(57)【要約】【課題】室温と低温との間の温度変化に対する半導体受光素子に発生する応力を低減できる半導体受光装置を提供する。【解決手段】半導体受光装置ＩＭＳは、読出回路３３を有する集積素子ＲＯＩＣと、埋込体ＥＢ及び複数の半導体メサを有する半導体受光素子ＰＤＡと、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間に設けられるアンダーフィルと、複数のバンプ電極と、を備え、集積素子ＲＯＩＣは、半導体メサにバンプ電極ＢＰを介して接続され、半導体メサは、光吸収層１５ａを含み、半導体受光素子ＰＤＡの埋込体ＥＢは、半導体メサ間に設けられると共に半導体メサを埋め込み、埋込体ＥＢは、酸化アルミニウム及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含む。【選択図】図１
2017195327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読出回路を有する集積素子と、
埋込体及び複数の半導体メサを有する半導体受光素子と、
前記集積素子と前記半導体受光素子との間に設けられるアンダーフィルと、
複数のバンプ電極と、
を備え、
前記集積素子は、前記半導体メサに前記バンプ電極を介して接続され、
前記半導体メサは、光吸収層を含み、
前記半導体受光素子の前記埋込体は、前記半導体メサ間に設けられると共に前記半導体メサを埋め込み、
前記埋込体は、酸化アルミニウム及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含む、半導体受光装置。
【請求項２】
前記埋込体は、前記酸化アルミニウムを含む、請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項３】
前記埋込体は、前記エポキシ樹脂体を含む、請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項４】
前記埋込体は、複数の領域を含み、
前記領域は、互いに異なる熱膨張係数を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、複合構造の焦点面アレイに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０８３１５３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体受光装置は、焦点面アレイを含む半導体受光素子と、読出回路を含む集積素子とを有し、半導体受光素子及び集積素子は、バンプ電極を介して相互に接続される。半導体受光素子と集積素子との間には、例えば樹脂を含むアンダーフィルが設けられ、アンダーフィルは、半導体受光素子の半導体メサを埋め込む。半導体受光装置は、室温から低温（例えば絶対温度７７ケルビン）に冷却されて使用され、使用後に室温に戻される。この室温と低温との間の温度変化に応じて半導体メサ間のアンダーフィルが変形するので、半導体受光素子はアンダーフィルの変形の影響を受ける。
【０００５】
本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、半導体受光素子が受ける熱応力を低減できる半導体受光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係る半導体受光装置は、読出回路を有する集積素子と、埋込体及び複数の半導体メサを有する半導体受光素子と、前記集積素子と前記半導体受光素子との間に設けられるアンダーフィルと、複数のバンプ電極と、を備え、前記集積素子は、前記半導体メサに前記バンプ電極を介して接続され、前記半導体メサは、光吸収層を含み、前記半導体受光素子の前記埋込体は、前記半導体メサ間に設けられると共に前記半導体メサを埋め込み、前記埋込体は、酸化アルミニウム及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含む。
【０００７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、半導体受光素子が受ける熱応力を低減できる半導体受光装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体受光装置を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施形態に係る埋込体の構造を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る複数の領域を有する埋込体の一例を示す図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図９】図９は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１１】
一形態に係る半導体受光装置は、(ａ)読出回路を有する集積素子と、（ｂ）埋込体及び複数の半導体メサを有する半導体受光素子と、（ｃ）前記集積素子と前記半導体受光素子との間に設けられるアンダーフィルと、（ｄ）複数のバンプ電極と、を備え、前記集積素子は、前記半導体メサに前記バンプ電極を介して接続され、前記半導体メサは、光吸収層を含み、前記半導体受光素子の前記埋込体は、前記半導体メサ間に設けられると共に前記半導体メサを埋め込み、前記埋込体は、酸化アルミニウム及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含む。
【００１２】
この半導体受光装置によれば、半導体受光素子は、バンプ電極の配列を介して集積素子に固定され、また、個々のバンプ電極によって集積素子から隔てられる。アンダーフィルは、集積素子と半導体受光素子との間に閉じ込められると共に、バンプ電極の配列を埋め込む。埋込体が半導体メサの配列を埋めるように半導体メサを満たしており、アンダーフィルは半導体メサの間に侵入しない。バンプ電極の配列は、アンダーフィルの熱的変形を制限する。
【００１３】
一形態に係る半導体受光装置では、前記埋込体は、前記酸化アルミニウムを含んでもよい。
【００１４】
この半導体受光装置によれば、酸化アルミニウムを含む埋込体が、半導体メサの配列を埋めており、半導体メサの間にアンダーフィルが侵入することを妨げる。酸化アルミニウムの熱膨張係数は、アンダーフィルの熱膨張係数と半導体受光素子の熱膨張係数との間の値を有することができる。
【００１５】
一形態に係る半導体受光装置では、前記埋込体は、前記エポキシ樹脂体を含んでもよい。
【００１６】
この半導体受光装置によれば、エポキシ樹脂体を含む埋込体が、半導体メサの配列を埋めており、半導体メサの間にアンダーフィルが侵入することを妨げる。エポキシ樹脂体の熱膨張係数は、アンダーフィルの熱膨張係数と半導体受光素子の熱膨張係数との間の値を有することができる。
【００１７】
一形態に係る半導体受光装置では、前記埋込体は、複数の領域を含み、前記領域は、互いに異なる熱膨張係数を有することができる。
【００１８】
この半導体受光装置によれば、半導体受光素子の埋込体は、複数の領域を含むので、例えば、アンダーフィルの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する領域と、半導体の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する領域とを有することができる。
【００１９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体受光装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る半導体受光装置を模式的に示す図面である。図１を参照すると、半導体受光装置ＩＭＳの構成物を斜めから模式的に示す図面が描かれている。この模式図には、Ｉ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線が示されている。図１には、Ｉ−Ｉ線に沿って取られた半導体受光装置ＩＭＳの断面（ＳＥＣＴ１）及びＩＩ−ＩＩ線に沿って取られた半導体受光装置ＩＭＳの断面（ＳＥＣＴ２）が示されている。これらの断面図には、図面の煩雑さを避けるためにハッチングが付されていない。また、図１には直交座標系Ｓが描かれており、Ｉ−Ｉ線に沿って取られた断面はＸ−Ｚ面に平行に規定され、ＩＩ−ＩＩ線に沿って取られた断面はＹ−Ｚ面に平行に規定される。
【００２１】
半導体受光装置ＩＭＳは、半導体受光装置ＩＭＳは、半導体受光素子ＰＤＡ、集積素子ＲＯＩＣ及びアンダーフィルＵＦを備える。半導体受光素子ＰＤＡは、フォトダイオードのためのＧａＳｂ基板１１及び半導体積層１２を含む。ＧａＳｂ基板１１は、半導体積層１２を搭載する主面１１ａと、赤外線を含む光ＬＩＮを受ける裏面１１ｂとを有する。
【００２２】
半導体積層１２は、複数のフォトダイオード３１ａ〜３１ｆのための複数の半導体メサ２５ａ〜２５ｆを含む。半導体メサ２５ａ〜２５ｆは、基板の主面１１ａ上において二次元のアレイ状に配列している。ＧａＳｂ基板１１を透過した赤外線は、フォトダイオード３１ａ〜３１ｆの光吸収層１５ａに入射して、その入射光から光吸収層１５ａが光電流ＩＰＤを生成する。光吸収層１５ａは、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含む。
【００２３】
半導体受光素子ＰＤＡは、埋込体ＥＢを有する。埋込体ＥＢは、複数の半導体メサ２５ａ〜２５ｆ間に設けられると共に、半導体メサ２５ａ〜２５ｆのアレイを埋め込んでいる。埋込体ＥＢは、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含むことができる。半導体メサ２５ａ〜２５ｆは、分離溝によって規定され、分離溝は、例えば、直交座標系ＳのＸ軸方向に沿って延在する第１分離溝ＧＲ１、及びＹ軸方向に沿って延在する第２分離溝ＧＲ２を有する。各分離溝は、側面２５ｓ及び底面２５ｔを有する。半導体メサ２５ａ〜２５ｆの高さＨＭＳは、例えば１μｍ〜３μｍであり、この高さＨＭＳは、分離溝の底面２５ｔから半導体メサ２５ａ〜２５ｆの上面までの長さであり、基板の主面１１ａの法線方向に沿って規定される。埋込体ＥＢの高さＨＥＢは、例えば１μｍ〜３μｍである。埋込体ＥＢの高さＨＥＢは、分離溝の底面２５ｔから埋込体ＥＢの上面までの長さであり、基板の主面１１ａの法線方向に沿って規定される。分離溝の幅２５ｗは、例えば２μｍ〜５μｍである。幅２５ｗは、一の側面２５ｓと、当該一の側面２５ｓに最も近い他の側面２５ｓとの間隔である。
【００２４】
必要に応じて、パッシベーション膜２７が設けられ、パッシベーション膜２７は、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの上面及び側面と、分離溝の底面２５ｔとを覆う。パッシベーション膜２７が設けられたとき、埋込体ＥＢは、パッシベーション膜２７に覆われた半導体メサ２５ａ〜２５ｆのアレイを埋め込む。パッシベーション膜２７は、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの上面に位置する開口２７ｐを有し、埋込体ＥＢは、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの上面に位置する開口２５ｐを有する。半導体受光素子ＰＤＡは、開口２７ｐ及び開口２５ｐに一電極２９ａを備え、各一電極２９ａは、バンプ電極ＢＰ（例えばＩｎバンプ）に接続される。半導体受光素子ＰＤＡのバンプ電極ＢＰは、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの配列に対応して、アレイ状に配列される。一電極２９ａは、例えば、半導体メサ２５ａ〜２５ｆにそれぞれ対応したフォトダイオード３１ａ〜３１ｆのためのカソード電極であることができる。一電極２９ａは、例えば半導体メサ２５ａ〜２５ｆの上面の上に順に設けられた一又は複数の金属膜を有することができる。
【００２５】
集積素子ＲＯＩＣは、フォトダイオード３１ａ〜３１ｆからの電気信号を処理するためのそれぞれの読出回路３３を備え、フォトダイオード３１ａ〜３１ｆは、半導体メサ２５ａ〜２５ｆのアレイに対応する。各読出回路３３は電極ＥＤを有し、電極ＥＤが、半導体受光素子ＰＤＡのバンプ電極ＢＰに接続される。バンプ電極ＢＰを介して、集積素子ＲＯＩＣは半導体受光素子ＰＤＡの半導体メサ２５ａ〜２５ｆに接続される。この接続のために、バンプ電極ＢＰもアレイ状に配列される。
【００２６】
光吸収層１５ａによって生成された光電流ＩＰＤは、半導体受光素子ＰＤＡからバンプ電極ＢＰを介して集積素子ＲＯＩＣに提供され、集積素子ＲＯＩＣの読出回路３３は光電流ＩＰＤを処理する。集積素子ＲＯＩＣは、読出回路３３を提供できるシリコン集積回路を含む。
【００２７】
半導体受光素子ＰＤＡの埋込体ＥＢは、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの配列を埋めるように半導体メサを埋め込んでおり、半導体メサの間にアンダーフィルＵＦが侵入することを妨げる。アンダーフィルＵＦは、半導体受光素子ＰＤＡと集積素子ＲＯＩＣとの間のギャップに設けられ、バンプ電極ＢＰのアレイを埋める。半導体受光素子ＰＤＡと集積素子ＲＯＩＣとの間のギャップは、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとを接続するバンプ電極ＢＰによって設けられる。アンダーフィルＵＦの厚さＤＵＦは、例えば４μｍ〜９μｍであり、バンプ電極ＢＰの高さＨＢは、例えば３μｍ〜８μｍである。アンダーフィルＵＦは、例えば、エポキシ樹脂を含む。
【００２８】
半導体受光装置ＩＭＳでは、半導体受光素子ＰＤＡは、バンプ電極ＢＰの配列を介して集積素子ＲＯＩＣに固定され、また、個々のバンプ電極ＢＰによって集積素子ＲＯＩＣから隔てられる。アンダーフィルは、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間に閉じ込められると共に、バンプ電極ＢＰの配列を埋め込む。半導体受光装置ＩＭＳでは、埋込体を備えない半導体受光装置に比べて、アンダーフィルＵＦの最大厚が低減され、アンダーフィルＵＦの体積も低減される。また、バンプ電極ＢＰの配列によって、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間においてアンダーフィルＵＦの熱的変形が制約される。この熱的変形の制約は、半導体受光素子ＰＤＡが受ける熱応力を低減できる。
【００２９】
図２は、埋込体の構造を示す図である。埋込体ＥＢは、基板の主面１１ａの法線方向に配列された上位部分Ａ１及び下位部分Ａ２を有する。上位部分Ａ１は、半導体メサ２５ａ、２５ｂの上面の周辺部を覆うと共に、アンダーフィルＵＦに接している。下位部分Ａ２は、半導体メサ２５ａ、２５ｂの側面と分離溝の底面２５ｔとを覆っている。パッシベーション膜２７が設けられたときには、下位部分Ａ２は、パッシベーション膜２７を覆う。埋込体ＥＢは、酸化アルミニウム、エポキシ樹脂体、又は酸化アルミニウムとエポキシ樹脂体との両方からなることができる。
【００３０】
（実施例１）
埋込体ＥＢは、酸化アルミニウムからなることができて、酸化アルミニウムの熱膨張係数は、アンダーフィルＵＦの熱膨張係数と半導体受光素子ＰＤＡの熱膨張係数との間の値を有する。アンダーフィルＵＦは、例えばエポキシ樹脂からなることができて、アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、埋込体ＥＢの酸化アルミニウム、及び半導体受光素子ＰＤＡの半導体の熱膨張係数を以下に示す。
媒質名、                                熱膨張係数。
アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、約５０×１０−６/Ｋ。
埋込体ＥＢの酸化アルミニウム、    １０．９×１０−６/Ｋ。
半導体受光素子ＰＤＡの半導体、    ５〜７×１０−６/Ｋ。
【００３１】
この半導体受光装置ＩＭＳでは、酸化アルミニウムを含む埋込体ＥＢが、半導体メサの配列を埋めるように半導体メサ間を満たしており、半導体メサの間にアンダーフィルＵＦが侵入することを妨げる。アンダーフィルＵＦの最大厚が低減され、アンダーフィルＵＦの体積も低減される。半導体受光装置ＩＭＳの温度変化に応じて変形するとき、アンダーフィルＵＦの変形量が小さくなるので、アンダーフィルＵＦから半導体受光素子ＰＤＡへの熱応力が低減される。
【００３２】
（実施例２）
埋込体ＥＢは、エポキシ樹脂体を含むことができて、このエポキシ樹脂体は、フィラーを添加したエポキシ樹脂及びフィラーを添加しないエポキシ樹脂の両方を含む。エポキシ樹脂の熱膨張係数は、フィラーの添加量に応じて、例えば、１０〜４５×１０−６/Ｋの値を有する。フィラーを添加しないエポキシ樹脂の熱膨張係数は、例えば、４５×１０−６/Ｋである。埋込体ＥＢのエポキシ樹脂は、アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂と半導体受光素子ＰＤＡの半導体との間の熱膨張係数を有することができる。アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、埋込体ＥＢのエポキシ樹脂、及び半導体受光素子ＰＤＡの半導体の熱膨張係数を以下に示す。
媒質名、                                熱膨張係数。
アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、約５０×１０−６/Ｋ。
埋込体ＥＢのエポキシ樹脂、        １０〜４５×１０−６/Ｋ。
半導体受光素子ＰＤＡの半導体、    ５〜７×１０−６/Ｋ。
フィラーは、例えば、酸化ケイ素、酸化ホウ素、酸化アルミニウムを含むことができる。フィラーは、例えば、繊維状、球状又は板状の材料であり、そのサイズは、最大値で１μｍの範囲にあることができる。
【００３３】
この半導体受光装置ＩＭＳでは、エポキシ樹脂体を含む埋込体ＥＢが、半導体メサの配列を埋めるように半導体メサ間を満たしており、半導体メサの間にアンダーフィルＵＦが侵入することを妨げる。アンダーフィルＵＦの最大厚が低減され、アンダーフィルＵＦの体積も低減される。半導体受光装置ＩＭＳの温度変化に応じてアンダーフィルＵＦが変形するとき、アンダーフィルＵＦの変形量が小さくなるので、アンダーフィルＵＦから半導体受光素子ＰＤＡへの熱応力が低減される。この半導体受光装置ＩＭＳは、埋込体ＥＢとアンダーフィルＵＦとからなる２層のエポキシ樹脂を有することができる。
【００３４】
（実施例３）
図３は、複数の領域を有する埋込体の一例を示す図である。埋込体ＥＢは、基板の主面１１ａの法線方向に配列された第１領域Ｅ１及び第２領域Ｅ２を備えることができる。第１領域Ｅ１は、上位部分Ｅ１ａ及び下位部分Ｅ１ｂを有する。上位部分Ｅ１ａは、半導体メサ２５ａ、２５ｂの上面の周辺部を覆うと共に、アンダーフィルＵＦに接している。下位部分Ｅ１ｂは、上位部分Ｅ１ａと第２領域Ｅ２とに挟まれ、上位部分Ｅ１ａによってアンダーフィルＵＦと隔てられている。第２領域Ｅ２は、半導体メサ２５ａ、２５ｂの側面、及び半導体メサ２５ａ、２５ｂを形成する分離溝の底面２５ｔを覆っている。第２領域Ｅ２は、下位部分Ｅ１ｂを囲んでいる。第１領域Ｅ１の上位部分Ｅ１ａは、第２領域Ｅ２と比べて異なる厚さを有している。第１領域Ｅ１の上位部分Ｅ１ａ及びパッシベーション膜２７は、一電極２９ａの側面に接している。第２領域Ｅ２は、アンダーフィルＵＦ及び一電極２９ａの両方に接していない。
【００３５】
実施例３の具体例１では、第１領域Ｅ１は、第２領域Ｅ２と異なる材料を含み、例えば、第１領域Ｅ１がエポキシ樹脂からなり、第２領域Ｅ２が酸化アルミニウムからなることができる。アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂、第２領域Ｅ２の酸化アルミニウム、及び半導体受光素子ＰＤＡの半導体の熱膨張係数を以下に示す。
媒質名、                                熱膨張係数。
アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、約５０×１０−６/Ｋ。
第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂、      ３０〜４５×１０−６/Ｋ。
第２領域Ｅ２の酸化アルミニウム、  １０．９×１０−６/Ｋ。
半導体受光素子ＰＤＡの半導体、    ５〜７×１０−６/Ｋ。
第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂は、フィラーの添加量に応じて３０〜４５×１０−６/Ｋの熱膨張係数を有する。
【００３６】
実施例３の具体例２では、図３の２つの領域を有する埋込体ＥＢでは、第１領域Ｅ１がエポキシ樹脂からなると共に、第２領域Ｅ２もエポキシ樹脂からなることができる。本具体例では、第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂は、例えば、５０質量％のガラスフィラーを含有し、第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂は、６５質量％のガラスフィラーを含有することができる。アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂、第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂、及び半導体受光素子ＰＤＡの半導体の熱膨張係数を以下に示す。
媒質名、                                熱膨張係数。
アンダーフィルＵＦのエポキシ樹脂、約５０×１０−６/Ｋ。
第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂、      ４２×１０−６/Ｋ。
第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂、      ３１×１０−６/Ｋ。
半導体受光素子ＰＤＡの半導体、    ５〜７×１０−６/Ｋ。
【００３７】
図３の半導体受光装置ＩＭＳでは、半導体受光素子ＰＤＡの埋込体ＥＢが、複数の領域を含み、埋込体ＥＢは、例えば、アンダーフィルＵＦに近い熱膨張係数を有する領域と、半導体メサ２５ａ、２５ｂに近い熱膨張係数を有する領域とを有する。本具体例では、第１領域Ｅ１は、半導体メサ２５ａ、２５ｂの上面の周辺部を覆うと共に、アンダーフィルＵＦに接している。第２領域Ｅ２は、半導体メサ２５ａ、２５ｂの側面と分離溝の底面２５ｔとを覆っている。必要に応じてパッシベーション膜２７が設けられたときには、第２領域Ｅ２は、パッシベーション膜２７を介して、半導体メサ２５ａ、２５ｂの側面と分離溝の底面２５ｔとを覆っている。第２領域Ｅ２の熱膨張係数は、第１領域Ｅ１の熱膨張係数より小さい値を有することができるので、アンダーフィルＵＦ、第１領域Ｅ１、第２領域Ｅ２、及び半導体メサの順に熱膨張係数が減少する。
【００３８】
半導体受光装置ＩＭＳでは、複数の領域を有する埋込体ＥＢが半導体メサを埋め込むので、埋込体が半導体メサを埋め込まない半導体受光装置に比べて、アンダーフィルＵＦの最大厚が低減され、アンダーフィルＵＦの体積も低減される。また、バンプ電極ＢＰの配列は、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間においてアンダーフィルＵＦの熱的変形を制約する。この制約は、半導体受光素子ＰＤＡが受ける熱応力を低減できる。
【００３９】
図１を再び参照すると、半導体受光装置ＩＭＳでは、半導体積層１２は、光吸収により光電流を生成する光吸収層１５ａに加えて、電気的な接続のための第１導電型化合物半導体層１７ａを含む。光吸収層１５ａは、第１導電型化合物半導体層１７ａ上に設けられる。第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなり、光吸収層１５ａとＧａＳｂ基板１１との間に位置し、第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａ上に設けられる。本実施例では、第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａに接合ＳＪ１を成し、光吸収層１５ａは第１導電型化合物半導体層１７ａに接合ＳＪ２を成す。
【００４０】
光吸収層１５ａは、例えば超格子構造２１を含み、超格子構造２１は、交互に配置された第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂを含む。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａは、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含むことができる。第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂは、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと異なる材料からなる。
【００４１】
必要な場合には、積層半導体領域１３は、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなる第２導電型化合物半導体層１９ａを含むことができ、第２導電型化合物半導体層１９ａは光吸収層１５ａ上に設けられる。第１導電型化合物半導体層１７ａの導電性は第２導電型化合物半導体層１９ａの導電性と反対である。ＧａＳｂ基板１１及び半導体積層１２の一例を以下に示す。
ＧａＳｂ基板１１、ＧａＳｂ基板（厚さ２００μｍ〜６００μｍ）。
第１導電型化合物半導体層１７ａ、ｐ型  ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子。
光吸収層１５ａの超格子構造２１、繰り返し数：５０層〜５００層。
第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ、ＧａＳｂ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂ、ＩｎＡｓ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２導電型化合物半導体層１９ａ、ｎ型  ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子。
基板は、ＧａＳｂ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板などであることができる。超格子構造２１は、上記の組み合わせのＧａＳｂ／ＩｎＡｓに限定されることなく、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ等であることができる。半導体積層１２の厚さは、例えば１μｍ〜３μｍである。
【００４２】
複数の半導体メサ２５ａ〜２５ｆの各々は、本実施例では、第１導電型化合物半導体層１７ａ、光吸収層１５ａ及び第２導電型化合物半導体層１９ａを含む。半導体メサ２５ａ〜２５ｆの各々は、接合ＳＪ２を含むけれども、接合ＳＪ１を含まない。これ故に、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの最下部は第１導電型化合物半導体層１７ａ内にあり、半導体メサ２５ａ〜２５ｆは第１導電型化合物半導体層１７ａを介して互いに電気的に接続されている。第１導電型化合物半導体層１７ａは、第１部分２０ａ及び第２部分２０ｂを含む。第１部分２０ａは、半導体メサ２５ａ〜２５ｆの各々に含まれる。第２部分２０ｂは、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａに沿って延在して半導体メサ２５ａ〜２５ｆに共用される。
【００４３】
半導体受光素子ＰＤＡでは、パッシベーション膜２７は、第２部分２０ｂにおいて、半導体メサ２５ａ〜２５ｆと異なる半導体領域の上面に位置する別の開口を形成する。この別の開口には、フォトダイオード３１ａ〜３１ｆのための他電極（例えばアノード電極）が設けられる。他電極は、例えば半導体層上に順に形成された一又は複数の金属膜を有することができる。本実施例では、他電極は、例えば、下地の半導体、具体的には第１導電型化合物半導体層１７ａの第２部分２０ｂにオーミックコンタクトを成す。第２導電型化合物半導体層１９ａには、一電極２９ａがオーミックコンタクトを成す。
【００４４】
ＧａＳｂ基板１１の裏面１１ｂには、必要な場合に、反射防止膜３５を設けることができ、反射防止膜３５の材料は、例えばＳｉＯＮである。反射防止膜３５は、ＧａＳｂ基板への赤外線の入射を容易にする。ＧａＳｂ基板１１の厚さは、例えば２００μｍ以上である。
【００４５】
次いで、半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡを作製する方法を概略的に説明する。以下の記述は、製造方法について為され、理解を容易にするために、可能である場合には、その説明において半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡに対応する部分に半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡの構成物と同一の符合が参照される。
【００４６】
図４〜図１２は、本実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。初めに、半導体のエピタキシャル成長のためのＧａＳｂ基板を準備する。
【００４７】
引き続く説明では、理解を容易にするために、製造方法においてエピタキシャル成長に用いられる成長用支持体をＧａＳｂ基板１１として参照する。図４の（ａ）部に示されるように、成長炉に原料を供給して、半導体受光素子のための積層半導体領域１３をＧａＳｂ基板１１の主面１１ａ上に成長する。積層半導体領域１３の成長には、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等が適用される。
【００４８】
積層半導体領域１３は、光吸収により光電流を生成する光吸収層１５ａのための半導体層１５、及び電気的な接続のための第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７を含み、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７は半導体層１５とＧａＳｂ基板１１との間に設けられる。必要な場合には、積層半導体領域１３は、半導体層１５上に設けられる第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１９を含むことができる。半導体層１５は、例えば光吸収層１５ａのための超格子構造２１を含むことができる。超格子構造２１は、例えば、タイプＩＩのバンド構造を有する。超格子構造２１は、交互に配置された第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂを含む。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａは、構成元素としてガリウム材料からなり、この材料はアンチモンを更に含み、第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂは、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと異なる材料からなる。これらの工程により、ＧａＳｂ基板１１及び積層半導体領域１３を含むエピタキシャル基板ＥＰが形成される。
【００４９】
エピタキシャル基板ＥＰを成長炉から取り出した後に、半導体メサを作製するためのマスクを積層半導体領域１３上に形成する。まず、積層半導体領域１３の主面１３ａ上に、無機絶縁膜を成長する。この成長には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法といった気相成長法が用いられる。本実施例では、無機絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成長する。窒化シリコンの厚さは例えば３００ｎｍ〜８００ｎｍである。この無機絶縁膜にフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターンを転写して、図４の（ｂ）部に示されるように、半導体メサのためのマスク２３を形成する。マスク２３は、半導体メサの配置に対応して、一次元又は二次元のパターン（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）の配列を含む。マスク２３は、無機絶縁膜の材料、例えば窒化シリコンを備える。この工程により作製される基板生産物は、エピタキシャル基板ＥＰ及びマスク２３を備える。
【００５０】
マスク２３を形成した後に、エピタキシャル基板ＥＰをエッチング装置に配置する。マスク２３を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングして、図５の（ａ）部に示されるように基板生産物ＳＰ１を形成する。光吸収層のための半導体層１５の超格子構造２１のエッチングには、例えばドライエッチングを適用できる。ドライエッチングでは、例えばハロゲン系ガス（例えば塩素ガス等）及び／又は炭化水素（例えばメタン等）と水素との混合ガスがエッチャントとして用いられる。
【００５１】
図５の（ａ）部を参照すると、基板生産物ＳＰ１は、積層半導体領域１３からドライエッチングにより作製された半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを備える。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、それぞれ、マスク２３のパターン２３ａ、２３ｂ、２３ｃに対応する。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの各々は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７からの第１導電型化合物半導体層１７ａ、半導体層１５からの光吸収層１５ａ、及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１９からの第２導電型化合物半導体層１９ａを含む。光吸収層１５ａは、受光層のための半導体層１５と同様の超格子構造２１を有しており、光吸収層１５ａは、第１導電型化合物半導体層１７ａと第２導電型化合物半導体層１９ａとの間に設けられる。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの高さは、積層半導体領域１３の厚さに応じて、例えば１μｍ〜３μｍである。
【００５２】
基板生産物ＳＰ１をエッチング装置から取り出した後に、マスク２３を除去する。例えば窒化シリコン製のマスク２３の除去には、バッファードフッ酸が用いられる。基板生産物ＳＰ１からマスク２３を除去して、基板生産物ＳＰ２が作製される。
【００５３】
図５の（ｂ）部に示されるように、マスク２３を除去した後に、成膜装置において基板生産物ＳＰ２上にパッシベーション膜２７を形成する。パッシベーション膜２７の膜厚は例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍであることができる。パッシベーション膜は酸化物を備えることができる。成膜用の原料ガスとして、シラン及び亜酸化窒素を用いることができる。本実施例では、このパッシベーション膜２７はシリコン酸化物からなり、パッシベーション膜２７の材料は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）に限定されることなく、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）を備えることができる。
【００５４】
図６に示されるように、パッシベーション膜２７の形成後に、埋込体ＥＢを形成する。埋込体ＥＢは、酸化アルミニウム及びエポキシ樹脂体の少なくとも一つを含む。埋込体ＥＢのための酸化アルミニウムの形成は、例えば、エアロゾルデポジション法によることができる。埋込体ＥＢのためのエポキシ樹脂体の形成は、例えば、加熱硬化法又は紫外線硬化法によることができる。
【００５５】
（実施例１）
図７は、本実施形態に係るエアロゾルデポジション装置を示す概略図である。エアロゾルデポジション装置４０は、成膜部４１、材料供給部４２、及び排気部４３を備える。成膜部４１は、基板生産物ＳＰ２を載置するための基板支持台４４、及び基板生産物ＳＰ２に向けてエアロゾルを噴射するためのノズル４５を有する。ノズル４５のスリットは、例えば、０．３×３．０ｍｍ２の矩形である。基板支持台４４は、例えば、ＸＹステージ４６に載置される。埋込体ＥＢの形成前に、成膜部４１は、排気部４３によって、例えば、約１０Ｐａに減圧される。材料供給部４２は、成膜部４１に接続される。
【００５６】
エアロゾルデポジション法では、初めに、材料供給部４２において、例えば、酸化アルミニウム微粒子を材料搬送用ガス（例えば、窒素ガス）に分散させてエアロゾルを作製する。エアロゾルでは、材料搬送用ガスのなかに多数の酸化アルミニウム微粒子が浮かんでいる。酸化アルミニウム微粒子の典型的な直径は、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。次に、エアロゾルを成膜部４１内に供給し、ノズル４５を通して、基板生産物ＳＰ２にエアロゾルを吹き付ける。基板生産物ＳＰ２に到達するときのエアロゾルの速度は、例えば、４００〜６００メートル／秒である。ノズル４５と基板生産物ＳＰ２との距離は、例えば、１０ｍｍである。基板生産物ＳＰ２では、エアロゾルの吹き付け時における微粒子の衝突エネルギーを利用して、基板生産物ＳＰ２の表面に、埋込体ＥＢの酸化アルミニウム膜を形成する。酸化アルミニウム膜の形成中に、基板生産物ＳＰ２を載置したＸＹステージ４６をＸ方向又はＹ方向に移動させて、エアロゾルを吹き付ける箇所を変更することができる。エアロゾルを吹き付ける箇所を変更するためには、ノズル４５をＸ方向又はＹ方向に移動させてもよい。ＸＹステージ４６の移動速度は、例えば、１２５μｍ／秒である。
【００５７】
エアロゾルデポジション法では、埋込体ＥＢのための酸化アルミニウム膜は、複数の半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの間に形成されると共に、これら複数の半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを埋め込むように形成される。エアロゾルデポジション法による酸化アルミニウム膜の形成は、室温で行うことができる。酸化アルミニウム膜に対しては、エアロゾルの吹き付け後に、必要に応じて、加熱処理を行うことができる。加熱処理は、摂氏１００度〜１５０度で行う。
【００５８】
（実施例２）
埋込体ＥＢのためのエポキシ樹脂体は、例えば、加熱硬化法又は紫外線硬化法によって形成されることができる。加熱硬化法又は紫外線硬化法では、初めに、複数の半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを埋め込むようにエポキシ樹脂を塗布する。エポキシ樹脂の塗布は、例えば、スピンコート法による。続いて、加熱硬化法では、エポキシ樹脂を摂氏１５０度〜２００度に加熱し、紫外線硬化法では、エポキシ樹脂に紫外線を照射する。その結果、エポキシ樹脂が硬化されて、埋込体ＥＢのためのエポキシ樹脂体が形成される。埋込体ＥＢのためのエポキシ樹脂体は、複数の半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの間に設けられると共に、これら複数の半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを埋め込む。
【００５９】
（実施例３）
複数の領域を有する埋込体の形成においては、例えば、エアロゾルデポジション法によって、初めに酸化アルミニウムを含む第１領域Ｅ１を形成する。続いて、加熱硬化法又は紫外線硬化法によって、第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂を形成することができる。あるいは、例えば、加熱硬化法及び／又は紫外線硬化法によって、初めに第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂を形成し、続いて、加熱硬化法及び／又は紫外線硬化法によって、第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂を形成する。フィラーのエポキシ樹脂への添加量が調整されることによって、第２領域Ｅ２のエポキシ樹脂の熱膨張係数は、第１領域Ｅ１のエポキシ樹脂の熱膨張係数より小さい値を有することができる。
【００６０】
図６に示されるように、埋込体ＥＢの上面は、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの上面に比べて高くなることができる。この高さの差Ｈ１は、例えば１μｍ〜２μｍであり、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの上面から埋込体ＥＢの上面までの長さとして基板の主面１１ａの法線方向に沿って規定される。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの高さＨＭＳは、例えば１〜３μｍであり、埋込体ＥＢの高さＤＥＢは、例えば４μｍ〜６μｍである。本実施例では、埋込体ＥＢの上面は、平坦であることができる。この平坦な上面は、スピンコート法を用いることによって実現される。
【００６１】
図８に示されるように、埋込体ＥＢを形成した後に、マスク５１を形成する。このマスク５１は、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの上面のパッシベーション膜２７及び埋込体ＥＢに開口を作製するためのパターンを有する。マスク５１の形成では、初めに、埋込体ＥＢ上に、無機絶縁膜を成長する。この成長には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法といった気相成長法が用いられる。本実施例では、無機絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成長する。窒化シリコンの厚さは、例えば３００ｎｍ〜８００ｎｍである。この無機絶縁膜にフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターンを転写して、開口のためのマスク５１を形成する。マスク５１は、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの配置に対応して、パターンの二次元配列を含む。この工程により作製される基板生産物は、エピタキシャル基板ＥＰ、埋込体ＥＢ及びマスク５１を備える。
【００６２】
引き続き、図９に示されるように、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの上面のパッシベーション膜２７及び埋込体ＥＢに開口５２を形成する。開口５２は、開口２７ｐ及び開口２５ｐを含む。開口５２の形成は、パッシベーション膜２７及び埋込体ＥＢのエッチングによることができる。パッシベーション膜２７のエッチングには、例えばドライエッチングを適用できる。パッシベーション膜２７のドライエッチングでは、例えばハロゲン系ガス（例えば塩素ガス等）及び／又は炭化水素（例えばメタン等）と水素との混合ガスがエッチャントとして用いられる。埋込体ＥＢのエッチングについても、例えばドライエッチングを適用できる。埋込体ＥＢの酸化アルミニウムに対しては、例えばＯ２ガス、ＢＣｌ３ガス、又はＡｒガスがエッチャントとして用いられる。埋込体ＥＢのエポキシ樹脂体に対しては、例えばＯ２ガスがエッチャントとして用いられる。また、埋込体ＥＢのエポキシ樹脂体には、ウエットエッチングを適用することもできる。
【００６３】
開口５２には、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃにそれぞれ対応してフォトダイオード３１ａ、３１ｂ、３１ｃのための一電極２９ａ（アノード電極及びカソード電極の一方）を形成する。この一電極２９ａは、半導体層上に順に形成された、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕの５層構造を有することができる。一電極２９ａの形成には、例えばリフトオフ法が用いられる。図１０に示されるように、リフトオフ法を行った後に、一電極２９ａが形成される。本実施例では、パッシベーション膜２７に別の開口を形成する。この別の開口に、フォトダイオードのための他電極（アノード電極及びカソード電極の他方）を形成する。他電極は、半導体層上に順に形成された、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの層構造を有することができる。他電極の形成には、例えばリフトオフ法が用いられる。
【００６４】
図１１に示されるように、これらの工程の後、一電極２９ａ上に、バンプ電極ＢＰ（例えばＩｎバンプ）が形成される。Ｉｎバンプ電極の形成は、例えばリフトオフ法により行われる。この後に、基板生産物からダイシングによりチップを切り出して、フォトダイオードアレイを含む半導体受光素子ＰＤＡを形成する。この形成の後に、図１２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、フリップチップボンディングの適用により、半導体受光素子ＰＤＡの一電極２９ａを集積素子ＲＯＩＣの電極ＥＤにバンプ電極ＢＰを介して固定させる。半導体受光素子ＰＤＡは、直交座標系ＳのＸ軸方向及びＹ軸方向に二次元に配列されたフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのアレイを含む。フォトダイオード３１ｂ〜３１ｅは、半導体メサ２５ｂ〜２５ｅの配列に対応する。
【００６５】
半導体受光素子ＰＤＡと集積素子ＲＯＩＣとの固定の後、半導体受光素子ＰＤＡと集積素子ＲＯＩＣとの隙間に、例えば、アンダーフィルＵＦのためのエポキシ樹脂を充填する。バンプ電極ＢＰは、エポキシ樹脂に埋め込まれる。本実施例では、エポキシ樹脂を加熱硬化法により硬化させて、アンダーフィルＵＦ（図１を参照）を形成する。アンダーフィルＵＦは、半導体メサ間に侵入せず、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間のギャップに形成される。アンダーフィルＵＦは、バンプ電極ＢＰのアレイを埋め込むように、集積素子ＲＯＩＣと半導体受光素子ＰＤＡとの間に形成される。
【００６６】
必要な場合には、半導体受光素子ＰＤＡのＧａＳｂ基板による入射光の吸収を、例えば抑制するために、研磨又は研削といった加工を半導体受光素子ＰＤＡのＧａＳｂ基板に適用して、ＧａＳｂ基板の厚さを薄くする。例えば、ＧａＳｂ基板では、ＧａＳｂ基板を薄くするために基板の裏面の加工（研磨、研削）を行って、赤外線入射面を形成する。
【００６７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体受光素子が受ける熱応力を低減できる半導体受光装置が提供される。
【符号の説明】
【００６９】
１５ａ…光吸収層、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ、２５ｆ…半導体メサ、３３…読出回路、ＢＰ…バンプ電極、ＥＢ…埋込体、ＩＭＳ…半導体受光装置、ＰＤＡ…半導体受光素子、ＲＯＩＣ…集積素子、ＵＦ…アンダーフィル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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