JP2663851B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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    • H01L2924/13033TRIAC - Triode for Alternating Current - A bidirectional switching device containing two thyristor structures with common gate contact

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光半導体装置に関し、特
に受光素子のサージ特性を改善した光半導体装置に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】図3は受光素子のサージ特性の改善を図
った従来の光半導体装置の例を示す図であり、特開平4
−106985号公報に開示された高耐圧フォトカプラ
の例である。 フォトカプラの一般的構造は図3(A)
に示す如くなっており、リードフレーム19aに発光ダ
イオード17が搭載され、これに対向する他のリードフ
レーム19bに受光素子であるフォトトランジスタ18
が搭載されている。そして、これ等素子が遮光性エポキ
シ樹脂21及び透光性エポキシ樹脂22によってモール
ドされた構造となっている。尚、20はボンディングワ
イヤである。
【0003】図3(B)はその等価回路図であり、1は
フォトトランジスタ18のエミッタ端子、2はコレクタ
出力端子、28は負荷抵抗、30はバイアス端子を夫々
示している。尚、24は等価的な寄生容量を示してお
り、この寄生容量24の存在に起因してサージ電流がフ
ォトダイオード17からフォトトランジスタ18の受光
面へ流れる。
【0004】そこで、このサージ電流を軽減してサージ
特性を良好とすべく、ポリシリコン等の透光性導伝膜2
5をフォトトランジスタ18のベース受光面上に被着形
成するようになっている。
【0005】図3(C)にこの透光性導伝膜が形成され
たフォトトランジスタの断面構造を示している。図にお
いて、N+ 型のサブストレート8上にN- 型の層7がエ
ピタキシャル成長にて形成され,このエピタキシャル層
7内にP型ベース領域6及びN型エミッタ領域9がこの
順に拡散法にて形成されている。
【0006】これ等表面にシリコン酸化膜5とポリシリ
コン層25とがこの順に被着形成され、表裏面がメタラ
イズされた構造となっている。尚、1はエミッタ電極、
2はコレクタ電極、4はアルミ酸線層、16は裏面電極
を夫々示している。
【0007】かかる構成において、電気信号により駆動
された発光ダイオード17から出た光信号はフォトトラ
ンジスタ18にて受光され電気信号に変換されるが、発
光素子側と受光素子側との間のグランド電位差が急峻に
変化すると、図3(B)に示す寄生容量24を介してサ
ージ電流が流れ、フォトトランジスタが誤動作を生じ
る。
【0008】このサージ電流はフォトトランジスタのベ
ース電流として作用するので、このトランジスタの電流
増幅率hfeだけ増幅されてコレクタ電流が流れ、その影
響は大となる。そこで、フォトトランジスタのベース面
をポリシリコン等の透光性導伝膜25で被い、当該サー
ジ電流をベース電流として寄与させることなくエミッタ
端子1(すなわちグランド)へ逃がす様にしているので
ある。
【0009】図4(A),(B)は受光素子としてフォ
トトランジスタの代わりにフォトダイオードを用いた場
合のサージ特性の改善を図った従来例を示す図であり、
特開平2−275680号、特開平4−280674号
の各公報に開示のものである。
【0010】図4(A)は等価回路図であり、(B)は
フォトダイオード27の構造を示す図であって、図3と
同等部分は同一符号により示している。
【0011】図において、P+ 型のサブストレート15
上にN- 型のエピタキシャル層7が形成され、このエピ
タキシャル層7内に、P型層26が拡散され、更にこの
P型層26内のチップ表面(受光面)に浅いN+ 型層3
が形成されている。
【0012】尚、11はフォトダイオード27のアノー
ド端子、12はカソード端子、13はカソード電極用N
型領域、14はアイソレーション領域を夫々示してい
る。
【0013】この図4の構造でも、寄生容量24により
サージ電流が流れてフォトダイオード27の誤動作を生
じることになる。そこで、フォトダイオード27のアノ
ード26である受光面上に浅いN+ 型の拡散層3を設
け、この拡散層3をアノード端子11に電気的に接続す
る構造とすることにより、この拡散層3を介してサージ
電流をアノード端子11すなわちグランドへ逃す様にし
ているのである。
【0014】図5は従来のフォトサイリスタチップの断
面構造を示しており、N- 型のサブストレート33の裏
面から拡散によりP+ 型層34が形成さ、端子32がサ
イリスタのアノードとなっている。そして、サブストレ
ート33の表面から拡散によりP型層31、N型層36
をこの順に形成し、カソード端子35を設けることによ
り、フォトサイリスタが得られている。そして、P型層
31がゲートとして作用する。
【0015】尚、フォトトライアックもこのフォトサイ
リスタと同様な構造となっている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】従来例として示した図
3のフォトトランジスタを用いた光半導体装置では、サ
ージ電流を逃がすために透過性導伝性膜としてポリシリ
コン膜を用いているが、その抵抗率は大であるために、
サージ特性の大幅な改善は期待できないという欠点があ
る。また、受光表面での再結合電流を低減し、高S/N
とすることができないという欠点もある。
【0017】図4に示したフォトダイオードを用いた光
半導体装置では、受光面のN+ 型の層3の作用によりサ
ージ耐量は格段に向上するが、アノード側に負荷抵抗を
設けてこのアノード側から信号を取出すべく、アノード
を直接次段の増幅器等に接続する必要があるときには、
サージ電流も信号電流と共に流出するので、サージに対
する効果は全くなくなるという欠点がある。
【0018】更に、図5に示したフォトトライアックや
フォトサイリスタにおいては、サージ電流に対する対策
は何等施されていないので、耐ノイズ性の向上やS/N
の向上は期待できないという欠点がある。
【0019】本発明の目的は、サージやノイズに対して
強い特性を有する光半導体装置を提供することである。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明による光半導体装
置は、フォトトランジスタ、フォトトライアック及びフ
ォトサイリスタ等の受光素子の受光表面において、ベー
スやゲートとして機能する第1の不純物領域内に、エミ
ッタやカソードとして機能する第2の不純物領域と、こ
の第2の不純物領域の深さよりも浅く設けられこの第2
不純物領域と同一導電型の不純物層が形成されてお
り、前記不純物層を前記第2の不純物領域に接続してな
ることを特徴とする。
【0021】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。
【0022】図1は本発明の一実施例のフォトトランジ
スタの構造を示す図であり、(A)はその平面図、
(B)は(A)のA−A’線に沿う矢視方向断面図であ
る。尚、図1において図3〜図5と同等部分は同一符号
により示している。
【0023】フォトトランジスタの受光領域すなわちベ
ース領域6の表面に、エミッタ領域(N+ 不純物領域)
9の深さよりも浅く、このエミッタ領域9と同一導電型
の不純物層3が例えばイオン注入法により形成されてい
る。そして、このN+ 不純物拡散層3はエミッタ領域9
と短絡された構造となっており、電気的に両者は接続さ
れている。
【0024】N+ 型サブストレート8は厚さ200μ
m,チップサイズ1mm角程度の半導体であり、この一
主表面上に、比抵抗数10Ω−cmのN- 型エピタキシ
ャル層7が50μm程度被着形成されている。しかる後
に、ボロン等の不純物を用いてP型ベース領域6が5〜
10μm程度に形成され、更に、リン等の不純物を用い
てN+ 型エミッタ領域9が3〜7μm程度に形成され
る。これ等、ベース領域6及びエミッタ領域9の形成
は、熱拡散により形成される。
【0025】そして、リン等の不純物を用いて1μm程
度の浅いN+ 型不純物層3が、イオン注入法により形成
される。最後に、表裏面に電極がメタライズすることに
より生成される。
【0026】ここで、ベース領域6の深さは素子耐圧を
決定する一つのパラメータとなるもので、通常数μmの
オーダとされる。また、浅いN+ 型層3を1μm程度の
薄い層とするのは、このN+ 型層3の不純物濃度が高い
ために、入射した光により発生する電子と正孔との対が
直ちに再結合して受光に寄与できなくなって光感度が低
下することを抑止するためである。
【0027】かかる構成において、コレクタ端子2がプ
ラス電位に、エミッタ端子1がマイナス電位に夫々バイ
アスされ、P型ベース6に正孔が注入されると、これ等
正孔は熱拡散してその一部はエミッタ下部(トランジス
タのベース機能部)に達し、これによって、hfe倍され
たコレクタ電流が流れる。残りの正孔は浅いN+ 型層3
へ達し、(hfe倍されることなく)そのままエミッタ9
へ流れることになる。
【0028】上述と同一のバイアス条件のとき、光と同
じ方向にサージ電流が入射した場合、その大半は高濃度
の浅いN+ 型層3を介してエミッタ9を通ってエミッタ
端子1へ流れることになる。このとき、サージ電流はエ
ミッタ9のチップ表面付近を通るために、hfe倍される
ことはない。この場合、表面再結合電流はこの高濃度不
純物層3を介してエミッタ9へ流出するので、ノイズ源
となることはない。
【0029】図2は本発明の他の実施例のフォトトラン
ジスタの構造を示す図であり、(A)はその平面図、
(B)は(A)のA−A’線に沿う矢視方向の断面図で
ある。尚、図2において図1と同等部分は同一符号にて
示す。
【0030】本例において、図1との相違点はエミッタ
領域9が1箇所ではなく装置表面に分散配置して設けら
れている点である。この様な構造とすることにより、光
の入射によって生じるキャリアが、浅い不純物層3へ流
れ込むよりも、エミッタ9の下部へ到達し易くなり、ベ
ース電流として寄与する割合が大となるのである。
【0031】尚、図5に示したフォトサイリスタやフォ
トトライアック等の受光素子にも本発明は同様に適用で
きることは明らかである。この場合、N+ 型の浅い不純
物層3は図5のカソード36のN型領域に短絡して設け
られることになる。
【0032】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、フォ
トトランジスタの機能そのものは維持してサージ電流は
hfe倍することなくそのまま(1倍)エミッタ側へ逃し
光信号はhfe倍して出力可能となるので、サージ電流の
相対信号強度は1/hfeに小さくなり、またエミッタ9
を表面に分散配置することで、入射光により生ずるキャ
リアがベース電流として寄与する割合を多くすること
で、光感度の低下が防止されることになる。従って、従
来はdv/dt=200v/μs程度であったノイズ耐
量が500v/μs程度まで大幅に上昇することにな
る。
【0033】更に、信号出力側に負荷抵抗を接続したと
き、あるいは直接後段の増幅器へ接続する際にも、サー
ジ電流は信号電流に対して1/hfeとなり、サージ電流
に対する誤動作が低減可能となる。
【0034】更にまた、表面の高濃度層により、ノイズ
源となる表面で再結合するキャリアを低減することがで
き、高S/Nの受光素子とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の一実施例の平面図、(B)は
(A)のA−A’線に沿う断面図である。
【図2】(A)は本発明の他の実施例の平面図、(B)
は(A)のA−A’線に沿う断面図である。
【図3】(A)は光半導体装置の一般的構造を示す図、
(B)は従来の光半導体装置の等価回路図、(C)はそ
の光受光素子の断面構造を示す図である。
【図4】(A)は従来の他の光半導体装置の等価回路
図、(B)はその光受光素子の断面構造を示す図であ
る。
【図5】従来の更に他の光半導体装置のフォトサイリス
タの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
1 エミッタ端子 2 コレクタ端子 3 N+ 型不純物層 4 アルミ電極 5 シリコン酸化膜 6 P型ベース領域 7 N- 型エピタキシャル層 8 N+ 型サブストレート 9 エミッタ 12 カソード端子 16 裏面電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フォトトランジスタ、フォトトライアッ
    ク及びフォトサイリスタ等の受光素子の受光表面におい
    て、ベースやゲートとして機能する第1の不純物領域内
    に、エミッタやカソードとして機能する第2の不純物領
    域と、この第2の不純物領域の深さよりも浅く設けられ
    この第2の不純物領域と同一導電型の不純物層が形成さ
    れており、前記不純物層を前記第2の不純物領域に接続
    してなることを特徴とする光半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記不純物層は前記受光表面の略全体に
    亘って設けられていることを特徴とする請求項1記載の
    光半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記エミッタとして機能する領域を分散
    配置したことを特徴とする請求項1,2いずれかの光半
    導体装置。
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