(57)【要約】      （修正有）【課題】モノリシックに集積された光結合器を提供する。【解決手段】光結合器は、有機発光素子１００と検出器領域を備える無機光検出器１０４とを有し、この検出器領域は有機発光素子に光学的に結合される。有機発光素子は、電気入力信号を光信号に変換し、かつ無機光検出器は、光信号を電気出力信号に変換し、有機発光素子および無機光検出器は、ＣＭＯＳ構造のＩＬＤ層１５０、ＩＭＤ層１６０によって集積され、かつガルバニック分離がなされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光結合器であって、
有機発光素子（１００、６００、７２０）と、
検出器領域(１０６)を有する無機光検出器（１０４、４００、５１５）とを含み、検出器領域（１０６）が有機発光素子（１００、６００、７２０）と光学的に結合され、
有機発光素子（１００、６００、７２０）が、電気入力信号を光信号（１０８）に変換し、無機光検出器（１０４、４００、５１５）が光信号（１０８）を電気出力信号に変換し、かつ有機発光素子（１００、６００、７２０）および無機光検出器（１０４、４００、７２０）が構成要素において集積される、光結合器。
【請求項２】
無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、１以上のｐｎ接合を有するドープされた半導体材料を有する、請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】
有機発光素子（１００、６００、７２０）が、有機発光ダイオードを有する、請求項１または２に記載の光結合器。
【請求項４】
有機発光素子（１００、６００、７２０）および無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、１つまたはいくつかの分離層（１５０、１６０）の２つの対向する側に配列される、請求項１から３のいずれかに記載の光結合器。
【請求項５】
光信号（１０８）の伝播方向が、偏光層（５１０）を用いて有機発光素子（１００）により変更されるよう、形成された偏光層（５１０）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の光結合器。
【請求項６】
上下に積層され、有機発光素子（１００、６００、７２０）の発光面（１０２）に対して実質的に平行に配置された分離層により分離された１つまたはいくつかの遮蔽面（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）をさらに含み、遮蔽面（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）が、遮光および光信号（１０８）の合焦を生じさせかつ発光表面（１０２）から電気的に分離される、請求項１から５のいずれかに記載の光結合器。
【請求項７】
反射器（６１０）をさらに含み、有機発光素子（６００）が、光信号（１０８）を反射器（６１０）に向けて発するよう配列され、かつ無機光検出器（４００）が、反射器（６１０）からの光信号（１０８）を受けるよう配列される、請求項１から６のいずれかに記載の光結合器。
【請求項８】
有機発光素子（６００）が、無機光検出器（１０４、４００、５１５）に対向する側に表面を有するパッシベーション層（１９５）をさらに含み、かつ反射器（６１０）がこの表面上に配設される、請求項７に記載の光結合器。
【請求項９】
ケーシング（９２０）をさらに含み、反射器（６１０）が、ケーシングの内側に付与される、請求項７に記載の光結合器。
【請求項１０】
有機発光素子（７２０）が、２つの不透明の電極（１９０、１９２）および有機中間層（１８０）を有し、不透明電極（１９０、１９２）が、有機中間層（１８０）により分離され、かつ有機中間層（１８０）が、光学出力（７５０）を形成し、それにより有機中間層（１８０）で生成される光信号（１０８）が、有機中間層（１８０）を光学出力（７５０）で出て、かつ光学出力（７５０）が、無機光検出器（４００）の検出器領域（１０６）と光学的に結合される、請求項１から９のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１１】
有機発光素子（１００、６００、７２０）と検出器領域（１０６）との間に配列される１以上の層（１５０）および／または（１６０）を備える一連の誘電体透明層をさらに含み、１以上の層（１５０）および／または（１６０）において、有機発光素子（１００、６００、７２０）および／または無機光検出器（１０４、４００、５１５）のための電子活性化ユニットおよび／または読出し回路の少なくとも一部が配置される、請求項１から１０のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１２】
請求項５において、偏光層（５１０）が、埋設酸化物層を有しかつ偏光層（５１０）が、光信号（１０８）のための光ガイドとして設計され、それにより光信号（１０８）が、一連の誘電体透明層（１５０、１６０）を通過した後、偏光層（５１０）を通って無機光検出器（５１５）の検出器領域（１０６）へ伝送される、請求項１１に記載の光結合器。
【請求項１３】
可能な外来光の影響を抑制するために、光信号（１０８）が変調を有するよう、有機発光素子（１００、６００、７２０）を制御する電子活性化ユニットをさらに含む請求項１から１２のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１４】
無機光検出器の構成要素および／または有機発光素子を動作させるための構成要素が、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳまたはバイポーラ技術において実現される、請求項１から１３のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１５】
有機発光素子（１００、６００、７２０）のための電子活性化ユニットおよび無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、異なる基板領域に配設される、請求項１から１４のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１６】
異なる基板領域がトレンチによって相互に分離される、請求項１５に記載の光結合器。
【請求項１７】
異なる基板領域が、ＳＯＩ基板の相互に分離された領域である、請求項１５に記載の光結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機発光素子および無機光検出器を備える集積光結合器に関し、特に、ＯＬＥＤ光源を備えるモノリシックに集積されたＣＭＯＳ光結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光結合器は、ガルバニック分離および／または電位分離の技術的手段として、広く普及している。これには、自動車産業、民用電子機器、医療および測量技術、データ通信等の分野の応用を含む。光結合器は、対応の出力信号から、入力信号を電気的に分離するために使用され、かつ継電器およびリード継電器（保護ガラス継電器）の代替物として使用することができる。これらは、そのスイッチング速度の速さ、信頼性の高さ、より優れた電気的分離の面で有利であり、かつ従来技術の継電器に比べ、機械的結合および／またはスイッチングによる欠点（所謂バウンス効果）が避けられる。
【０００３】
光結合器は、発光素子および受光素子を有し、これらの素子は、結合媒体および／または光ガイドを介して光学的に結合される。たとえば赤外線や赤色光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）を、発光素子として使用することが多い。フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトサイリスタ、フォトトライアック、フォトシュミットトリガまたはフォトダーリントントランジスタ等が、受光素子として使用される。発光素子および受光素子は、電気的に非導電性の絶縁体を介して相互に結合される。
【０００４】
回路部品の電気的分離は、電位分離のため必要であり、また寄生反応を避けるためにも必要である。電位分離は、医療機器におけるハザード防止にとりわけ効果的であるが、データ通信（ネットワーク／インタフェースカード）または過電圧保護にも効果的ある。光結合器で、抑制したい寄生反応は、たとえば小さい信号における雑音やエンジン制御における過渡である。二値またはアナログ信号が光結合器では伝送される。
【０００５】
光結合器を図１０に模式的に示す。発光素子２０は、入力１０にある電気信号を光信号４０に変換する。光信号４０は、光ガイド３０により光出口領域２５から受光素子５０の光入口領域５５へ送信される。受光素子５０は、光信号４０を電気出力信号に再変換し、この光出力信号が出力６０に存在する。電位分離については、光ガイド３０が発光素子２０を受光素子５０から電気的に分離すること、すなわち光ガイド３０が透明の誘電物質を有していることが重要である。
【０００６】
光結合器の市場は、主に２つの異なる分野に分かれる。すなわち、一方が伝統的なフォトダイオードおよび／またはフォト（ダーリントン）トランジスタに基づく単純な光結合器であり、他方が、より高度な機能向けにＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化膜半導体）読出し回路を備えた完全な集積光結合器である。
【０００７】
受光素子として考えられるフォトダイオードおよび／または光検出器５０は、標準的なＣＭＯＳプロセスの際に様々なｐ‐ｎ界面で再生することができ、図９は、前提技術によるｎウェルＣＭＯＳプロセスにおける例を示す図である。ｐ型ドープの基板（ｐ型基板）９１０には、ｎ型ドープのウェル（ｎウェル）９２０が形成され、このウェルが、ｐ型基板９１０に対向する側にｐ+ドープ層９３０を有する。光検出器５０の最終の層として、ｐ型基板９１０は、酸化物層９４０を有し、その後にＩＬＤ（Ｉｎｔｅｒ Ｌａｙｅｒ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ：層間誘電体）層９５０とＩＭＤ（Ｉｎｔｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ：金属間誘電体）層９６０等の通常のＣＭＯＳ層が続く。酸化物層９４０、ＩＬＤ層９５０およびＩＭＤ層９６０は、誘電体材料を有し、かつ半透明であることが好ましい。図９に、ダイオード９２５、９３５および９７５によりいくつかのｐｎ接合を示す。
【０００８】
入射光ビーム９９０は、対向する負荷極性の負荷キャリア対９８５をｎウェル９２０内に発生し、これが、極性に従い分離されて、電気信号が発生する。光検出器５０は、ｐ型基板９１０、ｎウェル９２０、およびｐ+ドープ層９３０から構成される。図９は、ｐ型基板９１０とｎ+ドープ表面層９７０とからなるｐｎ接合から構成されるフォトダイオード９７５をさらに示す。光信号９８０は、たとえば、表面層９７０で反射された光を表す。
【０００９】
既知の完全に集積化された光結合器は、ＣＭＯＳ系受信および評価チップならびに従来技術の（無機）発光ダイオード（従来技術のＬＥＤ）からなるエミッタ（発光素子）２０に基づく。これらは、一般に、フォトダイオードおよび／または光検出器５０と光学的に密接な関係を有する。これら２つの技術は、相互に異なる材料およびプロセスを使用する。標準的ＣＭＯＳプロセスは、概ね単結晶シリコン材料に基づき、一方、従来技術の発光ダイオードは、多くが単結晶ＩＩＩ−Ｖ族半導体を使用する。従って、光検出器５０および発光素子２０としての発光ダイオードといった素子は、モノリシックに製作することができず、相互にハイブリッドな態様でのみ集積できる。
【００１０】
ＧａＡｓおよび関連のＩＩＩ−Ｖ族半導体等の無機半導体からなる従来技術の発光ダイオードが、何十年にも渡って知られている。そのような、発光ダイオードの基本的原則は、電圧を印加することによって、電子および正孔が、半導体に注入されかつ発光の際に再結合ゾーンで照射を介して結合するというものである。
【００１１】
無機発光ダイオードの代わりとして、有機物半導体に基づく発光ダイオードが近年目覚しい進歩を遂げている。たとえば、有機エレクトロルミネセンスは、現在、表示装置に適した媒体として、大きな注目を集めている。有機発光ダイオードは、陽極と陰極との間に挿入された典型的には厚さが１００ｎｍの範囲にある一連の有機物層を有する。ガラスを基板として使用することが多く、その上にインジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の透明の導電性酸化物を付与する。そして、正孔輸送材料、発光材料および電子輸送材料を有する、上記一連の有機物層が続く。通常その後に、金属性陰極が続く。
【００１２】
図８は、前提技術による有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を示す図であり、その左側に所謂ボトムエミッタ８１０を示し、その右側に所謂トップエミッタ８２０を示す。
【００１３】
ボトムエミッタ８１０の場合、透明電極８１４、一連の有機物層８１６および第２の電極８１８が基板８１２の上に積層される。透明電極８１４は、第１の接点８１５を介して、かつ第２の電極８１８は、第２の接点８１９を介してそれぞれ電気的に接続される。一連の有機物層８１６では、第１の接点８１５および第２の接点８１９の電気信号が、光信号４０に変換され、ここに示す例では、主に下向きに放射される。
【００１４】
上に述べたとおり、以下の材料を使用することができる。透明電極８１４には、たとえばＩＴＯを使用することができ、第２の電極８１８には、金属を使用することが多く、かつ一連の有機物層８１６は、たとえば正孔輸送材料、発光材料および電子輸送材料を有する。第２の電極８１８が、不透明の材料を有するボトムエミッタに８１０の場合、上向きの放射が防止される。基板８１２が光の伝播を妨げないようにするために、透明材料として一般にガラスを使用する。
【００１５】
図８の右側に示すトップエミッタ８２０は、応じて反転した一連の層を有する。不透明の材料を有する第２の電極８１８が基板８２２の上に積層される。そして、その後に一連の有機物層８１６、透明材料（例：ＩＴＯ）を有する透明電極８１４が続く。次に透明電極８１４は、第１の接点８１５を介して、かつ第２の電極８１８は、第２の接点８１９を介して、それぞれ電気的に接続される。この場合も、第１の接点８１５および第２の接点８１９の電気信号は、一連の有機物層８１６において、光信号４０に変換されるが、この光は、第２の電極８１８が不透明性なため、図面では主に上向きに放射される。
【００１６】
選択された図面に関わらず、ボトムエミッタ８１０は、主に基板８１２を介して光信号４０を照射し、一方、トップエミッタ８２０は、基板８２２から離れる方向に放射する。図８の光信号４０は、主たる放射方向を示す。しかしながら、一連の有機物層８１６で生成された光は、一連の有機物層８１６に沿って、または透明電極８１４に沿って伝播し、横方向に保護が存在しなければ、横方向にも一部放射される。
【００１７】
通常、ＩＩＩ−Ｖ族半導体系の無機エミッタ（発光素子２０）およびＣＭＯＳフォトダイオード等の無機検出器（光検出器５０）の両方が集積された光結合器が知られている。有機発光素子および有機検出器の両方を集積した光結合器も知られており、たとえば、ＤＥ １００６１２９８ Ａ１ または ＤＥ１０１０３０２２ Ａ１に記載されている。さらに、画像レコーダのための光検出器が知られており、これは、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からなるシリコンハンドルウェハにおいて実現される（特に特許文献１を参照）。
【００１８】
上記のとおり、従来技術のＬＥＤは主にＩＩＩ−Ｖ族半導体を使用し、かつ検出器回路（光検出器５０および活性化回路）は、多くがシリコン系のものであるため、同じ基板の上に両方の素子を作成することはできず、集積が困難であることがわかる。考えられる光結合器におけるハイブリッド集積は、前提技術から知られるように、原則としてより高い製造コストを必要とし、実のところ、多くのユニットを有するため、一般に価格を低減することはできない。さらに、ハイブリッド構造のために、自動車の応用に必要な信頼性は、きわめて高いコストを払って初めて達成することができる。
【特許文献１】米国特許第６，８３８， ３０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
前提技術から初めて、本発明の目的は、構成要素において、モノリシックに集積された光結合器を製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この目的は請求項１に記載の光結合器により達成される。
【００２１】
本発明は、有機発光素子および無機光検出器を使用することにより基板上で集積光結合器を作成できるという知見に基づく。有機発光素子および無機光検出器は、従来技術の構造を有しかつ構成要素において集積することができる。たとえば、光源および／または発光素子および光検出器をチップ上にモノリシックに集積することは、高度な構成のＣＭＯＳ基板に対する後処理としてＯＬＥＤエミッタを集積することにより可能となる。ＣＭＯＳ構成の構造は、同時に電気的絶縁体および光ガイドとして作用することが可能である。ｐｎストップ層で形成され、ＣＭＯＳや類似の素子に固有のフォトダイオードを光検出器として使用することができる。
【００２２】
ＯＬＥＤが特に好ましいのは、これらが光結合器を製造する際に高度な集積を可能にし、さらにほどんどどのような基板上にも配設することができ、したがって、特にシリコン基板上に直接的に集積できるからである。さらに、配設は、比較的低温（たとえば、１００℃を下回る温度等）で行うことができる。したがって、損傷の危険性もなく、ＯＬＥＤは、通常のＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳ（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路上に配設することができる。集積回路（ＣＭＯＳ構造）の上に存在する分離酸化物または分離層が同時に光接続を作り出す（すなわち光ガイドとして働く）ことができ、それにより所望の電気分離値を分離層の層の厚さによって調節することができる。こうして、この技術は非常に単純になる。
【００２３】
ＣＭＯＳ構造におけるＯＬＥＤの集積は、以下のように行うことができる。トップエミッタとしてのＯＬＥＤは、たとえば通常のＣＭＯＳ金属層を電極とし、その上に一連の有機物層が配設され、かつ透明電極が付与される。具体的な実施例について、以下に、より詳細に説明する。
【００２４】
ボトムエミッタとしてのＯＬＥＤは、たとえば通常のＣＭＯＳ酸化物層（ＩＭＤ層等）上に付与することができ、この場合、透明電極は基板として作用する通常のＣＭＯＳ酸化物層上に配置される。通常のＣＭＯＳ金属層は、ここでも第２の電極として作用することができ、一連の有機物層が中間層として配設される。ボトムエミッタとしてのＯＬＥＤは、その下にある光検出器上に直接照射するが、この検出器は、例えばＣＭＯＳに固有のｐｎストップ層の形で作ることができる。透明電極のための典型的な透明導電性材料は、インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）または他の導電性酸化物である。具体的な実施例について、以下に、より詳細に述べる。
【００２５】
本発明によれば、発光素子と受光素子は、「光学的に近接」するので、必要なＯＬＥＤ領域が低減され、かつ電流消費を低く保つことができる。したがって、生産は経済的である。生成する光信号に使われる波長の適切な選択（実質的に使用する材料で決まる）は、光ガイドの吸収をできる限り低くして行うことができ、それにより最適化された光学信号伝送が行われる。必要とするＯＬＥＤ電圧をできる限り低く維持するために、一連の有機物層は、ドープされた輸送層を有し、それにより低減された入力電圧閾値を設けることができる。
【００２６】
ＯＬＥＤの配設は、こうしてＣＭＯＳ／ＢｉＣＭＯＳおよびバイポーラ技術と完全に技術的に両立でき、かつ集積ＯＬＥＤ光結合器を製造することが可能となる。製造は、大型の基板（２００×２００ｍｍまで等）で問題なく低コストで行うことができる。
【００２７】
ＯＬＥＤ技術により、すなわちＯＬＥＤを発光素子として使用することにより、初めて、光結合器について、モノリシックに集積された解決法、すなわち光の発生と検出をひとつの基板（シリコン基板上等）で行う可能性がもたらされる。これらにより、構成要素の大きさおよび新たな機能の集積の可能性、すなわち、これらが簡単かつ高度に集積され得る可能性について、効果が得られる。また、これらは、様々な絶縁抵抗で高い効率を示し、電力消費は低い。
【００２８】
有機エレクトロルミネッセンスの他の効果は、化学的な変動性のために、ＯＬＥＤは、ほとんどすべての色で製作でき、かつ低温での配設のため、ＯＬＥＤをもっとも多様な基板に適用できる点である。したがって、たとえば異なる色または波長の光を発するＯＬＥＤを使用することで、マルチチャネルソリューションをチップ上に集積することができる。
【００２９】
周知のハイブリッドソリューションと比較した場合の集積ＯＬＥＤを有する光結合器の利点を以下のように要約できる。集積のための構成と接続技術（ＣＣＴ）の複雑さが低減され、コストも低減される。また、光源、電気的絶縁体、光ガイドおよび光検出器をチップ上にモノリシックに集積することが簡単に実現できる。さらに、標準的なＣＭＯＳ層／構造を電気絶縁体および光ガイドとして使用することができる。これによりＳＯＩ−ＣＭＯＳ基板を用いたときの分離の強度が改善され、かつチップ領域が減少する。最後に、本発明の実施例は、発光素子の活性回路および光検出器用電子読出しユニットを複雑に集積できる可能性を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の好ましい実施例について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【００３１】
発明について、図面を参照して以下に詳しく述べる前に、図面において、同じ素子は、同じかまたは類似の参照番号で示し、その説明は繰り返さない点に留意されたい。
【００３２】
図１は、発光面１０２を有し、下に位置するたとえばＣＭＯＳ構造の一部を構成する光検出器１０４を直接照らすボトムエミッタとしてのＯＬＥＤ１００を示す。光検出器１０４は、基板１１０に埋設され、接点１２０を介して接続されかつＣＭＯＳ構造のＩＬＤ層１５０により遮蔽される。ＣＭＯＳ構造のＩＭＤ層１６０が、ＯＬＥＤ１００のベースまたは基板の役割をし、すなわちＩＭＤ層１６０の上に透明電極１７０、一連の有機物層１８０および第２の電極１９０が配設される。パッシベーションまたは保護層１９５が、最後の層の役割を果たし、側面パッシベーション１９７が透明電極１７０を第２の電極１９０から分離する。
【００３３】
ボトムエミッタ１００としてのＯＬＥＤは、電気信号を光信号１０８に変換し、これがＩＭＤ層１６０を通り、次にＩＬＤ層１５０を通って、光検出器１０４へ到達し、かつそこで電気出力信号へ再変換される。光検出器１０４は、ＣＭＯＳ構造に存在するたとえばフォトダイオード（図９参照）やフォトトランジスタ等の任意の感光素子として設計することができる。光検出器１０４のために必要な他の接点については、明瞭化のために図１には示していない。
【００３４】
図２は、もう１つの側面シールディング２１０を有する本発明の他の実施例を示す。シールディングは、ＣＭＯＳ構造の金属ガイド面により形成することができ、また透明電極１７０の電気接続の役割もする。
【００３５】
図１の実施例と同様、光検出器１０４は、基板１１０に埋め込まれ、電極１２０により電気的に接続される。発光素子は、ここでも透明電極１７０、一連の有機物層１８０およびパッシベーション層１９５に埋め込まれた第２の電極１９０を備えるボトムエミッタとしてのＯＬＥＤ１００である。側面パッシベーション層１９７は、透明電極１７０と第２の電極１９０との間を分離する。発光素子１００と光検出器１０４との間でも、ＩＭＤ層が光検出器１０４の側に、そしてＩＬＤ層が発光素子１００の側にそれぞれ配設される。
【００３６】
横方向に透明電極１７０を囲む遮蔽層２１０は、透明電極１７０における光ガイド効果による寄生効果を低減する上で効果的である。たとえば上記の側部照射を抑制する。遮蔽層２１０は、たとえば金属材料を有し、ＩＬＤ層１５０とＩＭＤ層１６０も、ＣＭＯＳ構造の可能な固有の部分とすることができる。
【００３７】
図３は、図２の構造を構成する層に加えて、他の遮蔽面３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄおよび３１０ｅが光検出器１０４とＯＬＥＤ１００との間に組み込まれる実施例を示す。遮蔽面３１０ａおよび３１０ｄは、ＩＭＤ層１５０に埋め込まれ、遮蔽面３１０ｂおよび３１０ｅは、ＩＬＤ層１６０に埋め込まれる。最後に、遮蔽面３１０ｃが、ＩＭＤ層１５０とｐ型基板１１０との間の界面に配設される。素子については、すでに図２で説明しているので、ここでは新たな説明は行わない。この実施例の遮蔽面３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄおよび３１０ｅは、たとえばＣＭＯＳ構造の追加の金属ガイド面とすることができ、追加の遮光および光信号１０８の合焦のために役立ち、従って、光信号１０８の光検出器１０４による検出を助ける。遮蔽層としての機能以外に、金属ガイド面のいくつかはさらに本発明の光結合器の構成要素の電機接続のための役割をすることも可能である。
【００３８】
図４は、実施例を示し、同実施例では、光検出器がフォトダイオード４００を有し、これは、たとえば基板４０５またはｐ+ドープ表面層に対するｎウェルのｐｎ接合（または他の既存のｐｎ接合も使用）により形成することができる。フォトダイオード４００は、接点１２０を介して接続され、ｐ型基板４０５に埋め込まれる。光検出器の他の必要な接点については、簡略化のため図示していない。この実施例において、光検出器４００とＯＬＥＤ１００との間には、ＩＬＤ層１５０があり、その次にＩＭＤ１層１６０ａおよびＩＭＤ２層１６０ｂがある。ＩＭＤ１層１６０ａは、遮蔽面３１０ａを有し、ＩＭＤ２層１６０ｂが遮蔽面３１０ｂを有する。ＯＬＥＤ１００は、ここでもＩＭＤ２層１６０ｂ上に配設される透明電極１７０、一連の有機物層１８０および第２の電極１９０を有し、パッシベーション層１９５により保護される。側面パッシベーション１９７は、ここでも透明電極１７０と第２の電極１９０との間を分離する。
【００３９】
接点１２０は、ブリッジおよび／またはＩＬＤ層１５０をブリッジする貫通接続４１０を介して遮蔽面３１０ａに接続される。遮蔽面３１０ｂを提供する金属ガイド面がこうしてさらに接点１２０を電気的に接続するための役割をする。ＩＬＤ層１５０は、ここでもフォトダイオード４００とｐ型基板９１０の保護層として作用する。上記と同様、ＩＬＤ層１５０、ＩＭＤ１層１６０ａおよびＩＭＤ２層１６０ｂも、ＣＭＯＳ構造の一部とすることができ、かつ遮蔽面３１０ａおよび３１０ｂは、ＣＭＯＳ構造の金属ガイド面により実現することができる。
【００４０】
ボトムエミッタ１００としてのＯＬＥＤは、電気入力信号から光信号１０８を生成し、この光信号１０８が、ＩＭＤ２層１６０ｂを通り、ＩＭＤ１層１６０ａを通って、最後にＩＬＤ層１５０を通った後に、フォトダイオード４００へ入り、そこで電気出力信号を生成する。
【００４１】
図５は実施例を図示し、同実施例では、ＯＬＥＤ１００が、光ガイドとして作用する埋設誘電体透明層５１０を使ってフォトダイオード５１５へ間接的に照射する。誘電体透明層５１０（埋設層と呼ぶこともできる）は、基板５００上に配設され、光検出器５１５およびＯＬＥＤドライバトランジスタ５４０のベースとなる。光検出器５１５およびＯＬＥＤドライバトランジスタ５４０は、ＩＬＤ層１５０内に埋設され、かつＩＬＤ層１５０は、ＩＭＤ１層１６０ａおよびＩＭＤ２層１６０ｂの上に配設される。ＩＭＤ２層は、さらにパッシベーション層１９５に埋設される透明電極１７０、一連の有機物層１８０および第２の電極１９０を備える以下のＯＬＥＤ１００の基板として作用し、かつ側面パッシベーション１９７が、透明電極１７０と第２の電極１９０との間を分離する。
【００４２】
光検出器５１５は、接点１２０および接点５２０を介して電気的に接続される。接点１２０は、第１のブリッジ４１０１を介して遮蔽面３１０ａの第１の部分３１０ａ１に接続される。接点５２０は、第２のブリッジ４１０２を介して遮蔽面３１０ａの第２の部分３１０ａ２に接続され、第２の部分３１０ａ２は、次に第３のブリッジ５３０を介して遮蔽面３１０ｂに接続される。ＯＬＥＤドライバトランジスタ５４０の電気的接続は、遮蔽面３１０ｃの第１および第２の部分３１０ｃ１および３１０ｃ２を介して行われる。第１の部分３１０ｃ１は、第５のブリッジ５６０1を介して遮蔽面３１０ｄの第１の部分３１０ｄ1に接続される。第２の部分３１０ｃ2は、第６のブリッジ５６０２を介して遮蔽面３１０ｄの第２の部分３１０ｄ２に接続される。第２の部分３１０ｄ２は、次に第７のブリッジ５７０２を介して遮蔽面３１０ｅに接続され、これが次に第８のブリッジ５８０２を介してＯＬＥＤ１００の第２の電極１９０に電気的に接続される。
【００４３】
上記の通り、遮蔽面３１０ｂおよび３１０ｅは、ＩＭＤ２層１６０ｂに埋設され、かつ遮蔽面３１０ａおよび３１０ｄは、ＩＭＤ１層１６０ａに埋設される。一方、ＩＬＤ層１５０は、遮蔽面３１０ｃの部分３１０ｃ1および３１０ｃ２ならびに接点１２０および５２０を有する。遮蔽面として示される構造は、各々ＣＭＯＳ構造の金属ガイド面の部分からなり、かつそれぞれのブリッジまたは貫通接続部を介して、少なくとも部分的に接続構造としてさらに作用する。
【００４４】
この実施例においては、ボトムエミッタとしてのＯＬＥＤ１００が発する光信号１０８は、光検出器５１５に直接到達せず、光ガイドとして働く、組み込まれた誘電体透明層５１０に到達する。光信号１０８は、誘電体透明層５１０において、光検出器５１５へ向って伝播する光信号５９０および接点１２０および５２０を介して出力される電気信号を発生する。上記の通り、接点１２０は、遮蔽面３１０ａ１の第１の部分３１０ａ１に接続され、かつ接点５２０は遮蔽面３１０ｂに接続され、そこで、電気信号が出力信号として存在する。
【００４５】
図３に模式的に示す遮蔽面３１０ａ１、３１０ａ２、３１０ｂ、３１０ｃ１、３１０ｃ２、３１０ｄ１、３１０ｄ２および３１０ｅの部分に、ＣＭＯＳ構造の金属ガイド面を使用することは、有利である。したがって、図５の実施例は、誘電体透明層５１０に対応し、かつ同時に電気絶縁体および光ガイドとして使用される埋設酸化物層を備えるＳＯＩ-ＣＭＯＳ技術に基づく。こうして、電子エミッタ活性化および光検出器読み出し装置の最終的に複雑な集積にもかかわらず、高い絶縁電圧が得られる。双方の回路部は、チップ上で完全に相互から分離されている。光検出器５１５によりできる限りの高い吸収を達成するためには、対応する大きさの光検出器５１５を選択する必要がある。たとえばシリコンを有し、誘電体透明層５１０上に設けられる活性層は、蓋然性の高い光子の吸収を達成するために十分な厚さを実現する必要がある。たとえば、約２００ｎｍから３mｍの範囲等の層厚を選択することが可能である。
【００４６】
図５において参照番号３１０ｄ１、３１０ｄ２、３１０ａ１および３１０ａ２で示す構造は、各々ＣＭＯＳ構造の第１の金属ガイド面（ＭＥＴ１）の一部を構成することが可能で、構造３１０ｂおよび３１０ｅは、第２の金属ガイド面（ＭＥＴ２）の一部を構成することが可能であり、構造１９０は、第３の金属ガイド面（ＭＥＴ３）の一部を構成することが可能である。
【００４７】
図６は、実施例を示し、同実施例では、ＯＬＥＤ６００が、トップエミッタとして使用され、これが光検出器４００に対し間接的に照射する。図４に関連してすでに説明した実施例と同様、光検出器４００はフォトダイオード（既存のｐｎ接合により形成される）を有し、これは、接点１２０を介して接続されかつｐ型基板４０５に埋設されている。接点１２０は、ブリッジ４１０を介してＣＭＯＳ構造の金属ガイド面６１２と接続される。金属ガイド面６１２は、ＩＭＤ１層１６０ａに位置し、その前にＩＬＤ層１５０が設けられる。
【００４８】
ＯＬＥＤ６００は、ＩＭＤ１層１６０ａ上に付与され、ＩＭＤ１層１６０ａ上に形成された金属ガイド面（ＭＥＴ２）は、下部電極６１４として作用し、その上に一連の有機物層１８０と透明電極１７０とが付与される。最後に、トップエミッタ６００としてのＯＬＥＤの保護層として、透明材料を有するパッシベーション層１９５が続く。側面パッシベーション１９７は、ここでも、透明電極１７０と第２の電極１９０との間を分離する。接続のために作用する構造６１２および６１４は、ここでもＣＭＯＳ構造のさらなる固有の部分を構成し、金属ガイド面として形成されることが可能で、かつまた遮蔽面としても作用することができる。
【００４９】
さらに、この実施例は、ケーシング６２０の内壁に反射器６１０を有する。反射器６１０は、トップエミッタとして作用するＯＬＥＤ６００からの光信号１０８が、光検出器４００上に反射されるように、すなわち光信号１０８が反射器６０１に向けて照射され、後者により反射されて、ｐ型基板４０５に埋設される光検出器４００に到着するように構成される。この反射構成では、ＯＬＥＤ６００は、上向き、すなわちパッシベーション層１９５に向かって照射する。図６からわかるように、実施例においては、光検出器４００が遮蔽面３１０ｅにより覆われないようにし、反射された光信号１０８のできるだけ多くの部分が確実に光検出器４００に届くようにする必要がある。
【００５０】
図７は、別の実施例を示し、同実施例は、２つの不透明電極１９０および１９２を有するＯＬＥＤを有する。一連の有機物層１８０が、両方の不透明電極１９０および１９２の間に配列されて、所謂マイクロキャビティＯＬＥＤ７２０を構成する。不透明電極１９０および１９２は、たとえば、下に位置するＣＭＯＳ構造上に配設される２つの金属層により形成することができる。光検出器は、図６の実施例を参照して説明した光検出器に相当する。
【００５１】
マイクロキャビティＯＬＥＤ７２０は、光学窓７５０を有し、ここで、２つの不透明電極１９０および１９２の間の一連の有機物層１８０が突き出し、かつ同窓は、光信号１０８の出口領域７５０となり、かつ光検出器４００と光学的に接触するように構成される。また、マイクロキャビティＯＬＥＤ７２０は、ここでも光学窓７５０と対向する側のパッシベーション層１９５により保護され、かつ外部ケーシング６２０が、照射するマイクロキャビティＯＬＥＤ７２０を良好に遮蔽するという利点がある。
【００５２】
この実施例においては、電極１９０および１９２、双方ともが不透明であるため、光の伝播は、一連の有機物層１８０で光信号１０８が生成された後に、一連の有機物層１８０に沿ってのみ発生可能である。こうして、光信号１０８は光学窓７５０を通ってマイクロキャビティＯＬＥＤ７２０を出て、ＩＭＤ層１６０およびＩＬＤ層１５０を通って進み、その後光検出器４００において電気出力信号に変換される。
【００５３】
図面を参照して説明した本発明の実施例を、組み合わせたり拡張することが可能である点は明白である。たとえば、図６を参照しながら説明した実施例は、光結合器にさらにまたは他の反射器を設けたり、光信号１０８の合焦を光学装置を介して行うなど変更が可能である。こうして、ケーシングの内側の反射器６１０の代わりに、パッシベーション層１９５上に反射器を置くか、追加の反射器として加えてもよい。反射器６１０を反射面として設計したり、反射器６１０が光信号１０８を光検出器４００上に合焦させるように設計することもできる。合焦は、たとえば、反射器６１０が適切な曲率を有するかまたは光結合器がレンズを有することで達成することができる。合焦反射器６１０またはレンズは、光検出器４００の入り口領域５５をより小さく選択できるにも関わらず十分な量の光を受光する点が有利であると考えられる。
【００５４】
最も高い絶縁電圧は、図５の実施例で達成される。というのも、電子活性化ユニットを備える有機発光素子１００を、光検出器４００から完全に電気的に分離しかつ分離電圧を、応じてかつ側部の距離により選択が可能な透明層５１０（埋設層）の層厚を介して調節することができるからである。他の図面の実施例では、有機発光素子１００、６００または７２０および光検出器４００の電子活性化ユニットを、異なる基板領域に設け、これらの領域がさらにトレンチ等により相互に分離されているという点で、分離電圧を増大できる。電子活性化ユニットは、たとえば下部基板領域に配設することもできる。
【００５５】
光結合器は、動作において、アナログとデジタル両方の信号を発信することができる。効果的に外部の寄生効果または外来光の影響を抑制できるようにするためには、固定タイミングまたは変調を使用することが効果的である。ＯＬＥＤは、複数の周波数で利用可能なので、様々なＯＬＥＤ（例えば数個のＯＬＥＤをＣＭＯＳ構造の上に配置するなどして）を組み合わせて、マルチチャネルソリューションを行うことができる。光源すなわちＯＬＥＤを変調するための適切な活性化回路を設けることができる。
【００５６】
集積ＯＬＥＤを備える上記の光結合器の実施例は、上記に述べたような効果をもたらす。これらの効果には、特に、集積のための構成および接続技術（ＣＣＴ）の複雑化を低減するという効果ならびにコストの低減が含まれる。さらに、１つのチップ上に、光源、電気的分離器、光ガイドおよび光検出器のモノリシックな集積を簡単に行える。さらに、標準的なＣＭＯＳ層／構造を電気的分離器および光ガイドとして使用することができる。それにより、ＳＯＩ−ＣＭＯＳ基板を使用する際の分離強度の向上およびチップ面積の減少がもたらされる。最後に、本発明の実施例は、発光素子のための活性回路および光検出器のための電子読出ユニットを複雑に集積させる可能性を提供する。したがって、最終的に、電子エミッタ活性および光検出器読出ユニットが複雑に集積されても、高い分離電圧が得られる。１チップ上で両方の回路部分を相互から完全に分離し、到達する分離電圧を、層の厚さや層の材料を適切に選択することにより柔軟に調節することができる。
【００５７】
結論として、本発明の様々な局面を以下のように提示することができる。
【００５８】
有機発光素子とＣＭＯＳ光検出器とをＣＭＯＳシリコンチップ上に、光結合器としての構成において、空間的に集積すること。
【００５９】
ＣＭＯＳのｐｎ接合（たとえばウェル基板、ウェル接点等）を光検出器として使用すること。
【００６０】
光検出器へ直接的に照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６１】
光検出器へ間接的に照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６２】
反射器を使用して、間接的に光検出器へ照射するトップエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６３】
反射がパッシベーション面で起こる、間接的に光検出器へ照射するトップエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６４】
追加の反射器をケーシングの内側に配置する、間接的に光検出器へ照射するトップエミッタとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６５】
光検出器に間接的に照射する２つの不透明電極を備えるＯＬＥＤとしてのＯＬＥＤエミッタの構成。
【００６６】
活性化および読出回路の電気的分離の向上のためにＳＯＩ−ＣＭＯＳ基板を使用しかつＳＯＩ層を光ガイドとして使用すること。
【００６７】
検出器へ光が導かれることを保証するために、ＣＭＯＳ構造の金属化面を使用すること。
【００６８】
ガルバニック分離信号伝送のため、光源を変調すること。
【００６９】
最終的なマルチチャネルの、スィッチングブロックのガルバニック分離、例えば、寄生分離や雑音低減のため、複雑な集積回路においてモノリシックな実施を行うこと。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】光検出器に直接照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図２】側面遮蔽を有する光検出器に直接照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図３】側面遮蔽および追加の光ガイドを有する、光検出器に直接照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図４】光検出器としてのフォトダイオードを有する、光検出器に直接照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図５】光検出器に間接的に照射するボトムエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図６】光検出器に間接的に照射するトップエミッタとしてのＯＬＥＤの図である。
【図７】光検出器に間接的に照射するマイクロキャビティＯＬＥＤとしてのＯＬＥＤを示す図である。
【図８】ボトムエミッタとしてのＯＬＥＤとトップエミッタとしてのＯＬＥＤを示す図である。
【図９】標準的ｎウェルＣＭＯＳプロセスにおけるフォトダイオードを示す図である。
【図１０】光結合器の模式的構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１００，６００，７２０  有機発光素子、１０４，４００，５１５  無機光検出器、１０６  検出器領域、１０８  光信号、１５０，１６０  分離層、１８０  有機中間層、１９０，１９２  電極、１９５  パッシベーション層、３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ  遮蔽面、５１０  偏光層、６１０  反射器、７５０  光学出力、９２０  ケーシング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月29日(2007.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光結合器であって、
有機発光素子（１００、６００、７２０）と、
検出器領域（１０６）を有する無機光検出器（１０４、４００、５１５）とを含み、検出器領域（１０６）が有機発光素子（１００、６００、７２０）と光学的に結合され、
１つまたはいくつかの遮蔽面（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）が、上下に配列されかつ光検出器（１０４、４００、５１５）とＯＬＥＤ（１００、６００、７２０）との間の有機発光素子（１００、６００、７２０）の発光面（１０２）に実質的に平行に配列された分離層により分離され、
有機発光素子（１００、６００、７２０）が、電気入力信号を光信号（１０８）に変換し、無機光検出器（１０４、４００、５１５）が光信号（１０８）を電気出力信号に変換し、かつ有機発光素子（１００、６００、７２０）および無機光検出器（１０４、４００、７２０）が構成要素において集積され、
遮蔽面（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）が、光の遮断および光信号（１０８）の合焦を生じさせ、かつ発光面（１０２）から電気的に分離される、光結合器。
【請求項２】
無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、１以上のｐｎ接合を有するドープされた半導体材料を有する、請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】
有機発光素子（１００、６００、７２０）が、有機発光ダイオードを有する、請求項１または２に記載の光結合器。
【請求項４】
有機発光素子（１００、６００、７２０）および無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、１つまたはいくつかの分離層（１５０、１６０）の２つの対向する側に配列される、請求項１から３のいずれかに記載の光結合器。
【請求項５】
光信号（１０８）の伝播方向が、偏光層（５１０）を用いて有機発光素子（１００）により変更されるよう、形成された偏光層（５１０）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の光結合器。
【請求項６】
反射器（６１０）をさらに含み、有機発光素子（６００）が、光信号（１０８）を反射器（６１０）に向けて発するよう配列され、かつ無機光検出器（４００）が、反射器（６１０）からの光信号（１０８）を受けるよう配列される、請求項１から５のいずれかに記載の光結合器。
【請求項７】
有機発光素子（６００）が、無機光検出器（１０４、４００、５１５）に対向する側に表面を有するパッシベーション層（１９５）をさらに有し、かつ反射器（６１０）がこの表面上に配設される、請求項６に記載の光結合器。
【請求項８】
ケーシング（９２０）をさらに含み、反射器（６１０）が、ケーシングの内側に付与される、請求項６に記載の光結合器。
【請求項９】
有機発光素子（７２０）が、２つの不透明な電極（１９０、１９２）および有機中間層（１８０）を有し、不透明電極（１９０、１９２）が、有機中間層（１８０）により分離され、かつ有機中間層（１８０）が、光学出力（７５０）を形成し、それにより有機中間層（１８０）で生成される光信号（１０８）が、有機中間層（１８０）を光学出力（７５０）で出て、かつ光学出力（７５０）が、無機光検出器（４００）の検出器領域（１０６）と光学的に結合される、請求項１から８のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１０】
有機発光素子（１００、６００、７２０）と検出器領域（１０６）との間に１以上の層（１５０）および／または（１６０）を有する一連の誘電体透明層をさらに含み、１以上の層（１５０）および／または（１６０）において、有機発光素子（１００、６００、７２０）および／または無機光検出器（１０４、４００、５１５）のための電子活性化ユニットおよび／または読出し回路の少なくとも部分が配置される、請求項１から９のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１１】
請求項５において、偏光層（５１０）が、埋設酸化物層を有しかつ偏光層（５１０）が、光信号（１０８）のための光ガイドとして設計され、それにより光信号（１０８）が、一連の誘電体透明層（１５０、１６０）を通過した後、偏光層（５１０）を通って無機光検出器（５１５）の検出器領域へ伝送される、請求項１０に記載の光結合器。
【請求項１２】
可能な外来光の影響を抑制するために、光信号（１０８）が変調を有するよう、有機発光素子（１００、６００、７２０）を制御する電子活性化ユニットをさらに含む請求項１から１１のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１３】
無機光検出器の構成要素および／または有機発光素子を動作させるための構成要素が、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＯＭＳまたはバイポーラ技術において実現される、請求項１から１２のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１４】
有機発光素子（１００、６００、７２０）のための電子活性化ユニットおよび無機光検出器（１０４、４００、５１５）が、異なる基板領域に配設される、請求項１から１３のいずれかに記載の光結合器。
【請求項１５】
異なる基板領域がトレンチによって相互に分離される、請求項１４に記載の光結合器。
【請求項１６】
異なる基板領域が、ＳＯＩ基板の相互に分離された領域である、請求項１４に記載の光結合器。
【外国語明細書】
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