KR20230056659A - 광 검출 장치 - Google Patents

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KR20230056659A
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요시노리 츠카다
고헤이 가사모리
마사키 히로세
요시히사 와라시나
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

광 검출 장치(1A)는 광 검출 소자(10A)와, 패키지(20)를 구비한다. 광 검출 소자(10A)는 반도체 기판(16)과, 광 흡수막(30)을 구비한다. 광 흡수막(30)은 반도체 기판(16)의 주면(16a)에 있어서의 광 검출 영역(11)의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 영역 상에 마련되어 있다. 광 흡수막(30)은 광 흡수층(31)과, 공진층(32)과, 반사층(33)을 포함하는 다층 구조를 가진다. 피검출광의 파장에 있어서, 공진층(32)의 내부의 광 투과율은 광 흡수층(31)의 내부의 광 투과율보다 크고, 반사층(33)의 표면의 광 반사율은 공진층(32)의 표면의 광 반사율보다 크다. 이것에 의해, 패키지 내를 산란하는 광을 저감시킬 수 있는 광 검출 장치가 실현된다.

Description

광 검출 장치
본 개시는 광 검출 장치에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는, 실리콘 포토 멀티 플라이어(SiPM)에 관한 기술이 개시되어 있다. 이 SiPM은 애벌란시 포토 다이오드를 각각 포함하는 복수의 셀을 구비한다.
특허 문헌 1: 미국 특허 출원 공개 제2013/0099100호
포토 다이오드 등의 광 검출 영역이 반도체 기판의 표면에 형성된 반도체 광 검출 소자를, 광학창을 가지는 패키지 내에 수용한 광 검출 장치가 이용되고 있다. 이러한 광 검출 장치에 있어서는, 패키지 내에 피검출광이 입사되면, 그 일부는 광 검출 영역의 주변에 부딪혀, 패키지 내에서 산란한다. 그리고, 패키지 내로의 입사로부터 시간을 두고 광 검출 영역에 입사된다.
이러한 피검출광의 행동은, 다음의 문제를 일으킨다. 즉, 패키지 내에 입사 후 즉시 광 검출 영역에 도달하는 피검출광과 비교하여, 패키지 내에서 산란한 후에 광 검출 영역에 도달하는 피검출광에서는, 광 검출 영역에 있어서의 흡수 타이밍에 지연이 생긴다. 따라서, 광 검출 영역으로부터 출력되는 전하를 증폭하여 얻어지는 검출 신호의 파형이 시간적으로 퍼져 버려, 시간 분해능의 저하로 이어진다. 따라서, 반도체 광 검출 소자의 시간 분해능을 높이기 위해서는, 패키지 내를 산란하는 광을 저감시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 패키지 내를 산란하는 광을 저감시킬 수 있는 광 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 형태는 광 검출 장치이다. 광 검출 장치는 피검출광이 입사되는 제1 면, 및 제1 면과는 반대를 향하는 제2 면을 가지고, 피검출광의 광 강도에 따른 양(量)의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 제1 면측에 가지는 반도체 기판과, 제1 면에 있어서의 광 검출 영역의 주위의 영역 중 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막을 구비하는 반도체 광 검출 소자와, 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 반도체 광 검출 소자를 수용하는 패키지를 구비하고, 광 흡수막은 광 흡수층과, 광 흡수층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 공진층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가지며, 피검출광의 파장에 있어서, 공진층의 내부의 광 투과율은 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 반사층의 표면의 광 반사율은 공진층의 표면의 광 반사율보다 크다.
본 발명의 실시 형태는 광 검출 장치이다. 광 검출 장치는 제1 면, 및 제1 면과는 반대를 향하고 피검출광이 입사되는 제2 면을 가지고, 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 제1 면에 가지는 반도체 기판과, 제2 면에 있어서 광 검출 영역을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 영역의 주위의 영역 중 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막을 구비하는 반도체 광 검출 소자와, 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 반도체 광 검출 소자를 수용하는 패키지를 구비하고, 광 흡수막은 광 흡수층과, 광 흡수층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 공진층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가지며, 피검출광의 파장에 있어서, 공진층의 내부의 광 투과율은 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 반사층의 표면의 광 반사율은 공진층의 표면의 광 반사율보다 크다.
상기의 광 검출 장치에서는, 광학창을 통과한 피검출광이 반도체 기판의 광 검출 영역에 입사된다. 그리고, 광 검출 영역에 입사된 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하가, 광 검출 영역에서 생성된다. 이것에 의해, 피검출광의 입사광량을 전기적으로 검출할 수 있다. 그러나, 광학창을 통과한 피검출광의 일부는, 광 검출 영역이 아니라 광 검출 영역의 주위의 영역을 향한다. 이 피검출광의 일부는, 제1 면의 광 검출 영역(또는, 제1 면의 광 검출 영역을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 제2 면의 영역)의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막에 도달한다.
광 흡수막은 광 흡수층, 공진층, 및 반사층을 포함하는 다층 구조를 가진다. 광 흡수막에 입사된 광의 일부는, 광 흡수층에서 즉시 흡수된다. 광 흡수층에 흡수되지 않았던 광은 광 흡수층을 투과하여, 공진층에 들어간다. 그리고, 공진층에 들어간 광은, 광 흡수층 및 공진층의 계면과, 공진층 및 반사층의 계면과의 사이에서 다중 반사하면서, 광 흡수층에서 서서히 흡수된다.
따라서, 이 광 흡수막에 의하면, 단층으로 이루어지는 광 흡수막과 비교하여, 매우 높은 흡수 효율을 실현할 수 있다. 고로, 상기의 광 검출 장치에 의하면, 제1 면의 광 검출 영역(또는, 제1 면의 광 검출 영역을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 제2 면의 영역)의 주위의 영역에 있어서의 피검출광의 반사를 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 패키지 내를 산란하는 광을 저감시켜, 반도체 광 검출 소자의 시간 분해능의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 의한 광 검출 장치에 의하면, 패키지 내를 산란하는 광을 저감시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 2는 광 흡수막의 단면 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 4는 제2 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 5는 제3 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 6은 제4 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 7은 제5 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
도 8은 제6 변형예에 따른 광 검출 장치의 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 광 검출 장치의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 본 발명은 이들 예시로 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광 검출 장치(1A)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1A)는 피검출광의 강도를 검출하는 반도체 광 검출 소자(이하, 간단하게 광 검출 소자라고 함)(10A)와, 광 검출 소자(10A)를 기밀(氣密)하게 수용하는 패키지(20)를 구비한다. 피검출광의 파장은, 가시역에서부터 근적외역의 범위 내이며, 예를 들면 350nm 이상 1200nm 이하이다.
패키지(20)는 저판(底板)(21)과, 측벽(22)과, 천판(天板)(23)을 가진다. 저판(21)은 광 검출 소자(10A)를 탑재하는 판 모양의 부재이다. 저판(21)의 평면 형상은 예를 들면 원형이다. 저판(21)은 도전성을 가지며, 예를 들면 Fe(철)과 같은 재료를 주로 포함하여 구성되어 있다.
저판(21)에는, 저판(21)을 관통하는 복수의 핀(24)이 마련되어 있다. 핀(24)은 도전체로 이루어지고, 핀(24)과 저판(21)은 서로 절연되어 있다. 복수의 핀(24)에 의해서, 패키지(20)의 내측과 외측의 전기적 접속이 가능해진다. 저판(21)은 광 검출 소자(10A)를 탑재하는 탑재면(21a)을 가진다. 일 실시예에서는, 탑재면(21a)은 평탄하다. 광 검출 소자(10A)와 탑재면(21a)은, 예를 들면 은페이스트 등의 접착제에 의해서 서로 접합되어 있다.
측벽(22)은 저판(21)의 둘레 가장자리부에 세워 마련된 통 모양의 부재로서, 광 검출 소자(10A)를 둘러싸고 있다. 측벽(22)은 도전성을 가지며, 예를 들면 저판(21)과 동일한 재료로 이루어진다.
천판(23)은 측벽(22)의 상단(저판(21)과는 반대측의 일단)에 고정되고, 광 검출 소자(10A)를 덮는다. 저판(21), 측벽(22) 및 천판(23)에 의해서, 패키지(20)의 내부 공간은 기밀하게 씰링되어 있다. 천판(23)은 도전성을 가지는 천판 부분(231)과, 피검출광을 통과시키는 광학창(232)을 포함한다.
부분(231)은 피검출광의 광축(AX)을 중심으로 하는 둥근고리 모양을 나타낸다. 부분(231)은 도전성을 가지며, 예를 들면 저판(21)과 동일한 재료로 이루어진다. 광학창(232)은 부분(231)의 둥근고리의 중앙의 개구부(23a)를 덮는 판 모양의 부재이다. 광학창(232)은 적어도 피검출광의 파장에 대해서 광 투과성을 가진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 광 투과성을 가진다는 것은, 대상 파장에 대해서 투명한 것, 즉 70% 이상의 광 투과율을 가지는 것을 말한다. 광학창(232)은, 예를 들면 유리판이다. 광학창(232)의 둘레 가장자리부와 부분(231)은, 접착제에 의해서 기밀하게 접합되어 있다.
광 검출 소자(10A)는, 저판(21)의 탑재면(21a) 상에 있어서의, 광학창(232)과 대향하는 위치에 배치되어 있다. 광 검출 소자(10A)는 반도체 기판(16)과, 전극 패드(51 및 52)와, 광 흡수막(30)을 구비한다.
반도체 기판(16)은 평면에서 보아 직사각형 모양을 나타낸다. 반도체 기판(16)은 서로 반대를 향하는 주면(16a)과 이면(16b)을 포함하고 있다. 주면(16a)은 본 구성에 있어서의 제1 면의 예이며, 이면(16b)은 본 구성에 있어서의 제2 면의 예이다. 주면(16a)에는 피검출광이 입사된다. 일례에서는, 반도체 기판(16)은 Si 기판 또는 InP 기판이다. 반도체 기판(16)의 두께(주면(16a)과 이면(16b)의 거리)는, 예를 들면 1μm 이상 1000μm 이하이다.
광 검출 소자(10A)는 반도체 기판(16)의 주면(16a)측에 형성된 광 검출 영역(11)을 포함하고 있다. 이 광 검출 영역(11)은 피검출광의 광 강도에 따른 양(量)의 전하를 생성한다. 광 검출 영역(11)에는, 광 검출 장치(1A)의 외부에 마련되는 전원으로부터 역바이어스 전압이 인가된다. 광 검출 영역(11)으로부터의 출력 전류는, 광 검출 장치(1A)의 외부에 마련되는 신호 처리 회로에 의해서 검출된다.
광 검출 영역(11)은 pn 접합 포토 다이오드 또는 애벌란시 포토 다이오드를 포함한다. 구체적으로는, 광 검출 영역(11)은 제1 도전형(예를 들면 p형)의 반도체 영역(14)을 가지고 있다. 또한, 도시예에서는 광 검출 영역(11)이 단일의 반도체 영역(14)을 가지고 있지만, 광 검출 영역(11)은 일차원 모양 또는 이차원 모양으로 배열된 복수의 반도체 영역(14)을 가져도 된다. 반도체 영역(14)은 반도체 기판(16)의 주면(16a)측(구체적으로는, 주면(16a)을 포함하는 반도체 기판(16)의 내부)에 형성되어 있다. 반도체 영역(14)의 평면 형상은, 예를 들어 사각형 등의 다각형이다.
또, 반도체 기판(16)은 제2 도전형(예를 들면 n형)의 반도체 영역(12)과, 고농도의 제2 도전형(예를 들면 n형)의 반도체 영역(15)을 더 가지고 있다. 반도체 영역(15)은 반도체 기판(16)의 주면(16a)측(구체적으로는, 주면(16a)을 포함하는 반도체 기판(16)의 내부)에 있어서, 반도체 영역(14)과 간격을 두고 늘어서서 형성되어 있다. 반도체 영역(12)은 반도체 기판(16)에 있어서 반도체 영역(14 및 15)을 제외한 영역을 점유한다.
전극 패드(51 및 52)는 와이어 본딩을 위한 전극 패드이다. 전극 패드(51 및 52)는 반도체 기판(16)의 주면(16a)상에 마련된 절연막(41)의 내부에 매립되어 있고, 서로 주면(16a)을 따르는 방향으로 서로 이간(離間)해서 배치되어 있다. 광 검출 영역(11)이 복수의 반도체 영역(14)을 가지는 경우, 전극 패드(51)는 반도체 영역(14)마다 마련된다.
전극 패드(51)는 전극 패드(51)에 관해서 주면(16a)과는 반대측에 위치하는 절연막(41)의 부분에 형성된 개구를 통해서, 절연막(41)으로부터 노출되어 있다. 전극 패드(51)의 노출 부분에는, 본딩 와이어(53)의 일단이 접속되어 있다. 본딩 와이어(53)의 타단은, 복수의 핀(24) 중 하나에 접속되어 있다.
즉, 전극 패드(51)는, 본딩 와이어(53) 및 핀(24)을 매개로, 광 검출 장치(1A)의 외부 회로와 전기적으로 접속 가능하게 되어 있다. 전극 패드(51)는 절연막(41)의 내부에 매립된 도전성의 배선 및 제1 도전형의 오믹 전극을 매개로, 반도체 영역(14)과 전기적으로 접속되어 있다.
전극 패드(52)는 전극 패드(52)에 관해서 주면(16a)과는 반대측에 위치하는 절연막(41)의 부분에 형성된 다른 개구를 통해서, 절연막(41)으로부터 노출되어 있다. 전극 패드(52)의 노출 부분에는, 본딩 와이어(54)의 일단이 접속되어 있다. 본딩 와이어(54)의 타단은, 복수의 핀(24) 중 다른 하나에 접속되어 있다.
즉, 전극 패드(52)는, 본딩 와이어(54) 및 핀(24)을 매개로, 광 검출 장치(1A)의 외부 회로와 전기적으로 접속 가능하게 되어 있다. 전극 패드(52)는 절연막(41)의 내부에 매립된 도전성의 배선 및 제2 도전형의 오믹 전극을 매개로, 반도체 영역(15)과 전기적으로 접속되어 있다.
전극 패드(51, 52) 및 배선은 금속으로 이루어진다. 전극 패드(51, 52) 및 배선에 이용되는 금속으로서는, 예를 들면, Al, Ti, Cu, Ni, AlCu 등의 단층막, 혹은 Al/Ni, Al/Ti/Cu, Ti/Cu, Ti/Cu/Ni, Ti/Cu/Ti 등의 적층막을 들 수 있다. 또한, A/B/C와 같은 표기는, 반도체 기판(16)측으로부터 차례로 A층, B층 및 C층이 적층되어 있는 것을 의미한다. 전극 패드(51, 52) 및 배선의 형성 방법으로서는, 스퍼터법 또는 도금법을 이용할 수 있다.
제1 도전형(예를 들면 p형)의 오믹 전극의 재료로서는, 반도체 기판(16)이 Si 기판인 경우에는 예를 들면 Al이 이용되고, 반도체 기판(16)이 InP 기판인 경우에는 예를 들면 AuZn이 이용된다. 제2 도전형(예를 들면 n형)의 오믹 전극의 재료로서는, 반도체 기판(16)이 Si 기판인 경우에는 예를 들면 Al이 이용되고, 반도체 기판(16)이 InP 기판인 경우에는 예를 들면 AuGe/Ni이 이용된다. 오믹 전극의 형성 방법으로서는, 스퍼터법을 이용할 수 있다.
반도체 기판(16)이 Si 기판인 경우, p형 불순물로서는 B 등의 3족 원소가 이용되고, n형 불순물로서는, P 또는 As 등의 5족 원소가 이용된다. 반도체 기판(16)이 InP 기판인 경우, p형 불순물로서는 Zn 등이 이용되고, n형 불순물로서는 S, Sn 등이 이용된다. 반도체의 도전형인 n형과 p형은, 서로 치환하여 소자를 구성해도, 해당 소자를 기능시킬 수 있다. 이러한 불순물의 첨가 방법으로서는, 확산법 또는 이온 주입법을 이용할 수 있다.
절연막(41)의 재료로서는, SiO2, SiN 또는 SiON과 같은 절연성 실리콘 화합물, Al2O3 또는 TiO2와 같은 절연성 금속 산화물, 혹은 절연성 수지를 이용할 수 있다. 절연막(41)의 형성 방법으로서는, 화학 기상 성장(Chemical Vapor Deposition：CVD)법을 이용할 수 있다. 절연막(41)이 SiO2로 이루어지는 경우에는, 열산화법을 이용해도 된다.
상술의 구조의 경우, 제1 도전형의 반도체 영역(14)과 제2 도전형의 반도체 영역(12)과의 사이에, pn 접합이 구성됨으로써, 광 검출 영역(11)으로서의 포토 다이오드가 형성된다. 광 검출 영역(11)이 애벌란시 포토 다이오드인 경우, 광 검출 영역(11)을 가이거 모드로 동작시킨다.
가이거 모드에서는 광 검출 영역(11)의 브레이크다운 전압보다도 큰 역방향 전압(역바이어스 전압)을 광 검출 영역(11)의 애노드/캐소드 사이에 인가한다. 즉, 애노드에는 음전위를, 캐소드에는 양전위를 인가한다. 이들 전위의 극성은 상대적인 것이며, 일방의 전위를 그라운드 전위로 하는 것도 가능하다. 애노드는 반도체 영역(14 및 15) 중 p형의 영역이며, 캐소드는 반도체 영역(14 및 15) 중 n형의 영역이다.
광 검출 영역(11)에 피검출광의 광자가 입사되면, 반도체 기판(16)의 내부에서 광전 변환이 행해져, 광전자가 발생한다. 반도체 영역(14)의 pn 접합 계면의 근방 영역에 있어서, 애벌란시 증배가 행해지고, 증폭된 캐리어는 전극 패드(51 또는 52)를 향해서 흐른다. 즉, 광 검출 영역(11)에 광자가 입사되면, 광전 변환 후에 전자 증배가 이루어지고, 전류 신호가 어느 핀(24)으로부터 취출된다.
광 흡수막(30)은 반도체 기판(16)의 주면(16a) 상(본 실시 형태에서는 절연막(41) 상)에 마련되어 있다. 광 흡수막(30)은, 주면(16a)에 있어서의 광 검출 영역(11)의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 영역 상에 마련되어 있다. 광 검출 영역(11)의 주위의 영역이란, 반도체 영역(14)의 주위의 영역을 가리킨다.
또, 광 흡수막(30)은 와이어 본딩 때문에, 각 전극 패드(51, 52)의 적어도 일부를 노출시킨다. 도시예의 광 흡수막(30)은, 반도체 영역(14)의 중앙부를 포함하는 영역과, 각 전극 패드(51, 52)에 있어서의 절연막(41)으로부터의 노출 영역을 제외한, 주면(16a) 상의 전면(全面)에 마련되어 있다. 즉, 광 흡수막(30)은 반도체 영역(14) 상에 개구(30a)를 가지고, 전극 패드(51) 상에 개구(30b)를 가지며, 전극 패드(52) 상에 개구(30c)를 가진다.
광 흡수막(30)은 광 검출 영역(11)의 주위를 향하는 피검출광을 흡수하기 위해서 마련되어 있다. 광 흡수막(30)은 광 흡수층(31), 공진층(32) 및 반사층(33)을 포함하는 다층 구조를 가진다.
광 흡수층(31)은 광 흡수막(30)의 표면을 구성한다. 광 흡수층(31)의 두께는 수nm부터 수μm의 범위 내이다. 공진층(32)은 광 흡수층(31)과 반도체 기판(16)과의 사이, 구체적으로는 광 흡수층(31)과 반사층(33)과의 사이에 마련되어 있다. 공진층(32)의 두께는, 수nm부터 수백μm의 범위 내이다.
일례에서는, 공진층(32)의 광학 두께는, 피검출광의 파장 λ의 4분의 1의 정수배이다. 혹은, 공진층(32)의 광학 두께는 λ／4의 정수배를 중심으로 하는 ±20%의 범위 내여도 된다. 반사층(33)은 공진층(32)과 반도체 기판(16)과의 사이에 마련되어 있다. 반사층(33)의 두께는, 수십nm부터 수mm의 범위 내이다.
또, 피검출광의 파장 λ에 있어서, 공진층(32)의 내부의 광 투과율은, 광 흡수층(31)의 내부의 광 투과율보다 크다. 바꾸어 말하면, 공진층(32)의 소쇠 계수는, 광 흡수층(31)의 소쇠 계수보다 작다.
광 흡수층(31)은, 예를 들면 금속에 의해 구성된다. 광 흡수층(31)을 구성하는 금속은, 텅스텐 실리사이드(WSix), Ti, TiN, 및 Cr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료를 포함해도 된다. 일례에서는, 광 흡수층(31)은 텅스텐 실리사이드를 주로 포함하며, 일 실시예에서는 텅스텐 실리사이드로 이루어진다.
공진층(32)은, 예를 들면 SiO2, SiN, SiON과 같은 실리콘 화합물을 주로 포함하며, 일 실시예에서는 SiO2, SiN, 또는 SiON으로 이루어진다. 피검출광의 파장 λ에 있어서, 공진층(32)은 광 투과성을 가져도 된다. 또, 파장 λ에 있어서, 반사층(33)의 표면의 광 반사율은, 공진층(32)의 표면의 광 반사율보다 크다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 「반사층의 표면의 광 반사율」이란, 반사층의 공진층측의 표면의 광 반사율을 말하고, 「공진층의 표면의 광 반사율」이란, 공진층의 광 흡수층측의 표면의 광 반사율을 말한다.
반사층(33)은 금속층이다. 반사층(33)을 구성하는 금속은, Al, Al계 합금(AlCu, AlSi 등), Cu, Ag, 및 Au로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상의 재료를 포함해도 된다. 일례에서는, 반사층(33)은 Al를 주로 포함하며, 일 실시예에서는 Al로 이루어진다.
광 흡수막(30)을 형성할 때에는, 예를 들면, 절연막(41) 상에 반사층(33)(예를 들면 AlCu)을 스퍼터에 의해 형성하고, 그 위에 공진층(32)(예를 들면 SiO2)을 CVD에 의해 형성하고, 그 위에 광 흡수층(31)(예를 들면 WSix)을 스퍼터에 의해 형성하면 된다.
이상에 설명한 본 실시 형태의 광 검출 장치(1A)에 의해서 얻어지는 작용 효과에 대해 설명한다. 광 검출 장치(1A)에서는, 광학창(232)을 통과한 피검출광이 광 검출 소자(10A)의 광 검출 영역(11)에 입사된다. 그리고, 광 검출 영역(11)에 입사된 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하가, 광 검출 영역(11)에서 생성된다.
이것에 의해, 피검출광의 입사광량을 전기적으로 검출할 수 있다. 그러나, 광학창(232)을 통과한 피검출광의 일부는, 광 검출 영역(11)이 아니라 광 검출 영역(11)의 주위의 영역을 향한다. 이 피검출광의 일부는, 주면(16a)의 광 검출 영역(11)의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막(30)에 도달한다.
광 흡수막(30)은 광 흡수층(31), 공진층(32), 및 반사층(33)을 포함하는 다층 구조를 가진다. 광 흡수막(30)에 입사된 광의 일부는, 광 흡수층(31)에서 즉시 흡수된다. 광 흡수층(31)에 흡수되지 않았던 광은 광 흡수층(31)을 투과하여, 공진층(32)에 들어간다. 그리고, 공진층(32)에 들어간 광은, 광 흡수층(31) 및 공진층(32)의 계면과, 공진층(32) 및 반사층(33)의 계면과의 사이에서 다중 반사하면서, 광 흡수층(31)에서 서서히 흡수된다.
따라서, 이 광 흡수막(30)에 의하면, 단층으로 이루어지는 광 흡수막(흑색 수지막 등)과 비교하여, 매우 높은 흡수 효율을 실현할 수 있다. 고로, 본 실시 형태의 광 검출 장치(1A)에 의하면, 주면(16a)의 광 검출 영역(11)의 주위의 영역에 있어서의 피검출광의 반사를 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 패키지(20)의 내부 공간에서 산란하는 광을 저감시켜, 광 검출 소자(10A)의 시간 분해능의 저하를 억제할 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 광 검출 소자(10A)는 광 검출 영역(11)과 전기적으로 접속된, 와이어 본딩을 위한 전극 패드(51, 52)를 주면(16a) 상에 구비해도 된다. 그리고, 광 흡수막(30)은 각 전극 패드(51, 52)의 적어도 일부를 노출시켜도 된다. 이 경우, 전극 패드(51, 52)에 대한 와이어 본딩을 광 흡수막(30)이 방해하는 것을 방지할 수 있다.
전술한 것처럼, 공진층(32)의 광학 두께는, 피검출광의 파장 λ의 4분의 1(즉 λ／4)의 정수배를 중심으로 하는 ±20%의 범위 내여도 된다. 이 경우, 광 흡수층(31) 및 공진층(32)의 계면에서 반사된 광의 위상과, 공진층(32) 및 반사층(33)의 계면에서 반사된 광의 위상이 서로 π(rad) 가까이 어긋나므로, 서로 상쇄된다. 따라서, 광 흡수막(30)의 흡수 효율(소쇠 효율)을 더 높일 수 있다.
전술한 것처럼, 광 검출 영역(11)은 애벌란시 포토 다이오드 또는 pn 접합형 포토 다이오드를 포함해도 된다. 예를 들면 이러한 경우에, 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 광 검출 영역(11)에서 생성할 수 있다.
전술한 것처럼, 광 흡수층(31)은 텅스텐 실리사이드를 주로 포함하고, 공진층(32)은 SiO2를 주로 포함해도 된다. 이 경우, 흡수 효율이 높은 광 흡수막(30)을 실현할 수 있다.
여기서, 본 실시 형태의 광 흡수막(30)의 작용에 대해서, 상세하게 설명한다. 도 2는 광 흡수막(30)의 단면 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다.
전술한 것처럼, 광 흡수막(30)은 광 흡수층(31), 공진층(32), 및 반사층(33)을 포함하는 다층 구조를 가진다. 광 흡수막(30)에 도달한 광(L)의 일부는 광 흡수층(31)의 표면에서 반사되고, 잔부가 광 흡수층(31)의 내부에 들어간다. 이 때, 광 흡수층(31)의 시트 저항을, 광 흡수층(31)의 표면에 접하는 매질(예를 들면 공기)의 공간 임피던스와 일치시켜 두면, 표면 반사율은 제로가 되어, 광 흡수층(31)의 내부에 모든 광(L)이 들어가게 된다.
광 흡수층(31)의 내부에 들어간 광(L)은, 광 흡수층(31)의 소쇠 계수에 기초하여 계산되는 비율로 점차 흡수되므로, 광 흡수층(31)이 충분히 두꺼우면, 대부분의 광(L)이 광 흡수층(31)에 흡수된다. 그러나, 광 흡수층(31)을 두껍게 하는 것은, 즉 시트 저항을 작게 하는 것으로 이어져, 광 흡수층(31)의 표면 반사율이 증대하게 된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 광 흡수층(31)의 두께를 제한하여, 일부의 광(L)이 광 흡수층(31)을 빠져나가는 것을 허용한다.
이 빠져나간 광(L)의 일부는, 광 흡수층(31)과 공진층(32)과의 계면에서 반사되어, 광 흡수층(31)으로 돌아간다. 이하, 이 반사광을 제1 반사광이라고 칭한다. 광 흡수층(31)이 금속으로 이루어지고, 공진층(32)이 유전체로 이루어지는 경우, 공진층(32)의 임피던스는 광 흡수층(31)의 임피던스보다 크므로(환언하면, 공진층(32)의 굴절률은 광 흡수층(31)의 굴절률보다 작으므로), 제1 반사광은 π(rad)의 위상 어긋남을 수반하지 않는다.
또, 광(L)의 잔부는 그 계면을 통과하여 공진층(32)의 내부에 들어간다. 공진층(32)의 내부에 들어간 광(L)은, 거의 감쇠되지 않고 공진층(32)과 반사층(33)과의 계면에 도달하여, 그 계면에서 전반사된다. 이하, 이 반사광을 제2 반사광이라고 칭한다. 제2 반사광은 다시 공진층(32) 내부를 진행하여 광 흡수층(31)으로 향한다. 반사층(33)의 임피던스는 0Ω에 가까우므로(바꾸어 말하면, 굴절률이 무한대에 가까우므로), 제2 반사광은 π(rad)의 위상 어긋남을 수반한다.
제2 반사광이 광 흡수층(31)에 도달했을 때에, 제2 반사광과 제1 반사광과의 위상차가 π(rad)이면, 서로 상쇄된다. 이를 위해서는, 공진층(32)의 광학 두께(환언하면, 광 흡수층(31)과 반사층(33)과의 광학적 간격)가, 광(L)의 파장의 1/4에 가까울수록 좋다. 이 점, 전술한 설명에서는, 공진층(32)의 광학 두께를, 광(L)의 파장의 1/4을 중심으로 하는 ±20%의 범위 내로 하고 있다.
단, 제1 반사광의 전계 진폭과 제2 반사광의 전계 진폭은 전혀 동일하지 않으므로, 완전하게는 상쇄되지 않고, 반사광의 일부는 광 흡수층(31)에 입사된다. 광 흡수층(31)에 입사된 반사광은, 광 흡수층(31)에서 흡수된다. 또, 제2 반사광의 일부는 공진층(32)의 내부에 남아, 다중 반사를 반복하지만, 서서히 광 흡수층(31)에 흡수된다. 이렇게 하여, 광(L)의 대부분이 광 흡수층(31)에 흡수되게 된다.
광 흡수막(30)의 설계예에 대해 설명한다. 본 실시 형태에서는, 광 흡수막(30)의 광 흡수층(31)이 공기에 접해 있다. 광(L)의 파장은 1.55μm인 것으로 한다. 광 흡수층(31)은 WSi로 이루어지고, 공진층(32)은 SiO2로 이루어지며, 반사층(33)은 Al로 이루어지는 것으로 한다.
공기의 특성 임피던스는 377Ω이다. 텅스텐 실리사이드(WSi2)의 비저항(比抵抗)은 2.48×10－4Ω·cm이다. 따라서, 광 흡수층(31)의 적합한 두께 t는,
[수 1]
Figure pct00001
로서 산출된다.
또, SiO2의 비굴절률은 1.48이기 때문에, 공진층(32)의 적합한 두께는, 1.55μm/1.48/4=262nm로서 산출된다. 또, Al의 비저항은 2.65×10－ 6Ω·cm이기 때문에, 반사층(33)을 예를 들면 1μm와 같은 충분한 두께로 하는 것에 의해, 시트 저항은 0.0265Ω이 된다. SiO2의 임피던스는
[수 2]
Figure pct00002
이기 때문에, 공진층(32)과 반사층(33)과의 계면에 있어서의 반사 계수는, 0.998이 된다.
상기의 생각에 따르면, 피검출광의 파장 λ에 따른 광 흡수막(30)의 설계도 용이해진다. 하기의 표 1은, 피검출광의 파장 λ가 400nm, 800nm, 및 1000nm인 경우에 있어서의 광 흡수막(30)의 설계예를 나타내는 표이다.
[표 1]
Figure pct00003
또한, 상기의 설계예에서는, 광 흡수막(30)의 표면에 대해서 수직인 방향(바꾸어 말하면, 광 흡수막(30)의 두께 방향)에서 광(L)이 입사되는 것을 상정하고 있지만, 광 흡수막(30)의 표면에 대해서 경사진 방향으로부터 광(L)이 입사되는 경우에는, 상기의 설계에 광(L)의 입사각을 가미하면 된다. 즉, 각층(31~33)의 굴절률로부터 각층(31~33) 내에 있어서의 광의 전반(傳搬) 각도를 계산하여, 각층(31~33)의 두께를, 이 전반 각도를 고려한 두께로 하면 된다.
(제1 변형예)
도 3은 상기 실시 형태의 제1 변형예에 따른 광 검출 장치(1B)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1B)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10B)와, 광 검출 소자(10B)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)를 구비한다. 피검출광의 파장 및 패키지(20)의 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
본 변형예의 광 검출 소자(10B)는, 반도체 기판(16)이 반도체 영역(15)(도 1을 참조)을 가지지 않는 점, 및 이면 전극(55)을 가지는 점에서 제1 실시 형태의 광 검출 소자(10A)와 다르다.
이면 전극(55)은 반도체 기판(16)의 이면(16b)과 오믹 접촉을 이루고, 그것에 의해 반도체 영역(12)과 전기적으로 접속되어 있다. 도시예에서는, 이면 전극(55)은 이면(16b) 상의 전면에 마련되어 있다. 광 검출 소자(10B)는 이면 전극(55)을 매개로 저판(21)의 탑재면(21a)에 접합되어 있다. 이면 전극(55)은 금속막이며, 그 구성 재료는 예를 들면 Au이다.
이면 전극(55)의 둘레 가장자리부는 이면(16b)의 외측으로 돌출되어 있고, 그 둘레 가장자리부에는 본딩 와이어(54)의 일단이 접속되어 있다. 이 때문에, 전극 패드(52)에는 본딩 와이어(54)는 접속되지 않는다. 또, 본 변형예의 광 흡수막(30)은 전극 패드(52)의 와이어 본딩을 위한 개구(30c)를 가지고 있지 않다.
이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1B)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다.
(제2 변형예)
도 4는 상기 실시 형태의 제2 변형예에 따른 광 검출 장치(1C)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1C)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10C)와, 광 검출 소자(10C)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)와, 탑재 기판(81)을 구비한다. 피검출광의 파장 및 패키지(20)의 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
본 변형예의 광 검출 소자(10C)는, 반도체 기판(16)이 관통 배선(56), 관통 배선(57), 이면 전극(58), 이면 전극(59), 범프 전극(60), 범프 전극(61), 및 유리 기판(70)을 가지는 점에서 제1 실시 형태의 광 검출 소자(10A)와 다르다. 광 검출 영역(11)이 복수의 반도체 영역(14)을 가지는 경우, 관통 배선(56), 이면 전극(58), 및 범프 전극(60)은, 반도체 영역(14)마다 마련된다.
이면 전극(58, 59)은 절연막(42)을 사이에 두고, 이면(16b) 상에 마련되어 있다. 관통 배선(56, 57)은 반도체 기판(16)의 주면(16a)과 이면(16b)과의 사이를 관통하여 형성되어 있다. 즉, 관통 배선(56, 57)은 반도체 기판(16)을 관통하는 관통공(16c) 내에 배치되어 있다. 관통공(16c)의 내측면은, 반도체 기판(16)의 두께 방향(즉 주면(16a) 및 이면(16b)에 수직인 방향)으로 연장되어 있다. 절연막(42)은 관통공(16c) 내에도 형성되어 있다. 관통 배선(56, 57)은 절연막(42)을 사이에 두고, 관통공(16c)의 내측면 상 및 저면 상에 배치되어 있다.
관통 배선(56)의 일단은, 전극 패드(51)에 접속되고, 전극 패드(51) 및 오믹 전극을 매개로 광 검출 영역(11)의 반도체 영역(14)과 전기적으로 접속되어 있다. 관통 배선(56)의 타단은, 이면 전극(58)에 접속되어 있다. 관통 배선(57)의 일단은, 전극 패드(52)에 접속되고, 전극 패드(52) 및 오믹 전극을 매개로 반도체 영역(15)과 전기적으로 접속되어 있다. 관통 배선(57)의 타단은, 이면 전극(59)에 접속되어 있다.
관통 배선(56, 57) 및 이면 전극(58, 59)은 금속으로 이루어진다. 관통 배선(56, 57) 및 이면 전극(58, 59)에 이용되는 금속으로서는, 예를 들면, Al, Ti, Cu, Ni, AlCu 등의 단층막, 혹은 Al/Ni, Al/Ti/Cu, Ti/Cu, Ti/Cu/Ni, Ti/Cu/Ti 등의 적층막을 들 수 있다.
탑재 기판(81)은 저판(21)의 탑재면(21a) 상에 재치되어 있다. 탑재 기판(81)은 평탄한 주면(81a)을 가지고 있다. 주면(81a)은 반도체 기판(16)의 이면(16b)과 대향하고 있다. 탑재 기판(81)은 주면(81a) 상에 배치된 전극(82, 83, 84, 및 85)을 포함하고 있다. 전극(82, 83)은 관통 배선(56, 57)에 각각 대응해서 배치되어 있다. 구체적으로는, 전극(82, 83)은 주면(81a)에 있어서의, 이면 전극(58, 59)에 각각 대향하는 각 영역 상에 형성되어 있다.
이면 전극(58)과 전극(82)은, 범프 전극(60)에 의해 접속되어 있다. 이것에 의해, 관통 배선(56)은 이면 전극(58) 및 범프 전극(60)을 매개로, 전극(82)과 전기적으로 접속된다. 마찬가지로, 이면 전극(59)과 전극(83)은, 범프 전극(61)에 의해 접속되어 있다. 이것에 의해, 관통 배선(57)은 이면 전극(59) 및 범프 전극(61)을 매개로, 전극(83)과 전기적으로 접속된다. 전극(82, 83)은, 관통 배선(56, 57) 및 이면 전극(58, 59)과 마찬가지의 금속으로 이루어진다. 범프 전극(60, 61)은, 예를 들면 땜납을 주로 포함한다.
탑재 기판(81)은 신호 처리 회로를 포함하고 있다. 즉, 탑재 기판(81)은 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)를 구성하고 있다. 각 전극(82, 83)은 탑재 기판(81) 내에 형성된 배선(도시 생략)을 매개로 신호 처리 회로와 전기적으로 접속되어 있다. 신호 처리 회로에는, 광 검출 영역(11)으로부터의 출력 신호가 입력되고, 신호 처리 회로는 광 검출 영역(11)으로부터의 출력 신호를 처리한다.
신호 처리 회로는 광 검출 영역(11)으로부터의 출력 신호를 디지털 펄스로 변환하는 CMOS 회로를 포함하고 있다. 또, 광 검출 영역(11)이 복수의 반도체 영역(14)을 가지는 경우, 탑재 기판(81)은 각 반도체 영역(14)에 대응하여, 시간 정보를 기록하는 회로가 포함되도록 구성되어 있다. 시간 정보를 기록하는 회로로서는, 시간 디지털 변환기(TDC：Time to Digital Convertor), 또는, 시간 전압 변환기(TAC：Time to Amplitude Convertor) 등이 이용된다. 이것에 의해, 탑재 기판(81) 내에서의 배선 거리의 차는, 시간 분해능에 영향을 주지 않는다.
신호 처리 회로로부터의 출력 신호는, 전극(84, 85)으로부터 출력된다. 전극(84)에는 본딩 와이어(53)의 일단이 접속되고, 전극(85)에는 본딩 와이어(54)의 일단이 접속되어 있다. 이것에 의해, 신호 처리 회로로부터의 출력 신호는, 본딩 와이어(53, 54) 및 핀(24)을 통해서 광 검출 장치(1C)의 외부로 출력된다.
반도체 기판(16)의 이면(16b) 상에는, 관통 배선(56, 57) 및 이면 전극(58, 59)을 덮는 절연 보호막(43)이 마련되어 있다. 절연 보호막(43)은 범프 전극(60)에 대응하는 위치에 형성된 개구와, 범프 전극(61)에 대응하는 위치에 형성된 개구를 가진다.
탑재 기판(81)의 주면(81a) 상에는, 전극(82~85)을 매립하는 절연막(44)이 마련되어 있다. 절연막(44)은 범프 전극(60)에 대응하는 전극(82) 상의 위치에 형성된 개구와, 범프 전극(61)에 대응하는 전극(83) 상의 위치에 형성된 개구와, 전극(84) 상에 형성된 본딩 와이어(53)를 위한 개구와, 전극(85) 상에 형성된 본딩 와이어(54)를 위한 개구를 가진다.
절연 보호막(43) 및 절연막(44)은, 예를 들면, 폴리이미드계, 페놀계, 에폭시계 등의 수지 절연막, SiO2/수지 절연막, SiN/수지 절연막, SiON/수지 절연막, SiO2막, SiN막, 또는 SiON막으로 이루어진다. 절연 보호막(43) 및 절연막(44)의 형성 방법으로서는, 수지 절연막의 경우에는 스핀 코트법을 이용할 수 있고, SiO2막의 경우에는 CVD법을 이용할 수 있다.
유리 기판(70)은 피검출광의 파장에 대해서 광 투과성을 가진다. 유리 기판(70)은 광 흡수막(30) 상에 배치되어 있다. 유리 기판(70)은 서로 반대를 향하는 주면(70a)과 이면(70b)을 가지고 있다. 이면(70b)은 반도체 기판(16)의 주면(16a)과 대향하고 있다. 주면(70a) 및 이면(70b)은 평탄하다. 유리 기판(70)과, 광 흡수막(30) 및 개구(30a) 내의 절연막(41)은, 광학 접착제(71)에 의해 접착되고, 또한 광학적으로 접속되어 있다. 광학 접착제(71)는 광 흡수막(30)의 개구(30a)를 매립하고 있다.
본 변형예에서는, 광 검출 소자(10C)가 이면(16b) 상의 범프 전극(60, 61)을 매개로 탑재 기판(81)과 전기적으로 접속된다. 따라서, 광 흡수막(30)의 개구(30b 및 30c)(도 1을 참조)는, 본 변형예에서는 불필요하다.
이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1C)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다. 단, 본 변형예에서는, 광 흡수층(31)에 접하는 매질은 공기가 아니라 광학 접착제(71)이다. 하기의 표 2는, 피검출광의 파장 λ가 400nm, 800nm, 및 1000nm인 경우의 광학 접착제(71)의 굴절률 및 광 흡수막(30)의 설계예를 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00004
(제3 변형예)
도 5는 상기 실시 형태의 제3 변형예에 따른 광 검출 장치(1D)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1D)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10D)와, 광 검출 소자(10D)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)와, 탑재 기판(81)을 구비한다.
본 변형예는, 광 검출 장치(1D)에 있어서 광 흡수막(30)이 유리 기판(70)의 주면(70a) 상에 마련되어 있는 점에서 제2 변형예와 상위하다. 즉, 유리 기판(70)의 이면(70b)은 광학 접착제(71)를 매개로 절연막(41)에 접착되어 있고, 광 흡수막(30)의 반사층(33), 공진층(32), 및 광 흡수층(31)은, 이 순서로 주면(70a) 상에 성막되어 있다. 이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1D)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다.
(제4 변형예)
도 6은 상기 실시 형태의 제4 변형예에 따른 광 검출 장치(1E)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1E)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10E)와, 광 검출 소자(10E)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)와, 탑재 기판(81)을 구비한다. 본 변형예는, 광 검출 소자(10E)에 대해서 반도체 기판(16)의 이면(16b)측으로부터 피검출광이 입사되는 점, 및 탑재 기판(81)을 구비하는 점에서 제1 실시 형태와 다르다.
광 검출 소자(10E)는, 제1 실시 형태의 광 검출 소자(10A)와 마찬가지로, 반도체 기판(16), 절연막(41), 및 전극 패드(51, 52)를 가진다. 절연막(41), 및 전극 패드(51, 52)는, 반도체 기판(16)의 주면(16a) 상에 마련되어 있다. 반도체 기판(16)은 반도체 영역(12, 14 및 15)을 포함한다. 반도체 기판(16), 절연막(41), 및 전극 패드(51, 52)의 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
탑재 기판(81)의 구성은, 제2 변형예와 마찬가지이다. 단, 탑재 기판(81)의 전극(82, 83)은, 전극 패드(51, 52)에 각각 대응해서 배치되어 있다. 구체적으로는, 전극(82, 83)은 주면(81a)에 있어서의, 전극 패드(51, 52)에 각각 대향하는 각 영역 상에 형성되어 있다.
전극 패드(51)와 전극(82)은, 범프 전극(62)에 의해 접속되어 있다. 이것에 의해, 반도체 영역(14)은 전극 패드(51) 및 범프 전극(62)을 매개로, 전극(82)과 전기적으로 접속된다. 마찬가지로, 전극 패드(52)와 전극(83)은, 범프 전극(63)에 의해 접속되어 있다. 이것에 의해, 반도체 영역(15)은 전극 패드(52) 및 범프 전극(63)을 매개로, 전극(83)과 전기적으로 접속된다. 전극(82, 83)은 전극 패드(51, 52)와 마찬가지의 금속으로 이루어진다. 범프 전극(62, 63)은, 예를 들면 땜남을 주로 포함한다.
본 변형예의 광 흡수막(30)은, 반도체 기판(16)의 이면(16b) 상에 마련되어 있다. 광 흡수막(30)은 이면(16b)에 대해서, 광 검출 영역(11)을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향(즉 광학창(232)을 향하는 방향)으로 투영한 영역(16d)의 주위의 영역 중 적어도 일부의 영역 상에 마련되어 있다. 도시예의 광 흡수막(30)은, 영역(16d)의 중앙부를 포함하는 영역을 제외한, 이면(16b) 상의 전면에 마련되어 있다. 즉, 광 흡수막(30)은 영역(16d) 상에 개구(30a)를 가진다. 반도체 기판(16)은 개구(30a)에서 광 흡수막(30)으로부터 노출되어 있다.
광 흡수막(30)은 영역(16d)의 주위를 향하는 피검출광을 흡수하기 위해서 마련되어 있다. 광 흡수막(30)은 제1 실시 형태와 마찬가지로, 광 흡수층(31), 공진층(32) 및 반사층(33)을 포함하는 다층 구조를 가진다. 광 흡수층(31), 공진층(32) 및 반사층(33)의 상세한 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1E)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다. 즉, 이 광 검출 장치(1E)에 의하면, 주면(16a)의 광 검출 영역(11)을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 영역(16d)의 주위의 영역에 있어서의 피검출광의 반사를 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 패키지(20)의 내부 공간에서 산란하는 광을 저감시켜, 광 검출 소자(10E)의 시간 분해능의 저하를 억제할 수 있다.
(제5 변형예)
도 7은 상기 실시 형태의 제5 변형예에 따른 광 검출 장치(1F)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1F)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10F)와, 광 검출 소자(10F)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)와, 탑재 기판(81)을 구비한다. 본 변형예는, 광 검출 소자(10F)가 유리 기판(70)을 구비하는 점에서 제4 변형예와 다르다.
유리 기판(70)의 구성은, 전술한 제2 변형예(도 4를 참조)와 마찬가지이다. 즉, 유리 기판(70)은 피검출광의 파장에 대해서 광 투과성을 가진다. 유리 기판(70)은 광 흡수막(30) 상에 배치되어 있다. 유리 기판(70)은 서로 반대를 향하는 주면(70a)과 이면(70b)을 가진다. 이면(70b)은 반도체 기판(16)의 이면(16b)과 대향하고 있다. 주면(70a) 및 이면(70b)은 평탄하다. 유리 기판(70)과, 광 흡수막(30) 및 개구(30a) 내의 반도체 기판(16)은, 광학 접착제(71)에 의해 접착되고, 또한 광학적으로 접속되어 있다. 광학 접착제(71)는 광 흡수막(30)의 개구(30a)를 매립하고 있다.
이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1F)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다.
(제6 변형예)
도 8은 상기 실시 형태의 제6 변형예에 따른 광 검출 장치(1G)의 단면도로서, 피검출광의 광축(AX)을 포함하는 단면을 나타내고 있다. 광 검출 장치(1G)는 피검출광의 강도를 검출하는 광 검출 소자(10G)와, 광 검출 소자(10G)를 기밀하게 수용하는 패키지(20)와, 탑재 기판(81)을 구비한다.
본 변형예는, 광 검출 장치(1G)에 있어서 광 흡수막(30)이 유리 기판(70)의 주면(70a) 상에 마련되어 있는 점에서 제5 변형예와 상위하다. 즉, 유리 기판(70)의 이면(70b)은 광학 접착제(71)를 매개로 반도체 기판(16)의 이면(16b)에 접착되어 있고, 광 흡수막(30)의 반사층(33), 공진층(32), 및 광 흡수층(31)은, 이 순서로 주면(70a) 상에 성막되어 있다. 이상의 구성을 구비하는 본 변형예의 광 검출 장치(1G)도 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 달성할 수 있다.
광 검출 장치는 상기 실시 형태 및 구성예로 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 광 검출 영역(11)은 포토 다이오드에 한정되지 않고, 예를 들면 전하 결합 소자(Charge Coupled Device：CCD)를 포함해도 된다. 그 경우라도, 시간 분해능의 저하를 억제하는 효과를 달성할 수 있다.
상기 실시 형태에 의한 제1 광 검출 장치는, 반도체 광 검출 소자와, 패키지를 구비한다. 패키지는 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 반도체 광 검출 소자를 수용한다. 반도체 광 검출 소자는 반도체 기판과, 광 흡수막을 구비한다. 반도체 기판은 피검출광이 입사되는 제1 면, 및 제1 면과는 반대를 향하는 제2 면을 가지고, 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 제1 면측에 가진다. 광 흡수막은, 제1 면에 있어서의 광 검출 영역의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 영역 상에 마련되어 있다. 광 흡수막은 광 흡수층과 광 흡수층과, 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 공진층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가진다. 피검출광의 파장에 있어서, 공진층의 내부의 광 투과율은 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 반사층의 표면의 광 반사율은 공진층의 표면의 광 반사율보다 크다.
상기의 광 검출 장치에 있어서, 반도체 광 검출 소자는 광 검출 영역과 전기적으로 접속된, 와이어 본딩을 위한 전극 패드를 제1 면 상에 더 구비하고, 광 흡수막은 전극 패드의 적어도 일부를 노출시켜도 된다. 이 경우, 전극 패드에 대한 와이어 본딩을 광 흡수막이 방해하는 것을 방지할 수 있다.
상기 실시 형태에 의한 제2 광 검출 장치는, 반도체 광 검출 소자와, 패키지를 구비한다. 패키지는 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 반도체 광 검출 소자를 수용한다. 반도체 광 검출 소자는 반도체 기판과, 광 흡수막을 구비한다. 반도체 기판은 제1 면, 및 제1 면과는 반대를 향하고 피검출광이 입사되는 제2 면을 가지고, 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 제1 면에 가진다. 광 흡수막은 제2 면에 있어서 광 검출 영역을 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 영역의 주위의 영역 중, 적어도 일부의 위에 마련되어 있다. 광 흡수막은 광 흡수층과, 광 흡수층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 공진층과 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가진다. 피검출광의 파장에 있어서, 공진층의 내부의 광 투과율은 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 반사층의 표면의 광 반사율은 공진층의 표면의 광 반사율보다 크다.
상기의 제1 또는 제2 광 검출 장치에 있어서, 공진층의 광학 두께는, 피검출광의 파장의 4분의 1의 정수배를 중심으로 하는 ±20%의 범위 내여도 된다. 이 경우, 광 흡수층 및 공진층의 계면에서 반사된 광의 위상과, 공진층 및 반사층의 계면에서 반사된 광의 위상이 서로 π(rad) 가까이 어긋나므로, 서로 상쇄된다. 따라서, 광 흡수막의 흡수 효율(소쇠 효율)을 더 높일 수 있다.
상기의 제1 또는 제2 광 검출 장치에 있어서, 광 검출 영역은 애벌란시 포토 다이오드 또는 pn 접합형 포토 다이오드를 포함해도 된다. 예를 들면 이러한 경우에, 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 광 검출 영역에서 생성할 수 있다.
상기의 제1 또는 제2 광 검출 장치에 있어서, 광 흡수층은 텅스텐 실리사이드를 주로 포함하고, 공진층은 SiO2를 주로 포함해도 된다. 이 경우, 흡수 효율이 높은 광 흡수막을 실현할 수 있다.
본 발명은 패키지 내를 산란하는 광을 저감시킬 수 있는 광 검출 장치로서 이용 가능하다.
1A~1G…광 검출 장치 10A~10G…광 검출 소자
11…광 검출 영역 12, 14, 15…반도체 영역
16a…주면 16b…이면
16c…관통공 16d…영역
20…패키지 21…저판
21a…탑재면 22…측벽
23…천판 23a…개구부
24…핀 30…광 흡수막
30a, 30b, 30c…개구 31…광 흡수층
32…공진층 33…반사층
41, 42, 44…절연막 43…절연 보호막
51, 52…전극 패드 53, 54…본딩 와이어
55…이면 전극 56, 57…관통 배선
58, 59…이면 전극 60~63…범프 전극
70…유리 기판 70a…주면
70b…이면 71…광학 접착제
81…탑재 기판 81a…주면
82~85…전극 231…부분
232…광학창 16…반도체 기판
AX…광축 L…광

Claims (6)

  1. 피검출광이 입사되는 제1 면, 및 상기 제1 면과는 반대를 향하는 제2 면을 가지고, 상기 피검출광의 광 강도에 따른 양(量)의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 상기 제1 면측에 가지는 반도체 기판과, 상기 제1 면에 있어서의 상기 광 검출 영역의 주위의 영역 중 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막을 구비하는 반도체 광 검출 소자와,
    상기 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 상기 반도체 광 검출 소자를 수용하는 패키지를 구비하고,
    상기 광 흡수막은 광 흡수층과, 상기 광 흡수층과 상기 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 상기 공진층과 상기 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가지며,
    상기 피검출광의 파장에 있어서, 상기 공진층의 내부의 광 투과율은 상기 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 상기 반사층의 표면의 광 반사율은 상기 공진층의 표면의 광 반사율보다 큰, 광 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반도체 광 검출 소자는 상기 광 검출 영역과 전기적으로 접속된, 와이어 본딩을 위한 전극 패드를 상기 제1 면 상에 더 구비하고,
    상기 광 흡수막은, 상기 전극 패드의 적어도 일부를 노출시키는, 광 검출 장치.
  3. 제1 면, 및 상기 제1 면과는 반대를 향하고 피검출광이 입사되는 제2 면을 가지고, 상기 피검출광의 광 강도에 따른 양의 전하를 생성하는 광 검출 영역을 상기 제1 면에 가지는 반도체 기판과, 상기 제2 면에 있어서 상기 광 검출 영역을 상기 피검출광의 입사 방향과는 반대의 방향으로 투영한 영역의 주위의 영역 중 적어도 일부의 영역 상에 마련된 광 흡수막을 구비하는 반도체 광 검출 소자와,
    상기 피검출광을 통과시키는 광학창을 가지며, 상기 반도체 광 검출 소자를 수용하는 패키지를 구비하고,
    상기 광 흡수막은 광 흡수층과, 상기 광 흡수층과 상기 반도체 기판과의 사이에 마련된 공진층과, 상기 공진층과 상기 반도체 기판과의 사이에 마련된 금속층인 반사층을 포함하는 다층 구조를 가지며,
    상기 피검출광의 파장에 있어서, 상기 공진층의 내부의 광 투과율은 상기 광 흡수층의 내부의 광 투과율보다 크고, 상기 반사층의 표면의 광 반사율은 상기 공진층의 표면의 광 반사율보다 큰, 광 검출 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진층의 광학 두께는, 상기 피검출광의 파장의 4분의 1의 정수배를 중심으로 하는 ±20%의 범위 내인, 광 검출 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 검출 영역은 애벌란시 포토 다이오드 또는 pn 접합형 포토 다이오드를 포함하는, 광 검출 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 텅스텐 실리사이드를 주로 포함하고, 상기 공진층은 SiO2를 주로 포함하는, 광 검출 장치.
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