Die Erfindung betrifft einen Empfängerbaustein.

Empfängerbausteine sind bei Optokopplern hinlänglich bekannt. Einfache Optokoppler weisen einen Sendebaustein und einen Empfängerbaustein auf, wobei die beiden Bausteine galvanisch getrennt, jedoch optisch gekoppelt sind. Derartige Ausführungsformen sind aus der US 4 996 577 bekannt. Auch aus der US 2006 /0048811 AI, der US 8 350 208 Bl und der WO 2013/067969 AI sind optische Bauelemente bekannt. Empfängerbausteine, welche Mehrfachsolarzellen umfassen, sind aus der US 2011 / 0 005 570 AI und der DE 40 05 835 AI bekannt. Ferner sind aus der US 4 127 862, der US 6 239 354 Bl, der DE 10 2010 001 420 AI, aus Nader M . Kalkhoran, et al, "Cobalt disilicide intercell ohmic contacts for multijunction photovoltaic energy Converters", Appl. Phys. Lett. 64, 1980 ( 1994) und aus A. Bett et al, "III-V Solar cells under monochro- matic Illumination", Photovoltaic Specialists Conference, 2008, PVSC Ό8. 33rd IEEE, Seite 1-5, ISBN :978-l-4244-1640-0 skalierbare Spannungsquellen o- der auch Solarzellen aus III-V Materialien bekannt.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.

Die Aufgabe wird durch einen Empfängerbaustein mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. In dem Gegenstand der Erfindung wird ein Empfängerbaustein bereitgestellt, mit einer Anzahl IM zueinander in Serie geschalteter als Halbleiterdioden ausgebildete Teilspannungsquellen, sodass die Anzahl N der Teilspannungsquellen eine Quellenspannung erzeugen. Jeder der Teilspannungsquellen weist eine Halbleiterdiode mit einen p-n Übergang auf, wobei die Halbleiterdiode eine p-dotierte Absorptionsschicht aufweist. Die p-Absorptionsschicht ist von einer p-dotierten Passivierungs- schicht mit einer größeren Bandlücke als die Bandlücke der p- Absorptionsschicht passiviert.

Die Halbleiterdiode weist eine n-Absorptionsschicht auf, wobei die n- Absorptionsschicht von einer n-dotierten Passivierungsschicht mit einer größeren Bandlücke als die Bandlücke der n-Absorptionsschicht passiviert ist.

Die Teilquellenspannungen der einzelnen Teilspannungsquellen weisen zueinander eine Abweichung kleiner als 20% auf. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Teilspannungsquellen ist eine Tunneldiode ausgebildet, wobei die Teilspannungsquellen und die Tunneldioden zusammen monolithisch integriert sind und gemeinsam einen ersten Stapel mit einer Oberseite und einer Unterseite ausbilden.

Die Anzahl N der Teilspannungsquellen ist größer gleich zwei und Licht trifft an der Oberseite des ersten Stapels auf die Oberfläche einer der Halbleiterdi- oden auf. Der erste Stapel weist auf der Oberfläche einen ersten elektrischen Kontakt und an der Unterseite einen zweiten elektrischen Kontakt auf.

Der erste Stapel weist eine Gesamtdicke kleiner als 12pm auf und ist auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, wobei das Halbleitersubstrat mit dem Stapel und einem Transistor monolithisch verbunden ist.

Der Steuereingang des Transistors ist mit einem der beiden elektrischen Kontakte verschaltet. Es versteht sich, dass bei einer Beleuchtung mit einem modulierten Licht der Empfängerbaustein eine modulierte Gleichspannung erzeugt. Es sei angemerkt, dass vorzugsweise die gesamte Oberseite der an der Oberseite des Stapels ausgebildeten Diode mit Licht bestrahlt ist. Auch versteht es sich, dass die der Lichtwellenlänge entsprechende Photonenenergie des Lichts we- nigstens größer oder gleich der Bandlückenenergie der Absorptionsschichten der Halbleiterdioden ist.

Es versteht sich des Weiteren, dass unter der Bezeichnung Licht mit einer be- stimmten Wellenlänge, insbesondere das Licht einer LED gemeint ist, und hierbei das Emissionsspektrum im Allgemeinen Gaußförmig ist und beispielsweise bei einer typischen 850 nm-LED eine Halbwertsbreite von 20-30 nm aufweist. Vorzugsweise ist der Empfängerbaustein nur in dem infraroten Bereich bei ca. 850nm absorbierend.

Es sei angemerkt, dass eingehende Untersuchungen in überraschender Weise zeigten, dass im Unterschied zu dem Stand der Technik, sich in vorteilhafter Weise mit dem vorliegenden monolithischen Stapelansatz Quellenspannungen oberhalb von 2V ergeben.

Es versteht sich, dass die Anzahl N der Teilspannungsquellen vorzugsweise unterhalb zehn liegt und dass sich die Höhe der Quellenspannung des ersten Stapels vorwiegend aus der Addition der Teilquellenspannungen bestimmt ist. Es sei angemerkt, dass der Empfängerbaustein keine Vielfach-Quanten-Topf Struktur aufweist. Es versteht sich, dass auch der Transistor keine Vielfach- Quanten-Topf Struktur aufweist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass sich durch die Hintereinanderschaltung von einer Vielzahl von Teilspannungsquellen eine Spannungsquelle mit Spannungswerten auch oberhalb von vier oder mehr Volt realisieren lässt und mittels eines monolithisch integrierten Aufbau eine einfache und kostengünstige sowie eine zuverlässige Spannungsquelle für die Stromversorgung des mit dem wenigstens einem Kontakt des Stapel ver- schalteten Transistor herstellen lässt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mittels der stapeiförmigen Anordnung im Vergleich zu der bisherigen lateralen Anordnung mit Siliziumdioden eine große Flächeneinsparung ergibt. Insbesondere muss von der Sendediode oder der Lichtquelle nur die wesentlich kleinere Empfangsfläche des ersten Stapels des Empfängerbausteins beleuchtet werden, um die Energie für die Versorgung des Transistors zu generieren. In einer Weiterbildung ist der Transistor auf der Oberfläche des ersten Stapels oder seitlich benachbart zu dem ersten Stapel angeordnet. Vorzugsweise ist der Transistor als laterales oder vertikales Bauteil ausgebildet. In einer anderen Weiterbildung ist der Transistor zwischen dem ersten Stapel und dem Substrat angeordnet.

In einer Ausführungsform ist zwischen dem Transistor und dem ersten Stapel ein Abstand ausgebildet. Vorzugsweise ist der Transistor als Teil einer integrierten Schaltung ausgebildet. In einer Weiterbildung entspricht die Größe der beleuchteten Oberfläche an der Stapeloberseite im Wesentlichen der Größe der Fläche des ersten Stapels an der Oberseite. In einer Weiterbildung weist der erste Stapel bei 300 K eine Quellenspannung von größer als 2,3 Volt auf, sofern der erste Stapel mit Licht mit einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt ist, und wobei in Lichtein- fallsrichtung von der Oberseite des ersten Stapels hin zu der Unterseite des Stapels die Gesamtdicke der p und n -Absorptionsschichten einer Halbleiterdiode von der obersten Diode hin zu der untersten Diode zunimmt.

In einer Ausführungsform weisen die Teilquellenspannungen der Teilspan- nungsqueilen des Empfängerbausteins zueinander eine Abweichung kleiner als 10% auf.

Vorzugsweise weisen die Halbleiterdioden des Empfängerbausteins jeweils das gleiche Halbleitermaterial auf. Unter dem Begriff der gleichen Halbleiter- materialen sind diejenigen Halbleiter-Verbindungen umfasst, welche die gleichen Elemente aufweisen. Es versteht sich, dass hierbei die gleichen Halbleiter-Verbindungen auch unterschiedliche Stöchiometrien und verschiedene Dotierstoffe enthalten können. In einer Weiterbildung weist der erste Stapel eine Grundfläche kleiner als 2 mm ² oder kleiner als 1 mm ² auf. In einer anderen Weiterbildung ist auf der Oberseite des ersten Stapels ein erster Kontakt als ein umlaufender Metallkontakt in der Nähe des Randes oder als eine einzelne Kontaktfläche an dem Rand ausgebildet. Vorzugsweise ist der zweite Kontakt durch das Substrat ausgebildet.

In einer Weiterbildung weist der Empfängerbaustein einen zweiten Stapel auf. Der erste Stapel und der zweite Stapel sind nebeneinander auf dem Substrat angeordnet. Die beiden Stapel sind miteinander in Serie verschaltet, so dass sich die Quellenspannung des ersten Stapels und die Quellenspannung des zweiten Stapels addieren.

In einer Ausführungsform ist bei wenigstens einer der Halbleiterdioden zwi- sehen der p Absorptionsschicht und der n-Absorptionsschicht eine intrinsische Schicht ausgebildet. Vorzugsweise bestehen das Halbleitermaterial der Halbleiterdioden und des Transistors und / oder das Substrat des Empfängerbausteins aus III-V Materialien. Höchst vorzugsweise umfasst oder besteht das Substrat des Empfängerbausteins Germanium oder Galliumarsenid.

In einer anderen Weiterbildung umfassen die Halbleiterschichten des Stapels des Empfängerbausteins gleichzeitig Arsenid-haltige Schichten und Phosphid- haltige Schichten. In einer Ausführungsform weist die Spannungsquelle in der Nähe der Unterseite der Stapel des Empfängerbausteins einen umlaufenden, absatzförmigen Rand auf. Einen derartigen Rand lässt sich auch als Stufe bezeichnen.

Vorzugsweise weist die Tunneldiode zwischen den Halbleiterdioden mehrere Halbleiterschichten mit einer höheren Bandlücke als die Bandlücke der p / n Absorptionsschichten der Halbleiterdioden auf. Die Halbleiterschichten mit der höheren Bandlücke bestehen jeweils aus einem Material mit geänderter Stö- chiometrie und / oder anderer Elementzusammensetzung als die p / n - Absorptionsschichten der Halbleiterdiode. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

Figur 1 einen Empfängerbaustein integriert mit einem Senderbaustein in einem Gehäuse als Optokoppler,

Figur 2 eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer ersten

Ausführungsform,

Figur 3 eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer zweiten

Ausführungsform,

Figur 4 eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer dritten

Ausführungsform,

Figur 5 eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer vierten

Ausführungsform,

Figur 6 ein detaillierter Aufbau des ersten Stapels der Empfangseinheit EM mit einer skalierbarer Spannungsquelle in einem gehäusten Optokoppler,

Figur 7 eine zweite Ausführungsform eines Optokopplers mit einer skalierbaren Spannungsquelle mit mehreren Stapeln.

Figur 8 eine Ausführungsform des Stapels ST1 mit insgesamt fünf

Dioden mit unterschiedlicher Dicke des Absorptionsgebiets, Figur 9 einen Stapel mit einer umlaufenden absatzförmigen Stufe,

Die Abbildung der Figur 1 zeigt einen Empfängerbaustein EM integriert mit einem Senderbaustein S in einem Gehäuse als Optokoppler OPK. Der Sender- baustein S weist zwei elektrische Anschlüsse zum Anlegen der Versorgungsspannung VS auf.

Die Empfängerbaustein EM weist einen ersten Stapel STl mit einer Oberfläche OB und einen Transistor T auf. Das Licht L der Sendeeinheit S trifft in na- hezu vertikaler Richtung auf die Oberfläche OB des ersten Stapels STl auf.

Der erste Stapel STl weist eine Vielzahl von in Serie verschalteten Dioden auf - nicht dargestellt - und ist als skalierbare Spannungsquelle VQ ausgeführt. Der erste Stapel STl ist mit dem Transistor T mittels einer ersten Lei- tung LV1 verschaltet. Es versteht sich, dass sich der Begriff der„Skalierbarkeit" auf die Höhe der Quellenspannung des gesamten ersten Stapels STl bezieht. Es versteht sich, dass der Optokoppler OPK vorliegend gehäust ist, d.h. die genannten Bauelemente in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.

In der Abbildung der Figur 2 ist eine detaillierte Darstellung der Empfangseinheit EM in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Figur 1 erläutert. Auf einem vorzugsweise aus Ge bestehenden Substrat SUB ist der erste Stapel STl angeordnet. Unmittelbar auf der Oberfläche OB des ersten Stapels STl ist der Transistor T angeordnet. Vorliegend weist der als bipolares vertikales Bauelement ausgebildeter Transistor T einen Emitter E und eine Basis B und einen Kollektor C auf. Es versteht sich, dass zu dem Emitter E, zu der Basis B und zu dem Kollektor C des Transistors T jeweils auch eine entsprechend dotierte Halbleiterschicht zugeordnet ist. Vorliegend ist die Basis B oberhalb des Emitters E und unterhalb des Kollektors C angeordnet. Zwischen dem Kollektor C und der Basis B ist eine Stufe ausgebildet, d.h. die Basisschicht ist für die Kontaktierung freigeätzt. Der Emitter E ist stoffschlüssig auf der Oberfläche OB des ersten Stapels ST1 angeordnet. Der Kollektor C an der Oberseite des Transistors T und die Oberfläche OB des ersten Stapels ST1, d.h. ein erster Kontakt der Spannungs- quelle VQ, werden nach außen geführt. Die mit einem positiven Potential beaufschlagte Basis B des Transistors T ist mit der Substratschicht SUB, d.h. mit einem zweiten Kontakt der Spannungsquelle VQ, mittels einer zweiten Leitung LV2 verschaltet. Für die Kontaktierung weist die Substratschicht SUB einen Absatz STU auf.

Die Substratschicht SUB und der erste Stapel ST1 und der Transistor T bilden eine stapeiförmige monolithische Anordnung aus.

Die Figur 3 zeigt eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer zweiten Ausführungsform. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Figur 2 erläutert.

Der unmittelbar auf der Oberfläche OB des ersten Stapels ST1 angeordnete Transistors T ist als laterales MOS Bauelement mit einer Source S und einem Gate G und einem Drain D ausgebildet. Die mit einem negativen Potential beaufschlagte Source S der Oberseite des Transistors T ist mit der Oberfläche OB des ersten Stapels ST1, d.h. mit dem ersten Kontakt der Spannungsquelle VQ, mittels der ersten Leitung LV1 verschaltet. Das mit einem positiven Potential beaufschlagte Gate G des Transistors T ist mit der Substratschicht SUB, d.h. mit dem zweiten Kontakt der Spannungsquelle VQ, mittels einer zweiten Leitung LV2 verschaltet.

Die Figur 4 zeigt eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer dritten Ausführungsform. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Figur 3 erläutert.

Das mit einem negativen Potential beaufschlagte Gate G der Oberseite des Transistors T ist mit der Oberfläche OB des ersten Stapels ST1, d.h. mit dem ersten Kontakt der Spannungsquelle VQ, mittels der ersten Leitung LV1 ver- schaltet. Die mit einem positiven Potential beaufschlagte Source S des Transistors T ist mit der Substratschicht SUB, d.h. mit dem zweiten Kontakt der Spannungsquelle VQ, mittels einer zweiten Leitung LV2 verschaltet. Die Figur 5 zeigt eine Darstellung der Empfangseinheit EM in einer vierten Ausführungsform. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den Figuren 3 und 4 erläutert.

Auf der Substratschicht SUB sind neben dem ersten Transistor T ein weiterer lateraler MOS Substrat-Transistor TSUB ausgebildet.

Die MOS-Transistoren sind neben oder unterhalb des ersten Stapels ST1 ausgebildet. Das Gate G des Transistors T ist mit der Leitung LV1 mit der Oberfläche des ersten Stapels ST1 und mit dem Gate G des Substrat Transistors TSUB verschaltet. Die Source S des Transistors T ist mit der Leitung LV2 mit der Drain D des Substrat Transistors TSUB verschaltet. Die Source S des Substrat Transistors T ist mit einer Leitung LV3 mit der Drain D des weiteren Transistors TW verschaltet. Die Figur 6 zeigt einen detaillierten Aufbau des ersten Stapels der Empfangseinheit EM mit der skalierbaren Spannungsquelle VQ in einem gehäusten Optokoppler OPK. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den vorangegangenen Figuren erläutert. Die Spannungsquelle VQ weist den ersten Stapel ST1 mit einer Oberseite und einer Unterseite mit einer Anzahl N gleich drei Dioden auf. Der erste Stapel ST1 weist eine Serienschaltung aus einer ersten Diode Dl und einer ersten Tunneldiode Tl und einer zweiten Diode D2 und einer zweiten Tunneldiode T2 und einer dritten Diode D3 auf. An der Oberseite des ersten Stapel ST1 ist ein erster Spannungsanschluss VSUP1 und an der Unterseite des ersten Stapel ST1 ein zweiter Spannungsanschluss VSUP2 ausgebildet. Die Quellenspannung setzt sich vorliegend im Wesentlichen aus den Teilspannungen der einzelnen Diode Dl bis D3 zusammen. Hierzu ist der erste Stapel ST1 einem Photonenstrom L von einer Sendediode SD der Sen- deeinheit S mittels eines Umlenkspiegels SP ausgesetzt. Sofern die Sendediode SD einen modulierten Photonenstrom aussendet, wird in dem ersten Stapel STl die Quellenspannung VQ1 des ersten Stapels STl ebenfalls moduliert.

Der erste Stapel STl, umfassend die Dioden Dl bis D3 und die Tunneldioden Tl und T2, ist als monolithisch ausgebildeter Block ausgeführt. Der Transistor T ist mit den beiden Spannungsanschlüssen VSUPl und VSUP2 verschaltet. Es versteht sich, dass die Sendeeinheit S und die Empfangsein- heit EM jeweils zwei voneinander galvanisch getrennte Anschlüsse aufweisen.

Die Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Optokopplers der Figur 6 mit einer vorteilhaften Aneinanderreihung von dem ersten Stapel STl und einem zweiten Stapel ST2. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der Figur 6 erläutert. Der zweite Stapel ST2 weist wie der erste Stapel STl eine Serienschaltung aus drei Dioden mit dazwischen ausgebildeten Tunneldioden auf. Beide Stapel STl und ST2 sind miteinander in Serie verschaltet, sodass sich die Quellenspannung VQ1 des ersten Stapels STl und die Quellenspannung VQ2 des zweiten Stapel ST2 addieren, sofern die beiden Stapel STl und ST2 dem Photonenstrom L der Sendediode SD ausgesetzt sind. Vorliegend ist aus Gründen der Übersichtlichkeit der Transistor T nicht dargestellt. Der erste Spannungsanschluss VSUPl und der zweite Spannungsanschluss VSUP2 und der dritte Spannungsanschluss VSUP 3 lassen sich in vorteilhafter Weise mit einer nicht dargestellten Transistorschaltung verbinden und sind vorliegend zusätzlich nach außen geführt.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform weisen die beiden Stapel STl und ST2 zueinander eine unterschiedliche Anzahl von jeweils in einer Serienschaltung verbundenen Dioden auf. In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform weist wenigstens der erste Stapel STl und / oder der zweite Stapel ST2 mehr als drei in einer Serienschaltung verbundene Dioden auf. Hierdurch lässt sich die Spannungshöhe der Spannungsquelle VQ ska- lieren. Vorzugsweise liegt die Anzahl N in einem Bereich zwischen vier und acht.

In der Abbildung der Figur 8 ist eine Ausführungsform einer vorteilhaften Aneinanderreihung von Halbleiterschichten zu dem ersten Stapel STl dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der Figur 6 erläutert. Der erste Stapel STl umfasst insgesamt fünf in Reihe geschaltete als Dioden Dl bis D5 ausgebildete Teilspannungsquellen. Auf die Oberfläche OB der ersten Diode Dl trifft das Licht L auf. Die Oberfläche OB wird nahezu oder vollständig ausgeleuchtet. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dioden D1-D5 ist jeweils eine Tunneldiode T1-T4 ausgebildet. Mit zunehmender Entfernung der einzelnen Diode Dl bis D5 von der Oberfläche OB steigt die Dicke des Absorptionsgebiets, so dass die unterste Diode D5 das dickste Absorptionsgebiet aufweist. Insgesamt beträgt die Gesamtdicke des ersten Stapels STl kleiner gleich 12 μιη. Unterhalb der untersten Diode D5 ist ein Substrat SUB ausgebildet.

In der Abbildung der Figur 9 ist eine Ausführungsform einer vorteilhaften Aneinanderreihung von Halbleiterschichten zu dem ersten Stapel STl darge- stellt mit einer umlaufenden absatzförmigen Stufe. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der vorangegangenen Figuren erläutert. Auf der Oberfläche OB des ersten Stapels STl ist an dem Rand R ein erster metallischer Anschlusskontakt Kl ausgebildet. Der erste Anschlusskontakt Kl ist mit dem ersten Spannungsanschluss VSUP1 verschaltet - nicht dargestellt. Das Substrat SUB weist eine Oberseite OS auf, wobei die Oberseite OS des Substrats SUB stoffschlüssig mit der untersten, d.h. der fünften Diode D5 verbunden ist. Hierbei versteht es sich, dass auf dem Substrat eine dünne Nukleationsschicht und eine Pufferschicht epitaktisch erzeugt wird, bevor auf dem Substrat die fünfte Diode angeordnet wird und stoffschlüssig mit der Oberseite OS des Substrats verbunden wird. Die Oberseite OS des Substrats SUB weist eine größere Oberfläche als die Fläche an der Unterseite des ersten Stapels STl auf. Hierdurch bildet sich eine umlaufende Stufe STU aus. An der Unterseite des Substrats SUB ist ein zweiter ganzflächiger metallischer Kontakt K2 ausgebildet. Der zweite An- schlusskontakt K2 ist mit dem zweiten Spannungsanschluss VSUP2 verschaltet - nicht dargestellt.