(57)【要約】  半導体フォトマルチプライヤの実施形態が、本明細書において提示される。いくつかの実施形態においては、光センサが、検出素子と、読み出し電子機器とを備えることができ、検出素子は、読み出し電子機器にＡＣ結合している。いくつかの実施形態においては、半導体フォトマルチプライヤが、検出素子と、読み出し電子機器とを有しており、検出素子は前記読み出し電子機器にＡＣ結合しているマイクロセルを備えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光センサのためのマイクロセル（５００、１１０２）であって、
検出素子（５１２）と、
読み出し電子機器（５１０、１３０２）と
を備えており、
前記検出素子（５１２）は、前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）にＡＣ結合している、マイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項２】
前記検出素子（５１２）を前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）にＡＣ結合させるコンデンサ（５０８）をさらに備えており、前記コンデンサ（５０８）は、少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）と少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）とで形成され、前記少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）および前記少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）は、基板（６０２）内に形成されている、請求項１に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項３】
複数のフォトダイオード（５０２）と、
複数のクエンチ抵抗器（５０４）と
をさらに備え、
前記複数のクエンチ抵抗器（５０４）の各々は、前記複数のフォトダイオード（５０２）にそれぞれ接続された第１の端部（５１４）と、互いに電気的に接続されかつ前記コンデンサ（５０８）を介して前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）に電気的に接続された第２の端部（５１６）とを有している、請求項２に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項４】
前記低電圧ウェル（６０６、１１０６）は、前記高電圧ウェル（６０４、１１０４）内に配置されている、請求項２に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項５】
前記低電圧ウェル（６０６、１１０６）の少なくとも一部分は、前記高電圧ウェル（６０４、１１０４）の外縁を巡って配置されている、請求項２に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項６】
前記コンデンサ（５０８）は、前記少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）と前記少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）との間に配置された絶縁ウェル（６０８）によって形成されている、請求項２に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項７】
前記絶縁ウェル（６０８）は、該絶縁ウェル（６０８）内に配置された入れ子ウェル（６１０）を備え、前記絶縁ウェル（６０８）は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントのうちの一方のドーパントを含み、前記入れ子ウェル（６１０）は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントのうちの前記絶縁ウェル（６０８）のものとは反対のドーパントを含む、請求項６に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項８】
前記検出素子（５１２）は、降伏電圧を上回るガイガーモードにて動作するアバランシェフォトダイオード（５０２）を備える、請求項１に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項９】
前記検出素子（５１２）は、クエンチ抵抗器（５０４）およびインピーダンス回路（５０６）の少なくとも一方を備える、請求項１に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項１０】
前記インピーダンス回路（５０６）は、受動素子および能動素子の少なくとも一方を備える、請求項９に記載のマイクロセル（５００、１１０２）。
【請求項１１】
検出素子（５１２）と、
読み出し電子機器（５１０、１３０２）と
を有しており、
前記検出素子（５１２）は前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）にＡＣ結合しているマイクロセル（５００、１１０２）
を備える
半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１２】
前記検出素子（５１２）を前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）にＡＣ結合させるコンデンサ（５０８）をさらに備えており、前記コンデンサ（５０８）は、少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）と少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）とで形成され、前記少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）および前記少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）は、基板（６０２）内に形成されている、請求項１１に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１３】
前記マイクロセル（５００、１１０２）は、
複数のフォトダイオード（５０２）と、
複数のクエンチ抵抗器（５０４）と
をさらに備え、
前記複数のクエンチ抵抗器（５０４）の各々は、前記複数のフォトダイオード（５０２）にそれぞれ接続された第１の端部（５１４）と、互いに電気的に接続されかつ前記コンデンサ（５０８）を介して前記読み出し電子機器（５１０、１３０２）に電気的に接続された第２の端部（５１６）とを有している、請求項１２に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１４】
前記低電圧ウェル（６０６、１１０６）は、前記高電圧ウェル（６０４、１１０４）内に配置されている、請求項１２に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１５】
前記低電圧ウェル（６０６、１１０６）の少なくとも一部分は、前記高電圧ウェル（６０４、１１０４）の外縁を巡って配置されている、請求項１２に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１６】
前記コンデンサ（５０８）は、前記少なくとも１つの高電圧ウェル（６０４、１１０４）と前記少なくとも１つの低電圧ウェル（６０６、１１０６）との間に配置された絶縁ウェル（６０８）によって形成されている、請求項１２に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１７】
前記絶縁ウェル（６０８）は、前記絶縁ウェル（６０８）内に配置された入れ子ウェル（６１０）を備え、前記絶縁ウェル（６０８）は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントのうちの一方のドーパントを含み、前記入れ子ウェル（６１０）は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントのうちの前記絶縁ウェル（６０８）のものとは反対のドーパントを含む、請求項１６に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１８】
前記フォトダイオード（５０２）は、降伏電圧を上回るガイガーモードにて動作するアバランシェフォトダイオード（５０２）を備える、請求項１１に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項１９】
前記検出素子（５１２）は、クエンチ抵抗器（５０４）およびインピーダンス回路（５０６）の少なくとも一方を備える、請求項１１に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【請求項２０】
前記インピーダンス回路（５０６）は、受動素子および能動素子の少なくとも一方を備える、請求項１９に記載の半導体フォトマルチプライヤ（２４０、６００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、広くには、Ｘ線、核医療画像化システム、これらの組み合わせ、などの画像化システムにおいて用いるための検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からの画像化技術は、一般に、入射放射線を画像の形成に用いることができる有用な電気信号に変換するように構成された１つ以上の検出器を含む。そのような検出器は、シンチレータにおいて入射放射線に応答して生成される光信号の検出に有用であり得る半導体フォトマルチプライヤ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）（例えば、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ））を使用することができる。アナログＳＳＰＭピクセルを読み出すために利用される典型的な機構は、ＳＳＰＭ信号の外部の電子機器へのＡＣまたはＤＣのいずれかの結合を含むことができる。しかしながら、信号経路に沿った浮遊または寄生容量に起因して信号が劣化することにより、検出器がクロストーク、信号品位の低下、および追加のノイズに悩まされる可能性がある。
【０００３】
本発明の発明者は、読み出し電子機器を同じダイ上でＳＳＰＭと統合することが、そのようなクロストークまたは信号ノイズを軽減し、信号品位を維持するための１つの機構であり得ることに気が付いた。そのような機構は、典型的には、フォトダイオード（例えば、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ））（高電圧ウェル内に作られる）を読み出し電子機器（低電圧ウェル内に作られる）と同じダイ上に備え、ＳＰＡＤによって生成された信号を読み出し電子機器にＤＣ結合させるようにＳＰＡＤと読み出し電子機器とを結び付ける。しかしながら、これらの構成は、ダイをＳＰＡＤと電子機器との間の絶縁を促進するようにとくに製作することを必要とする。さらに、そのような構成は、高電圧の構成要素（ＳＰＡＤ）と低電圧の構成要素（読み出し電子機器）との間のクロストークに依然として悩まされ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＥＲＩＣ  Ａ  Ｇ  ＷＥＢＳＴＥＲ  ＥＴ  ＡＬ、「Ａ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  ｗｉｔｈ  ＞３０％  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｆｒｏｍ  ４５０−７５０ｎｍ  ａｎｄ  １１．６μｍ  ｐｉｔｃｈ  ＮＭＯＳ−ｏｎｌｙ  ｐｉｘｅｌ  ｗｉｔｈ  ２１．６％  ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ  ｉｎ  １３０ｎｍ  ＣＭＯＳ」、ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ  ＤＥＶＩＣＥ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ（ＥＳＳＤＥＲＣ）、２０１２  ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＥＵＲＯＰＥＡＮ、ＩＥＥＥ、２０１２年９月１７日
【発明の概要】
【０００５】
したがって、本発明の発明者は、改善された半導体フォトマルチプライヤを用意した。
【０００６】
半導体フォトマルチプライヤの実施形態が、本明細書において提示される。いくつかの実施形態においては、光センサが、検出素子と、読み出し電子機器とを備えることができ、検出素子は、読み出し電子機器にＡＣ結合している。
【０００７】
いくつかの実施形態においては、半導体フォトマルチプライヤが、検出素子と、読み出し電子機器とを有しており、検出素子は前記読み出し電子機器にＡＣ結合しているマイクロセルを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のいくつかの態様による典型的なＰＥＴ画像化システムの概略図である。
【図２】ＰＥＴデータ取得システムのための典型的な従来からのフロントエンド読み出し電子機器のブロック図である。
【図３】本発明のいくつかの態様による検出器素子の斜視図を示している。
【図４】本発明のいくつかの態様によるＰＥＴデータ取得システムのための典型的なフロントエンド読み出し電子機器の概略図である。
【図５】本発明のいくつかの態様による典型的なマイクロセルのブロック図である。
【図５Ａ】本発明のいくつかの態様による図５に示したブロック図の一部分である。
【図６】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の断面図を示している。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による図６に示した半導体フォトマルチプライヤの一部分の上面図を示している。
【図８】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の断面図を示している。
【図９】本発明のいくつかの実施形態による図８に示した半導体フォトマルチプライヤの一部分の上面図を示している。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の断面図を示している。
【図１１】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の断面図を示している。
【図１２】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の上面図を示している。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態による半導体フォトマルチプライヤの一部分の上面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
半導体フォトマルチプライヤの実施形態が、本明細書に開示される。少なくともいくつかの実施形態において、本発明の半導体フォトマルチプライヤは、低電圧の読み出し電子機器（例えば、バッファ、比較器、など）を高電圧の構成要素（例えば、単一光子アバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）などのフォトダイオードなど）から絶縁する低電圧ウェルを、高電圧の構成要素によって生成される信号の読み出し電子機器へのＡＣ結合を促進するコンデンサを形成するために、好都合に利用する。さらに、この機構を、高電圧の信号をチップ外（ｏｆｆ−ｃｈｉｐ）の読み出し電子機器にＡＣ結合させるためのチップ上（ｏｎ−ｃｈｉｐ）コンデンサの製造を可能にするようにさらに好都合に拡張することができる。
【００１０】
本明細書において論じられる実施形態は、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）または単一光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）画像化システムなどの放射線画像化（ｎｕｃｌｅａｒ  ｉｍａｇｉｎｇ）システム、あるいはそのようなＰＥＴまたはＳＰＥＣＴ画像化機能を備える複合または混成画像化システム（例えば、ＰＥＴ／ＭＲ、ＰＥＴ／ＣＴ、またはＳＰＥＣＴ／ＣＴ画像化システム）における検出器に関する。しかしながら、本装置が、Ｘ線にもとづく画像化の態様において使用される放射線検出器など、放射線または核粒子を検出するために用いられる他の種類の画像化の態様または検出器（例えば、蛍光透視法、マンモグラフィ、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、トモシンセシス、血管造影、など）にも使用され得ることを、理解すべきである。しかしながら、説明を簡単にするとともに、具体例の文脈における検討を容易にするために、ここでの検討は、放射線画像化システムの文脈において提示される。
【００１１】
図１が、本発明のいくつかの態様による典型的なＰＥＴ画像化システムの概略図である。ＰＥＴシステム１１０が、本明細書において説明および検討されるが、この手法が、ＳＰＥＣＴまたはＣＴ画像化システムなどにおける他の画像化の文脈においても有用であり得ることを、理解すべきである。
【００１２】
図示のＰＥＴシステム１１０は、検出器アセンブリ１１２と、データ取得回路１１４と、画像再現および処理回路１１６とを備える。ＰＥＴシステム１１０の検出器アセンブリ１１２は、典型的には、図１に示されるように、画像化の空間の周囲に配置されたいくつかの検出器モジュール（全体として参照番号１１８で指し示されている）を備える。本明細書において述べられるとおり、検出器アセンブリ１１２を、モジュール１１８によって、陽電子の消滅の事象によって生じ、画像化の空間内の対象物から放射されるガンマ線に応答した信号を生成するように構成することができる。特定の実施例において、検出器モジュール１１８は、シンチレータおよび光子を検出する電子機器を備えることができる。検出器アセンブリ１１２は、ＰＥＴデータを取得するための任意の適切な構造および構成であってよい。例えば、図示の例のように、検出器アセンブリ１１２を、完全または部分的なリングとして構成することができる。
【００１３】
特定の実施例においては、ガンマ線を、検出器モジュール１１８のシンチレータなどにおいて、より低エネルギーの光子に変換することができ、次いでこれを、検出器モジュール１１８において検出して電気信号に変換することができ、この電気信号を調整および処理し、デジタル信号を出力することができる。特定の画像化の用途においては、シンチレータに衝突する放射線に応答して生成される光学光子の数の少なさ（すなわち、低い信号レベル）を克服するために、半導体フォトマルチプライヤまたはシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）をシンチレータに組み合わせ、信号の増幅をもたらすことができる。
【００１４】
検出器モジュール１１８によって生成される信号を、ガンマ線検出のペアを同時発生の事象の可能性として照合するために使用することができる。すなわち、そのようなＰＥＴの実施において、２つのガンマ線が向かい合う検出器に衝突する場合、２つの衝突位置を結ぶ線上のどこかで陽電子の消滅が生じたと判断することができる（ランダムおよび散乱検出の相互作用の影響がない場合）。ＳＰＥＣＴの実施においては、これに代わり、飛行線の情報を、検出器アセンブリに関する視準に少なくとも部分的にもとづいて推論することができる。収集されるデータを保存および統合し、画像再現および処理回路１１６などによる後続の処理に使用することができる。
【００１５】
このように、動作において、検出器の取得回路１１４が、画像化の空間において放出されたガンマ線に応答して生成される信号を検出器アセンブリ１１２の検出器モジュール１１８から読み出すために使用される。検出器の取得回路１１４によって取得された信号は、画像再現および処理回路１１６にもたらされる。画像再現および処理回路１１６は、導出されたガンマ線放出位置にもとづいて画像を生成する。操作者ワークステーション１２６が、上述の構成要素の一部またはすべてに制御の指示をもたらすとともに、データの取得および画像の生成に役立つ種々の動作パラメータを設定するために、システムの操作者によって利用される。操作者ワークステーション１２６は、生成された画像を表示することもできる。あるいは、生成された画像を、画像表示ワークステーション１２８などの遠方の観察用ワークステーションに表示してもよい。
【００１６】
ＰＥＴシステム１１０の動作の説明および検討を容易にするために、検出器の取得回路１１４ならびに画像再現および処理回路１１６が、図１において、他の図示された構成要素（例えば、検出器アセンブリ１１２、操作者ワークステーション１２６、および画像表示ワークステーション１２８）から独立して示されていることを、理解すべきである。しかしながら、特定の実施例において、これらの回路の一部またはすべてを、検出器アセンブリ１１２、操作者ワークステーション１２６、および／または画像表示ワークステーション１２８の一部として設けてもよいことを、理解すべきである。例えば、検出器アセンブリ１１２、操作者ワークステーション１２６、および／または画像表示ワークステーション１２８の一部として設けられるか否かにかかわらず、データ取得回路１１４において実行され、あるいはデータ取得回路１１４の一部として用意されるハードウェア、ソフトウェア、および／またはファームウェアを、本明細書に記載の種々の検出器の読み出しおよび／または制御の動作を実行するために使用することができる。特定の実施例において、データ取得回路１１４は、本明細書に記載のとおりの検出器の読み出し工程を実行するために特別に構成またはプログラムされたハードウェア、メモリ、またはプロセッサ（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））を備えることができる。同様に、これらの読み出し機能のうちのいくつかを、１つ以上の汎用または専用プロセッサならびにそのようなプロセッサにおいて実行されるように構成されて保存されたコードまたはアルゴリズムを使用して、実行することができる。同様に、専用のハードウェアおよび／または回路の組み合わせを、本明細書に記載の工程を実行すべく保存済みのコードを実行するように構成された１つ以上のプロセッサと併せて使用することができる。
【００１７】
以上を念頭に、図１に示したようなシステムの一実施例における検出器技術を、さらに詳しく検討する。とくには、ＰＥＴまたはＳＰＥＣＴシステムが、検出器モジュール１１８などにおけるガンマ線検出機構の一部として半導体フォトマルチプライヤ素子のアレイを利用する光センサ１２０を備えることができる。半導体フォトマルチプライヤ（ＳＳＰＭ）は、マイクロピクセル光子カウンタ（ＭＰＰＣ）またはマイクロピクセルアバランシェフォトダイオード（ＭＡＰＤ）とも一般的に呼ばれるが、光センサとしての使用について一般的になっている。典型的には、ＳＳＰＭは、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）として実現される。そのようなデバイスは、特定の実施例において、入射する光子を検出するためのマイクロセル（例えば、受動的にクエンチされたガイガーモードアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を備える）のアレイの形態をとることができる。一般に、光子の検出に使用されるＳＳＰＭデバイスは、衝突事象の時刻、事象に関するエネルギー、および検出器における事象の位置など、特定のパラメータについての情報をもたらすことができる。これらのパラメータを、ＳＳＰＭによって生成される出力信号に適用される処理アルゴリズムを通じて明らかにすることができる。
【００１８】
いくつかの実施形態においては、マルチチャネル読み出しフロントエンド特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が、ＰＥＴ（または、ＳＰＥＣＴ）システムにおいてＳＳＰＭのアレイとやり取りすることができる。ＡＳＩＣを、図１のデータ取得回路１１４の一部として設けることができ、各々のＳＳＰＭにおける事象のタイミング、エネルギー、および位置についての情報を処理システム（例えば、処理回路１１６）に提供するとともに、各々のＳＳＰＭをバイアスする能力も提供するように構成することができる。
【００１９】
図２に目を向けると、例えば図１のＰＥＴシステム１１０において使用することができるＰＥＴデータ取得システム２３０のフロントエンド読み出し電子機器の一例を表すブロック図が示されている。ＰＥＴデータ取得システム２３０は、検出器モジュール（図１の１１８）および／またはデータ取得回路（図１の１１４）の一部として複数のピクセル（ＳＳＰＭ）２４０および複数のＡＳＩＣ２３６を備えることができる。ガンマ線の相互作用に応答してシンチレータにおいて生成された光が、ピクセルによって検出され、増幅される。この例において、各々のＳＳＰＭ２４０は、コンデンサ２３８を介してＡＳＩＣ２３６に電気的に連絡したアノード出力２３４を備える。すなわち、ＳＳＰＭ２４０の出力は、それぞれのＡＳＩＣ２３６への入力である。各々のＳＳＰＭ２４０を、さらに抵抗器２４２に電気的に接続することができる。
【００２０】
次いで、ＡＳＩＣ２３６は、タイミング信号、エネルギー信号、および／または位置信号のうちの１つ以上を出力としてもたらす。ＡＳＩＣ２３６によって出力されるこれらの信号の各々は、ＡＳＩＣ２３６による処理後にそれぞれのＳＳＰＭ２４０から得られる情報に対応している。図ではＳＳＰＭ２４０が３つだけ示されているが、ＰＥＴデータ取得システム２３０は、ＰＥＴデータ取得システム２３０の所望の機能を促進するために適した任意の数のＳＳＰＭ２４０を備えることができる。例えば、いくつかの実施形態において、データ取得システム２３０のフロントエンド読み出し電子機器は、１８個のＳＳＰＭ２４０を備えることができる。しかしながら、他の実施例においては、データ取得システム２３０内に存在するＳＳＰＭ２４０の数が、他の数であってよい。
【００２１】
半導体フォトマルチプライヤ２４０を、本明細書に記載のとおりの所望の機能を提供するために適した任意の材料を使用して製造することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、各々のＳＳＰＭ２４０を、ケイ素を半導体材料として形成することができるが、他の適切な半導体材料を代わりに使用することもできる（例えば、ＳｉＣ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、およびその合金、など）。
【００２２】
いくつかの実施形態において、各々のＳＳＰＭ２４０は、マイクロセルと称される複数の微視的単位を含むことができる。例として、ただ１つのＳＳＰＭ２４０が、本発明の考え方のいくつかを説明するために、図３に示されている。ＳＳＰＭ２４０上のマイクロセル３４６の数は、典型的には、ＳＳＰＭ２４０に効果的なダイナミックレンジをもたらすために充分である。ＳＳＰＭ２４０の面積は、シンチレータ３４２上に形成された１つ以上の結晶素子３５０をカバーするために充分である。しかしながら、ＳＳＰＭ２４０の正確な数および密度が、最適な性能を達成するための検出器モジュールの設計および他の公知の因子によって決定されることを、理解すべきである。
【００２３】
図３に示されるとおり、１つのＳＳＰＭ２４０のピクセルは、シンチレータ３４２からの１つの光学光子の到達を出力信号に増幅する複数のマイクロセル３４６で構成され、各々のマイクロセル３４６は、１つ以上のＡＰＤを備えている。典型的には、各々のＳＳＰＭ２４０は、多数のマイクロセル３４６を含む（例えば、それによって１ｍｍ２当たり１００個〜２，５００個のＡＰＤをもたらす）。いくつかの実施形態において、マイクロセル３４６の各々は、２０ミクロン〜１００ミクロンの間の長さを有することができる。一実施例において、マイクロセル３４６の各々は、降伏電圧を数ボルト上回る個々のガイガーモードＡＰＤとして動作でき、各々のマイクロセル３４６は、他のすべてのマイクロセルと実質的に同一である。この動作モードにおいて、光学光子の吸収によって生成される電子または正孔が、１つ以上の光子が個々のマイクロセル３４６によって吸収されるときに、そのマイクロセル３４６に限定されたアバランシェ降伏を開始させる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、各々のマイクロセル３４６は、他のマイクロセルとは無関係に機能して、光子を検出する。そのような実施形態においては、電荷の単一の個別の単位が、マイクロセル３４６に吸収された光子の数とは無関係に、マイクロセル３４６から発せられる。すなわち、各々のガイガー降伏について、マイクロセル３４６の出力信号は、実質的に同じ形状および電荷を有する。いくつかの実施形態においては、マイクロセルが並列に電気的に接続され、ＳＳＰＭ２４０などの信号が集められる或る領域についての集積された電流をもたらす。マイクロセル３４６の合計の放電電流が、所与の領域への放射線の入射を表す。この疑似アナログの出力は、信号が集められる領域への入射光子束に関する大きさの情報をもたらすことができる。
【００２５】
従来からのＳＳＰＭアレイの構成は、典型的には、ＳＳＰＭ信号の外部の電子機器へのＡＣまたはＤＣのいずれかの結合によって、各々のピクセル（図２のＳＳＰＭ２４０）をＡＳＩＣ／読み出し電子機器（ＡＳＩＣ２３６）に結合させること（図４に概略的に示されている）を含む。しかしながら、本発明の発明者は、信号経路に沿った寄生容量に起因し、信号が劣化することで、検出器がクロストークおよび追加のノイズに悩まされる可能性があることに気が付いた。 読み出し電子機器を同じダイ上でＳＳＰＭと統合することが、そのようなクロストークまたは信号ノイズを軽減するための１つの機構であり得る。そのような機構は、典型的には、ＳＰＡＤによって生成される信号を読み出し電子機器（低電圧ウェル内に作られる）にＤＣ結合させるためにＳＰＡＤ（高電圧ウェル内に作られる）を同じダイに調和させることを含む。しかしながら、これらの構成は、ＳＰＡＤと電子機器との間の特殊な分離を必要とし、高電圧の構成要素と低電圧の構成要素との間のクロストークに依然として悩まされる。
【００２６】
したがって、後述されるとおり、いくつかの実施形態において、本発明の半導体フォトマルチプライヤは、（低電圧の構成要素（例えば、読み出し電子機器、バッファ、比較器、など）を高電圧の構成要素（例えば、ＳＰＡＤ（後述のＡＰＤ５０２））から絶縁するために後述される）絶縁ウェルを好都合に利用するとともに、高電圧の構成要素を低電圧の構成要素にＡＣ結合させるために絶縁ウェルの構造によって形成される容量をさらに利用する。そのようなＡＣ結合は、例えば、高電圧の構成要素（ＳＰＡＤ）によって生成される信号の低電圧の構成要素（読み出し電子機器）への伝播を好都合に可能にしつつ、上述の増加したノイズ、クロストーク、または信号の劣化を減らし、あるいは排除することができる。
【００２７】
上述の容量の一例が、図５に概略的に示されている。図示の実施形態において、マイクロセル５００の検出素子５１２は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）５０２と、ＡＰＤ５０２に接続されたインピーダンス回路（例えば、周波数に依存する入力インピーダンス回路）５０６および抵抗器５０４の少なくとも一方とを備える。そのような実施形態において、ＡＰＤ５０２は、コンデンサ５０８（例えば、本明細書において説明されるとおりの絶縁ウェルによって形成されるコンデンサ）を介して読み出し電子機器５１０に結合する。インピーダンス回路５０６は、例えば１つ以上の抵抗器など、技術的に公知の任意の受動的または能動的な構成要素を含むことができる。ＡＰＤ５０２を１つだけ有するものとして示されているが、マイクロセルは、マイクロセル５００の所望の機能をもたらすために適した任意の数のＡＰＤ５０２であってよい。例えば、いくつかの実施形態において、マイクロセル５００は、図５Ａに示される２つのＡＰＤ５０２など、２つ以上のＡＰＤ５０２またはＡＰＤ５０２のアレイを含むことができる。そのような実施形態において、各々のＡＰＤ５０２を、２つ以上の抵抗器のそれぞれ接続することができる（各々のＡＰＤ５０２に１つの抵抗器５０４（クエンチ抵抗器）が接続されて示されている）。図に示されるとおり、存在する場合、２つ以上の抵抗器５０４の各々を、第１の端部５１４においてＡＰＤ５０２に接続し、第２の端部５１６において互いに接続することができる。加えて、２つ以上の抵抗器５０４を、コンデンサ５０８を介して読み出し電子機器にさらに接続でき、かつインピーダンス回路５０６に接続することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態において、コンデンサ５０８によってもたらされる容量を、半導体フォトマルチプライヤ（例えば、ＳｉＰＭ）の製造時のただ１つのウエハにおける高電圧および低電圧の要素（例えば、ＣＭＯＳウェル）の相対的配置によって得ることができる。例えば、図６の半導体フォトマルチプライヤ（ＳＳＰＭ）６００の一部分の断面図および図７のＳＳＰＭ６００の一部分の上面図を参照すると、いくつかの実施形態において、ＳＳＰＭ６００は、基板６０２と、基板６０２内に形成された第１のウェル（例えば、高電圧ウェル）６０４および第２のウェル（例えば、低電圧ウェル）６０６とを備えることができる。そのような実施形態において、第１のウェル６０４を、ＳＳＰＭ６００の高電圧の構成要素（例えば、ＡＰＤまたはＳＰＡＤ）に結合させることができ、第２のウェル６０６を、ＳＳＰＭ６００の低電圧の構成要素（例えば、読み出し電子機器）に結合させることができる。基板６０２は、例えばケイ素にもとづく基板など、ＳＳＰＭ６００の製造に適した任意の種類の基板であってよい。加えて、基板６０２を、ｐ型またはｎ型の材料を形成するためにドープすることができる（図６および７にはｐ型が示されている）。
【００２９】
第２のウェル６０６を、ｐ型またはｎ型のいずれかのウェルを形成するためにドープすることができる（図６および７にはｎ型のウェルが示されている）。いくつかの実施形態においては、１つ以上の入れ子のウェル（１つのｐ型入れ子ウェル６１２および１つのｎ型入れ子ウェル６１４）を、第２のウェル６０６内に形成することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態においては、絶縁ウェル６０８を、第１のウェル６０４と第２のウェル６０６との間に配置することができる。そのような実施形態において、絶縁ウェル６０８を、ｐ型またはｎ型のいずれかのウェルを形成するためにドープすることができる（図６および７にはｎ型のウェルが示されている）。例えば図６および７に示されるｐ型入れ子ウェル６１０など、絶縁ウェル６０８の型とは反対の型を有する１つ以上の入れ子ウェルが、絶縁ウェル６０８内に形成される。本発明の発明者は、絶縁ウェル６０８および入れ子ウェル６１０の構造が、上述のように高電圧ウェル６０４内の高電圧の構成要素を（低電圧ウェル６０６内の）低電圧の構成要素にＡＣ結合させるための容量をもたらすことに気が付いた。
【００３１】
基板６０２、第１のウェル６０４、第２のウェル６０６、および絶縁ウェル６０８、ならびにそれぞれの入れ子ウェルが、図６および７においては特定の型（例えば、ｐ型またはｎ型）であるものとして示されているが、ウェルが、本明細書に記載のとおりのＳＳＰＭ６００の動作を促進するために適した任意の型であってよいことを、理解すべきである。例えば、図８の半導体フォトマルチプライヤ（ＳＳＰＭ）６００の一部分の断面図および図９のＳＳＰＭ６００の一部分の上面図は、図６および７と比べて反対の型を有しているＳＳＰＭ６００の各々の構成要素を示している。
【００３２】
半導体フォトマルチプライヤ６００の１つの構成が、図６に示されているが、上述の容量／結合をもたらすために適した低電圧ウェル６０６に対する高電圧ウェル６０４の任意の構成／配置が利用可能であることを、理解すべきである。例えば、いくつかの実施形態においては、低電圧ウェル６０６を、所望の容量／結合をもたらすために高電圧ウェル６０４に（例えば、図６に示されているように入れ子にするのと対照的に）充分に近付けて配置することができる。そのような実施形態において、高電圧ウェル６０４および低電圧ウェル６０６の各々の配向または配置を、他の構成要素（例えば、低電圧の要素）に影響を及ぼしかねない高電圧の構成要素（例えば、ＡＰＤまたはＳＰＡＤ）によって生み出されるフリンジ電界を相殺するように、最適化することができる。そのようなフリンジ電界、またはその漏れ作用は、高電圧の構成要素の設計に従来から利用されている１つ以上のアルゴリズムまたはソフトウェアツールを利用して割り出すことが可能である。
【００３３】
所望の容量をもたらすとともに、低電圧および高電圧の構成要素のＡＣ結合を促進する各々のウェルの特定の構成を示したが、容量を、技術的に公知の任意の適切な手段によって得ることが可能である。例えば、図１０が、コンデンサ（６１６に想像線で示されている）による絶縁ウェル６０８を介した高電圧ウェル６０４および低電圧ウェル６０６の結合の全体的な図を示している。そのような結合を、例えばＭＯＳＦＥＴゲートコンデンサまたは導体−絶縁体−導体のコンデンサなど、絶縁ウェル内に作られる任意の他の適切な種類のコンデンサによって促進することができる。
【００３４】
上記においては特定の構成にて示されているが、低電圧および高電圧ウェルは、本明細書に記載のとおりのＡＣ結合をもたらすために適した任意のやり方で配置されてよい。例えば、マイクロセル１１０２の一部分の典型的な構成が、図１１および１２に示されており、低電圧ウェル１１０６（例えば、上述の低電圧ウェル６０６）が高電圧ウェル１１０４（例えば、上述の高電圧ウェル６０４）内に入れ子にされて示されている。図１２および１３の上面図を参照すると、いくつかの実施形態において、低電圧ウェル１１０６の少なくとも一部分を、高電圧ウェル１１０４およびＡＰＤ１２０２の外縁を巡って配置することができる。そのような実施形態においては、例えば図１３に示されているように、マイクロセル１１０２の外周を、読み出し電子機器１３０２を受け入れるように構成することができる。いくつかの実施形態においては、複数のマイクロセル（１つの追加のマイクロセルが１２０２に想像線で示されている）をマイクロセル１１０２に隣接させて配置して、アレイ１２０６を形成することができる。
【００３５】
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、あるいは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３６】
１１０  ＰＥＴシステム
１１２  検出器アセンブリ
１１４  データ取得回路
１１６  画像再現および処理回路
１１８  検出器モジュール
１２０  光センサ
１２６  操作者ワークステーション
１２８  画像表示ワークステーション
２３０  ＰＥＴデータ取得システム
２３４  アノード出力
２３６  ＡＳＩＣ
２３８  コンデンサ
２４０  半導体フォトマルチプライヤ（ＳＳＰＭ）、ピクセル
２４２  抵抗器
３４２  シンチレータ
３４６  マイクロセル
３５０  結晶素子
５００  マイクロセル
５０２  アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
５０４  抵抗器
５０６  インピーダンス回路
５０８  コンデンサ
５１０  読み出し電子機器
５１２  検出素子
５１４  第１の端部
５１６  第２の端部
６００  半導体フォトマルチプライヤ（ＳＳＰＭ）
６０２  基板
６０４  第１のウェル、高電圧ウェル
６０６  第２のウェル、低電圧ウェル
６０８  絶縁ウェル
６１０  ｐ型入れ子ウェル
６１２  ｐ型入れ子ウェル
６１４  ｎ型入れ子ウェル
６１６  コンデンサ
１１０２  マイクロセル
１１０４  高電圧ウェル
１１０６  低電圧ウェル
１２０２  ＡＰＤ
１２０６  アレイ
１３０２  読み出し電子機器
【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５Ａ】
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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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【国際調査報告】
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