JPS5858823B2 - 光結合半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発光素子と受光素子とを組み合わせてなる光結
合半導体装置に関するものである。

最近、新らしい固体素子として半導体発光素子と半導体
受光素子とを組み合わせた光結合半導体装置（以下「ホ
トカプラ」と称する）が注目されており、固体リレーや
伝送線のアイソレーション等に広く利用されている。

第１図と第２図は公知のホトカプラの断面図である。

第１図および第２図において１０は半導体発光素子とし
て通常使用される発光ダイオードであり、これはｎ形結
晶層１１．ｐ形結晶層１２、両層の間に形成されるｐ−
ｎ接合１３、陰極電極１４、陽極電極１５から戊る。

発光ダイオード１０の電極１４−電極１５間に電圧を印
加して電流を流せばｐ−ｎ接合１３近傍で光を発生させ
ることができる。

２０は固体リレー等で使用されるホトサイリスタであり
、これはｐ形エミッタ層２１、ｎ形ベース層２２、ｐ形
ベース層２３、ｎ形エミッタ層２４、これらの各層間に
形成されるｐ−ｎ接合２５、ｐ−ｎ接合２６、ｐ−ｎ接
合２７及び陽極電極２８、陰極電極２９より戊る。

ホトサイリスタ２０の電極２８−電極２９間に数Ｖの電
圧を印加した状態では、通常ホトサイリスタ２０はオフ
状態にあるが、これに発光ダイオード１０から放射され
る光を照射すると、ホトサイリスタ２０の中央の接合〔
ｎ形ベース層２２とｐ形ベース層２３との間に形成され
る接合〕 ２６近傍において光電流が発生し、この光電
流によりホトサイリスタ２０はオン状態ヘスイツチする
。

上述の発光ダイオード１０の陰極電極１４は金属導体５
１上に半田付けされ、陽極電極１５は金属導体５２とリ
ード線６１により電気的に接続されている。

一方、ホトサイリスタ２０の陽極電極２８は金属導体５
３上に半田付けされ、陰極電極２９はリード線６２によ
り金属導体５４と電気的に接続されている。

金属導体５１． ５２．５３．５４はそれぞれ外部回路
と電気的に接続することができる。

半田付けやリードボンドを終えた発光ダイオード１０と
ホトサイリスタ２０とは第１図において、発光ダイオー
ド１０の一方の主面（光取り出しの１６とホトサイリス
タ２０の主面の電極の除かれた部分（受光面）３０とが
対向するように配置されている。

更に図では省略したが発光ダイオード１０の光取り出し
面１６とホトサイリスタ２０の受光面３０との間に透明
な屈折率の大きい物質を置くことにより、発光ダイオー
ド１０からホトサイリスタ２０へ伝達される光束を増加
させる工夫が通常なされる。

金属導体５１と金属導体５２との間に電圧を印加して発
光ダイオード１０に電流を流すと、ｐ−ｎ接合１３近傍
で光が発生し、これらの光の一部は光取り出し面１６を
通って外部へ放射される。

これらの光は発光ダイオード１０の光取り出し面１６に
対向するホトサイリスタ２０の受光面３０へ照射される
。

照射された光の一部はホトサイリスタ２０の内部へ入り
ｐ −ｎ接合２６近傍に到達し、ここで光電流を発生さ
せる。

これらの光電流がホトサイリスタ２０をオフ状態からオ
ン状態へスイッチさせる。

しかしながら、第１図に示す構造では次のような欠点が
ある。

通常、受光素子の材料にはシリコン（Ｓｉ）が用いられ
、発光ダイオードとしてはＳｉドープＧａＡｓ発光ダイ
オードが一般に用いられる。

その場合、発光ダイオードのピーク波長は９４００’Ａ
である。

この９４００’Ａの光に対してＳｉ結晶の吸収係数は５
００ｃｍ−１程度である。

即ち、ホトサイリスタ２０の主面３０を通って結晶内部
へ入ってきた光は約２０μｍはどの深さでほとんど吸収
されてしまう。

従って、ホトサイリスタ２０の中央のｐ−ｎ接合２６が
主面３０から２０μｍ以上深い位置にある場合には、発
光ダイオードからｐ−ｎ接合２６近傍へ到達する光束は
小さく、ホトサイリスタ２０で発生する光電流は非常に
小さくなってしまう。

即ちホトカプラの光伝達効果が悪い。

以上の欠点をなくすために考えられたのが第２図に示す
構造のホトカプラである。

このホトカプラでは発光ダイオード１０の一方の主面（
光取り出し面）１６がホトサイリス１夕２０の側面３１
に対向して配置されている。

ｐ−ｎ接合２６は側面３１に露出している（もしくはガ
ラスのような透明で安定な物質で被われている）ので、
発光ダイオード１０から既槙寸された光はホトサイリス
タ２０のｐ −ｎ接合２６近傍へ直接（第１図の場合の
ように途中で吸収されることなく）到達する。

これらの光が光電流を発生させて、ホトサイリスタ２０
をオフ状態からオン状態へスイッチされる。

しかしながら、このホトカプラにも次のような欠点があ
る。

一般にホトサイリスタの光に良く応答する部分はｐ−ｎ
接合２６とその近傍に伸びる空乏層〔第１図および第２
図において３２で示された部分である。

今、ｐ形ベース層２３のキャリア濃度が、ｎ形ベース層
２２のキャリア濃度よりも十分大きいと仮定すれば、空
乏層３２の陥は≠！ ｅＶ／ｅＮｐで与えられる。

εはＳｉの誘電率、ｅは電子の電荷、■は印加電圧で通
常数Ｖである。

今、ｎ形ベース層２２のキャリア濃度ＮＤをＩ Ｘ １
０”／７として空乏層３２の幅を計算すると１０μｍ程
度となる。

即ち第２図においてホトサイリスタ２０の側面３１で光
に良く応答するのはｐ−ｎ接合２６近傍の約１０μｍの
幅をもった領域３２である。

一方、発光ダイオード１０の主面１６は通常４．００μ
ｍ Ｘ４００μｍの形状をしている。

従って、発光ダイオード１０側からみれば、光取り出し
面１６から放射される光のうち約１０μｍ程度の幅から
放射される光のみがホトサイリスタ２０の受光部へ到達
することとなる。

即ち第２図に示す構成では発光ダイオード１０の光取り
出し面１６から放射される光の大部分が無駄になり、光
伝達効率も良くない。

この無駄な光を無くすためには発光ダイオードの光取り
出し面１６の形状を細長く、例えば一辺を４００μｍに
したまま、他方の一辺を数１０μｍ程度にしてやれば良
い。

しかしながら数１０μｍ程度の幅の発光ダイオードでは
取り扱いが難かしく、素子製造及び組み立てのうえで様
様な問題が生じる。

更に第１図および第２図に示すような従来の構造では、
発光ダイオード１０の組み立て（半田付け、リードボン
ド）とホトサイリスタ２０の組立をそれぞれ別に行ない
、その後、発光ダイオード１０とホトサイリスタ２０と
の位置合わせを行なうので工程が複雑であり、また位置
合わせを精度よく行いえないという欠点があった。

また、一般に光伝達効率は発光素子と受光素子との距離
が短いほど大きくなるので、両者をできるだけ近接させ
たいが、第１図や第２図に示す従来の構造では発光素子
の光取り出し面１６上にリード線６１が在るので両者を
余り近づけることができない。

本発明では上述の欠点を鑑みてなされたものであり、光
伝達効率が大きく、組み立てが容易であり、発光素子と
受光素子の位置合わせを精度良く、しかも十分に近接し
て配置することができる光結合半導体装置を提供するこ
とを目的としたものである。

本発明の主旨とするところは、主面とほぼ平行なｐ−ｎ
接合面を少なくとも１つ有し、このｐ −ｎ接合面近傍
において光を発生する半導体発光素子と、主面とほぼ平
行なｐ−ｎ接合面を少なくとも１つ有し、このｐ−ｎ接
合面近傍において光に応答する半導体受光素子とからな
る光結合半導体装置において、上記半導体発光素子の実
質的に平行に相背向する二つの側面のうち少なくとも一
つの側面と上記半導体受光素子の側面とが対向しており
、かつ、この相対向する側面間にのみ透明で屈折率が少
なくとも空気より大きい絶縁物質が充填されており、上
記半導体発光素子の側面から放射される光が上記半導体
受光素子の側面へ効率よく照射されることを特徴とする
ホトカプラである。

以下、実施例により本発明を説明する。

第３図は本発明によるホトカプラの一実施例の断面図で
ある。

第３図に示すホトカプラにおいては、絶縁性基板７１上
に発光ダイオード１０とホトサイリスタ２０とが組み立
てられている。

発光ダイオード１０の陰極電極１４は絶縁性基板Ｔ１上
電気的に接続された金属膜（または金属板）５１上に半
田付けされ、ホトサイリスタ２０の陽極電極２８は絶縁
性基板７１上に電気的に接続された他の金属膜（金属板
）５３上に半田付けされる。

発光ダイオード１０の陽極電極１５及びホトサイリスタ
２０の陰極電極２９はそれぞれリード線６１゜リード線
６２により絶縁性基板７１の他の金属膜５２、金属膜５
４へ電気的に接続される。

発光ダイオード１０の側面１７とホトサイリスタ２０の
側面３１との間を透明で屈折率の大きい絶縁物、例えば
エポキシ樹脂７２等で埋める。

金属膜（金属板）５１と金属膜（金属板）５２との間に
電圧を印加すれば発光ダイオード１０に電流が流れ、ｐ
−ｎ接合１３近傍において光が発生し、この光は発光ダ
イオード１０の側面１７を通って透明な絶縁物７２を通
り、ホトサイリスタ２０の（ｌｌＩＪｉ ３１へ到達す
る。

ホトサイリスタ２０の側面のｐ−ｎ接合２６及びその近
傍３２へ到達した光は光電流を発生させてホトサイリス
タ２０をオフ状態からオン状態へスイッチさせる。

発光ダイオード１０の内部で発生した光は主面１６や側
面１７′からも外部へ放射されるが、主面１６や側面１
７′の外部は空気（又は屈折率の小さい物質にしておく
）であるため、全反射の効果が大きくこれらの面を通っ
て外部へ放射される光の割合は小さい。

一方、側面１７の外部には屈折率の大きい物質７２があ
るので、全反射の効果は小さく、主面１６や側面１７’
で反射された光までも側面１７から取り出すことができ
る。

従って、発光ダイオード１０内部で発生した光を効果的
にホトサイリスタ２０へ導くことができる。

また、第３図に示すホトカプラにおいては、発光ダイオ
ード１０とホトサイリスタ２０は同一の絶縁性基体７１
上に組み立てられるので、糺み立て工程が簡単となり、
発光ダイオード１０とホトサイリスタ２０の位置合せも
容易である。

更に発光ダイオード１０の側面１７とホトサイリスタ２
０の側面３１とが対向しており、第１図や第２図に示す
ホトカプラの場合のように対向する面上にリード線が存
在しないので、発光ダイオード１０とホトサイリスタ２
０とを十分に接近させることができ、光伝達効率を大き
くすることができる。

第４図は本発明によるホトカプラの他の実施例の断面図
である。

第４図に示すホトカプラでは発光ダイオード１０の側面
１７ａと対向してホトサイリスタ２０ａの側面３１ａが
、発光ダイオード１０の他の側面１７ｂと対向して他の
ホトサイリスタ２０ｂの側面３１ｂが配設されている。

図では省略されているがホトサイリスタ２０ａの陰極電
極２９ａはホトサイリスタ２０ｂの陽極電極２８ｂと電
気的に接続され〔陰極電極２９ａをリード線６２ａによ
り金属膜（金属板）へ接続し、陽極電極２８ｂをリード
線６２ｂにより同一の金属膜（金属板）へ接続する〕、
ホトサイリスタ２０ａの陽極電極２８ａはホトサイリス
タ２０ｂの陰極電極２９ｂと電気的に接続されている〔
絶縁性基体７１上で金属膜（金属板）５３ａと金属膜（
金属板）５３ｂとが電気的に接続されている〕。

第３図に示したホトカプラと同様に、発光ダイオード１
０、ホトサイリスタ２０ａ及びホトサイリスタ２０ｂは
、すべて同一絶縁性基体７１上に配置されているので組
み立てが簡単であり、発光ダイオード１０とホトサイリ
スタ２０ａとの位置合わせ、発光ダイオード１０とホト
サイリスタ２０ｂとの位置合わせが精度良く、また十分
に近接して行い得る。

発光ダイオード１０内部で発生した光は側面１７ａから
透明な屈折率の大きい絶縁物７２ａを通ってホトサイリ
スタ２０ａの側面３１ｂへ、また側面１７ｂから透明な
屈折率の大きい絶縁物７２ｂを通ってホトサイリスタ２
０ｂの側面３１ｂへ効果的に導びかれる。

この場合、発行ダイオード１０の佃１面１７ａ、１７ｂ
とほぼ垂直な側面および主面１６は外部が空気であるた
め、全反射の効果が大きく、これらの面を通って外部へ
放射される光の割合は小さい。

第４図に示すホトカプラの動作原理について簡単に説明
すると、ホトサイリスタ２０ａの陰極電極２９ａ及びホ
トサイリスタ２０ｂの陽極電極２Ｂｂ側が負、ホトサイ
リスタ２０ａの陽極電極２８ａ及びホトサイリスタ２０
ｂの陰極電極２９ｂ側が正になるように電圧を印加して
、発光ダイオード１０に電流を流せばホトサイリスタ２
０ａはオフ状態からオン状態ヘスイツチする。

正負を逆にした電圧を印加して発光ダイオード１０に電
流を流せば、ホトサイリスタ２０ｂがオフ状態からオン
状態ヘスイツチする。

即ち発光ダイオードの光信号によってオフ状態からオン
状態へとスイッチするホトトライアックを含むホトカプ
ラと等価である。

上述の本発明によるホトカプラの実施例では、受光素子
としてホトサイリスタを用いた場合を例にとって説明し
たが、ｐ−ｎ接合２６をベース層とコレクタ層の間に形
成されるｐ −ｎ接合と考えるならば、そのまま受光素
子がホトトランジスタの場合の本発明によるホトカプラ
の実施例と考えることができる。

また、他の一般の受光素子の場合でも上述の説明と同様
にして、発光素子の側面と受光素子の側面とを対向させ
て両者を配置し、さらにこれらの対向する側面の間に透
明で屈折率の大きい絶縁物を設ければ本発明によるホト
カプラの実施例となる。

また半導体発光素子としては発光ダイオードばかりでは
なく、一般の半導体発光素子、半導体レーザ等を用いて
も本発明によるホトカプラを得ることができる。

以上詳述したように、本発明による光結合半導体装置に
おいては、半導体発光素子のその近傍において光を発生
するｐ−ｎ接合の端縁が露出する側面と半導体受光素子
のその近傍において光に応答するｐ−ｎ接合の端縁が露
出する側面とが相対向するように上記半導体発光素子と
上記半導体受光素子とを配設し、上記両側面間にのみ透
明で屈折率が少なくとも空気より大きい絶縁物質を充填
したので、光伝達効率が大きく、組み立てを容易にかつ
精度よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来のホトカプラの一例
の断面図、第３図は本発明によるホトカプラの一実施例
の断面図、第４図は本発明によるホトカプラの他の実施
例の断面図である。 図において、１０は発光ダイオード（半導体発光素子）
、１３は発光ダイオード１０のその近傍において光を発
生するｐ−ｎ接合、１７，１７’。 １７ａ、１７ｂは発光ダイオードの側面、２０゜２０ａ
、２０ｂはホトサイリスタ （半導体受光素子）、３Ｌ
３１ ａ、３１ｂはホトサイリスタの側面、２６．
２６ａ、２６ｂはホトサイリスタ２０のその近傍におい
て光に応答するｐ−ｎ接合、γ２゜７２ａ、γ２ｂは透
明な絶縁物質である。 なお、図中同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ その近傍において光を発生するｐ−ｎ接合を有する
   半導体発光素子の上記ｐ −ｎ接合の端縁が露出する実
   質的に平行に相背向する二つの側面のうち少なくとも一
   つの側面に、その近傍において光に応答するｐ −ｎ接
   合を有する半導体受光素子の上記ｐ −ｎ接合の端縁が
   露出する一つの側面が対向するように、上記半導体発光
   素子と少なくとも一つの上記半導体受光素子とを配設し
   、上記半導体発光素子の上記側面とこれに対向する上記
   半導体受光素子の上記側面との間にのみ透明で屈折率が
   少なくとも空気より大きい絶縁物質を充填したことを特
   徴とする光結合半導体装置。 ２ 半導体発光素子と半導体受光素子とを同一の絶縁性
   基体上に配設したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の光結合半導体装置。 ３ 一つの半導体発光素子の実質的に平行に相背向する
   二つの側面のそれぞれに対して一つずつの半導体受光素
   子が配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の光結合半導体装置。 ４ 半導体受光素子がホトサイリスタであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   記載の光結合半導体装置。 ５ 一つの半導体発光素子の実質的に平行に相背向する
   二つの側面の、それぞれに対して一つずつのホトサイリ
   スタが配設され、これら二つのホトサイリスタが逆並列
   になるように電気的に接続されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第４項記載の光結合半導体装置。