JP3831631B2 - 受光素子及びそれを備える光半導体装置 - Google Patents
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Description
【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 (12)
- 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。
Priority Applications (6)
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---|---|---|---|
JP2001159229A JP3831631B2 (ja) | 2000-09-29 | 2001-05-28 | 受光素子及びそれを備える光半導体装置 |
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