JP2011233565A - 光結合装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１チップ化された光結合装置において、発光光の利用効率を高くする。
【解決手段】受光素子領域Ｂ１中において受光素子１０が形成され、発光素子領域Ｂ２中におけるＳｉ基板（半導体基板）１１の一方の主面上に発光素子２０が形成される。Ｓｉ基板１１の他方の主面には、絶縁性基板４０が、絶縁性接着剤４１によって接合されている。また、受光素子１０と発光素子２０とは、Ｓｉ基板１１中に形成された溝５０で電気的に分離されている。受光素子１０は、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）、ベース領域１２、エミッタ領域１３からなるフォトトランジスタである。発光素子２０は、ｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３からなる。受光素子１０における受光面はＳｉ基板１１中に形成され、発光素子２０における発光面はＳｉ基板１１上に形成された半導体層中に形成されるため、受光面と発光面とは異なる高さとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一基板上に形成された発光素子と受光素子とで構成される光結合装置の構造及びその製造方法に関する。

光結合装置（フォトカプラ）は、電気的に絶縁された系において信号を光を用いて伝達するために用いられ、光信号を発する発光素子と、この光信号を受光する受光素子とで構成される。ここで、通常は受光素子としてはシリコン（Ｓｉ）で構成されたフォトトランジスタが用いられる。一方、Ｓｉで発光素子を構成することは困難であるため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成されたｐｎ接合からなる発光ダイオードが発光素子として用いられる。このため、別々に製造されたこれらの２つの素子（チップ）を同一パッケージ内に封入した形態の光結合装置が広く使用されている。なお、発光素子と受光素子とは光信号で結合されるが、電気的には絶縁される。

こうした光結合装置全体を小型化、低価格化するためには、発光素子と受光素子とを１チップ化する、すなわち、これらを別々に製造するのではなく、同一の基板上にこれらを製造することが有効である。この構成の一例が、特許文献１に記載されている。この構成においては、半導体基板中に凹部を形成し、その中に半導体層をエピタキシャル成長させる。この半導体層における左右の領域にそれぞれ発光素子と受光素子を形成し、これらの間を溝で分離し、この溝を透光性樹脂材料で埋め込む。これによって、形成された発光素子と受光素子とは溝によって電気的に分離され、発光素子による発光光は溝（透光性樹脂材料）を通って受光素子に到達する。

同様の構成は、特許文献２にも記載されている。この構成においては、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させた半導体層に発光素子と受光素子を形成し、Ｓｉ基板を絶縁基板上に貼り付ける。その後、発光素子と受光素子との間においてＳｉ基板を貫通する溝を形成し、この溝を透光性樹脂で埋め込む。これによって、特許文献１と同様に、受光素子が発光素子からの光を受光でき、かつ溝によって発光素子と受光素子が電気的に分離された構成が実現できる。

こうした構成を用いて、１チップ化された光結合装置を得ることができる。

特開平６−５９０６号公報 特開２００６−３５１８５９号公報

上記のいずれの製造方法においても、発光素子と受光素子とは、半導体基板上にエピタキシャル成長によって形成された同一の半導体層で形成されるため、発光素子と受光素子とは半導体基板上のほぼ同じ高さに形成される。

ここで、発光素子における発光箇所は、ｐｎ接合界面付近に限定され、その光はこの界面に垂直な方向において強く発せられ、この界面と平行な方向では弱くなる。すなわち、このｐｎ接合界面を発光面と考えることができる。ここで、発光素子と受光素子とがほぼ同一の高さに形成された場合、この発光面からみて受光素子は発光光の強度が弱くなる方向に位置する。従って、発光面から受光素子にこの発光光が達する割合は低くなり、光結合装置における発光光の利用効率は低くなる。あるいは、発光強度が弱い場合には、この発光を受光素子が検知することができない。

このように、１チップ化された光結合装置において、発光光の利用効率を高くすることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の光結合装置は、電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ半導体基板における受光素子領域と発光素子領域において形成された光結合装置であって、前記受光素子領域において、前記半導体基板中の拡散層によって形成された受光素子と、前記半導体基板の一方の主面上の前記受光素子領域と異なる前記発光素子領域において、前記半導体基板の一方の主面上に形成された半導体層によって形成された発光素子と、前記半導体基板の他方の主面に接合された絶縁性基板と、前記発光素子と前記受光素子との間において、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝と、を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記発光素子上に第１の反射層が形成されたことを特徴とする。
本発明の光結合装置において、前記半導体基板は導電性シリコン単結晶であり、前記受光素子は、前記半導体基板と逆の導電型をもち前記半導体基板中に形成されたベース拡散層と、前記半導体基板と同じ導電型をもち前記ベース拡散層中に形成されたエミッタ拡散層と、を具備し、前記半導体基板をコレクタ拡散層として動作することを特徴とする。
本発明の光結合装置において、前記半導体層は、Ｎ、Ａｓ、Ｐ又はＯの少なくとも一つを構成元素として含みその禁制帯幅が前記半導体基板よりも大きな化合物半導体材料で構成され、当該化合物半導体材料からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含むことを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記溝に絶縁性材料が充填されたことを特徴とする。
本発明の光結合装置は、透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆う導光層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆い、かつ前記溝を充填する形態とされた導光層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置は、前記導光層上に形成された第２の反射層を具備することを特徴とする。
本発明の光結合装置の製造方法は、電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ受光素子領域と発光素子領域において半導体基板の一方の主面側に形成された光結合装置の製造方法であって、前記受光素子領域において、前記半導体基板中に複数の拡散層を形成することによって受光素子を形成する受光素子形成工程と、前記半導体基板の一方の主面上に半導体層をエピタキシャル成長によって形成した後に、前記発光素子領域以外の領域における前記半導体層を除去し、前記発光素子領域において前記半導体層中に発光素子を形成する発光素子形成工程と、前記半導体基板の他方の主面に絶縁性基板を接合する絶縁性基板接合工程と、前記受光素子と前記発光素子との間に、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝を形成する溝形成工程と、を具備することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、１チップ化された光結合装置において、発光光の利用効率を高くすることができる。

本発明の実施の形態に係る光結合装置の上面図（ａ）及びそのＡ−Ａ方向における断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態に係る光結合装置の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る光結合装置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる光結合装置及びその製造方法につき説明する。この光結合装置は、シリコン（Ｓｉ）基板を用いて製造され、Ｓｉ基板上の異なる領域において、受光素子がＳｉ基板中、発光素子がＳｉ基板上にそれぞれ製造され、両者が１チップ化された構成となっている。この際、受光素子（フォトトランジスタ）は、Ｓｉ基板（半導体基板）中に形成された拡散層によって構成される。発光素子は、Ｓｉ基板の一方の主面上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層（ＧａＮ層）で構成され、その主な発光領域となるｐｎ接合部は、Ｓｉ基板中に形成された受光素子とは異なる高さに形成される。

図１は、この光結合装置の上面図（ａ）、及びそのＡ−Ａ方向の断面図（ｂ）である。この光結合装置１においては、受光素子領域Ｂ１中において受光素子１０が形成され、発光素子領域Ｂ２中におけるＳｉ基板（半導体基板）１１の一方の主面（図１（ｂ）中の上側の面）上に発光素子２０が形成される。

Ｓｉ基板１１の他方の主面（図１（ｂ）中の下側の面）には、絶縁性基板４０が、絶縁性接着剤４１によって接合されている。また、受光素子１０と発光素子２０とは、Ｓｉ基板１１中に形成された溝５０で電気的に分離されている。溝５０は、図１（ｂ）中の上下方向にＳｉ基板１１を貫通するように形成され、図１（ａ）中の上下方向に延びた形状とされる。

受光素子１０は、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）、ベース領域１２、エミッタ領域１３からなるフォトトランジスタである。ベース領域１２、エミッタ領域１３は、Ｓｉ基板１１中に不純物拡散あるいはイオン注入によって形成された拡散層である。この受光素子１０において受光効率が最も高いのは、ベース領域１２とコレクタ領域（Ｓｉ基板１１）の界面となるベース領域１２の下面である。すなわち、この面を受光面と考えることができる。なお、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）、エミッタ領域１３上には、これらの領域と電気的接続がなされるように、それぞれ電極３１、３２が形成されている。

発光素子２０は、Ｓｉ基板１１上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層で構成された発光ダイオードであり、この半導体層は、ｎ型ＧａＮ層（ｎ型半導体層）２１、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層２２、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）２３からなる。ここで、ＭＱＷ層２２は、例えば特開２００６−１１４８１３号公報に記載されているように、例えば数ｎｍ〜数１０ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ、ＧａＮ薄膜が複数積層された構造をもつ。この構成においては、最も発光効率が高いのはＭＱＷ層２２である。ＭＱＷ層２２は薄いため、この発光領域は面状であると考えることができる。光は、この発光面から主に図１（ｂ）における上下方向に発せられる。このため、その発光強度は、この発光面の法線方向（上下方向）において高く、その発光面の面内方向（左右方向）において低くなる。

発光素子２０（ｐ型ＧａＮ層２２）上には、第１の反射層２４が形成されており、発光素子２０から図１（ｂ）中の上側に発せられた光は、第１の反射層２４によって反射される。また、ｐ型ＧａＮ層２３、ｎ型ＧａＮ層２１との電気的接続をとるために、第１の反射層２４、ｎ型ＧａＮ層２１上には、それぞれ電極３３、３４が形成されている。発光素子２０におけるｐ型ＧａＮ層２３及びＭＱＷ層２２の大きさ、受光素子１０におけるベース領域１２の大きさは、それぞれ例えば１００μｍ程度である。

以上の構成においては、受光素子１０における受光面はＳｉ基板１１中に形成され、発光素子２０における発光面はＳｉ基板１１上に形成された半導体層中に形成されるため、受光面と発光面とは異なる高さとなる。従って、発光面から発せられた光のうち、図１（ｂ）中における上下方向に発せられた光が受光面（受光素子１０）に達しやすくなり、受光面に達する光の割合を増大させることができる。すなわち、発光光の利用効率を高めることができる。

また、受光素子１０と発光素子２０とを覆う形態で、透光性かつ絶縁性の導光層５１を介して第２の反射層５２が形成されている。導光層５１は、発光素子２０から受光素子１０までの光のガイド層となる。すなわち、発光素子１０から発せられた光は、第１の反射層２４、第２の反射層５２によって反射され、導光層５１中を伝搬して受光素子１０（受光面）に達する。すなわち、この構造によっても、発光光の利用効率を高めることができる。

なお、上記の構造において、図１（ａ）に示されるように、電極３３上の導光層５１の開口、及び電極３４はそれぞれ矩形形状となっている。このため、この開口部、及び電極３４に対してワイヤボンディングを施すことができ、これらによって発光素子２０におけるｐ型ＧａＮ層２３、ｎ型ＧａＮ層２１とそれぞれ電気的接続をとることが可能である。この構成によって、発光素子２０を駆動することが可能である。

一方、エミッタ領域１３に接続された電極３２は、Ｓｉ基板１１上に絶縁層を介し、図１（ａ）中の下側に向かって延びた形状をなす。図１（ａ）に示された範囲外において電極３２にはワイヤボンディングが施される。コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）に接続された電極３１についても同様である。これらによって、エミッタ領域１３、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）とそれぞれ電気的接続をとることができる。この構成によって、受光素子１０を動作させることが可能である。

この際、受光素子１０と発光素子２０（半導体層）との間には、溝５０が形成されており、導光層５１と同じ透光性絶縁材料によって溝５０の中は充填されている。これによりＳｉ基板１１は受光素子１０側と発光素子２０側で分断され、受光素子１０と発光素子２０とは電気的に絶縁される。従って、上記の構造を、光結合装置として使用することができる。この光結合装置１における発光光の利用効率は、上記の通り高くなる。

図２は、この光結合装置１の製造方法を示す工程断面図である。この断面は、図１（ｂ）と同じ箇所の断面である。

まず、図２（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板（半導体基板）１１が準備される。Ｓｉ基板１１は、この中にフォトトランジスタを形成することができ、かつＧａＮ等からなる半導体層をこの上にヘテロエピタキシャル成長させることのできるシリコン単結晶基板である。その面方位は、良質のＧａＮ等がヘテロエピタキシャル成長できるように適宜設定される。また、図中に示されたＳｉ基板１１は、受光素子（フォトトランジスタ）におけるコレクタ領域となりうるべくドーピングが施されており、所定の導電型（ｎ型又はｐ型）をもつ。

次に、図２（ｂ）に示されるように、Ｓｉ基板１１の右側の領域（受光素子領域）に、不純物拡散により、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）と反対側の導電型をもつベース領域１２、更にその中にコレクタ領域と同じ導電型をもつエミッタ領域１３を、順次形成する（受光素子形成工程）。これらの工程は、通常知られるバイポーラトランジスタの製造工程と同様に行われ、例えばシリコン酸化膜をマスクとした選択的不純物拡散によって行うことができる。これにより、Ｓｉ基板１１中に、コレクタ領域、ベース領域１２、エミッタ領域１３からなるフォトトランジスタが形成される。ここで、光が入射して形成される光電流がベース電流となってこのフォトトランジスタはオンオフ動作をする。このため、このフォトトランジスタにおける実質的な受光部（受光面）は、コレクタ領域（Ｓｉ基板１１）とベース領域１２の界面のｐｎ接合となり、これは主にベース領域１２の下面となる。

次に、図２（ｃ）に示されるように、図２（ｂ）に示された形態とされたＳｉ基板１１の一方の主面（図中上側の面）上に、エピタキシャル成長によって半導体層、すなわちｎ型ＧａＮ層（ｎ型半導体層）２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）２３を順次形成する。この工程は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行うことができる。ｎ型ＧａＮ層２１にはドナーとなる不純物が、ｐ型ＧａＮ層２３にはアクセプタとなる不純物が適宜ドーピングされる。ｎ型ＧａＮ層２１の厚さは例えば５．０μｍ、ｐ型ＧａＮ層２３の厚さは例えば０．２μｍ程度とすることができる。また、ＭＱＷ層２２は、例えば数ｎｍ〜数１０ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ、ＧａＮ薄膜が複数積層された構造をもち、ＩｎＧａＮ、ＧａＮの各層はｎ型ＧａＮ層２１、ｐ型ＧａＮ層２３と同様に形成される。なお、このエピタキシャル成長においては、その基板となるＳｉ基板１１表面は平坦であるため、良質のｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３を全面で得ることが容易である。

次に、図２（ｄ）に示されるように、ｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３をそれぞれ成形し、発光素子２０とする（発光素子形成工程）。この工程は、フォトレジストやシリコン酸化膜等をマスクとして形成し、このマスクが形成された領域以外の領域におけるこれらの材料をドライエッチングあるいはウェットエッチングすることによって行われる。また、図示されるように、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３は、ｎ型ＧａＮ層２１よりも更に小さくする。これにより、この成形後の半導体層（ｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３）とからなる発光素子２０が形成される。なお、ＧａＮの禁制帯幅はＳｉの禁制帯幅よりも大きいため、この発光素子２０が発した光を前記の受光素子１０（フォトトランジスタ）が受光することが可能である。

次に、図２（ｅ）に示されるように、ｐ型ＧａＮ層２３の表面（上面）に、第１の反射層２４を形成する。第１の反射層２４は、ｐ型ＧａＮ層２３とオーミックコンタクトがとれ、かつ発光領域となるＭＱＷ層２２から発せられた光を反射できる材料で構成される。例えば、Ａｌ等の金属材料をこの材料として使用することができる。図２（ｅ）では、第１の反射層２４はｐ型ＧａＮ層２３の全面にわたり形成されているが、必ずしもその全面にわたり形成されている必要はない。その形成方法としては、全面に上記の金属材料を成膜し、所望の箇所にフォトレジスト等のマスクを形成してからエッチングを行い、所望の箇所以外の金属材料を除去する（エッチング法）、（２）所望の箇所以外にフォトレジスト等のマスクを形成してから全面に上記の金属材料を成膜し、後でマスクを除去することによって所望の箇所以外の金属材料を除去する（リフトオフ法）、のいずれかの方法を用いることができる。

次に、図２（ｆ）に示されるように、Ｓｉ基板１１（コレクタ領域）、エミッタ領域１３、第１の反射層２４、ｎ型ＧａＮ層２１の各層に対して、これらと電気的接合あるいはオーミック接合がとれる材料を用いて、電極３１〜３４がそれぞれ形成される。ここでは単純化して示しているが、実際には、各層に対して電気的接合あるいはオーミック接合がとれる材料は異なるため、その形成は別々に行われる。どの場合においても、その形成方法としては、前記のエッチング法又はリフトオフ法のいずれかの方法を用いることができる。

その後、図２（ｇ）に示されるように、Ｓｉ基板１１の裏面（下面）に、絶縁性基板４０を絶縁性接着剤４１を用いて接合する（絶縁性基板接合工程）。絶縁性基板４０には、充分な機械的強度がありかつ絶縁性の高い材料が用いられ、例えばアルミナが用いられる。

次に、図２（ｈ）に示されるように、図中上側から絶縁性基板４０まで達する溝５０を、ｎ型ＧａＮ層２１（発光素子２０）とベース領域１２（受光素子１０）との間に形成する（溝形成工程）。図１（ｈ）は、この溝５０が延びる方向に垂直な断面となっている。この工程は、例えばダイシングソー等を用いて行われる。この工程後においては溝５０によってＳｉ基板１１は図中左右で分断されるが、絶縁性基板４０が接合されているために、図２（ｈ）に示された構造を取り扱うことは容易である。

次に、図２（ｉ）に示されるように、溝５０中を埋め込み、かつｐ型ＧａＮ層２３、第１の反射層２４、電極３３等（発光素子２０）とベース領域１２、エミッタ領域１３、電極３２等（受光素子１０）とを覆う形態で、導光層５１を形成する。導光層５１の材料としては、透光性でありかつ絶縁性の材料（透光性絶縁材料）であり、かつ溝５０を充填することのできる、例えばポリイミド樹脂等を用いることができる。ポリイミド樹脂をこの形態とするためには、例えば、液状のポリイミド樹脂を塗布した後に硬化させ、その後で図２（ｉ）の形態となるべくこれをマスクを用いて選択的にエッチングすればよい。ここで、第１の反射層２４上の電極３３上には、後でこの箇所にワイヤボンディングが施せるように開口を設けておく。

その後、図２（ｊ）に示されるように、導光層５１上に第２の反射層５２を形成する。第２の反射層５２としては、第１の反射層２４と同様に光を反射する材料を用いることができるが、第２の反射層５２と半導体とは直接接続されないため、オーミック性は要求されない。第２の反射層５２のパターニングは、第１の反射層２４と同様に、エッチング法又はリフトオフ法によって行うことができる。

これにより、図１の構成の光結合装置１が製造される。なお、実際にはこの構造がパッケージ内に封入され、電極３１、３２、３４上、あるいは電極３３上の第２の反射層５２にワイヤボンディングが施され、パッケージにおける各リード端子と接続されるが、その記載は省略している。

この製造方法においては、受光素子１０となる複数の拡散層を予めＳｉ基板１１中に形成した後に、発光素子２０となる半導体層をＳｉ基板１１上に形成する。これにより、発光素子２０における発光面と受光素子１０における受光面とが異なる高さとなる光結合装置１を容易に得ることができる。

なお、上記の製造工程において、絶縁性基板接合工程（図２（ｇ））は、溝形成工程の前であり、かつそれ以降に行われる他の工程において絶縁性基板４０、絶縁性接着剤４１が悪影響を与えない限りにおいて、上記と異なる時点で行うことが可能である。例えば、発光素子形成工程における半導体層の成形（図２（ｄ））、第１の反射層形成（図２（ｅ））、電極の形成（図２（ｆ））のいずれかの前に絶縁性基板接合工程を行うことも可能である。その他、図２における各工程の順序は、図１の構造が形成でき、かつ受光素子１０と発光素子２０の特性が良好に保たれる限りにおいて適宜変更することが可能である。

また、上記の例では、ｎ型ＧａＮ層２１、ＭＱＷ層２２、ｐ型ＧａＮ層２３をＳｉ基板１１の一方の主面全面にエピタキシャル成長によって形成し（図２（ｃ））、その後でこれらの層を所望の箇所以外で除去する（図２（ｄ））設定とした。しかしながら、これらの層を予めＳｉ基板１１上に選択的にエピタキシャル成長させることも可能である。

また、前記の例では、発光効率を高めるためにＭＱＷ層２２をｎ型ＧａＮ層２１とｐ型ＧａＮ層２３との間に挿入していたが、ＭＱＷ層２２を挿入しない通常のｐｎ接合を利用した発光ダイオードとしてもよい。この場合においても、ｐｎ接合面を発光面と考えることができ、やはり発光面が受光面よりも高い場所に形成されるため、上記の効果は同様に得られる。

また、前記の通り、第１の反射層２４、導光層５１、第２の反射層５２によって発光光の利用効率が更に高まるが、これらを用いない場合でも、上記の構成においては、発光面と受光面とが異なる高さに設定されるため、発光光の利用効率を高めることができることは明らかである。また、溝５０が形成されていれば、この溝５０中に絶縁性材料が充填されていない場合でも、発光素子２０と受光素子１０とが電気的に絶縁されることも明らかである。これらを用いない場合においては、上記の製造方法をより簡略化できる。

上記の導光層５１、第２の反射層５２等に関して、他の構成を用いることもできる。図３は、この一例の構成を用いた光結合装置１０１の断面図である。ここでは、溝５０中に充填する絶縁性材料と、発光素子２０から受光素子１０まで光をガイドする透光性絶縁材料とで異なる材料を使用している。なお、ここではＭＱＷ層２２は使用しておらず、発光素子２０は単純なｐｎ接合を利用した発光ダイオードとなっている。

図３において、溝５０中には、絶縁性充填層５３が形成されている。絶縁性充填層５３の材料としては、高い絶縁性をもつ材料でありかつ溝５０を充填できる材料が用いられ、例えば前記と同様のポリイミド樹脂を使用することができるが、透光性は不要である。

一方、導光層５４としては、絶縁性充填層５３の材料ほど充填性は要求されず、その代わりに透光性のより高い材料を用いることができる。こうした材料としては、例えば酸化シリコン、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ−Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）等がある。

すなわち、溝充填層５３と導光層５４とで異なる材料とすることにより、前者においてはより絶縁性の高い材料を用い、後者においてはより透光性の高い材料を用いることができる。これにより、発光素子２０と受光素子１０の絶縁性を高め、かつ光の利用効率を更に高めることが可能である。

なお、上記の例では、Ｓｉ基板１１を導電性としてＳｉ基板１１自身をコレクタ領域として用いていたが、Ｓｉ基板をノンドープとし、コレクタ領域をベース領域１２等と同様に不純物拡散によって形成してもよい。更に、上記の例では、受光素子２０としてフォトトランジスタを用いたが、発光素子が発した光を受光して電気信号に変換できるものであれば、これに限定されない。例えば、ｐｎ接合からなるフォトダイオードを用いることも可能である。

また、受光素子、発光素子に接続される各電極の構成は、図１に記載の構成以外にも、これらに電気的接続がとれ、かつ受光素子が発光素子からの発光光を受光できる限りにおいて任意の構成をとることができる。

また、上記の例では、Ｓｉ基板１１中に受光素子１０を形成し、この上にエピタキシャル成長させた層において発光素子２０を形成した。同様の構成は、半導体基板としてＳｉ基板以外を用いた場合でも形成することが可能である。この際、発光素子側の材料の禁制帯幅を、基板となる材料の禁制帯幅以上とすることにより、発光素子が発した光を受光素子が受光することが可能である。また、発光素子側の材料は、基板上にエピタキシャル成長させることのでき、かつ高い発光効率をもつ材料であることが必要である。この一例として、ＧａＡｓ基板を半導体基板として用い、この中に受光素子としてダイオードを形成し、ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を順次形成して発光素子（発光ダイオード）を形成することができる。他にこうした条件が満たされる場合として、例えば、半導体基板の材料として前記のＳｉ、ＧａＡｓを用いることができる。発光素子の材料としては、ＧａＡｓやＧａＰ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、ＺｎＯ等の酸化物半導体のように、Ｎ、Ａｓ、Ｐ又はＯの少なくとも一つを構成元素として含む化合物半導体材料を用いることができる。ただし、この化合物半導体材料の禁制帯幅を半導体基板の材料の禁制帯幅以上とすることにより、受光素子がこの発光光を受光することが可能となる。こうしたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体としてＧａＮ系の混晶半導体等も用いることができる。なお、上記のＧａＡｓを用いる場合のように、半導体基板と、この上にエピタキシャル成長によって形成された半導体層の材料が同一であってもよい。

また、上記の例では、絶縁性基板４０を絶縁性接着剤４１を用いてＳｉ基板（半導体基板）１１に接合したが、受光素子と発光素子との間の絶縁性が溝を形成した後で確保できる限りにおいて、絶縁性基板と半導体基板の接合方法は任意である。例えば、予め絶縁性基板上に形成された半導体基板を用いて上記と同様の光結合装置を製造することも可能である。

１、１０１ 光結合装置
１０ 受光素子
１１ Ｓｉ基板（半導体基板）
１２ ベース領域
１３ エミッタ領域
２０ 受光素子（半導体層）
２１ ｎ型ＧａＮ層（ｎ型半導体層）
２２ ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層
２３ ｐ型ＧａＮ層（ｐ型半導体層）
２４ 第１の反射層
３１〜３４ 電極
４０ 絶縁性基板
４１ 絶縁性接着剤
５０ 溝
５１、５４ 導光層
５２ 第２の反射層
５３ 絶縁性充填層

Claims (9)

1. 電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ半導体基板における受光素子領域と発光素子領域において形成された光結合装置であって、
   前記受光素子領域において、前記半導体基板中の拡散層によって形成された受光素子と、
   前記半導体基板の一方の主面上の前記受光素子領域と異なる前記発光素子領域において、前記半導体基板の一方の主面上に形成された半導体層によって形成された発光素子と、
   前記半導体基板の他方の主面に接合された絶縁性基板と、
   前記発光素子と前記受光素子との間において、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝と、
   を具備することを特徴とする光結合装置。
2. 前記発光素子上に第１の反射層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記半導体基板は導電性シリコン単結晶であり、
   前記受光素子は、
   前記半導体基板と逆の導電型をもち前記半導体基板中に形成されたベース拡散層と、
   前記半導体基板と同じ導電型をもち前記ベース拡散層中に形成されたエミッタ拡散層と、
   を具備し、
   前記半導体基板をコレクタ拡散層として動作することを特徴とする、請求項１又は２に記載の光結合装置。
4. 前記半導体層は、
   Ｎ、Ａｓ、Ｐ又はＯの少なくとも一つを構成元素として含みその禁制帯幅が前記半導体基板よりも大きな化合物半導体材料で構成され、当該化合物半導体材料からなるｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光結合装置。
5. 前記溝に絶縁性材料が充填されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光結合装置。
6. 透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆う導光層を具備することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光結合装置。
7. 透光性絶縁材料からなり前記半導体基板の一方の主面上において前記発光素子と前記受光素子とを覆い、かつ前記溝を充填する形態とされた導光層を具備することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光結合装置。
8. 前記導光層上に形成された第２の反射層を具備することを特徴とする請求項６又は７に記載の光結合装置。
9. 電気的に絶縁された受光素子と発光素子とがそれぞれ受光素子領域と発光素子領域において半導体基板の一方の主面側に形成された光結合装置の製造方法であって、
   前記受光素子領域において、前記半導体基板中に複数の拡散層を形成することによって受光素子を形成する受光素子形成工程と、
   前記半導体基板の一方の主面上に半導体層をエピタキシャル成長によって形成した後に、前記発光素子領域以外の領域における前記半導体層を除去し、前記発光素子領域において前記半導体層中に発光素子を形成する発光素子形成工程と、
   前記半導体基板の他方の主面に絶縁性基板を接合する絶縁性基板接合工程と、
   前記受光素子と前記発光素子との間に、前記一方の主面側から前記他方の主面側まで前記半導体基板を貫通する溝を形成する溝形成工程と、
   を具備することを特徴とする光結合装置の製造方法。

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