TWI586990B - Photodetector - Google Patents

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TWI586990B
TWI586990B TW103144638A TW103144638A TWI586990B TW I586990 B TWI586990 B TW I586990B TW 103144638 A TW103144638 A TW 103144638A TW 103144638 A TW103144638 A TW 103144638A TW I586990 B TWI586990 B TW I586990B
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Terumasa Nagano
Kenichi Sato
Ryutaro Tsuchiya
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

光檢測器
本發明係關於可利用於正子CT裝置(Positron Emission Tomography(正子放射斷層攝影術)：PET裝置)或CT裝置等醫療機器之光檢測器者。
現在，已使用各種醫療機器。PET裝置係將以能放出正子(陽電子)之同位素標識之藥劑導入生物體內，並以複數個檢測器檢測因藥劑引起之γ射線之裝置。PET裝置包含：環狀之起重台架(台座)、托架(床)、及操作用電腦，且於起重台架內部，內置配置於生物體周圍之複數個檢測器。
此處，X射線或γ射線之有效檢測器可藉由組合閃爍器與光檢測器而構成。
另，亦考慮組合X射線CT裝置與PET裝置之CT/PET裝置、或對其等組合MRI(核磁共振圖像診斷)裝置之複合診斷裝置。
應用於上述診斷裝置之光檢測器(光電二極體陣列)係例如記載於專利文獻1。於SiPM(Silicon Photo Multiplier：矽光電倍增器)或PPD(Pixelated Photon Detector：像素化光電偵測器)等光電二極體陣列中，具有將APD(雪崩光電二極體)配置為矩陣狀，並聯連接複數個APD，並讀出APD輸出之和之構成。於以蓋革模式使APD動作時，可檢測出微弱之光。
即，於光子(photon)入射於APD之情形時，於APD內部所產生之載子係經由淬滅電阻及信號讀出用之配線圖案而輸出至外部。於APD 之產生電子雪崩之像素中，雖流動電流，但於串聯連接於像素之數百kΩ左右之淬滅電阻中，產生電壓下降。藉由該電壓下降，使施加於APD之放大區域之電壓降低，電子雪崩之倍增作用終止。如此，藉由1個光子之入射，自APD輸出1個脈衝信號。
於PET裝置等機器中，利用來自光檢測器之輸出信號之峰值(光子之入射時點)與所檢測之光子量(靈敏度)，任一值均越大越好。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-311651號公報
於先前之光檢測器中，以A1(鋁)等金屬膜覆蓋構成光電二極體陣列之各光檢測通道之周邊以使電位穩定化，並且由於將淬滅電阻配置於覆蓋光檢測通道周邊之金屬膜之外側，故縮小鄰接之成為光檢測通道間之區域而對提高光電二極體之開口率、靈敏度有界限。又，藉由提高輸出信號之峰值，可尋求降低因雜訊等對輸出信號基準線之波動之影像，提高時間解析度。
本發明係鑑於此種問題而完成者，目的在於提供一種提高輸出信號峰值並提昇時間解析度，且實現高開口率、高靈敏度之光檢測器。
為了解決上述問題，第1發明態樣之光檢測器特徵在於包含：半導體基板；第1半導體區域，其係形成於上述半導體基板上；第2半導體區域，其係於上述第1半導體區域內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於上述第1半導體區域；複數個淬滅電阻，其等係分別電性連接於各個上述第2半導體區域；信號讀出配線，其係電性連接於複數 個上述淬滅電阻；且於上述半導體基板與上述第1半導體區域之間之界面、或上述第1半導體區域與上述第2半導體區域之間之界面中，形成有構成以蓋革模式動作之APD之pn接合，上述淬滅電阻位於上述第2半導體區域上，且，於俯視時，上述信號讀出配線係環狀包圍各個上述第2半導體區域之周圍，且覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線。
根據該光檢測器，由於信號讀出配線以覆蓋上述邊界線之方式，環狀包圍第2半導體區域之周圍，故第2半導體區域與信號讀出線之間變得非常接近，並於其等之間構成電容器。應答光子入射而於第2半導體區域產生之載子之高頻成分(峰值成分)係經由該電容器，快速提取至外部。又，藉由信號讀出配線覆蓋上述邊界線，半導體邊界線附近之電位穩定，且輸出信號穩定。此處，由於淬滅電阻形成於第2半導體區域上，故可將信號讀出配線設為上述之配置，由於因配線或淬滅電阻之干擾，可不縮小第2半導體區域之開口率，故可對每個像素增大檢測之光量(靈敏度)。
如此，根據本光檢測器，可提高輸出信號之峰值，並且實現高開口率、高靈敏度、進而可使輸出信號穩定。
又，第2發明態樣之光檢測器特徵在於於俯視時，上述信號讀出配線完全覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線。
於該情形時，可增大形成於信號讀出配線與第2半導體區域之間之電容器之電容，提高通過信號讀出配線之輸出信號之峰值。
又，第3發明態樣之光檢測器特徵在於於俯視時，上述信號讀出配線係僅覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線中之一部分，且上述信號讀出配線之上述覆蓋部分之上述信號讀出配線之寬度方向之尺寸大於比鄰接於該部分之部分的寬度方向之尺寸。
於該情形時，信號讀出配線係僅覆蓋上述邊界線之一部分，但由於寬度方向之尺寸較大，故可增大電容器之電容，提高通過信號讀出配線之輸出信號之峰值。
又，第4發明態樣之光檢測器特徵在於包含：半導體基板；第1半導體區域，其係形成於上述半導體基板上；第2半導體區域，其係於上述第1半導體區域內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於上述第1半導體區域；複數個淬滅電阻，其等係分別電性連接於各個上述第2半導體區域；信號讀出配線，其係電性連接於複數個上述淬滅電阻；且於上述半導體基板與上述第1半導體區域之間之界面、或上述第1半導體區域與上述第2半導體區域之間之界面，形成有構成以蓋革模式動作之APD之pn接合，上述淬滅電阻位於上述第2半導體區域上，且，於俯視時，上述信號讀出配線係環狀地包圍各個上述第2半導體區域之周圍，且各個上述淬滅電阻係不彎曲而直線地延伸。
根據該光檢測器，由於信號讀出配線環狀包圍第2半導體區域周圍，故第2半導體區域與信號讀出線之間變得接近，並於其等之間構成電容器。應答光子入射而於第2半導體區域產生之載子之高頻成分(峰值成分)係經由該電容器，快速提取至外部。此處，由於淬滅電阻形成於第2半導體區域上，故可將信號讀出配線設為上述之配置，由於因配線或淬滅電阻之干擾，可不縮小第2半導體區域之開口率，故可對每個像素增大檢測之光量(靈敏度)。又，藉由淬滅電阻不彎曲而直線地延伸，亦有覆蓋第2半導體區域之部分縮小，開口率增大之優勢。
根據本發明之光檢測器，可提高輸出信號之峰值，並實現高開口率、高靈敏度。
12‧‧‧半導體基板
13‧‧‧第1半導體區域
14‧‧‧第2半導體區域(光檢測通道)
16‧‧‧絕緣層
17‧‧‧絕緣層
50‧‧‧信號處理電路
51‧‧‧電腦
52‧‧‧顯示器
53‧‧‧記憶裝置
54‧‧‧CPU
55‧‧‧輸入裝置
56‧‧‧圖像處理電路
101‧‧‧托架
102‧‧‧起重台架
103‧‧‧控制裝置
104‧‧‧驅動馬達
105‧‧‧被檢體
106‧‧‧檢測裝置
A-A‧‧‧箭頭
BY‧‧‧邊界線
D‧‧‧光檢測器
D0‧‧‧光檢測器
D1‧‧‧光檢測器
D(n)‧‧‧光檢測器
D(k)‧‧‧光檢測器
E1‧‧‧配線
E3‧‧‧信號讀出配線
E4‧‧‧電極
I(a.u.)‧‧‧輸出信號強度
P‧‧‧入射位置
PAD‧‧‧電極墊
PD‧‧‧光電二極體
PDA‧‧‧光電二極體陣列
R1‧‧‧淬滅電阻
SB‧‧‧基板
SC‧‧‧閃爍器
t(ns)‧‧‧時間
t0‧‧‧初期值時刻
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向
圖1係顯示PET裝置等被檢體診斷裝置之構成之圖。
圖2係顯示具備閃爍器SC與光檢測器D1之檢測器D之構造之圖。
圖3係構成光檢測器D1之光電二極體陣列PDA之電路圖。
圖4(A)係顯示1個光電二極體及淬滅電阻之電路圖；(B)係顯示用以實現該構成之半導體晶片內之單位構造之圖。
圖5係圖4所示之單位構造之俯視圖。
圖6係具備複數個圖5所示之單位構造之光電二極體之俯視圖。
圖7係顯示圖6或圖11之光電二極體陣列之A-A箭頭縱剖面構成之圖。
圖8係經改良之單位構造之俯視圖。
圖9係具備複數個圖8所示之單位構造之光電二極體陣列之俯視圖。
圖10係顯示圖9之光電二極體陣列之A-A箭頭縱剖面構成之圖。
圖11係經另外改良之光電二極體陣列之俯視圖。
圖12係顯示時間(ns)與光電二極體陣列之輸出信號之強度(a.u.)之圖表，(A)係顯示比較例之數據，(B)係顯示實施例之數據。
以下，對實施形態之光檢測器進行說明。另，對相同要素或具有相同功能之要素，使用相同符號，並省略重複之說明。
首先，對可應用實施形態之光檢測器之被檢體診斷裝置進行說明。
圖1係PET裝置或CT裝置等被檢體診斷裝置之概略圖。該被檢體診斷裝置係一般者，實施形態之光檢測器可應用於此種類型之被檢體診斷裝置。
被檢體診斷裝置包含：托架101；起重台架102，其係具有使托架101位於內部之開口；控制裝置103。控制裝置103係藉由驅動馬達 控制信號控制使托架101移動之驅動馬達104，並使托架101對於起重台架102之相對位置變化。於托架101上，配置進行診斷之被檢體105。被檢體105係藉由驅動馬達104之驅動，被搬送至起重台架102之開口內部。驅動馬達104可使托架101移動，亦可使起重台架102移動。
以包圍起重台架102之開口之方式，配置複數個檢測裝置106。檢測裝置106係分別具有複數個檢測器D(參照圖2)。
圖2係顯示檢測器D之構造之圖。於基板SB上配置複數個檢測晶片D0。1個檢測晶片D0包含光檢測器D1、與固定於光檢測器D1上之閃爍器SC。當對閃爍器SC入射X射線或γ射線等能量線(放射線)時，產生螢光，光檢測器D1檢測上述螢光。
再次參照圖1。自控制裝置103將控制檢測裝置106之控制信號輸出至起重台架102，自起重台架102將來自檢測裝置106之檢測信號輸入於控制裝置103。
首先，對被檢體診斷裝置為PET裝置之情形進行說明。
於PET裝置中，以包圍起重台架開口之方式，環狀配置複數個檢測器D。包含於各檢測器D之光檢測器D1具有二維狀配置之複數個光電二極體陣列PDA(參照圖3)。對被檢體105，注入能放出陽電子(正子)之類型的放射性同位素(RI)(陽電子放出核種)。另，PET裝置中所使用之RI係碳、氧、氟、氮等存在於生物體中之元素。陽電子係與體內之陰電子結合產生消滅放射線(γ射線)。即，自被檢體105出射γ射線。檢測器D檢測所出射之γ射線，並將檢測信號輸出至控制裝置103之信號處理電路50。
檢測器D係複數個光電二極體陣列PDA(參照圖3)之集合體。信號處理電路50處理來自檢測器D之檢測信號，並根據(1)自各檢測器D輸出之總能量E、(2)複數個光電二極體陣列PDA中，γ射線入射之位置 P、(3)γ射線之入射，於自閃爍器出射之螢光入射於光檢測器時，輸出於初期階段自光檢測器輸出之檢測信號之波形峰值之時點T。
根據自被檢體105出射之γ射線，以未圖示之AD轉換電路，將輸出之資訊即能量E、位置P、時點T轉換為數位信號後，輸入電腦51。電腦51包含：顯示器52、記憶裝置53、中央處理裝置(CPU)54、輸入裝置55、及包含軟體之圖像處理電路56。於自輸入裝置55將處理命令輸入於CPU54時，基於儲存於記憶裝置53之程式，將控制信號發送於各檢測器D，可控制檢測器D之啟動/停止。
圖像處理電路56圖像處理自各檢測器D輸出之檢測信號(能量E、位置P、時點T)，並作成關於被檢體105內部資訊之圖像，即斷層化之圖像。由於圖像處理之運算法過去以來已知有複數種者，故應用此即可。所作成之圖像係可儲存於記憶裝置53內，並於顯示器52上顯示。於記憶裝置53，儲存進行圖像處理等程式，藉由來自CPU54之指令，該程式動作。檢查所必要之一連串之操作(控制信號(檢測器之啟動/停止)對檢測器D之輸出、驅動馬達之控制、來自檢測器D之檢測信號之獲取、圖像處理、作成圖像對記憶裝置之儲存、對顯示器之顯示)可藉由輸入裝置55進行。
γ射線自被檢體105內部之RI位置P，朝一個方向及與此相反方向出射。複數個檢測器D係環狀配置，γ射線入射於特定檢測器D(n)、及隔著RI位置與其對向之檢測器D(k)。於將N個檢測器D配置於1個環上之情形時，γ射線入射於自處於最高位置之檢測器D，順時針數第n個檢測器D(n)、與第k個檢測器D(k)，但於RI位置P位於環之中心，且於環之面內γ射線互相朝相反方向之情形時，k=n+(2/N)。另，n、k、N係自然數。
於PET裝置為TOF型(Time Of Flight：飛行時間)之情形，係將包含RI之物質投予至人體或動物及植物等，藉由測量其測定對象中之電 子/陽電子對消滅所形成之放射線對(γ射線)，而獲得測定對象內其投予物質之分佈相關之資訊者。即，若判明配置於對向位置之檢測器D之分別自各信號處理電路50輸出之時點T，則由於時點之差值對應於於對向之檢測器D之間之對角線上之RI位置P之自環重心位置之位移距離，故可實現位置檢測。
又，於電腦51中，求出2個時點T之情形時，判定其是否為因電子/陽電子消滅所產生者。該判定係藉由在於一個檢測器D(n)中檢測出γ射線之檢測時刻前後之一定時間期間內，於另一個檢測器D(k)中是否檢測出γ射線而進行。於以該條件檢測出之情形時，可判定為隨著相同電子/陽電子對消滅所產生之γ射線對，可作為有效值採用於圖像處理電路56之圖像處理。
於時點T之測定中，於檢測器D之信號強度超過特定閾值(設為SH)之情形時，判定有γ射線之入射，於並非如此之情形時，判定無入射。閾值SH係設為例如隨著電子/陽電子對消滅所產生之一對γ射線之光子能量即511keV附近。藉此，消除因電性雜訊信號、或散射伽馬線(消滅γ射線一者或兩者因散射物質而改變方向之γ射線，由於散射導致能量減少)引起之雜訊信號等。
由於即使於時點T之判定後，亦持續來自閃爍器之對光檢測器之螢光入射，故若求出螢光入射量之累積值，則可求出入射之螢光強度、即能量E。藉由求出信號處理電路50中來自各光電二極體陣列之信號強度之二維重心位置，可算出各檢測器D內之螢光之入射位置P。該位置P係根據需要，可使用於進行更精密之圖像解析之情形。
TOF-PET裝置具有：放射線檢測器陣列(檢測裝置106)，其包含複數個檢測器D；信號處理電路50；電腦51，其係基於信號處理電路50之輸出，進行圖像處理。於環狀配置之全部檢測器D均採用其等構成，但為了說明之明確化，於同圖中代表顯示1個信號處理電路50。
接著，對被檢體診斷裝置為X射線CT裝置之情形進行說明。
X射線CT裝置亦包含上述構造之托架101與起重台架102，但起重台架102內置有出射X射線之X射線源(未圖示)。於來自X射線源之X線入射之位置，配置複數個檢測器D，構成檢測裝置106。
於位於圖1之起重台架102之開口內之托架101配置被檢體105，並對被檢體105照射來自X射線源之X射線。以複數個檢測器D檢測透過被檢體105之X射線，並將該檢測信號經由內置放大器等之信號處理電路50，輸入電腦51，藉由進行圖像處理，可獲得關於被檢體105內部資訊之圖像，即電腦斷層圖像。於X射線CT裝置之情形，可設為使檢測器D繞著起重台架102之開口軸旋轉之構成。
於將PET裝置與X射線CT裝置一體化之情形時，控制裝置103係可重疊PET裝置獲得之圖像、與X射線CT裝置獲得之圖像。由於於X射線CT裝置中，使用實施形態之檢測器D，故可取得高品質之圖像。
被檢體105配置於環狀配置之檢測裝置106之中心。檢測裝置106係以旋轉軸AX為中心旋轉。自未圖示之X射線源，對被檢體105照射X射線，透過其之X射線入射於複數個檢測器D(n)。各檢測器之輸出經過信號處理電路50，輸入電腦51。X射線CT裝置之控制裝置103包含：與PET裝置相同地發揮功能之顯示器52、CPU54、記憶裝置53、輸入裝置55、圖像處理電路56。
藉由輸入裝置55，指示攝影開始時，儲存於記憶裝置53之程式啟動，控制X射線源驅動電路，使驅動信號自該驅動電路輸出至X射線源，並自X射線源出射X射線。又，儲存於記憶裝置53之程式啟動，驅動起重台架驅動馬達，使檢測裝置106繞著起重台架開口軸旋轉，進而，將控制信號(檢測器之啟動/停止)輸出至檢測器D，使檢測器D啟動，並將檢測信號經由信號處理電路50輸入電腦51之圖像處理電路56。於圖像處理電路56中，根據輸入於記憶裝置53之斷層圖像作 成程式，作成電腦斷層圖像。作成之圖像可儲存於記憶裝置53，並於顯示器52進行顯示。
如上述般，於記憶裝置53儲存進行圖像處理等之程式，並藉由來自中央處理裝置(CPU)54之指令，使該程式動作。檢查所必要之一連串之操作(控制信號(檢測器之啟動/停止)對檢測器D之輸出、各驅動馬達之控制、來自檢測器D之檢測信號之獲取、檢測信號之圖像處理、作成圖像對記憶裝置之儲存、對顯示器之顯示)可藉由輸入裝置55進行。
另，各種程式可使用搭載於先前之裝置者。
圖3係光電二極體陣列PDA之電路圖。
光檢測器D1包含半導體晶片，於半導體晶片之光感應區域內形成光電二極體陣列PDA。光電二極體陣列PDA具有：複數個光電二極體PD；及淬滅電阻R1，其係分別串聯連接於各光電二極體PD。各光電二極體PD之陰極彼此係共通連接，陽極彼此係經由淬滅電阻R1共通連接。複數個光電二極體PD係二維地配置。
又，全部淬滅電阻R1係經由電極或配線E3，連接於電極墊PAD。於半導體晶片中，將光電二極體PD之陰極側之電位(+)設定為相對高於陽極側之電位(一)。自成為陽極之電極墊PAD提取信號。另，光電二極體中陰極與陽極亦可互換而使用，於半導體晶片之導電型，有N型與P型，但即使互相置換其等，亦可發揮相同功能。
另，光電二極體PD係以蓋革模式動作之雪崩光電二極體(APD)。於蓋革模式中，將比APD之崩潰電壓更大之相反方向電壓(相反偏壓電壓)施加於APD之陽極/陰極間。即，對陽極施加比基準值更低(一)電位、對陰極施加比基準值更高(+)電位。該等電位之極性係相對者，亦可將一者之電位設為接地電位。
圖4(A)係顯示1個光電二極體PD及淬滅電阻R1之電路圖；(B)係 顯示用以實現該構成之半導體晶片內之單位構造之圖。由於於半導體晶片內形成光電二極體陣列，故二維地形成複數個同圖之單位構造。
構成半導體基板之半導體區域12係包含Si(矽)之N型(第1導電型)半導體基板。光電二極體PD之陽極係P型(第2導電型)半導體區域13(14)，陰極係N型半導體區域12。當光子入射於作為APD之光電二極體PD時，於基板內部進行光電轉換產生光電子。於半導體區域13之pn接合界面之附近區域中，進行雪崩倍增，經放大之電子群流向於形成於半導體區域12之背面之電極E4。該電極E4係亦可設置於表面側。即，當光子入射於光電二極體PD時，經過倍增，並作為信號自電性連接於淬滅電阻R1之電極或配線E3取出。配線E3係連接於上述電極墊PAD。
另，淬滅電阻R1形成於包含2層之絕緣層16、17中之上部絕緣層17上，電性連接於雜質濃度比半導體區域13高之半導體區域14(光檢測通道)。於半導體基板之背面設置賦予基板電位之電極E4，電極E4係例如連接於正電位。
於絕緣層16及17設置接觸孔，半導體區域14與淬滅電阻R1係經由接觸孔內之接觸電極及配線E1而電性連接。另，配線E1及E3係形成於絕緣層16上。
圖5係圖4所示之單位構造之俯視圖。另，於以下之俯視圖中省略絕緣層16、17之記載，使內部構造更明瞭地進行圖示。
配線E1係經由設置於絕緣層16、17(參照圖7)之接觸孔，連接於淬滅電阻R1。淬滅電阻R1係經由設置於絕緣層17之接觸孔，連接於位於其下層之配線E3(參照圖7)。配線E3係信號讀出用之配線，形成於絕緣層16上，包圍半導體區域14之周圍，並具有四角環狀之形狀。
此處，淬滅電阻R1位於半導體區域14上，且，於俯視時(於自Z軸方向觀察XY平面之情形時)，信號讀出配線E3係環狀包圍半導體區 域14之周圍，且淬滅電阻R1係不彎曲而直線地延伸。
圖6係具備複數個單位構造之光電二極體陣列之俯視圖，圖7係顯示圖6之光電二極體陣列之A-A箭頭縱剖面構成之圖。
全部之信號讀出用配線E3電性連接於電極墊PAD。電極墊PAD形成於絕緣層16上。於同圖中，形成2列2行之光電二極體陣列，但其亦可為N列×M行(N、M係2以上之整數)。於具備複數個光電二極體之構造中，於1個半導體區域13內形成複數個半導體區域14。另，於圖7之剖面圖中，實際上觀察不到淬滅電阻R1，但為了使說明明瞭，以鏈線顯示淬滅電阻R1。
如上述般，淬滅電阻R1係隔著絕緣層16、17位於半導體區域14上，且於俯視時，信號讀出配線E3係環狀包圍各個半導體區域14之周圍，且各個淬滅電阻R1係不彎曲而直線地延伸。
根據該光檢測器，由於信號讀出配線E3環狀包圍半導體區域14之周圍，故半導體區域14與信號讀出配線E3之間變得接近，並於其等之間構成電容器。應答於光子入射而於半導體區域14產生之載子之高頻成分(峰值成分)係經由該電容器，快速提取至外部。此處，由於淬滅電阻R1係形成於半導體區域14上，故可將信號讀出配線E3設為上述之配置，由於因配線或淬滅電阻之干擾，亦可不縮小半導體區域14之開口率，故可對每個像素增大檢測之光量(靈敏度)。又，淬滅電阻R1不彎曲而直線地延伸，藉此，亦有覆蓋半導體區域14之部分縮小，開口率增大之優勢。
以上，如說明般，本實施形態之光檢測器包含：半導體基板12；半導體區域13(第1半導體區域)，其形成於半導體基板12上；半導體區域14(第2半導體區域)，其係於半導體區域13內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於半導體區域13；複數個淬滅電阻R1，其係分別電性連接於各個半導體區域14；信號讀出配線E3，其係電性連接 於複數個淬滅電阻R1。
此處，於半導體基板12與半導體區域13之間之界面，或半導體區域13與半導體區域14之間之界面中，可形成pn接合，藉由其等之pn接合，構成以蓋革模式動作之APD。
半導體區域14係藉由將雜質擴散於半導體區域13內而形成之擴散區域，具有高於半導體區域13之雜質濃度。於本例(類型1)中，於n型半導體基板12(半導體區域)上，形成p型半導體區域13，於半導體區域13之表面側，形成高濃度添加p型雜質之半導體區域14。因此，構成光電二極體之pn接合係形成於半導體區域12與半導體區域13之間。
另，作為半導體基板之層構造，可採用使上述導電型反轉之構造。即，(類型2)之構造係於p型半導體區域12上，形成n型半導體區域13，並於半導體區域13之表面側，形成高濃度添加n型雜質之半導體區域14。
又，亦可將pn接合界面形成於表面層側。於該情形時，(類型3)之構造係於n型半導體區域12上，形成n型半導體區域13，並於半導體區域13之表面側，形成高濃度添加p型雜質之半導體區域14之構造。另，於該構造之情形時，pn接合係形成於半導體區域13與半導體區域14之界面中。
當然，即使於上述構造中，亦可反轉導電型。即，(類型4)之構造係於p型半導體區域12上，形成p型半導體區域13，並於半導體區域13之表面側，形成高濃度添加n型雜質之半導體區域14之構造。
圖8係經改良之單位構造之俯視圖。
配線E1係經由設置於絕緣層16、17(參照圖10)之接觸孔，連接於淬滅電阻R1。淬滅電阻R1係經由設置於絕緣層17之接觸孔，連接於位於其下層之配線E3(參照圖10)。配線E3係信號讀出用之配線，形成 於絕緣層16上，包圍半導體區域14之周圍，並具有四角環狀之形狀。
與上述實施形態相同，淬滅電阻R1位於半導體區域14上，且於俯視時(於自Z軸方向觀察XY平面之情形時)，信號讀出配線E3係環狀包圍半導體區域14之周圍，且淬滅電阻R1係不彎曲而直線地延伸，因此可發揮與圖5~圖7之構造之情形相同之效果。
該單位構造與圖5所示者之不同點係僅信號讀出配線E3之形狀，其他構造均相同。
即，於俯視時，限定半導體區域14之外緣之邊界線BY係由信號讀出配線E3覆蓋。另，於上述圖5所示之構造之情形，邊界線BY未由信號讀出配線E3覆蓋。
圖9係具備複數個圖8所示之單位構造之光電二極體陣列之俯視圖，圖10係顯示圖9之光電二極體陣列之A-A箭頭縱剖面構成之圖。
該光電二極體陣列與圖6及圖7所示者之不同點係僅信號讀出配線E3之形狀，其他構造均相同。
即，於俯視時，信號讀出配線E3覆蓋半導體區域14與第1半導體區域13之間之邊界線BY(半導體區域14之外緣)。
根據該光檢測器，由於信號讀出配線E3以覆蓋邊界線BY之方式，環狀包圍半導體區域14之周圍，故半導體區域14與信號讀出配線E3之間變得非常接近，並於其等之間構成電容器。應答於光子入射而於半導體區域14產生之載子之高頻成分(峰值成分)係經由該電容器，快速提取至外部。
又，藉由信號讀出配線E3覆蓋上述邊界線BY，使半導體之邊界線附近之電位穩定，使輸出信號穩定。此處，由於淬滅電阻R1形成於半導體區域14上，故可將信號讀出配線E3設為上述之配置，由於因配線或淬滅電阻之干擾，亦可不縮小半導體區域14之開口率，故可對每個像素增大檢測之光量(靈敏度)。
如此，根據上述構造之光檢測器，可同時提高輸出信號之峰值及靈敏度，又，進而亦可獲得穩定性。
又，該光檢測器係於俯視時，信號讀出配線E3完全覆蓋半導體區域14與半導體區域13之間之邊界線BY。於該情形時，增大形成於信號讀出配線E3與半導體區域14之間之電容器之電容，可提高通過信號讀出配線之輸出信號之峰值。
圖11係經另外改良之光電二極體陣列之俯視圖。另，圖11之A-A箭頭剖面構造係與圖7相同。
該光電二極體陣列之構造與圖6及圖7之構造相比，僅信號讀出配線E3之形狀不同，其他之構造均相同。
該光檢測器係於俯視時，信號讀出配線E3僅覆蓋半導體區域14與半導體區域13之間之邊界線BY中之一部分(僅圖式之右下角部)。且，信號讀出配線E3中覆蓋邊界線BY之部分之信號讀出配線E3之寬度方向尺寸(對沿著X軸延伸之配線而言係Y軸方向之尺寸，對沿著Y軸延伸之配線而言係X軸方向之尺寸)係大於鄰接於該部分之部分的寬度方向尺寸。
於該情形時，信號讀出配線E3係僅覆蓋上述邊界線BY之一部分，但由於寬度方向之尺寸較大，故可增大電容器之電容，可提高通過信號讀出配線之輸出信號之峰值。
圖12係顯示時間t(ns)與光電二極體陣列之輸出信號之強度I(a.u.)之圖表。(A)係顯示比較例之情形之數據，(B)係顯示實施例(圖9之構造)之情形之數據。
另，橫軸之1個記憶體係表示5(ns)，圖表初期值之時刻t0係表示-5(ns)之時刻。又，像素尺寸(由信號讀出配線E3構成之1個環狀之四角之一邊長度)係50(μm)。
於比較例中，於圖6之構造中，設為將淬滅電阻之位置配置於環 狀之信號讀出配線E3之外側，並以另一信號讀出配線連接各個環狀之信號讀出配線E3之構造。
於實施例之構造之情形時，如上述般，可知由於第2半導體區域與信號讀出配線接近，故容易進行通過電容器之信號讀出，且信號強度I之峰值高度高於比較例。即，於自閃爍器出射之螢光入射於光檢測器時，初期階段自光檢測器輸出之檢測信號之波形峰值高於比較例。另，若增加入光量則峰值之高度亦增加。
以上，如說明般，上述檢測器包含：半導體基板12；第1半導體區域13，其形成於半導體基板12上；第2半導體區域14，其係於第1半導體區域13內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於第1半導體區域13；複數個淬滅電阻R1，其係分別電性連接於各個第2半導體區域14；信號讀出配線E3，其係電性連接於複數個淬滅電阻R1，且於半導體基板12與第1半導體區域13之間之界面、或第1半導體區域13與第2半導體區域14之間之界面中，形成有構成以蓋革模式動作之APD之pn接合，淬滅電阻R1位於第2半導體區域14上，且，於俯視時，信號讀出配線E3係環狀包圍各個第2半導體區域14之周圍，且輸出信號強度峰值變高。
最後，對各要素之材料進行說明。
上述淬滅電阻R1係電阻率高於其所連接之信號讀出配線E3。淬滅電阻R1係包含例如多晶矽等。作為電阻R1之形成方法可使用CVD(Chemical Vapor Deposition：化學氣體沈積)法。作為構成電阻R1之電阻體係例舉其他SiCr、NiCr、TaNi、FeCr等。
上述電極係包含鋁等金屬。於半導體基板包含Si之情形時，作為電極材料，除了鋁以外，經常使用AuGe/Ni等。另，作為信號提取構造，亦可使用貫通電極與凸塊。
作為使用Si時之p型雜質，係使用B等3族元素，作為n型雜質， 係使用N、P或As等5族元素。即使半導體之導電型即n型與p型互相置換而構成元件，亦可使該元件發揮功能。作為該等雜質之添加方法，可使用擴散法或離子注入法。
作為上述絕緣層材料可使用SiO2或SiNX，作為絕緣層之形成方法，於各絕緣層包含SiO2之情形時，可使用熱氧化法或濺鍍法。
另，上述半導體構造之各層之導電型、雜質濃度及厚度之較佳範圍係如以下。
(類型1)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型2)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型3)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
(類型4)
半導體區域12(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/5×1011~1×1020cm-3/30~700μm)
半導體區域13(導電型/雜質濃度/厚度)
(p型/1×1014~1×1017cm-3/2~50μm)
半導體區域14(導電型/雜質濃度/厚度)
(n型/1×1018~1×1020cm-3/10~1000nm)
另，於上述實施形態中，信號讀出配線覆蓋構成第2半導體區域外緣之邊界線之全部，但即使多少存在未覆蓋之部分，基本上亦可發揮與上述相同之效果。於該情形時，於第2半導體區域之周邊，被信號讀出配線覆蓋之邊界線之長度長於未被信號讀出配線覆蓋之邊界線之長度，信號讀出配線覆蓋構成第2半導體區域外緣之複數邊之邊界線。
如以上說明般，根據上述光檢測器，可同時提高輸出信號之峰值及光量，又，進而亦可提高穩定性。又，具有上述光檢測器之檢測器係可應用於PET裝置或CT裝置等被檢體診斷裝置，可自其輸出信號形成高精度之圖像。
12‧‧‧半導體基板
13‧‧‧第1半導體區域
14‧‧‧第2半導體區域(光檢測通道)
16‧‧‧絕緣層
17‧‧‧絕緣層
BY‧‧‧邊界線
E1‧‧‧配線
E3‧‧‧信號讀出配線
E4‧‧‧電極
R1‧‧‧淬滅電阻
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向

Claims (5)

  1. 一種光檢測器，其特徵在於包含：半導體基板；第1半導體區域，其係形成於上述半導體基板上；第2半導體區域，其係於上述第1半導體區域內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於上述第1半導體區域；複數個淬滅電阻，其等係分別電性連接於各個上述第2半導體區域；及信號讀出配線，其係電性連接於複數個上述淬滅電阻；且於上述半導體基板與上述第1半導體區域之間之界面、或上述第1半導體區域與上述第2半導體區域之間之界面中，形成有pn接合，其構成以蓋革模式動作之APD；其中上述淬滅電阻係位於上述第2半導體區域上；且於俯視時，上述信號讀出配線係：環狀包圍各個上述第2半導體區域之周圍，並覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線；上述淬滅電阻係位於環狀之上述信號讀出配線之內側。
  2. 如請求項1之光檢測器，其中於俯視時，上述信號讀出配線係完全覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線。
  3. 如請求項1之光檢測器，其中於俯視時，上述信號讀出配線係 僅覆蓋上述第2半導體區域與上述第1半導體區域之間之邊界線中之一部分，且上述信號讀出配線之上述覆蓋部分之上述信號讀出配線的寬度方向之尺寸大於鄰接於該部分之部分的寬度方向之尺寸。
  4. 一種光檢測器，其特徵在於包含：半導體基板；第1半導體區域，其係形成於上述半導體基板上；第2半導體區域，其係於上述第1半導體區域內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於上述第1半導體區域；複數個淬滅電阻，其等係分別電性連接於各個上述第2半導體區域；及信號讀出配線，其係電性連接於複數個上述淬滅電阻；且於上述半導體基板與上述第1半導體區域之間之界面、或上述第1半導體區域與上述第2半導體區域之間之界面中，形成有pn接合，其構成以蓋革模式動作之APD；其中上述淬滅電阻係位於上述第2半導體區域上；且於俯視時，上述信號讀出配線係環狀包圍各個上述第2半導體區域之周圍，且各個上述淬滅電阻係不彎曲而直線地延伸；上述淬滅電阻係位於環狀之上述信號讀出配線之內側。
  5. 一種光檢測器，其特徵在於包含：半導體基板；第1半導體區域，其係形成於上述半導體基板上；第2半導體區域，其係於上述第1半導體區域內呈二維狀形成複數個，且雜質濃度高於上述第1半導體區域； 複數個淬滅電阻，其等係分別電性連接於各個上述第2半導體區域；及信號讀出配線，其係電性連接於複數個上述淬滅電阻；且於上述半導體基板與上述第1半導體區域之間之界面、或上述第1半導體區域與上述第2半導體區域之間之界面中，形成有pn接合，其構成以蓋革模式動作之APD；其中上述淬滅電阻係位於上述第2半導體區域上；且於俯視時，上述信號讀出配線係：環狀包圍各個上述第2半導體區域之周圍；並且上述淬滅電阻係位於環狀之上述信號讀出配線之內側。
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