JP3920613B2 - 光半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光半導体装置に関し、より詳細には発光素子の静電耐圧を向上させた光半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
窒化ガリウム系発光素子などの発光素子は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)に非常に弱く、比較的小さな静電気によっても素子が破壊されてしまう。このため静電気対策としてこれまでから種々の方法が提案されている。代表的な方法としてはツェナーダイオードを用いる方法がある。ツェナーダイオードを用いた光半導体装置の縦断面図を図8に、その回路図を図9に示す。
【0003】
図8の光半導体装置では、n型半導体基板61の一部表面下にp型不純物の拡散層62を形成すると共に、下面に電極2を形成している。そしてこの拡散層62に接触するように第2の端子電極32を基板61上に形成する一方、もう一つの電極である第1の端子電極31も基板61上に形成している。そして、同一面側に正・負の表面電極41a,41bを有する発光素子4’を、正・負の表面電極41a,41bが第1の端子電極31と第2の端子電極32とにそれぞれ接続するように固着している。発光素子4’の駆動電圧は端子T1と端子T2との間に印加される。なお、端子T1から端子T2に電流が流れる方向を順電圧とする。
【0004】
このような従来の光半導体装置において正常な順電圧が印加された場合には、ボンディングワイヤWa−下面電極2−基板61−第1の端子電極31−発光素子4’−第2の端子電極32−ボンディングワイヤWbと電流が流れ発光素子4’が発光する。
【0005】
一方、静電気などにより順方向に過電圧が印加された場合には、上記電流回路の他、ツェナーダイオード(n型半導体基板61−p型拡散層62)を介して下面電極2から第2の端子電極32へと流れる新たな電流回路が形成されるため、過電圧による発光素子の破壊が防止される。また、静電気などにより逆電圧が印加された場合には、図9から理解されるように、ボンディングワイヤWb−第2の端子電極32−p型拡散層62−n型半導体基板61−下面電極2−ボンディングワイヤWaと電流が流れる。この結果、発光素子4’に電流は流れず発光素子の破壊が防止される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ツェナーダイオードを用いれば静電気による発光素子の破壊を有効に防止できるものの、ツェナーダイオードを形成するためには半導体基板の材料に制限を受ける。このため、発光素子の活性層での発熱を効率的に外部に放散するには熱伝導性の高い半導体基板材料を用いるのが望ましいが、前記のツェナーダイオードを形成するためにこのような材料を用いることができなかった。また、半導体基板61の抵抗成分R’が発光素子4’と直列接続された形態をとるので、抵抗成分R’によって端子T1から端子T2に加える順電圧が高くなってしまう。
【0007】
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、ツェナーダイオードを形成せずに、順方向に過電圧が印加された場合および逆電圧が印加された場合であっても発光素子が壊れない光半導体装置を提供することをその主な目的とするものである。また、発光素子の保護を行なうための構成によって順方向電圧が増加することがない光半導体装置を提供することもその目的の1つとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下面に電極が形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された端子電極と、上・下面に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、前記表面電極のいずれか一方を前記端子電極に接続し、前記半導体基板の抵抗値を前記発光素子の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ前記端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、前記端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、前記端子電極との間に駆動電圧を印加することを特徴とする光半導体装置が提供される。
【0009】
また本発明によれば、下面に電極が形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された第1の端子電極と、同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、前記発光素子の表面電極のいずれか一方を第1の端子電極と接続し、前記半導体基板の抵抗値を前記発光素子の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、第1の端子電極との間に駆動電圧を印加することを特徴とする光半導体装置が提供される。
【0010】
ここで、前記半導体基板の上面に絶縁層を介して第2の端子電極を形成し、前記発光素子の正・負の表面電極を第1の端子電極と第2の端子電極とに接続し、第1の端子電極と第2の端子電極との間に駆動電圧を印可する構成としてもよい。
【0011】
本発明の光半導体素子には発光素子として窒化ガリウム系発光素子が好適に用いられる。またサージによる発光素子の破壊を一層確実に防止する観点からは、半導体基板の抵抗値は50〜15,000Ωの範囲とするのが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、ツェナーダイオードを用いずに静電気による発光素子の破壊を防ぐことができないか鋭意検討を重ねた結果、半導体基板の抵抗を発光素子との関係において特定値とすることにより、正常な順電圧が印加された場合には発光素子に電流が流れる一方、順方向に過電圧印加された場合には発光素子のみならず半導体基板にも電流が流れ、また逆電圧が印加された場合には半導体基板に電流が流れて発光素子の破壊が防止できることを見出し本発明をなすに至った。すなわち、本発明の大きな特徴の一つは、半導体基板の抵抗値を発光素子の作動時抵抗よりも大きくしたことにある。そしてもう一つの大きな特徴は、半導体基板上に形成された端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、半導体基板の下面電極とを同電位としたことにある。このような構成により、本発明の光半導体装置では正常な順電圧が印加された場合には発光素子が発光し、順方向に過電圧が印加された場合および逆電圧が印加された場合には半導体基板を電流が流れ発光素子の破壊が防止される。以下、図に基づいて本発明の光半導体装置について説明する。
【0013】
図1は、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1の光半導体装置は、下面電極2を備えた半導体基板1の上面に端子電極3が形成され、この端子電極3上に、上・下面に負・正の表面電極41a,41bが形成された発光素子4が導電性接着剤Bで固着されている。そして、発光素子4の上面に形成された表面電極41bと半導体基板1の下面電極2とは配線Wb,Wcにより同電位とされている。なお、半導体基板1の抵抗値は発光素子4の作動時抵抗値よりも大きく設定されている。
【0014】
このような構成の光半導体装置では2つの電流通過回路が形成される。一つは配線Wa−端子電極3−表面電極41a−発光素子4−表面電極41b−配線Wbと流れる第1電流通過回路である。もう一つは、配線Wa−端子電極3−半導体基板1−下面電極2−配線Wcと流れる第2電流通過回路である。回路的には、発光素子4に半導体基板1(その抵抗値R)が並列接続された形態をとる。
【0015】
ここで端子T1をプラス側、端子T2をマイナス側としてこの間に発光素子の駆動電圧が印加された場合には、半導体基板1の抵抗値が発光素子4の作動時抵抗値よりも大きいため、第1電流通過回路に電流が流れて発光素子4が発光する。発光素子4に半導体基板1が並列接続されているため、基板1によって発光素子4の駆動電圧が上昇することは防止される。
【0016】
これに対して逆電圧が印加された場合、すなわち端子T1をマイナス側、端子T2をプラス側として電圧が印加された場合には、半導体基板1の抵抗に比べて発光素子4の抵抗が格段に高いため第2電流通過回路に電流が流れる。これにより発光素子の破壊が防止されるのである。また、半導体基板1の抵抗を選択することにより順方向に過電圧が印加された場合に、発光素子4のみならず半導体基板1へも電流を流すことができ発光素子4の破壊を防止できる。
【0017】
半導体基板1の抵抗値Rは下記式(1)から算出できるから、端子電極3が半導体基板1に直接接触している面積Sおよび半導体基板1の厚さd、半導体基板1の抵抗率kを変えることにより(図1を参照)、発光素子4の作動時抵抗値よりも大きくなるように半導体基板1の抵抗値Rを調整すればよい。
【0018】
R=k×(d/S)・・・・・・(1)
光半導体装置における半導体基板の抵抗値Rと発光素子の静電耐圧との関係の一例を図2に示す。抵抗値Rを16,000Ω程度とした場合、静電耐圧は約110V程度(図のA群)、抵抗値Rを5,000Ω程度とした場合、静電耐圧は約170V前後となる(図のB群)。この図から半導体基板の抵抗値Rを小さくすると静電耐圧が大きくなることがわかる。発光素子の種類にもよるが一般に発光素子の静電耐圧としては120V以上が望まれることから、抵抗値Rの上限値としては15,000Ωが好ましい。一方、抵抗値Rが発光素子の作動時抵抗値よりも小さいと、前記の第2電流通過回路を流れる電流が大きくなり発光素子が発光しなくなるからその下限値は50Ωが好ましい。
【0019】
次に、第2の発明に係る光半導体装置について説明する。第2の発明に係る光半導体装置の第1の発明に係る光半導体装置と異なる点は、第2の発明に係る光半導体装置では、同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子を用いる点にある。そこでまず、同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子の一例として窒化ガリウム系発光素子の構造を図3に示す。図3の発光素子4’は、サファイヤ基板42の上に、GaNバッファ層43、n型窒化ガリウム系化合物半導体層44、n型Ga1−yAlyNクラッド層(0<y<1)45、n型InzGa1−zN(0<z<1)活性層46、Mgドープp型Ga1−xAlxN(0<x<0.5)クラッド層47、Mgドープp型GaNコンタクト層48が順に積層された構造を有し、n型窒化ガリウム系化合物半導体層44及びMgドープp型GaNコンタクト層48の表面にそれぞれAl及びAuからなる表面電極41a,41bが形成されている。
【0020】
このような窒化ガリウム系発光素子4’は例えば次のようにして作製される。サファイヤ基板42を洗浄した後反応器内に配設し、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアとトリメチルガリウム(TMG)を反応器内に供給し510℃の成長温度でサファイア基板42上にGaN層43を約200Åまで成長させる。次に、TMGの供給を止めて1030℃まで昇温した後、TMGとアンモニアガスを供給すると同時にドーパントガスとしてシランガスを供給し、Siをドープしたn型GaN層44を4μm程度成長させる。次に、原料ガスとしてTMGとトリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニアとを用い、ドーパントガスとしてシランガスを反応器内に供給し800℃の成長温度でSiドープn型Ga0.86Al0.14N層45を0.15μmまで成長させる。そして、原料ガス及びドーパントガスの供給を止めて、キャリアガスを窒素に切替えた後、原料ガスとしてTMGとトリメチルインジウム(TMI)、アンモニアとを用い、ドーパントガスとしてシランガスを用いて、Siドープn型In0.01Ga0.99N層46を100Åまで成長させる。
【0021】
次に、原料ガスとドーパントガスの供給を止めて1020℃まで昇温した後、原料ガスとしてTMGとTMA、アンモニアを用い、ドーパントガスとしてCp2Mgを用いて、p型Ga0.86Al0.14Nクラッド層47を0.15μmまで成長させる。そして、TMAの供給を止めてMgドープp型GaNコンタクト層48を0.4μmまで成長させる。
【0022】
その後、作製したウエハを反応容器から取りだし、アニーリング装置で窒素雰囲気下700℃で20分間アニーリングを行い、p型Ga0.86Al0.14Nクラッド層45とp型GaNコンタクト層48の低抵抗化を行う。そして、このウエハの片側をエッチングして図3のようにn型GaN層44を露出させ、n型GaN層44の表面にはAl電極41b、p型GaNコンタクト層48の表面にはAu電極41aを形成し、500℃で再度アニーリングを行い電極41a,41bと前記層48,44とをなじませる。そして最後に500μm×500μmに分割して発光素子4’としていた。
【0023】
次に、このような発光素子4’を用いた光半導体装置の一例を示す縦断面図を図4に示す。図4の光半導体装置では、下面電極2を有する半導体基板1(材料:SiC、抵抗率k:0.4Ω・cm、厚さd:200μm)の表面に、端子電極31が形成されていると共に、正・負の表面電極41a,41bが上面に形成された発光素子4’が固着されている。そして端子電極31と表面電極41bとは配線Wdで接続され、もう一つの表面電極41aと半導体基板1の下面電極2とは配線Wb、Wcにより同電位とされている。また、半導体基板1の抵抗値Rは発光素子4’の作動時抵抗値よりも大きく設定されている。
【0024】
このような構成の光半導体装置における電流通過回路は、前記と同様に2つあり、その一つは配線Wa−端子電極31−配線Wd−表面電極41b−発光素子4’−表面電極41a−配線Wbと流れる第1電流通過回路である。もう一つは、配線Wa−端子電極31−半導体基板1−下面電極2−配線Wcと流れる第2電流通過回路である。回路的には、発光素子4’に半導体基板1(その抵抗値R)が並列接続された形態をとる。
【0025】
ここで端子T1をプラス側、端子T2をマイナス側としてこの間に発光素子4’の駆動電圧が印加された場合には、半導体基板1の抵抗値Rが発光素子4’の作動時抵抗値よりも大きいため、第1電流通過回路に電流が流れ発光素子4’が発光する。発光素子4’に半導体基板1が並列接続されているため、基板1によって発光素子4’の駆動電圧が上昇することは防止される。
【0026】
これに対して逆電圧が印加された場合、すなわち端子T1をマイナス側、端子T2をプラス側として電圧が印加された場合には、半導体基板1の抵抗に比べて発光素子4’の抵抗が格段に高いため第2電流通過回路に電流が流れ、これにより発光素子4’の破壊が防止される。また、半導体基板1の抵抗を選択することにより順方向に過電圧が印加された場合に、発光素子4のみならず半導体基板1へも電流を流すことができ発光素子4’の破壊を防止できる。
【0027】
第2の発明に係る光半導体装置の他の例を示す縦断面図を図5に示す。図5の光半導体装置は、下面電極2を有する半導体基板1(材料:n−Si、抵抗率k:0.4Ω・cm、厚さd:200μm)の表面に2つの端子電極31,32が形成されている。一方の端子電極(第1の端子電極)31は半導体基板1表面に直接形成され、もう一方の端子電極(第2の端子電極)32は絶縁層5を介して半導体基板1上に形成されている。そして、図3の発光素子4’を上下反対にして、発光素子4’の2つの表面電極41a,41bをそれぞれ第1の端子電極31と第2の端子電極32の上に位置させて導電性接着剤Bで固着している。また、第1の端子電極31および第2の端子電極32上の発光素子4’によって覆われない露出部分に電源からの配線Wa,Wbがそれぞれ接続され、また表面電極41bと下面電極2とは配線Wb、Wcにより同電位とされている。そしてまた、半導体基板1の抵抗値Rは発光素子4’の作動時抵抗値よりも大きく設定されている(この例ではR=270Ω)。
【0028】
このような構成の光半導体装置における電流通過回路は、前記と同様に2つあり、その一つは配線Wa−第1の端子電極31−表面電極41a−発光素子4’−表面電極41b−第2の端子電極32−配線Wbと流れる第1電流通過回路である。もう一つは、配線Wa−端子電極31−半導体基板1−下面電極2−配線Wcと流れる第2電流通過回路である。回路的には、発光素子4’に半導体基板1(その抵抗値R)が並列接続された形態をとる。
【0029】
そして、前記と同様にして、この光半導体装置に順電圧を印加すると、半導体基板1の抵抗値Rが発光素子4’の作動時抵抗値よりも大きいため、第1電流通過回路に電流が流れ発光素子4’が発光する。発光素子4’に半導体基板1が並列接続されているため、基板1によって発光素子4’の駆動電圧が上昇することは防止される。
【0030】
一方、逆電圧を印加すると、半導体基板1の抵抗に比べて発光素子4’の抵抗が格段に高いため第2電流通過回路に電流が流れ、これにより発光素子4’の破壊が防止される。また、半導体基板1の抵抗を選択することにより順方向に過電圧が印加された場合に、発光素子4’のみならず半導体基板1へも電流を流すことができ発光素子4の破壊を防止できる。
【0031】
次に、第2の発明に係る光半導体装置を発光装置に実装した場合の形態を説明する。図6は、図4に示した光半導体装置Mを半導体レーザ装置に実装した場合の斜視図である。光半導体装置Mは、その下面電極2(図4に図示)と主リード81とが導通可能に主リード81の先端部分に導電性接着剤で固着されている。また、主リード81に対して垂直方向に形成された、主リード81と導通し且つ副リード82,83とは絶縁の側壁9には、発光素子4’からの光を受光できる位置に受光素子7が設けられている。そして主リード81の左右には副リード82,83が軸方向に平行して設けられている。
【0032】
副リード82と端子電極31とはボンディングワイヤWaで接続され、端子電極31と表面電極41bとはボンディングワイヤWdで、表面電極41aと主リード81とはボンディングワイヤWbでそれぞれ接続されている。また、受光素子7と副リード83とはボンディングワイヤWeで接続されている。そして、光半導体装置Mや受光素子7、各ボンディングワイヤを含めた、側壁9から先端側はエポキシ樹脂などの透光性樹脂Rで封止されている。もちろん側壁9から先端側が透光性樹脂Rで封止されていなくても構わない。
【0033】
このような構造の半導体レーザ装置において、主リード81と副リード82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、主リード81−ボンディングワイヤWb−表面電極41a−半導体レーザ素子4’−表面電極41b−ボンディングワイヤWd−端子電極31−ボンディングワイヤWa−副リード82と流れ、半導体レーザ素子4’が発振し、レーザ光がX方向に出射される。そして出射された光を受光素子7が検知すると、主リード81と副リード83間に電流が流れ、この電流値を基に半導体レーザ素子4’の光出力が一定になるように電圧が制御される。
【0034】
一方、静電気などによって主リード81と副リード82の間に逆方向に電圧が加わった場合には、副リード82−ボンディングワイヤWa−端子電極31−半導体基板1−下面電極2−主リード81と流れ、静電気による半導体レーザ素子4’の破壊が回避される。
【0035】
さらに、第2の発明に係る光半導体装置を発光装置に実装した他の形態を図7に示す。図7は、図5に示した光半導体装置M’をリード型発光ダイオード装置に実装した場合の縦断面図である。リード84の上端に、その下面電極とリードとが導通可能に導電性接着剤で光半導体装置M’が固着されている。そして、リード84と第1の端子電極31とはボンディングワイヤWaで接続され、第2の端子電極32とリード85とはボンディングワイヤWbで接続されている。光半導体装置M’と各ボンディングワイヤ、リード84,85の上部は透光性樹脂Rで封止されている。
【0036】
このような電極間配線において、リード84,85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、リード84−ボンディングワイヤWa−第1の端子電極31−発光素子4’−第2の端子電極32−ボンディングワイヤWb−リード85と流れ、発光素子4’が発光する。一方、静電気などによってリード84,85の間に逆方向に電圧が加わった場合には、リード85−端子電極32−半導体基板1−下面電極2−リード84と流れ、静電気による発光素子4’の破壊が回避される。
【0037】
【発明の効果】
第1の発明に係る光半導体装置では、下面に電極が形成され半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された端子電極と、異なる面側に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、表面電極のいずれか一方を端子電極に接続し、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、且つ端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、端子電極との間に駆動電圧を印加する構成としたので、半導体基板の材料に特に制限を受けることなく、過電圧および逆電圧による発光素子の破壊を有効に防止できる。
【0038】
また第2の発明に係る光半導体装置では、下面に電極が形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された第1の端子電極と、同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、発光素子の表面電極のいずれか一方を第1の端子電極と接続し、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、且つ第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、第1の端子電極との間に駆動電圧を印加する構成としたので、第1の発明と同様に、半導体基板の材料に特に制限を受けることなく、過電圧および逆電圧による発光素子の破壊を有効に防止できる。
【0039】
本発明によれば、発光素子にその保護回路としての半導体基板が並列に接続された形態をとるので、発光素子の駆動電圧の上昇を防止することもできる。
【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】 半導体基板の抵抗値Rと発光素子の静電耐圧との関係を示す図である。
【図3】 同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子の一例を示す縦断面図である。
【図4】 第2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5】 第2の発明に係る光半導体装置の他の例を示す縦断面図である。
【図6】 図4の光半導体装置を搭載した半導体レーザ装置の斜視図である。
【図7】 図5の光半導体装置を搭載した発光ダイオード装置の縦断面図である。
【図8】 従来の光半導体装置を示す縦断面図である。
【図9】 図8の光半導体装置の回路図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 下面電極
3 端子電極
4,4’ 発光素子
5 絶縁層
31 第1の端子電極
32 第2の端子電極
41a,41b 表面電極
Claims (5)
- 下面に電極が形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された端子電極と、上・下面に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、
前記表面電極のいずれか一方を前記端子電極に接続し、
前記半導体基板の抵抗値を前記発光素子の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ前記端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、
前記端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、前記端子電極との間に駆動電圧を印加することを特徴とする光半導体装置。 - 下面に電極が形成された半導体基板と、この半導体基板の上面に形成された第1の端子電極と、同一面側に正・負の表面電極を有する発光素子とを備え、
前記発光素子の表面電極のいずれか一方を第1の端子電極と接続し、
前記半導体基板の抵抗値を前記発光素子の作動時抵抗値よりも大きくし、且つ第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と半導体基板の下面の電極とを同電位とし、
第1の端子電極と接続していない方の発光素子の表面電極と、第1の端子電極との間に駆動電圧を印加することを特徴とする光半導体装置。 - 前記半導体基板の上面に絶縁層を介して第2の端子電極を形成し、前記発光素子の正・負の表面電極を第1の端子電極と第2の端子電極とに接続し、第1の端子電極と第2の端子電極との間に駆動電圧を印可する請求項2記載の光半導体装置。
- 前記発光素子が窒化ガリウム系半導体素子である請求項2又は3記載の光半導体装置。
- 前記半導体基板の抵抗値が50〜15,000Ωの範囲である請求項1〜4のいずれかに記載の光半導体装置。
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