JP3292651B2 - 光起電力装置 - Google Patents

光起電力装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は半導体スイッチン
グデバイスを制御するための制御信号を発生するための
光起電力装置に関し、より詳しくは、シリコン基板に形
成されたプレーナセルのアレイが絶縁されたウエハボン
ディングアッセンブリにて誘電体により互いに絶縁され
ているデバイスのための新規な構造に関連している。
【0002】
【従来の技術】光起電力装置(PVG)はよく知られて
おり、一般にソリッドステートリレーのための制御装置
信号を発生するために使用されている。かかるデバイス
では、入力端子に駆動信号が入力され、間隔を有すると
ともに絶縁された光起電力装置の感光面に光を照射する
LEDを使用している。光起電力装置の出力は、MOS
ゲートデバイス、典型的にはパワーMOSFETのよう
なスイッチングデバイスの入力として使用することがで
き、該スイッチングデバイスは上記LEDの駆動に応答
してスイッチ「オン」される負荷端子を有している。上
記リレーの入力端子と出力端子は、LEDと光起電力装
置との間のギャップによってアイソレートされている。
一般に、上記光起電力装置は、上記パワースイッチング
デバイスをターンオンさせるのに十分高い電圧を発生す
るために、多数の直列接続された光起電力セルからなっ
ている。かかるデバイスは周知であり、本発明の譲受人
であるカリフォルニア州、エル・セグンドのインターナ
ショナル・レクチファイヤー・コーポレイションにより
「PVI」(光起電力アイソレータ )という名称で販
売されている。
【0003】複数のセルからなる光起電力装置は、多く
の異なった方法で作ることができる。1つの周知の光起
電力装置は、キンザー(Kinzer)の米国特許第
4,755,697号に開示されているように、光起電
力セルの積層体もしくはパイルを採用している。他のデ
バイスは、互いにアイソレートされた接合部であるセル
のプレーナアレイを採用するとともにそれらの表面で直
列に接続されている。米国特許第4,227,098号
および第4,390,790号に開示されているよう
に、シリコンチップの表面を覆って配置された個々のセ
ルが互いに接合部で絶縁されているかまたは誘電体によ
り絶縁されてなるさらに他のデバイスが周知である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来デバイスは生産す
るのに費用がかかり、生産性が低いという問題を有して
いる。パワーMOSゲートデバイスのためのターンオン
信号を発生するために直列に接続することができ、現在
ある信頼性の高い製造装置と技術を使用して容易に生産
でき、非常に多くの絶縁されたセルを生成することがで
きる光起電力装置を製造することが望ましい。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、誘電体
によりアイソレートされたプレーナ型の光起電力セルが
平坦で薄い誘電体により結合されたシリコンウエハに形
成され、該ウエハは薄いデバイスウエハに酸化物層によ
り結合されて絶縁されてなる相対的に厚い「ハンドル」
ウエハ(接合部を受ける層)からなる。個々の平坦で間
隔を有するウェルもしくはタブが交差する溝のアレイに
より形成されており、上記溝は薄い上記デバイス層を通
して上記酸化物結合領域に伸びて上記各タブを完全に誘
電体により絶縁する。上記各タブは、N+の下面とN+
上部接触領域とを有しており、P+拡散部分は「P-オン
N」型の太陽電池の構成を有している。各セルのN+
上部接触部は、予め定められたセル、例えば、16個の
直列のセルの各々に接続するために隣接するセルのP+
接触部に接続されている。
【0006】上記デバイスの上面は、各セルから出力電
圧を発生させるために間隔をおいて配置されたLEDに
より光が照射される。直列に接続されたこれらの出力端
子は、MOSゲートデバイスのスイッチングを制御する
ことができる信号を発生する。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の他の特徴および利点は添
付の図面を参照して説明する以下の発明の記述から明ら
かになるであろう。
【0008】図1には、N+ハンドルウエハ10と酸化
物層12によって該ハンドルウエハ10に結合された同
一の広がりを有するN-デバイス層11からなる出発ウ
エハが示されている。ハンドルウエハ10の厚さと比較
して非常に薄いN-デバイス層11の下部は、上記酸化
層12に隣接する浅いN+拡散層13を有している。
【0009】本発明の1つの好ましい実施の形態では、
ハンドルウエハ10は約375から525マイクロメー
タの非臨界的厚みを有するとともに、N+キャリヤの高
い非臨界的濃度を有していてもよい。金属層14(図5
参照)が実装目的のためにウエハ10の底部に配置され
ていてもよい。
【0010】上記デバイス層もしくはウエハ11は単結
晶シリコンであり、上記デバイスの各光起電力セルを構
成する拡散層を含んでいる。5から50マイクロメータ
の範囲の値を取ることができるが、上記層11は約20
マイクロメータの厚さを有しており、かつ約2から約1
2オームセンチメートルの抵抗率を有していてもよい。
【0011】上記誘電体ボンディング層12は厚みが約
0.45マイクロメータであり、ウエハ10と11とを
電気的に絶縁する。他の酸化物層の厚みを採用すること
もでき、該厚みは後に行われる溝のエッチングをモニタ
して該エッチングが完成できるように選択される。
【0012】ウエハ10とウエハ11とを結合するため
に所望の周知のプロセスを採用することができる。かか
るプロセスは、例えば、アベ・エト・アル(Abe e
tal)により刊行物ソリッド・ステート・テクノロジ
ー、1990年11月号第39頁、第40頁に、また1
990年5月6日から11日にモントリオールにおいて
開催されたフォース・インターショナル・シンポジュー
ム・オン・シリコン・オン・インシュレータ・テクノロ
ジー・アンド・デバイセズ(4th Intl. Sy
mposium On Silicon−On−Ins
ulatorTechnology and Devi
ces)の報告書に、アベ・エト・アル(Abe et
al)によるシリコン・ウエハ・ボンディング・エト
セトラ(Silicon Wafer Bonding
etc.)に開示されている。
【0013】図1の結合アッセンブリを形成した後、上
記ウエハ11は深い溝のアイソレーション部40の格子
を形成するために処理され、それらは各N+コレクタ接
触領域を囲繞およびアイソレートするとともに、N+
設層13を通して上記誘電体12に伸びている。上記溝
の部分は部分40a,40b,40c,40dおよび4
0eとして断面で示されている(図3参照)。上記溝は
層11内で誘電体により絶縁された「タブ」を形成して
おり、典型的には20ないし25マイクロメータの溝ギ
ャップを有する約10ミル×10ミルの各表面領域を有
している。他の寸法を使用することもできる。
【0014】上記溝アレイ40を形成した後、酸化層5
0および51として図2に示したように、薄い酸化膜を
その内部壁上に熱成長させ、それらの間の中心ギャップ
がポリシリコン52で満たされる。このようにして、誘
電体によりアイソレートされた複数の同様の光起電力セ
ルが層11内に形成される。上記酸化層(もしくは他の
誘電体)50および51の厚みはシリコン層11との界
面における光の反射率が最適になるように選択される。
(これはデバイスの効率を改善する。)
【0015】図2の誘電体により絶縁されたタブを形成
した後、光起電力セルを形成する拡散部がウエハ11の
表面に形成される。適切なフォトリソグラフィ技術を使
用して、四角形もしくは他の形状を有する浅いP+拡散
部20ないし24およびこれらP+拡散部20ないし2
4を囲繞している四角形のリング形状のN+接触拡散部
25ないし29のアレイがウエハ11に形成される(図
3参照)。典型的には、直径5インチのウエハに対して
約9,000個のダイを形成するために、間隔を有する
88,000個のP+拡散部が上記ウエハを横断して形
成されてもよい。明らかに、すべてのP型とN型の導電
型を反転することができる。
【0016】本発明の一つの好ましい実施の形態におい
て、P+領域20ないし24は2マイクロメータの深さ
を有するとともに、9ミル×9ミルの広さを有してい
る。上記P+領域は、cm3当たり5×1018のピーク濃
度でcm2当たり5×1018のドーズ量でボロン(?)
のイオン打ち込みにより形成してもよい。
【0017】N+リング25ないし28は、1マイクロ
メータの深さと0.5ミルの幅と34ミルの内径を有す
る。リング25ないし28は、cm3当たり4×1020
のピーク濃度でcm2当たり8×1015のドーズ量でヒ
素のイオン打ち込みにより形成してもよい。リング25
に対して図3の(b)に示されている中央N+コレクト
フィンガ部30は、各P+型拡散部の中央部に配置する
ことができる。フィンガ部30は、0.5ミルの幅と約
7ミルの長さを有していてもよい。
【0018】次に図5に示されているように、酸化物層
60がウエハ11の表面上に形成される。それから接触
マスクがN+領域とP+領域に接触開口を形成するために
上記酸化物層に形成される。その後、接触金属層が上記
酸化物層60の上に形成され、上記金属層が図4および
図5に示された接触ストリップ70,71,72および
73を形成するためにエッチングされ、一つのセルの上
記P+拡散部を隣接するセルのN+拡散部に接続する。
【0019】上記デバイスが完成した後、上記ウエハは
保護用の透明なコーティングにより覆うようにしてもよ
い。上記ウエハは、各々がそれぞれLEDにより光が照
射されたときに7ボルト、2.5マイクロアンペアの電
力を発生することができるデバイスを生成するために、
それぞれソルダパッド端子(図示せず)を有する16個
の直列接続されたセルのユニットに分割される。
【0020】個々のデバイスは絶縁されているがしかし
上記ウエハもしくはチップの表面を照射する光を発生す
るように配列された(図5の)LED80とともにモー
ルドされてもよい。LED80は上記チップの出力端子
と誘電体により絶縁されたその端子81および82へ適
当な入力を供給することによりターンオンされる。LE
Dとしては適当などのようなものでも使用することがで
きる。
【0021】所望により、上記したPVG構造体(LE
Dは除く)は、光起電力構造体により制御されるパワー
MOSゲートデバイスを含む同じチップ内に集積するこ
とができる。
【0022】図6および図7は異なった接触構造を有す
るセル構造の第2の実施の形態を示している。図6と図
7の説明において、図1から図5に付された符号と同じ
符号が付された部分は同じ部分を表している。処理工程
はまた詳細に説明した変更部分を除いてまた同じであ
る。図6および図7のデバイスは、大きな領域のP+
散領域100を採用している。さらに、図6および図7
の実施の形態において、上記N-ウエハ11は約27オ
ームセンチメートルよりも大きい濃度を有している。P
+領域100は深さおよび濃度が図3ないし図5のもの
と同じである。しかしながら、1マイクロメータの深さ
であるがしかし0.5ミル×0.5ミルにすぎない小さ
いN+接触拡散領域のみが用いられている。さらに、溝
40の内壁は、例えば、約5マイクロメータの深さまで
形成されるとともにcm3当たり約2×1018の表面濃
度でPOC1からの拡散により形成された薄いN+コー
ティング105を受けている。
【0023】本発明は、その特定な実施の形態との関係
で説明したが、多くの他の変形や改変および他の使用法
は当業者には明らかであろう。本発明は以上で説明した
開示により限定されるものではなく、添付の特許請求の
範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 酸化物結合ハンドルウエハおよびデバイスウ
エハの小部分を示している。
【図2】 誘電体により分離されるとともに絶縁された
セルもしくはタブを構成するために絶縁用の溝を形成し
た図1のウエハおよび絶縁用の溝の詳細を示している。
【図3】 図3において(a)は図2の上記デバイスウ
エハもしくは層における間隔を有する、浅いP+領域お
よびN+接触部の拡散層を示すとともに、(b)は
(a)のウエハの1部の平面図であって、N+フィンガ
部がN+接触リング部から広がっているのを示してい
る。
【図4】 デバイスを直列に接続する接触部を形成した
後の図3のデバイスの一部の平面図を示す。
【図5】 図4の5−5線に沿う断面図である。
【図6】 本発明の第2の実施の形態の1つのセルの断
面図であって、図7の6-6線に沿う断面図である。
【図7】 図6のセルの平面図である。
【符号の説明】
10 ハンドルウエハ 11 N-デバイス層 12 酸化物層(酸化物ボンディング層) 13 拡散層 20〜24 P+拡散部 25〜29 接触拡散部 30 フィンガ部 40a〜40e アイソレーション部 50 酸化層 51 酸化層 52 ポリシリコン 60 酸化物層 70〜73 接触ストリップ 80 LED
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−190388(JP,A) 特開 昭62−172765(JP,A) 特開 昭54−152881(JP,A) 特開 昭57−12571(JP,A) 特開 昭61−139061(JP,A) 特開 昭63−248159(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/119 H01L 27/14 - 27/148

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平坦で相対的に厚い第1ハンドルウエハ
    と、平坦で相対的に薄い、接合部を受ける第2ウエハと
    からなるウエハを有する光起電力装置において、 上記第1および第2ウエハは薄い誘電体結合層によって
    結合され、上記第2ウエハは一の導電型の不純物が軽く
    ドープされたウェハであり、上記第2ウエハは、上記薄い誘電体結合層に隣接する上
    記一の導電型の薄い高不純物濃度バッファ層を有してお
    り、 上記光起電力装置はさらにメッシュ状の狭い溝と接続手
    段とを備えており、 上記メッシュ状の狭い溝は、 平行な側壁を有し、上記第
    2ウエハの外面から上記薄い誘電体結合層へ垂直に伸
    び、上記ウエハを電気的に絶縁された複数のタブに分割
    、さらにその溝はポリシリコン充填材が充填されてお
    り、 上記各タブの平坦な外面はその中に反対の導電型を有す
    る相対的に浅い拡散部を有しており、該浅い拡散部と上
    記タブの不純物が軽くドープされた材料のボディとの間
    の接合部に達する光が光起電力を発生し、上記接続手段は、 少なくとも複数の上記タブの上記浅い
    拡散部を、隣接するタブの軽く不純物がドープされた材
    料に接続し、上記各タブの頂部に、上記反対の導電型を有する拡散部
    に対して横方向に間隔を有し、不純物濃度が増された接
    触拡散部が設けられており、上記各タブにおける接触拡
    散部は、反対の導電型を有する拡散層を囲繞するととも
    にその拡散層の周囲から隔離したリング形状を有してい
    ことを特徴とする光起電力装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光起電力装置におい
    て、上記溝の壁が薄い誘電体層により縁取りされている
    ことを特徴とする光起電力装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の光起電力装置におい
    て、上記一の導電型がN型であることを特徴とする光起
    電力装置。
  4. 【請求項4】 請求項1からのいずれか一に記載の光
    起電力装置において、上記溝の対向する壁が上記一の
    電型の浅い不純物拡散部分を含んでいることを特徴とす
    る光起電力装置。
  5. 【請求項5】 請求項に記載の光起電力装置におい
    て、上記接触拡散部が上記反対の導電型を有する拡散部
    の周辺と間隔を有する小さい四角形の領域であることを
    特徴とする光起電力装置。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の光起電力装置におい
    て、各上記タブがその上面にて多角形を有していること
    を特徴とする光起電力装置。
JP00368096A 1995-01-13 1996-01-12 光起電力装置 Expired - Lifetime JP3292651B2 (ja)

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