JPS6144464A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、特にフォトカブラの１部品として、例えば
１つの外囲器内に発光素子と相対して組込み、ソリッド
ステートリレー等に使用される光半導体装置（光駆動双
方向サイリスタ）に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 例えば、上記のようにして使用される光半導体装置（以
下、光トライアックと言う）には、横（ラテラル）型と
縦（バーチカル）型の２種類があり、一般的な光トライ
アックとしては第３凶に示したような、光に反応すると
光トライアックに対して横方向に光電流が流れるような
、横型光トライアツクとして使用されている。

この横型の光トライアックは、半導体ｎ形基板（ｎｌ）
１０の表面にシリコン酸化膜を成長させ、写真蝕刻法お
よび化学腐蝕によってｍｔＭに対応する部分を開口した
、ρ形不純物拡散層形成用パターン孔１１を形成する。

このパターン孔１１の開口部分へｐ形不純物となる、例
えばボロンく８〉等を熱拡散させｐ形不純物拡散層１２
および１３を形成する。

そして、上記ｐ形不純物拡散層１２および１３の一部へ
ｎ形不純物となる、例えばリン＜ｐ＞あるいはアンチモ
ン（ｓｂ）等を熱拡散させて、ｎ形不純物拡散層１４δ
よび１５を形成する。

さらに、上記ｐ形不純物拡散層１２およびｎ形不純物拡
散ＷＪ１４と、ｐ形不純物拡散層１３およびｎ形不純物
拡散層１５をそれぞれ覆うように、アルミニウム〈Ａ１
〉を蒸着させてＡｌｌ極１６および１７を形成するもの
である。

上記のように構成される、横型の光トライアックの光電
流が通過する各層の接合部分は、接合部分の側面であり
接合面積の小さい部分である。したがって、光′ＩＳ流
の接合面積に対する電流密度が高くなり、これに伴って
順降下電圧の増加を引き起こしている。

すなわち、横型に構成される光トライフックは低電流を
駆動することはできるが、順降下電圧が高くなりすぎて
中電流（１Ａ）以上で駆動することができないものであ
った。

また、光トライフックは接合部分の温度の上昇および順
電圧上昇率の増加によって起こる順阻止電圧の低下を防
止するために、エミッタ短絡（ショーティラドエミッタ
）構造として構成されている。

しかし、縦型に形成される従来の光トライアックは、裏
面側のｎ形カソード（エミッタ＞ｍが、これに隣接する
ｐ形ゲート層に全体的に埋め込まれた形となっていて、
この両層間のｐｎ接合の全周が全面的に裏面電極に接し
ていた。

そのため、このエミッタ短絡構造は、半導体基板の主表
面側から裏面方向に向けて正の電圧を印加したときの、
■方向の光トリガ感度およびゲートトリガ感度を低下さ
せる原因となっている。この■方向の光トリガ感度およ
びゲートトリガ感度の低下は、ゲート信号に光を用いる
光トライアックにとっては重要な問題である。

通常、上記欠点を補うためにｐ形不純物拡散層のシート
抵抗（面積瓜抗率）を高くするように構成されているが
、光電流がシート抵抗を有効に通過しないために、■方
向の上記トリが感度はその逆の■方向に比べ低下してい
る。

そのため、縦型に構成される光トライアックにおいても
、■方向のトリが感度が低く過ぎて光によってトリガ信
号を発生させることが困難であったため、この光トライ
アックを駆動させることができなかった。

［発明の目的］ この発明は、上記のような点に鑑みなされたもので■方
向のトリガ感度を向上させ、中電流（１Ａ）以上で駆動
することができフォトカブラとして効果的に利用し、例
えばソリッドステートリレー等が効果的に構成できるよ
うにする、光半導体装置を提供しようとするものである
。

［発明の概要］ すなわち、この発明に係わる光半導体８１（すなわち縦
型光トライアック）にあっては、光キャリア発生領域で
ある第１ｓＮ形の第３半導体領域を囲むように、半導体
基板の裏面側から主表面側に至る外周部まで第２導電形
の第２半導体領域を形成し、ざらに第２半導体領域の裏
面側の一部を除いて、その外部を第１導電形の第１半導
体領域で包み囲むように形成したｐｎ接合の一端を半導
体基板の裏面側に、他端を上記基板の主表面側にそれぞ
れ終端させ、そして半導体基板の裏面側−面に第１電極
を形成するものである。

また、上２　′ｉ９３半導体領域の主表面側には、一部
分に第１導電形の第５半導体領域が形成されている第２
導電形の第４半導体領域が埋め込まれるように形成され
、接合の両端は上記基板の主表面側に終端している。

さらに、上記基板の主表面側の各領域の接合の端部には
絶縁層が形成され、その各端部は上記絶縁層によって保
護され、そして上記第４および第５半導体領域を共に覆
うように第２の電極が形成されており、光電流が光トラ
イアックに対して縦方向に流れるように構成されている
。

すなわち、光電流は光トライアックのｐ層とｎ層との結
合の広い部分を流れるようにすることで、電流密度およ
び順降下電圧の上昇を防止すると共に、上記ｐ層および
ｎ層をｐｎ接合するように形成し、ｐ層のシート抵抗を
有効に通過させるようにし、■方向の光トリガ感度およ
びゲートトリガ感度を向上させ、直接光によって中電流
（１Ａ）以上で駆動することを可能にしようとするもの
である。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図は、この発明に係わる光半導体装置（縦型光トラ
イアック）の断面構造を示すもので、以下第２図（ａ）
乃至同図（ｅ）に沿ってその構造を製造方法に従って説
明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、第１導電形＜ｎ＞で
構成される半導体基板（ｒｌｌ）２０の主表面側および
裏面側全体に酸化膜を形成させる。そして、写真蝕刻法
および化学１！蝕によって第２尋電形＜ｐ＞によるｐ形
アイソレーションｌ１１４！を形成する部分を剥離して
、ｐ形アイソレーション領域形成用パターン２１および
２２を形成する。そして、このパターン２１および２２
それぞれの剥離部分にｐ形不純物となる例えばボロン＜
Ｓ＞等を熱拡散させて、ｐ形アイソレーション領域＜１
）１’＞２３を形成する。

次に、同図（ｂ）で示すように、さらにｎ形アイソレー
ション領域を形成する部分を剥離した、ｎ形アイソレー
ション領域形成用パターン２４ｔ３よび２５を形成し、
このパターン２４および２５上からｎ形不純物となる例
えばリン＜ｐ＞あるいはアンチモン＜ｓｂ＞等を熱拡散
させて、ｎ形アイソレーション領域（ｎ２’）２６を形
成する。

また、上記ｐ形アイソレーション領域＜ｐｔ’＞２３お
よび上記ｎ形アイソレーション領域＜ｎ２’＞２６の間
には、ｐｎ接合２７が形成され、この接合２７の一端部
は上記半導体基板の主表面側に終端するように形成され
ている。

次に、同図（Ｃ）に示すように、上記半導体基板（ｎｌ
）２０の表裏面部にｐ形不純物拡散層形成用パターン２
８および２９を形成して、ｐ形不純物となる例えばボロ
ン＜Ｂ＞等を熱拡散させ、裏側および表側にそれぞれｐ
形不純物拡散層＜ｌ）ｉ＞３０および＜１）２＞３１を
それぞれ形成する。

さらに、同図（ｄ）に示すように再び酸化膜を形成し、
上記ｐ形不純物拡散層＜ｐｘ＞３０および＜ｐｔ＞３１
の一部に、ｎ形不純物拡散層形成用パターン３２および
３３を形成し、エミツタ層となるｎ層を例えば不純物リ
ン＜ｐ＞あるいはヒ素＜　Ａ　ｓ、＞等を拡散により＜
ｐｌ＞１ｌｉ３０側をくｎ２〉層３４、くｐｔ〉層３１
側に＜ｎｌ＞１ｉＩ３５を形成する。

半導体基板＜ｎｌ）２０の裏面側に形成される、第１半
導体領域となるｎ形不純物拡散層くｎ２〉層３４は、上
記ｐ形不純物拡散層＜ｌ）１＞３０の電極部分を除いて
、上記ｎ層で覆うように形成されている。

そして、上記ｎ形不純物拡散層（ｎ２）３４と上記半導
体基板（ｎｌ）２０との間に形成されるｐ形不純物拡散
層＜ｐｔ＞３０内にはシート抵抗くＲ１〉３６が設定さ
れ、また上記ｎ形不純物拡散層くｎｌ〉３５と上記半導
体基板（ｎｌ）２０との間に形成されるｐ形不純物拡散
層＜１）２＞３１内には、シート抵抗（Ｒ２＞３７が設
定されるものである。

次に表側に電極を取るために、同図（ｅ）に示すように
、再び成長させた半導体基板主表面の酸化膜の不必要な
部分を蝕刻法および化学腐蝕によって取り除き、上記基
板の主表面に対して真空中でアルミニウム〈Ａ１〉膜を
蒸着させ、〈ｐｔ〉層３１およびくｎｌ〉層３５を共に
覆うように接読された、アルミニウム＜Ａｎｔ極３８を
形成する。

また、裏側の電極を形成するために、前述の図の裏面側
の醇化膜を蝕刻法および化学腐蝕してすべて取り除いた
後、例えばニッケル＜Ｎ＋＞、ニッケルークロム合金＜
Ｎ１−Ｃ’ｒ＞あるいは金＜Ａｕ　＞等の金瓜を真空中
で上記半導体基板の裏−面に蒸着させ、＜Ｄｘ＞ＩＥ！
３０およびくｎ２〉層３４を共に覆ように接続した、裏
面電極３９を形成するものである。

そして、カッティングライン４０に沿ってダイシングを
お行ない、第１図に示した一つの縦型光トライアックを
製造するものである。

すなわち、第１導電形＜ｎ＞の半導体基板（ｎｌ）２０
の裏面部分に対応して、第１電極３９が形成され、この
電ｔｉ３９の一部分に接触する状態で且つこの電極３９
の内周部から上記基板＜ｎｉ＞２０主表面に至る状態で
、第１導電形の第１半導体領域（ｎ形アイソレーション
領域２６およびｎ形不純物拡散層３４）が形成される。

また、上記第１電極３９の他の部分に接触する状態で上
記第１半導体領域の内側で上記主表面まで延びるように
第２導電形の第２半導体領域（ｐ形アイソレーション領
戚２３およびｐ形不純物拡ｒｌ１位３０）が形成される
もので、上記第１および第２半導体領域の間にｐｎ接合
２７が形成されるようにするもので、上記第２半導体領
域の内部に第１導電形の上記基板＜ｎｔ　＞２０による
第３半導体領域が設定されるものである。

そして、この第３半導体領域の内部に、その主表面側に
位置して第２導電形の第４半導体領域（ｐ形不純物拡散
層３１）が設定され、この第４半導体領域の内部に第１
導電形の第５半導体領域（ｎ形不純物拡散１１ｇ１３５
）が形成されるようになるものである。

ここで、裏面電極３９を主表面側の電極３８に対して正
電位となるように、電圧を印加させて動作（工方向動作
）させる場合は、＜ｎｌ　＞　−＜ｐ２　＞−＜ｎｌ＞
　−＜ｐｘ　＞の４層による光サイリスタ動作を行うも
ので、＜１）２＞１１３１がゲート領域。

くｎｌ〉層３５がカソード領域、＜ｐｔ＞層３０がアノ
ード領域としてそれぞれ働くものである。

また、主表面側の電極３８を裏面電極３９に対して正電
位となるように、電圧を印加させて動作（■方向動作）
させる場合は、＜ｎ２　＞　−＜Ｄｓ　＞　−＜ｎｘ　
＞　−＜ｐ２　＞の４層による光サイリスタ動作を行う
もので、＜　ｎ２＞　層３４．　　＜　ｐｓ　＞　１１
３０およびくｐ２〉層３１はそれぞれカソード、ゲート
、および７ノード領域として、それぞれ動くものである
。

そして、上記■方向動作における４層のサイリスタ構造
でみると、その第１導電形の第１半導体領域であるカソ
ード領域は、裏面電極３９に平行な部分＜ｎ２＞１１３
４とこれに続いて主表面側に延びる＜ｎ２’＞層２６と
で構成され、第２導電形の第２半導体領域であるゲート
領域は＜Ｄｔ＞層３０と、これに続いて主表面側に延び
る＜Ｄ＋’＞層２３とで溝底されている。

したがって、カソード領域とゲート領域との間のｐｎ接
合２７の一端は裏面電極３９に終端し、そのｐｎ接合２
７の他端は接合２７を通じて半導体基板の主表面、すな
わち絶縁層４１に終端するように形成されている。

以下、上記方法により製造された光半導体装置（すなわ
ち縦型光トライアック）の動作原理について簡単に説明
する。

この光トライアックの工方向動作では、例えば第２導電
形の第２半導体領域の一部となるｐ形不純物拡散層〈ｐ
工＞３０および第１導電形の第１半導体領域の一部とな
るｎ形不純物拡散層くｎ２〉３４側をＴ１とし、裏面電
極３９を通じてプラス電圧を加え、第２導電形の第４半
導体領域となるｐ形不純物拡散層＜Ｄ２＞３１および第
１導電形の第５半導体領域となるｎ形不純物拡散層（ｎ
ｌ）３５側をＴ２としてアルミニウム膜で形成される電
極３８を接地する。

この時、光トライアック表面に光を照射すると、第１導
電形の第３半導体領域となる半導体基板＜ｒＮ＞２０に
励起されたキャリアが、電圧によって上記第４半導体領
域となるｐ形不純物拡散層＜＋）２＞３１側へ流れる。

このキャリアによる光電流が第１図に破線矢印４２で示
すように、上記第４半導体ｉａ域であるｐ形不純物拡散
層＜ｐ２＞３１内のカソード＜ｎｇ＞３５層下のシート
抵抗くＲ２〉３７を通り、アルミニウム〈Ａ１〉第２電
極３８から接地側（Ｔ２）へ流れる。

この場合の光電流では、この光トライアックを駆動する
ことはできないが、この第１導電形の第５半導体領域と
なるｎ形不純物拡散層（ｎ３）３５のカソード（エミッ
タ）層下のシート抵抗くＲ２〉３７を流れる光電流とシ
ート抵抗＜Ｒ２＞３７との関係が、 （シート抵抗）× （ｎ３１１下を通過する光電流） ≧（１）２　・ｎヨ接合の順電圧） となるとき、つまり　Ｒ２ＸＩｐ≧■ｐ　となれば、上
記〈ｎ３〉層３５から〈ｐｌ〉層３１への電子の注入が
生じてトリガし、■方向の光トライアックは駆動するも
のである。

同様にして、今度はＴ２側の電極３８にプラス電圧を加
え、Ｔ１側の裏面電極３９側を接地する。この■方向で
の光トライアックの動作は、照射された光に反応して上
記第３半導体領域となる半導体基板（ｎｌ）２０にキャ
リアが励起される。このキャリアが光電流を生じさせ、
この光電流は第１図中破線矢印４３で示すように、第２
半導体領域となるｐ形不純物拡散層＜ｌ）ｔ＞３０内の
第１半導体領域であるカソード層（ｎ２）３４に対向す
る位置のシート抵抗＜Ｒ１＞３６を通り、裏面第１電極
３９側へと流れる。

この時の光電流では、光トライアックを駆動するにはい
たらないが、上記第１半導体領域となるｎ形不純物拡散
層（ｎ２）３４のカソード層上を通過する光電流が、シ
ート抵抗＜Ｒｒ＞３６へ流れ込み、光電流とシート抵抗
＜Ｒ１＞３６との関係が、（シート抵抗）× （ｎ２層上を通過する光電流） ≧（＋”Ｎ　・ｐ１接合の順電圧） となるとき、つまり　ＲｔＸＩｌ）≧Ｖｐ　　となれば
上記くｎ２〉層３４から〈ｐｌ〉層３０への電子の注入
が生じてトリガし、■方向の光トライアックは駆動する
ことができるものである。

この場合、ｐｎ接合２７が半導体基板の主表面側に終端
するように形成されているために、上記第３半導体領域
（ｎｌ）２０内で発生した光電流（キャリア）は、ｐｎ
接合２７によって遮られているために、基板周辺を通じ
裏面第１電極３９側へ向がう成分がなく、必ずシート抵
抗＜Ｒ１＞３６を通じて＜Ｄｓ＞層３０と裏面第１電極
３９との接触部へ向かって流れるので、確実に　Ｒｌｘ
（ｐ≧Ｖｐ　　の関係をもって光トリガが行われ、高い
ゲート感度が得られるものである。

また、上記ｐｎ接合２７の終端は絶縁層４１により保護
されているので、電気的特性が安定する。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、■方向の光トリガ感度
およびゲートトリガ感度を向上させることが可能となる
。それによって、直接光で中電流（１Ａ）以上で駆動す
ることのできる縦型光トライアックが提供できるもので
ある。

また、高電流までもが直接光によって駆動できるので、
従来高電流を駆動させるために用いられた附属回路が不
要になるため小型化が可能となり、ＦｉＪ属回路に有し
たコストが必要なくなるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明する光半導体装置（
縦型光トライアック）の断面図、第２図（ａ）乃至同図
（ｅ）はその構造を製造方法にしたがって説明する断面
図、第３図は従来の横型光トライアックの断面図モ４≠
−Ｂ＝ｌｔ＝Ｉ斜−扛叱曇奔幽う署崎−弓−月Ｈシ＆で
ある。 ２０・・・半導体基板、２３・・・ｐ形アイソレーショ
ン領域、２６・・・ｎ形アイソレーション領域、２７・
・・ｐｎ接合、３０．３１・・・ｐ形不純物拡散層、３
４．３５・・・ｎ形不純物拡散層、３６．３７・・・シ
ート抵抗、３８．３９・・・′Ｉ！ｉ橿、４１・・・絶
縁層。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 （ｃ） Ｊ （ｄ）　　”

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　半導体基板の裏面部分に形成された第１電極と、この
   第１電極の一部分に接触し第１電極と平行となるように
   形成された層状部分が第１電極外周部側から半導体基板
   の主表面側にまで形成された第１導電形の第１半導体領
   域と、上記電極の他の一部分に接触するように上記第１
   半導体領域の内側に形成され上記第１半導体領域との間
   に形成されるｐｎ接合がその一端を第１電極側に終端し
   他端を半導体基板の主表面側に終端させるように設定さ
   れた第２導電形の第２半導体領域と、この第２半導体領
   域の内側に半導体基板の中心となる光キャリア発生領域
   として形成される第１導電形の第３半導体領域と、上記
   第３半導体領域内に両端を半導体基板の主表面側に終端
   するように形成された第２導電形の第４半導体領域と、
   この第４半導体領域内に埋め込まれるように形成された
   第１導電形の第５半導体領域と、上記第４および第５半
   導体領域を共に覆うように半導体基板の主表面部に形成
   される第２の電極とを備え、半導体基板内に形成される
   上記ｐｎ接合の主表面側端部は絶縁層で保護されるよう
   にしたことを特徴とする光半導体装置。