DE2744167C2

DE2744167C2 - Optoelektronisches Koppelelement

Info

Publication number: DE2744167C2
Application number: DE2744167A
Authority: DE
Inventors: Yasutoshi Katuta Ibaraki Kurihara; Tadahiko Hitachi Ibaraki Miyoshi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1984-05-10
Also published as: NL177956B; DE2744167A1; US4143385A; NL7710763A; NL177956C

Description

fläche abgestrahlten Lichts möglichst vollständig aus/iidic Elektroden (27. 28; 41. 42) der Leuchtdiode 20 nutzen, muß die Lichtempfangsfläche eine der Hauptflä-(26) in Richtung senkrecht /um pn-Übergang (J) ehe der Leuchtdiode entsprechende Größe haben. Daraus folgt, daß der Gesanu-Plai/.bedarf in der Ebene des Substrats verhältnismäßig groß ist.

Aus der französischen Patentschrift 14 13 301 ist fer- >5 ncr ein optoelektronisches Koppelelement bekannt, bei dem die Leuchtdiode relativ zu dem photoempfindlichen Halbleiterelement so angeordnet ist. daß das an der Seitenfläche in Richtung des pn-Übergangs der Leuchtdiode austretende Licht auf die Lichiempfangsfläche fällt. Dieses Licht ist im Vergleich zu dem an der Haupifläche der Leuchtdiode austretenden, teilweise absorbierten Licht intensiver und besser gebündelt. Daher läßt sich die Lichtempfangsfläche kleiner machen und somit die Integrationsdichte erhöhen.

Wegen der feineren Bündelung des an der Seitenfläche der Leuchtdiode austretenden Lichts besteht jedoch bei dieser Anordnung das Problem, daß die Leuchtdiode derart gegenüber dem photoempfir>dlichen Halbleiterelement montiert werden muü. daß das fein gebündelte

eine beträchtliche Dicke aufweisen und mit ihren in Richtung senkrecht zum pn-übergang verlaufenden Stirnflächen (27a. 276. 28a. 2Sb)M den zugehörigen Zuleitungen (13, 14; 65 ... 67) angelötet sind,

dadurch gekennzeichnet.

— daß die Lötungen aus insgesamt mindestens drei einzelnen, eine Ebene definierenden Lötabschnitun (29... 3\) bestehen.

2. Koppelelement nach Ansp uch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Elektroden (27 28) mit Ausnahme von deren Stirnflächen (27a. 27b. 28a, 2&b) mit einem das Lötmaterial abweisenden Film (351,352) überzogen sind (F i g. 12).

3. Koppelclement nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (27, 28) 40 Licht tatsächlich die verhältnismäßig kleine Lichtemp-U-förmig sind (F i g. 3). fangsfläche erreicht. Abgesehen von dem zur Erzielung

bis eines hohen Kopplungsfaktors grundsätzlich erwünsch-

4. Koppelelement nach einem der Ansprüche

3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden (27, 28; 41, 42) und der Leuchtdiode (26) Schichten eingefügt sind, die das Eindringen von Elektrodenmaterial in die Leuchtdiode (26) verhindern.

5. Koppelelement nach einem der Ansprüche I bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Zuleitungen (13,14) angelöteten Stirnflächen der Elektroden (27, 28) über die Stirnfläche der Leuchtdiode (26) hinausragen (F i g. 4).

6. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (41, 42) aus Halbleitermaterial bestehen (F i g. 5,6,8,11).

7. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zuleitungen (13,14; 65... 67) zugewandte Stirnfläche der Leuchtdiode (26) und der Elektroden (41, 42) mit einer Isolierschicht (45) überzogen ist. die mit Öffnungen für die Lötabschniitc (29 ... 31) versehen ist (Fig. 5.b,8.11).

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Kop pelclcmcnt der im Oberbegriff des Patentanspruchs I ten geringen Abstandes zwischen der Lichtaustrittsflnche der Leuchtdiode und der Lichtempfangsfläche des photoempfindlichen Halbleiterelements kommt es bei dieser Anordnung insbesondere darauf an. daß der pn-Übergang der Leuchtdiode möglichst genau senkrecht zur Lichtempfangsiläche steht. Über die Art der Befestigung der Leuchtdiode relativ zu dem photoempfindlichen Halbleiterelement finden sich indessen in der französischen Patentschrift 14 13 301 keine Angaben.

Gegenstand des prioritätsälteren deutschen Patents 27 21 250 ist ferner ein optoelektronisches Koppelelement der eingangs genannten Gattung, bei dem der pn-

Übergang der Leuchtdiode senkrecht zur Lichtempfangsfläche des photoempfindlichen Halbleiterelements verläuft und die Leuchtdiode mit blockartigen Elektroden versehen ist, die mit ihren verhältnismäßig großen Seitenflächen über jeweils eine Lotmasse gegenüber

no dem phoiöempfindliehen Halbleiterelement fixiert sind. Bei der Herstellung von Lötverbindungen wird ciiu· vorgegebene l.otnienge jeweils auf die entsprechende Stelle einer der beiden zu verbindenden Flächen gegeben. Wegen der Oberflächenspannung bildet jede ein

h'i /eine l.otnienge ihre freie Oberfläche im wesentlichen halbkugelförmig aus, so daß beim Zusammenführen der /u verbindenden Teile zunächst nur eine I'unktberührung an den Kuppeln der einzelnen Lotmassen staitfin-

let Bei der Gestaltung nach dem genannten prioritäts-Iteren Patent ist es möglich, daß die an den Seitenflä- :he der beiden Elektroden der Leuchtdiode vorgeseheien Lotmengen beim weiteren Zusammenführen der zu '<:rbindender: Teile in einer Richtung etwas ausweichen, ο daß im erstarrten Zustand des Lots die Leuchtdiode gegenüber dem photoempfindlichen Halbleiterelement ichief steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein opto- ^ektronisches Koppelelement der eingangs bezeichne- :en Gattung derart weiterzubilden, daß zur Erzielung iiner guten optischen Kopplung eine exakte Ausrich- :ung zwischen der Leuchtdiode und dem photoempfindichen Halbleiterelement .gewährleistet ist

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angsgegeben.

Die Tatsache, daß mindestens drei einzelne, eine Ebene definierende Lötabschnitte vorgesehen sind, gewährleistet eine genaue Ausrichtung der Leuchtdiode relativ zu dem photoempfindlichen Halbleiterelement, da sich die einzelnen Lotmengen in der Praxis leicht mit genügender Genauigkeit einhalten lassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform eines optoelektronischen Koppelelements,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung der Leuchtdiode und ihrer Befestigung in dem Koppelelement nach Fig. 1,

Fig.3 einen Schnitt längs der Linie 111-111 nach F ig-2,

Fig.4 einen der Fig.2 ähnlichen Vertikalschnitt durch eine Variante der Leuchtdiode.

Fig.5 einen wiederum ähnlichen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Leuchtdiode,

Fig.6 einen Schnitt längs der Linie Vl-Vl nach F i g. 5,

F i g. 7 und 8 der F i g. 1 ähnliche Vertikalschnitte durch weitere Ausführungsformen von optoelektronischen Koppelelementen,

F i g. 9(a) bis (f) Darstellungen aufeinanderfolgender Schritte bei der Herstellung des Koppelelementes nach F i g. 7.

Fig. 10(a) bis (g) Darstellungen der aufeinanderfolgenden Schritte bei der Herstellung des Koppelements nach F i g. 5 und 6.

F i g. 11 einen Vertik«*!schnitt durch eine weitere Ausführurrgsform eines optoelektronischen Koppelelements, urd

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer Leuchtdiode ähnlich der nach F i g. 1 bis 3, gesehen von der Befestigungsiläche aus.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau sind an den Außenflächen von isolierenden Substraten 11 und 12 elektrische Verbindungsleitungen 13 bis 16 — etwa durch selektives Aufdampfen — angebracht. Ein photoempfindliches Halbleiterelement 18 mit einer Lichtempfangsfläche 17 ist auf dem isolierenden Substrat 12 angebracht. Elektroden 19 und 20 des photoempfindlichen Halbleiterelemenis 18 sind elektrisch und mechanisch mit den eine Gruppe bildenden elektrischen Verbindungen 15 und 16 iibir ein bei 21 und 22 gezeigtes Lötmaterial, wie etwa ein gewähnliches Lot, verbunden. Auf den elektrischen Verbindj-gen 15 und 16 sind Glasdämme 23 und 24 vorgesehen, welche dazu dienen, die Kontaktierungsstellen der Lotabschnitte 21 und 22 einzustellen und zu verhindern, daß diese in andere Bereiche auslaufen. Das isolierende Substrat 12 weist ein Loch 12a auf, und eine Leuchtdiode 26 ist in einer Ausnehmung 25 aufgenommen, welche durch die beiden isolierenden Substrate 11 und 12 definiert ist Elektroden 27 und 28 sind auf den Hauptflächen der Leuchtdiode 26 an deren beiden Seiten vorgesehen. Die Elektroden 27 und 28 sind mit den die andere Gruppe bildenden elektrischen

ίο Verbindungen i3 und 14 auf dem isolierenden Substrat 11 elektrisch und mechanisch unter Verwendung eines Lötmaterials, wie etwa eines gewöhnlichen Weichlots, an jeweils zwei Stellen (Stellen 29 bis 31 sind angegeben) verbunden. 32 und 33 bezeichnen Glasdämme, welehe die gleiche Funktion haben wie die Glasdämme 23 und 24. Die Leuchtdiode 26 weist einen pn-übergang J auf, dessen freiliegende Oberfläche senkrecht zur Lichtempfangsfläche 17 des photoempfindlichen Halbleiterelements 18 liegt so daß beide Elemente 13 und 26 ein optoelektronisches Koppelelement des Seitenflächen-Hcht-Typs bilden. Die Elektroden 27 jnd 28 haben die Form eines umgekehrten U, und die En.-icn der elektrischen Verbindungen 13 und 14 sind entsprechend den Endprofilen der Elektroden 27 und 28 bzw. den vorgegebenen Mustern unterteilt.

Bei d'iser Ausführungsform ist die Leuchtdiode 26 an den vier Ecken eines Vierecks, d. h. an vier Punkten, die in einer Ebene aber nicht auf einer geraden Linie liegen, unter Verwendung des Lötmaterials bei 29 bis 31 (ein weiterer Punkt ist nicht gezeigt) auf iiem isolierenden Substrat 11 befestigt

Dementsprechend wird eine hochexakte Parallelität zwischen der lichtemittierenden Fläche der Leuchtdiode 26 und der Lichiempfängerfläche des photoempfindlichen Halbleiierelements 18 erreicht, und beide Elemente 18 und 26 lassen sich dank der Selbstausrichtwirkung der Lötabschnitte 21,22 und 29 bis 31 an vorgegebenen Stellen der isolierenden Substrate 11 und 12 befestigen. Daneben kann, weil es sich um ein optoekktronisches Koppelelement des Seitenflächenlicht-Typs handelt. Licht hoher Helligkeit genau auf die Lichtempfar.gsfläche zum Einfall gebracht und damit eine Verbesserung der optischen Koppelausbeute erreicht werden. Da ferner die Lichteinstrahlung auf nur die Lichtempfangsfläche 17 des photoempfindlichen Halbleiterelements 18 begrenzt werden kann, läßt sich diese im photoempfindlichen Halbleiterelement klein machen und damit das Integrationsausmaß erhöhen. Eine Funktionsstörung durch Streulicht kann kaum auftreten, was zu einer hohen Zuverlässigkeit des optoelektronischen Koppelelements fnhrt.

Wenn gewöhnliches Weichlot als das Lötmaterial 21, 22 und 29 bis 31 verwendet wird und die Elemente mit rler ivontaktierungsfläche nach unten kontaktiert werden, ist die Möglichkeit einer Massenproduktion mit hoher Stückzahl gewährleistet, und ebenso ist die Zuverlässigkeit hoch, da Leitungsunterbrechungen und ähnliche Schwierigkeiten nicht auftreten. Da beide Elemente 18 und 26 ohne Behinderung durch Elektroden eng aneinander gebracht werden können, ist die optische Koppelbeute hoch,

Mit größer werdender Zahl der Befestisutigspunkte wird die Parallelität zwischen den beiden Elementen 18 und 26 besser. Bei größerem Oberflächenbereich des Lötmaterials wird r"er Selbstausrichtungseffekt des Lötmaterials infolge der Oberflächenspannung stärker. In einem Bereichsrahmen, der keine nachteiligen Auswirkungen auf die Akkordausbeute hat, ist daher eine Erhö-

hung der Anzahl der Befestigungspunkte mil dem Lötmaterial wünschenswert.

Um die oben beschriebenen vorteilhaften Ergebnisse zu erzielen, muß wenigstens eines der beiden Elemente 18 und 26 an wenigstens drei Punkten befestigt sein, die in einer Ebene, aber nicht auf einer geraden Linie liegen. Fig.4 zeigt eine Abwandlung des Anbringungsabschnitts der Leuchtdiode. Bei dieser Ausführungsform üegt die untere Stirnfläche der Leuchtdiode 26 höher als die unteren Stirnflächen der Elektroden 27 und 28. Auf diese Weise breiten sich beim Aufschmelzen und Befestigen auf dem Lötmaterial bei 29 und 30 die Lötabschnitte 29 und 30 nicht zum unteren Ende der Leuchtdiode 26 aus und es besteht keine Gefahr, daß das Lötmaterial den pn-Übergang /kurzschließt und dabei die elektrischen Eigenschaften der Leuchtdiode 26 beeinträchtigt.

in Fig.4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den F i g. 1 bis 3 gleiche oder äquivalente Komponenten. Da die Elektroden 27 und 28 der Leuchtdiode 26 Jikker sind, ist die Wärmeabstrahlung der Leuchtdiode 26 besser und damit seine Lebensdauer langer. Vom Standpunkt der Wärmeabstrahlung stellen Ag, Cu, Au etc. ausgezeichnete Metalle für die Elektroden 27 und 28 dar. Insbesondere sind Ag und Cu billig und haben den Vorteil, daß billiges und sehr zuverlässiges Pb-Sn-Lot als Lötmaterial verwendet werden kann. Bei Verwendung von Cu für die Elektroden 27 und 28 können Sperrschichten aus Nickel oder dergleichen, die den Durchgang von Kupfer abblocken, zwischen den Cu-Elektrodcn und dem lichtemittierenden Halbleiterelement 26 angeordnet sein, da die Lichtausbcute durch die Diffusion von Cu in das lichtemittierende Halbleiterelement 26 abnimmt.

Eine Dicke der Elektroden 27 und 28 von ungefähr ίΟΟμίη oder mehr ist wünschenswert. Wenn die Elektroden zu dünn sind, wird ihre Kontaktfläche mit den Lötabschnitten 29 bis 31 klein, so daß eine bestimmte Kontaktierfestigkeit der Leuchtdiode nicht sichergestellt werden kann. Wenn sie zu dick sind, wird die Unterteilung ihrer unteren Enden in mehrere Teile schwierig und die Genauigkeit des Endprofils geringer. Unter diesem Gesichtspunkt ist daher eine Diode von höchstens ungefähr 300 μΐη wünschenswert.

Als ein Weg zur Schaffung der Leuchtdiode 26 mit den Elektroden 27 und 28 wurde einerseits ein Verfahren ersonnen, bei welchem eine Metallplatte mit einem Lötmateria!, wie Au-Ge und Au-Si. kontaktiert wird. Zum anderen wurde ein Verfahren ersonnen, bei welchem eine Metallschicht aus Au oder dergleichen auf der Leuchtdiode niedergeschlagen und darauf eine dikke Metallschicht galvanisch abgeschieden wird.

Vom Standpunkt der Herstellbarkeit in Massenfertigung ist es wünschenswert. Metallschichten auf einer GaAs-Einkristallscheibe auszubilden und dann die sich ergebende Struktur in einzelne Leuchtdioden zu zerschneiden. Es ist jedoch extrem schwierig, die dicken Metallschichten und die GaAs-Einkristallscheibe gleichzeitig und mit hoher Genauigkeit zu schneiden. Daher können vorher zu einem bestimmten Muster verarbeitete Metallplatten kontaktiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Metallplatten nach dem Kontaktieren in das bestimmte Muster gebracht werden, indem ihre wegzuschneidenden Teile mit Hilfe der Photoätztechnik entfernt werden. Vertraut man auf die galvanische Abscheidung, kann die selektive Abscheidung herangezogen werden. In Fallen, wo die Oberflächenträgerkonzentration der GaAs-F.inkristallscheibe vorher hoch gemacht worden ist, ist es möglich, die Oberflächen der GaAs-Scheibe direkt mit Au oder Ag galvanisch zu beschichten. Mit den Metallen Ag und Cu läßt sich das selektive galvanische Beschichten leicht durchführen.

Die F i g. 5 und 6 zeigen ein Beispiel, bei welchem anstelle des Metalls ein Halbleiter für die Elektroden der in den F i g. I bis 4 dargestellten Leuchtdiode verwendet wird. In beiden Figuren stellen gleiche Be/.ugszeichen wie in den F i g. I bis 3 die gleichen oder äquivalente Komponenten dar. 41 und 42 bezeichnen in den Fig.5 und 6 Elektroden aus niedcrohmigem Silizium, die mit den beiden Hauptflächen der Leuchtdiode 26 durch Lötmaterialabschnitte 43 bzw. 44 kontaktiert sind. Ein SiO₂-FiIm 45 als Isolationsschicht ist auf der Unterseite der Leuchtdiode 26 und der beiden Si-Elektroden 41 und 42 vorgesehen, d. h. auf der Fläche, auf der die Leuchtdiode 26 einschließlich der Elektroden 4! up.d 42 durch die Lötmaterialabschnitte 29 bis 31 befestigt werden soll. Der SiO2-Film ist mit öffnungen versehen, durch welche hindurch Metallfilme 46, 47 und 48 in ohmschem Kontakt mit den Si-Elektroden 41 und 42 gehalten werden. Die Metallfilme 46 bis 48 sind mit den elektrischen Verbindungen 13 und 14 über die Lötmaterialabschniltc 29 bis 31 verbunden.

Der SiO2-Film 45 verhindert, daß beim Kontaktieren und Belangen der Leuchtdiode 26 auf dem isolierenden Substrat 11 das Lötmaterial 29 bis 31 seitlich auf die Si-Elektroden 41 bis 42 ausfließt. Bei einem solchen jo Elektrodcnaufbau. unter Verweildung von gewöhnlichem Lötmaterial 29 bis 31 und unter Anwendung einer Kontaktierung mit nach unten gekehrter Kontakiicrfläche sind die Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens und der Kontaktierfestigkeit hoch. Die Metallschichten 46 bis 48 können dünn sein, und ihre Lagen und Formen lassen sich mit hoher Genauigkeit steuern. Deshalb ist die Ausrichtgenauigkeit in bezug auf die elektrischen Verbindungen 13 bis 14 bei dieser Ausführungsform höher als bei den in den F i g. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen.

Als das Lötmaterial 29 bis 31 ist Pb-Sn-Lot äußerst günstig, weil es billig und sehr zuverlässig ist und der Schmelzpunkt nicht sehr hoch, nämlich unter ungefähr 330⁰C liegt.

Wenn ein Material mit hohem Schmelzpunkt als Lötmaterial 29 bis 31 verwendet wird, verflüchtigen sich beim Kontaktieren wegen der Aufwärmung Gruppe-V-Elemente von den Oberflächen der Leuchtdiode 26, wodurch sich die Lichtausbeute bei ihm vermindert. Dieser so Einfluß macht sich oberhalb einer Temperatur von 450⁰C deutlich bemerkbar. Es ist daher wünschenswert, als Lötmaterial 29 bis 31 ein Material zu verwenden, das einen Schmelzpunkt von 450° C oder weniger hat.

Die Fig.7 und 8 zeigen Anordnungen, bei welchen optoelektronische Koppelelemente verwendet sind. In beiden Figuren bezeichnen gleiche Symbole wie in den F i g. 1 bis 6 die gleichen oder äquivalente Komponenten.

Gemäß F i g. 7 weist das photoempfindliche Halbleiterelement 18 Lichtempfangsflächen 17a und Ub längs eines pn-Übergangs der Leuchtdiode 26 auf. Von der

Leuchtdiode 26 emittiertes Licht wird durch einen Leichtleiter 51 aus transparentem Kunstharz mit hohem Wirkungsgrad zu den Lichtempfangsflächen Ua und

h5 176 des photoempfindlichen Halblcitcrclements gelci-ICL

Das dargestellte Beispiel ist so eingerichtet, daß die Lichtempfangsflächen 17;j und Ub durch die lichieiniv

sion der Leuchtdiode gleichzeitig in Funktion gebracht werden.

Gemäß Fig. 8 bezeichnen die Symbole 26a und 26b Leuchtdioden. 61 eis 63 bezeichnen aus Silizium hergestellte Elektroden auf den Leuchtdioden 26;i und 26b. Das photoempfindliche Halbleiterelement 18 mit Lichtempfangsflächen 17a und 17b ist über die Elektroden 19 und X/ 3owie über die Lötabschnitte 21 und 22 mit den auf dem Substrat 12 befindlichen elektrischen Verbindungen 15 und 16 elektrisch und mechanisch verbunden. Ein zur Lichtübertragung eingerichteter isolierender SiO:-Film 64 ist auf der Unterseite des photoempfindlichen Halbleiterelements 18 vorgesehen, und ebenso sind elektrische Verbindungen 65 bis 67 in einer Weise vorgesehen, daß sie von den Lichtempfangsflächen 17a und 176 ferngehalten sind.

Der geschichtete und kontaktierte Körper, bestehend aus den Leuchtdioden 26a, 26b und den Si-Elektroden Si bis S3, ist über sui den Elektroden 61 bis 63 befindliche Elektroden 46 bis 48 sowie die Lötabschnitte 29 bis 31 elektrisch und mechanisch mit den elektrischen Verbindungen 65 bis 67 verbunden.

Bei dieser Ausführungsform wird die Elektrode 62 gemeinsam benutzt, und durch Aufgabe eines Signals auf die Elektrode 61 oder 63 können die Lichtempfangsflächen 17a und 17b gleichzeitig oder unabhängig zur Wirkung gebracht werden. Da die Leuchtdioden 26a und 26b direkt auf dem photoempfindlichen Halbleiterelement 18 befestigt sind, ist die Ausrichtgenauigkeit zwischen beiden Arten von Elementen noch höher als bei .«;n zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Natürlich sind bei den beiden Ausführungsformen der F i g. 7 und 8 die Lötmaterialabschnitte an drei oder mehr Steilen vorgesehen, die in einer gemeinsamen Ebene und nicht auf einer geraden Linie liegen.

Anhand der F i g. 9(a) bis 9(f) wird ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für die in Fig.7 gezeigte Anordnungerläutert.

Wie in Fig.9(a) gezeigt, wurden eine Si-dotierte n-GaAs-Schicht und nachfolgend eine Si-dotierte p-GaAs-Schicht nach herkömmlichen Verfahren auf einem n-GaAs-Substrat gezogen, wobei sich ein Substrat 26 mit einem pn-übergang / ergab. Durch Läppen des Substrats wurde die Dicke der ganzen Scheibe auf 200 μπι gebracht. Danach wurde, wie in Fig.9(b) gezeigt, eine Schicht 43 aus einer Au-Ge-Ni-Legierung und Gold auf die η-Seite des Substrats 71 aufgedampft, während eine Schicht 44 aus einer Au-Zn-Legierung und Gold auf die p-Seite aufgedampft wurde. Danach wurde, wie in Fig.9(c) gezeigt. Ag in einer Dicke von 150 μπι durch selektive galvanische Abscheidung unter Verwendung von Photoresist-Filmen als Maske abgeschieden, wobei sich eine Struktur ergab, bei welcher Ag-Schichten 27, 27', 27"und 28, 28', 28" mit bestimmten Stellen der Scheibe verbunden waren. Nach Erwärmen der entstandenen Scheibe unter H2 bei 350⁰C wurde sie mit einem Diamantschneider auf eine Größe von 0.4 ■ 0,4 mm² geschnitten und die Schnittflächen geläppt. Damit ergab sich eine Leuchtdiode des in F i g. 9(d) gezeigten Aufbaus. Diese Leuchtdiode entspricht der in F i g. 7 gezeigten Leuchtdiode 26. F i g. 9(e) ist eine Seitenansicht der in F i g. 9(d) gezeigten Leuchtdiode.

Außerdem wurden keramische Mehrschichtenverbindungssubstrate It und 12, hergestellt, die in einem Teil ihrerselbst eine Ausnehmung definierten, wie sie in F i g. 7 dargestellt ist. Sie wurden zur Abscheidung der Lötabschnitte 21, 22 und 29 bis 31 auf den elektrischen Verbindungen 13 bis 16 in geschmolzenes Lot (Sn/Pb) eingetaucht. Als photoempfindliches Halbleiterelement 18 wurde eines mit einem Aufbau hergestellt, bei welchem drei Photothyristoren, jeder mit einer Größe von 0,05 · 0,10 mm-, auf einer geraden Linie angeordnet wurden. Al, Cr, Cu. Au und Lot wurden kontinuierlich auf Elektrodenabschnitten 19 und 20 des photoempfindlichen Elements abgeschieden.

Nachfolgend wurde die Leuchtdiode so angeordnet, daß die Ag-Schichten gerade über den elektrischen Verbindungen 13 und 14 in der durch die Mehrschichtkeramiksubstrate definierten Ausnehmung lagen wie dies in F i g. 7 gezeigt ist. Das photoempfindliche Halbleiterelement 18 wirde so angeordnet, daß seine Elektroden 19 und 20 über den elektrischen Verbindungen 15 und 16 auf der Oberseite des Keramiksubstrats liegen. Der entstandene Aufbau wurde auf 330°C erhitzt, um das Lot zu schmelzen und das photoempfindliche Halbleiterelement 18 und die Leuchtdiode zu verbinden. In diesem Verfahrensschritt trat der au!" die Oberflächenspannung des Lots zurückgehende Selbstausrichtungseffekt in Tätigkeit, und das photoempfindliche Halbleiterelement 18 und die Leuchtdiode wurden so ausgerichtet, daß ihre Elektroden genau oberhalb der elektrischen Verbindungen auf den jeweils zugehörigen isolierenden Substraten lagen. Fig.9(f) zeigt den Anbringungsaufbau der Leuchtdiode in dem nach dem eben beschriebenen Verfahren hergestellten Photokoppler. Auf diese Weise geschieht das Ausrichten des photoempfindlichen Halbleiterelements und der Leuchtdiode automatisch, so daß das Herstellungsverfahren in hohem Maße zur Massenfertigung geeignet ist. Die Genauigkeit der Ausrichtung ist hoch; in dem Beispiel der eben beschriebenen Ausführungsform konnte die Fehlausrichtung zwischen dem lichtemittierenden Bereich und der Lichtempfangsfläche auf innerhalb ±30 μιη gedrückt werden. Hinzu kommt, daß der lichtemittierende Bereich nur ungefähr 50 μπΐ breit ist und daß die Uchtempfangsfläche unmittelbar längs des lichtemittierenden Bereichs liegt, so daß der Kopplungsfaktor hoch ist. Mit dem Aufbau, bei welchem der transparente Silikon' kautschuk 51 in der in F i g. 7 gezeigten Weise zwischen dem lichtemittierenden Bereich und den Lichtempfangsflächen angeordnet war, erreichte der Kopplungsfaktor 65%. Ferner ist der lichtemittierende Bereich schmal, und der Abstand zwischen den Leuchtdioden kann zu so kleinen Werten wie ungefähr 0,1 mm gemacht werden. Deshalb war Streulicht in keiner Weise ein nennenswertes Problem. Im Gegensatz dazu betrug bei einem bekannten Aufbau, welcher die Lichtemission von der Hauptfläche ausnutzte, der Kopplungsfaktor l.ur 'Λ der vorliegenden Ausführungsform, und Streulicht hatte großen Einfluß aus Gründen wie den folgenden: (1) Da der lichtemittierende Bereich wesentlich größer war als die Lichtempfangsfläche, strahlte Licht auch auf die anderen Bereiche des photoempfindlichen Elements ein. (2) Es war schwierig, den Abstand zwischen dem photoempfindlichen Element und der Leuchtdiode klein zu machen.

Auf genau die gleiche Weise wie bei der obigen Ausführungsform wurden Proben hergestellt, bei welchen die Dicke der galvanisch aufgebrachten Schichten zu 50 μιη, 100 μπι, 300 μπι und 500 μπι variiert wurde. Als Ergebnis zeigte sich, daß die Querschnittsstreuung der galvanisch aufgebrachten Schichten innerhalb der Scheibe mit zunehmender Dicke dieser Schichten groß wird, so daß eine Neigung besteht, daß die Ausrichtgenauigkeit der Leuchtdiode mit zunehmender Schichtdik-

ίο

ke schlechter wird. Es zeigte sich, daß bei einer Dicke der galvanisch aufgebrachten Schichten von 500 μπι die Fehlausrichtung zwischen dem lichtemittierenden Bereich und der Lichtempfangsfläche jenseits von ±50 μπι liegt und die Breite (ungefähr 50 μιη) des lichtemittierenden Bereichs überschreitet, so daß eine derartige Schichtdicke keinen Nutzen bringt. Andererseits zeigte sich auch, daß mit dünner werdenden galvanischen Schichten die Haftfestigkeit der Leuchtdiode auf dem isolierenden Substrat geringer wird und daß eine Dicke von 50 μπι für die galvanische Schicht unbrauchbar ist. Ein ähnlicher Tatbestand wurde in dem Fall festgestellt, wo anstelle der selektiven Bildung der galvanischen Schichten die Metallplatten mit der GaAs-Scheibe verbunden und dann mit der Photoätztechnik bearbeitet wurden. Die dabei erhaltenen Resultate waren dahingehend, daß bei einer Dicke der Metallplatten von mehr als 3CC μιϊι die MusiergenauigReii gering wurde und daß bei einer Dicke der Metallplatten von weniger als

IO

15 schichten hatte, wie sich aus Fig. 10(g) ergibt. Danach wurde die Leuchtdiode in der in den F i g. 5 und 6 gezeigten Weise auf den elektrischen Verbindungen 13 und 14 des isolierenden Substrats U angeordnet. Der sich ergebende Aufbau wurde auf 300^cC erwärmt, um das Lot zu schmelzen und die Si-Elektroden 41 und 42 der Leuchtdiode und die elektrischen Verbindungen 13 und 14 mit Hilfe des Lots 29 zu verbinden.

Bei der gerade besprochenen Ausführungsforni konnte die Technik des Kontaktierens, die in der Siliziumhalblciterindutrie allgemein verwendet wird, ohne jede Änderung auf den Verfahrensschritt des Anbringens der Elektroden der Leuchtdiode angewandt werden, weshalb die Reproduzierbarkeit der Vorgänge sehr gut war. Da sich die Form der Metallschicht 46, mit der das Lot 29 verbunden ist, genau steuern ließ, konnte die Lagegenauigkeit der Leuchtdiode auf so gute Werte wie

F i g. 11 zeigt eine Ausführungsform für einen Fall, wo

100 μπι die Bindefestigkeit der Leuchtdiode mangelhaft 20 die Verbesserung des Kopplungsfaktors über den Ab

wurde. Aus diesen Ergebnissen heraus sind Werte von 100 bis 300 μπι für die Dicke der auf der Leuchtdiode vorzusehenden Metallschichten als geeignet zu betrachten.

Ferner war bei Proben, bei denen anstelle der Ag-Galvanisierung 1 μιη Ni und 150 μπι Cu selektiv galvanisch abgeschieden wurden, ein Kontaktieren mit nach unten gekehrter Fläche mit der gleichen hohen Lagegenauigkeit möglich wie bei Ag-galvanisierten Proben.

stand zwischen der Leuchtdiode und dem photoempfindlichen Halbleiterelement nicht sehr wichtig ist und wo eine hohe Isolation zwischen beiden Elementen erreicht werden soll.

In Fig. 11 bezeichnet 11 ein isolierendes Substrat, welches ein Loch 12a aufweist und welches mit elektrischen Verbindungen 13 bis 16 auf seiner oberen und unteren Hauptfläche versehen ist. Ein photoempfindliches Halbleiterelement 18 mit einer Lichtempfangsflä-

Ferner betrug beim Durchschicken eines Gleichstroms 30 ehe 17 ist durch Elektroden 19 und 20 und Lötmaterial-

von 30 mA durch die Leuchtdiode (0,3 · 0,4 mm⁷) der Temperaturanstieg 10°C. Es zeigte sich daher, daß der Temperaturanstieg ungefähr ¹Z₂ des Wertes ist, den die Leuchtdiode des bekannten optoelektronischen Koppelelcments des Hauptflächentyps zeigt, und daß als Ergebnis die Lebensdauer der Leuchtdiode ungefähr das 1,5fache der Lebensdauer der Leuchtdiode des bekannten Aufbaus wird.
Im folgenden wird nun unter Bezugnahme auf die abschnitte 21 und 22 mit den elektrischen Verbindungen 15 und 16 elektrisch und mechanisch verbunden. Eine Leuchtdiode 26 mit einem pn-Übergang /weist Si-Elektroden 41 und 42 auf. die an seinen beiden Hauptflächen über Metallfilme 43 und 44 angebracht sind. Ein SiO₂-FiIm 45 ist auf den oberen Hauptflächen der beiden Elektroden 41 und 42 und der Leuchtdiode 26 vorgesehen. Die Elektroden 41 und 42 sind mit Metallfilmen 46 und 47 versehen, die durch im SiO₂-FiIm 45 ausgebil-

F i g. 10(a) bis 10(g) ein Beispiel für das Herstellungsver- 40 dete öffnungen verlaufen, und diese Meta'Tilme sind fahren des in den F i g. 5 und 6 gezeigten Aufbaus erläu- mit den elektrischen Verbindungen 13 und 14 über Lottert, materiaiabschnitic 29 und 30 verbunden.

Wie in den Fig. 10(a) und 10(b) gezeigt, wurden auf In der Figur sind zwar nur zwei Lötabschnitte 29 und

den beiden Hauptflächen eines Si-dotiertcn GaAs-Sub- 30 gezeigt, die Leuchtdiode ist jedoch wenigstens durch

strats 26 mit einem pn-übergang /, das in der gleichen 45 mindestens drei Lötabschnitte befestigt und dement-

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Weise wie in dem Fall der F i g. 9(a) bis 9(0 hergestellt wurde, eine Schicht 43 aus einer Au-Ge-Ni-Legierung und Au und eine Schicht 44 aus einer Au-Zn-Legierung und Au aufgedampft. Danach wurde, wie in Fig. 10(c) gezeigt, das Substrat 26 zwischen 5 mm dicke Siliziumplatten (spezifischer Widerstand: 0.02 Ohm - cm)41 und 42 als Elektroden gebracht und die sich ergebende Struktur unter Hj auf 400⁰C erhitzt, um das Substrat und die Siliziumelektroden 41 und 42 über die Metallschichten 43 und 44 zu verbinden. Danach wurde das Substrat senkrecht zum pn-übergang/geschnitten und die geschnittenen Oberflächen geläppt und geebnet.

Nachfolgend wurden, wie durch die Draufsicht der F i g. 10(d) und den Schnitt der F i g. 10(e) dargestellt, ein SiO₃-FiIm 45 mit einer Dicke von 1 μπι auf der geläpp- ω ten Oberfläche durch Aufstäuben ausgebildet und Fenster 99 mit Hilfe der Photoätztechnik vorgesehen. Danach wurden, wie in Fig. 10(f) gezeigt, übereinanderliegend MetaHschichten aus Al, Cr. Cu und Au 46 und Lotschichten (Sn/Pb) 29 auf die Fensterberdche 99 un- t>5 ter Verwendung von Masken aufgedampft

Schließlich wurde der Aufbau der F i g. 10(0 ^m einzelne Leuchtdioden aufgeteilt, von denen jede vier Lotsprechend läßt sich Parallelität zwischen beiden Elementen erzielen. Von der Leuchtdiode 26 emittiertes Licht beleuchtet die Lichtempfangsfläche 17 des photoempfindlichen Halbleiterelements 18 durch das Loch 12a des isolierenden Substrats 11.

Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen den beiden Elementen 18 und 26 groß, so daß der Kopplungsfaktor kleiner als in den Fällen der Fig. 1. 7 und ist. Jedoch wird der Isolationsabstand groß, mit dom Ergebnis, daß eine hohe Stehspannung erreicht wird.

F i g. 12 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher eine Verbesserung zur Anwendung gelangt, die eine Weitererhöhung der Parallelität und der Ausrichtgenauigkeit erreicht.

An den beiden Hauptflächen einer Leuchtdiode sind Elektroden 27 und 28 mit Hilfe von MetaHschichten 43 und 44 befestigt. Außer an Teilen 27a, 27b und 28a. 28f>, an welchen Lötmaterialabschnitte angebracht werden sollen= sind die Elektroden 27 und 28 mit Filmen und 352 versehen, an welchen das Lötmateriai schlecht haftet. Konkret gesagt, bestehen die Filme aus einer Verbindung, vorzugsweise einem Oxid des Metalis der Eelektroden, d.h. CuO oder Ag₂O oder SiC, Cr₂O₃.

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c..()i. SIiN₄, MnO. Germuniuniniirid, S1O2 oder AIjOj. ir Falle der Verwendung des Oxids des Elektrodenmeails als Film ist das Herstellen des Films einfach. Hinzu ;<immt. daß selbst wenn die Elektroden einen kompli-'.ii.Tten Aufbau haben, die Filmer zuverlässig gebildet werden können, weil nichts weiter als eine Oxidation :rforderlich ist.

Durch das Vorsehen der Filme 35t und 352 ist beim Verbinden der Endteile 27a, 27b, 28a und 28£> mit den elektrischen Verbindungen auf einem isolierenden Substrat durch das Lötmaterial verhindert, daß sich das Lötmaterial nach oben zu anderen Bereichen als den Endteilen der Elektroden 27 und 28 ausbreitet. Wenn sich dns Lötmaterial in der genannten Weise ausbreitet, kommt es ju einer schrägen Befestigung oder Fehlausrichtung der Leuchtdioden.

Falls bei einer Anordnung der Leuchtdiode und des photoempfindlichen Halbleiterelements in einim Abstand von nur ungefähr 100 μΐη eines der beiden Elemente schräg befestigt ist, kommt es zu einer Berührung beider Elemente und damit zu einer Zerstörung der Isolation, oder eine auf die elektrostatische Kopplung zurückgehende Funktionsstörung ist zu befürchten. Daneben ist es, wenn ein Lichtleiter in der in F i g. 7 gezeigten Weise zwischen den beiden Elementen vorgesehen werden soll, unmöglich, diesen in einer vorgegebenen Form anzubringen.

Ferner führt die Fehlausrichtung zur Beleuchtung von Gebieten, die von der Lichtempfangsfiäche des photoempfindlichen Halbleitt/elements verschieden sind. Dies führt zu einer Herabsetzung des Kopplungsfaktors und zu Fehlfunktionen durch Streulicht.

Bei dieser Ausführungsform jedoch sind die Filme 351 und 352 vorgesehen und damit die Befestigungszonen des Lötmaterials beschränkt. Deshalb kommt der Selbstausrichtungseffekt des Lötmaterials voll zur Wirkung und die Parallelität zwischen den beiden Elementen wird in günstiger Weise erreicht. Dementsprechend sind die oben erwähnten Nachteile in keiner Weise zu befürchten.

In den voranstehenden zahlreichen Beispielen wurde die Erfindung für die Leuchtdiode beschrieben, sie läßt sich jedoch ebenso auch auf die Befestigung des photoempfindlichen Halbleiterelemenis anwenden. Die Anwendung auf beide Elemente ist wirksamer als die auf nur ein Element.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

5. Optoelektronisches Koppelelement, bei dem

- ein photoempFindliches Halbleiterelement (18) und eine Leuchtdiode (26), die einen Halbleiterkörper mit einem pn-übergang (J) und an dessen zu dem pn-übergang (J) parallelen Hauptoberflächen angeordnete Elektroden (27, 28; 41, 42) aufweist, an einem Loch (12a,J eines isolierenden, mit elektrischen Zuleitungen (13 ... 16) für die Leuchtdiode und das photoempfindliche Halbleiterelement versehenen Substrats (12) einander gegenüberliegen,

- der pn-Obergang (J) der Leuchtdiode (26) senkrecht zur Lichtempfangsfläche (17) des photoempfindlichen Halbleiterelcments (18) verläuft, und

angegebenen Gattung. Derartige Koppelelemente werden beispielsweise als Festkörperrelais zur potentialmäßigen Trennung von Obertragungsleitungen eingesetzt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 01 956 ist ein optoelektronisches Koppelelement bekannt, bei dem der pn-übergang der Leuchtdiode parallel zur Lichtempfangsfläche des photoempfindlichen Halbleiterelements verläuft. An die LichtempfangsfläcVe gelangt daher nur der Anteil des aus der Umgebung des pn-Übergangs der Leuchtdiode emittierten Lichts, der nicht durch den dazwischenliegenden, den einen Bereich des pn-Übergangs bildenden Halbleiterkristall absorbiert wird. In der Regel beträgt die Helligkeit des in dieser Richtung abgestrahlten Lichts etwa die Hälfte derjenigen des parallel zum pn-Übergang an den Seitenflächen der Leuchtdiode abgestrahlten Lichts. Um bei der bekannten Anordnung den somit verhältnismäßig geringen Anteil des in Richtung der Lichiempfangs-