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JP7530285B2 - Semiconductor device and design method - Google Patents
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Description

本開示は、フォトダイオードのパッケージング用部品である半導体装置に関する。 This disclosure relates to a semiconductor device that is a packaging component for a photodiode.

[定義]
本明細書では、300GHz以上、おおよそ10THz以下の周波数帯を「テラヘルツ(THz)周波数帯」、もしくは「THz帯」、その周波数帯の電磁波を「THz波」と記載する。
[Definition]
In this specification, the frequency band of 300 GHz or more and approximately 10 THz or less is referred to as the "terahertz (THz) frequency band" or "THz band," and electromagnetic waves in this frequency band are referred to as "THz waves."

近年、THz波ワイヤレス通信の研究開発が進んでいるが、この他にも、THz波イメージングを含む様々な応用が注目されている。これは、THz波はマイクロ波よりも波長が短く、適度な透過性を保ちながら空間分解能が向上すること、指紋スペクトルの観測による化字物質の同定が可能なこと、などといった特徴があることによる。 In recent years, research and development into THz wave wireless communication has progressed, but various other applications, including THz wave imaging, have also attracted attention. This is because THz waves have characteristics such as shorter wavelengths than microwaves, improved spatial resolution while maintaining moderate transparency, and the ability to identify chemical substances by observing their fingerprint spectra.

ここで、THz周波数帯域のスペクトルを観測するには、フォトダイオードを用いたTHz発生デバイス(フォトミキサ)の使用が知られている(例えば、非特許文献1を参照。)。これは、フォトミキサにおけるTHz発生は、2波長からなる光ビート信号の光電気変換を利用するので、広い周波数範囲のTHz波を発生できるからである。一つの導波管帯域の全域をカバーする出力周波数範囲を持つモジュールも、すでに販売されている。もちろん、THz波の出力レベルの高さだけを求めるならば、周波数逓倍器を用いた手法の方が優れているかもしれないが、周波数帯域の広さの面でフォトミキサは不可欠の技術となっている。 Here, the use of a THz generating device (photomixer) using a photodiode is known to observe the spectrum of the THz frequency band (see, for example, Non-Patent Document 1). This is because THz generation in a photomixer utilizes the photoelectric conversion of an optical beat signal consisting of two wavelengths, and therefore it is possible to generate THz waves over a wide frequency range. Modules with an output frequency range that covers the entire range of one waveguide band are already on the market. Of course, if you are only looking for a high output level of THz waves, a method using a frequency multiplier may be superior, but photomixers are an indispensable technology in terms of the wide frequency band.

図13は、フォトミキサモジュール300の構成を説明する図である。フォトミキサモジュール300は、ファイバ入力系51、レンズ光学系52、フォトダイオードチップ13、これへの光導入機構(反射ミラー53とテーブル55)、電気出力系(ワイヤ58a、伝送ライン58b、導波管カプラ58c)、及び金属筐体57を備える。金属筐体57の形状により矩形型導波管59、及びTHz波出力ポート60が形成される。 Figure 13 is a diagram explaining the configuration of the photomixer module 300. The photomixer module 300 includes a fiber input system 51, a lens optical system 52, a photodiode chip 13, a light introduction mechanism thereto (a reflecting mirror 53 and a table 55), an electrical output system (wires 58a, a transmission line 58b, a waveguide coupler 58c), and a metal housing 57. A rectangular waveguide 59 and a THz wave output port 60 are formed by the shape of the metal housing 57.

フォトミキサモジュール300の例では、レンズ光学系52を通過した光ビームは、反射ミラー53を介してフォトダイオードチップ13の受光部に「裏面光入射」の形式で集光される。フォトダイオードチップ13で発生したTHz信号は、チップ13の伝送ラインを伝搬し、チップ13上のワイヤリングパッドを介して、石英基板上の伝送ライン58b、さらに導波管カプラ58cへ伝搬され、矩形型導波管59から電磁波として放射される。この電磁波は、矩形型導波管59を伝搬し、出力ポート60から出力される。 In the example of the photomixer module 300, the light beam that passes through the lens optical system 52 is focused on the light receiving portion of the photodiode chip 13 in the form of "reverse light incidence" via the reflecting mirror 53. The THz signal generated by the photodiode chip 13 propagates through the transmission line of the chip 13, and through the wiring pad on the chip 13, to the transmission line 58b on the quartz substrate, and further to the waveguide coupler 58c, and is emitted as an electromagnetic wave from the rectangular waveguide 59. This electromagnetic wave propagates through the rectangular waveguide 59 and is output from the output port 60.

特開2006-108556号公報JP 2006-108556 A

若月ら、「UTC-PDを用いたテラヘルツフォトミキサモジュールの開発」、NTT技術ジャーナル、2011年12月Wakatsuki et al., "Development of a Terahertz Photomixer Module Using UTC-PD," NTT Technical Journal, December 2011

扱う信号の周波数が高くなるにつれ、次のような問題が顕在化する。THz信号が伝送ライン中の不連続部分に関連して不要な電磁波伝搬モードを発生させ、これがフォトダイオードチップ内の共振状態を形成する。この結果、「主伝送ラインからのTHz出力に周波数リップルが生じてしまう」という問題が発生する。 As the frequency of the signals being handled increases, the following problem becomes apparent: The THz signal generates unwanted electromagnetic wave propagation modes in association with discontinuities in the transmission line, which create a resonant condition within the photodiode chip. This results in the problem of "frequency ripples occurring in the THz output from the main transmission line."

この不要な電磁波伝搬モ-ドの発生の原因の一つは次の通りである。本来、信号の周波数上昇に応じ、フォトダイオードチップ内のパタンサイズや基板厚さを適切にスケールダウンさせる必要がある。しかし、現実はそのようになっていない。例えば、InP中において300GHzのλ/4は約80μmである。しかし、フォトダイオードチップのサイズは通常300~600μm程度であり、基板厚、及び信号とグランドを合わせた場合のパッドサイズはλ/4より大きい。例えば、100μmオーダのフォトダイオードチップの製作で前記問題を解決する可能性もあるが、小型化したゆえにフォトダイオードチップの実装作業が困難になるという新たな課題も生まれる。 One of the causes of the occurrence of this unwanted electromagnetic wave propagation mode is as follows. In principle, the pattern size and substrate thickness within the photodiode chip should be appropriately scaled down in response to an increase in the signal frequency. However, in reality, this is not the case. For example, in InP, λ/4 at 300 GHz is approximately 80 μm. However, the size of a photodiode chip is usually around 300 to 600 μm, and the substrate thickness and the pad size when the signal and ground are combined are larger than λ/4. For example, it may be possible to solve the above problem by producing a photodiode chip on the order of 100 μm, but a new issue arises in that the miniaturization makes it difficult to mount the photodiode chip.

一方、不要な電磁波伝搬モードの発生という現象を抑制するために、フォトダイオードチップの周辺に電波吸収体を配置する、といった手法もある。ただし、この手法は、電波吸収体の配置位置について高い精度が求められ、製造時のばらつきにより常に十分な効果を実現できるとは限らない。 On the other hand, there is a method of placing radio wave absorbers around the photodiode chip to suppress the phenomenon of the generation of unwanted electromagnetic wave propagation modes. However, this method requires high precision in the placement of the radio wave absorbers, and due to variations during manufacturing, it is not always possible to achieve a sufficient effect.

また、不要な電磁波伝搬モードの発生という現象を抑制するために、100GHz程度以下の周波数帯では、電波吸収体の上に半導体増幅器チップを直接搭載する構造が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。この構造をTHz帯のフォトミキサモジュールに応用し、電波吸収体の上に直接フォトダイオードチップを搭載して、不要な電磁波伝搬モードの影響を抑制する可能性はある。 In addition, in order to suppress the phenomenon of the occurrence of unwanted electromagnetic wave propagation modes, a structure is known in which a semiconductor amplifier chip is mounted directly on a radio wave absorber in frequency bands of approximately 100 GHz or less (see, for example, Patent Document 1). It is possible to apply this structure to a THz band photomixer module and mount a photodiode chip directly on the radio wave absorber to suppress the effects of unwanted electromagnetic wave propagation modes.

しかしながら、そのまま300GHz以上で動作するTHz帯フォトダイオード構造に適用することはできない。フォトダイオードの場合、光信号光ビーム入射パスの確保する必要があるからである。 However, this cannot be applied as is to THz-band photodiode structures that operate at 300 GHz or higher, because in the case of photodiodes, it is necessary to ensure an input path for the optical signal light beam.

典型的な裏面光入力タイプのフォトダイオードチップの場合、電波吸収体に、THz電磁波は吸収するが、光は透過する、という材料が求められる。しかし、現在のところ、その材料に対し、どのようなパラメータで電波吸収特性を持たせるのかは確立されていない。
また、仮に、その様な材料が選択されたとしても、チップ裏面と電波吸収体との界面接着層(誘電体層)の厚みばらつきで、干渉縞効果に伴う透過光電力のばらつきが出ることが想定される。現実の実装工程で当該誘電体層の厚さを光波長の十分の1オーダ以下に厳密に管理するのは困難である。
In the case of a typical back-illumination type photodiode chip, the radio wave absorber needs to be a material that absorbs THz electromagnetic waves but transmits light. However, at present, it has not been established what parameters give the material radio wave absorption properties.
Even if such a material were selected, it is expected that the variation in thickness of the interface adhesive layer (dielectric layer) between the back surface of the chip and the radio wave absorber will cause variation in the transmitted light power due to the interference fringe effect. In the actual mounting process, it is difficult to strictly control the thickness of the dielectric layer to within one tenth of the optical wavelength.

つまり、THz帯の電波を発生させるフォトミキサモジュールにおいて出力する電波に周波数リップルが発生する現象を抑えるための電波吸収体には、THz電磁波は吸収するが、光は透過するという材料や電波吸収特性を制御するパラメータを見出す技術手法が確立されていないこと、及びチップ裏面と電波吸収体との界面接着層(誘電体層)の厚みの製造ばらつきによる透過光電力のばらつきを低減することが困難という課題があった。 In other words, there is a problem that there is no established material or technical method for finding parameters to control the radio wave absorption characteristics of radio wave absorbers that absorb THz electromagnetic waves but transmit light, and that it is difficult to reduce the variation in transmitted light power due to manufacturing variations in the thickness of the interfacial adhesive layer (dielectric layer) between the back surface of the chip and the radio wave absorber, in order to suppress the phenomenon of frequency ripples occurring in the radio waves output from photomixer modules that generate radio waves in the THz band.

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、前述した入射する光パワーの電波吸収体の透過にかかわる問題を回避でき、不要な電磁波伝搬モードを低減でき、且つ透過光電力ばらつきを低減できる半導体装置及びその設計方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to solve the above problems by providing a semiconductor device and a method for designing the same that can avoid the problems related to the transmission of incident optical power through a radio wave absorber, reduce unnecessary electromagnetic wave propagation modes, and reduce the variation in transmitted optical power.

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、光が通過する経路を確保し、電波吸収体(抵抗体)の特定のパラメータを調整することで所望の電磁波伝搬モードを低減することとした。 To achieve the above objective, the semiconductor device of the present invention ensures a path for light to pass through and reduces the desired electromagnetic wave propagation mode by adjusting specific parameters of the radio wave absorber (resistor).

具体的には、本発明に係る半導体装置は、フォトダイオードチップ及びテーブル状の抵抗体を備える半導体装置であって、
前記フォトダイオードチップは、受光部及びテラヘルツの電気信号を伝送する伝送線を有し、
前記抵抗体は、前記受光部が前記抵抗体の方向へ向くように前記フォトダイオードチップを搭載する搭載面と、外部からの光を前記受光部へ反射する反射面と、前記電気信号により前記フォトダイオードチップ内に発生する電磁波伝搬モードを低減する電波吸収機能と、を有し、
前記電波吸収機能は、前記電気信号の周波数で定まる、前記抵抗体の素材の電気抵抗率、及び前記抵抗体の前記搭載面と前記搭載面に対峙する裏面との厚みで調整されていることを特徴とする。
Specifically, the semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a photodiode chip and a table-shaped resistor,
the photodiode chip has a light receiving portion and a transmission line for transmitting a terahertz electrical signal;
the resistor has a mounting surface on which the photodiode chip is mounted so that the light receiving portion faces the resistor, a reflecting surface that reflects external light to the light receiving portion, and a radio wave absorbing function that reduces an electromagnetic wave propagation mode generated in the photodiode chip by the electrical signal,
The radio wave absorption function is characterized in that it is adjusted by the electrical resistivity of the material of the resistor, which is determined by the frequency of the electrical signal, and the thickness of the resistor between the mounting surface and the back surface facing the mounting surface.

本半導体装置は、光が抵抗体内部を透過しないような抵抗体の形状としている。本半導体装置は、光が抵抗体内部を透過しないので光パワーの電波吸収体の透過にかかわる問題を回避できる。すなわち、本半導体装置は、チップ裏面と抵抗体との界面接着層(誘電体層)を光が通らないので干渉縞効果に伴う透過光電力のばらつきを低減できる。また、本半導体装置は、抵抗体が所望の電磁波伝搬モードを高効率で吸収できるように特定のパラメータ(抵抗体の厚みと電気抵抗率)が調整されている。 In this semiconductor device, the resistor is shaped so that light does not pass through the resistor. Since light does not pass through the resistor, this semiconductor device can avoid problems related to the transmission of optical power through a radio wave absorber. In other words, since light does not pass through the interfacial adhesive layer (dielectric layer) between the back surface of the chip and the resistor, this semiconductor device can reduce the variation in transmitted optical power associated with the interference fringe effect. In addition, specific parameters (resistor thickness and electrical resistivity) of this semiconductor device are adjusted so that the resistor can absorb the desired electromagnetic wave propagation mode with high efficiency.

ここで、特定のパラメータは、次のように決定する。
本発明に係る設計方法は、
前記電気信号の周波数(動作中心周波数:fc)から前記電磁波伝搬モードの波長を計算すること、
前記抵抗体の厚み(D)を前記電磁波伝搬モードの波長に基づいて決定すること、
前記抵抗体と同じ厚みの素材に前記フォトダイオードチップと同じ素材を前記厚み方向に接続したモデルにおいて、前記抵抗体と同じ素材の導電率を変化させ、前記フォトダイオードチップと同じ素材から前記抵抗体と同じ素材へ電磁波が、前記抵抗体と同じ素材内で共振する共振点をみつけること、
前記共振点が前記電気信号の周波数(動作中心周波数:fc)からずれている場合、前記抵抗体の厚み(D)を調整し、前記共振点を見つけることを再度行うこと、及び
前記共振点での前記抵抗体と同じ素材の導電率を前記抵抗体の導電率に決定すること
を特徴とする。
Here, the specific parameters are determined as follows.
The design method according to the present invention comprises the steps of:
Calculating the wavelength of the electromagnetic wave propagation mode from the frequency (operating center frequency: fc) of the electrical signal;
determining a thickness (D) of the resistor based on the wavelength of the electromagnetic wave propagation mode;
In a model in which a material having the same thickness as the resistor is connected to a material having the same thickness as the resistor in the thickness direction, the conductivity of the material having the same thickness as the resistor is changed, and a resonance point at which an electromagnetic wave resonates within the material having the resistor from the material having the same thickness as the photodiode chip to the material having the resistor is found.
If the resonance point deviates from the frequency (operating center frequency: fc) of the electrical signal, the thickness (D) of the resistor is adjusted and the process of finding the resonance point is repeated; and the conductivity of the same material as the resistor at the resonance point is determined as the conductivity of the resistor.

なお、以下は、前記抵抗体の厚みの決定例である。
前記抵抗体の裏面が空気である場合、前記抵抗体の厚みを、前記電磁波伝搬モードの波長のx/2(xは1以上の整数)とすることができる。
一方、前記抵抗体の裏面が金属(下側金属面)である場合、前記抵抗体の厚みを、前記電磁波伝搬モードの波長のy/4(yは1以上の奇数)とすることができる。
The following is an example of how to determine the thickness of the resistor.
When the rear surface of the resistor is air, the thickness of the resistor can be set to x/2 (x is an integer of 1 or more) of the wavelength of the electromagnetic wave propagation mode.
On the other hand, when the back surface of the resistor is made of metal (lower metal surface), the thickness of the resistor can be set to y/4 (y is an odd number equal to or greater than 1) of the wavelength of the electromagnetic wave propagation mode.

従って、本発明は、入射する光パワーの透過光電力のばらつきを回避でき、不要な電磁波伝搬モードを低減できる半導体装置及びその設計方法を提供することができる。 Therefore, the present invention can provide a semiconductor device and a design method thereof that can avoid variations in the transmitted optical power of the incident optical power and reduce unnecessary electromagnetic wave propagation modes.

前記抵抗体は次の形状であることが例示される。
前記搭載面側から前記抵抗体を見たとき、前記反射面は、前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域の外側にあること、あるいは、前記反射面は、前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域の内側にあることを特徴とする。
The resistor may, for example, have the following shape:
The resistor is characterized in that, when the resistor is viewed from the mounting surface side, the reflecting surface is outside the area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface, or the reflecting surface is inside the area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface.

また、前記半導体装置は、
前記抵抗体の前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域のうち、前記フォトダイオードチップを搭載する部分以外の領域を覆う上側金属面と、
前記抵抗体の前記裏面を覆う下側金属面と、
をさらに備え、
前記抵抗体は、前記上側金属面と前記下側金属面とを接続するスルーホールが形成されていてもよい。
Moreover, the semiconductor device is
an upper metal surface covering an area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface of the resistor other than the portion on which the photodiode chip is mounted;
a lower metal surface covering the back surface of the resistor;
Further equipped with
The resistor may have a through hole formed therein, the through hole connecting the upper metal surface and the lower metal surface.

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。 The above inventions can be combined as much as possible.

本発明は、入射する光パワーの透過光電力のばらつきを回避でき、不要な電磁波伝搬モードを低減できる半導体装置及びその設計方法を提供することができる。 The present invention provides a semiconductor device and a design method thereof that can avoid variations in the transmitted optical power of the incident optical power and reduce unnecessary electromagnetic wave propagation modes.

本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の抵抗体を説明する図である。1A to 1C are diagrams illustrating a resistor of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る設計方法を説明するフローチャートである。1 is a flowchart illustrating a design method according to the present invention. 本発明に係る設計方法を説明するイメージ図である。FIG. 1 is an image diagram illustrating a design method according to the present invention. 本発明に係る設計方法を説明するイメージ図である。FIG. 1 is an image diagram illustrating a design method according to the present invention. 本発明に係る半導体装置のTHz反射をシミュレーションした結果である。1 is a result of simulating THz reflection of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置のTHz反射をシミュレーションした結果である。1 is a result of simulating THz reflection of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置のTHz反射をシミュレーションした結果である。1 is a result of simulating THz reflection of a semiconductor device according to the present invention. フォトミキサモジュールを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a photomixer module. フォトミキサモジュールを説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a photomixer module.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the attached drawings. The embodiment described below is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. Note that components with the same reference numerals in this specification and drawings are considered to be identical to each other.

(実施形態1)
図14は、本発明の実施形態のフォトミキサモジュール301を説明する図である。フォトミキサモジュール301は、フォトダイオードチップ13及びテーブル状の抵抗体11を備える半導体装置101を備える。
(Embodiment 1)
14 is a diagram illustrating a photomixer module 301 according to an embodiment of the present invention. The photomixer module 301 includes a semiconductor device 101 including a photodiode chip 13 and a table-shaped resistor 11.

図1及び図2は、それぞれ半導体装置101を説明する斜視図及び側面図である。半導体装置101は、抵抗体11とフォトダイオードチップ13を備える。
フォトダイオードチップ13は、受光部及びテラヘルツの電気信号を伝送する伝送線を有する。
抵抗体11は、前記受光部が抵抗体11の方向へ向くようにフォトダイオードチップ13を搭載する搭載面14と、外部からの光Lを前記受光部へ反射する反射面12と、前記電気信号によりフォトダイオードチップ13内に発生する電磁波伝搬モードを低減する電波吸収機能と、を有する。
前記電波吸収機能は、前記電気信号の周波数で定まる、抵抗体11の素材の電気抵抗率、及び抵抗体11の搭載面14と、これと対峙する裏面15との厚みDで調整されていることを特徴とする。
1 and 2 are a perspective view and a side view, respectively, illustrating a semiconductor device 101. The semiconductor device 101 includes a resistor 11 and a photodiode chip 13.
The photodiode chip 13 has a light receiving portion and a transmission line for transmitting a terahertz electrical signal.
The resistor 11 has a mounting surface 14 on which the photodiode chip 13 is mounted so that the light receiving portion faces toward the resistor 11, a reflective surface 12 that reflects light L from the outside to the light receiving portion, and a radio wave absorption function that reduces the electromagnetic wave propagation mode generated in the photodiode chip 13 by the electrical signal.
The radio wave absorption function is characterized in that it is adjusted by the electrical resistivity of the material of the resistor 11, which is determined by the frequency of the electrical signal, and the thickness D between the mounting surface 14 of the resistor 11 and the opposing back surface 15.

なお、各図面において、“D”を抵抗体11の厚み、“W”を抵抗体11の幅(裏面15の幅)とする。フォトダイオードチップ13は、流動性の接着材で抵抗体11の搭載面14上に固定される。このとき、安定な接着を確保するために、幅Wとフォトダイオードチップ13のX方向の幅を同程度にすることが望ましい。厚みDについては後述する。 In each drawing, "D" is the thickness of resistor 11, and "W" is the width of resistor 11 (width of back surface 15). Photodiode chip 13 is fixed onto mounting surface 14 of resistor 11 with a fluid adhesive. In order to ensure stable adhesion, it is desirable to make width W approximately the same as the width in the X direction of photodiode chip 13. Thickness D will be described later.

抵抗体11は、電波吸収体として機能する。抵抗体11の材料は、例えばシリコン(Si)である。Siは、機械強度が必要十分であり、熱伝導性がよく、加工が容易であるという特徴を持つ。ここでは、電波吸収体をとしてSiを説明するが、「機械強度、熱伝導性、加工の容易さ」を備えていれば、他の半導体材料(例えば、GsAsやSiCなど)でも構わない。 The resistor 11 functions as a radio wave absorber. The material of the resistor 11 is, for example, silicon (Si). Si has the characteristics of having sufficient mechanical strength, good thermal conductivity, and being easy to process. Here, Si is described as a radio wave absorber, but other semiconductor materials (for example, GsAs, SiC, etc.) can also be used as long as they have "mechanical strength, thermal conductivity, and ease of processing."

本実施形態の抵抗体11は台形の底面を持つ四角柱である。抵抗体11は、図1及び図2に示すように、搭載面14、反射面12、及び裏面15を有する。フォトダイオードチップ13は、受光部が搭載面14で覆われないように位置決めされ、搭載面14に非導電性エポキシ系接着材などで固定される。すなわち、フォトダイオードチップ13の受光部は反射面12の上方(z方向)に位置している。 In this embodiment, the resistor 11 is a rectangular prism with a trapezoidal base. As shown in Figures 1 and 2, the resistor 11 has a mounting surface 14, a reflecting surface 12, and a back surface 15. The photodiode chip 13 is positioned so that the light receiving portion is not covered by the mounting surface 14, and is fixed to the mounting surface 14 with a non-conductive epoxy adhesive or the like. In other words, the light receiving portion of the photodiode chip 13 is located above the reflecting surface 12 (z direction).

光Lは、反射面12で反射され、フォトダイオードチップ13の受光部へ直接入射される。つまり、半導体装置101は「裏面光入射」型である。フォトダイオードチップ13の裏面は、通常の無反射コーティングが施される。反射面12は、金属ではなく誘電体多層膜ミラーが望ましい。 The light L is reflected by the reflecting surface 12 and directly enters the light receiving portion of the photodiode chip 13. In other words, the semiconductor device 101 is a "backside light incidence" type. The back side of the photodiode chip 13 is coated with a normal anti-reflective coating. It is preferable that the reflecting surface 12 is a dielectric multilayer mirror rather than a metal.

反射面12は、次の(1)から(3)の方法で形成できる。
(1)平板のSiウエハの端面を斜めに機械研磨する。
(2)表面をミラー研磨したSiウエハを鉛直から斜め方向にダイシングして切り出す。
(3)化学エッチングで自然に形成される「Si結晶の(111)ファセット面」を利用する。
いずれの方法も最後に反射面12に誘電体多層膜高反射膜を形成する。
The reflecting surface 12 can be formed by the following methods (1) to (3).
(1) The edge of a flat Si wafer is mechanically polished at an angle.
(2) A silicon wafer with a mirror-polished surface is diced in an oblique direction to the vertical to cut out the wafer.
(3) Utilizing the (111) facet of a Si crystal, which is naturally formed by chemical etching.
In either method, a dielectric multilayer highly reflective film is finally formed on the reflecting surface 12 .

ここで、図1及び図2のように、搭載面14側から抵抗体11を見たとき、反射面12は、搭載面14の四隅の頂点を結んだ領域の外側にある。 Here, as shown in Figures 1 and 2, when the resistor 11 is viewed from the mounting surface 14 side, the reflecting surface 12 is outside the area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface 14.

本実施形態の様に、「搭載面14の外周に反射面12を配置」する場合、フォトダイオードチップの受光部の位置が、チップの光入力側(-X側)に寄らざるを得ない。しかしながら、受光部をこの位置に配置する大きな不都合は生じない。これは、図14に示されるように、典型的な導波管に実装されるTHzフォトミキサの配置のように、その出力回路を構成する上で制約にならないからである。 When "the reflecting surface 12 is arranged on the outer periphery of the mounting surface 14" as in this embodiment, the position of the light receiving part of the photodiode chip must be closer to the light input side (-X side) of the chip. However, there is no major inconvenience in arranging the light receiving part in this position. This is because there is no constraint on the configuration of the output circuit, as in the arrangement of a typical THz photomixer implemented in a waveguide, as shown in Figure 14.

つまり、ほぼフォトダイオードチップ13の面に平行して導入される光ビームLは、反射面12で反射し、フォトダイオードチップ13の裏面からしかるべき位置に置かれた受光部に導入される。そして、フォトダイオードチップ13は、電気信号を右側からワイヤ58aへ出力する。 In other words, the light beam L introduced almost parallel to the surface of the photodiode chip 13 is reflected by the reflecting surface 12 and introduced to a light receiving section placed at an appropriate position from the back surface of the photodiode chip 13. The photodiode chip 13 then outputs an electrical signal from the right side to the wire 58a.

[抵抗体11のパラメータの決め方]
抵抗体11は厚さDと導電率σが主要なパラメータである。図7に説明する様に、簡便法で当該パラメータを決定することができる。
当該方法は、半導体装置101の設計方法であって、
前記電気信号の周波数(動作中心周波数:fc)から前記電磁波伝搬モードの波長(λc)を計算すること(ステップS01)、
抵抗体11の厚み(D)の初期値としてλc/2(裏面が空気の場合)又はλc/4(裏面が金属の場合)を設定すること(ステップS02)、
抵抗体11と同じ厚みの素材41にフォトダイオードチップ13と同じ素材43を前記厚み方向に接続したモデルにおいて、素材41の導電率(α)を変化させ、素材43から素材41への電磁波が素材41内で共振する共振点をみつけること(ステップS03)、 前記共振点が前記電気信号の周波数(動作中心周波数:fc)からずれている場合(ステップS04にて“No”)、前記抵抗体の厚み(D)を調整し(ステップS05)、ステップS03の前記共振点を見つけることを再度行うこと、及び
前記共振点が前記電気信号の周波数(動作中心周波数:fc)と略一致している場合(ステップS04にて“Yes”)、前記共振点での素材41の導電率を抵抗体11の導電率に決定し、前記抵抗体の厚み(D)と導電率(α)のセットを決定すること(ステップ06)、
を特徴とする。
[How to determine the parameters of resistor 11]
The main parameters of the resistor 11 are the thickness D and the conductivity σ. As illustrated in FIG. 7, these parameters can be determined by a simple method.
The method is a method for designing a semiconductor device 101,
Calculating the wavelength (λc) of the electromagnetic wave propagation mode from the frequency (operating center frequency: fc) of the electrical signal (step S01);
Setting the initial value of the thickness (D) of the resistor 11 to λc/2 (when the back surface is air) or λc/4 (when the back surface is metal) (step S02);
In a model in which a material 43 identical to the photodiode chip 13 is connected in the thickness direction to a material 41 having the same thickness as the resistor 11, the conductivity (α) of the material 41 is changed to find a resonance point at which the electromagnetic wave from the material 43 to the material 41 resonates within the material 41 (step S03); if the resonance point deviates from the frequency (operating center frequency: fc) of the electrical signal ("No" in step S04), the thickness (D) of the resistor is adjusted (step S05), and the process of finding the resonance point in step S03 is repeated; and if the resonance point substantially coincides with the frequency (operating center frequency: fc) of the electrical signal ("Yes" in step S04), the conductivity of the material 41 at the resonance point is determined to be the conductivity of the resistor 11, and a set of the thickness (D) and conductivity (α) of the resistor is determined (step 06).
It is characterized by:

本実施形態では、フォトダイオードチップ13の素材(例えばInP)から抵抗体11の素材(例えばSi)へ入射されたTHz波の共振点でパラメータを決定する例を説明する。図8及び図9は、抵抗体11(抵抗体と同じ素材41)内でのTHz波の共振(電磁波伝搬モード)の様子を説明する図である。図8は抵抗体11(抵抗体と同じ素材41)の裏面が空気の場合、図9は抵抗体11(抵抗体と同じ素材41)の裏面が金属である場合を説明している。具体的には、図8及び図9は、フォトダイオードの媒質がInPで、抵抗体がSiのとした構造で、THz波の伝搬の様子を模式的に描いたものである。InP側へのTHz反射が小さいほど、抵抗体11での電波吸収電力が大きく、InP中の共振が抑えられる状態になることを意味する。 In this embodiment, an example of determining parameters at the resonance point of the THz wave incident from the material (e.g., InP) of the photodiode chip 13 to the material (e.g., Si) of the resistor 11 will be described. Figures 8 and 9 are diagrams for explaining the state of resonance (electromagnetic wave propagation mode) of the THz wave in the resistor 11 (same material 41 as the resistor). Figure 8 explains the case where the back surface of the resistor 11 (same material 41 as the resistor) is air, and Figure 9 explains the case where the back surface of the resistor 11 (same material 41 as the resistor) is metal. Specifically, Figures 8 and 9 are schematic diagrams showing the state of propagation of the THz wave in a structure in which the medium of the photodiode is InP and the resistor is Si. The smaller the THz reflection to the InP side, the greater the radio wave absorption power in the resistor 11, which means that the resonance in the InP is suppressed.

(ステップS01)
フォトダイオードチップ13で発生する電気信号(フォトミキサモジュール301から出力させるTHz波)の周波数ν(前述の動作中心周波数fc)から抵抗体11内を伝搬するTHz波(電磁波伝搬モード)の波長λ(前述の波長λc)を次式で計算する。
λ=c/νn
ただし、nは抵抗体11の材料の屈折率である。
(Step S01)
The wavelength λ (the aforementioned wavelength λc) of the THz wave (electromagnetic wave propagation mode) propagating within the resistor 11 is calculated from the frequency ν (the aforementioned operating center frequency fc) of the electrical signal (the THz wave output from the photomixer module 301) generated in the photodiode chip 13 using the following equation.
λ=c/ν
Here, n is the refractive index of the material of the resistor 11.

(ステップS02)
抵抗体11の厚みDを、導電率をゼロとした場合の波長λに基づいて決定する。決定手法の例を示す。
抵抗体11の裏面が空気である場合(図8参照)、
D=λ×x/2(xは1以上の整数)とする。
抵抗体11の裏面が金属である場合(図9参照)、
D=λ×y/4(yは1以上の奇数)とする。
一般には、x=1、y=1とするのが帯域と特性の面で好ましい。
なお、上のDの初期値は、PDの基板材料(典型的にはInP)の屈折率が抵抗体(典型的にはSiやSiCなど)の屈折率よりも大きい場合であり、もしそれぞれの屈折率が逆の大小関係にあれば、x/2(xは1以上の整数)とy/4(yは1以上の奇数)は互いに入れ替えた関係でDを与えることになる。これは、PDのと抵抗体の界面の反射波の位相が180°異なるからである。
(Step S02)
The thickness D of the resistor 11 is determined based on the wavelength λ when the electrical conductivity is set to zero. An example of the determination method will be described.
When the back surface of the resistor 11 is air (see FIG. 8),
Let D = λ x / 2 (x is an integer of 1 or more).
When the back surface of the resistor 11 is made of metal (see FIG. 9),
Let D = λ x y/4 (y is an odd number equal to or greater than 1).
In general, x=1 and y=1 are preferable in terms of bandwidth and characteristics.
The initial value of D above is for the case where the refractive index of the PD substrate material (typically InP) is greater than that of the resistor (typically Si or SiC), and if the refractive indices are in an inverse relationship, x/2 (x is an integer of 1 or more) and y/4 (y is an odd number of 1 or more) will give D in a mutually interchangeable relationship. This is because the phases of the reflected waves at the interface between the PD and the resistor are different by 180°.

(ステップS03)
抵抗体11と同じ素材、且つステップS02で計算の初期値として決定した厚みDと同じ厚みの素材41とフォトダイオードチップ13と同じ素材43とを、前記厚み方向に接続したモデルを考える。当該モデルにおいて、素材41の導電率σを変化させ、素材43から素材41への電磁波48が、素材41内で共振する共振点をみつける。共振点の見つけ方は図10及び図11で説明する。
(Step S03)
Consider a model in which a material 41, which is made of the same material as the resistor 11 and has the same thickness as the thickness D determined as the initial value of the calculation in step S02, and a material 43, which is the same as the photodiode chip 13, are connected in the thickness direction. In this model, the conductivity σ of the material 41 is changed to find a resonance point at which the electromagnetic wave 48 from the material 43 to the material 41 resonates within the material 41. A method for finding the resonance point will be described with reference to Figs. 10 and 11.

図10及び図11は、上述した方法で取得したTHz反射の周波数特性である。図10と図11は、それぞれ、裏面金属が無い場合(図8)とある場合(図9)について、計算した反射率の周波数特性である。ここでは、300GHzの動作を想定している。当該周波数特性は、InP側(素材43側)を広く続く媒質とし、Dの初期値は上のステップに従いx=1、y=1としている。後述のように、Si層(素材41)の厚さDを微調整すれば容易に共振点を所望の周波数に合わせることができる。図8の場合は、dSi=170μm、図9の場合をdSi=94μmの値で一定とし、導電率σSiをパラメータとして計算したものである。いずれの場合も、明瞭な共振構造を持ち、σSiと周波数fに依存してある値で最小のTHz反射(最大のTHz吸収)となることがわかる。例えば、図10であれば、導電率σSi=100(Ω・m)-1の場合、300GHzを中心に、-20dBのTHz反射を確保する帯域は90GHz程度と十分に広い。つまり、図10や図11の周波数特性からTHz反射を最小とする導電率の値(図10の場合、σSi=100(Ω・m)-1、図11の場合、σSi=160(Ω・m)-1)を見つけ出すことができる。 10 and 11 show frequency characteristics of THz reflection obtained by the above-mentioned method. 10 and 11 show frequency characteristics of reflectance calculated for the case without back metal (FIG. 8) and the case with back metal (FIG. 9), respectively. Here, operation at 300 GHz is assumed. For the frequency characteristics, the InP side (material 43 side) is a wide continuous medium, and the initial values of D are x=1 and y=1 according to the above steps. As described later, the resonance point can be easily adjusted to a desired frequency by fine-tuning the thickness D of the Si layer (material 41). In the case of FIG. 8, d Si =170 μm, and in the case of FIG. 9, d Si =94 μm, and the calculations are performed with the conductivity σ Si as a parameter. In both cases, it can be seen that there is a clear resonance structure, and the minimum THz reflection (maximum THz absorption) is achieved at a certain value depending on σ Si and frequency f. For example, in the case of Fig. 10, when the conductivity σ Si = 100 (Ω·m) -1 , the band that ensures -20 dB THz reflection, centered at 300 GHz, is sufficiently wide at about 90 GHz. In other words, it is possible to find the conductivity value that minimizes the THz reflection (σ Si = 100 (Ω·m) -1 in the case of Fig. 10, σ Si = 160 (Ω·m) -1 in the case of Fig. 11) from the frequency characteristics in Fig. 10 and Fig. 11.

ちなみに、導電率が小さなSi中の1/4波長は、300GHzで72μmである。図9の裏面金属がある場合、完全反射であれば厚さDが1/4波長で最小の反射、図8の裏面金属がない場合、完全反射であれば原理的に厚さDが1/2波長で最小の反射となる。実際には、Siは複素屈折率を持ち、また完全反射状態ではないので、本計算は厚みdSiを図8の場合、170μm、図9の場合、94μmに最適化された結果である。 Incidentally, the 1/4 wavelength in silicon, which has low conductivity, is 72 μm at 300 GHz. If there is back metal as in Figure 9, and there is perfect reflection, the minimum reflection occurs when the thickness D is 1/4 wavelength, while if there is no back metal as in Figure 8, and there is perfect reflection, in principle the minimum reflection occurs when the thickness D is 1/2 wavelength. In reality, silicon has a complex refractive index and is not in a perfect reflection state, so this calculation results in an optimized thickness dSi of 170 μm in the case of Figure 8 and 94 μm in the case of Figure 9.

一例として、300GHz帯の動作を想定した場合について、σSiの変化に対して「THz反射の共振周波数における最小値」がどの様に変化するのかについて説明する。この検討は、THz反射を抑える効果が得られるσSiの範囲を決める目安となる。図12は、裏面金属が無い場合(図8の構成)について計算した、THz反射の最小値のσSi依存性を説明する図である。THz反射の最小を与える導電率σSiは 90~95(Ω・m)-1付近にある。一方、THz反射を-20dB以下とする導電率σSiは、65~135(Ω・m)-1である。このように所定のTHz反射値を閾値とすれば導電率の範囲を広くとれるので、実際の半導体装置の実装において、最適化を目指すよりも比較的容易に実現できるものと推測される。 As an example, we will explain how the "minimum value at the resonance frequency of THz reflection" changes with respect to the change in σ Si when operation in the 300 GHz band is assumed. This study serves as a guide to determine the range of σ Si in which the effect of suppressing THz reflection can be obtained. FIG. 12 is a diagram explaining the dependence of the minimum value of THz reflection on σ Si calculated for the case without a back metal (the configuration of FIG. 8). The conductivity σ Si that gives the minimum THz reflection is in the vicinity of 90 to 95 (Ω·m) −1 . On the other hand, the conductivity σ Si that makes the THz reflection −20 dB or less is 65 to 135 (Ω·m) −1 . In this way, if a predetermined THz reflection value is set as the threshold value, the range of conductivity can be made wider, so it is presumed that this can be realized relatively easily in the actual implementation of a semiconductor device compared to aiming for optimization.

(ステップS04)
ステップS03で見出した共振点と動作中心周波数fcとを比較する。
(Step S04)
The resonance point found in step S03 is compared with the operating center frequency fc.

(ステップS05)
前記共振点と動作中心周波数fcとが異なっている場合(ステップS04で“No”)、Si層(素材41)の厚さDを微調整し、再度ステップS03を行う。
(Step S05)
If the resonance point and the operating center frequency fc are different ("No" in step S04), the thickness D of the Si layer (material 41) is finely adjusted, and step S03 is performed again.

(ステップS06)
前記共振点と動作中心周波数fcとが略一致している場合(ステップS04で“Yes”)、前述の厚さDを抵抗体11の厚みに決定し、前記共振点での素材41の導電率σを抵抗体11の導電率に決定する。
(Step S06)
If the resonance point and the operating center frequency fc are approximately the same ("Yes" in step S04), the aforementioned thickness D is determined as the thickness of the resistor 11, and the conductivity σ of the material 41 at the resonance point is determined as the conductivity of the resistor 11.

このように、抵抗体11の厚みDと抵抗体11の材料の導電率を調整することで、THzフォトミキサや超高速フォトダイオードの出力に生じる周波数リップルなどを抑制することができる。 In this way, by adjusting the thickness D of resistor 11 and the conductivity of the material of resistor 11, it is possible to suppress frequency ripples that occur in the output of THz photomixers and ultrafast photodiodes.

なお、抵抗体11の導電率σでTHz反射を制御できる理由は次の通りである。
導電性Siの周波数特性は次式のように表現できる。
εSi(f)=εSi0-j・σSi/(2πf・ε
ここで、εSi(f)は複素誘電率、fは媒体内を伝搬する電磁波の周波数、εSi0はf=0Hzでのシリコンの誘電率、εは真空の誘電率、σSiはSiの導電率である。
上式のように、虚数項の大きさに従いTHz波の伝搬ロスが決まり、InPからのTHz入射波に対する反射率はεSi(f)全体で決まる。最適な導電性Siの厚さが最初から求められないのは、波の透過反射特性に対するεの虚数項の影響が大きいことが理由である。
つまり、本発明の趣旨は、導電率σを適切に選ぶことにより所望のTHz波(周波数f)の反射率が小さくなるSiの導電率を見つけ出し、抵抗体11の導電率とすることで電磁波伝搬モードを低減することである。本手法は、実験を行わずに電磁波伝搬モードを低減可能な導電率を発見できることがメリットである。
なお、Siの導電率σはn型又はp型のドーパントをSiにドーピングすることで調整できる。
The reason why the THz reflection can be controlled by the conductivity σ of the resistor 11 is as follows.
The frequency characteristics of conductive Si can be expressed by the following equation.
ε Si (f)=ε Si0 -j・σ Si /(2πf・ε 0 )
Here, ε Si (f) is the complex dielectric constant, f is the frequency of the electromagnetic wave propagating in the medium, ε Si0 is the dielectric constant of silicon at f=0 Hz, ε 0 is the dielectric constant of a vacuum, and σ Si is the conductivity of Si.
As shown in the above formula, the propagation loss of the THz wave is determined according to the magnitude of the imaginary term, and the reflectance of the THz wave incident from InP is determined by the total ε Si (f). The reason why the optimal conductive Si thickness cannot be determined from the beginning is that the imaginary term of ε 0 has a large effect on the transmission and reflection characteristics of the wave.
In other words, the purpose of the present invention is to find the conductivity of Si that reduces the reflectance of a desired THz wave (frequency f) by appropriately selecting the conductivity σ, and reduce the electromagnetic wave propagation mode by using this conductivity as the conductivity of the resistor 11. The advantage of this method is that it is possible to find the conductivity that can reduce the electromagnetic wave propagation mode without conducting an experiment.
The electrical conductivity σ of Si can be adjusted by doping Si with an n-type or p-type dopant.

(実施形態2)
図3及び図4は、それぞれ本実施形態の半導体装置102を説明する斜視図及び側面図である。本実施形態では、実施形態1との相違点のみを説明する。半導体装置102は、搭載面14側から抵抗体11を見たとき、反射面12が、搭載面14の四隅の頂点を結んだ領域の内側にあることが、半導体装置101と相違する。本実施形態の抵抗体11は、底面が長方形である四角柱であり、その一部に切り欠きがあり、その切り欠きに反射面12が形成された形状である。
(Embodiment 2)
3 and 4 are a perspective view and a side view, respectively, illustrating the semiconductor device 102 of this embodiment. In this embodiment, only the differences from embodiment 1 will be described. The semiconductor device 102 differs from the semiconductor device 101 in that, when the resistor 11 is viewed from the mounting surface 14 side, the reflective surface 12 is located inside a region connecting the vertices of the four corners of the mounting surface 14. The resistor 11 of this embodiment is a quadrangular prism with a rectangular bottom surface, with a notch in one part, and the reflective surface 12 is formed in the notch.

実施形態1の半導体装置101では、フォトダイオードチップ13内において受光部の位置が制限されていたが、半導体装置102では、受光部の位置は制限されず、フォトダイオードチップ13の中心部に配置することも可能である。半導体装置102であれば、受光部の配置に制限がないため、フォトミキサだけに限らず、より多くの受光デバイスに適用することが可能になる。 In the semiconductor device 101 of the first embodiment, the position of the light receiving section is limited within the photodiode chip 13, but in the semiconductor device 102, the position of the light receiving section is not limited, and it is also possible to place it in the center of the photodiode chip 13. With the semiconductor device 102, there is no limit to the placement of the light receiving section, so it can be applied to many more light receiving devices, not just photomixers.

半導体装置102の反射面12は、前述した(1)と(3)の方法で形成できる。最後に反射面12に誘電体多層膜高反射膜を形成する。 The reflective surface 12 of the semiconductor device 102 can be formed by the above-mentioned methods (1) and (3). Finally, a dielectric multilayer highly reflective film is formed on the reflective surface 12.

半導体装置102の抵抗体11も、図7で説明した設計方法でパラメータを決定することができる。
抵抗体11の効果は、基本的に実施形態1の説明と同様である。このため、半導体装置102も、THzフォトミキサや超高速フォトダイオードの出力に生じる周波数リップルなどを抑制することができる。
The parameters of resistor 11 of semiconductor device 102 can also be determined by the design method described with reference to FIG.
The effect of the resistor 11 is basically the same as that described in embodiment 1. Therefore, the semiconductor device 102 can also suppress frequency ripples and the like that occur in the output of the THz photomixer or ultrafast photodiode.

(実施形態3)
図5及び図6は、それぞれ本実施形態の半導体装置103を説明する斜視図(搭載面14側及び裏面15側)である。本実施形態では、実施形態2との相違点のみを説明する。半導体装置103は、抵抗体11の14搭載面の四隅の頂点を結んだ領域のうち、フォトダイオードチップ13を搭載する部分以外の領域を覆う上側金属面36と、
抵抗体11の裏面15を覆う下側金属面37と、
をさらに備え、
抵抗体11は、上側金属面36と下側金属面37とを接続するスルーホール38が形成されていることが、半導体装置102と相違する。
本実施形態の抵抗体11の形状は、実施形態2で説明した形状と同じである。
(Embodiment 3)
5 and 6 are perspective views (mounting surface 14 side and back surface 15 side) illustrating the semiconductor device 103 of this embodiment. In this embodiment, only the differences from embodiment 2 will be described. The semiconductor device 103 has an upper metal surface 36 that covers the area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface 14 of the resistor 11 except for the area where the photodiode chip 13 is mounted;
A lower metal surface 37 that covers the rear surface 15 of the resistor 11;
Further equipped with
The resistor 11 differs from the semiconductor device 102 in that a through hole 38 is formed to connect an upper metal surface 36 and a lower metal surface 37 .
The shape of the resistor 11 in this embodiment is the same as that described in the second embodiment.

半導体装置103の抵抗体11の製作は、実施形態2の半導体装置102を作成するときにスルーホール38も形成しておく。その後、搭載面14の一部に上側金属面36と裏面15の一部に下側金属面37を形成する。金属面の形成時にスルーホール38にも金属が充填され、上側金属面36と下側金属面37とが導通する。
なお、半導体装置103の抵抗体11も、図7で説明した設計方法でパラメータを決定することができる。
In manufacturing the resistor 11 of the semiconductor device 103, the through-hole 38 is also formed when the semiconductor device 102 of the second embodiment is produced. Then, the upper metal surface 36 is formed on a part of the mounting surface 14, and the lower metal surface 37 is formed on a part of the back surface 15. When the metal surfaces are formed, the through-hole 38 is also filled with metal, so that the upper metal surface 36 and the lower metal surface 37 are electrically connected to each other.
The parameters of resistor 11 of semiconductor device 103 can also be determined by the design method described with reference to FIG.

フォトダイオードチップ13はグランドに接続する必要がある。半導体装置103の抵抗体11であれば、グランドである下側金属面37と導通している上側金属面36がフォトダイオードチップ13の近傍にあるので、フォトダイオードチップ13を可能な限り短い距離でグランドへ接続できる。 The photodiode chip 13 needs to be connected to ground. In the case of the resistor 11 of the semiconductor device 103, the upper metal surface 36, which is conductive with the lower metal surface 37, which is ground, is located near the photodiode chip 13, so that the photodiode chip 13 can be connected to ground over the shortest possible distance.

抵抗体11の効果は、基本的に実施形態1及び2と同様である。このため、半導体装置103も、THzフォトミキサや超高速フォトダイオードの出力に生じる周波数リップルなどを抑制することができる。
フォトダイオードチップ13の上面には、通常、グランド金属パタンが配置される。半導体装置103は、そのグランド金属パタンをよりグランドに接近して接続することができるので、フォトダイオードチップ13の上面のグランド金属パタンがより効果的に接地できる。この構造も、THzフォトミキサや超高速フォトダイオードの出力に生じる周波数リップルなどを抑制に効果がある。
The effect of the resistor 11 is basically the same as in the embodiments 1 and 2. Therefore, the semiconductor device 103 can also suppress frequency ripples and the like that occur in the output of the THz photomixer or ultrafast photodiode.
A ground metal pattern is usually arranged on the upper surface of the photodiode chip 13. Since the semiconductor device 103 can connect the ground metal pattern closer to the ground, the ground metal pattern on the upper surface of the photodiode chip 13 can be grounded more effectively. This structure is also effective in suppressing frequency ripples that occur in the output of a THz photomixer or an ultrafast photodiode.

(発明の効果)
本発明は、THzフォトミキサや高速広帯域フォトダイオードの出力に、チップ内の共振に伴う周波数リップルが生じてしまう、という問題を抑制するための技術である。本発明の半導体装置は、電波吸収体(抵抗体)の上にフォトダイオードチップを直接搭載した効果的な電波吸収配置、且つ簡便な構造である。さらに、本発明の半導体装置は、光ビームの入射パスも確保できる構造である。抵抗体(電波吸収体)は、典型的にはSiであり、機械強度.熱伝導性、加工の容易さといった面で、従来の金属やセラミクスと比ベて遜色はなく、低コストで製造できる。
(Effects of the Invention)
The present invention is a technology for suppressing the problem that frequency ripples occur in the output of THz photomixers and high-speed wideband photodiodes due to resonance within the chip. The semiconductor device of the present invention has an effective radio wave absorption arrangement and a simple structure in which a photodiode chip is directly mounted on a radio wave absorber (resistor). Furthermore, the semiconductor device of the present invention has a structure that can ensure an incidence path for a light beam. The resistor (radio wave absorber) is typically made of Si, which is comparable to conventional metals and ceramics in terms of mechanical strength, thermal conductivity, and ease of processing, and can be manufactured at low cost.

11:抵抗体
12:反射面
13:フォトダイオードチップ
14:搭載面
15:裏面
36:上側金属面
37:下側金属面
38:スルーホール
41:抵抗体と同じ素材
43:フォトダイオードチップと同じ素材
47:裏面金属
48:電磁波(フォトダイオードチップからの不要なTHz波の伝搬)
51:ファイバ入力系
52:レンズ光学系
53:反射ミラー
55:テーブル
57:金属筐体
58a:ワイヤ
58b:伝送ライン
58c:導波管カプラ
59:矩形型導波管
60:出力ポート
101、102、103:半導体装置
300、301:フォトミキサモジュール
11: resistor 12: reflecting surface 13: photodiode chip 14: mounting surface 15: back surface 36: upper metal surface 37: lower metal surface 38: through hole 41: same material as resistor 43: same material as photodiode chip 47: back metal 48: electromagnetic wave (propagation of unwanted THz waves from the photodiode chip)
51: Fiber input system 52: Lens optical system 53: Reflecting mirror 55: Table 57: Metal housing 58a: Wire 58b: Transmission line 58c: Waveguide coupler 59: Rectangular waveguide 60: Output port 101, 102, 103: Semiconductor device 300, 301: Photomixer module

Claims (5)

フォトダイオードチップ及びテーブル状の抵抗体を備える半導体装置であって、
前記フォトダイオードチップは、受光部及びテラヘルツの電気信号を伝送する伝送線を有し、
前記抵抗体は、前記受光部が前記抵抗体の方向へ向くように前記フォトダイオードチップを搭載する搭載面と、外部からの光を前記受光部へ反射する反射面と、前記電気信号により前記フォトダイオードチップ内に発生する電磁波伝搬モードを低減する電波吸収機能と、を有し、
前記抵抗体は、前記電波吸収機能を有するように、前記電気信号の周波数に基づいて決定される、電気抵抗率、及び前記抵抗体の前記搭載面と前記搭載面に対峙する裏面との厚みを有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device including a photodiode chip and a table-shaped resistor,
the photodiode chip has a light receiving portion and a transmission line for transmitting a terahertz electrical signal;
the resistor has a mounting surface on which the photodiode chip is mounted so that the light receiving portion faces the resistor, a reflecting surface that reflects external light to the light receiving portion, and a radio wave absorbing function that reduces an electromagnetic wave propagation mode generated in the photodiode chip by the electrical signal,
The resistor has an electrical resistivity and a thickness between the mounting surface and a back surface facing the mounting surface that are determined based on the frequency of the electrical signal so as to have the radio wave absorption function.
前記搭載面側から前記抵抗体を見たとき、
前記反射面は、前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域の外側にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
When the resistor is viewed from the mounting surface side,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the reflecting surface is located outside an area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface.
前記搭載面側から前記抵抗体を見たとき、
前記反射面は、前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域の内側にあることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
When the resistor is viewed from the mounting surface side,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the reflecting surface is located inside an area connecting four corner vertices of the mounting surface.
前記抵抗体の前記搭載面の四隅の頂点を結んだ領域のうち、前記フォトダイオードチップを搭載する部分以外の領域を覆う上側金属面と、
前記抵抗体の前記裏面を覆う下側金属面と、
をさらに備え、
前記抵抗体は、前記上側金属面と前記下側金属面とを接続するスルーホールが形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
an upper metal surface covering an area connecting the vertices of the four corners of the mounting surface of the resistor other than the portion on which the photodiode chip is mounted;
a lower metal surface covering the back surface of the resistor;
Further equipped with
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the resistor has a through hole formed therein, the through hole connecting the upper metal surface and the lower metal surface.
請求項1から4のいずれかの半導体装置の設計方法であって、
前記電気信号の周波数から前記電磁波伝搬モードの波長を計算すること、
前記抵抗体の前記厚みを前記電磁波伝搬モードの波長に基づいて決定すること、
前記抵抗体と同じ厚みの素材に前記フォトダイオードチップと同じ素材を前記厚み方向に接続したモデルにおいて、前記抵抗体と同じ素材の導電率を変化させ、前記フォトダイオードチップと同じ素材から前記抵抗体と同じ素材への電磁波が、前記抵抗体と同じ素材内で共振する共振点をみつけること、
前記共振点が前記電気信号の周波数からずれている場合、前記抵抗体の厚みを調整し、前記共振点を見つけることを再度行うこと、及び
前記共振点での前記抵抗体と同じ素材の導電率を前記抵抗体の導電率に決定すること
を特徴とする設計方法。
5. A method for designing a semiconductor device according to claim 1, comprising the steps of:
calculating a wavelength of the electromagnetic wave propagation mode from the frequency of the electrical signal;
determining the thickness of the resistor based on a wavelength of the electromagnetic wave propagation mode;
In a model in which a material having the same thickness as the resistor is connected to a material having the same thickness as the resistor in the thickness direction, the conductivity of the material having the same thickness as the resistor is changed, and a resonance point is found at which an electromagnetic wave resonates within the material having the resistor, the electromagnetic wave being transmitted from the material having the same thickness as the photodiode chip to the material having the resistor;
A design method characterized by: if the resonance point deviates from the frequency of the electrical signal, adjusting a thickness of the resistor and finding the resonance point again; and determining the conductivity of the resistor to be the conductivity of the same material as the resistor at the resonance point.
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