本發(fā)明涉及一種光電耦合器。

背景技術(shù)：

光電耦合器充分已知。簡單的光電耦合器具有發(fā)送器部件和接收器部件，其中，這兩個部件電流隔離(galvanisch getrennt)，然而光學耦合。這種構(gòu)件由US 4 996 577已知。光學部件也由US 2006/0048811 A1，US 8 350 208 B1和WO 2013/067969 A1已知。

另外，由US 4 127 862、US 6 239 354 B1、DE 10 2010 001 420 A1、由Nader M.Kalkhoran等人的《Cobalt disilicide intercell ohmic contacts for multijunction photovoltaic energy converters》，Appl.Phys.Lett.64,1980(1994)和由A.Bett等人的《III-V Solar cells under monochromatic illumination》,Photovoltaic Specialists Conference,2008,PVSC'08.33rd IEEE,頁碼1-5，ISBN:978-1-4244-1640-0已知可擴展(skalierbar)的電壓源或由III-V族材料構(gòu)成的太陽能電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此背景下本發(fā)明的任務在于，給出一種擴展現(xiàn)有技術(shù)的設備。

該任務通過具有權(quán)利要求1的特征的光電耦合器來解決。本發(fā)明的有利的構(gòu)型是從屬權(quán)利要求的主題。

根據(jù)本發(fā)明的主題提出一種具有發(fā)送器部件和接收器部件的光電耦合器，其中，發(fā)送器部件和接收器部件互相電流隔離并且互相光學耦合并且這兩個部件集成在共同的殼體中，接收器部件包括電壓源，其中，電壓源包括數(shù)量為N的互相串聯(lián)連接的部分電壓源，所述部分電壓源構(gòu)造為半導體二極管，其中，這些部分電壓源中的每一個具有一個半導體二極管，所述半導體二極管具有p-n結(jié)，每個半導體二極管具有p摻雜的吸收層，其中，p吸收層被p摻雜的鈍化層鈍化，該p摻雜的鈍化層具有比該p吸收層的帶隙更大的帶隙，所述半導體二極管具有n吸收層，其中，該n吸收層被n摻雜的鈍化層鈍化，該n摻雜的鈍化層具有比該n吸收層的帶隙更大的帶隙，各個部分電壓源的部分電源電壓互相具有小于20％的偏差，在每兩個彼此相繼的部分電壓源之間構(gòu)造有一個隧道二極管，其中，所述隧道二極管具有多個半導體層，這些半導體層具有比p/n吸收層的帶隙更大的帶隙，具有更大帶隙的半導體層分別由具有經(jīng)改變的化學計量和/或與所述半導體二極管的p/n吸收層不同的元素成分的材料組成；所述部分電壓源和所述隧道二極管單片地集成在一起并且共同構(gòu)成具有上側(cè)和下側(cè)的第一堆疊(Stapel)，所述部分電壓源的數(shù)量N大于等于3；光在上側(cè)處入射到第一堆疊上，并且堆疊上側(cè)處的照射面的尺寸基本上是所述第一堆疊在上側(cè)處的面的尺寸，所述第一堆疊具有小于12μm的總厚度；在300K的情況下，只要所述第一堆疊被光子流照射，則所述第一堆疊具有大于3伏的電源電壓，其中，在從堆疊的上側(cè)向第一堆疊的下側(cè)的光入射方向上，半導體二極管的p吸收層和n吸收層的總厚度從最上面的二極管向著最下面的二極管增加，并且所述電壓源在堆疊的下側(cè)附近具有環(huán)繞的、臺階形的邊緣。

應注意的是，表述“基本上”結(jié)合堆疊上側(cè)處的照射面與第一堆疊在上側(cè)處的面的尺寸的比較應理解為，面積的區(qū)別尤其小于20％，或者優(yōu)選小于10％，或者優(yōu)選小于5％，或者最優(yōu)選兩個面積相等。

還應注意的是，用于照射堆疊上側(cè)的“光”的表述應理解為具有吸收層的吸收范圍內(nèi)的波長光譜的光。顯然，具有一個確定的、即吸收的波長的——也就是吸收層的吸收范圍內(nèi)的波長的單色光也是適合的。

顯然，只要在發(fā)送器部件中的光子發(fā)射受到調(diào)制，該調(diào)制就引起交流電壓，換言之，電源電壓的幅值隨時間變化。還應注意的是，優(yōu)選以確定波長的光照射第一堆疊的整個上側(cè)，即整個表面或幾乎整個表面。

還顯然，術(shù)語“光”指的是具有確定波長的光、尤其是LED的光，在此發(fā)射譜一般是高斯分布形狀的，例如在典型的850nm的LED情況下具有20-30nm的半值寬度。也顯然，該光的波長至少大于或等于所述半導體二極管的吸收層的帶隙能量。

應注意的是，深入的研究以驚人的方式表明：與現(xiàn)有技術(shù)不同地，借助在此的單片堆疊方式以有利的方式得到了3V以上的電源電壓。

顯然，部分電壓源的數(shù)量N優(yōu)選在10以下，并且第一堆疊的電源電壓的幅值主要由部分電源電壓的相加確定。

根據(jù)本發(fā)明的設備的一個優(yōu)點是，通過多個部分電壓源的串聯(lián)連接也能夠?qū)崿F(xiàn)具有4伏以上或更大的電壓值的電壓源，并且借助單片集成結(jié)構(gòu)能夠制造簡單的且成本有利的以及可靠的電壓源。另一個優(yōu)點是，借助堆疊形式的布置與至今以硅二極管的橫向布置相比實現(xiàn)了大的面積節(jié)省。尤其由發(fā)送二極管或光源僅需照射接收器部件的第一堆疊的小得多的接收面。

優(yōu)選部分電壓源的數(shù)量N大于等于3，只要以具有確定波長的光子流照射第一堆疊，則第一堆疊在300K情況下具有大于3伏的電源電壓。

在一種擴展方案中，各個部分電壓源的電源電壓互相偏差小于10％。由此實質(zhì)地改進了作為可擴展的電壓源、尤其作為參考電壓源的適用性。顯然，術(shù)語“可擴展”涉及整個堆疊的電源電壓的幅值。

在另一種擴展方案中，半導體二極管分別具有相同的半導體材料，在此二極管的半導體材料具有相同的晶體組成(kristalline Zusammensetzung)，優(yōu)選化學計量幾乎相同或者優(yōu)選完全相同。也有利的是，第一堆疊布置在襯底上。在一種實施方式中，半導體材料和/或襯底由III-V族材料組成。尤其優(yōu)選的是，襯底包括鍺或砷化鎵，和/或，襯底上的半導體層具有砷和/或磷。換言之，半導體層包括含砷的層和含磷的層，也就是說由GaAs或AlGaAs或InGaAs制成的層作為砷化物層的示例以及InGaP作為磷化物層的示例。

優(yōu)選的是，在第一堆疊的下側(cè)上構(gòu)造第二電壓連接端，尤其是所述第二電壓連接端構(gòu)造成穿過襯底。

在另一種實施方式中，半導體二極管由與襯底相同的材料組成。優(yōu)點是，尤其這兩個部分的膨脹系數(shù)相同。有利的是，半導體二極管基本上由III-V族材料組成。尤其有利的是，半導體二極管分別具有相同的半導體材料。尤其優(yōu)選的是，應用GaAs。

在一種優(yōu)選的實施方式中，在第一堆疊的上側(cè)上構(gòu)造有第一電壓連接端，作為邊緣附近的環(huán)繞的金屬接觸部或者作為邊緣處的單個接觸面。

還優(yōu)選的是，第一堆疊具有小于2mm²或小于1mm²的基面。研究已表明，有利的是，所述基面以四邊形構(gòu)造。堆疊的基面優(yōu)選構(gòu)造成正方形。

進一步的研究還表明，為了達到更高的電壓，有利的是，構(gòu)造第二堆疊并且將這兩個堆疊互相串聯(lián)連接，使得第一堆疊的電源電壓和第二堆疊的電源電壓相加。第一堆疊和第二堆疊優(yōu)選并置在共同的載體上。

在一種擴展方案中，第一堆疊的電源電壓與第二堆疊的電源電壓偏差小于15％。

研究還表明，有利的是，在所述殼體中集成分析處理電路，并且電壓源與分析處理電路存在電有效連接。在一種優(yōu)選的實施方式中，接收器部件包括集成的半導體鏡，其中，半導體鏡優(yōu)選單片集成，最優(yōu)選集成在每個堆疊中。

還優(yōu)選的是，半導體鏡構(gòu)造在堆疊的最下面的半導體二極管下方。研究表明，多個堆疊可以并置地構(gòu)造在一個半導體晶片上或半導體襯底片上，其方式是，在整面地、優(yōu)選外延地制造所述層以后，實施所謂的臺面蝕刻。為此借助掩膜工藝產(chǎn)生漆掩膜，隨后優(yōu)選實施用于產(chǎn)生臺面溝槽的濕化學蝕刻。臺面蝕刻優(yōu)選終止在襯底中或終止在襯底上。

在一種實施方式中，在相應二極管的p吸收層與n吸收層之間構(gòu)造有本征層。在此，對于本征層應理解為具有小于1E16 1/cm²、優(yōu)選小于5E151/cm²、最優(yōu)選小于1.5E15 1/cm²的摻雜的半導體層。

在一種擴展方案中優(yōu)選的是，每一個堆疊在下側(cè)附近具有環(huán)繞的、臺階形的邊緣，其中，在兩個堆疊直接相鄰的情況下在堆疊結(jié)構(gòu)的外側(cè)構(gòu)成環(huán)繞的邊緣作為共同的環(huán)繞的邊沿，使得電壓源具有環(huán)繞的邊緣。

邊緣優(yōu)選是階臺形的或者構(gòu)造為階臺。在此，邊緣或階臺的表面優(yōu)選大部分具有平面，其中，邊緣或階臺的表面的法線構(gòu)造為平行或幾乎平行于第一堆疊的表面的法線或者相應堆疊的表面的法線。要注意的是，邊緣或階臺的側(cè)面構(gòu)造為基本或恰好垂直于邊緣或階臺的表面。

邊緣或階臺的棱邊分別與第一堆疊的四個側(cè)面中的每一個或者分別與多個堆疊的側(cè)面距離至少5μm且最大500μm。棱邊到直接相鄰的側(cè)面的距離范圍分別優(yōu)選在10μm與300μm之間。所述距離范圍尤其在50μm與250μm之間。

第一堆疊的側(cè)面和尤其堆疊的所有側(cè)面優(yōu)選構(gòu)造為平的，并且尤其構(gòu)造為垂直的或幾乎垂直的。側(cè)面上的法線相對于相鄰邊緣面的法線或者堆疊表面的法線優(yōu)選在80°與110°之間的角度范圍內(nèi)，即，側(cè)面的法線與直接相鄰的邊緣面的法線彼此基本正交。所述角度范圍優(yōu)選在85°與105°之間。

附圖說明

以下參照附圖詳細闡述本發(fā)明。在此以同樣的附圖標記表示同類組件。示出的實施方式是高度示意性的，也就是說距離以及橫向延展和縱向延展不是按比例的，只要不另外說明，互相也不具有可推導的幾何關系。附圖示出：

圖1：光電耦合器的根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，該光電耦合器具有可擴展的電壓源，該電壓源具有一個堆疊；

圖2：光電耦合器的第二實施方式，該光電耦合器具有可擴展的電壓源，該電壓源具有多個堆疊；

圖3：具有總共5個二極管的實施方式，這些二極管具有不同厚度的吸收區(qū)；

圖4：具有環(huán)繞的臺階形的階臺的堆疊；

圖5a：接收和發(fā)送器部件縱向布置的橫截面圖；

圖5b：接收和發(fā)送器部件橫向布置的橫截面圖。

具體實施方式

圖1的示圖示出第一實施方式的示意圖，該第一實施方式具有光電耦合器OPK，該光電耦合器OPK具有發(fā)送器部件S和接收器部件EM，該發(fā)送器部件S具有發(fā)送二極管SD。接收器部件EM具有可擴展的電壓源VQ和分析處理單元AWE。顯然，術(shù)語“可擴展”涉及整個堆疊的電源電壓的幅值。發(fā)送二極管SD的光L借助鏡SP被引導到可擴展的電壓源VQ的表面上。顯然，光電耦合器OPK在此是有殼的，也就是說，所述的構(gòu)件集成在共同的殼體中。

電壓源VQ具有第一堆疊ST1，該第一堆疊ST1具有上側(cè)和下側(cè)，該第一堆疊ST1具有二極管，這些二極管的數(shù)量N等于3。該第一堆疊ST1具有由第一二極管D1和第一隧道二極管T1和第二二極管D2和第二隧道二極管T2和第三二極管D3組成的串聯(lián)電路。在第一堆疊ST1的上側(cè)構(gòu)造有第一電壓連接端VSUP1并且在第一堆疊ST1的下側(cè)構(gòu)造有第二電壓連接端VSUP2。電源電壓在此由單個二極管D1至D3的部分電壓組成。為此，第一堆疊ST1經(jīng)受來自發(fā)送二極管SD的光子流L。只要發(fā)送二極管SD發(fā)出經(jīng)調(diào)制的光子流，就在第一堆疊ST1中也調(diào)制第一堆疊ST1的電源電壓VQ1。

包括二極管D1至D3和隧道二極管T1和T2的第一堆疊ST1實施成單片構(gòu)造的塊。分析處理單元AWE包括未示出的集成電路。發(fā)送器部件S和接收器部件EM分別具有兩個彼此電流隔離的連接端。

在圖2中示出圖1的光電耦合器的另一種實施方式，該實施方式具有第一堆疊ST1和第二堆疊ST2的有利的相互串聯(lián)。以下只闡述與圖1的示圖的不同。第二堆疊ST2如第一堆疊ST1那樣具有由三個二極管與構(gòu)造在這些二極管之間的隧道二極管組成的串聯(lián)電路。兩個堆疊ST1和ST2互相串聯(lián)地連接，使得只要兩個堆疊ST1和ST2經(jīng)受發(fā)送二極管SD的光子流L，則第一堆疊ST1的電源電壓VQ1和第二堆疊ST2的電源電壓VQ2相加。接收器部件EM在此不具有分析處理電路，使得第一電壓連接端VSUP1和第二電壓連接端VSUP3直接向外引導。

在一種未示出的實施方式中，兩個堆疊ST1和ST2互相具有不同數(shù)量的分別以串聯(lián)電路連接的二極管。在另一種未示出的實施方式中，至少第一堆疊ST1和/或第二堆疊ST2具有多于三個以串聯(lián)電路連接的二極管。由此可擴展電壓源VQ的電壓幅值。數(shù)量N優(yōu)選處于4至8之間的范圍內(nèi)。

在圖3的示圖中示出半導體層有利地相互串聯(lián)成第一堆疊ST1的實施方式。以下只闡述與圖1的示圖的不同。第一堆疊ST1總共包括五個串聯(lián)連接的部分電壓源，所述部分電壓源構(gòu)造為二極管D1至D5。光L照射到第一二極管D1的表面OB上。所述表面OB被幾乎或完全照亮。在兩個彼此相繼的二極管D1-D5之間分別構(gòu)造有一個隧道二極管T1-T4。隨著各個二極管D1至D5離表面OB的距離增大，吸收區(qū)的厚度也增大，使得最下面的二極管D5具有最厚的吸收區(qū)。第一堆疊ST1的總厚度總共小于等于12μm。在最下面的二極管D5的下面構(gòu)造有襯底SUB。

在圖4的示圖中示出半導體層有利地相互串聯(lián)成第一堆疊ST1的實施方式，所述第一堆疊ST1具有環(huán)繞的臺階形的階臺。以下只闡述與圖3的示圖的不同。在第一堆疊ST1的表面OB上，在邊緣R上構(gòu)造有金屬的第一連接接觸部K1。該第一連接接觸部K1與第一電壓連接端VSUP1連接(未示出)。襯底SUB具有上側(cè)OS，其中，襯底SUB的上側(cè)OS材料鎖合地與最下面的、也就是說第五二極管D5連接。在此顯然，在將第五二極管布置在襯底上并且使其材料鎖合地與襯底的上側(cè)OS連接之前，在襯底上外延地制造薄的核化層(Nukleationsschicht)和緩沖層(Pufferschicht)。襯底的上側(cè)OS具有比第一堆疊ST1的下側(cè)處的面更大的表面。由此形成環(huán)繞的階臺STU。所述階臺STU的邊緣與所述階臺的第一堆疊ST1的直接相鄰的側(cè)面距離大于5μm且小于500μm，以附圖標記STU的長度示出。在襯底SUB的下側(cè)處構(gòu)造有整面的金屬的第二接觸部K2。該第二連接接觸部K2與第二電壓連接端VSUP2連接(未示出)。

在圖5a和5b的示圖中示出發(fā)送器部件S和接收器部件EM的縱向布置的橫截面圖以及發(fā)送器部件S和接收器部件EM的橫向布置的橫截面圖，其中，分別具有第一堆疊ST1的發(fā)送器部件S包括環(huán)繞的臺階形的階臺。以下只闡述與在以上圖中示出的實施方式的不同?？梢?，在縱向布置的情況下鏡SP是沒有必要的。顯然，以示出的光L的平行光線僅示出光L的原理上的走向。發(fā)送器部件的光通常具有發(fā)散的光束。