JPH06232447A - 光カプラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単なプロセス、低コストで製造できるアラ
インメントの容易な光カプラを提供する。 【構成】 アモルファスの基板（石英ガラス）１表面に
多結晶半導体発光素子（ｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層２、
ｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層３）を、基板１裏面に多結晶
あるいはアモルファス半導体の受光素子（アモルファス
シリコンｐｉｎ構造８）が形成され、発光素子２、３に
電流を注入したときの発光が受光素子８に達し、基板１
で電気的に絶縁されている両者が光によってのみ接続し
ている光カプラ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、ディスプレイ
等に利用できる光カプラに関し、特に発光素子と受光素
子のアラインメントが容易な光カプラに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気回路内において、ある回路を
電気的に独立させたい場合、光カプラが用いられてき
た。これは図１０のように半導体発光素子５１と受光素
子５２を組み合わせたモジュールで、発光素子５１と結
線された第１の回路（図示せず）に電流が流れると発光
素子５１が発光し、その光を受光素子５２が受光してそ
れと接続する第２の回路（図示せず）に電気的な信号が
発生するものである。第１の回路と第２の回路は光で接
続しているが、電気的には独立しているため、たとえば
第１の回路で発生した電気的ノイズは第２の回路には伝
わらない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示す発光素子
５１および受光素子５２は、いずれも単結晶材料であ
り、単結晶上にエピタキシャル成長などを用いて半導体
膜を形成して加工し、チップとして切り出されたものが
用いられてきた。さらに従来の光カプラの製造工程に
は、このような複雑なプロセスを経て作製された発光素
子５１および受光素子５２を、発光素子５１からの出射
光が受光素子５２に結合する位置にアラインメントする
という工程が含まれる。これらの工程は光カプラのコス
トの上昇をもたらしている。また、特に発光素子５１の
基板として用いられているＧａＡｓやＩｎＰあるいはＧ
ａＰ基板は非常に高価であり、これもコストを上昇させ
ている１つの要因である。そこで、本発明の目的は、低
価格の発光素子を提供し、かつ発光素子と受光素子のア
ラインメントを容易にした光カプラを提供することであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、基板が半導体発光
素子の発光波長に対して透明もしくは半透明なエピタキ
シャル成長が生じない基板と、該基板上に形成した多結
晶体もしくは多結晶膜であって、前記多結晶体もしくは
多結晶膜内に少なくともｐｎ接合、ｐｉｎ接合を有して
おり、ｐ型半導体およびｎ型半導体にそれぞれ設けた電
極間に電流を流してｐｎ接合、ｐｉｎ接合で発光させる
半導体発光素子と、該発光素子を形成した面と対向する
基板面上に形成された、内部にｐｎ接合、ｐｉｎ接合を
有する多結晶あるいはアモルファス半導体からなる半導
体受光素子とからなり、前記発光素子に電流を注入した
ときの発光が受光素子に達する光カプラである。

【０００５】本発明の特徴は単結晶半導体発光素子の上
に形成する多結晶半導体発光素子はエピタキシャル成長
が生じない基板上に発光素子として機能する多結晶半導
体を形成することである。ここで、エピタキシャル成長
が生じない基板は単結晶である必要はなく、基板そのも
のが多結晶、アモルファス、セラミックまたは単結晶か
らなるか、または基板表面がアモルファス、セラミッ
ク、金属、多結晶あるいは単結晶の材料で覆われた材料
からなる物質を使用することができる。したがって、ガ
ラス、セラミック等の材料が使用可能であるので、非常
に広範囲のデバイス材料を利用することができる。

【０００６】基板表面に作製した発光素子で発せられた
光を基板裏面の受光素子で受光することで光カプラとし
て動作させる。このため基板は半導体発光素子の発光波
長に対して透明もしくは半透明でなければならない。本
発明において、半導体発光素子から発せられた光が基板
側の半導体受光素子に達する必要があり、その際の光の
強度は少なくとも半導体受光素子の暗電流より大きな光
電流を発生する必要がある。すなわち基板の半導体発光
素子の発光波長における透過率は、半導体発光素子から
発せられた光が半導体受光素子にて受光できる以上でな
ければならない。これは半導体発光素子の基板側への発
光強度、受光素子の感度、暗電流、外部回路などによっ
て異なる。

【０００７】透明もしくは半透明基板としてのガラスは
石英ガラスの他に、たとえば多成分系ガラス、結晶化ガ
ラスなども用いることができる。種々の基板上にＣＶＤ
法、スパッタ法あるいは蒸着法などにより形成したＳｉ
Ｏ₂をはじめとする種々の酸化物膜、ＳｉＮなどの窒化
物膜、あるいは半透明金属薄膜などを用いても構わな
い。また、発光素子としてはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、
ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ
など種々の半導体材料を用いることができる。また、発
光素子の成長法はＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法やＶＰＥ法な
ども用いることができる。受光素子としてはＳｉ、Ｇａ
Ａｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＺｎＳｅなどいかなる材料であっ
ても構わないが、少なくとも集積化する発光素子の発光
波長に相当するエネルギよりも小さなバンドギャップを
有し、ゼロでない分光感度を持たせる必要がある。そし
て、発光素子と受光素子とのアラインメントは発光素子
と受光素子とが１対１で対応したアレイ状あるいは２次
元状に配置すること、単一の発光素子から発せられた光
が２個以上の受光素子で受光されるように配置するこ
と、単一の受光素子で２個以上の多結晶半導体発光素子
から発せられる光を受光できるように配置すること等で
容易に行うことができる。

【０００８】

【作用】アモルファスあるいは多結晶の半導体材料を用
いた受光素子としてはＳｉを用いたものが従来より知ら
れている。ところがアモルファスあるいは多結晶の発光
素子に関しては報告がない。ただし多結晶のデバイス
は、シリコンデバイスの例から検討すると特性的に単結
晶のものには及ばないが、発光ダイオードの場合にはそ
のサイズが数十μｍで機能するため、各々のグレインが
数十μｍ以上であれば、単結晶デバイスと遜色ないもの
を得ることが可能である。もちろんグレインのサイズが
それ以下であっても、発光ダイオードとして作用する。

【０００９】本発明を実施するにあたり、最も大きな問
題はアモルファス、セラミック、多結晶等のエピタキシ
ャル成長が生じない基板上にサイズの大きなグレインか
らなる多結晶膜を作製することにある。サイズの大きな
グレインが形成できれば、半導体発光素子として機能さ
せることができる。アモルファス、セラミックあるいは
多結晶の基板、もしくは基板の結晶構造が作製する半導
体材料とは異なる単結晶基板、あるいは結晶構造が同じ
であっても格子定数に大きな差がある基板上には、基板
全面にわたる結晶のエピタキシャル成長は起こらない。
しかしながら成長初期に基板上に生じる微結晶が結晶核
とて作用し、核が成長して多結晶の膜となる。多結晶膜
の各グレインのサイズがデバイスサイズよりも大きけれ
ば、その多結晶膜上に作製したデバイスは単結晶デバイ
スと同程度の特性が得られることになる。したがって従
来の化合物半導体基板よりも安価な基板を用いて半導体
光デバイスを供給することが可能となる。さらに、アモ
ルファス基板として代表的なガラスは大面積のものが容
易に入手できることから、これまで基板サイズで制限さ
れてきたデバイスのサイズを大幅に増大させることが可
能となる。

【００１０】多結晶基板上に多結晶膜を成膜する際、グ
レインのサイズは基板のグレインサイズに影響される
が、アモルファス基板である石英ガラス基板上にＭＯＣ
ＶＤ法で多結晶膜を作製する場合を例にすると、そのグ
レインの大きさは成長条件に依存して変化する。例え
ば、グレイン成長温度、グレイン成長圧力、成長速度、
原料供給速度、キャリアガス流量の制御等で、グレイン
のサイズをコントロールできる。例えば、成長温度が高
いほど、また成長圧力が低いほど得られるグレインのサ
イズは大きくなる。１０Ｔｏｒｒの圧力のもとで８５０
℃でＧａＡｓの成長を試みた予備実験では、直径が３０
μｍ以上のグレインからなる多結晶膜が得られた。

【００１１】以上のように、例えばＭＯＣＶＤ法で条件
を最適化することで上記予備実験で得られたものよりも
サイズの大きなグレインからなる多結晶膜を製造するこ
とが可能となる。この基板上に、ｐ型とｎ型のＡｌＧａ
Ａｓを成長すれば、ｐ型およびｎ型の膜も基板である多
結晶の膜と同程度もしくはそれ以上のサイズからなる多
結晶となる。そのサイズが発光ダイオードのサイズに相
当するものであれば、単結晶デバイスとかわらない特性
が得られる。逆にグレインのサイズがデバイスのサイズ
よりも小さいときには、デバイス内に少なからずグレイ
ンバウンダリを持つこととなる。バウンダリではキャリ
アは非発光再結合が生じる。しかしながらこれはキャリ
アのすべて非発光再結合する事を意味するのではなく、
グレインのサイズによっては発光再結合が支配的にもな
る。すなわち単結晶発光ダイオードに比べて多少性能は
劣るものの発光ダイオードとして十分に機能するものが
得られる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例として、ＭＯＣＶＤ法
による石英ガラス基板上にＡｌＧａＡｓ発光ダイオード
を作製し、裏面にＳｉフォトダイオードを形成して光に
よる接続を実証した例について述べる。図１はその製造
工程を示す図であり、図２は試作したデバイスの断面を
示す模式図である。基板として用いた石英ガラス基板１
の前処理としてフッ化水素酸によるエッチングを行っ
た。さらにこれを不純物による結晶核の異常発生を防ぐ
ために、ＭＯＣＶＤチャンバ内に導入して１０００℃で
１５分間ＨＣｌにさらして表面を清浄化した。これを８
５０℃まで降温し、圧力１０Ｔｏｒｒで第１回目の成長
を行った。ここで第３族原料としてトリメチルガリウ
ム、トリメチルアルミニウム、第５族原料としてアルシ
ンを用い、またキャリアガスとして水素を用いた。第３
族原料／第５族原料比＝４０で１時間原料を供給した。
この結果、石英ガラス基板１上にはＡｌＧａＡｓ（ｘ＝
０．４）からなる直径３０μｍ程度のグレイン（図示せ
ず）が成長した。この第１回目の結晶成長に続いて、圧
力を常圧として８００℃でｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ（ｘ
＝０．４）層２、８５０℃でｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ
（ｘ＝０．４）層３を成長させた。この２段階の成長
は、第２回目の成長では良好な特性を有するｐ型あるい
はｎ型の多結晶ＡｌＧａＡｓ層２、３を得るためであ
る。

【００１３】ここで、図１（ａ）の半導体構造に７０μ
ｍφのメサ構造４を化学エッチングで形成し、エッチン
グ面とメサ構造４にそれぞれｐ型電極５およびｎ型電極
６を形成させた（図１（ａ’））場合の諸特性を調べ
た。なお、エッチング深さはｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層
３の膜厚以上とした。図１（ａ’）に示す素子の電流電
圧特性を測定したところ、図３に示すように良好な整流
特性が得られた。素子は順方向に電流を流したときのみ
発光し、それは肉眼で、しかも基板１の両側で確認でき
た。このときの発光強度は石英ガラス基板１側と半導体
層２、３側でほぼ１：１であった。図４は１０ｍＡの電
流を注入したときの発光スペクトルである。６５０ｎｍ
付近と７５０ｎｍ付近に２本のピークが観測できた。６
５０ｎｍのピークはＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）のバン
ド端に基づくものであり、７５０ｎｍのピークは深い準
位によるものである。

【００１４】図１（ａ）の状態の半導体に図１（ｂ）に
示すように石英ガラス基板１の裏面にＩＴＯ膜を蒸着し
てフォトダイオードの電極７とし、続いてプラズマＣＶ
Ｄ法によりアモルファスシリコンｐｉｎ構造８を作製し
た。その後、図２に示すように多結晶ＡｌＧａＡｓ膜
２、３を図１（ａ’）で説明したと同一のエッチングし
てメサ構造４とし、ｐ型電極５およびｎ型電極６の作製
を行い、また基板１の裏面のアモルファスシリコンの表
面にはＡｌ膜を蒸着し、フォトダイオードの電極９とし
た。電極５〜６間に順方向バイアスを印加して多結晶Ａ
ｌＧａＡｓ発光ダイオード（半導体層２、３）を発光さ
せると、石英ガラス基板１側に出射した光はフォトダイ
オード（ｐｉｎ構造８）に達し、電極７〜９間に電圧が
発生した。以上のことは発光ダイオードとフォトダイオ
ードが石英ガラス基板１で電気的には分離しているが、
光で接続しており、光カプラとして機能することを示す
ものである。

【００１５】本実施例で示した構造の素子を用い、発光
ダイオードとフォトダイオードの分離で種々の構成が可
能となる。図５に示す例は、複数の並列配置の発光ダイ
オード２０と複数の並列配置のフォトダイオード２１と
を一対づつ対応するように基板１を介して配置し、各々
の発光ダイオード２０からの出射光が対応するフォトダ
イオード２１に達するようにすると１対１の結合にな
る。また、図６の例では並列配置の発光ダイオード２０
からの出射光を基板１を介して二つの隣接するフォトダ
イオード２１ａ、２１ｂで受光できるように配置するも
のであり、発光ダイオード２０とフォトダイオード２１
ａ、２１ｂとは１対２の結合になる。図７の例は二つの
発光ダイオード２０ａ、２０ｂからの出射光を基板１を
介して単一のフォトダイオード２１に達するように配置
したもので、発光ダイオード２０ａ、２０ｂとフォトダ
イオード２１とが２対１の結合を構成している。また、
図８に示す構造は並列配置された複数の発光ダイオード
２０と基板１の界面に光を拡散するための層２２を導入
すると多対多の光結合となる。ここで、光拡散層２２と
しては、例えば多孔質ガラス膜や多結晶半導体膜を用い
る。また、光拡散層２２を用いる代わりに基板１が光を
拡散する構造あるいは材質、例えば基板表面に凹凸を有
するいわゆるスリガラスを用いると、多対多の光結合と
なる。さらに、図９に示す場合は、発光ダイオード２０
ａから発光した光は隣接するフォトダイオード２１ａお
よび２１ｂで受光できる構造になっている。この場合１
対２の結合に相当するが、発光ダイオード２０ｂの発光
はフォトダイオード２１ｂでも受光できるので、２対２
の結合に相当する。

【００１６】上記実施例では発光ダイオード２０および
フォトダイオード２１を１次元のアレイで考えている
が、２次元（平面）状に配置しても良い。さらに基板１
内に発光ダイオード２０およびフォトダイオード２１を
１対１、１対多、多対１、などの結合を混合して設けて
も問題はない。以上の実施例ではｐｎ接合型の半導体を
用いたがｐｉｎ接合またはこれに類する接合（半導体が
金属と接触する時に生じるショットキ接合）型の半導体
を用いることができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によると従来よりも単純なプロセ
スで基板上に発光素子と受光素子が形成でき、しかも光
を結合させるためのアラインメントがプロセス途中のマ
スク合わせで実現できる。本発明では、基板として従来
の単結晶基板に比べて安価なガラスなどの基板を用いて
おり、低コストでフォトカプラが供給できる。また本発
明によると、マルチチャネルの光カプラが容易に実現で
きる。さらに、本発明をディスプレイに応用するとそれ
ぞれの発光点の光強度をモニタすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施例を示すもの
であって、光カプラの製造工程を示す模式図。（ａ’）
は本発明で用いた発光ダイオードの模式図。

【図２】 本発明の実施例を示すものであって、光カプ
ラの断面模式図。

【図３】 図１（ａ’）の発光ダイオードの電流電圧特
性を示すグラフの図。

【図４】 図１（ａ’）の発光ダイオードの発光スペク
トルを示すグラフの図。

【図５】 本発明の実施例の発光ダイオードとフォトダ
イオードを１対１で対応させるための素子配置を示す断
面模式図。

【図６】 本発明の実施例の発光ダイオードとフォトダ
イオードを１対２で対応させるための素子配置を示す断
面模式図。

【図７】 本発明の実施例の発光ダイオード素子とフォ
トダイオードを２対１で対応させるための素子配置を示
す断面模式図。

【図８】 本発明の実施例の発光ダイオードとフォトダ
イオード間に光拡散層を挿入することで、発光素子と受
光素子を多対多で対応させるための素子配置を示す断面
模式図。

【図９】 本発明の実施例の発光ダイオードとフォトダ
イオードを２対２で対応させるための素子配置を示す断
面模式図。

【図１０】 従来の半導体発光素子と受光素子を組み合
わせたモジュールの図。

【符号の説明】

１…石英ガラス基板、２…ｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層、
３…ｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層、４…メサ構造、５…ｐ
型電極、６…ｎ型電極、７…電極（ＩＴＯ膜）８…アモ
ルファスシリコンｐｉｎ構造、９…電極、２０…多結晶
ＡｌＧａＡｓ発光ダイオード、２１…アモルファスＳｉ
フォトダイオード、２２…光拡散層

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年２月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】ここで、図１（ａ）の半導体構造に７０μ
ｍφのメサ構造４を化学エッチングで形成し、エッチン
グ面とメサ構造４にそれぞれｐ型電極５およびｎ型電極
６を形成させた（図１（ｂ））場合の諸特性を調べた。
なお、エッチング深さはｎ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層３の
膜厚以上とした。図１（ｂ）に示す素子の電流電圧特性
を測定したところ、図３に示すように良好な整流特性が
得られた。素子は順方向に電流を流したときのみ発光
し、それは肉眼で、しかも基板１の両側で確認できた。
このときの発光強度は石英ガラス基板１側と半導体層
２、３側でほぼ１：１であった。図４は１０ｍＡの電流
を注入したときの発光スペクトルである。６５０ｎｍ付
近と７５０ｎｍ付近に２本のピークが観測できた。６５
０ｎｍのピークはＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）のバンド
端に基づくものであり、７５０ｎｍのピークは深い準位
によるものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１４】図１（ａ）の状態の半導体に図１（ｃ）に
示すように石英ガラス基板１の裏面にＩＴＯ膜を蒸着し
てフォトダイオードの電極７とし、続いてプラズマＣＶ
Ｄ法によりアモルファスシリコンｐｉｎ構造８を作製し
た。その後、図２に示すように多結晶ＡｌＧａＡｓ膜
２、３を図１（ｂ）で説明したと同一のエッチングして
メサ構造４とし、ｐ型電極５およびｎ型電極６の作製を
行い、また基板１の裏面のアモルファスシリコンの表面
にはＡｌ膜を蒸着し、フォトダイオードの電極９とし
た。電極５〜６間に順方向バイアスを印加して多結晶Ａ
ｌＧａＡｓ発光ダイオード（半導体層２、３）を発光さ
せると、石英ガラス基板１側に出射した光はフォトダイ
オード（ｐｉｎ構造８）に達し、電極７〜９間に電圧が
発生した。以上のことは発光ダイオードとフォトダイオ
ードが石英ガラス基板１で電気的には分離しているが、
光で接続しており、光カプラとして機能することを示す
ものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】 （ａ）、（ｃ）は本発明の実施例を示すもの
であって、光カプラの製造工程を示す模式図。（ｂ）は
本発明で用いた発光ダイオードの模式図。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】 図１（ｂ）の発光ダイオードの電流電圧特性
を示すグラフの図。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】 図１（ｂ）の発光ダイオードの発光スペクト
ルを示すグラフの図。

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板が半導体発光素子の発光波長に対し
   て透明もしくは半透明なエピタキシャル成長が生じない
   基板と、該基板上に形成した多結晶体もしくは多結晶膜
   であって、前記多結晶体もしくは多結晶膜内に少なくと
   もｐｎ接合、ｐｉｎ接合を有しており、ｐ型半導体およ
   びｎ型半導体にそれぞれ設けた電極間に電流を流してｐ
   ｎ接合、ｐｉｎ接合で発光させる半導体発光素子と、該
   発光素子を形成した面と対向する基板面上に形成され
   た、内部にｐｎ接合、ｐｉｎ接合を有する多結晶あるい
   はアモルファス半導体からなる半導体受光素子とからな
   り、前記発光素子に電流を注入したときの発光が受光素
   子に達することを特徴とする光カプラ。
2. 【請求項２】 発光素子と受光素子とが１対１で対応し
   たアレイ状あるいは２次元状に配置されていることを特
   徴とする請求項１記載の光カプラ。
3. 【請求項３】 単一の発光素子から発せられた光が２個
   以上の受光素子で受光されるように配置されていること
   を特徴とする請求項１記載の光カプラ。
4. 【請求項４】 単一の受光素子で２個以上の多結晶半導
   体発光素子から発せられる光を受光できるように配置さ
   れたことを特徴とする請求項１記載の光カプラ。
5. 【請求項５】 エピタキシャル成長が生じない基板は基
   板そのものが多結晶、アモルファス、セラミックまたは
   単結晶からなるか、または基板表面がアモルファス、セ
   ラミック、金属、多結晶あるいは単結晶の材料で覆われ
   た材料からなることを特徴とする請求項１ないし４のい
   ずれかに記載の光カプラ。