JP3831631B2

JP3831631B2 - 受光素子及びそれを備える光半導体装置

Info

Publication number: JP3831631B2
Application number: JP2001159229A
Authority: JP
Inventors: 晋西村; 孝二上山
Original assignee: Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002176194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置等の出力モニター用に好適な受光素子とそれを備える光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体レーザ装置に代表されるように、素子の光出力を一定に制御する光半導体装置においては、素子出力をモニターするための受光素子を備えている。半導体レーザ装置においては、発光素子として半導体レーザ素子を備え、この素子をサブマウントの上に配置している（例えば、特開平６−５３６０３号公報参照）。前記サブマウントが主にシリコンによって構成されることを利用してサブマウント内部にシリコン製の受光素子を内蔵させる場合が有る。この場合はサブマウント表面の受光領域を外れた領域にレーザ素子を配置するための電極を形成する。この電極は、酸化シリコンなどの絶縁膜を介してサブマウント上面に形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、レーザ素子配置用の電極を受光素子内蔵のサブマウント上面に形成する場合、素子配置用電極に加わる電圧などよって形成される電荷が受光素子の出力に悪影響を与える第１の欠点が有る。また、上述の様に、レーザ素子は絶縁膜を介してサブマウント上に配置されるので、放熱特性が悪く、レーザ素子が高温になる第２の欠点が有る。
【０００４】
更に、サブマウント上に配置される発光素子は、例えば、組立作業中に、作業者により蓄えられた静電気によって、容易に破壊される第３の欠点が有る。そこで本発明はこの様な従来の欠点を考慮し、受光素子の出力特性を良好に維持し、放熱特性が良く、静電気破壊が生じにくい、受光素子及びそれを備える光半導体装置を提供する。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の本発明では、上面に発光素子配置用の電極と受光領域を備える受光素子であって、前記素子配置用電極の縁に沿って高濃度不純物層を形成し、平面的に見て前記高濃度不純物層の一部あるいは全部が前記素子配置用電極に覆われないで露出するように前記素子配置用電極と前記高濃度不純物層を配置したことを特徴とする。
【０００６】
請求項２の本発明では、前記発光素子配置用の電極は、前記受光領域に隣接した隣接領域に配置されているとともに、隣接領域を構成する半導体層に接するように絶縁膜を貫通して配置されている。
【０００７】
請求項３の本発明では、前記発光素子配置用の電極は、前記受光領域に隣接した隣接領域に配置されているとともに、隣接領域を覆う絶縁膜上に配置されている。
【０００８】
請求項４の本発明では、前記高濃度不純物層は、前記絶縁膜の下に形成されている。
【０００９】
請求項５の本発明では、前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極と前記受光領域の間の領域に配置されている。
【００１０】
請求項６の本発明では、前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極の全周を覆うように配置されている。
【００１１】
請求項７の本発明では、受光素子の上に発光素子を配置した光半導体装置において、前記受光素子として請求項１、３、４、５、６記載のいずれかの受光素子を用いた。
【００１２】
請求項８の本発明では、受光素子の上に発光素子を配置した光半導体装置において、前記受光素子として請求項２記載の受光素子を用いた。
【００１３】
請求項９の本発明では、前記受光素子に於て、前記高濃度不純物層は、前記絶縁膜の下に形成され、又は前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極と前記受光領域の間の領域に配置され、又は前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極の全周を覆うように配置されている。
【００１４】
請求項１０の本発明では、前記発光素子の表面電極と、前記受光素子の裏面電極を同電位、又は接地電位とした。
【００１５】
請求項１１の本発明では、前記発光素子配置用電極と、前記受光素子の裏面電極との間に、所定の電圧が印加され、又は、所定の電流が供給される。
【００１６】
請求項１２の本発明では、前記発光素子配置用電極から前記半導体層裏面までの抵抗値は、５０〜１５０００オームであるものとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図１と図２に従い、本発明の実施の形態１に係る受光素子１を説明する。図１は、この受光素子１の断面図、図２は受光素子１の平面図である。図１は図２のＩ−Ｉに沿った断面図である。
【００１８】
受光素子１は、ＰＮ型もしくはＰＩＮ型の受光素子で構成され、シリコン基板２にボロン（Ｂ）などのｐ型不純物を選択的に拡散することによりｐ型高濃度不純物層３を島状に形成している。このｐ型高濃度不純物層３が実質的に受光素子１の受光領域４となる。
【００１９】
シリコン基板２は、ＰＮ型受光素子の場合はｎ型高濃度不純物層（ｎ＋シリコン層）のみで形成することができるが、この例では、ＰＩＮ型受光素子とするために、ｎ型高濃度不純物層（ｎ＋シリコン層）５にｎ型低濃度不純物層（ｎ−シリコン層）６を積層した形態としている。
【００２０】
受光素子１の受光領域４に隣接する領域を隣接領域７と呼ぶ。すなわち、ｐ型高濃度不純物層３によって覆われていないシリコン基板２の上面が実質的に隣接領域７となる。受光素子１の上面、すなわち、受光領域４と隣接領域７は酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁膜８によって実質的に覆われている。受光素子１の上面には、受光領域４上の絶縁膜８の孔８ａを貫通してアルミニウム（Ａ１）などからなる信号電極９を高濃度不純物層３に接続するようにして設けている。
【００２１】
また、隣接領域７上の絶縁膜８の孔８ｂを貫通して金（Ａｕ）などからなる素子配置用電極１０を設けている。この電極１０は、一般的には熱伝導性に優れない絶縁膜８を貫通して基板２にその大部分を直接接触しているので、絶縁膜８上のみに設ける場合に比べて、電極１０の上に配置する素子の放熱特性を改善することができる。
【００２２】
シリコン基板２の上面には、素子配置用電極１０の縁に沿うようにして、ｐ型高濃度不純物層３と同程度かそれ以上の不純物濃度に設定された高濃度不純物層１１を形成している。この高濃度不純物層１１は、リン（Ｐ）等のｎ型不純物を選択的に拡散することによって形成しているが、ｐ型高濃度不純物層３と同様にｐ型とすることもでき、その導電型は電極１０に印加する電圧の極性等に応じて選択的に変更することができる。
【００２３】
そして、高濃度不純物層１１は、絶縁膜８の下に電極１０と離間して電極１０の周囲を囲むように形成している。この高濃度不純物層１１は、受光領域４を形成するｐ型高濃度不純物層３と電極１０との間に位置するので、電極１０に印加される電圧によってシリコン基板２表面に生じる不用電荷を効果的に吸収する不用電荷吸収用の領域として機能する。そのため、電極１０に印加される電圧等によってシリコン基板２表面に生じる電荷が信号電極９の出力に影響を与え、受光素子１の照度−出力電流特性に悪影響が生じるのを最小限にとどめることができる。
【００２４】
また、受光領域４と電極１０の間隔を短く設定して素子形状を小型化することができる。なお、受光素子１の裏面には、金などの裏面電極１２が形成されている。この様に、上記受光素子１では、絶縁膜８を貫通するようにして電極１０を形成する場合を例に取った。
【００２５】
次に、図３の断面図に従い、本発明の実施の形態２に係る受光素子１ａを説明する。図３に示した受光素子１ａは、電極１０ａを絶縁膜８の上のみに配置した例で、その他の構成は先の実施例と同様である。この第２の実施例は、電極１０ａの上に配置する素子が放熱の必要性が少ないものである場合や、絶縁膜８の熱伝導性が良好な場合などに有効である。
【００２６】
この実施例によれば、電極１０ａを絶縁膜８上のみに形成し、しかも高濃度不純物層１１を電極１０ａと高濃度不純物層３の間に配置しているので、上記の場合と同様に電極１０ａに加わる電圧が受光素子１の照度−出力電流特性に与える悪影響を低減することができる。この様に、高濃度不純物層１１は、電極１０の全周を囲むように形成されている。
【００２７】
次に、図４の平面図に従い、本発明の実施の形態３に係る受光素子１ｂを説明する。図４に示した受光素子１ｂは、高濃度不純物層１１ａを電極１０の受光領域４と対面する側のみに部分的に設けた例で、それ以外は第２の実施例と同様とすることができる。
【００２８】
図４において高濃度不純物層１１ａは、平面的にみて一部が電極１０ａに覆われ一部が電極１０ａによって覆われていないが、電極１０ａと受光領域４の間に実質的に位置すれば、平面的にみて全部が電極１０ａに覆われるようにしてもよいし、平面的にみて全部が電極１０ａに覆われていないで露出するようにしても良い。
【００２９】
次に、図５と図６に従い、本発明の実施の形態４に係る受光素子１ｃを説明する。これらの図に於て、高濃度不純物層１１ａを電極１０の受光領域４と対面する側のみに部分的に設けた例で、それ以外は第１実施例の受光素子１の構成と同じである。
【００３０】
即ち、発光素子配置用の電極１０は、受光領域４に隣接した隣接領域７に配置されている。上記電極１０は、隣接領域を構成する半導体層６に接する様に、絶縁膜８を貫通して配置されている。
【００３１】
高濃度不純物層１１ａは絶縁膜８の下に形成されている。高濃度不純物層１１ａは、発光素子配置用電極１０と、受光領域４の間の領域に配置されている。
【００３２】
発光素子配置用電極１０の底面から、半導体層６の裏面までの抵抗値Ｒは、５０〜１５０００オームになる様に設けられている。即ち、上記電極１０が半導体層６に直接接触している面積をＳとし、半導体層６の厚さをｄとし、半導体層６の抵抗率をｋとすれば、次式が成り立つ。Ｒ＝ｋ×（ｄ／Ｓ）…（１）式。
【００３３】
この様にして、Ｒ＝５０〜１５０００オームとなる様に、厚さｄと、面積Ｓと抵抗率ｋが選択される。上記各層により、この受光素子１ｃは構成されている。
【００３４】
また、上述した、本発明の実施の形態１に係る受光素子１に於ても、発光素子配置用電極１０の底面から、半導体層６の裏面までの抵抗値Ｒは、５０〜１５０００オームになる様に設けられている。そのために、半導体層６の厚さｄと、面積Ｓと、抵抗率ｋが選択される。
【００３５】
次に、図７の平面図に従い、本発明の実施の形態５に係る光半導体装置（例えば、半導体レーザ装置）１３を説明する。図７に於て、発光素子として半導体レーザ素子１８が設けられ、サブマウントを兼ねる受光素子として、上記受光素子１が設けられている。
【００３６】
光半導体装置１３において、受光素子１の上に、発光素子１８が配置されている。光半導体装置１３に於て、受光素子１又は１ａ又は１ｂ又は１ｃのどれでも用いる事ができるが、以下の記述では、受光素子１を用いるとして説明する。
【００３７】
このレーザ装置１３は、複数のリード１４、１５、１６を樹脂枠１７によって連結固定して構成したパッケージに前記受光素子１と半導体レーザ素子１８を配置し、ワイヤボンド配線して構成している。リード１４、１５、１６はリードフレームタイプのもので構成され、素子配置領域を先端に備える主リード１５の左右に一対の副リード１４、１６を配置している。
【００３８】
主リード１５には放熱用の翼部が左右に一体に形成され、これらが樹脂枠１７から左右に突出している。受光素子１はその裏面電極１２を主リード１５先端の素子配置部に銀ペースト等の導電性接着剤等によって接着することにより固定している。
【００３９】
受光素子１上面の電極１０上には、レーザ素子１８を半田や銀ペースト等の導電剤１８ａを用いて固定している。それによって、レーザ素子１８の裏面電極が素子配置用電極１０に電気的に接続される。素子配置用電極１０のレーザ素子１８によって覆われないで露出する部分と主リード１５との間には、ワイヤボンド線からなる配線１９が施されている。
【００４０】
レーザ素子１８の表面電極２０と副リード１６との間には、ワイヤボンド線からなる配線２１が施されている。受光素子１の信号電極９と副リード１４との間には、ワイヤボンド線からなる配線２２が施されている。
【００４１】
係るレーザ装置１３は、主リード１５と副リード１６の間に所定のレーザ駆動電圧を与えると、レーザ素子１８の表裏電極に駆動電圧が供給されてレーザ素子１８が発振し、レーザ光が軸Ｘに沿って出力される。後ろ方向に出力されるレーザ光の一部は受光素子１の受光領域４に入射して信号電極９に所定のモニター信号が発生する。
【００４２】
この信号を副リード１４と主リード１５の間から外部に取り出し所定の処理を施すことによって、前記レーザ素子１８に与える電圧を制御することができる。
【００４３】
尚、上記実施例は、発光素子として半導体レーザ素子１８を用いる場合を例にとったが、本発明は、ＬＥＤ素子等のレーザ素子以外の発光素子を用いる場合にも適用することができる。また、本発明は、上記の各実施例において、Ｐ、Ｎの導電性を逆にした場合なども、その実施形態に含めることができる。
【００４４】
次に、図８の平面図に従い、本発明の実施の形態６に係る光半導体装置（例えば、半導体レーザ装置）１３ａを説明する。光半導体装置１３ａに於て、受光素子１の上に、発光素子（レーザ素子）１８が配置されている。光半導体装置１３ａでは、受光素子１又は１ｃのどちらかを用いる事ができるが、以下の記述では受光素子１を用いるものとして、説明する。
【００４５】
このレーザ装置１３ａは、複数のリード１４、１５、１６を樹脂枠１７によって連結固定して構成したパッケージに前記受光素子１と半導体レーザ素子１８を配置し、ワイヤボンド配線して構成している。リード１４、１５、１６はリードフレームタイプのもので構成され、素子配置領域を先端に備える主リード１５の左右に一対の副リード１４、１６を配置している。
【００４６】
主リード１５には放熱用の翼部が左右に一体に形成され、これらが樹脂枠１７から左右に突出している。受光素子１はその裏面電極１２を主リード１５先端の素子配置部に銀ペースト等の導電性接着剤等によって接着することにより固定している。受光素子１上面の電極１０上には、レーザ素子１８を半田や銀ペースト等の導電剤１８ａを用いて固定している。
【００４７】
それによって、レーザ素子１８の裏面電極が素子配置用電極１０に電気的に接続される。素子配置用電極１０のレーザ素子１８によって覆われないで露出する部分と副リード１６との間には、ワイヤボンド線からなる配線１９ａが施されている。レーザ素子１８の表面電極２０と主リード１５との間には、ワイヤボンド線からなる配線２１ａが施されている。受光素子１の信号電極９と副リード１４との間には、ワイヤボンド線からなる配線２２が施されている。
【００４８】
係るレーザ装置１３ａは、主リード１５と副リード１６の間に、所定の電流又は所定のレーザ駆動電圧を与えると、レーザ素子１８の表裏電極に駆動電圧が供給されてレーザ素子１８が発振し、レーザ光が軸Ｘに沿って出力される。後ろ方向に出力されるレーザ光の一部は受光素子１の受光領域４に入射して信号電極９に所定のモニター信号が発生する。
【００４９】
この信号を副リード１４と主リード１５の間から外部に取り出し所定の処理を施すことによって、前記レーザ素子１８に与える電圧を制御することができる。
【００５０】
尚、上記実施例は、発光素子として半導体レーザ素子１８を用いる場合を例にとったが、本発明は、ＬＥＤ素子等のレーザ素子以外の発光素子を用いる場合にも適用することができる。また、本発明は、上記の各実施例において、Ｐ、Ｎの導電性を逆にした場合なども、その実施形態に含めることができる。
【００５１】
上記半導体レーザ装置１３ａの特徴を以下にまとめる。レーザ素子１８の表面電極２０と、主リード１５との間には、配線２１ａが施されている。その結果、主リード１５上に配置された受光素子１の裏面電極１２と、発光素子（レーザ素子）１８の表面電極２０とは同電位となる。
【００５２】
望しくは、主リード１５を接地電極とする事により、発光素子１８の表面電極２０と、受光素子１の裏面電極１２は共に接地電位となる。
【００５３】
また、上述した様に、副リード１６と主リード１５との間に、所定の電圧又は所定の電流が与えられる。即ち、発光素子配置用電極１０と、受光素子１の裏面電極１２との間に、所定の電圧が印加され、又は、所定の電流が供給される様に構成されている。以上の部品により、この半導体レーザ装置１３ａは構成されている。
【００５４】
次に、図８に従い、この半導体レーザ装置１３ａの動作を説明する。上述した様に、例えば、発光素子配置用電極１０と、受光素子１の裏面電極１２との間に所定の電圧が印加される。
【００５５】
即ち、副リード１６と、配線１９ａと、電極１０と、レーザ素子１８と、表面電極２０と、配線２１ａと、主リード１５とにより、第１電流通過回路が形成される。
【００５６】
その結果、レーザ素子１８に所定の電流が流れ、レーザ素子１８が発振し、レーザ光が軸Ｘの前方向へ出力される。
【００５７】
また、副リード１６と、配線１９ａと、電極１０と、受光素子１の半導体層６と、受光素子１のｎ型高濃度不純物層５と、裏面電極１２と、主リード１５とにより、第２電流通過回路が形成される。この様にして、受光素子１の半導体層６中を電流が流れる。
【００５８】
電極１０から半導体層６までの抵抗値Ｒは、５０オームより小さくなると、第２電流通過回路を流れる電流が大きくなる。その結果、第１電流通過回路を流れる電流が小さくなり過ぎて、レーザ素子１８が発振しなくなる。故に、半導体レーザ装置１３ａに於て、受光素子１が有する上記抵抗値Ｒは５０オーム以上に設けられている。
【００５９】
また、本発明者は、この半導体レーザ装置１３ａに於ける静電特性を測定した（図９を参照）。図９の横軸は半導体レーザ装置１３ａの静電耐圧（ボルト）を示し、縦軸は、上記抵抗値Ｒの大きさを示す。
【００６０】
縦軸のＥ＋０２、Ｅ＋０３、Ｅ＋０４、Ｅ＋０５は各々、抵抗値Ｒが１００、１０００、１００００、１０００００オームである事を示す。図９に於て、Ａで示した群は、本発明に対する比較例の特性値を示す。この比較例に示された半導体レーザ装置に於て、上記抵抗値Ｒは１６０００オームである。
【００６１】
また、図９に於て、Ｂで示した群は、本発明の半導体レーザ装置１３ａの特性値を示す。上記半導体レーザ装置１３ａに於ける、抵抗値Ｒは５０〜１５０００オームである。
【００６２】
図９より、静電耐圧は、抵抗値Ｒに依存しており、抵抗値Ｒが１５０００オームを越えると、急激に小さくなる事が分った。
【００６３】
故に、半導体レーザ装置１３ａに於て、受光素子１が有する上記抵抗値Ｒは、５０〜１５０００オームに設けられている。
【００６４】
特開平６−５３６０３号公報に示された半導体レーザ装置では、レーザ素子の表面電極にサージ（静電気）が生じた場合、そのサージは、直接にレーザ素子内部に流れ、レーザ素子が破壊する。この時の静電耐圧はレーザ素子自身の耐圧で決定される。
【００６５】
また、抵抗値Ｒが比較的大きい場合（１６０００オーム以上）、やはり、サージがレーザ素子内部に流れ、破壊される。
【００６６】
これに対して、本発明の様に、抵抗値Ｒが比較的小さい場合（１５０００オーム以下）、発生したサージはレーザ素子１８には、少ししか流れず、受光素子１へ多く流れる。その結果として、半導体レーザ装置１３ａは、高い静電耐圧が得られる。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１ないし７の本発明では、熱特性に優れた受光素子を提供することができる。また、受光感度特性に優れた受光素子を提供することができる。また、小型化に適した受光素子を提供することができる。また、この様な受光素子を備える光半導体装置は、その特性を良好なものとすることができる。
【００６８】
請求項８ないし１２の本発明では、抵抗値Ｒを比較的小さく（１５０００オーム以下）にする事により、発生した静電気（サージ）は発光素子には少ししか流れず、受光素子へ多く流れる。その結果、発光素子が破壊する事なく、高い静電耐圧が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る受光素子１の断面図である。
【図２】上記受光素子１の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る受光素子１ａの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る受光素子１ｂの平面図である。
【図５】本発明の実施の形態４に係る受光素子１ｃの断面図である。
【図６】上記受光素子１ｃの平面図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る光半導体装置１３の平面図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る光半導体装置１３ａの平面図である。
【図９】静電特性図である。
【符号の説明】
１受光素子
４受光領域
７隣接領域
８絶縁膜
１０素子配置用電極
１１高濃度不純物層（不用電荷吸収層）
１３半導体レーザ装置
１８レーザ素子

Claims

上面に発光素子配置用の電極と受光領域を備える受光素子であって、前記素子配置用電極の縁に沿って高濃度不純物層を形成し、平面的に見て前記高濃度不純物層の一部あるいは全部が前記素子配置用電極に覆われないで露出するように前記素子配置用電極と前記高濃度不純物層を配置したことを特徴とする受光素子。
前記発光素子配置用の電極は、前記受光領域に隣接した隣接領域に配置されているとともに、隣接領域を構成する半導体層に接するように絶縁膜を貫通して配置されていることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
前記発光素子配置用の電極は、前記受光領域に隣接した隣接領域に配置されているとともに、隣接領域を覆う絶縁膜上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
前記高濃度不純物層は、前記絶縁膜の下に形成されていることを特徴とする請求項３記載の受光素子。
前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極と前記受光領域の間の領域に配置されていることを特徴とする請求項３記載の受光素子。
前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極の全周を覆うように配置されていることを特徴とする請求項３記載の受光素子。
受光素子の上に発光素子を配置した光半導体装置において、前記受光素子として請求項１、３、４、５、６記載のいずれかの受光素子を用いたことを特徴とする光半導体装置。
受光素子の上に発光素子を配置した光半導体装置において、前記受光素子として請求項２記載の受光素子を用いたことを特徴とする光半導体装置。
前記受光素子に於て、前記高濃度不純物層は、前記絶縁膜の下に形成され、又は前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極と前記受光領域の間の領域に配置され、又は前記高濃度不純物層は、前記発光素子配置用電極の全周を覆うように配置されている事を特徴とする請求項８の光半導体装置。
前記発光素子の表面電極と、前記受光素子の裏面電極を同電位、又は接地電位とした事を特徴とする請求項８の光半導体装置。
前記発光素子配置用電極と、前記受光素子の裏面電極との間に、所定の電圧が印加され、又は、所定の電流が供給される事を特徴とする請求項１０の光半導体装置。
前記発光素子配置用電極から前記半導体層裏面までの抵抗値は、５０〜１５０００オームである事を特徴とする請求項８の光半導体装置。