CN101320763B - 光半导体装置 - Google Patents

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Abstract

得到一种能够提高耐湿性的光半导体装置。在n型InP衬底(11)上依次层叠n型InGaAs光吸收层(12)、作为窗层和倍增层的n型InP层(13)(第一导电型半导体层)。选择性地进行杂质扩散或者离子注入，由此，在n型InP层(13)的上表面的一部分上形成p型InP区域(14)(第二导电型半导体区域)。n型InP层(13)以及p型InP区域(14)的上表面被表面保护膜(15)覆盖。在n型InP衬底(11)的下表面连接阴极电极(16)(第一电极)。在p型InP区域(14)的上表面连接环状的阳极电极(17)(第二电极)。以包围阳极电极(17)的方式，配置低电压电极(19)。对该低电压电极(19)施加比阴极电极(16)低的电压。

Description

光半导体装置
技术领域
本发明涉及雪崩光电二极管等光半导体装置，特别涉及能够提高耐湿性的光半导体装置。
图18是表示现有的光半导体装置的立体图。该光半导体装置是光通信用雪崩光电二极管(例如，参照专利文献1)。
在n型InP衬底11上依次层叠n型InGaAs光吸收层12、作为窗层以及倍增层的n型InP层13。选择性地进行杂质扩散或者离子注入，由此，在n型InP层13的上表面的一部分上形成p型InP区域14。n型InP层13以及p型InP区域14的上表面被表面保护膜15覆盖。在n型InP衬底11的下表面连接阴极电极16。在p型InP区域14的上表面连接环状的阳极电极17。被该阳极电极17包围的区域是受光部18。
然后，对所述光半导体装置的动作进行说明。在阳极电极17上施加比阴极电极16低的电压。即，在阳极电极17与阴极电极16之间施加反偏压。将该反偏压(工作电压)调整为击穿电压的约90％。因为击穿电压为非常高的20～80V左右，所以，反偏压最大变高为70V左右。
光信号从图的上侧向受光部18入射。P型InP层63的带隙较大，所以，不会吸收通常的光通信中所使用的波长(1.3μm或者1.55μm)的光而使其透过。所透过的光被带隙较小的n型InGaAs光吸收层12吸收，产生电子和孔穴。该孔穴在耗尽层中移动，进入被施加了高电场的n型InP层13，在高电场下产生雪崩倍增，产生很多新的电子和孔穴。其结果是，光信号作为倍增后的电流信号从光半导体装置取出。由此，与未产生倍增的情况相比，能够取出数十倍的电流值的信号。
专利文献1特开平10-209486号公报
在光半导体装置的周围使用片状电容器、金属线、前置放大器、电阻、载体等很多部件，为了安装光半导体装置也使用杆(stem)等封装。在这些构件上附着很多电荷离子。该电荷离子具有被施加电压之处吸引的性质。因此，正离子被吸引到施加负偏压的阳极电极17的周围。由此，芯片上表面流过漏电流。其结果是，从阳极电极17向n型InP层13流过电流。
若在湿度较高的气氛下使用光半导体装置，则在存在水分的状态下，在芯片的上表面流过电流，产生腐蚀。该腐蚀侵蚀表面保护膜15，电流进一步增加。其结果是，在芯片表面产生变色劣化部101。该变色是从表面保护膜15的一端朝向阳极电极17产生的。此外，以阳极电极17为基点沿着周围产生的情况也是存在的。若该变色继续，则存在最终产生短路或者开口。
因此，现有的光半导体装置不能够在湿度较高的气氛下使用。此外，以盖等对光半导体装置进行真空密封的情况下，也需要进行严格地管理，以使水分不会进入盖内。
发明内容
本发明是为了解决所述问题而进行的，其目的在于得到一种能够提高耐湿性的光半导体装置。
本发明的光半导体装置具有：第一导电型半导体层；形成在第一导电型半导体层的上表面的一部分上的第二导电型半导体区域；覆盖第一导电型半导体层以及第二导电型半导体区域的上表面的保护膜；与第一导电型半导体层连接的第一电极；第二电极，与第二导电型半导体区域连接，对其施加比第一电极低的电压；低电压电极，以包围第二电极的方式配置，对其施加比第一电极低的电压。以下可明确本发明的其他特征。
根据本发明可提高耐湿性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的光半导体装置的立体图。
图2是表示对改变施加到低电压电极上的电压而变色裂化后的元件的比例进行测定后的结果的图。
图3是表示本发明的实施方式2的光半导体装置的立体图。
图4是表示本发明的实施方式3的光半导体装置的立体图。
图5是表示本发明的实施方式4的光半导体装置的立体图。
图6是表示本发明的实施方式5的光半导体装置的立体图。
图7是表示本发明的实施方式6的光半导体装置的立体图。
图8是表示图7的剖面图以及电位分布的图。
图9是表示本发明的实施方式7的光半导体装置的上面图。
图10是表示本发明的实施方式8的光半导体装置的上面图。
图11是表示本发明的实施方式9的光半导体装置的上面图。
图12是表示本发明的实施方式10的光半导体装置的上面图。
图13是表示本发明的实施方式11的光半导体装置的上面图。
图14是表示本发明的实施方式12的光半导体装置的侧面图。
图15是表示本发明的实施方式13的光半导体装置的侧面图。
图16是表示本发明的实施方式14的光半导体装置的立体图。
图17是表示本发明的实施方式15的光半导体装置的立体图。
图18是表示现有的光半导体装置的立体图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1的光半导体装置的立体图。该光半导体装置是光通信用雪崩光电二极管。
在n型InP衬底11上依次层叠n型InGaAs光吸收层12、作为窗层以及倍增层的n型InP层13(第一导电型半导体层)。选择性地进行杂质扩散或离子注入，由此，在n型InP层13的上表面的一部分上形成p型InP区域14(第二导电型半导体区域)。n型InP层13以及p型InP区域14的上表面由表面保护膜15覆盖。阴极电极16(第一电极)与n型InP衬底11的下表面连接。在p型InP区域14的上表面连接环状的阳极电极17(第二电极)。被该阳极电极17包围的区域是受光部18。此外，对阳极电极17施加比阴极电极16低的电压。
并且，在本实施方式中，以包围阳极电极17的方式配置低电压电极19。对该低电压电极19施加比阴极电极16低的电压。由此，存在于光半导体装置的周围的正离子被低电压电极19俘获，所以，不会集中在阳极电极17的周边。因此，难以产生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。
图2是表示对改变施加到低电压电极上的电压而变色劣化后的元件的比例进行测定的结果的图。作为实验条件，将温度定为85℃、将湿度定为85％，在阳极电极17和阴极电极16之间施加击穿电压的90％的电压。实验结果是，在没有对低电压电极19施加电压的情况(a)和施加比阴极电极16高的电压的情况(c)下，100％的元件发生变色劣化。另一方面，对低电压电极19施加比阴极电极16低的电压的情况(b)下，发生变色劣化的元件是0％。根据该实验结果，确认根据本实施方式能够防止变色劣化。
并且，在图1中由低电压电极19包围光半导体装置的芯片的整个周围，但是，即使不一定包围整个周围也能够得到相同的效果。此外，即使不包围芯片整体若以低电压电极19包围阳极电极17的周围也能够得到相同的效果。
实施方式2
图3是表示本发明的实施方式2的光半导体装置的立体图。与实施方式1相同的光半导体装置的芯片安装在绝缘性的台座21上。台座21的台座侧电极22和光半导体装置的阴极电极16接触。并且，低电压电极19以包围台座侧电极22的方式配置在台座21上。阳极电极17、台座侧电极22、低电压电极19分别通过引线23、24、25与外部电路(未图示)电连接。
对低电压电极19施加比台座侧电极22低的电压。由此，位于台座21上或者台座21的周围的正离子被吸引到低电压电极19，所以，被吸引到阳极电极17的正离子减少。因此，难以产生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。
并且，在图3中，由低电压电极19包围台座侧电极22的整个周围，但是，即使不一定包围整个周围也能够得到相同的效果。
实施方式3
图4是表示本发明的实施方式3的光半导体装置的立体图。阳极电极17和低电压电极19利用引线23而被电连接。其他的结构与实施方式2相同。由此，不需要使低电压电极19成为比阴极电极16低的电压的电压源。
实施方式4
图5是表示本发明的实施方式4的光半导体装置的立体图。在阳极电极17和低电压电极19之间连接高阻抗部26。该高阻抗部26由薄膜电阻、片式电阻、电感器、片式电感器等构成。其阻抗为20Ω以上。其中，优选高阻抗部26的阻抗是200～300Ω以上。其他结构与实施方式3相同。这样，设置高阻抗部26，由此，能够防止从阳极电极17所输出的高频信号泄漏到低电压电极19。其结果是，光半导体装置的高频响应提高。
实施方式5
图6是表示本发明的实施方式5的光半导体装置的上面图。低电压电极19作为Ti、Cr、Au等金属薄膜形成在表面保护膜15上。在低电压电极19上连接焊盘31，在焊盘31上连接引线32。通过该焊盘31以及引线32对低电压电极19施加比阴极电极16低的电压。其他结构与实施方式1相同。由此，可由低电压电极19吸引芯片上表面的正离子，能够在含有水分的气氛中更长时间防止劣化。
并且，可以将低电压电极19形成在表面保护膜15之下。此时，可以除去低电压电极19上的表面保护膜15的一部分或者全部，以使低电压电极19露出。此外，可以不是金属材料而以对n型InP层13的表面注入p型掺杂剂后的扩散区域形成低电压电极19。此外，在图6中，以低电压电极19包围阳极电极17的整个周围，但是，即使不一定包围整个周围也能够得到相同的效果。
实施方式6
图7是表示本发明的实施方式6的光半导体装置的上面图。以包围阳极电极17的方式在低电压电极19和阳极电极17之间配置高电压电极33。该高电压电极33作为Ti、Cr、Au等金属薄膜形成在表面保护膜15上。在高电压电极33上连接焊盘34，在焊盘34上连接引线35。通过该焊盘34以及引线35对高电压电极33施加比阳极电极17或者低电压电极19高的电压。其他结构与实施方式5相同。
图8是表示图7的剖面图以及电位分布的图。如图示那样，使电位为M字型，由此，在中心的阳极电极17的周围形成电位势垒，正离子部不能够接近阳极电极17。由此，即使在含有水分的氢气氛内能够更长时间地防止劣化。并且，在实施方式5中没有高电压电极33，但是，因为表面保护膜15接触n型InP层13，所以，相当于高电压电极33的部分的电为变高，具有相同的效果。
实施方式7
图9是表示本发明的实施方式7的光半导体装置的上面图。金属膜36覆盖表面保护膜15的端部。其他结构与实施方式6相同。
表面保护膜15与n型InP层13的边界被金属膜36覆盖，由此，能够防止水分或者电荷离子侵入表面保护膜15之下。因此，能够防止从表面保护膜15的端部开始进行的变色劣化。
实施方式8
图10是表示本发明的实施方式8的光半导体装置的上面图。在表面保护膜15上，以包围阳极电极17的方式在低电压电极19和阳极电极17之间设置开口37。电压比低电压电极19高的n型InP层13从该开口37露出。其他结构与实施方式5相同。
设置开口37，由此，与实施方式6相同地，正离子不能接近阳极电极17。并且，若以覆盖开口37的方式形成金属薄膜，能够防止水分或者电荷离子侵入到表面保护膜15之下。
实施方式9
图11是表示本发明的实施方式9的光半导体装置的上面图。在n型InP层13的表面形成p型扩散区域41，该p型扩散区域41与p型InP区域14电连接。部分地除去表面保护膜15，形成接触电极42、43。低电压电极19通过接触电极42以及p型扩散区域41与p型InP区域电连接。高电压电极33通过接触电极43与n型InP层13电连接。根据该结构，不需要从外部对低电压电极19或者高电压电极33供电。
并且，若使p型扩散区域41较细或者较浅而成为高电阻，能够防止受光部18中所产生的高频信号泄漏到低电压电极19。此外，可以不使用接触电极42、43，而将低电压电极19、高电压电极33的整体分别与p型扩散区域41、n型InP层13电连接。
实施方式10
图12是表示本发明的实施方式10的光半导体装置的上面图。以包围阳极电极17的方式在低电压电极19和阳极电极17之间，在n型InP层13的表面形成槽44。并且，在表面保护膜15上形成用于覆盖该槽44的金属膜45。其他结构与实施方式5相同。
利用槽44能够取得受光部18和芯片端之间的绝缘。但是，容易对设置在芯片表面上的槽44施加应力，由于该应力，表面保护膜15受到损伤，从槽44开始变色劣化。因此，以金属膜45覆盖槽44，由此，能够防止水分或者电荷侵入到表面保护膜15之下。
实施方式11
图13是表示本发明的实施方式11的光半导体装置的上面图。部分地除去表面保护膜15，形成接触电极46、47。低电压电极19通过接触电极46以及布线48与槽44的内侧的p型扩散层49电连接。金属膜45通过接触电极47与槽44的外侧的n型InP层13电连接。其他结构与实施方式10相同。
由此，对低电压电极19施加比阴极电极16低的电压。此外，对金属膜45施加比低电压电极19高的电压。因此，不需要从外部对低电压电极19或者金属膜45供电。
并且，也可以没有p型扩区域49。即，低电压电极19可以通过接触电极46以及布线48与槽44的内侧的n型InP层13电连接。槽44的内侧的n型InP层13的电压比槽的外侧的n型InP层13低。此外，p型扩区域49也可以与受光部18的p型InP区域14连接。此种情况下，p型扩区域49和p型InP区域14的连接部较细或者较浅，成为高电阻，能够防止在受光部18中所产生的高频信号泄漏到低电压电极19。
实施方式12
图14是表示本发明的实施方式12的光半导体装置的侧面图。在杆51上，隔着绝缘性的台座52安装光半导体装置的芯片53。杆51上还安装有其他的芯片部件54、55。这些通过引线56电连接。从杆51引出引线端子57。并且，以电压比光半导体装置的阴极电极低的方式对杆51供电。
由此，位于杆51上的正离子被吸引到杆51，所以，被吸引到光半导体装置的阳极电极的正离子减少。因此，难以产生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。
实施方式13
图15是表示本发明的实施方式13的光半导体装置的侧面图。在杆51与台座52之间设置上表面被金属电极覆盖的绝缘性的台座58。并且，以电压比光半导体装置的阴极电极低的方式对台座58的上表面供电。其他结构与实施方式12相同。
由此，位于杆51上的正离子被吸引到台座58，所以，被吸引到光半导体装置的阳极电极的正离子减少。因此，难以发生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。
实施方式14
图16是表示本发明的实施方式14的光半导体装置的立体图。该光半导体装置是端面发光型的激光二极管。
在n型InP层13(第一导电型半导体层)中形成活性层61。选择性地进行杂质扩散或者离子注入，由此，在n型InP层13的上表面的一部分形成p型InP区域14(第二导电型半导体区域)。n型InP层13以及p型InP区域14的上表面被表面保护膜15覆盖。在n型InP层13的下表面连接阴极电极16(第一电极)。在p型InP区域14的上表面连接阳极电极17(第二电极)。对该阳极电极17施加比阴极电极16高的电压。
并且，在本实施方式中，以包围阳极电极17的方式配置高电压电极62。对该高电压电极62施加比阴极电极16高的电压。由此，存在于光半导体装置的周围的负离子被高电压电极62俘获，所以，没有聚集到阳极电极17的周边。因此，难以产生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。并且，在所述结构中能够组合实施方式2～13的结构。
实施方式15
图17是表示本发明的实施方式15的光半导体装置的立体图。该光半导体装置是端面发光二极管。
在p型InP层63(第一导电型半导体层)中形成活性层61。选择性地进行杂质扩散或者离子注入，由此，在n型InP层63的上表面的一部分形成n型InP区域64(第二导电型半导体区域)。p型InP层63以及n型InP区域64的上表面被表面保护膜15覆盖。在p型InP层63的下表面连接阳极电极65(第一电极)。在n型InP区域64的上表面连接阴极电极66(第二电极)。对该阴极电极66施加比阳极电极65低的电压。
并且，在本实施方式中，以包围阴极电极66的方式配置低电压电极19。对该电压电极19施加比阳极电极65低的电压。由此，存在于光半导体装置的周围的正离子被低电压电极19俘获，所以，没有聚集到阴极电极66的周边。因此，难以产生变色劣化，所以，能够提高耐湿性。并且，在所述结构中能够组合实施方式2～13的结构。

Claims (11)

1.一种光半导体装置，其特征在于，
具有：绝缘性的台座；在所述绝缘性的台座的上表面配置的芯片；以及低电压电极，在所述绝缘性的台座的上表面以包围所述芯片的方式配置，
所述芯片具有：第一导电型半导体层；形成在所述第一导电型半导体层的上表面的一部分上的第二导电型半导体区域；覆盖所述第一导电型半导体层以及所述第二导电型半导体区域的上表面的表面保护膜；与所述第一导电型半导体层连接的第一电极；以及第二电极，通过在所述表面保护膜上设置的开口，与所述第二导电型半导体区域连接，对其施加比所述第一电极低的电压，
所述低电压电极被施加比所述第一电极低的电压。
2.如权利要求1的光半导体装置，其特征在于，
所述低电压电极与所述第二电极电连接。
3.如权利要求2的光半导体装置，其特征在于，
还具有连接在所述低电压电极与所述第二电极之间的阻抗为20Ω以上的高阻抗部。
4.一种光半导体装置，其特征在于，具有：
第一导电型半导体层；
形成在所述第一导电型半导体层的上表面的一部分上的第二导电型半导体区域；
覆盖所述第一导电型半导体层以及所述第二导电型半导体区域的上表面的表面保护膜；
与所述第一导电型半导体层连接的第一电极；
第二电极，通过在所述表面保护膜上设置的开口，与所述第二导电型半导体区域连接，对其施加比所述第一电极低的电压；以及
低电压电极，在所述表面保护膜上以包围所述第二电极的方式配置，并且被施加比所述第一电极低的电压。
5.如权利要求4的光半导体装置，其特征在于，
还具有高电压电极，以包围所述第二电极的方式配置在所述低电压电极和所述第二电极之间，对其施加比所述第二电极或者所述低电压电极高的电压。
6.如权利要求4的光半导体装置，其特征在于，
还具有覆盖所述表面保护膜的端部的金属膜。
7.如权利要求4的光半导体装置，其特征在于，
在所述表面保护膜上，以包围所述第二电极的方式在所述低电压电极和所述第二电极之间设置开口，所述第一导电型半导体层从所述开口露出。
8.如权利要求5的光半导体装置，其特征在于，
所述高电压电极与所述第一导电型半导体层电连接。
9.如权利要求4的光半导体装置，其特征在于，
以包围所述第二电极的方式，在所述低电压电极和所述第二电极之间，在所述第一导电型半导体层的表面形成槽，
还具有形成在所述表面保护膜上的用于覆盖所述槽的金属膜。
10.如权利要求9的光半导体装置，其特征在于，
所述金属膜与所述槽的外侧的所述第一导电型半导体层电连接。
11.一种光半导体装置，其特征在于，
具有：绝缘性的台座；在所述绝缘性的台座的上表面配置的芯片；以及高电压电极，在所述绝缘性的台座的上表面以包围所述芯片的方式配置，
所述芯片具有：第一导电型半导体层；形成在所述第一导电型半导体层的上表面的一部分上的第二导电型半导体区域；覆盖所述第一导电型半导体层以及所述第二导电型半导体区域的上表面的表面保护膜；与所述第一导电型半导体层连接的第一电极；以及第二电极，与所述第二导电型半导体区域连接，对其施加比所述第一电极高的电压，
所述高电压电极被施加比所述第一电极高的电压。
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