(57)【要約】【課題】  駆動電圧の低いフォトカプラを提供すること。【解決手段】  発光素子と、発光素子からの光を受光する受光素子とを備え、発光素子にIｎ化合物半導体を用いる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、発光素子からの光を受光する受光素子とを備え、発光素子にIｎ化合物半導体を用いたことを特徴とする光半導体結合素子。
【請求項２】
受光素子にIｎ化合物半導体を用いたことを特徴とする請求項１記載の光半導体結合素子。
【請求項３】
発光素子がレーザダイオードであり、発光素子から受光素子への光路中に波長変換部材料をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光半導体結合素子。
【請求項４】
波長変換部材が受光素子の受光領域に設置されることを特徴とする請求項３記載の光半導体結合素子。
【請求項５】
受光素子は表面に受光領域を、裏面に反射層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光半導体結合素子。
【請求項６】
受光素子は、受光領域に電磁ノイズ除去用メッシュ構造部材が形成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光半導体結合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光半導体結合素子、いわゆるフォトカプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
この発明に関連する背景技術としては、２次側の負荷を検出して待機時と通常電源動作時とに切り替える手段を備え、待機時には１次側に設けたスイッチング素子をオン・オフ制御して間欠発振を行い、通常電源動作時には間欠発振を停止して通常の電源動を行い、トータル的に消費電力を低減することができるスイッチング電源回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７５８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
パソコンのCPUやモバイル機器では、電子回路および電子部品の低電圧化が求めらているが、フォトカプラのような光半導体結合素子も同様である。
特にフォトカプラにおいては、パワー系スイッチチング素子側に配置される出力受光素子側に比べて、入力発光ダイオード側はコントロールICなどの低電圧対応が進む部品の周辺に配置されることが多い。従って、フォトカプラは、出力側より入力側の低電圧化が求められている。
【０００４】
例えば、図1に示されるようなスイッチング電源のフォトカプラ1の周辺回路において、2次側シャントレギュレーター5に接続されるフォトカプラ1の発光ダイオード2を駆動する電圧VFには、出力電圧Voからシャントレギュレーター5とその他周辺部品、つまり、入力抵抗6にかかる電圧を差し引いた分があてられることとなる。
【０００５】
シャントレギュレーター5を一般的な内部ブロック図で描くと、図1は図2のようになり、シャントレギュレーター5はトランジスタ8とオペアンプ9と基準電圧電源10で表される。入力側発光ダイオード2以外のシャントレギュレーター5の周辺部品を無視した場合、出力電圧Voは、Vo=VF+VBE+Vrefで表される。
【０００６】
ここで、VFはフォトカプラ1の入力駆動電圧、VBEはシャントレギュレーターのトランジスタ8のベース-エミッタ間電圧、Vrefは基準電圧電源10の電圧を表わす。また、分割抵抗7を構成するR1，R2は、出力電圧Voに対してVo≒(1+R1/R2)×Vrefで与えるものとする。
【０００７】
そこで、3.3V以下の出力電圧が必要な場合、Vrefは原理的に約1.26V以下に抑えることはできない。従って、フォトカプラ1の入力側、つまり発光ダイオード2の駆動電圧VFに、VoからVBEとVrefを差し引いた値が求められるため、その他設計の裕度を見た場合、1.0V以下の駆動電圧VFが必要になることになる。
【０００８】
また、フォトカプラ1において発光ダイオード2を発光させ、受信側のフォトトランジスタ3を十分に駆動させるためには、一般的に発光ダイオード2には、IF=5〜20mA程度の入力電流が必要となるが、従来、主に使用されているフォトカプラ1はGaAsもしくはGaAlAsを材料とするので、その順電圧VFは1.2〜1.7Vであり、所望の電圧よりも高い値となる。
【０００９】
前述のような電源回路における低出力電圧を実現するために、低電圧駆動が可能なフォトカプラを実現させる場合、入力側の発光ダイオード2に求められるのは、所望の低い電圧で受光素子3を十分に駆動させる光量を発光できることである。
【００１０】
従来、主に用いられているGaAsもしくはGaAlAs等の発光ダイオードの材料は、シリコンを材料とした受光素子に対して受光効率が高い波長帯と、材料としての手軽さが選択の理由となっている。
【００１１】
ところが、駆動電圧となる発光ダイオード2の順電圧VFは物理的に直接遷移型の半導体のバンドギャップの大きさによって決まってしまう。そして、そのバンドギャップの大きさは半導体材料とその組成比にて決定されてしまうため、従来よく使われているGaAsもしくはGaAlAsでは、1.0V以下という所望の低い順電圧VFが得られない。
【００１２】
例えば、高い順電圧が求められる場合は、シリコンを材料とした受光素子はエネルギーの高い短波長光を受けることが可能となるが、低い順電圧が求められる場合は、エネルギーの低い長波長光が発せられるため、その光の大半はシリコンを材料とした受光素子に吸収されることなく透過していくこととなる。
【００１３】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、発光素子としてIn化合物半導体を用い、低電圧駆動化を図ることが可能な光半導体結合素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、発光素子と、発光素子からの光を受光する受光素子とを備え、発光素子にIｎ化合物半導体を用いたことを特徴とする光半導体結合素子を提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、発光素子にIn化合物半導体を用いるので、その低いバンドギャップによる低い順電圧特性により、従来のGaAsもしくはGaAlAsでは発光しない0.8〜1.0Vの電圧領域で十分に駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明による光半導体結合素子は、発光素子からの光を受光する受光素子とを備え、発光素子の材料としてIｎを用いたことを特徴とするものである。
また、受光素子の材料としてIｎを用いてもよい。つまり、発光素子から発せられた長波長領域（1200〜1800nm）を受光するために、受光素子の素材として、GaInAsに代表されるIn化合物半導体を用いることが好ましい。
【００１７】
特にGaInAsを用いたフォトダイオードは光ファイバー通信の受光素子として、ファイバー中にて減衰率が少ない1300nmや1550nmの近赤外光の受信に用いられており、長波長光の受光素子として好適である。
【００１８】
次に、発光素子をレーザダイオードとし、発光素子から受光素子への光路中に波長変換部材料を備えるようにしてもよい。例えば、β-BaB2O4やLiB3O4等の非線型結晶からなる波長変換部材を発光素子と受光素子の間の光路に設けると、SHG（Second Harmonic Generation/第2高調波発生）により、波長変換部材を通過したコヒーレント光は1/2の波長に変換される。
これにより、レーザダイオードとして、例えば近赤外光を出射するGaInAsPレーザダイオードを用いると、受光素子として1000nm以下の波長帯の受信に使用される従来のシリコン受光素子をそのまま用いることができる。
【００１９】
また、波長変換部材を、受光素子の受光領域上に、薄膜状にして設置することにより、受発光素子間の中間に挿入した場合に比べて、波長変換部材に対する光の入射角度が安定し、安定した特性を確保することができる。
【００２０】
受光素子は裏面に反射層を形成することが好ましい。これによってIn化合物半導体の長波長光の受光効率を高めることができる。
受光素子は、受光領域に、メッシュ構造の電磁ノイズ除去部材を有することが好ましい。それによって、受光領域周辺に発生する電場の急峻な変動によるノイズ電流が除去される。
【００２１】
実施例
以下、本発明の低入力駆動の光半導体結合素子（以下、フォトカプラという）の実施例を添付図面に従って詳述する。
図3は本発明による低入力電圧駆動のフォトカプラの全体の構成を示す断面図である。発光素子（チップ）11および受光素子（チップ）12はそれぞれリードフレーム15,15aに搭載され、ボンデングワイヤ17,17aによりリードフレーム15,15aに接続されている。保護用の透明シリコーン樹脂16に覆われた発光素子11と受光素子12とは、透光性樹脂13と遮光性樹脂14とで覆われ、両者は電気的に絶縁されている。発光素子11にて電気的信号を光信号に変換し、受光素子12に伝達する。そして、受光素子12に到達した光信号は電気信号に変換されるようになっている。
図4は図3に示すフォトカプラの等価回路であり、フォトカプラは同図に示すように、発光素子11と、受光素子12と、トランジスタ19から構成されている。
【００２２】
《実施例1》
図５はこの発明の実施例1を示す要部断面図である。同図には、図3の発光素子11としてn-InP基板101上にGaInAsの活性層20を成長させ、その上にp-InP層103と電極層104を形成した発光ダイオード20が示されている。
この場合、発光ダイオード20の駆動電圧は、0.8〜1.0Vとなる。また、発光ダイオード20より発せられた従来より長い波長（1200〜1800nm）の光を受光するために、受光素子12として、図5に示すように電極層23の上に形成されたIn化合物半導体からなるフォトダイオード21を用いている。In化合物半導体としては、GaInAs、GaInNAs、GaInAsP半導体が挙げられる。この実施例では、フォトダイオード21をIn化合物半導体にて形成し、出力段のトランジスタ19（図4）はシリコンで形成するものとするが、それらは1つのチップ上に組み込まれたモノリシックなものでも、ディスクリートに構成されフォトカプラの内部にて金属ワイヤ等にて結合されたものであってもよい。
【００２３】
《実施例2》
図6は実施例2を示す図5対応図であり、図3に示す発光素子11としてGaInAsPレーザダイオード20aを、受光素子12としてシリコンを材料とするフォトダイオード21aを用い、受発光素子間にβ-BaB2O4又はLiB3O4等の非線型結晶からなる波長変換部材22を挿入している。なお、波長変換部材22はリードフレーム15a上に支持部材22a,22bによって支持される。また、レーザダイオード20aは、n-InP基板201上に、n-InGaAsP層202、InGaAsP活性層203、p-InGaAsP層204、p-InP層205、および電極層206を順に積層したものである。
【００２４】
レーザダイオード20aから発せられた従来より長い波長（1200〜1800nm）のコヒーレント光は、SHG（Second Harmonic Generation/第2高調波発生）により、波長変換部材22において1/2の波長（600〜900nm）となり、シリコンを材料とするフォトダイオード21aにて受光するには十分な波長となる。
【００２５】
《実施例3》
図7は実施例3を示す図6対応図であり、図6における波長変換部材22を、フォトダイオード21aの表面の受光領域上に形成したものである。その他の構成は図6と同等である。レーザダイオード20aから発せられた従来より長い波長（1200〜1800nm）のコヒーレント光は、SHG（Second Harmonic Generation/第2高調波発生）により、変換部材22を通して1/2の波長（600〜900nm）となり、フォトダイオード21aにて受光される。
【００２６】
《実施例4》
図8は実施例4を示す図5対応図であり、図5におけるフォトダイオード21の裏面の電極層23を反射層23aで置換したものでる。その他の構成は図5のものと同等である。反射層23aは、Al又はAgを材料とし、フォトダイオード21に接する面は鏡面に仕上げられている。
発光ダイオード20から発せられた光はフォトダイオード21に受光され、フォトダイオード21を通過した光は反射層23aにより再びフォトダイオード21へ反射されるので、フォトダイオード21の受光効率を高めることができる。
【００２７】
《実施例5》
図9は実施例5を示す図5対応図であり、フォトダイオード21の表面に、エミッタ電位のシールド配線24が、メッシュ状に設けられている。図10は、シールド配線24をフォトダイオード21の上方から見た平面図である。その他の構成は図5に示すものと同等である。フォトダイオード21の受光領域周辺に発生した電場の急峻な変動よるノイズ電流がエミッタ端子を通してチップ外に排出される。
シールド配線24のメッシュ状構造において、メッシュの間隔は狭い程、ノイズ吸収性能が上がるが、受光量が低下するので、それらを考慮した適正な間隔に設定される。
また、シールド配線24の材料については、Alのような電気伝導度が高い金属や半金属を用いることが細線化の点から望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のフォトカプラの周辺回路を示す結線図である。
【図２】図2の要部を等価回路で示した結線図である。
【図３】この発明によるフォトカプラの全体構成を示す断面図である。
【図４】図3に示すフォトカプラの等価回路図である。
【図５】この発明の実施例1の要部断面図である。
【図６】この発明の実施例2の要部断面図である。
【図７】この発明の実施例3の要部断面図である。
【図８】この発明の実施例4の要部断面図である。
【図９】この発明の実施例5の要部断面図である。
【図１０】図9の実施例の要部上面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１    受光素子
１２    受光素子
１３    透光性樹脂
１４    遮光性樹脂
１５    リードフレーム
１５ａ  リードフレーム
１６    透明シリコーン樹脂
１７    ボンデングワイヤ
１７ａ  ボンデングワイヤ
２２    波長変換部材
２３    電極層
２３ａ  反射層
２４    シールド配線
【図１】
2005116968.tif 000003
【図２】
2005116968.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005116968.tif 000007
【図６】
2005116968.tif 000008
【図７】
2005116968.tif 000009
【図８】
2005116968.tif 000010
【図９】
2005116968.tif 000011
【図１０】
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