JP2002134764A - レンズ付光デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作製コストを低減させることができるレンズ
付光デバイスを提供する。 【解決手段】 フォトダイオード４１はｎ型単結晶シリ
コンからなる基体４２を備えている。基体４２の表層部
４２ａには、ｐ型単結晶シリコンからなる受光部４３が
形成されている。基体４２の上方には、受光部４３を覆
うＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）からなる光透
過層４４が形成されている。光透過層４４上において受
光部４３に対応する箇所にはフレネルレンズ４５が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
フォトダイオード等の光デバイスを有するレンズ付光デ
バイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、発光ダイオードやフォトダイ
オード等の光デバイスにレンズを組み合わせたレンズ付
光デバイスが知られている。

【０００３】例えば、図９に示すように、レンズ付光デ
バイス３１を構成するリードフレーム３の上面には、チ
ップ６が設置されている。チップ６の上面には、フォト
ダイオード９が形成されている。フォトダイオード９
は、ｎ型半導体からなる基体９ａとｐ型半導体からなる
受光部９ｂとによって構成されている。また、チップ６
は、有機材料としてのエポキシ樹脂からなるモールド部
４内にパッケージングされるようになっている。モール
ド部４には、立体的な形状のレンズ部１０が一体的に突
出形成されるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、レンズ部１
０はモールド部４の一部であるため、モールド部４も光
透過性を有する材料によって形成しなければならなかっ
た。また、レンズ部１０の露出面１０ａは曲面形状にな
っていたため、レンズ部１０の精度を向上させるのが困
難であった。さらに、このレンズ付光デバイス３１を作
製するには、チップ６をモールド部４内にパッケージン
グする工程を必要としていた。その結果、レンズ付光デ
バイス３１の作製コストが上昇してしまうという問題が
あった。

【０００５】また、モールド部４には光透過性を維持す
る必要があったため、フィラーを含まないエポキシ樹脂
が使用されていた。このため、レンズ付光デバイス３１
が熱サイクルに遭遇すると、モールド部４が変形してし
まったり、ボンディングワイヤ接続部が破損してしま
い、レンズ付光デバイス３１を破損してしまう場合があ
った。

【０００６】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、その第１の目的は、作製コストを低減させるこ
とができるレンズ付光デバイスを提供することにある。
第２の目的は、耐熱性を向上させることができるレンズ
付光デバイスを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、第１導電型半導体からな
る基体の表層部に第２導電型半導体からなる受光部また
は発光部を備えるレンズ付き光デバイスにおいて、前記
基体の表層部に前記受光部または発光部を覆う光透過層
を形成するとともに、その光透過層上において前記受光
部または発光部に対応する箇所に平面レンズを形成した
ことを要旨とする。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記基体の表層部に前記受光部または
発光部を覆う光透過層を形成するとともに、その光透過
層上に形成される遮光層において前記受光部または発光
部に対応する箇所に円形または多角形状の開孔部を透設
し、前記遮光層上に保護膜を形成するとともに、前記開
孔部内に複数の光透過部と位相シフト部とを交互に且つ
同心円状または多角形状に形成することによって、前記
平面レンズを構成したことを要旨とする。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記基体の表層部に前記受光部または
発光部を覆う光透過層を形成するとともに、その光透過
層上に形成される遮光層において前記受光部または発光
部に対応する箇所に、複数の光透過部と遮光部とを交互
に且つ同心円状または多角形状に形成することによっ
て、前記平面レンズを構成したことを要旨とする。

【００１０】以下、本発明の「作用」について説明す
る。請求項１に記載の発明によれば、レンズ付光デバイ
スには平面レンズが使用されている。平面レンズは立体
的な形状のレンズに比べて設計が容易であるため、比較
的簡単に精度を向上させることができる。また、このレ
ンズ付光デバイスを作製する場合、基体、受光部または
発光部を有機材料によってパッケージングする工程は不
要になる。従って、レンズ付光デバイスの作製コストを
低減させることができる。また、レンズ付光デバイスの
熱による変形が防止され、レンズ付光デバイスの破損が
防止される。従って、レンズ付光デバイスの耐熱性を向
上させることができる。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、位相シフ
ト部と保護膜とが同じ材料で形成されている。そのた
め、光透過性を有し、膜厚を一定の大きさに設定しやす
い材料で位相シフト部及び保護膜を形成することによっ
て、遮光部を形成する場合に比べて平面レンズの集光効
率を向上させることができる。

【００１２】請求項３に記載の発明によれば、遮光部と
遮光層とが同じ材料で形成されている。そのため、平面
レンズを簡単に形成することができる。従って、レンズ
付光デバイスを簡単に形成することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明の
レンズ付光デバイスをフォトダイオードに具体化した第
１実施形態を図１〜図４に従って説明する。

【００１４】図２に示すように、レンズ付光デバイスと
してのフォトダイオード４１は、第１導電型半導体とし
てのｎ型単結晶シリコンからなる基体４２を備えてい
る。基体４２には、図示しないｎ側電極が接合されてい
る。ｎ側電極は、アルミニウム等の導電性を有する金属
によって形成されている。このｎ側電極には、電源のプ
ラス側が接続されるようになっている。また、基体４２
の表層部４２ａにおける複数箇所（本実施形態では２箇
所）には、受光部４３が埋設されている。受光部４３
は、第２導電型半導体としてのｐ型単結晶シリコンから
なっている。基体４２及び受光部４３の上面には熱酸化
膜４６が形成されている。熱酸化膜４６は、シリコン酸
化物としての酸化シリコン（ＳｉＯ₂）によって形成さ
れている。また、受光部４３の上面にはｐ側電極４８が
接合されている。ｐ側電極４８は、アルミニウム等の導
電性を有する金属によって形成されている。このｐ側電
極４８には、電源のマイナス側が接続されるようになっ
ている。熱酸化膜４６及びｐ側電極４８の上面には第１
パッシベーション膜４７が形成されている。第１パッシ
ベーション膜４７は、シリコン窒化物としての窒化シリ
コン（Ｓｉ₃Ｎ₄）によって形成されている。

【００１５】第１パッシベーション膜４７の上面全体に
は、光透過性を有する光透過層４４が形成されている。
光透過層４４は、無機材料としてのＳＯＧ（Ｓｐｉｎ
ＯｎＧｌａｓｓ）によって形成されている。光透過層４
４は、基体４２及び受光部４３を覆うように配置されて
いる。つまり、光透過層４４は、外部からの光を受光部
４３側に透過させるようになっている。光透過層４４の
厚さｔ１は、１〜５００μｍの範囲に設定されることが
望ましい。本実施形態においては、光透過層４４の厚さ
ｔ１は、１００μｍに設定されている。尚、厚さｔ１と
は、第１パッシベーション膜４７の上面における最も低
い部分から光透過層４４の上面までの高さである。

【００１６】図２に示すように、光透過層４４の上面に
は遮光層５０が全体的に形成されている。遮光層５０は
アルミニウム等の金属によって形成されている。図１及
び図２に示すように、光透過層４４及び遮光層５０の上
面には、保護膜としての第２パッシベーション膜４９が
形成されている。第２パッシベーション膜４９は、光透
過性を有し、膜厚を一定の大きさに設定し易い材料によ
って形成されている。本実施形態において、第２パッシ
ベーション膜４９は窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）によって
形成されている。

【００１７】また、図１及び図２に示すように、遮光層
５０において受光部４３に対応する箇所には、円形上の
開孔部５０ａが透設されている。開孔部５０ａの直径
は、受光部４３の幅よりもやや大きくなっている。開孔
部５０ａ内には、平面レンズとしてのフレネルレンズ４
５が膜状に形成されている。そのため、フレネルレンズ
４５は、光透過層４４上において受光部４３に対応する
箇所に配置される。このフレネルレンズ４５は、凹状の
光透過部５１と凸状の位相シフト部５２とを、交互に３
本ずつ同心円状に形成することによって構成されてい
る。位相シフト部５２は、光透過層４４の上面に円環状
に形成された第２パッシベーション膜４９である。位相
シフト部５２の屈折率は、光透過部５１の屈折率と異な
っている。位相シフト部５２は光透過部５１と屈折率の
異なる材料によって形成されている。そのため、位相シ
フト部５２は光波の波長を変えて位相をずらす役割をも
つ。

【００１８】次に、第１実施形態のフォトダイオード４
１の製造手順について詳述する。まず、基体４２の表層
部４２ａにマスクを被覆してフォトエッチングを行う。
そして、表層部４２ａが露出する部分にイオン注入等に
よってｐ型不純物を打ち込み、さらにそのｐ型不純物を
加熱して拡散させる。その結果、表層部４２ａにｐ型単
結晶シリコンからなる受光部４３が形成される。尚、表
層部４２ａにｐ型単結晶シリコンをエピタキシャル成長
させて受光部４３を形成してもよい。

【００１９】次に、表層部４２ａを被覆するマスクを除
去した後、表層部４２ａ及び受光部４３の上面を酸化雰
囲気（Ｏ₂ｒｉｃｈの雰囲気）において加熱する。その
結果、熱酸化膜４６が形成される。この状態において、
熱酸化膜４６の上面における所定部分をマスクによって
被覆する。その後、エッチングを行って、受光部４３の
一部を露出させてコンタクトホール４８ａを形成する。
この状態において蒸着を行うことにより、ｐ側電極４８
が形成される。そして、熱酸化膜４６及びｐ側電極４８
の上面に対して第１パッシベーション膜４７をＣＶＤ法
によって形成する。そして、第１パッシベーション膜４
７の上面にＳＯＧを塗布した後、焼成して硬化させるこ
とにより、ケイ酸ガラス（ＳｉＯ₂）を主成分とする光
透過層４４が形成される。

【００２０】さらに、図３に示すように、光透過層４４
の上面に、孔７２を有するマスク７１を形成する。この
状態において、アルミニウムを蒸着させることにより、
光透過層４４上に開孔部５０ａを有する遮光層５０が形
成される。

【００２１】そして、マスク７１を除去した後、図４に
示すように、遮光層５０の上面全体に第２パッシベーシ
ョン膜４９を形成する。さらに、第２パッシベーション
膜４９の上面をマスク７３によって被覆し、エッチング
を行う。その結果、開孔部５０ａ内に複数の位相シフト
部５２と複数の光透過部５１とが同時に形成される。ゆ
えに、図１に示すようなフレネルレンズ４５が形成さ
れ、図２に示すフォトダイオード４１が完成する。

【００２２】この第１実施形態によれば、以下のような
効果を得ることができる。 （１）フォトダイオード４１には、膜状に形成されたフ
レネルレンズ４５が使用されている。フレネルレンズ４
５は平面的な形状のレンズであるため、曲面を有する立
体的な形状のレンズに比べて設計が容易である。よっ
て、フレネルレンズ４５の精度を比較的簡単に向上させ
ることができる。また、このフォトダイオード４１を作
製する場合、基体４２、受光部４３を有機材料によって
パッケージングする工程は不要になる。従って、フォト
ダイオード４１の作製コストを低減させることができ
る。また、フォトダイオード４１の熱による変形が防止
され、フォトダイオード４１の破損が防止される。従っ
て、フォトダイオード４１の耐熱性を向上させることが
できる。

【００２３】（２）位相シフト部５２は、光透過性を有
し、膜厚を一定の大きさに設定し易い材料であるＳｉ₃
Ｎ₄によって形成されている。そのため、光は、光透過
部５１だけでなく位相シフト部５２も透過する。よっ
て、位相シフト部５２を遮光性を有する材料で形成する
場合に比べて、フレネルレンズ４５の集光効率を向上さ
せることができる。

【００２４】（３）光透過層４４の厚さｔ１は、１〜１
００μｍ程度と極めて薄くなっている。そのため、フレ
ネルレンズ４５が平面的な形状のレンズであっても、同
フレネルレンズ４５の直下に位置する受光部４３は、光
透過部５１を透過した光を確実に受光する。よって、各
受光部４３同士を近接して複数個形成した場合でも、フ
レネルレンズ４５同士を近接させて形成することができ
る。従って、従来に比べてフォトダイオード４１を小型
化することができる。

【００２５】（４）第２パッシベーション膜４９は位相
シフト部５２と同一の材料によって形成されている。ま
た、第２パッシベーション膜４９は第１パッシベーショ
ン膜４７と同一の材料によって形成されている。さら
に、遮光層５０は、ｎ側電極及びｐ側電極４８と同一の
材料によって形成されている。ゆえに、フォトダイオー
ド４１を作製するために必要な材料の種類及び製造設備
が少なくなるため、フォトダイオード４１を容易に作製
することができる。

【００２６】（５）第２パッシベーション膜４９及び位
相シフト部５２は、遮光層５０に開孔部５０ａが透設さ
れた後で形成されるようになっている。そのため、第２
パッシベーション膜４９と位相シフト部５２とを同時に
形成することができる。従って、これらを別々に形成す
る場合に比べて、フォトダイオード４１を作製する工程
数を削減することができる。

【００２７】（第２実施形態）以下、本発明のレンズ付
光デバイスをフォトダイオードに具体化した第２実施形
態を図５〜図８に従って説明する。ここでは第１実施形
態と相違する点を主に述べ、共通する点については同一
部材番号を付すのみとしてその説明を省略する。

【００２８】図５及び図６に示すように、フレネルレン
ズ４５は、凹状の光透過部５１と凸状の遮光部６１とを
交互に同心円状に形成することによって構成されてい
る。遮光部６１は、光透過層４４の上面に形成された遮
光層５０の一部をなしている。遮光部６１は遮光性を有
する金属材料（アルミニウム）によって形成されてい
る。

【００２９】次に、第２実施形態のフォトダイオード４
１の製造手順について詳述する。第１実施形態と同様に
光透過層４４を形成した後、図７に示すように、光透過
層４４の上面全体にアルミニウムを蒸着させることによ
り遮光層５０を形成する。さらに、遮光層５０の上面を
マスク８１によって被覆し、エッチングを行う。その結
果、遮光層５０に光透過部５１と遮光部６１からなるフ
レネルレンズ４５が形成される。尚、光透過層４４の上
面を被覆するマスク８１に孔を配設した後、アルミニウ
ムを蒸着させることによって、遮光層５０にフレネルレ
ンズ４５を形成してもよい。

【００３０】その後、図８に示すように、マスク８１を
除去した後、アルミニウムからなる遮光層５０及びフレ
ネルレンズ４５を保護するために、第２パッシベーショ
ン膜４９を被覆する。その結果、図５に示すフォトダイ
オード４１が完成する。

【００３１】従って、この第２実施形態によれば、以下
のような効果を得ることができる。 （６）遮光部６１と遮光層５０とが同じ材料で形成され
るようになっている。また、フレネルレンズ４５は、遮
光部６１により遮られる光の位相と光透過部５１を透過
する光の位相との差を利用して光を集光するため、平面
的に設計することが可能になる。ゆえに、フレネルレン
ズ４５を容易に形成することができる。従って、フォト
ダイオード４１を容易に形成することができる。

【００３２】（７）遮光部６１は遮光層５０の一部をな
している。そのため、遮光層５０とフレネルレンズ４５
とを同時に形成することができる。従って、これらを別
々に形成する場合に比べて、フォトダイオード４１を作
製する工程数を削減することができる。

【００３３】尚、前記各実施形態は以下のように変更し
てもよい。 ・前記第１及び第２実施形態において、各位相シフト部
５２及び各遮光部６１の数を変更してもよい。また、各
位相シフト部５２及び各遮光部６１は、円環状以外の形
状、例えば、楕円環状、四角環状等をなしていてもよ
い。

【００３４】・前記第１及び第２実施形態では、受光部
４３及びフレネルレンズ４５が２箇所に形成されてい
た。しかし、受光部４３及びフレネルレンズ４５を１箇
所のみに形成してもよい。また、受光部４３及びフレネ
ルレンズ４５を３箇所以上に形成してもよい。

【００３５】・前記第１及び第２実施形態では、基体４
２には受光部４３が形成されていた。その代わりに、基
体４２に発光部を形成するようにしてもよい。 ・前記第１及び第２実施形態では、第２パッシベーショ
ン膜４９は窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）によって形成され
ていた。しかし、第１実施形態において、第２パッシベ
ーション膜４９を光透過性を有し、膜厚を一定の大きさ
に設定し易い酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等の他の材料を
用いて形成してもよい。また、第２実施形態において、
第２パッシベーション膜４９を光透過性を有する酸化シ
リコン（ＳｉＯ₂）等の他の材料によって形成してもよ
い。

【００３６】・前記第１及び第２実施形態において、第
１パッシベーション膜４７及び第２パッシベーション膜
４９を、Ｓｉ₃Ｎ₄以外のシリコン窒化物（ＳｉＮ_x）に
よって形成してもよい。

【００３７】・前記第１及び第２実施形態において、第
２パッシベーション膜４９は省略されていてもよい。 ・前記第１及び第２実施形態では、レンズ付光デバイス
をフォトダイオード４１として具体化している。しか
し、本発明はフォトダイオードに限定されるものではな
く、例えば、発光ダイオード、フォトトランジスタ等に
具体化してもよい。

【００３８】・前記第１及び第２実施形態では、第１導
電型半導体をｎ型単結晶シリコン、第２導電型半導体を
ｐ型単結晶シリコンとしているが、これらを逆にしても
よい。即ち、第１導電型半導体をｐ型単結晶シリコン、
第２導電型半導体をｎ型単結晶シリコンとして具体化し
てもよい。また、第１導電型半導体及び第２導電型半導
体は、多結晶、アモルファスの材料によって形成されて
いてもよい。さらに、第１導電型半導体及び第２導電型
半導体は、シリコン以外にも、例えば、ガリウム砒素等
の半導体によって形成されていてもよい。

【００３９】・ｎ側電極、ｐ側電極４８及び遮光層５０
を形成する材料は、アルミニウムに限定されるものでは
ない。即ち、金等を用いてもよい。次に、特許請求の範
囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態
によって把握される技術的思想を以下に記載する。

【００４０】（１）請求項１〜３において、前記受光部
または発光部は、前記基体上の複数箇所に設けられるこ
とを特徴とするレンズ付光デバイス。 （２）請求項２において、前記位相シフト部は、前記光
透過層よりも屈折率の小さい材料によって形成されるこ
とを特徴とするレンズ付光デバイス。よって、技術的思
想（２）によれば、位相シフト部に膜厚制御性の良い材
料を使用すれば、平面レンズの集光効率を向上させるこ
とができる。

【００４１】（３）請求項３において、前記遮光部を、
遮光性を有する金属材料によって形成したことを特徴と
するレンズ付光デバイス。 （４）請求項１において、前記基体の表層部に前記受光
部または発光部を覆う光透過層を形成するとともに、そ
の光透過層上に形成される遮光層において前記受光部ま
たは発光部に対応する箇所に円形または多角形状の開孔
部を透設し、前記遮光層上に保護膜を形成するととも
に、前記開孔部内に複数の光透過部と半透過部とを交互
に且つ同心円状または多角形状に形成することによっ
て、前記平面レンズを構成したことを特徴とするレンズ
付光デバイス。

【００４２】（５）第１導電型半導体からなる基体の表
層部に、第２導電型半導体からなる受光部または発光部
と、前記受光部または発光部を覆う光透過層とを形成す
る工程と、前記光透過層上に遮光層を形成する工程と、
前記遮光層において前記受光部または発光部に対応する
箇所に円形または多角形状の開孔部を透設する工程と、
前記遮光層上に保護膜を形成すると同時に、前記開孔部
内に複数の同心円状または多角形状の位相シフト部を形
成することによって平面レンズを構成する工程とからな
ることを特徴とするレンズ付光デバイスの製造方法。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明によれば、レンズ付光デバイスの作製コストを低減
させることができる。また、レンズ付光デバイスの耐熱
性を向上させることができる。

【００４４】請求項２に記載の発明によれば、遮光部を
形成する場合に比べて平面レンズの集光効率を向上させ
ることができる。請求項３に記載の発明によれば、レン
ズ付光デバイスを簡単に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態におけるレンズ付光デバイスの
平面図。

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】 遮光部が形成される前の状態を示す断面図。

【図４】 平面レンズが形成される前の状態を示す断面
図。

【図５】 第２実施形態におけるレンズ付光デバイスの
平面図。

【図６】 図５のＢ−Ｂ線断面図。

【図７】 平面レンズが形成される前の状態を示す断面
図。

【図８】 第２パッシベーション膜が形成される前の状
態を示す断面図。

【図９】 従来技術における光デバイスの断面図。

【符号の説明】

４１…レンズ付光デバイスとしてのフォトダイオード、
４２…基体、４２ａ…表層部、４３…受光部、４４…光
透過層、４５…平面レンズとしてのフレネルレンズ、４
９…保護膜としての第２パッシベーション膜、５０…遮
光層、５０ａ…開口部、５１…光透過部、５２…位相シ
フト部、６１…遮光部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型半導体からなる基体の表層部に
   第２導電型半導体からなる受光部または発光部を備える
   レンズ付光デバイスにおいて、前記基体の表層部に前記
   受光部または発光部を覆う光透過層を形成するととも
   に、その光透過層上において前記受光部または発光部に
   対応する箇所に平面レンズを形成したことを特徴とする
   レンズ付光デバイス。
2. 【請求項２】前記基体の表層部に前記受光部または発光
   部を覆う光透過層を形成するとともに、その光透過層上
   に形成される遮光層において前記受光部または発光部に
   対応する箇所に円形または多角形状の開孔部を透設し、
   前記遮光層上に保護膜を形成するとともに、前記開孔部
   内に複数の光透過部と位相シフト部とを交互に且つ同心
   円状または多角形状に形成することによって、前記平面
   レンズを構成したことを特徴とする請求項１に記載のレ
   ンズ付光デバイス。
3. 【請求項３】前記基体の表層部に前記受光部または発光
   部を覆う光透過層を形成するとともに、その光透過層上
   に形成される遮光層において前記受光部または発光部に
   対応する箇所に、複数の光透過部と遮光部とを交互に且
   つ同心円状または多角形状に形成することによって、前
   記平面レンズを構成したことを特徴とする請求項１に記
   載のレンズ付光デバイス。