JP4914010B2 - 半導体光センサ - Google Patents
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Description
本発明は、可視光域から赤外域に分光感度をもつ半導体受光素子と赤外域を遮光する微粒子を分散させた光透過樹脂とを組み合わせ、可視光域に分光感度を規制した半導体光センサに関するものである。
光センサとしては、従来から図６に示すような分光感度特性をもつＣｄＳセルが普及していたが、カドミウムが環境負荷が高くＥＵのＲｏｈＳ指令の規制物質に該当し、２００６年７月よりＥＵ内での使用が禁止されることから、その代替品としてシリコンの光センサに置き換えることが行われている。シリコンで光センサを構成するためには、そのシリコンの分光感度特性（図７）を人間の目の感度である比視感度特性（図８）に合わせることが必要となる。
このために、従来ではシリコン受光素子の受光面側に、酸化シリコン(ＳｉＯ2)膜と酸化チタン(ＴｉＯ2)膜を交互に積層した多層膜で構成したフィルタを配置し、シリコンの分光感度の内の赤外域の分光感度を低下させ、比視感度特性（図８）に近づけていた（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−１５０４４号公報
しかしながら、酸化シリコン(ＳｉＯ2）膜と酸化チタン(ＴｉＯ2)膜を交互に積層した多層膜の形成は時間的にも工程的にも手間がかかり、コスト高を招いていた。すなわち、この多層膜の形成は、複数回の真空プラズマ蒸着法により行われており、しかも多層膜形成後は電気的接続をとるためのボンディングパッドの窓あけエッチング工程が入り、これらの工程は時間がかかる上に特殊技術が要求され、コスト高となっていた。
本発明の目的は、シリコン等の半導体の受光素子を使用しながらも、低コストで比視感度特性に近い分光感度特性を実現できる半導体光センサを提供することである。
請求項１にかかる発明は、少なくとも可視光域から赤外域にかけての波長に高い分光感度を有する半導体受光素子と、該半導体受光素子の少なくとも受光面側を封止する光透過樹脂とを含む半導体光センサにおいて、前記光透過樹脂は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、又はＷの内から選択された１又は２以上の元素のホウ化物であって且つ粒径がほぼ１００ｎｍを超えない微粒子を透明樹脂内に分散したものであり、前記半導体受光素子は、シリコン、ガリウム砒素、又はインジウム燐のいずれかからなり、ほぼ４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長域に高い分光感度を持ち、前記光透過樹脂によってその内のほぼ７００ｎｍ以上の波長域の光が遮断され、分光感度特性が比視感度特性に近づけられたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の半導体光センサにおいて、前記ホウ化物に代えて、あるいは前記ホウ化物に加えて、粒径がほぼ１００ｎｍを超えない酸化ルテニウムおよび／又は酸化イリジウムの微粒子を用いることを特徴とする。
本発明の半導体光センサによれば、透明樹脂に粒径がほぼ１００ｎｍを超えないホウ化物微粒子を分散させ、あるいは、酸化ルテニウムや酸化イリジウムの微粒子を分散させた光透過樹脂で半導体受光素子の受光面を封止するので、その分光感度が可視光域の波長に高く赤外域の波長に低いという従来のＣｄＳの分光感度特性に近い特性、つまり比視感度特性に近い特性を得ることができることは勿論、半導体光センサの製造においては、封止用樹脂への微粒子の分散工程が追加となるのみで、他の工程は従来と同様であるので、コスト増加はわずかで済む利点がある。本発明の半導体光センサは、携帯機器（携帯電話、ＰＤＡ等）やパーソナルコンピュータ等の液晶のバックライト制御用、住宅照明や防犯灯の自動点灯制御用、カメラのストロボ制御用、その他の制御用のセンサとして使用できる。
本発明では、半導体受光素子として、シリコン、又はガリウム砒素、インジウム燐等の化合物半導体で構成され、少なくとも可視光域から赤外域にかけて分光感度が高い材質（図７に示す特性の材質）を用いる。また、この半導体受光素子の受光面を封止する光透過樹脂として、透明樹脂（例えばエポキシ樹脂）に粒径がほぼ１００ｎｍを超えないホウ化ランタン（ＬａＢ6）等の微粒子を分散させたものを用いる。
ホウ化ランタン等を選択した理由は、他の金属酸化物に比べ、赤外域の波長に対して大きな遮光特性を持つからである。蛍光灯の光や太陽光は、ホウ化ランタンの微粒子が散乱された光透過樹脂内に進入しホウ化ランタンに遭遇すると、そのホウ化ランタンのプラズマ周波数以下の周波数の電磁波が全反射を引き起こす。ここで、プラズマ周波数とは固体内の電子分布の粗密により発生する自由電子の振動数で、この周波数より高い周波数の電磁波は通過し低い周波数の電磁波は全反射される。ホウ化ランタンの場合、その全反射を起こす周波数の波長は赤外域にある。
また、微粒子としてほぼ１００ｎｍを超えない粒径を選択した理由は、可視光（波長が４００〜７００ｎｍ）が散乱により反射されることを抑制するためである。すなわち、微粒子の粒径が可視光の波長よりも小さくなると、その微粒子による光の散乱はレーリー散乱が主体となり、この散乱は粒子体積の２乗、つまり粒径の６乗に比例して大きくなる。したがって、微粒子の粒径が小さくなるほど急激に散乱が小さくなり可視光に対して透明性を増し、可視光波長の１／４以下の粒径（ほぼ１００ｎｍ以下）で可視光に対して高い透明性が得られる。
以上のように、粒径がほぼ１００ｎｍを超えないホウ化ランタン（ＬａＢ6）等の微粒子は、これを透明樹脂内に分散させたとき、赤外域の波長の光は遮断し、それより短い波長の可視光域の光は透過させるという特有の特性をもつ。
なお、透明樹脂内に分散させる微粒子としては、上記したホウ化ランタン（ＬａＢ6）の他に、ホウ化プラセオジウム（ＰｒＢ6）、ホウ化ネオジウム（ＮｄＢ6）、ホウ化セリウム（ＣｅＢ6）、ホウ化イットリウム（ＹＢ6）、ホウ化チタン（ＴｉＢ2）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ2）、ホウ化バナジウム（ＶＢ2）、ホウ化タンタル（ＴａＢ2）、ホウ化クロム（ＣｒＢ、ＣｒＢ2）、ホウ化モリブデン（ＭｏＢ2、Ｍｏ2Ｂ5、ＭｏＢ）、ホウ化タングステン（Ｗ2Ｂ5）等のホウ化物微粒子がその代表的なものとして挙げられ、これらの内から選択した１又は２以上を使用できる。
また、これらのホウ化物微粒子の代わりに、あるいはこれらのホウ化物微粒子に加えて、酸化ルテニウム微粒子や酸化イリジウム微粒子を添加してもよい。これらの酸化物微粒子としては、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、ルテニウム酸鉛（Ｐｂ2Ｒｕ2Ｏ6.5）、ルテニウム酸ビスマス（Ｂｉ2Ｒｕ2Ｏ7）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、イリジウム酸ビスマス（Ｂｉ2Ｉｒ2Ｏ7）、イリジウム酸鉛（Ｐｂ2Ｉｒ2Ｏ6.5）等の微粒子がその代表的な例として挙げられる。これらの酸化ルテニウム微粒子や酸化イリジウム微粒子は安定化した酸化物であり、多量の自由電子を保有しており、赤外域遮光特性が高い。
以上のホウ化物微粒子、酸化物微粒子は、耐熱性にも優れているため、半導体装置を実装するために必須であるハンダリフローのための加熱を行っても赤外線の遮光特性の劣化は認められず、好ましい。
これらの微粒子は、トルエン等の有機溶剤に懸濁させてから封止用樹脂に分散させる。ホウ化ランタン（ＬａＢ6）の微粒子を使用する場合は、トルエンにそのホウ化ランタン微粒子を１．８５重量％の割合で懸濁させる。このとき、必要に応じて界面活性剤やカップリング剤を加えても良い。このようにして製作した懸濁液を封止用樹脂に加えて攪拌することで、本発明で使用する封止樹脂（光透過樹脂）が用意される。懸濁液の添加量は、受光素子表面に形成される樹脂厚や要求される遮光特性に応じて適宜設定すればよい。溶媒であるトルエンは、樹脂封止工程で揮発し、封止樹脂内には最終的にホウ化ランタン微粒子のみが分散された形で残る。
図４は、エポキシ樹脂に対して上記したホウ化ランタン微粒子が１．８５重量％の懸濁液を１０：０．１５の割合（Ａ）、１０：０．３０の割合（Ｂ）、１０：０．５０の割合（Ｃ）の重量比で加えて製作した光透過樹脂の透過率を示す特性図である。いずれも可視光の波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の範囲において高い透過率を示し、赤外域７００ｎｍ〜１０００ｎｍでは低い透過率を示している。
図５は図４の１０：０．５の割合（Ｃ）の光透過樹脂を使用したときの特性図である。半導体受光素子としては、波長４００ｎｍ〜１１００ｎｍにかけて分光感度を持つシリコンのホトトランジスタ（ＰＴ）（特性IV)を使用した。このホトトランジスタ（ＰＴ）の相対感度と光透過樹脂の透過率を組み合わせた特性(V)は、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲に高い分光感度をもち、７００ｎｍ以上の波長では低感度となっている。よって、白熱灯の光を受光する際の特性(VI)や蛍光灯の光を受光する際の特性(VII)も、同様な特性となっている。
図１は実施例１の半導体光センサの断面図である。これを製造するには、集合基板上に複数の半導体受光素子を実装し、全面に本発明のホウ化物微粒子を分散させた光透過樹脂を塗布する。そして、その光透過樹脂が硬化した後、ダイシングブレードを用いて切断することで個片化し、半導体光センサが完成する。図１において、１は切断された基板、２は半導体受光素子、３は金線、４はホウ化物微粒子を分散させた光透過樹脂である。
図２は実施例２の半導体光センサの断面図である。これを製造するには、集合基板上に複数の半導体受光素子を実装し、全面に第１光透過樹脂（ホウ化物微粒子を含まない透明樹脂）を塗布する。そして、その第１光透過樹脂が硬化した後、ダイシングブレードを用いて隣接する光半導体素子間に溝を形成する。その後、第２光透過樹脂（本発明のホウ化物微粒子を分散させた樹脂）を第１光透過樹脂の全面に塗布し、硬化させる。この後にダイシングブレードを用いて溝の中央を切断することで個片化し、半導体光センサが完成する。図２において、１１は切断された基板、１２は半導体受光素子、１３は金線、１４は第１光透過樹脂、１５は第２光透過樹脂である。
図３(a)は実施例２の半導体光センサの断面図である。これを製造するには、予めトランスファーモールド用樹脂にホウ化物微粒子を分散させた樹脂ペレットを用意しておき、この樹脂ペレットを用いて半導体受光素子の樹脂封止を行う。図３(a)において、２１は基板、２２は半導体受光素子、２３は金線、２４は封止した光透過樹脂、２５はリードである。なお、図３(b)に示すように、半導体受光素子２２をホウ化物微粒子を含ませない光透過樹脂２６で封止し、その外部をホウ化物微粒子を分散した光透過樹脂２７で封止した二重樹脂封止構造とすることもできる。
１：基板、２：半導体受光素子、３：金線、４：光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）
１１：基板、１２：半導体受光素子、１３：金線、１４：第１光透過樹脂、１５：第２光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）
２１：基板、２２：半導体受光素子、２３：金線、２４：光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）、２５：リードである、２６：第１光透過樹脂、２７：第２光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）
１１：基板、１２：半導体受光素子、１３：金線、１４：第１光透過樹脂、１５：第２光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）
２１：基板、２２：半導体受光素子、２３：金線、２４：光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）、２５：リードである、２６：第１光透過樹脂、２７：第２光透過樹脂（ホウ化物微粒子分散）
Claims (2)
- 少なくとも可視光域から赤外域にかけての波長に高い分光感度を有する半導体受光素子と、該半導体受光素子の少なくとも受光面側を封止する光透過樹脂とを含む半導体光センサにおいて、
前記光透過樹脂は、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｅ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、又はＷの内から選択された１又は２以上の元素のホウ化物であって且つ粒径がほぼ１００ｎｍを超えない微粒子を透明樹脂内に分散したものであり、
前記半導体受光素子は、シリコン、ガリウム砒素、又はインジウム燐のいずれかからなり、ほぼ４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長域に高い分光感度を持ち、前記光透過樹脂によってその内のほぼ７００ｎｍ以上の波長域の光が遮断され、分光感度特性が比視感度特性に近づけられたことを特徴とする半導体光センサ。 - 請求項１に記載の半導体光センサにおいて、
前記ホウ化物に代えて、あるいは前記ホウ化物に加えて、粒径がほぼ１００ｎｍを超えない酸化ルテニウムおよび／又は酸化イリジウムの微粒子を用いることを特徴とする半導体光センサ。
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