(57)【要約】  【課題】  高性能な光半導体装置を提供すること。  【解決手段】  発光又は受光する素子３と、前記素子３上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材２と、を具備した光半導体装置であって、前記窓部材２は、前記半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物２０を含むことを特徴とする光半導体装置。  また、好ましくは、前記窓部材２は、前記窓部材２の下面の方が上面よりも前記水素元素の含有率が高いことを特徴とする。  また、好ましくは、前記素子３と前記窓部材２との間隔を規定するスペーサ部材１をさらに有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光又は受光する素子と、
前記素子上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材と、を具備した光半導体装置であって、
前記窓部材は、前記半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物を含むことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記窓部材は、前記窓部材の下面の方が上面よりも前記水素元素の含有率が高いことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記素子と前記窓部材との間隔を規定するスペーサ部材をさらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記素子の上面、前記窓部材の下面、及び前記スペーサ部材の側面で気密空間を形成してなることを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記スペーサ部材は、セラミックスであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記気密空間は、水素ガスが充填されてなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記半導体材料は、ゲルマニウム、又はシリコンからなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記素子は、赤外線受光素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光半導体装置の一つとして、赤外線を検出する赤外線検出装置がある。例えば、図２に断面図で示す構成のものが用いられていた。すなわち、図２に示すように、従来の赤外線検出装置は、基体２１と窓部材２２とで構成されており、外形が直方体形状のものである。
【０００３】
基体２１は、容器の内部と外部を電気的に接続する経路を設けるための積層セラミック、パターン、スルーホールで構成される、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体又は窒化アルミ（ＡｌＮ）質焼結体からなるセラミックパッケージである。
【０００４】
基体２１は、側壁２１ｄを有しており、側壁２１ｄにより形成される開口部内に赤外線を検出する赤外線検出素子２３が受光面２３ａを上側にして配設される。赤外線検出素子２３は、基体２１の載置部２１ａの上に接着もしくは半田で接合される。
【０００５】
また、側壁２１ｄの内面には、段差が設けられており、その段差部分にある配線導体２４と赤外線検出素子２３とを接続するボンディングワイヤ２５が配設される。
【０００６】
平板形状の窓部材２２は、赤外線を透過する、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）により形成され、例えば半田等の窓接合材２７を使用し基体２１の側壁２１ｄに気密接合されることによって側壁２１ｄにより形成される基体２１の開口部を封止する。窓部材２２は赤外線検出素子２３の受光面２３ａに対向する位置に配置される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５４８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の赤外線検出装置では、特に赤外線の検出性能が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、高性能な光半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光半導体装置は、発光又は受光する素子と、前記素子上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材と、を具備した光半導体装置であって、前記窓部材は、前記半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記窓部材は、前記窓部材の下面の方が上面よりも前記水素元素の含有率が高いことが好ましい。
【００１１】
また、前記素子と前記窓部材との間隔を規定するスペーサ部材をさらに有することが好ましい。
【００１２】
また、前記素子の上面、前記窓部材の下面、及び前記スペーサ部材の側面で気密空間を形成してなることが好ましい。
【００１３】
また、前記スペーサ部材は、セラミックスであることが好ましい。
【００１４】
また、前記気密空間は、水素ガスが充填されてなることが好ましい。
【００１５】
また、前記半導体材料は、ゲルマニウム、又はシリコンからなることが好ましい。
【００１６】
また、前記素子は、赤外線受光素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光半導体装置は、発光又は受光する素子と、前記素子上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材と、を具備した光半導体装置であって、前記窓部材は、前記半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物を含むことを特徴とする。
【００１８】
このような構成とすることによって、単に半導体材料を構成する元素に水素元素を含有させることで、パッシベーション効果により窓部材中の欠陥部位を低減できるだけではなく、例えば素子が受光する場合、すなわち、光半導体装置外部から窓部材を介して素子へ入射する光は、水素元素により屈折率が低くなった窓部材を透過する。それゆえ、窓部材で入射光が反射することを抑制し、入射光が十分な光強度を保ったまま素子に入射させることができる。
【００１９】
反対に、素子が発光する場合、すなわち、素子から窓部材を介して光半導体装置外部へ発光する光も、水素元素により屈折率が低くなった窓部材を透過する。それゆえ、窓部材で出射光が反射することを抑制し、反射光が再び素子に入射することで素子の動作が不安定になったり、出射光の光強度が不十分になったりすることを抑制できる。
【００２０】
また、前記窓部材は、前記窓部材の下面の方が上面よりも前記水素元素の含有率が高いことが好ましく、素子付近における入射光又は出射光の反射を抑制することができるため、十分な光強度を有する光半導体装置とすることができる。
【００２１】
また、前記素子と前記窓部材との間隔を規定するスペーサ部材をさらに有することが好ましく、スペーサ部材によって、素子と窓部材とが接触し、その摩擦により窓部材から水素元素が除去されることを抑制できる。
【００２２】
また、前記素子の上面、前記窓部材の下面、及び前記スペーサ部材の側面で気密空間を形成してなることが好ましく、スペーサ部材の側面に入射光が当たることにより素子に入射し易いため、好適に光を素子に入射させることができる。反対に、光を出射させる場合も当該構成により、スペーサ部材の側面に反射光を当てることにより光に指向性を持たせることができる。
【００２３】
また、前記スペーサ部材は、セラミックスであることが好ましく、例えばセラミックグリーンシート積層法などにより、所望の寸法に好適にスペーサ部材を作製することができる。
【００２４】
また、前記気密空間は、水素ガスが充填されてなることを特徴とすることが好ましく、半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物を十分に形成することができるとともに、窓部材下面の屈折率に気密空間の屈折率を近づけることができるため、より窓部材と気密空間との間で光が反射することを抑制できる。
【００２５】
また、前記半導体材料は、ゲルマニウム、又はシリコンからなることが好ましく、他の半導体元素よりも水素元素と結びつきが強いため、より一層半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物を形成することができる。
【００２６】
また、前記素子は、赤外線受光素子であることが好ましく、高精度に赤外線を検知することが可能な光半導体装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の光半導体装置について詳細に説明する。
【００２８】
本発明に係る光半導体装置を図１に示す。図１（ａ）は本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は本発明の光半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【００２９】
図中、１はスペーサ部材（基体）、１ａは載置部、１ｂは貫通孔、１ｃは突起部、２は窓部材、３は素子、６は蓋体、６ａは金属枠体、２０は半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物（以下、水素化合物という。）である。
【００３０】
図１に示すように本発明に係る光半導体装置は、発光又は受光する素子３と、素子３上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材２と、を具備した光半導体装置であって、窓部材２は、半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物（水素化合物）２０を含むことを特徴とするものである。
【００３１】
（窓部材）
窓部材２は、ゲルマニウム（Ｇｅ），シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料を含んでなるものである。また、単結晶のゲルマニウム、又は単結晶のシリコンからなることが好ましく、窓部材２を透過する光は、結晶粒界に含まれる不純物によって光拡散することを抑制できるため、精度良く外部から素子３に受光でき、また、精度良く素子３から外部へ光を透過させることができる。また、窓部材２に予め水素元素を吹き付けることにより、後述する水素化合物２０を形成しておいても構わない。
【００３２】
窓部材２は、窓部材２の下面の方が上面よりも水素元素の含有率が高いことが好ましく、素子３付近における入射光又は出射光の反射を抑制することができるため、十分な光強度を有する光半導体装置とすることができる。
【００３３】
本発明にかかる窓部材２と半導体材料からなる窓部材との屈折率の大小関係を確認するためには、アタゴ社製「ＤＲ−Ｍ２」を用いて、アッベ法に基づき測定すればよい。すなわち、半導体材料だけからなる窓部材２の屈折率は、後述するＳＩＭＳ装置により検出した半導体材料を構成する元素をもとに本発明にかかる窓部材２と同形状のものを作製し、アタゴ社製「ＤＲ−Ｍ２」を用いて、アッベ法に基づき測定すればよい。
【００３４】
また、窓部材中２に水素化合物２０を含有していることを確認するためには、従来周知のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置や原子吸孔装置等を用いることができる。上記水素化合物２０の確認方法は、まず、窓部材下面から窓部材上面に向かって半導体材料を構成する元素の有無を確認する。次に、当該半導体材料を構成する元素が検出された深さ位置において、例えば５ｍｍ×５ｍｍの領域で水素元素の有無を確認すればよい。また、ＳＩＭＳ装置を用いれば水素化合物２０の状態として検出できるため好ましい。
【００３５】
ここで、窓部材２は、例えば後述する基体１の突出部１ｃの下面に金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）ロウや金（Ａｕ）−ゲルマニウム（Ｇｅ）ロウ等の窓接合材７を介して気密に接合されており、基体１の貫通孔１ｂの下側を窓部材２によって気密に塞いで気密な容器を形成している。
【００３６】
（素子）
素子３は、例えばダイオード型又はボロメータ型等の半導体素子を用いることができ、突出部１ｃの上側主面に素子接合材８を介して載置固定される。素子接合材８は、融点が窓接合材７の融点以下の金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀（Ａｇ）−錫（Ｓｎ）ロウ，樹脂接着剤等から成る。
【００３７】
素子３は、基体１の貫通孔１ｂの下側を窓部材２によって気密に塞いだ後、突出部１ｃの上面に形成された載置部１ａに素子接合材８を介して載置固定する。これにより、例えば窓部材２と突出部１ｃと素子３とで形成された気密空間が形成される。
【００３８】
この気密空間には、水素ガスが充填されてなることが好ましく、水素化合物２０を十分に形成することができるとともに、窓部材２下面の屈折率に気密空間の屈折率を近づけることができるため、より窓部材２と気密空間との間で光が反射することを抑制できる。
【００３９】
水素ガスの存在を確認するためには、例えば、ファイファバキューム社製四重極質量分析装置（ＱＭＩ  ４２２型）を用いて、米国ＭＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｅ  Ｍｅｔｈｏｄ  １０１８．３）に準拠したパッケージ内蔵ガスの分析を行えばよい。
【００４０】
なお、気密空間中は、真空、若しくは水素ガス等の気体であるため、その屈折率は、半導体材料や水素化合物２０よりも低いことが明らかである。
【００４１】
また、素子３を載置部１ａに素子接合材８を介して載置固定した後、素子３の上面に設けられた素子３の電極を基体１の棚部１ｅに設けられた配線導体４にボンディングワイヤ等の電気的接続手段５を介して電気的に接続する。そして、真空または窒素，不活性ガスの雰囲気内で基体１の上面に蓋体６を接合し、パッケージ内部を真空または窒素，不活性ガスの雰囲気に保持した状態で気密に封止する。
【００４２】
（スペーサ部材）
半導体素子５と窓部材２との間隔を規定するスペーサ部材１をさらに有することが好ましく、スペーサ部材１によって、素子３と窓部材２とが接触し、その摩擦により窓部材２から水素元素が除去されることを抑制できる。
【００４３】
また、素子３の上面、窓部材２の下面、及びスペーサ部材１の側面で気密空間を形成してなることが好ましく、
スペーサ部材１の側面に入射光が当たることにより素子３に入射し易いため、好適に光を素子３に入射させることができる。反対に、光を出射させる場合も当該構成により、スペーサ部材１の側面に反射光を当てることにより光に指向性を持たせることができる。
【００４４】
スペーサ部材１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス，ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質セラミックス等、若しくは樹脂やガラスなどからなる。
【００４５】
スペーサ部材１は、寸法精度の観点からセラミックからなることが好ましく、例えば、アルミナ質セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。
【００４６】
まず、アルミナ，酸化珪素（ＳｉＯ２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。このとき、水素雰囲気内で泥漿状とすれば、上記泥漿状材料に水素元素を含ませることができる。また、上記泥漿状材料に水素元素を吸着させることができる。これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。
【００４７】
次に、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し貫通孔１ｂ，突出部１ｃ，側壁１ｄ，棚部１ｅとなる打ち抜き部を形成する。そして、棚部１ｅの上面に配線導体４となるタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末に適当なバインダ，溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミックグリーンシートの所定位置にスクリーン印刷法等によって所定パターンに印刷塗布することによって、棚部１ｅの上面に配線導体４となる導体ペースト層を形成する。そして、これらの打ち抜き部と導体ペースト層が形成されたセラミックグリーンシートを積層し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによってメタライズ金属層から成る配線導体４が形成されたセラミック製の基体１が製作される。
【００４８】
また、セラミックスから成るスペーサ部材１において、後述する窓部材２の接合部，素子３の搭載部１ａ，蓋体６の接合部には、配線導体４と同様のタングステン，モリブデン，マンガン等から成るメタライズ金属層が被着形成されているのがよい。この構成により、窓部材２，素子３および蓋体６をそれぞれ窓接合材７，素子接合材８および蓋接合材９を用いて、強固に接合固定することができる。
【００４９】
基体１の貫通孔１ｂには、貫通孔１ｂの内面に全周にわたって内側に突出する突出部１ｃを有しており、突出部１ｃの上面に貫通孔１ｂを塞ぐように素子３が載置される載置部１ａを有している。また、突出部１ｃの下面の貫通孔１ｂを塞ぐとともに載置部１ａに対向するように窓部材２が接合されている。ここでは、突出部１ｃがスペーサの役割を有する。
【００５０】
このように、スペーサ部材１がセラミックスから成ることにより、半導体材料を含んでなる窓部材２を接合した場合であっても、窓部材２はスペーサ部材１から絶縁され、窓部材２に不要な電気信号が導通するのを防止して、窓部材２を透過する赤外線に不要な電磁ノイズが載ることを防止することができる。
【００５１】
また、基体１の上面の蓋体６が接合される箇所には、好ましくは、図１（ｂ）に示すように鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る金属枠体６ａが設けられているのがよい。この構成により、蓋体６を金属製とすることによって、蓋体６を金属枠体６ａにシーム溶接法等の溶接法によって接合することができ、蓋体６の接合の作業性を向上することができる。基体１がセラミックスから成る場合、金属枠体６ａは基体１の上面に銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ロウ等から成る金属枠体接合材１０を用いて接合することによって設けられ、基体１が樹脂から成る場合、金属枠体６ａは下側の一部をモールド成型で埋め込むことによって設けられる。金属枠体６ａはプレス加工，切削加工，エッチング加工等の従来周知の金属加工法によって形成される。
【００５２】
なお、基体１の表面に形成された配線導体４，窓部材２接合用の金属層，素子３接合用の金属層，蓋体６接合用の金属層等の金属層には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのニッケル層と、厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層とを順次メッキ法により被着させておくのがよく、金属層が酸化腐食するのを有効に防止できるとともに、配線導体４にボンディングワイヤ等の電気的接続手段５を強固に接続できるとともに、突出部１ｃの下面に窓部材２を強固に接合固定でき、載置部１ａに素子３を強固に接合固定することができ、基体１の上面に蓋体６を強固に接合固定できるようになる。
【００５３】
（蓋体）
蓋体６は、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属、またはアルミナ質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス等のセラミックス、またはエポキシ樹脂等の樹脂等から成り、図１（ａ），図１（ｂ）に示すような平板状や図示しないが逆凹状に形成されて成るものである。
【００５４】
蓋体６は基体１の貫通孔１ｂと窓部材２とから成る容器内部を気密に封止するためのものであり、基体１の貫通孔１ｂと窓部材２とから成る容器の載置部１ａに素子３を素子接合材８で載置固定し、素子３の電極を配線導体４に電気的接続手段５を介して電気的に接続した後、図１（ａ）に示すように基体１の上面に金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀−錫ロウ，樹脂接着剤等から成る蓋接合材９を用いて蓋体６を接合する。または、図１（ｂ）に示すように基体１の上面に銀−銅ロウ等から成る金属枠体接合材１０を用いて予め金属枠体６ａを接合しておき、金属枠体６ａに鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る蓋体６をシーム溶接法等の溶接法によって接合する。
【００５５】
好ましくは、金属枠体６ａが基体１の上面に銀−銅ロウ等から成る金属枠体接合材１０を用いて予め接合されているのがよい。この構成により、蓋体６を金属枠体６ａの上面にシーム溶接法等の溶接法によって接合することができ、蓋体６の接合の作業性を向上することができる。
【００５６】
また、このような蓋体６の溶接法を用いた接合においては、蓋体６と金属枠体６ａとの接合部のみが局所的に加熱されるのみであり、素子３の載置部１ａには熱が加わり難くすることができる。従って、素子３を載置部１ａに接合するための半田等の素子接合材８が再溶融するのを防止し、素子３と搭載部１ａとの間の接合の気密性が破れるのを防止することができる。
【００５７】
また、基体１と蓋体６との接合時に基体１に作用する基体１と蓋体６との熱膨張差による応力を吸収緩和する作用をなし、基体１にクラック等の破損が生じるのを防止し、その結果、基体１の気密信頼性を向上することができる。
【００５８】
＜光半導体装置＞
次に、上述した各部材を用いた光半導体装置について以下に詳細に説明する。
【００５９】
本発明の光半導体装置は、発光又は受光する素子３と、素子３上に対向配置され、半導体材料を含んでなる窓部材２と、を具備した光半導体装置であって、窓部材２は、半導体材料を構成する元素と水素元素との化合物（水素化合物）２０を含むことを特徴とするものである。
【００６０】
このような構成とすることによって、単に半導体材料を構成する元素に水素元素を含有させることで、パッシベーション効果により窓部材２中の欠陥部位を低減できるだけではなく、例えば素子３が受光する場合、すなわち、光半導体装置外部から窓部材２を介して素子３へ入射する光は、水素元素により屈折率が低くなった窓部材２を透過する。それゆえ、窓部材２で入射光が反射することを抑制し、入射光が十分な光強度を保ったまま素子３に入射させることができる。
【００６１】
反対に、素子３が発光する場合、すなわち、素子３から窓部材２を介して光半導体装置外部へ発光する光も、水素元素により屈折率が低くなった窓部材２を透過する。それゆえ、窓部材２で出射光が反射することを抑制し、反射光が再び素子３に入射することで素子３の動作が不安定になったり、出射光の光強度が不十分になったりすることを抑制できる。
【００６２】
また、図１（ａ），図１（ｂ）に示すパッケージの例においては、突出部１ｃより上側の基体１の側壁１ｄの内面には配線導体４が形成された棚部１ｅが設けられている。この配線導体４は素子３の電気信号の入出力用パッドとして機能し、配線導体４と素子３との電極がボンディングワイヤ等の電気的接続手段５を介して電気的に接続される。配線導体４が基体１の内部から外部に導出され外部電気回路に接続されることで、素子３と外部電気回路との間で電気信号の入出力が可能となり、光半導体装置として機能するようになる。
【００６３】
さらに、図示しないが、蓋体６を設ける代わりに樹脂で素子３をポッティングすれば、安価な光半導体装置を作製できるため好ましい。
【００６４】
好ましくは、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、光半導体装置において、素子３の下面と窓部材２の上面と基体１の貫通孔１ｂとで形成される空間の容積が、素子３の上面および側面と蓋体６の下面と基体１の貫通孔１ｂとで形成される空間の容積に比べ小さくなっているのがよい。この構成により、素子３の受光面３ａと窓部材２とにより形成される気密な空間の容積をより小さくし、赤外線の検出性能に極めて優れた光半導体装置とすることができる。例えば、基体１の突出部１ｃの厚さＡが、蓋体６の下面から素子３の上面までの距離Ｂに比べて小さくなっていればよい。
【００６５】
なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。
【００６６】
図２に示すようなパッケージであっても、窓部材に水素化合物２０を形成することによって、本発明に係る効果を奏することができることは言うまでもない。
【００６７】
また、半導体材料は、ゲルマニウム、又はシリコンからなることが好ましく、他の半導体元素よりも水素元素と結びつきが強いため、より一層水素化合物２０を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）は本発明の光半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図、（ｂ）は本発明の半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。
【図２】従来の半導体素子収納用パッケージおよび光半導体装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１：スペーサ部材（基体）
１ａ：載置部
１ｂ：貫通孔
１ｃ：突出部
２：窓部材
３：半導体素子
６：蓋体
６ａ：金属枠体
７：窓接合材
８：素子接合材
９：蓋接合材
１０：金属枠体接合材
２０：水素化合物
【図１】
2009111054.tif 000003
【図２】
2009111054.tif 000004