CN100432641C - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光检测装置。光检测装置(1)具备光电二极管PDn、积分电路(10n)、CDS电路(20n)及保持电路(30n)。积分电路(10n)包含放大器(11n)、电容器C及开关SW。在第1基板(100)上排列光电二极管(PDn)。在第2基板(200)上配置积分电路(10n)的放大器(11n)的差动对输入部(晶体管T1、T2)及电容器C等。在第3基板(300)上配置积分电路(10n)的放大器(11n)的驱动部(晶体管T5、T6)等。

Description

光检测装置
技术领域
本发明涉及排列有多个光电二极管的光检测装置。
背景技术
光检测装置具备一维状或二维状排列的多个光电二极管、以及包含放大器和电容器的积分电路，有时还有后续的信号处理电路。在该光检测装置中，量值上与向各光电二极管的入射光强度对应的电荷从该光电二极管输出，该电荷蓄积于电容器，对应于该蓄积的电荷的量的电压从积分电路输出。根据对应于多个光电二极管各自发生的电荷量由积分电路输出的电压，可检测入射到排列着多个光电二极管的受光部的光。
作为这样的光检测装置，可见于日本专利特开平11-287863号公报。在该公报中揭示的光检测装置，是利用可挠性电缆将多个光电二极管作二维排列的第1基板与设置积分电路等的第2基板相互连接而成的。此外，在多个光电二极管作二维排列的第1基板上也设置开关阵列，通过该开关阵列内的各开关的开闭，可选择二维排列的多个光电二极管中的任一个或多个与积分电路相连接。
发明内容
但是，在上述公报中揭示的光检测装置中，在第1基板上排列的多个光电二极管间的区域，设置着将各光电二极管与各开关相互连接的配线，该配线根数极多。在谋求增加第1基板上的光电二极管数(像素数)和高密度化时，需要在狭窄的区域设置更多的配线，因此，难以实现像素数的增加和高密度化。此外，由于配线长，容易在从光电二极管送往积分电路的电荷上叠加干扰噪声，导致不能进行正确的光检测。
为解决此类问题，可考虑将二维排列多个光电二极管的第1基板与设置积分电路等的第2基板相互作凸块连接。通过凸块连接，可减少第1基板上的配线的根数、或可缩短配线，因此使第1基板上的像素数的增加及高密度化成为可能。
但是，在凸块连接时，第1基板上的光电二极管及第2基板上的积分电路中的放大器是彼此靠近配置的。因此，第2基板上的放大器的发热会使第1基板上的光电二极管的温度上升，此温度的上升导致不能进行正确的光检测。
本发明是为解决上述问题而提出的，目的在于提供可增加像素数及实现高密度化，能进行正确的光检测的光检测装置。
本发明的光检测装置，具备：(1)各自发生量值上对应于入射光强度的电荷的多个光电二极管，(2)包含具有输入端侧的差动对输入部和输出端侧的驱动部的放大器、及设置于放大器的输入端与输出端之间的电容器和开关，开关断开时将从光电二极管输入至输入端的电荷蓄积于电容器，并将对应于蓄积在电容器的电荷量的电压从输出端输出的积分电路。
又，本发明的光检测装置，具有以下特征：在第1基板上设置多个光电二极管，在第2基板上设置电容器及差动对输入部，在第3基板上设置驱动部，第1基板与第2基板相互利用凸块连接，光电二极管与积分电路的输入端相互电气连接。此外，最好使第2基板与第3基板相互作凸块连接。
或者，本发明的光检测装置，其特征在于，在第1基板上设置多个光电二极管，在第2基板上设置电容器、差动对输入部和驱动部，第1基板与第2基板相互利用凸块连接，光电二极管与积分电路的输入端相互电气连接，在与设置多个光电二极管的第1基板的区域重合的第2基板上的第1区域，设置电容器及差动对输入部，在与设置多个光电二极管的第1基板的区域不重合的第2基板上的第2区域上设置驱动部。
按照本发明，当光入射到第1基板时，从第1基板上的各光电二极管发生量值上对应于入射光强度的电荷。该电荷输入到与第1基板用凸块连接的第2基板(或第2基板上的第1区域)上的积分电路，蓄积于电容器中。而且，与蓄积在该电容器中的电荷的量对应的电压，从第3基板(或第2基板上的第2区域)上的积分电路的驱动部输出。
本发明中，积分电路的电容器及放大器的差动对输入部被设置在与第1基板作凸块连接的第2基板(或第2基板上的第1区域)上。而积分电路的放大器的驱动部则被设置在不与第1基板作凸块连接的第3基板(或第2基板上的第2区域)上。因此，本发明的光检测装置可增加像素数和实现高密度化，而且能进行正确的光检测。
附图说明
图1是本实施形态的光检测装置1的概略图；
图2是本实施形态的光检测装置1的积分电路10n的详细的电路图；
图3是表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100、第2基板200及第3基板300的配置关系的立体图；
图4表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100及第2基板200的剖面之一例；
图5表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100及第2基板200的剖面的其他例子；
图6是表示其他实施形态的光检测装置2中的第1基板100及第2基板210的配置关系的立体图。
具体的实施方式
以下参照附图对本发明的实施形态作详细说明。在附图说明中，对同一要素加以同一符号，说明从略。
图1是本实施形态的光检测装置1的概略图。该光检测装置1，具有N个光电二极管PD1～PDN、N个积分电路101～10N、N个CDS(Correlated Double Samapling、相关双重取样)电路201～20N、以及N个保持电路301～30N。这里，N为2或2以上的整数。
各光电二极管PDn发生量值上对应于入射光强度的电荷。这里，n是1以上N以下的各整数。各积分电路10n输入由光电二极管PDn发生的电荷，使该电荷蓄积于电容器，并输出与该蓄积的电荷量对应的电压。各CDS电路20n输入由积分电路10n输出的电压，并输出表示该输入电压在一定时间的变化量。而且，各保持电路30n输入由CDS电路20n输出的电压，在一定期间内保持、输出该电压。
图2是本实施形态的光检测装置1的积分电路10n的详细的电路图。光电二极管PDn，其阳极端子接地，阴极端子连接到积分电路10n的放大器11n的输入端。积分电路10n包含放大器11n、电容器C及开关SW。电容器C及开关SW相互并联连接，设置在放大器11n的输入端与输出端之间。在放大器11n的输出端上连接CDS电路20n。在该积分电路10n中，通过闭合开关SW，使电容器C放电，输出电压被初始化。另一方面，在开关SW断开期间，由光电二极管PDn输入到输入端的电荷被蓄积在电容器C中，与蓄积在该电容器C的电荷量对应的电压从输出端输出。
放大器11n具有FET型晶体管T1～T7，其中，晶体管T1、T2、T6及T7分别是NMOS晶体管，晶体管T3、T4、及T5分别是PMOS晶体管。晶体管T1的栅极端子与放大器11n的输入端连接。晶体管T1的源极端子及晶体管T2的源极端子分别与晶体管T7的漏极端子连接。晶体管T7的源极端子接地。晶体管T1的漏极端子分别与晶体管T3的栅极端子及漏极端子以及晶体管T4的栅极端子连接。晶体管T2的漏极端子分别与晶体管T4的漏极端子及晶体管T5的栅极端子连接。晶体管T5的漏极端子与晶体管T6的漏极端子连接，并与放大器11n的输出端连接。晶体管T6的源极端子接地。在晶体管T3～T5各自的源极端子上输入规定的电压。在晶体管T2、T6及T7各自的栅极端子上输入规定的DC电压。又，为防止放大器振荡，如所图示将电容器与电阻元件串联连接在晶体管T5的漏极与栅极之间。
在这些晶体管T1～T7中，位于输入端侧的晶体管T1及T2构成放大器11n的差动对输入部。此外，位于输出端侧的晶体管T5及T6构成放大器11n的驱动部。相对而言，差动对输入部的发热量较小，而驱动部的发热量较大。
此外，如图1及图2所示，本实施形态的光检测装置1被分割于第1基板100、第2基板200及第3基板300三块基板上。即亦在第1基板100上一维状或二维状排列N个光电二极管PD1～PDN，在第2基板200上配置N个积分电路101～10N各自的放大器11n的差动对输入部、电容器C及开关SW。在第3基板300上配置N个积分电路101～10N各自的放大器11n的驱动部及另外的晶体管T3，T4，T7、还有N个CDS电路201～20N、以及N个保持电路301～30N。
图3是表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100、第2基板200及第3基板300的配置关系的立体图。此外，实际上各基板100与200之间、基板200与300之间，分别利用凸块电极进行电气连接。如该图所示那样，在本实施形态的光检测装置1中，在安装各自基板时使其在光的入射方向上重合，第1基板100与第2基板200相互作凸块连接，还有，第2基板200与第3基板300相互作凸块连接。
光入射到第1基板100时，从各光电二极管PDn输出量值上与入射光量对应的电荷，该电荷从第1基板100通过凸块连接输入到第2基板200上的积分电路10n的输入端。从包含跨越第2基板200及第3基板300双方设置的放大器11n以及第2基板200上的电容器C和开关SW的积分电路10n，输出对应于光电二极管PDn发生的电荷的量的电压。且，从设置在第3基板300上的CDS电路20n，输出表示由积分电路10n输出的电压在规定时间的变化量的电压，利用设置在第3基板300上的保持电路30n，在一定期间保持并输出从CDS电路20n输出的电压。
图4是表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100及第2基板200的剖面之一例的图。此外，在该图中基本图形在左右方向是重复显示的，因此，以下仅说明一方向的基本图形。
第1基板100，在n型半导体基板的第1面(图中上侧的面)上，形成与该n型基板一起形成pn结，构成光电二极管PD的p+区域111，以及作为隔离区域的n+区域112。此外，第1基板100，在n型半导体基板的第2面(图中下侧的面)上，形成与金属电极124形成欧姆连接的n+型杂质层121、保护表面用的具有绝缘性的保护层122、以及贯通保护层122与n+型杂质层121电气连接的金属电极124。又，第1基板100，设置从第1面和第2面间贯通的贯通孔，在该贯通孔中设置贯通电极131。而且在第1基板100的第1面侧上形成将p+区域111与贯通电极131电气连接的金属配线层113，此外，在第2面侧形成与贯通电极131电气连接的金属电极123。
第2基板200，在半导体基板的第1面(图中上侧的面)上，形成与积分电路10n的输入端电气连接的金属电极223、以及电气连接于接地电位的金属电极224。而且，第1基板100的金属电极123与第2基板200的金属电极223利用凸块423相互连接，此外，第1基板100的金属电极124与第2基板200的金属电极224利用凸块424相互连接。第1基板100与第2基板200间的间隙用树脂充填。
此外，在第1基板100的第1面的一侧，配置闪烁器510及屏蔽材料520。闪烁器510设置在第1基板100的p+区域111的上方，利用X线等能量射线的入射产生闪烁光。屏蔽材料520，设置于第1基板100的n+区域112的上方，用来阻止X线等能量射线的透过并固定闪烁器510。
在图4展示的构成中，X线等能量射线入射到闪烁器510时，该闪烁器510发生闪烁光。又，该闪烁光入射到第1基板100的p+区域111时，在pn结部发生电荷。该电荷经由金属配线层113、贯通电极131、金属电极123、凸块423及第2基板200的金属电极223，输入到形成于第2基板200上的积分电路10n的输入端。如果积分电路10n的开关SW断开，输入到输入端的电荷被蓄积在电容器C中。而且，从形成于第3基板300上的积分电路10n的驱动部，输出对应于蓄积在电容器C的电荷的量的电压。
图5是表示本实施形态的光检测装置1中的第1基板100及第2基板200的剖面的另一例的图。此外，在该图中，基本图形在左右方向也是重复显示的，因此，以下仅说明一方向的基本图形。
第1基板100，在n型半导体基板的第1面(图中上侧的面)上形成防止电荷再结合用的n+型积聚层151，以及保护表面用的具有绝缘性的保护层152。第1基板100，在n型半导体基板的第2面(图中下侧的面)上，与该n型基板一起形成pn结，形成构成光电二极管PD的p+区域161，形成作为隔离区域的n+区域162，并在它们之上形成保护层163。此外，在第1基板100的第2面，形成与p+区域161电气连接的金属电极164、以及与n+区域162电气连接的金属电极165。
第2基板200，在半导体基板的第1面(图中上侧的面)上，形成与积分电路10n的输入端进行电气连接的金属电极264及金属电极265。而且，第1基板100的金属电极164与第2基板200的金属电极264利用凸块464相互连接。第1基板100的金属电极165与第2基板200的金属电极265利用凸块465相互连接。第1基板100与第2基板200间的间隙用树脂充填。
此外，在第1基板100的第1面的一侧，配置闪烁器510及屏蔽材料520。闪烁器510设置在第1基板100的p+区域161的上方，利用入射X线等能量射线发生闪烁光。屏蔽材料520设置于第1基板100的n+区域162的上方，用来阻止X线等的能量射线的透过并固定闪烁器510。此外，第1基板100在形成p+区域161的部分，其第1面侧使用机械化学研磨、各向异性蚀刻等方法减薄厚度。
在图5展示的构成中，X线等能量射线入射到闪烁器510时，该闪烁器510发生闪烁光。又，该闪烁光透过第1基板100，入射到p+区域161时，在pn结部发生电荷。该电荷经由金属配线层164、凸块464及第2基板200的金属电极264，输入到形成于第2基板200上的积分电路10n的输入端。如果积分电路10n的开关SW断开，则输入到输入端的电荷蓄积在电容器C中。而且，从形成于第3基板300上的积分电路10n的驱动部，输出对应于蓄积在电容器C的电荷的量的电压。
如上所述，在图4及图5所示的构成的情况下都是，在本实施形态的光检测装置1中，由第1基板100上的各光电二极管PDn发生的电荷，输入到与该第1基板100以凸块连接的第2基板200上的积分电路10n的输入端，并蓄积在电容器C。而且，从第3基板300上的积分电路10n的驱动部，输出对应于蓄积在电容器C的电荷的量的电压。
因此，可减少第1基板100上的配线或缩短配线，因此容易实现第1基板上的像素数的增加及高密度化。此外，由于能缩短从第1基板100上的光电二极管PDn至第2基板200上的积分电路10n的放大器11n的差动对输入部及电容器C的电荷移动路径，可抑制噪声的叠加，这就使进行正确的光检测成为可能。此外，第3基板300上的各积分电路10n的放大器11n的驱动部，虽然发热多，但是与形成各光电二极管PDn的第1基板100分离配置，所以能够抑制第1基板100上的各光电二极管PDn的温度上升，这也使进行正确的光检测成为可能。又由于在形成光电二极管阵列的第1基板100、及形成积分电路等信号处理电路的第2基板200及第3基板300上可采用最适当的制造工艺，这也是一大优点。
图6是表示其他实施形态的光检测装置2中的第1基板100及第2基板210的配置关系的立体图。在该光检测装置2中的第1基板100，其构成与上述光检测装置1中的第1基板100相同，形成N个光电二极管PD1～PDN。另一方面，该光检测装置2中的第2基板210，大体等同于上述光检测装置1中的第2基板200与第3基板300的组合构成。
该光检测装置2中的第2基板210，包含第1区域211及第2区域212。第2基板210的第1区域211，以凸块B与第1基板100连接，光电二极管PDn与积分电路10n的输入端相互电气连接。第2基板210的第1区域211，与设置光电二极管PD1～PDN的第1基板100上的区域重合，是与上述的光检测装置1中的第2基板200相同的，设置积分电路10n的电容器C及放大器11n的差动对输入部。另一方面，第2基板210的第2区域212，与设置光电二极管PD1～PDN的第1基板100上的区域不重合，是与上述的光检测装置1中的第3基板300相同的，设置积分电路10n的放大器11n的驱动部。
在该光检测装置2中，在第1基板100上的各光电二极管PDn发生的电荷，输入到与该第1基板100以凸块连接的第2基板210的第1区域211上的积分电路10n的输入端，并蓄积在电容器C。而且从与第1基板100不重叠的第2基板210的第2区域212上的积分电路10n的驱动部，输出对应于蓄积在电容器C中的电荷的量的电压。因此，该光检测装置2也能得到与上述光检测装置1同样的效果。
本发明不限于上述实施形态，可以作种种变形。例如，包含于积分电路的放大器，不限于图2所示的构成，也可采用其他构成。此外，第1基板100和第2基板200各自的剖面构造，不限于图4及图5中分别所示的构造。此外，在第3基板300或第2基板210的第2区域212，还可设置其他电路(例如A/D变换电路等)。
如以上详细说明的那样，本发明中，积分电路的电容器及放大器的差动对输入部，设置在以凸块与第1基板连接的第2基板(或第2基板上的第1区域)上。而积分电路的放大器的驱动部则设置在不与第1基板以凸块连接的第3基板(或第2基板上的第2区域)上。因此本发明的光检测装置可实现像素数的增加及高密度化，能够进行正确的光检测。
产业上的利用区域
本发明可用于光检测装置。

Claims (2)

1.一种光检测装置，其特征在于，
具备
各自产生量值上对应于入射光强度的电荷的多个光电二极管，以及
积分电路，该积分电路包含具有输入端侧的差动对输入部和输出端侧的驱动部的放大器、及设置于前述放大器的前述输入端与前述输出端之间的电容器和开关，前述开关断开时，使从前述光电二极管输入至前述输入端的电荷蓄积于前述电容器，并将对应于蓄积在前述电容器中的电荷量的电压从前述输出端输出；
前述多个光电二极管设置在第1基板上，
前述电容器及前述差动对输入部设置在第2基板上，
前述驱动部设置在第3基板上，
前述第1基板与前述第2基板相互利用凸块连接，前述光电二极管与前述积分电路的前述输入端相互电气连接，
前述第2基板位于前述第1基板与前述第3基板之间，
前述第2基板与前述第3基板相互利用凸块连接。
2.一种光检测装置，其特征在于，
具备
各自产生量值上对应于入射光强度的电荷的多个光电二极管，以及
积分电路，该积分电路包含具有输入端侧的差动对输入部和输出端侧的驱动部的放大器以及设置于前述放大器的前述输入端与前述输出端之间的电容器和开关，前述开关断开时从前述光电二极管输入至前述输入端的电荷蓄积于前述电容器中，并将对应于蓄积在前述电容器中的电荷量的电压从前述输出端输出；
前述多个光电二极管设置在第1基板上，
前述电容器、前述差动对输入部和前述驱动部设置在第2基板上，
前述第1基板与前述第2基板相互利用凸块连接，前述光电二极管与前述积分电路的前述输入端相互电气连接，
在与设置前述多个光电二极管的前述第1基板的区域重合的前述第2基板上的第1区域，设置前述电容器及前述差动对输入部，
在与设置前述多个光电二极管的前述第1基板的区域不重合的前述第2基板上的第2区域，设置前述驱动部。
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