DE102017007486B3 - Empfängerbaustein - Google Patents

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Abstract

Empfängerbaustein aufweisend eine optisch betriebene Spannungsquelle auf Basis von stapelförmig angeordneten III-V-Halbleiterschichten ausgebildet auf einer Oberseite eines nicht Si-Substrats, wobei die Spannungsquelle an einer Oberseite des Stapels einen ersten elektrischen Anschlusskontakt und an einer Unterseite des nicht Si-Substrates eine zweiten elektrischen Anschlusskontakt aufweist, wobei zwischen den beiden Anschlusskontakten eine mittels Lichteinstrahlung auf die Oberseite des Stapels generierte Spannung anliegt, und ein Si-Substrat mit einer an einer Oberseite des Si-Substrates ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltung umfasst, wobei die Halbleiterschaltung einen ersten Versorgungsspannungsanschluss und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss aufweist und der erste Versorgungsspannungsanschluss an der Oberseite des Si-Substrates ausgebildet ist, und der erste Anschlusskontakt mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss verschaltet ist, wobei der zweite Versorgungsspannungsanschluss an einer Unterseite des Si-Substrates ausgebildet ist und zwischen der Unterseite des nicht Si-Substrats und der Unterseite des Si-Substrats ein Metallbond ausgebildet ist und die beiden Substrate mittels des Metallbonds kraftschlüssig miteinander verbunden sind und der zweite Versorgungsspannungsanschluss mit dem zweiten Anschlusskontakt durch den Metallbond verschaltet ist, so dass an der Halbleiterschaltung die generierte Spannung anliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Empfängerbaustein.
  • Empfängerbausteine sind bei Optokopplern hinlänglich bekannt. Einfache Optokoppler weisen einen Sendebaustein und einen Empfängerbaustein auf, wobei die beiden Bausteine galvanisch getrennt, jedoch optisch gekoppelt sind. Derartige Ausführungsformen sind aus der US 4 996 577 A bekannt. Aus der US 2012 / 0 103 402 A1 , der US 2011 / 0 169 554 A1 sowie der DE 10 2013 109 200 A1 ist eine Kombination einer optischen Spannungsquelle und einer Halbleiterschaltung, insbesondere einer SOI-Schaltung, bekannt. Aus der DE 10 2011 115 340 A1 ist eine Mehrfachsolarzelle bekannt. Aus der DE 11 2011 102 716 T5 ist eine Batterie und eine optische Spannungsquelle bekannt. Aus der US 2014 / 0 035 167 A1 sind Metallverbindungsverfahren bekannt.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch einen Empfängerbaustein mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Empfängerbaustein bereitgestellt.
  • Der Empfängerbaustein weist eine optisch betriebene Spannungsquelle auf Basis von stapelförmig angeordneten III-V-Halbleiterschichten auf.
  • Der Empfängerbaustein ist auf einer Oberseite eines nicht Si-Substrats ausgebildet, wobei die Spannungsquelle an einer Oberseite des Stapels einen ersten elektrischen Anschlusskontakt und an einer Unterseite des nicht Si-Substrates eine zweiten elektrischen Anschlusskontakt aufweist.
  • Zwischen den beiden Anschlusskontakten liegt eine mittels Lichteinstrahlung auf die Oberseite des Stapels generierte Spannung an.
  • Der Empfängerbaustein umfasst ein Si-Substrat mit einer an einer Oberseite des Si-Substrates ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltung.
  • Die Halbleiterschaltung weist einen ersten Versorgungsspannungsanschluss und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss auf.
  • Der erste Versorgungsspannungsanschluss ist an der Oberseite des Si-Substrates ausgebildet.
  • Der erste Anschlusskontakt ist mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss verschaltet, wobei der zweite Versorgungsspannungsanschluss an einer Unterseite des Si-Substrates ausgebildet ist.
  • Zwischen der Unterseite des nicht Si-Substrats und der Unterseite des Si-Substrats ist ein Metallbond ausgebildet.
  • Die beiden Substrate sind mittels des Metallbonds kraftschlüssig miteinander verbunden.
  • Der zweite Versorgungsspannungsanschluss ist mit dem zweiten Anschlusskontakt durch den Metallbond verschaltet, so dass an der Halbleiterschaltung die generierte Spannung anliegt.
  • Es versteht sich, dass das eingestrahlte Licht eine Wellenlänge aufweist, die innerhalb des Absorptionsspektrums der III-V Halbleiterschichten liegt.
  • Es sei angemerkt, dass vorzugsweise ausschließlich die gesamte Oberseite des Stapels mit Licht bestrahlt ist. Auch versteht es sich, dass die der Lichtwellenlänge entsprechende Photonenenergie des Lichts wenigstens größer oder gleich der Bandlückenenergie der Absorptionsschichten der III-V Halbleiterschichten ist und die Halbleiterschichten wenigstens eine pn-Diode umfassen.
  • Es versteht sich des Weiteren, dass die Spannungsquelle mit dem Licht einer LED bestrahlt wird, wobei das Emissionsspektrum im Allgemeinen gaußförmig ist und beispielsweise bei einer typischen 850 nm-LED eine Halbwertsbreite von 20-30 nm aufweist.
  • Ein Vorteil des Empfängerbausteins ist es, dass sich mittels der Spannungsquelle eine integrierte Halbleiterschaltung mit Energie versorgen lässt und die Halbleiterschaltung und die Spannungsquelle durch den stapelförmigen Aufbau nur einen einzigen sehr kompakten Baustein ausbilden. Insbesondere lässt sich durch den Metallbond und den gemeinsamen Kontakt die Zuverlässigkeit wesentlich erhöhen und kostengünstig die Spannungsquelle und die Halbleiterschaltung miteinander verschalten. Im Allgemeinen ist der Empfängerbaustein Teil eines Optokopplers und mit dem Sendebaustein in einen gemeinsamen Gehäuse eingegossen.
  • Vorzugsweise liegt die Größe des Empfängerbausteins bei maximal 15 × 15 mm2 und minimal 300 × 300 µm2. Es zeigt sich, dass die Ausgangsspannung der Spannungsquelle in einen Bereich von minimal 2 V bis maximal 10 V liegt, je nach Anzahl der aufeinander gestapelten pn-Dioden.
  • In einer Ausführungsform lässt sich die Halbleiterschaltung als Turn-Off-Schaltung oder als Crowbar-Schaltung ausbilden, welche bei Abfall der in der Spannungsquelle generierten Spannung die Ausgänge der Schaltung kurzschließt.
  • Auch lässt sich die Halbleiterschaltung als eine Treiberschaltung oder als eine Ansteuerung für ein weiteres Bauteil aus dem Bereich der Leistungselektronik oder für ein Energiemanagement oder für eine Laderegelung für eine Batterie ausbilden.
  • In einer Weiterbildung ist der zweite Versorgungsspannungsanschluss durch das Si-Substrat hindurch mit der Halbleiterschaltung verbunden ist und der erste Anschlusskontakt mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss mittels einer an der Außenseite des Stapels und des Si-Substrates ausgebildeten elektrischen Leitervorrichtung verschaltet ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Halbleiterschaltung ausschließlich mit Energie der Spannungsquelle versorgt.
  • Vorzugsweise umfasst das nicht Si-Substrat wenigstens Ge oder GaAs oder InP oder GaSb oder besteht aus Ge oder GaAs oder InP oder GaSb.
  • Erfindungsgemäß ist der Metallbond ganzflächig zwischen den beiden Substraten ausgebildet und enthält in einer Weiterbildung eines oder mehrere der Elemente Gold, Silber, Kupfer, Blei, Zinn, Indium, Zink, Aluminium.
  • In einer Ausführungsform weisen die beiden Substrate und der Metallbond vier gemeinsame plane Seitenflächen auf. In einer Weiterbildung weist der der Stapel eine viereckige Form auf, wobei die Seitenflächen des Stapels an der Oberseite des nicht Si-Substrates zurückversetzt sind, so dass sich ein umlaufender stufenförmiger Absatz ausbildet.
  • Vorzugsweise ist der Metallbond als gemeinsamer Pluspol ausgebildet. Der Minuspol ist mittels eines Bonddrahtes an der Außenseite ausgebildet.
  • In einer Ausführungsform weist das Si-Substrat an der Oberseite einen SOI Schichtaufbau auf. An der Oberseite von der Halbleiterschaltung ist beanstandet von der Halbleiterschaltung eine vertikale elektrische Verbindung von der Oberseite Si-Substrats zu der Unterseite des Si-Substrates ausgebildet.
  • In einer Weiterbildung umfassen die Halbleiterschichten der Spannungsquelle mehrere pn-Dioden, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden pn-Dioden eine Tunneldiode ausgebildet ist und die pn-Dioden jeweils den gleichen Bandabstand und / oder die gleich Materialzusammensetzung aufweisen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die
    • 1 einen Empfängerbaustein in einer ersten Ausführungsform,
    • 2 einen Empfängerbaustein in einer zweiten Ausführungsform.
  • Die Abbildung der 1 zeigt einen Empfängerbaustein EM in einer ersten Ausführungsform. Ein derartiger Empfängerbaustein EM ist vorzugsweise als Teil eines nicht dargestellten Optokopplers zusammen mit einem Sendeteil in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.
  • Der Empfängerbaustein EM umfasst eine optisch betriebene Spannungsquelle SP auf Basis von stapelförmig angeordneten III-V-Halbleiterschichten ausgebildet auf einer Oberseite OS1 eines nicht Si-Substrats NSSUB auf. Die stapelförmig angeordneten III-V-Halbleiterschichten umfassen wenigstens eine pn-Diode.
  • Die Spannungsquelle SP weist an einer Oberseite OSP1 des Stapels der III-V Halbleiterschichten einen ersten elektrischen Anschlusskontakt K1 und an einer Unterseite US1 des nicht Si-Substrates NSSUB eine zweiten elektrischen Anschlusskontakt K2 auf. Eine Einstrahlung von Licht L findet nur an der Oberseite OSP1 des Stapels statt.
  • Bei einer Lichteinstrahlung L auf die Oberseite des Stapels liegt zwischen den beiden Anschlusskontakten K1 und K2 eine mittels des Lichtes L generierte Spannung an.
  • Der Empfängerbaustein EM umfasst ein Si-Substrat SSUB mit einer Si-Schicht und eine an einer Oberseite OBS1 des Si-Substrates SSUB ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltung IS. Es versteht sich, dass die Halbleiterschaltung IS aus einer Vielzahl von Bauelementen besteht und die Bauelemente im Allgemeinen gegen das Potential des SI-Substrates elektrisch isoliert sind.
  • Die Halbleiterschaltung IS ist an der Oberseite OBS1 mittels einer Leiterbahn L1 mit dem Si-Substrat SSUB verschaltet.
  • Die Halbleiterschaltung IS weist einen ersten Versorgungsspannungsanschluss AS1 und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss AS2 auf.
  • Der erste Versorgungsspannungsanschluss AS1 ist an der Oberseite OBS1 des Si-Substrates SSUB ausgebildet.
  • Der erste Anschlusskontakt K1 ist mittels eines Bonddrahtes B1 mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss AS1 verschaltet. Es versteht sich, dass sich außer dem Bonddraht auch andere elektrische Verbindungen ausbilden lassen.
  • Der zweite Versorgungsspannungsanschluss AS2 ist an einer Unterseite UBS1 des Si-Substrates SSUB ausgebildet.
  • Zwischen der Unterseite US1 des nicht Si-Substrats NSSUB und der Unterseite UBS1 des Si-Substrats SSUB ist als Metallbond M1 eine ganzflächige Metallschicht ausgebildet.
  • Die beiden Substrate NSSUB und SSUB sind mittels des Metallbonds M1 kraftschlüssig und elektrisch niederohmig miteinander verbunden.
  • Der zweite Versorgungsspannungsanschluss AS2 ist mit dem zweiten Anschlusskontakt K2 mittels des Metallbonds M1B verschaltet, so dass an der Halbleiterschaltung IS als Versorgungsspannung die generierte Spannung der Spannungsquelle SP anliegt.
  • Indem die beiden Substrate NSSUB und SSUB mittels des Metallbonds M1 miteinander verschaltet sind, fließt ein Strom ISP durch die beiden Substrate NSSUB und SSUB über die Leiterbahn L1 hin zu der integrierten Halbleiterschaltung IS. Vorzugsweise bildet der Metallbond M1 ein gemeinsamer Pluspol aus, während ein gemeinsamer Minuspol außerhalb mittels des Bonddrahtes B1 ausgebildet ist.
  • In der Abbildung der 2 ist ein Empfängerbaustein EM in einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform dargestellt in der 1 erläutert.
  • Das Si-Substrat SSUB umfasst eine auf der Si-Schicht SI ausgebildete nahezu ganzflächig ausgebildete Oxidschicht OX und eine auf der Oxidschicht OX nahezu ganzflächig ausgebildete Aktivgebietsschicht SAKT. Die integrierte Halbleiterschaltung IS innerhalb der Aktivgebietsschicht SAKT ausgebildet. Hierdurch ist die Halbleiterschaltung IS von der Si-Schicht SI isoliert. Ein derartiger Schichtaufbau wird als SOI-Schichtaufbau bezeichnet.
  • Um die Halbleiterschaltung IS mit dem Strom ISP zu versorgen, sind die auf der Si-Schicht SI aufliegenden Schichten OX und SAKT weggeätzt, d.h. die Si-Schicht Si ist an wenigstens eine Stelle an der Oberseite OBS1 freigelegt. Hierdurch lässt sich mittels der Leiterbahn L1 die Halbleiterschaltung IS mit der Si-Schicht elektrisch verbinden.
  • Die Spannungsquelle SP umfasst eine auf dem nicht Si-Substrat aufliegende erste Diode D1 und eine zweite Diode D2 und eine dritte Diode D3. Zwischen der ersten Diode D1 und der zweiten Diode D2 ist eine erste Tunneldiode TD1 ausgebildet. Zwischen der zweiten Diode D2 und der dritten Diode D3 ist eine zweite Tunneldiode TD2 ausgebildet. Mittels der Tunneldioden TD1 und TD2 sind die drei Dioden D1, D2 und D3 in Serie geschaltet. Auf der obersten, d.h. dritten Diode D3 ist eine Passivierungsschicht PAS ausgebildet.
  • Anders ausgedrückt die Spannungsquelle SP umfasst drei als Dioden D1-D3 ausgebildete Teilspannungsquellen, deren einzelnen Spannungen sich zu der Gesamtspannung addieren.
  • Insbesondere um Kurzschlüsse an den seitlichen Flächen zu vermeiden, sind die Schichten der Spannungsquelle SP, d.h. der Stapel gegenüber dem nicht Si-Substrat an allen Seiten zurückversetzt, sodass sich eine umlaufende stufenförmige Absatz STU ausbildet.

Claims (10)

  1. Empfängerbaustein (EM) aufweisend eine optisch betriebene Spannungsquelle auf Basis von stapelförmig angeordneten III-V-Halbleiterschichten ausgebildet auf einer Oberseite eines nicht Si-Substrats, wobei die Spannungsquelle (SP) an einer Oberseite (OSP1) des Stapels einen ersten elektrischen Anschlusskontakt (K1) und an einer Unterseite (US1) des nicht Si-Substrates (NSSUB) eine zweiten elektrischen Anschlusskontakt (K2) aufweist, wobei zwischen den beiden Anschlusskontakten (K1, K2) eine mittels Einstrahlung von Licht (L) auf die Oberseite (OSP1) des Stapels generierte Spannung anliegt, ein Si-Substrat (SSUB) mit einer an einer Oberseite (OBS1) des Si-Substrates (SSUB) ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltung (IS), wobei die Halbleiterschaltung (IS) einen ersten Versorgungsspannungsanschluss (AS1) und einen zweiten Versorgungsspannungsanschluss (AS2) aufweist und der erste Versorgungsspannungsanschluss (AS1) an der Oberseite (OBS1) des Si-Substrates (SSUB) ausgebildet ist, und der erste Anschlusskontakt (K1) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (AS1) verschaltet ist, der zweite Versorgungsspannungsanschluss (AS2) an einer Unterseite des Si-Substrates (UBS1) ausgebildet ist, und wobei zwischen der Unterseite (US1) des nicht Si-Substrats (NSSUB) und der Unterseite (UBS1) des Si-Substrats (SSUB) ein ganzflächiger Metallbond (M1B) ausgebildet ist und die beiden Substrate (NSSUB, SSUB) mittels des Metallbonds (M1B) kraftschlüssig miteinander verbunden sind und der zweite Versorgungsspannungsanschluss (AS2) mit dem zweiten Anschlusskontakt (K2) durch den Metallbond (M1B) verschaltet ist, so dass an der Halbleiterschaltung (IS) die generierte Spannung anliegt.
  2. Empfängerbaustein (EM) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Versorgungsspannungsanschluss (AS2) durch das Si-Substrat (SSUB) hindurch mit der Halbleiterschaltung (IS) verbunden ist und der erste Anschlusskontakt (K1) mit dem ersten Versorgungsspannungsanschluss (AS2) mittels einer an der Außenseite des Stapels und des Si-Substrates (SSUB) ausgebildeten elektrischen Leitervorrichtung verschaltet ist.
  3. Empfängerbaustein (EM) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung (IS) ausschließlich mit Energie der Spannungsquelle versorgt ist.
  4. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht Si-Substrat (NSSUB) wenigstens Ge oder GaAs oder InP oder GaSb umfasst oder aus Ge oder GaAs oder InP oder GaSb besteht.
  5. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbond (M1B) eines oder mehrere der Elemente Gold, Silber, Kupfer, Blei, Zinn, Indium, Zink, Aluminium enthält.
  6. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Substrate (SSUB, NSSUB) und der Metallbond vier gemeinsame plane Seitenflächen aufweisen.
  7. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel eine viereckige Form aufweist und die Seitenflächen des Stapels an der Oberseite des nicht Si-Substrates (SSUB) zurückversetzt sind, so dass sich ein umlaufender stufenförmiger Absatz (STU) ausbildet.
  8. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallbond (M1B) als gemeinsamer Pluspol ausgebildet ist und der Minuspol mittels eines Bonddrahtes (B1) an der Außenseite ausgebildet ist.
  9. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Si-Substrat (SSUB) an der Oberseite einen SOI Schichtaufbau aufweist und an der Oberseite (OBS1) beanstandet von der Halbleiterschaltung (IS) eine vertikale elektrische Verbindung von der Oberseite Si-Substrats (SSUB) zu der Unterseite (UBS1) des Si-Substrates (SSUB) ausgebildet ist.
  10. Empfängerbaustein (EM) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten der Spannungsquelle mehrere pn-Dioden (D1-D3) umfassen, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden pn-Dioden (D1-D3) jeweils eine Tunneldiode (TD1, TD2) ausgebildet ist und die pn-Dioden (D1-D3) jeweils den gleichen Bandabstand aufweisen.
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