JP2020532133A - 動作電圧範囲が改善された半導体光電子増倍管 - Google Patents

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Abstract

本開示は、相互接続されたマイクロセルのアレイを有する半導体光電子増倍管（１００）に関し、アレイは、第１幾何学的形状の第１接合領域を有する少なくとも第１タイプのマイクロセル（１２５）を有し、かつ、第２タイプのマイクロセル（２２５）は、第２幾何学的形状の第２接合領域を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、光子検出器に関する。特に、本開示は、半導体光電子増倍管のような高感度光子検出器に関する。特に、本発明は、これに限られるわけではないが、飛行時間型PET （Time-Of-Flight PET、[TOF-PET]）、レーザーレンジング（Laser Ranging）[LIDAR]アプリケーション、生物発光、高エネルギー物理（High Energy Physics）[HEP]検出器を含む陽電子放射断層撮影（Positron Emission Tomography）[PET]のような領域における半導体光電子増倍管（semiconductor photomultipliers：SiPMまたはSPM) に関する。
ＳｉＰＭは、シリコンのような半導体基板上の多数の非常に小さなガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）セルのアレイから形成された半導体光子検知デバイスである。１０×１０マイクロセルアレイの例を添付の図面における図１に示す。各セルはそれぞれ互いに接続されて、１つのより大きな信号出力を備えた１つの大型デバイスを形成する。デバイスサイズ全体は、１×１ｍｍまでに小さいか、あるいはそれより大きい。添付の図面において、図２は従来のシリコン光電子増倍管の概略図である。
ＡＰＤセルは、用いられるマスクに依存して、その寸法が１０〜１００ミクロンまで異なり、その密度は３０００マイクロセル／ｍ２までになり得る。アバランシェダイオードもまた、望ましい特性に依存して、シリコンに加えて他の半導体から作ることができる。シリコンは、可視の範囲および近赤外線範囲を中へ検出し、増倍雑音（過剰雑音）は小さい。ゲルマニウム（Ｇｅ）は、波長１．７μｍの赤外線を検出するが、増倍雑音が高い。ＩｎＧａＡｓ（インジウム砒化ガリウム）は最大１．６μｍの波長を検出し、増倍雑音はＧｅより少ない。ＩｎＧａＡｓは、ヘテロ構造ダイオードの増加領域のために一般に用いられ、光ファイバーを用いて、高速遠隔通信と互換性をもち、かつ、ギガビット／ｓよりも高速の速度に到達し得る。窒化ガリウムはＵＶ光で動作する。ＨｇＣｄＴｅ（水銀テルル化カドミウム）は、赤外線で、最大波長約１４μｍで動作し、暗電流を低下させるために冷却を要求し、かつ、過剰雑音を非常に低レベルとすることを達成可能である。
シリコンアバランシェダイオードは、典型的には、２０〜５００Ｖの破壊電圧で機能し得る。高い逆バイアス電圧が加えられる場合（接合部でのドーピングプロファイルに依存して、シリコンにおいては約２０〜２００Ｖ）、ＡＰＤは、衝突電離あるいはアバランシェ効果により約１００〜１０００の内部短絡電流ゲイン効果を示す。シリコン光電子増倍管またはＳｉＰＭｓは、破壊電圧より大きな逆電圧で動作するガイガー計数管モードＡＰＤを用いることで、および、ダークカウントイベントレートを十分低いレベルに維持することで、１０５〜１０６のゲインを達成することができる。アバランシェイベントによって生成された電流は、デバイスがアバランシェイベント後に回復してリセットできるように、適切な電流制限方式でクエンチングする必要がある。
ノイズは、最終的に測定可能な最小信号に制限を課す。ＳｉＰＭのノイズの主な原因は、ダークカウントレート（ＤＣＲ）であり、これは、主に、高電界領域でアバランシェを発生させる熱生成電子によるものである。
非感光性のエッジブレークダウンが始まると、アバランシェフォトダイオードの有効な動作電圧範囲が制限される。実質的なＰＤＥの達成を可能にするレベルのアバランシェ確率を達成するためには、十分な過電圧（初期ブレークダウンを超えたバイアス）が必要である。非感光性エッジブレークダウンの発生により十分な過電圧が可能ではない場合、ＰＤＥはデバイスが最終的に達成できる能力から低下する。デバイスは、その動作電圧がデバイス内でアバランシェの高い確率を達成できないレベルに制限されている場合があり、アーキテクチャーの完全なポテンシャルが実現されてない可能性がある。
したがって、従来技術の難点の少なくともいくつかを解決し得る半導体光電子増倍管を提供する必要がある。
本開示は、以下を含む半導体光電子増倍管に関するものであり、相互接続されたマイクロセルアレイを有し、アレイは、第１幾何学的形状の第１接合領域を有する少なくとも第１タイプのマイクロセルを有し、かつ、第２タイプのマイクロセルは、第２幾何学的形状の第２接合領域を有する。
一実施形態では、その内部に電界が所定のレベルを超える領域を含むものである前記アレイの位置に配置されたマイクロセルは、その内部に電界が所定のレベルを下回る領域を有するアレイ位置に配置されたマイクロセルと比較して、より低いブレークダウンを有する。前記所定のレベルは、２０ボルトから６０ボルトの範囲であることが有利である。
更なる形態では、より高いブレークダウン電圧を有するマイクロセルのブレークダウン電圧と比較して、より低いブレークダウン電圧を有するマイクロセルのブレークダウン電圧は、以下の式により与えられる。
（VSP／VBD）＝[n2+2.14n6/7-(n3+3n13/7)2/3]
ＶＢＤは、より高いブレークダウンを有する前記マイクロセルの前記ブレークダウン電圧、
ＶＳＰは、ブレークダウンがより低いマイクロセルのブレークダウン電圧、
ｎ〜＝ｒｊ／WDM
ＷＤＭは、平面接合部の空乏幅と等しく、かつ、
ｒｊは接合部の曲率半径である。
例示的形態では、第１タイプのマイクロセルおよび第２タイプのマイクロセルの一方は、アレイの第１位置に配置され、かつ、第１タイプのマイクロセルおよび第２タイプのマイクロセルの他方は、アレイの第２位置に配置される。
他の形態では、第１位置および第２位置は、異なる電界に関連付けられている。
他の形態では、第１位置および第２位置の一方に関連付けられる電界は、第１位置および第２位置の他方に関連付けられる電界よりも大きい。
更に他の形態では、アレイの外周の位置に配置された１つ以上のマイクロセルは、アレイの前記外周の位置に配置されていない１つ以上のマイクロセルよりも高い電界に関連付けられる。
一形態では、アレイの外周のコーナー位置に配置された１つ以上のマイクロセル、アレイの外周のコーナー位置に配置されていない１つ以上のタイプのマイクロセルよりも高い電界に関連付けられる。
他の形態では、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、弓状の形状を画定する。
他の形態では、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状の両方が弓状の形状を画定する。
他の形態では、第１幾何学的形状および第２の幾何学的形状は、異なる半径の弓状の形状を画定する。
一形態では、他の位置よりも高い電界を有するアレイの位置には、他の位置に配置されたマイクロセルの接合領域よりも大きい面積の接合領域を有するマイクロセルが配置される。
例示的形態では、他の位置よりも高い電界を有するアレイの位置には、他の位置に配置されたマイクロセルの接合領域よりも大きい半径の接合領域を有するマイクロセルが提供される。
一形態では、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、弓状の形状を画定し、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、非弓状の形状を画定する。
例示的形態では、第１接合領域および第２接合領域は、異なる降伏電圧に関連付けられることが有利である。
更なる形態では、第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルの光感度を有する。
例示的形態では、アレイの第１位置にあるマイクロセルは、アレイの第２位置にあるマイクロセルと比較して光感度が低くなっている。
一形態では、第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのゲインを有する。
更なる形態では、アレイの第１位置に配置されたマイクロセルは、アレイの第２位置に配置されたマイクロセルと比較して、より低いゲインを有する。
他の形態では、第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのキャパシタンスを有する。
一形態では、アレイの第１位置に配置されたマイクロセルは、アレイの第２領域に配置されたマイクロセルと比較して、より低いキャパシタンスを有する。
例示的形態では、第１位置にあるマイクロセルを覆う１つ以上の材料層に関連する透過率は、第２位置にあるマイクロセルを覆う１つ以上の材料層に関連する透過率よりも低い。
一形態では、弓状の形状には、円筒形および球形の少なくとも１つが含まれる。
他の形態では、弓状の形状は、所定の半径を有する。
更なる形態では、少なくとも２つのマイクロセルは、異なる半径を有する弓状の形状の接合部を有する。
一形態では、第１接合領域と第２接合領域の面積は異なっている。
更なる形態では、第１位置に配置されたマイクロセル２２５の接合面積は、第２の位置に配置されたマイクロセル１２５の接合面積よりも小さい。
一形態では、第１位置に配置された少なくとも２つのマイクロセルの接合面積は異なる。
本開示はまた、以下を含む基材に関するものであり、相互接続されたマイクロセルアレイを有し、ここで、アレイは、第１幾何学的形状の第１接合領域を備えた少なくとも第１タイプのマイクロセルを含むものであり、かつ、第２タイプのマイクロセルは、第２幾何学的形状の第２接合領域を有する。
これらの特徴および他の特徴は、本教示の理解を助けるために提供されるフォリオウィング（folio wing）図を参照することでより良く理解できるであろう。
以下、本教示を添付の図面を参照して説明する。
半導体光電子増倍管の例示的な構造の説明図である。 例示的な半導体光電子増倍管の概略回路図である。 例示的な半導体光電子増倍管の平面図である。 本教示による半導体光電子増倍管の平面図である。 逆バイアスをかけたダイオードに対する電子、正孔、ジョイントのアバランシェ開始確率（ＡＩＰ）のグラフである。 変更されたマイクロセルがない場合の通常の検出器の動作電圧範囲と、印加された逆バイアスの増加に伴うアバランシェ確率の増加による検出器効率の向上を示すグラフである。 変更されたマイクロセルのサブセットを組み込んだ検出器における動作電圧範囲の増加を示す説明図である。 アレイの２つの領域におけるマイクロセルのＳｉＰＭの２Ｄ断面における等電位線の内部分布を示すコンピューターシミュレーションである。 アレイの２つの領域におけるマイクロセルのＳｉＰＭの２Ｄ断面における等電位線の内部分布を示すコンピューターシミュレーションである。 平面（２−Ｄ）ジャンクションの空乏領域形成の２次元表示図である。 マイクロセルのブレークダウンに対するジャンクションの曲率の影響を定量化するために作成された例示的な構造の説明図である。 コーナー曲率によるジャンクション降伏の減少を示す。 検出器内の弱いマイクロセルの変更による電圧動作範囲の拡大の説明図である。 マイクロセルアレイを示す検出器レイアウトの説明図であり、動作範囲制限マイクロセルは灰色で示され、動作範囲が広いことにより検出器の効率が向上するように検出器レイアウトではマイクロセルのサブセットが変更されている。 動作範囲の上限に向かってアレイマイクロセルのコーナーの曲率が変更されたデバイスの暗電流の減少の説明図である。 例示的なシリコン光電子増倍管のレイアウトの説明図である。 本教示による例示的なシリコン光電子増倍管のレイアウトの説明図である。
本開示は、幾つかの例示的な半導体光電子増倍管を参照して以下に記述される。例示的な半導体光電子増倍管は、本教示の理解を助けるために提供されており、いかなる形であれ限定を意図したものとして解釈されるべきではない。さらに、任意の１つの図を参照して説明される回路要素または構成要素は、本教示の精神から逸脱することなく、他の図または他の同等の回路要素のものと交換され得る。例示を簡単かつ明瞭にするために、適切であると考えられる場合には、対応する要素または類似の要素を示すために図面間で同じ参照番号が用いられる場合がある。
最初に図１を参照すると、ガイガーモードのフォトダイオードアレイを含む半導体光電子増倍管１００が示される。アレイは、当業者に知られている半導体プロセスを使用して半導体基板１５０上に形成され、この半導体プロセスとしては例えば、堆積、注入、拡散、パターン化、ドーピング、およびエッチングが挙げられるが、これらに限定されるものではない。導電性材料、絶縁性材料及び半導体のドープ領域のパターン化された層がフォトダイオードの構造を形成する。図示のように、アバランシェ電流を制限するために使用できるクエンチ抵抗器が各フォトダイオードに隣接して設けられている。フォトダイオードは、アルミニウムまたは同様の導電性トラッキングによって、共通のバイアス電極と接地電極に電気的に接続されている。
従来の半導体光電子増倍管１００の等価回路２００が図２に示されており、この従来の半導体光電子増倍管では、フォトダイオードアレイ１５５のアノードが共通の接地電極に接続され、かつ、アレイのカソードは、電流制限抵抗器１６０を介して、ダイオードにバイアス電圧を印加するための共通のバイアス電極に接続されている。
半導体光電子増倍管１００は、マイクロセル１２５と呼ばれる反復構造のアレイからなる。各マイクロセル１２５は、マイクロセル１２５がガイガーブレークダウンを受けるたびに、非常に均一で量子化された量の電荷を生成する。マイクロセル１２５（したがって検出器）のゲインは、出力電荷と電子の電荷の比として定義される。出力電荷は、過電圧とマイクロセルキャパシタンスとから計算できる。
Ｇ＝（Ｃ・ΔＶ）／ｑ
ただし、Ｇはマイクロセルのゲイン、
Ｃはマイクロセルのキャパシタンス、
ΔＶは過電圧、かつ、
ｑは電子の電荷である。
ノイズは、システム内の不要な信号源をすべてカバーし得る一般的な用語であり、測定された信号に重畳される。ノイズは最終的に、測定可能な最小の信号を制限する。ＳｉＰＭにおけるノイズの主な原因はダークカウントレート（ＤＣＲ）であり、これは、主に高電界領域でなだれを発生させる熱生成電子によるものである。ＤＣＲは、入射光がない場合に記録されたカウントの平均レートである。ＤＣＲは、電流信号が実際の光子によって支配的に発生する最小カウントレートを決定する。光電子または熱的に生成された電子のいずれかによる、マイクロセル１２５のブレークダウンから生じる信号は同一である。したがって、これらの電子は単一光子レベルでノイズ源を形成する。しきい値を単一光子レベルより上に設定できる場合、ノイズ誤ったトリガーを回避できるものの、ダークカウントは常に測定信号に寄与する。
非感光性のエッジブレークダウンが始まると、アバランシェフォトダイオードの有効な動作電圧範囲が制限される。アバランシェ確率が実質的なＰＤＥの達成が可能となるレベルを達成するためには、通常、十分な過電圧（初期ブレークダウンを超えるバイアス）が必要である。非感光性エッジブレークダウンの開始により十分な過電圧が得られない場合、ＰＤＥはデバイスが最終的に達成できる可能な能力が得られない。デバイスの動作電圧は、デバイス内でアバランシェの可能性が高くなることが許容されないレベルに制限されており、アーキテクチャーの完全なポテンシャルが得られない。
本発明者らは、動作電圧範囲を制限するよう応答可能なデバイス内のマイクロセル２２５のインスタンスを選択することによって、潜在的な動作電圧範囲が拡張されるよう変更されることを認識した。変更されたマイクロセルのサブセット２２５は、エッジのブレークダウン開始に関与するマイクロセルである。その結果、通常の１種類ではなく２種類のマイクロセルを備えたデバイスができる。新しい第２のタイプのマイクロセル２２５は、第１のタイプ１２５のマイクロセルとは異なる働きをすることができるように変更されている。これらのマイクロセル２２５は、マイクロセル内の電界を緩和する、変更された形状を有する。任意選択で、マイクロセルのサブセット２２５は、デバイスの他の動作パラメータに対する不均一性を最小化するようにマイクロセル１２５と比較して処理の変更されたパターンを有する。マイクロセル２２５に対する上記の変更により、デバイスは、変更がない場合に可能である電圧よりもはるかに高い過電圧まで所望の感光モードで動作することが容易となり、したがって、より良好なアバランシェ確率と、より良好な光検出効率とが達成される。第２タイプのマイクロセル２２５は、典型的には、マイクロセルのマトリックスのコーナー位置などのアレイの外周に配置される。
第２タイプのマイクロセル２２５がアレイに配置される場所を限定することは意図されていない。したがって、第２タイプのマイクロセル２２５は、アレイの非コーナー領域に配置することができる。第２のタイプのマイクロセル２２５は、その内部に電界が所定のレベルを超える領域を含むものであるアレイの位置に配置することができ、その内部に電界が所定のレベルを下回る領域を有するアレイの位置に配置された第１タイプのマイクロセル１２５と比較して、より低いブレークダウンを有する。例示的な実施形態では、所定のレベルは、２０ボルトから６０ボルトの範囲である。より高いブレークダウン電圧を有するマイクロセルのブレークダウン電圧と比較して、より低いブレークダウン電圧を有するマイクロセルのブレークダウン電圧は、以下の式により与えられる。
（VSP／VBD）＝[n2+2.14n6/7−（n3+3n13/7）2/3]
ただし、VBDは、より高いブレークダウンを有するマイクロセルのブレークダウン電圧、
VSPは、ブレークダウンがより低いマイクロセルのブレークダウン電圧、
ｎ〜＝ｒｊ／ＷDMであり、WDMは、平面接合部の空乏幅に等しく、かつ、ｒjは接合部の曲率半径である。
第１タイプのマイクロセル１２５および第２タイプのマイクロセル２２５のいずれかがアレイの第１位置に配置され、かつ、第１タイプのマイクロセル１２５および第２タイプのマイクロセル２２５の他方がアレイの第２位置に配置されることが、当業者であれば理解されるであろう。第１位置および第２位置は、異なる電界に関連付けられている。第１位置および第２位置の一方に関連付けられる電界は、第１位置および第２位置の他方に関連付けられる電界よりも大きい。アレイの外周の位置に配置されたマイクロセルの少なくともいくつかは、アレイの外周の位置に配置されていない他のマイクロセルよりも高い電界に関連付けられる。例示的な実施形態では、アレイの外周のコーナー位置に配置された１つまたは複数の第２タイプのマイクロセル２２５は、アレイの外周のコーナー位置に配置されていない１つまたは複数の第１タイプのマイクロセル１２５よりも高い電界に関連付けられる。
図５は、逆バイアスをかけたダイオードと電子の正孔、接合部のアバランシェ開始確率（ＡＩＰ）のグラフである。ＡＩＰ、したがって検出器の効率は、動作電圧が増加するにつれて増加する。図６は、変更されたマイクロセル２２５がない通常の検出器の動作電圧範囲と、適用される逆バイアスが増加してそれに伴うアバランシェ確率が増加することによる検出器効率の増加を示す。非感光性エッジブレークダウンの開始による動作範囲の制限も示される。
エッジのブレークダウンが始まると、実際の検出イベントが原因である電流と区別ができないスプリアス電流が検出信号に追加されるので、検出器が動作不能になる。この非感光性のエッジブレークダウンが開始される電圧を上げると、検出器の動作電圧能力が上がり、ＡＩＰが高くなる電圧での動作が可能となる。したがって、効率が向上した検出器が実現される。他の形態では、接合部のブレークダウンを下ることができ、かつ、変更されたデバイスをより高い過電圧（初期ブレークダウンの開始を超える電圧）で動作される。
これにより、検出効率が高くなるが、同時に、標準デバイスと同じ絶対動作電圧で、初期ブレークダウンがより高く、かつ、過電圧能力は低くなる。図７は、変更されたマイクロセル２２５のサブセットを組み込んだ検出器の動作電圧範囲の増加を示す図である。デバイスの動作範囲は、デバイスの動作範囲機能を制限する原因となるマイクロセルを変更することによって拡大される。これにより、デバイスを、従来のデバイスで可能な電圧よりも高い電圧で動作させることが可能である。これは、デバイスが、アバランシェ開始確率がより高い領域で操作できることを意味する。
図８Ａおよび図８Ｂは、アレイの２つの領域のマイクロセルのＳｉＰＭの２Ｄ断面における等電位線内部分布を示すコンピューターシミュレーションであり、図８Ａには、アレイマイクロセル２５０の非エッジが、図８Ｂには、アレイマイクロセル２６０のエッジが示される。アレイマイクロセルの非エッジ２６０の場合、マイクロセル間の表面電位は、端子に印加される電位よりもかなり低いが、アレイマイクロセル２６０のエッジの場合、表面電位は端子電位まで上昇する。これは、アレイマイクロセル２５０の非エッジよりもアレイマイクロセル２６０のエッジにおいて、電圧降下があることを意味する。
したがって、アレイマイクロセルのエッジは、アレイマイクロセルの非エッジよりもマイクロセル電界のエッジが高く、インパクトイオン化臨界電界に早く到達する。結果として、エッジマイクロセル２６０は、アレイマイクロセル２５０の非エッジよりも早くデバイス出力に疑似非感光性電流を提供開始し、かつ、アレイマイクロセル２５０の非エッジがまだ光子検出器として正常に機能できる間に検出器を動作不能にする。すべてのマイクロセル出力が合計されたアナログＳｉＰＭでは、単一のマイクロセルから発生するスプリアス電流によって検出器全体が動作不能になる。したがって、エッジマイクロセル２６０から発せられるスプリアス電流は、デバイス全体の動作電圧範囲を制限し、これは望ましくない。
図９は、平面（２−Ｄ）接合の空乏領域形成の２次元表示である。ジャンクションは、ｎ（自由電子過剰）からｐ（自由正孔過剰）へのシリコンタイプの遷移を定義する平面である。動作時に検出器にバイアスがかかると、アクティブボリューム（電界が増加する領域）内に接合部が常に存在する。検出器のアーキテクチャーは、デバイスがアクティブな平面図領域を最大化するように慎重に定義されている。逆バイアス下の接合部は、接合部の周囲に自由キャリアのない領域、空乏領域を形成する。
正孔が除去済みであるアクセプター原子で構成される非移動負電荷中心は、接合部のｐ型側に形成され、かつ、これらは、接合部のｎ型側でその移動電子が除去済みであるドナー原子で構成されるいくつかの定常正電荷中心によって平衡化される。接合部曲率によって、接合部のエンベロープ側の空乏距離は、接合部コーナーで小さくなり、所定の数のドーパント原子が空乏化する。これは、接合部電圧が降下する距離が接合部コーナーで小さくなること、つまり、電界が高くなることを意味する（電界＝ボルト／メートル）。接合部の曲率がきつくなるほどこの効果が大きくなり、その接合部の端子に印加される電圧が低くなり、アバランシェ降伏の臨界電界が接合部の内部に到達する。
図１０は、マイクロセルの破壊に対する接合部の曲率の影響を定量化するための例示的な構造を示す。ブレークダウンシミュレーションは構造で実行され、ブレークダウンに到達するために必要な端子電圧を決定し、つまり、構造の内部のあるポイントでシリコン格子の臨界電界に到達する。円柱座標を使用したシミュレーションでは、図のように接合部の曲率が変化するさまざまな構造で実行される。その内部で臨界電界に到達する端子印加電圧は、電流の増加として出現する。ブレークダウン前のベースラインジャンクションリークは、接合部領域が増加するにつれて、接合部半径とともに増加する。
図１１のグラフは、接合部曲率を有する変更されたマイクロセルによる、接合部の破壊の減少を示す。直角座標系のシミュレーションは、可能な最大の２Ｄブレークダウンを示す。接合部の曲率が小さくなると、接合部のブレークダウンは低くなる。基本的に、マイクロセルを備えたデバイスは、この例では動作電圧（したがってＡＩＰ）が８０ボルトに制限されています。接合部の曲率を上げるために変更されたコーナーマイクロセルを使用すると、動作電圧の上限を１０５ボルトに上げることができる。これにより、平面感光デバイス（検出器）をはるかに高い効率で動作させることができる。図１２のグラフは、検出器内のコーナーマイクロセルを変更することによって電圧動作範囲が増加することを示す。
図１３は、マイクロセルアレイを示す検出器レイアウトを示し、動作範囲制限マイクロセル１２５は灰色で示され、かつ、より広い動作範囲による、より高い検出器効率を可能にするためにマイクロセル２２５のサブセットが変更された検出器レイアウトが示される。デバイスのコーナーマイクロセル２２５でのジャンクション曲率により、これらのマイクロセルでコーナーの非感光性ブレークダウンが始まり、実際の検出イベントによる電流と区別がつかないスプリアス電流が発生する。弱いマイクロセルに対する接合部の曲率を決定する処理ステップの定義を変更してその曲率を大きくしてブレークダウン電圧を上げると、デバイスをより高い電圧で動作させることができる。コーナーマイクロセルにこの変更を加えない場合、弱いマイクロセルからのスプリアス電流により、検出器が特定の電圧を超えて動作不能になり、デバイスの動作能力と検出器効率が制限される。最適化されたデバイスの場合、コーナーマイクロセル２２５は、デバイス内の他のマイクロセル１２５と異なるタイプになるように変更される。
これにより、動作電圧能力が向上し、検出器の効率が向上する。
図１４のグラフは、電圧動作範囲の上限に向かってアレイマイクロセル２２５のコーナーの曲率が変更されたデバイスの暗電流の減少を示している。アレイマイクロセル１２５の従来のコーナーを有するデバイスの測定は、３８ボルトから高レベルのダークカレントが始まることを示す。アレイマイクロセル２２５のコーナーが変更されたデバイスの場合、４７ボルトから高レベルのダークカレントが始まる。図１５は、感光性マイクロセル１２５のアレイからなる例示的なシリコン光電子増倍管レイアウトを示す。各マイクロセル１２５は、個々のマイクロセル１２５の接合領域を定義する領域４０１と、マイクロセル１２５の感光性領域を定義する領域４０２とを有する。領域４０３は、マイクロセルアレイのエッジを画定する。
図１６は、第１タイプ１２５および第２タイプ２２５を有するマイクロセルのアレイからなる別の例示的なシリコン光電子増倍管レイアウト５００を示す。アレイのコーナーに配置されている第２タイプ２２５は、光電子増倍管の有効電圧動作範囲を拡大するように変更されている。アレイのコーナーにある第２タイプのマイクロセル２２５は、アレイのコーナーにない第１タイプのマイクロセル１２５とは異なるタイプのものである。第１タイプおよび第２タイプのマイクロセル１２５、２２５の両方は、マイクロセルの接合領域を規定する領域４０１を有する。第２タイプのマイクロセル２２５では、接合面積を規定する領域４０４は、アレイ内の他のマイクロセル１２５とは異なる形状のものである。
領域４０２は、第１タイプのマイクロセル１２５の感光領域を画定する。この感光性領域は、第２タイプのマイクロセル２２５には存在しない。したがって、第２タイプのマイクロセル２２５は感光性ではなく、その一方、第１タイプのマイクロセル１２５は感光性である。第２タイプのマイクロセル２２５の形状は、第１マイクロセルと比較して変更されている。例示的な実施形態では、第２タイプのマイクロセル２２５は、第１タイプのマイクロセルの接合面積と比較して接合面積が減少している。これにより、マイクロセル２２５の接合キャパシタンスが減少し、マイクロセル１２５と比較してゲインが減少する。これにより、光電流が減少した変更されたコーナーマイクロセルからの検出イベントにより、センサー出力が不均一になる。
この望ましくない不均一性を除去するために、接合部の幾何形状が変更された第２タイプのマイクロセル２２５がさらに変更され、すべての第１タイプのマイクロセル１２５の場合と同様に、マイクロセル２２５上に堆積した材料層は、除去されるのではなくそのまま残される。したがって、マイクロセル２２５上の材料は、マイクロセルセル２２５を非感光性にする。非コーナーマイクロセル１２５の４０２に相当する領域は、コーナーマイクロセル２２５には存在しない。これにより、変更されたコーナーマイクロセル２２５が非感光性になり、検出器がより均一に動作する。領域４０３は、マイクロセルアレイのエッジを画定する。
アレイ５００からのセンサー出力は光電流であり、イベントから生成された総電荷Ｑは、次の方程式によって与えられ得る。
Q =Ｎfired・G・q
ただし、Ｎfiredはマイクロセルの数、
Gはマイクロセルのゲイン、
qは電子の電荷である。
ゲインGは、過電圧ΔV、マイクロセルのキャパシタンスC、および電子電荷qから計算可能である。
G=C・ΔV・q
マイクロセルのキャパシタンスであるCは、シリコンの誘電率であるesilicon、動作電圧での空乏幅であるwdepletion、およびマイクロセルの接合面積であるAの関数である。
Ｃ＝（ｅsilicon・A）／ｗdepletion
シリコン光電子増倍管は、従来の半導体処理技術を使用して基板上に製造することができ、例えば、堆積、注入、拡散、パターニング、ドーピング、およびエッチングが挙げられるが、これらに限定されないことが当業者には理解されよう。導電材料、絶縁材料、および半導体のドープ領域のパターン化された層が、マイクロセルの構造を形成する。この製造方法は、相互接続された感光性マイクロセルのアレイを提供するステップを含む。
アレイは、第１幾何学的形状の第１接合領域を有する少なくとも第１タイプのマイクロセルを有し、かつ、第２タイプのマイクロセルは、第２幾何学的形状の第２接合領域を有する。一例では、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、弓状の形状を画定する。他の例では、第１幾何学的形状および第２幾何学的形状の両方が弓状の形状を画定する。
第１幾何学的形状および第２の幾何学的形状は、異なる半径の弓状の形状を画定することが有利である。他の位置よりも高い電界を有するアレイの位置には、他の位置に配置されたマイクロセルの接合領域よりも大きい面積の接合領域を有するマイクロセルが配置される。他の位置よりも高い電界を有するアレイの位置場所には、他の位置に配置されたマイクロセルの接合領域よりも大きい半径の接合領域を有するマイクロセルが提供される。さらなる例では、第１幾何学的形状および第２の幾何学的形状のうちの少なくとも１つは弓状の形状を画定し、かつ、第１幾何学的形状および第２の幾何学的形状の他方は、非弓状の形状を画定する。第１接合領域および第２接合領域は、異なる降伏電圧に関連付けられることが有利である。
第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルの光感度を有する。アレイの第１位置にあるマイクロセルは、アレイの第２位置にあるマイクロセルと比較して光感度が低くなっている。第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのゲインを有する。アレイの第１位置に配置されたマイクロセル２２５は、アレイの第２位置に配置されたマイクロセルと比較して、より高いゲインを有する。第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのキャパシタンスを有する。
アレイの第１位置に配置されたマイクロセル２２５は、アレイの第２領域に配置されたマイクロセル１２５と比較して、より低いキャパシタンスを有する。第１位置にあるマイクロセル２２５を覆う１つ以上の材料層に関連する透過率は、第２位置にあるマイクロセル１２５を覆う１つ以上の材料層に関連する透過率よりも低い。一例では、弓状の形状には、円筒形および球形の少なくとも１つが含まれる。
弓状の形状は、所定の半径を有することができる。他の例では、少なくとも２つのマイクロセルは、異なる半径を有する弓状の形状の接合部を有する。第１接合領域と第２接合領域の面積は異なっていてもよい。第１位置に配置されたマイクロセル２２５の接合面積は、第２の位置に配置されたマイクロセル１２５の接合面積よりも小さい。第１位置に配置された少なくとも２つのマイクロセルの接合面積は異なるものであり得る。
本発明の範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に様々な変更を加えることができることが当業者には理解されよう。このように、本教示は、添付の特許請求の範囲に照らして必要であると見なされる限りにおいて限定されるべきである。半導体光電子増倍管という用語は、シリコン光電子増倍管[SiPM]、マイクロピクセル（MicroPixel）フォトンカウンター[MPPC]、マイクロピクセルアバランシェ（MicroPixel Avalanche）フォトダイオード[MAPD]などの固体光電子増倍管デバイスを網羅することを意図しているが、これらに限定されるものではない。
同様に、本明細書で使用する場合、「有する/有している」という用語は、ここに記述された機能、整数、ステップ、またはコンポーネントの存在を指定するために使用されるが、1つ以上の追加の機能、整数、ステップ、コンポーネント、またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。

Claims (31)

  1. 半導体光電子増倍管（１００）であって、
    相互接続されたマイクロセルのアレイを有し、
    前記アレイは、少なくとも、第１幾何学的形状の第１接合領域を含んだ少なくとも第１タイプのマイクロセル（１２５）と、
    第２幾何学的形状の第２接合領域を含んだ第２タイプのマイクロセル（２２５）を有することを特徴とする、
    半導体光電子増倍管。
  2. 請求項１の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    第１タイプのマイクロセル（１２５）および第２タイプのマイクロセル（２２５）の一方が感光性であり、かつ、第１タイプのマイクロセル（１２５）および第２タイプのマイクロセル（１２５）の他方が非感光性である、
    半導体光電子増倍管。
  3. 請求項１の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    その内部に電界が所定のレベルを超える領域を含むものである前記アレイの位置に配置されたマイクロセルは、その内部に電界が所定のレベルを下回る領域を有する前記アレイの位置に配置されたマイクロセルと比較して、より低いブレークダウンを有する、
    半導体光電子増倍管。
  4. 請求項３に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記所定のレベルは、２０ボルトから６０ボルトの範囲である、
    半導体光電子増倍管。
  5. 請求項３に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    より高いブレークダウン電圧を有する前記マイクロセルの前記ブレークダウン電圧と比較して、より低いブレークダウン電圧を有する前記マイクロセルのブレークダウン電圧は、以下の式により与えられ、
    （VSP／VBD）＝[n2+2.14n6/7−(n3+3n13/7)2/3]
    ＶＢＤは、より高いブレークダウンを有する前記マイクロセルの前記ブレークダウン電圧、
    ＶＳＰは、ブレークダウンがより低い前記マイクロセルの前記ブレークダウン電圧、
    ｎ〜＝ｒｊ／ＷDMであり、
    ＷＤＭは、平面接合部の空乏幅と等しく、かつ、ｒｊは接合部の曲率半径である、
    半導体光電子増倍管。
  6. 請求項１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１タイプのマイクロセル（１２５）と、前記第２タイプのマイクロセル（２２５）と、のいずれかが前記アレイの第１位置に配置され、かつ、前記第１タイプのマイクロセル（１２５）および前記第２タイプのマイクロセル（２２５）の他方が前記アレイの第２位置に配置される、
    半導体光電子増倍管。
  7. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１位置および前記第２位置は、異なる電界に関連付けられる、
    半導体光電子増倍管。
  8. 請求項７に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１位置および第２位置の一方に関連付けられる電界は、前記第１位置および第２位置の前記他方に関連付けられる電界よりも大きい、
    半導体光電子増倍管。
  9. 請求項１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの外周の位置に配置された１つ以上のマイクロセルは、前記アレイの前記外周の位置に配置されていない１つ以上のマイクロセルよりも高い電界に関連付けられる、
    半導体光電子増倍管。
  10. 請求項１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの外周のコーナー位置に配置された第１マイクロセルまたは第２マイクロセルは、前記アレイの前記外周のコーナー位置に配置されていない１つ以上のタイプのマイクロセルよりも高い電界に関連付けられる、
    半導体光電子増倍管。
  11. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、弓状の形状を画定する、
    半導体光電子増倍管。
  12. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１幾何学的形状および第２幾何学的形状の両方が弓状の形状を画定する、
    半導体光電子増倍管。
  13. 請求項１２に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１幾何学的形状および第２の幾何学的形状は、異なる半径の弓状の形状を画定する、
    半導体光電子増倍管。
  14. 請求項１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの他の位置よりも高い電界を有する前記アレイの位置には、前記他の位置に配置されたマイクロセルの前記接合領域よりも大きい面積の接合領域を有するマイクロセルが配置される、
    半導体光電子増倍管。
  15. 請求項１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの他の位置よりも高い電界を有する前記アレイの位置には、前記他の位置に配置されたマイクロセルの前記接合領域よりも大きい半径の接合領域を有するマイクロセルが配置される、
    半導体光電子増倍管。
  16. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、弓状の形状を画定し、
    前記第１幾何学的形状および第２幾何学的形状のうちの少なくとも１つは、非弓状の形状を画定する、
    半導体光電子増倍管。
  17. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１接合領域および第２接合領域は、異なる降伏電圧に関連付けられる、
    半導体光電子増倍管。
  18. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルの光感度を有する、
    半導体光電子増倍管。
  19. 請求項１８に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの前記第１位置にある前記マイクロセルは、前記アレイの前記第２位置にある前記マイクロセルと比較して光感度が低い、
    半導体光電子増倍管。
  20. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのゲインを有する、
    半導体光電子増倍管。
  21. 請求項２０に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの前記第１位置にある前記マイクロセルは、前記アレイの前記第２位置にある前記マイクロセルと比較してゲインが低い、
    半導体光電子増倍管。
  22. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１接合領域および第２接合領域は、異なるレベルのキャパシタンスを有する、
    半導体光電子増倍管。
  23. 請求項２２に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記アレイの前記第１位置にある前記マイクロセルは、前記アレイの前記第２接合領域にある前記マイクロセルと比較してキャパシタンスが低い、
    半導体光電子増倍管。
  24. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１位置にある前記マイクロセルを覆う１つ以上の材料層に関連付けられた透過率は、前記第２位置にある前記マイクロセルを覆う１つ以上の材料層に関連付けられた透過率よりも低い、
    半導体光電子増倍管。
  25. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記弓状の形状には、円筒形および球形の少なくとも１つが含まれる、
    半導体光電子増倍管。
  26. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記弓状の形状は所定の半径を有する、
    半導体光電子増倍管。
  27. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    少なくとも２つの前記マイクロセルは、異なる半径を有する弓状の形状の接合部を有する、
    半導体光電子増倍管。
  28. 請求項１１に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１接合領域の前記領域と前記第２接合領域とは異なっている、
    半導体光電子増倍管。
  29. 請求項６に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１位置に配置された前記マイクロセルの前記接合領域は、前記第２位置に配置された前記マイクロセルの接合領域よりも小さい、
    半導体光電子増倍管。
  30. 請求項２９に記載の半導体光電子増倍管（１００）であって、
    前記第１位置に配置された少なくとも２つのマイクロセルの前記接合領域の面積は異なるものである、
    半導体光電子増倍管。
  31. 基板（１５０）であって、
    相互接続されたマイクロセルアレイを有し、
    前記アレイは、少なくとも、第１幾何学的形状の第１接合領域を含んだ少なくとも第１タイプのマイクロセルと、
    第２幾何学的形状の第２接合領域を含んだ第２タイプのマイクロセル（２２５）を有することを特徴とする、
    基板。
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