JP2015084392A - Photodetector - Google Patents
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Abstract
【課題】、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制可能な光検出器を提供する。
【解決手段】 この光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のAPD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R1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PADと、複数のクエンチング抵R1抗と出力端子PADとを接続する配線E3と、それぞれのAPDの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチTrとを備えている。配線はE3、この隙間を通って、出力端子PADに接続されている。
【選択図】 図22An optical detector capable of improving time resolution and suppressing crosstalk is provided.
The photodetector includes a plurality of APDs operating in Geiger mode, a plurality of quenching resistors R1 connected to each APD, and an output electrically connected to each quenching resistor R1. A terminal PAD, a wiring E3 that connects the plurality of quenching resistors R1 resistance and the output terminal PAD, and a trench Tr that is provided around each APD and has a ring shape with a gap partially cut off in plan view It has. The wiring is connected to the output terminal PAD through E3, this gap.
[Selection] FIG.
Description
本発明は、ポジトロンCT装置(Positron Emission Tomography:PET装置)やCT装置などの医療機器に利用可能な光検出器に関するものである。 The present invention relates to a photodetector that can be used in medical equipment such as a positron CT apparatus (Positron Emission Tomography: PET apparatus) and a CT apparatus.
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。 Currently, various medical devices are used. A PET device is a device that introduces a drug labeled with an isotope that emits positrons (positrons) into a living body and detects γ-rays resulting from the drug with a plurality of detectors. The PET apparatus includes a ring-shaped gantry (cradle), a cradle (sleeper), and a computer for operation, and a plurality of detectors arranged around the living body are built in the gantry.
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。 Here, an efficient detector of X-rays or γ-rays can be configured by combining a scintillator and a photodetector.
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。 Note that a CT / PET apparatus in which an X-ray CT apparatus and a PET apparatus are combined, and a combined diagnostic apparatus in which an MRI (magnetic resonance imaging diagnosis) apparatus is combined with them are also considered.
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。 A photodetector (photodiode array) applied to the diagnostic apparatus as described above is described in Patent Document 1, for example. In a photodiode array such as SiPM (Silicon Photo Multiplier) or PPD (Pixelated Photon Detector), APDs (avalanche photodiodes) are arranged in a matrix, a plurality of APDs are connected in parallel, and the sum of APD outputs is read. Have. When the APD is operated in the Geiger mode, weak light can be detected.
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。 That is, when photons (photons) enter the APD, carriers generated inside the APD are output to the outside through a quenching resistor and a signal readout wiring pattern. A current flows through a pixel where an avalanche occurs in the APD, but a voltage drop occurs in a quenching resistance of about several hundred kΩ connected in series to the pixel. Due to this voltage drop, the voltage applied to the amplification region of the APD is lowered, and the multiplication action due to the electron avalanche is terminated. Thus, one pulse signal is output from the APD by the incidence of one photon.
しかしながら、上記フォトダイオードアレイにおいて、クロストークが発生するという問題点がある。かかるクロストークを抑制するためには、各フォトダイオード(画素)間に、トレンチを形成することが有効であると考えられる。ところが、本願発明者らが鋭意検討した結果、単にトレンチを形成したのみでは、出力パルスの立ち上がりが緩慢になり、出力の時間分解能が低下し、また、十分にクロストークも抑制できないことを見出した。 However, the photodiode array has a problem that crosstalk occurs. In order to suppress such crosstalk, it is considered effective to form a trench between each photodiode (pixel). However, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that simply forming a trench slows the rise of the output pulse, reduces the time resolution of the output, and cannot sufficiently suppress crosstalk. .
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制可能な光検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector capable of improving time resolution and suppressing crosstalk.
上述の課題を解決するため、本発明に係る光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のAPD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、複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、それぞれの前記APDの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチと、を備え、前記配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a photodetector according to the present invention includes a plurality of APDs operating in Geiger mode, a plurality of quenching resistors connected to each of the APDs, and an electric current connected to each quenching resistor. A ring shape having a gap that is partially cut off in plan view, provided around the APD, and the output terminals connected to each other, wiring connecting the plurality of quenching resistors and the output terminals, respectively And the wiring is connected to the output terminal through the gap.
トレンチを設けることにより、ガイガーアバランシェにより発生したフォトンが隣接ピクセルに入射することを防ぐことができ、また1つのAPDにおいて発生した電荷が、隣接するAPDに移動することを防止できるため、原則的には、クロストークを抑制することができる。しかしながら、トレンチの上を配線が横切る場合には、かかる部分において、寄生容量が増大し、出力パルスの立ち上がりが緩慢になる。一方、本態様の構造では、トレンチは隙間を有しており、配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されているので、このような寄生容量は発生せず、出力パルスの立ち上がりが急峻になる。したがって、時間分解能を向上させることができる。 By providing the trench, it is possible to prevent the photons generated by the Geiger avalanche from entering the adjacent pixels, and it is possible to prevent the charge generated in one APD from moving to the adjacent APD. Can suppress crosstalk. However, when the wiring crosses over the trench, the parasitic capacitance increases in such a portion and the rise of the output pulse becomes slow. On the other hand, in the structure of this aspect, since the trench has a gap and the wiring is connected to the output terminal through the gap, such a parasitic capacitance does not occur, and the output pulse rises. Becomes steep. Therefore, the time resolution can be improved.
また、前記トレンチは、前記APDの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域を備えることを特徴とする。トレンチ用半導体領域は、APDのトレンチが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するAPDへの電荷の移動を抑制することができる。 The trench may include a trench semiconductor region having a conductivity type opposite to that of the APD on which the trench is provided. Since the semiconductor region for trenches has a conductivity type opposite to that of the APD on which the trench is provided, the movement of electric charges to the adjacent APD can be suppressed.
前記トレンチは、導電性の芯材と、前記芯材の周囲に絶縁層を介して設けられ、前記APDの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域とを備えることを特徴とする。 The trench includes a conductive core material and a trench semiconductor region provided around the core material via an insulating layer and having a conductivity type opposite to that of the side of the APD on which the trench is provided. It is characterized by that.
トレンチに電気的な接続を行う場合、導電性の芯材を有すると、簡単に電気的な接続を行うことができる。上述のように、トレンチ用半導体領域があれば、電荷の移動を抑制することができるが、トレンチと、APDのトレンチ側の電位が一致すると、トレンチに基板側からバイアスがかかり、電荷の不要な移動に寄与するため、芯材とトレンチ用半導体領域とは絶縁層を介して分離しておくことが好ましい。 When electrical connection is made to the trench, the electrical connection can be easily made by having a conductive core material. As described above, if there is a semiconductor region for trenches, the movement of charges can be suppressed. However, if the potentials on the trench side and the trench side of the APD coincide with each other, a bias is applied to the trench from the substrate side, and charge is unnecessary. In order to contribute to the movement, the core material and the trench semiconductor region are preferably separated via an insulating layer.
また、上記光検出器は、前記トレンチに電気的に接続されたトレンチ接続用配線を更に備えることを特徴とする。トレンチがフローティングの状態の場合には、トレンチの容量を介して、隣接するAPDに、交流的に電荷が流れ込む可能性がある。トレンチが、トレンチ接続用配線を介して、一定の電位に固定されていれば、隣接するAPDへの流入電荷を抑制することができる。 The photodetector further includes a trench connection wiring electrically connected to the trench. In the case where the trench is in a floating state, there is a possibility that an electric charge flows in an alternating manner into the adjacent APD through the capacitance of the trench. If the trench is fixed at a constant potential via the trench connection wiring, the charge flowing into the adjacent APD can be suppressed.
また、上記光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のAPD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、複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、それぞれの前記APDの周囲に設けられたトレンチと、前記トレンチに電気的に接続された配線とを備えることを特徴とする。この場合も、電気的なクロストークを抑制することができる。 The photodetector includes a plurality of APDs operating in Geiger mode, a plurality of quenching resistors connected to the APDs, and output terminals electrically connected to the quenching resistors, The wiring board includes a plurality of wirings connecting the quenching resistors and the output terminal, a trench provided around each of the APDs, and a wiring electrically connected to the trench. Also in this case, electrical crosstalk can be suppressed.
本発明の光検出器によれば、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制することが可能である。 According to the photodetector of the present invention, it is possible to improve time resolution and suppress crosstalk.
以下、実施の形態に係る光検出器について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the photodetector according to the embodiment will be described. In addition, the same code | symbol shall be used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、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。 FIG. 1 is a circuit diagram of a photodiode array in one photosensitive region.
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。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。 The photodiode array PDA is formed in the photosensitive region of the semiconductor chip. The photodiode array PDA includes a plurality of photodiodes PD and a quenching resistor R1 connected in series to each photodiode PD. The cathodes of the photodiodes PD are commonly connected, and the anodes are commonly connected via a quenching resistor R1. The plurality of photodiodes PD are two-dimensionally arranged.
また、全てのクエンチング抵抗R1は、電極又は配線E3を介して、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のカソードを基板とした場合、基板電位を相対的に(+)電位とし、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。 All the quenching resistors R1 are connected to the electrode pad PAD via the electrode or the wiring E3. In a semiconductor chip, when the cathode of the photodiode PD is a substrate, the substrate potential is set to a relatively (+) potential, and a signal is extracted from the electrode pad PAD serving as an anode. Note that the cathode and anode in the photodiode can be used interchangeably, and there are N-type and P-type conductivity types in the semiconductor chip, but they can perform the same function even if they are replaced with each other. it can.
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。 The photodiode PD is an avalanche photodiode (APD) that operates in Geiger mode. In the Geiger mode, a reverse voltage (reverse bias voltage) larger than the breakdown voltage of the APD is applied between the anode / cathode of the APD. That is, a (−) potential is applied to the anode and a (+) potential is applied to the cathode. The polarities of these potentials are relative, and one of the potentials can be a ground potential.
図2は、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。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。 FIG. 2 is a circuit diagram (A) of one photodiode and a quenching resistor, and a diagram (B) showing a unit structure in a semiconductor chip for realizing this configuration. Since a photodiode array is formed in the semiconductor chip, a plurality of unit structures shown in the figure are two-dimensionally formed.
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(第2導電型)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。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E4に向けて流れる。この電極E4は表面側に設けられていてもよい。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、クエンチング抵抗R1に電気的に接続された電極又は配線E3から取り出される。配線E3は、上述の電極パッドPADに接続される。
The
なお、クエンチング抵抗R1は、2層からなる絶縁層16、17のうち、上部の絶縁層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は例えば正電位に接続されている。
The quenching resistor R1 is formed on the upper insulating
絶縁層16及び17には、コンタクトホールが設けられており、半導体領域14とクエンチング抵抗R1とは、コンタクトホール内のコンタクト電極及び配線E1(図3参照)を介して、電気的に接続されている。なお、配線E1及びE3は、絶縁層16上に形成されている。
The insulating layers 16 and 17 are provided with contact holes, and the
図3は、図2に示した単位構造の平面図である。なお、以下の平面図では絶縁層16,17の記載を省略して、内部構造をより明瞭に図示することとする。
FIG. 3 is a plan view of the unit structure shown in FIG. In the following plan views, the description of the insulating
配線E1は絶縁層17(図2参照)に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗R1に接続されている。クエンチング抵抗R1は、絶縁層17に設けられたコンタクトホールを介して、その下層に位置する配線E3に接続されている。配線E3は、信号読出用の配線であり、半導体領域14の周囲を囲んでおり、四角環状の形状を有している。
The wiring E1 is connected to the quenching resistor R1 through a contact hole provided in the insulating layer 17 (see FIG. 2). The quenching resistor R1 is connected to a wiring E3 located under the contact hole provided in the insulating
図4は、複数の単位構造を備えてなるフォトダイオードアレイの平面図であり、図5は、図4のフォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面構成を示す図である。 FIG. 4 is a plan view of a photodiode array having a plurality of unit structures, and FIG. 5 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array of FIG.
全ての信号読出用の配線E3は、電極パッドPADに電気的に接続される。電極パッドPADは、絶縁層16上に形成されている。同図では、2行2列のフォトダイオードアレイが形成されているが、これはN行×M列であってもよい(N、Mは2以上の整数)。複数のフォトダイオードを備える構造では、1つの半導体領域13内に複数の半導体領域14が形成されている。なお、図5の断面図では、実際にはクエンチング抵抗R1は見えないが、説明を明瞭にするため、クエンチング抵抗R1を鎖線で示す。
All the signal readout wirings E3 are electrically connected to the electrode pads PAD. The electrode pad PAD is formed on the insulating
図6は、トレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図であり、図7は、図6のフォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面構成を示す図である。 FIG. 6 is a plan view of a photodiode array having a trench, and FIG. 7 is a view showing a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array of FIG.
このフォトダイオードアレイは、図5に示したフォトダイオードアレイにおいて、トレンチTrを追加した点が異なり、その他の構成は同一である。 This photodiode array is the same as the photodiode array shown in FIG. 5 except that a trench Tr is added.
平面視において、半導体領域14の周囲を囲むように、トレンチTrが形成されており、その上に配線E3が位置している。トレンチは、半導体基板表面から内部に向けて延びた凹部に芯材Tr1を埋め込んでなり、芯材Tr1の周囲には、トレンチ用半導体領域Tr3を備えている。すなわち、トレンチTrは、APDのトレンチTrが設けられた側の半導体領域14とは逆の導電型を有し、自身に接触する周囲(半導体領域12,13)よりも不純物濃度が高いトレンチ用半導体領域Tr3を備えている。
In plan view, a trench Tr is formed so as to surround the periphery of the
トレンチ用半導体領域Tr3は、APDのトレンチTrが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するAPDへの電荷の移動を抑制することができるように考えられるが、実際には、寄生容量が機能して、電荷の移動が生じる。 The trench semiconductor region Tr3 has a conductivity type opposite to that of the APD on which the trench Tr is provided, so that it can be considered that the movement of charges to the adjacent APD can be suppressed. The parasitic capacitance functions to cause charge transfer.
そこで、実施形態に係る光検出器では、以下の改良を行った。 Therefore, the photodetector according to the embodiment has been improved as follows.
図8は、切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図、図9は、図8のフォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面構成を示す図である。 FIG. 8 is a plan view of a photodiode array including a trench having a cut portion, and FIG. 9 is a diagram illustrating a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array of FIG.
この光検出器は、図6に示したフォトダイオードアレイにおいて、それぞれのAPD(半導体領域14)の周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間(図7のCで示される部分)を有するリング形状を有するトレンチTrを備え、信号読出用の配線E3は、この隙間を通って、出力端子としての電極パッドPADに接続されている。 This photodetector is provided around each APD (semiconductor region 14) in the photodiode array shown in FIG. 6, and has a gap (a portion indicated by C in FIG. 7) that is partially cut off in plan view. The signal line E3 is connected to an electrode pad PAD as an output terminal through this gap.
詳説すれば、実施形態に係る光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のAPD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R1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PADと、複数のクエンチング抵抗R1と出力端子PADとを接続する配線E3と、それぞれのAPD(半導体領域14)の周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチTrとを備えている。 Specifically, the photodetector according to the embodiment is electrically connected to a plurality of APDs operating in Geiger mode, a plurality of quenching resistors R1 connected to each APD, and each quenching resistor R1. The output terminal PAD, the wiring E3 connecting the plurality of quenching resistors R1 and the output terminal PAD, and the periphery of each APD (semiconductor region 14) are provided and have gaps partially cut off in plan view. And a trench Tr having a ring shape.
トレンチTrを設けることにより、1つのAPDにおいて発生した電荷が、隣接するAPDに移動することを防止できるため、原則的には、クロストークを抑制することができる。しかしながら、トレンチの上を配線E3が横切る場合には、かかる部分において、寄生容量が増大し、出力パルスの立ち上がりが緩慢になる。一方、本構造では、トレンチTrは隙間(図8のCの部分)を有しており、配線E3は、隙間を通って、出力端子PADに接続されているので、このような寄生容量は発生せず、出力パルスの立ち上がりが急峻になる。したがって、時間分解能を向上させることができる。 By providing the trench Tr, the charge generated in one APD can be prevented from moving to the adjacent APD, so that crosstalk can be suppressed in principle. However, when the wiring E3 crosses over the trench, the parasitic capacitance increases in such a portion, and the rise of the output pulse becomes slow. On the other hand, in this structure, the trench Tr has a gap (part C in FIG. 8), and the wiring E3 is connected to the output terminal PAD through the gap. Therefore, such a parasitic capacitance is generated. Without rising, the output pulse rises steeply. Therefore, the time resolution can be improved.
また、トレンチTrを構成するトレンチ用半導体領域Tr3は、APDのトレンチが設けられた側の半導体領域14とは逆の導電型を有しており、自身に接触する周囲の領域(12,13)よりも高い不純物領域を有している。トレンチ用半導体領域Tr3は、APDのトレンチが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するAPDへの電荷の移動を抑制することができる。
Further, the trench semiconductor region Tr3 constituting the trench Tr has a conductivity type opposite to that of the
なお、同図に示す配線E3は、受光面としての半導体領域14とは重ならない位置に設けられている。
The wiring E3 shown in the figure is provided at a position that does not overlap the
図10は、切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図であり、図11は、図10又は図12のフォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面構成を示す図である。 FIG. 10 is a plan view of a photodiode array including a trench having a cut portion, and FIG. 11 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array of FIG. 10 or FIG.
このフォトダイオードアレイは、配線E3が受光面としての半導体領域14の中央を横切るように設けられている点が、図8及び図9に示したものと異なり、その他の点は同一である。この構造の場合においても、上記と同様の効果を奏することは可能であるが、配線E3が光の入射を抑制するという点では、上述の構造に劣る。配線E3をITOなどの透明材料から構成すれば、かかる不具合は解消される。
This photodiode array is the same as the photodiode array shown in FIGS. 8 and 9 except that the wiring E3 is provided so as to cross the center of the
図12は、透明材料からなるクエンチング抵抗を有するフォトダイオードアレイの平面図である。同図の断面構成は、図11に示したものと同一であり、クエンチング抵抗R1の位置のみが、図10のものと異なる。本例では、クエンチング抵抗R1の位置を、半導体領域14上に変更したものであり、クエンチング抵抗R1をSiCr、WSiなどの金属薄膜の透明材料から構成する。この構造の場合においても、上記と同様の効果を奏することは可能である。
FIG. 12 is a plan view of a photodiode array having a quenching resistance made of a transparent material. The cross-sectional configuration in the figure is the same as that shown in FIG. 11, and only the position of the quenching resistor R1 is different from that in FIG. In this example, the position of the quenching resistor R1 is changed on the
図13は、半導体領域14の周囲を囲むように配線を設けたフォトダイオードアレイの平面図であり、図14は、図13のフォトダイオードアレイのA−A矢印縦断面構成を示す図である。
13 is a plan view of a photodiode array in which wiring is provided so as to surround the periphery of the
この構造は、図12に示したものと、配線E3の平面形状のみが異なり、その他の点は、同一である。配線E3は、半導体領域14の周囲を囲んでおり、基板表面電位を安定化させている。なお、配線E3は、半導体領域14の外縁の外側に位置しているが、これは外縁上に位置していてもよい。上述の透明材料を用いることにより、開口率を大きくすることができる。また、配線E3の設定により、ガイガーアバランシェ発生時の受光面と配線E3の電位差に起因する静電誘導効果による鋭いパルスを発生させることも可能である。
This structure is different from that shown in FIG. 12 only in the planar shape of the wiring E3, and the other points are the same. The wiring E3 surrounds the periphery of the
なお、上述のトレンチ間の隙間は、隣接する半導体領域14間の重心間距離が50μm(=Lとする)の場合、5μm程度(=L×10%±5%)に設定することができる。トレンチが半導体領域14の四方完全に囲んでいる場合と比較すると、半導体領域14の全周に対するトレンチ非存在領域の長さは5%程度となる。
The gap between the trenches can be set to about 5 μm (= L × 10% ± 5%) when the distance between the centers of gravity between
次に、クロストークを抑制するため、トレンチの電位を固定する手法について説明する。 Next, a method for fixing the potential of the trench in order to suppress crosstalk will be described.
図15は、フォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図(A)及び平面図(B)である。なお、本願における電圧の印加は、駆動回路DRVを用いて行うこととする。なお、電子は黒丸、ホールは白丸で示す。 FIGS. 15A and 15B are a vertical sectional view and a plan view of the photodiode array. Note that voltage application in the present application is performed by using the drive circuit DRV. Electrons are indicated by black circles and holes are indicated by white circles.
フォトダイオードアレイの受光面にフォトンが入射して、ガイガーモードで、アバランシェ降伏が生じると、10万倍程度に増倍された電子・ホール対はクエンチング抵抗R1を通して出力される。ホールはP型の半導体領域14へ、電子はN型の半導体領域12の方向にドリフトする。
When photons enter the light receiving surface of the photodiode array and avalanche breakdown occurs in the Geiger mode, the electron / hole pairs multiplied by about 100,000 are output through the quenching resistor R1. The holes drift toward the P-
例えば、N型のカソードに50V、P型のアノードに0Vを印加していた場合を考えると、発生したキャリアは、クエンチング抵抗R1が非常に大きいためにすぐに流れることができず、受光面としての半導体領域14に蓄積されることになる。その結果、半導体領域12及び13間に形成されるPN接合間の電荷量が変化し、ΔV =ΔQ/Cの式(ΔVは電圧変化、ΔQは電荷変化、Cは容量)により、蓄積されたキャリアに依存した電位の変化が生じる。
For example, considering the case where 50 V is applied to the N-type cathode and 0 V is applied to the P-type anode, the generated carriers cannot flow immediately because the quenching resistance R1 is very large, and the light receiving surface. Are accumulated in the
ブレイクダウン電圧よりも5V高い電圧(超過電圧)をフォトダイオードに印加していた場合、定常状態で0Vであった受光面の電位は、アバランシェ降伏の発生により、5V変化する(光入射により、配線E1の電位が0Vから5Vに変化する)。つまり、隣接APD間には、超過電圧に相当する電位差が、瞬間的に発生することになる。 When a voltage (excess voltage) higher than the breakdown voltage by 5V is applied to the photodiode, the potential of the light receiving surface, which was 0V in the steady state, changes by 5V due to the occurrence of avalanche breakdown (the wiring due to light incidence) The potential of E1 changes from 0V to 5V). That is, a potential difference corresponding to the excess voltage instantaneously occurs between adjacent APDs.
トレンチTrとその周辺は、容量とみなすことができるため、ガイガーアバランシェ増倍が起きたAPDに隣接するAPDは、トレンチとその周辺の容量を介し、静電誘導によりパルス電流が流れることになる(図16(A)参照)。なお、図16(A)は、トレンチに配線が接続されていない場合のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示している。この場合、隣接APDにキャリアが発生することになるため、そのキャリアが、PN接合の近傍領域P2に注入され、ガイガーアバランシェ増倍が発生し、偽の信号となる。この現象は電気的クロストークと考えることができる。 Since the trench Tr and its surroundings can be regarded as capacitance, a pulse current flows through the trench and its surrounding capacitance in the APD adjacent to the APD in which Geiger avalanche multiplication has occurred ( FIG. 16A). Note that FIG. 16A illustrates a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array when no wiring is connected to the trench. In this case, since carriers are generated in the adjacent APD, the carriers are injected into the vicinity region P2 of the PN junction, and Geiger avalanche multiplication occurs, resulting in a false signal. This phenomenon can be considered as electrical crosstalk.
上述のトレンチにより、オプティカルクロストーク成分を大幅に減少することができるが、ゼロにはならない。例えば、5Vの超過電圧が発生した場合、隣接するAPDにおいて、10%程度のクロストークが発生する。 The above-described trench can greatly reduce the optical crosstalk component, but it does not become zero. For example, when an excess voltage of 5 V occurs, about 10% of crosstalk occurs in the adjacent APD.
図16(B)は、トレンチに配線が接続されている場合のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。 FIG. 16B is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the photodiode array when wiring is connected to the trench.
トレンチの電位はフローティングとすることも可能であるが、電気的クロストーク成分を低減するために、トレンチ(トレンチ用半導体領域Tr3含む)の電位を固定することが好ましい。このようにAPD間に位置するトレンチの電位を固定すれば、隣接APDへの電位変化の影響が小さくなる。 Although the potential of the trench can be floating, it is preferable to fix the potential of the trench (including the trench semiconductor region Tr3) in order to reduce the electrical crosstalk component. Thus, if the potential of the trench located between the APDs is fixed, the influence of the potential change on the adjacent APD is reduced.
トレンチTr内の芯材Tr1(タングステンなどの高融点金属)と配線E3(アルミニウム)を接続し、アノード配線と別の電圧印加ラインを形成し、このラインにN型基板と同じ50Vを印加すれば、トレンチの電位が固定される。この場合、電気的クロストークは低減する。ここでトレンチTrへのバイアス電圧は、基板と同電位にする。この場合、トレンチの芯材Tr1と、芯材Tr1周りのN型のトレンチ用半導体領域Tr3は同電位となり、トレンチ周囲の耐圧を考慮する必要がなくなる。 If the core material Tr1 (a refractory metal such as tungsten) in the trench Tr is connected to the wiring E3 (aluminum), a voltage application line different from the anode wiring is formed, and the same 50V as that of the N-type substrate is applied to this line. The potential of the trench is fixed. In this case, electrical crosstalk is reduced. Here, the bias voltage to the trench Tr is set to the same potential as the substrate. In this case, the trench core material Tr1 and the N-type trench semiconductor region Tr3 around the core material Tr1 have the same potential, and it is not necessary to consider the breakdown voltage around the trench.
上述のようにトレンチ接続用配線ETrを、トレンチの芯材Tr1に接触させ、これに電気的に接続した場合には、上述の図9、図11、図14の構造は、それぞれ、図17、図18、図19の構造となる。 As described above, when the trench connection wiring ETr is brought into contact with and electrically connected to the core material Tr1 of the trench, the structures shown in FIGS. The structure is as shown in FIGS.
トレンチ接続用配線ETrは、絶縁層16のコンタクトホールを介して、芯材Tr1に接触し、これに電気的に接続されている。トレンチ接続用配線ETrは、基板と同電位を印加することが可能であるが、別の電位に固定することも可能である。
The trench connection wiring ETr is in contact with and electrically connected to the core material Tr1 through the contact hole of the insulating
例えば、トレンチTrの電位を受光部(半導体領域14)と同じ0Vにすることもできる。この場合はトレンチ内の芯材Tr1と、トレンチ用半導体領域Tr3との間に、50Vの電圧が印加されることになるため、トレンチ内部に絶縁層Tr2を形成し、芯材Tr1とトレンチ用半導体領域Tr3とを分離する。 For example, the potential of the trench Tr can be set to 0 V, which is the same as that of the light receiving portion (semiconductor region 14). In this case, since a voltage of 50 V is applied between the core material Tr1 in the trench and the trench semiconductor region Tr3, an insulating layer Tr2 is formed inside the trench, and the core material Tr1 and the trench semiconductor are formed. The region Tr3 is separated.
図20は、このような3層構造のトレンチを備えたフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。 FIG. 20 is a view showing a longitudinal sectional configuration of a photodiode array having such a three-layered trench.
PN接合の近傍領域P2で発生した電子は、3層のトレンチTrを通過しようとするが、トレンチTrには0Vが印加されている。すなわち、配線E1と配線E3の電位は、共に同じ電位である0Vが与えられている。基板電位としては電極E4に50Vが与えられる。 Electrons generated in the vicinity region P2 of the PN junction try to pass through the three-layer trench Tr, and 0 V is applied to the trench Tr. That is, 0 V, which is the same potential, is applied to the wirings E1 and E3. As a substrate potential, 50 V is applied to the electrode E4.
図21は、3層のトレンチ近傍の縦断面構成を示す図である。 FIG. 21 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration in the vicinity of a three-layer trench.
このトレンチTrは、導電性の芯材Tr1と、芯材Tr1の周囲に絶縁層Tr2を介して設けられたトレンチ用半導体領域Tr3を備えている。トレンチ用半導体領域Tr3は、APDのトレンチが設けられた側のとは逆の導電型を有し、自身に接触する周囲の半導体領域(12,13)よりも不純物濃度が高い。 The trench Tr includes a conductive core material Tr1 and a trench semiconductor region Tr3 provided around the core material Tr1 via an insulating layer Tr2. The trench semiconductor region Tr3 has a conductivity type opposite to that of the APD on which the trench is provided, and has a higher impurity concentration than the surrounding semiconductor regions (12, 13) in contact with the trench semiconductor region Tr3.
トレンチTrに電気的な接続を行う場合、上述のように、導電性の芯材Tr1を有すると、簡単に電気的な接続を行うことができる。トレンチ用半導体領域Tr3があれば、電荷の移動を抑制することができるが、トレンチと、APDのトレンチ側の電位が一致すると、トレンチに基板側からバイアスがかかり、トレンチ近傍の耐圧を上げ、また、電荷の不要な移動に寄与するため、芯材Tr1とトレンチ用半導体領域Tr3とは絶縁層Tr2を介して分離しておくことが好ましい。絶縁層Tr2は、BPSGやSiO2からなる。 When electrical connection is made to the trench Tr, the electrical connection can be easily made by having the conductive core material Tr1 as described above. If there is the trench semiconductor region Tr3, the movement of charges can be suppressed, but if the trench and the potential of the APD on the trench side match, the trench is biased from the substrate side, increasing the breakdown voltage in the vicinity of the trench, In order to contribute to unnecessary movement of charges, it is preferable that the core material Tr1 and the trench semiconductor region Tr3 be separated via the insulating layer Tr2. Insulating layer Tr2 is composed of BPSG or SiO 2.
なお、トレンチTrには、トレンチ接続用配線ETrが接続されている。トレンチTrがフローティングの状態の場合には、トレンチTrの容量を介して、隣接するAPDに、交流的に電荷が流れ込む可能性があるが、トレンチTrが、トレンチ接続用配線ETrを介して、一定の電位に固定されていれば、隣接するAPDへの流入電荷を抑制することができる。 A trench connection wiring ETr is connected to the trench Tr. In the case where the trench Tr is in a floating state, there is a possibility that an electric charge flows into an adjacent APD via the capacitance of the trench Tr, but the trench Tr is constant via the trench connection wiring ETr. If it is fixed at the potential, it is possible to suppress the charge flowing into the adjacent APD.
図22は、図13の構造に、トレンチ接続用配線ETrを追加した場合のフォトダイオードアレイの平面図である。同図では、トレンチとトレンチ接続用配線ETrとは、電極パッドPAD2の位置を除いて、重なる位置にある。この構造の場合、P+の配線E3がトレンチと別の場所に形成されているために寄生容量の発生がなく、またトレンチTrはトレンチ接続用配線ETrにて電位を固定されているため、電気的クロストークの発生を抑えることができる。 FIG. 22 is a plan view of a photodiode array in which a trench connection wiring ETr is added to the structure of FIG. In the figure, the trench and the trench connection wiring ETr are located at the overlapping positions except for the position of the electrode pad PAD2. In the case of this structure, since the P + wiring E3 is formed at a different location from the trench, no parasitic capacitance is generated, and the potential of the trench Tr is fixed by the trench connection wiring ETr. The occurrence of crosstalk can be suppressed.
なお、例えばTOF−PETのように高い時間分解能が要求される分野においては、素子の容量が小さいほど出力パルス波形の立ち上がりが速くなり時間分解能に有利となり、寄生容量の増加は好ましくない。またクロストーク成分はノイズとなるために出力パルスベースライン揺らぎに影響し、時間分解能を悪化させる原因となる。上述の構造ではトレンチを形成することでオプティカルクロストークの発生を抑えており、かつ受光部配線がトレンチ上に形成されていないために、寄生容量の発生がなく、またトレンチ部は別の配線により電位を固定されているためにガイガーアバランシェ発生時の電圧変化を受けた隣接ピクセルに対するトレンチ容量を介したパルス電流成分を低減することができるために、電気的クロストークの発生を抑制する構造となっている。 In the field where high time resolution is required, such as TOF-PET, for example, the smaller the capacitance of the element, the faster the rise of the output pulse waveform is advantageous for time resolution, and an increase in parasitic capacitance is not preferable. Further, since the crosstalk component becomes noise, it affects the fluctuation of the output pulse baseline and causes the time resolution to deteriorate. In the above structure, the formation of the trench suppresses the occurrence of optical crosstalk, and the light receiving portion wiring is not formed on the trench, so that no parasitic capacitance is generated, and the trench portion is formed by another wiring. Since the potential is fixed, it is possible to reduce the pulse current component through the trench capacitance for the adjacent pixels that have undergone voltage changes during the generation of Geiger avalanche. ing.
図23は、図22の具体的なフォトダイオードアレイの平面図(A)と、1つのフォトダイオードの平面図(B)である。 FIG. 23 is a plan view (A) of the specific photodiode array of FIG. 22 and a plan view (B) of one photodiode.
二次元状に上述のフォトダイオード(半導体領域14)が配置されており、基板表面は、パッシベーション膜PMで被覆されている。半導体領域13はウエル領域として、半導体基板としての半導体領域12の内側に形成されている。なお、基板表面の周囲には、このウエル領域を囲むように、高濃度のn型半導体領域Hが形成され、電極E4は、n型半導体領域Hに接触するように、基板の表面側の面に設けられている。基板の3か所の隅のパッシベーション膜PMは、除去されており、電極E4が露出している。
The above-described photodiodes (semiconductor regions 14) are arranged two-dimensionally, and the substrate surface is covered with a passivation film PM. The
クエンチング抵抗R1は、半導体領域14の外縁上に沿って環状に形成されており、1か所で、半導体領域14に接触している。すなわち、図23(B)の平面図において、クエンチング抵抗R1とアルミニウムの配線E3との接続点は半導体領域14には接触していないが、これとは異なる1か所(図の左側におけるクエンチング抵抗R1が小さな四角形状となっている位置)において、アルミニウムのコンタクト電極(配線E1)を介して、半導体領域14に電気的に接続されている。配線E3は、クエンチング抵抗R1の周囲を囲んでおり、その外側にトレンチ接続用配線ETrが設けられ、その下にトレンチTrが位置している。トレンチ接続用配線ETrは、電極パッドPAD2に接続されている。
The quenching resistor R1 is formed in an annular shape along the outer edge of the
なお、上述の半導体領域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型の半導体領域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、半導体領域12と半導体層13との間に形成されている。
Note that the
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。
As the layer structure of the semiconductor substrate, a structure in which the conductivity type is reversed from the above can be adopted. That is, the (type 2) structure is formed by forming an n-
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。
Also, the pn junction interface can be formed on the surface layer side. In this case, in the (type 3) structure, the n-
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。
Of course, even in such a structure, the conductivity type can be reversed. That is, the (type 4) structure is such that a p-
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に設定できる。 In addition, the suitable range of the conductivity type, impurity concentration, and thickness of each layer in the above-described semiconductor structure can be set as follows.
(タイプ1)
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1018〜1×1020cm−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/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1018〜1×1020cm−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/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1018〜1×1020cm−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/5×1011〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
半導体領域14(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1018〜1×1020cm−3/10〜1000nm)
(Type 1)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 2)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 3)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
(Type 4)
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 5 × 10 11 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Semiconductor region 14 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 10 to 1000 nm)
また、トレンチ用半導体領域Tr3の濃度は、半導体領域12,13よりも高濃度であっても低濃度であってもよい。また、トレンチ用半導体領域Tr3の濃度は、半導体領域12の濃度と同一であってもよい。
The concentration of the semiconductor region Tr3 for trenches may be higher or lower than that of the
図25は、このような場合の構造の断面図であり、図19の構造の場合にTr3を省略した構造の断面図である。この場合、芯材Tr1の周囲に設けられるトレンチ用半導体領域Tr3の不純物濃度は、半導体領域12の不純物濃度と同一であるが、これよりも低不純物濃度としてもよい。なお、この不純物濃度の関係は、上述の実施形態における断面構造に適用することができる。なお、半導体領域12が高不純物濃度のn型であり、半導体領域13が不純物濃度が低くないn型であり、半導体領域14がp型の場合には、高不純物濃度のトレンチ用半導体領域Tr3は省略することもできる。トレンチ内壁に隣接する半導体領域が、半導体領域14とは反対の導電型であるn型であれば、上述の効果を奏することができる。
FIG. 25 is a cross-sectional view of the structure in such a case, and is a cross-sectional view of the structure in which Tr3 is omitted in the structure of FIG. In this case, the impurity concentration of the trench semiconductor region Tr3 provided around the core material Tr1 is the same as the impurity concentration of the
なお、半導体領域12よりもトレンチ用半導体領域Tr3の方の不純物濃度が低い場合の一例を、以下に示す。また、半導体領域14の性質は上記のものを利用することができる。
半導体領域12(導電型/不純物濃度/厚み)
(n型/1×1018〜1×1020cm−3/30〜700μm)
半導体領域13(導電型/不純物濃度/厚み)
(p型/1×1014〜1×1017cm−3/2〜50μm)
トレンチ用半導体領域Tr3(導電型/不純物濃度)
(n型/1×1015〜cm−3)
An example in which the impurity concentration in the trench semiconductor region Tr3 is lower than that in the
Semiconductor region 12 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(N-type / 1 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 / 30 to 700 μm)
Semiconductor region 13 (conductivity type / impurity concentration / thickness)
(P-type / 1 × 10 14 to 1 × 10 17 cm −3 / 2 to 50 μm)
Trench semiconductor region Tr3 (conductivity type / impurity concentration)
(N-type / 1 × 10 15 to cm −3 )
また、それぞれの半導体領域13は、ウエル領域を構成させて、各半導体領域14毎に対応して互いに分離することも可能である。
Each
なお、図24は、上述のフォトダイオードアレイ(光検出器D1とする)と、シンチレータSCとを備えた検出器であり、PET装置やCT装置に適用することができる。この場合、シンチレータSCにX線やγ線などの放射線が入射すると、蛍光が発生し、かかる蛍光を光検出器D1が検出する。 FIG. 24 shows a detector including the above-described photodiode array (photodetector D1) and scintillator SC, and can be applied to a PET apparatus or a CT apparatus. In this case, when radiation such as X-rays or γ-rays enters the scintillator SC, fluorescence is generated, and the fluorescence is detected by the photodetector D1.
SC…シンチレータ、R1…クエンチング抵抗、D1…光検出器、Tr…トレンチ。 SC ... scintillator, R1 ... quenching resistor, D1 ... photodetector, Tr ... trench.
Claims (5)
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、
複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、
それぞれの前記APDの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチと、
を備え、
前記配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されている、
ことを特徴とする光検出器。 Multiple APDs operating in Geiger mode;
A plurality of quenching resistors respectively connected to each of the APDs;
An output terminal electrically connected to each quenching resistor;
Wiring for connecting the plurality of quenching resistors and the output terminal;
A trench having a ring shape provided around each of the APDs and having a gap partially cut off in plan view;
With
The wiring is connected to the output terminal through the gap.
A photodetector.
前記APDの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域を備えることを特徴とする請求項1に記載の光検出器。 The trench is
The photodetector according to claim 1, further comprising a trench semiconductor region having a conductivity type opposite to a side of the APD on which the trench is provided.
導電性の芯材と、
前記芯材の周囲に絶縁層を介して設けられ、前記APDの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光検出器。 The trench is
A conductive core material;
A trench semiconductor region provided around the core member via an insulating layer and having a conductivity type opposite to the side of the APD on which the trench is provided;
The photodetector according to claim 1, further comprising:
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、
複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、
それぞれの前記APDの周囲に設けられたトレンチと、
前記トレンチに電気的に接続された配線と、
を備えることを特徴とする光検出器。
Multiple APDs operating in Geiger mode;
A plurality of quenching resistors respectively connected to each of the APDs;
An output terminal electrically connected to each quenching resistor;
Wiring for connecting the plurality of quenching resistors and the output terminal;
A trench provided around each of the APDs;
A wiring electrically connected to the trench;
A photodetector comprising:
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---|---|
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Cited By (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101707897B1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-02-27 | 국방과학연구소 | Silicon photomultiplier |
KR101763865B1 (en) | 2015-12-29 | 2017-08-01 | 한국과학기술원 | Silicon photomultiplier device |
JP2018019039A (en) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | キヤノン株式会社 | Photodetector and photodetection system |
JP2018019040A (en) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | キヤノン株式会社 | Photodetection device and photodetection system |
JP2018088488A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Sensor chip and electronic apparatus |
JP2018088494A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | キヤノン株式会社 | Photo-detection device and photo-detection system |
US10347670B2 (en) | 2017-03-15 | 2019-07-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photodetection element |
WO2020017188A1 (en) * | 2018-07-18 | 2020-01-23 | 浜松ホトニクス株式会社 | Semiconductor photodetection device |
JP2020150161A (en) * | 2019-03-14 | 2020-09-17 | 株式会社東芝 | Photodetector and lidar device |
CN111725347A (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-29 | 株式会社东芝 | Light detection device |
JP2021027192A (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 株式会社東芝 | Light-receiving device, manufacturing method of light-receiving device and distance measurement device |
EP3787025A1 (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector, light detection system, lidar device, and vehicle |
US11309442B2 (en) | 2016-07-29 | 2022-04-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Photodetection device and photodetection system |
US11346953B2 (en) * | 2018-07-20 | 2022-05-31 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photo detector, photo detection system, lidar device and vehicle |
JP2022143820A (en) * | 2021-03-18 | 2022-10-03 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
US11508856B2 (en) | 2020-08-28 | 2022-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
JP2022549602A (en) * | 2019-09-18 | 2022-11-28 | エルファウンドリー エッセ.エッレ.エッレ | Method for fabricating back-illuminated optical sensor with improved detection parameters |
JP2023502183A (en) * | 2020-01-28 | 2023-01-20 | アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド | Single-photon avalanche diode device |
WO2023132004A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | キヤノン株式会社 | Photoelectric conversion device |
JP2023107794A (en) * | 2022-03-04 | 2023-08-03 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Photodetectors and electronic devices |
US12159954B2 (en) | 2021-03-23 | 2024-12-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector |
JP2024169356A (en) * | 2023-05-24 | 2024-12-05 | フィルスト ゼンザー アーゲー | Light receiving element and method for assembling same |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61133660A (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-20 | Olympus Optical Co Ltd | solid state image sensor |
JP2003086826A (en) * | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Hamamatsu Photonics Kk | Photodiode array, solid image pickup unit and radiation detector |
JP2005129789A (en) * | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Hamamatsu Photonics Kk | Semiconductor light receiving element |
WO2008004547A1 (en) * | 2006-07-03 | 2008-01-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
US20100148040A1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-06-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof |
-
2013
- 2013-10-25 JP JP2013222762A patent/JP2015084392A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61133660A (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-20 | Olympus Optical Co Ltd | solid state image sensor |
JP2003086826A (en) * | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Hamamatsu Photonics Kk | Photodiode array, solid image pickup unit and radiation detector |
JP2005129789A (en) * | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Hamamatsu Photonics Kk | Semiconductor light receiving element |
WO2008004547A1 (en) * | 2006-07-03 | 2008-01-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodiode array |
US20100148040A1 (en) * | 2008-12-17 | 2010-06-17 | Stmicroelectronics S.R.L. | Geiger-mode photodiode with integrated and adjustable quenching resistor, photodiode array, and manufacturing method thereof |
Cited By (36)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101707897B1 (en) * | 2015-10-23 | 2017-02-27 | 국방과학연구소 | Silicon photomultiplier |
KR101763865B1 (en) | 2015-12-29 | 2017-08-01 | 한국과학기술원 | Silicon photomultiplier device |
JP7013120B2 (en) | 2016-07-29 | 2022-01-31 | キヤノン株式会社 | Photodetector and photodetector |
JP2018019039A (en) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | キヤノン株式会社 | Photodetector and photodetection system |
JP2018019040A (en) * | 2016-07-29 | 2018-02-01 | キヤノン株式会社 | Photodetection device and photodetection system |
US11309442B2 (en) | 2016-07-29 | 2022-04-19 | Canon Kabushiki Kaisha | Photodetection device and photodetection system |
JP2018088488A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Sensor chip and electronic apparatus |
JP2018088494A (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | キヤノン株式会社 | Photo-detection device and photo-detection system |
US11411032B2 (en) | 2016-11-29 | 2022-08-09 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Sensor chip and electronic device |
JP7055544B2 (en) | 2016-11-29 | 2022-04-18 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Sensor chips and electronic devices |
US10347670B2 (en) | 2017-03-15 | 2019-07-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photodetection element |
JP2020021889A (en) * | 2018-07-18 | 2020-02-06 | 浜松ホトニクス株式会社 | Semiconductor optical detection device |
US12021100B2 (en) | 2018-07-18 | 2024-06-25 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodetection device, semiconductor photodetection element, and method for driving semiconductor photodetection element |
US12046612B2 (en) | 2018-07-18 | 2024-07-23 | Hamamatsu Photonics K.K. | Semiconductor photodetection device having a plurality of avalanche photodiodes |
US12324263B2 (en) | 2018-07-18 | 2025-06-03 | Hamamatsu Photonics K.K. | Photodetection device, semiconductor photodetection element, and method for driving semiconductor photodetection element |
WO2020017188A1 (en) * | 2018-07-18 | 2020-01-23 | 浜松ホトニクス株式会社 | Semiconductor photodetection device |
JP7178819B2 (en) | 2018-07-18 | 2022-11-28 | 浜松ホトニクス株式会社 | Semiconductor photodetector |
US11346953B2 (en) * | 2018-07-20 | 2022-05-31 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Photo detector, photo detection system, lidar device and vehicle |
JP2020150161A (en) * | 2019-03-14 | 2020-09-17 | 株式会社東芝 | Photodetector and lidar device |
JP7098559B2 (en) | 2019-03-14 | 2022-07-11 | 株式会社東芝 | Photodetector and lidar device |
CN111725347A (en) * | 2019-03-19 | 2020-09-29 | 株式会社东芝 | Light detection device |
JP2021027192A (en) * | 2019-08-06 | 2021-02-22 | 株式会社東芝 | Light-receiving device, manufacturing method of light-receiving device and distance measurement device |
EP3787025A1 (en) * | 2019-08-29 | 2021-03-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector, light detection system, lidar device, and vehicle |
JP2022549602A (en) * | 2019-09-18 | 2022-11-28 | エルファウンドリー エッセ.エッレ.エッレ | Method for fabricating back-illuminated optical sensor with improved detection parameters |
JP7631324B2 (en) | 2019-09-18 | 2025-02-18 | エルファウンドリー エッセ.エッレ.エッレ | Method for manufacturing back-illuminated optical sensor with improved detection parameters |
JP2023502183A (en) * | 2020-01-28 | 2023-01-20 | アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド | Single-photon avalanche diode device |
JP7319743B2 (en) | 2020-01-28 | 2023-08-02 | アダップス・フォトニクス・インコーポレイテッド | Single-photon avalanche diode device |
US11508856B2 (en) | 2020-08-28 | 2022-11-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
US11710750B2 (en) | 2021-03-18 | 2023-07-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
JP7487131B2 (en) | 2021-03-18 | 2024-05-20 | 株式会社東芝 | Semiconductor Device |
JP2022143820A (en) * | 2021-03-18 | 2022-10-03 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
US12159954B2 (en) | 2021-03-23 | 2024-12-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light detector |
WO2023132004A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | キヤノン株式会社 | Photoelectric conversion device |
JP2023107794A (en) * | 2022-03-04 | 2023-08-03 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Photodetectors and electronic devices |
JP7524407B2 (en) | 2022-03-04 | 2024-07-29 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Photodetector and electronic device |
JP2024169356A (en) * | 2023-05-24 | 2024-12-05 | フィルスト ゼンザー アーゲー | Light receiving element and method for assembling same |
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