JP2008047587A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エピタキシャル積層構造内に変更を加えることなく、光のクロストークを抑制することができる機構を備えた光検出装置を提供する。
【解決手段】 受光層３を含むエピタキシャル積層構造を持つ受光素子１０が、複数個、共通の半導体基板５１上に配置された、基板側が光の入射面である光検出装置５０であって、光入射側の表面に、各受光素子１０をメッシュ状に区分けるように位置するセラミックハニカム１５を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子を、複数個、配置した光検出装置に関するものである。

イメージセンサへの関心が高まるにつれ、イメージセンサの画素を構成する各受光素子間の光のクロストーク（１つの受光素子への入射光の隣接素子への混入）による画像乱れが問題とされている（非特許文献１）。図９に示すように、１つの受光素子１１０に入射した光は、その受光素子１１０の受光箇所１１６で受光され、電流に変換されるが、実装面側の受光素子の中央部に位置するｐ部電極１０７などで反射され、隣の電極でも受光を生じてしまう。このようなクロストークの結果、隣り合う受光素子（画素）で信号電流が発生し、解像度が劣化するため、改善が要求されている。

上記の光検出装置では、アレイ化された受光素子のピッチを小さくするほど、解像度の劣化は顕著となる。このため一定の大きさのセンサ部において画素数を増やすことができず、また画素数を増やす場合にはチップサイズを大きくする必要があり、コスト増をもたらし、また小型化に逆行する。上記の画素間の光のクロストークを低減するために、受光素子間に分離溝を設けて金属膜を配置して、受光素子間を金属膜で遮断する構造が提案されている（特許文献１）。

石原正敏ら，"近赤外ＩｎＧａＡｓイメージセンサとその応用"電気学会 光応用・視覚研究会資料 JN:Z0953A Vol.LAV-00 No.7-13;Page.31-36;(2000/10/26) 特開２００５−１２３２１７号公報

しかしながら、受光素子間に分離溝と金属膜とを設ける構造では、光のクロストークに対して一定の効果はあるが、半導体基板の部分は光が自由に伝播できるため、半導体基板を介して多重反射した光が隣り合う受光素子に混入する。このため、クロストークを十分に抑制することはできない。また、上記構造では、受光素子間に絶縁膜を設け、その上に金属膜を形成するので、絶縁膜に要求される品質の信頼性（信頼性要求度）は非常に高いものとなる。このため、たとえばその絶縁膜中にピンホールのようなものが存在するだけで電気的短絡を生じ、受光素子として機能しなくなる。ひいては歩留まり低下やコスト増への影響も無視できなくなる。また、集積回路上に受光素子を集積配列した構造においては、受光素子間は分離されるが、散乱光は自由に通過できるためクロストークの解決にはならない。

上述のように、クロストークが生じると、各画素間の解像度が劣化する。受光素子の配列ピッチを小さくするほど、クロストークの増加は顕著になり、画素数を限られたサイズ内に配置することが困難になる。また、受光素子の配列ピッチを大きくして画素数を増やすと、上述のようにチップサイズが大きくなり、コスト増を招く。

また、エピタキシャル積層構造にクロストーク防止用の光学部品を組み入れることによりクロストークの十分な抑制をはかることは可能であるが、既存の光検出装置の製造工程中にそのような光学部品を作製する工程を割り込ませることになり、既存の製造工程を大きく変更することになる。このような既存の製造工程の大きな変更は、光検出装置の製造計画の変更を余儀なくするために、受け入れ不能の場合が考えられ、またコスト増をもたらす。

本発明は、エピタキシャル積層構造内に変更を加えることなく、光のクロストークを抑制することができる機構を備えた光検出装置を提供することを目的とする。

本発明の光検出装置は、受光層を含むエピタキシャル積層構造を持つ受光素子が、複数個、前記共通の半導体基板上に配置された、基板側が光の入射面である光検出装置である。この光検出装置では、光入射側の表面に、各受光素子をメッシュ状に区分けるように位置する遮光性立壁を備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、遮光性立壁の高さやその厚みにより決まる、垂直入射に近い入射角度の範囲の光以外の光は、各受光素子内に入ってその受光素子の受光層に向かうことが難しくなる。このため１つの受光素子で受光された光が隣の受光素子に拡散して向かうことが抑制され、クロストークの発生を低減することができる。

また、光検出装置の入射側の表面に上記遮光性立壁を配置するので、エピタキシャル積層構造に変更を加えることがない。製造ラインの観点からは、従来の製造ラインとは別に、または従来の製造ラインの末尾に、上記光検出装置の外側に遮光性立壁を取り付ける作業エリアを設ければよい。このため、製造ラインの大幅な変更をすることなくクロストークを低減した光検出器を提供することができる。

また、上記の遮光性立壁をセラミックハニカムとすることができる。この構成により、簡単な構造により遮光性立壁を実現することができ、従来の光検出装置にセラミックハニカムを取り付けることで、クロストークを低減した光検出装置を得ることができる。

また上記の遮光性立壁に囲まれた中に樹脂が配置されようにしてもよい。この構成により、空気より屈折率の高い樹脂に入射する光を垂直方向に屈折させることにより、より一層クロストークを抑制することができる。

上記の樹脂は、中心線に沿うように貫通穴があいているかまたは凸レンズ形状にしてもよい。この構成により、貫通穴またはレンズの集光効果によって光を導きやすくでき、クロストークをより強力に抑制することができる。

また、上記の複数の受光素子間には分離溝がない構造にすることができる。これにより、受光素子分離のための溝を設ける必要がなくなり、プロセス工程削減によりコスト低減を実現することができる。

上記の半導体基板であるｎ型半導体基板上に位置し、全面にわたって同じ厚みである、ｎ型バッファ層、受光層および窓層を備えることができる。そして、受光素子ごとに設けられている、窓層から受光層に届くｐ型領域およびそのｐ型領域に電気的に接続するｐ側電極を備えることができる。この構成は、上記の受光素子分離溝のない光検出装置を例示するものであり、プロセス工程削減によりコスト低減を実現することができる。

また、各受光素子に共通のｎ側電極を１つ備え、そのｎ側電極が、バッファ層またはｎ型半導体基板に電気的に接続される構造とすることができる。ここに、ｎ側電極がバッファ層に電気的に接続されるのは、エピダウン実装またはフリップチップ実装の場合であり、またｎ型半導体基板に電気的に接続されるのはエピアップ実装の場合である。エピアップ実装の場合はｎ型半導体基板の裏面にｎ側電極をバック電極として配置する。エピダウン実装およびエピダウン実装のいずれの場合も、各受光素子に共通するｎ側電極を１つ設けるので、製造工程が簡単化され、コスト削減に寄与することができる。

上記の受光素子がバンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍの受光層を有することができる。これにより近赤外線など長波長域の光検出装置を得ることができる。

また、上記の受光層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれか、またはその組み合わせから形成されることができる。この構成により、長波長域の感度が良い光検出装置を得ることができる。

本発明の光検出装置によれば、エピタキシャル積層構造内に変更を加えることなく、光のクロストークを抑制することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の光検出装置５０を説明するための図である。本実施の形態における特色は、光入射面側にセラミックハニカムの遮光性立壁１５を配置した点にある。その遮光性立壁１５の説明をする前に、この光検出装置の全体の構造について説明する。共通のｎ型ＩｎＰ基板５１に形成されたエピタキシャル積層構造がフリップチップ（エピダウン）実装されている。エピタキシャル積層構造は、ＩｎＰ基板５１上に位置するｎ型ＩｎＰバッファ層２と、そのｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に形成された受光層３と、その受光層３の上に形成されたＩｎＰ窓層４とで構成される。受光層３は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰなどによって形成することができる。窓層３もＩｎＰに限定されず、ＩｎＡｌＡｓなどで形成してもよい。

上記のバッファ層２／受光層３／窓層４は、各受光素子１０に共通の全面にわたって同じ厚さのエピタキシャル層で形成されている。すなわち受光素子１０を分離する分離溝は設けられていない。窓層４を被覆して保護するために、パッシベーション膜１２がＳｉＮなどにより形成される。なお、本実施の形態では、エピダウン実装の光検出装置について説明するが、本発明が対象とする光検出装置は、エピダウン実装タイプに限定されず、エピアップ実装タイプの光検出装置も含まれる。エピアップ実装では、光入射側の表面は、当然、エピタキシャル積層構造の表面層側となる。

受光素子１０ごとに、窓層４から受光層３に届くようにＺｎなどのｐ型不純物が拡散導入されたｐ型領域１７が設けられ、受光層３の中にｐｎ接合が形成されている。この受光素子１０ごとのｐｎ接合により画素ごとの感光が得られることになる。受光素子１０ごとのｐ型領域１７にはｐ側電極７が設けられ、受光素子１０ごとに光電変換による信号電流を検出する。ｐ側電極７と対をなすｎ側電極６は、共通のｎ型ＩｎＰバッファ層２に電気的に接続されている。ｎ側電極６とｐ側電極７とは、各受光素子１０のｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加して、各受光素子１０の受光層３内に空乏層を形成して、光の入射を待ち、光電効果による信号電流発生の準備をする。

エピダウン実装またはフリップチップ実装の光検出装置では、共通のＩｎＰ基板５１の裏面（エピタキシャル積層構造の反対側の面）から光を入射させる。ＩｎＰ基板５１の裏面には反射防止のためにＳｉＯＮなどのＡＲ(Anti-Reflection）膜１３が配置される。セラミックハニカム１５はＡＲ膜１３の上に、各受光素子１０に対応する範囲を取り囲むようにメッシュ状に形成される（図２参照）。図２は、各受光素子１０と、メッシュ状のセラミックハニカム１５と、半導体基板５１との形状関係を示す図である。図２によれば、セラミックハニカム１５の開口部が、各受光素子の領域に対応し、立壁は隣り合う受光素子の境界に位置する。図１に示すように、入射角が大きい光はセラミックハニカム１５の立壁によってブロックされるので、セラミックハニカム１５は、その高さおよび壁の厚み、そして反射率などの光学的性質が重要である。図１のセラミックハニカムは透過率ゼロを想定している。

上記のセラミックハニカム１５によれば、図１に示すように、所定角度以上の入射角を持つ光はブロックされ、所定角度未満の入射角の光のみが受光素子１０の受光層（空乏層）に至ることができる。このため、ある受光素子１０を通った光は、ｐ側電極７等で反射しても隣の受光素子の受光層に至る確率が小さく、クロストークは確実に抑制される。また、図１に示すセラミックハニカム１５は、セラミックハニカム以外の部分（エピタキシャル積層構造や各電極など）を作製したあと、付加的にＩｎＰ基板５１の裏面側のＡＲ膜１３の上に取り付けることができる。このため、エピタキシャル積層構造内に組み入れる光学部品等に比べて、製造ラインの大きな変更を行なう必要がない。

図３は、図１に示す光検出装置５０におけるセラミックハニカム１５の高さ寸法を大きくした効果を示す図である。幾何学的な考察から分かるように、セラミックハニカム１５の高さ寸法を大きくすることにより、各受光素子１０の受光層３に至ることができる光の入射角はより小さくなる。その結果、ｐ側電極７等で反射しても、隣の受光素子の受光層３に到達する確率をより小さくすることができる。

次にセラミックハニカム１５の材質または光学的性質の効果について説明する。図４は、セラミックハニカム１５を光吸収能の高い材質で形成した場合の効果を説明するための図である。セラミックハニカム１５の立壁に当たった光は、散乱されることなく、当たった箇所で吸収される。このため、散乱を繰り返して、その受光素子で受光されたあと、隣の受光素子で受光されるような経路の可能性を排除することができる。図１の光検出装置で説明したセラミックハニカム１５も材質的には図５のセラミックハニカムと同類である。一方、クロストーク抑制とトレードオフの関係となるが、その受光素子で受光される光量は減ることになる。

図５は、セラミックハニカム１５を反射率の高い材質で形成した場合の効果を説明するための図である。セラミックハニカム１５は、その受光素子１０で受光される光量を多くすることができる。セラミックハニカムに金属めっきを施すことにより、反射率の高いセラミックハニカムを得ることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における光検出装置５０を示す図である。本実施の形態では、セラミックハニカム１５とともに、そのセラミックハニカム１５の開口部に透明な樹脂１６を充填配置する点に特徴がある。樹脂１６の屈折率ｎ_１は、空気の屈折率ｎ_０より大きい。このため、図６に示すように、大きな入射角で樹脂１６に入射した光は、スネルの法則により、実質的に小さい入射角で樹脂１６内を伝播する。このため、ｐ側電極７などで反射されても、隣の受光素子の受光層に到達する可能性を小さくすることができる。このような樹脂１６と、図５で説明した反射率の高い材質で形成したセラミックハニカム１５とを組み合わせることにより、各受光素子で受ける光量を大きくした上でクロストークを抑えることが可能となる。

図７は、セラミックハニカム１５の開口部に配置する樹脂１６の中心線（軸線）に沿うように貫通穴１６ｈを設けた場合の光検出装置５０を示す図である。貫通穴１６ｈでは空気の屈折率ｎ_０であるので、周りの樹脂１６の屈折率ｎ_１が中心側より大きくなる。

図７のセラミックハニカムの開口部の樹脂の製造方法は、たとえば溶融状態に加熱した樹脂中にセラミックハニカムを浸漬し、セラミックハニカムの開口部の上面側および下面側において樹脂が固化する前に、セラミックハニカムを取り出し、溶融樹脂を取り除く。この方法によれば、セラミックハニカムの立壁に凝固する樹脂１６を所定の厚みにしてあとは樹脂を除くことにより、貫通穴１６ｈをあけることができる。

図８は、セラミックハニカム１５の開口部に配置する樹脂を凸レンズ形状１６ｒにした設けた場合の光検出装置５０を示す図である。単なる樹脂の充填だけでなく表面から突き出して凸レンズ形状１６ｒとした場合、レンズの集光効果によって凸レンズ形状から樹脂部への導光量を増大することができ、クロストークをより強力に抑制することができる。

セラミックハニカム１５の各開口部に、凸レンズ形状の樹脂の突出部１６ｒを設ける製造方法は、たとえば次のとおりである。まず溶融状態の樹脂をセラミックハニカム１５の開口部に溢れるように注ぎ、凸レンズ形状の雌金型を圧力をかけて押し付ける。このとき雌金型における凸レンズ形状部分は、セラミックハニカムの開口部に合うように形成し、その間の部分では、余剰の樹脂が雌金型外に押し出されるように貫通穴を設けておく。完全に固化する前に貫通穴から樹脂を除くことにより凸レンズ形状の突出部１６ｒを、セラミックハニカムの開口部１５に合わせて二次元状に周期的に配置することができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の光検出装置は、既存の光検出装置に付加する形でクロストークを抑える遮光性立壁を取り付けることができる。また遮光性立壁は、入手が容易なセラミックハニカムにより構成することができ、さらにセラミックハニカムの開口部に樹脂を配置することにより、光の入射角を実質的に小さくすることができ、受光する光量を減らすことなくクロストークを抑えることができる。

本発明の実施の形態１の光検出装置を示す図である。 図１の受光素子アレイおよび遮光性立壁（セラミックハニカム）を示す図である。 図１の光検出装置のセラミックハニカムの高さ寸法の影響を示す図である。 図１の光検出装置のセラミックハニカムを光吸収能の大きい材料で形成したときの効果を示す図である。 図１の光検出装置のセラミックハニカムを反射率の大きい材料で形成したときの効果を示す図である。 本発明の実施の形態２の光検出装置においてセラミックハニカムに樹脂を配置した効果を示す図である。 図６のセラミックハニカムに配置した樹脂の配置構成のさらに別の例を示す図である。 図６のセラミックハニカムに配置した樹脂の配置構成のその他の例を示す図である。 従来の光検出装置を示す図である。

符号の説明

２ バッファ層、３ 受光層、４ 窓層、６ ｎ側電極、７ ｐ側電極、１０ 受光素子、１２ パッシベーション膜、１３ ＡＲ膜、１５ セラミックハニカム（メッシュ状の遮光性立壁）、１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 樹脂、１６ｈ 樹脂の貫通穴、１６ｒ 凸レンズ形状の突出部、１７ ｐ型領域、５０ 光検出装置、５１ 基板。

Claims (9)

1. 受光層を含むエピタキシャル積層構造を有する受光素子が、複数個、共通の半導体基板上に配置された、基板側が光の入射面である光検出装置であって、
   前記光検出装置の光入射側の表面に、各受光素子をメッシュ状に区分けるように位置する遮光性立壁を備えることを特徴とする、光検出装置。
2. 前記遮光性立壁をセラミックハニカムとすることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記遮光性立壁に囲まれた中に樹脂が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記樹脂は、中心線に沿うように貫通穴があいているかまたは凸レンズ形状になっていることを特徴とする、請求項３に記載の光検出装置。
5. 前記複数の受光素子間には分離溝がないことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光検出装置。
6. 前記半導体基板であるｎ型半導体基板上に位置し、全面にわたって同じ厚みである、ｎ型バッファ層、受光層および窓層を備え、前記受光素子ごとに設けられている、前記窓層から受光層に届くｐ型領域およびそのｐ型領域に電気的に接続するｐ側電極を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の光検出装置。
7. 各受光素子に共通のｎ側電極を１つ備え、そのｎ側電極が、前記バッファ層またはｎ型半導体基板に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の光検出装置。
8. 前記受光素子がバンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍの受光層を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の光検出装置。
9. 前記受光層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれか、またはその組み合わせから形成されることを特徴とする、請求項７に記載の光検出装置。

Images