JP5865859B2

JP5865859B2 - 光結合装置

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Publication number: JP5865859B2
Application number: JP2013061150A
Authority: JP
Inventors: 直也鷹居; 英児中島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2033-03-22
Also published as: US9450134B2; JP2014187210A; US20140284629A1

Description

本発明の実施形態は、光結合装置に関する。

光結合装置（フォトカプラやフォトリレーを含む）は、発光素子を用いて入力電気信号を光信号に変換し、受光素子で受光したのち電気信号を出力することができる。このため、光結合装置は、入出力間が絶縁された状態で電気信号を伝送することができる。

産業用機器、事務用機器、家電機器では、ＤＣ電圧系、ＡＣ電源系、電話回線系および制御系などの異なる電源系が１つの装置内に配置されている。しかし、異なる電源系や回路系を直接結合すると、動作不良を生じることがある。

この場合、光結合装置を用いると、異なる電源間が絶縁されるので、動作を正常に保つことができる。

たとえば、インバータ・エアコンなどでは、交流負荷用を含めて多数のフォトカプラが使用される。また、テスター用途の信号切り替えに使用される場合、非常に多数のフォトカプラーが実装されるようになり、基板への実装面積を小さくする必要から、小型化が強く要求される。

特開平９−３６４１３号公報

薄型化および実装面積の小型化が容易な光結合装置を提供する。

実施形態の光結合装置は、発光素子と、受光素子と、接着層と、樹脂成型体と、を有する。前記発光素子は、基板と、半導体積層体と、第１および第２の電極と、を有する。前記基板は、光出射面を有する第１の面と前記第１の面とは反対の側の第２の面とを有する。前記半導体積層体は、前記基板の前記第２の面に設けられ発光層を含む。前記第１および第２の電極は、前記基板とは反対の側の前記半導体積層体の面に設けられる。前記受光素子は、複数のｐｎ接合が直列接続されて構成された受光面を有する。前記接着層は、前記基板の前記第１の面と前記受光素子の前記受光面の側とを接着し、透光性および絶縁性を有する。前記樹脂成型体は、前記発光素子と前記受光素子とを覆い遮光性を有する。前記受光面は、前記第２の電極に対向して設けられ、前記第２の電極の形状と同一であって、はみ出すことがないように配置され、さらに、前記第１電極には対向して設けられない。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる光結合装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図２（ａ）は発光素子の模式側面図、図２（ｂ）は発光素子の模式平面図、図２（ｃ）は受光素子の模式平面図。図２（ｄ）はＥＸ部のＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図２（ｅ）はＥＸ部の模式側面図、である。図３（ａ）は受光素子の受光面のパターンの模式平面図、図３（ｂ）はフォトダイオードアレイの接続図、である。受光面のパターンの第１変形例の模式平面図である。図４（ａ）は受光面のパターンの第２変形例の模式平面図、図５（ｂ）はフォトダイオードアレイの接続図、である。比較例にかかる光結合装置の模式断面図である。図７（ａ）は第２の実施形態にかかる光結合装置の模式平面図、図７（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はその構成図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる光結合装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
光結合装置は、発光素子１０と、受光素子２０と、接着層３４と、入力端子３０と、出力端子４０と、樹脂成型体７０と、を有する。

発光素子１０は、透光性を有する支持基板と、半導体積層体と、半導体積層体に設けられた第１の電極および第２の電極と、を有する。発光素子１０は、たとえば、面発光型のＬＥＤ（Light Emitting Diode）などとすることができる。

受光素子２０は、その受光面の側に第１の電極と第２の電極とを有する。受光素子２０は、シリコンなどからなり、フォトダイオード、複数のｐｎ接合領域を含むフォトダイオードアレイ、フォトトランジスタ、これらに制御回路や増幅回路がさらに集積された受光ＩＣ、などとすることができる。

接着層３４は、透光性および絶縁性を有し、発光素子１０と受光素子２０の受光面の側とを接着する。接着層３４は、ガラスやＳｉＯ_２などを含む無機材料、またはアクリル、シリコーン、ポリイミドなどの樹脂材料とすることができる。発光層から下方に放出された光は、接着層３４を透過して受光面へ入射する。

光結合装置は、発光素子１０と受光素子２０とを覆うように絶縁基板６０の上に設けられた樹脂成型体７０を有してもよい。または、光結合装置は、リードの上に設けられた受光素子２０および受光素子２０の上に設けられた発光素子１０を覆うように設けられた樹脂成型体７０を有してもよい。樹脂成型体７０は、アクリル、エポキシ、シリコーンなどを含むことができる。なお、樹脂成型体７０は、図１（ｂ）において破線で表され、図１（ａ）では省略されている。

絶縁基板６０の表面に設けられた入力端子３０および出力端子４０は、電気的に絶縁される。このため、光結合装置は、入出力が絶縁された状態で電気信号を伝達できる。

図２（ａ）は発光素子の模式側面図、図２（ｂ）は発光素子の模式平面図、図２（ｃ）は受光素子の模式平面図。図２（ｄ）はＥＸ部の模式断面図、図２（ｅ）はＥＸ部の模式側面図、である。
図２（ａ）に表すように、透光性を有する支持基板１１は、第１の面１１ａと、第１の面１１ａとは反対の側の第２の面１１ｂ、とを有する。第２の面１１ｂに、発光層１２（ドット線）を含む半導体積層体１３が設けられる。半導体積層体１３は、支持基板１１の側とは反対の側の面に、表面から発光層１２の下方まで到達する段差部を含む。段差部は、底面１３ａを有する。

支持基板１１が、ＧａＡｓからなるものとすると、そのバンドギャップ波長は略８７０ｎｍである。このため、ＭＱＷ（Multi Quantum Well：量子井戸）構造などからなる発光層からの放出光Ｇの波長を、たとえば、８７０ｎｍより長く、１１００ｎｍよりも短くすることができる。なお、支持基板１１を、バンドギャップ波長が略５００ｎｍのＧａＰとすると、放出光Ｇの波長は、７００〜１１００ｎｍなどとすることができる。

段差部の底面１３ａには第１の電極１４、段差部を除く半導体積層体の１３の表面には第２の電極１５が設けられる。第２の電極１５が発光層１３の上方を覆うと、上方へ向かう放出光の多くは第２の電極１５により反射され、上方への放出光を低減できる。発光層１２から下方へ向かう放出光は、支持基板１１の裏面のうちの光出射面１８から放出され、受光素子２０の受光面に入射する。図２（ｂ）に表すように、光出射面１８は、平面視すなわち第１の面１１ａ（あるいは第２の面１１ｂ）に対して垂直な方向からみて、発光層１２と重なるものとする。

図２（ｃ）に表す受光素子２０の受光面２２は、平面視において、発光素子１０の裏面の光出射面１８に含まれることが好ましい。このようにすると、受光面２２が半導体発光素子１０からはみ出すことがないので、外乱光が受光面に入射することを抑制できる。このため、光結合装置の誤動作を低減できる。受光素子は、ｐｎ接合の一方の導電形層と接続された第１の電極２４、ｐｎ接合の他方の導電形層と接続された第２の電極２６、とを有する。

図２（ｄ）は、図１（ｂ）に破線で表したＥＸ部の模式断面図である。図２（ｄ）に表すように、光出射面１８から放出され、接着層３４を透過した放出光Ｇは、受光面２２に入射する。接着層３４は薄いので、発光素子１０からの放出光Ｇは、光出射面１８から受光面２２へ効率よく入射する。図２（ｅ）は、ＥＸ部の模式側面図であり、発光素子１０および受光素子２０の電極は、入力端子３０と出力端子４０とにそれぞれボンディングワイヤなどを用いて接続可能である。

図３（ａ）は受光素子の受光面のパターンの模式平面図、図３（ｂ）はフォトダイオードアレイの接続図、である。
受光素子２０は、たとえば、Ｓｉ基板に１つのｐｎ接合からなる１つのフォトダイオードが互いに絶縁されて複数形成されている。さらに、複数のシリコンフォトダイオードは直列接続されてフォトダイオードアレイ２０ａをなしている。このようにすると、光結合装置に内蔵されたＭＯＳＦＥＴのゲートのしきい値電圧Ｖｔｈ以上の電圧を供給できるので好ましい。

また、図３（ａ）に表すように１２個のフォトダイオードは、メタル配線部２０ｂで直列に接続されている。フォトダイオードは、それぞれにｐｎ接合からなる受光面を有し、発光素子からの放出光を受光して光起電力を発生する太陽電池として機能する。この場合、受光面２２は、１２のフォトダイオードを含む領域とする。フォトダイオードアレイ２０ａの一方の端部は、メタル配線部２０ｂで第１の電極２４と接続される。またフォトダイオードアレイ２０ａの他方の端部は、メタル配線２０ｂで第２の電極２６と接続される。

フォトダイオードの１段当たりの光起電力は、略０．６Ｖである。他方、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧Ｖｔｈを０．６Ｖ以下とすることは容易ではない。すなわち、少なくとも２段のフォトダイオードを直列接続すると、ＭＯＳＦＥＴを確実にオンまたはオフに制御することができる。

図４は、受光面のパターンの第１変形例の模式平面図である。
複数のｐｎ接合領域は、異なるサイズの領域を含んでいてもよい。発光素子１０の放出光は発光中心（たとえば、図２（ｂ）に点Ｏで表す）を通る光軸上で光強度が最大であり、光軸から離間した領域ほど光強度が低下する。なお、本実施形態では、受光面２２が、半導体発光素子１０の光出射面１８の外側にはみ出すことはないので、極端に光起電力が低下することは抑制される。

しかし、光軸から離間した領域Ｒ４、Ｒ１０における電流密度は低下することがある。この場合、領域Ｒ４、Ｒ５のｐｎ接合の面積を広くすると、領域Ｒ４およびＲ５の電流を光強度が高く平面サイズの小さいｐｎ接合領域の電流にそれぞれ近づけることが容易となる。すなわち、ｐｎ接合領域の平面サイズをそれぞれ適正値とすることにより、太陽電池としての最大出力点Ｐｍａｘを改善することができる。

図５（ａ）は受光面のパターンの第２変形例の模式平面図、図５（ｂ）はフォトダイオードアレイの接続図、である。
図５（ａ）のように、受光素子２０は、制御回路２８をさらに有することができる。制御回路２８は、フォトダイオードアレイ２０ａの第１の電極２７と、第２の電極２６と、にそれぞれ接続されている。このような構成とすると、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）のそれぞれのゲートに電圧を供給できる。

ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）は、たとえば、ｎチャネルエンハンスメント型とすることができる。図５（ｂ）のように、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）は、コモン・ソース接続され、フォトダイオードアレイ２０ａの第２の電極２６と接続される。それぞれのゲートは、第１の電極２７と接続され、それぞれのドレインは、出力端子４０となる。

光信号がオンのとき、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）はともにオンとなり出力端子４０を介して外部回路と接続される。他方、光信号がオフのとき、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）はともにオフとなり、外部回路とは遮断される。

図６は、比較例にかかる対向型の光結合装置の模式断面図である。
比較例では、入力リード１３０に接着された発光素子１１０と、出力リード１４０に接着された受光素子１２０と、は、透光性樹脂層１６８内で離間距離Ｌ１を保って互いに対向するように設けられる。このため、放出光が広がり、一部の光しか受光面に到達できず、電流は略２．５μＡと低い。また、透光性樹脂層１６８を覆うように遮光性樹脂層１７０を設ける必要がある。対向型では、離間距離Ｌ１を低減するのに限界がある。

これに対して、第１の実施形態では、離間距離は接着層３４の厚さであり小さいため放出光の広がりが低減され、電流を略１３μＡと高めることができた。また、光結合装置の薄型化かつ実装面積の小型化が容易となる。

図７（ａ）は第２の実施形態にかかる光結合装置の模式平面図、図７（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図７（ｃ）はその構成図である。
第２の実施形態にかかる光結合装置は、発光素子１０と、受光素子２０と、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）と、接着層３４と、入力端子３０と、出力端子４０と、樹脂成型体７０と、を有する。

本図において、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）は、ｎチャネルエンハンスメント型とするが、本発明はこれに限定されない。ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）のチャネル導電形およびフォトダイオードアレイ２０ａの極性をそれぞれ反対導電形としてもよい。また、ＭＯＳＦＥＴは、デプレッション型であってもよい。

なお、本図において、光結合装置は、絶縁基板６０をさらに有するものとする。絶縁基板６０の上面６０ａ、下面６０ｂ、側面６０ｃには、金属を含む厚膜やその上に設けられたＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどのメッキ導電層が設けられる。導電層は、入力端子３０（３０ａ、３０ｂ）、出力端子４０（４０ａ、４０ｂ）および受光素子２０が接着されＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどの導電層からなるダイパッド部４２などを含む。

発光素子１０は、受光素子２０の上に接着層３４より接着される。ワイヤボンディングのあと、発光素子１０、受光素子２０、導電層、絶縁基板６０を覆うように樹脂成型体７０が設けられる。図７（ａ）は、樹脂成型体７０を設ける前の模式平面図である。なお、絶縁基板６０は、ガラスエポキシ材やセラミック材などとすることができる。樹脂成型体７０が遮光性であると、外乱光により誤動作をより低減できるので、好ましい。

入力端子３０および出力端子４０は、絶縁基板６０の上面６０ａと下面６０ｂと側面６０ｃとに連続して設けられた導電層とすることができる。この場合、たとえば、絶縁基板６０の側面６０ｃに凹みを設け、その表面に導電層を設けて半田フレットとしてもよい。また、入力端子３０と出力端子４０のそれぞれの下面は、樹脂成型体７０からは露出しており実装基板と接着できる。すなわち、第２の実施形態は、図７（ｃ）のように、たとえば、４つの端子３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂを有する光結合装置とすることができる。

絶縁基板６０上に組み立てられた光結合装置は、リードフレームの曲げ加工や、リードカット加工が不要であり、樹脂層は１層でよいので量産性に富む。また、薄型化が容易である。

受光素子２０は、たとえば、制御回路２８を含むことができる。制御回路２８は、フォトダイオードアレイ２０ａの光起電力によりソース・コモン接続されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）をゲートドライブする。ドレインに接続された出力端子４０の第１のリード４０ａと第２のリード４０ｂとの間に交流負荷を接続すると、メカ・リレーと同じように低損失を保ちつつ連続正弦波を出力することができる。

図７（ｃ）の構成の光結合装置はフォトリレーと呼ぶことができ、ＦＡＸモデムや集積回路用テスターなどに多く用いることができる。

なお、図７（ｃ）の受光素子２０（制御回路２８を含む）と、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍ１、Ｍ２）と、を１チップＩＣとすることができる。１チップＩＣは、ダイパッド部４２に接着することができる。

第１および第２の実施形態によれば、光起電力を発生し、薄型化および実装面積の小型化が容易な光結合装置が提供される。このような光結合装置は、インバータエアコンや集積回路テスターなどに用いることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０発光素子、１１支持基板、１１ａ第１の面、１１ｂ第２の面、１２発光層、１４（発光素子の）第１の電極、１５（発光素子の）第２の電極、１８光出射面、２０受光素子、２０ａフォトダイオードアレイ、２０ｂメタル配線部、２２受光面、２４（受光素子の）第１の電極、２６（受光素子の）第２の電極、３０入力端子、３４接着層、４０出力端子、７０樹脂成型体、Ｍ１、Ｍ２ＭＯＳＦＥＴ、Ｇ放出光

Claims

光出射面を有する第１の面と前記第１の面とは反対の側の第２の面とを有する基板と、前記基板の前記第２の面に設けられ、発光層を含む半導体積層体と、前記基板とは反対の側の前記半導体積層体の面に設けられた第１および第２の電極と、を有する発光素子と、複数のｐｎ接合が直列接続されて構成された受光面を有する受光素子と、
前記基板の前記第１の面と前記受光素子の前記受光面の側とを接着し、透光性および絶縁性を有する接着層と、
前記発光素子と前記受光素子とを覆い遮光性を有する樹脂成型体と、
備え、
前記受光面は、前記第２の電極に対向して設けられ、前記第２の電極の形状と同一であって、はみ出すことがないように配置され、さらに、前記第１電極には対向して設けられない光結合装置。
ＭＯＳＦＥＴをさらに備え、
前記ＭＯＳＦＥＴは、前記受光素子の第１の電極と接続されたゲートと、前記受光素子の第２の電極と接続されたソースと、を有する請求項１記載の光結合装置。
前記ＭＯＳＦＥＴは、ソース・コモンで接続された２つのＭＯＳＦＥＴを含む請求項２記載の光結合装置。
前記複数のｐｎ接合は、メタル配線部により直列接続され、
前記受光素子の前記第１および第２の電極は、前記複数のｐｎ接合の両端にそれぞれ接続された請求項２または３に記載の光結合装置。