WO2016104581A1 - 光検出装置およびこの光検出装置を備えたｃｔ装置 - Google Patents

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松澤　一也
翔吾 板井
石原　貴光
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株式会社 東芝
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    • G01N2223/504—Detectors pin-diode

Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to a photodetection device and a CT apparatus including the photodetection device.
  • an avalanche photodiode is used as a light detection element for detecting a weak light signal.
  • This avalanche photodiode includes a pn junction in which a p layer provided on the light receiving side and an n layer provided on the substrate side are joined, an anode electrode connected to the p layer, and an n layer And a cathode electrode to be connected.
  • a reverse bias is applied between the anode electrode and the cathode electrode, electrons in the pair of electrons and holes generated in the depletion layer flow to the n layer and holes flow to the p layer.
  • This avalanche photodiode returns to the standby state after detecting the incidence of light.
  • the conventional avalanche photodiode has a problem that holes generated by the avalanche doubling action remain and noise due to recombination due to the remaining holes occurs.
  • This embodiment provides a photodetection device capable of suppressing the remaining of holes and a CT apparatus including the photodetection device.
  • the photodetector according to the present embodiment includes a first electrode, an n-type semiconductor layer provided on the first electrode, and a first surface region and a second surface region provided on the n-type semiconductor layer.
  • a first p-type semiconductor layer, a second p-type semiconductor layer provided in the first surface region of the first p-type semiconductor layer and having a p-type impurity concentration higher than that of the first p-type semiconductor layer, and the first p-type semiconductor layer And at least one photodiode having a second electrode provided on the second surface region and on the second p-type semiconductor layer.
  • Sectional drawing which shows the avalanche photo diode used for the photon detection apparatus by 1st Embodiment.
  • Sectional drawing which shows the avalanche photo-diode used for the photon detection apparatus by 2nd Embodiment. Sectional drawing which shows the avalanche photo diode used for the photon detection apparatus by 3rd Embodiment.
  • the top view which shows the cell array of the avalanche photo diode of the photon detection apparatus by 3rd Embodiment.
  • the block diagram which shows the structure of the photon detection apparatus by 4th Embodiment.
  • the block diagram which shows the structure of the photon detection apparatus by 5th Embodiment.
  • the photodetecting device according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
  • the light detection apparatus of this embodiment includes at least one avalanche photodiode (hereinafter also referred to as APD) 10 as a light detection element, and a cross section of the APD 10 is shown in FIG.
  • APD avalanche photodiode
  • the APD10 is the n + layer 12, p is bonded to the n + layer 12 provided on the n + layer 12 - a layer 14, p - and p + layer 16 provided on the surface region of the layer 14, p
  • the anode electrode 20 provided across the ⁇ layer 14 and the p + layer 16, the cathode electrode 22 provided on the opposite side to the p ⁇ layer 14 with respect to the n + layer 12, and the anode electrode 20.
  • a quench resistor 24 Of the anode electrode 20, a portion located on the p + layer 16 serves as a shunt electrode, and a portion located on the p ⁇ layer 14 serves as a Schottky electrode.
  • the quench resistor 24 is connected to the shunt electrode.
  • the cathode electrode 22 is connected to a power source 30 that applies a reverse bias to the APD 10.
  • the n + layer 12, the p ⁇ layer 14, and the p + layer 16 are made of, for example, silicon.
  • the APD 10 In the APD 10, light enters from the side where the anode electrode 20 is provided.
  • the reverse bias applied to the APD 10 is equal to or higher than the voltage at which avalanche breakdown occurs (breakdown voltage)
  • a high electric field of reverse bias is applied between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22.
  • the large current flowing at this time generates a saturation output unique to the APD 10 and an output corresponding to the incidence of one photon regardless of the amount of light incident on the APD 10. That is, one photon can be detected by the APD 10.
  • a large output can be obtained due to a discharge phenomenon even when one photon is detected.
  • a quench resistor 24 is connected to the anode electrode 20 in order to stop the discharge and lower the operating voltage. That is, when the discharge occurs, a large current flows through the quench resistor, and the amplification action is terminated by a voltage drop caused by the quench resistor. As will be described later, the quench resistor 24 is provided around the active region (for example, the p ⁇ layer 14 and the p + layer 16) of the APD 10. A quench capacitance 26 is generated as a parasitic capacitance due to the provision of the quench resistor 24.
  • FIG. 2A shows the result of the simulation of the hole concentration distribution at the pn junction of the APD 10 after 50 ps.
  • FIG. 2B shows the result of a similar simulation performed on an APD in which the p + layer 16 is formed on the entire upper surface of the p ⁇ layer 14 in the APD 10 shown in FIG.
  • the anode electrode has no Schottky electrode portion and is a normal pn diode.
  • the length of the anode electrode was 1 ⁇ m.
  • the amount of holes is reduced in the APD 10 of this embodiment compared to the APD of the comparative example.
  • the amount of holes is reduced on the side where the Schottky electrode is provided.
  • FIG. 3 shows the result of the simulation of the progress of the flowing hole current ( ⁇ A).
  • the hole current in the APD of the comparative example is shown by a one-dot chain line
  • the hole current in the APD 10 in which the length X of the Schottky electrode part is 0.5 ⁇ m is shown by a solid line
  • the length X of the Schottky electrode part is 0.3 ⁇ m
  • the hole current in the APD 10 is shown by a solid line.
  • the APD 10 of this embodiment has a larger hole current than the APD of the comparative example. This indicates that holes are flowing out from the anode electrode by providing a Schottky electrode portion on the anode electrode as in this embodiment.
  • the length X of the Schottky electrode portion of the anode electrode is long, that is, when the Schottky electrode portion is wide, holes are removed from the APD 10 early, and when the Schottky electrode portion is wide, the holes are delayed from the APD 10. I understand that.
  • the length X of the Schottky electrode portion is the distance between the end of the anode electrode 20 on the Schottky electrode side and the p + layer 16, and this length X is the p ⁇ layer 14. And the p + layer 16 and the depletion layer formed at the junction Xmax or less. This spread Xmax is expressed by the following equation (see Japanese Patent No. 4024954).
  • Xmax ⁇ 2 ⁇ ⁇ / q ⁇ (Na + Nd) / (Na / Nd ⁇ Vbi + Vd) ⁇ 1/2
  • Vbi k ⁇ T / q ⁇ In (Na ⁇ Nd / n i 2 )
  • ⁇ is the dielectric constant of the substrate (p ⁇ layer 14)
  • q is the unit charge
  • Na is the concentration of the substrate (p ⁇ layer 14)
  • Nd the maximum concentration of the p + layer 16
  • Vbi is the built-in voltage
  • T the absolute temperature
  • ni the intrinsic carrier concentration
  • k is the Boltzmann constant.
  • FIG. 4 shows the result of the simulation of the potential distribution in the substrate depth direction when the potential of the anode electrode 20 is ⁇ 2V.
  • the APD 10 of the present embodiment can suppress the remaining of holes generated by the avalanche doubling action.
  • the p + layer 16 preferably has an impurity concentration of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more.
  • the p ⁇ layer 14 preferably has an impurity concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more and less than 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • FIG. 5 shows a specific example of the circuit of the photodetector according to the present embodiment.
  • a quench resistor 24 and a quench capacitor 26 are connected in parallel to the anode electrode side of the APD 10 shown in FIG. 1, and an input terminal of an operational amplifier 34 is connected to the quench resistor 24.
  • a read circuit 40 is connected to the output terminal of the operational amplifier 34.
  • a power supply voltage 30 and an overvoltage protection circuit 36 are connected to the cathode electrode side of the APD 10.
  • the signal detected by the APD 10 when the reverse bias is applied to the APD 10 is sent to the operational amplifier 34 through the quench resistor and amplified.
  • the amplified signal is read by the reading circuit 40, whereby the light detection is completed.
  • the power supply 30 is connected to the cathode electrode side of the APD 10, and the operational amplifier 34 is connected to the anode electrode side. It is also possible to connect the power supply voltage 30 to the anode electrode side of the APD 10, and it is also possible to connect the operational amplifier 34 to the cathode electrode side.
  • the power supply voltage 30 is connected to the anode electrode side of the APD 10, it is desirable to connect the overvoltage protection circuit 36 to the anode electrode side.
  • the hole current can be detected with high accuracy.
  • a photodetecting device according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the photodetector of the second embodiment has a configuration in which the APD 10 shown in FIG. 1 is replaced with the APD 10A shown in FIG. 6 in the photodetector of the first embodiment.
  • This APD 10A has a configuration in which a p layer 13 is provided between an n + layer 12 and a p ⁇ layer 14 in the APD 10 shown in FIG.
  • By providing the p layer 13 it becomes possible to increase the degree of freedom in designing the potential gradient generated between the anode electrode 20 and the cathode electrode 22 of the APD 10 ⁇ / b> A, and it is possible to further suppress the remaining of holes.
  • the second embodiment can also suppress the remaining of holes generated by the avalanche doubling action. Thereby, the hole current can be detected with high accuracy.
  • a photodetection device according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
  • the photodetector of the third embodiment has a configuration in which the APD 10 shown in FIG. 1 is replaced with the APD 10B shown in FIG. 7 in the photodetector of the first embodiment.
  • the APD 10B has a configuration in which p + layers 16a and 16b are provided on both sides of the anode electrode 20 in the APD 10 shown in FIG.
  • p + layer 16a and the p + layer 16b is p - provided apart from each other in the surface region of the layer 14, between the p + layer 16a and the p + layer 16b p - on the layer 14 of the anode electrode 20 of the The part becomes a Schottky electrode.
  • two p + layers may be provided on both sides of the anode electrode 20 of the APD 10A shown in FIG. 6 as in the case shown in FIG.
  • the third embodiment and its modification can also suppress the remaining of holes generated by the avalanche doubling action. Thereby, the hole current can be detected with high accuracy.
  • a light detection apparatus according to a fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the photodetecting device of the fourth embodiment has a configuration in which cells including APDs, for example, APDs 10 used in any of the first to third embodiments and modifications thereof are arranged in an array.
  • a plan view of the APD cell array used in the fourth embodiment is shown in FIG.
  • the APD array 100 has a configuration in which two APD cells 8a and 8b are set as one set, and a plurality of sets are arranged in an array.
  • the APD cell 8a has an APD 10 having an APD active region 11a and a quench resistor 24a for limiting a current output from the APD 10.
  • the APD cell 8b has an APD 10 having an APD active region 11b and a quench resistor 24b for limiting a current output from the APD 10.
  • the quench resistors 24a and 24b are made of, for example, polysilicon.
  • Each set of APD cells 8a and 8b are arranged adjacent to each other in the row direction.
  • Wirings 18 extending in the column direction are provided between groups adjacent in the row direction. That is, wirings 18 are provided on both sides in the row direction of each set, and this wiring 18 is a common wiring for the sets arranged in the same column direction.
  • the APD cell 8a is arranged on the left side in the row direction and the APD cell 8b is arranged on the right side in one set.
  • the quench resistor 24a constituting the set is provided so as to connect the active region 11a and the wiring 18 provided on the left side of the set and surround the three sides of the active region 11a.
  • the quench resistor 24b constituting the set is provided so as to connect the active region 11b and the wiring 18 provided on the right side of the set and surround the three sides of the active region 11b. For this reason, in the adjacent APD cells 8a and 8b forming a pair, the quench resistor 24a and the resistor 24b are formed so as to be symmetrical with respect to a line in the column direction.
  • FIG. 9 shows the configuration of the photodetection device according to the fourth embodiment.
  • the light detection device 200 of this embodiment includes a light detection unit 210 and a signal processing circuit 220.
  • the light detection unit 210 includes the APD cell array 100 shown in FIG.
  • the incident photons are converted into electric signals by the APD cell array 100.
  • the electrical signal photoelectrically converted by the light detection unit 210 is processed by the signal processing circuit 220 to determine whether photons are detected.
  • the signal processing circuit 220 includes a wave height detection unit 222 that converts an analog electric signal output from the APD cell array 100 into a digital signal, a signal processing unit 224 that processes the digital signal converted into a digital signal by the wave height analysis unit 220, It has.
  • the signal processing circuit 220 includes circuits related to driving and characteristics of the photodetection device such as a power supply circuit and a temperature compensation control circuit, but are not shown in order to simplify the description of the present embodiment.
  • the wave height analysis unit 222 is included in the signal processing circuit 220 for explanation, it may be formed as an on-chip circuit on the same chip as the APD cell array 100 made of a semiconductor substrate. Note that the output signal subjected to the digital signal processing by the signal processing unit 224 can be transferred to an information terminal such as a PC via a USB cable, for example.
  • the fourth embodiment can suppress the remaining of holes generated by the avalanche doubling action. Thereby, the hole current can be detected with high accuracy.
  • a photodetection device according to a fifth embodiment is shown in FIG. 200A of the fifth embodiment includes a light generation unit 260 that generates a photon to be measured, a light detection unit 210A that detects a photon and converts it into an electrical signal, and an electrical signal photoelectrically converted by the light detection unit 210A.
  • a signal processing circuit 220 to be processed, and a control unit 240 having a function of analyzing data of an output signal from the signal processing circuit 220 and controlling the light generation unit 260 and the light detection device are provided.
  • the light detection unit 210A When the wavelength of the light emitted from the light generation unit 260 is in the radiation region, the light detection unit 210A, as shown in FIG. 10, the scintillator 120 that emits fluorescence by radiation, and the APD cell array 100 that detects the fluorescence generated by the scintillator 120 And.
  • the control unit 240 controls the light energy generated from the light generation unit 260 and the generation timing by the controller 241 and also controls the signal processing circuit 220, so that the light detection unit Synchronize with the output from 210A.
  • the analog electrical signal output from the APD cell array 100 is input to the wave height analysis unit 222 of the signal processing circuit 220, converted into a digital signal, and then input to the signal processing unit 224.
  • the signal processing unit 224 the signal is analyzed by the wave height analysis unit 222, and a signal exceeding a certain threshold is recorded and output.
  • the output signal from the signal processing unit 224 is recorded and stored in the data storage unit 242 in the control unit 240. Based on the data stored in the data storage unit 242, an image is configured by the image configuration unit 243, and the configured image is displayed on the display unit 250.
  • FIG. 11 shows a schematic external view when the photodetection device 200A of the fifth embodiment is applied to a CT apparatus.
  • the light generator 260 and the light detection device 200A are attached to the gantry 610 so as to face each other.
  • the radiation emitted from the light generation unit 260 passes through the body of the subject 600 placed on the pedestal 500 and is detected by the light detection device 200A.
  • the photons are transmitted or absorbed by the internal substance, and therefore the frequency of the output signal histogram is reduced only for the radiation energy absorbed by the internal substance.
  • the fifth embodiment can suppress the remaining of holes generated by the avalanche doubling action. As a result, the hole current can be detected with high accuracy, and an image with higher accuracy can be obtained.

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Abstract

【課題】正孔が残留するのを抑制することのできる光検出装置およびこの光検出装置を備えたＣＴ装置を提供する。 【解決手段】本実施形態による光検出装置は、第１電極と、前記第１電極上に設けられたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられ第１表面領域および第２表面領域を有する第１ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第１表面領域に設けられ前記第１ｐ型半導体層よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第２表面領域上および前記第２ｐ型半導体層上に設けられた第２電極と、を有する、少なくとも１つのフォト・ダイオードを備えている。

Description

光検出装置およびこの光検出装置を備えたＣＴ装置
　本発明の実施形態は、光検出装置およびこの光検出装置を備えたＣＴ装置に関する。
　現在、微弱な光信号を検出する光検出素子として、アバランシェ・フォト・ダイオードが用いられている。このアバランシェ・フォト・ダイオードは、光を受光する側に設けられたｐ層および基板側に設けられたｎ層が接合されたｐｎ接合と、上記ｐ層に接続するアノード電極と、上記ｎ層に接続するカソード電極と、備えている。アノード電極とカソード電極との間に、逆バイアスを印加したときに光が入射すると、空乏層で生成された電子および正孔の対のうちの電子はｎ層に、正孔はｐ層に流れる。そのうちの一部の電子および正孔は、空乏層内の原子と衝突し、新たな電子および正孔の対を生成し、これらの生成された電子および正孔が更に他の原子と衝突し、更に電子および正孔の対を生成するという連鎖反応、すなわち、入射光によって生成された電子および正孔の対よりも多くの電子および正孔の対が生成されるというアバランシェ倍増作用が起こる。
　このアバランシェ・フォト・ダイオードは、光の入射を検出後には、待機状態に戻る。しかし、従来のアバランシェ・フォト・ダイオードでは、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留し、この残留した正孔による再結合などによる雑音が生じる問題がある。
特開平０３－０６４０７７号公報
　本実施形態は、正孔が残留するのを抑制することのできる光検出装置およびこの光検出装置を備えたＣＴ装置を提供する。
　本実施形態による光検出装置は、第１電極と、前記第１電極上に設けられたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられ第１表面領域および第２表面領域を有する第１ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第１表面領域に設けられ前記第１ｐ型半導体層よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第２表面領域上および前記第２ｐ型半導体層上に設けられた第２電極と、を有する、少なくとも１つのフォト・ダイオードを備えている。
第１実施形態による光検出装置に用いられるアバランシェ・フォト・ダイオードを示す断面図。 第１実施形態のアバランシェ・フォト・ダイオードにおける正孔濃度分布を示す図。 比較例のアバランシェ・フォト・ダイオードにおける正孔濃度分布を示す図。 第１実施形態および比較例においてアノード電極に流れる正孔電流を示す図。 第１実施形態のアバランシェ・フォト・ダイオードにおける電位分布を示す図。 第１実施形態による光検出装置の一具体例の回路を示す図。 第２実施形態による光検出装置に用いられるアバランシェ・フォト・ダイオードを示す断面図。 第３実施形態による光検出装置に用いられるアバランシェ・フォト・ダイオードを示す断面図。 第３実施形態による光検出装置のアバランシェ・フォト・ダイオードのセルアレイを示す平面図。 第４実施形態による光検出装置の構成を示すブロック図。 第５実施形態による光検出装置の構成を示すブロック図。 第５実施形態の光検出装置をＣＴ装置に応用した場合の外観概略図。
　以下に図面を参照して実施形態について説明する。
（第１実施形態）
　第１実施形態による光検出装置について図１を参照して説明する。この実施形態の光検出装置は、光検出素子として、少なくとも１個のアバランシェ・フォト・ダイオード（以下、ＡＰＤともいう）１０を備えており、このＡＰＤ１０の断面を図１に示す。
　このＡＰＤ１０は、ｎ＋層１２と、このｎ＋層１２上に設けられｎ＋層１２に接合するｐ－層１４と、ｐ－層１４の表面領域に設けられたｐ＋層１６と、ｐ－層１４およびｐ＋層１６に跨がって設けられたアノード電極２０と、ｎ＋層１２に対してｐ－層１４と反対側に設けられたカソード電極２２と、アノード電極２０に接続されるクエンチ抵抗２４と、を備えている。アノード電極２０のうち、ｐ＋層１６上に位置する部分がシャント電極となり、ｐ－層１４上に位置する部分がショットキー電極となる。なお、クエンチ抵抗２４は、シャント電極に接続される。また、カソード電極２２にはＡＰＤ１０に逆バイアスを印加する電源３０が接続される。なお、ｎ＋層１２、ｐ－層１４、およびｐ＋層１６は、例えばシリコンから形成される。
　ＡＰＤ１０においては、アノード電極２０が設けられた側から光が入射する。ＡＰＤ１０に印加される逆バイアスをアバランシェ降伏が生じる電圧（降伏電圧）以上にすると、アノード電極２０とカソード電極２２との間に逆バイアスの高電界が印加される。このとき、光がＡＰＤ１０に入射すると、上記高電界が印加されている空乏層領域で電子正孔対が生成され、アバランシェ降伏を引き起こし、大電流が流れる。すなわち、放電が始まる。このとき流れる大電流は、ＡＰＤ１０に入射する光の量の大小に関係なくＡＰＤ１０固有の飽和出力、１個のフォトンの入射に応じた出力が発生する。すなわち、ＡＰＤ１０で１個のフォトンを検出することができる。このＡＰＤ１０においては、１個のフォトンの検出時においても放電現象により大きな出力を得ることができる。ひとたび放電が始まるとＡＰＤ１０の内部の電界（逆バイアスによる電界）が保たれる間は、放電が継続する。
　ＡＰＤ１０は、フォトンを検出した後は、放電を止めて、次のフォトンを検出する。放電を止めて動作電圧を下げるために、アノード電極２０にクエンチ抵抗２４が接続される。すなわち、上記放電が生じると、大電流がクエンチ抵抗を流れ、このクエンチ抵抗による電圧降下によって、増幅作用を終端させる。後述するように、クエンチ抵抗２４は、ＡＰＤ１０の活性領域（例えばｐ－層１４およびｐ＋層１６）の周囲に設けられる。このクエンチ抵抗２４が設けられることによる寄生容量としてクエンチ容量２６が生成される。
　次に、本実施形態に用いられるＡＰＤ１０において、放電後に正孔が残留するのを抑制することができることについて図２Ａ乃至図４を参照して説明する。
　まず、図１に示す第１実施形態に用いられるＡＰＤ１０において、アノード電極２０のうちショットキー電極部分の長さＸを０．５μｍとし、電源電圧３０によってＡＰＤ１０に逆バイアスとして６５Ｖを印加し、放電後５０ｐｓ経過のＡＰＤ１０のｐｎ接合における正孔の濃度分布をシミュレーションによって求めた結果を図２Ａに示す。また、比較例として、図１に示すＡＰＤ１０において、ｐ－層１４の上面の全てにｐ＋層１６を形成したＡＰＤに対して、同様のシミュレーションを行った結果を図２Ｂに示す。この比較例のＡＰＤにおいては、第１実施形態のＡＰＤ１０と場合と異なり、アノード電極には、ショットキー電極部分が存在せず、通常のｐｎダイオードである。この比較例においては、アノード電極の長さは１μｍであった。
　図２Ａおよび図２Ｂからわかるように、本実施形態のＡＰＤ１０の方が、比較例のＡＰＤに比べて、正孔の量が減少していることがわかる。特に、ショットキー電極が設けられている側で正孔の量が減少している。
　また、逆バイアスとして６５Ｖを印加し、放電後における、上記比較例のＡＰＤ、および本実施形態でショットキー電極部分の長さＸを０．５μｍおよび０．３μｍとしたＡＰＤ１０のそれぞれにおけるアノード電極に流れる正孔電流（μＡ）の経過をシミュレーションによって求めた結果を図３に示す。比較例のＡＰＤにおける正孔電流を一点鎖線で示し、ショットキー電極部分の長さＸが０．５μｍであるＡＰＤ１０における正孔電流を実線で示し、ショットキー電極部分の長さＸが０．３μｍであるＡＰＤ１０における正孔電流を実線で示す。
　図３からわかるように、本実施形態のＡＰＤ１０の方が比較例のＡＰＤに比べて、正孔電流が大きい。これは、本実施形態のように、アノード電極にショットキー電極部分を設けることにより、アノード電極から正孔が流出していること示している。
　また、アノード電極のうちのショットキー電極部分の長さＸが長い、すなわちショットキー電極部分が広いと正孔がＡＰＤ１０から早期に抜け、ショットキー電極部分が広いと正孔がＡＰＤ１０から遅れて抜けることがわかる。
　ショットキー電極部分の長さＸには、上限がある。図１からわかるように、ショットキー電極部分の長さＸは、アノード電極２０のショットキー電極側の端とｐ＋層１６との間の距離であり、この長さＸは、ｐ－層１４とｐ＋層１６と接合部に形成される空乏層の広がりＸｍａｘ以下となる。この広がりＸｍａｘは、以下の式で表される（特許第４０２４９５４号公報参照）。
　Ｘｍａｘ＝｛２×ε／ｑ×（Ｎａ＋Ｎｄ）／（Ｎａ／Ｎｄ×Ｖｂｉ＋Ｖｄ）｝１／２
　Ｖｂｉ＝ｋ×Ｔ／ｑ×Ｉｎ（Ｎａ×Ｎｄ／ｎｉ ２）
　ここで、εは基板（ｐ－層１４）の誘電率、ｑは単位素電荷、Ｎａは基板（ｐ－層１４）の濃度、Ｎｄは、ｐ＋層１６の最大濃度、Ｖｂｉはビルトイン電圧、Ｔは絶対温度、ｎｉは真性キャリア濃度、ｋはボルツマン定数である。
　次に、本実施形態のＡＰＤ１０において、アノード電極２０の電位が－２Ｖであるときの基板深さ方向のポテンシャル分布をシミュレーションで求めた結果を図４に示す。
　図４からわかるように、ｐｎ接合部を示す断面では、ｐ＋層１６で電位勾配がほとんど無く、アバランシェ降伏で生じた過剰な正孔は、熱拡散によってアノード電極２０に吸収される。これに対して、ショットキー接合部を示す断面Ｂでは、ｐ＋層１６が無いため、速やかに正孔がアノード電極に到達可能な電位分布となっている。なお、ｐ―層１４ｐ＋層１６との接合部を示す断面Ｃは断面Ａと断面Ｂとの間に電位分布となっている。
　以上の説明からわかるように、本実施形態のＡＰＤ１０は、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。なお、正孔が残留するのを抑制するためには、ｐ＋層１６は不純物濃度が１×１０１９ｃｍ－３以上であることが好ましい。また、ｐ－層１４は不純物濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上、１×１０１９ｃｍ－３未満であることが好ましい。
　なお、上記説明では、放電後の動作において正孔が残留するのを抑制することができること、すなわち、残留した正孔によるノイズを抑制することができることについて述べた。しかし、放電後の他にも、放電中および待機状態においても残留した正孔によるノイズを抑制することができる。なお、待機状態では、ゆっくり拡散した正孔がノイズ源になる可能性があるが、本実施形態のＡＰＤ１０を用いれば、待機中であっても。正孔が残留するのを抑制することが可能となり、正孔によるノイズを抑制することができる。
　次に、本実施形態による光検出装置の回路の一具体例を図５に示す。この一具体例の回路は、図１に示すＡＰＤ１０のアノード電極側にクエンチ抵抗２４およびクエンチ容量２６が並列に接続されるとともに、このクエンチ抵抗２４にオペアンプ３４の入力端子が接続される。このオペアンプ３４の出力端子には、読み出し回路４０が接続される。一方、ＡＰＤ１０のカソード電極側には、電源電圧３０と、過電圧保護回路３６が接続される。
　このように構成された光検出装置においては、ＡＰＤ１０に逆バイアスが印加されているときのＡＰＤ１０によって検出された信号は、クエンチ抵抗を介してオペアンプ３４に送られ増幅される。この増幅された信号が読み出し回路４０によって読み出されることにより、光検出が完了する。
　なお、本実施形態の光検出装置においては、図５に示すように、電源３０はＡＰＤ１０のカソード電極側に接続され、オペアンプ３４はアノード電極側に接続されている。電源電圧３０をＡＰＤ１０のアノード電極側に接続することも可能であり、またオペアンプ３４をカソード電極側に接続することも可能である。電源電圧３０をＡＰＤ１０のアノード電極側に接続する場合は過電圧保護回路３６もアノード電極側に接続することが望ましい。
　以上説明したように、第１実施形態によれば、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。これにより、正孔電流を精度良く検出することができる。
（第２実施形態）
　第２実施形態による光検出装置について図６を参照して説明する。この第２実施形態の光検出装置は、第１実施形態の光検出装置において、図１に示すＡＰＤ１０を図６に示すＡＰＤ１０Ａに置き換えた構成を有している。このＡＰＤ１０Ａは、図１に示すＡＰＤ１０において、ｎ＋層１２とｐ－層１４との間にｐ層１３を設けた構成を有している。このｐ層１３を設けることにより、ＡＰＤ１０Ａのアノード電極２０とカソード電極２２との間に生じる電位勾配の設計自由度を高めることが可能となり、正孔を残留するのをより抑制することができる。
　この第２実施形態も第１実施形態と同様に、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。これにより、正孔電流を精度良く検出することができる。
（第３実施形態）
　第３実施形態による光検出装置について図７を参照して説明する。この第３実施形態の光検出装置は、第１実施形態の光検出装置において、図１に示すＡＰＤ１０を図７に示すＡＰＤ１０Ｂに置き換えた構成を有している。このＡＰＤ１０Ｂは、図１に示すＡＰＤ１０において、アノード電極２０の両側にｐ＋層１６ａ、１６ｂを設けた構成を有している。これらのｐ＋層１６ａおよびｐ＋層１６ｂはｐ－層１４の表面領域に互いに離間して設けられ、ｐ＋層１６ａとｐ＋層１６ｂとの間のｐ－層１４上のアノード電極２０の部分がショットキー電極となる。
　なお、この第３実施形態の変形例として、図６に示すＡＰＤ１０Ａのアノード電極２０の両側に図７に示す場合と同様に２つのｐ＋層を設けてもよい。
　この第３実施形態およびその変形例も第１実施形態と同様に、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。これにより、正孔電流を精度良く検出することができる。
（第４実施形態）
　第４実施形態に光検出装置について図８乃至図９を参照して説明する。この第４実施形態の光検出装置は、第１乃至第３実施形態およびその変形例のいずれかに用いられるＡＰＤ、例えばＡＰＤ１０を含むセルをアレイ状に配置した構成を有している。この第４実施形態に用いられるＡＰＤセルアレイの平面図を図８に示す。
　このＡＰＤアレイ１００は、２つのＡＰＤセル８ａ、８ｂを一組とし、複数の組がアレイ状に配置された構成を有している。ＡＰＤセル８ａは、ＡＰＤアクティブ領域１１ａを有するＡＰＤ１０と、このＡＰＤ１０から出力される電流を制限するためのクエンチ抵抗２４ａを有している。また、ＡＰＤセル８ｂは、ＡＰＤアクティブ領域１１ｂを有するＡＰＤ１０と、このＡＰＤ１０から出力される電流を制限するためのクエンチ抵抗２４ｂを有している。なお、クエンチ抵抗２４ａ、２４ｂは例えば、ポリシリコンから形成される。
　各組のＡＰＤセル８ａ、８ｂは隣接して行方向に配置される。行方向に隣接する組の間には、列方向に延在する配線１８が設けられている。すなわち、各組の行方向の両側には配線１８が設けられており、この配線１８は同じ列方向に配置された組に対して共通の配線となっている。例えば、図８では、１つの組についてＡＰＤセル８ａは行方向の左側、ＡＰＤセル８ｂは右側に配置されている。組を構成するクエンチ抵抗２４ａは、アクティブ領域１１ａと、組の左側に設けられた配線１８とを接続し、アクティブ領域１１ａの三方を取り囲むように設けられている。組を構成するクエンチ抵抗２４ｂは、アクティブ領域１１ｂと、組の右側に設けられた配線１８とを接続し、アクティブ領域１１ｂの三方を取り囲むように設けられている。このため、組を形成する隣接するＡＰＤセル８ａ、８ｂにおいては、クエンチ抵抗２４ａと抵抗２４ｂは、列方向の線に対して線対称となるように形成される。
　次に、第４実施形態の光検出装置の構成を図９に示す。本実施形態の光検出装置２００は、光検出部２１０と、信号処理回路２２０とを備えている。光検出部２１０は、図８に示すＡＰＤセルアレイ１００を有している。入射されたフォトンは、ＡＰＤセルアレイ１００によって電気信号に変換される。光検出部２１０によって光電変換された電気信号は信号処理回路２２０によって処理され、フォトンの検出の有無が判定される。
　信号処理回路２２０は、ＡＰＤセルアレイ１００から出力されたアナログ電気信号をデジタル信号に変換する波高検出部２２２と、波高分析部２２０によってデジタル信号に変換されたデジタル信号を処理する信号処理部２２４と、を備えている。なお、信号処理回路２２０には、電源回路、温度補償制御回路等の光検出装置の駆動および特性に関わる回路も含まれているが、本実施形態の説明を簡略するため図示していない。波高分析部２２２は、説明上信号処理回路２２０に含まれているが、半導体基板からなるＡＰＤセルアレイ１００と同一のチップ上にオンチップ回路として形成してもよい。なお、信号処理部２２４でデジタル信号処理された出力信号は、例えば、ＵＳＢケーブルを介してＰＣ等の情報端末に転送することができる。
　第４実施形態も第１実施形態と同様に、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。これにより、正孔電流を精度良く検出することができる。
（第５実施形態）
　第５実施形態による光検出装置を図１０に示す。この第５実施形態の２００Ａは、計測対象となる光子を発生させる光発生部２６０と、光子を検出し電気信号に変換する光検出部２１０Ａと、光検出部２１０Ａで光電変換された電気信号を処理する信号処理回路２２０と、信号処理回路２２０からの出力信号のデータ解析や、光発生部２６０と光検出装置の制御を行う機能を備有するコントロールユニット部２４０と、を備えている。
　光発生部２６０から出射される光の波長が放射線領域の場合、光検出部２１０Ａは図１０に示すように、放射線により蛍光を発するシンチレータ１２０と、シンチレータ１２０で発生した蛍光を検出するＡＰＤセルアレイ１００とを備えている。
　第５実施形態による光検出装置２００Ａにおいては、コントロールユニット部２４０は、コントローラ２４１によって光発生部２６０から発生される光エネルギーおよび発生タイミングを制御するとともに信号処理回路２２０の制御も行い、光検出部２１０Ａからの出力と同期をとる。ＡＰＤセルアレイ１００から出力されたアナログ電気信号は、信号処理回路２２０の波高分析部２２２に入力され、デジタル信号に変換された後、信号処理部２２４に入力される。信号処理部２２４では、波高分析部２２２で分析し、ある閾値を超えた信号を記録し、出力する。
　信号処理部２２４からの出力信号はコントロールユニット部２４０内のデータ格納部２４２に記録、保存される。データ格納部２４２によって格納されたデータに基づいて画像構成部２４３によって画像に構成され、この構成された画像が表示部２５０に表示される。
　次に、第５実施形態の光検出装置２００Ａの応用例としては医用画像診断用のＣＴ(Computed Tomography)装置が挙げられる。第５実施形態の光検出装置２００ＡをＣＴ装置に応用した場合の外観概略図を図１１に示す。光発生部２６０と光検出装置２００Ａは対向してガントリ６１０に取り付けられる。光発生部２６０から出射された放射線は台座５００に載置された被験者６００の体内を透過し、光検出装置２００Ａで検出される。放射線は被験者６００の体内を通過する過程で、体内物質によって光子が透過または吸収が生じるため、出力信号ヒストグラムは体内物質で吸収された放射線エネルギーのみ頻度が低減する。これを画像構成処理することで、体内物質の弁別と位置関係が明確になる。
　第５実施形態も第４実施形態と同様に、アバランシェ倍増作用で生じた正孔が残留するのを抑制することができる。これにより、正孔電流を精度良く検出することができ、より精度の高い画像を得ることが可能となる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (20)

  1. 　第１電極と、前記第１電極上に設けられたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられ第１表面領域および第２表面領域を有する第１ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第１表面領域に設けられ前記第１ｐ型半導体層よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型半導体層と、前記第１ｐ型半導体層の前記第２表面領域上および前記第２ｐ型半導体層上に設けられた第２電極と、を有する、少なくとも１つのフォト・ダイオードを備えた光検出装置。
  2. 　前記フォト・ダイオードは、アバランシェ・フォト・ダイオードである請求項１記載の光検出装置。
  3. 　前記ｎ型半導体層と前記第１ｐ型半導体層との間に、ｐ型不純物の濃度が前記第２ｐ型半導体層よりも薄くかつ前記第１ｐ型半導体層よりも濃い第３ｐ型半導体層を更に備えた請求項１記載の光検出装置。
  4. 　前記第１ｐ型半導体層は、さらに第３表面領域を有し、前記第３表面領域に前記第１ｐ型半導体層よりもｐ型不純物濃度が高い第４ｐ型半導体層が設けられ、前記第２電極は前記第４ｐ型半導体層上にも設けられた請求項１記載の光検出装置。
  5. 　前記フォト・ダイオードはアレイ状に配列されている請求項１記載の光検出装置。
  6. 　前記アバランシェ・フォト・ダイオードに対応して設けられ、対応するアバランシェ・フォト・ダイオードの前記第２電極に接続されるクエンチ抵抗を更に備えた請求項２記載の光検出装置。
  7. 　前記クエンチ抵抗は対応するアバランシェ・フォト・ダイオードの周囲に設けられる請求項６記載の光検出装置。
  8. 　電源端子を備え、この電源端子を介して前記フォト・ダイオードの前記第１電極と、前記第２電極との間に逆バイアス電界が印加される請求項１記載の光検出装置。
  9. 　前記フォト・ダイオードから出力される電気信号の波高分析を行う波高分析部と、
    　前記波高分析部の出力信号を処理する信号処理部と、
    　を更に備えた請求項１記載の光検出装置。
  10. 　前記第１ｐ型半導体層は、前記ｐ型不純物濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下であり、前記第２ｐ型半導体層は、前記ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ－３未満である請求項１記載の光検出装置。
  11. 　放射線により蛍光を発生するシンチレータを更に備え、前記フォト・ダイオードは前記シンチレータから出力される蛍光を電気信号に変換する請求項９記載の光検出装置。
  12. 　請求項１１記載の光検出装置と、
    　放射線を発生する放射線発生部と、
    　前記放射線発生部から発生される放射線のエネルギーおよび発生タイミングを制御するとともに前記光検出装置からの出力との同期をとるコントローラと、
    　前記信号処理部からの出力データを格納するデータ格納部と、
    　前記データ格納部に格納されたデータに基づいて画像を構成する画像構成部と、
    　前記画像構成部によって構成された画像を表示する表示部と、
    　を備えたＣＴ装置。
  13. 　前記フォト・ダイオードは、アバランシェ・フォト・ダイオードである請求項１２記載のＣＴ装置。
  14. 　前記ｎ型半導体層と前記第１ｐ型半導体層との間に、ｐ型不純物の濃度が前記第２ｐ型半導体層よりも薄くかつ前記第１ｐ型半導体層よりも濃い第３ｐ型半導体層を更に備えた請求項１２記載のＣＴ装置。
  15. 　前記第１ｐ型半導体層は、さらに第３表面領域を有し、前記第３表面領域に前記第１ｐ型半導体層よりもｐ型不純物濃度が高い第４ｐ型半導体層が設けられ、前記第２電極は前記第４ｐ型半導体層上にも設けられた請求項１２記載のＣＴ装置。
  16. 　前記フォト・ダイオードはアレイ状に配列されている請求項１２記載のＣＴ装置。
  17. 　前記アバランシェ・フォト・ダイオードに対応して設けられ、対応するアバランシェ・フォト・ダイオードの前記第２電極に接続されるクエンチ抵抗を更に備えた請求項１３記載のＣＴ装置。
  18. 　前記クエンチ抵抗は対応するアバランシェ・フォト・ダイオードの周囲に設けられる請求項１７記載のＣＴ装置。
  19. 　電源端子を備え、この電源端子を介して前記フォト・ダイオードの前記第１電極と、前記第２電極との間に逆バイアス電界が印加される請求項１２記載のＣＴ装置。
  20. 　前記第１ｐ型半導体層は、前記ｐ型不純物濃度が１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下であり、前記第２ｐ型半導体層は、前記ｐ型不純物濃度が１×１０１９ｃｍ－３未満である請求項１２記載のＣＴ装置。
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