JP2007201140A

JP2007201140A - 半導体受光装置及び半導体受光装置の製造方法

Info

Publication number: JP2007201140A
Application number: JP2006017485A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yamazaki; 知洋山崎
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】受光効率が高く、構成を簡単化することができると共に、容易に製造可能な半導体受光装置を提供する。
【解決手段】半導体受光装置１は、プリント基板（設置基板）２と、受光部３を有する半導体素子４と、ＴＩＡ５と、第１ライトパイプ６と、反射膜７と、第２ライトパイプ８とを備えている。第１ライトパイプ６は、プリント基板２と受光部３を除く半導体素子４の上面に密着して設けられている。第１ライトパイプ６の上部の受光部３に対応する部分には、光導入凹部６ａが形成されている。反射膜７は、光導入凹部６ａの側面を覆うように形成されている。第２ライトパイプ８の下面部は、光導入凹部６ａを埋めることが可能な凸部８ｂが形成されている。また、第２ライトパイプ８の上面部には、受光部３の上方に位置する領域に、上方から入射した光を、受光部３へと反射膜７を介して集光するためのレンズ部８ａが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の受光部の受光効率が高い半導体受光装置及び半導体受光装置の製造方法に関する。

現在、光を電気信号に変換可能な受光部を有する半導体素子を備えた様々な半導体受光装置が知られている。

このような受光部を有する半導体受光装置では、光の受光量を増加させるためには受光部を大きく形成する必要がある。しかしながら、光の受光量を増加させるために受光部を大きくすることは半導体素子の寄生容量の増大を招き、その結果、高速で動作させることができなくなるため、好ましいことではない。

そこで、受光部は小さいままで、受光部に入射する光量を増加させる技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、受光部を有する半導体素子（フォトダイオード）と、半導体素子を有する基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された金属製の遮光層と、パッシベーション膜とを備えた半導体受光装置が開示されている。

この半導体受光装置の遮光層には、受光部に対応する位置が上方に向かって広がる部分四角錐体形状に除去された凹部が形成されている。これにより、受光部の上面に採光窓が形成されている。更に、この採光窓に埋め込まれると共に、遮光層の上面を覆うようにパッシベーション膜が形成されている。

このように半導体受光装置を構成することによって、受光部の上方から入射する光のみならず、受光部の外側から入射する光をも部分四角錐体形状の凹部の表面で反射することにより、受光部へと導くことができる。これにより、受光部の外側から入射する光をも受光することができるので、受光部における受光効率を向上させることができる。
特開平６−１１２５１３号公報

しかしながら、上記特許文献１の半導体受光装置では、遮光層をＡｌ等の金属層によって構成しているので、スパッタ法などによって金属層を形成した後、エッチングによりパターニングしなければならないため、製造工程が非常に複雑化するといった問題がある。

また、導電性の金属層からなる遮光層と受光部とを絶縁するために、遮光層と受光部との間に絶縁膜が必要になるので、半導体受光装置の構成が複雑になるといった問題がある。更に、絶縁膜を形成することによって、遮光層と受光部との間に隙間ができるので、遮光部の凹部によって反射された光が、その隙間から受光部以外の領域へ進行するため、受光効率が低下するといった問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、受光効率が高く、構成を簡単化することができると共に、容易に製造可能な半導体受光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、光を受光するための受光部が形成された半導体素子と、前記半導体素子の受光部側の面に設けられると共に、前記受光部に対応した位置に、光の入射方向側へ広く開口した部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成された絶縁性の合成樹脂製の第１ライトパイプと、前記光導入凹部の側面に設けられた反射膜とを備えたことを特徴とする半導体受光装置である。

また、請求項２の発明は、前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置である。

また、請求項３の発明は、前記第１ライトパイプと前記第２ライトパイプは、同じ合成樹脂からなり一体的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光装置である。

また、請求項４の発明は、半導体素子を設置基板に設置する第１工程と、前記半導体素子及び前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記半導体素子の受光部側の面に密着して設けられると共に、前記受光部に対応した位置に部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成される合成樹脂製の第１ライトパイプを成形する第２工程と、前記第１ライトパイプの光導入凹部の側面に反射膜を形成する第３工程と、前記半導体素子及び前記第１ライトパイプと共に前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを成形する第４工程とを備えたことを特徴とする半導体受光装置の製造方法である。

また、請求項５の発明は、半導体素子を設置基板に設置する第１工程と、前記半導体素子及び前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記半導体素子の受光部側の面に密着して設けられると共に、前記受光部に対応した位置に部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成される合成樹脂製の第１ライトパイプを成形する第２工程と、前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを成形用の型により成形する第５工程と、前記第１ライトパイプの光導入凹部の側面、又は、前記第２ライトパイプの凸部の側面に反射膜を形成する第６工程と、前記第１ライトパイプに前記第２ライトパイプを接着する第７工程とを備えたことを特徴とする半導体受光装置の製造方法である。

本発明によれば、第１ライトパイプに形成された入射方向側が広く開口した部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部に反射膜を設けることによって、光導入凹部に入射した光を反射膜で反射させて半導体素子の受光部へと導くことができる。これによって、反射膜が無ければ受光部に受光されなかった光をも受光部により受光することができるので、受光効率を高めることができる。

第１ライトパイプを合成樹脂により構成することによって、成形用の型により簡単に成形することができるので、製造コストを削減することができると共に、製造工程を簡略化することができ、容易に製造することができる。また、第１ライトパイプを絶縁性の合成樹脂により構成することにより、第１ライトパイプと半導体素子とを密着して設けることができる。これにより、絶縁膜を省略することができるので構成を簡単化することができると共に、第１ライトパイプと半導体素子との間に絶縁膜を形成した場合のように、絶縁膜を通って光が逸れることがないので、反射膜によって反射された光の受光効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による半導体受光装置の断面構造を示す。図２は、本発明の実施形態による半導体受光装置の上面図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る半導体受光装置１は、プリント基板（設置基板）２と、受光部３を有する半導体素子４と、ＴＩＡ（ＴｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）５と、第１ライトパイプ６と、反射膜７と、第２ライトパイプ８とを備えている。

プリント基板２は、既知のガラスエポキシ基板等が用いられている。

半導体素子４は、下面がプリント基板２と接するように配置されている。半導体素子４の上面部には、受光部３が形成されている。この半導体素子４は、フォトダイオードからなり、受光部３は、フォトダイオードの空乏層に相当する。半導体素子４は、受光部３で受光された光Ｌ_１〜Ｌ_３を電気信号に変換して出力するものである。半導体素子４の厚みは、約２００μｍである。また、受光部３の一辺の長さは、約１００μｍである。

半導体素子４を構成するフォトダイオードとしては、ｐｎ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などを適用することができる。これらのフォトダイオードを形成するための基板としては、シリコンやゲルマニウム等のＩＶ族半導体や、インジウムリンやガリウム砒素等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、酸化亜鉛やセレン化亜鉛等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体からなる基板や、サファイア基板等を適用することができる。そして、これらの基板に、既知の方法によって、不純物をドーピングしたり、半導体層を積層することによってフォトダイオードを作製する。

ＴＩＡ５は、金属の細線９によって半導体素子４にボンディングされて、電気的に接続されている。ＴＩＡ５は、細線９を介して半導体素子４から送られる電気信号を増幅して出力する。

第１ライトパイプ６は、絶縁性の合成樹脂により構成されている。第１ライトパイプ６を構成する合成樹脂としては、エポキシ系樹脂及びアクリル系樹脂等を適用することができる。第１ライトパイプ６は、プリント基板２の上面と受光部３を除く半導体素子４の上面に密着して設けられている。第１ライトパイプ６の上部の受光部３に対応する部分には、光導入凹部６ａが形成されている。光導入凹部６ａは、深さ約１ｍｍであって、上方に向かって広がる部分四角錐体形状に形成されている。

反射膜７は、光を反射可能な樹脂系の塗料により構成されている。この樹脂系の塗料としては、例えば、アクリルウレタン塗料、アクリル塗料、アクリルシリコン塗料、エポキシ系塗料、ポリエステル塗料等を適用することができる。反射膜７は、光導入凹部６ａの側面を覆うように形成されている。これにより、反射膜７は、受光部３よりも外側に入射する光Ｌ_２を反射して、受光部３へと導くように機能する。尚、第２ライトパイプ８から入射する光の反射率を高めるために第２ライトパイプ８を構成する合成樹脂の屈折率よりも小さい屈折率を有する樹脂系の塗料を反射膜７の材料として適用することが望ましい。

第２ライトパイプ８は、第１ライトパイプ６を構成する合成樹脂と同じ合成樹脂により構成され、第１ライトパイプ６と一体的に形成されている。図１に示すように、第２ライトパイプ８の下面部には、光導入凹部６ａと同じ形状を有し、光導入凹部６ａを埋めることが可能な凸部８ｂが形成されている。

また、第２ライトパイプ８の上面部には、受光部３の上方に位置する領域に、上方から入射した光を、反射膜７を介して受光部３へと集光するためのレンズ部８ａが形成されている。レンズ部８ａの外周は、光導入凹部６ａの上面部の外周よりも大きく形成されている。これによって、光導入凹部６ａの外側に入射する光Ｌ_３もレンズ部８ａによって集光されて反射膜７へと導かれた後、反射膜７によって反射されて受光部３へと導かれる。

次に、上記半導体受光装置の製造工程について図面を参照して説明する。図３〜図６は、各製造工程における半導体受光装置の断面構造を示す図である。

まず、図３に示すように、プリント基板２上に半導体素子４及びＴＩＡ５を設置する。その後、半導体素子４とＴＩＡ５とを細線９によってボンディングして、電気的に接続する（第１工程）。

次に、図４に示すように、半導体素子４及びＴＩＡ５と共にプリント基板２を成形用の型２０に嵌め込む。尚、成形用の型２０は、金型及び注型成形用の型等を適用することができる。この状態で、プリント基板２と成形用の型２０との間に形成された空間に液状の合成樹脂を注入する。その後、約１００℃〜約１２０℃まで加熱して液状の合成樹脂を硬化させることにより、光導入凹部６ａが形成された第１ライトパイプ６を成形する（第２工程）。

次に、図５に示すように、成形用の型２０と取り外した後、光導入凹部６ａの表面に樹脂系の塗料を塗布することによって、反射膜７を形成する（第３工程）。

次に、図６に示すように、半導体素子４、第１ライトパイプ６及び反射膜７と共にプリント基板２を成形用の型２１に嵌め込む。尚、成形用の型２１は、金型及び注型成形用の型等を適用することができる。この状態で、プリント基板２と成形用の型２１との間に形成された空間に液状の合成樹脂を注入する。その後、約１００℃〜約１２０℃まで加熱して液状の合成樹脂を硬化させることにより、光導入凹部６ａが形成された第２ライトパイプ８を成形する（第４工程）。

その後、成形用の型２１を取り外して、半導体受光装置１が完成する。

本発明の半導体受光装置１によれば、第１ライトパイプ６に形成された上方が広く開口した部分四角錐体形状の光導入凹部６ａに反射膜７を設けることによって、受光部３の外側に入射した光Ｌ_２を反射膜７で反射させて半導体素子４の受光部３へと導くことができる。

また、第２ライトパイプ８の上面部に形成されたレンズ部８ａによって、反射膜７の外側に入射する光Ｌ_３をレンズ部８ａにより屈折させて反射膜７に導くことができる。これにより、光Ｌ_３をも反射膜７によって受光部３の方向に導くことができる。

従って、受光部３に直接入射する光Ｌ_１のみならず、反射膜７及びレンズ部８ａが無ければ受光部３に受光されなかった光Ｌ_２及びＬ_３をも受光部３により受光することができるので、受光効率を高めることができる。

また、第１ライトパイプ６を合成樹脂により構成することによって、成形用の型２０により簡単に成形することができるので、製造コストを削減することができると共に、製造工程を簡略化することができ、容易に製造することができる。更に、第１ライトパイプ６を絶縁性の合成樹脂により構成することにより、第１ライトパイプ６と半導体素子４とを密着して設けるができるので、第１ライトパイプと半導体素子との間に隙間を形成した場合のように、隙間を通って光が逸れることがない。この結果、反射膜７によって反射された光の受光効率を向上させることができる。

また、第２ライトパイプ８及び第１ライトパイプ６をプリント基板２と一体的に形成することによって、第１ライトパイプ及び第２ライトパイプを別々の部品として形成する場合に比べて、部品点数を減らすことができるので、製造コストを削減することができると共に、組み立て工程を減らすことができるので、製造工程を簡略化することができる。

また、第１ライトパイプ６を合成樹脂により構成することにより、第１ライトパイプ６の中にＴＩＡ５を設置することができるので、ＴＩＡ５を半導体素子４の近傍に配置することができる。これによって、半導体受光装置１の受信効率を向上させることができる。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上記半導体受光装置１におけるプリント基板２〜第２ライトパイプ８の幅や厚み等の形状及び構成する材料などは適宜変更可能である。具体的には、第１ライトパイプ６の導入凹部６ａを部分円錐形状、部分多角錐体形状若しくは錐体形状に形成してもよい。また、反射膜７を金、銀及びアルミニウム等の金属薄膜によって構成してもよい。

また、上記半導体受光装置１では、第１ライトパイプ６と第２ライトパイプ８とを同じ材料により構成したが、別々の材料により構成してもよい。

また、上記半導体受光装置１では、第２ライトパイプ８にレンズ部８ａを形成したが、レンズ部８ａは、必ずしも必要な構成ではなく、省略することも可能である。

また、図７に示すように、第２ライトパイプ８を第１ライトパイプ６とは別に成形用の型により成形すると共に（第５工程）、第１ライトパイプ６の光導入凹部６ａに反射膜７を形成した後（第６工程）、第１ライトパイプ６に第２ライトパイプ８を接着してもよい（第７工程）。

また、図８に示すように、第２ライトパイプ８を第１ライトパイプ６とは別に成形する場合、第２ライトパイプ８の凸部８ｂの側面に反射膜７を形成した後、第２ライトパイプ８と第１ライトパイプ６とを接着してもよい。

更に、図９に示すように、第２ライトパイプ８側に反射膜７を形成する場合、第１ライトパイプ６の光導入凹部６ａに対応する第２ライトパイプ８の凸部８ｂの全面に反射膜７を形成した後、凸部８ｂの下面に形成された反射膜７ａのみを削る若しくは切る等の工程によって削除してもよい。

本発明の実施形態による半導体受光装置の断面構造を示す。本発明の実施形態による半導体受光装置の上面図である。各製造工程における半導体受光装置の断面構造を示す図である。各製造工程における半導体受光装置の断面構造を示す図である。各製造工程における半導体受光装置の断面構造を示す図である。各製造工程における半導体受光装置の断面構造を示す図である。本発明の変更形態による半導体受光装置の断面構造を示す。本発明の変更形態による半導体受光装置の断面構造を示す。本発明の変更形態による半導体受光装置の断面構造を示す。

符号の説明

１半導体受光装置
２プリント基板
３受光部
４半導体素子
６ライトパイプ
６ａ光導入凹部
７反射膜
７ａ反射膜
８ライトパイプ
８ａレンズ部
８ｂ凸部
９細線

Claims

光を受光するための受光部が形成された半導体素子と、
前記半導体素子の受光部側の面に設けられると共に、前記受光部に対応した位置に、光の入射方向側へ広く開口した部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成された絶縁性の合成樹脂製の第１ライトパイプと、
前記光導入凹部の側面に設けられた反射膜とを備えたことを特徴とする半導体受光装置。
前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光装置。
前記第１ライトパイプと前記第２ライトパイプは、同じ合成樹脂からなり一体的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光装置。
半導体素子を設置基板に設置する第１工程と、
前記半導体素子及び前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記半導体素子の受光部側の面に密着して設けられると共に、前記受光部に対応した位置に部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成される合成樹脂製の第１ライトパイプを成形する第２工程と、
前記第１ライトパイプの光導入凹部の側面に反射膜を形成する第３工程と、
前記半導体素子及び前記第１ライトパイプと共に前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを成形する第４工程とを備えたことを特徴とする半導体受光装置の製造方法。
半導体素子を設置基板に設置する第１工程と、
前記半導体素子及び前記設置基板を成形用の型に導入することによって、前記半導体素子の受光部側の面に密着して設けられると共に、前記受光部に対応した位置に部分錐体形状、又は、錐体形状の光導入凹部が形成される合成樹脂製の第１ライトパイプを成形する第２工程と、
前記第１ライトパイプの光導入凹部を埋めることが可能な凸部と、前記光導入凹部に対応する光の入射側の面に一体的に形成されたレンズ部とを有する合成樹脂製の第２ライトパイプを成形用の型により成形する第５工程と、
前記第１ライトパイプの光導入凹部の側面、又は、前記第２ライトパイプの凸部の側面に反射膜を形成する第６工程と、
前記第１ライトパイプに前記第２ライトパイプを接着する第７工程とを備えたことを特徴とする半導体受光装置の製造方法。