(57)【要約】  シリコン・オン・インシュレータ・ウェハと基板搬送処理とを用いて、アバランシェモードフォトダイオードアレイ102が製造される。アレイは、複数のフォトダイオード100を含む。そのフォトダイオード100は、電気的な絶縁層206、空乏領域204、並びに第１のドープ領域208及び第２のドープ領域210を含む。相互接続層212は、フォトダイオードに対する電気的接続を提供する電極214,216を含む。フォトダイオードアレイ102は、ハンドルウェハ217により運搬される。
2009525619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体空乏領域と、
陽極と、
陰極とを有するアバランシェ・フォトダイオードであって、
荷電キャリアを生成するよう、可視スペクトルの青色端部における波長を持つ入射光子が、前記空乏領域において吸収され、前記フォトダイオードにおけるアバランシェ電流を生成するよう、前記荷電キャリアは、前記空乏領域において、衝撃イオン化を行う、アバランシェ・フォトダイオード。
【請求項２】
前記フォトダイオードが、光受信面と電気的絶縁層とを有し、前記電気的絶縁層は、前記光受信面と前記空乏領域との間に配置される、請求項１に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項３】
前記電気的絶縁層が、SOIウェハの埋め込み酸化物層から作られる、請求項２に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項４】
前記空乏領域と前記電気的絶縁層との間のインタフェースで格子欠陥の効果を減らす手段を有する、請求項２に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項５】
前記減らす手段が、薄い半導体ドープ層を有する、請求項４に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項６】
前記フォトダイオードが、背面照射型である、請求項２に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項７】
前記フォトダイオードが、
ハンドルウェハと、
前記空乏領域と前記ハンドルウェハとの間に物理的に配置される相互接続層とを有する、請求項２に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項８】
前記空乏領域と光学的通信を行うシンチレータを含む、請求項１に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項９】
前記シンチレータが、LySO、LSO、LGSO、又はLaBrの１つを有する、請求項８に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項１０】
前記陽極及び陰極が、交差指型となるよう構成される、請求項１に記載のアバランシェ・フォトダイオード。
【請求項１１】
シリコン・オン・インシュレータ・ウェハを用いてアバランシェ・フォトダイオードのアレイを製造する方法において、前記ウェハが、基板と、シリコン層と、前記基板と前記シリコン層との間に物理的に配置される埋め込み酸化物層とを含み、
前記シリコン層において複数のアバランシェ・フォトダイオードを形成するステップであって、前記フォトダイオードが、陽極、陰極及び空乏領域を含む、ステップと、
個別のフォトダイオードの前記陽極及び前記陰極と電気的通信を行う複数の電極を形成するステップであって、前記複数の電極が、前記埋め込み酸化物層の反対側にある前記シリコン層の側に配置される、ステップと、
前記基板を除去するステップであって、前記除去により、前記フォトダイオードが、前記埋め込み酸化物層を介して照射される、ステップとを有する方法。
【請求項１２】
前記アレイにハンドルウェハを付けるステップを更に有し、前記複数の電極が、前記ハンドルウェハと前記シリコンウェハとの間に物理的に配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記アレイにおけるフォトダイオード間の電気的アイソレーションを提供するアイソレーション領域を形成するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記アイソレーション領域が、シリコンの局所酸化技術を用いて形成される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記埋め込み酸化物層と前記シリコン層との間のインタフェースで、インプラント層を形成するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記埋め込み酸化物層と光学通信を行うシンチレータを配置するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法を用いて作られる電離放射線検出器。
【請求項１８】
シリコン・オン・インシュレータ・ウェハを用いて生成されるフォトダイオードアレイであって、前記ウェハが、基板と、シリコン層と、前記基板と前記シリコン層との間に物理的に配置される埋め込み酸化物層とを含み、
前記シリコン層において複数のアバランシェ・フォトダイオードを形成するステップであって、前記フォトダイオードが、陽極、陰極及び空乏領域を含む、ステップと、
個別のフォトダイオードの前記陽極及び前記陰極と電気的通信を行う複数の電極を形成するステップであって、前記複数の電極が、前記埋め込み酸化物層の反対にある前記フォトダイオードの側に配置される、ステップと、
前記シリコン・オン・インシュレータ・ウェハにハンドルウェハを付けるステップであって、前記電極が、前記ハンドルウェハと前記フォトダイオードとの間に物理的に配置される、ステップと、
前記シリコン・オン・インシュレータ・ウェハから前記基板を除去するステップであって、前記除去により、前記フォトダイオードが、前記埋め込み酸化物層を介して照射される、ステップとを有する処理を用いて前記フォトダイオードアレイが製造される、フォトダイオードアレイ。
【請求項１９】
前記処理が、相互接続層と前記埋め込み酸化物層との間に延在するアイソレーショントレンチを形成するステップを更に有する、請求項１８に記載のフォトダイオードアレイ。
【請求項２０】
アバランシェ・フォトダイオードであって、
前記フォトダイオードの陰極を形成する第１の半導体ドープ領域と、
前記フォトダイオードの陽極を形成する第２の半導体ドープ領域と、
前記フォトダイオードの光受信面と光学通信を行う第３の半導体領域であって、前記フォトダイオードがアバランシェモードで動作されるとき、前記第３の半導体領域のほぼすべてが空乏状態にされる、第３の半導体領域と、
前記第１の半導体ドープ領域と電気的通信を行う第１の電極と、前記第２の半導体ドープ領域と電気的通信を行う第２の電極とを含む相互接続層であって、前記第３の半導体領域が、前記相互接続層と前記光受信面との間に物理的に配置される、相互接続層とを有する、アバランシェ・フォトダイオード。
【請求項２１】
前記第１の半導体ドープ領域、前記第２の半導体ドープ領域及び前記第３の半導体領域が、pπn又はpνnフォトダイオードのいずれかを形成する、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項２２】
前記第３の半導体領域が、約500nmより少ない厚を持つ、請求項２１に記載のフォトダイオード。
【請求項２３】
前記フォトダイオードを囲む前記アイソレーショントレンチを含む、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項２４】
前記第３の半導体領域と前記光受信面との間に配置される電気的絶縁層を含む、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項２５】
前記電気的絶縁層が、二酸化シリコンを有し、前記電気的絶縁層は、前記光学スペクトルの青色端部における波長を持つ光を実質的に透過する、請求項２４に記載のフォトダイオード。
【請求項２６】
前記第３の半導体領域と前記電気的絶縁層との間のインタフェースに配置されるパシベーション層を含む、請求項２５に記載のフォトダイオード。
【請求項２７】
前記光受信面の反対側にあるフォトダイオードの側に配置されるハンドルウェハを含む、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項２８】
前記ハンドルウェハが、ガラスを有する、請求項２７に記載のフォトダイオード。
【請求項２９】
前記第１及び第２の半導体ドープ領域が、同心である、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項３０】
前記第３の半導体層と光学通信するシンチレータを含む、請求項２０に記載のフォトダイオード。
【請求項３１】
検査領域と、
前記検査領域における検査対象の対象物を支持するよう構成される対象物支持部と、
放射線検出器アレイとを有し、該放射線検出器アレイが、
前記検査領域に面する放射線感知面と、
アバランシェ・フォトダイオードのアレイであって、各フォトダイオードが、陽極、陰極及び空乏領域を含み、前記フォトダイオードの空乏領域において吸収される光子は、荷電キャリアを生成し、前記フォトダイオードにおけるアバランシェ電流を生成するよう、前記荷電キャリアが、前記フォトダイオードの空乏領域において、衝撃イオン化を行う、アバランシェ・フォトダイオードのアレイと、
前記フォトダイオードに対する電気接続を提供する複数の電極を含む相互接続層であって、前記相互接続層が、前記放射線受信面の反対にある前記フォトダイオードアレイの側に配置される、相互接続層とを含む、装置。
【請求項３２】
前記放射線検出器アレイが、前記検査領域からの電離放射線を受信するシンチレータを含む、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記シンチレータが、ルテチウム及びランタンのいずれかを含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記アバランシェ・フォトダイオードが、ガイガーモードで動作される、請求項３１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードの分野に関し、より詳細には、アバランシェモードフォトダイオードに関する。本発明は、医療イメージング装置用の放射線検出器だけでなく、比較的高速かつ効率的な光検出が求められる他の状況においても特定の用途が見出される。
【背景技術】
【０００２】
ガイガーモード・アバランシェ・フォトダイオードは、通常、個別の光子を検出し、かつナノ秒未満の範囲における信号を生成するのに十分な感度を持つ半導体光検出器である。例えば、Webb及びMcIntyreによるSingle Photon Detection with Avalanche Photodiodes, Bulletin of the American Physical Society, vol. 15, p.813(1970)や、RochasらによるFirst Fully Integrated 2-D Array of Single-Photon Detectors in Standard CMOS Technology, IEEE Phot. Tech. Lett., vol. 15, no.6, p.963(2003)を参照されたい。
【０００３】
単光子アバランシェダイオード(SPADs)とも称されることのあるガイガーモードデバイスは、従来のアバランシェ・フォトダイオードに似ている。しかしながら、それらは、通常、降伏電圧を上回る10〜20%のオーダにある電圧でバイアスされる。空乏層における電子孔ペアの生成により、例えば、入射光子によりアバランシェイベントが引き起こされるまで、この状態が維持されることができる。アバランシェ処理をクエンチし、そのデバイスを感応状態に戻すため、レジスタ又は能動回路といったクエンチ回路が使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうしたフォトダイオードは有益であることが証明されたが、まだ改良の余地が残されている。既存の多くのフォトダイオード実現において、比較的短い波長の入射光(例えば、可視スペクトルの青色端部での波長を持つ光子)が、デバイスの高ドープされた上部表面において優先的に吸収される。通常、最初の200ナノメータ(nm)付近である。結果として、デバイス量子効率が減らされ、特にこうした比較的短い波長において減らされる。
【０００５】
更に、高ドープされた領域で生成されたキャリアは、アバランシェ処理を開始するために、空乏領域のエッジに拡散しなければならない。その拡散時間は、デバイスの速度を限定する可能性があり、特にブルーレジメ(blue regime)において生じる。例えば、光子束の測定を容易にするために、そのデバイスがアレイで使用されるとき、別の限定が生じる。斯かるアレイにおいて、アレイ要素、デバイス電極及びクエンチ回路間の光学アイソレーションにより占有される領域が、そのデバイスの領域効率性を減らしてしまう。
【０００６】
本発明の側面は、こうした問題その他を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の側面によれば、アバランシェ・フォトダイオードが、半導体空乏領域と、陽極と、陰極とを含む。荷電キャリアを生成するよう、可視スペクトルの青色端部における波長を持つ入射光子が、上記空乏領域において吸収される。上記フォトダイオードにおけるアバランシェ電流を生成するよう、上記荷電キャリアは、上記空乏領域において、衝撃イオン化を行う。
【０００８】
本発明の別の側面によれば、アバランシェ・フォトダイオードのアレイを製造する方法が、基板と、シリコン層と、上記基板と上記シリコン層との間に物理的に配置される埋め込み酸化物層とを含むシリコン・オン・インシュレータ・ウェハを用いる。その方法は、上記シリコン層において複数のアバランシェ・フォトダイオードを形成するステップを含む。上記フォトダイオードは、陽極、陰極及び空乏領域を含む。その方法は、個別のフォトダイオードの上記陽極及び上記陰極と電気的通信を行う複数の電極を形成するステップも含み、上記複数の電極は、上記埋め込み酸化物層の反対側にある上記シリコン層の側に配置される。またその方法は、上記基板を除去するステップも含み、上記除去により、上記フォトダイオードは、上記埋め込み酸化物層を介して照射される。
【０００９】
本発明の別の側面によれば、フォトダイオードアレイが、シリコン・オン・インシュレータ・ウェハを用いて生成される。上記フォトダイオードアレイは、上記シリコン・オン・インシュレータ・ウェハのシリコン層において複数のアバランシェ・フォトダイオードを形成するステップと、個別のフォトダイオードの上記陽極及び上記陰極と電気的通信を行う複数の電極を形成するステップと、上記シリコン・オン・インシュレータ・ウェハにハンドルウェハを付けるステップと、上記基板を除去するステップとを含む処理を用いて製造される。上記除去により、上記フォトダイオードは、上記埋め込み酸化物層を介して照射される。上記フォトダイオードは、陽極、陰極及び空乏領域を含み、上記複数の電極は、上記埋め込み酸化物層の反対のフォトダイオードの側に配置され、及び上記電極は、上記ハンドルウェハと上記フォトダイオードとの間に物理的に配置される。
【００１０】
本発明の別の側面によれば、アバランシェ・フォトダイオードが、上記フォトダイオードの陰極を形成する第１の半導体ドープ領域と、上記フォトダイオードの陽極を形成する第２の半導体ドープ領域と、上記フォトダイオードの光受信面と光学通信を行う第３の半導体領域と、上記第１の半導体ドープ領域と電気的通信を行う第１の電極及び上記第２の半導体ドープ領域と電気的通信を行う第２の電極を含む相互接続層とを含む。上記フォトダイオードがアバランシェモードで動作されるとき、上記第３の半導体領域のほぼすべてが空乏状態にされる。上記第３の半導体領域は、上記相互接続層と上記光受信面との間に物理的に配置される。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、装置が、検査領域と、上記検査領域における検査対象の対象物を支持するよう構成される対象物支持部と、放射線検出器アレイとを含む。該放射線検出器アレイが、アバランシェ・フォトダイオードのアレイと上記検査領域に面する放射線感知面とを含む。上記フォトダイオードは、陽極、陰極及び空乏領域を含む。上記検出器アレイは、前記フォトダイオードに対する電気接続を提供する複数の電極を含む相互接続層も含む。上記フォトダイオードの空乏領域において吸収される光子が、荷電キャリアを生成し、上記フォトダイオードにおけるアバランシェ電流を生成するよう、上記荷電キャリアは、上記フォトダイオードの空乏領域において、衝撃イオン化を行う。上記相互接続層が、上記放射線受信面の反対にある上記フォトダイオードアレイの側に配置される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
添付図面及び説明を読み理解すれば、当業者は、本発明の更に他の側面を理解することであろう。
【００１３】
本発明は、例示を介して説明されるが、対応する図面における図に限定されるものではない。図面において、同様な参照符号は、同様な要素を示す。
【００１４】
当業者であれば、明確さ及び説明の簡単さのため、図面における種々の特徴が大きさ通りに描かれてはいないことを理解されるであろう。
【００１５】
図１及び図２を参照すると、フォトダイオードアレイ１０２が、複数の背面照射アバランシェ・フォトダイオード１００１、１００２、１００３、...１００ｎを含む。２次元アレイが図示されるが、例えば１次元アレイ、不規則なアレイ、及び単一のフォトダイオードといった他の構成も想定される。
【００１６】
ここで図２に目を向けると、フォトダイオード１００は、光受信面２２２を介して入射光２２０を受信する。酸化シリコンの層といった電気的絶縁層２０２が、そこを通る光透過率を最大化するために好ましく選択される厚みを持ち、例えば、約100〜300ナノメータ(nm)の範囲の厚である。400nmの波長を持つ光に対して、例えば、200nmの厚を持つ層は、空気の約80%の透過係数を持つ。他の波長及び層の厚さも想定される。絶縁層２０２は、省略されることもできる。
【００１７】
およそ100-500nmの厚を持つ空乏層２０４が、シリコンといった低ドープ(lightly doped)半導体層から製造される。ドーパントは、半導体物質における変動効果を減らすものとして主に機能する。デバイスの動作の間、空乏層２０４ではキャリアが使い尽くされる点を理解されたい。固有の(即ち、意図的にドーピングされたものではない)半導体も使用されることができる。
【００１８】
フォトダイオード１００が、絶縁層２０２と空乏領域２０４との間のインタフェースでのダングリングボンドといった、可能性として有害な格子欠陥の効果を減らすよう処理されることもできる。１つの実現において、空乏層２０４と絶縁層２０２との間のインタフェースにおいておよそ5〜15nmの厚を持つp型ドープ層２０６が与えられる。好ましくは、ドープ層２０６の厚は、特に、可視スペクトルの青色端部における波長を持つか、それより短い波長を持つ入射光子２２０を実質的に吸収することなくインタフェースでの欠陥効果を減らすよう選択される。ドーパントは好ましくは、絶縁層２０２に延在する。ドーパント濃度は通常、ガウシアン曲線に従うので、ピーク濃度は有利には、インタフェースに、若しくはその近くに配置されるか、又はそのインタフェースのわずかに絶縁層２０２側に配置される。化学パシベーションといった他の技術も想定される。ドープ層又はパシベーション層２０６は省略されることもできる。
【００１９】
シリコン層の第１の領域２０８は、p型ドープされ、フォトダイオード１００の陽極を形成する。一方、第２のドープ領域２１０は、n型ドープされ、陰極を形成する。共に、空乏層２０４並びに第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２１０は、pπn、pνn、又はpinフォトダイオードを形成する。ダングリングボンドの効果を更に減らすために、第１のドープ領域２０８及び層２０６は好ましくは、空乏領域２０４が絶縁層２０２又はアイソレーション領域２１８に到達することを防止するよう共働する。ドープ層２０６及びインプラント領域２０８、２１０のドーピングが反対にされることもできる点に留意されたい。その場合、第１の領域２０８は、フォトダイオードの陰極を形成し、第２の領域２１０は、陽極を形成する。
【００２０】
数マイクロメータ(μm)の厚を持つバックエンド相互接続層２１２は、pドープ領域２０８に電気的に接続される第１の電極２１４を含む。２つの電極が示されるが、共に第１のドープ領域に接続される点を理解されたい。電極の１つは省略されることができる。第２の電極２１６は、nドープ領域２１０に電気的に接続される。ポリシリコン又は他の適切な物質(図示省略)から作られるクエンチングレジスタが、バックエンド層２１２に含まれることができる。ガラス又は他の適切な物質から製造されるキャリア基板又はハンドルウェハ２１７は、約1ミリメータ(mm)の厚を持つ。アイソレーショントレンチといったアイソレーション領域２１８は、隣接フォトダイオード又は他のデバイスからフォトダイオード１００を孤立化させる。
【００２１】
各フォトダイオード１００は好ましくは、約400〜2500μm2の面積を持つが、他の面積も想定される。フォトダイオードを受信する光子束を示す信号を得ることが目的である場合、有利には、アレイ１０２により受信される光子束を示す出力信号を生み出すよう、アレイ１０２における様々なフォトダイオード１００の出力が合計される。
【００２２】
図３及び図４は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェハ３０１及び基板搬送処理を用いて、フォトダイオードアレイ１０２を製造する技術を説明する。図３ａを参照すると、SOIウェハ３０１は従来、シリコン基板３０２と、二酸化シリコン(SiO2)又は他の埋め込み酸化物(buried oxide)絶縁層２０２と、シリコン層３０４とを含む。特に有利なSOIウェハは、従来の処理技術(例えばCMOS処理技術)がフォトダイオード１００を生成するのに使用されることができる点にある。更に、所望の信号処理回路が、製造過程の一部としてSOIウェハ上に容易に組み込まれることもできる。SOIウェハ３０１に関して製造技術が説明されるが、所望のフォトダイオード１００構造を提供する他の製造技術が実現されることもできる。
【００２３】
アイソレーション領域２１８は、ステップ４０２で製造される。アイソレーションがトレンチアイソレーションを用いて提供されるような場合、所望のマスクが適用され、そのトレンチはエッチングされ(好ましくは、絶縁層２０２に到達する)、誘電体で充填される。シリコンの局所酸化(LOCOS)又は他のアイソレーション技術も想定される。シリコン層３０４の上部表面には化学機械ポリッシング(CMP)処理も適用される。例示的なフォトダイオード１００に対するアイソレーション領域２１８を示すウェハ３０１の断面が、図３ｂに示される。
【００２４】
ステップ４０４において、図３ｃを参照して、絶縁層３０２とシリコン層３０４との間のインタフェースでの格子欠陥の効果を減らすため、ウェハ３０１が処理される。ある実施形態では、ウェハ３０１のフロント側３９９からドーパントイオンを注入する(implant)ことにより、ドープ層２０６が形成される。この層は、マスクされる必要がない点に留意されたい。上述されたように、化学パシベーション又は他の適切な技術も想定されることができる。ステップ４０４は省略されることもできる。特に、SOIウェハが十分に高い品質であるか、又はインタフェーストラップを最小化するために製造の間処理される場合には、省略可能である。
【００２５】
ステップ４０６において、図３ｄを参照して、所望のマスクを適用し、ドーパントイオンを注入することにより、第１のドープ領域２０８が形成される。ステップ４０８において、図３ｅを参照して、第２のドープ領域２１０が同様に形成される。望むなら、追加的な信号処理又は他の回路も実現されることができる。ステップ４１０でアニーリング処理が実行される。
【００２６】
様々な別のフォトダイオード１００構成が可能であることに留意されたい。従って、例えば、第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２１０が、図２に表されるような一般的な環状構造を持つことができる。第１の領域２０８及び第２の領域２１０は、例えば図５に表されるように、交差指型(interdigitated:交互嵌合型)とすることもできる。
【００２７】
ステップ４１２において、図３ｆを参照して、相互接続層２１２及び電極２１４、２１６は、バックエンド処理ステップにおいて製造される。
【００２８】
ステップ４１４において、相互接続層２１２がキャリア基板２１７に固定され、SOIウェハ３０１のシリコン基板３０２が除去されるよう、従って、図１に表される構造を生み出すよう、基板搬送処理が実行される。基板搬送処理を実行するための適切な技術は、2001年1月23日付けのタイトル「Semiconductor Device Comprising a Glass Supporting Body onto Which a Substrate with Semiconductor Elements and a Metalization is Attached by Means of an Adhesive」である米国特許番号6,177,707に記載され、本書でも参照により含まれる。
【００２９】
より詳細には、相互接続層２１２は、エポキシ、アクリレート又は他の適切な接着剤を用いてキャリア基板２１７に接着される。有利なことに、その接着剤は、UV感応する開始剤が追加される無溶媒モノマを含む。モノマは、UVに対する被ばくで架橋し、約5〜15μmの範囲の厚を持つアクリル層を形成する。その後、基板３０２は、絶縁層２０２に対して下に除去される。このため、基板は、CMP処理の対象となり、それは、絶縁層２０２に対する距離がμmのわずか数十分の一まで続けられる。その後、絶縁層は、水酸化カリウム(KOH)エッチングバス(etch bath)にさらされる。絶縁層２０２に到達すると、エッチング処理は停止する。非SOIベースのウェハが使用される場合、基板３０２を選択的に除去するため背面リソグラフが使用されることができる。
【００３０】
図６を参照すると、電離放射線検出器として使用するのに特に適した放射線検出器アレイ６００は、絶縁層２０２に光学的に結合されるシンチレータ物質６０２を含む。シンチレータ６０２の放射線受信面６０４で受信される放射線６０４に応じて、シンチレータ６０２により生成される光が、フォトディテクタ１００により受信される。陽電子放出断層撮影(PET)用途では、タイムオブフライト(TOF)情報を与えるため、有利には、ルテチウムイットリウムオルトケイ酸塩(LYSO)、ルテチウムオルトケイ酸塩(LSO)、及び臭化ランタン(LaBr)といった比較的高速なシンチレータ物質が使用されることができる。LySO及びLSOは、およそ420nmの波長を持つ光を放ち、LaBrは、およそ370nmの波長を持つ光を放つ。理解されるように、両方とも可視スペクトルの青色端部にある。
【００３１】
特定の用途における要件に基づき、硫酸化ガドリニウム(GOS)、ヨウ化ナトリウム(NaI)、ガドリニウムケイ酸塩(GSO)、ビスマスゲルマニウム(BGO)、混合ルテチウムケイ酸塩(MLS)、ルテチウムガドリニウムケイ酸塩(LGSO)及び塩化ランタン(LaCl)、並びにそれらの混合物といった他の適切なシンチレータも想定される。当業者であれば理解されるように、シンチレータ６０２の選択並びにシンチレータ６０２及び絶縁層２０２の相対的な厚の選択は好ましくは、所望のシンチレータ６０２変換効率及び絶縁層光透過率を提供するよう調整される。
【００３２】
動作中おいて、フォトダイオード１００は、好ましくは、ダイオードの降伏電圧を幾分超えるところで逆バイアスされる。それは、図示される実施形態では、5〜10ボルト直流(5 to 10 VDC)の範囲にある。フォトダイオード１００は、降伏電圧未満のアバランシェモードで動作されることもできる。いずれにせよ、空乏領域２０４のすべて、又はほぼすべてと、特に、比較的短い波長の入射光子が吸収される空乏領域２０４の一部とが、空乏状態で維持される。
【００３３】
デバイスがシンチレータ６０２を含む場合、入射放射線はシンチレータ６０４で受信され、それは、対応する光パルスを生成する。LySO、LSO又はLaBrシンチレータの場合、光子は、可視スペクトルの青色端部における波長を持つ。
【００３４】
結果として生じる光子は、まず絶縁層２０２とドープ層２０６とにぶつかる。絶縁層２０２及びドープ層２０６は好ましくは比較的薄いので、比較的多数の光子が、これらの層を通過し、空乏領域２０４において吸収される。
【００３５】
これらの光子は、空乏領域２０４に吸収され、従って正孔ペアを生成する。正孔ペアは、空乏領域２０４にできる電場にぶつかり、衝撃イオン化処理を介して、追加的な正孔ペアを生成する。この処理は、いわゆるアバランシェを生成するため繰り返される。正孔ペアは、第１のドープ領域２０８及び第２のドープ領域２１０で収集され、こうして、電気的な出力電流を生成する。
【００３６】
空乏領域２０４において生じる光子吸収の部分を増加させることは、従来のデバイスに対するフォトダイオード１００の量子効率及び速度を改善するのに役に立つ。なぜなら、正孔ペアは、アバランシェを開始するために空乏領域２０４に拡散する必要がないからである。このため、好ましくは、空乏領域２０４のほとんど、特に、比較的短い波長を持つ入射光子２２０が吸収される空乏領域２０４の部分が、フォトダイオード１００の処理の間空乏状態となるよう(depleted)、空乏領域２０４の体積は十分小さい。第１のドープ領域２０８と第２のドープ領域２１０との間の距離を減らすことは、アバランシェにより横断されなければならない距離を更に減らし、デバイスの速度を増加させる。更に、背面照射型デザインが、アイソレーション領域２１８により占有される領域により主に制限される、アレイ１０２の領域利用を向上させる。結果として、領域利用率90%以上を持つフォトダイオードアレイ１０２が、適切なフォトダイオード１００及びアイソレーション領域２１８デザインを介して実現されることができる。
【００３７】
フォトダイオード１００がガイガーモードで維持される場合、アバランシェにより所与のフォトダイオード１００により生成される電流は、比較的光子束とは独立している。電流は連続的にクエンチされ、ダイオードは、追加的な光が受信されるまで安定状態に戻される。アバランシェが原因で所与のフォトダイオード１００により生成される電流は、比較的光子束とは独立しているので、アレイ１０２により覆われる領域において受信される束を示す信号を与えるべく、複数のフォトダイオードからの出力が使用される。他方で、フォトダイオード１００が、アバランシェモードで、しかし降伏電圧未満で動作される場合、所与のフォトダイオード１００により生成される光子電流は一般的に、入射光子束に比例する。
【００３８】
図６に関して上述された放射線検出器アレイ６００は、PETシステムにおける使用に特によく適している。図７を参照すると、PETシステム７００は、検査領域７０８を囲う１つ又は複数の軸方向のリングに配置される複数の検出器アレイ６００を持つガントリ７０２を含む。PET用途において、検査領域７０８において生じる陽電子消滅イベントにより生成される511keVのガンマ線ペアを検出するため、検出器アレイ６００が、一致検出回路と共に用いられる。
【００３９】
対象物支持部７１６が、人間の患者といった画像化される対象物７１８を支持する。対象物支持部７１６は好ましくは、対象物７１８が複数の長手位置でスキャンされることができるよう、PETシステム７００の動作に合わせて長手方向に移動可能である。
【００４０】
データ取得システム７２０は、検出器アレイ６００により検出される消滅イベントのリストを含む投影データを提供する。その投影データは、TOF情報も含むことができる。再構成器７２９は、対象物７１８における放射線核種の分布を示すボリュメトリック画像データを生成する。
【００４１】
ワークステーションコンピュータが、オペレータ端末７２８として機能する。端末７２８は、モニタ又はディスプレイといった人間可読出力デバイスと、キーボード及びマウスといった入力デバイスとを含む。端末７２８にあるソフトウェアにより、オペレータは、再構成器７２９により生成されるボリュメトリック画像データを表示その他操作することができる。端末７２８上のソフトウェアを用いて、所望のスキャンプロトコルを確立し、スキャンを開始及び停止し、その他スキャナと相互作用することにより、オペレータは、システム７００の動作を制御することができる。再構成された画像データは、システム１００に関連付けられる他のコンピュータ、又は画像アーカイブ通信システム(PACS)、病院情報システム／放射線情報システム(HIS/RIS)、インターネット等の共通ネットワークに対するアクセスを持つ他のコンピュータに対して利用可能とされることもできる。
【００４２】
システム７００に関する変形例もまた可能である。従って、例えば、PETシステム７００が、コンピュータ断層撮影(CT)、磁気共鳴(MR)、X線又はその他のシステムと組み合わされることができる。追加的な情報は通常、対象物７１８に関する構造的な情報を提供するのに使用されることができ、取得されたPETデータに関する減衰訂正を実行するのに使用されることができる。
【００４３】
更に、他の511keVのガンマ放射線を検出するため、断層撮影用途以外で個別の検出器又は検出器アレイ６００が使用されることができる。例えば、その検出器は、単光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT)、X線コンピュータ断層撮影(CT)、又はX線イメージングシステムといった核イメージングシステムにおいて使用されることができる。その検出器は、蛍光又は他の光学イメージングシステムにおいても使用されることができる。検出器アレイ６００は、平面、弧状、又は他の非円形配置で配置されることもできる。光放射線を検出することが目的である場合、シンチレータ６０２が省略されることもできる。
【００４４】
もちろん、前述の詳細な説明を読み、かつ理解することにより、当業者であれば、変形例及び変更例を思いつくであろう。本発明は、このような変形例及び変更例が添付の特許請求の範囲又はそれと均等なものの範囲内にある限り、すべてのこのような変形及び変更を含むものとして解釈されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】フォトダイオードアレイの上面図である。
【図２】図１に示される線2-2を通るフォトダイオードの断面図である。
【図３ａ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図３ｂ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図３ｃ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図３ｄ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図３ｅ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図３ｆ】製造の間の様々な段階でのフォトダイオードを示す断面図である。
【図４】フォトダイオードアレイの製造におけるステップを示す図である。
【図５】フォトダイオードのマスクデザインを示す図である。
【図６】放射線検出器の断面図を示す図である。
【図７】陽電子放出断層撮影スキャナを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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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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【国際調査報告】
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