JP5085122B2 - 半導体光検出素子及び放射線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光検出素子、及び半導体光検出素子を備えた放射線検出装置に関するものである。

半導体光検出素子として、半導体基板の一方面側に複数のホトダイオードを形成し、他方面を光入射面とした裏面入射型ホトダイオードアレイが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平１１−７４５５３号公報 ＷＯ２００５／０３８９２３号公報

裏面入射型ホトダイオードアレイでは、一般に、半導体基板の空乏層以外の領域で発生したキャリアが拡散移動する距離（発生した位置から空乏層までの距離）が長い。このため、ホトダイオード間近傍に発生したキャリアは、電界に依存しない拡散移動によって隣接するホトダイオードに流れ込む確率が高くなる。この結果、ホトダイオード間においてクロストークが発生しやすくなってしまう。

ところで、上記文献１に記載された裏面入射型ホトダイオードアレイでは、隣接するホトダイオード間にＸ線を吸収するための薄層が形成されている。しかしながら、文献１における薄層は、散乱Ｘ線を除去するためのものであり、上述したクロストークを考慮したものではない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、クロストークの発生を良好に抑制することが可能な半導体光検出素子、及び放射線検出装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による半導体光検出素子は、（１）一方の面が被検出光の入射面となっている半導体基板と、（２）半導体基板の入射面と反対側の面である検出面側に形成されたｐｎ接合型の複数のホトダイオードと、（３）半導体基板の検出面側において、複数のホトダイオードのうちで隣接するホトダイオード間に形成されたキャリア捕獲部とを備え、（４）キャリア捕獲部は、それぞれｐｎ接合を含む複数のキャリア捕獲領域が、隣接するホトダイオード間でホトダイオードの対応する辺に沿って延びる方向を配列方向として、配列方向に沿って間隔をおいて配列されて構成されているとともに、キャリア捕獲部は、複数のホトダイオードのうちで少なくとも１つのホトダイオードに対し、検出面側からみて、配列方向に沿って間隔をおいて配列された複数のキャリア捕獲領域によってホトダイオードを取り囲むように形成されていることを特徴とする。

上記した半導体光検出素子では、半導体基板の入射面と反対側の面が検出面となっている裏面入射型の構成において、複数のホトダイオードのうちで隣接するホトダイオード間にｐｎ接合を含むキャリア捕獲領域が形成されている。このような構成では、隣接するホトダイオード近傍に発生し、拡散移動により隣接するホトダイオードに流れ込もうとするキャリアは、キャリア捕獲領域から吸い出されることとなる。これにより、拡散移動によって隣接するホトダイオードに流れ込もうとするキャリアが除去され、ホトダイオード間におけるクロストークの発生を良好に抑制することができる。

また、裏面入射型ホトダイオードアレイにおいて、あるホトダイオードが初期的な接続エラーもしくは温度サイクル等による接続点の破損によって、電気的にフローティングな状態になることが起こりうる。このような場合、そのホトダイオードから溢れ出したキャリアが周囲のホトダイオードに流れ込み、周囲のホトダイオードが正常な信号を出力することを妨げる可能性がある。これに対して、上記構成の半導体光検出素子では、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードに流れ込もうとするキャリアはキャリア捕獲領域から吸い出されることとなる。これにより、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みを良好に抑制することができる。

また、上記したように隣接するホトダイオード間にｐｎ接合を含むキャリア捕獲領域を設ける構成では、ホトダイオード間、あるいはその近傍で生成されたキャリアがキャリア捕獲領域から吸い出されることにより、クロストークの発生が抑制される一方で、チャンネル当たりの光感度及び得られる信号量が小さくなる。これに対して、上記した半導体光検出素子では、それぞれｐｎ接合を含む１または複数のキャリア捕獲領域を間隔をおいて配列することでキャリア捕獲部を構成している。これにより、各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制とを好適に両立することが可能となる。

ここで、キャリア捕獲部は、複数のホトダイオードのうちで少なくとも１つのホトダイオードに対し、検出面側からみて、間隔をおいて配列された複数のキャリア捕獲領域によってホトダイオードを取り囲むように形成されていることが好ましい。この場合、隣接するホトダイオードに流れ込もうとするキャリアが確実に除去されることとなり、クロストークの発生をより一層良好に抑制することができる。また、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みをより一層良好に抑制することができる。

また、半導体基板の検出面側において、キャリア捕獲部とホトダイオードとの間に、半導体基板と同一導電型の高濃度不純物半導体領域が形成されていることが好ましい。この場合、高濃度不純物半導体領域は、隣接するホトダイオードを分離する機能（チャンネルストッパ）を有することとなり、隣接するホトダイオードが電気的に分離される。この結果、ホトダイオード間のクロストークをより一層低減できる。また、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みをより一層低減できる。

また、高濃度不純物半導体領域は、複数のホトダイオードのうちで少なくとも１つのホトダイオードに対し、検出面側からみて、ホトダイオードを取り囲むように形成されていることが好ましい。この場合、隣接するホトダイオードを電気的に確実に分離することができる。

また、キャリア捕獲部等に対する電極の構成については、半導体基板の検出面側に、キャリア捕獲部のキャリア捕獲領域と、高濃度不純物半導体領域とに電気的に接続される電極が形成されており、電極が基準電位に接続されることが好ましい。この場合、キャリア捕獲領域を基準電位に接続するための電極と、高濃度不純物半導体領域を基準電位に接続するための電極との共用化が図られることとなり、電極数が増加するのを防ぐことができる。また、キャリア捕獲領域から吸い出されたキャリアは、半導体光検出素子の内部で消失することとなる。この結果、ホトダイオード間のクロストークが低減される。また、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みが低減される。

あるいは、電極の構成については、半導体基板の検出面側に、キャリア捕獲部のキャリア捕獲領域に電気的に接続される第１電極と、高濃度不純物半導体領域に電気的に接続される第２電極とが形成されており、第１電極と第２電極とは、互いに電気的に絶縁された状態で各々が基準電位に接続される構成を用いても良い。この場合、キャリア捕獲領域と高濃度不純物半導体領域とは、半導体光検出素子の内部において電気的に分離されることとなる。これにより、キャリア捕獲領域側の電位が変動するようなことはなく、ホトダイオードとキャリア捕獲領域との電位差による電流の流れ込みを抑制することができる。この結果、ホトダイオードからの出力信号に電気的な影響は生じ難くなり、安定した信号出力を実現することができる。

また、半導体基板は第１導電型であって、複数のホトダイオード、及び１または複数のキャリア捕獲領域のそれぞれは、第２導電型不純物半導体領域と、半導体基板とによって構成されていることが好ましい。また、高濃度不純物半導体領域は、半導体基板と同様に第１導電型であることが好ましい。

また、それぞれｐｎ接合を含む１または複数のキャリア捕獲領域が配列されたキャリア捕獲部の構成については、キャリア捕獲部を構成するキャリア捕獲領域は、その領域幅ｗが１μｍ以上であることが好ましい。また、キャリア捕獲領域は、その領域長さＬが１μｍ以上であることが好ましい。このような領域パターンでキャリア捕獲部を構成することにより、上記した各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制との両立を、好適に実現することができる。

また、キャリア捕獲部において、キャリア捕獲領域は、隣接する２つのキャリア捕獲領域同士で空乏層が接しない間隔で配列されていることが好ましい。また、キャリア捕獲部において、キャリア捕獲領域は、対応するホトダイオードからみて、ホトダイオードの周囲上の全ての点で、キャリア捕獲領域までの距離が、隣接するホトダイオードまでの距離よりも小さくなるように形成されていることが好ましい。これらの構成によっても、上記した各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制との両立を、好適に実現することができる。

本発明に係る放射線検出装置は、上記構成の半導体光検出素子と、半導体基板の入射面側に位置し、放射線の入射により発光するシンチレータとを備えることを特徴とする。このような放射線検出装置では、半導体光検出素子として上記構成の光検出素子を用いていることにより、上述したように、ホトダイオード間におけるクロストークの発生を良好に抑制することができる。また、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みを抑制することができる。この結果、高い解像度を得ることができる。

本発明によれば、クロストークの発生を良好に抑制することが可能な半導体光検出素子及び放射線検出装置を提供することができる。また、初期的な接続エラーもしくは温度サイクル等による接続点の破損によって、あるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みを抑制することが可能な半導体光検出素子及び放射線検出装置を提供することができる。

以下、図面とともに本発明による半導体光検出素子及び放射線検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

まず、本発明による半導体光検出素子について説明する。図１及び図２は、それぞれ、本発明による半導体光検出素子の一実施形態の構成を概略的に示す平面図である。また、図３は、図１及び図２におけるＩ−Ｉ線に沿った半導体光検出素子の断面構成を示す側面断面図である。本実施形態では、本発明による半導体光検出素子の構成の一例として、ホトダイオードアレイＰＤ１の構成について説明する。また、以下においては、基板側の第１導電型をｎ型、他方の第２導電型をｐ型として説明するが、一般には、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても良い。

ここで、ホトダイオードアレイＰＤ１では、ホトダイオードアレイＰＤ１を構成する半導体基板５の一方の面（図３における上面）が被検出光Ｌの入射面５ａ、他方の面（図３における下面）がホトダイオードが形成される検出面５ｂとなっている。また、図１及び図２は、それぞれホトダイオードアレイＰＤ１を検出面５ｂ側からみた平面図となっている。また、図１は、ホトダイオードアレイＰＤ１の平面構成のうちで、後述するように検出面５ｂ上に設けられる電極を除いた構成を示し、また、図２は、電極を含む構成を示している。

本実施形態によるホトダイオードアレイＰＤ１は、一方の面が入射面５ａとなっている半導体基板５と、基板５の入射面５ａと反対側の面である検出面５ｂ側に形成されたｐｎ接合型の複数の光感応領域３とを備えている。半導体基板５は、シリコン（Ｓｉ）からなるｎ型（第１導電型）の半導体基板であり、例えば、厚さが３０〜３００μｍ（好ましくは１００μｍ程度）、不純物濃度が１×１０^１２〜１０^１５／ｃｍ^３のシリコン基板が用いられる。

この半導体基板５に対し、それぞれｐｎ接合を含む複数の光感応領域３は、基板５の検出面５ｂ側において、２次元アレイ状に配列されている。このような構成において、これらの光感応領域３の１つ１つが、ホトダイオードアレイＰＤ１を構成する光感応画素であるホトダイオードとしての機能を有している。

具体的には、ｎ型の半導体基板５には、その検出面５ｂ側において、２次元アレイ状に配列された複数のｐ型（第２導電型）の不純物半導体領域７が形成されている。そして、このｐ型領域７と、ｎ型半導体基板５とによって形成されるｐｎ接合により、ホトダイオードである光感応領域３が構成されている。このｐ型領域７としては、例えば、不純物濃度が１×１０^１３〜１０^２０／ｃｍ^３、深さが０．０５〜２０μｍ（好ましくは０．２μｍ程度）のｐ型不純物半導体領域が用いられる。

また、本ホトダイオードアレイＰＤ１では、半導体基板５の検出面５ｂ側において、複数の光感応領域（ホトダイオード）３のうちで隣接する光感応領域３の間、すなわち隣接するｐ型領域７同士の間に、キャリア捕獲部１２が形成されている。本実施形態においては、このキャリア捕獲部１２は、それぞれｐｎ接合を含む複数のキャリア捕獲領域１３が間隔をおいて配列されることによって構成されている。なお、図１においては、説明のため、隣接する光感応領域３の間で光感応領域３の対応する辺に沿って延びるキャリア捕獲領域１３の配列方向を一点鎖線によって図示している。

具体的には、半導体基板５には、その検出面５ｂ側において、隣接するｐ型領域７の間に、上記の配列方向に沿って間隔をおいて配列された複数のｐ型領域１１が形成されている。そして、このｐ型領域１１と、ｎ型半導体基板５とによって形成されるｐｎ接合により、ｐｎ接合を含むキャリア捕獲領域（ｐｎ接合領域）１３が構成されている。このｐ型領域１１としては、例えば、不純物濃度が１×１０^１３〜１０^２０／ｃｍ^３、深さが０．０５〜２０μｍ（好ましくは０．２μｍ程度）のｐ型不純物半導体領域が用いられる。

図１に示した構成では、このキャリア捕獲部１２は、光感応領域３の一辺と、隣接する光感応領域３の対応する一辺との間に、２つのキャリア捕獲領域１３が間隔をおいて配列された構成となっている。また、本実施形態では、キャリア捕獲部１２は、複数の光感応領域（ホトダイオード）３のそれぞれに対し、検出面５ｂ側からみて、間隔をおいて配列された複数のキャリア捕獲領域１３によって光感応領域３を取り囲むように形成されている。具体的には、１つの光感応領域３に対し、図１における左辺側、右辺側、下辺側、及び上辺側にそれぞれ２つずつで、合計８つのキャリア捕獲領域１３によって、ホトダイオードである光感応領域３が取り囲まれた構成となっている。

また、半導体基板５の検出面５ｂ側には、上記したキャリア捕獲部１２と、ホトダイオードである光感応領域３との間、すなわち、ｐ型領域１１と、ｐ型領域７との間に、基板５と同一導電型の高濃度不純物半導体領域である高濃度ｎ型領域（分離層）９が形成されている。これにより、隣接する光感応領域３の間には、図１に示すように、高濃度ｎ型領域９、キャリア捕獲領域１３を含むキャリア捕獲部１２、及び高濃度ｎ型領域９がこの順で設けられている。このとき、キャリア捕獲部１２のキャリア捕獲領域１３は、高濃度ｎ型領域９の間に挟まれるように配置されている。

高濃度ｎ型領域９は、隣接するホトダイオードの光感応領域３を電気的に分離する機能を有するものである。このような高濃度ｎ型領域９を設けることにより、隣接するホトダイオードが電気的に確実に分離され、ホトダイオード同士のクロストークを低減することができる。また、ブレークダウン電圧（逆方向耐圧）を制御することも可能となる。この高濃度ｎ型領域９としては、例えば、不純物濃度が１×１０^１３〜１０^２０／ｃｍ^３、厚さが０．１〜数１０μｍ（好ましくは３μｍ程度）のｎ型高濃度不純物半導体領域が用いられる。また、この高濃度ｎ型領域９の厚さは、キャリア捕獲領域１３を構成するｐ型領域１１の深さよりも大きいことが好ましい。

また、本実施形態では、高濃度ｎ型領域９は、複数の光感応領域（ホトダイオード）３のそれぞれに対し、検出面５ｂ側からみて、連続した領域パターンで光感応領域３を取り囲むように形成されている。また、このとき、キャリア捕獲部１２は、間隔をおいて配列された複数のキャリア捕獲領域１３によって、光感応領域３と、対応する高濃度ｎ型領域９との両者を取り囲む構成となっている。なお、半導体基板５の端部（チップエッジ）に位置する光感応領域３については、そのチップエッジ側には隣接する光感応領域３が存在しないことから、チップエッジ側には高濃度ｎ型領域９、及びキャリア捕獲部１２のキャリア捕獲領域１３を形成する必要はない。ただし、必要があれば、そのようなチップエッジ側においても、高濃度ｎ型領域９、及びキャリア捕獲領域１３の一方または両方を設ける構成としても良い。

さらに、半導体基板５の表面である検出面５ｂ上には、パッシベーション膜及び電気絶縁膜としての熱酸化膜（図示せず）が形成されている。また、半導体基板５の裏面である入射面５ａ上には、入射面５ａを保護すると共に、光Ｌの反射を抑制するＡＲ膜（図示せず）が形成されている。

なお、ホトダイオードアレイＰＤ１における半導体基板５の入射面５ａは、本実施形態では図３に示すように略平面状とされているが、このような構成に限られない。例えば、検出面５ｂ側に存在する光感応領域３に対応する入射面５ａ上の領域に窪み部を形成し、その周りに、光感応領域３に対応する領域を囲むように突出部が形成される構成としても良い。このような構成では、裏面入射型の構成において、ｎ型半導体基板５の入射面５ａから、光感応領域３を構成するｐ型領域７までの距離を短くすることができる。

ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側には、図２及び図３に示すように、光感応領域３のｐ型領域７に電気的に接続される電極１５が形成されている。電極１５は、電極パッド、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）、及びバンプ電極１７を含む。なお、電極パッド及びＵＢＭについては、図示を省略している。

電極パッドは、例えばアルミニウム膜からなり、熱酸化膜に形成されたコンタクトホールを通してｐ型領域７に電気的に接続される。ＵＢＭは、電極配線上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。バンプ電極１７は、半田からなり、ＵＢＭ上に形成される。

また、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側には、キャリア捕獲部１２を構成するキャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１と、高濃度ｎ型領域９とに電気的に接続される電極１９が形成されている。電極１９は、電極配線２１、ＵＢＭ、及びバンプ電極２３を含む。なお、ＵＢＭについては、図示を省略している。

電極配線２１は、例えばアルミニウム膜からなり、熱酸化膜に形成されたコンタクトホールを通してｐ型領域１１及び高濃度ｎ型領域９に電気的に接続される。また、電極配線２１は、図２及び図３に示されているように、半導体基板５の検出面５ｂ側からみて、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１、及びｐ型領域１１を挟む両側の高濃度ｎ型領域９の全体を覆うように形成されている。ＵＢＭは、電極配線２１上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。バンプ電極２３は、半田からなり、ＵＢＭ上に形成される。この電極１９は、基準電位（例えば接地電位）に接続されている。

ホトダイオードアレイＰＤ１においては、ホトダイオードのアノードの電極取り出しが電極１５により実現され、ホトダイオードのカソードの電極取り出しが電極１９により実現されている。そして、ホトダイオードアレイＰＤ１においては、光感応領域３におけるｐｎ接合の境界、及びキャリア捕獲領域１３におけるｐｎ接合の境界に、それぞれ空乏層２５が形成されることとなる。

そして、ホトダイオードアレイＰＤ１は、入射面５ａ側から被検出光Ｌが入射すると、その入射光に応じたキャリアが各ホトダイオードにおいて生成される。生成されたキャリアによる光電流は、光感応領域３のｐ型領域７に接続された電極１５（バンプ電極１７）から取り出される。この電極１５からの出力は、図３に示すように、差動アンプ２７の反転入力端子に接続される。差動アンプ２７の非反転入力端子は、電極１９と共通の基準電位に接続されている。

以上のように、図１〜図３に示した実施形態のホトダイオードアレイＰＤ１では、図３に示すように半導体基板５の入射面５ａと反対側の面が検出面５ｂとなっている裏面入射型の構成において、そのｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側に、複数のホトダイオードである光感応領域３のうちで隣接する光感応領域３（ｐ型領域７）間に、ｐｎ接合を含むキャリア捕獲領域１３（ｐ型領域１１）が形成されている。

このような構成では、半導体基板５内の空乏層２５以外の領域において、隣接するｐ型領域７近傍にキャリアＣが発生した場合でも、拡散移動により隣接する光感応領域３のｐ型領域７に流れ込もうとするキャリアＣは、図３において矢印Ａによって示すように、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１から吸い出されることとなる。これにより、拡散移動によって隣接する光感応領域３のｐ型領域７に流れ込もうとするキャリアＣが捕獲、除去され、光感応領域３の間におけるクロストークの発生を良好に抑制することができる。

また、基板の裏面が光Ｌの入射面５ａとなっている裏面入射型のホトダイオードアレイＰＤ１では、配線基板などの支持部材に対する接続において、バンプ電極を用いたバンプ接続が用いられる場合がある。このように、バンプ接続を用いる構成では、初期的な接続エラーもしくは温度サイクル等によって接続点の破損を生じ、その結果、ある光感応領域３のｐ型領域７が電気的にフローティングな状態になることが起こりうる。

これに対して、上記構成のホトダイオードアレイＰＤ１によれば、初期的な接続エラーもしくは温度サイクル等による接続点の破損によって、あるｐ型領域７が電気的にフローティングな状態になった場合においても、そのｐ型領域７から溢れ出したキャリアは、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１から吸い出されることになる。これにより、隣接するｐ型領域７にキャリアが流れ込むことを良好に抑制することができる。なお、このような構成は、バンプ接続以外の接続構成を用いた場合にも、同様に有効である。

また、上記したように隣接するホトダイオードの光感応領域３の間に、ｐｎ接合を含むキャリア捕獲領域１３を設ける構成では、光感応領域３の間、あるいはその近傍で生成されたキャリアがキャリア捕獲領域１３から吸い出されることにより、クロストークの発生が抑制される一方で、チャンネル当たりの光感度及び得られる信号量が小さくなる場合がある。

これに対して、上記したホトダイオードアレイＰＤ１では、それぞれｐｎ接合を含む１または複数のキャリア捕獲領域１３（好ましくは複数のキャリア捕獲領域１３）を間隔をおいて配列することによってキャリア捕獲部１２を構成している。このような構成のキャリア捕獲部１２において、光感応領域３に対して形成するキャリア捕獲領域１３の個数、領域幅、長さ、間隔などの領域パターンを適宜に選択、設定することにより、各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制とを好適に両立することが可能となる。

また、本実施形態においては、キャリア捕獲部１２は、検出面５ｂ側からみて、間隔をおいて配列されたキャリア捕獲領域１３によってホトダイオードの光感応領域３を取り囲むように形成されている。この場合、隣接する光感応領域３に流れ込もうとするキャリアＣが確実に除去されることとなり、クロストークの発生をより一層良好に抑制することができる。また、接続点の破損によってあるホトダイオードのｐ型領域７が電気的にフローティングな状態になった場合においても、そのｐ型領域７から溢れ出したキャリアは、ｐ型領域７を取り囲むキャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１から吸い出されることになる。これにより、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みをより一層良好に抑制することができる。

また、本実施形態では、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側において、ｐ型領域７とｐ型領域１１との間に、高濃度ｎ型領域９が形成されている。これにより、隣接する光感応領域３のｐ型領域７同士が電気的に分離され、ｐ型領域７間のクロストークをより一層低減できる。また、接続点の破損によってあるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みをより一層低減できる。

また、このような高濃度ｎ型領域９は、図１に示すように、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側からみて、光感応領域３のｐ型領域７を取り囲むように形成することが好ましい。これにより、隣接するｐ型領域７を電気的に確実に分離することができる。

また、本実施形態では、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側に、高濃度ｎ型領域９とｐ型領域１１とに電気的に接続される電極１９が形成されており、この電極１９が基準電位に接続される。これにより、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１を基準電位に接続するための電極と、高濃度ｎ型領域９を基準電位に接続するための電極との共用化が図られることとなり、電極数が増加するのを防ぐことができる。この場合、ｐ型領域１１から吸い出されたキャリアＣは、ホトダイオードアレイＰＤ１の内部で消失することとなる。

また、本実施形態によるホトダイオードアレイＰＤ１の構成では、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１は、光感応領域（ホトダイオード）３のｐ型領域７と同じ工程で形成することが可能である。この場合、ホトダイオードアレイＰＤ１の製造工程が複雑化するようなことはない。

なお、半導体基板５の検出面５ｂ側に設けられる電極の構成については、キャリア捕獲部のキャリア捕獲領域に電気的に接続される第１電極と、高濃度不純物半導体領域に電気的に接続される第２電極とを形成し、第１電極と第２電極とが、互いに電気的に絶縁された状態で各々が基準電位に接続される構成を用いても良い。

この場合、キャリア捕獲領域のｐ型領域と、高濃度ｎ型領域とは、ホトダイオードアレイの内部において電気的に分離されることとなる。これにより、キャリア捕獲領域側の電位が変動するようなことはなく、ホトダイオードとキャリア捕獲領域との電位差による電流の流れ込みを抑制することができる。この結果、ホトダイオードからの出力信号に電気的な影響は生じ難くなり、安定した信号出力を実現することができる。

次に、本発明による放射線検出装置について説明する。図４は、本発明による放射線検出装置の一実施形態の断面構成を概略的に示す側面断面図である。本実施形態による放射線検出装置ＲＤは、放射線の入射によって発光するシンチレータ６１と、上記した構成を有するホトダイオードアレイＰＤ１とを備える。

シンチレータ６１は、ホトダイオードアレイＰＤ１の裏面である入射面５ａ側に配置されている。シンチレータ６１から出射された光は、半導体基板５の入射面５ａから、半導体光検出素子であるホトダイオードアレイＰＤ１へと入射する。また、このシンチレータ６１は、ホトダイオードアレイＰＤ１の入射面５ａに接着されている。シンチレータ６１とホトダイオードアレイＰＤ１との間の接着には、光透過性を有する樹脂（例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等）を用いることができる。

本実施形態による放射線検出装置ＲＤでは、図１〜図３に示した構成のホトダイオードアレイＰＤ１を備えることにより、隣接する光感応領域３のｐ型領域７間におけるクロストークの発生を良好に抑制することができる。また、初期的な接続エラーもしくは温度サイクル等による接続点の破損によって、あるホトダイオードが電気的にフローティングな状態になった場合においても、隣接するホトダイオードへのキャリアの流れ込みが良好に抑制される。これにより、放射線検出装置ＲＤを用いた放射線検出において、高い解像度を得ることができる。

図１〜図３に示したホトダイオードアレイについて、具体的な実施例及び測定データとともにさらに説明する。なお、以下においては、光感応領域３（ｐ型領域７）に対するキャリア捕獲部１２のキャリア捕獲領域１３（ｐ型領域１１）の構成、及びそれによる効果を中心として半導体光検出素子の構成について説明することとし、高濃度ｎ型領域９等の構成については説明を省略する。

ここでは、図５の構成例（ａ）に示すように、図１に示した構成と同様に、光感応領域３に対して、その各辺側にそれぞれ２つずつで合計８つのキャリア捕獲領域１３を間隔をおいて配列することで構成されたキャリア捕獲部１２について、その効果を検討した。また、比較例として、図５の構成例（ｂ）に示すように、キャリア捕獲部１２のキャリア捕獲領域１３を連続的な領域パターンで形成した構成を想定した。

図５の構成例（ａ）に示したような本発明でのキャリア捕獲部１２の構成では、上記したように、キャリア捕獲部１２を構成するキャリア捕獲領域１３の個数、領域幅ｗ、領域長さＬ、間隔ｄなどの領域パターンの各パラメータを適宜に選択、設定することにより、各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制とを好適に両立することが可能となる。また、これらの領域パターンのパラメータについては、その素子で要求されている光感度やクロストークなどの素子特性を参照して設定することが好ましい。

詳述すると、図５の構成例（ｂ）に示す連続パターンのキャリア捕獲部１２では、光感応領域３の間、あるいはその近傍で生成されたキャリアがキャリア捕獲領域１３から吸い出されることによって、隣接するホトダイオード間でのクロストークの発生が抑制されることとなる。一方、このような構成では、他チャンネルから流れ込むキャリア、及びホトダイオードの画素間（ギャップ部）で生成されたキャリア等がキャリア捕獲領域１３で吸い出されるため、ホトダイオードの１チャンネル当たりの光感度及び得られる信号量が小さくなり、これによって、半導体光検出素子における光Ｌの検出感度（放射線検出装置における放射線の検出感度）が小さくなる場合がある。このように、隣接するホトダイオード間にキャリア捕獲部を形成する構成では、クロストークの低減と、検出感度向上とは相反する関係にある。

このようなクロストークの低減と、検出感度向上とをバランスさせる点に関して、例えば図５の構成例（ｂ）において、キャリア捕獲領域１３を構成するｐ型領域１１の領域幅ｗを細くすることが考えられる。しかしながら、このようにｐ型領域１１の幅を細くする構成では、素子の量産時におけるパターニングエラー、あるいはキャリア捕獲領域１３の飽和などの問題が発生しやすくなる。

これに対して、上記実施形態のホトダイオードアレイＰＤ１では、図１及び図５の構成例（ａ）に示したように、それぞれｐｎ接合を含む１または複数のキャリア捕獲領域１３を間隔をおいて配列することで、光感応領域３に対するキャリア捕獲部１２を構成している。このような構成では、キャリア捕獲部１２のうちでキャリア捕獲領域１３が形成されていない部分ではクロストークの低減効果が低下する一方で、トータルの信号量を増やすことができる。これにより、クロストークの低減と、検出感度向上とを好適にバランスさせることが可能となる。

また、このようなキャリア捕獲領域１３が形成されていない部分でのクロストークの増加は、ホトダイオードの画素サイズに対して光Ｌの入射範囲が局所的な場合に問題となる可能性もあるが、例えば、図４に示すように放射線検出装置ＲＤでシンチレータ６１と組み合わせて用いる構成では、シンチレータ６１での発光は、画素サイズの全体に対して発光するものとなるので、上記した部分的なクロストークの増加は問題にならない。

一例として、図５の構成例（ａ）に示した構造において、基板５のチップ厚さを１２５μｍ、隣接する光感応領域（ホトダイオード）３間の距離をｇ＝０．２ｍｍ、キャリア捕獲領域１３の領域幅をｗ＝１５μｍ（０．０１５ｍｍ）、領域長さをＬ＝０．２ｍｍ、領域間隔をｄ＝０．２４ｍｍとした場合、構成例（ｂ）の連続的な構造に比べて、その感度が約３％向上することが確認された。

ここで、キャリア捕獲部１２におけるキャリア捕獲領域１３の構成については、キャリア捕獲部１２を構成するキャリア捕獲領域１３は、その領域幅ｗが１μｍ以上であることが好ましい。また、キャリア捕獲領域１３は、その領域長さＬが１μｍ以上であることが好ましい。このような領域パターンのキャリア捕獲領域１３でキャリア捕獲部１２を構成することにより、上記した各ホトダイオードでの必要な光感度の確保と、ホトダイオード間におけるクロストークの発生の抑制との両立を、好適に実現することができる。また、キャリア捕獲部１２を構成するキャリア捕獲領域１３は、その領域幅ｗが５μｍ以上であることが特に好ましい。また、キャリア捕獲領域１３は、その領域長さＬが１０μｍ以上であることが特に好ましい。

また、キャリア捕獲部１２において、キャリア捕獲領域１３は、隣接する２つのキャリア捕獲領域１３同士で空乏層が接しない間隔ｄで配列されていることが好ましい。このような構成では、間隔をおいて配列されたキャリア捕獲領域１３が、それぞれ確実に別の領域として機能することとなる。これにより、配列方向に隣接するキャリア捕獲領域１３の間にあってキャリア捕獲領域１３が形成されていない部分での信号量の増大効果を、確実に実現することができる。

また、キャリア捕獲部１２において、キャリア捕獲領域１３は、対応するホトダイオードの光感応領域３からみて、光感応領域３（ｐ型領域７）の周囲上の全ての点で、最も近いキャリア捕獲領域１３（ｐ型領域１１）までの距離が、隣接する光感応領域３までの距離よりも小さくなるように形成されていることが好ましい。これにより、間隔をおいて配列されたキャリア捕獲領域１３の全体として、クロストークを低減するためのキャリア捕獲部１２としての機能を良好に実現することができる。

図６は、キャリア捕獲部１２でのキャリア捕獲領域１３の領域幅と、ホトダイオードの光感度との相関を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は領域幅ｗ（μｍ）を示し、縦軸はホトダイオードで得られる光感度を、領域幅ｗ＝０μｍの場合を１として規格化した規格化光感度として示している。なお、領域幅ｗ＝０μｍの構成は、キャリア捕獲部を設けない構成に相当している。

また、この図６では、図５に示した間隔をおいたドットパターンの構成例（ａ）について、チップ厚さが１２５μｍ、１５０μｍの場合のグラフを示している。また、図５に示した連続パターンの構成例（ｂ）について、チップ厚さが１２５μｍ、１５０μｍの場合のグラフを示している。これらのグラフからわかるように、構成例（ａ）のドットパターン構造を採用することにより、同じ領域幅に対してホトダイオードで得られる光感度が増大し、検出感度が向上していることがわかる。

図７は、キャリア捕獲部１２でのキャリア捕獲領域１３の領域幅と、ホトダイオード間のクロストークとの相関を示すグラフである。図７において、横軸は領域幅ｗ（μｍ）を示し、縦軸はホトダイオード間のクロストーク（％）を示している。

また、この図７では、図６と同様に、図５に示した間隔をおいたドットパターンの構成例（ａ）について、チップ厚さが１２５μｍ、１５０μｍの場合のグラフを示している。また、図５に示した連続パターンの構成例（ｂ）について、チップ厚さが１２５μｍ、１５０μｍの場合のグラフを示している。これらのグラフからわかるように、キャリア捕獲領域を連続的でないドットパターンとすることによって、連続パターンに比べて若干、クロストークの低減効果が低下しているものの、キャリア捕獲部を設けない従来構造に比べて、充分なクロストークの低減効果が得られる。

図８は、ホトダイオードアレイの各位置で得られる信号量について示すグラフである。図８において、横軸はホトダイオードアレイにおける所定のスキャン方向に沿ったスキャン位置（μｍ）を示し、縦軸は各位置で得られる信号量である電流を、後述のグラフＧ２での最大値を１として規格化した規格化電流として示している。また、この図８では、図５の構成例（ａ）に示すスキャン方向Ｓ１（キャリア捕獲領域１３を含む）に沿った電流値変化をグラフＧ１で示し、スキャン方向Ｓ２（キャリア捕獲領域１３を含まない）に沿った電流値変化をグラフＧ２で示している。また、それ以外のグラフは、個々のホトダイオードで得られる加算前の電流値を示している。

これらのグラフからわかるように、キャリア捕獲領域１３が形成されていないスキャン方向Ｓ２について求められたグラフＧ２においても、キャリア捕獲領域１３が形成されているスキャン方向Ｓ１でのグラフＧ１よりは効果がやや小さいものの、ホトダイオード間でのクロストークの捕獲、吸出し効果が得られていることがわかる。また、キャリア捕獲部１２によるアンチブルーミング効果については、上記したように、光感応領域３（ｐ型領域７）の周囲上の全ての点で、最も近いキャリア捕獲領域１３（ｐ型領域１１）までの距離が、隣接する光感応領域３までの距離よりも小さくなる構成とすることによって、そのようなアンチブルーミング効果を確実に実現することができる。

なお、図５の構成例（ａ）において、光感応領域３のｐ型領域７と、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１との間に形成される高濃度ｎ型領域９については、例えば、図９の構成例（ａ）、（ｂ）において破線によって模式的に示すように、キャリア捕獲部１２の構成に対応して、様々なパターンで形成することが可能である。ここで、図９に示す構成例（ａ）は、図１に示した構成に対応している。

また、キャリア捕獲部１２におけるキャリア捕獲領域１３の具体的な領域パターンについては、上記した構成以外にも、例えば図１０〜図１２に示すように、具体的には様々な構成を用いることが可能である。なお、これらの図１０〜図１２においては、光感応領域３（ｐ型領域７）、及びキャリア捕獲領域１３（ｐ型領域１１）の構成のみを示し、高濃度ｎ型領域９等の構成については図示を省略している。

図１０の構成例（ａ）では、ホトダイオードの光感応領域３に対し、その左辺側、右辺側、下辺側、及び上辺側にそれぞれ１つずつで、４つのキャリア捕獲領域１３によって光感応領域３を取り囲むキャリア捕獲部１２とする構成を示している。また、図１０の構成例（ｂ）では、キャリア捕獲領域１３の個数については構成例（ａ）と同様であるが、構成例（ａ）においてキャリア捕獲領域１３が光感応領域３の対応する辺の中央の一部分に対して設けられているのに対して、構成例（ｂ）では、キャリア捕獲領域１３を光感応領域３の対応する辺の全体に対して設け、光感応領域３の角部分においてキャリア捕獲領域を設けずに間隔をおいた構成を示している。

図１１の構成例（ａ）では、図１０の構成例（ａ）に対して、光感応領域３の角部分に対応する十字状のキャリア捕獲領域１３を追加した構成を示している。また、図１１の構成例（ｂ）では、光感応領域３の各辺の中央の一部分に対して設けられたキャリア捕獲領域をなくし、光感応領域３の角部分から延びる十字状のキャリア捕獲領域１３のみでキャリア捕獲部１２とする構成を示している。

図１２の構成例（ａ）では、キャリア捕獲部１２におけるキャリア捕獲領域１３の領域パターンを細かいドットパターンとした構成を示している。また、図１２の構成例（ｂ）では、隣接する光感応領域３の間でのキャリア捕獲領域１３の配列方向として、互いに平行で配列位置がずれた２つの配列方向を設定し、それらの配列方向に対してキャリア捕獲領域１３を交互に配置した構成を示している。

ここで、半導体基板５の検出面５ｂ側に設けられる電極の構成については、上記したようにキャリア捕獲部１２のキャリア捕獲領域１３に電気的に接続される第１電極と、高濃度ｎ型領域９に電気的に接続される第２電極とを形成し、第１電極と第２電極とが、互いに電気的に絶縁された状態で各々が基準電位に接続される構成を用いても良い。

上記した電極構成を有する半導体光検出素子について、図１３〜図１５を用いて説明する。図１３及び図１４は、それぞれ、本発明による半導体光検出素子の他の実施形態の構成を概略的に示す平面図である。また、図１５は、図１３及び図１４におけるII−II線に沿った半導体光検出素子の断面構成を示す側面断面図である。本実施形態では、本発明による半導体光検出素子の構成の他の例として、ホトダイオードアレイＰＤ２の構成について説明する。

本ホトダイオードアレイＰＤ２では、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側には、高濃度ｎ型領域９に電気的に接続される第２電極である電極３１が形成されている。電極３１は、電極配線３３、ＵＢＭ、及びバンプ電極３５を含む。

電極配線３３は、例えばアルミニウム膜からなり、熱酸化膜に形成されたコンタクトホールを通して高濃度ｎ型領域９に電気的に接続される。電極配線３３は、図１４及び図１５に示されているように、半導体基板５の検出面５ｂ側からみて、高濃度ｎ型領域９を覆うように形成されている。ＵＢＭは、電極配線３３上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。バンプ電極３５は、半田からなり、ＵＢＭ上に形成される。

また、この電極３１は、差動アンプ２７の非反転入力端子に接続され、電極３１と差動アンプ２７の非反転入力端子との途中部分が基準電位（例えば接地電位）に接続されている。これにより、電極３１と差動アンプ２７の非反転入力端子とは共通の基準電位に接続されることとなる。

また、ｎ型半導体基板５の検出面５ｂ側には、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１に電気的に接続される第１電極である電極４１が形成されている。電極４１は、電極配線４３、ＵＢＭ、及びバンプ電極４５を含む。

電極配線４３は、例えばアルミニウム膜からなり、熱酸化膜に形成されたコンタクトホールを通してキャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１に電気的に接続される。電極配線４３は、図１４及び図１５に示されているように、半導体基板５の検出面５ｂ側からみて、ｐ型領域１１が配列されたキャリア捕獲部１２を覆うように形成されている。ＵＢＭは、電極配線４３上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。バンプ電極４５は、半田からなり、ＵＢＭ上に形成される。

また、この電極４１は、電極３１と互いに電気的に絶縁されている。電極４１は、電極３１との電気的絶縁が維持された状態で、ホトダイオードアレイＰＤ２の外部において、電極３１とは異なる基準電位（例えば接地電位）に接続されている。

図１３〜図１５に示した電極構成では、キャリア捕獲領域１３のｐ型領域１１と、高濃度ｎ型領域９とは、ホトダイオードアレイＰＤ２の内部において電気的に分離されることとなる。これにより、キャリア捕獲領域１３側の電位が変動するようなことはなく、ホトダイオードの光感応領域３とキャリア捕獲領域１３との電位差による電流の流れ込みを抑制することができる。この結果、ホトダイオードからの出力信号に電気的な影響は生じ難くなり、安定した信号出力を実現することができる。また、電極構成については、具体的には上記以外にも様々な構成を用いて良い。

本発明による半導体光検出素子、及び放射線検出装置は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、本発明を複数のｐｎ接合型のホトダイオードが２次元アレイ状に配列されたホトダイオードアレイに適用したが、これに限られることなく、例えば、複数のホトダイオードが１次元アレイ状に配列されたホトダイオードアレイにも本発明を適用することができる。また、本発明による半導体光検出素子、及び放射線検出装置は、例えばＸ線ＣＴ装置において好適に用いることができる。

本発明は、クロストークの発生を良好に抑制することが可能な半導体光検出素子、及び放射線検出装置として利用可能である。

半導体光検出素子の一実施形態の構成を概略的に示す平面図である。 半導体光検出素子の一実施形態の構成を概略的に示す平面図である。 半導体光検出素子の断面構成を示す側面断面図である。 放射線検出装置の一実施形態の断面構成を示す側面断面図である。 ホトダイオード及びキャリア捕獲部の構成例を示す図である。 キャリア捕獲部でのキャリア捕獲領域の領域幅と、ホトダイオードの光感度との相関を示すグラフである。 キャリア捕獲部でのキャリア捕獲領域の領域幅と、ホトダイオード間のクロストークとの相関を示すグラフである。 ホトダイオードアレイの各位置で得られる信号量を示すグラフである。 高濃度ｎ型領域の構成例を示す図である。 ホトダイオード及びキャリア捕獲部の構成例を示す図である。 ホトダイオード及びキャリア捕獲部の構成例を示す図である。 ホトダイオード及びキャリア捕獲部の構成例を示す図である。 半導体光検出素子の他の実施形態の構成を概略的に示す平面図である。 半導体光検出素子の他の実施形態の構成を概略的に示す平面図である。 半導体光検出素子の断面構成を示す側面断面図である。

符号の説明

ＰＤ１、ＰＤ２…ホトダイオードアレイ（半導体光検出素子）、ＲＤ…放射線検出装置、３…光感応領域（ホトダイオード）、５…ｎ型半導体基板、５ａ…入射面、５ｂ…検出面、７…ｐ型領域、９…高濃度ｎ型領域（高濃度不純物半導体領域）、１１…ｐ型領域、１２…キャリア捕獲部、１３…キャリア捕獲領域、１５、１９、３１、４１…電極、２５…空乏層、２７…差動アンプ、６１…シンチレータ。

Claims (12)

1. 一方の面が被検出光の入射面となっている半導体基板と、
   前記半導体基板の前記入射面と反対側の面である検出面側に形成されたｐｎ接合型の複数のホトダイオードと、
   前記半導体基板の前記検出面側において、前記複数のホトダイオードのうちで隣接するホトダイオード間に形成されたキャリア捕獲部とを備え、
   前記キャリア捕獲部は、それぞれｐｎ接合を含む複数のキャリア捕獲領域が、隣接するホトダイオード間でホトダイオードの対応する辺に沿って延びる方向を配列方向として、前記配列方向に沿って間隔をおいて配列されて構成されているとともに、
   前記キャリア捕獲部は、前記複数のホトダイオードのうちで少なくとも１つのホトダイオードに対し、前記検出面側からみて、前記配列方向に沿って間隔をおいて配列された複数のキャリア捕獲領域によって前記ホトダイオードを取り囲むように形成されていることを特徴とする半導体光検出素子。
2. 前記半導体基板の前記検出面側において、前記キャリア捕獲部と前記ホトダイオードとの間に、前記半導体基板と同一導電型の高濃度不純物半導体領域が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
3. 前記高濃度不純物半導体領域は、前記複数のホトダイオードのうちで少なくとも１つのホトダイオードに対し、前記検出面側からみて、前記ホトダイオードを取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体光検出素子。
4. 前記半導体基板の前記検出面側に、前記キャリア捕獲部の前記キャリア捕獲領域と、前記高濃度不純物半導体領域とに電気的に接続される電極が形成されており、
   前記電極が基準電位に接続されることを特徴とする請求項２記載の半導体光検出素子。
5. 前記半導体基板の前記検出面側に、前記キャリア捕獲部の前記キャリア捕獲領域に電気的に接続される第１電極と、前記高濃度不純物半導体領域に電気的に接続される第２電極とが形成されており、
   前記第１電極と前記第２電極とは、互いに電気的に絶縁された状態で各々が基準電位に接続されることを特徴とする請求項２記載の半導体光検出素子。
6. 前記半導体基板は第１導電型であって、前記複数のホトダイオード、及び前記複数のキャリア捕獲領域のそれぞれは、第２導電型不純物半導体領域と、前記半導体基板とによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
7. 前記半導体基板、及び前記高濃度不純物半導体領域は第１導電型であって、前記複数のホトダイオード、及び前記複数のキャリア捕獲領域のそれぞれは、第２導電型不純物半導体領域と、前記半導体基板とによって構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体光検出素子。
8. 前記キャリア捕獲部を構成する前記キャリア捕獲領域は、その領域幅ｗが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
9. 前記キャリア捕獲部を構成する前記キャリア捕獲領域は、その領域長さＬが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
10. 前記キャリア捕獲部において、前記キャリア捕獲領域は、隣接する２つのキャリア捕獲領域同士で空乏層が接しない間隔で配列されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
11. 前記キャリア捕獲部において、前記キャリア捕獲領域は、対応するホトダイオードからみて、前記ホトダイオードの周囲上の全ての点で、前記キャリア捕獲領域までの距離が、隣接するホトダイオードまでの距離よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出素子。
12. 請求項１記載の半導体光検出素子と、
    前記半導体基板の前記入射面側に位置し、放射線の入射によって発光するシンチレータと
    を備えることを特徴とする放射線検出装置。

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