JP2004039695A - 光起電力装置およびそれを用いた半導体スイッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大する。
【解決手段】半導体支持基板10と、この半導体支持基板10の一の面側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、光源と対向配置される受光チップ1Aを光起電力装置に設けた。半導体活性層12には、光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面に設けられている。複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域には、他の面側で反射部材としてのフレーム21により閉塞される凹所100が掘り込み形成されている。
【選択図】 図1
【解決手段】半導体支持基板10と、この半導体支持基板10の一の面側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、光源と対向配置される受光チップ1Aを光起電力装置に設けた。半導体活性層12には、光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面に設けられている。複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域には、他の面側で反射部材としてのフレーム21により閉塞される凹所100が掘り込み形成されている。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射により電気エネルギーを発生する半導体型の光起電力装置およびそれを用いた半導体スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図18は従来の光起電力装置の断面図である。この図に示す光起電力装置は、受光チップ1と、発光素子30と、この発光素子30が端部に実装されその発光素子30の一の電極と電気的に接続されるフレーム20と、受光チップ1と接着される支持用のフレーム21と、発光素子30の他の電極とボンディングワイヤWで電気的に接続されるフレーム22と、受光チップ1における直列接続された複数の光電セルの両端にそれぞれ電気的に接続される一対のフレーム(図示せず)と、これらのフレームの各一部を外部に露出した状態で上記各部を包み込む遮光性の樹脂部4とを備えている。
【0003】
受光チップ1は、大略、半導体支持基板(ここではシリコン基板)10と、この半導体支持基板10の一の面(図では上面)側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、発光素子30と対向配置される。そして、半導体活性層12には、発光素子30からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面側(図では半導体活性層12の上面)に設けられている。
【0004】
このような概略構成の受光チップ1についてさらに説明すると、受光チップ1は、半導体支持基板10と半導体活性層12との間に絶縁層11が介在するSOI(Si1icon On Insu1ator)基板により構成されている。
【0005】
半導体活性層12には、当該半導体活性層12における複数の光電セル120の部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セル120の部分を個々に分離するセル間分離領域122が、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されている。半導体活性層12をp型またはn型のいずれかである第一導電型であるとすると、セル間分離領域122は第一導電型とは異なる第二導電型の不純物領域として形成される。また、光電セル120の1セル内にはセル間分離領域122と表面近傍で重なり合う重なりあう第二導電型領域(第二導電型の高濃度不純物領域)123と、隣接するセル間分離領域122と表面近傍で重なり合いかつ第二導電型領域123から離隔した第一導電型領域(第一導電型の高濃度不純物領域)124とが形成されている。そして、光電セル120間の接続については、アルミ配線121によって一セルの第二導電型領域123と隣接する他セルの第一導電型領域124とを接続し、複数セルを直列接続することにより、それらの直列合成出力を光起電力素子の出力としている。
【0006】
発光素子30と半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側との間には、発光素子30の光を半導体活性層12における複数の光電セル120に照射するための導光路用の室が設けられ、この室内には透明樹脂40が充填されている
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂40内を通過して半導体活性層12における複数の光電セル120の表面に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力として取り出される。
【0007】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力がすみやかに止まる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記光生成電流は入射の光量と光電セルのpn接合面積とに依存するので、上記従来の光起電力装置では、光電セルがSOI基板の半導体活性層に沿って形成され、光生成電流に寄与するpn接合領域がSOI基板の表面側のみであり、光電セルのpn接合面積を大きくとることができないことから、光生成電流が小さいという課題があった。
【0009】
つまり、複数の光電セルからなる受光素子に光が照射されると、光励起された電子・正孔対が生成される。ここで、各光電セル内のp型領域で生成された光電子に着目すると、伝導帯の底に落ちた後、表面あるいはn型領域(n型シリコン層)との接合部へ向かって拡散し、あるものは半導体内部や表面の再結合中心で失われるが、接合部へ達した電子は接合部での強い電界に加速されて、n型領域へ流入する。n型領域中では電荷中性条件を満たすために、流入してきた電子と同数の電子がn型領域の電極から流出する。電極から流出した電子は、外部の負荷回路を経由して、p型領域で過剰になった正孔とp型領域の電極部で再結合する。生成された光電子の流れが光電流として観測される。以上のように光生成電流は入射の光量および光が照射されるpn接合面積に依存する。
【0010】
上記課題を解決するために光電セルのpn接合面積を大きくすると、光生成電流は大きくなるものの、トレードオフ関係にあるpn接合容量、つまり光電セル全体の静電容量が大きくなり、高速応答性能が劣化するという別の課題が発生する。
【0011】
本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる光起電力装置およびそれを用いた半導体スイッチを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項1記載の発明は、半導体支持基板と、この半導体支持基板の一の面側に設けられる半導体活性層とにより構成され、光源の光を受光する受光チップを備え、前記半導体活性層には、前記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セルが前記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セルを電気的に直列接続する配線が前記半導体支持基板側の面とは反対の面側に設けられ、前記複数の光電セルと対向する前記半導体支持基板の領域には、他の面側に開口を有する凹所が掘り込み形成され、この凹所の開口側に反射面が形成されていることを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は前記絶縁層まで掘り込み形成されていることを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は、前記絶縁層との間に前記半導体支持基板の一部を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成され、前記半導体支持基板の一部には電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物が含有されていることを特徴とする。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記半導体活性層には、当該半導体活性層における前記複数の光電セルの部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セルの部分を個々に分離するセル間分離領域が形成され、前記凹所は、前記セル間分離領域に対向する前記半導体支持基板の領域の全部または一部を除いた領域において前記絶縁層まで掘り込み形成されていることを特徴とする。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の光起電力装置において、前記凹所の側面は光反射面となっていることを特徴とする。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記光源としてそれぞれ設けられる第1の発光素子と第2の発光素子とを備えることを特徴とする。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記光源として発光素子を備え、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記発光素子の光を導く導光路を有することを特徴とする。
【0019】
請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれかに記載の光起電力装置と、この光起電力装置の光起電力を利用して開閉するスイッチとを備えることを特徴とする半導体スイッチ。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る各実施形態について図面を順次参照しながら説明する。先ず、本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る各実施形態の受光チップの構成について説明し、次に、本発明の光起電力装置に係る各実施形態の光起電力装置について説明する。
【0021】
(各実施形態の受光チップについて)
図1は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第1実施形態の受光チップの断面図、図2は同受光チップを用いた光起電力装置の特性図である。
【0022】
第1実施形態の受光チップ1Aは、図1に示すように、大略、半導体支持基板(シリコン基板)10と、この半導体支持基板10の一の面(図では上面)側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、図外の光源と対向配置される。そして、半導体活性層12には、上記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面側(図では上面)に設けられている。一方、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域には、他の面(図では下面)側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100が掘り込み形成されている。フレーム21は、金属製であり、少なくとも凹所100側の面が光反射面となるように処理されている。
【0023】
第1実施形態では、受光チップ1Aは、半導体支持基板10と半導体活性層12との間に絶縁層11が介在する、面方位(100)のSOI基板により構成され、凹所100は絶縁層11まで掘り込み形成され、半導体支持基板10における凹所100を形成する内周壁101は開口側ほどより広くなるテーパー状になっている。
【0024】
このような概略構成の受光チップ1Aについてさらに詳述すると、絶縁層11は、埋め込み酸化膜の絶縁膜である。
【0025】
半導体活性層12には、当該半導体活性層12における複数の光電セル120の部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セル120の部分を個々に分離するセル間分離領域122が、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されている。半導体活性層12をp型またはn型のいずれかである第一導電型であるとすると、セル間分離領域122は第一導電型とは異なる第二導電型で形成される。また、セル間分離領域122によって区切られた光電セル120の1セル内部には、セル間分離領域122と半導体活性層12の上面近傍で重なるように形成された高濃度の第二導電型領域123と、第二導電型領域123と離隔しかつ隣接するセル間分離領域122と上面近傍で重なるように形成される第一導電型領域124とが形成されている。そして、光電セル120間の接続については、アルミ配線121によって一セルの第二導電型領域123と隣接する他セルの第一導電型領域124とを接続し、複数セルを直列接続することにより、それらの直列合成出力を光起電力素子の出力としている。
【0026】
半導体支持基板10において、凹所100は、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)溶液等による異方性エッチングで掘り込み形成される。凹所100は絶縁層11に到達する深さまで形成されており、絶縁層11の露出領域は、半導体活性層12に形成された光電セル120の領域と対向している。異方性エッチングのため、凹所100の内周壁101は面方位(111)面となり、面荒れのない光反射面(鏡面)になっている。
【0027】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100を掘り込み形成することにより、図1に示すように、半導体活性層12に対し、半導体支持基板10側の面とは反対の面側から入射する光L1,L2が、半導体活性層12を通過した後に、凹所100により光エネルギーが減衰することなく、反射部材としての例えばフレーム21で反射して半導体活性層12に再度入射することになるから、半導体活性層12に再度入射する光により、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができる。つまり、光電セルのpn接合面積を大きくすることなく、しかも光源が発する光量を増やさなくても、光源から半導体活性層12への入射光量を等価的に増やすことができ、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができるため、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる(静電容量性能の維持および光生成電流特性の向上)。
【0028】
また、SOI基板を使用して、凹所100を絶縁層11まで掘り込み形成することにより、絶縁層11(埋め込み酸化膜)が露出した構造になるので、図1に示す光L3のように、空気−絶縁層11間の界面が入射光に対する反射膜として機能するとともに、光電セル電位と基板電位との間を絶縁できるので、光電セルの合成容量を低減することができる。
【0029】
さらに、凹所100の側面が光反射面(鏡面)となっているので、凹所100の側面で光が反射して半導体活性層12に再度入射するようになるから、光生成電流をさらに増大することができる。
【0030】
ここで、図2において、横軸に光電セルの合成静電容量の逆数、縦軸に光生成電流を示す。目盛りはいずれも規格化した単位である。この両対数グラフ上では右上領域に向かうほど高性能である。半導体活性層の表面(上面)レイアウトが同じ水準についてグループ化してある。このグラフによると、裏面(下面)掘り込みした光起電力装置は、裏面掘り込みしていない光起電力装置に比べて合成静電容量の低減および光生成電流の増加がみられ(「合成静電容量」対「光生成電流」)トレードオフ曲線の改善が見られる。
【0031】
図3は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第2実施形態の受光チップの断面図である。
【0032】
第2実施形態の受光チップ1Bは、図3に示すように、絶縁層11が設けられていない点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違し、凹所100は半導体活性層12に到達する深さまで掘り込み形成されている。
【0033】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100を掘り込み形成することにより、第1実施形態の受光チップ1Aと同様に、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0034】
図4は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第3実施形態の受光チップの断面図である。
【0035】
第3実施形態の受光チップ1Cは、図4に示すように、凹所100aが、絶縁層11との間に半導体支持基板10の一部102(厚みTの部分)を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成されている点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違する。なお、第3実施形態の半導体支持基板10における凹所100aを形成する内周壁101aも、第1実施形態の内周壁101と同様に面方位(111)面となり、面荒れのない光反射面(鏡面)になっている。
【0036】
このように、絶縁層11との間に半導体支持基板10の一部102を実質的な光透過性の層として残すことにより、光電セル部の薄膜領域(ダイヤフラム部)の強度を高めることができる。
【0037】
図5は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第4実施形態の受光チップの断面図である。
【0038】
第4実施形態の受光チップ1Dは、図5に示すように、実質的な光透過性の層として残る半導体支持基板の一部102aに、この一部102aが電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物を含有している点で、第3実施形態の受光チップ1Cと相違する。
【0039】
このように構成でも、第3実施形態と同様に、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0040】
図6は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第5実施形態の受光チップの断面図である。
【0041】
第5実施形態の受光チップ1Eは、図6に示すように、凹所100bが、セル間分離領域122に対向する半導体支持基板10の領域の全部または一部を除いた領域において絶縁層11まで掘り込み形成されている点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違する。凹所100bは、ICPによるドライエッチングにより絶縁層11に到達する深さまで垂直掘り込み形成される。
【0042】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材により閉塞される凹所100bを掘り込み形成する際に、凹所100bを、セル間分離領域122に対向する半導体支持基板10の領域の全部または一部を除いた領域において掘り込み形成することにより、光電セル部の薄膜領域(ダイヤフラム部)の強度をさらに高めることができるとともに、生成光電流を増加させることができる。
【0043】
(各実施形態の光起電力装置について)
図7は本発明の光起電力装置に係る第1実施形態の光起電力装置の正面図、図8は図7のA1−A1’線における断面図である。なお、図7,図8中のWはボンディングワイヤである。
【0044】
第1実施形態の光起電力装置は、図7,図8に示すように、上記受光チップ1Aと同様の断面構造を持つ受光チップ1Fと、半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側の上方に設けられる発光素子30と、この発光素子30が端部に実装されその発光素子30の一の電極と電気的に接続されるフレーム20と、半導体支持基板10の他の面側で凹所100を閉塞するフレーム21と、発光素子30の他の電極とボンディングワイヤで電気的に接続されるフレーム22と、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端にボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続されるフレーム23,24と、フレーム20〜24の各一部を外部に露出した状態で上記各部を包み込む遮光性の樹脂部4とを備えている。
【0045】
そして、発光素子30と半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側との間には、発光素子30の光を半導体活性層12における複数の光電セル120に照射するための導光路用の室が設けられ、この室内には透明樹脂40が充填されている一方、凹所100内も導光路用の室として透明樹脂41が充填されている。透明樹脂41を凹所100内に充填することにより、成型時の圧力に対してチップ割れを防止することができ、破壊耐性が向上する。
【0046】
ここで、上記構成の光起電力装置について補説すると、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されているセル間分離領域122は、第二導電型の不純物領域である。第二導電型領域123,第一導電型領域124は高濃度不純物領域である。フレーム21は、半導体支持基板10の他の面に接着され、フレーム20と対向するように配置される。
【0047】
いま、第一導電型の半導体活性層12を例えばp型であるとすれば、半導体活性層12における光電セル120の部分(図8のセル間分離領域122で囲繞される部分)がp型となり、このp型の部分とともに光電セル120を構成するセル間分離領域122はn型となる。そして、複数の光電セル120は直列接続され、その一端を担うp型の部分に接続されるアルミ配線121が、アノード側の電極となってフレーム23,24の一方に電気的に接続され、他端を担うn型のセル間分離領域122に接続されるアルミ配線121が、カソード側の電極となってフレーム23,24の他方に電気的に接続される。
【0048】
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂40内を通過して半導体活性層12における複数の光電セル120の表面に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24から外部に供給される。この外部に供給される電流量は、既に説明した凹所100の作用により増大する。
【0049】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24から外部への出力も止まる。
【0050】
図9は本発明の光起電力装置に係る第2実施形態の光起電力装置の正面図、図10は図9のA2−A2’線における断面図である。なお、図9,図10中のWはボンディングワイヤである。
【0051】
第2実施形態の光起電力装置は、図9,図10に示すように、凹所100内に収納される発光素子31をさらに備える点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターン付きフレーム21aを備える点、このパターン付きフレーム21aにフレーム20,22が電気的に接続される点で、第1実施形態の光起電力装置と相違する。
【0052】
このように構成される光起電力装置では、パターン付きフレーム21aを通じてフレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光するとともに、パターン付きフレーム21aから発光素子31に駆動電流が流れて発光素子31が発光すると、それらの光は透明樹脂40,41をそれぞれ通過して半導体活性層12における複数の光電セル120に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24からパターン付きフレーム21aに供給される。このパターン付きフレーム21aに供給される電流量は、既に説明した凹所100の作用により増大する。
【0053】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24からパターン付きフレーム21aへの出力も止まる。
【0054】
この構成によれば、2つの発光素子30,31が発光することにより光起電力が発生するので、より大きな光生成電流を取り出すことができる。
【0055】
図11は本発明の光起電力装置に係る第3実施形態の光起電力装置の正面図、図12は図11のA3−A3’線における断面図である。なお、図11,図12中のWはボンディングワイヤである。
【0056】
第3実施形態の光起電力装置は、図11,図12に示すように、受光チップ1Gの半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側と半導体支持基板10の凹所側とに発光素子30の光を導く導光路を有する点で、第1実施形態の光起電力装置と相違する。
【0057】
すなわち、第3実施形態の光起電力装置には、半導体支持基板10における凹所100cがその半導体支持基板10の一側面(図11の例では右側面)の中央部を切り欠いた形状になっており、凹所100cにより半導体支持基板10がコ字状になっている。そして、凹所100cは、半導体支持基板10の切り欠かれた部分から絶縁層11および半導体活性層12の側方を通って発光素子30の導光路用の室と連通し、これら連通した空間内に透明樹脂42が充填されている。
【0058】
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24から外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0059】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24から外部への出力も止まる。
【0060】
この構成によれば、発光素子30の光を半導体活性層12の両面に入射させることができるので、より大きな光生成電流を取り出すことができる。
【0061】
図13は本発明の光起電力装置に係る第4実施形態の光起電力装置の正面図、図14は図13のA4−A4’線における断面図である。なお、図14中のWはボンディングワイヤである。
【0062】
第4実施形態の光起電力装置は、図13,図14に示すように、発光素子30が、受光チップ1Gの半導体支持基板10の一側面の中央部が切り欠かれた側における受光チップ1Gの側方(図14では下方)に設けられる点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターンによる入力端子20a,22aを持つパターン付き基板21bを備える点、このパターン付き基板21bにおけるパターンによる出力端子23a,24aに、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端がボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続される点で、第3実施形態の光起電力装置と相違する。
【0063】
発光素子30は、一の電極がパターン付き基板21bと対面する側にあって入力端子20aとバンプで電気的に接続され、当該発光素子30の表面側に他の電極があってボンディングワイヤを介して入力端子22aと電気的に接続される。
【0064】
このように構成される光起電力装置では、入力端子20a,22aから発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力端子23a,24aから外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0065】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力端子23a,24a外部への出力も止まる。
【0066】
図15は本発明の光起電力装置に係る第5実施形態の光起電力装置の正面図、図16は図15のA5−A5’線における断面図である。なお、図15,図16中のWはボンディングワイヤである。
【0067】
第5実施形態の光起電力装置は、図15,図16に示すように、発光素子30が、受光チップ1Gの半導体支持基板10における凹所100c内に収納される点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターンによる入力端子20a,22aを持つパターン付き基板21cを備える点、このパターン付き基板21cにおけるパターンによる出力端子23a,24aに、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端がボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続される点で、第3実施形態の光起電力装置と相違する。
【0068】
このように構成される光起電力装置では、入力端子20a,22aから発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力端子23a,24aから外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0069】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力端子23a,24a外部への出力も止まる。
【0070】
図17は本発明の半導体スイッチに係る一実施形態の半導体スイッチの構成図である。
【0071】
本実施形態の半導体スイッチは、図17に示すように、これまでの各実施形態の光起電力装置と同様に、少なくとも発光素子30を含む発光部3および受光チップ1Hにより構成される光起電力装置と、この光起電力装置における受光チップ1Hの出力と接続される制御回路51と、この制御回路51により開閉制御されるスイッチ素子(図ではMOS型FET)521,522を含むスイッチ部52とにより構成されている。
【0072】
発光部3の入力端子T30,T31は、上述したフレーム20,22や入力端子20a,22aに対応する。受光チップ1Hの出力端子は、フレーム23,24や出力端子23a,24aに対応する。そして、スイッチ素子521,522は、ゲート電極同士、ソース電極同士がそれぞれ共通に接続され、各々のドレイン電極が出力端子T1,T2に接続されている。
【0073】
このように構成される半導体スイッチでは、入力端子T30,T31に入力信号が印加して発光素子30が発光すると、その光は直列に接続された複数の光電セル120に入射し、これらの光電セル120の両端に光起電力が発生する。この後、その光起電力を受けて制御回路51が起動し、スイッチ素子521,522のゲート容量への充電を始める。これにより、スイッチ素子521,522が導通状態となる。この後、入力端子T30,T31に入力信号が印加しなくなると、発光素子30の発光が止まり、制御回路51への光起電力の供給が止まる。これにより、制御回路51がスイッチ素子521,522のゲート電荷を速やかに放電させるように動作が切り換わり、この結果、スイッチ素子521,522が遮断状態となる。
【0074】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項1記載の発明は、半導体支持基板と、この半導体支持基板の一の面側に設けられる半導体活性層とにより構成され、光源の光を受光する受光チップを備え、前記半導体活性層には、前記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セルが前記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セルを電気的に直列接続する配線が前記半導体支持基板側の面とは反対の面側に設けられ、前記複数の光電セルと対向する前記半導体支持基板の領域には、他の面側に開口を有する凹所が掘り込み形成され、この凹所の開口側に反射面が形成されているので、半導体活性層に対し、半導体支持基板側の面とは反対の面側から入射する光が、半導体活性層を通過した後に、凹所により光エネルギーが減衰することなく、反射面で反射して半導体活性層に再度入射することになるから、半導体活性層に再度入射する光により、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができる。つまり、光源から半導体活性層への入射光量を等価的に増やすことができ、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができるため、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0075】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は前記絶縁層まで掘り込み形成されているので、絶縁層が露出した構造となり、空気−絶縁層間の界面が入射光に対する反射膜として機能し、半導体活性層への再入射光量が増大するため、光励起による電子・正孔対を効率よく発生させることができ、光生成電流の増大が可能となるとともに、光電セル電位と基板電位との間を絶縁ないし容量結合抑制できるので、光電セルの合成容量を低減することができる。
【0076】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は、前記絶縁層との間に前記半導体支持基板の一部を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成され、前記半導体支持基板の一部には電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物が含有されているので、光電セル部の薄膜領域(薄膜ダイヤフラム構造)の強度を高めることができる。
【0077】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記半導体活性層には、当該半導体活性層における前記複数の光電セルの部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セルの部分を個々に分離するセル間分離領域が形成され、前記凹所は、前記セル間分離領域に対向する前記半導体支持基板の領域の全部または一部を除いた領域において前記絶縁層まで掘り込み形成されているので、光電セル部の薄膜領域(薄膜ダイヤフラム構造)の強度を高めることができ、残存する半導体支持基板の側壁が光の反射面として機能するのでさらに生成光電流を増加することができる。
【0078】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の光起電力装置において、前記凹所の側面は光反射面となっているので、凹所の側面で光が反射して半導体活性層に再度入射するようになるから、光の散逸を抑制でき、光生成電流をさらに増大することができる。
【0079】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記光源としてそれぞれ設けられる第1の発光素子と第2の発光素子とを備えるので、生成光電流を増加することができる。
【0080】
請求項7記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記光源として発光素子を備え、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記発光素子の光を導く導光路を有するので、フレームの対向配置による光結合が不要で、実装が簡単になる。
【0081】
請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれかに記載の光起電力装置と、この光起電力装置の光起電力を利用して開閉するスイッチとを備えるので、スイッチの応答時間が複数の光電セルからなる光電素子の寄生容量に比例するが、寄生容量を小さくできるので、高速応答が可能になり、また、スイッチの応答時間はスイッチを駆動する光電素子の生成光電流に依存するが、生成光電流を大きくできるので、高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第1実施形態の受光チップの断面図である。
【図2】同受光チップを用いた光起電力装置の特性図である。
【図3】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第2実施形態の受光チップの断面図である。
【図4】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第3実施形態の受光チップの断面図である。
【図5】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第4実施形態の受光チップの断面図である。
【図6】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第5実施形態の受光チップの断面図である。
【図7】本発明の光起電力装置に係る第1実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図8】図7のA1−A1’線における断面図である。
【図9】本発明の光起電力装置に係る第2実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図10】図9のA2−A2’線における断面図である。
【図11】本発明の光起電力装置に係る第3実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図12】図11のA3−A3’線における断面図である。
【図13】本発明の光起電力装置に係る第4実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図14】図13のA4−A4’線における断面図である。
【図15】本発明の光起電力装置に係る第5実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図16】図15のA5−A5’線における断面図である。
【図17】本発明の半導体スイッチに係る一実施形態の半導体スイッチの構成図である。
【図18】従来の光起電力装置の断面図である。
【符号の説明】
1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H 受光チップ
10 半導体支持基板
100,100a,100b,100c 凹所
101 内周壁
11 絶縁層
12 半導体活性層
120 光電セル
121 アルミ配線
122 セル間分離領域
123 第二導電型領域
124 第一導電型領域
20〜24 フレーム
3 発光部
30,31 発光素子
4 樹脂部
40,41,42 透明樹脂
51 制御回路
52 スイッチ部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光照射により電気エネルギーを発生する半導体型の光起電力装置およびそれを用いた半導体スイッチに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図18は従来の光起電力装置の断面図である。この図に示す光起電力装置は、受光チップ1と、発光素子30と、この発光素子30が端部に実装されその発光素子30の一の電極と電気的に接続されるフレーム20と、受光チップ1と接着される支持用のフレーム21と、発光素子30の他の電極とボンディングワイヤWで電気的に接続されるフレーム22と、受光チップ1における直列接続された複数の光電セルの両端にそれぞれ電気的に接続される一対のフレーム(図示せず)と、これらのフレームの各一部を外部に露出した状態で上記各部を包み込む遮光性の樹脂部4とを備えている。
【0003】
受光チップ1は、大略、半導体支持基板(ここではシリコン基板)10と、この半導体支持基板10の一の面(図では上面)側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、発光素子30と対向配置される。そして、半導体活性層12には、発光素子30からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面側(図では半導体活性層12の上面)に設けられている。
【0004】
このような概略構成の受光チップ1についてさらに説明すると、受光チップ1は、半導体支持基板10と半導体活性層12との間に絶縁層11が介在するSOI(Si1icon On Insu1ator)基板により構成されている。
【0005】
半導体活性層12には、当該半導体活性層12における複数の光電セル120の部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セル120の部分を個々に分離するセル間分離領域122が、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されている。半導体活性層12をp型またはn型のいずれかである第一導電型であるとすると、セル間分離領域122は第一導電型とは異なる第二導電型の不純物領域として形成される。また、光電セル120の1セル内にはセル間分離領域122と表面近傍で重なり合う重なりあう第二導電型領域(第二導電型の高濃度不純物領域)123と、隣接するセル間分離領域122と表面近傍で重なり合いかつ第二導電型領域123から離隔した第一導電型領域(第一導電型の高濃度不純物領域)124とが形成されている。そして、光電セル120間の接続については、アルミ配線121によって一セルの第二導電型領域123と隣接する他セルの第一導電型領域124とを接続し、複数セルを直列接続することにより、それらの直列合成出力を光起電力素子の出力としている。
【0006】
発光素子30と半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側との間には、発光素子30の光を半導体活性層12における複数の光電セル120に照射するための導光路用の室が設けられ、この室内には透明樹脂40が充填されている
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂40内を通過して半導体活性層12における複数の光電セル120の表面に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力として取り出される。
【0007】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力がすみやかに止まる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記光生成電流は入射の光量と光電セルのpn接合面積とに依存するので、上記従来の光起電力装置では、光電セルがSOI基板の半導体活性層に沿って形成され、光生成電流に寄与するpn接合領域がSOI基板の表面側のみであり、光電セルのpn接合面積を大きくとることができないことから、光生成電流が小さいという課題があった。
【0009】
つまり、複数の光電セルからなる受光素子に光が照射されると、光励起された電子・正孔対が生成される。ここで、各光電セル内のp型領域で生成された光電子に着目すると、伝導帯の底に落ちた後、表面あるいはn型領域(n型シリコン層)との接合部へ向かって拡散し、あるものは半導体内部や表面の再結合中心で失われるが、接合部へ達した電子は接合部での強い電界に加速されて、n型領域へ流入する。n型領域中では電荷中性条件を満たすために、流入してきた電子と同数の電子がn型領域の電極から流出する。電極から流出した電子は、外部の負荷回路を経由して、p型領域で過剰になった正孔とp型領域の電極部で再結合する。生成された光電子の流れが光電流として観測される。以上のように光生成電流は入射の光量および光が照射されるpn接合面積に依存する。
【0010】
上記課題を解決するために光電セルのpn接合面積を大きくすると、光生成電流は大きくなるものの、トレードオフ関係にあるpn接合容量、つまり光電セル全体の静電容量が大きくなり、高速応答性能が劣化するという別の課題が発生する。
【0011】
本発明は、上記の点に鑑みて成されたものであり、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる光起電力装置およびそれを用いた半導体スイッチを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項1記載の発明は、半導体支持基板と、この半導体支持基板の一の面側に設けられる半導体活性層とにより構成され、光源の光を受光する受光チップを備え、前記半導体活性層には、前記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セルが前記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セルを電気的に直列接続する配線が前記半導体支持基板側の面とは反対の面側に設けられ、前記複数の光電セルと対向する前記半導体支持基板の領域には、他の面側に開口を有する凹所が掘り込み形成され、この凹所の開口側に反射面が形成されていることを特徴とする。
【0013】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は前記絶縁層まで掘り込み形成されていることを特徴とする。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は、前記絶縁層との間に前記半導体支持基板の一部を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成され、前記半導体支持基板の一部には電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物が含有されていることを特徴とする。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記半導体活性層には、当該半導体活性層における前記複数の光電セルの部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セルの部分を個々に分離するセル間分離領域が形成され、前記凹所は、前記セル間分離領域に対向する前記半導体支持基板の領域の全部または一部を除いた領域において前記絶縁層まで掘り込み形成されていることを特徴とする。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の光起電力装置において、前記凹所の側面は光反射面となっていることを特徴とする。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記光源としてそれぞれ設けられる第1の発光素子と第2の発光素子とを備えることを特徴とする。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記光源として発光素子を備え、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記発光素子の光を導く導光路を有することを特徴とする。
【0019】
請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれかに記載の光起電力装置と、この光起電力装置の光起電力を利用して開閉するスイッチとを備えることを特徴とする半導体スイッチ。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る各実施形態について図面を順次参照しながら説明する。先ず、本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る各実施形態の受光チップの構成について説明し、次に、本発明の光起電力装置に係る各実施形態の光起電力装置について説明する。
【0021】
(各実施形態の受光チップについて)
図1は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第1実施形態の受光チップの断面図、図2は同受光チップを用いた光起電力装置の特性図である。
【0022】
第1実施形態の受光チップ1Aは、図1に示すように、大略、半導体支持基板(シリコン基板)10と、この半導体支持基板10の一の面(図では上面)側に設けられる半導体活性層12とにより構成され、図外の光源と対向配置される。そして、半導体活性層12には、上記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セル120が上記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セル120を電気的に直列接続するアルミ配線121が半導体支持基板10側の面とは反対の面側(図では上面)に設けられている。一方、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域には、他の面(図では下面)側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100が掘り込み形成されている。フレーム21は、金属製であり、少なくとも凹所100側の面が光反射面となるように処理されている。
【0023】
第1実施形態では、受光チップ1Aは、半導体支持基板10と半導体活性層12との間に絶縁層11が介在する、面方位(100)のSOI基板により構成され、凹所100は絶縁層11まで掘り込み形成され、半導体支持基板10における凹所100を形成する内周壁101は開口側ほどより広くなるテーパー状になっている。
【0024】
このような概略構成の受光チップ1Aについてさらに詳述すると、絶縁層11は、埋め込み酸化膜の絶縁膜である。
【0025】
半導体活性層12には、当該半導体活性層12における複数の光電セル120の部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セル120の部分を個々に分離するセル間分離領域122が、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されている。半導体活性層12をp型またはn型のいずれかである第一導電型であるとすると、セル間分離領域122は第一導電型とは異なる第二導電型で形成される。また、セル間分離領域122によって区切られた光電セル120の1セル内部には、セル間分離領域122と半導体活性層12の上面近傍で重なるように形成された高濃度の第二導電型領域123と、第二導電型領域123と離隔しかつ隣接するセル間分離領域122と上面近傍で重なるように形成される第一導電型領域124とが形成されている。そして、光電セル120間の接続については、アルミ配線121によって一セルの第二導電型領域123と隣接する他セルの第一導電型領域124とを接続し、複数セルを直列接続することにより、それらの直列合成出力を光起電力素子の出力としている。
【0026】
半導体支持基板10において、凹所100は、TMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)溶液等による異方性エッチングで掘り込み形成される。凹所100は絶縁層11に到達する深さまで形成されており、絶縁層11の露出領域は、半導体活性層12に形成された光電セル120の領域と対向している。異方性エッチングのため、凹所100の内周壁101は面方位(111)面となり、面荒れのない光反射面(鏡面)になっている。
【0027】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100を掘り込み形成することにより、図1に示すように、半導体活性層12に対し、半導体支持基板10側の面とは反対の面側から入射する光L1,L2が、半導体活性層12を通過した後に、凹所100により光エネルギーが減衰することなく、反射部材としての例えばフレーム21で反射して半導体活性層12に再度入射することになるから、半導体活性層12に再度入射する光により、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができる。つまり、光電セルのpn接合面積を大きくすることなく、しかも光源が発する光量を増やさなくても、光源から半導体活性層12への入射光量を等価的に増やすことができ、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができるため、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる(静電容量性能の維持および光生成電流特性の向上)。
【0028】
また、SOI基板を使用して、凹所100を絶縁層11まで掘り込み形成することにより、絶縁層11(埋め込み酸化膜)が露出した構造になるので、図1に示す光L3のように、空気−絶縁層11間の界面が入射光に対する反射膜として機能するとともに、光電セル電位と基板電位との間を絶縁できるので、光電セルの合成容量を低減することができる。
【0029】
さらに、凹所100の側面が光反射面(鏡面)となっているので、凹所100の側面で光が反射して半導体活性層12に再度入射するようになるから、光生成電流をさらに増大することができる。
【0030】
ここで、図2において、横軸に光電セルの合成静電容量の逆数、縦軸に光生成電流を示す。目盛りはいずれも規格化した単位である。この両対数グラフ上では右上領域に向かうほど高性能である。半導体活性層の表面(上面)レイアウトが同じ水準についてグループ化してある。このグラフによると、裏面(下面)掘り込みした光起電力装置は、裏面掘り込みしていない光起電力装置に比べて合成静電容量の低減および光生成電流の増加がみられ(「合成静電容量」対「光生成電流」)トレードオフ曲線の改善が見られる。
【0031】
図3は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第2実施形態の受光チップの断面図である。
【0032】
第2実施形態の受光チップ1Bは、図3に示すように、絶縁層11が設けられていない点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違し、凹所100は半導体活性層12に到達する深さまで掘り込み形成されている。
【0033】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材としての例えばフレーム21により閉塞される凹所100を掘り込み形成することにより、第1実施形態の受光チップ1Aと同様に、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0034】
図4は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第3実施形態の受光チップの断面図である。
【0035】
第3実施形態の受光チップ1Cは、図4に示すように、凹所100aが、絶縁層11との間に半導体支持基板10の一部102(厚みTの部分)を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成されている点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違する。なお、第3実施形態の半導体支持基板10における凹所100aを形成する内周壁101aも、第1実施形態の内周壁101と同様に面方位(111)面となり、面荒れのない光反射面(鏡面)になっている。
【0036】
このように、絶縁層11との間に半導体支持基板10の一部102を実質的な光透過性の層として残すことにより、光電セル部の薄膜領域(ダイヤフラム部)の強度を高めることができる。
【0037】
図5は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第4実施形態の受光チップの断面図である。
【0038】
第4実施形態の受光チップ1Dは、図5に示すように、実質的な光透過性の層として残る半導体支持基板の一部102aに、この一部102aが電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物を含有している点で、第3実施形態の受光チップ1Cと相違する。
【0039】
このように構成でも、第3実施形態と同様に、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0040】
図6は本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第5実施形態の受光チップの断面図である。
【0041】
第5実施形態の受光チップ1Eは、図6に示すように、凹所100bが、セル間分離領域122に対向する半導体支持基板10の領域の全部または一部を除いた領域において絶縁層11まで掘り込み形成されている点で、第1実施形態の受光チップ1Aと相違する。凹所100bは、ICPによるドライエッチングにより絶縁層11に到達する深さまで垂直掘り込み形成される。
【0042】
このように、複数の光電セル120と対向する半導体支持基板10の領域に、他の面側で反射部材により閉塞される凹所100bを掘り込み形成する際に、凹所100bを、セル間分離領域122に対向する半導体支持基板10の領域の全部または一部を除いた領域において掘り込み形成することにより、光電セル部の薄膜領域(ダイヤフラム部)の強度をさらに高めることができるとともに、生成光電流を増加させることができる。
【0043】
(各実施形態の光起電力装置について)
図7は本発明の光起電力装置に係る第1実施形態の光起電力装置の正面図、図8は図7のA1−A1’線における断面図である。なお、図7,図8中のWはボンディングワイヤである。
【0044】
第1実施形態の光起電力装置は、図7,図8に示すように、上記受光チップ1Aと同様の断面構造を持つ受光チップ1Fと、半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側の上方に設けられる発光素子30と、この発光素子30が端部に実装されその発光素子30の一の電極と電気的に接続されるフレーム20と、半導体支持基板10の他の面側で凹所100を閉塞するフレーム21と、発光素子30の他の電極とボンディングワイヤで電気的に接続されるフレーム22と、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端にボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続されるフレーム23,24と、フレーム20〜24の各一部を外部に露出した状態で上記各部を包み込む遮光性の樹脂部4とを備えている。
【0045】
そして、発光素子30と半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側との間には、発光素子30の光を半導体活性層12における複数の光電セル120に照射するための導光路用の室が設けられ、この室内には透明樹脂40が充填されている一方、凹所100内も導光路用の室として透明樹脂41が充填されている。透明樹脂41を凹所100内に充填することにより、成型時の圧力に対してチップ割れを防止することができ、破壊耐性が向上する。
【0046】
ここで、上記構成の光起電力装置について補説すると、半導体活性層12の上面から下面にかけて形成されているセル間分離領域122は、第二導電型の不純物領域である。第二導電型領域123,第一導電型領域124は高濃度不純物領域である。フレーム21は、半導体支持基板10の他の面に接着され、フレーム20と対向するように配置される。
【0047】
いま、第一導電型の半導体活性層12を例えばp型であるとすれば、半導体活性層12における光電セル120の部分(図8のセル間分離領域122で囲繞される部分)がp型となり、このp型の部分とともに光電セル120を構成するセル間分離領域122はn型となる。そして、複数の光電セル120は直列接続され、その一端を担うp型の部分に接続されるアルミ配線121が、アノード側の電極となってフレーム23,24の一方に電気的に接続され、他端を担うn型のセル間分離領域122に接続されるアルミ配線121が、カソード側の電極となってフレーム23,24の他方に電気的に接続される。
【0048】
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂40内を通過して半導体活性層12における複数の光電セル120の表面に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24から外部に供給される。この外部に供給される電流量は、既に説明した凹所100の作用により増大する。
【0049】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24から外部への出力も止まる。
【0050】
図9は本発明の光起電力装置に係る第2実施形態の光起電力装置の正面図、図10は図9のA2−A2’線における断面図である。なお、図9,図10中のWはボンディングワイヤである。
【0051】
第2実施形態の光起電力装置は、図9,図10に示すように、凹所100内に収納される発光素子31をさらに備える点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターン付きフレーム21aを備える点、このパターン付きフレーム21aにフレーム20,22が電気的に接続される点で、第1実施形態の光起電力装置と相違する。
【0052】
このように構成される光起電力装置では、パターン付きフレーム21aを通じてフレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光するとともに、パターン付きフレーム21aから発光素子31に駆動電流が流れて発光素子31が発光すると、それらの光は透明樹脂40,41をそれぞれ通過して半導体活性層12における複数の光電セル120に入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24からパターン付きフレーム21aに供給される。このパターン付きフレーム21aに供給される電流量は、既に説明した凹所100の作用により増大する。
【0053】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24からパターン付きフレーム21aへの出力も止まる。
【0054】
この構成によれば、2つの発光素子30,31が発光することにより光起電力が発生するので、より大きな光生成電流を取り出すことができる。
【0055】
図11は本発明の光起電力装置に係る第3実施形態の光起電力装置の正面図、図12は図11のA3−A3’線における断面図である。なお、図11,図12中のWはボンディングワイヤである。
【0056】
第3実施形態の光起電力装置は、図11,図12に示すように、受光チップ1Gの半導体活性層12における半導体支持基板10側の面とは反対の面側と半導体支持基板10の凹所側とに発光素子30の光を導く導光路を有する点で、第1実施形態の光起電力装置と相違する。
【0057】
すなわち、第3実施形態の光起電力装置には、半導体支持基板10における凹所100cがその半導体支持基板10の一側面(図11の例では右側面)の中央部を切り欠いた形状になっており、凹所100cにより半導体支持基板10がコ字状になっている。そして、凹所100cは、半導体支持基板10の切り欠かれた部分から絶縁層11および半導体活性層12の側方を通って発光素子30の導光路用の室と連通し、これら連通した空間内に透明樹脂42が充填されている。
【0058】
このように構成される光起電力装置では、フレーム20,22から発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となってフレーム23,24から外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0059】
この後、フレーム20,22から発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、フレーム23,24から外部への出力も止まる。
【0060】
この構成によれば、発光素子30の光を半導体活性層12の両面に入射させることができるので、より大きな光生成電流を取り出すことができる。
【0061】
図13は本発明の光起電力装置に係る第4実施形態の光起電力装置の正面図、図14は図13のA4−A4’線における断面図である。なお、図14中のWはボンディングワイヤである。
【0062】
第4実施形態の光起電力装置は、図13,図14に示すように、発光素子30が、受光チップ1Gの半導体支持基板10の一側面の中央部が切り欠かれた側における受光チップ1Gの側方(図14では下方)に設けられる点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターンによる入力端子20a,22aを持つパターン付き基板21bを備える点、このパターン付き基板21bにおけるパターンによる出力端子23a,24aに、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端がボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続される点で、第3実施形態の光起電力装置と相違する。
【0063】
発光素子30は、一の電極がパターン付き基板21bと対面する側にあって入力端子20aとバンプで電気的に接続され、当該発光素子30の表面側に他の電極があってボンディングワイヤを介して入力端子22aと電気的に接続される。
【0064】
このように構成される光起電力装置では、入力端子20a,22aから発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力端子23a,24aから外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0065】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力端子23a,24a外部への出力も止まる。
【0066】
図15は本発明の光起電力装置に係る第5実施形態の光起電力装置の正面図、図16は図15のA5−A5’線における断面図である。なお、図15,図16中のWはボンディングワイヤである。
【0067】
第5実施形態の光起電力装置は、図15,図16に示すように、発光素子30が、受光チップ1Gの半導体支持基板10における凹所100c内に収納される点、フレーム21に代えて、発光素子31が実装されその両端と電気的に接続されたパターンによる入力端子20a,22aを持つパターン付き基板21cを備える点、このパターン付き基板21cにおけるパターンによる出力端子23a,24aに、半導体活性層12における直列接続された複数の光電セル120の両端がボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続される点で、第3実施形態の光起電力装置と相違する。
【0068】
このように構成される光起電力装置では、入力端子20a,22aから発光素子30に駆動電流が流れて発光素子30が発光すると、その光は透明樹脂42内を通過して半導体活性層12の両面から入射する。このとき、光起電力効果により光電セル内で電子・正孔対が光励起され、電極まで達すると光生成電流となって出力端子23a,24aから外部に供給される。この外部に供給される電流量は、凹所100cの作用により増大する。
【0069】
この後、発光素子30への駆動電流の供給が停止すると、発光素子30の発光が止まり、光電セル内部の電子・正孔対の発生もなくなり、出力端子23a,24a外部への出力も止まる。
【0070】
図17は本発明の半導体スイッチに係る一実施形態の半導体スイッチの構成図である。
【0071】
本実施形態の半導体スイッチは、図17に示すように、これまでの各実施形態の光起電力装置と同様に、少なくとも発光素子30を含む発光部3および受光チップ1Hにより構成される光起電力装置と、この光起電力装置における受光チップ1Hの出力と接続される制御回路51と、この制御回路51により開閉制御されるスイッチ素子(図ではMOS型FET)521,522を含むスイッチ部52とにより構成されている。
【0072】
発光部3の入力端子T30,T31は、上述したフレーム20,22や入力端子20a,22aに対応する。受光チップ1Hの出力端子は、フレーム23,24や出力端子23a,24aに対応する。そして、スイッチ素子521,522は、ゲート電極同士、ソース電極同士がそれぞれ共通に接続され、各々のドレイン電極が出力端子T1,T2に接続されている。
【0073】
このように構成される半導体スイッチでは、入力端子T30,T31に入力信号が印加して発光素子30が発光すると、その光は直列に接続された複数の光電セル120に入射し、これらの光電セル120の両端に光起電力が発生する。この後、その光起電力を受けて制御回路51が起動し、スイッチ素子521,522のゲート容量への充電を始める。これにより、スイッチ素子521,522が導通状態となる。この後、入力端子T30,T31に入力信号が印加しなくなると、発光素子30の発光が止まり、制御回路51への光起電力の供給が止まる。これにより、制御回路51がスイッチ素子521,522のゲート電荷を速やかに放電させるように動作が切り換わり、この結果、スイッチ素子521,522が遮断状態となる。
【0074】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項1記載の発明は、半導体支持基板と、この半導体支持基板の一の面側に設けられる半導体活性層とにより構成され、光源の光を受光する受光チップを備え、前記半導体活性層には、前記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セルが前記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セルを電気的に直列接続する配線が前記半導体支持基板側の面とは反対の面側に設けられ、前記複数の光電セルと対向する前記半導体支持基板の領域には、他の面側に開口を有する凹所が掘り込み形成され、この凹所の開口側に反射面が形成されているので、半導体活性層に対し、半導体支持基板側の面とは反対の面側から入射する光が、半導体活性層を通過した後に、凹所により光エネルギーが減衰することなく、反射面で反射して半導体活性層に再度入射することになるから、半導体活性層に再度入射する光により、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができる。つまり、光源から半導体活性層への入射光量を等価的に増やすことができ、光励起電子・正孔対をより多く発生させることができるため、光電セル全体の静電容量を大きくすることなく光生成電流を増大することができる。
【0075】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は前記絶縁層まで掘り込み形成されているので、絶縁層が露出した構造となり、空気−絶縁層間の界面が入射光に対する反射膜として機能し、半導体活性層への再入射光量が増大するため、光励起による電子・正孔対を効率よく発生させることができ、光生成電流の増大が可能となるとともに、光電セル電位と基板電位との間を絶縁ないし容量結合抑制できるので、光電セルの合成容量を低減することができる。
【0076】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は、前記絶縁層との間に前記半導体支持基板の一部を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成され、前記半導体支持基板の一部には電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物が含有されているので、光電セル部の薄膜領域(薄膜ダイヤフラム構造)の強度を高めることができる。
【0077】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の光起電力装置において、前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記半導体活性層には、当該半導体活性層における前記複数の光電セルの部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セルの部分を個々に分離するセル間分離領域が形成され、前記凹所は、前記セル間分離領域に対向する前記半導体支持基板の領域の全部または一部を除いた領域において前記絶縁層まで掘り込み形成されているので、光電セル部の薄膜領域(薄膜ダイヤフラム構造)の強度を高めることができ、残存する半導体支持基板の側壁が光の反射面として機能するのでさらに生成光電流を増加することができる。
【0078】
請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の光起電力装置において、前記凹所の側面は光反射面となっているので、凹所の側面で光が反射して半導体活性層に再度入射するようになるから、光の散逸を抑制でき、光生成電流をさらに増大することができる。
【0079】
請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記光源としてそれぞれ設けられる第1の発光素子と第2の発光素子とを備えるので、生成光電流を増加することができる。
【0080】
請求項7記載の発明は、請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置において、前記光源として発光素子を備え、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記発光素子の光を導く導光路を有するので、フレームの対向配置による光結合が不要で、実装が簡単になる。
【0081】
請求項8記載の発明は、請求項1から7のいずれかに記載の光起電力装置と、この光起電力装置の光起電力を利用して開閉するスイッチとを備えるので、スイッチの応答時間が複数の光電セルからなる光電素子の寄生容量に比例するが、寄生容量を小さくできるので、高速応答が可能になり、また、スイッチの応答時間はスイッチを駆動する光電素子の生成光電流に依存するが、生成光電流を大きくできるので、高速応答が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第1実施形態の受光チップの断面図である。
【図2】同受光チップを用いた光起電力装置の特性図である。
【図3】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第2実施形態の受光チップの断面図である。
【図4】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第3実施形態の受光チップの断面図である。
【図5】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第4実施形態の受光チップの断面図である。
【図6】本発明の光起電力装置が備える受光チップに係る第5実施形態の受光チップの断面図である。
【図7】本発明の光起電力装置に係る第1実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図8】図7のA1−A1’線における断面図である。
【図9】本発明の光起電力装置に係る第2実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図10】図9のA2−A2’線における断面図である。
【図11】本発明の光起電力装置に係る第3実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図12】図11のA3−A3’線における断面図である。
【図13】本発明の光起電力装置に係る第4実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図14】図13のA4−A4’線における断面図である。
【図15】本発明の光起電力装置に係る第5実施形態の光起電力装置の正面図である。
【図16】図15のA5−A5’線における断面図である。
【図17】本発明の半導体スイッチに係る一実施形態の半導体スイッチの構成図である。
【図18】従来の光起電力装置の断面図である。
【符号の説明】
1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H 受光チップ
10 半導体支持基板
100,100a,100b,100c 凹所
101 内周壁
11 絶縁層
12 半導体活性層
120 光電セル
121 アルミ配線
122 セル間分離領域
123 第二導電型領域
124 第一導電型領域
20〜24 フレーム
3 発光部
30,31 発光素子
4 樹脂部
40,41,42 透明樹脂
51 制御回路
52 スイッチ部
Claims (8)
- 半導体支持基板と、この半導体支持基板の一の面側に設けられる半導体活性層とにより構成され、光源の光を受光する受光チップを備え、
前記半導体活性層には、前記光源からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電セルが前記一の面に沿って複数形成されているとともに、これら複数の光電セルを電気的に直列接続する配線が前記半導体支持基板側の面とは反対の面側に設けられ、
前記複数の光電セルと対向する前記半導体支持基板の領域には、他の面側に開口を有する凹所が掘り込み形成され、この凹所の開口側に反射面が形成されている
ことを特徴とする光起電力装置。 - 前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、前記凹所は前記絶縁層まで掘り込み形成されていることを特徴とする請求項1記載の光起電力装置。
- 前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、
前記凹所は、前記絶縁層との間に前記半導体支持基板の一部を実質的な光透過性の層として残す深さまで掘り込み形成され、
前記半導体支持基板の一部には電気的に高抵抗特性を示すようになる不純物が含有されている
ことを特徴とする請求項1記載の光起電力装置。 - 前記受光チップは、前記半導体支持基板と前記半導体活性層との間に絶縁層が介在するSOI基板により構成され、
前記半導体活性層には、当該半導体活性層における前記複数の光電セルの部分の各周囲を囲繞することにより、それら複数の光電セルの部分を個々に分離するセル間分離領域が形成され、
前記凹所は、前記セル間分離領域に対向する前記半導体支持基板の領域の全部または一部を除いた領域において前記絶縁層まで掘り込み形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の光起電力装置。 - 前記凹所の側面は光反射面となっていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光起電力装置。
- 前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記光源としてそれぞれ設けられる第1の発光素子と第2の発光素子とを備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置。
- 前記光源として発光素子を備え、前記半導体活性層における前記半導体支持基板側の面とは反対の面側と前記半導体支持基板の凹所側とに前記発光素子の光を導く導光路を有することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の光起電力装置。
- 請求項1から7のいずれかに記載の光起電力装置と、この光起電力装置の光起電力を利用して開閉するスイッチとを備えることを特徴とする半導体スイッチ。
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