DE2618938A1 - Lichtgekoppelte halbleitereinrichtung und verfahren zur herstellung von lichtgekoppelten halbleitereinrichtungen - Google Patents
Lichtgekoppelte halbleitereinrichtung und verfahren zur herstellung von lichtgekoppelten halbleitereinrichtungenInfo
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Description
Priorität: 30. April 1975, Japan, Nr. 52 390
Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung und Verfahren zur Herstellung von lichtgekoppelten Halbleitereinrichtungen
Die Erfindung betrifft eine lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung
mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das auf
einem Teil der Oberfläche einen lichtemittierenden Bereich aufweist, einem lichtempfindlichen Halbleiterelement, dessen Oberfläche
einen dem lichtemittierenden. Bereich des lichtemittierenden Halbleiterelement es gegenüberliegenden lichtempfindlichen
Bereich aufweist und einem Lichtleiter, der das lichtemittierende Halbleiterelement und das lichtempfindliche Halbleiterelement
optisch koppelt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung.
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Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtungen der genannten Art sind als optoelektronische Kopplungseinrichtungen bereits bekannt.
Eine optoelektronische Kopplungseinrichtung, die auch als Licht- bzw. Photokoppler bezeichnet wird, dient der Signalübertragung
zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite dieser Einrichtung, wobei die Eingangs- und Ausgangsseite voneinander
elektrisch isoliert sind. Derartige Einrichtungen werden häufig angewandt, insbesondere um Signale zwischen Schaltungsteilen zu
übertragen, die auf unterschiedlichen Potentialen liegen, oder
um hohe Leistungen mit schwachen Signalen, bzw. mit Signalen niederer Leistung zu steuern.
In der US-PS 3 535 532 ist eine bekannte lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung
beschrieben. Diese bekannte ^Einrichtung weist ein lichtemittierendes Halbleiterelement und ein lichtempfindliches
Halbleiterelement auf, wobei die Hauptflächen, auf denen der lichtemittierende Bereich bzw. der lichtempfindliche Bereich
ausgebildet sind, einander gegenüberliegen. Der lichtemittierende Bereich ist mit dem lichtempfindlichen Bereich über einen aus
Glas hergestellten Lichtleiter optisch gekoppelt. Diese bekannte lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung weist jedoch den Nachteil
auf,, dass trotz der Tatsache, dass der lichtemittierende Bereich und der lichtempfindliche Bereich nur einen Teil der jeweiligen
Hauptflächen einnehmen,die jeweiligen Enden des Lichtleiters mit den Hauptflächen in Berührung stehen und nicht nur die
Flächenteile, auf denen die lichtemittierenden und lichtempfindlichen
Teile ausgebildet sind, sondern auch die Randbereich der Hauptflächen bedecken, so dass die optische Kopplung relativ
schlecht ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine lichtgekoppelte
Halbleitereinrichtung zu schaffen, mit der eine sehr
gute optische Kopplung erreicht werden kann, und die in Massenfertigung herstellbar ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Her-
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_ 3 —
stellung derartiger lichtgekoppelter Halbleitereinrichtungen anzugeben.
'Eine lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung, die die gestellte
Aufgabe löst, ist in AnspruchΊ angegeben.
Verfahren zur Herstellung lichtgekoppelter Halbiert ereinrichtungen,
die die gestellte Aufgabe lösen, sind in den Ansprüchen 5 und 8 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen', lichtgekoppelten
Halbleitereinrichtung und der Herstellungsverfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäss der Erfindung kann die gestellte Aufgabe also dadurch gelöst
werden, dass ein lichtemittierender Bereich des lichtemittierenden
Halbleiterelementes mit einem lichtempfindlichen
Bereich des lichtempfindlichen Halbleiterelementes über einen Lichtleiter optisch gekoppelt ist, der aus einem einstückigen,
lichtübertragenden, isolierenden Material hergestellt ist, und dessen jeweilige Enden die jeweiligen Bereiche und deren Umgebung
benetzen. Der Ausdruck "lichtemittierender Bereich" oder "lichtaussendender Bereich" bezeichnet eine Fläche des Halbleitersubstrates,
von dem Licht abgestrahlt wird, oder wenn eine solche
Fläche mit einer Glas- oder Kunstharzschicht beschichtet ist,
die Fläche einer solchen Schicht, oder wenn das Halbleitersubstrat
auf einem Sockel oder einem Stift angebracht ist und der Sockel das vom Halbleitersubstrat abgestrahlte Licht auf das lichtempfindliche
Halbleiterelement reflektiert, die reflektierende Fläche des Sockels oder Stiftes. Mit dem Ausdruck "lichtempfindlicher
Bereich" wird der Teil des Halbleiterelementes mit einem lichtempfindlichen, als freiliegender Teil einer Verarmungsschicht
vorliegenden p-n Übergang einschliesslich seines Umgebungsbereiches innerhalb der Diffusionsbreite der Ladungsträger
bezeichnet, wobei die Verarmungsschicht durch das Vorspannen des p-n-Übergangs in Sperrichtung gebildet wird. Da das eine
Ende des mit dem lichtempfindlichen Halbleiterelement in Verbin-
·': Q R /, Γ / fs C; *>
ο
dung stehendenLichtleiters nur mit dem lichtempfindlichen Eereich
einschliesslich seines Umgebungsbereiches in benetzendem
Kontakt steht (bei einem kreisförmigen lichtempfindlichen Bereich ist der Durchmesser des Umgebungsbereiches nicht grosser
als das 1,2-Fache des lichtempfindlichen Bereiches), wird bei dem erfindungsgemäss ausgebildeten, lichtgekoppelten Halbleiterelement
das vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgesendete
Licht vollständig auf den lichtempfindlichen Bereich gestrahlt, so dass die optische Kopplung der erfindungsgemässen
Halbleitereinrichtung wesentlich besser ist. Dadurch kann das
vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgestrahlte Licht
besser ausgenutzt und die Lebensdauer des lichtemittierenden Halbleiterelementes erhöht werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemässe,
lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass der Lichtleiter so geformt ist, dass eine Seitenfläche des Lichtleiters, dessen gegenüberliegende Enden mit
dem lichtemittierenden Bereich bzw. dem lichtempfindlichen Be-•reich
in Berührung stehen, bezüglich einer Fläche konkav gekrümmt ist, die durch gerade Linien definiert ist, welche die
Punkte auf dem Rand des einen Endes des Lichtleiters mit den Punkten des Randes des anderen Endes verbinden, wobei die
Punkte Jeweils punktweise durch die kürzesten Linien verbunden sind. Kit dem in dieser Weise ausgebildeten Lichtleiter ist es
möglich,lichtgekoppelte Halbleitereinrichtungen auf einfache
Weise in Massenfertigung herzustellen, ohne da^s die optischen
"Kopplungseigenschaffcen verschlechtert warden.
sb der Erfindung v/oist ein Vorfahren zur Herstellung einer
liciit'gekoppelten Halbleitereinrichtung folgende Verfahrensschritte auf: In benetzende Berührungbringen eines flüssigen
Lichtleitermaterials mit einem lichtemittierenden Bereich eines lichtemittierenden Halbleiterelementes und mit einem lichtempfindlichen
Bereich eines lichtempfindlichen Halbleiterelementes, das Lichtleitermaterial in eine vorgegebene Form bringen,
in dem die Lage des lichtemittierenden Bereiches und des
r η q a λ .ς / η a ? R
liebtempfindlichen Bereiches zueinander gesteuert bzw. eingestellt
wird, oder indem die Menge des Licbtleitermaterials
geeignet gewählt oder in entsprechender Weise verändert wird,
und danach Aushärten des Lichtleitermaterials. Wenn eine lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung gemäss einem solchen Verfahren
hergestellt wird, können die Lichtleiter mit hoher..'Reproduzierbarkeit
auf einfache Weise in dieselbe Form gebracht werden, so dass dadurch die Produktivität bei der Massenherstellung
solcher Halbleitereinrichtungen verbessert, bzw. der Ausschuss klein gehalten werden kann. Das Verfahren ist auch zur
Herstellung von Lichtleitern geeignet, die einen lichtempfindlichen
Bereich mit einem lichtmessenden Bereich verbinden, wobei die Form und Grosse des lichtmessenden Bereiches sich von
der Form und Grosse der lichtempfindlichen Bereiches unterscheidet.
. -
Bei der erfindungsgemässen, lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung
werden ein.lichtemittierendes Halbleiterelement und
ein lichtnachweisendes Halbleiterelement über einen Lichtleiter miteinander optisch gekoppelt. Der Lichtleiter ist aus einem
einstückigen, lichtübertragenden, isolierenden Material hergestellt und wenigstens ein Ende, das mit dem Halbleiter-Lichtdetektor
in Verbindung steht, wird in benetzenden Kontakt mit einem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiter-Lichtdetektors
und mit dem Umgebungsbereich des lichtempfindlichen Bereiches gebracht. Im flüssigen Zustand wird der lichtübertragende Isolator
in benetzenden Kontakt mit dem Halbleiter-Lichtaussender
und dem Detektor gehalten, in eine vorgegebene Form gebracht und danach ausgehärtet, so dass der Lichtleiter geschaffen wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. Λ einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemässen, lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung
,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funk-
tionsweise der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung,
f. η Q R 4 s / Π R 0 R
261833
Pig. 3a- bis 3d Querschnitte, die der Erläuterung der Verfahrens
schritte zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten
Einrichtung dienen,
Fig. 4- eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen,
lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung,
Fig.5a bis 5d Querschnitte, die der Erläuterung·der Verfahrensschritte zur Herstellung der in Fig. 4- dargestellten
Einrichtung dienen,
Fig.6a bis 6f Querschnitte von weiteren erfindungsgemässen Ausführ
ung s f ο rm en.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung für geringe Leistung
dargestellt. Ein lichtempfindliches Bauteil 1>2, beispielsweise
ein auf einem Sockel 1 angebrachter Silicium-Phototransistor
und ein lichtaussendendes Bauteil 14-, beispielsweise eine
GaAs-photoemittierende Diode, die dem lichtempfindlichen Bauteil 12 gegenüberliegt, sind über einen aus Epoxyharz hergestellten
Lichtleiter 13 optisch miteinander gekoppelt.Der Lichtleiter 13 besitzt in der Mitte einen kleineren Querschnitt
als an den Endbereichen, .die näher bei dem lichtempfindlichen
Bauteil und dem lichtaussenden Bauteil liegen, so dass eine Seitenfläche des Lichtleiters 13 gegenüber einer gedachten
Fläche, die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist, nach innen konkav gewölbt ist. Die gedachte Fläche würde vorliegen,
wenn der Rand des licht emittierenden Bereiches 14-1 des lichtaussendenden
Bauteils 14- mit dem Rand des lichtempfindlichen Bereiches 121 des lichtempfindlichen Bauteils 12 durch gerade
Linien, die die kürzeren Lichtwege darstellen, verbunden wären. Die gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters 13 stehen mit
dem lichtaussenden Bereich 14-1 und dem lichtempfindlichen Bereich
121 in benetzendem, feuchtem Kontakt, ohne dass an den Berührungsflächen Luftspalte entstehen, so dass die optische
Kopplung daher sehr gut ist. Eine Siliciumoxid-Schicht 12a überdeckt die Oberfläche des lichtempfindlichen Bauteils.
Anhand der Fig. 2 wird die Arbeitsweise der in Fig. 1 darge-
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stellten Einrichtung erläutert.J1Ig. 2 gibt die typischen Lichtwege
wieder, die von einem Punkt P auf dem GaAs-Ubergang des ■lichtaussenden Bauteils 14 ausgehen.
Die Lichtstrahlen a^ und a?, die von einem GaAs-Übergang A1-A2
unter einem Winkel ausgehen, der grosser ist als der Grenzwinkel für die Aussendung (etwa 27 ), unterliegen der Totalreflexion
und werden fast vollständig im GaAs-Substrat absorbiert. Die Lichtstrahlen, die vom GaAs-Ubergang mlit einem Winkel
auftreten, der kleiner als der Grenzwinkel ist, v/erden teilweise am GaAs-Übergang reflektiert, gehen jedoch fast vollständig
durch das GaAs-Substrat hindurch. Von den Lichtstrahlen, die durch das Substrat hindurchgehen, unterliegt beispielsweise
der Lichtstrahl b wiederholten Reflexionen an den Punkten V, W und X. Beim Reflektieren wird der Lichtstrahl b
teilweise am Rand der Lichtleiters gebrochen und geht, wie dies durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, nach aussen und
wird weiterhin im Epoxy-Li'chtleiter und im GaAs-Substrat absorbiert.
Ein anderer Lichtstrahl c wird an den Stellen Q^,
R- und S reflektiert, tritt teilweise aus dem Lichtleiter aus
und wird teilweise auf einen Punkt T^ des lichtempfindlichen Bereiches
B1-B2 des lichtempfindlichen Bauteiles 12 geworfen. Noch ein anderer Lichstrahl d, der von der gekrümmten Fläche
des Epoxykörpers unter einem Winkel auftritt, der grosser als
der Grenzwinkel (etwa 41°) ist, wird an den Stellen Qo und Rp
total reflektiert und gelangt zu einem Punkt H^ auf dem lichtempfindlichen
Bereich. Auf dem lichtempfindlichen Bereich B1-B2 fallen also alle die Lichtstrahlen auf, die vom Lichtleiter
in der zuvor beschriebenen Weise übertragen werden.
Durch die zuvor beschriebene, erfindungsgemasse Bauweise wird
das aus dem lichtaussenden Bauteil 14 austretende Licht optisch
und wirkungsvoll im optisch kontinuierlichen Lichtleiter 13 geführt
und trifft auf den lichtempfindlichen Bereich B1-B2 des lichtempfindlichen Bauteiles 12 auf, so dass- die optische Kopplung
zwischen dem lichtaussenden und dem lichtempfindlichen
Bauteil sehr gut ist.
Anhand der Pig. 3a bis 3d soll ein Beispiel für das Verfahren
zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung beschrieben werden.
Wie in Fig. 3a dargestellt ist, wird das lichtempfindliche Bauelement
12, etwa ein Silicium-Phototransistor zunächst durch
Hartlöten mit einem Material aus einer Au-Si-Verbindung angebracht. Der Sockel 11 kann beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Verbindung
bestehen. Die für das lichtempfindliche Bauteil 12 vorgesehene Elektrode ist mittels eines Goldrahtes
oder in entsprechender Weise mit dem entsprechenden Stift des Sockels verbunden. Wie in Fig. 3b dargestellt ist, wird
das lichtaussendende Bauteil 14, beispielsweise eine GaAslichtemittierende Diode mittels einer Haiterungseinrichtung
15 auf dem lichtempfindlichen Bauteil 12 angebracht und in
dieser Stellung werden die Elektroden des Lichtleiters beispielsweise über Golddrähte mit .den entsprechenden Stiften des
Sockels verbanden. Wie in Fig. Jc dargestellt ist, wird das
lichtaussendsnde Bauteil 14 durch die Halterungseinrichtung
nach oben bewegt und um einen vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des lichtempfindlichen Bauteiles 12 abgehoben. Eine
vorgegebene Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial
dient, wird in einen kleinen Zwischenraum gegossen, so dass sich zwischen dem licht aussendenden und dem lichtempfindlichen
Bauteil eine Kunstharzschient 13a ausbildet, die den
lichtemittierenden und lichtempfindlichen Bauteil benetzt. Der Teil der Kunstharzschicht 13a, der näher am lichtempfindlichen
Bauteil 12 liegt, benetzt die Siliciumoxid-Schicht 12a. Wie
in Fig. 33 dargestellt ist, wird das lichtempfindliche Bauteil
14 dann durch die Halterungseinrichtung 15 um einen vorgegebenen Abstand vom lichtempfindlichen Bauteil 12 abgehoben, so
dass die Kunstharzschicht 13a eine gewünschte Ausbildung bzw.
Form des Lichtleiters erhält und danach wird die Kunstharzschicht durch Wärmebehandlung ausgehärtet. Auf diese Weise
wird' der Lichtleiter 13» der das lichtaussendende und lichtempfindliche
Bauteil direkt verbindet, ausgebildet. Schliesslich wird die gewünschte Iichtgekoppelte Haibleitereinrichtung
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dadurch fertiggestellt, dass die Halterungseinrichtung 15
entfernt und das lichtaussendende und lichtempfindliche Bauteil,
das aus dem Sockel 11 angebracht ist, vergossen wird. Der auf diese Weise hergestellte Lichtleiter 13 weist eine komplizierte
Form auf, die von verschiedenen Faktoren, beispielsweise von . folgenden Faktoren abhängt: Von der Oberflächenspannung
des Epoxyharzes vor dem Aushärten, der Oberflächenspannung des GaAs-Substrates, der Oberflächenspannung der
Siliciumoxid-Schicht, der Grenzflächenspannung, die zwischen dem GaÄs-Substrat und dem Epoxyharz auftritt, der Grenzflächenspannung,
die zwischen der Siliciumoxid-Schicht und dem Epoxyharz auftritt, der Kohäsionskraft des Epoxyharzes, der
speziellen Masse, Viskosität .-und Menge des Epoxyharzes, dem
Abstand ζ v/i sehen dem lichtaüssendenden und dem lichtemittierenden
Bauteil und den Formen der entsprechenden Kontaktflächen des lichtaussendenden und des lichtempfindlichen Bauteiles.
Da das Epoxyharz einen Berührungswinkel bezüglich der GaAs-Substrates
und des Siliciumoxides (SiOo) einnimmt, der kleiner als 90 ist und das GaAs-Substrat und das Siliciumoxid ausgezeichnet
benetzt, ist es-möglich, auf einfache Weise und mit höh. er Ausbeute, also mit geringem Ausschuss den Lichtleiter
auszubilden, der im Mittelbereich eingeschnürt ist, wie dies durch den in Fig. 1 dargestellten Querschnitt zu ersehen ist,
und zwar in dem eine vorbestimmten Menge an Epoxyharz eingegossen wird.
Gemäss einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde als lichtaussendendes
Bauteil 14- eine GaAs-libhtimittierende Diοds mit einer
Oberfläche A1-A2 von $00 mn und einer Fläche C1-C2 von 350 um
im Durchmesser, als lichtempfindliches Bauteil 12 ein Silicium-Phototransistor
mit einer Fläche BI-B2 von 800 um im Durchmesser verwendet«. Der Abstand zwischen dem lichtaussendenden
und dem lichtempfindlichen Bauteil betrug 500 um. Dabei wurde festgestellt, dass der Lichtleiter 13, der durch Eingiessen
und Aushärten einer kleinen Menge von Epoxyharz (etwa 2 χ 10 cc)
·,■■ π q p 4 R / η B 0
zwischen das lichtaussendende und lichtempfindliche Bauteil hergestellt wurde, einen Basiskollektor-Photostrom im Phototransistor
ermöglichte, der 2,1mal grosser war als der Photostrom, der bei einem herkömmlichen Lichtleiter aus einer 500 um
dicken Glasplatte auftrat, die sich zwischen dem lichtaussendenden
und dem lichtempfindlichen Bauteil befand. Bei einem entsprechenden Vergleich mit einem Phototränsistör, der einen
rechteckigen lichtempfindlichen Bereich von 400 um χ 800 um
aufwies, stellt sich heraus, dass mit dem vorliegenden Erfindungsgegenstand
ein doppelt so grosser Photostrom erreicht wird. Aus diesen experimentellen Daten ergibt sich, dass der
erfindungsgemässe Aufbau eine wesentlich bessere optische Kopplung
ermöglicht. *
Das zuvor beschriebene Verfahren zur Ausbildung des Lichtleiters weist folgende Verfahrensschritte auf: Ausbilden einer flüssigen
Schicht aus Lichtleitermaterialzwischen dem lichtaussendenden
und dem lichtempfindlichen Bauteil, Einstellen des Abstandes zwischen dem lichtempfindlichen und dem lichtaussendenden
Bauteil, Ausbilden der Lichtleiterschicht, wobei das Lichtleitermateriai
in benetzender Berührung mit dem lichtaussendenden und· lichtempfindlichen Bauteil steht, Aushärten der Lichtleiterschicht
nach der lagemässigen Einstellung und der Ausbildung der Lichtleiterschicht. Das Herstellungsverfahren ist jedoch
nicht notwendigerweise auf die im Zusammenhang mit den Fig. Js,
bis 3d beschriebenen Reihenfolge beschränkt. Das Verfahren lässt
sich auch in der nachfolgend beschriebenen Weise abwandeln.
Kehrt man nochmals zu Fig. 3a zurück, so wird eine vorgegebene
Menge flüssigen Epoxyharzes, das als Lichtleitermaterial dient, auf das lichtempfindliche Bauteil aufgebracht, welches zuvor
mit einer Schicht oder Barriere um den lichtempfindlichen Bereich des lichtempfindlichen Bauteiles herum versehen ist, um zu verhindern,
dass das Epoxyharz von diesem lichtempfindlichen Be. reich herunterfliesst. Eine solche Schicht kann beispielsweise
eine stufenförmige Schicht sein, die am Rand des lichtempfindlichen
Bereiches durch Photoätzen der SiO^-S'chicht 12a ausge-
ff Ί 9 JH R / 0 8 2 S
bildet wird. Die stufenförmige Schicht kann auch eine Metallschicht
für die -Elektrode oder eine Glas3<3iicht sein, wenn
anstelle der SiOp-Schicht 12a eine Metall- oder Glasschicht verwendet wird. Das Epoxyharz wird innerhalb der Barriere in
Form einer Kugel aufgebracht. Danach wird die Unterseite (mit
dem lichtaussendenden Bereich) des lichtaussendenden Bauteils, der von der Halterungseinrichtung 15 gehaltert wird, in benetzenden
Kontakt mit dem kugelförmigen Epoxyharz gebracht. Erforderlichenfalls wird das lichtaussendende Bauelement durch die Halterungseinrichtung
15 wieder auf eine vorgegebene Höhe angehoben und das Epoxyharz wird zu einer Lichtleiter-Konfiguration geformt
und dann ausgehärtet, so dass auf diese Weise der Lichtleiter gebildet wird. Schliesslich werden Verbindungdrähte
am licht aus sendenden Bauelement angebracht->und die Halterungseinrichtung
15 entfernt.
Anhand der 3?ig.-4 soll nachfolgend eine erfindungsgemässe
lichtgekoppelte Trarisistoreinrichtung für hohe Leistung beschrieben
werden. Diese Einrichtung besitzt ein lichtaussendendes Bauelement 24, beispielsweise eine SaAs-lichtemittierende
Diode und ein lichtempfindliches Bauteil 22, beispielsweise einen Photothyristor mit den Parameterwerten 1200 V und 100 A,
der eine innere Verstärkung mit dem Steuerstrom ermöglicht, wobei diese Bauelemente gemäss der vorliegenden Erfindung über
eine Lichtleitung 26 miteinander optisch gekoppelt sind. Diese Einrichtung hat die Eigenschaft, dass eine hohe Ausgangsleistung
durch ein Signal mit niederer Leistunggesteuert werden kann. Das lichtempfindliche Bauelement 22 ist zwischen einer unteren
Elektrode, die in Form eines Gewindebolzens 21 ausgebildet ist, und einer oberen Elektrode. 25 befestigt, die mit der Hauptleitung
29 in Verbindung steht. Ein zylinderförmiges Teil 26 mit einer Glashülse 27, durch die eine Steuerleitung 28 hindurchgeht,
ist in einem in der oberen Elektrode 25 ausgebildeten Loch eingesetzt und das lichtemittierende Bautelement 24, das im
Lichtleiter 23 eingelegt ist, ist an der Spitze der Leitung 28 befestigt.
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2613938
Anhand der Fig. 5a bis 5d wird beispielsweise ein Verfahren
zur Herstellung der in Fig. 4- dargestellten Einrichtung erläutert- Wie in Fig. 5a dargestellt ist, wird zunächst auf die
obere Fläche des Gewindebolzens 21, der aus Kupfer hergestellt ist, das lichtempfindliche Bauteil 22, in diesem Falle ein
Photo-Thyristor befestigt, auf- dem die obere Elektrode 25 angebracht
wird. Wie in Fig. 5b dargestellt ist, wird im Loch der oberen Elektrode 25 der Sockel mit der Glashülse 27,welche
die Leitung 28 haltert, an deren Spitze das lichtemittierende Bauteil 24· angebracht ist, sowie das zylinderförmige Teil 26,
das beispielsweise aus einer Eisen-Ulckel-Kobalt-Legierung hergestellt
ist, eingesetzt, ausgerichtet und lagemässig festgelegt. Wie in Fig. 5a dargestellt ist, wird danach zwischen dem Sockel
und dem lichtempfindlichen Bauelement flüssiges Epoxyharz als Lichtleiterinaterial gebracht und auf diese Weise wird eine
-Kunstharzschicht 23a gebildet, die in benetzender Berührung mit
der Glashülse 27? dem lichtemittierenden Bauelement 24 und dem
lichtempfindlichen Bereich des lichtempfindlichen Bauelementes 22 steht. Wie in Fig. 5d dargestellt ist, wird die Kunstharzschicht
durch Absaugen und Entfernen eines Teils der Kunstharzschicht 23 beispielsweise mittels eines Injektors oder eines
Dochtes, der beispielsweise aus Filterpapier hergestellt ist, in die Lichtleiter-Form gebracht und durch Wärmebehandlung ausgehärtet,
so dass schliesslich der Lichtleiter 23 entsteht. Schliesslich wird die dadurch erhaltene Anordnung in bekannter
Weise eingeschmolzen, so dass sich die in Fig. 4- dargestellte Einrichtung ergibt. Bei dieser Ausführungsform- kann die Verstärkungselektrode des Photo^Thyristors als Grenzschicht oder
Barriere verwendet werden, wie dies zuvor erwähnt wurde, um den Lichtleiter auszubilden.
Die grundsätzliche Funktion der Lichtleiterwirkung, die mit dem Lichtleiter 23 erhalten wird, entspricht der zuvor beschriebenen
Funktion. Um die Lichtleiterwirkung gemäss der vorliegenden Erfindung zu verbessern, ist die Leitung 28 aus Kupfer
oder einem entsprechenden Material so angeordnet, dass die Spitze, an der das licht aus ε end en de Bauteil 24- angebracht ist,
aus der Glashülse 27 vorsteht, so dass 'das lichtemittieren-
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de Bauteil 24 an der engsten Stelle des Lichtleiters 23 liegt und nahe an das lichtempfindliche Bauteil heranreicht. Durch
diesen Aufbau können die Lichtkomponenten, die teilweise gebrochen
werden und aus dem Lichtleiter austreten, also die Komponenten, die in Fig. 2 als die Lichtstrahlen b und c bezeichnet
wurden, klein gehalten werden, und die andere Lichtkomponente, die am Epoxyharz-Rand total reflektiert wird, beispielsweise
der Lichtstrahl d, kann vergrössert werden; und auch die Lichtstrahlen, die von den Seitenflächen des lichtaussendenden
Bauteiles (die Lichtkomponenenten, die mit f.* und fp in
Fig. 2 bezeichnet werden), kommen, können zur Lichtübertragung verwendet werden, so dass die optische Kopplung noch wesentlich
verbessert werden kann.
Eine Einrichtung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wurde bei einem konkreten Ausführungsbeispiel' hergestellt, bei dem das
lichtemittierende Bauteil 24 eine rechteckige GaAs-Diode mit einem Übergangsbereich von 400 um und einer Dicke von 200 um
war. Bei diesem Ausführungsbeispiel war das lichtempfindliche
Element 22 ein Photo-Thyristor mit einer inneren Steuerstromverstärkung und mit einem Halbleiterplättchen von 20 mm Durchmesser,
das einem zentralen lichtempfindlichen Bereich von 2 mm
Durchmesser auf v/i es. Der Abstand zwischen dem lichtemittierenden und lichtempfindlichen Element betrug etwa 0,7 mm. Der Abstand
zwischen der Soekelglashülse 27 und dem lichtempfindlichen Element
22 betrug etv/a 1,2 mm und es wurde eine kleine Menge (etwa 3 χ 10 cc) Epoxyharz verwendet, um den Lichtleiter 23 auszubilden
und eine Einrichtung herzustellen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Der Thyristor der auf diese Weise hergestellten Einrichtung konnte leicht durch Zuleitung eines Stromes von 45 mA an das
lichtemittierende Element 24 in Funktion gesetzt werden. Wenn man die Tatsache betrachtet, dass ein Anfangsstrom von etwa
240 mA bei einer Einrichtung mit einem ähnlichen Aufbau erforderlich ist, bei dem ein Zwischenraum zwischen dem lichtemittierenden
Element und dem Thyristor mit ITo-Gas ausgefüllt ist,
und wenn man weiterhin in Betracht zieht, dass ein Zündstrom
f'" O 9 PA R / O R ? 8
von etwa 117 mA bei einer anderen Einrichtung ähnlicher Bauart, bei der der Zwischenraum mit einem Epoxy-Kunstharz gefüllt ist,
erforderlich ist, wird deutlich, dass der Zündstrom bei einer Einrichtung, die entsprechend dem experimentellen Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, in hohem Masse verringert werden
kann, d. h. die optische Kopplung wurde wesentlich verbessert.
Es ist allgemein bekannt, dass die Lebensdauer der zuvor beschriebenen
lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung für hohe
Leistung vom lichtemittierenden Element abhängt, und dass eine hohe Dichte des Leitungsstromes durch das lichtemittierende
Element, sowie ein hoher Tempe3?aturanstieg im lichtemittierenden
Halbleiterübergang auf G-rund des Leitung stromes den Energieverlust
des Lichtausgangssignales wesentlich erhöht. Bei
der lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung, bei der der erfindungsgemässe
Lichtleiter verwendet wird, kann die Lebensdauer um das 5- bis 8fache bis zu etwa ICK Stunden erhöht werden, da
es möglich ist, die Stromdichte des durch das lichtemittierende Element fliessenden Stromes im Vergleich zu einer Einrichtung
um die Hälfte zu verringern, bei der ein Lichtleiter in Form einer einfachen Kunstharzschicht verwendet wird, und da es
möglich ist, den Temperaturanstieg auf ein Minimum zu beschränken (bei diesem experimentellam Ausführungsbeispiel kann
der Temperaturanstieg auf etwa 35° C beschränkt werden).
Zuvor wurde der grundsätzliche technische Erfindungsgedanke und die Funktions- und Wirkungsweise der erfindungsgemässen
Merkmale anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Ede
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt,
vielmehr können auch zahlreiche Abwandlungen durch geführt werden.
In den Fig. 6a bis 6e sind weitere erfindungsgemässe Ausführungsformen
und Abwandlungen dargestellt. Die in Fig. 6a dargestellte Ausbildungsform v/ird in vorteilhaft erweise bei einem
lichtempfindlichen Element verwendet, bei dem der hochempfindliche Teil im Innern, also von der Haupt-Oberfläche entfernt,
ausgebildet ist. Beispielsweise im Falle des Photo-Thyristors befindet sich der hochempfindliche Teil in der Gegend des zen-
tralen p-n-Übergangs, der in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn
eine Spannung in Vorwärtsrichtung an die Hauptelektroden angelegt
wird. Bei einem solchen hochempfindlichen Sensor wird das
auf die Hauptoberfläche auftreffende Licht stark absorbiert,
bevor dieses Licht den hochempfindlichen Bereich erreicht, so dass dadurch die Empfindlichkeit stark verringert wird. Um einen
derartigen Empfindlichkeitsverlust zu vermeiden, wird das lichtempfindliche Element 32 in der in Fig. 6a dargestellten
Einrichtung mit einer geätzten Nut ausgebildet, so dass der hochempfindliche Bereich an der Oberfläche der Nut freiliegt
und c.er Lichtleiter 33 das lichtaussendende Element 34- und die
Oberfläche der Nut, an der der hochempfindliche Bereich freiliegt, optisch koppelt. Da nach dem Atzvorgang eine Passivierungsschicht,
beispielsweise eine SiO2~Schicht ausgebildet wird,
ergibt ein Lichtleiter, der aus eineuT Material, welches die
SiOo-Schicht sehr gut benetzt und daher in gutem Kontakt mit
dieser SiO2~Schicht steht, eine sehr gute optische Kopplung
zwischen einem kleinen-rechteckigen lichtemittierendem Bereich
und einem grössen runden, konkav geformten lichtempfindlichen Bereich.
Bei- der in Fig. 6b dargestellten Ausführungsform ist das lichtemittierende
Element, das mit einer Schicht 36 beschichtet ist und das lichtempfindliche Element 32, das am lichtempfindlichen
Bereich mit einer Passivierungsschicht 39» beispielsweise einer Schicht aus Glas oder einem Kunststoff auf Siliciumbasis, also
nicht mit einer SiOp-Schicht 37 versehen ist, miteinander über dem Lichtleiter 33 optisch gekoppelt. Das auf einem Sockel 35
angebrachte lichtemittierende Element 34· ist mit einer Schicht
36, beispielsweise aus Glas oder einem entsprechenden Material beschichtet, so dass die Bedingung für die Totalreflexion weniger
scharf ist, und die Lichtausbeute verbessert werden kann.
Der lichtempfindliche Bereich des lichtempfindlichen Elementes, das auf den Elektrodenteil 31 angebracht ist, ist ebenfalls mit
der Schicht 39 beschichtet. Der erfindungsgemässe Lichtleiter 33 kann auch bei einer solchen Anordnung leicht verwendet werden.
In Fig. 6b wird eine Elektrodenschicht mit der Bezugszahl
38 bezeichnet.
' R0984B/082 8
In Pig. 6c ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der Lichtleiter 33 so ausgebildet ist, dass die von den Seitenflächen
des lichtemittierenden Elementes 34- kommenden Lichtstrahlen
wirkungsvoller ausgenutzt werden können. Der in Fig. 6c dargestellte Lichtleiter 33 ist querschnittsmässig
so ausgebildet, dass der Querschnitt an dem Bereich, der das lichtemittierende Element 34- umgibt, allmählich zunimmt, im
Mittelbereich praktisch die gleiche Grosse aufweist und in der Nähe des lichtempfindlichen Elementes 32 ebenfalls wieder allmählich
grosser wird. Der Lichtleiter 33 mit einer solchen Form
kann auf einfache Weise beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass zwischen ein zylinderförmiges Teil 40 und eine
Leitung 41 eine Schicht 42 aus isolierendem Material (aus beispielsweise Etrafluoräthylen) gebracht wird, das von Epoxyharz
nur sehr schlecht oder gar nicht benetzt werden kann, dass das lichtemittierende Element 34- mit Epoxyharz umgeben
wird, wobei das Epoxyharz die Spitze der Leitung 41, die von Epoxyharz ausgezeichnet benetzt werden kann, und den lichtempfindlichen
Bereich benetzt, und dass dann das Epoxyharz ausgehärtet wird. Da der Lichtleiter in dieser Ausbildung die
zusätzliche Funktion hat, die aus den Seitenflächen des lichtemittierenden Elementes austretenden Lichtstrahlen zu fokussieren
und sie auf das lichtempfindliche Element hin zu bündeln, kann die optische Kopplung um etwa 30 bis 50 % gegenüber dem
in Fig. 1 oder Fig. 4 dargestellten Lichtleiter verbessert werden.
In Fig. 6d ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der das lichtemittierende Element 34- und das lichtempfindliche
Element 32 so angeordnet sind, dass der lichtemittierende Bereich
und der lichtempfindliche Bereich gegeneinander versetzt oder verschoben sind und der Lichtleiter 33 ist erfindungsgemäss
zwischen dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfindlichen
Element ausgebildet. Fig. 6e zeigt eine weitere Abwandlung, bei der ein lichtempfindliches Element 32 mit einem
relativ kleinen lichtempfindlichen Bereich und das lichtemittierende Element 34- mit einem relativ grossen lichtempfindlichen
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Bereich, miteinander über die Lichtleitung 33 optisch gekoppelt
sind. Die in den Fig. 6d und 6e dargestellten Lichtleiter 33 können auf einfache Weise dadurch ausgebildet werden, dass ein
Kunstharz mit relativ hoher Viskosität verwendet und das Kunstharz schnell ausgehärtet wird. Beispielsweise wird alicyclisches
Epoxyharz, das mit einem Aushärtmittel aus Hexahydrophthalsaure gemischt ist, einer langsamen Aushärtreaktion während
bis 50 Stunden bei einer Temperatur von 40° G unterworfen,
so dass dabei die Viskosität des Epoxyharzes 700 bis 1200 Poise aufweist, das Kunstharz wird in die Lichtleiterform gebracht,
wobei es mit dem vorgegebenen lichtemittierenden Bereich und den lichtempfindlichen Bereich in benetzenden Kontakt gebracht
wird. Danach wird diese Kunstharz-Form schnell und bei hoher Temperatur ausgehärtet, so- dass der Lichtleiter mit der gewünschten
Form in einfacher Weise gebildet wird.
In Fig. 6f ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der Fokussierungseinrichtungen 4-3 (Linsen oder entsprechende
Teile) auf vorgegebenen Bereichen angeordnet und zu diesen ausgerichtet werden, damit die vorgegebenen Bereiche der hochempfindlichen
Zone des lichtempfindlichen Elementes 32 mit Licht hoher Intensität bestrahlt werden. Der auf diesem Gebiet
tätige Fachmann weiss, dass die Fokussierungseinrichtungen vorzugsweise aus Kunstharz, Glas oder einem Halbleiter mit
einem Brechungsindex hergestellt werden sollten, der grosser
ist als der Brechungsindex des Materials, aus dem der Lichtleiter 33 besteht. Ausser den in der Figur darstellten Formen
sind auch zahlreiche andere Formen für die Fokussierungseinrichtungen möglich. Die zuletzt beschriebene Ausführungsform
weist mehrere lichtempfindliche Elemente auf, die zu einer lichtempfindlichen Einheit zusammengefasst sind, und wobei
einige der lichtempfindlichen Elemente mit einer grösseren Lichtintensität bestrahlt werden, als die übrigen lichtempfindlichen
Elemente.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde hauptsächlich auf Materialien für die Lichtleiter Bezug genommen', die
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-.18 -
auf Epoxyharz-Basis beruhen. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, wenn dies erforderlich ist. Beispielsweise
können verschiedene Kunstharze auf Siliciumharz-Basis, Kunstharze auf Polyimid-Basis oder dgl., sowie verschiedene
Glassorten mit niederem Schmelzpunkt verwendet v/erden. Wenn als Lichtleitermaterial Glas mit niederem Schmelzpunkt
verwendet wird, kann die Erfindung"dadurch ausgeführt
werden, dass zunächst säulen- oder stabförmige Lichtleiter hergestellt werden und die lichtemittierenden und lichtempfindlichen
Bereiche direkt mit den Jeweiligen Enden der Lichtleiter verschmolzen werden.
80984 5/0828
Claims (8)
- PatentansprücheΛ.) Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung mit einem lichtemittierenden Halbleiterelement, das auf einem Teil der Oberfläche einen lichtemittierenden Bereich aufweist, einem lichtempfindlichen Halbleiterelement, dessen Oberfläche einen dem lichtemittierenden· Bereich des lichtemittierenden Halbleiterelementes gegenüberliegenden lichtempfindlichen Bereich aufweist und einem Lichtleiter, der das
lichtemittierende Halbleiterelement und das lichtempfindliche Halbleiterelement optisch koppelt, dadurch
gekennz ei chn et, dass der Lichtleiter (13, 23, 33) aus einem einstückigen, lichtübertragenden Material hergestellt ist und ein Ende mit wenigstens dem lichtemittierenden Bereich (141) des lichtemittierenden Halbleiterelements (14, 24, 34) und das andere Ende mit dem lichtempfindlichen Bereich (121) des lichtempfindlichen Halbleiterelementes (12, 22, 32) in benetzendem Kontakt steht. - 2. 'Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (13, 23)
so geformt ist, dass eine Seitenfläche des Lichtleiters (13, 23), dessen gegenüberliegende Enden mit dem lichtemittierenden Bereich (141) bzw. dem lichtempfindlichen Bereich. (121) in Berührung stehen, bezüglich einer Fläche - konkav gekrümmt ist, die durch gerade Linien definiert
ist, welche die Punkte auf dem Rand des einen Endes des Lichtleiters (13, 23)· mit den Punkten des Randes des anderen Endes verbinden, wobei die Punkte jeweils punktweise durch die kürzesten Linien verbunden sind. - 3· Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1
oder 2,-dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Randes des lichtempfindlichen Bereiches (141) des lichtempfind-60984S/0828- -20 -lichen Halbleiterelementes (12, 22, 32) eine stufenförmige Schwelle ausgebildet ist. - 4-. Lichtgekoppelte Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich (141) des lichtempfindlichen Halblei-terelementes (12, 22, 32) von dem lichtübertragenden Ma-.terial besser benetzt werden kann als die benachbarten Randbereiche des lichtemittierenden Bereiches (141).
- 5· Verfahren zur Herstellung einer lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :Anordnen eines lichtemittierenden Halbleitereiernentes, das auf einem Teil der Oberfläche einen lichtemittierenden Bereich aufweist und eines lichtempfindlichen Halbleiterelementes, das auf einem Teil der Oberfläche einen lichtempfindlichen Bereich aufweist, wobei der lichtemittierende Bereich und der lichtempfindliche Bereich einander gegenüber liegen,. Einbringen eines flüssigen lichtübertragenden Materials in einen Zwischenraum zwischen dem lichtemittierenden Halbleiterelement und dem lichtempfindlichen Halbleiterelement, Ausbilden des lichtübertragenden Materials in der Weise, dass ein Teil des lichtübertragenden Materiales nahe dem lichtempfindlichen Halbleiterelement in Berührung mit dem lichtempfindlichen Bereich gebracht wird und die parallel- zum lichtempfindlichen Bereich liegende Querschnittsfläche des lichtübertragenden Materiales im Mittelbereich zwischem dem lichtemittierenden Halbleiterelement und demt lichtempfindlichen Halbleiterelement kleiner ist als der Bereich, an dem das lichtübertragende Material mit dem lichtempfindlichen Bereich in Berührung steht, und• .formmässiges Festlegen eines Lichtleiters, der das lichtemittierende Halbleiterelement und das lichtempfindliche * Halbleiterelement optisch koppelt, durch Aushärten des609845/0828lichtübertragenden Materials.
- 6. Verfahren zur Herstellung einer -lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich des lichtempfindlichen Halbleiterelement es vom lichtübertragenden Material besser benetzt werden kann als der andere Bereich und beim Ausbilden des lichtübertragenden Materiales der lichtemittierende.Bereich vom lichtempfindlichen Bereich beabstandet wird.
- 7. Verfahren zur Herstellung einer lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden des lichtübertragenden Materiales die Länge des lichtübertragenden Materiales verringert wird.
- 8. Verfahren zur Herstellung einer lichtgekoppelten Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: , ■ · Anordnen eines lichtemittierenden Halbleiterelementes, das auf einem Teil der Oberfläche einen lichtemittierenden Bereich aufweist und eines lichtempfindlichen Halbleiterelementes, das auf einem Teil der Oberfläche einen lichtempfindlichen Bereich aufweist, wobei der lichtemittierende Bereich und der lichtempfindliche Bereich einander gegenüberliegen und der lichtemittierende Bereich über dem lichtempfindlichen Bereich angeordnet ist, Verbinden des lichtemittierenden Bereiches mit dem licht-■ empfindlichen Bereich mittels eines flüssigen lichtübertragenden Materials, in dem das flüssige lichtübertragende Material auf den lichtemittierenden Bereich aufgebracht und bewirkt wird, dass es vom lichtemittierenden Bereich auf den. lichtempfindlichen Bereich tropft, und ·. formmässiges Festlegen eines Lichtleiters, der das lichtemittierende Halbleiterelement mit dem lichtempfindlichen Halbleiterelement optisch koppelt, durch Aushärten des lichtübertragenden Materials.60984 5/0828Leerseite
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