一种单片集成LED光电耦合器及其集成电路的制作方法

本实用新型属于半导体光电技术领域，涉及一种单片集成led光电耦合器，具体地说是一种单片集成led光电耦合器及其集成电路。

背景技术：

光电耦合器是一种重要的光电器件，可以从一个电路发送信号到另一个电路，使用光代替导线，利用发光二极管（led）将电信号转化为光信号再利用光探测器接收光信号并将其转换成电信号。光电耦合器具有抗干扰能力强、可靠性好、电学隔离等优点，广泛应用于逻辑开关、数模转换等电路中。

随着电子信息产业的发展，电子设备终端朝向小型化、集成化发展，这对对光电耦合器也提出了更高的要求，要求它具有更小的体积和更高的集成度。传统的光电耦合器将一个gaasp材料的led与一个光探测器封装在一起，采用平面结构或者轴向结构放置两种器件。采用平面结构制作光电耦合器需要使用点胶工艺；使用轴向结构需要对光源与光探测器进行电焊。随着封装尺寸的减小，点胶与点焊工艺更加困难，制作难度增大、制作成本特高。

从成本和电路密度的观点来看，光电耦合器最理想的实现方式是将光电耦合器嵌入到硅芯片中，不仅降低制作成本，同时可以提高电路的集成度。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种单片集成led光电耦合器，将led光源与光探测器制作在同一个衬底上，不仅提高了光电耦合器的集成度，还可以将单片集成led光电耦合器与电路集成在同一个衬底上从而进一步提高整个电路的集成度，同时降低了制作成本。

本实用新型的另外一个目的是提供包含上述一种单片集成led光电耦合器的一种集成电路。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种单片集成led光电耦合器，包括制作在第一衬底上的自下而上轴向排布的硅光探测器、第一介质层和led光源；

所述第一衬底中注入有第一深p阱以及与第一深p阱相连的第一高深宽比p阱和第二高深宽比p阱，第一深p阱、第一高深宽比p阱和第二高深宽比p阱相连形成第一岛，第一岛的上部嵌有第一薄n⁺阱；

硅光探测器正极从第一薄n⁺阱引出、硅光探测器负极从第一高深宽比p阱引出；

所述第一衬底是n^－型硅衬底。

作为限定：所述led光源与第一介质层之间生长有al2o3缓冲层；

所述led光源呈“l”型，包括自下而上依次生长而成的n型gap层、n型gaas1-xpx组分渐变层、n型gaas1-xpx恒定组分层和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层，n型gaas1-xpx组分渐变层、n型gaas1-xpx恒定组分层和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层的宽度相同，n型gap层的宽度大于gaas1-xpx组分渐变层的宽度；

所述p⁺型gaas1-xpx恒定组分层之上制作有光源正极，于led光源的横向自由端、n型gap层的上部注入有第二薄n⁺阱，从第二薄n⁺阱引出光源负极；

所述n型gaas1-xpx恒定组分层、p⁺型gaas1-xpx恒定组分层中的x=x0,x0∈[0.55,0.7]，n型gaas1-xpx组分渐变层中x自下向上由1减少到x0。

一种单片集成led光电耦合器的集成电路，包括集成在第二衬底上的单片集成led光电耦合器和后端电路；

所述第二衬底是n^－型硅衬底；

所述第二衬底中有由离子注入工艺形成的第一大岛和第二大岛，第一大岛和第二大岛由离子注入工艺形成的第二深p阱以及与第二深p阱相连的第一高深宽比p^＋阱和第二高深宽比p^＋阱围成；

所述后端电路位于第一大岛，单片集成led光电耦合器位于第二大岛；

所述第一大岛注入有第三深p阱以及与第三深p阱相连的第三～第七高深宽比p阱，第三深p阱、第三高深宽比p阱和第四高深宽比p阱相连形成第一小岛，第三深p阱、第四高深宽比p阱和第五高深宽比p阱相连形成第二小岛，第三深p阱、第五高深宽比p阱和第六高深宽比p阱相连形成第三小岛，第三深p阱、第六高深宽比p阱和第七高深宽比p阱相连形成第四小岛；

所述第一小岛中制作有电容，第二小岛中制作有npn晶体管，第三小岛中制作有pnp晶体管，第四小岛中制作有电阻，所述电容、npn晶体管、pnp晶体管和电阻彼此电连接形成后端电路；

第一大岛上表面覆盖有第二介质层，第二介质层与单片集成led光电耦合器所包含的第一介质层一体成型形成整个集成电路的介质层；

从第一大岛上方引出后端电路的电源电极、输出电极和地电极，从第二大岛上方引出单片集成led光电耦合器的光源正电极与光源负电极，单片集成led光电耦合器的硅光探测器正极与后端电路的输入电极相连，单片集成led光电耦合器的硅光探测器负极与后端电路的地电极相连。

作为限定：所述介质层采用sio2隔离介质层。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本实用新型中单片集成led光电耦合器的光源探测器和led光源制作在同一个衬底上，相比传统的使用点胶工艺制作平面结构的光电耦合器或者制作轴向结构的光电耦合器时需要对光源与光探测器进行电焊，器件集成度高，封装尺寸减小，降低了制作难度和成本；

（2）本实用新型的单片集成led光电耦合器，可以与电路集成在同一个衬底上，led光源与光探测器轴向堆叠，进一步降低了制作成本，具有较高的集成度；

（3）本实用新型利用gaasp材料的p-n结实现发光，led光源的顶层金属电极对光线的全反射作用可以限制光的传播方向，减少光传输过程中的损耗；

（4）本实用新型的gaasp材料的led光源设置al2o3缓冲层，用于gap与sio2之间的晶格匹配，具有一层gaas1-xpx组分渐变层，用于恒定组分的gaasp层与gap层之间的晶格匹配，以上设计提高了器件的可靠性；

（5）本实用新型的led光源的n型gaas1-xpx恒定组分层中使用氮元素作为掺杂杂质，以提高发光效率；

（6）本实用新型使用硅材料作为衬底制作的光探测器可以探测的波长范围在400nm到1000nm之间，这与led的光谱范围非常吻合，提高了器件的性能。

本实用新型适用于光电耦合器的集成技术领域。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例1的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例3的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例3的电路图；

图4为本实用新型实施例3的后端电路的电路图。

图中：1、第一衬底，2、第一深p阱，3、第一高深宽比p阱，4、第二高深宽比p阱，5、第一薄n⁺阱，6、pin光电二极管负极，7、pin光电二极管正极，8、第一介质层，9、al2o3缓冲层，10、n型gap层，11、n型gaas1-xpx组分渐变层、12、n型gaas1-xpx恒定组分层、13、p⁺型gaas1-xpx恒定组分层，14、光源正极，15、光源负极，17、第二衬底，18、第二深p阱，19、第一高深宽比p^＋阱，20、第二高深宽比p^＋阱，21、第三深p阱，22、第三高深宽比p阱，23、第四高深宽比p阱，24、第五高深宽比p阱，25、第六高深宽比p阱，26、第七高深宽比p阱，27、介质层，28、前置放大电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1一种单片集成led光电耦合器

如图1所示，本实施例包括自下而上轴向堆叠排布的硅光探测器、第一介质层8和led光源。其中，利用互补金属氧化物半导体工艺将硅光探测器制作在第一衬底1中，第一衬底1是i型硅衬底，i型即n^-轻掺杂型。硅光探测器是pin光电二极管、雪崩光电二极管、光电三极管或其它的硅光探测器。

本实施例的硅光探测器以pin光电二极管为例进行说明，如图1所示，第一衬底1中注入有第一深p阱2以及与第一深p阱2相连的第一高深宽比p阱3和第二高深宽比p阱4，第一深p阱2、第一高深宽比p阱3和第二高深宽比p阱4相连形成第一岛，第一岛的上部嵌有第一薄n⁺阱5，pin光电二极管负极6从第一高深宽比p阱3引出、pin光电二极管正极7从第一薄n⁺阱5引出。

本实施例中的第一介质层8采用厚度为300nm~500nm的sio2隔离介质层，用于实现pin光电二极管和led光源之间的电气隔离。如图1所示，第一介质层8覆盖在pin光电二极管的上表面除去pin光电二极管负极6和pin光电二极管正极7外的所有区域。

第一介质层8上有采用原子层淀积（ald）工艺生长而成的一层10nm~50nm厚的al2o3缓冲层9，led光源位于al2o3缓冲层9之上。led光源呈“l”型，包括自下而上依次生长而成的n型gap层10、n型gaas1-xpx组分渐变层11、n型gaas1-xpx恒定组分层12和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13；n型gaas1-xpx组分渐变层11、n型gaas1-xpx恒定组分层12和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13的宽度相同，n型gap层10的宽度大于gaas1-xpx组分渐变层的宽度。n型gaas1-xpx恒定组分层12的掺杂杂质为氮，掺杂氮可以提高发光效率。假设n型gaas1-xpx恒定组分层12中x=x0,x0∈[0.55,0.7],则n型gaas1-xpx组分渐变层11中的x自下向上由1减少到x0。

在p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13的顶部覆盖有光源正极14，可以限制光线的传播方向，并减少光在传播过程中的损耗

于led光源的横向自由端、n型gap层10的上部注入有第二薄n⁺阱，从第二薄n⁺阱引出光源负极15。

实施例2一种单片集成led光电耦合器的制作方法

本实施例用于制作实施例1，按照以下步骤顺序进行：

一、用n^-掺杂的硅晶圆作为第一衬底1，使用离子注入工艺，首先在第一衬底1上依次完成第一深p阱2、第一高深宽比p阱3、第二高深宽比p阱4的制作，形成第一岛，接着在第一岛的上部完成第一薄n⁺阱5的制作；

二、采用低压力化学气相沉积法在第一衬底1上生长厚度为300nm~500nmsio2隔离介质层作为第一介质层8，以起到电学隔离的作用；

三、利用原子层淀积工艺在第一介质层8的上方生长一层10nm~50nm厚的al2o3缓冲层9；

然后利用液相外延在第一介质层8上完成led光源的制作，该过程包括以下步骤，

s1、利用液相外延，首先在al2o3缓冲层9上生长一层n型掺杂的gap层10，之后在n型gap层10上依次外延生长n型gaas1-xpx组分渐变层11、n型gaas1-xpx恒定组分层12和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13；

s2、采用感应耦合等离子体刻蚀工艺对n型gaas1-xpx组分渐变层11、n型gaas1-xpx恒定组分层12和p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13的位于第二高深宽比p阱4上方的一侧进行刻蚀直至暴露出n型掺杂的gap层10，至此形成led光源的横向自由端；

s3、采用感应耦合等离子体刻蚀工艺对n型gaas1-xpx组分渐变层11、n型gaas1-xpx恒定组分层12、p+型gaas1-xpx恒定组分层13和n型掺杂gap层10的位于第一高深宽比p阱3上方的一侧进行刻蚀，直至暴露出第一介质层8；

s4、采用感应耦合等离子体刻蚀工艺分别对第一高深宽比p阱3、第一薄n⁺阱5的上方的第一介质层8进行刻蚀，形成形成第一电极通孔和第二电极通孔；

s5、使用离子注入工艺在led光源的横向自由端、n型掺杂gap层10的上部形成第二薄n⁺阱，在此过程中利用掩膜版限制离子注入的区域；

四、采用磁控溅射分别在第一电极通孔中、第二电极通孔中、p⁺型gaas1-xpx恒定组分层13的表面、第二薄n⁺阱的表面分别制作铝电极，然后刻蚀掉多余的铝金属，形成pin光电二极管负极6、pin光电二极管正极7、光源正极14和光源负极15；

五、进行低温退火，使pin光电二极管负极6、pin光电二极管正极7、光源正极14和光源负极15与各自所对应的位置分别形成欧姆接触。

实施例3一种单片集成led光电耦合器的集成电路

如图2所示，本实施例包括集成在第二衬底17上的单片集成led光电耦合器和后端电路。

第二衬底17是n^－型硅衬底；第二衬底17中由离子注入工艺形成的第二深p阱18以及与第二深p阱18相连的第一高深宽比p^＋阱19和第二高深宽比p^＋阱20，第二深p阱18与第一高深宽比p^＋阱19、第二高深宽比p^＋阱20相连形成第一大岛和第二大岛。后端电路位于第一大岛，单片集成led光电耦合器位于第二大岛。

第一大岛注入有第三深p阱21以及与第三深p阱21相连的第三～第七高深宽比p阱22～26，第三深p阱21与第三高深宽比p阱22、第四高深宽比p阱23相连形成第一小岛，第三深p阱21与第四高深宽比p阱23、第五高深宽比p阱24相连形成第二小岛，第三深p阱21与第五高深宽比p阱24、第六高深宽比p阱25相连形成第三小岛，第三深p阱21与第六高深宽比p阱25、第七高深宽比p阱26相连形成第四小岛。第一小岛制作有电容，第二小岛制作有npn晶体管，第三小岛制作有pnp晶体管，第四小岛制作有电阻，电容、npn晶体管、pnp晶体管和电阻彼此电连接形成后端电路。四个小岛中的电阻，电容、npn晶体管、pnp晶体管和电阻的数量、参数、彼此间的连接方式根据实际需要而定。

本实施例中的单片集成led光电耦合器的结构与实施例1的相同，不再重复介绍。

第一大岛上表面覆盖有第二介质层，第二介质层与单片集成led光电耦合器所包含的第一介质层8一体成型形成整个集成电路的介质层27，介质层27采用跟第一介质层8相同的材料。

从第一大岛上方引出后端电路的电源电极vcc、输出电极vout和地电极gnd，pin光电二极管正极7与后端电路的输入电极vin相连，pin光电二极管负极6与后端电路的地电极gnd相连。

如图3，给出了单片集成led光电耦合器与后端电路的一种连接方式，后端电路是一个前置放大电路28。led光源工作在正向偏置条件下，pin光电二极管工作在零偏置条件下，pin光电二极管的两端分别连接到前置放大电路28的两个输入端口，零偏条件下的pin光电二极管工作在“光伏模式”，类似于太阳能电池，具有暗电流小，光电转换线性度好的优势。

如图4所示，给出了前置放大电路28的一种结构，图中的前置放大电路28是一个三级放大电路，由双端输入单端输出的差分放大电路、共射放大电路和互补输出电路组成。

实施例4一种单片集成led光电耦合器的集成电路的制作方法

本实施例用于制作实施例3，按照以下步骤顺序进行：

（一）选用n^-掺杂的硅晶圆作为第二衬底17，借助掩膜版，使用离子注入工艺，首先在第二衬底17上依次完成第二深p阱18、第一高深宽比p^＋阱19和第二高深宽比p^＋阱20的制作，形成的第一大岛和第二大岛；然后在第一大岛完成第三深p阱21、第三～第七高深宽比p阱22～26的制作，形成第一～第四小岛；接着在第二大岛完成第一深p阱2、第一高深宽比p阱3和第二高深宽比p阱4的制作，形成第一岛，最后在第一岛的上部完成第一薄n⁺阱5的制作；

（二）利用合适的掩膜版，采用离子注入工艺在第一～第四小岛中分别对应制作电容、npn晶体管、pnp晶体管、电阻；

（三）采用低压力化学气相沉积法在第二衬底17的的上表面生长厚度在300nm～500nm之间的sio2隔离介质形成介质层27，以起到电学隔离的作用；

（四）按照与实施例2中步骤三和步骤四相同的过程在第二大岛上方完成单片集成led光电耦合器的其它部分的制作；

（五）采用感应耦合等离子体刻蚀工艺对第二介质层27位于第一～第四小岛上方的区域进行刻蚀，分别形成电容、npn晶体管、pnp晶体管、电阻的电极通孔；

（六）采用磁控溅射在电容、npn晶体管、pnp晶体管、电阻的电极通孔中，分别制作铝电极，然后刻蚀掉多余的铝金属，并完成电容、npn晶体管、pnp晶体管、电阻之间的电连接以形成后端电路，最后完成单片集成led光电耦合器的硅光探测器正极与后端电路的输入电极的电连接和单片集成led光电耦合器的硅光探测器负极与后端电路的地电极的电连接，形成如图3、图4所示的电路连接关系；

（七）从第一大岛上方引出后端电路的电源电极vcc、输出电极vout和地电极gnd；从第二大岛上方引出单片集成led光电耦合器的光源正电极14与光源负电极15；

（八）进行低温退火，使单片集成led光电耦合器、后端电路的所有的金属电极与各自所对应的位置分别形成欧姆接触。