JP2000277760A - 半導体受光装置およびこれを含む半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可視光よりも短波長の光を安価な構成で実現
できる半導体受光素子および半導体レーザ装置を提供す
る。 【解決手段】 可視光に対する受光感度の高い半導体受
光素子１０の受光面にこれよりも短波長の入射光に応じ
て可視光を発生する物質、例えば蛍光体を含む波長変換
層２１を設ける。半導体レーザ装置６０にあっては短波
長光を発生するレーザダイオード６３のモニタ用の受光
素子６５として可視光に対する受光感度の高いものを用
い、その受光面に短波長光を可視光に変換する蛍光体物
質を含む層６８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光装置お
よび半導体レーザ装置に係り、特に紫外線等の短波長光
受光装置およびこれを含む半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクのピックアップ、測定装置の
検出器等として、半導体発光装置と半導体受光装置の組
み合わせが採用される。このうち、半導体発光装置とし
ては発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下ＬＥ
Ｄと略記する）、半導体レーザ装置（Laser diode:以下
ＬＤと略記する）が通常用いられ、これらＬＥＤ・ＬＤ
からの光出力を検出する半導体受光装置として、通常シ
リコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムー
リン（ＩｎＰ）系からなるフォトダイオード（Photo di
ode:以下ＰＤと略記する）が用いられている。シリコン
系ＰＤは主に可視光から近赤外光を、ＩｎＰ系−ＰＤは
光通信用の赤外（長波長）光を受光するのに適してい
る。

【０００３】一方、近年、光ディスク等における記録密
度の向上の要請から青色光、青紫色光、紫外線等の短波
長の光を発生する発光装置およびそれらを受光する受光
装置に対する要求が高まっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発光装
置としては青色レーザ、青紫レーザ（波長４１０ｎｍ）
等の実用化が順調に進んでいるが、受光装置では一般に
は４００ｎｍ以下の短波長（紫外域）光に対する受光感
度が低い。このような低い受光感度は、短波長ＬＤのモ
ニタとして用いる場合にはモニタ電流不良（Ｉｍ小）等
の問題を発生させ、また、パワーメータ等の測定装置と
して用いる場合には、より受光感度の高い可視光域のバ
ックグラウンドに対して微弱な信号しか得られないとい
う問題がある。

【０００５】一方、測定効率を向上させるために、集光
用レンズを用いることが多い。しかし、このレンズに関
しても通常のレンズを用いると、紫外光を吸収してしま
うためにロスを生じるという問題がある。

【０００６】このため、従来、紫外光の測定には暗室、
分光器、紫外光対応レンズ系等の各部において、波長４
００ｎｍ以上の可視光以上の光学系では必要のない準備
が要求され、設備費を上昇させるという問題がある。

【０００７】本発明は、短波長光に対しても十分な感度
を有し、しかも安価な半導体受光装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体受
光装置によれば、少なくともｐ層およびｎ層を積層して
なり、可視光に対する高い受光感度を有する半導体受光
素子と、前記受光面の表面に配設された、可視光よりも
短波長の光を前記可視光に変換する波長変換層とを備え
たことを特徴とする。

【０００９】このような構成を採用することにより安価
なシリコン系の可視光用の半導体受光素子を用いて短波
長光に十分な感度を有する半導体受光装置を実現でき
る。

【００１０】波長変換層は、入射短波長光に応じてそれ
よりも波長の長い光を発光する蛍光体物質あるいはこれ
を含む樹脂等を前記受光表面に塗布した膜、あるいは受
光素子全体の埋め込み体として実現されることが好まし
い。

【００１１】また、本発明にかかる半導体レーザ装置に
よれば、短波長光を発生するレーザダイオードと、可視
光に感度の高いモニタ用フォトダイオードとを備えた半
導体レーザ装置において、前記モニタ用フォトダイオー
ドの受光面に短波長光を可視光に変換する蛍光体物質を
含む層を配設したことを特徴とする。

【００１２】このような半導体レーザ装置ではモニタ用
フォトダイオードとして可視光用のフォトダイオードを
使用することができるので、安価に実現できる。

【００１３】さらに、本発明にかかる半導体レーザ装置
では青から紫外で発光するレーザダイオードにおいて、
モニター用光出力側端面に蛍光体物質をコーティングし
たことを特徴とする。

【００１４】さらに、本発明にかかる半導体受光装置に
よれば、特定の波長帯の光に対して高い感度を有する半
導体受光素子と、この半導体受光素子の光入射面に、半
導体受光素子の波長帯とは異なる波長帯の光に感応して
半導体受光素子の波長帯の光を発生させる波長変換層を
備えたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態のいくつかを詳細に説明する。

【００１６】（１） 第１の実施の形態 本発明の第１の実施の形態にかかる半導体受光装置の素
子断面図を図１に示す。ここでは、Ｓｉ−ＰＩＮ−ＰＤ
の例を取り上げる。

【００１７】図１および図２は本発明にかかる半導体受
光装置の第１の実施の形態における素子部分の断面図で
ある。

【００１８】この受光装置２０は図２に示す受光素子１
０の受光面に波長変換膜２１が形成されたものである。
図２を参照すると、この受光素子１０はｐ−Ｓｉ層１
１、ｉ−Ｓｉ層１２、ｎ−Ｓｉ層１３が積層されたＰＩ
Ｎ構造を有しており、ｐ層１１の表面にはｐ型電極１４
とワイヤ１８が接続されるボンディングパッド１５が、
ｎ層１３の表面には、ｎ型電極１６が形成されている。

【００１９】図３は図２に示した受光素子１０を上面す
なわち受光面から見た平面図であって、ｐ型電極１４は
素子表面の周縁部に形成され、これに囲まれた部分はｐ
−Ｓｉ層１１が露出した受光面１７となっている。

【００２０】前述したように、図１に示された受光装置
は受光素子１０の表面に波長変換層２１が形成されたも
のである。この膜は、例えば可視光よりも波長の短い波
長帯の光により可視光帯の光を発生させる蛍光体物質を
樹脂、接着剤等に混入させたものを塗布したものであ
る。

【００２１】このような蛍光体物質を含む樹脂等の塗布
は、表面に滴下する方法、素子化プロセス途中でウェー
ハの表面にスピンコート（回転塗布）により塗布する方
法などにより行うことができる。なお、蛍光体物質のみ
を塗布して波長変換層を形成しても良い。

【００２２】また、塗布時点で、受光面に保護のための
パッシベーション膜があっても良い。さらに、塗布され
た蛍光体物質あるいは蛍光体物質を含む膜をパッシベー
ション膜として機能させても良い。

【００２３】次に、この第１の実施の形態にかかる半導
体受光装置の動作を模式図である図４を参照して説明す
る。

【００２４】受光表面に蛍光体を塗布したＰＤに波長λ
１を有する紫外光が入射されると、波長変換層２１に含
まれる蛍光体物質が紫外光のエネルギーにより励起さ
れ、これとは波長の異なる波長λ２の可視光を発生し、
受光素子１０にはこの変換された波長λ２の光が入射
し、受光される。従って、波長変換層２１は入射光の波
長を変換する機能を果たすことになる。

【００２５】ここで、Ｓｉ−ＰＩＮ−ＰＤの受光感度の
波長依存性は図５に示すように、７００ｎｍ付近にピー
クを持つ。この為、図６に示す様に同一入射パワーで得
られる光電流Ｉｍを比較すると、受光感度で決まる比率
で増加する。この結果、比較的安価なＳｉ−ＰＩＮ−Ｐ
Ｄに蛍光体を塗布することでより短波長の受光が可能と
なる。

【００２６】なお、受光装置に入射された光は、受光面
反射された場合発光装置へ戻り光として再入射する場合
がある。しかし、この場合にも波長・位相の異なる光で
あるため、ノイズとならない。

【００２７】ここで、波長変換層として用いる蛍光体物
質は、入射光の波長と、得ようとする光電流との関係で
適当なものを選択すべきである。図７から図１０に各種
の蛍光体物質の励起スペクトルおよび発光スペクトルを
示す。これらのグラフでは最大発光強度を１、最低発光
強度を０として表している。図７はセリウム（Ｃｅ）を
混入させた黄色のＹＡＧ（Yttrium Alminiu Garnet）蛍
光体、図８はユーロピウム（Europium）を混入させた青
色のＢＡＭ蛍光体、図９はユーロピウムおよびマンガン
を混入させた緑色のＢＡＭ蛍光体、ユーロピウムを混入
させた赤色のＹＯＳ蛍光体の特性をそれぞれ示してい
る。

【００２８】図６においては、ＰＤの受光感度が赤から
近赤外（６００〜７８０ｎｍ）で最も高いことから、こ
の帯域での発光量が多い赤色の蛍光体を用いることが望
ましい。

【００２９】また、紫外光の波長が３８０ｎｍ〜４００
ｎｍといった近紫外である場合には、赤色蛍光体の変換
効率が低いために変換効率・視感度共に高い緑色の蛍光
体を用いることが望ましい。また４３０ｎｍを中心とす
る青色光に対しては、図１０に示すようなＹＡＧ蛍光体
を用いることで同様の効果が期待できる。

【００３０】なお、波長変換層は受光時に蛍光発光する
ことになるが、これをパイロットランプとして用いるこ
とが出来る。この用途のために、受光感度と要求される
光電流との関係を満足するような範囲で適当な蛍光体を
選択することも可能である。

【００３１】また、上述した実施の形態では波長変換層
を形成するのに蛍光体あるいは蛍光体を含む樹脂等を受
光面に塗布するようにしているが、これらを塗布した透
過板（例えばガラス）を発光装置・受光装置間に配置す
るようにしても良い。この場合、この透過板を通過した
光は可視光に変換される。変換された透過光は効率よく
安価な可視光用のＰＤ等で簡便にモニタすることができ
る。

【００３２】さらに、この半導体受光装置は測定装置の
検出器として用いた場合、アライメントを行う際の指標
として用いることができ、また、レンズ等で絞り込む際
の指標としても用いることができる。

【００３３】（２）第２の実施の形態 本発明の第２の実施の形態を、図１１を参照しながら説
明する。この実施の形態における半導体受光装置５０で
は、受光の状態をモニタできるようにＳｉ−ＰＩＮ−Ｐ
Ｄをヘッダやステムに実装した後にモニタ用に蛍光体を
塗布し、これを保護すべく封入したものである。

【００３４】図１１はその製造過程を順に示す工程別断
面図であって、図２に示した受光素子１０と同様の構造
を有するＳｉ−ＰＩＮ−ＰＤ５１はヘッダ５２上に導電
性接着剤でマウントされる。ヘッダ５２はこれに直結さ
れた第１のリード５３とヘッダ５２から絶縁されて貫通
する第２のリード５４を有しており、ＰＤ５１のｎ型電
極はヘッダ５２を介して第１のリード５３と接続され、
ＰＤ５１の、ｐ電極パッドは第２のリード５４とＡｕワ
イア５５で接続されている（図１１（ａ））。

【００３５】次に、蛍光体を混入した樹脂・接着剤５６
等を、ＰＤ５１全体およびワイヤ５５が埋まるように厚
さで塗布する（図１１（ｂ））。最後に、上部にガラス
窓の付いた保護キャップ５７を取り付け、注入した蛍光
体を混入した樹脂等を固化させてＰＤを封止する（図１
１（ｃ））。

【００３６】このようにして完成した半導体受光装置５
０は、蛍光体が混入された樹脂等および保護キャップに
より封止されているので、単独の部品として使用でき
る。特に、短波長、特に紫外光は取り扱いには注意が必
要であるので、点灯中を示すパイロットランプとして使
用も可能である。

【００３７】（３）第３の実施の形態 本発明の第３の実施の形態を図１２〜図１４を参照して
説明する。この実施の形態にかかる半導体レーザ装置６
０は、青紫から紫外光で発振するＧａＮ系のモニタへ適
用したものである。

【００３８】図１２は半導体レーザ６０の組立ての様子
を示す模式断面図である。この例では、中央部に透明部
６１ａを有するキャップ６１、ＬＤチップ６３が搭載さ
れるステム６２、モニタ用ＰＤチップ６５が搭載され、
リード６６および６７を有するヘッダ６４により構成さ
れる。

【００３９】その製造工程を説明すると、まずＤＰ６５
をヘッダ６４に導電性接着剤でマウントし、必要なワイ
ヤボンディングを行う。続いて、図１３に示すように、
少なくともＰＤ６５の上面を埋め込むように蛍光体或い
は蛍光体を混入した樹脂等６８を塗布する。次に、ステ
ム６２とヘッダ６４を溶接し、ＬＤチップ６３をステム
６２の突出部６２ａにマウントし、ワイアボンディング
を行う。最後に、キャップ６１をステム６２と係合させ
て溶接を行い、半導体レーザが完成する。

【００４０】図１４は、モニタＰＤを内蔵するレーザ装
置６０の完成状態を示す断面図である。ＬＤチップ６３
の全面から出射された紫外光７０はキャップ６１に設け
られたガラス等の透明部６１ａを通して出力され、一方
裏面から出射されたモニタ光７１は、ＰＤ６５上部に塗
布された蛍光体を含む樹脂等６８で可視光に変換されＰ
Ｄ６５に入射する。この時、モニタ電流は受光感度に伴
って増加し、ここから反射・散乱等によってＬＤ側に戻
った光は可視光でありＬＤの動作に影響を与えない。

【００４１】このような構成によれば、発光装置（特に
ＬＤ）では、内部でモニター用ＰＤ前面が可視光で発光
するため、二次的な効果としてパイロットランプとして
の機能を果たすことができる。

【００４２】上述した各実施の形態では前記波長変換層
は、受光面の塗布膜あるいは受光面覆う層として形成さ
れているが、発光素子と受光素子間に設けられた、波長
変換層を有する板状の部材をなすようにしても良い。

【００４３】また、上述した各実施の形態では受光素子
は可視光に感応するものであり、発光素子はそれよりも
短波長の光を発生するものであったが、これに限られる
必要はなく、半導体受光素子の感応波長帯域に対して、
この波長帯とは異なる波長帯の光に感応して半導体受光
素子の感応波長帯の光を発生させる波長変換層を用いる
ことができ、より広い範囲で半導体受光素子を活用する
ことができる。

【００４４】例えば、ステルス蛍光体と称される赤外光
を受光してこれよりも長波長の赤外光を発生させる蛍光
体が開発されており（例えば特開平７−９０２６５号参
照）、この波長変換機能を用いて目視されることなく各
種の検出等を行うことができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明にかかる半導体受
光装置によれば、可視光よりも短波長の光線を可視光に
変換する波長変換層を受光素子の受光面に設けているの
で、安価な受光素子で短波長の光を効率良く検出するこ
とができる。また、本発明にかかる半導体受光装置によ
れば、特定の波長帯の光に対して高い感度を有する半導
体受光素子と、この波長帯とは異なる波長帯の光に感応
して特定波長帯の光を発生させる波長変換層を受光素子
の受光面に備えているので、より広い範囲で半導体受光
素子を活用することができる。

【００４６】さらに、本発明にかかる半導体レーザ装置
によれば、短波長光を発生するレーザダイオードと、受
光面に短波長光を可視光に変換する蛍光体物質を含む層
を配設した可視光に感度の高いモニタ用フォトダイオー
ドとを備えているので、光出力のモニタを安価な可視光
用フォトダイオードを用いて実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる半導体受光装置の第１の実施の
形態の構成を示す素子断面図である。

【図２】図１に示した半導体受光装置に用いられる半導
体受光素子のみを示す素子断面図である。

【図３】図２の素子の平面図である。

【図４】図１に示した構成における動作を示す説明図で
ある。

【図５】図２に示した半導体受光素子の受光感度の波長
依存性を示すグラフである。

【図６】同一入射パワーで得られる光電流Ｉｍが波長に
よりどの程度異なるかを示すグラフである。

【図７】本発明で波長変換作用を行う蛍光体の特性を示
すグラフである。

【図８】本発明で波長変換作用を行う蛍光体の特性を示
すグラフである。

【図９】本発明で波長変換作用を行う蛍光体の特性を示
すグラフである。

【図１０】本発明で波長変換作用を行う蛍光体の特性を
示すグラフである。

【図１１】本発明にかかる半導体受光装置の第２の実施
の形態の製造工程を示す工程別断面図である。

【図１２】本発明にかかる半導体レーザ装置の構成と組
立を示す断面図である。

【図１３】図１２における工程の一部を示す断面図であ
る。

【図１４】図１２に示す半導体レーザ装置の完成状態と
動作を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ 半導体受光素子 １１ ｐ型層 １２ ｉ型層 １３ ｎ型層 １４ ｐ型電極 １５ ｐ電極パッド １６ ｎ型電極 １７ 受光面 １８、５５ ワイヤ ２０ 半導体受光装置 ２１、５６、６８ 波長変換層 ５１、６５ フォトダイオード ５２、６４ ヘッダ ５３、５４、６６、６７ リード ５７、６１ キャップ ６２ ステム ６３ ＬＤチップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新 田 康 一 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式会 社東芝川崎事業所内 Ｆターム(参考） 5F073 AA85 BA04 EA29 5F088 AA02 AB02 BA01 BB10 HA20 LA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくともｐ層およびｎ層を積層してな
   り、可視光に対する高い受光感度を有する半導体受光素
   子と、 前記受光面の表面に配設された、可視光よりも短波長の
   光を前記可視光に変換する波長変換層とを備えた半導体
   受光装置。
2. 【請求項２】前記波長変換層は、前記受光表面に塗布さ
   れた膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体
   受光装置。
3. 【請求項３】前記波長変換層は、受光素子全体を埋め込
   む成形体として形成されたことを特徴とする請求項１に
   記載の半導体受光装置。
4. 【請求項４】前記波長変換層は、入射短波長光に応じて
   それよりも波長の長い光を発光する蛍光体物質を含むこ
   とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半
   導体受光装置。
5. 【請求項５】前記半導体受光素子の主材料がシリコン系
   であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに
   記載の受光装置。
6. 【請求項６】短波長光を発生するレーザダイオードと、
   可視光に感度の高いモニタ用フォトダイオードとを備え
   た半導体レーザ装置において、前記モニタ用フォトダイ
   オードの受光面に短波長光を可視光に変換する蛍光体物
   質を含む層を配設したことを特徴とする半導体レーザ装
   置。
7. 【請求項７】青から紫外で発光するレーザダイオードに
   おいて、モニタ用光出力側端面に蛍光体物質を含む層を
   形成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】特定の波長帯の光に対して高い感度を有す
   る半導体受光素子と、 この半導体受光素子の光入射面に、前記波長帯とは異な
   る波長帯の光に感応して前記波長帯の光を発生させる波
   長変換層を備えた半導体受光装置。