JPH05240700A - 半導体光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光波長分解能を損なうことなく分光測光を行
える半導体光検出装置を提供することを目的とする。 【構成】 パッケージ１１上にイメージセンサチップ１
２がアセンブリされる。このアセンブリにおいて、パッ
ケージリード１３とイメージセンサチップ１２とがボン
ディングワイヤ１４によって導通している。次に、位置
決め用の付属部品１６が接着材１８によってパッケージ
１１に固定され、付属部品１６の開口部を介してパッケ
ージ１１の凹部に所定量のシリコン樹脂１５が注がれ
る。次に、付属部品１６の開口部からイメージセンサチ
ップ１２に向かって落とし込むように透過波長可変フィ
ルタ１７が挿入され、透過波長可変フィルタ１７と付属
部品１６とが接着剤１８によって固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学フィルタを介して半
導体受光素子に入射される光を検出する半導体光検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は光学フィルタを用いない通常の構
成をしたマルチチャンネル分光測光システムの一例を示
す概略図である。光源（タングステン・ランプ）２から
出射された光は測定試料３を通過した後にグレーティン
グ４によって分光される。分光された光は一次元イメー
ジセンサ５に入射し、このイメージセンサ５の出力は信
号分析器６に与えられる。測定試料３を介さない光源２
からの出射光を同様に信号分析器６に取り込んでおき、
測定試料３を介して取り込んだ信号との差を検出するこ
とにより、どの波長でどのくらいの大きさの光吸収が測
定試料３に生じたのかが判別される。従って、この測定
によって測定試料３に含まれる構成物質を特定すること
が可能になる。

【０００３】図４は透過波長可変フィルタを光学フィル
タとして用いて構成されたマルチチャンネル分光測光シ
ステムの概略図である。光源２から出射された光は、測
定試料３を通過した後、光入射面に透過波長可変フィル
タが取り付けられた一次元イメージセンサ７に入射す
る。透過波長可変フィルタは単色光だけを通過するフィ
ルタが一次元状に配列されたものと等価であり、このた
め、グレーティングと同じように、色々な波長が混ざり
合った光を波長毎に分解し、位置付ける機能を持つ。従
って、一次元イメージセンサ７の出力を信号分析器６に
よって上記システムと同様にして解析することにより、
測定試料３に含まれる物質を特定することができる。こ
の透過波長可変フィルタを用いてシステムを構成する
と、グレーティングが不要になるためシステム構成は小
形化および軽量化され、実用上のメリットは大きい。

【０００４】一次元イメージセンサ７は、一次元イメー
ジセンサチップがセラミック製パッケージ内にマウント
されて構成されている。また、このパッケージリードと
イメージセンサチップとの間の電気的導通をとるため、
これら各部位間は金ワイヤやアルミワイヤなどによって
ボンディングされている。イメージセンサチップやワイ
ヤなどの腐食防止等を図るため、素子内部は気密的に封
止される必要がある。通常、乾燥窒素雰囲気中で石英ガ
ラスやコバールガラスからなる窓材によってパッケージ
の開口部が封止されるのであるが、イメージセンサチッ
プに透過波長可変フィルタを取り付ける場合には、上記
窓材の代わりにこの透過波長可変フィルタを取り付け、
内部を封止する構造が取られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の透過波長可変フィルタを用いて構成された分光測光
システムにおいては、一次元イメージセンサへの透過波
長可変フィルタの上記取り付け構造に問題があった。す
なわち、上述した取り付け構造は最も簡単で低コストな
のであるが、イメージセンサチップと透過波長可変フィ
ルタとの間に数百ミクロン程度の隙間が生じてしまう。
このため、透過波長可変フィルタを通過して各波長毎に
分光された光がこの隙間の空気中において反射したり屈
折することによって再び混ざり合い、光検出装置の光波
長分解能は著しく低下した。

【０００６】従って、透過波長可変フィルタを半導体受
光素子に取り付けるには、透過波長可変フィルタが持つ
透過波長純度のこのような低下を招かないように、半導
体受光素子と透過波長可変フィルタとをできる限り近接
させ、隙間部における光の屈折や散乱の影響を最小限に
止める必要がある。しかし、ホトダイオードなどの半導
体受光素子は機械的外圧に極めて弱いため、もしも半導
体受光素子と透過波長可変フィルタとを密着させる取り
付け構造をとると次の不都合が生じる。つまり、半導体
受光素子へのフィルタ取り付け作業時や、半導体受光素
子を光検出に使用している時に、透過波長可変フィルタ
に機械的圧力が加わると、この外圧は半導体受光素子の
密着面つまり受光面に直接伝わるため、半導体受光素子
の暗電流の増加を招き、正確な光検出が行なえなくなっ
てしまう。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、基板上に載置された
半導体受光素子と、この半導体受光素子上に所定の厚さ
に形成された有機ケイ素化合物の重合体と、この有機ケ
イ素化合物の重合体上に載置された光学フィルタとを備
えて半導体光検出装置を形成したものである。

【０００８】また、基板上に載置された半導体受光素子
と、この半導体受光素子上に形成された有機ケイ素化合
物の重合体と、半導体受光素子の受光面に対向する位置
に開口部を有する基板に固定された固着部材と、この固
着部材の開口部に挿入されて位置決めおよび固定されか
つ所定の重みによって重合体を所定の厚さにする重合体
に接する光学フィルタとを備えて半導体光検出装置を形
成したものである。

【０００９】また、上記固着部材は光に対して不透明な
材質によって形成されているものである。

【００１０】

【作用】半導体受光素子と光学フィルタとは所定の厚さ
の有機ケイ素化合物の重合体を介して非常に近接して配
置される。この有機ケイ素化合物の重合体は光透過性が
良く、空気よりも大きな光屈折率を持つため、透過波長
可変フィルタを通過した光は散乱や反射をほとんど起こ
さずに半導体受光素子へ伝えられる。また、有機ケイ素
化合物の重合体が半導体受光素子と光学フィルタと間に
介在しているため、光学フィルタからの機械的圧力は半
導体受光素子に直接加わらなくなる。

【００１１】また、固着部材の開口部に光学フィルタが
挿入されることにより、半導体受光素子に対する光学フ
ィルタの取り付け位置は自ずから決まり、かつ、この固
着部材によって光学フィルタの取り付け位置は固定され
る。また、所定の重みをもって光学フィルタが有機ケイ
素化合物の重合体に接することにより、重合体の厚さは
所定の厚さに設定されるため、光学フィルタと半導体受
光素子との間隔は再現性よく決定される。

【００１２】また、固着部材が光に対して不透明な材質
によって形成されると、光学フィルタを通過した光のみ
が半導体受光素子に照射される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例による半導体光検出
装置の構成を示している。同図（ａ）は斜視図、同図
（ｂ）は断面図である。

【００１４】セラミックパッケージ１１上にはイメージ
センサチップ１２がパッケージ１１に固定して載置され
ている。イメージセンサチップ１２はホトダイオードア
レイ型光検出器を構成しており、光入力位置を時系列信
号に変換するホトダイオードアレイと、これら各画素を
自己走査する半導体回路とを備えている。機能構成は、
光電変換，蓄積，走査の諸機能部からなり、走査にはス
イッチ手段または転送手段が用いられている。この走査
によって信号電荷は共通信号線であるビデオラインまで
運ばれる。また、各ホトダイオードは幾何学的に固定さ
れているため、撮像画像の図形歪みは本質的に小さく、
また、小型軽量で振動衝撃などの耐環境性に優れてい
る。さらに、低電圧駆動されるため、低消費電力である
といった特長も持っている。

【００１５】このようなイメージセンサは視覚機能を有
するセンサとして幅広い応用が考えられ、ホトダイオー
ドの配列によって一次元イメージセンサと二次元イメー
ジセンサとに大別される。特に、一次元イメージセンサ
は、距離測定、色識別、物体認識、また、分光光度計用
のマルチチャンネル検出器などへの応用分野を持つ。こ
のマルチチャンネル検出には、一次元イメージセンサの
材料や酸化膜厚，不純物の拡散深さ，窓材などで決まる
特有の光学的特性，いわゆる分光感度特性が利用され
る。また、一次元イメージセンサに透過波長可変フィル
タなどの特殊フィルタを取り付けることにより、イメー
ジセンサ自身が持っていた分光感度特性が変化し、個々
の応用分野により適した光学的特性を持たせることが可
能になる。

【００１６】このようなイメージセンサチップ１２の信
号入出力端子とパッケージリード１３とはボンディング
・ワイヤ１４によって電気的導通が取られている。ま
た、このイメージセンサチップ１２は有機ケイ素化合物
の重合体であるシリコン樹脂１５に浸されている。この
シリコン樹脂１５はシリコンオイルなどの有機ケイ素化
合物の重合体であっても良い。また、付属部品１６はイ
メージセンサチップ１２の受光面に対向する位置に開口
部を有しており、その端部はパッケージ１１に固定され
ている。この開口部は透過波長可変フィルタ１７の周囲
寸法よりもわずかに大きく形成されており、透過波長可
変フィルタ１７がこの開口部をスムーズに上下できる程
度の余裕がある。透過波長可変フィルタ１７が開口部に
挿入されることにより、イメージセンサチップ１２に対
するフィルタ１７の取り付け位置は自ずから決定され
る。付属部品１６はこのような取り付け位置の精度を出
す機能ばかりではなく、透過波長可変フィルタ１７をパ
ッケージ１１に確実に固定する重要な機能を持つ。この
固定は接着剤１８によって行なわれている。さらに、こ
の付属部品１６は光に対して不透明な材質によって形成
されているため、横方向から入射する光を遮断し、透過
波長可変フィルタ１７によって分光された信号光の純度
低下を防止する機能をも持っている。

【００１７】また、開口部に挿入された透過波長可変フ
ィルタ１７が所定の重みをもってイメージセンサチップ
１２上のシリコン樹脂１５に接することにより、シリコ
ン樹脂１５の厚さはその重みに応じたものとなる。つま
り、イメージセンサチップ１２上のシリコン樹脂１５の
厚さは後述するように主としてこの重みによって決定さ
れる。このため、透過波長可変フィルタ１７からイメー
ジセンサチップ１２へ一定の重みを加えることにより、
シリコン樹脂１５の厚さを常に一定に保つことができ
る。

【００１８】透過波長可変フィルタ１７は、短波長側か
ら長波長側まで透過波長域がフィルタ上で連続的または
段階的に変化するフィルタであり、例えば、図２に代表
的な透過波長可変フィルタの概念が示される。つまり、
透過波長可変フィルタ１７に白色光が入射すると、この
白色光は紫から赤までの各波長を持つ光成分に分光され
る。このような透過波長可変フィルタは、光検出器のマ
ルチチャンネル分光測光に主に用いられている。

【００１９】上記の半導体光検出装置は以下のプロセス
によって組み立てられる。

【００２０】まず、パッケージ１１上に通常のプロセス
どおりにイメージセンサチップ１２がアセンブリされ
る。このアセンブリにおいて、パッケージリード１３と
イメージセンサチップ１２とがワイヤ１４によってボン
ディングされる。次に、パッケージ１１の窓材が通常置
かれる箇所に、位置決め用の付属部品１６が接着材１８
によって固定される。次に、付属部品１６の開口部を介
してパッケージ１１の凹部に所定量のシリコン樹脂１５
が注がれる。次に、付属部品１６の開口部からイメージ
センサチップ１２に向かって落とし込むように透過波長
可変フィルタ１７が挿入される。この結果、透過波長可
変フィルタ１７とイメージセンサチップ１２とは僅かな
シリコン樹脂１５を介して密着する。この時、シリコン
樹脂１５の厚さは、シリコン樹脂の粘度と透過波長可変
フィルタ１７の重みとによって決まる。また、透過波長
可変フィルタ１７上に適当な重さの重りを乗せることに
より、シリコン樹脂１５の厚さを所望の厚さに設定する
ことが可能である。この場合、重りは透過波長可変フィ
ルタ１７の表面に傷を付けない構造を持つものでなけれ
ばならないし、かつ、イメージセンサチップ１２に均一
に重みが加わる構造のものでなければならない。すなわ
ち、イメージセンサチップ１２上のシリコン樹脂１５の
厚さは、透過波長可変フィルタ１７自身の重さとこの上
に乗せられる重りの重さ、およびシリコン樹脂１５の粘
度によって決まるため、再現性よくシリコン樹脂１５の
厚さを設定することが可能である。最後に、透過波長可
変フィルタ１７と付属部品１６とが接着剤１８によって
固定され、半導体光検出装置が完成する。

【００２１】イメージセンサチップ１２はシリコン・ホ
トダイオードから構成され、その表面は酸化膜によって
保護されているが、特にＰ型シリコン層，Ｎ型シリコン
層，表面酸化膜の各境界面は不安定な結晶構造になって
いる。このため、イメージセンサチップ１２の受光面に
不均一に機械的圧力が加わると、シリコン・ホトダイオ
ードに生じる暗電流が増加する場合がある。このため、
透過波長可変フィルタ１７とイメージセンサチップ１２
とを密着させる取り付け構造を採用すると良くなく、透
過波長可変フィルタ１７からイメージセンサチップ１２
に不均一に圧力が加わり易く、また、光検出装置として
使用している最中にも、透過波長可変フィルタ１７に加
わった力がイメージセンサ１２の受光面に伝わり易い。
上記本実施例においては、透過波長可変フィルタ１７と
イメージセンサチップ１２とはシリコン樹脂１５を介し
て配置されているため、これらの間に極僅かな隙間が生
じ、透過波長フィルタ１７に加わった機械的圧力がその
ままイメージセンサ１２に伝わることはない。従って、
外圧によってイメージセンサチップ１２に生じる暗電流
が増加することはなく、正確に分光検出を行なえる構造
になっている。

【００２２】また、介在するシリコン樹脂１５は、電気
的絶縁性が高く、表面張力が小さく、また、泡の発生が
少ない。しかも、不揮発性、無色透明、化学的に不活性
という性質を持ち、また、耐老化性に優れるといった特
徴を持っている。従って、イメージセンサチップ１２内
のイメージセンサやこの上に形成されているホトダイオ
ードの特性に悪影響を与えることはなく、信頼性上好ま
しい。また、シリコン樹脂１５はこのように光透過性が
よく、また、その光屈折率は空気の光屈折率１に比べて
十分大きく、透過波長可変フィルタ１７の器材やイメー
ジセンサチップ１２の保護膜である酸化シリコン膜とほ
ぼ同じである。しかも、介在するシリコン樹脂１５は非
常に薄いため、透過波長可変フィルタ１７とイメージセ
ンサチップ１２とは非常に近接している。従って、透過
波長可変フィルタ１７の器材からシリコン樹脂１５の
膜、イメージセンサチップ１２のパッシベーション膜に
至るまでの光の屈折率はほぼ同一に保たれることにな
る。このため、透過波長可変フィルタ１７とイメージセ
ンサチップ１２との間に従来の厚い空気層が介在する場
合よりも、本実施例のように非常に薄いシリコン樹脂層
が介在する場合の方が、フィルタ１７によって分光され
た光の散乱や反射は小さくなる。しかも、不透明な付属
部品１６によって横方向からの入射光が遮断される。こ
のため、本実施例による光検出装置においては、透過波
長可変フィルタ１７が本来持っている透過波長の純度は
損なわれず、波長分解能などの光学的特性の低下は見ら
れない。

【００２３】また、透過波長可変フィルタ１７をイメー
ジセンサチップ１２に取り付ける作業の際、透過波長可
変フィルタ１７とイメージセンサチップ１２との間にシ
リコン樹脂１５の膜が形成されているため、イメージセ
ンサチップ１２に傷が付きにくくなる。また、付属部品
１６によって透過波長可変フィルタ１７の位置決めおよ
び固定が容易に行われる。従って、組み立てプロセスの
作業性は向上し、歩留まりは高くなる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体受光素子と光学フィルタとは所定の厚さの有機ケイ
素化合物の重合体を介して非常に近接して配置される。
この有機ケイ素化合物の重合体は光透過性が良く、空気
よりも大きな光屈折率を持つため、光学フィルタを通過
した光は散乱や反射をほとんど起こさずに半導体受光素
子へ伝えられる。このため、光波長分解能を損なうこと
なく分光測光を行える半導体光検出装置が提供される。
また、有機ケイ素化合物の重合体が半導体受光素子と光
学フィルタと間に介在しているため、光学フィルタから
の機械的圧力は半導体受光素子に直接加わらなくなる。
このため、受光素子に生じる暗電流が増加するといった
ことはなくなり、正確な光検出が行われる。

【００２５】また、固着部材の開口部に光学フィルタが
挿入されることにより、半導体受光素子に対する光学フ
ィルタの取り付け位置は自ずから決まり、かつ、この固
着部材によって光学フィルタの取り付け位置は固定され
る。また、所定の重みをもって光学フィルタが有機ケイ
素化合物の重合体に接することにより、重合体の厚さは
所定の厚さに設定されるため、光学フィルタと半導体受
光素子との間隔は再現性よく決定される。このため、同
一の光検出特性を持った光検出装置が作業性良く組み立
てられるようになる。

【００２６】また、固着部材が光に対して不透明な材質
によって形成されると、光学フィルタを通過した光のみ
が半導体受光素子に照射される。このため、光学フィル
タが本来持っている透過波長純度が損なわれることな
く、光検出が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体光検出装置の概
略を示す構成図である。

【図２】透過波長可変フィルタの概略を示す図である。

【図３】透過波長可変フィルタを使用しない従来のマル
チチャンネル分光測光システムを示す図である。

【図４】透過波長可変フィルタを使用した従来のマルチ
チャンネル分光測光システムを示す図である。

【符号の説明】

１１…パッケージ、１２…イメージセンサチップ、１３
…パッケージ・リード、１４…ボンディング・ワイヤ、
１５…シリコン樹脂、１６…付属部品、１７…透過波長
可変フィルタ、１８…接着剤。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に載置された半導体受光素子と、
   この半導体受光素子上に所定の厚さに形成された有機ケ
   イ素化合物の重合体と、この有機ケイ素化合物の重合体
   上に載置された光学フィルタとを備えて形成された半導
   体光検出装置。
2. 【請求項２】 基板上に載置された半導体受光素子と、
   この半導体受光素子上に形成された有機ケイ素化合物の
   重合体と、前記半導体受光素子の受光面に対向する位置
   に開口部を有する前記基板に固定された固着部材と、こ
   の固着部材の前記開口部に挿入されて位置決めおよび固
   定されかつ所定の重みによって前記重合体を所定の厚さ
   にする前記重合体に接する光学フィルタとを備えて形成
   された半導体光検出装置。
3. 【請求項３】 固着部材は光に対して不透明な材質によ
   って形成されていることを特徴とする請求項２記載の半
   導体光検出装置。