WO2022044556A1 - 光検出装置 - Google Patents

光検出装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2022044556A1
WO2022044556A1 PCT/JP2021/025646 JP2021025646W WO2022044556A1 WO 2022044556 A1 WO2022044556 A1 WO 2022044556A1 JP 2021025646 W JP2021025646 W JP 2021025646W WO 2022044556 A1 WO2022044556 A1 WO 2022044556A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
layer
detected
region
photodetector
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/025646
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祥賀 塚田
浩平 笠森
真樹 廣瀬
禎久 藁科
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 浜松ホトニクス株式会社 filed Critical 浜松ホトニクス株式会社
Priority to US18/017,866 priority Critical patent/US20230327039A1/en
Priority to CN202180051938.4A priority patent/CN116113806A/zh
Priority to KR1020237003444A priority patent/KR20230056659A/ko
Priority to EP21860986.5A priority patent/EP4170300A4/en
Publication of WO2022044556A1 publication Critical patent/WO2022044556A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0214—Constructional arrangements for removing stray light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0204—Compact construction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0271—Housings; Attachments or accessories for photometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0437—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using masks, aperture plates, spatial light modulators, spatial filters, e.g. reflective filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/024—Special manufacturing steps or sacrificial layers or layer structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/04—Casings
    • G01J5/041—Mountings in enclosures or in a particular environment
    • G01J5/045—Sealings; Vacuum enclosures; Encapsulated packages; Wafer bonding structures; Getter arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0831—Masks; Aperture plates; Spatial light modulators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0203—Containers; Encapsulations, e.g. encapsulation of photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02162—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors
    • H01L31/02164—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for filtering or shielding light, e.g. multicolour filters for photodetectors for shielding light, e.g. light blocking layers, cold shields for infrared detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • G01J2001/4466—Avalanche

Definitions

  • This disclosure relates to a photodetector.
  • Patent Document 1 discloses a technique related to silicon photomultiplier (SiPM).
  • the SiPM comprises a plurality of cells, each containing an avalanche photodiode.
  • a photodetector in which a semiconductor photodetector having a photodetection region such as a photodiode formed on the surface of a semiconductor substrate is housed in a package having an optical window is used.
  • a photodetector when the light to be detected is incident on the package, a part of the light is incident on the periphery of the photodetection region and is scattered in the package. Then, it is incident on the photodetection region after a time from the incident on the package.
  • Such behavior of the detected light causes the following problems. That is, the absorption timing in the photodetected region is delayed in the detected light that reaches the photodetected region after being scattered in the package as compared with the detected light that reaches the photodetected region immediately after being incident in the package. Therefore, the waveform of the detection signal obtained by amplifying the charge output from the light detection region spreads over time, leading to a decrease in time resolution. Therefore, in order to improve the time resolution of the semiconductor photodetector, it is desirable to reduce the light scattered in the package.
  • An object of the present invention is to provide a photodetector capable of reducing light scattered in a package.
  • the embodiment of the present invention is a photodetector.
  • the light detection device has a first surface on which the light to be detected is incident and a second surface facing opposite to the first surface, and has a light detection region that generates an amount of charge according to the light intensity of the light to be detected.
  • a semiconductor light detection element including a semiconductor substrate on the first surface side and a light absorption film provided on at least a part of the area surrounding the light detection area on the first surface, and light to be detected.
  • the light absorbing film includes a light absorbing layer, a resonance layer provided between the light absorbing layer and the semiconductor substrate, and a resonance layer.
  • It has a multi-layered structure including a reflective layer which is a metal layer provided between the light and the semiconductor substrate, and the light transmission rate inside the resonance layer is the light transmission inside the light absorbing layer at the wavelength of the detected light. Greater than the rate, the light reflectivity on the surface of the reflective layer is greater than the light reflectivity on the surface of the resonant layer.
  • the embodiment of the present invention is a photodetector.
  • the light detection device has a first surface and a second surface facing opposite to the first surface to which the light to be detected is incident, and a light detection region that generates an amount of charge according to the light intensity of the light to be detected.
  • Light absorption provided on at least a part of the peripheral regions of the semiconductor substrate on the first surface and the region on the second surface where the light detection region is projected in the direction opposite to the incident direction of the detected light.
  • a semiconductor light detection element including a film, and a package having an optical window for passing light to be detected and accommodating the semiconductor light detection element are provided, and the light absorption film includes a light absorption layer and a light absorption layer.
  • It has a multilayer structure including a resonance layer provided between the semiconductor substrate and a reflection layer which is a metal layer provided between the resonance layer and the semiconductor substrate, and has a resonance layer at the wavelength of the detected light.
  • the light transmittance inside the light absorbing layer is larger than the light transmissivity inside the light absorbing layer, and the light reflectance on the surface of the reflective layer is larger than the light reflectance on the surface of the resonance layer.
  • the light to be detected that has passed through the optical window is incident on the photodetection region of the semiconductor substrate. Then, an amount of electric charge corresponding to the light intensity of the detected light incident on the photodetected region is generated in the photodetected region. Thereby, the incident light amount of the detected light can be electrically detected.
  • a part of the light to be detected that has passed through the optical window goes to the area around the photodetection area instead of the photodetection area.
  • a part of the detected light is around the photodetected region of the first surface (or the region of the second surface in which the photodetected region of the first surface is projected in the direction opposite to the incident direction of the detected light). It reaches the light absorbing film provided on at least a part of the region.
  • the light absorption film has a multilayer structure including a light absorption layer, a resonance layer, and a reflection layer. A part of the light incident on the light absorption film is immediately absorbed by the light absorption layer. The light that is not absorbed by the light absorption layer passes through the light absorption layer and enters the resonance layer. Then, the light entering the resonance layer is gradually absorbed in the light absorption layer while being multiple-reflected between the interface between the light absorption layer and the resonance layer and the interface between the resonance layer and the reflection layer.
  • the light detection region of the first surface (or the region of the second surface in which the light detection region of the first surface is projected in the direction opposite to the incident direction of the detected light). Since the reflection of the detected light in the surrounding region can be effectively reduced, the light scattered in the package can be reduced and the decrease in the time resolution of the semiconductor photodetector can be suppressed.
  • the light scattered in the package can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the photodetector according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the cross-sectional structure of the light absorption film.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the photodetector according to the first modification.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the photodetector according to the second modification.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the photodetector according to the third modification.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the photodetector according to the fourth modification.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the photodetector according to the fifth modification.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the photodetector according to the sixth modification.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the photodetector 1A according to the first embodiment, showing a cross-sectional view including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1A includes a semiconductor photodetector (hereinafter, simply referred to as a photodetector) 10A that detects the intensity of the light to be detected, and a package 20 that tightly houses the photodetector 10A.
  • the wavelength of the detected light is in the range from the visible region to the near infrared region, and is, for example, 350 nm or more and 1200 nm or less.
  • the package 20 has a bottom plate 21, a side wall 22, and a top plate 23.
  • the bottom plate 21 is a plate-shaped member on which the photodetection element 10A is mounted.
  • the planar shape of the bottom plate 21 is, for example, a circle.
  • the bottom plate 21 has conductivity and is mainly composed of a material such as Fe (iron).
  • the bottom plate 21 is provided with a plurality of pins 24 penetrating the bottom plate 21.
  • the pin 24 is made of a conductor, and the pin 24 and the bottom plate 21 are insulated from each other.
  • the plurality of pins 24 allow electrical connection between the inside and outside of the package 20.
  • the bottom plate 21 has a mounting surface 21a on which the photodetection element 10A is mounted. In one embodiment, the mounting surface 21a is flat.
  • the photodetection element 10A and the mounting surface 21a are bonded to each other by an adhesive such as silver paste.
  • the side wall 22 is a cylindrical member erected on the peripheral edge of the bottom plate 21 and surrounds the photodetection element 10A.
  • the side wall 22 has conductivity and is made of, for example, the same material as the bottom plate 21.
  • the top plate 23 is fixed to the upper end of the side wall 22 (one end opposite to the bottom plate 21) and covers the photodetection element 10A.
  • the internal space of the package 20 is airtightly sealed by the bottom plate 21, the side wall 22 and the top plate 23.
  • the top plate 23 includes a top plate portion 231 having conductivity and an optical window 232 through which the light to be detected passes.
  • the portion 231 exhibits an annular shape centered on the optical axis AX of the detected light.
  • the portion 231 has conductivity and is made of, for example, the same material as the bottom plate 21.
  • the optical window 232 is a plate-shaped member that closes the central opening 23a of the ring of the portion 231.
  • the optical window 232 has light transmission at least with respect to the wavelength of the light to be detected.
  • having light transmittance means being transparent to a target wavelength, that is, having a light transmittance of 70% or more.
  • the optical window 232 is, for example, a glass plate.
  • the peripheral edge portion and the portion 231 of the optical window 232 are airtightly joined by an adhesive.
  • the photodetection element 10A is arranged at a position facing the optical window 232 on the mounting surface 21a of the bottom plate 21.
  • the photodetection element 10A includes a semiconductor substrate 16, electrode pads 51 and 52, and a light absorption film 30.
  • the semiconductor substrate 16 has a rectangular shape in a plan view.
  • the semiconductor substrate 16 includes a main surface 16a and a back surface 16b facing opposite to each other.
  • the main surface 16a is an example of the first surface in the present configuration
  • the back surface 16b is an example of the second surface in the present configuration.
  • the light to be detected is incident on the main surface 16a.
  • the semiconductor substrate 16 is a Si substrate or an InP substrate.
  • the thickness of the semiconductor substrate 16 (distance between the main surface 16a and the back surface 16b) is, for example, 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the photodetection element 10A includes a photodetection region 11 formed on the main surface 16a side of the semiconductor substrate 16.
  • the photodetection region 11 generates an amount of electric charge according to the light intensity of the light to be detected.
  • a reverse bias voltage is applied to the photodetection region 11 from a power source provided outside the photodetector 1A.
  • the output current from the photodetection region 11 is detected by a signal processing circuit provided outside the photodetector 1A.
  • the photodetection region 11 includes a pn junction photodiode or an avalanche photodiode. Specifically, the photodetection region 11 has a first conductive type (for example, p-type) semiconductor region 14. In the illustrated example, the photodetection region 11 has a single semiconductor region 14, but the photodetection region 11 may have a plurality of semiconductor regions 14 arranged one-dimensionally or two-dimensionally. ..
  • the semiconductor region 14 is formed on the main surface 16a side of the semiconductor substrate 16 (specifically, inside the semiconductor substrate 16 including the main surface 16a).
  • the planar shape of the semiconductor region 14 is a polygon such as a quadrangle.
  • the semiconductor substrate 16 further has a second conductive type (for example, n-type) semiconductor region 12 and a high-concentration second conductive type (for example, n-type) semiconductor region 15.
  • the semiconductor region 15 is formed side by side with the semiconductor region 14 on the main surface 16a side of the semiconductor substrate 16 (specifically, inside the semiconductor substrate 16 including the main surface 16a).
  • the semiconductor region 12 occupies a region of the semiconductor substrate 16 excluding the semiconductor regions 14 and 15.
  • the electrode pads 51 and 52 are electrode pads for wire bonding.
  • the electrode pads 51 and 52 are embedded inside the insulating film 41 provided on the main surface 16a of the semiconductor substrate 16, and are arranged apart from each other in the direction along the main surface 16a.
  • the electrode pads 51 are provided for each semiconductor region 14.
  • the electrode pad 51 is exposed from the insulating film 41 through an opening formed in the portion of the insulating film 41 located on the opposite side of the main surface 16a with respect to the electrode pad 51.
  • One end of the bonding wire 53 is connected to the exposed portion of the electrode pad 51.
  • the other end of the bonding wire 53 is connected to one of the plurality of pins 24.
  • the electrode pad 51 can be electrically connected to the external circuit of the photodetector 1A via the bonding wire 53 and the pin 24.
  • the electrode pad 51 is electrically connected to the semiconductor region 14 via a conductive wiring embedded inside the insulating film 41 and a first conductive type ohmic electrode.
  • the electrode pad 52 is exposed from the insulating film 41 through another opening formed in the portion of the insulating film 41 located on the opposite side of the main surface 16a with respect to the electrode pad 52.
  • One end of the bonding wire 54 is connected to the exposed portion of the electrode pad 52.
  • the other end of the bonding wire 54 is connected to the other one of the plurality of pins 24.
  • the electrode pad 52 can be electrically connected to the external circuit of the photodetector 1A via the bonding wire 54 and the pin 24.
  • the electrode pad 52 is electrically connected to the semiconductor region 15 via a conductive wiring embedded inside the insulating film 41 and a second conductive type ohmic electrode.
  • the electrode pads 51 and 52 and the wiring are made of metal.
  • the metal used for the electrode pads 51 and 52 and the wiring include a single-layer film such as Al, Ti, Cu, Ni, and AlCu, or Al / Ni, Al / Ti / Cu, Ti / Cu, Ti / Cu /. Examples thereof include laminated films such as Ni and Ti / Cu / Ti.
  • the notation A / B / C means that the A layer, the B layer, and the C layer are laminated in order from the semiconductor substrate 16 side.
  • a sputtering method or a plating method can be used as a method for forming the electrode pads 51 and 52 and wiring.
  • the material of the first conductive type (for example, p-type) ohmic electrode for example Al is used when the semiconductor substrate 16 is a Si substrate, and for example AuZn is used when the semiconductor substrate 16 is an InP substrate. ..
  • the material of the second conductive type (for example, n-type) ohmic electrode for example Al is used when the semiconductor substrate 16 is a Si substrate, and for example AuGe / Ni when the semiconductor substrate 16 is an InP substrate. Used.
  • a sputtering method can be used as a method for forming the ohmic electrode.
  • the semiconductor substrate 16 is a Si substrate, a Group 3 element such as B is used as the p-type impurity, and a Group 5 element such as P or As is used as the n-type impurity.
  • the semiconductor substrate 16 is an InP substrate, Zn or the like is used as the p-type impurity, and S, Sn or the like is used as the n-type impurity. Even if the n-type and the p-type, which are conductive types of semiconductors, are substituted with each other to form an element, the element can function.
  • a diffusion method or an ion implantation method can be used.
  • an insulating silicon compound such as SiO 2 , SiN or SiON, an insulating metal oxide such as Al 2 O 3 or TiO 2 , or an insulating resin can be used.
  • a method for forming the insulating film 41 a chemical vapor deposition (CVD) method can be used.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a thermal oxidation method may be used.
  • a photodiode as a photodetection region 11 is formed by forming a pn junction between the first conductive type semiconductor region 14 and the second conductive type semiconductor region 12.
  • the photodetection region 11 is an avalanche photodiode, the photodetection region 11 is operated in Geiger mode.
  • a reverse voltage (reverse bias voltage) larger than the breakdown voltage of the photodetection region 11 is applied between the anode / cathode of the photodetection region 11. That is, a negative potential is applied to the anode and a positive potential is applied to the cathode.
  • the polarities of these potentials are relative, and one potential can be the ground potential.
  • the anode is a p-type region of the semiconductor regions 14 and 15, and the cathode is an n-type region of the semiconductor regions 14 and 15.
  • the light absorption film 30 is provided on the main surface 16a of the semiconductor substrate 16 (on the insulating film 41 in this embodiment).
  • the light absorption film 30 is provided on at least a part of the region around the photodetection region 11 on the main surface 16a.
  • the region around the photodetection region 11 refers to the region around the semiconductor region 14.
  • the light absorption film 30 exposes at least a part of each of the electrode pads 51 and 52 for wire bonding.
  • the light absorption film 30 of the illustrated example is provided on the entire surface of the main surface 16a except for the region including the central portion of the semiconductor region 14 and the exposed region from the insulating film 41 in each of the electrode pads 51 and 52. That is, the light absorption film 30 has an opening 30a on the semiconductor region 14, an opening 30b on the electrode pad 51, and an opening 30c on the electrode pad 52.
  • the light absorption film 30 is provided to absorb the light to be detected toward the periphery of the light detection region 11.
  • the light absorption film 30 has a multilayer structure including a light absorption layer 31, a resonance layer 32, and a reflection layer 33.
  • the light absorption layer 31 constitutes the surface of the light absorption film 30.
  • the thickness of the light absorption layer 31 is in the range of several nm to several ⁇ m.
  • the resonance layer 32 is provided between the light absorption layer 31 and the semiconductor substrate 16, specifically, between the light absorption layer 31 and the reflection layer 33.
  • the thickness of the resonance layer 32 is in the range of several nm to several hundred ⁇ m.
  • the optical thickness of the resonance layer 32 is an integral multiple of a quarter of the wavelength ⁇ of the detected light.
  • the optical thickness of the resonance layer 32 may be within the range of ⁇ 20% centered on an integral multiple of ⁇ / 4.
  • the reflective layer 33 is provided between the resonance layer 32 and the semiconductor substrate 16. The thickness of the reflective layer 33 is in the range of several tens of nm to several mm.
  • the light transmittance inside the resonance layer 32 is larger than the light transmittance inside the light absorption layer 31.
  • the extinction coefficient of the resonance layer 32 is smaller than the extinction coefficient of the light absorption layer 31.
  • the light absorption layer 31 is made of, for example, a metal.
  • the metal constituting the light absorption layer 31 may contain one or more materials selected from the group consisting of tungsten silicide (WSi x ), Ti, TiN, and Cr.
  • the light absorption layer 31 mainly contains tungsten silicide, and in one embodiment, it is made of tungsten silicide.
  • the resonance layer 32 mainly contains a silicon compound such as SiO 2 , SiN, and SiON, and is made of SiO 2 , SiN, or SiON in one embodiment.
  • the resonance layer 32 may have light transmission.
  • the light reflectance on the surface of the reflective layer 33 is larger than the light reflectance on the surface of the resonant layer 32.
  • the "light reflectance on the surface of the reflective layer” means the light reflectance on the surface of the reflective layer on the resonance layer side
  • the "light reflectance on the surface of the resonance layer” means the resonance layer. Refers to the light reflectance of the surface on the light absorption layer side of.
  • the reflective layer 33 is a metal layer.
  • the metal constituting the reflective layer 33 may contain one or more materials selected from the group consisting of Al, Al-based alloys (AlCu, AlSi, etc.), Cu, Ag, and Au.
  • the reflective layer 33 mainly contains Al, and in one embodiment, it is made of Al.
  • a reflective layer 33 for example, AlCu
  • a resonance layer 32 for example, SiO 2
  • the light absorption layer 31 for example, WSi x
  • the photodetector 1A of the present embodiment described above The action and effect obtained by the photodetector 1A of the present embodiment described above will be described.
  • the light to be detected that has passed through the optical window 232 is incident on the photodetection region 11 of the photodetector 10A. Then, an amount of electric charge corresponding to the light intensity of the light to be detected incident on the photodetected region 11 is generated in the photodetected region 11.
  • the light absorption film 30 has a multilayer structure including a light absorption layer 31, a resonance layer 32, and a reflection layer 33. A part of the light incident on the light absorption film 30 is immediately absorbed by the light absorption layer 31. The light that is not absorbed by the light absorption layer 31 passes through the light absorption layer 31 and enters the resonance layer 32. Then, the light entering the resonance layer 32 is gradually absorbed by the light absorption layer 31 while being multiple-reflected between the interface of the light absorption layer 31 and the resonance layer 32 and the interface of the resonance layer 32 and the reflection layer 33. Resonance.
  • this light absorption film 30 extremely high absorption efficiency can be realized as compared with a light absorption film (black resin film or the like) made of a single layer. Therefore, according to the photodetector 1A of the present embodiment, the reflection of the detected light in the region around the photodetection region 11 of the main surface 16a can be effectively reduced, so that the light scattered in the internal space of the package 20 can be effectively reduced. It is possible to suppress a decrease in the time resolution of the photodetection element 10A.
  • the photodetection element 10A may be provided with electrode pads 51 and 52 for wire bonding electrically connected to the photodetection region 11 on the main surface 16a. Then, the light absorption film 30 may expose at least a part of each of the electrode pads 51 and 52. In this case, it is possible to prevent the light absorption film 30 from interfering with the wire bonding to the electrode pads 51 and 52.
  • the optical thickness of the resonance layer 32 may be in the range of ⁇ 20% centered on an integral multiple of a quarter (that is, ⁇ / 4) of the wavelength ⁇ of the detected light.
  • the phase of the light reflected at the interface between the light absorption layer 31 and the resonance layer 32 and the phase of the light reflected at the interface between the resonance layer 32 and the reflection layer 33 are shifted by ⁇ (rad) from each other. Cancel each other. Therefore, the absorption efficiency (extinguishing efficiency) of the light absorption film 30 can be further increased.
  • the photodetection region 11 may include an avalanche photodiode or a pn junction photodiode. For example, in such a case, an amount of electric charge corresponding to the light intensity of the light to be detected can be generated in the photodetected region 11.
  • the light absorption layer 31 may mainly contain tungsten silicide, and the resonance layer 32 may mainly contain SiO 2 .
  • the light absorption film 30 having high absorption efficiency can be realized.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the light absorption film 30.
  • the light absorption film 30 has a multilayer structure including a light absorption layer 31, a resonance layer 32, and a reflection layer 33.
  • a part of the light L that has reached the light absorption film 30 is reflected on the surface of the light absorption layer 31, and the rest enters the inside of the light absorption layer 31.
  • the sheet resistance of the light absorption layer 31 is made to match the spatial impedance of the medium (for example, air) in contact with the surface of the light absorption layer 31, the surface reflectance becomes zero and all the inside of the light absorption layer 31 is inside. Light L will enter.
  • the light L that has entered the inside of the light absorption layer 31 is gradually absorbed at a ratio calculated based on the extinction coefficient of the light absorption layer 31, most of the light L is provided if the light absorption layer 31 is sufficiently thick. Is absorbed by the light absorption layer 31. However, thickening the light absorbing layer 31 leads to reducing the sheet resistance, and the surface reflectance of the light absorbing layer 31 increases. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the light absorption layer 31 is limited, and a part of the light L is allowed to pass through the light absorption layer 31.
  • a part of the light L that has passed through is reflected at the interface between the light absorption layer 31 and the resonance layer 32, and returns to the light absorption layer 31.
  • this reflected light is referred to as a first reflected light.
  • the impedance of the resonance layer 32 is larger than the impedance of the light absorption layer 31 (in other words, the refractive index of the resonance layer 32 is the refraction of the light absorption layer 31. Since it is smaller than the index), the first reflected light is not accompanied by a phase shift of ⁇ (rad).
  • the rest of the light L passes through the interface and enters the inside of the resonance layer 32.
  • the light L that has entered the inside of the resonance layer 32 reaches the interface between the resonance layer 32 and the reflection layer 33 with almost no attenuation, and is totally reflected at the interface.
  • this reflected light will be referred to as a second reflected light.
  • the second reflected light travels inside the resonance layer 32 again and heads toward the light absorption layer 31. Since the impedance of the reflective layer 33 is close to 0 ⁇ (in other words, the refractive index is close to infinity), the second reflected light is accompanied by a phase shift of ⁇ (rad).
  • the optical thickness of the resonance layer 32 (in other words, the optical distance between the light absorption layer 31 and the reflection layer 33) should be closer to 1/4 of the wavelength of the light L.
  • the optical thickness of the resonance layer 32 is within the range of ⁇ 20% centered on 1/4 of the wavelength of the light L.
  • the electric field amplitude of the first reflected light and the electric field amplitude of the second reflected light are not exactly the same, they do not completely cancel each other out, and a part of the reflected light is incident on the light absorption layer 31.
  • the reflected light incident on the light absorption layer 31 is absorbed by the light absorption layer 31.
  • a part of the second reflected light remains inside the resonance layer 32 and repeats multiple reflections, but is gradually absorbed by the light absorption layer 31. In this way, most of the light L is absorbed by the light absorption layer 31.
  • the light absorption layer 31 of the light absorption film 30 is in contact with air. It is assumed that the wavelength of the light L is 1.55 ⁇ m.
  • the light absorption layer 31 is made of WSi
  • the resonance layer 32 is made of SiO 2
  • the reflection layer 33 is made of Al.
  • the characteristic impedance of air is 377 ⁇ .
  • the specific resistance of tungsten silicide (WSi 2 ) is 2.48 ⁇ 10 -4 ⁇ ⁇ cm. Therefore, the suitable thickness t of the light absorption layer 31 is Is calculated as.
  • the specific resistance of Al is 2.65 ⁇ 10 -6 ⁇ ⁇ cm, the sheet resistance becomes 0.0265 ⁇ by making the reflective layer 33 a sufficient thickness such as 1 ⁇ m.
  • the impedance of SiO 2 is Therefore, the reflectance coefficient at the interface between the resonance layer 32 and the reflection layer 33 is 0.998.
  • Table 1 is a table showing a design example of the photoabsorbent film 30 when the wavelength ⁇ of the detected light is 400 nm, 800 nm, and 1000 nm.
  • the light L is incident from a direction perpendicular to the surface of the light absorption film 30 (in other words, the thickness direction of the light absorption film 30), but the light absorption film 30
  • the incident angle of the light L it is preferable to calculate the propagation angle of light in each layer 31 to 33 from the refractive index of each layer 31 to 33, and to set the thickness of each layer 31 to 33 as the thickness in consideration of this propagation angle.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the photodetector 1B according to the first modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1B includes a photodetector 10B that detects the intensity of the light to be detected, and a package 20 that airtightly houses the photodetector 10B.
  • the wavelength of the light to be detected and the configuration of the package 20 are the same as those in the first embodiment.
  • the photodetection element 10B of this modification is different from the photodetection element 10A of the first embodiment in that the semiconductor substrate 16 does not have the semiconductor region 15 (see FIG. 1) and the back surface electrode 55 is provided.
  • the back surface electrode 55 makes ohmic contact with the back surface 16b of the semiconductor substrate 16 and is electrically connected to the semiconductor region 12.
  • the back surface electrode 55 is provided on the entire surface on the back surface 16b.
  • the photodetection element 10B is joined to the mounting surface 21a of the bottom plate 21 via the back surface electrode 55.
  • the back surface electrode 55 is a metal film, and the constituent material thereof is, for example, Au.
  • the peripheral edge of the back surface electrode 55 protrudes to the outside of the back surface 16b, and one end of the bonding wire 54 is connected to the peripheral edge. Therefore, the bonding wire 54 is not connected to the electrode pad 52. Further, the light absorption film 30 of this modification does not have an opening 30c for wire bonding of the electrode pad 52.
  • the photodetector 1B of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the photodetector 1C according to the second modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1C includes a photodetector 10C that detects the intensity of the light to be detected, a package 20 that airtightly houses the photodetector 10C, and a mounting substrate 81.
  • the wavelength of the light to be detected and the configuration of the package 20 are the same as those in the first embodiment.
  • the first embodiment of the photodetection element 10C of this modification is that the semiconductor substrate 16 has a through wiring 56, a through wiring 57, a back surface electrode 58, a back surface electrode 59, a bump electrode 60, a bump electrode 61, and a glass substrate 70. It is different from the photodetection element 10A of.
  • the through wiring 56, the back surface electrode 58, and the bump electrode 60 are provided for each semiconductor region 14.
  • the back surface electrodes 58 and 59 are provided on the back surface 16b with the insulating film 42 interposed therebetween.
  • the through wirings 56 and 57 are formed so as to penetrate between the main surface 16a and the back surface 16b of the semiconductor substrate 16. That is, the through wirings 56 and 57 are arranged in the through holes 16c penetrating the semiconductor substrate 16.
  • the inner surface of the through hole 16c extends in the thickness direction of the semiconductor substrate 16 (that is, the direction perpendicular to the main surface 16a and the back surface 16b).
  • the insulating film 42 is also formed in the through hole 16c.
  • the through wirings 56 and 57 are arranged on the inner side surface and the bottom surface of the through hole 16c with the insulating film 42 interposed therebetween.
  • One end of the through wiring 56 is connected to the electrode pad 51, and is electrically connected to the semiconductor region 14 of the photodetection region 11 via the electrode pad 51 and the ohmic electrode.
  • the other end of the through wiring 56 is connected to the back surface electrode 58.
  • One end of the through wiring 57 is connected to the electrode pad 52, and is electrically connected to the semiconductor region 15 via the electrode pad 52 and the ohmic electrode.
  • the other end of the through wiring 57 is connected to the back surface electrode 59.
  • the through wiring 56, 57 and the back surface electrodes 58, 59 are made of metal.
  • the metal used for the through wiring 56, 57 and the back surface electrodes 58, 59 include a single-layer film such as Al, Ti, Cu, Ni, and AlCu, or Al / Ni, Al / Ti / Cu, Ti / Cu, and the like. Examples thereof include laminated films such as Ti / Cu / Ni and Ti / Cu / Ti.
  • the mounting board 81 is mounted on the mounting surface 21a of the bottom plate 21.
  • the mounting substrate 81 has a flat main surface 81a.
  • the main surface 81a faces the back surface 16b of the semiconductor substrate 16.
  • the mounting substrate 81 includes electrodes 82, 83, 84, and 85 arranged on the main surface 81a.
  • the electrodes 82 and 83 are arranged corresponding to the through wirings 56 and 57, respectively.
  • the electrodes 82 and 83 are formed on the respective regions of the main surface 81a facing the back surface electrodes 58 and 59, respectively.
  • the back surface electrode 58 and the electrode 82 are connected by a bump electrode 60.
  • the through wiring 56 is electrically connected to the electrode 82 via the back surface electrode 58 and the bump electrode 60.
  • the back surface electrode 59 and the electrode 83 are connected by a bump electrode 61.
  • the through wiring 57 is electrically connected to the electrode 83 via the back surface electrode 59 and the bump electrode 61.
  • the electrodes 82 and 83 are made of the same metal as the through wirings 56 and 57 and the backside electrodes 58 and 59.
  • the bump electrodes 60 and 61 mainly contain, for example, solder.
  • the mounting board 81 includes a signal processing circuit. That is, the mounting board 81 constitutes an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the electrodes 82 and 83 are electrically connected to the signal processing circuit via wiring (not shown) formed in the mounting substrate 81.
  • the output signal from the light detection area 11 is input to the signal processing circuit, and the signal processing circuit processes the output signal from the light detection area 11.
  • the signal processing circuit includes a CMOS circuit that converts the output signal from the photodetection region 11 into a digital pulse.
  • the mounting substrate 81 is configured to include a circuit for recording time information corresponding to each semiconductor region 14.
  • a time digital converter TDC: Time to Digital Converter
  • TAC Time to Amplitude Converter
  • the output signal from the signal processing circuit is output from the electrodes 84 and 85.
  • One end of the bonding wire 53 is connected to the electrode 84, and one end of the bonding wire 54 is connected to the electrode 85.
  • the output signal from the signal processing circuit is output to the outside of the photodetector 1C through the bonding wires 53, 54 and the pin 24.
  • an insulating protective film 43 covering the through wirings 56, 57 and the back surface electrodes 58, 59 is provided on the back surface 16b of the semiconductor substrate 16.
  • the insulating protective film 43 has an opening formed at a position corresponding to the bump electrode 60 and an opening formed at a position corresponding to the bump electrode 61.
  • An insulating film 44 in which the electrodes 82 to 85 are embedded is provided on the main surface 81a of the mounting substrate 81.
  • the insulating film 44 has an opening formed at a position on the electrode 82 corresponding to the bump electrode 60, an opening formed at a position on the electrode 83 corresponding to the bump electrode 61, and a bonding wire formed on the electrode 84. It has an opening for 53 and an opening for the bonding wire 54 formed on the electrode 85.
  • the insulating protective film 43 and the insulating film 44 are, for example, a polyimide-based, phenol-based, epoxy-based resin insulating film, SiO 2 / resin insulating film, SiN / resin insulating film, SiON / resin insulating film, SiO 2 film, SiN. It consists of a film or a SiON film.
  • a spin coating method can be used in the case of a resin insulating film, and a CVD method can be used in the case of a SiO 2 film.
  • the glass substrate 70 has light transmission with respect to the wavelength of the light to be detected.
  • the glass substrate 70 is arranged on the light absorption film 30.
  • the glass substrate 70 has a main surface 70a and a back surface 70b facing opposite to each other.
  • the back surface 70b faces the main surface 16a of the semiconductor substrate 16.
  • the main surface 70a and the back surface 70b are flat.
  • the glass substrate 70 and the light absorbing film 30 and the insulating film 41 in the opening 30a are bonded and optically connected by an optical adhesive 71.
  • the optical adhesive 71 embeds the opening 30a of the light absorption film 30.
  • the photodetection element 10C is electrically connected to the mounting substrate 81 via the bump electrodes 60 and 61 on the back surface 16b. Therefore, the openings 30b and 30c of the light absorption film 30 (see FIG. 1) are unnecessary in this modification.
  • the photodetector 1C of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment.
  • the medium in contact with the light absorption layer 31 is not air but an optical adhesive 71.
  • Table 2 below shows a design example of the refractive index of the optical adhesive 71 and the light absorption film 30 when the wavelength ⁇ of the detected light is 400 nm, 800 nm, and 1000 nm.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the photodetector 1D according to the third modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1D includes a photodetector 10D that detects the intensity of the light to be detected, a package 20 that airtightly houses the photodetector 10D, and a mounting substrate 81.
  • This modification is different from the second modification in that the photoabsorbent film 30 is provided on the main surface 70a of the glass substrate 70 in the photodetector 1D. That is, the back surface 70b of the glass substrate 70 is adhered to the insulating film 41 via the optical adhesive 71, and the reflective layer 33, the resonance layer 32, and the light absorbing layer 31 of the light absorbing film 30 are main surfaces in this order. It is formed on 70a.
  • the photodetector 1D of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the photodetector 1E according to the fourth modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1E includes a photodetector 10E that detects the intensity of the light to be detected, a package 20 that airtightly houses the photodetector 10E, and a mounting substrate 81.
  • This modification is different from the first embodiment in that the light to be detected is incident on the photodetected element 10E from the back surface 16b side of the semiconductor substrate 16 and the mounted substrate 81 is provided.
  • the photodetection element 10E has a semiconductor substrate 16, an insulating film 41, and electrode pads 51 and 52, similarly to the photodetection element 10A of the first embodiment.
  • the insulating film 41 and the electrode pads 51 and 52 are provided on the main surface 16a of the semiconductor substrate 16.
  • the semiconductor substrate 16 includes semiconductor regions 12, 14 and 15. The configurations of the semiconductor substrate 16, the insulating film 41, and the electrode pads 51 and 52 are the same as those in the first embodiment.
  • the configuration of the mounting board 81 is the same as that of the second modification.
  • the electrodes 82 and 83 of the mounting substrate 81 are arranged corresponding to the electrode pads 51 and 52, respectively.
  • the electrodes 82 and 83 are formed on the respective regions of the main surface 81a facing the electrode pads 51 and 52, respectively.
  • the electrode pad 51 and the electrode 82 are connected by a bump electrode 62.
  • the semiconductor region 14 is electrically connected to the electrode 82 via the electrode pad 51 and the bump electrode 62.
  • the electrode pad 52 and the electrode 83 are connected by a bump electrode 63.
  • the semiconductor region 15 is electrically connected to the electrode 83 via the electrode pad 52 and the bump electrode 63.
  • the electrodes 82 and 83 are made of the same metal as the electrode pads 51 and 52.
  • the bump electrodes 62 and 63 mainly contain, for example, solder.
  • the light absorption film 30 of this modification is provided on the back surface 16b of the semiconductor substrate 16.
  • the light absorption film 30 has at least one of the regions around the region 16d in which the photodetected region 11 is projected onto the back surface 16b in the direction opposite to the incident direction of the detected light (that is, in the direction toward the optical window 232). It is provided on the area of the section.
  • the light absorption film 30 of the illustrated example is provided on the entire surface of the back surface 16b except for the region including the central portion of the region 16d. That is, the light absorption film 30 has an opening 30a on the region 16d. The semiconductor substrate 16 is exposed from the light absorption film 30 at the opening 30a.
  • the light absorption film 30 is provided to absorb the light to be detected toward the periphery of the region 16d.
  • the light absorption film 30 has a multilayer structure including a light absorption layer 31, a resonance layer 32, and a reflection layer 33, as in the first embodiment.
  • the detailed configuration of the light absorption layer 31, the resonance layer 32, and the reflection layer 33 is the same as that of the first embodiment.
  • the photodetector 1E of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment. That is, according to this photodetector 1E, the reflection of the detected light is effectively reflected in the region around the region 16d in which the light detection region 11 of the main surface 16a is projected in the direction opposite to the incident direction of the detected light. Since it can be reduced, the light scattered in the internal space of the package 20 can be reduced, and the decrease in the time resolution of the photodetector 10E can be suppressed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the photodetector 1F according to the fifth modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1F includes a photodetector 10F that detects the intensity of the light to be detected, a package 20 that airtightly houses the photodetector 10F, and a mounting substrate 81.
  • This modification is different from the fourth modification in that the photodetection element 10F includes the glass substrate 70.
  • the configuration of the glass substrate 70 is the same as that of the second modification (see FIG. 4) described above. That is, the glass substrate 70 has light transmission with respect to the wavelength of the light to be detected.
  • the glass substrate 70 is arranged on the light absorption film 30.
  • the glass substrate 70 has a main surface 70a and a back surface 70b facing each other.
  • the back surface 70b faces the back surface 16b of the semiconductor substrate 16.
  • the main surface 70a and the back surface 70b are flat.
  • the glass substrate 70 and the semiconductor substrate 16 in the light absorbing film 30 and the opening 30a are bonded and optically connected by an optical adhesive 71.
  • the optical adhesive 71 embeds the opening 30a of the light absorption film 30.
  • the photodetector 1F of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the photodetector 1G according to the sixth modification of the above embodiment, showing a cross section including the optical axis AX of the light to be detected.
  • the photodetector 1G includes a photodetector 10G that detects the intensity of the light to be detected, a package 20 that airtightly houses the photodetector 10G, and a mounting substrate 81.
  • This modification is different from the fifth modification in that the photoabsorbent film 30 is provided on the main surface 70a of the glass substrate 70 in the photodetector 1G. That is, the back surface 70b of the glass substrate 70 is adhered to the back surface 16b of the semiconductor substrate 16 via the optical adhesive 71, and the reflection layer 33, the resonance layer 32, and the light absorption layer 31 of the light absorption film 30 are in this order. The film is formed on the main surface 70a.
  • the photodetector 1G of the present modification having the above configuration can also exert the same effect as that of the first embodiment.
  • the photodetector is not limited to the above-described embodiment and configuration example, and can be modified in various ways.
  • the light detection region 11 is not limited to the photodiode, and may include, for example, a charge coupling element (Charge Coupled Device: CCD). Even in that case, the effect of suppressing the decrease in time resolution can be achieved.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the first photodetector includes a semiconductor photodetector and a package.
  • the package has an optical window through which the light to be detected passes and houses the semiconductor photodetector.
  • the semiconductor photodetector includes a semiconductor substrate and a light absorption film.
  • the semiconductor substrate has a first surface on which the light to be detected is incident and a second surface facing opposite to the first surface, and has a photodetection region that generates an amount of charge according to the light intensity of the light to be detected. It has one side.
  • the light absorption film is provided on at least a part of the area around the light detection area on the first surface.
  • the light absorption film is a multilayer including a light absorption layer, a resonance layer provided between the light absorption layer and the semiconductor substrate, and a reflection layer which is a metal layer provided between the resonance layer and the semiconductor substrate.
  • a reflection layer which is a metal layer provided between the resonance layer and the semiconductor substrate.
  • the semiconductor photodetector further comprises an electrode pad for wire bonding electrically connected to the photodetection region on the first surface, and the photoabsorbing film is at least one of the electrode pads. The portion may be exposed. In this case, it is possible to prevent the light absorption film from hindering the wire bonding to the electrode pad.
  • the second photodetector includes a semiconductor photodetector and a package.
  • the package has an optical window through which the light to be detected passes and houses the semiconductor photodetector.
  • the semiconductor photodetector includes a semiconductor substrate and a light absorption film.
  • the semiconductor substrate has a first surface and a second surface facing opposite to the first surface to which the light to be detected is incident, and has a photodetection region that generates an amount of charge according to the light intensity of the light to be detected. It has one side.
  • the light absorption film is provided on at least a part of the surrounding area of the second surface in which the light detection area is projected in the direction opposite to the incident direction of the detected light.
  • the light absorption film is a multilayer including a light absorption layer, a resonance layer provided between the light absorption layer and the semiconductor substrate, and a reflection layer which is a metal layer provided between the resonance layer and the semiconductor substrate.
  • a reflection layer which is a metal layer provided between the resonance layer and the semiconductor substrate.
  • the optical thickness of the resonance layer may be in the range of ⁇ 20% centered on an integral multiple of a quarter of the wavelength of the detected light.
  • the phase of the light reflected at the interface between the light absorption layer and the resonance layer and the phase of the light reflected at the interface between the resonance layer and the reflection layer deviate from each other by nearly ⁇ (rad), so that they cancel each other out. Therefore, the absorption efficiency (extinguishing efficiency) of the light absorption film can be further increased.
  • the photodetection region may include an avalanche photodiode or a pn junction photodiode.
  • an amount of electric charge corresponding to the light intensity of the detected light can be generated in the photodetected region.
  • the light absorption layer may mainly contain tungsten silicide, and the resonance layer may mainly contain SiO 2 . In this case, it is possible to realize a light absorption film having high absorption efficiency.
  • the present invention can be used as a photodetector capable of reducing the light scattered in the package.
  • Optical detection device 10A to 10G ... Optical detection element, 11 ... Optical detection region, 12, 14, 15 ... Semiconductor region, 16a ... Main surface, 16b ... Back surface, 16c ... Through hole, 16d ... Region, 20 Package, 21 ... bottom plate, 21a ... mounting surface, 22 ... side wall, 23 ... top plate, 23a ... opening, 24 ... pin, 30 ... light absorbing film, 30a, 30b, 30c ... opening, 31 ... light absorbing layer, 32 ... Resonant layer, 33 ... Reflective layer, 41, 42, 44 ... Insulation film, 43 ... Insulation protection film, 51, 52 ... Electrode pad, 53, 54 ...
  • Bonding wire 55 ... Backside electrode, 56, 57 ... Through wiring , 58, 59 ... backside electrode, 60-63 ... bump electrode, 70 ... glass substrate, 70a ... main surface, 70b ... backside, 71 ... optical adhesive, 81 ... mounting substrate, 81a ... main surface, 82-85 ... electrode , 231 ... Part, 232 ... Optical window, 16 ... Semiconductor substrate, AX ... Optical axis, L ... Light.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

光検出装置１Ａは、光検出素子１０Ａと、パッケージ２０とを備える。光検出素子１０Ａは、半導体基板１６と、光吸収膜３０とを備える。光吸収膜３０は、半導体基板１６の主面１６ａにおける光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光吸収膜３０は、光吸収層３１と、共振層３２と、反射層３３と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層３２の内部の光透過率は光吸収層３１の内部の光透過率より大きく、反射層３３の表面の光反射率は共振層３２の表面の光反射率より大きい。これにより、パッケージ内を散乱する光を低減できる光検出装置が実現される。

Description

光検出装置
　本開示は、光検出装置に関するものである。
　特許文献１には、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ）に関する技術が開示されている。このＳｉＰＭは、アバランシェフォトダイオードをそれぞれ含む複数のセルを備える。
米国特許出願公開第２０１３／００９９１００号
　フォトダイオード等の光検出領域が半導体基板の表面に形成された半導体光検出素子を、光学窓を有するパッケージ内に収容した光検出装置が利用されている。このような光検出装置においては、パッケージ内に被検出光が入射すると、その一部は光検出領域の周辺に当たり、パッケージ内において散乱する。そして、パッケージ内への入射から時間をおいて光検出領域に入射する。
　このような被検出光の振る舞いは、次の問題を引き起こす。すなわち、パッケージ内に入射後直ちに光検出領域に到達する被検出光と比較して、パッケージ内において散乱した後に光検出領域に到達する被検出光では、光検出領域における吸収タイミングに遅延が生じる。したがって、光検出領域から出力される電荷を増幅して得られる検出信号の波形が時間的に拡がってしまい、時間分解能の低下につながる。したがって、半導体光検出素子の時間分解能を高めるためには、パッケージ内を散乱する光を低減することが望ましい。
　本発明は、パッケージ内を散乱する光を低減できる光検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態は、光検出装置である。光検出装置は、被検出光が入射する第１面、及び第１面とは反対を向く第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面側に有する半導体基板と、第１面における光検出領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容するパッケージと、を備え、光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有し、被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。
　本発明の実施形態は、光検出装置である。光検出装置は、第１面、及び第１面とは反対を向き被検出光が入射する第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面に有する半導体基板と、第２面において光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容するパッケージと、を備え、光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有し、被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。
　上記の光検出装置では、光学窓を通過した被検出光が半導体基板の光検出領域に入射する。そして、光検出領域に入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域において生成される。これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。しかし、光学窓を通過した被検出光の一部は、光検出領域ではなく光検出領域の周囲の領域に向かう。この被検出光の一部は、第１面の光検出領域（または、第１面の光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した第２面の領域）の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜に達する。
　光吸収膜は、光吸収層、共振層、及び反射層を含む多層構造を有する。光吸収膜に入射した光の一部は、光吸収層において直ちに吸収される。光吸収層に吸収されなかった光は光吸収層を透過し、共振層に入る。そして、共振層に入った光は、光吸収層及び共振層の界面と、共振層及び反射層の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層において徐々に吸収される。
　したがって、この光吸収膜によれば、単層からなる光吸収膜と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、上記の光検出装置によれば、第１面の光検出領域（または、第１面の光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した第２面の領域）の周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ内を散乱する光を低減し、半導体光検出素子の時間分解能の低下を抑制することができる。
　本発明の実施形態による光検出装置によれば、パッケージ内を散乱する光を低減できる。
図１は、第１実施形態に係る光検出装置の断面図である。 図２は、光吸収膜の断面構造を模式的に示す図である。 図３は、第１変形例に係る光検出装置の断面図である。 図４は、第２変形例に係る光検出装置の断面図である。 図５は、第３変形例に係る光検出装置の断面図である。 図６は、第４変形例に係る光検出装置の断面図である。 図７は、第５変形例に係る光検出装置の断面図である。 図８は、第６変形例に係る光検出装置の断面図である。
　以下、添付図面を参照して、光検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る光検出装置１Ａの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ａは、被検出光の強度を検出する半導体光検出素子（以下、単に光検出素子という）１０Ａと、光検出素子１０Ａを気密に収容するパッケージ２０とを備える。被検出光の波長は、可視域から近赤外域の範囲内であり、例えば３５０ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。
　パッケージ２０は、底板２１と、側壁２２と、天板２３とを有する。底板２１は、光検出素子１０Ａを搭載する板状の部材である。底板２１の平面形状は例えば円形である。底板２１は導電性を有し、例えばＦｅ（鉄）といった材料を主に含んで構成されている。
　底板２１には、底板２１を貫通する複数のピン２４が設けられている。ピン２４は導電体からなり、ピン２４と底板２１とは互いに絶縁されている。複数のピン２４によって、パッケージ２０の内側と外側との電気的接続が可能となる。底板２１は、光検出素子１０Ａを搭載する搭載面２１ａを有する。一実施例では、搭載面２１ａは平坦である。光検出素子１０Ａと搭載面２１ａとは、例えば銀ペーストなどの接着剤によって互いに接合されている。
　側壁２２は、底板２１の周縁部に立設された筒状の部材であって、光検出素子１０Ａを囲んでいる。側壁２２は、導電性を有し、例えば底板２１と同一の材料からなる。
　天板２３は、側壁２２の上端（底板２１とは反対側の一端）に固定され、光検出素子１０Ａを覆う。底板２１、側壁２２及び天板２３によって、パッケージ２０の内部空間は気密に封止されている。天板２３は、導電性を有する天板部分２３１と、被検出光を通過させる光学窓２３２とを含む。
　部分２３１は、被検出光の光軸ＡＸを中心とする円環状を呈する。部分２３１は、導電性を有し、例えば底板２１と同一の材料からなる。光学窓２３２は、部分２３１の円環の中央の開口部２３ａを塞ぐ板状の部材である。光学窓２３２は、少なくとも被検出光の波長に対して光透過性を有する。
　なお、本実施形態において、光透過性を有するとは、対象波長に対して透明であること、すなわち７０％以上の光透過率を有することをいう。光学窓２３２は、例えばガラス板である。光学窓２３２の周縁部と部分２３１とは、接着剤によって気密に接合されている。
　光検出素子１０Ａは、底板２１の搭載面２１ａ上における、光学窓２３２と対向する位置に配置されている。光検出素子１０Ａは、半導体基板１６と、電極パッド５１及び５２と、光吸収膜３０とを備える。
　半導体基板１６は、平面視において矩形状を呈する。半導体基板１６は、互いに反対を向く主面１６ａと裏面１６ｂとを含んでいる。主面１６ａは本構成における第１面の例であり、裏面１６ｂは本構成における第２面の例である。主面１６ａには、被検出光が入射する。一例では、半導体基板１６はＳｉ基板またはＩｎＰ基板である。半導体基板１６の厚さ（主面１６ａと裏面１６ｂとの距離）は、例えば１μｍ以上１０００μｍ以下である。
　光検出素子１０Ａは、半導体基板１６の主面１６ａ側に形成された光検出領域１１を含んでいる。この光検出領域１１は、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する。光検出領域１１には、光検出装置１Ａの外部に設けられる電源から逆バイアス電圧が印加される。光検出領域１１からの出力電流は、光検出装置１Ａの外部に設けられる信号処理回路によって検出される。
　光検出領域１１は、ｐｎ接合フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードを含む。具体的には、光検出領域１１は、第１導電型（例えばｐ型）の半導体領域１４を有している。なお、図示例では光検出領域１１が単一の半導体領域１４を有しているが、光検出領域１１は一次元状または二次元状に配列された複数の半導体領域１４を有してもよい。半導体領域１４は、半導体基板１６の主面１６ａ側（具体的には、主面１６ａを含む半導体基板１６の内部）に形成されている。半導体領域１４の平面形状は、たとえば四角形などの多角形である。
　また、半導体基板１６は、第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１２と、高濃度の第２導電型（例えばｎ型）の半導体領域１５と、を更に有している。半導体領域１５は、半導体基板１６の主面１６ａ側（具体的には、主面１６ａを含む半導体基板１６の内部）において、半導体領域１４と間隔をあけて並んで形成されている。半導体領域１２は、半導体基板１６において半導体領域１４及び１５を除く領域を占める。
　電極パッド５１及び５２は、ワイヤボンディングのための電極パッドである。電極パッド５１及び５２は、半導体基板１６の主面１６ａ上に設けられた絶縁膜４１の内部に埋め込まれており、互いに主面１６ａに沿う方向に互いに離間して配置されている。光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、電極パッド５１は半導体領域１４毎に設けられる。
　電極パッド５１は、電極パッド５１に関して主面１６ａとは反対側に位置する絶縁膜４１の部分に形成された開口を通じて、絶縁膜４１から露出している。電極パッド５１の露出部分には、ボンディングワイヤ５３の一端が接続されている。ボンディングワイヤ５３の他端は、複数のピン２４のうちの一つに接続されている。
　すなわち、電極パッド５１は、ボンディングワイヤ５３及びピン２４を介して、光検出装置１Ａの外部回路と電気的に接続可能とされている。電極パッド５１は、絶縁膜４１の内部に埋め込まれた導電性の配線及び第１導電型のオーミック電極を介して、半導体領域１４と電気的に接続されている。
　電極パッド５２は、電極パッド５２に関して主面１６ａとは反対側に位置する絶縁膜４１の部分に形成された別の開口を通じて、絶縁膜４１から露出している。電極パッド５２の露出部分には、ボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。ボンディングワイヤ５４の他端は、複数のピン２４のうちの他の一つに接続されている。
　すなわち、電極パッド５２は、ボンディングワイヤ５４及びピン２４を介して、光検出装置１Ａの外部回路と電気的に接続可能とされている。電極パッド５２は、絶縁膜４１の内部に埋め込まれた導電性の配線及び第２導電型のオーミック電極を介して、半導体領域１５と電気的に接続されている。
　電極パッド５１，５２及び配線は金属からなる。電極パッド５１，５２及び配線に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｌＣｕなどの単層膜、或いはＡｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉなどの積層膜が挙げられる。なお、Ａ／Ｂ／Ｃとの表記は、半導体基板１６側から順にＡ層、Ｂ層及びＣ層が積層されていることを意味する。電極パッド５１，５２及び配線の形成方法としては、スパッタ法またはメッキ法を用いることができる。
　第１導電型（例えばｐ型）のオーミック電極の材料としては、半導体基板１６がＳｉ基板である場合には例えばＡｌが用いられ、半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合には例えばＡｕＺｎが用いられる。第２導電型（例えばｎ型）のオーミック電極の材料としては、半導体基板１６がＳｉ基板である場合には例えばＡｌが用いられ、半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合には例えばＡｕＧｅ／Ｎｉが用いられる。オーミック電極の形成方法としては、スパッタ法を用いることができる。
　半導体基板１６がＳｉ基板である場合、ｐ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、ｎ型不純物としては、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体基板１６がＩｎＰ基板である場合、ｐ型不純物としてはＺｎなどが用いられ、ｎ型不純物としてはＳ、Ｓｎなどが用いられる。半導体の導電型であるｎ型とｐ型とは、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法またはイオン注入法を用いることができる。
　絶縁膜４１の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ又はＳｉＯＮといった絶縁性シリコン化合物、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２といった絶縁性金属酸化物、或いは絶縁性樹脂を用いることができる。絶縁膜４１の形成方法としては、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法を用いることができる。絶縁膜４１がＳｉＯ２からなる場合には、熱酸化法を用いてもよい。
　上述の構造の場合、第１導電型の半導体領域１４と第２導電型の半導体領域１２との間に、ｐｎ接合が構成されることで、光検出領域１１としてのフォトダイオードが形成される。光検出領域１１がアバランシェフォトダイオードである場合、光検出領域１１をガイガーモードで動作させる。
　ガイガーモードでは、光検出領域１１のブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）を光検出領域１１のアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには負電位を、カソードには正電位を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。アノードは半導体領域１４及び１５のうちｐ型の領域であり、カソードは半導体領域１４及び１５のうちｎ型の領域である。
　光検出領域１１に被検出光の光子が入射すると、半導体基板１６の内部において光電変換が行われ、光電子が発生する。半導体領域１４のｐｎ接合界面の近傍領域において、アバランシェ増倍が行われ、増幅されたキャリアは電極パッド５１または５２に向けて流れる。すなわち、光検出領域１１に光子が入射すると、光電変換後に電子増倍がなされて、電流信号がいずれかのピン２４から取り出される。
　光吸収膜３０は、半導体基板１６の主面１６ａ上（本実施形態では絶縁膜４１上）に設けられている。光吸収膜３０は、主面１６ａにおける光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光検出領域１１の周囲の領域とは、半導体領域１４の周囲の領域を指す。
　また、光吸収膜３０は、ワイヤボンディングのため、各電極パッド５１，５２の少なくとも一部を露出させる。図示例の光吸収膜３０は、半導体領域１４の中央部を含む領域と、各電極パッド５１，５２における絶縁膜４１からの露出領域とを除く、主面１６ａ上の全面に設けられている。すなわち、光吸収膜３０は、半導体領域１４上に開口３０ａを有し、電極パッド５１上に開口３０ｂを有し、電極パッド５２上に開口３０ｃを有する。
　光吸収膜３０は、光検出領域１１の周囲に向かう被検出光を吸収するために設けられている。光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３を含む多層構造を有する。
　光吸収層３１は、光吸収膜３０の表面を構成する。光吸収層３１の厚さは、数ｎｍから数μｍの範囲内である。共振層３２は、光吸収層３１と半導体基板１６との間、具体的には光吸収層３１と反射層３３との間に設けられている。共振層３２の厚さは、数ｎｍから数百μｍの範囲内である。
　一例では、共振層３２の光学厚さは、被検出光の波長λの４分の１の整数倍である。或いは、共振層３２の光学厚さは、λ／４の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。反射層３３は、共振層３２と半導体基板１６との間に設けられている。反射層３３の厚さは、数十ｎｍから数ｍｍの範囲内である。
　また、被検出光の波長λにおいて、共振層３２の内部の光透過率は、光吸収層３１の内部の光透過率より大きい。言い換えると、共振層３２の消衰係数は、光吸収層３１の消衰係数より小さい。
　光吸収層３１は、例えば金属により構成される。光吸収層３１を構成する金属は、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、Ｔｉ、ＴｉＮ、及びＣｒからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、光吸収層３１はタングステンシリサイドを主に含み、一実施例ではタングステンシリサイドからなる。
　共振層３２は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮといったシリコン化合物を主に含み、一実施例ではＳｉＯ２、ＳｉＮ、又はＳｉＯＮからなる。被検出光の波長λにおいて、共振層３２は光透過性を有してもよい。また、波長λにおいて、反射層３３の表面の光反射率は、共振層３２の表面の光反射率より大きい。なお、本実施形態において、「反射層の表面の光反射率」とは、反射層の共振層側の表面の光反射率をいい、「共振層の表面の光反射率」とは、共振層の光吸収層側の表面の光反射率をいう。
　反射層３３は、金属層である。反射層３３を構成する金属は、Ａｌ、Ａｌ系合金（ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉ等）、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕからなる群から選択される一以上の材料を含んでもよい。一例では、反射層３３はＡｌを主に含み、一実施例ではＡｌからなる。
　光吸収膜３０を形成する際には、例えば、絶縁膜４１上に反射層３３（例えばＡｌＣｕ）をスパッタにより形成し、その上に共振層３２（例えばＳｉＯ２）をＣＶＤにより形成し、その上に光吸収層３１（例えばＷＳｉｘ）をスパッタにより形成するとよい。
　以上に説明した本実施形態の光検出装置１Ａによって得られる作用効果について説明する。光検出装置１Ａでは、光学窓２３２を通過した被検出光が光検出素子１０Ａの光検出領域１１に入射する。そして、光検出領域１１に入射した被検出光の光強度に応じた量の電荷が、光検出領域１１において生成される。
　これにより、被検出光の入射光量を電気的に検出することができる。しかし、光学窓２３２を通過した被検出光の一部は、光検出領域１１ではなく光検出領域１１の周囲の領域に向かう。この被検出光の一部は、主面１６ａの光検出領域１１の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜３０に達する。
　光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２、及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収膜３０に入射した光の一部は、光吸収層３１において直ちに吸収される。光吸収層３１に吸収されなかった光は光吸収層３１を透過し、共振層３２に入る。そして、共振層３２に入った光は、光吸収層３１及び共振層３２の界面と、共振層３２及び反射層３３の界面との間で多重反射しつつ、光吸収層３１において徐々に吸収される。
　したがって、この光吸収膜３０によれば、単層からなる光吸収膜（黒色樹脂膜など）と比較して、極めて高い吸収効率を実現できる。故に、本実施形態の光検出装置１Ａによれば、主面１６ａの光検出領域１１の周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ２０の内部空間にて散乱する光を低減し、光検出素子１０Ａの時間分解能の低下を抑制することができる。
　本実施形態のように、光検出素子１０Ａは、光検出領域１１と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッド５１，５２を主面１６ａ上に備えてもよい。そして、光吸収膜３０は、各電極パッド５１，５２の少なくとも一部を露出させてもよい。この場合、電極パッド５１，５２に対するワイヤボンディングを光吸収膜３０が妨げることを防ぐことができる。
　前述したように、共振層３２の光学厚さは、被検出光の波長λの４分の１（すなわちλ／４）の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。この場合、光吸収層３１及び共振層３２の界面にて反射した光の位相と、共振層３２及び反射層３３の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜３０の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。
　前述したように、光検出領域１１は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含んでもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域１１において生成することができる。
　前述したように、光吸収層３１はタングステンシリサイドを主に含み、共振層３２はＳｉＯ２を主に含んでもよい。この場合、吸収効率が高い光吸収膜３０を実現することができる。
　ここで、本実施形態の光吸収膜３０の作用について、詳細に説明する。図２は、光吸収膜３０の断面構造を模式的に示す図である。
　前述したように、光吸収膜３０は、光吸収層３１、共振層３２、及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収膜３０に到達した光Ｌの一部は光吸収層３１の表面において反射し、残部が光吸収層３１の内部に入る。このとき、光吸収層３１のシート抵抗を、光吸収層３１の表面に接する媒質（例えば空気）の空間インピーダンスに一致させておけば、表面反射率はゼロとなり、光吸収層３１の内部に全ての光Ｌが入ることになる。
　光吸収層３１の内部に入った光Ｌは、光吸収層３１の消衰係数に基づいて計算される比率で次第に吸収されるので、光吸収層３１が十分に厚ければ、ほとんどの光Ｌが光吸収層３１に吸収される。しかし、光吸収層３１を厚くすることは、すなわちシート抵抗を小さくすることに繋がり、光吸収層３１の表面反射率が増大することとなる。したがって、本実施形態では、光吸収層３１の厚みを制限し、一部の光Ｌが光吸収層３１を通り抜けることを許容する。
　この通り抜けた光Ｌの一部は、光吸収層３１と共振層３２との界面にて反射し、光吸収層３１へ戻る。以下、この反射光を第一反射光と称する。光吸収層３１が金属からなり、共振層３２が誘電体からなる場合、共振層３２のインピーダンスは光吸収層３１のインピーダンスより大きい（換言すると、共振層３２の屈折率は光吸収層３１の屈折率より小さい）ので、第一反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴わない。
　また、光Ｌの残部は、該界面を通過して共振層３２の内部に入る。共振層３２の内部に入った光Ｌは、ほとんど減衰されることなく共振層３２と反射層３３との界面に達し、該界面において全反射する。以下、この反射光を第二反射光と称する。第二反射光は再び共振層３２内部を進んで光吸収層３１へ向かう。反射層３３のインピーダンスは０Ωに近い（言い換えると、屈折率が無限大に近い）ので、第二反射光は、π（ｒａｄ）の位相ずれを伴う。
　第二反射光が光吸収層３１に到達したときに、第二反射光と第一反射光との位相差がπ（ｒａｄ）であれば、互いに打ち消し合う。その為には、共振層３２の光学厚さ（換言すると、光吸収層３１と反射層３３との光学的間隔）が、光Ｌの波長の１／４に近いほどよい。この点、前述した説明では、共振層３２の光学厚さを、光Ｌの波長の１／４を中心とする±２０％の範囲内としている。
　但し、第一反射光の電界振幅と第二反射光の電界振幅とは全く同じではないので、完全には打ち消し合わず、反射光の一部は光吸収層３１に入射する。光吸収層３１に入射した反射光は、光吸収層３１において吸収される。また、第二反射光の一部は共振層３２の内部に残り、多重反射を繰り返すが、徐々に光吸収層３１に吸収される。こうして、光Ｌのほとんどが光吸収層３１に吸収されることとなる。
　光吸収膜３０の設計例について説明する。本実施形態では、光吸収膜３０の光吸収層３１が空気に接している。光Ｌの波長は１．５５μｍであるものとする。光吸収層３１はＷＳｉからなり、共振層３２はＳｉＯ２からなり、反射層３３はＡｌからなるものとする。
　空気の特性インピーダンスは３７７Ωである。タングステンシリサイド（ＷＳｉ２）の比抵抗は２．４８×１０－４Ω・ｃｍである。したがって、光吸収層３１の好適な厚みｔは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 として算出される。
　また、ＳｉＯ２の比屈折率は１．４８であるから、共振層３２の好適な厚さは、１．５５μｍ／１．４８／４＝２６２ｎｍとして算出される。また、Ａｌの比抵抗は２．６５×１０－６Ω・ｃｍであるから、反射層３３を例えば１μｍといった十分な厚みとすることにより、シート抵抗は０．０２６５Ωとなる。ＳｉＯ２のインピーダンスは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 であるから、共振層３２と反射層３３との界面における反射係数は、０．９９８となる。
　上記の考え方に従えば、被検出光の波長λに応じた光吸収膜３０の設計も容易となる。下記の表１は、被検出光の波長λが４００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍである場合における光吸収膜３０の設計例を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　なお、上記の設計例では、光吸収膜３０の表面に対して垂直な方向（言い換えると、光吸収膜３０の厚み方向）から光Ｌが入射することを想定しているが、光吸収膜３０の表面に対して傾斜した方向から光Ｌが入射する場合には、上記の設計に光Ｌの入射角を加味するとよい。すなわち、各層３１～３３の屈折率から各層３１～３３内における光の伝搬角度を計算し、各層３１～３３の厚さを、この伝搬角度を考慮した厚さとするとよい。
　（第１変形例）
　図３は、上記実施形態の第１変形例に係る光検出装置１Ｂの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｂは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｂと、光検出素子１０Ｂを気密に収容するパッケージ２０とを備える。被検出光の波長及びパッケージ２０の構成は、第１実施形態と同様である。
　本変形例の光検出素子１０Ｂは、半導体基板１６が半導体領域１５（図１を参照）を有しない点、及び裏面電極５５を有する点において第１実施形態の光検出素子１０Ａと異なる。
　裏面電極５５は、半導体基板１６の裏面１６ｂとオーミック接触を成し、これにより半導体領域１２と電気的に接続されている。図示例では、裏面電極５５は裏面１６ｂ上の全面に設けられている。光検出素子１０Ｂは、裏面電極５５を介して底板２１の搭載面２１ａに接合されている。裏面電極５５は金属膜であり、その構成材料は例えばＡｕである。
　裏面電極５５の周縁部は裏面１６ｂの外側にはみ出しており、該周縁部にはボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。このため、電極パッド５２にはボンディングワイヤ５４は接続されない。また、本変形例の光吸収膜３０は、電極パッド５２のワイヤボンディングのための開口３０ｃを有していない。
　以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｂもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　（第２変形例）
　図４は、上記実施形態の第２変形例に係る光検出装置１Ｃの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｃは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｃと、光検出素子１０Ｃを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。被検出光の波長及びパッケージ２０の構成は、第１実施形態と同様である。
　本変形例の光検出素子１０Ｃは、半導体基板１６が貫通配線５６、貫通配線５７、裏面電極５８、裏面電極５９、バンプ電極６０、バンプ電極６１、及びガラス基板７０を有する点において第１実施形態の光検出素子１０Ａと異なる。光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、貫通配線５６、裏面電極５８、及びバンプ電極６０は、半導体領域１４毎に設けられる。
　裏面電極５８，５９は、絶縁膜４２を挟んで、裏面１６ｂ上に設けられている。貫通配線５６，５７は、半導体基板１６の主面１６ａと裏面１６ｂとの間を貫通して形成されている。すなわち、貫通配線５６，５７は、半導体基板１６を貫通する貫通孔１６ｃ内に配置されている。貫通孔１６ｃの内側面は、半導体基板１６の厚さ方向（すなわち主面１６ａ及び裏面１６ｂに垂直な方向）に延びている。絶縁膜４２は、貫通孔１６ｃ内にも形成されている。貫通配線５６，５７は、絶縁膜４２を挟んで、貫通孔１６ｃの内側面上及び底面上に配置されている。
　貫通配線５６の一端は、電極パッド５１に接続され、電極パッド５１及びオーミック電極を介して光検出領域１１の半導体領域１４と電気的に接続されている。貫通配線５６の他端は、裏面電極５８に接続されている。貫通配線５７の一端は、電極パッド５２に接続され、電極パッド５２及びオーミック電極を介して半導体領域１５と電気的に接続されている。貫通配線５７の他端は、裏面電極５９に接続されている。
　貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９は金属からなる。貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９に用いられる金属としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＡｌＣｕなどの単層膜、或いはＡｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ｃｕ／Ｔｉなどの積層膜が挙げられる。
　搭載基板８１は、底板２１の搭載面２１ａ上に載置されている。搭載基板８１は平坦な主面８１ａを有している。主面８１ａは、半導体基板１６の裏面１６ｂと対向している。搭載基板８１は、主面８１ａ上に配置された電極８２，８３，８４，及び８５を含んでいる。電極８２，８３は、貫通配線５６，５７にそれぞれ対応して配置されている。具体的には、電極８２，８３は、主面８１ａにおける、裏面電極５８，５９にそれぞれ対向する各領域上に形成されている。
　裏面電極５８と電極８２とは、バンプ電極６０により接続されている。これにより、貫通配線５６は、裏面電極５８及びバンプ電極６０を介して、電極８２と電気的に接続される。同様に、裏面電極５９と電極８３とは、バンプ電極６１により接続されている。これにより、貫通配線５７は、裏面電極５９及びバンプ電極６１を介して、電極８３と電気的に接続される。電極８２，８３は、貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９と同様の金属からなる。バンプ電極６０，６１は、例えば半田を主に含む。
　搭載基板８１は、信号処理回路を含んでいる。すなわち、搭載基板８１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を構成している。各電極８２，８３は、搭載基板８１内に形成された配線（図示省略）を介して信号処理回路と電気的に接続されている。信号処理回路には、光検出領域１１からの出力信号が入力され、信号処理回路は、光検出領域１１からの出力信号を処理する。
　信号処理回路は、光検出領域１１からの出力信号をデジタルパルスに変換するＣＭＯＳ回路を含んでいる。また、光検出領域１１が複数の半導体領域１４を有する場合、搭載基板８１は、各半導体領域１４に対応して、時間情報を記録する回路が含まれるように構成されている。時間情報を記録する回路としては、時間デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Convertor）、又は、時間電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Convertor）などが用いられる。これにより、搭載基板８１内での配線距離の差は、時間分解能に影響を与えない。
　信号処理回路からの出力信号は、電極８４，８５から出力される。電極８４にはボンディングワイヤ５３の一端が接続され、電極８５にはボンディングワイヤ５４の一端が接続されている。これにより、信号処理回路からの出力信号は、ボンディングワイヤ５３，５４及びピン２４を通じて光検出装置１Ｃの外部へ出力される。
　半導体基板１６の裏面１６ｂ上には、貫通配線５６，５７及び裏面電極５８，５９を覆う絶縁保護膜４３が設けられている。絶縁保護膜４３は、バンプ電極６０に対応する位置に形成された開口と、バンプ電極６１に対応する位置に形成された開口とを有する。
　搭載基板８１の主面８１ａ上には、電極８２～８５を埋め込む絶縁膜４４が設けられている。絶縁膜４４は、バンプ電極６０に対応する電極８２上の位置に形成された開口と、バンプ電極６１に対応する電極８３上の位置に形成された開口と、電極８４上に形成されたボンディングワイヤ５３のための開口と、電極８５上に形成されたボンディングワイヤ５４のための開口と、を有する。
　絶縁保護膜４３及び絶縁膜４４は、例えば、ポリイミド系、フェノール系、エポキシ系等の樹脂絶縁膜、ＳｉＯ２／樹脂絶縁膜、ＳｉＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯＮ／樹脂絶縁膜、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、又はＳｉＯＮ膜からなる。絶縁保護膜４３及び絶縁膜４４の形成方法としては、樹脂絶縁膜の場合にはスピンコート法を用いることができ、ＳｉＯ２膜の場合にはＣＶＤ法を用いることができる。
　ガラス基板７０は、被検出光の波長に対して光透過性を有する。ガラス基板７０は、光吸収膜３０上に配置されている。ガラス基板７０は、互いに反対を向く主面７０ａと裏面７０ｂとを有している。裏面７０ｂは、半導体基板１６の主面１６ａと対向している。主面７０ａ及び裏面７０ｂは平坦である。ガラス基板７０と、光吸収膜３０及び開口３０ａ内の絶縁膜４１とは、光学接着剤７１により接着され、且つ光学的に接続されている。光学接着剤７１は、光吸収膜３０の開口３０ａを埋め込んでいる。
　本変形例では、光検出素子１０Ｃが、裏面１６ｂ上のバンプ電極６０，６１を介して搭載基板８１と電気的に接続される。したがって、光吸収膜３０の開口３０ｂ及び３０ｃ（図１を参照）は、本変形例では不要である。
　以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｃもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。但し、本変形例では、光吸収層３１に接する媒質は空気ではなく光学接着剤７１である。下記の表２は、被検出光の波長λが４００ｎｍ、８００ｎｍ、及び１０００ｎｍである場合の光学接着剤７１の屈折率及び光吸収膜３０の設計例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　（第３変形例）
　図５は、上記実施形態の第３変形例に係る光検出装置１Ｄの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｄは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｄと、光検出素子１０Ｄを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。
　本変形例は、光検出装置１Ｄにおいて光吸収膜３０がガラス基板７０の主面７０ａ上に設けられている点で第２変形例と相違する。すなわち、ガラス基板７０の裏面７０ｂは光学接着剤７１を介して絶縁膜４１に接着されており、光吸収膜３０の反射層３３、共振層３２、及び光吸収層３１は、この順で主面７０ａ上に成膜されている。以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｄもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　（第４変形例）
　図６は、上記実施形態の第４変形例に係る光検出装置１Ｅの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｅは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｅと、光検出素子１０Ｅを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。本変形例は、光検出素子１０Ｅに対して半導体基板１６の裏面１６ｂ側から被検出光が入射する点、及び搭載基板８１を備える点において第１実施形態と異なる。
　光検出素子１０Ｅは、第１実施形態の光検出素子１０Ａと同様に、半導体基板１６、絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２を有する。絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２は、半導体基板１６の主面１６ａ上に設けられている。半導体基板１６は、半導体領域１２，１４及び１５を含む。半導体基板１６、絶縁膜４１、及び電極パッド５１，５２の構成は、第１実施形態と同様である。
　搭載基板８１の構成は、第２変形例と同様である。但し、搭載基板８１の電極８２，８３は、電極パッド５１，５２にそれぞれ対応して配置されている。具体的には、電極８２，８３は、主面８１ａにおける、電極パッド５１，５２にそれぞれ対向する各領域上に形成されている。
　電極パッド５１と電極８２とは、バンプ電極６２により接続されている。これにより、半導体領域１４は、電極パッド５１及びバンプ電極６２を介して、電極８２と電気的に接続される。同様に、電極パッド５２と電極８３とは、バンプ電極６３により接続されている。これにより、半導体領域１５は、電極パッド５２及びバンプ電極６３を介して、電極８３と電気的に接続される。電極８２，８３は、電極パッド５１，５２と同様の金属からなる。バンプ電極６２，６３は、例えば半田を主に含む。
　本変形例の光吸収膜３０は、半導体基板１６の裏面１６ｂ上に設けられている。光吸収膜３０は、裏面１６ｂに対して、光検出領域１１を被検出光の入射方向とは反対の方向（すなわち光学窓２３２に向かう方向）に投影した領域１６ｄの周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられている。図示例の光吸収膜３０は、領域１６ｄの中央部を含む領域を除く、裏面１６ｂ上の全面に設けられている。すなわち、光吸収膜３０は、領域１６ｄ上に開口３０ａを有する。半導体基板１６は、開口３０ａにおいて光吸収膜３０から露出している。
　光吸収膜３０は、領域１６ｄの周囲に向かう被検出光を吸収するために設けられている。光吸収膜３０は、第１実施形態と同様に、光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３を含む多層構造を有する。光吸収層３１、共振層３２及び反射層３３の詳細な構成は、第１実施形態と同様である。
　以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｅもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、この光検出装置１Ｅによれば、主面１６ａの光検出領域１１を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域１６ｄの周囲の領域における被検出光の反射を効果的に低減できるので、パッケージ２０の内部空間にて散乱する光を低減し、光検出素子１０Ｅの時間分解能の低下を抑制することができる。
　（第５変形例）
　図７は、上記実施形態の第５変形例に係る光検出装置１Ｆの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｆは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｆと、光検出素子１０Ｆを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。本変形例は、光検出素子１０Ｆがガラス基板７０を備える点において第４変形例と異なる。
　ガラス基板７０の構成は、前述した第２変形例（図４を参照）と同様である。すなわち、ガラス基板７０は、被検出光の波長に対して光透過性を有する。ガラス基板７０は、光吸収膜３０上に配置されている。ガラス基板７０は、互いに反対を向く主面７０ａと裏面７０ｂとを有する。裏面７０ｂは、半導体基板１６の裏面１６ｂと対向している。主面７０ａ及び裏面７０ｂは平坦である。ガラス基板７０と、光吸収膜３０及び開口３０ａ内の半導体基板１６とは、光学接着剤７１により接着され、且つ光学的に接続されている。光学接着剤７１は、光吸収膜３０の開口３０ａを埋め込んでいる。
　以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｆもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　（第６変形例）
　図８は、上記実施形態の第６変形例に係る光検出装置１Ｇの断面図であって、被検出光の光軸ＡＸを含む断面を示している。光検出装置１Ｇは、被検出光の強度を検出する光検出素子１０Ｇと、光検出素子１０Ｇを気密に収容するパッケージ２０と、搭載基板８１とを備える。
　本変形例は、光検出装置１Ｇにおいて光吸収膜３０がガラス基板７０の主面７０ａ上に設けられている点で第５変形例と相違する。すなわち、ガラス基板７０の裏面７０ｂは光学接着剤７１を介して半導体基板１６の裏面１６ｂに接着されており、光吸収膜３０の反射層３３、共振層３２、及び光吸収層３１は、この順で主面７０ａ上に成膜されている。以上の構成を備える本変形例の光検出装置１Ｇもまた、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　光検出装置は、上記実施形態及び構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光検出領域１１はフォトダイオードに限られず、例えば電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）を含んでもよい。その場合であっても、時間分解能の低下を抑制する効果を奏することができる。
　上記実施形態による第１の光検出装置は、半導体光検出素子と、パッケージとを備える。パッケージは、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容する。半導体光検出素子は、半導体基板と、光吸収膜とを備える。半導体基板は、被検出光が入射する第１面、及び第１面とは反対を向く第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面側に有する。光吸収膜は、第１面における光検出領域の周囲の領域のうち、少なくとも一部の領域上に設けられている。光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。
　上記の光検出装置において、半導体光検出素子は、光検出領域と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッドを第１面上に更に備え、光吸収膜は、電極パッドの少なくとも一部を露出させてもよい。この場合、電極パッドに対するワイヤボンディングを光吸収膜が妨げることを防ぐことができる。
　上記実施形態による第２の光検出装置は、半導体光検出素子と、パッケージとを備える。パッケージは、被検出光を通過させる光学窓を有し、半導体光検出素子を収容する。半導体光検出素子は、半導体基板と、光吸収膜とを備える。半導体基板は、第１面、及び第１面とは反対を向き被検出光が入射する第２面を有し、被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を第１面に有する。光吸収膜は、第２面において光検出領域を被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域の周囲の領域のうち、少なくとも一部の上に設けられている。光吸収膜は、光吸収層と、光吸収層と半導体基板との間に設けられた共振層と、共振層と半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有する。被検出光の波長において、共振層の内部の光透過率は光吸収層の内部の光透過率より大きく、反射層の表面の光反射率は共振層の表面の光反射率より大きい。
　上記の第１または第２の光検出装置において、共振層の光学厚さは、被検出光の波長の４分の１の整数倍を中心とする±２０％の範囲内であってもよい。この場合、光吸収層及び共振層の界面にて反射した光の位相と、共振層及び反射層の界面にて反射した光の位相とが互いにπ（ｒａｄ）近くずれるので、互いに打ち消し合う。したがって、光吸収膜の吸収効率（消衰効率）を更に高めることができる。
　上記の第１または第２の光検出装置において、光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含んでもよい。例えばこのような場合に、被検出光の光強度に応じた量の電荷を光検出領域において生成することができる。
　上記の第１または第２の光検出装置において、光吸収層は、タングステンシリサイドを主に含み、共振層は、ＳｉＯ２を主に含んでもよい。この場合、吸収効率が高い光吸収膜を実現することができる。
　本発明は、パッケージ内を散乱する光を低減できる光検出装置として利用可能である。
　１Ａ～１Ｇ…光検出装置、１０Ａ～１０Ｇ…光検出素子、１１…光検出領域、１２，１４，１５…半導体領域、１６ａ…主面、１６ｂ…裏面、１６ｃ…貫通孔、１６ｄ…領域、２０…パッケージ、２１…底板、２１ａ…搭載面、２２…側壁、２３…天板、２３ａ…開口部、２４…ピン、３０…光吸収膜、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…開口、３１…光吸収層、３２…共振層、３３…反射層、４１，４２，４４…絶縁膜、４３…絶縁保護膜、５１，５２…電極パッド、５３，５４…ボンディングワイヤ、５５…裏面電極、５６，５７…貫通配線、５８，５９…裏面電極、６０～６３…バンプ電極、７０…ガラス基板、７０ａ…主面、７０ｂ…裏面、７１…光学接着剤、８１…搭載基板、８１ａ…主面、８２～８５…電極、２３１…部分、２３２…光学窓、１６…半導体基板、ＡＸ…光軸、Ｌ…光。

Claims (6)

  1. 　被検出光が入射する第１面、及び前記第１面とは反対を向く第２面を有し、前記被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を前記第１面側に有する半導体基板と、前記第１面における前記光検出領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、
    　前記被検出光を通過させる光学窓を有し、前記半導体光検出素子を収容するパッケージと、
    を備え、
    　前記光吸収膜は、光吸収層と、前記光吸収層と前記半導体基板との間に設けられた共振層と、前記共振層と前記半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有し、
    　前記被検出光の波長において、前記共振層の内部の光透過率は前記光吸収層の内部の光透過率より大きく、前記反射層の表面の光反射率は前記共振層の表面の光反射率より大きい、光検出装置。
  2. 　前記半導体光検出素子は、前記光検出領域と電気的に接続された、ワイヤボンディングのための電極パッドを前記第１面上に更に備え、
    　前記光吸収膜は、前記電極パッドの少なくとも一部を露出させる、請求項１に記載の光検出装置。
  3. 　第１面、及び前記第１面とは反対を向き被検出光が入射する第２面を有し、前記被検出光の光強度に応じた量の電荷を生成する光検出領域を前記第１面に有する半導体基板と、前記第２面において前記光検出領域を前記被検出光の入射方向とは反対の方向に投影した領域の周囲の領域のうち少なくとも一部の領域上に設けられた光吸収膜と、を備える半導体光検出素子と、
    　前記被検出光を通過させる光学窓を有し、前記半導体光検出素子を収容するパッケージと、
    を備え、
    　前記光吸収膜は、光吸収層と、前記光吸収層と前記半導体基板との間に設けられた共振層と、前記共振層と前記半導体基板との間に設けられた金属層である反射層と、を含む多層構造を有し、
    　前記被検出光の波長において、前記共振層の内部の光透過率は前記光吸収層の内部の光透過率より大きく、前記反射層の表面の光反射率は前記共振層の表面の光反射率より大きい、光検出装置。
  4. 　前記共振層の光学厚さは、前記被検出光の波長の４分の１の整数倍を中心とする±２０％の範囲内である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光検出装置。
  5. 　前記光検出領域は、アバランシェフォトダイオードまたはｐｎ接合型フォトダイオードを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置。
  6. 　前記光吸収層は、タングステンシリサイドを主に含み、前記共振層は、ＳｉＯ２を主に含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の光検出装置。
PCT/JP2021/025646 2020-08-26 2021-07-07 光検出装置 WO2022044556A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/017,866 US20230327039A1 (en) 2020-08-26 2021-07-07 Light detection device
CN202180051938.4A CN116113806A (zh) 2020-08-26 2021-07-07 光检测装置
KR1020237003444A KR20230056659A (ko) 2020-08-26 2021-07-07 광 검출 장치
EP21860986.5A EP4170300A4 (en) 2020-08-26 2021-07-07 LIGHT DETECTION DEVICE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020142572A JP2022038202A (ja) 2020-08-26 2020-08-26 光検出装置
JP2020-142572 2020-08-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022044556A1 true WO2022044556A1 (ja) 2022-03-03

Family

ID=80353197

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/025646 WO2022044556A1 (ja) 2020-08-26 2021-07-07 光検出装置

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230327039A1 (ja)
EP (1) EP4170300A4 (ja)
JP (1) JP2022038202A (ja)
KR (1) KR20230056659A (ja)
CN (1) CN116113806A (ja)
TW (1) TW202213749A (ja)
WO (1) WO2022044556A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5624969A (en) * 1979-08-09 1981-03-10 Canon Inc Semiconductor integrated circuit element
US4282290A (en) * 1980-01-23 1981-08-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force High absorption coating
JP2011253987A (ja) * 2010-06-03 2011-12-15 Mitsubishi Electric Corp 半導体受光素子及び光モジュール
US20130099100A1 (en) 2010-03-24 2013-04-25 Sensl Technologies Ltd. Silicon photomultiplier and readout method
US20170153045A1 (en) * 2015-11-27 2017-06-01 Metal Industries Research & Development Centre Solar absorption structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5624969A (en) * 1979-08-09 1981-03-10 Canon Inc Semiconductor integrated circuit element
US4282290A (en) * 1980-01-23 1981-08-04 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force High absorption coating
US20130099100A1 (en) 2010-03-24 2013-04-25 Sensl Technologies Ltd. Silicon photomultiplier and readout method
JP2011253987A (ja) * 2010-06-03 2011-12-15 Mitsubishi Electric Corp 半導体受光素子及び光モジュール
US20170153045A1 (en) * 2015-11-27 2017-06-01 Metal Industries Research & Development Centre Solar absorption structure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4170300A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP4170300A1 (en) 2023-04-26
KR20230056659A (ko) 2023-04-27
US20230327039A1 (en) 2023-10-12
EP4170300A4 (en) 2024-07-10
TW202213749A (zh) 2022-04-01
JP2022038202A (ja) 2022-03-10
CN116113806A (zh) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6693337B2 (en) Semiconductor photodetection device
JP7178819B2 (ja) 半導体光検出装置
JP6282368B2 (ja) 光検出装置
WO2013058003A1 (ja) 光検出装置
JP5948007B2 (ja) 分光センサー及び分光フィルター
JP4693827B2 (ja) 半導体装置とその製造方法
JP2004235610A (ja) 半導体レーザ装置およびその製造方法
WO2020121851A1 (ja) 光検出装置
JP7454917B2 (ja) 光検出装置
JP5297907B2 (ja) 光検出装置
WO2022044556A1 (ja) 光検出装置
CN101958356A (zh) 光电探测器元件
WO2021246146A1 (ja) 半導体光検出素子
US11996425B2 (en) Photosensitive element and optoelectronic component
JP6140868B2 (ja) 半導体光検出素子
JP2011174763A (ja) 赤外線検出器
EP3817071B1 (en) Optical sensor and thin film photodiode
JPS6195580A (ja) 受光素子およびこの受光素子を内臓した光電子装置
CN108573987B (zh) 光检测器及放射线检测器
WO2024057435A1 (ja) 裏面入射型半導体受光素子
JP6186038B2 (ja) 半導体光検出素子
JP2012194438A (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター
CN221057435U (zh) 光电探测器芯片、接近传感器及电子设备
JP2968440B2 (ja) 半導体受光素子
JP5928557B2 (ja) 分光センサー及び角度制限フィルター

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21860986

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021860986

Country of ref document: EP

Effective date: 20230119

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE