JP6825874B2

JP6825874B2 - 側面型光半導体装置

Info

Publication number: JP6825874B2
Application number: JP2016205787A
Authority: JP
Inventors: 弘治齊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: US10032970B2; JP2018067648A; US20180114885A1

Description

本発明は、側面型光半導体装置に関する。

側面型発光装置や側面型受光装置は、携帯電話、ＰＤＡ、フォトインタラプタ、照明装置などに用いられている。こうした側面型光半導体装置は、光半導体素子が実装される実装基板にほぼ平行に光が出射または入射され、各種電子機器の小型化、薄型化の要求に伴い普及が進んできている。

特許文献１は、側面型チップ電子部品をマザーボードに実装接続する場合に、取り付け強度や電気的接続が確保され、半田付け時にセルフアラインが働くような構造を持つ電子部品及びその製造方法を提供するとしている。

特許文献２は、細長い光取り出し面から放出光を効率よく出射可能な側面型発光装置及びその製造方法を提供するとしている。

特許文献３は、電子素子を適切に保護しつつ、全体の大きさをより自由に設定可能な電子装置を提供するとしている。電子素子が配置される基板に単結晶よりなる例えばシリコン（Ｓｉ）を採用している。

特開２０００−１９６１５３号公報特開２００９−２２４３７６号公報特開２０１６−１５２２６０号公報

本発明は、上記した特許文献に鑑み、小型化及び放射光、入射光を効率よく授受できる側面型光半導体装置を提供するものである。

本発明の態様は、側面型光半導体装置は、厚さ方向において互いに反対側を向く主面および裏面を有し、絶縁材料よりなる基板を備え、
前記基板は前記厚さ方向に凹んだ第１凹部と、前記第１凹部の凹みよりもさらに前記裏面に向かって凹んだ第２凹部とを有する。前記第１凹部と前記第２凹部にまたがって半導体光素子が配置されるも前記半導体光素子と前記第２凹部との間には空洞部が与えられており、前記空洞部が前記半導体光素子の導光路として用いられる。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記絶縁材料は半導体材料である。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）である。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記第１凹部及び前記第２凹部は連係部を介してつながっている。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記連係部には前記半導体光素子から放射または前記半導体光素子に入射される光を前記導光部に導く傾斜部が形成されている。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記第１凹部、前記第２凹部、及び前記連係部は異方性または等方性エッチングで形成される。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記空洞部は透明樹脂で覆われている。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記側面型光半導体装置は、前記半導体光素子に導通する導電層と、前記導電層の少なくとも一部と前記基板との間に介在する絶縁層を備える。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記凹部に充填された部分を有する封止樹脂部を備える。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記導電層は、前記主面に形成された主面導電部を有する。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記主面導電部に接し、且つ前記封止樹脂部を貫通する柱状部を各々が有する複数の端子部を備える。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記柱状部の端面と前記封止樹脂部の端面とは、互いに面一である。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記端子部は前記柱状部に繋がり、且つ前記封止樹脂部から露出するパッド部を有する。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記基板と前記絶縁層の少なくとも一部との間に介在し、前記光半導体素子が発光または受光する光を遮光する遮光層を備える。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記遮光層は、金属と前記基板を構成する半導体との化合物からなる。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記遮光層は、チタン（Ｔｉ）とシリコン（Ｓｉ）との化合物からなる。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記遮光層は、金属からなる。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記遮光層は、チタン（Ｔｉ）からなる。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記遮光層は前記凹部に形成された凹部内面遮光部を有する。

本発明の一態様の側面型光半導体装置は、前記基板の前記裏面を覆う裏面コート層を備える。

本発明によれば、前記半導体光素子は、前記基板の前記凹部に内蔵されている。このため、前記半導体光素子を適切に保護しつつ、前記側面型光半導体装置全体の大きさを小型化することができる。また、前記半導体光素子を内蔵する前記基板に導光部を設けることにより、外部からの光のうち検出すべきものを前記半導体光素子へと確実に到達させることが可能である。したがって、前記側面型光半導体装置の検出精度の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る側面型光半導体装置を示す要部平面図である。図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。本発明の第２実施形態に係る側面型光半導体装置を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る側面型光半導体装置を示す断面図である。本発明の第４実施形態に係る側面型光半導体装置を示す断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る側面型光半導装置Ａ１を示す要部平面図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図３は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。なお、図１において、基板１の厚さ方向視は、本発明で言う平面視に相当する。以下図１、図２、図３を参照して本発明の好ましい一実施形態を説明する。

基板１は、例えば半導体材料よりなる。本実施形態において、基板１はシリコン（Ｓｉ）単結晶からなる。基板１の材質はシリコン（Ｓｉ）に限定されず、たとえば炭化シリコン（ＳｉＣ）であってもよい。基板１の厚さは、たとえば３００〜２０００μｍである。基板１には、例えば半導体受光素子７が配置されている。なお、実装の基板として用いる基板１は、半導体受光素子７が搭載される半導体基板と同じ材料である半導体基板が好適である。なぜならば、同じ半導体装置、半導体製造プロセスが利用できること、また、土台となる実装基板と被実装基板すなわち半導体受光素子７が形成される半導体基板の熱膨張係数が同じとなるので熱的応力、機械的応力の面で有利になるからである。もちろん、基板１としては例えばポリイミドからなるフィルム状の配線基板やフレキシブルな配線板などの絶縁材料であってもよい。

基板１は、図２に示すように主面１１１と、裏面１１２と、を有する。

主面１１１は、厚さ方向Ｙｄの一方ｙｄ１の方向に配置される。主面１１１は平坦である。主面１１１は厚さ方向Ｙｄに直交する。主面１１１の結晶方位は、（１００）面、あるいは（１１０）面である。本実施形態では、主面１１１は、（１００）面を用いている。

裏面１１２は、厚さ方向Ｙｄの他方ｙｄ２の方向に配置される。すなわち、裏面１１２および主面１１１は厚さ方向Ｙｄにおいて互いに反対側に配置される。裏面１１２は平坦である。裏面１１２は厚さ方向Ｙｄに直交する。

基板１には、第１凹部１４及び第２凹部２４が形成されている。これらの各凹部は良く知られた異方性エッチングまたは等方性エッチングで形成されている。

第１凹部１４は、主面１１１から凹んでいる。半導体受光素子７は、第１凹部１４から第２凹部２４にまたがって配置されている。第１凹部１４の深さは、たとえば、１００〜１８００μｍである。第１凹部１４は、厚さ方向視において矩形状である。第１凹部１４の形状は、主面１１１の結晶方位とエッチング方式でほぼ決定される。

第２凹部２４の一端は、第１凹部１４に繋がりその他端は側面型光半導体装置Ａ１の端部Ａ１Ｔまで延設されている。これによって、側面型光半導体装置Ａ１の側部に第１凹部１４に繋がる導光路１８を形成する。端部Ａ１Ｔから入射された光ＬＬは、導光路１８を介して半導体受光素子７の受光部７２に伝達される。なお、半導体受光素子７の代わりに半導体発光素子が設置された場合には、光ＬＬは導光路１８、端部Ａ１Ｔを介して、図示しない他の受光部まで伝達される。

第２凹部２４の第２凹部底面２４２は、基板１の厚さ方向Ｙｄにおいて主面１１１と同じ側を向く。第２凹部底面２４２は、厚さ方向視において矩形状である。第２凹部底面２４２は、厚さ方向に直交する面である。

第２凹部第１側面（連係部）２４１は、第２凹部底面２４２から起立する。第２凹部第１側面（連係部）２４１は、第２凹部底面２４２につながっている。第２凹部第１側面（連係部）２４１は、厚さ方向に対し傾斜している。厚さ方向に直交する平面に対する第２凹部第１側面（連係部）２４１の角度は、ほぼ５５度である。これは、主面１１１として（１００）面を採用したことに由来している。第２凹部第１側面（連係部）２４１は、３つの平坦面を有している。第２凹部第１側面（連係部）２４１は、第１凹部１４と第２凹部２４とをつなぐ連係部の役割を担う。

第１凹部１４の第１凹部底面１４３は、全体として厚さ方向視矩形状であり、平坦面である。底面１４３は厚さ方向Ｙｄにおいて主面１１１と同じ側を向き、第２凹部第１側面（連係部）２４１につながっている。

第１凹部第２側面１４４は、両凹部の連係部となる第２凹部第１側面２４１の反対側に存在し、第１凹部底面１４３から起立する。第１凹部第２側面１４４は、主面１１１につながっている。第１凹部第２側面１４４は、厚さ方向Ｙｄに対し傾斜している。厚さ方向Ｙｄに直交する平面に対する第１凹部第２側面１４４の角度は、ほぼ５５度である。これは、主面１１１の結晶として（１００）面を採用したことに由来している。

裏面１１２は、未処理もしくは裏面コート層１９が形成されている。裏面コート層１９は、裏面１１２のすべてを覆っている。裏面コート層１９は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる。

遮光層４は、基板１の主面１１１と絶縁層２の少なくとも一部との間に介在しており、半導体受光素子７が受光する光を遮光する。遮光層４は、基板１に直接形成されている。遮光層４は、金属と基板１と構成する半導体との化合物からなり、より具体的には、チタン（Ｔｉ）とシリコン（Ｓｉ）との化合物からなる。なお、遮光層４は、チタン（Ｔｉ）等の金属からなる層であってもよい。ただし、遮光層４は設けなくても良い。

遮光層４は、凹部内面遮光部４１および主面遮光部４２を有する。凹部内面遮光部４１は、遮光層４のうち基板１の第１凹部１４内に形成された部分である。主面遮光部４２は、遮光層４のうち主面１１１に形成された部分である。

絶縁層２は、導電層３と基板１との間に介在している。絶縁層２の厚さは、たとえば０．１〜１．０μｍ程度である。絶縁層２は、たとえば、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）あるいは窒化シリコン（ＳｉＮ）よりなる。

絶縁層２は、凹部内面絶縁部２１および主面絶縁部２２を有する。

凹部内面絶縁部２１は、基板１の第１凹部１４に形成されている。本実施形態では、第１凹部中間面１４３および第１凹部第２側面１４４のすべてに形成されている。たとえばＣＶＤやスパッタリングによって形成されている。たとえば、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる。

主面絶縁部２２は、基板１の主面１１１に形成されている。主面絶縁部２２は、たとえばＣＶＤやスパッタリングによって形成されている。主面絶縁部２２は、たとえば、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる。本実施形態においては、主面絶縁部２２は、主面１１１のすべてを覆っている。

導電層３は、半導体受光素子７に導通する。導電層３は、半導体受光素子７に入出力する電流経路を構成するためのものである。

導電層３は、シード層３１およびメッキ層３２を含む。

シード層３１は、所望のメッキ層３２を形成するためのいわゆる下地層である。シード層３１は、絶縁層２とメッキ層３２との間に介在している。シード層３１は、たとえば銅（Ｃｕ）よりなる。シード層３１は、たとえばスパッタリングによって形成される。シード層３１の厚さは、たとえば、１μｍ以下である。

メッキ層３２は、シード層３１を利用した電解めっきによって形成される。メッキ層３２は、たとえば銅（Ｃｕ）あるいはチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などが積層された層よりなる。メッキ層３２の厚さは、たとえば３〜１０μｍ程度である。メッキ層３２の厚さは、シード層３１の厚さよりも厚い。

導電層３は、凹部内面導電部３５および主面導電部３６を有する。

凹部内面導電部３５は、第１凹部１４（絶縁層２の凹部内面絶縁部２１）に形成された部分であり、第１凹部底面１４３および第１凹部第２側面１４４の適所に形成されている。主面導電部３６は、半導体受光素子７を実装するためのパッドとして機能する部分や、配線として機能する部分等を含む。

主面導電部３６は、主面１１１（絶縁層２の主面絶縁部２２）に形成された部分である。

半導体受光素子７は、第１凹部１４に搭載されている。本実施形態の半導体受光素子７は、本体７１、受光部７２および電極７３を有しており、ワイヤなどを用いることなく実装されるいわゆるフリップチップタイプのフォトトランジスタやフォトダイオードとして構成されている。本体７１は、受光の制御を行う。このような制御としては、たとえばＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）素子などの集積回路素子のほか、半導体受光素子７に入出力される電流を受動的に制御するチップ抵抗、インダクタやキャパシタなどの受動素子が挙げられる

本体７１は、半導体受光素子７の土台となる部材である。受光部７２は、光電変換機能によって電荷に変換すべき光を受光する部分である。受光部７２の正面には、第２凹部第１側面２４１が配置されている。電極７３は、受光部７２に導通する電極である。電極７３は、たとえば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などからなる。電極７３は、導電層３の凹部底面導電部３５の適所に、接合層３３を介して接合されている。接合層３３は、たとえば錫（Ｓｎ）を含む合金からなる。該合金として具体的には、錫（Ｓｎ）―アンチモン（Ｓｂ）系合金、または錫（Ｓｎ）―銀（Ａｇ）系合金などの鉛フリーはんだである。

封止樹脂部６は、第１凹部１４及び第２凹部２４の少なくとも一部を封止している。

封止樹脂部６は、主面１１１を覆う部分を有している。封止樹脂部６の材質としては、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）樹脂、および、シリコーン樹脂が挙げられる。また、透明樹脂であってもよい。

また、光半導体装置Ａ１は、複数の端子部３８を有する。複数の端子部３８は、光半導体装置Ａ１を回路基板等に実装するために用いられる。端子部３８は、柱状部３８１およびパッド部３８２を有している。

柱状部３８１は、導電層３に接しており、封止樹脂部６を厚さ方向に貫通している。柱状部３８１は、たとえば銅（Ｃｕ）からなる。柱状部３８１の図中上方の端面と封止樹脂部６の端面とは、互いに面一である。

パッド部３８２は、柱状部３８１の端面を覆うことにより柱状部３８１に繋がっており、封止樹脂部６から露出している。パッド部３８２は、たとえば互いに積層されたニッケル（Ｎｉ）層、鉛（Ｐｂ）層および金（Ａｕ）層からなる。

次に、光半導体装置Ａ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、半導体受光素子７は、基板１の第１凹部１４及び第２凹部２４に配置されている。このため、半導体受光素子７を適切に保護しつつ、光半導体装置Ａ１全体の大きさを小型化することができる。また、半導体受光素子７を配置する基板１に導光路１８を設けることにより、外部からの光のうち検出すべきものを半導体受光素子７へと確実に到達させることが可能である。したがって、光半導体装置Ａ１の検出精度の向上を図ることができる。

導光路１８は、空洞または透明樹脂で充填されているため、光をより透過させやすい。したがって、光半導体装置Ａ１の検出精度を高めるのに適している。

遮光層４は、第１凹部１４、主面１１１、及び第２凹部２４を覆っている。これにより、外部の意図しない光が半導体受光素子７へと到達してしまうことを回避することができる。これは、光半導体装置Ａ１の検出精度の向上に有利である。ただし、遮光層４は設けなくても良い。

ＴｉとＳｉとの化合物からなる遮光層４は、赤外光をはじめとする光の遮光に適している。これは、光半導体装置Ａ１の検出精度の向上に好適である。

図４は、本発明の第２実施形態に基づく側面型光半導体装置Ａ２を示している。図４に示す側面型光半導体装置Ａ２では、遮光層４がなくなっており、その他の構成は図２に示した側面型光半導体装置Ａ１と同様となっている。

本実施形態では、外部の意図しない光を考慮せずに済む場合において、遮光層４を省略することにより、より低コストで側面型光半導体装置Ａ２を作製することができる。

図５は、本発明の第３実施形態に基づく側面型光半導体装置Ａ３を示している。図５に示す側面型光半導体装置Ａ３では、裏面コート層１９がなくなっており、その他の構成は図２に示した側面型光半導体装置Ａ１と同様となっている。

本実施形態では、裏面の耐久性を考慮せずに済む場合において、裏面コート層１９を省略することにより、より低コストで側面型光半導体装置Ａ３を作製することができる。

図６は、本発明の第４実施形態に基づく側面型光半導体装置Ａ４を示している。図６に示す側面型光半導体装置Ａ４では、遮光層４と裏面コート層１９がなくなっており、その他の構成は図２に示した側面型光半導体装置Ａ１と同様となっている。

本実施形態では、外部の意図しない光を考慮せずに済む場合でかつ裏面の耐久性を考慮せずに済む場合において、遮光層４と裏面コート層１９を省略することにより、より低コストで側面型光半導体装置Ａ４を作製することができる。

本発明は、受光素子について説明を行ったが、受光素子を発光素子に置き換えても、同様のことが可能であることはいうまでもない。

本発明は、小型化および検出精度の向上が求められる側面型光半導体装置に利用することができる。そのため、本発明は、産業上の利用可能性は高い。

Ａ１〜Ａ４側面型光半導体装置
Ａ１Ｔ端部
ＬＬ光
Ｙｄ厚さ方向
１基板
１１１主面
１１２裏面
１４第１凹部
１４３第１凹部底面
１４４第１凹部第２側面
１８導光路
１９裏面コート層
２絶縁層
２１凹部内面絶縁部
２２主面絶縁部
２４第２凹部
２４１第２凹部第１側面（連係部）
２４２第２凹部底面
３導電層
３１シード層
３２メッキ層
３３接合層
３５凹部内面導電部
３６主面導電部
３８端子部
３８１柱状部
３８２パッド部
４遮光層
４１凹部内面遮光部
４２主面遮光部
６封止樹脂部
７半導体受光素子
７１本体
７２受光部
７３電極

Claims

厚さ方向において互いに反対側を向く主面および裏面を有し、絶縁材料よりなる基板を備え、
前記基板は前記厚さ方向に凹んだ第１凹部と、前記第１凹部の凹みよりもさらに前記裏面に向かって凹んだ第２凹部とを有し、前記第１凹部と前記第２凹部にまたがって半導体光素子が配置されるも前記半導体光素子と前記第２凹部との間には空洞部が与えられており、前記空洞部が前記半導体光素子の導光路として用いられる側面型光半導体装置であり、
前記側面型光半導体装置は、
前記半導体光素子に導通する導電層と、
前記導電層の少なくとも一部と前記基板との間に介在する絶縁層と、
前記基板と前記絶縁層の少なくとも一部との間に介在し、前記半導体光素子が発光または受光する光を遮光する遮光層と、
を備える、側面型光半導体装置。
前記絶縁材料は半導体材料である請求項１に記載の側面型光半導体装置。
前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン（ＳｉＣ）である請求項２に記載の側面型光半導体装置。
前記第１凹部及び前記第２凹部は連係部を介してつながっている請求項１〜３のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記連係部には前記半導体光素子から放射または前記半導体光素子に入射される光を前記導光路に導く傾斜部が形成されている請求項４に記載の側面型光半導体装置。
前記空洞部は透明樹脂で覆われている請求項１〜５のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記第１凹部及び前記第２凹部の少なくとも一方に充填された部分を有する封止樹脂部を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記導電層は、前記主面に形成された主面導電部を有する、請求項７に記載の側面型光半導体装置。
前記主面導電部に接し、且つ前記封止樹脂部を貫通する柱状部を各々が有する複数の端子部を備える、請求項８に記載の側面型光半導体装置。
前記柱状部の端面と前記封止樹脂部の端面とは、互いに面一である、請求項９に記載の側面型光半導体装置。
前記端子部は、前記柱状部に繋がり、且つ前記封止樹脂部から露出するパッド部を有する、請求項９または１０に記載の側面型光半導体装置。
前記遮光層は、金属と前記基板を構成する半導体との化合物からなる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記遮光層は、チタン（Ｔｉ）とシリコン（Ｓｉ）との化合物からなる、請求項１２に記載の側面型光半導体装置。
前記遮光層は、金属からなる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記遮光層は、チタン（Ｔｉ）からなる、請求項１４に記載の側面型光半導体装置。
前記遮光層は、前記第１凹部に形成された凹部内面遮光部を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。
前記基板の前記裏面を覆う裏面コート層を備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の側面型光半導体装置。