JP5670360B2 - 半導体受光素子及びオプトエレクトロニクス装置 - Google Patents
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Description
半導体受光素子が特定される。さらに、このような半導体受光素子を有するオプトエレクトロニクス装置が特定される。
スペクトル感度がヒトの眼のスペクトル感度と特に良好に適合した半導体受光素子を特定することを目的とする。また、このような半導体受光素子を有するオプトエレクトロニクス装置を特定することを更なる目的とする。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、半導体受光素子はシリコンで形成された半導体ボディを有する。すなわち、半導体受光素子の半導体ボディはシリコンベースである。半導体受光素子は、例えば、シリコンで形成された半導体ボディのｐ型領域及びｎ型領域で形成された少なくとも１つのｐｎ接合部を有する。このとき、半導体ボディはシリコンから成りうる（ドーパントは除く）。
特に、電磁波が吸収されて電流に変換される半導体ボディの領域は、シリコンから成る（ドーパントは除く）。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、半導体受光素子の半導体ボディは光入射エリアを有する。半導体ボディの光入射エリアは、例えば、半導体ボディ上面の主面により形成される。検出対象である電磁波は光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射する。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、半導体ボディは、光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射する電磁波が吸収される吸収ゾーンを有する。このとき、吸収ゾーンで吸収された電磁波のみが電流の発生、したがって半導体受光素子のシグナルの発生に寄与する。
吸収ゾーン以外の領域で吸収された電磁波は半導体受光素子のシグナル発生に寄与しない。この電磁波は、例えば、吸収ゾーン外側の半導体ボディ領域内で吸収される。このとき、吸収ゾーンを半導体ボディの光入射エリアと直接隣接させることができる。すなわち、光入射エリアが、例えば、半導体ボディ上面の主面内に位置する場合、光入射エリアから半導体ボディ内の特定の深さまでを吸収ゾーンとすることができる。すなわち、半導体ボディ上面の光入射エリアから、当該上面と反対側の半導体ボディ底面方向の所定の深さまでが吸収ゾーンとなる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、吸収ゾーンの厚さは最大で１０μｍである。好ましくは、吸収ゾーンの厚さは１．５μｍ〜７．５μｍであり、特に好ましくは、最小２μｍ〜最大５μｍである。このような薄型吸収ゾーンとすることにより、例えば、半導体受光素子の最大感度を８００ｎｍ〜９００ｎｍという比較的長波長側から、例えば、５００ｎｍ〜６００ｎｍの短波長側へシフトすることが可能となる。すなわち、薄薄型吸収ゾーンは長波長の光よりも短波長の光を高確率で吸収する。吸収されなかった電磁波は吸収ゾーンを通過し、例えば、半導体受光素子のシグナル生成に寄与しない半導体ボディ領域内で吸収される。
このとき、吸収ゾーンの厚さは、例えば、半導体受光素子の光入射エリアに対して垂直な方向に測定する。一例として、前記方向は半導体ボディのエピタキシャル成膜部分の成長方向とすることができる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、半導体受光素子は誘電材料で形成され、半導体ボディの光入射エリアを被覆するフィルター層を有する。このとき、フィルター層は、例えば、一連の誘電材料層で形成される。すなわち、フィルター層は互いに積層された複数の層から成りうる。一例として、前記複数の層は半導体ボディの光入射エリアに対して平行に積層されうる。フィルター層を構成する層は、交互に積層された異なる誘電材料から形成されうる。
フィルター層は、例えば、カットオフ・フィルター又は反射フィルターとして具現された干渉フィルターである。フィルター層は、光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射する全ての電磁波がフィルター層を通過してフィルタリングされるように、半導体ボディの光入射エリアを完全に被覆することが好ましい。
フィルター層は、例えば、赤色光又は赤外線の波長領域の電磁波、特に波長８００ｎｍ〜１１００ｎｍの近赤外線をカットするのに適している。すなわち、当該光が半導体ボディ内に入射するのを防止すること、又は、その強度を少なくとも減衰するのに適している。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、本半導体受光素子は、少なくとも光入射エリアにおいて半導体ボディを被覆するポッティングボディを有する。ポッティングボディは、例えば、シリコーン又はエポキシ樹脂で形成され、半導体ボディの光入射エリアを完全に被覆するように半導体ボディに設けられる。すなわち、光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射する全ての電磁波は、半導体ボディ内に入射する前にポッティングボディを通過する。このとき、ポッティングボディは光吸収材を含有することが好ましい。すなわち、電磁波は、半導体ボディ内に入射する前に光吸収材を含有するポッティングボディを通過し、光吸収材は当該電磁波の一部を好ましくは波長選択的に吸収する。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、半導体受光素子は、シリコンで形成され、かつ、光入射エリアと当該光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射した電磁波が吸収される吸収ゾーンとを有する半導体ボディを有する。このとき、吸収ゾーンの厚さは最大１０μｍである。半導体受光素子は誘電材料で形成されたフィルター層を更に有し、フィルター層は半導体ボディの光入射エリアを被覆する。当該半導体素子は、少なくとも光入射エリアにおいて半導体ボディを被覆するポッティングボディを有し、ポッティングボディは光吸収材を含有する。
本明細書に記載の半導体受光素子は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の光検出装置が、シリコンで形成された半導体ボディに基づいて低コストで製造可能であるという知見に特に基づいている。さらに、本半導体受光素子は、様々な手段（特定厚さの吸収ゾーン、フィルター層、及び、光吸収材含有ポッティングボディ等）を組み合わせることが、半導体受光素子のスペクトル感度をできるだけ正確にヒトの眼のスペクトル感度に適合させるのに好適でありうるという知見に基づいている。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、フィルター層は赤外線をカットするために設けられる。すなわち、フィルター層は、半導体素子に作用する電磁波成分が半導体ボディ内に入射する前に、これを少なくとも減衰するのに好適である。このとき、カットされる電磁波の波長は８００ｎｍ以上である。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、フィルター層は、酸化シリコン及び窒化シリコンのいずれか一方で形成された層を少なくとも１つ有する。このとき、フィルター層は、例えば半導体ボディの光入射エリアに対して平行に積層された複数の層を有することもできる。このとき、当該複数の層の屈折率を互いに異ならせることができ、また反射フィルター又は干渉カットオフ・フィルターとすることができる。一例として、酸化シリコンから構成される層及び窒化シリコンから構成される層が積層される。酸化シリコンは二酸化シリコンであることが好ましく、窒化シリコンはＳｉ３Ｎ４である。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、フィルター層は半導体ボディの光入射エリアに直接接触している。すなわち、フィルター層は半導体ボディの光入射エリア上に直接設けられている。フィルター層は、例えば、光入射エリア上に蒸着法又はスパッタ法により形成することができる。このために、フィルター層は、例えば、少なくとも４つの層を有し得り、その内の少なくとも２層は異なる屈折率を有する。フィルター層は、シリコンで形成された半導体ボディの残留赤外線感度の抑制に寄与する。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、フィルター層は最大で１０個の層を有する。このようなフィルター層は特に低コストで製造することができる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、ポッティングボディはシリコーン及びエポキシ樹脂のうちの少なくとも１つの材料で形成される。また、ポッティングボディをシリコーン／エポキシ樹脂混成材料で形成することもできる。次いで、光吸収材（例えば粒子状）をポッティングボディ内に導入することが好ましい。このとき、光吸収材をポッティングボディ内に均一に分散させたり、または、ポッティングボディ内部に層状に導入することができ、光吸収材はポッティングボディ内部の当該層内部のみに実質的に存在する。前記層は光吸収材を含まないポッティングボディによりその両主面が被覆されうる。かかる構成により、特に正確かつ明確な光吸収材による電磁波の吸収が可能となる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、光吸収材は赤外線を吸収するために設けられる。すなわち、光吸収材は赤外線の吸収に好適であり、赤外線が半導体ボディ内に入射する前に吸収する。一例として、光吸収材はＮｉｔｔｏ社製の添加剤「ＩＲ−１４」である。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、フィルター層は半導体ボディとポッティングボディとの間に設けられる。すなわち、フィルター層は、例えば、半導体ボディの光入射エリアを完全に被覆することができ、ポッティングボディはフィルター層を完全に被覆するように半導体ボディ上に設けられる。したがって、半導体受光素子内に入射する電磁波は、フィルター層に入射する前に、光吸収材を含むポッティングボディを完全に通過し；そして、光入射エリアを通過して半導体ボディ内に入射する前に、フィルター層を完全に通過する。このように、入射電磁波は、例えば波長８００ｎｍ以上の長波長成分の強度が少なくとも減衰される二段階吸収（フィルタリング）プロセスを受ける。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、ポッティングボディはフィルター層と少なくとも部分的に直接接触している。一例として、ポッティングボディはフィルター層を完全に被覆し、フィルター層の全てのフリーエリア、すなわち半導体ボディと直接接触していないフィルター層の全てのエリアを濡らしうる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、ポッティングボディの最大厚さは６００μｍである。一例として、ポッティングボディの厚さは少なくとも２００μｍであり、最大で５００μｍである。このような薄型ポッティングボディとすることで、ポッティングボディの材料を必要最小限とすることができる。
さらに、このような半導体受光素子を有するオプトエレクトロニクス装置が特定される。すなわち、オプトエレクトロニクス装置の半導体受光素子の特徴も全て開示される。
オプトエレクトロニクス装置の少なくとも一実施形態によれば、オプトエレクトロニクス装置は、上面を有する接続キャリアを有する。接続キャリアは、例えば、プリント配線基板でありうる。
一例として、接続キャリアは絶縁性基体を有し、その内部又は表面に導体トラック及び接続点が構成されている。また、接続キャリアは、キャリア片（リードフレームともいう）又はメタルコア配線基板でありうる。
半導体受光素子の少なくとも一実施形態によれば、本明細書に記載される半導体受光素子は接続キャリアの上面に固定される。当該半導体素子は、例えば、半導体ボディの光入射エリアとは反対側の面を接続キャリアとはんだ付け又は接着接合することができる。
オプトエレクトロニクス装置の少なくとも一実施形態によれば、半導体受光素子のポッティングボディは接続キャリアと直接接触し、最大厚さは６００μｍである。すなわち、接続キャリアはポッティングボディにより少なくとも部分的に被覆されている。このために、例えば、半導体素子を接続キャリアに接合した後にのみ、例えば、射出成形で封止することで半導体素子にポッティングボディを設けることができる。
一例として、このとき、ポッティングボディは接続キャリアの上面にのみにおいて接触する。すなわち、接続キャリア全体が射出成形によりポッティングボディで封止されず、半導体ボディ周辺の最大厚さが６００μｍである一部分だけが射出成形によりポッティングボディで封止される。その結果、接続キャリアを射出成形で完全に封止する場合と比較してポッティングボディの材料を少なくすることができる。このようにして、ポッティングボディの光吸収材は、例えば、フィルター素子を被覆する層に特に制御して導入することもできる。
以下、本明細書に記載の半導体受光素子及びオプトエレクトロニクス装置を下記例示の実施形態及び付随する図面に基づいて詳細に説明する。
図中、同一の要素、同一の種類の要素、同一の働きをする構成要素には、同一の参照符号を付している。図及び図中の互いの構成要素のサイズの関係はスケールとして考えるべきではない。むしろ、見やすさ及び理解しやすさを目的として、個々の構成要素は誇張した大きさで図示されうる。
アンビエントライトセンサーは、ヒトの眼と同様に周囲輝度を測定することを目的とする。ヒトの眼のスペクトル感度はいわゆるＶ−λ曲線により記述され、これは、波長約４００ｎｍからスタートし、波長約５５０ｎｍ〜５６０ｎｍで最大となり、波長７８０ｎｍまでに再び０まで減少する感度曲線である。まず、人工の光検出器の感度曲線はこの感度曲線からずれるため、ヒトの眼の感度曲線と比較して不正確な測定となる。人工の光検出器の感度曲線をヒトの眼の感度曲線と適合させるためには高価な手段が必要となることが多い。
アンビエントライトセンサーの製造には様々なアプローチがある。多くの半導体ボディ、例えばシリコンから構成される半導体ボディの感度曲線は、ヒトの眼の感度曲線から大幅にずれる一方、シリコンベースのアンビエントライトセンサーは、特に低コストで製造できるという特徴がある。
図１と共に、本明細書に記載の半導体受光素子１００を有する本明細書に記載のオプトエレクトロニクス装置を概略断面図に基づいて詳細に説明する。半導体素子１００は半導体ボディ１を有する。
半導体ボディ１は光入射エリア１ａを有し、半導体ボディ１内に入射する電磁波１０は、半導体ボディの吸収ゾーン２内で検出され、かつ、シグナルを発生するために光入射エリア１ａを通過しなければならない。本ケースでは、吸収ゾーン２の厚さｄは最大１０μｍであり、ここでは、例えば３μｍである。本ケースでは、当該薄型吸収ゾーンはｐｎｐ構造により実現される。このために、半導体ボディ１は第１のｐ型領域１２、ｎ型領域１１、第２のｐ型領域１３を有する。第１のｐ型領域１２とｎ型領域１１との間のｐｎ接合部であって、光入射エリア１ａに対向するｐｎ接合部は、半導体素子１００の光電流を発生させる。ｎ型領域１１と第２のｐ型領域１３との間の下側ｎｐ接合部は、入射電磁波１０等により吸収ゾーン２下方で発生した全ての電荷キャリアが光電流に寄与せずに再結合するように短絡されている。
また、厚さが最大１０μｍである薄型吸収ゾーンは下記他の手法でも実現できる。
一例として、薄く（例えば厚さ２μｍ〜５μｍ）、比較的低ドープのエピタキシャル層を使用することができる。エピタキシャル層内に吸収ゾーン２を設け、高ドープの基板に付着させる。高ドープの基板により、吸収ゾーン外側で発生する電荷キャリアが再結合される。すなわち、ドープ基板内で発生した電荷キャリアは半導体素子１０３の有用シグナルを発生させず、薄型エピタキシャル層内で発生した電荷キャリアのみが有用シグナルを発生させる。
更なる可能性として、シリコン等で構成され、入射電磁波を検出するためのｐｎ接合部が設けられた薄型半導体ウェハーを、誘電材料で構成される層上に設けることができる。誘電材料として、薄型半導体ウェハーは、例えば、シリコン製又はサファイア製キャリアに接合することができる。かかる場合もまた、光電流発生に利用される部分は薄型吸収ゾーン２により区分けされている。
このとき、吸収ゾーン２の厚さは、例えば、半導体ボディ１の光入射エリア１ａから光入射エリア１ａとは反対側の半導体ボディ１の底面方向へ、光入射エリア１ａに対して垂直方向に測定される。
フィルター層３は、半導体ボディ１の光入射エリア１ａ上に直接設けられる。フィルター層３は、半導体ボディ１内に入射する全ての電磁波１０が当該フィルター層を通過しなければならないように光入射エリア１ａを完全に被覆する。本ケースにおいて、フィルター層は最大１０個の層３１，３２（本ケースにおいて、例えば４層）を有する特にシンプルな光学フィルター層である。層３１は、例えば、二酸化シリコンからなり、層３２は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４からなる。このとき、フィルター層３１は、入射電磁波１０から赤外線の波長領域の電磁波をカットする。一例として、当該フィルターはＢｒａｇｇミラー又は干渉カットオフ・フィルターである。
さらに、フィルター層を着色フォトレジストから構成することもできる。また、銀等を含む金属フィルター層も使用できる。
ポッティングボディ４は、フィルター層３に直接付着し、また、半導体ボディ１の一部に直接付着する。ポッティングボディ４は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン、又は、エポキシ樹脂／シリコーン混成材料からなる。光吸収材５は、例えば、ポッティングボディ４内に層状に導入される。半導体素子１００に作用する電磁波１０は、まず、フィルター層３に作用する前に、光吸収材５を含むポッティングボディ４を通過する。光吸収材５は、電磁波１０の赤外線の一部を吸収する。このとき、フィルター層３とポッティングボディ４内の光吸収材５との組み合わせとすることにより、第一に高価な光吸収材５の使用量を減らすことができ、第二に特にシンプルに（例えば１０層未満として）フィルター層３を構成できる。
特に、光吸収材５とフィルター層３との組み合わせとすることにより、特に低コストで製造可能なオプトエレクトロニクス半導体素子１００が得られる。
オプトエレクトロニクス半導体素子１００は、メタルコア配線基板等の接続キャリア６上に設置される。このとき、半導体素子１００は、例えば、接続キャリア６の上面６ａに接着接合され、ワイヤーコンタクト（本断面図において不図示）により接続キャリア６に電気的に接続される。
ポッティングボディ４は、キャリア６の上面６ａのみを被覆し、最大厚さＤは６００μｍである。これにより、第一に、ポッティングボディの材料を特に少なくすることができ、オプトエレクトロニクス半導体素子を低コストで製造することができる。第二に、検出対象の電磁波、すなわち、特にヒトの眼の感度曲線範囲内の電磁波１０の成分がほとんどこのような薄型のポッティングボディ４により減衰されない。したがって、オプトエレクトロニクス装置により強力な有用シグナルを発生することができる。
図２Ａ〜２Ｃは、ヒトの眼の相対スペクトル感度を様々な半導体受光素子１００の相対スペクトル感度と比較したグラフである。
まず、図２Ａはヒトの眼の感度曲線２１及びシリコンフォトダイオードの感度曲線を示すが、本明細書に記載した手段はいずれも使用していない。すなわち、本シリコンフォトダイオードは、特に薄い吸収ゾーン、フィルター層、光吸収材を含むポッティングボディ４のいずれも有さない。曲線２２からわかるように、最大感度は８００ｎｍ〜９００ｎｍの間である。
図２Ｂでは、ヒトの眼の感度曲線２１と更に２つの曲線２３及び２４とを比較している。曲線２３は、吸収ゾーン２の厚さが１０μｍ未満のシリコンフォトダイオードの感度曲線を示す。図２Ｂからわかるように、感度曲線２３の非常に広い最大感度領域が５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域にシフトしている。
曲線２４は、フィルター層３が光入射エリア１ａ上に設けられた薄型吸収ゾーン２を有するシリコンフォトダイオードの感度曲線を示す。本ケースにおいて、フィルター層３は、最大１０個の層を含むシンプルなフィルター層である。
最後に、図２Ｃは、図１と共に説明した本明細書に記載の半導体受光素子の相対スペクトル感度曲線２５を示す。
本発明は、上述した例示的な実施形態に基づく記載によって、当該例示的な実施形態に限定されるものではなく、全ての新規特徴及び特徴の全ての組合せ（特に、請求項における特徴の全ての組合せを含む）を、当該特徴又は当該組合せ自体が請求項または例示的な実施形態に明示されていない場合であっても、包含するものである。
本特許出願は、独国特許出願第１０２００９０１２７５５．０号の優先権を主張し、その開示内容を参照により本願に援用する。
Claims (12)
- シリコンで形成され、光入射エリア（１ａ）を有する半導体ボディ（１）であって、前記光入射エリア（１ａ）を通過して前記半導体ボディ（１）内に入射する電磁波（１０）が吸収される厚さ（ｄ）が最大１０μｍである吸収ゾーン（２）を更に有する半導体ボディ（１）と、
誘電材料で形成され、前記半導体ボディ（１）の前記光入射エリア（１ａ）を被覆するフィルター層（３）と、
少なくとも前記光入射エリア（１ａ）において前記半導体ボディ（１）を被覆し、赤外線を吸収するために設けられる光吸収材（５）を含有し、前記光入射エリア（１ａ）において前記半導体ボディ（１）を被覆する部分の厚さが２００μｍと６００μｍとの間であるポッティングボディ（４）と、
を有し、
前記フィルター層（３）は、赤外線が半導体ボディ内に入射するのを防止し、又は、その強度を少なくとも減衰するように赤外線をカットするために設けられ、
前記フィルター層（３）は、前記半導体ボディ（１）の前記光入射エリア（１ａ）と直接接触している干渉カットオフ・フィルターであり、
半導体素子（１００）に作用する電磁波（１０）は、まず、前記フィルター層（３）に作用する前に、前記光吸収材（５）を含有するポッティングボディ（４）を通過する、半導体受光素子。 - 前記フィルター層（３）は前記半導体ボディ（１）の前記光入射エリア（１ａ）を完全に被覆し、前記ポッティングボディ（４）が前記フィルター層（３）を完全に被覆するように前記ポッティングボディ（４）は前記半導体ボディ（１）の上に配置される、請求項１に記載の半導体受光素子。
- 前記半導体ボディ（１）は、シリコンおよび当該シリコン内のドーパントから成り、
前記吸収ゾーン（２）の厚さは、最小２μｍ〜最大５μｍであり、
前記フィルター層（３）は、波長８００ｎｍ〜１１００ｎｍの近赤外線が前記半導体ボディ（１）内に入射することを防止し、
前記吸収ゾーン（２）は、前記光入射エリア（１ａ）に直接隣接され、
前記光吸収材（５）は、粒子状であり、
前記光吸収材（５）は、前記ポッティングボディ（４）内の層に導入され、
前記光吸収材（５）は、前記ポッティングボディ（４）内の当該層内部のみに存在し、
前記層は、光吸収材を含まない前記ポッティングボディ（４）によりその両主面が被覆される、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。 - 前記ポッティングボディ（４）は、前記フィルター層（３）と少なくとも部分的に直接接触している、請求項１〜３に記載の半導体受光素子。
- 前記フィルター層（３）は、異なる屈折率をもつ複数の誘電材料層を備え、前記フィルター層（３）の前記複数の誘電材料層は、互いに積層されて配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記フィルター層（３）は、前記半導体ボディ（１）と前記ポッティングボディ（４）との間に設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記ポッティングボディ（４）の前記厚さの最大値（Ｄ）は５００μｍである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記フィルター層（３）は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンおよびＳｉ ３ Ｎ ４ のいずれかで形成される少なくとも１つの層（３１，３２）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記ポッティングボディ（４）は、シリコン及びエポキシ樹脂のうちの少なくともいずれか一方を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記フィルター層（３）は、最大で１０個の層（３１，３２）を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 上面（６ａ）を有する接続キャリア（６）と、
前記接続キャリア（６）の前記上面（６ａ）に固定された、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体受光素子（１００）と、を有し、
前記半導体受光素子（１００）のポッティングボディ（４）は、前記接続キャリア（６）と直接接触しており、前記厚さの最大値（Ｄ）は５００μｍまたは６００μｍである、
オプトエレクトロニクス装置。 - 前記ポッティングボディ（４）は、前記接続キャリア（６）の前記上面（６ａ）のみにおいて前記接続キャリア（６）と接触している、請求項１１に記載のオプトエレクトロニクス装置。
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