JP5872197B2 - フォトダイオードアレイモジュール - Google Patents

Description

本発明は、フォトダイオードアレイモジュールに関する。

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、を備えているフォトダイオードアレイが知られている（たとえば、特許文献１参照）。このようなフォトダイオードアレイは、特許文献１にも記載されているように、フォトンカウンティング用光半導体素子「ＭＰＰＣ」（登録商標）に用いられる。

特開２０１１−００３７３９号公報

「ＭＰＰＣ（登録商標） Multi-Pixel Photon Counter 技術資料（２００９年５月）」、浜松ホトニクス株式会社、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成２３年０５月０９日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊｐ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｓｓｄ／ｐｄｆ／ｔｅｃｈ／ｍｐｐｃ＿ｔｅｃｈｎｉｃａｌ＿ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｐｄｆ＞

非特許文献１にも記載されているように、上述したフォトダイオードアレイでは、所望のゲイン（増倍率）が得られるように、フォトダイオードアレイに印加する逆バイアス電圧の推奨動作電圧が決定されている。一般に、推奨動作電圧の決定は、以下の手法により行われている。

上述したフォトダイオードアレイの増倍率は、フォトダイオードアレイがフォトンを検出したときの出力電荷量から算出できる。この増倍率は、フォトダイオードアレイに印加される逆バイアス電圧によって変化する。したがって、出力電荷量から算出される増倍率が所望の値となるときの逆バイアス電圧を求め、この逆バイアス電圧を推奨動作電圧として決定する。

ところで、増倍率は、次のようにして測定される。上述したフォトダイオードアレイに増幅器（たとえば、チャージアンプなど）を接続し、増幅器からの出力から、出力電荷量の度数分布を取る。出力電荷量の度数分布は、単位時間当たりの積算電荷量の分布をプロットすることにより得られる。出力電荷量の度数分布には、複数のピークが分離して現われ、隣り合うピークの間隔が、１フォトン検出分の出力電荷量に相当する。このため、隣り合うピークの間隔に基づいて、増倍率を算出することができる。

しかしながら、上述した増倍率の測定手法は、以下のような問題点を有している。

上述したフォトダイオードアレイは、固体素子であるため、熱的に発生した暗電流のキャリアによるノイズ（ダークノイズ）が発生する。特に、上述したフォトダイオードアレイでは、ダークノイズが増倍されると共にランダムに発生するため、ダークノイズとフォトンの検出信号とが区別し難い。すなわち、ダークノイズの発生頻度（ダークカウント）と所定数のフォトンを検出する頻度とを区別し難い。このため、出力電荷量の度数分布において、ピークが分離して現われ難くなり、増倍率そのものを算出することが困難となる。特に、フォトダイオードアレイの大面積化を図る場合、ダークカウントが増加するため、増倍率の測定が困難となる問題はより顕著となる。

フォトダイオードアレイに増幅器を接続し、フォトダイオードアレイからの出力を増幅しているため、測定結果が増幅器の特性ばらつきに大きく左右される。このため、増倍率を精度良く算出することは困難となる。

したがって、上述した推奨動作電圧の決定手法では、出力電荷量から算出される増倍率に基づいて推奨動作電圧を決定するため、推奨動作電圧を精度良く且つ容易に決定することが困難であった。

本発明は、フォトダイオードアレイに印加する逆バイアス電圧の推奨動作電圧を容易に且つ精度良く決定することが可能なフォトダイオードアレイモジュールを提供することを目的とする。

本発明者らは、調査研究の結果、以下のような事実を新たに見出した。

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が配列されていると共に複数のアバランシェフォトダイオードそれぞれに一端が電気的に接続されたクエンチング抵抗を備えているフォトダイオードアレイに逆バイアス電圧を印加し、当該逆バイアス電圧を変化させた場合、電流−電圧特性は、次のように変化する。すなわち、逆バイアス電圧が降伏（ブレークダウン）電圧以上となった後にガイガー領域に入り、アバランシェフォトダイオードがガイガーモードに移行し始めると、電流の値が立ち上がる。そして、最も多くのアバランシェフォトダイオードがガイガーモードに移行する逆バイアス電圧で、逆バイアス電圧に対する電流の変化に変曲点が現われる。これらは、複数のアバランシェフォトダイオードが並列接続されている構成と、各アバランシェフォトダイオードにクエンチング抵抗が直列接続されている構成と、に起因する。したがって、この変曲点における逆バイアス電圧を基準電圧とし、当該基準電圧に基づいて推奨動作電圧を設定することにより、当該推奨動作電圧を容易に且つ精度良く決定することができる。

かかる事実を踏まえ、本発明に係るフォトダイオードアレイモジュールは、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、を有しているフォトダイオードアレイと、フォトダイオードアレイに印加する直流電圧を生成する電圧源と、フォトダイオードアレイに流れる電流を検出し、該電流に応じた電流モニタ信号を生成する電流検出手段と、生成する直流電圧を変化させるように電圧源を制御すると共に、電流検出手段にて生成された電流モニタ信号に基づいて、フォトダイオードアレイに印加する直流電圧の変化に対するフォトダイオードアレイに流れる電流の変化における変曲点を求め、該変曲点での直流電圧に基づいて推奨動作電圧を決定する制御手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係るフォトダイオードアレイモジュールでは、制御手段が、生成する直流電圧を変化させるように電圧源を制御すると共に、上記電流モニタ信号に基づいて、フォトダイオードアレイに印加する直流電圧の変化に対するフォトダイオードアレイに流れる電流の変化における変曲点を求め、当該変曲点での直流電圧に基づいて推奨動作電圧を決定する。これにより、ダークノイズの影響を受け難く、推奨動作電圧を精度良く決定することができる。また、本発明では、フォトダイオードアレイに印加する直流電圧を変化させ、当該直流電圧の変化に対する電流の変化から、上記変曲点を求めているため、推奨動作電圧を容易に決定することができる。

制御手段は、電流検出手段にて生成された電流モニタ信号に基づいて、フォトダイオードアレイに流れる電流を一回以上微分し、上記変曲点を求めてもよい。この場合には、電流の変化における変曲点を確実に求めることができる。

制御手段は、変曲点での直流電圧に加算する電圧に対応する値を記憶しており、該値に対応する電圧を変曲点での直流電圧に加算することにより推奨動作電圧を決定してもよい。この場合には、推奨動作電圧をより一層簡易に決定することができる。

フォトダイオードアレイに印加される直流電圧を検出し、該直流電圧に応じた電圧モニタ信号を生成する電圧検出手段を更に備え、制御手段は、電圧検出手段にて生成された電圧モニタ信号に対応する直流電圧の変化に対するフォトダイオードアレイに流れる電流の変化における変曲点を求めてもよい。この場合には、フォトダイオードアレイに実際に印加される直流電圧に基づいて、上記変曲点が求められると共に推奨動作電圧が決定されることとる。したがって、推奨動作電圧をより一層精度良く決定することができる。

制御手段は、推奨動作電圧に対応する直流電圧をガイガーモードで動作させるための逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイに印加するように電圧源を制御してもよい。この場合には、推奨動作電圧を決定するための電圧源と、複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるための電圧源と、が共通化されることとなる。したがって、モジュールの構成が複雑化するのを防ぐことができる。

フォトダイオードアレイの温度を検出し、該温度に応じた温度モニタ信号を生成する温度検出手段を更に備え、制御手段は、推奨動作電圧と温度検出手段にて生成された温度モニタ信号とに基づいて、ガイガーモードで動作させるための動作電圧を決定し、決定した動作電圧を逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイに印加するように電圧源を制御してもよい。この場合には、アバランシェフォトダイオードにおける増倍率の温度特性を補償することができる。

本発明によれば、フォトダイオードアレイに印加する逆バイアス電圧の推奨動作電圧を容易に且つ精度良く決定することが可能なフォトダイオードアレイモジュールを提供することができる。

本実施形態に係るフォトダイオードアレイの斜視図である。 図１に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。 本実施形態に係るフォトダイオードアレイの全体の回路図である。 本実施形態に係るフォトダイオードアレイモジュールを示す概略図である。 推奨動作電圧の決定処理を示すフローチャートである。 フォトダイオードアレイの電流−電圧特性の一例を示す線図である。 図６に示された電流−電圧特性を電流について一回微分した結果を示す線図である。 動作電圧の調整処理を示すフローチャートである。 フォトダイオードアレイの温度と逆バイアス電圧との関係の一例を示す線図である。 本実施形態の変形例に係るフォトダイオードアレイモジュールを示す概略図である。 本実施形態の変形例に係るフォトダイオードアレイモジュールを示す概略図である。 本実施形態の変形例に係るフォトダイオードアレイモジュールを示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１〜図３を参照して、本実施形態に係るフォトダイオードアレイ１０の構成を説明する。図１は、フォトダイオードアレイの斜視図であり、図２は、図１に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。図３は、フォトダイオードアレイの全体の回路図である。

フォトダイオードアレイ１０は、複数のフォトダイオードＤ１（図３参照）をＮ型（第１導電型）の半導体基板１Ｎに形成してなる。

個々のフォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎの一方の表面側に形成されたＰ型（第２導電型）の第１半導体領域１ＰＡと、第１半導体領域１ＰＡ内に形成されこの第１半導体領域１ＰＡよりも高い不純物濃度を有するＰ型（第２導電型）の第２半導体領域１ＰＢと、を有している。フォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎに電気的に接続された第１電極Ｅ１と、第２半導体領域１ＰＢ上に形成された表面電極Ｅ３と、を有している。第１半導体領域１ＰＡの平面形状は、四角形である。第２半導体領域１ＰＢは、第１半導体領域の内側に位置し、平面形状は四角形である。第１半導体領域１ＰＡの深さは、第２半導体領域１ＰＢよりも深い。図１中の半導体基板１は、Ｎ型の半導体基板１Ｎと、Ｐ型の半導体領域１ＰＡ，１ＰＢの双方を含んだものを示している。

フォトダイオードアレイ１０は、個々のフォトダイオードＤ１毎に、第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎ上に、絶縁層Ｌ（図２参照）を介して形成された金属層からなる第１反射体Ｅ２と、表面電極Ｅ３に、その一方端が連続し、第１半導体領域１ＰＡ上の絶縁層Ｌの表面に沿って延びた抵抗層（クエンチング抵抗）Ｒ１と、を備えている。図１では、構造の明確化のため、図２に示した絶縁層Ｌの記載を省略している。

第１反射体Ｅ２は、平面形状がＬ字型の金属層からなる反射体Ｅ２１からなる。半導体基板１Ｎ上に位置する第１反射体Ｅ２１（Ｅ２）と、第１開口を有する環状の表面電極Ｅ３とは、電気的に隔離されている。すなわち、フォトダイオードＤ１のアノードとカソードには、それぞれ電極が設けられるが、一方の表面電極Ｅ３は、第１反射体Ｅ２から電気的に分離している。これにより、第１反射体Ｅ２は、表面電極Ｅ３とは明確に区別され、反射に適した箇所にこれを配置するための設計の自由度が増加している。個々のフォトダイオードＤ１に接続される抵抗層Ｒ１の他方端は、必要に応じて抵抗層Ｒ１に連続した配線電極を介して、共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。

図１においては、列方向に隣接する一対のフォトダイオード（半導体領域１ＰＡの直下の領域）は、共に、抵抗層Ｒ１を介して、行方向に延びる信号読出線ＴＬに接続されている。１つの信号読出線ＴＬには、複数対のフォトダイオードが、それぞれ抵抗層Ｒ１を介して接続されている。行方向に延びる信号線ＴＬは、列方向に沿って複数本整列している。個々の信号線ＴＬに対しても、同様に複数対のフォトダイオードが、それぞれ、抵抗層Ｒ１を介して接続されている。図１に示される各信号線ＴＬは、最終的には全て接続され、回路的には１本の信号線ＴＬとして、図３に示すような回路を構成する。

抵抗層Ｒ１は、これが接続される表面電極Ｅ３よりも抵抗率が高く、また、第１反射体Ｅ２よりも抵抗率が高い。具体的には、抵抗層Ｒ１は、ポリシリコンからなり、残りの電極及び反射体は全てアルミニウムなどの金属からなる。半導体基板１がＳｉからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、ＡｕＧｅ／Ｎｉなどもよく用いられる。Ｓｉを用いた場合におけるＰ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、Ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導電型であるＮ型とＰ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。

絶縁層Ｌの材料としては、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いることができる。絶縁層Ｌの形成方法としては、これが例えばＳｉＯ_２からなる場合には、熱酸化法やスパッタ法を用いることができる。

上述の構造の場合、Ｎ型の半導体基板１ＮとＰ型の第１半導体領域１ＰＡとの間に、ＰＮ接合が構成されることで、フォトダイオードＤ１が形成されている。半導体基板１Ｎは、基板裏面に形成された第１電極Ｅ１に電気的に接続され、第１半導体領域１ＰＡは、第２半導体領域１ＰＢを介して、表面電極Ｅ３に接続されている。抵抗層Ｒ１はフォトダイオードＤ１に対して直列に接続されている（図２の（ｂ）参照）。

フォトダイオードアレイ１０においては、個々のフォトダイオードＤ１をガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、フォトダイオードＤ１のブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）をフォトダイオードＤ１のアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには（−）電位Ｖ１を、カソードには（＋）電位Ｖ２を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。

アノードはＰ型の半導体領域１ＰＡであり、カソードはＮ型の半導体基板１Ｎである。フォトダイオードＤ１は、アバランシェフォトダイオードとして機能する。フォトダイオードＤ１に光（フォトン）が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。図２の（ａ）に示したＰ型半導体領域１ＰＡのＰＮ接合界面の近傍領域ＡＶＣにおいて、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は電極Ｅ１に向けて流れる。

第１反射体Ｅ２は、第２半導体領域１ＰＢに対して、相対的に低不純物濃度の第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎの表面上に設けられている。半導体基板１Ｎの露出面の領域は、光入射に対しては、殆ど検出に寄与しないデッドスペースである。第１反射体Ｅ２は、入射した光を反射し、第２反射体（たとえば、金属パッケージ内面など）に入射させる。第２反射体は、入射した光を再度反射させ、再反射された光を、有効にフォトダイオードＤ１に導く。

個々のフォトダイオードＤ１に接続された抵抗層Ｒ１の他方端は、半導体基板１Ｎの表面に沿って共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。複数のフォトダイオードＤ１は、ガイガーモードで動作しており、各フォトダイオードＤ１は、共通の信号線ＴＬに接続されている。このため、複数のフォトダイオードＤ１に同時にフォトンが入射した場合、複数のフォトダイオードＤ１の出力は全て共通の信号線ＴＬに入力され、全体としては入射フォトン数に応じた高強度の信号として計測される。信号読出線ＴＬには、信号読み出し用の電圧降下が生じる負荷抵抗を接続してもよい。

上述の構造は、表面入射型のフォトダイオードアレイの構造であるが、裏面入射型のフォトダイオードアレイの構造を採用してもよい。この場合には、半導体基板１Ｎの厚みを薄くして、裏面側の電極Ｅ１を透明電極とすればよい。また、裏面側の電極Ｅ１を、半導体基板１Ｎの別の位置（例えば基板表面側）に配置してもよい。

次に、図４を参照して、本実施形態に係るフォトダイオードアレイモジュールＤＭ１の構成を説明する。図４は、本実施形態に係るフォトダイオードアレイモジュールを示す概略図である。

フォトダイオードアレイモジュールＤＭ１は、フォトダイオードアレイ１０、高電圧発生部２０、電流検出部３０、電圧検出部４０、温度検出部５０、及び制御部６０を備えている。

高電圧発生部２０は、直流の出力電圧を生成し、それをフォトダイオードアレイ１０（各フォトダイオードＤ１）に対して逆方向に印加する電圧源である。高電圧発生部２０の入力端子２１は外部電源に接続されている。外部電源から入力端子２１に正の直流電圧が供給されると、高電圧発生部２０は供給された電圧を昇圧し、正の直流電圧を出力端子２２に生成する。高電圧発生部２０の出力端子２２は、バイアスラインＢＬを介してフォトダイオードアレイ１０（各フォトダイオードＤ１）のカソードに接続されている。高電圧発生部２０は、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータを有して構成されている。

電流検出部３０は、バイアスラインＢＬ上に配置されており、フォトダイオードアレイ１０によって生成された光電流を検出する。電流検出部３０は、光電流に応じた電流モニタ信号を生成し、電流モニタ信号を制御部６０に供給する。本実施形態では、電流検出部３０は、フォトダイオードアレイ１０への入力電流を光電流として検出している。電流検出部３０は、たとえばカレントミラー回路を有して構成されている。

電圧検出部４０は、高電圧発生部２０からフォトダイオードアレイ１０に印加される直流電圧（印加電圧）を検出する。電圧検出部４０は、検出した印加電圧に応じた電圧モニタ信号を生成し、電圧モニタ信号を制御部６０に供給する。電圧検出部４０は、たとえば直列接続された二つの抵抗器からなる抵抗分割回路を有して構成されている。

温度検出部５０は、フォトダイオードアレイ１０の温度（たとえば、フォトダイオードアレイ１０の周囲温度など）を検出する。温度検出部５０は、検出した温度に応じた温度モニタ信号を生成し、温度モニタ信号を制御部６０に供給する。温度検出部５０は、フォトダイオードアレイ１０の近傍に配置されている。温度検出部５０は、たとえばサーミスタなどの温度検出素子を有して構成されている。

制御部６０は、高電圧発生部２０が生成する直流電圧を所望の値となるように、高電圧発生部２０の動作を制御する。また、制御部６０は、フォトダイオードアレイ１０の推奨動作電圧を決定する。制御部６０は、たとえばＣＰＵ、記憶部、Ａ／Ｄコンバータ、及びＤ／Ａコンバータなどを有して構成されている。

記憶部は、ＣＰＵによる高電圧発生部２０の動作の制御に必要なプログラム及びデータを格納して記憶している。制御部６０は、外部からの駆動電圧の印加によって起動される。起動後、ＣＰＵは、記憶部に格納されたプログラムを実行して、高電圧発生部２０の動作を制御する。Ａ／Ｄコンバータは、アナログ信号である電流モニタ信号、電圧モニタ信号、及び温度モニタ信号をディジタル信号に変換し、ＣＰＵに転送する。Ｄ／Ａコンバータは、ＣＰＵによって生成されたディジタル制御信号をアナログ制御信号に変換し、高電圧発生部２０に供給する。高電圧発生部２０にて生成される直流電圧の大きさは、この制御信号に応じて変化する。

次に、図５〜図７に基づいて、制御部６０にて実行される、推奨動作電圧の決定処理を説明する。図５は、推奨動作電圧の決定処理を示すフローチャートである。図６は、フォトダイオードアレイに印加された直流電圧（逆バイアス電圧）とフォトダイオードアレイへの入力電流（光電流）との関係、すなわちフォトダイオードアレイの電流−電圧特性の一例を示す線図である。図７は、図６に示された電流−電圧特性を電流について一回微分した結果を示す線図である。

まず、制御部６０は、印加する直流電圧の初期値（初期印加電圧）を決定する（Ｓ１０１）。初期印加電圧を示すディジタルデータは、予め記憶部に格納されており、当該ディジタルデータをＣＰＵが読み出すことにより、決定される。フォトダイオードアレイ１０における、ガイガー領域に入る逆バイアス電圧は、予測可能である。したがって、初期印加電圧は、ガイガー領域に入る逆バイアス電圧より所定の値だけ低い電圧に設定される。これにより、フォトダイオードアレイ１０の入力電流を測定する時間の短縮化を図ることができる。

次に、制御部６０は、フォトダイオードアレイ１０に印加する直流電圧の値（設定印加電圧）を決定し、高電圧発生部２０が設定印加電圧に対応する直流電圧を生成するように、高電圧発生部２０に制御信号を出力する（Ｓ１０３）。設定印加電圧として初期印加電圧が決定されているため、制御部６０は、初期印加電圧に対応する直流電圧を生成させるための制御信号を高電圧発生部２０に出力する。これにより、初期印加電圧に対応する直流電圧が、逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイ１０（各フォトダイオードＤ１）に印加される。

次に、制御部６０は、電流検出部３０から電流モニタ信号を取得し、電圧検出部４０から電圧モニタ信号を取得し、フォトダイオードアレイ１０への入力電流及び印加電圧を示すディジタルデータに変換して、記憶部に格納する（Ｓ１０５）。このとき、制御部６０は、設定印加電圧を示すディジタルデータを記憶部に格納してもよい。

次に、制御部６０は、設定印加電圧に所定値を加算し、設定印加電圧を変更する（Ｓ１０７）。加算する所定値を示すディジタルデータは、予め記憶部に格納されて記憶されており、当該ディジタルデータをＣＰＵが読み出すことにより、決定される。加算する所定値は、任意に設定可能とされている。

次に、制御部６０は、設定印加電圧が終了印加電圧に達したか否かを判断する（Ｓ１０９）。設定印加電圧が終了印加電圧に達していない場合には（Ｓ１０９にて「ＮＯ」）、Ｓ１０３に戻り、制御部６０は、Ｓ１０７にて変更された設定印加電圧を新たな設定印加電圧として決定し、当該設定印加電圧に対応する直流電圧を高電圧発生部２０が生成するように、高電圧発生部２０に制御信号を出力する。終了印加電圧を示すディジタルデータも、予め記憶部に格納されており、当該ディジタルデータをＣＰＵが読み出すことにより、決定される。

設定印加電圧が終了印加電圧に達している場合には（Ｓ１０９にて「ＹＥＳ」）、制御部６０は、記憶部に格納されたフォトダイオードアレイ１０への入力電流及び印加電圧を示すディジタルデータを読み出し、これらのディジタルデータに基づいて、推奨動作電圧を決定するための基準電圧を求める（Ｓ１１１）。制御部６０は、以下の方法に基づいて、基準電圧を求める。

フォトダイオードアレイ１０への入力電流及び印加電圧は、図６に示されるような、電流−電圧特性ＩＶ１を有する。この電流−電圧特性は、フォトダイオードアレイ１０毎で異なるため、フォトダイオードアレイ１０毎に入力電流及び印加電圧を測定する必要がある。

図６に示された電流−電圧特性ＩＶ１から分かるように、フォトダイオードアレイ１０それぞれにおいて、逆バイアス電圧（印加電圧）が降伏電圧以上となった後にガイガー領域に入り、フォトダイオードＤ１がガイガーモードに移行し始めると、入力電流の値が立ち上がる（図６中、矢印Ａ１で示される部分）。入力電流が立ち上がる逆バイアス電圧の値は、フォトダイオードアレイ１０毎で異なる。

逆バイアス電圧が高くなるにしたがって、ガイガーモードに移行するフォトダイオードＤ１の数が増えて、入力電流が増加する。そして、電流−電圧特性ＩＶ１には、ガイガーモードに移行するフォトダイオードＤ１の数が最も多い逆バイアス電圧で、入力電流の変化に変曲点が現われる（図６中、矢印Ａ２で示される部分）。したがって、電流−電圧特性ＩＶ１の変曲点での逆バイアス電圧を基準電圧とし、当該基準電圧に基づいて推奨動作電圧を設定することにより、当該推奨動作電圧を容易に且つ精度良く決定することができる。

逆バイアス電圧に対する入力電流の変化における変曲点を求めるために、図６に示された電流−電圧特性ＩＶ１を入力電流について微分する。結果を図７に示す。ここでは、電流−電圧特性ＩＶ１を出力電流について一回微分している。また、規格化のために、一回微分した値を入力電流で除している。

図７に示された微分特性Ｄｉｖ１から分かるように、逆バイアス電圧に対する入力電流の変化における変曲点は、入力電流の一回微分がピークとなって表される（図７中、矢印Ａ３で示される部分）。変曲点での逆バイアス電圧が、最も多くのフォトダイオードＤ１がガイガーモードに移行する逆バイアス電圧である。したがって、最も多くのフォトダイオードＤ１がガイガーモードに移行する逆バイアス電圧を、推奨動作電圧を決定するための基準電圧とする。基準電圧は、フォトダイオードアレイ１０毎で異なる。

次に、制御部６０は、求めた基準電圧に基づいて、推奨動作電圧を決定する（Ｓ１１３）。制御部６０は、決定した推奨動作電圧を示すディジタルデータを記憶部に格納する。制御部６０は、以下の方法に基づいて、推奨動作電圧を決定する。

図７に示された微分特性Ｄｉｖ１では、入力電流の一回微分が、一度ピークを迎えた後に、再度ピークを迎えている（図７中、矢印Ａ４で示される部分）。これは、逆バイアス電圧を増加させるにしたがって、アフターパルスなどが飛躍的に増大した結果である。すなわち、逆バイアス電圧に対する入力電流の変化には、最も多くのフォトダイオードＤ１がガイガーモードに移行することにより生じる変曲点とは別に、アフターパルスなどの影響により入力電流が飛躍的に増大することにより生じる変曲点が現われる。これらの変曲点は、逆バイアス電圧を増加させた際に、下に凸から上に凸に変わる変曲点である。したがって、推奨動作電圧は、最も多くのフォトダイオードＤ１がガイガーモードに移行する逆バイアス電圧（基準電圧）以上で且つアフターパルスなどが飛躍的に増大する逆バイアス電圧未満の範囲、すなわち上述した二つの変曲点間となる逆バイアス電圧に設定することが好ましい。

ところで、フォトダイオードアレイの増倍率Ｍは、下記関係式で表される。
Ｍ＝Ｃ×ΔＶ
Ｃは、各アバランシェフォトダイオードの接合容量である。ΔＶは、最も多くのアバランシェフォトダイオードがガイガーモードに移行する逆バイアス電圧、すなわち基準電圧からの電位差である。Ｃは、フォトダイオードＤ１の接合容量であるため、既知である。したがって、ΔＶが決まることにより、増倍率Ｍが一意に決定されることとなる。すなわち、基準電圧にΔＶを加えた逆バイアス電圧を推奨動作電圧として決定することにより、所望の増倍率Ｍが得られることとなる。

たとえば、図７に示された微分特性Ｄｉｖ１でおいてピークとなる逆バイアス電圧（基準電圧）から所定の値を加えて、微分特性Ｄｉｖ１における下に凸の曲線部分の底となる逆バイアス電圧を推奨動作電圧として決定する。具体例として、図７には、微分特性Ｄｉｖ１に関し、ピークとなる基準電圧Ｖ_ｒｅｆと、基準電圧Ｖ_ｒｅｆに所定の値ΔＶを加えて得られる推奨動作電圧Ｖ_ｏｐと、が示されている。推奨動作電圧は、フォトダイオードアレイ１０毎で異なる。しかしながら、フォトダイオードアレイ１０毎において、推奨動作電圧と基準電圧との差ΔＶが同じであるため、フォトダイオードアレイ１０毎の増倍率Ｍの同じである。

推奨動作電圧を、図７に示された微分特性Ｄｉｖ１における下に凸の曲線部分の底となる逆バイアス電圧よりも高く設定する場合、増倍率Ｍが高くなり、検出効率（ＰＤＥ：Photon Detection Efficiency）が高く、時間分解能が向上するメリットがある。反面、ダークカウント、クロストーク、及びアフターパルスが増加するデメリットがある。推奨動作電圧を、図７に示された微分特性Ｄｉｖ１における下に凸の曲線部分の底となる逆バイアス電圧よりも低く設定する場合、増倍率Ｍが低くなり、ダークカウント、クロストーク、及びアフターパルスが減少するメリットがある。反面、検出効率が低く、時間分解能が悪化するデメリットがある。したがって、基準電圧に加える上記所定の値ΔＶは、フォトダイオードアレイ１０に求める特性を考慮して、決定される。

制御部６０は、推奨動作電圧を決定すると、推奨動作電圧の決定処理を終える。

次に、図８及び図９に基づいて、制御部６０にて実行される、動作電圧の調整処理を説明する。図８は、動作電圧の調整処理を示すフローチャートである。図９は、フォトダイオードアレイの温度と逆バイアス電圧との関係の一例を示す線図である。

まず、制御部６０は、初期化処理を実行し（Ｓ２０１）、その後、温度検出部５０から温度モニタ信号を取得し、フォトダイオードアレイ１０の温度（たとえば、周囲温度）を示すディジタルデータに変換して、記憶部に格納する（Ｓ２０３）。

次に、制御部６０は、記憶部に格納された、推奨動作電圧を示すディジタルデータとフォトダイオードアレイ１０の温度を示すディジタルデータとを読み出し、これらのディジタルデータに基づいて、動作電圧を決定する（Ｓ２０５）。

フォトダイオードアレイ１０（フォトダイオードＤ１）は、温度変動などによって増倍率Ｍが変化する特性を有している。したがって、温度変動などが生じても一定の増倍率Ｍが得られるように、フォトダイオードアレイ１０（フォトダイオードＤ１）の増倍率Ｍを制御する必要がある。すなわち、図９に示されるように、一定の増倍率Ｍを得るためには、フォトダイオードアレイ１０の温度が高くなるにしたがって、逆バイアス電圧を高くする必要がある。そこで、制御部６０は、推奨動作電圧をフォトダイオードアレイ１０の温度に応じて変更し、フォトダイオードアレイ１０の温度に対応する動作電圧を決定する。図９では、フォトダイオードアレイ１０の温度として、フォトダイオードアレイ１０の周囲温度が示されている。

次に、制御部６０は、高電圧発生部２０が動作電圧に対応する直流電圧を生成するように、高電圧発生部２０に制御信号を出力し（Ｓ２０７）、Ｓ２０３に戻る。これにより、動作電圧に対応する直流電圧が、逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイ１０（フォトダイオードＤ１）に印加される。すなわち、フォトダイオードアレイ１０（フォトダイオードＤ１）は、所望の増倍率Ｍを有して、ガイガーモードで安定して動作することとなる。

以上のように、本実施形態では、制御部６０が、生成する直流電圧を変化させるように高電圧発生部２０を制御すると共に、電流モニタ信号に基づいて、フォトダイオードアレイ１０に印加する直流電圧の変化に対するフォトダイオードアレイ１０の出力電流の変化における変曲点を求め、当該変曲点での直流電圧に基づいて推奨動作電圧を決定している。これにより、ダークノイズの影響を受け難く、推奨動作電圧を精度良く決定することができる。また、制御部６０は、フォトダイオードアレイ１０に印加する直流電圧を変化させ、当該直流電圧の変化に対する電流の変化から、上記変曲点を求めているため、推奨動作電圧を容易に決定することができる。

そして、本実施形態では、精度良く決定された推奨動作電圧に基づいた増倍率Ｍが設定されているので、増倍率Ｍがフォトダイオードアレイ１０毎でばらつくのを抑制することができる。

制御部６０は、電流検出部３０にて生成された電流モニタ信号に基づいて、フォトダイオードアレイ１０の入力電流を一回微分し、上記変曲点を求めている。これにより、フォトダイオードアレイ１０の入力電流の変化における変曲点を確実に求めることができる。

制御部６０は、変曲点での直流電圧（基準電圧）に加算する電圧に対応する値（上記加算する所定値）を記憶しており、当該所定値に対応する電圧を基準電圧に加算することにより推奨動作電圧を決定している。これにより、推奨動作電圧をより一層簡易に決定することができる。

フォトダイオードアレイモジュールＤＭ１は、電圧検出部４０を備え、制御部６０は、電圧検出部４０にて生成された電圧モニタ信号に対応する直流電圧の変化に対するフォトダイオードアレイに流れる電流の変化、すなわち実際の電流−電圧特性における変曲点を求めている。これにより、フォトダイオードアレイ１０に実際に印加される直流電圧に基づいて、上記変曲点が求められると共に推奨動作電圧が決定されることとる。したがって、推奨動作電圧をより一層精度良く決定することができる。

フォトダイオードアレイモジュールＤＭ１は、温度検出部５０を備え、制御部６０は、推奨動作電圧と温度検出部５０にて生成された温度モニタ信号とに基づいて、ガイガーモードで動作させるための動作電圧を決定し、決定した動作電圧を逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイ１０に印加するように高電圧発生部２０を制御している。これにより、フォトダイオードアレイ１０（フォトダイオードＤ１）における増倍率Ｍの温度特性を補償することができる。

また、制御部６０が、動作電圧に対応する直流電圧をガイガーモードで動作させるための逆バイアス電圧としてフォトダイオードアレイ１０に印加するように高電圧発生部２０を制御している。これにより、高電圧発生部２０が、推奨動作電圧を決定するための電圧源と、複数のアバランシェフォトダイオードをガイガーモードで動作させるための電圧源と、を兼ねることとなる。したがって、フォトダイオードアレイモジュールＤＭ１の構成が複雑化するのを防ぐことができる。

本実施形態では、フォトダイオードアレイ１０に逆バイアス電圧を印加し、逆バイアス電圧を変化させて、入力電流が測定されている。すなわち、フォトダイオードアレイ１０の電流−電圧特性が測定されている。このとき、必ずしも、チャージアンプなどの増幅器をフォトダイオードアレイ１０に接続する必要はない。増幅器の特性ばらつきの影響を無くすためには、フォトダイオードアレイ１０に増幅器を接続しないことが好ましい。

ところで、上述した従来の推奨動作電圧の決定手法では、光源からの光を適切に検出する必要がある。このため、暗箱内にフォトダイオードアレイモジュールを配置するなど、フォトダイオードアレイに光源からの光以外の光（外乱光）が入射しない構成を採用する必要がある。しかしながら、本実施形態では、外乱光がフォトダイオードアレイ１０に入射した場合でも、フォトダイオードアレイ１０が外乱光を検出し、光電流として出力する。すなわち、外乱光も光電流に反映されることから、外乱光が入射しない構成を採用する必要はない。もちろん、外乱光が入射しない構成を採用してもよい。

上述した従来の推奨動作電圧の決定手法では、度数分布を得るために、測定を数千回繰り返す必要があり、測定時間が長くならざるを得なかった。しかしながら、本実施形態では、フォトダイオードアレイ１０の逆バイアス電圧に対する出力電流の変化（電流−電圧特性）を測定すればよく、測定時間が極めて短い。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

本実施形態では、フォトダイオードアレイ１０に印加する直流電圧に対する光電流（入力電流）の変化（電流−電圧特性）における変曲点を一回微分により求めているが、これに限られない。変曲点は、数学的には、二回微分によっても求めることができる。したがって、測定した光電流の二回微分がゼロとなる直流電圧（逆バイアス電圧）を基準電圧として決定してもよい。

フォトダイオードアレイモジュールＤＭ１は、図１０に示されるように、必ずしも電圧検出部４０を備えている必要はない。この場合、制御部６０は、記憶部に格納されたフォトダイオードアレイ１０への入力電流と上記設定印加電圧を示すディジタルデータを読み出し、これらのディジタルデータに基づいて、推奨動作電圧を決定するための基準電圧を求める。

本実施形態では、電流検出部３０は、フォトダイオードアレイ１０への入力電流を検出しているが、これに限られない。たとえば、図１１及び図１２に示されるように、電流検出部３０は、フォトダイオードアレイ１０の光電流として出力電流を検出してもよい。この場合、電流検出部３０は、たとえばオペアンプを用いた電流−電圧変換回路とＡ／Ｄコンバータとを有して構成されている。

１０…フォトダイオードアレイ、２０…高電圧発生部、３０…電流検出部、４０…電圧検出部、５０…温度検出部、６０…制御部、Ｄ１…フォトダイオード、ＤＭ１…フォトダイオードアレイモジュール。

Claims (5)

1. 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と、それぞれの前記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、を有しているフォトダイオードアレイと、
   前記フォトダイオードアレイに印加する直流電圧を生成する電圧源と、
   前記フォトダイオードアレイに流れる電流を検出し、該電流に応じた電流モニタ信号を生成する電流検出手段と、
   生成する前記直流電圧を変化させるように前記電圧源を制御すると共に、前記電流検出手段にて生成された前記電流モニタ信号に基づいて、前記フォトダイオードアレイに印加する前記直流電圧の変化に対する前記フォトダイオードアレイに流れる前記電流の変化における、前記複数のアバランシェフォトダイオードのうち最も多くのアバランシェフォトダイオードがガイガーモードに移行することにより生じる変曲点を求め、該変曲点での直流電圧に基づいて推奨動作電圧を決定する制御手段と、を備えており、
   前記制御手段は、前記変曲点での前記直流電圧に加算する電圧に対応する値を記憶しており、該値に対応する電圧を前記変曲点での前記直流電圧に加算することにより前記推奨動作電圧を決定することを特徴とするフォトダイオードアレイモジュール。
2. 前記制御手段は、前記電流検出手段にて生成された前記電流モニタ信号に基づいて、前記フォトダイオードアレイに流れる前記電流を一回以上微分し、前記変曲点を求め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モジュール。
3. 前記フォトダイオードアレイに印加される直流電圧を検出し、該直流電圧に応じた電圧モニタ信号を生成する電圧検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記電圧検出手段にて生成された前記電圧モニタ信号に対応する前記直流電圧の変化に対する前記フォトダイオードアレイに流れる前記電流の変化における変曲点を求め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モジュール。
4. 前記制御手段は、前記推奨動作電圧に対応する直流電圧をガイガーモードで動作させるための逆バイアス電圧として前記フォトダイオードアレイに印加するように前記電圧源を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトダイオードアレイモジュール。
5. 前記フォトダイオードアレイの温度を検出し、該温度に応じた温度モニタ信号を生成する温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記推奨動作電圧と前記温度検出手段にて生成された前記温度モニタ信号とに基づいて、ガイガーモードで動作させるための動作電圧を決定し、決定した前記動作電圧を逆バイアス電圧として前記フォトダイオードアレイに印加するように前記電圧源を制御する請求項４に記載のフォトダイオードアレイモジュール。

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