JP5115073B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光情報処理あるいは光通信の光源として利用される半導体発光装置に関する。

光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）の光源への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬは、水分や湿気に晒されると劣化しやすいため、通常、キャンや樹脂などに封止されている。このような封止に関する技術がいくつかの特許文献により開示されている。

特許文献１は、半導体素子を被覆する液状樹脂と、該液状樹脂の表面を硬化させてなる表面硬化層とを備えた半導体装置である。液状樹脂により半導体素子を外気から保護し、半導体装置の放熱を促進する。

特許文献２は、光素子と、基板と、基板に実装された光素子を被う可撓性基板を有する光学装置である。可撓性基材を利用することで、基板に接続された光素子を封止し、光素子の劣化を防止している。

特許文献３は、光素子と、基板と、耐湿性を有するパッケージとを有する光モジュールである。パッケージを利用することで、基板に接続された光素子を封止し、光素子の劣化を防止している。

特開平７−３３５９８２ 特開２００２−１５１７０５ 特開２００５−３５３６３７

ＶＣＳＥＬやＬＥＤ等の半導体発光素子は、高温高湿の状況下で安定して動作することが要求されることがある。半導体発光素子をセラミックやキャンによる封止すれば、外部からの水分や湿気を防ぎ、かつ放熱を効果的に行うことが可能であるが、それらの封止はコストが高いという問題がある。他方、半導体発光素子を樹脂で封止すると、外部端子と樹脂との界面から湿気や水分が浸入し、半導体発光素子が劣化されることがある。また、樹脂封止の場合、放熱特性があまりよくなく、特にＶＣＳＥＬのような温度特性をもつデバイスの場合、温度上昇にともない出力が大きく低下してしまう。

本発明は、このような課題を解決するものであり、外部の湿気や温度から半導体発光素子を効果的に保護することができる半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体発光装置は、上部電極と裏面電極を含み、光を出射する半導体発光素子と、一方の主面に第１の導電層が形成された封止用基板と、一方の主面に凹部が形成され、少なくとも前記凹部を取り囲むように一方の主面上に絶縁層を介して第２の導電層が形成された導電性の基板とを有し、前記半導体発光素子が前記凹部内に収容され、前記半導体発光素子の裏面電極が前記凹部において前記基板に電気的に接続され、前記封止用基板が前記凹部を覆うように前記基板の一方の主面上に取り付けられ、前記半導体発光素子の上部電極と前記基板の第２の導電層が前記封止用基板の第１の導電層に電気的に接続される。

好ましくは、前記基板の一方の主面と対向する他方の主面には、第３の導電層が形成され、第３の導電層は、前記基板を介して前記半導体発光素子の裏面電極に電気的に接続される。好ましくは、前記凹部には、前記半導体発光素子の裏面電極と接続される第４の導電層が形成される。第４の導電層は、複数のバンプ電極を含むものであってもよい。

また、封止用基板および第１の導電層は、前記半導体発光素子の出射光を透過するようにしてもよいし、基板、第３の導電層および第４の導電層は、前記半導体発光素子の出射光を透過するようにしてもよい。

好ましくは、基板は、不純物がドーピングされたシリコン基板であり、凹部は、シリコン基板の一方の主面に形成される。あるいは、基板は、平坦な主面を有するシリコン基板と、シリコン基板上に取り付けられ、前記凹部を形成するように前記シリコン基板の主面上に設けられた絶縁部材とを含むものであってもよい。

半導体発光素子は、例えばＬＥＤやＶＣＳＥＬである。半導体発光装置は、凹部内に半導体発光素子から出射された光の一部を受光する受光素子を含むことができ、さらに凹部内に半導体発光素子を駆動する駆動回路素子を含むことができる。

本発明によれば、基板の凹部内に半導体発光素子を収容することにより、半導体発光素子を外部の湿気等から保護することができる。また、シリコン基板等の熱導電性の良い導電性の基板上に半導体発光素子を取り付けることで、半導体発光素子の放熱を効率良く行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。半導体発光装置１０は、レーザ光を出射するＶＣＳＥＬ２０と、ＶＣＳＥＬ２０から出射された光を透過するガラス基板３０と、一方の面に矩形状の凹部が形成され、当該凹部内にＶＣＳＥＬ２０を収容するシリコン基板４０とを含んでいる。図中、矢印Ｓは、ＶＣＳＥＬ２０から出射されたレーザ光がガラス基板３０を透過する様子を示している。

ＶＣＳＥＬ２０は、例えば一辺が約数５０〜１００μｍのチップであり、従来よりも小さく、また薄いものを用いる。ＶＣＳＥＬ２０の上面には、ｐ側の上部電極２２が形成され、裏面にはｎ側の裏面電極２４が形成され、上部電極２２および裏面電極２４に順方向の電流を印加することで、ＶＣＳＥＬ２０は、レーザ光を出射する。

ガラス基板３０は、シリコン基板４０の凹部４０ａを覆う矩形状の平板である。ガラス基板３０の裏面全体には、スパッタリング等により透明電極層３２が形成されている。透明電極層３２は、例えば、ＩＴＯ等の導電性の薄膜であり、ＶＣＳＥＬ２０のレーザ光を透過する。透明電極３２は、ＶＣＳＥＬ２０の上部電極２２に接続されるとともに、シリコン基板４０の凹部４０ａを取り囲むように形成されたｐ側電極層４２に接続される。

シリコン基板４０は、一辺が約３００〜５００μｍの直方体であり、一方の面にはＶＣＳＥＬ２０を収容可能な凹部４０ａが形成されている。凹部４０ａは、好ましくは、公知のフォトリソ工程により形成されたレジストパターンをマスクにシリコン基板を異方性エッチングすることにより形成される。シリコン基板４０は、例えば、ヒ素やリンなどの不純物をドープすることによりｎ型の導電性を有する。シリコン基板４０は、それ自身が電流経路として機能し、また、後述するように裏面にｎ側電極層４４を形成するため、比較的高い濃度にドーピングされることが望ましい。

シリコン基板４０の表面には、好ましくは、シリコン酸化膜等の絶縁膜４６が形成されている。ｐ側電極層４２は、凹部４０ａを取り囲むように絶縁膜４６上に形成される。ｐ側電極層４２は、絶縁膜４６によってシリコン基板４０と電気的に絶縁される。ｐ側電極層４２の一部はさらに、シリコン基板４０上のガラス基板３０によって露出された位置に延在し、そこに電極パッド４２ａを形成している。また、シリコン基板４０の裏面全体には、シリコン基板４０とオーミック接続されたｎ側電極層４４が形成されている。ｐ側電極層４２およびｎ側電極層４４は、例えばＡｕから構成される。

シリコン基板４０の凹部４０ａを構成する底面には、バンプ電極４８が形成されている。バンプ電極４８は、凹部４０ａ内に収容されたＶＣＳＥＬ２０の裏面電極２４に接続される。バンプ電極４８は、凹部４０ａの全面に一様の高さに形成される膜であってもよいし、ボール状または突起状の複数の電極であってもよい。

図２（ａ）は、ＶＣＳＥＬ２０の典型的な構成を示す断面図である。ＶＣＳＥＬ２０、ｎ型のＧａＡｓ基板２１０の裏面にｎ側の裏面電極２４を含み、基板２１０上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層２２４、ｎ型のＡｌＧａＡｓ半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ型反射鏡）２２６、活性領域２２８、ｐ型のＡｌＡｓの外縁を酸化させた領域を含む電流狭窄層２３０、ｐ型のＡｌＧａＡｓ半導体多層膜からなる上部ＤＢＲ２３２、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２３４を含んでいる。

基板２１０には、コンタクト層２３４から下部ＤＢＲ２２６の一部に到達する深さのリング状の溝２３６が形成され、この溝２３６によりレーザ光の発光部である円筒状のポストＰと接合領域２３８とが規定されている。ポストＰの頂部には、層間絶縁膜２４０のコンタクトホールを介してコンタクト層２３４にオーミック接続されたｐ側の上部電極２２ａ形成されている。、上部電極２２ａの中央には、レーザ光の出射領域を規定する円形状の出射口２４４が形成されている。また、接合領域２３８には、層間絶縁膜２４０を介して電極層２２ｂが形成され、電極層２２ｂは上部電極２２ａに接続されている。上部電極２２ａおよび電極層２２ｂは、ＶＣＳＥＬ２０の上部電極２２を構成することができ、上部電極２２ａおよび電極層２２ｂをガラス基板３０の透明電極層３２に接続することができる。

図２（ｂ）は、他のＶＣＳＥＬの構成例を示す断面図である。図に示すように、接合領域２３８には、上部電極２２ｂ上にさらに上部電極２２ｃを形成することで、ポストＰの上部電極２２ａよりも高くしている。これにより、上部電極２２ｃのみを透明電極３２に接続させ、ポストＰの上部電極２２ａをフリーにし、ポストＰへ負荷を与えないようすることができる。

ＶＣＳＥＬ２０の駆動は、次のようにして行われる。シリコン基板４０のｐ側電極層４２とｎ側電極層４４に順方向のバイアス電圧を印加する。ｐ側電極層４２は、ガラス基板３０の透明電極３２を介してＶＣＳＥＬ２０の上部電極２２に電気的に接続され、ｎ側電極層４４は、シリコン基板４０およびバンプ電極４８を介して裏面電極２４に電気的に接続される。しきい値を越える電流がＶＣＳＥＬ２０に与えられると、ポストＰの中心、すなわち上部電極２２ａの出射口２４４からレーザ光が出射される。レーザ光の波長は、例えば、８５０ｎｍである。
出射されたレーザ光は、透明電極２２およびガラス基板３０を透過して外部へ出力される。

本実施例の半導体発光装置１０によれば、ＶＣＳＥＬ２０は、シリコン基板内の密閉された空間に収容されるため、外気にさらされることはなく、湿度による劣化を防ぐことができる。また、ＶＣＳＥＬ２０または凹部４０ａ内の熱は、熱伝導性の高いシリコン基板４０および金属の電極層を介して効果的に外部へ放熱させることができる。さらに、シリコン基板への実装を可能にすることで、ＶＣＳＥＬチップのサイズを小さくできるため、１枚のウェハから大量のＶＣＳＥＬのチップを取ることができ、製造コストを低減することができる。また、ＶＣＳＥＬチップを薄くすることで、放熱特性もさらに改善される。さらに、半導体発光装置１０は、ＶＣＳＥＬ２０と同様に、上面と裏面にそれぞれｐ側電極層４２およびｎ側電極層４４を有するため、従来と同様の実装方法を利用してパッケージ化することが可能である。

次に、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法について図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ＶＣＳＥＬ２０をガラス基板３０に接合する。好ましくは、ＶＣＳＥＬ２０の上部電極２２と透明電極層３２とを熱処理により接合する。このとき、上部電極２２の上面に融点の低い導電性薄膜、例えば、インジウム薄膜等を形成し、ＩＴＯ／Ｉｎ／Ａｕにより、低温で接合するようにしてもよい。接合方法は、これに限らず、上部電極２２ｂと透明電極３２との間に導電性粒子を含む樹脂を介在させてもよい。この場合、ＶＣＳＥＬ２０のポストＰの上部電極２２ａが透明電極３２から離間され、ポストＰへの負荷をなくすことができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ２０がシリコン基板４０の凹部４０ａ内に収容され、ＶＣＳＥＬ２０の裏面電極２４がバンプ電極４８に接続され、ｐ側電極層４２が透明電極３２に接続される。この接合処理は、上記と同様に一定の温度下において熱処理等をすることにより行われる。これにより、シリコン基板４０の表面に形成されたｐ電極層４２は、透明電極層３２を介してＶＣＳＥＬ２０の上部電極２２に電気的に接続される。同時に、ｎ側電極層４４は、パンプ電極４８を介してＶＣＳＥＬ子２０の裏面電極２４に電気的に接続される。

次に、本発明の他の実施例について説明する。上記実施例では、単一のシリコン基板の表面に凹部を形成する例を示したが、これに限らず、例えば図４に示すように、平坦な面を有するｎ型のシリコン基板６０と、シリコン基板６０上に凹部６０ａを形成するための絶縁部材６２を形成するようにしてもよい。絶縁部材６２の表面には、ガラス基板３０の透明電極３２と接続するためのｐ側電極層６４が形成される。シリコン基板６０の裏面には、ｎ側金属層６６が形成される。絶縁部材６２は、例えば、セラミック部材やその他の絶縁樹脂等を用いることができる。

また、凹部を覆うガラス基板３０は、必ずしも平行平板に限らず、例えば図５に示すように、凸状の表面をもつガラス基板７０を用いるものであってもよい。これにより、ＶＣＳＥＬやその他の発光素子からの光をより収束させることができる。さらに、ガラス基板以外にも、ＶＣＳＥＬ２０やその他の発光素子からの光に対して透過性をもつ材料の基板を用いることができる。例えば、透明性ポリイミドであってもよい。さらに上記実施例では、シリコン基板を利用したが、これに限らず、放熱性を有するその他の導電性基板であってもよい。

上記実施例では、ＶＣＳＥＬのレーザ光をガラス基板側から出射させる例を示したが、これに限らず、反対側の基板から出射させるようにしてもよい。例えば、ＶＣＳＥＬのレーザ光の波長が１３００ｎｍのとき、出射光を透過する基板としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を利用してもよい。

上記実施例では、ＶＣＳＥＬ２０が単一のポストＰからレーザ光を出射する、シングルスポットの例を示したが、複数のポストを配列しそこからレーザ光を出射する、マルチスポットであっても良い。

さらに、半導体発光装置は、ＶＣＳＥＬの駆動回路やＶＣＳＥＬの出力をモニタするための受光素子を含むものであってもよい。例えば、シリコン基板の凹部内には、ＶＣＳＥＬと、ＶＣＳＥＬを駆動する駆動回路と、受光素子を含むものであってもよい。ＶＣＳＥＬで発光されたレーザ光の一部は、ガラス基板３０で反射され受光素子に受光され、その検出信号が駆動回路へ供給され、駆動回路は、ＶＣＳＥＬの出力が一定となるように駆動を制御する。この場合、ＶＣＳＥＬとは別に、駆動回路および受光素子のｐ側電極層を個別に用意する必要があるので、例えば図６に示すような多層配線構造を有する積層基板８０をシリコン基板６０上に取り付けるようにしてもよい。また、マルチスポットのＶＣＳＥＬであれば、スポットの数に応じた受光素子を配置するようにする。

上記実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。

次に、本実施例の半導体発光装置を適用した光モジュールの例を説明する。図７に示す光モジュールまたはパッケージ３００は、半導体発光装置１０を載せたダイパット３２０を円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入される。リード３４０は、ダイパット３２０を介し、半導体発光装置１０のｎ側電極層４４に電気的に接続され、リード３４２は、ボンディングワイヤ等により半導体発光装置１０のｐ側電極層４２に電気的に接続される。

ステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、半導体発光装置１０の光出射光軸と中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、ＶＣＳＥＬ２０からレーザ光が出射され、その放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬ２０の発光状態をモニタするための受光素子を含ませるようにしてもよい。

図８は、他の光モジュールの例を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示す光モジュール３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口内に平板ガラス３６２を固定している。半導体発光装置１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径が半導体発光装置１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整される。

図９は、図７に示す光モジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

ＶＣＳＥＬからのレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。

図１０は、図７に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。

図１１は、半導体発光装置を光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、半導体発光装置１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、半導体発光装置１０を駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１２は、光伝送装置の外観構成を示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１３示す。これらの図において、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１２に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

本発明に係る半導体発光装置は、光情報処理や光高速データ通信等の各分野で使用される光源に利用することができる。

図１（ａ）は本発明の実施例に係る半導体発光装置の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 ＶＥＣＳＥＬの構成を示す断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造工程を示す図である。 本実施例に係る半導体発光装置の変形例を示す図である。 本実施例に係る半導体発光装置の変形例を示す図である。 本実施例に係る半導体発光装置の変形例を示す図である。 半導体発光装置を実装した光モジュールの構成例を示す模式図である。 半導体発光装置を実装した他の光モジュールの構成例を示す模式図である。 図８に示す光モジュールを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 空間光伝送システムの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１２の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。

１０：半導体発光装置 ２０：ＶＣＳＥＬ
２２：上部電極 ２４：裏面電極
３０：ガラス基板 ３２：透明電極層
４０：シリコン基板 ４０ａ：凹部
４２：ｐ側電極層 ４４：ｎ側電極層
４６：絶縁層 ４８：バンプ電極

Claims (11)

1. 上部電極と裏面電極を含み、光を出射する半導体発光素子と、
   一方の主面に第１の導電層が形成された封止用基板と、
   一方の主面に凹部が形成され、少なくとも前記凹部を取り囲むように一方の主面上にシリコン酸化膜を介して第２の導電層が形成された不純物がドーピングされた導電性の単一のシリコン基板とを有し、
   前記半導体発光素子が前記凹部内に収容され、前記半導体発光素子の裏面電極が前記凹部において前記シリコン基板に電気的に接続され、前記封止用基板が前記凹部を覆うように前記基板の一方の主面上に取り付けられ、前記半導体発光素子の上部電極と前記シリコン基板の第２の導電層が前記封止用基板の第１の導電層に電気的に接続され、
   前記シリコン基板の一方の主面と対向する他方の主面には、第３の導電層が形成され、第３の導電層は、前記シリコン基板自身の導電性を介して前記半導体発光素子の裏面電極に電気的に接続される、半導体発光装置。
2. 前記第２の導電層は、前記封止用基板により露出された前記シリコン基板上において電極パッドを形成する、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記凹部には、前記半導体発光素子の裏面電極と接続される第４の導電層が形成される、請求項１または２に記載の半導体発光装置。
4. 前記第４の導電層は、複数のバンプ電極を含む、請求項３に記載の半導体発光装置。
5. 前記封止用基板および第１の導電層は、前記半導体発光素子の出射光を透過する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の半導体発光装置。
6. 前記基板は、前記半導体発光素子の出射光を透過する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の半導体発光装置。
7. 前記凹部は、シリコン基板の一方の主面をエッチングすることにより形成される、請求項１または３に記載の半導体発光装置。
8. 前記半導体発光素子は、面発光型半導体レーザである、請求項１ないし７いずれか１つに記載の半導体発光装置。
9. 請求項１ないし８いずれか１つに記載の半導体発光装置と、半導体発光装置から出射された光を入射する光学部材とを含むモジュール。
10. 請求項９に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
11. 請求項９に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。

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