(57)【要約】【課題】検出器全体における時間分解能等の特性を改善可能な検出器及びこれを用いたＰＥＴ装置及びＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。【解決手段】  二次元状に互いに離間し、バンプ電極を介して、配線基板上に配置された複数の半導体チップＳ１とを備えた検出器であって、個々の半導体チップＳ１は、複数の光検出部を有する半導体基板と、半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、絶縁層上に配置された共通電極と、個々の光検出部のクエンチング抵抗と共通電極とを電気的に接続する読出配線と、共通電極から、半導体基板の貫通孔を介して、半導体基板の裏面に延びた貫通電極とを備えている。【選択図】図１４
2014160042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板と、
二次元状に互いに離間して、前記配線基板上に配置された複数の半導体チップと、
個々の前記半導体チップと前記配線基板との間に配置された第１及び第２バンプ電極と、
を備えた検出器であって、
個々の前記半導体チップは、
二次元状に配置された複数の光検出部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された共通電極と、
個々の前記光検出部のクエンチング抵抗と前記共通電極とを電気的に接続する読出配線と、
前記共通電極から、前記半導体基板の貫通孔を介して、前記半導体基板の裏面に延びた貫通電極と、
を備え、
個々の前記光検出部は、
第１導電型の第１半導体領域、及び、前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成し、キャリアを出力する第２導電型の第２半導体領域を備えるＡＰＤと、
前記ＡＰＤの前記第２半導体領域に電気的に接続された前記クエンチング抵抗と、
を備え、
前記第１バンプ電極は、前記貫通電極と前記配線基板とを電気的に接続しており、
前記第２バンプ電極は、前記ＡＰＤの前記第１半導体領域と前記配線基板とを電気的に接続している、
ことを特徴とする検出器。
【請求項２】
個々の前記半導体チップの表面上には、絶縁体を介して、シンチレータが位置していることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
【請求項３】
個々の前記光検出部は、前記第２半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記第２半導体領域を囲む表面電極を備えている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
【請求項４】
前記第２半導体領域の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から前記読出配線までの距離は、この基準平面から前記表面電極までの距離よりも大きく、
前記読出配線は、隣接する前記ＡＰＤ間に位置している、
ことを特徴とする請求項３に記載の検出器。
【請求項５】
前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、
前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、
を備え、
前記クエンチング抵抗は、前記第２コンタクト電極に連続していることを特徴とする請求項１又は２に記載の検出器。
【請求項６】
前記第２コンタクト電極及び前記クエンチング抵抗は、ＳｉＣｒを備えることを特徴とする請求項５に記載の検出器。
【請求項７】
クレードルと、
前記クレードルが位置する開口を有するガントリと、
を備え、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の検出器を、前記ガントリの開口を囲むように複数配置してなることを特徴とするＰＥＴ装置。
【請求項８】
クレードルと、
前記クレードルが位置する開口を有し、前記開口内にＸ線を出射するＸ線源を内蔵するガントリと、
を備え、
前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の検出器を、複数配置してなることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出器及びこれを用いたＰＥＴ装置及びＸ線ＣＴ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）装置は、Ｘ線を生体の外部から照射し、生体内を透過したＸ線を検出器で検出する。ＣＴ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ている。ガントリの内部には、Ｘ線源と複数の検出器が配置されており、これらがガントリ内で回転を行いながら、撮影が行われる。
【０００３】
一方、ポジトロンＣＴ装置（Positron Emission Tomography：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。ＰＥＴ装置も、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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及び特許文献２に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光を検出することができる。すなわち、光子（フォトン）がＡＰＤに入射した場合、ＡＰＤ内部で発生したキャリアは、クエンチング抵抗及び信号読出用の配線パターンを介して外部に出力される。ＡＰＤにおける電子雪崩の発生した画素には、電流が流れるが、画素に直列接続された数百ｋΩ程度のクエンチング抵抗において、電圧降下が発生する。この電圧降下により、ＡＰＤの増幅領域への印加電圧が低下して、電子雪崩による増倍作用は終息する。このように、１つの光子の入射により、１つのパルス信号がＡＰＤから出力される。フォトダイオードの構造については、幾つかの改良が行われている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許出願公開１７５５１７１号公報
【特許文献２】米国特許出願公開２００６／１７５５２９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”Improvement of Multi-PixelPhoton Counter (MPPC)”, T. Nagano, K. Yamamoto, K.Sato, N. Hosokawa, A. Ishida, T. Baba, IEEE Nuclear Science Symposium andMedical Imaging Conference, ConferencePublications, p.1657-1659, 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の検出器においては、検出器全体における時間分解能等の特性が不十分であるという問題があった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、上記特性を改善可能な検出器及びこれを用いたＰＥＴ装置及びＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明に係る検出器は、配線基板と、二次元状に互いに離間して、前記配線基板上に配置された複数の半導体チップと、個々の前記半導体チップと前記配線基板との間に配置された第１及び第２バンプ電極と、を備えた検出器であって、個々の前記半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に配置された共通電極と、個々の前記光検出部のクエンチング抵抗と前記共通電極とを電気的に接続する読出配線と、前記共通電極から、前記半導体基板の貫通孔を介して、前記半導体基板の裏面に延びた貫通電極と、を備え、個々の前記光検出部は、第１導電型の第１半導体領域、及び、前記第１半導体領域とｐｎ接合を構成し、キャリアを出力する第２導電型の第２半導体領域を備えるＡＰＤと、前記ＡＰＤの前記第２半導体領域に電気的に接続された前記クエンチング抵抗と、を備え、前記第１バンプ電極は、前記貫通電極と前記配線基板とを電気的に接続しており、前記第２バンプ電極は、前記ＡＰＤの前記第１半導体領域と前記配線基板とを電気的に接続していることを特徴とする。
【００１１】
個々の光検出部に含まれるＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）の両端には、第１及び第２バンプ電極を介して、ガイガーモードで動作するバイアス電圧が与えられる。光（エネルギー線）の入射により、複数のＡＰＤにおいて発生したキャリアは、それぞれのクエンチング抵抗を介して、半導体基板上の共通電極に流れ、共通電極から、貫通電極及び第１バンプ電極を通って配線基板に至り、外部に取り出される。
【００１２】
当該構造のＡＰＤにおいては、貫通電極等を用いたキャリア伝達経路短縮化構造を有しているため、配線抵抗が減少している。しがたって、ＡＰＤからのキャリアの伝達速度、すなわち、時間分解能が向上する。当該ＡＰＤを複数備えた１つの半導体チップに、複数の光子が入射した場合、時間分解能が向上することで、より高精度の光子検出を行うことができるようになる。また、別の半導体チップにおいては、製造バラツキ誤差等の原因により、同一の時間分解能となることが保障されていないが、組み立て時において、製品特性が一定の範囲内の半導体チップを選択して、配線基板にバンプ電極を介してボンディングすれば、半導体チップ毎の特性バラつきが低減される。
【００１３】
二次元状に並べられた半導体チップは、離間しているので、特定の半導体チップへ入射した光が、他の半導体チップへ漏れてクロストークが発生する影響が抑制されると共に、半導体チップ間の隙間が、配線基板の膨張／収縮に起因する配線基板の反りの半導体チップへの影響を緩和することができる。すなわち、検出器全体としての時間分解能、クロストーク、温度変化に対する耐性等の特性は著しく改善される。
【００１４】
また、個々の前記半導体チップの表面上には、絶縁体を介して、シンチレータが位置していることを特徴とする。
【００１５】
シンチレータは、これに入射したＸ線又はγ線等の放射線の入射に応じて、これらよりも長波長の光を発生する。可視光や赤外光がＳｉに入射した場合には、Ｓｉ内部において効率的に光電変換が生じる。ＡＰＤをＳｉから構成する場合には、可視光や赤外光の感度を向上させることができる。絶縁体は、ガラス板や樹脂からなり、ＡＰＤの表面を保護すると共に、シンチレータからの光が、ＡＰＤに到達するまでに、これを若干拡散させることができる。樹脂は、シンチレータと半導体チップとの接着機能を有することもできる。
【００１６】
また、個々の前記光検出部は、前記第２半導体領域に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って前記第２半導体領域を囲む表面電極を備えていることを特徴とする。
【００１７】
第１及び第２半導体領域への光の入射に応じて発生したキャリアは、第２半導体領域から、表面電極、クエンチング抵抗、読出配線を順次介して、共通電極に至る。表面電極は、第２半導体領域の外縁に一定の電界を発生させることができ、ＡＰＤの出力安定性を向上させることができる。
【００１８】
前記第２半導体領域の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から前記読出配線までの距離は、この基準平面から前記表面電極までの距離よりも大きく、前記読出配線は、隣接する前記ＡＰＤ間に位置していることを特徴とする。読出配線は、表面電極よりも上層に形成されているため、表面電極による空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
【００１９】
前記第２半導体領域に接触する第１コンタクト電極と、前記第１コンタクト電極とは異なる材料を備え、前記第１コンタクト電極に重なる位置に配置され、前記第１コンタクト電極に接触する第２コンタクト電極と、を備え、前記クエンチング抵抗は、前記第２コンタクト電極に連続していることを特徴とする。光子の入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極及び第２コンタクト電極を介して、クエンチング抵抗に流れ、クエンチング抵抗に接続された読出配線、共通電極、貫通電極を介して、配線基板に至る。
【００２０】
第２コンタクト電極を第１コンタクト電極に重なる位置に配置することにより、クエンチング抵抗と第１コンタクト電極との接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極と第２コンタクト電極とは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極からクエンチング抵抗が連続して延びることとなる。これにより、光検出部内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。
【００２１】
また、前記第２コンタクト電極及び前記クエンチング抵抗は、ＳｉＣｒを備えることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部内において、クエンチング抵抗が存在していても、入射した光子がクエンチング抵抗を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。
【００２２】
ＰＥＴ装置は、クレードルと、前記クレードルが位置する開口を有するガントリと、を備え、上述のいずれかの検出器を、前記ガントリの開口を囲むように複数配置してなることを特徴とする。クレードルには被検体が配置される。ガントリの開口を囲むように、検出器が配置されているため、被検体から出射されたγ線は、複数の検出器にて検出することができ、検出信号を画像処理することで、被検体の内部情報に関する画像を得ることができる。このＰＥＴ装置においては、検出器の全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。
【００２３】
Ｘ線ＣＴ装置は、クレードルと、前記クレードルが位置する開口を有し、前記開口内にＸ線を出射するＸ線源を内蔵するガントリと、を備え、前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に、上述のいずれかの検出器を、複数配置してなることを特徴とする。ガントリの開口内に位置するクレードルには被検体が配置され、被検体にはＸ線源からＸ線が照射される。被検体を透過したＸ線は、複数の検出器にて検出することができ、検出信号を画像処理することで、被検体の内部情報に関する画像を得ることができる。このＸ線ＣＴ装置においては、検出器の全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の検出器全体の時間分解能等の特性は向上可能であり、これを用いたＰＥＴ装置及びＸ線ＣＴ装置では高品質な画像を得ることができるため、その装置特性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＰＥＴ装置・ＣＴ装置などの被検体診断装置の概略図である。
【図２】ＰＥＴ装置のブロック図である。
【図３】Ｘ線ＣＴ装置のブロック図である。
【図４】検出器Ｄの斜視図である。
【図５】検出器Ｄにおける検出チップＳの間隔を説明するための図である。
【図６】検出器Ｄ’の斜視図である。
【図７】検出器Ｄ”の斜視図である。
【図８】検出チップＳの斜視図である。
【図９】検出チップＳの斜視図である。
【図１０】半導体チップＳ１の平面図である。
【図１１】半導体チップＳ１の共通電極周辺部の拡大図である。
【図１２】検出器の回路図である。
【図１３】共通電極周辺部の光検出部の平面図である。
【図１４】共通電極周辺部の断面図である。
【図１５】図１４の半導体チップＳ１の底面図である。
【図１６】改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【図１７】配線基板の基本構成要素の斜視図（Ａ）、底面図（Ｂ）である。
【図１８】配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【図１９】配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【図２０】共通電極周辺部の断面図である。
【図２１】図２０の半導体チップＳ１の底面図である。
【図２２】改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【図２３】配線基板の基本構成要素の斜視図（Ａ）、底面図（Ｂ）である。
【図２４】配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【図２５】配線基板の底面図である。
【図２６】配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【図２７】半導体チップＳ１の平面図である。
【図２８】図２７に示した半導体チップＳ１の底面図である。
【図２９】改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【図３０】検出器の製造方法を説明するための図である。
【図３１】検出器の製造方法を説明するための図である。
【図３２】同時に入射する光子の数と信号強度（a．u．）の関係を示すグラフである。
【図３３】動作電圧のばらつきΔＶ（Ｖ）と相対頻度（製品数比率）ＦＲの関係を示すグラフ（（Ａ）ディスクリートアレイ、（Ｂ）モノリシックアレイ）である。
【図３４】フォトダイオードアレイの斜視図である。
【図３５】フォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面図である。
【図３６】ＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。
【図３７】（Ａ）光検出部（５０μｍ間隔配置）、（Ｂ）光検出部（２５μｍ間隔配置）、（Ｃ）光検出部（２０μｍ間隔配置）、（Ｄ）光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＡ）、（Ｅ）光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＢ）、（Ｆ）光検出部（１０μｍ間隔配置）を示す図である。
【図３８】入射光の波長（ｎｍ）と光子の検出効率（％）の関係を示すグラフである。
【図３９】フォトダイオードの出力と時間の関係を示すグラフである。
【図４０】フォトダイオードの製造方法について説明するための図である。
【図４１】基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。
【図４２】フォトダイオードアレイの平面図である。
【図４３】フォトダイオードアレイの平面図である。
【図４４】フォトダイオードアレイの断面図である。
【図４５】電極及び配線等の接続関係を示す図である。
【図４６】電極及び配線等の接続関係を示す図である。
【図４７】フォトダイオードアレイ（第１例）の部分平面図である。
【図４８】フォトダイオードアレイ（第１例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図４９】フォトダイオードアレイ（第２例）の部分平面図である。
【図５０】フォトダイオードアレイ（第２例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図５１】フォトダイオードアレイ（第３例）の部分平面図である。
【図５２】フォトダイオードアレイ（第３例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図５３】電極及び配線等の接続関係を示す図である。
【図５４】フォトダイオードアレイ（第４例）の部分平面図である。
【図５５】フォトダイオードアレイ（第４例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図５６】フォトダイオードアレイ（第５例）の部分平面図である。
【図５７】フォトダイオードアレイ（第５例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図５８】フォトダイオードアレイ（第６例）の部分平面図である。
【図５９】フォトダイオードアレイ（第６例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図６０】フォトダイオードアレイ（第７例）の部分平面図である。
【図６１】フォトダイオードアレイ（第７例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図６２】基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。
【図６３】フォトダイオードアレイの平面図である。
【図６４】フォトダイオードアレイの表面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図６５】フォトダイオードアレイの断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図６６】フォトダイオードアレイの一部の平面図である。
【図６７】図６６に示したフォトダイオードアレイ（第２例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【図６８】各フォトダイオードから電極パッド（共通電極）までの距離と信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（実施例）である。
【図６９】各フォトダイオードから電極パッド（共通電極）までの距離と信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（比較例）である。
【図７０】電圧ＶoverとＦＷＨＭ（ｐｓ）の関係を示すグラフである。
【図７１】時間ｔβ（ｐｓ）とカウント数の関係を示すグラフである。
【図７２】レーザビーム照射について説明する図である。
【図７３】時間ｔα（ｎｓ）と出力ＯＵＴ（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフである。
【図７４】共通電極周辺部の断面図である。
【図７５】共通電極周辺部の断面図である。
【図７６】検出器の斜視構成を示す写真の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、実施の形態に係る検出器、ＰＥＴ装置及びＸ線ＣＴ装置について説明する。なお、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２７】
図１は、ＰＥＴ装置・ＣＴ装置などの被検体診断装置の概略図である。
【００２８】
被検体診断装置は、クレードル１０１と、クレードル１０１が内部に位置する開口を有するガントリ１０２と、制御装置１０３とを備えている。制御装置１０３は、クレードル１０１を移動させる駆動モータ１０４を、駆動モータ制御信号によって制御し、クレードル１０１のガントリ１０２に対する相対位置を変化させる。クレードル１０１上には、診断が行われる被検体１０５が配置される。被検体１０５は、駆動モータ１０４の駆動によって、ガントリ１０２の開口の内部へと搬送される。駆動モータ１０４は、クレードル１０１を移動させてもよいが、ガントリ１０２を移動させてもよい。
【００２９】
ガントリ１０２の開口を囲むように、検出装置１０６が複数配置されている。検出装置１０６は、それぞれが複数の検出器Ｄ（図２、図３参照）を有する。制御装置１０３からは、検出装置１０６を制御する制御信号がガントリ１０２に出力され、ガントリ１０２からは検出器装置１０６からの検出信号が制御装置１０３に入力される。
【００３０】
図２は、図１の構造を備えたＰＥＴ装置のブロック図である。
【００３１】
ＰＥＴ装置では、ガントリの開口を囲むように、複数の検出器Ｄがリング状に配置されている。被検体１０５には、陽電子（ポジトロン）を放出するタイプの放射性同位元素（ＲＩ）（陽電子放出核種）が注入されている。陽電子は、体内の陰電子と結合して消滅放射線（γ線）を発生する。すなわち、被検体１０５からは、γ線が出射される。検出器Ｄは、出射されたγ線を検出し、制御装置３における画像処理装置１０３ｇによって検出信号を画像処理し、被検体１０５の内部情報に関する画像、すなわち断層化した画像を作成する。なお、ＰＥＴ装置において使用されるＲＩは、炭素、酸素、フッ素、窒素などの生体中に存在する元素である。
【００３２】
被検体１０５から出射されたγ線は、複数の検出器Ｄにて検出することができる。このＰＥＴ装置においては、検出器Ｄの全体特性が著しく改善されているので、高品質な画像を取得することが可能である。検出器Ｄについては、後述する。
【００３３】
被検体１０５の内部におけるＲＩ位置Ｐからは、γ線が一方向とこれとは逆方向に向けて出射される。複数の検出器Ｄは、リング状に配置されており、特定の検出器Ｄ（ｎ）と、ＲＩ位置を挟んで、これに対向する検出器Ｄ（ｋ）にγ線が入射する。Ｎ個の検出器Ｄを１つのリング上に配置している場合には、最も高い位置にある検出器Ｄから、時計まわりに数えてｎ番目の検出器Ｄ（ｎ）と、ｋ番目の検出器Ｄ（ｋ）にγ線が入射するが、ＲＩ位置Ｐがリングの中心にあり、リングの面内においてγ線が互いに逆方向に向かう場合には、ｋ＝ｎ＋（２／Ｎ）となる。なお、ｎ、ｋ、Ｎは自然数である。
【００３４】
ＰＥＴ装置が、ＴＯＦ型（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）である場合、ＲＩを含む物質を人体や動物及び植物などに投与し、その測定対象中において電子・陽電子対消滅で生成される放射線対（γ線）を計測することにより、測定対象内のその投与物質の分布や動きについての情報を得るものである。ＴＯＦ−ＰＥＴ装置は、複数の検出器Ｄからなる放射線検出器アレイ（検出装置１０６）と、複数のプリアンプ１０３ａ，１０３ａ’と、複数のサムアンプ１０３ｂ、１０３ｂ’と、エネルギー弁別回路１０３ｅと、タイミング取り出し回路１０３ｃ、１０３ｃ’と、同時計数回路１０３ｆとを備えている。
【００３５】
また、被検体１０５は、放射線検出器アレイ（検出装置１０６）の略中心にが配置される。被検体１０５からは、γ線対が放射される。γ線対は、互いに反対方向に放射される。複数の検出器Ｄは、被検体１０５を略中心とする円周上に配置されている。なお、検出器Ｄは、放射線（γ線、Ｘ線）を蛍光に変換するシンチレータと、蛍光を検出する光検出器とからなる。
【００３６】
γ線が入射する一方の検出器Ｄには、複数のプリアンプ１０３ａ（図面上は代表して１つを示す）に接続され、プリアンプ１０３ａのそれぞれは、いずれもサムアンプ１０３ｂ及びサムアンプ１０３ｂ２の両方に接続されている。プリアンプ１０３ａは、光検出器Ｄからの出力信号を高速に増幅し、サムアンプ１０３ｂ、１０３ｂ２は、それぞれプリアンプ１０３aの出力信号の論理和を出力する。
【００３７】
γ線が入射する他方の検出器Ｄには、複数のプリアンプ１０３ａ’（図面上は代表して１つを示す）に接続され、プリアンプ１０３ａ’のそれぞれは、いずれもサムアンプ１０３ｂ’及びサムアンプ１０３ｂ２’の両方に接続されている。プリアンプ１０３ａ’は、光検出器Ｄからの出力信号を高速に増幅し、サムアンプ１０３ｂ’、１０３ｂ２’は、それぞれプリアンプ１０３ａ‘の出力信号の論理和を出力する。
【００３８】
これらの構成は、リング状に配置された全ての検出器Ｄに採用されているが、説明の明確化のため、同図では１組のみを示している。
【００３９】
エネルギー弁別回路１０３ｅは、サムアンプ１０３ｂ２、１０３ｂ２’に接続される。エネルギー弁別回路１０３ｅは、所定の閾値（以下閾値ＳＨという）以上の信号をγ線の入射による信号として判別し、判別結果を同時計数回路１０３ｆに出力する。すなわち、サムアンプ１０３ｂ２、１０３ｂ２’による論理和演算の演算結果は、エネルギー弁別回路１０３ｅに出力され、エネルギー弁別回路１０３ｅは、これらのサムアンプから入力される信号が、閾値ＳＨ以上のエネルギーを有するγ線による信号であるか否かを判定し、判定結果を同時計数回路１０３ｆに出力している。
【００４０】
閾値ＳＨは、例えば電子・陽電子対消滅に伴って発生する一対のγ線の光子エネルギーである５１１ｋｅＶの付近に設定される。これにより、電気的ノイズ信号や、散乱ガンマ線（消滅γ線の一方或いは両方が散乱物質により方向を変えられたγ線であり、散乱のためにエネルギーが減少している）に起因するノイズ信号等が除かれる。なお、エネルギー弁別回路１０３ｅは、サムアンプ１０３ｂ２、１０３ｂ２’を介してプリアンプ１０３ａ，１０３ａ’から出力される信号を積分し、振幅がエネルギーと比例関係となるように波形を成形する回路を含んでいる。
【００４１】
タイミング取り出し回路１０３ｃ、１０３ｃ’は、それぞれサムアンプ１０３ｂ、１０３ｂ’から出力される信号に基づき、第１のタイミング信号、第２タイミング信号を出力する。第１及び第２のタイミング信号は同時計数回路１０３ｆに入力される。なお、タイミング取り出し方法としては、リーディング・エッジ方式やコンスタント・フラクション方式を用いることができる。
【００４２】
同時計数回路１０３ｆは、エネルギー弁別回路１０３ｅ、タイミング取り出し回路１０３ｃ、１０３ｃ’に接続されている。同時計数回路１０３ｆは、検出器Ｄ（ｎ）、Ｄ（ｋ）により検出されるγ線対が、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したγ線対であるか否かを判定する。この判定は、一方の検出器Ｄ（ｎ）においてγ線が検出された検出時刻の前後の一定時間の間に、他方の検出器Ｄ（ｋ）においてγ線が検出されたか否かによりなされる。この条件で検出された場合には、同一の電子・陽電子対消滅に伴って発生したγ線対であると判定できる。
【００４３】
エネルギー弁別回路１０３ｅにより、閾値ＳＨ以上のエネルギーレベルを有すると判定された信号のうち、電子・陽電子対消滅で生成されたγ線対によるものであると同時計数回路１０３ｆにより判定されたものを真のデータとして採用する。
【００４４】
真のデータは、画像処理回路１０３ｇに入力され、被検体の内部情報に関する画像である断層画像を作成する。作成された画像は、記憶装置１０３ｋ内に格納され、ディスプレイ１０３ｈ上に表示することができる。記憶装置１０３ｋには、画像処理等を行うプログラムが格納されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１０３ｉからの指令により、当該プログラムは動作する。検査に必要な一連の操作（制御信号（検出器のＯＮ／ＯＦＦ）の検出器Ｄへの出力、駆動モータの制御、検出器Ｄからの検出信号の取り込み、同時計数後の画像処理、作成画像の記憶装置への格納、ディスプレイへの表示）は、入力装置１０３ｊによって行うことができる。
【００４５】
図３は、図１の構造を備えたＸ線ＣＴ装置のブロック図である。
【００４６】
Ｘ線ＣＴ装置も、上述の構造のクレードルとガントリを備えているが、ガントリはＸ線を出射するＸ線源１０３ｍを内蔵している。Ｘ線源１０３ｍからのＸ線が入射する位置に、複数の検出器Ｄが配置され、検出装置１０６が構成されている。
【００４７】
図１のガントリ１０２の開口内に位置するクレードル１０１には被検体１０５が配置され、被検体１０５にはＸ線源１０３ｍからＸ線が照射される。被検体１０５を透過したＸ線は、複数の検出器Ｄにて検出され、この検出信号を画像処理することで、被検体１０５の内部情報に関する画像、すなわちコンピュータ断層画像を得ることができる。ＰＥＴ装置とＸ線ＣＴ装置を一体化している場合には、制御装置１０３は、ＰＥＴ装置で得られた画像と、Ｘ線ＣＴ装置で得られた画像とを重ねることができる。Ｘ線ＣＴ装置においては、全体特性が著しく改善された検出器Ｄを用いているので、高品質な画像を取得することが可能である。
【００４８】
被検体１０５は、リング状に配置された検出装置１０６の中心に配置される。検出装置１０６は、回転軸ＡＸを中心に回転する。Ｘ線源１０３ｍからは、被検体１０５にＸ線が照射され、これを透過したＸ線が複数の検出器Ｄ（ｎ）に入射する。各検出器の出力は、プリアンプ１０３ａ及びサムアンプ１０３ｂを経て、画像処置回路１０３ｇに入力される。Ｘ線ＣＴ装置の制御装置１０３は、ＰＥＴ装置と同様に機能するディスプレイ１０３ｈ、ＣＰＵ１０３ｉ、記憶装置１０３ｋ、入力装置１０３ｊを備えている。入力装置１０３ｊにより、撮影の開始が指示されると、記憶装置１０３ｋに格納されたプログラムが起動し、Ｘ線源駆動回路１０３ｎが制御され、この駆動回路からＸ線源１０３ｍに駆動信号が出力される。Ｘ線源１０３ｍからＸ線が出射される。また、記憶装置１０３ｋに格納されたプログラムが起動し、ガントリ駆動モータ１０３ｐを駆動し、検出装置１０６を回転軸ＡＸの周りに回転させ、更に、制御信号（検出器のＯＮ／ＯＦＦ）を検出器Ｄに出力して、検出器ＤをＯＮさせ、検出信号をプリアンプ１０３ａ、サムアンプ１０３ｂを介して、画像処理回路１０３ｇに入力する。画像処置回路１０３ｇでは、記憶装置１０３ｋに入力された断層画像作成プログラムにしたがって、コンピュータ断層画像を作成する。作成された画像は、記憶装置１０３ｋに格納され、ディスプレイ１０３ｈに表示することができる。
【００４９】
上述のように、記憶装置１０３ｋには、画像処理等を行うプログラムが格納されており、中央処理装置（ＣＰＵ）１０３ｉからの指令により、当該プログラムは動作する。検査に必要な一連の操作（制御信号（検出器のＯＮ／ＯＦＦ）の検出器Ｄへの出力、各種駆動モータの制御、検出器Ｄからの検出信号の取り込み、検出信号の画像処理、作成画像の記憶装置への格納、ディスプレイへの表示）は、入力装置１０３ｊによって行うことができる。
【００５０】
なお、各種プログラムは、従来の装置に搭載されているものを用いることができる。
【００５１】
図４は、検出器Ｄの斜視図である。
【００５２】
検出器Ｄは、配線基板２０と、二次元状に互いに離間して、配線基板２０上に配置・固定された複数の検出チップＳ（半導体チップＳ１）とを備えている。なお、個々の検出チップＳ（半導体チップＳ１）と、配線基板２０との間には、第１バンプ電極ＢＥ及び第２バンプ電極Ｂ２（図１５参照）が介在している。同図では、４×４個の検出チップＳが配置されているが、検出チップＳの数は複数であれば、これ以外の数も当然に採用することができる。同図では、ＸＹＺ三次元直交座標系が示されているが、＋Ｚ方向の延長線上に、ガントリの開口中心（被検体１０５）が位置する。すなわち、γ線又はＸ線は、Ｚ軸の負方向に進行し、検出チップＳに入射し、その出力信号はバンプ電極を介して、配線基板２０に入力され、配線基板２０からの出力が前述のプリアンプに入力される。
【００５３】
図５は、検出器Ｄにおける検出チップＳの間隔を説明するための図である。
【００５４】
検出チップＳは、Ｘ軸方向、Ｙ方向、共に距離ｄ１だけ離間して配置されている。検出チップＳは、半導体チップＳ１上にシンチレータを備えたものであるが、同図では、シンチレータの記載を省略している。半導体チップＳ１は、表面側に検出チャネルとなる半導体領域１４を有している。半導体領域１４は、半導体チップＳ１における半導体基板と共にｐｎ接合を構成する領域の表面側の領域である。
【００５５】
隣接する半導体チップＳ１間における半導体領域１４の離間距離の最小値をｄ２とする。
【００５６】
距離ｄ１（半導体チップＳ１の側面間距離）は１００μｍに設定され、距離ｄ２は、２００〜３００μｍに設定され、半導体チップＳ１の側面と半導体領域１４との離間距離の最小値ｄ３は５０〜１００μｍに設定することができる。距離ｄ１＝Ｘ１μｍとすれば、ｄ２＝Ｘ１＋２×ｄ３＝Ｘ１＋１００〜２００μｍを満たしている。
【００５７】
１つの半導体チップＳ１は、複数の半導体検出領域１４を二次元状に備えているが、一群の半導体領域１４を１つの検出チャネルとし、単一の検出チャネルを備えている場合には、検出器Ｄはディスクリートアレイを構成する。１つの半導体チップＳ１が、複数の検出チャネルを備えている場合には、モノシリックアレイを構成する。ディスクリートアレイの場合には、半導体チップの側面には、高濃度の不純物（半導体基板と同一の導電型：Ｎ型）が添加され、不純物添加領域ＩＳを構成している。モノシリックアレイの場合には、半導体チップの側面と、検出チャネル間には、高濃度の不純物（半導体基板と同一の導電型：Ｎ型）が添加され、不純物添加領域ＩＳを構成している。
【００５８】
なお、モノシリックアレイの場合の検出チャネル間の離間距離（隣接する検出チャネルにおける半導体領域１４間の距離の最小値）は、距離ｄ１と等しく設定することができる。この場合には、全ての半導体領域１４の離間距離が等しくなるという利点がある。
【００５９】
図６は、検出器Ｄ’の斜視図である。
【００６０】
図４に示した配線基板２０が、複数、メインの配線基板又は支持基板２０’上に配置・固定されており、全体として、８×８個の検出チップＳが並んでいる。このような構成を採用することで、検出器の大型化を達成することができる。
【００６１】
図７は、検出器Ｄ”の斜視図である。
【００６２】
図４に示した配線基板２０を共通化し、全体として、８×８個の検出チップＳが並んで、配線基板２０上に配置・固定されている。このような構成を採用することで、検出器の大型化を達成することができる。また、図７６は、複数の検出チップを並べた検出器の斜視構成を示す写真の図であり、更に大面積の検出器を試作することができた。
【００６３】
次に、検出チップについて説明する。
【００６４】
図８は、検出チップＳの斜視図である。
【００６５】
半導体チップＳ１上に、接着層Ｓ２を介して、シンチレータＳ３が設けられている。接着層Ｓ２は、例えばEpoxy Technologies社製のEpo-Tek301（商標）などの樹脂である。シンチレータＳ３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１少なくとも１種類又はこれらのいずれか２種以上の混合材料を含んでいる。なお、ＬｕＴＡＧにおけるＬｕの組成比「ｘ」は０．５〜１．５の範囲にありかつＣｅの組成比「ｙ」は０．０１〜０．１５の範囲にある。シンチレータＳ３に入射した放射線は、シンチレータＳ３によって蛍光に変換され、接着層Ｓ２を介して、半導体チップＳ１に入射する。
【００６６】
図９は、別の構造の検出チップＳの斜視図である。
【００６７】
半導体チップＳ１上に、接着層Ｓ２１を介して、ガラス板Ｓ２２が設けられている。ガラス板Ｓ２２上には、接着層Ｓ２３を介して、シンチレータＳ３が設けられている。接着層及びシンチレータの材料は上述の通りである。シンチレータＳ３に入射した放射線は、シンチレータＳ３によって蛍光に変換され、接着層Ｓ２３、ガラス板Ｓ２２、接着層Ｓ２１を介して、半導体チップＳ１に入射する。
【００６８】
以上のように、個々の半導体チップＳ１の表面上には、絶縁体（Ｓ２、Ｓ２１、Ｓ２２，Ｓ２３）を介して、シンチレータＳ３が位置している。シンチレータＳ３は、これに入射したＸ線又はγ線等の放射線の入射に応じて、これらよりも長波長の光を発生する。可視光や赤外光がＳｉに入射した場合には、Ｓｉ内部において効率的に光電変換が生じる。半導体チップＳ１内部のＡＰＤをＳｉから構成する場合には、可視光や赤外光の感度を向上させることができる。上述のように、絶縁体は、ガラス板や樹脂からなり、ＡＰＤの表面を保護すると共に、シンチレータからの光が、ＡＰＤに到達するまでに、これを若干拡散させることができる。樹脂は、シンチレータと半導体チップとの接着機能を有することもできる。
【００６９】
図１０は、半導体チップＳ１の平面図である。
【００７０】
半導体チップＳ１の表面には、Ｘ軸及びＹ軸に沿って、複数の光検出部１０が配列している。半導体チップＳ１の中央部には、各光検出部１０からの信号が収集される共通電極Ｅ３が配置されている。なお、半導体チップＳ１の全面上に光検出部１０が形成されているが、同図では、共通電極の明瞭化のため、両端部周辺にのみ光検出部１０を図示している。
【００７１】
図１１は、半導体チップＳ１の共通電極周辺部（図１０の領域ＲＳ１）の拡大図である。
【００７２】
光検出部１０は、ＡＰＤと、ＡＰＤの一端（アノード）に接続されたクエンチング抵抗Ｒ１（抵抗層）とを備えている。クエンチング抵抗Ｒ１は、読出配線ＴＬを介して、共通電極Ｅ３に接続されている。すなわち、複数の光検出部１０における各ＡＰＤは、それぞれのクエンチング抵抗Ｒ１と、読出配線ＴＬを介して、全て共通電極Ｅ３に接続されている。
【００７３】
図１２は、検出器の回路図である。
【００７４】
半導体チップＳ１は、１又は複数のフォトダイオードアレイＰＤＡを含んでいる。フォトダイオードアレイＰＤＡは、複数の光検出部１０（ＡＰＤ、クエンチング抵抗Ｒ１）からなる。フォトダイオードアレイＰＤＡにおいては、個々のＡＰＤをガイガーモードで動作させる。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Ｖ１を、カソードには（＋）電位Ｖ２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。
【００７５】
配線基板２０には、フォトダイオードアレイＰＤＡからの信号を処理する信号処理部ＳＰを設けてもよい。信号処理部ＳＰは、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）を構成している。信号処理部ＳＰは、フォトダイオードアレイＰＤＡ（チャンネル）からの出力信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含むことができる。
【００７６】
図１３は、共通電極周辺部の光検出部の平面図である。
【００７７】
ＡＰＤは、半導体基板の主面側にそれぞれ配置された、電極Ｅ１を有している。電極Ｅ１は、第２半導体領域１４に電気的に接続されている。第２半導体領域１４の直下に位置する第１半導体領域は、第２半導体領域１４を介して電極Ｅ１に電気的に接続されている。
【００７８】
第２半導体領域１４の外側の半導体基板上には、絶縁層を介して、読出配線（信号線）ＴＬと共通電極Ｅ３とが形成されている。共通電極Ｅ３は、各チャンネル（フォトダイオードアレイＰＤＡ）の中央領域に位置している。
【００７９】
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。各信号線ＴＬ１は、平面視で、隣接するＡＰＤ間をＹ軸方向に延びている。各読出配線ＴＬ２は、隣接するＡＰＤ間をＸ軸方向に延びて、複数の読出配線ＴＬ１同士を電気的に接続する。読出配線ＴＬ２は、共通電極Ｅ３に接続されている。読出配線ＴＬ１は、共通電極Ｅ３に直接接続されるものを除いて、読出配線ＴＬ２を介して共通電極Ｅ３に電気的に接続されている。
【００８０】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、個々のＡＰＤ毎に、第２半導体領域１４の外側の半導体基板上に、絶縁層を介して形成されたクエンチング抵抗Ｒ１を有している。すなわち、クエンチング抵抗Ｒ１は、半導体基板の主面側に配置されている。クエンチング抵抗Ｒ１は、その一方端が電極Ｅ１に接続され、その他方端が読出配線ＴＬ１接続されている。
【００８１】
図１４は、共通電極周辺部の断面図である。
【００８２】
半導体基板を構成する半導体領域１２は、互いに対向する主面１Ｎａと主面１Ｎｂとを含んでいる。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。
【００８３】
各フォトダイオードアレイＰＤＡは、半導体領域１２に形成された複数のＡＰＤを含んでいる。ＡＰＤのアノードはＰ型の半導体領域１３（１４）であり、カソードはＮ型の半導体領域１２である。ＡＰＤに光子が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。第１半導体領域１３のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は半導体領域１２の裏面に形成された電極に向けて流れる。すなわち、フォトダイオードアレイＰＤＡのいずれかの画素（アバランシェフォトダイオードＡＰＤ）に光子が入射すると、増倍されて、信号として電極Ｅ３（貫通電極ＴＥ）から取り出される。
【００８４】
それぞれのＡＰＤには、クエンチング抵抗Ｒ１が直列に接続されている。一つのＡＰＤは、各フォトダイオードアレイＰＤＡにおける一つの画素を構成している。各ＡＰＤは、それぞれクエンチング抵抗Ｒ１と直列に接続された形で、全て並列に接続されており、電源から逆バイアス電圧が印加される。
【００８５】
個々のＡＰＤは、Ｐ型（第２導電型）の第１半導体領域１３と、Ｐ型（第２導電型）の第２半導体領域１４と、を有している。第１半導体領域１３は、半導体領域１２の主面１Ｎａ側に形成されている。第２半導体領域１４は、第１半導体領域１３内に形成され且つ第１半導体領域１４よりも不純物濃度が高い。第２半導体領域１４の平面形状は、たとえば多角形（本実施形態では、四角形）である。第１半導体領域１３の深さは、第２半導体領域１４よりも深い。
【００８６】
半導体領域１２は、Ｎ型（第１導電型）の半導体領域１ＰＣを有している。半導体領域１ＰＣは、半導体領域１２の主面１Ｎａ側に形成されている。半導体領域１ＰＣは、貫通電極ＴＥが配置される貫通孔ＴＨに、Ｎ型の半導体領域１２とＰ型の第１半導体領域１３との間に形成されるＰＮ接合が露出するのを防ぐ。半導体領域１ＰＣは、貫通孔ＴＨ（貫通電極ＴＥ）に対応する位置に形成されている。
【００８７】
第２半導体領域１４の表面上には、絶縁層１６が形成され、この上に共通電極Ｅ３と読出配線ＴＬが形成されている。共通電極Ｅ３と読出配線ＴＬは、絶縁層１７によって被覆されている。半導体領域１２の裏面１Ｎｂは、絶縁層Ｌ３によって被覆されている。絶縁Ｌ３は開口を有しており、貫通電極ＴＥが開口内を通っている。共通電極Ｅ３は、貫通電極ＴＥに接触し、電気的に接続されており、貫通電極ＴＥ上には、アンダーバンプメタルＢＭを介して、第１のバンプ電極ＢＥが接触している。半導体領域１２に設けられた貫通孔ＴＨの内面は、絶縁層Ｌ２によって被覆され、絶縁層Ｌ２は絶縁層Ｌ３に連続している。貫通電極ＴＥ及び絶縁層Ｌ３は、パッシベーション膜（保護膜）ＰＦによって被覆されている。ＵＢＭの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極ＢＥの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。
【００８８】
以上のように、個々の半導体チップは、二次元状に配置された複数の光検出部１０を有する半導体領域１２と、半導体領域１２の表面上に形成された絶縁層１６と、絶縁層１６上に配置された共通電極Ｅ３と、個々の光検出部１０のクエンチング抵抗Ｒ１と共通電極Ｅ３とを電気的に接続する読出配線ＴＬと、共通電極Ｅ３から、半導体領域１２の貫通孔ＴＨを介して、半導体領域１２の裏面に延びた貫通電極ＴＥとを備えている。
【００８９】
各フォトダイオードアレイＰＤＡは、貫通電極ＴＥを含んでいる。貫通電極ＴＥは、個々のフォトダイオードアレイＰＤＡ毎、すなわち個々のチャンネル毎に設けられている。貫通電極ＴＥは、半導体領域１２を、主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側まで貫通して形成されている。すなわち、貫通電極ＴＥは、半導体領域１２を貫通する貫通孔ＴＨ内に配置されている。絶縁層Ｌ２は、貫通孔ＴＨ内にも形成されている。したがって、貫通電極ＴＥは、絶縁層Ｌ２を介して、貫通孔ＴＨ内に配置される。貫通電極ＴＥは、その一方端が共通電極Ｅ３に接続され、読出配線ＴＬと貫通電極ＴＥとを接続している。
【００９０】
個々の光検出部１０は、ＡＰＤを備えているが、各ＡＰＤは、第１導電型の半導体領域１２（第１半導体領域）、及び、半導体領域１２とｐｎ接合を構成し、キャリアを出力する第２導電型の第２半導体領域（１３，１４）を備えている。ＡＰＤの第２半導体領域１４には、クエンチング抵抗Ｒ１が電気的に接続されている。
【００９１】
第１バンプ電極ＢＥは、貫通電極ＴＥと配線基板２０とを電気的に接続しており、第２バンプ電極Ｂ２（図１５等参照）は、ＡＰＤの半導体領域１２（第１半導体領域）と配線基板２０とを電気的に接続している。
【００９２】
クエンチング抵抗Ｒ１は、これが接続される電極Ｅ１、共通電極Ｅ３よりも抵抗率が高い。クエンチング抵抗Ｒ１は、たとえばポリシリコン等からなる。クエンチング抵抗Ｒ１の形成方法としては、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法を用いることができる。クエンチング抵抗Ｒ１を構成する抵抗体としては、その他、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒなどが挙げられる。
【００９３】
電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥはアルミニウムなどの金属からなる。半導体基板がＳｉからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、ＡｕＧｅ／Ｎｉなどもよく用いられる。電極Ｅ１，Ｅ３及び貫通電極ＴＥの形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。
【００９４】
Ｓｉを用いた場合におけるＰ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、Ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導電型であるＮ型とＰ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。
【００９５】
上述の絶縁層の材料としては、ＳｉＯ２又はＳｉＮを用いることができ、絶縁層の形成方法としては、各絶縁層がＳｉＯ２からなる場合には、熱酸化法又はスパッタ法を用いることができる。
【００９６】
上述の構造の場合、Ｎ型の半導体領域１２とＰ型の第１半導体領域１３との間に、ｐｎ接合が構成されることで、ＡＰＤが形成されている。半導体領域１２は、基板１Ｎの裏面に直接、又は、裏面に形成された電極（図示省略）に電気的に接続されている。第１半導体領域１３は、第２半導体領域１４、電極Ｅ１、クエンチング抵抗Ｒ１，読出配線ＴＬ、共通電極Ｅ３、貫通電極ＴＥ，バンプ電極ＢＥを順次介して、配線基板２０に接続されている。半導体領域１２の裏面は、バンプ電極Ｂ２を介して、配線基板２０に接続されている。なお、クエンチング抵抗Ｒ１はＡＰＤに対して直列に接続されている。
【００９７】
図１５は、図１４の半導体チップＳ１の底面図である。
【００９８】
半導体基板の裏面のパッシベーション膜ＰＦは、一部が除去され、半導体領域１２の裏面が露出している。この露出領域に、第２バンプ電極Ｂ２が配置される。半導体領域１２の中央には、第１バンプ電極ＢＥが位置している。第２バンプ電極Ｂ２は、四角形の半導体領域１２の４つの角部に対応する位置に配置されている。
【００９９】
図１６は、改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【０１００】
この構造は、図１５に示したものと比較して、パッシベーション膜ＰＦを除去することで露出した半導体領域１２の裏面上に、導電膜Ｍを形成し、導電膜Ｍ上にバンプ電極Ｂ２を配置した点が異なり、他の点は同一である。導電膜Ｍの形状は、矩形環状であり、材料は電極材料と同一とすることができる。なお、バンプ電極の材料は、半田を用いることができる。
【０１０１】
以上のように、個々の光検出部１０に含まれるＡＰＤの両端には、第１バンプ電極ＢＥ及び第２バンプ電極Ｂ２を介して、ガイガーモードで動作するバイアス電圧が与えられる。光（エネルギー線）の入射により、複数のＡＰＤにおいて発生したキャリアは、それぞれのクエンチング抵抗Ｒ１を介して、半導体領域１２上の共通電極Ｅ３に流れ、共通電極Ｅ３から、貫通電極ＴＥ及び第１バンプ電極ＢＥを通って配線基板２０に至り、外部に取り出される。
【０１０２】
当該構造のＡＰＤにおいては、貫通電極等を用いたキャリア伝達経路短縮化構造を有しているため、配線抵抗が減少している。しがたって、ＡＰＤからのキャリアの伝達速度、すなわち、時間分解能が向上する。当該ＡＰＤを複数備えた１つの半導体チップに、複数の光子が入射した場合、時間分解能が向上することで、より高精度の光子検出を行うことができるようになる。また、別の半導体チップにおいては、製造誤差等の原因により、同一の時間分解能となることが保障されていないが、組み立て時において、製品特性が一定の範囲内の半導体チップを選択して、配線基板にバンプ電極を介してボンディングすれば、半導体チップ毎の特性バラつきが低減される。
【０１０３】
二次元状に並べられた半導体チップＳ１は、離間しているので、特定の半導体チップへ入射した光が、他の半導体チップへ漏れてクロストークが発生する影響が抑制されると共に、半導体チップ間の隙間が、配線基板２０の膨張／収縮に起因する配線基板の反りの半導体チップへの影響を緩和することができる。すなわち、検出器全体としての時間分解能、クロストーク、温度変化に対する耐性等の特性は著しく改善される。
【０１０４】
図１７は、配線基板の基本構成要素の斜視図（Ａ）、底面図（Ｂ）である。
【０１０５】
配線基板２０は、絶縁基板２０Ｃの表面上設けられ、第１バンプ電極ＢＥが接触する電極２０ａ、４つの第２バンプ電極Ｂ２が接触する電極２１ａを備えている。絶縁基板２０Ｃの裏面には、絶縁基板２０Ｃの内部を通る貫通電極２０ｂを介して、電極２０ａに電気的に接続される電極パッド２０ｄが設けられている。貫通電極２０ｂと電極パッド２０ｄとは接続電極２０ｃを介して接続されている。
【０１０６】
絶縁基板２０Ｃの裏面には、絶縁基板２０Ｃの内部を通る貫通電極２１ｂを介して、電極２１ａに電気的に接続される電極パッド２１ｄが設けられている。貫通電極２１ｂと電極パッド２１ｄとは接続電極２１ｃを介して接続されている。
【０１０７】
なお、絶縁基板２０Ｃに設けられる電極は、いずれも印刷された配線パターンである。
【０１０８】
表面上の第１の電極２０ａの形状は四角形であり、第２の電極２１ａは、第１の電極２０ａの３辺に隣接し、これを囲むように設けられている。
【０１０９】
図１８は、配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【０１１０】
この配線基板２０は、図１７に示した配線パターンをＸ軸及びＹ軸に沿って、複数配列させたものである。左の２列の第２の電極２１ａは、下側が開放するように配置されているが、右の２列の第２の電極２１ａは、左の２列を配線基板の厚みに平行な軸を中心に、１８０°回転させたものであり、上側が開放するように配置されている。
【０１１１】
図１９は、配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【０１１２】
この配線基板２０は、図１７に示した配線パターンをＸ軸及びＹ軸に沿って、複数配列させると同時に、第２の電極２１ａのうち、Ｘ軸方向に隣接するもの同士を連続させて、電極２１０ａとしたものである。電極２１０ａは、Ｙ軸に沿って延びており、全ての第２の電極２１ａが表面側において電気的に接続される構造となっている。この場合、電極２１０ａの一か所の直下に貫通電極２１０ｄを設けて、裏面に露出させればよいため、構造が簡単になるという利点がある。
【０１１３】
図２０は、共通電極周辺部の断面図である。
【０１１４】
上記では、第１バンプ電極ＢＥを、半導体領域１２に設けられた貫通孔内に配置したが、これとは別の位置に設けてもよい。貫通電極ＴＥは、貫通孔の内面を沿って、半導体基板の裏面上の絶縁層Ｌ３上に位置する。絶縁層Ｌ３にコンタクトホールを形成して、貫通電極ＴＥを露出させ、この露出面上にアンバーバンプ電極メタルＢＭを介して、第１のバンプ電極ＢＥを設けることができる。なお、貫通孔ＴＨの底部のパッシベーション膜ＰＦを除去して、除去された領域の貫通電極ＴＥに接触するようにアンダーバンプメタルＢＭを設けることができる。設計によっては、底部のアンダーバンプメタルＢＭ上にも、バンプ電極を配置することができる。
【０１１５】
図２１は、図２０の半導体チップＳ１の底面図である。
【０１１６】
半導体領域１２の裏面のパッシベーション膜ＰＦは、一部が除去され、半導体領域１２の裏面が露出している。この露出領域に、第２バンプ電極Ｂ２が配置される。半導体領域１２の中央の周辺には、４つの第１バンプ電極ＢＥが位置している。第２バンプ電極Ｂ２は、四角形の半導体領域１２の４つの角部に対応する位置に配置されている。第１バンプ電極ＢＥは、開口形状が四角形の貫通孔の各辺に隣接するように設けられている。なお、貫通孔の形状は四角錐台である。
【０１１７】
図２２は、改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【０１１８】
この構造は、図２１に示したものと比較して、パッシベーション膜ＰＦを除去することで露出した半導体領域１２の裏面上に、導電膜Ｍを形成し、導電膜Ｍ上にバンプ電極Ｂ２を配置した点が異なり、他の点は同一である。導電膜Ｍの形状は、矩形環状であり、材料は電極材料と同一とすることができる。なお、バンプ電極の材料は、半田を用いることができる。
【０１１９】
図２３は、配線基板の基本構成要素の斜視図（Ａ）、底面図（Ｂ）である。
【０１２０】
配線基板２０は、絶縁基板２０Ｃの表面上設けられ、４つの第１バンプ電極ＢＥが接触する電極２０ａ、４つの第２バンプ電極Ｂ２が接触する電極２１ａを備えている。絶縁基板２０Ｃの裏面には、絶縁基板２０Ｃの内部を通る貫通電極２０ｂを介して、電極２０ａに電気的に接続される電極パッド２０ｄが設けられている。貫通電極２０ｂと電極パッド２０ｄとは接続電極２０ｃを介して接続されている。
【０１２１】
絶縁基板２０Ｃの裏面には、絶縁基板２０Ｃの内部を通る貫通電極２１ｂを介して、電極２１ａに電気的に接続される電極パッド２１ｄが設けられている。貫通電極２１ｂと電極パッド２１ｄとは接続電極２１ｃを介して接続されている。
【０１２２】
なお、絶縁基板２０Ｃに設けられる電極は、いずれも印刷された配線パターンである。
【０１２３】
表面上の第１の電極２０ａの形状は十字架形状であり、第２の電極２１ａは、第１の電極２０ａに隣接し、これを囲みつつ一端が開放した概略Ｕ字形状を有している。
【０１２４】
図２４は、配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【０１２５】
この配線基板２０は、図２３に示した配線パターンをＸ軸及びＹ軸に沿って、複数配列させたものである。左の２列の第２の電極２１ａは、下側が開放するように配置されているが、右の２列の第２の電極２１ａは、左の２列を配線基板の厚みに平行な軸を中心に、１８０°回転させたものであり、上側が開放するように配置されている。
【０１２６】
図２５は、配線基板の底面図である。
【０１２７】
上述の配線基板において、電極パッド２０ｄ同士を接続する配線ＳＲ１と、電極パッド２１ｄ同士を接続する配線ＳＲ２を設けてもよい。これにより、各第１バンプ電極ＢＥからの出力を、配線ＳＲ１を介して外部に出力し、第２バンプ電極Ｂ２からの出力を、配線ＳＲ２を介して外部に出力することができる。
【０１２８】
図２６は、配線基板の平面図（Ａ）と、底面図（Ｂ）である。
【０１２９】
この配線基板２０は、図２３に示した配線パターンをＸ軸及びＹ軸に沿って、複数配列させると同時に、第２の電極２１ａのうち、Ｘ軸方向に隣接するもの同士を連続させて、電極２１０ａとしたものである。電極２１０ａは、Ｙ軸に沿って延びており、全ての第２の電極２１ａが表面側において電気的に接続される構造となっている。この場合、電極２１０ａの一か所の直下に貫通電極２１０ｄを設けて、裏面に露出させればよいため、構造が簡単になるという利点がある。
【０１３０】
図２７は、半導体チップＳ１の平面図である。
【０１３１】
半導体チップＳ１の表面には、Ｘ軸及びＹ軸に沿って、複数の光検出部１０が配列している。半導体チップＳ１の中央部には、各光検出部１０からの信号が収集される共通電極Ｅ３が複数、配置されている。なお、半導体チップＳ１の全面上に光検出部１０が形成されているが、同図では、共通電極の明瞭化のため、両端部周辺にのみ光検出部１０を図示している。
【０１３２】
同図では、半導体チップＳ１には、４つの共通電極Ｅ３が示されている。個々の共通電極Ｅ３の周辺領域ＲＳ１の断面構造は、図１４又は図２０し示したものと同一である。
【０１３３】
図２８は、図２７に示した半導体チップＳ１の底面図である。同図では断面構造としては、図２０に示したものを用いた場合を示すため第１バンプ電極ＢＥの数が、各共通電極毎に４つとなっているが、図１４に用いたものを採用した場合には、第１バンプ電極ＢＥの数は、各共通電極毎に１つとなる。
【０１３４】
半導体基板の裏面のパッシベーション膜ＰＦは、一部が除去され、半導体領域１２の裏面（矩形環状の領域、中央部の領域）が露出している。この露出領域の５か所に、第２バンプ電極Ｂ２が配置される。第２バンプ電極Ｂ２は、四角形の半導体領域１２の４つの角部と、中央部に対応する位置に配置されている。半導体領域１２の４つの共通電極に対応する箇所には、それぞれ４つの第１バンプ電極ＢＥが位置している。
【０１３５】
図２９は、改良に係る半導体チップＳ１の底面図である。
【０１３６】
この半導体チップＳ１の図２８に示したものの相違点は、第２バンプ電極Ｂ２を設ける位置を半導体チップＳ１の中央の一か所のみにした点であり、他の構成は図２８に示したものと同一である。
【０１３７】
次に、図３０、図３１を参照して、上述した検出器の製造方法を説明する。
【０１３８】
まず、各チャンネル（フォトダイオードアレイＰＤＡ）に対応する部分（第１半導体領域１３、第２半導体領域１４、絶縁層１６、クエンチング抵抗Ｒ１、電極Ｅ１，Ｅ３、及び信号線ＴＬ）が形成された半導体領域１２を用意する。次に、半導体領域１２の主面１Ｎａ側に、絶縁層１７を形成し、その後、半導体領域１２を主面１Ｎｂ側から薄化する（図３０（Ａ）参照）。絶縁層１７は、ＳｉＯ２からなる。絶縁層１７の形成方法は、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法を用いることができる。半導体領域１２の薄化方法は、機械研磨法又は化学研磨法を用いることができる。
【０１３９】
次に、用意した半導体領域１２の裏面１Ｎｂ側に、絶縁層Ｌ３を形成する（図３０（Ｂ））参照）。絶縁層Ｌ３は、ＳｉＯ２からなる。絶縁層Ｌ３の形成方法は、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法を用いることができる。
【０１４０】
次に、絶縁層Ｌ３における、貫通孔ＴＨを形成する領域を除去する（図３０（Ｃ）参照）。絶縁層Ｌ３の除去方法は、ドライエッチング法を用いることができる。
【０１４１】
次に、半導体領域１２に貫通電極ＴＥを配置するための貫通孔ＴＨを形成する（図３０（Ｄ）参照）。貫通孔ＴＨの形成方法には、ドライエッチング法とウエットエッチング法とを適宜選択して適用できる。ウエットエッチング法としてアルカリエッチング法が用いられた場合には、絶縁層１６がエッチングストップ層として機能する。アルカリエッチングによる貫通孔形成時に絶縁層Ｌ３にアンダーカットが生じるため、ドライエッチング法により絶縁層Ｌ３をエッチングする。この際に絶縁層１６も同時にエッチングされる。
【０１４２】
次に、用意した半導体領域１２の主面１Ｎｂ側に、ＳｉＯ２からなる絶縁層Ｌ２を形成した後、電極Ｅ３を露出させるために絶縁層Ｌ２との一部を除去する（図３０（Ｅ）参照）。絶縁層Ｌ１と絶縁層Ｌ２との除去方法は、ドライエッチング法を用いることができる。
【０１４３】
次に、貫通電極ＴＥを形成する（図３０（Ｆ））参照）。貫通電極ＴＥの形成方法は、上述したように、スパッタ法を用いることができる。
【０１４４】
次に、半導体領域１２の主面１Ｎｂ側に、バンプ電極ＢＥに対応する位置に開口が形成されたパッシベーション膜ＰＦを形成し、その後、バンプ電極ＢＥを形成する（図３１（Ｇ）参照）。これにより、半導体チップが得られる。バンプ電極ＢＥの形成に先立って、貫通電極ＴＥにおけるパッシベーション膜ＰＦから露出する領域に、アンダーバンプメタル（Under  Bump  Metal）ＢＭを形成する。ＢＭは、バンプ電極ＢＥと電気的及び物理的に接続が優れた材料からなる。ＢＭの形成方法は、無電解めっき法を用いることができる。バンプ電極ＢＥの形成方法は、ハンダボールを搭載する手法又は印刷法を用いることができる。
【０１４５】
次に、半導体チップＳ１に光学接着剤を介してガラス基板Ｓ２２を接着する（図３１（Ｈ）参照）。これにより、ガラス基板Ｓ２２と半導体チップＳ１とが光学的に接続される。ガラス基板Ｓ２２も、半導体領域１２と同様に、複数のガラス基板を含むガラス基板母材の態様で用意される。ガラス基板Ｓ２２と半導体チップＳ１とを接着する工程は、半導体領域１２に絶縁層Ｌ３を形成した後に実施されていてもよい。尚、ガラス基板Ｓ２２を用いる必要がない場合には省略が可能である。
【０１４６】
次に、ガラス基板Ｓ２２（ガラス基板母材）及び半導体チップＳ１（半導体ウエハ）からなる積層体をダイシングにより切断する。これにより、半導体領域１２の側面とガラス基板Ｓ２２の側面３０ｃとが面一とされる。
【０１４７】
次に、ガラス基板Ｓ２２が対向配置された半導体光検出素子１０と、別途用意した搭載基板２０とバンプ電極接続する（図３１（Ｉ）参照）。これらの過程により、検出チップＳが得られる。配線基板２０には、主面２０Ｕ側に、電極２０ａに対応する位置にバンプ電極ＢＥが形成され、逆の面２０Ｄ上に信号取り出し用の電極が形成される。
【０１４８】
フォトダイオードアレイＰＤＡを一つのチャンネルとして、複数のチャンネルを有している場合、大面積化が図られた検出チップを実現することができる。
【０１４９】
半導体領域１２に、信号線ＴＬと電気的に接続され且つ主面１Ｎａ側から主面１Ｎｂ側まで貫通した貫通電極ＴＥがチャンネル毎に形成され、貫通電極ＴＥと、配線基板２０の電極とがバンプ電極を介して電気的に接続されている。これにより、各チャンネルから信号を導くための配線の距離を極めて短くできると共に、その値をばらつきなく揃えることができる。したがって、配線が有する抵抗及び容量の影響が著しく抑制され、時間分解能が向上する。
【０１５０】
検出チップＳは、半導体領域１２の主面１Ｎａ側に配置されたガラス基板Ｓ２２を備えている。これにより、ガラス基板Ｓ２２により、半導体領域１２の機械的強度を高めることができる。半導体領域１２の側面とガラス基板Ｓ２２の側面とは、面一とされている。これにより、デッドスペースを低減できる。
【０１５１】
ガラス基板Ｓ２２の主面３０ｂが平坦である。これにより、ガラス基板Ｓ２２へのシンチレータの設置を極めて容易に行うことができる。
【０１５２】
貫通電極ＴＥが、各チャンネルの中央領域に位置している。これにより、各チャンネルにおいて、各ＡＰＤから貫通電極ＴＥまでの配線距離を短くすることができる。
【０１５３】
半導体チップＳ１は、半導体領域１２の主面１Ｎａ側に配置され、信号線ＴＬと貫通電極ＴＥとを接続する共通電極Ｅ３を含んでいる。これにより、信号線ＴＬと貫通電極ＴＥとを確実に電気的に接続することができる。
【０１５４】
なお、貫通電極ＴＥは、各チャンネル（フォトダイオードアレイＰＤＡ）間の領域に位置していてもよい。この場合には、各チャンネルでの開口率の低下を防ぐことができる。
【０１５５】
上述のように、バンプ電極ＢＥは、貫通孔ＴＨの外側に配置されていてもよい。この場合、一つの貫通電極ＴＥに対して、複数のバンプ電極（本例では、４つのバンプ電極）ＢＥが形成されている。バンプ電極ＢＥは、貫通電極ＴＥに連続し且つ半導体領域１２の主面１Ｎｂ側に配置された電極部分上に配置することができる。
【０１５６】
半導体領域１３，１４の形状は、上述した形状に限られることなく、他の形状（たとえば、円形状など）であってもよい。また、ＡＰＤ（第２半導体領域１４）の数（行数及び列数）及び配列は、上述したものに限られない。また、チャンネル（ＰＤＡ）の数や配列も、上述したものに限られない。
【０１５７】
図３２は、同時に入射する光子数ＮＰと信号強度ＩＳ（a．u．）の関係を示すグラフである。
【０１５８】
光子数ＮＰの増加に伴って、信号強度ＩＳは増加するが、セルピッチが１０μｍの場合には、これらのリニアリティが、セルピッチ１５μｍの場合よりも高くなっている。なお、セルピッチとは、隣接する光検出部１０の中心間の距離である。
【０１５９】
図３３は、電圧ばらつきΔＶ（Ｖ）と相対頻度ＦＲの関係を示すグラフ（（Ａ）ディスクリートアレイ、（Ｂ）モノリシックアレイ）である。なお、相対頻度ＦＲはアレイに含まれる電圧ばらつきΔＶの発生数を示している。
【０１６０】
半導体チップのＡＰＤのカソードには、共通のバイアス電位が与えられ、印加電圧は全ＡＰＤにおいて共通となる。光検出部の動作は、オペレーション電圧Ｖｏｐから各チャンネルのブレイクダウン電圧Ｖｂｒを引いた、ΔＶｏｖｅｒ＝Ｖｏｐ−Ｖｂｒに依存するため、各チャンネルのブレイクダウン電圧が均一でないと、検出効率、ダーク、ノイズ等の各種特性に影響がある。よって全ＡＰＤのブレイクダウン電圧は均一であるほど好ましい。しかしながら、ブレイクダウン電圧の均一性は、ウエハ材料やプロセスの実力により制限される。
【０１６１】
３×３ｍｍのアクティブチャンネル（半導体チップ）を１チップとして特性の近い素子を選別し、１６×１６個を基板上に配置したディスクリートアレイでは、電圧ばらつきは平均０．０６Ｖに低減されている（図３３（Ａ））。ディスクリートアレイの場合には、特性が基準値から外れた検出チップを除去して、特性の揃ったものを同一の配線基板上に配置することができるため、電圧のばらつきΔＶが、モノシリックアレイの場合よりも抑制されている。また、貫通電極を用いたディスクリートアレイでは、デッドスペースは少ない。
【０１６２】
一方、３×３ｍｍのアクティブチャンネル４行４列を同一の半導体チップ上に並べたモノリシックアレイタイプにおける電圧ゲインばらつきは大きくなる。一定の印加電圧において、全１６チャンネル（半導体チップ）の電圧ばらつきは平均０．２１Ｖ発生している（図３３（Ｂ））。
【０１６３】
次に、光検出部の構造のみを変形した例について説明する。
【０１６４】
図３４は、フォトダイオードアレイの斜視図、図３５は、フォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面図である。
【０１６５】
このフォトダイオードアレイは、Ｓｉからなる半導体基板の表面側に受光領域を備えている。受光領域は、複数の光検出部１０を含んでおり、これらの光検出部１０はマトリックス状に二次元配置されている。なお、図３４では、３行３列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。
【０１６６】
基板表面には、格子状にパターニングされた信号読出用の配線パターン（上面電極）３Ｃ（読出配線ＴＬ）が配置されている。なお、図３４では、内部構造が分かるように、図３５に示す絶縁層１７の記載が省略されている。格子状の配線パターン３Ｃの開口内は光検出領域を規定している。光検出領域内には、光検出部１０が配置されており、光検出部１０の出力は配線パターン３Ｃに接続されている。
【０１６７】
基板裏面上には、必要に応じて下面電極Ｅ４が設けられているが、裏面に設けられるバンプ電極と半導体基板との接触抵抗が小さくなる場合には、用いなくてもよい。したがって、上面電極である配線パターン３Ｃと、下面電極Ｅ４との間に光検出部１０の駆動電圧を印加すれば、その光検出出力を配線パターン３Ｃから取り出すことができる。
【０１６８】
ｐｎ接合においては、これを構成するｐ型の半導体領域がアノードを構成し、ｎ型の半導体領域がカソードを構成する。ｐ型の半導体領域の電位が、ｎ型の半導体領域の電位よりも高くなるようにフォトダイオードに駆動電圧を印加した場合、これは順方向バイアス電圧であり、これとは逆の駆動電圧をフォトダイオードに印加した場合、これは逆方向バイアス電圧である。
【０１６９】
駆動電圧は、光検出部１０における内部のｐｎ接合によって構成されるフォトダイオードに印加される逆方向バイアス電圧である。この駆動電圧を、フォトダイオードのブレイクダウン電圧以上に設定した場合には、フォトダイオードにおいて、アバランシェ降伏が生じ、フォトダイオードがガイガーモードで動作することになる。すなわち、各フォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。なお、フォトダイオードに順方向バイアス電圧を印加した場合においても、フォトダイオードは、光検出機能を有する。
【０１７０】
基板表面には、フォトダイオードの一端に電気的に接続された抵抗部（クエンチング抵抗Ｒ１）４が、配置されている。抵抗部４の一方端は、この直下に位置する別材料のコンタクト電極を介して、フォトダイオードの一端に電気的に接続されるコンタクト電極４Ａを構成しており、他方端は、信号読出用の配線パターン３Ｃに接触し、これに電気的に接続されるコンタクト電極４Ｃを構成している。すなわち、各光検出部１０における抵抗部４は、フォトダイオードに接続されるコンタクト電極４Ａ、コンタクト電極４Ａに連続して曲線的に延びた抵抗層４Ｂ、及び、抵抗層４Ｂの終端部に連続するコンタクト電極４Ｃを備えている。なお、コンタクト電極４Ａ、抵抗層４Ｂ、及び、コンタクト電極４Ｃは、同一の抵抗材料の抵抗層からなり、これらは連続している。
【０１７１】
このように、抵抗部４は、フォトダイオードとの電気的な接続点から、曲線的に延びて、信号読出用の配線パターン３Ｃに接続されている。抵抗部４の抵抗値は、その長さに比例するため、抵抗部４が曲線的に延びることにより、その抵抗値を増加させることができる。また、抵抗部４が存在することにより、その下に存在する半導体領域の表面準位を安定させ、出力を安定させることができる。
【０１７２】
図３４に示す例では、配線パターン３Ｃは、個々の光検出部１０を囲む形状を含んでいるが、配線パターン３Ｃの形状はこれに限られるものではなく、例えば、２個以上の光検出部１０を囲む形状としたり、一列以上の光検出部１０を囲む形状とするとすることができる（図４２参照）。なお、図４２においては、複数列の光検出部を１つのグループとして、これらの間に配線パターン３Ｃ（読出配線ＴＬ）が延びている。
【０１７３】
また、図４２に示すように、個々の光検出部において、半導体領域１４のエッジを覆うように抵抗層４Ｂを配置することで、半導体領域１４の表面準位をより安定させることができる。詳説すれば、半導体領域１４を厚み方向からみた輪郭上に、抵抗層４Ｂが配置されている。
【０１７４】
光検出部１０に含まれるフォトダイオードの一端は、原則的には全ての位置において同電位の配線パターン３Ｃに接続され、他方端は、基板電位を与える下面電極Ｅ４に接続されている。すなわち、全ての光検出部１０におけるフォトダイオードは並列接続されている。
【０１７５】
半導体チップＳ１の表面には、共通電極Ｅ３が設けられており、読出配線ＴＬは、全て共通電極Ｅ３に接続されている。共通電極Ｅ３の周囲の断面構造及びバンプ電極下に配置される配線基板の構造は、上述のものと同一である。
【０１７６】
図３４に示す例では、個々のコンタクト電極４Ａは、配線パターン３Ｃによって囲まれた個々の光検出領域の中央部に位置している。そして、抵抗部４Ｂの二次元パターンはコンタクト電極４Ａの周囲を回転するように延びた形状を含んでいる。コンタクト電極４Ａを各光検出領域の中央部に配置し、コンタクト電極４Ａの周囲を回転させるように、抵抗層４Ｂを配置することで、抵抗層４Ｂの長さを長く設定することができる。
【０１７７】
図３５に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備えている。
【０１７８】
この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａが接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。
【０１７９】
なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。
【０１８０】
また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。
【０１８１】
もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。
【０１８２】
なお、半導体基板の構造として、図４１に示す構造も採用することができる。
【０１８３】
図４１は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。
【０１８４】
この構造は、上述のタイプ１〜タイプ４の構造において、半導体領域１４の直下に半導体領域１５を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域１５は、半導体領域１４と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを（タイプ１Ｓ）〜（タイプ４Ｓ）とし、異なる導電型を有するものを（タイプ１Ｄ）〜（タイプ４Ｄ）とする。なお、半導体領域１５における不純物濃度は、半導体領域１４の不純物濃度よりも小さい。また、ｐ型の不純物としては、Ｂ（ボロン）を採用することができ、ｎ型の不純物としてはＰ（リン）又はＡｓ（ヒ素）を採用することができる。
【０１８５】
なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りである。
（タイプ１）
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／５×１０１１〜１×１０２０ｃｍ−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）
（タイプ１Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｓ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ１Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ１と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ２Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ２と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ３Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ３と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
（タイプ４Ｄ）
半導体領域１２、１３、１４のパラメータは、タイプ４と同一。
半導体領域１５（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
【０１８６】
なお、上述の例では、最下部の半導体領域１２は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部１０は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域１２は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。
【０１８７】
また、半導体領域１３は、半導体領域１２上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域１４，１５は、半導体領域１３に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。
【０１８８】
次に、図３４、図３５、図４１に示したコンタクト電極３Ａ及び抵抗部４について、説明する。
【０１８９】
各光検出部１０は、半導体基板の表面に形成された絶縁層１６を備えている。半導体領域１３及び半導体領域１４の表面は、絶縁層１６によって被覆されている。絶縁層１６はコンタクトホールを有しており、コンタクトホール内にはコンタクト電極３Ａが形成されている。本例におけるコンタクト電極３Ａは、配線パターン３Ｃと同一材料からなり、同一工程によって、絶縁層１６上に形成されるものである。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃは、金属からなり、具体的には、アルミニウム（Ａｌ）である。コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃの材料として、他の低抵抗金属材料（Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ）を用いることができ、２層以上の構造や合金を採用することもできる。合金としては、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＴｉなどの金属元素のうちの幾つかを含む化合物を用いることができる。
【０１９０】
下部の絶縁層１６及び第１コンタクト電極３Ａ上には、上部の絶縁層１７が形成されている。絶縁層１６，１７は、ＳｉＯ２やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。絶縁層１７は、第１コンタクト電極３Ａと同軸配置されるコンタクトホールを有しており、このコンタクトホール内に、第２コンタクト電極４Ａが形成されている。したがって、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは、同軸配置されている。
【０１９１】
第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａとは異なる材料を含んでいる。また、第２コンタクト電極４Ａは、抵抗部４の一部であり、第１コンタクト電極３Ａよりも高い抵抗率を有する。第２コンタクト電極４Ａは、第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置されており、第１コンタクト電極３Ａに接触している。第２コンタクト電極４Ａは、抵抗層４Ｂが連続している。
【０１９２】
第２コンタクト電極４Ａを第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に同軸配置することにより、抵抗層４Ｂと第１コンタクト電極３Ａとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極４Ａから抵抗層４Ｂが連続して延びることとなる。これにより、光検出部１０内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。
【０１９３】
なお、抵抗層４Ｂの終端にはコンタクト電極４Ｃが位置している。コンタクト電極４Ｃも抵抗部４の一部である。コンタクト電極４Ｃの直下には、絶縁層１６上に形成された配線パターン３Ｃが位置しており、コンタクト電極４Ｃは配線パターン３Ｃに接触し、接続されている。
【０１９４】
光子の入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極３Ａ及び第２コンタクト電極４Ａを介して、抵抗層４Ｂに流れ、抵抗層４Ｂにコンタクト電極４Ｃを介して接続された配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０１９５】
コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、同一の抵抗材料からなるが、これらは異なる材料からなることとしてもよい。半導体単独、又は、半導体及び金属を適当な比率で含有する合金又は化合物を抵抗材料として用いることができる。例えば、抵抗体としては、ＳｉＣｒの他、ＮｉＣｒ、ＴａＮｉ、ＦｅＣｒなどが挙げられる。
【０１９６】
もちろん、コンタクト電極４Ａ、４Ｃ及び抵抗層４Ｂは、ＳｉＣｒからなることが好ましい。ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部１０内において、抵抗層が存在していても、入射した光子が抵抗層４Ｂを透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。なお、ＳｉＣｒは、抵抗値のウエハ面内ばらつきが小さく、１μｍ程度であれば、容易に細くすることが可能である。また、シート抵抗を高くすることができる。ポリシリコンのシート抵抗は１〜３０（ｋΩ／ｓｑ．）であるが、ＳｉＣｒは１〜５０（ｋΩ／ｓｑ．）である。すなわち、ＳｉＣｒを用いれば、小さいサイズで高抵抗値を実現することができる。
【０１９７】
抵抗層４Ｂの厚みは、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。下限値以上の場合、抵抗層の均一性を確保することができ、上限値以下の場合には、十分に光子を透過させることができる。
【０１９８】
図３６は、抵抗層を構成するＳｉＣｒへの入射光の波長（ｎｍ）と透過率（％）の関係を示すグラフである。このＳｉＣｒ層の厚みは、２０ｎｍである。
【０１９９】
ＳｉＣｒは、波長４００ｎｍ以上の光に対して、８０％以上の透過率を有する。波長４００ｎｍ未満の光は遮断する傾向がある。同グラフによれば、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光に対して、小さなスペクトルピークが示されている。これは５００ｎｍ以上の光をフィルターにより遮断した場合においても、波長４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の光は、選択的に透過させることができることを意味している。このようなフィルターを組み合わせなければ、波長４００ｎｍ以上、少なくとも波長１２００ｎｍまでの光を、８０％以上の透過率で透過させることができる。
【０２００】
上述のフォトダイオードアレイを製造した。
【０２０１】
製造条件は、以下の通りである。
（１）構造（図３４，図３５の構造における数値例）
・半導体領域１２：
導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））
不純物濃度：５.０×１０１１ｃｍ−３
厚み：６５０μｍ
・半導体領域１３
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１４ｃｍ−３
厚み：３０μｍ
・半導体領域１４
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１８ｃｍ−３
厚み：１０００ｎｍ
・絶縁層１６：ＳｉＯ２（厚み：１０００ｎｍ）
・絶縁層１７：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
・コンタクト電極３Ａ：（アルミニウム（Ａｌ））
コンタクトホール径：２．０μｍ
・配線パターン３Ｃ：（アルミニウム（Ａｌ））
厚み：１．０μｍ
配線パターン３Ｃの幅Ｗ０：１．０〜３．０μｍ
【０２０２】
１つの光検出部１０の配線パターン３Ｃで囲まれた領域（光検出領域）の面積Ｓ：１００〜２５００μｍ２
【０２０３】
隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ〜１０μｍ
・抵抗部４：ＳｉＣｒ
（コンタクト電極４Ａ）
コンタクトホール径：１．０μｍ
（抵抗層４Ｂ）
抵抗層４Ｂの厚み：２０ｎｍ
抵抗層４Ｂの幅Ｗ１：１．０〜３．０μｍ
抵抗層４Ｂの長さＬ１：１０〜５０μｍ
抵抗部４の抵抗値：２００〜５００ｋΩ（コンタクト電極４Ｃ）
【０２０４】
コンタクトホール径：１．０μｍ
（２）製法条件
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃ：蒸着法（原料：アルミニウム）
・抵抗部４：スパッタ法（ターゲット材料：ＳｉＣｒ）
【０２０５】
図３７は、（Ａ）光検出部（５０μｍ間隔配置）、（Ｂ）光検出部（２５μｍ間隔配置）、（Ｃ）光検出部（２０μｍ間隔配置）、（Ｄ）光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＡ）、（Ｅ）光検出部（１５μｍ間隔配置：タイプＢ）、（Ｆ）光検出部（１０μｍ間隔配置）を示す図である。
【０２０６】
図３７（Ａ）の構造のパラメータは、以下の通りである。なお、抵抗層４Ｂの長さは、その幅方向の中心線の長さである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝２．０μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２０２５μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さ（合計の長さ）Ｌ１＝２００μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝１６０ｋΩ
【０２０７】
抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、環状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を２つ有している。すなわち、抵抗層４Ｂは、相対的な長さの短い抵抗層４Ｂ１と、相対的な長さの長い抵抗層４Ｂ２を有している。抵抗層４Ｂの抵抗値は、これらの長さの異なる抵抗層４Ｂ１と抵抗層４Ｂ２の合成抵抗で与えられる。
【０２０８】
格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは５０μｍである。
【０２０９】
抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２は、全体としては概ね矩形の環状を呈しているが、その角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂ１，４Ｂ２の角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるために、２〜１０μｍに設定され、角度θは、３〜１４°に設定される。
【０２１０】
第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２１１】
図３７（Ｂ）は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２５μｍ）を示す図である。
【０２１２】
本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２０μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝３．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７０μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝２５０ｋΩ
【０２１３】
抵抗層４Ｂの形状は、全体としては、格子状の配線パターン３Ｃの内側面に沿って、リングの一部が欠けた形状に形成されている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有している。
【０２１４】
格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置されている。したがって、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。横方向に隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２５μｍである。
【０２１５】
抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは５．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜１０μｍに設定され、角度θは、６〜３７°に設定される。
【０２１６】
第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２１７】
図３７（Ｃ）は、製造した光検出部１０（隣接中心間の間隔Ｘ＝２０μｍ）を示す図である。
【０２１８】
本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．５μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝２４０μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝２．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝３００ｋΩ
【０２１９】
光検出部の基本的な構造は、図３７（Ｂ）に示したものと同一であるので、重複する説明は省略する。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは２０μｍであり、相違点としては、図３７（Ｃ）に示すものの場合、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１に対して、コンタクト電極４Ａが、光検出領域の内側へ向けて突出する割合が、図３７（Ｂ）のものよりも大きくなっている。なお、いずれの形態の光検出部においても、コンタクト電極４Ａ、４Ｃの中心は凹んでいる。コンタクト電極４Ｃに隣接する配線パターン３Ｃと、コンタクト電極４Ａの中心位置との間の距離は、この配線パターン３Ｃから抵抗層４Ｂの内側のエッジラインまでの距離よりも大きい。
【０２２０】
抵抗層４Ｂは、リング形状の一部を構成する３つの角部を有しているが、それぞれの角部における形状は、滑らかに屈曲している。抵抗層４Ｂの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、曲率半径Ｒは３．０μｍ、外縁の円弧の両端から曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、１３°である。なお、曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θは、８〜２３°に設定される。
【０２２１】
第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２２２】
図３７（Ｄ）は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＡ）を示す図である。タイプＡの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から右回転しながら延びる正方向回転領域４Ｂａと、正方向回転領域４Ｂａに連続して左回転しながら延びる逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。なお、ここでは、右回転を正方向回転とする。もちろん、左方向回転を正方向回転とする構造のものを製造することも可能である。
【０２２３】
本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝７８μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝６００ｋΩ
【０２２４】
格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。
【０２２５】
上述のように、抵抗層４Ｂは、正方向回転領域４Ｂａと逆方向回転領域４Ｂｂとを備えている。この構造では、抵抗層４Ｂは、第２コンタクト電極４Ａの位置から、信号出力用のコンタクト電極４Ｃに至るまでの経路を１つ有しているが、回転方向の異なる各領域４Ｂａ，４Ｂｂによって形成される中心Ｇにおける磁場の方向は逆となる。すなわち、検出された電子が進行することで形成される磁場の影響は、中心位置において相殺される構造を有しており、自己形成磁場による検出出力への影響が低減されている。
【０２２６】
正方向回転領域４Ｂａは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３は、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒａは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏａ１，Ｏａ２，Ｏａ３に向けて延びる２つの弦の成す角度θａは、１９°である。なお、正方向回転領域４Ｂａに関して、角部の曲率半径Ｒａは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θａは、１９〜５８°に設定される。
【０２２７】
逆方向回転領域４Ｂｂも、緩やかに屈曲する３つの角部を有しており、それぞれの角部は向きを除いて同一の形状を有している。１つの角度について説明すると、角部の外縁の曲率中心Ｏｂは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、その曲率半径Ｒｂは２．０μｍ、外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏｂに向けて延びる２つの弦の成す角度θｂは、８°である。なお、逆方向回転領域４Ｂｂに関して、角部の曲率半径Ｒｂは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θｂは、８〜２３°に設定される。
【０２２８】
なお、正方向回転領域４Ｂａは逆方向回転領域４Ｂｂよりも内側に位置するという理由により、角度θａは、角度θｂよりも大きく設定されている。
【０２２９】
内側に位置する正方向回転領域４Ｂａの外縁と、外側に位置する逆方向回転領域４Ｂｂの内縁は、対向しているが、これらの離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６μｍである。離隔距離の最小値Ｄ１は、０．６〜２．０μｍに設定される。
【０２３０】
第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２３１】
図３７（Ｅ）は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１５μｍ：タイプＢ）を示す図である。
【０２３２】
タイプＢの光検出部では、コンタクト電極４Ａは、光検出領域の中心に配置され、抵抗層４Ｂは、中心から一方向に回転しながら延びる回転領域を備えている。もちろん、いずれの実施形態においても、回転方向が逆方向の構造のものを製造することも可能である。
【０２３３】
本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝１３２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝５５μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝４２０ｋΩ
【０２３４】
格子状の配線パターン３Ｃの交点において、コンタクト電極４Ｃが配置され、光検出領域の対角線上の４か所において、コンタクト電極４Ｃが位置しており、これらの対角線の交点が、光検出領域（光検出部）の中心（重心）Ｇとなる。隣接する光検出部１０の中心Ｇ間の距離Ｘは１５μｍである。
【０２３５】
抵抗層４Ｂは、緩やかに屈曲する３つの角部を有しているが、それぞれの角部の外縁の曲率中心Ｏは、中心Ｇを通る上記の対角線上に位置しており、それぞれの曲率半径Ｒは２．０μｍ、それぞれの外縁の円弧の両端からそれぞれの曲率中心Ｏに向けて延びる２つの弦の成す角度θは、８°である。なお、角部の曲率半径Ｒは、電界集中を避けるためには、２〜５μｍに設定され、角度θは、８〜２３°に設定される。
【０２３６】
第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２３７】
図３７（Ｆ）は、製造した光検出部（隣接中心間の間隔Ｘ＝１０μｍ）を示す図である。この光検出部１０の基本的な構造は、図８に示したものと同一であるので、同一の構造については、記載を省略する。
【０２３８】
本例における構造のパラメータは、以下の通りである。
・配線パターン３Ｃの幅Ｗ０＝１．２μｍ
・光検出領域の面積Ｓ＝４２μｍ２
・抵抗層４Ｂの幅Ｗ１＝１．０μｍ
・抵抗層４Ｂの長さＬ１＝２９μｍ
・抵抗部４の抵抗値＝７００ｋΩ
【０２３９】
この構造においても、第２コンタクト電極４Ａから取り出されたキャリアは、抵抗層４Ｂを介して、コンタクト電極４Ｃに至り、配線パターン３Ｃを介して、外部に取り出される。
【０２４０】
なお、本例では、抵抗層４Ｂの幅Ｗ１が、配線パターン３Ｃの幅Ｗ０よりも小さくなっており、抵抗部４は微細化されているにも拘らず、十分な抵抗値を得ることができる構成となっている。
【０２４１】
次に、フォトダイオードの特性について説明する。
【０２４２】
図３８は、上述のフォトダイオードにおける入射光の波長（ｎｍ）と光子の検出効率（％）の関係を示すグラフである。同グラフでは、図３７（Ａ）の構造（５０μｍ間隔）、図３７（Ｄ）の構造（１５μｍ間隔）、図３７（Ｆ）の構造（１０μｍ間隔）のデータが示されている。なお、１つのフォトダイオードアレイに含まれる光検出部の数は、それぞれ、４００個、４４８９個、１０００個である。フォトダイオードへの逆方向バイアス電圧は、７４Ｖであり、ガイガーモードで動作をさせた。なお、ブレイクダウン電圧は７１Ｖである。
【０２４３】
光子検出効率（ＰＤＥ）（％）は、光検出領域が大きいほど、抵抗層による影の領域が少なくなり、高い検出効率が得られている。しかしながら、光検出領域の隣接間隔が、５０μｍの場合の光検出領域の面積に対して、１０μｍの場合の光検出領域の面積は約２５分の１であるが、検出効率は、その３０％以上を維持している。１５μｍの場合も同様に、比較的高い検出効率を維持している。
【０２４４】
これらのスペクトルピークの位置は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲に存在している。この波長範囲（４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下）内において、５０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が４４％以上であり、１５μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が３６％以上であり、１０μｍ間隔のフォトダイオードの場合、検出効率が１７％以上である。
【０２４５】
なお、比較例１として、隣接中心間の間隔Ｘ＝５０μｍとして、図３７（Ａ）における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：１６０ｋΩ）を図３７（Ａ）に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で２８％、最大で３６％であった。なお、比較例１の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。
【０２４６】
また、比較例２として、比較例１における間隔Ｘ＝１５μｍとして、図３７（Ｅ）における抵抗層の内側位置に第１コンタクト電極を設け、第１コンタクト電極から抵抗層４Ｂとほぼ同一形状で若干小さな環状配線パターン（アルミニウム）を形成した。なお、この環状配線パターン（張り出し電極）は、半導体領域１４の輪郭上に位置し、光検出領域内の準位を安定させる機能を有する。そして、この環状配線パターンに連続するこれと同一幅の抵抗体（ポリシリコン：５００ｋΩ）を図３７（Ｅ）に示すものと同様に形成した場合、検出効率（％）は、波長４００ｎｍから５００ｎｍの範囲において、最小で１８％、最大で２６％であった。なお、比較例２の構造において、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれている。
【０２４７】
なお、第１コンタクト電極の位置と、抵抗体の環状配線パターンとの接続位置とはずれているため、間隔Ｘ＝１０μｍ以下とすることは、製造プロセス上困難である。
【０２４８】
比較例１，２の構造においては、環状配線パターン及び光透過率の低い抵抗部の全てが、実効的な開口率を低下させる遮光要素として機能し、光検出感度が低下している。一方、実施形態に係るフォトダイオードアレイは、抵抗層４Ｂが、環状配線パターンと同一の表面準位安定化機能を達成しつつも、高い光透過率を有し、また、ポリシリコンのような付加的な抵抗体を用いていないので、著しく光検出感度を向上させることができる。
【０２４９】
次に、回復時間（電圧回復時間）の影響について、検査を行った。
【０２５０】
図３９は、上述のフォトダイオードからの出力（ガイガーモード）と時間の関係を示すグラフである。オシロスコープの出力映像を示しており、縦軸は、フォトダイオードの出力強度を示しており、縦軸の１つの間隔は５０ｍＶを示し、横軸の１つの間隔は、５（ｎｓ）を示している。同グラフでは、ピーク強度電圧の異なる複数のデータが示されているが、これはフォトダイオードに入射する光子数の違いによるものであり、光子数が多いほど、出力強度も大きくなる。同グラフでは、７３（Ｖ）のバイアス電圧が印加されている。なお、Ｖｏｖｅｒ＝フォトダイオードへのバイアス電圧−フォトダイオードのブレイクダウン電圧は、Ｖｏｖｅｒ＝１（Ｖ）以上４（Ｖ）以下の範囲内である。
【０２５１】
フォトダイオードの出力信号の回復時間（τ）は、光子が光検出部１０に入射した場合、光検出部１０からの出力の強度ピーク値を与える時刻から、この強度ピーク値の３７％に光検出部１０からの出力がなる時刻までの期間で規定される。
【０２５２】
光検出部の間隔Ｘ＝５０μｍ（図３７（Ａ））の場合（図３９（Ａ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓである。
【０２５３】
光検出部の間隔Ｘ＝２０μｍ（図３７（Ｃ））の場合（図３９（Ｂ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、５．０ｎｓである。
【０２５４】
光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ（タイプＡ：図３９（Ｄ））の場合（図３９（Ｃ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、４．３ｎｓである。
【０２５５】
光検出部の間隔Ｘ＝１０μｍ（図３７（Ｆ））の場合（図３９（Ｄ））、フォトダイオードへのバイアス電圧が７３Ｖの場合、回復時間（τ）は、２．３ｎｓ以下とすることができる。
【０２５６】
なお、上述の比較例１の場合、回復時間（τ）は、１３ｎｓであり、比較例２の場合の回復時間（τ）は、４．３ｎｓであった。
【０２５７】
詳説すれば、比較例１の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝５０μｍ）、開口率は６０％であり、接合容量Ｃｊ＝８０ｆＦ、ゲイン＝７．５×１０５、回復時間１３ｎｓ、画素数密度（４００個／ｍｍ２）、光子の検出効率は最大で３６％である。
【０２５８】
また、比較例２の構造の場合（光検出部１０の離間間隔Ｘ＝１５μｍ）、開口率は３５％であり、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ２）、光子の検出効率は最大で２６％である。
【０２５９】
なお、Ｘ＝１５μｍの場合、図７及び図８の実施形態の構造においては、開口率は６０％とすることができ、接合容量Ｃｊ＝１１ｆＦ、ゲイン＝２．０×１０５、回復時間４．３ｎｓ、画素数密度（４４８９個／ｍｍ２）である。
【０２６０】
このように、実施形態の構造では、比較例１と同じ開口率を達成しつつ、接合容量Ｃｊを低減し、回復時間を短くすることができる。また、単位面積当たりに含まれる画素数が多いため、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【０２６１】
以上のように、隣接する第２コンタクト電極間の間隔（光検出領域の中心間の間隔）Ｘが、２０μｍ以下の場合、回復時間（τ）が著しく短くなる。光検出部の間隔Ｘ＝１５μｍ以下であれば、回復時間（τ）を１０ｎｓ以下とすることができる。間隔Ｘを、１０μｍ以下とすれば、回復時間（τ）は、更に短くなる。これは、従来、達成できなかった顕著な改善である。
【０２６２】
なお、光検出部１０のサイズ（ピクセルサイズ）は、パルス回復時間に影響を与える。ピクセルサイズが小さいほど広ダイナミックレンジとなる。１ｍｍ×１ｍｍ角のチップの中に、ピクセルサイズが５０μｍの場合にはセル数は４００、２０μｍの場合は２５００、１５μｍの場合は４４８９、１０μｍの場合は１００００となる。求める解像度とダイナミックレンジに応じてピクセルサイズを選択することができる。また、ピクセルサイズを５０μｍ、２０μｍ、１５μｍ、１０μｍとする場合、動作電圧におけるゲインは、７．５×１０５、２．４×１０５、２．０×１０５、１．０×１０５とすることができ、波長４２０ｎｍにおける光検出効率（ＰＤＥ）は５１％、４３％、３８％、１９％とすることができる。
【０２６３】
なお、Ｘ線ＣＴ装置への適用においては、位置分解能（解像度）の観点から、半導体チップサイズは、又は、アクティブチャンネル（電気的に隣接素子から分離された複数の光検出部の集合領域）のサイズは、１×１ｍｍ程度が好ましい。１０〜１４０ｋｅＶ／ｍｍ２のＸ線をエネルギー分解する場合、広いダイナミックレンジが要求される。４５００〜１００００程度のピクセル数が好ましく、１０〜１５ｍｍのピッチが好ましい。
【０２６４】
また、ＰＥＴ装置への適用においては、重心検出を行う関係でピクセルサイズは、３×３ｍｍ程度のサイズが好適であり、シンチレータからの発光を受光するためには３６００ピクセル程度で十分である。なお、ＡＳＩＣの読み出しを少なくするために、６×６ｍｍ程度の大面積チップを採用することもできる。高時間分解能、高検出効率のピクセルピッチは。５０μｍ以上の大きなものが好適である。
【０２６５】
上述の構造において、貫通電極を用いた場合、半導体チップ外縁に沿うデッドスペースの幅が均一となる。また、半導体チップを２次元配列した場合のチャンネル間ギャップを均一化することができ、更に、受光面上にシンチレータを固定する際のアライメントも容易となる
【０２６６】
上述のように、実施形態に係るフォトダイオードアレイでは、金属薄膜抵抗の高い透過率を利用し、比較例１，２において用いた張り出し電極の代わりに、線状にパターニングされた金属薄膜抵抗により、張り出し構造を形成し、デッドスペースを低減している。所望の抵抗値を得るために、図３７（Ｂ）〜図３７（Ｆ）に示す構造の場合、抵抗層４Ｂによって、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の一部（右隅の位置）を被覆することができないが、この部分は、抵抗層４Ｂの幅程度であり、表面準位安定化に対する特性低下の影響は小さい。また、図３７（Ａ）に示す構造では、半導体領域１４の輪郭（エッジ）の全てを被覆している。
【０２６７】
図４０は、図３４及び図３５に示したフォトダイオードアレイの製造方法について説明するための図である。
【０２６８】
まず、図４０（Ａ）に示すように、半導体領域（半導体基板）１２上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域１３を形成する。なお、半導体領域１２は、ＣＺ法又はＦＺ法により形成された（１００）Ｓｉ半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Ｓｉエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）と三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）を用い、成長温度１２００℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域１３の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１２内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１３の導電型に対応する不純物を半導体領域１２内にイオン注入する。
【０２６９】
次に、半導体領域１３の表面側の領域に、半導体領域１４を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる場合には、拡散温度を１２００℃に設定することができる。半導体領域１４の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域１３上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン３Ｃを形成した後、これをマスクとして、絶縁層１６を介して、イオン注入法により行ってもよい。
【０２７０】
次に、半導体基板上に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、Ｓｉ熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば１０００℃である。これにより、半導体領域１３及び１４の表面が酸化され、ＳｉＯ２からなる絶縁層１６が形成される。絶縁層１６の形成にはＣＶＤ法を用いることもできる。
【０２７１】
次に、絶縁層１６における半導体領域１４上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層１６をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。
【０２７２】
次に、絶縁層１６上に、蒸着法により、第１コンタクト電極３Ａ及び配線パターン３Ｃを形成する。これらの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１６上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、電極材料を絶縁層１６上に蒸着する。ここでは、蒸着法に代えて、スパッタ法を用いることもできる。
【０２７３】
なお、絶縁層１６上には、配線パターン３Ｃと同時に、同じ方法で、共通電極Ｅ３も形成しておく。
【０２７４】
次に、図４０（Ｂ）に示すように、絶縁層１６上に絶縁層１７を形成する。絶縁層１７は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。プラズＣＶＤ法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガスを用い、成長温度を２００℃程度に設定して絶縁層１７の成長を行う。絶縁層１７の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層１６の表面から配線パターン３Ｃの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。
【０２７５】
次に、図４０（Ｃ）に示すように、絶縁層１７上に、抵抗部４を形成する。この形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１７上に所定のレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、抵抗材料を絶縁層１７上にスパッタ法又は蒸着法を用いて堆積する。抵抗体が、ＳｉＣｒからなる場合、スパッタ法を用い、ターゲット材料としては、例えば、ＳｉとＣｒの組成比が７０％／３０％のＳｉＣｒを用いることができ、厚みは３〜５０ｎｍに設定することができる。
【０２７６】
以上の工程が終了した後、図３０、図３１と同じ工程で、半導体基板の裏面から貫通孔を形成し、貫通孔の表面を絶縁層で被覆し、しかる後、共通電極Ｅ３に接続される貫通電極を形成して、貫通電極にバンプ電極を接触させる。最後に、上述の工程と同様に、半導体基板の裏面には、第１及び第２バンプ電極を形成し、配線基板にバンプ電極を介して接着する。
【０２７７】
なお、図４１に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域１４の形成前に、半導体領域１５を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域１３の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域１５の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１３内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１５の導電型に対応する不純物を半導体領域１３内にイオン注入する。
【０２７８】
なお、上記複数の図３４以降の半導体チップにおいても、図３３以前の構造と同様に、半導体チップ上にガラス板又は樹脂の接着層が設けられ、この上にシンチレータが配置されることで、検出チップが形成される。
【０２７９】
また、図３４〜図４２において説明した検出器では、第２半導体領域１４に接触する第１コンタクト電極３Ａと、第１コンタクト電極３Ａとは異なる材料を備え、第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置され、第１コンタクト電極３Ａに接触する第２コンタクト電極４Ａとを備えおり、クエンチング抵抗Ｒ１（抵抗部４（抵抗層４Ｂ））は、第２コンタクト電極４Ａに連続している。光子の入射によりｐｎ接合において発生したキャリアは、第１コンタクト電極３Ａ及び第２コンタクト電極４Ａを介して、クエンチング抵抗Ｒ１に流れ、クエンチング抵抗に接続された読出配線ＴＬ、共通電極Ｅ３、貫通電極ＴＥ、第１バンプ電極ＢＥ（図１４、図２０）を介して、配線基板２０に至る。
【０２８０】
第２コンタクト電極４Ａを第１コンタクト電極３Ａに重なる位置に配置することにより、クエンチング抵抗と第１コンタクト電極３Ａとの接続に要するスペースを最小化することができる。もちろん、必然的に、第１コンタクト電極３Ａと第２コンタクト電極４Ａとは同一平面上ではなく、高さ方向の位置が異なることとなり、第２コンタクト電極４Ａからクエンチング抵抗が連続して延びることとなる。これにより、光検出部１０内における配線を省略することができ、光検出部の開口率を、著しく増加させることが可能となる。
【０２８１】
また、第２コンタクト電極４Ａ及びクエンチング抵抗は、ＳｉＣｒを備えており、ＳｉＣｒは、光透過率が高いため、光検出部１０内において、クエンチング抵抗が存在していても、入射した光子がクエンチング層を透過するため、実効的な開口率を増加させることができる。
【０２８２】
なお、上述の実施形態の場合、抵抗層４Ｂの平面形状は、環状又はリングの一部の形状或いは、スパイラル形状であったが、これは方形波、三角波又は正弦波のように蛇行形状であってもよい。
【０２８３】
また、実施形態に係るフォトダイオードアレイの効果について、更に説明する。
【０２８４】
ガイガーモードにおいてフォトダイオードアレイを動作させる場合、光子が１つの光検出部１０に入射した場合の回復時間（電圧回復時間）τは、光検出部１０における光検出領域の面積及びｐｎ接合から広がる空乏層幅によって規定される接合容量（画素容量）Ｃｊと、抵抗部４の抵抗値（クエンチング抵抗値Ｒｑ）の積（ＲＣ定数＝Ｃｊ×Ｒｑ）に依存する。
【０２８５】
画素サイズ（光検出部の面積）を小さくすると、接合容量Ｃｊは小さくなるので、同一の回復時間τ、すなわち、同一のＲＣ定数を得るためには、クエンチング抵抗値Ｒｑを大きくする必要がある。クエンチング抵抗値Ｒｑは、抵抗率、厚さ、幅及び長さを調整して決定することができる。抵抗率、幅、厚さはプロセス条件により制限されるため、抵抗値Ｒｑは、長さを変えることで、調整することが合理的である。同一の回復時間τを得るには、画素サイズが大きいほど、抵抗層４Ｂを短く設定し、画素サイズが小さいほど、抵抗層４Ｂを長く設定する。
【０２８６】
ＲＣ定数が小さすぎる場合には、アバランシェ増倍発生後のクエンチングが不十分となり、ラッチング電流と呼ばれる現象が生じ、正常な動作を示さない。一方、ＲＣ定数が大きすぎる場合には、回復時間（電圧回復時間）が長くなる。したがって、ＲＣ定数の値は、デバイスに応じた最適な値（２〜２０ｎｓ）に設定される。
【０２８７】
なお、ゲインは接合容量Ｃｊと印加電圧に依存しており、実施形態の構造は、接合容量Ｃｊを小さくすることで、ゲインを低減している。フォトダイオードアレイのノイズ成分として、ダークパルスの他にアフターパルス、オプティカルクロストークによる擬似出力信号も含まれている。アフターパルスはアバランシェ増倍により発生した電子・ホールの一部が不純物準位等にトラップされ、ある時間間隔をおいて、後に放出されることで、再度アバランシェ増倍が起こり発生するパルスのことである。オプティカルクロストークはアバランシェ増倍中に低確率で発生した光子が隣接ピクセルに進入、吸収されることで発生した電子・ホール対が、アバランシェ増倍を起こし発生するパルスによるものである。いずれも１光子に対する出力が１パルスでなく複数パルスとなってしまうノイズ成分である。
【０２８８】
実施形態の構造のように、接合容量Ｃｊ、すなわち、ゲインが小さければアバランシェ増倍により発生する電子・ホール対の総数が少なくなるため、アフターパルス、オプティカルクロストークによるパルスが発生する確率が少なくなり、ノイズ低減の効果が得られる。
【０２８９】
接合容量Ｃｊが大きく、ゲインが大きい素子であるほど、発生したキャリアを掃き出す時間が長いため、電圧回復時間は長く、ゲインが小さいほど、回復時間は短くなる。実施形態のように、画素ピッチを小さくすると、電圧回復時間が短くなり、光子のカウントレートを向上させることができる。
【０２９０】
次に、読出配線の構造を２層構造にした例について説明する。
【０２９１】
図４３はフォトダイオードアレイの平面図である。
【０２９２】
このフォトダイオードアレイは、複数の光検出部１０を有する半導体基板１００を備えている。フォトダイオードアレイは、光検出部１０を二次元上に配置してなる受光領域と、半導体基板１００の光検出部１０に囲まれた領域に設けられた共通電極Ｅ３とを備えている。共通電極Ｅ３を介して、各フォトダイオードＡＰＤからの信号は読み出される。本形態のフォトダイオードは、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。同図では、光検出部１０がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿ってマトリックス状に配置されている。半導体基板１００の厚み方向はＺ軸方向であり、ＸＹＺ軸は直交座標系を構成している。なお、図４３では、３行３列の光検出部１０が配置されており、これらは受光領域を構成しているが、光検出部１０の数は、更に多くても、少なくてもよく、また、一次元配置される構成とすることも可能である。共通電極Ｅ３は、複数の光検出部１０の中心に配置されている。
【０２９３】
個々の光検出部１０は、ＡＰＤと、接続電極３と、クエンチング抵抗４と、接続配線６を備えている。ＡＰＤの一端は接続電極３に接続され、接続電極３はクエンチング抵抗４、及び、接続配線６を順次介して、上述の読出配線ＴＬとなる読出配線（配線パターン）５Ｂ２に接続されている。読出配線５Ｂ２は、隣接するＡＰＤ間に位置しており、光検出部１０間の境界位置に存在している。
【０２９４】
読出配線５Ｂ２は、格子状のパターンを構成しており、１つの開口パターン内に、１つの光検出部１０が配置されている。読出配線５Ｂ２は様々な形状のパターンを採用することができる。読出配線５Ｂ２のパターンの１つの開口内に複数の光検出部１０を配置してもよい。一列又は複数例の光検出部１０を、１つの開口パターン内に配置してもよい。
【０２９５】
１つの光検出部１０に光子が入射すると、ＡＰＤにおいてキャリアが発生し、このキャリアが接続電極３、クエンチング抵抗４、接続配線６、読出配線５Ｂ２（接続配線５Ｂ）を順次介して、共通電極Ｅ３に到達する。したがって、フォトダイオードアレイに光子が入射する毎に、共通電極Ｅ３からはパルス信号が出力される。なお、複数のＡＰＤに光子がそれぞれ同時に入射した場合においても、共通電極Ｅ３から遠い位置に存在するＡＰＤからの信号は、近い位置に存在するＡＰＤからの信号よりも、共通電極Ｅ３への到達時間が遅くなる。すなわち、ＡＰＤの位置に応じて、信号伝達時間が異なる。
【０２９６】
個々のＡＰＤからの信号伝達時間が短く、信号伝達時間の面内のバラつきが少なく、且つ、出力信号が大きいほど、特性の優れたフォトダイオードアレイであると言える。前二者の特性は、信号伝達経路における時定数を減少させることで、改善することが可能である。時定数を減少させれば、信号伝達速度が速くなり、フォトダイオード毎の差分も小さくなるからである。読出配線の幅を太くすれば、時定数は小さくなる。一方、後者の特性は、各フォトダイオードにおける開口率を向上させることで、向上させることができるが、一般には、読出配線の幅を太くすれば、開口率は低下してしまう。そこで、本形態のフォトダイオードアレイでは、読出配線５Ｂ２を、接続電極３の主要部である表面電極３Ｂよりも上層側に配置することとし、読出配線の幅を広くしたとしても、開口率が低下しない構造とした。
【０２９７】
図４４は、フォトダイオードアレイの断面図、図４５は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。
【０２９８】
図４４に示すように、個々の光検出部１０は、第１導電型（ｎ型）の第１半導体領域（層）１２と、第１半導体領域１２とｐｎ接合を構成する第２導電型（ｐ型）の第２半導体領域（半導体層１３及び高不純物濃度領域１４）を備え、これらは半導体基板を構成している。半導体領域１４又はその直下の領域は、そのｐｎ接合においてキャリアが発生するため、光感応領域として機能し、キャリアを出力する。ｐ型半導体に、ｎ型半導体よりも低い電位を与えると、フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加される。相対的に負電位に引かれるキャリアは正孔であり、相対的に正電位に引かれるキャリアは電子である。逆バイアス電圧が、ＡＰＤのブレイクダウン電圧よりも大きい場合には、ＡＰＤはガイガーモードで動作する。バイアス電圧は、共通電極Ｅ３と、半導体基板（第１半導体領域１２）の裏面に、必要に応じて設けられる裏面電極Ｅ４との間に与えられる。
【０２９９】
この第２半導体領域における高不純物濃度領域（半導体領域）１４には、第１コンタクト電極３Ａ（図４５参照）が接触している。高不純物濃度領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、第１半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。
【０３００】
なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。
【０３０１】
また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の第１半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。
【０３０２】
もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の第１半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。
【０３０３】
図４５に示すように、半導体領域１４に第１コンタクト電極３Ａが接触し、第１コンタクト電極には、環状電極３Ｂが連続し、環状電極３Ｂは、第２コンタクト電極３Ｃを介して、クエンチング抵抗（抵抗層）４に接続される。すなわち、第１コンタクト電極３Ａ、環状の表面電極３Ｂ及び第２コンタクト電極３Ｃからなる接続電極３は、半導体領域４とクエンチング抵抗４の一方端を電気的に接続している。
【０３０４】
図４４に示すように、半導体領域１３，１４上には、第１絶縁層１６が形成され、第１絶縁層１６上には、クエンチング抵抗４が形成されている。クエンチング抵抗４と第１絶縁層１６とを覆うように第２絶縁層１７が形成されている。第１絶縁層１６及び１７には、第１コンタクト電極３Ａ（図４５）が貫通するコンタクトホールが形成され、第２絶縁層１７には、第２コンタクト電極３Ｃ（図４５）が貫通するコンタクトホールが形成されている。また、クエンチング抵抗４の他方端には、接続配線６が接触し、電気的に接続されている。接続配線６は、第２絶縁層１７に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極と、第２絶縁層１７上を這う接続部分とからなり、接続部分は、補助読出配線（下層読出配線）５Ａに連続している。
【０３０５】
また、補助読出配線５Ａ、表面電極３Ｂ、及び第２絶縁層上には、第３絶縁層１８が形成されている。第１〜第３絶縁層１６，１７，１８は、ＳｉＯ２やシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの耐熱性の高い無機絶縁体からなる。第３絶縁層１８上には、読出配線５Ｂ２が形成されている。図４５に示すように、接続配線５Ｂは、第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを貫通するコンタクト電極５Ｂ１と、コンタクト電極５Ｂ１に連続し、第３絶縁層１８上に位置する読出配線５Ｂ２とからなる。図４５に示す例では、補助読出配線５Ａ及び読出配線５Ｂ２が、厚み方向に離間して、並行に配置されおり、双方の終端が共通電極Ｅ３に電気的に接続される。
【０３０６】
共通電極Ｅ３の周辺の断面構造は、図１４又は図２０に対応して図７４及び図７５に示すように、図１４及び図１５の構造において、絶縁層１７上に絶縁層１８を形成し、更に、共通電極Ｅ３及び読出配線５Ｂ２（ＴＬ）を、絶縁層１８上に形成し、貫通孔ＴＨが、共通電極Ｅ３の裏面に至るまで、対応箇所の絶縁層１６，１７，１８を除去した点が異なり、その他の点は、同一である。このような半導体チップの上には、上述のようにガラス板や接着層、樹脂などの絶縁体が配置され、その上にシンチレータが接着される。
【０３０７】
なお、共通電極Ｅ３は、第２絶縁層１７上に形成していてもよく、この場合には、読出配線５Ｂ２の終端においては、第３絶縁層１８が除去された領域上に共通電極Ｅ３が位置し、これに補助読出配線５Ａ及び読出配線５Ｂ２が接続される。共通電極Ｅ３が第３絶縁層１８上に形成されている場合には、読出配線５Ｂ２が共通電極Ｅ３に接続されると共に、補助読出配線５Ａの終端において、第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａが共通電極Ｅ３に接続される。
【０３０８】
環状の表面電極３Ｂは、第２絶縁層１７上に位置しており、且つ、Ｚ軸方向からみて、半導体領域１４の外縁上に沿って設けられている。表面電極３Ｂは、半導体領域１４の外縁（半導体領域１３との境界）に一定の電界を発生させることで、フォトダイオード出力の安定性を向上させている。
【０３０９】
ここで、図４４において、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面（ＸＹ平面）とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きい。なぜならば、第３の絶縁層１８が、読出配線５Ｂ２と、第２絶縁層１７との間に介在しているからである。この構造により、読出配線５Ｂ２の幅の設計の自由度を、フォトダイオードの開口率を減少させることなく増加させることができる。これにより、読出配線５Ｂ２の幅を増加させ、単位長当たりの抵抗値を低下させ、また、寄生容量を低減し、信号伝達速度を向上させることができる。
【０３１０】
なお、ＡＰＤは、半導体領域１４及び半導体領域１４の直下の領域で構成され、半導体領域１３，１２を含んでいる。読出配線５Ｂ２は、半導体領域１４（ＡＰＤ）間の領域に形成されている。読出配線５Ｂ２の幅を増加させても、半導体領域１４の露出した領域を覆うまでは、開口率の低下が生じず、信号出力を大きくすることができる。
【０３１１】
以上、説明したように、上述のフォトダイオードアレイは、ガイガーモードで動作するＡＰＤを有する光検出部１０を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するＡＰＤと、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４を囲む表面電極３Ｂと、表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２とを接続するクエンチング抵抗４とを備えている。また、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きく、読出配線５Ｂ２は、隣接するＡＰＤ間に位置している。このフォトダイオードアレイによれば、信号読出速度等の特性を向上させることができる。
【０３１２】
なお、上記では表面電極３Ｂとして環状のものを用いたが、これは一部分が切れていてもよい。また、クエンチング抵抗４の形状は、上記では直線状に延びたものを示したが、これは種々の形状が考えられる。
【０３１３】
図４６は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。
【０３１４】
本例のクエンチング抵抗４は、表面電極３Ｂの外側を囲むように延びており、途中で切れたリング形状を有している。クエンチング抵抗４の一方端は、接続電極３を介して、半導体領域１４に電気的に接続されている。クエンチング抵抗４の他方端は、接続配線６を介して、補助読出配線５Ａに接続され、補助読出配線５Ａは、コンタクト電極５Ｂ１を介して、読出配線５Ｂ２に電気的に接続されている。本例では、クエンチング抵抗４を長くしたため、その抵抗値を増加させることができる構造であるが、キャリアの通過経路に沿った縦断面構造は、接続配線６が水平に延びる部分を有しておらず、直接、補助読出配線５Ａの下面に接続される点を除いて、図４４に示したものと同一である。
【０３１５】
次に、様々な読出配線５Ｂ及びと補助読出配線５Ａの構造の例について説明する。
【０３１６】
（第１例）図４７は、フォトダイオードアレイ（第１例）の部分平面図、図４８は、図４７に示したフォトダイオードアレイ（第１例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３１７】
第１例の構造は、図４６に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図４８に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線５Ａの形状に起因して、第３絶縁層１８の表面も凹凸して変形することになるが、図４８においては、かかる変形については図示していない。
【０３１８】
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
【０３１９】
（第２例）図４９は、フォトダイオードアレイ（第２例）の部分平面図、図５０は、図４９に示したフォトダイオードアレイ（第２例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３２０】
第２例の構造は、図４６に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図５０に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。もちろん、補助読出配線５Ａの形状に起因して、第３絶縁層１８の表面も凹凸して変形することになるが、図５０においては、かかる変形については図示していない。
【０３２１】
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。更に、読出配線５Ｂ２の幅が広いため、配線抵抗を大きく低下させることができる。
【０３２２】
なお、上述の第１例及び第２例において、第３絶縁層１８の厚みを十分に厚くした場合（１μｍ〜５μｍ）には、又は、表面を研磨して平坦化した場合には、読出配線５Ｂは平坦面上に形成されることになるため、表面の段差に起因する断線が抑制されるという効果がある。なお、表面電極３Ｂ及び補助読出配線５Ａの厚みは、共に、０．６μｍ〜３．０μｍである。
【０３２３】
（第３例）図５１は、フォトダイオードアレイ（第３例）の部分平面図であり、図５２は、図５１に示したフォトダイオードアレイ（第３例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３２４】
第３例の構造は、図４６に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離（外縁間の離間距離の最小値）よりも大きい場合である。読出配線５Ｂ２の幅は、隣接する表面電極３Ｂの内縁間の離間距離の最小値以下である。
【０３２５】
なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２よりも狭い幅を有しており、これらは平行に延びている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図５２に示すように、第３絶縁層１８の表面が平坦化されている。
【０３２６】
本例では、２つの読出配線５Ａ，５Ｂ２が併設されているので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、読出配線５Ｂ２の幅が著しく広くなったため、配線抵抗が更に低くなっている。
【０３２７】
次に、上述の補助読出配線５Ａを実質的に省略した例について説明する。
【０３２８】
図５３は、電極及び配線等の接続関係を示す図である。図４６に示した構造との相違点は、補助読出配線５Ａが、直接的には共通電極に接続されておらず、接続配線６とコンタクト電極５Ｂ１を接続するためのみに用いられている点であり、その他の点は、同一である。すなわち、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２を介することなく、共通電極には電気的に接続されていない。かかる構造を用いた例について、以下説明する。
【０３２９】
（第４例）図５４は、フォトダイオードアレイ（第４例）の部分平面図であり、図５５は、図５４に示したフォトダイオードアレイ（第４例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３３０】
第４例の構造は、図５３に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離よりも小さい場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極に至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図５５に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第３絶縁層１８の表面には実質的にはない。
【０３３１】
本例では、読出配線５Ｂ２が上層を通っているので、その厚みや幅を自由に設計することができ、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
【０３３２】
（第５例）図５６は、フォトダイオードアレイ（第５例）の部分平面図であり、図５７は、図５６に示したフォトダイオードアレイ（第５例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３３３】
第５例の構造は、図５４に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離に近接した場合である。なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極Ｅ３に至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚くない場合、又は、表面研磨が行われていない場合には、図５７に示すように、第３絶縁層１８の表面が、下部の表面電極３Ｂの形状に起因して、凹凸を有することとなる。補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する凹凸は第３絶縁層１８の表面には実質的にはない。
【０３３４】
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在しないので、これに起因する第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。
【０３３５】
なお、上述の第４例及び第５例において、第３絶縁層１８の厚みを十分に厚くし、又は、表面を研磨して、その表面を平坦化することができる。平坦化が可能となる第３絶縁層１８の厚みの範囲及び表面電極３Ｂの厚みの範囲は、第２例に記載の場合と同一である。
【０３３６】
（第６例）図５８は、フォトダイオードアレイ（第６例）の部分平面図であり、図５９は、図５８に示したフォトダイオードアレイ（第６例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３３７】
第６例の構造は、図５３に示した構造において、読出配線５Ｂ２が、隣接する半導体領域１４の間を延びており、読出配線５Ｂ２の幅が、隣接する表面電極３Ｂ間の離間距離（外縁間の離間距離の最小値）よりも大きい場合である。読出配線５Ｂ２の幅は、隣接する表面電極３Ｂの内縁間の離間距離の最小値以下である。
【０３３８】
なお、補助読出配線５Ａは、読出配線５Ｂ２と同一の幅を有しており、平行に延びている部分を僅かに有するが、共通電極に至る途中で途切れている。ここで、第３絶縁層１８の厚みが十分に厚い、又は、表面研磨が行われているため、図５９に示すように、第３絶縁層１８の表面が平坦化されている。
【０３３９】
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在せず、また、第３絶縁層１８の表面は平坦化されているので、第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。
【０３４０】
（第７例）図６０は、フォトダイオードアレイ（第７例）の部分平面図であり、図６１は、図６０に示したフォトダイオードアレイ（第７例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３４１】
第７例の構造は、第６例の構造において、読出配線５Ｂ２の幅を狭くする代わりに、半導体領域１４の離間距離を狭くし、フォトダイオードの開口率を向上させたものである。その他の点は、第６例と同一である。なお、いずれの例においても、コンタクト電極５Ｂ１は、クエンチング抵抗４で囲まれた領域の外側に設けられていてもよい。
【０３４２】
本例では、読出配線５Ｂ２の幅が十分に広いので、配線抵抗を低下させ、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。また、補助読出配線５Ａは実質的に存在せず、また、第３絶縁層１８の表面は平坦化されているので、第３絶縁層１８の段差がなく、この段差に起因する読出配線５Ｂ２の断線が抑制されるという効果がある。また、フォトダイオードの開口率が向上しているため、出力信号が大きくなるという利点がある。
【０３４３】
なお、上述のいずれの構造においても、半導体基板の構造として、図６２に示す構造も採用することができる。
【０３４４】
図６２は、基板の構造を変更したフォトダイオードアレイの縦断面図である。同図では、上記のフォトダイオードアレイと比較して、変更される点のみを実線で示しており、残りを一点鎖線で示している。
【０３４５】
この構造は、上述の図４３以降に説明されるタイプ１〜タイプ４の構造において、半導体領域１４の直下に半導体領域１５を配置した点が異なり、その他の点は、同一である。半導体領域１５は、半導体領域１４と同一の導電型、又は、異なる導電型を有している。同一の導電型を有するものを（タイプ１Ｓ）〜（タイプ４Ｓ）とし、異なる導電型を有するものを（タイプ１Ｄ）〜（タイプ４Ｄ）とする。なお、半導体領域１５における不純物濃度は、半導体領域１４の不純物濃度よりも小さい。また、ｐ型の不純物としては、Ｂ（ボロン）を採用することができ、ｎ型の不純物としてはＰ（リン）、Ａｓ（ヒ素）又はＳｂ（アンチモン）を採用することができる。
【０３４６】
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、各タイプにおいて、図４１以降に説明した通りである。
【０３４７】
なお、上述の例では、最下部の半導体領域１２は、厚みの大きな半導体基板を構成するものであるが、光検出部１０は、この下に更に半導体基板を備えていてもよく、この場合は、半導体領域１２は、かかる付加的な半導体基板よりも薄い厚みを有することとなる。
【０３４８】
また、半導体領域１３は、半導体領域１２上にエピタキシャル成長法において形成することができるが、基板に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することとしてもよい。半導体領域１４，１５は、半導体領域１３に対する不純物拡散又はイオン注入によって形成することができる。
【０３４９】
図６３は、フォトダイオードアレイの平面図である。本例は、図４５に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、格子状の読出電極（読出配線）５Ｂ２と、読出電極５Ｂ２に接続される共通電極Ｅ３が形成されており、格子の１つ毎の開口内に光検出部１０が位置している。
【０３５０】
個々の光検出部１０は、半導体領域１４（図４５参照）に接続された接続電極３を有しており、接続電極３は、クエンチング抵抗４を介して、読出配線５Ｂ２に接続されている。このフォトダイオードアレイのキャリアの進行経路に沿った縦断面構造は、図４４に示したものであるが、上述のタイプ１〜４（タイプ１Ｓ〜４Ｓ，１Ｄ〜４Ｄ）の構造を採用することも可能である。また、上層の読出配線５Ｂ２は必須であるが、下層の補助読出配線５Ａは、用いてもよいが、省略することも可能である。すなわち、読出配線５Ｂ２及び補助読出配線５Ａの構造として、上述の第１例〜第７例の構造を適用することが可能である。
【０３５１】
また、読出配線５Ｂ２の１つの開口内に、複数の光検出部１０を有することも可能である。
【０３５２】
なお、共通電極Ｅ３の周辺の断面構造、半導体チップへのシンチレータの貼り付け構造、これらからなる検出チップを配線基板に固定する構造等は、上述の説明のものと同一である。
【０３５３】
図６４は、このようなフォトダイオードアレイの表面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す図であり、図６５は、フォトダイオードアレイの断面（Ａ―Ａ矢印断面）のＳＥＭ写真を示す図である。なお、本例は、第５例の構造を示すものであり、補助読出電極５Ａは実質的に用いていない。
【０３５４】
図６４では、第３絶縁層１８の表面形状の変化によって、表面電極３Ｂに接続されたクエンチング抵抗４が存在している旨が観察され、クエンチング抵抗４に併設して読出配線５Ｂ２が延びている旨が観察される。図６５では、表面電極３Ｂよりも上層に読出電極５Ｂ２が存在している旨が示されている。
【０３５５】
図６６は、フォトダイオードアレイの一部の平面図である。本例は、図４６に示したタイプの構造の電極パターンを有している。表面には、長方形の開口を有する格子状の読出電極５Ｂ２が形成されており、格子の１つ毎の開口内に複数の光検出部１０が位置している。本構造は、第２例のフォトダイオードアレイを示すものである。
【０３５６】
個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するアバランシェフォトダイオードを有しており、表面電極３Ｂは、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４を囲んでいる。表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２とはクエンチング抵抗４によって、接続されている。
【０３５７】
縦方向に延びる１本の読出配線５Ｂ２には、横方向に隣接する２つの光検出部１０が、共通の接続配線（コンタクト電極）６を介して、接続されており、これらの光検出部１０は、当該読出配線５Ｂ２の縦方向中心軸に対して線対称の構造を有している。これにより、読出配線５Ｂ２の数を減らすことができる。
【０３５８】
図６７は、図６６に示したフォトダイオードアレイ（第２例）のＡ−Ａ矢印断面図である。
【０３５９】
半導体層１２上に、半導体領域１３が形成されており、半導体領域１３上に、第１絶縁層１６が形成されている。第１絶縁層１６上にはクエンチング抵抗４が形成され、これらの上に第２絶縁層１７が形成されている。第２絶縁層１７のコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａが第２絶縁層１７上に設けられており、補助読出配線５Ａ上に第３絶縁層１８が形成されている。第３絶縁層１８に設けられたコンタクトホール内には、コンタクト電極５Ｂ１が設けられており、下層の補助読出配線５Ａと上層の読出配線５Ｂ２を物理的及び電気的に接続している。
【０３６０】
なお、補助読出配線５Ａの終端位置にコンタクト電極５Ｂ１が位置し、これより出力側の補助読出配線５Ａが省略されている場合には、本例は上述の第５例のフォトダイオードアレイとなる。なお、本例の配線接続構造は、第１例〜第７例のいずれの構造にも適用することが可能である。
【０３６１】
なお、補助配線電極５Ａを備えない場合、コンタクト電極５Ｂ１を、クエンチング抵抗４の直上に配置して、クエンチング抵抗４と読出配線５Ｂ２とをコンタクト電極５Ｂ１によって直接的に接続することも可能である。このように、補助読出配線５Ａを完全に省略する構造も可能である。
【０３６２】
いずれの構造においても、また、いずれの例においても、上述のフォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された絶縁層１８を備えており、読出配線５Ｂ２は、絶縁層１８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４に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗４と共通電極とを電気的に接続している。
【０３６３】
次に、上述のフォトダイオードアレイの構成材料ついて説明する。
【０３６４】
半導体基板を構成する半導体領域１２，１３，１４の構成材料は、上述の通りＳｉであり、所望の不純物を含有している。絶縁層１６，１７，１８の構成材料は、それぞれＳｉＯ２又はシリコン窒化物である。接続電極３、接続配線６、補助接続配線５Ａ、接続配線５Ｂ（読出配線５Ｂ２，コンタクト電極）共通電極及び貫通電極の構成材料は、それぞれ金属であり、好ましくはＡｌ、Ｃｕ，Ａｕ、Ｃｒ、Ａｇ又はＦｅなどの金属、またはこれらのうち２種以上を含む合金である。クエンチング抵抗４の構成材料は、読出配線５Ｂ２よりも高抵抗率の材料であり、ポリシリコン、ＳｉＣｒ、ＮｉＣｒ又はＴａＮｉである。
【０３６５】
なお、上述のＳＥＭ写真は、絶縁層１６，１７，１８の構成材料としてＳｉＯ２を用い、接続電極３、接続配線６、補助接続配線５Ａ、接続配線５Ｂ（読出配線５Ｂ２，コンタクト電極）及び共通電極Ｅ３の構成材料としてＡｌを用い、クエンチング抵抗４の構成材料としてポリシリコンを用いた例である。
【０３６６】
次に、図４４を再び参照して、上述のフォトダイオードアレイの製造方法について説明する。
【０３６７】
まず、半導体領域（半導体基板）１２上に、エピタキシャル成長法又は不純物拡散法或いはイオン注入法により、半導体領域１３を形成する。なお、好適には半導体領域１２は、ＣＺ法又はＦＺ法により形成された（１００）Ｓｉ半導体基板であるが、他の面方位を有する半導体基板を用いることもできる。Ｓｉエピタキシャル成長法を用いる場合には、例えば、原材料として、気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）と三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）を用い、成長温度１２００℃において、基板表面上にこれらのガスを流す。不純物拡散法の場合には、半導体領域１３の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１２内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１３の導電型に対応する不純物を半導体領域１２内にイオン注入する。
【０３６８】
次に、半導体領域１３の表面側の領域に、半導体領域１４を形成する。これには不純物の拡散法又はイオン注入法を用いることができる。例えば、拡散法において、不純物原材料として、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）を用いる場合には、拡散温度を１２００℃に設定することができる。半導体領域１４の形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、半導体領域１３上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、不純物の添加を行う。なお、不純物の添加は、格子状の配線パターン３Ｃを形成した後、これをマスクとして、絶縁層１６を介して、イオン注入法により行ってもよい。
【０３６９】
次に、半導体基板上に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、Ｓｉ熱酸化法を用いて形成することができる。酸化温度は例えば１０００℃である。これにより、半導体領域１３及び１４の表面が酸化され、ＳｉＯ２からなる絶縁層１６が形成される。絶縁層１６の形成にはＣＶＤ法を用いることもできる。
【０３７０】
次に、絶縁層１６における所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、抵抗材料をレジストの開口内に堆積し、開口内にクエンチング抵抗４を形成し、レジストを除去する。抵抗材料は、これをターゲットとするスパッタ法を用いて堆積することができる。例えば、抵抗材料としては、シリコンを用いて、ポリシリコンのクエンチング抵抗４を形成する。
【０３７１】
次に、絶縁層１６上に絶縁層１７を形成する。絶縁層１７は、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。プラズＣＶＤ法を用いる場合、原材料ガスとして、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガスを用い、成長温度を２００℃程度に設定して絶縁層１７の成長を行う。絶縁層１７の厚みは、その表面が平坦化される厚みに設定されることが好ましく、絶縁層１６の表面から配線パターン３Ｃの上面までの高さよりも大きいことが好ましい。これにより、ＳｉＯ２からなる絶縁層１７が形成される。
【０３７２】
次に、絶縁層１７及び絶縁層１６における半導体領域１４上の位置に、コンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形成においては、まず、フォトリソグラフィ技術により、絶縁層１７上に開口を有するレジストパターンを形成し、続いて、このレジストパターンをマスクとして、絶縁層１７及び絶縁層１６をエッチングする。エッチング法としては、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。
【０３７３】
次に、絶縁層１７上に、所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、レジストの開口内に堆積し、開口内に、蒸着法により、第１コンタクト電極３Ａ、表面電極３Ｂ、第２コンタクト電極３Ｃ、接続配線６及び補助読出電極５Ａを同時に形成し、これらの形成後にレジストを除去する。蒸着材料として、本例では、アルミニウムを用いるが、スパッタ法などを用いることも可能である。
【０３７４】
次に、絶縁層１７上に絶縁層１８を形成する。絶縁層１８の形成方法は、絶縁層１７と同一である。
【０３７５】
しかる後、絶縁層１８の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクを用いて、絶縁層１８をエッチングして、コンタクトホールを形成し、形成後にレジストを除去する。コンタクトホール形成時のエッチング方法は、ドライエッチング法の他、ＨＦ水溶液を含むエッチング液によるウエットエッチングを用いることもできる。このコンタクトホール内に、コンタクト電極５Ｂ１を形成し、これと同時にコンタクト電極５Ｂ１に連続する読出配線５Ｂ２を形成する。
【０３７６】
コンタクト電極５Ｂ１及び読出配線５Ｂ２の形成においては、まず、絶縁層１８の所望の位置に、フォトリソグラフィ技術によるレジストのパターニングを用いてマスクを形成し、このマスクの開口内に、コンタクト電極５Ｂ１及び読出配線５Ｂ２を堆積する。堆積方法は、蒸着方法又はスパッタ法を用いることができる。
【０３７７】
なお、図６２に示す構造の光検出部を製造する場合、半導体領域１４の形成前に、半導体領域１５を不純物拡散法又はイオン注入法を用いて、半導体領域１３の表面側に形成しておけばよい。不純物拡散法の場合には、半導体領域１５の導電型に対応する不純物をガス又は固体で半導体領域１３内に拡散させる。イオン注入法の場合は、半導体領域１５の導電型に対応する不純物を半導体領域１３内にイオン注入する。
【０３７８】
また、共通電極Ｅ３は、これを第２絶縁層１７上に形成する場合には、レジストのパターニングにより、表面電極３Ｂと同時にこれを形成することができる。また、共通電極Ｅ３を、第３絶縁層１８上に形成し、これに補助読出配線５Ａを接続する場合には、第３絶縁層１８に、補助読出配線５Ａと共通電極Ｅ３とを接続するためのコンタクトホールを形成した後、読出配線５Ｂ２の形成と同時に、コンタクトホール内のコンタクト電極と共通電極を同時に形成すればよい。
【０３７９】
なお、上述の実施形態の場合、クエンチング抵抗４の平面形状は環状であったが、これはリングの一部の形状、スパイラル形状であってもよい。
【０３８０】
次に、上述の第５例（図５６及び図５７）の構造のフォトダイオードアレイを試作した場合の効果について説明する。なお、本例では、共通電極Ｅ３及び貫通電極の製造は行っていない。
【０３８１】
製造条件は、以下の通りである。
（１）構造
（１−１）半導体領域１２：
導電型：ｎ型（不純物：Ｓｂ（アンチモン））
不純物濃度：５.０×１０１１ｃｍ−３
厚み：６５０μｍ
（１−２）半導体領域１３：
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１４ｃｍ−３
厚み：３０μｍ
（１−３）半導体領域１４
導電型：ｐ型（不純物：Ｂ（ボロン））
不純物濃度：１．０×１０１８ｃｍ−３厚み：１０００ｎｍ
（１−４）絶縁層１６：ＳｉＯ２（厚み：１０００ｎｍ）
（１−５）絶縁層１７：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−６）絶縁層１８：ＳｉＯ２（厚み：２０００ｎｍ）
（１−７）接続電極３：（アルミニウム（Ａｌ））
（１−８）クエンチング抵抗４（ポリシリコン）
形状：図６３に示す形状
厚み：５００ｎｍ
幅：２μｍ
長さ：１００μｍ
抵抗値：５００ｋΩ
（１−９）光検出部１０
１つの光検出部１０の面積Ｓ：２０２５μｍ２
隣接する光検出部１０の中心間の間隔Ｘ：５０μｍ
受光領域内のフォトダイオード数（Ｘ軸方向＝１００個×Ｙ軸方向１００個）
受光領域のＸ軸方向寸法：５ｍｍ
受光領域のＹ軸方向寸法：５ｍｍ
（１−１０）読出配線５Ｂ２
幅：５μｍ
Ｘ軸方向の配線の本数：１０１本
Ｙ軸方向の配線の本数：１０１本
１つの開口内に存在する光検出部１０の数：１
（２）製法条件
・半導体領域１２：ＣＺ法（（００１）Ｓｉ半導体基板）
・半導体領域１３：Ｓｉエピタキシャル成長法（原材料：気相の四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）、三塩化シラン（トリクロルシラン、ＳｉＨＣｌ３）、成長温度１２００℃）
・半導体領域１４：不純物の熱拡散法（不純物原材料：ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、拡散温度１２００℃）
・絶縁層１６：（Ｓｉ熱酸化法：酸化温度（１０００℃））
・クエンチング抵抗４：スパッタ法（ターゲット材料：Ｓｉ）
・絶縁層１７：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・第１コンタクト電極３Ａ、表面電極３Ｂ、第２コンタクト電極３Ｃ、接続配線６、補助読出配線５Ａ、共通電極Ｅ３：蒸着法（原料：アルミニウム）
・絶縁層１８：（プラズマＣＶＤ法：原材料ガス（テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及び酸素ガス）：成長温度（２００℃））
・コンタクト電極５Ｂ１、読出配線５Ｂ２、共通電極（電極パッド）：蒸着法（原料：アルミニウム）
【０３８２】
実施例に係るフォトダイオードアレイの特性を、以下のように評価した。
【０３８３】
図６８は、基点となる各フォトダイオード（画素）から、半導体チップの表面上の一端に設けられた電極パッド（共通電極Ｅ３とみなす）までの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（実施例）である。時間差ｔｐは基準時刻からの伝達時間である。基点となるフォトダイオードの周囲には５個のフォトダイオードが配置されており、Ｘ軸方向の基点の数は１２個、Ｙ軸方向の基点の数は１８個であり、同グラフでは各基点の周囲のフォトダイオード出力の平均値を１つのデータとして示している。
【０３８４】
フォトダイオードのチップは５ｍｍ×５ｍｍの寸法を有しており、グラフにおける最も手前側の位置をＸＹ平面における原点として、受光領域のＸ軸方向には１００個、Ｙ軸方向には１００個のフォトダイオードが配置されている。共通電極Ｅ３とみなされる電極パッドは、同グラフの右に存在するＥ３の位置に設けられている。
【０３８５】
各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差ｔｐ（ｐｓ）は、電極パッドから遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差ｔｐは、全て１６０ｐｓ以下と短く、また、面内バラつきも小さい。
【０３８６】
図６９は、各フォトダイオードから電極パッドまでの距離と、キャリアの信号伝達時間の基準からの差ｔｐ（ｐｓ）を示すグラフ（比較例）である。比較例では、上述の第１例において、下層の補助読出配線５Ａのみを信号伝達に用いた例であり、上層の読出配線５Ｂ２は形成されていない。比較例における補助読出配線５Ａの１本の幅は２μｍである。
【０３８７】
各フォトダイオードから電極パッドまでの信号伝達時間の差ｔｐ（ｐｓ）は、電極パッドＥ３から遠くなるほど長くなる傾向にあるが、時間差ｔｐは、過半数が１６０ｐｓを超えており、最大で３００ｐｓを超え、また、面内バラつきも大きい。
【０３８８】
図７０は、電圧Ｖoverと、出力パルス到着時間のバラつきを示すＦＷＨＭ（ｐｓ）の関係を示すグラフであり、図７１は、到着時間ｔβ（ｐｓ）とカウント数の関係を示すグラフである。
【０３８９】
フォトダイオードをガイガーモードで動作させるため、フォトダイオードのブレイクダウン電圧（７０Ｖ）よりも電圧Ｖoverだけ大きな逆バイアス電圧（７０＋Ｖover）を各フォトダイオードに与える。この超過電圧Ｖoverが１．５〜４Ｖ（逆バイアス電圧＝７１．５Ｖ〜７４Ｖ）の場合に、実施例では、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、２００ｐｓ以下となり、最小で１３０ｐｓまで小さくなる一方、比較例では２２０ｐｓ以上である。なお、このＦＷＨＭの測定法は、以下の通りである。２層メタル配線を形成することで配線抵抗を低減させ、高時間分解能を達成することができる。なお、１つの半導体チップ又は各アクティブチャンネルに１個のみに限らず複数個の共通電極と貫通孔を形成すれば、時間ばらつきを更に改善することが可能となる。
【０３９０】
まず、各フォトダイオードアレイに、レーザ光を全面照射する。この場合、各フォトダイオードから、光子入射に対応する複数のパルス信号が出力される。フォトダイオードは面内に分布しているため、同時にレーザ光が各フォトダイオードに入射した場合においても、若干の時間的な広がりを有して、電極パッドに到達する。図７１は、レーザ光出射タイミングから、キャリアが電極パッドに到達するまでの時間ｔβ毎のパルス信号のカウント数（パルス数）をヒストグラムにしたグラフである。到達時間ｔβが２０４０（ｐｓ）近傍のパルス数が一番大きく、この時間をピークとして、到達時間は正規分布している。このグラフのＦＷＨＭが小さいほど、到達時間のバラつきが少ない。
【０３９１】
実施例のフォトダイオードアレイでは、ＦＷＨＭが十分に小さいので、面内の到達時間ｔβのバラつきが、比較例よりも十分に抑制されていることが分かる。
【０３９２】
なお、図６８及び図６９のグラフは、以下の図７２及び図７３の方法を用いて求められる。
【０３９３】
図７２は、レーザビーム照射について説明する図であり、図７３は、レーザ光出射タイミングからキャリアが電極パッドに到達するまでの時間ｔα（ｎｓ）と出力ＯＵＴ（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフ（シミュレーション）である。
【０３９４】
図７２に示すように、直径１ｍｍのレーザビームを、電極パッドから遠い位置Ａ、中間の位置Ｂ、近い位置Ｃに存在する実施例のフォトダイオード群に照射し、レーザビームを同図の矢印で示す横方向（Ｘ軸方向）に沿って走査する。走査後の遠い位置Ａ、中間の位置Ｂ、近い位置Ｃからの出力の平均値が図７３のグラフに示される。
【０３９５】
この場合、図７３に示すように、出力パルス電圧を示す出力ＯＵＴ（ａ．ｕ．）が、時間ｔα（ｎｓ）の増加に伴って増加し、ｔα＝２．５ｎｓ以上では一定値に飽和している。出力ＯＵＴが、閾値（threshold）＝０．５以上となる立ち上がりの時間ｔαは、１．４ｎｓである。
【０３９６】
図６８及び図６９は、図７３のシミュレーション図に相当する出力パルスを実際に測定し、パッドから最も近い位置Ｃの時間ｔαを基準とした場合の、各レーザ照射位置におけるパルスの時間遅れをマッピングしたものである。なお、このマッピングは閾値における時間ｔαを用いて行った。
【０３９７】
以上、説明したように、上述の実施形態に係るフォトダイオードアレイは、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有する光検出部を複数備えたフォトダイオードアレイにおいて、個々の光検出部１０は、キャリアを出力する半導体領域１４を有するアバランシェフォトダイオードＰＤと、半導体領域１４に電気的に接続され、且つ、その外縁に沿って半導体領域１４囲む表面電極３Ｂと、表面電極３Ｂと読出配線５Ｂ２（ＴＬ）とを接続するクエンチング抵抗４と、を備え、半導体領域１４の表面を含む平面を基準平面とした場合、この基準平面から読出配線５Ｂ２までの距離ｔｂは、この基準平面から表面電極３Ｂまでの距離ｔａよりも大きく、読出配線５Ｂ２は、隣接するアバランシェフォトダイオードＰＤ（半導体領域１４）間に位置している。
【０３９８】
半導体領域１４への光の入射に応じて発生したキャリアは、第２半導体領域１４から、表面電極３Ｂ、クエンチング抵抗４、読出配線５Ｂ２を順次介して、共通電極Ｅ３、貫通電極、バンプ電極、配線基板へと至る。読出配線５Ｂ２は、表面電極３Ｂよりも上層に形成されているため、表面電極３Ｂによる空間的な制約が解除され、その幅等を広くすることができ、したがって、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。表面電極は、第２半導体領域１４の外縁に一定の電界を発生させることができ、ＡＰＤの出力安定性を向上させることができる。
【０３９９】
また、上記フォトダイオードアレイは、基準平面に垂直な方向から見た場合、読出配線５Ｂ２は、表面電極３Ｂの一部と重なっている（第３例、第６例、第７例）。この場合には、読出配線５Ｂ２の形成領域は、光入射に対してデッドスペースとなる表面電極３Ｂ上の領域を利用しているので、フォトダイオードの開口率を低下させることなく、読出配線５Ｂ２の寸法を広げ、抵抗値を低下させることができる。
【０４００】
また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された第１絶縁層１７と、第１絶縁層１７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４に電気的に接続された補助読出配線５Ａと、補助読出配線５Ａ上に形成された第２絶縁層１８と、を備え、読出配線５Ｂ２は、第２絶縁層１８に設けられたコンタクトホールを介して、補助読出配線５Ａに電気的に接続され、且つ、補助読出配線５Ａに対して並行して延びて、補助読出配線５Ａと共に、共通電極Ｅ３に接続されている（第１例、第２例、第３例）。
【０４０１】
２つの読出配線を利用することにより、フォトダイオードから共通電極Ｅ３に至るまでの抵抗値を低下させることができる。
【０４０２】
また、上記フォトダイオードアレイは、クエンチング抵抗４上に形成された絶縁層１８を備え、読出配線５Ｂ２は、絶縁層１８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４に電気的に接続され、且つ、クエンチング抵抗４と共通電極Ｅ３とを電気的に接続している（第１例〜第７例）。また、補助読出配線５Ａは直接的には共通電極に接続されていなくてもよい（第４例〜第７例）。これら場合、読出配線５Ｂ２の設計自由度が高くなり、時定数を小さくして、信号読出速度を向上させることができる。
【０４０３】
なお、クエンチング抵抗４の抵抗値は１００〜１０００ｋΩが好適である。フォトダイオードの半導体領域１４から電極パッドとしての共通電極に至るまでの配線の抵抗値は、低いほど好ましいが、２０Ω以下が好適であり、更に好適には５Ω以下である。
【０４０４】
上述のように、貫通電極を用いた場合、大面積タイリングを行う上で、デッドスペースが少なく、対照的な配置となるためＰＥＴ装置、ＣＴ装置等で、画像を再構成が簡単となる。この構造は、ワイヤボンディングパッドを備えた非対称のチップでは画像再構成を行う上で補正が必要となるため、対称の形状が好ましい。
【０４０５】
また、貫通孔の形状は、角錐台形状のようなテーパー型のものと、直方体又は円柱型（ストレート型）が考えられる。貫通孔の内部は空洞とすることもできるが、金属や絶縁物で埋めてもよい。貫通電極はアクティブチャンネル１つに対し、１つ、または複数でもよい。アクティブチャンネルのサイズは、１×１ｍｍ，３×３ｍｍ，６×６とすることができるが、これよりも大きくても小さくてもよい。形状は例えば２×３ｍｍのように正方形でなくてもよい。なお、カソードは例えばバルクの半導体基板の裏面部分からバンプ電極で直接コンタクトをとることができる。
【符号の説明】
【０４０６】
１Ｎａ，１Ｎｂ…主面、１２…第１半導体領域、１４（１３）…第２半導体領域、ＢＥ, Ｂ２…バンプ電極、Ｅ３…共通電極、ＰＤＡ…フォトダイオードアレイ、Ｒ１…クエンチング抵抗、ＴＥ…貫通電極、２０…配線基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６６】
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【図６７】
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【図７４】
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【図７５】
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【図３９】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７６】
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