JP2022038202A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージ内を散乱する光を低減できる光検出装置を提供する。
【解決手段】光検出装置１Ａは、光検出素子１０Ａと、パッケージ２０とを備える。光検出素子１０Ａは、半導体基板１６と、光吸収膜３０とを備える。光吸収膜３０は、半導体基板１６の主面１６ａにおける光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光吸収膜３０は、光吸収層３１と、共振層３２と、反射層３３と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層３２の内部の光透過率は光吸収層３１の内部の光透過率より大きく、反射層３３の表面の光反射率は共振層３２の表面の光反射率より大きい。
【選択図】図１

Description

本開示は、光検出装置に関する。

特許文献１には、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）に関する技術が開示されている。このＳｉＰＭは、アバランシェフォトダイオードをそれぞれ含む複数のセルを備える。

米国特許出願公開第２０１３／９９１００号明細書

フォトダイオード等の光検出領域が半導体基板の表面に形成された半導体光検出素子を、光学窓を有するパッケージ内に収容した光検出装置が利用されている。このような光検出装置においては、パッケージ内に被検出光が入射すると、その一部は光検出領域の周辺に当たり、パッケージ内において散乱する。そして、パッケージ内への入射から時間をおいて光検出領域に入射する。

このような被検出光の振る舞いは、次の問題を引き起こす。すなわち、パッケージ内に入射後直ちに光検出領域に到達する被検出光と比較して、パッケージ内において散乱した後に光検出領域に到達する被検出光では、光検出領域における吸収タイミングに遅延が生じる。したがって、光検出領域から出力される電荷を増幅して得られる検出信号の波形が時間的に拡がってしまい、時間分解能の低下につながる。したがって、半導体光検出素子の時間分解能を高めるためには、パッケージ内を散乱する光を低減することが望ましい。

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パッケージ内を散乱する光を低減できる光検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本開示による第１の光検出装置は、半導体光検出素子と、パッケージとを備える。パッケージは、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容する。半導体光検出素子は、半導体基板と、光吸収膜とを備える。半導体基板は、被検出光が入射する第１面、及び第１面とは反対を向く第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面側に有する。光吸収膜は、第１面における光検出領域の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。

本開示による第２の光検出装置は、半導体光検出素子と、パッケージとを備える。パッケージは、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容する。半導体光検出素子は、半導体基板と、光吸収膜とを備える。半導体基板は、第１面、及び第１面とは反対を向き被検出光が入射する第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面に有する。光吸収膜は、第２面において光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域の周囲の領域のうち、少なくとも一部の上に設けられている。光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。

これらの光検出装置では、光学窓を通過した被検出光が半導体基板の光検出領域に入射する。そして、光検出領域に入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域において生成される。これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。しかし、光学窓を通過した被検出光の一部は、光検出領域ではなく光検出領域の周囲の領域に向かう。この被検出光の一部は、第１面の光検出領域（または、第１面の光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した第２面の領域）の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜に達する。光吸収膜は、光吸収層、共振層、及び反射層を含む多層構造を有する。光吸収膜に入射した光の一部は、光吸収層において直ちに吸収される。光吸収層に吸収されなかった光は光吸収層を透過し、共振層に入る。そして、共振層に入った光は、光吸収層及び共振層の界面と、共振層及び反射層の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層において徐々に吸収される。したがって、この光吸収膜によれば、単層からなる光吸収膜と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、上記の光検出装置によれば、第１面の光検出領域（または、第１面の光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した第２面の領域）の周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ内を散乱する光を低減し、半導体光検出素子の時間分解能の低下を抑制することができる。

上記第１の光検出装置において、半導体光検出素子は、光検出領域と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッドを第１面上に更に備え、光吸収膜は、電極パッドの少なくとも一部を露出させてもよい。この場合、電極パッドに対するワイヤボンディングを光吸収膜が妨げることを防ぐことができる。

上記の第１及び第２の光検出装置において、共振層の光学厚さは、被検出光の波長の４分の１の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。この場合、光吸収層及び共振層の界面にて反射した光の位相と、共振層及び反射層の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。

上記の第１及び第２の光検出装置において、光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含んでもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域において生成することができる。

上記の第１及び第２の光検出装置において、光吸収層はタングステンシリサイドを主に含み、共振層はＳｉＯ_２を主に含んでもよい。この場合、吸収効率が高い光吸収膜を実現することができる。

本開示に係る光検出装置によれば、パッケージ内を散乱する光を低減できる。

第１実施形態に係る光検出装置の断面図である。 光吸収膜の断面構造を模式的に示す図である。 第１変形例に係る光検出装置の断面図である。 第２変形例に係る光検出装置の断面図である。 第３変形例に係る光検出装置の断面図である。 第４変形例に係る光検出装置の断面図である。 第５変形例に係る光検出装置の断面図である。 第６変形例に係る光検出装置の断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本開示による光検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る光検出装置１Ａの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ａは、被検出光の強度を検出する半導体光検出素子（以下、単に光検出素子という）１０Ａと、光検出素子１０Ａを気密に収容するパッケージ２０とを備える。被検出光の波長は、可視域から近赤外域の範囲内であり、例えば３５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。

パッケージ２０は、底板２１と、側壁２２と、天板２３とを有する。底板２１は、光検出素子１０Ａを搭載する板状の部材である。底板２１の平面形状は例えば円形である。底板２１は導電性を有し、例えばＦｅ（鉄）といった材料を主に含んで構成されている。底板２１には、底板２１を貫通する複数のピン２４が設けられている。ピン２４は導電体からなり、ピン２４と底板２１とは互いに絶縁されている。複数のピン２４によって、パッケージ２０の内側と外側との電気的接続が可能となる。底板２１は、光検出素子１０Ａを搭載する搭載面２１ａを有する。一実施例では、搭載面２１ａは平坦である。光検出素子１０Ａと搭載面２１ａとは、例えば銀ペーストなどの接着剤によって互いに接合されている。

側壁２２は、底板２１の周縁部に立設された筒状の部材であって、光検出素子１０Ａを囲んでいる。側壁２２は、導電性を有し、例えば底板２１と同一の材料からなる。

天板２３は、側壁２２の上端（底板２１とは反対側の一端）に固定され、光検出素子１０Ａを覆う。底板２１、側壁２２及び天板２３によって、パッケージ２０の内部空間は気密に封止されている。天板２３は、導電性を有する部分２３１と、被検出光を通過させる光学窓２３２とを含む。部分２３１は、被検出光の光軸ＡＸを中心とする円環状を呈する。部分２３１は、導電性を有し、例えば底板２１と同一の材料からなる。光学窓２３２は、部分２３１の円環の中央の開口部２３ａを塞ぐ板状の部材である。光学窓２３２は、少なくとも被検出光の波長に対して光透過性を有する。本開示において、光透過性を有するとは、対象波長に対して透明であること、すなわち７０％以上の光透過率を有することをいう。光学窓２３２は、例えばガラス板である。光学窓２３２の周縁部と部分２３１とは、接着剤によって気密に接合されている。

光検出素子１０Ａは、底板２１の搭載面２１ａ上における、光学窓２３２と対向する位置に配置されている。光検出素子１０Ａは、半導体基板１６と、電極パッド５１及び５２と、光吸収膜３０とを備える。

半導体基板１６は、平面視において矩形状を呈する。半導体基板１６は、互いに反対を向く主面１６ａと裏面１６ｂとを含んでいる。主面１６ａは本開示における第１面の例であり、裏面１６ｂは本開示における第２面の例である。主面１６ａには、被検出光が入射する。一例では、半導体基板１６はＳｉ基板またはＩｎＰ基板である。半導体基板１６の厚さ（主面１６ａと裏面１６ｂとの距離）は、例えば１μｍ以上１０００μｍ以下である。

光検出素子１０Ａは、半導体基板１６の主面１６ａ側に形成された光検出領域１１を含んでいる。この光検出領域１１は、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する。光検出領域１１には、光検出装置１Ａの外部に設けられる電源から逆バイアス電圧が印加される。光検出領域１１からの出力電流は、光検出装置１Ａの外部に設けられる信号処理回路によって検出される。

光検出領域１１は、ｐｎ接合フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードを含む。具体的には、光検出領域１１は、第１導電型（例えばｐ型）の半導体領域１４を有している。なお、図示例では光検出領域１１が単一の半導体領域１４を有しているが、光検出領域１１は一次元状または二次元状に配列された複数の半導体領域１４を有してもよい。半導体領域１４は、半導体基板１６の主面１６ａ側（具体的には、主面１６ａを含む半導体基板１６の内部）に形成されている。半導体領域１４の平面形状は、たとえば四角形などの多角形である。また、半導体基板１６は、第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１２と、高濃度の第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１５と、を更に有している。半導体領域１５は、半導体基板１６の主面１６ａ側（具体的には、主面１６ａを含む半導体基板１６の内部）において、半導体領域１４と間隔をあけて並んで形成されている。半導体領域１２は、半導体基板１６において半導体領域１４及び１５を除く領域を占める。

電極パッド５１及び５２は、ワイヤボンディングのための電極パッドである。電極パッド５１及び５２は、半導体基板１６の主面１６ａ上に設けられた絶縁膜４１の内部に埋め込まれており、互いに主面１６ａに沿う方向に互いに離間して配置されている。光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、電極パッド５１は半導体領域１４毎に設けられる。

電極パッド５１は、電極パッド５１に関して主面１６ａとは反対側に位置する絶縁膜４１の部分に形成された開口を通じて、絶縁膜４１から露出している。電極パッド５１の露出部分には、ボンディングワイヤ５３の一端が接続されている。ボンディングワイヤ５３の他端は、複数のピン２４のうちの一つに接続されている。すなわち、電極パッド５１は、ボンディングワイヤ５３及びピン２４を介して、光検出装置１Ａの外部回路と電気的に接続可能とされている。電極パッド５１は、絶縁膜４１の内部に埋め込まれた導電性の配線及び第１導電型のオーミック電極を介して、半導体領域１４と電気的に接続されている。

電極パッド５２は、電極パッド５２に関して主面１６ａとは反対側に位置する絶縁膜４１の部分に形成された別の開口を通じて、絶縁膜４１から露出している。電極パッド５２の露出部分には、ボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。ボンディングワイヤ５４の他端は、複数のピン２４のうちの他の一つに接続されている。すなわち、電極パッド５２は、ボンディングワイヤ５４及びピン２４を介して、光検出装置１Ａの外部回路と電気的に接続可能とされている。電極パッド５２は、絶縁膜４１の内部に埋め込まれた導電性の配線及び第２導電型のオーミック電極を介して、半導体領域１５と電気的に接続されている。

電極パッド５１，５２及び配線は金属からなる。電極パッド５１，５２及び配線に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｌＣｕなどの単層膜、或いはＡｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉなどの積層膜が挙げられる。なお、Ａ／Ｂ／Ｃとの表記は、半導体基板１６側から順にＡ層、Ｂ層及びＣ層が積層されていることを意味する。電極パッド５１，５２及び配線の形成方法としては、スパッタ法またはメッキ法を用いることができる。

第１導電型（例えばｐ型）のオーミック電極の材料としては、半導体基板１６がＳｉ基板である場合には例えばＡｌが用いられ、半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合には例えばＡｕＺｎが用いられる。第２導電型（例えばｎ型）のオーミック電極の材料としては、半導体基板１６がＳｉ基板である場合には例えばＡｌが用いられ、半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合には例えばＡｕＧｅ／Ｎｉが用いられる。オーミック電極の形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。

半導体基板１６がＳｉ基板である場合、ｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としては、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合、ｐ型不純物としてはＺｎなどが用いられ、ｎ型不純物としてはＳ、Ｓｎなどが用いられる。半導体の導電型であるｎ型とｐ型とは、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法またはイオン注入法を用いることができる。

絶縁膜４１の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ又はＳｉＯＮといった絶縁性シリコン化合物、Ａｌ_２Ｏ_３又はＴｉＯ_２といった絶縁性金属酸化物、或いは絶縁性樹脂を用いることができる。絶縁膜４１の形成方法としては、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法を用いることができる。絶縁膜４１がＳｉＯ_２からなる場合には、熱酸化法を用いてもよい。

上述の構造の場合、第１導電型の半導体領域１４と第２導電型の半導体領域１２との間に、ｐｎ接合が構成されることで、光検出領域１１としてのフォトダイオードが形成される。光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合、光検出領域１１をガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、光検出領域１１のブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）を光検出領域１１のアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには負電位を、カソードには正電位を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。アノードは半導体領域１４及び１５のうちｐ型の領域であり、カソードは半導体領域１４及び１５のうちｎ型の領域である。光検出領域１１に被検出光の光子が入射すると、半導体基板１６の内部において光電変換が行われ、光電子が発生する。半導体領域１４のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅されたキャリアは電極パッド５１または５２に向けて流れる。すなわち、光検出領域１１に光子が入射すると、光電変換後に電子増倍がなされて、電流信号がいずれかのピン２４から取り出される。

光吸収膜３０は、半導体基板１６の主面１６ａ上（本実施形態では絶縁膜４１上）に設けられている。光吸収膜３０は、主面１６ａにおける光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光検出領域１１の周囲の領域とは、半導体領域１４の周囲の領域を指す。また、光吸収膜３０は、ワイヤボンディングのため、各電極パッド５１，５２の少なくとも一部を露出させる。図示例の光吸収膜３０は、半導体領域１４の中央部を含む領域と、各電極パッド５１，５２における絶縁膜４１からの露出領域とを除く、主面１６ａ上の全面に設けられている。すなわち、光吸収膜３０は、半導体領域１４上に開口３０ａを有し、電極パッド５１上に開口３０ｂを有し、電極パッド５２上に開口３０ｃを有する。

光吸収膜３０は、光検出領域１１の周囲に向かう被検出光を吸収するために設けられている。光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３を含む多層構造を有する。

光吸収層３１は、光吸収膜３０の表面を構成する。光吸収層３１の厚さは、数ｎｍから数μｍの範囲内である。共振層３２は、光吸収層３１と半導体基板１６との間、具体的には光吸収層３１と反射層３３との間に設けられている。共振層３２の厚さは、数ｎｍから数百μｍの範囲内である。一例では、共振層３２の光学厚さは、被検出光の波長λの４分の１の整数倍である。或いは、共振層３２の光学厚さは、λ／４の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。反射層３３は、共振層３２と半導体基板１６との間に設けられている。反射層３３の厚さは、数十ｎｍから数ｍｍの範囲内である。

また、被検出光の波長λにおいて、共振層３２の内部の光透過率は、光吸収層３１の内部の光透過率より大きい。言い換えると、共振層３２の消衰係数は、光吸収層３１の消衰係数より小さい。光吸収層３１は、例えば金属により構成される。光吸収層３１を構成する金属は、タングステンシリサイド（ＷＳｉ_ｘ）、Ｔｉ、ＴｉＮ、及びＣｒからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、光吸収層３１はタングステンシリサイドを主に含み、一実施例ではタングステンシリサイドからなる。

共振層３２は、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮといったシリコン化合物を主に含み、一実施例ではＳｉＯ_２、ＳｉＮ、又はＳｉＯＮからなる。被検出光の波長λにおいて、共振層３２は光透過性を有してもよい。また、波長λにおいて、反射層３３の表面の光反射率は、共振層３２の表面の光反射率より大きい。なお、本開示において「反射層の表面の光反射率」とは、反射層の共振層側の表面の光反射率をいい、「共振層の表面の光反射率」とは、共振層の光吸収層側の表面の光反射率をいう。反射層３３は、金属層である。反射層３３を構成する金属は、Ａｌ、Ａｌ系合金（ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉ等）、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、反射層３３はＡｌを主に含み、一実施例ではＡｌからなる。

光吸収膜３０を形成する際には、例えば、絶縁膜４１上に反射層３３（例えばＡｌＣｕ）をスパッタにより形成し、その上に共振層３２（例えばＳｉＯ_２）をＣＶＤにより形成し、その上に光吸収層３１（例えばＷＳｉ_ｘ）をスパッタにより形成するとよい。

以上に説明した本実施形態の光検出装置１Ａによって得られる作用効果について説明する。光検出装置１Ａでは、光学窓２３２を通過した被検出光が光検出素子１０Ａの光検出領域１１に入射する。そして、光検出領域１１に入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域１１において生成される。これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。しかし、光学窓２３２を通過した被検出光の一部は、光検出領域１１ではなく光検出領域１１の周囲の領域に向かう。この被検出光の一部は、主面１６ａの光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜３０に達する。

光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２、及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収膜３０に入射した光の一部は、光吸収層３１において直ちに吸収される。光吸収層３１に吸収されなかった光は光吸収層３１を透過し、共振層３２に入る。そして、共振層３２に入った光は、光吸収層３１及び共振層３２の界面と、共振層３２及び反射層３３の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層３１において徐々に吸収される。したがって、この光吸収膜３０によれば、単層からなる光吸収膜（黒色樹脂膜など）と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、本実施形態の光検出装置１Ａによれば、主面１６ａの光検出領域１１の周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ２０の内部空間にて散乱する光を低減し、光検出素子１０Ａの時間分解能の低下を抑制することができる。

本実施形態のように、光検出素子１０Ａは、光検出領域１１と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッド５１，５２を主面１６ａ上に備えてもよい。そして、光吸収膜３０は、各電極パッド５１，５２の少なくとも一部を露出させてもよい。この場合、電極パッド５１，５２に対するワイヤボンディングを光吸収膜３０が妨げることを防ぐことができる。

前述したように、共振層３２の光学厚さは、被検出光の波長λの４分の１（すなわちλ／４）の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。この場合、光吸収層３１及び共振層３２の界面にて反射した光の位相と、共振層３２及び反射層３３の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜３０の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。

前述したように、光検出領域１１は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含んでもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域１１において生成することができる。

前述したように、光吸収層３１はタングステンシリサイドを主に含み、共振層３２はＳｉＯ_２を主に含んでもよい。この場合、吸収効率が高い光吸収膜３０を実現することができる。

ここで、本実施形態の光吸収膜３０の作用について、詳細に説明する。図２は、光吸収膜３０の断面構造を模式的に示す図である。前述したように、光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２、及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収膜３０に到達した光Ｌの一部は光吸収層３１の表面において反射し、残部が光吸収層３１の内部に入る。このとき、光吸収層３１のシート抵抗を、光吸収層３１の表面に接する媒質（例えば空気）の空間インピーダンスに一致させておけば、表面反射率はゼロとなり、光吸収層３１の内部に全ての光Ｌが入ることになる。光吸収層３１の内部に入った光Ｌは、光吸収層３１の消衰係数に基づいて計算される比率で次第に吸収されるので、光吸収層３１が十分に厚ければ、ほとんどの光Ｌが光吸収層３１に吸収される。しかし、光吸収層３１を厚くすることは、すなわちシート抵抗を小さくすることに繋がり、光吸収層３１の表面反射率が増大することとなる。したがって、本実施形態では、光吸収層３１の厚みを制限し、一部の光Ｌが光吸収層３１を通り抜けることを許容する。

この通り抜けた光Ｌの一部は、光吸収層３１と共振層３２との界面にて反射し、光吸収層３１へ戻る。以下、この反射光を第一反射光と称する。光吸収層３１が金属からなり、共振層３２が誘電体からなる場合、共振層３２のインピーダンスは光吸収層３１のインピーダンスより大きい（換言すると、共振層３２の屈折率は光吸収層３１の屈折率より小さい）ので、第一反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴わない。また、光Ｌの残部は、該界面を通過して共振層３２の内部に入る。共振層３２の内部に入った光Ｌは、ほとんど減衰されることなく共振層３２と反射層３３との界面に達し、該界面において全反射する。以下、この反射光を第二反射光と称する。第二反射光は再び共振層３２内部を進んで光吸収層３１へ向かう。反射層３３のインピーダンスは０Ωに近い（言い換えると、屈折率が無限大に近い）ので、第二反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴う。第二反射光が光吸収層３１に到達したときに、第二反射光と第一反射光との位相差がπ（ｒａｄ）であれば、互いに打ち消し合う。その為には、共振層３２の光学厚さ（換言すると、光吸収層３１と反射層３３との光学的間隔）が、光Ｌの波長の１／４に近いほどよい。この点、前述した説明では、共振層３２の光学厚さを、光Ｌの波長の１／４を中心とする±２０％の範囲内としている。但し、第一反射光の電界振幅と第二反射光の電界振幅とは全く同じではないので、完全には打ち消し合わず、反射光の一部は光吸収層３１に入射する。光吸収層３１に入射した反射光は、光吸収層３１において吸収される。また、第二反射光の一部は共振層３２の内部に残り、多重反射を繰り返すが、徐々に光吸収層３１に吸収される。こうして、光Ｌのほとんどが光吸収層３１に吸収されることとなる。
光吸収膜３０の設計例について説明する。本実施形態では、光吸収膜３０の光吸収層３１が空気に接している。光Ｌの波長は１．５５μｍであるものとする。光吸収層３１はＷＳｉからなり、共振層３２はＳｉＯ_２からなり、反射層３３はＡｌからなるものとする。空気の特性インピーダンスは３７７Ωである。タングステンシリサイド（ＷＳｉ_２）の比抵抗は２．４８×１０^－４Ω・ｃｍである。したがって、光吸収層３１の好適な厚みｔは、

として算出される。また、ＳｉＯ_２の比屈折率は１．４８であるから、共振層３２の好適な厚さは、１．５５μｍ／１．４８／４＝２６２ｎｍとして算出される。また、Ａｌの比抵抗は２．６５×１０^－６Ω・ｃｍであるから、反射層３３を例えば１μｍといった十分な厚みとすることにより、シート抵抗は０．０２６５Ωとなる。ＳｉＯ_２のインピーダンスは

であるから、共振層３２と反射層３３との界面における反射係数は、０．９９８となる。

上記の考え方に従えば、被検出光の波長λに応じた光吸収膜３０の設計も容易となる。下記の表１は、被検出光の波長λが４００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍである場合における光吸収膜３０の設計例を示す表である。

なお、上記の設計例では、光吸収膜３０の表面に対して垂直な方向（言い換えると、光吸収膜３０の厚み方向）から光Ｌが入射することを想定しているが、光吸収膜３０の表面に対して傾斜した方向から光Ｌが入射する場合には、上記の設計に光Ｌの入射角を加味するとよい。すなわち、各層３１～３３の屈折率から各層３１～３３内における光の伝搬角度を計算し、各層３１～３３の厚さを、この伝搬角度を考慮した厚さとするとよい。

（第１変形例）
図３は、上記実施形態の第１変形例に係る光検出装置１Ｂの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｂは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｂと、光検出素子１０Ｂを気密に収容するパッケージ２０とを備える。被検出光の波長及びパッケージ２０の構成は、第１実施形態と同様である。

本変形例の光検出素子１０Ｂは、半導体基板１６が半導体領域１５（図１を参照）を有しない点、及び裏面電極５５を有する点において第１実施形態の光検出素子１０Ａと異なる。

裏面電極５５は、半導体基板１６の裏面１６ｂとオーミック接触を成し、これにより半導体領域１２と電気的に接続されている。図示例では、裏面電極５５は裏面１６ｂ上の全面に設けられている。光検出素子１０Ｂは、裏面電極５５を介して底板２１の搭載面２１ａに接合されている。裏面電極５５は金属膜であり、その構成材料は例えばＡｕである。裏面電極５５の周縁部は裏面１６ｂの外側にはみ出しており、該周縁部にはボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。このため、電極パッド５２にはボンディングワイヤ５４は接続されない。また、本変形例の光吸収膜３０は、電極パッド５２のワイヤボンディングのための開口３０ｃを有していない。

以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｂもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第２変形例）
図４は、上記実施形態の第２変形例に係る光検出装置１Ｃの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｃは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｃと、光検出素子１０Ｃを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。被検出光の波長及びパッケージ２０の構成は、第１実施形態と同様である。

本変形例の光検出素子１０Ｃは、半導体基板１６が貫通配線５６、貫通配線５７、裏面電極５８、裏面電極５９、バンプ電極６０、バンプ電極６１、及びガラス基板７０を有する点において第１実施形態の光検出素子１０Ａと異なる。光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、貫通配線５６、裏面電極５８、及びバンプ電極６０は、半導体領域１４毎に設けられる。

裏面電極５８，５９は、絶縁膜４２を挟んで、裏面１６ｂ上に設けられている。貫通配線５６，５７は、半導体基板１６の主面１６ａと裏面１６ｂとの間を貫通して形成されている。すなわち、貫通配線５６，５７は、半導体基板１６を貫通する貫通孔１６ｃ内に配置されている。貫通孔１６ｃの内側面は、半導体基板１６の厚さ方向（すなわち主面１６ａ及び裏面１６ｂに垂直な方向）に延びている。絶縁膜４２は、貫通孔１６ｃ内にも形成されている。貫通配線５６，５７は、絶縁膜４２を挟んで、貫通孔１６ｃの内側面上及び底面上に配置されている。貫通配線５６の一端は、電極パッド５１に接続され、電極パッド５１及びオーミック電極を介して光検出領域１１の半導体領域１４と電気的に接続されている。貫通配線５６の他端は、裏面電極５８に接続されている。貫通配線５７の一端は、電極パッド５２に接続され、電極パッド５２及びオーミック電極を介して半導体領域１５と電気的に接続されている。貫通配線５７の他端は、裏面電極５９に接続されている。

貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９は金属からなる。貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｌＣｕなどの単層膜、或いはＡｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉなどの積層膜が挙げられる。

搭載基板８１は、底板２１の搭載面２１ａ上に載置されている。搭載基板８１は平坦な主面８１ａを有している。主面８１ａは、半導体基板１６の裏面１６ｂと対向している。搭載基板８１は、主面８１ａ上に配置された電極８２，８３，８４，及び８５を含んでいる。電極８２，８３は、貫通配線５６，５７にそれぞれ対応して配置されている。具体的には、電極８２，８３は、主面８１ａにおける、裏面電極５８，５９にそれぞれ対向する各領域上に形成されている。

裏面電極５８と電極８２とは、バンプ電極６０により接続されている。これにより、貫通配線５６は、裏面電極５８及びバンプ電極６０を介して、電極８２と電気的に接続される。同様に、裏面電極５９と電極８３とは、バンプ電極６１により接続されている。これにより、貫通配線５７は、裏面電極５９及びバンプ電極６１を介して、電極８３と電気的に接続される。電極８２，８３は、貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９と同様の金属からなる。バンプ電極６０，６１は、例えば半田を主に含む。

搭載基板８１は、信号処理回路を含んでいる。すなわち、搭載基板８１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。各電極８２，８３は、搭載基板８１内に形成された配線（図示省略）を介して信号処理回路と電気的に接続されている。信号処理回路には、光検出領域１１からの出力信号が入力され、信号処理回路は、光検出領域１１からの出力信号を処理する。信号処理回路は、光検出領域１１からの出力信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいる。また、光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、搭載基板８１は、各半導体領域１４に対応して、時間情報を記録する回路が含まれるように構成されている。時間情報を記録する回路としては、時間デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Convertor）、又は、時間電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Convertor）などが用いられる。これにより、搭載基板８１内での配線距離の差は、時間分解能に影響を与えない。

信号処理回路からの出力信号は、電極８４，８５から出力される。電極８４にはボンディングワイヤ５３の一端が接続され、電極８５にはボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。これにより、信号処理回路からの出力信号は、ボンディングワイヤ５３，５４及びピン２４を通じて光検出装置１Ｃの外部へ出力される。

半導体基板１６の裏面１６ｂ上には、貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９を覆う絶縁保護膜４３が設けられている。絶縁保護膜４３は、バンプ電極６０に対応する位置に形成された開口と、バンプ電極６１に対応する位置に形成された開口とを有する。

搭載基板８１の主面８１ａ上には、電極８２～８５を埋め込む絶縁膜４４が設けられている。絶縁膜４４は、バンプ電極６０に対応する電極８２上の位置に形成された開口と、バンプ電極６１に対応する電極８３上の位置に形成された開口と、電極８４上に形成されたボンディングワイヤ５３のための開口と、電極８５上に形成されたボンディングワイヤ５４のための開口と、を有する。

絶縁保護膜４３及び絶縁膜４４は、例えば、ポリイミド系、フェノール系、エポキシ系等の樹脂絶縁膜、ＳｉＯ_２／樹脂絶縁膜、ＳｉＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、又はＳｉＯＮ膜からなる。絶縁保護膜４３及び絶縁膜４４の形成方法としては、樹脂絶縁膜の場合にはスピンコート法を用いることができ、ＳｉＯ_２膜の場合にはＣＶＤ法を用いることができる。

ガラス基板７０は、被検出光の波長に対して光透過性を有する。ガラス基板７０は、光吸収膜３０上に配置されている。ガラス基板７０は、互いに反対を向く主面７０ａと裏面７０ｂとを有している。裏面７０ｂは、半導体基板１６の主面１６ａと対向している。主面７０ａ及び裏面７０ｂは平坦である。ガラス基板７０と、光吸収膜３０及び開口３０ａ内の絶縁膜４１とは、光学接着剤７１により接着され、且つ光学的に接続されている。光学接着剤７１は、光吸収膜３０の開口３０ａを埋め込んでいる。

本変形例では、光検出素子１０Ｃが、裏面１６ｂ上のバンプ電極６０，６１を介して搭載基板８１と電気的に接続される。したがって、光吸収膜３０の開口３０ｂ及び３０ｃ（図１を参照）は、本変形例では不要である。

以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｃもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。但し、本変形例では、光吸収層３１に接する媒質は空気ではなく光学接着剤７１である。下記の表２は、被検出光の波長λが４００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍである場合の光学接着剤７１の屈折率及び光吸収膜３０の設計例を示す。

（第３変形例）
図５は、上記実施形態の第３変形例に係る光検出装置１Ｄの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｄは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｄと、光検出素子１０Ｄを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。

本変形例は、光検出装置１Ｄにおいて光吸収膜３０がガラス基板７０の主面７０ａ上に設けられている点で第２変形例と相違する。すなわち、ガラス基板７０の裏面７０ｂは光学接着剤７１を介して絶縁膜４１に接着されており、光吸収膜３０の反射層３３、共振層３２、及び光吸収層３１は、この順で主面７０ａ上に成膜されている。以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｄもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第４変形例）
図６は、上記実施形態の第４変形例に係る光検出装置１Ｅの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｅは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｅと、光検出素子１０Ｅを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。本変形例は、光検出素子１０Ｅに対して半導体基板１６の裏面１６ｂ側から被検出光が入射する点、及び搭載基板８１を備える点において第１実施形態と異なる。

光検出素子１０Ｅは、第１実施形態の光検出素子１０Ａと同様に、半導体基板１６、絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２を有する。絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２は、半導体基板１６の主面１６ａ上に設けられている。半導体基板１６は、半導体領域１２，１４及び１５を含む。半導体基板１６、絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２の構成は、第１実施形態と同様である。

搭載基板８１の構成は、第２変形例と同様である。但し、搭載基板８１の電極８２，８３は、電極パッド５１，５２にそれぞれ対応して配置されている。具体的には、電極８２，８３は、主面８１ａにおける、電極パッド５１，５２にそれぞれ対向する各領域上に形成されている。

電極パッド５１と電極８２とは、バンプ電極６２により接続されている。これにより、半導体領域１４は、電極パッド５１及びバンプ電極６２を介して、電極８２と電気的に接続される。同様に、電極パッド５２と電極８３とは、バンプ電極６３により接続されている。これにより、半導体領域１５は、電極パッド５２及びバンプ電極６３を介して、電極８３と電気的に接続される。電極８２，８３は、電極パッド５１，５２と同様の金属からなる。バンプ電極６２，６３は、例えば半田を主に含む。

本変形例の光吸収膜３０は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に設けられている。光吸収膜３０は、裏面１６ｂに対して、光検出領域１１を被検出光の入射方向とは反対の方向（すなわち光学窓２３２に向かう方向）に投影した領域１６ｄの周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられている。図示例の光吸収膜３０は、領域１６ｄの中央部を含む領域を除く、裏面１６ｂ上の全面に設けられている。すなわち、光吸収膜３０は、領域１６ｄ上に開口３０ａを有する。半導体基板１６は、開口３０ａにおいて光吸収膜３０から露出している。

光吸収膜３０は、領域１６ｄの周囲に向かう被検出光を吸収するために設けられている。光吸収膜３０は、第１実施形態と同様に、光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３の詳細な構成は、第１実施形態と同様である。

以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｅもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、この光検出装置１Ｅによれば、主面１６ａの光検出領域１１を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域１６ｄの周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ２０の内部空間にて散乱する光を低減し、光検出素子１０Ｅの時間分解能の低下を抑制することができる。

（第５変形例）
図７は、上記実施形態の第５変形例に係る光検出装置１Ｆの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｆは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｆと、光検出素子１０Ｆを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。本変形例は、光検出素子１０Ｆがガラス基板７０を備える点において第４変形例と異なる。

ガラス基板７０の構成は、前述した第３変形例（図４を参照）と同様である。すなわち、ガラス基板７０は、被検出光の波長に対して光透過性を有する。ガラス基板７０は、光吸収膜３０上に配置されている。ガラス基板７０は、互いに反対を向く主面７０ａと裏面７０ｂとを有する。裏面７０ｂは、半導体基板１６の裏面１６ｂと対向している。主面７０ａ及び裏面７０ｂは平坦である。ガラス基板７０と、光吸収膜３０及び開口３０ａ内の半導体基板１６とは、光学接着剤７１により接着され、且つ光学的に接続されている。光学接着剤７１は、光吸収膜３０の開口３０ａを埋め込んでいる。

以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｆもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第６変形例）
図８は、上記実施形態の第６変形例に係る光検出装置１Ｇの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｇは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｇと、光検出素子１０Ｇを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。

本変形例は、光検出装置１Ｇにおいて光吸収膜３０がガラス基板７０の主面７０ａ上に設けられている点で第５変形例と相違する。すなわち、ガラス基板７０の裏面７０ｂは光学接着剤７１を介して半導体基板１６の裏面１６ｂに接着されており、光吸収膜３０の反射層３３、共振層３２、及び光吸収層３１は、この順で主面７０ａ上に成膜されている。以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｇもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、光検出領域１１はフォトダイオードに限られず、例えば電荷結合素子（Charge Coupled Device；ＣＣＤ）を含んでもよい。その場合であっても、時間分解能の低下を抑制する効果を奏することができる。

１Ａ～１Ｇ…光検出装置、１０Ａ～１０Ｇ…光検出素子、１１…光検出領域、１２，１４，１５…半導体領域、１６ａ…主面、１６ｂ…裏面、１６ｃ…貫通孔、１６ｄ…領域、２０…パッケージ、２１…底板、２１ａ…搭載面、２２…側壁、２３…天板、２３ａ…開口部、２４…ピン、３０…光吸収膜、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…開口、３１…光吸収層、３２…共振層、３３…反射層、４１，４２，４４…絶縁膜、４３…絶縁保護膜、５１，５２…電極パッド、５３，５４…ボンディングワイヤ、５５…裏面電極、５６，５７…貫通配線、５８，５９…裏面電極、６０～６３…バンプ電極、７０…ガラス基板、７０ａ…主面、７０ｂ…裏面、７１…光学接着剤、８１…搭載基板、８１ａ…主面、８２～８５…電極、２３１…部分、２３２…光学窓、ＡＸ…光軸、Ｌ…光。

Claims (6)

1. 被検出光が入射する第１面、及び前記第１面とは反対を向く第２面を有し、前記被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を前記第１面側に有する半導体基板と、前記第１面における前記光検出領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、
   前記被検出光を通過させる光学窓を有し、前記半導体光検出素子を収容するパッケージと、
   を備え、
   前記光吸収膜は、
   光吸収層と、
   前記光吸収層と前記半導体基板との間に設けられた共振層と、
   前記共振層と前記半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、
   を含む多層構造を有し、
   前記被検出光の波長において、前記共振層の内部の光透過率は前記光吸収層の内部の光透過率より大きく、前記反射層の表面の光反射率は前記共振層の表面の光反射率より大きい、光検出装置。
2. 前記半導体光検出素子は、前記光検出領域と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッドを前記第１面上に更に備え、
   前記光吸収膜は、前記電極パッドの少なくとも一部を露出させる、請求項１に記載の光検出装置。
3. 第１面、及び前記第１面とは反対を向き被検出光が入射する第２面を有し、前記被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を前記第１面に有する半導体基板と、前記第２面において前記光検出領域を前記被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、
   前記被検出光を通過させる光学窓を有し、前記半導体光検出素子を収容するパッケージと、
   を備え、
   前記光吸収膜は、
   光吸収層と、
   前記光吸収層と前記半導体基板との間に設けられた共振層と、
   前記共振層と前記半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、
   を含む多層構造を有し、
   前記被検出光の波長において、前記共振層の内部の光透過率は前記光吸収層の内部の光透過率より大きく、前記反射層の表面の光反射率は前記共振層の表面の光反射率より大きい、光検出装置。
4. 前記共振層の光学厚さは、前記被検出光の波長の４分の１の整数倍を中心とする±２０％の範囲内である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光検出装置。
5. 前記光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置。
6. 前記光吸収層はタングステンシリサイドを主に含み、前記共振層はＳｉＯ_２を主に含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の光検出装置。

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