JP2019047037A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】光検出素子の光検出効率を増加させ、クロストークの少ない光検出器を提供する。【解決手段】課題を達成するために、光検出器は、紫外光を可視光へ変換するシンチレータと、可視光に対して光透過性を持ち、紫外光に対して光透過性を持たない樹脂層と、を含む構造体１２と、構造体１２で変換された可視光を検出する光検出素子１と、を具備し、構造体１２は、光検出素子１上に設けられ、光検出素子１とは反対側に所定の形状で突出する。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、光検出器に関する。
紫外光を高感度に検出する技術として、紫外光を可視光に変換し、その可視光を光検出素子で検出する技術が知られている。変換された可視光の内、斜めに散乱する可視光は、光検出素子に入射されず光検出効率が低くなる。また、斜めに散乱する可視光は隣接した光検出素子に入射してしまうためクロストークの原因となる。
本発明の実施形態は、光検出素子の光検出効率を増加させ、クロストークの少ない光検出器を提供する。
上記の課題を達成するために、実施形態の光検出器は、紫外光を可視光へ変換する構造体と、構造体で変換された可視光を検出する光検出素子と、を具備し、構造体は、光検出素子上に設けられ、光検出素子とは反対側に所定の形状で突出する。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは、互いに対応するものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光検出器を示す図である。この光検出器は、入射した紫外光を可視光に変換してその光を検出することができる。
図１は、第１の実施形態に係る光検出器を示す図である。この光検出器は、入射した紫外光を可視光に変換してその光を検出することができる。
図１において、光検出器はアレイ状に複数設けられた光検出素子１と、複数の光検出素子１の間に設けられた非光検出領域２と、紫外光が入射する側にそれぞれ突出して設けられた紫外光を可視光に変換するとともに変換された可視光を光検出素子１に導く構造体１２と、を含む。ここで、「上」とは、紫外光が入射する側のことである。
光検出素子１は、可視光（例えば、構造体１２からの可視光）を電気信号に変換することで検出する。例えばアバランシェフォトダイオードである。
非光検出領域２は、入射した光を検出できない領域である。非光検出領域２は、光検出素子１が変換した電気信号を駆動・読み出し部（図面には省略）へと配線するため配線が密集する領域である。
構造体１２は、光検出素子１を底面とした四角錐状に設けられる。すなわち、構造体１２は、光検出素子１上に設けられ、光検出素子１とは反対側に所定の形状で突出するともいえる。
図２は、図１で示した光検出器の光検出素子１のｐ−ｐ´断面を示す図である。
光検出素子１は、ｎ型半導体層４０（第１半導体層ともいう）と、ｐ型半導体層５（第２半導体層ともいう）と、絶縁層５０と、第１電極１０と、第１電極１０を保護する保護層７０と、を含む。
図２のｐ−ｐ´断面において、ｎ型半導体層４０上に、ｐ型半導体層５は積層される。ｐ型半導体層５は、ｐ−層１５と、ｐ−層１５の下面において少なくとも一部設けられるｐ＋層１６と、ｐ−層１５の上面において少なくとも一部設けられるｐ＋層１４と、を含む。ｐ型半導体層５上の一部には、絶縁層５０が設けられる。絶縁層５０の上面および側面は、それぞれ、第１電極１０で覆われる。また、第１電極１０は、ｐ＋層１４に電気的に接続される。
第１電極１０の上面および第１電極１０の側面を覆うように保護層７０が設けられている。
また、ｐ＋層１４は、受光面である。第１電極１０は、絶縁層５０と保護層７０の間に設けられる。ただし、ｐ−ｐ´断面は、積層方向と面方向を含む面で切断した断面である。
保護層７０上の構造体１２は、樹脂層３と、第１シンチレータ４、とを含む。
樹脂層３は、ｐ−ｐ´断面において保護層７０側を底辺とした三角形（光検出素子１において、光が入射する側に凸の三角形）である。樹脂層３上には、樹脂層３の形状（三角形の斜面）に沿って覆うように第１シンチレータ４が設けられる。また、樹脂層３は、第１シンチレータ４で変換しきれなかった紫外光を透過させず、第１シンチレータ４が変換した可視光を透過させる。すなわち、樹脂層３は、可視光に対して光透過性を持ち、紫外光に対して光透過性を持たないともいえる。
本実施形態に係る光検出器は、第１シンチレータ４が変換した可視光をｐ型半導体層５とｎ型半導体層４０の間で電気信号に光電変換して、駆動・読み出し部（図示せず）へと配線して、光を検出する。
第１電極１０は、光電変換した電気信号を駆動・読み出し部（図示せず）に送信するために設けられている。第１電極１０の材料は、例えばアルミもしくはアルミ含有材料、またはその材料と組み合わせた他の金属材料である。
絶縁層５０は、第１電極１０が周辺の配線と電気的接続しないために設けられている。絶縁層５０の材料は例えばシリコン酸化膜または窒化膜である。
保護層７０は、第１電極１０が外部と接触してショートしないように保護する役割とシリコンの高い屈折率による反射を抑える役割で設けられている。保護層７０の材料は例えばシリコン酸化膜または窒化膜である。
図２に示す光検出素子１は、上方からの紫外光を第１シンチレータ４が受けて可視光に変換する。樹脂層３は、第１シンチレータ４で変換した可視光の大半を保護層７０側に透過させる。具体的には、第１シンチレータ４で変換した可視光の一部は樹脂層３をそのまま透過して保護層７０に達する。第１シンチレータ４で変換した可視光の他の一部は、樹脂層３を透過した後、紫外光を変換した第１シンチレータ４の斜面（第1シンチレータ４と樹脂層３の界面）とは、異なる第１シンチレータの斜面（第1シンチレータ４と樹脂層３の別の界面）で反射した後、保護層７０に達することができる。
他方で、変換された可視光の残りの一部は、樹脂層３と第１シンチレータ４の界面で外部に向けて反射される。
本実施形態では、樹脂層３は、保護層７０を底面とした四角錐状に設けられる。樹脂層３の四角錐の底面積は、受光面積とほぼ同等であり、受光面の直上に樹脂層３が設けられる。受光面の直上に受光面積と同じ四角錐の底面積の樹脂層３を備えると、第１シンチレータ４で変換された可視光は隣接した光検出素子１に入射しにくくなる。
断面が三角形状の樹脂層３があると受光面に反射光（可視光）が集まる根拠については 図４を用いて後述する。
図２とは異なる構成で、受光面の直上ではなく隣接した光検出素子１にまたがって樹脂層３が設けられた場合においては、隣接した光検出素子１に変換した可視光（反射光）が入射してしまい、クロストーク等のノイズの原因となる。樹脂層３は例えば可視光の透過率が良い樹脂材が好ましく、受光面直上に正確にインプリントすることよって上述した形状となる。
第１シンチレータ４は、光検出器上から入射した光の波長を変換する（すなわち、紫外光を可視光に変換する）ために設けられている。また、第１シンチレータ４は、樹脂層３の外形に対応した形状で樹脂層３上に設けられている。第１シンチレータ４の材料は例えばＡｌｑ３、ＺｎＳ又はクマリン系蛍光色素である。
ここで、樹脂層３がなく、保護層７０上に直接に第１シンチレータ４が設けられる場合（比較例）と、断面が三角形状の樹脂層３上に第１シンチレータ４が設けられる場合（本実施の形態）の可視光の光路を比較する。
まず、断面が三角形状の樹脂層３を設けない場合を説明する。図３は、比較例の光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。図３のように、保護層７０上に直接に第１シンチレータ４を設けると、第１シンチレータ４は保護層７０の外形に沿って覆うように成膜される。この場合、光検出器上から入射した紫外光を第１シンチレータ４が可視光に変換した時に、その可視光はほぼ全方向（３６０°）に散乱する。全方向に散乱された可視光の内、光検出素子１側に散乱するのは、約１８０°である。さらに、光検出素子１側に散乱する可視光の中で面方向と可視光のなす鋭角が０°付近になるものは、斜めに入射されるため受光面に入射されない。また、面方向と可視光のなす鋭角が０°に近づく可視光は、隣接した光検出素子１に入射する可能性が高く、クロストークの原因となる。
図４は、本実施形態の光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。保護層７０を底面とした四角錐の樹脂層３上に第１シンチレータ４が成膜される場合、断面が三角形の斜面に沿った形状の第１シンチレータ４によって変換した可視光が、樹脂層３内部を通り、可視光に変換した斜面３ｘ１とは異なる斜面３ｘ２で全反射する。全反射した可視光は、面方向とのなす鋭角が直角に近づくため、光検出素子１に斜めに入射する可視光が減少する。そのため、第１シンチレータ４によって変換した可視光の光検出効率が断面が三角形状の樹脂層３を設けない場合と比べて向上する。また、面方向と可視光のなす鋭角が直角に近づくと、隣接した光検出素子１に入射する可視光が低下し、クロストークの少ない光検出器を提供できる。可視光に対しては第１シンチレータ４と樹脂層３の屈折率がほぼ同じなので、反射されない。
図２のｐ―ｐ´断面を用いて、適切な樹脂層３の斜辺（三角形の斜辺）と面方向のなす鋭角（三角形の斜辺と積層方向のなす鋭角）について説明する。
樹脂層３の厚みは変わらずに、樹脂層３の斜面と面方向のなす鋭角が０°に近づくと、受光面に入射する光量は増えて光検出効率が増加するが、第１シンチレータ４に沿って入射する可視光が隣接した光検出素子１に入射する傾向となり、クロストークが増える。
一方、樹脂層３の厚みは変わらずに、樹脂層３の斜面と面方向のなす鋭角が９０°に近づくと、第１シンチレータ４に沿って入射する可視光が受光面に入射する傾向となり、クロストークが減少する。しかし、上述した鋭角が９０°に近づくと、全反射条件が緩和されるため、受光面に入射する光量は減少し光検出効率が減少する。
すなわち、樹脂層３の斜面と面方向のなす鋭角については、光検出効率とクロストークがトレードオフ関係となる。そこで、いろいろと角度を変えて調べた結果、ｐ−ｐ´断面における樹脂層３の三角形の斜面と面方向のなす鋭角は、３０°〜４５°が望ましいということがわかった。
本実施形態に係る光検出素子１は、光検出素子上に断面が三角形状の透明な樹脂層を設け、その上に樹脂層の外形に伴って成膜したシンチレータを設けられている。入射する紫外光をシンチレータによって可視光に変換した後に、形状上の特性を生かすことで、受光面に入射する光量を増やし光検出効率が従来よりも増加する。また、光検出素子に対して、斜めに散乱する可視光が減少するため、本実施形態に係る光検出素子１はクロストークを抑制できる。さらに、シンチレータ４が変換しきれなかった紫外光が従来だと光検出素子に入射して、層７０とｐ+層１６の界面付近で光電変換されることでノイズが発生してしまうが、樹脂層３が紫外光を全反射することで、ノイズの少ない光検出素子１を実現できる。
なお、図２の例によらず、樹脂層３の断面形状が半球体状であってもよく、図５のように断面形状が四角形であってもよく、図６のように断面形状が多角形であってもよい。それらの樹脂層３に伴って、第１シンチレータ４が樹脂層３上に設けられてもよい。図５では、第１シンチレータ層４に入射された紫外光は殆ど上面に入り、可視光に変換される。変換された可視光の一部は、クロストークを引き起こす成分となり、樹脂層３内を進行するが、樹脂層３の側面において屈折もしくは反射するため、クロストークが抑制される。また、図６では図５と同様に、第１シンチレータ層４に入射された紫外光は殆ど上面に入り、可視光に変換される。変換された可視光の一部は、クロストークを引き起こす成分となり、樹脂層３内を進行するが、樹脂層３の側面において屈折もしくは反射するため、クロストークが抑制される。さらに、多角形の斜面で反射される可視光は光検出素子１側に集まり、図５よりクロストークが抑制される効果が高くなる。
また、図２の例によらず、第１半導体層４０はｐ型半導体層であってもよく、また、第２半導体層５はｎ型半導体層であってもよい。
（第２の実施形態）
主に第１の実施形態と異なる点を説明する。
図７は、第２の実施形態に係る光検出器のｐ−ｐ´断面図を示す図である。
主に第１の実施形態と異なる点を説明する。
図７は、第２の実施形態に係る光検出器のｐ−ｐ´断面図を示す図である。
第１の実施形態では、１つの光検出素子１に対して樹脂層３の四角錐は、１つだったのに対して、本実施形態に係る光検出器は、１つの光検出素子１に対して樹脂層３の四角錐は、受光面積よりも底面積を小さくして受光面直上のみではなく層７０上面に多数に敷き詰められている。樹脂層３の高さは、ｐ−ｐ´断面における樹脂層３の断面が三角形の斜辺と面方向のなす鋭角が、３０°〜４５°となる高さが好ましい。
第１の実施形態では、受光面の直上に受光面積と同等の底面積の樹脂層３をインプリントするため、位置決めが必要であり、インプリントの精度も必要となる。しかし、本実施形態では、四角錐の底面積を受光面積よりも小さくして、保護層７０の上面全体に多数に敷き詰めるだけでよいので、受光面直上の位置決めが必要なく、それによってインプリントの精度が不必要となり簡便に製造できる。
（第３の実施形態）
主に第１の実施形態と異なる点を説明する。
図８は、第３の実施形態に係る光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。
主に第１の実施形態と異なる点を説明する。
図８は、第３の実施形態に係る光検出器のｐ−ｐ´断面を示す図である。
図８に示すように、本実施形態に係る検出器は、第１シンチレータ４上に設けられる第２シンチレータ８と、第２シンチレータ８を第１シンチレータ４上に設けるために保護層７０と第２シンチレータ８を接着させる接着層６、７と、第１シンチレータ４と第２シンチレータ８との間に空気層１３と、をさらに備える。
第２シンチレータ８は、中性子線を紫外光に変換するために設けられる。第２シンチレータ８が変換した紫外光を第１シンチレータ４が可視光に変換する。
第２シンチレータ８の材料は、例えばＬｉＣＡＦである。
本実施形態に係る光検出器は、中性子線を紫外光に変換する第２シンチレータと、紫外光を可視光に変換する第1シンチレータを組み合わせることで、中性子線においても検出可能となり、廃炉等での応用も可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、説明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１・・光検出素子、２・・非光検出領域、３・・樹脂層、４・・第１シンチレータ、５・・ｐ型半導体層、６、７・・接着層、８・・第２シンチレータ、１０・・第１電極、１２・・構造体、１３・・空気層、１４・・ｐ＋層、１５・・ｐ−層、１６・・ｐ＋層、４０・・ｎ型半導体層、５０、７０・・保護層
Claims (13)
- 紫外光を可視光へ変換する構造体と、
前記構造体で変換された前記可視光を検出する光検出素子と、を具備し、
前記構造体は、前記光検出素子上に設けられ、前記光検出素子とは反対側に所定の形状で突出する光検出器。 - 前記構造体は、
紫外光を可視光へ変換する第１シンチレータと、
前記可視光に対して光透過性を持ち、前記紫外光に対して光透過性を持たない樹脂層と、
を含む請求項１に記載の光検出器。 - 前記第１シンチレータは、前記樹脂層上に前記樹脂層の外形に沿って覆うように設けられる請求項２に記載の光検出器。
- 前記紫外入射側に前記第１シンチレータがあり前記光検出素子側に前記樹脂層がある請求項２又は３に記載の光検出器。
- 前記第１シンチレータが変換した前記可視光の一部は、前記樹脂層内部を透過し、前記第１シンチレータと前記樹脂層の界面で反射して前記光検出素子に入射する請求項２から４に記載の光検出器。
- 前記樹脂層は、前記紫外光を全反射する請求項２から５に記載の光検出器。
- 前記所定の形状は、前記光入射側から見て前記光検出素子側を底面とした断面が三角形である請求項１から６のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記所定の形状は、前記光入射側から見て前記光検出素子側を底面とした断面が半球体状である請求項１から７のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記所定の形状は、前記光入射側から見て前記光検出素子側を底面とした断面が四角形である請求項１から８のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記所定の形状は、前記光入射側から見て前記光検出素子側を底面とした断面が多角形である請求項１から９のいずれか１項に記載の光検出器。
- 積層方向と面方向を含む面で切断した前記樹脂層の断面図において、前記樹脂層の斜面と面方向のなす鋭角は３０°〜４５°である請求項２から１０のいずれか１項に記載の光検出器。
- 前記第１シンチレータと異なる光の波長を変換する第２シンチレータと、を具備し、
前記第２シンチレータは、前記第１シンチレータ上に設けられる請求項２から１１のいずれか１項に記載の光検出器。 - 前記第２シンチレータは、中性子線を紫外光へ変換する請求項１２に記載の光検出器。
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