JP6487619B2 - 検出器 - Google Patents

Description

本発明は、ポジトロンＣＴ装置（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＥＴ装置）などの医療機器に利用される検出器に関するものである。

現在、様々な医療機器が用いられている。ＰＥＴ装置は、ポジトロン（陽電子）を放出するアイソトープで標識された薬剤を生体内に導入し、薬剤に起因するγ線を複数の検出器で検出する装置である。ＰＥＴ装置は、リング状のガントリ（架台）、クレードル（寝台）、操作用のコンピュータを備えおり、ガントリ内部には、生体周囲に配置される複数の検出器が内蔵されている。

ここで、Ｘ線又はγ線の効率的な検出器は、シンチレータと光検出器とを組み合わせることで構成することができる。

なお、Ｘ線ＣＴ装置とＰＥＴ装置とを組み合わせたＣＴ／ＰＥＴ装置や、これらにＭＲＩ（磁気共鳴画像診断）装置を組み合わせた複合診断装置も考えられている。

上述のような診断装置に適用される光検出器（フォトダイオードアレイ）は、例えば、特許文献１に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光を検出することができる。

すなわち、光子（フォトン）がＡＰＤに入射した場合、ＡＰＤ内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。ＡＰＤにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百ｋΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。この電圧降下により、ＡＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、１つの光子の入射により、１つのパルス信号がＡＰＤから出力される。

特開２００８−３１１６５１号公報

しかしながら、従来の検出器においては、精密な時間測定とエネルギー検出の双方が要求されており、これを達成することができなかった。本発明に係る検出器においては、時間測定とエネルギー検出の双方が精密に測定可能な検出器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の検出器は、半導体チップを有する光検出器と、前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、を備えた検出器において、前記半導体チップは、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、を備え、前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、前記光検出器と前記シンチレータとの間に介在し、前記光感応領域を囲む第１反射体と、前記シンチレータの各光伝達領域間に配置された第２反射体とを備え、前記光検出器は、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板を更に備え、前記凹部内には、樹脂が充填されており、それぞれの前記光感応領域の面積は、前記シンチレータの厚み方向に垂直なそれぞれの前記光伝達領域の面積よりも小さく、前記半導体チップの前記出力端子は、前記凹部内の底面上に設けられた配線に、バンプ電極を介して、接続されており、前記配線は、前記支持基板の内部配線に電気的に接続され、前記内部配線を介して、前記半導体チップの出力は外部に取り出されることを特徴とする。

時間測定を精密に行うためには、半導体チップのサイズを小さくすることが好ましい。なぜならば、半導体チップの寄生容量が小さくなるため、入射光に対する出力ピークが急峻に立ち上がるからである。しかしながら、半導体チップを小さくすると、光感応領域の面積が小さくなるため、エネルギーが精密に検出できなくなる。

そこで、この検出器では、第１反射体及び第２反射体を備えている。この場合、シンチレータに入射したエネルギー線は、蛍光に変換されて、第２反射体で反射されながら、光伝達領域内を伝達し、光感応領域に至る。光感応領域の周囲には、第１反射体が設けられているので、第１反射体に入射した光は反射されるが、再び、第２反射体で反射されて、最終的には、光感応領域に入射する確率が高くなる。したがって、最終的に光感応領域が受光する光量は多くなり、精密な入射エネルギー線のエネルギーを検出することができる。

また、前記第２反射体は、前記シンチレータの厚み方向から見て、前記光感応領域を囲んでいることを特徴とする。この場合、１つの光伝達領域内を伝播する光を、確実に１つの光感応領域内に導くことができ、測定毎の出力のバラつきを抑制することができる。

上述のように、半導体チップの大きさは小さい方が、時間分解能に優れる。相対的に言えば、それぞれの前記光感応領域の面積は、前記シンチレータの厚み方向に垂直なそれぞれの前記光伝達領域の面積よりも小さいことになる。

また、前記光検出器は、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板を更に備えることができる。この場合、光検出器が支持基板により保護されると共に、取り扱いが容易となる。

また、前記凹部内には、樹脂が充填されていることを特徴とする。この場合、樹脂と半導体チップが接触することで、半導体チップが支持基板に固定される。

また、前記第１反射体は、前記支持基板の前記凹部の開口端面上から前記凹部の開口上まで延びて、前記凹部内に充填された樹脂上にも形成され、前記第１反射体で反射された光が、前記第２反射体で再度反射して、前記光感応領域に形成されたフォトダイオードアレイに入射するように設けられていることを特徴とする。凹部と半導体チップの隙間にも樹脂を充填することができるため、この部分の樹脂上に第１反射体を形成することができ、したがって、第１反射体による反射量を増加させ、エネルギー測定時に検出される光量を増加させることができる。

また、第２の検出器は、半導体チップを有する光検出器と、前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、を備えた検出器において、前記半導体チップは、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、を備え、前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、前記光検出器と前記シンチレータとの間に介在し、前記光感応領域を囲む第１反射体と、前記シンチレータの各光伝達領域間に配置された第２反射体と、を備え、前記光検出器は、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板を更に備え、前記半導体チップは、前記ＡＰＤに電気的に接続され、前記半導体チップを貫通する貫通電極を有しており、前記貫通電極は、前記凹部内に配置されたバンプ電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

この場合、貫通電極が半導体チップの凹部の底部側に抜けるため、ワイヤーボンディングの必要がなく、シンチレータと半導体チップとを近接させることができ、したがって、シンチレータで発生したより多くの蛍光が、減衰することなく光感応領域に入射することができる。

本発明の検出器は、半導体チップと、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板とを備えた光検出器と、前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、を備えた検出器において、前記半導体チップは、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、を備え、前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向していることを特徴とする。

この場合、半導体チップが小さくなった場合においても、支持基板により、これを保護することができると共に、上述のように、入射光量を増加させる構成とすることも可能となり、エネルギー検出の測定が精密に行えるようになる。
また、第３の検出器は、半導体チップと、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板とを備えた光検出器と、前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、を備えた検出器において、前記半導体チップは、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、を備え、前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、前記凹部内には、樹脂が充填されており、それぞれの前記光感応領域の面積は、前記シンチレータの厚み方向に垂直なそれぞれの前記光伝達領域の面積よりも小さく、前記半導体チップの前記出力端子は、前記半導体チップの外側に位置する前記凹部内の底面上に設けられた配線に、ボンディングワイヤを介して、接続されており、前記配線は、前記支持基板の内部配線に電気的に接続され、前記内部配線を介して、前記半導体チップの出力は外部に取り出されることを特徴とする。
また、第４の検出器は、半導体チップと、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板とを備えた光検出器と、前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、を備えた検出器において、前記半導体チップは、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、を備え、前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、前記半導体チップは、前記ＡＰＤに電気的に接続され、前記半導体チップを貫通する貫通電極を有しており、前記貫通電極は、前記凹部内に配置されたバンプ電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

この検出器によれば、時間測定とエネルギー検出の双方が精密に測定可能となる。

ＰＥＴ装置・ＣＴ装置などの被検体診断装置の概略図である。 ＰＥＴ装置のブロック図である。 検出系の信号処理回路の構成（Ａ）及び信号変換回路（Ｂ）を示す図である。 １つの光感応領域内のフォトダイオードアレイの回路図である。 支持基板を用いた光検出器の縦断面図である。 光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図（Ａ），（Ｂ）である。 光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図である。 光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。 光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。 １つのフォトダイオード及びクエンチング抵抗の回路図（Ａ）と、この構成を実現するための半導体チップ内の単位構造を示す図（Ｂ）である。 フォトダイオードアレイの斜視図である。 フォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面図である。 共通電極周辺部の断面図である。 光入射からの経過時間（ｎｓ）と光検出器からの出力電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。

以下、実施の形態に係る検出器を用いたＰＥＴ装置について説明する。なお、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。

図１は、ＰＥＴ装置などの被検体診断装置の概略図である。ＰＥＴ装置にＣＴ装置を組み合わせた複合診断装置の場合も基本構成は、同図の構成と同様である。

被検体診断装置は、クレードル１０１と、クレードル１０１が内部に位置する開口を有するガントリ１０２と、制御装置１０３とを備えている。制御装置１０３は、クレードル１０１を移動させる駆動モータ１０４を、駆動モータ制御信号によって制御し、クレードル１０１のガントリ１０２に対する相対位置を変化させる。クレードル１０１上には、診断が行われる被検体１０５が配置される。被検体１０５は、駆動モータ１０４の駆動によって、ガントリ１０２の開口の内部へと搬送される。駆動モータ１０４は、クレードル１０１を移動させてもよいが、ガントリ１０２を移動させてもよい。

ガントリ１０２の開口を囲むように、検出装置１０６が複数配置されている。検出装置１０６は、それぞれが複数の検出器Ｄ（図２）を有する。制御装置１０３からは、検出装置１０６を制御する制御信号がガントリ１０２に出力され、ガントリ１０２からは検出装置１０６からの検出信号が制御装置１０３に入力される。

図２は、図１の構造を備えたＰＥＴ装置のブロック図である。

ＰＥＴ装置では、ガントリの開口を囲むように、複数の検出器Ｄがリング状に配置されている。各検出器Ｄは、二次元状に配置された複数のフォトダイオードアレイＰＤＡ（光検出器（図３（Ａ）参照））を有している。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（ＲＩ）（陽電子放出核種）が注入されている。なお、ＰＥＴ装置において使用されるＲＩは、炭素、酸素、フッ素、窒素などの生体中に存在する元素である。陽電子は、体内の陰電子と結合して消滅放射線（γ線）を発生する。すなわち、被検体１０５からは、γ線が出射される。検出器Ｄは、出射されたγ線を検出し、制御装置１０３における信号処理回路５０に検出信号を出力する。

検出器Ｄは、複数のフォトダイオードアレイＰＤＡ（図３参照）の集合体である。信号処理回路５０は、検出器Ｄからの検出信号を処理して、（１）各検出器Ｄから出力される総エネルギーＥ、（２）複数のフォトダイオードアレイＰＤＡの中で、γ線の入射した位置Ｐ、（３）γ線の入射に応じて、シンチレータから出射された蛍光が、光検出器に入射した際に、初期の段階で光検出器から出力される検出信号の波形ピークのタイミングＴを出力する。なお、検出器Ｄについては、後述する。

被検体１０５から出射されたγ線に応じて、出力された情報であるエネルギーＥ、位置Ｐ、タイミングＴは、図示しないＡＤ変換回路で、デジタル信号に変換された後、コンピュータ５１に入力される。コンピュータ５１は、ディスプレイ５２、記憶装置５３、中央処理装置（ＣＰＵ）５４、入力装置５５、ソフトウエアから構成される画像処理回路５６を備えている。入力装置５５から、ＣＰＵ５４に処理命令を入力すると、記憶装置５３に格納されたプログラムに基づいて、各検出器Ｄに制御信号が送信され、検出器ＤのＯＮ／ＯＦＦが制御できる。

画像処理回路５６は、各検出器Ｄから出力された検出信号（エネルギーＥ、位置Ｐ，タイミングＴ）を画像処理し、被検体１０５の内部情報に関する画像、すなわち断層化した画像を作成する。作成された画像は、記憶装置５３内に格納され、ディスプレイ５２上に表示することができる。記憶装置５３には、画像処理等を行うプログラムが格納されており、ＣＰＵ５４からの指令により、当該プログラムは動作する。検査に必要な一連の操作（制御信号（検出器のＯＮ／ＯＦＦ）の検出器Ｄへの出力、駆動モータの制御、検出器Ｄからの検出信号の取り込み、画像処理、作成画像の記憶装置への格納、ディスプレイへの表示）は、入力装置５５によって行うことができる。

被検体１０５の内部におけるＲＩ位置Ｐからは、γ線が一方向とこれとは逆方向に向けて出射される。複数の検出器Ｄは、リング状に配置されており、特定の検出器Ｄ（ｎ）と、ＲＩ位置を挟んで、これに対向する検出器Ｄ（ｋ）にγ線が入射する。Ｎ個の検出器Ｄを１つのリング上に配置している場合には、最も高い位置にある検出器Ｄから、時計まわりに数えてｎ番目の検出器Ｄ（ｎ）と、ｋ番目の検出器Ｄ（ｋ）にγ線が入射するが、ＲＩ位置Ｐがリングの中心にあり、リングの面内においてγ線が互いに逆方向に向かう場合には、ｋ＝ｎ＋（２／Ｎ）となる。なお、ｎ、ｋ、Ｎは自然数である。

ＰＥＴ装置が、ＴＯＦ型（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）である場合、ＲＩを含む物質を人体や動物及び植物などに投与し、その測定対象中において電子・陽電子対消滅で生成される放射線対（γ線）を計測することにより、測定対象内のその投与物質の分布についての情報を得るものである。すなわち、対向位置に配置された検出器Ｄのそれぞれの各信号処理回路５０から出力されるタイミングＴが判明すれば、タイミングの差分が、対向する検出器Ｄ間の対角線上における、リングの重心位置からのＲＩ位置Ｐの変位距離に対応するため、位置検出ができる。

また、コンピュータ５１では、２つのタイミングＴが求められた場合には、これが電子・陽電子消滅に起因して発生したものかどうかも判定する。この判定は、一方の検出器Ｄ（ｎ）においてγ線が検出された検出時刻の前後の一定時間の間に、他方の検出器Ｄ（ｋ）においてγ線が検出されたか否かによりなされる。この条件で検出された場合には、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したγ線対であると判定でき、有効な値として画像処理回路５６における画像処理に採用することができる。

タイミングＴの測定においては、所定の閾値（ＳＨとする）を、検出器Ｄの信号強度が超えた場合には、γ線の入射があったと判定し、そうでない場合には、入射が無かったと判定する。閾値ＳＨは、例えば電子・陽電子対消滅に伴って発生する一対のγ線の光子エネルギーである５１１ｋｅＶの付近に設定される。これにより、電気的ノイズ信号や、散乱ガンマ線（消滅γ線の一方或いは両方が散乱物質により方向を変えられたγ線であり、散乱のためにエネルギーが減少している）に起因するノイズ信号等が除かれる。

タイミングＴの判定後も、シンチレータからの光検出器への蛍光入射は持続するため、蛍光入射光量の積算値を求めれば、入射した蛍光の強度、すなわち、エネルギーＥを求めることができる。各検出器Ｄ内における蛍光の入射位置Ｐは、信号処理回路５０において各フォトダイオードアレイからの信号強度の二次元的な重心位置を求めることにより、算出することができる。この位置Ｐは、必要に応じて、より精密な画像解析を行う場合に、用いることができる。

ＴＯＦ−ＰＥＴ装置は、複数の検出器Ｄからなる放射線検出器アレイ（検出装置１０６）と、信号処理回路５０と、信号処理回路５０の出力に基づいて、画像処理を行うコンピュータ５１を有している。これらの構成は、リング状に配置された全ての検出器Ｄに採用されているが、説明の明確化のため、同図では１組のみを示している。

図３は、検出系の信号処理回路５０の構成を示す図（Ａ）、及び信号変換回路Ｐｒｏｓを示す図（Ｂ）である。

検出器Ｄは、放射線（γ線、Ｘ線）を蛍光に変換するシンチレータと、蛍光を検出する複数の光検出器（フォトダイオードアレイ）とを組み合わせてなる。各光検出器Ｄは、光検出用の半導体チップを備えている。１つの半導体チップには、一群のフォトダイオードからなるフォトダイオードアレイＰＤＡが形成されている。１つの半導体チップ内における複数のフォトダイオードの出力は一か所に束ねられ、各フォトダイオードアレイＰＤＡの出力Ａ（１），Ａ（２）・・・Ａ（Ｎ）として取り出される。なお、１つの検出器Ｄに含まれるフォトダイオードアレイＰＤＡの数は、Ｎ個（２以上の整数）であることとする。

各フォトダイオードアレイＰＤＡの出力Ａ（ｎ）は、同図（Ｂ）に示すように、それぞれの信号変換回路Ｐｒｏｓ（ｎ）に入力される。信号変換回路Ｐｒｏｓ（ｎ）は、プリアンプＡ１、アンプＡ２，アンプＡ３、ＡＤ変換回路Ａ４を備えている。

各フォトダイオードアレイＰＤＡの出力Ａ（ｎ）は、プリアンプＡ１で増幅され、アンプＡ２で更に増幅されて、エネルギー検出用の信号Ｓｉｇ（ｅ）として、出力される。

各フォトダイオードアレイＰＤＡの出力Ａ（ｎ）は、プリアンプＡ１で増幅され、アンプＡ２で更に増幅されて、更に、アンプＡ３で増幅され、γ線の入射位置検出用の信号Ｓｉｇ（ｐ）として、出力される。

各フォトダイオードアレイＰＤＡの出力Ａ（ｎ）は、プリアンプＡ１で増幅された後、ＡＤ変換回路Ａ４によって、デジタル値に変換され、タイミング検出用の信号Ｓｉｇ（ｔ）として出力される。ＡＤ変換回路Ａ４は、比較器であり、所定の閾値ＳＨを超えた信号をＨレベルとして出力することで、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。閾値ＳＨは、出力Ａ（ｎ）を所定時間サンプリングして記憶し、サンプリングされた出力Ａ（ｎ）の平均値を、閾値ＳＨとして用いることも可能である。

信号変換回路Ｐｒｏｓ（ｎ）の出力のうち、エネルギー検出用の出力Ｓｉｇ（ｅ）は、全て加算回路５０Ａに入力され、フォトダイオードアレイＰＤＡの数だけ全て加算され、これらの積算値が、検出器Ｄに入射した総エネルギーＥとして出力される。

信号変換回路Ｐｒｏｓ（ｎ）の出力のうち、位置検出用の出力Ｓｉｇ（ｐ）は、全て入射位置検出回路５０Ｂに入力され、どのフォトダイオードアレイＰＤＡに入射したのかが判別され、判定の結果がγ線の入射位置Ｐとして、出力される。入射位置検出回路５０Ｂは、これに入力されたＮ個の信号の中で、最も大きなものを選択する、又は、各信号強度の分布から、γ線の入射した重心位置を求め、これに対応する信号を出力するものである。なお、これは、例えば、複数の抵抗を直列に接続した抵抗間の接続点に、それぞれの出力Ｓｉｇ（ｐ）を入力する等の分圧回路の構成を用いることでも実現することができる。

信号変換回路Ｐｒｏｓ（ｎ）の出力のうち、タイミング検出用の出力Ｓｉｇ（ｔ）は、全てタイミング検出回路５０Ｃに入力され、検出器Ｄに入力したγ線のタイミングＴが出力される。タイミング検出回路５０Ｃは、ＯＲ回路から構成することができる。すなわち、それぞれのフォトダイオードアレイＰＤＡに接続されたＡＤ変換回路Ａ４から出力された方形波パルス信号のいずれかがハイレベルである場合には、タイミング信号Ｔはハイレベルとなる。

次に、各フォトダイオードアレイＰＤＡの構成について説明する。フォトダイオードアレイＰＤＡは、半導体チップにおける光感応領域内に形成されている。

図４は、１つの光感応領域内のフォトダイオードアレイＰＤＡの回路図である。フォトダイオードアレイＰＤＡは、複数のフォトダイオードＰＤと、各フォトダイオードＰＤにそれぞれ直列に接続されたクエンチング抵抗Ｒ１とを有している。各フォトダイオードＰＤのカソード同士は共通接続されており、アノード同士はクエンチング抵抗Ｒ１を介して共通接続されている。複数のフォトダイオードＰＤは、二次元的に配置される。

また、全てのクエンチング抵抗Ｒ１は、電極パッドＰＡＤに接続されている。半導体チップでは、フォトダイオードＰＤのカソードを基板した場合、基板電位をグランドＧＮＤに接続し、アノードとなる電極パッドＰＡＤから信号を取り出す。なお、フォトダイオードにおけるカソードとアノードは置換して用いることもできるし、半導体チップにおける導電型には、Ｎ型とＰ型があるが、これらは互いに置換しても、同様の機能を奏することができる。

なお、フォトダイオードＰＤは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。ガイガーモードでは、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）をＡＰＤ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（−）電位を、カソードには（＋）電位を印加する。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。

図５は、支持基板を用いた光検出器（半導体チップが１つの場合）の縦断面図である。なお、以下では、半導体チップと支持基板を組み合わせてなる素子を光検出モジュールＭ１とする。なお、実際には、光検出器Ｄは、複数の半導体チップ（フォトダイオードアレイ）を二次元状に配置している。

上述のフォトダイオードアレイＰＤＡは、半導体チップＳ１における光感応領域に形成されている。光感応領域は、半導体チップＳ１を厚み方向に垂直な方向から見た場合に、四角形に設定されており、半導体チップＳ１のほぼ中央に位置している。また、支持基板ＳＢ１は、半導体チップＳ１を収容するための凹部を有する樹脂やセラミックなどの絶縁体からなり、凹部の底面には配線Ｅ２が設けられており、配線Ｅ２は支持基板ＳＢ１の内部配線（図示せず）に電気的に接続されており、かかる内部配線を介して、半導体チップＳ１の出力は外部に取り出される。

図５（Ａ）の光検出モジュールＭ１においては、半導体チップＳ１は、凹部の底面に貼り付けられており、半導体チップＳ１の表面に設けられた出力用の電極（アノードに接続されている）は、ボンディングワイヤーＷを介して、配線Ｅ２に接続されている。半導体チップＳ１の半導体基板（例えば、カソードの電位）は、凹部の底面に設けられたグランド電極（図示せず）に電気的に接続されている。支持基板ＳＢ１の光入射面側の開口端面上には、第１反射体（反射膜）ＲＦ１が固定されている。また、支持基板ＳＢ１の凹部内には、蛍光を透過可能な樹脂Ｊが充填されており、半導体チップＳ１を凹部内において固定している。第１反射体ＲＦ１は、シンチレータで発生した光を、シンチレータに向けて反射することができる。シンチレータの側面（例えば、柱状結晶の側面）には、第２反射体が形成されているため、第１反射体ＲＦ１で反射された光は、第２反射体で再度反射して、フォトダイオードアレイに入射する。

図５（Ｂ）の光検出モジュールＭ１においては、図５（Ａ）の構造と比較して、第１反射体ＲＦ１の構造のみが異なり、その他の構造は同一である。図５（Ｂ）の場合の第１反射体ＲＦ１は、支持基板ＳＢ１の開口端面上から凹部の開口上まで延びており、凹部内に充填された樹脂Ｊに接触している。これにより、シンチレータで発生した光を、より多く反射することができる。

図５（Ｃ）の光検出モジュールＭ１においては、半導体チップＳ１は、凹部の底面に設けられた配線Ｅ２に、導電性のバンプ電極ＢＥを介して固定されている。バンプ電極ＢＥは、半導体チップＳ１の表面側のアノードに電気的に接続されている（図１３参照）。半導体チップＳ１の半導体基板（例えば、カソードの電位）は、凹部の底面に設けられたグランド電極（図示せず）に、同様にバンプ電極で電気的に接続されている。支持基板ＳＢ１の光入射面側の開口端面上には、第１反射体（反射膜）ＲＦ１が固定されている。また、支持基板ＳＢ１の凹部内には、蛍光を透過可能な樹脂Ｊが充填されており、半導体チップＳ１を凹部内において固定している。シンチレータの側面（例えば、柱状結晶の側面）には、第２反射体が形成されているため、第１反射体ＲＦ１で反射された光は、第２反射体で再度反射して、フォトダイオードアレイに入射する。

図５（Ｄ）の光検出モジュールＭ１においては、図５（Ｃ）の構造と比較して、第１反射体ＲＦ１の構造のみが異なり、その他の構造は同一である。図５（Ｄ）の場合の第１反射体ＲＦ１は、支持基板ＳＢ１の開口端面上から凹部の開口上まで延びており、凹部内に充填された樹脂Ｊに接触している。これにより、シンチレータで発生した光を、より多く反射することができる。

第１反射体ＲＦ１の材料としては、アルミニウム、金、ステンレス等からなる金属膜や高反射白色レジストを用いることができる。なお、シンチレータの側壁に設けられる第２反射体ＲＦ２（図６参照）の材料としては、ポリエステル系樹脂を用いた多層フィルムを用いることができる。

また、いずれの構造の第１反射体ＲＦ１も、その厚み方向から見た場合の形状は、四角形状のリング状（角環状）であり、その開口内に半導体チップＳ１の光感応領域が位置している。

図６（Ａ）は、複数の光検出モジュールＭ１を備えた光検出器Ｄ１と、シンチレータＳＣを組み合わせてなる検出器Ｄの側面図である。

光検出器Ｄ１は、マウント基板ＳＢ２と、マウント基板ＳＢ２上に二次元状に固定配置された光検出モジュールＭ１とを備えており、第１反射体ＲＦ１の表面は、シンチレータＳＣの光出射面に接触している。シンチレータＳＣは、複数の光伝達領域ＨＤに区分されており、それぞれの光伝達領域ＨＤに、それぞれの光感応領域（フォトダイオードアレイＰＤＡ）が対向している。なお、これらの光伝達領域ＨＤと、光感応領域との関係は、１対１に対応していることが好ましいが、必ずしも、１対１に対応していなくてもよい。

γ線などのエネルギー線がシンチレータに入射すると、シンチレータＳＣが発光する。同図ではシンチレータＳＣにおける３つの光伝達領域ＨＤが示されているが、これらは２次元的に配置されているので、合計で９つの光伝達領域ＨＤがあることになる。シンチレータＳＣの光伝達領域ＨＤ間には、第２反射体ＲＦ２が設けられている。第２反射体ＲＦ２は、四角柱状の光伝達領域ＨＤの少なくとも４側面（厚み方向に平行な面）の全てを全て被覆し、光ガイド構造を構成している。これらの４側面は、光伝達領域ＨＤの厚み方向を囲む面であるが、更に加えて、エネルギー線の入射面（半導体チップとは逆側の面）に第２反射体ＲＦ２を設けて、５側面を被覆してもよい。シンチレータＳＣにおいて発生した光（蛍光）は、光伝達領域ＨＤの側壁（第２反射体ＲＦ２）で、矢印で示されるように反射されながら、光検出モジュールＭ１へと到達する。到達した一部の光は、半導体チップＳ１の光感応領域に入射し、残りは、第１反射体ＲＦ１で反射され、再び、シンチレータＳＣ内に戻る。シンチレータＳＣ内で再度反射された光も、内部で反射を繰り返しながら、最終的には、多くの量の光が、半導体チップＳ１の光感応領域に入射する。

図６（Ｂ）は、複数の光検出モジュールＭ１を備えた光検出器Ｄ１と、シンチレータＳＣを組み合わせてなる検出器Ｄの側面図である。図６（Ｂ）の構造は、図６（Ａ）と比較して、第１反射体ＲＦ１を横方向に長くした点が、図６（Ａ）のものと異なり、その他の点は同一である。すなわち、第１反射体ＲＦ１における厚み方向に垂直な方向の長さ（＝幅）は、支持基板ＳＢ１の幅よりも大きく、隣接する支持基板ＳＢ１間には、隙間があるが、この隙間の上にも第１反射体ＲＦ１が位置しており、より多くの光を反射することができる。

なお、上述の第１反射体ＲＦ１は、シンチレータＳＣの光出射面に取り付けることとしてもよい。

図７は、光検出器（複数の半導体チップとマウント基板からなる）Ｄ１とシンチレータＳＣを組み合わせてなる検出器Ｄの側面図である。図７の構造の図６（Ｂ）に示したものとの相違点は、半導体チップＳ１が直接、マウント基板ＳＢ２上に固定されていることであり、第１反射体ＲＦ１は、シンチレータＳＣの光出射面に取り付けられている。第１反射体ＲＦ１は、半導体チップＳ１に光を入射させるための開口を有している。半導体チップＳ１は、二次元的に配置されているため、第１反射体ＲＦ１の開口もこれに対応して二次元的に配置されることなる。図７の構造におけるその他の点は、図６（Ｂ）に示したものと同一である、同様の作用効果を奏する。

図８は、光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。なお、平面図においてはシンチレータの記載を省略し、第２反射体ＲＦ２の位置を鎖線で示し、第１反射体ＲＦ１の複数の開口が見えている状態を示している。

図８の構造の図６（Ｂ）に示したものとの相違点は、複数の支持基板ＳＢ１を共通の支持基板ＳＢ１にした点であり、その他の構造は、図６（Ｂ）に示したものと、同一である。なお、すなわち、支持基板ＳＢ１には、複数の凹部が設けられており、各凹部内に半導体チップＳ１が配置されている。

なお、第１反射体ＲＦ１の開口の大きさは、図５に示したように様々な状態に設定することができる。すなわち、平面視において、長方形（正方形）の第１反射体ＲＦ１の開口サイズは、長方形（正方形）の半導体チップＳ１のサイズよりも大きくてもよく、一致していてもよく、小さくてもよい。図６（Ａ）では、全ての状態を代表して、これらのサイズが一致している場合を示している。また、第１反射体ＲＦ１の開口サイズが、半導体チップＳ１のサイズよりも小さい場合において、フォトダイオードアレイＰＤＡが形成された光感応領域のサイズよりも大きければ、光入射効率を減少させないため、好適である。なお、図６（Ｂ）では、第１反射体ＲＦ１の開口サイズが、半導体チップＳ１のサイズよりも小さい場合を示している。

このような場合、第１反射体ＲＦ１は、平面視において、支持基板ＳＢ２の開口端面から、半導体チップＳ１と支持基板ＳＢの凹部の内側面との間の隙間を超えて、半導体チップＳ１の周縁領域（光感応領域の周囲の領域）に重なる位置まで延びることとなる。

なお、この構造の場合、マウント基板ＳＢ２は省略することも可能である。

この構造では、第１反射体ＲＦ１が一体化しているので、製造が容易であるという利点がある。

図９は、光検出器とシンチレータを組み合わせてなる検出器の側面図（Ａ）と平面図（Ｂ）である。なお、平面図においてはシンチレータの記載を省略し、第２反射体ＲＦ２の位置を鎖線で示し、第１反射体ＲＦ１の複数の開口が見えている状態を示している。

図９の構造の図８に示したものとの相違点は、支持基板ＳＢ１が凹部を有しないこととし、半導体チップＳ１のサイズを大きくした点であり、その他の構造は、図８に示したものと、同一である。但し、半導体チップＳ１におけるフォトダイオードアレイＰＤＡが形成された光感応領域のサイズには変更がない。なお、同図（Ｂ）では、第２反射体ＲＦ２の外縁と半導体チップＳ１の外縁は重なるので、便宜上、同一のラインで示してある。なお、この構造の場合も、マウント基板ＳＢ２を省略することができる。

半導体チップＳ１における光感応領域よりも外側の領域は、低不純物濃度の半導体に設定して、電気伝導が生じないようにすることができる。光感応領域の周囲には、トレンチ溝などのアイソレーションを施してもよい。

図１０は、１つのフォトダイオードＰＤ及びクエンチング抵抗Ｒ１の回路図（Ａ）と、この構成を実現するための半導体チップ内の単位構造を示す図（Ｂ）である。半導体チップ内には、フォトダイオードアレイが形成されているので、同図の単位構造が二次元的に複数形成されている。

半導体基板を構成する半導体領域１２は、Ｓｉからなる、Ｎ型（第１導電型）の半導体基板である。フォトダイオードＰＤのアノードはＰ型の半導体領域１３（１４）であり、カソードはＮ型の半導体領域１２である。ＡＰＤとしてのフォトダイオードＰＤに光子が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。第１半導体領域１３のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は半導体領域１２の裏面に形成された電極に向けて流れる。すなわち、フォトダイオードＰＤに光子が入射すると、増倍されて、信号として、抵抗Ｒ１（抵抗部４）に電気的に接続された電極Ｅ３から取り出される。電極Ｅ３は、上述の電極パッドＰＡＤに接続される。

なお、抵抗部４（Ｒ１）は、半導体領域Ｐ上の絶縁層１６（１７）上に形成されており、半導体領域１３よりも高不純物濃度の半導体領域１４に電気的に接続されている。半導体基板の裏面には基板電位を与える電極Ｅ４が設けられており、電極Ｅ４はグランド電位ＧＮＤに接続されている。

半導体チップを構成するフォトダイオードアレイの具体的な構造例について説明する。

図１１は、フォトダイオードアレイを備えた半導体チップＳ１の斜視図、図１２は、半導体チップＳ１のＡ−Ａ矢印縦断面図である。

このフォトダイオードアレイは、Ｓｉからなる半導体基板の表面側に受光領域を備えている。受光領域は、複数の光検出部１０（上述の１つのフォトダイオードＰＤを構成する）を含んでおり、これらの光検出部１０はマトリックス状に二次元配置されている。なお、図１１では、中央部の電極Ｅ３を除いて、３行３列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。

基板表面には、格子状にパターニングされた信号読出用の配線パターン（上面電極）３Ｃ（読出配線ＴＬ）が配置されている。なお、図１１では、内部構造が分かるように、図１２に示す絶縁層１７の記載が省略されている。格子状の配線パターン３Ｃの開口内は光検出領域を規定している。光検出領域内には、光検出部１０が配置されており、光検出部１０の出力は配線パターン３Ｃに接続されている。

基板裏面上には、必要に応じて下面電極Ｅ４が設けられているが、裏面に設けられるバンプ電極と半導体基板との接触抵抗が小さくなる場合には、用いなくてもよい。したがって、上面電極である配線パターン３Ｃと、下面電極Ｅ４との間に光検出部１０の駆動電圧を印加すれば、その光検出出力を配線パターン３Ｃから取り出すことができる。

ｐｎ接合においては、これを構成するｐ型の半導体領域がアノードを構成し、ｎ型の半導体領域がカソードを構成する。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、これは順方向バイアス電圧であり、これとは逆の駆動電圧をフォトダイオードに印加した場合、これは逆方向バイアス電圧である。

駆動電圧は、光検出部１０における内部のｐｎ接合によって構成されるフォトダイオードに印加される逆方向バイアス電圧である。この駆動電圧を、フォトダイオードのブレイクダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。

基板表面には、フォトダイオードの一端に電気的に接続された抵抗部（クエンチング抵抗Ｒ１）４が、配置されている。抵抗部４の一方端は、この直下に位置する別材料のコンタクト電極を介して、フォトダイオードの一端に電気的に接続されるコンタクト電極４Ａを構成しており、他方端は、信号読出用の配線パターン３Ｃに接触し、これに電気的に接続されるコンタクト電極４Ｃを構成している。すなわち、各光検出部１０における抵抗部４は、フォトダイオードに接続されるコンタクト電極４Ａ、コンタクト電極４Ａに連続して曲線的に延びた抵抗層４Ｂ、及び、抵抗層４Ｂの終端部に連続するコンタクト電極４Ｃを備えている。なお、コンタクト電極４Ａ、抵抗層４Ｂ、及び、コンタクト電極４Ｃは、同一の抵抗材料の抵抗層からなり、これらは連続している。

このように、抵抗部４は、フォトダイオードとの電気的な接続点から、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターン３Ｃに接続されている。抵抗部４の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗部４が曲線的に延びることにより、その抵抗値を増加させることができる。また、抵抗部４が存在することにより、その下に存在する半導体領域の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。

図１１に示す例では、配線パターン３Ｃは、個々の光検出部１０を囲む形状を含んでいるが、配線パターン３Ｃの形状はこれに限られるものではなく、例えば、２個以上の光検出部１０を囲む形状としたり、一列以上の光検出部１０を囲む形状とするとすることができる。また、半導体領域１４を厚み方向からみた輪郭上に、抵抗層４Ｂが配置することができる。

光検出部１０に含まれるフォトダイオードの一端は、原則的には全ての位置において同電位の配線パターン３Ｃに接続され、他方端は、基板電位を与える下面電極Ｅ４に接続されている。すなわち、全ての光検出部１０におけるフォトダイオードは並列接続されている。

半導体チップＳ１の表面には、共通電極Ｅ３が設けられており、読出配線ＴＬは、全て共通電極Ｅ３に接続されている。共通電極Ｅ３の周囲の断面構造及びバンプ電極下に配置される配線基板の構造は、図１３において説明する。

図１１に示す例では、個々のコンタクト電極４Ａは、配線パターン３Ｃによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置している。そして、抵抗層４Ｂの二次元パターンはコンタクト電極４Ａの周囲を回転するように延びた形状を含んでいる。コンタクト電極４Ａを各光検出領域の中央部に配置し、コンタクト電極４Ａの周囲を回転させるように、抵抗層４Ｂを配置することで、抵抗層４Ｂの長さを長く設定することができる。

図１２に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備えている。

この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａが接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。

なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。

また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。

もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。

図１３は、共通電極周辺部の断面図である。

半導体領域１２は、Ｎ型（第１導電型）の半導体領域１ＰＣを有している。半導体領域１ＰＣは、半導体領域１２の光入射面側に形成されている。半導体領域１ＰＣは、貫通電極ＴＥが配置される貫通孔ＴＨに、Ｎ型の半導体領域１２とＰ型の第１半導体領域１３との間に形成されるＰＮ接合が露出するのを防いでいる。半導体領域１ＰＣは、貫通孔ＴＨ（貫通電極ＴＥ）に対応する位置に形成されている。

第２半導体領域１４の表面上には、絶縁層１６が形成され、この上に共通電極Ｅ３と読出配線ＴＬが形成されている。共通電極Ｅ３と読出配線ＴＬは、絶縁層１７によって被覆されている。半導体領域１２の裏面１Ｎｂは、絶縁層Ｌ３によって被覆されている。絶縁Ｌ３は開口を有しており、貫通電極ＴＥが開口内を通っている。共通電極Ｅ３は、貫通電極ＴＥに接触し、電気的に接続されており、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ＢＥを接触させることもできるが、ここでは、別の位置に設ける。

すなわち、貫通電極ＴＥは、貫通孔の内面を沿って、半導体基板の裏面上の絶縁層Ｌ３上に位置する。絶縁層Ｌ３にコンタクトホールを形成して、貫通電極ＴＥを露出させ、この露出面上にアンバーバンプ電極メタルＢＭを介して、バンプ電極ＢＥを設けることができる。なお、貫通孔ＴＨの底部のパッシベーション膜ＰＦを除去して、除去された領域の貫通電極ＴＥに接触するようにアンダーバンプメタルＢＭを設けることができる。設計によっては、底部のアンダーバンプメタルＢＭ上にも、バンプ電極を配置することができる。

半導体領域１２に設けられた貫通孔ＴＨの内面は、絶縁層Ｌ２によって被覆され、絶縁層Ｌ２は絶縁層Ｌ３に連続している。貫通電極ＴＥ及び絶縁層Ｌ３は、パッシベーション膜（保護膜）ＰＦによって被覆されている。アンダーバンプメタルの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極ＢＥの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。

以上のように、個々の半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部１０を有する半導体領域１２と、半導体領域１２の表面上に形成された絶縁層１６と、絶縁層１６上に配置された共通電極Ｅ３と、個々の光検出部１０のクエンチング抵抗Ｒ１と共通電極Ｅ３とを電気的に接続する読出配線ＴＬと、共通電極Ｅ３から、半導体領域１２の貫通孔ＴＨを介して、半導体領域１２の裏面に延びた貫通電極ＴＥとを備えている。

また、各フォトダイオードアレイＰＤＡは、個々に又は共通の貫通電極ＴＥを含んでいる。貫通電極ＴＥは、半導体領域１２を、対向する主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側まで貫通して形成されている。すなわち、貫通電極ＴＥは、半導体領域１２を貫通する貫通孔ＴＨ内に配置されている。絶縁層Ｌ２は、貫通孔ＴＨ内にも形成されている。したがって、貫通電極ＴＥは、絶縁層Ｌ２を介して、貫通孔ＴＨ内に配置される。貫通電極ＴＥは、その一方端が共通電極Ｅ３に接続され、読出配線ＴＬと貫通電極ＴＥとを接続している。

個々の光検出部１０は、ＡＰＤからなるフォトダイオードＰＤを備えているが、各ＡＰＤは、第１導電型の半導体領域１２、及び、半導体領域１２とｐｎ接合を構成し、キャリアを出力する第２導電型の第２半導体領域を備えている。ＡＰＤの第２半導体領域１４には、抵抗Ｒ１（抵抗部４）が電気的に接続されている。バンプ電極ＢＥは、貫通電極ＴＥと支持基板上の電極又は配線Ｅ２（図５参照）とを電気的に接続している。

上述の抵抗Ｒ１は、これが接続される共通電極Ｅ３よりも抵抗率が高い。抵抗Ｒ１は、たとえばポリシリコン等からなる。抵抗Ｒ１の形成方法としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。抵抗Ｒ１を構成する抵抗体としては、その他、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒなどが挙げられる。

上述の電極及び貫通電極ＴＥはアルミニウムなどの金属からなる。半導体基板が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。電極及び貫通電極ＴＥの形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。

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。

上述の絶縁層の材料としては、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いることができ、絶縁層の形成方法としては、各絶縁層がＳｉＯ_２からなる場合には、熱酸化法又はスパッタ法を用いることができる。

なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。

（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ２）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ３）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）
（タイプ４）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／５×１０^１１〜１×１０^２０ｃｍ^−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０^１４〜１×１０^１７ｃｍ^−３／２〜５０μｍ）
半導体領域１４（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^−３／１０〜１０００ｎｍ）

図１４は、光入射からの経過時間（ｎｓ）と光検出器（半導体チップ）からの出力電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。

シンチレータとしてＬＹＳＯ：Ｃｅを用いた場合、ＰＥＴ装置で対象とする消滅ガンマ線５１１ｋｅＶのエネルギーに対して約１８０００フォトンが発生する。ＴＯＦ−ＰＥＴ装置では発生したフォトンのうち比較的早く入射したフォトンによる出力パルスでタイミングを検出する。

同図では、光検出器に含まれる１つの半導体チップのサイズが、１×１ｍｍ^２、３×３ｍｍ^２、６×６ｍｍ^２の場合の出力電圧を示している。同図から分かるように、チップサイズが小さいほど、光入射時に立ち上がる出力電圧のピークが高くなり、ピーク位置が正確に検出できる。チップサイズが小さい場合、半導体チップの寄生容量が小さくなるため、入射光に対する出力ピークが急峻に立ち上がることになる。この場合、ＴＯＦ型の解析において、精密な時間測定が可能となる。したがって、時間測定を精密に行うためには、半導体チップのサイズを小さくすることが好ましい。

しかしながら、半導体チップを小さくすると、光感応領域の面積が小さくなるため、エネルギーが精密に検出できなくなる傾向にあるが、上述の構造では、第１反射体ＲＦ１及び第２反射体ＲＦ２を用いているため、入射光量を増加させ、エネルギー検出を精密に行うことができる。

以上、説明したように、上記検出器Ｄは、半導体チップＳ１を有する光検出器Ｄ１と、光検出器Ｄ１上に配置され、複数の光伝達領域ＨＤに区分されたシンチレータＳＣと、を備えた検出器Ｄにおいて、半導体チップＳ１は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれのＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗（抵抗Ｒ１（４））と、それぞれのクエンチング抵抗Ｒ１に電気的に接続された出力端子（電極パッドＰＡＤ）と、を備え、光伝達領域ＨＤには、光感応領域が対向しており、光検出器Ｄ１とシンチレータＳＣとの間に介在し、光感応領域を囲む第１反射体ＲＦ１と、シンチレータＳＣの各光伝達領域ＨＤ間に配置された第２反射体ＲＦ２とを備えている。

この検出器Ｄでは、第１反射体ＲＦ１及び第２反射体ＲＦ２を備えており、シンチレータＳＣに入射したエネルギー線は、蛍光に変換されて、第２反射体ＲＦ２で反射されながら、光伝達領域ＨＤ内を伝達し、光感応領域に至る。光感応領域の周囲には、第１反射体ＲＦ１が設けられているので、第１反射体ＲＦ１に入射した光は反射されるが、再び、第２反射体ＲＦ２で反射されて、最終的には、光感応領域に入射する確率が高くなる。したがって、最終的に光感応領域が受光する光量は多くなり、精密な入射エネルギー線のエネルギーを検出することができる。

また、第２反射体ＲＦ２は、シンチレータＳＣの厚み方向から見て、光感応領域を囲んでいる。この場合、１つの光伝達領域ＨＤ内を伝播する光を、確実に１つの光感応領域内に導くことができ、測定毎の出力のバラつきを抑制することができる。

上述のように、半導体チップの大きさは小さい方が、時間分解能に優れる。相対的に言えば、それぞれの光感応領域（ＰＤＡ）の面積は、シンチレータＳＣの厚み方向に垂直なそれぞれの光伝達領域ＨＤの面積よりも小さいことになる。

また、光検出器Ｄ１が、半導体チップＳ２を収容する凹部を有する支持基板ＳＢ１を更に備えている場合、光検出器Ｄ１が支持基板ＳＢ１により保護されると共に、取り扱いが容易となる。この凹部内には、樹脂Ｊが充填されており、樹脂Ｊと半導体チップＳ１が接触することで、半導体チップが支持基板に固定され、保護される。

また、第１反射体ＲＦ１が、支持基板ＳＢ１及び充填された樹脂Ｊ上に形成されている場合、凹部と半導体チップＳ１の隙間にも樹脂Ｊを充填することができるため、この部分の樹脂上に第１反射体ＲＦ１を形成することができ、したがって、第１反射体ＲＦ１による反射量を増加させ、エネルギー測定時に検出される光量を増加させることができる。

また、半導体チップＳ１は、ＡＰＤに電気的に接続され、半導体チップＳ１を貫通する貫通電極ＴＥを有しており、貫通電極ＴＥは、支持基板の凹部内に配置されたバンプ電極ＢＥに電気的に接続される。この場合、貫通電極ＴＥが半導体チップＳ１の凹部の底部側に抜けるため、ワイヤーボンディングの必要がなく、シンチレータＳＣと半導体チップＳ１とを近接させることができ、したがって、シンチレータＳＣで発生したより多くの蛍光が、減衰することなく光感応領域に入射することができる。

また、上述の検出器Ｄは、半導体チップＳ１と、半導体チップＳ１を収容する凹部を有する支持基板ＳＢ１とを備えた光検出器Ｄ１と、光検出器Ｄ１上に配置され、複数の光伝達領域ＨＤに区分されたシンチレータＳＣとを備えた検出器において、半導体チップＳ１は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、それぞれのＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗Ｒと、それぞれのクエンチング抵抗Ｒに電気的に接続された出力端子（電極パッドＰＡＤ）とを備え、光伝達領域ＨＤには、光感応領域が対向している。

この場合、半導体チップＳ１が小さくなった場合においても、支持基板ＳＢ１により、これを保護することができると共に、上述のように、入射光量を増加させる構成とすることも可能となり、エネルギー検出の測定が精密に行えるようになる。

以上のように、上述の放射性検出装置は、ガイガーモード動作のＡＰＤアレイを含む光検出ユニット上にシンチレータを配置した放射線検出ユニットを２次元配列した放射性検出装置において、各光検出ユニットはガイガーモード動作の複数のＡＰＤセルが２次元配列されたＡＰＤアレイ領域と、ＡＰＤアレイ領域を囲み、入射光をシンチレータに向けて反射する反射領域を備え、各光検出ユニットに対応する各シンチレータの側壁には、放射線入射方向から見て、ＡＰＤセルが２次元配列されたＡＰＤアレイ領域を囲む反射膜が形成されている。

ＳＣ…シンチレータ、Ｒ１…クエンチング抵抗、ＨＤ…光伝達領域、Ｄ１…光検出器、Ｓ１…半導体チップ、ＲＦ１…第１反射体、ＲＦ２…第２反射体。

Claims (6)

1. 半導体チップを有する光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、
   を備えた検出器において、
   前記半導体チップは、
   ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、
   それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
   それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
   を備え、
   前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、
   前記光検出器と前記シンチレータとの間に介在し、前記光感応領域を囲む第１反射体と、
   前記シンチレータの各光伝達領域間に配置された第２反射体と、
   を備え、
   前記光検出器は、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板を更に備え、前記第１反射体は前記凹部の開口端面上において前記光感応領域を囲むように設けられ、
   前記凹部内には、樹脂が充填されており、
   それぞれの前記光感応領域の面積は、前記シンチレータの厚み方向に垂直なそれぞれの前記光伝達領域の面積よりも小さく、
   前記半導体チップの前記出力端子は、前記凹部内の底面上に設けられた配線に、バンプ電極を介して、接続されており、前記配線は、前記支持基板の内部配線に電気的に接続され、前記内部配線を介して、前記半導体チップの出力は外部に取り出される、
   ことを特徴とする検出器。
2. 前記第２反射体は、前記シンチレータの厚み方向から見て、前記光感応領域を囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
3. 前記第１反射体は、前記支持基板の前記凹部の開口端面上から前記凹部の開口上まで延びて、前記凹部内に充填された樹脂上にも形成され、前記第１反射体で反射された光が、前記第２反射体で再度反射して、前記光感応領域に形成されたフォトダイオードアレイに入射するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
4. 半導体チップを有する光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、
   を備えた検出器において、
   前記半導体チップは、
   ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、
   それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
   それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
   を備え、
   前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、
   前記光検出器と前記シンチレータとの間に介在し、前記光感応領域を囲む第１反射体と、
   前記シンチレータの各光伝達領域間に配置された第２反射体と、
   を備え、
   前記光検出器は、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板を更に備え、
   前記半導体チップは、前記ＡＰＤに電気的に接続され、前記半導体チップを貫通する貫通電極を有しており、
   前記貫通電極は、前記凹部内に配置されたバンプ電極に電気的に接続されている、
   ことを特徴とする検出器。
5. 半導体チップと、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板とを備えた光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、
   を備えた検出器において、
   前記半導体チップは、
   ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、
   それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
   それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
   を備え、
   前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、
   前記凹部内には、樹脂が充填されており、
   それぞれの前記光感応領域の面積は、前記シンチレータの厚み方向に垂直なそれぞれの前記光伝達領域の面積よりも小さく、
   前記半導体チップの前記出力端子は、前記半導体チップの外側に位置する前記凹部内の底面上に設けられた配線に、ボンディングワイヤを介して、接続されており、前記配線は、前記支持基板の内部配線に電気的に接続され、前記内部配線を介して、前記半導体チップの出力は外部に取り出される、
   ことを特徴とする検出器。
6. 半導体チップと、前記半導体チップを収容する凹部を有する支持基板とを備えた光検出器と、
   前記光検出器上に配置され、複数の光伝達領域に区分されたシンチレータと、
   を備えた検出器において、
   前記半導体チップは、
   ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤからなる光感応領域と、
   それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
   それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
   を備え、
   前記光伝達領域には、前記光感応領域が対向しており、
   前記半導体チップは、前記ＡＰＤに電気的に接続され、前記半導体チップを貫通する貫通電極を有しており、
   前記貫通電極は、前記凹部内に配置されたバンプ電極に電気的に接続されている、
   ことを特徴とする検出器。

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