JP2806146B2 - 半導体光結合素子 - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
- H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by potential barriers
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発光素子と受光素子と
が光学的に結合された半導体光結合素子に関し、特に、
二次側において、受光素子の容量変化により一次側の情
報を感知、記憶することのできる半導体光結合素子に関
する。
が光学的に結合された半導体光結合素子に関し、特に、
二次側において、受光素子の容量変化により一次側の情
報を感知、記憶することのできる半導体光結合素子に関
する。
【0002】
【従来の技術】現在市販されている光結合素子は、一次
側LEDを流れる電流に比例した電流を二次側フォトト
ランジスタ(またはフォトダイオード)から得るデバイ
スであり、その情報伝達形式は電流→光→電流である。
このデバイスは、一次側と二次側とが電気的に完全に分
離される、二次側から1次側への信号のもれがない、等
の特長を有する。
側LEDを流れる電流に比例した電流を二次側フォトト
ランジスタ(またはフォトダイオード)から得るデバイ
スであり、その情報伝達形式は電流→光→電流である。
このデバイスは、一次側と二次側とが電気的に完全に分
離される、二次側から1次側への信号のもれがない、等
の特長を有する。
【0003】しかしながら、上述の半導体光結合素子の
情報伝達形式においては、原理的に一次側の情報を記憶
する作用を素子に期待することは不可能である。そこ
で、本発明者は、特公昭62−60828号公報におい
て、情報伝達形式として電流→光→容量変化とすること
により一次側の情報を記憶する方式を提案した。この方
式は、二次側受光素子のp−n接合内および接合近傍お
ける深い不純物準位を利用するものである。この方式の
動作原理につき以下に説明する。
情報伝達形式においては、原理的に一次側の情報を記憶
する作用を素子に期待することは不可能である。そこ
で、本発明者は、特公昭62−60828号公報におい
て、情報伝達形式として電流→光→容量変化とすること
により一次側の情報を記憶する方式を提案した。この方
式は、二次側受光素子のp−n接合内および接合近傍お
ける深い不純物準位を利用するものである。この方式の
動作原理につき以下に説明する。
【0004】半導体内の深い不純物準位の中には光学的
捕獲断面積(電子:σn 、正孔:σp )が特定の波長の
光に対して極めて大きく、また一度準位に捕らえられた
電子(または正孔)は熱的に再び開放されることが少な
い場合がある。したがって、この種の捕獲中心は受ける
光の波長によってのみその準位の電子(または正孔)の
占有率が依存するため、そのような捕獲中心をp−n接
合内に形成することにより、接合容量に照射光波長依存
性をもたせることができ、また、光照射後も照射時の接
合容量を保持させることができる。
捕獲断面積(電子:σn 、正孔:σp )が特定の波長の
光に対して極めて大きく、また一度準位に捕らえられた
電子(または正孔)は熱的に再び開放されることが少な
い場合がある。したがって、この種の捕獲中心は受ける
光の波長によってのみその準位の電子(または正孔)の
占有率が依存するため、そのような捕獲中心をp−n接
合内に形成することにより、接合容量に照射光波長依存
性をもたせることができ、また、光照射後も照射時の接
合容量を保持させることができる。
【0005】Zn、OドープのGaP赤色LEDの場合
には、H. Kukimoto 等による「Physical Review B vo
l. 7 No.6 pp.2486〜2507」での報告によ
り、p−n接合内およびp型層にドープされる酸素
(O)に前述した性質があることが明らかにされてい
る。
には、H. Kukimoto 等による「Physical Review B vo
l. 7 No.6 pp.2486〜2507」での報告によ
り、p−n接合内およびp型層にドープされる酸素
(O)に前述した性質があることが明らかにされてい
る。
【0006】即ち、GaP中の酸素に関し、1.8eV
(λ≒689nm)以下のエネルギーの照射光波長範囲に
おいては、光学的捕獲断面積の波長依存性は図3の通り
となている。図3においてはσp は価電子帯から電子を
酸素準位に捕らえる時の、また、σn は逆に酸素準位の
電子を伝導帯に放出する時の各々捕獲断面積を示す。こ
の図から、1.7eV以上の光照射により、酸素準位
は、電子を捕獲して中性となり、1.2eV前後の光の
照射により、逆に電子を伝導帯に放出してプラスのチャ
ージを帯びる。従って、上記のエネルギーの光を上記順
序で照射した場合の容量変化は図4に示す通りとなる。
(λ≒689nm)以下のエネルギーの照射光波長範囲に
おいては、光学的捕獲断面積の波長依存性は図3の通り
となている。図3においてはσp は価電子帯から電子を
酸素準位に捕らえる時の、また、σn は逆に酸素準位の
電子を伝導帯に放出する時の各々捕獲断面積を示す。こ
の図から、1.7eV以上の光照射により、酸素準位
は、電子を捕獲して中性となり、1.2eV前後の光の
照射により、逆に電子を伝導帯に放出してプラスのチャ
ージを帯びる。従って、上記のエネルギーの光を上記順
序で照射した場合の容量変化は図4に示す通りとなる。
【0007】ここで、酸素準位は充分深いため(伝導帯
から0.9eV)、一度捕らえられた電子は熱的にはわ
ずかしか放出されない。従って、Zn、OドープGaP
赤色LEDは、前述した電流→光→容量変化の情報伝達
形式により記憶作用を保持する半導体光結合素子の受光
素子としての条件を備えていることになる。また、一次
側の発光素子としては、受光素子の波長依存性を考慮し
て選択できるが、前述のGaP赤色LEDを受光素子と
した場合、例えばGaP赤色LED(1.77eV)
と、SiドープGaAsLED(1.29eV)の組み
合わせが実用的である。
から0.9eV)、一度捕らえられた電子は熱的にはわ
ずかしか放出されない。従って、Zn、OドープGaP
赤色LEDは、前述した電流→光→容量変化の情報伝達
形式により記憶作用を保持する半導体光結合素子の受光
素子としての条件を備えていることになる。また、一次
側の発光素子としては、受光素子の波長依存性を考慮し
て選択できるが、前述のGaP赤色LEDを受光素子と
した場合、例えばGaP赤色LED(1.77eV)
と、SiドープGaAsLED(1.29eV)の組み
合わせが実用的である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】現在市販されている電
流−光−電流の情報伝達形式を採っている光結合素子に
おいては、一次側入力電流(LED駆動電流)と二次側
出力電流(受光素子フォトカレント)が、電流伝達効率
(CTR)と呼ばれる特性値で一対一に対応している。
従って、この型の光結合素子はディジタル的用途および
アナログ的用途のいずれにも使用することができる。し
かしながら、前述の記憶作用を有する半導体光結合素子
においては容量変化が発光素子の独立した2波長に対応
して一意的に決定されるため、ディジタル的用途以外に
は使用することができず、適用範囲が限定されるという
不都合があった。よって、本発明の目的とするところ
は、電流−光−容量変化の情報伝達形式により記憶機能
を備えた半導体光結合素子においても、一次側入力電流
に一対一に対応した二次側容量変化を得ることができる
ようにして、ディジタル的用途のみならずアナログ的用
途にも使用しうるようにすることである。
流−光−電流の情報伝達形式を採っている光結合素子に
おいては、一次側入力電流(LED駆動電流)と二次側
出力電流(受光素子フォトカレント)が、電流伝達効率
(CTR)と呼ばれる特性値で一対一に対応している。
従って、この型の光結合素子はディジタル的用途および
アナログ的用途のいずれにも使用することができる。し
かしながら、前述の記憶作用を有する半導体光結合素子
においては容量変化が発光素子の独立した2波長に対応
して一意的に決定されるため、ディジタル的用途以外に
は使用することができず、適用範囲が限定されるという
不都合があった。よって、本発明の目的とするところ
は、電流−光−容量変化の情報伝達形式により記憶機能
を備えた半導体光結合素子においても、一次側入力電流
に一対一に対応した二次側容量変化を得ることができる
ようにして、ディジタル的用途のみならずアナログ的用
途にも使用しうるようにすることである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体光結合素
子は、発光素子とこれと光学的に結合された受光素子と
により構成されるものであって、発光素子は入力電流に
応じて発光波長の変化する素子であり、また受光素子
は、入射光の波長に応じて容量値が変化し、しかも光照
射終了後も、光照射終了直前の入射光の波長に対応した
容量値を保持するものである。
子は、発光素子とこれと光学的に結合された受光素子と
により構成されるものであって、発光素子は入力電流に
応じて発光波長の変化する素子であり、また受光素子
は、入射光の波長に応じて容量値が変化し、しかも光照
射終了後も、光照射終了直前の入射光の波長に対応した
容量値を保持するものである。
【0010】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1の(a)は、本発明の第1の実施例を
示すチップ配置図である。同図に示されるように、本実
施例の光結合素子は、在来型の光結合素子と同様に受光
素子1と発光素子2とが対向配置されたものである。受
光素子1としては、p型エピタキシャル層に2×1017
cm-3の亜鉛(Zn)および5×1016cm-3の酸素(O)
がドープされたGaP赤色LED(ペレットサイズ0.
5mm□)が、発光素子2としては、以下に記載される、
傾斜混晶比のAlGaAsLED(ペレットサイズ0.
4mm□)が用いられている。受光素子1および発光素子
2は、図示されたように配置された後、透明樹脂により
1次封止が行われ、続いて全体をを覆うように黒樹脂
(点線内)にて2次封止が行われる。
て説明する。図1の(a)は、本発明の第1の実施例を
示すチップ配置図である。同図に示されるように、本実
施例の光結合素子は、在来型の光結合素子と同様に受光
素子1と発光素子2とが対向配置されたものである。受
光素子1としては、p型エピタキシャル層に2×1017
cm-3の亜鉛(Zn)および5×1016cm-3の酸素(O)
がドープされたGaP赤色LED(ペレットサイズ0.
5mm□)が、発光素子2としては、以下に記載される、
傾斜混晶比のAlGaAsLED(ペレットサイズ0.
4mm□)が用いられている。受光素子1および発光素子
2は、図示されたように配置された後、透明樹脂により
1次封止が行われ、続いて全体をを覆うように黒樹脂
(点線内)にて2次封止が行われる。
【0011】図1の(b)は、上述のAlGaAsLE
Dの素子断面図である。本素子は以下のように作成され
る。まず、n型(100)GaAs基板上に、通常の徐
冷液相エピタキシャル成長法を用いてSiドープのp型
Alx Ga1-x Asエピタキシャル層3を成長させ、引
き続いてTeドープのn型GaAsエピタキシャル層4
を成長させる。p型Alx Ga1-x Asエピタキシャル
層のAlAs混晶比分布は、図1の(c)に示されるよ
うに、成長開始時点(GaAs基板との界面)でx=
0.35、n型GaAs層4との界面でx=0としてあ
る。次に、このエピタキシャルウェハのn型GaAs基
板を除去し、p側電極5およびn側電極6を各々形成
し、図1の(b)に示されたLEDを得る。
Dの素子断面図である。本素子は以下のように作成され
る。まず、n型(100)GaAs基板上に、通常の徐
冷液相エピタキシャル成長法を用いてSiドープのp型
Alx Ga1-x Asエピタキシャル層3を成長させ、引
き続いてTeドープのn型GaAsエピタキシャル層4
を成長させる。p型Alx Ga1-x Asエピタキシャル
層のAlAs混晶比分布は、図1の(c)に示されるよ
うに、成長開始時点(GaAs基板との界面)でx=
0.35、n型GaAs層4との界面でx=0としてあ
る。次に、このエピタキシャルウェハのn型GaAs基
板を除去し、p側電極5およびn側電極6を各々形成
し、図1の(b)に示されたLEDを得る。
【0012】上述の手順により製作されたAlGaAs
LEDは、その構造から明らかなように、順方向に低電
流を流した場合、通常のSiドープGaAsLEDと同
様な赤外光(λ≒930nm)を発するが、順方向電流
を増加するにつれて、注入された電子がp型Alx Ga
1-x Asエピタキシャル層3の深くにおいて発光に寄与
してくるため、徐々に短波長の光をも発するようにな
り、さらに電流を増加していくと赤色光(750〜69
0nm)の成分が大きくなる。
LEDは、その構造から明らかなように、順方向に低電
流を流した場合、通常のSiドープGaAsLEDと同
様な赤外光(λ≒930nm)を発するが、順方向電流
を増加するにつれて、注入された電子がp型Alx Ga
1-x Asエピタキシャル層3の深くにおいて発光に寄与
してくるため、徐々に短波長の光をも発するようにな
り、さらに電流を増加していくと赤色光(750〜69
0nm)の成分が大きくなる。
【0013】次に、このようにして作製されたLEDを
発光素子として用いた光結合素子の容量変化を測定す
る。測定周波数は100kHz、容量測定にはロックイ
ンアンプを用い、容量の変化分のみを記録した。なお、
一次側入力電流0時の容量は120pFであった。LE
Dへの入力電流を0から徐々に増加させていくと、容量
変化分ΔCは0から単調増加していき、図1の(d)に
示すように、一次側の入力電流と二次側の受光素子のΔ
Cとは一対一に対応する結果となった。
発光素子として用いた光結合素子の容量変化を測定す
る。測定周波数は100kHz、容量測定にはロックイ
ンアンプを用い、容量の変化分のみを記録した。なお、
一次側入力電流0時の容量は120pFであった。LE
Dへの入力電流を0から徐々に増加させていくと、容量
変化分ΔCは0から単調増加していき、図1の(d)に
示すように、一次側の入力電流と二次側の受光素子のΔ
Cとは一対一に対応する結果となった。
【0014】このような特性を示すのは以下の理由によ
るものと考えられる。即ち、低電流領域においてはλ=
930nm付近の赤外光の成分が大きいため、受光素子
の酸素準位は電子を伝導帯に放出する割合が、価電子帯
から電子を捕獲する割合よりも大きく、結果としてわず
かの酸素準位のみが中性化するにとどまり、容量変化は
極めて小さい。ところが、大電流領域になるにつれて7
50〜690nm付近の赤色光の成分が相対的に増加す
るため、今度は逆にかなりの酸素準位が中性化するため
容量変化は大きくなる。
るものと考えられる。即ち、低電流領域においてはλ=
930nm付近の赤外光の成分が大きいため、受光素子
の酸素準位は電子を伝導帯に放出する割合が、価電子帯
から電子を捕獲する割合よりも大きく、結果としてわず
かの酸素準位のみが中性化するにとどまり、容量変化は
極めて小さい。ところが、大電流領域になるにつれて7
50〜690nm付近の赤色光の成分が相対的に増加す
るため、今度は逆にかなりの酸素準位が中性化するため
容量変化は大きくなる。
【0015】以上説明した通り、本実施例による光結合
素子では、発光素子の駆動電流に対応した受光素子の容
量変化が得られることが明らかとなった。また、当然の
ことながらこの容量値は駆動電流が0となった後もその
直前の電流値に対応した値に保持される。そして、駆動
電流を再び低電流とした場合においては、その低電流値
に対応する容量値が再現される。
素子では、発光素子の駆動電流に対応した受光素子の容
量変化が得られることが明らかとなった。また、当然の
ことながらこの容量値は駆動電流が0となった後もその
直前の電流値に対応した値に保持される。そして、駆動
電流を再び低電流とした場合においては、その低電流値
に対応する容量値が再現される。
【0016】図2の(a)は、本発明の第2の実施例に
用いられる発光素子の断面図である(本実施例のチップ
配置図は図1の(a)に示した先の実施例の場合と同様
である)。本実施例の発光素子も傾斜混晶比AlGaA
sLEDの構成を有し、以下のように製作される。
用いられる発光素子の断面図である(本実施例のチップ
配置図は図1の(a)に示した先の実施例の場合と同様
である)。本実施例の発光素子も傾斜混晶比AlGaA
sLEDの構成を有し、以下のように製作される。
【0017】n型(100)GaAs基板上に、Siド
ープAly Ga1-y As層を連続してエピタキシャル成
長させて、混晶比が逓減する(最大で0.45、最少で
0)n型AlGaAsエピタキシャル層7とp型AlG
aAsエピタキシャル層8とを形成する。次に、GaA
s基板を除去し、n側電極9とp側電極10を形成す
る。
ープAly Ga1-y As層を連続してエピタキシャル成
長させて、混晶比が逓減する(最大で0.45、最少で
0)n型AlGaAsエピタキシャル層7とp型AlG
aAsエピタキシャル層8とを形成する。次に、GaA
s基板を除去し、n側電極9とp側電極10を形成す
る。
【0018】このようにして作製されたLEDのAlG
aAs混晶比の分布を図2の(b)に示す。本実施例の
場合には、先の第1の実施例の場合とは逆に、低電流領
域で短波長光の成分が大きく、大電流領域になって相対
的に長波長光の成分が大きくなる。従って、本実施例の
容量変化ΔCの電流依存性は、図2の(c)に示される
ように、第1の実施例の場合とは逆になるが、情報の伝
達および記憶等の機能は先の実施例と同様である。
aAs混晶比の分布を図2の(b)に示す。本実施例の
場合には、先の第1の実施例の場合とは逆に、低電流領
域で短波長光の成分が大きく、大電流領域になって相対
的に長波長光の成分が大きくなる。従って、本実施例の
容量変化ΔCの電流依存性は、図2の(c)に示される
ように、第1の実施例の場合とは逆になるが、情報の伝
達および記憶等の機能は先の実施例と同様である。
【0019】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、例え
ば、発光素子、受光素子について他の材料を用いたもの
に代えることができる。
本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、例え
ば、発光素子、受光素子について他の材料を用いたもの
に代えることができる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体光
結合素子は、発光素子として発光波長に入力電流依存性
のあるものを用い、受光素子として容量値が入力光の波
長に依存し、かつその容量値を記憶する機能を有するも
のを用いたものであるので、本発明によれば、一次側回
路と二次側回路とを電気的に分離できるという在来型光
結合素子の利点に加え、一次側の入力信号を二次側にお
いて容量値の変化分として感知、記憶させることができ
る。従って、本発明によれば、記憶機能を有する光結合
素子を、ディジタル的用途のみならず、アナログ的用途
にも用いることができるようになり、その適用範囲をよ
り広い分野に拡大することができる。
結合素子は、発光素子として発光波長に入力電流依存性
のあるものを用い、受光素子として容量値が入力光の波
長に依存し、かつその容量値を記憶する機能を有するも
のを用いたものであるので、本発明によれば、一次側回
路と二次側回路とを電気的に分離できるという在来型光
結合素子の利点に加え、一次側の入力信号を二次側にお
いて容量値の変化分として感知、記憶させることができ
る。従って、本発明によれば、記憶機能を有する光結合
素子を、ディジタル的用途のみならず、アナログ的用途
にも用いることができるようになり、その適用範囲をよ
り広い分野に拡大することができる。
【図1】本発明の第1の実施例を説明するためのチップ
配置図、発光素子の断面図、その混晶比分布図および第
1の実施例の特性図。
配置図、発光素子の断面図、その混晶比分布図および第
1の実施例の特性図。
【図2】本発明の第2の実施例に用いられる発光素子の
断面図、その混晶比の分布図および第2の実施例の特性
図。
断面図、その混晶比の分布図および第2の実施例の特性
図。
【図3】本発明の実施例および従来例において用いられ
る受光素子の特性図。
る受光素子の特性図。
【図4】従来例の動作説明図。
1 受光素子(Zn、OドープGaPLED) 2 発光素子(AlGaAsLED) 3 p型Alx Ga1-x Asエピタキシャル層 4 n型GaAsエピタキシャル層 5 p側電極 6 n側電極 7 n型AlGaAsエピタキシャル層 8 p型AlGaAsエピタキシャル層 9 n側電極 10 p側電極
Claims (1)
- 【請求項1】 駆動電流に応じて発光波長が変化する発
光素子と、入射光の波長に応じた容量値を示し、入射光
が遮断された後はその直前の入射光の波長に応じた容量
値を保持する受光素子とが光学的に結合されている半導
体光結合素子。
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