JP7699284B2 - Photodetector - Google Patents
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Description
本開示は、光検出器に関する。 This disclosure relates to a photodetector.
特許文献1には、電子管が記載されている。この電子管は、側管の一側に設けられて、入射された光に対応して電子を放出する光電面をもった入力面板と、側管の他側に設けられて、入力面板と共に真空領域を規定するステムと、ステムの真空側に固着して、光電面から放出された電子を入射させる電子入射部を有する半導体素子と、を備えている。半導体素子は、表面をステム側に位置させ、裏面を入力面板側に位置させ、電子入射部の外周に配置された周囲部に対して電子入射部を薄板状にしてなる裏面照射型半導体素子として構成されている。
現在、特許文献1に記載の電子管といった光検出器にあっては、例えば分光器により分光された複数の波長成分を検出する目的から、半導体素子に対して複数のチャンネルを含む電子入射部を構成する要求がある。これに対して、光電面から電子入射部に向かう電子の軌道は一定の拡がりを有するため、チャンネル間のクロストークを抑制するための構成が必要となる。
Currently, in photodetectors such as the electron tube described in
本開示は、チャンネル間の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。 The present disclosure aims to provide a photodetector that can suppress crosstalk between channels.
本開示に係る光検出器は、[1]「入射光に応じて光電子を放出する光電面が形成された入射面板と、第1方向に沿って前記光電面に対向するように配置され、前記光電面から放出された前記光電子を検出するための半導体素子と、を備え、前記半導体素子は、前記光電面に対向する面であって、前記第1方向に交差する第2方向に沿って互いに離間しつつ配列された複数のチャンネルを含む電子入射面を有する第1部分を有し、前記入射面板は、平板状であり、前記第1方向における前記光電面と前記電子入射面との距離を距離bとし、前記第2方向における前記チャンネルの間隔を間隔Δchとし、前記光電面と前記電子入射面との間に印加された電圧を電圧Vとしたとき、下記式(1)を満たす、光検出器」である。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<14.4×電圧V[kV]+60…(1)
The photodetector according to the present disclosure is [1] "a photodetector comprising: a faceplate having a photocathode formed thereon that emits photoelectrons in response to incident light; and a semiconductor element arranged to face the photocathode along a first direction for detecting the photoelectrons emitted from the photocathode, wherein the semiconductor element has a first portion having an electron incident surface that faces the photocathode and includes a plurality of channels arranged at a distance from each other along a second direction intersecting the first direction, the faceplate is flat, and satisfies the following formula (1), where b is the distance between the photocathode and the electron incident surface in the first direction, Δch is the spacing between the channels in the second direction, and V is the voltage applied between the photocathode and the electron incident surface."
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 14.4 × voltage V [kV] + 60 ... (1)
この光検出器では、光電面から放出された光電子を検出するための半導体素子が、互いに離間しつつ配列された複数のチャンネルを含む電子入射面を有する第1部分を有している。そして、この光検出器は、光電面と電子入射面との距離を距離bとし、チャンネルの配列方向(第2方向)におけるチャンネルの間隔を間隔Δchとし、光電面と電子入射面との間に印加された電圧を電圧Vとしたとき、上記式(1)を満たす。これにより、光電面と電子入射面との間の電圧Vと、光電面から電子入射面までの距離bに応じた電子の軌道の拡がりに応じてチャンネル間の間隔Δchが適切に設定されることで、チャンネル間のクロストークが抑制される。特に、この光検出器では、入射面板が平板状であるので、製造が容易であると共に、光電面と電子入射面との距離bを、各式を満たすように設定することが容易である。 In this photodetector, a semiconductor element for detecting photoelectrons emitted from the photocathode has a first portion having an electron incidence surface including a plurality of channels arranged at a distance from each other. This photodetector satisfies the above formula (1) when the distance between the photocathode and the electron incidence surface is the distance b, the channel spacing in the channel arrangement direction (second direction) is the spacing Δch, and the voltage applied between the photocathode and the electron incidence surface is the voltage V. This appropriately sets the spacing Δch between the channels in accordance with the voltage V between the photocathode and the electron incidence surface and the spread of the electron trajectory according to the distance b from the photocathode to the electron incidence surface, thereby suppressing crosstalk between the channels. In particular, in this photodetector, since the incidence faceplate is flat, it is easy to manufacture and it is easy to set the distance b between the photocathode and the electron incidence surface to satisfy each formula.
ここで、上記特許文献1に記載の電子管といった光検出器では、半導体素子において、電子入射部の周囲の相対的に厚い部分(上記の周囲部)が形成されている場合、光電面と電子入射部との間の等電位面には、電子入射部から周囲部にかけて歪みが生じるおそれがある。その場合、等電位面に歪みのある領域のチャンネル(例えば周囲部近傍のチャンネル)の電子の収集効率は、等電位面に歪みのない領域のチャンネル(例えば周囲部近傍以外のチャンネル)の電子の収集効率と比べて低下するおそれがある。したがって、周囲部近傍に等電位面の歪みが生じる場合であっても、周囲部側に位置するチャンネルの電子の収集効率の低下を抑制することが望ましい。
Here, in a photodetector such as the electron tube described in
そこで、本開示に係る光検出器は、[2]「前記半導体素子は、少なくとも前記第2方向における前記電子入射面の両端側に設けられ、前記電子入射面よりも前記光電面側に突出することで前記第1部分よりも厚く形成された第2部分を有し、前記第2方向の一方側における前記電子入射面の終端から前記第2部分の終端までの距離を距離eとし、前記第2方向の一方側における最外部の前記チャンネルの終端から前記第2部分の始端までの距離を距離wとしたとき、下記式(2)又は下記式(3)を満たす、上記[1]に記載の光検出素子」であってもよい。
距離b[mm]/4<距離e[mm]<距離b[mm]…(2)
距離b[mm]<距離e[mm]、且つ、距離w[mm]>0.2[mm]…(3)
Therefore, the photodetector according to the present disclosure may be [2] "the photodetector described in the above [1], wherein the semiconductor element has a second portion provided on at least both ends of the electron incident surface in the second direction, and protruding toward the photocathode further than the electron incident surface to be thicker than the first portion, and wherein when the distance from the end of the electron incident surface on one side of the second direction to the end of the second portion is distance e, and the distance from the end of the outermost channel on one side of the second direction to the start of the second portion is distance w, the following formula (2) or the following formula (3) is satisfied."
Distance b [mm]/4<distance e [mm]<distance b [mm]...(2)
Distance b [mm] < distance e [mm], and distance w [mm] > 0.2 [mm]... (3)
この光検出器では、半導体素子が、少なくともチャンネルの配列方向における電子入射面の両端側に設けられ、電子入射面よりも光電面側に突出することで第1部分よりも厚く形成された第2部分を有している。そして、この光検出器は、電子入射面の終端から第2部分の終端までの距離を距離eとし、最外部のチャンネルの終端から第2部分の始端までの距離を距離wとしたとき、上記式(2)又は上記式(3)を満たす。これにより、光電面と電子入射部との間の等電位面に対して、電子入射面から第2部分にかけて歪みが生じていても、最外部のチャンネルにおける電子の収集効率の低下が抑制される。 In this photodetector, the semiconductor element is provided at least on both ends of the electron incident surface in the arrangement direction of the channels, and has a second portion formed thicker than the first portion by protruding further toward the photocathode than the electron incident surface. This photodetector satisfies the above formula (2) or (3) when the distance from the end of the electron incident surface to the end of the second portion is distance e, and the distance from the end of the outermost channel to the start of the second portion is distance w. As a result, even if distortion occurs from the electron incident surface to the second portion with respect to the equipotential surface between the photocathode and the electron incident portion, a decrease in the electron collection efficiency in the outermost channel is suppressed.
本開示に係る光検出器は、[3]「下記式(4)を満たす、上記[1]又は[2]に記載の光検出器」であってもよい。この場合、チャンネル間のクロストークを確実に抑制可能である。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<13.2×電圧V[kV]+55…(4)
The photodetector according to the present disclosure may be [3] "the photodetector according to the above [1] or [2], which satisfies the following formula (4)." In this case, crosstalk between channels can be reliably suppressed.
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 13.2 × voltage V [kV] + 55 ... (4)
本開示に係る光検出器は、[4]「下記式(5)を満たす、上記[3]に記載の光検出器」であってもよい。この場合、チャンネル間のクロストークをより確実に抑制可能である。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<12.4×電圧V[kV]+51.5…(5)
The photodetector according to the present disclosure may be [4] "the photodetector according to the above [3], which satisfies the following formula (5)." In this case, crosstalk between channels can be more reliably suppressed.
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 12.4 × voltage V [kV] + 51.5 ... (5)
本開示に係る光検出器は、[5]「下記式(6)を満たす、上記[4]に記載の光検出器」であってもよい。この場合、チャンネル間のクロストークをさらに確実に抑制可能である。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<12×電圧V[kV]+50…(6)
The photodetector according to the present disclosure may be [5] "the photodetector according to the above [4], which satisfies the following formula (6)." In this case, crosstalk between channels can be more reliably suppressed.
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 12 × voltage V [kV] + 50 ... (6)
本開示に係る光検出器は、[6]「前記入射面板により一端が封止された側管と、前記側管の他端を封止するステムと、前記ステム上に設けられた絶縁性のベース部材と、を備え、前記半導体素子は、前記電子入射面が前記光電面側に臨むように前記ベース部材上に設けられている、上記[1]~[5]のいずれかに記載の光検出器」であってもよい。この場合、側管、入射面板、及び、ベース部材の各部の寸法の設定によって、例えば上記式を満たすような距離bを実現することが可能となる。 The photodetector according to the present disclosure may be [6] "a photodetector according to any one of [1] to [5] above, comprising a side tube one end of which is sealed by the faceplate, a stem sealing the other end of the side tube, and an insulating base member provided on the stem, and the semiconductor element is provided on the base member so that the electron incidence surface faces the photocathode." In this case, by setting the dimensions of the side tube, faceplate, and base member, it is possible to realize, for example, a distance b that satisfies the above formula.
本開示に係る光検出器は、[7]「前記半導体素子における少なくとも前記光電面に対向する面上に設けられ、100nm以下の厚さを有する絶縁膜を備える、上記[1]~[6]のいずれかに記載の光検出器」であってもよい。この場合、少なくとも半導体素子の表面に形成された絶縁膜によって、半導体素子に光電子が打ち込まれることで発生してイオン化したガスが光電面に戻ること(イオンフィードバック)が抑制される。 The photodetector according to the present disclosure may be [7] "the photodetector according to any one of [1] to [6] above, which is provided with an insulating film having a thickness of 100 nm or less, provided on at least the surface of the semiconductor element facing the photocathode." In this case, the insulating film formed on at least the surface of the semiconductor element prevents ionized gas generated by photoelectrons being bombarded into the semiconductor element from returning to the photocathode (ion feedback).
本開示によれば、チャンネル間のクロストークを抑制可能な光検出器を提供することができる。 The present disclosure provides a photodetector that can suppress crosstalk between channels.
以下、一実施形態に係る光検出器について、図面を参照して説明を行う。なお、図面の説明において、同一は又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。また、各図には、第1方向D1を規定する軸、第1方向D1に交差する第2方向D2を規定する軸、並びに、第1方向D1及び第2方向D2に交差する第3方向を規定する軸からなる直交座標系を示す場合がある。 The photodetector according to one embodiment will be described below with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding elements are given the same reference numerals, and duplicate descriptions may be omitted. Each drawing may also show an orthogonal coordinate system consisting of an axis defining a first direction D1, an axis defining a second direction D2 intersecting the first direction D1, and an axis defining a third direction intersecting the first direction D1 and the second direction D2.
図1は、本実施形態に係る光検出器の模式的な断面図である。図2は、図1に示された光検出器の一部を示す上面図である。図1においては、ハッチングが省略されている。図1及び図2に示される光検出器1は、例えば、HPD(ハイブリッド・フォトディテクタ)であって、一例として蛍光顕微鏡、フローサイトメータ、時間分解計測装置等に利用され得る。
Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to this embodiment. Figure 2 is a top view showing a part of the photodetector shown in Figure 1. Hatching is omitted in Figure 1. The
光検出器1は、入射面板2、光電面2s、側管3、ステム4、ベース部材5、ピン6、絶縁膜7、及び、半導体素子10を備えている。入射面板2は、表面2aと表面2aの反対側の裏面2bとを含む。例えばガラス等の光透過性の材料によって構成されており、表面2aから入射された光を裏面2bに向けて透過させる。入射面板2は、例えば円形の平板状(すなわち円板状)に形成されている。入射面板2が平板状であるとは、入射面板2における表面2aから裏面2bに向かう方向(第1方向D1)について、一例として、相対的に厚い部分の厚さが、相対的に薄い部分の厚さの130%程度の範囲内であることを意味する。
The
光電面2sは、入射面板2の裏面2bに設けられている。光電面2sは、GaAsのような化合物半導体の薄膜からなる光電変換層を含み、入射面板2を透過した入射光に応じて光電子を放出する。
The
側管3は、例えばセラミック等の絶縁材料によって、両端が開放された管状(ここでは円管状)に形成されている。側管3の一端は、入射面板2によって封止されている。ステム4は、例えばセラミック等の絶縁材料によって板状(ここでは円板状)に形成されており、側管3の他端を封止している。これにより、側管3内に真空領域が形成され得る。側管3の一端と入射面板2との間、及び、側管3の他端とステム4との間には、例えばコバール等からなる接続部材を兼ねた金属部材が介在され、当該金属部材を介して両端に、例えば光電面2sに対してステム4側がGND電位となるように(光電面2sには負の電位、ステム4側が接地電位となるように)、電圧が印加され得る。
The
ベース部材5は、側管3内に位置するようにステム4上に設けられている。ベース部材5は、光電面2sと対向する面である頂面5aを有し、例えばセラミック等の絶縁材料によってステム4から光電面2sに向かって凸状に突出するような直方体状のブロック状に形成されている。複数(例えば後述するチャンネルchと同数)のピン6は、それぞれが半導体素子10で検出した電気信号を外部に出力できるように、ベース部材5に貫設されている。例えば、ピン6の一端は、ベース部材5のステム4と反対側の表面(頂面5a)に至っており、ピン6の他端は、ベース部材5のステム4側の表面から側管3の外部に突出している。なお、ベース部材5は、ステム4と一体に形成されていてもよく、ピン6と半導体素子10とは、配線等の他の導電部材を介して電気的に接続されていてもよい。
The
半導体素子10は、光電面2sから放出された光電子を検出するためのものである。半導体素子10は、第1方向D1に沿って光電面2sに対向するように、ベース部材5の頂面5a上に配置されている。より具体的には、半導体素子10は、裏面10rと表面10sとを含み、裏面10r(すなわち後述する電子入射面11s)が光電面2sに臨むように(表面10sがベース部材5の頂面5a側に臨むように)ベース部材5の頂面5a上に設けられている。半導体素子10は、一例としてバンプ接続によりピン6に電気的に接続されている。半導体素子10は、例えば、AD(Avalanche diode)である。この場合、半導体素子10は、光電面2sからの光電子の入射を受け、電子打ち込みによる増倍を生じさせると共に、アバランシェ増倍によるさらなる増倍を生じさせる。なお、半導体素子10としては、PD(Photo diode)やSiPM(Silicon photomultiplier)、SPAD(Single photon avalanche diode)でもよい。また、本実施形態においては、半導体素子10は裏面照射型の半導体素子を用いている。
The
半導体素子10は、第1部分11と第2部分12とを有する。第1部分11は、光電面2sに対向する面である電子入射面11sを有している。電子入射面11sは、第1方向D1に交差する第2方向D2に沿って互いに離間しつつ配列された複数のチャンネルchを含む。換言すれば、電子入射面11sは、半導体素子10における光電子検出面であり、複数のチャンネルchである感度領域と、個々のチャンネルchの周囲を囲む不感領域と、を含む。なお、不感領域には、隣り合うチャンネルchに対する仕切り部(後述する間隔Δchによって示される領域に相当する部分)や、最外部のチャンネルchと後述する第2部分12との間に設けられた領域(後述する距離wによって示される領域に相当する領域)を含む。半導体素子10は、複数のチャンネルchのそれぞれにおいて、光電子を検出する。第2部分12は、少なくとも第2方向D2における電子入射面11sの両端側に設けられている。本実施形態では、第2部分12は、第1方向D1からみて電子入射面11sを囲むように矩形枠状に形成されている。第2部分12は、電子入射面11sよりも光電面2s側に突出することで第1部分11よりも厚く形成されている。光電面2sと電子入射面11sとの間には、光電面2sから放出された光電子が所望の加速度で電子入射面11sに向かうような電位が印加されており、本実施形態においては、電子入射面11s側がGND電位とされるように(光電面2sが負の電位、電子入射面11s側が接地電位となるように)電圧が印加されている。
The
絶縁膜7は、半導体素子10における少なくとも光電面2sに対向する表面上に設けられている。本実施形態では、絶縁膜7は、半導体素子10、ベース部材5、ステム4、及びピン6の表面上に形成されている。絶縁膜7は、例えば、金属酸化物(例えば酸化アルミニウム)によって100nm以下程度の厚さに形成されることが好ましく、本実施形態では30nm以下程度の厚さに形成されている。これにより、絶縁膜7は、電子入射面11sへの光電子の入射、及び、ピン6の電気的な接続に影響を及ぼさない。絶縁膜7は、例えば、半導体素子10、ベース部材5、ステム4、及びピン6からなるユニットに対してALD(Atomic Layer Deposition)による成膜を行うことで形成され得る。
The insulating
引き続いて、光検出器1の各部の関係について説明する。図3は、図1に示された光検出器の一部拡大図である。図4は、図2に示された半導体素子の一部拡大図である。図4の(a)は図2の領域A1の拡大斜視図であり、図4の(b)は、図2の領域A2の模式的な拡大断面図である。なお、図4の(b)には、光電面2sと電子入射面11sとの間に印加される電圧に応じた等電位面Svが示されている。
Next, the relationship between the various parts of the
図3及び図4に示されるように、以下の説明では、第1方向D1における光電面2sと電子入射面11sとの距離を距離bとし、第2方向D2におけるチャンネルchの間隔を間隔Δchとする。また、光電面2sと電子入射面11sとの間に印加された電圧を電圧Vとし、第2方向D2の一方側における電子入射面11sの終端(第2方向D2の一方側の端部)から第2部分12の終端(第2方向D2の一方側の端部)までの距離を距離eとし、第2方向D2の一方側における最外部(最端部)のチャンネルchの終端(第2方向D2の一方側の端部)から第2部分12の始端(第1部分11の第2方向D2の一方側に位置する部分の電子入射面11s側の端部)までの距離を距離wとする。
3 and 4, in the following description, the distance between the
なお、距離wは、最外部のチャンネルchの終端(第2方向D2の一方側の端部)から第2部分12の立ち上がり部分までの距離である。また、距離eは、第2部分12の終端よりもさらに外側に、電子入射面11sと同電位(或いはほぼ同電位)の部材(例えば配線等)が設けられている場合には、その終端までの距離とされ得る。さらに、距離e、及び距離wについては、第2方向D2の他方側についても同様に設定されてもよいし、第3方向D3に沿ってチャンネルchが配列される場合には、第3方向D3についても同様に設定されてもよい。また、チャンネルchは、半導体素子10の内部の半導体領域である電子収集部であり、間隔Δchは、当該電子収集部の間の間隔である。間隔Δchは、電子収集部の縁部に別の半導体領域であるガードリングが形成されている場合には、ガードリングの間の距離であってもよい。
The distance w is the distance from the end of the outermost channel ch (the end on one side of the second direction D2) to the rising part of the
光検出器1では、以上のように設定される距離b、電圧V、距離e、及び、距離wは、チャンネルch間のクロストークの抑制、及び、最外部のチャンネルchの電子収集効率の低下抑制の観点から、一定の関係を満たしている。
In the
図5は、チャンネル間のクロストークを0%であるときの電圧Vと距離bとの関係を、チャンネル間の間隔Δchの値ごとに示すグラフである。図6は、チャンネル間の間隔Δchが50μmであるときの電圧Vと距離bとの関係を、クロストークの値ごとに示すグラフである。さらに、図7は、チャンネル間の間隔Δchが100μmであるときの電圧Vと距離bとの関係を、クロストークの値ごとに示すグラフである。なお、チャンネルch間のクロストークとは、光電面2sにおける第1方向D1に一のチャンネルchに対向する領域から放出された光電子が、当該一のチャンネルchに隣接する別のチャンネルchに入射することを意味する。
Figure 5 is a graph showing the relationship between voltage V and distance b for each value of channel spacing Δch when crosstalk between channels is 0%. Figure 6 is a graph showing the relationship between voltage V and distance b for each value of crosstalk when channel spacing Δch is 50 μm. Furthermore, Figure 7 is a graph showing the relationship between voltage V and distance b for each value of crosstalk when channel spacing Δch is 100 μm. Note that crosstalk between channels ch means that photoelectrons emitted from a region of
図5に示されるように、チャンネルch間のクロストークを0%に抑えるに際しては、それぞれの間隔Δchに対して、電圧Vと距離bとの間に一定の関係があることが見いだされた。また、図6及び図7に示されるように、図5に示される電圧Vと距離bとの関係は、許容されるクロストークが0%~20%の各値とした場合であっても、同様の傾向がある。よって、光検出器1では、クロストークを20%程度に抑制する場合には、下記式(1)を満たす。換言すれば、光検出器1では、下記式(1)を満たすことにより、チャンネルch間のクロストークを20%程度に抑制できるのである。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<14.4×電圧V[kV]+60…(1)
As shown in Fig. 5, it was found that when the crosstalk between channels ch is suppressed to 0%, there is a certain relationship between the voltage V and the distance b for each interval Δch. Also, as shown in Figs. 6 and 7, the relationship between the voltage V and the distance b shown in Fig. 5 has a similar tendency even when the allowable crosstalk is set to each value from 0% to 20%. Therefore, in the
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 14.4 × voltage V [kV] + 60 ... (1)
一方、図8は、距離eにより規格化された距離bと最外部のチャンネルの収集効率との関係を、距離eごとに示すグラフである。図8に示されるように、収集効率の条件が最も厳しい距離e=1[mm]である場合であっても、距離bが1[mm]~4[mm]程度の範囲において、80%以上の収集効率が得られることが確認された。よって、光検出器1では、最外部のチャンネルchの電子の収集効率を80%以上とする場合であって、距離eが距離bよりも小さい場合、下記式(2)を満たす。換言すれば、光検出器1では、下記式(2)を満たすことにより、最外部のチャンネルchの電子の収集効率が80%以上に確保される。
距離b[mm]/4<距離e[mm]<距離b[mm]…(2)
On the other hand, Fig. 8 is a graph showing the relationship between the distance b normalized by the distance e and the collection efficiency of the outermost channel for each distance e. As shown in Fig. 8, even when the condition for collection efficiency is the strictest distance e = 1 [mm], it was confirmed that a collection efficiency of 80% or more can be obtained when the distance b is in the range of about 1 [mm] to 4 [mm]. Therefore, in the
Distance b [mm]/4<distance e [mm]<distance b [mm]...(2)
他方、図9は、距離eが距離bよりも大きい場合における距離eと収集効率との関係を、距離wの値ごとに示すグラフである。図9では、距離W=0[mm]、0.2[mm]、0.4[mm]、0.5[mm]、0.6[mm]、0.8[mm]、1[mm]のそれぞれの場合が図示されている。図9に示されるように、光検出器1では、距離eが距離bよりも大きい場合、距離wが0.2[mm]以上であると、各距離eに対して95%以上の収集効率が得られている。したがって、光検出器1では、下記式(3)を満たすことで、電子の収集効率の低下が抑制される。
距離b[mm]<距離e[mm]、且つ、距離w[mm]>0.2[mm]…(3)
On the other hand, Fig. 9 is a graph showing the relationship between the distance e and the collection efficiency for each value of the distance w when the distance e is greater than the distance b. Fig. 9 illustrates the cases of distance W = 0 [mm], 0.2 [mm], 0.4 [mm], 0.5 [mm], 0.6 [mm], 0.8 [mm], and 1 [mm]. As shown in Fig. 9, in the
Distance b [mm] < distance e [mm], and distance w [mm] > 0.2 [mm]... (3)
なお、上記式(1)は、チャンネルch間のクロストークを20%程度に抑制するために要求されるものである。したがって、光検出器1では、チャンネルch間のクロストークをより低く抑制するためには、下記式(4)~(6)を満たすことができる。光検出器1では、下記式(4)を満たすことで、クロストークを10%程度に抑制することができ、下記式(5)を満たすことで、クロストークを3%程度に抑制することができ、下記式(6)を満たすことで、クロストークを0%程度に抑制することができる。
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<13.2×電圧V[kV]+55…(4)
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<12.4×電圧V[kV]+51.5…(5)
距離b[mm]/間隔Δch[mm]<12×電圧V[kV]+50…(6)
The above formula (1) is required to suppress the crosstalk between channels to about 20%. Therefore, in order to suppress the crosstalk between channels to a lower level in the
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 13.2 × voltage V [kV] + 55 ... (4)
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 12.4 × voltage V [kV] + 51.5 ... (5)
Distance b [mm] / interval Δch [mm] < 12 × voltage V [kV] + 50 ... (6)
なお、距離bは、一例として、0[mm]~20[mm]とすることができる。距離bは、0.5[mm]~10[mm]であることが好ましく、1[mm]~6[mm]であることがより好ましい。電圧Vは、一例として、0.1[kV]~8[kV]とすることができる。電圧Vは、1[kV]~7[kV]であることが好ましく、2[kV]~6[kV]であることがより好ましい。間隔Δchは、一例として、0.01[mm]~0.5[mm]とすることができる。間隔Δchは、0.01[mm]~0.3[mm]であることが好ましく、0.03[mm]~0.2[mm]であることがより好ましい。 The distance b can be, for example, 0 mm to 20 mm. The distance b is preferably 0.5 mm to 10 mm, and more preferably 1 mm to 6 mm. The voltage V can be, for example, 0.1 kV to 8 kV. The voltage V is preferably 1 kV to 7 kV, and more preferably 2 kV to 6 kV. The interval Δch can be, for example, 0.01 mm to 0.5 mm. The interval Δch is preferably 0.01 mm to 0.3 mm, and more preferably 0.03 mm to 0.2 mm.
距離eは、一例として、0.1[mm]~10[mm]とすることができる。距離eは、1[mm]~5[mm]であることが望ましく、1[mm]~3[mm]であることがより好ましい。距離wは、一例として、0[mm]~10[mm]とすることができる。距離wは、0[mm]~1[mm]であることが望ましく、0[mm]~0.3[mm]であることがより好ましい。クロストークは、20%程度とすることができ、10%程度であることが好ましく、3%程度、或いは0%程度であることがより好ましい。 The distance e can be, for example, 0.1 mm to 10 mm. The distance e is preferably 1 mm to 5 mm, and more preferably 1 mm to 3 mm. The distance w can be, for example, 0 mm to 10 mm. The distance w is preferably 0 mm to 1 mm, and more preferably 0 mm to 0.3 mm. The crosstalk can be about 20%, preferably about 10%, and more preferably about 3% or about 0%.
以上説明したように、本実施形態に係る光検出器1では、光電面2sから放出された光電子を検出するための半導体素子10が、互いに離間しつつ配列された複数のチャンネルchを含む電子入射面11sを有する第1部分11を有している。そして、光検出器1では、光電面2sと電子入射面11sとの距離b、チャンネルchの配列方向(第2方向)におけるチャンネルchの間隔Δch、光電面2sと電子入射面11sとの間に印加された電圧Vが、上記式(1)を満たす。これにより、光電面2sと電子入射面11sとの間の電圧Vと、光電面2sから電子入射面11sまでの距離bに応じた電子の軌道の拡がりに応じてチャンネルch間の間隔Δchが適切に設定されることで、チャンネルch間のクロストークが抑制される。特に、光検出器1では、入射面板2が平板状であるので、製造が容易であると共に、光電面2sと電子入射面11sとの距離bを、各式を満たすように設定することが容易である。また、入射面板2が平板状ではない場合、例えば光電面2sの形成領域を半導体素子10側に突出させる(例えば光電面2sの形成領域のみを凸状に厚くする)ことで、距離bを調整することも考えられる。その場合、入射面板2が厚くなることで入射光自体が入射面板2内でクロストークする可能性が高くなる。そのため、入射面板2は平板状であり、なおかつ機械的な強度が保てる程度の厚さとする(例えば1mm以上)ことが好ましい。
As described above, in the
また、光検出器1では、半導体素子10が、少なくともチャンネルchの配列方向における電子入射面11sの両端側に設けられ、電子入射面11sよりも光電面2s側に突出することで第1部分11よりも厚く形成された第2部分12を有している。そして、光検出器1では、電子入射面11sの終端から第2部分12の終端までの距離e、最外部のチャンネルchの終端から第2部分12の始端までの距離wが、上記式(2)又は上記式(3)を満たす。これにより、光電面2sと電子入射面11sとの間の等電位面Svに対して、電子入射面11sから第2部分12にかけて歪みが生じていても、最外部のチャンネルchにおける電子の収集効率の低下が抑制される。以上のように、光検出器1によれば、チャンネルch間のクロストーク及び電子の収集効率の低下を抑制可能である。
In addition, in the
また、光検出器1は上記式(4)~(6)を満たすことができる。この場合、チャンネル間のクロストークを確実に抑制可能である。
In addition, the
また、光検出器1は、入射面板2により一端が封止された側管3と、側管3の他端を封止するステム4と、ステム4上に設けられた絶縁性のベース部材5と、を備えている。そして、半導体素子10は、電子入射面11sが光電面2s側に臨むようにベース部材5上に設けられている。このため、側管3、入射面板2、及び、ベース部材5の各部の寸法の設定によって、例えば上記式を満たすような距離bを実現することが可能となる。
The
さらに、光検出器1は、半導体素子10における少なくとも光電面2sに対向する面上に設けられ、100nm以下以下の厚さを有する絶縁膜7を備える。このため、少なくとも半導体素子10の表面に形成された絶縁膜7によって、半導体素子10に光電子が打ち込まれることで発生してイオン化したガスが光電面2sに戻ること(イオンフィードバック)が抑制される。
The
以上の実施形態は、本発明に係る光検出器の一側面を説明したものである。したがって、本発明に係る光検出器は、上記実施形態に限定されず、任意に変形され得る。 The above embodiment describes one aspect of the photodetector according to the present invention. Therefore, the photodetector according to the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified as desired.
例えば、光検出器1は、絶縁膜7を有していなくてもよい。また、光検出器1は、チャンネルch間のクロストークを抑制する観点のみに着目した場合、上記式(2)及び(3)を満たしていなくてもよい。この場合、半導体素子10は、第2部分12を有していなくてもよい。つまり、本実施形態においては、半導体素子10は裏面照射型の半導体素子を用いているが、表面照射型の半導体素子を用いてもよい。
For example, the
また、本実施形態においては、光電面2sとして、化合物半導体の薄膜からなる光電変換層を含むものを例示したが、光電面2sは、アルカリ金属を含む光電変換層を含んでもよい。また、本実施形態においては、ベース部材5として、例えばセラミック等の絶縁材料によってステム4から光電面2sに向かって凸状に突出するような直方体状のブロック状に形成されているものを例示したが、ベース部材5は、例えばセラミック等の絶縁材料によって形成された板状部材であってもよい。この場合、ベース部材5を所望の位置に固定するための固定部がステム4に設けられていてもよい。
In the present embodiment, the
1…光検出器、2…入射面板、3…側管、4…ステム、5…ベース部材、7…絶縁膜、10…半導体素子、11…第1部分、11s…電子入射面、12…第2部分、b,e,w…距離、ch…チャンネル、V…電圧。 1...photodetector, 2...faceplate, 3...side tube, 4...stem, 5...base member, 7...insulating film, 10...semiconductor element, 11...first part, 11s...electron incidence surface, 12...second part, b, e, w...distance, ch...channel, V...voltage.
Claims (14)
前記入射面板により一端が封止された側管と、
前記光電面に向かって突出するように設けられた絶縁性のベース部材と、
電子入射面を有すると共に当該電子入射面が第1方向に沿って前記光電面側に臨むように前記ベース部材上に設けられており、前記光電面から放出された前記光電子を検出するための半導体素子と、
前記半導体素子における少なくとも前記光電面に対向する表面上に設けられた絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁膜は、金属酸化物により形成されている、
光検出器。 an incident face plate having a photocathode that emits photoelectrons in response to incident light;
a side tube having one end sealed by the entrance faceplate;
an insulating base member provided so as to protrude toward the photocathode;
a semiconductor element having an electron incident surface and provided on the base member such that the electron incident surface faces the photocathode along a first direction, the semiconductor element detecting the photoelectrons emitted from the photocathode;
an insulating film provided on at least a surface of the semiconductor element facing the photocathode;
Equipped with
The insulating film is formed of a metal oxide.
Photodetector.
前記入射面板により一端が封止された側管と、
前記光電面に向かって突出するように設けられた絶縁性のベース部材と、
電子入射面を有すると共に当該電子入射面が第1方向に沿って前記光電面側に臨むように前記ベース部材上に設けられており、前記光電面から放出された前記光電子を検出するための半導体素子と、
前記半導体素子における少なくとも前記光電面に対向する表面上に設けられた絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁膜は、前記ベース部材の表面上に形成されている、
光検出器。 an incident face plate having a photocathode that emits photoelectrons in response to incident light;
a side tube having one end sealed by the entrance faceplate;
an insulating base member provided so as to protrude toward the photocathode;
a semiconductor element having an electron incident surface and provided on the base member such that the electron incident surface faces the photocathode along a first direction, the semiconductor element detecting the photoelectrons emitted from the photocathode;
an insulating film provided on at least a surface of the semiconductor element facing the photocathode;
Equipped with
The insulating film is formed on a surface of the base member.
Photodetector.
請求項2に記載の光検出器。 The insulating film is formed of a metal oxide.
3. The photodetector of claim 2 .
請求項1又は3に記載の光検出器。 The metal oxide includes aluminum oxide.
4. The photodetector according to claim 1 or 3 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 The thickness of the insulating film is 100 nm or less.
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
請求項5に記載の光検出器。 The thickness of the insulating film is 30 nm or less.
6. The photodetector of claim 5.
前記絶縁膜は、前記ピンの表面上に形成されている、
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 a pin that penetrates the base member so as to protrude outside the side tube and that outputs an electrical signal detected by the semiconductor element to the outside;
the insulating film is formed on a surface of the pin;
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
前記絶縁膜は、前記半導体素子、前記ベース部材、前記ステム、及び前記ピンからなるユニットに対して形成されている、
請求項7に記載の光検出器。 a stem that seals the other end of the side tube and on which the base member is provided;
the insulating film is formed on a unit including the semiconductor element, the base member, the stem, and the pin;
8. The photodetector of claim 7 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 The base member is made of ceramic.
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 The base member is located within the side tube.
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 the semiconductor element has a first portion having the electron incident surface, the first portion being a surface facing the photocathode and including a plurality of channels arranged at a distance from each other along a second direction intersecting the first direction;
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
前記第1方向における前記光電面と前記電子入射面との距離を距離bとし、前記第2方向の一方側における前記電子入射面の終端から前記第2部分の終端までの距離を距離eとしたときに、距離b>距離eを満たす、
請求項11に記載の光検出器。 the semiconductor element has a second portion provided on at least both ends of the electron incident surface in the second direction, protruding further toward the photocathode than the electron incident surface and formed to be thicker than the first portion;
a distance b between the photocathode and the electron incident surface in the first direction and a distance e from an end of the electron incident surface to an end of the second portion on one side in the second direction satisfying distance b>distance e.
12. The optical detector of claim 11 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。 The semiconductor element is a back-illuminated semiconductor element.
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1~3のいずれか一項に記載の光検出器。
The entrance plate is formed in a flat plate shape.
The photodetector according to any one of claims 1 to 3 .
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