JPH09223784A - Semiconductor device and current control method - Google Patents

Semiconductor device and current control method

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JPH09223784A
JPH09223784A JP8027063A JP2706396A JPH09223784A JP H09223784 A JPH09223784 A JP H09223784A JP 8027063 A JP8027063 A JP 8027063A JP 2706396 A JP2706396 A JP 2706396A JP H09223784 A JPH09223784 A JP H09223784A
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JP
Japan
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region
semiconductor
input
layer
photoelectric conversion
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Withdrawn
Application number
JP8027063A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Igarashi
泰史 五十嵐
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce inter-wiring capacitance and wiring resistance in an integrated circuit. SOLUTION: The semiconductor device is provided with a first semiconductor region consisting of a channel region 34 and a photoelectric conversion region 36, and a gate electrode 26 provided above the channel region 34 through a gate oxide film 24. A second semiconductor region adjacent to the channel region 34 and a third semiconductor region adjacent to the photoelectric conversion region 36 are provided separately. The second and third semiconductor regions are used as a source region 16 and a drain region 18 of the same conductivity type, respectively.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、光配線に用いら
れる半導体素子及び電流制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor element used for optical wiring and a current control method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近来、半導体集積回路において、高集積
化および微細化が著しい。それに伴い、個々の半導体デ
バイス間を電気的に接続する配線密度が増加し、配線間
容量および配線抵抗による信号の遅延等が問題になって
いる。シリコンLSIのスケーリングが進みサブハーフ
ミクロン時代になると、これら配線負荷の低減がLSI
の高性能化に必須な事項となる。
2. Description of the Related Art In recent years, the degree of integration and miniaturization of semiconductor integrated circuits is remarkable. Along with this, the wiring density for electrically connecting the individual semiconductor devices has increased, and there has been a problem such as signal delay due to wiring capacitance and wiring resistance. In the sub-half-micron era, as scaling of silicon LSI progresses, reduction of these wiring loads
This is an essential item for improving the performance of.

【0003】このような配線間容量および配線抵抗の低
減を図るために、従来、配線間の層間絶縁膜に誘電率の
小さな材料を用いることが検討されてきた(文献1:信
学技報,SDM94-168(1994)pp.35-40)。文献1によれば、
ゲート遅延時間は、0.5μmCMOSのデザインルー
ル(DR)までは微細化とともに小さくなるが、DR=
0.5μmよりもさらに微細化を進めると逆に遅延時間
が増加する。また、消費電力は、DR=0.8μmでは
LSIの消費電力のうちの53.7%が配線部分で消費
されており、DR=0.5μmでは67.5%、DR=
0.35μmでは70.5%〜77.5%が消費される
ようになる。これは、配線が微細化とともに高密度にな
るために線間容量が増加した結果である。このような問
題の対策として、DR=0.35μmのサブハーフミク
ロン領域では、層間絶縁膜として低誘電率材料を用いる
ことが行われている。
In order to reduce such inter-wiring capacitance and wiring resistance, it has been conventionally considered to use a material having a small dielectric constant for the interlayer insulating film between the wirings (Reference 1: IEICE Technical Report, SDM94-168 (1994) pp.35-40). According to Reference 1,
The gate delay time decreases with miniaturization up to the design rule (DR) of 0.5 μm CMOS, but DR =
On the contrary, if the size is further reduced to less than 0.5 μm, the delay time increases. As for the power consumption, when DR = 0.8 μm, 53.7% of the power consumption of the LSI is consumed in the wiring portion, and when DR = 0.5 μm, 67.5%, DR =
At 0.35 μm, 70.5% to 77.5% is consumed. This is a result of an increase in inter-line capacitance due to an increase in wiring density and high density. As a measure against such a problem, a low dielectric constant material is used as an interlayer insulating film in the sub-half micron region of DR = 0.35 μm.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LSI
プロセスに使用できる誘電率材料としては、比誘電率が
2以下である適当な材料がない。現在、低誘電率材料と
して有望視されているSiOFにしても比誘電率は3〜
3.5程度にしか下げることができない。また、有機材
料についても研究がなされているが、比較的安定な有機
材料であるテフロン(比誘電率1.9)は耐熱性に乏し
く、他の材料との密着性が悪く、加工が困難であり、L
SIプロセスに使用することができない。
SUMMARY OF THE INVENTION However, LSI
As a dielectric constant material that can be used in the process, there is no suitable material having a relative dielectric constant of 2 or less. Even with SiOF, which is currently regarded as a promising material with a low dielectric constant, the relative dielectric constant is 3 to
It can only be lowered to around 3.5. In addition, although researches have been conducted on organic materials, Teflon (relative dielectric constant 1.9), which is a relatively stable organic material, has poor heat resistance and poor adhesion to other materials, making it difficult to process. Yes, L
It cannot be used for SI processes.

【0005】また、「文献2:Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.3
3(1994)pp.6747-6755 」によれば、現在用いられている
MOSトランジスタやバイポーラトランジスタなどの3
端子素子に加えて、4端子素子の使用が21世紀のUL
SIシステムの実現に必要になってくる。このような多
入力素子で論理回路を構成する場合、素子間を電気的に
接続する配線が増えるために、さらに配線間容量や配線
抵抗が増加し、LSIの性能を規制するようになる。
In addition, "Reference 2: Jpn.J.Appl.Phys., Vol.3"
3 (1994) pp.6747-6755 ", it is possible to use 3 types of MOS transistors and bipolar transistors currently used.
In addition to terminal elements, the use of 4 terminal elements is UL in the 21st century
It will be necessary to realize the SI system. When a logic circuit is configured with such multi-input elements, the number of wirings that electrically connect the elements increases, so that the capacitance between wirings and the wiring resistance further increase, and the performance of the LSI is regulated.

【0006】このように、微細化が進むと金属配線の使
用が困難になるという問題点があった。従って、かかる
問題点を解決する半導体素子の出現が従来から望まれて
いた。
As described above, there is a problem that the use of metal wiring becomes difficult as the miniaturization progresses. Therefore, the emergence of a semiconductor device that solves such problems has been conventionally desired.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明の半導体素子に
よれば、チャネル領域および光電変換領域から構成され
る第1半導体領域を有し、前記チャネル領域の上側にゲ
ート酸化膜を介してゲート電極を具え、前記チャネル領
域に隣接して第2半導体領域が、および前記光電変換領
域に隣接して第3半導体領域がそれぞれ離間して具えら
れ、前記第2または第3半導体領域を同一の導電型のソ
ース領域またはドレイン領域とすることを特徴とする。
According to the semiconductor element of the present invention, there is provided a first semiconductor region composed of a channel region and a photoelectric conversion region, and a gate electrode is formed above the channel region with a gate oxide film interposed therebetween. A second semiconductor region is adjacent to the channel region, and a third semiconductor region is adjacent to the photoelectric conversion region, and the second or third semiconductor region has the same conductivity type. Is a source region or a drain region.

【0008】このように、ソース領域およびドレイン領
域間の半導体領域に、チャネル領域と光電変換領域とを
具え、このチャネル領域上にゲート酸化膜を介してゲー
ト電極を設けることにより、ソース領域およびドレイン
領域間に流れる電流を、ゲート電極に入力する電気信号
と、光電変換領域に入力する光信号とによって制御する
ことができる4端子素子が構成される。この4端子素子
の一方の入力は光信号によるので、金属配線密度を低減
することが可能になる。
As described above, the semiconductor region between the source region and the drain region is provided with the channel region and the photoelectric conversion region, and the gate electrode is provided on the channel region through the gate oxide film. A four-terminal element capable of controlling the current flowing between the regions by an electric signal input to the gate electrode and an optical signal input to the photoelectric conversion region is configured. Since one input of this 4-terminal element is based on an optical signal, it is possible to reduce the metal wiring density.

【0009】この発明の好適な実施例として、前記第1
半導体領域と前記第2および第3半導体領域とを異なる
導電型の半導体領域とすることを特徴とする。
As a preferred embodiment of the present invention, the first
The semiconductor region and the second and third semiconductor regions are semiconductor regions of different conductivity types.

【0010】また、この発明の別の好適例として、前記
チャネル領域を前記第2および第3半導体領域の導電型
とは異なる導電型の半導体領域とし、前記光電変換領域
を、前記チャネル領域に接して設けられていてこのチャ
ネル領域とは導電型が異なる第4半導体領域と、この第
4半導体領域および前記第3半導体領域間にそれぞれに
接して設けられていてこの第3半導体領域とは導電型が
異なる第5半導体領域とで構成されるダイオード構造を
以て構成していることを特徴とする。
As another preferred example of the present invention, the channel region is a semiconductor region having a conductivity type different from that of the second and third semiconductor regions, and the photoelectric conversion region is in contact with the channel region. And a third semiconductor region provided in contact with each other between the fourth semiconductor region and the third semiconductor region. And a fifth semiconductor region different from each other are included in the diode structure.

【0011】このように、前述の光電変換領域をダイオ
ード構造にしたので、この半導体素子をスイッチング素
子として用いるときのON/OFF比を高くとることが
できる。
Since the photoelectric conversion region has the diode structure as described above, a high ON / OFF ratio can be obtained when this semiconductor element is used as a switching element.

【0012】さらに、この発明の別の好適例として、前
記チャネル領域を前記第2および第3半導体領域の導電
型とは異なる導電型の半導体領域とし、前記チャネル領
域および第3半導体領域間の前記光電変換領域を順次に
導電型が異なる三つの第6、第7および第8半導体領域
が交互に配列されてなるトランジスタ構造で構成してい
ることを特徴とする。
Further, as another preferred embodiment of the present invention, the channel region is a semiconductor region having a conductivity type different from that of the second and third semiconductor regions, and the channel region and the third semiconductor region are provided with the conductivity type. It is characterized in that the photoelectric conversion region has a transistor structure in which three sixth, seventh and eighth semiconductor regions having different conductivity types are alternately arranged.

【0013】このように、前述の光電変換領域をトラン
ジスタ構造にしたので、この半導体素子をスイッチング
素子として用いるときのON/OFF比を高くとること
ができ、さらに効率よく光電変換を行うことが可能にな
る。
Since the photoelectric conversion region has a transistor structure as described above, a high ON / OFF ratio can be obtained when this semiconductor element is used as a switching element, and photoelectric conversion can be performed more efficiently. become.

【0014】また、この発明の半導体素子によれば、ド
レイン領域およびソース領域間に設けられた半導体領域
で構成した電流通路上に電気入力および光入力による二
つの入力手段を有する半導体素子であって、これら二つ
の入力によりドレイン領域およびソース領域間の前記電
流通路を流れる電流のオン・オフを制御することにより
論理積回路を構成してなることを特徴とする。
Further, according to the semiconductor element of the present invention, there is provided a semiconductor element having two input means for electrical input and optical input on the current path formed by the semiconductor region provided between the drain region and the source region. The AND circuit is configured by controlling ON / OFF of the current flowing through the current path between the drain region and the source region by these two inputs.

【0015】このように、ソース領域およびドレイン領
域間の電流通路を流れる電流を、電気入力と光入力とに
よって制御することができる論理積回路が構成される。
この論理積回路の一方の入力は光信号によるので、金属
配線密度を低減することが可能になる。
As described above, a logical product circuit is constructed which can control the current flowing through the current path between the source region and the drain region by the electrical input and the optical input.
Since one input of this AND circuit is based on an optical signal, it is possible to reduce the metal wiring density.

【0016】この発明の電流制御方法によれば、2入力
で半導体素子を流れる電流を制御するに当たり、第1入
力を電気入力とし、および第2入力を光入力とし、前記
第1入力で、第1電位点および該第1電位点とは電位の
異なる第2電位点間に連続して設けられている第1およ
び第2半導体領域のうちの第1半導体領域に反転層を形
成し、前記第2入力で、前記第2半導体領域に電子・正
孔対を形成し、前記反転層と前記電子・正孔対とが相俟
って前記第1および第2電位点間を流れる電流を形成す
ることを特徴とする。
According to the current control method of the present invention, in controlling the current flowing through the semiconductor element with two inputs, the first input is an electrical input and the second input is an optical input. An inversion layer is formed in the first semiconductor region of the first and second semiconductor regions continuously provided between the first potential point and the second potential point having a different potential from the first potential point, With two inputs, an electron-hole pair is formed in the second semiconductor region, and the inversion layer and the electron-hole pair cooperate to form a current flowing between the first and second potential points. It is characterized by

【0017】このように、電気入力と光入力とによって
第1および第2電位点間を流れる電流を制御することが
できるので、電気入力だけでなく光入力を利用した素子
を構成することができ、この素子により構成された集積
回路の金属配線密度を低減することができる。
As described above, since the current flowing between the first and second potential points can be controlled by the electric input and the optical input, it is possible to construct an element using not only the electric input but also the optical input. The metal wiring density of the integrated circuit formed by this element can be reduced.

【0018】さらに、この発明の電流制御方法によれ
ば、半導体領域の両端間に電位勾配を形成しておいてこ
の半導体領域に電気入力によって反転層を形成すると共
に光入力によって光電変換に基づく電子を形成すること
により、前記半導体領域に電流を流すことを特徴とす
る。
Further, according to the current control method of the present invention, a potential gradient is formed between both ends of the semiconductor region, an inversion layer is formed in this semiconductor region by an electric input, and an electron based on photoelectric conversion is generated by a light input. Is formed so that an electric current is passed through the semiconductor region.

【0019】このような電流制御方法により、半導体領
域に流れる電流を、電気入力と光入力とによって制御す
ることができる。
By such a current control method, the current flowing in the semiconductor region can be controlled by the electric input and the optical input.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
実施の形態について説明する。尚、図は、この発明が理
解できる程度に形状、配置関係および大きさが概略的に
示されているに過ぎず、したがって、この発明は、この
図に限定されない。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings only schematically show the shapes, arrangement relationships, and sizes to the extent that the present invention can be understood, and therefore the present invention is not limited to these drawings.

【0021】[第1の実施の形態]図1は、第1の実施
の形態の構成を示す断面図である。この第1の構成例の
半導体素子は、SOI技術により作成され、Si基板1
0およびSiO2 膜12を下地として、このSiO2
12の上面に形成されている。SiO2 膜12の上面
に、導電型がp- のSi層であるp- 層14が形成さ
れ、n+ −Si半導体領域であるソース領域16および
ドレイン領域18が互いに離間して、このp- 層14の
側面に隣接して形成されている。
[First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the first embodiment. The semiconductor device of this first configuration example is manufactured by the SOI technique and is manufactured by the Si substrate 1
0 and the SiO 2 film 12 as a base, the upper surface of the SiO 2 film 12 is formed. A p layer 14 which is a Si layer having a conductivity type of p is formed on the upper surface of the SiO 2 film 12, and a source region 16 and a drain region 18 which are n + -Si semiconductor regions are separated from each other, and the p It is formed adjacent to the side surface of layer 14.

【0022】第1半導体領域をp- 層14とし、このp
- 層14はチャネル領域34および光電変換領域36に
二分されている。このp- 層14のチャネル領域34の
上面にゲート酸化膜24を介してゲート電極26が形成
されている。また、第2半導体領域をチャネル領域34
に隣接して設けられる導電型n+ のソース領域16と
し、および第3半導体領域を光電変換領域36に隣接し
て設けられる導電型n+のドレイン領域18としてい
る。
The first semiconductor region is the p layer 14, and this p
-The layer 14 is divided into a channel region 34 and a photoelectric conversion region 36. A gate electrode 26 is formed on the upper surface of the channel region 34 of the p layer 14 with a gate oxide film 24 interposed therebetween. In addition, the second semiconductor region is used as the channel region 34.
Is provided as a source region 16 of n + conductivity type, and the third semiconductor region is formed as a drain region 18 of n + conductivity type adjacent to the photoelectric conversion region 36.

【0023】これらp- 層14、ソース領域16および
ドレイン領域18を1つの半導体素子として、これらは
他の半導体素子と素子分離層20および22により絶縁
分離されている。
The p layer 14, the source region 16 and the drain region 18 are used as one semiconductor element, and these are isolated from each other by element isolation layers 20 and 22.

【0024】以上説明した構造体のゲート電極26が形
成されている面は、透光性の表面保護膜28により覆わ
れている。そして、光電変換領域36の表面保護膜28
の上面を受光窓32とし、残りの表面保護膜28の上面
には遮光膜30が形成されている。尚、このチャネル領
域34にp- 層14中に電子・正孔対を発生させてしま
う程度のエネルギを有する光が入射してしまうと、ゲー
ト電極26に印加される電圧に関係なく、常に、ソース
・ドレイン領域間に電流が流れてしまうので、ゲート電
極26の下側のチャネル領域34に光が照射されないよ
うにするための遮光膜30を設けてある。この遮光膜3
0の受光窓32は、光に対する感度を上げるためには広
い領域の方がよいが、最低でも光の波長程度の広さがあ
ればよい。要するに、この光電変換領域36には、光入
力が入力できる素子構造となっていれば良い。
The surface of the structure described above on which the gate electrode 26 is formed is covered with a light-transmitting surface protective film 28. Then, the surface protective film 28 of the photoelectric conversion region 36
The upper surface of is used as a light receiving window 32, and the light shielding film 30 is formed on the upper surface of the remaining surface protective film 28. When light having energy enough to generate electron-hole pairs in the p layer 14 is incident on the channel region 34, regardless of the voltage applied to the gate electrode 26, Since a current flows between the source / drain regions, a light shielding film 30 is provided to prevent the channel region 34 below the gate electrode 26 from being irradiated with light. This light-shielding film 3
The light receiving window 32 of 0 should have a wide area in order to increase the sensitivity to light, but it may be at least as wide as the wavelength of light. In short, it suffices that the photoelectric conversion region 36 has an element structure capable of inputting a light input.

【0025】素子分離層20、22および表面保護膜2
8としては、SiO2 、SiOF、シリコン窒化膜また
は有機絶縁膜が用いられる。また、この実施の形態にお
いてはゲート酸化膜24をSiO2 とし、ゲート電極2
6をポリシリコンとしている。また、遮光膜30として
はTiN等が用いられる。
Element isolation layers 20 and 22 and surface protective film 2
As 8, a SiO 2 , SiOF, silicon nitride film or organic insulating film is used. Further, in this embodiment, the gate oxide film 24 is made of SiO 2 and the gate electrode 2
6 is polysilicon. Further, TiN or the like is used as the light shielding film 30.

【0026】図11および図12は、この構成例の半導
体素子の製造工程の一例を簡略的に説明するための断面
図である。まず、Si基板10およびSiO2 層12を
下地として、このSiO2 層12の上面にSi層64を
形成して三層からなる積層体62を形成する(図11の
(A))。次に、Si層64のチャネル領域34および
光電変換領域36となる予定領域の上面にSiO2 層5
6およびSiN層58をこの順に形成する(図11の
(B))。このSiO2 層56およびSiN層58をマ
スク60として用い、露出したSi層64を酸化し、素
子分離層20および22を形成する(図11の
(C))。次に、マスク60を除去し、露出したSi層
64の残存領域にPまたはAsなどの不純物をイオン注
入により導入し、ソース領域16およびドレイン領域1
8を形成する。また、これら領域16および18の中間
領域に例えばBの注入によりp- 層14を形成する(図
11の(D))。
11 and 12 are cross-sectional views for briefly explaining an example of the manufacturing process of the semiconductor device of this configuration example. First, with the Si substrate 10 and the SiO 2 layer 12 as a base, a Si layer 64 is formed on the upper surface of the SiO 2 layer 12 to form a laminated body 62 of three layers ((A) of FIG. 11). Next, the SiO 2 layer 5 is formed on the upper surface of the planned region to become the channel region 34 and the photoelectric conversion region 36 of the Si layer 64.
6 and the SiN layer 58 are formed in this order ((B) of FIG. 11). Using the SiO 2 layer 56 and the SiN layer 58 as a mask 60, the exposed Si layer 64 is oxidized to form the element isolation layers 20 and 22 ((C) of FIG. 11). Next, the mask 60 is removed, and an impurity such as P or As is introduced into the exposed remaining region of the Si layer 64 by ion implantation to remove the source region 16 and the drain region 1.
8 is formed. Further, the p layer 14 is formed in the intermediate region between these regions 16 and 18 by implanting B, for example ((D) of FIG. 11).

【0027】次に、例えば、CVD法等により、チャネ
ル領域34となるp- 層14の領域の上面に、ゲート酸
化膜24となるSiO2 層と、ゲート電極26となるポ
リシリコン層とを堆積させる(図12の(A))。そし
て、以上の工程により作成された構造の上面側にSiO
2 層をCVD法により成膜して表面保護膜28を形成
し、さらに、表面保護膜28の上面にTiN層を成膜し
て加工を施して形成された受光窓32を有する遮光膜3
0を形成する(図12の(B))。
Next, a SiO 2 layer to be the gate oxide film 24 and a polysilicon layer to be the gate electrode 26 are deposited on the upper surface of the region of the p layer 14 to be the channel region 34 by, eg, CVD method. ((A) of FIG. 12). Then, SiO 2 is formed on the upper surface side of the structure formed by the above steps.
Two layers are formed by a CVD method to form a surface protective film 28, and a light shielding film 3 having a light receiving window 32 formed by further forming a TiN layer on the upper surface of the surface protective film 28 and processing it.
0 is formed ((B) of FIG. 12).

【0028】図2は、この発明の半導体素子の動作の説
明に供する模式的構造図である。この半導体素子は図2
に示されるように配線される。ここでの例では、ソース
領域16を接地点すなわち第1電位点に接続しており、
ドレイン領域18を高電位側の第2電位点に接続してソ
ース領域16とドレイン領域18との間に電圧V2 を印
加できるように接続してある。また、ゲート電極26に
は第1入力としての電気入力を入力できるように構成し
てあり、この図示例では、ゲート電極26を制御信号源
70に接続してある。従って、このゲート電極26およ
びSi基板10間にゲート電極26を高電位側として制
御電圧V1 が印加される。ゲート電極26に印加される
電圧V1 により、ゲート電極26の下側のp- 層14中
の領域(すなわちチャネル領域34)には導電型がnの
反転層38が誘起形成される。尚、この反転層38は、
- 層14のゲート電極側に主として形成される。この
反転層38には、印加されている電圧V2 によりソース
領域16から電子が流れ込む。しかし、この構成例の半
導体素子においては、この反転層38は第1半導体領域
であるp- 層14をソース領域(n+ 層)16からドレ
イン領域(n+ 層)18まで貫いて形成されるのではな
く、ゲート電極26の下側部分の領域にしか形成されな
い。従って、反転層38が形成されているチャネル領域
34とドレイン領域18との間のp- 層14に光電変換
領域36が存在しているため、この領域に光が入射され
ていないときには、ソース領域16から流出した電子は
ドレイン領域18に到達することができず、第1電位点
と、第2電位点との間すなわちソースおよびドレイン領
域間の電流通路には電流が流れない。従って、ここでは
光電変換領域36は一種の分離領域として作用してい
る。
FIG. 2 is a schematic structural diagram for explaining the operation of the semiconductor device of the present invention. This semiconductor device is shown in FIG.
Wired as shown in. In this example, the source region 16 is connected to the ground point, that is, the first potential point,
The drain region 18 is connected to the second potential point on the high potential side so that the voltage V 2 can be applied between the source region 16 and the drain region 18. Further, the gate electrode 26 is configured so that an electric input as a first input can be input, and in the illustrated example, the gate electrode 26 is connected to the control signal source 70. Therefore, the control voltage V 1 is applied between the gate electrode 26 and the Si substrate 10 with the gate electrode 26 on the high potential side. The voltage V 1 applied to the gate electrode 26 induces an inversion layer 38 having a conductivity type of n in the region (that is, the channel region 34) in the p layer 14 below the gate electrode 26. The inversion layer 38 is
It is mainly formed on the gate electrode side of the p layer 14. Electrons flow into the inversion layer 38 from the source region 16 by the applied voltage V 2 . However, in the semiconductor device of this configuration example, the inversion layer 38 is formed by penetrating the p layer 14 which is the first semiconductor region from the source region (n + layer) 16 to the drain region (n + layer) 18. Instead, it is formed only in the region of the lower portion of the gate electrode 26. Therefore, since the photoelectric conversion region 36 exists in the p layer 14 between the channel region 34 in which the inversion layer 38 is formed and the drain region 18, when the light is not incident on this region, the source region is formed. The electrons flowing out of 16 cannot reach the drain region 18, and no current flows between the first potential point and the second potential point, that is, the current path between the source and drain regions. Therefore, here, the photoelectric conversion region 36 acts as a kind of separation region.

【0029】ところで、この光電変換領域36に受光窓
32を通して第2入力としての光入力が入力するとす
る。この光入力としてSiのバンドギャップエネルギ
(1.12eV)よりも高いエネルギの光が入射する
と、図3に示されるように光電変換領域36に電子・正
孔対が発生し、このため、反転層38およびドレイン領
域18間の電荷が移動できるようになる。図3は、p-
層14のエネルギバンドを模式的に示した図である。二
つのラインaおよびbは、それぞれエネルギ状態を示し
ており、図の縦方向がエネルギの高さを表し、上向きに
エネルギが増大する。また、図の横方向は、図1の断面
におけるp- 層14の水平方向の位置を示しており、低
エネルギ側がドレイン領域14、高エネルギ側が反転層
38となっている。
By the way, it is assumed that an optical input as the second input is inputted to the photoelectric conversion region 36 through the light receiving window 32. When light having an energy higher than the band gap energy of Si (1.12 eV) is incident as this light input, electron-hole pairs are generated in the photoelectric conversion region 36 as shown in FIG. The charge between 38 and drain region 18 is allowed to move. Fig. 3, p -
It is the figure which showed the energy band of the layer 14 typically. The two lines a and b respectively show the energy state, the vertical direction of the figure represents the height of energy, and the energy increases upward. Further, the horizontal direction of the drawing shows the horizontal position of the p layer 14 in the cross section of FIG. 1, and the low energy side is the drain region 14 and the high energy side is the inversion layer 38.

【0030】図3において、ラインaの下側の領域は価
電子帯、ラインbより上側の領域は伝導帯を示してい
る。ラインaおよびb間がバンドギャップを表し、点線
cはフェルミレベルを示している。黒丸は電子を表して
おり、白丸は正孔を表している。図3に示したこの系に
バンドギャップエネルギより高いエネルギhνの光が入
射すると電子・正孔対が発生する。発生した電子・正孔
対は、ドレイン領域18およびソース領域16間に印加
されている電圧により、電子はドレイン領域18側に引
かれ、正孔は反転層38すなわちソース領域16側に引
かれ、このため、電荷の移動が可能になりソースおよび
ドレイン領域間の電流通路に電流が流れ、この半導体素
子の出力が発生するようになる(オン(ON)状態)。
In FIG. 3, the region below the line a shows the valence band and the region above the line b shows the conduction band. The band gap is shown between the lines a and b, and the dotted line c shows the Fermi level. Black circles represent electrons and white circles represent holes. When light having energy hν higher than the band gap energy is incident on this system shown in FIG. 3, electron-hole pairs are generated. Due to the voltage applied between the drain region 18 and the source region 16, the generated electron-hole pairs have electrons drawn to the drain region 18 side and holes drawn to the inversion layer 38, that is, the source region 16 side, Therefore, charges can be moved, a current flows in the current path between the source and drain regions, and an output of this semiconductor element is generated (ON state).

【0031】また、ゲート電極26に印加される電圧が
反転層38を形成しない程度の大きさのときには、光電
変換領域36に所定のエネルギの光を入射しても反転層
が形成されていないし、また、ゲート電極26の下側の
チャネル領域には光は入射しないので、ソース・ドレイ
ン間の電流通路に電子電流が流れない(オフ(OFF)
状態)。従って、この場合には、チャネル領域34が分
離領域として作用する。
When the voltage applied to the gate electrode 26 is large enough not to form the inversion layer 38, the inversion layer is not formed even if light of a predetermined energy is incident on the photoelectric conversion region 36, Further, since light does not enter the channel region below the gate electrode 26, no electron current flows in the current path between the source and drain (OFF).
Status). Therefore, in this case, the channel region 34 acts as a separation region.

【0032】この場合、光電変換領域36に発生した電
子・正孔対のうちの正孔によるドリフト電流が生じるだ
けであり、電子電流による寄与がないから流れる電流は
小さい。従って、電子電流による増加分により、このス
イッチング素子としてのオン/オフ比(ON/OFF
比)を判断するように閾値を設定することにより、この
構成例の半導体素子は、電気入力および光入力に対する
AND論理回路として機能するようになる。このよう
に、ソース領域16およびドレイン領域18が異なる電
位状態のとき、電気入力によりチャネル領域34に反転
層38を形成し、光入力により光電変換領域36に電子
・正孔対を形成し、反転層38と電子・正孔対とが相俟
ってソース領域16およびドレイン領域18間の電流通
路、従って、第1電位点と第2電位点との間の電流通路
を流れる電流を形成する。
In this case, only the drift current is generated by the holes of the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion region 36, and the current flowing is small because there is no contribution by the electron current. Therefore, the on / off ratio (ON / OFF) of this switching element depends on the increase due to the electron current.
By setting the threshold value so as to judge the (ratio), the semiconductor element of this configuration example functions as an AND logic circuit for the electric input and the optical input. As described above, when the source region 16 and the drain region 18 are in different potential states, an inversion layer 38 is formed in the channel region 34 by an electric input, and an electron-hole pair is formed in the photoelectric conversion region 36 by an optical input to invert. The layer 38 and the electron-hole pairs together form a current flow between the source region 16 and the drain region 18, and thus the current path between the first potential point and the second potential point.

【0033】以上説明した第1の構成例の半導体素子に
よれば、一つの素子中に、電気信号による入力および光
信号による入力の二つの入力手段を具え、これらの入力
に対してAND論理回路を構成する。このように、光信
号に対する入力経路を確保しているので信号経路の一部
を金属配線から光による信号経路に置き換えることがで
きる。よって、この半導体素子を用いて構成した集積回
路の金属配線の密度を減少させることができ、配線間容
量や配線抵抗の増大を抑圧することが可能になる。
According to the semiconductor element of the first configuration example described above, one element has two input means for inputting an electric signal and inputting an optical signal, and an AND logic circuit is provided for these inputs. Make up. Thus, since the input path for the optical signal is secured, a part of the signal path can be replaced with the signal path by light from the metal wiring. Therefore, it is possible to reduce the density of the metal wiring of the integrated circuit configured by using this semiconductor element, and it is possible to suppress the increase of the wiring capacitance and wiring resistance.

【0034】この半導体素子の使用形態の一例について
説明する。図4は、この発明の半導体素子を用いて構成
した回路の構成を示す断面図である。一方のLSIチッ
プまたは回路基板40a上に、この発明の半導体素子4
2が配置される。これらの半導体素子42のゲート電極
には、それぞれの回路動作を実行するためのタイミング
信号源が接続されている。また、これらの半導体素子4
2が配置されているLSIチップまたは回路基板40a
に対向させて、上面に発光素子44が配置されているL
SIチップまたは回路基板40bが設けられている。こ
のように、基板40aおよび40b間に半導体素子42
と発光素子44とを向き合わせて設けてある。これらの
発光素子44には、発光タイミングを制御するために、
前述のタイミング信号に同期させた信号が入力される。
尚、発光素子44としては、例えば、発光ダイオードま
たはレーザダイオードが用いられる。このように、半導
体素子42および発光素子44を異なる基板上に配置し
て互いに向き合わせることにより、これらの基板間(図
中の上下間)で信号のやり取りが行われる。
An example of usage of this semiconductor element will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a circuit configured using the semiconductor device of the present invention. The semiconductor element 4 of the present invention is provided on one of the LSI chips or the circuit board 40a.
2 is placed. Timing signal sources for executing respective circuit operations are connected to the gate electrodes of these semiconductor elements 42. In addition, these semiconductor elements 4
LSI chip or circuit board 40a on which 2 is arranged
The light-emitting element 44 is arranged on the upper surface so as to face L
An SI chip or circuit board 40b is provided. Thus, the semiconductor element 42 is provided between the substrates 40a and 40b.
And the light emitting element 44 face each other. In order to control the light emission timing of these light emitting elements 44,
A signal synchronized with the aforementioned timing signal is input.
As the light emitting element 44, for example, a light emitting diode or a laser diode is used. In this way, by disposing the semiconductor element 42 and the light emitting element 44 on different substrates and facing each other, signals are exchanged between these substrates (upper and lower sides in the drawing).

【0035】この使用形態の半導体素子44を用いた集
積回路では、信号伝達系の数Nだけタイミング信号を用
意することにより、同一空間でN種類の信号の伝達を可
能にする。従って、伝達系が複数ある場合に適当なタイ
ミング信号によって電気信号および光信号を制御するこ
とにより、必要な信号経路の確保を容易に行うことが可
能である。このように、信号経路が増加したとしても長
距離配線や配線の交差が多い部分を、光信号に置き換え
ることにより、配線間容量の影響を抑えることができ
る。
In the integrated circuit using the semiconductor element 44 of this usage mode, N types of signals can be transmitted in the same space by preparing timing signals for the number N of signal transmission systems. Therefore, when there are a plurality of transmission systems, it is possible to easily secure a necessary signal path by controlling the electric signal and the optical signal with an appropriate timing signal. In this way, even if the number of signal paths is increased, the influence of the inter-wiring capacitance can be suppressed by replacing the long-distance wirings or the portions where the wirings intersect with each other with the optical signals.

【0036】[第2の実施の形態]図5は、第2の実施
の形態の構成を示す断面図である。この第2の構成例
は、第1の実施の形態で説明した光電変換領域36をダ
イオード構造として形成した構成例である。この第2構
成例では、チャネル領域34を第2および第3半導体領
域であるソース領域16およびドレイン領域18の導電
型とは異なる導電型の半導体領域とする。そして、この
チャネル領域34および第3半導体領域であるドレイン
領域18間に第4半導体領域48および第5半導体領域
46で形成したダイオード構造66を作り込んである。
当然ながら、チャネル領域34に接している第4半導体
領域48の導電型はチャネル領域34とは異なる導電型
とし、ドレイン領域18と接している第5半導体領域4
6の導電型はドレイン領域18とは異なる導電型として
ある。従って、この図5に示す構成例では、n+ ソース
領域16、チャネル領域34のp- 層14、第4半導体
領域としてのn+ 層48、第5半導体領域としてのp-
層46およびn+ ドレイン領域18が順次に接した構造
となっている。
[Second Embodiment] FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the second embodiment. The second configuration example is a configuration example in which the photoelectric conversion region 36 described in the first embodiment is formed as a diode structure. In this second configuration example, the channel region 34 is a semiconductor region having a conductivity type different from the conductivity types of the source region 16 and the drain region 18 which are the second and third semiconductor regions. Then, a diode structure 66 formed by the fourth semiconductor region 48 and the fifth semiconductor region 46 is formed between the channel region 34 and the drain region 18 which is the third semiconductor region.
As a matter of course, the conductivity type of the fourth semiconductor region 48 in contact with the channel region 34 is different from that of the channel region 34, and the fifth semiconductor region 4 in contact with the drain region 18 is formed.
The conductivity type of 6 is different from that of the drain region 18. Thus, in the configuration example shown in FIG. 5, n + source region 16, the channel region 34 p - layer 14, n + layer 48 as the fourth semiconductor region, p as a fifth semiconductor region -
The layer 46 and the n + drain region 18 are in contact with each other in sequence.

【0037】このように、ドレイン領域18に隣接して
- 層46が設けられており、このp- 層46およびチ
ャネル領域34間にそれぞれの領域に接してn+ 層48
が形成されていて、これらp- 層46およびn+ 層48
からダイオード構造66が構成されている。そして、こ
のp- 層46に光が入射されるように、遮光膜30に受
光窓32が設けられている。尚、この第2の構成例は、
第1の実施の形態に示したように通常の半導体微細加工
技術により形成することができるので製造工程の説明を
省略する。
Thus, p layer 46 is provided adjacent to drain region 18, and n + layer 48 is in contact with each region between p layer 46 and channel region 34.
Are formed, and these p layer 46 and n + layer 48 are formed.
To form a diode structure 66. A light receiving window 32 is provided in the light shielding film 30 so that light is incident on the p layer 46. The second configuration example is
As described in the first embodiment, it can be formed by an ordinary semiconductor microfabrication technique, and thus the description of the manufacturing process is omitted.

【0038】次に、この第2の構成例の動作について説
明する。図6は、この構成の半導体素子の動作の説明に
供する模式的構造図である。接続や電圧の印加は第1の
構成例と同様に行われるので説明を省略する。ゲート電
極26に第1入力として所定の大きさの電圧が印加され
るとチャネル領域34であるp- 層の領域中の、主とし
てゲート電極側に反転層38が形成される。このとき、
ソース領域16およびn+ 層48はこの反転層38によ
り電気的に接続されており、電子の通路ができる。従っ
て、ソース領域16から流出される電子は反転層38を
通ってn+ 層48に到達することができる。しかしなが
ら、通常、n+ 層48およびp- 層46間にはpn接合
によって形成されるエネルギ障壁があるので、これらの
電子はドレイン領域18に到達することができない。
Next, the operation of this second configuration example will be described. FIG. 6 is a schematic structural diagram for explaining the operation of the semiconductor device having this configuration. The connection and voltage application are performed in the same manner as in the first configuration example, and thus the description thereof is omitted. When a voltage of a predetermined magnitude is applied as the first input to the gate electrode 26, the inversion layer 38 is formed mainly on the gate electrode side in the p layer which is the channel region 34. At this time,
The source region 16 and the n + layer 48 are electrically connected by this inversion layer 38, and an electron path is formed. Therefore, the electrons flowing out of the source region 16 can reach the n + layer 48 through the inversion layer 38. However, these electrons cannot reach the drain region 18 because there is usually an energy barrier formed by the pn junction between the n + layer 48 and the p layer 46.

【0039】図7の(A)、(B)および(C)は、チ
ャネル領域34およびドレイン領域18間に配列してい
る各層のエネルギ状態を示す図である。図の横方向は、
チャネル領域34およびドレイン領域18間におけるこ
れら各層の位置を表す。高電位側(図の記号+で示され
る側。)がドレイン領域18であり、低電位側(図の記
号−で示される側。)がチャネル領域34である。ま
た、図中における縦方向はエネルギの高さを表し、上側
が高エネルギ状態であることを表す。
FIGS. 7A, 7B and 7C are diagrams showing the energy states of the layers arranged between the channel region 34 and the drain region 18. The horizontal direction of the figure is
The position of each of these layers between the channel region 34 and the drain region 18 is shown. The high potential side (the side indicated by the symbol + in the figure) is the drain region 18, and the low potential side (the side indicated by the symbol − in the figure) is the channel region 34. Further, the vertical direction in the drawing represents the height of energy, and the upper side represents the high energy state.

【0040】まず、図7の(A)のエネルギ状態は、ゲ
ート電極26に電圧を印加して反転層38を形成してい
る場合であって、光電変換領域36には第2入力として
の光が入射されてないときのエネルギ状態である。この
ようにn+ 層48およびp-層46間にエネルギ障壁が
あるので、伝導帯の電子はこの障壁を越えてドレイン領
域18側に移動することができない。
First, the energy state of FIG. 7A is when the voltage is applied to the gate electrode 26 to form the inversion layer 38, and the photoelectric conversion region 36 receives light as the second input. Is the energy state when is not incident. Since there is an energy barrier between the n + layer 48 and the p layer 46, electrons in the conduction band cannot move to the drain region 18 side beyond the barrier.

【0041】図7の(B)のエネルギ状態は、反転層3
8が形成されており、かつ、所定のエネルギ(バンドギ
ャップより高いエネルギ)の光が光電変換領域36に入
射されている場合である。このとき、p- 層46におい
て電子・正孔対が発生し、エネルギ障壁部分で再結合過
程が行われるので、チャネル領域34およびドレイン領
域18間の電荷の移動が可能になる。従って、ソース領
域16およびドレイン領域18間の電流通路に電流が形
成され、この半導体素子の出力が発生する。
The energy state shown in FIG. 7B corresponds to the inversion layer 3
8 is formed, and light having a predetermined energy (energy higher than the band gap) is incident on the photoelectric conversion region 36. At this time, electron-hole pairs are generated in the p layer 46, and the recombination process is performed in the energy barrier portion, so that the charge transfer between the channel region 34 and the drain region 18 becomes possible. Therefore, a current is formed in the current path between the source region 16 and the drain region 18, and the output of this semiconductor element is generated.

【0042】図7の(C)のエネルギ状態は、反転層3
8が形成されていない場合であるが、所定のエネルギの
光が光電変換領域36に入射されている場合である。こ
のような場合には、p- 層46で電子・正孔対を発生さ
せても、電子にとってはチャネル領域34およびn+
48間の接合面におけるエネルギ障壁により移動するこ
とができず、正孔にとってはn+ 層48およびp- 層4
6間の接合面におけるエネルギ障壁により移動すること
ができないので、ソース領域16およびドレイン領域1
8間に電流が流れることはない。
The energy state in FIG. 7C is the inversion layer 3
8 is not formed, but is the case where light having a predetermined energy is incident on the photoelectric conversion region 36. In such a case, even if an electron-hole pair is generated in the p layer 46, the electron cannot move due to the energy barrier at the junction surface between the channel region 34 and the n + layer 48, and the positive electron cannot move. N + layer 48 and p layer 4 for the holes
The source region 16 and the drain region 1 cannot move due to the energy barrier at the interface between the 6 and 6.
No current flows between eight.

【0043】以上説明した第2の構成例によれば、前述
した第1の構成例が有する効果以外に、光電変換領域3
6をダイオード構造(フォトダイオード構造)66とし
ているために、ゲート電極26に電圧が印加されず反転
層38が形成されていないときには、光電変換領域36
に対して光照射がある場合でも正孔電流は流れない。従
って、スイッチング素子としてのON/OFF比を高く
することができる。
According to the second configuration example described above, in addition to the effect of the first configuration example described above, the photoelectric conversion region 3 is provided.
Since 6 has a diode structure (photodiode structure) 66, when no voltage is applied to the gate electrode 26 and the inversion layer 38 is not formed, the photoelectric conversion region 36 is formed.
The hole current does not flow even when there is light irradiation. Therefore, the ON / OFF ratio of the switching element can be increased.

【0044】[第3の実施の形態]図8は、第3の実施
の形態の半導体素子の構成を示す断面図である。この第
3の構成例は、光電変換領域をトランジスタ構造として
いる構成である。この例では、チャネル領域34の導電
型を第2および第3半導体領域16および18の導電型
とは異なる導電型としてある。そして、チャネル領域3
4および第3半導体領域であるドレイン領域18間が順
次に異なる三つの半導体領域すなわち第6、第7および
第8半導体領域52、54および50を交互に配列し
て、これら三つの半導体領域でトランジスタ構造68を
構成している。
[Third Embodiment] FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a semiconductor device according to the third embodiment. The third configuration example is a configuration in which the photoelectric conversion region has a transistor structure. In this example, the conductivity type of the channel region 34 is different from that of the second and third semiconductor regions 16 and 18. And the channel region 3
Three semiconductor regions, that is, the sixth, seventh and eighth semiconductor regions 52, 54 and 50, which are sequentially different between the drain region 18 which is the fourth semiconductor region and the third semiconductor region, are alternately arranged, and transistors are formed in these three semiconductor regions. The structure 68 is formed.

【0045】この構成例の光電変換領域36は、交互に
導電型の異なる半導体領域を三つ接続させて構成してい
る。まず、ドレイン領域18に隣接して第8半導体領域
としてのn- 層50が設けられている。そして、チャネ
ル領域34およびドレイン領域18間に、チャネル領域
34に接続させて第6半導体領域としてのn+ 層52が
形成されている。これらn- 層50およびn+ 層52間
にそれぞれの領域に接して第7半導体領域としてのp層
54が形成されている。そして、p層54およびn-
50に光が入射されるように、遮光膜30に受光窓32
が設けられている。このように、この第3の構成例にお
ける光電変換領域36はトランジスタ構造、特にフォト
トランジスタ構造を構成しており、n+ 層52がエミッ
タ、p層54がベース、n- 層50およびドレイン領域
18がコレクタとして働く。
The photoelectric conversion region 36 of this configuration example is formed by alternately connecting three semiconductor regions having different conductivity types. First, the n layer 50 as the eighth semiconductor region is provided adjacent to the drain region 18. Then, an n + layer 52 as a sixth semiconductor region is formed between the channel region 34 and the drain region 18 so as to be connected to the channel region 34. A p layer 54 serving as a seventh semiconductor region is formed between the n layer 50 and the n + layer 52 in contact with the respective regions. Then, the light receiving window 32 is formed in the light shielding film 30 so that the light is incident on the p layer 54 and the n layer 50.
Is provided. As described above, the photoelectric conversion region 36 in the third configuration example has a transistor structure, particularly a phototransistor structure. The n + layer 52 is the emitter, the p layer 54 is the base, the n layer 50 and the drain region 18 are formed. Works as a collector.

【0046】尚、この第3の構成例は、第1の実施の形
態に示したように通常の半導体微細加工技術により形成
することができるので製造工程の説明は省略する。
Since the third example of the structure can be formed by the usual semiconductor fine processing technique as shown in the first embodiment, the description of the manufacturing process is omitted.

【0047】次に、第3の構成例の動作について説明す
る。図9は、この構成の半導体素子の動作の説明に供す
る模式的構造図である。接続や電圧の印加は第1および
第2の構成例と同様に行われるので説明を省略する。
Next, the operation of the third configuration example will be described. FIG. 9 is a schematic structural diagram for explaining the operation of the semiconductor device having this configuration. The connection and the voltage application are performed in the same manner as in the first and second configuration examples, and thus the description thereof will be omitted.

【0048】ゲート電極26に第1入力として所定の大
きさの電圧V1 が印加されるとチャネル領域34のゲー
ト電極26側の領域に反転層38が形成される。このと
き、ソース領域16およびn+ 層52はこの反転層38
により電気的に接続されており、電子の通路が形成され
る。従って、ソース領域16から流出される電子は反転
層38を通ってn+ 層52に到達することができる。し
かしながら、通常は、n+ 層52およびp層54間に、
pn接合に起因するエネルギ障壁があるから、これらの
電子はドレイン領域18に到達することができない。従
って、この場合には、接地側の第1電位点と高電位側の
第2電位点間に接続されている領域16と領域18との
間の各半導体領域14、52、54および50で形成さ
れた電流通路を通り抜ける電子の流れは形成されないの
で、出力は取り出せない。
When a predetermined voltage V 1 is applied to the gate electrode 26 as the first input, the inversion layer 38 is formed in the region of the channel region 34 on the gate electrode 26 side. At this time, the source region 16 and the n + layer 52 are
Are electrically connected to each other to form an electron passage. Therefore, the electrons flowing out from the source region 16 can reach the n + layer 52 through the inversion layer 38. However, normally, between the n + layer 52 and the p layer 54,
These electrons cannot reach the drain region 18 because of the energy barrier resulting from the pn junction. Therefore, in this case, the semiconductor regions 14, 52, 54 and 50 are formed between the region 16 and the region 18 which are connected between the first potential point on the ground side and the second potential point on the high potential side. No output is taken because no electron flow through the created current path is formed.

【0049】図10の(A)、(B)および(C)は、
チャネル領域34およびドレイン領域18間に配列して
いる各層のエネルギ状態を示す図である。図10の横方
向は、チャネル領域34およびドレイン領域18間のこ
れら各層の位置を表す。高電位側(図の記号+で示され
る側。)がドレイン領域18であり、低電位側(図の記
号−で示される側がチャネル領域34である。また、図
の縦方向はエネルギの高さを表している。
FIGS. 10A, 10B and 10C show
FIG. 6 is a diagram showing energy states of respective layers arranged between the channel region 34 and the drain region 18. The horizontal direction in FIG. 10 represents the position of each of these layers between the channel region 34 and the drain region 18. The high potential side (the side indicated by the symbol + in the figure) is the drain region 18, and the low potential side (the side indicated by the symbol − in the figure is the channel region 34. Also, the vertical direction in the figure indicates the height of energy. Is represented.

【0050】図10の(A)のエネルギ状態は、ゲート
電極26に電圧を印加して反転層38を形成している場
合であって、光電変換領域36に第2入力としての光が
入射されてないときのエネルギ状態である。このように
+ 層52およびp層54間にエネルギ障壁があるの
で、伝導帯の電子はこのエネルギ障壁を越えてドレイン
領域18側に移動することができない。従って、ソース
領域16およびドレイン領域18間には電流が流れな
い。
The energy state of FIG. 10A is the case where a voltage is applied to the gate electrode 26 to form the inversion layer 38, and light as the second input is incident on the photoelectric conversion region 36. This is the energy state when not in use. Since there is an energy barrier between the n + layer 52 and the p layer 54 in this way, electrons in the conduction band cannot move over the energy barrier to the drain region 18 side. Therefore, no current flows between the source region 16 and the drain region 18.

【0051】図10の(B)のエネルギ状態は、ゲート
電極26に印加した電圧(第1入力)によって反転層3
8が形成されている場合であり、かつ、所定のエネルギ
(バンドギャップエネルギより大きいエネルギ)の光
(第2入力)が光電変換領域36に入射されている場合
である。このとき、p層54からn- 層50に渡る半導
体領域において電子・正孔対が発生し、先のエネルギ障
壁部分で再結合過程が行われ、チャネル領域34および
ドレイン領域18間の電荷の移動が可能になる。従っ
て、ソース領域16およびドレイン領域18間の電流通
路を通り抜ける電子の流れが形成され、よって電流が流
れ、出力が発生する。
In the energy state of FIG. 10B, the inversion layer 3 is changed by the voltage (first input) applied to the gate electrode 26.
8 is formed and light (second input) having a predetermined energy (energy larger than bandgap energy) is incident on the photoelectric conversion region 36. At this time, electron-hole pairs are generated in the semiconductor region extending from the p layer 54 to the n layer 50, the recombination process is performed in the previous energy barrier portion, and charge transfer between the channel region 34 and the drain region 18 is performed. Will be possible. Therefore, a flow of electrons is formed through the current path between the source region 16 and the drain region 18, causing a current to flow and producing an output.

【0052】図10の(C)のエネルギ状態は、反転層
38が形成されていない場合であるが、所定のエネルギ
の光が光電変換領域36に入射されている場合である。
このとき、p層54からn- 層50に渡る半導体領域に
おいては電子・正孔対が発生するが、電子にとってはチ
ャネル領域34およびn+ 層52間の接合面におけるエ
ネルギ障壁により移動できず、正孔にとってはn+ 層5
2およびp層54間の接合面におけるエネルギ障壁によ
り移動できないので、チャネル領域34およびドレイン
領域18間の電流通路に電流が流れることはない。
The energy state of FIG. 10C is the case where the inversion layer 38 is not formed, but is the case where light having a predetermined energy is incident on the photoelectric conversion region 36.
At this time, electron-hole pairs are generated in the semiconductor region extending from the p layer 54 to the n layer 50, but electrons cannot move due to the energy barrier at the junction surface between the channel region 34 and the n + layer 52, N + layer 5 for holes
No current flows in the current path between the channel region 34 and the drain region 18 because it cannot move due to the energy barrier at the junction surface between the 2 and the p layer 54.

【0053】以上説明した第3の構成例によれば、前述
した第1および第2の構成例が有する効果以外に、光電
変換領域36をトランジスタ構造(フォトトランジスタ
構造)としているために、効率よく光子を電子に変換
し、また、電子数の増幅も行われる。従って、発光素子
が半導体素子から遠い位置に配置しなければならないと
きの場合や、発光素子の発光強度が弱い場合などのよう
に、外部より半導体素子の光電変換領域36に到達する
光強度が弱い場合であっても効率よく信号を伝達するこ
とができる。
According to the third configuration example described above, in addition to the effects of the first and second configuration examples described above, the photoelectric conversion region 36 has a transistor structure (phototransistor structure), so that it is efficient. It converts photons into electrons and also amplifies the number of electrons. Therefore, the light intensity reaching the photoelectric conversion region 36 of the semiconductor element from the outside is weak, such as when the light emitting element must be arranged at a position far from the semiconductor element or when the light emitting intensity of the light emitting element is weak. Even in the case, the signal can be efficiently transmitted.

【0054】以上説明したように、第1、第2および第
3の構成例の半導体素子によれば、集積回路における信
号の伝達を金属配線だけでなく光配線を用いて行うこと
が可能になり、素子の高集積化を信号遅延や消費電力の
増加を最小に抑えながら実現することができる。このよ
うに、金属配線および層間絶縁膜からなる配線システム
がLSIの性能を落としてしまうような従来の半導体素
子に替え、本実施の形態の半導体素子を採用することに
より、これらの半導体素子から構成されるLSIの性能
を、劣化させることなく有効に発揮させることができる
ようになる。また、このような半導体素子を用いた集積
回路においては、電気的なクロストークや雑音に対して
も強い配線を行うことが可能である。
As described above, according to the semiconductor elements of the first, second and third configuration examples, it becomes possible to transmit signals in the integrated circuit not only by using the metal wiring but also by using the optical wiring. Thus, high integration of the device can be realized while minimizing the signal delay and the increase in power consumption. As described above, the wiring system including the metal wiring and the interlayer insulating film replaces the conventional semiconductor element that deteriorates the performance of the LSI, and by adopting the semiconductor element of the present embodiment, it is possible to configure the semiconductor element from these semiconductor elements. The performance of the LSI to be manufactured can be effectively exhibited without deterioration. In addition, in an integrated circuit using such a semiconductor element, it is possible to perform wiring that is strong against electrical crosstalk and noise.

【0055】さらに、この実施の形態の半導体素子が構
成する論理回路の機能を、タイミング信号を変更するこ
とによって異なる機能にすることができる。上述のよう
に、信号のやり取りを電線や光ファイバによって行って
いるのではなく、この発明の半導体素子と発光素子との
タイミング信号を同期させることによって信号の伝達を
行っているため、タイミング信号を変更することによ
り、異なる機能を有する論理回路を容易に得ることがで
きる。
Furthermore, the function of the logic circuit formed by the semiconductor device of this embodiment can be made different by changing the timing signal. As described above, signals are not exchanged by electric wires or optical fibers, but signals are transmitted by synchronizing the timing signals of the semiconductor element and the light emitting element of the present invention. By changing it, a logic circuit having a different function can be easily obtained.

【0056】第1、第2および第3の構成例において
は、SOI技術により形成したSOI基板を用いた例を
示したが、薄膜トランジスタ(TFT)構造の半導体素
子としてもよい。また、チャネル領域に形成される反転
層38の導電型がn型である場合について説明したが、
p型である場合にも適当に他の半導体領域の導電型を設
定すれば、同様の効果を有する半導体素子が得られる。
特に、第3の構成例においては光電変換領域36に形成
したトランジスタ構造をnpn構造としたが、pnp構
造としてもよい。
In the first, second and third configuration examples, the example using the SOI substrate formed by the SOI technique is shown, but a semiconductor element having a thin film transistor (TFT) structure may be used. Further, the case where the conductivity type of the inversion layer 38 formed in the channel region is the n-type has been described.
Even if it is p-type, a semiconductor element having the same effect can be obtained by appropriately setting the conductivity type of another semiconductor region.
In particular, in the third configuration example, the transistor structure formed in the photoelectric conversion region 36 has the npn structure, but it may have the pnp structure.

【0057】以上の実施の形態においては、Si−LS
Iについての構成例を示したが、これに限ることなく、
他の半導体材料、例えば、Ge、SiGe、GaAs、
GaP、InP、GaAlAsにも適用することが可能
である。
In the above embodiment, Si-LS is used.
Although the configuration example of I has been shown, the invention is not limited to this.
Other semiconductor materials such as Ge, SiGe, GaAs,
It is also possible to apply to GaP, InP, and GaAlAs.

【0058】[0058]

【発明の効果】この発明の半導体素子によれば、ソース
領域およびドレイン領域間の半導体領域に、チャネル領
域と光電変換領域とを具え、このチャネル領域上にゲー
ト酸化膜を介してゲート電極を設けることにより、ソー
ス領域およびドレイン領域間に流れる電流を、ゲート電
極に入力する電気的信号と、光電変換領域に入力する光
信号とによって制御することができる半導体素子を構成
することができる。従って、この半導体素子の一方の入
力は光信号による入力であるから、集積回路における金
属配線密度を減少させることが可能になり、よって、L
SI等の動作に対する配線間容量および配線抵抗の影響
を低減することが可能になるといった顕著な効果が得ら
れる。
According to the semiconductor element of the present invention, the semiconductor region between the source region and the drain region has a channel region and a photoelectric conversion region, and a gate electrode is provided on the channel region via a gate oxide film. This makes it possible to configure a semiconductor element in which the current flowing between the source region and the drain region can be controlled by the electrical signal input to the gate electrode and the optical signal input to the photoelectric conversion region. Therefore, since one input of this semiconductor element is an input by an optical signal, it is possible to reduce the metal wiring density in the integrated circuit, and thus L
It is possible to obtain a remarkable effect that it is possible to reduce the influence of the inter-wiring capacitance and the wiring resistance on the operation such as SI.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first configuration example.

【図2】第1の構成例の動作の説明に供する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the first configuration example.

【図3】第1の構成例の動作の説明に供する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the first configuration example.

【図4】半導体素子の使用例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a usage example of a semiconductor element.

【図5】第2の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a second configuration example.

【図6】第2の構成例の動作の説明に供する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the second configuration example.

【図7】(A)〜(C)は第2の構成例の動作の説明に
供する図である。
7A to 7C are diagrams for explaining the operation of the second configuration example.

【図8】第3の構成例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a third configuration example.

【図9】第3の構成例の動作の説明に供する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the third configuration example.

【図10】(A)〜(C)は第3の構成例の動作の説明
に供する図である。
10A to 10C are diagrams for explaining the operation of the third configuration example.

【図11】(A)〜(D)は第1の構成例の製造工程を
示す断面図である。
11A to 11D are cross-sectional views showing the manufacturing process of the first configuration example.

【図12】(A)および(B)は図11に続く第1の構
成例の製造工程を示す断面図である。
12A and 12B are cross-sectional views showing the manufacturing process of the first configuration example following FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:Si基板 12:SiO2 層 14:p- 層 16:ソース領域 18:ドレイン領域 20、22:素子分離層 24:ゲート酸化膜 26:ゲート電極 28:表面保護膜 30:遮光膜 32:受光窓 34:チャネル領域 36:光電変換領域 38:反転層 40a、40b:LSIチップまたは回路基板 42:半導体素子 44:発光素子 46:p- 層 48、52:n+ 層 50:n- 層 54:p層 56:SiO2 層 58:SiN層 60:マスク 62:積層体 64:Si層 66:ダイオード構造 68:トランジスタ構造 70:制御信号源10: Si substrate 12: SiO 2 layer 14: p - layer 16: Source region 18: Drain region 20, 22: Element isolation layer 24: Gate oxide film 26: Gate electrode 28: Surface protection film 30: Light-shielding film 32: Light reception Window 34: Channel region 36: Photoelectric conversion region 38: Inversion layer 40a, 40b: LSI chip or circuit board 42: Semiconductor device 44: Light emitting device 46: p layer 48, 52: n + layer 50: n layer 54: p layer 56: SiO 2 layer 58: SiN layer 60: mask 62: laminated body 64: Si layer 66: diode structure 68: transistor structure 70: control signal source

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 チャネル領域および光電変換領域から構
成される第1半導体領域を有し、前記チャネル領域の上
側にゲート酸化膜を介してゲート電極を具え、 前記チャネル領域に隣接して第2半導体領域が、および
前記光電変換領域に隣接して第3半導体領域がそれぞれ
離間して具えられ、前記第2または第3半導体領域を同
一の導電型のソース領域またはドレイン領域とすること
を特徴とする半導体素子。
1. A first semiconductor region composed of a channel region and a photoelectric conversion region, a gate electrode provided above the channel region with a gate oxide film interposed, and a second semiconductor adjacent to the channel region. And a third semiconductor region adjacent to the photoelectric conversion region and spaced apart from each other, and the second or third semiconductor region is a source region or a drain region of the same conductivity type. Semiconductor device.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体素子において、 前記第1半導体領域と前記第2および第3半導体領域と
を異なる導電型の半導体領域とすることを特徴とする半
導体素子。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor region and the second and third semiconductor regions are semiconductor regions of different conductivity types.
【請求項3】 請求項1に記載の半導体素子において、 前記チャネル領域を前記第2および第3半導体領域の導
電型とは異なる導電型の半導体領域とし、 前記光電変換領域を、前記チャネル領域に接して設けら
れていて該チャネル領域とは導電型が異なる第4半導体
領域と、該第4半導体領域および前記第3半導体領域間
にそれぞれに接して設けられていて該第3半導体領域と
は導電型が異なる第5半導体領域とで構成されるダイオ
ード構造を以て構成していることを特徴とする半導体素
子。
3. The semiconductor element according to claim 1, wherein the channel region is a semiconductor region having a conductivity type different from that of the second and third semiconductor regions, and the photoelectric conversion region is the channel region. A fourth semiconductor region provided in contact with the channel region and having a conductivity type different from that of the channel region, and a third semiconductor region provided in contact with each other between the fourth semiconductor region and the third semiconductor region are electrically conductive. A semiconductor device comprising a diode structure composed of a fifth semiconductor region of a different type.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体素子において、 前記チャネル領域を前記第2および第3半導体領域の導
電型とは異なる導電型の半導体領域とし、 前記チャネル領域および第3半導体領域間の前記光電変
換領域を順次に導電型が異なる三つの第6、第7および
第8半導体領域が交互に配列されてなるトランジスタ構
造で構成していることを特徴とする半導体素子。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the channel region is a semiconductor region having a conductivity type different from the conductivity types of the second and third semiconductor regions, and the channel region and the third semiconductor region are separated from each other. A semiconductor device comprising the photoelectric conversion region having a transistor structure in which three sixth, seventh and eighth semiconductor regions having different conductivity types are alternately arranged.
【請求項5】 ドレイン領域およびソース領域間に設け
られた半導体領域で構成した電流通路上に電気入力およ
び光入力による二つの入力手段を有する半導体素子であ
って、これら二つの入力によりドレイン領域およびソー
ス領域間の前記電流通路を流れる電流のオン・オフを制
御することにより論理積回路を構成してなることを特徴
とする半導体素子。
5. A semiconductor device having two input means for electrical input and optical input on a current path composed of a semiconductor region provided between a drain region and a source region, wherein the drain region and the A semiconductor device comprising an AND circuit by controlling ON / OFF of a current flowing through the current path between the source regions.
【請求項6】 2入力で半導体素子を流れる電流を制御
するに当たり、第1入力を電気入力とし、および第2入
力を光入力とし、 前記第1入力で、第1電位点および該第1電位点とは電
位の異なる第2電位点間に連続して設けられている第1
および第2半導体領域のうち該第1半導体領域に反転層
を形成し、 前記第2入力で、前記第2半導体領域に電子・正孔対を
形成し、 前記反転層と前記電子・正孔対とが相俟って前記第1お
よび第2電位点間を流れる電流を形成することを特徴と
する電流制御方法。
6. When controlling a current flowing through a semiconductor element with two inputs, a first input is an electric input and a second input is an optical input, and the first input is a first potential point and the first potential. The first point is continuously provided between the second potential points having different potentials.
And an inversion layer is formed in the first semiconductor region of the second semiconductor region, and an electron-hole pair is formed in the second semiconductor region at the second input, and the inversion layer and the electron-hole pair are formed. And a current controlling method for forming a current flowing between the first and second potential points together.
【請求項7】 半導体領域の両端間に電位勾配を形成し
ておいて該半導体領域に電気入力によって反転層を形成
すると共に光入力によって光電変換に基づく電子を形成
することにより、前記半導体領域に電流を流すことを特
徴とする電流制御方法。
7. A potential gradient is formed between both ends of the semiconductor region, an inversion layer is formed in the semiconductor region by an electric input, and electrons based on photoelectric conversion are formed by a light input, whereby the semiconductor region is formed. A method of controlling current, characterized by flowing an electric current.
JP8027063A 1996-02-14 1996-02-14 Semiconductor device and current control method Withdrawn JPH09223784A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018014368A (en) * 2016-07-19 2018-01-25 豊田合成株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same

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