JP2012256683A - フォトカプラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧の異なる発光素子と受光素子との間の絶縁性を維持しつつ、受光効率の向上、素子動作の高速化を達成することができるフォトカプラ装置を提供する。
【解決手段】透明絶縁性基板１上に、ｎ型半導体層２、吸収層３、ｐ型半導体層４が積層され、ｎ型半導体層２〜ｐ型半導体層４までで、ＰＤを構成している。透明絶縁性基板１の裏面には、ｎ型半導体層５、活性層６、ｐ型半導体層７が下方向に向かって順に積層され、ｎ型半導体層５〜ｐ型半導体層７までで、ＬＥＤを構成している。低電圧側のＬＥＤと高電圧側のＰＤとの間に配置された透明絶縁性基板１は、発光素子側の動作電圧と受光素子側の動作電圧との電圧差よりも大きい耐圧を有するように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子と受光素子を組み合わせたフォトカプラ装置に関する。

発光素子と受光素子とを電気的に分離して電気信号の授受を行なう装置としてフォトカプラがある。例えば、図１１に示すように、従来のフォトカプラは、モールド樹脂１５０の中に配置された発光ダイオード１４１ａ、フォトダイオード１４１ｂを備えている。発光ダイオード１４１ａとフォトダイオード１４１ｂは、絶縁フィルム１５２で電気的に分離されており、エンキャップ樹脂１５１で埋められている。また、発光ダイオード１４１ａを発光させるための電源を供給するため、フォトダイオード１４１ｂの受光により生成された電気信号を取り出すために、それぞれリード線１５３が接続される。

近年、フォトカプラは自動車等のモータ駆動用の基板等に搭載される。この場合、発光側からの制御信号が受光側に伝達されてモータ駆動のドライブ信号となる。発光側は、低電圧側であり、例えば、０〜＋５Ｖで動作する。一方、受光側は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）による絶縁ゲートドライブ回路等に接続されており、高電圧側で動作する。高電圧側での動作電圧は、３００Ｖ〜７００Ｖ程度にまで達する。

これを、等価回路として表わしたものが、図１１である。制御回路１４０から制御信号が出力されると、これがフォトカプラ１４１の発光ダイオード１４１ａを駆動して発光する。この発光強度に応じてフォトダイオード１４１ｂが電気信号を出力する。フォトダイオード１４１ｂの出力信号は、トランジスタ１４１ｃで増幅されて取り出される。この信号は、例えば、０〜１８Ｖの範囲の信号となり、絶縁ゲートドライブ回路のゲート端子１４２に入力される。絶縁ゲートドライブ回路では、動作電圧が例えば３００Ｖ〜７００Ｖにまで達する。

したがって、発光ダイオード１４１ａが配置された発光側とフォトダイオード１４１ｂが配置された受光側との高耐圧絶縁は、重要である。そこで、図２１のように、絶縁フィルム１５２を設けて界面リークＲ２を防ぐようにし、発光ダイオード１４１ａに対するリード線とフォトダイオード１４１ｂに対するリード線の間隔を広げるようにして表面リークＲ１を防ぐようにしている。

昭６２−２４４１８１号公報 昭５８−１７００８２号公報

しかしながら、上記従来技術では、発光ダイオードとフォトダイオードを一定の距離を開けて配置せざるを得ないため、フォトダイオードの受光効率が悪くなっていた。また、受光効率を改善するためには、フォトダイオードの受光面積を大きくすれば良いが、受光面積が大きくすると素子容量が大きくなり、高速動作が行なえないという問題があった。

一方、特許文献１に示されるように、発光素子と透明膜と受光素子とを積層一体化したフォトカプラや、特許文献２に示されるように、透明絶縁基板の一方の面に発光デバイス、他方の面に受光デバイスを形成し、透明絶縁基板を介して光の授受を行なうようにしたフォトカプラが提案されている。

しかしながら、特許文献１、２に示されるフォトカプラは、低電圧側と高電圧側とを結合するフォトカプラを想定したものではない。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、動作電圧の異なる発光素子と受光素子との間の絶縁性を維持しつつ、受光効率の向上、素子動作の高速化を達成することができるフォトカプラ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のフォトカプラ装置は、半導体材料で構成された透明絶縁性基板の表面に形成された発光素子と、前記透明絶縁性基板の裏面に形成され前記発光素子と異なる動作電圧を有する受光素子とを備え、前記透明絶縁性基板は前記発光素子側の動作電圧と受光素子側の動作電圧との電圧差よりも大きい耐圧を有するように前記透明絶縁性基板の厚さが決定されていることを主要な特徴とする。

本発明によれば、半導体材料で構成された透明絶縁性基板の表面に形成された発光素子と、透明絶縁性基板の裏面に形成され発光素子と異なる動作電圧を有する受光素子とを備えており、透明絶縁性基板は発光素子側の動作電圧と受光素子側の動作電圧との電圧差よりも大きい耐圧を有するように透明絶縁性基板の厚さが決定されている。このため、発光素子と受光素子との間のリークを十分防止することができるとともに、透明絶縁性基板の厚みを小さくすることができる。透明絶縁性基板の厚みを小さくすることができれば、受光素子側の受光効率が向上し、受光素子を高速動作させることができる。

本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面を示す図である。 発光ダイオード構成材料の違いによる高温領域での発光強度の変化を示す図である。 ＳｉＣ−ＩＣにフォトカプラのＰＤ側をボンディングした状態を示す図である。 フォトカプラの等価回路を示す図である。 従来のフォトカプラの構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。構造に関する図面は模式的なものであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

図１は、本発明のフォトカプラ装置の一実施例の断面構造を示す。透明絶縁素子分離層である透明絶縁性基板１の一方の面（表面又は裏面）に発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が、他方の面（表面又は裏面）に受光素子としてフォトダイオード（ＰＤ）が形成されている。このように、透明絶縁素子分離層である透明絶縁性基板１は、ＬＥＤとＰＤを電気的に絶縁分離し、ＬＥＤの発光波長の光を透過させてＰＤに受光させるようにするものである。なお、透明絶縁素子分離層の表面又は裏面とは、透明絶縁素子分離層の一方の面を表面とした場合に、裏面は透明絶縁素子分離層を境界にして、前記一方の面と反対側の面を意味するもので、特に方向が限定されるものではない。

透明絶縁性基板１上に、ｎ型半導体層２、吸収層３、ｐ型半導体層４が積層され、ｎ型半導体層２上にはｎ電極１１が、ｐ型半導体層４上にはｐ電極１２が形成されている。ｎ型半導体層２〜ｐ型半導体層４までで、フォトダイオード（ＰＤ）を構成している。一方、透明絶縁性基板１の裏面には、ｎ型半導体層５、活性層６、ｐ型半導体層７が下方向に向かって順に積層され、ｎ型半導体層５上にはｎ電極１３が、ｐ型半導体層７上にはｐ電極１４が形成されている。ｎ型半導体層５〜ｐ型半導体層７までで、発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成している。ここで、透明絶縁性基板１は、エピタキシャル成長用の基板としての役割を合わせ持つものであっても良い。

図１のフォトカプラ装置は、図２０に示される制御回路等の低電圧側から供給される低電圧信号によりｎ電極１３とｐ電極１４間に駆動電圧又は駆動電流が供給される。すると、ＬＥＤの活性層６から光が生成される。活性層６からの光は、透明絶縁性基板１を透過して、ＰＤの吸収層３で吸収されて光電変換作用により電気信号に変換され、ｎ電極１１とｐ電極１２の間で取り出される。この取り出された電気信号は、図１１に示される増幅用トランジスタ等のトランジスタ回路ＩＣを介して高電圧側の駆動回路等に入力される。

したがって、透明絶縁性基板１は、ＬＥＤの活性層６で発生する光の波長に対して透明な材料で構成される。また、低電圧側のＬＥＤと高電圧側のＰＤとの間は、完全に絶縁しておく必要があるため、発光素子側（低電圧側）の動作電圧と受光素子側（高電圧側）の動作電圧との電圧差よりも大きい耐圧を有する基板となるように、透明絶縁性基板１の絶縁性を確保する。例えば、低電圧側の動作電圧の最小値と高電圧側の動作電圧の最大値との差の電圧よりも大きい耐圧を有するように透明絶縁性基板１を構成すれば良い。

他方、透明絶縁性基板１をＬＥＤの発光波長に対して透明な基板とするには、発光波長に対応して以下のような基板を例示することができる。サファイア基板の場合は波長１５０ｎｍ以上の光を、ＧａＮ基板の場合波長３６５ｎｍ以上の光を、ＳｉＣ基板の場合は波長３８０ｎｍ以上の光を、ＩｎＧａＮ基板の場合は波長４００ｎｍ以上の光を、ＧａＡｓ基板の場合は波長８７０ｎｍ以上の光を、ＩｎＰ基板の場合は波長９２０ｎｍ以上の光を、Ｓｉ基板の場合は波長１１２０ｎｍ以上の光を、ＩｎＧａＡｓ基板の場合は波長９５０ｎｍ以上の光を、Ｉｎ組成の異なるＩｎＧａＡｓ基板の場合は例えば波長１６７０ｎｍ以上の光を透過させることができる。すなわち、吸収端波長（バンドギャップ相当波長）がＬＥＤの発光波長よりも小さい材料を選べば良い。

他方、透明絶縁性基板１の高耐圧化を実現するためには、上記の発光波長に対応して選択した基板材料に対して、基板厚さを調整することで、対応することができる。あるいは、先に耐圧を考慮して高耐圧の材料を選択し、基板厚さを調整するようにしても良い。

例えば、透明絶縁性基板１の厚さが１００μｍの場合、基板を構成するノンドープ半導体材料により耐圧は次のようになる。ＧａＮ基板の場合は、絶縁破壊電界強度３．３ＭＶ／ｃｍであるので、１００μｍでは耐圧３３０００Ｖとなる。ＳｉＣ基板の場合は、絶縁破壊電界強度３．０ＭＶ／ｃｍであるので、１００μｍでは耐圧３００００Ｖとなる。サファイア基板の場合は、絶縁破壊電界強度０．５ＭＶ／ｃｍであるので、１００μｍでは耐圧５０００Ｖとなる。ＧａＡｓ基板の場合は、絶縁破壊電界強度０．４ＭＶ／ｃｍであるので耐圧４０００Ｖとなる。Ｓｉ基板の場合は、絶縁破壊電界強度０．３ＭＶ／ｃｍであるので耐圧３０００Ｖとなる。

ここで、図１に示すように、透明絶縁性基板１の厚みをｄ（ｃｍ）、耐圧（耐電圧）をＹ（Ｖ）、絶縁破壊電界強度をＥ（Ｖ／ｃｍ）とすると、Ｙ＝Ｅ×ｄと表わせる。透明絶縁性基板１を挟んで一方の面に形成されたＰＤと、他方の面に形成されたＬＥＤは異なる動作電圧を有しており、これらの動作電圧の差をＶＳとする。また、上記のように絶縁破壊電界強度Ｅは、透明絶縁性基板１の半導体材料により決定される。したがって、透明絶縁性基板１の所定の半導体材料に対して、Ｙ＞ＶＳであれば良い。Ｙ＝Ｅ×ｄを代入して式を変形すると、ｄ＞ＶＳ／Ｅとなる。このように、透明絶縁性基板１の厚みｄは、基板にノンドープ半導体材料を用いることで、絶縁破壊電界強度Ｅを上げることができ、厚みｄを小さくすることができる。

厚みｄを小さくすることができれば、ＬＥＤとＰＤの距離が近づく。これにより、受光効率を改善し、消費電力を低下させることができる。また受光効率の改善によって、ＰＤ素子面積を小さくすることができ、ＰＤ素子の容量を低減させることができるため、高速動作を行わせることができる。

例えば、透明性絶縁基板の厚みｄを１００μｍ以下とすることができる。ＰＤの素子面積をＳとする。また、ＬＥＤの活性層６の発光強度Ｐｏ（ｍＷ／ｃｍ^２）とし、活性層６からの光が透明絶縁性基板１を透過してきた透過光の吸収層３における受光強度をＰｄ（ｍＷ／ｃｍ^２）とする。ＰｏとＰｄの関係は、（Ｐｄ／Ｐｏ）∝１／ｄ^２で表される。すなわち、距離の２乗に反比例する。

従来、距離ｄが３００μｍであったとし、本発明により、距離ｄが１００μｍに改善されたとすると、ＰＤの吸収層３の受光面上では、受光強度が９倍に増加する。ＰＤの受光強度が、最初の３００μｍの距離ｄと同じ強度で良いとするならば、ＰＤの素子面積Ｓを１／９に縮小可能である。このとき、素子容量も１／９に低下するので９倍に高速化することができる。

図２にフォトカプラ装置の他の構成例を示す。図２では、透明絶縁性基板としてｐ型基板を用い、ｐ型基板の両側にｎ型半導体層を設けてｐ型基板の両側に空乏層を形成することで、絶縁性を確保したものである。

ｐ型基板２０上に、ｎ型半導体層２、吸収層３、ｐ型半導体層４が積層され、ｎ型半導体層２上にはｎ電極１１が、ｐ型半導体層４上にはｐ電極１２が形成されている。ｎ型半導体層２〜ｐ型半導体層４までで、フォトダイオード（ＰＤ）を構成している。一方、ｐ型基板２０の裏面には、ｎ型半導体層５、活性層６、ｐ型半導体層７が下方向に向かって順に積層され、ｎ型半導体層５上にはｎ電極１３が、ｐ型半導体層７上にはｐ電極１４が形成されている。ｎ型半導体層５〜ｐ型半導体層７までで、発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成している。

ここで、ＬＥＤ側の信号の供給や、ＬＥＤとＰＤ間の信号の伝達、ＰＤ側での信号の流れ等は図１と同様であるので説明を省略する。また、活性層６からの発光波長に対して透明な基板材料についても、図１と同様であるので省略する。ここで、ｐ型不純物がドープされたｐ型基板だけでは、ＰＤとＬＥＤとの間の絶縁性を確保することが困難であるため、図２に示すように、空乏層２０ａを形成させるようにする。このため、ｐ型基板２０の両側にｎ型半導体層２及びｎ型半導体層５を配置している。ｐｎ接合を形成することにより、キャリアがほとんど存在せず電気的に絶縁された空乏層２０ａを構成することができる。

なお、空乏層は、ｐ型基板２０のｐｎ接合界面付近に形成されるだけではなく、ｎ型半導体層２、５のｐｎ接合界面付近にも形成されるが、不純物濃度が低い領域の方が空乏層は大きく拡がるので、ｐ型基板内のみに例示している。ｐ型基板２０のｐ型不純物濃度を、例えば、１×１０^１６ｃｍ^−３とし、ｎ型半導体層２、５のｎ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とした場合は、空乏層２０ａのどちらか１方の耐圧は、約３０００Ｖ程度となる。耐圧を上げる場合には、空乏層の厚さを大きくすれば良い。このためには、例えば、低不純物濃度層であるｐ型基板２０のｐ型不純物濃度を下げれば良い。

図３は、図２の変形例に相当する。図３では、透明絶縁性基板としてｎ型基板を用い、ｎ型基板の両側にｐ型半導体層を設けてｎ型基板の両側に空乏層を形成することで、絶縁性を確保したものである。

ｎ型基板３０上に、ｐ型半導体層４、吸収層３、ｎ型半導体層２が積層され、ｎ型半導体層２上にはｎ電極１１が、ｐ型半導体層４上にはｐ電極１２が形成されている。ｎ型半導体層２〜ｐ型半導体層４までで、フォトダイオード（ＰＤ）を構成している。一方、ｎ型基板３０の裏面には、ｐ型半導体層７、活性層６、ｎ型半導体層５が下方向に向かって順に積層され、ｎ型半導体層５上にはｎ電極１３が、ｐ型半導体層７上にはｐ電極１４が形成されている。ｎ型半導体層５〜ｐ型半導体層７までで、発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成している。

ここで、ｎ型不純物がドープされたｎ型基板だけでは、ＰＤとＬＥＤとの間の絶縁性を確保することが困難であるため、図３に示すように、空乏層３０ａができるように構成する。このため、ｎ型基板３０の両側にｐ型半導体層４及びｐ型半導体層７を配置している。ｐｎ接合を形成することにより、キャリアがほとんど存在せず電気的に絶縁された空乏層３０ａを構成することができる。

なお、空乏層は、ｎ型基板３０のｐｎ接合界面付近に形成されるだけではなく、ｐ型半導体層４、７のｐｎ接合界面付近にも形成されるが、不純物濃度が低い領域の方が空乏層は大きく拡がるので、ｎ型基板内のみに例示している。ｎ型基板３０の耐圧は、図２と同様、ｎ型基板３０のｐ型不純物濃度を、例えば、１×１０^１６ｃｍ^−３とし、ｐ型半導体層４、７のｐ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とした場合は、空乏層３０ａのどちらか１方の耐圧は、約３０００Ｖ程度となる。

図４は、放熱性特性を改善したフォトカプラ装置を示す。図４のフォトカプラ装置の構成は、支持基板１００を除いて図１と同様であるので、透明絶縁性基板１〜ｐ型半導体層７、ｎ電極１１〜ｐ電極１４に関する説明は省略する。図１のフォトカプラのＬＥＤ側をフリップチップダイボンディングにより支持基板１００に接合した構成となっている。フリップチップダイボンディングにより、ｎ電極１３及びｐ電極１４が支持基板１００の対応する領域に接続される。支持基板１００は、放熱性を高めるために、金属ベースの基板を用いるのが良い。フリップチップダイボンディングにより、ＬＥＤ側を実装基板側へ密着させることで放熱特性がさらに改善する。

図５は、図４と異なり、フォトカプラのＰＤ側をフリップチップダイボンディングにより支持基板１００に接合した構成となっている。フリップチップダイボンディングにより、ＰＤ側を実装基板側へ密着させることで放熱特性が改善する。また、支持基板１００を放熱性の良い材料で構成することが好ましい。

図６は、図１と異なり、フォトダイオード（ＰＤ）に吸収層３を用いずに、ショットキー接合による空乏層を用いた構成となっている。透明絶縁性基板１上に、ｎ型半導体層２１が積層され、ｎ型半導体層２１上にはオーミック電極２３と、ショットキー電極２２が形成されている。ｎ型半導体層２１で、フォトダイオード（ＰＤ）を構成している。

一方、透明絶縁性基板１の裏面には、ｎ型半導体層５、活性層６、ｐ型半導体層７が下方向に向かって順に積層され、ｎ型半導体層５上にはｎ電極１３が、ｐ型半導体層７上にはｐ電極１４が形成されている。ｎ型半導体層５〜ｐ型半導体層７までで、発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成している。また、ＬＥＤ側がフリップチップダイボンディングにより支持基板１００に接合されており、ｎ電極１３とｐ電極１４が基板１００に接合されている。

ここで、ｎ型半導体層２１とショットキー電極２２は、ショットキー接合状態にある。ショットキー電極２２としては、例えば、ｎ型半導体層２１に接触する側からＰｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）を順に積層したＰｄ／Ａｕ、あるいはＮｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を順に積層したＮｉ／Ａｕの金属多層膜を用いることができる。ショットキー電極とするためには、ショットキー接合面に用いられる金属の仕事関数がｎ型半導体層２１の電子親和力よりも大きくなるようにすれば良い。

このようにしてｎ型半導体層２１に形成された空乏層２１ａは、ＬＥＤからの発光を吸収して電気信号に変換する。一方、ｎ型半導体層２１にオーミック接触しているオーミック電極２３は、例えば、ｎ型半導体層２１に接触する側からＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）を順に積層したＴｉ／Ａｌの金属多層膜を用いることができる。

図６の構成において、エピタキシャル成長用基板でもある透明絶縁性基板１をサファイアとし、ＬＥＤはＡｌＧａＮ、ＰＤはＳｉＣとするなど、ＬＥＤからの発光が基板を透過し、ＰＤで吸収でき、かつそれぞれがエピタキシャル成長により積層することができれば、材料の組み合わせは自由である。

図７は、フォトダイオード（ＰＤ）側の部分をフォトＩＣとした構成である。フォトＩＣとは、ＰＤを構成する半導体層及び図１１のトランジスタ１４１ｃによるトランジスタ回路を含めてＩＣ化したものである。透明絶縁性基板１上にフォトＩＣ４１が形成され、フォトＩＣ４１上に正電極４２、負電極４３が形成される。正電極４２、負電極４３は、フォトＩＣ４１で受光により発生した電気信号を取り出す電極端子となる。他の構成は図４と同じであるので、説明を省略する。

図８は、ＰＤ側の構成に関しては図５と同一である。図５と異なるのは、透明絶縁性基板１の上側に形成されている素子がＬＥＤでなく、面発光半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）であることである。ＶＣＳＥＬは、ｎ型半導体層５１、活性層５２、ｐ型半導体層５３により構成される。ｎ型半導体層５１上にはｎ電極５４が、ｐ型半導体層５３上にｐ電極５５が形成される。例えば、ｎ型半導体層５１はｎ型多層膜反射層、ｐ型半導体層５３はｐ型多層膜反射層であり、このｎ型多層膜反射層からｐ型多層膜反射層までの間で共振器を構成する。

図８の構造として、一例を挙げると、透明絶縁性基板１にＧａＡｓ基板を用い、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長によってＩｎＧａＡｓ活性層の波長９５０ｎｍのＶＣＳＥＬ積層構造を作製する。ＧａＡｓ基板の裏面に、吸収層３をＩｎＧａＡｓとしたＰＩＮ−フォトダイオードの結晶成長を行う。結晶成長後、エッチング工程、電極形成工程などを経て、ｎ型半導体層２〜ｐ型半導体層４からなるモニター用ＰＤを作製する。

反対側の基板上面に形成したＶＣＳＥＬの積層構造に、エッチング工程、電極形成工程などを経てＶＣＳＥＬを作製する。ここで、モニター用ＰＤはＰＩＮ構造以外にショットキー構造を用いることができる。

以上のように、透明絶縁性基板を挟んで、一方の面にＬＥＤを他方の面にＰＤを作製することにより、ＬＥＤとＰＤとの間の絶縁性を十分に確保しつつ、部材コストや組み立てコストを低減することができ、アライメント作業が不要となるため生産効率が向上する。

次に、例えば、発光波長が４００ｎｍ のＧａＮ活性層を用いたＬＥＤを作製し、ＰＤに発光波長４００ｎｍに対応したＧａＮ吸収層を作製した場合の受光感度は１．５ｍＡ／Ｗである。これに対して、ＩｎＧａＮ活性層によるＰＤの場合は１００ｍＡ／Ｗの受光感度になる。このように、ＬＥＤとＰＤを作製する場合、ＬＥＤの発光波長よりも長波長側に吸収端波長を有する混晶材料によりＰＤの吸収層を作製することで、受光感度の改善が可能になる。

ＬＥＤの発光波長よりも大きい吸収波長端を有する材料でＰＤの吸収層を構成することで、ＬＥＤの発光波長のピーク部分を含めて吸収することができ、受光感度を大きくすることができる。なお、この場合のＰＤの吸収層の材料は、ＬＥＤの活性層材料に他の成分を加えた混晶材料とすることで、容易に実現することができる。

次に、従来、ＬＥＤに用いられているＡｌＧａＡｓ系では、一般的に高温での発光強度低下が著しい。そこで、ＬＥＤにＧａＮ系の半導体を用いて、高温での発光強度が高い発光源を形成する。ＧａＮ系のＬＥＤとは、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等のＧａＮをベースにした材料により構成されたＬＥＤである。ＧａＮ系半導体を利用することで、高温でのフォトカプラ動作が可能となる。受光側もこれに合わせて、高温に強いＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＧａＮ系のＰＤ、ＳｉＣ−ＰＤ等を用いる。これには、ＰＩＮ構造、ショットキー構造、ＳｉＣフォトＩＣ、ＧａＮ系フォトＩＣが含まれる。また、受光側にＧａＮ系のＰＤを用い、このＰＤとトランジスタ回路からなるＳｉＣ−ＩＣと複号化したフォトＩＣとしても良い。これらのＩＣは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造としても良い。

図９は、ＬＥＤ高温発光評価を示す。縦軸は正規化された発光強度（任意単位）を、横軸は温度（℃）を示す。Ｙ１の曲線は発光波長４４０ｎｍのＩｎＧａＮ−ＬＥＤを、Ｙ２の曲線は発光波長３６５ｎｍのＧａＮ−ＬＥＤを、Ｙ３の曲線は発光波長９５０ｎｍのＩｎＧａＡｓ−ＬＥＤを示す。例えば、ＬＥＤの温度−発光強度曲線Ｙ１は、室温である２５℃のときの発光強度を１とし、温度変化による発光強度を２５℃のときの発光強度で正規化した曲線である。他のＬＥＤの温度−発光強度曲線Ｙ２、Ｙ３も同様である。

Ｙ１〜Ｙ３のうち、Ｙ１が温度を高温に変化させても、発光強度はそれほど低下していないことがわかる。Ｙ１の２５℃での発光強度と２００℃での発光強度を比較すると、２００℃での発光強度は２５℃での発光強度から２０％程度低下している。また、Ｙ１の曲線では、さらに高温の２５０℃での発光強度は２５℃での発光強度から２５％程度の低下に留まっている。

一方、Ｙ２は、２００℃での発光強度は２５℃での発光強度から６０％程度低下している。他方、Ｙ３は、２００℃での発光強度は２５℃での発光強度から８０％程度低下している。以上のように、ＬＥＤを作製するに際して、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＡｓの材料のうち、高温で発光効率を良くするためには、ＧａＮ系半導体が望ましく、ＧａＮ系半導体の中ではＩｎＧａＮが最も適していることがわかる。

次に、例えば、図１のフォトカプラ装置の製造方法の一例を説明する。最初にＰＤ側の半導体層を作製する。透明絶縁性基板１上に４００〜７００℃の低温で有機金属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）により、キャリアガスＨ_２とともに有機金属化合物ガスであるトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、アンモニア（ＮＨ_３）およびドーパントとしてのＳｉＨ_４などを供給し、ｎ型のＧａＮ層からなる低温バッファ層を０．０１〜０．２μｍ程度形成し、次いで９００〜１２００℃の高温で同じガスを供給し、同じ組成のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層を２〜５μｍ程度形成する。

前述のガスにさらにトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）の原料ガスを加え、ｎ型ドーパントのＳｉを含有したｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎ（０＜ｘ＜１）層を成膜し、ダブルヘテロ接合形成のためのｎ型クラッド層を０．１〜０．３μｍ程度形成する。

ここで、上記、ｎ型ＧａＮ低温バッファ層、ｎ型ＧａＮ高温バッファ層、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎクラッド層が、ｎ型半導体層２に対応する。

前述の原料ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩという）を導入し、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより小さくなる材料、たとえばＧａ_ｙ Ｉｎ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる吸収層を０．１〜１０μｍ程度形成する。

ｎ型クラッド層の形成に用いたガスと同じ原料のガスで不純物原料ガスをＳｉＨ_４に代えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎのためのシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ_２Ｍｇという）またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）を加えて反応管に導入し、ｐ型クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎ層を気相成長させる。これによりｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層とによりダブルヘテロ接合が形成される。

次にキャップ層形成のため、前述のバッファ層と同様のガスで不純物原料ガスとしてＣｐ_２ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層を０．３〜１μｍ程度成長させる。

ここで、上記ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎクラッド層、ｐ型ＧａＮキャップ層が、ｐ型半導体層４に対応する

エピタキシャルプロセス保護用のＳｉＯ_２膜を形成した後、同様に透明絶縁性基板１の裏面側へＬＥＤの作製を行なう。まず、ＰＤ側で作製したｎ型半導体層２と同じ構造のｎ型半導体層５を作製する。すなわち、ｎ型半導体層５は、透明絶縁性基板１に近い側からｎ型ＧａＮ低温バッファ層、ｎ型ＧａＮ高温バッファ層、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎクラッド層の積層構造を有する。

次に、活性層６は、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＮＨ_３等により、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより小さくなる材料、例えば、Ｇａ_ｙ Ｉｎ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる活性層を０．０５〜０．１μｍ程度形成する。

その後、ｐ型半導体層７は、ＰＤのｐ型半導体層４と同じ構造に作製する。すなわち、ｐ型半導体層７は、活性層６に近い側からｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ Ｎクラッド層、ｐ型ＧａＮキャップ層の積層構造を有する。

ＬＥＤ側にもＳｉＯ_２等の保護膜を半導体層の成長層表面全面に成膜し、４００〜８００℃、２０〜６０分間程度のアニールを行い、ｐ型クラッド層およびキャップ層の活性化を図る。このアニールが行われるのは以下の理由による。すなわち、チッ化ガリウム系化合物半導体のｐ型層はドーパントとしてＭｇなどがドーピングされているが、Ｍｇなどはドーピングの際、キャリアガスのＨ_２や反応ガスのＮＨ_３のＨと化合し、ドーパントの働きをせず高抵抗になる。そこでＭｇとＨを切り離しＨを放出して低抵抗化するため、アニール工程が設けられている。

次に、ＰＤ側の保護膜を除去したのち、ｎ電極１１を形成するため、レジストを塗布してパターニングを行い、成長した各半導体層の一部をドライエッチングにより除去してｎ型ＧａＮバッファ層を露出させる。ついで、Ａｕ、Ａｌなどの金属膜をスパッタリングなどにより形成してｐ電極１２およびｎ電極１１を形成する。

その後、電極金属のＡｌなどとチッ化ガリウム系化合物半導体との間をオーミック接触にするため、Ｈ_２雰囲気中で３００℃程度の熱処理をして合金化する。ＬＥＤ側についても、上記ＰＤ側と同様の処理を行い、ｐ電極１４およびｎ電極１３を形成する。

図５の構成をベースにして高温動作可能なフォトＩＣを用いたフォトカプラ装置の構成例を以下に示す。図１０は、ダイボンディングによる複合化の例を示している。図１０（ａ）は、フォトカプラ装置のＰＤ部分とＳｉＣ−ＩＣ１２４とがダイボンディングにより接合された状態を示している。ｎ電極１１とｐ電極１２が、ＳｉＣ−ＩＣ１２４側の信号線と接合される。図１０（ａ）のように、ダイボンディングした場合の全体構成を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）のフォトカプラ装置は、図５の構成において、支持基板１００をＳｉＣ−ＩＣ１２４に置き換えた構成と同じとなる。

本発明のフォトカプラ装置は、自動車のモータ制御回路等、１次側と２次側の動作電圧が異なり、高温状態になる環境下でのアイソレータ等に用いることができる。

１ 透明絶縁性基板
２ ｎ型半導体層
３ 吸収層
４ ｐ型半導体層
５ ｎ型半導体層
６ 活性層
７ ｐ型半導体層
１１ ｎ電極
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１４ ｐ電極

Claims (11)

1. 半導体材料で構成された透明絶縁性基板の表面に形成された発光素子と、
   前記透明絶縁性基板の裏面に形成され前記発光素子と異なる動作電圧を有する受光素子とを備え、
   前記透明絶縁性基板は前記発光素子側の動作電圧と受光素子側の動作電圧との電圧差よりも大きい耐圧を有するように前記透明絶縁性基板の厚さが決定されていることを特徴とするフォトカプラ装置。
2. 前記透明絶縁性基板は、成長用基板の役割を兼ねた透明絶縁性基板であることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラ装置。
3. 前記透明絶縁性基板の厚さに応じて前記受光素子の受光面積を調整したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォトカプラ装置。
4. 前記発光素子の発光波長よりも大きい吸収端波長を持つ半導体材料で前記受光素子の受光領域を構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。
5. 前記発光素子は、ＧａＮ系半導体で構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。
6. 前記発光素子の発光領域は、ＩｎＧａＮ半導体で構成したことを特徴とする請求項５に記載のフォトカプラ装置。
7. 前記透明絶縁性基板は、ｐ型基板又はｎ型基板と基板内に形成された空乏層とで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。
8. 前記受光素子の受光領域は、ｎ型半導体層と前記ｎ型半導体層上に配置されたショットキー電極により形成された空乏層により構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。
9. 前記発光素子側又は受光素子側が、支持基板に接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。
10. 前記支持基板は、ＳｉＣ−ＩＣであることを特徴とする請求項５に記載のフォトカプラ装置。
11. 前記受光素子は、フォトダイオードとトランジスタ回路がＩＣ化されたフォトＩＣで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のフォトカプラ装置。

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