光学隔离系统和电路以及具有延伸横向P-N结的光子检测器技术方案

所公开的实例包含横向光伏传感器(100)和系统，其具有：一或多个半导体结构(101、103)，所述一或多个半导体结构单独地包含横向传感器表面(107b)以接收给定波长(λ)的光子；以及延伸横向结区，其具有大于5乘以对应于所述给定波长(λ)的所述半导体结构的吸收深度的有效结距离(D)，以促进高电流传送比率以供用于低噪声、高效率电力供应应用以及光学隔离数据传送或光子检测器应用。

Optical isolation systems and circuits and photon detectors with extended transverse P-N junctions

The disclosed examples include transverse photovoltaic sensors (100) and systems with one or more semiconductor structures (101, 103), which separately contain transverse sensor surfaces (107b) to receive photons at a given wavelength (lambda), and extended transverse junctions having absorption depths greater than 5 times those corresponding to the given wavelength (lambda) of the semiconductor structure. Effective junction distance (D) promotes high current transfer ratio for low noise, high efficiency power supply applications and optical isolation data transfer or photon detector applications.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学隔离系统和电路以及具有延伸横向P-N结的光子检测器
技术介绍
隔离电路用于跨越电隔离屏障的数据和/或电力传送以互连由并不共享共用接地连接的不同电源供电的电气系统。变压器隔离方法涉及开关电路和磁场，并且所引起的电磁干扰(EMI)在某些应用中可能是不期望的。另外，变压器隔离通常需要额外的变压器组件并且这些解决方案需要大量的电路面积并且是昂贵的。电容耦合或交流耦合可用于提供用于数据发射的隔离，但是基于电容器的隔离解决方案通常涉及吸收信号能量并且引起不佳电力效率的寄生电容。另外，由于厚层的表面介电质的需要，使用电容耦合实施高压崩溃电压额定值是昂贵的。光学隔离避免了与变压器隔离相关联的EMI和电路面积问题，方法是使用光经由光子发射器(例如，发光二极管或LED)、接收器或例如光伏二极管(PVD)的传感器和光学耦合材料在电隔离电路之间传送电力/信号。光学耦合装置或光耦合器通常在PV二极管上方堆叠LED光源，具有在两者之间的玻璃或其它透明材料以将光子能量垂直地向下发射到PVD传感器的顶部。此外，高崩溃电压隔离额定值可以仅通过增大LED与PVD之间的距离获得，引起有时不可接受的垂直装置高度。一些高隔离电压光耦合器使用将光从LED反射到光电二极管的反射拱顶，所述反射拱顶是并排放置的以用于通过LED的向上发射和通过光电二极管的向下接收。在这些常规的光电耦合器方法中，光子路径垂直于硅装置的表面。LED光源通常在红外波长处或附近提供光信号，并且光耦合器通常遭受不佳电力效率(例如，电流传送比或表示输入电流与输出电流的比率的CTR)。另外，由于发射器与检测器之间的电容耦合，在垂直构造中遭受普通模式瞬态隔离(CMTI)。相应地，常规的光学隔离技术并不提供用于许多电力传送应用的足够的解决方案。
技术实现思路
所公开的实例包含横向光伏传感器和系统，以及具有包含横向传感器表面以接收给定波长的光子的半导体结构的光学隔离电路，及具有超过对应于给定波长的半导体材料的吸收深度的有效结距离以促进跨越电隔离屏障的高效率的数据和/或电力传输的延伸横向结区。在某些实例中，横向延伸p-n结通过p掺杂区中的多个经扩散的或植入的n掺杂区形成以形成贯穿横向有效结距离安置的一系列p-n结。延伸单一或分割p-n结与垂直光电二极管结构相比提供了显著增大光子俘获概率以促进多种应用中的高效率和电流传送比率。用于高速信号信息的光学隔离的进一步所公开的实例包含光学传感器电路以沿横向光学路径使用具有施加偏压的猝灭电路以向横向延伸p-n结施加偏压到接近雪崩的横向延伸p-n结阵列感测给定波长的光信号。在此应用中单个光子的俘获引起p-n结传导电流的雪崩引起直接放大。附图说明图1是根据实施例的光学隔离集成电路的截面侧视图，所述光学隔离集成电路包含LED光源和横向光受体二极管传感器，所述横向光受体二极管传感器具有半导体结构，所述半导体结构具有在模制封装结构的内部腔室中贯穿延伸有效p-n结距离的多个横向地间隔开的p-n结提供用于电隔离的光学路径。图2是具有LED光源和横向光电二极管传感器的另一光学隔离IC实施例的截面侧视图，包含形成于封装腔室的凹形表面上的反射涂层。图3是具有放置在LED光源与横向光电二极管传感器之间的玻璃或塑料光传输介质的另一光学隔离IC实施例的截面侧视图。图4是具有包含两个垂直堆叠的横向光电二极管半导体结构的光传感器的另一光学隔离IC实施例的截面侧视图，所述半导体结构单独地包含多个p-n结以形成横向多级光伏(LMSPV)光传感器。图5是图4的光传感器中的光学接收的部分截面侧视图。图6是具有包含四个垂直堆叠的横向光电二极管半导体结构的光传感器的另一光学隔离IC实施例的截面侧视图，所述半导体结构单独地包含单个延伸p-n结。图7是图6的光传感器中的光学接收的部分截面侧视图。图8是包含具有抛物线形聚焦镜子和光电二极管半导体结构的红外或近红外光源的另一实例隔离电路的截面侧视图，所述半导体结构包含单个延伸p-n结。图9是包含具有实例输出电流分支的横向延伸结光电二极管半导体结构的实例的顶部平面图的部分示意性光学隔离系统。图10是作为图9的半导体结构中的有效结距离的函数的所收集的分支电流的曲线图。图11是作为硅的光子波长的函数的实例吸收深度曲线的曲线图。图12是包含LMSPVpv偏压产生器阵列的实例隔离低跌落电压(LDO)调节器的简化示意图。图13是包含LMSPVpv偏压产生器阵列的实例固态继电器(SSR)的简化示意图。图14是包含LMSPV光传感器的实例隔离闭锁SSR的简化示意图。图15和16是包含光源和LMSPV光传感器的延长的隔离电路的部分示意性截面侧视图和截面俯视平面图。通过光纤连接。图17是包含通过光纤耦合的光源IC和LMSPV光传感器的光学隔离系统的部分示意性截面俯视平面图。图18是包含LMSPV光传感器的实例LDO调节器的部分示意性俯视平面图，所述LMSPV光传感器具有形成在LMSPV光传感器与可以用于图17的系统中的其它电路之间的黑色聚合物光学屏障。图19是具有通过黑色聚合物屏障分隔开的多个LMSPV光传感器通道的实例LDO调节器的部分示意性俯视平面图。图20是具有多个LMSPV光传感器通道的实例LDO调节器的部分示意性俯视平面图，所述多个LMSPV光传感器通道通过黑色聚合物屏障分隔开并且单独地包含在LMSPV光传感器通道周围填充有反射材料的弯曲沟槽。图21是示出在p掺杂区中单独地包含多个n掺杂区以形成多个横向地间隔开的p-n结的若干实例互连半导体结构的另外细节的实例LMSPV光传感器半导体结构的部分示意性俯视平面图。图22是包含横向光传感器半导体结构的实例光子传感器的部分示意图，所述横向光传感器半导体结构具有沿延伸有效p-n结距离安置的多个p-n结，以及猝灭电路以提供光子倍增器电路。图23是包含横向光传感器半导体结构的另一实例光子传感器的部分示意图，所述横向光传感器半导体结构具有沿延伸有效p-n结距离安置的单个p-n结，以及猝灭电路以提供光子倍增器电路。具体实施方式在图式中，相同参考数字贯穿全文指代相同元件，且各种特征不必按比例绘制。在以下论述和权利要求书中，术语“包含(including、includes)”、“具有(having、has)”、“带有(with)”或其变化形式意图以类似于术语“包括(comprising)”的方式是包含性的，并且因此应被解译为意味着“包含，但不限于……”。并且，术语“耦合(couple、coupled或couples)”意图包含间接或直接电气或机械连接或其组合。举例来说，如果第一装置耦合到第二装置或与第二装置耦合，那么所述连接可以是通过直接电气连接或通过经由一或多个介入装置和连接的间接电气连接。首先参考图1，公开了具有包含横向传感器表面以从光源接收光子的一或多个半导体结构的横向光伏传感器和系统。半导体结构包含延伸横向结区，所述延伸横向结区具有大于对应于所接收的光信号的波长的半导体材料的吸收深度的有效结距离。各种实施例提供了光学隔离装置和系统，所述光学隔离装置和系统包含光源和具有光源与光接收器之间的间隔距离的此类横向光传感器以形成装置的高水平的崩溃或隔离电压额定值。另外，延伸有效结距离有助于光传感器所产生的电流中的源电流之间的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隔离电路，其包括：光源，其经配置以沿光学路径产生给定波长的光信号；以及光传感器，其与所述光源间隔开光学通道距离，所述光传感器包括：半导体结构，其包含：顶部，底部，前侧，其至少部分面向所述光学路径以提供传感器表面以接收所述光信号，后侧，其与所述前侧间隔开，多个横向侧，其在所述顶部与所述底部之间垂直地延伸，所述横向侧在所述前侧与所述后侧之间水平地延伸，p掺杂部分，其包含p型掺杂剂，所述p掺杂部分沿所述底部的至少一部分延伸，以及n掺杂部分，其包含至少部分邻近于所述p掺杂部分的n型掺杂剂以形成以有效结距离在所述前侧与所述后侧之间延伸的至少一个p‑n结，所述n掺杂部分沿所述顶部的至少一部分延伸，所述有效结距离大于常数K乘以对应于所述给定波长的所述半导体结构的吸收深度，K大于或等于5。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.30 US 15/395,584;2017.06.02 US 15/612,3271.一种隔离电路，其包括：光源，其经配置以沿光学路径产生给定波长的光信号；以及光传感器，其与所述光源间隔开光学通道距离，所述光传感器包括：半导体结构，其包含：顶部，底部，前侧，其至少部分面向所述光学路径以提供传感器表面以接收所述光信号，后侧，其与所述前侧间隔开，多个横向侧，其在所述顶部与所述底部之间垂直地延伸，所述横向侧在所述前侧与所述后侧之间水平地延伸，p掺杂部分，其包含p型掺杂剂，所述p掺杂部分沿所述底部的至少一部分延伸，以及n掺杂部分，其包含至少部分邻近于所述p掺杂部分的n型掺杂剂以形成以有效结距离在所述前侧与所述后侧之间延伸的至少一个p-n结，所述n掺杂部分沿所述顶部的至少一部分延伸，所述有效结距离大于常数K乘以对应于所述给定波长的所述半导体结构的吸收深度，K大于或等于5。2.根据权利要求1所述的隔离电路，其中所述半导体结构包含多个n掺杂部分，所述多个n掺杂部分包含n型掺杂剂以形成基本上贯穿所述前侧与所述后侧之间的所述整个有效结距离的多个p-n结。3.根据权利要求1所述的隔离电路，其中所述半导体结构进一步包含在所述顶部、所述底部、所述后侧和所述横向侧中的至少一个上的反射材料。4.根据权利要求1所述的隔离电路，其中K大于或等于10。5.根据权利要求1所述的隔离电路，其中K大于或等于20。6.根据权利要求1所述的隔离电路，其中所述半导体结构包含硅。7.根据权利要求1所述的隔离电路，其中所述光传感器包括多个半导体结构，每个半导体结构包含：顶部；底部；前侧，其至少部分面向所述光学路径以提供传感器表面以接收所述光信号；后侧，其与所述前侧间隔开；多个横向侧，其在所述顶部与所述底部之间垂直地延伸，所述横向侧在所述前侧与所述后侧之间水平地延伸；p掺杂部分，其包含p型掺杂剂，所述p掺杂部分沿所述底部的至少一部分延伸；以及n掺杂部分，其包含至少部分邻近于所述p掺杂部分的n型掺杂剂以形成以有效结距离在所述前侧与所述后侧之间延伸的至少一个p-n结，所述n掺杂部分沿所述顶部的至少一部分延伸，所述有效结距离大于常数K乘以对应于所述给定波长的所述半导体结构的吸收深度，K大于或等于5。8.根据权利要求7所述的隔离电路，其中每个半导体结构包含多个n掺杂部分，所述多个n掺杂部分包含n型掺杂剂以形成基本上贯穿所述前侧与所述后侧之间的所述整个有效结距离的多个p-n结。9.根据权利要求7所述的隔离电路，其中每个半导体结构进一步包含在所述顶部、所述底部、所述后侧和所述横向侧中的至少一个上的反射材料。10.根据权利要求7所述的隔离电路，其进一步包括开关电路以电互连所述多个半导体结构的所述p-n结。11.根据权利要求1所述的隔离电路，其包括调节器电路以基于来自所述光传感器的电信号提供电力供应信号。12.根据权利要求1所述的隔离电路，其进一步包括：引线框结构，其包含多个电导体，所述光源与所述引线...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·J·马莱，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US