(57)【要約】【課題】電圧駆動が可能で、回路基板に高密度実装が容易な光結合装置および発光素子を提供する。【解決手段】光結合装置は、所定の電圧を有する入力電気信号が入力される入力端子と、前記入力端子に接続され、放出光を放出する発光素子を含み、前記入力電気信号により前記発光素子を電圧駆動する発光部と、前記放出光を受光し電気信号に変換する受光素子を含む受光部と、前記入力端子と絶縁され、前記入力電気信号に応じた前記電気信号を出力する出力端子と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電圧を有する入力電気信号が入力される入力端子と、
基板と前記基板上に設けられた半導体積層体とを有し放出光を放出し前記基板または前記半導体積層体内に設けられた抵抗層により電圧駆動可能な発光素子を含み、前記入力端子に接続された発光部と、
ｐｎ接合を有する受光素子であって前記放出光を受光し光起電力を発生する受光素子を含む受光部と、
前記光起電力がゲートにそれぞれ供給され、ソースコモン接続された２つのＭＯＳＦＥＴと、
前記入力端子と絶縁され、前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続され、前記入力電気信号に応じた電気信号を出力する出力端子と、  
を備えた光結合装置。
【請求項２】
所定の電圧を有する入力電気信号が入力される入力端子と、
前記入力端子に接続された発光部であって、放出光を放出する発光素子を含み、前記入力電気信号により前記発光素子を電圧駆動する発光部と、
前記放出光を受光し電気信号に変換する受光素子を含む受光部と、
前記入力端子と絶縁され、前記入力電気信号に応じた前記電気信号を出力する出力端子と、  
を備えた光結合装置。
【請求項３】
前記発光素子は、半導体基板基板と、前記半導体基板の上に設けられた半導体積層体と、を含み、前記基板または前記半導体積層体内に設けられた抵抗層を有する請求項２記載の光結合装置。
【請求項４】
前記発光部は、前記発光素子に直列接続された抵抗をさらに含む請求項２記載の光結合装置。
【請求項５】
前記受光素子の前記電気信号がゲートに供給されるＭＯＳＦＥＴをさらに備えた請求項２〜４のいずれか１つに記載の光結合装置。
【請求項６】
前記受光素子は、フォトダイオードアレイである請求項１〜５のいずれか１つに記載の光結合装置。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられ、放出光を放出する発光層を有する半導体積層体と、
を備え、
前記基板または前記半導体積層体に設けられた抵抗層により電圧駆動可能な発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光結合装置および発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトカプラやフォトリレーを含む光結合装置は、発光素子を用いて入力電気信号を光信号に変換し、受光素子で受光したのち電気信号を出力することができる。このため、光結合装置は、入出力間が絶縁された状態で電気信号を伝送することができる。
【０００３】
産業用機器、事務用機器、家電機器などの機器では、ＤＣ電圧系、ＡＣ電源系、電話回線系および制御系などの異なる電源系が１つの装置内に配置されていることが多い。しかし、異なる電源系や回路系を直接結合すると、動作不良を生じることがある。
【０００４】
もし、光結合装置を用いると、異なる電源間が絶縁されるので、動作不良を抑制することができる。
【０００５】
たとえば、インバータ・エアコンなどでは、交流負荷用を含めて多数のフォトカプラが使用される。また、テスター用途の信号切り替えに使用される場合、非常に多数のフォトカプラーが実装される。このような場合、基板への実装面積を小さくする必要から、小型化が強く要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８６８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電圧駆動が可能で、回路基板に高密度実装が容易な光結合装置および発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の光結合装置は、所定の電圧を有する入力電気信号が入力される入力端子と、基板と前記基板上に設けられた半導体積層体とを有し放出光を放出し前記基板または前記半導体積層体内に設けられた抵抗層により電圧駆動可能な発光素子を含み、前記入力端子に接続された発光部と、ｐｎ接合を有する受光素子であって前記放出光を受光し光起電力を発生する受光素子を含む受光部と、前記光起電力がゲートにそれぞれ供給され、ソースコモン接続された２つのＭＯＳＦＥＴと、前記入力端子と絶縁され、前記２つのＭＯＳＦＥＴのそれぞれのドレインと接続され、前記入力電気信号に応じた電気信号を出力する出力端子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光結合装置の構成を表す構成図である。
【図２】比較例にかかる光結合装置を用いた応用例の構成図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、抵抗を内部に組み込んだ上下電極型の発光素子の模式断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、上面２電極型の発光素子の模式断面図である。
【図５】図５（ａ）は第２の実施形態にかかる光結合装置の模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は第２の実施形態の変形例の入力端子の模式下面図、である。
【図６】第２の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光結合装置の構成を表す構成図である。
光結合装置は、入力端子１０と、発光部３０と、受光素子４１を含む受光部と、出力端子２０と、を有する。
【００１１】
入力端子１０には、所定の電圧を有する入力電気信号が入力される。発光部３０は、入力端子１０の第１入力リード１１と第２入力リード１２との間に設けられ、近赤外光波長（７００〜１１００ｎｍ）などの放出光Ｌを放出する発光素子３１を含み、入力電気信号により発光素子３１を電圧駆動する。発光素子３１は、ＬＥＤ（Light  Emitting  Diode）などとすることができる。なお、放出光の波長は、近赤外光に限定されない。
【００１２】
受光素子４１は、出力端子２０の第１出力リード２１と第２出力リード２２との間に設けられ、放出光Ｌを受光し電気信号に変換する。受光素子４１は、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトトライアックなどとすることができる。また、出力端子２０は、入力端子１０と絶縁され、入力電気信号に対応した電気信号を出力する。
【００１３】
光結合装置を駆動するＭＣＵ（Micro  Controller Unit）９０の電源電圧Ｖｃｃは、たとえば、３．３、５、１２、２４Ｖなどである。第１の実施形態では、光結合装置の発光部３０は、抵抗Ｒを有する。このため、ＭＣＵ９０の所定の電源電圧を光結合装置の入力端子１０に直接印加し、発光素子３１を電圧駆動をさせることができる。たとえば、ＭＣＵ９０の電源電圧Ｖｃｃが１２Ｖであり、光結合装置のトリガー電流を２０ｍＡとする。もし、発光素子３１の順方向電圧を２Ｖとすると、抵抗Ｒの値は、略５００Ωとすればよい。
【００１４】
図２は、比較例にかかる光結合装置の応用例の構成図である。
発光素子１３２は外付け抵抗１３４と直列接続される。たとえば、ＭＣＵ１９０の出力電圧を１２Ｖ、外付け抵抗１３４の値を１．３ｋΩとすると、発光素子１３２を順方向電流ＩＦを８ｍＡとして駆動させることができる。この場合、回路基板の上に配線部を設け、抵抗Ｒを半田付けなどにより取り付ける。
【００１５】
また、受光素子１４２をフォトトライアック１４２とする。比較例では、出力端子１２０には、負荷１８０および電源１８２が接続されているものとする。負荷１８０としては、たとえば、ギア・モータなどとすることができる。また、電源１８２としては、ＡＣ電源などとすることができる。このようにすると、出力端子１２０は、入力電気信号に応じて、交流信号をオンまたはオフに切り替えることができる。
【００１６】
ところが、通信用電子機器や産業用電子機器などでは、多数の光結合装置を高密度配置することが要求される。このため、外付け部品があると、実装工程が増え、かつ電子機器が大型化する問題がある。
【００１７】
これに対して、本実施形態によれば、発光部３０は電圧駆動可能であるので、光結合装置の外側に、外付け抵抗は不要となる。このため、光結合装置を、ＭＣＵ９０の電源電圧Ｖｃｃによりダイレクトドライブが可能となり、電子機器が小型化できる。また、発光素子３１を電圧駆動するため、発光素子３１の温度特性や経年変化が低減される。
【００１８】
図３（ａ）〜（ｅ）は、抵抗を内部に組み込んだ上下電極型の発光素子の模式断面図である。
第１の実施形態の光結合装置の発光部３０において、抵抗Ｒを発光素子３１の内部に設けることができる。発光素子３１は、基板３２と、半導体積層体３４と、を有する。なお、図３（ａ）〜（ｅ）に表す構造は、接合金属層３３を介して、導電性を有する基板３２と半導体積層体３４とを接着するものとする。基板３２は、たとえば、ＳｉやＧａＡｓなどとする。また、半導体積層体３４は、発光層３４ａを含み、たとえば、ＡｌＧａＡｓやＩｎＡｌＧａＰなどとすることができる。なお、発光層３４ａを挟む２つの層は、互いに反対の導電形を有するものとする。
【００１９】
半導体積層体３４の上面には、第１電極３７、基板３２の裏面には第２電極３６が設けられ電流経路は、主として縦方向となる。放出光Ｌは、主として第１電極３７の外側領域から上方に向かって放出される。
【００２０】
図３（ａ）に表した具体例においては、第１の電流狭窄層３５は、シリコン酸化膜などの絶縁層とする。また、抵抗層ＨＲは、基板３２のうち、第２電極３６の側に設ける。キャリアは、ドット線のように流れる。このため、発光素子３１のｐｎ接合に、抵抗層ＨＲが直列に接続される。抵抗Ｒの値は、抵抗層ＨＲの厚さと、実効的な面積（抵抗層の断面積から実効的な狭窄層面積を減ずる）と、抵抗層ＨＲの比抵抗と、から定まる。
【００２１】
（表１）は、電源電圧Ｖｃｃが３．３および５Ｖの場合、抵抗層の厚さＴに対する駆動電流の依存性を表す。比抵抗は、（表１）に表すように、半導体材料および導電形に依存する。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
発光素子３１は、たとえば、順方向電圧が２Ｖの時、動作電流は略２０ｍＡである。電源電圧Ｖｃｃを５Ｖ、抵抗層ＨＲの比抵抗を１０Ω・ｃｍ、とする。このとき、抵抗層ＨＲの厚さＴ＝５μｍでは、駆動電流が４３ｍＡ、抵抗層ＨＲの厚さＴ＝５０μｍでは駆動電流が２２ｍＡ、抵抗層ＨＲの厚さＴ＝１５０μｍでは駆動電流が１０ｍＡなどとなる。このように、電源電圧Ｖｃｃおよび発光素子３１の駆動電流に応じて、必要な抵抗値が決まる。さらに、その抵抗値に応じて、抵抗層ＨＲの厚さＴやその比抵抗をそれぞれ決めることができる。
【００２４】
図３（ｂ）に表した具体例おいては、抵抗層ＨＲは、半導体積層体３４の側に設けられる。また、図３（ｃ）に表した具体例においては、基板３２の厚さのほぼ全体にわたって、抵抗層ＨＲとされる。また、図３（ｄ）に表した具体例においては、接合金属層３３と基板３２との間に、開口を有するシリコン酸化膜などを設けた第２の電流狭窄層３５ｂが設けられる。なお、図３（ｅ）に表すように、第２の電流狭窄層３５ｂは、基板３２と、第２電極３６と、の間に設けられる。図３（ｄ）、（ｅ）では、基板３２の比抵抗は略均一でよいが、第２の電流狭窄層３５ｂにより電流経路を狭くして抵抗値を高めている。
【００２５】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、上面２電極型の発光素子の模式断面図である。
図４（ａ）に表した具体例においては、半導体積層体３４は、基板３２の側に抵抗層ＨＲを有する。第２電極３６は接合金属層３３の上に設けられる。基板３２は、絶縁性または半絶縁性とすることができる。また、図４（ｂ）に表した具体例においては、第２電極３６は、基板３２の表面に直接設けられる。
【００２６】
図５（ａ）は第２の実施形態にかかる光結合装置の模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）は第２の実施形態の変形例の入力端子の模式下面図、である。
また、図６は、第２の実施形態にかかる光結合装置の構成図である。
光結合装置は、入力端子１０と、ダイパッド部２３と、発光部３０と、受光部４０と、ＭＯＳＦＥＴ５２、５３と、出力端子２０と、を有する。
【００２７】
図５（ｂ）は、入力第１リード１１と出力第１リード２１との表面のＡ−Ａ線を含み、その表面に垂直な平面における模式断面図である。図５（ａ）、（ｂ）に表すように、入力端子１０は、第１入力リード１１と、第２入力リード１２と、を有する。入力端子１０には、所定の電圧を有する入力電気信号が入力される。なお、第１のＡｇ層６１を入力端子１０側のリードフレームの表面に設けると、光取り出し効率を高めることができる。
【００２８】
発光素子３１は、入力端子１０の第１入力リード１１に接着される。たとえば、発光素子３１の裏面は、第１入力リード１１に電気的に接続される。また、発光素子３１の上面の電極は、ボンディングワイヤなどで、第２入力リード１２に接続される。発光素子３１は、基板と基板上に設けられた半導体積層体とを含み、近赤外光波長の放出光を放出する。また、発光素子３１は図３または図４に表すような構造を有し、基板３２または半導体積層体３４内に設けられた抵抗層ＨＲにより電圧駆動する。
【００２９】
受光部４０は、発光素子３１と対向するように、ダイパッド部２３に接着された受光素子４１を含む。受光部４０は、制御部４２をさらに有することができる。受光素子４１は、ｐｎ接合を有し、発光素子３１の放出光を受光し光起電力を発生する。また、受光素子４１は、たとえば、フォトダイオードアレイとすることができる。本図は、樹脂とリードフレームとを一体成型した対向型構造であるが、樹脂とリードフレームとを一体成型した反射型構造や基板型構造などであってもよい。
【００３０】
２つのＭＯＦＥＴ５２、５３は、ソースコモン接続される。また、受光素子４１で生じた光起電力は、ＭＯＳＦＥＴ５２のゲートＧとソースＳとの間、およびＭＯＳＦＥＴ５３のゲートＧとソースＳとの間にそれぞれ供給される。２つのＭＯＳＦＥＴ５２、５３を、たとえば、エンハンスメント型とすると、光信号がオンのとき、出力第１リード２１と出力第２リード２２との間を導通する。
【００３１】
また、デプレッション型とすると、オンとオフを逆にすることができる。いずれの構造であっても、２つのＭＯＳＦＥＴ５２、５３は、同一の極性とする。なお、ＭＯＳＦＥＴ５２は、寄生ダイオード５２ｂを有する。また、ＭＯＳＦＥＴ５３は、寄生ダイオード５３ｂを有する。  
【００３２】
出力端子２０は、入力端子１０と絶縁され、２つのＭＯＳＦＥＴ５２、５３のそれぞれのドレインＤと接続され、入力電気信号に応じた電気信号を出力する。光信号がオフのとき、出力第１リード２１と出力第２リード２２との間を非導通とする。すなわち、入力電気信号に応じて、出力側をオン、またはオフに切り替える。光結合装置の出力側がオンのとき、電源の電圧がプラスでもマイナスでも電源から負荷に電流を供給できる。但し、電流方向は逆となる。通常、出力端子２０とダイパット部２３とは、リードフレーム状態では連結されている。リードフレームの表面に、第２のＡｇ層６０を設けると、光取り出し効率を高めることができる。樹脂成型後のリードカット工程により、出力端子２０と、発光素子３１が接着されたダイパット部２３と、が分離される。
【００３３】
また、ＤＣ負荷制御の場合、ＭＯＳＦＥＴは１つでよい。
【００３４】
入力端子１０の一方の端部と、出力端子２０の一方の端部と、発光部３０と、受光部４０と、ＭＯＳＦＥＴ５２、５３と、は封止樹脂層５０により封止される。    
【００３５】
このような光結合装置は、フォトリレーと呼ぶことができ、メカニカルリレーと同様スイッチング機能を有する。小型でスイッチング速度が早いフォトリレーは、特に半導体装置用テスター、通信用電子機器、アミューズメント用機器などに用いられる。この場合、１０００個以上のフォトリレーを高密度配置することが要求される。回路基板に外付け抵抗を設けて電圧駆動しようとすると、回路基板に取り付け用配線部を設けることが必要であり、機器の小型化に限界がある。これに対して、フォトリレーの発光部３０に抵抗を組み込むことにより、電子機器の小型化が可能となる。
【００３６】
図５（ｃ）は、第２の実施形態の光結合装置において、発光部３０が、発光素子３１と、抵抗Ｒと、を含む場合を表す。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）において、受光素子４１から発光素子３１の側をみた模式下面図である。抵抗接着用のダイパッド部１３がさらに設けられ、抵抗Ｒがダイパッド部１３に接着される。抵抗Ｒの一方の電極は発光素子３１に接続され、抵抗Ｒの他方の電極は第２入力リード１２に接続される。このようにしても、電子機器の小型化が可能となる。
【００３７】
第１および第２の実施形態によれば、電圧駆動のための抵抗が不要で、回路基板に高密度実装が容易な光結合装置および発光素子が提供される。本実施形態の光結合装置を、たとえば、１０００個以上、回路基板に高密度実装した電子機器は、小型化が容易である。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  入力端子、２０  出力端子、３０  発光部、３１  発光素子、４０  受光部、４１  受光素子、４２  フォトダイオードアレイ、３２  半導体基板、３４  半導体積層体、５２、５３  ＭＯＳＦＥＴ、Ｌ  放出光、Ｒ  抵抗、ＨＲ  抵抗層
【図１】
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【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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