JPH06268254A

JPH06268254A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH06268254A
Application number: JP5361393A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiko Kitagawa; 光彦北川; Akio Nakagawa; 明夫中川; Tadashi Sakai; 忠司酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】発光素子を含めて各種の素子や回路等を集
積、一体化することを可能にすると共に、光結合等を行
う場合の効率を高めること等を可能にした、高効率で安
価な半導体装置を提供する。【構成】シリコン結晶基板２上に酸化絶縁層３を介し
て素子シリコン層４を設けた、いわゆるＳＯＩ基板１を
構成基板として用いる。素子シリコン層４に、多孔質シ
リコン、ポリシラン、シロキセン等を用いたシリコン発
光素子１１を設け、さらに必要に応じて、シリコン受光
素子１２を含む他の素子や回路等を集積形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光−電気素子に好適な
半導体装置に関する。

【０００２】半導体装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的信号を光に変換し、これを電気的
信号に戻すことがオプトエレクトロニクスの基本であ
り、これを高信頼化し、さらに集積化、小型化していく
ことが強く求められている。それには、現在の半導体素
子の主流を占めているシリコンをベースとして、様々な
機能素子との一体化、集積化を図ることが重要となる。

【０００４】例えば、従来のフォトカプラは、図１３に
示すように、別々に作製した発光素子１と受光素子２を
それぞれ別々のステム３、４にマウントし、発光素子１
と受光素子２とを対向させると共に、これら素子１、２
間を透明な樹脂５で光学的に結合させ、全体を透明な樹
脂６でモールドした構造となっている。このようなフォ
トカプラでは、発光素子１に電流を流すと発光素子１が
発光して、この光を受光素子２が受けて電気信号に変換
される。このように、フォトカプラの発光素子１と受光
素子２とは、光学的には結合されているものの、電気的
には絶縁されている。このため、電気的に絶縁が必要と
される電気回路や装置には、多くのフォトカプラが利用
されている。

【０００５】しかし、従来のフォトカプラにおいては、
発光素子をGaAs等の化合物半導体で構成しており、化合
物半導体は酸化膜の形成が困難であること等から、電子
的な回路や受光素子を含めたほとんどの素子部はシリコ
ン系をベースにして実現されているにもかかわらず、全
ての系の集積、一体化することができないという問題が
あった。また、従来のフォトカプラは、透明樹脂等で発
光素子と受光素子との間を電気的に絶縁しつつ光学的に
結合していたため、構造や製造工程が複雑となり、高コ
ストになると共に、発光素子からの光を効率的に受光素
子に導入することが困難で、光結合効率が悪いという問
題も有していた。さらに、発光素子の材料となる化合物
単結晶は、シリコン単結晶に比べて高価であるため、こ
の点からも製造コストの増大を招いていた。

【０００６】上述した発光素子部としてGaAS等の化合物
半導体を用いることによる問題は、フォトカプラに限ら
ず、半導体レーザ等の他の発光素子に関しても同様に生
じており、発光部に化合物半導体を用いることで、他の
電気回路（メモリ、パワー素子等）と集積、一体化する
ことができないという問題や、製造コストの増大等を招
いていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のフォトカプラをはじめとする光関連の半導体装置にお
いては、発光素子部に化合物半導体を用いていたため、
受光素子部をはじめとする他の素子部と集積、一体化す
ることができず、これに伴って構造や製造工程が複雑と
なり、効率の低下や製造コストの増大等の問題を招いて
いた。

【０００８】本発明は、このような課題に対処してなさ
れたもので、発光素子を含めて各種の素子や回路等を集
積、一体化することを可能にすると共に、光結合等を行
う場合の効率を高めること等を可能にした、高効率で安
価な半導体装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
絶縁層を介して表面側にシリコン層が設けられたシリコ
ン結晶基板を構成基板として具備し、前記シリコン層に
少なくともシリコン発光素子が設けられていることを特
徴としている。

【００１０】

【作用】本発明の半導体装置においては、絶縁層を介し
て表面側にシリコン層が設けられたシリコン結晶基板、
いわゆるＳＯＩ（Silicon on insulater）基板を構成基
板として用いており、絶縁層上のシリコン層に少なくと
もシリコン発光素子、例えば多孔質シリコン、ポリシラ
ン、シロキセン等を用いたシリコン発光素子を設けてい
る。このように、ＳＯＩ基板上にシリコン発光素子を設
けることによって、例えばpn接合のシリコン受光素子等
と一体的に形成することが可能となり、例えば従来のフ
ォトカプラのような複雑な製造工程が不要になると共
に、光結合効率等を高めることが可能となる。さらに、
シリコン発光素子を用いることによって、発光素子およ
び受光素子のみならず、他の機能素子や回路を含めてＳ
ＯＩ基板に集積一体化した光関連の半導体装置が実現可
能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例による光関連の
半導体装置、例えばフォトカプラの構成を示す図であ
る。同図に示すフォトカプラは、ＳＯＩ基板１を構成基
板として用いており、このＳＯＩ基板１はシリコン結晶
基板２上に酸化絶縁層３を介して素子シリコン層４が設
けられたものである。

【００１３】このようなＳＯＩ基板１は、例えば表面に
酸化絶縁膜を形成したシリコン結晶基板と、研磨やエッ
チング等により所定の厚さとしたシリコン結晶薄板と
を、上記酸化絶縁膜を介して当接させ、直接接着技術等
により貼り合せることによって作製される。

【００１４】上記ＳＯＩ基板１の素子シリコン層４に
は、シリコン発光素子１１と、シリコン受光素子１２と
して n型不純物層を有するフォトダイオードとが、酸化
物等の光に対して透明な絶縁物１３を介して、ＳＯＩ基
板１と平行方向に光結合するように形成されている。シ
リコン発光素子１１は、多孔質シリコン、ポリシラン、
シロキセン等からなるものであり、例えば多孔質シリコ
ン発光素子はシリコン層４に陽極化成等を施すことによ
って形成することができる。陽極化成は、公知の方法に
基いて実施すればよいが、例えばエッチング液としてフ
ッ酸とエタノールとの混合溶液を用い、基板側を陽極と
し、溶液中に対極として白金電極を設け、例えば20〜 8
0mA/cm²程度の電流密度で電流を流して陽極化成を行
う。このようにして、陽極化成したシリコンは、極めて
多孔性の高い層となり、強い発光性を示す。

【００１５】上記シリコン発光素子１１およびシリコン
受光素子１２のそれぞれの外側には、素子分離用の絶縁
層１４、１５が設けられている。また、シリコン発光素
子１１側の素子分離用絶縁層１４を、光の反射機能を有
する材質、例えば酸化物としたり、シリコン発光素子１
１との界面側にアルミニウムを介在させる等によって、
光伝達効率を高めることができる。また、シリコン発光
素子１１の両側面に反射膜を設けることによって、シリ
コン発光素子１１自体を光共振器とすることもできる。
さらに、図２に示すように、シリコン発光素子１１と素
子分離用絶縁層１４との界面（１４ａ）の反射膜を、集
光形状とすることもできる。これらによって、より一層
光伝達効率を高めることができる。

【００１６】また、シリコン発光素子１１上には、シリ
コン発光素子１１への電荷注入用の電極１６が設けられ
ている。この電荷注入用電極１６は、例えば発光シリコ
ン層よりもバンドギャップが広い SiC等の半導体や、発
光シリコン層とpn接合を形成する反対導電型の半導体等
により構成されている。そして、シリコン発光素子１１
およびシリコン受光素子１２に、それぞれリードを接続
することによって、フォトカプラが構成される。

【００１７】上述した実施例のフォトカプラは、ＳＯＩ
基板１を構成基板として用いて、その素子シリコン層４
に多孔質シリコンやポリシラン等からなるシリコン発光
素子１１とフォトダイオード等からなるシリコン受光素
子１２とを設けて構成している。このような構成とする
ことによって、シリコン基板にフォトカプラを集積一体
化して作製することが可能となる。また、通常のシリコ
ン半導体の製造工程に準じて作製することが可能とな
る。そして、ＳＯＩ基板１を用いていることから、高
速、高温動作等が可能となり、さらに耐雑音性等にも優
れるため、集積一体化した高性能のフォトカプラを安価
に提供することができる。

【００１８】また、シリコン発光素子１１とシリコン受
光素子１２とを、酸化物等の光に対して透明な絶縁物１
３を介して、ＳＯＩ基板１と平行方向に並べて形成し、
シリコン発光素子１１をＳＯＩ基板１と平行方向に発光
させるように構成しているため、電気的に確実に絶縁し
た上で、効率的に受光素子１２に光を導入することがで
き、よって絶縁性および光結合効率を高めることができ
る。

【００１９】上記実施例においては、シリコン発光素子
１１とシリコン受光素子１２とを、1:1で素子シリコン
層４に形成した例について説明したが、例えば図３に示
すように、シリコン受光素子１２を直列に複数（１２
ａ、１２ｂ）形成し、さらに受光感度を高めるような構
成とすることもできる。またこの際、複数のシリコン受
光素子１２ａ、１２ｂにおいて、位相差を持たせて受光
するような構成としてもよい。

【００２０】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図４は、本発明を発光装置に適用した例を示す図で
あり、受光素子に代えてミラー１７を設けている。この
ような構成とすることによって、構成基板としてＳＯＩ
基板１を用いていることから、高速、高温動作等が可能
で、さらに耐雑音性等に優れる、高性能の発光装置を安
価に提供することが可能となる。

【００２１】次に、本発明のさらに他の実施例につい
て、図５および図６を参照して説明する。図５は、シリ
コン発光素子１１とシリコン受光素子１２とを光導波路
１８を介して光結合した光結合型半導体装置の構成を示
す図である。この光結合型半導体装置においては、素子
シリコン層４の表面側にも、シリコンと屈折率の異なる
酸化膜１９を形成し、酸化絶縁層３と表面酸化膜１９と
でシリコン層を挟むことによって、光導波路１８を形成
している。このように、光導波路１８を介してシリコン
発光素子１１とシリコン受光素子１２とを光結合するこ
とにより、 1チップ内に光結合型の集積回路等を構成す
ることが可能となる。

【００２２】また、上記実施例の光結合型半導体装置に
おいては、シリコン発光素子１１の両側面に図示を省略
したAlや酸化膜等からなる反射膜が設けられており、シ
リコン発光素子１１自体が光共振器を構成している。こ
のように、光共振器を構成することによって、さらに光
の伝達効率を高めることができる。さらに、上記実施例
では、反射膜の形状を集光形状としているため、さらに
高効率化することができる。

【００２３】また、図６に示す光結合型半導体装置にお
いては、光導波路１８にグレーティングレンズ２０を形
成している。これにより、特定波長の光のみを選択的に
取り出すことが可能となる。これによって、レーザー発
振器等としての応用も可能となる。

【００２４】上述した各実施例の光結合型半導体装置に
おいては、本発明を発光および受光による単一型の装置
に適用した例について説明したが、本発明の半導体装置
においては、構成基板としてＳＯＩ基板を用いているた
め、さらにパワー素子、制御回路、メモリ等の各種素子
や回路を集積形成することも可能である。

【００２５】図７は、本発明を適用した集積回路の一構
成例を示す図であり、２１はパワー段等の主回路であ
り、この主回路２１は電源２２に接続されていると共
に、ＣＰＵ等の制御回路２３によって制御されている。
電源２２と制御回路２３とは、前述した実施例で示した
ようなシリコン発光素子２４とシリコン受光素子２５と
で構成したフォトカプラ２６により、電気的に絶縁され
ている。また、制御回路２３と入力２７側とは、同様な
フォトカプラ（入力側シリコン受光素子２８のみを図示
する）により、電気的に絶縁されている。

【００２６】このように、構成基板としてＳＯＩ基板を
用いると共に、シリコン発光素子を適用することによっ
て、フォトカプラと共にパワー素子、制御回路等の各種
素子や回路を集積、一体化し、 1チップ２９化すること
が可能となる。

【００２７】また、本発明の半導体装置においては、各
種素子や回路を 1チップ化することに限らず、例えば図
８に示すように、光ファイバ３０を用いることによっ
て、さらに多様な処理系を構成することができる。図８
は、複数のシリコン発光素子３１ａ、３１ｂ、３１ｃを
直交配置し、これら発光素子からの光信号を光ファイバ
３０を介して相関器３２ａ、３２ｂ、３２ｃに送り、そ
れぞれの処理回路３３ａ、３３ｂ、３３ｃを動作させる
よう構成した処理系の一構成例を示す図である。このよ
うに、光ファイバ３０により光信号を送信する構成とす
ることによって、ホームエレクトロニクス制御やカーエ
レクトロニクス制御等を、光信号により実現することが
可能となると共に、各送信側チップや受信側チップは、
シリコンをベースとする本発明の半導体装置技術によ
り、高性能でかつ安価に構成することが可能となる。ま
た、上記したように、複数のシリコン発光素子３１ａ、
３１ｂ、３１ｃを直交させて発光部を構成することによ
り、GaAs等の化合物半導体を用いた発光部と同様な高速
化および高出力化が達成できる。なお、複数のシリコン
発光素子を用いる場合に、それぞれから発光される光信
号の位相や波長を変えることも可能である。

【００２８】上述したように、本発明の半導体装置は、
フォトカプラ等の一機能素子への適用のみならず、処理
系や制御系等の種々の分野に応用することが可能であ
る。

【００２９】ところで、上述した実施例のように、発光
素子と光ファイバとの接合に関しては、その光学的配置
の精密さが必要とされることから、何らかの位置決め機
構が必要となる。以下においては、発光素子と光ファイ
バとの接合機構に、本発明を適用した例について説明す
る。

【００３０】図９は、基板面に対して垂直方向に光ファ
イバを接続する面発光型のコネクタ付き半導体装置を示
している。図中、４１は構成基板としてのＳＯＩ基板で
あり、素子シリコン層４２として {111}面方位を有する
p型シリコン層が、酸化絶縁層４３を介してシリコン結
晶基板４４上に設けられている。

【００３１】この実施例のコネクタ付き半導体装置にお
いては、まず素子シリコン層４２に異法性エッチングに
よって、位置決め用の逆ピラミッド状溝４５を形成す
る。この工程は、シリコンの結晶異法性を用いることか
ら、極めて形状再現性よく、逆ピラミッド状の溝４５を
作製することができる。次いで、絶縁膜４６をマスクに
して、必要部位に陽極化成法により、多孔質のシリコン
発光層４７を形成する。この多孔質シリコン発光層４７
は、前述した実施例と同様な手順により形成する。な
お、多孔質シリコン発光層以外に、ポリシラン、シロキ
セン等を用いたシリコン発光層を適用してもよい。

【００３２】次に、シリコン発光層４７上を含めて溝４
５内に透明電極４８を形成し、電荷の注入を行えるよう
にする。この電極４８には、酸化スズ系の半導体層を用
いたが、これは特に材料を限定するものではない。例え
ば、 SiC等のシリコン発光層よりもバンドギャップが広
い半導体を用いて、マイナーキャリアの注入効率を上げ
ることもできる。さらに、電極４９および基板側電極５
０を形成して、コネクタ付き半導体装置が完成する。こ
れに、光ファイバ５１を位置決め用溝４５に落とし込む
ようにして配置し、透明樹脂接着剤５２で固定する。

【００３３】このような構造とすることによって、ＳＯ
Ｉ基板だけを用いて、発光部と位置決めコネクタ部を一
体に形成することができる。これによって、相互の位置
合わせ等、アセンブリングに関する問題が解消され、精
度がよく、かつ小型の発光素子が実現できる。なお、上
記コネクタ付き半導体装置の構成基板としては、ＳＯＩ
基板に限らず、一般的なシリコン結晶基板を用いること
もできる。

【００３４】また、上記実施例においては、位置決め用
の溝形状をピラミッド状としたが、例えば図１０に示す
ように、底部を平坦な形状とした位置決め用溝５３を用
いることもできる。このような形状とすることによっ
て、光ファイバ５１をシリコン発光層４７により密着し
た状態で配置することができ、光ファイバ５１とシリコ
ン発光層４７との結合係数が改善できる。このように、
溝の形状は特に限定されるものではなく、光ファイバの
位置決めと発光部の形成に適した構成をとることができ
る。

【００３５】図１１は、基板面に対して水平方向に光を
取り出すコネクタ付き半導体装置の構成を示すずであ
る。作製方法等は、ほぼ前述の例と同様であり、位置決
め用溝５４を、基板面と水平方向にＶブロック状に形成
した点が特徴である。このような構造と、前述の垂直構
造とを組み合わせることも可能である。また、図示した
部分だけでなく、発光素子を制御する回路等を同一基板
上に集積形成することも可能である。

【００３６】また図１２は、ＳＯＩ基板を用いたマルチ
分離型コネクタ付き半導体装置の例である。素子シリコ
ン層４２を素子毎に異方性エッチングで分離して、酸化
膜５５を各素子アイランド表面に形成した後に、分離溝
埋め込み層５６で表面を平坦化する。その後、前述の実
施例と同様にして、各コネクタ付き素子を形成する。こ
のような構造とすることによって、各発光素子間は完全
に絶縁分離され、極めて小さな領域に多数の発光・コネ
クタ機能を集積することができる。

【００３７】上述した各実施例のコネクタ付き半導体装
置によれば、発光部と、これを光ファイバに接続するに
欠かせない位置決め機構が高精度に一体形成でき、しか
も発光部を駆動する増幅回路、信号を処理する回路等、
実際上欠かせない種々の素子要素をこれまでに確立して
いるシリコン半導体の集積技術を用いて一体に形成し、
小型・高信頼化することができる。さらに、同様な構造
で光ファイバからの受光部を形成することもでき、これ
らと一体に素子を形成することによって、受光および発
光の双方の機能を有する、例えば光ファイバの中継器等
をワンチップ化することが可能になる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置によれば、発光素子を含めて各種の素子や回路等を集
積、一体化することが可能になると共に、光結合等を行
う場合の効率を高めることが可能となる。さらに、その
ような光−電気変換素子を含む装置を、シリコン半導体
の集積技術を用いて作製することができるため、高効率
で安価な光関連の半導体装置を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるフォトカプラの要部
構成を示す断面図である。

【図２】本発明の実施例によるフォトカプラの他の構
成例を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例によるフォトカプラのさらに
他の構成例を示す断面図である。

【図４】本発明の一実施例による発光装置の要部構成
を示す断面図である。

【図５】本発明の一実施例による光結合型半導体装置
の要部構成を示す断面図である。

【図６】本発明の実施例による光結合型半導体装置の
他の構成例を示す断面図である。

【図７】本発明を適用した集積回路の一構成例を示す
図である。

【図８】本発明を適用した制御系の一構成例を示す図
である。

【図９】本発明をコネクタ付き半導体装置に適用した
一構成例を示す断面図である。

【図１０】コネクタ付き半導体装置の他の構成例を示
す断面図である。

【図１１】本発明をコネクタ付き半導体装置に適用し
た他の構成例を示す断面図である。

【図１２】本発明をマルチ分離型コネクタ付き半導体
装置に適用した例を示す図であって、（ａ）はその平面
図、（ｂ）はその断面図である。

【図１３】従来のフォトカプラを示す断面図である。

【符号の説明】

１………ＳＯＩ基板２………シリコン結晶基板３………酸化絶縁層４………素子シリコン層１１……シリコン発光素子１２……シリコン受光素子１３……透明絶縁物１４、１５……素子分離用絶縁層１６……電荷注入用電極１８……光導波路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁層を介して表面側にシリコン層が設
けられたシリコン結晶基板を構成基板として具備し、前
記シリコン層に少なくともシリコン発光素子が設けられ
ていることを特徴とする半導体装置。