(57)【要約】  開示される例は、１つ又は複数の半導体構造（１０１、１０３）を備える横方向光起電センサ（１００）及びシステムを含み、半導体構造（１０１、１０３）は個別に、所与の波長（λ）の光子を受け取るための横方向センサ面（１０７ｂ）と、所与の波長（λ）に対応する半導体構造に対する吸収深さの５倍より大きい有効接合距離（Ｄ）を有する拡張された横方向接合領域とを含み、低ノイズ、高効率の電力供給応用例、並びに光絶縁されたデータ伝達又は光子検出器応用例において用いるため、高い電流伝達比を促進する。
2020507203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁回路であって、
所与の波長の光信号を光路に沿って生成するように構成される光源、及び
前記光源から光チャネル距離、離間される光センサを含み、前記光センサが
半導体構造を含み、前記半導体構造が、
頂部と、
底部と、
前記光信号を受信するためのセンサ面を提供するように、前記光路に少なくとも部分的に面する表側と、
前記表側から離間される裏側と、
前記頂部と前記底部との間で垂直に延在する複数の側面であって、前記側面が前記表側と前記裏側との間で水平に延在する、前記複数の側面と、
ｐ型ドーパントを含むｐドープ部分であって、前記底部の少なくとも一部に沿って延在する前記ｐドープ部分と、
前記表側と前記裏側との間で或る有効接合距離延在する少なくとも１つのｐｎ接合を形成するように、前記ｐドープ部分に少なくとも部分的に隣接するｎ型ドーパントを含むｎドープ部分であって、前記ｎドープ部分が、前記頂部の少なくとも一部分に沿って延在し、前記有効接合距離が前記所与の波長に対応する前記半導体構造に対する吸収深さの定数Ｋ倍より大きく、Ｋが５以上である、前記ｎドープ部分と、
を含む、
絶縁回路。
【請求項２】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記半導体構造が、前記表側と前記裏側との間の前記有効接合距離の実質的に全体にわたって複数のｐｎ接合を形成するための、ｎ型ドーパントを含む複数のｎドープ部分を含む、絶縁回路。
【請求項３】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記半導体構造が、前記頂部、前記底部、前記裏側、及び前記側面の少なくとも１つの上に反射材料を更に含む、絶縁回路。
【請求項４】
請求項１に記載の絶縁回路であって、Ｋが１０以上である、絶縁回路。
【請求項５】
請求項１に記載の絶縁回路であって、Ｋが２０以上である、絶縁回路。
【請求項６】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記半導体構造がシリコンを含む、絶縁回路。
【請求項７】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記光センサが複数の半導体構造を含み、
各半導体構造が、
頂部と、
底部と、
前記光信号を受信するためのセンサ面を提供するように、前記光路に少なくとも部分的に面する表側と、
前記表側から離間される裏側と、
前記頂部と前記底部との間で垂直に延在する複数の側面であって、前記側面が前記表側と前記裏側との間で水平に延在する、前記複数の側面と、
ｐ型ドーパントを含むｐドープ部分であって、前記底部の少なくとも一部に沿って延在する前記ｐドープ部分と、
前記表側と前記裏側との間で或る有効接合距離延在する少なくとも１つのｐｎ接合を形成するように、前記ｐドープ部分に少なくとも部分的に隣接するｎ型ドーパントを含むｎドープ部分であって、前記ｎドープ部分が、前記頂部の少なくとも一部分に沿って延在し、前記有効接合距離が前記所与の波長に対応する前記半導体構造に対する吸収深さの定数Ｋ倍より大きく、Ｋが５以上である、前記ｎドープ部分と、
を含む、
絶縁回路。
【請求項８】
請求項７に記載の絶縁回路であって、各半導体構造が、前記表側と前記裏側との間の前記有効接合距離の実質的に全体にわたって複数のｐｎ接合を形成するための、ｎ型ドーパントを含む複数のｎドープ部分を含む、絶縁回路。
【請求項９】
請求項７に記載の絶縁回路であって、各半導体構造が、前記頂部、前記底部、前記裏側、及び前記側面の少なくとも１つの上に反射材料を更に含む、絶縁回路。
【請求項１０】
請求項７に記載の絶縁回路であって、前記複数の半導体構造の前記ｐｎ接合を電気的に相互接続するためのスイッチング回路を更に含む、絶縁回路。
【請求項１１】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記光センサからの電気信号に基づいて電力供給信号を提供するためのレギュレータ回路を含む、絶縁回路。
【請求項１２】
請求項１に記載の絶縁回路であって、
複数の導電体を含むリードフレーム構造であって、前記光源が、前記リードフレーム構造の前記導電体の第１のペアに電気的に結合され、前記光センサが、前記リードフレーム構造の前記導電体の第２のペアに電気的に結合される、前記リードフレーム構造、及び
前記光源、前記光センサ、及び前記リードフレーム構造の一部を封入するモールディングされたパッケージ構造、
を更に含み、
前記モールディングされたパッケージ構造が、前記光源及び前記光センサに対して外部接続を可能にするために、前記導電体の前記第１及び第２のペアの部分を露出させる、
絶縁回路。
【請求項１３】
請求項１２に記載の絶縁回路であって、前記光源と前記光センサとの間で前記光路に沿って配置される光送信媒体を更に含む、絶縁回路。
【請求項１４】
請求項１に記載の絶縁回路であって、前記光センサが、
前記ｐドープ部分と前記ｎドープ部分との間に結合されるキャパシタ、及び
バイアス電圧と前記ｎドープ部分との間に結合される抵抗器、
を更に含み、
前記抵抗器が、前記キャパシタを、前記ｐｎ接合をアバランシェ電圧の近くにバイアスさせる電圧まで充電させて前記ｐｎ接合による光子の捕捉を可能にさせ、前記ｐｎ接合にアバランシェ電流を導通させ、前記キャパシタを放電させ、前記光子の捕捉を表す信号を生成させる、
絶縁回路。
【請求項１５】
光路に沿って所与の波長の光信号を検知するための光センサ回路であって、
半導体構造、及び前記半導体構造に形成されるｐｎ接合を含み、
前記半導体構造が、
頂部と、
底部と、
前記光路に少なくとも部分的に面する表側と、
前記表側から離間される裏側と、
前記頂部と前記底部との間で垂直に延在する複数の側面であって、前記側面が前記表側と前記裏側との間で水平に延在する、前記複数の側面と、
を含み、
前記ｐｎ接合が、前記表側と前記裏側との間で、前記所与の波長に対応する前記半導体構造に対する吸収深さの定数Ｋ倍より大きい有効接合距離延在し、Ｋが５以上である、
光センサ回路。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光センサ回路であって、前記ｐｎ接合が、
ｐ型ドーパントを含むｐドープ部分であって、前記底部の少なくとも一部に沿って延在する前記ｐドープ部分、及び
前記ｐｎ接合を形成するために前記ｐドープ部分に少なくとも部分的に隣接する前記頂部の少なくとも一部分に沿って延在する、ｎ型ドーパントを含むｎドープ部分を含む、光センサ回路。
【請求項１７】
請求項１５に記載の光センサ回路であって、前記表側と前記裏側との間の前記有効接合距離の実質的に全体にわたって複数のｐｎ接合を形成するための、ｎ型ドーパントを含む複数のｎドープ部分を更に含む、光センサ回路。
【請求項１８】
請求項１５に記載の光センサ回路であって、前記ｐｎ接合からの電気信号に基づいて電力供給信号を提供するためのレギュレータ回路を含む、光センサ回路。
【請求項１９】
請求項１５に記載の光センサ回路であって、
前記ｐｎ接合のｐドープ部分と前記ｐｎ接合のｎドープ部分との間に結合されるキャパシタ、及び
バイアス電圧と前記ｎドープ部分との間に結合される抵抗器、
を更に含み、
前記抵抗器が、前記キャパシタを、前記ｐｎ接合をアバランシェ電圧の近くにバイアスさせる電圧まで充電させて前記ｐｎ接合による光子の捕捉を可能にさせ、前記ｐｎ接合にアバランシェ電流を導通させ、前記キャパシタを放電させ、前記光子の捕捉を表す信号を生成させる、
光センサ回路。
【請求項２０】
横方向多段光起電センサシステムであって、
複数のシリコン構造、及び
回路、
を含み、
前記複数のシリコン構造が個別に、
頂部、
底部、
所与の波長の光子を受け取るためのセンサ面を提供するための表側と、
前記表側から離間される裏側、
前記頂部と前記底部との間で垂直に延在する複数の側面、及び
前記所与の波長に対応するシリコンに対する吸収深さの定数Ｋ倍より大きい有効接合距離、前記表側と前記裏側との間に延在する接合領域、
を含み、Ｋが５以上であり、前記接合領域が、前記表側と前記裏側との間の前記有効接合距離の実質的に全体にわたって複数のｐｎ接合を提供するために、前記シリコン構造におけるｐドープ部分と、前記ｐドープ部分に形成される複数のｎドープ部分とを含み、
前記回路が、前記ｐｎ接合又は前記ｐｎ接合の近くでの前記光子の捕捉を示す電気信号を提供するために、前記複数の半導体構造の前記ｐｎ接合を電気的に相互接続させるためである、
光起電センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
絶縁回路は、共通接地接続を共有しない異なる供給源により電力供給される電気システムを相互接続するためのガルバニック絶縁障壁を横断するデータ及び／又は電力伝達に対するものである。変圧器絶縁アプローチは、スイッチング回路及び磁場に関与し、結果の電磁干渉（ＥＭＩ）は、或る応用例において望ましくない可能性がある。また、変圧器絶縁は、典型的に、付加的な変圧器構成要素を必要とし、またこれらのソリューションは大きい回路面積を必要としコストが嵩む。データ送信のための絶縁を提供するために容量結合又はＡＣ結合が用いられ得るが、キャパシタベースの絶縁ソリューションは、信号エネルギーを吸収し、電力効率低下を引き起こす寄生容量を伴うことがある。また、高電圧降伏電圧定格は、表面誘電体の厚い層を必要とするため、容量結合を用いて実装するためにはコストが嵩む。光絶縁は、光子エミッタ（例えば、発光ダイオード又はＬＥＤ）、光起電力ダイオード（ＰＶＤ）等のレシーバ又はセンサ、及び光結合材料を介し、光を用いてガルバニック絶縁された回路間で電力／電気信号を伝達することにより、変圧器絶縁に関連するＥＭＩ及び回路面積の問題を回避する。光結合デバイス又はオプトカプラは、典型的に、ガラス又は他の透明な材料を間に用いて、ＰＶダイオードの上にＬＥＤ光源をスタックして、ＰＶＤセンサの頂部に対して光子エネルギーを垂直に下向きに伝達する。また、ＬＥＤとＰＶＤとの間の距離を増大することによってのみ高い降伏電圧絶縁定格が達成され得、その結果、許容不能な垂直デバイス高さとなる場合がある。幾つかの高絶縁電圧オプトカプラは、ＬＥＤからの光を光ダイオードに反射させる反射ドームを用い、ＬＥＤによる上方向送信及び光ダイオードによる下方向受信のために並べて配置される。これら従来のオプトカプラアプローチにおいて、光子経路は、シリコンデバイスの表面に対して直交する。ＬＥＤ光源は、典型的に、赤外波長又は赤外波長の近くで光信号を提供し、オプトカプラは、概して、電力効率（例えば、出力電流に対する入力電流の比を表す電流伝達比又はＣＴＲ）が悪くなる。また、共通モード過渡絶縁（ＣＭＴＩ）は、エミッタと検出器との間の容量結合に起因して垂直構成において問題となる。従って、従来の光絶縁技法は、多くの電力伝達応用例に対して充分なソリューションを提供しない。
【発明の概要】
【０００２】
開示される例は、横方向光起電センサ及びシステム、並びに、所与の波長の光子を受け取るための横方向センサ面と、所与の波長に対応する半導体材料に対する吸収深さを超える有効接合距離を有する拡張された横方向接合領域とを含む半導体構造を備える光絶縁回路を含み、ガルバニック絶縁障壁を横断するデータ及び／又は電力送信のための高い効率を促進する。或る例において、横方向有効接合距離にわたって配置される一連のｐｎ接合を形成するため、横方向に拡張されたｐｎ接合が、ｐドープ領域に拡散又は注入された複数のｎドープ領域により形成される。拡張された単一の又は分割されたｐｎ接合は、垂直の光ダイオード構造に比べて有意に高い光子捕捉確率を提供して、種々の応用例において高い効率及び電流伝達比を促進する。高速信号情報の光絶縁に対する更なる開示の例には、接合をアバランシェの近くにバイアスするためのバイアスクエンチング回路を備える横方向に拡張されたｐｎ接合アレイを用いて、横方向光路に沿って所与の波長の光信号を検知するための光センサ回路が含まれる。この応用例において、単一光子の捕捉が、ｐｎ接合に電流のアバランシェを導通させ、その結果、直接増幅となる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】一実施形態に従って、ＬＥＤ光源と、電気的絶縁のための光路を提供するモールディングされたパッケージ構造の内部キャビティにおける拡張された有効接合距離にわたって、横方向に離間される複数のｐｎ接合を有する半導体構造を備える横方向光受容ダイオードセンサとを含む、光絶縁集積回路の側断面図である。
【０００４】
【図２】ＬＥＤ光源と、パッケージキャビティの凹状表面に形成される反射コーティングを含む横方向光ダイオードセンサとを備える、別の光絶縁ＩＣ実施形態の側断面図である。
【０００５】
【図３】ＬＥＤ光源と横方向光ダイオードセンサとの間に、ガラス又はプラスチック光送信媒体位置を有する、別の光絶縁ＩＣ実施形態の側断面図である。
【０００６】
【図４】横方向多段光起電力（ＬＭＳＰＶ）光センサを形成するために、複数のｐｎ接合を個々に含む２つの垂直にスタックされた横方向光ダイオード半導体構造を含む光センサを備える、別の光絶縁ＩＣ実施形態の側断面図である。
【０００７】
【図５】図４の光センサにおける受光の部分的側断面図である。
【０００８】
【図６】単一の拡張されたｐｎ接合を個々に含む４個の垂直にスタックされた横方向光ダイオード半導体構造を含む光センサを備える、別の光絶縁ＩＣ実施形態の側断面図である。
【０００９】
【図７】図６の光センサにおける受光の部分的側断面図である。
【００１０】
【図８】放物線収束ミラーを備える赤外線又は近赤外線光源と、単一の拡張されたｐｎ接合を含む光ダイオード半導体構造とを含む、別の例示の絶縁回路の側断面図である。
【００１１】
【図９】例示の出力電流タップを備える横方向に拡張された接合光ダイオード半導体構造の一例の平面図を含む、光絶縁システムの部分的概略図である。
【００１２】
【図１０】図９の半導体構造における有効接合距離の関数としての、集電されたタップ電流のグラフである。
【００１３】
【図１１】シリコンに対する光子波長の関数としての、例示の吸収深さ曲線のグラフである。
【００１４】
【図１２】ＬＭＳＰＶ  ｐｖバイアス生成器アレイを含む例示の絶縁された低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータの簡略化された概略図である。
【００１５】
【図１３】ＬＭＳＰＶ  ｐｖバイアス生成器アレイを含む例示のソリッドステートリレー（ＳＳＲ）の簡略化された概略図である。
【００１６】
【図１４】ＬＭＳＰＶ光センサを含む例示の絶縁されたラッチングＳＳＲの簡略化された概略図である。
【００１７】
【図１５】光ファイバによって接続される光源及びＬＭＳＰＶ光センサを含む細長い絶縁回路の側断面図の部分的概略図である。
【図１６】光ファイバによって接続される光源及びＬＭＳＰＶ光センサを含む細長い絶縁回路の平面断面図の部分的概略図である。
【００１８】
【図１７】光ファイバによって結合される光源ＩＣ及びＬＭＳＰＶ光センサを含む光絶縁システムの平面断面図の部分的概略図である。
【００１９】
【図１８】ＬＭＳＰＶ光センサと図１７のシステムに用いられ得るその他の回路要素との間に形成されるブラックポリマー光障壁を備えるＬＭＳＰＶ光センサを含む例示のＬＤＯレギュレータの平面図の部分的概略図である。
【００２０】
【図１９】ブラックポリマー障壁によって分離される複数のＬＭＳＰＶ光センサチャネルを備える例示のＬＤＯレギュレータの平面図の部分的概略図である。
【００２１】
【図２０】ブラックポリマー障壁によって分離され、ＬＭＳＰＶ光センサチャネルの周りに反射材料で充填されるカーブしたトレンチを個々に含む、複数のＬＭＳＰＶ光センサチャネルを備える例示のＬＤＯレギュレータの平面図の部分的概略図である。
【００２２】
【図２１】複数の横方向に離間されるｐｎ接合を形成するために、ｐドープ領域において複数のｎドープ領域を個々に含む、幾つかの例示の相互接続された半導体構造の更なる詳細を示す、例示のＬＭＳＰＶ光センサ半導体構造の平面図の部分的な概略図である。
【００２３】
【図２２】拡張された有効接合距離に沿って配置される複数のｐｎ接合を備える横方向光センサ半導体構造と、光子増倍回路を提供するためのクエンチング回路とを含む例示の光子センサの部分的な概略図である。
【００２４】
【図２３】拡張された有効接合距離に沿って配置される単一のｐｎ接合を備える横方向光センサ半導体構造と、光子増倍回路を提供するためのクエンチング回路とを含む別の例示の光子センサの部分的な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図において、類似の参照番号は一貫して類似の要素を示し、種々の特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。これ以降の説明及び請求項において、「含む」、「有する」、「備える」という用語、又はそれらの変形は、用語「含む（comprising）」と同様に包括的であり、従って、「含むがそれに限定されない」という意味に解釈されるべきである。また、用語「結合する」は、間接的又は直接的な電気的又は機械的接続またはそれらの組み合わせを含む。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合される場合、その接続は、直接的な電気的接続を介してもよく、又は１つ又は複数の介在デバイス及び接続を介して間接的に接続されてもよい。
【００２６】
まず図１を参照すると、光源から光子を受け取るための横方向センサ面を含む１つ又は複数の半導体構造を備える横方向光起電センサ及びシステムが開示される。半導体構造は、受信した光信号の波長に対応する半導体材料に対する吸収深さより大きい有効接合距離を有する拡張された横方向接合領域を含む。種々の実施形態が、光源と、デバイスの高レベルの降伏又は絶縁電圧定格を設定するために光源と光レシーバとの間に離間距離を有するような横方向光センサとを含む光絶縁デバイス及びシステムを提供する。また、拡張された有効接合距離は、光源電流と光センサによって生成される電流との間の高い電流伝達比を促進し、ガルバニック絶縁障壁を介する一層高効率の電力伝達のためのソリューションを提供する。種々の例は、クロストークを軽減し、光源とセンサとの間で電力及び／又はデータ信号の高効率伝達のための内部反射を可能にするために、センサチャネルの周りに光境界を備えるセンサ回路を含む。シングル又はマルチチャネル電力伝達実施形態とともに、マルチチャネルデータ送信実装が可能である。また、開示される例は、光子増倍器及びその他の検出回路等の光子センサに対しても用いられ得る。種々の例において、ｐｎ接合の拡張された横方向長さは、高効率を達成するための高い光子捕捉確率を促進する。或る例は、半導体構造において単一の拡張されたｐｎ接合を含む。他の例た、拡張された有効接合距離を横断して横方向に配置される複数のｐｎ接合を提供する。また、或る例において、電力伝達応用例のための種々の異なる出力電流及び／又は電圧を提供するために、複数の拡張された接合半導体構造が相互接続されて横方向多段光起電力（ＬＭＳＰＶ）光センサを形成する。また、ＬＭＳＰＶ構造は、データ伝達応用例のためにも用いられ得る。開示される例は、電力及び／又はデータ伝達のための磁気的及び容量的絶縁技法の上述した欠点を回避又は軽減するために、光絶縁の利用を有利に促進し、一方で、以前のオプトカプラ及び光絶縁デバイスで可能であったものより高い効率を促進する。或る実施形態において、バイアス又はクエンチ回路が、拡張された接合半導体構造と組み合わされて、集積された増幅を有する光子検出器を形成する。これは一般的にシリコン光子増倍器（ＳｉＰＭ）デバイスと称される。
【００２７】
図１は、ＬＥＤ光源１０８及び横方向光センサ１０６を含む集積回路パッケージを形成するための１つ又は複数の導電体構造１０４を備えるモールディングされた構造１０２を含む光絶縁集積回路（ＩＣ）１００を示す。光信号が、光源１０８の横方向信号出力面１０７ａから集積回路パッケージ構造１０２のキャビティ１１０を介して、光路１１４に沿って、光センサ１０６の横方向センサ面１０７ｂに進行する。一例において、光源１０８は、第１のＧａＡｓ半導体ダイ又はその他の回路構造１０５において製造されるＬＥＤであるが、他の実施形態において、レーザ、シリコンベースの光子エミッタ、又はその他の光源が用いられ得る。センサ１０６は、拡張された有効接合距離Ｄにわたって複数の横方向に離間されたｐｎ接合を形成するように、ｐドープ領域１０１及び１つ又は複数のｎドープ領域１０３によって形成される半導体構造を含む。図示される例において、光センサ１０６は、光信号を受信するために、光路１１４に面する横方向センサ面１０７ｂを形成する垂直の表側を備える第２のデバイス又は回路構造として製造される。光センサ１０６は、拡張された有効接合距離Ｄに沿って、１つ又は複数のｐｎ接合を提供し、図１において、ダイオード１１１として概略が示される。回路構造１０５及び１０６は、個別に、ボンドワイヤ１２４によってリードフレーム構造の対応する導電体１０４ａ、１０４ｂに接続されるボンドパッド１２２を含む。一例における導体１０４ａ及び１０４ｂは、ホスト印刷回路基板（ＰＣＢ、図示されない）にはんだ付けされ得るＩＣピン又はパッドである。一例において、外部回路（図示されない）が、ペアの入力導体１０４ａを介して、電気信号を光源１０８に提供し、光源１０８は、受信した電気信号に応答して、光信号を光路１１４に沿って生成する。また、この例において、ＩＣ１００はボンドパッド１２２を含み、ボンドパッド１２２は、光センサ１０６から電気的出力信号を提供するために、対応するボンドワイヤ１２４によって、図１に概略で示されるリードフレーム導電体１０４ｂの第２のペアに電気的に接続される。図示される例における導体１０４ｂは、導体１０４ａにおいて光源信号から絶縁されるセンサ１０６から電気信号を搬送するために、ホストＰＣＢにはんだ付けされ得るＩＣ１００のパッド又はピンを提供する。この例の絶縁器ＩＣ１００の絶縁電圧定格又は降伏電圧は、ガルバニック絶縁境界を横断して回路構造１０５及び１０６を分離する離間距離又は間隙距離１１６によって設定される。
【００２８】
信号出力面１０７ａ及びセンサ面１０７ｂは概して平行な平面にあり、キャビティ１１０において距離１１６、互いから離間される。他の可能な例において、これらの面１０７は平行である必要はない。光信号を受信するように、センサ面１０７ｂが少なくとも部分的に光源１０８に面しているような任意の相対的構成が用いられ得る。センサ面１０７ｂは、光信号の強度に対応する出力電気信号を生成するために、光を構造１０６に入射させる。センサ回路１０６は更に、センサ信号上で動作するように、インタフェース回路要素（図示されない）を含み得る。図１に示されるように、面１０７ａ及び１０７ｂのかなりの部分がキャビティ１１０内で露出されているが、これは全ての可能な実施形態の厳密な要求事項ではない。図１の例において、光源１０８及び光センサ１０６は、それらの間で電気的絶縁を提供するために、モールディングされたパッケージ構造１０２の内部キャビティ１１０において互いから離間されている。この例におけるキャビティ１１０は、ソリッドフリー（例えば、固体自由）な光路１１４を提供する。他の例（例えば、これ以降の図３及び図４）において、ガラス又はその他の光透過性固体構造が、光源１０８と光センサ１０６との間に提供され得る。一例におけるキャビティ１１０は、密封され、大気、又は有利にもガラス又は他の透明固体材料より低い誘電率を有し得るその他の光透過性の気体を含み、それによって光源１０８とセンサ１０６との間の容量結合を低減する。図１の例において、キャビティ１１０は、凹状の上面１１２を含むが、これは全ての可能な実装における厳密な要求事項ではない。一例において、キャビティ１１０は、堆積される犠牲的昇華材料を用いて、モールディングされた構造１０２の形成の間に形成され得、その後、ポート１１８を介する蒸発又は昇華によってソリッドフリーキャビティ１１０がつくられる。ポート１１８はその後、キャビティ１１０の密封を形成するように、テープ又は他の閉鎖構造１２０によって閉鎖され得る。或る例における絶縁間隙又は離間１１６は、ダイ又は回路構造１０５、１０６の１つの上の機械的特徴によって制御され、例えば、ダイ１０５とダイ１０６との間に延在する酸化物バンプ（図示されない）等によって間隙距離１１６が設定される。間隙１１６は、幾つかの例において、特定のサイズの充填材料をキャビティ１１０の形成に用いられる犠牲材料と混合することによって制御される。図示される例において、パッケージ構造１０２の内部表面は凹状部分を含み、凹状部分は、印刷プロセスを用いる等、製造中に犠牲材料を又は１つ又は複数の液滴として形成することによって提供される。そのため、この堆積された犠牲材料は部分的に凸状構造を形成し、この材料は、モールディングされたパッケージ構造材料１０２の形成の後、凹状の内側表面をそのままにして、昇華又は蒸発する。図１において斜線１１３で示されるように、キャビティ内側表面の凹状形状は、ダイ１０５及び１０６の縁部を超えて延在し得、光がＬＥＤ光源１０５の上部から出ることやセンサダイ１０６の上部に入ることを可能にする。
【００２９】
一例におけるＩＣ１００は、光源１０８に接続される電気回路から、センサ１０６に接続される電気回路（図示されない）にデータ又は電力を伝達するための光絶縁回路である。光源１０８は、光路１１４に沿って、所与の波長λの光信号を生成する。一例において、光源は、約９５０ｎｍの波長λで信号を提供する横方向ＬＥＤである。その他の任意の適切な光源波長λが用いられ得る。本明細書で用いられるように、所与の波長λの光信号は、指定された波長を意味し、また、指定された値の数パーセント以内又はＬＥＤ又は光絶縁デバイスのために用いられる他の光源に関連する任意の適切な波長許容範囲等の、指定された値に近い他の波長を意味する。一例において、光源１０８は、光センサ１０６の半導体構造１０１、１０３における吸収深さを最大化するために、シリコンのバンドギャップエネルギーの直ぐ上のエネルギーを有する長い波長信号を提供する。シリコンのバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーレベルを有する波長λは、シリコンとの相互作用が弱く、一方、シリコンのバンドギャップエネルギーよりも大きいか又ははるかに大きいエネルギーレベルを有するλは強力に吸収されるが、バンドギャップより大きいエネルギー部分は、電子が急速にサーマライズダウンするにつれて浪費される。或る例において、横方向デバイスは、最大捕捉を得るためにシリコン長さが増大され得るバンドギャップエネルギーにおける波長に対して最適である。
【００３０】
光センサ１０６は、所与の波長λの横方向に受け取られた光子の受け取り及び捕捉における動作に対して設計される。図１の例における光センサ１０６は、頂部Ｔ及び底部Ｂ、並びに、光源１０８から光信号を受信するためのセンサ面１０７ｂを提供するための少なくとも部分的に光路１１４に面する表側を有する半導体構造を含む。半導体構造は更に、表側から離間される裏側、及び、頂部Ｔと底部Ｂとの間に垂直に、表側と裏側との間に水平に延在する側面を含む。図示された例において、半導体構造は、概して平行な表側及び裏側を有する概して矩形であり、頂部及び底部は、概して平面状で互いに対して平行である。また、図示された例は、概して平面状の側面を提供する。しかしながら、他の半導体構造形状も用いられ得る。任意の適切な半導体構造が用いられ得る。或る例において、半導体構造はシリコン（Ｓｉ）である。他の例において、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）又は他の適切な半導体材料が用いられ得る。
【００３１】
半導体構造は、ホウ素又は他のｐ型ドーパントを有するｐドープ部分１０１を含む。ｐドープ部分１０１は、或る実装において、図１に示されるように、底部Ｂの少なくとも一部に沿って延在する。一例において、半導体構造の製造は、部分１０１を形成するためのｐドープシリコン基板で開始する。ｐ型部分は、底部Ｂから出てパッケージ電気コネクタ１０４ｂに電気的に接続される。他の例において、ｐドープ部分１０１を形成するために、ｐ型ドーパントが注入及び／又は拡散によって半導体基板の中に導入される。また、半導体構造は、ｐドープ部分１０１に少なくとも部分的に隣接するリン又は他のｎ型ドーパントを含む、１つ又は複数のｎドープ部分１０３を含む。ｎドープ部分は、頂部Ｔから出て、別のパッケージ電気コネクタ（図示されない）に対する電気的接続１２２及び１２４に電気的に接続する。ｎドープ部分又は部分１０３は、半導体構造内に少なくとも１つのｐｎ接合を形成する。結果の１つ又は複数のｐｎ接合は、半導体構造の表側と裏側との間で、有効接合距離Ｄ、延在する。或る例における有効接合距離Ｄは、所与の波長λに対応する半導体構造の吸収深さの定数Ｋ倍より大きく、Ｋは１より大きい。
【００３２】
本明細書において用いられるように、半導体構造１０１、１０３に対する吸収深さは、距離値（例えば、図１において、センサ面１０７ｂから右に延在して、半導体構造に入る）であり、それに対して、入射放射線強度が１／ｅ又は約３６％低減される。この距離において、電子／正孔対の生成を介してシリコン１０１、１０３によって吸収される光子エネルギーの量は、横方向センサ面１０７ｂにおいて受け取った所与の波長λの約６４％とし得る。一例において、Ｋは５以上である。他の例において、Ｋは１０以上である。更なる実装において、Ｋは２０以上である。接合距離Ｄは、例えば、Ｋが１０００未満であるような、所与のエンドユース用途の実用的な物理的限界の範囲内の任意の適切なサイズとし得る。一例におけるｎドープ部分は、頂部Ｔの少なくとも一部分に沿って延在するが、これはすべての可能な実装の要求事項ではない。拡張された有効ｐｎ接合距離は、横方向センサ面１０７ｂにおいて受け取られた入射光子の高率の吸収を促進する。例えば、図９及び図１０に関連してこれ以降に図示及び説明されるように、光子捕捉及び結果のキャリア生成は、半導体構造のセンサ面１０７ｂの入り口又はその近くで高い確率であり、また、光子捕捉の確率は、半導体構造の表側からの距離が増大するにつれて低下する。開示される横方向デバイスにおいて、横方向寸法は、標準の厚みのシリコンウエハの平面の（水平）距離である。多くの製造プロセスにおいて、シリコンウエハは約１０ミリの厚みにバックグラインドされ、標準の垂直光起電センサは、約２５４ミクロンの経路長を有し得るだけである。また、この経路長の内、頂部２０ミクロン程度のみが光子捕捉に対して有用である。極めて厚い、垂直シリコンのマルチ接合ピースをつくること、及びそのアセンブルされたダイスタックをその側面に置くことによって、長い接合がつくられ得る。しかしながら、これは、横方向デバイス構築に比べると、極めて非標準的であり、非実用的な方法である。
【００３３】
半導体構造に、有効なｐｎ接合距離Ｄの実質的に全てにわたって延在する又は分散される１つ又は複数のｎドープ部分１０３を含ませることは、特定の半導体材料に対応する吸収深さ及び対応する所与の波長λに対してＤを大きくすることによって高効率の光子捕捉確率を促進する。例えば、約９５０ｎｍの波長λにおいて光子を送信するために、高効率ＬＥＤ光源１０８が用いられ得る。適切にドープされたｐ及びｎ部分１０１及び１０３を有するシリコン半導体構造を用いて、受け取った光子エネルギーの約６４％が、９５０ｎｍ光源に対する最初の８０μｍの進行において吸収される。発明者は、５以上のＫの場合に高吸収率が達成され、１０以上のＫを用いることによって更なる改善が達成されることを理解している。また、２０以上のＫの場合、ほぼ完全な（例えば、１００％近い）吸収が達成される。図１の例において、有効なｐｎ接合距離Ｄは、ｐドープ部分１０１の頂部に注入及び／又は拡散された、対応するｎドープ領域１０３を介して、複数のｐｎ接合を生成することによって実装される。図１の例は、距離Ｄの実質的に全てにわたってｐｎ接合をつくるための５つのそのようなｎドープ領域１０３を示すが、対応する多数のｐｎ接合をつくるために、多数のｎドープ領域１０３が用いられ得る。図示されたｎドープ領域１０３は、横方向半導体構造の表側と裏側との間で実質的に均一に離間されているが、均一の離間は全ての可能な実装の厳密な要求事項ではなく、種々の実施形態において、複数の離間及び特徴サイズが用いられ得る。
【００３４】
結果の構造１０１、１０３は、高い収集確率を促進するように、ほぼ直線のコリドーに沿って複数のｐｎ接合を提供する。種々の実施形態において、複数のそのような半導体構造が用いられ得（例えば、図４）、対応する光コリドーが電気的に絶縁され得る。結果のｐｎ拡張接合セルを任意の所望の直列及び／又は並列構成において接続するために、相互接続回路がＩＣ１００に提供され得る。また、個々の半導体構造は、受け取った光子エネルギーの大半の捕捉を促進するため、及び隣接する光回路から各チャネルを光絶縁するために内部反射を提供するように、上部及び下部（例えば、頂部及び底部）の反射材料又は構造１０９を含み得る。また、マルチチャネルの概念は、異なるチャネルの光絶縁が通信応用例に対するクロストークの最小化を促進する、電力伝達並びにデータ伝達応用例において用いるために拡張され得る。また、図１に示されるように、裏側において遭遇する全ての光子がセンサ面１０７ｂに向かって反射され、それによって更に収集効率が改善されるように、光反射材料１０９が半導体構造１０１、１０３の裏側に提供され得る。同様に、或る実施形態において、センサ構造によって収集される所与の入射光子の確率を更に高めるために、光反射材料が半導体構造１０１、１０３の側面（図示されない）に提供され得る。
【００３５】
上述したように、或る例において、複数の半導体構造１０１、１０３が含まれ得、これらのセルは、所望の出力電圧及び／又は電力を達成するために、スタックされ得るか、又は、任意の適切な直列及び／又は並列様式で相互接続され得る。或る例（例えば、図６〜図８、及び図２３）において、単一のｎドープ部分１０３を用いることによって、接合距離Ｄを持つ単一のｐｎ接合をつくるために、単一の拡張されたｐｎ接合が個々の半導体構造１０１、１０３において提供される。他の例（例えば、図１〜図５、及び図１２〜図２２）において、各半導体構造１０１、１０３は、表側と裏側との間の有効接合距離Ｄの実質的に全てにわたって複数のｐｎ接合をつくるために、ｎ型ドーパントを含む複数のｎドープ部分１０３を含む。結果の光センサ１０６は、或る応用例において、データ及び／又は電力伝達のために用いられ得る。また、拡張された接合横方向センサ構造１０６はまた、例えば、図２２及び図２３に関連して下記に更に説明する光子検出器システム等において、光子増倍器応用例に用いられ得る。従来のオプトカプラとは異なり、本開示の拡張された接合デバイス及びシステムは、電力供給応用例において高い電流伝達比（ＣＴＲ）を促進し、従って、ガルバニック絶縁障壁によって分離される回路の高効率バイアスを促進する。また、図１の距離１１４は、所与の応用例に対する任意の所望の降伏電圧又は絶縁電圧定格に従ったサイズとし得る。また、この絶縁レベルの調整性は、従来の垂直配向オプトカプラの場合にそうであったようなＩＣ１００の垂直高さにおける増大を引き起こさない。
【００３６】
光センサ１０６の動作において、センサ面１０７ｂを介して横方向に受け取った入射光子は、ドープ領域１０１及び１０３によって形成される拡張されたｐｎ接合又はその近くで吸収される。動作の一形態において、センサ１０６及びその対応する拡張されたｐｎ接合は、光起電力モードで光ダイオードとして動作し、キャリア及び対応する電流フローを生成し、電力供給バイアス及び／又はデータ伝達において用いるための電気的出力信号を生成する。特に、一旦、充分なエネルギーの光子が受け取られると、半導体構造１０１、１０３における内部の光電気効果を介して、電子−正孔対がつくられる。拡張されたｐｎ接合の空乏領域又はその近くで吸収が起こると、キャリアが、空乏領域の電界に従って接合から離れて移動し、その際、正孔はアノード（ｐドープ領域１０１）に向かって移動し、電子はカソード（一つ又は複数のｎドープ領域１０３）に向かって移動する。このキャリア移動は電流フローを生成し、電流フローは、センサ１０６に接続される関連する回路に対する電気信号を生成するために用いられ得る。例えば、低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータ又は他の電力供給回路が、センサ１０６に接続された外部回路に電力を供給するために、光生成された電流を用い得る。他の例において、センサ１０６によって生成された電流フローは、センサに接続された外部回路によって、受信したデータ信号として用いられ得る。図２２及び図２３に関連してこれ以降に説明されるように、例えば、シリコン光子増倍回路において、センサ回路１０６からの生成された信号が個々の受け取られた光子の検出を示すために用いられ得る。
【００３７】
図２は、上述したようなＬＥＤ光源１０８及び拡張された接合横方向光センサ１０６を備える、別の例示の絶縁ＩＣ実施形態１００を示す。この例において、キャビティ１１０の内部表面は、例えば、光路２０２に沿って、光源１０８から光センサ１０６に向かって光を反射する反射コーティング２００を含む。一例における反射コーティング材料２００は、モールディングされたパッケージ構造材料１０２をつくるモールディングプロセスの前に、凸状の犠牲昇華材料の上に堆積される。モールディングプロセス後の犠牲材料層の昇華により、残留反射材料層２００の凹状表面によって少なくとも部分的に画定されるキャビティ１１０が残される。光源１０８によって生成された光信号の全て又は一部の光センサ１０６に向かう反射を促進する任意の適切な非導電材料２００が用いられ得る。図２に示されるように、光源１０８からの光信号は、光路１１４に沿って、キャビティ１１０を介して、センサダイ１０６のセンサ面１０７ｂに対して直接進行し得、及び／又は、信号はまた、凹状表面１１２上の反射コーティング２００を介して、反射された経路２０２に沿って進行し得る。他の可能な例において、キャビティ１１２の凹状表面１１２及び任意の対応する反射コーティング２００は、光センサ半導体構造の頂部の少なくとも一部を露出させるように横方向に拡張され得、それにより、反射された光子が、センサ１０６における潜在的な捕捉のために、半導体構造の頂部に入ることを可能にする。
【００３８】
図３は、上述したような光源１０８及び光センサ１０６を備える別の非限定的な例示の絶縁ＩＣ１００を示す。この例において、光源１０８及び光センサ１０６の面１０７ａと面１０７ｂとの間に、光透過性構造３００が、光路１１４に沿って配置される。ガラス、ポリマー等の任意の適切な材料３００が用いられ得る。
【００３９】
また、図４及び図５を参照すると、図４は、別の光絶縁ＩＣ実施形態１００を示す。この例において、光センサ１０６は、複数の直列接続されたダイオードを含み、複数の直列接続されたダイオードの各々は、上述したように、対応する半導体構造４０１、４０２のｐ及びｎドープ部分を含む。この例における光センサ１１１は、２つの（例えば、下部及び上部）基板又はダイ４０１及び４０２によって形成される２つの直列接続光ダイオードを含むが、２又はそれ以上の任意の数のそのようなスタックされたダイが用いられ得る。一例において、ダイ４０１、４０２は各々、例えば、対応する半導体構造の頂部Ｔ上の酸化物層５０２及び上部パッシベーション層５０４によって形成される、上部反射コーティング材料を含む。個々の半導体構造内に光子を含むために底部反射表面を形成するため、及び上部半導体構造／ダイ４０２を下部ダイ４０１に接着させるために、半導体構造の各々の底部Ｂ上に反射銀担持エポキシが用いられる。この例において、光センサ構造１０６はまた、任意の所望の増幅器、フィルタ、又は他のインタフェース回路（図示されない）を含む半導体基板を備えるベースダイ４００を含み、下部センサダイ４０１は、取り付けのため及びダイ４０１における光子反射のために、光反射銀担持エポキシを用いて、ベースダイ４００の頂部に取り付けられる。ダイ４０１及び４０２は、一例において、ベースダイ４００より小さい垂直高さを持つようにバックグラインドされる。一例において、スタックされたダイ４０１及び４０２は各々、ｎドープ部分１０３に対して上方電気接続を提供するためのメタライゼーション構造を含み、ダイ４０１及び４０２を共に接合するために用いられる銀担持エポキシは、対応するダイオードを互いに直列に効率的に接続するため、下部ダイ４０１のｎドープ部分から上部ダイ４０２のｐドープ部分への電気的接続を提供し得る。一例において、個々のダイ４０１及び４０２は各々、約０．５Ｖの電圧信号を生成し、スタックされたダイ４０１及び４０２は、外部回路（例えば、１．０Ｖ）に対してより高い出力信号を提供するように直列に相互接続され得る。２つより多くのスタックされたダイを有する実施形態が、光源１０８からの光信号に応答して所望の出力信号レベルを達成するように、任意の所望の直列及び／又は並列構成において相互接続され得る。
【００４０】
図６及び図７は、光センサ１０６において複数のスタックされたダイオードを用いる別の絶縁ＩＣ例１００を示す。図６における第２の回路構造１０６は、単一のｐドープ部分及び単一の拡張されたｎドープ部分を個々に含む垂直ダイオードを備える複数ダイ構造である。上述の実施形態と同様に、この例は、所与の波長λに対応する半導体構造に対する吸収深さより長い有効接合距離Ｄを有する拡張された横方向ｐｎ接合構造を提供する。図６及び図７におけるセンサ構造は、ベースダイ６００上に形成される４個のスタックされたダイ６０１、６０２、６０３、及び６０４を含むが、任意の数のダイが用いられ得る。図７は、種々のダイ６０１〜６０４における、幾つかの例示の光進行経路を示す。
【００４１】
ここで図８〜図１０を参照すると、図８は、放物面リフレクタミラー構造８０２を備えるＬＥＤ光源１０８を含む例示の光絶縁回路８００を示す。一例において、光源１０８は、定格１００ｍＡにおいて５０ｍＷのＯＳＲＡＭ  ＳＦＨ−４４４１  ９４０ｎｍ  ＬＥＤである。光カプラ構造８０４が、ＬＥＤ／ミラー構成要素１０８、８０２と、上述したような単一のｐドープ部分１０１及び単一の拡張された長いのｎドープ部分１０３を含む半導体構造のセンサ面１０７ｂとの間に提供される。この例において、Ｋは約７である。この例は、捕捉確率の増大のため、図８において簡略化された形式で示されるように、光子反射を促進するために、半導体構造の頂部Ｔ上の酸化物等の反射コーティング材料１０９、並びに、底部Ｂ上の反射材料１０９（例えば、反射エポキシ）を含む。半導体構造１０１、１０３は、エポキシ１０９を介してペデスタル８０８に取り付けられ、光源及びセンサ構造は、絶縁回路８００の絶縁レベルを設定するための離間又は間隙距離１１６を画定するように、離間された関係でベース８０６に取り付けられる。或る例において、頂部側Ｔにおけるｎ及びｐ領域に対して電気接続（図示されない）がなされる。
【００４２】
図９は、図８における線９−９に沿った半導体構造１０１、１０３の平面図を示す。この構造は、センサ面１０７ｂに入射する光子の捕捉に基づいて光生成された電流を収集するために、ｎドープ部分１０３の対応するエリアに接続される１つ又は複数の導電タップ９０４を含む。
【００４３】
図１０は、図９におけるタップ位置９０４でのタップ電流を、センサ面１０７ｂからの距離の関数として、μａで表す曲線１００２を示すグラフ１０００を提供する。上述したように、光子捕捉の確率及び従って光子生成されたタップ電流の大きさは、センサ面１０７ｂ又はその近くで最も高く、半導体構造における距離が増大するにつれて下がる。この例において、生成された総タップ電流の約６４％が、所与の半導体材料及び所与の波長λに対する吸収距離に対応する、センサ面１０７ｂからの初期距離９０２にわたって生成される。
【００４４】
図１１は、例示の吸収深さ曲線１１０２をシリコン半導体構造１０１、１０３に対する波長λ（μｍ）の関数として含むグラフ１１００を示す。この例において、９４０ｎｍの光子波長において入射する光子の６４％吸収に対する深さは、約９５μｍである。この原理を用い、所与の光源波長λ及び半導体材料に対する所望の収集効率目標を達成するために充分な有効接合距離Ｄを用いて、所与の光センサ１０６が設計され得る。
【００４５】
また、図１２〜図２１を参照すると、拡張された接合光センサ１０６を用いて、種々の異なる回路構造及びデバイスがつくられ得る。上述したように、或る例は、潜在的に多数の個別のセンサセルを含み、センサセルの各々が、横方向センサ面１０７ｂと、所与の光源波長λに対する対応する半導体材料の吸収深さより長い拡張された有効接合距離Ｄとを有するセルをつくるために、ｐドープ部分及び１つ又は複数のｎドープ部分を備える半導体構造を含む。直列及び／又は並列構成において相互接続された複数の横方向セルの組み合わせは、本明細書において、多段光起電力（ＬＭＳＰＶ）センサ構造１０６と称される。
【００４６】
図１２は、集積回路ダイ又はパッケージされたマルチダイデバイス１２０１上に実装されるセンサ構造を含む例示の絶縁された低ドロップアウト（ＬＤＯ）レギュレータデバイス１２００を図示する。この例において、センサ回路１０６は、上述したように、横方向センサ面１０７ｂから光を受け取るためのＬＭＳＰＶ構造として形成される。ＬＭＳＰＶ１０６のｎ及びｐドープ部分は、ＬＭＳＰＶ１０６の複数の半導体構造１０１、１０３のｐｎ接合を電気的に相互接続するためのスイッチング回路１２０２に電気的に接続される。一例において、スイッチング回路１２０２は、デバイス１２０１が、構成可能な電圧及び電流値を有する出力信号（例えば、図１２における出力電圧ＶＯ）を提供できるよう、直列及び／又は並列相互接続に対する変更を可能にするように、プログラム可能又はその他の方式で構成可能である。スイッチング回路１２０２を介してＬＭＳＰＶ１０６から提供される電気信号が、ＬＤＯレギュレータ回路１２０４に送られる。レギュレータ回路１２０４は、負荷（図示されない）を駆動するために出力信号ＶＯを提供する。デバイス１２００は、有利にも、ガルバニック絶縁障壁を横断して光絶縁を有する一層高効率の電力供給を実装するために、整合された光源（図示されない）とＬＭＳＰＶ光センサ１０６との間で高い電流伝達比を提供する。
【００４７】
図１３は、負荷に対して電力を選択的にオンにするために、パルスオン又はオフされる光信号を受け取るためのセンサ面１０７ｂを備えるＬＭＳＰＶ１０６を含む絶縁されたソリッドステートリレー（ＳＳＲ）デバイス１３００を示す。一例において、デバイス１３００は、ＬＭＳＰＶ１０６、上述したような直列／並列スイッチング回路１２０２、ホストスワップ機能性を実装するための特定用途向けアナログ回路１３０２、及び電力スイッチ１３０４を含んで、単一の集積回路ダイ又はパッケージされた複数ダイ構造１３０１内にパッケージされる。一例において、デバイス１３００は、絶縁電力スイッチのために用いられ得る。デバイス１３００は、有利にも、電力供給回路の二次側から電気的に絶縁される信号源からＬＭＳＰＶ１０６を介してオン又はオフ制御シグナリングの提供を促進する。
【００４８】
図１４は、単一の集積回路ダイ、又は複数のＬＭＳＰＶ回路１０６、及び対応する横方向センサ面１０７ｂ、並びに上部及び下部ホールドアップキャパシタ１４０２、及びゲートドライブ回路１４０４、及び負荷を制御するためのＤＣ又はＡＣ電力スイッチ１３０４を備えるパッケージされた複数ダイ構造１４０１内にパッケージされる絶縁されたラッチングＳＳＲデバイス１４００を示す。デバイス１４０１は、上述したように、センサ面１０７ｂにおいてＬＥＤ光源１０５、１０８から光を受け取る。ホールドアップキャパシタ１４０２は、ＬＭＳＰＶ構造から得た出力信号のラッチングを提供して、受信した光信号を起動させ及び電力スイッチ１３０４をラッチさせる。
【００４９】
図１５〜図１７は、光リボン又はファイバ１５０８との組み合わせにおいて、図１２の例示のＬＤＯレギュレータデバイス１２００を用いる光的に絶縁された電力供給ソリューションを図示する。図１５及び図１６はそれぞれ、モールディングされた化合物材料１５０２内にパッケージされる絶縁された電力供給デバイス１５００の側面図及び平面図を示す。光源側回路１５０１が、ホスト印刷回路基板（図示されない）にはんだ付けされ得るピン又はパッド等のリード１５０４及び１５０６、光源（例えば、サイド又は横方向発光ＬＥＤ）１０５、１０８、及び光リボン又はファイバ１５０８の入力側に接続される光結合材料８０４を有するリードフレーム構造を含む。光リボン又はファイバ１５０８の出力端部は、対応する光結合材料８０４を介して、ＬＭＳＰＶ構造１０６の横方向センサ面１０７ｂに接続される。電力供給デバイス１５００はまた、図１２に関連して上述したようなＬＤＯレギュレータデバイス１２００を含む、負荷又は出力側回路１５１１を含む。この例におけるレギュレータデバイス１２００は、ホスト印刷回路基板に接続される被駆動負荷回路に電気出力信号（例えば、出力電圧又は電流）を提供するためのリード１５１０及び１５１２を含む出力側リードフレーム構造に取り付けられる。図１５及び図１６におけるデバイス１５００は、有利にも、単一デバイスにおいて光電力供給絶縁ソリューションを提供し、また、有利にも、ＬＭＳＰＶ構造１０６の高電力伝達比及び高効率利点を用いて、電力伝達のための変圧器絶縁技法の欠点であったスペース、コスト、電磁干渉の問題なしに、ガルバニック絶縁障壁を横断して電力を伝達する。
【００５０】
図１７は、２つの離れたシステム間の電力伝達のための別の光絶縁システム１７００である。この例において、光源側回路要素１５０１は、第１の集積回路ダイ、又はリード１５０４及び１５０６を備えるリードフレーム構造を含むパッケージされた複数ダイ構造１７０１内にパッケージされる。光ファイバ又はリボン１５０８が、第１の構造１７０１を、第２のＩＣダイに、又はリード１５１０及び１５１２、及び上述のレギュレータデバイス１２００を備える第２のリードフレーム構造を含むパッケージされた複数ダイ構造１７０２に接続する。光絶縁システム１７００は、ダイ構造１７０１とダイ構造１７０２との間の光リボン又はファイバ１５０８のシンプルな接続によって、絶縁障壁を横断して負荷をバイアス又は駆動するための集積ソリューションを提供する。
【００５１】
図１８は、ＬＤＯレギュレータシステム１８００を実装する負荷側回路１５１１の別の例を示す。この例における負荷側回路１５１１は、ＬＭＳＰＶ構造１０６、並びに、スイッチング回路１２０２及び上述したようなレギュレータ回路１２０４を備えるレギュレータ構造１２００を含む。この例における回路及び構造１０６、１２０２、及び１２０４は、単一の半導体ダイ１２００上につくられる。この例は更に、光絶縁障壁構造１８０２を含む。一例において、光絶縁障壁構造１８０２は、半導体ダイのトレンチに形成されるブラックポリマー又は他の遮光材料を含む。一例において、ｐ及びｎドープ部分１０１及び１０３を含むＬＭＳＰＶ半導体構造１０６は、スイッチング回路要素１２０２及びレギュレータ回路要素１２０４とともに、シリコン構造内に形成される。ＬＭＳＰＶ構造１０６をスイッチング回路１２０から分離するようにするようにトレンチが形成され、トレンチはブラックポリマーで充填される。その後、ダイは、トレンチにおけるポリマーを露出するようにバックグラインドされる。結果の構造は、ポリマーによって共に保持され、ポリマーは、ＬＭＳＰＶ構造１０６をスイッチング回路１２０２及びＬＤＯ回路１２０４から絶縁するための光障壁を形成する。
【００５２】
ここで図１９及び図２０を参照すると、光絶縁技法及び図１８の障壁構造１８０２は、異なるチャネル又は異なる回路を光的に絶縁することが望ましい他の実施形態において用いられ得る。図１９は、複数の光チャネルを含む別のレギュレータシステム１９００を示す。この例における各チャネルは、対応する光ファイバ又はリボン１５０８を介して光信号を受信するＬＭＳＰＶスタック構造１０６を含む。この例において、ＬＭＳＰＶセンサ構造１０６の各々の上部及び下部縁部に沿って、ブラックポリマー充填トレンチ絶縁構造１８０２が形成される。これは、ＬＭＳＰＶセクション又はセル１０６間の光クロストークを効果的に防止し、また、デバイス１２００において形成されるスイッチング回路１２０２及び／又はＬＤＯレギュレータ回路要素１２０４との光干渉を防止する。
【００５３】
図２０は、２つの図示されたＬＭＳＰＶ部分１０６内に光信号を制限するために、上述のブラックポリマー充填光絶縁構造１８０２を含む別の例を示す。この例において、反射材料充填構造２００２が、光チャネルの各々のＬＭＳＰＶ部分１０６の周りに形成される。上述したように、反射材料の使用は、半導体材料及び拡張されたｐｎ接合内の光子捕捉に対する更なる機会を促進することによってＬＭＳＰＶ構造１０６の捕捉効率を高める。一実装において、反射器構造２００２は、ＬＭＳＰＶ構造１０６の長さの大半にわたる直線部分を含み、ＬＭＳＰＶ構造の裏側は、放物面形状の部分等の円弧部分を含む。一例において、構造２００２は、光絶縁構造１８０２を形成する際に用いられるものと類似の選択的ディープエッチングプロセスによって形成される。ＬＭＳＰＶ構成要素１０６の製造後、半導体構造にディープトレンチが形成され、トレンチはガラス等の光反射材料で充填される。ダイは、その後、ガラスを露出するようにバックグラインドされ、半導体構造及びその拡張されたｐｎ接合の３つの側面を横方向に囲む反射構造２００２を備える強化されたＬＭＳＰＶ構造１０６が残される。また、隣接する光チャネル間においてブラックポリマー充填構造１８０２は、光チャネル間の光クロストークを軽減又は回避するための光絶縁を提供する。また、上述したように、個々のＬＭＳＰＶ構造１０６の頂部及び底部に、例えば、底部Ｂの上の反射エポキシ、及び頂部側Ｔ（例えば、図１における１０９）上に形成される酸化物層又は材料等の反射材料が追加され得る。
【００５４】
ここで図２１〜図２３を参照すると、シリコン光増倍器デバイス（ＳｉＰＭＤ）の特異な構成が示される。本開示は、光子がシリコンアレイの頂部表面に入る従来の方式では用いられないＳｉＰＭＤを提供する。その代わりに、上述された例示のデバイスのように、ＳｉＰＭＤｓデバイスは、側部又は縁部において、拡張された収集距離に光子を入らせる。ＳｉＰＭＤは、単一の入力光子を、電子−正孔対が生成されるアレイのＰＮセルにおいて電子のアバランシェに増倍する。図２１の例において、各アレイセルは次のセルから隔離され、従って、アバランシェは構造全体を横断して伝播することはない。セルがそのアバランシェ降伏の近くで動作されるので、アバランシェが起こり、そのため、アバランシェ電流フローを起こすには１つの光子で充分である。これは、各セルにおいて高利得増幅を生成し、これを高感度検出器にする。一旦アバランシェにトリップすると、セルはリセットされる必要があり、そのため、図２２及び図２３に示されるように、各セルに対して直列クエンチング抵抗器Ｒがある。クエンチング回路抵抗器Ｒは、セル電圧を充分に低下させ、それによってアバランシェから脱出させる。これらのセル及びクエンチング抵抗器は全て並列であり、そのため、組み合わされた出力電流は、光子密度に非常に大きなゲインファクタを掛けたものを表し、回路は、動作するためにバイアスを用いる。また、横方向の構造は、検出器の感度を高める。
【００５５】
図２１は、アレイに形成される複数の光センサ半導体構造を含む例示のＬＭＳＰＶアレイ構造２１００を図示する。ＬＭＳＰＶ構造２１００は、横方向センサ面１０７ｂ、及び上述したように、拡張された有効接合距離Ｄを有する多数の個々のｐｎセルのマトリクス又はアレイを含む。この例において、アレイの個々のセルは単一のｎドープ部分１０３を含み、単一のｎドープ部分１０３は、実質的に、拡張された有効接合距離Ｄにわたって配置される個々のｐｎ接合のアレイをつくるように、隔離されたｐドープ領域１０１において形成される。図２１は更に、一例におけるアレイセルの２つの列及び幾つかの行の一部のブレークアウト図を図示する。また、図２２及び図２３に関連してこれ以降に説明するように、ＬＭＳＰＶ構造２１００は光子センサ応用例にも用いられ得る。
【００５６】
図２２及び図２３に概略的に示されるように、ＬＭＳＰＶ構造１０６は、複数のセルを備えるアレイであるか、ｐドープ部分１０１及び拡張された接合を形成するための１つ又は複数のｎドープ部分１０３を有する単一の半導体構造１０６であるかに関わらず、光子検知システム及び回路に用いられ得る。図２２は、上述したような、ｐドープ部分１０１内に配置される複数のｎドープ部分１０３を含む半導体構造１０１、１０３を備える例示の光子検出器回路２２００を示す。この構造は、光路１１４に沿って光子を受け取るための横方向センサ面１０７ｂを持つ拡張された接合光センサ１０６を形成する。センサ構造１０６は、入ってくる光信号の所与の波長λに対応する半導体構造に対する吸収深さに定数Ｋを掛けた有効接合距離Ｄを有する。図２３における回路２３００は、単一のｎドープ部分１０３を有する拡張された接合光センサ回路１０６を用いる類似の配置を示す。図２２及び図２３における検出器回路２２００及び２３００における光センサは、等価寄生キャパシタ、ダイオード、及びアレイの各ダイオードセルにおける抵抗器を含み、これらは、クエンチング回路を形成し、その際、キャパシタＣが、ｐドープ部分１０１とｎドープ部分１０３との間で、センサ回路ダイオード１１１に並列に結合され、並びに、抵抗器Ｒがバイアス電圧ＶＢＩＡＳとｎドープ部分１０３との間に結合される。結果の構造は、横方向センサ構造１０６において小数の光子を検出するため、又は単一の光子の受け取りでさえも検出するためのクエンチング回路を形成する。動作において、抵抗器Ｒに対するバイアス電圧の印加はキャパシタＣを充電し、一方、センサ回路ダイオード１１１は逆バイアスされる。バイアス電圧ＶＢＩＡＳは、キャパシタＣを、ダイオード１１１のアバランシェ定格のすぐ下のレベルまで充電する（一方、ダイオード１１１は導通しない）ように、センサ回路ダイオード１１１の仕様に対応するレベルに設定される。寄生キャパシタＣが充電されると、回路２２００は、センサ面１０７ｂにおいて光路１１４に沿って１つ又は複数の光子を受け取る準備ができる。センサ構造１０６における入射光子の捕捉に成功すると、ｐｎ接合にアバランシェ電流を導通させ、寄生キャパシタＣを放電させる。寄生キャパシタＣが、ダイオード１１１のアバランシェ閾値の下のレベルまで放電すると、ダイオード１１１は導通を中止し、寄生抵抗器ＲはキャパシタＣを再び充電させる。寄生キャパシタＣの放電／充電は、検出器回路２２００、２３００による光子の捕捉を表す信号をつくる。この増大された電流フローに基づいて検出器出力信号を生成するために電流検知閾値比較が用いられ得る。受け取った電流スパイクに応答して電圧信号を設定するために、検知抵抗器ＲＳが比較器２２０２の＋入力から回路接地基準に接続される。図２２及び図２３において、ｐドープ部分１０１は、信号電圧を受け取るために、電圧比較器２２０２の非反転（＋）入力に接続される。比較器２２０２は、信号電圧を閾値電圧ＶＴＨと比較して、電流スパイクに応答して、検出器出力信号ＤＥＴＥＣＴ  ＯＵＴを生成する。キャパシタＣの放電／充電によって生成される電流信号が、電子−正孔対の生成によってセンサ構造１��６において生成されるキャリア電流よりもずっと大きいので、回路要素２２００、２３００は、光子検出又は他の有用な応用例において用いられ得る光子増倍回路を提供する。検出器アレイは個々の光子を検出するので、光子源に対して低効率のエミッタを用いることも可能である。これは、ＧａＡｓ  ＬＥＤの代わりに、低強度ＩＲ放射に対して、順バイアスのシリコンｐｎ接合エミッタを備える標準シリコンを用いることを可能にする。低強度可視光を発するために、逆バイアスされたアバランシェ又はツェナー接合も用いられ得る。
【００５７】
開示される例は、拡張された長さの有効ｐｎ接合の中への横方向光子入射を備える、高効率横方向ＰＶセルを提供する。或る例において、有効な横方向接合距離Ｄは、高い収集効率を促進するために、所与の波長λの光子の吸収深さの倍数に設定される。これは、光センサ１０６の半導体構造における電子−正孔対生成に対する機会を大きく増大する。開示される例は、光チャネルを横断する低電力信号伝達において利点を提供し、ガルバニック絶縁障壁を横断する電力の高効率光伝達を可能にする。また、開示される概念は、光子検出器又は光子増倍器において有用性を見出す。或る構成において、より高いレベルの電力供給のために、多くのセンサセル１０６が相互接続され、各セルが低コスト構成である。個々の光起電力セル１０６が、酸化物及び／又は反射エポキシを介して、頂部Ｔ、底部Ｂ、裏側、及び横方向の側面に光反射材料１０９を含み得る場合は、低コストのスタック構成が可能であり、その際、負の（ｎ型）ノードが１つ又は複数の接着パッドによって頂部Ｔ上に接続され、半導体材料における正の（ｐ型）が底部Ｂ上に接続される。この例示の構成は、導電エポキシを備えるシンプルなダイスタッキングが、結果の感光性ダイオードを任意の所望の様式で相互接続することを可能にする。開示される例は、従来の光絶縁技法及びデバイスに比べて、光子から電気への電力伝達に対して、潜在的に大きな効率改善を提供する。また、横方向光子伝達は、光源１０８と光センサ１０６との間の間隔を制御することによって異なる絶縁電圧定格に容易に適応し、任意の適切な光送信媒体（例えば、ガラス、空気、ポリマー）を提供するための能力を備え、また、光ファイバ又は光リボンを用いて、光源とセンサを大きな距離分離することによって、極めて大きい電圧分離定格が達成され得る。
【００５８】
上記の例は、本開示の種々の観点の幾つかの可能な実施形態の例示に過ぎず、当業者であれば、この明細書及び添付の図面を読み理解することによって、等価の改変及び／又は変更が思いつくであろう。特許請求の範囲内で、説明した実施形態における変更が可能であり、他の実施形態が可能である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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