JP2006332412A - 受光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
従来、フォトダイオード又はフォトダイオードの樹脂封止体には空乏層に集光する為に反射面やレンズが備えられたが、反射面で反射した光の全てが空乏層に入射するわけでない。また、光を反射する性質を持たないフィラーをフォトダイオードの樹脂封止体に混合しており、フォトダイオードに入射する光が空乏層に到達できるとは限らない。
本願発明は上記課題を解決する為になされたもので、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光又は到達させることを目的とする。
【解決手段】
上記目的を達成する為に、本発明は、フォトダイオードの基板又は半導体層に反射面を備えた。また、フォトダイオードを収容する筐体に拡散体を充填した。
【選択図】図1

Description

本発明は、反射面又は光を拡散する筐体を備えるフォトダイオードにより光を効率よく受光できる受光装置に関する。
フォトダイオードの基板又はフォトダイオードを覆う樹脂封止体は、フォトダイオードの受光面に集光する目的で反射面やレンズを備えることがある(例えば、特許文献1を参照。)。例えば、フォトダイオードは、側面の一つに凸レンズと上面に反射面となる溝を有する樹脂封止体により覆われる。樹脂封止体の凸レンズの側から入射した光は凸レンズにより収束された後に反射面を介し受光面に集光される。樹脂封止体に反射面と凸レンズを設けることにより、フォトダイオードの薄い側面から入射する光を受光面に集光できるものである。
受光面の反対となる空乏層の側に接する反射面を備えることによって、フォトダイオードの受光面の側から入射して空乏層を通過した光を反射面で反射して空乏層に再度入射させる発明も開示されている(例えば、特許文献2を参照。)。空乏層を通過した光を空乏層に反射させることにより、フォトダイオードの光吸収率を向上させるものである。
さらに、フォトダイオードを覆う樹脂封止体に応力緩和等の目的で混合するフィラーの混合量を少なくし、フィラーによる入射光の乱反射や減衰を低減させる発明も開示されている(例えば特許文献3を参照。)。
特開2000-77683号公報。 特開2001-308367号公報。 特開2000-164896号公報。
しかし、特許文献1の発明又は特許文献2の発明では、空乏層に集光することができない課題がある。つまり、特許文献1の発明では、反射面の深さや角度、受光面と反射面との距離、凸レンズの形状等により反射面で反射した光の全てが空乏層に入射するわけでない。また、特許文献2の発明では、反射面が空乏層を挟んで受光面の反対側にある為に、空乏層を通過した光しか空乏層に向けて反射されない。本願発明は前記課題を解決する為になされたもので、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することを目的とする。
また、特許文献3の発明では、光を反射する性質を持たないフィラーを樹脂封止体に混合しており、フォトダイオードに入射する光が空乏層に到達できるとは限らない。本願発明は前記課題を解決する為になされたもので、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本願第一の発明は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面に対向する他方の面の側の基板又は半導体層に設けられた凹部と、を含む受光装置であって、前記凹部は、前記フォトダイオードの前記他方の面の側から入射する光を前記基板又は前記半導体層の内部を透過させて前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
前記凹部に、前記フォトダイオードの前記他方の面の側から入射する光を前記基板又は前記半導体層の内部を透過させて前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することで、前記フォトダイオードの前記他方の面の側から入射する光を前記空乏層に反射させることができる。従って、本願第一の発明は、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第二の発明は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に積層された凹部を形成する凹部形成層と、前記凹部形成層に形成された凹部と、を含む受光装置であって、前記凹部は、前記凹部形成層の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
前記凹部に、前記フォトダイオードの前記凹部形成層の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することで、前記フォトダイオードの前記凹部形成層の側から入射する光を前記空乏層に反射させることができる。従って、本願第二の発明は、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第一の発明又は本願第二の発明において、前記凹部の形状は放物面の一部であってもよい。
前記凹部の形状を放物面の一部とすることで、前記フォトダイオードの前記凹部形成層の側から入射する光を効率よく前記空乏層に反射させることができる。従って、本願第二の発明は、凹部の形状を放物面の一部とすることで、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第三の発明は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に配置された板状体と、 前記板状体を貫通する孔部と、を含む受光装置であって、前記貫通孔は、前記板状体の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
前記貫通孔に、前記フォトダイオードの前記板状体の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することで、前記フォトダイオードの前記板状体の側から入射する光を前記空乏層に反射させることができる。従って、本願第三の発明は、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第三の発明において、前記孔部の形状は放物面の一部であってもよい。
前記孔部の形状を放物面の一部とすることで、前記フォトダイオードの前記板状体の側から入射する光を効率よく前記空乏層に反射させることができる。従って、本願第三の発明は、孔部の形状を放物面の一部とすることで、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
また、本願第二の発明又は本願第三の発明において、前記空乏層は前記放物面の焦点に配置されてもよい。
前記空乏層を前記放物面の焦点に配置することで、前記反射面に入射した光は焦点である前記空乏層に集光される。従って、本願第二の発明又は本願第三の発明は、空乏層を前記放物面の焦点に配置することで、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第四の発明は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、前記筐体内部で前記フォトダイオードを覆うように充填され、光を拡散する拡散体と、を備える受光装置である。
前記筐体内部に、前記フォトダイオードを覆うように光を拡散する前記拡散体を充填することで、前記筐体に入射する光の一部を前記拡散体により拡散して前記空乏層に到達させることができる。従って、本願第四の発明は、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第五の発明は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、前記筐体内部で前記フォトダイオードへ入射する光を拡散する拡散体と、を備える受光装置である。
前記筐体内部に、前記フォトダイオードへ入射する光を拡散する前記拡散体を備えることで、前記筐体に入射する光の一部を前記拡散体により拡散して前記空乏層に到達させることができる。従って、本願第五の発明は、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本願第四の発明又は本願第五の発明において、前記拡散体は混合された屈折率の異なる複数の透明材であってもよい。
前記拡散体が混合された屈折率の異なる複数の透明材であることで、前記筐体に入射する光の一部は吸収されることなく屈折して前記空乏層に到達することができる。従って、本願第四の発明又は本願第五の発明は、前記拡散体が混合された屈折率の異なる複数の透明材であることにより、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
また、本願第四の発明又は本願第五の発明において、前記拡散体は前記空乏層から前記一方の面に垂直な部分を除いて配置されてもよい。
前記拡散体を前記空乏層から前記一方の面に垂直な部分を除いて配置することで、前記筐体に入射する光の一部は拡散又は屈折されずに前記空乏層に到達することができる。従って、本願第四の発明又は本願第五の発明は、前記拡散体を前記空乏層から前記一方の面に垂直な部分を除いて配置することにより、フォトダイオードに入射する光の一部をフォトダイオードの空乏層へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
本発明により、光を効率よく受光できる受光装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものでない。
(実施の形態1)
本実施形態は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面に対向する他方の面の側の基板又は半導体層に設けられた凹部と、を含む受光装置であって、前記凹部は、前記フォトダイオードの前記他方の面の側から入射する光を前記基板又は前記半導体層の内部を透過させて前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
本実施形態である受光装置101の断面図を図1に示す。図1の受光装置101は、フォトダイオード10、空乏層11、凹部21、反射面22で構成される。また、反射面22に入射する光を入射光90とする。
図1のフォトダイオード10は、空乏層11で吸収した光を電気信号に変換する。例えば、フォトダイオード10の基板としては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族単元素半導体、インジウムリン(InP)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、ガリウムインジウム窒素砒素(GaInNAs)、アルミニウムガリウムインジウム窒素(AlGaInN)、アルミニウムインジウムガリウムリン(AlInGaP)、インジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)、インジウムガリウムアルミニウム砒素(InGaAlAs)等のIII−V族化合物半導体、酸化亜鉛(ZnO)、セレン化亜鉛(ZnCe)、カドミウムテルル(CdTe)等のII−VI族化合物半導体の半導体基板又はサファイア基板があげられる。フォトダイオード10の半導体層としては、シリコン、ゲルマニウム等のIV族単元素半導体、インジウムリン、ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、ガリウムインジウム窒素砒素、アルミニウムガリウムインジウム窒素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウム砒素リン、インジウムガリウムアルミニウム砒素等のIII−V族化合物半導体、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、カドミウムテルル等のII−VI族化合物半導体に不純物を添加して半導体基板に積層したp型半導体層又はn型半導体層があげられる。また、フォトダイオード10の構造としては、前記基板又は前記半導体層に設けられたpnフォトダイオード、pinフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等があげられる。
シリコン半導体層を例に説明すると、一方の面の側に空乏層11が形成されるようにボロン(B)、リン(P)等の所望の不純物を拡散する。不純物の拡散方法にはイオン注入法や熱拡散法を利用できるが、イオン注入法により不純物を拡散した場合にはシリコン半導体層の熱処理をすることが望ましい。上記過程によりシリコン半導体層の一方の面の側に空乏層11を形成する。
凹部21の空乏層11の側の面を除いた表面は、反射面22として利用される。なお、図1ではフォトダイオード10は基板と半導体層を区別して図示していないが、凹部21は、フォトダイオード10の空乏層11が形成される面に対向する面の側の基板又は半導体層に設けられる。なお、凹部21はフォトダイオード10の基板に設けてもよく、フォトダイオード10の半導体層に設けてもよい。また、フォトダイオード10の基板と半導体層にまたがって設けてもよい。
凹部21はエッチングにより形成することができる。例えば、シリコン半導体層に対してCBrF4 等の適切な反応ガスを用いて反応性イオンエッチングを行うと、シリコン半導体層に生成される側壁保護膜の働きによりフォトダイオード10の横側へのエッチングは進行しない。フォトマスクの形状を円形にしてエッチング時間を調整することにより凹部21の形状を円錐面の一部とすることができ、フォトマスクの形状を四角形にしてエッチング時間を調整することにより凹部21の形状を角錐面の一部とすることができる。また、エッチングする範囲を狭くしながらエッチングの進行速度を徐々に遅くすることにより凹部21の形状を放物面の一部とすることができる。
また、凹部21はマイクロブラスト法により形成することもできる。圧縮空気等のキャリアガスにより微細噴射剤をシリコン半導体層に高速で衝突させることにより、シリコン半導体層の表面を削り凹部21を形成することができる。微細噴射剤は、アルミナや炭化珪素の微粉をもちいてもよく、凹部21以外の箇所が微細噴射剤により削られないようにする為にフォトダイオード10の任意の部分にマスキングをしてもよい。マスクの形状を円形にして加工することにより凹部21の形状を円錐面の一部とすることができ、マスクの形状を四角形にして加工することにより凹部21の形状を角錐面の一部とすることができる。また、微細噴射剤で削る範囲を狭くしながら加工速度を遅くすることにより凹部21の形状を放物面の一部とすることができる。
なお、凹部21の形成を行った後に反射面22の表面が平坦でない場合は、反射面22を研磨してもよい。また、受光装置101をフリップチップにすることによりフォトダイオード10の加工可能な表面積を広くとることができ、凹部21の径を大きくすることもできる。
入射光90を空乏層11に向けて反射する反射面22を凹部21に形成することにより、フォトダイオード10の凹部21から入射する入射光90を空乏層11に反射させることができる。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置101を提供することができる。
反射面22の表面に金属を付着させてもよい。例えば、反射面22の表面に金、銀、アルミ等の金属を蒸着法により蒸着させることができる。他にはスパッタ法により、反射面22の表面に金、銀、アルミ等の金属を付着させてもよい。反射面22の表面を金属とすることにより反射面22の反射効率を高めることができる。
凹部21の形状は放物面の一部であることが好ましい。
凹部21の形状を放物面の一部とすると、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90が、反射面22の空乏層11から遠い側に入射すると浅い角度で入射光90が反射される。また、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90が、反射面22の空乏層11から近い側に入射すると入射光90が深い角度で反射されることになる。すなわち、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90が、反射面22に入射する位置にかかわらず入射光90は放物面の焦点に集光されることになる。
放物面の近傍に空乏層11を配置すると、入射光90は空乏層11の広い範囲に反射されることになる。よって、受光装置101をダイボンディングする際の精度に余裕を持たすことができ又は受光装置101のダイナミックレンジを緩和することができる。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置101を提供することができる。
空乏層11は放物面の焦点に配置されることが好ましい。
前述したように、凹部21が放物面の一部である場合は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90が反射面22により反射されると放物面の焦点に集光されることになる。よって、放物面の焦点に空乏層11を配置することにより、反射面22で反射された入射光90は空乏層11に集光される。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置101を提供することができる。
凹部21の形状を角錐面の一部とすることができる。
凹部21の形状を角錐面の一部とした受光装置101の上面図を図2に示す。図2において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。なお、空乏層11は、反射面22が形成される面に対向する面の側の基板又は半導体層に設けられている。
図2において、反射面22は平坦である為にフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90は、反射面22のどの位置に入射しても入射角に応じて反射角度は一定で反射される。よって、反射面22で反射した入射光90は空乏層11の特定の部分に集光されることなく広い範囲に反射されることになり、空乏層11に入射する光の強度分布を一様にできることになる。従って、受光装置101をダイボンディングする際の精度に余裕を持たすことでき又は受光装置101のダイナミックレンジを緩和することができる。
凹部21の形状を円錐面の一部とすることができる。
凹部21の形状を円錐面の一部とした受光装置101の上面図を図3に示す。図3において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を有する。空乏層11は、フォトダイオード10の反射面22が形成される面に対向する面の側の基板又は半導体層に設けられている。なお、中心線61は円錐面の一部の形状とした凹部21の中心を通るフォトダイオード10の空乏層11を有する面に垂直な線を指すものである。
図3において、反射面22は円錐面の一部である為に、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90は、反射面22のどの位置に入射しても中心線61を通るように反射される。よって、反射面22で反射した入射光は空乏層11の中心線61に集光されることになり、空乏層11に入射する光の強度分布を中心線61に集中させることになる。従って、受光装置101の特定の部分に光の強度分布を集中させることができる。
反射面22の表面を粗くしてもよい。反射面22の表面を粗くした受光装置101の断面図を図13に示す。また、図13において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。マイクロブラスト法により反射面22の表面を粗くすることができる。反射面22の表面を粗くすることで、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90は、空乏層11の特定の部分に集光されることなく広い範囲に反射されることになり、空乏層11に入射する光の強度分布を一様にできることになる。従って、受光装置101をダイボンディングする際の精度に余裕を持たすことでき又は受光装置101のダイナミックレンジを緩和することができる。
反射面の設置角92及び反射面の高さ94の関係についてフォトダイオード10の断面図の図14を用いて説明する。なお、本願発明の反射面の設置角92及び反射面の高さ94はこの例に限定されるものではない。反射面22に入射した入射光90とフォトダイオード10の空乏層11を有する面との角度を入射光の入射角91、フォトダイオード10の空乏層11を有する面に対しての反射面22の設置角を反射面の設置角92、反射面22の開口部が最大となる部分の径を反射面の開口部の最大径93、反射面22の開口部が最大となる部分とフォトダイオード10の空乏層11を有する面を結ぶ垂線の高さを反射面の高さ94、反射面22の開口部が最小となる部分の径を反射面の開口部の最小径95とする。また、図14において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。空乏層11の径を大きくすると、フォトダイオード10を早く動作させることができない。反射面の設置角92を小さくすると、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光に対して反射面22を広くとることができるが、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線方向又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面の垂線に近い方向から入射する入射光90が反射面22で反射しても空乏層11に届かなくなる。
例えば、空乏層11の径を100(μm)、入射光の入射角91を76(deg)、反射面の開口部の最大径93を600(μm)、反射面の開口部の最小径95を250(μm)、フォトダイオード10への入力強度を0.4(mW)、2.5Gbps受信回路の感度を−20(dBm)として、反射面の設置角92及び反射面の高さ94の関係を計算した結果が図15である。反射面の設置角92を大きくして、かつ、反射面の開口部の最小径95を小さくする為には反射面の高さ94を高くする必要があり、反射面の設置角92を小さくし、かつ、入射光90が空乏層11に届くようにする為には反射面の開口部の最小径95を大きくする必要がある。図15より、例えば、本実施形態においては、反射面の設置角92を80(deg)として、反射面の設置角92に対応させ反射面の高さ94は1000(μm)となる。
(実施の形態2)
本実施形態は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に積層された凹部を形成する凹部形成層と、前記凹部形成層に形成された凹部と、を含む受光装置であって、前記凹部は、前記凹部形成層の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
本実施形態である受光装置102の断面図を図4に示す。図4の受光装置102は、フォトダイオード10、空乏層11、凹部形成層20、凹部21、反射面22で構成される。また、反射面22に入射する光を入射光90とする。図4において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
図4のフォトダイオード10は、空乏層11を有する面又は空乏層11を有する面と対向する面の側に凹部形成層20が積層される。例えば、凹部形成層20は、酸化物、窒化物又は金属の薄膜であってもよく、エポキシやアクリルの樹脂であってもよい。
例えば、シリコン基板を高温の酸素や水蒸気などにより加熱して、シリコン基板の表面を酸化させ二酸化シリコンの薄膜を得ることができる。また、スピンオングラス法(SOG)により二酸化シリコンの薄膜を得ることもできる。シリコン化合物を有機溶剤に溶かしたSOG剤をシリコン基板にスピンコートさせることにより二酸化シリコンの薄膜がシリコン基板に積層される。他に樹脂スピンコート法によりエポキシやアクリルの樹脂を積層することもできる。
凹部形成層20に凹部21を形成する。例えば、二酸化シリコンの薄膜は前述した反応性イオンエッチングやマイクロブラスト法により凹部21を形成することができる。二酸化シリコンの薄膜又はエポキシの樹脂は金型成型により凹部21を形成することもできる。なお、凹部21の形成を行った後に反射面22の表面が平坦でない場合は、反射面22を研磨してもよい。
入射光90を空乏層11に向けて反射する反射面22を凹部形成層20に形成することにより、凹部形成層20から入射する入射光90をフォトダイオード10の空乏層11に反射させることができる。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置102を提供することができる。
反射面22の表面に金属を付着させてもよい。例えば、凹部形成層20が二酸化シリコンの薄膜であれば前述した蒸着法やスパッタ法により反射面22の表面に金属を付着させることができる。また、エポキシの樹脂等の耐熱性に劣るものであれば、前述したように反射面22の表面にめっきして金属を付着させてもよい。図4の反射面22の表面を金属とすると、図1の反射面22の表面を金属とすることと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。
凹部21の形状は放物面の一部であることが好ましい。
図4の凹部21の形状を放物面の一部とすると、図1の凹部21の形状を放物面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置102を提供することができる。
空乏層11は放物面の焦点に配置されることが好ましい。
図4の空乏層11が放物面の焦点に配置されると、図1の空乏層11を放物面の焦点に配置することと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置102を提供することができる。
凹部21の形状を角錐面の一部とすることができる。
図4の凹部21の形状を角錐面の一部とすると、図1の凹部21の形状を角錐面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。
凹部21の形状を円錐面の一部とすることができる。
図4の凹部21の形状を円錐面の一部とすると、図1の凹部21の形状を円錐面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。
反射面22の表面を粗くしてもよい。例えば、前述したマイクロブラスト法により反射面22の表面を粗くすることができる。図4の反射面22の表面を粗くすると、図13の反射面22の表面を粗くすることと同様の作用及び効果を受光装置102にもたらす。
(実施の形態3)
本実施形態は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に配置された板状体と、 前記板状体を貫通する孔部と、を含む受光装置であって、前記貫通孔は、前記板状体の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置である。
本実施形態である受光装置103の断面図を図5に示す。図5の受光装置103は、フォトダイオード10、空乏層11、反射面22、板状体30、板状体30を貫通する孔部(以下、貫通孔31)で構成される。また、図5において図1で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
図5において、板状体30は貫通孔31を備える。例えば、板状体30としては、プリント基板、プラスチック、ガラスエポキシ、二酸化シリコン(SiO2)、アルミナ、窒化アルミニウム(AlN)の基板、ポリプロピレン(PP)等の樹脂のパッケージ又はセラミックのパッケージがあげられる。
板状体30が二酸化シリコン、アルミナ、窒化アルミニウムの基板又はセラミックのパッケージであれば前述した反応性イオンエッチングにより貫通孔31を形成することができる。また、板状体30がプリント基板、ガラスエポキシ、プラスチックの基板又はポリプロピレン等の樹脂のパッケージであれば、前述したマイクロブラスト法により貫通孔31を形成することもできる。なお、貫通孔31の形成を行った後に反射面22の表面が平坦でない場合は、反射面22を研磨してもよい。
フォトダイオード10は、空乏層11を有する面又は空乏層11を有する面と対向する面の側に板状体30が配置される。板状体30がプリント基板、プラスチック、ガラスエポキシ、二酸化シリコン、アルミナ、窒化アルミニウムの基板である場合には、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の側に板状体30を配置する。
板状体30がポリプロピレン等の樹脂パッケージ又はセラミックのパッケージである場合には、フォトダイオード10の空乏層11を有する面又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面と対向する面の側に板状体30を配置する。さらに、板状体30を配置したフォトダイオード10を基板に配置することがある。フォトダイオード10を基板に配置する方法はいくつかある為に、配置する方法ごとに図示して説明する。
フォトダイオード10を基板に配置する一の方法を図6に示す。図6の受光装置103は、フォトダイオード10、空乏層11、反射面22、電極23、ポリプロピレン等の樹脂のパッケージ又はセラミックのパッケージである板状体30、貫通孔31、プリント基板である基板40で構成される。また、図6において図5で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
図6のフォトダイオード10は、空乏層11を有する面の表面であって空乏層11以外の箇所に少なくとも一つの電極23を備える。板状体30は、あらかじめ貫通孔31が形成されており、フォトダイオード10の空乏層11を有する面との間に電極23を挟んで位置する。
図6に図示してはいないが、板状体30はフォトダイオード10の空乏層11を有する面に対向する面の側に位置してもよい。電極23がフォトダイオード10の空乏層11を有する面の表面にある為に、板状体30は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面に対向する面の側との間に支柱を挟んで位置してもよいし又は板状体30は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面に対向する面の側と支柱を挟まずに接合してもよい。
板状体30がフォトダイオード10の空乏層11を有する面の側に位置する場合又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面と対向する面の側に位置する場合のいずれであっても、板状体30のフォトダイオード10が位置する側に対向する面の側と基板40が接するように配置する。
フォトダイオード10を基板に配置する他の方法を図7に示す。図7の受光装置103は、フォトダイオード10、空乏層11、反射面22、電極23、ポリプロピレン等の樹脂のパッケージ又はセラミックのパッケージである板状体30、貫通孔31、プリント基板である基板40で構成される。また、図7において図5で用いた符号と同じ符号は同じ意味を有する。
図7のフォトダイオード10は、空乏層11を有する面の表面であって空乏層11以外の箇所に少なくとも一つの電極23を備える。板状体30には、あらかじめ貫通孔31が形成されており、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の側との間に電極23を挟んで位置する。
図7に図示してはいないが、板状体30はフォトダイオード10の空乏層11を有する面に対向する面の側に位置してもよい。電極23がフォトダイオード10の空乏層11を有する面の表面にある為に、板状体30は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面と対向する面の側との間に支柱を挟んで位置してもよいし又は板状体30は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面と対向する面の側と接合してもよい。
板状体30がフォトダイオード10の空乏層11を有する面の側に位置する場合又はフォトダイオード10の空乏層11を有する面と対向する面の側に位置する場合のいずれであっても、フォトダイオード10の板状体30が位置する側に対向する面の側と基板40が接するように配置する。
フォトダイオード10を基板に配置する他の方法を図8に示す。例えば、図8のフォトダイオード10は、トランスインピーダンスアンプ81と接続されている。図8の受光装置103は、フォトダイオード10、空乏層11、反射面22、電極23、ポリプロピレン等の樹脂のパッケージ又はセラミックのパッケージである板状体30、貫通孔31、配線32、バンフ33、プリント基板である基板40で構成される。また、図8において図5で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。なお、トランスインピーダンスアンプ81は受光装置103の構成とは関係ない。
図8のフォトダイオード10は、空乏層11を有する面の表面であって空乏層11以外の箇所に電極23を備える。板状体30には、貫通孔31、フォトダイオード10の側の表面に配線32及びバンフ33が設けられる。フォトダイオード10と板状体30を電極23とバンフ33が接するように配置する。板状体30の配線32とトランスインピーダンスアンプ81を接続することができ、受光装置103とトランスインピーダンスアンプ81を接続することができる。
例えば、図16のフォトダイオード10は、配線32を介して外部IC82と接続されている。図16の受光装置103は、フォトダイオード10の空乏層11を有する面の表面であって空乏層11以外の箇所に一の電極23を備え、フォトダイオード10と基盤10の間にメッキ配線24を備え、メッキ配線24の板状体30の側の面であってフォトダイオード10以外の箇所に他の電極23を備える。他の電極23は、ボールボンディングで接合される。また、一の電極23をウェッジボンディングで接合することで、ボールボンディングで形成されるボールが不要となる為に距離96をさらに近くすることができ、これによって、受光装置103の受光効率を改善することができる。なお、図16の配線32及び外部IC82は受光装置103の構成とは関係ない。
図5、図6、図7、図8及び図16において入射光90を空乏層11に向けて反射する反射面22を板状体30に形成することにより、板状体30から入射光90をフォトダイオード10の空乏層11に反射させることができる。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置103を提供することができる。
反射面22の表面に金属を付着させてもよい。例えば、板状体30が二酸化シリコン、アルミナ、窒化アルミニウムの基板又はセラミックのパッケージであれば前述した蒸着法やスパッタ法により反射面22の表面に金属を付着させることができる。また、板状体30がプリント基板、ガラスエポキシ、プラスチックの基板又はポリプロピレン等の樹脂のパッケージ等の耐熱性に劣るものであれば、前述したように反射面22の表面にめっきして金属を付着させてもよい。図5、図6、図7、図8及び図16の反射面22を金属とすると、図1の反射面22の表面を金属とすることと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。
反射面22の表面を粗くしてもよい。例えば、前述したマイクロブラスト法により反射面22の表面を粗くすることができる。図5、図6、図7、図8及び図16の反射面22の表面を粗くすると、図1の反射面22の表面を粗くすることと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。
貫通孔31の形状は放物面の一部であることが好ましい。
図5、図6、図7、図8及び図16の貫通孔31の形状を放物面の一部とすると、図1の凹部21の形状を放物面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置103を提供することができる。
空乏層11は放物面の焦点に配置されることが好ましい。
図5、図6、図7、図8及び図16の空乏層11が放物面の焦点に配置されると、図1の空乏層11を放物面の焦点に配置することと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ集光でき、これによって、光を効率よく受光できる受光装置103を提供することができる。
貫通孔31の形状を角錐面の一部とすることができる。
図5、図6、図7、図8及び図16の貫通孔31の形状を角錐面の一部とすると、図1の凹部21の形状を角錐面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。
貫通孔31の形状を円錐面の一部とすることができる。
図5、図6、図7、図8及び図16の貫通孔31の形状を円錐面の一部とすると、図1の凹部21の形状を円錐面の一部とすることと同様の作用及び効果を受光装置103にもたらす。
(実施の形態4)
受光装置101、受光装置102又は受光装置103のフォトダイオード10をエポキシ又はアクリル等の樹脂の筐体50で収容してもよい。例えば、受光装置102を筐体で収容したときの受光装置102の断面図を図17に示す。また、図17において図4で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
筐体50でフォトダイオード10を収容するときに、空乏層11の表面をARコート12で覆うようにARコーティングしてもよい。筐体50の樹脂とARコート剤の屈折率の差が小さい場合に、ARコート12と筐体50が接するように筐体50でフォトダイオード10を収容すると、受光装置102の透過特性が大きく劣化してしまう。例えば、ARコート剤としてよく用いられる二酸化シリコン(SiO2)の屈折率は1.47であり、エポキシ樹脂の屈折率は1.5と差が止小さい。そこで、筐体50とARコート12の間に空気層13を設けることで、受光装置102の透過特性の劣化を防止できる。
また、筐体50の樹脂の屈折率とARコート剤の屈折率の差を大きくすることで受光装置102の透過特性の劣化を防止できる。例えば、ARコート剤に酸化亜鉛(ZnO)を用いてもよい。酸化亜鉛の屈折率は2でありエポキシ樹脂の屈折率1.5と差が大きく、図18に示すように筐体50とARコート12の間に空気層13を設けずにARコート12と筐体50が接するように筐体50でフォトダイオード10を収容しても受光装置102の透過特性の劣化を防止できる。また、図18において図17で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
(実施の形態5)
本実施形態は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、前記筐体内部で前記フォトダイオードを覆うように充填され、光を拡散する拡散体と、を備える受光装置である。
本実施形態である受光装置104の断面図を図9に示す。図9の受光装置104は、フォトダイオード10、空乏層11、筐体50、拡散体51で構成される。また、筐体50に入射する光を入射光90とする。
図9のフォトダイオード10は、空乏層11で吸収した光を電気信号に変換する。例えば、フォトダイオード10の基板としては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等のIV族単元素半導体、インジウムリン(InP)、ガリウム砒素(GaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、ガリウムインジウム窒素砒素(GaInNAs)、アルミニウムガリウムインジウム窒素(AlGaInN)、アルミニウムインジウムガリウムリン(AlInGaP)、インジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)、インジウムガリウムアルミニウム砒素(InGaAlAs)等のIII−V族化合物半導体、酸化亜鉛(ZnO)、セレン化亜鉛(ZnCe)、カドミウムテルル(CdTe)等のII−VI族化合物半導体の半導体基板又はサファイア基板があげられる。フォトダイオード10の半導体層としては、シリコン、ゲルマニウム等のIV族単元素半導体、インジウムリン、ガリウム砒素、インジウムガリウム砒素、ガリウムインジウム窒素砒素、アルミニウムガリウムインジウム窒素、アルミニウムインジウムガリウムリン、インジウムガリウム砒素リン、インジウムガリウムアルミニウム砒素等のIII−V族化合物半導体、酸化亜鉛、セレン化亜鉛、カドミウムテルル等のII−VI族化合物半導体に不純物を添加して半導体基板に積層したp型半導体層又はn型半導体層があげられる。また、フォトダイオード10の構造としては、前記基板又は前記半導体層に設けられたpnフォトダイオード、pinフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等があげられる。
筐体50は、フォトダイオード10を収容する容器である。例えば、エポキシ又はアクリル等の樹脂や金属の容器があげられる。また、拡散体51としては、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、酸化チタン等の光拡散材をエポキシ又はアクリル等の樹脂に混合したものを例示できる。
筐体50の内部には、フォトダイオード10を覆うように光を拡散する拡散体51が充填される。例えば、筺体50の内部を空洞にして形成した後に拡散体51を筺体50の内部に充填してもよい。また、筐体50は、拡散体51を材料として用いて形成してもよい。筐体50でフォトダイオード10を収容することにより、筐体50に入射した入射光90は、筐体50に充填された拡散体51により拡散されることになる。
拡散体51を充填しない筐体50であれば、空乏層11に到達しない角度及び位置で入射した入射光90についても、拡散体51が筐体50に充填されていることにより拡散され空乏層11に入射することがある。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置104を提供することができる。
拡散体は混合された屈折率の異なる複数の透明材であることが好ましい。
例えば、透明材としてはエポキシ又はアクリル等の樹脂があげられる。拡散体51を充填しない筐体50であれば、空乏層11に到達しない角度及び位置で入射した入射光90についても、屈折率の異なる複数の透明材を混合した拡散体51が筐体50に充填されていることにより屈折して空乏層11に入射することがある。透明材からなる拡散体51を混合した筺体50では、筐体50に入射する入射光90の一部は吸収されることなく屈折して空乏層11に到達する。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置104を提供することができる。
拡散体51を空乏層11から空乏層11を有する面に垂直な部分を除いて配置することが好ましい。
拡散体51を空乏層11から空乏層11を有する面に垂直な部分を除いて配置した受光装置104の断面図を図10に示す。空乏層11から空乏層11を有する面に垂直な部分を光路71とする。また、図10において図9で用いた符号と同じ符号は同じ意味を有する。
図10の筐体50の内部に、フォトダイオード10を覆うように前述した拡散体51を充填すると、光路71から入射する光まで拡散又は屈折する為に入射光90が空乏層11まで到達しないことがある。拡散体51を光路71から除いて配置することにより、光路71に入射する光は拡散又は屈折されなくなる。また、筐体50の光路71以外に入射した光は、拡散体51により拡散又は屈折されるため空乏層11に入射することがある。なお、光路71は空洞としてもよいし又は光路71をエポキシの樹脂等の透明材で充填してもよい。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置104を提供することができる。
(実施の形態6)
本実施形態は、一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、前記筐体内部に前記フォトダイオードへ入射する光を拡散する拡散体と、を備える受光装置である。
本実施形態である受光装置105の断面図を図11に示す。図11の受光装置105は、フォトダイオード10、空乏層11、筐体50、板状の拡散体(以下、拡散板52)
で構成される。また、図11において図9で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
図11の筐体50の内部に拡散板52を備える。例えば、エポキシ又はアクリルの樹脂に硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、酸化チタン等の光拡散材を混合して板状に形成した拡散体が拡散板52としてあげられる。
例えば、筐体50を横断し、横断した筐体50のそれぞれで拡散板52を挟むように接合してもよい。また、拡散板52を挿入することができる大きさの溝を筐体50に設け、筺体50に設けた溝に拡散板52を挿入してもよい。
筐体50でフォトダイオード10を収容することにより、筐体50に入射する入射光90は、筐体50に備えた拡散板52により拡散されることになる。よって、拡散板52を備えない筐体50であれば、空乏層11に到達しない角度及び位置で入射した入射光90についても、拡散板52が筐体50に備えられていることにより拡散され空乏層11に入射することがある。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置105提供することができる。
拡散板52は混合された屈折率の異なる複数の透明材であることが好ましい。
異なる屈折率を持つ複数の透明材を混合して拡散板52を形成してもよい。例えば、透明材としては前述したエポキシ又はアクリル等の樹脂があげられる。図11の拡散板52を異なる屈折率を持つ透明材とすると図10の拡散体51が異なる屈折率を持つ透明材とすることと同様の作用及び効果をもたらす。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置105を提供することができる。
拡散板52を空乏層11から空乏層11を有する面に垂直な部分を除いて配置することが好ましい。
拡散板52を空乏層11から空乏層11を有する面に垂直な部分を除いて配置した受光装置105の断面図を図12に示す。また、図12において図10で用いた符号と同じ符号は同じ意味を表す。
図12の拡散板52を光路71から除いて配置することにより、図10において拡散体51を光路71から除いて配置したことと同様の作用及び効果をもたらす。光路71は空洞としてもよいし又は光路71をエポキシの樹脂等の透明材で充填してもよい。従って、フォトダイオード10に入射する光の一部をフォトダイオード10の空乏層11へ到達させ、これによって、光を効率よく受光できる受光装置105を提供することができる。
本発明の受光装置は、CCDや光ファイバー等の受光素子として利用することができる。
本願第一の発明に係る一の実施の形態である受光装置101の断面図である。 本願第一の発明に係る他の実施の形態である受光装置101の上面図である。 本願第一の発明に係る他の実施の形態である受光装置101の上面図である。 本願第二の発明に係る一の実施の形態である受光装置102の断面図である。 本願第三の発明に係る一の実施の形態である受光装置103の断面図である。 本願第三の発明に係る他の実施の形態である受光装置103の断面図である。 本願第三の発明に係る他の実施の形態である受光装置103の断面図である。 本願第三の発明に係る他の実施の形態である受光装置103の断面図である。 本願第四の発明に係る一の実施の形態である受光装置104の断面図である。 本願第四の発明に係る他の実施の形態である受光装置104の断面図である。 本願第五の発明に係る一の実施の形態である受光装置105の断面図である。 本願第五の発明に係る他の実施の形態である受光装置105の断面図である。 本願第一の発明に係る他の実施の形態である受光装置101の断面図である。 本願第一の発明に係るフォトダイオード10の断面図である。 本願第一の発明に係る反射面の設置角及び反射面の高さの関係を表す図である。 本願第三の発明に係る他の実施の形態である受光装置103の断面図である。 本願第二の発明に係る他の実施の形態である受光装置102の断面図である。 本願第二の発明に係る他の実施の形態である受光装置102の断面図である。
符号の説明
101,102,103,104,105 受光装置
10 フォトダイオード
11 空乏層
12 ARコート
13 空気層
20 凹部形成層
21 凹部
22 反射面
23 電極
24 メッキ配線
30 板状体
31 貫通孔
32 配線
33 バンフ
40 基板
50 筐体
51 拡散体
52 拡散板
61 中心線
71 光路
81 トランスインピーダンスアンプ
82 外部IC
90 入射光
91 入射光の入射角
92 反射面の設置角
93 反射面の開口部の最大径
94 反射面の高さ
95 反射面の開口部の最小径
96 距離

Claims (10)

  1. 一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードの前記一方の面に対向する他方の面の側の基板又は半導体層に設けられた凹部と、を含む受光装置であって、
    前記凹部は、前記フォトダイオードの前記他方の面の側から入射する光を前記基板又は前記半導体層の内部を透過させて前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置。
  2. 一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に積層された凹部を形成する凹部形成層と、
    前記凹部形成層に形成された凹部と、を含む受光装置であって、
    前記凹部は、前記凹部形成層の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置。
  3. 前記凹部の形状は、放物面の一部であることを特徴とする請求項1又は2に記載の受光装置。
  4. 一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードの前記一方の面又は前記一方の面と対向する他方の面の側に配置された板状体と、
    前記板状体を貫通する孔部と、を含む受光装置であって、
    前記貫通孔は、前記板状体の側から入射する光を前記空乏層に向けて反射させる反射面を有することを特徴とする受光装置。
  5. 前記孔部の形状は、放物面の一部であることを特徴とする請求項4に記載の受光装置。
  6. 前記空乏層は、前記放物面の焦点に配置されていることを特徴とする請求項3又は5に記載の受光装置。
  7. 一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、
    前記筐体内部で前記フォトダイオードを覆うように充填され、光を拡散する拡散体と、を備える受光装置。
  8. 一方の面の側に空乏層を有するフォトダイオードと、
    前記フォトダイオードを収容する少なくとも一の面が開放された筺体と、
    前記筐体内部に前記フォトダイオードの前記空乏層へ入射する光を拡散する拡散体と、を備える受光装置。
  9. 前記拡散体は、混合された屈折率の異なる複数の透明材であることを特徴とする請求項7又は8に記載の受光装置。
  10. 前記拡散体は、前記空乏層から前記一方の面に垂直な部分を除いて配置されていることを特徴とする請求項7から9に記載のいずれかの受光装置。
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