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Dokumentenidentifikation DE69306457T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0566278
Titel Halbleiterphotokoppler
Anmelder NEC Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kato, Tetsuro, c/o NEC Corporation, Tokyo, JP
Vertreter Glawe, Delfs, Moll & Partner, Patentanwälte, 20148 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69306457
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 31.03.1993
EP-Aktenzeichen 933025223
EP-Offenlegungsdatum 20.10.1993
EP date of grant 11.12.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H01L 31/167

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterfotokoppler.

Ein Halbleiterfotokoppler wird zum Übertragen von Informationen zwischen voneinander elektrisch isolierten Schaltungen verwendet und wird gewöhnlich ein optisch gekoppelter Isolator genannt. Auf dem Markt befindliche optisch gekoppelte Isolatoren sind vom Strom-Licht-Strom-Typ bei der Informationsübertragung, wobei die momentane Größe eines in einem Fototransistor (oder einer Fotodiode) fließenden Stroms der Sekundärschaltung proportional ist zu demjenigen, der die LED (lichtemittierende Diode) der Primärschaltung ansteuert.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat einen anderen Typ von optisch gekoppeltem Isolator in seiner vorherigen Erfindung offenbart. Die vorherige Erfindung ist als japanisches Patent 1 455 290 mit dem Titel "Halbleiterfotokoppler" patentiert und als JP-A-59090967 veröffentlicht worden. In seiner vorherigen Erfindung ist der Typ bei der Informationsübertragung von der Strom-Licht-Kapazitätsänderung, und die Kapazitäts(d. h. Kapazitätswert)-Änderung hört auf, wenn das an einem Licht empfangenen Element der Sekundärschaltung empfangene Licht verschwindet. Theoretisch verwendet die frühere Erfindung ein tiefes Störstellenniveau in der Nachbarschaft und um die Nachbarschaft herum eines p-n-Übergangs eines lichtempfangenden Elements.

Einige Störstellen, die tief in einem Halbleiter angeordnet sind, haben einen sehr großen optischen Einfangs-Wirkungsquerschnitt ( n für Elektronen und p für Löcher) für gewisse Wellenlängen. Einige Elektronen (oder Löcher) die so eingefangen sind, werden selten durch thermische Anregung bei Raumtemperatur freigesetzt. Daher hat ein solches Fallenzentrum (Einfangwirkungsquerschnitt) eine Besetzungsrate von Elektronen (oder Löchern) eines Niveaus, das nur von den Wellenlängen des empfangenen Lichts abhängt. Wenn ein solches Fallenzentrum in einem p-n-Übergang gebildet wird, hängt die Übergangskapazität von der Wellenlänge des empfangenen Lichts ab, und der Übergang behält seine Kapazität, nachdem das empfangene Licht verschwindet.

H. Kukimoto et al haben in Physical Review B, Band 7, Nr.6, Seiten 2486 bis 2507 offenbart, daß Sauerstoff, der in einen p-n-Übergang oder in einen p-Kanal einer Zn, Odotierten GaP-LED für rotes Licht dotiert ist, ein solches Fallenzentrum bildet.

Was in GaP hineindotierten Sauerstoff betrifft, so beginnt der Einfangwirkungsquerschnitt p zum Einfangen eines Valenzbandelektrons am Sauerstoffniveau bei 1,4 eV von empfangener Lichtenergie und wächst, wenn sich die empfangene Lichtenergie erhöht, bis ungefähr 1,7×10&supmin;¹&sup6;cm² bei 1,8 eV(λ=689 nm) an, während der Einfangwirkungsquerschnitt n zum Abgeben von Elektronen, die am Sauerstoffniveau eingefangen, an das Leitungsband bei 0,8 eV anfängt, mit anwachsender empfangender Lichtenergie anwächst, ein Maximum von 3,4×10&supmin;¹&sup6;cm² bei 1,2 eV erreicht und dann abfällt, wenn die empfangene Lichtenergie anwächst. Daher wird dieses Sauerstoffniveau durch empfangenes Licht einer Energie, die größer ist als 1,7 eV, neutral werden wird, da es Elektronen am Sauerstoffniveau einfängt, und wird durch Empfangen von Licht mit einem Energieniveau von ungefähr 1,2 eV positiv geladen werden.

Da das Sauerstoffniveau ausreichend tief ist (0,9 eV vom Leitungsband), werden die eingefangenen Elektronen thermisch nur zu einem kleinen Teil freigesetzt. Daher bildet eine rote GaP-LED, die mit Zn, O dotiert ist, ein lichtempfangendes Element eines Halbleiterfotokopplers, das bei der Informationsübertragung mit Strom-Licht-Kapazität arbeitet und eine Speicherwirkung hat.

Bei der früheren Erfindung besteht der Haibleiterfotokoppler aus einem lichtempfangenden Element einer roten GaP-LED, die mit Zn, O dotiert ist, und aus zwei lichtemittierenden Elementen, wobei ein lichtemittierendes Element eine rote GaP-LED (1,77 eV) und das andere lichtemittierende Element eine dotierte SiGaAs-LED (1,29 eV) ist.

Der Halbleiterfotokoppler der früheren Erfindung sendet ein binäres Signal, das als binäre Kapazitätsänderung im lichtempfangenden Element anzeigt, welches lichtemittierende Element der beiden lichtemittierenden Elemente erregt ist, und die Kapazität beibehält, die der zuletzt empfangenen Wellenlänge entspricht. Dieser Fotokoppler kann als Koppler für binäre Signale verwendet werden, kann jedoch nicht als Koppler für analoge Signale verwendet werden.

Da es eine eins-zu-eins-Entsprechung zwischen dem Strom in dem lichtemittierenden Element und demjenigen im lichtempfangenen Element in einem konventionellen optisch gekoppelten Isolator gibt, kann der Isolator als Koppler für analoge Signale verwendet werden. Wenn der Fotokoppler vom Strom-Licht-Kapazität-Typ als ein Koppler für Analogsignale verwendet werden soll, muß es eine eins-zu-eins-Entsprechung zwischen dem Strom im lichtemittierenden Element und der Kapazität des lichtempfangenden Elements geben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Hauptaufgabe der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Halbeiterfotokoppler mit Übertragung vom Strom-Licht-Strom-Kapazität- Typ zu erhalten, der eine eins-zu-eins(d. h. unzweideutige)-Entsprechung zwischen dem Primärstrom und der Sekundärkapazität hat.

Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung aus einem Halbleiterfotokoppler, der ein lichtemittierendes Element zum Emittieren von Licht, wenn es durch einen Ansteuerstrom erregt wird, und ein lichtempfangendes Element zum Empfangen von Licht aufweist, das durch das lichtemittierende Element emittiert wird;

und der dadurch gekennzeichnet ist, daß

das lichtemittierende Element ein Mittel zum Verändern der Wellenlänge des emittierten Lichtes als Reaktion auf die Größe des Ansteuerstroms aufweist, und daß das lichtempfangene Element Mittel zum Empfangen des Kapazitätswertes desselben als Reaktion auf die Wellenlänge des emittierten Lichtes aufweist, wobei das Mittel, wenn das empfangene Licht verschwindet, aufhört, die Kapazität zu ändern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden Beschreibung, der beigefügten Ansprüche und der beigefügten Zeichnungen deutlich werden, in denen dieselben Bezugsziffern dieselben oder entsprechende Teile bezeichnen. Es zeigen:

Fig. 1 a bis 1 d eine Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2a bis 2c eine andere Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Wie dies in Fig. 1a gezeigt ist, sind ein lichtempfangendes Element 1 und ein lichtemittierendes Element 2 einander gegenüber angeordnet. Sowohl das lichtempfangende Element 1 als auch das lichtemittierende Element 2 haben Paare von Elektroden; in Fig. 1a ist jedoch für jedes Element nur eine Elektrode gezeigt.

Was das lichtempfangende Element 1 von Fig. 1a betrifft, wird eine rote GaP-LED (Chipgröße von 0,5 mm²), die mit 2×10¹&sup7;cm&supmin;³Zn und 5×10¹&sup6;cm&supmin;³ O in einer epitaxialen p- Kanalschicht dotiert ist, verwendet, und als lichtemittierendes Element 2 wird eine Al- GaAs-LED (Chipgröße von 0,4 mm²) mit einem geneigten oder schrägen, d.h. örtlich variierenden Verhältnis der Kristailmisung verwendet. Das lichtempfangende Element 1 und das lichtemittierende Element 2 sind so angeordnet, daß sie aneinander gegenüberstehen, wie dies in Fig. 1a gezeigt ist, und durch ein primäres Abdichtmittel aus durchsichtigem Harz umschlossen und dann durch schwarzen Harz abgeschlossen, der die gesamte Oberfläche einschließlich der primären Abdichtung umschließt, und zwar als eine sekundäre Abdichtung bis zu den Oberflächen, die in Fig. 1a durch gepunktete Linien gezeigt sind.

Fig. 1b zeigt eine Querschnittsansicht der AlGaAs-LED. Dieses lichtemittierende Element 2 wird durch ein unten beschriebenes Verfahren hergestellt. In einem ersten Schritt läßt man eine mit Si-dotierte epitaxiale p-Kanal-AlxGa1-xAs-Schicht 3 auf ein n-Kanal(100) GaAs-Substrat durch ein konventionelles Verfahren der graduell abgekühlten Flüssigphasenepitaxie aufwachsen. Dann wird eine mit Te-dotierte epitaxiale n-Kanal-GaAs-Schicht 4 erzeugt. Die Verteilung des Verhältnisses der Kristalmischung von AlAs in der epitaxialen AlxGa1-xAs-Schicht 3 ist, wie dies in Fig. 1c gezeigt ist, x=0,35 beim Beginn des Wachsens (an der Grenze zwischen dem GaAs-Substrat) und x=0 an der Grenze zwischen der GaAs-Schicht 4.

Dann wird das n-Kanal-GaAs-Substrat für die epitaxiale Wafer beseitigt, und es werden eine p-Seiten-Elektrode 5 und eine n-Seiten-Elektrode 6 gebildet.

Die so hergestellte AlGaAs-LED gibt ein Infrarotlicht (λ=930nm) wie eine Si-dotierte GaAs-LED ab, wenn sie durch einen Strom niedriger Intensität in Vorwärtsrichtung erregt wird. Wird jedoch die Stromintensität erhöht, so beginnen die injizierten Elektronen zur Lichtemission in einem tiefen Punkt in der epitaxialen p-Kanal-AlxGa1-xAs-Schicht beizutragen, was zu einem allmählichen Anwachsen der Lichtemission bei kürzeren Wellenlängen führt. Wenn die Stromintensität weiter erhöht wird, wird eine Komponente roten Lichts (λ=750 690nm) erhöht.

Für eine Kombination des lichtemittierenden Elements 2, das in Fig. 1b gezeigt ist, mit einem lichtempfangenden Element 1 ist die Beziehung zwischen dem Vorwärtsstrom des lichtemittierenden Elements 2 und der Kapazitätsänderung des lichtempfangenden Elements 1 in Fig. 1 d gezeigt. Die Kapazitätsänderung ist bei einer Frequenz von 100kHz durch eine Meßausrüstung gemessen, die zum Messen einer kleinen Kapazitätsänderung durch Verwendung einer Kapazitätsbrücke ausgebildet ist. Die anfängliche Kapazität, wenn der Ansteuerstrom in der lichtemittierenden Ausrüstung 0 ist, beträgt 120 pF. Wie dies in Fig. 1d gezeigt ist, so wächst der Kapazitätszuwachs AC monoton, wenn der Strom im lichtemittierenden Element erhöht wird, wobei eine eins-zu-eins-Entsprechung zwischen dem Strom in der Primärschaltung und der Kapazität in der Sekundärschaltung aufrechterhalten wird.

Es wird angenommen, daß die in Fig. 1d gezeigte Charakteristik die folgende Ursache hat. In einem Bereich kleiner Stromintensität herrschen Komponenten von Infrarotlicht mit einem λ von ungefähr 930 nm vor, und das Sauerstoffniveau des lichtempfangenden Elements 1 setzt Elektronen mit einer größeren Geschwindigkeit zum Leitungsband frei, als daß Elektronen vom Valenzband bei diesen Wellenlängen des empfangenen Lichtes eingefangen werden. Als Ergebnis wird nur ein kleiner Teil des Sauerstoffniveaus neutralisiert, was zu nur einer kleinen Kapazitätsänderung führt. Andererseits wachsen beim Bereich großer Stromdichte Komponenten von rotem Licht vom Bereich von Wellenlängen von 750-690 nm an, was zu einer verhältnismäßig großen Menge von Neutralisierung des Sauerstoffniveaus führt, um eine große Kapazitätsänderung zu bewirken.

Wie dies beim Fotokoppler dieser Erfindung beschrieben wurde, ist es ersichtlich, daß die Kapazitätsänderung im lichtempfangenden Element 1 dem Ansteuerstrom im lichtemittierenden Element entspricht.

Und wie man leicht verstehen wird, wird die Kapazität des lichtempfangenden Elementes 1 aufrechterhalten, nachdem das empfangene Licht verschwindet. Wird neues Licht empfangen, so nimmt die Kapazität des lichtempfangenden Elementes einen Wert an, der der Stromintensität des lichtemittierenden Elementes 2 entspricht, daß das neue Licht emittiert.

Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung ist in den Fig. 2a bis 2c gezeigt. Fig. 2a ist eine Querschnittsansicht eines lichtemittierenden Elements, das bei dieser Ausführungsform verwendet wird. Das lichtempfangende Element, das bei dieser Ausführungsform verwendet wird, und der Abstand des lichtempfangenen Elementes 1 und des lichtemittierenden Elementes sind dieselben, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1a beschrieben worden ist.

Auf einem n-Kanal-GaAs-Substrat ist eine Si-dotierte Schicht von AlyGa1-yAs epitaxial und kontinuierlich aufgewachsen, um eine epitaxiale n-Kanal-AlGaAs-Schicht 7 mit einem abnehmenden Verhältnis der Kristalmischung (Maximum 0,45 und Minimum 0) und eine epitaxiale p-Kanal-AlGaAs-Schicht 8 zu bilden. Dann wird das GaAs-Substrat entfernt, und es werden eine n-Seiten-Elektrode 9 und eine p-Seiten-Elektrode 10 gebildet.

Fig. 2b zeigt die Verteilung des Verhältnisses der Kristalmischung der epitaxialen Schichten 7 und 8. Bei dieser durch die Fig. 2 gezeigten Ausführungsformen herrschen im Gegensatz zu der in den Fig. 1 gezeigten Ausführungsform Komponenten von kürzeren Wellenlängen in einem Bereich kleiner Stromintensität vor, und Komponenten längerer Wellenlängen wachsen in einem Bereich großer Stromintensität an. Wie in Fig. 2c gezeigt ist, nimmt so die Größe der Kapazitätsänderung AC mit anwachsender Stromintensität des lichtemittierenden Elementes ab. Es wird aber immer noch eine eins-zu-eins- Entsprechung zwischen dem Strom in der Primärschaung und der Kapazitätsänderung in der Sekundärschaltung beibehalten.

Bis hierher sind nur bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben worden. Man wird jedoch verstehen, daß die Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist. Bei der Erfindung kann jeder Typ von lichtemittierendem Element 2, bei dem die Wellenlänge des emittierten Lichtes sich als Funktion des Ansteuerstroms des Elements ändert, und jeder Typ von lichtempfangenden Element verwendet werden, bei dem sich die Kapazität des Elements als Funktion der Wellenlänge des empfangenen Lichtes ändert.


Anspruch[de]

1. Halbleiterfotokoppier, der ein lichtemittierendes Element (2) zum Emittieren von Licht, wenn es durch einen Ansteuerstrom erregt wird, und ein lichtempfangendes Element (1) zum Empfangen des Lichtes aufweist, das durch das lichtemittierende Element emittiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

das lichtemittierende Element Mittel zum Verändern der Wellenlänge des emittierten Lichts als Reaktion auf die Größe des Ansteuerstroms aufweist und daß das lichtempfangende Element ein Mittel zum Ändern seiner Kapazität als Reaktion auf die Wellenlänge des emittierten Lichtes aufweist, wobei das Mittel aufhört, die Kapazität zu ändern, wenn das empfangene Licht verschwindet.

2. Halbleiterfotokoppier nach Anspruch 1, bei dem das lichtempfangende Element eine rote GaP-LED aufweist, die durch Zn und 0 in einer epitaxialen Schicht vom p-Typ dotiert ist.

3. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale Alx Ga1-x As-Schicht (3) vom p-Typ mit einem örtlich sich ändernden Kristallmischungsverhältnis und eine epitaxiale GaAs-Schicht (4) vom n-Typ aufweist, die auf der epitaxialen Alx Ga1-x As-Schicht von p-Typ gebildet ist, wobei das Kristallmischungsverhältnis für Al mit Annäherung der p-Kanalschicht an die Grenze zwischen der Schicht vom n-Typ abnimmt.

4. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 3, bei dem das lichtempfangende Element eine rote GaP-LED aufweist, die in einer epitaxialen Schicht vom p-Typ mit Zn und 0 dotiert ist.

5. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale AlGaAs-Schicht (7) vom n-Typ und eine epitaxiale AlGaAs-Schicht (8) vom p-Typ auf der Schicht von n-Typ aufweist, wobei die Schicht von n-Typ und die Schicht vom p-Typ ein kontinuierlich örtlich sich änderndes Verhältnis der Kristallmischung aufweisen, bei dem das Kristallmischungsverhältnis für Al von der Schicht vom n-Typ zur Schicht vom p-Typ abnimmt.

6. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 5, bei dem das lichtempfangende Element eine rote GaP-LED aufweist, die in einer epitaxialen Schicht vom p-Typ mit Zn und O dotiert ist.

7. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale Alx Ga1-x As-Schicht vom p-Typ mit einem örtlich sich ändernden Verhältnis der Kristallmischung und eine epitaxiale Schicht vom n-Typ aufweist, die auf der epitaxialen Alx Ga1-x As-Schicht vom p-Typ ausgebildet ist.

8. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale Schicht vom p-Typ und eine epitaxiale Alx Ga1-x As-Schicht vom n-Typ aufweist, die ein örtlich sich änderndes Verhältnis der Kristailmischung aufweist und auf der epitaxialen Schicht vom p-Typ ausgebildet ist.

9. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale Schicht vom p-Typ und eine epitaxiale Schicht vom n-Typ aufweist, die ein örtlich sich änderndes Verhältnis der Kristailmischung aufweist und auf der epitaxialen Schicht vom p-Typ ausgebildet ist.

10. Halbleiterfotokoppler nach Anspruch 1, bei dem das lichtemittierende Element eine epitaxiale Schicht vom p-Typ mit einem örtlich sich ändernden Verhältnis der Kristallmischung und eine epitaxiale Schicht vom n-Typ aufweist, die auf der epitaxialen Schicht vom p-Typ ausgebildet ist.







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