JP2010238999A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊電圧が高く、信頼性の高い、高感度で超小型の光デバイスを提供する。
【解決手段】基板上に形成され、直列に接続された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、光電変換部と外部回路とを電気的に接続する２つ以上のパッドとを備える光デバイスにおいて、２つ以上のパッドのうち、互いに電気的に接続されている任意の第１のパッド及び第２のパッドの間に接続された光電変換素子光電変換素子間の各々の間に絶縁領域を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスに関する。

光デバイスは、例えば、高感度の光検出を行うセンサ及び高出力の発光を行う発光デバイス等のデバイスである。例えば、センサにおいては感度等の向上するために、発光デバイスにおいては駆動回路とのインピーダンスマッチング等の向上するために、特許文献１の技術が提案されている。特許文献１には、多数の素子を直列接続する技術が記載され、このような技術は特に、感度又は発光効率の得にくい長波長の赤外線領域に効果的である。また、基板上に形成された素子及び外部との電気接続用のパッド配置に関しての設計技術は、特許文献２に開示されている。

図１は、一般的な狭バンドギャップの半導体を利用した光デバイスの光電変換部を示す断面図である。図１において、基板１１は、半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、その基板上に多数の光電変換素子２１が形成される。各光電変換素子２１は、異なる材料の層の積層で形成されている。各層は光学的又は電気的な機能を有し、各光電変換素子２１を互いに直列に接続することによって、デバイスの性能を向上することができる。受光素子の場合、光起電力の増大を実現できる。また、発光デバイスの場合、駆動回路にマッチングするようにインピーダンスを調整することにより、外部回路との最大のカップリング効率が実現できる。これらの性能向上は、特に狭バンドギャップの半導体を発光部又は受光部に利用した室温で動作する光デバイスに効果的である。その理由として、狭バンドギャップ半導体のデバイスは、室温において内部の電子・ホールが励起されるため、電気伝導率が高く、電気抵抗が低くなるからである。例えば、長波長の赤外線センサの場合、光子のエネルギーが微弱であるため、検出は困難であるが、多数の素子を直列に接続することにより、光起電力を増大し、高感度を得ることができる。また、長波長の赤外線の発光デバイス、例えば波長が１μｍ以上の発光デバイスでは、低インピーダンス及び高いパワーで駆動すると駆動側の負担が増え、カップリングの損失が増える。しかしながら、上述の技術を利用することによって、発光デバイスのインピーダンスを駆動回路側に整合（カップリング）させることが容易にでき、回路における損失を減少させ、システムの発光効率を向上させることができる。

特願２００８―１１３６８１号 特開２００６−２２９１８６号公報

しかしながら、高感度、高発光効率な高性能の光デバイスを実現するには多数の光電変換素子を直列に接続する必要がある。さらに、基板の充填率を向上するために、それぞれの光電変換素子を密に配置する必要があるため、外部からパッドに印加される電圧によってそれぞれの光電変換素子間に電界集中が発生するという問題があった。また、外部から印加可能な電圧範囲が制限され、光デバイスの耐圧が低くなるという問題があった。従って、小型で、高感度、且つ、高信頼性の光デバイスを実現できなかった。

これらの問題を踏まえ、本発明の目的は、光デバイスの最高の性能を保ちながら、絶縁破壊電圧を向上することである。

本発明の請求項１に記載の光デバイスは、基板上に形成され、直列に接続された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、光電変換部と外部回路とを電気的に接続する２つ以上のパッドとを備える光デバイスにおいて、２つ以上のパッドのうち、互いに電気的に接続されている任意の第１のパッド及び第２のパッドの間に接続された光電変換素子の数をＮとし、第１のパッドからｉ番目に接続された光電変換素子の抵抗をＲ_ｉとし、第１のパッド及び第２のパッドの間にかかる電圧を

とし、第１のパッドからＸ番目に接続された光電変換素子及び第１のパッドからＹ番目に接続された光電変換素子の間の距離をｄ_ＸＹとし、第１のパッドからＸ番目に接続された光電変換素子及び第１のパッドからＹ番目に接続された光電変換素子間にかかる電界を

とした場合、

が所定の閾値を超えた光電変換素子間の各々の間に絶縁領域を設置することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光デバイスは、請求項１に記載の光デバイスであって、所定の閾値を超えた光電変換素子間の距離は、少なくとも１μｍであることを特徴とする。

一般的な狭バンドギャップの半導体を利用した光デバイスの光電変換部を示す断面図である。 本発明の一実施形態の光デバイスの回路を簡略的に例示する図である。 絶縁距離を説明するための図である。 パッド１とパッド２との間に導電部分を配置した光デバイスの絶縁距離を説明するための断面図である。 パッド３及びパッド４を用いて導電部分を他の外部回路と接続した光デバイスの絶縁距離を説明するための図である。 パッド１とパッド２との間に複数の導電部分を配置した光デバイスの絶縁距離を説明するための図である。 一般的な狭バンドギャップの半導体を利用した光デバイスの絶縁破壊電圧及び絶縁距離の相関を示す図である。 直列接続された光電変換素子の電気回路を示す図である。 絶縁領域を有する光デバイス及び絶縁領域を有しない光デバイスのＩ−Ｖ特性を示す図である。 本発明の絶縁領域を説明するための図である。

本発明の光デバイスとは、光を検出して電気信号に変え、それを出力するセンサ、及び、電気信号を得て光を出力するデバイス（例えば、ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＤ：ＬＡＳＥＲ Ｄｉｏｄｅ、など）を意味する。

比較的長波長の光を検出もしくは発光する光デバイスの１つに、量子型赤外線センサもしくは量子型の発光デバイスがある。量子型赤外線センサの従来例としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。図１は、一般的な量子型赤外線センサの構成を説明するための図であって、量子型赤外線センサに用いられる受光部を示した断面図である。光電変換部は、例えば半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に設けられた複数の光電変換素子２１によって構成される。図１では複数の光電変換素子２１は、各々がＩｎＳｂ系の量子型ｐｉｎフォトダイオードであって、互いに直列に接続されている。フォトダイオード同士を接続する配線は、一層の金属等の配線４である。各光電変換素子２１は、基板１上にインジウム（ｌｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むＩｎＳｂのようなｎ型化合物半導体層（ｎ層）、ノンドープの化合物半導体層層（π層）と、バンドギャップがｎ層及びπ層よりも大きいＡｌＩｎＳｂのような化合物半導体層と、Ｐ型の不純物が高濃度にドーピングされているｐ型化合物半導体層（ｐ層）とが順次積層された構造となっている。図中に矢線で示した赤外線Ｉは、基板１の裏面から光電変換素子２１に入射する。赤外線Ｉの入射により、赤外線Ｉの輻射量に応じた光起電力が光電変換素子２１内で発生する。発生した光起電力は、接続配線を通って光電変換部の外へ出力されるようになっている。ここでは、赤外線センサに利用される光電変換部の説明を行ったが、同様の構造が赤外線を発光するデバイス（発光デバイス、例えばＬＥＤ）にも応用できる。この場合、光は光電変素子２１から基板１を通して外部に出力される。光デバイスの小型化が要求された場合、光電変換部の面積の縮小が必要となり、限られた基板面積内に多数の光電変換素子を配置する必要がある。また、高性能の光デバイスを実現するために、多数の光電変換素子を直列に接続する必要がある。

図２は、本発明の一実施形態の光デバイスの回路を簡略的に例示する。図２に示すように、本発明の光デバイスは、基板１０１と、配線１０４と、複数の光電変換素子１０６と、パッド１０７ａ及び１０７ｂと、絶縁領域１０８とを備える。基板１０１は、半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、その上に多数の光電変換素子１０６が配置される。接続用の配線１０４は、光電変換素子１０６とともに基板１０１に分配される。パッド１０７ａ及び１０７ｂは、互いに電気的に接続され、光電変換部と外部回路とを電気的に接続する。複数の光電変換素子１０６から光電変換部が構成される。

パッド１０７ａ及び１０７ｂの間に外部回路からの電圧がかかる場合がある。その場合に、例えば、図２の素子の配置において、素子間で最も電界が集中する領域は、光電変換素子１０６ａ及び光電変換素子１０６ｂの間の領域である。これは、後述するが、素子間でこの領域が最も電位差が大きく、距離も小さいためである。この最も電界が集中する領域間の距離を大きくすることによって、デバイスの耐圧を向上することができ、従来よりも信頼性の高いデバイスを得ることができる。このデバイスの耐圧については、下記において説明する。

しかしながら、例えばデバイスの実装の際に発生する静電気などがパッド１０７ａ及び１０７ｂの間に印加された場合、内部のデバイスの絶縁破壊が発生し、デバイスの永久破壊を引き起こす恐れがある。これに対して、加えられる電界が所定の閾値を超える領域に絶縁領域１０８を設けて、パッドに印加された電圧による基板の電界集中を防ぐことによって、従来よりも高耐圧で信頼性が高いデバイスを実現することができる。

図３は、絶縁距離を説明するための図である。絶縁距離とは、絶縁領域１０８によって絶縁される光電変換素子間の距離、光電変換素子とパッドとの間の距離又はこれらの和を示す。光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃは、各々、部分Ａ及びＡ１、部分Ｂ及びＢ１、部分Ｃ及びＣ１で構成される。光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間にある、例えば空気、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる媒体は、抵抗率が光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂより高いので、光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間に電位差を生じやすい。従って、光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間に発生する電位差をＶ_ＡＢとすると、Ｖ_ＡＢが光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間にある媒体の絶縁耐圧を超えると絶縁破壊が発生し、デバイスが劣化する。絶縁領域１０８は、上記の媒体で形成され、光電変換素子間に生じる電界を絶縁する。光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間に発生する電界強度Ｅ_ＡＢは、一般的に、Ｖ_ＡＢ／ｄ_ＡＢとなる。ｄ_ＡＢが小さくなると、光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間に発生する電界強度Ｅ_ＡＢは大きくなる。したがって、デバイスが耐圧できる最大電圧Ｖ_ＡＢは小さくなる。Ｅ_ＡＢは、デバイス構造及び光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間にある絶縁材料（例えば、上記の媒体）で決まり、ｄ_ＡＢが大きいほど、絶縁破壊を発生させずにＶ_ＡＢを大きくすることができ、デバイスの絶縁破壊の耐性を向上することができる。

光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの抵抗が低く、光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの部分Ａ，Ｂ，Ｃの抵抗が各光電変換素子の全体抵抗に対して無視できると考えた場合、図３中の点αと点α１との間は同電位であり、同様に点βと点β１との間及び点γと点γ１との間も同電位とみなすことができる。光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間の絶縁距離はｄ_ＡＢであり、光電変換素子２０１Ｂ及び２０１Ｃの間の絶縁距離はｄ_ＢＣである。光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｃの間の絶縁距離はｄ_ＡＢ＋ｄ_ＢＣである。

ここでは、光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの部分Ａ，Ｂ，Ｃの抵抗が各光電変換素子の全体抵抗に対して無視できると仮定したが、光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの部分Ａ，Ｂ，Ｃの抵抗が高く、各光電変換素子の全体抵抗に対して無視できない場合、それぞれの抵抗成分も考慮する必要がある。この場合、例えば２０３ａ２及び２０３ｂ１のような、光電変換素子間で互いに最も接近する部分の間に、電界が集中し易くなる。また、２０３ａ２及び２０３ｂ１のようにデバイスを加工するときに、基板に対してのメサ角度θが小さいほど、電界が集中しやすくなる。具体的な値としては数１０度〜９０度の間の角度が考えられる。

次に、図４を利用して、本発明のパッド、光電変換素子及び導電部分の配置関係を説明する。光電変換素子２０１Ａ、Ｂ、Ｄが存在する領域は、デバイスのアクティブ領域と呼ばれる発光又は受光機能を有する領域である。導電部分とは、光電変換部と同様又は異なる形状を有するが電気的に接続されていない領域であり、図４において、素子２０１Ｃが存在する領域に該当する。素子２０１Ｃは受光又は発光機能は有さないが、デバイス製造の際にエッチング工程を用いた場合、エッチングの均一性を保つために利用される。特にエッチング段差が高い場合、例えば０．５μｍ以上のエッチング深さの場合に有効である。すなわち、光電変換素子２０１Ｃは、ダミー光電変換素子とも言える。

図４で示すように、パッド１及び光電変換素子２０１Ａの間の絶縁距離はｄ_ＡＰ１となる。光電変換素子２０１Ａ及び２０１Ｂの間の絶縁距離はｄ_ＡＢとなる。光電変換素子２０１Ｂ及び素子２０１Ｃの間の絶縁距離はｄ_ＢＣとなる。素子２０１Ｃ及び光電変換素子２０１Ｄの間の絶縁距離はｄ_ＣＤとなる。光電変換素子２０１Ｄ及びパッド２の間の絶縁距離はｄ_ＤＰ２となる。パッド１及びパッド２の間の絶縁距離はｄ_ＡＰ１＋ｄ_ＡＢ＋ｄ_ＢＣ＋ｄ_ＣＤ＋ｄ_ＤＰ２となる。

ここでは、素子２０１Ｃがパッド１及びパッド２に直接若しくは間接的に接続されていない部分となるように説明した。しかしながら、更なるパッドを用いて素子２０１Ｃを他の外部回路と接続することも考えられる。

図５を参照して、パッド３及びパッド４を用いて導電部分を他の外部回路と接続した光デバイスの絶縁距離について説明する。図５に示す光デバイスは、例えば、基板上に、各々直列に接続された複数の光電変換素子からなる光電変換部と、外部回路及び光電変換部と電気的に接続されたパッド１及びパッド２と、パッド１及びパッド２の間に配置され、他の外部回路と接続しているパッド３、パッド４及び素子Ｋを含む。素子Ｋは光電変換素子でなくてもよく、例えば、光デバイスの基板温度を測定するための温度測定素子となるＰｔ、Ａｕ、Ａｌなどのメタル配線でも良い。図５に示すような光デバイスにおいて、電界が最も集中する領域は、例えば、パッド１と素子Ｋとの間及び素子Ｋとパッド２との間である。この場合、パッド１とパッド２との間の絶縁距離は、パッド１と素子Ｋとの間の最短の絶縁距離ｄ_ＫＰ１及び素子Ｋとパッド２との間の最短の絶縁距離ｄ_ＫＰ２との和となる。素子Ｋが多数あっても、絶縁距離は同様に決定される。

図６を参照して、パッド１及びパッド２の間に複数の導電部分を配置した光デバイスの絶縁距離について説明する。素子Ａ及び素子Ｂが導電材料で形成された場合、パッド１とパッド２との間の絶縁距離はｄ_ＡＰ１＋ｄ_ＡＢ＋ｄ_ＢＰ２となる。ここで、ｄ_ＡＰ１はパッド１及び素子Ａの間の最短の絶縁距離で、ｄ_ＡＢは素子Ａ及びＢの間の最短の絶縁距離で、ｄ_ＢＰ２は素子Ｂ及びパッド２の間の最短の絶縁距離である。素子Ａ、Ｂのような素子が２個以上であっても、絶縁距離は同様に決定される。素子間の絶縁距離は、それぞれの絶縁距離の和となる。

光電変換素子間の絶縁距離及びパッド間の絶縁距離は、１μｍ以上になるように設計することが好ましく、デバイスの耐圧強度を向上させることができる。

図７は、一般的な狭バンドギャップの半導体を利用した光デバイスの絶縁破壊電圧及び絶縁距離の相関を示す。例えば、図７に示すように、ＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＳｂ形の光デバイスの特性では、絶縁距離が１μｍで、約２５Ｖの耐圧を実現することができる。耐圧は一般的に絶縁距離に比例するので、例えば５０Ｖの耐圧を実現するには少なくとも２μｍの絶縁距離が必要となる。

次に、図８を参照して、電界が集中する部分を説明する。図８は、直列接続された光電変換素子の電気回路を示す。パッド１及びパッド２の間に接続された光電変換素子の数をＮとし、パッド１からｉ番目に接続された光電変換素子の抵抗をＲ_ｉとする。パッド１及びパッド２の間の各光電変換素子の抵抗はＲ_１、Ｒ_２、・・・、Ｒ_Ｎと表せる。点α、点β、点γは、各々、図３に示す光電変換素子２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの同電位の部分を示す。パッド１及びパッド２に電圧Ｖ_ＰＰが印加された場合、点α及び点βの間の電位差は次のように示される。

同様に、点α及び点γの間の電位差は次の式で示される。

式２及び式３より、Ｖ_αβ＞Ｖ_αγであることが分かる。パッド１からＸ番目に接続された光電変換素子を光電変換素子Ｘとし、Ｙ番目に接続された光電変換素子を光電変換素子Ｙとすると、上記の式は次のように一般化される。

したがって、光電変換素子Ｘ及びＹの間に発生する電位差は、光電変換素子Ｘ及びＹの間に接続されている全ての光電変換素子の抵抗の和と両パッド間の電圧に比例し、接続された全光電変換素子の抵抗の和に反比例する。光電変換素子Ｘ及びＹの間で発生する電界強度Ｅ_ＸＹを考えた場合、次の式が成り立つ。

Ｅ_ＸＹが所定の閾値を超えると、絶縁破壊が発生する。この所定の閾値は絶縁破壊電界強度であり、Ｅ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}と呼ぶ。従って、Ｅ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}を超えないように光デバイスを設計し、光デバイスに使われる材料を選ぶ必要がある。さらに、Ｅ_ＸＹが所定の閾値を越えた光電変換素子間の各々の間に絶縁領域１０８を設置する必要がある。

式５を参照すると、外部から両パッドに電圧Ｖ_ＰＰが印加された場合、下記の関数が最も小さくなる部分、すなわち、光電変換素子Ｘ及びＹの間の距離が最も小さい部分が最も電界集中する。

つまり、電圧Ｖ_ＰＰが印加された場合においては、光電変換素子Ｘ及びＹの間の距離が最も小さい部分が最も絶縁破壊しやすい領域となる。従って、光デバイスの光電変換素子の配置及び接続順番が重要な設計要素となる。

光デバイスの絶縁破壊の最大耐圧Ｖ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}は次のように示される。

一般的に、光デバイスを設計する場合、Ｖ_{ＢＲＥＡＫＤＯＷＮ}が１Ｖ以上、又はハンドリングで静電気の影響によって絶縁破壊しないように数１０Ｖ以上が必要となる。更に、デバイスの信頼性を確保するために数１００Ｖ以上の耐圧が必要となる。デバイスを設計する場合、式７は配置及び接続配線の回路を決めるために重要な関係となる。式７を考慮して設計されたデバイスと、各光電変換素子の配置及び電界強度の分布を考慮しないで設計されたデバイスとの絶縁試験のＩ−Ｖ特性を図９に示す。Ｉ−Ｖ特性より、絶縁破壊電圧が３倍以上改善されていることが分かる。

パッドに接続されている多数の光電変換素子の直列接続回路において、加えられる電界が所定の閾値を超える領域に絶縁領域を設けることが好ましい。絶縁領域を設けることによって、電界強度の緩和が実現できる。したがって、パッド間に印加された電圧が高くても、光デバイスは破壊されず、信頼性の高い光デバイスを実現できる。

デバイスの高感度化を図るために限られた基板面積内に多くの光電変換素子を設ける必要あるので、例えば図１０に示すようなジグザグ型の配線の配置が必要である。多層のメタル配線でも同様の効果が得られる。図１０で示すような多数の光電変換素子の配置の場合、電界が集中する領域は、例えば、領域１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃである。これらの領域にかかる電界が所定の閾値を越える場合には、絶縁領域１０８を設けることが好ましく、更に、各領域１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃの間の距離を広げることが好ましい。

１ 基板
４ 配線
１１ 光電変換部
２１ 光電変換素子
１０１ 基板
１０２ 光電変換部
１０４ 配線
１０６ 光電変換素子
１０６ａ 光電変換素子
１０６ｂ 光電変換素子
１０７ａ パッド
１０７ｂ パッド
１０８ 絶縁領域
１０８ａ 絶縁領域
１０８ｂ 絶縁領域
１０８ｃ 絶縁領域
１１０ａ 領域
１１０ｂ 領域
１１０ｃ 領域
２０１Ａ 光電変換素子
２０１Ｂ 光電変換素子
２０１Ｃ 光電変換素子
２０１Ｄ 光電変換素子

Claims (2)

1. 基板上に形成され、直列に接続された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、前記光電変換部と外部回路とを電気的に接続する２つ以上のパッドとを備える光デバイスにおいて、
   前記２つ以上のパッドのうち、互いに電気的に接続されている任意の第１のパッド及び第２のパッドの間に接続された光電変換素子の数をＮとし、
   前記第１のパッドからｉ番目に接続された光電変換素子の抵抗をＲ_ｉとし、
   前記第１のパッド及び前記第２のパッドの間にかかる電圧
   

   

   をとし、
   前記第１のパッドからＸ番目に接続された光電変換素子及び前記第１のパッドからＹ番目に接続された光電変換素子の間の距離をｄ_ＸＹとし、
   前記第１のパッドからＸ番目に接続された光電変換素子及び前記第１のパッドからＹ番目に接続された光電変換素子間にかかる電界を
   

   

   とした場合、
   

   

   が所定の閾値を超えた光電変換素子間の各々の間に絶縁領域を設置することを特徴とする光デバイス。
2. 前記所定の閾値を超えた光電変換素子間の距離は、少なくとも１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

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