(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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と前記受光領域が平面的に重なっていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
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に平面的に見て凹部が、前記受光領域に平面的に見て凸部が形成され、前記凹部と凸部が互いに嵌まり込むように配置されていることを特徴とする受光素子。
【請求項３】
端面に発光点を有する発光素子を受光素子上面の受光領域に隣接して配置した光半導体装置において、前記発光素子をその発光点が前記受光領域と平面的に重なるように配置したことを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
端面に発光点を有する発光素子を受光素子上面の受光領域に隣接した素子配置用電極上に配置した光半導体装置において、前記受光領域の前記素子配置用電極と対向する側に平面的に見て突出した凸部を形成し、前記素子配置用電極の前記受光領域と対向する側に前記凸部が嵌まり込む窪んだ凹部を形成し、前記発光点を有する端面が前記凸部と凹部が嵌まり込む部分を横切るように前記発光素子を配置したことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
前記発光素子は、前記受光素子表面を基準とした前記発光点の高さが１２０μｍ以下になるように配置されていることを特徴とする請求項３もしくは４記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記発光素子を配置するための電極が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、この発光素子配置用の電極を前記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したことを特徴とする請求項３もしくは４記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記発光素子配置用の電極と前記受光領域の間に位置するように、前記受光素子を構成する半導体層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６記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信用の発光ダイオードや半導体レーザのように単一波長を出力する装置等の光出力をモニターするため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】
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（特開平６−５３６０３号公報参照）。図７に示すように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、サブマウントと受光素子１を兼用する場合が有る。この場合は、サブマウント表面の受光領域４を外れた領域にレーザ素子１８を配置するための電極１０を形成する。この電極１０は、酸化シリコンなどの絶縁膜８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、受光素子内臓のサブマウントの上に半導体レーザ素子を配置する場合、レーザ素子１８と受光領域４の間隔Ｌが変動すると、それに伴って受光素子の出力が変動することがある。例えば図６に実線で示すように、受光素子の表面からレーザ素子の発光点までの高さＨが１３０μｍの場合は、受光素子の出力電流Ｉｍが間隔Ｌに係らず略一定であるのに対して、高さＨが１０μｍの場合は、破線で示すように受光素子の出力電流Ｉｍが間隔Ｌが長くなるにしたがって急激に減少する。図６に破線で示すような傾向は、高さＨが１２０μｍ以下の場合、例えば半導体レーザの活性層を下側に配置する際に現れ、実線で示すような傾向は、高さＨが１３０μｍ以上の場合、例えば半導体レーザの活性層を上側に配置する際に現れる。
【０００４】
したがって、活性層で発生する熱をサブマウントを介して有効に逃がすために活性層を下側に配置する場合は、図６に破線で示すように出力電流Ｉｍが間隔Ｌによって変動し易いので、レーザ素子の取り付け状態によって、受光素子毎に電流Ｉｍが相違するという問題が発生する。
【０００５】
また、上記のように、レーザ素子配置用の電極を受光素子内臓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場合が有る。この様な傾向は、発光素子の放熱特性を改善するために素子配置用の電極を絶縁膜を介在しないで直接半導体層に接触させて配置するような場合や、素子形状の小型化に伴い、素子配置用電極と受光素子の受光領域の間隔を短くする場合に顕著となる。
【０００６】
そこで本発明は、受光素子の出力電流の変動を低減し出力特性を良好に維持することを課題の1つとする。また、素子配置用電極の放熱特性を改善することを課題の1つとする。また、使い勝手が良い光半導体装置を提供することを課題の1つとする。また、小型化を図った光半導体装置を提供することを課題の1つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は請求項１に記載のように、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と前記受光領域が平面的に重なっていることを特徴とする。この構成により、発光素子の発光点と受光領域の間隔変動を抑制し、取り付け状態による受光素子の出力変動を低減することができる。
【０００８】
本発明の受光素子は請求項２に記載のように、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に平面的に見て凹部が、前記受光領域に平面的に見て凸部が形成され、前記凹部と凸部が互いに嵌まり込むように配置されていることを特徴とする。この構成により、発光素子の発光点と受光領域の間隔変動を抑制し、取り付け状態による受光素子の出力変動を低減することができる。また、発光素子を電極上に安定して取付けることができる。
【０００９】
本発明の光半導体装置は請求項３に記載のように、端面に発光点を有する発光素子を受光素子上面の受光領域に隣接して配置した光半導体装置において、前記発光素子をその発光点が前記受光領域と平面的に重なるように配置したことを特徴とする。この構成により、発光素子の発光点と受光領域の間隔変動を抑制し、取り付け状態による受光素子の出力変動を低減することができる。
【００１０】
本発明の光半導体装置は請求項４に記載のように、端面に発光点を有する発光素子を受光素子上面の受光領域に隣接した素子配置用電極上に配置した光半導体装置において、前記受光領域の前記素子配置用電極と対向する側に平面的に見て突出した凸部を形成し、前記素子配置用電極の前記受光領域と対向する側に前記凸部が嵌まり込む窪んだ凹部を形成し、前記発光点を有する端面が前記凸部と凹部が嵌まり込む部分を横切るように前記発光素子を配置したことを特徴とする。この構成により、発光素子の発光点と受光領域の間隔変動を抑制し、取り付け状態による受光素子の出力変動を低減することができる。また、発光素子を電極上に安定して取付けることができる。
【００１１】
前記発光素子は、受光素子表面を基準とした発光点の高さが１２０μｍ以下になるように配置することができる。このような配置の発光素子であっても、その発光状態を受光素子によって確実に検出することができる。
【００１２】
前記発光素子を配置するための電極が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、この発光素子配置用の電極を前記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した構成とすることができる。この様な構成により、素子配置用電極に配置した素子の放熱性を高めることができる。また、発光素子に加わる高電圧の放電路を確保することができ、素子の静電耐圧を高めることができる。
【００１３】
前記発光素子配置用の電極と前記受光領域の間に位置するように、前記受光素子を構成する半導体層の表面に高濃度不純物層を形成することができる。この構成により、受光領域周辺の不用電荷をこの層によって吸収し、受光素子の特性改善を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。初めに第１の実施形態について図１、図２を参照して説明する。図1は本発明の受光素子１と発光素子１８からなる光半導体装置の実施形態を示す断面図、図2はその平面図である。図1は図2のＩ−Ｉに沿った断面図である。
【００１５】
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。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。
【００１６】
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（Ａｌ）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。また、隣接領域７上の絶縁膜８の上には金（Ａｕ）などからなる素子配置用電極１０を設けている。
【００１７】
発光素子１８は、前後方向の側端面に発光点１８ａ，１８ｂを有する端面発光型の半導体レーザ素子で、放熱性を高めるためにその活性層を素子の下部に近接して配置している。発光素子１８は、正負の電極を備え、この例ではそれらを上下の面に配置している。
【００１８】
前記受光領域４は、図２に示すように電極１０に対向する側に凸部４ａを突出して形成することによって、前記電極１０との平面的な重なりを持っている。この凸部４ａは、発光素子１８と受光領域４の間隔を埋める役目を果たす。発光素子１８は、モニター用の発光点１８ｂを有する後端面が電極１０の後縁から若干はみ出すように配置することによって、発光点１８ｂが凸部４ａと平面的に重なる。このようにして凸部４ａの先端部が電極１０及び発光素子１８の後縁よりも前側に位置するような配置となっている。そのため、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。
【００１９】
次に、第２の実施形態を図３、図４を参照して説明する。第１の実施形態と共通の構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００２０】
第１の相違点は、絶縁膜８上に配置していた電極１０を、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配置した点である。一般的には熱伝導性に優れない絶縁膜８に貫通穴８ｂを設け、これを電極１０が貫通して基板２に電極１０の大部分を直接接触しているので、電極１０を絶縁膜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１８の放熱特性を改善することができる。また、基板２の抵抗値を最適化すれば、素子１８に静電気などの不所望の高電圧が加わった場合に、前記電極１０とシリコン基板２をその放電路として機能させることが可能となり、素子１８の耐圧を高めることができる。
【００２１】
第２の相違点は、シリコン基板２の上面に、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を形成した点である。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。
【００２２】
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。また、不純物層１１がない場合に比べて受光領域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。尚、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。
【００２３】
第３の相違点は、受光領域４に重なっていた電極１０の平面形状に受光領域４との平面的な重なりを持たないような変更を加えた点である。電極１０は前記受光領域４と対向する側に、凸部４ａを受け入れる凹部１０ａを形成することによって、電極１０が凸部４ａの両側を挟むような形状となっている。その結果、電極１０が受光領域４との平面的な重なりを持たないような配置となっている。
【００２４】
平面的に見て電極１０の凹部１０ａに受光領域の凸部４ａが嵌まり込み、その両者が嵌まり込んだ部分を発光点１８ｂを有する後端面が横切るように発光素子１８を配置している。その結果、発光素子１８の端面中央にある発光点１８ｂが凸部４ａ上に位置し、後端面の両端が電極１０上に位置する。このように、凸部４ａと凹部１０ａの存在によって、凸部４ａの先端部分を電極１０の最後尾よりも前方に配置することができるとともに、発光素子１８の後端面よりも前方に配置することができ、図６に示す間隔Ｌ＝０の状態を保持することができる。
【００２５】
次に、上述した図１〜４に実施形態を示した光半導体装置をパッケージに実装した実施形態について図５を参照して説明する。図５に示す実施形態は、発光素子１８として半導体レーザ素子を備え、サブマウントを兼ねる受光素子として上記の受光素子１を備えたフレームタイプの半導体レーザ装置１３を示している。
【００２６】
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。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、素子１８をその発光点１８ａ，ｂが素子の下部に位置するように、すなわち受光素子表面を基準とした発光点高さＨが１２０μｍ以下になうように半田や銀ペースト等の導電剤を用いて固定している。それによって、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１９が施されている。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。
【００２７】
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、素子１８の表裏電極に駆動電圧が供給されて素子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、それによって信号電極９に所定の電流出力Ｉｍ（モニター信号）が発生する。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、素子１８に与える電圧を制御することができる。
【００２８】
尚、上記実施例は、発光素子１８として半導体レーザ素子を用いる場合を例にとったが、本発明は、比較的波長が単一で光通信などに利用可能な発光ダイオードやそれ以外の半導体発光素子なども素子１８の対象とすることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、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、放熱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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体装置の実施形態を示す断面図である。
【図２】同の実施形態の平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図４】同実施形態の平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す平面図である。
【図６】発光点と受光面までの距離Ｌと受光素子の出力電流を示す特性図である。
【図７】従来例の断面図である。
【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  発光素子（レーザ素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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