JP2022139071A - 光検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】メタレンズのレンズとしての機能を維持しつつ、薄型化、及び光学的なロスの低減を図ることができる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器４は、表面６ａを有し、表面６ａに沿って配置された複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤを含む光検出素子６と、複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対応するように表面６ａ上に配置された複数のメタレンズ部８と、を備える。複数のアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び複数のメタレンズ部８のうち、対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、一つのメタレンズ部８は、表面６ａに沿って配置された複数のメタレンズ９を含む。【選択図】図１０

Description

本発明は、光検出器に関する。
非特許文献１には、複数の受光領域を含む光検出素子と、複数の受光領域上に配置された複数のメタレンズと、を備える光検出器が記載されている。非特許文献１は、各メタレンズの透過率及び集光効率を高めること、並びに各メタレンズの焦点深度を大きくすることで、光検出素器の光検出効率等を向上させることが提案されている。
E. Mikheeva、他１２名、"CMOS-compatibleall-dielectric metalens for improving pixel photodetector arrays"、APL Photonics 5, 116105 (2020)、提出日：2020年7月17日、オンライン発行日：2020年11月13日
光検出器を薄型化する観点、及び光学的なロスを低減する観点では、各メタレンズは、光検出素子の表面に近い位置に配置されていることが望ましい。しかし、非特許文献１に記載の光検出器では、一つの受光領域に一つのメタレンズが対応しているため、一つのメタレンズから光検出素子の表面までの距離を小さくし過ぎると、一つのメタレンズの開口数が大きくなり過ぎ、メタレンズのレンズとしての機能が損なわれて、迷光が増加するおそれがある。
本発明は、メタレンズのレンズとしての機能を維持しつつ、薄型化、及び光学的なロスの低減を図ることができる光検出器を提供することを目的とする。
本発明の光検出器は、表面を有し、表面に沿って配置された複数の受光領域を含む光検出素子と、複数の受光領域に対応するように表面上に配置された複数のメタレンズ部と、を備え、複数の受光領域及び複数のメタレンズ部のうち、対応する一つの受光領域及び一つのメタレンズ部において、一つのメタレンズ部は、表面に沿って配置された複数のメタレンズを含む。
本発明の光検出器では、一つの受光領域に複数のメタレンズが対応している。これにより、各メタレンズ部から光検出素子の表面までの距離を小さくした場合であっても、当該距離に応じて各メタレンズの面積等を調整することで、各メタレンズの開口数を無理なく設定することができる。また、各メタレンズ部から光検出素子の表面までの距離を小さくすることができるため、入射光の入射角度に対するロバスト性を向上させることが可能となる。よって、本発明の光検出器によれば、メタレンズのレンズとしての機能を維持しつつ、薄型化、及び光学的なロスの低減を図ることができる。
本発明の光検出器では、光検出素子は、複数の受光領域のそれぞれを分離する分離領域を更に含み、対応する一つの受光領域及び一つのメタレンズ部において、複数のメタレンズは、一つの受光領域内に光を集光するように構成されていてもよい。これによれば、隣り合う受光領域の間においてクロストークが発生するのを抑制しつつ、光学的なロスをより確実に低減することができる。
本発明の光検出器では、分離領域は、トレンチであってもよい。これによれば、隣り合う受光領域の間においてクロストークが発生するのを容易に且つ確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、表面と複数のメタレンズ部との間に配置された光透過層を更に備えていてもよい。これによれば、各メタレンズ部から光検出素子の表面までの距離を調整することができるため、各メタレンズの開口数をより適切に設定することができる。
本発明の光検出器では、光透過層は、表面に直接形成されており、複数のメタレンズ部は、光透過層に直接形成されていてもよい。これによれば、メタレンズ部と受光領域との間に存在する界面の数が少なくなるため、界面での反射等による光学的なロスを低減することができる。
本発明の光検出器では、対応する一つの受光領域及び一つのメタレンズ部において、一つのメタレンズ部は、複数のメタレンズとして、第１メタレンズ及び複数の第２メタレンズを有し、第１メタレンズの面積は、複数の第２メタレンズのそれぞれの面積よりも大きく、複数の第２メタレンズは、第１メタレンズを包囲するように配置されていてもよい。これによれば、メタレンズのレンズとしての機能を維持しつつ、一つの受光領域に対応する複数のメタレンズの数を減らすことができる。
本発明の光検出器では、対応する一つの受光領域及び一つのメタレンズ部において、一つのメタレンズ部から一つの受光領域の表面までの距離をＴ（μｍ）とし、一つのメタレンズ部の面積をＳ（μｍ２）とするとき、Ｔは、１．０Ｓ０．５以下であってもよい。これによれば、メタレンズ部の大きさに対して、メタレンズ部から一つの受光領域の表面までの距離を十分に小さくすることができるため、薄型化、及び光学的なロスの低減を更に図ることが可能である。
本発明によれば、メタレンズのレンズとしての機能を維持しつつ、薄型化、及び光学的なロスの低減を図ることができる光検出器を提供することが可能となる。
一実施形態のＰＥＴ装置の構成図である。 図１に示される放射線検出装置の構成図である。 図２に示される放射線検出器の側面図である。 図３に示される光検出素子の平面図である。 図３に示される光検出器の回路図である。 図４に示される光検出素子の一部分の平面図である。 図４に示される光検出素子の一部分の断面図である。 図４に示される光検出素子の底面図である。 図３に示される光検出器の一部分の平面図である。 図９に示されるX－X線に沿っての光検出器の一部分の断面図である。 比較例及び実施例の光検出器の電界強度の計算結果を示すグラフと、受光領域の表面における強度分布を示すグラフである。 変形例の光検出器の一部分の断面図である。 変形例の光検出素子の底面図である。 図１２に示されるXIII－XIII線に沿っての光検出器の一部分の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に示されるように、ＰＥＴ装置１は、クレードル１０１と、ガントリ１０２と、制御装置１０３と、駆動モータ１０４と、を備えている。クレードル１０１は、ガントリ１０２の開口を通るように配置されている。クレードル１０１上には、被検体１０５が配置される。制御装置１０３は、駆動モータ制御信号によって駆動モータ１０４を制御する。これにより、被検体１０５が配置されたクレードル１０１が移動し、ガントリ１０２の開口に対する被検体１０５の相対位置が変化する。駆動モータ１０４は、ガントリ１０２を移動させるように構成されていてもよいし、クレードル１０１及びガントリ１０２を移動させるように構成されていてもよい。
ガントリ１０２は、複数の放射線検出装置１０６を有している。複数の放射線検出装置１０６は、ガントリ１０２の開口が貫通する方向に沿って配置されている。各放射線検出装置１０６は、ガントリ１０２の開口を包囲している。制御装置１０３は、各放射線検出装置１０６を制御する制御信号をガントリ１０２に入力する。ガントリ１０２は、各放射線検出装置１０６によって検出された検出信号を制御装置１０３に出力する。
図２に示されるように、放射線検出装置１０６は、複数の放射線検出器２を含んでいる。複数の放射線検出器２は、ガントリ１０２の開口を囲むように円環状に配置されている。被検体１０５には、陽電子（ポジトロン）を放出するタイプの放射性同位元素（陽電子放出核種）が注入される。陽電子は、被検体１０５内の陰電子と結合して消滅γ線を発生する。消滅γ線は、被検体１０５内における放射性同位元素の位置Ｐから互いに反対方向に出射される。これにより、消滅γ線は、位置Ｐを挟んで対向する一対の放射線検出器２によって検出される。制御装置１０３は、消滅γ線の飛行時間差に基づいて位置Ｐを特定し、被検体１０５の内部情報に関する画像（断層化像）を生成する。つまり、ＰＥＴ装置１は、ＴＯＦ－ＰＥＴ装置である。
図３に示されるように、放射線検出器２は、複数の放射線検出ユニット２Ａを備えている。複数の放射線検出ユニット２Ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を行方向及び列方向としてマトリックス状に配置されている。各放射線検出ユニット２Ａは、シンチレータ（発光体）３と、光検出器４と、を備えている。なお、図３において、Ｚ軸方向は、複数の放射線検出器２が配置された円環（図２参照）の径方向であり、Ｘ軸方向は、当該円環の接線方向であり、Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向である。
シンチレータ３は、光検出器４に対してガントリ１０２の開口の中心側（以下、「光入射側」という）に配置されている（図２参照）。シンチレータ３は、消滅γ線の入射によって光（蛍光）を発する。シンチレータ３は、Ｌｕ２－ｘＹｘＳｉＯ５：Ｃｅ（ＬＹＳＯ）、ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット（ＧＡＧＧ）、ＮａＩ（ＴＩ）、Ｐｒ：ＬｕＡＧ、ＬａＢｒ２、ＬａＢｒ３、及び（ＬｕｘＴｂ１－ｘ－ｙＣｅｙ）３Ａｌ５Ｏ１２（すなわち、ＬｕＴＡＧ）からなる群から選択される少なくとも一つの材料又は複数の混合材料からなる。なお、ＬｕＴＡＧにおいて、組成比ｘは０．５～１．５の範囲にあり、組成比ｙは０．０１～０．１５の範囲にある。
光検出器４は、シンチレータ３で発せられた光を検出する。光検出器４は、配線基板５と、光検出素子６と、平坦化膜７と、複数のメタレンズ部８と、を有している。配線基板５は、複数の光検出器４によって共有されている。配線基板５、光検出素子６、平坦化膜７、及びメタレンズ部８は、シンチレータ３とは反対側からこの順序で配置されている。つまり、シンチレータ３は、メタレンズ部８に対して光検出素子６とは反対側に配置されている。なお、シンチレータ３は、光透過性を有する接着剤によって光検出器４に接合されている。
図４に示されるように、光検出素子６は、二次元に配置された複数の光検出部１０と、共通電極Ｅ３と、を有している。一例として、光検出素子６は、Ｚ軸方向から見た場合に矩形状を呈している。複数の光検出部１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を行方向及び列方向としてマトリックス状に配置されている。共通電極Ｅ３は、Ｚ軸方向から見た場合に光検出素子６の中央に位置している。共通電極Ｅ３には、各光検出部１０において発生した電荷が収集される。つまり、光検出素子６は、複数のＳＰＡＤ（光検出部１０）を有するＳｉＰＭである。なお、図４では、複数の光検出部１０が光検出素子６の両端部の領域のみに図示されているが、複数の光検出部１０は、共通電極Ｅ３を除く光検出素子６の全領域に形成されている。
図５に示されるように、各光検出部１０は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤと、クエンチング抵抗Ｒ１と、を有している。クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、光検出素子６が有する読出配線ＴＬを介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。つまり、複数の光検出部１０は、並列に接続されており、各光検出部１０において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤとクエンチング抵抗Ｒ１とは、直接に接続されている。光検出素子６では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレイクダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）がアバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加される。すなわち、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードには、電位Ｖ１が印加され、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードには、電位Ｖ１に対して正の電位Ｖ２が印加される。これらの電位の極性は相対的なものであり、例えば、いずれか一方の電位が接地電位であってもよい。
配線基板５には、信号処理部ＳＰが設けられている。信号処理部ＳＰは、各光検出素子６を各チャンネルとして、各光検出素子６から出力された信号を処理する。信号処理部ＳＰは、処理した信号（検出信号）を制御装置１０３（図１参照）に出力する。信号処理部ＳＰは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。信号処理部ＳＰは、各光検出素子６から出力された信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいてもよい。
図６に示されるように、光検出素子６において、読出配線ＴＬは、複数の信号線ＴＬ１と、複数の信号線ＴＬ２と、を含んでいる。一例として、各信号線ＴＬ１は、Ｘ軸方向において隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＹ軸方向に延在しており、各信号線ＴＬ２は、Ｙ軸方向おいて隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＸ軸方向に延在している。複数の信号線ＴＬ１及び複数の信号線ＴＬ２は、交点で互いに接続されるように格子状に延在しており、共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、信号線ＴＬ１に接続されている。つまり、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１を介してアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬを介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
図７に示されるように、光検出素子６は、半導体層１１を有している。半導体層１１は、Ｎ＋型（第１導電型）の半導体領域（第１半導体領域）１２と、Ｎ型（第１導電型）の半導体領域（第１半導体領域）１３と、複数のＰ型（第２導電型）の半導体領域（第２半導体領域）１４と、複数のＰ＋型（第２導電型）の半導体領域（第２半導体領域）１５と、を含んでいる。半導体領域１３は、半導体領域１２における光入射側の表面に形成されている。複数の半導体領域１４は、光検出素子６の表面６ａに沿って半導体領域１３内に形成されている。複数の半導体領域１５は、光検出素子６の表面６ａに沿って複数の半導体領域１４内に形成されている。半導体領域１２の不純物濃度は、半導体領域１３の不純物濃度よりも高い。各半導体領域１５の不純物濃度は、各半導体領域１４の不純物濃度よりも高い。
光検出素子６では、トレンチ１６に囲まれた一つの半導体領域１５、一つの半導体領域１４、及び半導体領域１２，１３のうちＺ軸方向において当該一つの半導体領域１５に重なる領域によって、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤが構成されている。つまり、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｎ＋型の半導体領域１２と、Ｎ型の半導体領域１３と、Ｎ型の半導体領域１３とＰＮ接合を構成するＰ型の半導体領域１４と、Ｐ＋型の半導体領域１５と、を含んでいる。本実施形態では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤが受光領域として機能する。
半導体層１１における光入射側の表面には、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤを分離するようにトレンチ１６が形成されている。つまり、トレンチ１６は、受光領域である各アバランシェフォトダイオードＡＰＤを分離する分離領域である。トレンチ１６内には、例えば、シリコン酸化物等の絶縁材料、タングステン等の金属材料、ポリシリコンが配置されている。
半導体領域１３，１４，１５における光入射側の表面には、絶縁層１７が形成されている。絶縁層１７上には、共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬが配置されている。共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬは、絶縁層１８によって覆われている。光検出素子６では、絶縁層１８における光入射側の表面が、光検出素子６の表面６ａに相当する。なお、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１（図６参照）の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの半導体領域１４，１５に電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬに電気的に接続されている。
半導体層１１には、貫通孔ＴＨが形成されている。貫通孔ＴＨの内面、及び半導体領域１２における光入射側とは反対側の表面には、絶縁層１９が形成されている。貫通孔ＴＨの内面には、絶縁層１９を介して貫通電極ＴＥが配置されている。貫通電極ＴＥは、貫通孔ＴＨにおける光入射側の開口において、共通電極Ｅ３に接続されている。貫通電極ＴＥ上には、アンダーバンプメタルＢＭを介してバンプ電極Ｂ１が配置されている。貫通電極ＴＥ及び絶縁層１９は、パッシベーション膜ＰＦによって覆われている。なお、半導体領域１２における光入射側の表面のうち貫通孔ＴＨを包囲する領域には、Ｎ型の半導体領域１ＰＣが形成されている。半導体領域１ＰＣは、半導体領域１２及び半導体領域１３，１４とで構成されたＰＮ接合が貫通孔ＴＨに至るのを防止している。
図８に示されるように、パッシベーション膜ＰＦには、Ｚ軸方向から見た場合に貫通孔ＴＨを包囲するように溝が形成されており、当該溝内においては、半導体領域１２が露出している。当該溝内において露出した半導体領域１２上には、複数のバンプ電極Ｂ２が配置されている。バンプ電極Ｂ１、及び複数のバンプ電極Ｂ２は、光検出素子６に対して複数のメタレンズ部８とは反対側に配置された配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。つまり、光検出素子６は、配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。
以上のように構成された光検出素子６では、各光検出部１０において、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。この状態で、表面６ａ側から各アバランシェフォトダイオードＡＰＤに光が入射すると、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいて光電変換が起こり、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいて光電子（電荷）が発生する。光電子が発生すると、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおいてアバランシェ増倍が起こり、増幅された電子群（電荷）が、各半導体領域１５及びクエンチング抵抗Ｒ１を介して共通電極Ｅ３に収集される。各光検出部１０から共通電極Ｅ３に収集された電荷は、信号として配線基板２０の信号処理部ＳＰ（図５参照）に入力される。
半導体層１１は、例えば、Ｓｉによって形成されている。半導体層１１において、Ｐ型の不純物は、例えば、Ｂ等の３族元素であり、Ｎ型の不純物は、例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等の５族元素である。これらの不純物の添加方法は、例えば、拡散法、イオン注入法である。各絶縁層１７，１８，１９は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮによって形成されている。各絶縁層１７，１８，１９の形成方法は、例えば、熱酸化法、スパッタ法である。電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥは、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥの形成方法は、例えば、スパッタ法である。クエンチング抵抗Ｒ１の抵抗率は、電極Ｅ１及び共通電極Ｅ３の抵抗率よりも高い。クエンチング抵抗Ｒ１は、例えば、ポリシリコンによって形成されている。クエンチング抵抗Ｒ１の形成方法は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法である。クエンチング抵抗Ｒ１の材料は、例えば、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒ等であってもよい。
図３、図９及び図１０に示されるように、複数のメタレンズ部８は、平坦化膜７に設けられている。複数のメタレンズ部８は、平坦化膜７を介して光検出素子６の表面６ａ上に配置されている。各メタレンズ部８は、Ｚ軸方向（表面６ａに交差する方向）から見た場合に各アバランシェフォトダイオードＡＰＤ（すなわち、各光検出部１０）に重なるように二次元に配置されている。つまり、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに一つのメタレンズ部８が対応している（Ｚ軸方向において対向している）。なお、図９及び図１０では、光検出器４のうち一つの光検出部１０に対応する部分のみが図示されている。
各メタレンズ部８は、光検出部１０が有する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対して、複数のメタレンズ９を有している。各メタレンズ９は、平坦化膜７の表面７ａに形成されたメタサーフェスレンズである。メタレンズ９は、例えば、ａ－Ｓｉ、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２等のメタレンズ材料によって形成されている。メタレンズ９の形成方法は、例えば、平坦化膜７にエッチング処理を施して、平坦化膜７に複数の溝を形成する方法である。複数のメタレンズ９は、対応する一つの光検出部１０のアバランシェフォトダイオードＡＰＤ内に光を集光するように構成されている。
メタレンズ９は、例えば、フレネルレンズの位相設計に基づいて構成されている。メタレンズ９の外径は、例えば、数μｍ～数十μｍである。メタレンズ９の外径は、メタレンズ９を有するメタレンズ部８に対応する光検出部１０のサイズに応じて設計される。Ｚ軸方向におけるメタレンズ部８の厚さは、例えば、５００ｎｍ程度である。メタレンズ部８の単一周期は、光Ｌの波長以下であり、例えば、２５０ｎｍ程度である。
平坦化膜７は、光検出素子６の表面６ａと複数のメタレンズ部８との間に配置されている。平坦化膜７は、表面６ａに直接形成された光透過層である。平坦化膜７は、例えば、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＣ等によって形成されている。平坦化膜７の形成方法は、例えば、熱酸化法、スパッタ法である。平坦化膜７の厚さは、例えば、数μｍである。
図１０に示されるように、Ｚ軸方向において対向する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、各メタレンズ９は、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面（すなわち、対応する一つの半導体領域１５の表面１５ａ）に光Ｌを集光する。
Ｚ軸方向における一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面（すなわち、半導体領域１５の表面１５ａ）とメタレンズ部８との距離をＴ（μｍ）とし、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対応するメタレンズ部８の面積をＳ（μｍ２）とするとき、下記式（１）が成立する。
Ｔ≦１．０Ｓ０．５…（１）
メタレンズ部８の面積は、例えば、数百μｍ２～数千μｍ２である。そのため、Ｚ軸方向における一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面とメタレンズ部８との距離を数十μｍ以下にすることができる。
以上説明したように、光検出器４では、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対して複数のメタレンズ９が対応している。これにより、各メタレンズ部８から光検出素子６の表面６ａまでの距離を小さくした場合であっても、当該距離に応じて各メタレンズ９の面積等を調整することで、各メタレンズ９の開口数を無理なく設定することができる。また、各メタレンズ部８から光検出素子６の表面６ａまでの距離を小さくすることができるため、光Ｌの入射角度に対するロバスト性を向上させることが可能となる。よって、光検出器４によれば、メタレンズ９のレンズとしての機能を維持しつつ、薄型化、及び光学的なロスの低減を図ることができる。
光検出器４では、光検出素子６が、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤを分離するトレンチ１６を含んでおり、対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、複数のメタレンズ９が、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ内に光を集光するように構成されている。これにより、隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間においてクロストークが発生するのを抑制しつつ、光学的なロスをより確実に低減することができる。
光検出器４では、対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、複数のメタレンズ９が、トレンチ１６を避けて光を集光するように構成されている。光検出器４において、メタレンズ部８が複数のメタレンズ９を含むことから、位相設計の自由度を向上させることができるため、トレンチ１６を避けて光を集光するように設計することが容易となる。また、光検出器４において、メタレンズ部８が複数のメタレンズ９を含むことから、位相設計の自由度を向上させることができるため、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの特定の領域（例えば、受光領域でも特に高感度の領域）に向かって光を集光するように設計することも可能である。メタレンズ９は、例えば、アバランシェフォトダイオードＡＰＤを光入射側から見たときに、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの中央領域に向かって光を集光するように設計することができる。アバランシェフォトダイオードＡＰＤの中央領域とは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤを光入射側から見たときに、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ内に存在し、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの重心と同じ重心を有する領域を意味する。アバランシェフォトダイオードＡＰＤの中央領域は、例えば、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの形状と略相似の形状を有している。アバランシェフォトダイオードＡＰＤの中央領域が、受光領域でも特に高感度の領域であってよい。これにより、隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間においてクロストークが発生するのを抑制しつつ、光学的なロスをより確実に低減することができる。
光検出器４では、光検出素子６の表面６ａと複数のメタレンズ部８との間に平坦化膜７が配置されている。これにより、各メタレンズ部８から光検出素子６の表面６ａまでの距離を調整することができるため、各メタレンズ９の開口数をより適切に設定することができる。
光検出器４では、平坦化膜７が、光検出素子６の表面６ａに直接形成されており、複数のメタレンズ部８が、平坦化膜７に直接形成されている。これにより、メタレンズ部８とアバランシェフォトダイオードＡＰＤとの間に存在する界面の数が少なくなるため、界面での反射等による光学的なロスを低減することができる。
光検出器４では、対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、一つのメタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離をＴ（μｍ）とし、一つのメタレンズ部８の面積をＳ（μｍ２）とするとき、Ｔは１．０Ｓ０．５以下である。これによれば、メタレンズ部８の大きさに対して、メタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離を十分に小さくすることができるため、光検出器４の薄型化、及び光学的なロスの低減を更に図ることが可能である。
光検出器４では、対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、一つのメタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離をＴ（μｍ）とし、メタレンズ部８における一つのメタレンズ９の外径をＤ（μｍ）とするとき、一つのメタレンズ９の集光角度θはｔａｎ－１（Ｄ／２Ｔ）である。メタレンズ部８における複数のメタレンズ９のそれぞれは、メタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離に応じて、各メタレンズ９の外径を調整することができるため、各メタレンズ９の集光角度θが大きくなりすぎることを防ぐことが可能となる。これによれば、一つのメタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離が小さくなることで、メタレンズの集光角度が大きくなることに起因した迷光の発生を抑制することができる。
図１１（ａ）は、対応する一つの受光領域と一つのメタレンズ部において、メタレンズ部が一つのメタレンズ（外径５０μｍ）を含む比較例の光検出器の電界強度の計算結果を示すグラフと、一つのメタレンズに対する受光領域の表面（Ｚ＝５μｍ）における強度分布を示すグラフである。図１１（ｂ）は、対応する一つの受光領域と一つのメタレンズ部において、メタレンズ部が複数（一つの受光領域に対して２５個）のメタレンズ（外径１０μｍ）を含む実施例の電界強度の計算結果と、光検出器の一つのメタレンズに対する受光領域の表面（Ｚ＝５μｍ）における強度分布を示すグラフである。比較例及び実施例の光検出器において、メタレンズから受光領域表面までの距離は、いずれも５μｍとし、各メタレンズはメタレンズの中心（Ｘ＝０μｍ）に光を集光するように設計した。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）における電界強度の計算結果を示すグラフは、波長４０４ｎｍの光を受光領域に対して垂直に照射したときの一つのメタレンズの中心（Ｘ＝０μｍ）からメタレンズの外周までの範囲における電界強度をＦＤＴＤ法により計算した結果である。図１１（ａ）に示されるように、メタレンズ部が一つのメタレンズを含む場合、メタレンズの中心における強度と、メタレンズの中心以外の位置における強度とを比べると、顕著な差はみられず、メタレンズの中心以外の位置における迷光が確認された。一方、図１１（ｂ）に示されるように、メタレンズ部が複数のメタレンズを含む場合、メタレンズの中心における強度と、メタレンズの中心以外の位置における強度とを比べると、顕著な差がみられ、メタレンズの中心以外の位置における迷光を抑制することができた。これは、メタレンズから受光領域表面までの距離に応じて、メタレンズの外径を調整することにより、メタレンズの集光角度が大きくなりすぎることを防ぎ、迷光の発生を抑制できたためである。
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、平坦化膜７は、読出配線ＴＬを覆う絶縁層であってもよく、絶縁層１７における光入射側の表面が、光検出素子６の表面６ａであってもよい。また、図１２に示されるように、複数のメタレンズ部８は、光透過基板２１の表面２１ａ上に配置されて、光透過基板２１が光検出素子６の表面６ａ上に形成された光透過性の粘着剤層２２を介して、表面６ａと接合されてされていてもよい。メタレンズ部８を光透過基板２１上に形成する方法は、例えば、光透過基板２１の表面２１ａに、メタレンズ材料からなる膜が形成し、次いでＥＢリソグラフィ法によって当該膜上にＥＢマスク層を形成し、次いで当該膜及び当該層にエッチング処理を施すことにより、光透過基板２１の表面２１ａに複数のメタレンズ部８を形成する方法である。
光透過基板２１の厚さは、例えば、数十μｍ～数百μｍである。対応する一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及び一つのメタレンズ部８において、光透過基板２１の表面２１ａ上に配置されたメタレンズ９のサイズは、メタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離に応じて調整することができる。
また、図１３及び図１４に示されるように、メタレンズ部８は、複数のメタレンズ９として、第１メタレンズ９１と、複数の第２メタレンズ９２と、を有していてもよい。Ｚ軸方向から見た場合に、第１メタレンズ９１の面積は、第２メタレンズ９２のそれぞれの面積よりも大きい。また、Ｚ軸方向から見た場合に、複数の第２メタレンズ９２は、第１メタレンズ９１を包囲するように配置されている。これにより、メタレンズ９のレンズとしての機能を維持しつつ、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤに対応する複数のメタレンズ９の数を減らすことができる。また、メタレンズ部８における複数のメタレンズ９のそれぞれの形状、面積、配置位置等は、規則性及び／又は均一性を有さなくてもよく、これらは受光領域の形状等に応じて設計することができる。なお、図１３及び図１４では、光検出器４のうち一つの光検出部１０に対応する部分のみが図示されている。
また、複数のＳＰＡＤ（光検出部１０）を有するＳｉＰＭとしての光検出素子６は、Ｎ型の半導体領域とＰ型の半導体領域との配置が逆の構成等、他の構成を有していてもよい。また、光検出素子６は、複数の受光領域として、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ以外の構成を有するものを有していてもよい。また、各メタレンズ９は、対応するアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面以外の位置に光Ｌを集光させてもよく、例えば、受光領域の深さ方向（アバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面に対して、光入射側とは反対方向）に光Ｌを集光させてもよい。各メタレンズ９は、例えば、受光領域の内部（例えば、半導体領域１５の領域内）に光Ｌを集光させてもよい。各メタレンズ９が受光領域の内部に光を集光させることにより、各メタレンズ９の焦点距離をメタレンズ部８からアバランシェフォトダイオードＡＰＤにおける光入射側の表面までの距離Ｔ（μｍ）以上にすることができる。そのため、各メタレンズ９の外径をＤ（μｍ）とする場合、集光角度θはｔａｎ－１（Ｄ／２Ｔ）であることから、受光領域の表面に光を集光させる場合に比べて集光角度をより小さくすることができる。これにより、迷光の発生をより抑制することができる。また、光検出素子６は、表面入射型に限定されず、裏面入射型であってもよい。また、光検出素子６は、トレンチ１６の代わりに、第１導電型の半導体領域、第２導電型の半導体領域、遮光膜等によって構成された分離領域を有していてもよい。光検出素子６は、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤを分離する分離領域を有していなくてもよい。
また、放射線検出器２の検出対象は、消滅γ線に限定されず、Ｘ線等、他の放射線であってもよい。また、放射線検出器２において、放射線の入射によって光を発する発光体は、シンチレータ３に限定されず、チェレンコフ輻射体等、他の発光体であってもよい。
４…光検出器、６…光検出素子、６ａ…表面、７…平坦化膜、８…メタレンズ部、９…メタレンズ、１６…トレンチ、２１…光透過基板、９１…第１メタレンズ、９２…第２メタレンズ、ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード（受光領域）Ｌ…光。

Claims (7)

  1. 表面を有し、前記表面に沿って配置された複数の受光領域を含む光検出素子と、
    前記複数の受光領域に対応するように前記表面上に配置された複数のメタレンズ部と、を備え、
    前記複数の受光領域及び前記複数のメタレンズ部のうち、対応する一つの受光領域及び一つのメタレンズ部において、前記一つのメタレンズ部は、前記表面に沿って配置された複数のメタレンズを含む、光検出器。
  2. 前記光検出素子は、前記複数の受光領域のそれぞれを分離する分離領域を更に含み、
    対応する前記一つの受光領域及び前記一つのメタレンズ部において、前記複数のメタレンズは、前記一つの受光領域内に光を集光するように構成されている、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記分離領域は、トレンチである、請求項２に記載の光検出器。
  4. 前記表面と前記複数のメタレンズ部との間に配置された光透過層を更に備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の光検出器。
  5. 前記光透過層は、前記表面に直接形成されており、
    前記複数のメタレンズ部は、前記光透過層に直接形成されている、請求項４に記載の光検出器。
  6. 対応する前記一つの受光領域及び前記一つのメタレンズ部において、前記一つのメタレンズ部は、前記複数のメタレンズとして、第１メタレンズ及び複数の第２メタレンズを有し、
    前記第１メタレンズの面積は、前記複数の第２メタレンズのそれぞれの面積よりも大きく、
    前記複数の第２メタレンズは、前記第１メタレンズを包囲するように配置されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器。
  7. 対応する前記一つの受光領域及び前記一つのメタレンズ部において、前記一つのメタレンズ部から前記一つの受光領域の表面までの距離をＴ（μｍ）とし、前記一つのメタレンズ部の面積をＳ（μｍ２）とするとき、
    Ｔは、１．０Ｓ０．５以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載の光検出器。

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