JP6820395B2 - 受信モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、受信モジュールに関する。
オプトカプラにおいて受信モジュールは、広く公知である。単純なオプトカプラは、送信モジュールおよび受信モジュールを有しており、これらの2つのモジュールは直流的に分離されているが、光学的には結合されている。このような実施形態は、米国特許第4996577号(US 4 996 577)明細書から公知である。
独国特許出願公開第1の02016001387号明細書(DE 10 2016 001 387 A1)からは、受信モジュールとして、光学的に動作する電圧源およびMOSトランジスタ構造体が公知である。
上記を背景として本発明が課題とするのは、従来技術を発展させた装置を提供することである。
この課題は、請求項1の特徴的構成を備えた受信モジュールによって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
本発明によれば、受信モジュールが提供される。
受信モジュールは、光学的に動作する電圧源を有しており、電圧源は、上面および下面を備えた第1の積層体を含んでおり、積層体状に配置されたIII−V族半導体層をベースとして、非Si基板の上面に構成されている。
第1の積層体の上面には第1の電気接続コンタクトが形成されており、非Si基板の下面には第2の電気接続コンタクトが形成されている。
2つの接続コンタクトの間には、第1の積層体の上面に照射される光によって形成される電圧が加わる。
受信モジュールは、III−V族半導体層を含むFETトランジスタ構造体を備えた第2の積層体を有する。
FETトランジスタ構造体は、制御端子、すなわちゲート端子と、ドレイン端子と、ソース端子とを備える。
このFETトランジスタ構造体は、ノーマリオン型の電界効果トランジスタとして構成されている。
制御端子は、2つの接続コンタクトの一方に接続されており、ドレイン端子は、これらの2つの接続コンタクトの他方に接続されている。
ここでは形成される電圧が閾値未満に下がる場合、このノーマリオン型の電界効果トランジスタにより、電圧源の2つの接続コンタクトが短絡される。
この閾値は好適には電界効果トランジスタの閾値電圧に等しいこと注意されたい。閾値電圧を上回ると、このトランジスタは遮断される、すなわちトランジスタのチャネルは、ゲートに加わる電圧によって欠乏して導電性が失われ、またこの逆が行われる。
さらに、電圧源は、電圧を形成するためにIII−V族材料からなる少なくとも1つのpinダイオードまたはpnダイオードを含むことにも注意されたい。ここでこのダイオードのバントギャップは、第1の積層体の上面に照射される光のエネルギよりも小さく構成されている。
例えば、ノーマリオン型Nチャネル電界効果トランジスタに対しては、このFETトランジスタを遮断するために負のゲート電圧、例えば−2Vを加えなければならないことは明らかである。
非Si基板は好適には、例えばGaAsもしくはInPのようなIII−V族材料を含むかもしくはIII−V族材料から構成され、または特にGeを含むかもしくGeから構成されることに注意されたい。
電圧源の出力側に並列接続されたFETトランジスタにより、暗い場合には、電圧源における電圧降下が格段に加速されることは1つの利点であり、ここでこれは、遮断の後すぐに制御電圧が閾値電圧未満に下がることによって行われる。これによってFETトランジスタは導通し、2つの接続コンタクトが短絡される。電圧源における電荷は、迅速に除去される。
別の利点は、このトランジスタを極めて小さく、すなわち小さなゲート幅で構成できることである。ゲート幅は好適には0.3mm未満であり、最も好適には0.1mm未満である。ゲート幅という語は、ここでは総ゲート幅という表現と同じ意味である。小さなFETトランジスタを構成することにより、光をオンした後の電圧の上昇が、わずかにしか延長されないことは明らかである。有利にはこのトランジスタは、ゲート幅よりも小さなゲート長を有する。特にゲート長は50μmから0.2μmの範囲内にある。
一発展形態ではドレイン端子が第1の接続コンタクトに接続されており、制御端子が第2の接続コンタクトに接続されている。好適には制御端子とソース端子との間にショットキーダイオードがループを形成するように接続されている。このショットキーダイオードは、好適にはIII−V族半導体層を含み、電圧源とモノリシック集積化されており、特に第2の積層体の上面に構成されている。
別の一発展形態において、電界効果トランジスタは、ノーマリオン型NチャネルFETトランジスタまたはノーマリオン型PチャネルFETトランジスタとして構成されている。
好適には第1の接続コンタクトに正の電位が加わり、第2の接続コンタクトに負の電位が加わる。
一実施形態において第1の接続コンタクトが第1の出力端子に接続されており、ソース端子が第2の出力端子に接続されている。2つの出力端子間には出力電圧が加わる。第1の積層体に連続光が照射される場合、出力電圧として直流電圧が加わる。第1の積層体に交番の光が照射される場合、出力電圧として交流電圧が加わる。
一実施形態では、第1の積層体の上面上の部分領域においてFET構造体が、上面および下面を備えた第2の積層体として構成されている。好適には2つの積層体のIII−V族半導体層が、モノリシック集積化されている。
別の実施形態において第1の積層体は、四角形の形状を有しており、第1の積層体の側面は、非Si基板の上面において後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第1の段が形成されている。好適にはこの段の面積は、第1の積層体の周りで同じ大きさに構成されている。
一発展形態において第2の積層体は、第1の積層体の上面において縁部から後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第2の段が形成されており、この第2の積層体は、第1の積層体よりも格段に小さな底面積を有しており、第1の積層体の上面に非対称に配置されている。第1の積層体は好適には0.5mm〜4mmの範囲の辺長を有する。第2の積層体は好適には0.05〜0.3mmの間の辺長を有する。
一実施形態において、FETトランジスタ構造体の上に不透明な層が配置されており、これによってこのFETトランジスタ構造体が光の照射から保護されている。好適には第2の積層体の下面に第1のIII−V族絶縁層が形成されており、これによってFETトランジスタ構造体は、電圧源から電気的に絶縁されている。一発展形態では付加的に第2のIII−V族絶縁層が形成されている。
一発展形態においてFETトランジスタ構造体は、絶縁層の上に配置されかつチャネル層として構成された第1のトランジスタ層と、このチャネル層の上に構成された第2のトランジスタ層とを有する。
電圧源は、好適には複数のpnダイオードを含んでおり、上下に位置する2つのpnダイオード間にそれぞれ1つのトンネルダイオードが形成されており、pnダイオードは好適にはそれぞれ同じバンドギャップおよび/または同じ材料組成を有する。複数のpnダイオードを直列接続した際には電圧源の出力電圧が増大することは明らかである。
さらに、特に複数のダイオードが直列接続される場合には、電界効果トランジスタを用いずに電荷が排出されるとき、特に電圧の減衰が格段に緩慢になることも明らかである。
一発展形態では、制御端子とソース端子との間にダイオードが、特にショットキーダイオードが、ループを形成するように接続されていない。このとき2つの接続コンタクトは、それぞれに対応付けられている出力端子にそれぞれ直接に接続される。
これにより、制御端子における電位は、ソース端子に対してバイアスされていない。それにもかかわらず、電圧源に動作電圧が加わっている限り、電界効果トランジスタは遮断される。これは、ドレイン端子と制御端子との間で、加わっている動作電圧により、チャネルの一部が閉じられたままになることによる。
1つの利点は、ショットキーダイオードもしくはダイオードにおける電圧降下を回避することができ、減衰特性が改善され、受信モジュールをより安価に製造できることである。
一発展形態では、第2の接続コンタクトが、第2の出力端子に接続されている。
別の発展形態では、制御端子とソース端子とが、互いに短絡されている。
一発展形態では、制御端子とソース端子との間にショットキーダイオードが、ループを形成するように接続されている。
別の発展形態では、第1の積層体は、第2の積層体の上に配置されており、第1の積層体は、縁部から後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第2の段が形成されており、第1の積層体は、第2の積層体よりも格段に小さな底面積を有する。
一実施形態において、第1の積層体は、第2の積層体の横に並んで配置されており、2つの積層体の間に、充填されたトレンチが形成されている。
ダイオードがトランジスタ構造で形成されていることは明らかである。
以下では図面を参照して本発明を詳しく説明する。ここでは同じ部分に同じ参照符号が付されている。図示した実施形態は大幅に簡略化されており、すなわち距離ならびに横方向および垂直方向の長さは、縮尺通りではなく、特に断らない限り、導出可能な幾何学的関係も相互に有していない。
第1の実施形態の受信モジュールを示す図である。 NチャネルFETトランジスタを有する、ショットキーダイオードを補足した受信モジュールの等価回路図である。 受信モジュールの電圧経過を示す図である。 ショットキーダイオードを補足した、PチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図である。 ショットキーダイオードのない、NチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図である。 ショットキーダイオードのない、PチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図である。 第2の実施形態の受信モジュールを示す図である。 第3実施形態の受信モジュールを示す図である。
すべての実施形態において、ショットキーダイオードの代わりに標準的なダイオードも形成できることは明らかである。
図1に示した図には、第1の実施形態の受信モジュールEMが示されている。このような受信モジュールEMは、好適には、図示しないオプトカプラの一部として、送信部分と共に共通のケーシングに組み込まれている。
受信モジュールEMは、光学的に動作する電圧源SPを第1の積層体SP1に含んでおり、この電圧源SPは、積層体状に配置されたIII−V族半導体層をベースとして形成されている。第1の積層体SP1は、上面OSP1および下面USP1を含んでおり、下面USP1が、非Si基板NSSUBの上面OS1上に配置されている。
電圧源SPは、非Si基板NSSUBの下面US1に第1の電気接続コンタクトK1を有する。III−V族半導体層の積層体の上面OSP1には、第2の電気接続コンタクトK2が形成されている。光Lの照射は、この積層体の上面OSP1においてのみ行われる。
電圧源SPには、非Si基板に載置されている第1のダイオードD1および第2のダイオードD2が含まれている。第1のダイオードD1と第2のダイオードD2との間にはトンネルダイオードT1が形成されている。このトンネルダイオードT1によって2つのダイオードD1およびD2が直列接続されている。言い換えると2つのダイオードD1およびD2の分圧が加算される。
第1の積層体SP1の上面に光Lが照射されると、2つの接続コンタクトK1とK2との間に、光Lによって形成された電圧が加わる。
特に側面における短絡を回避するため、電圧源SPの層、すなわち第1の積層体SP1は、非Si基板NSSUBに対し、すべての側において後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第1の段STU1が形成されている。
第1の積層体SP1の上面OSP1には、III−V族半導体層を含むFETトランジスタ構造体FET1を備えた第2の積層体SP2が形成されている。この第2の積層体SP2は、上面OSP2および下面USP2を有する。
ここではノーマリオン型nチャネル電界効果トランジスタとして構成されているFETトランジスタ構造体FET1には、制御端子G1と、ドレイン端子DR1と、ソース端子S1と、が含まれている。
第2の積層体SP2は、第1の積層体SP1よりも格段に小さい底面積を有しており、第1の積層体SPの上面OSP1上に非対称に配置されており、すなわち、上面OSP1の縁に対して異なる距離で離隔されている。
すなわち第2の積層体SP2は、第1の積層体SP1の縁に対し、すべての側において後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第2の段STU2が形成されている。
FETトランジスタ構造体FET1を電圧源SPから電気的に絶縁するため、第2の積層体SP2の下面には、III−V族絶縁層ISO1が形成されている。
絶縁層ISO1の上には、チャネル層として形成されたトランジスタ層TS1が配置されている。このチャネル層の上には、第2のトランジスタ層TS2が形成されている。
ドレイン端子DR1は、第1の接続コンタクトK1および第1の出力端子OUT1に接続されている。制御端子G1およびソース端子S1はそれぞれ第2の接続コンタクトK2および第2の出力端子OUT2に接続されている。
制御端子G1とソース端子S1との間には、ショットキーダイオードSKYD1がループを形成するように接続されている。
電界効果トランジスタは、形成される電圧が閾値未満に、すなわち電界効果トランジスタの閾値電圧未満に下がる場合、2つの接続コンタクトK1およびK2もしくは2つの出力端子OUT1およびOUT2を短絡する。
図2に示した図には、第1の実施形態による受信モジュールEMの等価回路図が示されている。以下では、図1に示した実施形態との違いだけを説明する。
ショットキーダイオードSKYD1は、制御端子G1とソース端子S1との間でループを形成するように接続されており、これによって制御端子G1における電位は、ソース端子S1に対してバイアスされる。すなわち電圧源SPに動作電圧が加わると、電界効果トランジスタは遮断される。
ショットキーダイオードSKYD1がループを形成するように接続されていることにより、第2の出力端子OUT2における電位は、第2の接続コンタクトK2における電位に対してわずかな電圧降下分だけ下がる。なぜならばショットキーダイオードSKYD1は、動作時に順方向に極性付けられているからである。
図3に示した図では、第1の実施形態による受信モジュールEMの電圧経過が示されている。以下では、図1に示した実施形態との違いだけを説明する。
プロットされているのは、電圧源SPの電圧の時間経過である。時点teinには第1の積層体SP1の上面OSP1に光Lが照射され、時点tausに光Lが消灯される。
時点teinに電圧が最大値まで迅速に上昇し、消灯後にはこの電圧が、電界効果トランジスタがない場合には減衰曲線AF1を有し、電界効果トランジスタがある場合には減衰曲線AF2を有することは明らかである。言い換えると、電界効果トランジスタにより、電圧源の減衰特性が格段に改善されるのである。
図4に示した図では、ショットキーダイオードを補足した、PチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図が示されている。以下では、図2に示した実施形態との違いだけを説明する。
FETトランジスタ構造体FET1は、ここではノーマリオン型Pチャネルトランジスタとして構成されている。
制御端子G1は第1の接続コンタクトK1に接続されており、ソース端子S1は第1の出力端子OUT1に接続されている。
制御端子G1とソース端子S1との間には、ショットキーダイオードSKYD1がループを形成するように接続されており、これによって制御端子G1における電位は、ソース端子S1に対してバイアスされている。すなわち、電圧源SPに動作電圧が加わると電界効果トランジスタは遮断される。
ショットキーダイオードSKYD1がループを形成するように接続されることにより、第1の出力端子OUT1における電位は、第1の接続コンタクトK1における電位に比べて、わずかな電圧降下分だけ低下する。なぜならばショットキーダイオードSKYD1は、動作時に順方向に極性付けられているからである。
ドレイン端子DR1は、第2の接続コンタクトK2および第2の出力端子OUT2に接続されている。
電界効果トランジスタは、形成される電圧が閾値未満に、すなわち電界効果トランジスタの閾値電圧未満に下がる場合、2つの接続コンタクトK1およびK2もしくは2つの出力端子OUT1およびOUT2を短絡する。
図5に示した図では、ショットキーダイオードのない、NチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図が示されている。以下では、図2に示した実施形態との違いだけを説明する。
NチャネルFETトランジスタFET1の制御端子G1とソース端子S1との間では、ショットキーダイオードSKYD1が取り除かれている。すなわち、制御端子G1における電位は、ソース端子S1に対してバイアスされていない。それにもかかわらず、電圧源SPに動作電圧が加わっている限り、電界効果トランジスタは遮断される。これは、ドレイン端子DR1と制御端子G1との間では、加えられている動作電圧により、チャネルの一部が閉じられたままになることによる。
図6に示した図では、ショットキーダイオードのない、図4に示したPチャネルFETトランジスタを有する受信モジュールの等価回路図が示されている。以下では、図4に示した実施形態との違いだけを説明する。
PチャネルFETトランジスタFET1の制御端子G1とソース端子S1との間では、ショットキーダイオードSKYD1が取り除かれている。すなわち、制御端子G1における電位は、ソース端子S1に対してバイアスされていない。それにもかかわらず、電圧源SPに動作電圧が加わっている限り、電界効果トランジスタは遮断される。これは、ドレイン端子DR1と制御端子G1との間では、加えられた動作電圧により、チャネルの一部が閉じられたままになることによる。
図7に示した図では、第2の実施形態の受信モジュールEMが示されている。以下では、図1に示した実施形態との違いだけを説明する。
受信モジュールEMの第1の積層体SP1は、第2の積層体SP2の上に配置されている。第2の積層体SP2は、非Si基板NSSUB上に配置されている。
第2の積層体SP2は、第1の積層体SP1よりも横方向に大きく形成されており、非Si基板上に形成された、好適には半絶縁性のIII−V族半導体層EGAを含んでおり、特にIII−V族半導体層EGAはGaAsを含むかまたはGaAsから構成される。
III−V族半導体層EGAの上には、全面のチャネル層CHLが形成されている。チャネル層CHLの上には、横方向に構造化された導電性のIII−V族トランジスタ層TS3が形成されている。トランジスタ層TS3の上には、ドレイン端子DR1およびソース端子S1が形成されている。ドレイン端子DR1とソース端子S1との間には、チャネル層CHLの上に制御端子G1が形成されている。図示しない実施形態では、ドレイン端子DR1とソース端子S1との間でありかつ制御端子G1の下の領域に、有利には例えばHf酸化物および/またはSi酸化物および/またはSi窒化物のような絶縁体を含む絶縁層が形成されている。
図8に示した図には、第3実施形態の受信モジュールEMが示されている。以下では、図1もしくは図7に示した実施形態との違いだけを説明する。
受信モジュールEMの第1の積層体SP1は、第2の積層体SP2の横に並んで配置されており、第2の積層体SP2の下の積層体は、第1の積層体SP1の積層体に対応している。2つの積層体SP1およびSP2はそれぞれ、共通の非Si基板NSSUB上に配置されている。
2つの積層体SP1とSP2との間にはトレンチISOGが形成されており、このトレンチISOGは、電気的な絶縁材料によって充填されている。有利にはこの材料は、例えばHf酸化物および/またはSi酸化物および/またはSi窒化物のような絶縁体を含む。第2の接続コンタクトK2は、導体路によってソース端子S1またはドレイン端子DR1に接続されている。第1の接続コンタクトK1は、第1の積層体SP1の横に並んで、非Si基板の表面に直接に配置されている。

Claims (10)

  1. 受信モジュール(EM)であって、
    前記受信モジュール(EM)は、光学的に動作する電圧源(SP)を有しており、
    前記電圧源(SP)は、上面(OSP1)および下面(USP1)を備えた第1の積層体(SP1)を含んでおり、積層体状に配置されたIII−V族半導体層をベースとして、非Si基板(NSSUB)の上面(OS1)に構成されており、前記第1の積層体(SP1)の前記上面(OSP1)に第2の電気接続コンタクト(K2)を有しており、前記非Si基板(NSSUB)の下面(US1)に第1の電気接続コンタクト(K1)を有しており、2つの接続コンタクト(K1、K2)の間には、前記第1の積層体(SP1)の前記上面(OSP1)に光(L)が照射されることによって形成される電圧が加わり、
    前記受信モジュール(EM)は、さらに、制御端子(G1)と、ドレイン端子(DR1)と、ソース端子(S1)と、を備え、かつ、III−V族半導体層を含むFETトランジスタ構造体(FET1)を備えた第2の積層体(SP2)を有する、受信モジュール(EM)において、
    前記FETトランジスタ構造体(FET1)は、ノーマリオン型の電界効果トランジスタとして構成されており、前記制御端子(G1)は、前記2つの接続コンタクト(K1、K2)の一方に接続されており、前記ドレイン端子(DR1)は、前記2つの接続コンタクト(K1、K2)の他方に接続されており、
    前記形成される電圧が閾値未満に下がる場合、前記電界効果トランジスタにより、前記2つの接続コンタクト(K1、K2)が短絡され、
    前記FETトランジスタ構造体(FET1)の上に不透明な層が配置されており、これによって前記FETトランジスタ構造体(FET1)が光(L)の照射から保護されており、
    前記第2の積層体(SP2)の下面(USP2)に第1のIII−V族絶縁層(ISO1)が形成されており、これによって前記FETトランジスタ構造体(FET1)が、前記電圧源(SP)から電気的に絶縁されて、
    ショットキーダイオード(SKYD1)は、前記制御端子(G1)と前記ソース端子(S1)との間で、ループを形成するように接続され、
    前記電圧源(SP)は、pnダイオードを含み、前記ショットキーダイオード(SKYD1)は、前記pnダイオードに対して順方向に極性付けられている
    ことを特徴とする受信モジュール(EM)。
  2. 前記ドレイン端子(DR1)は、前記第1の接続コンタクト(K1)に接続されており、
    前記制御端子(G1)は、前記第2の接続コンタクト(K2)に接続されている、
    請求項1に記載の受信モジュール(EM)。
  3. 前記電界効果トランジスタは、ノーマリオン型NチャネルFETトランジスタとして、または、ノーマリオン型PチャネルFETトランジスタとして構成されている、請求項1または2記載の受信モジュール(EM)。
  4. 前記第1の接続コンタクト(K1)は、第1の出力端子(OUT1)に接続されており、
    前記ソース端子(S1)は、第2の出力端子(OUT2)に接続されている、
    請求項1から3までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  5. 前記第1の積層体(SP1)の前記上面(OSP1)上の部分領域において、前記FET構造体は、上面(OSP2)および下面(USP2)を備えた第2の積層体(SP2)として構成されており、
    2つの前記積層体(SP1、SP2)の前記III−V族半導体層は、モノリシック集積化されている、
    請求項1から4までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  6. 前記第1の積層体(SP1)は、四角形の形状を有しており、
    前記第1の積層体(SP1)の側面は、前記非Si基板(NSSUB)の前記上面(OSP1)において後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第1の段(STU1)が形成されている、
    請求項1から5までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  7. 前記第2の積層体(SP2)は、前記第1の積層体(SP1)の前記上面(OSP1)において縁部から後退しており、これによって全周にわたって階段状になっている第2の段(STU2)が形成されており、
    前記第2の積層体(SP2)は、前記第1の積層体(SP1)よりも小さい底面積を有しており、前記第1の積層体(SP1)の前記上面(OSP1)に非対称に配置されている、
    請求項1から6までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  8. 前記FETトランジスタ構造体(FET1)は、絶縁層(ISO1)の上に配置されかつチャネル層(KS)として構成された第1のトランジスタ層(TS1)と、前記チャネル層(KS)の上に構成された第2のトランジスタ層(TS2)と、を有する、請求項1から7までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  9. 前記電圧源(SP)は、複数のpnダイオード(D1、D2)を含んでおり、
    上下に位置する2つのpnダイオード(D1、D2)間に1つのトンネルダイオード(T1)が形成されており、前記pnダイオード(D1、D2)は、それぞれ同じバンドギャップを有する、
    請求項1から8までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
  10. 前記第2の接続コンタクト(K2)は、第2の出力端子(OUT2)に接続されている、請求項1から9までのいずれか1項記載の受信モジュール(EM)。
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