特許 7581450 光検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(54)【発明の名称】光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01J 43/04 20060101AFI20241105BHJP

   H01J 40/00 20060101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

H01J43/04

H01J40/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023145507

(22)【出願日】2023-09-07

【審査請求日】2024-10-10

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(72)【発明者】

【氏名】松岡 泰正

(72)【発明者】

【氏名】西村 侑記

(72)【発明者】

【氏名】矢崎 慎一郎

(72)【発明者】

【氏名】一之瀬 玲皇

(72)【発明者】

【氏名】松平 渉

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０９８８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－１９９０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０４００８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２４３７９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４３／０４

Ｈ０１Ｊ ４０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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部分と、
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部分と、
を有し、
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、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（１）と、下記式（２）又は下記式（３）と、を満たす、
距離ｂ［ｍｍ］／間隔Δｃｈ［ｍｍ］＜１４．４×電圧Ｖ［ｋＶ］＋６０…（１）
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）
光検出器。

【請求項2】

下記式（４）を満たす、
距離ｂ［ｍｍ］／間隔Δｃｈ［ｍｍ］＜１３．２×電圧Ｖ［ｋＶ］＋５５…（４）
請求項１に記載の光検出器。

【請求項3】

下記式（５）を満たす、
距離ｂ［ｍｍ］／間隔Δｃｈ［ｍｍ］＜１２．４×電圧Ｖ［ｋＶ］＋５１．５…（５）
請求項２に記載の光検出器。

【請求項4】

下記式（６）を満たす、
距離ｂ［ｍｍ］／間隔Δｃｈ［ｍｍ］＜１２×電圧Ｖ［ｋＶ］＋５０…（６）
請求項３に記載の光検出器。

【請求項5】

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、
請求項１に記載の光検出器。

【請求項6】

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、
請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－０４００８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

一方、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、電子入射部の端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（例えば周囲部近傍のチャンネル以外のチャンネル）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。

【0006】

そこで、本開示は、チャンネル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】

【0007】

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部分と、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部分と、を有し、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、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（１）と、下記式（２）又は下記式（３）と、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）
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）

【0008】

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。

【0009】

また、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、光電面と電子入射面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。以上のように、この光検出器によれば、チャンネル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。

【0010】

本開示に係る光検出器は、［２］「下記式（４）を満たす、上記［１］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）

【0011】

本開示に係る光検出器は、［３］「下記式（５）を満たす、上記［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）

【0012】

本開示に係る光検出器は、［４］「下記式（６）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）

【0013】

本開示に係る光検出器は、［５］「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］～［４］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。

【0014】

本開示に係る光検出器は、［６］「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］～［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、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。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、チャンネル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な光検出器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】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】図１に示された光検出器の一部を示す上面図である。

【図3】図１に示された光検出器の一部拡大図である。

【図4】図２に示された半導体素子の一部拡大図である。

【図5】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】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。

【図7】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。

【図8】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9】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10】変形例に係る光検出器の模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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、例えば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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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）

【0032】

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）

【0033】

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）

【0034】

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）

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

例えば、上記実施形態では、入射面板２が平板状である場合について例示した。しかし、光検出器は、図１０に示されるように、平板状ではなく、光電面２ｓの形成領域が半導体素子１０に向かって突出する凸部となるような形状の入射面板２Ａを備える光検出器１Ａであってもよい。光検出器１Ａは、上記実施形態に係る光検出器１と比較して、入射面板２に代えて入射面板２Ａを備える点において相違しており、他の点で一致している。

【0044】

入射面板２Ａは、平板状の第１部分２１と、第１部分２１から突出した第２部分２２と、を含む。第１部分２１は、表面２ａと裏面２ｂとを有し、例えば、上記実施形態に係る入射面板２と同様に円形の平板状に形成されている。第２部分２２は、裏面２ｂから第１方向Ｄ１に（すなわち半導体素子１０側に向かって）突出しており、例えば円錐台状に形成されている。光電面２ｓは、第２部分２２における電子入射面１１ｓに臨む面上に設けられている。

【0045】

入射面板２Ａにおいては、第１方向Ｄ１からみたとき、第１部分２１と第２部分２２とが重複する部分が相対的に厚い部分であり、第１部分２１における第２部分２２から露出した部分が相対的に薄い部分となる。そして、相対的に厚い部分の第１方向Ｄ１に沿っての厚さは、相対的に薄い部分の第１方向Ｄ１の厚さの１３０％よりも厚い。このように、入射面板２Ａが平板状でない場合であっても、上記の各式を満たすことで、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。なお、光検出器１，１Ａは、絶縁膜７を有していなくてもよい。

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

１，１Ａ…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。

【要約】

【課題】チャンネル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な光検出器を提供する。
【解決手段】光検出器１は、入射光に応じて光電子を放出する光電面２ｓが形成された入射面板２と、光電面２ｓに対向するように配置され、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と、を備える。半導体素子１０は、光電面２ｓに対向すると共に、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を有する。光電面２ｓと電子入射面１１ｓとの距離ｂ、チャンネルｃｈの間隔Δｃｈし、光電面２ｓと電子入射面１１ｓとの間に印加された電圧Ｖが、下記式（１）を満たす。距離ｂ［ｍｍ］／間隔Δｃｈ［ｍｍ］＜１４．４×電圧Ｖ［ｋＶ］＋６０…（１）。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】