DE2650770B2 - Opto-elektronische Koppeleinrichtung - Google Patents

Opto-elektronische Koppeleinrichtung

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Description

20
so
Eine optoelektronische Koppeleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gat- Vl tung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 14 830 bekannt. Gemäß Fig. 18 und 19 dieser Druckschrift sind das lichtempfindliche Halbleiterelement und die elektrische Schaltung zur Verarbeitung des Ausgangssignals dieses lichtempfindlichen Halbleiterelements in einem Wl gemeinsamen Halbleiterkörper integriert. Die Leuchtdiode ist über eine Glasschicht auf dem lichtempfindlichen Halbleiterelement angeordnet. Die elektrische Schaltungsanordnung zur Aussteuerung des lichtempfindlichen Halbleiterelements wird von einer extern '" anschlicßbaren Vorrichtung gebildet.
Derartige optoelektronische Koppeleinrichtungen werden dort eingesetzt, wo es auf eine potentialmäßige Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis ankommt. Dabei werden solche Einrichtungen in zunehmendem Maße auch in integrierten Schaltungen eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung die Hauptbestandteile derart anzuordnen, daß bei gutem und vorbestimmbarem optischen Kopplungs-Wirkungsgrad eine Erhöhung der Integrationsdichte der gesamten Einrichtung erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Danach bildet lediglich die Leuchtdiode ein diskretes Bauelement während die übrigen drei Hauptbestandteile der Einrichtung, nämlich das lichtempfindliche Halbleiterelement und die beiden elektrischen Schaltungsanordnungen gemeinsam in den Halbleiterkörper integriert sind Das lichtempfindliche Halbleiterelement läßt sich nicht mit den elektrischen Schaltungsanordnungen in den gleichen Halbleiterkörper integrieren, weil diese Bestandteile unterschiedliche Substrat-Materialien benötigen. Die erfindungsgemäße Lösung vermittelt somit das größtmögliche Maß an integration bezüglich der gesamten optoelektronischen Koppeleinrichtung. Da bei der erfindungsgemäßen Lösung ferner die optisch miteinander gekoppelten Flächen von Halbleiterelemente und Leuchtdiode über die elektrisch leitenden Anschlußstücke, die die Leuchtdiode mit ihrer Aussteuerschaltung verbinden, auf Abstand gehalten werden, läßt sich dieser Abstand sehr genau einhalten, was zu einer bei hoher Integrationsdichte wichtigen genauen Reprodazierbarkeit des optischen Kopplungs-Wirkungsgrades führt. Die Materialwahl für die Anschlußstücke und Zuleitungen ergibt sich aus der Notwendigkeit, daß die bei dem Aufbau der Einrichtung nach der erfindungsgemäßen Lösung vorgesehene Anschlulknethode zu keiner Beschädigung der Leiteranordnung führt.
Aus den beiden weiteren deutschen Offenlegungsschriften 22 33 525 und 24 25 328 sind zwar optischelektronische Einrichtungen bekannt, bei denen es unter anderem auch um die Erhöhung >'xr Integrationsdichte geht Diese Druckschriften offenbaren aber weder optoelektronische Koppeleinrichtungen der eingangs genannten Gattung noch enthalten sie Hinweise auf die erfindungsgemäße Lösung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Bevorzugte Ausführungsbeispielc der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer optoelektronischen Koppeleinrichlung;
Fi g. 2 und 3 Vertikalschnitte durch Ausführungsbeispiele optoelektronischer Koppeleinrichtungen;
Fig.4 eine Draufsicht auf einen Teil des das lichtempfindliche Element enthaltenden Halbleiterkörpers nach F i g. 2;
F i g. 5 eine Draufsicht auf eine Leuchtdiode mit zwei Emissionszonen und Anschlußleitern; und
Fig.6 und / Vertikalschnitte durch die Anordnung nach F i g. 4 gemäß der Linie X-X.
Gemäß F i g. I umfaßt die optoelektronische Koppeleinrichtung (im folgenden kurz als »Fotokoppler« bezeichnet) eine Licht emittierende Leuchtdiode 111 (nachfolgend als LED-Diode bezeichnet) und einen optisch mit der LED-Diode 111 gekoppelten Fotothyristor 112. Die Schaltung ist mit Eingangsanschlüssen 115, 115' zur Steuerschaltung der LED-Diode und Ausgangsanschlüssen 115", 115'" des Thyristors versehen. Die
Steuerschaltung for die LED-Diode weist im wesentlichen Einrichtungen zum Konstanthalten eines Eingangssignals auf. Zum Beispiel bilden einer Zenerd jode 114 und ein Widerstand 113 den wesentlichen Teil dieser Steuerschaltung. Die Schaltung des ein Ausgangssignai liefernden Thyristors weist im wesentlichen Schutzeinrichtungen für den das Ausgangssignal liefernden Thyristor 112 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Schutzeinrichtungen durch einen Transistor 44 und Widerstände 41 bis 43 und 45 gebildet
In F i g. 2 ist ein Halbleiterkörper 40 aus Silizium mit einer bipolaren integrierten Schaltungsanordnung, die durch herkömmliche isolationsverfahren gebildet wird, dargestellt Die lichtempfindlichen Elemente sowie eine zugehörige Ausgangsschaltung wie auch Steuerschaltungen für die Leuchtdioden und Isolationsinseln zum Befestigen der Leuchtdiode!! (LED) sind in dem Halbleiterkörper40 geformt und integriert
Die Leuchtdiode 2 ist eine GaAs-Diode vom Planartyp, die mit Hilfe einer elektrisch leitenden Verbindung auf der Isolationsinsel des Halbleiterkörpers 40 so angebracht ist, daS die Lichiemissionsfiäche der Leuchtdiode 2 einer lichtempfindlicheu Fläche des Fotöthyristors 112 gegenüberliegt Zwischen der Emissionsfläche und der lichtempfindlichen Fläche ist ein Spalt vorgesehen, der vorzugsweise mit einem für das auf die empfindliche Räche auftreffenden Lichtsignal transparenten Harz ausgefüllt ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Spalt selbst bzw. die darin befindliche Luft als das das Lichtsignal übertragende Medium verwendet werden. Da die Unterschiede in den Brechungsindizes zwischen Luft und den Oberflächen ziemlich groß sind, ist Luft im allgemeinen jedoch nicht das geeignetste Medium. Am besten eignen sich als Medium transparente Harze, wie z. B. Siliziumharze oder Epoxidharze, da der Spalt sehr leicht auszufüllen ist, wenn das Harz in einem organischen Lösungsmittel aufgelöst ist Auf diese Weise lassen sich zwischen dem Medium und den Oberflächen Hohlräume vermeiden. Der Halbleiterkörper 40 einschließlich des lichtempfindlichen elements und der integrierten Schaltungsanordnungen ist auf einem, z. B. aus Keramik hergestellten, isolierenden Substrat 3' angebracht, ruf dem auch gedruckte Schaltungen vorgesehen sein können. Eingangs- und Ausgangsschaltungen sind über Leiterstifte 7,8 mit Anschlüssen verbunden.
F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Paar Leuchtdioden 2, von denen jede, wie in F i g. 5 dargestellt, ein Paar Lichtemissionszonen aufweist, die mittels einer elektrisch leitenden Verbindung, etwa einem Lot, am Halbleiterkörper 40 angebracht sind, während in der Ausführungsform nach F i g. 2 lediglich eine Leuchtdiode der in Fig.5 dargestellten Art vorgesehen ist In der Ausführungsform nach Fig.3 weist der Halbleiterkörper 40 deshalb die entsprechende Anzahl lichtempfindlicher Zonen Steuerschaltungen und Schaltungen für die lichtempfindlichen Zonen auf. F i g. 4 zeigt eine Draufsicht auf den in den F i g. 2 und 3 dargestellten Halbleiterkörper 40, in der die gepunkteten Teile 16 polykristallines Silizium und die weißen Teile 17 einkristallines Silizium sind. Zwischen den polykristallinen Bereichen und den Einkristallbereichen ist eine Isolierschicht 30, z. B. ein Siliziumdioxidfilm, ausgebildet (Siehe Fig. 6 und 7). Die gestrichelten Linien sind Endflächen dotierter Bereiche, die pn-Übergänge (z.B. 114) und Widerstände (/. B. 113) auf dem Halbleiterkörper 40 bilden. Die durch eine strichpunktierte Linie bezeichnete Fläche entspricht dem durch eine strichpunktierte Linie in F i g, I umgrenzten Teil der Schaltungsanordnung. Bei dem Einkristallsilizium handelt es sich um η-leitendes Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 9 Ohrn-cm. Die seitlichen
, Fotothyristoren 112,112' weisen jeweils einen p-leitenden Emitter bzw. eine solche Basis auf, die jeweils mit Bor dotiert ist sowie einen phosphordotieren, n-leilenden Emitter. Der Widerstand 113 der Steuerschaltung für das emittierende Element wird durch Bor-Dotieren
in mit hoher Konzentration eines η-leitenden Siliziumkörpers gebildet
Die Zenerdiode 114 wird in der gleichen Weise hergestellt wie die p-leiten.de Basis und der n-leitende Emitter der seitlichen Fotothyristoren 112,112'.
ii In F i g. 4 wird jeweils ein Paar der Schaltungsanordnungen mit gleicher Anordnung symmetrisch um einen Punkt P herum gebildet. Die schraffierten Teile sind Aluminiumleiter, die z. B. durch Aufdampfen auf den gewünschten Teilen des Halbleiterkörpers 40 hergestellt werden. Schraffierte Bereiche 18 sind hierbei mit den Ausgangsschaltungen der lich'-ftnpfindlichen HaIblciterelemente verbunden und schraffierte Teile 19 sind an die Leuchtdioden angeschlossen. Der n-leitende Emitter 47 des Transistors 44 steht in Kontakt mit dem
κ, Leiter 115"'. Die Thyristoren 112, 112' weisen jeweils Leiter 18, 18' auf, die mit den p-leitenden Bereichen kontaktiert sind sowie einen Leiter 18", der mit dem η-leitenden Bereich verbunden ist Der Transistor 44 weist einen Leiter 15, welcher mit dem von einer
)» gestrichelten Linie umschlossenen p-leitenden Emitter kontaktiert ist, einen Leiter 15', der mit der n-leitenden Basis 47 verbunden ist sowie einen Leiter 15", der mit dem p-leitenden Bereich verbunden ist auf.
F i g. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Leuchtdioden 20,
i> die den seitlichen Fotothyristoren 112, 112' gegenüberliegen. Sie sind als zinkdotierte GaAs Planardioden ausgebildet, wobei die mit punktierten Linien umschlossenen beiden Bereiche 20 mit Zink dotiert sind und als Lichtemissionszonen dienen. Zuleitungen 2Γ, 22', 23',
■ίο 24' der Dioden 111 sind mit Hilfe von Metallverbindungen jeweils an Leitern 21, 22, 23, 24 in Fig.4 a· .gebracht. Die Metallverbindungen haben einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als die Legiertemperatur des Leitermaterials, wie z. B. Aluminium bezüglich
i") eines III-V-Verbund-Halbleitermaterials und Silizium. Die Lichtemissionsflächen oder Zonen der LED-Dioden 111 sind so genau angeordnet, daß jede der Emissionszonen jeweils der lichtempfindlichen Zone des Fotothyristors 112, 112' gegenüberliegt. Zur Verbindung des
"><> Halbleiterkörpers 40 mit den auf dem Substrat 3' (Fig. 2) gebildeten Schaltungsanordnungen sind aus einem Lotmetall Bestehende Metallkugeln 46, 46', 46", 46'" vorgesehen.
Da die Leuchtdioden mit der Seite ihrer Liehtemis-
v> sionsHäche auf der lichtempfindlichen Zone der lichtempfindlichen Elemente mit Hilfe elektrisch leitender Verbindungen angebracht sind, kann der vorgesehene Abstand sehr genau eingehalten werden. Auf diese Weise läßt sich ein vorbestimmter Fotokopplungs-Wir-
w) kungsgrad erzieLn.
Die Leuchtdiode ist elektrisch leitend mit einem Halbleiterkörper verbunden, in dem ein lichtempfindliches Element und die zugehörigen Schaltungsbestandteile integriert sind. Die Leuchtdiode muß deshalb von
·>"> dem lichtempfindlichen Element und dessen zugehörigen Schaltungsbesiandteilen isoliert werden. Hierzu kann jedes bekannte, geeignete Isolationsverfahren benutzt werden. Iu einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung wurde das Licht emittierende Element 111 mittels einer CCB-Methode am Halbleiterkörper 40 befestigt. Auf die jeweils verbindenden Anschlüsse 21 bis 24 und 2Γ bis 24' wurde Lötmittel aufgetragen. Das Lötmittel wurde dann geschmolzen und abgekühlt, wobei sich die Anschlüsse 21 bis 24 mit den Anschlüssen 2Γ bis 24' verbanden.
Die in den Fig.6 und 7 dargestellte elektrisch leitende Verbindung weist eine Metallfilm-Schicht 28 auf, die das Zusammensinken eines Metallmaterials 29 mit niedrigem Schmelzpunkt wie z. B. einem Pb-Sn-Lötmittel verhindert, wenn das Metallmaterial beim Aufheizen zum Verbinden des I lalbleiterkörpers 40 und der LED-Diode Ml schmilzt. Die Metallverbindung ist über Fenster im Siliziumdioxidfilm 26 elektrisch an Zuleitungen 27 angeschlossen. In den Fig. 6 und 7 ist der durch die Oberfläche des Halbleiterkörpers 40. die Oberfläche der Leuchtdiode 11l und die elektrisch leitende Verbindung gebildete Luftspalt, wie in den F i g. 2 und 3 dargestellt, mit einem transparenten (nicht gezeichneten) Harz ausgefüllt. Das p-leitendc GaAs der LED-Diode 111 steht in ohmschem Kontakt mit einer Aluminiumschicht 27 — der Metallfilm-Schicht 28 — dem Au-Sn-Lötmittel 29 - der Metallfilm-Schicht 28 der Aluminiumschicht 27 — dem p-leitenden Silizium des Widerstands 113 und der gegensinnig gepolten Dioden bzw. Zenerdioden 114. Metallfilm-Schicht bedeutet hierbei kugelbegrenzende Metallisierung. In diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Cr-Cu-Au-Mehrfachschicht als Metallfilm-Schicht verwendet.
Gemäß F i g. 7 stellt das η-leitende GaAs der LED-Diode 111 in ohmschem Kontakt mit der Aluminiumschichi 27 — der Metallfilm-Schicht 28 — dem Lötmetall 29 — der Metallfilm-Schicht 28 — der Aluminiumschicht 27 — dem n-leitendcn Silizium.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der LED-Diode 111 und den Zuleitungen 27 ist in Fi g. 7 mit der Oberfläche eines dünnen Siliziumdioxidfilms kontakticrt. während im Fall der F i g. 6 die Verbindung und die Zuleitung 27 in direktem Kontakt mit der Oberfläche einer Einkristallzone, in der der Widerstand 113 gebildet ist. steht. Die elektrisch leitende Verbindung kann, wie in Fig. 4 dargestellt, über den Widerstand 113 mit der Zcnerdiode 114 verbunden sein; sie kann aber auch unmittelbar an die Zenerdiode 114 angeschlossen sein, wobei in diesem Fall der Widerstand 113 entfällt. Ist der Widerstand 113 weggelassen, so kann in dem η-leitenden Bereich zur Verbesserung des ohmschen Kontakt ein η--Bereich gebildet sein.
Faktoren, die von Einfluß auf die Genauigkeit des Abstands zwischen den Leuchtdioden und den lichtempfindlichen Elementen sein können, liegen in der aus der Aluminiumschicht 27 und der Metallfilm-Schicht 28 bestehenden, aufgebrachten Schicht, der Siliziumdioxidschicht 26 und dem Lötmetallkisscn 29. In vorliegenden Ausführungsbeispicl beträgt die Dicke der aufgebrachten. Schicht und der Siliziumdioxidschicht etwa 2 μπι bzw. 5 μηι. Diese Schichten können mit einem Produktionsfehler von weniger als 50% hergestellt werden. Andererseits beträgt die angestrebte Höhe des Lötmetallkissens 29 100 μηι, während die tatsächliche Höhe der Kissen 100 μπι ± 30 μηι ist. Der gesamte Produktionsfehler dieses Beispiels beträgt also etwa ±36 μηι.
Ungcnnuigkeilcn oder Unstimmigkeiten zwischen der Lichtemissionszone und der entsprechenden lichtempfindlichen Zone werden auf ein Minimum verringert, wenn die metallische Verbindung durch Fotoätztechnik hergestellt wird. Faktoren, die die Gcnauigkeii der Ausrichtung der Leuchtdioden und lichtempfindlichen Elemente beeinflussen können, liegen in der Stellungen der Metallfilm-Schicht und der Leitungsdrähte, die auf den Halbleiterkörper aufgebracht sind Die Position der Leitungsdrähte hängt von dct Ätzgenauigkeit beim Fotoätzen ab, wobei der Ätzfehlei auf weniger als 10 μηι verringert werden kann. Die Stellung der Metallfilm-Schicht hängt von der Masken konfiguration beim Aufdampfen und der Genauigkeii beim Ausrichten der Maske ab; die Höhe kann mil weniger als 35 μΐη eingestellt werden. Demzufolge kanr die Aiisrichtgcnauigkcit des emittierenden Element· zum empfangenden Element auf einen Produktionsfeh lcr von weniger als ± 90 μηι verringert werden.
Mit der oben beschriebenen Anordnung könner hochwertige Fotokoppler für einen Triggerstrom vor 3 mA bei hoher Ausbeute hergestellt werden. Dk Sperrspannung der Fotothyristoren betrug hierbe 200 V. die maximal zulässige Anderungsgeschwindigkeii dv/dt betrug ΙΟΟν/μδ und die Isolationsspannung zwischen LED-Diode und Fotothyristoren war 700 V.
Geeignete Loimctallc für die metallische Verbindung haben einen Schmelzpunkt, der niedriger als die Legicriemperatur des Leitermaterials mit den Halb leitermaterialien ist. Wenn das Material der Zuleitungs drähte Aluminium ist und der Halbleiter hörbar au.1 Silizium besteht, liegt die Lcgiertemperatur bei etw; 580' C. Geeignete l.ötmatcrialien sind, wie herausgefun den wurde, solche Lotmetalle, die einen Schmelzpunk niedriger als 400"C haben. Das Lotmetall besteht aus Li bis 70 Aiomprozcnt Blei (Pb) und im übrigen aus Zinr (Sn). Eine geeignete Zusammensetz.ung des Pb-Sn-Löt mittels enthält 27 Atomprozent Blei und im übriger Zinn. Derartige Lotmetalle haben einen Schmelzpunk von etwa 183'Codcr niedriger.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Optoelektronische Koppeleinrichtung mit einem Halbleiterkörper (40), in den ein lichtempfindliches Halbleiterelement (112) und eine erste elektrische Schaltungsanordnung (41 ... 45) zur Verarbeitung des Ausgangssignals des lichtempfindlichen Halbleiterelements (112) integriert sind, mit einer auf dem Halbleiterkörper (40) befestigten, diskreten Leuchtdiode (IH), die mit ihrer freiliegenden. Licht emittierenden Fläche der Lichtaufnanmefläche des Halbleiterelements (112) zugewandt und mit ihm durch ein transparentes Medium optisch gekoppelt, jedoch elektrisch gegenüber diesem und der ersten elektrischen Schaltungsanordnung (41... 45) isoliert ist, sowie mit einer zweiten elektrischen Schaltungsanordnung zur Aussteuerung der Leuchtdiode(lll), dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Schaltungsanordnung (113, 114) von dem lichtempfindlichen Halbleiterelement (112) und der ersten elektrischen Schaltungsanordnung (41... 45) isoliert in den Halbleiterkörper (40) integriert ist, und daß die einander zugewandten Flächen des lichtempfindlichen Halbieitereleinents (112) und der Leuchtdiode (Ul) durch elektrisch leitende Anschlußstücke (29) im Abstand gehalten sind, die die Leuchtdiode (IU) mit der zv/eiten elektrischen Schaltungsanordnung (113,114) verbinden, und aus einem Lotmetall bestehen, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als die Legiertemperatur der an der zweiten elektrischen Schaltungsanordnung (113, (14) vorgesehenen Zuleitungen (21' ... 24').
2. Optoelektronische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (2Γ... 24') aus einem Aluminiumfilm und die> Anschlußstücke (29) aus einem Lotmetall mit einem unter etwa 400° C liegenden Schmelzpunkt bestehen.
3. Optoelektronische Koppeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrischen Schallungsanordnungen (41 ... 45; 113, 114) jeweils in Einkristall-Zonen integriert sind, die von polykristallinen Zonen umgeben und durch eine isolierende Substanz (30) gegeneinander und gegen das lichtempfindliche Halbleiterelement (112) isoliert sind.
4. Optoelektronische Koppeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Substanz von einem Luftspalt gebildet ist.
15
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