JP7496541B2

JP7496541B2 - Photodetector

Info

Publication number: JP7496541B2
Application number: JP2020013607A
Authority: JP
Inventors: 達也可部; 学薄田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2024-06-07
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: JP2021120971A

Description

本開示は、光検出器、特にアバランシェフォトダイオードを含む光検出器に関する。 The present disclosure relates to photodetectors, and in particular to photodetectors that include avalanche photodiodes.

近年、医療、通信、バイオ、化学、監視、車載、放射線検出等多岐に渡る分野において、高感度な光検出器が利用されている。高感度化のための手段の一つとして、アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photo Diode；以下、ＡＰＤという）が用いられている。ＡＰＤは、光電変換層に入射された光が光電変換されることで発生した信号電荷を、アバランシェ降伏を用いて増倍することで光の検出感度を高めたフォトダイオードである。ＡＰＤを用いることで、わずかなフォトンの数でも検出可能となる。 In recent years, highly sensitive photodetectors have been used in a wide range of fields, including medicine, communications, biology, chemistry, surveillance, automotive applications, and radiation detection. Avalanche photodiodes (hereafter referred to as APDs) are used as one of the means for increasing sensitivity. APDs are photodiodes that increase the light detection sensitivity by multiplying the signal charge generated by photoelectric conversion of light incident on the photoelectric conversion layer using avalanche breakdown. By using APDs, it becomes possible to detect even a small number of photons.

特許文献１には、ダイナミックレンジの向上を目的として、ＡＰＤに印加する電圧を低くすることでアバランシェ増幅を抑制し、通常のフォトダイオードのように使う構成が提案されている。 Patent Document 1 proposes a configuration in which the voltage applied to the APD is lowered to suppress avalanche amplification and used like a normal photodiode, with the aim of improving the dynamic range.

特許文献２には、ＡＰＤが形成された半導体基板の裏面からＡＰＤに電圧を印加する構成について言及されている。 Patent Document 2 mentions a configuration in which a voltage is applied to the APD from the back surface of the semiconductor substrate on which the APD is formed.

特許第６５７３１８６号公報Patent No. 6573186 国際公開第２０１９／１８９７００号International Publication No. 2019/189700

通常、ＡＰＤ等の光検出素子が設けられた光検出器は、中空パッケージの内部に収容されており、パッケージに設けられた複数の電極と光検出素子の複数の電極とが電気的に接続される。光検出器の駆動電圧がパッケージの電極を介して光検出素子に供給され、また、光検出素子で検出された信号が、パッケージの電極を介して外部に伝送される。 Typically, a photodetector equipped with a photodetector element such as an APD is housed inside a hollow package, and multiple electrodes on the package are electrically connected to multiple electrodes on the photodetector element. The driving voltage of the photodetector is supplied to the photodetector element via the electrodes of the package, and the signal detected by the photodetector element is transmitted to the outside via the electrodes of the package.

一方、ＡＰＤを駆動する場合、アバランシェ降伏電圧以上の逆バイアス電圧をＡＰＤに印加することがあり、パッケージの電極も含めて光検出素子の裏面電極に至る導電経路を低抵抗化する必要がある。しかし、このような工夫は、特許文献１，２には何ら開示されていない。このため、ＡＰＤの面積が広い場合、例えば、複数のＡＰＤがアレイ状に配列されている場合等は、裏面電極内で電圧伝搬の遅延が起こり、すべてのＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加できないおそれがあった。 On the other hand, when driving an APD, a reverse bias voltage equal to or greater than the avalanche breakdown voltage may be applied to the APD, and it is necessary to reduce the resistance of the conductive path leading to the back electrode of the light detection element, including the electrode of the package. However, no such ideas are disclosed in Patent Documents 1 and 2. For this reason, when the area of the APD is large, for example, when multiple APDs are arranged in an array, there is a risk that a delay in voltage propagation occurs within the back electrode, making it impossible to reliably apply the reverse bias voltage to all APDs.

また、パッケージに大面積のランドパッド電極を設けて、これと光検出素子の裏面電極を接合することも考えられるが、パッケージの構成材料とランドパッド電極との熱膨張係数の違いにより、パッケージに反りを生じることがある。この場合、光検出素子が変形して、入射した光を正確に検出できないおそれがあった。 It is also possible to provide a large-area land pad electrode on the package and bond this to the back electrode of the light-detecting element, but this can cause the package to warp due to differences in the thermal expansion coefficient between the packaging material and the land pad electrode. In this case, there is a risk that the light-detecting element will deform and be unable to accurately detect the incident light.

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、１以上のＡＰＤを有する光検出器において、光検出素子の変形を抑制し、かつ光検出素子のＡＰＤに確実に逆バイアス電圧を印加可能な光検出器を提供することにある。 This disclosure has been made in light of these points, and its purpose is to provide a photodetector having one or more APDs that suppresses deformation of the photodetecting element and can reliably apply a reverse bias voltage to the APD of the photodetecting element.

上記目的を達成するために、本開示に係る光検出器は、光検出素子と前記光検出素子を格納するパッケージとで構成された光検出器であって、前記光検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成され、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する受光部と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記受光部に所定の電圧を印加するための裏面電極と、を少なくとも有し、前記パッケージは中空パッケージであり、前記パッケージの底壁の内面には前記裏面電極と対面してランドパッド電極が、前記パッケージの底面には複数の外部電極がそれぞれ設けられており、さらに、前記ランドパッド電極に一端が接続され、前記パッケージの前記底壁の内部を前記パッケージの底面に向けて延びる複数の第１ビアが設けられ、前記ランドパッド電極は、前記パッケージの前記底壁の前記内面に平行な方向に連続した１枚の電極であり、平面視で、前記ランドパッド電極の外周縁は、前記受光部の前記外周縁と同じ位置であるか、または前記受光部の前記外周縁の外側に位置し、かつ前記半導体基板の前記外周縁の内側に位置することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the photodetector according to the present disclosure is a photodetector comprising a photodetection element and a package housing the photodetection element, the photodetection element having at least a semiconductor substrate, a photoreceiving portion formed on a surface of the semiconductor substrate and having one or more avalanche photodiodes, and a back electrode formed on a back surface of the semiconductor substrate for applying a predetermined voltage to the photoreceiving portion, the package being a hollow package, a land pad electrode facing the back electrode is provided on an inner surface of a bottom wall of the package, and a plurality of external electrodes are provided on the bottom surface of the package, and further, a plurality of first vias are provided, one end of which is connected to the land pad electrode and which extend inside the bottom wall of the package toward the bottom surface of the package , the land pad electrode is a single electrode that is continuous in a direction parallel to the inner surface of the bottom wall of the package, and in a planar view, an outer circumferential edge of the land pad electrode is located at the same position as the outer circumferential edge of the photoreceiving portion, or is located outside the outer circumferential edge of the photoreceiving portion and inside the outer circumferential edge of the semiconductor substrate .

本開示の光検出器によれば、受光部のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、光検出素子の変形を抑制でき、光検出器に入射した光を正確に検出することができる。 The photodetector disclosed herein can reliably apply a reverse bias voltage to the APD of the light receiving section. In addition, deformation of the photodetector element can be suppressed, allowing the light incident on the photodetector to be accurately detected.

実施形態１に係る光検出器の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to a first embodiment. 光検出器の上面図である。FIG. ランドパッド電極の下面図である。FIG. 4 is a bottom view of the land pad electrode. 第１ビアの下面図である。FIG. 4 is a bottom view of the first via. 第１内部配線の下面図である。FIG. 4 is a bottom view of the first internal wiring. 第２ビアの下面図である。FIG. 4 is a bottom view of a second via. 別の第１内部配線の下面図である。FIG. 13 is a bottom view of another first internal wiring. 光検出器の下面図である。FIG. 実施形態２に係る光検出器の断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to a second embodiment. 実施形態３に係る光検出器の断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to a third embodiment. 実施形態３に係る光検出器の下面図である。FIG. 11 is a bottom view of a photodetector according to a third embodiment. 変形例に係る光検出器の断面模式図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to a modified example. 実施形態４に係る光検出装置の断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to a fourth embodiment.

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。 Embodiments of the present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the present disclosure, its applications, or its uses.

（実施形態１）
［光検出器の構成］
図１は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示し、図２は、上面図を示す。また、図３Ａは、ランドパッド電極の下面図を、図３Ｂは、第１ビアの下面図を、図３Ｃは、第１内部配線の下面図を、図３Ｄは、第２ビアの下面図をそれぞれ示す。図４は、別の第１内部配線の下面図を示す。 (Embodiment 1)
[Configuration of the photodetector]
Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of the photodetector according to this embodiment, and Fig. 2 shows a top view. Fig. 3A shows a bottom view of a land pad electrode, Fig. 3B shows a bottom view of a first via, Fig. 3C shows a bottom view of a first internal wiring, and Fig. 3D shows a bottom view of a second via. Fig. 4 shows a bottom view of another first internal wiring.

なお、説明の便宜上、半導体基板１２の表面側に形成される金属配線やトランジスタなどの構成要素の図示は省略している。また、図２において、導体ワイヤ５０の図示を省略している。また、パッケージ３０のガラスカバー２０が設けられた側を上側と呼び、パッケージ３０の底面３３側を下側と呼ぶことがある。パッケージ３０の底壁３２の厚さ方向を上下方向と呼ぶことがある。また、半導体基板１２の上面を表面と、半導体基板１２の下面を裏面とそれぞれ呼ぶことがある。 For ease of explanation, components such as metal wiring and transistors formed on the surface side of the semiconductor substrate 12 are omitted from the illustration. Also, in FIG. 2, conductor wires 50 are omitted from the illustration. The side of the package 30 on which the glass cover 20 is provided is sometimes referred to as the upper side, and the side of the bottom surface 33 of the package 30 is sometimes referred to as the lower side. The thickness direction of the bottom wall 32 of the package 30 is sometimes referred to as the up-down direction. Also, the upper surface of the semiconductor substrate 12 is sometimes referred to as the front surface, and the lower surface of the semiconductor substrate 12 is sometimes referred to as the back surface.

図１に示すように、光検出器１００は、光検出素子である固体撮像素子１０とパッケージ３０とを有しており、固体撮像素子１０は、半導体基板１２と受光部１１と表面電極１３と裏面電極１４とを有している。 As shown in FIG. 1, the photodetector 100 has a solid-state imaging element 10, which is a photodetection element, and a package 30. The solid-state imaging element 10 has a semiconductor substrate 12, a light receiving portion 11, a front electrode 13, and a back electrode 14.

半導体基板１２は、ｐ型単結晶シリコンからなる。ただし、ｐ型単結晶シリコン基板の表面にｐ型のエピタキシャル層が形成されていてもよい。本願明細書において、ｐ型単結晶シリコン基板にｐ型のエピタキシャル層が積層された構造も半導体基板１２と呼ぶこととする。なお、半導体基板１２の導電型は、光検出時に使用する信号電荷の選択によっては、ｎ型であってもよい。 The semiconductor substrate 12 is made of p-type single crystal silicon. However, a p-type epitaxial layer may be formed on the surface of the p-type single crystal silicon substrate. In this specification, a structure in which a p-type epitaxial layer is stacked on a p-type single crystal silicon substrate is also referred to as a semiconductor substrate 12. Note that the conductivity type of the semiconductor substrate 12 may be n-type depending on the selection of the signal charge used during light detection.

受光部１１は、半導体基板１２の表面に複数のＡＰＤが行列状に形成された、いわゆる画素アレイ構造を有している。ただし、１つのＡＰＤで受光部１１が構成されてもよい。受光部１１には、入射光によりＡＰＤで発生した信号電荷を読み出す読み出し回路（図示せず）や読み出された信号電荷に基づいた出力信号を転送する転送回路（図示せず）等が設けられている。図１に示すように、固体撮像素子１０及び受光部１１の外形は略四角形である。 The light receiving section 11 has a so-called pixel array structure in which multiple APDs are formed in a matrix on the surface of the semiconductor substrate 12. However, the light receiving section 11 may be composed of a single APD. The light receiving section 11 is provided with a readout circuit (not shown) that reads out signal charges generated by the APD in response to incident light, a transfer circuit (not shown) that transfers an output signal based on the readout signal charges, and the like. As shown in FIG. 1, the solid-state imaging element 10 and the light receiving section 11 have an approximately rectangular external shape.

図１，２に示すように、表面電極１３は、半導体基板１２の表面に設けられており、受光部１１の周囲に複数配置されている。表面電極１３は、受光部１１やその周辺回路と図示しない金属配線によって接続されている。複数の表面電極１３のそれぞれは、導体ワイヤ５０を介して、パッケージ３０の内部電極３４に接続され、各種信号の授受が行われる。例えば、固体撮像素子１０の出力信号は、所定の表面電極１３から導体ワイヤ５０を介して対応する内部電極３４に送られる。また、固体撮像素子１０に設けられた各種回路（図示せず）を駆動する駆動電圧は、対応する内部電極３４から導体ワイヤ５０と別の表面電極１３を介して供給される。固体撮像素子１０のグランド電位は、対応する内部電極３４から導体ワイヤ５０とさらなる別の表面電極１３とを介して供給される。 1 and 2, the surface electrodes 13 are provided on the surface of the semiconductor substrate 12, and are arranged in a plurality around the light receiving section 11. The surface electrodes 13 are connected to the light receiving section 11 and its peripheral circuits by metal wiring (not shown). Each of the plurality of surface electrodes 13 is connected to the internal electrodes 34 of the package 30 via conductor wires 50, and various signals are exchanged. For example, the output signal of the solid-state imaging element 10 is sent from a specific surface electrode 13 to the corresponding internal electrode 34 via the conductor wire 50. In addition, the driving voltage for driving various circuits (not shown) provided in the solid-state imaging element 10 is supplied from the corresponding internal electrode 34 via the conductor wire 50 and another surface electrode 13. The ground potential of the solid-state imaging element 10 is supplied from the corresponding internal electrode 34 via the conductor wire 50 and yet another surface electrode 13.

裏面電極１４は、半導体基板１２の裏面全体に設けられている。後で述べるように、裏面電極１４は、受光部１１のＡＰＤに所定の電圧を印加するために設けられている。また、裏面電極１４は、パッケージ３０に設けられたランドパッド電極３５に接触しており、両者が電気的に接続されている。 The back electrode 14 is provided on the entire back surface of the semiconductor substrate 12. As described later, the back electrode 14 is provided to apply a predetermined voltage to the APD of the light receiving unit 11. The back electrode 14 is also in contact with a land pad electrode 35 provided on the package 30, and the two are electrically connected.

裏面電極１４の低抵抗化を図るためには、裏面電極１４と半導体基板１２との接触抵抗を低減させるのが好ましい。よって、裏面電極１４は、半導体基板１２の構成材料であるシリコンとオーミック接合する材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、ｐ型シリコンの場合は、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）、またニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。ただし、特にこれに限定されず、ｐ型シリコンに対する仕事関数が高い金属であればよい。ｎ型シリコンの場合は、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）が挙げられる。ただし、特にこれに限定されず、ｎ型シリコンに対する仕事関数が低い金属であればよい。また、半導体基板１２の構成材料が、他の材料、例えば、化合物半導体である場合は、裏面電極１４の材質が上記と異なってくることは言うまでもない。 In order to reduce the resistance of the back electrode 14, it is preferable to reduce the contact resistance between the back electrode 14 and the semiconductor substrate 12. Therefore, it is preferable that the back electrode 14 is made of a material that forms an ohmic junction with silicon, which is the constituent material of the semiconductor substrate 12. For example, in the case of p-type silicon, such materials include gold (Au), platinum (Pt), and nickel (Ni). However, this is not limited to these, and any metal with a high work function for p-type silicon may be used. In the case of n-type silicon, aluminum (Al) and titanium (Ti) may be used. However, this is not limited to these, and any metal with a low work function for n-type silicon may be used. In addition, if the constituent material of the semiconductor substrate 12 is another material, such as a compound semiconductor, it goes without saying that the material of the back electrode 14 will be different from the above.

なお、裏面電極１４は積層構造であってもよい。その場合、半導体基板１２の裏面に接触する層が、半導体基板１２の構成材料とオーミック接合する材料であることが好ましい。 The back electrode 14 may have a laminated structure. In that case, it is preferable that the layer in contact with the back surface of the semiconductor substrate 12 is made of a material that forms an ohmic junction with the constituent material of the semiconductor substrate 12.

パッケージ３０は、上部が開放された箱型形状であり、内部に固体撮像素子１０が格納される。パッケージ３０の側壁３１の上面とガラスカバー２０とが封止材６０を介して接着されることで、パッケージ３０は、いわゆる中空パッケージとして構成され、また、パッケージ３０内部の気密が保たれる。 The package 30 has a box shape with an open top, and the solid-state imaging element 10 is stored inside. The upper surface of the side wall 31 of the package 30 is bonded to the glass cover 20 via a sealing material 60, so that the package 30 is configured as a so-called hollow package, and the inside of the package 30 is kept airtight.

パッケージ３０は、樹脂にアルミナやガラス等のセラミック粉末を混合し、シート状に形成したもの（以下、グリーンシートという）を複数枚準備し、これらを積層後に焼成して得られる、積層セラミックパッケージである。後で述べる第１内部配線３７及び第２内部配線３９の一部は、グリーンシートの表面に金属等の導電物質を含有する導体パターンをスクリーン印刷することで形成される。また、第１ビア３６及び第２ビア３８は、1枚または複数枚のグリーンシートを積層した後に所定の位置に穴あけ加工を施し、内部に導電物質を埋め込むことで形成される。この埋め込み工程は、導体パターンの印刷工程と同時に行われてもよい。第２内部配線３９のうち、上下方向に沿って延びる部分も同様の方法で形成される。 The package 30 is a laminated ceramic package obtained by preparing multiple sheets (hereinafter referred to as green sheets) made by mixing ceramic powder such as alumina or glass with resin and forming them into sheets, stacking them, and then firing them. A first internal wiring 37 and a part of a second internal wiring 39 described later are formed by screen printing a conductor pattern containing a conductive material such as metal on the surface of the green sheets. The first via 36 and the second via 38 are formed by laminating one or more green sheets, drilling holes at predetermined positions, and embedding a conductive material inside. This embedding process may be performed simultaneously with the conductor pattern printing process. The part of the second internal wiring 39 that extends in the vertical direction is also formed in a similar manner.

図１に示すように、パッケージ３０の内面に前述の内部電極３４が設けられている。具体的には、パッケージ３０の側壁３１に設けられた段差部３１ａの上面に内部電極３４が設けられている。内部電極３４は、導体ワイヤ５０を介して固体撮像素子１０の表面電極１３と接続されている。また、内部電極３４は、パッケージ３０の内部に設けられた第２内部配線３９を介して、パッケージ３０の底面３３に設けられた第２外部電極４２と電気的に接続されている。 As shown in FIG. 1, the aforementioned internal electrode 34 is provided on the inner surface of the package 30. Specifically, the internal electrode 34 is provided on the upper surface of the step portion 31a provided on the side wall 31 of the package 30. The internal electrode 34 is connected to the surface electrode 13 of the solid-state imaging element 10 via a conductor wire 50. The internal electrode 34 is also electrically connected to a second external electrode 42 provided on the bottom surface 33 of the package 30 via a second internal wiring 39 provided inside the package 30.

また、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａには、固体撮像素子１０の裏面電極１４と対面してランドパッド電極３５が設けられ、裏面電極１４とランドパッド電極３５とが電気的に接続されている。また、ランドパッド電極３５の下面には、複数の第１ビア３６の一端が接続されている。 A land pad electrode 35 is provided on the inner surface 32a of the bottom wall 32 of the package 30, facing the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10, and the back electrode 14 and the land pad electrode 35 are electrically connected. In addition, one end of a plurality of first vias 36 is connected to the lower surface of the land pad electrode 35.

ランドパッド電極３５及び内部電極３４は、第１内部配線３７等と同様に導体パターンを印刷することでそれぞれ形成される。ただし、内部電極３４には導体ワイヤ５０をボンディングする際の衝撃が、ランドパッド電極３５には裏面電極１４を接続する際の衝撃がそれぞれ加わるため、ランドパッド電極３５及び内部電極３４は、例えば、第１内部配線３７よりも厚く形成されている。また、導体ワイヤ５０や裏面電極１４との電気的接続を良好にするために、ランドパッド電極３５及び内部電極３４のそれぞれの表面には、所定の厚さのＡｕ層が設けられているのが好ましい。 The land pad electrode 35 and the internal electrode 34 are each formed by printing a conductor pattern in the same manner as the first internal wiring 37, etc. However, since the internal electrode 34 is subjected to an impact when bonding the conductor wire 50, and the land pad electrode 35 is subjected to an impact when connecting the back electrode 14, the land pad electrode 35 and the internal electrode 34 are formed, for example, thicker than the first internal wiring 37. In addition, in order to improve the electrical connection with the conductor wire 50 and the back electrode 14, it is preferable that an Au layer of a predetermined thickness is provided on the surface of each of the land pad electrode 35 and the internal electrode 34.

また、図２及び図３Ａに示すように、ランドパッド電極３５の外形は、受光部１１の外形よりも大きくなっており、ランドパッド電極３５の外周縁は、受光部１１の外周縁の外側に位置している。 In addition, as shown in Figures 2 and 3A, the outer shape of the land pad electrode 35 is larger than the outer shape of the light receiving section 11, and the outer periphery of the land pad electrode 35 is located outside the outer periphery of the light receiving section 11.

図１に示すように、第１ビア３６及び第２ビア３８と第１内部配線３７とは、パッケージ３０の底壁３２の内部にそれぞれ設けられている。図３Ａ～３Ｃに示すように、第１ビア３６は、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａと平行な方向に所定の間隔をあけて複数設けられており、上端部がランドパッド電極３５の下面に、下端部が第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの上面にそれぞれ接続されている。このことにより、ランドパッド電極３５が第１内部配線３７と電気的に接続される。 As shown in FIG. 1, the first via 36, the second via 38, and the first internal wiring 37 are each provided inside the bottom wall 32 of the package 30. As shown in FIGS. 3A to 3C, a plurality of the first vias 36 are provided at predetermined intervals in a direction parallel to the inner surface 32a of the bottom wall 32 of the package 30, with their upper ends connected to the lower surface of the land pad electrode 35 and their lower ends connected to the upper surface of the first via connection portion 37a of the first internal wiring 37. This electrically connects the land pad electrode 35 to the first internal wiring 37.

第１内部配線３７は、ランドパッド電極３５の下方に設けられており、図３Ｃに示すように、外形が四角形の第１ビア接続部３７ａの四隅から配線が延びて、その先端に第２ビア接続部３７ｂが設けられている。第１ビア接続部３７ａの外形は、ランドパッド電極３５の外形よりも大きくなっており、第１ビア接続部３７ａの外周縁は、ランドパッド電極３５の外周縁の外側に位置している。 The first internal wiring 37 is provided below the land pad electrode 35, and as shown in FIG. 3C, wiring extends from the four corners of the first via connection portion 37a, which has a rectangular outline, and a second via connection portion 37b is provided at the tip of the wiring. The outline of the first via connection portion 37a is larger than the outline of the land pad electrode 35, and the outer periphery of the first via connection portion 37a is located outside the outer periphery of the land pad electrode 35.

また、図３Ａ～３Ｃから明らかなように、複数の第１ビア３６は、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａとランドパッド電極３５のそれぞれに対して、それぞれの面内で一定の間隔をあけて接続されている。このため、第１ビア接続部３７ａから複数の第１ビア３６を介してランドパッド電極３５の面内に一様に電圧を印加することができる。 As is clear from Figures 3A to 3C, the multiple first vias 36 are connected to the first via connection portion 37a of the first internal wiring 37 and the land pad electrode 35 at regular intervals within their respective surfaces. Therefore, a voltage can be applied uniformly within the surface of the land pad electrode 35 from the first via connection portion 37a via the multiple first vias 36.

また、図１に示すように、ランドパッド電極３５の上面と裏面電極１４の下面とが接続されている。このため、ランドパッド電極３５を介して裏面電極１４の面内に一様に電圧を印加することができる。 As shown in FIG. 1, the upper surface of the land pad electrode 35 is connected to the lower surface of the back electrode 14. This allows a voltage to be applied uniformly across the surface of the back electrode 14 via the land pad electrode 35.

図１及び図３Ｃ，３Ｄに示すように、第２ビア３８は、上端部が第１内部配線３７の第２ビア接続部３７ｂの下面に、下端部が第１外部電極４１の上面にそれぞれ接続されている。このことにより、第１外部電極４１が第１内部配線３７と第１ビア３６及び第２ビア３８とを介してランドパッド電極３５と電気的に接続される。このことにより、第１外部電極４１が固体撮像素子１０の裏面電極１４と電気的に接続される。また、図３Ｄに示すように、第２ビア３８は、第１内部配線３７の４つの第２ビア接続部３７ｂに対応して、それぞれ所定の個数だけ設けられている。 1 and 3C and 3D, the second vias 38 have their upper ends connected to the lower surface of the second via connection portion 37b of the first internal wiring 37 and their lower ends connected to the upper surface of the first external electrode 41. As a result, the first external electrode 41 is electrically connected to the land pad electrode 35 via the first internal wiring 37 and the first and second vias 36 and 38. As a result, the first external electrode 41 is electrically connected to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10. Also, as shown in FIG. 3D, a predetermined number of second vias 38 are provided in correspondence with the four second via connection portions 37b of the first internal wiring 37.

なお、第１内部配線３７の形状は、図３Ｃに示したものに特に限定されない。例えば、図４に示すように、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ１がメッシュ状であってもよい。さらに別の例として、図３Ｃにおいて、第１ビア接続部３７ａの４隅を第２ビア接続部３７ｂとしてレイアウトしてもよい。なお、図示しないが、図４に示す第１内部配線３７をパッケージ３０の内部に設ける場合、第１ビア３６の配置が、図３Ｂに示す配置と異なってくることは言うまでもない。 The shape of the first internal wiring 37 is not limited to that shown in FIG. 3C. For example, as shown in FIG. 4, the first via connection portion 37a1 of the first internal wiring 37 may be mesh-shaped. As another example, in FIG. 3C, the four corners of the first via connection portion 37a may be laid out as second via connection portions 37b. Although not shown, when the first internal wiring 37 shown in FIG. 4 is provided inside the package 30, it goes without saying that the arrangement of the first vias 36 will be different from that shown in FIG. 3B.

図５は、光検出器の下面図を示し、図５に示すように、外部電極４０は、パッケージ３０の底面３３に接して複数設けられている。複数の外部電極４０のうち、第１外部電極４１が固体撮像素子１０の裏面電極１４と電気的に接続され、第２外部電極４２が固体撮像素子１０の表面電極１３と電気的に接続されていることは前述した通りである。なお、第１外部電極４１、第２外部電極４２ともに複数設けられている。 Figure 5 shows a bottom view of the photodetector, and as shown in Figure 5, multiple external electrodes 40 are provided in contact with the bottom surface 33 of the package 30. As described above, of the multiple external electrodes 40, the first external electrode 41 is electrically connected to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10, and the second external electrode 42 is electrically connected to the front electrode 13 of the solid-state imaging element 10. Note that multiple first external electrodes 41 and multiple second external electrodes 42 are provided.

図１，図３Ｄ及び図５に示すように、第１外部電極４１は、第２ビア３８の下方に設けられており、第２外部電極４２を含めて、外部電極４０は、平面視で固体撮像素子１０を囲むようにその周囲に設けられている。 As shown in Figures 1, 3D, and 5, the first external electrode 41 is provided below the second via 38, and the external electrodes 40, including the second external electrode 42, are provided around the solid-state imaging element 10 so as to surround it in a plan view.

外部電極４０は、パッケージ３０の底面３３と面一であってもよいし、あるいは、パッケージ３０の底面３３から下方に突出していてもよいし、上方に窪んでいてもよい。外部電極４０を介して、光検出器１００の外部と固体撮像素子１０との間で各種信号の授受が行われる。 The external electrode 40 may be flush with the bottom surface 33 of the package 30, or may protrude downward from the bottom surface 33 of the package 30, or may be recessed upward. Various signals are exchanged between the outside of the photodetector 100 and the solid-state imaging element 10 via the external electrode 40.

次に、光検出器１００の動作について説明する。外部電極４０を介して、固体撮像素子１０の所定の表面電極１３及び裏面電極１４にそれぞれ駆動電圧が印加される。ガラスカバー２０を透過して受光部１１に光が入射すると、受光部１１のＡＰＤで光電変換により信号電荷が発生し、図示しない読み出し回路や転送回路等により、信号電荷に基づいた出力信号が所定の表面電極１３に送られる。出力信号は第２内部配線３９を介して第２外部電極４２のうちの所定の電極に送られ、外部機器（図示せず）に入力され、例えば、画像としてモニター（図示せず）に表示される。 Next, the operation of the photodetector 100 will be described. A drive voltage is applied to each of the predetermined front and back electrodes 13 and 14 of the solid-state imaging element 10 via the external electrode 40. When light passes through the glass cover 20 and enters the light receiving section 11, a signal charge is generated by photoelectric conversion in the APD of the light receiving section 11, and an output signal based on the signal charge is sent to the predetermined front electrode 13 by a readout circuit, a transfer circuit, etc. (not shown). The output signal is sent to a predetermined electrode of the second external electrode 42 via the second internal wiring 39, input to an external device (not shown), and is displayed, for example, as an image on a monitor (not shown).

本実施形態の光検出器１００において、光検出動作時に裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧は、変更可能に構成されている。このため、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧の値に応じてＡＰＤの動作モードを変更することができる。 In the photodetector 100 of this embodiment, the reverse bias voltage applied to the rear electrode 14 during photodetection operation is configured to be changeable. Therefore, the operation mode of the APD can be changed according to the value of the reverse bias voltage applied to the rear electrode 14.

例えば、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がＡＰＤのアバランシェ降伏電圧を超える場合、ＡＰＤは、ガイガー増倍モードで動作する。このとき、ＡＰＤでは、発生した電荷の衝突イオン化によってアバランシェ増倍が起こるため、１フォトンの入射により、数十～数百個以上の信号電荷が発生する。つまり、信号の増幅率が非常に高くなる。一方、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がＡＰＤのアバランシェ降伏電圧以下である場合、ＡＰＤは、リニア増倍モードで動作する。このとき、ＡＰＤでは、発生した電荷の衝突イオン化によって電荷増倍が起こるが、１フォトンの入射により発生する信号電荷は、数～十数個程度である。つまり、ガイガー増倍モードに比べて、信号の増幅率は低くなる。また、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がゼロである場合、ＡＰＤは、フォトダイオードモードで動作する。この場合、電荷の衝突イオン化は起こらず、ＡＰＤでの信号増幅は起こらない。つまり、ＡＰＤは、通常のフォトダイオードとして動作する。 For example, when the reverse bias voltage applied to the back electrode 14 exceeds the avalanche breakdown voltage of the APD, the APD operates in the Geiger multiplication mode. At this time, in the APD, avalanche multiplication occurs due to impact ionization of the generated charge, so that tens to hundreds of signal charges are generated by the incidence of one photon. In other words, the signal amplification rate is very high. On the other hand, when the reverse bias voltage applied to the back electrode 14 is equal to or lower than the avalanche breakdown voltage of the APD, the APD operates in the linear multiplication mode. At this time, in the APD, charge multiplication occurs due to impact ionization of the generated charge, but the signal charges generated by the incidence of one photon are about several to a dozen. In other words, the signal amplification rate is lower than that in the Geiger multiplication mode. Also, when the reverse bias voltage applied to the back electrode 14 is zero, the APD operates in the photodiode mode. In this case, impact ionization of the charge does not occur, and signal amplification does not occur in the APD. In other words, the APD operates as a normal photodiode.

また、光検出器１００の温度変化に起因して変動するアバランシェ降伏電圧に逆バイアス電圧を追従させることができる。結果として、ガイガー増倍モードのみを使用する場合においても、光検出器１００を安定に動作させることが可能となる。 In addition, the reverse bias voltage can be made to follow the avalanche breakdown voltage that varies due to temperature changes in the photodetector 100. As a result, even when only the Geiger multiplication mode is used, the photodetector 100 can be operated stably.

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る光検出器１００は、光検出素子である固体撮像素子１０と固体撮像素子１０を格納するパッケージ３０とで構成されている。 [Effects, etc.]
As described above, the photodetector 100 according to this embodiment is composed of the solid-state imaging element 10 which is a photodetection element, and the package 30 which houses the solid-state imaging element 10 .

固体撮像素子１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の表面に形成され、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する受光部１１と、半導体基板１２の裏面に形成され、受光部１１に所定の電圧を印加するための裏面電極１４と、を少なくとも有している。 The solid-state imaging device 10 has at least a semiconductor substrate 12, a light receiving section 11 formed on the surface of the semiconductor substrate 12 and having one or more avalanche photodiodes, and a back electrode 14 formed on the back surface of the semiconductor substrate 12 for applying a predetermined voltage to the light receiving section 11.

パッケージ３０は中空パッケージであり、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａには裏面電極１４と対面してランドパッド電極３５が、パッケージ３０の底面３３には複数の外部電極４０がそれぞれ設けられている。 The package 30 is a hollow package, and a land pad electrode 35 is provided on the inner surface 32a of the bottom wall 32 of the package 30 facing the back electrode 14, and a plurality of external electrodes 40 are provided on the bottom surface 33 of the package 30.

さらに、ランドパッド電極３５に一端が接続され、パッケージ３０の底壁３２の内部をパッケージ３０の底面３３に向けて延びる複数の第１ビア３６が設けられている。 Furthermore, a plurality of first vias 36 are provided, one end of which is connected to the land pad electrode 35 and which extend inside the bottom wall 32 of the package 30 toward the bottom surface 33 of the package 30.

また、複数の第１ビア３６は、パッケージ３０の内部に設けられた第１内部配線３７にそれぞれ接続され、複数の外部電極４０のうちの第１外部電極４１は、第１内部配線３７と電気的に接続されている。具体的には、第１外部電極４１は、複数の第２ビア３８を介して第１内部配線３７と接続されている。 The first vias 36 are each connected to a first internal wiring 37 provided inside the package 30, and the first external electrode 41 of the external electrodes 40 is electrically connected to the first internal wiring 37. Specifically, the first external electrode 41 is connected to the first internal wiring 37 through the second vias 38.

本実施形態によれば、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における面内での電圧伝搬の遅延を小さくできる。 According to this embodiment, the resistance of the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 can be reduced. This allows a reverse bias voltage to be reliably applied to the APD of the light receiving section 11. In addition, the delay in voltage propagation within the surface of the back electrode 14 can be reduced.

前述したように、本実施形態のＡＰＤは、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧に応じて異なるモードで動作する。例えば、光検出器１００が昼夜を問わず外光を検出するように構成されている場合、受光部１１に入射される光の強度は、時間帯によって変化する。光検出器１００が車両等の移動体に搭載されている場合は、この変化の度合いはより大きくなる。このような場合に、外光の強度に応じて、逆バイアス電圧を切り替えてＡＰＤの動作モードを変更することで、対象物体の鮮明な画像を取得できる。例えば、対象物体が近距離にあり、かつ外界が明るい場合は、ＡＰＤをフォトダイオードモードで動作させることで、ハレーション等を起こさずに鮮明な画像を取得できる。一方、対象物体を含めた外界が暗い場合は、ＡＰＤをガイガー増倍モードあるいはリニア増倍モードで動作させることで、対象物体からの微弱光を確実に検知して鮮明な画像を取得できる。 As described above, the APD of this embodiment operates in different modes depending on the reverse bias voltage applied to the back electrode 14. For example, if the photodetector 100 is configured to detect external light regardless of day or night, the intensity of the light incident on the light receiving unit 11 changes depending on the time of day. If the photodetector 100 is mounted on a moving body such as a vehicle, the degree of this change becomes greater. In such a case, a clear image of the target object can be obtained by switching the reverse bias voltage to change the operation mode of the APD according to the intensity of the external light. For example, if the target object is close and the outside world is bright, a clear image can be obtained without causing halation by operating the APD in photodiode mode. On the other hand, if the outside world including the target object is dark, the APD can be operated in Geiger multiplication mode or linear multiplication mode to reliably detect weak light from the target object and obtain a clear image.

しかし、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗が高いと、逆バイアス電圧の印加時間に遅延を生じ、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられないおそれがあった。このことに起因して、取得した画像がぼやけたり、あるいは照度不足により鮮明な画像を得られなかったりするおそれがあった。 However, if the resistance of the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 is high, there is a risk that a delay will occur in the application time of the reverse bias voltage, and the APD's operating mode may not be appropriately switched in response to changes in the intensity of external light. This could result in the captured image being blurred, or insufficient illuminance causing a clear image to be obtained.

一方、本実施形態によれば、当該導電経路を低抵抗化して、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできるため、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられる。このことにより、対象物体の鮮明な画像を取得できる。 On the other hand, according to the present embodiment, the resistance of the conductive path can be reduced, and the delay in voltage propagation in the back electrode 14 can be reduced, so that the operation mode of the APD can be appropriately switched according to changes in the intensity of external light. This makes it possible to obtain a clear image of the target object.

また、本実施形態の光検出器１００を、例えば、対象物体との測距用に用いる場合、対象物体の鮮明な画像を取得でき、このことにより、対象物体との距離を正確に測定できる。特に、光検出器１００が車両等の移動体に搭載されている場合は、当該効果が顕著に発揮される。 In addition, when the photodetector 100 of this embodiment is used, for example, to measure the distance to a target object, a clear image of the target object can be obtained, and the distance to the target object can be accurately measured. This effect is particularly pronounced when the photodetector 100 is mounted on a moving object such as a vehicle.

また、本実施形態によれば、パッケージ３０、特にパッケージ３０の底壁３２の反りを抑制できる。このことにより、パッケージ３０に固体撮像素子１０を実装した場合の、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。このことについてさらに説明する。 Furthermore, according to this embodiment, warping of the package 30, particularly the bottom wall 32 of the package 30, can be suppressed. As a result, when the solid-state imaging element 10 is mounted in the package 30, deformation of the light receiving section 11 can be suppressed, and light incident on the photodetector 100 can be accurately detected. This will be explained further below.

前述したように、パッケージ３０の主たる構成材料はセラミックである。一方、これとランドパッド電極３５との熱膨張係数は大きく異なる。また、固体撮像素子１０の主たる構成部材である半導体基板１２とセラミックやランドパッド電極３５との熱膨張係数も大きく異なる。 As mentioned above, the main component material of the package 30 is ceramic. However, the thermal expansion coefficient of this material differs greatly from that of the land pad electrodes 35. In addition, the thermal expansion coefficient of the semiconductor substrate 12, which is the main component of the solid-state imaging device 10, differs greatly from that of the ceramic and land pad electrodes 35.

例えば、第１ビア３６及び第２ビア３８や第１内部配線３７を省略し、ランドパッド電極３５をパッケージ３０の底壁３２と同じ厚さとした場合も、固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化することができる。 For example, even if the first via 36, the second via 38 and the first internal wiring 37 are omitted and the land pad electrode 35 is made to have the same thickness as the bottom wall 32 of the package 30, the resistance of the conductive path leading to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 can be reduced.

しかし、この場合、パッケージ３０を構成するセラミックに対して、より大きな熱膨張係数を有するランドパッド電極３５が厚さ方向に大きく反ってしまい、ランドパッド電極３５に実装された固体撮像素子１０もこれに応じて変形してしまう。特に、受光部１１の表面が反ってしまうことにより、受光部１１内に配置されたＡＰＤへの光の入射角度が変化してしまい、入射した光を正確に検出できないおそれがあった。 In this case, however, the land pad electrode 35, which has a larger thermal expansion coefficient than the ceramic that constitutes the package 30, warps significantly in the thickness direction, and the solid-state imaging element 10 mounted on the land pad electrode 35 also deforms accordingly. In particular, the warping of the surface of the light receiving unit 11 changes the angle of incidence of light on the APD arranged in the light receiving unit 11, and there is a risk that the incident light cannot be detected accurately.

一方、本実施形態によれば、ランドパッド電極３５に一端が接続され、パッケージ３０の底壁３２の内部をパッケージ３０の底面３３に向けて延びる複数の第１ビア３６を設けることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗上昇を抑えつつ、ランドパッド電極３５の厚さを薄くすることができる。このことにより、ランドパッド電極３５を含むパッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。 On the other hand, according to the present embodiment, by providing a plurality of first vias 36 each having one end connected to the land pad electrode 35 and extending inside the bottom wall 32 of the package 30 toward the bottom surface 33 of the package 30, it is possible to reduce the thickness of the land pad electrode 35 while suppressing an increase in resistance of the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10. This makes it possible to suppress warping of the bottom wall 32 of the package 30 including the land pad electrode 35, and thus deformation of the light receiving section 11, and allows the light incident on the photodetector 100 to be accurately detected.

特に、第１ビア３６の下方に、これと接続する第１内部配線３７を設けることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗上昇を確実に抑えることができる。また、第１内部配線３７をランドパッド電極３５よりも薄くすることで、パッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を確実に抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。 In particular, by providing the first internal wiring 37 below the first via 36 and connecting it thereto, it is possible to reliably suppress an increase in resistance of the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10. In addition, by making the first internal wiring 37 thinner than the land pad electrode 35, it is possible to reliably suppress warping of the bottom wall 32 of the package 30 and, in turn, deformation of the light receiving section 11, and it is possible to accurately detect light incident on the photodetector 100.

裏面電極１４は、半導体基板１２とオーミック接合する金属で構成されていることが好ましく、このようにすることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を確実に低抵抗化することができる。 The back electrode 14 is preferably made of a metal that forms an ohmic junction with the semiconductor substrate 12, which ensures that the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 has low resistance.

また、図示しないが、受光部１１の各ＡＰＤに確実に光を入射させるため、ＡＰＤのそれぞれに集光レンズ（マイクロレンズ）が設けられることが多い。この集光レンズは、通常、樹脂製であるため、集光レンズの形成後に固体撮像素子１０を高温で熱処理することができない。このため、裏面電極１４の形成後に固体撮像素子１０を熱処理して、裏面電極１４と半導体基板１２との界面を低抵抗化することができない。 Although not shown, in order to ensure that light is incident on each APD of the light receiving section 11, a condenser lens (microlens) is often provided on each APD. This condenser lens is usually made of resin, so the solid-state imaging element 10 cannot be heat-treated at high temperatures after the condenser lens is formed. For this reason, the solid-state imaging element 10 cannot be heat-treated after the back electrode 14 is formed to reduce the resistance of the interface between the back electrode 14 and the semiconductor substrate 12.

一方、本実施形態によれば、裏面電極１４の材質を上記のように規定することで、裏面電極１４と半導体基板１２との界面での抵抗上昇を抑えることができる。 On the other hand, according to this embodiment, by defining the material of the back electrode 14 as described above, it is possible to suppress an increase in resistance at the interface between the back electrode 14 and the semiconductor substrate 12.

なお、半導体基板１２の裏面に予め所定量のドーパントを導入し、活性化させておくことで、半導体基板１２の裏面側を低抵抗化でき、ひいては、裏面電極１４と半導体基板１２との界面を低抵抗化できることは言うまでもない。さらに、裏面電極１４の形成前に半導体基板１２の裏面に生成されるシリコンの自然酸化膜をクリーニングすることによっても、界面の抵抗上昇を抑えることができる。 It goes without saying that the resistance of the back side of the semiconductor substrate 12 can be reduced by introducing a predetermined amount of dopant into the back side of the semiconductor substrate 12 in advance and activating it, and thus the resistance of the interface between the back electrode 14 and the semiconductor substrate 12 can be reduced. Furthermore, the increase in resistance at the interface can also be suppressed by cleaning the natural silicon oxide film that is formed on the back side of the semiconductor substrate 12 before forming the back electrode 14.

平面視で、ランドパッド電極３５の外周縁は、受光部１１の外周縁の外側に位置することが好ましく、このようにすることで、逆バイアス電圧を受光部１１全体に確実に印加することができる。なお、ランドパッド電極３５の外周縁が、受光部１１の外周縁と同じ位置であっても構わない。 In plan view, it is preferable that the outer edge of the land pad electrode 35 is located outside the outer edge of the light receiving section 11, so that the reverse bias voltage can be reliably applied to the entire light receiving section 11. Note that the outer edge of the land pad electrode 35 may be located at the same position as the outer edge of the light receiving section 11.

また、同様の理由から、平面視で、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの外周縁は、ランドパッド電極３５の外周縁の外側に位置することが好ましく、また、複数の第１ビア３６は、ランドパッド電極３５の全体に一様に電圧が印加されるように第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａに接続されているのがより好ましい。このようにすることで、逆バイアス電圧を裏面電極１４、ひいては受光部１１全体に偏りなく印加することができる。このことにより、裏面電極１４における面内での電圧伝搬の遅延を小さくでき、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられるため、対象物体の鮮明な画像を取得できる。なお、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの外周縁が、ランドパッド電極３５の外周縁と同じ位置であっても構わない。 For the same reason, it is preferable that the outer periphery of the first via connection portion 37a of the first internal wiring 37 is located outside the outer periphery of the land pad electrode 35 in a plan view, and more preferably, the multiple first vias 36 are connected to the first via connection portion 37a of the first internal wiring 37 so that a voltage is applied uniformly to the entire land pad electrode 35. In this way, the reverse bias voltage can be applied to the back electrode 14 and, in turn, to the entire light receiving portion 11 without bias. This makes it possible to reduce the delay in voltage propagation in the surface of the back electrode 14, and to appropriately switch the operation mode of the APD according to changes in the intensity of external light, thereby making it possible to obtain a clear image of the target object. It is also possible that the outer periphery of the first via connection portion 37a of the first internal wiring 37 is located at the same position as the outer periphery of the land pad electrode 35.

また、図３Ｃに示すように、第１ビア接続部３７ａの外形は、四角形であってもよいが、図４に示すように、第１ビア接続部３７ａ１がメッシュ状の配線であってもよい。 Also, as shown in FIG. 3C, the outer shape of the first via connection portion 37a may be rectangular, but as shown in FIG. 4, the first via connection portion 37a1 may be a mesh-shaped wiring.

第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路において、抵抗値を律速するのは、主に、上下方向に延びる部分の長さである。このため、第１ビア接続部３７ａが、第１ビア３６が配置される領域に一様に設けられている必要はなく、図４に示す形状であってもよいし、別の形状であってもよい。 In the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10, the resistance value is determined mainly by the length of the portion extending in the vertical direction. Therefore, the first via connection portion 37a does not need to be uniformly provided in the area in which the first via 36 is arranged, and it may have the shape shown in FIG. 4 or another shape.

また、第１ビア接続部３７ａ１に部分的に導体部分を設けないことで、図３Ｃに示す第１内部配線３７よりも反りを抑制できる。このことにより、パッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。 In addition, by not providing a conductive portion partially in the first via connection portion 37a1, warping can be suppressed more than in the first internal wiring 37 shown in FIG. 3C. This can suppress warping of the bottom wall 32 of the package 30 and, in turn, deformation of the light receiving portion 11, allowing the light incident on the photodetector 100 to be accurately detected.

光検出器１００は、受光部１１の周囲に設けられ、受光部１１の出力用電極を含む複数の表面電極１３をさらに有している。複数の表面電極１３のそれぞれは、パッケージ３０の内面に設けられた複数の内部電極３４に電気的に接続され、複数の内部電極３４のそれぞれは、パッケージ３０の内部に設けられた第２内部配線３９を介して第２外部電極４２に接続されている。 The photodetector 100 further has a plurality of surface electrodes 13 that are provided around the light receiving section 11 and include an output electrode for the light receiving section 11. Each of the surface electrodes 13 is electrically connected to a plurality of internal electrodes 34 provided on the inner surface of the package 30, and each of the internal electrodes 34 is connected to a second external electrode 42 via a second internal wiring 39 provided inside the package 30.

このようにすることで、受光部１１で検出された出力信号を第２外部電極４２から取り出すことができる。また、受光部１１を含む固体撮像素子１０の内部回路の駆動電圧を第２外部電極４２から供給することができる。また、第２内部配線３９を用いることで、内部電極３４と第２外部電極４２との間の導電経路を短くでき、当該導電経路を低抵抗化できる。このことにより、出力信号や駆動電圧の波形なまりを抑制でき、ひいては、対象物体の画像を鮮明に取得できる。 In this way, the output signal detected by the light receiving section 11 can be extracted from the second external electrode 42. In addition, the drive voltage for the internal circuit of the solid-state imaging element 10 including the light receiving section 11 can be supplied from the second external electrode 42. In addition, by using the second internal wiring 39, the conductive path between the internal electrode 34 and the second external electrode 42 can be shortened, and the resistance of the conductive path can be reduced. This makes it possible to suppress waveform distortion of the output signal and the drive voltage, and ultimately to obtain a clear image of the target object.

（実施形態２）
図６は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示す。なお、図６及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 (Embodiment 2)
Fig. 6 is a schematic cross-sectional view of a photodetector according to this embodiment. In Fig. 6 and the following drawings, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

図６に示す本実施形態の光検出器１００は、固体撮像素子１０の裏面電極１４とランドパッド電極３５との間に金や銀等の導電粒子が樹脂に所定量添加された導電性ペースト７０が設けられている点で、図１に示す光検出器１００と異なる。 The photodetector 100 of this embodiment shown in FIG. 6 differs from the photodetector 100 shown in FIG. 1 in that a conductive paste 70 is provided between the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 and the land pad electrode 35, the conductive paste 70 being made of resin to which a predetermined amount of conductive particles such as gold or silver has been added.

前述したように、固体撮像素子１０の表面に樹脂製の集光レンズ（図示せず）が設けられていると、裏面電極１４の形成後に、固体撮像素子１０に高温、例えば、２００度を超えるような温度での熱処理を加えることが困難な場合がある。よって、裏面電極１４とランドパッド電極３５との接合には熱的制約が加わる。 As mentioned above, if a resin focusing lens (not shown) is provided on the surface of the solid-state imaging element 10, it may be difficult to subject the solid-state imaging element 10 to a heat treatment at a high temperature, for example, a temperature exceeding 200 degrees, after the back electrode 14 is formed. Therefore, thermal constraints are imposed on the bonding between the back electrode 14 and the land pad electrode 35.

本実施形態によれば、導電性ペースト７０を設けることで、高い温度を加えずに裏面電極１４とランドパッド電極３５とを確実に電気的に接続できる。 According to this embodiment, by providing the conductive paste 70, the back electrode 14 and the land pad electrode 35 can be reliably electrically connected without applying high temperatures.

なお、導電性ペースト７０以外の導電性材料が用いられてもよい。例えば、２００度未満で接合可能な低融点はんだが裏面電極１４とランドパッド電極３５との間に設けられていてもよい。 Note that a conductive material other than the conductive paste 70 may be used. For example, a low melting point solder that can be bonded at less than 200 degrees may be provided between the back electrode 14 and the land pad electrode 35.

（実施形態３）
図７は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示し、図８は、光検出器の下面図を示す。 (Embodiment 3)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the photodetector according to this embodiment, and FIG. 8 is a bottom view of the photodetector.

本実施形態の光検出器１００は、以下の点で図１に示す実施形態１の光検出器１００と異なる。まず、図７に示すように、第１内部配線３７及び第２ビア３８が省略されている。また、第１ビア３６が、パッケージ３０の底壁３２の内部を上下方向に延びて、第１外部電極４１に直接に接続している。さらに、図８に示すように、平面視で、ランドパッド電極３５の外周縁の内側に第１外部電極４１が位置している。なお、第１外部電極４１との接続を確実にするため、１個の第１外部電極４１あたりに複数の第１ビア３６が接続されている。また、第１外部電極４１がパッケージ３０の底面３３から外側に突出している場合、第１ビア３６は、パッケージ３０の底壁３２を貫通している。 The photodetector 100 of this embodiment differs from the photodetector 100 of embodiment 1 shown in FIG. 1 in the following points. First, as shown in FIG. 7, the first internal wiring 37 and the second via 38 are omitted. Also, the first via 36 extends vertically inside the bottom wall 32 of the package 30 and is directly connected to the first external electrode 41. Furthermore, as shown in FIG. 8, the first external electrode 41 is located inside the outer periphery of the land pad electrode 35 in a plan view. Note that, in order to ensure the connection with the first external electrode 41, multiple first vias 36 are connected per first external electrode 41. Also, when the first external electrode 41 protrudes outward from the bottom surface 33 of the package 30, the first via 36 penetrates the bottom wall 32 of the package 30.

本実施形態によれば、実施形態１が示す構成と同様の効果を奏することができる。つまり、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできる。 According to this embodiment, it is possible to achieve the same effect as the configuration shown in the first embodiment. In other words, it is possible to reduce the resistance of the conductive path from the first external electrode 41 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10. This makes it possible to reliably apply a reverse bias voltage to the APD of the light receiving section 11. In addition, it is possible to reduce the delay in voltage propagation in the back electrode 14.

また、第１内部配線３７を省略できるため、実施形態１に示す構成よりもパッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。 In addition, since the first internal wiring 37 can be omitted, warping of the bottom wall 32 of the package 30 and, therefore, deformation of the light receiving section 11 can be suppressed more than in the configuration shown in embodiment 1, and light incident on the photodetector 100 can be detected accurately.

なお、実施形態１，２に示すように、ランドパッド電極３５直下のパッケージ３０の底面３３に第１外部電極４１を設けないことで、この領域を別の用途に利用できる。例えば、この領域にヒートシンクを配置することで、固体撮像素子１０の動作時に発生した熱を外部に速やかに排出することができる。このことにより、固体撮像素子１０の光検出性能を安定化できる。また、ヒートシンクを設ける代わりに、この領域に光検出器１００の個体番号を示すマーキングを施してもよい。 As shown in the first and second embodiments, by not providing the first external electrode 41 on the bottom surface 33 of the package 30 directly below the land pad electrode 35, this area can be used for another purpose. For example, by providing a heat sink in this area, heat generated during operation of the solid-state imaging element 10 can be quickly discharged to the outside. This makes it possible to stabilize the light detection performance of the solid-state imaging element 10. Also, instead of providing a heat sink, markings indicating the individual number of the light detector 100 may be provided in this area.

＜変形例＞
図９は、本変形例に係る光検出器の断面模式図を示し、本変形例の光検出器１００は、第１ビア３６に接続される第１外部電極４１が省略され、代わりに第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ２がパッケージ３０の底面３３と面一となるように設けられ、複数の第１ビア３６のそれぞれが第１ビア接続部３７ａ２に接続されている点で、図７に示す実施形態３の光検出器１００と異なる。なお、図９に示す第１ビア接続部３７ａ２は、図３Ｃに示す第１ビア接続部３７ａと同様の形状である。また、本変形例において、第１内部配線３７の第２ビア接続部３７ｂ及び第１ビア接続部３７ａ２と第２ビア接続部３７ｂを接続する配線は省略されている。 <Modification>
9 shows a schematic cross-sectional view of a photodetector according to this modification, and the photodetector 100 of this modification is different from the photodetector 100 of the third embodiment shown in FIG. 7 in that the first external electrode 41 connected to the first via 36 is omitted, and instead the first via connection portion 37a2 of the first internal wiring 37 is provided so as to be flush with the bottom surface 33 of the package 30, and each of the multiple first vias 36 is connected to the first via connection portion 37a2. The first via connection portion 37a2 shown in FIG. 9 has the same shape as the first via connection portion 37a shown in FIG. 3C. In this modification, the second via connection portion 37b of the first internal wiring 37 and the wiring connecting the first via connection portion 37a2 and the second via connection portion 37b are omitted.

光検出器１００をこのように構成してもよく、実施形態１が示す構成と同様の効果を奏することができる。つまり、第１ビア接続部３７ａ２から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできる。 The photodetector 100 may be configured in this manner, and the same effects as those of the configuration shown in embodiment 1 can be achieved. In other words, the resistance of the conductive path from the first via connection portion 37a2 to the back electrode 14 of the solid-state imaging element 10 can be reduced. This allows a reverse bias voltage to be reliably applied to the APD of the light receiving portion 11. In addition, the delay in voltage propagation in the back electrode 14 can be reduced.

なお、第２外部電極４２がパッケージ３０の底面３３と面一となるように形成される場合、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ２と第２外部電極４２とを同時に形成してもよい。そのようにすることで、光検出器１００の製造工程を省略でき、コストの上昇を抑制できる。ただし、第２外部電極４２は、回路基板（図１０参照）等に接合されるため、接合時の衝撃に耐えうるように、また、要求される抵抗値を満足するように、その厚みが規定される。一方、第１ビア接続部３７ａ２を厚くしすぎると、パッケージ３０の反りを抑制するのが難しくなるため、第１ビア接続部３７ａ２と第２外部電極４２とを同時に形成する場合は、これらの条件の兼ね合いを考慮する必要がある。 When the second external electrode 42 is formed to be flush with the bottom surface 33 of the package 30, the first via connection portion 37a2 of the first internal wiring 37 and the second external electrode 42 may be formed simultaneously. By doing so, the manufacturing process of the photodetector 100 can be omitted, and the increase in costs can be suppressed. However, since the second external electrode 42 is bonded to a circuit board (see FIG. 10) or the like, its thickness is specified so that it can withstand the impact during bonding and so that the required resistance value is satisfied. On the other hand, if the first via connection portion 37a2 is made too thick, it becomes difficult to suppress warping of the package 30, so when the first via connection portion 37a2 and the second external electrode 42 are formed simultaneously, it is necessary to consider the balance between these conditions.

また、第１ビア接続部３７ａ２の代わりに、ランドパッド電極３５の下方に大面積の第１外部電極を設け、ランドパッド電極３５に接続された複数の第１ビア３６と第１外部電極４１とが直接に接続されるようにしてもよい。この場合は、第１外部電極がパッケージ３０の底面３３から突出して設けられてもよい。 In addition, instead of the first via connection portion 37a2, a large-area first external electrode may be provided below the land pad electrode 35, and multiple first vias 36 connected to the land pad electrode 35 may be directly connected to the first external electrode 41. In this case, the first external electrode may be provided protruding from the bottom surface 33 of the package 30.

（実施形態４）
図１０は、本実施形態に係る光検出装置の断面模式図を示す。 (Embodiment 4)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the photodetector according to this embodiment.

光検出装置２００は、回路基板３００と、回路基板３００に実装された光検出器１００と電子部品４００とで構成されている。なお、回路基板３００の表面には配線パターン（図示せず）と配線パターンに接続され、光検出器１００の外部電極４０等と接続するためのパッド電極パターン３２０が形成されている。また、光検出器１００の外部電極４０や電子部品４００の電極とパッド電極パターン３２０とは、導電性ペーストや低融点はんだ等の接合材３１０により接合されている。また、配線パターンを介して光検出器１００と電子部品４００とが電気的に接続されている。 The light detection device 200 is composed of a circuit board 300, a light detector 100 mounted on the circuit board 300, and an electronic component 400. A wiring pattern (not shown) and a pad electrode pattern 320 connected to the wiring pattern and for connection to the external electrode 40 of the light detector 100 are formed on the surface of the circuit board 300. The external electrode 40 of the light detector 100 and the electrode of the electronic component 400 are joined to the pad electrode pattern 320 by a bonding material 310 such as a conductive paste or a low melting point solder. The light detector 100 and the electronic component 400 are electrically connected via the wiring pattern.

電子部品４００は、例えば、所定の電圧を裏面電極１４に印加するための電圧レギュレータであってもよい。その場合、裏面電極１４への印加電圧の切り替えは、固体撮像素子１０の内部に設けられたスイッチ素子で行ってもよいし、回路基板３００に別のスイッチ素子を設けてもよい。 The electronic component 400 may be, for example, a voltage regulator for applying a predetermined voltage to the back electrode 14. In this case, the voltage applied to the back electrode 14 may be switched by a switch element provided inside the solid-state imaging element 10, or a separate switch element may be provided on the circuit board 300.

また、電子部品４００は、これに限られず、例えば、固体撮像素子１０の出力信号を信号処理する集積回路（ＩＣ）チップであってもよい。また、図示しないが、複数の電子部品４００が回路基板３００に実装されていてもよい。 Furthermore, the electronic component 400 is not limited to this, and may be, for example, an integrated circuit (IC) chip that processes the output signal of the solid-state imaging device 10. Although not shown, a plurality of electronic components 400 may be mounted on the circuit board 300.

本実施形態によれば、固体撮像素子１０を所望のモードで動作させることができる。あるいは、固体撮像素子１０の出力信号を適切に処理して、所望の画像を取得できる。また、回路基板３００に実装される電子部品４００の種類や数に応じて、光検出装置２００は、上記以外の機能を奏することができる。電子部品４００の種類によっては、例えば、対象物体との距離をリアルタイムで測定するとともに、測定値を有線または無線で外部機器に送信することも可能である。 According to this embodiment, the solid-state imaging element 10 can be operated in a desired mode. Alternatively, the output signal of the solid-state imaging element 10 can be appropriately processed to obtain a desired image. Furthermore, depending on the type and number of electronic components 400 mounted on the circuit board 300, the light detection device 200 can perform functions other than those described above. Depending on the type of electronic components 400, for example, it is possible to measure the distance to a target object in real time and transmit the measurement value to an external device via wire or wirelessly.

（その他の実施形態）
なお、変形例を含む各実施形態に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態４に示す光検出装置２００に、実施形態３や変形例に示す光検出器１００を組み込んでもよい。 Other Embodiments
In addition, the components shown in each embodiment including the modified examples may be appropriately combined to form a new embodiment. For example, the photodetector 100 shown in the third embodiment or the modified examples may be incorporated into the photodetector 200 shown in the fourth embodiment.

また、パッケージ３０の一例として、積層セラミックパッケージを例にとって説明したが、本開示の光検出器１００に含まれるパッケージ３０は、特にこれに限定されない。例えば、セラミック粉末を粉体プレス法により成形することで、実施形態３や変形例に示すパッケージ３０を形成してもよい。その場合、第１ビア３６や第２内部配線３９や内部電極３４や外部電極４０をメッキ法により形成してもよい。 Although a laminated ceramic package has been described as an example of the package 30, the package 30 included in the photodetector 100 of the present disclosure is not particularly limited to this. For example, the package 30 shown in the third embodiment and the modified example may be formed by molding ceramic powder using a powder pressing method. In this case, the first via 36, the second internal wiring 39, the internal electrode 34, and the external electrode 40 may be formed by a plating method.

また、パッケージ３０の構成材料として樹脂を用いてもよい。 Resin may also be used as the constituent material of the package 30.

なお、本願明細書では、光検出素子の一例として、固体撮像素子１０を例にとって説明したが、光検出素子は、画像を撮像しない光センサであってもよい。このような場合は、前述したように、受光部１１に含まれるＡＰＤが１つであってもよい。 In this specification, the solid-state imaging element 10 has been described as an example of a light detection element, but the light detection element may be an optical sensor that does not capture an image. In such a case, as described above, the light receiving unit 11 may include only one APD.

本開示の光検出器は、裏面電極における電圧伝搬の遅延を小さくでき、また、受光部の変形を抑制できるため、高感度で光検出が可能な光検出器に適用する上で有用である。 The photodetector disclosed herein can reduce the delay in voltage propagation in the back electrode and suppress deformation of the light receiving section, making it useful for application to photodetectors capable of high-sensitivity light detection.

１０固体撮像素子（光検出素子）
１１受光部
１２半導体基板
１３表面電極
１４裏面電極
２０ガラスカバー
３０パッケージ
３１側壁
３１ａ段差部
３２底壁
３２ａ底壁の上面
３３底面
３４内部電極
３５ランドパッド電極
３６第１ビア
３７第１内部配線
３７ａ，３７ａ１，３７ａ２第１ビア接続部
３７ｂ第２ビア接続部
３８第２ビア
３９第２内部配線
４０外部電極
４１第１外部電極
４２第２外部電極
５０導体ワイヤ
６０封止材
７０導電性ペースト（導電性材料）
１００光検出器
２００光検出装置
３００回路基板
３１０接合材
３２０パッド電極パターン
４００電子部品 10 Solid-state imaging element (photodetector element)
11 Light receiving portion 12 Semiconductor substrate 13 Surface electrode 14 Back electrode 20 Glass cover 30 Package 31 Side wall 31a Step portion 32 Bottom wall 32a Upper surface of bottom wall 33 Bottom surface 34 Internal electrode 35 Land pad electrode 36 First via 37 First internal wiring 37a, 37a1, 37a2 First via connection portion 37b Second via connection portion 38 Second via 39 Second internal wiring 40 External electrode 41 First external electrode 42 Second external electrode 50 Conductor wire 60 Sealing material 70 Conductive paste (conductive material)
Reference Signs List 100 Photodetector 200 Photodetector device 300 Circuit board 310 Bonding material 320 Pad electrode pattern 400 Electronic component

Claims

A photodetector including a photodetector element and a package for storing the photodetector element,
The photodetector element is
A semiconductor substrate;
a light receiving section formed on a surface of the semiconductor substrate and having one or more avalanche photodiodes;
a back electrode formed on a back surface of the semiconductor substrate for applying a predetermined voltage to the light receiving portion;
the package is a hollow package, a land pad electrode is provided on an inner surface of a bottom wall of the package so as to face the back surface electrode, and a plurality of external electrodes are provided on the bottom surface of the package,
a plurality of first vias are provided , the first vias having one end connected to the land pad electrode and extending inside the bottom wall of the package toward a bottom surface of the package;
the land pad electrode is a single continuous electrode in a direction parallel to the inner surface of the bottom wall of the package,
In a plan view, the outer periphery of the land pad electrode is
at the same position as the outer periphery of the light receiving portion or outside the outer periphery of the light receiving portion; and
A photodetector located inside the outer periphery of the semiconductor substrate .

2. The photodetector of claim 1,
A photodetector, comprising: a conductive material provided between the rear electrode and the land pad electrode.

3. The photodetector according to claim 1 ,
The photodetector according to claim 1, wherein the back electrode is made of a metal that forms an ohmic junction with the semiconductor substrate.

4. The photodetector according to claim 1,
the first vias are each connected to a first internal wiring provided inside the package;
A photodetector, wherein a first external electrode of the plurality of external electrodes is electrically connected to the first internal wiring.

4. The photodetector according to claim 1,
the first via extends in a thickness direction of the bottom wall of the package and is directly connected to a first external electrode among the plurality of external electrodes;
The photodetector, wherein the first external electrode is located inside the outer periphery of the land pad electrode in a plan view.

6. The photodetector according to claim 1,
the light detection element further includes a plurality of surface electrodes provided around the light receiving portion, the surface electrodes including an output electrode of the light receiving portion;
each of the plurality of surface electrodes is electrically connected to a plurality of internal electrodes provided on the inner surface of the package;
A photodetector, characterized in that each of the plurality of internal electrodes is connected to a second external electrode of the plurality of external electrodes via a second internal wiring provided inside the package.