JPS584470B2 - ヒカリケツゴウハンドウタイソウチ オヨビ ソノセイホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体発光素子と半導体受光素子とを光学的
に結合して成る光結合半導体装置及びその製法に関する
。

最近、新しい固体素子として、半導体発光素子と半導体
受光素子と光学的に且つ一体的に結合した光結合半導体
装置（以下、フオトカプラと略称する。

）が注目されており、固体リレーや伝送線のアイソレー
ションなどに広く使用されるに至っている。

特に、フオトカプラを同一基板上に複数個並設したフォ
トカプラアレイやフオトカプラと集積回路とを組合せた
回路装置などに論理回略又は通話回略に極めて有用であ
ると考えられている。

このフオトカプラを製造するに当っては、次の諸点を考
慮することが重要である。

（１）発光素子と受光素子との距離を１００μｍ程度以
上離して両者間の絶縁耐圧を大きくし、また両者間の静
電容量を小さくして静電結合による誤動作を防ぐこと。

（２）発光素子から放射される光を集光して受光素子の
受光部を集中的に照射し、それによって迷光による誤動
作を防止し、且つ発光素子−受光素子間の光伝達効率を
高めること。

これらの点を満足するフオトカプラは現在のところ存在
していない。

公知のフオトカプラは、例えば発光素子と受光素子とを
それぞれの発光面及び受光面が存在する面を相対向して
配置し、両面間に透光性の樹脂或いはガラスを介在させ
た構造となっている。

この構造のフオトガプラは、発光素子と受光素子との対
向している面間全体に樹脂或いはガラスが介在している
ため、発光素子からの光が受光素子の光感度の高い受光
面だけでなく、発光素子に対向している面全体に照射さ
れることになり、結局受光面に照射される光量が少なく
なり、光結合対率が低いという欠点がある。

この欠点を除去するためには、発光素子と受光素子と受
光素子との対向面間に樹脂或いはガラスを介在させる場
合に金型を使用して、樹脂或いはガラスと受光素子との
接着面を所望の個所に限定することが考えられる。

ところが、例えばフォトカプラアレイやフオトカプラ付
集積回路を製作するに当っては、集積密度を高くする必
要上から受光素子の受光面の大きさは１００μｍ×１０
０μｍ程度と極めて小さく制限される。

このような場合に金型を使用すると、発光素子，金型，
受光素子の三者の位置合せを精度よく行うことは極めて
困難であり、これがフォトカプラの量産歩留りを悪くす
る最大の原因になる。

本発明は、上述した従来技術の欠点を克服し、高安定且
つ高信頼の光結合半導体装置を提供し、併せて該半導体
装置を歩留りよく量産的に製造する方法を提供すること
を目的とするものである。

この目的を達成するため、本発明の特徴とするところは
、半導体受光素子の受光領域をおおう透光性ガラスなど
からなる保護被膜被膜が形成され、この保護被勝には光
ガイド用絶縁層の一部又は全部を構成するためのガラス
塊なとの透光性絶縁物がぬれ付着された点にある。

以下、実施例について本発明を詳述する。

第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施例によるフォト
カプラの製造工程を示すものである。

これについて説明すると、まず、第１図ａに示すように
、シリコン基板の表面の一部分に拡散法などにより形成
されたＰＮ接合を含む受光領域２をそなえた受光素子１
を用意し、この素子表面に、同図ｂに示すように、ガラ
ス膜５を形成する。

このガラス膜５は、基板表面の酸化、ＣＶＤ法、塗布等
公知の方法によって形成する。

次に、このガラス膜５を、同図Ｃに示すようにフォトエ
ッチングにより部分的に除去し、受光領域をおおうよう
にガラス膜５を残す。

ひきつづいて、同図旧こ示すように、残存ガラス膜５上
にガラス塊６を載置し、ガラス塊の溶融温度（ガラス塊
に用いたガラスの作業温度程度）に加熱する。

ガラス塊６は、同図ｅに示すようにとけてガラス膜５に
ぬれ付着する。

この場合、ガラス塊６は、ガラス膜以外の素子表面部分
がガラスにぬれにくいことと、溶融ガラスに表面張力が
作用することとにより、同図ｅに示す如く断面半円状に
ガラス膜５にだけ被着される。

この後は、溶融ガラスを冷却により固化させる。

最後に、同図ｆに示すように、受光領域２に固定された
ガラス塊６が下になるようにして、半導体発光素子４に
重ね、且つ適当な透光性絶縁物からなる絶縁層３を図示
の如く形成し、ガラス塊６と発光素子４との間を光学的
蚤こ結合する。

上記のような製法になると、ガラス膜５の加工にはフォ
トエッチングなどの技術を用いることができるため、加
工精度良く受光領域表面をガラス被覆することができる
。

また、同一素子基板又はウエハ内の多数の受光領域に同
時にガラス被膜を被着しうるため量産性も高い。

なお、受光領域の面積が大きい場合には、ガラス被膜の
形成は、ガラスペーストを印刷した後焼付ける方法によ
っても行うことができる。

一方、ガラス塊６は加熱により溶融して自然にガラス被
膜５上を流れるため、ガラス塊はガラス被膜上にさえあ
れば、どの位置においても加熱溶融によって自然にガラ
ス被膜の表面と接着し、ガラス被膜の形とガラス塊の大
きさとで走るほぼ一定の形をとる。

従って、受光領域２とガラス塊６との位置合せにはあま
り精度は必要でない。

また、ガラス塊６と透光性絶縁層３との位置合せにもあ
まり精度は必要でなく、発光素子４を被覆した絶縁層３
とガラス塊６とが接してさえいれば、発光素子４から出
た光は透光性絶縁層３とガラス塊６とで形成される光ガ
イド内を通って受光領域２に達する。

このように、本発明による製法においては、発光素子−
受光素子間の光ガイド形成時の厳密な位置合せが要求さ
れないため、光ガイドの形成が容易で、量産性が高く且
つ歩留りが良い。

また、受光領域と光ガイドとの光学的結合状態が極めて
良好なため、発光素子−受光素子間の光の伝達効率は高
く、光ガイド取付位置の不備による誤動作のおそれもな
い。

また、受光素子表面の受光領域上にガラス被膜を形成す
る方法としては、化学気相沈着（ケミカルペーパーデポ
ジション）法、スパッタリング法、塗布法、印刷法など
を利用しうる。

場合によっては、素子表面上に熱酸化の方法によりシリ
コン酸化物層を形成し、これを、被着ガラスに代え、又
は被着ガラスとともに保護被膜として用いることができ
る。

ガラス被膜などから構成される保護被膜の厚さは、受光
素子との熱膨腸係数の差によって割れを生じない程度で
あれば任意に定めることができる。

ガラス塊を溶融したときにガラスが受光領域外に流れ出
すのを防ぐためには、そのガラスにぬれる保護被膜は、
受光領域上にのみ形成するのが望ましく、該保護被膜を
素子表面に全面的に形成する場合には受光領域上のみ他
の部分より厚くして段差を形成するのが望ましい。

この段差の大きさは、溶融時のガラスの粘度に関係する
が、通常の溶融条件（ガラス粘度１０４Ｐｏｉｓｅｓ程
度）では１μｍあればよい。

また、保護被膜上にのせるガラス塊としては、フォトカ
プラ使用時に固体状になるものであれば、保護被膜にの
せる際には固体状でも液状でも更にはガラス粉末のペー
スト状でも使用できる。

さらに、ガラス塊の大きさや形状も、溶融して光ガイド
を作るのに適当であればよく、特に決った形のもの例え
ば球形のものを用いることは必ずしも必要でない。

なお、ガラス塊としてガラス粉末を使用する場合には、
溶融時にガラス中に気泡が残り易く、該気泡により光が
散乱されて光の伝達効率が低下するため、ガラス中に気
泡を残さないようにする必要がある。

そのために溶融温度をガラスの作業点より３００℃位高
くすると、ガラスの粘度が低下して（約１０２Ｐｏｉｓ
ｅｓ）、ガラスが受光領域外へ流れやすくすることを留
意する必要がある。

ガラス塊６を発光素子４へ接続する透光性絶縁層３の材
料としては、ガラス、シリコンゴム、エポキシ樹脂など
を用いることができる。

本発明のフォトカプラにおいて、ガラス塊の熱膨張係数
と受光素子のそれと一致させ、透光性絶縁吻としてガラ
スより弾力性のある有機樹脂を用いれば、発光素子との
熱膨張係数の違いに基づく熱サイクル時の熱ストレスが
有機樹脂に吸収され熱応力が緩和されるので好都合であ
る。

また本発明によるフォトカプラは、受光領域表面がガラ
ス被膜などの保護被膜でほぼ完全に不活性化されており
、且つ光ガイド用絶縁層が直接的ではなく該保護被膜を
介して受光領域に光学的に結合される構成となっている
ため、特性が安定で劣化が少なく、熱的ストレスにも強
いなどの優れた効果を奏する。

次に、本発明の具体的適用例をいくつか述べる。

〔例 １〕 表面の一部分にプレーナ型フオトトランジスタからなる
受光領域（面積０．１５×０．１５ｍｍ２）を形成した
シリコンウエハを、Ｎ２ガスで希釈したＳｉＨ４ガス及
び０２ガスの雰囲気中で約４３０℃に加熱して、ウエハ
表面に、約１μｍの厚さにＳｉＯ２膜を熱生成させる。

次に、フォトエッチング技術により受光領域表面以外の
部分のＳｉＯ２膜を除去し、残存ＳｉＯ２膜上に第１図
ｄについて説明したように直径０．１５ｍｍのガラス球
（イノテツク製ガラスＩＰ−７５０）を乗せ、７３０℃
に加熱してガラス球を溶融する。

溶融したガラスはＳｉＯ２膜上を流れてＳｉＯ２膜の全
面に接着し、ＳｉＯ２膜上に凸状のガラス塊となる。

次に、シリコンウエハを、受光領域を含む０．６×０．
６ｍｍ２の大きさのチツプに切断し、断面形状で第１図
ｅに示すような構造の受光素子を得る。

第２図に示すように、上記手順で形成された受光素子１
の裏面を、表面が金メッキされたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
製のステム７ａの該表面に固着し、素子表面の電極を金
からなる接続線８ａを介してワイヤボンデイング法によ
りステムリードに接続する。

一方、０．４ｍｍ角のシリコンドープＧａ−Ａｓ発光ダ
イオードからなる発光素子４を発光面を上に向けてステ
ム７ｂにＡｕ−Ｇｅ合金半田を用いて固着し、発光面側
の電極を金からなる接続線８ｂによりステム７ｂのリー
ドに第２図の如く接続する。

さらに、第２図に示すように、発光素子４を有するステ
ム７ｂと受光素子１を有するステム７ａとを向い合せて
配置し、発光素子との間にエポキシ樹脂を充填して熱硬
化させ光ガイド用絶縁層３を形成する。

この場合、発光素子４とガラス塊６との間のエポキシ樹
脂は、その表面張力、接着力および重力の影響でガラス
塊６から発光面にたれ下った形になり、発光素子の放射
光を集光してガラス塊６及び受光領域２へ伝達するのに
適した形になる。

以上のように、本例の方法で必要とされる位置合せ工程
は、（ａ）ガラス塊をガラス塊（ＳｉＯ２膜）にのせる
工程と、（ｂ）受光素子を発光素子に向い合せて設置す
る工程との２つであるが、そのいずれの工程にもあまり
高い位置合せ精度は必要でなく、しかも、光伝達効率が
高い光ガイドを作ることができる。

〔例 ２〕 第３図ａに示すように、前記例１と同様な方法で、受光
領域２上にガラス膜５及びガラス塊６が形成された受光
素子１を用意する。

なお、１６は素子面に環状に形成された電極層である。

他方、メタライズ層１０，１１を有するセラミック基板
９の表面上には、メタライズ層１３を介して半田層１４
が形成された環状セラミック部材１２を固着し且つ該部
材の中央孔により形成される凹所の底面のメタライズ層
１１上に前述した如き発光素子４を固着する。

そして、発光素子４の発光面側の電極を接続線１５によ
りメタライズ層１０に接続する。

しかる後、前記凹所内にシリコンゴム（例えばＧＥ製シ
リコンゴムＥＪＣ−２４５）を充填し、加熱により固化
して光ガイド用絶縁層３を形成する。

次に、第３図ｂに示すように、受光素子１をその電極層
１６が半田層１４に接触するようにセラミック基板９上
のセラミック部材１２に重ね合せて加熱して電極層１６
と半田層１４とを接着する。

これと同時に、シリコンゴムからなる絶縁層３にガラス
塊６を図示の如く結合させる，この場合、シリコンゴム
は、固化した状態でもかなりの弾性をもっているため、
ガラス塊６及びシリコンゴム製絶縁層３の高さを適当に
調整しておくだけで、受光素子１の基板９側への押付け
の際にガラス塊を絶縁層に密着して結合させることがで
き、光伝達効率が良好な光ガイドを形成することができ
る。

このような方法によると、セラミック基板への受光素子
の固定と、ガラス塊−絶縁層間の接着とを同時に行うこ
とができるため、基板へ受光素子を固定した後にガラス
塊と発光素子との間に透光性絶縁物を介挿させる方法に
比べてフォトカプラの組立が容易である。

また、シリコンゴムからなる絶縁層は、なだらかな凸状
になっているため、ガラス塊が該絶縁層の最頂部から若
干ずれて接着されることがあっても光の伝達効率はあま
り変わらない。

本方法により得られたフオトカプラの発光素子−受光素
子間の光伝達効率は約４０％であつた。

〔例 ３〕 第４図ａに示すように、１チップ内に２つの受光領域２
ａ，２ｂを有し、各領域（面積０２×０．２ｍｍ２）に
はそれぞれフオトサイリスタが形成されたシリコン受光
素子１において、前記例１と同様な方法で各領域をおお
うガラス膜５ａ，５ｂを形成し、各ガラス膜にガラス塊
６ａ，６ｂをそれぞれ固着する。

また、受光素子の電極層１６には半田層１７を付着させ
る。

他方、メタライズ層１０，１１ａ，１ｌｂを表面に有す
るセラミック基板９には、２つの孔及びメタライズ層１
３を有するセラミック部材１２を固着し、それらの孔に
対応して形成される各凹所内には、メタライズ層１１ａ
，１１ｂにそれぞれ接続されるように発光素子４ａ，４
ｂをそれぞれ設置する。

各発光素子の発光面側の電極を各接続線１５ａ，１５ｂ
によりメタライズ層１０に接続する。

この後、各凹所内には前記例２と同様にシリコンゴムを
充填し絶縁層３ａ，３ｂを形成する。

次に、第４図ｂに示すように、受光素子１をセラミック
基板９に重ね合せ、半田層１７をメタライズ層１３に、
またガラス塊６ａ，６ｂを絶縁層３ａ，３ｂにそれぞれ
密着させる。

この状態では、シリコンゴムとガラス塊とはよく接触し
、シリコンゴムは、その表面張力の影響のため、各発光
素子から放射光を集光して各ガラス塊に導くに好適な形
状になる。

最後に、加熱処理により、半田層及び各メタライズ層を
一旦溶融させ必要な電気接続を完了させるとともに絶縁
層３ａ，３ｂを固化させる。

この方法で得られたフオトカプラにおいては、各発光素
子から出る光はシリコンゴムとガラスからなる光ガイド
で効果的に集光されて対応する受光領域に効果的に照射
されるから、光の伝達効率が高く、また迷光による誤動
作もほとんど問題にならない。

また、受光素子として全面がＳｉＯ２熱酸化膜で被覆さ
れ、かつ受光領域表面のみ厚さ１μｍのＣＶＤ・ＳｉＯ
２膜で被覆された試料を用い、上記実施例と同様な方法
でフオトカプラを試作した。

この実施例では受光領域上のＳｉＯ２膜とその他の部分
とで段差があるため、フオトカプラの試作上問題は起ら
なかった。

〔例 ４〕 第５図ａに示すように、受光領域２ａ，２ｂにそれぞれ
フオトサイリスタを形成し且つ各受光領域表面上にＳｉ
Ｈ４，ＰＨ３，Ｏ２のガスを送ってリンガラス膜５ａ，
５ｂを形成して成るシリコン受光素子１をステム７に固
定し、各受光領域の電極を各接続線８ａ，８ｂによりそ
れぞれのステムリードに接続する。

一方、表面にメタライズ層１０，１１ａ，１１ｂが形成
されたセラミック基板９上には、２つの孔を有するセラ
ミック部材１２を載置し、各孔により画成される凹所内
にそれぞれ発光素子４ａ，４ｂをそれぞれメタライズ層
１１ａ，１１ｂに接触するように設置し、各発光素子の
発光面側の電極を接続線１５ａ，１５ｂによりメタライ
ズ層１０に接続する。

次に各凹所内にガラス粉末（例えば松下電器製のサーコ
ガラスＰ−１４０）を充填し、６００℃に加熱してガラ
スを溶融させる。

さらに、溶融ガラスの温度を５２０℃まで下げ、第５図
ｂに示すように、ステム７をセラミック基板上に重ね、
各ガラス膜５ａ，５ｂを溶融ガラス塊６ａ，６ｂに接触
させた後、温度を室温まで徐々に下げることにより、ガ
ラス塊６ａ，６ｂを固化させる。

この後、ステムとセラミック基板との間に赤外線に不透
明な樹脂１８、例えばシリコン樹脂（東洋レーヨン製の
トーレ・モールデイング・コンパウンドＳＨ３０Ｓ）を
充填し熱硬化させる。

このような製法によると、溶融したガラス塊は、ガラス
膜が被着された受光領域のみに有効にぬれ付着するため
、厳密に位置合せしなくても所望の光ガイドを形成する
ことができる。

また、発光素子と受光素子との間に形成される光ガイド
は、ガラス膜とガラス塊とが溶融中に混合させるためほ
ぼ均一な組成になる。

従って、異なる屈折率を有する物質間の界面で通常生ず
るような光の反射の影響が少なくなって、光伝達効率が
向上する。

また、光ガイドのまわりを下透明な樹脂で被覆したので
、迷光は完全に除去される。

この実施例において注意すべきことは、受光素子及び発
光素子を構成する半導体材料と光ガイドとの熱膨張係数
が異なるため、熱的ストレスによりいずれかの素子によ
り故障が生じ易いということである。

以上に詳述したところから明らかにされた通り、本発明
によれば、次のような優れた効果が得られる。

（１）受光領域がガラス膜などで保護されているため、
受光素子の特性が安定で、受光領域の表面劣化も少ない
。

（２）透光絶縁物の一部に有機樹脂を用いて光ガイドを
形成した場合には、熱的ストレスが緩和されるので、耐
熱性が向上される。

（３）受光領域と光ガイドとの位置合せが厳密な精度を
要することなく行えるので、組立歩留りが高く量産性も
良好である。

（４）受光領域と光ガイドとが光学的に十分密に結合さ
れるため、発光素子−受光素子間の光伝達効率が高くな
り、且つ述光による影響も軽減されるから、誤動作の発
生が防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｆは、本発明の一実施例によるフオトカプラ
の製法を示す断面図、第２図乃至第５図は、本発明の他
の実施例を示す断面図である。 １・・・受光素子、２・・・受光領域、３・・・光ガイ
ド用絶縁層、４・・・発光素子、５・・・ガラス膜、６
・・・ガラス塊。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体発光素子と、 半導体発光素子に対向して配置された表面の一部分に受
   光領域を有する半導体受光素子と、半導体受光素子の受
   光領域上に他より突出して形成されたＳｉＯ２を主成分
   とする透光性のガラス層と、 半導体発光素子と半導体受光素子との間に介在され、半
   導体発光素子から照射された光を受光領域に導き、少く
   とも受光領域側が透光性のガラス部分から構成され、こ
   のガラス部分の端部はガラス層の受光領域に対応する表
   面にぬれ付着してなる光ガイドと、を具備することを特
   徴とする光結合半導体装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、光ガイドの半導体
   発光素子側が透光性の樹脂部分から構成されていること
   を特徴とする光結合半導体装１３ 半導体受光素子の表
   面の一部分に存在する受光領域をおおう透光性のガラス
   層を他より突出するように形成する工程と、該ガラス層
   に流動状の透光性ガラスをぬれ付着させ且つ固化させて
   ガラス塊を形成する工程と、この固化したガラス塊と半
   導体発光素子とを透光性の絶縁物によって連結し、これ
   によって半導体発光素子と受光素子とを光学的に結合す
   る工程とを含むことを特徴とする光結合半導体装置の製
   法。 ４ 半導体受光素子の表面の一部分に形成された受光領
   域をおおう透光性ガラス層を形成する工程と、該ガラス
   層に流動状の透光性ガラスをぬれ付着させ且つ固化させ
   てガラス塊を形成する工程と、この固化したガラス塊と
   半導体発光素子とを所定間隔で対向配置した状態におい
   て両者間に流動状の透光性樹脂を充填し且つ固化させる
   ことにより該固化ガラス塊及び固化樹脂からなる光ガイ
   ドを形成して前記発光素子と受光素子との間を光学的に
   結合する工程とを含むことを特徴とする光結合半導体装
   置の製法。