CN116113806A - 光检测装置 - Google Patents

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Abstract

光检测装置(1A)具备光检测元件(10A)和封装体(20)。光检测元件(10A)具备半导体基板(16)和光吸收膜(30)。光吸收膜(30)设置于半导体基板(16)的主面(16a)上的光检测区域(11)的周围的区域中的至少一部分的区域上。光吸收膜(30)具有包含光吸收层(31)、共振层(32)、及反射层(33)的多层结构。在被检测光的波长中，共振层(32)的内部的光透过率较光吸收层(31)的内部的光透过率大，反射层(33)的表面的光反射率较共振层(32)的表面的光反射率大。由此，实现了一种可减少在封装体内散射的光的光检测装置。

Description

光检测装置
技术领域
本发明涉及一种光检测装置。
背景技术
在专利文献1中公开有涉及硅光电倍增器(SiPM)的技术。该SiPM具备各自包含雪崩光电二极管的多个胞(cell)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2013/0099100号
发明内容
发明所要解决的问题
使用将在半导体基板的表面形成有光电二极管等的光检测区域的半导体光检测元件收纳于具有光学窗的封装体内的光检测装置。在这样的光检测装置中，当被检测光入射于封装体内时，其一部分照射至光检测区域的周边，并在封装体内发生散射。然后，自向封装体内的入射起隔段时间入射至光检测区域。
这样的被检测光的动作引起以下问题。即，与入射至封装体内后直接到达光检测区域的被检测光相比，在封装体内散射之后到达光检测区域的被检测光中，在光检测区域中的吸收时机产生延迟。因此，将自光检测区域输出的电荷放大而得的检测信号的波形在时间上被扩展，造成时间分辨率的降低。因此，为了提高半导体光检测元件的时间分辨率，期望减少在封装体内散射的光。
本发明的目的在于提供一种可减少在封装体内散射的光的光检测装置。
解决问题的技术手段
本发明的实施方式为光检测装置。光检测装置具备：半导体光检测元件，其具备：半导体基板，其具有被检测光入射的第1面、及朝向第1面的相反的第2面，且在第1面侧具有产生与被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域；及光吸收膜，其设置于第1面上的光检测区域的周围的区域中的至少一部分的区域上；及封装体，其具有使被检测光通过的光学窗，并收纳半导体光检测元件；光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含光吸收层、设置于光吸收层与半导体基板之间的共振层、及设置于共振层与半导体基板之间的金属层即反射层，在被检测光的波长中，共振层的内部的光透过率较光吸收层的内部的光透过率大，反射层的表面的光反射率较共振层的表面的光反射率大。
本发明的实施方式为光检测装置。光检测装置具备：半导体光检测元件，其具备：半导体基板，其具有第1面、及朝向第1面的相反且被检测光入射的第2面，且在第1面具有产生与被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域；及光吸收膜，其在第2面上设置于将光检测区域向与被检测光的入射方向相反的方向投影后的区域的周围的区域中的至少一部分的区域上；及封装体，其具有使被检测光通过的光学窗，并收纳半导体光检测元件；光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含光吸收层、设置于光吸收层与半导体基板之间的共振层、及设置于共振层与半导体基板之间的金属层即反射层，在被检测光的波长中，共振层的内部的光透过率较光吸收层的内部的光透过率大，反射层的表面的光反射率较共振层的表面的光反射率大。
在上述的光检测装置中，通过了光学窗的被检测光入射于半导体基板的光检测区域。然后，在光检测区域中产生与入射于光检测区域的被检测光的光强度相应的量的电荷。由此，可电性检测被检测光的入射光量。但是，通过了光学窗的被检测光的一部分朝向光检测区域的周围的区域而非光检测区域。该被检测光的一部分到达设置于第1面的光检测区域(或者，将第1面的光检测区域向与被检测光的入射方向相反的方向投影后的第2面的区域)的周围的区域中的至少一部分的区域上的光吸收膜。
光吸收膜具有包含光吸收层、共振层、及反射层的多层结构。入射至光吸收膜的光的一部分在光吸收层中被直接吸收。未被光吸收层吸收的光透过光吸收层，进入共振层。然后，进入共振层的光在光吸收层及共振层的界面与共振层及反射层的界面之间多重反射，且在光吸收层中逐渐被吸收。
因此，根据该光吸收膜，与由单层构成的光吸收膜相比，可实现极高的吸收效率。因此，根据上述的光检测装置，由于可有效减少第1面的光检测区域(或者，将第1面的光检测区域向与被检测光的入射方向相反的方向投影后的第2面的区域)的周围的区域中的被检测光的反射，因而可减少在封装体内散射的光并抑制半导体光检测元件的时间分辨率的降低。
发明的效果
根据本发明的实施方式的光检测装置，可减少在封装体内散射的光。
附图说明
图1是第1实施方式的光检测装置的截面图。
图2是模式性地显示光吸收膜的截面结构的图。
图3是第1变形例的光检测装置的截面图。
图4是第2变形例的光检测装置的截面图。
图5是第3变形例的光检测装置的截面图。
图6是第4变形例的光检测装置的截面图。
图7是第5变形例的光检测装置的截面图。
图8是第6变形例的光检测装置的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明光检测装置的实施方式。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。本发明并非限定于这些例示。
(第1实施方式)
图1是第1实施方式的光检测装置1A的截面图，且表示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1A具备检测被检测光的强度的半导体光检测元件(以下，简称为光检测元件)10A、以及气密性地收纳光检测元件10A的封装体20。被检测光的波长为可见区域至近红外区域的范围内，例如为350nm以上且1200nm以下。
封装体20具有底板21、侧壁22、及顶板23。底板21为搭载光检测元件10A的板状的构件。底板21的平面形状例如为圆形。底板21具有导电性，例如被构成为主要包含Fe(铁)等的材料。
在底板21设置有贯通底板21的多个销24。销24由导电体构成，销24与底板21相互绝缘。通过多个销24，可实现封装体20的内侧与外侧的电连接。底板21具有搭载光检测元件10A的搭载面21a。在一实施例中，搭载面21a为平坦。光检测元件10A与搭载面21a通过例如银膏体等粘接剂而相互接合。
侧壁22为立设于底板21的周缘部的筒状的构件，且包围光检测元件10A。侧壁22具有导电性，例如由与底板21相同的材料构成。
顶板23固定于侧壁22的上端(与底板21相反侧的一端)，覆盖光检测元件10A。通过底板21、侧壁22及顶板23，气密性地密封封装体20的内部空间。顶板23包含具有导电性的顶板部分231、以及使被检测光通过的光学窗232。
部分231呈以被检测光的光轴AX为中心的圆环状。部分231具有导电性，例如由与底板21相同的材料构成。光学窗232为将部分231的圆环的中央的开口部23a封闭的板状的构件。光学窗232至少相对于被检测光的波长具有光透过性。
另外，在本实施方式中，具有光透过性是指相对于对象波长为透明，即具有70％以上的光透过率。光学窗232例如为玻璃板。光学窗232的周缘部与部分231通过粘接剂气密性地接合。
光检测元件10A配置于底板21的搭载面21a上的与光学窗232相对的位置。光检测元件10A具备半导体基板16、电极焊垫51及52、及光吸收膜30。
半导体基板16在俯视时呈矩形状。半导体基板16包含彼此朝向相反的主面16a和背面16b。主面16a为本结构中的第1面的例子，背面16b为本结构中的第2面的例子。被检测光入射于主面16a。在一个例子中，半导体基板16为Si基板或InP基板。半导体基板16的厚度(主面16a与背面16b的距离)例如为1μm以上且1000μm以下。
光检测元件10A包含形成于半导体基板16的主面16a侧的光检测区域11。该光检测区域11产生与被检测光的光强度相应的量的电荷。自设置于光检测装置1A的外部的电源对光检测区域11施加反向偏压。来自光检测区域11的输出电流通过设置于光检测装置1A的外部的信号处理电路检测。
光检测区域11包含pn接合光电二极管或雪崩光电二极管。具体而言，光检测区域11具有第1导电类型(例如p型)的半导体区域14。另外，在图示例中光检测区域11具有单一的半导体区域14，但光检测区域11也可具有呈一维状或二维状排列的多个半导体区域14。半导体区域14形成于半导体基板16的主面16a侧(具体而言，包含主面16a的半导体基板16的内部)。半导体区域14的平面形状例如为四边形等多边形。
另外，半导体基板16还具有第2导电类型(例如n型)的半导体区域12和高浓度的第2导电类型(例如n型)的半导体区域15。半导体区域15在半导体基板16的主面16a侧(具体而言，包含主面16a的半导体基板16的内部)，与半导体区域14空开间隔地排列而形成。半导体区域12在半导体基板16中占据除了半导体区域14及15以外的区域。
电极焊垫51及52为用于引线接合的电极焊垫。电极焊垫51及52埋入于设置在半导体基板16的主面16a上的绝缘膜41的内部，互相在沿着主面16a的方向上互相分开地配置。在光检测区域11具有多个半导体区域14的情况下，电极焊垫51设置于每个半导体区域14。
电极焊垫51通过开口自绝缘膜41露出，该开口形成于相关于电极焊垫51位于与主面16a相反侧的绝缘膜41的部分。在电极焊垫51的露出部分，连接有接合线53的一端。接合线53的另一端连接于多个销24中的一个。
即，电极焊垫51可经由接合线53及销24，与光检测装置1A的外部电路电连接。电极焊垫51经由埋入于绝缘膜41的内部的导电性的配线及第1导电类型的欧姆电极，与半导体区域14电连接。
电极焊垫52通过另一开口自绝缘膜41露出，该另一开口形成于相关于电极焊垫52位于与主面16a相反侧的绝缘膜41的部分。在电极焊垫52的露出部分，连接有接合线54的一端。接合线54的另一端连接于多个销24中的另一个。
即，电极焊垫52可经由接合线54及销24，与光检测装置1A的外部电路电连接。电极焊垫52经由埋入于绝缘膜41的内部的导电性的配线及第2导电类型的欧姆电极，与半导体区域15电连接。
电极焊垫51、52及配线由金属构成。作为用于电极焊垫51、52及配线的金属，可列举Al、Ti、Cu、Ni、AlCu等的单层膜或Al/Ni、Al/Ti/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Ti/Cu/Ti等的层叠膜。另外，A/B/C的表述是指自半导体基板16侧依序层叠有A层、B层及C层。作为电极焊垫51、52及配线的形成方法，可使用溅射法或镀敷法。
作为第1导电类型(例如p型)的欧姆电极的材料，在半导体基板16为Si基板的情况下例如使用Al，在半导体基板16为InP基板的情况下例如使用AuZn。作为第2导电类型(例如n型)的欧姆电极的材料，在半导体基板16为Si基板的情况下例如使用Al，在半导体基板16为InP基板的情况下例如使用AuGe/Ni。作为欧姆电极的形成方法，可使用溅射法。
在半导体基板16为Si基板的情况下，使用B等3族元素作为p型杂质，使用P或As等5族元素作为n型杂质。在半导体基板16为InP基板的情况下，使用Zn等作为p型杂质，使用S、Sn等作为n型杂质。即使半导体的导电类型即n型与p型互相置换而构成元件，也可使该元件发挥功能。作为这些杂质的添加方法，可使用扩散法或离子注入法。
作为绝缘膜41的材料，可使用SiO2、SiN或SiON等绝缘性硅化合物、Al2O3或TiO2等绝缘性金属氧化物、或绝缘性树脂。作为绝缘膜41的形成方法，可使用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition：CVD)法。在绝缘膜41由SiO2构成的情况下，也可使用热氧化法。
在上述的结构的情况下，通过在第1导电类型的半导体区域14与第2导电类型的半导体区域12之间构成pn接合，形成作为光检测区域11的光电二极管。在光检测区域11为雪崩光电二极管的情况下，可使光检测器与11以盖革模式动作。
在盖革模式下，将较光检测区域11的崩溃电压大的反向电压(反向偏压)施加于光检测区域11的阳极/阴极间。即，对阳极施加负电位，对阴极施加正电位。这些电位的极性为相对的电位，也可将一电位设为接地电位。阳极为半导体区域14及15中的p型区域，阴极为半导体区域14及15中的n型区域。
当被检测光的光子入射于光检测区域11时，在半导体基板16的内部进行光电转换，产生光电子。在半导体区域14的pn接合界面的附近区域进行雪崩倍增，经放大的载子流向电极焊垫51或52。即，当光子入射于光检测区域11时，在光电转换后进行电子倍增，并自任一销24提取电流信号。
光吸收膜30设置于半导体基板16的主面16a上(本实施方式中为绝缘膜41上)。光吸收膜30设置于主面16a上的光检测区域11的周围的区域中的至少一部分的区域上。光检测区域11的周围的区域是指半导体区域14的周围的区域。
另外，光吸收膜30为了引线接合而使各电极焊垫51、52的至少一部分露出。图示例的光吸收膜30设置于除了包含半导体区域14的中央部的区域和各电极焊垫51、52的自绝缘膜41露出的区域以外的主面16a上的整个面。即，光吸收膜30在半导体区域14上具有开口30a，在电极焊垫51上具有开口30b，在电极焊垫52上具有开口30c。
光吸收膜30为了吸收朝向光检测区域11的周围的被检测光而设置。光吸收膜30具有包含光吸收层31、共振层32及反射层33的多层结构。
光吸收层31构成光吸收膜30的表面。光吸收层31的厚度为数nm至数μm的范围内。共振层32设置于光吸收层31与半导体基板16之间，具体而言光吸收层31与反射层33之间。共振层32的厚度为数nm至数百μm的范围内。
在一个例子中，共振层32的光学厚度为被检测光的波长λ的四分之一的整数倍。或者，共振层32的光学厚度也可为以λ/4的整数倍为中心的±20％的范围内。反射层33设置于共振层32与半导体基板16之间。反射层33的厚度为数十nm至数mm的范围内。
另外，在被检测光的波长λ中，共振层32的内部的光透过率较光吸收层31的内部的光透过率大。换言之，共振层32的衰减系数较光吸收层31的衰减系数小。
光吸收层31例如由金属构成。构成光吸收层31的金属可包含选自硅化钨(WSix)、Ti、TiN、及Cr中的一种以上的材料。在一个例子中，光吸收层31主要包含硅化钨，在一实施例中由硅化钨构成。
共振层32主要包含例如SiO2、SiN、SiON等硅化合物，在一实施例中由SiO2、SiN、或SiON构成。在被检测光的波长λ中，共振层32也可具有光透过性。另外，在波长λ中，反射层33的表面的光反射率较共振层32的表面的光反射率大。另外，在本实施方式中，“反射层的表面的光反射率”是指反射层的共振层侧的表面的光反射率，“共振层的表面的光反射率”是指共振层的光吸收层侧的表面的光反射率。
反射层33为金属层。构成反射层33的金属可包含选自Al、Al系合金(AlCu、AlSi等)、Cu、Ag、及Au中的一种以上的材料。在一个例子中，反射层33主要包含Al，在一实施例中由Al构成。
在形成光吸收膜30时，例如通过溅射在绝缘膜41上形成反射层33(例如AlCu)，通过CVD在其上形成共振层32(例如SiO2)，通过溅射在其上形成光吸收层31(例如WSix)即可。
针对通过以上说明的本实施方式的光检测装置1A得到的作用效果进行说明。在光检测装置1A中，通过了光学窗232的被检测光入射于光检测元件10A的光检测区域11。然后，在光检测区域11中产生与入射于光检测区域11的被检测光的光强度相应的量的电荷。
由此，可电性检测被检测光的入射光量。但是，通过了光学窗232的被检测光的一部分朝向光检测区域11的周围的区域而非光检测区域11。该被检测光的一部分到达设置于主面16a的光检测区域11的周围的区域中的至少一部分的区域上的光吸收膜30。
光吸收膜30具有包含光吸收层31、共振层32、及反射层33的多层结构。入射于光吸收膜30的光的一部分在光吸收层31中被直接吸收。未被光吸收层31吸收的光透过光吸收层31，进入共振层32。然后，进入共振层32的光在光吸收层31及共振层32的界面、与共振层32及反射层33的界面之间多重反射，且在光吸收层31中逐渐被吸收。
因此，根据该光吸收膜30，与由单层构成的光吸收膜(黑色树脂膜等)相比，可实现极高的吸收效率。因此，根据本实施方式的光检测装置1A，由于可有效地减少主面16a的光检测区域11的周围的区域中的被检测光的反射，因而可减少在封装体20的内部空间散射的光并抑制光检测元件10A的时间分辨率的降低。
如本实施方式那样，光检测元件10A也可在主面16a上具备与光检测区域11电连接的用于引线接合的电极焊垫51、52。于是，光吸收膜30也可使各电极焊垫51、52的至少一部分露出。在该情况下，可防止光吸收膜30妨碍对电极焊垫51、52的引线接合。
如上所述，共振层32的光学厚度可为以被检测光的波长λ的四分之一(即λ/4)的整数倍为中心的±20％的范围内。在该情况下，由于在光吸收层31及共振层32的界面反射的光的相位、与在共振层32及反射层33的界面反射的光的相位互相偏移π(rad)左右，因而相互抵消。因此，可进一步提高光吸收膜30的吸收效率(衰减效率)。
如上所述，光检测区域11也可包含雪崩光电二极管或pn接合型光电二极管。例如，在这样的情况下，可在光检测区域11中产生与被检测光的光强度相应的量的电荷。
如上所述，也可是光吸收层31主要包含硅化钨，共振层32主要包含SiO2。在该情况下，可实现高吸收效率的光吸收膜30。
此处，针对本实施方式的光吸收膜30的作用详细地进行说明。图2是模式性地显示光吸收膜30的截面结构的图。
如上所述，光吸收膜30具有包含光吸收层31、共振层32、及反射层33的多层结构。到达光吸收膜30的光L的一部分在光吸收层31的表面反射，余部进入光吸收层31的内部。此时，如果使光吸收层31的薄片电阻与接触于光吸收层31的表面的介质(例如空气)的空间阻抗一致，则表面反射率为零，所有光L进入光吸收层31的内部。
由于进入光吸收层31的内部的光L，以基于光吸收层31的衰减系数计算的比例逐渐被吸收，因而如果光吸收层31足够厚，则大部分的光L被光吸收层31吸收。但是，加厚光吸收层31，即，与缩小薄片电阻相关，会使光吸收层31的表面反射率增大。因此，在本实施方式中，限制光吸收层31的厚度，容许一部分的光L穿过光吸收层31。
该穿过的光L的一部分在光吸收层31与共振层32的界面反射，向光吸收层31返回。以下，将该反射光称为第一反射光。在光吸收层31由金属构成，共振层32由电介质构成的情况下，由于共振层32的阻抗较光吸收层31的阻抗大(换言之，共振层32的折射率较光吸收层31的折射率小)，因而第一反射光不伴随π(rad)的相位偏移。
另外，光L的余部通过该界面进入共振层32的内部。进入共振层32的内部的光L几乎不衰减地到达共振层32与反射层33的界面，并在该界面进行全反射。以下，将该反射光称为第二反射光。第二反射光再次在共振层32内部行进并朝向光吸收层31。由于反射层33的阻抗接近0Ω(换言之，折射率接近无限大)，因而第二反射光伴随有π(rad)的相位偏移。
在第二反射光到达光吸收层31时，若第二反射光与第一反射光的相位差为π(rad)，则相互抵消。因此，共振层32的光学厚度(换言之，光吸收层31与反射层33的光学性间隔)越接近光L的波长的1/4越佳。在该点上，在上述的说明中，将共振层32的光学厚度设为以光L的波长的1/4为中心的±20％的范围内。
但是，由于第一反射光的电场振幅与第二反射光的电场振幅并非完全相同，因而无法完全抵消，反射光的一部分入射至光吸收层31。入射至光吸收层31的反射光在光吸收层31中被吸收。另外，第二反射光的一部分残留于共振层32的内部且反复进行多重反射，但逐渐被光吸收层31吸收。这样，大部分的光L被光吸收层31吸收。
针对光吸收膜30的设计例进行说明。在本实施方式中，光吸收膜30的光吸收层31与空气接触。光L的波长为1.55μm。光吸收层31由WSi构成，共振层32由SiO2构成，反射层33由Al构成。
空气的特性阻抗为377Ω。硅化钨(WSi2)的电阻率为2.48×10-4Ω·cm。因此，光吸收层31的优选的厚度t作为下式算出。
[数1]
Figure BDA0004090568770000111
另外，由于SiO2的比折射率为1.48，因而共振层32的优选的厚度作为1.55μm/1.48/4＝262nm算出。另外，由于Al的电阻率为2.65×10-6Ω·cm，因而将反射层33设为例如1μm等足够的厚度，由此薄片电阻为0.0265Ω。由于SiO2的阻抗为下式，
[数2]
Figure BDA0004090568770000112
因而共振层32与反射层33的界面上的反射系数为0.998。
若根据上述的思路，则与被检测光的波长λ相应的光吸收膜30的设计也变得容易。下述的表1是显示被检测光的波长λ为400nm、800nm、及1000nm时的光吸收膜30的设计例的表。
[表1]
Figure BDA0004090568770000113
另外，在上述的设计例中，设想光L自相对于光吸收膜30的表面垂直的方向(换言之，光吸收膜30的厚度方向)入射，但在光L自相对于光吸收膜30的表面倾斜的方向入射的情况下，在上述的设计中加入光L的入射角即可。即，自各层31～33的折射率计算各层31～33内的光的传播角度，并将各层31～33的厚度设为考虑该传播角度的厚度即可。
(第1变形例)
图3是上述实施方式的第1变形例的光检测装置1B的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1B具备检测被检测光的强度的光检测元件10B和气密性地收纳光检测元件10B的封装体20。被检测光的波长及封装体20的结构与第1实施方式相同。
本变形例的光检测元件10B与第1实施方式的光检测元件10A的不同点在于，半导体基板16不具有半导体区域15(参照图1)、及具有背面电极55。
背面电极55与半导体基板16的背面16b形成欧姆接触，由此，与半导体区域12电连接。在图示例中，背面电极55设置于背面16b上的整个面。光检测元件10B经由背面电极55与底板21的搭载面21a接合。背面电极55为金属膜，其构成材料例如为Au。
背面电极55的周缘部朝背面16b的外侧突出，在该周缘部连接有接合线54的一端。因此，接合线54不连接于电极焊垫52。另外，本变形例的光吸收膜30不具有用于电极焊垫52的引线接合的开口30c。
具备以上结构的本变形例的光检测装置1B也可实现与第1实施方式同样的作用效果。
(第2变形例)
图4是上述实施方式的第2变形例的光检测装置1C的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1C具备检测被检测光的强度的光检测元件10C、气密性地收纳光检测元件10C的封装体20、及搭载基板81。被检测光的波长及封装体20的结构与第1实施方式相同。
本变形例的光检测元件10C与第1实施方式的光检测元件10A的不同点在于，半导体基板16具有贯通配线56、贯通配线57、背面电极58、背面电极59、凸块电极60、凸块电极61、及玻璃基板70。在光检测区域11具有多个半导体区域14的情况下，贯通配线56、背面电极58、及凸块电极60设置于每个半导体区域14。
背面电极58、59隔着绝缘膜42设置于背面16b上。贯通配线56、57贯通半导体基板16的主面16a与背面16b之间而形成。即，贯通配线56、57配置于贯通半导体基板16的贯通孔16c内。贯通孔16c的内侧面在半导体基板16的厚度方向(即垂直于主面16a及背面16b的方向)延伸。绝缘膜42也形成于贯通孔16c内。贯通配线56、57隔着绝缘膜42，配置于贯通孔16c的内侧面上及底面上。
贯通配线56的一端连接于电极焊垫51，并经由电极焊垫51及欧姆电极与光检测区域11的半导体区域14电连接。贯通配线56的另一端连接于背面电极58。贯通配线57的一端连接于电极焊垫52，并经由电极焊垫52及欧姆电极与半导体区域15电连接。贯通配线57的另一端连接于背面电极59。
贯通配线56、57及背面电极58、59由金属构成。作为用于贯通配线56、57及背面电极58、59的金属，例如可列举Al、Ti、Cu、Ni、AlCu等的单层膜或Al/Ni、Al/Ti/Cu、Ti/Cu、Ti/Cu/Ni、Ti/Cu/Ti等的层叠膜。
搭载基板81载置于底板21的搭载面21a上。搭载基板81具有平坦的主面81a。主面81a与半导体基板16的背面16b相对。搭载基板81包含配置于主面81a上的电极82、83、84及85。电极82、83各自与贯通配线56、57对应而配置。具体而言，电极82、83形成于主面81a上的分别与背面电极58、59相对的各区域上。
背面电极58与电极82通过凸块电极60连接。由此，贯通配线56经由背面电极58及凸块电极60，与电极82电连接。同样地，背面电极59与电极83通过凸块电极61连接。由此，贯通配线57经由背面电极59及凸块电极61，与电极83电连接。电极82、83由与贯通配线56、57及背面电极58、59同样的金属构成。凸块电极60、61例如主要包含焊料。
搭载基板81包含信号处理电路。即，搭载基板81构成ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit(特殊应用集成电路))。各电极82、83经由形成于搭载基板81内的配线(省略图示)与信号处理电路电连接。对信号处理电路输入来自光检测区域11的输出信号，信号处理电路处理来自光检测区域11的输出信号。
信号处理电路包含将来自光检测区域11的输出信号转换成数字脉冲的CMOS电路。另外，在光检测区域11具有多个半导体区域14的情况下，搭载基板81构成为与各半导体区域14对应地包含记录时间信息的电路。作为记录时间信息的电路，可使用时间数字转换器(TDC：Time to Digital Convertor)、或时间电压转换器(TAC：Time to AmplitudeConvertor)等。由此，搭载基板81内的配线距离的差不会对时间分辨率造成影响。
来自信号处理电路的输出信号自电极84、85输出。在电极84连接有接合线53的一端，在电极85连接有接合线54的一端。由此，来自信号处理电路的输出信号通过接合线53、54及销24输出至光检测装置1C的外部。
在半导体基板16的背面16b上设置有覆盖贯通配线56、57及背面电极58、59的绝缘保护膜43。绝缘保护膜43具有形成于与凸块电极60对应的位置的开口、和形成于与凸块电极61对应的位置的开口。
在搭载基板81的主面81a上设置有埋入电极82～85的绝缘膜44。绝缘膜44具有形成于与凸块电极60对应的电极82上的位置的开口、形成于与凸块电极61对应的电极83上的位置的开口、用于形成于电极84上的接合线53的开口、及用于形成于电极85上的接合线54的开口。
绝缘保护膜43及绝缘膜44例如由聚酰亚胺系、酚醛系、环氧系等树脂绝缘膜、SiO2/树脂绝缘膜、SiN/树脂绝缘膜、SiON/树脂绝缘膜、SiO2膜、SiN膜、或SiON膜构成。作为绝缘保护膜43及绝缘膜44的形成方法，在树脂绝缘膜的情况下可使用旋涂法，在SiO2膜的情况下可使用CVD法。
玻璃基板70相对于被检测光的波长具有光透过性。玻璃基板70配置于光吸收膜30上。玻璃基板70具有互相朝向相反的主面70a和背面70b。背面70b与半导体基板16的主面16a相对。主面70a及背面70b平坦。玻璃基板70与光吸收膜30及开口30a内的绝缘膜41通过光学粘接剂71粘接，且光学连接。光学粘接剂71埋入光吸收膜30的开口30a。
本变形例中，光检测元件10C经由背面16b上的凸块电极60、61与搭载基板81电连接。因此，在本变形例中，无需光吸收膜30的开口30b及30c(参照图1)。
具备以上结构的本变形例的光检测装置1C也可实现与第1实施方式同样的作用效果。但是，在本变形例中，与光吸收层31接触的介质为光学粘接剂71而非空气。下述的表2显示被检测光的波长λ为400nm、800nm、及1000nm的情况下的光学粘接剂71的折射率及光吸收膜30的设计例。
[表2]
Figure BDA0004090568770000151
(第3变形例)
图5是上述实施方式的第3变形例的光检测装置1D的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1D具备检测被检测光的强度的光检测元件10D、气密性地收纳光检测元件10D的封装体20、及搭载基板81。
本变形例与第2变形例的不同点在于，在光检测装置1D中光吸收膜30设置于玻璃基板70的主面70a上。即，玻璃基板70的背面70b经由光学粘接剂71粘接于绝缘膜41，光吸收膜30的反射层33、共振层32、及光吸收层31依序在主面70a上成膜。具备以上结构的本变形例的光检测装置1D也可实现与第1实施方式同样的作用效果。
(第4变形例)
图6是上述实施方式的第4变形例的光检测装置1E的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1E具备检测被检测光的强度的光检测元件10E、气密性地收纳光检测元件10E的封装体20、及搭载基板81。本变形例与第1实施方式的不同点在于，被检测光自半导体基板16的背面16b侧入射于光检测元件10E、及具备搭载基板81。
光检测元件10E与第1实施方式的光检测元件10A同样地具有半导体基板16、绝缘膜41、及电极焊垫51、52。绝缘膜41、及电极焊垫51、52设置于半导体基板16的主面16a上。半导体基板16包含半导体区域12、14及15。半导体基板16、绝缘膜41、及电极焊垫51、52的结构与第1实施方式相同。
搭载基板81的结构与第2变形例相同。但是，搭载基板81的电极82、83各自与电极焊垫51、52对应而配置。具体而言，电极82、83形成于主面81a上的分别与电极焊垫51、52相对的各区域上。
电极焊垫51与电极82通过凸块电极62连接。由此，半导体区域14经由电极焊垫51及凸块电极62与电极82电连接。同样地，电极焊垫52与电极83通过凸块电极63连接。由此，半导体区域15经由电极焊垫52及凸块电极63与电极83电连接。电极82、83由与电极焊垫51、52同样的金属构成。凸块电极62、63例如主要包含焊料。
本变形例的光吸收膜30设置于半导体基板16的背面16b上。光吸收膜30相对于背面16b，设置于将光检测区域11向与被检测光的入射方向相反的方向(即朝向光学窗232的方向)投影的区域16d的周围的区域中的至少一部分的区域上。图示例的光吸收膜30设置于除包含区域16d的中央部的区域以外的背面16b上的整个面。即，光吸收膜30在区域16d上具有开口30a。半导体基板16在开口30a中自光吸收膜30露出。
光吸收膜30为了吸收朝向区域16d的周围的被检测光而设置。光吸收膜30与第1实施方式同样地具有包含光吸收层31、共振层32及反射层33的多层结构。光吸收层31、共振层32及反射层33的详细结构与第1实施方式相同。
具备以上结构的本变形例的光检测装置1E也可实现与第1实施方式同样的作用效果。即，根据该光检测装置1E，由于可有效减少将主面16a的光检测区域11向与被检测光的入射方向相反的方向投影后的区域16d的周围的区域中的被检测光的反射，因而可减少在封装体20的内部空间散射的光并抑制光检测元件10E的时间分辨率的降低。
(第5变形例)
图7是上述实施方式的第5变形例的光检测装置1F的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1F具备检测被检测光的强度的光检测元件10F、气密性地收纳光检测元件10F的封装体20、及搭载基板81。本变形例与第4变形例的不同点在于光检测元件10F具备玻璃基板70。
玻璃基板70的结构与上述的第2变形例(参照图4)相同。即，玻璃基板70相对于被检测光的波长具有光透过性。玻璃基板70配置于光吸收膜30上。玻璃基板70具有相互朝向相反的主面70a和背面70b。背面70b与半导体基板16的背面16b相对。主面70a及背面70b平坦。玻璃基板70、与光吸收膜30及开口30a内的半导体基板16通过光学粘接剂71粘接，且光学连接。光学粘接剂71埋入光吸收膜30的开口30a。
具备以上结构的本变形例的光检测装置1F也可实现与第1实施方式同样的作用效果。
(第6变形例)
图8是上述实施方式的第6变形例的光检测装置1G的截面图，显示包含被检测光的光轴AX的截面。光检测装置1G具备检测被检测光的强度的光检测元件10G、气密性地收纳光检测元件10G的封装体20、及搭载基板81。
本变形例与第5变形例的不同点在于在光检测装置1G中，光吸收膜30设置于玻璃基板70的主面70a上。即，玻璃基板70的背面70b经由光学粘接剂71粘接于半导体基板16的背面16b，光吸收膜30的反射层33、共振层32、及光吸收层31依序在主面70a上成膜。具备以上结构的本变形例的光检测装置1G也可实现与第1实施方式同样的作用效果。
光检测装置并非限定于上述实施方式及构成例，可进行各种变形。例如，光检测区域11不限于光电二极管，也可包含例如电荷耦合元件(Charge Coupled Device：CCD)。即使在该情况下，也可实现抑制时间分辨率的降低的效果。
上述实施方式的第1光检测装置具备半导体光检测元件和封装体。封装体具有使被检测光通过的光学窗，并收纳半导体光检测元件。半导体光检测元件具备半导体基板和光吸收膜。半导体基板具有被检测光入射的第1面、及朝向第1面的相反的第2面，在第1面侧具有产生与被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域。光吸收膜设置于第1面上的光检测区域的周围的区域中的至少一部分的区域上。光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含光吸收层、设置于光吸收层与半导体基板之间的共振层、及设置于共振层与半导体基板之间的金属层即反射层。在被检测光的波长中，共振层的内部的光透过率较光吸收层的内部的光透过率大，反射层的表面的光反射率较共振层的表面的光反射率大。
在上述光检测装置中，半导体光检测元件也可在第1面上还具备与光检测区域电连接的用于引线接合的电极焊垫，且光吸收膜使电极焊垫的至少一部分露出。在该情况下，可防止光吸收膜妨碍对电极焊垫的引线接合。
上述实施方式的第2光检测装置具备半导体光检测元件和封装体。封装体具有使被检测光通过的光学窗，并收纳半导体光检测元件。半导体光检测元件具备半导体基板和光吸收膜。半导体基板具有第1面、及朝向第1面的相反且被检测光入射的第2面，在第1面具有产生与被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域。光吸收膜在第2面上设置于将光检测区域向与被检测光的入射方向相反的方向投影的区域的周围的区域中的至少一部分之上。光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含光吸收层、设置于光吸收层与半导体基板之间的共振层、及设置于共振层与半导体基板之间的金属层即反射层。在被检测光的波长中，共振层的内部的光透过率较光吸收层的内部的光透过率大，反射层的表面的光反射率较共振层的表面的光反射率大。
上述第1或第2的光检测装置中，共振层的光学厚度也可为以被检测光的波长的四分之一的整数倍为中心的±20％的范围内。在该情况下，由于在光吸收层及共振层的界面反射的光的相位、与在共振层及反射层的界面反射的光的相位互相偏移π(rad)左右，因而相互抵消。因此，可进一步提高光吸收膜的吸收效率(衰减效率)。
上述第1或第2的光检测装置中，光检测区域也可包含雪崩光电二极管或pn接合型光电二极管。例如，在这样的情况下，可在光检测区域产生与被检测光的光强度相应的量的电荷。
上述第1或第2光检测装置中，也可是光吸收层主要包含硅化钨，共振层主要包含SiO2。在该情况下，可实现吸收效率高的光吸收膜。
产业上的可利用性
本发明可作为能够减少在封装体内散射的光的光检测装置来利用。
符号的说明
1A～1G…光检测装置、10A～10G…光检测元件、11…光检测区域、12,14,15…半导体区域、16a…主面、16b…背面、16c…贯通孔、16d…区域、20…封装体、21…底板、21a…搭载面、22…侧壁、23…顶板、23a…开口部、24…销、30…光吸收膜、30a,30b,30c…开口、31…光吸收层、32…共振层、33…反射层、41,42,44…绝缘膜、43…绝缘保护膜、51,52…电极焊垫、53,54…接合线、55…背面电极、56,57…贯通配线、58,59…背面电极、60～63…凸块电极、70…玻璃基板、70a…主面、70b…背面、71…光学粘接剂、81…搭载基板、81a…主面、82～85…电极、231…部分、232…光学窗、16…半导体基板、AX…光轴、L…光。

Claims (6)

1.一种光检测装置，其中，
具备：
半导体光检测元件，其具备：半导体基板，其具有被检测光入射的第1面、及朝向所述第1面的相反的第2面，且在所述第1面侧具有产生与所述被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域；及光吸收膜，其设置于所述第1面上的所述光检测区域的周围的区域中的至少一部分的区域上；及
封装体，其具有使所述被检测光通过的光学窗，并收纳所述半导体光检测元件，
所述光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含：光吸收层、设置于所述光吸收层与所述半导体基板之间的共振层、及作为设置于所述共振层与所述半导体基板之间的金属层的反射层，
在所述被检测光的波长中，所述共振层的内部的光透过率较所述光吸收层的内部的光透过率大，所述反射层的表面的光反射率较所述共振层的表面的光反射率大。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其中
所述半导体光检测元件在所述第1面上还具备与所述光检测区域电连接的用于引线接合的电极焊垫，
所述光吸收膜使所述电极焊垫的至少一部分露出。
3.一种光检测装置，其中，
具备：
半导体光检测元件，其具备：半导体基板，其具有第1面、及朝向所述第1面的相反且被检测光入射的第2面，且在所述第1面具有产生与所述被检测光的光强度相应的量的电荷的光检测区域；及光吸收膜，其在所述第2面上设置于将所述光检测区域向与所述被检测光的入射方向相反的方向投影的区域的周围的区域中的至少一部分的区域上；及
封装体，其具有使所述被检测光通过的光学窗，并收纳所述半导体光检测元件，
所述光吸收膜具有多层结构，该多层结构包含：光吸收层、设置于所述光吸收层与所述半导体基板之间的共振层、及作为设置于所述共振层与所述半导体基板之间的金属层的反射层，
在所述被检测光的波长中，所述共振层的内部的光透过率较所述光吸收层的内部的光透过率大，所述反射层的表面的光反射率较所述共振层的表面的光反射率大。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光检测装置，其中，
所述共振层的光学厚度为以所述被检测光的波长的四分之一的整数倍为中心的±20％的范围内。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光检测装置，其中，
所述光检测区域包含雪崩光电二极管或pn接合型光电二极管。
6.如权利要求1～5中任一项所述的光检测装置，其中，
所述光吸收层主要包含硅化钨，所述共振层主要包含SiO2。
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