JP2021120971A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】１以上のＡＰＤを有する光検出素子の変形を抑制し、かつＡＰＤに確実に逆バイアス電圧を印加可能な光検出器を提供する。【解決手段】光検出器１００は、固体撮像素子１０とパッケージ３０とで構成されている固体撮像素子１０は、半導体基板１２と、１以上のＡＰＤを有する受光部１１と、半導体基板１２の裏面に形成された裏面電極１４と、を有している。パッケージ３０は中空パッケージであり、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａには裏面電極１４と対面してランドパッド電極３５が、パッケージ３０の底面３３には複数の外部電極４０がそれぞれ設けられている。さらに、ランドパッド電極３５に一端が接続され、パッケージ３０の底壁３２の内部をパッケージ３０の底面３３に向けて延びる複数の第１ビア３６が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、光検出器、特にアバランシェフォトダイオードを含む光検出器に関する。

近年、医療、通信、バイオ、化学、監視、車載、放射線検出等多岐に渡る分野において、高感度な光検出器が利用されている。高感度化のための手段の一つとして、アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photo Diode； 以下、ＡＰＤという）が用いられている。ＡＰＤは、光電変換層に入射された光が光電変換されることで発生した信号電荷を、アバランシェ降伏を用いて増倍することで光の検出感度を高めたフォトダイオードである。ＡＰＤを用いることで、わずかなフォトンの数でも検出可能となる。

特許文献１には、ダイナミックレンジの向上を目的として、ＡＰＤに印加する電圧を低くすることでアバランシェ増幅を抑制し、通常のフォトダイオードのように使う構成が提案されている。

特許文献２には、ＡＰＤが形成された半導体基板の裏面からＡＰＤに電圧を印加する構成について言及されている。

特許第６５７３１８６号公報 国際公開第２０１９／１８９７００号

通常、ＡＰＤ等の光検出素子が設けられた光検出器は、中空パッケージの内部に収容されており、パッケージに設けられた複数の電極と光検出素子の複数の電極とが電気的に接続される。光検出器の駆動電圧がパッケージの電極を介して光検出素子に供給され、また、光検出素子で検出された信号が、パッケージの電極を介して外部に伝送される。

一方、ＡＰＤを駆動する場合、アバランシェ降伏電圧以上の逆バイアス電圧をＡＰＤに印加することがあり、パッケージの電極も含めて光検出素子の裏面電極に至る導電経路を低抵抗化する必要がある。しかし、このような工夫は、特許文献１，２には何ら開示されていない。このため、ＡＰＤの面積が広い場合、例えば、複数のＡＰＤがアレイ状に配列されている場合等は、裏面電極内で電圧伝搬の遅延が起こり、すべてのＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加できないおそれがあった。

また、パッケージに大面積のランドパッド電極を設けて、これと光検出素子の裏面電極を接合することも考えられるが、パッケージの構成材料とランドパッド電極との熱膨張係数の違いにより、パッケージに反りを生じることがある。この場合、光検出素子が変形して、入射した光を正確に検出できないおそれがあった。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、１以上のＡＰＤを有する光検出器において、光検出素子の変形を抑制し、かつ光検出素子のＡＰＤに確実に逆バイアス電圧を印加可能な光検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本開示に係る光検出器は、光検出素子と前記光検出素子を格納するパッケージとで構成された光検出器であって、前記光検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成され、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する受光部と、前記半導体基板の裏面に形成され、前記受光部に所定の電圧を印加するための裏面電極と、を少なくとも有し、前記パッケージは中空パッケージであり、前記パッケージの底壁の内面には前記裏面電極と対面してランドパッド電極が、前記パッケージの底面には複数の外部電極がそれぞれ設けられており、さらに、前記ランドパッド電極に一端が接続され、前記パッケージの底壁の内部を前記パッケージの底面に向けて延びる複数の第１ビアが設けられていることを特徴とする。

本開示の光検出器によれば、受光部のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、光検出素子の変形を抑制でき、光検出器に入射した光を正確に検出することができる。

実施形態１に係る光検出器の断面模式図である。 光検出器の上面図である。 ランドパッド電極の下面図である。 第１ビアの下面図である。 第１内部配線の下面図である。 第２ビアの下面図である。 別の第１内部配線の下面図である。 光検出器の下面図である。 実施形態２に係る光検出器の断面模式図である。 実施形態３に係る光検出器の断面模式図である。 実施形態３に係る光検出器の下面図である。 変形例に係る光検出器の断面模式図である。 実施形態４に係る光検出装置の断面模式図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
［光検出器の構成］
図１は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示し、図２は、上面図を示す。また、図３Ａは、ランドパッド電極の下面図を、図３Ｂは、第１ビアの下面図を、図３Ｃは、第１内部配線の下面図を、図３Ｄは、第２ビアの下面図をそれぞれ示す。図４は、別の第１内部配線の下面図を示す。

なお、説明の便宜上、半導体基板１２の表面側に形成される金属配線やトランジスタなどの構成要素の図示は省略している。また、図２において、導体ワイヤ５０の図示を省略している。また、パッケージ３０のガラスカバー２０が設けられた側を上側と呼び、パッケージ３０の底面３３側を下側と呼ぶことがある。パッケージ３０の底壁３２の厚さ方向を上下方向と呼ぶことがある。また、半導体基板１２の上面を表面と、半導体基板１２の下面を裏面とそれぞれ呼ぶことがある。

図１に示すように、光検出器１００は、光検出素子である固体撮像素子１０とパッケージ３０とを有しており、固体撮像素子１０は、半導体基板１２と受光部１１と表面電極１３と裏面電極１４とを有している。

半導体基板１２は、ｐ型単結晶シリコンからなる。ただし、ｐ型単結晶シリコン基板の表面にｐ型のエピタキシャル層が形成されていてもよい。本願明細書において、ｐ型単結晶シリコン基板にｐ型のエピタキシャル層が積層された構造も半導体基板１２と呼ぶこととする。なお、半導体基板１２の導電型は、光検出時に使用する信号電荷の選択によっては、ｎ型であってもよい。

受光部１１は、半導体基板１２の表面に複数のＡＰＤが行列状に形成された、いわゆる画素アレイ構造を有している。ただし、１つのＡＰＤで受光部１１が構成されてもよい。受光部１１には、入射光によりＡＰＤで発生した信号電荷を読み出す読み出し回路（図示せず）や読み出された信号電荷に基づいた出力信号を転送する転送回路（図示せず）等が設けられている。図１に示すように、固体撮像素子１０及び受光部１１の外形は略四角形である。

図１，２に示すように、表面電極１３は、半導体基板１２の表面に設けられており、受光部１１の周囲に複数配置されている。表面電極１３は、受光部１１やその周辺回路と図示しない金属配線によって接続されている。複数の表面電極１３のそれぞれは、導体ワイヤ５０を介して、パッケージ３０の内部電極３４に接続され、各種信号の授受が行われる。例えば、固体撮像素子１０の出力信号は、所定の表面電極１３から導体ワイヤ５０を介して対応する内部電極３４に送られる。また、固体撮像素子１０に設けられた各種回路（図示せず）を駆動する駆動電圧は、対応する内部電極３４から導体ワイヤ５０と別の表面電極１３を介して供給される。固体撮像素子１０のグランド電位は、対応する内部電極３４から導体ワイヤ５０とさらなる別の表面電極１３とを介して供給される。

裏面電極１４は、半導体基板１２の裏面全体に設けられている。後で述べるように、裏面電極１４は、受光部１１のＡＰＤに所定の電圧を印加するために設けられている。また、裏面電極１４は、パッケージ３０に設けられたランドパッド電極３５に接触しており、両者が電気的に接続されている。

裏面電極１４の低抵抗化を図るためには、裏面電極１４と半導体基板１２との接触抵抗を低減させるのが好ましい。よって、裏面電極１４は、半導体基板１２の構成材料であるシリコンとオーミック接合する材料であることが好ましい。このような材料として、例えば、ｐ型シリコンの場合は、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）、またニッケル（Ｎｉ）等が挙げられる。ただし、特にこれに限定されず、ｐ型シリコンに対する仕事関数が高い金属であればよい。ｎ型シリコンの場合は、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）が挙げられる。ただし、特にこれに限定されず、ｎ型シリコンに対する仕事関数が低い金属であればよい。また、半導体基板１２の構成材料が、他の材料、例えば、化合物半導体である場合は、裏面電極１４の材質が上記と異なってくることは言うまでもない。

なお、裏面電極１４は積層構造であってもよい。その場合、半導体基板１２の裏面に接触する層が、半導体基板１２の構成材料とオーミック接合する材料であることが好ましい。

パッケージ３０は、上部が開放された箱型形状であり、内部に固体撮像素子１０が格納される。パッケージ３０の側壁３１の上面とガラスカバー２０とが封止材６０を介して接着されることで、パッケージ３０は、いわゆる中空パッケージとして構成され、また、パッケージ３０内部の気密が保たれる。

パッケージ３０は、樹脂にアルミナやガラス等のセラミック粉末を混合し、シート状に形成したもの（以下、グリーンシートという）を複数枚準備し、これらを積層後に焼成して得られる、積層セラミックパッケージである。後で述べる第１内部配線３７及び第２内部配線３９の一部は、グリーンシートの表面に金属等の導電物質を含有する導体パターンをスクリーン印刷することで形成される。また、第１ビア３６及び第２ビア３８は、1枚または複数枚のグリーンシートを積層した後に所定の位置に穴あけ加工を施し、内部に導電物質を埋め込むことで形成される。この埋め込み工程は、導体パターンの印刷工程と同時に行われてもよい。第２内部配線３９のうち、上下方向に沿って延びる部分も同様の方法で形成される。

図１に示すように、パッケージ３０の内面に前述の内部電極３４が設けられている。具体的には、パッケージ３０の側壁３１に設けられた段差部３１ａの上面に内部電極３４が設けられている。内部電極３４は、導体ワイヤ５０を介して固体撮像素子１０の表面電極１３と接続されている。また、内部電極３４は、パッケージ３０の内部に設けられた第２内部配線３９を介して、パッケージ３０の底面３３に設けられた第２外部電極４２と電気的に接続されている。

また、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａには、固体撮像素子１０の裏面電極１４と対面してランドパッド電極３５が設けられ、裏面電極１４とランドパッド電極３５とが電気的に接続されている。また、ランドパッド電極３５の下面には、複数の第１ビア３６の一端が接続されている。

ランドパッド電極３５及び内部電極３４は、第１内部配線３７等と同様に導体パターンを印刷することでそれぞれ形成される。ただし、内部電極３４には導体ワイヤ５０をボンディングする際の衝撃が、ランドパッド電極３５には裏面電極１４を接続する際の衝撃がそれぞれ加わるため、ランドパッド電極３５及び内部電極３４は、例えば、第１内部配線３７よりも厚く形成されている。また、導体ワイヤ５０や裏面電極１４との電気的接続を良好にするために、ランドパッド電極３５及び内部電極３４のそれぞれの表面には、所定の厚さのＡｕ層が設けられているのが好ましい。

また、図２及び図３Ａに示すように、ランドパッド電極３５の外形は、受光部１１の外形よりも大きくなっており、ランドパッド電極３５の外周縁は、受光部１１の外周縁の外側に位置している。

図１に示すように、第１ビア３６及び第２ビア３８と第１内部配線３７とは、パッケージ３０の底壁３２の内部にそれぞれ設けられている。図３Ａ〜３Ｃに示すように、第１ビア３６は、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａと平行な方向に所定の間隔をあけて複数設けられており、上端部がランドパッド電極３５の下面に、下端部が第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの上面にそれぞれ接続されている。このことにより、ランドパッド電極３５が第１内部配線３７と電気的に接続される。

第１内部配線３７は、ランドパッド電極３５の下方に設けられており、図３Ｃに示すように、外形が四角形の第１ビア接続部３７ａの四隅から配線が延びて、その先端に第２ビア接続部３７ｂが設けられている。第１ビア接続部３７ａの外形は、ランドパッド電極３５の外形よりも大きくなっており、第１ビア接続部３７ａの外周縁は、ランドパッド電極３５の外周縁の外側に位置している。

また、図３Ａ〜３Ｃから明らかなように、複数の第１ビア３６は、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａとランドパッド電極３５のそれぞれに対して、それぞれの面内で一定の間隔をあけて接続されている。このため、第１ビア接続部３７ａから複数の第１ビア３６を介してランドパッド電極３５の面内に一様に電圧を印加することができる。

また、図１に示すように、ランドパッド電極３５の上面と裏面電極１４の下面とが接続されている。このため、ランドパッド電極３５を介して裏面電極１４の面内に一様に電圧を印加することができる。

図１及び図３Ｃ，３Ｄに示すように、第２ビア３８は、上端部が第１内部配線３７の第２ビア接続部３７ｂの下面に、下端部が第１外部電極４１の上面にそれぞれ接続されている。このことにより、第１外部電極４１が第１内部配線３７と第１ビア３６及び第２ビア３８とを介してランドパッド電極３５と電気的に接続される。このことにより、第１外部電極４１が固体撮像素子１０の裏面電極１４と電気的に接続される。また、図３Ｄに示すように、第２ビア３８は、第１内部配線３７の４つの第２ビア接続部３７ｂに対応して、それぞれ所定の個数だけ設けられている。

なお、第１内部配線３７の形状は、図３Ｃに示したものに特に限定されない。例えば、図４に示すように、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ１がメッシュ状であってもよい。さらに別の例として、図３Ｃにおいて、第１ビア接続部３７ａの４隅を第２ビア接続部３７ｂとしてレイアウトしてもよい。なお、図示しないが、図４に示す第１内部配線３７をパッケージ３０の内部に設ける場合、第１ビア３６の配置が、図３Ｂに示す配置と異なってくることは言うまでもない。

図５は、光検出器の下面図を示し、図５に示すように、外部電極４０は、パッケージ３０の底面３３に接して複数設けられている。複数の外部電極４０のうち、第１外部電極４１が固体撮像素子１０の裏面電極１４と電気的に接続され、第２外部電極４２が固体撮像素子１０の表面電極１３と電気的に接続されていることは前述した通りである。なお、第１外部電極４１、第２外部電極４２ともに複数設けられている。

図１，図３Ｄ及び図５に示すように、第１外部電極４１は、第２ビア３８の下方に設けられており、第２外部電極４２を含めて、外部電極４０は、平面視で固体撮像素子１０を囲むようにその周囲に設けられている。

外部電極４０は、パッケージ３０の底面３３と面一であってもよいし、あるいは、パッケージ３０の底面３３から下方に突出していてもよいし、上方に窪んでいてもよい。外部電極４０を介して、光検出器１００の外部と固体撮像素子１０との間で各種信号の授受が行われる。

次に、光検出器１００の動作について説明する。外部電極４０を介して、固体撮像素子１０の所定の表面電極１３及び裏面電極１４にそれぞれ駆動電圧が印加される。ガラスカバー２０を透過して受光部１１に光が入射すると、受光部１１のＡＰＤで光電変換により信号電荷が発生し、図示しない読み出し回路や転送回路等により、信号電荷に基づいた出力信号が所定の表面電極１３に送られる。出力信号は第２内部配線３９を介して第２外部電極４２のうちの所定の電極に送られ、外部機器（図示せず）に入力され、例えば、画像としてモニター（図示せず）に表示される。

本実施形態の光検出器１００において、光検出動作時に裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧は、変更可能に構成されている。このため、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧の値に応じてＡＰＤの動作モードを変更することができる。

例えば、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がＡＰＤのアバランシェ降伏電圧を超える場合、ＡＰＤは、ガイガー増倍モードで動作する。このとき、ＡＰＤでは、発生した電荷の衝突イオン化によってアバランシェ増倍が起こるため、１フォトンの入射により、数十〜数百個以上の信号電荷が発生する。つまり、信号の増幅率が非常に高くなる。一方、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がＡＰＤのアバランシェ降伏電圧以下である場合、ＡＰＤは、リニア増倍モードで動作する。このとき、ＡＰＤでは、発生した電荷の衝突イオン化によって電荷増倍が起こるが、１フォトンの入射により発生する信号電荷は、数〜十数個程度である。つまり、ガイガー増倍モードに比べて、信号の増幅率は低くなる。また、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧がゼロである場合、ＡＰＤは、フォトダイオードモードで動作する。この場合、電荷の衝突イオン化は起こらず、ＡＰＤでの信号増幅は起こらない。つまり、ＡＰＤは、通常のフォトダイオードとして動作する。

また、光検出器１００の温度変化に起因して変動するアバランシェ降伏電圧に逆バイアス電圧を追従させることができる。結果として、ガイガー増倍モードのみを使用する場合においても、光検出器１００を安定に動作させることが可能となる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る光検出器１００は、光検出素子である固体撮像素子１０と固体撮像素子１０を格納するパッケージ３０とで構成されている。

固体撮像素子１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の表面に形成され、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する受光部１１と、半導体基板１２の裏面に形成され、受光部１１に所定の電圧を印加するための裏面電極１４と、を少なくとも有している。

パッケージ３０は中空パッケージであり、パッケージ３０の底壁３２の内面３２ａには裏面電極１４と対面してランドパッド電極３５が、パッケージ３０の底面３３には複数の外部電極４０がそれぞれ設けられている。

さらに、ランドパッド電極３５に一端が接続され、パッケージ３０の底壁３２の内部をパッケージ３０の底面３３に向けて延びる複数の第１ビア３６が設けられている。

また、複数の第１ビア３６は、パッケージ３０の内部に設けられた第１内部配線３７にそれぞれ接続され、複数の外部電極４０のうちの第１外部電極４１は、第１内部配線３７と電気的に接続されている。具体的には、第１外部電極４１は、複数の第２ビア３８を介して第１内部配線３７と接続されている。

本実施形態によれば、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における面内での電圧伝搬の遅延を小さくできる。

前述したように、本実施形態のＡＰＤは、裏面電極１４に印加される逆バイアス電圧に応じて異なるモードで動作する。例えば、光検出器１００が昼夜を問わず外光を検出するように構成されている場合、受光部１１に入射される光の強度は、時間帯によって変化する。光検出器１００が車両等の移動体に搭載されている場合は、この変化の度合いはより大きくなる。このような場合に、外光の強度に応じて、逆バイアス電圧を切り替えてＡＰＤの動作モードを変更することで、対象物体の鮮明な画像を取得できる。例えば、対象物体が近距離にあり、かつ外界が明るい場合は、ＡＰＤをフォトダイオードモードで動作させることで、ハレーション等を起こさずに鮮明な画像を取得できる。一方、対象物体を含めた外界が暗い場合は、ＡＰＤをガイガー増倍モードあるいはリニア増倍モードで動作させることで、対象物体からの微弱光を確実に検知して鮮明な画像を取得できる。

しかし、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗が高いと、逆バイアス電圧の印加時間に遅延を生じ、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられないおそれがあった。このことに起因して、取得した画像がぼやけたり、あるいは照度不足により鮮明な画像を得られなかったりするおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、当該導電経路を低抵抗化して、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできるため、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられる。このことにより、対象物体の鮮明な画像を取得できる。

また、本実施形態の光検出器１００を、例えば、対象物体との測距用に用いる場合、対象物体の鮮明な画像を取得でき、このことにより、対象物体との距離を正確に測定できる。特に、光検出器１００が車両等の移動体に搭載されている場合は、当該効果が顕著に発揮される。

また、本実施形態によれば、パッケージ３０、特にパッケージ３０の底壁３２の反りを抑制できる。このことにより、パッケージ３０に固体撮像素子１０を実装した場合の、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。このことについてさらに説明する。

前述したように、パッケージ３０の主たる構成材料はセラミックである。一方、これとランドパッド電極３５との熱膨張係数は大きく異なる。また、固体撮像素子１０の主たる構成部材である半導体基板１２とセラミックやランドパッド電極３５との熱膨張係数も大きく異なる。

例えば、第１ビア３６及び第２ビア３８や第１内部配線３７を省略し、ランドパッド電極３５をパッケージ３０の底壁３２と同じ厚さとした場合も、固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化することができる。

しかし、この場合、パッケージ３０を構成するセラミックに対して、より大きな熱膨張係数を有するランドパッド電極３５が厚さ方向に大きく反ってしまい、ランドパッド電極３５に実装された固体撮像素子１０もこれに応じて変形してしまう。特に、受光部１１の表面が反ってしまうことにより、受光部１１内に配置されたＡＰＤへの光の入射角度が変化してしまい、入射した光を正確に検出できないおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、ランドパッド電極３５に一端が接続され、パッケージ３０の底壁３２の内部をパッケージ３０の底面３３に向けて延びる複数の第１ビア３６を設けることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗上昇を抑えつつ、ランドパッド電極３５の厚さを薄くすることができる。このことにより、ランドパッド電極３５を含むパッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。

特に、第１ビア３６の下方に、これと接続する第１内部配線３７を設けることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路の抵抗上昇を確実に抑えることができる。また、第１内部配線３７をランドパッド電極３５よりも薄くすることで、パッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を確実に抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。

裏面電極１４は、半導体基板１２とオーミック接合する金属で構成されていることが好ましく、このようにすることで、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を確実に低抵抗化することができる。

また、図示しないが、受光部１１の各ＡＰＤに確実に光を入射させるため、ＡＰＤのそれぞれに集光レンズ（マイクロレンズ）が設けられることが多い。この集光レンズは、通常、樹脂製であるため、集光レンズの形成後に固体撮像素子１０を高温で熱処理することができない。このため、裏面電極１４の形成後に固体撮像素子１０を熱処理して、裏面電極１４と半導体基板１２との界面を低抵抗化することができない。

一方、本実施形態によれば、裏面電極１４の材質を上記のように規定することで、裏面電極１４と半導体基板１２との界面での抵抗上昇を抑えることができる。

なお、半導体基板１２の裏面に予め所定量のドーパントを導入し、活性化させておくことで、半導体基板１２の裏面側を低抵抗化でき、ひいては、裏面電極１４と半導体基板１２との界面を低抵抗化できることは言うまでもない。さらに、裏面電極１４の形成前に半導体基板１２の裏面に生成されるシリコンの自然酸化膜をクリーニングすることによっても、界面の抵抗上昇を抑えることができる。

平面視で、ランドパッド電極３５の外周縁は、受光部１１の外周縁の外側に位置することが好ましく、このようにすることで、逆バイアス電圧を受光部１１全体に確実に印加することができる。なお、ランドパッド電極３５の外周縁が、受光部１１の外周縁と同じ位置であっても構わない。

また、同様の理由から、平面視で、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの外周縁は、ランドパッド電極３５の外周縁の外側に位置することが好ましく、また、複数の第１ビア３６は、ランドパッド電極３５の全体に一様に電圧が印加されるように第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａに接続されているのがより好ましい。このようにすることで、逆バイアス電圧を裏面電極１４、ひいては受光部１１全体に偏りなく印加することができる。このことにより、裏面電極１４における面内での電圧伝搬の遅延を小さくでき、外光の強度変化に応じてＡＰＤの動作モードを適切に切り替えられるため、対象物体の鮮明な画像を取得できる。なお、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａの外周縁が、ランドパッド電極３５の外周縁と同じ位置であっても構わない。

また、図３Ｃに示すように、第１ビア接続部３７ａの外形は、四角形であってもよいが、図４に示すように、第１ビア接続部３７ａ１がメッシュ状の配線であってもよい。

第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路において、抵抗値を律速するのは、主に、上下方向に延びる部分の長さである。このため、第１ビア接続部３７ａが、第１ビア３６が配置される領域に一様に設けられている必要はなく、図４に示す形状であってもよいし、別の形状であってもよい。

また、第１ビア接続部３７ａ１に部分的に導体部分を設けないことで、図３Ｃに示す第１内部配線３７よりも反りを抑制できる。このことにより、パッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。

光検出器１００は、受光部１１の周囲に設けられ、受光部１１の出力用電極を含む複数の表面電極１３をさらに有している。複数の表面電極１３のそれぞれは、パッケージ３０の内面に設けられた複数の内部電極３４に電気的に接続され、複数の内部電極３４のそれぞれは、パッケージ３０の内部に設けられた第２内部配線３９を介して第２外部電極４２に接続されている。

このようにすることで、受光部１１で検出された出力信号を第２外部電極４２から取り出すことができる。また、受光部１１を含む固体撮像素子１０の内部回路の駆動電圧を第２外部電極４２から供給することができる。また、第２内部配線３９を用いることで、内部電極３４と第２外部電極４２との間の導電経路を短くでき、当該導電経路を低抵抗化できる。このことにより、出力信号や駆動電圧の波形なまりを抑制でき、ひいては、対象物体の画像を鮮明に取得できる。

（実施形態２）
図６は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示す。なお、図６及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示す本実施形態の光検出器１００は、固体撮像素子１０の裏面電極１４とランドパッド電極３５との間に金や銀等の導電粒子が樹脂に所定量添加された導電性ペースト７０が設けられている点で、図１に示す光検出器１００と異なる。

前述したように、固体撮像素子１０の表面に樹脂製の集光レンズ（図示せず）が設けられていると、裏面電極１４の形成後に、固体撮像素子１０に高温、例えば、２００度を超えるような温度での熱処理を加えることが困難な場合がある。よって、裏面電極１４とランドパッド電極３５との接合には熱的制約が加わる。

本実施形態によれば、導電性ペースト７０を設けることで、高い温度を加えずに裏面電極１４とランドパッド電極３５とを確実に電気的に接続できる。

なお、導電性ペースト７０以外の導電性材料が用いられてもよい。例えば、２００度未満で接合可能な低融点はんだが裏面電極１４とランドパッド電極３５との間に設けられていてもよい。

（実施形態３）
図７は、本実施形態に係る光検出器の断面模式図を示し、図８は、光検出器の下面図を示す。

本実施形態の光検出器１００は、以下の点で図１に示す実施形態１の光検出器１００と異なる。まず、図７に示すように、第１内部配線３７及び第２ビア３８が省略されている。また、第１ビア３６が、パッケージ３０の底壁３２の内部を上下方向に延びて、第１外部電極４１に直接に接続している。さらに、図８に示すように、平面視で、ランドパッド電極３５の外周縁の内側に第１外部電極４１が位置している。なお、第１外部電極４１との接続を確実にするため、１個の第１外部電極４１あたりに複数の第１ビア３６が接続されている。また、第１外部電極４１がパッケージ３０の底面３３から外側に突出している場合、第１ビア３６は、パッケージ３０の底壁３２を貫通している。

本実施形態によれば、実施形態１が示す構成と同様の効果を奏することができる。つまり、第１外部電極４１から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできる。

また、第１内部配線３７を省略できるため、実施形態１に示す構成よりもパッケージ３０の底壁３２の反り、ひいては、受光部１１の変形を抑制でき、光検出器１００に入射した光を正確に検出することができる。

なお、実施形態１，２に示すように、ランドパッド電極３５直下のパッケージ３０の底面３３に第１外部電極４１を設けないことで、この領域を別の用途に利用できる。例えば、この領域にヒートシンクを配置することで、固体撮像素子１０の動作時に発生した熱を外部に速やかに排出することができる。このことにより、固体撮像素子１０の光検出性能を安定化できる。また、ヒートシンクを設ける代わりに、この領域に光検出器１００の個体番号を示すマーキングを施してもよい。

＜変形例＞
図９は、本変形例に係る光検出器の断面模式図を示し、本変形例の光検出器１００は、第１ビア３６に接続される第１外部電極４１が省略され、代わりに第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ２がパッケージ３０の底面３３と面一となるように設けられ、複数の第１ビア３６のそれぞれが第１ビア接続部３７ａ２に接続されている点で、図７に示す実施形態３の光検出器１００と異なる。なお、図９に示す第１ビア接続部３７ａ２は、図３Ｃに示す第１ビア接続部３７ａと同様の形状である。また、本変形例において、第１内部配線３７の第２ビア接続部３７ｂ及び第１ビア接続部３７ａ２と第２ビア接続部３７ｂを接続する配線は省略されている。

光検出器１００をこのように構成してもよく、実施形態１が示す構成と同様の効果を奏することができる。つまり、第１ビア接続部３７ａ２から固体撮像素子１０の裏面電極１４に至る導電経路を低抵抗化できる。このことにより、受光部１１のＡＰＤに対して逆バイアス電圧を確実に印加することができる。また、裏面電極１４における電圧伝搬の遅延を小さくできる。

なお、第２外部電極４２がパッケージ３０の底面３３と面一となるように形成される場合、第１内部配線３７の第１ビア接続部３７ａ２と第２外部電極４２とを同時に形成してもよい。そのようにすることで、光検出器１００の製造工程を省略でき、コストの上昇を抑制できる。ただし、第２外部電極４２は、回路基板（図１０参照）等に接合されるため、接合時の衝撃に耐えうるように、また、要求される抵抗値を満足するように、その厚みが規定される。一方、第１ビア接続部３７ａ２を厚くしすぎると、パッケージ３０の反りを抑制するのが難しくなるため、第１ビア接続部３７ａ２と第２外部電極４２とを同時に形成する場合は、これらの条件の兼ね合いを考慮する必要がある。

また、第１ビア接続部３７ａ２の代わりに、ランドパッド電極３５の下方に大面積の第１外部電極を設け、ランドパッド電極３５に接続された複数の第１ビア３６と第１外部電極４１とが直接に接続されるようにしてもよい。この場合は、第１外部電極がパッケージ３０の底面３３から突出して設けられてもよい。

（実施形態４）
図１０は、本実施形態に係る光検出装置の断面模式図を示す。

光検出装置２００は、回路基板３００と、回路基板３００に実装された光検出器１００と電子部品４００とで構成されている。なお、回路基板３００の表面には配線パターン（図示せず）と配線パターンに接続され、光検出器１００の外部電極４０等と接続するためのパッド電極パターン３２０が形成されている。また、光検出器１００の外部電極４０や電子部品４００の電極とパッド電極パターン３２０とは、導電性ペーストや低融点はんだ等の接合材３１０により接合されている。また、配線パターンを介して光検出器１００と電子部品４００とが電気的に接続されている。

電子部品４００は、例えば、所定の電圧を裏面電極１４に印加するための電圧レギュレータであってもよい。その場合、裏面電極１４への印加電圧の切り替えは、固体撮像素子１０の内部に設けられたスイッチ素子で行ってもよいし、回路基板３００に別のスイッチ素子を設けてもよい。

また、電子部品４００は、これに限られず、例えば、固体撮像素子１０の出力信号を信号処理する集積回路（ＩＣ）チップであってもよい。また、図示しないが、複数の電子部品４００が回路基板３００に実装されていてもよい。

本実施形態によれば、固体撮像素子１０を所望のモードで動作させることができる。あるいは、固体撮像素子１０の出力信号を適切に処理して、所望の画像を取得できる。また、回路基板３００に実装される電子部品４００の種類や数に応じて、光検出装置２００は、上記以外の機能を奏することができる。電子部品４００の種類によっては、例えば、対象物体との距離をリアルタイムで測定するとともに、測定値を有線または無線で外部機器に送信することも可能である。

（その他の実施形態）
なお、変形例を含む各実施形態に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態４に示す光検出装置２００に、実施形態３や変形例に示す光検出器１００を組み込んでもよい。

また、パッケージ３０の一例として、積層セラミックパッケージを例にとって説明したが、本開示の光検出器１００に含まれるパッケージ３０は、特にこれに限定されない。例えば、セラミック粉末を粉体プレス法により成形することで、実施形態３や変形例に示すパッケージ３０を形成してもよい。その場合、第１ビア３６や第２内部配線３９や内部電極３４や外部電極４０をメッキ法により形成してもよい。

また、パッケージ３０の構成材料として樹脂を用いてもよい。

なお、本願明細書では、光検出素子の一例として、固体撮像素子１０を例にとって説明したが、光検出素子は、画像を撮像しない光センサであってもよい。このような場合は、前述したように、受光部１１に含まれるＡＰＤが１つであってもよい。

本開示の光検出器は、裏面電極における電圧伝搬の遅延を小さくでき、また、受光部の変形を抑制できるため、高感度で光検出が可能な光検出器に適用する上で有用である。

１０ 固体撮像素子（光検出素子）
１１ 受光部
１２ 半導体基板
１３ 表面電極
１４ 裏面電極
２０ ガラスカバー
３０ パッケージ
３１ 側壁
３１ａ 段差部
３２ 底壁
３２ａ 底壁の上面
３３ 底面
３４ 内部電極
３５ ランドパッド電極
３６ 第１ビア
３７ 第１内部配線
３７ａ，３７ａ１，３７ａ２ 第１ビア接続部
３７ｂ 第２ビア接続部
３８ 第２ビア
３９ 第２内部配線
４０ 外部電極
４１ 第１外部電極
４２ 第２外部電極
５０ 導体ワイヤ
６０ 封止材
７０ 導電性ペースト（導電性材料）
１００ 光検出器
２００ 光検出装置
３００ 回路基板
３１０ 接合材
３２０ パッド電極パターン
４００ 電子部品

Claims (7)

1. 光検出素子と前記光検出素子を格納するパッケージとで構成された光検出器であって、
   前記光検出素子は、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に形成され、１以上のアバランシェフォトダイオードを有する受光部と、
   前記半導体基板の裏面に形成され、前記受光部に所定の電圧を印加するための裏面電極と、を少なくとも有し、
   前記パッケージは中空パッケージであり、前記パッケージの底壁の内面には前記裏面電極と対面してランドパッド電極が、前記パッケージの底面には複数の外部電極がそれぞれ設けられており、
   さらに、前記ランドパッド電極に一端が接続され、前記パッケージの底壁の内部を前記パッケージの底面に向けて延びる複数の第１ビアが設けられていることを特徴とする光検出器。
2. 請求項１に記載の光検出器において、
   平面視で、前記ランドパッド電極の外周縁は、前記受光部の外周縁と同じ位置であるか、または前記受光部の外周縁の外側に位置することを特徴とする光検出器。
3. 請求項１または２に記載の光検出器において、
   前記裏面電極と前記ランドパッド電極の間には導電性材料が設けられていることを特徴とする光検出器。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記裏面電極は、前記半導体基板とオーミック接合する金属で構成されていることを特徴とする光検出器。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記複数の第１ビアは、前記パッケージの内部に設けられた第１内部配線にそれぞれ接続され、
   前記複数の外部電極のうちの第１外部電極は、前記第１内部配線と電気的に接続されていることを特徴とする光検出器。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記第１ビアは、前記パッケージの底壁の厚さ方向に延びて、前記複数の外部電極のうちの第１外部電極と直接に接続しており、
   前記第１外部電極は、平面視で、前記ランドパッド電極の外周縁の内側に位置していることを特徴とする光検出器。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記光検出素子は、前記受光部の周囲に設けられ、前記受光部の出力用電極を含む複数の表面電極をさらに有しており、
   前記複数の表面電極のそれぞれは、前記パッケージの内面に設けられた複数の内部電極に電気的に接続され、
   前記複数の内部電極のそれぞれは、前記パッケージの内部に設けられた第２内部配線を介して、前記複数の外部電極のうちの第２外部電極に接続されていることを特徴とする光検出器。

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