DE19635215A1 - Optocoupler with photon transmitter and receiver function - Google Patents

Optocoupler with photon transmitter and receiver function

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Abstract

The optocoupler includes a transmitter and receiver, with the transmitter and receiver function being provided inside a single layer sequence. Either the transmitter or receiver function is formed in the layer stack, e.g. of Si or SiGe, in limited, lateral definition, while the other function surrounds the first one laterally, at least partly. If there are lateral intermediate spaces between the two functions, the spaces are filled with light waves conducting material. Several components are located on a single wafer with buried SiO2 layer, one as transmitter of photon generator/emitter on electric excitation, and one as receiver of photodetector type, absorbing of transmitted photons.

Description

Die Erfindung betrifft einen Optokoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung mehrerer Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Optokopp­ lers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.The invention relates to an optocoupler according to the The preamble of claim 1 also relates to Invention an arrangement of several components according to the Preamble of claim 4. Furthermore, relates to Invention a method for producing an optocouple lers according to the preamble of claim 15.

Als Stand der Technik sind Optokoppler bekannt, die zur galvanischen Entkopplung von elektrischen Kreisen, z. B. beim Anschluß von peripheren Geräten an elektronische Schaltungen, eingesetzt werden. Eine solche Entkopplung kann dann erforderlich sein, wenn verschiedene Kreise auf unterschiedlichem elektrischem Potential liegen sollen.As prior art, optocouplers are known, which for galvanic decoupling of electrical circuits, e.g. B. when connecting peripheral devices to electronic Circuits are used. Such a decoupling may be required if different circles have different electrical potential should.

Beim Optokoppler steuert ein elektrisches Eingangs­ signal eine Leuchtdiode, deren Licht daraufhin einen elektrisch gegenüber der Leuchtdiode isolierten, räum­ lich getrennten Phototransistor oder Photodiode steu­ ert. Es sind Optokoppler ausschließlich auf der Basis des Materialsystems GaAs/AlGaAs bekannt, bei denen die beiden Komponenten separat hergestellt werden und so­ dann durch mechanisch räumlicher Anordnung beider Ein­ zelkomponenten gekoppelt werden.An electrical input controls the optocoupler signal a light emitting diode, the light of which then electrically isolated from the light-emitting diode Lich separate phototransistor or photodiode control ert. There are optocouplers based exclusively of the material system GaAs / AlGaAs known, in which the  two components are manufactured separately and so then by mechanically spatial arrangement of both A individual components are coupled.

Durch die Einführung von SiGe-Heteroschichten, welche auf Si-Wafer aufgewachsen werden können, ist es gelun­ gen auch im Silizium-basierenden Materialsystem Leucht­ dioden herzustellen, welche bei Raumtemperatur eine merkliche Lichtausbeute erzielen (Appl. Phys. Lett. 63, 491 (1993)). Die Brauchbarkeit solcher Heteroschichten zur Bildung eines Optokoppler war jedoch nicht gegeben.By introducing SiGe heterolayers, which it can be grown on Si wafers also in the silicon-based material system lighting to produce diodes which have a achieve noticeable luminous efficacy (Appl. Phys. Lett. 63, 491 (1993)). The usability of such heterolayers however, the formation of an optocoupler was not possible.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Optokoppler und eine Anordnung mehrerer Bauelemente zu schaffen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen be­ reitzustellen, bei dem eine verbesserte Ausbeute der Kopplung zwischen Sender und Empfängerfunktionseinheit sowie eine erhöhte Kompaktheit im Aufbau erreicht wird.It is therefore an object of the invention to provide an optocoupler and to create an arrangement of several components, and a method for producing such a be in which an improved yield of the Coupling between transmitter and receiver functional unit as well as an increased compactness in the structure is achieved.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Optokoppler gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Auf­ gabe wird ferner gelöst durch eine Anordnung gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 4. Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 4. Weitere zweck­ mäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen oder Varian­ ten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprü­ che rückbezogenen Unteransprüchen. The task is solved according to an optocoupler the entirety of the features according to claim 1. Die Auf Gift is also solved by an arrangement according to Set of features according to claim 4. Finally the task is solved by a method according to the The entirety of the features according to claim 4. Further purpose moderate or advantageous embodiments or variants ten can be found in each of these claims che related subclaims.  

Im Rahmen der Erfindung werden dazu eine Leuchtdiode als Lichtsender (Sender) und eine Photodiode als Licht­ detektor (Empfänger), vorzugsweise in einem Si/SiGe-Schicht­ system gebildet. Dabei wurde erkannt, beide Funktionen in unmittelbarer Nachbarschaft innerhalb ei­ nes einzigen Schichtaufbaus zu bilden, um auf diese Weise eine optimale optische Kopplung beider Komponen­ ten des Optokopplers zu erzielen.In the context of the invention, a light emitting diode as a light transmitter (transmitter) and a photodiode as light detector (receiver), preferably in a Si / SiGe layer system formed. It was recognized both Functions in the immediate vicinity within an egg nes single layer structure to build on this Optimal optical coupling of both components to achieve the optocoupler.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:The invention is further based on figures and Embodiment explained in more detail. It shows:

Fig. 1 senkrechter Querschnitt des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen Optokopplers; FIG. 1 is a vertical cross-section of the layer structure of an optical coupler according to the invention;

Fig. 2 erfindungsgemäße Verfahrenabfolge zur Her­ stellung eines Optokopplers. Fig. 2 inventive method sequence for the manufacture of an optocoupler.

AusführungsbeispielEmbodiment

In der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Optokoppler in senkrechten Querschnitt des Schichtaufbaus schematisch dargestellt. In Fig. 1, the optocoupler according to the invention is shown schematically in the vertical cross section of the layer structure.

Dazu ist auf einem Wafer mit einer vergrabenen SiO₂- Schicht eine Epitaxieschichtfolge gebildet. Diese ver­ grabene Schicht wird für die elektrische Isolation bei­ der Komponenten genutzt. Der Anteil des Lichtes, wel­ cher seitlich aus der Leuchtdiode austritt, wird auch seitlich in die Photodiode eingestrahlt (Fig. 1). Die vergrabene SiO₂-Schicht kann beispielsweise im soge­ nannten SIMOX-Prozeß (Separation by Implantation of Oxigen) mittels Sauerstoffimplantation oder im BESOI-Ver­ fahren (Bond-and-Etchback Silicon-On-Insulator) mit­ tels Wafer-Bonding hergestellt werden.For this purpose, an epitaxial layer sequence is formed on a wafer with a buried SiO₂ layer. This buried layer is used for the electrical insulation of the components. The proportion of the light which emerges laterally from the light-emitting diode is also radiated laterally into the photodiode ( FIG. 1). The buried SiO₂ layer can be produced, for example, in the so-called SIMOX process (Separation by Implantation of Oxigen) by means of oxygen implantation or in the BESOI process (bond-and-etchback silicon-on-insulator) using wafer bonding.

Zur Steigerung der hohen Ausbeute des ausgestrahlten Lichtes, kann die Photodiode (Empfänger) vorteilhafter­ weise lateral zumindest teilweise oder sogar vollstän­ dig um die Leuchtdiode (Sender) herum angeordnet sein. Es ist zudem vorteilhaft, wenn der Raum zwischen den beiden Komponenten mit einem optisch dichten Material, z. B. SiO₂ oder Si₃N₄ oder Kunststoff ausgefüllt wird, damit das Licht durch dieses als Wellenleiter funktio­ nierendes Material verbessert zur Empfängerdiode ge­ führt wird. Damit wird im Ergebnis eine noch bessere Ausbeute in der Kopplung erzielt.To increase the high yield of the broadcast Light, the photodiode (receiver) can be more advantageous wise laterally at least partially or even completely dig be arranged around the light emitting diode (transmitter). It is also advantageous if the space between the two components with an optically dense material, e.g. B. SiO₂ or Si₃N₄ or plastic is filled, so that the light functions through it as a waveguide renal material improves to the receiver diode leads. The result is an even better one Yield achieved in the coupling.

Wenn innerhalb der erfindungsgemäßen Schichtenfolge die Schichtsysteme für Sende- und Empfängerdiode geome­ trisch gleich ausgebildet sind, haben die erzeugten Photonen dieses Systems vorteilhafterweise dieselbe Energie wie die Bandlücke der Photodiode. Außerdem ist dann die mittlere freie Weglänge solcher Photonen groß. Der Wert dieser mittleren freien Weglänge kann durch eine entsprechende Breite der Photodiode entsprechend den gewünschten Randbedingungen eingestellt werden.If within the layer sequence according to the invention Layer systems for transmitter and receiver diode geome are of identical design, have the generated Photons of this system advantageously the same Energy like the band gap of the photodiode. Besides, is  then the mean free path of such photons is large. The value of this mean free path can be determined by a corresponding width of the photodiode accordingly the desired boundary conditions.

Eine alternative Möglichkeit der Empfindlichkeitsver­ besserung der Empfängerdiode innerhalb des erfindungs­ gemäßen Optokopplers besteht darin, eine spezielle Ei­ genschaft der selektiven Epitaxie auszunutzen: bei se­ lektiver Epitaxie definieren Löcher in einer geeigneten Maske, beispielsweise aus SiO₂, die Bereiche, in denen Halbleitermaterial epitaktisch abgeschieden wird. Bei geeigneten Herstellungsparametern ist die Zusammenset­ zung einer SiGe-Schicht und damit die Bandlücke abhän­ gig von der Form und Größe des selektiven Epitaxiebe­ reiches. Durch geeignete Wahl von Form und Größe der Leucht- und der Photodiode wird erreicht, daß mit dem in einem gleichen Epitaxieschritt erzeugten Schichtsy­ stem eine Leuchtdiode herzustellen, welche Photonen er­ zeugt mit einer größeren Energie als die Bandlücke der entsprechenden Photodiode.An alternative way of sensitivity ver improvement of the receiver diode within the fiction According to the optocoupler is a special egg exploit the property of selective epitaxy: at se selective epitaxy define holes in a suitable one Mask, for example made of SiO₂, the areas where Semiconductor material is deposited epitaxially. At suitable manufacturing parameters is the composition formation of a SiGe layer and thus the band gap gig of the shape and size of the selective epitaxy love rich. By appropriate choice of shape and size of the Light and the photodiode is achieved with that Layer sy generated in a same epitaxial step stem a light emitting diode, which photons he creates with a greater energy than the band gap of corresponding photodiode.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Optokopplers auf einem Substrat (Wafer) mit vergrabener SiO₂-Schicht ist das in Fig. 2a-e schematisch dargestellte Verfahren geeignet. Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Her­ stellung des erfindungsgemäßen Optokopplers umfaßt fol­ gende Verfahrensschritte: The method shown schematically in FIGS. 2a-e is suitable for producing the optocoupler according to the invention on a substrate (wafer) with a buried SiO₂ layer. This method according to the invention for the manufacture of the optocoupler according to the invention comprises the following process steps:

Ausgehend von einem Silizium-Wafer 1, 2, 3 mit vergrabe­ ner SiO₂-Schicht 2 wird zunächst teilweise die oberste Siliziumschicht 1 mit Hilfe eines Ätzprozesses entfernt (Fig. 2a). Danach wird SiO₂ zur Ausbildung einer Epi­ taxiemaske 4 auf die freiliegende Oberfläche der Sili­ ziumschicht 1 sowie der vergrabenen Schicht 2 aufge­ bracht und sodann photolithographisch ein oder mehrere Fenster in die oberste SiO₂-Maskenschicht 4 durch Strukturierung und Ätzung gebildet (Fig. 2b).Starting with a silicon wafer 1, 2, 3 with bury ner SiO₂ layer 2 is first partially the top silicon layer 1 by means of an etching process is removed (Fig. 2a). Then SiO₂ is brought up to form an epi taxiemmask 4 on the exposed surface of the silicon layer 1 and the buried layer 2 and then photolithographically one or more windows are formed in the uppermost SiO₂ mask layer 4 by structuring and etching ( Fig. 2b).

Danach werden das oder die Fenster in der Maske 4 mit­ tels selektiver Epitaxie mit einer geeigneten, eine Elektrolumineszenz-Wirkung aufweisenden Si/SiGe-Schicht­ folge 5 aufgefüllt (Fig. 2c); alternativ zur selektiven Epitaxie kann die Si/SiGe-Schichtfolge auf einem unstrukturierten Wafer mit vergrabener SiO₂- Schicht ganzflächig abgeschieden und anschließend be­ reichsweise weggeätzt sein. Mit dieser alternativen Verfahrensweise wird erreicht, daß die Zusammensetzung der SiGe-Schichten für Leuchtdiode und Photodetektor gleich ist.Then the window or windows in the mask 4 are filled with selective epitaxy using a suitable Si / SiGe layer sequence 5 having an electroluminescent effect ( FIG. 2c); as an alternative to selective epitaxy, the Si / SiGe layer sequence can be deposited over the entire surface of an unstructured wafer with a buried SiO₂ layer and then be etched away in some areas. This alternative procedure ensures that the composition of the SiGe layers is the same for the light-emitting diode and the photodetector.

Nunmehr werden Kontaktlöcher 6 durch Ätzung gebildet (Fig. 2d) und schließlich die elektrischen Kontakte 7 und 8 zur Bildung der Sender- bzw. Empfängerfunktion aufgebracht (Fig. 2e).Contact holes 6 are now formed by etching ( FIG. 2d) and finally the electrical contacts 7 and 8 are applied to form the transmitter or receiver function ( FIG. 2e).

Der erfindungsgemäße Optokoppler weist folgende Vortei­ le auf: The optocoupler according to the invention has the following advantages le on:  

Vorteilhafterweise werden bei diesem Verfahren Sender- und Empfängerfunktion in einem gleichen Epitaxieschritt hergestellt. Außerdem kommt vorteilhafterweise die SiO₂-Maske einerseits zur selektiven Epitaxie, anderer­ seits gleichzeitig sowohl als Wellenleiter als auch Isolationsmaterial zum Einsatz.In this method, transmitter and receiver function in a same epitaxial step produced. In addition, comes advantageously SiO₂ mask on the one hand for selective epitaxy, on the other on the one hand, both as a waveguide and Insulation material for use.

Die monolithische Integration beider Komponenten zur Bildung des erfindungsgemäßen Optokopplers in Silizium­ technik ist geometrisch kompakt und zudem preiswerter als das nachträgliche Zusammenfügen einzeln erzeugter Bauelemente. Die Herstellung des Systems in Silizium­ technik ist gegenüber III-V basierenden Systemen we­ sentlich billiger und auch technologisch ausgereifter.The monolithic integration of both components Formation of the optocoupler according to the invention in silicon technology is geometrically compact and also cheaper than the subsequent assembly of individually created Components. The manufacture of the system in silicon technology is similar to III-V based systems considerably cheaper and also more technologically mature.

Außerdem bietet der erfindungsgemäße Optokoppler die Möglichkeit, als galvanisch getrennte Eingangs- und Ausgangselemente eine unmittelbare Integration direkt in eine auf Siliziumtechnik basierende, integrierte Schaltung, z. B. auf CMOS-Basis.In addition, the optocoupler according to the invention offers the Possibility as galvanically isolated input and Output elements direct integration directly in an integrated based on silicon technology Circuit, e.g. B. on a CMOS basis.

Claims (18)

1. Optokoppler mit Photonen emittierender Sender (1, 5, 7, 8)- und diese Photonen absorbierender Emp­ fänger(1, 5, 7, 8)-Funktion, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sender- und Empfängerfunktion innerhalb einer einzigen Schichtenfolge (1 bis 8) ausgebildet sind.1. Optocoupler with photon emitting transmitter ( 1 , 5 , 7 , 8 ) - and this photon absorbing Emp catcher ( 1 , 5 , 7 , 8 ) function, characterized in that the transmitter and receiver function within a single layer sequence ( 1 to 8 ) are formed. 2. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer der beiden Sender- oder Empfängerfunktionen in der Schichtenfolge lateral definiert begrenzt ausgebildet ist und die andere Funktion durch eine die erste Funktion lateral we­ nigstens teilweise oder ganz umgibt.2. Optocoupler according to claim 1, characterized records that one of the two transmitter or Receiver functions in the layer sequence lateral is defined limited and the other Function by a the first function lateral we at least partially or completely surrounds. 3. Optokoppler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Falle von lateral ausgebil­ deten Zwischenräumen zwischen der Sender- und Emp­ fängerfunktion diese Zwischenräume mit Lichtwellen­ leiterfunktion aufweisendem Material gefüllt sind. 3. Optocoupler according to claim 2, characterized records that in the case of laterally educated the spaces between the transmitter and emp catcher these gaps with light waves material with managerial function are filled.   4. Anordnung mehrerer Bauelementen auf einem einzigen Wafer mit vergrabener SiO₂-Schicht, von denen we­ nigstens ein Bauelement als Erzeuger/Emitter von Photonen bei elektrische Anregung (Sender) dient, und wenigstens ein Bauelement als Photodetektor zur Adsorption dieser Photonen (Empfänger) wirkt.4. Arrangement of several components on a single one Wafers with buried SiO₂ layer, of which we at least one component as a generator / emitter of Serves photons with electrical excitation (transmitter), and at least one component as a photodetector for Adsorption of these photons (receiver) works. 5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der die von einem Bauelement erzeugten Photonen das Photodetektor-Bau­ element optisch anregen.5. Arrangement according to claim 4, wherein the of one Component generated photons the photodetector construction stimulate element optically. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welcher der Sender und der Empfänger durch die ver­ grabene SiO₂-Schicht des Wafers elektrisch gegen­ einander isoliert sind.6. Arrangement according to one of claims 4 or 5, which of the sender and the receiver by the ver dig the SiO₂ layer of the wafer electrically against are isolated from each other. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 mit im gleichen Epitaxieschritten hergestellten, Sender und Empfänger bildenden Halbleiterschichten.7. Arrangement according to one of claims 4 to 6 with in same epitaxial steps, transmitters and receiver-forming semiconductor layers. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welcher die Bauelemente aus Si- und SiGe-Schichten­ folgen gebildet sind. 8. Arrangement according to one of claims 4 to 7, which the components from Si and SiGe layers follow are formed.   9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei welcher die Bauelemente Si/SiGe-Heterostrukturen in Form einer pn- oder pin- oder Schottky-Diode auf­ weisen.9. Arrangement according to one of claims 4 to 8, at which the Si / SiGe heterostructures in In the form of a pn or pin or Schottky diode point. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 mit mit­ tels selektiver Epitaxie hergestellten Halbleiter­ schichten.10. Arrangement according to one of claims 4 to 9 with Semiconductors produced by means of selective epitaxy layers. 11. Anordnung nach Anspruch 10, bei welcher die Form der Epitaxiebereiche der Bauelemente und die Epi­ taxieparameter so gewählt sind, daß die Zusammen­ setzung der Schicht(en) für Sender- und Empfänger­ funktion derart unterschiedlich ist, daß die Ener­ gie der im Sender erzeugten Photonen größer ist als die Bandlücke im Bereich des Detektors.11. The arrangement of claim 10, wherein the shape the epitaxial areas of the devices and the epi Taxie parameters are chosen so that the total setting of the layer (s) for sender and receiver function is so different that the energy gie the photons generated in the transmitter is greater than the band gap in the area of the detector. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welcher zur Optimierung der Emission erzeugter Photonen der Empfänger zum Sender teilweise oder ganz umgebend angeordnet ist.12. Arrangement according to one of claims 4 to 11, at which is generated to optimize the emission Partial or photons of the receiver to the transmitter is arranged completely surrounding. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei welcher der oder die Bereiche zwischen und/oder oberhalb der Sender und Empfängerfunktion Material mit wellenleitenden Eigenschaften insbesondere SiO₂, Si₃N₄ oder Kunststoff, aufweisen.13. Arrangement according to one of claims 4 to 12, which of the areas between and / or  above the transmitter and receiver function material with wave-guiding properties in particular SiO₂, Si₃N₄ or plastic. 14. Verwendung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 13 als Optokoppler zur galvanischen Trennung zweier elektrischer Kreise, wobei wenigstens ein Sender im ersten Kreis elektrisch zu Photonenemis­ sion angeregt wird und wenigstens ein Photodetektor im zweiten Kreis von dieser Emission elektrisch be­ einflußt wird.14. Use of an arrangement according to one of the claims 4 to 13 as optocouplers for electrical isolation two electrical circuits, at least one Transmitter in the first circle electrically to photon emis sion is excited and at least one photodetector be electrically in the second circle from this emission is influenced. 15. Verfahren zur Herstellung eines Optokopplers mit Sender- und Empfängerfunktionseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wafer mit vergrabe­ ner SiO₂-Schicht unter Einsatz des Si/SiGe-Ma­ terialsystems Verwendung findet.15. Method for producing an optocoupler with Sender and receiver functional unit, thereby characterized in that a wafer with buried ner SiO₂ layer using the Si / SiGe-Ma material systems is used. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vergrabene SiO₂-Schicht des Wafers als elektrische Isolationsschicht zwischen Sender- und Empfängerfunktion ausgebildet wird.16. The method according to claim 15, characterized records that the buried SiO₂ layer of Wafers as an electrical insulation layer between Sender and receiver function is trained. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß Sender- und Empfängerfunktion mittels selektiver Epitaxie ge­ bildet werden.17. The method according to any one of claims 15 or 16, characterized in that transmitter and  Receiver function by means of selective epitaxy be formed. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welchem die Epitaxiebedingungen für die selektive Epitaxie und die Epitaxiebereiche der Sender- und Empfängerfunktion so gewählt werden, daß die SiGe-Schicht­ folgen für Sender- und Empfängerfunktion eine unterschiedliche Zusammensetzung derart auf­ weisen, daß die im Sender erzeugten Photonen eine höhere Energie als die Bandlücke des Empfängers ha­ ben.18. The method according to any one of claims 15 to 17, in which is the epitaxial condition for the selective Epitaxy and the epitaxial areas of the transmitter and Receiver function should be chosen so that the SiGe layer follow for transmitter and receiver function a different composition indicate that the photons generated in the transmitter a higher energy than the band gap of the receiver ha ben.
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