JP2012099580A - フォトダイオードアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】著しく時間分解能を向上可能なフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
【解決手段】 このフォトダイオードアレイ１０は、それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対して直列に接続されたクエンチング抵抗７と、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが形成された領域を囲む外周配線ＷＬと、外周配線ＷＬに電気的に接続され、外周配線ＷＬの少なくとも２箇所間をそれぞれが接続する複数の中継配線８とを備えている。個々のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの一方は、クエンチング抵抗７を介して、中継配線８のいずれかに電気的に接続され、個々のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの他方は、半導体基板に設けられた別の電極６に電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードアレイに関する。
Multi-PixelPhoton Counter(MPPC：登録商標）は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェ・フォトダイオード(ＡＰＤ)からなるフォトダイオードアレイとして知られている。複数のＡＰＤは並列に接続されており、これらには降伏電圧以上の逆バイアス電圧が印加され、ガイガーモードで動作する。ＭＰＰＣは、アバランシェフォトダイオードに直列に接続されたクエンチング抵抗を備えている。このクエンチング抵抗にアバランシェフォトダイオードからの電流が流れることで、アバランシェフォトダイオードへのバイアス電圧は降伏電圧まで降下し、しかる後、再充電によって、逆バイアス電圧が、ガイガーモード時の電圧にまで戻る。
ＭＰＰＣは、他の検出器に比べて時間特性がよいため、Time-Of-Flight(TOF)計測方式のPET(Positron Emission Tomography)装置等の検出器として用いることが有望視されている。ＰＥＴ装置における光子の計測においては、更に高い時間分解能が要求されている。時間分解能を向上させるには、ＭＰＰＣから出力波形の形状を鋭くする必要がある。下記非特許文献１には、クエンチング抵抗に対して、並列な容量(Cq)を付加することで、出力パルスが鋭くなり、時間分解能が向上することが示されている。
H.Otono, etal.,「On the basic mechanism of Pixelized PhotonDetectors」Nucl. Instr. and Meth. A610(2009)397.
しかしながら、実際のデバイスにおいて、如何に並列容量を付加するかは重要な問題であり、単純に容量を追加した場合には、キャパシタと抵抗による時定数が増加し、時間分解能が低下する可能性もある。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも、著しく時間分解能を向上可能なフォトダイオードアレイを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る第１のフォトダイオードアレイは、フォトダイオードアレイにおいて、半導体基板内に形成された複数のアバランシェフォトダイオードと、それぞれのアバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗と、複数の前記アバランシェフォトダイオードが形成された領域を囲む外周配線と、前記外周配線に電気的に接続され、前記外周配線の少なくとも２箇所間をそれぞれが接続する複数の中継配線と、を備え、前記外周配線の単位長さ当たりの抵抗値は、前記中継配線の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さく、個々の前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、前記クエンチング抵抗を介して、前記中継配線のいずれかに電気的に接続され、個々の前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの他方は、前記半導体基板に設けられた別の電極に電気的に接続されていることを特徴とする。
この場合、中継配線からの電流は、抵抗値の低い外周配線の少なくとも２箇所のうちの何れか近い方（信号伝達経路での抵抗の低い方）を多く流れて外部に取り出されることになるため、信号読出し経路における抵抗値を低減することができるので、時定数が小さくなり、したがって、時間分解能が向上する。
本発明に係る第２のフォトダイオードアレイは、前記外周配線に電気的に接続され、前記外周配線の少なくとも２箇所間を接続し、前記中継配線の単位長さ当たりの抵抗値よりも、自身の単位長さ当たりの抵抗値が小さい横断配線を更に備え、それぞれの前記中継配線の一端は、前記外周配線に代えて、前記横断配線に電気的に接続されていることを特徴とする。
この場合、中継配線からの電流は抵抗値の低い外周配線との接続箇所か、横断配線との接続箇所のうちの何れか近い方（信号伝達経路での抵抗の低い方）を多く流れて外部に取り出されることになるため、信号読出し経路における抵抗値を更に低減することができるので、時定数が小さくなり、したがって、時間分解能が向上する。
本発明に係る第３のフォトダイオードアレイは、それぞれの前記クエンチング抵抗にそれぞれ並列に接続されたキャパシタを更に備えていることを特徴とする。
この場合、時間分解能が更に向上する。
本発明に係る第４のフォトダイオードアレイでは、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、リング状電極に電気的に接続されており、前記中継配線は、前記リング状電極から離間し、前記リング状電極を囲むように延びた導電性の外周領域を備えており、前記キャパシタは、前記中継配線から延びた前記外周領域と、前記リング状電極と、を有していることを特徴とする。
この場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上する。
本発明に係る第５のフォトダイオードアレイは、第４のフォトダイオードアレイにおいて、前記中継配線間に平行に延びた中間配線を更に備え、前記中間配線は、前記外周配線の少なくとも２箇所間をそれぞれが接続しており、前記外周領域は、前記中間配線に連続していることを特徴とする。
この場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。
本発明に係る第６のフォトダイオードアレイでは、第４のフォトダイオードアレイにおいて、それぞれの前記中継配線には、その両側に前記外周領域が接続されており、互いに隣接する前記中継配線に関して、互いに隣接する前記外周領域は離間していることを特徴とする。
この場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。
本発明に係る第７のフォトダイオードアレイでは、それぞれの前記中継配線は、その中心線に沿った領域が開口していることを特徴とする。
この場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。また、中継配線の配線容量が低減される。
本発明に係る第８のフォトダイオードアレイでは、上述のいずれかのフォトダイオードアレイにおいて、前記キャパシタは、前記クエンチング抵抗上に、絶縁層を介して、形成された被覆配線を有しており、この被覆配線の一端は、前記クエンチング抵抗の一端に電気的に接続されていることを特徴とする。
この場合、キャパシタを積層により立体的に構成することができるため、素子密度を向上させることができ、また、時間分解能が向上することが確認された。
本発明に係る第８のフォトダイオードアレイでは、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、リング状電極に電気的に接続されており、前記リング状電極のアスペクト比は、２以上であることを特徴とする。
この場合、中継配線と、離間して並走するリング状電極との間でキャパシタが構成されているが、アスペクト比が大きいために、キャパシタの容量を大きくすることができる。したがって、リング状電極の開口率に対するキャパシタの比率が大きくなり、キャパシタの素子密度が高くなる。したがって、リング状電極を小さくして空間分解能を高めることも可能であり、また、時間分解能が向上することが確認された。
本発明のフォトダイオードアレイによれば、著しく時間分解能を向上させることが可能である。
フォトダイオードアレイの平面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図２に示したフォトダイオードアレイのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線断面図である。 図２に示したフォトダイオードアレイのＩＶ−ＩＶ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図５に示したフォトダイオードアレイのＶＩ−ＶＩ矢印線断面図である。 図５に示したフォトダイオードアレイのＶＩＩ−ＶＩＩ矢印線断面図である。 配線の平面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図９に示したフォトダイオードアレイのＸ−Ｘ矢印線断面図である。 図９に示したフォトダイオードアレイのＸＩ−ＸＩ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図１２に示したフォトダイオードアレイのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ矢印線断面図である。 図１２に示したフォトダイオードアレイのＸＩＶ−ＸＩＶ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図１５に示したフォトダイオードアレイのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線断面図である。 図１５に示したフォトダイオードアレイのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図１８に示したフォトダイオードアレイのＸＩＸ−ＸＩＸ矢印線断面図である。 図１８に示したフォトダイオードアレイのＸＸ−ＸＸ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの拡大平面図である。 図２１に示したフォトダイオードアレイのＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ矢印線断面図である。 図２１に示したフォトダイオードアレイのＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ矢印線断面図である。 フォトダイオードアレイの平面図である。 図２に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図５に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図９に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図１２に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図１５に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図１８に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図２１に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 図２４に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。 フォトダイオードアレイの回路図である。 アバランシェフォトダイオードとクエンチング抵抗を含む検出部の等価回路を示す図である。 フォトダイオードアレイを備えた放射線検出器を示す図である。
以下、実施の形態に係るフォトダイオードアレイについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、フォトダイオードアレイ１０の平面図である。
図示の如く、ＸＹＺ直交座標系を設定すると、フォトダイオードアレイ１０の厚み方向はＺ軸に一致し、フォトダイオードアレイ１０の光入射面はＸＹ平面に一致する。フォトダイオードアレイ１０は、半導体基板２０を備えているが、半導体基板２０の形状は長方形であり、各辺はＸ軸又はＹ軸に平行である。
フォトダイオードアレイ１０は、半導体基板２０内に形成された複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤを備えている。それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対しては、クエンチング抵抗７が直列に接続されている。複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが形成された領域は、外周配線ＷＬによって囲まれている。外周配線ＷＬの外側には金属等からなる遮光層ＳＬ等を設けることができる。外周配線ＷＬの外形は、矩形環状であって、各辺がＸ軸又はＹ軸に沿って延びており、Ｘ軸に沿って延びた電極パッドＰに接続されている。外周配線ＷＬには、複数の中継配線８が電気的に接続されている。複数の中継配線８は、それぞれがＹ軸に沿って延びており、外周配線ＷＬの少なくとも２箇所（Ｙ軸に沿った両端に位置する部位）間をそれぞれが接続している。
外周配線ＷＬの単位長さ当たりの抵抗値は、中継配線８の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さい。すなわち、外周配線ＷＬ及び中継配線８が同一の導電材料（例：アルミニウム）からなり、外周配線ＷＬがＹ軸に沿って延びている場合、そのＸＺ断面の面積は、中継配線８のＸＺ断面の面積よりも大きい。また、外周配線ＷＬがＸ軸に沿って延びている場合、そのＹＺ断面の面積は、中継配線８のＸＺ断面の面積よりも大きい。なお、図８は、配線の平面図である。外周配線ＷＬと中継配線８の厚みが同じ場合には、外周配線ＷＬの幅Ｗ１は、中継配線８の幅Ｗ２よりも広くなる。
個々のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの一方は、クエンチング抵抗７を介して、中継配線８のいずれかに電気的に接続され、個々のアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの他方は、半導体基板２０に設けられた別の電極６（図３参照：本例では裏面電極）に電気的に接続されている。なお、別の電極６は、アノード及びカソードの他方に電気的に接続できる構成であれば、半導体基板２０の表面側に設けることとしてもよい。
上述のように、フォトダイオードアレイ１０が外周配線ＷＬを備える場合、アバランシェフォトダイオードＡＰＤからの電流は、中継配線８、及び、中継配線８と外周配線ＷＬとの接続箇所（本例では２箇所）のうちの何れか近い方（電極パッドＰまでの信号伝達経路での抵抗の低い方）を多く流れるように、外周配線ＷＬ内を通って、電極パッドＰに流れ、外部に取り出されることになる。このように、外周配線ＷＬを備える場合、信号読出し経路における抵抗値を低減することができるので、時定数が小さくなり、したがって、フォトダイオードアレイの時間分解能を向上させることができる。
例えば、図１における左下に位置するアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの電流は、中継配線８においては、Ｙ軸の負方向に流れた後、バイパス経路としての外周配線ＷＬとの接続点Ｑ１に流れ込み、その後、外周配線ＷＬ内をＸ軸の負方向に進行した後、Ｙ軸の正方向に沿って進行し、更に、Ｘ軸の正方向に沿って進行して、電極パッドＰに至る経路に多く流れることになる。
また、図１における左上に位置するアバランシェフォトダイオードＡＰＤからの電流は、中継配線８においては、Ｙ軸の正方向に流れた後、バイパス経路としての外周配線ＷＬとの接続点Ｑ２に流れ込み、その後、外周配線ＷＬ内をＸ軸の正方向に沿って進行して、電極パッドＰに至る経路に多く流れることになる。なお、中継配線８は、外周配線ＷＬの２箇所において接続されているが、これは３箇所以上の接続点を有していてもよい。例えば、中継配線８の形状が十字架形状である場合には、外周配線ＷＬと４箇所で接続することが可能であり、放射状に延びたり、屈曲したり、或いは、分岐していれば、接続箇所を３以上とすることができる。
上述のフォトダイオードアレイ１０では、１つの中継配線８に対して、その両側に複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤが配置され、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのそれぞれは、クエンチング抵抗７を介して、中継配線８に接続されている。以下、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの周辺構造について詳説する。
図２は、第１のタイプのフォトダイオードアレイの拡大平面図、図３は、図２に示したフォトダイオードアレイのＩＩＩ−ＩＩＩ矢印線断面図、図４は、図２に示したフォトダイオードアレイのＩＶ−ＩＶ矢印線断面図である。
このフォトダイオードアレイでは、半導体基板２０は、第１半導体層１と、第１半導体層１上に形成された第２半導体層２と、第２半導体層２内に形成された第３半導体層３とを備えている。第１半導体層１、第２半導体層２、及び第３半導体層３の導電型は、それぞれ、第１導電型（Ｎ型）、第２導電型（Ｐ型）、第２導電型（Ｐ型）である。この場合、第１半導体層１と第２半導体層２との間にＰＮ接合が形成され、各リング状電極５の直下のＰＮ接合から広がる空乏層内で発生したキャリアが、第３半導体層３を介して、各リング状電極５において収集される。このＰＮ接合からなるアバランシェフォトダイオードＡＰＤには、逆バイアスが印加される。なお、空乏層内では、光Ｌの入射に応じてキャリアが発生する。第２半導体層２は、良好な結晶性のものを得るという観点から、第１半導体層（基板）１の表面へのエピタキシャル成長によって形成することが好ましい。第３半導体層３は、第２半導体層２への不純物のイオン注入又は拡散により形成することができる。
なお、第３半導体層３の不純物濃度は、第２半導体層２の不純物濃度よりも高い。半導体基板２０は、好適にはＳｉから構成されており、Ｎ型の不純物としては５価のアンチモンやリン、Ｐ型の不純物としては３価のボロンを用いることができる。
また、リング状電極５の寸法（好適範囲）は、以下の通りである。
線幅：３μｍ（２〜５μｍ）
Ｘ軸方向寸法：５０μｍ（１０〜１００μｍ）
Ｙ軸方向寸法：５０μｍ（１０〜１００μｍ）
開口面積：２５００μｍ２（１００μｍ２〜１００００μｍ２）
また、詳細な説明における各タイプのフォトダイオードアレイにおいて、第１半導体層１、第２半導体層２、及び第３半導体層３の導電型は、それぞれ、第１導電型（Ｎ型）、第１導電型（Ｎ型）、第２導電型（Ｐ型）とすることも可能である。この場合には、第２半導体層２と第３半導体層３との間にＰＮ接合が形成され、各リング状電極５の直下のＰＮ接合から広がる空乏層内で発生したキャリアが、第３半導体層３を介して、各リング状電極５において収集される。このＰＮ接合からなるアバランシェフォトダイオードＡＰＤには、逆バイアスが印加される。
もちろん、説明において、上記とは逆に、第１導電型をＰ型とし、第２導電型をＮ型とすることも可能であり、この場合には、バイアスの印加方向が、上記とは逆になる。
第３半導体層３上には、ＳｉＯ２からなる絶縁層４が形成されており、絶縁層４にはリング状電極５が形成されている。リング状電極５は、絶縁層４に設けられた開口を介して、第３半導体層３に接続されている。リング状電極５の平面形状は、矩形環状であり、リング状電極５の一端は、必要に応じて適当な導電層を介して、クエンチング抵抗（層）７の一端に接続されている。Ｘ軸に沿って延びたクエンチング抵抗７は、ポリシリコンから形成され、リング状電極５、中継配線８及び外周配線はアルミニウムから形成される。ポリシリコンの体積抵抗率は、アルミニウムの体積抵抗率よりも高い。クエンチング抵抗７は、絶縁層４上に形成されており、クエンチング抵抗７の他端は、Ｙ軸に沿って延びる中継配線８に電気的に接続されている。
半導体基板２０の裏面には、別の電極６が設けられているが、第１半導体層１がＮ型である場合には、この電極６はカソード電極となり、リング状電極５はアノード電極となり、これらの電極に挟まれた領域が、それぞれアバランシェフォトダイオードＡＰＤを構成している。これらのカソード電極とアノード電極との間には逆バイアス電圧Ｖｏｐが印加される。
図３３は、フォトダイオードアレイの回路図である。フォトダイオードアレイを構成する各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、それぞれクエンチング抵抗７と直列に接続された形で、全て並列に接続されており、電源から逆バイアス電圧Ｖｏｐが印加される。アバランシェフォトダイオードからの出力電流は、アンプなどを含む検出器Ａによって検出される。
図３４は、アバランシェフォトダイオードとクエンチング抵抗を含む検出部の等価回路を示す図である。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、電流源Ｉとダイオード容量を提供するキャパシタＣｄを並列に接続したものとして示され、クエンチング抵抗は抵抗値Ｒｑの抵抗として示され、これに並列にキャパシタＣｑが接続され、全体としては、電源に並列に配線容量を示すキャパシタＣｇが接続されているものとする。ここで、キャパシタＣｑが存在することにより、フォトダイオオードアレイの時間分解能が向上する。以下では、キャパシタＣｑを様々な形態で具備したフォトダイオードアレイを説明する。すなわち、以下の形態のフォトダイオードアレイは、それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに直列に接続するクエンチング抵抗Ｒｑ、クエンチング抵抗Ｒｑにそれぞれ並列に接続されたキャパシタＣｑを更に備えている。
抵抗値Ｒｑ（好適範囲）とキャパシタＣｇの容量（好適範囲）は、以下の通りである。
抵抗値Ｒｑ：１５０ｋΩ（５０〜３００ｋΩ）
キャパシタＣｇの容量：５ｐＦ（配線容量であり０が好ましく、小さい程よい）
上記の場合、時間分解能が更に向上する。
図２５は、図２に示したフォトダイオードアレイを作製した場合の顕微鏡写真を示す図である。
図５は、キャパシタＣｑを備えたフォトダイオードアレイの拡大平面図、図６は、図５に示したフォトダイオードアレイのＶＩ−ＶＩ矢印線断面図、図７は、図５に示したフォトダイオードアレイのＶＩＩ−ＶＩＩ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図２〜図４に示したフォトダイオードアレイの相違点は、中継配線８の周囲に、リング状電極５を囲むように延びた外周領域９を備え、外周領域９の一部が、中間配線１１に連続し、中継配線８の幅Ｗ２を太くした点であり、その他の構造は、同一である。すなわち、このフォトダイオードアレイでは、それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの一方は、リング状電極５に電気的に接続されているが、中継配線８は、リング状電極５から離間し、リング状電極５を囲むように延びた導電性の外周領域９を備えている。外周領域９もアルミニウムからなる。この場合、上述のキャパシタＣｑは、中継配線８から延びた外周領域９と、リング状電極５とを有していることになり、これらの間に容量が形成されている。この構造のキャパシタの場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上する。なお、中継配線８の幅Ｗ２は、９μｍであり、好適には、２〜１０μｍであり、この場合には、十分に抵抗値を減少させ、画素間の出力差を抑制することが可能である。
なお、隣接する中継配線８間には、これらに平行に延びた中間配線１１が設けられている。中間配線１１の両端は、外周配線ＷＬの２箇所に接続されている。もちろん、中間配線１１は、外周配線ＷＬの３箇所以上に接続する構成としてもよい。なお、後述の横断配線を用いる場合には、中継配線８及び中間配線１１の一端は、横断配線に接続される。リング状電極５の開口内よりも外側の領域では、中継配線８、中間配線１１及び外周配線ＷＬによって、入射光が遮られるが、アルミニウムは反射率が高いため、後述のシンチレータに対して、光を戻すことができる。なお、中継配線８から延びた外周領域９の一部分は、中間配線１１に連続しており、外周領域９の他の部分はクエンチング抵抗７とリング状電極５との間に位置するように延びている。
図２６は、図５に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。この場合、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。
図９は、キャパシタＣｑを備えた別のフォトダイオードアレイの拡大平面図、図１０は、図９に示したフォトダイオードアレイのＸ−Ｘ矢印線断面図、図１１は、図９に示したフォトダイオードアレイのＸＩ−ＸＩ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図５〜図７に示したフォトダイオードアレイの相違点は、それぞれの中継配線８には、その両側に外周領域９が接続されているが、中間配線１１はなく、互いに隣接する中継配線８に関しては、互いに隣接する外周領域９は離間している点であり、その他の構造は、同一である。すなわち外周領域９は、リング状電極５の周囲を囲んでいるが、中間配線１１はなく、外周領域９の先端部は隣接する外周領域９からは離間している。これにより、図５〜図７に示したフォトダイオードアレイよりも、配線容量を低下させることが可能である。キャパシタＣｑは、外周領域９とリング状電極５との間に形成されている。
図２７は、図９に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。この場合においても、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。
図１２は、キャパシタＣｑを備えた更に別のフォトダイオードアレイの拡大平面図であり、図１３は、図１２に示したフォトダイオードアレイのＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ矢印線断面図、図１４は、図１２に示したフォトダイオードアレイのＸＩＶ−ＸＩＶ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図９〜図１１に示したフォトダイオードアレイの相違点は、それぞれの中継配線８は、その中心線（Ｙ軸）に沿った領域が開口ＯＰしている点であり、その他の構造は同一である。この場合、上記効果に加えて、中継配線８による配線容量を低減させて、時間分解能を更に向上させることができる。開口ＯＰのＸ軸方向の幅は、５μｍであり、時間分解能を更に向上させる観点からは、好適には、２〜５μｍである。この開口構造は、他の中継配線８を備える構造に適用することができる。
図２８は、図１２に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。この場合においても、キャパシタを平面的に構成することができ、時間分解能が向上することが確認された。
図１５は、キャパシタＣｑを備えた更に別のフォトダイオードアレイの拡大平面図であり、図１６は、図１５に示したフォトダイオードアレイのＸＶＩ−ＸＶＩ矢印線断面図、図１７は、図１５に示したフォトダイオードアレイのＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図２〜図５に示したフォトダイオードアレイの相違点は、キャパシタＣｑが、クエンチング抵抗７上に、ＳｉＮやＳｉＯ２などの絶縁層Ｋを介して、形成された被覆配線Ｋ１を有しており、この被覆配線Ｋ１の一端は、クエンチング抵抗７の一端に電気的に接続されている点であり、その他の構造は同一である。本例では、被覆配線Ｋ１は、中継配線８から延びており、絶縁層Ｋを被覆している。被覆配線Ｋ１とクエンチング抵抗７との間に容量が形成されている。
図２９は、図１５に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。この場合においても、キャパシタを積層により立体的に構成することができるため、素子密度を向上させることができ、また、時間分解能が向上することが確認された。
図１８は、キャパシタＣｑを備えた更に別のフォトダイオードアレイの拡大平面図であり、図１９は、図１８に示したフォトダイオードアレイのＸＩＸ−ＸＩＸ矢印線断面図であり、図２０は、図１８に示したフォトダイオードアレイのＸＸ−ＸＸ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図１５〜図１７に示したフォトダイオードアレイの相違点は、被覆配線Ｋ１は、リング状電極５から延びており、絶縁層Ｋを被覆している点であり、その他の構成は同一である。この場合も、被覆配線Ｋ１とクエンチング抵抗７との間に容量が形成され、キャパシタＣｑを構成している。
図３０は、図１８に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。この場合においても、キャパシタを積層により立体的に構成することができるため、素子密度を向上させることができ、また、時間分解能が向上することが確認された。
図２１は、キャパシタＣｑを備えた更に別のフォトダイオードアレイの拡大平面図であり、図２２は、図２１に示したフォトダイオードアレイのＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ矢印線断面図であり、図２３は、図２１に示したフォトダイオードアレイのＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ矢印線断面図である。
本例のフォトダイオードアレイと、図２〜図５に示したフォトダイオードアレイの相違点は、それぞれのアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードの一方は、リング状電極５に電気的に接続されているが、リング状電極５のアスペクト比（＝Ｙ軸方向の寸法／Ｘ軸方向の寸法）は、２以上である点である。この場合、中継配線８と、離間して並走するリンク状電極５との間でキャパシタＣｑが構成されているが、アスペクト比が大きいために、キャパシタＣｑの容量を大きくすることができる。したがって、リング状電極５の開口率に対するキャパシタの比率が大きくなり、キャパシタの素子密度が高くなる。したがって、リング状電極５を小さくして空間分解能を高めることも可能であり、また、時間分解能が向上することが確認された。図３１は、図２１に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。
なお、本例のアスペクト比を向上させる構造は、他のタイプの構造にも適用することができる。
図２４は、フォトダイオードアレイの平面図である。
このフォトダイオードアレイ１０は、図１に示したものに横断配線ＷＬ２を追加し、横断配線ＷＬ２よりも図面の上側に位置するアバランシェフォトダイオード群の天地を反転させたものであり、その他の構造は、図１に示したものと同一である。横断配線ＷＬ２は、外周配線ＷＬに電気的に接続されており、外周配線ＷＬの少なくとも２箇所間を接続するものである。本例では、横断配線ＷＬ２は、Ｘ軸に沿って延びており、その幅は、中継配線８の幅よりも大きい。横断配線ＷＬ２の単位長さ当たりの抵抗値は、中継配線８の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さい。この構造の場合、図１に示したそれぞれの中継配線８の一端は、外周配線ＷＬに代えて、横断配線ＷＬ２に電気的に接続されている。横断配線ＷＬ２の幅は、２０μｍであり、時間分解能を向上させる観点からは、好適には１０〜３０μｍである。
この場合、中継配線８からの電流は、外周配線ＷＬとの接続箇所か、横断配線ＷＬ２との接続箇所のうちの何れか近い方（信号伝達経路での抵抗の低い方）を多く流れて、外部に取り出されるようになるため、信号読出し経路における抵抗値を更に低減することができる。したがって、時定数が小さくなり、時間分解能が向上する。図３２は、図２４に示したフォトダイオードアレイの顕微鏡写真を示す図である。
なお、図１に示した外周配線ＷＬを備える構造は、図３〜図２３に示した構造に適用できるが、図２４に示した横断配線ＷＬ２を備える構造も、図３〜図２３に示した構造に適用できる。
上記構造において出力波形の１０ｍＶにおけるジッタを計測した。図１に示した中継配線８よりも太い外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図２から図４に示す構造を採用した場合、ジッタが１４６ｐｓとなった（タイプ１とする）。一方、外周配線ＷＬを中継配線８と同程度の太さとした場合（比較例とする）には、ジッタは１６０ｐｓであり、外周配線を太くして抵抗値を低減することにより、ジッタが低減し、時間分解能が著しく向上することが判明した。
図２４に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図２から図４に示す構造を採用した場合、ジッタが１４８ｐｓとなった（タイプ２とする）。比較例よりもジッタが低減し、時間分解能が著しく向上することが判明した。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図５から図７に示す構造を採用した場合、ジッタが１４２ｐｓとなった（タイプ３とする）。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図９から図１１に示す構造を採用した場合、ジッタが１３８ｐｓとなった（タイプ４とする）。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図１２から図１４に示す構造を採用した場合、ジッタが１３０ｐｓとなった（タイプ５とする）。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図１５から図１７に示す構造を採用した場合、ジッタが１２５ｐｓとなった（タイプ６とする）。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図１８から図２０に示す構造を採用した場合、ジッタが１２７ｐｓとなった（タイプ７とする）。
図１に示した外周配線を備えるフォトダイオードアレイにおいて、図２１から図２３に示す構造を採用した場合、ジッタが１４６ｐｓとなった（タイプ８とする）。
もちろん、タイプ３〜タイプ８の構造において、タイプ２の横断配線を採用することはできる。また、タイプ３〜５のいずれかの構造と、タイプ６〜８のいずれかの構造を組み合わせることも可能である、また、タイプ８の構造は、いずれのタイプの構造とも組み合わせることができる。特に、タイプ６又は７の構造（積層構造）に、タイプ５（開口構造）又はタイプ８（縦長構造）を組み合わせた場合、上述の効果が相乗され、さらに、ジッタを低減することが可能と考えられる。
図３５は、フォトダイオードアレイを備えた放射線検出器を示す図である。
フォトダイオードアレイ１０の光入射面上には、シンチレータパネルが固定されている。シンチレータパネルは、ＣｓＩなどのシンチレータ１１と、これを被覆するポリパラキシリレンなどの被覆層１２からなり、必要に応じて、シンチレータパネルとフォトダイオードアレイ１０の光入射面との間に、マッチングオイル１３が介在させられる。放射線が、シンチレータパネルに入射すると、シンチレータ１１が発光し、この光がフォトダイオードアレイ１０に入射する。フォトダイオードアレイ１０には、電極Ｐと電極６との間に、降伏電圧を超える逆バイアス電圧が印加されており、その出力は、検出器Ａを介して検出することができる。時間分解能に優れた放射線検出器は、Ｘ線ＣＴやＰＥＴ装置などに適用することができ、これまで計測できなかった分解能の画像を測定することができるようになる。
１０・・・フォトダイオードアレイ、１・・・第１半導体層、２・・・第２半導体層、３・・・第３半導体層、４・・・絶縁層、５・・・リング状電極、６・・・別の電極、７・・・クエンチング抵抗、８・・・中継配線、ＰＤ・・・フォトダイオード、ＷＬ・・・外周配線、９・・・外周領域、１１・・・中間配線、ＷＬ２・・・横断配線。

Claims (9)

  1. フォトダイオードアレイにおいて、
    半導体基板内に形成された複数のアバランシェフォトダイオードと、
    それぞれのアバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗と、
    複数の前記アバランシェフォトダイオードが形成された領域を囲む外周配線と、
    前記外周配線に電気的に接続され、前記外周配線の少なくとも２箇所間をそれぞれが接続する複数の中継配線と、
    を備え、
    前記外周配線の単位長さ当たりの抵抗値は、前記中継配線の単位長さ当たりの抵抗値よりも小さく、
    個々の前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、前記クエンチング抵抗を介して、前記中継配線のいずれかに電気的に接続され、
    個々の前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの他方は、前記半導体基板に設けられた別の電極に電気的に接続されている、
    ことを特徴とするフォトダイオードアレイ。
  2. 前記外周配線に電気的に接続され、前記外周配線の少なくとも２箇所間を接続し、前記中継配線の単位長さ当たりの抵抗値よりも、自身の単位長さ当たりの抵抗値が小さい横断配線を更に備え、
    それぞれの前記中継配線の一端は、前記外周配線に代えて、前記横断配線に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードアレイ。
  3. それぞれの前記クエンチング抵抗にそれぞれ並列に接続されたキャパシタを更に備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトダイオードアレイ。
  4. それぞれの前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、リング状電極に電気的に接続されており、
    前記中継配線は、前記リング状電極から離間し、前記リング状電極を囲むように延びた導電性の外周領域を備えており、
    前記キャパシタは、
    前記中継配線から延びた前記外周領域と、
    前記リング状電極と、
    を有していることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。
  5. 前記中継配線間に平行に延びた中間配線を更に備え、
    前記中間配線は、前記外周配線の少なくとも２箇所間をそれぞれが接続しており、
    前記外周領域は、前記中間配線に連続していることを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオードアレイ。
  6. それぞれの前記中継配線には、その両側に前記外周領域が接続されており、
    互いに隣接する前記中継配線に関して、互いに隣接する前記外周領域は離間していることを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオードアレイ。
  7. それぞれの前記中継配線は、その中心線に沿った領域が開口していることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。
  8. 前記キャパシタは、前記クエンチング抵抗上に、絶縁層を介して、形成された被覆配線を有しており、この被覆配線の一端は、前記クエンチング抵抗の一端に電気的に接続されていることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオードアレイ。
  9. それぞれの前記アバランシェフォトダイオードのアノード及びカソードの一方は、リング状電極に電気的に接続されており、
    前記リング状電極のアスペクト比は、２以上であることを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオードアレイ。

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