JPH10144953A - モノリシックフォトカプラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光導波路によって伝搬する光を受光素子に効率
よく供給する。 【解決手段】シリコン島６ａには発光ダイオードＤが、
シリコン島６ｂにはフォトトランジスタＴｒが形成され
ている。基板上において光導波路１６が発光ダイオード
ＤとフォトトランジスタＴｒとを結ぶように延設され、
両素子が光学的に結合されている。光導波路１６は窒化
シリコン膜よりなる。フォトトランジスタＴｒでの受光
部と光導波路１６との間に光引き込み層１８が介在さ
れ、光引き込み層１８はＧａＡｓ層よりなり、光導波路
１６よりも高屈折率の材料である。伝搬光が光導波路１
６よりも高屈折率の光引き込み層１８に引き込まれ、フ
ォトトランジスタＴｒに高効率にて受光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、１つのチップ上
に発光素子と受光素子とを備えるモノリシックフォトカ
プラに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平７−３１２４４３号公報に示され
ているように、モノリシックフォトカプラにおいては基
板に発光素子と受光素子とが形成されるとともに基板上
に光導波路が形成され、光導波路により発光素子と受光
素子とが光学的に結合している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、受光素子が
光導波路による光伝搬方向に対して垂直に形成されるた
め受光効率を高めるには受光領域を光伝搬方向に長くす
る必要があり、素子の小型化の障害となっていた。

【０００４】そこで、この発明の目的は、光導波路によ
って伝搬する光を受光素子に効率よく供給することがで
きるモノリシックフォトカプラを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、発光素子の発する光は光導波路を通して受光素
子に向かって伝搬していき受光素子にて受光される。こ
の光伝搬に際し、受光素子での受光部に設けられた光引
き込み層において伝搬光が光導波路よりも高屈折率の光
引き込み層に引き込まれ、受光素子に高効率にて受光さ
せることができる。

【０００６】請求項２に記載の発明によれば、光引き込
み層を発光素子と同時に形成でき、製造が容易となる。
請求項３に記載の発明によれば、発光素子の発する光は
光導波路を通して受光素子に向かって伝搬していき受光
素子にて受光される。この光伝搬に際し、受光素子での
受光部に設けられた光引き込み層において伝搬光が表面
に凹凸を有する光引き込み層に引き込まれ、受光素子に
高効率にて受光させることができる。

【０００７】請求項４に記載の発明によれば、光導波路
のクラッド層の一部を食刻することにより光引き込み層
の凹凸が形成でき、製造が容易となる。請求項６に記載
の発明によれば、発光素子の発する光は光導波路を通し
て受光素子に向かって伝搬していき受光素子にて受光さ
れる。この光伝搬に際し、受光素子での受光部上に設け
られたテーパ部において厚さが光伝搬方向に対し徐々に
薄くなっているので伝搬光がカットオフ（遮断周波数）
に近づき導波条件が弱くなるため光導波路からの波動の
浸み出しが多くなり受光素子への伝搬光を増加させるこ
とができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、この発明を具体化した第１
の実施の形態を、図面に従って説明する。

【０００９】図１には本実施の形態におけるモノリシッ
クフォトカプラの断面図を示す。基材となるシリコン基
板１の上面には酸化シリコン膜２が形成されており、そ
の上には多結晶シリコン層３が形成されている。本実施
の形態では、シリコン基板１と多結晶シリコン層３とか
ら基板が構成されている。

【００１０】多結晶シリコン層３の上面側には凹部４
ａ，４ｂが形成され、この凹部４ａ，４ｂの表面に絶縁
分離膜としての酸化シリコン膜５ａ，５ｂが形成されて
いる。凹部４ａ内にはｎ型の単結晶シリコン島６ａが形
成されるとともに、凹部４ｂ内にはｎ型の単結晶シリコ
ン島６ｂが形成されている。この単結晶シリコン島６
ａ，６ｂのｎ型不純物濃度が１０¹⁶ｃｍ^-3程度となって
いる。又、単結晶シリコン島６ｂが受光素子であるフォ
トトランジスタＴｒのコレクタ領域になる。

【００１１】単結晶シリコン島６ａの表面部にはｐ型拡
散領域７が形成されている。ｐ型拡散領域７上には、バ
ッファ用ＧａＡｓ層８とｎ型ＧａＡｓ層９とｐ型ＧａＡ
ｓ層１０とが積層されている。バッファ用ＧａＡｓ層８
は厚さが２．７μｍであり、ｎ型ＧａＡｓ層９とｐ型Ｇ
ａＡｓ層１０との合計の厚さは４μｍである。

【００１２】ＧａＡｓ層８，９，１０は単結晶シリコン
島６ａの上にＭＯ−ＣＶＤ法によるエピタキシャル成長
にて形成されたものである。このようにして、酸化シリ
コン膜５ａで囲まれた単結晶シリコン島６ａに、バッフ
ァ用ＧａＡｓ層８とｎ型ＧａＡｓ層９とｐ型ＧａＡｓ層
１０との積層体からなる発光素子としての発光ダイオー
ドＤが形成されている。

【００１３】又、単結晶シリコン島６ａにはｐ型拡散領
域１１が形成され、ｐ型拡散領域１１に発光側処理回路
が形成されている。一方、単結晶シリコン島６ｂの表面
部における所定領域にはｐ型ベース領域１２が形成され
るとともに、その内部における表面部にはｎ型エミッタ
領域１３が形成されている。そして、ｎ型エミッタ領域
１３、ｐ型ベース領域１２、ｎ型単結晶シリコン島６ｂ
にて、受光素子としてのｎ／ｐ／ｎ構造のフォトトラン
ジスタＴｒが構成されている。

【００１４】このように、酸化シリコン膜５ｂで囲まれ
た単結晶シリコン島６ｂに、フォトトランジスタＴｒが
形成されている。又、単結晶シリコン島６ｂにはｐ型拡
散領域１４が形成され、ｐ型拡散領域１４に受光側処理
回路が形成されている。

【００１５】単結晶シリコン島６ａ，６ｂの表面を含む
多結晶シリコン層３の表面には、厚さ１μｍの酸化シリ
コン膜１５が形成されている。酸化シリコン膜１５には
単結晶シリコン島６ｂのベース領域１２上において開口
部１５ａが形成されている。

【００１６】発光ダイオードＤとフォトトランジスタＴ
ｒとの間における酸化シリコン膜１５の上には、厚さ４
μｍの窒化シリコン膜よりなる光導波路１６が延設され
ている。光導波路１６の上には厚さ１μｍの酸化シリコ
ン膜１７が形成されている。

【００１７】又、単結晶シリコン島６ｂにおける酸化シ
リコン膜１５の開口部１５ａには、厚さ２．７μｍのＧ
ａＡｓ層よりなる光引き込み層１８が形成され、この上
に光導波路１６が位置している。厚さ２．７μｍのＧａ
Ａｓ層よりなる光引き込み層１８は発光ダイオードＤの
発する光を透過可能である。光導波路１６はクラッド層
としての酸化シリコン膜１５，１７に挟まれており、こ
の光導波路１６によりフォトトランジスタＴｒが発光ダ
イオードＤと光学的に結合されている。

【００１８】ここで、島６ａ，６ｂの構成材料であるシ
リコンの屈折率は「３．６５」、酸化シリコン膜（クラ
ッド層）１５，１７の屈折率は「１．４６」、発光ダイ
オードＤおよび光引き込み層１８の構成材料であるＧａ
Ａｓの屈折率は「３．５５」、光導波路１６の構成材料
である窒化シリコン膜の屈折率は「２．０」である。つ
まり、フォトトランジスタＴｒの受光部においてはシリ
コン島６ｂと光引き込み層１８と光導波路１６との積層
体構造をなし、その各材料の屈折率の大小関係は、 光導波路１６の屈折率＜光引き込み層１８の屈折率＜島
６ｂの屈折率 となっている。

【００１９】又、単結晶シリコン島６ａでの酸化シリコ
ン膜１５の上にはアルミ配線１９が形成され、アルミ配
線１９によりｐ型ＧａＡｓ層１０とｐ型拡散領域１１と
が電気的に接続されている。又、単結晶シリコン島６ａ
での酸化シリコン膜１５の上にはアルミ配線２０が形成
され、アルミ配線２０がｐ型拡散領域１１と電気的に接
続されるとともにこのアルミ配線２０が単結晶シリコン
島６ａ内において延設されている。

【００２０】又、単結晶シリコン島６ｂでの酸化シリコ
ン膜１５の上にはアルミ配線２１が形成され、アルミ配
線２１によりｎ型エミッタ領域１３とｐ型拡散領域１４
とが電気的に接続されている。又、単結晶シリコン島６
ｂでの酸化シリコン膜１５の上にはアルミ配線２２が形
成され、アルミ配線２２がｐ型拡散領域１４と電気的に
接続されるとともにこのアルミ配線２２が単結晶シリコ
ン島６ｂ内において延設されている。

【００２１】次に、このように構成したモノリシックフ
ォトカプラの作用を説明する。ｐ型拡散領域１１内の処
理回路にて生成された信号により発光ダイオードＤのア
ノード・カソード間に電圧を加えると、正孔および電子
が注入され、ｎ型ＧａＡｓ層９とｐ型ＧａＡｓ層１０の
接合部で再結合して光を発する。発光ダイオードＤの発
する光は光導波路１６においてフォトトランジスタＴｒ
に向かって伝搬していく。そして、フォトトランジスタ
Ｔｒでの受光部において、光導波路１６よりも高屈折率
の光引き込み層１８にて引き込まれ、フォトトランジス
タＴｒにおけるｐ型ベース領域１２に至る。すると、フ
ォトトランジスタＴｒにおけるｐ型ベース領域１２とｎ
型コレクタ領域（ｎ型単結晶シリコン島６ｂ）でのｐｎ
接合で発生した光電流は増幅されてコレクタ，エミッタ
電流として取り出される。取り出された電流はｐ型拡散
領域１４内の処理回路にて信号処理される。

【００２２】図２には、伝搬距離Ｌに対する伝搬光強度
の測定結果を示す。横軸の伝搬距離Ｌは図１の発光ダイ
オードＤの端からの光導波路１６による光伝搬方向での
距離を指し、縦軸にはその光強度を示す。図２におい
て、光引き込み層（ＧａＡｓ層）１８を備えた本実施の
形態と、光引き込み層（ＧａＡｓ層）１８の無い比較例
を併せて示す。

【００２３】この図２において光引き込み層（ＧａＡｓ
層）１８の光伝搬方向での最も遠い位置Ｌ＝０．３ｍｍ
においては、実施の形態では光強度が０．４であり、比
較例では光強度が０．２８であった。又、図２において
光引き込み層（ＧａＡｓ層）１８の光伝搬方向での最も
近い位置Ｌ＝０．２４ｍｍにおいては、実施の形態と比
較例とは同じ光強度である。よって、光引き込み層１８
により伝搬光結合強度は３０％（＝（０．４−０．２
８）／０．４）向上する。

【００２４】次に、このモノリシックフォトカプラの製
造工程の概略を説明する。まず、図３に示すように、シ
リコン基板２３を用意し、シリコン基板２３の表面にお
ける所定領域にウェットまたはドライエッチング法にて
深さ２０〜４０μｍの溝（トレンチ）２４を形成する。
その後、図４に示すように、シリコン基板２３の表面に
酸化シリコン膜２５を形成する。

【００２５】引き続き、図５に示すように、酸化シリコ
ン膜２５の上に化学気相成膜法により厚さ８０〜１００
μｍの多結晶シリコン層３を成膜する（成膜温度；６０
０℃）。さらに、多結晶シリコン層３の表面を適当な厚
さまで研磨し、鏡面にする。

【００２６】そして、図６に示すように、熱酸化によっ
て多結晶シリコン層３の表面に厚さ０．１μｍの酸化シ
リコン膜２を形成する。さらに、表面が鏡面研磨された
シリコン基板１を用意し、そのシリコン基板１の鏡面と
酸化シリコン膜２とを接合し、熱処理を行ない接合を強
化する。

【００２７】次に、図７に示すように、シリコン基板２
３を裏面から溝２４の先端（底面）が現われるまで研磨
して鏡面化する。その結果、絶縁分離された各島が区画
形成される。

【００２８】その後、図８に示すように、クラッド層と
なる酸化シリコン膜１５を堆積するとともに酸化シリコ
ン膜１５を所望の形状にエッチングし、この膜１５をマ
スクとしてイオン注入を行い各島に素子を形成する。さ
らに、図９に示すように、バッファ用ＧａＡｓ層８とｎ
型ＧａＡｓ層９とｐ型ＧａＡｓ層１０とを順に積層す
る。バッファ用ＧａＡｓ層８の形成時に光引き込み層
（ＧａＡｓ層）１８も同時に形成する。

【００２９】さらに、図１に示すように、窒化シリコン
膜１６よりなる光導波路、酸化シリコン膜１７、アルミ
薄膜１９〜２２を形成する。このようにして、モノリシ
ックフォトカプラが製造される。

【００３０】このように本実施の形態においては、下記
の特徴を有している。 （イ）フォトトランジスタＴｒでの受光部と光導波路１
６との間に、光導波路１６よりも高屈折率の材料よりな
る光引き込み層１８を介在したので、伝搬光が光導波路
１６よりも高屈折率の光引き込み層１８に引き込まれ、
フォトトランジスタＴｒに高効率にて受光させることが
できる。 （ロ）光引き込み層１８を発光ダイオードＤと同一材料
（ＧａＡｓ）としたので、光引き込み層１８を発光ダイ
オードＤと同時に形成でき、製造が容易となる。つま
り、発光ダイオードＤと光引き込み層１８とを同時に形
成するため製造工程の増加を招くことなく高効率な光結
合構造が実現できる。 （第２の実施の形態）次に、この発明の第２の実施の形
態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００３１】図１０には、本実施形態のモノリシックフ
ォトカプラの断面図を示す。フォトトランジスタＴｒの
受光部においてシリコン島６ｂの表面には光引き込み層
２６が形成されている。光引き込み層２６はその表面が
凹凸２７が形成されている。この凹凸２７は回折格子と
なっており、酸化シリコン膜（クラッド層）１５の一部
をフォトリソグラフィにより食刻することにより形成し
たものである。

【００３２】ここで、回折格子は円弧状をなすグレーテ
ィングカプラ、溝の間隔が一定でないチャープトグレー
ティング等が利用できる。そして、光導波路１６を伝搬
してきた光は光引き込み層２６の凹凸２７（回折格子）
において回折されフォトトランジスタＴｒに引き込ま
れ、同トランジスタＴｒに受光される。その結果、フォ
トトランジスタＴｒへ結合する伝搬光が増加し、発光ダ
イオードＤとフォトトランジスタＴｒとを効率よく結合
させることができる。

【００３３】このように本実施の形態においては、下記
の特徴を有している。 （イ）フォトトランジスタＴｒでの受光部と光導波路１
６との間に、表面に凹凸２７を有する光引き込み層２６
を設けたので、伝搬光が光導波路１６から光引き込み層
２６に引き込まれ、フォトトランジスタＴｒに高効率に
て受光させることができる。 （ロ）光引き込み層２６の凹凸（回折格子）２７を光導
波路１６のクラッド層１５の一部を食刻することにより
形成しているので、製造が容易である。

【００３４】尚、光引き込み層２６の凹凸２７として回
折格子の代わりに、磨りガラスの表面のような散乱面と
してもよい。つまり、シリコン島６ｂの表面に形成した
酸化シリコン膜１５の表面を化学薬品により粗面化処理
を施し、この凹凸面で伝搬光を散乱させてもよい。 （第３の実施の形態）次に、この発明の第３の実施の形
態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００３５】図１１には、本実施形態のモノリシックフ
ォトカプラの断面図を示す。フォトトランジスタＴｒの
受光部上における光導波路１６は光伝搬方向に徐々に膜
厚が薄くなるテーパ部２８となっている。より詳しく
は、テーパ角θにて直線的に膜厚が薄くなっている。最
も膜厚が薄いテーパ部２８の先端は、カットオフ（遮断
周波数）条件を満たしている。

【００３６】そして、光導波路１６を伝搬してきた光が
テーパ部２８において徐々にカットオフ（遮断周波数）
に近づき導波条件が弱くなり、そのため光導波路１６か
らの波動の浸み出しが多くなる。その結果、フォトトラ
ンジスタＴｒへ結合する伝搬光が増加し、発光ダイオー
ドＤとフォトトランジスタＴｒとを効率よく結合させる
ことができる。

【００３７】このように本実施の形態においては、下記
の特徴を有している。 （イ）フォトトランジスタＴｒの受光部上の光導波路１
６を、厚さが光伝搬方向に対し徐々に薄くなるテーパ部
２８としたので、伝搬光がテーパ部２８においてカット
オフ（遮断周波数）に近づき導波条件が弱くなるため光
導波路１６からの波動の浸み出しが多くなりフォトトラ
ンジスタＴｒへの伝搬光を増加させることができる。

【００３８】尚、本実施形態の応用例として、テーパ部
２８の上面に光反射膜を形成してもよい。 （第４の実施の形態）次に、この発明の第４の実施の形
態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００３９】図１２には、本実施形態のモノリシックフ
ォトカプラの断面図を示す。受光素子としてのフォトト
ランジスタを２つ備えており、２つのフォトトランジス
タＴｒ１，Ｔｒ２は光導波路１６の延設方向（光伝搬方
向）に直列に配置されている。フォトトランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２はその出力を均等にすべく光引き込み層（Ｇ
ａＡｓ層）１８ａ，１８ｂの厚さｔ１，ｔ２が上流側の
フォトトランジスタＴｒ１に比べ下流側のフォトトラン
ジスタＴｒ２の方が薄くなっている（ｔ１＜ｔ２）。

【００４０】そして、発光ダイオードＤの発する光は光
導波路１６を通してフォトトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２
に向かって伝搬していきフォトトランジスタＴｒ１，Ｔ
ｒ２にて受光される。この光伝搬に際し、伝搬光がフォ
トトランジスタＴｒ１での受光部に設けられた光引き込
み層１８ａにおいて光導波路１６よりも高屈折率の光引
き込み層１８ａに引き込まれ、又、フォトトランジスタ
Ｔｒ２での受光部に設けられた光引き込み層１８ｂにお
いて光導波路１６よりも高屈折率の光引き込み層１８ｂ
に引き込まれる。このとき、ｔ１＜ｔ２なので、フォト
トランジスタＴｒ１とフォトトランジスタＴｒ２での受
光量は等しくトランジスタ出力が均等になる。

【００４１】本実施形態の応用例として、図１２におけ
る光引き込み層１８ａ，１８ｂの代わりに、図１０に示
した光引き込み層２６を配置してもよい。このとき、フ
ォトトランジスタＴｒ１に対応する光引き込み層２６と
フォトトランジスタＴｒ２に対応する光引き込み層２６
とは、光学特性の異なる凹凸２７を設け、受光量を等し
くしてトランジスタ出力の均等化を図る。

【００４２】あるいは、図１２における光引き込み層１
８ａ，１８ｂの代わりに、図１１に示したテーパ部２８
を設けてもよい。このとき、図１３に示すように、光導
波路１６において上流側のフォトトランジスタＴｒ１に
対してはテーパ角θ１とし、下流側のフォトトランジス
タＴｒ２に対してはテーパ角θ２（＞θ１）として、受
光量を等しくしてトランジスタ出力の均等化を図る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態におけるモノリシックフォト
カプラの断面図。

【図２】伝搬距離Ｌに対する伝搬光強度の測定結果を示
す図。

【図３】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図４】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図５】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図６】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図７】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図８】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図９】モノリシックフォトカプラの製造工程を示す断
面図。

【図１０】第２の実施の形態におけるモノリシックフォ
トカプラの断面図。

【図１１】第３の実施の形態におけるモノリシックフォ
トカプラの断面図。

【図１２】第４の実施の形態におけるモノリシックフォ
トカプラの断面図。

【図１３】第４の実施の形態の応用例におけるモノリシ
ックフォトカプラの断面図。

【符号の説明】

１…基板を構成するシリコン基板、３…基板を構成する
多結晶シリコン層、１６…光導波路、１８…光引き込み
層、２６…光引き込み層、２７…凹凸、２８…テーパ
部、Ｄ…発光素子としての発光ダイオード、Ｔｒ…受光
素子としてのフォトトランジスタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に形成された発光素子と、 同じく前記基板に形成された受光素子と、 前記基板上において前記発光素子と受光素子とを結ぶよ
   うに延設され、発光素子と受光素子とを光学的に結合す
   る光導波路とを備えたモノリシックフォトカプラであっ
   て、 前記受光素子での受光部と前記光導波路との間に、光導
   波路よりも高屈折率の材料よりなる光引き込み層を設け
   たことを特徴とするモノリシックフォトカプラ。
2. 【請求項２】 前記光引き込み層は、発光素子と同一材
   料よりなる請求項１に記載のモノリシックフォトカプ
   ラ。
3. 【請求項３】 基板に形成された発光素子と、 同じく前記基板に形成された受光素子と、 前記基板上において前記発光素子と受光素子とを結ぶよ
   うに延設され、発光素子と受光素子とを光学的に結合す
   る光導波路とを備えたモノリシックフォトカプラであっ
   て、 前記受光素子での受光部と前記光導波路との間に、表面
   に凹凸を有する光引き込み層を設けたことを特徴とする
   モノリシックフォトカプラ。
4. 【請求項４】 前記光引き込み層の凹凸は、前記光導波
   路のクラッド層の一部を食刻することにより形成したも
   のである請求項３に記載のモノリシックフォトカプラ。
5. 【請求項５】 前記光引き込み層の凹凸は回折格子であ
   る請求項３に記載のモノリシックフォトカプラ。
6. 【請求項６】 基板に形成された発光素子と、 同じく前記基板に形成された受光素子と、 前記基板上において前記発光素子と受光素子とを結ぶよ
   うに延設され、発光素子と受光素子とを光学的に結合す
   る光導波路とを備えたモノリシックフォトカプラであっ
   て、 前記受光素子の受光部上の前記光導波路を、厚さが光伝
   搬方向に対し徐々に薄くなるテーパ部としたことを特徴
   とするモノリシックフォトカプラ。