JP2969761B2 - 単一パッケージ光電発光―受光デバイスおよびその形成方法 - Google Patents

単一パッケージ光電発光―受光デバイスおよびその形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は電子−光学トランスミツタ−レシーバ（el
ectro−optic transmitter−receiver）（光電発光−受
光デバイス）およびその形成方法に関し、より具体的に
は、単一パツケージ（single package）で、連続的に直
列接続される半導体電子−光学トランスミツタ−レシー
バ（光電発光−受光デバイス）およびその形成方法であ
り、ここでは、エミツタ（発光素子）及びレシーバ（受
光素子）の両方が透明カバー（被覆）を通して外部方向
に面している。
〔従来の技術〕
他のものの間でもなかんづく、組み合わされたトラン
スミツタ−レシーバ（発光−受光デバイス）のような用
途のため、半導体光学的エミツタ（発光）及びレシーバ
（受光）デバイスを単一ハウジング容器またはパツケー
ジに封入するのは、既知である。普通の応用において
は、エミツタ（発光部）は、エネルギーを与えれる時に
光を発光する、半導体発光ダイオード（LED）である。L
EDからの光は透明カバー（被覆）を通過して進み、別の
レシーバ（受光）デバイス、または、発射光の１部を透
明カバーを通り同じハウジング（容器）内のレシーバ
（受光）デバイスにもどす目標（object）に遭遇すると
ころで、デバイスパツケージより出る。ホトトランジス
タ、ホトダイオード及びホトレジスタは、既知のレシー
バ（受光）デバイスである。レシーバ（受光）デバイス
の波長感度は、ハウジング容器内のLEDまたは他の光エ
ミツタ（発光デバイス）より発射される光波長を充分に
検出できるようなものであるということは、重要であ
る。
いろいろの電子−光学エミツタ−レシーバが、Okabe
に対して発行された米国特許第4309605号明細書、Mikam
i及びその他に対して発行された米国特許第4614958号明
細書、Inaba及びその他に対して発行された米国特許第4
521681号明細書において記載され、これらの特許は参考
のためここに合体されている。
従来技術のデバイスは、例えば、製造コストを増加し
及び／または望ましい特性の提供ができない、複雑で高
価な半導体デバイス及び／またはハウジング容器の使用
のような数多くの不都合な欠点により、損害を受けてい
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
したがつて、改良された単一パツケージ、半導体エミ
ツタ−レシーバデバイスに対する要求は継続的に存在し
ており、本発明の目的の１つはこの単一パツケージ光電
発光−受光デバイスおよびその形成方法を提供すること
である。
本発明の他の目的の１つは、エミツタ及びレシーバが
ともに外部方向に面し、自動化されたアセンブリ組立工
程及び低コストによく適合する簡単なリードフレーム上
に取り付け実装されるのに適応する、改良された単一パ
ツケージ光電発光−受光デバイス及びその形成方法を提
供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記及び他の目的、及び利点は、外部方向に突出する
可変光源と及び外部方向に指向された光感応デバイス
（Photosensitive device）とをそこの上に有するリー
ド手段と、及び光の通過を自由にするために光感応デバ
イス及び可変光源上に位置する透明カバー（被覆）手段
を含み、その被覆（カバー）手段が、光を集光するため
の光感応デバイス上の実質的中央に位置する凸面に曲が
ったレンズ手段、及び、光伝達のため可変光源上に位置
する平坦かまたは凹面部分、を望ましくも具備する、単
一パツケージ光電発光−受光デバイスにより供給され
る。
光感応デバイス及び可変光源及びリード手段は以下の
ように配置されている。即ち、デバイスに対する外部か
らの反射或いは散乱がなく、パツケージ内において後方
散乱される可変光源からの光は、光感応デバイスをター
ンオンするには不十分である、ということは重要であ
る。
第１の実施例においては、光感応デバイスはリード手
段の第１部分上に取り付け実装され（mount）、可変光
源は第２部分、リード手段の間隔をあけた部分に取り付
け実装される。リード手段が、光感応デバイスをその上
に持つ第１部分、可変光源をその上に持つ第２部分及び
第３部分、を持ち、第１、第２及び第３部分が実質的に
共通平面上に間隔があけられていれば、好都合である。
第１電気的相互接続手段は、可変光源及びリード手段の
第１部分との間に延長するのが望ましく、第２電気的相
互接続は、リード手段の第３部分及び光感応デバイスの
間に延長するのが望まれる。
望ましい実施例においては、光感応デバイスはホトト
ランジスタであり、そのコレクタはリード手段の第１部
分に結合され、そのエミツタはリード手段の第３部分に
接続され、また、可変光源はLEDであり、１つの端子は
リード手段の第２部分に結合され、他の端子はリード手
段の第１部分に接続される。曲面レンズ手段（curved l
ense means）は透明カバー（被覆）手段内にくぼみを付
けられ（recessed）、そこより突出させないのが望まし
い。透明被覆（カバー）手段の曲面レンズ手段及び平坦
なまたは凹面部分は、一体（ユニタリー）として用いる
のが望ましい。
第２の実施例においては、光感応デバイスはリード手
段の第１部分上に取り付けられ、可変光源はリード手段
の同じ部分に取り付けられるが、光感応デバイスよりは
間隔をあけられる。
以上の本発明の要約及び目的、及びその利点は、添付
図面及び以下の説明を考慮して十分に理解されるであろ
う。
〔発明の概要〕
改良された電子−光学トランスミツタ−レシーバ（光
電発光−受光デバイス）が、LEDのような可変光源及び
ホトトランジスタのような光感応デバイスを１つ、また
は、それ以上の実質的に平坦なリードフレーム上に配置
することにより提供される。可変光源及び光感応デバイ
スの両方は、パツケージリードの平面に対してほぼ垂直
な同じ方向において外部方向に面している。一様なる透
明カバー（被覆）が可変光源及び光感応デバイス上に広
がっている。レンズが光感応デバイス上に供給される
が、それは可変光源上には広がらない。
光感応デバイスにはNPNホトトランジスタが望まし
く、中央に位置するレンズの下に実質的に中心をおき、
中央デバイスリードに取り付けられる。Ｎ型基板LEDが
使用される時は、それは他のリードの上でレンズの片側
に配置されるのが好都合である。LEDはホトトランジス
タと同じリード上に配置もできるが、レンズの下には配
置できない。ワイヤボンデングは都合よくデバイスの接
続に使用され、３端子電子−光学トランスミツタ−レシ
ーバ（光電発光−受光デバイス）を形成する。
LEDと及びホトトランジスタとの間のカバー（被覆）
に広がるくぼみ（recess）を有することが望ましく、く
ぼみは、これらの間の内部後方散乱光の伝達を減少す
る。
〔実施例〕
第１図は、従来技術にもとづく単一パツケージ半導体
光電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）10の簡
略上面図で、第２図はその簡略側面図である。発光−受
光デバイス（エミツタ−レシーバ）10は、被覆（カバ
ー）18に囲まれるリード12,12′,14,14′,16,16′を含
む。中央リード14は、上にホトトランジスタ22及びLED2
4が取り付け実装されるダイボンド部分20を持つ。ワイ
ヤボンド23はホトトランジスタ22をリード16に接続し、
ワイヤボンド25はLED24をリード12に接続する。被覆
（カバー）18は、ホトトランジスタ22及びLED24の両方
の上に位置する突出した透明な凸面レンズ19を有する。
この方法では、LED24から発光される光26（28′）及び
ホトトランジスタ22により受光される光28（26′）は、
凸面レンズ19を通過する。GaAsLED（発光ダイオード）
は、例えばシリコンベースのホトトランジスタのよう
な、シリコンレシーバ（受光デバイス）と結合して使用
する場合に適している。このようなデバイスは技術的に
既知で、またそのようなものを組み立てるアセンブリ工
程手段も既知である。
第３図は、第１図乃至第２図のトランジスタ22,22′
及び発光ダイオード（LED）24,24′を含む同じ従来技術
の発光−受光デバイス10,10′の１対がギヤツプ30を横
切りエミツタ（発光デバイス）がレシーバ（受光デバイ
ス）に対面するように配置された回路図を図示する。LE
D電流制限レジスタ32,32′及び出力レジスタ34,34′が
供給される。電力は、リード16,16′及び接地の間に印
加される。発光−受光デバイスの回路10,10′の間には
いかなる共通の電気的接続も必要ではなく、ギヤツプ30
を横切る光学的接続があるだけである。
第１図乃至第２図の装置に関連する問題点は、LED及
びホトトランジスタは両方ともに、同じレンズの下に置
くため非常に接近して配置されることである。これは、
漏話（クロストーク）、即ち、パツケージ内の内部後方
散乱を介しLED24からの光がホトトランジスタ22に何気
なく（意図的でなく）到達すること、の可能性を増加す
る。この場合には第３図において概略的に示される通信
装置構成は、同時送受信モード（duplex mode）、即
ち、発光−受光デバイス10及び10′が同時に送信及び受
信することで、運転はできず、単一モード、即ち、発光
−受光デバイス10は送信し、発光−受光デバイス10′は
受信するかまたはその逆、でのみ運転されねばならず、
同時に両方はできない。
第１図乃至第２図に関する別の問題点は、NPNホトト
ランジスタの使用が望まれる時にはＰ基板LEDが使用さ
れるべきで、そうすればLEDは、共通ボンデイング（ダ
イボンド）部分20上に正しい電気的方向（correct elec
trical direction）に配置できることである。Ｐ基板LE
Dは高コストのため、Ｎ基板LEDより望ましくないことが
多い。
上述及び他の問題点は、第４図乃至第６図の実施例に
図示される本発明の構造により克服される。第４図乃至
第６図はそれぞれ、本発明にもとづく単一パツケージ半
導体光電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）40
の、簡略上面図、側面図及び正面図を示す。発光−受光
デバイス（エミツタ−レシーバ）40は、被覆（カバー）
48内に囲まれるリード42,44,46を含む。中央リード44は
ダイボンド部分50を持ち、その上にホトトランジスタ52
が取り付け実装される故に、例えばそのコレクタはリー
ド44と電気的にコンタクトしている。発光ダイオード
（LED）54はリード42上に取り付けられる故、例えばLED
54のアノードは、リード42と電気的にコンタクトしてい
る。ワイヤボンド53は、例えば、ホトトランジスタ52の
エミツタをリード46に接続し、ワイヤボンド55は、例え
ば、LED54のアノードをリード44に接続する。
透明被覆（カバー）48は、ホトトランジスタ52の上を
中心位置に配置されるが、しかし、LED54の上には配置
されない、凸面レンズ49を持つ。ホトトランジスタ52に
よって受光される光58は凸面レンズ49の中央を通り通過
するが、しかし、LED54から発光された光56は通過しな
い。これは、ホトトランジスタ22がレンズ19の下の中央
に配置されず、凸面レンズ19を共用にするLED24に対し
間隔を残すため片側に配置される第１図乃至第２図の従
来技術の配置に比べ、ホトトランジスタ52に対し改良さ
れた集光効率（light collection efficiency）を供給
する。凸面レンズ49は、第１図乃至第２図の凸面レンズ
19に似た様に突出しているかもしれない。しかしなが
ら、第４図乃至第６図に示す凸面レンズ49のくぼみのあ
る配置（recessed arrangement）は、デバイス特性に逆
に作用する表面損傷に対し凸面レンズ49が影響を受けに
くくする故に、この構成が好まれる。例えば第１図乃至
第２図の突出した凸面レンズ19の面のかき傷は、内部光
後方散乱の量を著しく増加する。
好ましい実施例においてLED54上には、凸面レンズが
また供給されるので、LED54からの光56は透明被覆（カ
バー）48の実質的に平坦なまたは凹面（点線）の表面部
分59を通り通過する。好ましい構造は製造が特に単純で
あり、また、第１図乃至第２図の従来技術デバイスに比
較し、改良された結果を与えることが知られている。殆
んど平坦なLED54上の被覆（カバー）48の表面部分59に
より、より広範囲な外部光分散（散乱）が達成された。
また第４図乃至第６図の配置は、トランジスタ52に影響
するLED54からの内部光後方散乱に影響されにくい。こ
れはなかんづく、本体被覆（カバー）48に拡がる凸面レ
ンズ49の表面部分49′が、トランジスタ52に対しLED54
より内部的に後方散乱される光、例えば表面部分59にお
ける本体−空気インタフエースより後方散乱される光の
伝達を妨げる組込み光隔離板（built−in optical sepa
rator）として働くからである。
上記に記述された特徴は、組み合わせで多くの応用に
おいて、改良された特性を供給する。例えば本発明の１
対のデバイスが第３図のように配置された時には、ギヤ
ツプ30の両側での光電発光−受光デバイス（エミツタ−
レシーバ）の位置合わせ精度への感度が少ない。例えば
第７図の構成図のように単独で使用される時には、LED5
4からの光56は目標としての発光−受光デバイス60に向
けられ、光56は、目標としての発光−受光デバイス60に
よりホトトランジスタ52に向け反射され、または、散乱
される。発射光の分散角度が広ければホトトランジスタ
52上の凸面レンズ49の改良された集光効率と結合し、こ
の状態においてもまた高効率特性を供給する。特に、光
電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）40に関す
る目標としての発光−受光デバイス60の位置はあまり重
要ではなく、目標としての発光−受光デバイス60が発射
光56の通路に挿入され、または、はずされても、LED54
上の同じ発光レベル（輝度）（exitation level）に対
しトランジスタ52から、より大きなオン−オフ信号比
（on−off signal ratio）が達成される。なかんづくこ
れは、第４図乃至第６図の発明された装置構成は、第１
図乃至第２図の従来技術の装置構成より低いレベルの内
部光後方散乱を持つからである。他のことが等しけれ
ば、これは、トランジスタ52からの暗電流信号レベル
（dark signal level）（外部反射または散乱なし）が
従来技術の装置構成で達成されるものより低いことを意
味する。
本発明の他の実施例が第８図乃至第10図に図示されて
いる。第８図乃至第９図はそれぞれ、単一パツケージ半
導体光電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）60
の簡略上面図及び側面図を示し、第10図は第８図乃至第
９図のデバイスに適用できる簡略構成図を示す。
光電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）60
は、被覆（カバー）68に囲まれるリード62,64,66を含
む。中央リード64は、ダイボンド部分70を持ち、その上
にホトトランジスタ72が取り付け実装される故に、例え
ば、そのコレクタはリード64と電気的にコンタクト（接
触）している。LED74は、ダイボンド部分70上の他の所
またはリード64上のどこかに取り付け実装されるので、
例えばLED74のカソードはリード64と電気的にコンタク
ト（接触）している。ワイヤボンド73は、例えばホトト
ランジスタ72のエミツタをリード66に接続し、ワイヤボ
ンド75は例えば、LED74のアノードをリード62に接続す
る。
透明被覆（カバー）68は凸面レンズをホトトランジス
タ72の上を中心に位置させるが、LED74の上には配置し
ない。ホトトランジスタ72によって受光される光78は、
レンズ69の中央を通過するがしかし、LED74によって発
光された光76は通過しない。好ましい実施例では、凸面
レンズがLED74の上にもまた供給できるが、LED74からの
光76は透明被覆（カバー）69の実質的に平坦なまたは凹
面（点線）部分79を通り通過する。この配置は、LED74
及びホトトランジスタ72の間のくぼみ面部分69′を含
み、第４図乃至第６図に関連し既に説明された利点を有
する。
第10図は、第８図乃至第９図のデバイスがレジスタ8
2,84に接続される方法を示す。LED74からの光76は反射
または散乱されるが、目標80からの光78は、光76の通路
に目標80がある時には、ホトトランジスタ72にもどる。
さもなければ、LED74及びトランジスタ72の間には実質
的に光の通路は存在しない。
第10図の配置構成の特徴は、それは再生的で（regene
rative）、即ち、ホトトランジスタ72のインピーダンス
が反射または散乱光78の受光に対応して減少するにつ
れ、LED74を通る電流もまた増加し発射された光76に増
加を引きおこすことである。他のことが等しければ、発
射光76のこの増加は受信光78を増加し、さらにトランジ
スタ72のインピーダンスを減少する。この再生的動作は
ホトトランジスタ72が飽和になるまで続き、これは、目
標80が除去されるか、または、光通路がほかの方法で切
断され、反射または散乱光がトランジスタ72の導電性を
維持するのに必要なレベル以下に落ちるまで続くであろ
う。回路はそこで閉じる。この回路は、再生的帰還（re
generative feedback）なしに達成できる、再生及びオ
ン−オフ信号比（on−off signal ratio）に依るスナツ
プ動作（snap−action）の利点を有する。
当業技術者は、本発明の好ましい実施に使用される実
質的に平坦なリードフレームは、光電子部品で普通用い
られる他の型のリードフレームに比較し、技術的に既知
の手段で製造するのに容易で、組立アセンブリ工程にお
ける操作もやさしいことを、理解できるであろう。LED
及びホトトランジスタの両方は、実質的に同一平面上に
あるリードフレームの平坦な部分に取り付け実装され
る。リードフレームの多くの部分は、上より下に（down
−formed）または下より上に（up−formed）形成される
ものだが、これは必ずしも重要ではない。さらにLED及
びホトトランジスタは、これらが取り付けられる面上に
造られ、また、技術上既知の手段によりリードフレーム
上に取り付けられる、１つのコンタクト（接触部）を持
つ普通のダイの形である。LEDまたはホトトランジスタ
のいづれでも、リードフレームより分離するために、リ
ードフレーム上に絶縁材料を使用する必要がない。さら
に本発明の好ましい実施例の、単一の、後部コンタクト
ダイ及びプレーナリードフレームは、低コスト自動組立
アセンブリ工程に特に適合する。それ故に本発明の製品
は、特に経済的に生産できる。
本発明は以上の通り説明されたので当業技術者は、本
発明が改良された単一パツケージ、半導体光電発光−受
光（エミツタ−レシーバ）デバイス、及び特に、エミツ
タ及びレシーバがともに外部方向を向き、単一プレーナ
リードフレーム上の取り付け実装に適し、低コストの組
立工程によく適合するものを供給することを、理解する
であろう。
当業技術者は本発明の説明にもとづき、本発明より逸
脱せずに、レシーバ（受光デバイス）及びエミツタ（発
光デバイス）部品の選択において、多くの変更が行われ
うることを理解するであろう。例えば、本発明はシリコ
ンホトトランジスタに関連し記述されているが、当業技
術者は、多くの他の材料より作られるホトダイオード及
び／またはホトレジスタ及び／またはホトサイリスタま
たは他の光感度部品が等しく、よく使用できることを理
解するであろう。同様に本発明は例えばGaAsLEDのよう
な発光ダイオードに関連し記述されているが、他のエミ
ツタ（発光デバイス）及び他の発光材料も同様によく使
用されうるものである。当業技術者はここの記述にもと
づき、本発明に関連する使用のために、エミツタ（発光
デバイス）及びレシーバ（受光デバイス）の適当な部品
を選択する方法を理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来技術にもとづく単一パツケージ半導体光
電発光−受光デバイス（エミツタ−レシーバ）の簡略上
面図であり、 第２図は、第１図のデバイスの側面図で、 第３図は、差し向かい（face−to−face）に配置された
第１図にもとづくデバイスの１対に関連する電気回路の
構成図で、 第４図は、本発明の１つの実施にもとづく単一パツケー
ジ半導体光電発光−受光デバイス（エミツタ−レシー
バ）の簡略上面図で、 第５図は、第４図のデバイスの側面図で、 第６図は、第４図のデバイスの正面図で、 第７図は、第４図のデバイスに関連する電気回路の構成
図で、 第８図は、本発明の別の実施例の１つにもとづく単一パ
ツケージ半導体光電発光−受光デバイス（エミツタ−レ
シーバ）の簡略上面図で、 第９図は、第８図のデバイスの側面図で、また、 第10図は、第９図のデバイスに関連する電気回路構成図
である。 10,10′,40,60……単一パツケージ半導体光電発光−受
光デバイス（エミツタ−レシーバ回路）、12,12′,14,1
4′,16,16′,42,44,46,62,64,66……リード、18,48,68
……被覆（カバー）、19,49,69……凸面レンズ、20,50,
70……ダイボンド部分、22,22′,52,72……ホトトラン
ジスタ、23,25,53,55,73,75……ワイヤボンド、24,2
4′,54,74……発光ダイオード（LED）、26,26′,28,2
8′,56,58,76,78……光、30……ギヤツプ、32,32′……
LED電流制限レジスタ、34,34′……出力レジスタ、49′
……表面部分、59……（凸面）表面部分、69′……くぼ
み面部分、79……凹面部分、80……目標、82,84……レ
ジスタ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】デバイスの外側表面を通して光を送受信す
    る単一パッケージ光電発光−受光デバイスであって： 前記外側表面に向かって光を発光するように指向された
    輝度可変光源と前記外側表面に入射する光を受光するよ
    うに指向された光感応デバイスとをその上に具えるリー
    ドであって、前記リードは前記外側表面に面しかつ空間
    によって前記外側表面から分離された支持面からなるリ
    ード；および 前記支持面の一部分上に配置された前記輝度可変光源か
    らおよび前記支持面の他の一部分上に配置された前記光
    感応デバイスへの光の透過を可能にする単一の透明カバ
    ーであって、前記透明カバーは前記光感応デバイスおよ
    び前記輝度可変光源上に配置され、前記透明カバーは集
    光用にレンズの中央を前記光感応デバイスの実質的に中
    心部分上に配置した曲面レンズ、発光用に前記輝度可変
    光源上に配置された実質的に平坦か或いは凹状の部分、
    および前記輝度可変光源と前記光感応デバイス間で前記
    外側表面から前記支持表面に向かって内側に広がるくぼ
    みを有し、該くぼみはパッケージ内で後方散乱された前
    記輝度可変光源からの光が前記光感応デバイスをターン
    オンするには不十分であるように配置されたくぼみから
    なる透明カバー； から構成されることを特徴とする単一パッケージ光電発
    光−受光デバイス。
  2. 【請求項２】デバイスの外側表面を通して光を送受信す
    る光電デバイスを形成する方法であって： 第１、第２および第３電極を有するリードフレームを用
    意する段階であって、前記第１、第２および第３電極を
    空間によって前記外側表面から分離するリードフレーム
    を用意する段階； 前記第１電極上に光感応デバイスを実装する段階； 前記第１または第２の電極上に発光デバイスを実装する
    段階；および 前記光感応デバイスおよび前記発光デバイス上に配置さ
    れた光の透過が可能な単一の透明カバーを用意する段階
    であって、該単一の透明カバーは前記光感応デバイス上
    のみ配置され前記発光デバイス上には配置されない第１
    の凸レンズ、前記発光デバイス上の実質的に平坦か或い
    は凹状の第２の部分、および前記光感応デバイスと前記
    発光デバイス間に位置し前記外側表面から内側に広がる
    くぼみであって、該くぼみは当該光電デバイス内で後方
    散乱された前記発光デバイスからの光が前記光感応デバ
    イスをターンオンするには不十分であるように配置され
    たくぼみを有する透明カバーを用意する段階； から形成されることを特徴とする単一パッケージ光電デ
    バイスの形成方法。
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