DE2554626A1

DE2554626A1 - Schirmelektroden

Info

Publication number: DE2554626A1
Application number: DE19752554626
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause; Werner Dipl Phys Spaeth
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-12-04
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1977-06-16
Also published as: DE2554626C3; DE2554626B2; ATA857176A; BR7607965A; US4240087A; SE7613624L; IT1064832B; CA1080837A; JPS5269593A; FR2334269A1; SE417033B; CH611742A5; AT348604B; GB1565550A; FR2334269B1; JPS6016109B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELISCHAFT . Vi ^ Unser Zeichen Berlin und München VPA 75 P 12 03 BRD

Schirmelektroden.

Die Erfindung "betrifft Schirmelektroden aus elektrisch leitendem Material für Halbleiterbauelemente, insbesondere für optische Halbleiterbauelemente.

Beim Koppeln von optischen Sendern und Empfängern mittels lichtdurchlässiger Isolierstoffe ergeben sich bei hohen elektrischen Feldern zwischen Sender und Empfänger Veränderungen der elektrischen Kenngrößen vor allem des Empfängers. Es entstehen durch den Einfluß des elektrischen Feldes unerwünschte zum Teil irrversible Effekte meist am Empfänger,z.B. Erhöhung des Sperrstromes, Verringerung der Stromverstärkung und Veränderung des Arbeitspunktes. Eine erhebliche Veränderung der elektrischen Kenngrößen bewirkt im allgemeinen eine gravierende Verschlechterung der Wirkung des zugehörigen Halbleiterbauelementes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Schirmelektroden insbesondere für optische Halbleiterbauelemente anzugeben, die die Einwirkung elektrischer Felder und der damit verbundenen Veränderungen der elektrischen Kenngrößen bei den Halbleiterbauelementen verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am betroffenen Halbleiterbauelement Schirmelektroden angebracht werden, die für optische Strahlung durchlässig sind.

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Es ist vorteilhaft, daß die Schirmelektroden im Spektralbereich zwischen 400 und 1100 nm durchlässig sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß als elektrisch leitendes Material halbleitende Substanzen verwendet werden. Die Verwendung von halbleitendem Material bei der Anbringung von Schirmelektroden hat gegenüber einer entsprechenden Verwendung von Metallen gewisse Vorteile. Metallische Schirmelektroden für optische Halbleiterbauelemente müssen, falls nicht erhebliche Absorptionsverluste auftreten sollen, eine äußerst dünne Schichtdicke aufweisen. Derartig dünne Schirmelektroden verfügen jedoch andererseits nur über eine geringfügige mechanische und chemische Stabilität. Bei der Verwendung von halbleitenden Materialien für Schirmelektroden lassen sich hingegen für den spektralen Arbeitsbereich eines optischen Halbleiterbauelements Schirmmaterialien, mit hinreichend geringer Absorption finden, so daß die Schichtdicken der Schirmelektroden im Hinblick auf deren mechanische und chemische Stabilität ausreichend stark gehalten werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft daß die halbleitenden Substanzen Verbindungshalbleiter sind.

Es ist auch vorteilhaft daß die Verbindungshalbleiter A B-, A¹¹B⁷¹-, A¹¹¹B⁷-, A^IVB^IV-, A⁷B¹¹¹-, A⁷¹B¹¹-, A^V-Verbindungen oder Gemische dieser Verbindungen sind.

Es ist besonders vorteilhaft daß die Schirmelektroden aus polykristallinen Halbleiterschichten insbesondere aus polykristallinem Silicium bestehen.

Die Verwendung von polykristallinen Halbleiterschichten als Schirmelektroden ist besonders vorteilhaft, da das Aufbringen derartiger Schichten technisch bereits beherrscht wird. Außerdem lassen, sich polykristalline Si-Schichten mit hohem spezifischem Widerstand herstellen, so daß durch das Anbringen derartiger Schirmelektroden die Güte des betreffenden Halbleiterbauelements nicht verringert wird.

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Für gewisse Anwendungsbereiche ist es auch vorteilhaft, daß die halbleitenden Substanzen halbleitende Gläser sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als elektrisch leitendes Material Gemische aus Nichtleitern und Leitern, insbesondere Gemische aus SiOp und Chrom,verwendet werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schirmelektroden bei optoelektrischen Kopplern sender- und/oder erapfängerseitig angewendet werden.

Bei optoelektronischen Kopplern ist es sicherlich vorteilhaft den Empfänger mittels Schirmelektroden vor der Einwirkung starker elektrischer Felder zu schützen und somit dessen optimale Wirkungsweise sicherzustellen. Außerdem sind jedoch auch Beispiele denkbar, bei denen es vorteilhaft ist, nicht nur den Empfänger,sondern auch einen halbleitenden Sender mit erfindungsgemäßen Schirmelektroden zu bestücken.

Es ist auch vorteilhaft, daß bei optoelektrischen Kopplern empfängerseitige Fototransistoren oder Verstärkertransistoren so mit Schirmelektroden versehen sind, daß eine Schirmelektrode den mit einer Isolierschicht bedeckten Kollektor-Basis-pn-Übergang und eine zweite Schirmelektrode den ebenfalls mit einer Isolierschicht bedeckten Basis-Emitter-pn-Übergang so überschichtet, daß höchstens jeweils eine der Transistorzonen mit jeweils einer Schirmelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Bei der Verwendung eines Fototransistors als optischen Empfänger ist es aus wirtschaftlichen Gründen besonders vorteilhaft ,jeweils eine Schirmelektrode mit einer Transistorzone zu verbinden. Eine Kontaktierung der Schirmelektroden mit separat aus dem

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Halbleiterbauelement herausgeführten elektrischen Anschlüssen ist ebenfalls technisch möglich, in der Hegel jedoch unwirtschaftlich.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die optische Schichtdicke der Schirmelektroden so gewählt wird, daß die Reflexion an der Schirmelektrode minimalisiert wird. Diese Maßnahme bewirkt eine Optimierung der in den Empfänger eingekoppelten optischen Leistung bei optoelektrischen Kopplern.

Eine Y/eiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der elektrische Widerstand der Schirmelektroden so hochohmig ist, daß das Produkt aus dem Widerstand der Schirmelektrode und der Kapazität der Schirmelektrode gegen die darunter liegenden Halbleiterschichten, die auf einem anderen Potential als die Schirmbildelektroden liegen, eine Zeitkonstante ergibt, die größer ist als die kürzeste Signalanstiegs- bzw. Signalabfallzeit, für die das die Schirmelektrode tragende Halbleiterbauelement ausgelegt ist.

Diese Maßnahme verhindert, daß durch das Anbringen von Schirmelektroden die Signalanstiegs- bzw. Signalabstiegszeit des betreffenden Halbleiterbauelementes vergrößert wird, wodurch gleichzeitig eine Verschlechterung eines Halbleiterbauelementes durch Anbringen von Schirmelektroden verhindert wird.

Eine vorteilhafte Aufbringung von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente erfolgt dadurch, daß das Aufbringen durch Aufdampfen erfolgt.

Insbesondere zur Aufbringung von polykristallinem Silicium eignet sich das Aufdampfen. Diese Methode ist echnisch leicht zu handhaben und verursacht außerdem geringere Kosten.

Je nach den speziellen Anforderungen kann es vorteilhaft sein Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente so anzubringen, daß das Aufbringen durch Abscheiden aus der Gasphase erfolgt oder

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mittels einer Molekularstrahls oder durch Zerstäuben einer oder mehrerer Schirinraaterialkomponenten durchgeführt wird. Es lassen sich beispielsweise Schirmelektroden aus Silicium mittels thermischer Zersetzung von SiH. oder SiHpCIp in inertem Gas abscheiden.

Weiterhin lassen sich erfindungsgemäße Schirmelektroden durch Zerstäuben oder gleichzeitiges Bedampfen mit einer nichtleitenden und einer leitenden Materialkomponente herstellen. Als nichtleitende Substanz kann SiOo und- als leitende Substanz Chrom oder Kupfer verwendet werden. Durch gleichzeitiges Bedampfen mittels zweier verschiedener Quellen z.B. mittels einer SiOp-Quelle und einer Chrom-Quelle lassen sich ebenfalls erfindungsgemäße Schirmelektroden abscheiden.

Es ist auch vorteilhaft, daß das Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente durch Sedimentation aus einer Anschlemmung geeigneter Materialien erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung an der Zeichnung und an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen mit erfindungsgemäßen Schirmelektroden versehenen optoelektronischen Koppler, bei dem der Empfänger ein Fototransistor ist,

Fig. 2 einen Querschniit durch einen mit erfindungsgemäßen Schirmelektroden versehenen optoelektronischen Koppler, bei welchem Sender und Empfänger als Dioden ausgebildet sind, Fig. 3 einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten optoelektronischen Koppler, mit nebeneinander angeordnetem Sender und Empfänger und spezieller Form der Kunststoffmasse.

Ein optoelektronischer Koppler 1 setzt sich aus einem optischen Sender 3 und einem optischen Empfänger 2 zusammen. Der optische

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Empfänger 2 besteht aus einem Fototransistor mit einem Halbleiterkörper 4, der beispielsweise η-dotiert ist. In den n-leitenden Halbleiterkörper 4 ist von der Oberfläche 9 aus eine zentrale p-leitende Zone 5 eindotiert. Weiterhin sind von der Oberfläche 9 des Halbleiterkörpers 4 aus η-leitende Zonen 6 sowohl in nleitende Bereiche des Halbleiterkörpers 4 als auch in die zentrale p-leitende Zone 5 eindiffundiert. Schichten 7 auf der Halbleiteroberfläche 9 stellen Siliciumdioxydschichten dar. Eine Schicht 8 ist ein metallischer Kontakt der n⁺-dotierten zentralen Zone 6, der über eine Leitung 16 zum Anschluß 17 aus dem Bauelement herausgeführt wird.

Ein Kontakt 18 ist auf der p-leitenden Zone 5 des optischen Empfängers 2 angebracht, der über eine Leitung 19 zum Anschluß 20 aus dem Bauelement herausgeführt wird. Schließlich wird der Halbleiterkörper 4 des optischen Empfängers 2 durch eine Schicht 21 mittels einer Leitung 22 mit einem Anschluß 23 verbunden.

Die Schichten 10 stellen die erfindungsgemäßen Schirmelektroden dar, Der optische Sender 3 besteht aus einer Lumineszenzdiode mit einem η-leitenden Halbleiterkörper 13, in den an der Oberfläche 14 eine p-leitende zentrale Zone 11 eindiffundiert ist. Der Halbleiterkörper 13 wird durch eine Elektrode 21 (wie der Halbleiterkörper 4) kontaktiert. Die Elektrode 21 ist über eine Leitung 22 mit einem Anschluß 24 verbunden. Die Schichten 12 an der Oberfläche 14 bestehen aus Siliciumdioxyd. Die Schichten 12 sind mit Schichten 10 überlagert,welche die erfindungsgemäßen Schirmelektroden darstellen, Zur Kontaktierung der p-leitenden Zone 11 ist ein Kontaktteil 24 auf der ObeifLäche 14 des optischen Senders 3 angebracht, welches über ein Leitungsteil 25 an einen Anschluß 26 aus dem Bauelement herausgeführt wird. Die Lumineszenzdiode 2 und der Fototransistor 3 werden durch eine Kunststoffvergußmasse 15 gekoppelt.

Die Fig. 2 unterscheidet sich von der Fig. 1 nur dadurch, daß der optische Sender 3 und der optische Empfänger 2 als Dioden ausgebildet sind. Die den Empfänger darstellende Diode ist daher mit

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dem Bezugszeichen 3 versehen. Die Beschreibung der einzelnen Teile ist daher der Beschreibung der Pig. 1 für die entsprechend numerierten Teile entnehmbar.

Die Pig. 3 stellt einen optoelektronischen Koppler 31 mit nebeneinander angeordnetem optischem Senden 33 und optischem Empfänger 32 dar, welche durch eine KunststoffVergußmasse 34 optisch verbunden sind. Die Formgebung der Kunststoffmasse 34 wird so gewählt, daß Lichtbündel 35, die den optischen Sender verlassen, möglichst verlustarm und möglichst unter Ausnutzung von Totalreflexion an der Oberfläche 36 der Vergußmasse 34 zum optischen Empfänger 32 gelangen.

Zur Herstellung von optoelektronischen Kopplern werden Schirmelektroden empfängerseitig und gegebenenfalls auch senderseitig, wie in den Figuren dargestellt, angebracht. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es zweckmäßig, jede Schirmelektrode an höchstens eine Transistorzone anzuschließen. Es ist jedoch auch möglih, wenn auch wirtschaftlich weniger sinnvoll, elektrische Anschlüsse an den einzelnen Schirmelektroden anzubringen und isoliert aus dem Halbleiterelement herauszuführen.

Die Materialien der Schirmelektroden müssen- eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Verwendung von Metallen als Schirmelektrodenmaterial für optische Halbleiter erfordert, bedingt durch die Forderung der Durchlässigkeit solcher Schirmelektroden für optische Strahlung, äußerst geringe Schichtdicken. Diese haben ihrerseits eine geringe mechanische und chemische Stabilität derartiger Schirmelektroden zur Folge.

Bei der Verwendung von halbleitendem Material als Schirmelektrodenmaterial sind vor allem polykristallines Silicium zu nennen. Als Schirmelektrodenmaterial verfügt polykristallines Silicium sowohl über eine hinreichende Leitfähigkeit, um elektrische Störfelder von

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dem zugehörigen Halbleiterbauelement abzuschirmen, andererseits ist polykristallines Silicium ausreichend hochohmig, so daß durch Anbringen einer derartigen Schirmelektrode die Signalanstiegsbzw. Signalabfallzeiten des Halbleiterbauelements durch das Anbringen der Schirmelektroden nicht vergrößert werden, weshalb die Wirkung eines Halbleiterbauelements durch Anbringen derartiger Schirmelektroden nicht verschlechtert wird.

Als weitere Schirmelektrodenmaterialien kommen Verbindungshalb-

I VII leiter, insbesondere Verbindungshalbleiter von der Art A B , A¹¹B⁷¹, A^mB^V, A^IVB^IT, Λ^ΠΙ, A⁷¹B¹¹ und A⁷¹¹B¹ sowie deren Mischungen in Betracht. Speziell sind hierzu folgende Halbleiterverbindungen zu nennen: Kupfer^odit CuJ, Kupferoxyd CupO, Nickeloxyd NiO, Kobaltoxyd CoO, Urandioxyd UO₂, Bleisulfid P₁₃S, Bleiselenid PbSe, Zinkoxyd ZnO, Titandioxyd TiOp> Wolframtrioxyd VfO,, Eisenoxyd Fe₂O,, Siliciumcarbid SiC, Galliumaluminiumarsenid GaAlAs, Galliumindiumarsenid GaInAs, Zinksulfid ZnS, Kadmiumsulfid CdS, Bleisulfid PbS.

Als weiteres Schirmelektrodenmaterial kommen halbleitende Gläser in Betracht.

Schirmelektrodenmaterialien können auch Gemische aus Nichtleitern und Leitern sein, z.B. Gemische aus SiO₂ und Metallen wie Chrom, Kupfer, Silber, Gold.

Zur Anbringung der erfindungsgemäßen Schirmelektroden ist zu sagen, daß die Schirmelektroden nicht unbedingt fest auf den Oxydschichten angebracht sein müssen, die ihrerseits fest auf der Halbleiteroberfläche abgelagert sind. Es ist durchaus auch möglich, Schirmelektroden in einem gewissen Abstand von Halbleiteroberfläche und Oxydschichten anzubringen.

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Zur Beseitigung des Feldeffektes bei Optokopplern ist das in der Pig. 1 dargestellte Beispiel besonders geeignet. Dabei wird der optische Sender durch eine Lumineszenzdiode dargestellt, der optische Empfänger durch einen Fototransistor. Die Kopplung von Sender und Empfänger erfolgt durch eine Kunststoffvergußmasse, die,wie in der Fig. 1 dargestellt, zwischen Sender und Empfänger gefüllt ist. Zur Vermeidung des Feldeffektes sind auf dem Oxydrahmen der Kollektor-Basis-Diode sowie der Basis-Emitter-Diode Schirmelektroden angebracht, die das Eindringen eines äußeren elektrischen Feldes in den Fototransistor abschirmen. Durch diese Abschirmung wird eine Veränderung der elektrischen Kenngrößen des Fototransistors vermieden. Wirkungsweise und Güte des Fototransistors bleiben deshalb trotz bestehender äußerer Felder unverändert gut.

Auch senderseitig können im Bedarfsfall Schirmelektroden, wie in den Figuren dargestellt, angebracht werden. Die Anbringung senderseitiger Schirmelektroden ist jedoch nicht in allen Fällen nötig.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schirmelektroden beschränkt sich nicht auf die spezielle Anwendung für elektrooptische Koppler, Erfindungsgemäße Schirmelektroden sind insbesondere vielmehr für jedes weitere optische Halbleiterbauelement das gegen einwirkende äußere elektrische Felder abgeschirmt werden soll anwendbar.

17 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Pate n_t_a n_s_p__r_ü_c_h_e

( 1.) Schirmelektroden aus elektrisch leitendem Material für Halbleiterbauelemente, insbesondere für optische Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet , daß die Schirmelektroden für optische Strahlung durchlässig sind.
2. Schirmelektroden nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Schirmelektroden im Spektralbereich zwischen 400 und 1100 mn durchlässig sind.
3. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, .da durch gekennzeichnet , daß als elektrisch leitendes Material halbleitende Substanzen verwendet werden.
4. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis ^dadurch gekennzeichnet , daß die halbleitenden Substanzen Verbindungshalbleiter sind.
5. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis (,da -

durch gekennzeichnet , daß die Ver-

I TI TT VT ITT V TV TV V ITT bindungshalbleiter A¹B-, A¹¹B-, A "¹¹B-, A^1VB-, A^VB^X -,

VI II VII I
A B -, A B -Verbindungen oder Gemische dieser Verbindungen sind.
6. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da durch gekennzeichnet , daß die Schirmelektroden aus polykristallinen Halbleiterschichten, insbesondere aus polykristallinem Silicium, bestehen.

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ORIGINAL INSPECTED

-a-
7. Schirmelektroden nach einem der Anspruch 1 bis 3, da durch gekennzeichnet , daß die halbleitenden Substanzen halbleitende Gläser sind.

8. Schirmelektroden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als elektrisch leitendes Material Gemische aus Nichtleitern und Leitern, insbesondere Gemische aus SiO₉ und Chrom, verwendet werden.

C.

9. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a durch gekennzeichnet , daß die Schirmelektroden bei optoelektronischen Kopplern sender- und/oder empfängerseitig vorgesehen sind.

10. Schirmelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 9» da durch gekenn ζ eichnet , daß bei optoelektronischen Kopplern empfängerseitige Fototransistoren oder Verstärkertransistoren so mit Schirmelektroden versehen sind, daß eine Schirmelektrode den mit einer Isolierschicht bedeckten Kollektor-Basis-pn-Übergang und eine zweite Schirmelektrode den ebenfalls mit einer Isolierschicht bedeckten Basis-Emitterpn-Übergang so überschichtet, daß höchstens jeweils eine der Irans'istorzonen mit jeweils einer Schirmelektrode elektrisch leitend verbunden ist.

.Schirmelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet , daß die optische Schicht dicke der Schirmelektroden so gewählt wird, daß die Reflexion an der Schirmelektrode minimalisiert wird.

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12. Schirmelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet , daß der elektrische Widerstand der Schirmelektrode so hochohmig ist, daß das Produkt aus dem Y/iderstand der Schirmelektrode und der Kapazität der Schirmelektrode gegen die darunter liegenden Halbleiterschichten, die auf einem anderen Potential als die Schirmelektrode liegen, eine Zeitkonstante ergibt, die größer ist als die kürzeste Signalanstiegs- bzw. Signalabfallzeit für die das die Schirmelektrode tragende Halbleiterbauelement ausgelegt ist.

13. Verfahren zum Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen durch Aufdampfen erfolgt.

14. Verfahren zum Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen durch Abscheiden aus der Gasphase erfolgt.

15· Verfahren zum Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen mittels eines Molekularstrahls erfolgt.

16. Verfahren zum Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen durch Zerstäuben einer oder mehrerer Schirmmaterialkomponenten erfolgt.

17. Verfahren zum Aufbringen von Schirmelektroden auf Halbleiterbauelemente nach einem der Ansprühe 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Aufbringen durch Sedimentation aus einer Anschlemmung geeigneter Materialien erfolgt,

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