JP5218610B2

JP5218610B2 - 光半導体装置

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Publication number: JP5218610B2
Application number: JP2011151938A
Authority: JP
Inventors: 栄太郎石村; 芳和田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2011228740A

Description

本発明は、光通信用アバランシェ・フォトダイオードなどの光半導体装置に関し、特に耐湿性を向上させることができる光半導体装置に関するものである。

図１８は、従来の光半導体装置を示す斜視図である。この光半導体装置は、光通信用アバランシェ・フォトダイオードである（例えば、特許文献１参照）。

ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２と、窓層及び倍増層であるｎ型ＩｎＰ層１３とが順番に積層されている。選択的に不純物拡散やイオン注入を行うことで、ｎ型ＩｎＰ層１３の上面の一部にｐ型ＩｎＰ領域１４が形成されている。ｎ型ＩｎＰ層１３及びｐ型ＩｎＰ領域１４の上面は表面保護膜１５により覆われている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の下面にカソード電極１６が接続されている。ｐ型ＩｎＰ領域１４の上面に、輪っか状のアノード電極１７が接続されている。このアノード電極１７で囲まれた領域が受光部１８である。

次に、上記光半導体装置の動作について説明する。アノード電極１７にはカソード電極１６よりも低い電圧が印加される。即ち、アノード電極１７とカソード電極１６の間には逆バイアスが印加される。この逆バイアス（動作電圧）は、降伏電圧の約９０％になるように調整される。降伏電圧は２０〜８０Ｖ程度と非常に高いため、逆バイアスは最大７０Ｖ程度と高くなる。

光信号は図の上側から受光部１８へ入射される。ｐ型ＩｎＰ層６３はバンドギャップが大きいため、通常の光通信で使用される波長（１．３μｍや１．５５μｍ）の光を吸収せずに透過させる。透過した光はバンドギャップの小さいｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２で吸収され、電子と正孔が発生する。この正孔は空乏層中を移動して、高電界が印加されたｎ型ＩｎＰ層１３に入り、高電界下でなだれ増倍を起して多数の新たな電子と正孔を発生する。この結果、光信号は増倍された電流信号として光半導体装置から取り出される。これにより、増倍が生じない場合に比べて、１０数倍の電流値の信号を取り出すことができる。

特開平１０−２０９４８６号公報

光半導体装置の周囲にはチップコンデンサ、金ワイヤ、プリアンプ、抵抗、キャリアなどの多くの部品が用いられ、光半導体装置を実装するためにステムなどのパッケージも用いられる。これらの部材には荷電イオンが少なからず付着している。この荷電イオンは電圧を印加しているところに引き寄せられる性質がある。従って、マイナスバイアスを印加しているアノード電極１７の周囲にはプラスイオンが引き寄せられる。これによりチップ上面にリーク電流が流れはじめる。その結果、アノード電極１７からｎ型ＩｎＰ層１３へ電流が流れる。

光半導体装置を湿度の高い雰囲気で使用すると、水分のある状態でチップ上面にリーク電流が流れて腐食が発生する。この腐食は表面保護膜１５を侵食し、さらに電流が増加する。その結果、チップ表面に変色劣化部１０１が発生する。この変色は、表面保護膜１５の端からアノード電極１７に向かって発生する。また、アノード電極１７を基点に周囲に沿って発生する場合もある。この変色が進むと最終的にはショートやオープンが発生するという問題があった。

このため、従来の光半導体装置は湿度の高い雰囲気では使用することができなかった。また、光半導体装置をキャップなどでハーメチックシールする場合でも、キャップ内に水分が入らないように厳密に管理する必要があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、耐湿性を向上させることができる光半導体装置を得るものである。

本発明に係る光半導体装置は、絶縁性の台座と、前記絶縁性の台座の上面に配置されたチップと、前記絶縁性の台座の上面に前記チップを囲むように配置された低電圧電極とを備え、前記チップは、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上面の一部に形成された第２導電型半導体領域と、前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体領域の上面を覆う表面保護膜と、前記第１導電型半導体層に接続された第１電極と、前記表面保護膜に設けられた開口を介して前記第２導電型半導体領域に接続され、前記第１電極よりも低い電圧が印加される第２電極と、を有し、前記低電圧電極は、前記第１電極よりも低い電圧が印加されることを特徴とする。

本発明により、耐湿性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。低電圧電極に印加する電圧を変えて変色劣化した素子の割合を測定した結果を示す図である。本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す斜視図である。本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す斜視図である。参考例１に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例２に係る光半導体装置を示す上面図である。図７の断面図及び電位分布を示す図である。参考例３に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例４に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例５に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例６に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例７に係る光半導体装置を示す上面図である。参考例８に係る光半導体装置を示す側面図である。参考例９に係る光半導体装置を示す側面図である。参考例１０に係る光半導体装置を示す斜視図である。参考例１１に係る光半導体装置を示す斜視図である。従来の光半導体装置を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光半導体装置を示す斜視図である。この光半導体装置は、光通信用アバランシェ・フォトダイオードである。

ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２と、窓層及び倍増層であるｎ型ＩｎＰ層１３（第１導電型半導体層）とが順番に積層されている。選択的に不純物拡散やイオン注入を行うことで、ｎ型ＩｎＰ層１３の上面の一部にｐ型ＩｎＰ領域１４（２導電型半導体領域）が形成されている。ｎ型ＩｎＰ層１３及びｐ型ＩｎＰ領域１４の上面は表面保護膜１５により覆われている。ｎ型ＩｎＰ基板１１の下面にカソード電極１６（第１電極）が接続されている。ｐ型ＩｎＰ領域１４の上面に、輪っか状のアノード電極１７（第２電極）が接続されている。このアノード電極１７で囲まれた領域が受光部１８である。また、アノード電極１７にはカソード電極１６よりも低い電圧が印加される。

そして、本実施の形態では、アノード電極１７を囲むように低電圧電極１９が配置されている。この低電圧電極１９にはカソード電極１６よりも低い電圧が印加される。これにより、光半導体装置の周囲に存在するプラスイオンは、低電圧電極１９にトラップされるため、アノード電極１７の周辺には集まってこない。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。

図２は、低電圧電極に印加する電圧を変えて変色劣化した素子の割合を測定した結果を示す図である。実験条件として、温度を８５℃、湿度を８５％とし、アノード電極１７とカソード電極１６の間に降伏電圧の９０％の電圧を印加した。実験の結果、低電圧電極１９に電圧を印加しない場合（ａ）とカソード電極１６よりも高い電圧を印加した場合（ｃ）は、１００％の素子が変色劣化した。一方、低電圧電極１９にカソード電極１６よりも低い電圧を印加した場合（ｂ）は、変色劣化した素子は０％であった。この実験結果より、本実施の形態によって変色劣化を防ぐことができることが確認された。

なお、図１では光半導体装置のチップの全周を低電圧電極１９で取り囲んでいるが、必ずしも全周を取り囲まなくとも同様の効果を得ることができる。また、チップ全体を取り囲まなくとも、アノード電極１７の周囲を低電圧電極１９で取り囲めば同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る光半導体装置を示す斜視図である。実施の形態１と同様の光半導体装置のチップが、絶縁性の台座２１上に実装されている。台座２１の台座側電極２２と光半導体装置のカソード電極１６が接触している。そして、低電圧電極１９は台座２１上において台座側電極２２を取り囲むように配置されている。アノード電極１７，台座側電極２２，低電圧電極１９は、それぞれワイヤ２３，２４，２５を介して外部回路（不図示）と電気的に接続されている。

低電圧電極１９には台座側電極２２よりも低い電圧が印加される。これにより、台座２１の上や台座２１の周囲にあるプラスイオンは、低電圧電極１９に引き寄せられるため、アノード電極１７に引き寄せられるプラスイオンが減少する。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。

なお、図３では台座側電極２２の全周を低電圧電極１９で取り囲んでいるが、必ずしも全周を取り囲まなくとも同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る光半導体装置を示す斜視図である。アノード電極１７と低電圧電極１９がワイヤ２３により電気的に接続されている。その他の構成は実施の形態２と同様である。これにより、低電圧電極１９をカソード電極１６よりも低い電圧にするための電圧源が不要となる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る光半導体装置を示す斜視図である。アノード電極１７と低電圧電極１９との間に高インピーダンス部２６が接続されている。この高インピーダンス部２６は、薄膜抵抗、チップ抵抗、インダクタ、チップインダクタなどで構成され、そのインピーダンスは２０Ω以上である。ただし、高インピーダンス部２６のインピーダンスが２００〜３００Ω以上であることが望ましい。その他の構成は実施の形態３と同様である。このように高インピーダンス部２６を設けたことで、アノード電極１７から出力される高周波信号が低電圧電極１９に漏れるのを防ぐことができる。その結果、光半導体装置の高周波応答が向上する。

参考例１．
図６は、参考例１に係る光半導体装置を示す上面図である。低電圧電極１９は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｕなどの金属薄膜として表面保護膜１５上に形成されている。低電圧電極１９にボンディングパッド３１が接続され、ボンディングパッド３１にはワイヤ３２が接続されている。このボンディングパッド３１及びワイヤ３２を介して低電圧電極１９にカソード電極１６よりも低い電圧が印加される。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、チップ上面のプラスイオンを低電圧電極１９により吸引することができ、水分を含んだ雰囲気内でもより長い時間劣化を防止することができる。

なお、低電圧電極１９を表面保護膜１５の下に形成してもよい。この場合、低電圧電極１９が露出するように、低電圧電極１９上の表面保護膜１５の一部又は全部を除去してもよい。また、低電圧電極１９を、金属材料ではなく、ｎ型ＩｎＰ層１３の表面にｐ型ドーパントを注入した拡散領域により形成してもよい。また、図６ではアノード電極１７の全周を低電圧電極１９で取り囲んでいるが、必ずしも全周を取り囲まなくとも同様の効果を得ることができる。

参考例２．
図７は、参考例２に係る光半導体装置を示す上面図である。アノード電極１７を囲むように低電圧電極１９とアノード電極１７の間に高電圧電極３３が配置されている。この高電圧電極３３は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｕなどの金属薄膜として表面保護膜１５上に形成されている。高電圧電極３３にボンディングパッド３４が接続され、ボンディングパッド３４にはワイヤ３５が接続されている。このボンディングパッド３４及びワイヤ３５を介して高電圧電極３３にアノード電極１７や低電圧電極１９よりも高い電圧が印加される。その他の構成は参考例１と同様である。

図８は、図７の断面図及び電位分布を示す図である。図示のように電位をＭ字型にすることにより、中心のアノード電極１７の周囲に電位障壁が形成され、プラスイオンはアノード電極１７に近づくことができない。これにより、水分を含んだ雰囲気内でもより長い時間劣化を防止することができる。なお、参考例１では高電圧電極３３は無いが、ｎ型ＩｎＰ層１３に表面保護膜１５が接しているので、高電圧電極３３に相当する部分の電位が高くなり同様の効果がある。

参考例３．
図９は、参考例３に係る光半導体装置を示す上面図である。表面保護膜１５の端部を金属膜３６が覆っている。その他の構成は参考例２と同様である。

表面保護膜１５の端部とｎ型ＩｎＰ層１３の境目を金属膜３６で覆うことにより、水分や荷電イオンが表面保護膜１５の下に侵入するのを防止することができる。従って、表面保護膜１５の端部から進む変色劣化を防止することができる。

参考例４．
図１０は、参考例４に係る光半導体装置を示す上面図である。表面保護膜１５には、アノード電極１７を囲むように低電圧電極１９とアノード電極１７の間に開口３７が設けられている。この開口３７から、低電圧電極１９よりも電圧の高いｎ型ＩｎＰ層１３が露出している。その他の構成は参考例１と同様である。

開口３７を設けたことにより、参考例２と同様にプラスイオンはアノード電極１７に近づくことができない。なお、開口３７を覆うように金属薄膜を形成すれば、水分や荷電イオンが表面保護膜１５の下に侵入するのを防止することができる。

参考例５．
図１１は、参考例５に係る光半導体装置を示す上面図である。ｎ型ＩｎＰ層１３の表面にｐ型拡散領域４１が形成され、このｐ型拡散領域４１はｐ型ＩｎＰ領域１４と電気的に接続されている。部分的に表面保護膜１５が除去されてコンタクト電極４２，４３が形成されている。低電圧電極１９は、コンタクト電極４２及びｐ型拡散領域４１を介してｐ型ＩｎＰ領域と電気的に接続されている。高電圧電極３３は、コンタクト電極４３を介してｎ型ＩｎＰ層１３と電気的に接続されている。この構成により、低電圧電極１９や高電圧電極３３に外部から給電する必要が無くなる。

なお、ｐ型拡散領域４１を細くするか浅くして高抵抗にすれば、受光部１８で発生した高周波信号が低電圧電極１９に漏れるのを防ぐことができる。また、コンタクト電極４２，４３を用いずに、低電圧電極１９，高電圧電極３３の全体がそれぞれｐ型拡散領域４１，ｎ型ＩｎＰ層１３と電気的に接続されるようにしてもよい。

参考例６．
図１２は、参考例６に係る光半導体装置を示す上面図である。アノード電極１７を囲むように低電圧電極１９とアノード電極１７の間においてｎ型ＩｎＰ層１３の表面に溝４４が形成されている。そして、この溝４４を覆うための金属膜４５が表面保護膜１５上に形成されている。その他の構成は参考例１と同様である。

溝４４により、受光部１８とチップ端の間のアイソレーションをとることができる。しかし、チップ表面に設けた溝４４には応力がかかりやすく、この応力で表面保護膜１５がダメージを受け、溝４４から変色劣化が始まる。そこで、金属膜４５で溝４４を覆うことにより、水分や荷電イオンが表面保護膜１５の下に侵入するのを防止することができる。

参考例７．
図１３は、参考例７に係る光半導体装置を示す上面図である。部分的に表面保護膜１５が除去されてコンタクト電極４６，４７が形成されている。低電圧電極１９は、コンタクト電極４６及び配線４８を介して溝４４の内側のｐ型拡散領域４９と電気的に接続されている。金属膜４５は、コンタクト電極４７を介して溝４４の外側のｎ型ＩｎＰ層１３と電気的に接続されている。その他の構成は参考例６と同様である。

これにより、低電圧電極１９にはカソード電極１６よりも低い電圧が印加される。また、金属膜４５には、低電圧電極１９よりも高い電圧が印加される。従って、低電圧電極１９や金属膜４５に外部から給電する必要が無くなる。

なお、ｐ型拡散領域４９は無くてもよい。即ち、低電圧電極１９がコンタクト電極４６及び配線４８を介して溝４４の内側のｎ型ＩｎＰ層１３と電気的に接続されていてもよい。溝４４の内側のｎ型ＩｎＰ層１３は、溝の外側のｎ型ＩｎＰ層１３よりも電圧が低くなっているためである。ただし、ｐ型拡散領域４９がある方が、より低い電圧を得ることができる。また、ｐ型拡散領域４９は、受光部１８のｐ型ＩｎＰ領域１４と繋がっていてもよい。この場合、ｐ型拡散領域４９とｐ型ＩｎＰ領域１４の接続部を細くするか浅くして高抵抗にすれば、受光部１８で発生した高周波信号が低電圧電極１９に漏れるのを防ぐことができる。

参考例８．
図１４は、参考例８に係る光半導体装置を示す側面図である。ステム５１上に、絶縁性の台座５２を介して光半導体装置のチップ５３が搭載されている。ステム５１上には他のチップ部品５４，５５も搭載されている。これらはワイヤ５６を介して電気的に接続されている。ステム５１からはリード端子５７が出ている。そして、ステム５１は、光半導体装置のカソード電極よりも電圧が低くなるように給電されている。

これにより、ステム５１上にあるプラスイオンは、ステム５１に引き寄せられるため、光半導体装置のアノード電極に引き寄せられるプラスイオンが減少する。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。

参考例９．
図１５は、参考例９に係る光半導体装置を示す側面図である。ステム５１と台座５２の間に、上面が電極金属で覆われた絶縁性の台座５８が設けられている。そして、台座５８の上面は、光半導体装置のカソード電極よりも電圧が低くなるように給電されている。その他の構成は参考例８と同様である。

これにより、ステム５１上にあるプラスイオンは、台座５８に引き寄せられるため、光半導体装置のアノード電極に引き寄せられるプラスイオンが減少する。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。

参考例１０．
図１６は、参考例１０に係る光半導体装置を示す斜視図である。この光半導体装置は、端面発光型のレーザーダイオードである。

ｎ型ＩｎＰ層１３（第１導電型半導体層）中に活性層６１が形成されている。選択的に不純物拡散やイオン注入を行うことで、ｎ型ＩｎＰ層１３の上面の一部にｐ型ＩｎＰ領域１４（第２導電型半導体領域）が形成されている。ｎ型ＩｎＰ層１３及びｐ型ＩｎＰ領域１４の上面は表面保護膜１５により覆われている。ｎ型ＩｎＰ層１３の下面にカソード電極１６（第１電極）が接続されている。ｐ型ＩｎＰ領域１４の上面にアノード電極１７（第２電極）が接続されている。このアノード電極１７にはカソード電極１６よりも高い電圧が印加される。

そして、本参考例では、アノード電極１７を囲むように高電圧電極６２が配置されている。この高電圧電極６２にはカソード電極１６よりも高い電圧が印加される。これにより、光半導体装置の周囲に存在するマイナスイオンは、高電圧電極６２にトラップされるため、アノード電極１７の周辺には集まってこない。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。なお、上記構成に実施の形態２〜４や参考例１〜９の構成を組み合わせることもできる。

参考例１１．
図１７は、参考例１１に係る光半導体装置を示す斜視図である。この光半導体装置は、端面発光型のレーザーダイオードである。

ｐ型ＩｎＰ層６３（第１導電型半導体層）中に活性層６１が形成されている。選択的に不純物拡散やイオン注入を行うことで、ｐ型ＩｎＰ層６３の上面の一部にｎ型ＩｎＰ領域６４（第２導電型半導体領域）が形成されている。ｐ型ＩｎＰ層６３及びｎ型ＩｎＰ領域６４の上面は表面保護膜１５により覆われている。ｐ型ＩｎＰ層６３の下面にアノード電極６５（第１電極）が接続されている。ｎ型ＩｎＰ領域６４の上面にカソード電極６６（第２電極）が接続されている。このカソード電極６６にはアノード電極６５よりも低い電圧が印加される。

そして、本参考例では、カソード電極６６を囲むように低電圧電極１９が配置されている。この低電圧電極１９にはアノード電極６５よりも低い電圧が印加される。これにより、光半導体装置の周囲に存在するプラスイオンは、低電圧電極１９にトラップされるため、カソード電極６６の周辺には集まってこない。従って、変色劣化が発生し難くなるため、耐湿性を向上させることができる。なお、上記構成に実施の形態２〜４や参考例１〜１０の構成を組み合わせることもできる。

１３ｎ型ＩｎＰ層（第１導電型半導体層）、１４ｐ型ＩｎＰ領域（第２導電型半導体領域）、１５表面保護膜、１６カソード電極（第１電極）、１７アノード電極（第２電極）、１９低電圧電極、２６高インピーダンス部、３３，６２高電圧電極、３６，４５金属膜、３７開口、４４溝、６３ｐ型ＩｎＰ層（第１導電型半導体層）、６４ｎ型ＩｎＰ領域（第２導電型半導体領域）、６５アノード電極（第１電極）、６６カソード電極（第２電極）

Claims

絶縁性の台座と、
前記絶縁性の台座の上面に配置されたチップと、
前記絶縁性の台座の上面に前記チップを囲むように配置された低電圧電極とを備え、
前記チップは、
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層の上面の一部に形成された第２導電型半導体領域と、
前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体領域の上面を覆う表面保護膜と、
前記第１導電型半導体層に接続された第１電極と、
前記表面保護膜に設けられた開口を介して前記第２導電型半導体領域に接続され、前記第１電極よりも低い電圧が印加される第２電極と、を有し、
前記低電圧電極は、前記第１電極よりも低い電圧が印加されることを特徴とする光半導体装置。
前記低電圧電極は、前記第２電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
前記低電圧電極と前記第２電極との間に接続されたインピーダンスが２０Ω以上の高インピーダンス部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の光半導体装置。