DE112012004387T5 - Lichtdetektionsvorrichtung - Google Patents

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c/o Hamamatsu Photonics K.K. Nagano Terumasa
c/o Hamamatsu Photonics K.K. Hosokawa Noburo
c/o Hamamatsu Photonics K.K. Suzuki Tomofumi
c/o Hamamatsu Photonics K.K. Baba Takashi
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Abstract

Ein Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 beinhaltet eine Mehrzahl von Lawinen-Photodioden APD, die im Geigermodus arbeiten und auf einem Halbleitersubstrat 1N ausgebildet sind, Löschwiderstände R1, die in Reihe mit den jeweiligen Lawinen-Photodioden APD verbunden und auf einer Seite einer Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 1N angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Durchgangslochelektroden TE, welche mit den Löschwiderständen R1 elektrisch verbunden und so ausgebildet sind, dass sie das Halbleitersubstrat 1N von der Seite der Hauptoberfläche 1Na zu einer Seite einer Hauptoberfläche 1Nb penetrieren. Ein Montagesubstrat 20 beinhaltet eine Mehrzahl von Elektroden E9, welche entsprechend den jeweiligen Durchgangslochelektroden TE auf einer Seite einer Hauptoberfläche 20a entsprechend angeordnet sind. Die Durchgangslochelektroden TE und die Elektroden E9 sind über Bump-Elektroden BE elektrisch verbunden und eine Seitenoberfläche 1Nc des Halbleitersubstrats 1N und eine Seitenoberfläche 30c eines Glassubstrats 30 sind zueinander bündig.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Licht-Detektionsvorrichtung.
  • Hintergrund
  • Es gibt eine bekannte Photodiodenanordnung (Halbleiter-Licht-Detektionseinheit, „Array”), die eine Mehrzahl von Lavinen-Photodioden, die im Geigermodus arbeiten, aufweist, in Reihe verbundene Abschwächwiderstände zu den jeweiligen Lavinen-Photodioden und Signalleitungen, mit denen die Abschwächwiderstände parallel verbunden sind (siehe z. B. Patentliteratur 1). Bei dieser Photodiodenanordnung, wenn eine, ein Pixel bildende Lawinen-Photodiode ein Photon detektiert, so dass Geigerentladung induziert wird, wird ein gepulstes Signal durch Aktion des Abschwächwiderstandes, der mit der Lawinen-Photodiode verbunden ist, ermittelt. Jede Lawinen-Photodiode zählt ein Photon. Aus diesem Grund können wir mit Inzidenz von mehreren Photonen zum selben Zeitpunkt auch die Anzahl von einfallenden Photonen in Übereinstimmung mit einer Ausgangslademenge oder Signalintensität aller Ausgangsimpulse herausfinden.
  • Zitateliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-003739
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Bei dem oben beschriebenen Halbleiter-Licht-Detektionselement sind die Löschwiderstände parallel mit den Signalleitungen verbunden und aus diesem Grund sind auch die Lawinen-Photodioden parallel miteinander verbunden. Im Falle des Halbleiter-Licht-Detektionselements, das die Mehrzahl von Lawinen-Photodioden parallel verbunden aufweist, können Distanzen von Zwischenverbindungen (Signalleitungen) zum Führen von Signalen, die aus den entsprechenden Lawinen-Photodioden ausgegeben sind (die nachfolgend als ”Verbindungsdistanzen” bezeichnet werden), zwischen Pixeln (Lawinen-Photodioden) verschieden sein. Die verschiedenen Verbindungsdistanzen zwischen Pixeln führen zu unterschiedlichen temporalen Auflösungen zwischen Pixeln aufgrund von Widerstands- und Kapazitätseinfluss der Verbindungen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Licht-Detektionsvorrichtung bereitzustellen, die zum Erzielen weiterer Verbesserung bei der zeitlichen Auflösung in der Lage ist, während die Differenz der temporalen Auflösungen zwischen Pixeln unterdrückt wird.
  • Problemlösung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Licht-Detektionsvorrichtung bereit, welche umfasst: ein Halbleiter-Lichtdetektionselement, das ein Halbleitersubstrat einschließlich ersten und zweiter Hauptoberflächen, die zueinander gegenüberliegend sind, ein Montagesubstrat, das gegenüberliegend zu dem Halbleiter-Lichtdetektionselement ist und eine dritte Hauptoberfläche gegenüberliegend der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, und ein Glassubstrat, das angeordnet ist, gegenüberliegend dem Halbleiter-Lichtdetektionselement zu sein, und das eine vierte Hauptoberfläche aufweist, die zur ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gegenüberliegend ist, wobei das Halbleiter-Licht-Detektionselement enthält: eine Mehrzahl von Lawinen-Photodioden, die im Geigermodus arbeiten, und in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, Löschwiderstände, die in Reihe mit den entsprechenden Lawinen-Photodioden verbunden und auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Durchgangsloch-Elektroden, die mit den Löschwiderständen elektrisch verbunden und so ausgebildet sind, dass sie das Halbleitersubstrat von der ersten Hauptoberflächenseite zur zweiten Hauptoberflächenseite penetrieren, wobei das Montagesubstrat eine Mehrzahl von ersten Elektroden beinhaltet, die zu den jeweiligen Durchgangsloch-Elektroden der dritten Hauptoberflächenseite korrespondierend angeordnet sind, und eine Signalverarbeitungseinheit 20, welche elektrisch mit der Mehrzahl von ersten Elektroden verbunden ist und konfiguriert ist, Ausgangssignale aus den jeweiligen Lawinen-Photodioden zu prozessieren, wobei die Durchgangsloch-Elektroden und die ersten Elektroden über Bump-Elektroden elektrisch verbunden sind und wobei die Seitenoberfläche des Halbleitersubstrats und eine Seitenoberfläche des Glassubstrats zueinander bündig sind.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Mehrzahl von elektrisch mit den Löschwiderständen verbundenen und das Halbleitersubstrat an der ersten Hauptoberflächenseite zur zweiten Hauptoberflächenseite penetrierende Mehrzahl von Durchgangsloch-Elektroden im Halbleitersubstrat des Halbleiter-Licht-Detektionselementes ausgebildet und sind die Durchgangsloch-Elektroden des Halbleiter-Licht-Detektionselements und die ersten Elektroden des Montagesubstrats elektrisch über die Bump-Elektroden verbunden. Diese Konfiguration gestattet es, dass die Zwischenverbindungsdistanzen der entsprechenden Pixel extrem kurz eingestellt werden und gestattet somit deren Werte ohne signifikante Variationen auszugleichen. Daher unterdrückt sie in beachtlicher Weise den Einfluss von Widerständen und Kapazitäten der Zwischenverbindungen und erzielt somit eine weitere Verbesserung bei der temporalen Auflösung.
  • In der vorliegenden Ausführungsform verbessert das gegenüberliegend dem Halbleiter-Licht-Detektionselement angeordnete Glassubstrat die mechanische Stärke des Halbleitersubstrats. Da die Seitenoberfläche des Halbleitersubstrats und die Seitenoberfläche des Glassubstrats zueinander bündig sind, wird der tote Raum reduziert.
  • In der vorliegenden Erfindung kann eine Hauptoberfläche des der vierten Hauptoberfläche gegenüberliegenden Glassubstrats flach sein. In diesem Fall ist es extrem einfach, die Installation eines Szintillators auf dem Glassubstrat durchzuführen.
  • In der vorliegenden Erfindung können die Durchgangsloch-Elektroden in Regionen zwischen den Lawinen-Photodioden lokalisiert sein. In diesem Fall ist es machbar, eine Reduktion beim Füllfaktor in jedem Pixel zu verhindern.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann das Halbleiter-Licht-Detektionselement weiter zweite Elektroden enthalten, welche elektrisch mit den entsprechenden Durchgangsloch-Elektroden verbunden und auf der zweiten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind, und können die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden über die Bump-Elektroden verbunden sein. In diesem Fall ist es machbar, sicher eine Verbindung zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden durch die Bump-Elektroden zu implementieren.
  • In der vorliegenden Erfindung kann jede Lawinen-Photodiode aufweisen: das Halbleitersubstrat eines ersten elektrischen Leiters; einen ersten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; einen zweiten Halbleiterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der im ersten Halbleiterbereich ausgebildet ist und eine höhere Verunreinigungskonzentration (Störstellenkonzentration) als der erste Halbleiterbereich aufweist; und eine auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnete und elektrisch den zweiten Halbleiterbereich und den Löschwiderstand verbindende dritte Elektrode, und die zweite Elektrode kann in einem Bereich entsprechend dem zweiten Halbleiterbereich auf der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet sein. In diesem Fall ist es machbar, die Größe der zweiten Elektrode relativ groß einzustellen. Diese Konfiguration gestattet es uns, sicherer die Verbindung zwischen den ersten Elektroden und den zweiten Elektroden über die Bump-Elektroden zu implementieren und die mechanische Festigkeit der Verbindung zu verbessern.
  • In der vorliegenden Erfindung kann eine Mehrzahl von Löschwiderständen elektrisch mit der Durchgangsloch-Elektrode verbunden sein. In diesem Fall wird die Durchgangsloch-Elektrode zwischen Pixeln geteilt, was die Anzahl von in dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Durchgangsloch-Elektroden reduziert. Diese Konfiguration unterdrückt eine Reduktion bei der mechanischen Festigkeit des Halbleitersubstrats.
  • In der vorliegenden Erfindung können Verbindungsdistanzen ab den jeweiligen Lawinen-Photodioden durch die entsprechenden Löschwiderstände zur Durchgangslochelektrode gleich sein. In diesem Fall wird eine Reduktion bei der temporalen Auflösung selbst in der Konfiguration verhindert, bei der die Durchgangslochelektrode zwischen Pixeln geteilt wird.
  • Vorteilhafter Erfindungseffekt
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Licht-Detektionsvorrichtung bereit, die in der Lage ist, eine weitere Verbesserung bei der temporalen Auflösung zu erzielen, während die Differenz bei den temporalen Auflösungen zwischen Pixeln verringert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Zeichnung zum Erläutern einer Querschnitts-Konfiguration des Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 3 ist eine schematische Aufsicht eines Halbleiter-Licht-Detektionselements.
  • 4 ist eine schematische Aufsicht des Halbleiter-Licht-Detektionselements.
  • 5 ist ein Schaltungsdiagramm der Licht-Detektionsvorrichtung.
  • 6 ist eine schematische Aufsicht eines Montagesubstrats.
  • 7 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 8 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 9 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 10 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 11 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 12 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 13 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Herstellprozesses der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • 14 ist eine schematische Aufsicht eines Halbleiter-Licht-Detektionselements.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung werden dieselben Elemente, oder Elemente mit derselben Funktionalität durch dieselben Bezugszeichen ohne redundante Beschreibung bezeichnet.
  • Eine Konfiguration der Licht-Detektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6 beschrieben. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 ist eine Zeichnung zum Erläutern einer Querschnittskonfiguration der Licht-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 3 und 4 sind schematische Aufsichten eines Halbleiter-Licht-Detektionselements. 5 ist ein Schaltungsdiagramm der Licht-Detektionsvorrichtung. 6 ist eine schematische Aufsicht eines Montagesubstrats.
  • Die Licht-Detektionsvorrichtung 1, wie in den 1 und 2 gezeigt, weist ein Halbleiter-Licht-Detektionselement 10, ein Montagesubstrat 20, und ein Glassubstrat 30 auf. Das Montagesubstrat 20 ist gegenüberliegend dem Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 angeordnet. Das Glassubstrat 30 ist gegenüberliegend dem Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 angeordnet. Das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 ist zwischen dem Montagesubstrat 20 und dem Glassubstrat 30 angeordnet.
  • Das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 besteht aus einer Photodiodenanordnung PDA. Die Photodiodenanordnung PDA hat ein Halbleitersubstrat 1N einer rechtwinkligen Form bei Aufsicht. Das Halbleitersubstrat 1N beinhaltet eine Hauptoberfläche 1Na und eine Hauptoberfläche 1Nb, die zueinander gegenüberliegend sind. Das Halbleitersubstrat 1N ist ein N-Typ-(erster Leitfähigkeitstyp)Halbleitersubstrat, das aus Si besteht.
  • Die Photodiodenanordnung PDA beinhaltet eine Mehrzahl von Lawinen-Photodioden APD, die im Halbleitersubstrat 1N ausgebildet sind. In Reihe mit jeder Lawinen-Photodiode APD verbunden, wie auch in 3 gezeigt, ist ein Löschwiderstand R1. Eine Lawinen-Photodiode APD bildet ein Pixel in der Photodiodenanordnung PDA. Während jede Lawinen-Photodiode APD in Reihe mit dem entsprechenden Löschwiderstand R1 verbunden ist, sind alle Lawinen-Photodioden parallel verbunden und wird eine reverse Vorspannung aus einer Stromversorgung daran angelegt. Ausgangsströme aus den Lawinen-Photodioden APD werden durch eine unten beschriebene Signalverarbeitungseinheit SP detektiert. 3 ist ohne Illustrierung einer in 2 gezeigten Isolierschicht L1 aus Gründen der Klarheit der Struktur gezeichnet.
  • Jede individuelle Lawinen-Photodiode APD hat eine erste P-Typ-(zweiter Leitfähigkeitstyp)Halbleiterregion 1PA und eine zweite Halbleiterregion 1PB vom P-Typ (zweiter Leitfähigkeitstyp). Die erste Halbleiterregion 1PA ist auf der Hauptoberfläche 1NA-Seite des Halbleitersubstrat 1N ausgebildet. Die zweite Halbleiterregion 1PB ist in der ersten Halbleiterregion 1PA und weist eine höhere Verunreinigungskonzentration als die erste Hohlraumregion 1PA auf. Die planare Form der zweiten Halbleiterregion 1PB ist beispielsweise eine polygonale Form (Oktagon in der vorliegenden Ausführungsform). Die Tiefe der ersten Halbleiterregion 1PA ist größer als diejenige der zweiten Halbleiterregion 1PB.
  • Das Halbleitersubstrat 1N hat Halbleiterregionen 1PC vom N-Typ (erster Leitfähigkeitstyp). Die Halbleiterregionen 1PC sind auf der Hauptoberfläche 1Na-Seite des Halbleitersubstrats 1N ausgebildet. Die Halbleiterregion 1PC verhindern, dass zwischen dem N-Typ Halbleitersubstrat 1N und den ersten Halbleiterregionen 1PA vom P-Typ ausgebildete PN-Übergänge gegenüber Durchgangslöchern TH exponiert sind, in welchen die unten beschriebenen Durchgangsloch-Elektroden TE angeordnet sind. Die Halbleiterregionen 1PC sind an Positionen entsprechend den Durchgangslöchern TH ausgebildet (Durchgangsloch-Elektroden TE).
  • Jede Lawinen-Photodiode APD, wie in 3 gezeigt, weist eine Elektrode E1 und eine Elektrode E3 auf. Die Elektrode E1 und die Elektrode E3 sind beide auf der Seite der Hauptoberfläche 1Na des Halbleitersubstrats 1N angeordnet. Die Elektrode E1 ist elektrisch mit der zweiten Halbleiterregion 1PB verbunden. Die Elektrode E3 ist durch die Isolierschicht L1 auf dem Halbleitersubstrat 1N außerhalb der zweiten Halbleiterregion 1PB angeordnet, bei Sicht aus der Seite der Hauptoberfläche 1Na. Die erste Halbleiterregion 1PA ist über die zweite Halbleiterregion 1PB mit der Elektrode E1 elektrisch verbunden.
  • Die Lawinen-Photodiode APD, wie auch in 4 gezeigt, weist eine (nicht gezeigte) Elektrode auf, welche elektrisch mit dem Halbleitersubstrat 1N verbunden ist, eine Elektrode E5 und eine Elektrode E7, die mit der Elektrode E5 verbunden ist, die alle auf der Hauptoberfläche 1Nb-Seite des Halbleitersubstrat 1N angeordnet sind. Die Elektrode E5 ist durch eine Isolierschicht L2 auf dem Halbleitersubstrat 1N außerhalb der zweiten Halbleiterregion 1PB angeordnet, bei Sicht von der Seite der Hauptoberfläche 1Nb. Die Elektrode E7 ist durch die Isolierschicht L2 auf dem Halbleitersubstrat 1N überlappend mit der zweiten Halbleiterregion 1PB bei Sicht aus der Seit der Hauptoberfläche 1Nb angeordnet. Die Elektrode E7 ist auf einer Region entsprechend der zweiten Halbleiterregion 1PB auf der Hauptoberfläche 1Nb angeordnet. 4 ist ohne Illustrierung eines Passivierungsfilms PF, gezeigt in 2, für die Klarheit der Struktur gezeichnet.
  • Die Photodiodenanordnung PDA weist die Löschwiderstände R1 für die jeweiligen individuellen Lawinenphotodioden APD auf. Jeder Löschwiderstand R1 ist durch die Isolationsschicht L1 auf dem Halbleitersubstrat 1N außerhalb der zweiten Halbleiterregion 1PB angeordnet. Der Löschwiderstand R1 ist auf der Hauptoberflächenseite 1Na des Halbleitersubstrats 1N angeordnet. Der Löschwiderstand R1 weist ein mit der Elektrode E1 verbundenes Ende und das mit der Elektrode E3 verbundene andere Ende auf.
  • Die Photodiodenanordnung PDA beinhaltet eine Mehrzahl von Durchgangslochelektroden TE. Die Durchgangslochelektroden TE sind für die jeweiligen, individuellen Lawinenphotodioden APD vorgesehen. Die Durchgangslochelektroden TE sind so ausgebildet, dass sie das Halbleitersubstrat 1N von der Seite der Hauptoberfläche 1Na zur Seite der Hauptoberfläche 1Nb penetrieren. Die Durchgangslochelektroden TE sind in den Durchgangslöchern TH, welche das Halbleitersubstrat 1N penetrieren, angeordnet. Die Isolationsschicht L2 ist auch in den Durchgangslöchern TH ausgebildet. Daher sind die Durchgangslochelektroden TE durch die Isolationsschicht L2 in den Durchgangslöchern TH angeordnet.
  • Die Durchgangslochelektrode TE weist ein Ende mit der Elektrode E3 verbunden, und das andere Ende mit der Elektrode E5 verbunden auf. Der Löschwiderstand R1 ist durch die Elektrode E3, die Durchgangslochelektrode TE und die Elektrode E5 mit der Elektrode E7 verbunden.
  • Die Durchgangslochelektrode TE ist in einer Region zwischen Lawinenphotodioden APD bei Aufsicht angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Lawinenphotodioden APD zweidimensional gerastert in einer Matrix von M Reihen in einer ersten Richtung und N Spalten in einer zweiten Richtung orthogonal zur ersten Richtung (M und N sind natürliche Zahlen). Die Durchgangslochelektrode TE ist in der von vier Lawinenphotodioden APD umgebenen Region ausgebildet. Da die Durchgangslochelektroden TE für die entsprechenden Lawinenphotodioden APD vorgesehen sind, sind sie in der Matrix von M Reihen in der ersten Richtung und N Spalten in der zweiten Richtung zweidimensional gerastert.
  • Die Löschwiderstände R1 weisen eine Widerstandsfähigkeit höher als diejenige der Elektrode E1 auf, mit der die Elektrode E1 verbunden sind. Die Löschwiderstände R1 bestehen beispielsweise aus Polysilizium. Eine anwendbares Verfahren zum Ausbilden der Löschwiderstände R1 ist ein CVD-(Chemical Vapor Deposition, chemische Dampfabscheidung)Prozess.
  • Die Elektroden E1, E3, E5, E7 und die Durchgangslochelektroden TE bestehen aus Metall sie etwa Aluminium. Wenn das Halbleitersubstrat aus Si gemacht ist, ist ein häufig verwendetes Elektrodenmaterial AuGe/Ni, wie auch Aluminium. Obwohl es vom Prozessdesign abhängt, können die Elektroden E5, Elektroden E7 und Durchgangslochelektroden TE integral ausgebildet sein. Ein anwendbares Verfahren zum Ausbilden der Elektroden E1, E3, E5, E7 und der Durchgangslochelektroden TE ist ein Zerstäubungsprozess (Sputtering).
  • Eine im Falle der Verwendung von Si zu verwendende Verunreinigung vom P-Typ ist ein Gruppe-3-Element, wie etwa B und eine im selben Fall zu verwendende Verunreinigung vom N-Typ ist ein Gruppe-5-Element wie etwa N, P oder As. Falls das Halbleiter-Licht-Detektionselement durch Vertauschen vom N-Typ und P-Typ von Halbleiterleitfähigkeitstypen miteinander konstruiert ist, kann das Element auch gut funktionieren. Ein anwendbares Verfahren zum Hinzufügen dieser Verunreinigungen ist ein Diffusionsprozess oder ein Ionen-Implantationsprozess.
  • Ein für die Isolationsschichten L1, L2 verfügbares Material ist SiO2 oder SiN. Ein anwendbares Verfahren zum Abbilden der Isolierschichten L1, L2 im Falle, dass die Isolierschichten L1, L2 aus SiO2 gemacht sind, ist ein thermischer Oxidationsprozess oder ein Zerstäubungsprozess.
  • Im Falle der oben beschriebenen Struktur sind die PN-Übergänge zwischen dem N-Typ-Halbleitersubstrat 1N und den ersten P-Typ Halbleiterregionen 1PA ausgebildet, wodurch die Lawinenphotodioden APD gebildet werden. Das Halbleitersubstrat 1N ist mit der (nicht gezeigten) Elektrode, die auf der Rückoberfläche des Substrats 1N ausgebildet ist, elektrisch verbunden, und die ersten Halbleiterregionen 1PA sind über die zweiten Halbleiterregionen 1PB mit den Elektroden E1 verbunden. Der Löschwiderstand R1 ist in Reihe mit der Lawinen-Photodiode APD verbunden (siehe 5).
  • In der Photodiodenanordnung PDA sind die einzelnen Lawinenphotodioden APD hergestellt, um im Geigermodus zu arbeiten. Im Geigermodus wird eine Rückwärtsspannung (Reversvorspannung) größer als die Durchbruchspannung der Lawinenphotodioden APD zwischen Anoden und Kathoden der Lawinenphotodioden APD angelegt. Ein (–)-Potential V1 wird an den Anoden angelegt und ein (+)-Potential V2 an den Kathoden. Die Polarität dieser Potentiale sind relative, von denen eines das Erdungspotential sein kann.
  • Die Anoden sind die ersten P-Typ-Halbleiterregionen 1PA, während die Kathoden das N-Typ-Halbleitersubstrat 1N sind. Wenn Licht (ein Photon) auf die Lawinen-Photodioden APD einfallend ist, wird eine photoelektrische Umwandlung innerhalb des Substrats bewirkt, um Photoelektronen zu erzeugen. Lawinen-Multiplikation wird in einer Region um die PN-Übergangsschnittstelle der ersten Halbleiterregion 1PA bewirkt und eine Gruppe von multiplizierten Elektronen fließt zur auf der Rückoberfläche des Halbleitersubstrats 1N ausgebildeten Elektrode. Mit Einfallen von Licht (Photon) auf einen Pixel (Lawinen-Photodiode APD) im Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 (Photodiodenanordnung PDA) ist es nämlich einer Multiplikation unterworfen, die als Signal aus der Elektrode E7 abzunehmen ist.
  • Das Montagesubstrat 20, wie auch in 2 und 13 gezeigt, weist eine Hauptoberfläche 20a und eine Hauptoberfläche 20b auf, die zueinander entgegen gesetzt sind. Das Montagesubstrat 20 weist bei Aufsicht eine rechtwinklige Form auf. Die Hauptoberfläche 20a ist der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 1N gegenüberliegend. Das Montagesubstrat 20 beinhaltet eine Mehrzahl von Elektroden E9, die auf der Seite der Hauptoberfläche 20a angeordnet sind. Die Elektroden E9 sind entsprechend den Durchgangslochelektroden TE angeordnet, wie in 2 gezeigt. Speziell sind die Elektroden E9 auf entsprechenden Regionen angeordnet, die den Elektroden E7 gegenüberliegend sind, auf der Hauptoberfläche 20a.
  • Die Seitenoberflächen 1Nc des Halbleitersubstrats 1N und die Seitenoberfläche 20c des Montagesubstrats 20 Montagesubstrat 20 sind bündig miteinander, wie in den 1 und 2 gezeigt. In der Aufsicht sind die Außenkante des Halbleitersubstrats 1N und die Außenkante des Montagesubstrats 20 koinzident.
  • Die Elektroden E7 und Elektroden E9 sind über Bump-Elektroden BE verbunden. Dies bringt die Durchgangslochelektroden TE über die Elektroden E5, die Elektroden E7 und die Bump-Elektroden BE in elektrische Verbindung mit den Elektroden E9. Dann werden die Löschwiderstände R1 elektrisch mit den Elektroden E9 über die Elektroden E3, die Durchgangslochelektroden TE, die Elektroden E5, Elektroden E7 und Bump-Elektroden BE elektrisch verbunden. Die Elektroden E9 bestehen auch aus Metall, wie etwa Aluminium, wie es die Elektroden E1, E3, E5, E7 und die Durchgangslochelektroden TE sind. Das Elektrodenmaterial, das zu verwenden ist, kann beispielsweise AuGe/Ni wie auch Aluminium sein. Die Bump-Elektroden BE bestehen beispielsweise aus Lot.
  • Das Montagesubstrat 20 weist eine Signalverarbeitungseinheit SP, wie auch in 5 gezeigt, auf. Das Montagesubstrat 20 bildet einen ASIC-(Application Specific Integrated Circuit, Applikations-spezifische integrierte Schaltung). Jede Elektrode E9 ist elektrisch mit der Signalverarbeitungseinheit SP über eine im Montagesubstrat 20 ausgebildete (nicht gezeigte) Verbindung verbunden. Die Ausgangssignale aus den jeweiligen Löschwiderständen APD (Halbleiter-Licht-Detektionselement 10) werden der Signalverarbeitungseinheit SP zugeführt und dann prozessiert die Signalverarbeitungseinheit SP die Ausgangssignale aus den jeweiligen Löschwiderständen APD. Die Signalverarbeitungseinheit SP beinhaltet eine CMOS-Schaltung zum Umwandeln der Ausgangssignale aus den jeweiligen Löschwiderständen APD in Digitalimpulse. Das Montagesubstrat 20 ist so konfiguriert, dass es eine Schaltung zum Aufzeichnen von Zeitinformation entsprechend jedem Pixel (Lawinen-Photodiode APD) enthält. Die hierin für das Aufzeichnen von Zeitinformation zu verwendende Schaltung ist ein Zeitdigitalwandler (TDC: Time to Digital Convertor), oder ein Zeitspannungswandler (TAC: Time to Amplitude Convertor) oder dergleichen. Aufgrund dieser Konfiguration beeinträchtigt die Differenz von Zwischenverbindungsdistanzen des Montagesubstrats 20 die temporale Auflösung nicht.
  • Passivierungsfilme PF mit an den, den Bump-Elektroden BE entsprechenden Positionen ausgebildeten Öffnungen sind auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 1N und auf der Seite der Hauptoberfläche 20a des Montagesubstrats 20 angeordnet. Die Passivierungsfilme PF bestehen beispielsweise aus SiN. Ein anwendbares Verfahren zum Ausbilden der Passivierungsfilme PF ist ein CVD-Prozess.
  • Das Glassubstrat 30 weist eine Hauptoberfläche 30a und eine Hauptoberfläche 30b auf, die zueinander gegenüberliegend sind. Das Glassubstrat 30 weist eine rechteckige Form bei Aufsicht auf. Die Hauptoberfläche 30a ist gegenüberliegend der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 1N. Die Hauptoberfläche 30b ist flach. In der vorliegenden Ausführungsform ist auch die Hauptoberfläche 30a flach. Das Glassubstrat 30 und das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 sind optisch miteinander mit einem optischen Kleber OA verbunden. Das Glassubstrat 30 kann direkt auf dem Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 ausgebildet sein.
  • Obwohl die Illustrierung weggelassen ist, ist ein Szintillator optisch mit der Hauptoberfläche 30b des Glassubstrats 30 mit einem optischen Kleber verbunden. Szintillationslicht aus dem Szintillator passiert das Glassubstrat 30, um in das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 zu gelangen.
  • Die Seitenoberflächen 1Nc des Halbleitersubstrats 1N und die Seitenoberflächen 30c des Glassubstrats 30 sind zueinander bündig, wie ebenfalls in 1 gezeigt. Bei Aufsicht sind die äußere Kante des Halbleitersubstrats 1N und die äußere Kante des Glassubstrats 30 koinzident.
  • Als Nächstes wird ein Herstellprozess der oben beschriebenen Licht-Detektionsvorrichtung 1 unter Bezugnahme auf die 7 bis 13 beschrieben. Die 7 bis 13 sind Zeichnungen zum Erläutern des Herstellprozesses der Lichtdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Zuerst wird das Halbleitersubstrat 1N, in welchem Teile entsprechend der Photodiodenanordnung PDA (erste Halbleiterregion 1PA, zweite Halbleiterregion 1PB, Isolierschicht L1, Löschwiderstände R1, Elektroden E1 und Elektroden E3) ausgebildet sind, vorbereitet (siehe 7). Das Halbleitersubstrat 1N ist in Form eines Halbleiterwafers vorbereitet, wobei es eine Mehrzahl von Teilen entsprechend ausgebildeten Photodiodenanordnungen PDA gibt.
  • Als Nächstes wird das Glassubstrat 30 zum vorbereiteten Halbleitersubstrat 1N über den optischen Kleber OA bondiert (siehe 8). Dieser Prozess führt zum optischen Verbinden des Glassubstrats 30 und des Halbleiter-Licht-Detektionselements 10 miteinander. Das Glassubstrat 30 wird auch in Form einer Glassubstrat-Vorform vorbereitet, die eine Mehrzahl von Glassubstraten 30 enthält, wie es das Halbleitersubstrat 1N ist.
  • Als Nächstes wird das Halbleitersubstrat 1N von der Seite der Hauptoberfläche 1Nb aus verdünnt (siehe 9). Ein anwendbares Verfahren zum Dünnen des Halbleitersubstrats 1N ist ein mechanischer Polierprozess oder ein chemischer Polierprozess.
  • Als Nächstes werden die Durchgangslöcher TH zum Anordnen der Durchgangslochelektroden TE auf dem Halbleitersubstrat 1N gebildet (siehe 10). Ein anwendbares Verfahren zum Ausbilden der Durchgangslöcher TH ist eines, das in geeigneter Weise aus einem Trockenätzprozess und einem Nassätzprozess ausgewählt wird.
  • Als Nächstes werden Teile entsprechend dem Photodiodenanordnung PDA (Durchgangslochelektroden TE, Elektroden E5 und Elektroden E7) auf dem Halbleitersubstrat 1N, in welchem die Durchgangsloch-Elektroden TH ausgebildet worden sind, gebildet (siehe 11).
  • Als Nächstes wird der Passivierungsfilme PF mit den an Positionen entsprechend der Bump-Elektroden BE ausgebildeten Öffnungen auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 1N ausgebildet, und dann werden die Bump-Elektroden BE gebildet (siehe 12). Dieser Prozess schließt eine Konfiguration ab, bei der das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 und das Glassubstrat 30 gegenüberliegend angeordnet sind. Vor der Bildung der Bump-Elektroden BE wird UBM (Under bump metal, Unter-Bump-Metall) in Regionen gebildet, die aus dem Passivierungsfilm PF auf den Elektroden E7 exponiert sind. Das UBM besteht aus einem Material, das eine überragende elektrische und physikalische Verbindung mit den Bump-Elektroden BE erzielt. Ein anwendbares Verfahren zum Bilden des UBM ist ein elektroloser Plattierprozess. Ein anwendbares Verfahren zum Bilden der Bump-Elektroden BE ist eine Technik zum Montieren von Lotbällen oder ein Druckprozess.
  • Als Nächstes werden das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 mit den darauf angeordneten Glassubstraten 30 und das getrennt vorbereitete Montagesubstrat 20 miteinander Bump-verbunden (siehe 13). Dieser Prozess führt zum Erhalten einer Konfiguration, bei der das Montagesubstrat 20 gegenüberliegend dem Halbleiter-Licht-Detektionselement 10, an welchem das Glassubstrat 30 als gegenüberliegend angeordnet ist, angeordnet wird. Im Montagesubstrat 20 werden die Bump-Elektroden BE an Positionen entsprechend den Elektroden E9 der Seite der Hauptoberfläche 20a ausgebildet. Das Montagesubstrat 20 wird auch in Form eines Halbleiterwafers vorbereitet, wobei eine Mehrzahl von Montagesubstraten 20 ausgebildet sind.
  • Als Nächstes wird ein Laminatkörper, der aus den Glassubstraten 30 (Glassubstratvorform), den Halbleiter-Licht-Detektionselementen 10 (Halbleiterwafer) und den Montagesubstraten 20 (Halbleiterwafer) besteht, durch ”Dicing” geschnitten. Dies bringt die Seitenoberflächen 1Nc des Halbleitersubstrats 1N, die Seitenoberfläche 20c des Montagesubstrats 20 und die Seitenoberflächen 30c des Glassubstrats 30 in Bündigkeit zueinander. Die einzelnen Licht-Detektionsvorrichtungen 1 werden über diese Prozesse erhalten.
  • In der vorliegenden Ausführungsform, wie oben beschrieben, werden die elektrisch mit den Löschwiderständen R1 verbundenen und das Halbleitersubstrat 1N von der Hauptoberfläche-1Na-Seite zur Seite der Hauptoberfläche 1Nb penetrierenden Durchgangslochelektroden TE im Halbleitersubstrat 1N des Halbleiter-Licht-Detektionselements 10 ausgebildet (Photodiodenanordnung PDA). Die Durchgangslochelektroden TE des Halbleiter-Licht-Detektionselements 10 und die Elektroden E9 des Montagesubstrats 20 sind elektrisch mit den Bump-Elektroden BE verbunden. Diese Konfiguration gestattet es, dass die Zwischenverbindungsdistanzen aus den entsprechenden Pixeln (Lawinen-Photodioden APD) kurz eingestellt werden, und gestattet es, dass deren Werte ohne signifikante Variation ausgeglichen werden. Daher unterdrückt sie beachtlich den Einfluss von Widerständen und Kapazitäten der Verbindungen aus den entsprechenden Pixeln und erzielt damit eine weitere Verbesserung in der temporalen Auflösung.
  • In der vorliegenden Ausführungsform verstärkt das dem Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 gegenüberliegend angeordnete Glassubstrat 30 die mechanische Festigkeit des Halbleitersubstrats 1N. Insbesondere ist es extrem effektiv in dem Fall, bei dem das Halbleitersubstrat 1N ausgedünnt wird.
  • Die Seitenoberflächen 1Nc des Halbleitersubstrats 1N und die Seitenoberflächen 30c des Glassubstrats 30 sind zueinander bündig. Diese Konfiguration reduziert den Totraum. Die Seitenoberflächen 1Nc des Halbleitersubstrats 1N und die Seitenoberflächen 20c des Montagesubstrats 20 sind ebenfalls bündig zueinander. Diese Konfiguration reduziert den Totraum weiter.
  • Die Hauptoberfläche 30b des Glassubstrats 30 ist flach. Diese Konfiguration macht es extrem einfach, die Installation des Szintillators auf das Glassubstrat 30 durchzuführen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind die Durchgangslochelektroden TE in den Regionen zwischen den Lawinen-Photodioden APD lokalisiert. Diese Konfiguration verhindert eine Reduktion beim Füllfaktor in jedem Pixel.
  • Das Halbleiter-Licht-Detektionselement 10 beinhaltet die elektrisch mit den entsprechenden Durchgangslochelektroden TE verbundenen und auf der Seite der Hauptoberfläche 1Nb des Halbleitersubstrats 1N angeordneten Elektroden E7, und die Elektroden E7 und die Elektroden E9 sind über die Bump-Elektroden BE verbunden. Diese Konfiguration gestattet es, dass die Verbindung zwischen den Elektroden E7 und den Elektroden E9 über die Bump-Elektroden BE mit Gewissheit implementiert werden.
  • Jede Lawinen-Photodiode APD weist das Halbleitersubstrat 1N, die erste Halbleiterregion 1PA, die zweite Halbleiterregion 1PB und die Elektrode E1 auf, welche die zweite Halbleiterregion 1PB und den Löschwiderstand R1 elektrisch verbinden, und die Elektrode E7 wird auf der Region entsprechend der zweiten Halbleiterregion 1PB auf der Hauptoberfläche 1Nb ausgebildet. Diese Konfiguration gestattet es uns, die Größe der Elektrode E7 relativ groß einzustellen. Als Konsequenz davon ist es möglich, sicherer die Verbindung zwischen der Elektrode E7 und der Elektrode E9 über die Bump-Elektroden BE zu implementieren und die mechanische Stärke der Verbindung zu verbessern.
  • Das Obige beschrieb die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist und in vielerlei Weise modifiziert werden kann, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen.
  • Ein Löschwiderstand R1 ist elektrisch mit einer Durchgangslochelektrode TE verbunden, aber sie müssen nicht immer auf diese Konfiguration beschränkt sein. Wie in 14 gezeigt, kann eine Mehrzahl von Löschwiderständen (z. B. vier Löschwiderstände) 1R elektrisch mit einer Durchgangslochelektrode TE verbunden sein. In diesem Fall wird die Durchgangslochelektrode TE zwischen Pixeln geteilt, was die Anzahl von in dem Halbleitersubstrat 1N ausgebildeten Durchgangslochelektroden TE senkt. Diese Konfiguration unterdrückt die Reduktion bei der mechanischen Festigkeit des Halbleitersubstrats 1N. Die Anzahl von mit einer Durchgangslochelektrode TE elektrisch verbundenen Löschwiderständen muss nicht auf ”4” beschränkt sein, sondern kann ”3” oder weniger sein, oder kann ”5” oder mehr sein.
  • Wenn eine Mehrzahl von Löschwiderständen R1 elektrisch mit einer Durchgangslochelektrode TE verbunden sind, sind die Zwischenverbindungsdistanzen ab den entsprechenden Lawinen-Photodioden APD durch die Löschwiderstände R1 zu der Durchgangslochelektrode TE vorzugsweise gleich. In diesem Fall wird auch die Reduktion bei der temporalen Auflösung in der Konfiguration verhindert, bei der die Durchgangslochelektrode TE zwischen Pixeln geteilt ist.
  • Die Formen der ersten und zweiten Halbleiterregionen 1PB, 1PB müssen nicht auf die vorgenannten Formen beschränkt sein, sondern können andere Formen sein (z. B. eine kreisförmige Form oder dergleichen). Die Anzahl (die Anzahl von Reihen und die Anzahl von Spalten) und die Anordnung von Lawinen-Photodioden APD (zweite Halbleiterregionen 1PB) müssen nicht auf jene oben beschriebenen beschränkt sein.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung ist auf Licht-Detektionsvorrichtungen zum Detektieren von schwachem Licht anwendbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1 Licht-Detektionsvorrichtung, 1N Halbleitersubstrat, 1Na, 1Nb Hauptoberflächen; 1Nc Seitenoberfläche, 1PA erste Halbleiterregion; 1PB zweite Halbleiterregion; 10 Halbleiter-Licht-Detektionselement, 20 Montagesubstrat; 20a, 20b Hauptoberflächen; 20c Seitenoberfläche; 30 Glassubstrat; 30a, 30b Hauptoberflächen; 30c Seitenoberfläche; APD Lawinen-Photodiode; BE Bump-Elektrode; E1, E3, E5, E7, E9 Elektroden; PDA Photodiodenanordnung; R1 Löschwiderstand; SP Signalverarbeitungseinheit; TE Durchgangsloch-Elektrode.

Claims (7)

  1. Licht-Detektionsvorrichtung, umfassend: ein Halbleiter-Lichtdetektionselement, das ein Halbleitersubstrat einschließlich ersten und zweiter Hauptoberflächen, die zueinander gegenüberliegend sind, ein Montagesubstrat, das gegenüberliegend zu dem Halbleiter-Lichtdetektionselement ist und eine dritte Hauptoberfläche gegenüberliegend der zweiten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats aufweist, und ein Glassubstrat, das angeordnet ist, gegenüberliegend dem Halbleiter-Lichtdetektionselement zu sein, und das eine vierte Hauptoberfläche aufweist, die zur ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats gegenüberliegend ist, wobei das Halbleiter-Licht-Detektionselement enthält: eine Mehrzahl von Lawinen-Photodioden, die im Geigermodus arbeiten, und in dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, Löschwiderstände, die in Reihe mit den entsprechenden Lawinen-Photodioden verbunden und auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Durchgangsloch-Elektroden, die mit den Löschwiderständen elektrisch verbunden und so ausgebildet sind, dass sie das Halbleitersubstrat von der ersten Hauptoberflächenseite zur zweiten Hauptoberflächenseite penetrieren, wobei das Montagesubstrat eine Mehrzahl von ersten Elektroden beinhaltet, die zu den jeweiligen Durchgangsloch-Elektroden der dritten Hauptoberflächenseite korrespondierend angeordnet sind, und eine Signalverarbeitungseinheit, welche elektrisch mit der Mehrzahl von ersten Elektroden verbunden ist und konfiguriert ist, Ausgangssignale aus den jeweiligen Lawinen-Photodioden zu prozessieren, wobei die Durchgangsloch-Elektroden und die ersten Elektroden über Bump-Elektroden elektrisch verbunden sind, und wobei die Seitenoberfläche des Halbleitersubstrats und eine Seitenoberfläche des Glassubstrats zueinander bündig sind.
  2. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Hauptoberfläche des Glassubstrats gegenüberliegend der vierten Hauptoberfläche flach ist.
  3. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchgangsloch-Elektroden in Regionen zwischen den Lawinen-Photodioden lokalisiert sind.
  4. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Halbleiter-Licht-Detektionselement weiter zweite Elektroden beinhaltet, welche mit den entsprechenden Durchgangsloch-Elektroden elektrisch verbunden und auf der zweiten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnet sind, und wobei die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden über die Bump-Elektroden verbunden sind.
  5. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei jede der Lawinen-Photodioden aufweist: das Halbleitersubstrat eines ersten elektrischen Leiters; eine erste Halbleiterregion eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; eine zweite Halbleiterregion des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in der ersten Halbleiterregion ausgebildet ist und eine höhere Verunreinigungskonzentration als die erste Halbleiterregion aufweist; und eine dritte Elektrode, die auf der ersten Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist und die zweite Halbleiterregion mit dem Löschwiderstand elektrisch verbindet, und wobei die zweite Elektrode in einer Region entsprechend der zweiten Halbleiterregion auf der zweiten Hauptoberfläche ausgebildet ist.
  6. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Mehrzahl der Löschwiderstände mit der Durchgangsloch-Elektrode elektrisch verbunden ist.
  7. Licht-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei Verbindungsdistanzen ab den jeweiligen Lawinen-Photodioden über die entsprechenden Löschwiderstände zur Durchgangsloch-Elektrode gleich sind.
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