JP2010263214A - 低キャパシタンスのフォトダイオード素子及び計算機式断層写真法検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子雑音を低減するために、各々のフォトダイオード素子の応答時間を損なわずに、より低キャパシタンスのフォトダイオード素子及びより低キャパシタンスのフォトダイオード・アレイを開発する。
【解決手段】フォトダイオード素子（２０）が、第一の拡散形式を有する第一の層と、第二の層とを含んでいる。第二の層は電荷収集域（２９）を画定している。電荷収集域（２９）は、第二の拡散形式の作用領域（３２）と、非作用領域（３３）とを含んでいる。作用領域（３２）は非作用領域（３３）を包囲している。フォトダイオード素子（２０）はまた、第一の層と第二の層との間に真性半導体層を含んでいる。
【選択図】図３

Description

本開示は一般的には、フォトダイオード素子及びフォトダイオード・アレイの分野に関する。

殆どの従来型計算機式断層写真法（ＣＴ）システムは、シンチレータ及びフォトダイオード・アレイを含む検出器を用いる。シンチレータはＸ線フォトンを可視光フォトンに変換し、フォトダイオード・アレイは可視光フォトンを電気的な信号電流に変換する。フォトダイオード・アレイによって発生される電気的な信号電流の積算電荷が、シンチレータによって捕えられたＸ線フォトンのエネルギに比例する。

典型的には、計算機式断層写真法検出器に用いられるフォトダイオード・アレイは、１６×１６、１６×３２、１６×６４、及び２４×６４のような配列を成す複数のフォトダイオード素子を含んでいる。フォトダイオード・アレイは典型的には、シンチレータ・アレイに結合されている。フォトダイオード・アレイの各々のフォトダイオード素子は一般的には、約１ｍｍ幅及び１ｍｍ長である。これにより典型的には、フォトダイオード素子当たり約１０ｐＦ〜１５ｐＦの範囲のキャパシタンスが得られる。

高い時間分解能を有する画像を形成するために、ＣＴシステムがデータを取得する速度を高める一定の圧力が存在する。加えて、患者の安全への配慮として、臨床的に有益な画像を形成するのに必要とされるＸ線フォトンの量を減少させることが望ましい。検出器によって発生される雑音を低減すると、取得速度を高めること、及び満足な画像を形成するのに必要とされるＸ線量を低下させることの両方を支援し得る。画像の雑音の大きな誘因の一つは、検出器によって発生される電子雑音である。検出器が誘因となっている電子雑音を低減する一つの方法は、フォトダイオード・アレイの各々のフォトダイオード素子のキャパシタンスを低下させることである。

このように、電子雑音を低減するために、各々のフォトダイオード素子の応答時間を損なわずに、より低キャパシタンスのフォトダイオード素子及びより低キャパシタンスのフォトダイオード・アレイを開発する必要がある。

本書では以上に述べた短所、欠点及び問題点を扱い、これらのことについては、以下の明細書を精読して検討することにより理解されよう。

一実施形態では、フォトダイオード素子が、第一の拡散形式を有する第一の層と、第二の層とを含んでいる。第二の層は、第二の拡散形式の作用領域と、非作用領域とを含む電荷収集域を画定している。作用領域は非作用領域を包囲している。フォトダイオードはまた、第一の層と第二の層との間に真性半導体層を含んでいる。

一実施形態では、フォトダイオード素子が、第一の拡散形式を有する第一の層と、電荷収集域を画定している第二の層とを含んでいる。電荷収集域は、第二の拡散形式の複数の作用領域と、非作用領域とを含んでいる。複数の作用領域は電気的に相互接続されている。フォトダイオードはまた、第一の層と第二の層との間に真性半導体層を含んでいる。

一実施形態では、計算機式断層写真法検出器が、Ｘ線を可視光に変換するシンチレータを含んでいる。計算機式断層写真法検出器はまた、シンチレータから可視光を受け取るように配置されたフォトダイオード・アレイを含んでいる。フォトダイオード・アレイは複数のフォトダイオード素子を含んでいる。複数のフォトダイオード素子の各々が、第一の拡散形式を有する第一の層と、第二の層とを含んでいる。第二の層は電荷収集域を画定している。電荷収集域は、第二の拡散形式の作用領域と、複数の非作用領域とを含んでいる。作用領域は複数の非作用領域を包囲している。複数のフォトダイオード素子の各々はまた、第一の層と第二の層との間に配設されている真性半導体層を含んでいる。

本発明の様々な他の特徴、目的及び利点は、添付の図面及び以下の詳細な説明から当業者には明らかとなろう。

一実施形態による計算機式断層写真法検出器の断面の模式図である。 一実施形態によるフォトダイオード・アレイの模式図である。 一実施形態によるフォトダイオード素子の模式図である。 一実施形態によるフォトダイオード素子の断面の模式図である。 一実施形態によるフォトダイオード素子の模式図である。 一実施形態によるフォトダイオード素子の断面の模式図である。

以下の詳細な説明では、説明の一部を成す添付図面を参照し、図面では、実施され得る特定の実施形態が説明のために図示されている。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施することを可能にするように十分に詳細に記載されており、他の実施形態を利用し得ること、並びに実施形態の範囲から逸脱せずに論理的変形、機械的変形、電気的変形及び他の変形を施し得ることが理解されよう。従って、以下の詳細な説明は、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。

図１を参照すると、一実施形態による計算機式断層写真法検出器１０の断面の模式図が示されている。計算機式断層写真法検出器１０は、シンチレータ・アレイ１２及びフォトダイオード・アレイ１４を含んでいる。シンチレータ・アレイ１２は、Ｘ線フォトンを可視光フォトンに変換するように設計されている。シンチレータ・アレイ１２は、希土類蛍光体と結合したガーネット結晶から形成される物質を含み得る。他の実施形態では、シンチレータ・アレイ１２に酸硫化ガドリニウムのような異なる物質を用いてもよい。シンチレータ・アレイ１２は、寸法１６によって示すように、約１ｍｍ〜５ｍｍ厚の層を含み得る。当業者には、他の実施形態によればシンチレータ・アレイ１２の厚みがこの範囲外であってもよいことが認められよう。シンチレータ・アレイ１２の厚みは、シンチレータ・アレイ１２用に選択される物質と、シンチレータ・アレイ１２が可視光フォトンに変換することを期待されるＸ線フォトンの予想エネルギ・レベルとに依存する。

フォトダイオード・アレイ１４は、複数のフォトダイオード素子１７を含んでいる。図１には６個のフォトダイオード素子１７の断面が模式的に表わされている。当業者には、計算機式断層写真法検出器に用いられるフォトダイオード・アレイが６個よりも有意に多い数のフォトダイオードを含み得ることが認められよう。

図２を参照すると、フォトダイオード・アレイ１８の模式図が示されている。フォトダイオード・アレイ１８は複数のフォトダイオード素子１９を含んでいる。フォトダイオード・アレイ１８は、フォトダイオード素子１９の１６×１６アレイを含んでいる。フォトダイオード素子１９の各々が、光の検出に応答して信号を発生することが可能である。フォトダイオード素子１９の寸法は、フォトダイオード・アレイ１８の最大分解能を制限する。この理由から、フォトダイオード素子１９は、当業者にピクセル又はセルと呼ばれる場合がある。

一実施形態によれば、各々のフォトダイオード・アレイが、個別の検出器モジュールの一部として構成され得る。例示的な実施形態によれば、検出器モジュールの各々のフォトダイオード・アレイは、ｘ方向に１６個のフォトダイオード素子、及びｚ方向に６４個のフォトダイオード素子を含み得る。さらに他の実施形態によれば、フォトダイオード・アレイは、ｘ方向及び／又はｚ方向の何れにも異なる数のフォトダイオード素子を有し得ることが認められよう。

図３を参照すると、一実施形態によるフォトダイオード素子２０の模式図が示されている。図４には、一実施形態による図３のフォトダイオード素子２０の切断線Ａ−Ａに沿った断面の模式図が示されている。共通の参照番号を用いて図３及び図４の両方に現われている構造を識別する。

図３及び図４を両方とも参照して述べると、フォトダイオード素子２０は、第一の層２２、第二の層２４、及び真性半導体層２６を含んでいる。第一の層２２は、Ｎ＋拡散による添加（doped）シリコン半導体で製造されている。本開示の目的のために、「Ｎ＋拡散」との用語は、過剰な自由電子を有する半導体物質を含むものと定義される。一実施形態によれば、第一の層２２は厚みが０．５μｍ未満であり、カソード２７に取り付けられている。真性半導体層２６は、シリコン又は真性半導体である他の物質を含み得る。一実施形態によれば、第二の層２４は厚みが１０μｍ未満であってよい。一実施形態によれば、第二の層２４は厚みが２μｍから５μｍの間であってよい。第二の層２４は、作用容積２８と、複数の非作用容積３０とを含んでいる。作用容積２８は、Ｐ＋拡散による添加シリコン半導体を含み得る。本開示の目的のために、「Ｐ＋拡散」との用語は、過剰な正孔を有する半導体物質を含むものと定義される。作用容積２８はアノード３１に接続されている。複数の非作用容積３０の各々が無添加半導体を含み得る。複数の非作用容積３０は、真性半導体層２６と同じ物質を含み得る。本開示の目的のために、第二の層２４の厚みは作用容積２８の厚みによって決定され得る。例えば、図３を参照すると、第二の層２４の厚みは作用容積２８の厚みによって画定され、この厚みは一実施形態によれば約３μｍである。

第二の層２４は電荷収集域２９を画定する。一実施形態によれば、図３は、フォトダイオード素子２０の電荷収集域２９の表現である。本開示の目的のために、「電荷収集域」との用語は、フォトダイオード素子に衝突する入射光フォトンによって発生される電荷キャリアを収集するように設計されたフォトダイオード素子の区域を含むものと定義される。例えば、光フォトンが電荷収集域２９の内部のフォトダイオード素子２０に衝突すると、フォトダイオード素子２０は、これら光フォトンを光電流として検出するように設計されている。作用容積２８は、電荷収集域２９の内部の作用領域３２を画定している。複数の非作用容積３０は、電荷収集域２９の内部の複数の非作用領域３３を画定している。フォトダイオード素子２０は、真性半導体を添加処理して第一の層２２及び第二の層２４を形成することにより形成され得る。一実施形態によれば、添加処理工程時には複数の非作用領域３３を遮蔽して、作用領域２８のみを添加処理してＰ＋拡散を達成する。作用容積２８は、図４に示すように、第二の層２４の内部の様々な深さで全体的に一様な断面を有している。

図３及び図４に示す実施形態によれば、作用領域３２はグリッド３４を構成し得る。グリッド３４は、二つの側方部品によって互いに連結される４本の桟材を含んでいる。グリッド３４は複数の非作用領域３３を包囲している。本開示の目的のために、グリッドとの用語は、第一の方向に走行する略平行な線の第一の組が第二の方向に走行する略平行な線の第二の組と交差したものを含むパターンを含むものと定義される。グリッド３４の４本の桟材の各々が寸法３５によって示すように４４μｍ幅であり、桟材は寸法３６によって示すようにやはり４４μｍ幅である側方部品によって連結されている。４本の桟材の各々が、寸法３８によって示すように２００μｍずつ離隔されている。当業者には、他の実施形態が図３及び図４に示す実施形態とは異なる寸法のグリッドとして成形された作用領域を有し得ることが認められよう。加えて、他の実施形態はグリッドとして成形されていない作用領域を有し得る。作用領域３２の形状及び寸法に影響を与える幾つかの制約については後にあらためて議論する。

フォトダイオード素子は、光フォトンを測定され得る光電流に変換することにより動作する。光フォトンが真性半導体層２６に吸収されると、フォトダイオード２０は自由電子及び正孔を生成する。続けて図３及び図４を参照して述べると、正孔はアノード３１に向かって拡散し、アノード３１で正孔が収集される。一方、自由電子はカソード２７に向かって拡散し、カソード２７で電子が収集される。上述のように、アノード３１は作用容積２８に電気的に結合され、カソード２７は第一の層２２に電気的に結合されている。自由電子及び正孔の移動が、フォトダイオードに吸収された光束に比例し従ってシンチレータに吸収されたＸ線強度に比例した光電流を生成する。フォトダイオードによって吸収されたフォトンのエネルギ・レベル及び／又は数は、光電流に基づいて決定することができる。一実施形態によれば、第一の層２２はＮ＋拡散による添加半導体である。Ｎ＋拡散は、第一の層２２の物質が正孔よりも多くの自由電子を有することを意味する。第二の層２４の作用容積２８は、Ｐ＋拡散による添加半導体を含んでいる。第二の層２４はまた、複数の非作用容積３０を含んでいる。第二の層２４が電荷収集能力を保つことを確実にするためには、複数の非作用領域３３の各々の内部の何れの点も作用領域３２から過度に離隔していないことが重要である。複数の非作用領域３３の各々の全ての点が作用領域３２のキャリア拡散距離の範囲内にある限り、アノード３１に向かって移動する電子は作用領域３２の最も近接した部分に誘引され、フォトダイオードの電荷収集能力は、電荷収集域２９全体がＰ＋拡散による作用領域を含んでいる場合と近似的に同じになる。

続けて図３及び図４を参照して述べると、正孔がアノードにおいて収集されるために半導体を通って移動するのには時間が掛かる。真性半導体層２６の厚みを制限すると共に非作用領域３３の寸法にも制約を設けることにより、フォトダイオード素子を妥当な応答時間に設計することが可能である。例えば、一実施形態によれば、計算機式断層写真法検出器に用いるように設計されたフォトダイオード素子は約１０μＳの応答時間を有することが望ましい。実験結果から、正孔がシリコン半導体において２００μｍの間隙を横断して拡散するのに約１０μＳ以下掛かることが判明している。従って、１０μＳの応答時間を有することが望ましい場合には、複数の非作用領域の各々について最短キャリア拡散距離が２００μｍ以下であることが重要である。本開示の目的のために、「最短キャリア拡散距離」との用語は、非作用領域の任意の点から作用領域までの最短直線経路を含むものと定義される。従って、最短キャリア拡散距離が非作用領域について２００μｍである場合には、この非作用領域の内部の全ての点が作用領域の２００μｍの範囲内にある。当業者には、１０μＳよりも著しく速い応答時間を有することが望ましい場合があることが認められよう。１０μＳよりも短い応答時間のフォトダイオード素子を設計するためには、最短キャリア拡散距離が２００μｍよりも小さい値でなければならない。同様に、フォトダイオードの応答時間が然程迅速である必要がない場合には、非作用領域の内部の幾つかの点が作用領域の最も近接した部分から２００μｍよりも離隔しているようなさらに広い非作用領域を有することも可能となる。

続けて図３及び図４に示す実施形態を参照して述べると、複数の非作用領域３３の各々が作用領域３２に包囲されている。複数の非作用容積３０の各々が第二の層２４を貫通して延在している。図３及び図４に示す実施形態に関して、複数の非作用領域３３の各々が作用領域３２によって包囲されている。当業者には、他の実施形態が図３に示すものとは大幅に異なる形状の非作用領域を有し得ることが認められよう。加えて、他の実施形態は異なる数の非作用領域を含み得る。

図５には、一実施形態によるフォトダイオード素子４４の模式図が示されている。図６には、フォトダイオード素子４４の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面の模式図が示されている。共通の参照番号を用いて図５及び図６の両方に現われている構造を識別する。図３及び図４に関して上で述べたものと実質的に同じ要素は、図５及び図６に関しては詳細に記載されない場合がある。

図５及び図６を参照すると、フォトダイオード素子４４は、第一の層４６、第二の層４８、及び真性半導体層５０を含んでいる。第一の層４６は、Ｎ＋拡散による添加半導体で製造されている。第一の層はカソード４７に接続されている。第二の層４８は、複数の作用容積５２及び非作用容積５４を含んでいる。他の実施形態では、第二の層は複数の作用容積及び複数の非作用容積の両方を含み得る。複数の作用容積５２の各々がＰ＋拡散による添加半導体を含んでいる。複数の作用容積５２は電気的に相互接続されており、複数の作用容積５２はアノード５３に接続されている。複数の伝導性接点５６を用いて複数の作用素子５２を電気的に相互接続することができる。一実施形態によれば、複数の伝導性接点は金属接点を含み得る。他の実施形態によれば、２以上の作用容積を作用容積と同じ拡散形式の拡散線によって電気的に相互接続することもできる。拡散線は、一実施形態によれば第一の層の厚みよりも有意に薄くてよい。

第二の層４８は電荷収集域４９を画定している。一実施形態によれば、図５は、フォトダイオード素子４４の電荷収集域４９の表現である。複数の作用容積５２が複数の作用領域５５を画定し、非作用容積５４が電荷収集域４９の内部の非作用領域５７を画定している。フォトダイオード素子４４は、真性半導体を添加処理して第一の層４６及び第二の層４８を形成することにより形成され得る。

一実施形態によれば、複数の作用領域５５の各々が等間隔に隔設されて、作用領域のアレイを形成することができる。複数の作用領域５５の各々が約８０μｍ幅×約８０μｍ長であってよい。作用領域５５の各々が寸法５９ずつ離隔され得る。一実施形態によれば、各作用領域を離隔する寸法５９は約１００μｍであってよい。もう一つの実施形態によれば、各作用領域を離隔する寸法５９は約２００μｍであってよい。他の実施形態は、異なる態様で配列された作用領域５５を有し得る。

フォトダイオード素子のキャパシタンスは、作用領域（１又は複数）の合計面積、及び作用領域（１又は複数）と非作用領域（１又は複数）との間の境界の全周長の両方に依存する。次式を用いて、キャパシタンスＣ１に対する作用領域（１又は複数）の合計面積の寄与を推定することができる。

式中、ＮＤは半導体の真性添加密度であり、ＮＡはＰ＋添加密度であり、Ａは作用領域（１又は複数）の合計面積であり、Ｖ_ｅ（ＮＤ，ＮＡ）はＰＮ接合点の内蔵電圧であり、Ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、εはケイ素の誘電率であり、ε_０は真空の誘電率であり、ｅは電子の単位電荷である。

加えて、次式を用いてキャパシタンスＣ２に対する作用領域（１又は複数）の周長の寄与を推定することができる。

Ｃ２＝Ｃ_Ｐ＊（Ｐ_Ｔ）
式中、Ｃ_Ｐはキャパシタンス係数であり、Ｐ_Ｔは作用領域（１又は複数）の全周長である。

上の式に基づいて、所与の電荷収集域のフォトダイオード素子のキャパシタンスを最小にするためには、作用領域（１又は複数）の周長を最小にしつつ作用領域の面積を最小にすることが望ましい。作用領域（１又は複数）及び非作用領域（１又は複数）について選択される正確な形状は、上の二つの式を用いることにより部分的に最適化することができる。当業者には、フォトダイオードの作用領域（１又は複数）及び非作用領域（１又は複数）の最終設計のために所望の応答時間のような他の要因を考慮に入れてよいことが理解されよう。

この書面の記載は、最適な態様を含めて本発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。本発明の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲によって画定され、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ 計算機式断層写真法検出器
１２ シンチレータ・アレイ
１４ フォトダイオード・アレイ
１６ 寸法
１７ フォトダイオード素子
１８ フォトダイオード・アレイ
１９、２０ フォトダイオード素子
２２ 第一の層
２４ 第二の層
２６ 真性半導体層
２７ カソード
２８ 作用容積
２９ 電荷収集域
３０ 複数の非作用容積
３１ アノード
３２ 作用領域
３３ 複数の非作用領域
３４ グリッド
３５、３６、３８ 寸法
４４ フォトダイオード素子
４６ 第一の層
４７ カソード
４８ 第二の層
４９ 電荷収集域
５０ 真性半導体層
５２ 複数の作用容積
５３ アノード
５４ 非作用容積
５５ 複数の作用領域
５６ 複数の伝導性（金属）接点
５７ 非作用領域
５９ 寸法

Claims (15)

1. 第一の拡散形式を含む第一の層（２２）と、
   第二の拡散形式の作用領域（３２）及び非作用領域（３３）を含む電荷収集域（２９）を画定する第二の層（２４）であって、前記作用領域（３２）は前記非作用領域（３３）を包囲している、第二の層（２４）と、
   前記第一の層（２２）と前記第二の層（２４）との間に配設されている真性半導体層（２６）と
   を備えたフォトダイオード素子（２０）。
2. 前記作用領域（３２）及び前記非作用領域（３３）は、当該フォトダイオード素子（２０）のキャパシタンスを低下させるように構成されている、請求項１に記載のフォトダイオード素子（２０）。
3. 前記第一の拡散形式はＰ＋拡散を含んでいる、請求項１に記載のフォトダイオード素子（２０）。
4. 前記第二の拡散形式はＮ＋拡散を含んでいる、請求項３に記載のフォトダイオード素子（２０）。
5. 前記第一の拡散形式はＮ＋拡散を含んでいる、請求項１に記載のフォトダイオード素子（２０）。
6. 前記第二の拡散形式はＰ＋拡散を含んでいる、請求項５に記載のフォトダイオード素子（２０）。
7. 前記作用領域（３２）はグリッドを構成している、請求項１に記載のフォトダイオード素子（２０）。
8. 前記非作用領域（３３）の寸法は、最短キャリア拡散距離により決定される、請求項１に記載のフォトダイオード素子（２０）。
9. 前記最短キャリア拡散距離は２００μｍ以下を含んでいる、請求項８に記載のフォトダイオード素子（２０）。
10. 第一の拡散形式を含む第一の層（２２）と、
    第二の拡散形式の複数の作用領域（５５）及び非作用領域（５７）を含む電荷収集域（２９）を画定する第二の層（２４）であって、前記複数の作用領域（５５）は電気的に相互接続されている、第二の層（２４）と、
    前記第一の層（２２）と前記第二の層（２４）との間に配設されている真性半導体層（２６）と
    を備えたフォトダイオード素子（２０）。
11. 前記第一の拡散形式はＰ＋拡散を含んでいる、請求項１０に記載のフォトダイオード素子（２０）。
12. 前記第一の拡散形式はＮ＋拡散を含んでいる、請求項１０に記載のフォトダイオード素子（２０）。
13. 前記複数の作用領域の二つを接続する伝導性接点（５６）をさらに含んでいる請求項１０に記載のフォトダイオード素子（２０）。
14. 前記伝導性接点（５６）は金属接点を含んでいる、請求項１３に記載のフォトダイオード素子（２０）。
15. 前記非作用領域（５７）は真性半導体を含んでいる、請求項１０に記載のフォトダイオード素子（２０）。

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