JPS60240174A - 光結合半導体装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ホトカプラに適した受光素子であるホトダイ
オードを備えた半導体装置及びホトダイオードとバイポ
ーラＩＣを１チツプ化した半導体装置に関する。

（従来技術） ホトカプラは、発光素子と受光素子とを外光を遮断した
ーっのパッケージ内に組み合わせ、光を媒体として信号
の伝達を行う素子である。出力側が入力側と電気的に絶
縁されていることが、一つの特徴である。

第３図は、発光素子としての発光ダイオード１と受光素
子２とが組み合わされたホトカプラ３を利用したスイッ
チング回路の一例を示す。発光ダイオード１の発光は、
発光ダイオード１に加えらられる電圧Ｖ１により制御さ
れ、他方、受光素子２は、発光ダイオード１の放射する
光を受光すると導通状態又は遮断状態になり、抵抗Ｒ５
を介して、電圧■。に変換する。

一般に、ホトカプラは、第４図に示すように、発光素子
１１．受光素子１２をそれぞれフレーム１３．１４に支
持し、両者の間を透明樹脂１５、その外を不透明樹脂１
６にてモールドしてν・る。

また、発光素子・受光素子間に透明フィルム、ガラス等
を入れ、電気的に分離した方式もある。

受光素子は、装置の小型化と高信頼化の要請から、ホト
ダイオードと、これに接続する信号処理用のバイポーラ
ＩＣとを組み合わせて一体化されている。一体化した受
光素子の一例を第５図に示す。この素子は、ホトダイオ
ード部とバイポーラＩＣ部とからなる。ここで、バイポ
ーラＩＣ部としては、トランジスタのみを示す。Ｐ型基
板２１に、Ｎ＋＋込層２２，２２．・・・を形成し、次
にＮ型エピタキシャル層２３；　２４，２４．・・・と
Ｐ＋型分離領域２５，２５．・・・とを形成する。次に
、ホトダイオード部には、Ｐ＋型領域２６を形成する。

１＜イボ−９１Ｃ部のトランジスタには、Ｐ＋型領域（
ベース）２７．２７＋・・・を形成する。さらに、Ｎ＋
型領領域エミッタ）２，８，２８．・・・をＰ＋型領域
（ベース）２７，２７．・・・内に形成し、同時に、Ｎ
型エピタキシャル層２４，２４．・・・にもＮ＋型領領
域：７レクタ）２９，２９．・・・を形成する。さらに
、同時に、ホトダイオード部のＮ型エピタキシャル層２
４にもＮ＋型領領域３０形成する。次に、表面にＳｉＯ
２保護膜３１を形成する。なお、図示しないが、Ａｌ配
線を行なう。

ところで、一般に、発光素子と受光素子との間隔は、０
．１〜１．０齢程度である。この結果、発光素子と受光
素子とは、容量ＣＧＬ＝。、により電磁結合（主に静電
結合）されている。

したがって、ホトカプラの発光素子と受光素子間に、急
峻なパルス電圧■が印加されると、変位電流ｉＤ（”Ｃ
に１．−□ｐ　Ｘ　ｄＶ／ｄｔ　）がホトダイオード、
バイポーラＩＣ部、配線部等にとびこみ、増幅される。

このため、受光素子が誤動作することがある。

（発明の目的） 本発明の目的は、ホトダイオードを含む、または、ホト
ダイオードとバイポーラＩＣとを一体化した受光素子を
用いたホトカプラにおいて、発光素子と受光素子との間
の静電結合の影響による誤動作を防止できる構造を有す
る半導体装置を提供することである。

（発明の構成） 本発明に係るホトダイオードを備えた半導体装置は、ホ
トダイオードのＰ＋型領域とＮ型領域のうちのＰ＋型領
域表層部の大部分にさらにＮ＋型領領域形成したことを
特徴とする。

さらに、イオン注入により上記のＰ１駆領域またはＮ＋
型領領域不純物濃度が低く且つキャリアの緩和時間を短
かく形成されることを特徴とする。

また、本発明に係るホトダイオードとホトダイオードか
らの信号を処理する信号処理回路とを有する半導体装置
は、半導体装置の表面がホトダイオードの受光部を除い
て、多層配線技術による金属層で被覆されることを特徴
とする。

（作用および効果） 本発明に係るホトダイオードを備えた半導体装置におい
ては、ホトダイオード部の表層部の大部分に形成した半
導体層を定電位に接続することにより、静電シールドが
可能になる。

また、不純物濃度が低く、接合容量が小さく形成される
ことにより、ホトダイオードの応答速度を従来の構造の
ホトダイオードの応答速度と同程度にでトる。

また、本発明に係る半導体装置は、ホトダイオードの受
光部以外を多層配線技術を用いた金属層を定電位に接続
することにより、静電シールドが可能になる。

（実施例） 第１図は、本発明による実施例を示す図式的な断面図で
ある。ここで、参照番号２１〜３１は、第５図に示した
従来例と同じものを指す。上記の誤動作を防止するため
に、バイポーラＩＣ部に対しては、５ｉｎ２膜３１と図
示していないＡｌ配線との上に、ポリイミド系樹脂３２
を被覆し、このＡｌ配線を絶縁する。ポリイミド系樹脂
の化１月こ、５ｉ０２等を用いてもよい。次に、その上
に、第２のＡｌ電極３３を形成し、その電位をＧＮＤ又
は定電位に固定する。その結果、第２のＡＩ電極３３の
下のＩＣ部は、ホトダイオードに対してシールドされる
。この場合、第２のＡｉ電極３３を浮かせても効果があ
る。また、この第２のＡ、（電極３３は、その下のＩＣ
部を光に対して遮蔽する効果も有する。

一方、ホトダイオード部については、第５図においてホ
トダイオードのＰ＋型領域２６へとびこむ変位電流を低
減させる必要がある。なぜなら、Ｎ＋型領領域３０、■
　又は定電位に接続されＣ ているのに対し、Ｐ＋型領域２６は、ＩＣ部の増幅部に
接続されているからである。そこで、第２図により詳し
く示すように、Ｎ＋＋層３４．３５の領域を広げ、Ｐ”
型領域２６の表面を必要な部分を除きＮ＋＋層３４．３
５で覆う方式を用いる。ここで、Ｎ＋型抵拡散層３４３
５は、通常、バイポーラＩＣ部のエミッタ領域２８．２
８．・・・と同時に形成する。この結果、Ｎ＋＋層３４
．３５はＶ。。

または定電位に接続されるので、ホトダイオード部も、
Ｎ＋＋層３４．３５で静電シールドされることになる。

ところで、以上に説明した本発明に係るホトダイオード
（以下、シールド型とよぷ・）においては、Ｐ＋型領域
２６とＮ＋型領領域３４を拡散法で形成すると、同じく
拡散法で形成した従来のホトダイオード（以下、従来型
とよよ）と比べて、容量が天外くなり応答速度がかなり
遅くなる。そこで、本実施例においては、イオン注入法
を用いて、Ｐ＋型領域２６を形成する。

イオン注入法の特長は、低濃度ドーピングを精度よく均
一に行えることであり、また、不純物ドーピングの位置
を制御できることである。このイオン注入工程は、分離
拡散工程における表面への不純物の拡散（デポジション
）の直後でも、または、内部への拡散（ドライブイン）
の途中でも、または、Ｐ＋型領域（ベース）２６のデポ
ジションの後でもよい。接合の深さは、注入の時期によ
り変化でき、また、注入条件によっても多少は変化でき
る。また、表面不純物濃度（Ｐ＋型領域の不純物濃度）
は、注入量により変化できる。ホトダイオードの応答速
度’ＰＤは、ホトダイオードの容量Ｃ１，。

等価負荷抵抗ＲＬ（すなわち、ホトダイオード側からみ
だバイポーラＩＣの抵抗）及び緩和時間Ｌｒｅ　（少数
キャリアの拡散時間等）により決定される。

ｔＰＤ：ＣＰＤｘＲＬ＋１ｒｅ・（１）ホトダイオード
の応答速度ｔＰＤを決める要素のうち、容量ＣＰＤと緩
和時間ｔｒｅとは、ＰＮ接合の構造を工夫することによ
り小さくできる。

はじめに、イオン注入による容量ＣＰＤの減少を説明す
る。従来型のホトダイオードにおいて、いま、Ｎ型エピ
タキシャル層２３の比抵抗を１Ω・ｃｍとし、ホトダイ
オードへの逆バイアス電圧を１■とする。従来の通常の
拡散法において、Ｐ＋型領域２６の表面不純物濃度は５
Ｘ１０１６ａｍ−３、接合の深さＸ、が１．５μｍの場
合、接合容量の周知の公式より、容量ＣＰＤは、１．６
Ｘ１０”ｐＦ　７０ｍ２である。

一方、シールド型のホトダイオードにおいては、通常の
拡散法を用いると、トでめたＮ型層２″ＡとＰ＋型領域
２６との接合における容量（ｃｏＢとよよ）の池に、Ｐ
＋型領域２６とＮ＋型領領域３４の接合にも、容量ＣＥ
Ｂが生じる。Ｎ＋型領領域３４表面不純物濃度を５Ｘ１
０２０ｃｍ−３とし、Ｐ＋型領域２６の不純物濃度を均
一１ご５　ＸＩＯ”　ｃｍ−”であると仮定すると、接
合の深さが１．０μｍの場合、容量ＣＥＢは、８　Ｘ　
１０　’　ｌ）Ｆ／（！ｌ１１２である。

したがって、拡散法によるシールド型のホトダイオード
の容量ＣＰＤは、両者の和で９．６ｐＦ／ｃｍ’である
。

いま、ホトダイオード”のＰ＋型領域２６をイオン注入
で形成する場合を考える。Ｐ＋型領域２６の表面不純物
濃度か１×１０１′ｃｍ−３、且つ、接合の深さが５μ
ＩＩ＋の場合、接合容量ｃＣＢＩは、８．０ＸＩＯ’　
ｐＦ／ｃ＋＋＋２となる。Ｎ＋型領領域３４通常の拡散
法で形成すると、Ｎ＋型領領域３４表面不純物濃度が５
Ｘ１０２０ｃｍ−３であり、Ｐ＋型領域２６の不純物濃
度が均一に５　ＸＩＯ１６ａｍ””とすると、Ｎ＋型領
領域３４Ｐ＋型領域２６との接合容量ＣＥｌｌｌは、接
合の深さが１．０μｍの場合、Ｃ０Ｘ１０’ｐＦ／ｃｍ
２となる。したかって、ＣＰＤ　”　ＣＣＢＩ　＋ＣＥ
ＩＢＩ ＝　４．８　Ｘ　１０　’　ｐＦ／ｃｍ”　。

さらに、Ｎ＋型領領域３４イオン注入により形成する場
合を考える。この場合、イオン注入は、ベース工程のデ
ポジションの後、ベース工程のドライブの途中、エミッ
タ工程のデポジションの後、ドライブ工程の途中、又は
、ドライブ工程の後で実施してもよい。Ｎ＋型領領域３
４表面不純物濃度が５×１０１８Ｃ１１１−３であり、
Ｐ＋型領域２６の不純物濃度が均一に３Ｘ１０１６ｃｍ
−３であり、接合の深さが２．０μＭの場合、接合容量
ＣＥＩＢＩは、２．２Ｘ１０４ｐＦ／ｃｍ”である。し
たがって、ＣＰＤ　”　ＣＣＢ１　＋ＣＥＢＩ ＝　３．ＯＸＩ　（１’　ｐＦ／ｃｍ’　。

このように、本発明に係るシールド型ホトダイオードを
二重イオン注入で形成すると、容量低減に大きな効果が
ある。なお、以上の数値は、単なる一例であり、さらに
容量を低減することもできる。

次に、イオン注入法による緩和時間ｔ　の減少ｅ について述べる。ホトダイオードの部分拡大図（第２図
）に示すように、空乏層４１．４２は、ＰＮ境界面４３
．４４の両側に広がる。空乏層４１゜４２の幅は、ＰＮ
接合４３．４４への印加電圧により変化する。いま、光
の吸収によｌ）Ａ点１こで、正孔・電子対（○と・）が
発生した場合を考える。

Ｎ型層２３においては少数キャリアである正孔は、Ｐ壁
領域２６に向って拡散して移動する。この正孔の拡散に
よる移動時間Ｌｄｉｒは、Ａ点がら空乏層４１までの距
離りの二乗に比例する。

Ｌｃ＋；ｒ　ｏＣＬ’、　（２＞ さらに、正札は、空乏層４１内を内部電界により移動し
通りぬける。この空乏層４１内の移動時間をしｄｒとす
ると、緩和時間Ｅｒｅは、２つの移動時間の和として表
わせる。

ｔ　＝ｔｄ、ｒ＋ｔｄ、、　（３） ｅ 一般に、Ｅｄｉｌ”　ｔｄｒであるので、Ｅ、ｅ；ｔｄ
ｌｆ、（４） イオン注入法を用いると、ＰＮ接合の深さＸ・をノ 深くできるので、Ｎ型層２３の厚さが一定であると１−
を短かくでトる。したがって、従来の拡散法によるＰ壁
領域２６の形成に比べて、緩和時間ｔ　を短かくでとる
。

ｅ −例として、Ｎ型層２３の厚みが１２μｍの場合を考え
る。（Ｎ型層２３の厚みは、ＩＣの耐圧等により決定さ
れる。）従来の拡散法の場合、Ｎ＋型領領域３４深さＸ
、が１μｍであると、空乏層４１の幅を無視して、 Ｌ　＝　（１２−１）２Ｂ　＝１２１Ｂ、（５）ｅ 一方、イオン注入法の場合、Ｎ＋型領領域３４深さＸ、
が５μｍであるとすると、空乏層４１の幅を無視して、 ｔ　＝（１２−５）２Ｂ＝４９Ｂ、　（６）ｅ ここに、Ｂは定数である。したがって、緩和時間ｔ　は
、イオン注入法１こおいて、約２．５倍短かく１ｅ できる。なお、（５）、（６）式の値は、概算値である
。

以上の考え方は、Ｐ４型領域２６内の緩和時間３５を作
ることにより、Ｐ４型領域２６内で発生した少数キャリ
アは、Ｎ＋型領領域２３３４．３５の両方に移動でき、
緩和時間を低減できる。さらに、この効果により、ホト
ダイオードの光感度の向上もはかれる。

ホトダイオードの応答時間ｔＰＤは、（１）式に示すよ
うに、容量に比例する項と緩和時間Ｌ　どのｅ 和で表わされる。したがって、この項の重みを考慮し、
イオン注入量と注入条件を最適に選ぶことにより、ホト
ダイオードの応答時間ｔＰＤを短縮できる。これにより
、ホトダイオードとバイポーラＩＣとを一体化した光電
変換素子において、応答を高速化できる。

なお、以上の考え方は、ホトダイオード単独にも適用で
きる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明による実施例の図式的な部分断面図で
ある。 第２図は、第１図の部分拡大断面図である。 第３図は、ホトカプラの入出力を示す回路図である。 第４図は、ホトカプラの図式的断面図である。 第５図は、従来のホトダイオードとバイポーラＩＣ部と
を一体化した半導体装置の図式的な部分断面図である。 １・・・発光ダイオード、２・・・受光素子、３・・・
ホトカプラ、　１１・・・発光ダイオード、１２・・・
受光素子、　１３．１．４・・・フレーム、１５・・・
透明樹脂、　１６・・・不透明樹脂、２１・・・Ｐ型基
板、２２，２２．・・・・・・Ｎ＋埋込層、２３；　２
４．２４．・・・・・・Ｎ型エピタキシャル層、２５　
、２５．、・・・・・・Ｐ型分離領域、２６；　２７，
２７．・・・・・・Ｐ壁領域、２８．２８，２９，２９
．３０・・・Ｎ型領域、３１・・・５ｉｎ２保護膜、 ３２・・・ポリイミド系樹脂、 ３３・・・Ａｊ２電極、 ４１．４２・・・空乏層、４３．４４・・・ＰＮ境界面
。 特許出願人　シャープ株式会社 代　理　人　弁理士　青白　葆ほか２名第１図 バイポーラＩＣ部　第１ドタ゛イオード変ｐ　パイ木−
ラＩＣｌ１５第２図 １　Ｐ 手続補正書（自発） １事件の表示 昭和５９年特許願第　９８０２８　号 ２、発明の名称 半導体装置 ３補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号名称　
（５０４）　シャープ株式会社 代表者　佐　伯　旭 ４代理人 ５補ｆ、ｓ、ｅ／ｌ、ｂ討（自発補正）７、補正の内容 明細書中、次の個所を訂正します。 発明の詳細な説明の欄 （１）第９頁第１７行目 ｒ　Ｉ　、６　Ｘ　１０　”ｐＦ／ｃｍ’　Ｊとあるを
、ｒ　ｌ　、６　ｘ　１０’ｐＦ／ｃｍ”　Ｊと訂正し
ます。 （２）第１０頁第９行目 ｒ　９　、６　ｐＦ／ｃｍ”　ｊとあるを、「９．６　
ｘ　１０’ｐＦ／ｃｍ’　Ｊと訂正します。 以　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ホトダイオードを備えた半導体装置においで、 ホトダイオードのＰ＋型領域とＮ型領域のうちのＰ＋型
   領域表層部の大部分にさらにＮ＋型領領域形成したこと
   を特徴とする半導体装置。 （２、特許請求の範囲第１項に記載された半導体装置に
   おいて、 イオン注入により上記のＰ型頭域またはＮ型領域の不純
   物濃度が低く且つキャリアの緩和時間を短かく形成され
   ることを特徴とする半導体装置。 （３）ホトダイオードとホトダイオードからの信号を処
   理する信号処理回路とを有する半導体装置において、 半導体装置の表面がホトダイオードの受光部を除いて、
   金属層で被覆されることを特徴とする半導体装置。