(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＧａＮ層と第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層とが交互に積層された積層体を備え、
前記積層体の両端部には第１の電極および第２の電極を有し、
前記積層体の少なくとも前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくは前記ＧａＮ層のいずれか一方、または両方は、Ｃ、Ｆまたは遷移金属から選択された少なくとも１つの不純物を１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］の濃度で含有し、
前記不純物を含有する前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくは前記不純物を含有する前記ＧａＮ層で吸収される光の波長は、前記ＧａＮ層および前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長いことを特徴とする光導電素子。
【請求項２】
請求項１記載の光導電素子は、
前記積層体の前記ＧａＮ層および前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長く、
前記不純物を含有する前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくは前記不純物を含有する前記ＧａＮ層で吸収される波長の光の照射により、第１の電極と第２の電極との電気伝導率が増大することを特徴とする。
【請求項３】
基板上にＧａＮ層と第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層とが交互に複数積層された積層体を備え、
前記積層体の両端部には第１の電極および第２の電極を有し、
前記積層体の前記ＧａＮ層には、Ｃ（炭素）、Ｆ（フッ素）または遷移金属から選択された少なくとも１つの不純物を１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］の濃度で含有し、前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層には前記不純物を含有せず、
前記積層体の前記不純物を含有する前記ＧａＮ層で吸収される光の波長は、前記ＧａＮ層および前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長いことを特徴とする請求項１または２記載の光導電素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の光導電素子の前記基板がサファイア基板であり、前記サファイア基板を介して、前記光導電素子の前記積層体と対向して少なくとも１つの発光素子を備え、
前記発光素子の発光層は、第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を有し、
前記第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、前記積層体の前記第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以上であることを特徴とする光結合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力設備に使用する高耐圧の光スイッチング素子、特に光導電素子およびそれを用いた光結合素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力設備においては、光結合素子（フォトカップラ）を用いて電力設備の制御系から駆動系を制御する技術が活用されている。光結合素子は、制御系の発光素子が発せられる光を、光ファイバーにより電力設備の駆動系に導き、光導電素子により駆動系の電気回路をスイッチングするものであり、制御系と駆動系を電気的に分離し、例えば数百Ｖ以上の高電圧とスイッチングノイズとから制御系の電気回路を保護することができる。
【０００３】
光を受光する光導電素子は、光照射時に導通状態となるため、高い受光感度が必要である。特許文献１には、受光感度を高めるためノンドープのＧａＡｓ系半導体の量子井戸からなる受光層を備えた光導電素子が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３４６４７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、省エネルギー等のため、電力設備に使用される電気回路は、ますます高耐圧と小型化の要請が高まっている。そのため、光結合素子の小型化と、光導電素子の高耐圧化および導通時の低抵抗化の両立が必要となるが、特許文献１の光導電素子においては、受光感度は高いものの、ＧａＡｓはバンドギャップが１．４［ｅＶ］程度であり、高耐圧化するのは困難である。また、同様の構造を窒化ガリウムで構成すると、高耐圧化は容易になるが、材料が有する自発分極と結晶成長時の応力による内部歪によって発生するピエゾ分極によって、不純物がドープされていなくてもキャリアが発生する。この結果、光を照射する前からオン状態になるため、スイッチング素子を実現することができない。
【０００６】
上記課題を鑑み、本発明は、受光感度が高く、高耐圧と導通時の低抵抗を両立する光導電素子と、それを用いた小型の光結合素子の提供を目的とする。
【０００７】
本発明に係る光導電素子は、
基板上にＧａＮ層と第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層とが交互に複数積層された積層体を備え、
積層体の両端部には第１の電極および第２の電極を有し、
積層体の少なくとも第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくはＧａＮ層のいずれか一方、または両方は、Ｃ（炭素）、Ｆ（フッ素）または遷移金属から選択された少なくとも１つの不純物を１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］の濃度で含有し、
不純物を含有する第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくは不純物を含有するＧａＮ層で吸収される光の波長は、ＧａＮ層および第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長いことを特徴とする。
【０００８】
また  本発明に係る光導電素子は、
ＧａＮ層および第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長く、
積層体の不純物を含有する第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層若しくはＧａＮ層で吸収される波長の光の照射により、第１の電極と第２の電極との電気伝導率が増大することを特徴とする。
【０００９】
このような光導電素子の構成において、
ＧａＮ層と第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層との積層構造により、電子と正孔の空間分離による受光感度の向上と、積層構造を複数とすることで、電気伝導を担うキャリアが流れるチャネル数が複数確保され、光を照射し導通状態となった光導電素子の電気伝導率を増大（電気抵抗を低減）し、ＧａＮ層または／および第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層への不純物ドーピングにより、光非照射時の光導電素子の高耐圧化を実現するとともに、第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）に対し相対的に低エネルギーな光の照射で深い不純物準位からキャリアを励起することにより導通状態とすることを可能にし、その結果、高感度で、高耐圧と低抵抗を両立できる多彩な光導電素子を提供できる。
【００１０】
すなわち、上述のようにＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを積層した場合には、自発分極とピエゾ分極によってキャリアが生成されているため、高い電気伝導性を実現する。さらに、ＩｎＧａＮ層若しくはＧａＮ層のいずれか一方、またはＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の両方にＣ、Ｆ、遷移金属を不純物として、１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］の濃度で含有させる（ドーピングする）ことにより、不純物により禁制帯内に形成された深い準位がキャリアを捕獲し、上記積層体が高抵抗化し、本光導電素子の高耐圧化が実現できる。また、不純物を含まない場合、ＩｎＧａＮ層の禁制帯幅よりも波長の短い（エネルギーが大きい）光によりキャリアは励起されるが、Ｃ、Ｆ、遷移金属を上記濃度範囲で不純物として含有させることにより、ＩｎＧａＮ層の禁制帯幅よりも波長の長い（エネルギーが小さい）光は、上記深い準位によって捕獲されたキャリアを励起するため、検知可能となる。
遷移金属としては、Ｆｅ（鉄）を使用することができるが、その他Ｓｃ（スカンジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）を使用することも可能である。
【００１１】
また、本発明に係る光導電素子は、
基板上にＧａＮ層と第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層とが交互に複数積層された積層体を備え、
積層体の両端部には第１の電極および第２の電極を有し、
ＧａＮ層には、Ｃ（炭素）、Ｆ（フッ素）または遷移金属から選択された少なくとも１つの不純物を１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］の濃度で含有し、第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層には上記不純物を含有せず、
不純物を含有するＧａＮ層で吸収される光の波長は、ＧａＮ層および第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーと同じエネルギーの光の波長より長いことを特徴とする。
【００１２】
このような光導電素子の構成においては、ＧａＮ層内で光照射により形成された電子と正孔は、ＧａＮ層から第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層に供給され、キャリアとして機能し、ＩｎＧａＮ層には不純物を含有しないため、キャリア散乱が少なくなり、モビリティーが大きくなり、オン抵抗をさらに低減できる効果がある。
【００１３】
本発明に係る光結合素子は、
サファイア基板を介して、上記光導電素子の積層体と対向して、少なくとも１つの発光素子を備え、
発光素子の発光層は、第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を有し、
第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、上記積層体の第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以上であることを特徴とする。
【００１４】
このような光結合素子の構成とすることにより、
発光ダイオードと光導電素子とを一体化することができ、光結合素子を小型化でき、
発光素子の第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーは、光導電素子の積層体の第１のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギー以下となり、
第２のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層から発せられる光は、光導電素子を導通状態とし、
さらに、発光素子から放射される光を光導電素子に直接照射することにより、光の損失を抑制し、照射光を効率よく光導電素子において光励起に利用することができる。
【００１５】
なお、遷移金属を含有させることで高抵抗化されたＩｎＧａＮ層を直接励起しても良い。
また、特にＩｎＧａＮ層は分極によりバンドが傾いているため、受光素子として使用した場合は、シュタルク効果によって吸収波長が長くなる。一方、発光素子として使用した場合は、逆に注入キャリアによって電界が遮蔽されるため、バンドはフラットになり、発光波長は短くなる。このような特性を利用することにより、同じ組成のＩｎＧａＮ層を用いても、短い発光波長と長い吸収波長の組み合わせとなり、組成比が多少ずれていても直接励起が可能となるという利点もある。
【００１６】
なお、本発明においてＩｎＧａＮとは、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）により表される、ＩｎとＧａとＮとの３元化合物であり、Ｉｎ組成は上記化学式のｘに相当する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における光導電素子の断面図。
【図２】本発明に係る第２の実施形態における光結合素子の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における光導電素子の断面図である。
基板、例えばサファイア基板１上に、ＩｎＧａＮ層２ａを形成し、さらにＧａＮ層３ａを形成し、順次ＩｎＧａＮ層２ａ、２ｂ、２ｃとＧａＮ層３ａ、３ｂ、３ｃとが交互に積層された積層体４が形成されている。なお、サファイア基板の他に酸化ガリウム基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板などを用いても良い。
【００１９】
これらのＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤ法により形成することが可能である。例えば、Ｇａ（ガリウム）ソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等、Ｎ（窒素）ソースとしてはアンモニア、ヒドラジン等、Ｉｎ（インジウム）ソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）等のガスを用いる。ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とは、これらのガスの流量比（分圧比）を制御することにより、交互に形成することが可能である。
【００２０】
また、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、ＭＯＣＶＤ法の上記ガスの分圧比の設定により、調整することができる。
【００２１】
積層体４は、例えば短冊状をなし、その両端部には、アノード電極５とカソード電極６とが形成されている。サファイア基板１、積層体４、アノード電極５およびカソード電極６により、光導電素子７が構成される。なお、積層体４の形状は短冊状に限定されず、両端を有する繋がった（連結した）形状で有れば良く、階段状、矩形波状、円弧状等の他の形状であっても良い。
【００２２】
積層体４とアノード電極５およびカソード電極６との間のオーミック接触を確実にするため、積層体４の両端部はテーパー形状をなしている。すなわち、図１に示すように、積層体４の両端部は、傾斜した側面を有し、最下層のＩｎＧａＮ層２ａに底面を有する形状をなす。
【００２３】
積層体４の両端部の形状が垂直であった場合、アノード電極５とカソード電極６の電極用導電膜、例えばＴｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）またはＮｉ（ニッケル）とＡｕ（金）を組合せた合金を真空蒸着法等により形成した際のカバレッジ（段差被覆率）が低下し、接触抵抗の増大を生じたり、高電圧印加時に断線故障の原因となり、その結果製品歩留まりを低下させることがある。そのため、積層体４の両端部をテーパー形状とすることで、上記電極用導電膜を形成時のカバレッジの向上を図ることができる。また、テーパー形状とすることにより、ＩｎＧａＮ層とアノード電極５およびカソード電極６との接触面積を増大させ、接触抵抗を低減する効果もある。
【００２４】
なお、テーパー形状の形成については、既知のエッチング法、例えば特開平１１−２１４７４９等のエッチング法を用いることができる。
【００２５】
また、積層体の両端部が垂直またはオーバーハング形状であった場合、端部にＭＯＣＶＤ法などを用いてｐ型あるいはｎ型のＧＡＮまたはＩｎＧａＮ材料を、例えば、特開２００８−１２４２６２記載の方法により、予め再成長させることが有効である。再成長された端部に、例えば上記合金を真空蒸着し、高温処理することでオーミック電極を形成しても良い。また、端部の一方をｐ型、もう一方をｎ型となるように、上記材料を再成長した場合は、ダイオード的な特性を付与することができる。
【００２６】
以下、図１の光導電素子７の動作について説明する。
【００２７】
アノード電極５とカソード電極６との間に電圧が印加された光導電素子７に、図示しない制御系の発光素子から発せられ、光ファイバー等により導かれた光が照射される。ＧａＮ層と比較し、ＩｎＧａＮ層はバンドギャップエネルギーが相対的に小さく、さらに不純物をドーピングすることにより形成される不純物準位は、これらの層の材料そのもののバンドギャップエネルギーより小さい。照射する光の波長は、ＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層のバンドギャップより小さく不純物準位より大きいエネルギーとなる光の波長から選択する。
【００２８】
照射された光は、不純物がドーピングされたＩｎＧａＮ層または／およびＧａＮ層において吸収され、キャリアを励起する。励起されたキャリアは、印加電圧により移動することにより電気的に導通し、従って光導電素子７は導通状態（オン状態）となる。なお、サファイア基板１側から光が照射された場合も、照射光はサファイア基板１によって吸収されずに、透過する。
【００２９】
また、上述のとおり積層体４は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の複数の積層構造であるため、電気伝導を担うキャリア（電子、正孔）が流れる複数のチャネルを有する。そのため、複数の積層構造は、光照射時の電気伝導率（導通状態のアノード電極５とカソード電極６間の電気伝導率）を増大させ、オン抵抗（導通時の電気抵抗）を低減する。
【００３０】
本光導電素子においては、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との積層数を多くしても照射する光の波長がＩｎＧａＮの吸収端の波長よりも長いので、本光導電素子を構成する材料そのものによる照射光の吸収が存在しないという特徴がある。従って、層数は多いほどにオン抵抗は低くなるものの、積層数が多くなると、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差により内部応力が大きくなるという問題があり、更に後述するようにドープされたＣ、Ｆ、Ｆｅ等の遷移金属による照射光の吸収が存在するので、あまり多くしても光が下層のＩｎＧａＮ層に届かないという問題もある。また、積層数の増加とともに積層体４を形成するＭＯＣＶＤ装置の処理能力（スループット）が低下し、製造コストが増大する。そのためＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との積層数は多くても１００層を超えず、３〜１００層の範囲であるが、例えばＦｅのドーピング量１×１０１８［／ｃｍ３］、各膜厚１０〜５０［ｎｍ］について、数％から１０％程度の光吸収を想定すると、製造コストも考慮し、好適には３〜１０層とすることができる。
【００３１】
なお、積層数の増大に伴う耐圧（絶縁破壊電界）の低下が無いことは確認している。
【００３２】
積層されたＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とは、互いに格子定数が異なるため、ＩｎＧａＮ層には、格子定数の差に起因する応力により圧電分極が生じ、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層の積層方向にピエゾ電界が形成される。図２より明らかなように、このピエゾ電界方向は印加電圧により生じる電界と垂直方向である。
【００３３】
光照射することで不純物を含有するＧａＮ層またはＩｎＧａＮ層内で発生した電子と正孔は、バンドギャップの小さいＩｎＧａＮ層に移り、ピエゾ電界によるシュタルク効果により、２次元電子ガスと２次元正孔ガスとに空間分離する。そのため、電子と正孔との再結合が抑制され、光照射時の光導電素子の電気伝導率（光の受光感度）を増大させることができる。
【００３４】
また、積層体４のＧａＮ層およびＩｎＧａＮ層の膜厚は、ＭＯＣＶＤ法において成膜時間を制御することにより設定することができる。
【００３５】
光照射により生成された電子と正孔は、上述のとおりＩｎＧａＮ層内で空間分離されるため、ＩｎＧａＮ層の厚みを上記範囲内で変化させることにより、電子と正孔の再結合時間を調整することが可能である。例えばＩｎＧａＮ層の厚みを薄くすると、再結合時間を短くすることができる。再結合時間を調節するにより、光の照射および非照射に対する応答速度を調整することが可能である。また、上述のようにＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との積層数により導通時の抵抗（オン抵抗）を制御できる。そのため、応答速度とオン抵抗とを独立に制御でき、顧客の要望（仕様）に合わせた種々の特性の光伝導素子を容易に提供することができる。
【００３６】
また、Ｉｎ組成が小さいと、シュタルク効果による電気伝導率の向上効果も低減する。一方、Ｉｎ組成が多過ぎると、結晶欠陥が増大し、光を照射しない状態での耐圧が低下するとともに、高価なＩｎソースガスの使用量が増え、製造コストが増大する。本実施形態において使用するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、好適には５〜２０［％］である。
【００３７】
さらにＩｎＧａＮ層またはＧａＮ層の一方または両方に、Ｃ（炭素）、Ｆ（フッ素）またはＦｅ（鉄）などの遷移金属を不純物として１×１０１６〜２×１０１９［／ｃｍ３］含有させた積層体４は、それらの不純物によって禁制帯内に形成される深い準位にキャリアが捕獲され、高抵抗化する効果もある（例えば、特開２０１５−２０１５７４）。
【００３８】
またＧａＮ層のみに上記濃度の不純物を含有させ高抵抗化し、ＩｎＧａＮ層に不純物を含有させない構造としても良い。この場合、光照射によりＧａＮ層内で発生した電子と正孔は、ＩｎＧａＮ層内に供給され、キャリアとして機能するが、ＩｎＧａＮ層内にはキャリアを散乱する不純物が少ないため、ＩｎＧａＮ層に上記濃度の不純物を含有させた場合と比較し、キャリアのモビリティーが高くなり、ＩｎＧａＮ層の導電性が向上する。両方の層に不純物を含有させた場合と比較すると、非照射時の耐圧は劣るものの、オン抵抗が低減するという利点がある。なお、この場合、不純物を含有しないとは、実質的にＩｎＧａＮ層に不純物を含有しない事を意味し、１×１０１６［／ｃｍ３］より少ない濃度の不純物が含有されていても、上記の効果が得られる。
【００３９】
Ｃの不純物濃度は、ＭＯＣＶＤ法によるＩｎＧａＮ層の成膜条件、具体的には、ＭＯＣＶＤの各ソースガスの分圧、成膜温度の調整により決定することができ、遷移金属の不純物濃度は、有機金属、例えばＦｅの場合ソースガスとしてＣｐ２Ｆｅを添加し、ＭＯＣＶＤ法によるＩｎＧａＮ層の成膜条件により決定することができる。また、Ｆの導入は積層体４を形成後、イオン注入により導入することができる。なお、Ｃ、Ｆｅをイオン注入により、ドーピングしても良い。また、Ｃ、Ｆ、Ｆｅなどの遷移金属から選択された１つの元素のみならず、２つまたは３つの元素が、上記範囲の不純物濃度になるようドーピングしても良い。
【００４０】
上記不純物のドーピングにより、ＧａＮ層または／およびＩｎＧａＮ層のバンドギャップ中には、ドーピングされた不純物の準位が生成される。そのため、ＧａＮ層または／およびＩｎＧａＮ層のＩｎ組成で確定するバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を吸収することとなり、上述のとおり、不純物を含有させることによりＧａＮ層または／およびＩｎＧａＮ層が吸収する光の波長域は長波長側にシフトすることなる。
【００４１】
さらにＧａＮ層または／およびＩｎＧａＮ層に、上記不純物をドーピングすることにより、光の非照射（非導通状態）時における光導電素子７の抵抗を増大させ、光導電素子７をさらに高耐圧化することができる。従って、上記不純物のドーピングにより、高耐圧化とともに、バンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光、すなわちバンドギャップエネルギーに相当するエネルギーの光の波長より長い波長の光によって、光導電素子を動作（導通）させることができる。
【００４２】
また、予め所定のＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を有する積層体を準備しておき、制御系から発生する光の波長に合わせて、イオン注入法を用いドーピングする不純物の種類とドーピング量（不純物濃度）によって、光導電素子が動作する光の波長を調整することができる。従って、顧客の要求に合わせ、特定の光の波長用にカスタマイズされた光導電素子を、短納期に製造することもできる。
【００４３】
ＧａＮの臨界電界強度は３［ＭＶ／ｃｍ］と予測されているが、積層した場合の臨界電界強度は約１［ＭＶ／ｃｍ］であることが実験的に確認されており、ＩｎＧａＮも同程度である。従って、本発明における光導電素子においては、例えば、端部間の距離を１００[μｍ]とすることにより、光の非照射時の耐圧（絶縁破壊電界強度）として１００００[Ｖ]を得ることができる。
【００４４】
このように本発明の光導電素子７によれば、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層との複数の積層構造とすることにより、光照射時（導通状態）の抵抗を低減するとともに、シュタルク効果によるキャリアの空間分離により、光の感度（受光感度）を向上させることができる。さらに、深い準位を形成する不純物をドーピングすることにより、Ｉｎ組成とは独立なパラメータである不純物種と不純物濃度によって、吸収する光の波長を調整できるとともに、高耐圧化を実現することができる。また、ＩｎＧａＮ層の厚みにより、光導電素子の応答速度を調整することができる。その結果、様々な顧客の要求仕様に合わせて、多彩な光導電素子を容易に提供することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図２は、第１の実施形態による光導電素子と、発光素子である、例えば発光ダイオードとを融合した光結合素子の断面図である。
【００４６】
以下図２を参照し、第２の実施形態における光結合素子について説明する。
【００４７】
図２に示す通り、サファイア基板８上に、ＧａＮ層からなるバッファ層９、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層した量子井戸構造の発光層１１（活性層）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層１２、Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１３の積層構造体が形成されており、ｎ型コンタクト層１０には、ＴｉとＡｌからなるｎ型電極１４、ｐ型コンタクト層１３にはＮｉとＡｕからなるｐ型電極１５が形成されている。上記サファイア基板８上のＧａＮ系半導体の積層構造体とｎ型電極１４およびｐ型電極１５により発光ダイオード１６を構成する。なお、上記発光層１１は、ＩｎＧａＮ層の単層であっても良い。
【００４８】
発光ダイオード１６のサファイア基板８は、光導電素子７のサファイア基板１と接合されており、サファイア基板を介して光導電素子７と発光ダイオード１６とが対向して接合されている。そのため光導電素子７と発光ダイオード１６とが近接して位置する。
【００４９】
発光ダイオード１６と光導電素子７との融合体は、１つの光結合素子１７を構成し、発光ダイオード１６から発せられる光は、サファイア基板に吸収されることなく、直接光導電素子７に照射される。
【００５０】
なお、サファイア基板１とサファイア基板８とは、例えば、真空中でアルゴンイオンを照射し、サファイア基板を活性化させ、真空中で張り合わせる表面活性化法を用いて接合することができるため、本実施形態の構成において、容易に発光ダイオードと光導電素子とを融合することができる。また、水ガラスを用いて、サファイア基板１とサファイア基板８とを接着しても良い。さらに、ｃ面サファイヤ基板を用いることにより、サファイア基板１とサファイア基板８とを同一のサファイヤ基板とし、表面と裏面（対向する面）にそれぞれ発光ダイオードと光導電素子とを形成し、一体化しても良い。
【００５１】
なお、図２においては、光導電素子７上に同一構造の発光ダイオードが３個接合されている例を示すが、その個数は３に限らず１以上の任意の個数を必要に応じて接合することができる。また、図２の３個の発光ダイオードは、別々のサファイア基板に形成されているが、同一のサファイア基板に複数の発光ダイオードを形成したものを、光導電素子のサファイア基板と接合しても良い。
【００５２】
上述の通り、発光ダイオード１６は、サファイア基板８およびサファイア基板１により電気的に光導電素子７と絶縁されているため、光導電素子７に印加される電圧の影響を受けることは無い。また、発光ダイオード１６と光導電素子７との耐圧は、サファイア基板８とサファイア基板１との合計膜厚により調整が可能であり、この膜厚を厚くするほどに、耐圧が高くなる。そのため、例えば光導電素子７に印加される電圧に合わせて、必要な膜厚を設定すれば良い。
【００５３】
また、本光結合素子１７は、既知の実装技術により、全体を遮光性部材、例えばモールド樹脂やセラミック等により囲まれ、不要な外来光の影響を防止し、ｎ型電極１４、ｐ型電極１５、アノード電極５およびカソード電極６は、ワイヤボンディング技術を用い、外部端子に接続することができる。
【００５４】
以下、本光結合素子１７の動作原理について説明する。
【００５５】
光結合素子１７において、ｎ型電極１４とｐ型電極１５間に必要な電力を供給すると、発光ダイオード１６の発光層１１において、電子と正孔の再結合により光が発生する。発光層１１で発生した光は、ＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層１０、バッファ層９およびサファイア基板８を透過し、光導電素子７を照射する。光導電素子７に照射された光は、サファイア基板１を透過し、積層体４のＩｎＧａＮ層にて吸収される。その結果、第１の実施形態において説明した通り、光導電素子７が導通状態となる。
【００５６】
発光ダイオード１６の発光層１１のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギーは、光導電素子７の積層体４のＩｎＧａＮ層のバンドギャップエネルギー以下とすることにより、発光ダイオード１６から発せられた光が、光導電素子７に吸収され、光導電素子７は導通状態となる。すなわち、発光ダイオード１６の発光層１１のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、光導電素子７の積層体４のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成以上とすることにより、発光ダイオード１６から発せられる光は光導電素子７において吸収される。
【００５７】
本光結合素子１７においては、発光ダイオード１６と光導電素子７との距離は、硬質なサファイア基板８とサファイア基板１との合計膜厚により精度良く確定でき、必要な耐圧に合わせて精度良く距離を設定できる。そのため、ばらつきを考慮し、不必要に距離を長く設定する必要が無い。その結果、発光ダイオード１６から発せられる光を、光導電素子７において効率よく光励起（光電変換）に利用することができ、発光ダイオードと光導電素子との距離のばらつきに起因する製品性能ばらつきも軽減することができる。
【００５８】
なお、発光ダイオードについては、例えば特開平１１−２６１１０８、特開平１１−２１４７４９等の既知の製法によるＧａＮ系半導体を用いたサファイア基板上の発光ダイオードを用いても良い。発光ダイオードの発光層（活性層）のバンドギャップエネルギーにより決定される放射光の波長が、光導電素子７の積層体４のＩｎＧａＮ層で吸収され、ＧａＮ層で吸収されない波長であれば良い。
【００５９】
このように、発光ダイオードと光導電素子とをサファイア基板を介して接合し、一体化することにより、小型で、高耐圧、高ノイズ耐性、高感度な種々の特性を有する光結合素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  サファイア基板
２ａ、２ｂ、２ｃ  ＩｎＧａＮ層
３ａ、３ｂ、３ｃ  ＧａＮ層
４  積層体
５  アノード電極
６  カソード電極
７  光導電素子
８  サファイア基板
９  バッファ層
１０  ｎ型コンタクト層
１１  発光層
１２  ｐ型ＡｌＧａＮ層
１３  ｐ型コンタクト層
１４  ｎ型電極
１５  ｐ型電極
１６  発光ダイオード
１７  光結合素子
【図１】
0006660052.tif 000002
【図２】
0006660052.tif 000003