(57)【要約】【課題】  光エネルギーの変換効率の高い光半導体装置を得る。【解決手段】  ＳＯＩ基板１０のＳＯＩ層に相当するｐ型の半導体層３は、トレンチとして形成された溝４及び溝８によって互いに分離された多数の平面視帯状の半導体島５を備える。各半導体島５を挟む一対の溝４に面する一対の側面には、ｎ領域６とｐ領域７とが形成されており、それによって各半導体島５はフォトダイオードセルを構成する。溝４には電極材料１４が充填され、溝８には絶縁材料１８が充填されている。それによって多数のフォトダイオードセルが直列に接続されている。光電変換に寄与する空乏層は、半導体島５の広い領域にわたって形成される。光の到達距離までの範囲では、溝４を深くするほど（すなわち、半導体層３を厚くするほど）、光エネルギーの利用効率が向上する。【選択図】      図１
2005072387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合型の光半導体装置であって、
絶縁層とその上に形成された半導体層とを有するＳＯＩ基板を備え、
前記半導体層は、前記絶縁層の主面に略直交する側面を有し前記絶縁層を底面とする溝に挟まれた半導体島を備え、
前記半導体島は、
前記溝に面する一対の側面の一方側寄りの部位に形成され、自身の上面に選択的に露出する第１導電型の第１不純物導入領域と、
前記一対の側面の他方側寄りの部位に形成され前記上面に選択的に露出する第２導電型の第２不純物導入領域と、を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記第１不純物導入領域は、前記一対の側面の前記一方側の全体に露出するように形成されている請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記第２不純物導入領域は、前記一対の側面の前記他方側の全体に露出するように形成されている請求項１又は２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、
前記第１不純物導入領域と前記第２不純物導入領域とは、各半導体島の間で共通した一方領域が、前記半導体島の配列方向に沿った一方寄りに位置し、
前記各半導体島は互いに直列に接続されている請求項１乃至３の何れかに記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、
前記第１不純物導入領域と前記第２不純物導入領域とは、各半導体島の間で交互に一方領域が、前記複数の半導体島の配列方向に沿った一方寄りに位置し、
前記各半導体島は互いに並列に接続されている請求項１乃至３の何れかに記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、
各半導体島は、
前記一対の側面の前記他方側の全体に露出し、前記上面に選択的に露出する第１導電型の第３不純物導入領域と、
前記一対の側面の前記一方側寄りの部位であって前記上面の部分に選択的に形成され前記第１不純物導入領域の内側に隣接した第２導電型の第４不純物導入領域と、を更に備え、
前記各半導体島の前記第２不純物導入領域は、前記第３不純物導入領域の内側に隣接し前記上面の部分に選択的に形成されている請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記溝には電極材料が充填されている請求項１乃至６の何れかに記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記電極材料が不純物をドープした半導体である請求項７に記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記電極材料が金属である請求項７に記載の光半導体装置。
【請求項１０】
ｐｎ接合型の光半導体装置であって、
絶縁層とその上に形成された半導体層とを有するＳＯＩ基板を備え、
前記半導体層は、前記絶縁層の主面に略直交する側面を有し前記絶縁層を底面とする溝に挟まれた半導体島を備え、
前記溝には第１導電型の半導体材料が充填されており、
前記半導体島は、
前記溝に面する一対の側面の一方側寄りの部位に形成され、自身の上面に選択的に露出する第２導電型の不純物導入領域を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１１】
前記不純物導入領域は、前記一対の側面の前記一方側の全体に露出するように形成されている請求項１０に記載の光半導体装置。
【請求項１２】
前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、
各半導体島の前記不純物導入領域は、前記一対の側面の前記一方側の上方に露出するように前記上面の部分に選択的に形成されており、
前記各半導体島は、
前記一対の側面の他方側の上方に露出するように前記上面の部分に選択的に形成された第２導電型の別の不純物導入領域を、更に備える請求項１０に記載の光半導体装置。
【請求項１３】
前記半導体島を挟む前記溝は、平面視において互いに噛み合う櫛歯状であって、前記半導体島は平面視において蛇行形状をなして延在している請求項１乃至３、並びに１０及び１１の何れかに記載の光半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体層は絶縁膜を挟んで複数層に積層されており、
前記絶縁膜に設けられたビアホールを充填する電極材料によって、隣接する半導体層が電気的に接続されている請求項１乃至１３の何れかに記載の光半導体装置。
【請求項１５】
発光素子と、
受光素子として用いられる請求項１乃至１４の何れかに記載の光半導体装置と、を備える半導体リレー装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１４の何れかに記載の光半導体装置を受光素子として用いた光通信ケーブルの光信号受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置並びにこれを用いた光リレー装置及び光信号受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
はじめに、本明細書で用いる「光」の意味について述べる。本明細書において「光」は、可視光だけでなく赤外線及び紫外線をも含めて、半導体の電子・正孔対の生成及び消滅に関与し得る波長領域の電磁波を広く含むものとして用いる。
【０００３】
近年において、高周波信号をオン（導通）・オフ（遮断）するスイッチ素子として、半導体スイッチへの需要が高まっている。半導体スイッチの一つとして、光を媒介することで入力−出力間に高い絶縁性を実現する半導体リレー装置が知られている。半導体リレー装置には、高周波信号をオン・オフする機能とともに、小型化及びスイッチ接点の高速動作が要求されている。そのためには、半導体リレーの接点素子であるＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）の高性能化とともに、小型（すなわち低コスト）かつ高効率でＭＯＳＦＥＴを駆動できる駆動用素子が必要とされる。
【０００４】
このような要求に応える駆動用素子として、１チップ上に多数のフォトダイオード（光ダイオード）セルを形成することを可能にする誘電体分離基板を利用した光半導体装置が知られている（例えば、特許文献１）。図１６は、この種の光半導体装置の構造を示す斜視断面図である。この光半導体装置１５０では、多結晶シリコン基板５１の一主面（以下、上面）の部分に、シリコン酸化膜５２を介して多数のシリコン島５５が形成されている。これらのシリコン島５５は、互いに分離して形成されている。シリコン島５５はｐ型であり、その上面部分にはｎ型の不純物拡散領域５６がシリコン島５５の上面の略全体を覆うように形成されている。シリコン島５５と不純物拡散領域５６とは、フォトダイオードの１セルを構成する。
【０００５】
各セルの不純物拡散領域５６は、配線５９によって、隣接するセルのシリコン島５５に接続されている。配線５９は、シリコン島５５の上面及び不純物拡散領域５６の上面を含めた多結晶シリコン基板５１の上面を選択的に覆うようにパターニングされた導電層によって構成されるが、図１６では接続関係のみを模式的に示している。これにより、すべてのフォトダイオードセルは直列に接続される。直列接続されたフォトダイオードセルの一端のシリコン島５５にはアノード電極６０が接続され、他端の不純物拡散領域５６にはカソード電極６１が接続されている。
【０００６】
以上のように構成された光半導体装置１５０は、次のように動作する。シリコン島５５と不純物拡散領域５６との接合部の周囲には、空乏層６２が形成される。多結晶シリコン基板５１の上面側から光が入射すると、シリコン島５５及び不純物拡散領域５６には電子−正孔対が生成される。生成された電子及び正孔のうちｐ型のシリコン島５５における小数キャリアである電子は、空乏層６２に生じている電界により、再結合することなくｐ型のシリコン島５５からｎ型の不純物拡散領域５６へ移動する。その結果、アノード電極６０とカソード電極６１とが外部回路により短絡されておれば、外部回路にはこれらのキャリアの発生による光電流が流れる。また、外部回路が開放されておれば、各セルには開放電圧、すなわち起電力が発生する。直列接続されているフォトダイオードセルの個数をＮとし、１セル当たりの開放電圧をＶｏｃとすると、アノード電極６０とカソード電極６１との間には、Ｎ×Ｖｏｃの高い開放電圧が発生する。これにより、光半導体装置１５０は接点素子であるＭＯＳＦＥＴを効率的に駆動することができる。さらに、光半導体装置１５０は１チップで構成することができるので、光半導体装置１５０を用いて半導体リレーを構成する場合には、半導体リレーを小型にパッケージングすることが可能となる。
【０００７】
シリコン島５５のうち空乏層６２の外側の部分で生じた光吸収によっても電子−正孔対は生じる。生じた電子のうち、空乏層６２から電子についての小数キャリア拡散長までの範囲で生じたものは、拡散により空乏層６２に到達できるため光電流に寄与するが、その他の電子はｐ型のシリコン島５５の多数キャリアである正孔と再結合して消滅するため光電流には寄与しない。また、不純物濃度については、不純物拡散領域５６の方がシリコン島５５よりも遙かに高く設定されるので、空乏層６２は実質的にシリコン島５５にのみ広がる。従って、光電流に寄与する電子−正孔対は、シリコン島５５のうち、電子についての小数キャリア拡散距離だけ空乏層６２を拡張した領域で発生したものに実質上限られる。
【０００８】
光半導体装置１５０は、特許文献１に開示される工程により製造されるものであるため、かかる製造工程上の制約から、シリコン島５５の上面と側面とのなす角度がシリコン結晶の面方位によって決定される。その結果、シリコン島５５の上面の面方位が例えば＜１００＞である場合には、上述した角度は５５°となる。それにより、上面から深部へ向かうに従って、シリコン島５５の上面投影面積（シリコン島５５をその上面に投影させることによって形成される領域の面積）は縮小する。シリコン島５５の体積は、その上面のサイズを例えば２００μｍ×２００μｍとし、厚さを５０μｍとした場合には、同じ上面のサイズを有する直方体形状のものの体積である２００μｍ×２００μｍ×５０μｍに比べて、７０％の大きさとなる。シリコン島５５の体積は、光電変換への光エネルギーの利用効率を左右する。従って、光変換半導体１５０では、シリコン島５５の形状のために、光エネルギーの利用効率が悪いという問題点があった。
【０００９】
また、光エネルギーの利用効率は、シリコン島５５の厚さが空乏層６２の厚さとシリコン島５５での電子の拡散距離との和以下の範囲にあるときには、シリコン島５５の厚さが増加するのにともなって光エネルギーの利用効率は上昇する。これに対して、シリコン島５５の厚さが上記の和を超えると光エネルギーの利用効率は飽和し、シリコン島５５の厚さを大きくしても利用効率はもはや上昇しない。しかしながら、一般的に半導体リレーに用いられる光源である赤外光は、シリコン島５５の上記の和よりも更に深い領域にまで到達することが知られている。すなわち、光半導体装置１５０では、空乏層６２の厚さと電子の拡散距離との和とで規定される光電変換に有効な厚さの制約に由来して、光エネルギーの利用効率が悪いという問題点があった。
【００１０】
これに対して特許文献２及び３は、半導体基板の一主面に多数のトレンチを設け、トレンチに挟まれた半導体島の側面及び上面、並びにトレンチの底面に沿ってｐｎ接合を形成することにより光エネルギーの利用効率を高めた光半導体装置を開示している。しかしながら、特許文献２及び３に開示される従来装置では、光電変換に有効なｐｎ接合は、上記の通り溝に挟まれた半導体島の表面及びトレンチの底面にのみ形成されており、半導体島全体が光電変換に寄与するものとはなっていなかった。すなわち、特許文献２及び３に開示される従来技術においてもなお、光エネルギーの利用効率に制約があるという問題点があった。
【特許文献１】特開平５−２１５９０号公報
【特許文献２】特開昭６３−８１９８６号公報
【特許文献３】特開昭６４−６６９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、光エネルギーと電気的エネルギーとの間の変換効率の高い光半導体装置並びにこれを用いた半導体リレー装置及び光信号受信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明に係る第１の手段は、ｐｎ接合型の光半導体装置であって、絶縁層とその上に形成された半導体層とを有するＳＯＩ基板を備え、前記半導体層は、前記絶縁層の主面に略直交する側面を有し前記絶縁層を底面とする溝に挟まれた半導体島を備え、前記半導体島は、前記溝に面する一対の側面の一方側寄りの部位に形成され、自身の上面に選択的に露出する第１導電型の第１不純物導入領域と、前記一対の側面の他方側寄りの部位に形成され前記上面に選択的に露出する第２導電型の第２不純物導入領域と、を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明に係る第２の手段は、第１の手段において、前記第１不純物導入領域が、前記一対の側面の前記一方側の全体に露出するように形成されているものである。
【００１４】
本発明に係る第３の手段は、第１又は第２の手段において、前記第２不純物導入領域が、前記一対の側面の前記他方側の全体に露出するように形成されているものである。
【００１５】
本発明に係る第４の手段は、第１乃至第３の何れかの手段において、前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、前記第１不純物導入領域と前記第２不純物導入領域とは、各半導体島の間で共通した一方領域が、前記半導体島の配列方向に沿った一方寄りに位置し、前記各半導体島が互いに直列に接続されているものである。
【００１６】
本発明に係る第５の手段は、第１乃至第３の何れかの手段において、前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、前記第１不純物導入領域と前記第２不純物導入領域とは、各半導体島の間で交互に一方領域が、前記複数の半導体島の配列方向に沿った一方寄りに位置し、前記各半導体島が互いに並列に接続されているものである。
【００１７】
本発明に係る第６の手段は、第２の手段において、前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、各半導体島は、前記一対の側面の前記他方側の全体に露出し、前記上面に選択的に露出する第１導電型の第３不純物導入領域と、前記一対の側面の前記一方側寄りの部位であって前記上面の部分に選択的に形成され前記第１不純物導入領域の内側に隣接した第２導電型の第４不純物導入領域と、を更に備え、前記各半導体島の前記第２不純物導入領域は、前記第３不純物導入領域の内側に隣接し前記上面の部分に選択的に形成されているものである。
【００１８】
本発明に係る第７の手段は、第１乃至第６の何れかの手段において、前記溝には電極材料が充填されているものである。
【００１９】
本発明に係る第８の手段は、第７の手段において、前記電極材料が不純物をドープした半導体であるものである。
【００２０】
本発明に係る第９の手段は、第７の手段において、前記電極材料が金属であるものである。
【００２１】
本発明に係る第１０の手段は、ｐｎ接合型の光半導体装置であって、絶縁層とその上に形成された半導体層とを有するＳＯＩ基板を備え、前記半導体層は、前記絶縁層の主面に略直交する側面を有し前記絶縁層を底面とする溝に挟まれた半導体島を備え、前記溝には第１導電型の半導体材料が充填されており、前記半導体島は、前記溝に面する一対の側面の一方側寄りの部位に形成され、自身の上面に選択的に露出する第２導電型の不純物導入領域を備えることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に係る第１１の手段は、第１０の手段において、前記不純物導入領域が、前記一対の側面の前記一方側の全体に露出するように形成されているものである。
【００２３】
本発明に係る第１２の手段は、第１０の手段において、前記半導体島と前記溝とが交互に列をなして並んでおり、各半導体島の前記不純物導入領域は、前記一対の側面の前記一方側の上方に露出するように前記上面の部分に選択的に形成されており、前記各半導体島が、前記一対の側面の他方側の上方に露出するように前記上面の部分に選択的に形成された第２導電型の別の不純物導入領域を、更に備えるものである。
【００２４】
本発明に係る第１３の手段は、第１乃至３、並びに１０及び１１の何れかの手段において、前記半導体島を挟む前記溝が、平面視において互いに噛み合う櫛歯状であって、前記半導体島が平面視において蛇行形状をなして延在しているものである。
【００２５】
本発明に係る第１４の手段は、第１乃至１３の何れかの手段において、前記半導体層が絶縁膜を挟んで複数層に積層されており、前記絶縁膜に設けられたビアホールを充填する電極材料によって、隣接する半導体層が電気的に接続されているものである。
【００２６】
本発明に係る第１５の手段は、半導体リレー装置であって、発光素子と、受光素子として用いられる第１乃至１４の何れかの手段としての光半導体装置と、を備えるものである。
【００２７】
本発明に係る第１６の手段は、光通信ケーブルの光信号受信装置であて、第１乃至１４の何れかの手段としての光半導体装置を受光素子として用いたものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光半導体装置によれば、半導体島に形成される空乏層の厚さと少数キャリアの拡散距離との和に相当する光−電気エネルギー変換に有効に寄与する領域の幅は、溝に面する半導体島の一対の側面の一方から他方に沿った幅となる。このため、特許文献１が開示する従来装置とは異なり、半導体島に関する設計を柔軟に行うことができ、空乏層の厚さと少数キャリアの拡散距離との和とは無関係に、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００２９】
更に、特許文献２及び３が開示する従来装置とは異なり、第１不純物導入領域（又は溝に充填される第１導電型の半導体材料）と第２不純物導入領域とが半導体島の溝に面する一対の側面寄りに各々偏在するので、それらに挟まれた半導体島の広い領域にわたって空乏層が厚く形成される。そのため、半導体島の広範な領域をエネルギー変換に有効に利用することができるので、本発明は、特許文献２及び３が開示する従来技術よりも、高いエネルギー変換効率を実現する。
【００３０】
更に、本発明はＳＯＩ基板を用いているために、半導体層から絶縁層へ向かった光の一部が絶縁層によって反射される。このため、本発明は、更に高いエネルギー変換効率を実現する。
【００３１】
また、本発明の半導体リレー装置及び光信号受信装置は、本発明の光半導体装置を備えるので、小型かつエネルギー変換効率の良い半導体リレー装置及び光信号受信装置を実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１（ａ）は斜視断面図であり、図１（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０１は、支持基板１、その上に形成された絶縁層２、及び絶縁層２の上に形成された半導体層３を備えている。支持基板１、絶縁層２及び半導体層３は、ＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）基板１０を構成しており、半導体層３はＳＯＩ層に該当する。以下の実施形態では、支持基板１はシリコン基板であり、絶縁層２はシリコン酸化物を材料とする埋め込み酸化膜であり、半導体層３はｐ型のシリコン層である例を取り上げるが、本発明の光半導体装置はこれらの例に限定されるものではない。また、以下の実施形態では、光半導体装置がフォトダイオードとして構成される例を取り上げるが、変形例の欄において後述するように、本発明の光半導体装置はフォトダイオードに限定されるものではない。
【００３３】
半導体層３には溝４及び溝８が互いに連通するように形成されており、半導体層３はこれらの溝４及び溝８によって互いに分離された多数の半導体島５を有している。溝４及び溝８は、トレンチとして形成されたものであり、その側面は絶縁層２の主面に略直交している。それにより、溝４の側面に垂直な切断面に沿った各半導体島５の断面形状は略長方形をなしている。また、溝４及び溝８の底面は絶縁層２に達しており、それによって、各半導体島５は溝４及び溝８を介して互いに分離されている。半導体島５と溝４とは交互に列をなして並んでおり、配列方向に沿った幅（以下、単に「幅」と記載する。）は、半導体島５どうしの間で同一であり、溝４の間でも同一である。また、半導体島５及び溝４は、平面視長方形の帯状をなしており、互いに平行に配列している。また各半導体島５の長手方向の両終端は溝８に接している。
【００３４】
各半導体島５には、ｎ型不純物拡散領域（以下、ｎ領域）６及びｐ型不純物拡散領域（以下、ｐ領域）７が選択的に形成されている。ｎ領域６は半導体島５の溝４に面する一対の側面の一方側の全体に露出するように形成されており、ｐ領域７は一対の側面の他方側の全体に露出するように形成されている。ｎ領域６及びｐ領域７は、いずれも半導体島５の上面の溝４に隣接する部位に露出する。不純物濃度の一例を挙げると、ｐ型の半導体島５では１０15ｃｍ-3以下であり、ｎ領域６及びｐ領域７では略１０20ｃｍ-3である。このように半導体島５における不純物濃度が、ｎ領域６及びｐ領域７における不純物濃度よりも著しく低く設定されるので、ｐｎ接合によって形成される空乏層が広がる領域は、ｎ領域６とｐ領域７とに挟まれた半導体島５の残りの部分（１０15ｃｍ-3以下の濃度を有するｐ型の領域。以下、ｐ型半導体島５と記載する。）に実質上制限される。しかも、ｐ型半導体島５における不純物濃度が低く設定されるので、空乏層はｐ型半導体島５内に広くわたるように、あるいはｐ型半導体島５の全体にわたるように、厚く形成される。各半導体島５は、ｎ領域６及びｐ領域７を備えることによって、図１（ｂ）にダイオードの回路記号を付すように、フォトダイオードセルを構成する。
【００３５】
溝４には電極材料１４が充填され、溝８には絶縁材料１８が充填されている。電極材料１４は、例えばアルミニウム等の金属材料、或いは不純物をドープしたポリシリコン（一般には多結晶半導体）である。絶縁材料１８は、例えば二酸化シリコンである。半導体島５と溝４とが交互に配列する方向（図１（ｂ）において水平方向）に沿って、ｎ領域６は各半導体島５の間で共通して一方向側（図１（ｂ）において左側）に形成され、ｐ領域７は他方側（図１（ｂ）において右側）に形成されている。従って、各半導体島５が構成するフォトダイオードセルは、電極材料１４を通じて互いに直列に接続される。
【００３６】
光半導体装置１０１は、以上のように構成されるので以下のように動作する。光半導体装置１０１が半導体層３の上面（図１において露出する主面）から光の照射を受けると、半導体島５の中で電子−正孔対が生成される。生成された電子及び正孔のうちｐ型半導体島５における小数キャリアである電子は、空乏層に生じている電界により、再結合することなくｐ型半導体島５からｎ領域６へ移動する。その結果、フォトダイオードセルを構成する各半導体島５には、０．５Ｖ〜０．７Ｖ程度の開放電圧が発生する。各フォトダイオードセルは直列接続されているので、直列接続されたフォトダイオードセル（個数をＮとする）の全体には、Ｎ×０．５Ｖ〜Ｎ×０．７Ｖ程度の開放電圧が得られる。
【００３７】
ｎ領域６は溝４の側面に沿うように形成されているため、ｐｎ接合の接合面は半導体層３の上面に略垂直となる。従って、ｐ型半導体島５に形成される空乏層の厚さと電子の拡散距離との和、すなわち光電変換に有効に寄与する領域の幅は、溝４に面する半導体島５の一対の側面の一方から他方に沿った幅となる。このため、特許文献１が開示する従来装置とは異なり、半導体島５に関する設計を柔軟に行うことができ、上記の和とは無関係に半導体島５の（上面に垂直な方向の）厚さ（以下、単に「厚さ」と記載する。）を光の到達距離より短い範囲で大きくするほど、光エネルギーの利用効率を高めることができる。また、溝４に面する半導体島５の一対の側面は絶縁層２の主面に対して略垂直であって、半導体島５は略直方体形状をなす。このため、光半導体装置１０１は、半導体層３の上面の単位面積当たりのエネルギー変換効率が高いという利点を有する。
【００３８】
更に、特許文献２及び３が開示する従来装置とは異なり、ｎ領域６とｐ領域７とが半導体島５の溝４に隣接する一対の領域に偏在するので、不純物濃度の低いｐ型半導体島５の広い領域、あるいはｐ型半導体島５の全体にわたって空乏層が厚く形成される。それによって、半導体島５の広範な領域を光電変換に有効に利用することができるので、光半導体装置１０１は、特許文献２及び３が開示する従来技術と比較しても、エネルギー変換効率が更に高いという利点を有する。
【００３９】
また、光半導体装置１０１はＳＯＩ基板１０を用いているために、半導体層３の厚さが光の到達距離よりも小さい場合であっても、半導体層３の上面から入射した光の一部が絶縁層２によって反射される。このため、入射光に加えて反射光までが半導体島５における光電変換に利用されるので、光半導体装置１０１は、半導体層３の厚さが小さい場合であっても、エネルギーの利用効率が高いという利点を有する。一般に、溝４（及び溝８）は、深くなるほど形成が容易ではなくなる。光半導体装置１０１は、絶縁層２からの反射光を利用することにより、溝４を浅くしつつエネルギーの利用効率を高く保持することを可能にする。
【００４０】
半導体層３の厚さが光の到達距離よりも小さい場合には、図１（ａ）に示すように、半導体島５の中だけでなく、その下方に位置するシリコン基板である支持基板１にも電子−正孔対が生成される。しかしながら、支持基板１の中に生成された電子−正孔対は、絶縁層２によって半導体島５への侵入が阻まれる。従って、支持基板１の中に生成された電子−正孔対が遅れて半導体島５へ到達することによって光照射に対する応答に遅延を生じるという弊害、すなわち応答の高速性が阻害されるという弊害は発生しない。
【００４１】
なお、光半導体装置１０１は、半導体層３の上面全体を覆うように形成された保護膜、光反射防止膜などを更に備えている。これらの膜の構造それ自体は従来周知であるので、図１では図示を略している。このことは、以下に述べる各実施の形態においても同様である。また、溝８に絶縁材料１８が充填される例を示したが、溝８は充填材がなくても電気絶縁という目的を達することが可能である。更に、各半導体島５の長手方向の終端は、トレンチとして形成された溝８の代わりに、異方性研削による溝など、他の種類の溝によって絶縁されていても良い。
【００４２】
既に述べたように、溝４に充填される電極材料１４として、例えばアルミニウム等の金属材料、或いは不純物をドープしたポリシリコン等を用いることができる。電極材料１４に金属材料を用いた場合には、金属材料の電気抵抗率が低いために、各フォトダイオードセルの間の接続抵抗を低く抑えることができるという利点が得られる。一方、電極材料１４として不純物をドープしたポリシリコンを用いた場合には、電極材料１４の中にも光が透過し、電極材料１４とｎ領域６又はｐ領域７との間に形成される空乏層が光電変換に寄与するので、半導体層３における光エネルギーの利用効率が更に高まるという利点が得られる。
【００４３】
光半導体装置１０１は、溝４に充填される電極材料１４のみによって各フォトダイオードセルの直列接続が実現するという利点を有する。これに対し、図２に光半導体装置１０１Ａとして例示するように、半導体層３の上面に別の電極（以下、表面電極）９を配設することにより、溝４に充填される電極材料１４だけでなく表面電極９をも通じて、各フォトダイオードセルを互いに直列接続してもよい。表面電極９は、例えばアルミニウムなどの電極材料を半導体層３の上面に堆積した後にパターニングするという、従来周知の配線技術を用いて容易に形成される。図２が示すように、表面電極９は、各半導体島５の上面のうちｐ領域７の露出部分と、これに隣接する溝４の上面と、当該溝４に隣接する別の半導体島５に属するｎ領域６の露出部分とを覆うように形成するとよい。
【００４４】
半導体装置１０１Ａでは、表面電極９によってフォトダイオードセルの直列接続が実現するので、溝４には電極材料１４を充填する代わりに、絶縁材料を充填しても良い。ただし、電極材料１４はｎ領域６及びｐ領域７の溝４への露出面の全体に接触するので、接触面積が広く、直列接続にともなう接続抵抗を低減するという効果を奏する。従って、接続抵抗を低減する上では、溝４には電極材料１４を充填するのがより望ましい。
【００４５】
光半導体装置１０１及び１０１Ａは、各半導体島５に選択的に形成されたｎ領域６及びｐ領域７を有するが、これらのｎ領域６及びｐ領域７は、図３が示す工程を通じて容易に形成することが可能である。まずＳＯＩ基板１０を準備した後、半導体層３の上面に被着されたレジストパターン２１を用いて、選択的に半導体層３を除去することにより、半導体層３に溝４が形成される（図３（ａ））。その後、ボロン等のｐ型不純物を斜め方向から注入（ティルト・イオン・インプランテーション）することにより、溝４に挟まれた半導体層３の部分である半導体島５の溝４に面する一方側面にｐ領域７が形成される（図３（ｂ））。次いで、リン等のｎ型不純物を、傾斜角を替えて別の斜め方向から注入することにより、半導体島５の溝４に面する他方側面にｎ領域６が形成される（図３（ｃ））。なお、図３（ｂ）の工程と図３（ｃ）の工程とは、何れが先で何れが後であっても良い。
【００４６】
続いて、レジストパターン２１を除去した後、例えばリンをドープしたポリシリコンを、溝４を含むＳＯＩ基板１０の表面全体を覆うように堆積し、さらに研磨することにより、図３（ｄ）が示すような溝４に電極材料４が充填された構造が出来上がる。ｎ領域６及びｐ領域７が、活性領域として機能するためには、イオン注入の後に活性化のための加熱工程を要することは、当分野において自明であるので詳述しない。このように、図１及び図２に示した光半導体装置１０１及び１０１Ａは、従来周知の半導体プロセスを組み合わせることによって、容易に製造することができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図４（ａ）は斜視断面図であり、図４（ｂ）は平面図である。図４以下の図において、図１〜図３と同一部分又は対応する部分には同一の符号を付して、それらの詳細な説明を略する。この光半導体装置１０２は、半導体島５と溝４とが交互に配列する方向（図４（ｂ）において水平方向）に沿って、ｎ領域６とｐ領域７とが各半導体島５の間で交互に前後関係が入れ替わっており、表面電極９がアノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとに分かれている点において、図２に示した光半導体装置１０１Ａとは特徴的に異なっている。
【００４８】
すなわち、両側面にｎ領域６が露出する溝４と両側面にｐ領域７が露出する溝４とが交互に並んでおり、溝４を充填する電極材料１４の上面とその両側に隣接するｐ領域７の上面とを覆うようにアノード電極９Ａが配設され、溝４を充填する電極材料１４とその両側に隣接するｎ領域６の上面とを覆うようにカソード電極９Ｃが配設されている。カソード電極９Ｃは、溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。同様に、アノード電極９Ａは、図４には示されない溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。そして、アノード電極９Ａ及びカソード電極９Ｃは、互いに噛み合う櫛歯状の平面視形状をなしている。
【００４９】
光半導体装置１０２は、以上のように構成されるので、各半導体島５が構成するフォトダイオードセルが互いに並列に接続される。従って、光半導体装置１０２は、光照射を受けることにより、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとの間に０．５Ｖ〜０．７Ｖの開放電圧を発生する。また、多数のフォトダイオードセルが並列接続されているので、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。また、各フォトダイオードセルの接続関係を除いて、光半導体装置１０２は光半導体装置１０１及び１０１Ａと同等に構成されるので、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０２においても同様に得られる。
【００５０】
光半導体装置１０２は、各半導体島５に選択的に形成されたｎ領域６及びｐ領域７を有するが、これらのｎ領域６及びｐ領域７は、図５が示す工程を通じて容易に形成することが可能である。しかも、その工程は、図３に示した光半導体装置１０１及び１０１Ａを製造するための工程よりも更に簡略である。まずＳＯＩ基板１０を準備した後、半導体層３の上面に被着されたレジストパターン２２を用いて、選択的に半導体層３を除去することにより、半導体層３に溝４が形成される（図４（ａ））。ここで形成される溝４は、多数の溝４のうち、例えば配列方向に沿った奇数番目の溝４である。その後、リン等のｎ型不純物を注入することにより、半導体層３の溝４に面する両側面にｎ領域６が形成される（図４（ｂ））。
【００５１】
次いで、レジストパターン２２を除去した後、例えばリンをドープしたポリシリコンを、溝４を含むＳＯＩ基板１０の表面全体を覆うように堆積し、さらに研磨することにより、図４（ｃ）が示すような奇数番目の溝４に電極材料４が充填された構造が出来上がる。その後、半導体層３の上面に被着されたレジストパターン２３を用いて、選択的に半導体層３を除去することにより、半導体層３に偶数番目の溝４が形成される（図４（ｄ））。続いて、ボロン等のｐ型不純物を注入することにより、半導体層３の溝４に面する両側面にｐ領域７が形成される（図４（ｄ））。なお、図４（ｂ）の工程と図４（ｄ）の工程とは、互いに前後関係を入れ替えて実施することが可能である。
【００５２】
続いて、レジストパターン２２を除去した後、例えばリンをドープしたポリシリコンを、溝４を含むＳＯＩ基板１０の表面全体を覆うように堆積し、さらに研磨することにより、図４（ｅ）が示すような全ての溝４に電極材料１４が充填された構造が出来上がる。このように、図４に示した光半導体装置１０２は、従来周知の半導体プロセスを組み合わせることによって、容易に製造することができる。しかも、図５の工程では、図３の工程とは異なり、斜め注入におけるイオンの照射角度等の条件設定の困難性を伴わないので、光半導体装置１０２は、光半導体装置１０１、１０１Ａに比べて、より安定的かつ容易に製造可能であるという利点を有する。
【００５３】
［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図６（ａ）は斜視断面図であり、図６（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０３は、平面視において蛇行形状をなして延在する半導体島５が、平面視において互いに噛み合う櫛歯状をなす溝４Ａと溝４Ｃとに挟まれている点において、図１に示した光半導体装置１０１とは特徴的に異なっている。溝４Ａ及び溝４Ｃは、光半導体装置１０１の溝４と同様に、トレンチとして形成されたものであり、その側面は絶縁層２の主面に略直交している。それにより、光半導体装置１０１の半導体島５と同様に、溝４Ａ又は溝４Ｃの側面に垂直な切断面に沿った各半導体島５の断面形状は略長方形をなしている。また、溝４Ａ及び溝４Ｃの底面は絶縁層２に達しており、それによって、半導体島５は溝４Ａ及び溝４Ｃを介して、半導体層３の他の領域から分離されている。半導体装置１０１の溝４と同様に、溝４Ａ及び溝４Ｃには電極材料１４Ａ及び１４Ｂが各々充填されている。電極材料１４Ａ及び１４Ｃは、例えばアルミニウム等の金属材料、或いは不純物をドープしたポリシリコン（一般には多結晶半導体）である。
【００５４】
半導体島５には、ｎ領域６及びｐ領域７が選択的に形成されている。ｎ領域６は半導体島５の溝４Ｃに面する側面の全体に露出するように形成されており、ｐ領域７は溝４Ａに面する側面の全体に露出するように形成されている。ｎ領域６及びｐ領域７は、いずれも半導体島５の上面のうち溝４Ｃ及び溝４Ａに隣接する部位に露出する。ｎ領域６、ｐ領域７及びｐ型半導体島５における不純物濃度の一例は、光半導体装置１０１の場合と同様である。半導体島５は、ｎ領域６及びｐ領域７を備えることによって、図６（ｂ）にダイオードの回路記号を付すように、フォトダイオードセルを構成する。また、電極材料１４Ａはフォトダイオードセルのアノード電極として機能し、電極材料１４Ｃはカソード電極として機能する。
【００５５】
光半導体装置１０３は、以上のように構成されるので、光照射を受けることにより、アノード電極である電極材料１４Ａとカソード電極である電極材料１４Ｃとの間に０．５Ｖ〜０．７Ｖの開放電圧を発生する。また、光半導体装置１０３は、単一の半導体島５が構成するフォトダイオードセルを、半導体層３の広い範囲にわたって配設することが可能でえるので、電極材料１４Ａと電極材料１４Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。また、半導体島５は、光半導体装置１０１の各半導体島５と同等に構成されるので、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０３においても同様に得られる。また、ｎ領域６及びｐ領域７は、図５の工程と同様の工程を実行することにより形成することができるので、光半導体装置１０３は光半導体装置１０２と同様に、光半導体装置１０１、１０１Ａに比べて、より安定的かつ容易に製造可能であるという利点を有する。
【００５６】
上記の通り、光半導体装置１０３では、溝４Ａに充填される電極材料１４Ａ及び溝４Ｃに充填される電極材料１４Ｃが、フォトダイオードセルのアノード電極及びカソード電極として各々機能する。これに対し、光半導体装置１０１の変形例として光半導体装置１０１Ａが存在したように、光半導体装置１０２の半導体層３の上面に表面電極を配設してもよい。この場合、表面電極は、電極材料１４Ａの上面と隣接する一対のｐ領域７の上面とに沿った平面視櫛歯状のアノード電極と、電極材料１４Ｃの上面と隣接する一対のｎ領域６の上面とに沿った平面視櫛歯状のカソード電極とを有することとなり、その形状は、図４に示すアノード電極９Ａ及びカソード電極４Ｃと同等となる。光半導体装置１０３が表面電極を有する場合には、溝４Ａ，４Ｃには電極材料１４Ａ，１４Ｃを充填する代わりに、絶縁材料を充填しても良い。ただし、接続抵抗を低減する上で、溝４Ａ，４Ｃに電極材料１４Ａ，１４Ｃを充填するのがより望ましい点は、光半導体装置１０１Ａの場合と同様である。
【００５７】
［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図７（ａ）は斜視断面図であり、図７（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０４は、一対のｎ領域６が、溝４に面する各半導体島５の一対の側面の全体に露出するように形成されており、一対のｐ領域７が一対のｎ領域６の内側に隣接するように各半導体島５の上面部分に選択的に形成されている点において、光半導体装置１０１とは特徴的に異なっている。ｎ領域６が各半導体島５の上面から底面まで延びているのに対し、ｐ領域７は上面部分にのみ形成されている。一対のｐ領域７は、各半導体島５のうち、その中央部よりも一対の溝４側に片寄った領域に形成されている。従って、各半導体島５の上面には、隣接する一対の溝４の一方から他方へ向かって、ｎ領域６、ｐ領域７、ｐ型半導体島５、ｐ領域７及びｎ領域６が、この順に露出する。ｎ領域６、ｐ領域７及びｐ型半導体島５における不純物濃度の一例は、光半導体装置１０１の場合と同様である。
【００５８】
表面電極９は、溝４を充填する電極材料１４の上面と、当該溝４に隣接する一対のｎ領域６の上面と、これら一対のｎ領域６のうちの一方に隣接するｐ領域７の上面とを覆うように形成される。半導体島５と溝４とが交互に配列する方向（図７（ｂ）において水平方向）に沿って、表面電極９に接続されるｐ領域７は、各半導体島５の間で共通して一方向側（図７（ｂ）において左側）に形成されている。これにより、各半導体島５のうち、表面電極９に接続されるｐ領域７と、これには隣接しない方のｎ領域６と、ｐ型半導体島５とによって、フォトダイオードセルが構成される。また、各半導体島５が構成するフォトダイオードセルは、表面電極９及び電極材料１４を通じて互いに直列に接続されている。それにより光半導体装置１０４は、直列接続されたフォトダイオードセルの個数をＮとすると、光照射を受けることにより、Ｎ×０．５Ｖ〜Ｎ×０．７Ｖ程度の開放電圧を発生する。
【００５９】
電極材料１４がなくても、表面電極９によってフォトダイオードセルの直列接続は実現されるので、溝４には電極材料１４に代えて絶縁材料を充填しても良い。ただし、ｎ領域６の側面全体に接触する電極材料１４が介在することにより、ｎ領域６と表面電極９との間の接続抵抗が低減されるので、溝４には電極材料１４が充填されるのが望ましい。
【００６０】
光半導体装置１０４では、ｐ領域７は、半導体島５の上面部分にのみ形成されており、しかも隣接するｎ領域６の内側に形成されているため、光電変換に寄与する領域が、光半導体装置１０１に比べると、幾分狭くなる。それでもなお、フォトダイオードセルを構成するｐ領域７とｎ領域６とは、一対の溝４に隣接する半導体島５の一端寄りと他端寄りとに偏在するので、ｐｎ接合の接合面は半導体層３の上面に略垂直となり、しかも、空乏層がｐ型半導体島５の広い領域にわたって厚く形成される。従って、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０４においても相応に得られる。
【００６１】
更に、半導体装置１０４は、次に述べる第５の実施形態による半導体装置と、半導体層３の構造を共通にし得る点に、主たる利点がある。この利点については、第５の実施形態についての説明の中で述べる。
【００６２】
［第５の実施形態］
図８は、本発明の第５の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図８（ａ）は斜視断面図であり、図８（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０５は、表面電極９がアノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとに分かれている点において、図７に示した光半導体装置１０４とは特徴的に異なっている。すなわち、例えば配列方向に沿った奇数番目の溝４を充填する電極材料１４の上面と、その両側に隣接するｎ領域６の上面と、これらのｎ領域６に隣接するｐ領域７の上面とを覆うようにアノード電極９Ａが配設され、偶数番目の溝４を充填する電極材料１４とその両側に隣接するｎ領域６の上面とを覆うようにカソード電極９Ｃが配設されている。カソード電極９Ｃは、溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。同様に、アノード電極９Ａは、別の溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。そして、アノード電極９Ａ及びカソード電極９Ｃは、互いに噛み合う櫛歯状の平面視形状をなしている。
【００６３】
光半導体装置１０５は、以上のように構成されるので、各半導体島５が構成するフォトダイオードセルが互いに並列に接続される。従って、光半導体装置１０５は、光照射を受けることにより、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとの間に０．５Ｖ〜０．７Ｖの開放電圧を発生する。また、多数のフォトダイオードセルが並列接続されているので、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。また、各フォトダイオードセルの接続関係を除いて、光半導体装置１０５は光半導体装置１０４と同等に構成されるので、エネルギーの利用効率等に関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０５においても相応に得られる。
【００６４】
更に、光半導体装置１０４と１０５とは、半導体層３の構造については互いに共通している。すなわち、光半導体装置１０４及び１０５が共通に備える半導体層３の構造は、表面電極９のパターン形状のみを変えることによって、フォトダイオードセルが直列接続された光半導体装置１０４と並列接続された光半導体装置１０５との何れをも実現することができるという利点を有する。これにより、光半導体装置１０４及び１０５の製造工程において、ＳＯＩ基板１０を共有することができ、半導体層３の構造を形成する上で必要とされるマスクパターンを節減することができる。それにより、光半導体装置１０４及び１０５の製造工程が簡素化される。
【００６５】
［第６の実施形態］
図９は、本発明の第６の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図９（ａ）は斜視断面図であり、図９（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０６は、各半導体島５にｐ領域７のみが選択的に形成されている点において、光半導体装置１０１とは特徴的に異なっている。ｐ領域７は、光半導体装置１０１のｐ領域７と同様に、半導体島５の溝４に面する一対の側面の一方側の全体に露出するように形成されている。溝４に充填される電極材料１４として、ｎ型不純物をドープしたポリシリコンが用いられる。電極材料１４におけるｎ型不純物濃度の一例は、光半導体装置１０１におけるｎ領域６における不純物濃度と同等である。
【００６６】
光半導体装置１０６は以上のように構成されるために、互いに隣接する電極材料１４、ｐ型半導体島５及びｐ領域７が、フォトダイオードセルを構成する。すなわち、光半導体装置１０６は、電極材料１４が光半導体装置１０１におけるｎ領域６の機能を果たすように構成されている。また、半導体島５と溝４とが交互に配列する方向（図９（ｂ）において水平方向）に沿って、ｐ領域７は各半導体島５の間で共通して一方向側（図９（ｂ）において左側）に形成されている。従って、各半導体島５と隣接する電極材料１４とが構成するフォトダイオードセルは、互いに直列に接続される。その結果、光半導体装置１０６は、直列接続されたフォトダイオードセルの個数をＮとすると、光照射を受けることにより、Ｎ×０．５Ｖ〜Ｎ×０．７Ｖ程度の開放電圧を発生する。
【００６７】
図９が示すように、半導体層３の上面に表面電極９を配設しても良い。表面電極９は、電極材料１４の上面とこれに隣接するｐ領域７の上面とを覆うようにパターニングされる。それにより、ｎ型の電極材料１４とｐ領域７との間の接続抵抗、すなわち直列接続されるフォトダイオードセルの間の接続抵抗が低減される。
【００６８】
フォトダイオードセルを構成するｐ領域７とｎ型の電極材料１４とは、半導体島５と溝４とを含めた領域の一端と他端とに偏在するので、光半導体装置１０１の場合と同様に、ｐｎ接合の接合面は半導体層３の上面に略垂直となり、しかも、空乏層がｐ型半導体島５の広い領域にわたって厚く形成される。従って、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０６においても同様に得られる。さらに、溝４に充填される電極材料１４が、光半導体装置１０１のｎ領域６に代わってフォトダイオードセルの要素の一部を担うので、半導体層３のより広い領域が光電変換に寄与する。それにより、エネルギーの利用効率が更に高められる。
【００６９】
［第７の実施形態］
図１０は、本発明の第７実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１０（ａ）は斜視断面図であり、図１０（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０７は、一対のｐ領域７が各半導体島５の上面部分に選択的に形成されている点において、光半導体装置１０６とは特徴的に異なっている。各ｐ領域７は、溝４の上方に露出するように形成されている。
【００７０】
表面電極９は、溝４を充填するｎ型の電極材料１４の上面と、当該溝４に隣接する一対のｐ領域７の一方の上面とを覆うように形成される。半導体島５と溝４とが交互に配列する方向（図１０（ｂ）において水平方向）に沿って、表面電極９に接続されるｐ領域７は、各半導体島５の間で共通して一方向側（図７（ｂ）において左側）に形成されている。これにより、ｐ型半導体島５と、このｐ型半導体島５の一端に位置するｐ領域７であって表面電極９に接続されるものと、他端に隣接するｎ型の電極材料１４とによって、フォトダイオードセルが構成される。また、各半導体島５と隣接する電極材料１４とが構成するフォトダイオードセルは、表面電極９を通じて互いに直列に接続されている。それにより光半導体装置１０７は、直列接続されたフォトダイオードセルの個数をＮとすると、光照射を受けることにより、Ｎ×０．５Ｖ〜Ｎ×０．７Ｖ程度の開放電圧を発生する。
【００７１】
光半導体装置１０７では、ｐ領域７は、半導体島５の上面部分にのみ形成されているため、光電変換に寄与する領域が、光半導体装置１０６に比べると、幾分狭くなる。それでもなお、フォトダイオードセルを構成するｐ領域７とｎ型の電極材料１４とは、半導体島５の一端と他端とに偏在するので、ｐｎ接合の接合面は半導体層３の上面に略垂直となり、しかも、空乏層がｐ型半導体島５の広い領域にわたって厚く形成される。従って、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０７においても相応に得られる。
【００７２】
更に、半導体装置１０７は、次に述べる第８の実施形態による半導体装置と、半導体層３の構造を共通にし得る点に、主たる利点がある。この利点については、第８の実施形態についての説明の中で述べる。
【００７３】
［第８の実施形態］
図１１は、本発明の第８の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１１（ａ）は斜視断面図であり、図１１（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０８は、表面電極９がアノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとに分かれている点において、図１０に示した光半導体装置１０７とは特徴的に異なっている。すなわち、例えば配列方向に沿った奇数番目の溝４を充填する電極材料１４の上面と、その両側に隣接する一対のｐ領域７の上面とを覆うようにアノード電極９Ａが配設され、偶数番目の溝４を充填する電極材料１４の上面とを覆うようにカソード電極９Ｃが配設されている。カソード電極９Ｃは、溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。同様に、アノード電極９Ａは、別の溝８を充填する絶縁材料１８の上面に沿った部分を通じて互いに一体に連結されている。そして、アノード電極９Ａ及びカソード電極９Ｃは、互いに噛み合う櫛歯状の平面視形状をなしている。
【００７４】
光半導体装置１０８は、以上のように構成されるので、各半導体島５と隣接する電極材料１４とが構成するフォトダイオードセルが互いに並列に接続される。従って、光半導体装置１０８は、光照射を受けることにより、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとの間に０．５Ｖ〜０．７Ｖの開放電圧を発生する。また、多数のフォトダイオードセルが並列接続されているので、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。また、各フォトダイオードセルの接続関係を除いて、光半導体装置１０８は光半導体装置１０７と同等に構成されるので、エネルギーの利用効率等に関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、光半導体装置１０８においても相応に得られる。
【００７５】
更に、光半導体装置１０７と１０８とは、半導体層３の構造については互いに共通しているので、光半導体装置１０４と１０５とについて述べたように、製造工程において、ＳＯＩ基板１０を共有することができ、半導体層３の構造を形成する上で必要とされるマスクパターンを節減することができる。それにより、光半導体装置１０７及び１０８の製造工程が簡素化される。
【００７６】
［第９の実施形態］
図１２は、本発明の第９の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１２（ａ）は斜視断面図であり、図１２（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１０９は、光半導体装置１０１の半導体層３と同一に構成される半導体層１３が、絶縁膜１２を挟んで半導体層３の上に形成されている点において、光半導体装置１０１とは特徴的に異なっている。すなわち、光半導体装置１０９は、絶縁膜１２を介して２層に積層された同一構造の半導体層３，１３を備えている。絶縁膜１２には、例えば絶縁層２と同じ材料（例えば、二酸化シリコン）が用いられる。光半導体装置１０９では、絶縁層２の上に形成された半導体層３、絶縁膜１２及び半導体層１３の全体がＳＯＩ層に相当する。
【００７７】
図１２は、半導体層３と半導体層１３との間で半導体島５の配列方向を、平面視において互いに直交するように設定した例を示しているが、同一方向となるように設定しても良い。また図１２には、表面電極９が配設されない例を示しているが、上層の半導体層１３、下層の半導体層３の何れにも、図２に示した表面電極９を配設することが可能である。
【００７８】
第１層の半導体層３と第２層の半導体層１３との間は、絶縁膜１２に形成されたビアホールを充填する電極材料３１によって電気的に接続されている。電極材料３１には、電極材料１４と同様に、アルミニウム等の金属、或いは不純物をドープしたポリシリコン（一般には、多結晶半導体）が用いられる。第１層の半導体層３には多数のフォトダイオードセルが直列に接続されており、同様に、第２層の半導体層１３には多数のフォトダイオードセルが直列に接続されている。第１層の半導体層３の中に直列接続されたフォトダイオードセル全体のカソード電極と、第２層の半導体層１３の中に直列接続されたフォトダイオードセル全体のアノード電極とを電極材料３１が接続するように、ビアホールが絶縁膜１２に設けられる。
【００７９】
言い換えると、光半導体装置１０９を使用するときに半導体層３のうち最も低電位となるｎ領域６と、半導体層１３のうち最も高電位となるｐ領域７とが、電極材料３１によって接続される。それにより、半導体層３に形成されたフォトダイオードと半導体層１３に形成されたフォトダイオードとが直列接続される。従って、光半導体装置１０９は、小面積で高い光起電力を生成することができる。また、光半導体装置１０９は、半導体層３，１３の各々の厚さを小さくして積層することにより、光エネルギーの利用効率に関して単一の厚い半導体層を形成したのと同等の効果を得ている。すなわち、光半導体装置１０９は、同等の光エネルギーの利用効率を得るのに、溝４，８を浅く形成して、溝４，８の研削工程、電極材料１４，１８の充填工程及びその後の平坦化工程を容易化することを可能にする。また、積層された半導体層全体の厚さが光の到達距離と同等となるように、半導体層３，１３の各々の厚さを設定することにより、光エネルギーの利用効率を更に高めることができる。
【００８０】
下層の半導体層３から電極を表面に引き出すには、図１３に示すようにいくつかの形態を採ることができる。図１３（ａ）の形態では、ＳＯＩ基板１０をメサ型に形成することにより、下層の半導体層３に属するｐ領域７の露出面に電極が接続される。図１３（ｂ）の形態では、ＳＯＩ基板１０をテラス型に形成することにより、ｐ領域７に連結するｐ領域１６の上面に開口する開口部７０が絶縁膜１２に選択的に設けられ、この開口部７０を通じて電極が接続される。図１３（ｃ）の形態では、絶縁膜１２及び上層の半導体層１３にビアホールが設けられ、このビアホールに充填される電極材料３２が下層の半導体層３のｐ領域７に接続される。このように簡単な製造工程を通じて、下層の半導体層３から電極を表面に引き出すことが可能である。
【００８１】
なお、絶縁層２の上に２層の半導体層３及び半導体層１３が積層された構造を形成するには、第１層である半導体層３に半導体島５、溝４、溝８、電極材料１４、絶縁材料１８、ｎ領域６、ｐ領域７などの所定の構造を形成した後に、その上面を覆うように絶縁膜１２を形成し、その上に第２層である半導体層１３を形成すると良い。これらの製造工程は、従来周知の半導体プロセスを組み合わせることによって実施可能である。
【００８２】
［第１０の実施形態］
図１４は、本発明の第１０の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１４（ａ）は斜視断面図であり、図１４（ｂ）は平面図である。この光半導体装置１１０は、半導体層３，１３の各層が、光半導体装置１０２（図４）の半導体層３と同一に構成される点において、光半導体装置１０９とは特徴的に異なっている。上層の半導体層１３の上には、図４の光半導体装置１０１と同様に、平面視において櫛歯状に噛み合うアノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとが配設されている。
【００８３】
半導体層３と半導体層１３との間で、半導体島５の配列方向は、平面視において互いに直交するように設定されている。そして、上層と下層の間で、ｎ領域６どうし及びｐ領域７どうしが、絶縁膜１２に形成されたビアホールを充填する電極材料３３によって接続されている。電極材料３３には、電極材料３１と同様に、アルミニウム等の金属、或いは不純物をドープしたポリシリコン（一般には、多結晶半導体）が用いられる。それにより、半導体層３，１３の各々において並列接続されたフォトダイオードセルが、半導体層３と半導体層１３との間においても、互いに並列接続される。従って、光半導体装置１１０は、光照射を受けることにより、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとの間に０．５Ｖ〜０．７Ｖの開放電圧を発生する。また、多数のフォトダイオードセルが並列接続されているので、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。
【００８４】
また、光半導体装置１１０は、光半導体装置１０９と同様に２層に積層された半導体層３，１３を備えるので、光半導体装置１０９と同様に、溝４，８の形成に関連する製造工程を容易化しつつ光エネルギーの利用効率を高めることができるという利点を有する。なお、２層の半導体層３，１３の間で、半導体島５の配列方向を互いに直交させるのが好ましいが、斜交を含めて交差しておれば、２層の間でフォトダイオードセルを並列接続することは可能である。
【００８５】
［第１１の実施形態］
図１５は、本発明の第１１の実施形態による光半導体装置の構成を示すものであって、図１５（ａ）は斜視断面図であり、図１５（ｂ）は平面図である。また、図１５（ｃ）はＳＯＩ層１０の内部を一部取り出して示す斜視図である。この光半導体装置１１１は、半導体層３，１３の２層に加えて、第３層の半導体層４３を備える点において、光半導体装置１１０（図１４）とは特徴的に異なっている。半導体層４３は、絶縁膜４２を介して半導体層１３の上に形成されている。３層の半導体層３，１３，４３は、何れも光半導体装置１１０の半導体層３と同一に構成されている。また、絶縁膜４２の材料は、絶縁膜１２の材料と同一であり、例えば二酸化シリコンである。最上層の半導体層４３の上には、光半導体装置１１０（図１４）の最上層の上に配設される表面電極と同様に、平面視において櫛歯状に噛み合うアノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとが配設されている。
【００８６】
半導体層３と半導体層１３との間で、半導体島５の配列方向は、平面視において互いに直交するように設定されている。同様に、半導体層１３と半導体層４３との間で、半導体島５の配列方向は、平面視において互いに直交するように設定されている。そして、隣接する上層と下層の間で、上層のｎ領域６と下層のｐ領域７とが、絶縁膜１２又は４２に形成されたビアホールを充填する電極材料３３によって接続されている。それにより、半導体層３，１３，４３の各々において並列接続されたフォトダイオードセルが、半導体層３と半導体層１３と半導体層４３との３層の間において互いに直列接続されている。従って、光半導体装置１１１は、光照射を受けることにより、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとの間に３×０．５Ｖ（＝１．５Ｖ）〜３×０．７Ｖ（＝２．１Ｖ）程度の開放電圧を発生する。また、各層において多数のフォトダイオードセルが並列接続されているので、アノード電極９Ａとカソード電極９Ｃとを外部回路を通じて短絡するときには、大きな短絡電流を得ることができる。
【００８７】
また、３層の半導体層３，１３，４３の間で、フォトダイオードセルを並列に接続することにより、０．５Ｖ〜０．７Ｖ程度の開放電圧を得ることも可能である。それには、隣接する上層と下層との間で、ｎ領域６どうし及びｐ領域７どうしを接続するように、ビアホールの位置を設定すると良い。図１５において、電極材料３３の位置を置き換えることによって、３層の間の並列接続が容易に実現する。
【００８８】
光半導体装置１１１は、３層に積層された半導体層３，１３，４３を備えるので、溝４，８の形成に関連する製造工程を更に容易化しつつ光エネルギーの利用効率を高めることができるという利点を有する。なお、３層の半導体層３，１３，４３の間で、半導体島５の配列方向を互いに直交させるのが好ましいが、斜交を含めて交差しておれば、３層の間でフォトダイオードセルを並列接続することも可能である。
【００８９】
［変形例］
（１）上記した各実施の形態による光半導体装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子と組み合わせることにより、小型で高速応答性に優れた半導体リレーを構成するのに適している。また、上記した各実施の形態による光半導体装置は、これを受光素子として用いることにより、小型で高速応答性に優れた光通信ケーブルの光信号受信装置を構成するのに適している。
【００９０】
（２）光半導体装置１０１又は１０１Ａにおいて、ｎ領域６及びｐ領域７を、光半導体装置１０４のｐ領域７のように、半導体島５の上面部分であって溝４に近い部位に選択的に形成することも可能である。光半導体装置１０１及び１０１Ａのように、ｎ領域６及びｐ領域７が半導体島５の上面から底面まで延在する形態に比べると、光エネルギーの利用率は劣るが、ｐｎ接合の接合面は半導体層３の上面に略垂直となり、しかも、空乏層がｐ型半導体島５の広い領域にわたって厚く形成される。従って、エネルギーの利用効率などに関して述べた光半導体装置１０１及び１０１Ａによる効果は、このように構成される光半導体装置においても相応に得られる。
【００９１】
（３）上記の各実施形態では、半導体島５は低濃度にドープされたｐ型不純物を含んでいたが、半導体島５として真正半導体を用いることも可能である。また、上記各実施形態による光半導体装置において、導電形式をｎ型とｐ型との間で置き換えてもよい。しかしながら、半導体島５がｐ型不純物を含有する形態は、高速応答性に優れる電子を主要な小数キャリアとして利用することができるという利点を有する。なお、本発明においてｐｎ接合型とは、上記各実施形態による光半導体装置のようなｐｐ-ｎ型、その導電形式を反転させたｎｎ-ｐ型、或いは半導体島５として真正半導体を用いたｐｉｎ型等をも広く包含する概念である。
【００９２】
（４）上記の各実施形態では、光半導体装置がフォトダイオードとして構成される例を取り上げた。しかしながら、本発明の光半導体装置は、フォトダイオードに限らず、太陽電池をも含めたｐｎ接合型の受光素子一般に適用が可能である。さらに、光エネルギーを電気エネルギーへ変換する受光素子だけでなく、逆に電気エネルギーを光エネルギーへ変換するｐｎ接合型の発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、或いはレーザ発光素子にも適用が可能である。各実施の形態による光半導体装置において光エネルギーの利用効率の向上という利点をもたらした構造上の特徴は、発光素子においてはそのまま電気エネルギーから光エネルギーへの変換効率の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による光半導体装置の別の構成例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による光半導体装置の製造工程図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による光半導体装置の製造工程図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図９】本発明の第６の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１２】本発明の第９の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１４】本発明の第１０の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１５】本発明の第１１の実施形態による光半導体装置を示す図である。
【図１６】従来技術による光半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０１、１０１Ａ、１０２〜１１１  光半導体装置            ２  絶縁層
３、１３、４３  半導体層              ４  溝              ５  半導体島
６  ｎ領域（第１不純物導入領域；第３不純物導入領域）
７  ｐ領域（第２不純物導入領域；第４不純物導入領域）
１０  ＳＯＩ基板        １４、３１、３３  電極材料        １２、４２  絶縁膜
【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】
2005072387.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005072387.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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