JP2013093649A - Semiconductor relay device - Google Patents

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卓也 砂田
Yasuji Konishi
保司 小西
Yu Wakegi
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor relay device capable of entirely reducing the size, the cost and the mounting area of chips.SOLUTION: A p-channel type MOSFET208 (see fig. (a)) (in a charge-discharge circuit) formed on a conventional p-type single crystal silicon island 213 is replaced with an n-channel type MOSFET8 (see fig. (b)) formed on an n-type single crystal silicon island 13. With this, even when the cross sectional area of passage of carriers in the n-type single crystal silicon island 13 is reduced to a half of the cross sectional area of passage of carriers in the p-type single crystal silicon island 213, the identical resistance value is ensured in the passage of carriers. Therefore, by forming the MOSFET8 with a n-channel type in the n-type single crystal silicon island 13, the gate width W3 of the MOSFET8 can be reduced to be smaller than the gate width W1 of the conventional MOSFET208 without increasing the ON-resistance to be larger than that of the conventional MOSFET208.

Description

本発明は、光結合型の半導体リレー装置に関する。   The present invention relates to an optically coupled semiconductor relay device.

近年、従来の電磁リレー装置に代わり、光結合型の半導体リレー装置が用いられることが多くなってきた。この光結合型の半導体リレー装置は、電磁リレー装置と比べて、小型、高感度、高速、高信頼性といった利点を有している。光結合型の半導体リレー装置では、入力(電気)信号を発光素子(例えばLED(Light Emitting Diode))で光信号に変換し、この発光素子と光結合された受光素子(例えばフォトダイオードアレイ)で、受光した光信号を電気信号に変換する。そして、光結合型の半導体リレー装置は、上記の受光素子で変換された電気信号によって、MOSFETやバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子を駆動することにより、出力端子から信号を出力するようになっている。   In recent years, optically coupled semiconductor relay devices have been increasingly used in place of conventional electromagnetic relay devices. This optically coupled semiconductor relay device has advantages such as small size, high sensitivity, high speed, and high reliability as compared with an electromagnetic relay device. In an optically coupled semiconductor relay device, an input (electrical) signal is converted into an optical signal by a light emitting element (for example, an LED (Light Emitting Diode)), and a light receiving element (for example, a photodiode array) optically coupled to the light emitting element. The received optical signal is converted into an electrical signal. The optically coupled semiconductor relay device outputs a signal from an output terminal by driving a semiconductor switching element such as a MOSFET or a bipolar transistor with the electrical signal converted by the light receiving element. .

上記従来の光結合型の半導体リレー装置では、一般的に、上記の半導体スイッチング素子や受光素子が、誘電体分離基板上のp型単結晶シリコン島に形成されている(例えば、特許文献1参照)。   In the conventional optically coupled semiconductor relay device, the semiconductor switching element and the light receiving element are generally formed on a p-type single crystal silicon island on a dielectric isolation substrate (see, for example, Patent Document 1). ).

特開2005−252909号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-252909

しかしながら、近年のJIS(Japan Industrial Standard)等の安全規格の改訂に伴い、上記の半導体リレー装置についての耐圧向上の必要性が高まっている。そして、半導体リレー装置の耐圧を向上させるためには、上記の半導体スイッチング素子や受光素子等の半導体素子の電極間の距離(例えばドレイン・ソース間の距離)を、従来の半導体リレー装置における半導体素子の電極間の距離よりも大きくする必要がある。このため、半導体リレー装置における各半導体素子のチップサイズが大きくなってしまい、半導体リレー装置におけるチップコストの上昇や実装面積の拡大等の問題が生じる。   However, with the recent revision of safety standards such as JIS (Japan Industrial Standard), there is an increasing need for improving the breakdown voltage of the semiconductor relay device. In order to improve the breakdown voltage of the semiconductor relay device, the distance between the electrodes of the semiconductor elements such as the semiconductor switching element and the light receiving element (for example, the distance between the drain and the source) is set to the semiconductor element in the conventional semiconductor relay device. It is necessary to make it larger than the distance between the electrodes. For this reason, the chip size of each semiconductor element in the semiconductor relay device becomes large, which causes problems such as an increase in chip cost and an increase in mounting area in the semiconductor relay device.

本発明は、上記課題を解決するものであり、装置全体のチップサイズを小さくして、チップコストの低減と実装面積の縮小化を図ることが可能な半導体リレー装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor relay device capable of reducing the chip size and the mounting area by reducing the chip size of the entire device. .

上記課題を解決するために、本発明の半導体リレー装置は、入力信号に基づいて発光する発光素子と、複数の直列に接続されたフォトダイオードセルを有し、前記発光素子からの光を受光して光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、前記フォトダイオードアレイと接続された1つ以上の出力用MOSFETと、前記フォトダイオードアレイと並列に接続され、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力に応じて、前記1つ以上の出力用MOSFETのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記1つ以上の出力用MOSFETを開閉する充放電回路とを備えた半導体リレー装置において、前記充放電回路は、半導体素子を備え、この半導体素子が、誘電体分離基板上のn型単結晶シリコン島に形成されていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a semiconductor relay device of the present invention includes a light emitting element that emits light based on an input signal and a plurality of photodiode cells connected in series, and receives light from the light emitting element. A photodiode array for generating photovoltaic power, one or more output MOSFETs connected to the photodiode array, and connected to the photodiode array in parallel, to the photovoltaic power generated in the photodiode array. In response, the charge / discharge circuit comprising: a charge / discharge circuit that opens and closes the one or more output MOSFETs by switching between charging and discharging of the gates of the one or more output MOSFETs. Includes a semiconductor element, and the semiconductor element is formed on an n-type single crystal silicon island on a dielectric isolation substrate. To.

この半導体リレー装置において、前記半導体素子は、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力に基づいてオン/オフが切り換えられる半導体スイッチング素子であることが望ましい。   In this semiconductor relay device, it is preferable that the semiconductor element is a semiconductor switching element that is switched on / off based on a photovoltaic power generated in the photodiode array.

この半導体リレー装置において、前記フォトダイオードアレイは、前記1つ以上の出力用MOSFETの各々のゲート閾値電圧の10倍以上の大きさの光起電力を出力することが望ましい。   In this semiconductor relay device, it is preferable that the photodiode array outputs a photovoltaic power having a magnitude of 10 times or more a gate threshold voltage of each of the one or more output MOSFETs.

この半導体リレー装置において、前記フォトダイオードアレイは、14個以上の直列に接続されたフォトダイオードセルを有することが望ましい。   In this semiconductor relay device, the photodiode array preferably includes 14 or more photodiode cells connected in series.

この半導体リレー装置において、前記半導体素子は、縦型半導体素子であってもよい。   In this semiconductor relay device, the semiconductor element may be a vertical semiconductor element.

この半導体リレー装置において、前記フォトダイオードアレイと前記充放電回路は、同一の誘電体分離基板上に形成され、かつ、前記フォトダイオードアレイが形成されたn型単結晶シリコン島の深さは、前記フォトダイオードアレイによる近赤外線の光吸収率が90%以上になる深さであることが望ましい。   In this semiconductor relay device, the photodiode array and the charge / discharge circuit are formed on the same dielectric isolation substrate, and the depth of the n-type single crystal silicon island on which the photodiode array is formed is It is desirable that the depth is such that the near infrared light absorption rate by the photodiode array is 90% or more.

この半導体リレー装置において、前記フォトダイオードアレイが形成されたn型単結晶シリコン島の深さは、40μm以上で70μm以下であることが望ましい。   In this semiconductor relay device, the depth of the n-type single crystal silicon island in which the photodiode array is formed is desirably 40 μm or more and 70 μm or less.

本発明の半導体リレー装置によれば、充放電回路における半導体素子が、誘電体分離基板上のn型単結晶シリコン島に形成されている。ここで、一般に、同一耐圧・同一抵抗値の半導体素子の場合、その素子を形成する不純物半導体がn型半導体である方が、p型半導体である場合より素子領域を小さくすることができる。何故なら、例えば、不純物濃度が同じn型単結晶シリコンとp型単結晶シリコンとについて考えると、n型単結晶シリコンのキャリア移動度は、p型単結晶シリコンに比べて、2倍以上の大きさである。このため、n型単結晶シリコンの抵抗値は、長さと断面積が同じp型単結晶シリコンの抵抗値の2分の1以下になる。従って、キャリアの通路(例えばMOSFETの場合のチャネル)の長さが同じ場合、n型単結晶シリコンのキャリアの通路の断面積を、p型単結晶シリコンのキャリアの通路の断面積の2分の1以下にしても、これらのキャリアの通路における抵抗値を同じにすることができる。このため、従来はp型単結晶シリコン島に形成していた(充放電回路における)半導体素子を、n型単結晶シリコン島に形成するように変更することにより、抵抗値(MOSFETの場合のオン抵抗)を大きくすることなく、キャリアの通路の断面積を小さくできる。また、耐圧は、単結晶シリコン(不純物半導体)がn型であるかp型であるかに係らず、単結晶シリコン(不純物半導体)の不純物濃度と半導体素子の電極間の距離とで決まる。このため、同一耐圧・同一抵抗値の半導体素子の場合、この半導体素子をn型単結晶シリコン島に形成した方が、キャリアの通路の断面積を小さくできる。従って、充放電回路における半導体素子を誘電体分離基板上のn型単結晶シリコン島に形成することにより、この半導体素子をp型単結晶シリコン島に形成した場合と比べて、抵抗値を大きくすることなく、耐圧に必要な半導体素子の電極間の距離を確保しつつ、充放電回路における半導体素子のチップサイズの小型化を図ることができる。これにより、半導体リレー装置全体のチップサイズを小さくして、チップコストの低減と実装面積の縮小化を図ることができる。   According to the semiconductor relay device of the present invention, the semiconductor element in the charge / discharge circuit is formed on the n-type single crystal silicon island on the dielectric isolation substrate. Here, in general, in the case of a semiconductor element having the same breakdown voltage and the same resistance value, the element region can be made smaller when the impurity semiconductor forming the element is an n-type semiconductor than when it is a p-type semiconductor. This is because, for example, when n-type single crystal silicon and p-type single crystal silicon having the same impurity concentration are considered, the carrier mobility of n-type single crystal silicon is twice or more larger than that of p-type single crystal silicon. That's it. For this reason, the resistance value of n-type single crystal silicon is less than or equal to half the resistance value of p-type single crystal silicon having the same length and cross-sectional area. Therefore, when the length of the carrier passage (for example, the channel in the case of MOSFET) is the same, the cross-sectional area of the carrier passage of n-type single crystal silicon is set to be half the cross-sectional area of the carrier passage of p-type single crystal silicon Even if it is 1 or less, the resistance values in the paths of these carriers can be made the same. For this reason, the resistance value (ON in the case of MOSFET) is changed by changing the semiconductor element (in the charge / discharge circuit) that has been conventionally formed on the p-type single crystal silicon island to be formed on the n-type single crystal silicon island. The cross-sectional area of the carrier passage can be reduced without increasing the resistance. The breakdown voltage is determined by the impurity concentration of the single crystal silicon (impurity semiconductor) and the distance between the electrodes of the semiconductor element regardless of whether the single crystal silicon (impurity semiconductor) is n-type or p-type. For this reason, in the case of a semiconductor element having the same breakdown voltage and the same resistance value, the cross-sectional area of the carrier passage can be reduced by forming the semiconductor element on the n-type single crystal silicon island. Therefore, by forming the semiconductor element in the charge / discharge circuit on the n-type single crystal silicon island on the dielectric isolation substrate, the resistance value is increased compared to the case where the semiconductor element is formed on the p-type single crystal silicon island. Accordingly, the chip size of the semiconductor element in the charge / discharge circuit can be reduced while securing the distance between the electrodes of the semiconductor element necessary for the withstand voltage. Thereby, the chip size of the entire semiconductor relay device can be reduced, and the chip cost and the mounting area can be reduced.

本発明の第1の実施形態に係る半導体リレー装置の回路構成図。The circuit block diagram of the semiconductor relay apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 上記半導体リレー装置の誘電体分離基板上に形成されたnチャネル型のMOSFETとフォトダイオードセルの断面図。Sectional drawing of n channel type MOSFET and photodiode cell which were formed on the dielectric isolation board | substrate of the said semiconductor relay apparatus. (a)は、従来例の半導体リレー装置のMOSFETの上面図、(b)は、第1の実施形態の半導体リレー装置のMOSFETの上面図。(A) is a top view of MOSFET of the semiconductor relay apparatus of a prior art example, (b) is a top view of MOSFET of the semiconductor relay apparatus of 1st Embodiment. 従来例の半導体リレー装置の誘電体分離基板上に形成されたnチャネル型のMOSFETとフォトダイオードセルの断面図。Sectional drawing of n channel type MOSFET and photodiode cell which were formed on the dielectric isolation board | substrate of the semiconductor relay apparatus of a prior art example. 本発明の第2の実施形態による半導体リレー装置の誘電体分離基板上に形成されたnチャネル型のMOSFETとフォトダイオードセルの断面図。Sectional drawing of n channel type MOSFET and photodiode cell which were formed on the dielectric isolation board | substrate of the semiconductor relay apparatus by the 2nd Embodiment of this invention. 第1及び第2の実施形態のフォトダイオードセルが形成されたn型単結晶シリコン島の断面図。Sectional drawing of the n-type single crystal silicon island in which the photodiode cell of 1st and 2nd embodiment was formed. 上記フォトダイオードセルが形成されたn型単結晶シリコン島の深さと光吸収率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the depth of the n-type single crystal silicon island in which the said photodiode cell was formed, and a light absorption rate.

以下、本発明を具体化した実施形態による半導体リレー装置について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態による半導体リレー装置の回路構成を示す。第1の実施形態の半導体リレー装置1は、請求項における半導体素子及び半導体スイッチング素子として、nチャネル型でデプレッション型の横型MOSFET8(以下、単にMOSFET8という)を用いたものである。半導体リレー装置1は、入力端子IT1、IT2から入力される入力信号に基づいて発光する発光素子2(例えばLED)と、発光素子2からの光を受光して、光起電力を発生するフォトダイオードアレイ3とを備えている。このフォトダイオードアレイ3は、複数の直列に接続されたフォトダイオードセル3aを有している。   Hereinafter, a semiconductor relay device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a circuit configuration of a semiconductor relay device according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor relay device 1 according to the first embodiment uses an n-channel depletion type lateral MOSFET 8 (hereinafter simply referred to as a MOSFET 8) as a semiconductor element and a semiconductor switching element in the claims. The semiconductor relay device 1 includes a light emitting element 2 (for example, an LED) that emits light based on input signals input from input terminals IT1 and IT2, and a photodiode that receives light from the light emitting element 2 and generates photovoltaic power. And an array 3. The photodiode array 3 has a plurality of photodiode cells 3a connected in series.

また、半導体リレー装置1は、フォトダイオードアレイ3と並列に接続された充放電回路7と、この充放電回路7及びフォトダイオードアレイ3に接続された出力用MOSFET5、6とを備えている。図に示されるように、これらの出力用MOSFET5、6は、お互いのソース(電極)同士が接続されることにより、逆直列に接続されている。半導体リレー装置1では、出力用MOSFET5、6を上記のように接続したことにより、出力用MOSFET5、6のドレイン(電極)に接続された出力端子OT1、OT2から双方向の電流を取り出し得るようにしている。すなわち、出力用MOSFET5、6は、いわゆる双方向スイッチである。なお、図中のD1、D2は、それぞれ出力用MOSFET5、6の寄生ダイオードを示す。   The semiconductor relay device 1 also includes a charge / discharge circuit 7 connected in parallel with the photodiode array 3, and output MOSFETs 5 and 6 connected to the charge / discharge circuit 7 and the photodiode array 3. As shown in the figure, these output MOSFETs 5 and 6 are connected in reverse series by connecting their sources (electrodes) to each other. In the semiconductor relay device 1, by connecting the output MOSFETs 5 and 6 as described above, bidirectional current can be extracted from the output terminals OT1 and OT2 connected to the drains (electrodes) of the output MOSFETs 5 and 6. ing. That is, the output MOSFETs 5 and 6 are so-called bidirectional switches. In the figure, D1 and D2 indicate parasitic diodes of the output MOSFETs 5 and 6, respectively.

充放電回路7は、上記のMOSFET8と抵抗9とを備えている。MOSFET8のドレインとゲートとは、それぞれフォトダイオードアレイ3のアノード側とカソード側とに接続されている。詳細は後述するが、MOSFET8は、フォトダイオードアレイ3で発生する光起電力に基づいてオン/オフが切り換えられる。また、抵抗9は、その一端が、MOSFET8のソース及び出力用MOSFET5、6のソースに接続されており、その他端が、MOSFET8のゲート及びフォトダイオードアレイ3のカソード側に接続されている。   The charge / discharge circuit 7 includes the MOSFET 8 and the resistor 9 described above. The drain and gate of the MOSFET 8 are connected to the anode side and the cathode side of the photodiode array 3, respectively. As will be described in detail later, the MOSFET 8 is switched on / off based on the photovoltaic power generated in the photodiode array 3. The resistor 9 has one end connected to the source of the MOSFET 8 and the sources of the output MOSFETs 5 and 6, and the other end connected to the gate of the MOSFET 8 and the cathode side of the photodiode array 3.

上記の充放電回路7は、フォトダイオードアレイ3で発生する光起電力の有無に応じて、2つの出力用MOSFET5、6のゲートの充電と放電とを切り換えることにより、これらの出力用MOSFET5、6の開閉を行う。本半導体リレー装置1では、入力端子IT1、IT2から入力される入力信号に応答して2つの出力用MOSFET5、6が同時に開閉される。これにより、外部出力端子OT1、OT2間の導通と遮断とが、切り換えられる。   The charging / discharging circuit 7 switches between charging and discharging the gates of the two output MOSFETs 5 and 6 according to the presence or absence of the photovoltaic power generated in the photodiode array 3, so that these output MOSFETs 5 and 6 are switched. Open and close. In this semiconductor relay device 1, the two output MOSFETs 5 and 6 are simultaneously opened and closed in response to input signals input from the input terminals IT1 and IT2. Thereby, the conduction between the external output terminals OT1 and OT2 and the interruption are switched.

上記のフォトダイオードアレイ3は、2つの出力用MOSFET5、6の各々のゲート閾値電圧(Vth)の10倍以上の大きさの光起電力を出力する。ここで、ゲート閾値電圧とは、いわゆるパワーMOSFETに属する出力用MOSFET5、6がオンし始めるゲート・ソース間の電圧である。一般的に、半導体リレー装置における出力用MOSFETを動作させるためには、3Vから5Vの電圧をゲートに印加すれば充分である。しかしながら、近年、半導体リレー装置の低オン抵抗化により電力損失を減らすという市場ニーズが大きくなっている。このニーズを充たすために、本半導体リレー装置1では、出力用MOSFET5、6のゲート・ソース間の電圧を大きくして、出力用MOSFET5、6のチャネルの断面積を大きくすることにより、出力用MOSFET5、6のオン抵抗を小さくしている。   The photodiode array 3 outputs a photovoltaic power having a magnitude of 10 times or more the gate threshold voltage (Vth) of each of the two output MOSFETs 5 and 6. Here, the gate threshold voltage is a voltage between the gate and the source where the output MOSFETs 5 and 6 belonging to the so-called power MOSFET start to turn on. In general, it is sufficient to apply a voltage of 3 V to 5 V to the gate in order to operate the output MOSFET in the semiconductor relay device. However, in recent years, there is a growing market need for reducing power loss due to low on-resistance of semiconductor relay devices. In order to satisfy this need, the semiconductor relay device 1 increases the voltage between the gate and source of the output MOSFETs 5 and 6 to increase the cross-sectional area of the channels of the output MOSFETs 5 and 6, thereby increasing the output MOSFET 5. , 6 is reduced in on-resistance.

より詳細に言うと、本半導体リレー装置1では、フォトダイオードアレイ3が、各出力用MOSFET5、6のゲート閾値電圧の10倍以上の大きさの光起電力を出力する。具体的には、各出力用MOSFET5、6のゲート閾値電圧が0.8Vであったとすると、フォトダイオードアレイ3は、各出力用MOSFET5、6のゲート閾値電圧である0.8Vの10倍(8V)以上の大きさの光起電力を出力する。これにより、2つの出力用MOSFET5、6のオン抵抗を大幅に低減することができるので、半導体リレー装置1全体の低オン抵抗化を図ることができる。なお、図1に示されるように、出力用MOSFET5と出力用MOSFET6とは、並列に接続されているので、これらの出力用MOSFET5、6のゲートには、いずれもフォトダイオードアレイ3から出力された8Vの電圧(光起電力)が印加される。   More specifically, in the semiconductor relay device 1, the photodiode array 3 outputs a photovoltaic power having a magnitude of 10 times or more the gate threshold voltage of each of the output MOSFETs 5 and 6. Specifically, assuming that the gate threshold voltage of each of the output MOSFETs 5 and 6 is 0.8 V, the photodiode array 3 is 10 times (8 V) of 0.8 V that is the gate threshold voltage of each of the output MOSFETs 5 and 6. ) Output photovoltaic power of the above magnitude. As a result, the on-resistances of the two output MOSFETs 5 and 6 can be greatly reduced, so that the overall on-resistance of the semiconductor relay device 1 can be reduced. As shown in FIG. 1, since the output MOSFET 5 and the output MOSFET 6 are connected in parallel, the gates of these output MOSFETs 5 and 6 are both output from the photodiode array 3. A voltage (photoelectromotive force) of 8V is applied.

また、この種の半導体リレー装置1に用いられる出力用MOSFETのゲート閾値電圧は、0.8V以上であることが多い。ここで、発光素子2から送られる光の強度に応じた1つのフォトダイオードセル3aからの光起電力を0.6Vに設定したとすると、各出力用MOSFET5、6のゲート閾値電圧の10倍(8V以上)の光起電力を得るためには、14個以上のセルが必要になる。何故なら、13<(8V/0.6V)<14だからである。本半導体リレー装置1に用いられるフォトダイオードアレイ3は、各出力用MOSFET5、6のゲート閾値電圧の10倍以上(8V以上)の大きさの光起電力を得るために、14個以上の直列に接続されたフォトダイオードセル3aを有している。   Moreover, the gate threshold voltage of the output MOSFET used in this type of semiconductor relay device 1 is often 0.8 V or more. Here, assuming that the photoelectromotive force from one photodiode cell 3a corresponding to the intensity of light transmitted from the light emitting element 2 is set to 0.6 V, 10 times the gate threshold voltage of each of the output MOSFETs 5 and 6 ( In order to obtain a photovoltaic power of 8 V or higher, 14 or more cells are required. This is because 13 <(8V / 0.6V) <14. The photodiode array 3 used in the semiconductor relay device 1 includes 14 or more series-connected photodiodes in order to obtain a photovoltaic power having a magnitude of 10 times or more (8 V or more) of the gate threshold voltage of each of the output MOSFETs 5 and 6. It has a connected photodiode cell 3a.

上記のように、2つの出力用MOSFET5、6のゲートに印加する電圧(ゲート・ソース間の電位差)を、従来より大きくした場合には、充放電回路7のMOSFET8は、従来の充放電回路内のMOSFETと比べて、耐圧性が高くなければならない。ところが、一般に、半導体素子の高耐圧化を図った場合、半導体素子の電極間の距離が増大するので、半導体素子のチップサイズが大きくなってしまう。詳細は後述するが、本半導体リレー装置1は、MOSFET8等の半導体素子を、誘電体分離基板上のn型単結晶シリコン島に形成することで、MOSFET8等の高耐圧な半導体素子のチップサイズの増大を防いでいる。   As described above, when the voltage applied to the gates of the two output MOSFETs 5 and 6 (potential difference between the gate and the source) is made larger than the conventional one, the MOSFET 8 of the charge / discharge circuit 7 is connected to the conventional charge / discharge circuit. The withstand voltage must be higher than that of the MOSFET. However, in general, when the breakdown voltage of a semiconductor element is increased, the distance between the electrodes of the semiconductor element increases, so that the chip size of the semiconductor element increases. As will be described in detail later, the semiconductor relay device 1 is configured to form a semiconductor element such as a MOSFET 8 on an n-type single crystal silicon island on a dielectric isolation substrate, so that the chip size of a high breakdown voltage semiconductor element such as the MOSFET 8 is increased. The increase is prevented.

次に、本半導体リレー装置1において行われる、外部出力端子OT1、OT2間の導通と遮断との切り替え処理について詳細に説明する。入力端子IT1、IT2から信号が入力されると、この入力信号に基づいて、発光素子2が発光する。フォトダイオードアレイ3は、発光素子2からの光を受光すると、光起電力を発生する。これにより、電流が図中の矢印Aの方向に流れる。この時点では、デプレッション型で、ノーマル・オンのタイプのMOSFET8が導通状態のままであるので、フォトダイオードアレイ3から矢印Aの方向に流れた電流は、矢印Bの経路に流れる。これにより、抵抗9の両端に、図に示されるような電位差が生じる。   Next, switching processing between conduction and interruption between the external output terminals OT1 and OT2 performed in the semiconductor relay device 1 will be described in detail. When signals are input from the input terminals IT1 and IT2, the light emitting element 2 emits light based on the input signals. When the photodiode array 3 receives light from the light emitting element 2, it generates a photovoltaic force. As a result, current flows in the direction of arrow A in the figure. At this time, since the depletion type and normally-on type MOSFET 8 remains conductive, the current flowing from the photodiode array 3 in the direction of arrow A flows in the path of arrow B. As a result, a potential difference as shown in FIG.

そして、抵抗9における+側と−側の電位差が所定のレベル以上に達すると、デプレッション型のMOSFET8のゲートが所定のマイナス電位になり、MOSFET8がオンからオフに切り換わる。このため、フォトダイオードアレイ3から矢印Aの方向に流れた電流は、矢印Bの経路に流れず、矢印Cの経路に流れるようになる。この電流により、2つのMOSFET5、6のゲートに電荷が蓄積されるので、MOSFET5、6のゲート・ソース間に電位差が発生して、MOSFET5、6は、オン(導通状態)(閉じた状態)になり、外部出力端子OT1、OT2間は導通され、リレーが閉じられる。   When the potential difference between the + side and the − side in the resistor 9 reaches a predetermined level or more, the gate of the depletion type MOSFET 8 becomes a predetermined negative potential, and the MOSFET 8 is switched from on to off. Therefore, the current flowing from the photodiode array 3 in the direction of arrow A does not flow in the path of arrow B but flows in the path of arrow C. Due to this current, charges are accumulated in the gates of the two MOSFETs 5 and 6, so that a potential difference is generated between the gate and source of the MOSFETs 5 and 6, and the MOSFETs 5 and 6 are turned on (conducting state) (closed state). Thus, the external output terminals OT1 and OT2 are conducted and the relay is closed.

これに対して、入力端子IT1、IT2から信号が遮断されて、発光素子2が発光しなくなると、フォトダイオードアレイ3において光起電力が生じなくなる。これにより、外部出力端子OT1、OT2間が導通した状態においては存在した、抵抗9における+側と−側の電位差が無くなってしまうので、デプレッション型のMOSFET8のゲートに負の電圧がかからなくなり、MOSFET8がオフからオンに切り換わる。これにより、2つのMOSFET5、6のゲートに蓄積されていた電荷が、矢印Bの経路を通って、MOSFET5、6のソース側に流れ、放電されるので、MOSFET5、6は、オフ(非導通状態)(開いた状態)になる。このため、外部出力端子OT1、OT2間は遮断されて、リレーが開放される。   On the other hand, when the signal is cut off from the input terminals IT1 and IT2 and the light emitting element 2 stops emitting light, no photoelectromotive force is generated in the photodiode array 3. As a result, the potential difference between the + side and the − side in the resistor 9 that existed in a state where the external output terminals OT1 and OT2 are in a conductive state disappears, so that a negative voltage is not applied to the gate of the depletion type MOSFET 8, MOSFET 8 switches from off to on. As a result, the electric charge accumulated in the gates of the two MOSFETs 5 and 6 flows through the path indicated by the arrow B to the source side of the MOSFETs 5 and 6 and is discharged, so that the MOSFETs 5 and 6 are turned off (non-conducting state). ) (Opened). For this reason, the external output terminals OT1 and OT2 are disconnected and the relay is opened.

次に、図2を参照して、上記のMOSFET8と、フォトダイオードアレイ3を構成する各フォトダイオードセル3aの構造について説明する。フォトダイオードアレイ3と充放電回路7は、同一の誘電体分離基板11上に形成されており、充放電回路7内のMOSFET8と、フォトダイオードアレイ3内の各フォトダイオードセル3aとは、それぞれ別のn型単結晶シリコン島13、14に形成されている。誘電体分離基板11は、誘電体層であるシリコン酸化膜12によって単結晶シリコンが島状に分離された構造体であり、フォトダイオードセル3aを構成するn型単結晶シリコン島14と、MOSFET8を構成するn型単結晶シリコン島13とを含んでいる。n型単結晶シリコン島13は、pウェル電位を固定するためのp型高濃度領域16と、MOSFET8のソース領域15と、ゲート領域17と、ドレイン領域18と、ゲート電極19と、p型低濃度領域であるpウェル20を有している。 Next, with reference to FIG. 2, the structure of the MOSFET 8 and the photodiode cells 3a constituting the photodiode array 3 will be described. The photodiode array 3 and the charging / discharging circuit 7 are formed on the same dielectric isolation substrate 11, and the MOSFET 8 in the charging / discharging circuit 7 and each photodiode cell 3a in the photodiode array 3 are different from each other. The n-type single crystal silicon islands 13 and 14 are formed. The dielectric isolation substrate 11 is a structure in which single crystal silicon is separated into islands by a silicon oxide film 12 as a dielectric layer. The n-type single crystal silicon island 14 constituting the photodiode cell 3a and the MOSFET 8 are arranged. The n-type single crystal silicon island 13 is formed. The n-type single crystal silicon island 13 includes a p-type high concentration region 16 for fixing the p - well potential, a source region 15 of the MOSFET 8, a gate region 17, a drain region 18, a gate electrode 19, and a p-type. The p - well 20 is a low concentration region.

上記のMOSFET8は、ソース領域15及びドレイン領域18よりも低濃度のn型(n)のオフセット不純物層であるオフセット領域13aを有しており、いわゆるオフセットゲート型のMOSFETである。また、n型単結晶シリコン島14は、フォトダイオードセル3aのアノード領域21と、カソード領域22とを有している。なお、図2、及び後述する図4、図5では、全てMOSFETの酸化膜の図示を省力している。 The MOSFET 8 has an offset region 13a which is an n-type (n ) offset impurity layer having a lower concentration than the source region 15 and the drain region 18, and is a so-called offset gate type MOSFET. The n-type single crystal silicon island 14 includes an anode region 21 and a cathode region 22 of the photodiode cell 3a. In FIG. 2 and FIGS. 4 and 5 described later, the illustration of the oxide film of the MOSFET is all saved.

本半導体リレー装置1によれば、充放電回路7におけるMOSFET8が、誘電体分離基板11上のn型単結晶シリコン島13に形成されている。ここで、一般に、同一耐圧・同一抵抗値の半導体素子の場合、その素子を形成する不純物半導体がn型半導体である方が、p型半導体である場合より素子領域を小さくすることができる。何故なら、例えば、不純物濃度が同じn型単結晶シリコンとp型単結晶シリコンとについて考えると、n型単結晶シリコンのキャリア移動度は、p型単結晶シリコンに比べて、2倍以上の大きさである。このため、n型単結晶シリコンの抵抗値は、長さと断面積が同じp型単結晶シリコンの抵抗値の2分の1以下になる。従って、キャリアの通路(例えばMOSFETの場合のチャネル)の長さが同じ場合、n型単結晶シリコンのキャリアの通路の断面積を、p型単結晶シリコンのキャリアの通路の断面積の2分の1以下にしても、これらのキャリアの通路における抵抗値を同じにすることができる。このため、従来はp型単結晶シリコン島に形成していた(充放電回路における)pチャネル型のMOSFETを、n型単結晶シリコン島13に形成したnチャネル型のMOSFET8に変更することにより、MOSFET8のオン抵抗を大きくすることなく、キャリアの通路の断面積を小さくできる。従って、MOSFET8をn型単結晶シリコン島13にnチャネル型で形成することにより、MOSFET8のオン抵抗を従来のMOSFETに比べて大きくすることなく、MOSFET8のゲート幅を従来のMOSFETより小さくできる。   According to the semiconductor relay device 1, the MOSFET 8 in the charge / discharge circuit 7 is formed on the n-type single crystal silicon island 13 on the dielectric isolation substrate 11. Here, in general, in the case of a semiconductor element having the same breakdown voltage and the same resistance value, the element region can be made smaller when the impurity semiconductor forming the element is an n-type semiconductor than when it is a p-type semiconductor. This is because, for example, when n-type single crystal silicon and p-type single crystal silicon having the same impurity concentration are considered, the carrier mobility of n-type single crystal silicon is twice or more larger than that of p-type single crystal silicon. That's it. For this reason, the resistance value of n-type single crystal silicon is less than or equal to half the resistance value of p-type single crystal silicon having the same length and cross-sectional area. Therefore, when the length of the carrier passage (for example, the channel in the case of MOSFET) is the same, the cross-sectional area of the carrier passage of n-type single crystal silicon is set to be half the cross-sectional area of the carrier passage of p-type single crystal silicon Even if it is 1 or less, the resistance values in the paths of these carriers can be made the same. Therefore, by changing the p-channel type MOSFET (in the charge / discharge circuit) that has been conventionally formed on the p-type single crystal silicon island to the n-channel type MOSFET 8 formed on the n-type single crystal silicon island 13, The cross-sectional area of the carrier passage can be reduced without increasing the on-resistance of the MOSFET 8. Therefore, by forming the MOSFET 8 on the n-type single crystal silicon island 13 in the n-channel type, the gate width of the MOSFET 8 can be made smaller than that of the conventional MOSFET without increasing the on-resistance of the MOSFET 8 as compared with the conventional MOSFET.

また、上記のように、不純物濃度が同じn型単結晶シリコンとp型単結晶シリコンとについて考えると、n型単結晶シリコンのキャリア移動度は、p型単結晶シリコンに比べて、2倍以上の大きさである。このため、本実施形態のフォトダイオードセル3aが形成されたn型単結晶シリコン島14と、従来のフォトダイオードセルが形成されたp型単結晶シリコン島との不純物濃度、長さ、及び断面積が、全て同じ場合には、以下のようになる。すなわち、n型単結晶シリコン島14の抵抗値rn(図2参照)は、p型単結晶シリコン島の抵抗値rp(図4参照)の2分の1以下になる。従って、フォトダイオードセル3aをn型単結晶シリコン島14に形成した方が、p型単結晶シリコン島に形成した場合よりも、フォトダイオード3の内部抵抗を小さくすることができる。本実施形態の半導体リレー装置1では、フォトダイオードセル3aをn型単結晶シリコン島14に形成したので、フォトダイオード3の内部抵抗を小さくして、フォトダイオード3の動作スピードの向上を図ることができる。この点は、以下の第2及び第3の実施形態による半導体リレー装置についても、同様である。   As described above, when considering n-type single crystal silicon and p-type single crystal silicon having the same impurity concentration, the carrier mobility of n-type single crystal silicon is twice or more that of p-type single crystal silicon. Is the size of Therefore, the impurity concentration, length, and cross-sectional area of the n-type single crystal silicon island 14 in which the photodiode cell 3a of the present embodiment is formed and the p-type single crystal silicon island in which the conventional photodiode cell is formed. However, if all are the same, That is, the resistance value rn (see FIG. 2) of the n-type single crystal silicon island 14 is less than or equal to half the resistance value rp (see FIG. 4) of the p-type single crystal silicon island. Accordingly, the internal resistance of the photodiode 3 can be made smaller when the photodiode cell 3a is formed on the n-type single crystal silicon island 14 than when it is formed on the p-type single crystal silicon island. In the semiconductor relay device 1 of the present embodiment, since the photodiode cell 3a is formed on the n-type single crystal silicon island 14, the internal resistance of the photodiode 3 can be reduced and the operation speed of the photodiode 3 can be improved. it can. This also applies to the semiconductor relay devices according to the following second and third embodiments.

次に、図3(a)(b)を参照して、上記のMOSFET8におけるゲート幅の縮小化について具体的に説明する。図3(a)(b)は、それぞれ後述する図4に示される従来のMOSFET208の上面図と、図2に示される本実施形態のMOSFET8の上面図とを示す。なお、図2は、図3(b)に示される本実施形態のMOSFET8のEーE線断面図であり、図4は、図3(a)に示される従来のMOSFET208のDーD線断面図である。上記のように、本半導体リレー装置1では、従来はp型単結晶シリコン島213に形成していたnチャネル型のMOSFET208を、n型単結晶シリコン島13に形成したnチャネル型のMOSFET8に変更した。これにより、MOSFET8のオン抵抗を従来のMOSFET208に比べて大きくすることなく、図3(a)(b)に示されるように、MOSFET8のゲート幅W3を、従来のMOSFET208のゲート幅W1より小さくできる。従って、MOSFET8のチップの幅(n型単結晶シリコン島13の幅)W4を、従来のMOSFET208のチップの幅(p型単結晶シリコン島213の幅)W2より小さくして、MOSFET8のチップサイズの小型化を図ることができる。これにより、半導体リレー装置1全体のチップサイズを小さくして、チップコストの低減と実装面積の縮小化を図ることができる。   Next, referring to FIGS. 3A and 3B, the reduction of the gate width in the MOSFET 8 will be specifically described. 3A and 3B show a top view of the conventional MOSFET 208 shown in FIG. 4 to be described later and a top view of the MOSFET 8 of the present embodiment shown in FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line EE of the MOSFET 8 of the present embodiment shown in FIG. 3B, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line D-D of the conventional MOSFET 208 shown in FIG. FIG. As described above, in the present semiconductor relay device 1, the n-channel MOSFET 208 that has been conventionally formed on the p-type single crystal silicon island 213 is changed to the n-channel MOSFET 8 that is formed on the n-type single crystal silicon island 13. did. As a result, the gate width W3 of the MOSFET 8 can be made smaller than the gate width W1 of the conventional MOSFET 208, as shown in FIGS. 3A and 3B, without increasing the on-resistance of the MOSFET 8 compared to the conventional MOSFET 208. . Accordingly, the chip width of the MOSFET 8 (width of the n-type single crystal silicon island 13) W4 is made smaller than the chip width of the conventional MOSFET 208 (width of the p-type single crystal silicon island 213) W2, and the chip size of the MOSFET 8 is reduced. Miniaturization can be achieved. Thereby, the chip size of the whole semiconductor relay device 1 can be reduced, and the chip cost and the mounting area can be reduced.

次に、図4を参照して、従来のp型単結晶シリコン島に形成された、nチャネル型でデプレッション型のMOSFETと比べた、本半導体リレー装置1におけるMOSFET8の優位性について説明する。図4は、従来のp型単結晶シリコン島に形成された、nチャネル型でデプレッション型の横型MOSFET208(以下、単にMOSFET208という)と、各フォトダイオードセル203aとが形成された誘電体分離基板211を示す。   Next, with reference to FIG. 4, the superiority of the MOSFET 8 in the semiconductor relay device 1 over the conventional n-channel type depletion type MOSFET formed on the p-type single crystal silicon island will be described. FIG. 4 shows a dielectric isolation substrate 211 formed on a conventional p-type single crystal silicon island and formed with an n-channel depletion type lateral MOSFET 208 (hereinafter simply referred to as MOSFET 208) and each photodiode cell 203a. Indicates.

上記の誘電体分離基板211は、誘電体層であるシリコン酸化膜212によって単結晶シリコンが島状に分離された構造体であり、フォトダイオードセル203aを構成するp型単結晶シリコン島214と、MOSFET208を構成するp型単結晶シリコン島213とを含んでいる。p型単結晶シリコン島213は、p基板電位を固定するためのp型高濃度領域216と、MOSFET208のソース領域215と、ゲート領域217と、ドレイン領域218と、ゲート電極219とを有している。また、p型単結晶シリコン島214は、フォトダイオードセル203aのアノード領域221と、カソード領域222とを有している。 The dielectric isolation substrate 211 is a structure in which single crystal silicon is isolated in an island shape by a silicon oxide film 212 which is a dielectric layer, and a p-type single crystal silicon island 214 constituting the photodiode cell 203a; And a p-type single crystal silicon island 213 constituting the MOSFET 208. The p-type single crystal silicon island 213 includes a p-type high concentration region 216 for fixing the p substrate potential, a source region 215 of the MOSFET 208, a gate region 217, a drain region 218, and a gate electrode 219. ing. The p-type single crystal silicon island 214 includes an anode region 221 and a cathode region 222 of the photodiode cell 203a.

上記図2に示すように、n型単結晶シリコン島13にnチャネル型のMOSFET8を形成した場合、図4に示すように、p型単結晶シリコン島213にnチャネル型のMOSFET208を形成した場合よりも、MOSFETのチップサイズを容易に小さくできる。何故なら、p型単結晶シリコン島213にnチャネル型のMOSFET208を形成した場合と異なり、n型単結晶シリコン島13にnチャネル型のMOSFET8を形成した場合、図2に示すように、いわゆるオフセットゲート型のMOSFETになる。そして、このオフセットゲート型のMOSFET8では、ゲート領域17とドレイン領域18との間に、低濃度のn型(n)のオフセット領域13aを有しており、ゲート領域の一部が低濃度のn型の領域になっているとみなすことができる。従って、図5に示されるように、ゲート領域217の全体を高濃度のn型で形成した場合と比べて、チャネル全体における抵抗値が増すので、MOSFET8のオフ時に、高耐圧化を図ることができる。 When the n-channel MOSFET 8 is formed on the n-type single crystal silicon island 13 as shown in FIG. 2 and when the n-channel MOSFET 208 is formed on the p-type single crystal silicon island 213 as shown in FIG. As a result, the chip size of the MOSFET can be easily reduced. This is because, unlike the case where the n-channel type MOSFET 208 is formed on the p-type single crystal silicon island 213, when the n-channel type MOSFET 8 is formed on the n-type single crystal silicon island 13, as shown in FIG. It becomes a gate type MOSFET. The offset gate MOSFET 8 has a low-concentration n-type (n ) offset region 13 a between the gate region 17 and the drain region 18, and a part of the gate region has a low concentration. It can be regarded as an n-type region. Therefore, as shown in FIG. 5, since the resistance value of the entire channel increases as compared with the case where the entire gate region 217 is formed of high-concentration n-type, it is possible to increase the breakdown voltage when the MOSFET 8 is turned off. it can.

上記の点について補足して説明すると、一般に、半導体のオン抵抗(Ron)は、距離(L)に比例し、不純物濃度(Nd)に反比例する。すなわち、
on ∝ L/Nd ・・・(1)
である。この式から、低濃度のn型(n)のオフセット領域13aを設けて、ゲート領域の一部を低濃度のn型にすることにより、図4に示されるように、ゲート領域217の全体を高濃度のn型で形成した場合と比べて、チャネル全体におけるオン抵抗が増すのが分かる。また、一般に、MOSFETの単位面積当たりのオン抵抗は、耐圧の2.5乗に比例する。従って、オフセット領域13aを設けて、ゲート領域の一部を低濃度のn型にすることにより、図4に示されるように、ゲート領域217の全体を高濃度のn型で形成した場合と比べて、耐圧を向上させることができる。
To supplement the above point, in general, the on-resistance (R on ) of a semiconductor is proportional to the distance (L) and inversely proportional to the impurity concentration (Nd). That is,
R on ∝ L / Nd (1)
It is. From this equation, by providing a low-concentration n-type (n ) offset region 13a to make a part of the gate region a low-concentration n-type, the entire gate region 217 is formed as shown in FIG. It can be seen that the on-resistance of the entire channel is increased as compared with the case of forming n-type with a high concentration. In general, the on-resistance per unit area of the MOSFET is proportional to the 2.5th power of the breakdown voltage. Accordingly, by providing the offset region 13a and making a part of the gate region a low-concentration n-type, as shown in FIG. 4, the entire gate region 217 is formed in a high-concentration n-type. Thus, the breakdown voltage can be improved.

上記の(1)式における距離(L)は、MOSFETの場合、主にソース・ドレイン間の距離を意味する。従って、オフセット領域13aを設けて、ゲート領域の一部の不純物濃度(Nd)を下げることにより、ゲート領域の全体を高濃度のn型で形成した場合と比べて、ソース・ドレイン間の距離(Lに相当)を小さくしても、同じオン抵抗の値を維持することができる。このことは、MOSFET8のようにオフセット領域13aを設けることにより、図4に示されるように、ゲート領域217の全体を高濃度のn型で形成した場合と比べて、ソース・ドレイン間の距離を小さくしても、同じ耐圧を得ることができることを意味する。従って、図2に示すように、n型単結晶シリコン島13にnチャネル型のMOSFET8を形成した場合、図4に示すように、p型単結晶シリコン島213にnチャネル型のMOSFET208を形成した場合よりも、MOSFETのチップサイズを容易に小さくできる。これにより、半導体リレー装置1全体のチップサイズを小さくして、チップコストの低減と実装面積の縮小化を図ることができる。   In the case of MOSFET, the distance (L) in the above equation (1) mainly means the distance between the source and the drain. Therefore, by providing the offset region 13a and lowering the impurity concentration (Nd) of a part of the gate region, the distance between the source and the drain (in comparison with the case where the entire gate region is formed of high-concentration n-type ( The same on-resistance value can be maintained even if (corresponding to L) is reduced. This is because by providing the offset region 13a as in the MOSFET 8, as shown in FIG. 4, the distance between the source and the drain can be reduced as compared with the case where the entire gate region 217 is formed of high-concentration n-type. This means that the same withstand voltage can be obtained even if it is reduced. Therefore, when the n-channel MOSFET 8 is formed on the n-type single crystal silicon island 13 as shown in FIG. 2, the n-channel MOSFET 208 is formed on the p-type single crystal silicon island 213 as shown in FIG. As compared with the case, the chip size of the MOSFET can be easily reduced. Thereby, the chip size of the whole semiconductor relay device 1 can be reduced, and the chip cost and the mounting area can be reduced.

次に、図5を参照して、本発明の第2の実施形態による半導体リレー装置1について説明する。第2の実施形態の半導体リレー装置1は、誘電体分離基板31上の各半導体素子(主に、MOSFETと、フォトダイオードアレイ内の各フォトダイオードセル)を縦型の構造にした点が、上記第1の実施形態と異なっている。具体的には、本実施形態の誘電体分離基板31上の各n型単結晶シリコン島の外周部には、高濃度のn型の不純物が注入されている。これにより、例えば、各フォトダイオードセル33aのカソード領域32が、n型単結晶シリコン島14の外周部に延設され、また、MOSFET28のドレイン領域38が、n型単結晶シリコン島13の外周部に延設されている。本実施形態における他の構成については、上記第1の実施形態と同様である。   Next, a semiconductor relay device 1 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor relay device 1 according to the second embodiment is characterized in that each semiconductor element (mainly MOSFET and each photodiode cell in the photodiode array) on the dielectric isolation substrate 31 has a vertical structure. This is different from the first embodiment. Specifically, high-concentration n-type impurities are implanted into the outer periphery of each n-type single crystal silicon island on the dielectric isolation substrate 31 of the present embodiment. Thereby, for example, the cathode region 32 of each photodiode cell 33 a extends to the outer peripheral portion of the n-type single crystal silicon island 14, and the drain region 38 of the MOSFET 28 extends to the outer peripheral portion of the n-type single crystal silicon island 13. It is extended to. Other configurations in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.

本実施形態の半導体リレー装置1によれば、誘電体分離基板31上におけるMOSFET28等の半導体素子を縦型の構造にしたことにより、耐圧保持のための距離(MOSFET28の場合は、図6中の両方向矢印に示される距離)を縦方向にとることができる。ここで、一般的に、横型の半導体素子を、縦型の半導体素子に代えた場合、耐圧を高めることができるので、横型の半導体素子を、同耐圧の縦型の半導体素子に代えた場合、半導体素子の電極間の距離を小さくすることができる。従って、MOSFET28やフォトダイオードセル33aを縦型の構造にすることにより、これらの半導体素子を横型の構造にした場合と比べて、これらの半導体素子のチップサイズをより小さくすることができる。   According to the semiconductor relay device 1 of the present embodiment, a semiconductor element such as the MOSFET 28 on the dielectric isolation substrate 31 has a vertical structure, so that a distance for holding a withstand voltage (in the case of the MOSFET 28, in FIG. The distance indicated by the double arrow can be taken in the vertical direction. Here, in general, when the horizontal semiconductor element is replaced with a vertical semiconductor element, the breakdown voltage can be increased. Therefore, when the horizontal semiconductor element is replaced with a vertical semiconductor element with the same breakdown voltage, The distance between the electrodes of the semiconductor element can be reduced. Therefore, by making the MOSFET 28 and the photodiode cell 33a have a vertical structure, the chip size of these semiconductor elements can be made smaller than when these semiconductor elements have a horizontal structure.

次に、図6及び図7を参照して、上記第1及び第2の実施形態の半導体リレー装置1に共通に採用されている、フォトダイオードアレイ3内の各フォトダイオードセル3aのチップサイズを縮小化するための工夫について説明する。以下、説明が冗長になるのを回避するため、第1の実施形態の半導体リレー装置1を例にして、このチップサイズを縮小化するための工夫について説明する。この半導体リレー装置1では、フォトダイオードアレイ3と充放電回路7とは、同一の誘電体分離基板(図2に示される誘電体分離基板11)上に形成されている。また、フォトダイオードアレイ3が形成されたn型単結晶シリコン島14は、その深さSD(図6参照)が、フォトダイオードアレイ3による近赤外線の光吸収率が90%以上になる深さとなるように形成されている。ここで、光吸収率とは、n型単結晶シリコン島14における深さが0μmの位置(n型単結晶シリコン島14の表面)での、光入射エネルギーに対して、この光入射エネルギーのうちのどれだけの割合のエネルギーをn型単結晶シリコン島14が吸収したかを、百分率で表したものである。また、上記のn型単結晶シリコン島14の深さSDは、光吸収層の厚さでもある。   Next, referring to FIGS. 6 and 7, the chip size of each photodiode cell 3a in the photodiode array 3 that is commonly used in the semiconductor relay device 1 of the first and second embodiments is described. A device for reducing the size will be described. Hereinafter, in order to avoid redundant description, the semiconductor relay device 1 according to the first embodiment will be described as an example, and a device for reducing the chip size will be described. In this semiconductor relay device 1, the photodiode array 3 and the charge / discharge circuit 7 are formed on the same dielectric isolation substrate (dielectric isolation substrate 11 shown in FIG. 2). Further, the n-type single crystal silicon island 14 on which the photodiode array 3 is formed has a depth SD (see FIG. 6) at which the near infrared light absorption rate by the photodiode array 3 is 90% or more. It is formed as follows. Here, the light absorptance is the ratio of the light incident energy to the light incident energy at the position where the depth in the n-type single crystal silicon island 14 is 0 μm (the surface of the n-type single crystal silicon island 14). The percentage of energy that is absorbed by the n-type single crystal silicon island 14 is expressed as a percentage. The depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 is also the thickness of the light absorption layer.

上記のn型単結晶シリコン島14の深さSDは、実際には、40μm以上で70μm以下(図7中の両矢印で示す範囲)に設定されている。ここで、n型単結晶シリコン島14の深さSDを40μm以上に設定した理由は、近赤外線の波長が850μmの場合、光吸収率が90%になるn型単結晶シリコン島14の深さは40μmだからである。また、n型単結晶シリコン島14の深さSDを70μm以下に設定した理由は、以下の通りである。すなわち、図7中の光吸収量y=100[%]の直線162が、n型単結晶シリコン島14の深さSDと光吸収率との関係を示す曲線161に対する漸近線に相当するため、深さSDを70μm以上にしても、光吸収率を殆ど向上させられない。従って、製造コスト(チップコスト)を考慮すると、n型単結晶シリコン島14の深さSDを70μm以下に設定するのが、現実的だからである。なお、850μm以外の波長の近赤外線についても、n型単結晶シリコン島14の深さSDと光吸収率との関係は、図7に示される曲線161とほぼ同様な関係である。   The depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 is actually set to 40 μm or more and 70 μm or less (range indicated by a double arrow in FIG. 7). Here, the reason why the depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 is set to 40 μm or more is that when the near-infrared wavelength is 850 μm, the depth of the n-type single crystal silicon island 14 becomes 90%. Is 40 μm. The reason why the depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 is set to 70 μm or less is as follows. That is, since the straight line 162 of the light absorption amount y = 100 [%] in FIG. 7 corresponds to an asymptotic line with respect to the curve 161 indicating the relationship between the depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 and the light absorption rate. Even if the depth SD is set to 70 μm or more, the light absorptance is hardly improved. Therefore, considering the manufacturing cost (chip cost), it is practical to set the depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 to 70 μm or less. For near infrared rays having wavelengths other than 850 μm, the relationship between the depth SD of the n-type single crystal silicon island 14 and the light absorption rate is substantially the same as the curve 161 shown in FIG.

上記のように、フォトダイオードアレイ3を、その深さSDが、フォトダイオードアレイ3による近赤外線の光吸収率が90%以上になるように形成したことにより、各フォトダイオードセル3aの単位表面積当たりの(近赤外光による)発電効率を最大に近づけられる。これにより、各フォトダイオードセル3aの表面積を最小に近づけることができるので、各フォトダイオードセル3aのチップサイズを小さくして、半導体リレー装置1全体のチップサイズをより小さくすることができる。従って、半導体リレー装置1全体のチップコストのより一層の低減と実装面積の縮小化を図ることができる。   As described above, the photodiode array 3 is formed so that the depth SD thereof has a near-infrared light absorption rate of 90% or more by the photodiode array 3, so that each photodiode cell 3 a has a unit surface area. The power generation efficiency (by near-infrared light) can be maximized. As a result, the surface area of each photodiode cell 3a can be brought close to the minimum, so that the chip size of each photodiode cell 3a can be reduced and the chip size of the entire semiconductor relay device 1 can be further reduced. Therefore, the chip cost of the entire semiconductor relay device 1 can be further reduced and the mounting area can be reduced.

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、請求項における(充放電回路内の)半導体素子が、デプレッション型でオフセットゲート型のMOSFETである場合の例を示したが、半導体素子は、これに限られない。例えば、エンハンスメント型のMOSFETであってもよいし、オフセットゲート型以外のMOSFETであってもよい。また、上記実施形態では、出力用MOSFETの数が2つの場合を示したが、出力用MOSFETの数は、これに限られず、例えば1つであってもよい。   In addition, this invention is not restricted to the structure of the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not change the meaning of invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which the semiconductor element (in the charge / discharge circuit) in the claims is a depletion type offset gate type MOSFET has been described, but the semiconductor element is not limited thereto. For example, an enhancement type MOSFET or a MOSFET other than an offset gate type may be used. In the above-described embodiment, the number of output MOSFETs is two. However, the number of output MOSFETs is not limited to this, and may be one, for example.

1 半導体リレー装置
2 発光素子
3 フォトダイオードアレイ
3a フォトダイオードセル
5、6 出力用MOSFET
7 充放電回路
8 MOSFET(半導体素子、半導体スイッチング素子)
11、31 誘電体分離基板
13 n型単結晶シリコン島
28 MOSFET(半導体素子、半導体スイッチング素子、縦型半導体素子)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor relay apparatus 2 Light emitting element 3 Photodiode array 3a Photodiode cell 5, 6 Output MOSFET
7 Charging / discharging circuit 8 MOSFET (semiconductor element, semiconductor switching element)
11, 31 Dielectric isolation substrate 13 n-type single crystal silicon island 28 MOSFET (semiconductor element, semiconductor switching element, vertical semiconductor element)

Claims (7)

入力信号に基づいて発光する発光素子と、
複数の直列に接続されたフォトダイオードセルを有し、前記発光素子からの光を受光して光起電力を発生するフォトダイオードアレイと、
前記フォトダイオードアレイと接続された1つ以上の出力用MOSFETと、
前記フォトダイオードアレイと並列に接続され、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力に基づいて、前記1つ以上の出力用MOSFETのゲートの充電と放電とを切り換えることにより、前記1つ以上の出力用MOSFETを開閉する充放電回路とを備えた半導体リレー装置において、
前記充放電回路は、半導体素子を備え、この半導体素子が、誘電体分離基板上のn型単結晶シリコン島に形成されていることを特徴とする半導体リレー装置。
A light emitting element that emits light based on an input signal;
A photodiode array having a plurality of photodiode cells connected in series, receiving light from the light emitting element and generating photovoltaic power;
One or more output MOSFETs connected to the photodiode array;
The one or more outputs are connected in parallel with the photodiode array and switched between charging and discharging the gates of the one or more output MOSFETs based on the photovoltaic power generated in the photodiode array. In a semiconductor relay device comprising a charge / discharge circuit that opens and closes a power MOSFET,
The charge / discharge circuit includes a semiconductor element, and the semiconductor element is formed on an n-type single crystal silicon island on a dielectric isolation substrate.
前記半導体素子は、前記フォトダイオードアレイで発生する光起電力に基づいてオン/オフが切り換えられる半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項1に記載の半導体リレー装置。   The semiconductor relay device according to claim 1, wherein the semiconductor element is a semiconductor switching element that is switched on / off based on a photovoltaic power generated in the photodiode array. 前記フォトダイオードアレイは、前記1つ以上の出力用MOSFETの各々のゲート閾値電圧の10倍以上の大きさの光起電力を出力することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体リレー装置。   3. The semiconductor according to claim 1, wherein the photodiode array outputs a photovoltaic power having a magnitude of 10 times or more a gate threshold voltage of each of the one or more output MOSFETs. Relay device. 前記フォトダイオードアレイは、14個以上の直列に接続されたフォトダイオードセルを有することを特徴とする請求項3に記載の半導体リレー装置。   4. The semiconductor relay device according to claim 3, wherein the photodiode array includes 14 or more photodiode cells connected in series. 前記半導体素子は、縦型半導体素子であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体リレー装置。   The semiconductor relay device according to claim 1, wherein the semiconductor element is a vertical semiconductor element. 前記フォトダイオードアレイと前記充放電回路は、同一の誘電体分離基板上に形成され、かつ、前記フォトダイオードアレイが形成されたn型単結晶シリコン島の深さは、前記フォトダイオードアレイによる近赤外線の光吸収率が90%以上になる深さであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体リレー装置。   The photodiode array and the charging / discharging circuit are formed on the same dielectric isolation substrate, and the depth of the n-type single crystal silicon island on which the photodiode array is formed is determined by the near infrared ray by the photodiode array. The semiconductor relay device according to any one of claims 1 to 5, wherein the depth is such that the light absorptance of the semiconductor is 90% or more. 前記フォトダイオードアレイが形成されたn型単結晶シリコン島の深さは、40μm以上で70μm以下であることを特徴とする請求項6に記載の半導体リレー装置。   The semiconductor relay device according to claim 6, wherein a depth of the n-type single crystal silicon island in which the photodiode array is formed is 40 μm or more and 70 μm or less.
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