JPH11509687A - 光電子変換器及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明による光電子変換器は放射を送信及び／又は受信する半導体デバイス（９）を含み、この半導体デバイス（９）はその放射出射面もしくは入射面（１０）が支持板（１）に向くようにこの支持板（１）上に固定されている。支持板（１）は放射を透過させる材料から構成されている。この支持板（１）上にはさらに放射集束手段、例えば集光レンズ（３）又は回折光学素子が配置されている。この光電子変換器は特に反射損失が少なく、取付けが簡単である点で優れている。多数のこのような変換器はユニットとして作られ、引き続いて個別化することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 光電子変換器及び製造方法 本発明は請求項１の前文に記載された光電子変換器に関する。 このような変換器は例えばヨーロッパ特許第４１２１８４号明細書により知ら れており、図５に示されている。この図５に示された変換器は放射検出器装置で あり、検出器デバイス（例えばホトダイオード）３２と、共通支持体３３と、絶 縁体３４と、固定部材３５と、レンズ支持体３６と、検出器デバイス３２によっ て受信される放射を集束させるためのレンズ３７とを含んでいる。検出器デバイ ス３２はその下面で絶縁体３４上に固定され、この絶縁体３４は共通支持体３３ 上に固定されている。固定部材３５は絶縁体３４と並んで共通支持体３３上に配 置されている。この固定部材３５上には、レンズ支持体３６が固定膜３８によっ てレンズ３７と共に、このレンズ３７が検出器デバイス３２の光線入射面の上方 に位置するように固定されている。 この種の光電子変換器の個々の構成部品の取付けは非常に労力がかかる。この 取付けは多数のステップを必要とし、レンズ３７の調整は非常に困難である。そ の上、レンズ３７と検出器デバイス３２との間の空隙のために大きな反射損失が 発生する。 本発明の課題は、簡単かつコスト的に有利なやり方で大量に製造することので きる冒頭で述べた種類の光電子変換器を形成することにある。 このような課題は請求項１又は請求項２に記載された光電子変換器によって解 決される。 本発明による光電子変換器の構成は請求項３乃至１０に記載されている。本発 明による光電子変換器の優れた製造方法は請求項１１及び１２に記載されている 。 本発明を図１ａ乃至図４を参照しながら実施例に基づいて説明する。 図１ａは本発明による光電子変換器の第１の実施例の概略断面図である。 図１ｂは第１の実施例における支持板の概略平面図である。 図２は本発明による光電子変換器の第２の実施例の概略断面図である。 図３は本発明による光電子変換器の第３の実施例の概略断面図である。 図４は図１ａ又は図２に示された実施例による光電子変換器の製造ステップを 説明するための概略図である。 図５は光電子変換器の従来例を示す概略断面図である。 図１ａに示された光電子変換器は支持板１上に構成されており、放射を送信及 び／又は受信する半導体デバイス９と、球面又は非球面を持つレンズ３とを含ん でいる。半導体デバイス９は例えば発光ダイオード、ホトダイオード又はバーテ ィカルキャビティサーフェイスエミッタレーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔ ｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｌａｓｅｒ＝ＶＣＳＥＬ）である。支持 板１は例えばガラス、プラスチック、サファイヤ、ダイヤモンド、又は半導体デ バイスによって送信もしくは受信される放射を透過させる半導体材料から構成さ れている。波長λ＞４００ｎｍ用に例えばＳｉＣ、λ＞５５０ｎｍ用にＧａＰ、 λ＞９００ｎｍ用にＧａＡｓ、λ＞１１００ｎｍ用にシリコンを使用することが できる。支持板１の下面２にはレンズ３が形成されている。支持板１は上面４に 台形窪み５を有しており、この台形窪み５は支持板１の上面４を表した平面図（ 図１ｂ）に示されているように長方形又は正方形の枠の形状をしている。それゆ え、この枠の内部には長方形又は正方形のアイランド６が形成されている。 窪み５の底面７上には、アイランド６の周りに導電枠８を形成する導電膜が設 けられている。導電枠８は例えばアルミニウム又はアルミニウムをベースとした 合金から構成されている。半導体材料から成る支持板を使用する場合、窪み５内 に適当なドーピングによって導電枠を形成することも考えられる。支持板のドー ピングによって作成されるこの種の導電枠を製作するために、例えばイオン注入 のように平均的な専門家に今日知られている方法を使用することができる。 半導体デバイス９はその上面に中央接触金属膜１３を有し、その下面に２つの 側方接触金属膜１２を有している。この接触金属膜１２は例えばろう付け及び／ 又は接着によって導電枠８に電気的かつ機械的に安定して結合され、そして半導 体デバイスの放射出射面もしくは入射面１０がアイランド６上に着座するように 形成されている。 放射を送信する半導体デバイス９の放射出射面１０は、半導体デバイス９のｐ ｎ接合１１で作成された電磁放射の大部分を半導体デバイスから出射させる面で ある。これと同様に、放射を受信する半導体デバイスの放射入射面は、受信する 電磁放射を半導体デバイス内へ入射させる面である。 導電枠８は半導体デバイス９への電流供給手段としても利用されるので、外部 との電気的接続のために支持板１の上面に接続面（例えばボンディングパッド） １４が設けられている。この接続面１４は導電性結合膜１５を介して導電枠８に 結合されている。接続面１４及び結合膜１５が導電枠８と同じ材料から構成され ると有利である。 放射を送信する半導体デバイス（例えばＬＥＤ）９の場合、この半導体デバイ ス９のｐｎ接合１１で作られた放射１６は半導体デバイス９の半導体基体から出 射し支持板１を透過した後レンズ３で集束させられる。これによって、半導体デ バイス９内に作成された放射の大部分は例えば光ファイバー１７内へ入射し得る ことが保証される。 支持板１の厚みはレンズ３のレンズパラメータ（例えば焦点距離）及び光ファ イバー上へのビームスポットの所望の結像（拡大又は縮小）に依存する。同じこ とは放射を受信する半導体デバイス９内へ光ファイバー１７から放射を出射させ る場合にも当てはまる。 図１ａに示された実施例の重要な利点は、とりわけ、支持板１と半導体デバイ ス９の放射出射面もしくは入射面１０とが直接隣接（物理的接触；半導体基体− 支持板間の間隔≦λ／１０を意味する）するために、反射損失が図５に示された 公知の変換器の場合より極めて僅かしか発生しない点にある。即ち、空気と半導 体材料との屈折率が大きく異なるので、公知の変換器においては空気から半導体 材料内へ放射を移行させるために全反射の臨界角が比較的小さく、従って全反射 による放射損失が非常に大きい。 結合光学素子を備えた図１ａに示された光電子変換器は、例えば、開口部１９ を備えた基板１８と、容器側壁２０と、外部電気端子２１、２２と、接続線２３ 、２４と、変換器をハーメチックシールするためのプラスチック被覆体２５とを 有する容器内に組込まれている。プラスチック被覆体２５の代わりに、容器をハ ーメチックシールするために容器壁２０に貼着されるか又はろう付けされた容器 蓋 を使用することもできる。光電子変換器は例えば接着剤及び／又はろうから成る 固定及び密閉層２６によって基板１８上に、レンズ３が開口部１９上又は開口部 １９内に位置するように固定される。接触金属膜１３及び接続面１４は接続線２ ３、２４によって外部電気端子２１、２２に接続されている。この外部電気端子 ２１、２２は側壁２０を通って外部へ導かれている。 結合光学素子を備えた本発明による光電子変換器の図２に示された第２の実施 例は原理が図１ａに示された第１の実施例と同じである。球面又は非球面を持つ レンズ３の代わりに、この第２の実施例においては支持板１は放射を集束させる ために回折光学素子２７を有している。この回折光学素子２７は以下においては 短くＤＯＥと称する。さらに、支持板１は第１の実施例とは異なって平坦上面４ を有し、この平坦上面４上に導電枠８が設けられている。この導電枠８には１つ の側面に電気接続面１４が接している。導電枠８上には、半導体デバイス９、例 えば発光ダイオード、ホトダイオード又はバーティカルキャビティサーフェイス エミッタレーザ（ＶＣＳＥＬ）が、放射出射面もしくは入射面と導電枠８によっ て囲まれた面とが上下に配置されかつ半導体デバイス９の接触金属膜１２が導電 枠８上に着座するように固定されている。接触金属膜１２は例えばろう及び／又 は接着剤によって金属膜８に電気的及び機械的に安定して結合されている。 図２に示された実施例では、半導体デバイス９と支持板１との間に空隙が形成 されている。この空隙は、既に上記において述べたように、空気の屈折率と支持 板材料の屈折率とが大きく異なる場合、全反射による相当な放射損失を生ぜしめ る。従って、必要な場合には半導体デバイス９又は図１ａに示されているように 支持板１の上面は、半導体デバイス９の放射出射面もしくは入射面１０が支持板 １上に着座するように形成されなければならない。しかしながら、その代わりに 、適切な結合媒体３９、例えば透明な注型樹脂（例えばエポキシ樹脂）を半導体 デバイス９と支持板１との間に設けることもできる。 本発明による光電子変換器の図３に示された第３の実施例は、上述の２つの実 施例とは、放射集束手段が支持板１内に形成されているのではなく、予め製作さ れた球面又は非球面レンズ２８が支持板１に固定されている点で本質的に異なっ ている。予め製作されたレンズ２８の代わりに、第４の実施例として予め製作さ れた回折光学素子を支持板１の下面２に固定するようにしてもよい。 球面又は非球面レンズ２８もしくはＤＯＥの代わりに、ホログラフィック光学 素子又はフレネルレンズを使用することも考えられる。さらに、放射集束手段及 び半導体デバイス９を支持板の同一側に配置することも考えられる。 図１ａに示された光電子変換器を多数同時に製造するために、図４に示されて いるように、先ず、基板ウエハ３０の下面２９に予め与えられた基本格子に従っ て多数の球面又は非球面レンズ３が作られる。基板ウエハ３０は例えばガラス又 はシリコンからなり、レンズ３は例えばエッチング及び／又は研削によって作ら れる。引き続いて、基板ウエハ３０の上面３１に予め与えられた基本格子に従っ て例えばエッチング及び／又は研削によって多数の窪み５が形成される。次のス テップで、予め与えられた基本格子に従って例えば蒸着又はスパッタによって同 時に多数の導電枠８、多数の結合膜１５及び多数の接続面１４が窪み５内もしく は基板ウエハ３０の上面３１上に設けられる。これに続いて、予め与えられた基 本格子に従って放射を送信及び／又は受信する多数の半導体デバイスが固定され る。これは例えば導電枠８上へ接触金属膜１２をろう付け及び／又は接着するこ とによって行われる。次のステップで、半導体ウエハが例えば切断、又は割れ目 の形成及び折曲げによって個々の光電子変換器に個別化される。 基板ウエハを小さいチップに個別化する技術は半導体技術においてはずっと前 から知られており、基板ウエハ３０、多数の半導体デバイス９及びレンズ３から 成る複合体を個別化する際に同様に適用することができる。この場合、個別化す る前に複合体を弾性接着シート上に固定することが通常行われる。このシートは その後全ての後続プロセスにおいて担持体として使われる。 第２の実施例による光電子変換器を多数製造する製造方法は本質的に上述の方 法と同じステップを有する。レンズ３の代わりに多数の回折光学素子２７が基板 ３０の下面２９に形成されるだけである。 第３及び第４の実施例による光電子変換器を多数製造する製造方法は、上述の 方法とは、先ず基板ウエハ３０の上面３１に予め与えられた基本格子に従って多 数の導電枠８及び接続面１４が設けられる点で相違している。引き続いて、基板 ウエハ３０の下面２９には、予め与えられた基本格子に従って多数の予め作られ たレンズ２８又は回折光学素子が例えばろう付け及び／又は接着によって設けら れる。 第１の基板ウエハ３０上に予め与えられた基本格子に従って多数の導電枠８及 び接続面１４を設け、第２の基板ウエハ上に多数の球面レンズ３、２８又は多数 の回折光学素子２７を形成するか又は設けるような方法も考えられる。両基板ウ エハはそれらの平坦面が重なるように引き続いてろう付け及び／又は接着によっ て互いに結合される。その他のステップは上述の方法と同じである。 予め作られたレンズ２８又は予め作られたＤＯＥもしくは第２の基板ウエハが ガラスから構成され、基板ウエハ３０もしくは第１の基板ウエハがシリコンから 構成されるか、又はその逆に構成されている場合、これらの両構成要素は例えば 陽極ボンディングによっても互いに結合することができる。この公知の技術の場 合、結合するべき面は重ねられ、例えば４５０℃に加熱され、約−１０００Ｖの 電圧がガラスに印加される。 上述した第３及び第４の実施例に関して、予め作られたレンズ２８もしくは予 め作られたＤＯＥが基板ウエハ３０の材料と似た熱膨張係数を有する材料から構 成されると有利である。これによって製造時及び光電子変換器の駆動時に機械的 応力が発生するのを少なくすることができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射を送信及び／又は受信する半導体デバイス（９）の放射出射面もしくは 入射面（１０）が支持板（１）に向くように半導体デバイス（９）が支持板（１ ）上に固定され、支持板（１）は送信及び／又は受信される放射を透過させ、半 導体デバイス（９）によって送信もしくは受信される放射を集束させる放射集束 手段（３、２７）が設けられている光電子変換器において、放射集束手段（３、 ２７）は支持板（１）と共に一体に形成されていることを特徴とする光電子変換 器。 ２．放射を送信及び／又は受信する半導体デバイス（９）の放射出射面もしくは 入射面（１０）が支持板（１）に向くように半導体デバイス（９）が支持板（１ ）上に固定され、支持板（１）は送信及び／又は受信される放射を透過させ、半 導体デバイス（９）によって送信もしくは受信される放射を集束させる放射集束 手段（３、２７）が設けられている光電子変換器において、半導体デバイス（９ ）は少なくとも１つの第１の接触金属膜（１２）を備えた放射出射面もしくは入 射面（１０）を有し、支持板（１）は第２の接触金属膜（８）を有し、第１の接 触金属膜（１２）と第２の接触金属膜（８）とは導電的に互いに結合されている ことを特徴とする光電子変換器。 ３．放射集束手段（３、２７）は支持板（１）と共に一体に形成されていること を特徴とする請求項２記載の光電子変換器。 ４．放射集束手段（２８）は独立して作られ、支持板（１）に取付けられている ことを特徴とする請求項２記載の光電子変換器。 ５．放射集束手段は集光レンズ（３、２８）であることを特徴とする請求項１乃 至４のいずれか１つに記載の光電子変換器。 ６．放射集束手段は回折光学素子（２７）であることを特徴とする請求項１乃至 ４のいずれか１つに記載の光電子変換器。 ７．放射集束手段（３、２７、２８）と半導体デバイス（９）とは支持板（１） の対向位置する面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか １つに記載の光電子変換器。 ８．半導体デバイス（９）の放射出射面もしくは入射面（１０）と支持板（１） との間には結合媒体（３９）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７ のいずれか１つに記載の光電子変換器。 ９．半導体デバイス（９）の放射出射面もしくは入射面（１０）は支持板（１） 上に着座していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の光電 子変換器。 １０．支持板（１）上にアイランド（６）が形成され、このアイランド（６）の 表面上に半導体デバイス（９）の放射出射面もしくは入射面（１０）が着座して いることを特徴とする請求項９記載の光電子変換器。 １１．ａ）多数の放射集束手段（３、２７）を基板ウエハ（３０）上に規定の基 本格子に従って形成する、 ｂ）多数の半導体デバイス（９）を基板ウエハ（３０）上に規定の基本格子に従 って固定する、 ｃ）基板ウエハ（３０）を規定の基本格子に従って個別化する ステップを有することを特徴とする請求項１、３、５乃至１０のいずれか１つに 記載の光電子変換器の製造方法。 １２．ａ）多数の第２の接触金属膜（８）を基板ウエハ（３０）上に規定の基本 格子に従って設ける、 ｂ）多数の半導体デバイス（９）の第１の接触金属膜（１２）を第２の接触金属 膜（８）上に固定する、 ｃ）基板ウエハ（３０）を規定の基本格子に従って個別化する ステップを有することを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか１つの記載の光 電子変換器の製造方法。