專利名稱：?jiǎn)纹€性光耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光耦合器。本發(fā)明尤其涉及提供線性度提高的光耦合器的單片結(jié)構(gòu)。
與本發(fā)明同日提交申請(qǐng)的同一發(fā)明人的標(biāo)題為“單片線性光耦合器的制造方法”的相關(guān)申請(qǐng)納入本文以資參考。
光耦合器用于使輸入信號(hào)與對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)互相電絕緣。例如，光耦合器可用在數(shù)據(jù)接入裝置(“DAA”)中。數(shù)據(jù)接入裝置(DAA)用于把數(shù)據(jù)終端設(shè)備(“DTE”)(例如數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，傳真機(jī)，非蜂窩手持電話機(jī)，揚(yáng)聲器電話機(jī)和自動(dòng)留言機(jī))與公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(“PSTN”)接口。網(wǎng)絡(luò)(PSTN)必須受保護(hù)免遭由于數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)故障或由于不留心經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)短接到其電源線而造成的可能的損壞。事實(shí)上，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(“FCC”)要求在數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和網(wǎng)絡(luò)(PSTN)之間有1500V的絕緣。在過(guò)去，數(shù)據(jù)接入設(shè)備(DAA)使用變壓器來(lái)提供這樣的電氣絕緣。然而由于它們相對(duì)昂貴而且尺寸和重量大，變壓器是不利的，尤其當(dāng)用在便攜式數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)中的時(shí)候。必須為這種減小體積/重量的應(yīng)用采用別的隔離部件，例如光隔離器。
已知的光耦合器包括可與光電二極管耦合但是與之電絕緣的LED(發(fā)光二極管)。該光電二極管(“輸出信號(hào)光電二極管”)根據(jù)它檢測(cè)到的由LED發(fā)出的光的強(qiáng)度來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
已知的光耦合器也可包括附加的光電二極管(“反饋控制信號(hào)光電二極管”)，用于根據(jù)該附加光電二極管檢測(cè)到的由LED發(fā)光的強(qiáng)度來(lái)產(chǎn)生伺服反饋信號(hào)。反饋控制信號(hào)光電二極管使光耦合器能更加線性地工作。在這些已知光耦合器中，輸出信號(hào)光電二極管和反饋控制信號(hào)光電二極管是分立元件。因此，由LED和輸出信號(hào)光電二極管之間確定的第一方向不同于由LED和反饋控制信號(hào)光電二極管之間確定的第二方向。不幸的是，LED可以發(fā)出各方向不均勻的光。結(jié)果，由輸出信號(hào)光電二極管檢測(cè)的光強(qiáng)一般不同于由反饋控制信號(hào)光電二極管檢測(cè)的光強(qiáng)。因此，反饋控制信號(hào)光電二極管的輸出不能準(zhǔn)確地表示由輸出信號(hào)光電二極管檢測(cè)的來(lái)自LED的光強(qiáng)，從而妨礙了對(duì)光耦合器工作的非線性進(jìn)行充分的補(bǔ)償。
解決光發(fā)射在各方向不均勻問(wèn)題的一種方案是使輸出信號(hào)光電二極管緊靠反饋控制信號(hào)光電二極管安放。不幸的是，這只能部分解決問(wèn)題，因?yàn)楦鞣较虿痪鶆虻墓庖廊荒墚a(chǎn)生非線性，雖然會(huì)少一些。此外，必須使反饋控制信號(hào)光電二極管充分地與輸出信號(hào)光電二極管隔離以提供足夠的電氣絕緣。當(dāng)二個(gè)光電二極管的位置彼此靠近時(shí)，這種絕緣是難于實(shí)現(xiàn)的。
鑒于已知光耦合器電路上述的問(wèn)題，需要一種不受LED各向不均勻發(fā)光影響的光耦合器。此外，這種光耦合器中的任何光電二極管應(yīng)該互相間有足夠的電氣絕緣。此外，此種光耦合器的制造應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。如果可能，這種光耦合器應(yīng)該集成在單一的芯片上。
簡(jiǎn)言之，本發(fā)明提供一LED、一與該LED電絕緣的第一光電二極管及一與該LED和該第一光二極管電絕緣的第二光電二極管。第一光電二極管最好是反饋控制信號(hào)光電二極管，第二光電二極管最好是輸出信號(hào)光電二極管。第一和第二光電二極管最好與LED一起集成在單一的芯片上。第一和第二光電二極管的構(gòu)造和相對(duì)于LED的位置設(shè)置為使由LED發(fā)出的光的任何方向不均勻性都得到補(bǔ)償。具體說(shuō)，由各光電二極管檢測(cè)的發(fā)射光代表在所有方向發(fā)射的光的方向平均值。
第一和第二光電二極管最好由使這兩個(gè)光電二極管電絕緣的氧化物，例如二氧化硅隔開(kāi)。
第一和第二光電二極管最好有相同的形狀，從而對(duì)由LED發(fā)射的光的任何方向不均勻性作進(jìn)一步補(bǔ)償。
在該單片結(jié)構(gòu)之上可以設(shè)一反射罩，從而形成光學(xué)腔。反射罩增加光耦合器的信號(hào)噪聲比。
為了更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖對(duì)其示例性實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，其中

圖1是按照本發(fā)明構(gòu)成的光耦合器的從由圖2的線I-I確定的剖面看去的側(cè)視圖；圖2是圖1的光耦合器的從由圖1的線II-II確定的剖面看去的平面圖；圖3是具有外部耦合的反饋控制環(huán)的常規(guī)光耦合器芯片的示意圖；圖4a至4d表示本發(fā)明的光耦合器的單片結(jié)構(gòu)的制造方法。
圖3是具有外部耦合的反饋控制環(huán)的常規(guī)光耦合器芯片390的示意圖。常規(guī)光耦合器包括LED 300、輸出信號(hào)光電二極管310和反饋控制信號(hào)光電二極管320。差分(誤差)運(yùn)算放大器330從控制信號(hào)輸出端394耦合到LED輸入信號(hào)端391。
LED 300發(fā)射光線，其強(qiáng)度取決于從差分放大器330輸出的信號(hào)的電壓。差分放大器330可以源出(source)或吸入(sink)LED電流。輸出信號(hào)光電二極管310與LED 300電絕緣，但是與它光耦合。從LED 300至輸出信號(hào)光電二極管310確定為第一方向D1。輸出信號(hào)光電二極管310的正極經(jīng)由端子395與第一電壓源VS1耦合，輸出信號(hào)光電二極管310的負(fù)極經(jīng)由端子396與輸出負(fù)載耦合?；蛘?，如果使用耗盡層光電二極管，則輸出信號(hào)光電二極管310的負(fù)極可以與電壓源耦合，而輸出信號(hào)光二極管310的正極可以與輸出負(fù)載耦合，使得反向偏置的耗盡層光電二極管在低于其擊穿電壓下工作。不論哪種情況，輸出信號(hào)光電二極管310都根據(jù)由它檢測(cè)的光強(qiáng)來(lái)把輸出信號(hào)供給輸出負(fù)載(或供給輸出驅(qū)動(dòng)器)。
反饋控制信號(hào)光電二極管320還可與LED 300進(jìn)行光耦合。雖然反饋控制信號(hào)光二極管320也可以與LED 300電絕緣，但是并不需要這種電絕緣。從LED 300至反饋控制信號(hào)光電二極管320確定為第二方向D2。反饋控制信號(hào)光電二極管320的正極經(jīng)過(guò)端子393與第二電源電壓VS2耦合，反饋控制信號(hào)光電二極管320的負(fù)極與差分放大器330的第一(倒相)輸入端耦合?；蛘?，如果使用耗盡層光電二極管，則反饋控制信號(hào)光電二極管320的負(fù)極可與電壓源耦合而反饋控制信號(hào)光電二極管320的正極可與差分放大器330的第一輸入端耦合，使得反向偏置的耗盡層光電二極管在低于其擊穿電壓下工作。給差分放大器330的第二(非倒相)輸入端提供輸入信號(hào)VDRIVE。
不幸的是，LED 300并不各向均勻地發(fā)射光線。因此，沿方向D1發(fā)射的光的強(qiáng)度可以與沿方向D2發(fā)射的光的強(qiáng)度不同。這種檢測(cè)光強(qiáng)上的差別使得難于適當(dāng)?shù)乜刂萍拥絃ED 300上的電壓。如上所討論的，如果輸出信號(hào)光電二極管310緊靠反饋控制信號(hào)光電二極管320安放以使方向D1緊密地接近方向D2，則二個(gè)光電二極管的電絕緣可能變得困難。
圖1是本發(fā)明的光耦合器的單片結(jié)構(gòu)100的側(cè)剖視圖。剖面是如圖2的線段I-I所示通過(guò)橫切單片結(jié)構(gòu)的中部而取得的。
單片結(jié)構(gòu)100包括硅基底110、氧化物層120(例如二氧化硅)、內(nèi)硅區(qū)160、內(nèi)硅槽(tub)150、外硅槽140、厚氧化物(例如二氧化硅)覆蓋層130以及發(fā)光二極管(LED)190。
氧化物層120位于硅基底110之上，使得確定了硅基底110的上表面和氧化物層120下表面之間的界面。內(nèi)硅區(qū)160位于氧化物層120的上表面，最好在氧化物層120上表面的中心區(qū)域。內(nèi)硅槽150位于氧化物層120的上表面，并環(huán)繞內(nèi)硅區(qū)160。內(nèi)硅槽150的內(nèi)沿159與內(nèi)硅區(qū)160的外沿168隔開(kāi)，從而確定氧化物層120上表面不與硅結(jié)構(gòu)接觸的第一區(qū)域56。外硅槽140位于氧化物層120的上表面，并環(huán)繞內(nèi)硅槽150。外硅槽140的內(nèi)沿149與內(nèi)硅槽150的外沿158隔開(kāi)，從而確定氧化物層120上表面不與硅結(jié)構(gòu)接觸的第二區(qū)域45。
內(nèi)硅槽150包括p摻雜的矩形“槽”區(qū)151。作為另一種選擇，硅槽150可以有八邊形的p摻雜“槽”區(qū)151。然而，設(shè)立八邊形p摻雜的“槽”區(qū)151要求在制造時(shí)有蝕刻轉(zhuǎn)角部分的附加步驟。事實(shí)上，p摻雜“槽”區(qū)151的形狀可以是環(huán)繞LED 190的任何形狀，并且可以根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)制成。然而，最好是對(duì)稱的形狀，尤其是相對(duì)于在形狀中心相交的二條垂直線呈對(duì)稱的形狀。
摻雜n的區(qū)域152位于p摻雜的槽151之內(nèi)，從而形成p-n結(jié)151-152。該p-n結(jié)151-152確定第一二極管；其中p摻雜槽151形成第一二極管的正極，n摻雜區(qū)152形成第一二極管的負(fù)極。同樣，外硅槽140包括矩形的p摻雜“槽”區(qū)141，當(dāng)然如上所述也可采取其他形狀(例如八邊形)。n摻雜區(qū)142位于p摻雜槽141之內(nèi)，從而形成p-n結(jié)141-142。該p-n結(jié)141-142確定第二二極管；其中p摻雜槽141形成第二二極管的正極，n摻雜區(qū)142形成第二二極管的負(fù)極。
厚氧化物覆蓋層130覆蓋內(nèi)硅區(qū)160、內(nèi)硅槽150、外硅槽140、和未覆蓋硅的氧化物層120的上表面的第一和第二區(qū)56和45。然而，在厚氧化物層上形成通往負(fù)極(144、154)和正極(145、155)焊接區(qū)的空隙以允許形成到達(dá)第一和第二二極管的正極和負(fù)極連接。具體說(shuō)，如圖1和2所示，空隙143提供到達(dá)外硅槽140的n摻雜區(qū)142上的負(fù)極焊接區(qū)的通路。類似的空隙144提供到達(dá)外硅槽140的p摻雜槽141上的正極焊接區(qū)的通路。同樣，如圖1和2所示，空隙155提供到達(dá)內(nèi)硅槽150的n摻雜區(qū)152上的負(fù)極焊接區(qū)的通路。類似的空隙154提供到達(dá)內(nèi)硅槽150的p摻雜槽151上的正極焊接區(qū)的通路。
LED 190設(shè)置在厚氧化物覆蓋層130的暴露的上表面上。如圖2所示，LED 190包括負(fù)極焊接區(qū)194和正極焊接區(qū)195。厚氧化物覆蓋層130應(yīng)當(dāng)允許具有由LED 190發(fā)射的光(一般是紅外光)的波長(zhǎng)的光線通過(guò)。即，厚氧化物覆蓋層130應(yīng)當(dāng)基本上對(duì)LED 190發(fā)出的光透明。
也可以設(shè)置覆蓋單片結(jié)構(gòu)100的反射罩200選件。例如，反射罩200可由具有反射層的光學(xué)透明物質(zhì)制成。
由內(nèi)硅槽150形成的第一二極管151、152是光電二極管，可以用來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)或產(chǎn)生反饋控制信號(hào)。然而，鑒于它緊靠LED 190，第一光電二極管151、152最好用來(lái)為L(zhǎng)ED 190產(chǎn)生反饋控制信號(hào)。這是因?yàn)榉答伩刂菩盘?hào)光電二極管不必與LED 190電絕緣。由外硅槽140形成的第二二極管141、142是光電二極管，可以用來(lái)產(chǎn)生反饋控制信號(hào)或產(chǎn)生輸出信號(hào)。第二光電二極管141、142應(yīng)當(dāng)執(zhí)行不是由第一光電二極管151、152執(zhí)行的功能。因此，第二光電二極管最好用于產(chǎn)生輸出信號(hào)。這樣提供了輸出信號(hào)光電二極管和LED 190之間甚至更好的電絕緣。
在操作中，當(dāng)LED 190發(fā)光時(shí)，有些發(fā)出的光通過(guò)光學(xué)透明的氧化物厚層130傳送到第一和第二光電二極管。第一和第二光電二極管根據(jù)它們接收的光的強(qiáng)度產(chǎn)生電輸出信號(hào)。由于第一和第二光電二極管結(jié)構(gòu)二者都環(huán)繞LED，所以在所有方向發(fā)射的光的強(qiáng)度被環(huán)繞的光電二極管所平均，因此補(bǔ)償了LED發(fā)射光強(qiáng)度的任何各向不均勻性。
如果設(shè)有反射罩200選件，就確定了單片結(jié)構(gòu)100上表面和反射罩200內(nèi)表面之間的光學(xué)腔。因此，一些由LED 190發(fā)出的光被反射罩200反射到第一和第二光電二極管。于是，通過(guò)增加第一和第二光電二極管接收的光的凈強(qiáng)度，反射罩200改善了光耦合器的信號(hào)噪聲比。
內(nèi)硅槽150和外硅槽140(即，第一和第二光電二極管)分別被氧化物包圍；具體說(shuō)，內(nèi)硅槽150和外硅槽140的底表面分別安放在氧化層120上，內(nèi)硅槽150和外硅槽140的側(cè)表面和頂表面(用于通往正極和負(fù)極焊接區(qū)的空隙區(qū)除外)分別用厚氧化物130包圍住。結(jié)果，第一和第二光電二極管互相之間電絕緣，也與LED 190電絕緣。
圖4a至4d表示制造圖1和圖2的單片結(jié)構(gòu)100的示例性方法。如圖4a和4b所示，在n型硅晶片400中用已知方法(如蝕刻、沖壓等)形成多個(gè)溝道410。其次，如圖4c所示，例如通過(guò)擴(kuò)散把n型材料引入晶片400，從而形成N+區(qū)域420。然后使硅氧化以形成SiO2層430。然后，也在圖4c中示出，把多晶硅(或“非晶硅”)400沉積在所得結(jié)構(gòu)的上方。這些多晶硅充填了諸溝道410并提供機(jī)械穩(wěn)定性。其次，如圖4c的虛線500所示，從底部磨光(back-lapped)n型硅層400暴露N+層420的各部分。如圖4d所示，然后把所得的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)并對(duì)其用以電介質(zhì)絕緣的多個(gè)槽進(jìn)行處理，從而形成各P+區(qū)域450。然后加上二氧化硅層120和硅基底110(見(jiàn)圖1)。然后把所得的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)。然后用例如蝕刻的方法賦予多晶硅440(130)適當(dāng)?shù)男螤钜孕纬煽障?44、145、155(見(jiàn)圖1和2)，這些空隙使各焊接區(qū)和引線能加到兩個(gè)光電二極管的負(fù)極和正極。
本文所述的實(shí)施例只是說(shuō)明本發(fā)明的原理。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對(duì)這些實(shí)施例作出種種的改型。
權(quán)利要求
1.一種器件，包括(a)發(fā)光二極管，用于發(fā)射光線；(b)與所述發(fā)光二極管在同一單片上形成的第一光電二極管，用于根據(jù)其感測(cè)的光產(chǎn)生電流；(c)與所述發(fā)光二極管在同一單片上形成的第二光電二極管，用于根據(jù)其感測(cè)的光產(chǎn)生電流；以及(d)絕緣體，用于使所述發(fā)光二極管與所述第一光電二極管電絕緣，所述絕緣體對(duì)于由所述發(fā)光二極管發(fā)射的光基本上透明，其中所述第一和第二光電二極管相對(duì)于所述發(fā)光二極管的位置設(shè)置為使由所述發(fā)光二極管發(fā)出的光的各方向不均勻性得到補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一光電二極管是根據(jù)其檢測(cè)的光來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)的輸出信號(hào)光電二極管，所述第二光電二極管是根據(jù)其檢測(cè)的光來(lái)產(chǎn)生反饋控制信號(hào)的反饋控制信號(hào)光電二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第二光電二極管確定一平面，在該平面中所述第二光電二極管圍繞所述發(fā)光二極管的垂直投射于該平面的投影。
4.如權(quán)利要求3所述的器件，其中所述第一光電二極管在預(yù)先確定的平面中圍繞所述第二光電二極管。
5.如權(quán)利要求3所述的器件，其中所述第一光電二極管圍繞所述第二光電二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述絕緣體是厚的氧化物層。
7.如權(quán)利要求6所述的器件，其中所述絕緣體是厚的二氧化硅層。
8.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一光電二極管由充填了n摻雜半導(dǎo)體的p摻雜半導(dǎo)體的槽所形成。
9.如權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第二光電二極管由充填了n摻雜半導(dǎo)體的p摻雜半導(dǎo)體的槽所形成。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括(e)具有上表面的基底；以及(f)在所述基底的上表面上形成的具有上表面的電絕緣層，其中所述第一光電二極管形成在所述電絕緣層的上表面上，其中所述第二光電二極管形成在所述電絕緣層的上表面上，與所述第一光電二極管隔開(kāi)，從而確定所述電絕緣層上表面中未被所述第一或第二光電二極管覆蓋的區(qū)域，其中所述絕緣體形成在所述電絕緣層的上層之上并基本上覆蓋了所述第一和第二光電二極管的每一個(gè)，從而使所述第一光電二極管與所述第二光電二極管電絕緣，并且其中所述發(fā)光二極管位于所述絕緣體的暴露的上表面上，從而所述發(fā)光二極管與所述第一光電二極管電絕緣。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，其中所述第二光電二極管確定一平面，在該平面中所述第二光電二極管圍繞所述發(fā)光二極管的垂直投射到該平面的投影。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述第二光電二極管成形為矩形。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述第二光電二極管成形為正方形。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，其中所述第二光電二極管成形為八邊形。
15.如權(quán)利要求10所述的器件，其中所述第一光電二極管做成圍繞所述第二光電二極管的形狀。
16.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第一光電二極管成形為矩形。
17.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第一光電二極管成形為正方形。
18.如權(quán)利要求15所述的器件，其中所述第一光電二極管成形為八邊形。
19.如權(quán)利要求10所述的器件，其中所述第一光電二極管由充填了n摻雜半導(dǎo)體的p摻雜半導(dǎo)體的槽所形成。
20.如權(quán)利要求10所述的器件，其中所述第二光電二極管由充填了n摻雜半導(dǎo)體的p摻雜半導(dǎo)體的槽所形成。
21.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括一反射罩，用于反射由所述發(fā)光二極管發(fā)出的光，所述反射罩設(shè)置在所述發(fā)光二極管和所述絕緣體之上，從而確定了一光學(xué)腔。
全文摘要
一種單片光耦合器,它具有:發(fā)光二極管,用于發(fā)射光線;第一光電二極管,用于根據(jù)它感測(cè)的光產(chǎn)生電流;第二光電二極管,用于根據(jù)它感測(cè)的光產(chǎn)生電流;以及絕緣體,用于使所述發(fā)光二極管與所述第一光電二極管電絕緣。所述絕緣體對(duì)所述發(fā)光二極管發(fā)出的光基本透明。第一和第二光電二極管相對(duì)于發(fā)光二極管的位置設(shè)置為使由發(fā)光二極管發(fā)出的光的各方向不均勻性得到補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H01L31/16GK1189245SQ96195016
公開(kāi)日1998年7月29日 申請(qǐng)日期1996年3月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者戴維·惠特尼 申請(qǐng)人:西門子元器件公司