[发明专利]半导体光检测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体光检测器，尤其涉及一种检测微弱的光的半导体光检测器。

背景技术

近年来，在医疗、生物、放射线测量等各种领域中，需要对甚至1光子的微弱光进行准确测量的光检测器。目前，作为检测微弱光的光检测器，广泛利用光电倍增管(Photomultiplier Tube：PMT)。但是，作为真空管器件的PMT，其一个的大小最小也为10mm×10mm左右，因此难以进行多像素化。另外，为了使用PMT进行二维成像，需要在XY面内扫描被摄体，收集被摄体的各点的信息后进行图像化。因此，难以实时地拍摄被摄体。其中，为了同时实现检测微弱光的光检测器的多像素化和高速化，需要使光检测器为固体元件。

作为一种检测微弱光的光检测器，提出了利用雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode：APD)的光子计数型的光检测器。该光检测器对射入APD的光子进行计数，将计数结果作为数字值的信号传输到像素之外。

例如，如专利文献1所记载的那样，光子计数型的光检测器的构造是，将多个APD排列为阵列状，该多个APD连接有负载电阻，被施加了比击穿电压稍低、或者击穿电压以上的高电压。在该光检测器中，根据如下所示的动作原理，如果对APD射入1个光子，则产生脉冲信号，通过该脉冲信号，计数器的计数值增加1。由此，对射入APD的光子进行计数。

下面对APD的动作原理简单地进行说明。

如果光子射入APD，则产生电子-空穴对。产生的电子和空穴中的一者或两者由在APD内部产生的电场进行加速，与晶格发生碰撞而产生新的电子-空穴对，上述电场对应于在APD两端施加的电压而产生。该现象称为碰撞离化。通过反复发生该碰撞离化，从而对电荷进行倍增。

APD中有线性模式和盖革模式这两种动作模式。

线性模式是如下动作模式，即，使对APD施加的电压略低于APD的击穿电压，仅电子和空穴中的一者发生碰撞离化。在线性模式中，以有限的次数发生碰撞离化，因此输出的电流与入射光子数成比例。

盖革模式是如下动作模式，即，使对APD施加的电压在APD的击穿电压以上，由电子和空穴双方发生碰撞离化。在盖革模式下，电子和空穴双方雪崩式地反复发生碰撞离化，输出的电流急剧增加。因此，通常，为了使器件不受到破坏，将负载电阻与APD串联连接使用。在此情况下，如果较大的电流流过负载电阻，则在负载电阻的两端产生电压，与所产生的电压的量相应地，对APD的两端施加的电压下降。在APD两端的电压大幅低于击穿电压时，碰撞离化停止，输出的电流也瞬时衰减。因此，在盖革模式下，输出的电流成为脉冲信号，从APD输出的电流值与入射光子数不成比例。

专利文献1中记载的光检测器使用盖革模式的APD。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第7262402号说明书

发明内容

在APD中，不仅由于光子的入射而生成的电荷发生倍增，由于热激发等、光子入射以外的原因而生成的电荷也发生倍增，成为暗噪声的原因。现有的光子计数型的光检测器使用高倍增率的盖革模式APD，因此暗噪声极其大。因此，存在如下课题，即，仅通过1次检测，无法将由于光子入射而生成的电荷所产生的信号和暗噪声加以区分，通过信号(S)与噪声(N)之比得到的S/N比明显较低。

另外，由APD的倍增产生的电流是在电荷与晶格碰撞的过程中产生的随机现象的产物，因此产生由散粒噪声(shot noise)引起的倍增噪声。盖革模式APD以高倍增率(通常是10⁵倍以上)动作，因此倍增噪声与倍增率相应地变大。

在盖革模式APD中，按照与光源同步的检测电路的采样次数，对数据进行累计，由此，与利用1次的数据进行的检测相比，能够改善S/N比。但是，该方法需要使光源的发光定时与信号检测的定时进行同步，因此在随机光的检测(例如放射线测量等)中无法进行利用。为了能够进行随机光的检测，需要将作为随机噪声的、器件的暗电流产生抑制为最小限度。

本发明针对上述课题，提供一种半导体光检测器，通过与以往相比大幅减小暗噪声和倍增噪声，从而能够检测包含随机光在内的微弱光。