專利名稱：單片線性光耦合器及其制造方法
本申請是申請日為1996年3月19日，申請?zhí)枮?6195016.1，發(fā)明名稱為“單片線性光耦合器”的發(fā)明專利申請的分案申請。
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構。
與本發(fā)明同日提交申請的同一發(fā)明人的標題為“單片線性光耦合器的制造方法”的相關申請納入本文以資參考。
光耦合器用于使輸入信號與對應的輸出信號互相電絕緣。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)終端設備(“DTE”)(例如數(shù)據(jù)調制解調器，傳真機，非蜂窩手持電話機，揚聲器電話機和自動留言機)與公共交換電話網絡(“PSTN”)接口。網絡(PSTN)必須受保護免遭由于數(shù)據(jù)終端設備(DTE)故障或由于不留心經過數(shù)據(jù)終端設備(DTE)短接到其電源線而造成的可能的損壞。事實上，美國聯(lián)邦通信委員會(“FCC”)要求在數(shù)據(jù)終端設備(DTE)和網絡(PSTN)之間有1500V的絕緣。在過去，數(shù)據(jù)接入設備(DAA)使用變壓器來提供這樣的電氣絕緣。然而由于它們相對昂貴而且尺寸和重量大，變壓器是不利的，尤其當用在便攜式數(shù)據(jù)終端設備(DTE)中的時候。必須為這種減小體積/重量的應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(“輸出信號光電二極管”)根據(jù)它檢測到的由LED發(fā)出的光的強度來產生輸出信號。
已知的光耦合器也可包括附加的光電二極管(“反饋控制信號光電二極管”)，用于根據(jù)該附加光電二極管檢測到的由LED發(fā)光的強度來產生伺服反饋信號。反饋控制信號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，輸出信號光電二極管和反饋控制信號光電二極管是分立元件。因此，由LED和輸出信號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。結果，由輸出信號光電二極管檢測的光強一般不同于由反饋控制信號光電二極管檢測的光強。因此，反饋控制信號光電二極管的輸出不能準確地表示由輸出信號光電二極管檢測的來自LED的光強，從而妨礙了對光耦合器工作的非線性進行充分的補償。
解決光發(fā)射在各方向不均勻問題的一種方案是使輸出信號光電二極管緊靠反饋控制信號光電二極管安放。不幸的是，這只能部分解決問題，因為各方向不均勻的光依然能產生非線性，雖然會少一些。此外，必須使反饋控制信號光電二極管充分地與輸出信號光電二極管隔離以提供足夠的電氣絕緣。當二個光電二極管的位置彼此靠近時，這種絕緣是難于實現(xiàn)的。
鑒于已知光耦合器電路上述的問題，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該互相間有足夠的電氣絕緣。此外，此種光耦合器的制造應該相對簡單和經濟。如果可能，這種光耦合器應該集成在單一的芯片上。
簡言之，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光電二極管，第二光電二極管最好是輸出信號光電二極管。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造和相對于LED的位置設置為使由LED發(fā)出的光的任何方向不均勻性都得到補償。具體說，由各光電二極管檢測的發(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光電二極管電絕緣的氧化物，例如二氧化硅隔開。
第一和第二光電二極管最好有相同的形狀，從而對由LED發(fā)射的光的任何方向不均勻性作進一步補償。
在該單片結構之上可以設一反射罩，從而形成光學腔。反射罩增加光耦合器的信號噪聲比。
為了更好地理解本發(fā)明，以下結合附圖對其示例性實施例作詳細說明，其中

圖1是按照本發(fā)明構成的光耦合器的從由圖2的線Ⅰ-Ⅰ確定的剖面看去的側視圖；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構的制造方法。
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、輸出信號光電二極管310和反饋控制信號光電二極管320。差分(誤差)運算放大器330從控制信號輸出端394耦合到LED輸入信號端391。
LED 300發(fā)射光線，其強度取決于從差分放大器330輸出的信號的電壓。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至輸出信號光電二極管310確定為第一方向D1。輸出信號光電二極管310的正極經由端子395與第一電壓源VS1耦合，輸出信號光電二極管310的負極經由端子396與輸出負載耦合?；蛘?，如果使用耗盡層光電二極管，則輸出信號光電二極管310的負極可以與電壓源耦合，而輸出信號光二極管310的正極可以與輸出負載耦合，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，輸出信號光電二極管310都根據(jù)由它檢測的光強來把輸出信號供給輸出負載(或供給輸出驅動器)。
反饋控制信號光電二極管320還可與LED 300進行光耦合。雖然反饋控制信號光二極管320也可以與LED 300電絕緣，但是并不需要這種電絕緣。從LED 300至反饋控制信號光電二極管320確定為第二方向D2。反饋控制信號光電二極管320的正極經過端子393與第二電源電壓VS2耦合，反饋控制信號光電二極管320的負極與差分放大器330的第一(倒相)輸入端耦合?；蛘撸绻褂煤谋M層光電二極管，則反饋控制信號光電二極管320的負極可與電壓源耦合而反饋控制信號光電二極管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)射的光的強度可以與沿方向D2發(fā)射的光的強度不同。這種檢測光強上的差別使得難于適當?shù)乜刂萍拥絃ED 300上的電壓。如上所討論的，如果輸出信號光電二極管310緊靠反饋控制信號光電二極管320安放以使方向D1緊密地接近方向D2，則二個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構100的側剖視圖。剖面是如圖2的線段Ⅰ-Ⅰ所示通過橫切單片結構的中部而取得的。
單片結構100包括硅基底110、氧化物層120(例如二氧化硅)、內硅區(qū)160、內硅槽(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。內硅槽150位于氧化物層120的上表面，并環(huán)繞內硅區(qū)160。內硅槽150的內沿159與內硅區(qū)160的外沿168隔開，從而確定氧化物層120上表面不與硅結構接觸的第一區(qū)域56。外硅槽140位于氧化物層120的上表面，并環(huán)繞內硅槽150。外硅槽140的內沿149與內硅槽150的外沿158隔開，從而確定氧化物層120上表面不與硅結構接觸的第二區(qū)域45。
內硅槽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，設立八邊形p摻雜的“槽”區(qū)151要求在制造時有蝕刻轉角部分的附加步驟。事實上，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)晶體結構制成。然而，最好是對稱的形狀，尤其是相對于在形狀中心相交的二條垂直線呈對稱的形狀。
摻雜n的區(qū)域152位于p摻雜的槽151之內，從而形成p-n結151-152。該p-n結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極。同樣，外硅槽140包括矩形的p摻雜“槽”區(qū)141，當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，從而形成p-n結141-142。該p-n結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極。
厚氧化物覆蓋層130覆蓋內硅區(qū)160、內硅槽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極(144、154)和正極(145、155)焊接區(qū)的空隙以允許形成到達第一和第二二極管的正極和負極連接。具體說，如圖1和2所示，空隙143提供到達外硅槽140的n摻雜區(qū)142上的負極焊接區(qū)的通路。類似的空隙144提供到達外硅槽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提供到達內硅槽150的n摻雜區(qū)152上的負極焊接區(qū)的通路。類似的空隙154提供到達內硅槽150的p摻雜槽151上的正極焊接區(qū)的通路。
LED 190設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包括負極焊接區(qū)194和正極焊接區(qū)195。厚氧化物覆蓋層130應當允許具有由LED 190發(fā)射的光(一般是紅外光)的波長的光線通過。即，厚氧化物覆蓋層130應當基本上對LED 190發(fā)出的光透明。
也可以設置覆蓋單片結構100的反射罩200選件。例如，反射罩200可由具有反射層的光學透明物質制成。
由內硅槽150形成的第一二極管151、152是光電二極管，可以用來產生輸出信號或產生反饋控制信號。然而，鑒于它緊靠LED 190，第一光電二極管151、152最好用來為LED 190產生反饋控制信號。這是因為反饋控制信號光電二極管不必與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，可以用來產生反饋控制信號或產生輸出信號。第二光電二極管141、142應當執(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生輸出信號。這樣提供了輸出信號光電二極管和LED 190之間甚至更好的電絕緣。
在操作中，當LED 190發(fā)光時，有些發(fā)出的光通過光學透明的氧化物厚層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)它們接收的光的強度產生電輸出信號。由于第一和第二光電二極管結構二者都環(huán)繞LED，所以在所有方向發(fā)射的光的強度被環(huán)繞的光電二極管所平均，因此補償了LED發(fā)射光強度的任何各向不均勻性。
如果設有反射罩200選件，就確定了單片結構100上表面和反射罩200內表面之間的光學腔。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，通過增加第一和第二光電二極管接收的光的凈強度，反射罩200改善了光耦合器的信號噪聲比。
內硅槽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，內硅槽150和外硅槽140的底表面分別安放在氧化層120上，內硅槽150和外硅槽140的側表面和頂表面(用于通往正極和負極焊接區(qū)的空隙區(qū)除外)分別用厚氧化物130包圍住。結果，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的單片結構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)形成多個溝道410。其次，如圖4c所示，例如通過擴散把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沉積在所得結構的上方。這些多晶硅充填了諸溝道410并提供機械穩(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，然后把所得的結構翻轉并對其用以電介質絕緣的多個槽進行處理，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(見圖1)。然后把所得的結構翻轉。然后用例如蝕刻的方法賦予多晶硅440(130)適當?shù)男螤钜孕纬煽障?44、145、155(見圖1和2)，這些空隙使各焊接區(qū)和引線能加到兩個光電二極管的負極和正極。
本文所述的實施例只是說明本發(fā)明的原理。本領域的普通技術人員能夠在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對這些實施例作出種種的改型。
權利要求
1.一種制造單片半導體結構的方法，其特征在于，它包括以下步驟(a)在一n型硅晶片之內蝕刻多個溝道；(b)把n型材料擴散到所述晶片中，以形成N+層；(c)在所述N+層上形成第一氧化物層；(d)將硅材料沉積在所獲得的結構上，以填充所述各溝道，并提供機械穩(wěn)定性；(e)從形成溝槽一側的相對側研磨所述硅晶片，使得所述N+層的部分被暴露；(f)利用多個介電絕緣的槽，形成多個P+區(qū)域，以覆蓋所述N+層的所述各暴露的部分；(g)在所述各P+區(qū)域上添加第二氧化物層；以及(h)在所述第二氧化層上添加基底。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成P+區(qū)域的步驟包括形成具有負極和正極的第一光電二極管，及形成具有負極和正極的第二光電二極管。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括以下步驟(i)適當?shù)匚g刻所述硅材料以形成多個空隙；(j)經由所述各空隙把多個焊接區(qū)和引線加到所述第一和第二光電二極管的負極和正極。
4.一種制造單片半導體器件的方法，其特征在于，它包括以下步驟(a)在硅晶片的頂表面中形成多個溝道；(b)在所述晶片的頂表面及所述各溝道的內表面上形成N+區(qū)域；(c)在所述N+區(qū)上形成第一氧化物層；(d)去除所述硅晶片，使得所述N+區(qū)的部分被暴露；(e)形成覆蓋所述N+區(qū)的所述各暴露部分的多個P+區(qū)域；(f)在所述P+區(qū)上添加第二氧化物層；以及(g)在所述第二氧化物層上添加基底。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述形成P+區(qū)域的步驟包括形成具有負極和正極的第一光電二極管，及形成具有負極和正極的第二光電二極管。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，該方法還包括給所述第一和第二光電二極管的負極和正極提供電連接的步驟。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述器件的上表面上形成發(fā)光二極管的步驟。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括在所述器件的上表面上附加具有面向所述器件的上表面的反射層的光學透明罩的步驟。
9.一種制造單片線性光耦合器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)在一硅晶片的頂表面中形成多個溝道；(b)在所述晶片的頂表面及所述溝道的內表面上形成N+區(qū)域；(c)在所述N+區(qū)域上形成第一氧化物層；(d)去除所述硅晶片，使得所述N+區(qū)的部分被暴露；(e)形成覆蓋所述N+區(qū)的所述被暴露的部分的多個P+區(qū)域，并形成具有負極和正極的第一光電二極管及形成具有負極和正極的第二光電二極管；(f)在所述P+區(qū)域上添加第二氧化物層；(g)在所述第二氧化物層上添加基底；以及(h)在所得結構的上表面上形成發(fā)光二極管。
10.一種器件，包括一個發(fā)光二極管，用于發(fā)射光線；一個第一光電二極管，用于根據(jù)其感測的光產生電流；一個第二光電二極管，用于根據(jù)其感測的光產生電流；其特征在于，所述第一和第二光電二極管與所述發(fā)光二極管形成在同一單片上，并且該器件還包括一個絕緣體，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于所述發(fā)光二極管的位置設置為使由所述發(fā)光二極管發(fā)出的光的各方向不均勻性得到補償。
11.如權利要求10所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管是根據(jù)其檢測的光來產生輸出信號的輸出信號光電二極管，所述第二光電二極管是根據(jù)其檢測的光來產生反饋控制信號的反饋控制信號的光電二極管。
12.如權利要求10所述的器件，其特征在于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。
13.如權利要求12所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管在預先確定的平面中圍繞所述第二光電二極管。
14.如權利要求12所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管圍繞所述第二光電二極管。
15.如權利要求10所述的器件，其特征在于所述絕緣體是厚的氧化物層。
16.如權利要求15所述的器件，其特征在于所述絕緣體是厚的二氧化硅層。
17.如權利要求10所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管由充填了n摻雜半導體的p摻雜半導體的槽所形成。
18.如權利要求10所述的器件，其特征在于所述第二光電二極管由充填了n摻雜半導體的p摻雜半導體的槽所形成。
19.如權利要求10所述的器件，其特征在于，該器件還包括(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，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，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。
20.如權利要求19所述的器件，其特征在于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。
21.如權利要求20所述的器件，其特征在于所述第二光電二極管成形為矩形。
22.如權利要求20所述的器件，其特征在于所述第二光電二極管成形為正方形。
23.如權利要求20所述的器件，其特征在于所述第二光電二極管成形為八邊形。
24.如權利要求19所述的器件，其特征在于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。
25.如權利要求24所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管成形為矩形。
26.如權利要求24所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管成形為正方形。
27.如權利要求14所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管成形為八邊形。
28.如權利要求19所述的器件，其特征在于所述第一光電二極管由充填了n摻雜半導體的p摻雜半導體的槽所形成。
29.如權利要求19所述的器件，其特征在于所述第二光電二極管由充填了n摻雜半導體的p摻雜半導體的槽所形成。
30.如權利要求10所述的器件，其特征在于，該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，從而確定了一光學腔。
全文摘要
一種制造單片半導體結構的方法包括在一n型硅晶片之內蝕刻多個溝道；把n型材料擴散到晶片中，以形成N
文檔編號H01L31/12GK1227401SQ9910216
公開日1999年9月1日 申請日期1999年2月9日 優(yōu)先權日1995年6月30日
發(fā)明者戴維·惠特尼 申請人:西門子微電子公司