KR102324732B1 - 수광 소자 유닛 - Google Patents

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유 이타자키
에츠지 오무라
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가부시키가이샤 교토 세미컨덕터
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Abstract

본 발명의 과제는, 2개의 수광(受光) 소자가 겹쳐져서 소형화된 수광 소자 유닛을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 수광 소자 유닛(1, 101)은, 제1 반도체 기판의 주면(主面)측에 수광 영역을 갖는 제1 수광 소자(10, 110)와, 제2 반도체 기판의 주면측에 수광 영역을 갖는 제2 수광 소자(20, 120)와, 상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자를 외부에 전기적으로 접속하기 위한 배선을 갖는 지지 기판(2, 102)을 구비하고, 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자 중, 한 쪽은 수광 영역과 반대측인 이면(裏面)으로부터 그 수광 영역측을 향해 오목 형상(凹狀)으로 형성된 오목부(凹部)(16, 126)를 가지며, 다른 쪽은 그 오목부에 수용되어 있다.

Description

수광 소자 유닛
[0001] 본 발명은, 광역(廣域)의 파장의 광(光)을 검지(檢知)하기 위해, 다른 파장역(波長域)의 광을 전기 신호로 변환하는 2종류의 수광(受光) 소자를 갖는 수광 소자 유닛에 관한 것이다.
[0002] 종래부터, 광역의 파장의 광을 검지하여 전기 신호로 변환하기 위해, 검지하는 파장이 다른 복수의 수광 소자를 갖는 수광 소자 유닛이 이용되고 있다. 이와 같은 수광 소자 유닛은, 복수의 수광 소자를 예컨대 지지 기판 상에 나열하여 형성되고, 입사광(入射光)의 입사축(入射軸)이 수광 소자마다 다르다. 광파이버(optical fiber)를 이용하는 광통신에서는, 파장이 다른 광신호가 동일한 광파이버를 통해 송신되고, 광파이버의 수신측 단부(端部)로부터 출사(出射)된다. 이 광통신에 상기의 수광 소자 유닛을 사용하는 경우에는, 파장에 따라 분광(分光)하여 대응하는 수광 소자에 입사시킨다.
[0003] 복수의 수광 소자를 갖는 수광 소자 유닛은, 수광 소자를 나열하면 폭(면적)이 커지고, 분광하는 기구(機構)도 필요하기 때문에, 광통신 기기에 내장 가능하도록 소형화하는 것이 곤란하다. 그 때문에, 예컨대 특허문헌 1, 2와 같이, 2개의 수광 소자를 겹쳐서, 한 쪽 수광 소자를 투과한 광을 다른 쪽 수광 소자에 입사시키도록 구성하는 기술이 알려져 있다.
일본 특허공개공보 2011-192873호 일본 특허공개공보 2019-12713호
[0005] 그러나, 특허문헌 1, 2와 같이 2개의 수광 소자를 겹치면 두께가 증가하므로, 역시 수광 소자 유닛이 커진다. 그러므로, 연마 등의 가공에 의해 각각 박화(薄化)된 2개의 수광 소자를 겹침으로써, 겹쳤을 때의 두께의 증가를 억제하는 것이 고려된다.
[0006] 여기서, 2개의 수광 소자를 겹친 경우, 광의 입사측의 제1 수광 소자를 투과한 광을 입사측과 반대측의 제2 수광 소자가 전기 신호로 변환하게 되므로, 제1 수광 소자보다 장파장용(用)인 수광 소자가 제2 수광 소자가 된다. 즉, 제1 수광 소자는 수광 소자 유닛의 수광 파장역 중 짧은 파장역용(用) 수광 소자이고, 제2 수광 소자는 제1 수광 소자에 흡수되지 않고 투과되는 긴 파장역용 수광 소자이다.
[0007] 예컨대, 제1 수광 소자에는 실리콘 기판을 사용하고, 제2 수광 소자에는 인화 인듐 기판을 사용하는 경우나, 제1 수광 소자에는 질화 갈륨계 기판을 사용하고, 제2 수광 소자에는 실리콘 기판을 사용하는 경우 등이 있다. 이에 의해 제1 수광 소자는 단파장측의 입사광을 수광하고, 제2 수광 소자는 제1 수광 소자를 투과한 장파장측의 입사광을 수광한다.
[0008] 인화 인듐 기판이나 질화 갈륨계 기판을 사용한 수광 소자는, 실리콘 기판을 사용한 수광 소자보다 제조 비용이 높으므로 사이즈(면적)를 작게 하는 것이 요구된다. 한편으로, 기판을 얇게 하는 박화 가공에 의해 수광 소자에 크랙 등의 문제를 발생시킬 우려가 커지기 때문에, 제1, 제2 수광 소자 중 한 쪽은 그다지 또는 전혀 박화되지 않는 것이 요구되는 경우도 있다. 이 경우, 제1, 제2 수광 소자를 겹치더라도 두께를 충분히 억제할 수 없으므로, 소형화하는 것은 용이하지 않다.
[0009] 본 발명의 목적은, 2개의 수광 소자가 겹쳐져서 소형화된 수광 소자 유닛을 제공하는 것이다.
[0010] 청구항 1의 발명의 수광 소자 유닛은, 제1 반도체 기판의 주면(主面)측에 수광 영역을 갖는 제1 수광 소자와, 제2 반도체 기판의 주면측에 수광 영역을 갖는 제2 수광 소자와, 상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자를 외부에 전기적으로 접속하기 위한 배선을 갖는 지지 기판을 구비한 수광 소자 유닛에 있어서, 상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자 중, 한 쪽은 상기 수광 영역과 반대측인 이면(裏面)으로부터 상기 수광 영역측을 향해 오목 형상(凹狀)으로 형성된 오목부(凹部)를 가지며, 다른 쪽은 상기 오목부에 수용된 것을 특징으로 하고 있다.
[0011] 상기 구성에 따르면, 수광 소자 유닛은 제1 수광 소자와 제2 수광 소자를 가지며, 그 중 한 쪽은, 수광 영역이 있는 주면측과 반대측에 오목부를 가지며, 다른 쪽이 그 오목부에 수용되어 있다. 따라서, 넓은 파장역의 광을 수광하기 위해 2개의 수광 소자가 겹쳐지고, 또한 오목부에 의해 두께를 억제하여 수광 소자 유닛을 소형화할 수 있다.
[0012] 청구항 2의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자는, 상기 제1 수광 소자의 수광 영역을 투과한 광이 상기 제2 수광 소자의 수광 영역에 입사되도록 배치된 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 수광 소자 유닛은, 파장이 다른 입사광을 분광하지 않고 수광할 수 있으므로, 수광 소자 유닛의 소형화를 도모할 수 있다.
[0013] 청구항 3의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 2의 발명에 있어서, 상기 제1 수광 소자는, 입사광의 입구측 및 출구측에 반사 방지층을 각각 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 제1 수광 소자의 입사광의 입구측에 있어서의 반사를 억제하여 제1, 제2 수광 소자의 수광량을 확보하는 동시에, 제1 수광 소자를 투과하는 입사광의 출구측에 있어서의 광의 반사를 억제하여 제2 수광 소자의 수광량을 확보할 수 있다.
[0014] 청구항 4의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 1 또는 2의 발명에 있어서, 상기 제1 수광 소자는, 상기 오목부를 가지며, 이 오목부측이 상기 지지 기판에 고정되고, 상기 제2 수광 소자는, 상기 제2 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극이 고화(固化)시킨 도전성(導電性) 부재에 의해 상기 지지 기판의 대응하는 상기 배선에 고정된 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 제1 수광 소자의 오목부에 제2 수광 소자를 수용하여 수광 소자 유닛의 소형화를 도모할 수 있는 동시에, 제2 수광 소자가 지지 기판에 고정됨과 동시에 전기적으로 접속되므로, 수광 소자 유닛의 형성을 용이하게 할 수 있다.
[0015] 청구항 5의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 1 또는 2의 발명에 있어서, 상기 제1 수광 소자는, 상기 오목부와, 이 오목부측에 상기 지지 기판의 대응하는 배선에 접속되는 중간 배선을 가지며, 상기 오목부측이 상기 지지 기판에 고정되고, 상기 제2 수광 소자는, 상기 제2 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극이 고화시킨 도전성 부재에 의해 상기 제1 수광 소자의 대응하는 상기 중간 배선에 고정된 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 제1 수광 소자의 오목부에 제2 수광 소자를 수용하여 수광 소자 유닛의 소형화를 도모할 수 있는 동시에, 제2 수광 소자가 제1 수광 소자에 고정됨과 동시에 대응하는 중간 배선에 전기적으로 접속되고, 이 제1 수광 소자가 지지 기판에 고정됨과 동시에 중간 배선이 지지 기판의 대응하는 배선에 접속되므로, 수광 소자 유닛의 형성을 용이하게 할 수 있다.
[0016] 청구항 6의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 1 또는 2의 발명에 있어서, 상기 제2 수광 소자는, 상기 오목부와, 이 오목부측에 상기 지지 기판의 대응하는 배선에 도전성 와이어에 의해 접속되는 중간 배선을 가지며, 상기 오목부와 반대측이 상기 지지 기판에 고정되고, 상기 제1 수광 소자는, 상기 제1 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극과 반대측이 상기 오목부에 고정된 상태로, 상기 전극이 도전성 와이어에 의해 상기 중간 배선에 각각 접속된 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 제2 수광 소자의 오목부에 제1 수광 소자를 수용하여 수광 소자 유닛을 소형화할 수 있다.
[0017] 청구항 7의 발명의 수광 소자 유닛은, 청구항 1 또는 2의 발명에 있어서, 상기 제1 반도체 기판은 실리콘 기판이고, 상기 제2 반도체 기판은 인화 인듐 기판인 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 따르면, 입사광을 분광하지 않고 제1 수광 소자에서 주로 가시광(可視光) 영역의 입사광을 수광하고, 또한 제2 수광 소자에서 제1 수광 소자를 투과한 적외광(赤外光) 영역의 입사광을 수광할 수 있으므로, 수광 소자 유닛의 소형화를 도모할 수 있다.
[0018] 본 발명의 수광 소자 유닛에 따르면, 2개의 수광 소자가 겹쳐져서 수광 소자 유닛을 소형화할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예 1, 2에 따른 수광 소자 유닛의 사시도이다.
도 2는, 실시예 1에 따른 수광 소자 유닛의 평면도이다.
도 3은, 도 2의 III-III선 단면도이다.
도 4는, 실시예 2에 따른 수광 소자 유닛의 평면도이다.
도 5는, 도 4의 V-V선 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 실시예 3에 따른 수광 소자 유닛의 사시도이다.
도 7은, 실시예 3에 따른 수광 소자 유닛의 평면도이다.
도 8은, 도 7의 VIII-VIII선 단면도이다.
[0020] 이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 실시예에 근거해 설명한다.
[0021] 도 1은 수광 소자 유닛(1)의 외관을 나타내고, 도 2는 수광 소자 유닛(1)을 광이 입사되는 방향에서 본 주요부(要部)를 나타내고, 도 3은 수광 소자 유닛(1)의 주요부 단면(斷面)을 나타내고 있다. 도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 수광 소자 유닛(1)은, 지지 기판(2)과 제1 수광 소자(10)와, 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 수용된 제2 수광 소자(20)를 가진다. 지지 기판(2)에는, 제1 수광 소자(10)와 제2 수광 소자(20)를 외부에 전기적으로 접속하기 위한 복수의 배선(3a∼3c)이 형성되고, 이들 배선(3a∼3c)에는 각각 외부와의 접속을 위한 패드부(4a∼4c)가 형성되어 있다. 입사광은, 지지 기판(2)과 반대측으로부터 제1 수광 소자(10)에 입사된다.
[0022] 제1 수광 소자(10)에 대해 설명한다.
제1 수광 소자(10)는, 제1 반도체 기판으로서 예컨대 실리콘 기판(이하, Si 기판으로 약칭함)(11)의 주면측에 제1 수광 영역(12)을 가지며, 주로 가시광 영역의 입사광을 수광하는 포토다이오드(photodiode)이다. Si 기판(11)은 예컨대 n형이고, 이 n형의 Si 기판(11)의 입사광의 입구측이 되는 주면측에 예컨대 붕소가 도핑된 p형 확산 영역(12a)이 형성되고, 이 주면이 소정의 두께의 반사 방지층(13)(예컨대 두께가 160nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)에 덮여 있다. 또한, 반사 방지층(13)의 재질이나 두께는, 적절히 설정된다.
[0023] p형 확산 영역(12a)에 연통(連通)되도록 반사 방지층(13)에 형성된 개구부(開口部)를 포함하는 소정의 영역에, 예컨대 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 전극 재료가 선택적으로 퇴적되어 제1 애노드 전극(14)이 형성되어 있다. 그리고, n형의 Si 기판(11)의 주면과 반대측인 노출된 이면이 제1 캐소드 전극(15)이 되어 있다. 제1 애노드 전극(14)은, 예컨대 금 와이어(5)(도전성 와이어)에 의해 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3b)에 접속된다. 제1 캐소드 전극(15)은, 건조 또는 냉각에 의해 고화시킨 도전성 부재(17)(예컨대, 은 입자를 함유하는 도전성 접착제, 공정 땜납(eutectic solder), 금 범프 등)에 의해 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3c)에 고정되고, 전기적으로도 접속된다.
[0024] 또한, 도시를 생략하지만, 제1 캐소드 전극(15)은, Si 기판(11)의 이면측에 예컨대 인(燐)을 도핑하여 저저항(低抵抗)화되어 있어도 되고, 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 전극 재료를 부착시켜 형성되어 있어도 된다. 또한, 이것도 도시를 생략하지만, 반사 방지층(13)에 형성된 개구부를 통해 p형 확산 영역(12a)의 외측에서 n형의 Si 기판(11)의 주면에 접속하는 제1 캐소드 전극이, 금 와이어 등에 의해 대응하는 배선(3c)에 접속되어도 된다.
[0025] n형의 Si 기판(11)과 p형 확산 영역(12a)에 의해 형성되는 pn 접합의 근방이 제1 수광 영역(12)이고, 입사된 광이 전하로 변환된다. 이 전하는, 제1 애노드 전극(14)과 제1 캐소드 전극(15)을 통해 외부에 전류(전기 신호)로서 전달된다. 또한, 제1 수광 영역(12)의 세로 및 가로의 폭은 예컨대 2000μm 정도, 깊이는 10μm 정도이지만, 이들은 적절히 설정된다. 또한, 제1 수광 소자(10)는 한 변(邊)이 예컨대 3mm 정도인 직사각형으로 형성되며, 그 두께는 그다지 또는 전혀 박화되지 않고 예컨대 250∼400μm 정도이다.
[0026] Si 기판(11)의 주면은, Si(100)면(面)이다. 이 Si 기판(11)은, p형 확산 영역(12a)과 반대측인 면(이면)으로부터 제1 수광 영역(12)측을 향해 Si 기판(11)의 안쪽(內方)으로 오목 형상으로 형성된 오목부(16)를 구비하고 있다. 제1 수광 소자(10)를 투과하는 입사광의 출구측이 되는 오목부(16)의 내면에도, 소정의 두께의 반사 방지층(18)(예컨대 두께가 250nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)이 형성되어 있다. 이들 반사 방지층(13, 18)은, 절연 보호층으로서도 기능한다.
[0027] 오목부(16)는, Si 기판(11)의 이면으로부터 제1 수광 영역(12)에 대응하는 영역을 선택적으로 에칭하여 형성된다. 도시를 생략하지만, Si 기판(11)의 이면에, 제1 수광 영역(12)에 대응하는 영역이 개구(開口)된 에칭 마스크가 형성되고, 에칭액으로서 알칼리성 수용액(예컨대 KOH 수용액이나 TMAH 수용액)을 사용하여 Si 기판(11)을 에칭함으로써 형성된다.
[0028] 이때, Si 기판(11)의 이면은 Si(100)면이고, 에칭이 진행되면 Si 기판(11)의 내부의 Si(100)면이 노출된다. 한편으로, 에칭 마스크에 덮인 영역과의 경계 부근에서는, 에칭의 진행에 따라 Si(100)면보다 에칭 속도가 느린 Si(111)면이 노출되어, 오목부(16)의 둘레벽(周壁)은 경사 형상(傾斜狀)이 된다. 이 에칭 속도의 차이를 이용하는 이방성 에칭에 의해, 오목부(16)는 사각뿔대 형상(四角錐臺狀)으로 형성된다. 오목부(16)는 예컨대 200μm 정도의 깊이로 형성되지만, 이 깊이는 에칭 시간에 따라 용이하게 제어된다.
[0029] 제2 수광 소자(20)에 대해 설명한다.
제2 수광 소자(20)는, 제2 반도체 기판으로서 예컨대 인화 인듐 기판(이하, InP 기판으로 약칭함)(21)의 주면측에 제2 수광 영역(22)을 가지며, 제1 수광 소자(10)의 제1 수광 영역(12)을 투과한 적외광 영역의 입사광을 수광하는 포토다이오드이다. 이 제2 수광 소자(20)는, 그 세로 및 가로의 폭이 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)의 세로 및 가로의 폭보다 작고, 또한 그 두께가 오목부(16)의 깊이보다 작게 형성되어, 오목부(16)에 제2 수광 소자(20)가 수용된다. 예컨대 제2 수광 소자(20)는 한 변이 1mm 정도인 직사각형으로 형성되고, 박화되어 두께가 150μm 정도로 형성되어 있다.
[0030] InP 기판(21)은 예컨대 n형이고, 이 InP 기판(21)의 주면측에, 예컨대 주로 InGaAs로 이루어진 p형 영역(22a)이 형성되어 있다. 이 주면이 소정의 두께의 반사 방지층(23)(예컨대 두께가 250nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)에 덮이고, 주면과 반대측인 이면도 동일한 반사 방지층(28)에 덮여 있다.
[0031] 제2 수광 영역(22) 및 그 외측의 InP 기판(21)에 각각 연통되도록 반사 방지층(23)에 개구부가 각각 설치되고, 이들 개구부를 포함하는 각각의 소정 영역에 예컨대 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 전극 재료가 선택적으로 퇴적되어, 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이 형성되어 있다.
[0032] 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이, 건조 또는 냉각에 의해 고화시킨 도전성 부재(27)(예컨대, 은 입자를 함유하는 도전성 접착제, 공정 땜납, 금 범프 등)에 의해 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3a, 3c)에 고정된다. 이에 의해, 제2 수광 소자(20)가 지지 기판(2)에 고정되고, 전기적으로도 접속된다. 물리적인 고정과 전기적인 접속을 동시에 행하므로, 수광 소자 유닛(1)의 형성이 용이하게 되어 있다. 또한, 도시를 생략하지만, 제2 수광 소자(20)의 이면측이 지지 기판(2)에 접착제 등에 의해 고정되고, 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이 각각 대응하는 배선(3a, 3c)에 금 와이어 등에 의해 접속되어도 된다.
[0033] n형의 InP 기판(21)과 p형 영역(22a)에 의해 형성되는 pn 접합의 근방이 제2 수광 영역(22)이고, 입사된 광이 전하로 변환된다. 이 전하는 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)을 통해 외부에 전류(전기 신호)로서 전달된다. 제2 수광 영역(22)의 세로 및 가로의 폭은 예컨대 800μm 정도, 깊이는 10μm 정도이지만, 이들은 적절히 설정된다. 또한, 제2 수광 소자(20)는, PIN 포토다이오드여도 된다.
[0034] 지지 기판(2)에 대해 설명한다.
지지 기판(2)은 예컨대 세라믹 기판이나 프린트 기판이고, 제1, 제2 수광 소자(10, 20)의 전극이 고정되는 부분이 노출된 복수의 배선(3a∼3c)이 형성되어 있다. 이들 복수의 배선(3a∼3c)은, 제1, 제2 수광 소자(10, 20)의 제1, 제2 애노드 전극(14, 24)과 제1, 제2 캐소드 전극(15, 25)에 외부로부터 전기적으로 용이하게 접속할 수 있도록 형성되고, 외부와의 접속을 위해 패드부(4a∼4c)를 구비하고 있다.
[0035] 이 지지 기판(2)에 제2 수광 소자(20)가 고정되고, 이 제2 수광 소자(20)를 오목부(16)에 수용하도록 제1 수광 소자(10)가 지지 기판(2)에 고정되어, 수광 소자 유닛(1)이 형성된다. 이에 의해, 제1 수광 영역(12)을 투과한 광이 제2 수광 영역(22)에 입사되도록 제1 수광 소자(10)와 제2 수광 소자(20)가 배치된다.
[0036] 수광 소자 유닛(1)에는, 지지 기판(2)과 반대측으로부터 제1 수광 소자(10)에 광이 입사되고, 제1 수광 소자(10)에 있어서, 가시광 영역 내지 적외광 영역의 예컨대 파장이 400∼1000nm인 영역의 광을 전류로 변환하고, 전기 신호로서 외부에 전달한다. 그리고, 제1 수광 소자(10)를 투과하는 예컨대 파장이 1000∼1600nm인 영역의 광이, 제2 수광 소자(20)에 입사되고, 이 광이 제2 수광 소자(20)에 있어서 전류로 변환되어 전기 신호로서 외부에 전달된다.
[0037] 즉, 수광 소자 유닛(1)은, 입사광에 포함되어 있는 파장이 크게 다른 입사 신호를 분리나 필터링을 하지 않고 전기 신호로 변환한다. 이 수광 소자 유닛(1)은, 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 제2 수광 소자(20)가 수용되었으므로, 제1 수광 소자(10)뿐인 수광 유닛과 동등한 크기로 소형화된다. 또한, 제2 수광 소자(20)를 소형으로 하여, 수광 소자 유닛(1)의 제조 비용이 억제된다. 또한, 이 수광 소자 유닛(1)은, 지지 기판(2)의 복수의 패드부(4a∼4c)에 각각 접속된 복수의 단자와, 광의 입사용(入射用) 창(窓) 등을 구비한 도시 외(外)의 케이스 등에 수용되어, 광통신 등에 사용된다.
[0038] 상기 실시예 1을 부분적으로 변경한 실시예 2에 대해, 도 1, 4, 5에 근거해 설명한다. 도 4는 수광 소자 유닛(1)을 광이 입사되는 방향에서 본 주요부를 나타내고, 도 5는 수광 소자 유닛(1)의 주요부 단면을 나타내고 있다. 제1, 제2 수광 소자(10, 20)는, 상기 실시예 1과 동일한 수광 소자이므로, 실시예 1과 동일한 부호를 달고 설명을 생략한다. 이 제1 수광 소자(10)에는, 오목부(16)의 내면 및 Si 기판(11)의 이면에, 제2 수광 소자(20)의 제2 애노드 전극(24) 및 제2 캐소드 전극(25)을 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3a, 3c)에 각각 접속하기 위한 2개의 중간 배선(31, 32)이 형성되어 있다. 중간 배선(31, 32)은, 반사 방지층(18) 상에 예컨대 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 배선 재료를 선택적으로 퇴적시켜 형성된다.
[0039] 제2 수광 소자(20)의 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이, 도전성 부재(27)에 의해, 제1 수광 소자(10)의 대응하는 중간 배선(31, 32)에 각각 고정된다. 이에 의해, 제2 수광 소자(20)가 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 고정되고 수용되는 동시에, 중간 배선(31, 32)에 전기적으로 접속된다. 또한, 제1 수광 영역(12)을 투과한 광이 제2 수광 영역(22)에 입사되도록 배치된다.
[0040] 이 제2 수광 소자(20)를 오목부(16)에 수용한 제1 수광 소자(10)의 제1 캐소드 전극(15)이, 도전성 부재(17)에 의해 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3c)에 고정됨으로써 전기적으로도 접속된다. 이때, 중간 배선(31, 32)도 도전성 부재(17)에 의해 대응하는 배선(3a, 3c)에 각각 고정되고, 전기적으로 접속된다.
[0041] 그리고, 제1 수광 소자(10)의 제1 애노드 전극(14)이, 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3b)에 예컨대 금 와이어(5)에 의해 접속되어, 수광 소자 유닛(1)이 형성된다. 이 수광 소자 유닛(1)은, 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 제2 수광 소자(20)가 수용되었으므로, 제1 수광 소자(10)뿐인 수광 유닛과 동등한 크기로 소형화된다. 또한, 제2 수광 소자(20)를 소형으로 하여, 수광 소자 유닛(1)의 제조 비용이 억제된다.
[0042] 도 6은 수광 소자 유닛(101)의 외관을 나타내고, 도 7은 수광 소자 유닛(101)을 광이 입사되는 방향에서 본 주요부를 나타내고, 도 8은 수광 소자 유닛(101)의 주요부 단면을 나타내고 있다. 도 6∼도 8에 나타내는 바와 같이, 수광 소자 유닛(101)은, 지지 기판(102)과 제1 수광 소자(110)와, 제1 수광 소자(110)를 오목부(126)에 수용한 제2 수광 소자(120)를 가진다. 지지 기판(102)에는, 제1 수광 소자(110)와 제2 수광 소자(120)에 접속하기 위한 복수의 배선(103a∼103c)이 형성되고, 이들 배선(103a∼103c)에는 각각 외부에 접속하기 위한 패드부(104a∼104c)가 형성되어 있다. 입사광은, 지지 기판(102)과 반대측으로부터 제1 수광 소자(110)에 입사된다.
[0043] 제1 수광 소자(110)에 대해 설명한다.
제1 수광 소자(110)는, 제1 반도체 기판으로서 예컨대 Si 기판(111)의 주면측에 제1 수광 영역(112)을 가지며, 주로 가시광 영역의 입사광을 수광하는 포토다이오드이다. Si 기판(111)은 예컨대 n형이고, 이 n형의 Si 기판(111)의 입사광의 입구측이 되는 주면측에, 예컨대 붕소가 도핑된 p형 확산 영역(112a)이 형성되어 있다.
[0044] 이 제1 수광 소자(110)는, 그 세로 및 가로의 폭이 제2 수광 소자(120)의 오목부(126)의 세로 및 가로의 폭보다 작고, 또한 그 두께가 오목부(126)의 깊이보다 작게 형성되어, 오목부(126)에 제1 수광 소자(110)가 수용된다. 예컨대 제1 수광 소자(110)는 한 변이 1mm 정도인 직사각형으로 형성되고, 박화되어 두께가 150μm 정도로 형성되어 있다.
[0045] 입사광의 입구측인 주면 및 제1 수광 소자(110)를 투과하는 입사광의 출구측인 이면이 소정의 두께의 반사 방지층(113, 118)(예컨대 두께가 160nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)에 각각 덮여 있다. 이들 반사 방지층(113, 118)은, 절연 보호층으로서도 기능한다. 또한, 반사 방지층(113, 118)의 재질이나 두께는, 적절히 설정된다.
[0046] p형 확산 영역(112a) 및 그 외측의 Si 기판(111)에 각각 연통되도록, 반사 방지층(113)에 개구부가 각각 설치되어 있다. 이들 개구부를 포함하는 각각의 소정 영역에 예컨대 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 전극 재료가 선택적으로 퇴적되어, 제1 애노드 전극(114)과 제1 캐소드 전극(115)이 형성되어 있다.
[0047] n형의 Si 기판(111)과 p형 확산 영역(112a)에 의해 형성되는 pn 접합의 근방이 제1 수광 영역(112)이고, 입사된 광이 전하로 변환된다. 이 전하는, 제1 애노드 전극(114)과 제1 캐소드 전극(115)을 통해 외부에 전류(전기 신호)로서 전달된다. 또한, 제1 수광 영역(112)의 세로 및 가로의 폭은 예컨대 800μm 정도, 깊이는 10μm 정도이지만, 이들은 적절히 설정된다.
[0048] 제2 수광 소자(120)에 대해 설명한다.
제2 수광 소자(120)는, 제2 반도체 기판으로서 예컨대 InP 기판(121)의 주면측에 제2 수광 영역(122)을 가지며, 제1 수광 소자(110)의 제1 수광 영역(112)을 투과한 적외광 영역의 입사광을 수광하는 포토다이오드이다. 이 제2 수광 소자(120)는, 그다지 또는 전혀 박화되지 않고 그 두께가 제1 수광 소자(110)의 두께보다 크게 형성되어 있다. 그리고, 제1, 제2 수광 소자(110, 120)를 겹쳤을 때의 두께를 억제하기 위해, 제1 수광 소자(110)를 수용하기 위한 오목부(126)를 가지며, 제2 수광 소자(120)의 세로 및 가로의 폭이 제1 수광 소자(110)의 세로 및 가로의 폭보다 커져 있다. 예컨대 제2 수광 소자(20)는 한 변이 3mm 정도인 직사각형으로 형성되고, 두께가 250∼400μm 정도로 형성되어 있다.
[0049] InP 기판(121)은 예컨대 n형이고, 이 InP 기판(121)의 주면측에, 예컨대 주로 InGaAs로 이루어진 p형 영역(122a)이 형성되어 있다. 이 주면은, 소정의 두께의 반사 방지층(123)(예컨대 두께가 250nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)에 덮여 있다.
[0050] InP 기판(121)은, p형 영역(122a)과 반대측인 이면으로부터 제2 수광 영역(122)을 향해 InP 기판(121)의 안쪽으로 오목 형상으로 형성된 오목부(126)를 구비하고 있다. 오목부(126)는, InP 기판(121)의 이면에, 예컨대 기계 가공에 의해 제2 수광 영역(122)에 대응하는 영역을 포함하도록 형성되고, 폭이 1.2∼1.5mm 정도, 길이가 제2 수광 소자(120)의 세로 또는 가로의 길이와 동일한 홈이다. 이 홈은, 바람직하게는 제2 반도체 기판이 벽개(劈開, cleavage)되기 어려운 방향으로 연장되도록 형성된다.
[0051] 오목부(126)는, 예컨대 200μm 정도의 깊이로 형성되고, 그 저부(底部)는, 입사광의 산란을 방지하기 위해 연마 등의 평탄화 처리가 되어 있다. 오목부(126)의 내면 및 InP 기판(121)의 이면에는, 소정의 두께의 반사 방지층(128)(예컨대 두께가 250nm인 실리콘 질화막이나 실리콘 산화막 등)이 형성되어 있다. 이 반사 방지층(128) 및 주면측의 반사 방지층(123)은, 절연 보호층으로서도 기능한다. InP 기판(121)의 이면측의 반사 방지층(128) 상에는, 제1 수광 소자(110)의 제1 애노드 전극(114)과 제1 캐소드 전극(115)에 접속하기 위한 중간 배선(131, 132)이 형성되어 있다.
[0052] InP 기판(121)의 주면측의 반사 방지층(123)에는, 제2 수광 영역(122) 및 그 외측의 InP 기판(121)에 각각 연통되도록 개구부가 각각 설치되어 있다. 이들 개구부를 포함하는 각각의 소정 영역에 예컨대 주로 알루미늄 또는 금을 포함하는 전극 재료가 선택적으로 퇴적되어, 제2 애노드 전극(124)과 제2 캐소드 전극(125)이 형성되어 있다. 이들 제2 애노드 전극(124)과 제2 캐소드 전극(125)이, 건조 또는 냉각에 의해 고화시킨 도전성 부재(127)(예컨대, 은 입자를 함유하는 도전성 접착제, 공정 땜납, 금 범프 등)에 의해 지지 기판(102)의 대응하는 배선(103a, 103c)에 각각 고정됨으로써, 제2 수광 소자(120)가 지지 기판(102)에 고정되고, 전기적으로도 접속된다.
[0053] n형의 InP 기판(121)과 p형 영역(122a)에 의해 형성되는 pn 접합의 근방이 제2 수광 영역(122)이고, 입사된 광이 전하로 변환된다. 이 전하는 제2 애노드 전극(124)과 제2 캐소드 전극(125)을 통해 외부에 전류(전기 신호)로서 전달된다. 또한, 제2 수광 영역(122)의 세로 및 가로의 폭은 예컨대 1500μm 정도, 깊이는 10μm 정도이지만, 이들은 적절히 설정된다.
[0054] 지지 기판(102)에 대해 설명한다.
지지 기판(102)은 예컨대 세라믹 기판이나 프린트 기판이고, 제1, 제2 수광 소자(110, 120)가 전기적으로 접속되는 부분이 노출된 복수의 배선(103a∼103c)이 형성되어 있다. 이들 복수의 배선(103a∼103c)은, 제1, 제2 수광 소자(110, 120)의 제1, 제2 애노드 전극(114, 124)과 제1, 제2 캐소드 전극(115, 125)에 외부로부터 전기적으로 용이하게 접속할 수 있도록, 외부와의 접속을 위해 패드부(104a∼104c)를 구비하고 있다.
[0055] 제2 수광 소자(120)는, 오목부(126)와 반대측(주면측)이 지지 기판(102)에 고정되고, 이 제2 수광 소자(120)의 오목부(126)에 수용되도록 제1 수광 소자(110)가 고정되어, 수광 소자 유닛(101)이 형성된다. 이에 의해, 제1 수광 영역(112)을 투과한 광이 제2 수광 영역(122)에 입사되도록 배치된다. 오목부(126)에 제1 수광 소자(110)가 고정된 제2 수광 소자(120)를 지지 기판(102)에 고정해도 된다.
[0056] 제1 수광 소자(110)의 이면측이, 접착제(117)에 의해 오목부(126)에 고정된다. 이 접착제(117)는, 예컨대 에폭시 수지를 주성분으로 하고, 제1 수광 소자(110)를 투과한 입사광에 대해 투명하다. 또한, 제1 수광 소자(110)를 투과한 입사광이 접착제(117)를 통하지 않고 제2 수광 소자(120)에 입사되도록, 제1 수광 소자(110)의 이면의 외측 가장자리부(外緣部)에만 접착제를 도포하여 고정해도 된다.
[0057] 제1 수광 소자(110)의 제1 애노드 전극(114) 및 제1 캐소드 전극(115)은, 제2 수광 소자(120)의 이면의 대응하는 중간 배선(131, 132)에 예컨대 금 와이어(105, 106)에 의해 각각 접속된다. 중간 배선(131, 132)은 지지 기판(102)의 대응하는 배선(103b, 103c)에 예컨대 금 와이어(107, 108)에 의해 각각 접속된다.
[0058] 수광 소자 유닛(101)에는, 지지 기판(102)과 반대측으로부터 제1 수광 소자(110)에 광이 입사되고, 제1 수광 소자(110)에 있어서, 가시광 영역 내지 적외광 영역의 예컨대 파장이 400∼1000nm인 영역의 광이 전류로 변환되고, 전기 신호로서 외부에 전달된다. 제1 수광 소자(110)를 투과하는 예컨대 파장이 1000∼1600nm인 영역의 광이, 제2 수광 소자(120)에 입사되고, 이 광이 제2 수광 소자(120)에 있어서 전류로 변환되어 전기 신호로서 외부에 전달된다.
[0059] 이렇게 하여 형성된 수광 소자 유닛(101)은, 제2 수광 소자(120)의 오목부(126)에 제1 수광 소자(110)가 수용되었으므로, 제2 수광 소자(120)뿐인 수광 유닛과 동등한 크기로 소형화된다. 이 수광 소자 유닛(1)은, 지지 기판(102)의 복수의 패드부(104a∼104c)에 각각 접속된 복수의 단자와, 광의 입사용 창 등을 구비한 도시 외의 케이스에 수용되어, 광통신 등에 사용된다. 또한, 제1 반도체 기판에는 질화 갈륨계 기판을 사용하고, 제2 반도체 기판에는 실리콘 기판 또는 인화 인듐 기판을 사용하여, 자외광(紫外光)과 가시광 또는 자외광과 적외광을 수광하도록 해도 된다.
[0060] 실시예 1, 2에 따른 수광 소자 유닛(1) 및 실시예 3에 따른 수광 소자 유닛(101)의 작용, 효과에 대해 설명한다.
수광 소자 유닛(1)은, 제1 수광 소자(10)와 제2 수광 소자(20)를 구비하고, 제1 수광 소자(10)의 제1 반도체 기판에, 제1 수광 영역(12)과 반대측인 이면으로부터 주면측의 제1 수광 영역(12)을 향해 오목 형상으로 형성된 오목부(16)를 가진다. 한편, 수광 소자 유닛(101)은, 제1 수광 소자(110)와 제2 수광 소자(120)를 구비하고, 제2 수광 소자(120)의 제2 반도체 기판에, 제2 수광 영역(122)과 반대측인 이면으로부터 주면측의 제2 수광 영역(122)을 향해 오목 형상으로 형성된 오목부(126)를 가진다. 그리고, 오목부(16)에는 제2 수광 소자(20)가 수용되고, 오목부(126)에는 제1 수광 소자(110)가 수용되어 있다. 바꿔 말하면, 제1 수광 소자와 제2 수광 소자 중 한 쪽이 오목부를 가지며, 다른 쪽이 그 오목부에 수용되어 있다.
[0061] 따라서, 넓은 파장역의 광을 수광하기 위해 제1 수광 소자(10)와 제2 수광 소자(20)가 겹쳐지고, 또한 두께를 억제하여 수광 소자 유닛(1)을 소형화할 수 있다. 또한, 제1 수광 소자(110)와 제2 수광 소자(120)가 겹쳐지고, 또한 두께를 억제하여 수광 소자 유닛(101)을 소형화할 수 있다.
[0062] 제1 수광 소자(10)와 제2 수광 소자(20)는, 제1 수광 영역(12)을 투과한 광이 제2 수광 영역(22)에 입사되도록 배치되어 있다. 또한, 제1 수광 소자(110)와 제2 수광 소자(120)는, 제1 수광 영역(112)을 투과한 광이 제2 수광 영역(122)에 입사되도록 배치되어 있다. 따라서, 수광 소자 유닛(1, 101)은, 파장이 다른 입사광을 분광하지 않고 수광할 수 있으므로, 수광 소자 유닛(1, 101)을 소형화할 수 있다.
[0063] 제1 수광 소자(10)는, 입사광의 입구측 및 출구측에 반사 방지층(13, 18)을 각각 가지고 있다. 또한, 제1 수광 소자(110)는, 입사광의 입구측 및 출구측에 반사 방지층(113, 118)을 각각 가지고 있다. 따라서, 제1 수광 소자(10, 110)의 입사광의 입구측에 있어서의 반사를 억제하여 제1 수광 소자(10, 110)의 수광량 및 제2 수광 소자(20, 120)의 수광량을 확보하는 동시에, 제1 수광 소자(10, 110)를 투과하는 입사광의 출구측에 있어서의 광의 반사를 억제하여 제2 수광 소자(20, 120)의 수광량을 확보할 수 있다.
[0064] 상기 실시예 1에 있어서, 제1 수광 소자(10)는, 오목부(16)를 가지며 오목부(16)측이 지지 기판(2)에 고정되고, 오목부(16)에 수용되는 제2 수광 소자(20)는, 주면측의 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이 도전성 부재(27)에 의해 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3a, 3c)에 각각 고정된다. 따라서, 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 제2 수광 소자(20)를 수용하여 수광 소자 유닛(1)을 소형화할 수 있는 동시에, 제2 수광 소자(20)가 지지 기판(2)에 고정됨과 동시에 전기적으로 접속되므로, 수광 소자 유닛(1)의 형성을 용이하게 할 수 있다.
[0065] 상기 실시예 2에 있어서, 제1 수광 소자(10)는, 오목부(16)와, 오목부(16)측에 지지 기판(2)의 대응하는 배선(3a, 3c)에 접속되는 중간 배선(31, 32)을 가지며, 오목부(16)측이 지지 기판(2)에 고정되어 있다. 그리고, 오목부(16)에 수용되는 제2 수광 소자(20)는, 주면측의 제2 애노드 전극(24)과 제2 캐소드 전극(25)이 도전성 부재(27)에 의해 제1 수광 소자(10)의 대응하는 중간 배선(31, 32)에 각각 고정된다. 따라서, 제1 수광 소자(10)의 오목부(16)에 제2 수광 소자(20)를 수용하여 수광 소자 유닛(1)을 소형화할 수 있는 동시에, 제2 수광 소자(20)가 고정된 제1 수광 소자(10)가, 지지 기판(2)에 고정됨과 동시에 전기적으로 접속되므로, 수광 소자 유닛(1)의 형성을 용이하게 할 수 있다.
[0066] 상기 실시예 3에 있어서, 제2 수광 소자(120)는, 오목부(126)를 가지며 오목부(126)와 반대측(주면측)이 지지 기판(102)에 고정되어 있다. 제1 수광 소자(110)는, 그 이면측이 오목부(126)에 고정된 상태로, 주면측의 제1 애노드 전극(114)과 제1 캐소드 전극(115)이 도전성을 갖는 금 와이어(105, 106)에 의해 제2 수광 소자(120)에 형성된 대응하는 중간 배선(131, 132)에 각각 접속된다. 따라서, 제2 수광 소자(120)의 오목부(126)에 제1 수광 소자(110)를 수용하여 수광 소자 유닛(101)을 소형화할 수 있다.
[0067] 제1 반도체 기판은 실리콘 기판(Si 기판(11, 111))이고, 제2 반도체 기판은 인화 인듐 기판(InP 기판(21, 121))이다. 따라서, 입사광을 분광하지 않고 제1 수광 소자(10, 110)에서 주로 가시광 영역의 입사광을 수광하고, 제2 수광 소자(20, 120)에서 제1 수광 소자(10, 110)를 투과한 적외광 영역의 입사광을 수광할 수 있어, 수광 소자 유닛(1, 101)을 소형화할 수 있다.
[0068] 그 밖에, 당업자라면, 본 발명의 취지를 벗어나지 않고, 상기 실시형태에 다양한 변경을 부가한 형태로 실시할 수 있고, 본 발명은 그와 같은 변경 형태도 포함하는 것이다.
1, 101: 수광 소자 유닛
2, 102: 지지 기판
3a∼3c, 103a∼103c: 배선
4a∼4c, 104a∼104c: 패드부
5, 105∼108: 금 와이어(도전성 와이어)
10, 110: 제1 수광 소자
11, 111: Si 기판(제1 반도체 기판)
12, 112: 제1 수광 영역
12a, 112a: p형 확산 영역
13, 18, 113, 118: 반사 방지층
14, 114: 제1 애노드 전극
15, 115: 제1 캐소드 전극
16: 오목부
17, 27, 127: 도전성 접착제
20, 120: 제2 수광 소자
21, 121: InP 기판(제2 반도체 기판)
22, 122: 제2 수광 영역
22a, 122a: p형 영역
23, 28, 123, 128: 반사 방지층
24, 124: 제2 애노드 전극
25, 125: 제2 캐소드 전극
31, 32, 131, 132: 중간 배선
117: 접착제
126: 오목부

Claims (7)

  1. 제1 반도체 기판의 주면(主面)측에 수광(受光) 영역을 갖는 제1 수광 소자와, 제2 반도체 기판의 주면측에 수광 영역을 갖는 제2 수광 소자와, 상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자를 외부에 전기적으로 접속하기 위한 배선을 갖는 지지 기판을 구비한 수광 소자 유닛에 있어서,
    상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자 중, 한 쪽은 상기 수광 영역과 반대측인 이면(裏面)으로부터 상기 수광 영역측을 향해 오목 형상(凹狀)으로 형성된 오목부(凹部)를 가지며, 다른 쪽은 상기 오목부에 수용된 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 수광 소자와 상기 제2 수광 소자는, 상기 제1 수광 소자의 수광 영역을 투과한 광(光)이 상기 제2 수광 소자의 수광 영역에 입사(入射)되도록 배치된 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 수광 소자는, 입사광의 입구측 및 출구측에 반사 방지층을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 수광 소자는, 상기 오목부를 가지며, 이 오목부측이 상기 지지 기판에 고정되고,
    상기 제2 수광 소자는, 상기 제2 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극이 고화(固化)시킨 도전성(導電性) 부재에 의해 상기 지지 기판의 대응하는 상기 배선에 고정된 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 수광 소자는, 상기 오목부와, 이 오목부측에 상기 지지 기판의 대응하는 배선에 접속되는 중간 배선을 가지며, 상기 오목부측이 상기 지지 기판에 고정되고,
    상기 제2 수광 소자는, 상기 제2 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극이 고화시킨 도전성 부재에 의해 상기 제1 수광 소자의 대응하는 상기 중간 배선에 고정된 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 수광 소자는, 상기 오목부와, 이 오목부측에 상기 지지 기판의 대응하는 배선에 도전성 와이어에 의해 접속되는 중간 배선을 가지며, 상기 오목부와 반대측이 상기 지지 기판에 고정되고,
    상기 제1 수광 소자는, 상기 제1 반도체 기판의 주면측에 전극을 가지며, 상기 전극과 반대측이 상기 오목부에 고정된 상태로, 상기 전극이 도전성 와이어에 의해 상기 중간 배선에 각각 접속된 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 반도체 기판은 실리콘 기판이고, 상기 제2 반도체 기판은 인화 인듐 기판인 것을 특징으로 하는 수광 소자 유닛.
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