JPH04290464A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH04290464A
JPH04290464A JP3078232A JP7823291A JPH04290464A JP H04290464 A JPH04290464 A JP H04290464A JP 3078232 A JP3078232 A JP 3078232A JP 7823291 A JP7823291 A JP 7823291A JP H04290464 A JPH04290464 A JP H04290464A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の表面側に
受光部があり、半導体基板の裏面から光を入射させて、
半導体基板を透過した光を表面側の受光部で検出する光
検出素子(以下、裏面入射型光検出素子と呼ぶ)に関し
、特に裏面入射型光検出素子の冷却構造の改良に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】裏面入射型光検出素子の一例に、ショッ
トキー型赤外線検出素子(以下ショットキー型素子と略
称する)がある。図3に、従来のショットキー型素子の
構造を示す。図3において、Si基板101の表面には
、波長3〜5μmの赤外線に感度を有するショットキー
型フォトダイオード(受光部)102が形成されている
。この受光部102に対し、入射光は矢印iの方向から
入射する。入射光iは、Si基板101では吸収されず
に透過し(矢印jで示す)、受光部102で吸収され光
電変換されるが、入射光iのすべてが光電変換されるわ
けではない。一部の光は受光部102で吸収されずに透
過するが、受光部102上にSiO2 などの絶縁膜1
13を介して形成されたAl反射膜114で反射され(
矢印kで示す)、再び受光部102に到達して光電変換
される。光電変換された信号は、Si基板101の表面
に形成されたボンディングパッド111aから取り出さ
れる。
【0003】さて、このようなショットキー型素子を種
々の用途で使用するにあたっては、まず、Si基板10
1をパッケージ103に固定し、信号をパッケージ10
3外部に取り出す必要がある。さらに、ショットキー型
素子は、半導体と金属とを接触させたときに生ずるショ
ットキーバリアを利用してフォトンエネルギーの小さい
赤外線を光電変換するものであり、77K程度の低温に
保持しないと充分なS/N比が得られないため、パッケ
ージ103を冷却しなければならない。
【0004】以下、従来のショットキー型素子のパッケ
ージング構造と冷却構造について、図3を用いて具体的
に説明する。図3において、パッケージ103は上方が
開口されるとともに、底面にも上方の開口よりやや小さ
い窓をあけた形状をなしており、ショットキー型素子の
Si基板101は、その裏面側で接着剤によりパッケー
ジ103の底面に固定(接着面112)されている。
【0005】又、受光部102で光電変化された信号は
、Si基板101側のボンディングパッド111aの所
まできているが、この信号をパッケージ103側へ送り
込むために、ワイヤ105により、パッケージ103側
のパッド111bと接続される。パッド111bとパッ
ケージ103のリード106とはパッケージ103内部
で接続されており、信号はリード106から外部に取り
出すことができる。
【0006】このパッケージ103を冷却するためには
、パッケージ103の上方の開口が蓋104で閉止され
、更に蓋104の外側と接触するようにコールドヘッド
107が配置される。
【0007】上述したように、ショットキー型素子は、
その動作原理から、通常77K程度まで冷却して用いる
と良好なS/N比が得られるようになるが、一般に、大
気中で物質を77K程度まで冷やせば、大気中の水分な
どが凝固し、物質表面に付着してしまう。そこで、図3
に示したようなショットキー型素子を用いた半導体装置
は、通常、真空容器内に保持される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の冷却構造においては、次のような問題がある。つまり
、従来の構造においては、図3中矢印Aで示されるがご
とく、コールドヘッド107−蓋104−パッケージ1
03−Si基板101という経路でショットキー型素子
が冷却されるが、図から明らかなように、パッケージ1
03とSi基板101とは、接着面112でしか接して
いないため、冷却効率が非常に悪い。
【0009】冷却効率が悪いと、1.センサ(光検出素
子)を使用するにあたって、センサを冷却するまでの時
間が長くなる。2.センサが発熱した際(多量の入射光
があった場合など)に、その熱が冷えるまでの間充分な
S/N比が得られない(ショットキー型素子は十分に冷
却された状態でなければ、原理的に充分なS/N比が得
られない)、などの不具合が生じてしまう。
【0010】更に、図3では単一の受光部が形成された
ポイントセンサの例を示しているが、多数の受光部が半
導体基板表面に配列されたイメージセンサの場合、パッ
ケージとの接着面に近い周辺部の受光部が早く冷却され
、接着面に遠い中央部の受光部の冷却は遅れることとな
り、受光部によって冷却状態に違いが生じてしまう。 センサの使用開始にあたっては、冷却時間を長くとるこ
とである程度冷却状態を均一にすることが可能ではある
が、使用途中で大量の光が入射して素子が発熱したよう
な場合、受光部の位置によって温度がばらついてしまい
、検出精度の低下を招いてしまう。
【0011】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
のであり、効率良く裏面入射型光検出素子を冷却できる
構造の半導体装置を提供することを目的とするものであ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
一方の面に受光部が形成された半導体基板と、該半導体
基板を保持するパッケージと、前記半導体基板の受光部
形成面側で前記パッケージを閉止する閉止部材とを有し
てなり、上記の課題を達成するために、前記受光部と前
記閉止部材の間に、少なくとも常温で可塑性の、即ち、
外力が加えられた際に連続的に変形する性質の熱伝導部
材が封入されたものである。
【0013】
【作用】裏面入射型光検知素子は、上述したように、半
導体基板の裏面から光を入射させ、基板を透過した光を
受光する構成となっているので、半導体基板裏面の広い
部分(表面側の受光部と対応する領域)に冷却部材を配
置することはできない。
【0014】そこで、本発明においては、裏面入射型光
検知素子の受光部形成面とパッケージの蓋の間に熱伝導
性部材を封入することとした。これにより、裏面入射型
光検知素子は半導体基板裏面の周辺部からだけでなく、
熱伝導性部材と接する面からも冷やされることとなり、
冷却部材との接触する面積が増えため、冷却効率が向上
する。
【0015】従って、光検出素子を使用する際のクール
ダウンタイム(素子が常温から使用可能温度まで冷却さ
れる時間)は短くなり、又、素子が発熱したとしても、
この熱を速やかに奪い取ることができるため、常にS/
N比が良い状態で素子を使用できるようになる。
【0016】また、受光部形成領域全体か熱伝導性部材
と接触することとなるので、光検出素子が複数の受光部
が配列されたイメージセンサである場合でも各受光部の
冷却状態を均一に保つことが可能となる。
【0017】さてここで、本発明において熱伝導性部材
を少なくとも常温で可塑性のものに限定しているのは、
受光部上に装填してパッケージの蓋をする際、受光部に
無理な力がかからないようにするためである。また、素
子の冷却と常温への温度上昇が繰り返される場合、半導
体基板と熱伝導部材の熱膨張係数の違いによる応力が生
じることになるが、熱伝導性部材が変形することによっ
て応力が吸収され、受光部に損傷が生じない。熱伝導性
部材としては、粘度の高い液体で、低温においても可塑
性が維持されるグリースが好ましく使用される他、素子
の冷却温度で凝固しない気体やInのような柔らかい金
属を用いることもできる。
【0018】
【実施例】次に、図面を用いて本発明をより具体的に説
明する。図1は本発明の第1実施例による半導体装置の
構造を示す断面図である。裏面入射型光検出素子自体の
構造とパッケージング構造は前述した図3と同様であり
、Si基板1の表面には、ショットキー型フォトダイオ
ードからなる受光部2が形成されており、受光部2上に
は絶縁膜13を介しAl反射膜10が積層されている。
【0019】Si基板1は、裏面側で接着剤によりパッ
ケージ3の底面に固定(接着面12)されており、Si
基板1側のパッド11aとパッケージ3側のパッド11
bはワイヤ5で接続され、光電変換信号はパッケージ3
のリード6から外部に取り出されるようになっている。 また、パッケージ3の上方の開口は蓋4で閉止され、蓋
4の外側と接触するようにコールドヘッド7が配置され
ている。
【0020】以上の構成は前述した図3の構成と同様で
あるが、本実施例では、蓋4と受光部形成面との間に熱
伝導性部材としてグリース8を封入している。
【0021】熱伝導性部材としてグリース8を用いる場
合の半導体装置の組み立て方は次のようである。まず、
従来と同様にして、Si基板1をパッケージ3の底面に
接着する。その後、受光部形成面にグリース8を塗布し
、グリース8の表面側(素子と接しない側)を、パッケ
ージ3の上面9より高くなるように盛る(グリース8は
極めて粘度が高いため、このように盛りあげることが可
能である)。この状態で、パッケージ3に蓋4をすれば
、パッケージ3の上面9より上に出ているグリース8が
蓋4によって押しつぶされ、蓋4と密着する。しかる後
コールドヘッド7を蓋4の外面に接触させれば、図1の
半導体装置が得られる。
【0022】本第1実施例によれば、コールドヘッド7
と素子間の熱の出入は、蓋4、グリース8を介して行な
われる。この時、コールドヘッド7−蓋4間、蓋4−グ
リース間、グリース8−素子間はそれぞれ互いに広い面
積で接触しているため、熱伝導効率は極めて高い。また
、グリース8は高粘度の液体であるため、蓋4をする際
、素子に無理な力を加えることなく組み立てることがで
きる。
【0023】図1の例では、熱伝導部材として用いてい
るが、グリース8のかわりに、In柱などのやわらかい
金属を蓋と素子との間に導入しても良い。In柱は、グ
リースと異なり液体ではないが、非常にやわらかい固体
であるので素子に無理な力を加えることなく封入するこ
とができるとともに、受光部形成面と蓋4の双方に対し
て広い面積で密着させることができる。
【0024】この他、グリース8のかわりに、素子の冷
却温度(ショットキー型素子の場合は77Kに冷却する
)では凝固しない気体(例えばHe等がある)を封じ込
めてもよい。気体を封じ込めた場合は、気体分子が熱伝
導媒体となり、素子の冷却効率が向上するとともに、組
み立てる時に素子に無理な力も加えなくてすむ。
【0025】さて、これまでは、素子内に1つの受光部
しかない光検出素子(ポイントセンサ)を冷却する構造
について述べた。しかし、本発明は、1つの光検知素子
内に複数の受光部がある、例えばイメージセンサに対し
ても適用することができる。その場合の実施例を図2に
示す。
【0026】図2において、受光部とAl反射膜以外の
構成は図1と同じであるので、同一部材には図1と共通
の符号つけ、重複する説明は省略する。本実施例では、
Si基板1表面には、複数の受光部2aが一定のピッチ
で配列されており、各受光部2a上には絶縁膜13を介
してAl膜反射膜10aが設けられている。このAl反
射膜10aも受光部2aと1対1対応するように複数あ
り、各受光部2a上に配列されている。
【0027】Si基板1は、図1と同様な構造でパッケ
ージ3内に保持されており、受光部形成面とパッケージ
3の蓋4との間には熱伝導部材としてグリース8が封入
されている。
【0028】図2のような複数の受光部をもつ素子を従
来の冷却構造で冷却しようとすると、素子は、Si基板
1とパッケージ3の接触面12からのみ冷却されること
になるので、接触面12と各受光部2aとの距離の差に
応じて冷却時間に時間差を生じていた。しかし、本実施
例では、グリース8を介して矢印iの方向から各受光部
2aが均一に冷却されるため、各受光部間の温度ムラが
生じることがない。
【0029】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体装置は、
裏面入射型光検出素子の受光部とパッケージの蓋の間に
可塑性の熱伝導部材を封入する構成をとっているので、
素子の冷却効率を向上させることができ、クールダウン
タイムを短縮するとともに、優れたS/N比を確保する
ことが可能である。また、熱伝導部材が可塑性であるの
で、素子に無理な力を加えることなく、容易に組み立て
ができるという利点も有する。更に、素子が複数の受光
部をもつイメージセンサである場合には、各受光部間の
温度ムラを除去することができ、本発明の実用的価値は
非常に大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による半導体装置の断面図
である。
【図2】本発明の第2実施例による半導体装置の断面図
である。
【図3】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
1  半導体基板 2,2a    受光部 3  パッケージ 4  パッケージの蓋 5  ワイヤ 6  リード 7  コールドヘッド 8  グリース 9  パッケージの上面 10  Al反射膜 11a,11b  パッド 12  接着面 13  絶縁膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  一方の面に受光部が形成された半導体
    基板と、該半導体基板を保持するパッケージと、前記半
    導体基板の受光部形成面側で前記パッケージを閉止する
    閉止部材とを有する半導体装置において、前記受光部と
    前記閉止部材の間に、少なくとも常温で可塑性の熱伝導
    部材が封入されたことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】  前記半導体基板表面に複数の受光部が
    配列されたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5552635A (en) * 1994-01-11 1996-09-03 Samsung Electronics Co., Ltd. High thermal emissive semiconductor device package
US7545015B2 (en) 2002-10-10 2009-06-09 Hamamatsu Photonics K.K. Photo-detection device and manufacturing method thereof
WO2011150552A1 (zh) * 2010-06-01 2011-12-08 博立码杰通讯(深圳)有限公司 多光谱感光器件及其制作方法

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