(57)【要約】【課題】、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制可能な光検出器を提供する。【解決手段】  この光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、それぞれのＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗Ｒ１と、それぞれのクエンチング抵抗Ｒ１に電気的に接続された出力端子ＰＡＤと、複数のクエンチング抵Ｒ１抗と出力端子ＰＡＤとを接続する配線Ｅ３と、それぞれのＡＰＤの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチＴｒとを備えている。配線はＥ３、この隙間を通って、出力端子ＰＡＤに接続されている。【選択図】  図２２
2015084392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、
それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、
それぞれの前記ＡＰＤの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチと、
を備え、
前記配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されている、
ことを特徴とする光検出器。
【請求項２】
前記トレンチは、
前記ＡＰＤの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記トレンチは、
導電性の芯材と、
前記芯材の周囲に絶縁層を介して設けられ、前記ＡＰＤの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項４】
前記トレンチに電気的に接続された配線を更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の光検出器。
【請求項５】
ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、
それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、
それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、
複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、
それぞれの前記ＡＰＤの周囲に設けられたトレンチと、
前記トレンチに電気的に接続された配線と、
を備えることを特徴とする光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポジトロンＣＴ装置（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＰＥＴ装置）やＣＴ装置などの医療機器に利用可能な光検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な医療機器が用いられている。ＰＥＴ装置は、ポジトロン（陽電子）を放出するアイソトープで標識された薬剤を生体内に導入し、薬剤に起因するγ線を複数の検出器で検出する装置である。ＰＥＴ装置は、リング状のガントリ（架台）、クレードル（寝台）、操作用のコンピュータを備えおり、ガントリ内部には、生体周囲に配置される複数の検出器が内蔵されている。
【０００３】
ここで、Ｘ線又はγ線の効率的な検出器は、シンチレータと光検出器とを組み合わせることで構成することができる。
【０００４】
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。
【０００５】
上述のような診断装置に適用される光検出器（フォトダイオードアレイ）は、例えば、特許文献１に記載されている。ＳｉＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）又はＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などのフォトダイオードアレイでは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）をマトリックス状に配置し、複数のＡＰＤを並列に接続し、ＡＰＤ出力の和を読み出す構成を有している。ＡＰＤをガイガーモードで動作させると、微弱な光を検出することができる。
【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−３１１６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記フォトダイオードアレイにおいて、クロストークが発生するという問題点がある。かかるクロストークを抑制するためには、各フォトダイオード（画素）間に、トレンチを形成することが有効であると考えられる。ところが、本願発明者らが鋭意検討した結果、単にトレンチを形成したのみでは、出力パルスの立ち上がりが緩慢になり、出力の時間分解能が低下し、また、十分にクロストークも抑制できないことを見出した。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制可能な光検出器を提供することを目的とする。
【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、本発明に係る光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、それぞれの前記ＡＰＤの周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチと、を備え、前記配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
トレンチを設けることにより、ガイガーアバランシェにより発生したフォトンが隣接ピクセルに入射することを防ぐことができ、また１つのＡＰＤにおいて発生した電荷が、隣接するＡＰＤに移動することを防止できるため、原則的には、クロストークを抑制することができる。しかしながら、トレンチの上を配線が横切る場合には、かかる部分において、寄生容量が増大し、出力パルスの立ち上がりが緩慢になる。一方、本態様の構造では、トレンチは隙間を有しており、配線は、前記隙間を通って、前記出力端子に接続されているので、このような寄生容量は発生せず、出力パルスの立ち上がりが急峻になる。したがって、時間分解能を向上させることができる。
【００１２】
また、前記トレンチは、前記ＡＰＤの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域を備えることを特徴とする。トレンチ用半導体領域は、ＡＰＤのトレンチが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するＡＰＤへの電荷の移動を抑制することができる。
【００１３】
前記トレンチは、導電性の芯材と、前記芯材の周囲に絶縁層を介して設けられ、前記ＡＰＤの前記トレンチが設けられた側とは逆の導電型を有するトレンチ用半導体領域とを備えることを特徴とする。
【００１４】
トレンチに電気的な接続を行う場合、導電性の芯材を有すると、簡単に電気的な接続を行うことができる。上述のように、トレンチ用半導体領域があれば、電荷の移動を抑制することができるが、トレンチと、ＡＰＤのトレンチ側の電位が一致すると、トレンチに基板側からバイアスがかかり、電荷の不要な移動に寄与するため、芯材とトレンチ用半導体領域とは絶縁層を介して分離しておくことが好ましい。
【００１５】
また、上記光検出器は、前記トレンチに電気的に接続されたトレンチ接続用配線を更に備えることを特徴とする。トレンチがフローティングの状態の場合には、トレンチの容量を介して、隣接するＡＰＤに、交流的に電荷が流れ込む可能性がある。トレンチが、トレンチ接続用配線を介して、一定の電位に固定されていれば、隣接するＡＰＤへの流入電荷を抑制することができる。
【００１６】
また、上記光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、それぞれの前記ＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗と、それぞれのクエンチング抵抗に電気的に接続された出力端子と、複数の前記クエンチング抵抗と前記出力端子とを接続する配線と、それぞれの前記ＡＰＤの周囲に設けられたトレンチと、前記トレンチに電気的に接続された配線とを備えることを特徴とする。この場合も、電気的なクロストークを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光検出器によれば、時間分解能を向上させ、また、クロストークを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】１つの光感応領域内のフォトダイオードアレイの回路図である。
【図２】１つのフォトダイオード及びクエンチング抵抗の回路図（Ａ）と、この構成を実現するための半導体チップ内の単位構造を示す図（Ｂ）である。
【図３】図２に示した単位構造の平面図である。
【図４】複数の単位構造を備えてなるフォトダイオードアレイの平面図である。
【図５】図４のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【図６】トレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図である。
【図７】図６のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【図８】切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図である。
【図９】図８のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【図１０】切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図である。
【図１１】図１０又は図１２のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【図１２】透明材料からなるクエンチング抵抗を有するフォトダイオードアレイの平面図である。
【図１３】半導体領域１４の周囲を囲むように配線を設けたフォトダイオードアレイの平面図である。
【図１４】図１３のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【図１５】フォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。
【図１６】トレンチに配線が接続されていない場合（Ａ）のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図、トレンチに配線が接続されている場合（Ｂ）のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。
【図１７】図９の構造の場合にトレンチ接続用配線を追加した構造の断面図である。
【図１８】図１１の構造の場合にトレンチ接続用配線を追加した構造の断面図である。
【図１９】図１４の構造の場合にトレンチ接続用配線を追加した構造の断面図である。
【図２０】３層構造のトレンチを備えたフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。
【図２１】トレンチ近傍の縦断面構成を示す図である。
【図２２】トレンチ接続用配線を追加した場合のフォトダイオードアレイの平面図である。
【図２３】具体的なフォトダイオードアレイの平面図（Ａ）と、１つのフォトダイオードの平面図（Ｂ）である。
【図２４】検出器の図である。
【図２５】図１９の構造の場合にＴｒ３を省略した構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施の形態に係る光検出器について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は、１つの光感応領域内のフォトダイオードアレイの回路図である。
【００２１】
フォトダイオードアレイＰＤＡは、半導体チップにおける光感応領域内に形成されている。フォトダイオードアレイＰＤＡは、複数のフォトダイオードＰＤと、各フォトダイオードＰＤにそれぞれ直列に接続されたクエンチング抵抗Ｒ１とを有している。各フォトダイオードＰＤのカソード同士は共通接続されており、アノード同士はクエンチング抵抗Ｒ１を介して共通接続されている。複数のフォトダイオードＰＤは、二次元的に配置される。
【００２２】
また、全てのクエンチング抵抗Ｒ１は、電極又は配線Ｅ３を介して、電極パッドＰＡＤに接続されている。半導体チップでは、フォトダイオードＰＤのカソードを基板とした場合、基板電位を相対的に（＋）電位とし、アノードとなる電極パッドＰＡＤから信号を取り出す。なお、フォトダイオードにおけるカソードとアノードは置換して用いることもできるし、半導体チップにおける導電型には、Ｎ型とＰ型があるが、これらは互いに置換しても、同様の機能を奏することができる。
【００２３】
なお、フォトダイオードＰＤは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である。ガイガーモードでは、ＡＰＤのブレイクダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）をＡＰＤのアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには（−）電位を、カソードには（＋）電位を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。
【００２４】
図２は、１つのフォトダイオード及びクエンチング抵抗の回路図（Ａ）と、この構成を実現するための半導体チップ内の単位構造を示す図（Ｂ）である。半導体チップ内には、フォトダイオードアレイが形成されているので、同図の単位構造が二次元的に複数形成されている。
【００２５】
半導体基板を構成する半導体領域１２は、Ｓｉからなる、Ｎ型（第１導電型）の半導体基板である。フォトダイオードＰＤのアノードはＰ型（第２導電型）の半導体領域１３（１４）であり、カソードはＮ型の半導体領域１２である。ＡＰＤとしてのフォトダイオードＰＤに光子が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。半導体領域１３のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は半導体領域１２の裏面に形成された電極Ｅ４に向けて流れる。この電極Ｅ４は表面側に設けられていてもよい。すなわち、フォトダイオードＰＤに光子が入射すると、増倍されて、信号として、クエンチング抵抗Ｒ１に電気的に接続された電極又は配線Ｅ３から取り出される。配線Ｅ３は、上述の電極パッドＰＡＤに接続される。
【００２６】
なお、クエンチング抵抗Ｒ１は、２層からなる絶縁層１６、１７のうち、上部の絶縁層１７上に形成されており、半導体領域１３よりも高不純物濃度の半導体領域１４に電気的に接続されている。半導体基板の裏面には基板電位を与える電極Ｅ４が設けられており、電極Ｅ４は例えば正電位に接続されている。
【００２７】
絶縁層１６及び１７には、コンタクトホールが設けられており、半導体領域１４とクエンチング抵抗Ｒ１とは、コンタクトホール内のコンタクト電極及び配線Ｅ１（図３参照）を介して、電気的に接続されている。なお、配線Ｅ１及びＥ３は、絶縁層１６上に形成されている。
【００２８】
図３は、図２に示した単位構造の平面図である。なお、以下の平面図では絶縁層１６，１７の記載を省略して、内部構造をより明瞭に図示することとする。
【００２９】
配線Ｅ１は絶縁層１７（図２参照）に設けられたコンタクトホールを介して、クエンチング抵抗Ｒ１に接続されている。クエンチング抵抗Ｒ１は、絶縁層１７に設けられたコンタクトホールを介して、その下層に位置する配線Ｅ３に接続されている。配線Ｅ３は、信号読出用の配線であり、半導体領域１４の周囲を囲んでおり、四角環状の形状を有している。
【００３０】
図４は、複数の単位構造を備えてなるフォトダイオードアレイの平面図であり、図５は、図４のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【００３１】
全ての信号読出用の配線Ｅ３は、電極パッドＰＡＤに電気的に接続される。電極パッドＰＡＤは、絶縁層１６上に形成されている。同図では、２行２列のフォトダイオードアレイが形成されているが、これはＮ行×Ｍ列であってもよい（Ｎ、Ｍは２以上の整数）。複数のフォトダイオードを備える構造では、１つの半導体領域１３内に複数の半導体領域１４が形成されている。なお、図５の断面図では、実際にはクエンチング抵抗Ｒ１は見えないが、説明を明瞭にするため、クエンチング抵抗Ｒ１を鎖線で示す。
【００３２】
図６は、トレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図であり、図７は、図６のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【００３３】
このフォトダイオードアレイは、図５に示したフォトダイオードアレイにおいて、トレンチＴｒを追加した点が異なり、その他の構成は同一である。
【００３４】
平面視において、半導体領域１４の周囲を囲むように、トレンチＴｒが形成されており、その上に配線Ｅ３が位置している。トレンチは、半導体基板表面から内部に向けて延びた凹部に芯材Ｔｒ１を埋め込んでなり、芯材Ｔｒ１の周囲には、トレンチ用半導体領域Ｔｒ３を備えている。すなわち、トレンチＴｒは、ＡＰＤのトレンチＴｒが設けられた側の半導体領域１４とは逆の導電型を有し、自身に接触する周囲（半導体領域１２，１３）よりも不純物濃度が高いトレンチ用半導体領域Ｔｒ３を備えている。
【００３５】
トレンチ用半導体領域Ｔｒ３は、ＡＰＤのトレンチＴｒが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するＡＰＤへの電荷の移動を抑制することができるように考えられるが、実際には、寄生容量が機能して、電荷の移動が生じる。
【００３６】
そこで、実施形態に係る光検出器では、以下の改良を行った。
【００３７】
図８は、切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図、図９は、図８のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【００３８】
この光検出器は、図６に示したフォトダイオードアレイにおいて、それぞれのＡＰＤ（半導体領域１４）の周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間（図７のＣで示される部分）を有するリング形状を有するトレンチＴｒを備え、信号読出用の配線Ｅ３は、この隙間を通って、出力端子としての電極パッドＰＡＤに接続されている。
【００３９】
詳説すれば、実施形態に係る光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のＡＰＤと、それぞれのＡＰＤにそれぞれ接続された複数のクエンチング抵抗Ｒ１と、それぞれのクエンチング抵抗Ｒ１に電気的に接続された出力端子ＰＡＤと、複数のクエンチング抵抗Ｒ１と出力端子ＰＡＤとを接続する配線Ｅ３と、それぞれのＡＰＤ（半導体領域１４）の周囲に設けられ、平面視において、一部分が切れた隙間を有するリング形状を有するトレンチＴｒとを備えている。
【００４０】
トレンチＴｒを設けることにより、１つのＡＰＤにおいて発生した電荷が、隣接するＡＰＤに移動することを防止できるため、原則的には、クロストークを抑制することができる。しかしながら、トレンチの上を配線Ｅ３が横切る場合には、かかる部分において、寄生容量が増大し、出力パルスの立ち上がりが緩慢になる。一方、本構造では、トレンチＴｒは隙間（図８のＣの部分）を有しており、配線Ｅ３は、隙間を通って、出力端子ＰＡＤに接続されているので、このような寄生容量は発生せず、出力パルスの立ち上がりが急峻になる。したがって、時間分解能を向上させることができる。
【００４１】
また、トレンチＴｒを構成するトレンチ用半導体領域Ｔｒ３は、ＡＰＤのトレンチが設けられた側の半導体領域１４とは逆の導電型を有しており、自身に接触する周囲の領域（１２，１３）よりも高い不純物領域を有している。トレンチ用半導体領域Ｔｒ３は、ＡＰＤのトレンチが設けられた側とは逆の導電型であるため、隣接するＡＰＤへの電荷の移動を抑制することができる。
【００４２】
なお、同図に示す配線Ｅ３は、受光面としての半導体領域１４とは重ならない位置に設けられている。
【００４３】
図１０は、切断された部分を有するトレンチを備えるフォトダイオードアレイの平面図であり、図１１は、図１０又は図１２のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【００４４】
このフォトダイオードアレイは、配線Ｅ３が受光面としての半導体領域１４の中央を横切るように設けられている点が、図８及び図９に示したものと異なり、その他の点は同一である。この構造の場合においても、上記と同様の効果を奏することは可能であるが、配線Ｅ３が光の入射を抑制するという点では、上述の構造に劣る。配線Ｅ３をＩＴＯなどの透明材料から構成すれば、かかる不具合は解消される。
【００４５】
図１２は、透明材料からなるクエンチング抵抗を有するフォトダイオードアレイの平面図である。同図の断面構成は、図１１に示したものと同一であり、クエンチング抵抗Ｒ１の位置のみが、図１０のものと異なる。本例では、クエンチング抵抗Ｒ１の位置を、半導体領域１４上に変更したものであり、クエンチング抵抗Ｒ１をＳｉＣｒ、ＷＳｉなどの金属薄膜の透明材料から構成する。この構造の場合においても、上記と同様の効果を奏することは可能である。
【００４６】
図１３は、半導体領域１４の周囲を囲むように配線を設けたフォトダイオードアレイの平面図であり、図１４は、図１３のフォトダイオードアレイのＡ−Ａ矢印縦断面構成を示す図である。
【００４７】
この構造は、図１２に示したものと、配線Ｅ３の平面形状のみが異なり、その他の点は、同一である。配線Ｅ３は、半導体領域１４の周囲を囲んでおり、基板表面電位を安定化させている。なお、配線Ｅ３は、半導体領域１４の外縁の外側に位置しているが、これは外縁上に位置していてもよい。上述の透明材料を用いることにより、開口率を大きくすることができる。また、配線Ｅ３の設定により、ガイガーアバランシェ発生時の受光面と配線Ｅ３の電位差に起因する静電誘導効果による鋭いパルスを発生させることも可能である。
【００４８】
なお、上述のトレンチ間の隙間は、隣接する半導体領域１４間の重心間距離が５０μｍ（＝Ｌとする）の場合、５μｍ程度（＝Ｌ×１０％±５％）に設定することができる。トレンチが半導体領域１４の四方完全に囲んでいる場合と比較すると、半導体領域１４の全周に対するトレンチ非存在領域の長さは５％程度となる。
【００４９】
次に、クロストークを抑制するため、トレンチの電位を固定する手法について説明する。
【００５０】
図１５は、フォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図（Ａ）及び平面図（Ｂ）である。なお、本願における電圧の印加は、駆動回路ＤＲＶを用いて行うこととする。なお、電子は黒丸、ホールは白丸で示す。
【００５１】
フォトダイオードアレイの受光面にフォトンが入射して、ガイガーモードで、アバランシェ降伏が生じると、１０万倍程度に増倍された電子・ホール対はクエンチング抵抗Ｒ１を通して出力される。ホールはＰ型の半導体領域１４へ、電子はＮ型の半導体領域１２の方向にドリフトする。
【００５２】
例えば、Ｎ型のカソードに５０Ｖ、Ｐ型のアノードに０Ｖを印加していた場合を考えると、発生したキャリアは、クエンチング抵抗Ｒ１が非常に大きいためにすぐに流れることができず、受光面としての半導体領域１４に蓄積されることになる。その結果、半導体領域１２及び１３間に形成されるＰＮ接合間の電荷量が変化し、ΔＶ  ＝ΔＱ／Ｃの式（ΔＶは電圧変化、ΔＱは電荷変化、Ｃは容量）により、蓄積されたキャリアに依存した電位の変化が生じる。
【００５３】
ブレイクダウン電圧よりも５Ｖ高い電圧（超過電圧）をフォトダイオードに印加していた場合、定常状態で０Ｖであった受光面の電位は、アバランシェ降伏の発生により、５Ｖ変化する（光入射により、配線Ｅ１の電位が０Ｖから５Ｖに変化する）。つまり、隣接ＡＰＤ間には、超過電圧に相当する電位差が、瞬間的に発生することになる。
【００５４】
トレンチＴｒとその周辺は、容量とみなすことができるため、ガイガーアバランシェ増倍が起きたＡＰＤに隣接するＡＰＤは、トレンチとその周辺の容量を介し、静電誘導によりパルス電流が流れることになる（図１６（Ａ）参照）。なお、図１６（Ａ）は、トレンチに配線が接続されていない場合のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示している。この場合、隣接ＡＰＤにキャリアが発生することになるため、そのキャリアが、ＰＮ接合の近傍領域Ｐ２に注入され、ガイガーアバランシェ増倍が発生し、偽の信号となる。この現象は電気的クロストークと考えることができる。
【００５５】
上述のトレンチにより、オプティカルクロストーク成分を大幅に減少することができるが、ゼロにはならない。例えば、５Ｖの超過電圧が発生した場合、隣接するＡＰＤにおいて、１０％程度のクロストークが発生する。
【００５６】
図１６（Ｂ）は、トレンチに配線が接続されている場合のフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。
【００５７】
トレンチの電位はフローティングとすることも可能であるが、電気的クロストーク成分を低減するために、トレンチ（トレンチ用半導体領域Ｔｒ３含む）の電位を固定することが好ましい。このようにＡＰＤ間に位置するトレンチの電位を固定すれば、隣接ＡＰＤへの電位変化の影響が小さくなる。
【００５８】
トレンチＴｒ内の芯材Ｔｒ１（タングステンなどの高融点金属）と配線Ｅ３（アルミニウム）を接続し、アノード配線と別の電圧印加ラインを形成し、このラインにＮ型基板と同じ５０Ｖを印加すれば、トレンチの電位が固定される。この場合、電気的クロストークは低減する。ここでトレンチＴｒへのバイアス電圧は、基板と同電位にする。この場合、トレンチの芯材Ｔｒ１と、芯材Ｔｒ１周りのＮ型のトレンチ用半導体領域Ｔｒ３は同電位となり、トレンチ周囲の耐圧を考慮する必要がなくなる。
【００５９】
上述のようにトレンチ接続用配線ＥＴｒを、トレンチの芯材Ｔｒ１に接触させ、これに電気的に接続した場合には、上述の図９、図１１、図１４の構造は、それぞれ、図１７、図１８、図１９の構造となる。
【００６０】
トレンチ接続用配線ＥＴｒは、絶縁層１６のコンタクトホールを介して、芯材Ｔｒ１に接触し、これに電気的に接続されている。トレンチ接続用配線ＥＴｒは、基板と同電位を印加することが可能であるが、別の電位に固定することも可能である。
【００６１】
例えば、トレンチＴｒの電位を受光部（半導体領域１４）と同じ０Ｖにすることもできる。この場合はトレンチ内の芯材Ｔｒ１と、トレンチ用半導体領域Ｔｒ３との間に、５０Ｖの電圧が印加されることになるため、トレンチ内部に絶縁層Ｔｒ２を形成し、芯材Ｔｒ１とトレンチ用半導体領域Ｔｒ３とを分離する。
【００６２】
図２０は、このような３層構造のトレンチを備えたフォトダイオードアレイの縦断面構成を示す図である。
【００６３】
ＰＮ接合の近傍領域Ｐ２で発生した電子は、３層のトレンチＴｒを通過しようとするが、トレンチＴｒには０Ｖが印加されている。すなわち、配線Ｅ１と配線Ｅ３の電位は、共に同じ電位である０Ｖが与えられている。基板電位としては電極Ｅ４に５０Ｖが与えられる。
【００６４】
図２１は、３層のトレンチ近傍の縦断面構成を示す図である。
【００６５】
このトレンチＴｒは、導電性の芯材Ｔｒ１と、芯材Ｔｒ１の周囲に絶縁層Ｔｒ２を介して設けられたトレンチ用半導体領域Ｔｒ３を備えている。トレンチ用半導体領域Ｔｒ３は、ＡＰＤのトレンチが設けられた側のとは逆の導電型を有し、自身に接触する周囲の半導体領域（１２，１３）よりも不純物濃度が高い。
【００６６】
トレンチＴｒに電気的な接続を行う場合、上述のように、導電性の芯材Ｔｒ１を有すると、簡単に電気的な接続を行うことができる。トレンチ用半導体領域Ｔｒ３があれば、電荷の移動を抑制することができるが、トレンチと、ＡＰＤのトレンチ側の電位が一致すると、トレンチに基板側からバイアスがかかり、トレンチ近傍の耐圧を上げ、また、電荷の不要な移動に寄与するため、芯材Ｔｒ１とトレンチ用半導体領域Ｔｒ３とは絶縁層Ｔｒ２を介して分離しておくことが好ましい。絶縁層Ｔｒ２は、ＢＰＳＧやＳｉＯ２からなる。
【００６７】
なお、トレンチＴｒには、トレンチ接続用配線ＥＴｒが接続されている。トレンチＴｒがフローティングの状態の場合には、トレンチＴｒの容量を介して、隣接するＡＰＤに、交流的に電荷が流れ込む可能性があるが、トレンチＴｒが、トレンチ接続用配線ＥＴｒを介して、一定の電位に固定されていれば、隣接するＡＰＤへの流入電荷を抑制することができる。
【００６８】
図２２は、図１３の構造に、トレンチ接続用配線ＥＴｒを追加した場合のフォトダイオードアレイの平面図である。同図では、トレンチとトレンチ接続用配線ＥＴｒとは、電極パッドＰＡＤ２の位置を除いて、重なる位置にある。この構造の場合、Ｐ＋の配線Ｅ３がトレンチと別の場所に形成されているために寄生容量の発生がなく、またトレンチＴｒはトレンチ接続用配線ＥＴｒにて電位を固定されているため、電気的クロストークの発生を抑えることができる。
【００６９】
なお、例えばＴＯＦ−ＰＥＴのように高い時間分解能が要求される分野においては、素子の容量が小さいほど出力パルス波形の立ち上がりが速くなり時間分解能に有利となり、寄生容量の増加は好ましくない。またクロストーク成分はノイズとなるために出力パルスベースライン揺らぎに影響し、時間分解能を悪化させる原因となる。上述の構造ではトレンチを形成することでオプティカルクロストークの発生を抑えており、かつ受光部配線がトレンチ上に形成されていないために、寄生容量の発生がなく、またトレンチ部は別の配線により電位を固定されているためにガイガーアバランシェ発生時の電圧変化を受けた隣接ピクセルに対するトレンチ容量を介したパルス電流成分を低減することができるために、電気的クロストークの発生を抑制する構造となっている。
【００７０】
図２３は、図２２の具体的なフォトダイオードアレイの平面図（Ａ）と、１つのフォトダイオードの平面図（Ｂ）である。
【００７１】
二次元状に上述のフォトダイオード（半導体領域１４）が配置されており、基板表面は、パッシベーション膜ＰＭで被覆されている。半導体領域１３はウエル領域として、半導体基板としての半導体領域１２の内側に形成されている。なお、基板表面の周囲には、このウエル領域を囲むように、高濃度のｎ型半導体領域Ｈが形成され、電極Ｅ４は、ｎ型半導体領域Ｈに接触するように、基板の表面側の面に設けられている。基板の３か所の隅のパッシベーション膜ＰＭは、除去されており、電極Ｅ４が露出している。
【００７２】
クエンチング抵抗Ｒ１は、半導体領域１４の外縁上に沿って環状に形成されており、１か所で、半導体領域１４に接触している。すなわち、図２３（Ｂ）の平面図において、クエンチング抵抗Ｒ１とアルミニウムの配線Ｅ３との接続点は半導体領域１４には接触していないが、これとは異なる１か所（図の左側におけるクエンチング抵抗Ｒ１が小さな四角形状となっている位置）において、アルミニウムのコンタクト電極（配線Ｅ１）を介して、半導体領域１４に電気的に接続されている。配線Ｅ３は、クエンチング抵抗Ｒ１の周囲を囲んでおり、その外側にトレンチ接続用配線ＥＴｒが設けられ、その下にトレンチＴｒが位置している。トレンチ接続用配線ＥＴｒは、電極パッドＰＡＤ２に接続されている。
【００７３】
なお、上述の半導体領域１４は、不純物を半導体層１３内に拡散することによって形成される拡散領域（半導体領域）であり、半導体層１３よりも高い不純物濃度を有している。本例（タイプ１）では、ｎ型の半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の半導体領域１４が形成されている。したがって、フォトダイオードを構成するｐｎ接合は、半導体領域１２と半導体層１３との間に形成されている。
【００７４】
なお、半導体基板の層構造としては、上記とは導電型を反転させた構造を採用することもできる。すなわち、（タイプ２）の構造は、ｐ型の半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３を形成し、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成して形成される。
【００７５】
また、ｐｎ接合界面を、表面層側において形成することもできる。この場合、（タイプ３）の構造は、ｎ型の半導体領域１２上に、ｎ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｐ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。なお、この構造の場合には、ｐｎ接合は、半導体層１３と半導体領域１４との界面において形成される。
【００７６】
もちろん、かかる構造においても、導電型を反転させることができる。すなわち、（タイプ４）の構造は、ｐ型の半導体領域１２上に、ｐ型の半導体層１３が形成され、半導体層１３の表面側に、ｎ型の高濃度不純物領域１４が形成される構造となる。
【００７７】
なお、上述の半導体構造における各層の導電型、不純物濃度及び厚みの好適な範囲は以下の通りに設定できる。
【００７８】
（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）
【００７９】
また、トレンチ用半導体領域Ｔｒ３の濃度は、半導体領域１２，１３よりも高濃度であっても低濃度であってもよい。また、トレンチ用半導体領域Ｔｒ３の濃度は、半導体領域１２の濃度と同一であってもよい。
【００８０】
図２５は、このような場合の構造の断面図であり、図１９の構造の場合にＴｒ３を省略した構造の断面図である。この場合、芯材Ｔｒ１の周囲に設けられるトレンチ用半導体領域Ｔｒ３の不純物濃度は、半導体領域１２の不純物濃度と同一であるが、これよりも低不純物濃度としてもよい。なお、この不純物濃度の関係は、上述の実施形態における断面構造に適用することができる。なお、半導体領域１２が高不純物濃度のｎ型であり、半導体領域１３が不純物濃度が低くないｎ型であり、半導体領域１４がｐ型の場合には、高不純物濃度のトレンチ用半導体領域Ｔｒ３は省略することもできる。トレンチ内壁に隣接する半導体領域が、半導体領域１４とは反対の導電型であるｎ型であれば、上述の効果を奏することができる。
【００８１】
なお、半導体領域１２よりもトレンチ用半導体領域Ｔｒ３の方の不純物濃度が低い場合の一例を、以下に示す。また、半導体領域１４の性質は上記のものを利用することができる。
半導体領域１２（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｎ型／１×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３／３０〜７００μｍ）
半導体領域１３（導電型／不純物濃度／厚み）
（ｐ型／１×１０１４〜１×１０１７ｃｍ−３／２〜５０μｍ）
トレンチ用半導体領域Ｔｒ３（導電型／不純物濃度）
（ｎ型／１×１０１５〜ｃｍ−３）
【００８２】
また、それぞれの半導体領域１３は、ウエル領域を構成させて、各半導体領域１４毎に対応して互いに分離することも可能である。
【００８３】
なお、図２４は、上述のフォトダイオードアレイ（光検出器Ｄ１とする）と、シンチレータＳＣとを備えた検出器であり、ＰＥＴ装置やＣＴ装置に適用することができる。この場合、シンチレータＳＣにＸ線やγ線などの放射線が入射すると、蛍光が発生し、かかる蛍光を光検出器Ｄ１が検出する。
【符号の説明】
【００８４】
ＳＣ…シンチレータ、Ｒ１…クエンチング抵抗、Ｄ１…光検出器、Ｔｒ…トレンチ。
【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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