JP2023021722A - 光検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度変化による反りを抑制できる光検出装置を提供する。
【解決手段】光検出装置は、第１主面と第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、化合物半導体基板の第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路とを備える。絶縁膜は、化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含む。絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する。
【選択図】図２
【解決手段】光検出装置は、第１主面と第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、化合物半導体基板の第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路とを備える。絶縁膜は、化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含む。絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する。
【選択図】図２
Description
本開示は、光検出装置に関する。
特許文献１は、２次元アレイ型受光素子と読み出し回路とがＩｎバンプにより接合された光検出装置を開示する。
２次元アレイ型受光素子は化合物半導体基板を含む。読み出し回路はシリコン基板を含む。化合物半導体の熱膨張係数とシリコンの熱膨張係数との差に起因して、温度変化により化合物半導体基板及びシリコン基板が反ることがある。化合物半導体の熱膨張係数はシリコンの熱膨張係数よりも大きいので、例えば光検出装置を冷却すると、化合物半導体基板の縮み量はシリコン基板の縮み量に比べて大きくなる。その結果、化合物半導体基板及びシリコン基板の反りが生じる。反り量が大きくなると、化合物半導体基板又はシリコン基板が割れる可能性がある。
本開示は、温度変化による反りを抑制できる光検出装置を提供する。
本開示の一側面に係る光検出装置は、第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、前記第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、前記第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、前記化合物半導体基板の前記第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路と、を備え、前記絶縁膜は、前記化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含み、前記絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、前記第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する。
本開示によれば、温度変化による反りを抑制できる光検出装置が提供される。
［本開示の実施形態の説明］
一実施形態に係る光検出装置は、第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、前記第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、前記第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、前記化合物半導体基板の前記第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路と、を備え、前記絶縁膜は、前記化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含み、前記絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、前記第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する。
一実施形態に係る光検出装置は、第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、前記第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、前記第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、前記化合物半導体基板の前記第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路と、を備え、前記絶縁膜は、前記化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含み、前記絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、前記第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する。
上記光検出装置によれば、絶縁膜により、温度変化による化合物半導体基板及びシリコン基板の反りを抑制できる。さらに、絶縁膜の第２部分の第２厚さを大きくすることによって、化合物半導体基板及びシリコン基板の反りを更に抑制できる。
前記第２厚さが２μｍ以上であってもよい。この場合、化合物半導体基板及びシリコン基板の反りを更に抑制できる。
前記第２厚さが５μｍ以下であってもよい。この場合、絶縁膜を形成する際に第２厚さの制御が容易になる。
前記少なくとも１つの第１部分が、前記第２主面において２次元状に配置された複数の第１部分であり、前記第１主面に直交する方向から見て、前記複数の受光素子のそれぞれと前記複数の第１部分のそれぞれとが少なくとも部分的に重なってもよい。この場合、各受光素子は、各第１部分を透過した光を検出できる。
前記複数の受光素子のそれぞれは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む光吸収層を備え、前記ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体は、三元化合物又は四元化合物であってもよい。この場合、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の組成を変更できる。
前記複数の受光素子のそれぞれは、タイプＩＩの超格子構造を有する光吸収層を備えてもよい。この場合、各受光素子により長波長の赤外線を検出できる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。図面には、互いに交差するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向が示される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は例えば互いに直交している。
図１は、一実施形態に係る光検出装置を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図１及び図２に示される光検出装置１０は、センサアレイ２０と読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out Integrated Circuit）３０とを備える。光検出装置１０は、光Ｌを検出できるイメージセンサであってもよい。光Ｌは、例えば２μｍ以上６μｍ以下の波長を有する赤外線であってもよい。センサアレイ２０は、化合物半導体基板２２と、複数の受光素子ＰＤと、絶縁膜２４とを備える。
化合物半導体基板２２は、第１主面２２ａと第１主面２２ａとは反対側の第２主面２２ｂとを有する。第２主面２２ｂは、光Ｌが入射される入射面である。第１主面２２ａ及び第２主面２２ｂのそれぞれは、矩形形状を有してもよい。第１主面２２ａ及び第２主面２２ｂのそれぞれは、１ｃｍ２超又は２ｃｍ２以上の面積を有してもよい。化合物半導体基板２２は、例えばＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体等の化合物半導体を含む。化合物半導体基板２２に含まれる化合物半導体は、シリコンの熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の例は、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）を含む。ＧａＳｂの熱膨張係数は５．５３×１０－６［／Ｋ］である。シリコンの熱膨張係数は２．５０×１０－６［／Ｋ］である。化合物半導体基板２２に含まれる化合物半導体は、シリコンのヤング率よりも小さいヤング率を有する。ＧａＳｂのヤング率は、６３．１ＧＰａである。シリコンのヤング率は、１６３ＧＰａである。化合物半導体基板２２の厚さは、１００μｍ以上５００μｍ以下であってもよい。
複数の受光素子ＰＤは、第１主面２２ａに２次元状に配置される。各受光素子ＰＤは、フォトダイオードであってもよい。
絶縁膜２４は、化合物半導体基板２２の第２主面２２ｂに設けられる。絶縁膜２４は、第２主面２２ｂの全体にわたって設けられてもよい。絶縁膜２４は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成されてもよい。絶縁膜２４は、光Ｌに対して９０％以上の透過率を有してもよい。絶縁膜２４は、絶縁材料を含む。絶縁膜２４に含まれる絶縁材料は、化合物半導体基板２２に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する。絶縁膜２４に含まれる絶縁材料は、２．５×１０－６［／Ｋ］超５×１０－６［／Ｋ］以下の熱膨張係数を有してもよい。絶縁膜２４に含まれる絶縁材料の例は、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）及びシリコン酸窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）を含む。ＳｉＮｘの熱膨張係数は２．９×１０－６［／Ｋ］である。絶縁膜２４に含まれる絶縁材料は、化合物半導体基板２２に含まれる化合物半導体のヤング率よりも大きいヤング率を有してもよい。ＳｉＮｘのヤング率は、９７ＧＰａ以上１６８ＧＰａ以下である。ＳｉＯｘＮｙのヤング率は、６７ＧＰａ以上９４ＧＰａ以下である。ＳｉＮｘ又はＳｉＯｘＮｙのヤング率は、絶縁膜２４を形成する際のシランガス流量によって調整可能である。
絶縁膜２４は、第１厚さＤ１を有する少なくとも１つの第１部分２４ａと、第１厚さＤ１さよりも大きい第２厚さＤ２を有する第２部分２４ｂとを有する。少なくとも１つの第１部分２４ａは、第２主面２２ｂにおいて２次元状に配置された複数の第１部分２４ａであってもよい。複数の第１部分２４ａは、例えば１０μｍ以上３０μｍ以下のピッチでＸ軸方向及びＹ軸方向にアレイ配置されてもよい。第１厚さＤ１は、光Ｌの波長をλとした場合に、ｎ×λ／４であってもよい。ｎは自然数である。この場合、各第１部分２４ａは反射防止膜として機能する。第１厚さＤ１は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であってもよい。第１部分２４ａは、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）及びシリコン酸窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）のうち少なくとも１つを含んでもよい。各第１部分２４ａは、フォトリソグラフィー及びエッチングにより形成されてもよい。
第２部分２４ｂは、隣り合う複数の第１部分２４ａ間に配置された仕切り部であってもよい。Ｘ軸方向又はＹ軸方向において、第２部分２４ｂの長さ（隣り合う複数の第１部分２４ａ間の距離）は０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。第２部分２４ｂは、例えば格子状であってもよい。第２厚さＤ２は、第１厚さＤ１の５倍以上であってもよい。第２厚さＤ２は、０．４μｍ以上又は２μｍ以上であってもよい。第２厚さＤ２は５μｍ以下であってもよい。第２部分２４ｂは、第１部分２４ａに含まれる絶縁材料とは異なる絶縁材料を含んでもよい。第２部分２４ｂは、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）を含んでもよい。
第１主面２２ａに直交する方向（Ｚ軸方向）から見て、複数の受光素子ＰＤのそれぞれと複数の第１部分２４ａのそれぞれとが少なくとも部分的に重なってもよい。Ｚ軸方向から見て、各受光素子ＰＤの全体が、各第１部分２４ａによって覆われてもよい。この場合、Ｚ軸方向から見て、第２部分２４ｂは、各受光素子ＰＤと重ならない。
読み出し回路３０はセンサアレイ２０からの電気信号を受ける。読み出し回路３０はＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)によるマルチプレクサを含んでもよい。読み出し回路３０はシリコン基板３２を備える。シリコン基板３２は、化合物半導体基板２２の第１主面２２ａに接続された第３主面３２ａと第３主面３２ａとは反対側の第４主面３２ｂとを有する。第３主面３２ａは回路を含む。第３主面３２ａ及び第４主面３２ｂのそれぞれは、矩形形状を有してもよい。第３主面３２ａ及び第４主面３２ｂのそれぞれは、１ｃｍ２超又は２ｃｍ２以上の面積を有してもよい。シリコン基板３２の厚さは、化合物半導体基板２２の厚さより大きくてもよい。シリコン基板３２の厚さは、２００μｍ以上６００μｍ以下であってもよい。
光検出装置１０は、シリコン基板３２の第３主面３２ａと化合物半導体基板２２の第１主面２２ａとの間に配置された少なくとも１つの導体部４０を備えてもよい。少なくとも１つの導体部４０は、第１主面２２ａ又は第３主面３２ａにおいて２次元状に配置された複数の導体部４０であってもよい。各導体部４０によって、シリコン基板３２の第３主面３２ａと化合物半導体基板２２の第１主面２２ａとが互いに接続される。各導体部４０は、インジウム等の金属を含むバンプであってもよい。各導体部４０は、シリコン基板３２の第３主面３２ａに設けられた電極に各受光素子ＰＤの第２電極Ｅ２（図３参照）を電気的に接続する。各導体部４０の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。隣り合う複数の導体部４０間に樹脂部５０が配置されてもよい。Ｚ軸方向から見て、各導体部４０は各第１部分２４ａと少なくとも部分的に重なっている。Ｚ軸方向から見て、樹脂部５０は第２部分２４ｂと少なくとも部分的に重なっている。
光検出装置１０は、シリコン基板３２の第４主面３２ｂに設けられた金属層６０及びセラミック基板７０を備えてもよい。金属層６０は、第４主面３２ｂとセラミック基板７０との間に配置される。金属層６０によって、シリコン基板３２の第４主面３２ｂとセラミック基板７０とが互いに接続される。金属層６０は、銀ペーストの硬化物を含んでもよい。金属層６０の厚さは１０μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。セラミック基板７０は、窒化アルミニウムを含んでもよい。セラミック基板７０の厚さは４００μｍ以上６００μｍ以下であってもよい。
図３は、図２の一部を拡大した図である。図３に示されるように、複数の受光素子ＰＤのそれぞれは、化合物半導体基板２２の第１主面２２ａ上に設けられたｎ型半導体層２２ｎと、ｎ型半導体層２２ｎ上に設けられた光吸収層２２ｉと、光吸収層２２ｉ上に設けられたｐ型半導体層２２ｐとを備えてもよい。ｎ型半導体層２２ｎには、第１電極Ｅ１が接続される。ｐ型半導体層２２ｐには第２電極Ｅ２が接続される。光吸収層２２ｉ及びｐ型半導体層２２ｐは、ｎ型半導体層２２ｎ上に設けられたメサＭＳに含まれる。第１電極Ｅ１は、メサＭＳから離れている。
ｎ型半導体層２２ｎ及びｐ型半導体層２２ｐのそれぞれは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。ｎ型半導体層２２ｎと光吸収層２２ｉとの間に第１バリア層が配置されてもよい。ｐ型半導体層２２ｐと光吸収層２２ｉとの間に第２バリア層が配置されてもよい。第１バリア層及び第２バリア層のそれぞれは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。
光吸収層２２ｉは、光Ｌに感応する。光吸収層２２ｉはＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体は、三元化合物又は四元化合物であってもよい。この場合、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の組成を変更できる。三元化合物の例は、ＩｎＧａＡｓを含む。四元化合物の例はＩｎＧａＡｓＰを含む。光吸収層２２ｉは、タイプＩＩの超格子構造を有してもよい。この場合、各受光素子ＰＤにより長波長の赤外線を検出できる。タイプＩＩの超格子構造は、複数のＩｎＧａＡｓ層と複数のＧａＡｓＳｂ層とを含んでもよい。ＩｎＧａＡｓ層及びＧａＡｓＳｂ層は交互に積層される。
光検出装置１０によれば、絶縁膜２４により、温度変化による化合物半導体基板２２及びシリコン基板３２の反りを抑制できる。例えば３００Ｋから７７Ｋまで光検出装置１０が冷却された場合、絶縁膜２４の縮み量が小さいので、化合物半導体基板２２の収縮が抑制される。その結果、化合物半導体基板２２及びシリコン基板３２の反り量が小さくなる。したがって、光検出装置１０に温度変化が与えられても、化合物半導体基板２２及びシリコン基板３２が割れ難い。
絶縁膜２４の第２部分２４ｂの第２厚さＤ２が例えば２μｍ以上である場合、化合物半導体基板２２及びシリコン基板３２の反りを更に抑制できる。
絶縁膜２４の第２部分２４ｂの第２厚さＤ２が５μｍ以下である場合、絶縁膜２４を形成する際に第２厚さＤ２の制御が容易になる。
Ｚ軸方向から見て、各受光素子ＰＤと各第１部分２４ａとが少なくとも部分的に重なっている場合、各受光素子ＰＤは、各第１部分２４ａを透過した光Ｌを検出できる。第１部分２４ａを薄くすることによって、第１部分２４ａを反射防止膜として機能させることができる。一方、第２部分２４ｂを厚くすることによって、化合物半導体基板２２の伸縮を抑制する効果を高めることができる。
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。各実施形態の各構成要素は、任意に組み合わされてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０…光検出装置
２０…センサアレイ
２２…化合物半導体基板
２２ａ…第１主面
２２ｂ…第２主面
２２ｉ…光吸収層
２２ｎ…ｎ型半導体層
２２ｐ…ｐ型半導体層
２４…絶縁膜
２４ａ…第１部分
２４ｂ…第２部分
３０…読み出し回路
３２…シリコン基板
３２ａ…第３主面
３２ｂ…第４主面
４０…導体部
５０…樹脂部
６０…金属層
７０…セラミック基板
Ｅ１…第１電極
Ｅ２…第２電極
Ｌ…光
ＭＳ…メサ
ＰＤ…受光素子
２０…センサアレイ
２２…化合物半導体基板
２２ａ…第１主面
２２ｂ…第２主面
２２ｉ…光吸収層
２２ｎ…ｎ型半導体層
２２ｐ…ｐ型半導体層
２４…絶縁膜
２４ａ…第１部分
２４ｂ…第２部分
３０…読み出し回路
３２…シリコン基板
３２ａ…第３主面
３２ｂ…第４主面
４０…導体部
５０…樹脂部
６０…金属層
７０…セラミック基板
Ｅ１…第１電極
Ｅ２…第２電極
Ｌ…光
ＭＳ…メサ
ＰＤ…受光素子
Claims (6)
- 第１主面と前記第１主面とは反対側の第２主面とを有する化合物半導体基板と、前記第１主面に２次元状に配置された複数の受光素子と、前記第２主面に設けられた絶縁膜とを備えるセンサアレイと、
前記化合物半導体基板の前記第１主面に接続された第３主面を有するシリコン基板を備える読み出し回路と、
を備え、
前記絶縁膜は、前記化合物半導体基板に含まれる化合物半導体の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する絶縁材料を含み、
前記絶縁膜は、第１厚さを有する少なくとも１つの第１部分と、前記第１厚さよりも大きい第２厚さを有する第２部分とを有する、光検出装置。 - 前記第２厚さが２μｍ以上である、請求項１に記載の光検出装置。
- 前記第２厚さが５μｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載の光検出装置。
- 前記少なくとも１つの第１部分が、前記第２主面において２次元状に配置された複数の第１部分であり、
前記第１主面に直交する方向から見て、前記複数の受光素子のそれぞれと前記複数の第１部分のそれぞれとが少なくとも部分的に重なっている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光検出装置。 - 前記複数の受光素子のそれぞれは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を含む光吸収層を備え、前記ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体は、三元化合物又は四元化合物である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光検出装置。
- 前記複数の受光素子のそれぞれは、タイプＩＩの超格子構造を有する光吸収層を備える、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光検出装置。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2021126768A JP2023021722A (ja) | 2021-08-02 | 2021-08-02 | 光検出装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021126768A JP2023021722A (ja) | 2021-08-02 | 2021-08-02 | 光検出装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=85038077
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Country Status (2)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP2023021722A (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| CN114323089A (zh) * | 2020-10-12 | 2022-04-12 | 群创光电股份有限公司 | 光检测元件 |
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- 2021-08-02 JP JP2021126768A patent/JP2023021722A/ja active Pending
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2022
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| US20230031456A1 (en) | 2023-02-02 |
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