JPH0734482B2 - 光結合型半導体リレ−装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体リレー装置に関し、さらに詳しくは、
点滅動作を行う発光部とこの発光部の点滅動作に基づい
てスイッチング動作を行う受光部とを含み、これら発光
部と受光部とが絶縁分離され、かつ光学的に結合された
半導体リレー装置に関する。

従来技術 近年、駆動装置を有する機械などの動作はコンピュータ
などによって制御されることが多い。一般に、コンピュ
ータの制御回路は、約5V程度の直流電圧で動作するのに
対し、前記駆動装置を有する機械などは、たとえば100V
の商用交流電圧で動作するものがある。このように異な
る動作電圧を有する２つの回路間における信号の授受
は、電気的に絶縁分離された状態で行う必要がある。し
たがってこのような場合には、たとえば電磁リレー装置
や光学的に結合された半導体リレー装置などが用いられ
る。

電磁リレー装置においては、２つの回路間がコイルによ
って磁気的に結合されており、機械的動作を伴ってリレ
ー動作を行う。したがって電磁リレー装置は、機械的な
疲労などによって常に良好な状態で動作するとは限ら
ず、その寿命には限界があり、しかも装置自体が大形で
ある。また近年、前記電磁リレー装置に代えて小形かつ
軽量で長寿命の固体リレー素子が普及しつつある。たと
えばSSR（Solid State Relay）と称される固体リレー素
子では、大きな電力利得を得ることができるが、交流用
と直流用とは区別して使用しなければならず、使い勝手
が悪い。

これに対して内部にMOS型FET（金属−酸化膜−半導体型
電界効果トランジスタ、以下、トランジスタと称する）
を有する光結合型の固体リレー素子では、高絶縁分離
性、大電力利得を有し、交流／直流共用であり、かつ長
寿命である。このような光結合型固体リレー素子は、大
略的には発光部と受光部とから成り、発光部には発光ダ
イオード（LED）が配設され、受光部にはホトダイオー
ドおよび前記トランジスタが配設される。このような構
成を有する光結合型固体リレー素子においては、前記発
光ダイオードで発生された光を、受光部のホトダイオー
ドが受光して光電変換を行い、その出力に基づいて前記
トランジスタが駆動される。

第26図は、典型的な先行技術である光学結合型固体リレ
ー素子の受光部101の構成を示す断面図である。受光部1
01は、複数のホトダイオード103を有する受光素子104
と、トランジスタ105とを含み、これら受光素子104およ
びトランジスタ105は、支持基板102上に配設される。受
光素子104は、シリコン基板106上に前記複数のホトダイ
オード103が配設され、これら複数のホトダイオード103
は金属配線107を介して相互に接続されている。

相互に接続されたホトダイオード103の一端部は、リー
ド線109を介して前記トランジスタ105のゲート電極108
に接続され、他端部は外部リード線110を介して外部に
導出される。一方、前記トランジスタ105の２つのドレ
イン領域111,112は、２本のリード線113,114を介して受
光部101の出力端子に出力される。

発明が解決すべき問題点 前記受光部101においては、受光素子104を形成するチッ
プとダイオード105を形成するチップとが、前記支持基
板102上にそれぞれ別個に配設され、相互にリード線109
を介して接続されている。このため、受光部101が大形
化してしまう。また、発光部で発生される光は、ホトダ
イオード103のみに効率よく照射されるようにしなけれ
ばならない。しかしながらこの受光部101においては、
ホトダイオード103と並列にトランジスタ105が配設され
ているために、このトランジスタ105に前記光が照射し
てしまい、トランジスタ105に悪影響を及ぼす。

さらに、該固体リレー素子の電流容量を大きく設定する
ためには、前記トランジスタ105の入力容量を大きく設
定しなければならず、このためにはトランジスタ105の
受光部101に占める面積を大きくしなければならない。

一方、トランジスタ105の入力容量を大きく設定しよう
とすると、前記各ホトダイオード103の出力電圧が0.5V
程度であるので、応答性を低下させずに前記トランジス
タ105を駆動するためには、ホトダイオード103を複数個
接続しなければならず、ホトダイオード103の占める面
積も大きくしなければならない。したがって第26図に示
される受光部101を含む光結合型固体リレー素子では、
電流容量を大きく設定しようとすれば、小形であるとい
う本来の特徴が損なわれ、近年、小形化が進んだ電磁リ
レー装置と比較しても大差がなくなってしまう。

本発明の目的は、前述の問題点を解決し、格段に小形化
され、かつ比較的大きな電流を導通／遮断制御すること
ができる光学結合型半導体リレー装置を提供することで
ある。

問題点を解決するための手段 本発明は、発光部と、複数の入力／出力用電極を有し、
前記発光部に光学的に結合された受光部とを含み、発光
部の点滅動作に応答して、受光部において前記複数の入
力／出力用電極間を導通／遮断するスイッチング動作を
行う光結合型半導体リレー装置であって、 前記受光部は、半導体基板上に半導体スイッチング手段
とホトダイオードとがこの順序に下から上に積層して構
成され、 半導体スイッチング素子は、キャリアが半導体基板の厚
みと垂直方向に移動する横型の金属−酸化膜−半導体型
電界効果トランジスタであり、 前記ホトダイオードは、半導体基板上に絶縁膜19を介し
て形成され、かつ電界効果トランジスタのチャネル18と
ドレインとの間の領域上に配置される溶融再結晶化され
たシリコン膜から成り、 複数のホトダイオードが同一方向に直列に接続されたホ
トダイオード列が１つまたは複数列形成され、 最上層として、各ホトダイオード列の共通する一方向側
の各電極と他方側の各電極とをそれぞれ別々に接続する
各共通配線の少なくともいずれか一方の共通配線と、チ
ャネル18上のゲート電極20と、これらの前記一方の共通
配線とゲート電極とを接続する導体と、電界効果トラン
ジスタのソースおよびドレインの電極とを形成し、前記
いずれか一方の共通配線からの電圧に基づいて、前記電
界効果トランジスタのドレイン電極を形成し、スイッチ
ング動作させるようにしたことを特徴とする光結合型半
導体リレー装置である。

また本発明は、発光部と、複数の入力／出力用電極を有
し、前記発光部に光学的に結合された受光部とを含み、
発光部の点滅動作に応答して、受光部において前記複数
の入力／出力用電極間を導通／遮断するスイッチング動
作を行う光結合型半導体リレー装置であって、 前記受光部は、半導体基板上に半導体スイッチング手段
とホトダイオードとがこの順序に下から上に積層して構
成され、 半導体スイッチング素子は、キャリアが半導体基板の厚
み方向に移動する縦型の金属−酸化膜−半導体型電界効
果トランジスタであり、 前記ホトダイオードは、半導体基板上に絶縁膜19を介し
て形成され、かつ電界効果トランジスタのゲート電極に
形成された開口部73以外の領域上に配置される溶融再結
晶化されたシリコン膜から成り、 複数のホトダイオードが同一方向に直列に接続されたホ
トダイオード列が１つまたは複数列形成され、 最上層として、各ホトダイオード列の共通する一方向側
の各電極と他方側の各電極とをそれぞれ別々に接続する
各共通配線の少なくともいずれか一方の共通配線と、チ
ャネル18上のゲート電極20と、これらの前記一方の共通
配線とゲート電極とを接続する導体と、電界効果トラン
ジスタのソースおよびドレインの電極とを形成し、前記
いずれか一方の共通配線と、ゲート電極と、これらの前
記一方の共通配線とゲート電極とを接続する導体と、電
界効果トランジスタのソースおよびドレン電極とを形成
し、前記一方の共通配線からの電圧に基づいて、前記電
界効果トランジスタのドレイン電極を形成し、スイッチ
ング動作させるようにしたことを特徴とする光結合型半
導体リレー装置である。

作用 本発明に従えば、受光部において、半導体基板上に半導
体スイッチング手段と、ホトダイオードとをこの順序に
積層して構成するようにした。これによって、受光部に
おける半導体スイッチング手段と、ホトダイオードとが
占める面積を格段に小さくすることができ、該光結合型
半導体リレー装置を小型化することができる。ホトダイ
オードは、溶融再結晶化されたシリコン膜から成る。溶
融再結晶化されたホトダイオードは、キャリア移動度が
高いので、充分な光起電力が得られる。また前記ホトダ
イオードにおいては、各ホトダイオード列を構成するホ
トダイオードを希望する数に設定することによって、ホ
トダイオード全体から得られる出力電圧を所望の大きさ
に選択することができる。さらに、前記各ホトダイオー
ド列を希望する本数に設定することによって、ホトダイ
オード全体から得られる出力電流を、所望の大きさに選
択することができる。

また、ホトダイオードの大きく設定された出力電圧に対
応して、半導体スイッチング手段の電流容量も大きくす
ることができるが、半導体スイッチング手段とホトダイ
オードとは前述したように積層して構成されるので、受
光部全体としては比較的小型で、これを実現することが
できる。

特に本発明に従えば、半導体スイッチング手段が金属−
酸化膜−半導体型電界効果トランジスタであって、横型
に構成されるときには、その電界効果トランジスタのチ
ャネルとドレインとの間の領域上にホトダイオードを配
置し、またその半導体スイッチング手段が縦型金属−酸
化膜−半導体型電界効果トランジスタであるときには、
その電界効果トランジスタのゲート電極開口部が形成さ
れる以外の領域上にホトダイオードを配置することによ
って、ホトダイオードは溶融再結晶化される構成であっ
ても、最後に一括配線を行うことができるようになる。

実施例 第８図は本発明の一実施例である光結合型半導体固体リ
レー素子１の全体の構成を示す斜視図であり、第９図は
固体リレー素子１の構成を示す断面図である。固体リレ
ー素子１は、遮光性を有する、たとえば黒色の合成樹脂
から成るパッケージ２によって覆われている。このパッ
ケージ２内には空隙３が形成され、この空隙３の一端面
には発光ダイオード（LED）などを含む発光部４が配設
され、前記一端面と対向する他端面には後述される半導
体光電変換手段であるホトダイオードおよび半導体スイ
ッチング手段である金属−酸化膜−半導体型電界効果ト
ランジスタ（MOS型FET、以下、トランジスタと称する）
などを含む受光部５が配設される。発光部４および受光
部５は、それぞれ１チップ構成を有し、それぞれ複数の
リードピン６の一端部に接続され、これら複数のリード
ピン６の他端部は、パッケージ２の外方側に導出され
る。なお前記空隙３は透明な合成樹脂120によって満た
されている。

第10図は、固体リレー素子１の等価回路図である。発光
部４においては、発光ダイオード７がスイッチSW1を介
して直流電源８に接続される。受光部５は、複数のホト
ダイオード９とトランジスタ10とを含む。半導体光電変
換素子である各ホトダイオード９は、相互に直列に接続
された複数のホトダイオード列11を構成する。各ホトダ
イオード列11のアノード側は、前記トランジスタ10のゲ
ート電極20にそれぞれ共通に接続される。このトランジ
スタ10の２つのドレイン電極12,13は、前記リードピン
６を介してパッケージ２の外方側に導出され、該固体リ
レー素子１の出力端子として用いられる。

このような電気的構成を有する固体リレー素子１におい
ては、発光部４のスイッチSW1を導通状態にすると、発
光ダイオード７が発光する。この光は、受光部５の複数
のホトダイオード９で受光されて光電変換が行われる。
光電変換によって発生した電圧は、前記トランジスタ10
のゲート電極20に与えられ、該トランジスタ10の２つの
ドレイン電極12,13間のインピーダンスが制御される。
このようにして該固体リレー素子１においては、発光部
４のスイッチSW1を導通／遮断することによって、前記
２つのドレイン電極12,13間のインピーダンスを制御す
ることができる。

第１図は本発明の一実施例である固体リレー素子１に用
いられる受光部５の一部の構成を示す平面図であり、第
２図は第１図切断面線II−IIから見た断面図であり、第
３図は第１図切断面線III−IIIから見た断面図であり、
第４図は第１図切断面線IV−IVから見た断面図であり、
第５図は第１図切断面線Ｖ−Ｖから見た断面図である。
以下、第１図〜第５図を参照して、受光部５の構成につ
いて説明する。

本実施例に従う受光部５においては、トランジスタ10a
上に、このトランジスタ10aを覆うようにしてマトリッ
クス状に複数のホトダイオード９が形成され得る。これ
ら複数のホトダイオード９は、前記発光部４で発生され
る光を受光するとともに、トランジスタ10aを遮光する
光吸収層としての機能をも有する。これら複数のホトダ
イオード９は、所望の出力電圧を得るために直列に複数
個、各ホトダイオード９上に付着された金属薄膜（金属
配線34）を介して接続され、複数のホトダイオード列11
が構成される。このホトダイオード列11は、所望の出力
電流を得るために並列に複数列、金属薄膜（基板電極27
およびホトダイオード連結用金属配線36）を介して接続
される。

該トランジスタ10aのソース領域およびドレイン領域
は、それぞれ細長い帯状の形状を有し、複数本交互に配
列される。各ソース領域およびドレイン領域上には、略
櫛形の形状を有する２つの金属薄膜（ドレイン電極12,1
3）が設けられる。２つの金属薄膜は相互に入れ子状態
に配設され、一方の金属薄膜はすべてのソース領域を、
他の金属薄膜はすべてのドレイン領域をそれぞれ個別的
に接続する。

前述したすべての金属薄膜は、トランジスタ10a上の光
吸収層（ホトダイオード９）が存在しない領域をも遮光
する光反射層として作用する。さらに、本実施例のトラ
ンジスタ10aは、キャリアが基板の厚みと垂直方向に移
動する、いわゆる横型のトランジスタである。ホトダイ
オード９は溶融再結晶化シリコン膜を用い、該トランジ
スタ10aのチャネルーソース・ドレイン間領域上に配設
される。以下、受光部５の構成について詳細に説明す
る。

受光部５の第２図下方側にはP⁺型半導体基板14が形成さ
れており、このP⁺型半導体基板14上にはP^-型成長層15が
形成される。P^-型成長層15には、帯状のN⁺型ドレイン層
16がN^-型ウエル層17に囲まれて、第１図上下方向に一定
の間隔をあけて複数本平行に配設される。

第６図は第２図切断面線VI−VIから見た断面図である。
同図に示されるように各N^-型ウエル層17間には、前記P^-
型成長層15が充填されており、この各N^-型ウエル層17間
のP^-型成長層15において、該トランジスタ10aのチャネ
ル領域18が形成される。このチャネル領域18上にはゲー
ト絶縁膜19aを介して、たとえばポリシリコンから成る
ゲート電極20が配設される。ゲート電極20は、前記チャ
ネル領域18の長手方向両端部、すなわち前記N^-型ウエル
層17の長手方向両端部において相互に結合されており、
第７図に示されるように略梯形の形状を有する。

前記２つのドレイン電極12,13は、それぞれ第１図上下
方向に相互に平行に延びる基幹部23,24と、これら２つ
の基幹部23,24から第１図上下方向に等間隔をあけて相
互に近接する方向に延びる複数のドレイン接続部25,26
とから成り、略櫛形の形状を有する。このような構成を
有する２つのドレイン電極12,13は、各ドレイン接続部2
5,26が相互に入れ子状態で前記各ドレイン領域16上に配
設されて、第４図に示されるようにドレイン領域16と接
続される。

絶縁膜19の前記各ドレイン領域16に対応する部分には、
帯状のコンタクトホール26Aが複数本形成され、これら
複数のコンタクトホール26A上に金属薄膜を蒸着させた
後に、エッチングを行なって前記各ドレイン接続部26が
形成される。このドレイン接続部26は、その長手方向に
平行な断面が、２つの側部26a,26bと、これら２つの側
部26a,26bの下端部を相互に連結する水平部分26cと、前
記側部26bの上端部から前記基幹部24と反対方向に延び
る延長部分26dとから成る。

前記基幹部24の第４図右方側端部は、前記側部26aの上
端部と連結される。前記ドレイン接続部25も、このドレ
イン接続部26と同一構造を有する。

ゲート電極20上には、金属薄膜から成る基板電極27が前
記絶縁膜19上に配設される。この基板電極27は、前記各
ドレイン接続部25,26に平行に配設される平行部分28
と、これらを相互に連結する連結部分29とから構成さ
れ、大略的にクランク状の形状を有する。この基板電極
27は１本につながれており、該受光部５が形成されるチ
ップの周囲で前記P⁺型半導体基板14と接続されており、
前記２つのドレイン電極12,13を囲んで該チップ周囲を
１周している。

各ホトダイオード９は、それぞれＰ型領域30上にN⁺型領
域31が形成され、略矩形平板状の形状を有する。これら
複数のホトダイオード９は、相互に同一極性であるよう
に直列に方向性接合されて複数のホトダイオード列11を
構成する。すなわち、各ホトダイオード９のＰ型領域30
とN⁺型領域31とが、２つのコンタクトホール33を介して
金属配線34によって電気的に接続され、複数のホトダイ
オード列11が構成される。

各ホトダイオード列11は、その長手方向に垂直に複数列
相互に間隔をあけて配列される。前記基板電極27は、各
ホトダイオード列11間に２列おきにクランク状に巡って
配列される。残余のホトダイオード列11間には、たとえ
ばホトダイオード列11の４列おきに前記ドレイン電極12
のドレイン接続部25が配列され、残余の４列おきの各ホ
トダイオード列11間には、前記ドレイン電極13のドレイ
ン接続部26が前記ドレイン電極12のドレイン接続部25と
対向する状態に配置される。

ホトダイオード列11の各同一側の一端部は、前記基板電
極27の連結部29にコンタクトホール32を介して接続さ
れ、他方側の一端部は、それぞれホトダイオード連結用
金属配線36にコンタクトホール37を介して相互に接続さ
れる。また、前記ホトダイオード連結用金属配線36は、
コンタクトホール38を介して前記ゲート電極20に電気的
に接続される。したがつて各ホトダイオード列11は、そ
れぞれ一端部が基板電極27に接続され、他端部がゲート
電極20に接続されることになる。なお、これら複数のホ
トダイオード列11は、ゲート電極20とドレイン領域16間
との前記N^-型ウエル層17上に、前記絶縁膜19を介して配
設される。

第11図は、１チップ構成の受光部５の製造工程を説明す
るための断面図である。以下、第11図を参照して、受光
部５の製造工程について説明する。

まず同図（１）図示のように、高濃度のアクセプタを含
むＰ型シリコン基板であるP⁺型半導体基板14上に、低濃
度のアクセプタを含むＰ型シリコン層であるP^-型成長層
15をエピタキシャル成長させる。次に前記成長層15上に
熱酸化膜であるゲート絶縁膜19aを形成して（同図
（２）参照）、この上にポリシリコン層20aを堆積す
る。このポリシリコン層20aは、低抵抗のＮ型にドーピ
ングされた後に、ホトレジストをマスクとして所望のパ
ターン（本実施例では梯型）にエッチングされて、ゲー
ト電極20に成形される（同図（４）参照）。

このように形成されたゲート電極20をマスクとして、イ
オン注入によって高抵抗のN^-型ウエル層17が形成される
（同図（５）参照）。

次に、同図（６）図に示されるように、全面に一様に絶
縁膜19を堆積した後に、ポリシリコン層9aを堆積する
（同図（７）参照）。このポリシリコン層9aに、たとえ
ばアルゴンレーザなどのエネルギビームを照射すること
によつて溶融・再結晶化されてシリコン単結晶膜が得ら
れる。エネルギビームの照射は所定の間隔で繰返し行わ
れ、帯状のシリコン単結晶膜9bが全面に亘って形成され
る（同図（８）参照）。

この帯状のシリコン単結晶膜9bは、第１図に示される前
記各ホトダイオード９が配設される領域以外がホトレジ
ストをマスクとしてエッチング除去される。このように
してエッチング除去されたシリコン単結晶膜9bは、通常
のMOS（Metal Oxide Semiconductor）製造工程を経てホ
トダイオード９が製造される。

次に、絶縁膜19にコンタクトホール26A（第２図参照）
が形成され、このコンタクトホール26Aを介してN⁺型ド
レイン領域16が形成される（同図（９）参照）。最後
に、基板電極27とホトダイオード９とを接続するコンタ
クトホール32と、各ホトダイオード９を相互に接続する
コンタクトホール33と、ホトダイオード９とホトダイオ
ード連結用金属配線36とを接続するコンタクトホール37
と、前記金属配線36とゲート電極20とを接続するコンタ
クトホール38とが絶縁膜19に形成され、この後に、金属
薄膜が積層され、この金属薄膜を所望のパターンにエッ
チングすることによって、２つのドレイン電極21,22が
得られる。このようにして第１図〜第５図に示される１
チップ構成の受光部５が製造される。

第12図は本発明の第２実施例である受光部40の構成を示
す平面図であり、第13図は第12図切断面線XIII−XIIIか
ら見た断面図であり、第14図は第12図切断面線XIV−XIV
から見た断面図であり、第15図は第12図切断面線XV−XV
から見た断面図であり、第16図は受光部40の金属配線パ
ターンの構成を示す図である。

以下、第12図〜第16図を参照して、受光部40の構成につ
いて説明する。なお実施例の受光部40は、第１実施例と
同様に第８図および第９図に示されるパッケージ２内に
収納され、発光ダイオード９を有する発光部とを含んで
光結合型の半導体リレー装置を構成する。また、本実施
例は第１実施例と類似しており、対応する構成には同一
の参照符を付す。

本実施例に従う受光部40においては、トランジスタ10b
が、横型の構成を有し、溶融再結晶化シリコン膜を用い
たホトダイオード９が、チャネルードレイン間領域上に
配設される。また、トランジスタ10bにおいては、１つ
のソース電極（ソース領域共通電極42）および２つのド
レイン電極51,52を含み、前記ソース領域共通電極42の
両側部に２つのドレイン電極51,52が略櫛形状を呈して
配設される。各複数のホトダイオード列11は、その一端
が前記ソース領域共通電極42に接続され、他端はゲート
電極20に接続される。なお、前記ソース領域共通電極42
および２つのドレイン電極51,52を含む金属薄膜は、第
１実施例と同様にトランジスタ10b上の光吸収層（ホト
ダイオード９）の存在しない領域を遮光する反射層とし
て機能する。以下、受光部40について詳細に説明する。

本実施例の受光部40は、第12図に示される対称面41に関
して対称に構成される。受光部40においては、後述され
る複数のソース領域を共通に接続するソース領域共通電
極42が中央部に配設される。このソース領域共通電極42
は、第16図に示されるように前記対称面41上にその軸線
を有する基幹部43と、前記基幹部43と第16図左右方向に
相互に等間隔をあけて配設される複数のゲート接続部46
と、前記基幹部43と複数のゲート接続部46とを連結する
ソース接続部47とから構成される。

前記ソース領域共通電極42の両側には２つのドレイン電
極51,52が配設される。これら２つのドレイン電極51,52
は、それぞれ基幹部54,55と、これら基幹部54,55から第
16図上下方向に等間隔をあけて相互に近接する方向に帯
状に延びる複数のドレイン接続部56,57とから成る。な
お前記複数のドレイン接続部56,57はソース領域共通電
極42の各ソース接続部47間に配設される。

前記ソース領域共通電極42の第14図下方側には、ゲート
配線45が配設され、このゲート配線45は、ソース領域共
通電極42の基幹部43の軸線と同一方向の軸線を有する基
幹部48と、その各遊端部が前記ソース領域共通電極42の
ゲート接続部46と接続される一対のゲート電極49とから
構成される。前記各ゲート電極49は、基幹部48の軸線と
垂直な軸線を有し、それぞれソース領域共通電極42の各
ソース接続部47の下方側に配設される。

このように本実施例の受光部40は、前記対称面41に関し
て対称な構成を有するので、以下、第16図左方側の部分
についてのみ説明する。

前記各ドレイン接続部56（ドレイン電極51）の第13図下
方側には、帯状のN⁺型ドレイン領域16が複数本それぞれ
N^-型ウエル層17に囲まれて、P^-型成長層15上に形成され
る。また、前記各ソース接続部47（ソース領域共通電極
42）の第13図下方側には、２本のN⁺型ソース領域60が相
互に間隔をあけて帯状に形成され、これら２本のソース
領域60を囲んで前記各N^-型ウエル層17間に充填されるP^-
型成長層15において、チャネル領域18が形成される。

絶縁膜19には、前記２本のソース領域60上に帯状のコン
タクトホール47Aが形成され、このコンタクトホール47A
上に金属薄膜を蒸着した後にエッチングすることによっ
て前記ソース接続部47が形成される。この前記ソース接
続部47は、その長手方向に垂直な断面が、２つの側部47
a,47bと、これら２つの側部47a,47bの第13図下方側端部
を相互に連結する連結部47cと、前記２つの側部47a,47b
の第13図上方側端部から相互に離反する方向に延びる延
長部分47d,47eから成る。前記２つの延長部分47d,47e
は、この下方にあるゲート電極49、N^-型ウエル層17、チ
ャネル領域18および２本のソース領域60に発光部から照
射される光を遮光するために設けられる。

前記チャネル領域18とN⁺型ドレイン領域60との間にある
N^-型ウエル層17上には、複数のホトダイオード９が絶縁
層19を介して前記各帯状のN⁺型ドレイン領域16に平行に
マトリクス状に配設される。これら複数のホトダイオー
ド９は、相互に同一極性であるように直列に方向性接合
されて複数のホトダイオード列11を構成し、各ホトダイ
オード列11は、前記N⁺型ドレイン領域16に平行に配列さ
れる。これら複数のホトダイオード列11の一端は、ゲー
ト接続用金属配線55を介して前記ゲート配線49の基幹部
48に接続され、他端は、前記ソース領域共通電極42のゲ
ート接続部46に接続される。

このような構成を有する受光部40においては、ソース領
域共通電極42が入力端子として用いられ、ドレイン電極
51,52が２つの出力端子として用いられる。なお本実施
例に従う受光部40の等価回路は、第10図に示される第１
実施例の受光部５の等価回路図と同一の構成を有する。

第17図は本発明の第３実施例である受光部70の金属配線
パターンが形成された段階の一部の構成を示す平面図で
あり、第18図は第17図切断面線XVIII-XVIIIから見た受
光部70の断面図であり、第19図は第17図切断面線XIX-XI
Xから見た受光部70の断面図であり、第20図は第17図切
断面線XX-XXから見た受光部70の断面図であり、第21図
は受光部70の金属配線パターンを示す図であり、第22図
は後述されるゲート電極71の構成を示す図であり、第23
図はホトダイオード９の配設状態を示す図である。以
下、第17図〜第23図を参照して、本実施例の受光部70の
構成について説明する。なお、本実施例の受光部70は、
第１および第２実施例の受光部5,40と類似しており、対
応する構成には同一の参照符を付す。

本実施例においては、受光部70に用いられるトランジス
タ10cは縦型の構成を有し、ゲート電極71は、方形の開
口部73がマトリックス状に形成された平板状の形状を有
し、溶融再結晶化シリコン膜を用いたダイオード９は、
前記ゲート電極71の開口部73が形成される以外の領域上
に配設される。また、ソース領域74は、前記各開口部73
の周縁部下方側にドーナツ状に形成され、各ソース領域
74はそれぞれソース配線金属81を介して相互に接続され
る。

なお、前記複数のホトダイオード９が直列に接続されて
構成される各ホトダイオード列11の一端は、前記ソース
配線金属81に接続され、他端はゲート電極71に接続され
る。したがって、本実施例の受光部70においては、トラ
ンジスタ10cが直流専用として用いられる。そこで２つ
のトランジスタ10cの一方の電極を相互に接続し、各ホ
トダイオード列11を逆直列に接続することによって、直
流／交流共用の固体リレー素子91が構成される。以下、
受光部70について詳細に説明する。

本実施例の受光部70に用いられるゲート電極71は、平板
状であって、第22図に示されるように方形にエッチング
除去されて形成される複数の開口部73が、マトリクス状
に配設される。各開口部73の周縁部の第18図下方側に
は、N⁺型ソース領域74がドーナツ状に形成される。この
ソース領域74を囲んで、P^-型ウエル層75がN^-型成長層76
上に形成される。なおN^-型成長層76はN⁺型ドレイン領域
77上に設けられる。

ソース配線金属81は、第21図に示されるように略櫛形の
形状を有し、前記ゲート電極71の各開口部73を貫通して
絶縁膜19に設けられるコンタクトホール82を介して前記
各N⁺型ソース領域74と接続される。前記ゲート電極71の
各開口部73を除く領域上には、複数のホトダイオード９
が絶縁膜19を介して前記ソース配線金属81と平行にマト
リクス状に配列される（第23図参照）。これら複数のホ
トダイオード９は、金属配線34を介して一方向に直列に
接続された複数のホトダイオード列11を構成し、各ホト
ダイオード列11の一端は、前記ソース配線金属81に接続
され、他端は、ゲート電極71に接続される。

本実施例の受光部70において注目すべきは、P^-型ウエル
層75に囲まれたN⁺型ソース領域74を、前記ゲート電極71
の各開口部73の周縁部内方側の下方にドーナツ状に形成
し、前記P^-型ウエル層75の前記開口部73の周縁部外方側
の下方に位置する領域にチャネル領域84を設け、N^-型成
長層76の第18図下方側にN⁺型ドレイン領域77を設けたこ
とである。

N⁺型ソース領域74、N⁺型ドレイン領域77およびチャネル
領域84を第18図に示されるように設けることによって、
受光部70は縦型のトランジスタを構成する。すなわち、
前記ソース領域74から出たキャリアは、その周縁部に設
けられるチャネル領域84を介して第18図矢符Ａで示され
る方向に向けて、すなわちN^-型成長層76の厚み方向に移
動し、前記ドレイン領域77に至る。

第24図は本実施例の受光部70を含む固体リレー素子90の
等価回路図である。同図に示されるように本実施例の固
体リレー素子90は、ホトダイオード列11のカソード側が
トランジスタ10cのソース金属配線81に接続される直流
専用の構成を有する。したがって第25図に示されるよう
に、本実施例に従う２つの受光部70を逆直列に接続して
用いることによって直流／交流共用リレー素子91を構成
することができる。

なお、第２および第３実施例の受光部40,70は、第１実
施例の受光部５とほぼ同様な製造工程によって製造され
る。

以上のように第１〜第３実施例に従う受光部5,40,70に
おいては、各ホトダイオード９とトランジスタ10a,10b,
10cとを積層し、全体として１チップ構成に形成してい
るので、受光部5,40,70を小形化することができる。ま
た、各ホトダイオード９はマトリクス状に配列されるの
で、受光部5,40,70を大形化することなく、各ホトダイ
オード９をきわめて効率良く配設することができる。す
なわち、各ホトダイオード列11において、所望の数のホ
トダイオード９を直列に接続することによって、ホトダ
イオード９の全出力電圧を大きく設定することが可能と
なる。さらに、前記ホトダイオード列11を所望の本数並
列に配設することによって、全ホトダイオード９の電流
容量を大きく設定することができる。

このように第１〜第３実施例の受光部5,40,70において
は、全体の構成を大形化することなく、所望の電圧およ
び電流容量を得ることができる。

効果 以上のように本発明によれば、受光部において、半導体
基板上に半導体スイッチング手段とホトダイオードとを
この順序で積層して構成するようにしたので、受光部に
おける半導体スイッチング手段とホトダイオードとが占
める面積を格段に小さくすることができ、光結合型半導
体リレー装置を小型化することができる。また、溶融再
結晶化されたホトダイオードを用いたので、充分な光起
電力が得られ、半導体スイッチング手段への入力容量を
大きくとることができる。これによって、光結合型半導
体リレー装置を小型化しても、入力容量を大きくとれる
ので、性能が劣化しない。さらにホトダイオード列を構
成するホトダイオードの数を希望する数に設定すること
によって、ホトダイオード全体から得られる出力電圧を
所望の大きさに選択することができ、またホトダイオー
ド列の本数を希望する数に設定することによってホトダ
イオード全体から得られる出力電流を所望の大きさに選
択することができる。このように比較的小型の光結合型
半導体リレー装置であっても、比較的大きな電流のスイ
ッチング動作を行うことができる。

特に本発明によれば、半導体スイッチング手段は、横型
金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジスタであると
きにはトランジスタのチャネルとドレイン間の領域上に
ホトダイオードを配置し、またその半導体スイッチング
手段は、縦型金属−酸化膜−半導体型電界効果トランジ
スタであるときには、トランジスタのゲート電極開口部
が形成される以外の領域上にホトダイオードを配置し、
これによってホトダイオードを溶融再結晶化シリコンを
用いて形成し、その後に、一括配線を行うことができる
という優れた効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である固体リレー素子１に用
いられる受光部５の一部の構成を示す平面図、第２図は
第１図切断面線II−IIから見た断面図、第３図は第１図
III−IIIから見た断面図、第４図は第１図の切断面線IV
−IVから見た断面図、第５図は第１図切断面線Ｖ−Ｖか
ら見た断面図、第６図は第２図切断面線VI−VIから見た
断面図、第７図はゲート電極20の構成を示す図、第８図
は固体リレー素子１の全体の構成を示す斜視図、第９図
は固体リレー素子１の構成を示す断面図、第10図は固体
リレー素子１の等価回路図、第11図は受光部５の製造工
程を説明するための断面図、第12図は本発明の第２実施
例である受光部40の構成を示す平面図、第13図は第12図
切断面線XIII−XIIIから見た断面図、第14図は第12図切
断面線XIV−XIVから見た断面図、第15図は第12図切断面
線XV−XVから見た断面図、第16図は受光部40の金属配線
パターンの構成を示す図、第17図は本発明の第３実施例
である受光部70の金属配線パターンが形成された段階の
一部の構成を示す平面図、第18図第17図切断面線XVIII
−XVIIIから見た断面図、第19図は第17図切断面線XIX−
XIXから見た断面図、第20図は第17図切断面線XX−XXか
ら見た断面図、第21図は受光部70の金属配線パターンを
示す図、第22図はゲート電極71の構成を示す図、第23図
はホトダイオード９の配設状態を示す図、第24図は本実
施例の受光部70を含む固体リレー素子90の等価回路図、
第25図は２つのリレー素子90を逆直列に接続して構成さ
れる直流／交流両用の固体リレー素子91の等価回路図、
第26図は典型的な先行技術である光結合型固体リレー素
子の受光部101の構成を示す断面図である。 1,90……固体リレー素子、４……発光部、5,40,70……
受光部、７……発光ダイオード、９……ホトダイオー
ド、10……トランジスタ、11……ホトダイオード列、45
……ゲート配線、20,49,71……ゲート電極、12,13,21,2
2,51,52……ドレイン電極、14……P⁺型半導体基板、15
……Ｐ型成長層、16……N⁺型ドレイン領域、17……N^-型
ウエル層、18,84……チャネル領域、27……基板電極、3
5,64……金属配線、60,74……N⁺ソース領域、75……P^-
型ウエル層、76……N^-型成長層、77……N⁺型ドレイン領
域、91……直流／交流共用リレー素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光部と、複数の入力／出力用電極を有
   し、前記発光部に光学的に結合された受光部とを含み、
   発光部の点滅動作に応答して、受光部において前記複数
   の入力／出力用電極間を導通／遮断するスイッチング動
   作を行う光結合型半導体リレー装置であって、 前記受光部は、半導体基板上に半導体スイッチング手段
   とホトダイオードとがこの順序に下から上に積層して構
   成され、 半導体スイッチング素子は、キャリアが半導体基板の厚
   みと垂直方向に移動する横型の金属−酸化膜−半導体型
   電界効果トランジスタであり、 前記ホトダイオードは、半導体基板上に絶縁膜19を介し
   て形成され、かつ電界効果トランジスタのチャネル18と
   ドレインとの間の領域上に配置される溶融再結晶化され
   たシリコン膜から成り、 複数のホトダイオードが同一方向に直列に接続されたホ
   トダイオード列が１つまたは複数列形成され、 最上層として、各ホトダイオード列の共通する一方向側
   の各電極と他方側の各電極とをそれぞれ別々に接続する
   各共通配線の少なくともいずれか一方の共通配線と、チ
   ャネル18上のゲート電極20と、これらの前記一方の共通
   配線とゲート電極とを接続する導体と、電界効果トラン
   ジスタのソースおよびドレインの電極とを形成し、前記
   いずれか一方の共通配線からの電圧に基づいて、前記電
   界効果トランジスタのドレイン電極を形成し、スイッチ
   ング動作させるようにしたことを特徴とする光結合型半
   導体リレー装置。
2. 【請求項２】発光部と、複数の入力／出力用電極を有
   し、前記発光部に光学的に結合された受光部とを含み、
   発光部の点滅動作に応答して、受光部において前記複数
   の入力／出力用電極間を導通／遮断するスイッチング動
   作を行う光結合型半導体リレー装置であって、 前記受光部は、半導体基板上に半導体スイッチング手段
   とホトダイオードとがこの順序に下から上に積層して構
   成され、 半導体スイッチング素子は、キャリアが半導体基板の厚
   み方向に移動する縦型の金属−酸化膜−半導体型電界効
   果トランジスタであり、 前記ホトダイオードは、半導体基板上に絶縁膜19を介し
   て形成され、かつ電界効果トランジスタのゲート電極に
   形成された開口部73以外の領域上に配置される溶融再結
   晶化されたシリコン膜から成り、 複数のホトダイオードが同一方向に直列に接続されたホ
   トダイオード列が１つまたは複数列形成され、 最上層として、各ホトダイオード列の共通する一方向側
   の各電極と他方側の各電極とをそれぞれ別々に接続する
   各共通配線の少なくともいずれか一方の共通配線と、チ
   ャネル18上のゲート電極20と、これらの前記一方の共通
   配線とゲート電極とを接続する導体と、電界効果トラン
   ジスタのソースおよびドレインの電極とを形成し、前記
   いずれか一方の共通配線と、ゲート電極と、これらの前
   記一方の共通配線とゲート電極とを接続する導体と、電
   界効果トランジスタのソースおよびドレン電極とを形成
   し、前記一方の共通配線からの電圧に基づいて、前記電
   界効果トランジスタのドレイン電極を形成し、スイッチ
   ング動作させるようにしたことを特徴とする光結合型半
   導体リレー装置。