JP3877561B2

JP3877561B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP3877561B2
Application number: JP2001296801A
Authority: JP
Inventors: 晋西村; 正治本多; 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: 2001-09-27
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2002176223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子を備えた光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置に代表されるような光半導体装置では、発光素子の光出力をモニターする光検知部を設け、発光素子の光出力が一定になるように光検知部の検知値に基づき発光素子への印加電圧を制御している。図１４に、従来の光半導体装置の一例を示す断面図を示す。
【０００３】
図１４の光半導体装置は、ｎ型高濃度不純物層（ｎ⁺層）５にｎ型低濃度不純物層（ｎ^-層）６を積層した半導体基板２の一部表面下に、ボロンなどのｐ型不純物の拡散層３を設けてＰＩＮ型受光素子１を形成し、そして半導体基板２の表面に酸化ケイ素などの絶縁層８を形成している。さらに、拡散層３が設けられていない半導体基板２表面の絶縁層８上に発光素子配置用電極（以下「配置用電極」と記すことがある）１０を設け、そこに発光素子１８を実装している。
【０００４】
このような構成の光半導体装置では、活性層（発光点）１８ａ、１８ｂで発生した熱は発光素子１８および配置用電極１０の表面からしか放散できず、このため発光素子の温度が上昇しその機能が低下することもあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、発光素子の活性層で発生する熱を効率的に外部に放散できる光半導体装置を提供することをその目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板表面に形成された絶縁層上に発光素子配置用電極が形成され、この配置用電極に発光素子が実装された光半導体装置であって、前記配置用電極が前記絶縁層に形成された貫通孔上に形成され、この貫通孔を介して前記配置用電極と前記基板とが直接接触していることを特徴とする光半導体装置が提供される。
【０００７】
また本発明によれば、半導体基板上に発光部と光検知部とを設けた光半導体装置であって、前記発光部は、前記半導体基板に少なくとも一部が接触するように形成された発光素子配置用電極上に発光素子が実装されてなり、前記光検知部は、前記半導体基板の一部に形成されたフォトダイオードであることを特徴とする光半導体装置が提供される。
【０００８】
また本発明によれば、発光素子の発光点が光検知部の受光領域に平面視で重なるように発光素子を配置した光半導体装置において、発光素子配置用電極の受光領域に対向する側に凹部を設け、平面視で前記凹部に前記受光領域の一部が嵌まるように前記発光素子配置用電極と前記受光領域を配置したことを特徴とする光半導体装置が提供される。
【０００９】
また、平面視で前記受光領域と前記発光素子配置用電極の間に位置するように前記半導体基板の表面に高濃度不純物層を形成するのが好ましい。
【００１０】
また、発光素子への印加電圧による受光素子の出力電流の変動を抑える観点から、前記配置用電極の外縁の少なくとも一部に沿って、前記半導体基板の表面下に高濃度不純物層が形成するのが好ましい。
【００１１】
さらに静電気などの逆方向過電圧（以下、「サージ」と記すことがある）から発光素子を保護する観点から、半導体基板の抵抗値を発光素子の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ発光素子に形成された２つの表面電極のうち、配置用電極と接触していない方の表面電極と、半導体基板の下面電極とを同電位とするのが好ましい。ここで、半導体基板の抵抗値としては５０〜１５，０００Ωの範囲が好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、発光素子の活性層（発光点）で発生する熱を効率的に外部に放散すべく鋭意検討を重ねた結果、絶縁層よりも基板の方が熱伝導率が一般に高いことを突き止め本発明をなすに至った。
【００１３】
すなわち第１の発明に係る光半導体装置の大きな特徴は、絶縁層に貫通孔を形成して発光素子配置用電極を基板と直接接触させたことにある。このような構成により、発光素子の活性層で発生した熱は、発光素子中を伝導して配置用電極に至り、さらにこの配置用電極から基板及び絶縁層に伝導して外部に放散する。基板は絶縁層に比べて熱伝導率が高いため、配置用電極が絶縁層とのみ接触していた従来の装置に比べ、この発明に係る光半導体装置では効率的に熱が外部に放散される。
【００１４】
図１に、第１の発明に係る光半導体装置の一例を示す縦断面図を示す。図１の光半導体装置では、基板２’の表面に絶縁層８が形成されている。そしてこの絶縁層８に貫通孔８ｂが設けられ、その上にアルミニウム等の金属が蒸着され不要部分がフォトリソグラフにより除去されて、基板２’に接触するように配置用電極１０が形成されている。そして、Ａｇペーストなどの導電性接着剤Ｂで配置用電極１０上に発光素子１８が固着されている。
【００１５】
ここで用いる発光素子１８としては特に限定はないが、放熱性を向上させる観点からは、発光素子の活性層が基板２’の表面から１２０μｍ以下の高さのものが好ましい。
【００１６】
次に、第２の発明に係る光半導体装置について説明する。この発明に係る光半導体装置は発光部からの光出力を光検知部で検知して、光出力を一定に制御するものである。具体的には、同一の半導体基板上に発光部と光検知部とが設けられ、発光部の配置用電極が半導体基板と接触するように形成されている点に特徴がある。
【００１７】
この発明の光半導体装置の一例を示す平面図を図２に、そのＩ−Ｉ線断面図を図３にそれぞれ示す。図３の光半導体装置は、リンなどのｎ型不純物を拡散したｎ型高濃度不純物層（ｎ⁺層）５にｎ型低濃度不純物層（ｎ^-層）６を積層したシリコン基板（半導体基板）２の一部表面下に、ボロンなどのｐ型不純物の高濃度不純物層（ｐ⁺層）３を設けてＰＩＮ型フォトダイオードを形成している。ここでｐ型不純物層３が形成された部分が受光領域４（図２に図示）となる。
【００１８】
また図３においてシリコン基板２の表面には、表面保護および反射防止のために酸化ケイ素などからなる絶縁層８が形成されている。この絶縁層８には貫通孔８ａ、８ｂが設けられ、この上にアルミニウム等の金属が蒸着され、不要部分がフォトリソグラフにより除去されて、貫通孔８ａにはｐ型不純物層３に接触するように信号電極９が、貫通孔８ｂにはシリコン基板２と接触するように配置用電極１０がそれぞれ形成されている。そして、この配置用電極１０には、Ａｇペーストなどの導電性接着剤Ｂにより発光素子１８が固着されている。
【００１９】
このような構成により発光素子１８での発熱をシリコン基板２を介して効率的に放散できる。したがって、発光素子１８が放熱の必要性の高いものである場合や、絶縁層８の熱伝導性が低い場合などに有効である。
【００２０】
なお、図３の光半導体装置ではＰＩＮ型フォトダイオードとしたが、ＰＮ型フォトダイオードであってももちろん構わない。また、ｐ、ｎの導電性を逆にした場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２１】
以上、上・下面に表面電極を有する発光素子を例に説明したが、同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を用いる場合について次に説明する。このような発光素子としては例えば窒化ガリウム系発光素子が挙げられる。
【００２２】
図４は、同一面側に２つの表面電極を有する発光素子１８’を搭載した光半導体装置の平面図、図５は図４のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３に示した光半導体装置とは、配置用電極が絶縁層上に２つ形成されている点が異なる。
【００２３】
図５において、絶縁層８上に形成された２つの配置用電極１０ａ，１０ｂのうち、一つの配置用電極（第１配置用電極）１０ａは、絶縁層８に形成された貫通孔８ｂ上に形成され、貫通孔８ｂを介してシリコン基板２と直接接触している。もう一方の配置用電極（第２配置用電極）１０ｂは絶縁層８上に形成され、シリコン基板２とは接触していない。そして、発光素子１８’は、その２つの表面電極１８１，１８２が第１配置用電極１０ａと第２配置用電極１０ｂとにそれぞれ接続するように導電性接着剤Ｂで固着されている。放熱性の観点からは、絶縁層８に貫通孔をさらに設けて第２配置用電極１０ｂもシリコン基板２と接触せさるのがよいが、ここでは静電気から発光素子を保護する効果をも得るために配置用電極１０ｂをシリコン基板２と非接触としている。耐静電気のための装置の構成については後述する。
【００２４】
発光素子の発光点での発熱を半導体基板から一層効率的に放熱するには、発光点の高さＨの低い発光素子を用いるのがよい。しかし、発光点の高さＨが低いと、発光点からの距離によって受光感度が変化する問題がある。図６に、発光点の高さＨと受光素子１８の出力電流Ｉｍとの関係を示す。この図は、高さＨが１０μｍと１３０μｍの場合について、発光素子の発光点１８ｂから受光領域４までの距離Ｌと出力電極Ｉｍとの関係を示したものである。高さＨが１３０μｍの場合（実線）は、発光点から受光領域までの距離Ｌに拘わらず受光素子の出力電流Ｉｍは一定であるのに対して、高さＨが１０μｍと低い場合（破線）には、距離Ｌが長くなるにしたがって受光素子の出力電流Ｉｍは急激に減少していることがわかる。そこで、発光点の高さの低い発光素子を用いながら、受光感度のバラツキを防止するためには、発光素子の発光点が受光素子の受光領域の少なくとも一部が、平面視において重なるように配置するのがよい。
【００２５】
このような光半導体装置の一例を示す平面図を図７に、図７のIII−III線断面図を図８に示す。図７の平面図において、受光領域４は、左側の一部中央が左側に延出して凸部４ａを形成した四角形をなし、凸部４ａは発光素子１８の発光点１８ｂと平面視において重なっている。この構成よって、発光素子１８の取り付け位置が若干変動しても、図６におけるＬ＝０の状態を保つことができる。すなわち発光点１８ｂからの光を受光領域４で高感度に受光できるのである。
【００２６】
図９及び図１０に他の実施態様を示す。図９は光半導体装置の平面図であり、図１０は図９の光半導体装置のIV−IV線断面図である。なお図７の装置と共通の構成についてはその説明を省略することとし、相違点を中心に説明する。
【００２７】
第１の相違点は、配置用電極１０の外縁に沿うようにしてシリコン基板２の表面下に、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を形成した点である。この高濃度不純物層１１は、リンなどのｎ型不純物を選択的に拡散することによって形成されている。この高濃度不純物層１１の導電型はｐ型およびｎ型のどちらでもよい。
【００２８】
この高濃度不純物層１１が受光領域４と配置用電極１０との間に位置するので、配置用電極１０に印加された電圧によってシリコン基板２表面に生じる不用電荷が効果的に吸収され、受光素子１の照度―出力電流特性への悪影響が最小限に抑えるられる。これにより高濃度不純物層１１がない場合に比べて受光領域４と配置用電極１０の距離を短く設定でき装置の小型化が図れる。
【００２９】
第２の相違点は、前記高濃度不純物層１１をシリコン基板２の表面下に形成したことに起因して、受光領域４の凸部４ａと発光素子１８の発光点１８ｂとの平面的な重なりを充分に確保するために、配置用電極１０の受光領域４の凸部４ａに対向する側に凹部１０ａを設けた点である。これにより、平面的に見ると配置用電極１０の凹部１０ａに受光領域４の凸部４ａが嵌まる形となり、その結果、発光素子１８の後面中央にある発光点１８ｂが凸部４ａ上に位置することになる。これにより、発光点１８ｂからの光を受光領域４で高感度に受光できる。
【００３０】
次に、同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を用いる場合について説明する。図１１は、同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を搭載した光半導体装置の平面図である。図９に示した光半導体装置とは、配置用電極が絶縁層上に２つ形成されている点が異なり、それ以外の基本構造は同じである。
【００３１】
図１１において、受光領域４は、左側の一部中央が左側に延出して凸部４ａを形成した四角形をなしている。一方、絶縁層８上に形成された２つの配置用電極１０ａ，１０ｂのうち、絶縁層８に形成された貫通孔８ｂ上に形成され電極（第１配置用電極）１０ａは、受光領域４の凸部４ａに対向する部分（右下角）が切り欠かれた四角形をなしている。そしてもう一方の配置用電極（第２配置用電極）１０ｂも、受光領域４の凸部４ａに対向する部分（右上角）が切り欠かれた四角形をなしている。そして、第１配置用電極１０ａの外縁に沿ってシリコン基板２の表面下に前記説明した高濃度不純物層１１が形成されており、この高濃度不純物層１１も受光領域４の凸部４ａに対向する部分（右下角）が切り欠かれた四角形となっている。そして、発光素子１８’は、その２つの表面電極１８１，１８２が第１配置用電極１０ａと第２配置用電極１０ｂとにそれぞれ接触するように導電性接着剤（不図示）で固着されている。
【００３２】
このような構成によれば、同一面側に２つの表面電極１８１，１８２を有する発光素子１８’を用いる場合であっても、受光領域４の凸部４ａと発光素子１８’の発光点１８ｂとの平面的な重なりを充分に確保でき、発光点１８ｂからの光を高感度で受光できる。
【００３３】
次に、第２の発明に係る光半導体装置を半導体レーザに搭載したときの平面図を図１２に示す。なお、ここでは発光素子として、図３に示す上下面に表面電極を有する半導体レーザ素子を用いている。
【００３４】
この半導体レーザ装置１３ａは、３本のリード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、図３に示した光半導体装置Ｍ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、光半導体装置Ｍの配置領域を先端に備える主リード１５の左右に副リード１４、１６を配置している。
【００３５】
主リード１５には放熱用の翼部１９ａ，１９ｂ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（図３に図示）を主リード１５先端の素子配置部にＡｇペースト等の導電性接着剤（不図示）によって固着されている。
【００３６】
受光素子１上面の配置用電極１０上には半導体レーザ素子１８が、導電性接着剤Ｂ（図３に図示）で固着されている。それによって、半導体レーザ素子１８の下面電極（不図示）が配置用電極１０に電気的に接続されている。そして、半導体レーザ素子１８によって覆われていない配置用電極１０の露出部分と副リード１６とはボンディングワイヤＷ₁で接続されている。
【００３７】
一方、半導体レーザ素子１８の上面電極１８１と主リード１５とは、ボンディングワイヤＷ₂で接続され、受光素子１の信号電極９と副リード１４とは、ボンディングワイヤＷ₃で接続されている。
【００３８】
このような構成の半導体レーザ装置１３ａにおいて、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印加すると、半導体レーザ素子１８の上・下面電極に駆動電圧が印加されて半導体レーザ素子１８が発振し、レーザ光が軸Ｘ方向に出射される。そして、図の下方向に出射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を発生させる。
【００３９】
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、半導体レーザ素子１８の光出力が一定になるように半導体レーザ素子１８への印加電圧が制御される。
【００４０】
上記実施例では、発光素子として半導体レーザ素子を用いたが、本発明の光半導体装置では、ＬＥＤ素子などの半導体レーザ素子以外の発光素子を用いることができる。
【００４１】
ここで、逆電圧によって壊れやすい発光素子を組み立て作業中のサージなどから保護するためには、光半導体装置の構成を次のようにするのが望ましい。すなわち、受光素子１の半導体基板２（図３に図示）の抵抗値を発光素子１８の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ図１２のように、発光素子１８に形成された２つの表面電極のうち、半導体基板２に接触している配置用電極１０に接続していない表面電極１８１を、半導体基板２の下面電極１２（図３に図示）と同電位となるように接続するのである。
【００４２】
半導体基板２の抵抗値は下記式（１）から算出できるから、配置用電極１０が半導体基板２に直接接触している面積Ｓおよび半導体基板２の厚さｄ、半導体基板２の抵抗率ｋを変えることにより（図３を参照、なお高濃度不純物層５の抵抗は小さいのでここでは無視している）、発光素子の作動時抵抗値よりも大きくなるように半導体基板の抵抗値Ｒを調整すればよい。
【００４３】
Ｒ＝ｋ×（ｄ／Ｓ）・・・・・・（１）
このような光半導体装置を搭載した図１２の半導体レーザ１３ａでは、２つの電流通過回路が形成される。一つは、副リード１６−ボンディングワイヤＷ₁−配置用電極１０−半導体レーザ素子１８−上面電極１８１−ボンディングワイヤＷ₂−主リード１５と流れる第１電流通過回路である。もう一つは、副リード１６−ボンディングワイヤＷ₁−配置用電極１０−受光素子１の低濃度不純物層６（図９に図示）−受光素子１の高濃度不純物層５（図９に図示）−裏面電極１２（図９に図示）−主リード１５と流れる第２電流通過回路である。
【００４４】
ここで、主リード１５と副リード１６の間に順方向に所定の電流又は所定のレーザ駆動電圧を与えた場合には、ｎ型低濃度不純物層６の抵抗値Ｒが半導体レーザ素子１８の作動時抵抗値よりも大きいことから第１電流通過回路に電流が流れる。これにより半導体レーザ素子１８が発振し、レーザ光が軸Ｘ方向に出射される。
【００４５】
一方、静電気などによって主リード１５と副リード１６の間に逆方向に電圧が加わった場合には、半導体基板の抵抗に比べて発光素子の抵抗が格段に高いため主として第２電流通過回路に電流が流れる。これにより半導体レーザ素子１８の破壊が防止される。
【００４６】
また、２つの表面電極を同一面側に有する発光素子を用いる光半導体装置の場合には、次のようにして電極間の配線を行い、サージから発光素子を保護すればよい。なお、ここで用いる光半導体装置は図５に示した装置であって、第１配置用電極１０ａの底面からｎ型低濃度不純物層６の裏面までの抵抗値Ｒは、発光素子１８’の作動時抵抗値よりも大きくしてある（高濃度不純物層５の抵抗は小さいのでここでは無視している）。
【００４７】
図１３に、前記の光半導体装置Ｍ’を搭載した半導体レーザ装置１３ｂの平面図を示す。第１配置用電極１０ａ上の半導体レーザ素子１８’によって覆われない露出部分と副リード１６とをボンディングワイヤＷ₁で接続する。そして、第２配置用電極１０ｂと主リード１５とをボンディングワイヤＷ₂で接続する。また受光素子１の信号電極９と副リード１４とをボンディングワイヤＷ₃で接続する。
【００４８】
前記と同様に、このような電極間配線により半導体レーザ装置１３ｂには２つの電流通過回路が形成される。一つは、副リード１６−ボンディングワイヤＷ₁−第１配置用電極１０ａ−半導体レーザ素子１８’−第２配置用電極１０ｂ−ボンディングワイヤＷ₂−主リード１５と流れる第１電流通過回路である。もう一つは、副リード１６−ボンディングワイヤＷ₁−第１配置用電極１０ａ−受光素子１の低濃度不純物層６（図５に図示）−受光素子１の高濃度不純物層５（図５に図示）−裏面電極１２（図５に図示）−主リード１５と流れる第２電流通過回路である。
【００４９】
このような配線により、前記と同様に、主リード１５と副リード１６の間に順方向に所定の電流又は所定のレーザ駆動電圧を与えた場合には、第１電流通過回路に電流が流れて半導体レーザ素子１８’が発振し、レーザ光が軸Ｘ方向に出射される。一方、静電気などによって主リード１５と副リード１６の間に逆方向に電圧が加わった場合には、主として第２電流通過回路に電流が流れ、半導体レーザ素子１８’の破壊が防止される。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る光半導体装置では、発光素子で発生する熱を半導体基板を介して効率的に外部に放散できる。発光素子の発光点と受光領域との平面的な重なりを充分確保することができる。発光点からの光を受光領域で高感度に受光できる。発光素子への印加電圧による受光素子の出力電流の変動を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係る光半導体装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】第２の発明に係る光半導体装置の一例を示す平面図である。
【図３】図２の光半導体装置のＩ−Ｉ線断面図である。
【図４】同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を搭載した、第２の発明に係る光半導体装置の一例を示す平面図である。
【図５】図４の光半導体装置のII−II線断面図である。
【図６】発光素子の発光点の高さによる、発光素子からの距離と受光素子の出力電流との関係を示す図である。
【図７】第２の発明に係る光半導体装置の他の例を示す平面図である。
【図８】図７の光半導体装置のIII−III線断面図である。
【図９】第２の発明に係る光半導体装置のまた他の例を示す平面図である。
【図１０】図９の光半導体装置のIV−IV線断面図である。
【図１１】同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を搭載した、第２の発明に係る光半導体装置の他の例を示す平面図である。
【図１２】第２の発明に係る光半導体装置を半導体レーザに実装した一例を示す平面図である。
【図１３】同一面側に２つの表面電極を有する発光素子を搭載した、第２の発明に係る光半導体装置を半導体レーザに実装した一例を示す平面図である。
【図１４】従来の光半導体装置の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１受光素子
２シリコン基板（半導体基板）
２’ 基板
３不純物層
４受光領域
５ｎ⁺型不純物層
６ｎ^-型不純物層
８絶縁層
９信号電極
１０配置用電極
１１高濃度不純物層
１２下面電極
１８，１８’ 発光素子
Ｍ、Ｍ’ 光半導体装置

Claims

貫通孔を有する絶縁層が表面に形成された半導体基板と、前記絶縁層上に形成されその一部が前記貫通孔を介して前記半導体基板に直接接触する発光素子配置用電極と、前記半導体基板に設けられた光検知部と、前記発光素子配置用電極に固着された発光素子を備え、前記発光素子の発光点が前記光検知部の受光領域に平面視で重なるように前記発光素子を配置した光半導体装置において、前記発光素子配置用電極の前記受光領域に対向する側に凹部を設け、平面視で前記凹部に前記受光領域の一部が嵌まるように前記発光素子配置用電極と前記受光領域を配置したことを特徴とする光半導体装置。
前記発光素子配置用電極の外縁に沿うように前記半導体基板の表面に高濃度不純物層を形成したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
平面視で前記受光領域と前記発光素子配置用電極の間に位置するように前記半導体基板の表面に高濃度不純物層を形成したことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。