JP2000515687A - 半導体光検出器パッケージング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 後方光進入光検出器チップ（１０）はフェースダウン式に、１対の導電性ビア（２１ａ，２１ｂ）を設けられたセラミックサブマウント（２０）の前面に半田（１７ａ，１７ｂ）によって固定される。枠形の半田の質量（１７ｂ）は、ｐｎ接合又は金属／半導体接合の近傍における電界の存在しやすい光検出器チップの有感半導体表面領域を保護する気密エンクロージャを与えるよう、チップをサブマウントにシールする。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体光検出器パッケージング 半導体光検出器は、望ましくない環境では、光検出器の有感面領域が、特にｐ ｎ接合又は半導体材料と金属との間の接合の近傍の光検出器の動作中に電界が存 在する場所において、蒸着された誘電層によって周囲から保護されていたとして も、光検出器の性能が低下されうることが知られている。このため、光検出器の 多くの適用において、係る光検出器は上述の性能低下の発生の危険性を減少する ために密閉されてパッケージングされることを必要とした。パッケージングは、 パッケージの外部からの光検出器との電気的接触のため、また光検出器が検出す るよう設計されている光信号を光検出器の中へ供給するための両方の設備を含ま ねばならない。係る設備を実施する１つの方法は、例えばGB 2 208 944Aに記載 されるように、パッケージの壁に窓を設けることである。検出器が光ファイバの 端から放出される光を受光するとき、パッケージの構造は、ファイバの端と光検 出器との間の最小分離距離をその間に何らかの形のレンズのカップリングを必要 とするほどに大きくさせるものでありうる。これは、GB 2 208 944Aに記載され るように、パッケージの内部のレンズ、パッケージの外部のレンズ、又はレンズ をパッケージ窓の一部として使用することによって提供されうる。窓を使用する 代わりに、例えばGB 2 064 862Aに記載されるように、パッケージの壁は密閉さ れて、ある形状の光導体によって貫通されうる。GB 2 064 862Aに記載される特 定の構造の場合、光ガイドの外部端は光ファイバに対して衝合されるが、他の有 効な形態では、光ガイドは、光検出器によって検出されるべき所望の出力を有す る光ファイバと同様又は同一の性質を有する光ファイバによって置き換えられる 。 光ファイバ／光ガイドの気密貫通構造を使用することは、その定義より光ファ イバ／光ガイドの周囲をシールすることを必要とし、光ファイバは通常エンクロ ージャの外側にプラスチック保護被膜の形の機械的な保護を設けられているため 、製造費用が高く、漏れの検査をするのが困難である。気密ファイバ／ガイドの 貫通構造の代わりに窓を使用することにより上記の特定の問題は回避されるが、 それでも、光検出器チップとチップによってその出力が検出される光ファイバと の間の機械的な連結の設備はかなり複雑となり、且つ費用が高くなる。 本発明は、光ファイバ／ガイドの気密貫通構造を必要とせず、光ファイバから 放出される光を光検出器の有感領域へ向けるよう光ファイバの端の機械的なカッ プリングを比較的簡単且つ安価に確立することができる他の形状の気密エンクロ ージャに関する。 本発明によれば、半導体光検出器チップの後方光進入プレーナ構造体を含み、 上記半導体光検出器チップは、上記チップの面及びセラミック基板の面により構 成される対向する面によって気密エンクロージャが形成されるように、セラミッ ク基板上にフェースダウン式にボンディングされていることを特徴とする光検出 器組立体が提供される。 以下、本発明の望ましい実施例である光検出器組立体を説明する。説明は添付 の図面を参照して行われ、図中、 図１は光検出器の光検出器領域を示す略断面図であり、 図２及び３は光検出器サブマウントを示す略正面図及び略背面図であり、 図４は、光検出器及びサブマウントのサブアセンブリを示す略断面図であり、 図５及び６は、図４のサブアセンブリを組み込んだ組立体のファイバがピグテ ール型及びコネクタ型の変形例を示す図であり、 図７は光検出器サブマウントの他の形状を示す略正面図である。 図１に示される後方光進入プレーナ半導体フォトダイオードチップの基本構造 は、スズでドープされたＩｎＰ基板１０上に形成される。基板上には、ｎ型Ｉｎ Ｐ緩衝層１１、真性ＩｎＧａＡｓ吸収層１２、及びキャッピング材料のｎ型Ｉｎ Ｐ層１３がエピタキシアル成長される。キャッピング層はマスクされ、キャッピ ング層及び下層の吸収層の部分１４は、ＺｎＡｓのソース（図示せず）からの亜 鉛の拡散によってｐ型材料へ変換される。ｐ型領域の部分１４を囲むキャッピン グ材料の残るｎ型の小さな領域を除き、残りのキャッピング層材料は除去される 。シリコン酸化窒化層１５は上述の処理によって残されたシリコン酸化窒化領域 を増強するために蒸着され、この（複合）層１５は、プラチナ／金の接点金属の スパッタリングの前に、接点領域を画成するためにパターン形成され、これはｐ 型材料に接触する中央接点１６ａと、接点１６ａを囲むように吸収層１２のｐ型 材料に接触する矩形の枠形の外部接点１６ｂとを画成するようパターン形成され る。内部接点１６ａ及び外部接点１６ｂは夫々、下にある接点１６ａ及び１６ｂ の形状に従って８０：２０の金：スズ比を有する半田のプレフォーム１７ａ及び １７ｂによって被覆される。この半田は電子ビーム蒸発器及びリフトオフ・フォ トリソグラフィーを使用して蒸着されることが都合がよい。任意に、基板１０の 背面に反射防止膜１８が設けられる。 図１のフォトダイオードのセラミックのサブマウントは、図２及び図３中その 前面及び背面が夫々示され、図４中フォトダイオードが既に実装されている場合 のサブマウントを通る断面図が示されている。図示の便宜上、フォトダイオード チップは図４及び続く図において断面図によって半田プレフォーム１７ａ及び１ ７ｂによって覆われた３層として示されており、３層は、フォトダイオード基板 １０と、基板１０の背面上の任意の反射防止膜１８と、基板１０の前面上に形成 された図１の完全なフォトダイオードの全体の構造を組み込んだ複合層１９とを 含む。 概して参照番号２０によって示されるサブマウントは、サブマウントの厚さに 亘って前面２０ａから背面２０ｂまで貫通する導電金属によって充填されたビア ２１ａ及び２１ｂを有するタイプのセラミックのサブマウントである。係るビア は、サブマウントがまだ生地（未焼成）である間にそのスルーホールをタングス テンといった耐熱性金属の金属入りペーストで充填し、その後サブマウントを焼 成することによって形成される。このタイプのセラミックのサブマウントは例え ばEP 0 547 807より既知であり、例えば住友金属セラミックス社又はＮＴＫ、Ｎ ＧＫスパークプラグ社の技術セラミックス部より市販されている。 完全に焼成されたサブマウントは、その前面２０ａに、メタライゼーションの 領域２２ａ及び２２ｂを有する。これらのメタライゼーションの領域は夫々ビア ２１ａ及び２１ｂを覆い、フォトダイオードのｐ型接点１６及びｎ型接点１７の 形状に夫々対応する形状を有する。サブマウント２０の背面２０ｂには夫々ビア ２１ａ及び２１ｂに接触する２つのメタライゼーションの領域２３ａ及び２３ｂ が設けられ、メタライゼーションの領域２３ａ及び２３ｂには金属ろう２５によ って端子タグ２４ａ及び２４ｂが固定される。 フォトダイオードチップは、半田が完全に溶融せずにむしろ粘着性を有するの に十分に高い温度で行われる粘着ボンディングによってサブマウントに取り付け られる。組立体は、フォトダイオードチップとサブマウントとの間に含まれ枠形 の半田プレフォーム１７ｂによって包囲される空間から水分を除去するために、 チャンバ（図示せず）の中に配置される。このために、この空間はまず排気され 、次に乾燥した窒素又はアルゴンといった不活性ガスによって充填される。空間 から水分を排出することは、半田プレフォーム１７ｂの枠の割れ目（図示せず） として与えられる通気孔を配置することによって容易にされうる。残留水分が空 間から排出された後、半田は、完全に溶融し、通気孔が毛管流によって閉じられ る状態に なるのに充分なより高い温度まで加熱される。このようにして、劣化に特に敏感 なフォトダイオードの領域、即ちｐ−ｎ接合又は半導体／金属接合の近傍の光検 出器の動作中に電界が存在しうる半導体材料の表面を含む気密エンクロージャが 形成される。 上述の特定的な説明では、枠形の半田プレフォーム１７ｂは（流された後）２ 重の機能、即ち気密エンクロージャのためのシールとしての機能と、フォトダイ オードのｎ型接点とサブマウント上のメタライゼーションとの間に電気接続を与 える機能とを行う。他の形状（図示せず）では、（流された後）シール機能を行 う枠形の半田プレフォームは、ｐ型接点及びｎ型接点との電気接続の両方を囲む よう、これらの機能は分離される。いずれの場合も、シール機能を行う枠形の半 田プレフォームは矩形である必要はなく、例えば円形でありうる。他の変形例は 、半田プレフォームを、フォトダイオードチップよりもむしろサブマウントに与 えることを含む。係る半田は、この場合、スクリーン印刷によって便利に与えら れ得る。 図４のサブアセンブリ、又はその変形は、図５に示されるファイバピグテール 型組立体、又は図６に示されるコネクタ型とされた組立体の中に組み入れられ得 る。 図５のファイバピグテール型組立体の場合、ある長さのプラスチック保護被覆 光ファイバ５０は、裸ファイバ５１を露出させるよう、その一端から短い距離だ けそのプラスチック保護膜を剥がされている。このファイバの端は、例えばエポ キシである粘性のフィレット５２によってフォトダイオードチップの背面と衝合 する（係る膜が与えられている場合はその反射防止膜１８と衝合する）位置に固 定されている。サブアセンブリは次にプラスチックのカプセル封入材料の質量５ ３の中にポッティングされ、次にこの領域における稼働中曲げ応力を制限するた め、ファイバ５０の周囲、即ち質量５３から露出している部位にプラスチック材 料の更なる質量５４が与えられる。 図６のコネクタ型とされた組立体の場合、サブアセンブリは透明なプラスチッ クのカプセル封入材料の中にポッティングされ、これは典型的にはやはりプラス チックによって形成されるが、或いは金属コネクタシェルでありうるコネクタシ ェル６１の中に含まれる。透明なプラスチックのカプセル封入材料は、フェルー ルで終端するファイバ（図示せず）を受容するためのボア６２を形成されている 。係るフェルールの挿入の深さは内部フランジ６３によって制限され、ボア６２ と同軸には、フェルールで終端するファイバから放出される光を光検出器の有感 領域上に合焦するためのレンズ６４が形成されている。 図７は、そのセラミック７０には、まだ生地状態のときに、後にサブマウント がカプセル封入される場合の機械的整合のための一組のＶスロット７０１を設け られる点で、主に、図２及び３に示されるサブマウントと区別されるフォトダイ オード用のサブマウントの他の形状を示す図である。コネクタ型とされた組立体 では、係る機械的整合は、能動光学アラインメント又は目視アラインメントとい ったより時間のかかる整合技術の必要性をなくす。セラミックの両面のメタライ ゼーションのレイアウトもまた、端子タグの形状及び光検出器チップ（この図に は図示せず）のｎ型接点との電気接続を与えるビアの場所と共に変化される。こ のように、この場合、ｎ型接点との電気接続を与えるビア７１ｂは、メタライゼ ーションの枠形領域の外側の、フォトダイオードチップの枠形の半田プレフォー ムと接触するサブマウントの正面の上にある。従って、メタライゼーション７２ はそのフレームの部分に加えてビア７１ｂを覆うよう延在する短いダンベルの半 分の形状の部分７２１を含む。このようにして、ビア７１の直ぐ近傍における平 坦性からの逸脱は、フォトダイオードチップの枠形の半田プレフォームによって 与えられるシールの質に影響を与えない。メタライゼーションの領域７３ａ及び ７３ｂの形状、及び端子タグ７４ａ及び７４ｂの形状もまた、 端子タグ同士の間が工業規格に合わせてより引き離されるよう変化されうる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 半導体光検出器チップの後方光進入プレーナ構造体を含み、 上記半導体光検出器チップは、上記チップの面及びセラミック基板の面により 構成される対向する面によって気密エンクロージャが形成されるように、セラミ ック基板上にフェースダウン式にボンディングされていることを特徴とする光検 出器組立体。 ２． 上記気密エンクロージャを形成する上記チップの上記セラミック基板への ボンディングは半田ボンディングであり、 光検出器との電気接触は導電性接続部によってなされ、該導電性接続部のうち の少なくとも１つはセラミック基板の厚さに亘って延在する導電性のビアを含む 、請求項１記載の光検出器組立体。 ３． 上記半導体光検出器のプレーナ構造体は、一方の接点が他方の接点を取り 囲むｎ型接点及びｐ型接点が設けられたフォトダイオードであり、 取り囲む方の接点は、チップ及びセラミック基板と協働して気密エンクロージ ャを形成する半田ボンドによって上記セラミック基板にボンディングされている 、請求項２記載の光検出器組立体。 ４． 上記半導体光検出器のプレーナ構造体は、上記チップ及び上記セラミック 基板と協働して上記気密エンクロージャを形成するように上記セラミック基板に 半田ボンディングされている半田ぬれ性材料の枠形領域によって囲まれたｎ型接 点及びｐ型接点が設けられているフォトダイオードである、請求項２記載の光検 出器組立体。 ５． 略上述において添付の図面を参照して説明される光検出器組立体。