JP2022074328A - 光検出器、放射線検出器及びｐｅｔ装置 - Google Patents

光検出器、放射線検出器及びｐｅｔ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】応答時間を十分に均一化することができる光検出器、並びに、そのような光検出器を備える放射線検出器及びＰＥＴ装置を提供する。【解決手段】光検出器４は、二次元に配置された複数の光検出部１０、及び、読出配線を有する半導体光検出素子６と、半導体光検出素子６の表面６ａ上に配置された複数のメタレンズ８と、を備える。各光検出部１０は、半導体領域１２、及び、半導体領域１２とＰＮ接合を構成する半導体領域１３，１４を含むアバランシェフォトダイオードＡＰＤと、半導体領域１３，１４に電気的に接続された一端、及び、読出配線ＴＬに電気的に接続された他端を含むクエンチング抵抗Ｒ１と、を有する。各メタレンズ８は、各光検出部１０に重なるように二次元に配置されており、半導体領域１２内の位置であって半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５から所定距離Ｄ離れた位置に集光スポットＳが位置するように光Ｌを集光する。【選択図】図１０

Description

本発明は、光検出器、放射線検出器及びＰＥＴ装置に関する。
ＴＯＦ－ＰＥＴ（Time-of-flight positron emission tomography）装置は、円環状に配置された複数の放射線検出器を備えており、各放射線検出器は、放射線の入射によって光を発する発光体（シンチレータ、チェレンコフ輻射体等）と、発光体で発せられた光を検出する光検出器と、を備えている。ＴＯＦ－ＰＥＴ装置において高画質の画像を取得するためには、各放射線検出器の光検出器において、電荷の発生から当該電荷の検出までの時間（以下、「応答時間」という）を均一化し、単一光子時間分解能（Single photon time resolution）を向上させる必要がある。
特許文献１には、複数のＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）を有するＳｉＰＭ（SiliconPhoto Multiplier）と、ＳｉＰＭの表面上に配置された複数のマイクロレンズと、を備える光検出装置が記載されている。特許文献１に記載の光検出装置では、各ＳＰＡＤにおいて、応答時間の均一化を図るために、複数のマイクロレンズによって、各ＳＰＡＤにおける電荷の発生位置をＳｉＰＭの表面に平行な方向において制御している。
特開２０２０－１１５５７５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の光検出装置をＴＯＦ－ＰＥＴ装置の各放射線検出器に適用し、複数のマイクロレンズによって、各ＳＰＡＤにおける電荷の発生位置をＳｉＰＭの表面に平行な方向において制御しても、単一光子時間分解能を向上させる観点では、各ＳＰＡＤにおいて、応答時間を十分に均一化し得るとはいえない。
本発明は、応答時間を十分に均一化することができる光検出器、並びに、そのような光検出器を備える放射線検出器及びＰＥＴ装置を提供することを目的とする。
本発明の光検出器は、二次元に配置された複数の光検出部、及び、読出配線を有する半導体光検出素子と、半導体光検出素子の表面上に配置された複数のメタレンズと、を備え、複数の光検出部のそれぞれは、第１導電型の第１半導体領域、及び、第１半導体領域に対して表面側に位置し、第１半導体領域とＰＮ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域を含むアバランシェフォトダイオードと、第２半導体領域に電気的に接続された一端、及び、読出配線に電気的に接続された他端を含むクエンチング抵抗と、を有し、複数のメタレンズのそれぞれは、表面に交差する方向から見た場合に複数の光検出部のそれぞれに重なるように二次元に配置されており、複数の光検出部のそれぞれの第１半導体領域内の位置であって表面に交差する方向において第１半導体領域と第２半導体領域との境界から所定距離離れた位置に集光スポットが位置するように光を集光する。
本発明の光検出器では、複数の光検出部のそれぞれの第１半導体領域内の位置であって表面に交差する方向において第１半導体領域と第２半導体領域との境界から所定距離離れた位置に集光スポットが位置するように、メタレンズによって光が集光される。これにより、第１半導体領域内において電荷が発生する箇所の深さが、複数の光検出部間において均一化される。よって、本発明の光検出器によれば、応答時間を十分に均一化することができる。
本発明の光検出器では、表面に交差する方向における第１半導体領域の厚さをｔとすると、所定距離は、ｔ／２未満であってもよい。これによれば、第１半導体領域内において電荷が発生する箇所が第２半導体領域に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、表面に交差する方向における集光スポットのビームプロファイルをガウス関数に近似した場合におけるガウス関数の標準偏差をσとすると、所定距離は、０σ以上３σ以下であってもよい。これによれば、第１半導体領域内において電荷が発生する箇所が第２半導体領域に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、光の波長をλ（μｍ）とすると、複数のメタレンズのそれぞれは、（（０．６１）２πλ）１／２以上の開口数を有してもよい。これによれば、メタレンズによって集光された光のレイリー長が１μｍ程度以下にまで十分に短くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、所定距離は、０μｍ以上３μｍ以下であってもよい。これによれば、第１半導体領域内において電荷が発生する箇所が第２半導体領域に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器は、複数のメタレンズが設けられた光透過基板を更に備え、複数のメタレンズは、光透過基板を介して半導体光検出素子の表面上に配置されていてもよい。これによれば、光検出器の製造において、例えば、複数のメタレンズが形成された光透過基板を半導体光検出素子の表面に接合することで、光検出器の歩留まりを向上させることができる。また、メタレンズと光検出部との間において、光透過基板をスペーサとして機能させることができ、第１半導体領域と第２半導体領域との境界から所定距離離れた位置に集光スポットを確実に位置させることができる。
本発明の光検出器は、半導体光検出素子に対して複数のメタレンズとは反対側に配置された配線基板を更に備え、半導体光検出素子は、配線基板に電気的に且つ物理的に接続されていてもよい。これによれば、複数のメタレンズとは反対側から配線基板に外部配線を接続することができる。
本発明の放射線検出器は、放射線の入射によって光を発する発光体と、上記光検出器と、を備え、発光体は、複数のメタレンズに対して半導体光検出素子とは反対側に配置されている。
本発明の放射線検出器によれば、上述した理由により、光検出器において、応答時間を十分に均一化することができる。
本発明のＰＥＴ装置は、円環状に配置された複数の放射線検出器を備え、複数の放射線検出器のそれぞれは、上記放射線検出器である。
本発明のＰＥＴ装置によれば、上述した理由により、複数の光検出器において、応答時間を十分に均一化することができ、高画質の画像を取得することができる。
本発明によれば、応答時間を十分に均一化することができる光検出器、並びに、そのような光検出器を備える放射線検出器及びＰＥＴ装置を提供することが可能となる。
一実施形態のＰＥＴ装置の構成図である。 図１に示される放射線検出装置の構成図である。 図２に示される放射線検出器の側面図である。 図３に示される半導体光検出素子の平面図である。 図３に示される光検出器の回路図である。 図４に示される半導体光検出素子の一部分の平面図である。 図４に示される半導体光検出素子の一部分の断面図である。 図４に示される半導体光検出素子の底面図である。 図３に示される光検出器の一部分の平面図である。 図９に示されるX－X線に沿っての光検出器の一部分の断面図である。 図１０に示される光の集光状態を示す図である。 実施例及び比較例の光検出器の時間分解能を示すグラフである。 変形例の光検出器の一部分の断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に示されるように、ＰＥＴ装置１は、クレードル１０１と、ガントリ１０２と、制御装置１０３と、駆動モータ１０４と、を備えている。クレードル１０１は、ガントリ１０２の開口を通るように配置されている。クレードル１０１上には、被検体１０５が配置される。制御装置１０３は、駆動モータ制御信号によって駆動モータ１０４を制御する。これにより、被検体１０５が配置されたクレードル１０１が移動し、ガントリ１０２の開口に対する被検体１０５の相対位置が変化する。駆動モータ１０４は、ガントリ１０２を移動させるように構成されていてもよいし、クレードル１０１及びガントリ１０２を移動させるように構成されていてもよい。
ガントリ１０２は、複数の放射線検出装置１０６を有している。複数の放射線検出装置１０６は、ガントリ１０２の開口が貫通する方向に沿って配置されている。各放射線検出装置１０６は、ガントリ１０２の開口を包囲している。制御装置１０３は、各放射線検出装置１０６を制御する制御信号をガントリ１０２に入力する。ガントリ１０２は、各放射線検出装置１０６によって検出された検出信号を制御装置１０３に出力する。
図２に示されるように、放射線検出装置１０６は、複数の放射線検出器２を含んでいる。複数の放射線検出器２は、ガントリ１０２の開口を囲むように円環状に配置されている。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（陽電子放出核種）が注入される。陽電子は、被検体１０５内の陰電子と結合して消滅γ線を発生する。消滅γ線は、被検体１０５内における放射性同位元素の位置Ｐから互いに反対方向に出射される。これにより、消滅γ線は、位置Ｐを挟んで対向する一対の放射線検出器２によって検出される。制御装置１０３は、消滅γ線の飛行時間差に基づいて位置Ｐを特定し、被検体１０５の内部情報に関する画像（断層化像）を生成する。つまり、ＰＥＴ装置１は、ＴＯＦ－ＰＥＴ装置である。
図３に示されるように、放射線検出器２は、複数の放射線検出ユニット２Ａを備えている。複数の放射線検出ユニット２Ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を行方向及び列方向としてマトリックス状に配置されている。各放射線検出ユニット２Ａは、シンチレータ（発光体）３と、光検出器４と、を備えている。なお、図３において、Ｚ軸方向は、複数の放射線検出器２が配置された円環（図２参照）の径方向であり、Ｘ軸方向は、当該円環の接線方向であり、Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向及びＸ軸方向に垂直な方向である。
シンチレータ３は、光検出器４に対してガントリ１０２の開口の中心側（以下、「光入射側」という）に配置されている（図２参照）。シンチレータ３は、消滅γ線の入射によって光（蛍光）を発する。シンチレータ３は、Ｌｕ２－ｘＹｘＳｉＯ５：Ｃｅ（ＬＹＳＯ）、ガドリニウムアルミニウムガリウムガーネット（ＧＡＧＧ）、ＮａＩ（ＴＩ）、Ｐｒ：ＬｕＡＧ、ＬａＢｒ２、ＬａＢｒ３、及び（ＬｕｘＴｂ１－ｘ－ｙＣｅｙ）３Ａｌ５Ｏ１２（すなわち、ＬｕＴＡＧ）からなる群から選択される少なくとも一つの材料又は複数の混合材料からなる。なお、ＬｕＴＡＧにおいて、組成比ｘは０．５～１．５の範囲にあり、組成比ｙは０．０１～０．１５の範囲にある。
光検出器４は、シンチレータ３で発せられた光を検出する。光検出器４は、配線基板５と、半導体光検出素子６と、光透過基板７と、複数のメタレンズ８と、を有している。配線基板５は、複数の光検出器４によって共有されている。配線基板５、半導体光検出素子６、光透過基板７、及び複数のメタレンズ８は、シンチレータ３とは反対側からこの順序で配置されている。つまり、シンチレータ３は、複数のメタレンズ８に対して半導体光検出素子６とは反対側に配置されている。なお、シンチレータ３は、光透過性を有する接着剤によって光検出器４に接合されている。
図４に示されるように、半導体光検出素子６は、二次元に配置された複数の光検出部１０と、共通電極Ｅ３と、を有している。一例として、半導体光検出素子６は、Ｚ軸方向から見た場合に矩形状を呈しており、複数の光検出部１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向を行方向及び列方向としてマトリックス状に配置されている。共通電極Ｅ３は、Ｚ軸方向から見た場合に半導体光検出素子６の中央に位置している。共通電極Ｅ３には、各光検出部１０において発生した電荷が収集される。つまり、半導体光検出素子６は、複数のＳＰＡＤ（光検出部１０）を有するＳｉＰＭである。なお、図４では、複数の光検出部１０が半導体光検出素子６の両端部の領域のみに図示されているが、複数の光検出部１０は、共通電極Ｅ３を除く半導体光検出素子６の全領域に形成されている。
図５に示されるように、各光検出部１０は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤと、クエンチング抵抗Ｒ１と、を有している。クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、半導体光検出素子６が有する読出配線ＴＬを介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。つまり、複数の光検出部１０は、並列に接続されており、各光検出部１０において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤとクエンチング抵抗Ｒ１とは、直接に接続されている。半導体光検出素子６では、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。ガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオード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）がアバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加される。すなわち、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードには、電位Ｖ１が印加され、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードには、電位Ｖ１に対して正の電位Ｖ２が印加される。これらの電位の極性は相対的なものであり、例えば、いずれか一方の電位が接地電位であってもよい。
配線基板５には、信号処理部ＳＰが設けられている。信号処理部ＳＰは、各半導体光検出素子６を各チャンネルとして、各半導体光検出素子６から出力された信号を処理する。信号処理部ＳＰは、処理した信号（検出信号）を制御装置１０３（図１参照）に出力する。信号処理部ＳＰは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。信号処理部ＳＰは、各半導体光検出素子６から出力された信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいてもよい。
図６に示されるように、半導体光検出素子６において、読出配線ＴＬは、複数の信号線ＴＬ１と、複数の信号線ＴＬ２と、を含んでいる。一例として、各信号線ＴＬ１は、Ｘ軸方向において隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＹ軸方向に延在しており、各信号線ＴＬ２は、Ｙ軸方向おいて隣り合うアバランシェフォトダイオードＡＰＤの間をＸ軸方向に延在している。複数の信号線ＴＬ１及び複数の信号線ＴＬ２は、交点で互いに接続されるように格子状に延在しており、共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、信号線ＴＬ１に接続されている。つまり、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１の一端は、電極Ｅ１を介してアバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードに電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬを介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
図７に示されるように、半導体光検出素子６は、半導体層１１を有している。半導体層１１は、Ｎ型（第１導電型）の半導体領域（第１半導体領域）１２と、Ｐ型（第２導電型）の半導体領域（第２半導体領域）１３と、複数のＰ型の半導体領域（第２半導体領域）１４と、を含んでいる。半導体領域１３は、半導体領域１２における光入射側の表面に形成されている。複数の半導体領域１４は、半導体領域１３における光入射側の表面に沿って半導体領域１３内に形成されている。各半導体領域１４の不純物濃度は、半導体領域１３の不純物濃度よりもが高い。
半導体光検出素子６では、一つの半導体領域１４と、半導体領域１２，１３のうちＺ軸方向において当該一つの半導体領域１４に重なる領域と、によって、一つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤが構成されている。つまり、各アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、Ｎ型の半導体領域１２と、Ｎ型の半導体領域１２とＰＮ接合を構成するＰ型の半導体領域１３，１４と、を含んでいる。Ｐ型の半導体領域１３，１４は、Ｎ型の半導体領域１２に対して半導体光検出素子６の表面６ａ側に位置している。表面６ａは、半導体光検出素子６における光入射側の表面である。
半導体領域１３における光入射側の表面には、絶縁層１６が形成されている。絶縁層１６上には、共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬが配置されている。共通電極Ｅ３及び読出配線ＴＬは、絶縁層１７によって覆われている。半導体光検出素子６では、絶縁層１７における光入射側の表面が、半導体光検出素子６の表面６ａに相当する。なお、各光検出部１０において、クエンチング抵抗Ｒ１（図６参照）の一端は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの半導体領域１３，１４に電気的に接続されており、クエンチング抵抗Ｒ１の他端は、読出配線ＴＬに電気的に接続されている。
半導体層１１には、貫通孔ＴＨが形成されている。貫通孔ＴＨの内面、及び半導体領域１２における光入射側とは反対側の表面には、絶縁層１８が形成されている。貫通孔ＴＨの内面には、絶縁層１８を介して貫通電極ＴＥが配置されている。貫通電極ＴＥは、貫通孔ＴＨにおける光入射側の開口において、共通電極Ｅ３に接続されている。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Ｂ１が配置されている。貫通電極ＴＥ及び絶縁層１８は、パッシベーション膜ＰＦによって覆われている。なお、半導体領域１２における光入射側の表面のうち貫通孔ＴＨを包囲する領域には、Ｎ型の半導体領域１ＰＣが形成されている。半導体領域１ＰＣは、Ｎ型の半導体領域１２とＰ型の半導体領域１３，１４とで構成されたＰＮ接合が貫通孔ＴＨに至るのを防止している。
図８に示されるように、パッシベーション膜ＰＦには、Ｚ軸方向から見た場合に貫通孔ＴＨを包囲するように溝が形成されており、当該溝内においては、半導体領域１２が露出している。当該溝内において露出した半導体領域１２上には、複数のバンプ電極Ｂ２が配置されている。バンプ電極Ｂ１、及び複数のバンプ電極Ｂ２は、半導体光検出素子６に対して複数のメタレンズ８とは反対側に配置された配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。つまり、半導体光検出素子６は、配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。
以上のように構成された半導体光検出素子６では、各光検出部１０において、アバランシェフォトダイオードＡＰＤがガイガーモードで動作させられる。この状態で、表面６ａ側から半導体領域１２に光が入射すると、半導体領域１２において光電変換が起こり、半導体領域１２において光電子（電荷）が発生する。光電子が発生したアバランシェフォトダイオードＡＰＤでは、半導体領域１３においてアバランシェ増倍が起こり、増幅された電子群（電荷）が、半導体領域１４及びクエンチング抵抗Ｒ１を介して共通電極Ｅ３に収集される。各光検出部１０から共通電極Ｅ３に収集された電荷は、信号として配線基板２０の信号処理部ＳＰ（図５参照）に入力される。
なお、半導体層１１は、例えば、Ｓｉによって形成されている。半導体層１１において、Ｐ型の不純物は、例えば、Ｂ等の３族元素であり、Ｎ型の不純物は、例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ等の５族元素である。これらの不純物の添加方法は、例えば、拡散法、イオン注入法である。各絶縁層１６，１７，１８は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮによって形成されている。各絶縁層１６，１７，１８の形成方法は、例えば、熱酸化法、スパッタ法である。電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥは、例えば、アルミニウム等の金属によって形成されている。電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥの形成方法は、例えば、スパッタ法である。クエンチング抵抗Ｒ１の抵抗率は、電極Ｅ１及び共通電極Ｅ３の抵抗率よりも高い。クエンチング抵抗Ｒ１は、例えば、ポリシリコンによって形成されている。クエンチング抵抗Ｒ１の形成方法は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法である。クエンチング抵抗Ｒ１の材料は、例えば、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒ等であってもよい。
図３、図９及び図１０に示されるように、複数のメタレンズ８は、光透過基板７に設けられている。複数のメタレンズ８は、光透過基板７を介して半導体光検出素子６の表面６ａ上に配置されている。各メタレンズ８は、Ｚ軸方向（表面６ａに交差する方向）から見た場合に各光検出部１０に重なるように二次元に配置されている。つまり、一つの光検出部１０に一つのメタレンズ８が対応している（Ｚ軸方向において対向している）。なお、図９及び図１０では、光検出器４のうち一つの光検出部１０に対応する部分のみが図示されている。
複数のメタレンズ８は、光透過基板７の表面７ａに形成されたメタサーフェスレンズである。複数のメタレンズ８が表面７ａに形成された光透過基板７は、光透過性を有する接着剤によって半導体光検出素子６の表面６ａに接合されている。光透過基板７は、例えば、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｓｉ、ＳｉＣ等によって形成されている。複数のメタレンズ８は、例えば、ａ－Ｓｉ、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２等のメタレンズ材料によって形成されている。一例として、複数のメタレンズ８は、次のように、光透過基板７の表面７ａに形成される。すなわち、光透過基板７の表面に、メタレンズ材料からなる膜が形成され、ＥＢリソグラフィ法によって当該膜上にＥＢマスクが形成され、当該膜にエッチング処理が施されることで、光透過基板７の表面７ａに複数のメタレンズ８が形成される。
メタレンズ８は、例えば、フレネルレンズの位相設計に基づいて構成されている。メタレンズ８の外径は、例えば、７５μｍ程度である。メタレンズ８の外径は、光検出部１０のサイズに対応するように設計される。Ｚ軸方向におけるメタレンズ８の厚さは、例えば、５００ｎｍ程度である。メタレンズ８の単一周期は、光Ｌの波長以下であり、例えば、２５０ｎｍ程度である。光透過基板７の厚さは、後述する集光スポットＳが所望の位置に位置するように決定される。光透過基板７の厚さは、例えば、数十μｍ程度である。
図１０に示されるように、Ｚ軸方向において対向するメタレンズ８及び光検出部１０では、メタレンズ８は、半導体領域１２内の位置であってＺ軸方向において半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５から所定距離Ｄ離れた位置に集光スポットＳが位置するように光Ｌを集光する。集光スポットＳとは、メタレンズ８を通過した光Ｌのビームウエスト部分（すなわち、光Ｌのビーム径が最も絞られた部分）を意味する。なお、Ｚ軸方向におけるメタレンズ８と集光スポットＳとの距離は、５０μｍ程度である。
ここで、光Ｌの波長をλ（μｍ）とすると、各メタレンズ８は、（（０．６１）２πλ）１／２以上の開口数を有している。つまり、メタレンズ８の開口数をＮＡとすると、下記式（１）が成立する。
ＮＡ≧（（０．６１）２πλ）１／２…（１）
更に、図１１に示されるように、メタレンズ８によって集光された光Ｌのレイリー長をＺＲ（μｍ）とし、ビームウエストをω０（μｍ）とすると、下記式（２）及び（３）が成立する。
ＺＲ＝πω０ ２／λ…（２）
ω０＝０．６１λ／ＮＡ…（３）
上記式（１）、（２）及び（３）から下記式（４）が導出される。図１０に示されるように、光Ｌが光透過基板７及び絶縁層１６，１７を介して半導体層１１に入射することから、厳密には、収差の影響が生じるものの、下記式（４）は、メタレンズ８によって集光された光Ｌのレイリー長が１μｍ程度以下にまで十分に短くなることを意味する。
ＺＲ≦１μｍ…（４）
また、Ｚ軸方向における半導体領域１２の厚さをｔとすると、所定距離Ｄは、ｔ／２未満である。別の見方では、所定距離Ｄは、０μｍ以上３μｍ以下である。これは、上記式（４）が成立する場合に、少なくとも集光スポットＳの下流側のレイリー長ＺＲ分の光Ｌの領域が半導体領域１２内に位置することを意味する（図１０及び図１１参照）。所定距離Ｄが０μｍである場合には、半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５上に集光スポットＳが位置するからである。更に別の見方では、Ｚ軸方向における集光スポットＳのビームプロファイルをガウス関数に近似した場合における当該ガウス関数の標準偏差をσとすると、所定距離Ｄは、０σ以上３σ以下である。これは、少なくとも集光スポットＳの下流側の標準偏差σ分の光Ｌの領域が半導体領域１２内に位置することを意味する（図１０及び図１１参照）。所定距離Ｄが０σである場合には、半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５上に集光スポットＳが位置するからである。これらにより、光検出器４では、各光検出部１０において、半導体領域１２内における半導体領域１３の近傍の箇所で光電変換が起こり、当該領域で電荷が発生し易くなる。なお、上記式（４）が成立する場合に所定距離Ｄが１μｍ以上であることは、集光スポットＳの上流側のレイリー長ＺＲ分の光Ｌの領域が半導体領域１２内に位置することを意味する。同様に、上記式（４）が成立する場合に所定距離Ｄがσ以上であることは、集光スポットＳの上流側のレイリー長ＺＲ分の光Ｌの領域が半導体領域１２内に位置することを意味する。
以上説明したように、光検出器４では、各光検出部１０の半導体領域１２内の位置であってＺ軸方向において半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５から所定距離Ｄ離れた位置に集光スポットＳが位置するように、メタレンズ８によって光Ｌが集光される。これにより、半導体領域１２内において電荷が発生する箇所の深さが、複数の光検出部１０間において均一化される。よって、光検出器４によれば、応答時間（電荷の発生から当該電荷の検出までの時間）を十分に均一化することができる。
複数のメタレンズ８は、例えば、樹脂製のマイクロレンズアレイに比べ、優れた効果を奏する。すなわち、複数のメタレンズ８は、無機物によって、光Ｌの波長以下の厚さに形成されるため、物理的且つ化学的に安定する。特に、複数のメタレンズ８上には、シンチレータ３が配置されるため、シンチレータ３の重量で変形し難いメタレンズ８は、半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５から所定距離Ｄ離れた位置に集光スポットＳを確実に位置させる上で、極めて有効である。メタレンズ８は、熱により変形し難い点でも、同様の効果を奏する。また、メタレンズ８によれば、二次元形状の制御によってレンズの位相設計が可能であり、高い開口数の実現も可能である。
光検出器４では、Ｚ軸方向における半導体領域１２の厚さをｔとすると、所定距離Ｄがｔ／２未満である。これにより、半導体領域１２内において電荷が発生する箇所が半導体領域１３に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
光検出器４では、Ｚ軸方向における集光スポットＳのビームプロファイルをガウス関数に近似した場合におけるガウス関数の標準偏差をσとすると、所定距離Ｄが０σ以上３σ以下である。これにより、半導体領域１２内において電荷が発生する箇所が半導体領域１３に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
光検出器４では、光Ｌの波長をλ（μｍ）とすると、各メタレンズ８が、（（０．６１）２πλ）１／２以上の開口数を有している。これにより、メタレンズ８によって集光された光Ｌのレイリー長が１μｍ程度以下にまで十分に短くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
光検出器４では、所定距離Ｄが０μｍ以上３μｍ以下である。これにより、半導体領域１２内において電荷が発生する箇所が半導体領域１３に十分に近くなるため、応答時間がばらつくのをより確実に抑制することができる。
光検出器４では、複数のメタレンズ８が、光透過基板７に設けられており、光透過基板７を介して半導体光検出素子６の表面６ａ上に配置されている。これにより、光検出器４の製造において、例えば、複数のメタレンズ８が形成された光透過基板７を半導体光検出素子６の表面６ａに接合することで、光検出器４の歩留まりを向上させることができる。また、メタレンズ８と光検出部１０との間において、光透過基板７をスペーサとして機能させることができ、半導体領域１２と半導体領域１３との境界１５から所定距離Ｄ離れた位置に集光スポットＳを確実に位置させることができる。
光検出器４では、配線基板５が、半導体光検出素子６に対して複数のメタレンズ８とは反対側に配置されており、半導体光検出素子６が、配線基板５に電気的に且つ物理的に接続されている。これにより、複数のメタレンズ８とは反対側から配線基板５に外部配線を接続することができる。
放射線検出器２によれば、上述した理由により、光検出器４において、応答時間を十分に均一化することができる。
ＰＥＴ装置１によれば、上述した理由により、複数の光検出器４において、応答時間を十分に均一化することができ、高画質の画像を取得することができる。
図１２は、実施例及び比較例の光検出器の時間分解能を示すグラフである。図１２に示されるグラフにおいて、横軸は、実施例及び比較例の光検出器における応答時間を示し、縦軸は、実施例及び比較例の光検出器における規格化カウント数（検出信号のカウント数を規格化したもの）を示す。また、図１２に示されるグラフにおいて、破線は、実施例の光検出器の時間分解能を示し、実線は、比較例の光検出器の時間分解能を示す。実施例の光検出器として、上記実施形態の光検出器４と同様の構成を有するものを用いた。比較例の光検出器として、上記実施形態の光検出器４から光透過基板７及び複数のメタレンズ８を取り除いた構成を有するものを用いた。図１２に示されるように、実施例の光検出器における時間分解能の半値幅は、比較例の光検出器における時間分解能の半値幅よりも小さくなった。
本発明は、上記実施形態に限定されない。例えば、図１３に示されるように、複数のメタレンズ８は、半導体光検出素子６の表面６ａ上に直接的に配置されていてもよい。また、複数のメタレンズ８は、光透過基板７の表面７ａに溝が形成されることで、構成されていてもよい。また、複数のＳＰＡＤ（光検出部１０）を有するＳｉＰＭとしての半導体光検出素子６は、Ｎ型とＰ型とが逆の構成等、他の構成を有していてもよい。また、放射線検出器２の検出対象は、消滅γ線に限定されず、Ｘ線等、他の放射線であってもよい。放射線検出器２において、放射線の入射によって光を発する発光体は、シンチレータ３に限定されず、チェレンコフ輻射体等、他の発光体であってもよい。
１…ＰＥＴ装置、２…放射線検出器、３…シンチレータ（発光体）、４…光検出器、５…配線基板、６…半導体光検出素子、６ａ…表面、７…光透過基板、８…メタレンズ、１０…光検出部、１２…半導体領域（第１半導体領域）、１３，１４…半導体領域（第２半導体領域）、１５…境界、ＡＰＤ…アバランシェフォトダイオード、Ｒ１…クエンチング抵抗、ＴＬ…読出配線、Ｌ…光、Ｓ…集光スポット。

Claims (9)

  1. 二次元に配置された複数の光検出部、及び、読出配線を有する半導体光検出素子と、
    前記半導体光検出素子の表面上に配置された複数のメタレンズと、を備え、
    前記複数の光検出部のそれぞれは、
    第１導電型の第１半導体領域、及び、前記第１半導体領域に対して前記表面側に位置し、前記第１半導体領域とＰＮ接合を構成する第２導電型の第２半導体領域を含むアバランシェフォトダイオードと、
    前記第２半導体領域に電気的に接続された一端、及び、前記読出配線に電気的に接続された他端を含むクエンチング抵抗と、を有し、
    前記複数のメタレンズのそれぞれは、前記表面に交差する方向から見た場合に前記複数の光検出部のそれぞれに重なるように二次元に配置されており、前記複数の光検出部のそれぞれの前記第１半導体領域内の位置であって前記表面に交差する前記方向において前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界から所定距離離れた位置に集光スポットが位置するように光を集光する、光検出器。
  2. 前記表面に交差する前記方向における前記第１半導体領域の厚さをｔとすると、前記所定距離は、ｔ／２未満である、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記表面に交差する前記方向における前記集光スポットのビームプロファイルをガウス関数に近似した場合における前記ガウス関数の標準偏差をσとすると、前記所定距離は、０σ以上３σ以下である、請求項１又は２に記載の光検出器。
  4. 前記光の波長をλ（μｍ）とすると、前記複数のメタレンズのそれぞれは、（（０．６１）２πλ）１／２以上の開口数を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の光検出器。
  5. 前記所定距離は、０μｍ以上３μｍ以下である、請求項４に記載の光検出器。
  6. 前記複数のメタレンズが設けられた光透過基板を更に備え、
    前記複数のメタレンズは、前記光透過基板を介して前記半導体光検出素子の前記表面上に配置されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器。
  7. 前記半導体光検出素子に対して前記複数のメタレンズとは反対側に配置された配線基板を更に備え、
    前記半導体光検出素子は、前記配線基板に電気的に且つ物理的に接続されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の光検出器。
  8. 放射線の入射によって光を発する発光体と、
    請求項１～７のいずれか一項に記載の光検出器と、を備え、
    前記発光体は、前記複数のメタレンズに対して前記半導体光検出素子とは反対側に配置されている、放射線検出器。
  9. 円環状に配置された複数の放射線検出器を備え、
    前記複数の放射線検出器のそれぞれは、請求項８に記載の放射線検出器である、ＰＥＴ装置。
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