感光性素子が スイッチング装置の上に配置されることを可能にし、それにより、画像センサの 最大領域は、入射電磁放射線に応じ、従って装置の効率を最大化する。これは、 高分解能が要求されるＸ線画像化応用では特に重要であるが、本発明は、他の応 用に対しても同様に適用可能である。分離層は、装置の入力、即ち感光性素子及 び装置の出力、即ちスイッチング装置の間に広がるた め、装置の入力及び出力の間の望ましくない容量性カップリングを減少させるた め、低い誘電定数を有するべきである。ポリマー絶縁体は、この目的に特に適し ており、既知の技術を用いて比較的厚く、平坦な層を形成するよう簡単に配置さ れ得るため、ポリイミドの使用が望ましい。 本発明は、絶縁分離層のポリマー分子はダイオード構造の中へ浸透し、それは 光ダイオードの中の不純エネルギー状態、即ちミッドギャップ状態の形成をもた らすという認識に基づく。例えば、ｎｉｐ光ダイオード構造の場合は、追加的な エネルギー水準が真性半導体層の中に導入され、結果として熱発生電流が暗電流 の増加をもたらす。ミッドギャップ状態の密度が増加するにつれ、暗電流は増加 し、この暗電流はまた時間の経過と共に劣化する。 本発明による構造は、絶縁分離層９の上に形成された絶縁障壁層１０を有し、 障壁層は、上述の絶縁層９からの感光性素子２０の汚染を防ぐ。この絶縁障壁層 は、光ダイオードの構造の中へ浸透することが分かっている絶縁分離層のポリマ ー分子に対する障壁を提供するよう、高密度の分子構造を有するべきである。窒 化ケイ素は、望ましい絶縁障壁層である。 ここで特に図面を参照するに、図１は、本発明による画像検出器の基本的な作 動原理を示す。 図１に示されるように、電磁放射線Ｒは、感光性素子２０からなる画像検出器 １００の上に入射される。この例では、感光性素子は、可視光線からなる電磁放 射線Ｒに応ずる感光性ダイオードからなる。アレー２は、図１では、この場合は ダイオード２０の寄生又は自己容量を示すコンデンサ２０ｂと並列のダイオード ２０ａとして示される単一の感光性素子２０によって系統的に示されているが、 検出器のダイナミックレンジを改善するよう追加的なコンデンサを含んでもよい 。ダイオード２０ａの陰極として示される感光性ダイオード２０の第１の電極２ １は、以下説明されるように共通線４０に接 続され、一方ダイオード２０ａの陽極として示される感光性ダイオード２０の第 ２の電極２２は、関連するスイッチング素子３０の第２の電極３２、この例では 薄膜トランジスタ３０のドレイン電極に接続される。薄膜トランジスタ３０の制 御又はゲート電極３３は、行導体４１に接続され、一方薄膜トランジスタ３０の 第１の又はソース電極３１は、列導体を通って従来の種類の電荷に敏感な読み出 し増幅器４３に接続される。欧州特許出願第４４０２８２号に記載されている種 類の読み出し装置もまた使用されうる。 図２は、光検出器アレー２の領域の回路設計を系統的に示す。この例では、ア レー２は、画像検出器が人間又は動物の体の領域の診断用のＸ線画像を検出する ために使用される場合に必要とされる分解能の質を達成するため、典型的には２ ００μｍ（マイクロメートル）以下のピッチ及び４００ｍｍｘ４００ｍｍまでの 全体的な大きさを有する光ダイオード２０の２次元のアレーからなる。典型的に は、アレーは、２０００ｘ２０００の画素のアレーである。便宜上、図２には、 アレーの一部分のみが詳しく示されている。 薄膜トランジスタスイッチング素子３０は、（３行及び３列のみが図示されて いる）１−ｍ行及び１−ｎ列のマトリックスに配置されており、所与の行の各ト ランジスタのゲートは、行ドライバ又はデコーダ／アドレッシング回路４４の同 じ行導体４１に接続され、所与の列の各トランジスタのソースは、図１に示され るような読み出し増幅器４３を含む列デコーダ／アドレッシング回路４５の同じ 列導体４２に接続される。図２の実線４６は、光検出器アレー２の電磁放射線検 出領域の範囲を示す。 光ダイオード２０の第１の電極２１は、画像検出器の作動中、光ダイオード２ ０を逆バイアスされたままに維持する一定の基準電圧に接続されている共通電極 ４０を提供するよう共に接続されている。n-i-p ダイオード（第１の電極に隣接 し、最も基板に近いｎ層を有する）の場合、基準電極は、例えば＋３ボルトであ りうる。 以下、特に図３を参照して、画像検出器の構造について詳述する。 基板１は、一般的にガラスの基板である、絶縁基板である。第１の金属化層は 、基板の上に提供され、トランジスタ３０の制御又はゲート電極を画成するよう パターン化されている。この金属化層は、クロム層を付着させることによって提 供されうる。 次に、一般的に二酸化ケイ素又は窒化ケイ素の層である絶縁層４が付着され、 続いてトランジスタ３０の真性導体チャネル領域を形成する真性半導体層５、及 び任意にエッチング止め層６が付着される。エッチング止め層６は、一般的に窒 化ケイ素層であり、エッチング止めとして働くよう各トランジスタ３０の中央領 域の上の領域を残すため、マスク及び従来の写真平版及びエッチング技術を利用 してパターン化された絶縁層である。次に、一般的にｎ伝導性型のドープド半導 体層７が付着され、続いて第２の金属化レベル又は層８が付着される。層７及び ８は、トランジスタ端子３１，３２を画成するようパターン化されている。ドー プド半導体層７は、ソース及びドレイン接触領域を形成するが、これは形成され る必要はなく、真性半導体層５によって形成されたトランジスタのチャネル上に 直接付着された金属化層を有し、層７は事実上省略されうる。 ドープド半導体層７は、例えばアモルファス又は多結晶質半導体ケイ素といっ た、真性半導体層５と同じ材料から形成されうる。第２の金属化層は、クロム層 でありえ、更に層８の伝導性を増加させるよう、図３に示されるパターン化され たアルミニウム層を含みうる。 他のトランジスタ形状もまた使用されうるが、薄膜トランジスタは、このよう にして形成される。更に、スイッチング装置は、ゲート制御信号を供給する代わ りに、行及び列導体に対して適当な電圧レベルを印加することで切り替えられる ダイオードからなる。 厚い絶縁層９は、トランジスタの上に付着される。この絶縁層は、典型的には ５μｍ以上の厚さ及び低い誘電定数を有する。 上述のように、低い誘電定数を有する厚いポリイミド層の利点は、画素電極２ ２（感光性素子の上部）と、読み出し電極３１（薄膜トランジスタのソース）と の間に導入された追加的な容量は最小に維持されるということである。ポリイミ ド層は、既知の技術を用いて充分に平坦な上面を有する充分な厚さまで付着され うる。絶縁層は、感光性素子２０がスイッチング素子３０と重なることを許し、 装置の感光性領域が可能な限り大きくなることを可能にする。 本発明による追加的な絶縁障壁層１０は、絶縁層９の上に付着され、イオン障 壁層として働くよう、高密度の分子形状を有する。障壁層は、プラズマＣＶＤ（ 化学蒸着）過程によって付着された窒化ケイ素の層であることが望ましく、プラ ズマエッチング段階を使用して形作られる。そのような窒化ケイ素層を形成する 過程は、当業者によって既知である。スパッタリング過程によって付着されうる 酸化金属層といった他の障壁層が考慮されうる。この障壁層は、感光性素子の、 出願人によって感光性素子の性能を時間の経過とともに劣化させることが見いだ されたポリイミド層からの汚染を防ぐ。 例えばクロム層でありうる金属層２１は、障壁層１０の上に付着され、この層 は、感光性素子の共通電極を画成する。感光性素子はアモルファスケイ素ダイオ ードからなり、既知の技術を使用して構成される。示された例では、ダイオード は、第１の電極２１の上に、（第１の電極２１に隣接してｎ伝導性型の層を有す る）n-i-p ダイオード構造２０ａからなる。第２の電極２２は、例えばＩＴＯ層 といった透明な導体によって形成されている。 実質的に障壁層１０の中にエッチングされた開口に対応する孔が第１の電極層 ２１の中にエッチングされる。次に、感光性素子２０及び共通電極２１のさらさ れた端をパシベートするため、絶縁層１１が付着される。絶縁層９の中に、トラ ンジスタのドレイン３２と、関連する感光性素子２０の上部電極２２との要求さ れた接続を可能にするチャネルＣを形成するため、続けて絶縁層９の中に孔がエ ッ チングされる。チャネルＣは、溝が掘られた形状で、第１の電極層２１の孔及び 障壁層１０の開口の下に画成される。この形状は、プラズマエッチングによって 形成されうる。最後に、金属化は、光ダイオード２０の最も上の接触２２及びト ランジスタ３０のドレイン電極３２の間の共通接続１２を作るために使用される 。この金属化層はまた、伝導性を改善するアルミニウム被膜を有するクロム層か らなる。 電磁放射線は、感光性素子２０へ直接供給されるものでもよく、エネルギー変 換層からの変換された電磁放射線出力でもよい。 従って、第１の波長の範囲を有する電磁放射線は、入射電磁放射線を異なる波 長の放射線Ｒへ変換する、画像検出器１００のエネルギー変換層（図示せず）上 に入射されうる。入射電磁放射線は、Ｘ線からなるものでもよく、出発電磁放射 線は、可視光線からなるものでもよい。そのような場合は、エネルギー変換層は 、例えばタリウムドープドヨウ化セシウムといった蛍光層であり得る。他の蛍光 体が使用されうるが、タリウムドープドヨウ化セシウムの使用は、発せられた電 磁放射線Ｒのスペクトルは、アモルファスケイ素光ダイオードの最も反応する範 囲である４００乃至７００ｎｍ（ナノメートル）の範囲で最大を有するという利 点を有する。更に、ヨウ化セシウムは、一種の光ガイド効果を提供する柱状構造 を有し、散乱の問題を減少する。 エネルギー変換層は、アレー２の上に直接提供されうる。エネルギー変換層が 電導性又は半導電性であるとき、例えば例えばタリウムドープドヨウ化セシウム といった蛍光層が使用されたとき、変換電磁放射線Ｒを通す保護絶縁層（図示せ ず）は、最初にアレー２の上に設けられる。絶縁層は、エネルギー変換層とアレ ーとの間の容量性カップリングを減少させるため、充分厚く、典型的には３μｍ （マイクロメートル）以上でなくてはならない。或いは、エネルギー変換層は、 例えばアルミニウム基板といった分離した基板上に 設けられることができ、それは次に同一出願人による出願中の出願（同一出願人 の参照番号ＰＨＢ３３７２９）に記載される方法でアレーに設けられる。 図４は、画素が２００μｍのピッチを有する、本発明による画像検出器の簡単 化された系統的平面図を示す。画素の２次元アレーの中の単一の画素の平面図が 示されている。隣り合うダイオードの間には５μｍの隙間が画成され、チャネル Ｃはまた光に反応しないセンサの領域を示す。装置の残る領域は、ダイオードの 光に反応する領域によって覆われ、太線Ｌは、９２％の活性領域となる、画像セ ンサの光に反応する領域の境界線を示す。 本発明による構造の利点は、画素電極２２と読み出し電極３１（トランジスタ のソース）との間にごくわずかな容量性カップリングがあることである。共通電 極２１は、イオン障壁１０に加えて、静電遮蔽として働く。低い誘電定数の厚い 絶縁層の使用もまた、その層によって導入された追加的な容量を減少させる。例 として、９０ｆＦのオーダの、正確には７０ｆＦの画素読み出し容量は、薄膜ト ランジスタ特徴及びソース／ゲート交差部から得られる。 更に、薄膜トランジスタアレーは、ポリイミド絶縁層が付着される前、従って 光ダイオード装置が製造される前に、電子プローブによって充分に検査可能であ る。 図５及び図６は、本発明による装置の利点を示し、夫々は、異なる条件下で、 本発明による画像センサの画素の光ダイオードの暗電流Ｉ_dを、絶縁障壁層（以 下「比較画素」と称する）の供給なしの全く同様の画素装置の光ダイオードの暗 電流と比較する。 図５は、非照明ダイオードの電流−電圧特徴を示す。曲線１は、光ダイオード の異なるレベルの逆バイアスに対する比較画素の初期の暗電流を示す。暗電流は 、逆バイアスの増加に対して増加するが、比較的低い値にとどまる。しかしなが ら、画像センサを使用せずに７０日間経過した後は、図５の曲線２で示されるよ うに、暗電流は 劣化する。更に、暗電流の光ダイオードの逆バイアスへの依存はより明白にされ 、暗電流のレベルは、高い逆バイアスが要求されるときは特に受け入れられなく なりうる。 曲線３は、本発明による画素に対する初期逆バイアス、及び光ダイオードの逆 バイアスの全てのレベルに対して暗電流の有意義な減少を示す。曲線４で示され るように、使用せずに７０日間経過した後、電流電圧特徴は、変化しないままで ある。従って、２０ボルトの逆バイアスに対しては、画像センサが７０日間「そ のままにされていた」後は、暗電流の減少は、約１０⁴の率である。 この光ダイオード特徴の時間の経過に伴う劣化の防止は、夫々が３ボルトの光 ダイオードに印加された連続的な逆バイアスを有する３つの画像センサ画素を考 慮する、図６に示されている。曲線１及び２は、２つの異なる比較画素（障壁層 を省略した本発明による装置を有する画素の２つの例）を示す。夫々の例では、 暗電流の時間の経過に伴う劣化の加速が示される。曲線３は、本発明による画素 装置の光ダイオードの暗電流の時間依存性を示す。光ダイオードの暗電流のレベ ルでは、時間の経過に伴う目に見えるほどの劣化はない。 この開示によって、当業者にとっては、他の変更及び変形が明かとなる。その ような変更及び変形は、従来の技術によって既に既知の他の特徴を含んでもよく 、すでにここで説明された特徴の代わりに、又は一緒に使用されうる。この出願 の中で、請求項は特徴の特定の組合せについて明確に述べられているが、ここで 請求されている請求項のような同じ発明に関するかどうかに関わらず、またそれ がここで請求されている発明と同じ技術的問題の幾つか又は全てを軽減するかど うかに関わらず、この出願の開示の範囲で、新しい特徴、又はここに明示的に又 は内在的に開示される特徴の組合せを含むことは、理解されるべきである。出願 人はここに、この出願、又はそこから導かれる更なる出願の間、新しい請求項が 、そのような 特徴及び／又はそのような特徴の組合せについて明確に述べられ得ることを通知 する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パウエル，マーティン ジェイ イギリス国，サリー アールエイチ６ ９ エックスエス，ホーリー，オークサイド・ レーン 16番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数のスイッチング素子を担持する基板と、基板の上に配置され実質的に スイッチング素子を覆う絶縁分離層とからなり、感光性素子は夫々のスイッチン グ素子に関連し、各感光性素子は第１及び第２の電極からなり、各感光性素子の 第１の電極は関連するスイッチング素子の第１の電極に結合される画像検出器で あって、 絶縁障壁層は絶縁分離層の上に配置され、感光性素子は絶縁障壁層の上に配置 される画像検出器。 ２． 絶縁障壁層は、窒素ケイ素の層からなる請求項１記載の画像検出器。 ３． 絶縁分離層は、ポリイミドの層からなる請求項１又は２記載の画像検出器 。 ４． 感光性素子の第１の電極は、絶縁分離層の中に画成されたチャネルの中に 配置された導電性の部材によって、関連するスイッチング素子の第１の電極に結 合される請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の画像検出器。 ５． 感光性素子は、感光性素子の行及び列のマトリックスで配置されている請 求項１乃至４のうちいずれか１項記載の画像検出器。 ６． スイッチング素子は、薄膜トランジスタからなる請求項１乃至５のうちい ずれか１項記載の画像検出器。 ７． 薄膜トランジスタは第１及び第２のチャネル電極及びゲート電極からなり 、第１のチャネル電極は夫々の感光性素子の第１の電 極に結合されるスイッチング素子の第１の電極からなり、各感光性素子の第２の 電極は共通端子に接続され、感光性素子列に関連するスイッチング素子の第２の チャネル電極は共に夫々の列電極に接続され、感光性素子行に関連するスイッチ ング素子のゲート電極は共に夫々の行電極に接続される請求項５又は６記載の画 像センサ。 ８． スイッチング素子は、ダイオードからなる請求項１乃至５のうちいずれか １項記載の画像検出器。 ９． 第１の範囲の波長を有する電磁放射線を、感光性素子によって検出可能な 第２の範囲の波長を有する電磁放射線へ変換するエネルギー変換層が設けられて いる請求項１乃至８のうちいずれか１項記載の画像検出器。 １０． エネルギー変換層は蛍光層からなる請求項９記載の画像検出器。