JP2007512689A - 保護ダイオードを備えた発光半導体素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、ｎドープ半導体層領域（３）とｐドープ半導体層領域（４）が相互に連続し、
これらの領域間に第１のｐｎ接合部（５ａ，５ｂ）が形成されている発光型半導体素子に関している。前記第１のｐｎ接合部（５ａ，５ｂ）は、横方向で絶縁区分（６）によって発光区分（７）と保護ダイオード区分（８）に分割されている。保護ダイオード区分（８）の領域においてｐドープ半導体層領域（４）上にはｎドープ層（９）が被着されており、このｎドープ層（９）はｐドープ領域（４）と共に保護ダイオードとして機能する第２のｐｎ接合部（１０）を形成している。この場合第１のｐｎ接合部（５ｂ）は、発光区分（７）の第１のｐｎ接合部（５ａ）よりも大きい面積を有している。保護ダイオード区分（８）は、静電放電（ＥＳＤ）による電圧パルスから発光型半導体素子を保護している。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による発光半導体素子に関している。なおこの出願は、先のドイツ国特許出願 DE 103 56 283.4号並びにドイツ国特許出願 DE 10 2004 005 269.7号を優先権主張の基礎とするものであり、それらの開示内容がここでは反映される。

オプトエレクトロニクス構成素子の益々の小型化と、特に閾値電流と放射品質に関する特別な要求は、この種の構成素子のビームを発する活性面を益々小させることにつながる。別の側からみれば、この比較的小さな活性面は構成素子の静電放電（ＥＳＤ）に対する敏感度の増加につながる。この種の静電放電の電圧パルスは、オプトエレクトロニクス構成素子の機能を損なわせるだけでなく、場合によっては素子そのものを破壊しかねない。

米国特許出願 US 6,185,240 B1 明細書からは、垂直共振器型レーザーダイオード、いわゆる面発光型レーザーとも称するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が公知である。このレーザーは、ＥＳＤ（Electro static Discharge；静電放電）耐性の向上のために半導体基板上にモノリシックに集積された保護ダイオードを含んでいる。多段階のエッチングプロセスと適切なコンタクト金属化の導入によってこの保護ダイオードは、ＶＣＳＥＬに対して逆並列に接続されており、このようにしてＶＣＳＥＬのｐｎ接合部の阻止方向に出現する静電放電電圧パルスから当該ＶＣＳＥＬを保護している。

ＥＳＤ耐性の改善されたさらなるビーム発光型半導体素子は、ドイツ連邦共和国特許出願DE 199 45 134 A1 明細書から公知である。この構成素子では、ｐｎ接合部の一部にショットキーコンタクトを設けることによってモノリシックに集積化された保護ダイオードが実現されている。このショットキーコンタクトを備えた区間は、発光区分に並列に接続されており、同じ透過方向を有している。急峻な電流／電圧特性曲線に基づいて高電圧のもとでは電流通流が導通方向で有利には保護ダイオード区分によって行われる。このようにしてこの構成素子は導通方向でＥＳＤ電圧パルスから保護されている。

発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、発光性ｐｎ接合部の遮断方向でＥＳＤ電圧パルスから非常に良好に保護され、かつその製造も比較的僅かなコストのみで可能となるような発光型半導体素子を提供することにある。

課題を解決するための手段
前記課題は請求項１の特徴部分に記載された本発明による発光型半導体素子によって解決される。

発明を実施するための最良の形態
本発明の有利な構成例及び改善例は従属請求項の対象である。

本発明による発光型半導体素子は、モノリシックに集積化された半導体層列を含んでおり、この場合ｎドープ半導体層領域と、ｐドープ半導体層領域が相互に連続しており、それらの領域の間に第１のｐｎ接合部が形成されている。この第１のｐｎ接合部は、絶縁区分によって発光区分と保護ダイオード区分に分割されている。この絶縁区分は、ｐドープ半導体層領域において発光区分と保護ダイオード区分を電気的に絶縁している。保護ダイオード区分の領域では、ｐドープ半導体層領域上にｎドープ層が被着され、該ｎドープ層は、発光区分のｐドープ半導体層領域と電気的に接続されており、さらに保護ダイオード区分のｐドープ領域と共に第２のｐｎ接合部を形成している。この保護ダイオード区分は、発光区分よりも大きい面積を有している。

これにより保護ダイオード区分において、第１のｐｎ接合部と第２のｐｎ接合部は、相反する極性で直列に接続される。これらの直列に接続されたｐｎ接合部は、発光区分のｐｎ接合部にも並列に接続されている。第１のｐｎ接合部の導通方向で電圧、例えば発光素子の作動電圧が印加されると、保護ダイオード区分の第２のｐｎ接合部は阻止方向に極性付けられる。それゆえ電流は実質的に発光区分しか通流しない。

それに対して第１のｐｎ接合部の阻止方向で電圧が半導体素子に印加されると、保護ダイオード区分の第２のｐｎ接合部は導通方向に極性付けられる。このケースでは第１のｐｎ接合部は、発光区分においても保護ダイオード区分においても阻止方向に極性付けられる。阻止方向において第１のｐｎ接合部の降伏電圧を上回るＥＳＤ電圧パルスが現れると、電流通流は保護ダイオード区分によって有利に行われる。なぜならこの区分は、発光区分よりも大きな面積を有しているからである。
それにより発光区分におけるその僅かな面積が故に非常に敏感な第１のｐｎ接合部の損傷ないし破壊は、有利に回避されるようになる。

保護ダイオード区分ないし発光区分の第１のｐｎ接合部の面積とは、本発明の枠内では、第１のｐｎ接合部のｐドープ領域とｎドープ領域の間の境界面の平面内で当該構成素子の電気的コンタクト間の電流通流のために用いられる面積と理解されたい。但しこの面での発光の際には、例えば半導体層列の空間的電流制限のために設けられた絶縁領域のために電流通流が阻止される面積部分は考慮されない。

有利には、保護ダイオード区分の第１のｐｎ接合部の面積は、発光区分の第１のｐｎ接合部の面積よりも少なくとも１００倍大きい。このケースではＥＳＤ電圧パルス発生の際の電流通流が実質的に保護ダイオード区分によってしか行われない。

本発明による発光型半導体素子の利点は、層構造部が比較的容易に製造できることにある。例えば半導体層列の表面から基板表面まで達するようなエッチング処理は必要とされない。なぜなら発光区分と保護ダイオード区分はｐドープ半導体層領域においてしか相互に絶縁される必要がないからである。

本発明においては発光型半導体素子の発光波長は、可視スペクトル領域に制限されるものではない。特にこの発光は赤外線や紫外線スペクトル領域においても行うことが可能である。

半導体層列は例えば半導体基板上に被着される。しかしながら半導体層列の成長のために本来使用される成長基板を代替させることも可能である。発光素子のコンタクトに対しては例えば第１のコンタクト金属化部を半導体層列とは反対側の半導体基板上に被着させ、第２のコンタクト金属化部は半導体基板に対向している発光区分表面の一部領域上に被着させてもよい。

絶縁区分は例えば半導体層列の上側からｎドープ層領域内まで延在させてもよい。発光区分と保護ダイオード区分のｎドープ領域は、それによって少なくとも一部が絶縁区分によって中断されなくなる。

発光区分は特に垂直共振器型レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）によって形成されてもよい。このＶＣＳＥＬのレーザー共振器は、例えば第１のブラッグ反射器層列と第２のブラッグ反射器層列から形成され、それらの各々が複数の層対を有しており、その場合第１のｐｎ接合部が２つのブラッグ反射器層列の間に配設され、２つのブラッグ反射器のうちの一方がｐｎ接合部内で生成されるレーザー放射に対して部分透過性を有している。

有利には、２つのブラッグ反射器層列の一方に少なくとも１つの電流開口が設けられ、該電流開口によって発光区分の活性領域を通る電流通流が空間的に制限される。この手段によれば特にビーム断面が狭幅となり閾値電流密度が低減される。

絶縁区分は例えばトレンチとして構成されてもよい。それにより発光区分と保護ダイオード区分がトレンチ側方でメサ型の構造を有するようになる。このトレンチは例えばエッチングプロセスや機械的なマイクロ構造化によって形成される。トレンチの内側には有利には絶縁層が設けられる。このケースでは第２のコンタクト金属化部はトレンチの形成後に被着される。その際にはこのトレンチにその絶縁作用を失わせることなく第２のコンタクト金属化部の材料が補充される。

本発明は以下の明細書で実施例に基づいてさらに詳細に説明される。ここで、
図１は、本発明による発光型半導体素子の概略断面図であり、図２は図１に示されている半導体素子の代替的ブロック回路図である。

実施例
図１に示されている発光型半導体素子は垂直共振器型レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）である。このＶＣＳＥＬは基板１を含んでおり、この基板上に半導体層列２が被着されている。さらに半導体層列２はｎドープ半導体層領域３とｐドープ半導体層領域４を含んでおり、それらの領域の間には第１のｐｎ接合部５ａ，５ｂが形成されている。このｐｎ接合部５ａ，５ｂは、絶縁区分６によって発光区分７と保護ダイオードに分割されている。保護ダイオード区分８の第１のｐｎ接合部５ｂの面積は、発光区分７の第１のｐｎ接合部５ａの面積よりも大きく、有利にはその１００倍以上である。

発光区分７の第１のｐｎ接合部５ａは、ＶＣＳＥＬの活性ゾーンを表している。ｎドープ半導体層領域３とｐドープ半導体層領域４は、それぞれ（図には示されていない）多数の反射性層対を有しているブラッグ反射器を含んでいる。これらのブラッグ反射器はＶＣＳＥＬのレーザー共振器を形成する。ＶＣＳＥＬの表面に向いたｐドープ半導体層領域４内のブラッグ反射器は、レーザー放射１８の出力結合のために部分透過性に構成されている。

ＶＣＳＥＬの電気的なコンタクトは、半導体層列２とは反対側の半導体基板１上に儲けられた第１のコンタクト金属化部１１と、半導体層列２の上表面上に設けられた第２のコンタクト金属化部１２によって実現されている。発光区分７の上表面は、第２のコンタクト金属化部１２によって部分的に覆われているのみである。そのため光射出開口１７が残されている。発光区分７の上表面の当該領域には有利には絶縁層１６が設けられており、この絶縁層が半導体層の表面を特に酸化やその他の外部影響から保護している。

発光区分７を通って流れる電流は有利には中央領域１５の電流開口１４によって制限される。この電流開口１４は、特にｐドープ半導体層領域４内に形成可能である。例えばこの領域４内にアルミニウムを含んだ半導体層、特にＡｌＡｓが存在し、部分領域１４内で酸化されてもよい。この酸化された領域１４は絶縁性であり、そのため中央領域１５の電流通流を制限する。この電流開口１４は保護仮想アドレスモード内に設けられてもよい。この区分内では電流通流に使用できる面積の制限が望まれているわけではいないが、トレンチ１９の両側で電流開口を形成することは製造手法の簡単化につながる。このケースでは保護ダイオード区分８内の電流開口１４の面積は発光区分７内のものよりも実質的に大きくなり得る。

絶縁区分６は例えば半導体層列２の上表面からｎドープ半導体層領域３内まで延在するトレンチ１９として形成されてもよい。発光区分７と保護ダイオード区分８のｐドープ領域４はこのトレンチ１９によって相互に分離され、電気的に絶縁される。それに対してｎドープ半導体層領域３はこのトレンチ１９によって少なくとも不完全に中断される。そのため発光区分７と保護ダイオード区分８はこの不完全な中断領域において電気的に相互に接続される。絶縁区分６を形成するトレンチ１９は例えばエッチングプロセスや機械的な処理によって形成可能である。このトレンチ１９は有利にはその内側に絶縁層１６が設けられる。それにより第２のコンタクト金属化部１２の被着の際に発光区分７と保護ダイオード区分８の間で短絡が生じないことが保証される。この絶縁層１６の被着前には、トレンチ１９内側からの酸化プロセスによって電流開口１４が形成可能である。

トレンチ１９としての絶縁区分９を形成する代わりに、代替的な手段として絶縁区分６を半導体層列２内への外部材料の打込み（Implantation）または拡散によって形成してもよいし、あるいは半導体層列２の一部の酸化によって形成してもよい。

保護ダイオード区分８の領域内ではｐドープ半導体層領域４の上表面にｎドープ半導体層９が被着されており、それらの間には、第２のｐｎ接合部１０が形成されている。このｎドープ半導体層９の上にはＶＣＳＥＬの電気的コンタクトのために設けられるボンディングパッド１３が被着される。このボンディングバッドは第２のコンタクト金属化部１２と導電的に接続される。保護ダイオード区分８の領域内では第１のｐｎ接合部５ｂと第２のｐｎ接合部１０が直列に接続されている。第１のコンタクト金属化部１１と第２のコンタクト金属化部１２ないしはボンディングパッド１３によって発光区分７と保護ダイオード区分８は並列に接続される。

このことは、図２に示されている代替的部録回路図で詳細に表されている。この代替的ブロック回路図の左側は発光区分７に相応し、右側は保護ダイオード区分８に相応している。この発光区分７は、第１のｐｎ接合部５ａのみを含んでいる。この第１のｐｎ接合部は保護ダイオード区分８内にも含まれ得る。その場合には第２のｐｎ接合部１０が逆の極性でこれと直列に接続される。

ＶＣＳＥＬの作動の際には、第１のｐｎ接合部５ａ，５ｂの導通方向でコンタクト２０，２１に作動電圧が印加される。保護ダイオード区分８の第２のｐｎ接合部１０は、このケースでは阻止方向に極性付けられており、それによって電流通流は実質的に発光区分７のみを通って行われる。それに対して第１のｐｎ接合部５ａ，５ｂの阻止方向でＥＳＤ電圧パルスが発生した場合には、第２のｐｎ接合部１０は、導通方向に極性付けられる。それにより保護ダイオード区分８の電気的な抵抗が実質的に第１のｐｎ接合部５ｂの抵抗によって定められる。保護ダイオード区分８の第１のｐｎ接合部５ｂの面積は、発光区分７の第１のｐｎ接合部５ａの面積よりも大きいので、電圧パルスによって引き起こされる阻止電流が実質的に保護ダイオード区分８の第１のｐｎ接合部５ｂを通って流れる。それによって発光区分７内でビーム生成のために設けられている第１のｐｎ接合部５ａは、電圧パルスによる損傷から保護される。この保護機能は、発光区分７内の第１のｐｎ接合部５ａの面積に対する保護ダイオード区分８内の第１のｐｎ接合部５ｂの面積の比が大きければ大きいほど良好になる。

保護ダイオード区分８の領域内の第１のｐｎ接合部５ｂは、本発明のさらなる実施形態においては短絡させてもよい。このことは例えば次のような導電層（図１には示されていない）によっても可能である。すなわち保護ダイオード区分８とは反対側の半導体層列２側縁に被着された、ｎドープ半導体層領域３とｐドープ半導体層領域４を電気的に相互に接続させる導電層である。阻止方向でのＥＳＤ電圧パルスが生じた場合には、この実施形態では電流が第１のｐｎ接合部５ｂを通って流れるのではなく、当該導電層と第２のｐｎ接合部１０を通って流れる。従って当該実施例では、保護ダイオード区分８の第１のｐｎ接合部５ｂの面積を、発光区分７の第１のｐｎ接合部５ａの面積よりも大きくする必要はない。

また本発明の枠内では、前述してきた半導体層の導電性タイプのｐとｎをそれぞれ相互に入れ替えることも可能である。なおこのケースではこれまで説明してきた全ての導電性タイプｐとｎが互いに入れ替わるものと理解されたい。

またこれまでの実施例に基づく本発明の説明は、本発明の権利範囲をそれらの実施例に限定する意図でなされたものではないことも理解されたい。それどころか本発明は、たとえそれらが請求の範囲で明示されてなくても、ここで開示された個々の特徴部分のみならずそれらの相互のあらゆる組合わせも含んだものであることを述べておく。

本発明による発光型半導体素子の概略断面図 図１に示されている半導体素子の代替的ブロック回路図

Claims (16)

1. モノリシックに形成された半導体層列（２）を含み、
   ｎドープ半導体層領域（３）とｐドープ半導体層領域（４）が相互に連続しており、
   前記領域（３，４）間に第１のｐｎ接合部（５ａ，５ｂ）が形成されおり、
   前記第１のｐｎ接合部（５ａ，５ｂ）は、絶縁区分（６）によって発光区分（７）と保護ダイオード区分（８）に分割されている、発光型半導体素子において、
   前記絶縁区分（６）が、ｐドープ半導体層領域（４）において発光区分（７）と保護ダイオード区分（８）を相互に電気的に絶縁しており、
   前記ｐドープ半導体層領域（４）は、保護ダイオード区分（８）において第１のｐｎ接合部（５ｂ）とは反対側にｎドープ層（９）を備え、該ｎドープ層（９）は、保護ダイオード区分（８）のｐドープ半導体層領域（４）と共に第２のｐｎ接合部（１０）を形成し、さらに発光区分（７）のｐドープ半導体層領域（４）と導電的に接続されており、
   前記保護ダイオード区分（８）の第１のｐｎ接合部（５ｂ）は、発光区分（７）のものよりも大きい面積を有していることを特徴とする発光型半導体素子。
2. 前記保護ダイオード区分（８）の第１のｐｎ接合部（５ｂ）は、発光区分（７）のものよりも少なくとも１００倍だけ大きい、請求項１記載の発光型半導体素子。
3. 半導体層列（２）が半導体基板（１）上に被着されている、請求項１または２記載の発光型半導体素子。
4. 第１のコンタクト金属化部（１１）が半導体基板（１）の半導体層列（２）とは反対側に被着され、第２のコンタクト金属化部（１２）は、前記半導体基板（１）に対向している半導体層列（２）表面の部分領域上に被着されている、請求項３記載の発光型半導体素子。
5. 前記ｎドープ半導体層領域（３）の少なくとも一部は、絶縁区分（６）によって中断されていない、請求項１から４いずれか１項記載の発光型半導体素子。
6. 前記絶縁区分（６）は、半導体基板（１）に対向している半導体層列（２）表面からｎドープ半導体層領域（３）内まで延在している、請求項３から５いずれか１項記載の発光型半導体素子。
7. 前記発光区分（７）は、垂直共振器型レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）によって形成されている、請求項１から６いずれか１項記載の発光型半導体素子。
8. 前記第１のｐｎ接合部（５ａ，５ｂ）は、第１のブラッグ反射器層列と第２のブラッグ反射器層列の間に配設されており、前記ブラッグ反射器層列の各々は複数の層対を有しており、さらに前記２つのブラッグ反射器層列は、レーザー共振器を形成しており、この場合２つのブラッグ反射器層列のうちの一方が第１のｐｎ接合部（５ａ）内で生成されたレーザービーム（１８）に対して部分透過性である、請求項７記載の発光型半導体素子。
9. 前記２つのブラッグ反射器層列の一方に、垂直共振器レーザーダイオードの作動中に発光区分（７）の第１のｐｎ接合部（５ａ）を通流する作動電流を空間的に制限する少なくとも１つの電流開口（１４）が設けられている、請求項８記載の発光型半導体素子。
10. 前記第２のコンタクト金属化部（１２）は、その非被覆領域が光射出開口（１７）として残るように前記発光区分の表面を部分的に覆っている、請求項４から９いずれか１項記載の発光型半導体素子。
11. 前記絶縁区分（６）は、トレンチ（１９）として形成されている、請求項１から１０いずれか１項記載の発光型半導体素子。
12. 前記発光区分（７）と保護ダイオード区分（８）は、トレンチ（１９）側方にメサ型構造を有している、請求項１１記載の発光型半導体素子。
13. 前記トレンチ（１９）は、絶縁層（１６）を備えた面によって仕切られている、請求項１１または１２記載の発光型半導体素子。
14. 前記トレンチ（１９）に、第２のコンタクト金属化部（１２）を形成する材料が補充されている請求項１３記載の発光型半導体素子。
15. 前記絶縁区分（６）は、打込みプロセスまたは拡散若しくは酸化プロセスによって形成されている、請求項１から１０いずれか１項記載の発光型半導体素子。
16. 前記半導体層のｎドープとｐドープが相互に入れ替えられている、請求項１から１５いずれか１項記載の発光型半導体素子。

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