CN102446945A - 半导体光电探测器和辐射检测装置 - Google Patents

半导体光电探测器和辐射检测装置 Download PDF

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Abstract

一种光电二极管阵列PD1，包括：n型半导体基板，其一面为被检测光的入射面；在与半导体基板的入射面相反的检测面侧形成的作为光电二极管的多个pn结型光敏区域(3)；以及在半导体基板的检测面侧、在多个光敏区域(3)中的邻近的光敏区域(3)之间形成的载流子捕获部(12)。载流子捕获部(12)具有间隔排列的分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域(13)。由此可实现能够降低串扰的半导体光电探测器和辐射检测装置。

Description

半导体光电探测器和辐射检测装置
本申请是申请日为2007年12月4日、申请号为200780047270.6、发明名称为半导体光电探测器和辐射检测装置的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器，并且涉及包括半导体光电探测器的辐射检测装置。
背景技术
已知其中多个光电二极管形成在半导体基板的一侧表面上，而另一侧表面用作光入射面的背面入射型光电二极管阵列为一种半导体光电探测器(见，例如，专利文献1：日本专利申请特许公开号H11-74553，和专利文献2：WO2005/038923)。
专利文献1：日本专利申请特许公开号H11-74553
专利文献2：WO2005/038923
发明内容
在背面入射型光电二极管阵列中，通常，在半导体基板中的耗尽层以外的区域中生成的载流子扩散迁移较长的距离(从其生成位置至耗尽层的距离)。因此，在光电二极管之间附近生成的载流子不依赖电场而通过扩散迁移流入邻近的光电二极管的概率变大。结果，在光电二极管之间很容易发生串扰。
同时，在以上文献1中所公开的背面入射型光电二极管阵列中，在邻近的光电二极管之间形成用于吸收X射线的薄层。然而，文献1中的薄层旨在消除散射X射线，而未考虑上述串扰。
鉴于前述内容，本发明的目的在于通过提供能够有利地抑制串扰发生的半导体光电探测器和辐射检测装置来解决上述问题。
为了实现上述目的，根据本发明的半导体光电探测器包括：(1)半导体基板，其一面是被检测光的入射面；(2)在与半导体基板的入射面相反的检测面侧上形成的多个pn结型光电二极管；(3)以及在半导体基板的检测面侧上，在多个光电二极管中的邻近的光电二极管之间形成的载流子捕获部；(4)其中载流子捕获部具有间隔排列的、分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域。
在具有其中与半导体基板的入射面相反的表面成为检测面的背面入射型构造的上述半导体光电探测器中，在多个光电二极管中的邻近的光电二极管之间形成包括pn结的载流子捕获区域。在这样的构造中，在邻近的光电二极管附近生成且即将通过扩散迁移流入邻近的光电二极管的载流子被从载流子捕获区域中引出。这消除了将通过扩散迁移流入邻近的光电二极管的载流子，因此能够有利地抑制光电二极管之间串扰的发生。
在背面入射型光电二极管阵列中，当由于初始连接错误、温度循环等而使一定的连接点损坏时，光电二极管可能陷入电浮动状态。在这种情况下，溢出光电二极管的载流子可能流入周围的光电二极管，由此阻碍周围的光电二极管输出正常信号。当在上述半导体光电探测器中，一定的光电二极管由于连接点的破损而陷入电浮动状态时，相对照地，将要流入邻近的光电二极管的载流子被从载流子捕获区域中引出。这可有利地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
在邻近的光电二极管之间设有包含pn结的载流子捕获区域的上述构造中，在光电二极管之间或在其附近生成的载流子被从载流子捕获区域中引出，由此串扰的生成被抑制，而每一通道的光敏度和所获得的信号量变小。相对照地，在上述半导体光电探测器中，通过间隔地排列包括各自的pn结的一个或多个载流子捕获区域形成载流子捕获部。这允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，而同时抑制光电二极管之间的串扰。
本发明提供了包括具有上述构造的半导体光电探测器的辐射检测装置；和置于半导体基板的入射面侧、响应于入射在其上的辐射而发光的闪烁体。在这样的辐射检测装置中，用作半导体光电探测器的具有上述构造的光电探测元件允许有利地抑制光电二极管之间串扰的发生，如上所述。并且，即使当一定的光电二极管由于连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可有利地抑制载流子流入邻近的光电二极管。结果，可获得高分辨率。
本发明可提供能够有利地抑制串扰发生的半导体光电探测器和辐射检测装置。本发明还可提供一种半导体光电探测器和辐射检测装置，其中，即使当一定的光电二极管由于初始连接错误、温度循环等引起的连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可有利地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
附图说明
图1是示意性地显示出半导体光电探测器的一个实施例的构造的平面图；
图2是示意性地显示出半导体光电探测器的一个实施例的构造的平面图；
图3是显示出半导体光电探测器的剖面构造的侧面剖视图；
图4是显示出辐射检测装置的一个实施例的剖面构造的侧面剖视图；
图5是显示出光电二极管和载流子捕获部的构造实例的示意图；
图6是显示出载流子捕获部中的载流子捕获区域的区域宽度与光电二极管的光敏度之间的关系的曲线图；
图7是显示出载流子捕获部中的载流子捕获区域的区域宽度与光电二极管间的串扰之间的关系的曲线图；
图8是显示出在光电二极管阵列的各位置获得的信号量的曲线图；
图9是显示出高浓度n型区域的构造实例的示意图；
图10是显示出光电二极管和载流子捕获部的构造实例的示意图；
图11是显示出光电二极管和载流子捕获部的构造实例的示意图；
图12是显示出光电二极管和载流子捕获部的构造实例的示意图；
图13是示意性地显示出半导体光电探测器的另一个实施例的构造的平面图；
图14是示意性地显示出半导体光电探测器的另一个实施例的构造的平面图；并且
图15是显示出半导体光电探测器的剖面构造的侧面剖视图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明根据本发明的半导体光电探测器和辐射检测装置的优选实施例。在附图的说明中，彼此相同的组件将由彼此相同的附图标记指示，而不重复其说明。同样应该注意到，附图中的尺寸比例不一定与说明书中的一致。
首先将说明根据本发明的半导体光电探测器。图1和2均为示意性地显示出根据本发明的半导体光电探测器的一个实施例的构造的平面图。图3是显示出沿图1和2中的线I-I截取的半导体光电探测器的剖面构造的侧面剖视图。在本实施例中，将说明光电二极管阵列PD1的构造，作为根据本发明的半导体光电探测器的构造实例。在以下说明中，基板侧的第一导电类型被认为是n型，并且另外的第二导电类型被认为是p型，尽管通常第一导电类型可被认为是p型，并且第二导电类型被认为是n型。
这里，在光电二极管阵列PD1中，光电二极管阵列PD1包括半导体基板5，其一面(图3中的上面)为被检测光L的入射面5a，另一面(图3中的下面)为光电二极管形成于其上的检测面5b。图1和2是其中从检测面5b侧观察光电二极管阵列PD1的平面图。图1显示出光电二极管阵列PD1的平面构造，其中下述设置在检测面5b上的电极被省略，而图2显示出具有电极的构造。
根据本实施例的光电二极管阵列PD1包括一面为入射面5a的半导体基板5，和在作为基板5的入射面5a的相反侧的检测面5b侧上形成的多个pn结型光敏区域3。半导体基板5是由硅(Si)制成的n型(第一导电类型)半导体基板，并且是例如具有30至300μm(优选地为大约100μm)的厚度和1×1012至1015/cm3的杂质浓度的硅基板。
分别包括pn结的多个光敏区域3在半导体基板5的检测面5b侧排列为二维阵列。在这样的构造中，每个光敏区域3用作作为构成光电二极管阵列PD1的光敏像素的光电二极管。
具体地，在n型半导体基板5中，在检测面5b侧形成多个p型(第二导电类型)杂质半导体区域7并且排列为二维阵列。作为光电二极管的光敏区域3包括由p型区域7形成的pn结和n型半导体基板5。例如具有1×1013至1020/cm3的杂质浓度和0.05至20μm(优选地为大约0.2μm)深度的p型杂质半导体区域用作P型区域7。
在本光电二极管阵列PD1中，在半导体基板5的检测面5b侧上，在多个光敏区域(光电二极管)3中的邻近的光敏区域3之间，即在邻近的p型区域7之间，形成载流子捕获部12。在本实施例中，载流子捕获部12由包括各pn结的间隔排列的多个载流子捕获区域13构成。为了说明的目的，在图1中由点划线绘出在邻近的光敏区域3之间沿光敏区域3的相应边延伸的载流子捕获区域13的排列方向。
具体地，在半导体基板5的检测面5b侧上，设置有在邻近的p型区域7之间沿上述排列方向间隔排列的多个p型区域11。由此，由p型区域11和n型半导体基板5所形成的pn结构成包括pn结的载流子捕获区域(pn结区域)13。例如具有1×1013至1020/cm3的杂质浓度和0.05至20μm(优选地为大约0.2μm)深度的p型杂质半导体区域用作P区域11。
在图1中所示的构造中，载流子捕获部12具有在光敏区域3的一边和邻近的光敏区域3的相应的一边之间间隔排列的两个载流子捕获区域13。在本实施例中，如从检测面5b侧所见，对于多个光敏区域(光电二极管)3，载流子捕获部12以光敏区域3分别由间隔排列的多个载流子捕获区域13围绕的方式形成。具体地，作为光电二极管的一个光敏区域3由总共八个载流子捕获区域13围绕，在图1中所绘的光敏区域3的左侧、右侧、下侧和上侧各有两个载流子捕获区域13。
而且，在半导体基板5的检测面5b侧上，在上述载流子捕获部12与作为光电二极管的光敏区域3之间，即在p型区域11与p型区域7之间，形成作为具有与基板5相同的导电类型的高浓度杂质半导体区域的高浓度n型区域(分离层)9。由此，在邻近的光敏区域3之间，顺序地设置有高浓度n型区域9，包括载流子捕获区域13的载流子捕获部12，和高浓度n型区域9，如图1中所示。这里，载流子捕获部12的载流子捕获区域13被排列为夹在高浓度n型区域9之间。
高浓度n型区域9具有使邻近的光敏区域3的光电二极管彼此电分离的作用。设置这样的高浓度n型区域9允许可靠地电分离邻近的光电二极管，从而降低光电二极管之间的串扰，并且控制击穿电压(反向击穿电压)。例如具有1×1013至1020/cm3的杂质浓度和0.1至几十μm(优选地为大约3μm)厚度的n型高浓度杂质半导体区域用作高浓度n型区域9。高浓度n型区域9的厚度优选地大于构成载流子捕获区域13的p型区域11的深度。
在本实施例中，如从检测面5b侧所见，对于各光敏区域(光电二极管)3形成高浓度n型区域9，使得光敏区域3由高浓度n型区域9以连续区域图案围绕。这里，光敏区域3和相应的高浓度n型区域9两者由载流子捕获部12的间隔排列的多个载流子捕获区域13围绕。对于位于半导体基板5的边缘(芯片边缘)的光敏区域3，由于在芯片边缘侧没有邻近的光敏区域3，所以不必在芯片边缘侧形成高浓度n型区域9和载流子捕获部12的载流子捕获区域13。然而，如果必要，也可在这样的芯片边缘侧形成高浓度n型区域9和/或载流子捕获区域13。
在为半导体基板5的前表面的检测面5b上进一步形成钝化膜和作为电绝缘膜的热氧化膜(未绘出)。在为半导体基板5的背面的入射面5a上，形成用于保护入射面5a并且抑制光L的反射的AR膜(未绘出)。
在本实施例中，如图3中所示，使光电二极管阵列PD1中的半导体基板5的入射面5a大致平坦，尽管入射面5a不限于这样的构造。例如，可在与检测面5b侧上存在的光敏区域3相对应的入射面5a上的区域上形成有凹陷，而在这些凹陷周围以围绕与光敏区域3相对应的区域的方式形成突起。在背面入射型的配置中，这样的构造允许缩短n型半导体基板5的入射面5a与构成光敏区域3的p型区域7之间的距离。
在n型半导体基板5的检测面5b上，形成有电连接至光敏区域3的p型区域7的电极15，如图2和3中所示。每个电极15包括电极垫、凸点下金属层(UBM)和凸点电极17。在图中未示出电极垫和UBM。
例如，电极垫由铝膜制成，并且通过形成在热氧化膜中的接触孔电连接至p型区域7。例如，通过将电极导线顺序地镀Ni和Au而形成UBM。凸点电极17由焊料制成，并且形成在UBM上。
在n型半导体基板5的检测面5b上，形成有电连接至构成载流子捕获部12的载流子捕获区域13的p型区域11，并且电连接至高浓度n型区域9的电极19。每个电极19包括电极导线21、UBM和凸点电极23。在附图中未示出UBM。
电极导线21例如由铝膜制成，并且通过形成在热氧化膜中的接触孔电连接至高浓度n型区域9和p型区域11。也如图2和3中所示，从半导体基板5的检测面5b侧所见，电极导线21被形成为完全覆盖载流子捕获区域13的p型区域11以及夹住p型区域11的两侧的高浓度n型区域9。例如，通过将电极导线21顺序地镀Ni和Au而形成UBM。凸点电极23由焊料制成，并且形成在UBM上。电极19连接于基准电位(例如地电位)。
在光电二极管阵列PD1中，各光电二极管的阳极提取由电极15实现，而阴极提取由电极19实现。在光电二极管阵列PD1中，分别在光敏区域3的pn结的边界和载流子捕获区域13的pn结的边界中形成耗尽层25。
当被检测光L从入射面5a侧入射到光电二极管阵列PD1上时，各光电二极管生成与入射光相对应的载流子。来自如此生成的载流子的光电流从连接至光敏区域3的p型区域7的电极15(凸点电极17)被取出。如图3中所示，来自电极15的输出被连接至差分放大器27的反相输入终端。差分放大器27的非反相输入终端连接至与电极19相同的基准电位。
因此，如上所述，图1至3中所示的本实施例的光电二极管阵列PD1具有背面入射型的配置，其中，如图3中所示，半导体基板5具有入射面5a和在其相反侧的检测面5b，使得在n型半导体基板5的检测面5b侧上，在多个作为光电二极管的光敏区域3中的邻近的光敏区域3(p型区域7)之间，形成包括pn结的载流子捕获区域13(p型区域11)。
在这样的构造中，即使当载流子C出现在邻近的p型区域7的附近时，在半导体基板5中的耗尽层25以外的区域中，将要通过扩散迁移流入邻近的光敏区域3的邻近的p型区域7的载流子C也被从载流子捕获区域13的p型区域11中引出，如图3中的箭头A所示。结果，将要通过扩散迁移流入光敏区域3的邻近的p型区域7的载流子C被捕获并消除，由此可有利地抑制在光敏区域3之间发生串扰。
另外，使用凸点电极的凸点连接可被用于将其中光L入射在基板背面的入射面5a上的背面入射型光电二极管阵列PD1连接至诸如布线基板等的支持部件。在这样的使用凸点连接的配置中，连接点可能由于初始连接错误、温度循环等而被损坏，由此一定的光敏区域3的p型区域7可能陷入电浮动状态。
相对照地，在如上所述配置的光电二极管阵列PD1中，即使当一定的p型区域7由于初始连接错误、温度循环等引起的连接点的破损而陷入电浮动状态时，溢出p型区域7的载流子也被从载流子捕获区域13的p型区域11中引出。这可有利地抑制载流子流入邻近的p型区域7。这在采用凸点连接以外的连接结构的情况下也是有效的。
在邻近的光电二极管的感光区域3之间设有包括pn结的载流子捕获区域13的上述构造中，在光敏区域3之间或在其附近生成的载流子被从载流子捕获区域13中引出，由此，抑制了串扰生成，而每一通道的光敏度和所获得的信号量变小。
相对照地，在上述光电二极管阵列PD1中，通过间隔地排列包括各自的pn结的一个或多个载流子捕获区域13(优选地多个载流子捕获区域13)形成载流子捕获部12。在如此构成的载流子捕获部12中，适当地选择和设定对光敏区域3形成的、载流子捕获区域13的诸如数目、区域宽度、长度、间隔等的区域图案，允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，同时抑制光电二极管之间串扰的生成。
而且，在本实施例中，如从检测面5b侧所见，载流子捕获部12以光电二极管的光敏区域3由间隔排列的载流子捕获区域13围绕的方式形成。这里，将要流入邻近的光敏区域3的载流子C被可靠地消除，这进一步增强了对串扰生成的抑制。并且，即使当由于连接点的破损而使一定的光电二极管的p型区域7陷入电浮动状态时，溢出p型区域7的载流子也被从围绕p型区域7的载流子捕获区域13的p型区域11中引出。由此，可更加有效地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
而且，在本实施例中，在n型半导体基板5的检测面5b侧上，在p型区域7与p型区域11之间形成高浓度n型区域9。结果，邻近的光敏区域3的p型区域7彼此电分离，这允许更进一步减少p型区域7之间的串扰。由此，即使当由于连接点的破损而使一定的光电二极管陷入电浮动状态时，也可更有效地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
如图1中所示，从n型半导体基板5的检测面5b侧所见，这样的高浓度n型区域9优选地形成为围绕光敏区域3的p型区域7。这允许使邻近的p型区域7可靠地电分离。
而且，在本实施例中，在n型半导体基板5的检测面5b侧上形成电连接至p型区域11和高浓度n型区域9的电极19，电极19连接于基准电位。这允许共用用于将载流子捕获区域13的p型区域11连接于基准电位的电极和用于将高浓度n型区域9连接于基准电位的电极，由此可防止电极数目增加。这里，从p型区域11中引出的载流子C在光电二极管阵列PD1中消失。
在根据本实施例的光电二极管阵列PD1的构造中，载流子捕获区域13的p型区域11可以与光敏区域(光电二极管)3的p型区域7相同的处理形成。在此情况下，制造光电二极管阵列PD1的处理不会被复杂化。
对于在半导体基板5的检测面5b侧上设置的电极的构造，可以形成电连接至载流子捕获部的载流子捕获区域的第一电极，和电连接至高浓度杂质半导体区域的第二电极，使得第一电极和第二电极在彼此电绝缘的同时连接于各自的基准电位。
在此情况下，载流子捕获区域的p型区域与高浓度n型区域在光电二极管阵列中电分离。这防止载流子捕获区域侧的电位波动，允许抑制由于光电二极管与载流子捕获区域之间的电位差引起的电流流入。结果，来自光电二极管的输出信号不容易受到电的影响，由此可实现稳定的信号输出。
接下来说明根据本发明的辐射检测装置。图4是示意性地显示出根据本发明的辐射检测装置的一个实施例的剖面构造的侧面剖视图。根据本实施例的辐射检测装置RD包括响应于入射在其上的辐射而发光的闪烁体61和具有上述构造的光电二极管阵列PD1。
闪烁体61布置在作为光电二极管阵列PD1的背面的入射面5a侧上。从闪烁体61发出的光从半导体基板5的入射面5a进入作为半导体光电探测器的光电二极管阵列PD1。闪烁体61结合于光电二极管阵列PD1的入射面5a。透光树脂(例如，环氧树脂或丙烯酸树脂)可用于将闪烁体61和光电二极管阵列PD1结合在一起。
本实施例的辐射检测装置RD包括具有图1至3中所示的构造的光电二极管阵列PD1，因此允许有利地抑制邻近的光敏区域3的p型区域7之间串扰的发生。而且，即使当一定的光电二极管由于初始连接错误、温度循环等引起的连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可有利地抑制载流子流入邻近的光电二极管。结果，在使用辐射检测装置RD的辐射检测中可获得高分辨率。
以下将利用具体实例和测量数据进一步说明图1至3中所示的光电二极管阵列。在以下给出的说明中，将集中在对于光敏区域3(p型区域7)的载流子捕获部12的载流子捕获区域13(p型区域11)的构造及其效果上，说明半导体光电探测器的构造，而高浓度n型区域9等的构造的说明被省略。
这里将研究对于一个光敏区域3由间隔排列的总共八个载流子捕获区域13构成载流子捕获部12的效果，其中在光敏区域3的每一侧具有两个载流子捕获区域13，如绘出与图1相同的构造的图5的构造实例(a)中所示。作为比较例，图5的构造实例(b)显示出一种假想构造，其中载流子捕获部12的载流子捕获区域13形成为连续区域图案。
在如图5的构造实例(a)中所示的本发明的载流子捕获部12的构造中，如上所述，适当地选择和设定构成载流子捕获部12的载流子捕获区域13的诸如区域数目、区域宽度w、区域长度L、间隔d等的区域图案的参数，允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，同时抑制光电二极管之间串扰的生成。优选地考虑正被讨论的元件的诸如所需的光敏度、串扰等的元件特性，来设置区域图案的参数。
更具体地，在具有图5的构造实例(b)中所示的连续图案的载流子捕获部12中，在光敏区域3之间或在其附近生成的载流子被从载流子捕获区域13中引出，由此抑制了邻近的光电二极管之间串扰的生成。另外，在这样的构造中，诸如从其它通道流入的载流子和在光电二极管像素(间隙)之间生成的载流子的载流子通过载流子捕获区域13被引出，由此，光电二极管的每通道的光敏度和所获得的信号量变小，这进而可减小半导体光电探测器中光L的检测灵敏度(辐射检测装置中辐射的检测灵敏度)。因此，在邻近的光电二极管之间形成载流子捕获部的构造中，存在串扰降低与检测灵敏度提高之间的权衡。
关于串扰降低与检测灵敏度提高的平衡，例如在图5的构造实例(b)中可以考虑构成载流子捕获区域13的p型区域11的更细的区域宽度w。然而，这种更细宽度的p型区域11容易导致诸如元件制造过程中的图案形成错误，或载流子捕获区域13的饱和的问题。
相对照地，在上述实施例的光电二极管阵列PD1中，通过间隔排列分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域13，对光敏区域3形成载流子捕获部12，如图1和图5的构造实例(a)中所示。这样的构造允许减弱在载流子捕获部12中未形成载流子捕获区域13的部分中的串扰降低效果，同时增加总信号量。由此可有利地平衡串扰降低和检测灵敏度提高。
在与光电二极管的像素大小相比光L具有局部入射范围情况下，在这些未形成载流子捕获区域13的部分中增加的串扰可能会成问题，然而，例如，在如图4中所示在辐射检测装置RD中结合使用闪烁体61的构造中，从闪烁体61发出的光照亮整个像素大小，使得上述的部分串扰增加不会产生问题。
例如，在基板5的芯片厚度为125μm，邻近的光敏区域(光电二极管)3之间的距离为g＝0.2mm，载流子捕获区域13的区域宽度为w＝15μm(0.015mm)，区域长度为L＝0.2mm并且区域间隔为d＝0.24mm的图5的构造实例(a)中所示的结构中，灵敏度比构造实例(b)的连续结构中高大约3％。
这里，关于载流子捕获部12中的载流子捕获区域13的构造，构成载流子捕获部12的载流子捕获区域13的区域宽度w优选为至少1μm。载流子捕获区域13的区域长度L优选为至少1μm。包括具有这样的区域图案的载流子捕获区域13的载流子捕获部12允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，同时抑制光电二极管之间串扰的生成。构成载流子捕获部12的载流子捕获区域13的区域宽度w特别优选地为至少5μm。载流子捕获区域13的区域长度L特别优选地为至少10μm。
在载流子捕获部12中，载流子捕获区域13优选地以间隔d排列，使得在两个邻近的载流子捕获区域13之间耗尽层不产生接触。在这样的构造中，间隔排列的载流子捕获区域13可靠地用作分离区域。这允许可靠地实现在排列方向上的邻近的载流子捕获区域13之间的未形成载流子捕获区域13的部分中增加信号量的效果。
载流子捕获部12中的载流子捕获区域13优选地以如下方式形成，即，在光敏区域3(p型区域7)的外围的所有点上，从相应的光电二极管的光敏区域3到最近的载流子捕获区域13(p型区域11)的距离小于到邻近的光敏区域3的距离。这允许有利地实现在整个间隔排列的载流子捕获区域13上减小串扰的载流子捕获部12的功能。
图6是显示出载流子捕获部12中的载流子捕获区域13的区域宽度与光电二极管的光敏度之间的关系的曲线图。在图6的曲线图中，横轴表示区域宽度w(μm)，纵轴表示光电二极管中获得的归一化光敏度，当区域宽度为w＝0μm时，光敏度被归一化为1。区域宽度w＝0μm相当于没有设置载流子捕获部。
图6中绘出了图5中所示的构造实例(a)的间隔开的点图案的、芯片厚度为125μm和150μm的两种情况的曲线图。在图6中还绘出了图5中所示的构造实例(b)的连续图案的、芯片厚度为125μm和150μm的两种情况的曲线图。这些曲线图显示出使用构造实例(a)的点图案结构，在相同的区域宽度下可提供由光电二极管获得的更高的光敏度和提高的检测灵敏度。
图7是显示出载流子捕获部12中的载流子捕获区域13的区域宽度与光电二极管之间的串扰之间的关系的曲线图。在图7中，横轴表示区域宽度w(μm)，而纵轴表示光电二极管之间的串扰(％)。
在图7中，如图6中那样，绘出了图5中所示的构造实例(a)的间隔开的点图案的、芯片厚度为125μm和150μm的两种情况的曲线图。在图7中还绘出了图5中所示的构造实例(b)的连续图案的、芯片厚度为125μm和150μm的两种情况的曲线图。如这些曲线图所示，尽管与连续图案相比，采用不连续的点图案的载流子捕获区域提供了有些减小的串扰降低效果，然而与未设置载流子捕获部的常规结构相比，它们的确提供了充分的串扰降低效果。
图8是显示出在光电二极管阵列的各位置获得的信号量的曲线图。在图8中，横轴表示在光电二极管阵列中沿预定扫描方向的扫描位置(μm)，而纵轴表示在各位置获得的归一化电流，即信号量，电流被归一化以使下述曲线图G2的最大值作为1。在图8中，曲线图G1绘出了在图5的构造实例(a)中，沿扫描方向S1(包括载流子捕获区域13)的电流值变化，而曲线图G2绘出了沿扫描方向S2(不包括载流子捕获区域13)的电流值变化。其它曲线图显示出在相加前在各光电二极管中获得的电流值。
如这些曲线图所示，尽管与对于形成有载流子捕获区域13的扫描方向S1所获得的曲线图G1中相比效果有些减小，然而在对于未形成载流子捕获区域13的扫描方向S2所获得的曲线图G2中也实现了光电二极管之间的串扰捕获和引出效果。由载流子捕获部12产生的抗晕光效果可通过使用以下构造可靠地实现，其中，如上所述，在光敏区域3(p型区域7)的外围的所有点上，到最近的载流子捕获区域13(p型区域11)的距离小于到邻近的光敏区域3的距离。
在图5的构造实例(a)中，在光敏区域3的p型区域7与载流子捕获区域13的p型区域11之间形成的高浓度n型区域9，可根据载流子捕获部12的构造形成为多种图案，例如如图9的构造实例(a)和(b)中的虚线示意性所示。这里，图9的构造实例(a)与图1中所示的构造相对应。
这里，除上述构造以外的多种具体构造也可用作载流子捕获部12的载流子捕获区域13的具体区域图案，例如图10至12中所示的构造。图10至12仅绘出光敏区域3(p型区域7)和载流子捕获区域13(p型区域11)的构造，而省略了高浓度n型区域9等的构造。
在图10的构造实例(a)中，示出了包括围绕光敏区域3的四个载流子捕获区域13的载流子捕获部12，其中在光电二极管的光敏区域3的左、右、上、下各侧具有一个载流子捕获区域。在图10的构造实例(b)中，载流子捕获区域13的数目与构造实例(a)中相同，然而，在构造实例(a)中，载流子捕获区域13设置在光敏区域3的相应边的中心部分，而在构造实例(b)中，载流子捕获区域13设置在光敏区域3的整个相应边上，且未设置载流子捕获区域的间隔位于光敏区域3的角部分。
在图11的构造实例(a)中，除了图10的构造实例(a)中的载流子捕获区域13，还设置有与光敏区域3的角部分相对应的十字形载流子捕获区域13。在图11的构造实例(b)中，缺少了在光敏区域3的各边的中心部分设置的载流子捕获区域，使得载流子捕获部12仅包括从光敏区域3的角部分延伸的十字形载流子捕获区域13。
在图12的构造实例(a)中，载流子捕获部12中的载流子捕获区域13的区域图案是细点图案。在图12的构造实例(b)中，载流子捕获区域13在邻近的光敏区域3之间延伸的两个平行的排列方向上交替排列，其中载流子捕获区域13的排列位置相对于彼此移位。
对于在半导体基板5的检测面5b侧上设置的电极的构造，如上所述，可以形成电连接至载流子捕获部12的载流子捕获区域13的第一电极，和电连接至高浓度n型区域9的第二电极，使得第一电极和第二电极在彼此电绝缘的同时分别连接于基准电位。
下面将参照图13至15说明具有上述电极构造的半导体光电探测器。图13和14均为示意性地显示出根据本发明的半导体光电探测器的另一个实施例的构造的平面图。图15是显示出沿图13和14中的线II-II截取的半导体光电探测器的剖面构造的侧面剖视图。在本实施例中，将说明光电二极管阵列PD2的构造，作为根据本发明的半导体光电探测器的构造的另一个实例。
在本光电二极管阵列PD2的n型半导体基板5的检测面5b侧上，形成有作为电连接至高浓度n型区域9的第二电极的电极31。每个电极31包括电极导线33、UBM和凸点电极35。
电极导线33例如由铝膜制成，并且通过形成在热氧化膜中的接触孔电连接至高浓度n型区域9。如图14和15中所示，从半导体基板5的检测面5b侧所见，电极导线33形成为覆盖高浓度n型区域9。例如，通过将电极导线33顺序地镀Ni和Au而形成UBM。凸点电极35由焊料制成，并且形成在UBM上。
电极31连接至差分放大器27的非反相输入终端，而电极31与差分放大器27的非反相输入终端之间的引线的中部连接于基准电位(例如地电位)。因此，电极31和差分放大器27的非反相输入终端连接于共同的基准电位。
在n型半导体基板5的检测面5b侧上，形成有作为电连接至载流子捕获区域13的p型区域11的第一电极的电极41。每个电极41包括电极导线43、UBM和凸点电极45。
电极导线43例如由铝膜制成，并且通过形成在热氧化膜中的接触孔电连接至载流子捕获区域13的p型区域11。如图14和15中所示，从半导体基板5的检测面5b侧所见，电极导线43形成为覆盖排列有p型区域11的载流子捕获部12。例如，通过将电极导线43顺序地镀Ni和Au而形成UBM。凸点电极45由焊料制成，并且形成在UBM上。
电极41与电极31电绝缘。在与电极31电绝缘的同时，电极41连接于光电二极管阵列PD2外部的与电极31不同的基准电位(例如，地电位)。
在图13至15中所示的电极构造中，载流子捕获区域13的p型区域11与高浓度n型区域9在光电二极管阵列PD2内部电分离。这防止了载流子捕获区域13侧的电位波动，允许抑制由于光电二极管的光敏区域3与载流子捕获区域13之间的电位差引起的电流流入。结果，来自光电二极管的输出信号不容易受到电的影响，由此可实现稳定的信号输出。除上述构造以外，多种其它构造可被用作电极构造。
根据本发明的半导体光电探测器和辐射检测装置不限于上述实施例和构造实例，而是可进行多种变形。例如，在以上构造实例中，本发明使用在多个pn结型光电二极管排列在二维阵列中的光电二极管阵列中，然而，本发明不限于此，而是也可适当地使用在例如多个光电二极管排列在一维阵列中的光电二极管阵列中。根据本发明的半导体光电探测器和辐射检测装置也可适当地使用在X射线CT装置中。
根据上述实施例的半导体光电探测器包括(1)半导体基板，其一面为被检测光的入射面；(2)在作为半导体基板的入射面的相反面的检测面侧上形成的多个pn结型光电二极管；以及(3)在半导体基板的检测面侧上，在多个光电二极管中的邻近的光电二极管之间形成的载流子捕获部；(4)其中载流子捕获部具有间隔排列的、分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域。
如从检测面侧所见，优选地以多个光电二极管中的至少一个光电二极管由间隔排列的多个载流子捕获区域围绕的方式形成载流子捕获部。在此情况下，将要流入邻近的光电二极管的载流子被可靠地去除，这允许更有利地抑制串扰生成。由此，即使当一定的光电二极管由于连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可更为有效地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
而且，优选地在半导体基板的检测面侧上、在载流子捕获部与光电二极管之间，形成具有与半导体基板相同的导电类型的高浓度杂质半导体区域。这里，高浓度杂质半导体区域具有分离邻近的光电二极管(通道阻挡体)的功能，用于电分离邻近的光电二极管。结果可进一步减少光电二极管之间的串扰。由此，即使当一定的光电二极管因为连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可更为有效地抑制载流子流入邻近的光电二极管。
如从检测面侧所见，高浓度杂质半导体区域优选地形成为围绕多个光电二极管中的至少一个光电二极管。于是，邻近的光电二极管可被可靠地电分离。
在用于载流子捕获部等的电极构造中，电极优选地形成在半导体基板的检测面侧，电极被电连接至载流子捕获部的载流子捕获区域和高浓度杂质半导体区域，电极被连接于基准电位。这允许共用用于将载流子捕获区域连接于基准电位的电极和用于将高浓度杂质半导体区域连接于基准电位的电极，由此可防止电极数目增加。从载流子捕获区域引出的载流子在半导体光电探测器内部消失。结果可减少光电二极管之间的串扰。由此，即使当一定的光电二极管由于连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可减少流入邻近的光电二极管的载流子。
在电极的构造中，在半导体基板的检测面侧上，可形成电连接至载流子捕获部的载流子捕获区域的第一电极，和电连接至高浓度杂质半导体区域的第二电极，使得第一电极和第二电极在彼此电绝缘的同时分别连接于基准电位。在此情况下，载流子捕获区域和高浓度杂质半导体区域在半导体光电探测器内部电分离。这防止了载流子捕获区域侧的电位波动，允许抑制由于光电二极管与载流子捕获区域之间的电位差而引起的电流流入。结果，来自光电二极管的输出信号不容易受到电的影响，由此可实现稳定的信号输出。
优选地，半导体基板为第一导电类型，而多个光电二极管和一个或多个载流子捕获区域各包括第二导电类型的杂质半导体区域和半导体基板。优选地，高浓度杂质半导体区域为第一导电类型，如半导体基板一样。
在其中排列有分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域的载流子捕获部的构造中，构成载流子捕获部的载流子捕获区域的区域宽度w优选地不小于1μm。载流子捕获区域的区域长度L优选地不小于1μm。如上所述，具有这样的区域图案的载流子捕获部允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，同时抑制光电二极管之间串扰的生成。
在载流子捕获部中，载流子捕获区域优选地间隔排列，使得在两个邻近的载流子捕获区域之间耗尽层不产生接触。另外，在载流子捕获部中，载流子捕获区域优选地以以下方式形成，即在光电二极管的外围的所有点上，从相应的光电二极管到载流子捕获区域的距离小于到邻近的光电二极管的距离。如上所述，这样的构造允许有利地确保各光电二极管中所需的光敏度，同时抑制光电二极管之间串扰的生成。
在根据以上实施例的辐射检测装置中，可以使用包括具有上述构造的半导体光电探测器和置于半导体基板的入射面侧的响应于入射在其上的辐射而发光的闪烁体的构造。如上所述，在这样的辐射检测装置中，使用具有上述构造的光电检测元件作为半导体光电探测器允许有利地抑制光电二极管之间串扰的发生。由此，即使当一定的光电二极管由于连接点的破损而陷入电浮动状态时，也可抑制载流子流入邻近的光电二极管。结果可获得高分辨率。
工业适用性
本发明可提供能够有利地抑制串扰发生的半导体光电探测器和辐射检测装置。

Claims (12)

1.一种半导体光电探测器，包括：
半导体基板，其一面为被检测光的入射面；
在与所述半导体基板的所述入射面相反的检测面侧形成的多个pn结型光电二极管；以及
在所述半导体基板的所述检测面侧，在所述多个光电二极管中的邻近的光电二极管之间形成的载流子捕获部，其中
所述载流子捕获部具有间隔排列的、分别包括pn结的一个或多个载流子捕获区域。
2.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中在从所述检测面侧观察时，所述载流子捕获部形成为使得所述多个光电二极管中的至少一个光电二极管由间隔排列的所述多个载流子捕获区域围绕。
3.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中在所述半导体基板的所述检测面侧，在所述载流子捕获部与所述光电二极管之间，形成具有与所述半导体基板相同的导电类型的高浓度杂质半导体区域。
4.如权利要求3所述的半导体光电探测器，其中在从所述检测面侧观察时，所述高浓度杂质半导体区域形成为围绕所述多个光电二极管中的至少一个光电二极管。
5.如权利要求3所述的半导体光电探测器，其中在所述半导体基板的所述检测面侧形成电极，所述电极电连接至所述载流子捕获部的所述载流子捕获区域，并连接至所述高浓度杂质半导体区域，并且其中
所述电极连接于基准电位。
6.如权利要求3所述的半导体光电探测器，其中在所述半导体基板的所述检测面侧，形成电连接至所述载流子捕获部的所述载流子捕获区域的第一电极，和电连接至所述高浓度杂质半导体区域的第二电极，并且其中
所述第一电极和所述第二电极在彼此电绝缘的同时分别连接于基准电位。
7.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中所述半导体基板为第一导电类型，并且所述多个光电二极管和所述一个或多个载流子捕获区域各自包括第二导电类型的杂质半导体区域和所述半导体基板。
8.如权利要求3所述的半导体光电探测器，其中所述半导体基板和所述高浓度杂质半导体区域为第一导电类型，并且所述多个光电二极管和所述一个或多个载流子捕获区域各自包括第二导电类型的杂质半导体区域和所述半导体基板。
9.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中构成所述载流子捕获部的所述载流子捕获区域的区域宽度w为至少1μm。
10.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中构成所述载流子捕获部的所述载流子捕获区域的区域长度L为至少1μm。
11.如权利要求1所述的半导体光电探测器，其中所述载流子捕获部中的所述载流子捕获区域形成为使得，在所述光电二极管的外围的所有点上，从相应的光电二极管到载流子捕获区域的距离小于到邻近的光电二极管的距离。
12.一种辐射检测装置，包括：
根据权利要求1所述的半导体光电探测器；和
置于半导体基板的入射面侧的响应于入射在其上的辐射而发光的闪烁体。
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