JPH07122778A

JPH07122778A - 半導体光結合装置

Info

Publication number: JPH07122778A
Application number: JP29006593A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Hirasawa; 宏希平澤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JP2595880B2

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体光結合装置を双方向通信における雑音
除去素子として利用可能とし、かつ一方で製造の簡略化
を図る。【構成】２個の光半導体素子２Ａ，２Ｂを同一素子構
造として構成し、リードフレーム１に搭載し、金属細線
３Ａ，３Ｂで電気接続した上で、透光性樹脂５と遮光性
樹脂６でパッケージする。各光半導体素子２Ａ，２Ｂに
印加するバイアスを変更することで、それぞれを発光素
子または受光素子として機能させ、双方向の通信用への
利用が可能となる。また、各素子２Ａ，２Ｂは互いに物
理的に分離された状態で配置されるため、電気的に絶縁
され、雑音除去素子としての利用が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光素子と受光素子を一
体的に内装した半導体光結合装置に関し、特に双方向特
性を有する半導体光結合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロコンピュータの普及によ
り多くのシステムのコンピュータ制御が図られている
が、雑音に弱いマイクロコンピュータ素子を外部から入
力される雑音から保護する素子として、光結合器を雑音
除去素子として使用することが行われている。そして、
この光結合器として、半導体発光素子と半導体受光素子
を組み合わせたものが用いられている。図５はその一例
の断面図であり、リードフレーム２１上にＬＥＤ等の発
光素子２２と、フォトダイオード等の受光素子２３をそ
れぞれ搭載し、金属細線２４で電気接続した上で、透光
性樹脂２５と遮光性樹脂２６により封止したものであ
る。

【０００３】この光結合器では、発光素子２２から発光
された光は透光性樹脂２５と遮光性樹脂２６との界面で
反射され、受光素子２３において受光される。したがっ
て、発光素子２２から受光素子２３に向けての光結合を
行うことができる。また、図示は省略するが、発光素子
と受光素子を各面が対向するように配置したものも実用
化されている。しかしながら、この構成の光結合器で
は、発光素子２２と受光素子２３が、例えばＬＥＤとフ
ォトダイオードのようにそれぞれ異なる構造物として独
立して形成されているため、発光素子２２と受光素子２
３をそれぞれ別の工程で製造する必要がある。また、製
造された発光素子２２と受光素子２３をそれぞれ個別に
リードフレーム２１に搭載する必要があり、光結合装置
を製造するための製造工程が複雑になるという問題があ
る。

【０００４】そこで、発光素子と受光素子を一体に形成
したものが提案されている。図６は特開昭５９−２２２
９７３号公報に記載されたものであり、１つの半絶縁性
基板３１上に発光素子部３２と受光素子部３３を一体に
形成し、それぞれに金属線３４を接続した上で透光性樹
脂３５により被覆を行っている。このように構成するこ
とで、発光素子３２と受光素子３３とを一体的に取り扱
うことが可能となり製造を簡略化することが可能とな
る。同様に、図７は特開昭６２−３７９７８号公報に記
載されているものであり、同一の基板４１上にｎ型半導
体層４２，接合部４３、ｐ型半導体層４４を積層し、両
面に複数の電極４５，４６を離間配置してレーザ光の発
光素子部４７と受光素子部４８を構成したものである。
この光結合器では、電極４５，４６から印加される電圧
によって発光素子部４７と受光素子部４８が機能的に分
離され、発光素子部４７からの光を反射対象物４９で反
射させ、受光素子部４８で受光させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように発光素子と
受光素子を一体化したものは、一連の工程で発光素子と
受光素子を製造することができるため、製造工数が削減
でき、かつ各素子を搭載する工数も少なくて済むという
利点がある。しかしながら、この構成では発光素子と受
光素子とが基板を介して一体化されているため、発光側
と受光側とを電気的に絶縁することが困難であり、発光
側の雑音が受光側に漏れ込み易く、前記したマイクロコ
ンピュータ素子における雑音除去素子として利用する上
では好ましくない。また、図５及び図６に示したもの
は、発光素子から受光素子へ向けて一方向の通信しか行
うことができず、コンピュータシステムとその端末（プ
リンタ，モデム，ＣＲＴ等との通信に多く見られる“半
二重回線”を行う際に、このような光結合器を適用する
ことができないという問題がある。

【０００６】この点、図７に示したものは、電極に印加
する電圧によって発光素子部と受光素子部の機能を分離
させているため、電圧を変更することで発光素子部と受
光素子部とを変換し、双方向通信を行うことは可能では
あるが、この構成では前記した雑音上の問題が生じるた
め、実際にこの種の用途に用いることは難しいものとな
っている。本発明の目的は、双方向通信における雑音除
去素子として利用でき、かつその一方で製造の簡略化を
図った半導体光結合装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光結合装置は、
同一パッケージ内において対向配置された複数個の光半
導体素子が同一素子構造として構成されるとともに、互
いに物理的に分離された状態で配置され、かつ各光半導
体素子は印加されるバイアス方向に応じて発光素子また
は受光素子として機能されるように構成する。例えば、
各光半導体素子は、一つの光半導体素子を複数個に切断
分離して形成される。また、各光半導体素子はダブルヘ
テロ接合構造の半導体素子で構成され、その接合面と直
角な側面を互いに対向するように配置される。

【０００８】

【作用】各光半導体素子に印加するバイアスを変更する
ことで、任意の素子を発光素子または受光素子として機
能させることができ、双方向の通信用の光結合装置とし
ての利用が可能となる。また、複数の素子は物理的に分
離されるため、電気的な絶縁を行い、雑音除去素子とし
ての利用が可能となる。

【０００９】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の半導体光結合装置の一実施例の平面
図とその断面図である。リードフレーム１は対向配置さ
れた一対のリード１Ａ，１Ｂを有し、かつ各リード１
Ａ，１Ｂはそれぞれ隣接配置された２本のリード１Ａ
ａ，１Ａｂ，１Ｂａ，１Ｂｂで構成されており、各一方
のリード１Ａａ，１Ｂａ上にそれぞれ光半導体素子２
Ａ，２Ｂが搭載され、各他方のリード１Ａｂ，１Ｂｂに
対して金属細線３Ａ，３Ｂで電気接続されている。各光
半導体素子２Ａ，２Ｂはその一側面を微小間隔おいて対
向配置されており、その上で各光半導体素子２Ａ，２Ｂ
はその対向側を除いて高分子体４Ａ，４Ｂで被覆され、
更に両光半導体素子２Ａ，２Ｂが一体的に透光性樹脂５
により封止され、かつその外側を遮光性樹脂６により封
止されている。

【００１０】前記光半導体素子２Ａ，２Ｂは、ｎ型基板
を用いたダブルヘテロ接合構造に形成されており、例え
ば図２に拡大断面図を示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１１
上にｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層
１３、ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１４、ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層１５、Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１６を形成
し、かつその両面に電極１７，１８をそれぞれ形成した
ものである。そして、対向配置されている各光半導体素
子２Ａ，２Ｂは同一の光半導体素子を２つに切断したも
のが用いられており、互いにその切断面を対向させ、そ
れぞれのｐｎ接合部を微小間隔だけ離して正対するよう
に配置され、リード１Ａａ，１ＢａにＡｇペースト等の
ろう材７により固定されている。

【００１１】図３は図１の半導体光結合装置の製造方法
を工程順に示す図である。先ず、図３（ａ）のように、
ｎ型ＩｎＰ基板１１上にｎ型ＩｎＰクラッド層１２、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ活性層１３、ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１
４、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５、Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキ
ャップ層１６を形成した光半導体素子１０は、その中央
部にｐｎ接合部側を約１０μｍ程度残すように基板側か
らダイシングを施しており、かつこのダイシング部１９
を挟んだ位置の表裏面にそれぞれ電極１７，１８が分離
された状態で形成されている。次いで、図３（ｂ）のよ
うに、この光半導体素子１０をそれぞれリードフレーム
１の一対のリード１Ａａ，１Ｂａ上に搭載する。このと
き、光半導体素子１０は前記ダイシング部１９の両側が
それぞれ対向する一方のリード１Ａａ，１Ｂａに搭載さ
れるようにする。この光半導体素子の搭載には例えばＡ
ｇペーストが用いられ、裏面側の電極１７がリードに電
気的に接触された状態で搭載される。そして、表面側の
電極１８とそれぞれの他方のリード１Ａｂ，１Ｂｂとを
金線３Ａ，３Ｂで結線し導通させる。

【００１２】次に、図３（ｃ）のように、環化ゴム系の
高分子体４Ａ，４Ｂを光半導体素子１０の両側部にそれ
ぞれ滴下させる。すると、この高分子体４Ａ，４Ｂはそ
の表面張力により前記表面側の電極１８に沿ってドーム
状になり、前記金線３Ａ，３Ｂを被覆する。しかしなが
ら、光半導体素子１０の中央部には電極１８が設けられ
ていないため、この部分は高分子体により覆われず、露
呈された状態となる。この状態で１００℃以上の熱処理
を行い高分子体３Ａ，３Ｂを固化させる。しかる上で、
図３（ｄ）のように、前記光半導体素子１０に対してエ
ッチング処理を施し、光半導体素子１０を中央部でエッ
チング切断し、２個の光半導体素子２Ａ，２Ｂとして分
離させる。例えば、このエッチングでは、反応ガスとし
てＡｒ＋ＣＣｌ₂Ｆ₂（Ａｒ混合比３５％）を使用した
反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）でエッチ
ングを行っている（「半導体レーザと光集積回路」末松
安晴編著，オーム社，第１版，ＰＰ４３６〜４４１参
照）。

【００１３】その後、透光性樹脂５で両光半導体素子２
Ａ，２Ｂを一体的に封止し、かつその外側から遮光性樹
脂６で封止する。その後、外部のリードフレーム１を切
断し、リード曲げ形成を行って図１の半導体光結合装置
が完成される。なお、この実施例では、高分子体３Ａ，
３Ｂはそのまま残しているが、これは除去してもよい。
この除去に際しては、有機溶剤とプラズマ・マッシャー
処理を行えばよい。

【００１４】したがって、この構成では、対向配置され
た一対の光半導体素子２Ａ，２Ｂはその素子構造が同一
であり、かつｐｎ接合に対して順方向にバイアスすれば
レーザ光の発光素子に、逆方向にバイアスすれば受光素
子として利用することができる。したがって、各光半導
体素子２Ａ，２Ｂに接続したリード１Ａ，１Ｂに印加す
るバイアスを互いに逆方向に設定することで、一方を発
光素子とし、他方を受光素子として機能させ、これらで
光結合動作を行わせることができる。そして、このバイ
アスを変化させることにより信号伝達方向を変化させる
ことができ、したがって双方向通信が可能となる。ま
た、この構成では、１個の光半導体素子１０をエッチン
グ切断することで、互いに対向する２個の光半導体素子
２Ａ，２Ｂを形成しているため、各素子を同時に製造す
ることができ、素子の製造工程の簡略化を図ることがで
きる。更に、各光半導体素子２Ａ，２Ｂは、エッチング
切断により物理的に分離されているため、電気的な絶縁
をとることができ、両素子間での雑音の漏れ込みが防止
でき、マイクロコンピュータ素子における雑音除去素子
として有効に利用することができる。

【００１５】また、各光半導体素子２Ａ，２Ｂは一体の
光半導体素子１０の状態でリードフレーム１に搭載し、
その後にエッチング分離しているので、その発光部と受
光部に当たるｐｎ接合部を正確に対向位置させることが
でき、両素子間での光の送受を高い効率で行うことも可
能となる。特に、このような端面発光型の発光素子は、
キャリアの反転分布を実現させるため、特定の一部分に
キャリアを集中させること、及び誘導放出光は指向性が
強いため、光の放射角は片側約３０〜４０°と狭く、発
光−受光素子間の位置制御（光軸調整）が非常に難し
い。しかしながら、このように両光半導体素子の対向位
置が高精度に設定できることにより、組立後の光軸調整
は不要となり、その点でも製造を簡略化することが可能
となる。なお、各光半導体素子はその端面で発光を行う
ため、誘導放出光成分の比率が増し、一般的に自然放出
光を使用する面発光型ＬＥＤより、その動作速度は高速
になる。因みに、一般の面発光ＬＥＤの場合ｔｒ／ｔｆ
（立上り／立下り時間）は約５μｓだったのがＦＰ型半
導体レーザの場合約１ｎｓとなる。

【００１６】図４は本発明の他の実施例の内部構成を示
す平面図である。この実施例では、４個の光半導体素子
２Ａ〜２Ｄを四角位置に配置し、それぞれをリード１Ａ
〜１Ｄに搭載し、金属細線３Ａ〜３Ｄで電気接続を行っ
たものである。このような光結合装置を製造するには、
例えば、前記実施例の図３（ａ）に示したような光半導
体素子を、その中心部において平面方向に十字型にエッ
チングして素子を４個にエッチング分離することにより
形成できる。その他の工程は前記実施例と全く同じであ
る。このような構成によれば、前記実施例と略同じ工数
で２回路分を内蔵した光結合装置を簡単に製造すること
ができる。勿論、各回路における光結合動作において、
前記した種々の利点が得られることは言うまでもない。

【００１７】なお、前記各実施例では光半導体素子を、
高速性に優れたレーザ素子として構成しており、そのた
め、その発光には指向性があり、特に図４の実施例では
発光素子と受光素子の組み合わせは必然的にその光の指
向性に沿って決定されてしまう。しかし、光半導体素子
をＬＥＤやフォトダイオードのような単なるｐｎ接合の
素子として構成したときには、発光の指向性が無くなる
ため、４個の光半導体素子はそのバイアスのかけ方によ
り、任意に発光素子と受光素子を決定することができ、
例えば、１対３の通信も可能となる。ここで、図４の実
施例では４個の光半導体素子を備える場合であるが、３
個の光半導体素子を用いて１対２の光結合装置を構成し
たり、或いは５個以上の光半導体素子を備えて多対多の
装置として構成することも可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の半導体光結
合器は、複数個の光半導体素子が同一素子構造として構
成され、それぞれに印加されるバイアス方向に応じて発
光素子または受光素子として機能させることができるの
で、そのバイアスを制御することで双方向の通信用の光
結合装置としての利用が可能となる。また、各光半導体
素子は、一つの光半導体素子を複数個に切断分離して形
成されるので、各素子を同時に一の工程で製造でき、製
造工程を簡略化することができる。更に、各光半導体素
子は物理的に分離されて配置されているため、電気的な
絶縁を行うことができ、雑音除去素子としての利用が可
能となる。また、各光半導体素子はダブルヘテロ接合構
造の半導体素子として構成されるので、その接合面と直
角な側面からレーザ光を発光させることができ、そのレ
ーザ光を用いて光結合を行うことで、動作速度の高速化
が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の内部構成の平面図とその断
面図である。

【図２】図１の要部の拡大断面図である。

【図３】図１の光結合装置の製造方法を工程順に示す図
である。

【図４】本発明の他の実施例の内部構成の平面図であ
る。

【図５】従来の光結合装置の一例の断面図である。

【図６】従来の光結合装置の他の例の断面図である。

【図７】従来の光結合装置の更に他の例の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１リードフレーム１Ａ〜１Ｄリード２Ａ〜２Ｄ光半導体素子３Ａ〜３Ｄ金属細線４Ａ，４Ｂ高分子体５透光性樹脂６遮光性樹脂１０光半導体素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一パッケージ内に複数個の光半導体素
子が対向配置され、一の光半導体素子で発光された光を
他の光半導体素子で受光するように構成した光結合装置
において、前記光半導体素子は同一素子構造として構成
されるとともに、互いに物理的に分離された状態で配置
され、かつ各光半導体素子は印加されるバイアス方向に
応じて発光素子または受光素子として機能されるように
構成したことを特徴とする半導体光結合装置。
【請求項２】各光半導体素子は、一つの光半導体素子
を複数個に切断分離して形成されてなる請求項１の半導
体光結合装置。
【請求項３】各光半導体素子はダブルヘテロ接合構造
の半導体素子で構成され、その接合面と直角な側面を互
いに対向するように配置されてなる請求項１の半導体光
結合装置。