DE19510631B4

DE19510631B4 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE19510631B4
Application number: DE19510631A
Authority: DE
Inventors: Hajime Inuzuka; Naomi Awano; Takeshi Hasegawa; Masahito Mizukoshi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2015-03-24
Also published as: JP2985691B2; US5629534A; DE19510631A1; JPH07312443A

Abstract

Halbleiterbauelement mit: einem Substrat (1, 21), einer Isolierschicht (2, 22), die auf dem Substrat (1, 21) ausgebildet ist; einer Polysiliziumschicht (23, 75), die auf der Isolierschicht (2, 22) ausgebildet ist; einer Mehrzahl von Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereichen (3, 4, 25), die in der Polysiliziumschicht (23, 75) ausgebildet sind, einer Mehrzahl von Kanälen, wobei die Kanäle jeweils aufweisen: ein Leuchtelement (27), das auf einem jeweiligen Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 4, 25) ausgebildet ist, zum Aussenden von Licht als Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal, ein Lichtempfangselement (28), das auf einem jeweiligen Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 4, 25) ausgebildet ist, zum Empfangen des von dem Leuchtelement (27) ausgesandten Lichts und zum Abgeben eines elektrischen Ausgangssignals, und einen optischen Wellenleiter (29), der zwischen dem Leuchtelement (27) und dem Lichtempfangselement (28) zum optischen Koppeln des Leuchtelements (27) und des Lichtempfangselements (28) ausgebildet ist, einer elektrischen und optischen Isolierschicht (26, 73, 74), die auf...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit einem lichtaussendenden Element (Leuchtelement) und einem Lichtempfangselement und insbesondere auf ein Halbleiterbauelement mit monolithischem Aufbau, das eine einen Photokoppler bzw. Optokoppler oder ein photoelektromotorisches Kraft erzeugendes Element enthaltende integrierte Schaltung ist.
Seit kurzem ist es weit verbreitet, eine unter Einsatz eines Optokopplers durchgeführte elektrische Isolation als Methode zur Isolation von Eingabe/Ausgabe-Schnittstellenabschnitten und Stromversorgungsabschnitten von verschiedenen elektronischen Geräten bereitzustellen. Bei programmierbaren Steuereinrichtungen für die Betriebsautomatisierung wird eine Anzahl von Optokopplern für eine Mehrzahl von Zwecken eingesetzt, die eine parallele Datenübertragung mit 16 bis 64 Bit und eine Übertragung von Informationen wie etwa von Unregelmäßigkeiten auf der Betätigungsseite und dergleichen zur gesteuerten Seite enthalten. Ein solcher Optokoppler ist eine integrierte Hybrid-Schaltung (Hybrid-IC), die durch Integration eines ein Leuchtelement enthaltenden, einen Verbundhalbleiter wie etwa GaAs aufweisenden Chips und eines ein Si enthaltendes Lichtempfangselement aufweisenden Chips in einem einzigen Gehäuse gebildet ist. Eine große Anzahl derartiger Optokoppler ist auf einem Substrat für den Einsatz angeordnet. In der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP 48-46278 A ist ein herkömmliches Verfahren zum Integrieren derartiger Optokoppler auf einem einzigen Chip für eine insgesamt kompaktere Ausgestaltung offenbart.
Wenn jedoch dieses Verfahren zur Ausbildung einer Vielzahl von Paaren von lichtaussendenden und lichtempfangenden Elementen (Kanälen) auf demselben Substrat eingesetzt wird, tritt das Problem auf, daß zwischen optischen Signalen auf unterschiedlichen Kanälen Übersprechen auftritt. Der hier benutzte Ausdruck ”Übersprechen” bezieht sich auf die Erscheinung, daß optische Signale in benachbarte Elemente als Leckerscheinung übertreten und sich dort fortpflanzen. Bei dem in der JP 48-46278 A offenbarten Optokoppler wird als Leuchtelement eine GaAs-Leuchtdiode eingesetzt, die auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats hergestellt ist. Da die Brechungsindizes von Si und GaAs bei Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 μm im wesentlichen gleich groß sind, d. h. beide in der Größenordnung von 3,5 liegen, tritt das von der GaAs-Leuchtdiode ausgesendete Licht nicht nur in den Wellenleiter, sondern auch in das Siliziumsubstrat ein. Das Licht pflanzt sich zu den Lichtempfangselementen der benachbarten Kanäle und optischen Wellenleiter fort, wodurch ein Übersprechen zwischen optischen Signalen hervorgerufen wird. Als Ergebnis können die Signale nicht korrekt übertragen werden.
Die JP 03-191572 A beschreibt eine optische Halbleitervorrichtung, bei der ein Leuchtelement bzw. Licht emittierendes Element und ein Lichtempfangselement bzw. Photodetektor in demselben Substrat ausgebildet sind und ein Lichtwellenleiter verwendet wird, um Licht, das von dem Leuchtelement ausgegeben wird, in den zu koppeln. Der Lichtwellenleiter ist derart ausgebildet, dass die Licht emittierende Fläche des Leuchtelementes und die photodetektierende Fläche des Photodetektors mit einer beschichteten Struktur bedeckt sind, die aus einer ersten Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex, einer zweiten Schicht mit einem hohen Brechungsindex und einer dritten Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex besteht. Weiterhin sind das Leuchtelement und das Lichtempfangs-element jeweils von Polyimidharz umgeben.
Die US 4 857 746 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Optokopplers, wobei Reflexionslichtbarrieren verwendet werden, um Licht von einem Leuchtelement zu einem Lichtempfangselement zu reflektieren. Zur optischen Isolierung zwischen dem Leuchtelement und dem Empfangselement in demselben Kanal ist ein reflektierendes Material in den entsprechenden Gräben im Substrat vorgesehen.
Die JP 57-104279 A beschreibt einen Photoisolator, wobei Halbleiterbereiche, die von Isolierfilmen umgeben sind, auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet sind und jeweils ein Leuchtelement und ein Lichtempfangselement auf diesen Halbleiterbereichen ausgebildet sind. Eine Photoübertragungsschicht dient zur Kopplung dieser beiden Elemente.
Die JP 04-323879 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung, bei der eine Mehrzahl von Photokopplern auf einem einzelnen Substrat integriert ist. Leuchtelemente sind auf dem Substrat angebracht und liegen Photodetektoren, die in der Oberfläche des Substrat angeordnet sind, gegenüber, wobei eine Isolierschicht zwischen diesen vorgesehen ist. Licht wird durch die Isolierschicht von dem Leuchtelement zu dem Lichtempfangselement geleitet.
Die JP 05-267714 A beschreibt einen Photokoppler mit einem Substrat, auf dem ein Lichtempfangselement und eine Isolierschicht ausgebildet sind. Eine gemeinsame Elektrode als Leuchtelement ist auf der Isolierschicht ausgebildet. Weiterhin ist eine Licht emittierende Schicht derart ausgebildet, dass sie das Lichtempfangselement und die gemein-same Elektrode bedeckt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das eine Mehrzahl von Paaren von lichtaussendenden und lichtempfangenden Elementen (Kanäle) besitzt, die in monolithischem Aufbau hergestellt sind, wobei das Problem des Auftretens von Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen vermieden werden kann.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gerichtet.
In Übereinstimmung mit der gemäß den vorstehenden Ausführungen aufgebauten Erfindung ist eine Mehrzahl von Kanälen in einem Halbleiter-Einkristallbereich ausgebildet, wobei jeder Kanal ein Leuchtelement, ein Lichtempfangselement und einen optischen Wellenleiter zum optischen Koppeln der lichtaussendenden und lichtempfangenden Elemente aufweist. Wenn bei einem solchen Bauelement ein eingangsseitiges elektrisches Signal an eines der Leuchtelemente angelegt wird, sendet das Leuchtelement Licht als Reaktion auf dieses Signal aus. Das ausgesandte Licht pflanzt sich durch den zugeordneten Kanal fort und wird in das Lichtempfangselement desselben Kanals eingespeist. Das Lichtempfangselement wandelt das empfangene Licht in ein elektrisches Ausgangssignal um und gibt dieses ab.
Wenn eine Mehrzahl von Kanälen in dem gleichen Halbleiter-Einkristallbereich ausgebildet ist, kann sich ein Teil des von dem Leuchtelement eines Kanals ausgesandten Lichts durch den Halbleiter-Einkristallbereich zu dem benachbarten Lichtempfangselement eines benachbarten Kanals ausbreiten. Dies kann zu dem sogenannten Übersprechen führen, das Fehlfunktionen hervorruft. Gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung ist jedoch zwischen den Kanälen eine elektrische und optische Isolierschicht zum Reflektieren oder Absorbieren des zu dem benachbarten Kanal gerichteten Lichts vorhanden. Als Ergebnis ist im wesentlichen keine Ausbreitung von Licht zwischen benachbarten Kanälen vorhanden, wodurch es möglich ist, Übersprechen zu vermeiden.
Wenn ein Lichtstrahl aus einem Material mit hohem Brechungsindex in ein Material mit niedrigerem Brechungsindex eintritt, erfährt das Licht generell eine Totalreflexion, falls der Einfallswinkel einen kritischen Winkel überschreitet. Falls daher die Übersprechvermeidungseinrichtung durch eine lichtreflektierende Schicht gebildet ist, deren Brechungsindex kleiner ist als derjenige des Halbleiter-Einkristallbereichs, werden von denjenigen Lichtstrahlen, die von dem Halbleiter-Einkristallbereich ausgesandt werden und auf die Übersprechvermeidungseinrichtung auftreffen, die Lichtstrahlen, die den kritischen Winkel überschreiten, einer Totalreflexion unterzogen. Weiterhin werden auch Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel kleiner sind als der kritische Winkel, bei ihrem Durchgang durch die lichtreflektierende Schicht abgeschwächt. Als Ergebnis kann Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Halbleiterbauelement mit monolithischem Aufbau zu schaffen, in dem eine Mehrzahl von Paaren aus Leuchtelementen und Lichtempfangselementen (Kanälen) derart ausgebildet sein kann, daß kein Übersprechen zwischen benachbarten Kanälen auftritt.
Zusammenfassend enthält das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement unter anderem ein Substrat, einen Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich, Kanäle, die durch Leuchtelemente, Lichtempfangselemente und optische Wellenleiter gebildet sind, und elektrische und optische Isolierschichten. Dieser Aufbau läßt sich einfach integrieren und beeinträchtigt Elemente in anderen Regionen auf dem Halbleiterbauelement nicht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bidirektionale Mehrkanal-Optokoppler aufzubauen, die sich in einfacher Weise integrieren lassen und die auch für parallele elektrische Isolierung von mehreren Kanälen in störungsreichen Umgebungen, wie sie zum Beispiel bei Anwendungen bei der Betriebsautomation (Fertigungsautomatisierung) angetroffen werden, eingesetzt werden können.
Weiterhin tritt kein Licht aus dem jeweiligen Kanal aus, da das Signallicht unter Ausnutzung des Unterschieds zwischen den Brechungsindizes reflektiert werden kann. Es ist auch vorteilhaft, daß sich eine solche isolierte Struktur in einfacher Weise ausbilden läßt. Weitere Vorteile bestehen darin, daß durch Bereitstellung von elektrischen Isolierfilmen mit zwei oder mehr Lagen eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen in Reihe geschaltet werden können, um eine hohe photoelektromotorische Kraft zu erzielen.
Genauer gesagt besteht der Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich aus Silizium und die Leuchtelemente können GaAs-Leuchtdioden (GaAs = Galliumarsenid) sein, die auf diesem Bereich mittels eines Heteroübergangs ausgebildet sind. Die Leuchtelemente können beliebig aus Phototransistoren, Photodioden, Photothyristoren, Phototriacs und Silizium (Si) enthaltenden Elementen mit photoelektromotorischer Kraft ausgewählt sein. Die lichtreflektierende Schicht kann ein Siliziumoxid (SiO₂), Silikaglas oder ein Luftspalt sein.
Weiterhin kann der optische Wellenleiter ein Film aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), ein Film aus Titanoxid (TiO₂) oder ein Arsenglas (As₂Se₃, As₂S₃) sein. Der elektrische Isolierfilm kann aus Siliziumoxid (SiO₂) oder Silikaglas bestehen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische Draufsicht auf eine Ausgestaltung eines ersten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
1B eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1A,
2A eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
2B eine schematische perspektivische Ansicht eines Schnitts entlang der Linie B-B' in 2A,
3 ein Aquivalenzschaltbild des ersten Ausführungsbeispiels,
4 eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus eines zweiten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
5 eine schematische Konfigurationsdarstellung der Schnittansicht, die entlang der Linie A-A' in 4 geschnitten ist,
6A eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Isolierschicht gemäß einem dritten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
6B eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Isolierschicht gemäß einem vierten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
7 eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Isolierschicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 eine schematische perspektivische Ansicht des Aufbaus einer Isolierschicht gemäß einem fünften nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
9 eine schematische Draufsicht auf den Aufbau eines sechsten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
10 eine schematische Schnittansicht, die entlang der Linie A-A' in 9 aufgenommen ist,
11A eine schematische Draufsicht auf eine Ausgestaltung eines siebten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
11B eine Schnittansicht, die entlang der Linie B-B' in 11A geschnitten ist,
12 ein Äquivalenzschaltbild des siebten Beispiels,
13A eine schematische Draufsicht, die einen Aufbau eines achten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels zeigt,
13B eine Schnittansicht, die entlang der Linie C-C' in 13A geschnitten ist,
14 ein Äquivalenzschaltbild des achten Beispiels,
15A eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines neunten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels zeigt,
15B eine Schnittansicht, die entlang der Linie D-D' in 15A geschnitten ist,
16A eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines zehnten nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels zeigt,
16B eine Schnittansicht, die entlang der Linie E-E' in 16A geschnitten ist,
17A eine schematische Draufsicht auf einen Aufbau eines elften nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels,
17B ein Äquivalenzschaltbild des elften Beispiels, und
18 eine schematische perspektivische Ansicht eines Aufbaus, bei dem Optokoppler und periphere Schaltungen in einen Einzelchip integriert sind.
Es wird nun ein erstes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel beschrieben.
1A zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauelement mit mehrkanaligem Optokoppler (MPC = multi-channel photocoupler), bei dem zwei Optokoppler auf einem einzigen Siliziumsubstrat 1 ausgebildet sind. 1B zeigt eine entlang der Linie A-A gesehene Schnittansicht.
Es wird nun zunächst auf die Draufsicht gemäß 1A Bezug genommen. Auf der linken Seite eines Halbleiter-Einkristallbereichs 3 ist eine Fläche ausgebildet, die durch eine elektrische Isolierschicht 6 umgeben ist, die aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht und eine Grabenstruktur besitzt. In dieser Fläche sind zwei Halbleiter-Einkristallbereiche 3' vorgesehen und jeweils durch eine lichtreflektierende Schicht 5 umgeben, die gleichfalls aus Siliziumoxid (SiO₂) besteht. Eine GaAs-Leuchtdiode (GaAs LED) 7 dient als Leuchtelement und ist in jedem Bereich 3' gebildet. Diese GaAs-Leuchtdioden 7 sind gegenüber dem Siliiziumsubstrat 1 durch einen SOI-Aufbau (SOI = silicon-on-insulator) isoliert, der durch eine in dem Substrat 1 gebildete Isolierschicht 2 aus SiO₂ gebildet ist. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der Halbleiter-Einkristallbereiche 3 und 3' ist eine hohe Dichte besitzende Diffusionsschicht 4 benachbart zu der Isolierschicht 2 aus SiO₂ in dem Substrat ausgebildet. Eine gemeinsame, primäre Masseelektrode 18 ist von den GaAs-Leuchtdioden 7 herausgeführt und mit den durch die lichtreflektierenden Schichten 5 umgebenen Bereichen 3' verbunden. Eine Strominjektionselektrode 16 ist von jeder der Leuchtdioden 7 herausgeführt, wobei auf der Elektrode ein Kontaktbereich für ihre Bondverbindung in der durch die elektrische Isolierschicht 6 umgebenen Fläche gebildet ist. Diese Elektroden sind gegenüber der Halbleiter-Einkristallschicht 3 durch einen LOCOS-Isolierfilm 14 und eine Si₃N₄-Isolierschicht 13 auf der Oberfläche der Schicht isoliert. Der LOCOS-Isolierfilm wird als eine lichtreflektierende Schicht 14 bezeichnet.
Auf der rechten Seite des in 1A gezeigten Halbleiter-Einkristallbereichs 3 ist weiterhin eine Fläche gebildet, die durch eine aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellte elektrische Isolierschicht 6 umgeben ist. Diese Fläche besitzt gleichfalls zwei Halbleiter-Einkristallbereiche 3'', die jeweils durch eine aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellte lichtreflektierende Schicht 5 umgeben sind. In jeder Region 3'' ist jeweils ein Phototransistor 11 gebildet. Emitterelektroden 9 der Phototransistoren sind miteinander verbunden und zu einem zweiten gemeinsamen Masseanschluß herausgeführt. Eine Kollektorelektrode 10 ist von jedem der Phototransistoren herausgeführt und es ist ein Kontaktbereich in einer Fläche gebildet, die durch den elektrischen Iso-lierfilm 6 umgeben ist. Diese Elektroden sind selbstverständlich in gleicher Weise durch den LOCOS-Isolierfilm 14 und die Si₃N₄-Isolierschicht 13 auf der Oberfläche der Schicht isoliert.
Ein aus Titanoxid (TiO₂) bestehender optischer Wellenleiter 12 ist entlang bzw. zwischen den Flächen jedes Paares aus GaAs-Leuchtdiode 7 und Phototransistor 11 zur Bildung eines Kanals ausgebildet, der ein Paar aus einer Leuchtdiode und einem Phototransistor (Optokoppler) enthält. Der optische Wellenleiter 12 erstreckt sich entlang bzw. zwischen dem Leuchtabschnitt einer GaAs-Leuchtdiode 7 und der als Basis dienenden Fläche eines Phototransistors 11. Das von der GaAs-Leuchtdiode 7 ausgesandte Licht pflanzt sich durch den optischen Wellenleiter 12 fort und wird in die Basis 8 des Phototransistors eingeleitet. Der optische Wellenleiter 12 ist im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Signalübertragung derart aufgebaut, daß er die Basis 8 mit größerer Fläche kontaktiert. Weiterhin ist auf dem optischen Wellenleiter 12 ein Oberflächenschutzfilm 17 ausgebildet, der auch andere Bereiche deckt. Der optische Wellenleiter kann aus Galliumglas (As₂Se₃, As₂S₃ usw.) oder aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt sein.
Da die GaAs-Leuchtdiode 7 aus GaAs hergestellt ist, besitzt sie eine Gitterkonstante, die sich von derjenigen des Siliziums des Substrats unterscheidet. Es ist daher nicht möglich, einfach einen GaAs-Kristall auf dem Substrat aufwachsen zu lassen. Es wird daher eine Schicht aus GaAs des Leitungstyps p oder n abhängig von dem Leitungstyp des Substrats unter Einsatz einer Heteroübergangstechnik gebildet, um einen ohmschen Übergang zu schaffen, und es wird eine pn-Übergangsstruktur durch Laminieren von Schichten aus p-GaAs und n-GaAs in der GaAs-Schicht erhalten.
Bezugnehmend auf die in 1B gezeigte Schnittansicht, die entlang der Linie A-A in 1 gesehen ist, ist, auch wenn dies nicht in Einzelheiten gezeigt ist, die GaAs-Leuchtdiode 7 dadurch gebildet, daß eine aktive Region auf dem durch die lichtreflektierende Schicht 5 umgebenen Halbleiter-Einkristallbereich 3' ausgebildet und die GaAs-Schicht hierauf auf heterogener Basis verbunden wird. Falls der Halbleiter-Einkristallbereich 3 eine aktive Schicht aus n-Si ist, wird eine Insel, die eine aktive Region aus p-Si ist, in derjenigen Fläche gebildet, in der der Übergang ausgebildet ist. Weiterhin wird hierin eine Insel, die ein aktiver Schichtbereich aus n⁺-Si ist, ausgebildet und es wird eine Schicht aus n-GaAs angefügt, um diesen Abschnitt auf heterogener Basis abzudecken. Hierauf wird eine Schicht aus p-GaAs ausgebildet, um einen pn-Übergang zu schaffen.
Oberhalb der Schicht aus p-GaAs wird ein Siliziumnitrid (Si₃N₄) 13, das als eine zwischenliegende. Schutzschicht dient, ausgebildet und es wird in einem Teil des Films 13 ein Kontaktloch 15 für die Strominjektionselektrode gebildet. Eine Schicht aus einer Gold-Zink-Legierung, das für p-GaAs ein ohmsches Kontaktmaterial ist, wird in diesem Loch ausgebildet und es wird oberhalb dieser Schicht eine als Strominjektionselektrode dienende Aluminiumelektrode 16 gemustert bzw. mit spezieller Formgebung ausgebildet. Wie in 1A gezeigt ist, besitzt die primäre Masseelektrode 18 ein Kontaktloch, das mit beiden Halbleiter-Einkristallbereichen 3' der beiden GaAs-Leuchtdioden 7 verbunden ist, und weiterhin einen Kontakt in der durch die elektrische Isolierschicht 6 umgebenen Fläche, um dieser Fläche das gleiche elektrische Potential zu verleihen. Aufgrund dieser Anordnung können die GaAs-Leuchtdioden 7 zur Aussendung von Licht durch Vorspannung der Strominjektionselektroden 16 in positiver Richtung und der primären Masseelektrode 18 in negativer Richtung veranlaßt werden.
Dieser pn-Übergang wird zur Bewirkung zur Aussendung von Licht aus der Übergangsebene erregt. Wenn an die Strominjektionselektrode 16 der GaAs-Leuchtdiode 7 und die primäre Masseelektrode 18 ein positives (+) Potential bzw. ein negatives (–) Potential angelegt wird, werden Löcher und Elektronen injiziert und rekombinieren an dem Übergang zwischen der Schicht aus p-GaAs und der Schicht aus n-GaAs (nicht gezeigt). Als Ergebnis wird vom Übergang Licht (Infrarotstrahlung) mit einer Wellenlänge von 0,9 bis 1 μm ausgesandt. Da die Strominjektionselektrode 16 bei einem Teil der oberen Oberfläche der GaAs-Schicht herausgeführt ist, ist die Ausgestaltung derart getroffen, daß der Rest der oberen Oberfläche durch den optischen Wellenleiter 12 abgedeckt ist.
Titanoxid (TiO₂), das den optischen Wellenleiter 12 bildet, besitzt einen Brechungsindex von 2,5 bis 2,8, während der Brechungsindex von GaAs bei 3,5 liegt. Folglich tritt ungefähr die Hälfte des von der GaAs-Leuchtdiode 7. ausgesandten Lichts, das die Grenzfläche mit dem optischen TiO₂-Wellenleiter 12 erreicht hat, in den optischen TiO₂-Wellenleiter ein.
Wie in 1B gezeigt ist, besitzt der Silizium-Phototransistor 11 einen Bereich, der durch die lichtreflektierende, aus Siliziumoxid (SiO₂) hergestellte Schicht 5 umgeben ist und als die Kollektorregion 3'' dient. In der Kollektorregion 3'' ist eine Insel 8 als Basisregion ausgebildet, und eine als Emitterregion dienende Insel 9 ist in einem Teil der Basisregion 8 gebildet. Diese Regionen sind insgesamt durch die Si₃N₄-Isolierschicht 13 abgedeckt. Kontaktlöcher sind in dem Emitter 9 und dem Kollektor 10 zur Herausführung einer Emitterelektrode 9' und einer Kollek-torelektrode 10' gebildet. Da es nicht notwendig ist, die Basisregion 8 mit einem elektrischen Kontakt zu versehen, ist in dem transparenten Isolierfilm 13 kein Loch gebildet, und der optische Wellenleiter 12 ist direkt auf dem Isolierfilm 13 gebildet. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Isolierschicht 13 aus Si₃N₄ im wesentlichen denselben Brechungsindex wie der optische Wellenleiter 12 besitzt und Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 μm im wesentlichen nicht reflektiert. Als Ergebnis erzeugt das eine Wellenlänge von ungefähr 1 μm besitzende Licht, das in die Basisregion 8 eingeleitet ist, Elektronen-Loch-Paare in der Fläche des Übergangs zwischen der Basis und dem Kollektor, d. h. bewirkt eine Trägerinjektion, wodurch das Arbeiten eines bzw. des Transistors bewirkt wird.
Da die Isolierschicht 13 aus Si₃N₄ das Licht von dem optischen Wellenleiter 12 überträgt, ist unter der Isolierschicht 13 die lichtreflektierende Schicht 14 zum Vermeiden des leckweisen Austretens des Lichts vorgesehen, um das von der GaAs-Leuchtdiode 7 erzeugte Licht zur Basisregion 8 zu führen. Die lichtreflektierende Schicht 14 ist eine Schicht aus Siliziumoxid (SiO₂), die auf der Oberfläche des Halbleiter-Einkristallbereichs 3 gebildet ist, die bzw. der ein LOCOS-Oxidfilm ist. Daher ist diese Schicht nicht nur unter dem optischen Wellenleiter 12, sondern auf dem gesamten Substrat derart ausgebildet, daß sie das gesamte Substrat mit Ausnahme der Fläche von erforderlichen Öffnungen abdeckt.
Zur Lösung des Übersprechproblems, das auftritt, wenn zwei benachbarte Optokoppler (Kanäle) nahe beieinander ausgebildet sind, ist in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Einrichtung zum Vermeiden des Übersprechens von optischen Signalen zwischen benachbarten Kanälen vorgesehen. Das Vermeiden eines Übersprechens wird normalerweise zum Beispiel durch Bereitstellung einer lichtreflektierenden Schicht oder eines lichtabsorbierenden Elements durchgeführt. Bei dem ersten Beispiel wird dies dadurch erreicht, daß die lichtreflektierende Schicht 5 mit einer Grabenstruktur gebildet ist. Die lichtreflektierende Schicht 5 wird durch Ausbilden eines Grabens unter Einsatz einer Grabenbildungstechnik und durch Bildung eines SiO₂-Films auf der Seitenwand innerhalb des Grabens erhalten. Daher kann sie gleichzeitig mit der SiO₂-Isolierschicht 6 während desselben Verfahrensschritts gebildet werden. Weiterhin sind die GaAs-Leuchtdiode und der Silizium-Phototransistor durch die SiO₂-Isolierschicht 6, die zugleich auch als lichtreflektierende Schicht dient, isoliert. Dies bedeutet, daß eine Isolation sowohl in elektrischer als auch in optischer Hinsicht erreicht wird.
Wie vorstehend erläutert, ist eine Einkristall-Siliziumschicht gegenüber dem Siliziumsubstrat durch einen SOI-Aufbau (Silizium auf Isolator) isoliert, der als elektrische Isoliereinrichtung zwischen den Leuchtelementen und Lichtempfangselementen dient. Ein Graben ist derart gebildet, daß das Muster bzw. der Verlauf seiner sich von der Oberfläche der Silizium-Einkristallschicht zu dem SOI-Iso-lierfilm erstreckenden Ebene eine geschlossene Kurve bildet. Auf der Seitenwand des Grabens ist eine Isolierschicht aus SiO₂ vorgesehen. In diesem Fall kann ein Graben, der jedes Leuchtelement und Lichtempfangselement umgibt, auf der Einkristall-Siliziumschicht derart ausgebildet sein, daß es sich von der Oberfläche der Einkristall-Siliziumschicht nach unten bis zu einer Tiefe erstreckt, bei der der Pfad für das Übersprechen zwischen optischen Signalen unterbrochen ist, und es kann auf der Seitenwand eine SiO₂-Schicht zur Schaffung einer lichtreflektierenden Schicht ausgebildet sein. Es sei angemerkt, daß der Graben selbst als lichtreflektierende Schicht selbst dann dient, wenn sein Inneres frei bleibt, unabhängig davon, ob eine SiO₂-Schicht auf der Grabenseitenwand vorgesehen ist oder nicht.
Es wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
2A zeigt eine schematische Außenansicht, die einen Aufbau eines mehrkanaligen Optokopplers (MPC) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, wobei ein Abschnitt der Kanäle auf der nahen bzw. dem Betrachter zugewandten Seite dargestellt ist. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Isoliereinrichtung während der Herstellung des Wafers unter Einsatz einer dielektrischen Isolationstechnik ausgebildet. Bei dem dargestellten Aufbau sind Optokoppler-Kanäle parallel ausgebildet und können daher in geforderter Anzahl auf einem Halbleiterchip angeordnet werden. Jeder Kanal ist derart ausgebildet, daß er sich über eine Vielzahl von Silizium-Einkristallbereichen erstreckt, die vorab bei der Vorbereitung des Substrats 20 gebildet werden. 2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts, der entlang der Linie B-B' in 2A geschnitten ist. Wie gezeigt ist, ist jeder Silizium-Einkristallbereich durch eine SiO₂-Isolierschicht umgeben, um ihn elektrisch und optisch gegenüber anderen Si-Einkristallbereichen zu isolieren. Auch wenn in 2B eine Schnittansicht der Einkristallbereiche, in denen Phototransistoren 28 gebildet sind, gezeigt ist, führen die Einkristallbereiche, in denen GaAs-Leuchtdioden 27 ausgebildet sind, zu einer gleichartigen Darstellung.
Ein Optokoppler-Kanal ist durch eine GaAs-Leuchtdiode 27, einen Si-Phototransistor 28 und einen zwischen diesen gebildeten optischen Wellenleiter 29 aus TiO₂ gebildet. Eine GaAs-Schicht ist auf einem Si-Einkristallbereich 25 heterogen angefügt, um einen pn-GaAs-Übergang zu schaffen. Der Si-Phototransistor 28 ist in einem weiteren Si-Einkristallbereich 25' gebildet. Diese sind durch den optischen Wellenleiter 29 aus TiO₂ verbunden.
Der Aufbau des Photokopplers ist folglich hinsichtlich seiner Grundzüge und seiner Struktur gleichartig wie derjenige bei dem ersten Beispiel. Die GaAs-Leuchtdiode 27 wird durch aufeinanderfolgendes Aufwachsenlassen einer n-GaAs-Schicht und einer p-GaAs-Schicht auf der Schicht 25 aus n-Si gebildet. Die GaAs-Leuchtdiode 27 kann zur Aussendung von Licht durch Anlegen einer positiven Spannung an eine Strominjektionselektrode 32 und einer negativen Spannung an die Si-Einkristallschicht 25 veranlaßt werden. Der Phototransistor 28 besitzt einen Kollektor 34, der ein weiterer Einkristallbereich 25 ist, sowie eine Basis 35 und einen Emitter 33, die gleichartig wie diejenigen bei dem ersten Beispiel ausgebildet sind. Der Kollektor 34 dient als gemeinsame Elektrode. 3 zeigt eine Äquivalenzschaltung eines solchen Optokopplers (vier Einheiten sind in paralleler Anordnung gezeigt). Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Oberflächenschutzschicht in den 2A und 2B nicht dargestellt.
Es werden nun die Schritte zur Herstellung dieses monolithischen Optokopplers mit dielektrischem Isolationsaufbau, wie in 2A und 2B gezeigt, beschrieben.
Zuerst wird ein Einkristall-Siliziumsubstrat 20 des Leitungstyps n mit einer Verunreinigungsdichte bzw. Dotierungskonzentration von ungefähr 10¹⁶ cm^–3 vorbereitet. Die Oberfläche dieses Substrats wird geätzt, um eine V-förmige Rille zu bilden, die die Einkristall-Siliziuminselbereiche 25 und 25' definiert.
Auf der Oberfläche des Einkristall-Siliziumsubstrats 20 mit der darin ausgebildeten V-förmigen Rille wird Dotiermaterial des Leitungstyps n mit ungefähr 10¹⁹ cm^–3 bis zu einer Tiefe von ungefähr 1 μm unter Einsatz eines Dampfphasen-Diffusionsprozesses eindiffundiert, um eine Diffusionsschicht 24 hoher Dichte zu schaffen, auf deren Oberfläche ein dielektrischer Isolierfilm (Siliziumoxidfilm (SiO₂-Film)) 26 mit einer Dicke von ungefähr 2 μm unter Einsatz eines thermischen Oxidationsvorgangs ausgebildet wird.
Nachfolgend wird eine Polysiliziumschicht 23 auf dem Einkristall-Siliziumsubstrat bei ungefähr 1100°C unter Einsatz eines Normaldruck-CVD-Prozesses gebildet. Die Dicke der Polysiliziumschicht 23 ist zwei- oder dreimal so groß wie die Tiefe der Einkristall-Siliziuminseln 25 und 25'.
Danach wird die Oberfläche der Polysiliziumschicht 23 durch Polieren spiegelendbearbeitet bzw. spiegelförmig endbearbeitet.
Danach wird ein getrenntes, spiegelförmig endbearbeitetes Siliziumsubstrat 21 vorbereitet und es wird eine Siliziumoxidschicht 22 auf der spiegelbearbeiteten Oberfläche ausgebildet. Die Oberfläche der Siliziumoxidschicht 22 und die spiegelförmig endbearbeitete Oberfläche der Polysiliziumschicht 23 werden unter Einsatz eines Direktbondverfahrens direkt miteinander verbunden.
Nachfolgend wird die Rückseite des Einkristall-Siliziumsubstrats 20 poliert, um die Einkristall-Siliziuminselbereiche 25 und 25' gegenseitig zu isolieren.
Die Leuchtdiode 27 und der Phototransistor 28 werden auf den Einkristall-Siliziuminselbereichen 25 bzw. 25' zusammen mit der lichtreflektierenden Schicht 30 und der zwischenliegenden, durch einen LOCOS-Oxidfilm gebildeten Iso-lierschicht 31 gebildet. Danach werden der optische Wellenleiter 29, die Strominjektionselektrode 32 und die Emitterelektrode 33 zur Vervollständigung eines monolithischen Optokopplers gebildet. Benachbarte Optokoppler-Kanäle sind gegenseitig optisch und elektrisch isoliert.
Der durch dieses Herstellungsverfahren geschaffene Aufbau ist vorteilhaft, da die Prozeßzeit kurz ist, weil die eine dielektrische Isolierschicht darstellende elektrische Isolierschicht 26 zugleich auch als eine optische Isolierschicht dient und die Isolationsstruktur gleichzeitig mit der Ausbildung des Wafers hergestellt werden kann. Zusätzlich läßt sich ein integrierter, mehrkanaliger Optokoppler in einfacher Weise erzeugen, da eine parallele Struktur leicht hergestellt werden kann.
Es wird nun ein zweites nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
4 zeigt ein Beispiel, wobei eine elektrische und optische Isolation unter Einsatz von SOI- und Graben-Techniken erreicht wird. Hierbei ist eine grundlegende Gestaltung einer integrierten Optokoppller-Schaltung gezeigt, bei der ein Siliziumsubstrat 1 eingesetzt wird. 4 zeigt vier in paralleler Form ausgebildete Photokoppler. In 5 ist eine schematische Schnittansicht eines Optokopplers dargestellt, die entlang der Linie A-A' gesehen ist. Die durch die vier Optokoppler gebildete Schaltung besitzt gleichartig wie das erste Ausführungsbeispiel eine Gestaltung, wie sie durch das Äquivalenzschaltbild gemäß 3 veranschaulicht ist.
Bei dem dargestellten Aufbau sind zwei Einkristallschichten 40 und 41 aus Silizium des Leitungstyps n (n-Si), die Halbleiter-Einkristallbereiche darstellen, auf dem Si-Substrat 1 ausgebildet, wobei eine eine isolierende Isolationsschicht bildende SiO₂-Isolierschicht 2 (erste Isolierschicht) zwischen diesen angeordnet ist. SiO₂-Isolierschichten 42 und 43 sind jeweils auf Oberflächen der n-Si-Schichten 40 bzw. 41 zum Schutz des Inneren gebildet. Zur elektrischen und optischen Isolierung der n-Si-Schichten 40 und 41 ist ein Rillenabschnitt (Graben, zweite Isolierschicht) 44 vorgesehen. Ein Oxidfilm (SiO₂) ist auf den Seitenwänden des Inneren des Rillenabschnitts ausgebildet, der mit Polysilizium 45 zur Vermeidung der Bildung von Stufen ausgefüllt und in SiO₂ eingeschlossen ist. GaAs-Leuchtdioden 46 sind in Öffnungen (in 4 nicht sichtbar) der SiO₂-Isolierschicht 42 auf der Basis eines Heteroübergangs unter Einsatz eines epitaktischen Wachstumprozesses gebildet. Diese Leuchtdioden 46 sind über die n-Si-Schicht 40 elektrisch mit einer primären Masseelektrode 47 verbunden, die in einer Öffnung der Isolierschicht 42 aus SiO₂ gebildet ist. Die primäre Masseelektrode 47 dient als gemeinsame Masse für die Primärseite und ist als eine langgestreckte Elektrode in einer Öffnung hergestellt, die auf der n-Si-Schicht 33 vorgesehen ist, wie dies in 4 gezeigt ist.
Eine Strominjektionselektrode 48 ist auf der Oberfläche jeder GaAs-Leuchtdiode 46 gebildet. Vier Phototransistoren 49 sind parallel im inneren der n-Si-Schicht 41 gebildet. Emitterelektroden 50 und eine gemeinsame Kollektorelektrode 51 der Phototransistoren 49 sind in Öffnungen (in 4 nicht sichtbar) des auf der Oberfläche der n-Si-Schicht 41 gebildeten SiO₂-Films 43 ausgebildet. Gleichartig wie die primäre Masseelektrode 47 ist die gemeinsame Kollektorelektrode 51 als eine langgestreckte Elektrode in einer Öffnung gebildet, die auf bzw. in der SiO₂-Isolierschicht 43 vorgesehen ist. Ein optischer TiO₂-Wellenleiter 52 ist auf den Oberflächen jedes Paars aus GaAs-Leuchtdiode 46 und Phototransistor 49 gebildet.
5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie A-A' in der Draufsicht gemäß 4 gesehen ist. Die GaAs-Leuchtdiode 46 ist durch aufeinanderfolgendes Aufwachsenlassen einer n-GaAs-Schicht 53 und einer p-GaAs-Schicht 54 auf der n-Si-Schicht 40 gebildet. Auch wenn dies nicht im Detail gezeigt ist, besitzt der Übergang zwischen der n-GaAs-Schicht 53 und der n-Si-Schicht 40 ohmsche Strom/Spannungs-Eigenschaften. Die GaAs-Leuchtdiode 46 kann durch Anlegen einer positiven Spannung an die Strominjektionselektrode 48 und einer negativen Spannung an die primäre Masseelektrode 47 zum Aussenden von Licht veranlaßt werden.
Der Phototransistor 49 besitzt als Basis eine Insel 55, die eine durch aufeinanderfolgendes Diffundieren von als Akzeptoren und Donatoren dienenden Verunreinigungen in die n-Si-Schicht 41 gebildete p-Si-Region ist, als Emitter eine Insel 56, die eine n-Si-Region in der Insel 55 ist, und als Kollektor die SOI-isolierte n-Si-Schicht 41.
Der optische TiO₂-Wellenleiter 52 ist derart ausgebildet, daß er sowohl die Oberfläche der p-GaAs-Schicht 54 der GaAs-Leuchtdiode 46 als auch die Oberfläche der als die Basis des Phototransistors 49 dienenden p-Si-Region 55 berührt. Da diese Elemente hinsichtlich ihrer Höhe unterschiedlich sind, wird wiederum eine Verflachungstechnik zur Vermeidung der Bildung einer Stufe, die andernfalls bei der Herstellung des optischen Wellenleiters 52 entstehen würde, eingesetzt. Der Zweck besteht in der Verhinderung einer negativen Beeinflussung von Signalen durch unnötige Reflexionen, d. h. in der Vermeidung einer Verringerung seines Übertragungswirkungsgrads. Der optische TiO₂-Wellenleiter 52 ist durch Substanzen mit niedrigen Brechungsindizes wie etwa die SiO₂-Isolierschicht und Luft umgeben. Folglich erreicht das von der GaAs-Leuchdiode 46 zum optischen TiO₂-Wellenleiter 52 ausgesandte Licht die als die Basis des Phototransistors 49 dienende p-Si-Region 55 ohne Verluste, abgesehen von denjenigen Komponenten, die auf die Grenzfläche rechtwinklig oder mit einem nahe bei einem rechten Winkel liegenden Winkel auftreffen. Da der Brechungsindex von Si größer ist als derjenige von TiO₂, pflanzt sich das Licht, das die p-Si-Region 55 erreicht hat, in den Phototransistor fort und erzeugt Elektron-Loch-Paare an dem Basis-Kollektor-Übergang, wodurch ein Basisstrom hervorgerufen wird, der den Phototransistor 49 einschaltet.
Wenn ein positives (+) Potential an die Strominjektionselektrode 48 der GaAs-Leuchtdiode 46 und ein negatives (–) Potential an die primäre Masseelektrode 47 angelegt werden, werden Löcher und Elektronen injiziert und rekombinieren an dem Übergang zwischen der p-GaAs-Schicht 54 und der n-GaAs-Schicht 53. Als Folge hiervon wird Licht mit einer Wellenlänge von 0,9 bis 1 μm vom Übergang ausgesandt. Da TiO₂ einen Brechungsindex von 2,5 bis 2,8 besitzt, während der Brechungsindex von GaAs 3,5 ist, tritt ungefähr die Hälfte des von der GaAs-Leuchtdiode 46 ausgesandten Lichts, das die Grenzfläche des optischen TiO₂-Wellenleiters 52 erreicht hat, in den optischen TiO₂-Wellenleiter 52 ein. Andererseits sind die Brechungsindizes der SiO₂-Isolierschicht und der Luft 1,5 bzw. 1. Daher wird 80 bis 90% des Lichts, das die Grenzfläche zwischen der GaAs-Leuchtdiode 46 und der SiO₂-Isolierschicht 42 und dem freiliegenden Abschnitt der GaAs-Leuchtdiode 46 erreicht hat, in die GaAs-Leuchtdiode 46 zurückreflektiert. Da Si einen Brechungsindex von 3,5 besitzt, der gleich groß ist wie derjenige von GaAs, tritt das Licht, das die Grenzfläche zur n-Si-Schicht 55 erreicht hat, in die n-Si-Schicht 55 nahezu ohne Reflexion ein.
Es wird nun ein drittes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
Dieses Beispiel ist auf einen Aufbau gerichtet, der eine Abänderung der Konfiguration der isolierenden Isolierschicht des Substrats 1 ist. Die Leuchtelemente und Lichtempfangselemente können dieselbe Gestaltung wie bei den vorstehend beschriebenen Beispielen und dem ersten Ausführungsbeispiel haben, so daß ihre Beschreibung und Darstellung entfällt.
6A zeigt einen Aufbau, bei dem eine Zwischenschicht 61, die aus Einkristall-Silizium oder Polysilizium hergestellt ist, auf einer unteren ersten Isolierschicht 2 vorgesehen ist und eine erste Isolierschicht 2' darauf ausgebildet ist, um eine erste Isolierschicht mit zwei Lagen zu schaffen. Normalerweise wird die erste Isolierschicht 2 durch Oxidieren der Oberfläche des Siliziumwafers und durch Einbettung der Schicht unter Einsatz eines Wafer-Direktbondverfahrens gebildet. Im Fall einer Doppelstruktur wird die untere erste Isolierschicht 2 nach Oxidation der Waferoberfläche vorgesehen; Einkristall-Silizium wird epitaktisch aufgewachsen oder Polysilizium wird darauf aufgebracht (Zwischenschicht 61); die obere erste Isolierschicht 2' wird nach Ausbildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche der Zwischenschicht gebildet; und anschließend wird ein Wafer-Direktbond-Vorgang durchgeführt, um die eingebettete erste Isolierschicht mit Doppelstruktur zu vervollständigen. Danach werden das Einkristallätzen und Oxidfilmätzen von der Oberfläche wiederholt, um einen bis zu der oberen Oberfläche der unteren ersten Isolierschicht 2 reichenden Graben (Rille) zu bilden, wonach man einen Oxidfilm in der Rille zur Bildung einer zweiten Isolierschicht 6 aufwachsen läßt.
Bei einem solchen Aufbau besitzt die untere Seite des Substrats normalerweise das gleiche elektrische Potential. Als Folge hiervon ist die Spannung an der Fläche zwischen der Seite bzw. dem Bereich des Leuchtelements (z. B. drei in 6A) und der Seite bzw. dem Bereich des Lichtempfangselements (z. B. 4 in 6A) dispergiert bzw. verteilt, was die Stehspannungs- bzw. Haltespannungseigenschaften verbessert. Normalerweise benötigt die Erzeugung des Oxidfilms in der ersten Isolierschicht lange Zeit, so daß eine Vergrößerung der Filmdicke unpraktisch ist. Daher ist es schwierig, die Steh- bzw. Haltespannung durch Vergrößerung der Dicke des Films zu vergrößern. Hinsichtlich der zweiten Isolierschichten 40 und 41 kann deren Steh- bzw. Haltespannung leicht vergrößert werden, da es einfach ist, die Breite des Grabens während deren bzw. dessen Bildung zu vergrößern. In der Praxis ist jedoch die isolierende Rille nicht vollständig mit SiO₂ gefüllt. Der Graben besitzt einen Aufbau, bei dem seine beiden Wände oxidiert sind, um hierauf einen SiO₂-Film zu bilden, wobei das Innere mit Polysilizium gefüllt ist und die obere Oberfläche durch einen SiO₂-Film umschlossen ist. Daher kann die tatsächliche Haltespannung gegebenenfalls nicht durch die Breite der zweiten Isolierschichten bestimmt werden. Dieses Problem läßt sich durch den nachstehend beschriebenen Ansatz lösen.
Ein viertes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel wird nun erläutert.
Die Haltespannungseigenschaften können ausreichend dadurch verbessert werden, daß der in 6A gezeigte Aufbau mit dem Aufbau gemäß dem ersten Beispiel zusammengefaßt wird, um eine in 6B gezeigte Gestaltung zu schaffen, bei der sowohl die ersten als auch die zweiten Isolierschichten einen Doppelaufbau besitzen (in 6B mit 2, 2', 5 und 6 veranschaulicht). Der optimale Aufbau kann aus diesen Strukturen abhängig von den geforderten Haltespannungseigenschaften ausgewählt werden.
Es wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Die in 7 gezeigte Gestaltung kann als eine Alternative zum ersten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden und ist eine Gestaltung, bei der eine alternative Waferherstellungstechnik eingesetzt wird. Auch wenn Oxidfilme in gleichartiger Weise auf der Oberfläche des Einkristall-Siliziumwafers, in dem eine Mehrzahl von Isolierrillen (V-förmigen Rillen) während der Herstellung des Wafers unter Einsatz des dielektrischen Isolationsprozesses ausgebildet wurden, hergestellt werden, werden die Oxidfilme in diesem Fall so ausgebildet, daß sie Doppelstruktur besitzen.
Genauer gesagt wird nach der Ausbildung von ersten Oxidfilmen 73 und 74 auf den Isolierrillen Polysilizium 75 75 aufgebracht. Danach wird eine weitere Rille in jeder der Isolierrillen gebildet, und es werden zweite Oxidfilme 73' und 74' gebildet. Diese doppelten Oxidfilme bilden eine elektrische Isoliereinrichtung, die die Halbleiter-Einkristallbereiche zur Isolierung derselben umgeben, und stellen eine Übersprechvermeidungseinrichtung dar. Die nachfolgenden Bearbeitungsschritte sind die gleichen wie bei den herkömmlichen Herstellungsschritten bei dem dielektrischen Isolationsprozeß. Genauer gesagt läßt man das Polysilizium in ausreichender Weise aufwachsen; die Polysiliziumschicht 75 wird verflacht und mit einem weiteren, als das Substrat dienenden Einkristall-Siliziumwafer 1 (der einen Oxidfilm 2 auf seiner Oberfläche besitzt) zusammengefaßt; die der zusammengefaßten Oberfläche gegenüberliegende Waferoberfläche wird geschnitten; und es werden scharte Rillen der Oxidfilme 73, 73', 4 und 74' in den zuvor gebildeten Rillen geschnitten. Damit verbleiben Halbleiter-Einkristallbereiche in der durch die Rillen umgebenen Fläche, die als Elementregionen 3 und 4 dienen. Folglich können Halbleiter-Einkristallbereiche 3 und 4, die jeweils durch eine doppelte Isolierschicht umgeben sind, ausgebildet werden, wie dies in 7 gezeigt ist.
Bei einem solchen Aufbau besitzt die Isoliereinrichtung Doppelstruktur, die durch die ersten Isolierschichten (73 und 74' in 7) und die zweiten Isolierschichten (73 und 74 in 7) gebildet ist, und stellt weiterhin eine Isolation gegenüber dem Substrat 1 bereit. Dies beseitigt die Notwendigkeit von auf das Substrat 1 gerichteten Überlegungen im Hinblick auf die Verbesserung der Haltespannungseigenschaften. Weiterhin können die Oxidfilme für die Isolation in einfacher Weise bei den Herstellungsschritten als mehrschichtige Struktur ausgebildet werden. Auch wenn die Haltespannungseigenschaften durch Aufwachsenlassen der Oxidfilme mit großer Dicke verbessert werden können, ist die Doppelstruktur in jedem Fall bevorzugt, da die Vergrößerung der Filmdicke zuviel Zeit braucht, um praxisgerecht zu sein.
Es wird nun ein fünftes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
Alternativ können die Isolierschichten gemäß der Darstellung in 8 gestaltet sein. Genauer gesagt werden Gräben (oder V-förmige Rillen) 82, die mit Dielektrikum gefüllt sind, von der Rückseite des Substrats 1 in Richtung zu den Positionen einer elektrischen Isolierschicht und einer lichtreflektierenden Schicht 80, 81 jeweiliger Elemente gebildet, um eine Isolation in dem Substrat 1 zu schaffen. Die Gräben 82 werden mit derselben Gestalt wie die zweiten Isolierschichten 80 und 81 mit positionsmäßiger Ausrichtung mit diesen gebildet. Falls sie im Inneren der Elementregionen angeordnet sind, sind sie unwirksam. Da solche Gräben 82 beträchtlich tief sein werden, wird die V-förmige Gestaltung unter Einsatz von Ätzmitteln wie etwa KOH, die zum raschen Ätzen geeignet sind, erhalten. Eine elektrische Isolation wird dann durch Füllen der derart gebildeten Rillenabschnitte mittels eines Dielektrikums wie etwa Polyimid und Glas mit niedrigem Schmelzpunkt erzeugt. Dadurch ist es möglich, die Haltespannungseigenschaften zwischen den Elementen zu verbessern. Die Breite des Bodens des Grabens 82, d. h. des mit der ersten Isolierschicht in Berührung stehenden Abschitts des Grabens, ist vorzugsweise gleich groß oder größer als die Breite der zweiten Isolierschicht. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Haltespannungseigenschaften umso größer sind, je dicker der dielektrische Abschnitt ist. Wenn daher derartige Gräben 82 vorgesehen sind, kann die Dicke der ersten Isolierschichten 2 verringert werden.
Es wird auf 8 Bezug genommen. Wenn die zweiten Isolierschichten in dem Halbleiter-Einkristallbereich einen einlagigen Aufbau besitzen, wird vorzugsweise eine weitere Isolierschicht 83 zwischen den Leuchtelementen und Lichtempfangselementen vorgesehen, um die Haltespannungseigenschaften des Bereichs derart festzulegen, daß sie im wesentlichen gleich sind wie diejenigen des Substrats 1. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann derselbe Effekt natürlich erhalten werden, wenn die obere zweite Isolierschicht in Doppelstruktur hergestellt wird, wie dies in 6B gezeigt ist. Alternativ kann eine zusätzliche V-förmige Rille 82 auf der Rückseite des Substrats in einer Position zwischen den Leuchtelementen und Lichtempfangselementen (unter der mit 83 bezeichneten Fläche in 8) vorgesehen sein, um die Haltespannungseigenschaften zu verbessern, auch wenn dies nicht dargestellt ist.
Bei den Gestaltungen der in den 6A, 6B, 7 und 8 gezeigten Beispielen kann eine Vielzahl von Optokopplern auf demselben Substrat derart ausgebildet werden, daß sie in beiden Richtungen (bidirektional) sowohl zur Eingabe als auch zur Ausgabe arbeiten. Hierdurch ist es möglich, den Einsatzbereich der Erfindung auf Gebiete wie etwa eine bidirektionale optische Kommunikation zu erstrecken. Auch wenn in den 2A, 3B und 4 Gestaltungen gezeigt sind, bei denen Leuchtelemente mit Oberflächenemission durch optische Wellenleiter verbunden sind, ist es unnötig, zu sagen, daß dieselben Effekte auf Leuchtelemente mit Endflächen-Emission erstreckt bzw. mit diesen erzielt werden können. In vorliegender Beschreibung bezeichnet der Ausdruck ”ein Paar aus Leuchtelement und Lichtempfangselement” ein Paar aus einem oder mehreren Leuchtelementen und einem oder mehreren Lichtempfangselementen, die durch einen optischen Wellenleiter miteinander verbunden sind.
Es wird nun ein sechstes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
9 zeigt eine Draufsicht auf eine integrierte Optokoppler-Schaltung gemäß dem sechsten Beispiel. 10 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie A-A' in 9 geschnitten ist, Dieses Beispiel besitzt einen Aufbau, bei dem vier photoelektromotorische Kraft erzeugende Elemente in Reihe mit einem einzigen Leuchtelement verbunden sind. Genauer gesagt ist die vierstufige Serienschaltung derart hergestellt, daß z. B. das Ausgangssignal der ersten Stufe an den Eingang der zweiten Stufe über Verbindungselektroden 104, 105 und 106 angelegt wird. Dies vergrößert die photoelektromotorische Kraft auf additiver Basis, wodurch eine Spannung erzeugt wird. 9 zeigt eine Gestaltung, bei der zwei 1:4-Optokoppler-Kanäle gebildet sind. Die Elemente sind voneinander durch elektrische Isolierschichten 6 und lichtreflektierende Schichten 5 isoliert. Weiterhin ist, wie aus der Schnittansicht gemäß 10 ersichtlich ist, jedes Leuchtelement durch eine GaAs-Leuchtdiode 90 wie beim Stand der Technik gebildet und jedes Lichtempfangselement ist als photoelektromotorisches Kraftelement 97 ausgebildet, das durch Ausbildung eines n-Si-Halbleiter-Einkristallbereichs 3'', der eine p-Si-Inselregion 132 in dem Bereich 3'' bildet, und durch Anbringen einer Elektrode 133 an diesem mittels Bonden erhalten ist (weitere Elektroden sind gemäß der Darstellung in 9 vorhanden). Ein optischer Wellenleiter 92 ist derart vorgesehen, daß er einen SiO₂-Isolierfilm 117 auf der Oberseite der GaAs-Leuchtdioden 90 und der Oberseite des Verbindungsbereichs der photoelektromotorischen Kraftelemente 27 abdeckt. Eine Zwischenisolierschicht 121 aus Si₃N₄ ist um die GaAs-Leuchtdioden 90 zum Schutz derselben gebildet. Der Kontaktbereich einer Strominjektionselektrode 101 ist zur Verbindung aus einem Metallmaterial (Gold-Zink-Legierung) 123 hergestellt.
Wie vorstehend beschrieben, ist es nicht notwendig, die Elemente eines Optokopplers in einer 1:1-Beziehung aufzubauen. Bei der vorstehend beschriebenen Gestaltung sind optische Wellenleiter 92 und 93 parallel mit photoelektromotorischen Kraftelementen 97 bzw. 98 verbunden. Daher wird dieselbe Lichtmenge in die photoelektromotorischen Kraftelemente 97 und 98 eingespeist, so daß diese im wesentlichen die gleiche photoelektromotorische Kraft erzeugen, die viermal so groß ist wie diejenige eines einzelnen photoelektromotorischen Kraftelements. Selbstverständlich kann die Anzahl der photoelektromotorischen Kraftelemente nach Bedarf geändert werden. Da diese Gestaltung ein hohes Integrationsmaß ermöglicht, kann eine Anzahl derartiger Elemente in einfacher Weise zur Schaffung einer Photozelle unter Ausnutzung der photoelektromotorischen Kraft gebildet werden. Weiterhin können die Lichtempfangselemente mit hoher Wirksamkeit bzw. mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden, wenn ein optischer Wellenleiter sich wie bei dem vorigen Beispiel kontinuierlich von einem einzigen Leuchtelement zu einer Mehrzahl von Lichtempfangselementen erstreckt.
Es wird nun ein siebtes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
11A und 11B zeigen einen Optokoppler gemäß dem siebten Beispiel. 11A zeigt eine schematische Draufsicht auf denselben, während in 11B eine schematische Schnittansicht gezeigt ist, die entlang der Linie B-B' in 11A geschnitten ist und einen der Kanäle veranschaulicht. Die Gestaltungen von als Leuchtelemete dienenden GaAs-Leuchtdioden 140 und 141 und von als Lichtempfangselemente dienenden Phototransistoren 152 und 153 sind gleichartig wie diejenigen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und Beispielen und werden daher nicht näher erläutert. Dieses siebte Beispiel unterscheidet sich von der Schaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Phototransistoren einen gemeinsamen Kollektor haben, dahingehend, daß die Phototransistoren 152 und 153 durch jeweilige optische Isolierschichten 156 und 157 für eine gegenseitige elektrische und optische Isolation umgeben sind. Daher besitzt die Äquivalenzschaltung dieses Beispiels den in 12 gezeigten Aufbau. Die Potentiale an den Kollektoren 154 und 155 der Phototransistoren 152 bzw. 153 können unabhängig voneinander gewählt werden.
Die GaAs-Leuchtdioden 140 und 141, die als Leuchtelemente dienen, teilen sich eine Masseelektrode 144. Eine optische Isolation ist zwischen diesen als eine Übersprechvermeidungseinrichtung vorgesehen, wobei der Spalt zwischen ihnen zumindest ungefähr 30 μm beträgt, was der Dämpfungslänge entspricht. Sie sind jeweils durch eine lichtreflektierende Schicht 149 umgeben, die zugleich als eine elektrische Isolierschicht dient. Ein Grabenloch 148 ist in dem Halbleiter-Einkristallbereich zwischen den Leuchtelementen und Lichtempfangselementen zur Bewirkung einer elektrischen Isolation und einer Lichtreflexion zwischen diesen vorgesehen. Diese Gestaltung ermöglicht auch eine doppelte Isolation zwischen den Elementen, wodurch dieselben Vorteile wie bei den anderen Ausführungsbeispielen und Beispielen bereitgestellt werden.
Es wird nun ein achtes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
Die 13A und 13B zeigen einen Optokoppler in Übereinstimmung mit dem achten Beispiel. 13A zeigt eine Draufsicht auf denselben, während in 13B eine Schnittansicht dargestellt ist, die entlang der Linie C-C' in 13A geschnitten ist. Bei diesem Beispiel werden photoelektromotorische Kraftelemente 170, 171, 172, 173, 174 und 175 als Lichtempfangselement eingesetzt, die durch pn-Siliziumübergänge gebildet sind. Die Leuchtelemente haben denselben Aufbau wie bei dem zweiten und siebten Beispiel. Sie besitzen eine gemeinsame Masseelektrode und sind voneinander um mindestens ungefähr 30 μm beabstandet, was der Dämpfungslänge entspricht. Auch wenn diese photoelektromotorischen Kraftelemente einzeln als Lichtempfangselement eingesetzt werden können, sind bei dem vorliegenden Beispiel jeweils eine durch die Elemente 170, 171 und 172 gebildete Gruppe und eine durch die Elemente 173, 174 und 175 gebildete Gruppe in Reihe in linearer Anordnung verbunden und in Reihe mit den optischen Wellenleitern 26 bzw. 27 gekoppelt. Die Bezugszeichen 176 und 177 bezeichnen positive Ausgangsanschlüsse und 178 und 179 negative Ausgangsanschlüsse.
Das von den Leuchtelementen 161 und 162 ausgesandte Licht wird in den optischen Wellenleitern 163 bzw. 164 wiederholt reflektiert und schließlich durch die jeweiligen, durch drei Photodioden gebildeten Gruppen absorbiert. Da jede Photodiode 170 bis 175 durch Isolierrillen 165 und 166 isoliert ist, ist es möglich, die photoelektromotorische Kraft bzw. Ladung zu akkumulieren. In 14 ist ein Äquivalenzschaltbild für diese Gestaltung gezeigt. Bei dem vorliegenden Beispiel ist es auch möglich, eine Mehrzahl von photoelektromotorischen Kraftelementen gegenüber bzw. für ein Leuchtelement auf einem einzelnen Chip zu integrieren.
Es wird nun ein neuntes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
Die 15A und 15B zeigen einen Optokoppler gemäß dem neunten Beispiel. 15A zeigt eine Draufsicht auf denselben, während in 15B eine Schnittansicht gezeigt ist, die entlang der Linie D-D' in 15A geschnitten ist. Bei dem zweiten, siebten und achten Beispiel sind Isolierrillen (Gräben) zwischen Leuchtelementen und Lichtempfangselementen vorgesehen und SiO₂-Schichten in den Rillen als Isolator mit niedrigem Brechungsindex gebildet, um die Elemente gegenseitig zu isolieren. Bei diesem Beispiel kann dieselbe Wirkung dadurch erhalten werden, daß die Isolierrillen als ein Isolierschichtabschnitt ungefüllt verbleiben. Wenn Isolierrillen 190, 191, 192 und 193 gebildet werden, können, falls die Breite der Rillen zu klein ist, Hohlräume darin verbleiben, da das Oxidationsmittel (H₂O, O₂ usw.) zur Erzeugung von Oxidfilmen 186 nicht ausreichend in die Rillen eindringt. In einem solchen Fall gibt es selbst dann, wenn Ausnehmungen durch solche Hohlräume gebildet sind, kein Problem, wie nachstehend beschrieben, solange sie die Erzeugung von darüber befindlichen optischen Wellenleitern nicht nachteilig beeinflussen.
Da der Brechungsindex der Luft oder des Vakuums 1 ist, wird das Licht, das von den Leuchtdioden 180 und 181 zu einer Einkristall-Siliziumschicht 3' des Leitungstyps n gewandert ist, an der Grenzfläche zwischen der Schicht und der Isolierrille 190 (und einer SOI-Isolierschicht 2 gemäß der Darstellung in 15B) teilweise einer Totalreflexion unterzogen. Als Folge hiervon kann die optische Isolation gleichzeitig mit der elektrischen Isolation erzielt werden. Daher ist es möglich, eine Gestaltung einzusetzen, bei der lediglich die Isolierrillen 190 bis 193 gebildet sind. Jedoch ist es bevorzugt, zumindest einen Oxidfilm auf der Oberfläche jeder Isolierrille zu bilden, da andernfalls die Möglichkeit besteht, daß ein Kurzschluß aufgrund irgendwelcher Gründe vor Aufbringung eines Oxidfilms 186 zum Schutz der Substratoberfläche stattfindet. Der Vorteil des Ungefülltlassens der Hohlräume besteht darin, daß der Füllvorgang entfallen kann. Daher können die optischen Wellenleiter 182 und 183 direkt oberhalb der Isolierrillen 191 bis 193 ohne Probleme gebildet werden. In der Draufsicht gemäß 15A sind die Isolierrillen 190 bis 193 lediglich zum Zwecke der Erläuterung dargestellt. In der Praxis sind ihre Oberflächen mit einem im wesentlichen transparenten Oxidfilm 186 abgedeckt und liegen nicht direkt frei, auch wenn sie sichtbar sind.
Es wird nun ein zehntes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel erläutert.
Die 16A und 16B zeigen einen Optokoppler in Übereinstimmung mit dem zehnten Beispiel. 16A zeigt eine Draufsicht auf den Optokoppler, während in 16B eine Schnittansicht gezeigt ist, die entlang der Linie E-E in 16A aufgenommen ist. Der Optokoppler besitzt eine Gestaltung, bei dem zusätzlich zu der in den 15A und 15B gezeigten Gestaltung Isolationsrillen 206, 207, 208, 209 und 210 um GaAs-Leuchtdioden 200 und 201 vorgesehen sind. Somit sind alle Elemente gegenseitig isoliert; das von den benachbarten GaAs-Leuchtdioden 200 und 201 ausgesandte Licht wird an einem Herumwandern gehindert, und die Eingabeelemente sind gleichfalls zuverlässig isoliert. Bei diesem Aufbau ist folglich jeder Kanal vollständig unabhängig. Auch wenn die Isolationsrillen 206 bis 210 in den Figuren mit SiO₂-Isololationsschichten gefüllt sind, kann auch ein ungefüllter Aufbau, wie er in den 15A und 15B (neuntes Beispiel) gezeigt ist, eingesetzt werden. Das vorliegende Beispiel besitzt einen Aufbau, der gleichartig ist wie derjenige bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen und Beispielen, wobei die Leuchtelemente und Licht-empfangselemente jeweils vom Substrat für zuverlässige Haltespannungseigenschaften isoliert sind. Mit 202 und 203 sind optische Wellenleiter bezeichnet.
Es wird nun ein elftes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel beschrieben.
17A zeigt eine schematische Ansicht einer Gestaltung, bei der sich ein optischer Wellenleiter 225 nach links und rechts zur Bildung eines Paars aus Leucht- und Lichtempfangselementen erstreckt, das durch ein einziges Leuchtelement und zwei Paare von Lichtempfangselementen gebildet ist (insgesamt vier Lichtempfangselemente, nämlich das durch die Elemente 221 und 222 gebildete Paar und das durch die Elemente 223 und 224 gebildete Paar). 17B zeigt ein Äquivalenzschaltbild dieser Ausgestaltung. In diesem Fall wird das durch ein Leuchtelement 220 in der Mitte ausgesandte Licht durch den optischen Wellenleiter 225 in zwei Richtungen zu jedem Paar aus Leucht- und Lichtempfangselementen geführt. Diese Elemente sind durch jeweilige Isolationsschichten 240, 241 und 242 umgeben, und das Leuchtelement und die Lichtempfangselement-Paare sind jeweils durch elektrische Isolationsschichten 243 und 244 isoliert, um die Haltespannungseigenschaften zu verbessern. Jedes der beiden Lichtempfangselement-Paare ist gleichartig wie bei der in 13A gezeigten Gestaltung in einer 1:2-Beziehung in Reihe geschaltet. Es versteht sich, daß jedes Lichtempfangselement einzeln verwendet werden kann. Falls erforderlich, kann sich der optische Wellenleiter rechtwinklig erstrecken. Die Dispersion bzw. Streuung des Lichts ist umso größer, je größer die Anzahl von gekoppelten Lichtempfangselementen ist. Es ist jedoch möglich, einen Aufbau einzusetzen, bei dem sich der optische Wellenleiter von dem Leuchtelement in drei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen erstreckt (nicht gezeigt). Die Isolationsschichten 241, 242 dienen als Lichtreflexionsschichten.
18 zeigt eine schematische Außenansicht, die die Integration von Optokopplern und zugehörigen peripheren Schaltungen in einem Einzelchip als ein Beispiel, bei dem die Integration den höchsten addierten Wert besitzt, veranschaulicht. Periphere Schaltungen 250 und 251 sind gegenüber der Außenseite und gegenüber dem Substrat durch elektrische Isolierfilme 252 bzw. 253 isoliert. Folglich haben sie eine isolierte Kontaktelektrode 254 darin. Optokoppler sind derart ausgebildet, daß sie sich von der Seite der Schaltung 250 zur Seite der Schaltung 251 erstrecken. Genauer gesagt ist ein Leuchtelement 260 auf der Seite der Schaltung 250 vorgesehen; ein Lichtempfangselement 261 ist auf der Seite der Schaltung 251 vorhanden und ein optischer Wellenleiter 262 ist dazwischen gebildet. 18 zeigt einen weiteren gleichartigen Kanal parallel hierzu.
In gleichartiger Weise ist ein Optokoppler-Kanal (ein Leuchtelement 263 und ein Lichtempfangselement 264) von der Seite der Schaltung 251 bis zur Seite der Schaltung 250 vorgesehen. Diese Gestaltung ermöglicht eine Zweirichtungs-Signalübertragung zwischen den Schaltungen 250 und 251. Auch wenn in 18 zwei Kanäle in einer Richtung und ein Kanal in der anderen Richtung gezeigt sind, können die Kanäle in jeder beliebigen, in beiden Richtungen erforderlichen Anzahl ausgebildet werden, da jeder Optokoppler-Kanal unabhängig bzw. eigenständig integriert werden kann.
Aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, daß bei der Erfindung eine Übersprechvermeidungseinrichtung zwischen mehreren Sätzen aus auf demselben Substrat ausgebildeten Leucht- und Lichtempfangselementen vorgesehen ist. Es ist daher möglich, einen monolithischen Mehrkanal-Optokoppler, einen integral bzw. einstückig mit peripheren Schaltungen ausgebildeten Optokoppler und einen monolithischen bidirektionalen Optokoppler zu bilden. Die Erfindung kann auf parallele elektrische Isolierung zwischen Mehrfachkanälen in störungsbehafteten Umgebungen wie etwa bei Anwendung bei der Fertigungsautomation (Betriebsautomation) angewendet werden.
Es ist somit ein monolithischer Optokoppler beschrieben, der einfach zu integrieren ist. Eine SOI-Struktur ist durch Anordnen einer ersten Isolierschicht auf einem Siliziumsubstrat gebildet. Der Halbleiter-Einkristallbereich ist weiterhin durch Graben-Isolationsschichten in getrennte Regionen unterteilt. Leuchtelemente sind auf einem der getrennten Halbleiter-Einkristallbereiche gebildet, während Lichtempfangselemente auf dem anderen Halbleiter-Einkristallbereich gebildet sind. Die Leuchtelemente werden durch Herstellung von aus GaAs oder dergleichen bestehenden Leuchtdioden auf dem Substrat unter Einsatz eines heterogenen Wachstumsprozesses erhalten. Ein optischer Wellenleiter, der aus einem optisch transparenten und elektrisch isolierenden Material wie etwa einem TiO₂-Film hergestellt ist, ist auf jedem Paar aus Leucht- und Lichtempfangselementen vorgesehen. Die durch SiO₂-Schichten gebildeten Isolierschichten haben einen Brechungsindex, der kleiner ist als derjenige der aktiven Schicht des Substrats. Folglich wird das durch die Leuchtelemente ausgesandte Licht nahezu vollständig ohne Verlust reflektiert und das Licht, das in die optischen Wellenleiter eingetreten ist, erreicht die Lichtempfangselemente ohne Verluste, mit Ausnahme derjenigen Komponenten, die rechtwinklig oder mit einem nahe hierbei liegenden Winkel eingefallen sind.

Claims

Halbleiterbauelement mit: einem Substrat (1, 21), einer Isolierschicht (2, 22), die auf dem Substrat (1, 21) ausgebildet ist; einer Polysiliziumschicht (23, 75), die auf der Isolierschicht (2, 22) ausgebildet ist; einer Mehrzahl von Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereichen (3, 4, 25), die in der Polysiliziumschicht (23, 75) ausgebildet sind, einer Mehrzahl von Kanälen, wobei die Kanäle jeweils aufweisen: ein Leuchtelement (27), das auf einem jeweiligen Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 4, 25) ausgebildet ist, zum Aussenden von Licht als Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal, ein Lichtempfangselement (28), das auf einem jeweiligen Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 4, 25) ausgebildet ist, zum Empfangen des von dem Leuchtelement (27) ausgesandten Lichts und zum Abgeben eines elektrischen Ausgangssignals, und einen optischen Wellenleiter (29), der zwischen dem Leuchtelement (27) und dem Lichtempfangselement (28) zum optischen Koppeln des Leuchtelements (27) und des Lichtempfangselements (28) ausgebildet ist, einer elektrischen und optischen Isolierschicht (26, 73, 74), die auf einer den Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereichen (3, 4, 25) zugewandten Oberfläche der Polysiliziumschicht (23, 75) ausgebildet ist, zum elektrischen Isolieren des Leuchtelements (27) gegenüber dem Lichtempfangselement (28) in jedem der Kanäle und zum Verhindern eines Übersprechens zwischen den Kanälen; wobei die elektrischen und optischen Isolierschichten (26, 73, 74) zwischen zwei benachbarten Kanälen zusammen eine umgekehrte V-Form im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Kanäle in der Richtung von dem Substrat (1, 21) zur Isolierschicht (2, 22) bilden.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der optische Wellenleiter (29) von einer Substanz umgeben ist, die einer kleineren Brechungsindex als die Substanz des optischen Wellenleiters (29) aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 25) eine Leuchtelementfläche, in der die Leuchtelemente (27) der Kanäle gebildet sind, und eine Lichtempfangsfläche besitzt, in der die Lichtempfangselemente (28) der Kanäle gebildet sind, und dass die elektrischen und optischen Isolierschichten jeweils eine Mehrzahl von elektrischen und optischen Isolierschichten aufweisen, die durch einen Isolator oder ein Dielektrikum gebildet sind, der bzw. das derart ausgelegt ist, dass er bzw. es jeweils die Leuchtelementfläche und Lichtempfangselementfläche umgibt.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (29) aus einem transparenten Material hergestellt ist, das einen Brechungsindex besitzt, der bei der Wellenlänge des von den Leuchtelementen (27) ausgesandten Lichts größer als 1 ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtelement (27) eine Galliumarsenid-Leuchtdiode ist, die auf dem Halbleiter-Einkristall-Siliziuminselbereich (3, 4, 25) unter Einsatz eines Heteroübergangs ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtelement (27) ein Phototransistor, eine Photodiode, ein Photothyristor, ein Phototriac oder ein photoelektromotorisches Kraftelement ist, bei dem jeweils Silizium eingesetzt ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Wellenleiter (29) aus einem Film besteht, dessen Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die Si₃N₄, TiO₂ und As₂Se₃ oder As₂S₃ enthält.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische und optische Isolierschicht (26, 73, 74) aus SiO₂ oder Silikaglas besteht.