JP4997066B2 - 光検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光検出装置に関する。

光検出装置として、複数の受光素子と、これらの受光素子から出力された電気信号が入力される信号処理素子と、を備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された光検出装置では、信号処理装置は、各受光素子に対向して配置されると共に導電性バンプを介して接続されており、各受光素子と信号処理素子との間の空隙に電気絶縁性を有する樹脂が充填されている。
米国特許第６８２８５４５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載された光検出装置では、迷光が発生し、この迷光が受光素子に入射し、ノイズとして検出されてしまうという問題点を有している。すなわち、特許文献１に記載された光検出装置では、上述した樹脂における受光素子及び信号処理素子から露出する表面から光が入射すると、当該表面で散乱すると共に樹脂を透過して信号処理素子の表面（受光素子に対向する面）で反射し、これらの散乱光及び反射光が迷光となって、受光素子の裏面（信号処理素子に対向する面）又は側面から入射する懼れがある。

そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、迷光が発生して受光素子に入射することを防ぎ、測定光の検出精度を高めることが可能な光検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光検出装置は、入射した光の光量に応じた電気信号をそれぞれ出力する複数の受光素子と、複数の受光素子に対向して配置されていると共に、導電性バンプを介して接続されており、複数の受光素子から出力された電気信号が入力される信号処理素子と、電気絶縁性を有し、少なくとも複数の受光素子と信号処理素子との間の空隙に充填されている樹脂と、樹脂における複数の受光素子及び信号処理素子から露出する表面を覆うように配置された遮光部材と、を備えている。

本発明に係る光検出装置では、遮光部材が、複数の受光素子と信号処理素子との間の空隙に充填された樹脂における受光素子及び信号処理素子から露出する表面を覆うように配置されていることから、樹脂における受光素子及び信号処理素子から露出する表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。これにより、迷光が発生してノイズとして検出されることはなく、光検出装置における測定光の検出精度を高めることができる。

また、複数の受光素子は、互いに所定の間隔を有して配置されており、樹脂は、信号処理素子における受光素子間に対応する領域を覆っており、遮光部材は、樹脂における上記領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されていることが好ましい。この場合、信号処理素子における受光素子間に対応する領域が樹脂に覆われている構成にあっても、樹脂における上記領域を覆っている部分の表面を覆うように遮光部材が配置されているので、樹脂における上記領域を覆っている部分の表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。

また、遮光部材は、複数の受光素子の側面を覆うように配置されていることが好ましい。この場合、受光素子の側面からの迷光を抑制することができる。この結果、光検出装置における測定光の検出精度をより一層高めることができる。

また、信号処理素子は、複数の受光素子が対向する第１の領域と、第１の領域の外周側に位置する第２の領域と、を含み、樹脂は、第２の領域を覆っており、遮光部材は、樹脂における第２の領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されていることが好ましい。この場合、第２の領域が樹脂に覆われている構成にあっても、樹脂における第２の領域を覆っている部分の表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。

また、遮光部材は、遮光性を有するフィラーが含有された樹脂層であることが好ましく、さらには、入射光を吸収することにより遮光することが好ましい。

また、導電性バンプは、はんだからなり、溶融はんだへのディップにより形成されていることが好ましい。

本発明によれば、迷光が発生して受光素子に入射することを防ぎ、測定光の検出精度を高めることが可能な光検出装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本実施形態に係る光検出装置の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る光検出装置の断面構成を示す模式図である。光検出装置ＰＤ１は、複数の受光素子１と、信号処理素子１０と、樹脂２０と、遮光部材３０と、を備えている。

各受光素子１は、互いに所定の間隔を有すると共に、信号処理素子１０に対向して配置されている。各受光素子１は、１次元又は２次元に配列されている。受光素子１は、信号処理素子１０に対向する主面１ａ側において、複数のｐｎ接合領域３が配列されており、各ｐｎ接合領域３が受光素子１の光感応領域として機能する。

受光素子１は、いわゆるホトダイオードアレイであり、Ｓｉからなるｎ型（第１導電型）の半導体基板５を有している。ｎ型半導体基板５には主面１ａ側において、複数のｐ型（第２導電型）領域７がアレイ状に配列（１次元又は２次元配列）されている。各ｐ型領域７とｎ型半導体基板５との間で形成されるｐｎ接合領域３により、各ホトダイオードの光感応領域が構成されている。

主面１ａには、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）としての電極８、９が配置されている。電極８は、対応するｐ型領域７に電気的に接続されている。電極９は、ｎ型半導体基板５に電気的に接続されている。各電極８、９は、ｐ型領域７又はｎ型半導体基板５に接続された電極配線（図示せず）上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。

受光素子１は、光が入射すると、光が入射したｐ型領域７において入射した光の光量に応じてキャリアが生成される。生成されたキャリアによる光電流は、ｐ型領域７に接続された電極８から取り出される。これにより、各受光素子１は、入射した光の光量に応じた電気信号をそれぞれ出力することとなる。

受光素子１は、上述した構成のホトダイオードアレイに限られることなく、ｐｎ接合を有する量子型検出素子や、熱型検出素子等であれば、いずれの検出素子を用いてもよい。量子型検出素子としては、Ｓｉホトダイオードアレイのような検出素子の他、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ、又はＩｎＡｓＳｎ等の光起電力型の検出素子、あるいは、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、又はＨｇＣｄＴｅ等の光導電型の検出素子が挙げられる。熱型検出素子としては、サーモパイル、ボロメータ、又はニューマチックセル等が挙げられる。量子型検出素子の構造も、ＭＱＷ（multiple-quantum-well）構造であってもよい。熱型検出素子の構造は、メンブレン構造であってもよい。

信号処理素子１０は、上述したように、各受光素子１に対向して配置されており、信号読み出し回路、信号処理回路、及び信号出力回路（いずれも図示せず）等を有している。本実施形態では、信号処理素子１０は、ＳｉやＧａＡｓ等の半導体結晶からなる基板１１を有しており、各回路は基板１１に形成されている。信号処理素子１０はセラミックスやＰＣＢ等の配線材料からなる配線パターンにより構成してもよい。

基板１１は、各受光素子１が対向する第１の領域１１ａと、各第１の領域１１ａの外周側に位置する第２の領域１１ｂと、を含んでいる。第１の領域１１ａにおける、各受光素子１に対向する面側には、各電極８、９に対応して、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）としての複数の電極１３が配置されている。各電極１３は、信号読み出し回路等に接続された電極配線（図示せず）上に例えばＮｉ、Ａｕを順次メッキすることにより形成される。

対応する電極８、９と電極１３とは、導電性バンプ１５により電気的かつ物理的にそれぞれ接続されている。これにより、各受光素子１と信号処理素子１０とが、電極８、９、１３及び導電性バンプ１５を通して、電気的に接続されることとなる。そして、信号処理素子１０には、受光素子１から出力された電気信号が入力される。

導電性バンプ１５は、はんだからなる。導電性バンプ１５は、以下の過程により形成することができる。まず、各受光素子１の電極８、９を溶融はんだにディップし、電極８、９上にはんだ電極を形成する。そして、各受光素子１を、はんだ電極が対応する信号処理素子１０の電極１３に接触するように、信号処理素子１０に載置した後、加熱してはんだ電極を溶解する。

樹脂２０は、電気絶縁性を有すると共に、各受光素子１と信号処理素子１０との間の空隙に充填されている。樹脂２０は、導電性バンプ１５の機械的強度を確保すると共に、各受光素子１と信号処理素子１０との間の空隙への異物の混入を防ぎ、アンダーフィル材として機能する。本実施形態では、樹脂２０は、第２の領域１１ｂを覆っている。樹脂２０には、例えば。エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、若しくはアクリル系樹脂、又はこれらを複合させたものを用いることができる。

遮光部材３０は、樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面を覆うように配置されている。本実施形態では、遮光部材３０は、第１の領域１１ａにおける受光素子１間に対応する領域を覆っている部分の表面、及び、第２の領域１１ｂを覆っている部分の表面をそれぞれ覆っている。更に、遮光部材３０は、各受光素子１の側面も覆っている。

遮光部材３０は、遮光性を有するフィラー（例えば、カーボン粒子、アルミナ粒子、ＰｂＳ、又はＰｂＳｅ等）が含有された樹脂層である。フィラーとしてＰｂＳ、又はＰｂＳｅ等の所定波長帯域において吸光特性を示す材料を用いた場合、遮光部材３０は、入射光を吸収することにより遮光することとなる。遮光部材３０は、入射光を反射することにより遮光してもよいが、反射光が迷光となる懼れがあることから、入射光が吸収することにより遮光することが好ましい。遮光部材３０は、遮光性を有するフィラーが含有された樹脂を樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面に付与することにより形成できる。

以上のように、本実施形態においては、遮光部材３０が、各受光素子１と信号処理素子１０との間の空隙に充填された樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面を覆うように配置されているため、樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。これにより、迷光が受光素子１に入射し、ノイズとして検出されることはなく、光検出装置ＰＤ１における測定光の検出精度を高めることができる。

遮光部材３０が存在しない場合には、図２に示されるように、樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面から光Ｌが入射すると、当該表面で散乱すると共に樹脂２０を透過して信号処理素子１０における受光素子１に対向する面で反射する。そして、これらの散乱光及び反射光（図中、破線で示す）が迷光となって、受光素子１における信号処理素子１０に対向する主面又は側面から入射する懼れがある。これに対して、本実施形態では、上述したように、これらの迷光が発生することはない。

本実施形態においては、遮光部材３０は、樹脂２０における、第２の領域１１ｂの受光素子１間に対応する領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されている。これにより、第２の領域１１ｂの受光素子１間に対応する領域が樹脂２０に覆われている構成にあっても、樹脂２０における上記領域を覆っている部分の表面を覆うように遮光部材３０が配置されているので、樹脂２０における上記領域を覆っている部分の表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。

本実施形態においては、遮光部材３０は、樹脂２０における、第２の領域１１ｂの基板１１の外縁部に対応する領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されている。これにより、第２の領域１１ｂの基板１１の外縁部に対応する領域が樹脂２０に覆われている構成にあっても、樹脂２０における上記領域を覆っている部分の表面を覆うように遮光部材３０が配置されているので、樹脂２０における上記領域を覆っている部分の表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。

本実施形態においては、遮光部材３０は、各受光素子１の側面を覆うように配置されている。これにより、迷光が受光素子１の側面から入射することが抑制できる。この結果、光検出装置ＰＤ１における測定光の検出精度をより一層高めることができる。特に、本実施形態では、遮光部材３０が、受光素子１の上端（信号処理素子１０に対向する主面１ａに対向する主面の端）まで覆っており、迷光の入射をより一層確実に防ぐことができる。

本実施形態では、導電性バンプ１５（はんだ電極）を溶融はんだへのディップにより形成している（以下、ディップ法と称する）。ディップ法によれば、他の形成方法に比して、導電性バンプ１５を容易かつ低コストにて形成することができるものの、導電性バンプ１５の高さを安定して高くすることが難しくなる。安定した高さ（例えば、アスペクト比が１以上）を有する導電性バンプ１５を形成するためには、電極８、９、１３の間隔（ピッチ）を３０μｍより大きな値に設定する必要がある。ここで「アスペクト比」とは、導電性バンプ１５の高さを、導電性バンプ１５における高さ方向での端部の幅で除した値を示す。上述したディップ法以外の形成方法としては、厚膜レジストや２層レジストにより蒸着、異方性めっき等で形成する方法や、インクジェット方式（例えば特開２００４−１７９２０５号公報参照）、ピラミッド方式（例えば特開２００５−２４３７１４号公報参照）等が挙げられる。

電極８、９、１３について、上記ピッチ、サイズ（面積及び形状）、及び高さ、並びに、導電性バンプ１５の高さ及び形状は、それぞれ単独で決定される事項ではなく、導電性バンプ１５に用いられる材料、その形成方法、受光素子１や信号処理素子１０の大きさ、製造時の反り等に依存して決定される事項である。また、ｐ型領域７の間隔（ピッチ）は、受光素子１からの出力信号の用途に応じて、様々な値を取り得る。

したがって、電極８、９、１３の間隔（ピッチ）が３０μｍ以下の値に設定される場合には、電極８、９、１３の高さ、面積の設計上の自由度が少なくなり、導電性バンプ１５として安定した高いバンプ（アスペクト比が１以上）を得ることが難しくなる。この場合、受光素子１と信号処理素子１０との間隔は極めて小さくなる。このため、受光素子１と信号処理素子１０との間隔には、遮光性を有する上述したようなフィラーを含む樹脂を充填することは困難となってしまう。本実施形態では、樹脂２０は、上述したようなフィラーを含んでいないため、受光素子１と信号処理素子１０との間の空隙への充填を容易に行うことができる。そして、遮光部材３０により、迷光の発生を抑制している。すなわち、本実施形態では、導電性バンプ１５の機械的強度を確保した上で、迷光の発生を抑制している。

次に、図３に基づいて、本実施形態の変形例に係る光検出装置ＰＤ２について説明する。本変形例に係る光検出装置ＰＤ２は、樹脂２０の構成の点で上述した光検出装置ＰＤ１と異なる。図３は、本実施形態の変形例に係る光検出装置の断面構成を示す模式図である。光検出装置ＰＤ２は、光検出装置ＰＤ１と同様に、複数の受光素子１と、信号処理素子１０と、樹脂２０と、遮光部材３０と、を備えている。

本変形例においては、信号処理素子１０における第２の領域１１ｂの受光素子１間に対応する領域が、樹脂２０により覆われていない。遮光部材３０は、受光素子１間において、第２の領域１１ｂの受光素子１間に対応する領域、及び、受光素子１の側面を覆うように配置されている。

以上のように、本変形例においても、本実施形態と同様に、遮光部材３０により、樹脂２０における受光素子１及び信号処理素子１０から露出する表面からの光の入射が抑制され、迷光の発生を防ぐことができる。したがって、迷光が受光素子１に入射し、ノイズとして検出されることはなく、光検出装置ＰＤ２における測定光の検出精度を高めることができる。

ところで、本実施形態及び変形例に係る光検出装置ＰＤ１、ＰＤ２は、例えば、ガス分析の非分散赤外分析計（ＮＤＩＲ）に適用することができる。回折格子など分散型グレーティングを利用したミニ分光器の受光素子には、ホトダイオードアレイやイメージセンサ等の受光素子が用いられている。連続スペクトルを観察するには、１チップからなるホトダイオードアレイやイメージセンサが必要となるが、用途によっては、複数の固定波長が検出できればよい場合もある。例えば、上述した非分散赤外分析計では、必要とするサンプル波長とリファレンス波長は決まっており、画素が連続した長尺の高価なホトダイオードアレイやイメージセンサは不要である。したがって、必要な波長を検出し得る画素数の小さな受光素子を複数配置することで、受光素子にかかる費用を低減することができる。回折格子から出射された連続スペクトル上に複数の受光素子を配置させた時に、受光素子間で反射する光等が迷光として作用し問題となる。しかしながら、本実施形態及び変形例に係る光検出装置ＰＤ１、ＰＤ２では上述したように迷光の発生が抑制されるため、非分散赤外分析計等にも適用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、受光素子１の数及び配列、ｐ型領域７の数及び配列は、図示されたものに限られない。また、受光素子１は、ｐ型半導体基板に光感応領域としてｎ型領域を配列したものであっても良い。

また、遮光部材３０は、必ずしも各受光素子１の側面を覆う必要はない。しかしながら、上述したように迷光が受光素子１の側面から入射することを抑制するためには、遮光部材３０は受光素子１の側面を覆っている必要がある。

本実施形態に係る光検出装置の断面構成を示す模式図である。 迷光が受光素子に入射する状態を説明するための模式図である。 本実施形態の変形例に係る光検出装置の断面構成を示す模式図である。

符号の説明

１…受光素子、１０…信号処理素子、１１ａ…第１の領域、１１ｂ…第２の領域、１５…導電性バンプ、２０…樹脂、３０…遮光部材、ＰＤ１、ＰＤ２…光検出装置。

Claims (3)

1. 入射した光の光量に応じた電気信号をそれぞれ出力する複数の受光素子と、
   前記複数の受光素子に対向して配置されていると共に、導電性バンプを介して接続されており、前記複数の受光素子から出力された電気信号が入力される信号処理素子と、
   電気絶縁性を有し、少なくとも前記複数の受光素子と前記信号処理素子との間の空隙に充填されている樹脂と、
   前記樹脂における前記複数の受光素子及び前記信号処理素子から露出する表面、及び、前記複数の受光素子の側面を覆うように配置された遮光部材と、を備え、
   前記複数の受光素子は、互いに所定の間隔を有して配置されていると共に、前記信号処理素子に対向する主面側に１次元又は２次元配列された複数の光感応領域を有し、
   前記樹脂は、前記信号処理素子における前記受光素子間に対応する領域を覆っており、
   前記遮光部材は、前記樹脂における前記領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されていると共に、遮光性を有するフィラーが含有された樹脂層であり、入射光を吸収することにより遮光することを特徴とする光検出装置。
2. 前記信号処理素子は、前記複数の受光素子が対向する第１の領域と、前記第１の領域の外周側に位置する第２の領域と、を含み、
   前記樹脂は、前記第２の領域を覆っており、
   前記遮光部材は、前記樹脂における前記第２の領域を覆っている部分の表面を覆うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記導電性バンプは、はんだからなり、溶融はんだへのディップにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。

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