JPH05240702A - Semiconductor photodetector - Google Patents
Semiconductor photodetectorInfo
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- JPH05240702A JPH05240702A JP4043943A JP4394392A JPH05240702A JP H05240702 A JPH05240702 A JP H05240702A JP 4043943 A JP4043943 A JP 4043943A JP 4394392 A JP4394392 A JP 4394392A JP H05240702 A JPH05240702 A JP H05240702A
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- cooling element
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は電子冷却素子を用いて半
導体受光素子を冷却しつつ光検出する半導体光検出装置
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor photodetector for detecting a semiconductor photodetector while cooling the semiconductor photodetector using an electronic cooling element.
【0002】[0002]
【従来の技術】ホトダイオード等の半導体受光素子を用
いて超微弱光を検出する場合には、ホトダイオードを冷
却し、暗電流を低下させる必要がある。2. Description of the Related Art When a semiconductor light receiving element such as a photodiode is used to detect ultra weak light, it is necessary to cool the photodiode to reduce dark current.
【0003】図4は、セラミックパッケージ内に組み立
てられたイメージセンサを電子冷却素子で冷却する装置
を示している。イメージセンサ内に形成されたホトダイ
オードは電子冷却素子によって冷やされ、暗電流が減少
されている。なお、同図(a)は左側面図、同図(b)
は一部破断断面図、同図(c)は右側面図である。FIG. 4 shows an apparatus for cooling an image sensor assembled in a ceramic package with an electronic cooling element. The photodiode formed in the image sensor is cooled by the electronic cooling element, and the dark current is reduced. In addition, the same figure (a) is a left side view and the same figure (b).
Is a partially cutaway sectional view, and FIG. 7C is a right side view.
【0004】セラミックパッケージ11内にはイメージ
センサが構成されており、駆動読み出し回路10によっ
てイメージセンサに撮像された像が読み出される。この
セラミックパッケージ11の裏面は、アルミブロック1
2に押しつけられている。アルミブロック12は熱伝導
性が良く、温度の均一性を向上するために用いられてお
り、電子冷却素子13はこのアルミブロック12とセラ
ミックパッケージ11の両方を冷却する必要がある。こ
のため、電子冷却素子13を1段用いたのみでは冷却能
力が不足するため、さらに、もう1つの電子冷却素子1
4が用いられ、冷却構造は2段構成になっている。冷却
構造が2重構造になった事で電子冷却素子の発熱面から
は多量の熱が放出され、いわゆる空冷では熱を十分に放
散することが困難であり、各電子冷却素子13,14が
熱的に破壊する恐れがある。このため、電子冷却器の発
熱面を密着させる放熱ブロック内に冷却水を流す構造が
採用されており、この冷却水は流出入口16を介して装
置内に取り込まれ、パイプ15を伝って放熱ブロックに
送られる。また、セラミックパッケージ11やアルミブ
ロック12、電子冷却素子13、14の冷却面は当然室
温より低くなる。従って、これらが露出した状態では結
露が生じ、イメージセンサの窓に曇りが生じたり、さら
には電子冷却器の破壊を起こすことがある。このため、
全ての系をシールドケースに入れて外気から遮断し、さ
らにシールドケース内にはドライエアを充密しなければ
ならない。このドライエアは流出入口17を介して取り
入れられる。An image sensor is formed in the ceramic package 11, and an image picked up by the image sensor is read by the drive read circuit 10. The back surface of this ceramic package 11 is an aluminum block 1.
It is pressed against 2. The aluminum block 12 has good thermal conductivity and is used to improve temperature uniformity, and the electronic cooling element 13 needs to cool both the aluminum block 12 and the ceramic package 11. For this reason, the cooling capacity is insufficient if only one electronic cooling element 13 is used.
4 is used, and the cooling structure has a two-stage structure. Since the cooling structure is a double structure, a large amount of heat is radiated from the heating surface of the electronic cooling element, and it is difficult to sufficiently dissipate the heat by so-called air cooling. May be destroyed. For this reason, a structure is adopted in which cooling water is caused to flow into the heat dissipation block that closely adheres the heat generation surface of the electronic cooler. This cooling water is taken into the device through the outflow / outlet port 16 and travels along the pipe 15 to dissipate the heat dissipation block. Sent to. Further, the cooling surfaces of the ceramic package 11, the aluminum block 12, and the electronic cooling elements 13 and 14 are naturally lower than room temperature. Therefore, when these are exposed, dew condensation may occur, the window of the image sensor may become cloudy, and the electronic cooler may be destroyed. For this reason,
All systems must be put in a shield case to be shielded from the outside air, and the shield case must be filled with dry air. This dry air is taken in through the outflow port 17.
【0005】しかし、このように構成された光検出装置
においては、セラミックパッージ11のみばかりではな
く、これに付随する他の器物をも冷却する必要があり、
被冷却物となる器物の熱容量は大きくなる。従って、セ
ラミックパッケージ11の全体を冷却するには、上記の
ように電子冷却器を複数段直列に並べて冷却能力を向上
させる必要がある。このため、電子冷却器の放熱量が増
えるため、これを放散させる手段は水冷式とならざるを
得ない。さらに、結露防止用のドライエアも必要にな
る。この結果、上記装置においては、設備の準備や、取
扱いが非常に面倒になっていた。However, in the photodetector thus constructed, it is necessary to cool not only the ceramic package 11 but also other components associated with it.
The heat capacity of the object to be cooled increases. Therefore, in order to cool the entire ceramic package 11, it is necessary to improve the cooling capacity by arranging a plurality of electronic coolers in series as described above. For this reason, the amount of heat released from the electronic cooler increases, and the means for dissipating this is inevitably a water-cooled type. In addition, dry air is also required to prevent condensation. As a result, in the above device, preparation and handling of equipment have been very troublesome.
【0006】図5はこのような問題点を解決した光検出
装置の構造を示している。FIG. 5 shows the structure of a photo-detecting device which solves such a problem.
【0007】この装置においては、イメージセンサチッ
プ19は、上記装置のようにセラミックパッケージを介
せずに電子冷却素子の冷却面21に直接取り付けられて
いる。この冷却面21の温度はサーミスタ20によって
モニタされる。電子冷却素子はペルチェ素子22によっ
て冷却機能が果たされ、冷却面21から熱を吸収する。
また、発熱面23からは、冷却面21で吸熱した熱量
と、ペルチェ素子22の消費電力との和の熱量を放出す
る。従って、発熱面23からの熱を効率よく放熱するた
め、この発熱面23は熱伝導性が良い放熱板24に強く
押しつけられている。さらに、この放熱板24には補助
の放熱板25が取り付けられており、放熱板24の表面
積が増加され、放熱効果が高められている。イメージセ
ンサチップ19、サーミスタ20、電子冷却素子はキャ
ップ28によって封止されており、乾燥不活性ガス雰囲
気または真空状態に置かれている。このキャップ28に
は例えば人工サファイヤからなる窓材29が設けられて
おり、この窓材29から光が取り込まれる。なお、イメ
ージセンサ19の出力およびサーミスタ20の出力は、
金ワイヤ27を介してベースリード26に伝えられ、外
部に取り出される。In this device, the image sensor chip 19 is directly attached to the cooling surface 21 of the electronic cooling element without the ceramic package as in the above device. The temperature of this cooling surface 21 is monitored by the thermistor 20. The electronic cooling element has a cooling function performed by the Peltier element 22 and absorbs heat from the cooling surface 21.
Further, the heat generation surface 23 radiates a heat quantity that is the sum of the heat quantity absorbed by the cooling surface 21 and the power consumption of the Peltier element 22. Therefore, in order to efficiently radiate the heat from the heat generating surface 23, the heat generating surface 23 is strongly pressed against the heat dissipation plate 24 having good heat conductivity. Further, an auxiliary heat dissipation plate 25 is attached to the heat dissipation plate 24 so that the surface area of the heat dissipation plate 24 is increased and the heat dissipation effect is enhanced. The image sensor chip 19, the thermistor 20, and the electronic cooling element are sealed by a cap 28, and are placed in a dry inert gas atmosphere or a vacuum state. The cap 28 is provided with a window member 29 made of, for example, artificial sapphire, and light is taken in from the window member 29. The output of the image sensor 19 and the output of the thermistor 20 are
It is transmitted to the base lead 26 via the gold wire 27 and taken out to the outside.
【0008】このような光検出装置においては、イメー
ジセンサチップ19および電子冷却器の冷却面21は低
温になるが、装置内部は乾燥不活性ガス雰囲気または真
空状態に保たれているため、装置内部に結露が生じた
り、窓材29の内表面が曇ったりすることはない。ま
た、電子冷却素子の発熱面23には、冷却面21で吸熱
した熱量とペルチャ素子22の消費電力との和の熱量が
上記のように発生し、発生したこの熱量は、発熱面23
が放熱板24に熱抵抗小さく接続されているため、放熱
板24に十分に伝えられ、さらに、この放熱版24に取
り付けられたキャッブ28にも十分伝えられる。このた
め、装置の外殻を構成する外気に接する部分は必ず室温
より高くなり、従って、外面に結露を生じたり、また、
窓材29の表面に曇りを生じたりする事はない。また、
イメージセンサチップ19を電子冷却素子に直に取り付
ける事によって冷却効率が高まり、電子冷却素子は1段
構成でも十分にイメージセンサチップ19を冷却する事
が可能になる。さらに、電子冷却素子が1段で済むた
め、電子冷却器の発熱側の発生熱も少なく、従って、い
わゆる空冷による電子冷却が可能となり、冷却水やドラ
イエアを用いる必要はなくなる。In such a photo-detecting device, the image sensor chip 19 and the cooling surface 21 of the electronic cooler are at a low temperature, but the inside of the device is kept in a dry inert gas atmosphere or a vacuum state. There is no dew condensation on the inner surface of the window member 29 and the inner surface of the window member 29 is not clouded. Further, on the heat generating surface 23 of the electronic cooling element, the heat quantity of the sum of the heat quantity absorbed by the cooling surface 21 and the power consumption of the percha element 22 is generated as described above, and the generated heat quantity is the heat generating surface 23.
Is connected to the heat radiating plate 24 with a small thermal resistance, so that it is sufficiently transmitted to the heat radiating plate 24, and further to the cab 28 attached to the heat radiating plate 24. For this reason, the portion of the outer shell of the device that comes into contact with the outside air is always higher than room temperature, and therefore dew condensation occurs on the outer surface, and
The surface of the window material 29 will not fog. Also,
By directly attaching the image sensor chip 19 to the electronic cooling element, the cooling efficiency is improved, and the image cooling chip 19 can be sufficiently cooled even if the electronic cooling element has a one-stage configuration. Further, since only one electronic cooling element is required, less heat is generated on the heat generating side of the electronic cooling device, and therefore, electronic cooling by so-called air cooling becomes possible and it is not necessary to use cooling water or dry air.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】通常、電子冷却器の発
熱面23と放熱板24との接続は、図6(a)に示すよ
うに、最初に熱伝導性がよい接着剤または低温溶融金属
30が放熱板24の表面に適量滴下され、次に、電子冷
却器がこの接着剤30上に置かれ、適当な力で上から抑
えることにより行われる。しかし、この時、電子冷却器
の面積が以下のように大きくなり、接着する面積が大き
くなると接着作業は困難になる。Usually, as shown in FIG. 6 (a), the heat-generating surface 23 of the electronic cooler and the heat-dissipating plate 24 are first connected by an adhesive or a low-temperature molten metal having good heat conductivity. An appropriate amount of 30 is dropped on the surface of the heat radiating plate 24, and then an electronic cooler is placed on this adhesive 30 and restrained from above with an appropriate force. However, at this time, the area of the electronic cooler becomes large as follows, and if the area to be bonded becomes large, the bonding work becomes difficult.
【0010】電子冷却素子の冷却面21上に配置された
イメージセンサチップ19内には、ホトダイオードが1
次元または2次元に並んでいる。このホトダイオードに
生じる暗電流は7℃の冷却で約1/2になり、従って、
もしもイメージセンサチップ19の面内において温度の
ばらつきがあると、直ちに暗出力ユニフォミテイ(暗電
流が生じる面内均一性)が悪くなってしまう。特に電子
冷却素子の端の部分においてはペルチェ素子がそこで不
連続になる(無くなる)ため、この端の部分における冷
却能力は低下し、当然冷却面21の中心部分に比べてそ
の周辺部分の温度は上がってしまう。従って、イメージ
センサチップ19の面内における温度の均一性を良く
し、暗出力ユニフォミテイを劣化させないためには、イ
メージセンサチップ19の大きさより電子冷却器の大き
さを十分に大きくし、電子冷却器の端にイメージセンサ
チップ19が位置しないようにする必要がある。このた
め、冷却したいイメージセンサチップ19の面積が大き
い場合には、電子冷却器の面積もこれに伴ってかなり大
型のものになってしまう。In the image sensor chip 19 arranged on the cooling surface 21 of the electronic cooling element, one photodiode is provided.
They are arranged in one dimension or two dimensions. The dark current generated in this photodiode is reduced to about 1/2 by cooling at 7 ° C.
If there is temperature variation in the surface of the image sensor chip 19, the dark output uniformity (in-plane uniformity in which dark current occurs) immediately deteriorates. In particular, at the edge portion of the electronic cooling element, the Peltier element becomes discontinuous (disappears) there, so that the cooling capacity at this edge portion decreases, and naturally the temperature of the peripheral portion of the cooling surface 21 is lower than that of the central portion. Will go up. Therefore, in order to improve the uniformity of the temperature in the plane of the image sensor chip 19 and to prevent the dark output uniformity from deteriorating, the size of the electronic cooler is made sufficiently larger than the size of the image sensor chip 19, and the electronic cooler is It is necessary to prevent the image sensor chip 19 from being located at the end of the. For this reason, when the area of the image sensor chip 19 to be cooled is large, the area of the electronic cooler also becomes considerably large accordingly.
【0011】前述した通り電子冷却器の発熱面23に
は、冷却面21で吸収した熱量と電子冷却器自体の消費
電力との和の熱量が発生するため、発熱面23は放熱板
24に熱抵抗小さく接続され、発熱面23における温度
上昇は極力抑制されなければならない。このため、電子
冷却器の面積が上記のように大きくなる場合には、放熱
板24との熱抵抗を一層小さくとる必要が生じるのであ
るが、従来の光検出装置においては以下のようにこの熱
抵抗を小さくとることは困難であった。As described above, the heat generation surface 23 of the electronic cooler generates a sum of heat absorbed by the cooling surface 21 and the power consumption of the electronic cooler itself, so that the heat generation surface 23 heats the heat sink 24. Since the resistance is low, the temperature rise on the heating surface 23 must be suppressed as much as possible. Therefore, when the area of the electronic cooler becomes large as described above, it is necessary to further reduce the thermal resistance with the heat dissipation plate 24. However, in the conventional photodetector, this heat is generated as follows. It was difficult to reduce the resistance.
【0012】つまり、接着プロセスの問題点として、接
着剤や低温溶融金属30の量が多すぎる場合において
は、上から抑える力を強くして接着剤や低温溶融金属3
0の膜厚を薄くし、熱抵抗を小さくしなければならな
い。このため、接着剤または低温溶融金属30は強く抑
えつけられ、図6(b)に示すように電子冷却器の下か
らはみ出し、その後のプロセスに問題を生じる。例え
ば、放熱板24とキャップ28との溶接面に接着剤や低
温溶融金属が及べば、気密性に支障を来す。That is, as a problem of the bonding process, when the amount of the adhesive or the low temperature molten metal 30 is too large, the suppressing force is strengthened from the above to increase the adhesive or the low temperature molten metal 3.
It is necessary to reduce the film thickness of 0 to reduce the thermal resistance. For this reason, the adhesive or the low temperature molten metal 30 is strongly suppressed and sticks out from under the electronic cooler as shown in FIG. 6B, causing a problem in the subsequent process. For example, if an adhesive or low-temperature molten metal is applied to the welding surface between the heat dissipation plate 24 and the cap 28, airtightness will be impaired.
【0013】このような支障が生じるのを防ぐため、抑
える力を逆に弱くすると、図6(c)に示すように、電
子冷却器の発熱面23と放熱板24との間に形成される
接着剤または低温溶融金属30の膜厚は厚くなる。この
ため、発熱面23から放熱板24に至る熱抵抗は高くな
り、放熱が効率よく行われなくなる。In order to prevent such troubles from occurring, if the restraining force is weakened, it is formed between the heat generating surface 23 and the heat radiating plate 24 of the electronic cooler, as shown in FIG. 6 (c). The film thickness of the adhesive or the low temperature molten metal 30 becomes thicker. For this reason, the thermal resistance from the heat generating surface 23 to the heat dissipation plate 24 becomes high, and heat is not efficiently dissipated.
【0014】一方、接着剤や低温溶融金属30の量が少
ない場合には、図6(d)に示すように、電子冷却器の
発熱面23と放熱板24との間に熱抵抗が非常に大きい
空気の層が生じ易くなる。このため、放熱が効率よく行
われなくなるばかりか、最後には電子冷却器が熱的な破
壊を起こす可能性もある。On the other hand, when the amount of the adhesive or the low temperature molten metal 30 is small, as shown in FIG. 6D, the thermal resistance between the heat generating surface 23 and the heat radiating plate 24 of the electronic cooler is very high. Large air layers are likely to occur. For this reason, not only the heat is not efficiently dissipated, but finally the electronic cooler may be thermally damaged.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、表面に溝が形成され
た放熱板と、この放熱板の表面に塗布された熱伝導性の
良い接合剤と、熱放出面がこの接合剤に所定の押力をも
って接して放熱板の溝に余分な接合剤を押しやり接合剤
の膜厚を所定の薄さにして接合された電子冷却素子と、
この電子冷却素子表面の熱吸収面上に載置された半導体
受光素子と、電子冷却素子および半導体受光素子を気密
的に封止しかつ上記放熱板に接して電子冷却素子の放熱
する熱を吸収する蓋とを備えて半導体光検出装置を形成
したものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and is directed to a heat dissipation plate having grooves formed on the surface thereof and a heat conductive material applied to the surface of the heat dissipation plate. An electronic cooling element in which a good bonding agent and the heat-releasing surface are in contact with this bonding agent with a predetermined pressing force to push the excess bonding agent into the groove of the heat dissipation plate to make the bonding agent have a predetermined thickness When,
The semiconductor light receiving element mounted on the heat absorbing surface of the electronic cooling element, the electronic cooling element and the semiconductor light receiving element are hermetically sealed, and the heat radiated by the electronic cooling element is absorbed by contacting the heat radiating plate. The semiconductor photodetection device is formed by including a lid.
【0016】[0016]
【作用】電子冷却素子が放熱板に所定の押力をもって接
することにより、電子冷却素子と放熱板との間に介在す
る余分な接合剤は放熱板の溝に押しやられ、電子冷却素
子の周囲に余分な接合剤が分布することはなく、また、
接合剤に空気層が形成されることもない。また、電子冷
却素子が所定の押力で押圧されることにより、接合剤の
膜厚は所定の薄さに形成され、電子冷却素子から放熱板
に至る熱抵抗は十分に低減される。従って、接合剤の塗
布量が多少変動しても電子冷却素子は常に熱抵抗小さく
放熱板に接合される。When the electronic cooling element is brought into contact with the heat radiating plate with a predetermined pressing force, the excess bonding agent interposed between the electronic cooling element and the heat radiating plate is pushed into the groove of the heat radiating plate, and the adhesive around the electronic cooling element. No excess cement is distributed, and
No air layer is formed in the bonding agent. Further, by pressing the electronic cooling element with a predetermined pressing force, the film thickness of the bonding agent is formed to a predetermined thickness, and the thermal resistance from the electronic cooling element to the heat dissipation plate is sufficiently reduced. Therefore, even if the coating amount of the bonding agent fluctuates to some extent, the electronic cooling element is always bonded to the heat sink with a small thermal resistance.
【0017】[0017]
【実施例】図1は本発明の一実施例による半導体光検出
装置の要部構成を示す図であり、同図(a)は放熱板の
構造を示している。放熱板24の図における上部表面は
電子冷却器の発熱面と接続される部分であり、電子冷却
器から放出される熱量を受けとる吸熱面になっている。
この吸熱面には図示のように適当な間隔に溝32が放熱
板24の端部まで切られている。従って、正確には、放
熱板24は溝32の部分を除いた長方形状または島状の
部分において電子冷却器の発熱面と接合されることにな
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a diagram showing the structure of the main part of a semiconductor photodetector according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1A shows the structure of a heat sink. The upper surface of the radiator plate 24 in the drawing is a portion connected to the heat generating surface of the electronic cooler, and is a heat absorbing surface that receives the amount of heat emitted from the electronic cooler.
Grooves 32 are cut on the heat absorbing surface at appropriate intervals up to the end of the heat radiating plate 24 as shown. Therefore, to be precise, the heat dissipation plate 24 is joined to the heat generating surface of the electronic cooler in the rectangular or island-shaped portion excluding the groove 32.
【0018】同図(b)は、電子冷却器に放熱板24を
接続するプロセスを示す図であり、接合剤である接着剤
または低温溶融金属30が放熱板24上に塗布されたと
ころを示している。この時、接着剤または低温溶融金属
30の量は適当な量でよく、塗布量の変動する許容範囲
は従来構造における場合より大きい。FIG. 2B is a diagram showing a process of connecting the heat sink 24 to the electronic cooler, showing a case where an adhesive or low temperature molten metal 30 as a bonding agent is applied on the heat sink 24. ing. At this time, the amount of the adhesive or the low temperature molten metal 30 may be an appropriate amount, and the allowable range of variation of the coating amount is larger than that in the conventional structure.
【0019】同図(c)は、電子冷却器の発熱面23を
放熱板24に接着したところを示す図である。余分な接
着剤または低温溶融金属30は、溝32の凹部に押しや
られるため、電子冷却器の発熱面23の下からあふれで
ることはない。しかも、電子冷却器の発熱面23と放熱
板24との間に形成される接着剤または低温溶融金属3
0の膜厚は非常に薄くなる。さらに、接着剤または低温
溶融金属30は発熱面23と放熱板24との間に均一に
分布し、従来のように空気層が形成されることはない。
従って、膜厚が非常に薄く、空気層が介在することがな
いため、電子冷却器の発熱面23から放熱板24に至る
熱抵抗は非常に小さくなる。また、電子冷却器への押力
を一定にすることにより、接着剤または低温溶融金属3
0は常に所定の薄さに形成される。このため、各製造プ
ロセスごとに常に熱抵抗の小さい、接着プロセスを実現
することが可能になる。FIG. 3C is a view showing the heat generating surface 23 of the electronic cooler adhered to the heat radiating plate 24. The excess adhesive or the low temperature molten metal 30 is pushed into the concave portion of the groove 32, so that it does not overflow from under the heat generating surface 23 of the electronic cooler. Moreover, the adhesive or the low temperature molten metal 3 formed between the heat generating surface 23 of the electronic cooler and the heat dissipation plate 24.
The film thickness of 0 becomes very thin. Further, the adhesive or the low temperature molten metal 30 is evenly distributed between the heat generating surface 23 and the heat dissipation plate 24, and an air layer is not formed unlike the conventional case.
Therefore, since the film thickness is very thin and no air layer is present, the thermal resistance from the heat generating surface 23 of the electronic cooler to the heat radiating plate 24 becomes very small. In addition, the adhesive or the low temperature molten metal 3 is applied by keeping the pressing force to the electronic cooler constant.
0 is always formed to have a predetermined thinness. For this reason, it becomes possible to realize an adhesive process having a small thermal resistance in each manufacturing process.
【0020】放熱板24に接着された電子冷却器上に
は、図5に示されるように、イメージセンサチップ19
が載置される。このイメージセンサチップ19にはチッ
プサーミスタ20が取り付けられ、イメージセンサチッ
プ19表面の温度がモニタされる。イメージセンサチッ
プ19およびサーミスタ20は、金ワイヤ27に接続さ
れたベースリード26を介して外部と接続される。ま
た、イメージセンサチップ19,電子冷却素子およびサ
ーミスタ20はキャップ28によって気密的に封止され
ており、乾燥不活性ガス雰囲気または真空状態に置かれ
ている。また、放熱板24には補助の放熱板25が取り
付けられている。On the electronic cooler adhered to the heat sink 24, as shown in FIG. 5, the image sensor chip 19 is provided.
Is placed. A chip thermistor 20 is attached to the image sensor chip 19, and the temperature of the surface of the image sensor chip 19 is monitored. The image sensor chip 19 and the thermistor 20 are connected to the outside via the base lead 26 connected to the gold wire 27. Further, the image sensor chip 19, the electronic cooling element and the thermistor 20 are hermetically sealed by the cap 28, and are placed in a dry inert gas atmosphere or a vacuum state. Further, an auxiliary heat dissipation plate 25 is attached to the heat dissipation plate 24.
【0021】このように構成された本実施例による半導
体光検出装置においては、電子冷却素子と放熱板24と
は前記のように極めて熱抵抗小さく接着されているた
め、イメージセンサチップ19の全体が効率良く冷却さ
れる。従って、イメージセンサチップ19内に形成され
たホトダイオードに生じる暗電流を極めて小さくするこ
とが可能であり、光検出のS/N比を以下のように向上
させることが可能になっている。In the semiconductor photodetector according to this embodiment having the above-mentioned structure, since the electronic cooling element and the heat dissipation plate 24 are bonded with extremely small thermal resistance as described above, the entire image sensor chip 19 is Cools efficiently. Therefore, the dark current generated in the photodiode formed in the image sensor chip 19 can be made extremely small, and the S / N ratio of light detection can be improved as follows.
【0022】イメージセンサチップ19は光入力位置を
時系列情報に変換する撮像素子であり、その内部にはホ
トダイオードが1次元または2次元に並んでいる。イメ
ージセンサは光電変換、蓄積、走査の諸機能部から成り
立っている。走査にはスイッチ手段または転送手段が用
いられ、この走査によって信号電荷は共通信号線である
ビデオラインまで運ばれる。またイメージセンサの各ホ
トダイオードは幾何学的に固定されているために本質的
に画像歪みが小さく、また小型軽量で振動衝撃などの耐
環境性に優れており、更に、低電圧駆動、低消費電力な
どの特長を持っている。このようなイメージセンサは視
覚機能を有するセンサとして幅広い応用が考えられ、代
表的な応用分野として、ビデオカメラ、物体認識、分光
光度計用のマルチチャンネル検出器、距離測光、色識別
など多数考えられる。The image sensor chip 19 is an image pickup device for converting the light input position into time series information, and inside thereof, photodiodes are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. The image sensor is composed of various functional units for photoelectric conversion, storage and scanning. A switch means or a transfer means is used for scanning, and the signal charge is carried to a video line which is a common signal line by this scanning. In addition, since each photodiode of the image sensor is geometrically fixed, the image distortion is essentially small, and it is small and lightweight, and has excellent environmental resistance against vibration and shock. It has features such as. Such an image sensor is considered to have a wide range of applications as a sensor having a visual function, and as typical application fields, there are many possible applications such as a video camera, object recognition, a multi-channel detector for a spectrophotometer, distance photometry, and color identification. ..
【0023】また、イメージセンサは、上記のように、
受光部の配列により1次元アレイと2次元アレイとに大
別され、さらに走査機能によりアドレス方式と信号転送
方式に大別される。図2は、アドレス方式の1次元撮像
素子アレイであるMOSイメージセンサチップの内部に
構成された回路図である。MOSイメージセンサに代表
されるアドレス方式では、MOSFETで構成されるシ
フトレジスタ1において作られる連続的なパレスがアド
レススイッチ2に加えられことにより、ホトダイオード
3において放電された電荷が共通信号線であるビデオラ
イン4から充電される。Further, the image sensor, as described above,
It is roughly classified into a one-dimensional array and a two-dimensional array according to the arrangement of the light receiving parts, and further divided into an address system and a signal transfer system according to the scanning function. FIG. 2 is a circuit diagram formed inside a MOS image sensor chip which is an address type one-dimensional image pickup device array. In an address system represented by a MOS image sensor, a continuous pallet made in a shift register 1 composed of a MOSFET is added to an address switch 2, so that the electric charge discharged in a photodiode 3 is a common signal line. Charged from line 4.
【0024】図3はこの充電電流を抵抗を用いて検出す
る方式を用いたMOS型撮像素子の画素構造及び回路構
成を示している。P型シリコン基板5を用いたNチヤン
ネルMOSFETはアドレスイッチ6を構成している。
またソース領域7のPN接合部はホトダイオードを構成
しており、光電変換機能を果たすと共に電荷蓄積部とし
ても働く。FIG. 3 shows a pixel structure and a circuit structure of a MOS type image pickup device using a method of detecting the charging current by using a resistor. The N-channel MOSFET using the P-type silicon substrate 5 constitutes the address switch 6.
Further, the PN junction portion of the source region 7 constitutes a photodiode, which performs a photoelectric conversion function and also functions as a charge storage portion.
【0025】ゲート電極8に正のアドレスパレスが与え
られると、ゲート電極8下のシリコン基板5の表面には
Nチャンネルが形成される。このためホトダイオードを
構成するソース領域7の電位がドレイン領域9の電位V
ccと等しくなるまで、このNチャンネルを介してドレ
イン領域9からソース領域7へ電荷が供給される。P型
シリコン基板5の電位は0Vで、N型ソース7の電位は
Vccになるので、ホトダイオードは、リセット状態で
Vccボルトの逆バイアスが印加された状態になる。一
方、ゲート電極8にアドレスパルスが印加されていない
ときには、ゲート電極8下のシリコン基板5にチャンネ
ルは形成されていない。従って、ホトダイオードを構成
するソース領域7の電位はフローティング状態になり、
蓄積動作が開始される。つまり、この状態で光が入射さ
れてシリコン基板5内にキャリアが励起されると、ホト
ダイオードに蓄積されていた電荷(正孔)は励起された
キャリア(電子)によって放電し、この結果、ホトダイ
オード電位は低下する。このとき、完全に放電すると、
ホトダイオードの電位は最低値の0Vになり、逆バイア
スは無くなる。When a positive address pallet is applied to the gate electrode 8, an N channel is formed on the surface of the silicon substrate 5 below the gate electrode 8. Therefore, the potential of the source region 7 forming the photodiode is the potential V of the drain region 9
Charge is supplied from the drain region 9 to the source region 7 through this N channel until it becomes equal to cc. Since the potential of the P-type silicon substrate 5 is 0 V and the potential of the N-type source 7 is Vcc, the photodiode is in a reset state in which a reverse bias of Vcc volt is applied. On the other hand, when the address pulse is not applied to the gate electrode 8, no channel is formed in the silicon substrate 5 below the gate electrode 8. Therefore, the potential of the source region 7 forming the photodiode becomes a floating state,
The accumulation operation is started. That is, when light is incident in this state and carriers are excited in the silicon substrate 5, the charges (holes) accumulated in the photodiode are discharged by the excited carriers (electrons), and as a result, the photodiode potential is increased. Will fall. At this time, when completely discharged,
The potential of the photodiode becomes the minimum value of 0V, and the reverse bias is eliminated.
【0026】ここで明らかな事は、リセット状態でのホ
トダイオードの逆バイアスはVccボルトで、完全に放
電したときには0ボルトになるので、結局ホトダイオー
ドが放電できる電荷量の最大値Qmaxは、ホトダイオ
ード容量をCpdとすると、次式に示される。What is clear here is that the reverse bias of the photodiode in the reset state is Vcc volt, and when it is completely discharged, it becomes 0 volt. Therefore, the maximum value Qmax of the amount of charge that can be discharged by the photodiode eventually becomes the photodiode capacitance. Let Cpd be shown in the following equation.
【0027】Qmax=Cpd×Vcc …(1) 次に、再びアドレスパレスがゲート電極8に加えられる
と、放電電荷に相当する充電電流が再びホトダイオード
に流れ込む。この充電電流量は外部回路によって検出さ
れる。Qmax = Cpd × Vcc (1) Next, when the address pallet is applied to the gate electrode 8 again, the charging current corresponding to the discharge charge flows into the photodiode again. This charging current amount is detected by an external circuit.
【0028】全放電電荷量は、ホトダイオードへの入射
光量とアドレススイッチ6のゲートをオンする時間間隔
との積に比例する。この様な動作モードを電荷蓄積モー
ドと呼び、微弱な光を検出するのに役立っている。ま
た、この放電電荷量Qsは、ホトダイオードの光電流を
Ip、ホトダイオードの暗電流をId、蓄積時間(ゲー
トをオンする時間間隔)をtとすると、次の式に示され
る。The total amount of discharged charges is proportional to the product of the amount of light incident on the photodiode and the time interval for turning on the gate of the address switch 6. Such an operation mode is called a charge storage mode and is useful for detecting feeble light. The discharge charge amount Qs is given by the following equation, where Ip is the photocurrent of the photodiode, Id is the dark current of the photodiode, and t is the accumulation time (the time interval when the gate is turned on).
【0029】Qs=(Ip+Id)×t …(2) 今、入射する光が非常に微弱な場合、上式に於いて光電
流Ipが小さくなるが、その分蓄積時間tを長くすれ
ば、トータルの出力電荷量Qsは大きくなり、S/N比
の低下を招かないで信号を取り出すことが可能になる。
しかし、ホトダイオードの最大の放電電荷量は(1)式
で決められているので、(2)式に於いて暗電流成分I
dが大きいと蓄積時間tを長くとることはできず、従っ
て、予定していたほどにS/N比を向上させる事ができ
なくなる可能性がある。Qs = (Ip + Id) × t (2) Now, when the incident light is very weak, the photocurrent Ip in the above equation becomes small, but if the accumulation time t is increased by that much, the total The output charge amount Qs of the signal becomes large, and the signal can be taken out without lowering the S / N ratio.
However, since the maximum discharge charge amount of the photodiode is determined by the equation (1), the dark current component I in the equation (2) is
If d is large, the accumulation time t cannot be made long, and therefore the S / N ratio may not be improved as planned.
【0030】しかし、イメージセンサのホトダイオード
に於いては、その温度を下げる事によって劇的に暗電流
Idを下げることが可能である。超微弱光を検出しよう
とする場合には、イメージセンサを冷却して蓄積時間を
長くする手法が良く用いられている。However, in the photodiode of the image sensor, the dark current Id can be dramatically lowered by lowering the temperature thereof. When trying to detect ultra weak light, a method of cooling the image sensor to lengthen the accumulation time is often used.
【0031】従って、上記本実施例による構造をもって
イメージセンサを構成することにより、イメージセンサ
チップ19は前述したように極めて効率良く冷却され、
暗電流Idを十分に低下させることができる。しかも、
この暗電流Idは、電子冷却器が大面積の場合において
もイメージセンサチップ19を効率良く冷却することが
可能であるため、十分に低下させることができる。この
ため、本実施例によれば、撮像素子面積の大小にかかわ
らず、S/N比良く光検出を行うことが可能になる。Therefore, by constructing the image sensor with the structure according to the present embodiment, the image sensor chip 19 is cooled very efficiently as described above.
The dark current Id can be sufficiently reduced. Moreover,
The dark current Id can be sufficiently reduced because the image sensor chip 19 can be efficiently cooled even when the electronic cooler has a large area. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to perform photodetection with a good S / N ratio regardless of the size of the image pickup element area.
【0032】[0032]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
子冷却素子が放熱板に所定の押力をもって接することに
より、電子冷却素子と放熱板との間に介在する余分な接
合剤は放熱板の溝に押しやられ、電子冷却素子の周囲に
余分な接合剤が分布することはなく、また、接合剤に空
気層が形成さることもない。また、電子冷却素子が所定
の押力で押圧されることにより、接合剤の膜厚は所定の
薄さに形成され、電子冷却素子から放熱板に至る熱抵抗
は十分に低減される。従って、接合剤の塗布量が多少変
動しても電子冷却素子は常に熱抵抗小さく放熱板に接合
される。As described above, according to the present invention, since the electronic cooling element is brought into contact with the heat dissipation plate with a predetermined pressing force, the excess bonding agent interposed between the electronic cooling element and the heat dissipation plate dissipates heat. The excess bonding agent is not distributed around the electronic cooling element by being pushed into the groove of the plate, and an air layer is not formed in the bonding agent. Further, by pressing the electronic cooling element with a predetermined pressing force, the film thickness of the bonding agent is formed to a predetermined thickness, and the thermal resistance from the electronic cooling element to the heat dissipation plate is sufficiently reduced. Therefore, even if the coating amount of the bonding agent fluctuates to some extent, the electronic cooling element is always bonded to the heat sink with a small thermal resistance.
【0033】このため、電子冷却素子から放出された熱
は、電子冷却素子の大きさにかかわらず常に極めて効率
良く放熱板に伝えられる。従って、S/N比良く光検出
を行える半導体光検出装置が提供される。Therefore, the heat radiated from the electronic cooling element is always transferred to the heat sink very efficiently regardless of the size of the electronic cooling element. Therefore, a semiconductor photodetection device capable of performing photodetection with a good S / N ratio is provided.
【図1】本発明の一実施例による半導体光検出装置の要
部の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a main part of a semiconductor photodetector according to an embodiment of the present invention.
【図2】アドレス方式の1次元撮像素子アレーであるM
OSイメージセンサの回路構成図である。FIG. 2 is an address-based one-dimensional image sensor array M.
It is a circuit block diagram of an OS image sensor.
【図3】図2に示されたMOS型撮像素子の画素構造を
示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a pixel structure of the MOS type image sensor shown in FIG.
【図4】MOSイメージセンサを電子冷却素子で冷却す
る従来の第1の半導体光検出装置を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a first conventional semiconductor photodetection device for cooling a MOS image sensor with an electronic cooling element.
【図5】図4に示された装置が持つ問題点を解決した従
来の第2の半導体光検出装置を示す図である。5 is a diagram showing a second conventional semiconductor photodetector device which solves the problems of the device shown in FIG. 4;
【図6】図5に示された従来の第2の装置が持つ問題点
を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a problem that the conventional second device shown in FIG. 5 has.
19…イメージセンサチップ、20…チップサーミス
タ、21…電子冷却器の冷却面、22…ペルチェ素子、
23…電子冷却器の発熱面、24…放熱板、25…補助
の放熱板、26…ベースリード、27…金ワイヤ、28
…キャップ、29…窓材、30…接着剤または低温溶融
金属(接合剤)、32…溝。19 ... Image sensor chip, 20 ... Chip thermistor, 21 ... Cooling surface of electronic cooler, 22 ... Peltier element,
23 ... Heat-generating surface of electronic cooler, 24 ... Heat sink, 25 ... Auxiliary heat sink, 26 ... Base lead, 27 ... Gold wire, 28
... Cap, 29 ... Window material, 30 ... Adhesive or low temperature molten metal (bonding agent), 32 ... Groove.
Claims (2)
熱板の表面に塗布された熱伝導性の良い接合剤と、熱放
出面がこの接合剤に所定の押力をもって接して前記放熱
板の溝に余分な接合剤を押しやり前記接合剤の膜厚を所
定の薄さにして接合された電子冷却素子と、この電子冷
却素子表面の熱吸収面上に載置された半導体受光素子
と、前記電子冷却素子および前記半導体受光素子を気密
的に封止しかつ前記放熱板に接して前記電子冷却素子の
放熱する熱を吸収する蓋とを備えて形成された半導体光
検出装置。1. A heat radiating plate having a groove formed on the surface thereof, a bonding agent having good thermal conductivity applied to the surface of the heat radiating plate, and a heat radiating surface contacting the bonding agent with a predetermined pressing force. An electronic cooling element joined by pushing an excessive bonding agent into the groove of the heat sink to make the thickness of the bonding agent a predetermined thickness, and a semiconductor light receiving device mounted on the heat absorption surface of the surface of the electronic cooling element. A semiconductor photodetection device comprising: an element; and a lid that hermetically seals the electronic cooling element and the semiconductor light receiving element and is in contact with the heat dissipation plate to absorb heat radiated by the electronic cooling element.
徴とする請求項1記載の半導体光検出装置。2. The semiconductor photodetector according to claim 1, wherein the bonding agent is made of a low temperature molten metal.
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Publication Number | Publication Date |
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JPH05240702A true JPH05240702A (en) | 1993-09-17 |
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US9285274B2 (en) | 2011-08-04 | 2016-03-15 | Seiko Epson Corporation | Infrared detecting element and electronic device |
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