DE2721250A1 - Optoelektronisch gekoppelte halbleiteranordnung - Google Patents

Optoelektronisch gekoppelte halbleiteranordnung

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Description

Optoelektronisch gekoppelte Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronisch gekoppelte Halbleiteranordnung, die gewöhnlich Photokoppler genannt wird, insbesondere auf Verbesserungen beim optischen Aufbau einer solchen Anordnung.
Ein Photokoppler hat allgemein einen derartigen Aufbau, daß ein mit einem Eingangsanschluß verbundenes Lichterzeugungsbauelement gegenüber einem mit einem Ausgangsanschluß verbundenen Lichtempfangsbauelement oder lichtempfindlichen Bauelement angeordnet ist. Im Photokoppler wird ein dem Eingangsanschluß zugeführtes elektrisches Signal einmal durch das Lichterzeugungsbauelement in
8l-(A226O-O2)-TSl
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Licht umgewandelt, um zum Lichtempfangsbauelement übertragen zu werden, wo das Licht wieder in das ursprüngliche elektrische Signal umgewandelt wird, um am Ausgangsanschluß aufzutreten. Daher ist der Photokoppler insofern vorteilhaft, als sich der Eingang und der Ausgang elektrisch voneinander isolieren lassen. Der Photokoppler mit diesem Vorteil wird weithin als Signalübertragungsmittel zwischen zwei gekoppelten Schaltkreisen verwendet, bei denen eine Notwendigkeit zur Verhinderung gegenseitiger elektrischer Störung besteht.
Es ist ganz natürlich, daß eines der wichtigsten Erfordernisse für einen solchen Photokoppler ein befriedigender Wirkungsgrad der Photokopplung ist, und zur Erreichung eines möglichst hohen Photokopplungswirkungsgrades ist es wesentlich, den optischen Aufbau des Photokopplungsmittels zwischen dem Lichterzeugungsbauelement und dem Lichtempfangsbauelement zu verbessern.
Obwohl einige bisher bereits zwecks Verbesserung des optischen Aufbaus der Photokopplungseinrichtung zwischen dem Lichterzeugungsbauelement und dem Lichtempfangsbauelement gemachte Vorschläge für die Verbesserung des Photokopplungswirkungsgrades bis zu einem gewissen Ausmaß erfolgreich waren, führten die bekannten Vorschläge zu einem komplizierten Aufbau der Photokopplungseinrichtung und zu einer unvermeidlich damit verbundenen unerwünschten Verringerung der Massenhersteilbarkeit.
Das als Lichtquelle des Photokopplers verwendete Lichterzeugungsbauelement wird in zwei Typen unterteilt, nämlich den Typ, bei dem die Lichtabstrahlungsoberflache parallel zum lichterzeugenden PN-Übergang liegt, und den Typ, bei dem die Lichtabstrahlungsoberfläche im rechten Winkel zum
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lichterzeugenden PN-Übergang liegt. Zur Vereinfachung der Erklärung sollen der erstere und der letztere Typ weiter als Lichterzeugungsbauelement des vertikal strahlenden Typs bzw. als Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs bezeichnet werden. Das Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs hat eine besondere Helligkeitsverteilung in seiner Lichtabstrahloberfläche, und daher läßt sich ein Photokoppler mit einem sehr hohen Photokopplungswirkungsgrad herstellen, wenn das Lichterzeugungsbauelement dieses Typs gegenüber dem Lichtempfangsbauelement in derartiger Relativstellung angeordnet wird, daß die Helligkeitsverteilung der Lichtabstrahloberfläche des ersteren zur Lichtempfindlichkeitsverteilung des letzteren paßt. Trotz der obigen Tatsache wurde das Lichterzeugungsbauelement des vertikal strahlenden Typs bisher am meisten verwendet. Einer der Gründe hierfür beruht darauf, daß das lichterzeugende Bauelement des horizontal strahlenden Typs einen komplizierten Montageaufbau erfordert, der zur Massenproduktion nicht geeignet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue optoelektronisch gekoppelte Halbleiteranordnung zu entwickeln, mit der die erwähnten Nachteile überwunden werden und die sowohl die gewünschte Verbesserung des Photokopplungswirkungsgrades als auch die gewünschte Verbesserung der Massenproduzierbarkeit ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine optoelektronisch gekoppelte Halbleiteranordnung mit einem Lichterzeugungshalbleiterbauelement, einem Lichtempfangshalbleiterbauelement, einem Träger der beiden Halbleiterbauelemente und Anschlußleiterbahnen auf dem Träger in Verbindung mit den Elektroden der Halbleiterbauelemente, mit dem Kennzeichen, daß der Träger ein Paar parallel verlaufender Oberflächen zum Tragen der Halbleiterbauelemen-
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te und einen zwischen den parallelen Oberflächen erstreckten optischen Pfad zum optoelektronischen Koppeln der beiden Halbleiterbauelemente miteinander aufweist und daß jedes der Halbleiterbauelemente mit wenigstens zwei starren Elektroden mit zu den parallelen Oberflächen des Trägers parallelen Oberflächen versehen ist, welche Elektroden elektrisch und mechanisch an einer ihrer parallelen Oberflächen durch Lot mit leitenden Verbindungsschichten verbunden sind, die an bestimmten Stellen einer der parallelen Oberflächen des Trägers freiliegen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Lichterzeugungshalbleiterbauelement eine Lichterzeugungsbaueinheit mit wenigstens einem Lichterzeugungselementplättchen des horizontal strahlenden Typs und einem Paar von blockartigen, auf den gegenüberliegenden Elektrodenträger-Oberflächen des Plättchens montierten Elektroden darstellt.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Lichtempfangshalbleiterbauelement eine Halbleiterunterlage mit wenigstens einem darin ausgebildeten Lichtempfangsbauelement darstellt, wobei der Träger eine auf der Halbleiterunterlage vorgesehene elektrische Isolierschicht aufweisen kann.
Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung ist vorgesehen, daß das Lichtempfangshalbleiterbauelement eine Halbleiterunterlage mit wenigstens einem darin ausgebildeten Lichtempfangsbauelement darstellt und der Träger eine durch übereinanderschichten und gegenseitiges Befestigen einer ersten keramischen Unterlage mit wenigstens einer mittigen Ausnehmung zur Aufnahme der Lichterzeugungsbaueinheit und einer zweiten keramischen Unterlage mit an bestimmten Stellen ihrer Oberfläche freiliegenden leitenden Verbindungs-
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schichten erhaltene Keramikbasis aufweist, wobei die Lichterzeugungsbaueinheit auf der Keramikbasis montiert ist und die Halbleiterunterlage an der Keramikbasis zum Empfang des von der Lichterzeugungsbaueinheit abgestrahlten Lichts befestigt ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 5 bis 10 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus einer elektrischen Schaltanordnung mit einem bekannten Photokoppler, bei dem ein Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs verwendet ist;
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Unterschiedes in der Helligkeitsverteilung zwischen einem Lichterzeugungsbauelement des vertikal strahlenden Typs und einem Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung;
Fig. 4 eine vergrößerte, teilweise geschnittene
Perspektivansicht der Lichterzeugungsbaueinheit des in Fig. 3 gezeigten Photokopplers;
Fig. 5 eine schematische Teilschnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung; und
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Fig. 6 eine schematische Teilschnittdarstellung eines weiteren Ausfllhrungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung.
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll vor deren näherer Beschreibung zunächst der Aufbau einer Schaltungsanordnung mit Verwendung eines bekannten Photokopplers erläutert werden, der von einem Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs Gebrauch macht.
Gemäß Fig. 1 weist ein Lichtempfangsbauelement 1 oder ein Kontaktelement in einer solchen Schaltungsanordnung ein Paar von N -Emitterbereichen 10 und 11, einen N+-Kollektorbereich 12 und einen P-Basisbereich 13 auf. Ein Lichterzeugungsbauelement 2 oder ein Betätigungselement in der Schaltungsanordnung weist einen N-Bereich 20 und einen P-Bereich 21 auf, die durch Dotieren eines Plättchens aus Galliumarsenid mit Tellur bzw. Zink gebildet sind. Dieses Betätigungselement 2 ist also eine Injektionslaserdiode aus Galliumarsenid. Die Laserwirkung dieser Diode ist derart, daß die Diode kohärentes Licht einer Infrarotwellenlänge von 8400 8 mit einem Bündeldivergenzwinkel unter 4° bei einem Wirkungsgrad nahe 100 % abstrahlt, wenn Strom durch die Diode mit einer Stromdichte von 10 000 bis 100 000 A/cm fließt. Diese Schaltungsanordnung wird beispielsweise durch Umgeben der Bauelemente mit herkömmlichen Metall-Glas-Kopfstücken oder durch Anbringung einer solchen Schaltungsanordnung auf einer Keramikplatte oder ähnlichen elektrisch isolierenden Basis und anschließende Anbringung von Elektrodenzuführungen 31 bis 34 an der Unterlage montiert.
Bei einem ein Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs verwendenden typischen bekannten Photo-
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koppler wurde allgemein ein Lichterzeugungselementplättchen in einer an der Oberfläche einer Basis mit mehrlagigen Keramikunterlagen gebildeten Ausnehmung befestigt, und Elektrodenschichten des Lichterzeugungselementplättchens wurden durch Drahtverbindung über Zuleitungen zu auf der Keramikbasis vorgesehenen leitenden Verbindungsschichten angeschlossen. So traf man tatsächlich beim Verbinden der Elektrodenschichten des Lichterzeugungselementplättchens mit den leitenden Verbindungsschichten auf der Basis mittels der Drahtverbindung nach Lageeinstellung des Lichterzeugungselementplättchens relativ zur Unterlage mit einem darauf ausgebildeten Lichtempfangsbauelement äußerste Schwierigkeiten an. Diese Schwierigkeiten wurden insbesondere noch ausgeprägter wegen der Notwendigkeit, daß das Lichterzeugungselementplättchen und die Unterlage mit dem darauf ausgebildeten Lichtempfangsbauelement in enger Nähe zueinander (allgemein innerhalb eines Abstandes von weniger als 1 mm) angeordnet werden müssen, um den Photokopplungswirkungsgrad zu verbessern. Es war daher die übliche Praxis, daß die Unterlage mit dem darauf ausgebildeten Lichtempfangsbauelement und das Lichterzeugungselementplättchen in der genannten gegenseitigen Lage nach Vollendung der elektrischen Verdrahtung befestigt werden. Jedoch ist dies unter dem Gesichtspunkt einer Massenproduktion sehr unbefriedigend, da die Anbringung der elektrischen Verdrahtung, und die Befestigung der Elemente in gesonderten Schritten durchgeführt werden. Weiter werden viele Arbeitsstunden zum Zusammenbau der Lichterzeugungsbaueinheit durch Verbinden des Lichterzeugungsbauelements mit der elektrischen Verdrahtung benötigt, und DrahtbruchstÖlungen, Unterbrechungsströrungen und andere Störungen können während der Einstellung der Lichterzeugungsbaueinheit in einer bestimmten Lage aufgrund mechanischer Stöße oder ähnlicher Kräfte leicht auftreten, die ggf. auf die Lichterzeugungsbaueinheit einwirken.
Es wurden bereits einige Vorschläge im Bestreben zur
Verbesserung der Massenproduzierbarkeit gemacht. Nach diesen
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Vorschlägen werden die elektrisehe Verdrahtung für das Lichterzeugungsbauelement und die für das Lichtempfangsbauelement in zueinander parallelen Ebenen, d. h. in der gleichen Richtung angeordnet. Jedoch sind diese Vorschläge unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung des Photokopplungswirkungsgrades nicht immer befriedigend. Bei einem der Vorschläge nach dem Stand der Technik wird die optische Kopplung zwischen dem Lichterzeugungsbauelement und dem Lichtempfangsbauelement durch Reflexion des von der Seitenoberfläche des Lichterzeugungsbauelements abgegebenen Lichts und Lenkung des reflektierten Lichts zum Lichtempfangsbauelement erreicht. Obwohl diese Lösung im Sinne der Vermeidung einer unerwünschten Verringerung der Massenproduzierbarkeit aufgrund komplizierten elektrischen Verdrahtens wirksam ist, muß hier ein Lichtreflektor hoher Präzision genau angeordnet werden, und daher ergibt auch das mit dieser bekannten Lösung offenbarte Verfahren eine unerwünschte Verringerung der Massenproduzierbarkeit. Außerdem führt der verlängerte Lichtpfad zwischen dem Lichterzeugungsbauelement und dem Lichtempfangsbauelement zu Lichtabsorptionsund -streuverlusten, die eine unerwünschte Verringerung des Photokopplungswirkungsgrades zur Folge haben.
Es sollen nun bevorzugte Ausführungsbeispiele des Photokopplers gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben werden, der die Fehler der bekannten Anordnungen überwindet.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Helligkeitsverteilungscharakteristik eines Lichterzeugungsbauelements des horizontal strahlenden Typs im Verhältnis zu der eines Lichterzeugungsbauelements des vertikal strahlenden Typs. Man ersieht aus der HelligkeitsVerteilungskurve A in Fig. 2, daß die vom Lichterzeugungsbauelement des vertikal strahlenden Typs abgegebene Lichtstärke angenähert über ihre ganze zum PN-Übergang parallele Oberfläche gleichmäßig ist. Dage-
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gen hat, wie man anhand der Helligkeitsverteilungskurve B in Fig. 2 erkennt, die vom Lichterzeugungsbauelement des horizontal strahlenden Typs abgegebene Lichtstärke einen Spitzenwert in der Nähe des PN-Übergangs im P-Bereich, und dieser Spitzenwert ist weit größer als der des Lichterzeugungsbauelements des vertikal strahlenden Typs.
Fig. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung. Gemäß Fig. 3 weist der Photokoppler eine keramische Basis, die durch fest verbundene Beschichtung einer keramischen Unterlage 42 mit einer weiteren keramischen Unterlage 44 mit einer mittigen öffnung erhalten ist, ein in der mittigen öffnung der Keramikunterlage 44 der Keramikbasis aufgenommene Lichterzeugungsbaueinheit 40 und eine Lichtempfangsbauelement-Tragunterlage 50 auf, die an der Keramikunterlage 44 der Keramikbasis zum Empfang des von der Lichterzeugungsbaueinheit 40 ausgestrahlten Lichts befestigt ist. (Nicht dargestellte) gedruckte leitende Verbindungsschichten sind auf der Oberseite der Keramikunterlage 44 unter Erstreckung von der fixierten Stelle der Unterlage 50 zu einem Paar von Zuführungsstiften 46 bzw. 48 vorgesehen. Ein Photothyristor 50a ist in einer Hauptoberfläche der Unterlage 50 so ausgebildet, daß sein Durchlaßspannungsblockier-PN-übergangsteil mit von der Lichterzeugungsbaueinheit 40 abgestrahltem Licht bestrahlt oder ausgelöst werden kann. Die Elektrodenschichten des Photothyristors 50a sind elektrisch gegenüber der Unterlagenoberfläche durch eine Schicht eines elektrischen Isolierstoffs, wie z. B. SiOp» isoliert. Man erkennt in Fig. 3» daß die Unterlage 50 an ihrer nach unten gekehrten Oberseite mit der Oberseite der Keramikunterlage 44 verbunden ist, so daß die Kathoden- und Anodenschichten des Photothyristors 50a elektrisch mit den zu den Zuführungsstiften 46 bzw. 48 führenden gedruckten leitenden Verbindungsschichten verbunden werden können.
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Die Lichterzeugungsbaueinheit 40 ist an der Oberseite der Keramikbasis 42 innerhalb der mittigen Ausnehmung der Keramikunterlage 44 befestigt, und ein lichtdurchlässiges, elektrisch isolierendes Harzmaterial, wie z. B. ein Silikonharz oder Epoxyharz, ist zur Wärmeaushärtung in die mittige Ausnehmung der Keramikunterlage 44 und den Hohlraum zwischen den Unterlagen 50 und 44 eingefüllt.
Fig. 4 veranschaulicht deutlich den Aufbau der Lichterzeugungsbaueinheit 40 und die Art ihrer Befestigung. Gemäß Fig. 4 weist die Lichterzeugungsbaueinheit 40 ein Infrarotlichtemissionsdiodenplättchen 60 aus GaAs und ein Paar von blockartigen Elektroden 66 und 68 aus beispielsweise Kupfer auf, die fest mit den gegenüberliegenden parallelen Oberflächen des Lichtemissionsdiodenplättchens 60 durch ein Paar von Metallschichten 62 bzw. 64 verbunden sind, die einen ohmschen Kontakt an den Verbindungsflächen sichern. Ein praktisches Verfahren .zur Herstellung dieser Lichterzeugungsdiodeneinheit 40 soll später im einzelnen beschrieben werden. Mit der Anode und der Kathode des Diodenplättchens 60 in der Lichterzeugungsdiodeneinheit 40 verbundene gedruckte leitende Verbindungsschichten 70 und 72 sind auf der Oberseite der unteren Keramikunterlage 42 unter Erstreckung bis zu Stellen vorgesehen, an denen (nicht dargestellte) den Zuführungsstiften 46 und 48 nach Fig. 3 analoge Diodenelektrodenzuführungsstifte montiert sind. Der Unterlagenoberflächenteil, auf dem die gedruckten leitenden Verbindungsschichten 70 und 72 nicht vorgesehen sind, ist mit einer Glasschicht 78 abgedeckt, während die Unterlagenoberflächenteile mit diesen gedruckten leitenden Verbindungsschichten 70 und 72 darauf mit Glasschichten 80 bzw. 82 bedeckt sind. Die Elektroden 66 und 68 der Lichterzeugungsdiodeneinheit 40 sind an der entgegengesetzten, zur Lichtabstrahloberfläche S1 parallelen Oberfläche mit den zugehörigen leitenden Verbindungsschichten 70 und 72 durch Lotschichten 74 bzw. 76 fest verbunden.
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Beim Betrieb der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnung strahlt das Lichterzeugungsdiodenplättchen 60 Licht im Ansprechen auf die Auslösung seines Lichtabstrahl-PN-Uberganges durch die Elektroden 66 und 68 aus, und das abgestrahlte Licht durcheilt eine Minimalentfernung zum Bestrahlen der Verarmungsschicht des Durchlaßspannungsblockier-PN-Ubergangsteils des gegenüber der Lichtabstrahloberfläche S1 des Diodenplättchens 60 angeordneten Photothyristors 50a. Der Photokopplungswirkungsgrad wird in diesem Fall hauptsächlich durch den Abstand zwischen dem Lichterzeugungs-PN-übergang und dem Lichtempfangs-PN-Übergang und der Montagegenauigkeit der Diode Ί0 und der Unterlage 50 bestimmt. Der Photokopplungswirkungsgrad bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnung ist hoch, da der obige Abstand bedeutend kleiner gemacht werden kann, und es läßt sich eine Montagetoleranz in der Größenordnung von 100 ,um erreichen. Daher wird der Photothyristor 50a wirksam ausgelöst, um durch den optischen Ausgang der Lichterzeugungsdiode 60 angeschaltet zu werden.
Es soll nun ein beispielsweises Verfahren zur Herstellung der in Fig. 3 und 4 dargestellten Anordnung kurz beschrieben werden.
Die Schritte der Herstellung der Lichterzeugungsbaueinheit 40 umfassen die Herstellung einer Lichterzeugungsdiodenplatte aus mit Si dotiertem GaAs nach einem Flüssigphasenwachstumsverfahren und das Schleifen der P-Schicht und der N-Schicht der Diodenplatte auf Dicken von 80 ,um bzw. 120 ,um. Dann werden ohmschen Kontakt liefernde Schichten von Au-Zn und Au und eine Legierungsschicht aus Au-Ge auf der P-Schicht der Diodenplatte durch Vakuumverdampfung abgeschieden, und in gleicher Weise werden ohmschen Kontakt liefernde Schichten aus Au-Ge-Ni und Au und eine Legierungsschicht aus Au-Ge
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auf der N-Schicht der Diodenplatte durch Vakuumverdampfung abgeschieden. Anschließend wird ein Paar von Elektroden ergebenden Platten aus Kupfer von etwa 500 »um Dicke auf die auf der P-Schicht und der N-Schicht der Diodenplatte vorgesehenen Vakuumaufdampfschichten aufgelegt und einer Legierungsbehandlung bei einer Temperatur von etwa 390 0C in einer N2-Inertgasatmosphäre unterworfen, um die Kupferelektroden fest mit den gegenüberliegenden Hauptoberflächen der GaAs-Diodenplatte zu verbinden. Die Diodenplatte wird anschließend in Plättchen zerteilt, deren jedes eine Oberfläche von etwa 1JOO /Um χ 400 .um aufweist, und die Teilungsoberflächen der Plättchen werden dann einem Schleifvorgang unterworfen. Dann wendet man auf jedes Plättchen mit den geschliffenen Oberflächen eine Xtzbehandlung zu deren Reinigung an, wodurch man eine in Fig. 1 vergrößert dargestellte Lichterzeugungsbaueinheit lO erhält. Von den geschliffenen Oberflächen S1 und S2 wird die Lichtabstrahloberfläche S1 vorzugsweise besonders fein poliert.
Die so hergestellte Lichterzeugungsbaueinheit 1JO wird auf einer unteren Keramikunterlage 12 angeordnet, wobei man dazwischen Lotschichten 71 und 76 aus Pb-Sn-Lot einfügt, wie Fig. 1 zeigt. Diese untere Keramikunterlage 12 wurde bereits mit gedruckten leitenden Verbindungsschichten 70 und 72 versehen, und deren Oberfläche wurde bereits mit Glasschichten 78, 80 und 82 gemäß Fig. 1 abgedeckt. Nach Anordnung der Lichterzeugungsbaueinheit lO auf der unteren Keramikunterlage 12 wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 320 0C in einer Np-Inertgasatmosphäre durchgeführt, um die blockartigen Kupferelektroden 66 und mit den leitenden Verbindungsschichten 70 und 72 über die Lotschichten 71 bzw.76 an der der Lichtabstrahloberfläche S1 gegenüberliegenden Oberfläche S2 fest zu verbinden.
Eine einen Photothyristor tragende Unterlage 50 aus
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Silizium wird dann mit der Oberseite nach unten gekehrt auf einer oberen Keramikunterlage 41 mittels der gesteuerten Zusammenfalle"collapse")verbindungstechnik entsprechend Fig. 3 befestigt. Ein lichtdurchlässiges, wärmehärtendes elektrisches Isolierharzmaterial, wie z. B. ein Silikonharz oder Epoxyharz, wird dann in den Hohlraum zwischen den Unterlagen 50 und M gefüllt und ausgehärtet, um eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Harzschicht 52 entsprechend Fig. 3 zu schaffen und so den gewünschten Photokoppleraufbau zu erhalten.
Es ist aufgrund der obigen Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung klar, daß die elektrische Verbindung auf der Oberfläche des Lichterzeugungsbauelements des horizontal strahlenden Typs, die parallel zur die elektrische Verbindungsschicht tragenden Oberfläche des Lichtempfangsbauelements ist, vorgenommen werden kann. Daher lassen sich der Bauelementbefestigungsvorgang und der Vorgang der elektrischen Verbindung gleichzeitig durchführen, wodurch eine sehr hohe Massenproduktionsgeschwindigkeit gesichert wird. Weiter ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die gegenüberliegenden Oberflächen des Lichterzeugungsdiodenplättchens 6o durch die blockartigen Kupferelektroden 66 und 68 geschützt sind, eine verringerte Möglichkeit von mechanischen Schäden am Plättchen 60 während der Stadien des Transports, der Montage und der Befestigung der Lichterzeugungsbaueinheit ^O, wodurch diese Vorgänge erleichtert werden und die Ausbeute erheblich gesteigert wird.
Der Photokoppler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nicht nur mit hohem Photokopplungswirkungsgrad, wie oben beschrieben, arbeiten, sondern er weist auch eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlkapazität auf, da die mit den gegenüberliegenden Seiten des Plättchens des Lichterzeugungsbauelements verbundenen blockartigen Kupfer-
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elektroden auch als Wärmeabführorgan wirken. Das hervorragende Maß der Wärmeabstrahleignung der Lichterzeugungsbaueinheit bringt die Vorteile, daß sich die Steuerleistung für das Lichterzeugungsbauelement steigern läßt, daß die brauchbare Lebensdauer des Lichterzeugungsbauelements erhöht werden kann und daß sich auch die gewünschte Verläßlichkeit sichern läßt. Es wurde praktisch bestätigt, daß Sättigung mit einem Strom von 80 mA bei der Lichterzeugungsbaueinheit auftrat, in der die Erfindung nicht angewandt wurde, während Sättigung bis zu einem Stromwert von 130 mA bei der Lichterzeugsbaueinheit gemäß der Erfindung nicht auftrat, und die Anwendung der Erfindung konnte so das Niveau der Steuerleistung erheblich steigern.
Fig. 5 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines anderen Ausführungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 5 sind gedruckte leitende Verbindungsschichten 92 und 9^ zum elektrischen Anschluß an ein Lichterzeugungsbauelement auf der Unterseite einer Keramikunterlage 90 mit einer zentralen Ausnehmung vorgesehen, und die Oberflächenteile der Keramikunterlage 90 ohne die leitenden Verbindungsschichten sowie die Oberflächenteile mit den leitenden Verbindungsschichten sind mit Glasschichten 96 und 98 abgedeckt. (Nicht dargestellte) gleichartige gedruckte leitende Verbindungsschichten zum elektrischen Anschluß an ein Lichtempfangsbauelement sind auch auf der Unterseite der Keramikunterlage 90 vorgesehen. Eine ein Lichtempfangsbauelement tragende Unterlage 100 aus Silizium weist einen in einer deren Hauptoberfläahen ausgebildeten Photothyristor 100a auf. Diese Unterlage 100 ist mit der Keramikunterlage 90 durch Lotschichten II6 und II8 in solcher gegenseitiger Zuordnung verbunden, daß die genannte Hauptoberfläche gegenüber der zentralen Ausnehmung
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der Keramikunterlage 90 angeordnet ist. Eine lichtdurchlässige, elektrisch isolierende Schicht, wie z. B. eine SiO2~schicht 106, bedeckt die Oberseite der Siliziumunterlage 100, und im Vakuum aufgedampfte leitende Verbindungsschichten 108 und 110 aus beispielsweise Au sind auf dieser Isolierschicht 106 abgeschieden, um von der Montagestelle des Lichterzeugungsbauelements zu den Lotschichten 116 und 118 zu reichen. Der Photothyristor 100a weist eine Anodenschicht 102 und eine Kathodenschicht 104 auf, die sich ebenfalls auf der Isolierschicht 106 von (nicht gezeigten) Stellen erstrecken. Die leitenden Verbindungsschichten 108 und 110, die sich auf der die Oberseite der Siliziumunterlage 100 bedeckenden Isolierschicht 106 erstrecken, sind elektrisch mit den gedruckten leitenden Verbindungsschichten 92 und 94 auf der Keramikunterlage 90 durch die Lotschichten 116 und 118 zwecks elektrischer Verbindung mit anderen auf der Keramikunterlage 90 vorgesehenen leitenden Verbindungsschichten oder Schaltungsteilen verbunden. Die Oberflächenteile der Isolierschicht 106 ohne die darauf gebildeten leitenden Verbindungsschichten und die Oberflächenteile der leitenden Verbindungsschichten 108 und 110 sind mit elektrisch isolierenden Schichten 112 und 114 aus einem Material, wie z. B. SiO2 abgedeckt. Diese Isolierschichten 112 und 114 können durch Abscheiden aus einer Dampfphase erzeugt werden, öffnungen sind in diesen Isolierschichten 112 und 114 gebildet, um einen Teil der leitenden Verbindungsschichten 108 und 110 freizulegen, und Eutektikumlegierungsschichfeen 120 und 122 sind in diesen Offnungen zur Befestigung einer Lichterzeugungsbaueinheit an der Siliziumunterlage 100 angeordnet.
Die Lichterzeugungsbaueinheit weist ein Lichterzeugungsdiodenplättchen 124 aus GaAs und ein Paar von blockartigen Elektroden 126 und 128 aus Silizium mit niedrigem Widerstand (d. h. hoher Verunreinigungskonzentration) auf* die mit den gegenüberliegenden Oberflächen des Dioden-
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plättchens 121I durch eutektische Legierungsschichten aus Au-Si fest verbunden sind. Das Verfahren zur Herstellung dieser Lichterzeugungsbaueinheit ist ähnlich dem im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene!. Beispielsweise umfassen die Schritte der Herstellung der Lichterzeugungsbaueinheit die Abscheidung von ohmschen Kontakt ergebenden und legierenden Schichten aus Au auf den gegenüberliegenden Oberflächen einer Diodenplatte, das Auflegen von Elektroden bildenden Siliziumplatten auf die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Diodenplatte abgeschiedenen, ohmschen Kontakt ergebenden und legierenden Schichten, die Anwendung diner Legierungsbehandlung der eutektischen Legierung von Au-Si bei einer Temperatur von etwa 38O 0C in einer Inertgasatmosphäre und dann die Aufteilung des Plattenlaminats in einzelne Plättchen. In der so erhaltenen Lichterzeugungsbaueinheit sind die blockartigen Elektroden 126 und 128 mit den leitenden Verbindungsschichten 108 und 110 durch die ternär-eutektischen Legierungsschichten 120 und 122 aus Au-Ge-Si mechanisch und elektrisch fest verbunden. Eine solche elektrische Verbindung kann vorgesehen werden, indem man vorab eine Schicht aus Au-Ge auf den mit den blockartigen Siliziumelektroden 126 und 128 elektrisch zu verbindenden Teilen der leitenden Verbindungsschichten 108 und 110 abscheidet und eine Erhitzung zum Schmelzen der Schicht aus Au-Ge zwecks Verbindung der blockartigen Siliziumelektroden und 128 mit den leitenden Verbindungsschichten 108 bzw. 110 vornimmt. Die ternäre Eutektikumslegierung aus Au-Ge-Si wird vorzugsweise zur festen Verbindung der Lichterzeugungsbaueinheit mit der das Lichtempfangsbauelement tragenden Siliziumunterlage 100 verwendet, da die blockartigen Siliziumelektroden 126 und 128 mit dem Diodenplättchen durch die binäre eutektische Au-Si-Legierung verbunden sind« Daher kann die Verwendung der ternären eutektischen
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Au-Ge-Si-Legierung rait einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der binären eutektischen Au-Si-Legierung eine unerwünschte Trennung der die Lichterzeugungsbaueinheit bildenden Teile verhindern.
Der Photokoppler nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 5 weist ähnliche Vorteile und Merkmale wie die des ersten, anhand der Fig. 3 und Ί beschriebenen Ausführungsbeispiels auf. Außerdem hat er einen solchen Vorteil, daß der Abstand zwischen der Lichterzeugungsbaueinheit und der das Lichtempfangsbauelement tragenden Unterlage weiter verringert und die Lage der Lichterzeugungsbaueinheit mit hoher Genauigkeit zwecks Erreichens einer weiteren Verbesserung des Photokopplungswirkungsgrades bestimmt werden können, da sich dieser geringe Abstand ohne Berücksichtigung der Genauigkeit der Zerteilung der Platte zum Erhalten der Lichterzeugungsbaueinheit bestimmen läßt. Beim ersten und beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Lichterzeugungsbaueinheit durch Aufteilen eines Plattenlaminats zu Plättchen erhalten. Dieser Aufteilungsvorgang kann im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels mit den Siliziumelektroden leichter als im Fall des ersten Ausführungsbeispiels mit den Kupferelektroden durchgeführt werden.
Fig. 6 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teils noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des Photokopplers gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 6 sind drei Photothyristoren 130a, 130b und 130c in einer Reihenanordnung in einer der Hauptoberflächen einer Lichtempfangsbauelement-Trägerunterlage 130 aus Silizium ausgebildet, und diese Hauptoberfläche der Unterlage ist mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch isolierenden Schicht 132 aus einem Material, wie z. B. SiO2 bedeckt. Eine
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Lichterzeugungsbaueinheit ist auf einer Hauptoberfläche einer Keramikunterlage 134 befestigt. Gedruckte leitende Verbindungsschichten 136, 138, 140 und 142 sind auf dieser Hauptoberfläche der Keramikunterlage 131J vorgesehen, und die Oberflächenteile dieser leitenden Verbindungsschichten sowie die Oberflächenteile der Keramikunterlage 134 ohne darauf ausgebildete leitende Verbindungsschichten sind mit einer Glasschicht 146 bedeckt. Die das Lichtempfangsbauelement tragende Siliziumunterlage 130 und die Keramikunterlage sind in einem vorbestimmten, sehr kleinen Abstand einander gegenüber angeordnet, der durch (nicht dargestellte) Befestigungsmittel erreicht wird.
Man erhält die Lichterzeugungsbaueinheit durch abwechselndes Schichten dreier Lichterzeugungsdiodenplatten aus GaAs mit Polaritäten P-N bzw. N-P bzw. P-N zusammen mit Elektroden ergebenden Kupferplatten, Verbinden der Kupferelektroden mit den Diodenplatten durch Legierungsbehandlung zum Erhalten eines Plattenlaminats und anschließendes Aufteilen dieses Plattenlaminats zu Plättchen. So ist die Lichterzeugungsbaueinheit von einem Reihenaufbau, in dem Diodenplättchen 156, 158 und I60 aus GaAs zwischen vier blockartigen Kupferelektroden 162, 164, I66 und I68 entsprechend Fig. 6 eingefügt sind. Diese blockartigen Elektroden 162 bis 168 sind durch Lotschichten 148, 150, 152 und 154 mit den entsprechenden leitenden Verbindungsschichten 136, 138, l40 und 142, wie dargestellt, fest verbunden. Beim Verbinden der blockartigen Elektroden 162 bis I68 mit den entsprechenden leitenden Verbindungsschichten 136 bis 142 ist es wesentlich, daß der jeweilige Lichterzeugungs-PN-übergang der Lichterzeugungsdiodenplättchen 156, 158 und richtig zu den zugehörigen Photothyristoren 130a, 130b und 130c ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung läßt sich erfindungsgemäß leicht erreichen. In Fig. 6 sind die leitenden Verbindungsschichten 136 und 140 mit der Kathode der Dioden-
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plättchen 156, 158 und l6o verbunden, während die leitenden Verbindungsschichten 138 und 1^2 mit der Anode dieser Diodenplättchen verbunden sind. Mit anderen Worten sind die drei Lichterzeugungsdioden in der Lichterzeugungsbaueinheit zum Arbeiten parallel miteinander angeordnet, obwohl sie aufbaumäßig in einer Reihe angeordnet sind.
Der Aufbau des in Fig. 6 dargestellten Photokopplers hat gleichartige Vorteile und Merkmale wie die im Zusammenhang mit Fig. 3 und k beschriebenen. Dieser Aufbau ist besonders brauchbar, wenn eine Verbesserung im Integrationsgrad erwünscht ist.
Nachdem bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beispielsweise beschrieben wurden, ist es offenbar, daß die Erfindung auf die bestimmten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Varianten ohne Verlassen des Bereichs der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise können anstelle von Kupfer und Silizium, die in den Ausführungsbeispielen als Material zur Bildung der blockartigen Elektroden angegeben sind, irgendwelche anderen geeigneten Materialien verwendet werden, die Metalle, wie z. B. Al, Ag und Mo, und Halbleiter niedrigen Widerstandes, wie z. B. Ge und GaAs umfassen. Der zur Herstellung des Lichterzeugungsbauelements verwendete Halbleiter und das zur Herstellung der blockartigen Elektroden verwendete Material sind vorzugsweise untereinander gleich, um die Wärmebeanspruchung möglichst gering zu halten, die aufgrund des Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien der Elektroden und des Lichterzeugungsbauelements auftreten würde. Diese Geringhaltung der Wärmebeanspruchung ist zur Verbesserung der Beständigkeit der Lichterzeugungsbaueinheit gegenüber Wärme vorteilhaft. Weiter ist es, obowhl eine Lichterzeugungsdiode aus GaAs und ein Photothyristor als Lichterzeugungsbauelement
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bzw. Lichtempfangsbauelement angegeben wurden, klar, daß auch irgendwelche anderen geeigneten Lichterzeugungsbauelemente und Lichtempfangsbauelemente anstelle der genannten verwende t werden können.
Aus der ausführlichen Beschreibung des Photokopplers gemäß der Erfindung ersieht man, daß eine der Seitenflächen der mit den gegenüberliegenden Seiten eines Lichterzeugungsdiodenplättchens des horizontal strahlenden Typs verbundenen blockartigen Elektroden zur Vornahme der Befestigung des Lichterzeugungsbauelements und gleichzeitig zur Verbindung desselben zwecks elektrischen Anschlusses ausgenutzt wird. Daher lassen sich der gewünschte Anstieg des Photokopplungswirkungsgrades und die gewünschte Verbesserung der Massenproduzierbarkeit beide befriedigend erreichen, so daß man einen Photokoppler mit einem sehr guten Betriebsverhalten erhält, der zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
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Claims (10)

■/■ Patentansprüche
1.)Optoelektronisch gekoppelte Halbleiteranordnung mit einem Lichterzeugungshalbleiterbauelement, einem Lichtempfangshalbleiterbauelement, einem Träger der beiden Halbleiterbauelemente und Anschlußleiterbahnen auf dem Träger in Verbindung mit den Elektroden der Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (z. B. 42, 44) ein Paar parallel verlaufender Oberflächen zum Tragen der Halbleiterbauelemente (z. B. 40, 50) und einen zwischen den parallelen Oberflächen erstreckten optischen Pfad zum optoelektronischen Koppeln der beiden Halbleiterbauelemente (z. B. 40, 50) miteinander aufweist und daß jedes der Halbleiterbauelemente (z. B. 40) mit wenigstens zwei starren Elektroden (z. B. 66, 68) mit zu den parallelen Oberflächen des Trägers parallelen Oberflächen versehen ist, welche Elektroden (z. B. 66, 68) elektrisch und mechanisch an einer ihrer parallelen Oberflächen durch Lot (z. B. 74, 76) mit leitenden .Verbindungsschichten (z. B. 70, 72) verbunden sind, die an bestimmten Stellen einer der parallelen Oberflächen des Trägers (z. B. 42, 44) freiliegen.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichterzeugungshalbleiterbauelement eine Lichterzeugungsbaueinheit (z. B. 40) mit wenigstens einem Plättchen (60; 124) des horizontal strahlenden Typs und einem Paar von blockartigen, auf den gegenüberliegenden, Elektrodenträger-Oberflächen des Plättchens (60; 124) montierten Elektroden (66, 68; 126, 128) darstellt.
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ORIGINAL INSPECTED
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangshalbleiterbauelement eine Halbleiterunterlage (100) mit wenigstens einem darin ausgebildeten Lichtempfangsbauelement (100a) darstellt und der Träger eine auf der Halbleiterunterlage (100) vorgesehene elektrische Isolierschicht (106) und eine keramische Unterlage (90) mit einer mittigen Ausnehmung zur Aufnahme der Lichterzeugungsbaueinheit (124, 126, 128) aufweist, daß die Lichterzeugungsbaueinheit elektrisch und mechanisch an einer ihrer parallelen Oberflächen durch Lot (120, 122) mit den an bestimmten Stellen der elektrischen Isolierschicht (106) auf den Lichtempfangsbauelement -Tragoberflächen der Halbleiterunterlage (100) freiliegenden leitenden Verbindungsschichten (108, 110) zum Erreichen der optoelektronischen Kopplung zwischen dem Lichtempfangsbauelement (100a) und dem Lichterzeugungsbauelement verbunden ist und daß die starren Elektroden (102, 104) des Lichtempfangshalbleiterbauelements (100a) elektrisch und mechanisch durch Lot mit den an bestimmten Stellen der keramischen Unterlage (90) freiliegenden leitenden Verbindungsschichten verbunden sind.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtempfangshalbleiterbauelement eine Halbleiterunterlage (50) mit wenigstens einem darin ausgebildeten Lichtempfangsbauelement (50a) darstellt und der Träger eine durch Ubereinanderschichten und gegenseitiges Befestigen einer ersten keramischen Unterlage (44) mit wenigstens einer mittigen Ausnehmung zur Aufnahme der Lichterzeugungsbaueinheit (40) und einer zweiten keramischen Unterlage (42) mit an bestimmten Stellen ihrer Oberfläche freiliegenden leitenden Verbindungsschichten (70, 72) erhaltene Keramikbasis aufweist, wobei die Lichterzeugungs baueinheit (40) auf der Keramikbasis (42, 44) montiert ist und die Halbleiterunterlage (50) an der Keramikbasis
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(42, 44) zum Empfang des von der Lichterzeugungsbaueinheit (40) abgestrahlten Lichts befestigt ist.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung mit einem lichtdurchlässigen, elektrisch isolierenden Harz (52) gefüllt ist.
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die blockartigen Elektroden (126, 128) aus einem halbleitenden Material bestehen, das dem Material des Plättchens (124) gleichartig ist.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die blockartigen Elektroden (66, 68) aus einem leitenden Material bestehen.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das lichtdurchlässige Isolierharz (52) ein Epoxyharz ist.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (ζ. Β. 4θ, 50) elektrisch und mechanisch mit den leitenden Verbindungsschichten
(z. B. 70, 72) auf den parallelen Oberflächen des Trägers (z. B. 42, 44) mit einer Montagetoleranz von weniger als 100 /Um verbunden sind.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichterzeugungshalbleiterbauelement eine Lichterzeugungsbaueinheit mit einer Mehrzahl von Lichterzeugungsbauelementplättchen (156, 158, 160) des horizontal strahlenden Typs darstellt, die abwechselnd mitblockartigen Elektroden (162, 164, 166, 168) in einem P-N/N-P/P-N-Polaritätsmuster geschichtet sind, und daß das Licht-
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empfangshalbleiterbauelement eine Halbleiterunterlage (130) mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten, den Plättchen (156, 158, 160) entsprechenden Lichtempfangsbauelementen (130a; 130b, 130c) aufweist.
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Ältere in Betracht gezogene Patente: DE-PS 26 01 956 *
�ltere in Betracht gezogene Patente: DE-PS 26 01 956 *

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