(57)【要約】【課題】半導体装置の小型化を実現させる。【解決手段】半導体装置は、第１波長λ１を有する第１光Ｌ１を発光し、第１信号ＳＧ１を送信する第１発光素子ＬＥＤ１と、第２波長λ２を有する第２光Ｌ２を発光し、第２信号ＳＧ２を送信する第２発光素子ＬＥＤ２と、第１光Ｌ１を受光し、第１信号ＳＧ１を受信する第１受光素子ＰＤ１と、平面視にて、第１受光素子ＰＤ１と重なり、第１受光素子ＰＤ１を透過した第２光Ｌ２を受光し、第２信号ＳＧ２を受信する第２受光素子ＰＤ２と、を有する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長を有する第１光を発光して第１信号を送信する第１発光素子と、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光を発光して第２信号を送信する第２発光素子と、
前記第１光を受光して前記第１信号を受信する第１受光素子と、
平面視にて、前記第１受光素子と重なり、前記第１受光素子を透過した前記第２光を受光して前記第２信号を受信する第２受光素子と、
を有する、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１波長は、前記第２波長より短い、半導体装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第２受光素子は、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域内に形成され、前記第１導電型と反対の導電型である第２導電型の第２半導体領域とを有し、
前記第１受光素子は、前記第２導電型の第３半導体領域と、前記第３半導体領域内に形成された前記第１導電型の第４半導体領域とを有する、半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置において、
前記第３半導体領域は、平面視において、矩形形状である、半導体装置。
【請求項５】
請求項３記載の半導体装置において、
前記第３半導体領域は、平面視において、格子形状である、半導体装置。
【請求項６】
請求項３記載の半導体装置において、
前記第３半導体領域は、平面視において、らせん形状である、半導体装置。
【請求項７】
請求項３記載の半導体装置において、
前記第２受光素子を構成する前記第１半導体領域および前記第２半導体領域は、半導体基板内に形成されており、
前記第１受光素子を構成する前記第３半導体領域および前記第４半導体領域は、前記半導体基板上に形成された半導体層内に形成されている、半導体装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体装置において、
前記第１発光素子は、第１半導体チップに形成され、
前記第２発光素子は、第２半導体チップに形成され、
前記第１受光素子および前記第２受光素子は、第３半導体チップに形成され、
さらに、
前記第１半導体チップと前記第３半導体チップとの間、および、前記第２半導体チップと前記第３半導体チップとの間に配置された第１封止体と、
前記第１半導体チップ、前記第２半導体チップ、前記第３半導体チップ、および、前記第１封止体を覆う第２封止体と、
を有する、半導体装置。
【請求項９】
第１波長を有する第１光を発光して第１信号を送信する第１発光素子が形成された第１半導体チップと、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光を発光して第２信号を送信する第２発光素子が形成された第２半導体チップと、
前記第１光を受光して前記第１信号を受信する第１受光素子と、前記第１受光素子を透過した前記第２光を受光して前記第２信号を受信する第２受光素子と、が形成された第３半導体チップと、
を有し、
前記第３半導体チップは、
半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域内に形成され、前記第１導電型と反対の導電型である第２導電型の第２半導体領域と、
前記半導体基板の主面上に第１絶縁膜を介して形成された半導体層と、
前記半導体層内に形成された前記第２導電型の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域内に形成された前記第１導電型の第４半導体領域と、
前記半導体層を覆う第２絶縁膜と、
前記第２絶縁膜上に形成され、平面視において、前記半導体層の一部を覆い、かつ、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域、前記第３半導体領域、および、前記第４半導体領域のそれぞれの一部を露出する開口を有する遮光膜と、
を有し、
前記第２受光素子は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とで構成され、
前記第１受光素子は、前記第３半導体領域と前記第４半導体領域とで構成されている、半導体装置。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置において、
前記遮光膜に設けられた前記開口は、前記第１受光素子および前記第２受光素子に、前記第１光および前記第２光を入射させるための受光領域に対応している、半導体装置。
【請求項１１】
請求項９記載の半導体装置において、
さらに、
前記第３半導体領域に接続され、前記第２絶縁膜上に形成された第１電極と、
前記第４半導体領域に接続され、前記第２絶縁膜上に形成された第２電極と、
を有し、
前記第１電極および前記第２電極は、平面視において、前記遮光膜で覆われている、半導体装置。
【請求項１２】
請求項９記載の半導体装置において、
前記第１波長は、前記第２波長より短い、半導体装置。
【請求項１３】
第１波長を有する第１光を発光して第１信号を送信する第１発光素子が形成された第１半導体チップと、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光を発光して第２信号を送信する第２発光素子が形成された第２半導体チップと、
前記第１光を受光して前記第１信号を受信する第１受光素子と、前記第１受光素子を透過した前記第２光を受光して前記第２信号を受信する第２受光素子と、が形成された第３半導体チップと、
を有し、
前記第３半導体チップは、
半導体基板と、
前記半導体基板内に形成された第１導電型の第１半導体領域と、
前記第１半導体領域内に形成され、前記第１導電型と反対の導電型である第２導電型の第２半導体領域と、
前記第２半導体領域内に形成された前記第１導電型の第３半導体領域と、
前記第３半導体領域内に形成された前記第２導電型の第４半導体領域と、
前記第４半導体領域内に形成された前記第１導電型の第５半導体領域と、
を有し、
前記第２受光素子は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域とで構成され、
前記第１受光素子は、前記第４半導体領域と前記第５半導体領域とで構成されている、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、例えば、多チャンネルフォトカプラを有する半導体装置に好適に利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００８−２３５５９９号公報（特許文献１）には、多チャンネルフォトカプラの構造および製造方法が開示されている。多チャンネルフォトカプラは、２つの発光素子１４と、２つの受光領域１１とを有し、透明な第１樹脂１３を介して、１つの発光素子１４と１つの受光素子１１とを光学的に結合している。つまり、各チャンネル毎に透明な第１樹脂１３が設けられ、複数の透明な第１樹脂１３間は不透明な第２樹脂１５で光学的に分離されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２３５５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多チャンネルフォトカプラを有する半導体装置において、小型化が望まれている。
【０００５】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施の形態によれば、半導体装置は、第１波長の第１光を発光して第１信号を送信する第１発光素子と、第２波長の第２光を発光して第２信号を送信する第２発光素子と、第１光を受光して第１信号を受信する第１受光素子と、平面視にて、第１受光素子と重なり、第１受光素子を透過した第２光を受光して第２信号を受信する第２受光素子と、を有する。
【発明の効果】
【０００７】
一実施の形態によれば、半導体装置の小型化を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施の形態の半導体装置の構成を示す回路図である。
【図２】一実施の形態の半導体装置の構成を示す平面図である。
【図３】図２のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。
【図４】一実施の形態の半導体装置の要部平面図である。
【図５】図４のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。
【図６】一実施の形態の半導体装置の構成を示す模式図である。
【図７】シリコンの光の吸収係数と侵入長の波長依存性を示すグラフである。
【図８】一実施の形態の第１受光素子の感度の波長依存性を示すグラフである。
【図９】一実施の形態の第２受光素子の感度の波長依存性を示すグラフである。
【図１０】変形例１の半導体装置の要部平面図である。
【図１１】変形例２の半導体装置の要部平面図である。
【図１２】変形例３の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１０】
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１１】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００１２】
（実施の形態）
＜半導体装置の構造について＞
図１は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す回路図である。図２は、本実施の形態の半導体装置の構成を示す平面図である。図３は、図２のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。
【００１３】
本実施の形態の半導体装置は、多チャンネルフォトカプラを有する。フォトカプラは、１次側（入力）と２次側（出力）の間で電気的絶縁を保ちながら信号を伝送するデバイスである。言い換えると、電気信号を光信号に変換して伝送し、受信した光信号を電気信号に再変換する光結合装置である。つまり、フォトカプラは、一対の発光素子と受光素子とを備えている。多チャンネルフォトカプラは、半導体装置内に複数対の発光素子と受光素子とを備えている。本実施の形態では、２チャンネルフォトカプラを例に説明する。
【００１４】
図１に示すように、フォトカプラを有する半導体装置ＦＣは、１次側（入力）の端子Ｔ１〜Ｔ４と、２次側（出力）の端子Ｔ５〜Ｔ８を有する。１次側の端子Ｔ１およびＴ２には、半導体チップＣＨ１に形成された発光素子ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１が接続され、１次側の端子Ｔ３およびＴ４には、半導体チップＣＨ２に形成された発光素子ＬＥＤ２が接続されている。２次側の端子Ｔ５〜Ｔ８には、受光ＩＣである半導体チップＣＨ３が接続されており、半導体チップＣＨ３には、２つの受光素子ＰＤ１およびＰＤ２と、２つの増幅回路（アンプ）ＡＭＰ１およびＡＭＰ２と、２つの出力回路ＯＣ１およびＯＣ２と、が形成されている。
【００１５】
１つのチャンネルでは、１次側の端子Ｔ１及びＴ２間に入力される入力信号（電気信号）に応じて発光素子ＬＥＤ１をオン／オフさせて光信号を発信し、その光信号を受光素子ＰＤ１で受光して光信号を電気信号に変換し、増幅回路（アンプ）ＡＭＰ１および出力回路ＯＣ１を介して２次側の端子Ｔ６およびＴ８に出力信号を出力する。もう一方のチャンネルでも、同様にして、１次側の端子Ｔ３及びＴ４間に入力される入力信号に応じて、２次側の端子Ｔ７およびＴ８に出力信号を出力する。ここで、２次側の端子Ｔ５は、電源電位（Ｖｄｄ）用の端子であり、端子Ｔ８は、基準電位（Ｖｓｓ）用の端子である。
【００１６】
図２に示すように、半導体装置ＦＣは、発光素子ＬＥＤ１が形成された半導体チップＣＨ１と、発光素子ＬＥＤ２が形成された半導体チップＣＨ２と、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２が形成された半導体チップＣＨ３と、を有する。さらに、半導体装置ＦＣは、１次側の複数のリードＬＴと、２次側の複数のリードＬＴと、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２の波長に対して透明な部材で構成された封止体ＢＤ１と、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２の波長に対して不透明な部材で構成された封止体ＢＤ２とを有する。
【００１７】
発光素子ＬＥＤ１は、波長λ１を有する光Ｌ１を発する発光ダイオードからなる。そして、光Ｌ１は、例えば、波長λ１：４１０ｎｍを有する青色光である。また、発光素子ＬＥＤ２は、波長λ２を有する光Ｌ２を発する発光ダイオードからなる。そして、光Ｌ２は、例えば、波長λ２：８００ｎｍを有する赤外光である。
【００１８】
後述するが、本実施の形態では、発光素子ＬＥＤ１の波長λ１が、発光素子ＬＥＤ２の波長λ２と異なっていることが肝要であり、さらには、発光素子ＬＥＤ１の波長λ１が、発光素子ＬＥＤ２の波長λ２より短いことが肝要である。
【００１９】
発光素子ＬＥＤ１を含む半導体チップＣＨ１は、リードＬＴ（Ｔ２）上に搭載されており、発光素子ＬＥＤ１の一方の電極はリードＬＴ（Ｔ２）に電気的に接続され、他方の電極はワイヤＷを介してリードＬＴ（Ｔ１）に電気的に接続されている。同様に、発光素子ＬＥＤ２を含む半導体チップＣＨ２は、リードＬＴ（Ｔ３）上に搭載されており、発光素子ＬＥＤ２の一方の電極はリードＬＴ（Ｔ３）に電気的に接続され、他方の電極はワイヤＷを介してリードＬＴ（Ｔ４）に電気的に接続されている。
【００２０】
半導体チップＣＨ３は、その主面側に、受光素子領域ＰＤと、複数のボンディングパッド（パッド電極）ＢＰとを有する。受光素子領域ＰＤには、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２が形成されている。後述するが、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２は、互いに積層されている。つまり、受光素子ＰＤ２の上に受光素子ＰＤ１が形成されている。複数のボンディングパッドＢＰは、それぞれ、２次側のリードＬＴにワイヤＷを介して接続されている。また、半導体チップＣＨ３には、２つの増幅回路（アンプ）ＡＭＰ１およびＡＭＰ２と、２つの出力回路ＯＣ１およびＯＣ２も形成されている。
【００２１】
２次側のリードＬＴ（Ｔ８）は、その一端にダイパッドＤＰを有し、ダイパッドＤＰ上に半導体チップＣＨ３が搭載されている。半導体チップＣＨ３の裏面側がダイパッドＤＰに接着されている。ダイパッドＤＰは、平面視において、１次側のリードＬＴ（Ｔ２）およびＬＴ（Ｔ３）の一部と重なっている。また、１次側のリードＬＴ（Ｔ２）およびＬＴ（Ｔ３）の上に搭載された発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２とも重なっている。
【００２２】
また、図２に示すように、平面視において、受光素子領域ＰＤには、発光素子ＬＥＤ１が重なっており、発光素子ＬＥＤ２は重なっていない。言い換えると、平面視において、発光素子ＬＥＤ１は、受光素子領域ＰＤの内側に位置し、発光素子ＬＥＤ２は、受光素子領域ＰＤの外側に位置している。発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２は、リードＬＴ（Ｔ２）およびＬＴ（Ｔ３）の間隔だけ離間してしまうが、受光素子領域ＰＤを発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２と重なる程大きくする必要はなく、受光素子領域ＰＤを大きくすれば半導体チップＣＨ３のサイズ増加に繋がる。従って、受光素子領域ＰＤは、発光素子ＬＥＤ１またはＬＥＤ２のどちらか一方のみと重なることとなる。
【００２３】
同一パワーの光で比較した場合、受光素子の感度は、受光する光の波長に依存する。これは、光を受光した場合に、受光素子内で発生するキャリア発生数が波長に依存するからである。つまり、短波長の光に対する受光素子の感度は、長波長の光に対する受光素子の感度に比べ小さくなる。従って、短波長の発光素子ＬＥＤ１を優先して、受光素子領域ＰＤと重なる位置に配置することが肝要となる。
【００２４】
また、図２および図３に示すように、発光素子ＬＥＤ１を含む半導体チップＣＨ１、発光素子ＬＥＤ２を含む半導体チップＣＨ２、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２を含む半導体チップＣＨ３、１次側のリードＬＴの一端側、および、２次側のリードＬＴの一端側は、封止体ＢＤ１で覆われている。そして、封止体ＢＤ１を包むように、封止体ＢＤ１の外周表面は、封止体ＢＤ２で覆われている。１次側のリードＬＴの他端側および２次側のリードＬＴの他端側は、封止体ＢＤ２から突出している。
【００２５】
また、図３に示すように、半導体チップＣＨ１の表面は、半導体チップＣＨ３の表面と対向している。同様に、半導体チップＣＨ２の表面は、半導体チップＣＨ３の表面と対向している。つまり、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２の発光面は、受光素子領域ＰＤと対向している。
【００２６】
封止体ＢＤ１は、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２の波長λ１およびλ２に対して透明な樹脂である。封止体ＢＤ１には、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２から照射される光Ｌ１およびＬ２を散乱させるために、例えば、フィラー（例えば、酸化シリコンからなる球形フィラー）を含有させても良い。封止体ＢＤ２は、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２の波長λ１およびλ２に対して不透明な樹脂であり、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２から照射される光Ｌ１およびＬ２を、封止体ＢＤ１内に閉じ込める機能を有する。封止体ＢＤ１およびＢＤ２は、例えば、エポキシ樹脂からなり、酸化チタン、酸化アルミ、マイカ（雲母）、窒化アルミ、ボロンナイトライド等のフィラーを含有する。封止体ＢＤ２は、波長λ１およびλ２に対して不透明な樹脂とするために、多量のフィラー（例えば、酸化シリコンからなる球形フィラー）を含有している。つまり、封止体ＢＤ１がフィラーを含有する場合、封止体ＢＤ２は、封止体ＢＤ１よりも多量のフィラーを含有する。
【００２７】
つまり、発光素子ＬＥＤ１と受光素子ＰＤ１とは透明な封止体ＢＤ１を介して光学的に結合されている。また、同様に、発光素子ＬＥＤ２と受光素子ＰＤ２とは透明な封止体ＢＤ１で光学的に結合されている。本実施の形態では、半導体チップＣＨ１、ＣＨ２およびＣＨ３が、１つの封止体ＢＤ１で覆われている。言い換えると、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２、ならびに、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２が１つの封止体ＢＤ１で覆われている。この構成により、半導体装置ＦＣを小型化できるという特徴を有する。また、２チャンネルを構成する発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２、ならびに、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２が１つの封止体ＢＤ１内に包含されているため、発光素子ＬＥＤ１の波長λ１と発光素子ＬＥＤ２の波長λ２とは、異なる波長とすることが肝要である。
【００２８】
次に、図４は、本実施の形態の半導体装置の要部平面図であり、具体的には、半導体チップＣＨ３に形成された受光素子領域ＰＤの平面図である。図５は、図４のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。
【００２９】
図４に示すように、平面視において、受光素子ＰＤ１と受光素子ＰＤ２とは、互いに重なっており、図５に示すように、受光素子ＰＤ１は、受光素子ＰＤ２の上方に形成されている。このように、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２を重ねて配置したことで、受光素子領域ＰＤの面積を縮小でき、半導体チップＣＨ３の平面積を縮小することができる。
【００３０】
図５に示すように、受光素子ＰＤ２は、半導体基板ＳＵＢ内に形成されている。半導体基板ＳＵＢは、例えば、ｐ型の単結晶シリコンからなり、互いに対向する表面ＳＵＢａと裏面ＳＵＢｂとを有する。
【００３１】
図５に示すように、受光素子ＰＤ２は、半導体基板ＳＵＢの内部に形成されたｐ型半導体領域ＰＳＲ２と、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２の内部に形成されたｎ型半導体領域ＮＳＲ２とを有し、その両者で構成されたＰＮ接合を有している。つまり、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２は、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２よりも深く、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２は、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２で囲まれている。ｐ型半導体領域ＰＳＲ２の不純物濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ−３以上とし、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２の不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ−３とする。そして、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２の深さは、例えば、１０μｍ程度とする。なお、このような濃度関係にすることで、受光素子ＰＤ２のＰＮ接合に逆バイアスを印加した際に、空乏層は、ほとんどｎ型半導体領域ＮＳＲ２内に延びる。そして、受光素子ＰＤ２に入射した光によって、前述の空乏層でキャリアが発生するので、空乏層を厚くすることで、入射光に対するキャリア発生効率を向上することができる。つまり、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２の深さを、１０μｍ程度に深く形成することで、入射光に対するキャリア発生効率（言い換えると、電気信号への変換効率）を向上することができる。
【００３２】
また、図５に示すように、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２内には、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２よりも不純物濃度の高いｐ型半導体領域（高濃度ｐ型半導体領域）ＨＰが形成されており、このｐ型半導体領域ＨＰに電極（ｐ側電極）ＥＰ２が接続されている。また、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２内には、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２よりも不純物濃度の高いｎ型半導体領域（高濃度ｎ型半導体領域）ＨＮが形成されており、このｎ型半導体領域ＨＮに電極（ｎ側電極）ＥＮ２が接続されている。
【００３３】
また、図４に示すように、平面視において、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２およびｎ型半導体領域ＮＳＲ２は、それぞれ矩形（矩形形状）であり、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２はｎ型半導体領域ＮＳＲ２よりも大きい。ｎ型半導体領域ＮＳＲ２は、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２の内側に位置しており、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２は、その周囲をｐ型半導体領域ＰＳＲ２で囲まれている。
【００３４】
図５に示すように、半導体基板ＳＵＢの表面ＳＵＢａ上には絶縁膜Ｚ１を介して、半導体層ＳＬが形成されている。絶縁膜Ｚ１は、例えば、酸化シリコン膜からなる。また、半導体層ＳＬは、多結晶シリコンからなり、半導体層ＳＬ内には、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１が形成され、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１内にはｐ型半導体領域ＰＳＲ１が形成されている。そして、受光素子ＰＤ１は、半導体層ＳＬ内に形成されたｎ型半導体領域ＮＳＲ１とｐ型半導体領域ＰＳＲ１とを有し、その両者で構成されたＰＮ接合を有している。ここで、半導体層ＳＬも膜厚は、およそ０．２μｍであり、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１の深さは、およそ０．２μｍであり、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１の深さは、およそ０．１μｍである。半導体層ＳＬは、発光素子ＬＥＤ２の光Ｌ２を透過させる必要があるため、比較的薄く構成されている。また、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１とｐ型半導体領域ＰＳＲ１の不純物濃度は、それぞれ、１×１０１６〜１８ｃｍ−３である。
【００３５】
また、図５に示すように、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１内には、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１よりも不純物濃度の高いｎ型半導体領域（高濃度ｎ型半導体領域）ＨＮが形成されており、このｎ型半導体領域ＨＮに電極（ｎ側電極）ＥＮ１が接続されている。また、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１内には、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１よりも不純物濃度の高いｐ型半導体領域（高濃度ｐ型半導体領域）ＨＰが形成されており、このｐ型半導体領域ＨＰに電極（ｐ側電極）ＥＰ１が接続されている。
【００３６】
また、図４に示すように、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１およびｐ型半導体領域ＰＳＲ１は、それぞれ矩形（矩形形状）であり、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１はｐ型半導体領域ＰＳＲ１よりも大きい。ｐ型半導体領域ＰＳＲ１は、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１の内側に位置しており、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１は、その周囲をｎ型半導体領域ＮＳＲ１で囲まれている。また、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１は、受光素子ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域ＮＳＲ２の内側に位置しており、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１は、その周囲をｎ型半導体領域ＮＳＲ２に囲まれている。
【００３７】
また、図５に示すように、半導体基板ＳＵＢ上には、絶縁膜Ｚ１および半導体層ＳＬを覆うように絶縁膜Ｚ２が形成されており、前述の電極ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＮ１およびＥＮ２は、絶縁膜Ｚ２上に形成されている。電極ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＮ１およびＥＮ２は、第１配線層Ｍ１で形成されている。第１配線Ｍ１は、絶縁膜Ｚ２上に形成されるとともに、絶縁膜Ｚ１およびＺ２に形成された開口ＯＰ１内、ならびに、絶縁膜Ｚ２に形成された開口ＯＰ２内にも形成されている。つまり、電極ＥＰ１は、絶縁膜Ｚ２上に形成された配線部分と、開口ＯＰ２内に形成された接続部とを有しており、接続部がｐ型半導体領域ＰＳＲ１内に形成されたｐ型半導体領域ＨＰに接続している。同様に、電極ＥＮ１は、絶縁膜Ｚ２上に形成された配線部分と、開口ＯＰ２内に形成された接続部とを有しており、接続部がｎ型半導体領域ＮＳＲ１内に形成されたｎ型半導体領域ＨＮに接続している。また、電極ＥＰ２は、絶縁膜Ｚ１およびＺ２上に形成された配線部分と、開口ＯＰ１内に形成された接続部とを有しており、接続部がｐ型半導体領域ＰＳＲ２内に形成されたｐ型半導体領域ＨＰに接続している。同様に、電極ＥＮ２は、絶縁膜Ｚ１およびＺ２上に形成された配線部分と、開口ＯＰ１内に形成された接続部とを有しており、接続部がｎ型半導体領域ＮＳＲ２内に形成されたｎ型半導体領域ＨＮに接続している。
【００３８】
第１配線層Ｍ１は、チタンナイトライド（ＴｉＮ）またはチタンタングステン（ＴｉＷ）等のバリア膜と、バリア膜上に形成されたアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする主金属膜と、の積層膜からなる。また、上記配線部分をこの積層膜で構成し、上記接続部には、タングステンからなるプラグ電極を用いた構成としても良い。
【００３９】
また、図５に示すように、絶縁膜Ｚ２上に、電極ＥＰ１、ＥＮ１、ＥＰ２およびＥＮ２を覆うように絶縁膜Ｚ３が形成されている。そして、絶縁膜Ｚ３上には、遮光膜ＳＨが形成されている。遮光膜ＳＨは、第１配線層Ｍ１と等しい膜構成を有する第２配線層Ｍ２で構成されている。遮光膜ＳＨは、半導体層ＳＬの一部、電極ＥＰ１、ＥＮ１、ＥＰ２およびＥＮ２を覆い、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２の受光領域ＬＲＡを露出する開口ＯＰ３を有する。受光領域ＬＲＡとは、発光素子ＬＥＤ１の光Ｌ１および発光素子ＬＥＤ２の光Ｌ２を、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２に取り込むための領域である。
【００４０】
図４及び図５に示すように、受光領域ＬＲＡ（言い換えると、開口ＯＰ３）では、受光素子ＰＤ１を構成するｐ型半導体領域ＰＳＲ１およびｎ型半導体領域ＮＳＲ１、ならびに、受光素子ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域ＮＳＲ２およびｐ型半導体領域ＰＳＲ２が、遮光膜ＳＨから露出している。ここで、露出とは、受光素子ＰＤ１を構成するｐ型半導体領域ＰＳＲ１およびｎ型半導体領域ＮＳＲ１、ならびに、受光素子ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域ＮＳＲ２およびｐ型半導体領域ＰＳＲ２が、受光領域ＬＲＡ（言い換えると、開口ＯＰ３）と重なる領域を有していることを意味している。なお、図４では、遮光膜ＳＨの開口ＯＰ３（言い換えると、受光領域ＬＲＡ）を示している。つまり、開口ＯＰ３の周囲に図示しない遮光膜ＳＨが存在しており、例えば、電極ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＮ１およびＥＮ２を覆っている。
【００４１】
また、図５に示すように、絶縁膜Ｚ３上には、遮光膜ＳＨを覆う絶縁膜Ｚ４が形成されている。絶縁膜Ｚ２〜Ｚ４は、例えば、酸化シリコン膜からなる。
【００４２】
図６は、本実施の形態の半導体層の構成を示す模式図である。図６に示すように、発光素子ＬＥＤ１から発光された光Ｌ１および発光素子ＬＥＤ２から発光された光Ｌ２は、受光素子ＰＤ１に入射し、さらに、受光素子ＰＤ１を透過した光Ｌ１（透過光Ｌ１Ｔと称す）および受光素子ＰＤ１を透過した光Ｌ２（透過光Ｌ２Ｔと称す）は、受光素子ＰＤ２に入射する。
【００４３】
発光素子ＬＥＤ１は、波長λ１の光Ｌ１を発光し、信号ＳＧ１を送信する。そして、受光素子ＰＤ１は、光Ｌ１を受光し、信号ＳＧ１を受信する。発光素子ＬＥＤ２は、波長λ２の光Ｌ２を発光し、信号ＳＧ２を送信する。そして、受光素子ＰＤ２は、透過光Ｌ２Ｔを受光し、信号ＳＧ２を受信する。ここで、波長λ１と波長λ２とは互いに異なるが、光Ｌ１およびＬ２は、同時に発光（出射）するため、受光素子ＰＤ１では、光Ｌ１の受光にあたり、光Ｌ２がノイズとなる。また、受光素子ＰＤ２では、透過光Ｌ２Ｔの受光にあたり、透過光Ｌ１Ｔがノイズとなる。従って、受光素子ＰＤ１で光Ｌ１の信号ＳＧ１を高精度に受信し、かつ、受光素子ＰＤ２で光Ｌ２の信号ＳＧ２を高精度に受信するためには、光Ｌ１は、受光素子ＰＤ１の透過率が低い条件、光Ｌ２は、受光素子ＰＤ１の透過率が高い条件を満たすことが肝要である。
【００４４】
図７は、シリコンの光の吸収係数と侵入長の波長依存性を示すグラフである。つまり、短波長ほど吸収係数が高く（言い換えると、侵入長が短く）、長波長ほど吸収係数が低い（言い換えると、侵入長が長い）ことが分かる。つまり、受光素子ＰＤ１で受光される光Ｌ１として短波長を用い、受光素子ＰＤ２で受光される光Ｌ２として長波長を用いることが有効であることが、明らかとなった。つまり、光Ｌ１の波長λ１を、光Ｌ２の波長λ２よりも短くすることが肝要である。また、受光素子ＰＤ１は、光Ｌ１の大半を吸収し、光Ｌ２の大半を透過する厚さとし、受光素子ＰＤ２は、光Ｌ２を充分に吸収する厚さとすることが肝要である。つまり、受光素子ＰＤ１の光吸収領域（半導体層ＳＬ）の厚さ＜受光素子ＰＤ２の光吸収領域（ｎ型半導体領域ＮＳＲ２）の厚さの関係を満たすことが肝要である。
【００４５】
また、前述のノイズに影響されることなく、受光素子ＰＤ１で光Ｌ１の信号ＳＧ１を高精度に受信するためには、
Ｓ１１≧２×Ｓ１２・・・（式１）
Ｓ１１：波長λ１に対する受光素子ＰＤ１の感度
Ｓ１２：波長λ２に対する受光素子ＰＤ１の感度
とすることが肝要である。
【００４６】
また、受光素子ＰＤ２で光Ｌ２の信号ＳＧ２を高精度に受信するためには、
Ｓ２２×ＴＭ２≧２×Ｓ２１×ＴＭ１・・・（式２）
Ｓ２１：波長λ１に対する受光素子ＰＤ２の感度
Ｓ２２：波長λ２に対する受光素子ＰＤ２の感度
ＴＭ１：受光素子ＰＤ１の光Ｌ１の透過率
ＴＭ２：受光素子ＰＤ１の光Ｌ２の透過率
とすることが肝要である。
【００４７】
図８は、本実施の形態の受光素子（第１受光素子）ＰＤ１の感度の波長依存性を示すグラフである。図９は、本実施の形態の受光素子（第２受光素子）ＰＤ２の感度の波長依存性を示すグラフである。図８および図９は、本実施の形態の条件に基づいてシミュレーションした結果を示している。
【００４８】
図８に示すように、受光素子ＰＤ１における感度比は、
Ｓ１１：Ｓ１２＝２４：１・・・（式３）
図９に示すように、受光素子ＰＤ２における感度比は、
Ｓ２２×ＴＭ２：Ｓ２１×ＴＭ１＝３．９：１・・・（式４）
となり、上記の（式１）および（式２）を満たす結果が得られた。
【００４９】
従って、本実施の形態によれば、発光素子ＬＥＤ１の信号ＳＧ１を受光素子ＰＤ１で、発光素子ＬＥＤ２の信号ＳＧ２を受光素子ＰＤ２で、高精度に受信することができる。
【００５０】
＜本実施の形態の特徴＞
受光素子ＰＤ１およびＰＤ２を積層構造としたことにより、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２を有する半導体チップＣＨ３を小型化することができる。
【００５１】
積層された受光素子ＰＤ１およびＰＤ２のうち、発光素子ＬＥＤ１およびＬＥＤ２に近い側の受光素子ＰＤ１で受信する光Ｌ１の波長λ１を、相対的に短波長とし、受光素子ＰＤ２で受信する光Ｌ２の波長λ２を、相対的に長波長としたことにより、受光素子ＰＤ１およびＰＤ２において、高精度の信号受信が可能となる。
【００５２】
１チャンネルを構成する発光素子ＬＥＤ１および受光素子ＰＤ１と、１チャンネルを構成する発光素子ＬＥＤ２および受光素子ＰＤ２とを、１つの封止体ＢＤ１で覆う構成としたことで、２チャンネルフォトカプラを有する半導体装置を小型化することができる。
【００５３】
＜変形例１＞
図１０は、変形例１の半導体装置の要部平面図である。変形例１は、上記の実施の形態の図４におけるｐ型半導体領域ＰＳＲ１の変形例である。変形例１の半導体チップＣＨ３Ｍ１においては、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１１が、平面視において、格子状（格子形状）である。その他の構成は、上記実施の形態と同様である。この構成により、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１１とｎ型半導体領域ＮＳＲ１とで構成するＰＮ接合の面積を向上することが出来るため、受光素子ＰＤ１の感度を向上することができる。
【００５４】
＜変形例２＞
図１１は、変形例２の半導体装置の要部平面図である。変形例２は、上記の実施の形態の図４におけるｐ型半導体領域ＰＳＲ１の変形例である。変形例２の半導体チップＣＨ３Ｍ２においては、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１２が、平面視において、らせん状（らせん形状）である。その他の構成は、上記実施の形態と同様である。この構成により、上記実施の形態に比べ、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１２とｎ型半導体領域ＮＳＲ１とで構成するＰＮ接合の面積を向上することが出来るため、受光素子ＰＤ１の感度を向上することができる。
【００５５】
＜変形例３＞
図１２は、変形例３の半導体装置の要部断面図である。変形例３の半導体チップＣＨ３Ｍ３においては、受光素子ＰＤ１も受光素子ＰＤ２と同様に半導体基板ＳＵＢ内に形成されている。
【００５６】
図１２に示すように、受光素子ＰＤ１は、半導体基板ＳＵＢの内部に形成されたｎ型半導体領域ＮＳＲ１３と、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１３の内部に形成されたｐ型半導体領域ＰＳＲ１３とを有し、その両者で構成されたＰＮ接合を有している。受光素子ＰＤ２は、上記実施の形態で説明したように、半導体基板ＳＵＢの内部に形成されたｐ型半導体領域ＰＳＲ２と、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２の内部に形成されたｎ型半導体領域ＮＳＲ２とを有し、その両者で構成されたＰＮ接合を有している。そして、受光素子ＰＤ１を構成するｎ型半導体領域ＮＳＲ１３は、受光素子ＰＤ２を構成するｎ型半導体領域ＮＳＲ２の内部に、ｐ型半導体領域ＰＩＳＯを介して形成されている。つまり、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２の内部にｐ型半導体領域ＰＩＳＯが形成され、ｐ型半導体領域ＰＩＳＯの内部にｎ型半導体領域ＮＳＲ１３が形成されている。
【００５７】
ｐ型半導体領域ＰＩＳＯは、受光素子ＰＤ１を受光素子ＰＤ２から電気的に分離するための半導体領域であり、ｐ型半導体領域ＰＩＳＯには、分離用電極ＩＳＯが接続されており、分離用電極ＩＳＯには、電極ＥＮ１およびＥＮ２よりも低い電圧が印加される。
【００５８】
因みに、ｐ型半導体領域ＰＳＲ１３の不純物濃度は３×１０１９ｃｍ−３、深さは０．１μｍ、ｎ型半導体領域ＮＳＲ１３の不純物濃度は２×１０１８ｃｍ−３、深さは０．２μｍ、ｐ型半導体領域ＰＩＳＯの不純物濃度は２×１０１７ｃｍ−３、深さは０．８μｍである。また、上記実施の形態と同様に、ｎ型半導体領域ＮＳＲ２の不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ−３、深さは１０μｍ、ｐ型半導体領域ＰＳＲ２の不純物濃度は、例えば、１×１０１６ｃｍ−３である。
【００５９】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６０】
ＡＭＰ１、ＡＭＰ２  増幅回路（アンプ）
ＢＤ１、ＢＤ２  封止体
ＢＰ  ボンディングパッド（パッド電極）
ＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ３Ｍ１、ＣＨ３Ｍ２、ＣＨ３Ｍ３  半導体チップ
ＤＰ  ダイパッド
ＥＮ１、ＥＮ２  電極（ｎ側電極）
ＥＰ１、ＥＰ２  電極（ｐ側電極）
ＦＣ  半導体装置（フォトカプラ）
ＨＮ  ｎ型半導体領域（高濃度ｎ型半導体領域）
ＨＰ  ｐ型半導体領域（高濃度ｐ型半導体領域）
ＩＳＯ  分離用電極（電極）
Ｌ１  光（第１光）
Ｌ１Ｔ  透過光
Ｌ２  光（第２光）
Ｌ２Ｔ  透過光
ＬＥＤ１  発光素子（第１発光素子）
ＬＥＤ２  発光素子（第２発光素子）
ＬＲＡ  受光領域
ＬＴ  リード（リード端子）
Ｍ１  第１配線層
Ｍ２  第２配線層
ＮＳＲ１、ＮＳＲ２、ＮＳＲ１３  ｎ型半導体領域
ＯＣ１、ＯＣ２  出力回路
ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３  開口
ＰＤ  受光素子領域
ＰＤ１  受光素子（第１受光素子）
ＰＤ２  受光素子（第２受光素子）
ＰＩＳＯ  ｐ型半導体領域
ＰＳＲ１、ＰＳＲ２、ＰＳＲ１１、ＰＳＲ１２、ＰＳＲ１３  ｐ型半導体領域
ＳＧ１  信号（第１信号）
ＳＧ２  信号（第２信号）
ＳＨ  遮光膜
ＳＬ  半導体層
ＳＵＢ  半導体基板
ＳＵＢａ  表面
ＳＵＢｂ  裏面
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８  端子
Ｗ  ワイヤ
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４  絶縁膜
λ１  波長（第１波長）
λ２  波長（第２波長）
【図１】
2019012713.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2019012713.tif 000011
【図１０】
2019012713.tif 000012
【図１１】
2019012713.tif 000013
【図１２】
2019012713.tif 000014