JPH11509367A - モノリシックリニヤオプトカプラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光を放出するための発光ダイオードと、それによって検出される光に基づいた電流を発生する第１のホトダイオードと、それによって検出される光に基づいた電流を発生する第２のホトダイオードと、前記発光ダイオードを第１のホトダイオードから電気的に絶縁するための絶縁体とを有しているモノリシックなオプトカプラー。絶縁体は実質的に発光ダイオードによって放出される光に対して実質的に透過性である。第１および第２のホトダイオードは、発光ダイオードによって放出される光の方向性不均質性が補償されるように、発光ダイオードに関して位置決めされている。

Description

【発明の詳細な説明】 モノリシックリニヤオプトカプラー 技術分野 同一発明者による“A METHOD OF MANUFACTURING A MONOLITHIC LINEAR OPTOCO UPLER”という名称の関連の出願は同日に出願されておりかつここに述べたこと によって関連付けられる。 本発明はオプトカプラーに関する。本発明は殊に、線形性が改善された、オプ トカプラーに対するモノリシックなストラクチャに関する。 発明の背景 オプトカプラーは入力信号を対応する出力信号から電気的に絶縁分離するため に使用される。例えば、データアクセス装置（“ＤＡＡｓ”）に使用することが 可能である。データアクセス装置（ＤＡＡ）はデータ端末装置（“ＤＴＥ”）（ 例えばデータモデム、ファクシミリ機、ノンセルラ式携帯電話、スピーカーホー ンおよびメッセージ応答機）を公衆電話回線網（“ＰＳＴＮ”）の線路とのイン ターフェースのために使用される。回線網（ＰＳＴＮ）は、例えば故障したデー タ端末装置（ＤＴＥ）またはデータ端末装置（ＤＴＥ）からその電力線への不注 意な短絡による電位的な損傷から保護されなければならない。確かに、（“ＦＣ Ｃ”）はデータ端末装置（ＤＴＥ）と回線網（ＰＳＴＮ）との間に１５００Ｖの 絶縁を要求している。過去には、データアクセス装置（ＤＡＡｓ）はこのような 絶縁を実現するために変圧器を使用していた。しかし、比較的高価なコストおよ び大きなサイズおよび重量のために、変圧器は殊に携帯可能なデータ端末装置（ ＤＴＥ）に使用するには不都合である。このような容積および重量が小さい用途 に対してはオプチカルアイソレータのような択一的なアイソレーション構成要素 が使用されなければならない。 公知のオプトカプラーは、ホトダイオードと光学的に結合されているが電気的 にはホトダイオードとは絶縁されているＬＥＤを含んでいる。ホトダイオード（ 出力信号ホトダイオード“the output signal photodiode”）はＬＥＤから放出 されかつこれによって検出される光の強度に基づいて出力信号を発生する。 公知のオプトカプラーは、 ＬＥＤから放出されかつこれによって検出される 光の強度に基づいてサーボフィードバック信号を発生するために付加的なホトダ イオード（フィードバック制御信号ホトダイオード“the feedback control sig nal photodiode”）も含んでいることができる。フィードバック制御信号ホトダ イオードによりオプトカプラーは一層リニヤに作動することができるようになる 。これらの公知のオプトカプラーでは、出力信号ホトダイオードおよびフィード バック制御信号ホトダイオードは別個のエレメントである。従って、ＬＥＤと出 力信号ホトダイオードとの間に形成される第１の方向はＬＥＤとフィードバック 制御信号ホトダイオードとの間に形成される第２の方向とは異なっている。不都 合なことに、ＬＥＤは方向性により不均一な光を放出するものである。結果とし て、出力信号ダイオードによって検出される光の強度は通例、フィードバック制 御信号ダイオードによって検出される光の強度とは異なっている。その結果、フ ィードバック制御信号ホトダイオードの出力は出力信号ホトダイオードによって 検出されるＬＥＤからの光の強度を正確に指示しないことになり、これによりオ プトカプラーの作動における非線形性の完全な補償が妨げられる。 方向性により不均一な光を放出するという問題の１つの解決法は、出力信号ホ トダイオードをフィードバック制御信号ホトダイオードに可及的近傍に配設する ことである。不都合なことに、これでは部分的な解決にしかならない。というの は、方向性により不均一な光は、範囲は狭められるけれど、依然として非線形性 を引き起こすことに変わりはない。更に、フィードバック制御信号ホトダイオー ドは、適切な電気的な絶縁を実現するために出力信号ホトダイオードから適切に 絶縁されていなければならない。この種の絶縁は、２つのホトダイオードが相互 に近接配置されているとき は困難である。 公知のオプトカプラーの抱える上述の問題に鑑みて、ＬＥＤによる方向性によ り不均一な光の放出が生じないオプトカプラーが要求される。更に、オプトカプ ラーのすべてのホトダイオードは相互に適切に電気的に絶縁されるべきである。 更に、オプトカプラーは比較的簡単かつ経済的に製造されるべきである。可能で あれば、オプトカプラーは単一チップに集積されるべきである。 発明の概要 要約すると、本発明では、ＬＥＤと、該ＬＥＤから電気的に絶縁されている第 １のホトダイオードと、該ＬＥＤおよび第１のホトダイオードから電気的に絶縁 されている第２のホトダイオードとが設けられている。第１のホトダイオードは 有利にはフィードバック制御信号ホトダイオードでありかつ第２のホトダイオー ドは有利には出力信号ホトダイオードである。第１および第２のホトダイオード は有利にはＬＥＤと共に単一チップ上に集積されている。第１および第２のホト ダイオードは、ＬＥＤによって放出される光のすべての方向性による均一性が補 償されるようにＬＥＤに対して構成および位置決めされている。殊に、両ホトダ イオードによって検出される放出光はすべての方向に放出された光の直接的な平 均を表している。 第１および第２のホトダイオードは有利には、例え ば２酸化シリコンのような酸化物によって隔離されている。この酸化物は２つの ホトダイオードを電気的に絶縁する。 第１および第２のホトダイオードは有利には、同じ形状を有しており、これに よりＬＥＤによって放出される光の方向性によるどんな不均一性も補償されるこ とになる。 モノリシックなストラクチャの上方に反射性の天井部（ドーム）を設けること ができ、これにより光学的な空胴が形成される。この光学的な空胴はオプトカプ ラーのＳＮ比を高める。 図面の簡単な説明 本発明を一層よく理解するために、以下に、図示の実施例を添付図面を参照し て説明する。その際： 第１図は、本発明によりストラクチャされているオプトカプラーの、第２図の線 Ｉ−Ｉに沿って切断して見た断面図であり、 第２図は、第１図のオプトカプラーの、第１図の線ＩＩ−ＩＩに沿って切断して 見た平面図であり、 第３図は、外部に結合されているフィードバック制御ループを有している従来の オプトカプラーチップの概略図であり、 第４図ａないし第４ｄ図は、本発明のオプトカプラーのモノリシックストラクチ ャを製造するための方法を説明する略図である。 詳細な説明 第３図は外部に結合されているフィードバック制御ループを有している従来の オプトカプラーチップ３９０の概略図である。従来のオプトカプラーはＬＥＤ３ ００，出力信号ホトダイオード３１０およびフィードバック信号ホトダイオード ３２０を含んでいる。差動（エラー）演算増幅器３３０が制御信号出力端子３９ ４からＬＥＤ入力信号端子３９１への途上に接続されている。 ＬＥＤ３００は、差動増幅器３３０からの信号出力の電圧に基づいた強度を有 している光を放出する。差動増幅器３３０はＬＥＤ電流を発生するかまたはＬＥ Ｄ電流を受け取ることができる。出力信号ホトダイオード３１０はＬＥＤ３００ とは電気的に絶縁されており、かつ光学的に結合可能である。第１の方向Ｄ１は ＬＥＤ３００から出力信号ホトダイオード３１０へと定義される。出力信号ホト ダイオード３１０のアノードは端子３９５を介して第１の電圧源Ｖ_S1に接続され ておりかつ出力信号ホトダイオード３１０のカソードは端子３９６を介して出力 負荷に接続されている。択一的に、空乏層ホトダイオードが使用されているなら ば、逆バイアスされた空乏層ホトダイオードがそのブレークダウン電圧以下で作 動するように、出力信号ホトダイオード３１０のカソードは電圧源に接続されか つ出力信号ホトダイオード３１０のアノードは出力 負荷に接続することができる。別の場合において、出力信号ホトダイオード３１ ０はそれによって検出された光の強度に基づいて出力信号を出力負荷（または出 力ドライバ）に供給する。 フィードバック信号ホトダイオード３２０も光学的にＬＥＤ３００に結合可能 である。フィードバック信号ホトダイオード３２０もＬＥＤ３００とは電気的に 絶縁することができるが、この種の電気的な絶縁は要求されていない。第２の方 向Ｄ２はＬＥＤ３００からフィードバック信号ホトダイオード３２０へと定義さ れている。フィードバック信号ホトダイオード３２０のアノードは端子３９３を 介して第２の電圧源Ｖ_S2に接続されておりかつフィードバック信号ホトダイオー ド３２０のカソードは差動増幅器３３０の第１の（反転）入力側に接続されてい る。択一的に、空乏層ホトダイオードが使用されているならば、逆バイアスされ た空乏層ホトダイオードがそのブレークダウン電圧以下で作動するように、フィ ードバック信号ホトダイオード３２０のカソードを電圧源に接続しかつフィード バック信号ホトダイオード３２０のアノードを差動増幅器３３０の第１の入力側 に接続することができる。差動増幅器３３０の第２の（非反転）入力側には入力 信号Ｖ_DRIVEが供給される。 不都合なことに、ＬＥＤ３００は方向性均一な手法で光を放出しない。その結 果、方向Ｄ１において放出 される光の強度は方向Ｄ２において放出される光の強度とは異なる可能性がある 。検出された強度におけるこの差異によって、ＬＥＤ３００に供給される電圧を 正しく制御するのが困難になる。上述したように、方向Ｄ１が方向Ｄ２に近接し ているように、出力信号ホトダイオード３１０がフィードバック信号ホトダイオ ード３２０の可及的近傍に配設されているとき、２つのホトダイオードを電気的 に絶縁することが困難になる可能性がある。 第１図には、本発明のオプトカプラーのモノリシックなストラクチャ１００が 横断面にて示されている。この断面は第２図の線ＩＩ−ＩＩに沿って見たモノリ シックなストラクチャの中心部を表すものである。 このモノリシックなストラクチャ１００はシリコンサブストレート１１０，酸 化層１２０（例えばシリコン２酸化層のような），内側のシリコン部１６０，内 側のシリコンタブ１５０，外側のシリコンタブ１４０，厚い酸化層（２酸化シリ コン層のような）被覆部１３０および発光ダイオード（ＬＥＤ）１９０を含んで いる。 酸化層１２０は、シリコンサブストレート１１０の上面と酸化層１２０の低い 方の表面との間にインタフェースが形成されるように、シリコンサブストレート １１０の上方に配設されている。内側のシリコン部１６０は有利には酸化層１２ ０の上面の中心領域に配設 されている。内側のシリコンタブ１５０は酸化層１２０の上面に配設されており かつ内側のシリコン部１６０を取り囲んでいる。内側のシリコンタブ１５０の内 側の縁部１５９は内側のシリコン部１６０の外側の縁部１６８から離れており、 これによりシリコンストラクチャに接触していない、酸化層１２０の上面の第１ の領域５６を形成している。外側のシリコンタブ１４０は酸化層１２０の上面に 配設されておりかつ内側のシリコンタブ１５０を取り囲んでいる。外側のシリコ ンタブ１４０の内側の縁部１４９は内側のシリコンタブ１５０の外側の縁部１５ ８から離れており、これによりシリコンストラクチャに接触されていない、酸化 層１２０の上面の第２の領域４５を形成している。 内側のシリコンタブ１５０は方形のｐドーピングされた「タブ」領域１５１を 含んでいる。択一的に、シリコンタブ１５０は８角形のｐドーピングされた「タ ブ」領域１５１を含んでいることも可能である。しかし８角形のｐドーピングさ れた「タブ」領域１５１を使用する場合は、製造期間中にコーナ領域をエッチン グする付加的なステップが必要である。確かに、ｐドーピングされた「タブ」領 域１５１の形状は、ＬＥＤ１９０を取り囲んでおりかつ結晶ストラクチャから製 造することができるいずれかの形状をとることが可能である。 しかし、対称的な形状、殊にこの形状の中心におい て交差する２つの垂直な線に関して対称的である形状が有利である。 ｎドーピング領域１５２はｐドーピングされたタブ１５１内に配設されており 、これによりｐ−ｎ接合１５１−１５２が形成される。このｐ−ｎ接合１５１− １５２は第１のダイオードを形成する。その際ｐドーピングされたタブ１５１が 第１のダイオードのアノードを形成しかつｎドーピングされたタブ１５２が第１ のダイオードのカソードを形成している。同様に、外側のシリコンタブ１４０は 矩形のｐドーピングされた「タブ」領域１４１を含んでいるが、上述したように 別の形状（８角形のような）をとることができる。ｎドーピングされた領域１４ ２がｐドーピングされたタブ１４１内に配設されており、これによりｐ−ｎ接合 １４１−１４２が形成される。このｐ−ｎ接合１４１−１４２が第２のダイオー ドを形成する。ｐドーピングされたタブ１４１は第２のダイオードのアノードを 形成しかつｎドーピングされた領域１４２が第２のダイオードのカソードを形成 している。 厚い酸化被覆膜１３０は内側のシリコン領域１６０，内側のシリコンタブ１５ ０，外側のシリコンタブ１４０およびシリコンによって被覆されていない、酸化 層１２０の上面の第１および第２の領域５６および４５を被覆している。しかし ながら、カソード（１４４，１５４）およびアノード（１４５，１５５）ボンド パッドに対するアクセスを実現するための空間が、アノードおよびカソード接続 が第１および第２のダイオードを形成するするように厚い酸化層内に形成されて いる。殊に、第１図および第２図に示されているように、空間１４５が外側のシ リコンタブ１４０のｎドーピングされた領域１４２におけるカソードパッドへの アクセスを実現している。同様の空間１４４が外側のシリコンタブ１４０のｐド ーピングされたタブ１４１におけるアノードパッドへのアクセスを実現している 。同様に、第１図および第２図に示されているように、空間１５５が内側のシリ コンタブ１５０のｎドーピングされた領域１５２におけるカソードパッドへのア クセスを実現している。同様の空間１４４が内側のシリコンタブ１５０のｐドー ピングされたタブ１５１におけるアノードパッドへのアクセスを実現している。 ＬＥＤ１９０は厚い酸化被覆層１３０の上側の露出された表面に設けられている 。第２図に図示されているように、ＬＥＤ１９０はカソードボンディングパッド １９４およびアノードボンディングパッド１９５を含んでいる。厚い酸化被覆層 １３０はＬＥＤ１９０によって放出される光（典型的には赤外線光）の波長にあ る光を通すようでなければならない。即ち、厚い酸化被覆層１３０は実質的に、 ＬＥＤ１９０によって放出される光に対して透過であるべできある。 モノリシックストラクチャ１００をカバーしている 任意の反射性天井部２００を設けることもできる。反射性天井部２００は例えば 反射層を有している任意の透明な材料から形成することができる。 内側のシリコンタブ１５０によって形成される第１のダイオード１５１，１５ ２はホトダイオードでありかつ出力信号またはフィードバック制御信号を発生す るために使用することができる。しかしＬＥＤ１９０の極近傍にあるために、第 １のホトダイオード１５１，１５２は有利にはＬＥＤ１９０に対するフィードバ ック制御信号を発生するために使用される。それは、フィードバック制御信号ホ トダイオードがＬＥＤ１９０から電気的に絶縁されている必要がないからである 。外側のシリコンタブ１４０によって形成される第２のダイオード１４１，１４ ２はホトダイオードでありかつフィードバック制御信号または出力信号を発生す るために使用することができる。第２のホトダイオード１４１，１４２は第１の ダイオード１５１，１５２によって実施されない機能を実施すべきである。従っ て、第２のホトダイオードは有利には、出力信号を発生するために使用される。 これにより、出力信号ホトダイオードとＬＥＤ１９０との間の一層良好な電気的 な絶縁が実現される。 作動中、ＬＥＤ１９０が光を放出するとき、放出された光のいくらかは光学的 に透明な厚い酸化層１３０を通って第１および第２のホトダイオードに達する。 第１および第２のホトダイオードはこれらが受光した光の強度に基づいた電気的 な出力信号を発生する。第１および第２のホトダイオードストラクチャともＬＥ Ｄを取り囲んでいるので、ＬＥＤによって放出される光の強度におけるいずれの 直接的な不均一性も、すベての方向に放出される光の強度が周りを取り囲んでい るホトダイオードによって平均化されるという理由から補償される。 任意の反射性の天井部２００が設けられているならば、モノリシックストラク チャ１００の上面と反射性の天井部２００の内面との間に光学的な空胴が形成さ れる。その結果、 ＬＥＤ１９０によって放出される光のいくらかは反射性の天 井部２００によって第１および第２のホトダイオードに反射される。従って、第 １および第２のホトダイオードによって受光される光の実際の強度を増加するこ とによって、反射性の天井部２００はオプトカプラーのＳＮ比を改善する。 内側および外側のシリコンタブ１５０および１４０（即ち第１および第２のホ トダイオード）は酸化膜によって取り囲まれている。詳細には、内側および外側 のシリコンタブ１５０および１４０はそれぞれ酸化層１２０の上に載っており、 かつ側面および上面はそれぞれ（アノードおよびカソードボンディングパッドの アクセスのために使用される領域を除いて）厚い酸化膜１３０によって取り囲ま れている。結果として、第 １および第２のホトダイオードは相互におよびＬＥＤから電気的に絶縁されてい る。 第４ａ図ないし第４ｄ図には、第１図および第２図のモノリシックストラクチ ャ１００を製造するための方法の例が示されている。第４ａ図および第４ｂ図に 示されているように、溝４１０がｎ形のシリコンウェファ４００に、例えばエッ チング、スタンピング等のような周知の方法で形成される。次いで、第４ｃ図に 示されているように、ｎ形の材料が例えば拡散によってシリコンウェファ４００ に導入され、これによりＮ⁺領域４２０が形成される。それからシリコンがＳｉ Ｏ₂層４３０を形成するために酸化される。それから、第４ｃ図に示されている ように、多結晶シリコン（または「アモルファスシリコン」）４４０が結果生じ ているストラクチャの上側にデポジションされる。多結晶シリコンは溝４１０を 充填しかつ機械的な安定性を実現する。次いで、第４ｃ図の鎖線によって示され ているように、ｎ形シリコン層４００が、Ｎ⁺層４２の一部を露出するために裏 面研磨される。それから第４ｄ図に示されているように、結果生じるストラクチ ャは反転されかつ誘電的に絶縁されたタブを使用して処理され、これによりｐ⁺ 領域４５０が形成される。それからシリコン酸化層１２０およびシリコンサブス トレート１１０（第１図参照）が負荷される。それから結果生じたストラクチャ が反転される。それから 多結晶シリコン４４０（１３０）が適当に、例えばエッチングによって、２つの ホトダイオードのカソードおよびアノードに供給されるボンディングパッドおよ びワイヤリードを可能にするために空所１４４，１４５，１５４，１５５を形成 するために加工される。 ここに説明した実施例は本発明の原理を表しているにすぎない。種々の変形例 は、本発明の範囲または思想を逸脱しない限りにおいて、当業者であれば可能で ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）光を放出するための発光ダイオードを備え、 （ｂ）該発光ダイオードと一緒にモノリシックに形成されている第１のホトダイ オードを備え、該ホトダイオードはそれによって検出される光に基づいた電流を 発生し、 （ｃ）前記発光ダイオードと一緒にモノリシックに形成されている第２のホトダ イオードを備え、該ホトダイオードはそれによって検出される光に基づいた電流 を発生し、 （ｄ）前記発光ダイオードを第１のホトダイオードから電気的に絶縁するための 絶縁体を備え、該絶縁体は実質的に発光ダイオードによって放出される光に対し て透過性であり、 この場合第１および第２のホトダイオードは、発光ダイオードによって放出され る光の直接的な不均質性が補償されるように、発光ダイオードに関して位置決め されている ことを特徴とするデバイス。 ２．第１のホトダイオードはそれによって検出される光に基づいた出力信号を 発生するための出力信号ホトダイオードでありかつ第２のホトダイオードはそれ によって検出される光に基づいたフィードバック制御 信号を発生するためのフィードバック制御信号ホトダイオードである 請求項１記載のデバイス。 ３．前記第２のホトダイオードは次の平面を形成する、即ち、この平面におい て該第２のホトダイオードが前記発光ダイオードの、該平面に対して垂直に下ろ した投射を取り囲む平面を形成する 請求項１記載のデバイス。 ４．前記第１のホトダイオードは前記第２のホトダイオードを前以て決められ た平面において取り囲んでいる 請求項３記載のデバイス。 ５．前記第２のホトダイオードは前記第１のホトダイオードを前以て決められ た平面において取り囲んでいる 請求項３記載のデバイス。 ６．前記絶縁体は厚い酸化層である 請求項１記載のデバイス。 ７．前記厚い酸化層は２酸化シリコンの厚膜である 請求項６記載のデバイス。 ８．前記第１のホトダイオードはｎドーピングされた半導体が充填されている ｐドーピングされた半導体のタブによって形成されている 請求項１記載のデバイス。 ９．前記第２のホトダイオードはｎドーピングされ た半導体が充填されているｐドーピングされた半導体のタブによって形成されて いる 請求項１記載のデバイス。 10．更に、 （ｅ）上面を有しているサブストレートを備え、かつ （ｆ）該ブストレートの上面に形成されかつ上面を有している電気的に絶縁性の 層を備え、 この場合前記第１のホトダイオードは前記電気的に絶縁性の層の上面に形成され ており、 前記第２のホトダイオードは前記電気的に絶縁性の層の上面に形成されており、 前記第１のホトダイオードから隔離されており、これにより前記電気的に絶縁性 の層の上面に前記第１または第２のホトダイオードによって被覆されていない領 域が形成され、 前記絶縁体は前記電気的に絶縁性の層の上面に形成されておりかつ実質的に前記 第１および第２のホトダイオードのそれぞれを被覆し、これにより該第１のホト ダイオードは前記第２のホトダイオードから電気的に絶縁され、 前記発光ダイオードは前記絶縁体の上側の露出された表面に配置されており、こ れにより該発光ダイオードは前記第１のホトダイオードから電気的に絶縁されて いる 請求項１記載のデバイス。 11．前記第２のホトダイオードは次の平面を形成す る、即ち、この平面において該第２のホトダイオードが前記発光ダイオードの、 該平面に対して垂直に下ろした投射を取り囲む平面を形成する 請求項１０記載のデバイス。 12．前記第２のホトダイオードは長方形の形状をしている 請求項１１記載のデバイス。 13．前記第２のホトダイオードは正方形の形状をしている 請求項１１記載のデバイス。 14．前記第２のホトダイオードは８角形の形状をしている 請求項１１記載のデバイス。 15．前記第１のホトダイオードは前記第２のホトダイオードを取り囲む形状を している 請求項１０記載のデバイス。 16．前記第１のホトダイオードは長方形の形状をしている 請求項１５記載のデバイス。 17．前記第１のホトダイオードは正方形の形状をしている 請求項１５記載のデバイス。 18．前記第１のホトダイオードは８角形の形状をしている 請求項15記載のデバイス。 19．前記第１のホトダイオードはｎドーピングされた半導体が充填されている ｐドーピングされた半導体のタブによって形成されている 請求項１０記載のデバイス。 20．前記第２のホトダイオードはｎドーピングされた半導体が充填されている ｐドーピングされた半導体のタブによって形成されている 請求項１０記載のデバイス。 21．更に、前記発光ダイオードによって放出される光を反射するための反射性 天井部を有しており、該反射性天井部は前記発光ダイオードおよび前記絶縁体の 上方に配設されており、これにより光学的な空胴が形成される 請求項１記載のデバイス。