(57)【要約】【課題】  従来、遮光の原因となっている電極やガードリングに対し、その部分に入射される光を受光部（ｐ−ｎジャンクション部）に到達させることで入射光の有効活用を図り、受光効率をアップさせる。【解決手段】  受光素子１６において、ガードリング２２上の保護膜２３を、上方からの光を受光部（電極部２１やガードリング２２以外のｐ−ｎジャンクション部）側へ導くレンズ形状に形成する。すなわち、保護膜２３の凹部２３ａの中心２３ａ１をガードリング２２のセンター上方に配する。また、電極部２１についても、凹部２３ａの中心２３ａ２を、相対屈折率による屈折角が最適となるよう、電極部端より最適な位置に配する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と受光素子を備えた光結合素子において、受光素子の電極部上の保護膜を上方からの光を受光部側へ導くレンズ部としたことを特徴とする光結合素子。
【請求項２】
前記保護膜と受光チップを覆う樹脂との屈折率を、樹脂に対する保護膜の相対屈折率を＞1とした場合、前記レンズ部の凹部の中心を電極部であるガードリングのセンター上方に配したことを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
【請求項３】
前記保護膜と受光チップを覆う樹脂との屈折率を、樹脂に対する保護膜の相対屈折率を＜1とした場合、前記レンズ部の凸部頂点を電極部であるガードリングのセンター上方に配したことを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
【請求項４】
前記保護膜を前記発光素子側に傾斜させて設けたことを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
【請求項５】
前記受光素子の少なくとも一方の受光チップ側面が粗面化されていることを特徴とする請求項１に記載の光結合素子。
【請求項６】
前記請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光結合素子の製造方法であって、前記レンズ部をスピンコート後の硬化時に金型で形成することを特徴とする光結合素子の製造方法。
【請求項７】
前記請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光結合素子の製造方法であって、前記レンズ部をフォトリソグラフィで形成することを特徴とする光結合素子の製造方法。
【請求項８】
請求項５記載の光結合素子の製造方法であって、前記受光チップ側面の粗面化をウエハをハーフダイシングした状態で形成することを特徴とする光結合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光結合素子等に使用される受光素子及び光電変換信号を処理する回路を内蔵した受光素子に関する。
【０００２】
従来より受光素子（太陽電池やフォトダイオード、フォトトランジスタなど）の表面上に凹凸を形成して、受光素子の変換効率を高めることが行われている。
【０００３】
一例として受光素子の効率を上げ、表面のパッシベーション膜が平坦な場合の光の反射やパッシベーション膜厚による光の干渉防止のため、下地の熱酸化膜上に細かなポリシリコン粒を残してパッシベーション膜の表面に細かな凹凸を形成する方法(例えば、特許文献１参照）や、受光素子上の透明保護膜に凹凸を設けることで、互いの干渉効果を打ち消し、光の透過率を一定化し、光電変換効率のばらつきを小さくしたもの（例えば、特許文献２参照）がある。その他にも半導体デバイスのプロセスバラつきによる酸化膜の厚さの不均一性が原因で分光応答特性中のリップルのピーク位置が変動するのを防止するため、素子の表面上に形成された透明膜に入射光の約１波長以上の高低差をもつ凹凸を形成する方法（例えば、特許文献３参照）や、受光素子上に積層された反射防止膜上に２次元で並置された複数のケイ素粒を設け、外部に露出する方法（特許文献４参照）があった。
【特許文献１】特開平６−１０４４７５号公報
【特許文献２】特開平６−２６０６２５号公報
【特許文献３】特開平６−１２５０６８号公報
【特許文献４】特許第２９７０７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の方法では、受光素子表面が平坦な場合の光の反射などを防止することで、受光素子の高感度化を実施しているが、この方法は、光源から見ることが可能な受光部（受光素子の電極などメタルにより遮光された部分以外のｐ−ｎジャンクション部（以下、単に「ｐ−ｎジャンクション部」ともいう））に対してのみ有効である。
【０００５】
しかし近年、受光素子の高感度化やコストダウンのため、受光素子自体のサイズ縮小化が年々進んでおり、受光素子表面積における電極やガードリングの面積比率が大きくなっている。
【０００６】
電極などはワイヤ線径やワイヤボンディング装置の能力により必要な面積が決定され、面積を減らすことは困難である。従って、今後、コストダウンのためには、さらなる受光素子の高感度化ができなければ素子のサイズ縮小化は不可能である。
【０００７】
また、上記従来の方法では、受光素子表面に対し、およそ垂直方向からの光の受光を想定しているが、光結合素子においては発光素子と受光素子をそれぞれのフレームに搭載し、向かい合わせにした「対向型」構造はもちろんのこと、同一平面上のフレームに発光素子と受光素子を搭載し、材料コスト・工数の低減を優先させた「平面搭載型」構造（同一平面状のフレームに素子を搭載後、フレームヘッダーを曲げた「傾斜型」構造も含む）がある。
【０００８】
この「平面搭載型」構造では、受光素子表面に対し光源は垂直方向より水平方向に傾斜しているため、「平面搭載型」の場合、従来の受光素子の高感度化方法だけでは十分な効率アップが期待できないといった問題があった。
【０００９】
本発明は係る問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、従来、遮光の原因となっている電極やガードリングに対し、その部分に入射される光を受光部（ｐ−ｎジャンクション部）に到達させることで入射光の有効活用を図り、受光効率をアップすることができるとともに、「平面搭載型」構造にも有効な光結合素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光結合素子は、発光素子と受光素子を備えた光結合素子において、受光素子の電極部上の保護膜を上方からの光を受光部側へ導くレンズ部としたことを特徴とする。この場合、前記保護膜と受光チップを覆う樹脂との屈折率を、樹脂に対する保護膜の相対屈折率を＞1とした場合には、前記レンズ部の凹部の中心を電極部であるガードリングのセンター上方に配する。また、前記保護膜と受光チップを覆う樹脂との屈折率を、樹脂に対する保護膜の相対屈折率を＜1とした場合には、前記レンズ部の凸部頂点を電極部であるガードリングのセンター上方に配する。
【００１１】
このような特徴を有する本発明によれば、電極部等のメタル上の保護膜に向かって上方から入射した光を、電極部等によって遮光されていない受光部（ｐ−ｎジャンクション部）側へ導くことができ、光を受光部へ効率良く取り込むことができる。
【００１２】
また、本発明の光結合素子によれば、前記保護膜を前記発光素子側に傾斜させて設けてもよい。これにより、「平面搭載型」構造の光結合素子において、受光素子表面に対し光源が垂直方向より水平方向に傾斜している場合であっても、入射光を受光素子の受光部（ｐ−ｎジャンクション部）側へ導くことができ、光を受光部へ効率良く取り込むことができる。
【００１３】
また、本発明の光結合素子によれば、前記受光素子の少なくとも一方の受光チップ側面を粗面化してもよい。これにより、「対向型」構造、「平面搭載型」構造を問わず、特に水平方向からの光に対し光の反射損を軽減でき、受光効率を高めることができる。
【００１４】
このように、本発明の光結合素子によれば、従来は電極などで遮光されていた光軸の一部が、遮光されていない受光部（ｐ−ｎジャンクション部）で光変換され起電流となることができる。
【００１５】
また、本発明の製造方法によれば、上記各構成の光結合素子を製造するに際し、前記レンズ部をスピンコート後の硬化時に金型で形成することができる。または、前記レンズ部をフォトリソグラフィで形成することができる。
【００１６】
さらに、前記受光チップ側面の粗面化は、ウエハをハーフダイシングした状態で形成する。粗面化はチップ化完了後では不可能なため、ＬＥＤなどの製造方法と同様に、一旦ハーフダイシング後、ケミカル・エッチングを実施し、最終的にフルダイシングなどでチップを分割する。その結果、側面の凹凸からも受光部（ｐ−ｎジャンクション部）に届く光が増え変換効率が向上する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光結合素子及びその製造方法によれば、受光素子の電極部上の保護膜を上方からの光を受光部側へ導くレンズ部とすることにより、発光素子からの光を、電極部等のメタル上の保護膜に向かって上方から入射した光を、電極部等によって遮光されていない受光部側へ導くことができ、光を受光部へ効率良く取り込むことができる。また、受光チップ表面及び少なくとも一方の側面を粗面化することにより、特に水平方向からの光に対し光の反射損を軽減でき、受光効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜実施形態１＞
図１ないし図６は、本実施形態１に係る光結合素子を示しており、図１は素子全体を正面より見た断面図、図２は受光素子の平面図、図３は受光素子の断面図、図４は入射光の経路を示す説明図、図５は受光素子の断面図、図６は入射光の経路を示す説明図である。
【００２０】
図１に示す光結合素子は、「対向型」構造の光結合素子１１であって、発光素子（発光ダイオード）１２をリードフレーム１３のヘッダー１３ａに搭載して、発光素子１２をワイヤー１４ａによりリードフレーム１３に接続し、この後、発光素子１２を覆うように透光性樹脂（透明シリコーン樹脂）１５にてモールド成形する。また、受光素子１６をリードフレーム１７のヘッダー１７ａに搭載して、受光素子１６をワイヤー１４ｂによりリードフレーム１７に接続する。そして、発光素子１２と受光素子１６を対向配置した状態で、これら発光素子１２及び受光素子１６とその周辺のフレーム部分を含む全体を透光性樹脂１８にてモールド成形し、さらに、透光性樹脂モールド部１８全体を覆うように遮光性樹脂１９にてモールド成形する。この遮光性樹脂１９により、外乱光の侵入や内部からの光漏れを防止している。
【００２１】
図２は上記構成の対向型光結合素子における受光素子の電極部を上から見た図であり、図３は受光素子を正面から見た断面図である。
【００２２】
本実施形態１の受光素子１６は、ｎシリコンを基板１６ａに用い、その上にｐ層１６ｂとｎ層１６ｃを順次形成している。そして、ｎ層１６ｃ上に金属電極部（以下単に「電極部」という）２１を配置し、ｐ−ｎ接合部上にエッジブレークダウンを防止するための金属配線であるガードリング２２を配置して、全体をポリイミド膜またはＰＳＧ膜からなる保護膜２３で被覆している。
【００２３】
上記構成の受光素子１６において、本実施形態１では、ガードリング２２上の保護膜２３を上方からの光を受光部（電極部２１やガードリング２２以外のｐ−ｎジャンクション部）側へ導くレンズ形状に形成したものである。
【００２４】
すなわち、ガードリング２２上の保護膜２３部分に後述する凹凸形状を形成し、この凹凸部分での光の屈折を利用して、今まで遮光されていた光軸の光（ガードリング２２部分に垂直に入射する光）をｐ−ｎジャンクション部側に取り込むことができ、高い受光効率を実現することができる。ここで、凹凸形状の形成は、スピンコート後の硬化時に金型等で形成するか、またはフォトリソグラフィで形成する。
【００２５】
凹凸形状に関しては、保護膜２３と受光素子１６を覆う樹脂（透光性樹脂モールド部１８）との屈折率により異なる。
【００２６】
すなわち、保護膜２３と透光性樹脂モールド部１８との屈折率を、透光性樹脂モールド部１８に対する保護膜２３の相対屈折率を＞１とした場合には、図３及び図４に示すように、保護膜２３の凹部２３ａの中心２３ａ１をガードリング２２のセンター上方に配する。また、電極部２１についても、凹部２３ａの中心２３ａ２を、相対屈折率による屈折角が最適となるよう、電極部端より最適な位置に配する。
【００２７】
一方、保護膜２３と透光性樹脂モールド部１８との屈折率を、透光性樹脂モールド部１８に対する保護膜２３の相対屈折率を＜１とした場合には、図５及び図６に示すように、保護膜２３の凸部２３ｂの頂点２３ｂ１をガードリング２２のセンター上方に配する。また、電極部２１についても、凸部２３ｂの中心２３ｂ２を、相対屈折率による屈折角が最適となるよう、電極部端より最適な位置に配する。
【００２８】
上記配置関係は、透光性樹脂モールド部１８の屈折率をａ、保護膜２３の屈折率をｂとした場合、次式の関係となることによる。
【００２９】
ａ×sinθin＝ｂ×sinθout
ここで、θinは入射角、θoutは屈折角である。
【００３０】
なお、図３ないし図６中に示す破線の矢印は、光の入射経路を示している。
【００３１】
＜実施形態２＞
図７ないし図９は、本実施形態２に係る光結合素子を示しており、図７は「平面搭載型」構造の光結合素子の一例、図８は「平面搭載型」構造の光結合素子の他の例（フレームヘッダーを曲げた「傾斜型」構造の例）、図９は入射光の経路を示す受光素子の断面図である。
【００３２】
図７及び図８に示す光結合素子は、発光素子（発光ダイオード）３２をリードフレーム３３のヘッダー３３ａに搭載して、発光素子３２をワイヤー３４ａによりリードフレーム３３に接続する。また、受光素子３６をリードフレーム３７のヘッダー３７ａに搭載して、受光素子３６をワイヤー３４ｂによりリードフレーム３７に接続する。そして、発光素子３２と受光素子３６を平面配置（または、傾斜配置）した状態で、これら発光素子３２及び受光素子３６とその周辺のフレーム部分を含む全体を透光性樹脂３８にてモールド成形し、さらに、透光性樹脂モールド部３８全体を覆うように遮光性樹脂３９にてモールド成形する。この遮光性樹脂３９により、外乱光の侵入や内部からの光漏れを防止している。
【００３３】
上記構成の受光素子３６において、本実施形態２では、水平方向（横方向）からの光に対し受光効率を高めるため、図９に示すように、保護膜４３を発光素子３２側（図中、左側）に傾斜させている。また、本実施形態２では、保護膜４３の表面に連続した凹凸形状を設けてレンズ部とすることにより、受光効率をさらに高めている。
【００３４】
これにより、受光素子表面に対し水平方向（横方向）からの光を従来より効率よく受光することができる。なお、図中に示す破線の矢印は、光の入射経路を示している。
【００３５】
＜実施形態３＞
図１０及び図１１は、本実施形態３に係る光結合素子の受光素子の断面図を示しており、図１０は、「対向型」構造の光結合素子の受光素子１６を、図１１は、「平面搭載型」構造の光結合素子の受光素子３６をそれぞれ示している。
【００３６】
本実施形態３では、上記実施形態１の受光素子１６及び上記実施形態２の受光素子３６の表面及び側面の少なくとも一方をケミカル・エッチングにより粗面化（図中、符号１６１、３６１により示す）したものであり、側面からも光を拾い上げることができる構造となっている。なお、図中に示す破線の矢印は、光の入射経路を示している。
【００３７】
受光素子側面の粗面化の製造方法として、粗面化はチップ化完了後では不可能なため、ＬＥＤなどの製造方法と同様に、一旦ハーフダイシング後、ケミカル・エッチングを実施し、最終的にフルダイシングなどでチップを分割することで行う。
【００３８】
図１１に示す「平面搭載型」構造の光結合素子では、光は受光素子３６に対し水平方向（実際には、横斜め上方）から入射する場合が多い。従って、受光素子３６の側面に粗面部３６１を形成したことで、受光素子側面方向からの光を効率よく取り込むことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の光結合素子は、例えばコンピュータ、ＰＤＡ、ＤＶＤ、ＣＤ、ＭＤ等の電子機器や、空調機、冷蔵庫等の家電製品、携帯電話やＰＨＳ等の携帯端末等に搭載して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態１に係る光結合素子を正面より見た断面図である。
【図２】受光素子の電極部の平面図である。
【図３】受光素子の断面図である。
【図４】入射光の経路を説明するための図である。
【図５】受光素子の断面図である。
【図６】入射光の経路を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態２に係る光結合素子を正面より見た断面図である。
【図８】本発明の実施形態２に係る光結合素子を正面より見た断面図である。
【図９】入射光の経路を説明するための受光素子の断面図である。
【図１０】本発明の実施形態３に係る受光素子の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態３に係る受光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  光半導体素子
１２，３２  発光素子（発光ダイオード）
１３，３３  リードフレーム
１３ａ，３３ａ  のヘッダー
１４ａ，１４ｂ  ワイヤー
１５  透光性樹脂（透明シリコーン樹脂）
１６，３６  受光素子
１７，３７  リードフレーム
１７ａ，３７ａ  ヘッダー
１８，３８  透光性樹脂（透光性樹脂モールド部）
１９，３９  遮光性樹脂
２１，４１  電極部（金属電極部）
２２，４２  ガードリング
２３，４３  保護膜
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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