JP2000269542A - Semiconductor device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a compact and thin photocoupler on an Si substrate capable of high-speed driving. SOLUTION: A light emitting element and a photodetector are formed monolithic on an Si substrate 10 in this semiconductor device. In this case, a photodetector in a pin structure in which a p-type impurity diffused layer 11 and an n-type impurity diffused layer 12 are formed adjacently, a transparent SiO2 insulating film formed on the photodetector region of the substrate, and a light emitting element in which a direct transiting GaAs microcrystal is interposed between a p-type AlGaAs layer and an n-type AlGaAs layer, which is formed on the insulating film 13 are arranged on the surface layer of the Si substrate 10.

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】本発明は、発光素子により電
気的信号を光に変えて、それを受光素子により再び電気
的信号に戻す半導体装置（フォトカプラ）に係わり、特
に発光素子と受光素子をモノリシックに形成した半導体
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device (photocoupler) for converting an electric signal into light by a light emitting element and returning it to an electric signal again by a light receiving element. The present invention relates to a monolithically formed semiconductor device.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来、弱電回路のサージ耐圧を持たせる
などのアイソレータとして、フォトカプラが広く用いら
れている。このフォトカプラの従来構造を、図１１に示
す。これは、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのｐｎ接合型発光
素子１１１とＳｉのｐｎ接合型（又はｐｉｎ接合型）受
光素子１１２を電極１１３，１１４の上にそれぞれマウ
ントし、発光素子１１１と受光素子１１２の問の耐圧を
持たせるために樹脂１１５を充填したものであり、実装
によって作製されている。従って、小型化及び薄型化に
は限界があり、さらにモノリシックにできないので単体
又は数個でしか使用できず、集積化は実質的に不可能で
ある。2. Description of the Related Art Conventionally, photocouplers have been widely used as isolators for providing a surge voltage of a weak electric circuit. FIG. 11 shows a conventional structure of this photocoupler. This is because a pn-junction type light emitting element 111 of GaAs or AlGaAs and a pn junction type (or pin junction type) light receiving element 112 of Si are mounted on the electrodes 113 and 114, respectively. It is filled with resin 115 so as to have a withstand voltage, and is manufactured by mounting. Therefore, there is a limit to miniaturization and thinning, and furthermore, since it cannot be made monolithic, it can be used alone or in a few pieces, and integration is practically impossible.

【０００３】これに対し、Ｓｉ基板上に多孔質（ポーラ
ス）Ｓｉを形成し、同じ基板上に発光素子と受光素子を
モノリシックに作ることで、素子を小型又は薄型にする
という技術が提案されている（特開平６−２２３６５６
号公報）。しかし、ポーラスＳｉはＳｉ単結晶から作る
ため、基本的に受光素子と発光素子の間の絶縁をＳｉの
酸化膜で行おうとすると、ＳＯＩ（Silicon On Insulat
or）基板等を用いる必要が出て来るため、コスト的に問
題がある。On the other hand, a technique has been proposed in which porous (porous) Si is formed on a Si substrate, and a light emitting element and a light receiving element are monolithically formed on the same substrate to make the element small or thin. (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 6-223656)
No.). However, since porous Si is formed from a single crystal of Si, basically, if insulation between a light receiving element and a light emitting element is to be performed by a silicon oxide film, SOI (Silicon On Insulat) is required.
or) Since it becomes necessary to use a substrate or the like, there is a problem in cost.

【０００４】それを改善するために、ポーラスＳｉの代
わりにナノメートルサイズの微結晶（ナノクリスタル）
Ｓｉを使った素子も提案されている（特開平９−２３４
２８４号公報）。１０ｎｍ以下の微結晶に電子と正孔を
閉じ込めることで（量子閉じ込め）、電子正孔再結合に
よる発光の効率が高まるのである。Ｓｉ微結晶は、ＣＶ
Ｄ法やアモルフアスＳｉを結晶化させることで作れるの
で、Ｓｉ単結晶の上以外でも容易に形成可能である。In order to improve this, nanometer-sized microcrystals (nanocrystals) are used instead of porous Si.
An element using Si has also been proposed (JP-A-9-234).
284). By confining electrons and holes in microcrystals of 10 nm or less (quantum confinement), the efficiency of light emission due to electron-hole recombination is increased. Si microcrystal is CV
Since it can be formed by the method D or by crystallizing amorphous Si, it can be easily formed even on a Si single crystal.

【０００５】しかし、Ｓｉ微結晶は基本的に間接遷移型
半導体であり、フォノンを介した電子・正孔対結合によ
る発光機構であるため、キャリアの注入に対して発光の
遅れが生じる。この遅れ時間は、理論計算の予測による
と、Ｓｉ微結晶のサイズが２ｎｍで、平均で１μｓオー
ダーになる。これがネックとなり、発光素子は〜１ＭＨ
ｚでしかＯＮ−ＯＦＦ応答できないため、低い周波数で
しか使えないということになる。従来型のフォトカプラ
は、２ＭＨｚ〜５ＭＨｚ程度で用いられているが、さら
に高速駆動のものも要求されている。理論上はＳｉ微結
晶のサイズを１ｎｍ程度にすれば高速駆動対応可能とな
るが、２ｎｍ以下のサイズを制御性良く作るのは技術的
に困難である。However, Si microcrystals are basically indirect transition semiconductors and have a light emission mechanism based on electron-hole pair coupling via phonons, so that light emission is delayed with respect to carrier injection. According to the prediction of the theoretical calculation, the delay time is on the order of 1 μs on average when the size of the Si microcrystal is 2 nm. This is a bottleneck, and the light emitting element is ~ 1MH
Since ON-OFF response can be made only at z, it can be used only at low frequency. Conventional photocouplers are used at about 2 MHz to 5 MHz, but higher-speed ones are also required. Theoretically, if the size of the Si microcrystal is set to about 1 nm, high-speed driving can be performed. However, it is technically difficult to produce a size of 2 nm or less with good controllability.

【０００６】また、直接遷移型半導体である化合物半導
体薄膜を発光素子材料に利用しようとしても、Ｓｉ基板
やＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ等のＳｉ化合物薄膜の上には、良質
な単結晶薄膜を作れない。欠陥が多く含む薄膜結晶で
は、発光効率も低い上、欠陥が増殖して劣化に至る場合
が多い。Further, even if an attempt is made to use a compound semiconductor thin film which is a direct transition type semiconductor as a light emitting device material, a high quality single crystal thin film cannot be formed on a Si substrate or a Si compound thin film such as SiO ₂ or SiN. In a thin film crystal containing many defects, the luminous efficiency is low, and the defects often multiply and deteriorate.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｓｉ
基板上に発光素子と受光素子をモノリシックに形成した
フォトカプラにおいては、小型・薄型化をはかることは
できても、コスト高を招いたり、高速駆動に対応するこ
とができないと言う問題があった。As described above, conventionally, Si
In a photocoupler in which a light emitting element and a light receiving element are monolithically formed on a substrate, there has been a problem that, even though the size and thickness can be reduced, the cost is increased and high-speed driving cannot be performed. .

【０００８】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、Ｓｉ基板上にフォトカ
プラとしての発光素子と受光素子をモノリシックに形成
することができ、小型・薄型化と共に高速駆動が可能と
なり、かつローコストに実現し得る半導体装置を提供す
ることにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to form a light-emitting element and a light-receiving element as a photocoupler on a Si substrate in a monolithic manner. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device which can be driven at high speed with a reduction in thickness and can be realized at low cost.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure.

【００１０】即ち本発明は、フォトカプラ又はフォトカ
プラを備えた半導体装置において、シリコン基板の表面
層に設けられた受光素子と、前記基板上に設けられた透
明若しくは半透明の絶縁膜と、化合物半導体微結晶を用
いて構成され前記絶縁膜上に設けられた含む発光素子と
を具備してなり、前記発光素子からの光を前記絶縁膜を
通して前記受光素子で検出することを特徴とする。That is, the present invention relates to a photocoupler or a semiconductor device provided with a photocoupler, wherein a light receiving element provided on a surface layer of a silicon substrate, a transparent or translucent insulating film provided on the substrate, A light-emitting element that is formed using semiconductor microcrystals and is provided on the insulating film, wherein light from the light-emitting element is detected by the light-receiving element through the insulating film.

【００１１】また本発明は、フォトカプラ又はフォトカ
プラを備えた半導体装置において、少なくとも表面が絶
縁体で形成された基板と、この基板上に設けられたシリ
コン膜に形成された受光素子と、前記基板上に前記受光
素子と所定距離離間して設けられた、化合物半導体微結
晶を用いた発光素子とを具備してなることを特徴とす
る。The present invention also provides a photocoupler or a semiconductor device provided with a photocoupler, wherein a substrate having at least a surface formed of an insulator, a light receiving element formed on a silicon film provided on the substrate, A light-emitting element using compound semiconductor microcrystals, which is provided on the substrate at a predetermined distance from the light-receiving element.

【００１２】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 化合物半導体微結晶は、直接遷移型であること。 (2) 化合物半導体微結晶は、直径が１００ｎｍであるこ
と。 (3) 化合物半導体微結晶は、Ｎ，Ａｓ，Ｐ，又はＳｂを
含む III-V族化合物半導体であること。 (4) 化合物半導体微結晶は、Ｓ又はＳｅを含む II-VI族
化合物半導体であること。Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The compound semiconductor microcrystal is of a direct transition type. (2) The compound semiconductor microcrystal has a diameter of 100 nm. (3) The compound semiconductor microcrystal is a group III-V compound semiconductor containing N, As, P, or Sb. (4) The compound semiconductor microcrystal is a II-VI compound semiconductor containing S or Se.

【００１３】(5) 化合物半導体微結晶は、ｐ型化合物半
導体層とｎ型化合物半導体層で挟まれていること。 (6) 透明又は半透明な絶縁膜は、シリコンと酸素又は窒
素とからなる化合物であること。 (7) シリコン基板には、発光素子及び受光素子を形成し
た領域とは別の領域に他のデバイスが形成されているこ
と。(5) The compound semiconductor microcrystal is sandwiched between a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer. (6) The transparent or translucent insulating film is a compound composed of silicon and oxygen or nitrogen. (7) Another device is formed on the silicon substrate in a region different from the region where the light emitting element and the light receiving element are formed.

【００１４】また本発明は、シリコン基板の表面層に設
けられた受光素子と、前記基板上に設けられた透明若し
くは半透明の絶縁膜と、この絶縁膜上に設けられた発光
素子とを具備してなり、前記発光素子からの光を前記絶
縁膜を通して前記受光素子で検出する半導体装置であっ
て、前記発光素子を構成する半導体がＩｎ_x Ｇａ_y Ａｌ
_1-x-y Ｎ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）又はＩｎ_ｓ Ｇａ
_t Ａｌ_1-s-t Ｐ（０＜ｓ≦１，０≦ｔ＜１）の多結晶体
又は一部に非晶質構造を有する多結晶体で構成されてい
ることを特徴とする。Further, the present invention comprises a light receiving element provided on a surface layer of a silicon substrate, a transparent or translucent insulating film provided on the substrate, and a light emitting element provided on the insulating film. and will have, a semiconductor device to be detected by the light receiving element light through the insulating film from the light emitting element, a semiconductor constituting the light-emitting element is an in _x Ga _y Al
_1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1) or In _s Ga
characterized in that it is composed of a polycrystalline body having a _{t Al 1-st P (0} <s ≦ 1,0 ≦ t <1) of polycrystalline or amorphous structure in a part.

【００１５】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 発光素子を構成する半導体がＩｎ_x Ｇａ_y Ａｌ
_1-x-y Ｎの場合、バンドギャップエネルギーが３．２ｅ
Ｖ以下のものを用いること。 (2)Ｉｎ_s Ｇａ_t Ａｌ_1-s-t Ｐの場合、バンドギャップ
エネルギーが２．１７ｅＶ以下のものを用いること。Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) semiconductor constituting the light-emitting element is an In _x Ga _y Al
_In the case of _1-xy N, the band gap energy is 3.2 e
Use V or less. (2) In _s Ga For _t Al _1-st P, the band gap energy used the following 2.17EV.

【００１６】(3) 発光の内部量子効率が０．１％以上で
あること。 (4) 透明又は半透明な絶縁膜は、シリコンと酸素又は窒
素とからなる化合物であること。 (5) シリコン基板には、発光素子及び受光素子を形成し
た領域とは別の領域に他のデバイスが形成されているこ
と。(3) The internal quantum efficiency of light emission is 0.1% or more. (4) The transparent or translucent insulating film is a compound composed of silicon and oxygen or nitrogen. (5) Another device is formed on the silicon substrate in a region different from the region where the light emitting element and the light receiving element are formed.

【００１７】（作用）本発明によれば、発光素子の構成
材料として化合物半導体微結晶を用いることにより、Ｓ
ｉ基板上にフォトカプラとしての発光素子と受光素子を
モノリシックに形成することができ、小型化及び薄型化
が可能となる。しかも、発光素子の構成材料として化合
物半導体微結晶を用いているので、Ｓｉ微結晶を用いた
場合よりも発光素子の高速動作が可能となる。さらに、
化合物半導体微結晶として直接遷移型を用いれば、フォ
ノンを介さずに発光が起きるので、発光の時間遅れがＳ
ｉ等の間接遷移型半導体に比べて小さくなり、発光素子
のより一層の高速動作が可能となる。(Function) According to the present invention, by using compound semiconductor microcrystals as a constituent material of a light emitting device,
A light-emitting element and a light-receiving element as a photocoupler can be monolithically formed on the i-substrate, so that miniaturization and thinning can be achieved. In addition, since the compound semiconductor microcrystal is used as the constituent material of the light emitting element, the light emitting element can operate at higher speed than the case where the Si microcrystal is used. further,
When the direct transition type is used as the compound semiconductor microcrystal, light emission occurs without the intervention of phonons.
It is smaller than an indirect transition type semiconductor such as i, so that the light emitting element can operate at higher speed.

【００１８】また、単結晶薄膜とは異なり微結晶である
が故に、基板の種類によらず欠陥を含まない良質結晶が
形成可能である。このため、ＳＯＩ基板を用いる必要は
なく、Ｓｉ基板や絶縁膜上にも発光素子を作ることがで
き、ローコストに実現することが可能となる。また、発
光素子及び受光素子をシリコン基板にモノリシックに形
成することから、複数のフォトカプラを集積化すること
も容易となる。さらに、シリコン基板にフォトカプラ以
外のデバイスを同時に形成することにより、フォトカプ
ラを他のデバイスとモノリシックに形成することも可能
となる。Further, since a single crystal thin film is a microcrystal unlike a single crystal thin film, it is possible to form a high quality crystal free from defects regardless of the type of the substrate. Therefore, it is not necessary to use an SOI substrate, and a light-emitting element can be formed over a Si substrate or an insulating film, which can be realized at low cost. Further, since the light emitting element and the light receiving element are monolithically formed on the silicon substrate, it is easy to integrate a plurality of photocouplers. Furthermore, by simultaneously forming devices other than the photocoupler on the silicon substrate, the photocoupler can be formed monolithically with other devices.

【００１９】また本発明によれば、発光素子を形成する
ための半導体材料として、Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎ
（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）又はＩｎ_ｓ Ｇａ_t Ａｌ
_1-s-t Ｐ（０＜ｓ≦１，０≦ｔ＜１）の多結晶体又は一
部に非晶質構造を有する多結晶体を選択することによ
り、次のような効果が得られる。[0019] According to the present invention, as the semiconductor material for forming the light-emitting _{element, In x Ga y Al 1-} xy N
(0 <x ≦ 1,0 ≦ y <1) or _{an In} s Ga _t Al
By selecting a polycrystal of _1-st P (0 <s ≦ 1, 0 ≦ t <1) or a polycrystal partially having an amorphous structure, the following effects can be obtained.

【００２０】直接遷移型半導体結晶内では、フォノンを
介さずに電子と正孔の再結合による発光が起きるので、
発光の時間遅れがＳｉ等の間接遷移型半導体に比べて小
さいため、発光素子の高速動作が可能である。しかし、
通常の半導体では、欠陥で非輻射再結合が起きて欠陥の
増殖が起きて、素子劣化につながる。これに対し、欠陥
での非輻射再結合が起きにくい半導体、例えば窒化物半
導体やリン系のIII-Ｖ族半導体などを発光素子材料に用
いることで、発光素子の劣化が防げる。In a direct transition type semiconductor crystal, light is emitted by recombination of electrons and holes without passing through phonons.
Since the time delay of light emission is smaller than that of an indirect transition semiconductor such as Si, the light-emitting element can operate at high speed. But,
In a normal semiconductor, non-radiative recombination occurs at a defect, and the multiplication of the defect occurs, which leads to device deterioration. On the other hand, deterioration of the light-emitting element can be prevented by using a semiconductor that does not easily cause non-radiative recombination due to a defect, such as a nitride semiconductor or a phosphorus-based III-V semiconductor, for the light-emitting element material.

【００２１】この中で、ＩｎＧａＰは発光波長が赤色か
ら黄色であり、受光素子の感度が高い波長領域なので、
受光素子の光電変換効率が高くなる利点がある。また、
窒化物は、多結晶体又は一部がアモルファスの結晶であ
っても、正孔や電子のキャリア寿命が極端に短いため、
結晶内や粒界や界面でのキャリアの非輻射再結合が起き
難く、単結晶でなくても再結合による発光効率がフォト
カプラーの発光素子として使える程度に高くなる。特
に、ＩｎＧａＮを代表とするインジウムを含む窒化物半
導体はキャリアの拡散長が非常に短く、キャリア寿命が
数ｎｓであるため、多結晶であっても発光の量子効率が
かなり高い。Among them, InGaP has a light emission wavelength ranging from red to yellow and a wavelength region in which the sensitivity of the light receiving element is high.
There is an advantage that the photoelectric conversion efficiency of the light receiving element is increased. Also,
Even if the nitride is a polycrystalline or partially amorphous crystal, the carrier lifetime of holes and electrons is extremely short,
Non-radiative recombination of carriers in a crystal, a grain boundary, or an interface hardly occurs, and the luminous efficiency due to the recombination becomes high enough to be used as a light-emitting element of a photocoupler even if it is not a single crystal. In particular, a nitride semiconductor containing indium represented by InGaN has a very short carrier diffusion length and a carrier lifetime of several ns, so that even if it is polycrystalline, the quantum efficiency of light emission is considerably high.

【００２２】発光素子の発光波長に対するＳｉの受光素
子の感度は、６５０〜７００ｎｍ付近が最大となる。一
方、４００ｎｍより短く（光のエネルギーでは、３．２
ｅＶ以上）、又は１１００ｎｍより長い波長（光のエネ
ルギーでは、０．８６ｅＶ以下）では、最大感度の１０
分の１以下の感度となり、フォトカプラとして機能しな
い。これから考えると、望ましい発光素子の能動層（実
質的に発光する領域）のバンドギャップエネルギーは、
０．８６ｅＶ〜３．２ｅＶである。先の二種類の化合物
半導体、Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y ＮとＩｎ_ｓ Ｇａ_t Ａ
ｌ_1-s-t Ｐの場合、それぞれ取りうるバンドギャップエ
ネルギーの範囲は、それぞれ１．７ｅＶから５．９ｅＶ
と１．４３ｅＶから２．２６ｅＶであるので、いずれも
３．２ｅＶ以下が望ましい領域となる。The sensitivity of the Si light-receiving element to the emission wavelength of the light-emitting element has a maximum near 650 to 700 nm. On the other hand, shorter than 400 nm (in terms of light energy, 3.2
eV) or at a wavelength longer than 1100 nm (0.86 eV or less in light energy), the maximum sensitivity of 10
The sensitivity is less than one-half and does not function as a photocoupler. Considering this, the band gap energy of the active layer (the region that substantially emits light) of the desired light emitting device is
0.86 eV to 3.2 eV. Previous two types of compound _{semiconductor, In x Ga y Al 1-} xy N and _In s Ga _t A
In the case of l _1-st P, the range of the band gap energies that can be respectively taken is from 1.7 eV to 5.9 eV.
And 1.43 eV to 2.26 eV, both of which are 3.2 eV or less.

【００２３】さらに、Ｉｎ_s Ｇａ_t Ａｌ_1-s-t Ｐの場合
には、バンドギャップエネルギーが２．１７ｅＶよりも
大きいと間接遷移型になってしまい素子の高速応答性を
損なうので、Ｉｎ_s Ｇａ_t Ａｌ_1-s-t Ｐの場合、望まし
い範囲は２．１７ｅＶ以下となる。また、受光素子側の
感度限界から見積もると、絶縁膜の光透過率が１００％
と仮定しても、発光素子の望ましい内部量子効率は最低
０．１％以上である。これを下回ると、受光素子の暗電
流（ノイズ）に対して十分に信号強度を取れないため、
光電結合素子として機能しない。Furthermore, in the case of _{In s Ga t Al 1-st} P , since the band gap energy impairing high-speed response of the device becomes large and an indirect transition type than 2.17eV, In _s Ga _t In the case of Al _1-st P, a desirable range is 2.17 eV or less. When estimated from the sensitivity limit of the light receiving element, the light transmittance of the insulating film is 100%.
Is preferable, the desired internal quantum efficiency of the light emitting device is at least 0.1% or more. If it is less than this, the signal intensity cannot be sufficiently obtained with respect to the dark current (noise) of the light receiving element.
Does not function as a photoelectric coupling element.

【００２４】なお、ここで言う直接遷移型半導体には、
ＧａＰの中にＮをドープした場合を典型とする、アイソ
エレクトリックトラップによる擬似的直接遷移を起こす
ものも含むものとする。また、シリコン基板に発光素子
を設けた基板毎貼り付けてしまうという方法も考えられ
るが、こうすると不要部分を基板毎除去しなければなら
ず、プロセスが困難であるとともに、ＳｉのＬＳＩとの
集積化する場合の大きな障害となる上にコストが高い。Incidentally, the direct transition type semiconductor mentioned here includes:
It is also assumed that a GaP doped with N typically includes a pseudo-direct transition caused by an isoelectric trap. In addition, a method of attaching a light emitting element to a silicon substrate may be considered. However, in this case, an unnecessary portion must be removed for each substrate, which makes the process difficult and increases the integration of Si with an LSI. In addition to being a major obstacle in the case of conversion, the cost is high.

【００２５】[0025]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【００２６】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment.

【００２７】Ｓｉ基板１０の表面層に、ｐ型拡散層１１
とｎ型拡散層１２を僅かに離して形成することにより、
ｐｉｎ構造のフォトダイオード（受光素子）が構成され
ている。この受光素子は、ｐ型拡散層１１とｎ型拡散層
１２を接触させることにより、ｐｎ接合のフォトダイオ
ードとしても良い。基板１０のフォトダイオード領域上
の一部には、発光波長に対して透明なＳｉＯ₂ 膜１３が
形成されている。このＳｉＯ₂ 膜１３上の一部には、Ｇ
ａＡｓの微結晶１５をｎ型ＡｌＧａＡｓ層１６で覆った
層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４からなる発光素子が形成さ
れている。The p-type diffusion layer 11 is formed on the surface layer of the Si substrate 10.
And the n-type diffusion layer 12 are formed slightly apart from each other,
A photodiode (light receiving element) having a pin structure is configured. This light receiving element may be a pn junction photodiode by bringing the p-type diffusion layer 11 and the n-type diffusion layer 12 into contact. On a part of the substrate 10 on the photodiode region, a SiO ₂ film 13 transparent to the emission wavelength is formed. A part of the SiO ₂ film 13 has G
A light-emitting element is formed, which comprises a layer in which the aAs microcrystal 15 is covered with an n-type AlGaAs layer 16 and a p-type AlGaAs layer 14.

【００２８】即ち、ＳｉＯ₂ 膜１３に対して上側にＧａ
Ａｓ微結晶を用いた発光素子が形成され、下側にｐｉｎ
構造の受光素子が形成されており、Ｓｉ基板１０にフォ
トカプラがモノリシックに形成されている。That is, Ga is placed on the upper side of the SiO ₂ film 13.
A light emitting device using As microcrystal is formed, and a pin
A light receiving element having a structure is formed, and a photocoupler is monolithically formed on a Si substrate 10.

【００２９】そして、ｐ型拡散層１１には電極２１が、
ｎ型拡散層１２には電極２２が、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層に
は電極２３が、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１６には電極２４が
形成されている。なお、図には示さないが、Ｓｉ基板１
０のフォトカプラを形成した領域とは別の領域に、他の
デバイスを形成しても良い。An electrode 21 is provided on the p-type diffusion layer 11.
An electrode 22 is formed on the n-type diffusion layer 12, an electrode 23 is formed on the p-type AlGaAs layer, and an electrode 24 is formed on the n-type AlGaAs layer 16. Although not shown in the figure, the Si substrate 1
Another device may be formed in a region different from the region where the 0 photocoupler is formed.

【００３０】次に、本実施形態装置の製造方法を説明す
る。まず、Ｓｉの高抵抗基板１０を用い、フィールド酸
化膜（図示せず）で素子分離して素子領域を形成する。
次いで、熱酸化により厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂ 膜（図
示せず）を設ける。次いで、フォトレジストをマスクと
してｐ型のＳｉ領域にガリウムイオンのイオン注入を行
う。イオンの加速電圧は、ＳｉＯ₂ 膜をイオンが十分突
き抜けるため、１００ｋＶと高くした。次いで同様にし
て、ｎ型のＳｉ領域に燐イオンの注入を行う。その後、
再び熱酸化炉内で酸化し、酸化膜の追加形成と共にドー
パントを活性化させて、ｐｉｎ接合を形成する。Next, a method for manufacturing the device of this embodiment will be described. First, an element region is formed by using a Si high-resistance substrate 10 and isolating elements with a field oxide film (not shown).
Next, a 0.1 μm thick SiO ₂ film (not shown) is provided by thermal oxidation. Next, gallium ions are implanted into the p-type Si region using the photoresist as a mask. The accelerating voltage of the ions was set as high as 100 kV because the ions penetrated the SiO ₂ film sufficiently. Next, phosphorus ions are implanted into the n-type Si region in the same manner. afterwards,
Oxidation is again performed in the thermal oxidation furnace to activate the dopant together with the additional formation of the oxide film, thereby forming a pin junction.

【００３１】次いで、熱酸化ＳｉＯ₂ 膜の上に、ＣＶＤ
法で厚さ３０μｍのＳｉＯ₂ 膜１３堆積した。ＳｉＯ₂
膜１３を追加で堆積したのは、発光素子と受光素子の問
の絶縁を高めるためである。次いで、亜鉛ドープのｐ型
ＡｌＧａＡｓ層１４をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆
積）法で厚さ０．１μｍ形成する。このとき、ＡｌＧａ
Ａｓのアルミ組成は３０％とした。また、基板温度は約
７００℃で、原料ガスはＴＭＡ，ＴＭＧ，アルシン，ジ
ボラン，及びジシランとした。ＳｉＯ₂ 膜１３上の成長
なので、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４は多結晶となる。Next, CVD is performed on the thermally oxidized SiO ₂ film.
A 30 μm thick SiO ₂ film 13 was deposited by the method. SiO ₂
The additional deposition of the film 13 is for enhancing insulation between the light emitting element and the light receiving element. Next, a zinc-doped p-type AlGaAs layer 14 is formed to a thickness of 0.1 μm by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). At this time, AlGa
The aluminum composition of As was 30%. The substrate temperature was about 700 ° C., and the source gases were TMA, TMG, arsine, diborane, and disilane. Since it is grown on the SiO ₂ film 13, the p-type AlGaAs layer 14 is polycrystalline.

【００３２】次いで、基板の温度を約５００℃に下げ
て、原料の表面拡散長を小さくすることで、ｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層１４上にＧａＡｓ微結晶１５を堆積する。ここ
で、微結晶１５の大きさは１個の単結晶として良質に作
れる１００ｎｍ以下であればよいが、高速駆動対応可能
とするためには１０ｎｍ以下が望ましい。実施形態で
は、ＧａＡｓ微結晶１５の大きさが４ｎｍとなるように
した。続いて、ジシランを供給しながら多結晶ＡｌＧａ
Ａｓを成長することにより、厚さ１μｍのｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層１６を形成した。このとき、先のＧａＡｓ微結晶
１５は完全に埋め込まれる。Next, by lowering the temperature of the substrate to about 500 ° C. and reducing the surface diffusion length of the raw material, the p-type AlG
A GaAs microcrystal 15 is deposited on the aAs layer 14. Here, the size of the microcrystal 15 may be 100 nm or less, which can be produced as a single crystal with good quality, but is preferably 10 nm or less in order to enable high-speed driving. In the embodiment, the size of the GaAs microcrystal 15 is set to 4 nm. Then, while supplying disilane, polycrystalline AlGa
By growing As, an n-type AlGa having a thickness of 1 μm is formed.
As layer 16 was formed. At this time, the GaAs microcrystal 15 is completely buried.

【００３３】こうして作製した多層膜を使い、リソグラ
フィーによりフォトレジストのパターンを作り、硫酸と
過酸化水素水の混合液で、ＳｉＯ₂ 膜１３の上側のみ選
択的にエッチング除去する。次いで、弗化アンモニウム
にてＳｉＯ₂ 膜１３のみをエッチングし、下地のＳｉ基
板１０を一部露出させる。そして、基板１０の露出部
に、アルミのオーミック電極２１，２２を設け、ｐ型Ｓ
ｉとｎ型Ｓｉのそれぞれの電極とする。Using the multilayer film thus produced, a photoresist pattern is formed by lithography, and only the upper side of the SiO ₂ film 13 is selectively etched away with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. Next, only the SiO ₂ film 13 is etched with ammonium fluoride to partially expose the underlying Si substrate 10. Then, ohmic electrodes 21 and 22 made of aluminum are provided on the exposed portions of the
The electrodes are i and n-type Si.

【００３４】次いで、再びフォトレジストパターンを作
り、ＲＩＥによりｎ型ＡｌＧａＡｓ層１６を選択エッチ
ングしてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４を一部露出させ、この
露出部にＰｔとＡｕでオーミック電極２３を作った。エ
ッチングには選択性がないので、エッチング深さは時間
制御で行った。最後に表面から、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層
１６へオーミック電極２４を形成した。Next, a photoresist pattern was formed again, and the n-type AlGaAs layer 16 was selectively etched by RIE to partially expose the p-type AlGaAs layer 14, and an ohmic electrode 23 made of Pt and Au was formed on the exposed portion. Since there is no selectivity in the etching, the etching depth was controlled by time. Finally, an ohmic electrode 24 was formed on the n-type AlGaAs layer 16 from the surface.

【００３５】本実施形態の構成において、各電極２１，
２２，２３，２４に所定の電圧を加えると、ｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層１６はバンドの伝導帯端がＧａＡｓ微結晶１５
より高いため、電子はＧａＡｓ微結晶１５中に入る。そ
して、ＧａＡｓ微結晶１６に電子とホールが注入され、
再結合して発光する。一方、ＳｉＯ₂ 膜１３の下の受光
素子は、単純なＳｉ単結晶のｐｉｎ接合となっている。
ＧａＡｓ微結晶１５から発せられた光は、その光に対し
て透明なＡｌＧａＡｓ層１４とＳｉＯ₂ 膜１３通過して
ｐｉｎ接合部分に入ると、電子・ホール対を生じて起電
力となり電気的な信号に変換される。In the configuration of this embodiment, each electrode 21,
When a predetermined voltage is applied to 22, 23 and 24, n-type AlG
The aAs layer 16 has a conduction band edge of the GaAs microcrystal 15
Because they are higher, the electrons enter the GaAs crystallites 15. Then, electrons and holes are injected into the GaAs microcrystal 16,
Recombination produces light. On the other hand, the light receiving element below the SiO ₂ film 13 is a simple Si single crystal pin junction.
When the light emitted from the GaAs microcrystal 15 passes through the AlGaAs layer 14 and the SiO ₂ film 13 which are transparent to the light and enters the pin junction, an electron-hole pair is generated to generate an electromotive force to generate an electric signal. Is converted to

【００３６】具体的には、発光素子側の２〜５ｍＡの入
力に対して、受光素子側で１〜３μＡの出力が得られ
た。また、発光素子と受光素子との絶縁耐圧としては約
５ｋＶが得られた。Specifically, an output of 1 to 3 μA was obtained on the light receiving element side with respect to an input of 2 to 5 mA on the light emitting element side. Further, a dielectric breakdown voltage between the light emitting element and the light receiving element was about 5 kV.

【００３７】このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板
１０上にＳｉＯ₂ 膜１３を挟んで発光素子と受光素子を
形成することにより、Ｓｉ基板１０上にフォトカプラを
モノリシックに形成することができ、小型・薄型化をは
かることができる。しかも、発光素子に用いた化合物半
導体微結晶としてのＧａＡｓは直接遷移型であり、フォ
ノンを介さずに発光が起きるので、発光の時間遅れは極
めて小さくなる。このため、発光素子の高速動作を実現
することができ、これによりフォトカプラとしての高速
駆動が可能となる。また、ＳＯＩ基板等を用いる必要が
ないことから、ローコストに製造できる利点もある。As described above, according to the present embodiment, a photocoupler can be monolithically formed on the Si substrate 10 by forming the light emitting element and the light receiving element on the Si substrate 10 with the SiO ₂ film 13 interposed therebetween. It can be made smaller and thinner. In addition, GaAs as the compound semiconductor microcrystal used in the light-emitting element is of a direct transition type and emits light without passing through phonons, so that the time delay of light emission is extremely small. For this reason, a high-speed operation of the light-emitting element can be realized, thereby enabling high-speed driving as a photocoupler. In addition, since there is no need to use an SOI substrate or the like, there is an advantage that it can be manufactured at low cost.

【００３８】なお、本実施形態の変形として、図２のよ
うに、ＧａＡｓ微結晶１５を覆う膜をノンドープの厚さ
数十ｎｍのＡｌＧａＡｓ層１７にして、その上に別にｎ
型ＡｌＧａＡｓ層１６を設けた構造も有効である。この
場合、図１の例と比べて、ＡｌＧａＡｓのｐｎ接合を介
して漏れる電子・ホールが少なくなるので、より効率的
に微結晶１５から発光するようになる。As a modification of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the film covering the GaAs microcrystal 15 is a non-doped AlGaAs layer 17 having a thickness of several tens of nm, and an n layer is further formed thereon.
A structure in which the type AlGaAs layer 16 is provided is also effective. In this case, compared with the example of FIG. 1, the number of electrons and holes leaking through the AlGaAs pn junction is reduced, so that the microcrystal 15 emits light more efficiently.

【００３９】また、発光素子を形成する材料は、ここに
示したＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの代わりに、Ｉｎ_1-x Ｇ
ａ_x Ａｓ，Ｉｎ_1-x Ａｌ_x Ａｓ，ＩｎＰ，Ｉｎ_1-x Ｇａ
_x Ｎ，Ａｌ_1-x Ｇａ_x Ｎ，Ｉｎ_1-x Ａｌ_x Ｎ，Ｉｎ（Ａ
ｌ）_1-x Ｂ_x Ｎ，Ｃｄ_1-x Ｚｎ_x Ｓ_1-y Ｓｅ_y ，ＺｎＯ
等、様々な化合物半導体が利用可能である。このとき、
微結晶側の半導体に比べて周囲の多結晶半導体のバンド
構造は、伝導帯端の電子エネルギーが高く、価電子帯端
のそれが低いという組み合わせになっていればよい。こ
れらのうち、特に窒化物化合物半導体を用いることが有
効である。その理由は、窒化物化合物半導体は欠陥を多
く含んでいても発光特性低下や素子の長期的な特性劣化
につながらないためである。The material forming the light emitting element is In ₁ -xG instead of GaAs and AlGaAs shown here.
a _x As, In _1-x Al _x As, InP, In _1-x Ga
_{x N, Al 1-x Ga} x N, In 1-x Al x N, In (A
l) _1-x B _x N, Cd _1-x Zn _x S _1-y S _y , ZnO
Various compound semiconductors are available. At this time,
The band structure of the surrounding polycrystalline semiconductor may be higher in electron energy at the conduction band edge and lower at the valence band edge as compared with the semiconductor on the microcrystalline side. Among these, it is particularly effective to use a nitride compound semiconductor. The reason is that even if the nitride compound semiconductor contains a lot of defects, it does not lead to deterioration of the light emission characteristics or long-term deterioration of the device.

【００４０】また、通常は窒化物化合物半導体を基板と
格子整合させることは難しいが、本実施形態のような用
途では下地との格子整合性は全く要求されず、また結晶
成長も従来の窒化物化合物半導体よりも低い温度（８０
０℃以下）で膜形成することが可能となる。この例は後
述する第２の実施形態で説明する。なお、ＳｉＯ₂ 側か
ら見て、発光素子部のｐ型半導体とｎ型半導体の上下位
置は逆転してもよい。In general, it is difficult to lattice match a nitride compound semiconductor with a substrate. However, in applications such as the present embodiment, lattice matching with an underlayer is not required at all, and crystal growth is also difficult. Lower temperature than compound semiconductor (80
(0 ° C. or less). This example will be described in a second embodiment described later. Note that, when viewed from the SiO ₂ side, the vertical position of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor of the light emitting element portion may be reversed.

【００４１】また、本実施形態に用いたｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ層の代わりにｐ型ポリＳｉ層を用いてもよい。このと
き、先のバンドギャップの組み合わせではなくなるが、
発光素子に加える電圧をやや高めると、内部電界の効果
で微結晶にホールが注入される。ｐ型ポリＳｉを用いる
と、ホールの注入効率という面ではＡｌＧａＡｓに劣る
ものの、ｐ型のＡｌＧａＡｓよりも高いドーピング濃度
が得られるため、ｐ型半導体側の抵抗を下げられるので
有利となる。また、ｐ型半導体の代わりに薄い金属をコ
ートしても良い。金属は、数十ｎｍ程度の厚さであれば
光を充分通過するので、受光素子側に至る光の量はそれ
ほど小さくならない。Further, the p-type AlGaAs used in this embodiment is used.
A p-type poly-Si layer may be used instead of the s layer. At this time, it is no longer the combination of the band gap,
When the voltage applied to the light-emitting element is slightly increased, holes are injected into the microcrystal due to the effect of the internal electric field. The use of p-type poly Si is advantageous in that the doping concentration is higher than that of p-type AlGaAs, although the hole injection efficiency is inferior to that of AlGaAs, so that the resistance on the p-type semiconductor side can be reduced. Further, a thin metal may be coated instead of the p-type semiconductor. If the metal has a thickness of about several tens of nanometers, it can sufficiently transmit light, so that the amount of light reaching the light receiving element side is not so small.

【００４２】また、絶縁膜かつ光の透過膜であるＳｉＯ
₂ 膜１３信頼性を高めるために、窒素を添加したＳｉＯ
Ｎを用いることも有効である。さらに、ＳｉＯ₂ の代わ
りにＳｉＮを用いても良い。その場合、プラズマＣＶＤ
法での形成が有効である。In addition, SiO, which is an insulating film and a light transmitting film,
₂ Film 13 SiO 2 added with nitrogen to improve reliability
It is also effective to use N. Further, SiN may be used instead of SiO ₂ . In that case, plasma CVD
The formation by the method is effective.

【００４３】（第２の実施形態）図３は、本発明の第２
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Second Embodiment) FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００４４】基本的な構成は図１と同様であるが、本実
施形態では基板にｐ型Ｓｉ基板３０を用い、その表面に
ｎ型不純物層３２を作成してｐｎ接合フォトダイオード
（受光素子）を作成している。また、ＳｉＯ₂ 膜１３上
の発光素子は、ＩｎＧａＮの微結晶３５をｎ−ＧａＮ層
３６で覆った層とｐ型ポリＳｉ層３４とから形成されて
いる。Although the basic structure is the same as that of FIG. 1, in this embodiment, a p-type Si substrate 30 is used as a substrate, and an n-type impurity layer 32 is formed on the surface thereof to form a pn junction photodiode (light receiving element). Has been created. Further, the light emitting element on the SiO ₂ film 13 is formed of a layer in which an InGaN microcrystal 35 is covered with an n-GaN layer 36 and a p-type poly-Si layer 34.

【００４５】次に、本実施形態装置の製造方法を説明す
る。まず、ｐ型Ｓｉ基板３０を用いて、第１の実施形態
と同様の方法で、ｎ型拡散層３２と熱酸化ＳｉＯ₂ 膜を
作製した。続いて、ＣＶＤ法で厚さ２０μｍのＳｉＯ₂
膜１３を堆積した。Next, a method of manufacturing the device of this embodiment will be described. First, an n-type diffusion layer 32 and a thermally oxidized SiO ₂ film were formed using a p-type Si substrate 30 in the same manner as in the first embodiment. Subsequently, a 20 μm thick SiO _{2 was formed} by CVD.
Film 13 was deposited.

【００４６】次いで、減圧ＣＶＤ法でボロンを高濃度ド
ープした低抵抗ポリＳｉ層３４を厚さ０．１μｍ形成し
た。続いて、ポリＳｉ層３４上にＭＯＣＶＤ法でＩｎＧ
ａＮの微結晶３５を形成した。原料は、トリメチルガリ
ウム，トリメチルインジウム，及びアンモニアである。
基板温度は、７００℃とし、微結晶の大きさは縦横高さ
共に３０ｎｍ以下となるようにした。Next, a low-resistance poly-Si layer 34 doped with boron at a high concentration was formed to a thickness of 0.1 μm by a low pressure CVD method. Subsequently, InG is formed on the poly-Si layer 34 by MOCVD.
Microcrystals 35 of aN were formed. The raw materials are trimethylgallium, trimethylindium, and ammonia.
The substrate temperature was set to 700 ° C., and the size of the microcrystals was set to 30 nm or less in both height and width.

【００４７】次いで、同じ温度で、多結晶のｎ型ＧａＮ
層３６を厚さ０．３μｍ成長し、微結晶３５を埋め込ん
だ。ｎ型用のドーパントにはジシランを用いた。この後
は、第１の実施形態と同様にして電極２１〜２４を形成
した。Next, at the same temperature, polycrystalline n-type GaN
The layer 36 was grown to a thickness of 0.3 μm, and the microcrystals 35 were embedded. Disilane was used as an n-type dopant. Thereafter, electrodes 21 to 24 were formed in the same manner as in the first embodiment.

【００４８】本実施形態の構成において、発光素子側の
電極２３，２４に電圧を加え数ｍＡ電流を流すと、Ｉｎ
ＧａＮのバンド端からの発光波長よりやや長波長となる
４３０ｎｍの青い光が発せられた。発光は、半透明ｐ型
ポリＳｉ層３４を透過し、透明ＳｉＯ₂ 膜１３を通過し
て、受光素子側に到達し、受光素子からは数μＡの出力
が得られた。絶縁耐圧としては３〜５ｋＶが得られた。In the structure of the present embodiment, when a voltage is applied to the electrodes 23 and 24 on the light emitting element side and a current of several mA flows, In
430 nm blue light, which is slightly longer than the emission wavelength from the GaN band edge, was emitted. Light emitted transmitted through the translucent p-type poly-Si layer 34, passed through the transparent SiO ₂ film 13, and reached the light receiving element side, and an output of several μA was obtained from the light receiving element. A dielectric breakdown voltage of 3 to 5 kV was obtained.

【００４９】なお、本実施形態では、ＩｎＧａＮ微結晶
３５をＧａＮ層３６で埋め込んでいるが、それぞれＧａ
ＮとＡｌＧａＮにしても良い。但し、ＡｌＧａＮは一般
に成長温度が高いので、Ｓｉ受光素子の特性劣化をしな
いように低温プロセスを使うことが望ましいため、本実
施形態の組み合わせの方が好ましい。また、第１の実施
形態で述べたように、ｐ型ポリＳｉの代わりにｐ型のＧ
ａＮ多結晶を使っても良い。In this embodiment, the InGaN microcrystals 35 are embedded in the GaN layer 36.
N and AlGaN may be used. However, since AlGaN generally has a high growth temperature, it is desirable to use a low-temperature process so as not to deteriorate the characteristics of the Si light receiving element. Therefore, the combination of the present embodiment is more preferable. Also, as described in the first embodiment, instead of p-type poly-Si, p-type G
aN polycrystal may be used.

【００５０】（第３の実施形態）図４は、本発明の第３
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Third Embodiment) FIG. 4 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００５１】絶縁膜かつ光透過膜であるＳｉ酸化膜４０
の上側に受光素子が、下側に発光素子が設けられてい
る。Ｓｉ酸化膜４０はＳＯＩ基板に内蔵されたもので、
厚さは約５０μｍである。酸化膜４０の上下は高抵抗Ｓ
ｉ結晶４１，４２である。受光素子側は、ＳＯＩ基板の
表面側（Ｓｉ結晶４１）にイオン注入で作製したＳｉの
ｐｎ接合４１ａ，４１ｂとオーミック電極２１，２２か
らなる。The Si oxide film 40 which is an insulating film and a light transmitting film
A light receiving element is provided on the upper side and a light emitting element is provided on the lower side. The Si oxide film 40 is built in the SOI substrate,
The thickness is about 50 μm. The upper and lower portions of the oxide film 40 have high resistance S
These are i-crystals 41 and 42. The light-receiving element side includes Si pn junctions 41a and 41b and ohmic electrodes 21 and 22 formed by ion implantation on the surface side (Si crystal 41) of the SOI substrate.

【００５２】一方、発光素子は、第１及び第２の実施形
態とは異なり、ＳＯＩ基板の裏面に穴を開けてそこに作
製する。具体的には、フォトリソグラフィーでレジスト
パターンを作り、ＳＯＩ基板の裏面を溶液で選択エッチ
ングしてＳｉＯ₂ 膜４０が露出するまで穴を開ける。次
いで、第１の実施形態と同様にして、ＣＶＤ法でＧａＡ
ｓ微結晶４４をｎ型とｐ型のＡｌＧａＡｓ多結晶４３，
４５で挟み込んだ構造と、ｐ型，ｎ型用電極２３，２４
を作る。勿論第２の実施形態のように、窒化物化合物半
導体を使っても良い。On the other hand, unlike the first and second embodiments, the light emitting element is manufactured by making a hole in the back surface of the SOI substrate. Specifically, a resist pattern is formed by photolithography, and the back surface of the SOI substrate is selectively etched with a solution to form a hole until the SiO ₂ film 40 is exposed. Next, as in the first embodiment, GaAs is formed by CVD.
The s microcrystals 44 are made of n-type and p-type AlGaAs polycrystals 43,
45 and the p-type and n-type electrodes 23 and 24
make. Of course, a nitride compound semiconductor may be used as in the second embodiment.

【００５３】このような構成であれば、コスト高の要因
となるＳＯＩ基板を用いる必要がある点を除くと、先の
実施形態と同様の効果が得られる。With such a configuration, the same effects as those of the above embodiment can be obtained except that it is necessary to use an SOI substrate which causes an increase in cost.

【００５４】（第４の実施形態）図５は、本発明の第４
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Fourth Embodiment) FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００５５】これまでの実施形態は、ＳｉＯ₂ 等の絶縁
膜で入出力側を切り離したが、本実施形態は、発光素子
側と受光素子側を空間的に切り離すことで耐圧を持たせ
る構造である。光の伝達方向は基板に水平方向となる。In the above embodiments, the input and output sides are separated by an insulating film such as SiO ₂ , but this embodiment has a structure in which the light emitting element side and the light receiving element side are spatially separated to have a withstand voltage. is there. The light transmission direction is horizontal to the substrate.

【００５６】発光素子と受光素子を作製する方法は、第
２の実施形態に準じる。即ち、Ｓｉ基板１０上にＳｉＯ
₂ 膜１３を形成した後、この上にｐｎ接合の受光素子と
微粒子を使用した発光素子を形成する。ここで、ＳｉＯ
₂ 膜１３は、基板への電流リークを防ぐためのもので、
厚さは１０μｍ程度で、ウェット酸化で作製した。ま
た、発光素子から受光素子への光の経路を水平方向とし
ているので、ＳｉＯ₂ 膜１３は必ずしも透明である必要
はない。The method for fabricating the light emitting element and the light receiving element conforms to the second embodiment. That is, the SiO 2 on the Si substrate 10
_{After the two} films 13 are formed, a light receiving element having a pn junction and a light emitting element using fine particles are formed thereon. Where SiO
_{The two} films 13 are for preventing current leakage to the substrate,
The thickness was about 10 μm, and it was produced by wet oxidation. In addition, since the light path from the light emitting element to the light receiving element is in the horizontal direction, the SiO ₂ film 13 is not necessarily required to be transparent.

【００５７】ＳｉＯ₂ 膜１３上の一部に、ｎ型Ｓｉ層５
０を形成し、このＳｉ層５０の表面にｐ型拡散層を形成
してフォトダイオード（受光素子）を作成した。また、
ＳｉＯ₂ 膜１３上の一部に、多結晶のｐ型ＧａＮ層５４
を成長し、その上にＩｎＧａＮ微結晶５５を形成し、さ
らにこれを覆うようにｎ型ＧａＮ層５６を成長した。The n-type Si layer 5 is partially formed on the SiO ₂ film 13.
0 was formed, and a p-type diffusion layer was formed on the surface of the Si layer 50 to form a photodiode (light receiving element). Also,
A polycrystalline p-type GaN layer 54 is formed on a part of the SiO ₂ film 13.
Was grown, an InGaN microcrystal 55 was formed thereon, and an n-type GaN layer 56 was grown so as to cover this.

【００５８】本実施形態の構成において、発光素子と受
光素子との距離を５００〜１０００μｍほど離すこと
で、数ｋＶの入出力耐圧が得られた。In the structure of this embodiment, an input / output withstand voltage of several kV was obtained by increasing the distance between the light emitting element and the light receiving element by about 500 to 1000 μm.

【００５９】（第５の実施形態）図６は、本発明の第５
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。(Fifth Embodiment) FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment.

【００６０】Ｓｉ基板（より詳しくはＳｉ基板上のｎ⁺
型Ｓｉ領域）６０の表面層に、ｎ型拡散領域６１が形成
され、このｎ型拡散領域６１の表面の一部にｐ型拡散領
域６２を形成することにより、ｐｎ構造のフォトダイオ
ード（受光素子）が構成されている。A Si substrate (more specifically, n ⁺
An n-type diffusion region 61 is formed in a surface layer of the n-type diffusion region 61, and a p-type diffusion region 62 is formed in a part of the surface of the n-type diffusion region 61, thereby forming a photodiode (light receiving element) having a pn structure. ) Is configured.

【００６１】基板６０のフォトダイオード領域上の一部
には、発光波長に対して透明なＳｉＯ₂ 膜６３が形成さ
れている。このＳｉＯ₂ 膜６３上の一部には、絶縁耐圧
を上げるためにアモルファスのＡｌＮ層６４が形成され
ている。そして、ＡｌＮ層６４上に、ｎ型の多結晶Ｉｎ
_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎ層６５とｐ型の多結晶のＩｎ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎ層６６を積層した発光素子が形成されている。Part of the substrate 60 on the photodiode region
Has a transparent SiO2 for the emission wavelength._TwoFilm 63 is formed
Have been. This SiO_TwoA part of the film 63 has a withstand voltage
Amorphous AlN layer 64 is formed to increase
ing. Then, an n-type polycrystalline In is formed on the AlN layer 64.
_0.3Ga_0.7N layer 65 and p-type polycrystalline In_0.3Ga
_0.7A light emitting element in which an N layer 66 is stacked is formed.

【００６２】即ち、ＳｉＯ₂ 膜６３に対して上側に多結
晶のＩｎＧａＮを用いた発光素子が形成され、下側にｐ
ｎ構造の受光素子が形成されており、Ｓｉ基板６０にフ
ォトカプラがモノリシックに形成されている。That is, a light emitting element using polycrystalline InGaN is formed on the upper side of the SiO ₂ film 63, and
A light receiving element having an n structure is formed, and a photocoupler is monolithically formed on a Si substrate 60.

【００６３】そして、ｐ型拡散領域６２には電極２１
が、Ｓｉ基板６０には電極２２が、ｎ型ＩｎＧａＮ多結
晶層６５には電極２３が、ｐ型ＩｎＧａＮ多結晶層６６
には電極２４が形成されている。なお、図には示さない
が、Ｓｉ基板６０のフォトカプラを形成した領域とは別
の領域に、他のデバイスを形成しても良い。The electrode 21 is provided in the p-type diffusion region 62.
However, the electrode 22 is formed on the Si substrate 60, the electrode 23 is formed on the n-type InGaN polycrystalline layer 65, and the p-type InGaN polycrystalline layer 66 is formed on the Si substrate 60.
Is formed with an electrode 24. Although not shown, another device may be formed in a region of the Si substrate 60 other than the region where the photocoupler is formed.

【００６４】上記の構成において、電極２３，２４間に
電圧を印加すると、発光素子のｐ型層とｎ型層の界面付
近で、電子と正孔が再結合して発光する。発光領域から
発せられた光は、その光に対して透明なＡｌＮとＳｉＯ
₂ を通過してｐｎ接合部分に入ると電子・ホール対を生
じて、起電力となり電気的な信号に変換される。そし
て、受光素子からは数十μＡの出力が得られた。この出
力は、通常の信号伝送用高速フォトカプラと同様に、予
め後段にＳｉ基板上にリニアアンプを設けることで数十
ｍＡに増幅できる。入出力問の絶縁耐圧は約７ｋＶが得
られた。また、従来のフォトカプラの動作速度よりも速
く、２０ＭＨｚ以上で駆動することが可能となった。In the above configuration, when a voltage is applied between the electrodes 23 and 24, electrons and holes are recombined near the interface between the p-type layer and the n-type layer of the light emitting element to emit light. The light emitted from the light emitting region is composed of AlN and SiO transparent to the light.
_When passing through ₂ and entering the pn junction, an electron-hole pair is generated, which becomes an electromotive force and is converted into an electric signal. Then, an output of several tens of μA was obtained from the light receiving element. This output can be amplified to several tens mA by providing a linear amplifier on a Si substrate in a subsequent stage in advance, similarly to a normal signal transmission high-speed photocoupler. A dielectric strength of about 7 kV was obtained between input and output. Further, it is possible to drive at a speed higher than the operating speed of the conventional photocoupler and at 20 MHz or more.

【００６５】また、本構造の素子においては、ＩｎＧａ
Ｎの低温成長層が欠陥を多く含むため、複合欠陥を原因
とする強い黄色の発光がバンド端発光（青色）に重なっ
て見られた。シリコンのｐｎ接合の受光素子の感度は、
波長が６００〜６５０ｎｍ付近にピークを持ち、それか
ら離れるほど小さくなるため、黄色の発光が強いこと
で、受光素子側の出力が大きく取れる利点が付加的に生
じ、光・電子結合素子の一層の特性向上につながった。
また、窒化物半導体を使っているので、従来のフォトカ
プラで使われていた砒化物半導体よりも劣化しにくく、
素子寿命が延びた。In the device having this structure, InGa
Since the low-temperature growth layer of N contains many defects, strong yellow light emission caused by complex defects was seen overlapping with band edge light emission (blue). The sensitivity of the silicon pn junction photodetector is
Since the wavelength has a peak near 600 to 650 nm and becomes smaller as the wavelength is further away, the advantage that the output of the light receiving element can be increased due to the strong yellow light emission additionally occurs, and further characteristics of the optical / electronic coupling element. Led to improvement.
In addition, because nitride semiconductors are used, they are less likely to deteriorate than arsenide semiconductors used in conventional photocouplers,
The device life was extended.

【００６６】以下、簡単に製造方法を説明する。まず、
Ｓｉの高抵抗基板の表面にｎ⁺ 型Ｓｉ領域６０をエピタ
シャル成長等で形成し、フィールド酸化膜で素子分離し
て素子領域を用意する。次いで、熱酸化により２００ｎ
ｍの酸化膜を設ける。次いで、フォトレジストをマスク
としてｎ型拡散領域６１にガリウムイオンのイオン注入
を適当なイオン注入加速度で行う。さらに、ｎ型拡散領
域６１の一部にガリウムイオンの注入を行い、ｐ型拡散
領域６２を形成する。Hereinafter, the manufacturing method will be briefly described. First,
An n ⁺ -type Si region 60 is formed on the surface of a Si high-resistance substrate by epitaxial growth or the like, and an element region is prepared by element isolation using a field oxide film. Next, 200n by thermal oxidation
m oxide film is provided. Next, gallium ions are implanted into the n-type diffusion region 61 at an appropriate ion implantation acceleration using the photoresist as a mask. Further, gallium ions are implanted into a part of the n-type diffusion region 61 to form a p-type diffusion region 62.

【００６７】次いで、再び熱酸化炉内で酸化し、酸化膜
の追加形成と共にドーパントを活性化させて、ｐｎ接合
を形成し、受光素子(フォトダイオード)部分を構成す
る。この受光素子部分には、ｐｎ接合型のフォトダイオ
ードタイプ以外に、ｐｉｎフォトダイオード，ｎｐｎ型
のフォトトランジスタ，ｎｐｎｐ型のフォトサイリスタ
等、用途に合わせて構造を選択する。若しくは、結晶成
長でエピタキシャルのｐ型とｎ型を作製して、酸化膜を
形成しても良い。Next, oxidation is performed again in the thermal oxidation furnace, and the dopant is activated together with the additional formation of an oxide film, thereby forming a pn junction to constitute a light receiving element (photodiode) portion. The structure of the light receiving element portion is selected according to the application, such as a pin photodiode, an npn-type phototransistor, an npnp-type photothyristor, in addition to the pn junction type photodiode. Alternatively, an epitaxial p-type and an n-type may be formed by crystal growth to form an oxide film.

【００６８】次いで、この基板の上に熱ＣＶＤ法で、3
μｍの厚さのＳｉＯ₂ 膜６３を設けた。続いて、ＳｉＯ
₂ 膜６３上に高純度窒素のみをキャリアガスに使用した
ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法で、厚さ１０μ
ｍのアモルファス（一部は結晶層を含む）ＡｌＮ層６４
を基板温度６５０℃にて形成した。これは、発光素子領
域と受光素子領域との闇の絶縁耐圧を持たせるための絶
縁層となる。また、アモルファスであるため、厚さが１
０μｍとなっても、歪みでクラックが生じるようなこと
はない。Next, 3
An SiO ₂ film 63 having a thickness of μm was provided. Subsequently, SiO
Only high purity nitrogen over ₂ film 63 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method using a carrier gas, thickness 10μ
m amorphous (partially including a crystalline layer) AlN layer 64
Was formed at a substrate temperature of 650 ° C. This is an insulating layer for providing a dark dielectric strength between the light emitting element region and the light receiving element region. Also, since it is amorphous, the thickness is 1
Even at 0 μm, cracks do not occur due to strain.

【００６９】次に、基板の温度をそのままにして、ｎ型
のＩｎＧａＮ多結晶層６５を０．１μｍ成長した後、ｐ
型のＩｎＧａＮ多結晶層６６をその上に０．２μｍ堆積
する。こうして作製した多層膜を使い、リソグラフィー
により１００μｍ角の発光素子領域のフォトレジストの
パターンを作り、ドライエッチングにてアモルファスＡ
ｌＮ層６４まで、発光領域以外の部分を膜の上側からエ
ッチング除去する。Next, while keeping the temperature of the substrate as it is, an n-type InGaN polycrystalline layer 65 is grown to a thickness of 0.1 μm.
A type InGaN polycrystalline layer 66 is deposited thereon at 0.2 μm. Using the multilayer film thus manufactured, a photoresist pattern of a light emitting element region of 100 μm square was formed by lithography, and amorphous A was formed by dry etching.
The portion other than the light emitting region is etched away from the upper side of the film up to the 1N layer 64.

【００７０】次いで、レジストを一旦剥離した後、再び
受光素子のｐ型・ｎ型電極部分のレジストパターンをフ
ォトリソグラフィーで作製する。これをマスクにして、
弗化アンモニウムで、電極領域のＳｉＯ₂ 部分のみ選択
的にエッチング除去する。そこに、アルミニウムのオー
ミック電極を設け、ｐ型Ｓｉとｎ型Ｓｉのそれぞれの電
極２１，２２とする。Next, after the resist is once removed, a resist pattern for the p-type / n-type electrode portions of the light receiving element is formed again by photolithography. Using this as a mask,
Only the SiO ₂ portion of the electrode region is selectively removed by etching with ammonium fluoride. An aluminum ohmic electrode is provided there, and the electrodes 21 and 22 are made of p-type Si and n-type Si, respectively.

【００７１】次いで、再びフォトレジストパターンを作
り、ドライエッチングにてエッチングしてｎ型ＩｎＧａ
Ｎ多結晶層６５を露出させ、チタンと金でオーミック電
極２３を作った。最後に表面から、ｎ型のＩｎＧａＮ多
結晶層６６上にヘオーミック電極２４を形成した。Next, a photoresist pattern is formed again and etched by dry etching to form n-type InGa.
The N-polycrystalline layer 65 was exposed, and an ohmic electrode 23 was made of titanium and gold. Finally, the ohmic electrode 24 was formed on the n-type InGaN polycrystalline layer 66 from the surface.

【００７２】この実施形態の変形として、絶縁膜として
使用したＡｌＮの代わりにをＡｌ_{1- x}Ｂ_x Ｎ（０＜ｘ＜
１）とすることも耐圧を上げるうえで有効である。ま
た、ＭＯＣＶＤ法でＡｌＮを成長させるとき、成長時聞
が数時聞になるため、ＡｌＮ層部分のみスパッタ法で堆
積することも可能である。このＡｌＮ層の厚さと入出力
絶縁耐圧はほぼ比例関係にあるので、要求する耐圧に応
じて厚さを選べば良い。ＡｌＮが厚い場合、歪みにより
基板に割れが生じ易いため、低耐圧用途向けには、薄く
することが望ましい。As a modification of this embodiment, Al _{1 -xB x} N (0 <x <
1) is also effective in increasing the breakdown voltage. In addition, when growing AlN by MOCVD, the growth time becomes several hours, so that it is possible to deposit only the AlN layer portion by sputtering. Since the thickness of the AlN layer and the input / output withstand voltage are in a substantially proportional relationship, the thickness may be selected according to the required withstand voltage. If the AlN is thick, the substrate is liable to crack due to distortion. Therefore, it is desirable to make the AlN thinner for low withstand voltage applications.

【００７３】また、発光素子を形成する材料は、ここに
示したＩｎＧａＮの代わりにＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，
ＩｎＡｌＢＮ等、様々な窒化物化合物半導体が利用可能
である。即ち、Ｉｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ≦
１，０＜ｙ≦１）であれば用いることができる。更に
は、Ｉｎ_s Ｇａ_t Ａｌ_1-s-t Ｐ（０＜ｓ≦１，０＜ｔ≦
１）を用いることも可能である。当然ながら、ＳｉＯ₂
側から見て、発光素子部のｐ型半導体とｎ型半導体の上
下位置は逆転してもよい。また、受光素子側に高出力を
要求しない場合には、ｐｎ接合型発光素子の形になって
いなくてもよく、ＭＩＳダイオードでも良い。Further, the material forming the light emitting element is AlGaN, InAlN,
Various nitride compound semiconductors such as InAlBN can be used. _{That, In x Ga y Al 1-} xy N (0 <x ≦
1,0 <y ≦ 1) can be used. _{Furthermore, In s Ga t Al 1-} st P (0 <s ≦ 1,0 <t ≦
It is also possible to use 1). Naturally, SiO ₂
When viewed from the side, the upper and lower positions of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor of the light emitting element portion may be reversed. When a high output is not required on the light receiving element side, the light emitting element need not be a pn junction type light emitting element, and may be an MIS diode.

【００７４】また、発光素子側の窒化物半導体と電極の
問に、接触抵抗を下げるための別な窒化物半導体よりも
バンドギャップの狭い半導体を挟んだ構造も有効であ
る。発光素子の効率を上げるため、ｐｎ接合発光層の外
側をその層よりもバンドギャップの広い半導体で挟んだ
量子井戸構造も有効である。バンドギャップ大きいと、
発光波長に対して透明となるため、受光素子まで強度を
低下せずに光が到達できる利点もある。また、発光素子
の表面や側面に絶縁性の高反射率膜を設けて、受光素子
側に到達する光量を稼ぐことも有効である。Further, regardless of the nitride semiconductor and the electrode on the light emitting element side, a structure in which a semiconductor having a narrower band gap than another nitride semiconductor for lowering the contact resistance is also effective. In order to increase the efficiency of the light emitting element, a quantum well structure in which the outside of the pn junction light emitting layer is sandwiched between semiconductors having a wider band gap than that layer is also effective. If the band gap is large,
Since it is transparent to the emission wavelength, there is also an advantage that light can reach the light receiving element without lowering the intensity. It is also effective to provide an insulating high-reflectance film on the surface or side surface of the light emitting element to increase the amount of light reaching the light receiving element.

【００７５】また、通常窒化物化合物半導体は基板と格
子整合させる事が難しいが、本実施形態のような用途で
は下地との格子整合性は全く要求されず、また結晶成長
も従来の窒化物化合物半導体よりも低い温度（８００℃
以下）で膜形成可能となるので、一度基板に設けたシリ
コン受光素子やトランジスタ、キャパシタの特性が熱で
劣化することは殆どなくなる。従って、シリコンＬＳＩ
とモノリシックに作製するために非常に好都合である。
また、より低コスト化するために、シリコン基板を用い
ることなく、ガラス基板などの上に形成された多結晶シ
リコンで受光素子を作製し、その上に絶縁膜と発光素子
部分を作製しても良い。In general, it is difficult to lattice match a nitride compound semiconductor with a substrate. However, in the application as in the present embodiment, no lattice matching with the base is required at all, and crystal growth is also difficult. Lower temperature than semiconductor (800 ° C
Since the film can be formed by the following method, the characteristics of the silicon light receiving element, transistor, and capacitor once provided on the substrate are hardly deteriorated by heat. Therefore, silicon LSI
And it is very convenient to make it monolithically.
In order to further reduce costs, a light-receiving element may be manufactured using polycrystalline silicon formed on a glass substrate or the like without using a silicon substrate, and an insulating film and a light-emitting element portion may be formed thereon. good.

【００７６】また、本構造の素子を作製するには、次の
ような結晶の選択成長技術を用いることも有効である。
まず、本実施形態と同様に、受光素子とＳｉＯ₂ までを
作製する。次に、ａ−ＡｌＮを耐圧に必要なだけ上述し
た方法で堆積しておく。続いて、リソグラフィーでレジ
ストマスクを作製し、発光素子領域以外のところを熱し
た燐酸でエッチングして取り除く。次に、レジストマス
クを除去してから、ＭＯＣＶＤ法等で多結晶ＩｎＧａＮ
の発光素子に必要な構造を設ける。このとき、多結晶Ｉ
ｎＧａＮは、ＳｉＯ₂ の上では殆ど成長せず、ａ−Ａｌ
Ｎの上だけに発光領域が形成される。こうすると、前で
述べたようなドライエッチングプロセスが不要となる。In order to fabricate an element having this structure, it is also effective to use the following crystal selective growth technique.
First, as in the present embodiment, a light receiving element and SiO ₂ are manufactured. Next, a-AlN is deposited by the above-described method as necessary for the withstand voltage. Subsequently, a resist mask is formed by lithography, and portions other than the light emitting element region are removed by etching with hot phosphoric acid. Next, after removing the resist mask, the polycrystalline InGaN is removed by MOCVD or the like.
The structure required for the light-emitting element is provided. At this time, polycrystalline I
nGaN hardly grows on SiO ₂ and a-Al
A light emitting region is formed only on N. This eliminates the need for the above-described dry etching process.

【００７７】（第６の実施形態）図７は、本発明の第６
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Sixth Embodiment) FIG. 7 shows a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００７８】基本的な構成は図６と同様であるが、本実
施形態ではアモルファスのＡｌＮ層６４の代わりにＳｉ
Ｏ₂ 膜７４を用い、発光素子を形成する多結晶半導体と
してＩｎＧａＰを用いている。Although the basic structure is the same as that of FIG. 6, in this embodiment, the amorphous AlN layer 64 is replaced with Si.
An O ₂ film 74 is used, and InGaP is used as a polycrystalline semiconductor for forming a light emitting element.

【００７９】即ち、発光素子側は、ｎ−ＩｎＧａＰ多結
晶層７５の上にｐ−ＩｎＧａＰ多結晶層７６が乗ってお
り、それぞれにオーミック電極が設けられている。受光
素子には、ｎ型拡散領域７１にｐ型拡散領域７２を形成
したｐｎ接合型Ｓｉ素子を用いている。That is, on the light emitting element side, the p-InGaP polycrystalline layer 76 is mounted on the n-InGaP polycrystalline layer 75, and each is provided with an ohmic electrode. As the light receiving element, a pn junction type Si element in which a p-type diffusion region 72 is formed in an n-type diffusion region 71 is used.

【００８０】以下、簡単に素子作製過程について説明す
る。高抵抗Ｓｉ基板上にｎ⁺ 型Ｓｉ領域７０を形成した
のち、先の第５の実施形態と同様の方法で、ｎ型拡散領
域７１とｐ型拡散領域７３を形成し、さらにＳｉＯ₂ 膜
７３を形成した。次いで、こうして受光素子を形成した
基板上に、熱ＣＶＤ膜で５０μｍの厚さのＳｉＯ₂ 膜７
４を堆積した。続いて、ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＩｎＧａＰ
多結晶層７５を形成した。原料は、トリメチルガリウ
ム，トリメチルインジウム，ホスフィンである。基板温
度は、６００℃とした。同じ温度で、ｐ型ＩｎＧａＰ多
結晶層７６を厚さ０．３μｍ成長した。ここで、ｎ型用
のドーパントにはジシランを、ｐ型のドーパントにはカ
ーボンを用いた。そして、先の第５の実施形態と同様に
して電極を形成した。Hereinafter, a brief description will be given of a device manufacturing process. After an n ⁺ -type Si region 70 is formed on a high-resistance Si substrate, an n-type diffusion region 71 and a p-type diffusion region 73 are formed in the same manner as in the fifth embodiment, and an SiO ₂ film 73 is further formed. Was formed. Then, a 50 μm thick SiO ₂ film 7 is formed on the substrate on which the light receiving element is formed by a thermal CVD film.
4 was deposited. Subsequently, the n-type InGaP is formed by MOCVD.
A polycrystalline layer 75 was formed. The raw materials are trimethylgallium, trimethylindium, and phosphine. The substrate temperature was 600 ° C. At the same temperature, a p-type InGaP polycrystalline layer 76 was grown to a thickness of 0.3 μm. Here, disilane was used for the n-type dopant and carbon was used for the p-type dopant. Then, an electrode was formed in the same manner as in the fifth embodiment.

【００８１】発光素子側の電極に電圧を加え数百μＡ電
流を流すと、多結晶ＩｎＧａＰのｐｎ接合部分から波長
６３０ｎｍの赤い光が発せられた。発光は、透明ＳｉＯ
₂ を透過して、受光素子側に到達し、受光素子からは数
十μＡの出力が得られた。この出力は、通常の信号伝送
用高速フォトカプラと同様に、予め後段にＳｉ基板上に
リニアアンプを設けることで数十ｍＡに増幅できる。絶
縁耐圧は３００〜５００Ｖが得られた。この耐圧は汎用
型のフォトカプラから比べると低いので、高耐圧を必要
としない用途向けである。この耐圧を上げたいときは、
ＳｉＯ₂ の厚さを増やすか、ＢＮ（窒化ボロン）等の高
耐圧材料を予めプラズマＣＶＤ法などで堆積しておけば
良い。When a voltage was applied to the electrode on the light emitting element side and a current of several hundred μA was passed, red light having a wavelength of 630 nm was emitted from the pn junction of polycrystalline InGaP. Light emission is transparent SiO
After passing through No. ₂ and reaching the light receiving element side, an output of several tens of μA was obtained from the light receiving element. This output can be amplified to several tens mA by providing a linear amplifier on a Si substrate in a subsequent stage in advance, similarly to a normal signal transmission high-speed photocoupler. A withstand voltage of 300 to 500 V was obtained. Since this withstand voltage is lower than that of general-purpose photocouplers, it is intended for applications that do not require a high withstand voltage. If you want to increase this pressure resistance,
The thickness of SiO ₂ may be increased, or a high breakdown voltage material such as BN (boron nitride) may be deposited in advance by a plasma CVD method or the like.

【００８２】（第７の実施形態）図８は、本発明の第７
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Seventh Embodiment) FIG. 8 shows a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００８３】絶縁膜かつ光透過膜であるＳｉ酸化膜８０
の上側に受光素子が、下側に発光素子が設けられてい
る。Ｓｉ酸化膜８０はＳＯＩ（Silicon On Insu1ator）
基板に内蔵されたもので、厚さは約５０μｍである。酸
化膜８０の上下は高抵抗Ｓｉ結晶８１，８２である。受
光素子側は、もとの基板８１の表面側にイオン注入で作
製したＳｉのｐｎ接合（ｐ基板８１の表面にｎ型拡散層
８１ａを形成して成る）とオーミック電極２１，２２か
らなる。Si oxide film 80 which is an insulating film and a light transmitting film
A light receiving element is provided on the upper side and a light emitting element is provided on the lower side. The Si oxide film 80 is made of SOI (Silicon On Insulator).
It is built into the substrate and has a thickness of about 50 μm. The upper and lower portions of the oxide film 80 are high-resistance Si crystals 81 and 82. The light receiving element side includes a pn junction of Si (formed by forming an n-type diffusion layer 81a on the surface of the p substrate 81) and ohmic electrodes 21 and 22 formed on the surface of the original substrate 81 by ion implantation.

【００８４】一方、発光素子は、第５及び第６の実施形
態とは異なり、基板の裏面に穴を開けてそこに作製す
る。具体的には、フォトリソグラフィーでレジストパタ
ーンを作り、基板の裏面を溶液でエッチングしてＳｉＯ
₂ 膜８０が露出するまで穴を開け、その後でＣＶＤ法に
より半導体多結晶層を形成する。まず、第５の実施形態
と同様にして、ｎ型ＩｎＧａＮ多結晶層８５とｐ型Ｉｎ
ＧａＮ多結晶層８６を形成し、さらに電極２３，２４を
形成する。勿論第６の実施形態のように、燐系化合物半
導体を使っても良い。On the other hand, unlike the fifth and sixth embodiments, the light emitting element is manufactured by forming a hole in the back surface of the substrate. Specifically, a resist pattern is formed by photolithography, and the back surface of the substrate is etched with a solution to form a SiO 2 resist.
Holes are made until the _second film 80 is exposed, and then a semiconductor polycrystalline layer is formed by the CVD method. First, similarly to the fifth embodiment, the n-type InGaN polycrystalline layer 85 and the p-type InGaN
A GaN polycrystalline layer 86 is formed, and electrodes 23 and 24 are further formed. Of course, a phosphorus-based compound semiconductor may be used as in the sixth embodiment.

【００８５】（第８の実施形態）図９は、本発明の第８
の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す断面図
である。なお、図６と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。(Eighth Embodiment) FIG. 9 shows an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an element structure of the semiconductor device according to the embodiment. The same parts as those in FIG.
Detailed description is omitted.

【００８６】これまでの実施形態は、ＳｉＯ₂ 等の絶縁
膜で入出力側を切り離したが、本実施形態は、発光素子
側と受光素子側を空聞的に切り離すことで耐圧を持たせ
る構造である。光の伝達方向は基板に水平方向となる。
発光素子と受光素子を作製する方法は、第６の実施形態
に準じる。In the embodiments described above, the input and output sides are separated by an insulating film such as SiO _2. However, in the present embodiment, a structure is provided in which the light-emitting element side and the light-receiving element side are separated indifferently to provide a withstand voltage. It is. The light transmission direction is horizontal to the substrate.
The method for manufacturing the light emitting element and the light receiving element conforms to the sixth embodiment.

【００８７】即ち、Ｓｉ基板９０上にＳｉＯ₂ 膜９３が
形成され、その上にｎ型Ｓｉ層９１野一部にｐ型Ｓｉ層
９２を形成したｐｎ接合の受光素子部と、ｐ型ＩｎＧａ
Ｎ多結晶層９５とｎ型ＩｎＧａＮ多結晶層９６を積層し
てなる発光素子部とが形成されている。Ｓｉ基板９０上
のＳｉＯ₂ 膜９３は、基板への電流リークを防ぐための
もので、厚さは１０μｍ程度で、Ｓｉ基板９０をウェッ
ト酸化することで作製した。発光素子と受光素子との距
離を５００〜１０００μｍほどに離すことで、数ｋＶの
入出力耐圧が得られた。That is, a SiO ₂ film 93 is formed on a Si substrate 90, and a pn junction light receiving element portion in which a p-type Si layer 92 is formed on a part of an n-type Si layer 91 is formed thereon, and a p-type InGa
A light emitting element portion formed by laminating an N polycrystalline layer 95 and an n-type InGaN polycrystalline layer 96 is formed. The SiO ₂ film 93 on the Si substrate 90 is for preventing current leakage to the substrate, has a thickness of about 10 μm, and is manufactured by wet-oxidizing the Si substrate 90. By setting the distance between the light emitting element and the light receiving element to about 500 to 1000 μm, an input / output withstand voltage of several kV was obtained.

【００８８】本実施形態は、金属電極への配線ボンディ
ングが容易であると共に、第５，第６の実施形態よりも
入出力間耐圧が大きく取れる利点がある。This embodiment has the advantages that the wiring bonding to the metal electrode is easy, and that the withstand voltage between the input and output is greater than in the fifth and sixth embodiments.

【００８９】（第９の実施形態）図１０は、本発明の第
９の実施形態に係わる半導体装置の素子構造を示す平面
図である。(Ninth Embodiment) FIG. 10 is a plan view showing an element structure of a semiconductor device according to a ninth embodiment of the present invention.

【００９０】Ｓｉ基板１００上に、第１〜第８の実施形
態の方法で作製したフォトカプラ１０１を図に示すよう
に並列に並べて作製する。なお、図中の１０１ａは入力
端子、１０１ｂは出力端子である。フォトリソグラフィ
ーのマスクをその形に作れば、第１〜第８の実施形態と
全く同じ方法で作製できる。これなら、同時に多数の信
号の伝達が可能になる。こういった並列型の従来のフォ
トカプラは厚みが数ｍｍと大きかったが、本実施形態で
は基本的にシリコン基板の厚みしかなく、高速化と薄型
化が同時に可能となる。また、実装工程も簡単で済む。On the Si substrate 100, the photocouplers 101 manufactured by the methods of the first to eighth embodiments are manufactured in parallel as shown in FIG. In the drawing, 101a is an input terminal, and 101b is an output terminal. If a photolithography mask is formed in that shape, it can be manufactured in exactly the same manner as in the first to eighth embodiments. In this case, a large number of signals can be transmitted at the same time. Although such a parallel type conventional photocoupler has a large thickness of several mm, the present embodiment basically has only the thickness of the silicon substrate, and it is possible to increase the speed and reduce the thickness at the same time. Also, the mounting process can be simplified.

【００９１】この発展型として、アイソレータが必要な
複数の独立したＳｉ−ＩＣ若しくはＬＳＩがある場合、
この複数の回路構成となる領域をＳｉ基板上に予め作製
しておく。続いて、第１〜第８の実施形態のような素子
をアイソレータが必要となる領域のＳｉ基板上に作る。
続いて、フォトカプラ部分とＳｉ電子回路の部分それぞ
れ配線工程を行い、フォトカプラと一体型の集積回路が
できあがる。これまで、フォトカプラを別個に実装しな
いと使えなかった回路が、大幅に小型化・薄型化できる
ことになる。As a development of this type, when there are a plurality of independent Si-ICs or LSIs requiring an isolator,
The regions having the plurality of circuit configurations are prepared in advance on a Si substrate. Subsequently, elements as in the first to eighth embodiments are formed on the Si substrate in a region where an isolator is required.
Subsequently, a wiring process is performed for each of the photocoupler portion and the Si electronic circuit portion, and an integrated circuit integrated with the photocoupler is completed. Until now, a circuit that could not be used unless a photocoupler was separately mounted can be significantly reduced in size and thickness.

【００９２】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。第１〜第４の実施形態では、化合
物半導体微粒子としてＧａＡｓ，ＩｎＧａＮ等の直接遷
移型半導体を用いたが、間接遷移型の半導体を用いるこ
とも可能である。具体的には、化合物半導体微結晶とし
ては、Ｎ，Ａｓ，Ｐ，又はＳｂを含む III-V族化合物半
導体、或いはＳ又はＳｅを含む II-VI族化合物半導体を
用いることができる。また、微粒子の大きさ、各層の厚
さ等は仕様に応じて適宜変更可能である。The present invention is not limited to the above embodiments. In the first to fourth embodiments, a direct transition semiconductor such as GaAs or InGaN is used as the compound semiconductor fine particles. However, an indirect transition semiconductor may be used. Specifically, as the compound semiconductor microcrystal, a group III-V compound semiconductor containing N, As, P, or Sb, or a group II-VI compound semiconductor containing S or Se can be used. The size of the fine particles, the thickness of each layer, and the like can be appropriately changed according to the specifications.

【００９３】また本発明は、実施形態では１つのフォト
カプラの例を説明したが、複数のフォトカプラをシリコ
ン基板上にモノリシックに集積化しても良い。さらに、
フォトカプラ単体として用いるのは勿論のこと、下地の
Ｓｉ基板に他のデバイスを形成したフォトカプラ混載Ｌ
ＳＩとして用いることができる。In the embodiments of the present invention, one photocoupler has been described as an example, but a plurality of photocouplers may be monolithically integrated on a silicon substrate. further,
It can be used not only as a photocoupler alone, but also as a photocoupler with other devices formed on the underlying Si substrate.
It can be used as SI.

【００９４】また、第４又は第８の実施形態において
は、Ｓｉ酸化膜の上には多結晶Ｓｉを形成すればよいの
で、酸化膜下地の基板は必ずしもＳｉである必要はな
く、Ｓｉ基板を省略することも可能である。つまり、発
光素子及び受光素子を形成するための下地基板は、少な
くとも表面が絶縁体であればよい。In the fourth or eighth embodiment, since polycrystalline Si may be formed on the Si oxide film, the substrate underlying the oxide film does not necessarily need to be Si, It is also possible to omit it. In other words, the base substrate for forming the light emitting element and the light receiving element only needs to have at least an insulating surface.

【００９５】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【００９６】[0096]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、化
合物半導体微結晶を用いて発光素子を作成することによ
り、Ｓｉ基板上にフォトカプラとしての発光素子と受光
素子をモノリシックに形成することができ、小型・薄型
化と共に高速駆動が可能となり、しかもローコストに実
現することが可能となる。As described above in detail, according to the present invention, a light emitting element as a photocoupler and a light receiving element are monolithically formed on a Si substrate by forming a light emitting element using compound semiconductor microcrystals. It is possible to realize high-speed driving while reducing the size and thickness, and at the same time to realize low cost.

【００９７】また本発明によれば、発光素子を構成する
半導体をＩｎ_x Ｇａ_y Ａｌ_1-x-y Ｎ（０＜ｘ≦１，０≦
ｙ＜１）又はＩｎ_ｓ Ｇａ_t Ａｌ_1-s-t Ｐ（０＜ｓ≦
１，０≦ｔ＜１）の多結晶体又は一部に非晶質構造を有
する多結晶体で構成することにより、Ｓｉ基板上にフォ
トカプラとしての発光素子と受光素子をモノリシックに
形成することができ、小型・薄型化と共に高速駆動が可
能となり、しかもローコストに実現することが可能とな
る。[0097] According to the present invention, the semiconductor forming the light-emitting element _{In x Ga y Al 1-xy} N (0 <x ≦ 1,0 ≦
y <1) or _{In s Ga t Al 1-st} P (0 <s ≦
By forming a polycrystal of 1,0 ≦ t <1) or a polycrystal partially having an amorphous structure, a light-emitting element and a light-receiving element as a photocoupler are monolithically formed on a Si substrate. It is possible to realize high-speed driving with downsizing and thinning, and to realize low cost.

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

【図１】第１の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a first embodiment.

【図２】第１の実施形態の変形例を示す素子構造断面
図。FIG. 2 is an element structure sectional view showing a modification of the first embodiment.

【図３】第２の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a second embodiment.

【図４】第３の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a third embodiment.

【図５】第４の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図６】第５の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment.

【図７】第６の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing the element structure of a semiconductor device according to a sixth embodiment.

【図８】第７の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to a seventh embodiment.

【図９】第８の実施形態に係わる半導体装置の素子構造
を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing an element structure of a semiconductor device according to an eighth embodiment.

【図１０】第９の実施形態に係わる半導体装置の素子構
造を示す平面図。FIG. 10 is a plan view showing an element structure of a semiconductor device according to a ninth embodiment.

【図１１】従来のフォトカプラの構成を示す断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional photocoupler.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０…高抵抗Ｓｉ基板 １１，４１ｂ，５１…ｐ型拡散層 １２，３２，４１ａ…ｎ型拡散層 １３，４０…ＳｉＯ₂ 膜 １４…ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 １５…ＧａＡｓ微結晶 １６…ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 １７…ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 ２１，２２，２３，２４…金属電極 ３０…ｐ型Ｓｉ基板 ３４…ｐ型Ｓｉ層 ３５，５５…ＩｎＧａＮ微結晶 ３６，５６…ｎ型ＧａＮ層 ４３…ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 ４４…ＧａＡｓ微結晶 ４５…ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ５０…ｎ型Ｓｉ層 ５４…ｐ型ＧａＮ層10 ... high-resistance Si substrate 11,41b, 51 ... p-type diffusion layer 12,32,41A ... n-type diffusion layer 13, 40 ... SiO ₂ film 14 ... p-type AlGaAs layer 15 ... GaAs microcrystals 16 ... n-type AlGaAs layer Reference Signs List 17 i-type AlGaAs layer 21, 22, 23, 24 metal electrode 30 p-type Si substrate 34 p-type Si layer 35, 55 InGaN microcrystal 36, 56 n-type GaN layer 43 p-type AlGaAs layer 44 ... GaAs microcrystals 45 ... n-type AlGaAs layer 50 ... n-type Si layer 54 ... p-type GaN layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA02 AA47 CA03 CA04 CA21 CA22 CA24 CA25 CA33 CA34 CA36 CA65 CB01 CB32 EE23 5F049 MA02 MA04 MA15 NA03 NA18 NA19 PA04 PA10 QA11 QA16 RA07 SS03 SZ16 5F089 AB03 AB08 AC02 BB02 BB08 BC05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F-term (reference)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】シリコン基板の表面層に設けられた受光素
子と、前記基板上に設けられた透明若しくは半透明の絶
縁膜と、化合物半導体微結晶を用いて構成され前記絶縁
膜上に設けられた発光素子とを具備してなり、前記発光
素子からの光を前記絶縁膜を通して前記受光素子で検出
することを特徴とする半導体装置。A light-receiving element provided on a surface layer of a silicon substrate; a transparent or translucent insulating film provided on the substrate; and a compound semiconductor microcrystal provided on the insulating film. A light emitting element, wherein the light from the light emitting element is detected by the light receiving element through the insulating film. 【請求項２】前記化合物半導体微結晶は、直接遷移型の
結晶であり、その直径は１００ｎｍ以下であることを特
徴とする請求項１記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor microcrystal is a direct transition type crystal and has a diameter of 100 nm or less. 【請求項３】前記化合物半導体微結晶は、ｐ型化合物半
導体層とｎ型化合物半導体層で挟まれていることを特徴
とする請求項１記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said compound semiconductor microcrystal is sandwiched between a p-type compound semiconductor layer and an n-type compound semiconductor layer. 【請求項４】少なくとも表面が絶縁体で形成された基板
と、この基板上に設けられたシリコン膜に形成された受
光素子と、前記基板上に前記受光素子と所定距離離間し
て設けられた、化合物半導体微結晶を用いた発光素子と
を具備してなることを特徴とする半導体装置。4. A substrate having at least a surface formed of an insulator, a light receiving element formed on a silicon film provided on the substrate, and a predetermined distance from the light receiving element on the substrate. And a light-emitting element using a compound semiconductor microcrystal. 【請求項５】シリコン基板の表面層に設けられた受光素
子と、前記基板上に設けられた透明若しくは半透明の絶
縁膜と、この絶縁膜上に設けられた発光素子とを具備し
てなり、前記発光素子からの光を前記絶縁膜を通して前
記受光素子で検出する半導体装置であって、 前記発光素子を構成する半導体がＩｎ_x Ｇａ_y Ａｌ
_1-x-y Ｎ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ＜１）又はＩｎ_ｓ Ｇａ
_t Ａｌ_1-s-t Ｐ（０＜ｓ≦１，０≦ｔ＜１）の多結晶体
又は一部に非晶質構造を有する多結晶体で構成されてい
ることを特徴とする半導体装置。5. A light-receiving element provided on a surface layer of a silicon substrate, a transparent or translucent insulating film provided on the substrate, and a light-emitting element provided on the insulating film. , a semiconductor device to be detected by the light receiving element light through the insulating film from the light emitting element, a semiconductor constituting the light-emitting element is an in _x Ga _y Al
_1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1) or In _s Ga
A semiconductor device comprising a polycrystal of _t Al _1-st P (0 <s ≦ 1, 0 ≦ t <1) or a polycrystal partially having an amorphous structure.