CN116057413A - 光电子半导体器件，光电子半导体设备，用于运行光电子半导体器件的方法和生物传感器 - Google Patents

光电子半导体器件，光电子半导体设备，用于运行光电子半导体器件的方法和生物传感器 Download PDF

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Abstract

一种光电子半导体器件(10)，其具有半导体层堆(109)，在所述半导体层堆中，表面发射激光二极管(103)以及光电探测器(105)竖直地上下相叠地设置。光电子半导体器件(10)此外也具有电流源(149)，所述电流源适合于改变注入到表面发射激光二极管中的电流强度，由此发射波长可改变。

Description

光电子半导体器件，光电子半导体设备，用于运行光电子半导 体器件的方法和生物传感器
技术领域
LIDAR(“Light Detection and Ranging，激光雷达”)系统，尤其FMCW-LIDAR系统(“frequency modulated continuous wave”-调频连续波-LIDAR系统)越来越多地在交通工具中使用，例如用于自动驾驶。例如，其用于测量间距或识别对象。为了可以可靠地识别较远距离的物体，需要具有对应高的功率的激光光源。
背景技术
一般尝试，改进现有的LIDAR系统。
此外，还致力于研发新型的光学传感器。
发明内容
本发明基于如下目的，提供用于在LIDAR系统中应用的改进的光电子半导体器件以及改进的光电子半导体设备。此外，本发明基于如下目的，提供改进的生物传感器。
根据实施方式，所述目的通过独立权利要求的主题来实现。有利的改进方案在从属权利要求中限定。
光电子半导体器件包括半导体层堆，在所述半导体层堆中，表面发射激光二极管以及光电探测器竖直地上下相叠地设置。
例如，表面发射激光二极管的有源区的至少一个半导体层和光电探测器的至少一个半导体层可以源于相同的材料体系。例如，有源区和光电探测器的至少一个半导体层可以具有元素一致的连接半导体层。例如，有源区以及光电探测器的至少一个半导体层可以具有GaAs或含GaAs的化合物半导体层。根据其他实施方式，有源区以及光电探测器的至少一个半导体层可以具有InP、GaN或含InP或含GaN的化合物半导体层。
光电子半导体器件还可以具有波导，所述波导适合于将由物体反射的电磁辐射引向光电探测器。例如，波导可以是单模波导。以这种方式，由表面发射激光二极管发射的电磁辐射的以及由物体反射的辐射的波前可以特别好地定向。在相应的波前定向时，有益于电磁辐射的叠加从而混合。
光电子半导体器件还可以具有封装部，其中表面发射激光二极管适合于经由封装部发射电磁辐射，并且光电探测器适合于探测反射的电磁辐射。
根据实施方式，表面发射激光二极管具有多个竖直地上下相叠地堆叠的激光元件。
根据实施方式，光电子半导体器件还具有电流源，所述电流源适合于改变注入到表面发射激光二极管中的电流强度，由此发射波长可改变。
光电子半导体器件可以附加地包含评估装置，所述评估装置适合于从光电探测器的探测信号确定关于在光电子半导体器件和物体之间的间距改变的信息，所述物体反射了由竖直地发射的激光二极管发射的电磁辐射。
例如，探测信号是周期性信号，从所述周期性信号可确定在由表面发射激光二极管发射的电磁辐射的频率和由物体反射的电磁辐射的频率之间的差。
根据实施方式，光电子半导体设备包括衬底以及多个在衬底之上设置的图像元件，所述图像元件分别包括半导体层堆。半导体层堆分别具有表面发射激光二极管以及光电探测器，其竖直地上下相叠地设置。
光电子半导体设备还包括波导的布置，所述波导适合于将由物体反射的电磁辐射分别引向光电探测器。例如，波导可以是单模波导。
例如，表面发射激光二极管分别具有多个竖直地上下相叠地堆叠的激光元件。
光电子半导体设备还包括电流源，所述电流源适合于改变注入到表面发射激光二极管中的至少一个表面发射激光二极管中的电流强度，由此发射波长可改变。例如，电流源可以适合于为两个不同的表面发射激光二极管分别注入不同的电流强度。根据实施方式，电流源可以适合于同时操控多个图像元件的表面发射激光二极管。
根据实施方式，光电子半导体设备还包括评估装置，所述评估装置适合于从光电探测器的探测信号确定关于在光电子半导体设备和物体之间的间距或相对速度的信息，所述物体反射了由竖直地发射的激光二极管发射的电磁辐射。
根据实施方式，探测信号是周期性信号，从所述周期性信号可确定在由表面发射激光二极管发射的电磁辐射的频率和由物体反射的电磁辐射的频率之间的差。
根据实施方式，光电子半导体设备还包括光学元件，所述光学元件适合于将由一些图像元件发射的电磁辐射的方向转向。
用于运行光电子半导体器件的方法包括将随时间改变的电流注入到表面发射激光二极管中，由此发射频率随时间改变的电磁辐射。所述方法还包括证实流过光电探测器的光电流并且确定在反射电磁辐射的物体和光电子半导体器件之间的间距的改变，由此确定探测信号。
用于运行光电子半导体设备的方法包括将随时间改变的电流同时注入到图像元件的多个表面发射激光二极管中，由此通过图像元件分别发射频率随时间改变的电磁辐射。所述方法还包括证实穿过图像元件的光电探测器的光电流并且确定在反射电磁辐射的物体和光电子半导体设备之间的方位关系或方位关系的改变，由此确定探测信号。
例如，探测信号是周期性信号，从所述周期性信号可确定在由表面发射激光二极管发射的电磁辐射的频率和由物体反射的电磁辐射的频率之间的差。
例如，在表面发射激光二极管中的至少两个表面发射激光二极管中可以注入分别不同的电流。
其他实施方式涉及具有上文所描述的光电子半导体器件的生物传感器。
其他实施方式涉及具有上文所描述的光电子半导体设备的LIDAR系统。
附图说明
附图用于理解本发明的实施例。附图图解说明实施例并且结合说明书用于阐述实施例。其他实施例和大量有意的优点直接从下面的细节描述中得出。在附图中示出的元件和结构不一定彼此符合比例地示出。相同的附图标记指示相同的或彼此对应的元件和结构。
图1A示出根据实施方式的光电子半导体器件的示意横截面视图。
图1B示出根据其他实施方式的光电子半导体器件的横截面视图。
图2A图解说明根据实施方式的光电子半导体器件在运行中的布置。
图2B图解说明在使用根据实施方式的光电子半导体器件的情况下的测量布置。
图3A和3B图解说明光电子半导体器件的其他改型。
图4A和4B示出光电子半导体器件的其他实施方式。
图5A图解说明根据实施方式的光电子半导体设备的运行。
图5B图解说明根据实施方式的光电子半导体设备的其他元件。
图5C图解说明根据实施方式的光电子半导体设备的其他元件。
图6A和6B图解说明在光电子半导体设备运行时的波前的变化曲线。
图7A示出根据实施方式的光电子半导体设备的示意横截面视图。
图7B示出根据其他实施方式的光电子半导体设备的示意横截面视图。
图7C示出根据其他实施方式的光电子半导体设备的示意横截面视图。
图8示出根据其他实施方式的光电子半导体设备。
图9A概括根据实施方式的用于运行光电子半导体器件的方法。
图9B概括根据实施方式的用于运行光电子半导体设备的方法。
具体实施方式
在下面的细节描述中参考附图，所述附图形成公开的一部分，并且在所述附图中为了图解说明而示出特定的实施例。在该上下文中，方向术语，例如“上侧”、“底部”、“前侧”、“后侧”、“上方”、“上”、“前”、“后”、“前方”、“后方”等涉及刚刚描述的附图的定向。因为实施例的组件能够在不同取向中定位，所以方向术语仅用于阐述并且绝不是限制性的。
实施例的描述不是限制性的，因为也存在其他实施例并且可以进行结构上的或逻辑上的变化，而在此不脱离通过权利要求所限定的范围。尤其，下面所描述的实施例的元件可以与其他所描述的实施例的元件组合，只要从上下文中没有得出其他内容。
在下面的描述中使用的表述“晶片”或“半导体衬底”可以包括所有基于半导体的结构，所述结构具有半导体表面。晶片和结构应理解为，其包含掺杂的和未掺杂的半导体、外延的半导体层，必要时由底座底板承载，和其他半导体结构。例如，由第一半导体材料构成的层可以在由第二半导体材料构成的生长衬底，例如GaAs衬底、GaN衬底或Si衬底上或由绝缘材料构成的生长衬底上，例如在蓝宝石衬底上生长。
根据应用目的，半导体可以基于直接的或间接的半导体材料。特别适合于产生电磁辐射的半导体材料的实例尤其包括：氮化物半导体化合物，通过所述氮化物半导体化合物例如可以产生紫外的、蓝色的或较长波长的光，例如GaN、InGaN、AlN、AlGaN、AlGaInN、AlGaInBN；磷化物半导体化合物，通过所述磷化物半导体化合物例如可以产生绿色的或较长波长的光，例如GaAsP、AlGaInP、GaP、AlGaP；以及其他半导体材料，如GaAs、AlGaAs、InGaAs、AlInGaAs、SiC、ZnSe、ZnO、Ga2O3、金刚石、六角BN和所述材料的组合。化合物半导体材料的化学计量关系可以改变。半导体材料的其他实例可以包括硅、硅锗和锗。在本说明书的上下文中，表述“半导体”也包含有机半导体材料。
表述“衬底”一般包括绝缘的、导电的或半导体衬底。
如在本文中使用的表述“竖直”应当描述基本上垂直于衬底或半导体本体的第一表面伸展的取向。竖直方向例如可以对应于在层生长时的生长方向。
如在本文中使用的表述“横向”和“水平”应当描述基本上平行于衬底或半导体本体的第一表面伸展的取向或定向。这例如可以是晶片或芯片(裸片)的表面。
水平方向例如可以位于垂直于在层生长时的生长方向的平面中。
在本说明书的上下文中，表述“电连接”表示在连接的元件之间的低欧姆的电连接。电连接的元件不一定必须直接彼此连接。其他元件可以设置在电连接的元件之间。
表述“电连接”也包括在连接的元件之间的隧道接触。
图1A示出根据实施方式的光电子半导体器件的示意横截面视图。光电子半导体器件10包括半导体层堆109，在所述半导体层堆中，表面发射激光二极管103以及光电探测器105竖直地上下相叠地设置。
一般而言，根据所有在此所描述的实施方式，表述“光电探测器”表示用于电磁辐射的普遍的探测设备。探测设备例如可以包含半导体材料。根据实施方式，光电探测器可以包含半导体材料。例如，光电探测器可以包括具有pn结的光电二极管、金属-绝缘体-金属结构、金属-半导体-金属结构、隧道结、肖特基结构或光导设备。例如，光电探测器在适当地选择极性时可以具有非线性的电流-电压特征曲线。
表面发射激光二极管是VCSEL(“Vertical Cavity Surface Emitting Laser(垂直腔面发射激光器)”)。所述表面发射激光二极管包括第一谐振镜110、第二谐振镜120和用于产生射束的有源区125。表面发射激光二极管具有光学谐振器，所述光学谐振器在第一和第二谐振镜110、120之间构成。光学谐振器沿竖直方向延伸。
第一和第二谐振镜110、120可以分别构成为DBR层堆(“distributed braggreflector(分布式布拉格反射器)”)并且具有多个交错的不同折射率的薄层。薄层可以分别由半导体材料或也由介电材料构造。例如，层可以交替地具有高折射率(在使用半导体材料时：n＞3.1，在使用介电材料时：n＞1.7)和低折射率(在使用半导体材料时：n＜3.1，在使用介电材料时：n＜1.7)。例如，层厚度可以为λ/4或多倍的λ/4，其中λ说明要反射的光在对应的介质中的波长。第一或第二谐振镜例如可以具有2至50个单层。各个层的典型的层厚度可以为大约30nm至150nm，例如为50nm。层堆还可以包含一个或两个或更多个层，所述层比大约180nm更厚，例如比200nm更厚。
第一谐振镜110可以包含第一导电类型、例如p型的半导体层。第二谐振镜120可以包含第二导电类型、例如n型的半导体层。根据其他实施方式，第一和/或第二谐振镜110、120可以由介电层构造。在此情况下，在第一谐振镜110和有源区125之间可以设置有第一导电类型的半导体层。此外，第二导电类型的半导体层可以设置在第二谐振镜120和有源区125之间。
有源区125例如可以具有pn结、双异质结构、单量子系统结构(SQW，singlequantum well)或多量子系统结构(MQW，multi quantum well)用于产生辐射。名称“量子系统结构”在此没有详细说明关于量子化的维度的意义。因此，该名称没有限制地包括量子阱、量子线和量子点以及这些层的任意组合。例如，有源区125的材料可以包含GaAs。根据其他实施方式，有源区的材料可以包含GaN或InP。
表面发射激光二极管103还可以具有孔径光圈115，所述孔径光圈设置在半导体层堆109中。孔径光圈115例如可以设置成邻接于有源区125。孔径光圈115例如是绝缘的并且对通过电流进而载流子到孔径光圈115的围边部分之间的区域上的注入进行限制。
第一谐振镜110例如在衬底100之上构成。第一谐振镜110例如可以经由第一接触元件130和可选地经由衬底100接触。例如，第一接触元件130可以设置在衬底100的背离第一谐振镜110的侧上。通过将电流经由第一接触元件130和第二接触元件135注入，可以引起激光发射。第二接触元件能够以与第二谐振镜120电接触的方式构成。
通过调制注入的电流强度，可以调制发射的电磁辐射的波长。例如，调制装置140可以包含电流源149。调制装置140可以适合于对注入的电流进行调制，例如在数μA的范围内。由于对注入的电流强度的调制，得出对载流子密度的调制，这造成在光学谐振器中的折射率的改变。作为结果，波长移动。此外，通过提高的载流子密度引起温度升高，所述温度升高同样造成发射波长的改变。对应地，发射波长可以在MHz至GHz范围内调制。
半导体层堆109还具有光电探测器105的层。例如光电探测器105可以实现为二极管并且具有第一导电类型、例如p型的第一半导体层112，和第二导电类型、例如n型的第二半导体层111。根据其他实施方式，光电探测器105可以通过如上文所讨论的任意其他适合的设备来实现。第一半导体层112可以与第一接触层114连接。第二半导体层111可以与第二接触层116连接。测量装置141适合于，经由第一探测器接触元件118和第二探测器接触元件117确定光电流。第一探测器接触元件118与第一接触层114连接。第二探测器接触元件117与第二接触层116连接。根据实施方式，调制装置140和测量装置141的信号输送给评估装置142。所述评估装置适合于从信号推导出期望的信息。这在下文中参照图2A和2B再更详细地阐述。
表面发射激光二极管103和光电探测器105竖直地上下相叠堆叠。也就是说，激光二极管103例如可以设置在光电探测器105之上或之下，其中表述“之上”和“之下”参照层生长方向。
由于光电探测器105的第一和第二半导体层112、111的相对薄的层厚度，由表面发射激光二极管103发射的电磁辐射的仅一部分通过光电探测器105吸收。例如，第一和第二半导体层可以总共具有小于1μm，例如大约200nm的层厚度。如果光电探测器包括隧道二极管或肖特基接触部，则所述光电探测器可以总共具有小于大约200nm，例如50nm至100nm的层厚度。
图1A示出由表面激光二极管发射的射束16。发射的射束16的一部分在内部反射并且是内部反射的射束18。图1A还图解说明由物体(在图1A中未示出)反射的射束17。发射的射束16的由物体(未示出)反射的部分作为反射的射束17回到光电子半导体器件10中。
图1B示出光电子半导体器件的示意横截面视图，其中表面发射激光二极管103包括多个激光元件122。
在第一谐振镜110和第二谐振镜120之间设置有多个单个的激光元件122。各个激光元件122经由隧道结彼此连接。
因此，半导体层堆109具有多个有源区125，所述有源区例如经由隧道结127彼此连接。以这种方式，半导体层堆109可以具有多于三个，例如大致六个或多于六个激光元件122。激光元件122还可以具有第一和第二导电类型的适合的半导体层，所述半导体层分别邻接于有源区125并且与所述有源区连接。
隧道结127可以分别具有p++掺杂的层以及n++掺杂的层的序列，经由所述序列可以分别将各个激光元件122彼此连接。p++和n++掺杂的层沿截止方向与相关的激光元件122连接。根据实施方式，激光元件122的各个半导体层的层厚度安排为，使得隧道结127例如设置在产生的驻波的节点处。以这种方式，表面发射激光二极管103的发射波长可以稳定。通过将多个激光元件122上下相叠地堆叠，可以实现发射的激光束的更高的功率密度进而较小的线宽。第一和第二导电类型的非常高掺杂的层以及可选的中间层的序列是隧道二极管。通过使用所述隧道二极管可以将相应的激光元件122串联连接。
图2A示出在使用所描述的光电子半导体器件10的情况下的示意的测量布置。由光电子半导体器件10发射的激光束16射入到物体15上。由物体15反射的射束17，例如经由适合的光学元件148，再次引向光电子半导体器件10。然而，根据光电子半导体器件的设计方案，也可以弃用光学元件148。在适当地耦合输入到光电子半导体器件中时，反射的射束17与内部反射的射束叠加进而混合，所述内部反射的射束在光电子半导体器件10之内反射。叠加的信号随后可以通过光电探测器105探测。从中能够如下面再详述那样确定两个叠加的信号的频率差。如在图1A中所示出的，由表面发射激光器103发射的激光束的一部分可以在半导体层堆109之内的层处反射进而构成反射的射束18。内部反射的射束18与反射的射束17的叠加例如可以在射束的相应的波前刚好叠加时进行。此外，可以满足相干性条件。由于表面发射激光二极管是单模激光二极管并且可以在唯一的激光模式中运行，所以也可以发生叠加，而不满足相干性条件。例如，因为表面发射激光二极管是单模激光二极管，所以可以实现发送的和接收的波前的尽可能好的叠加。例如，表面发射激光二极管的线宽可以处于MHz范围内。例如，表面发射激光二极管103的输出功率可以小于10mW。
如果多个激光元件122上下相叠地堆叠，则线宽可以小于1MHz。功率可以——与上下相叠地堆叠的激光元件122的数量相关地——处于50mW和100mW之间的范围中。
调制装置140可以包含电流源149。调制装置设为对发射的光的波长进行调制。例如，频率移动可以通过幅值调制，即对电流强度的调制进行。
物体15可以例如是人或其他生物。通过使用光电子半导体器件10例如能够确定人的脉搏。根据其他实施方式，也可以确定血液的流速或其他流动特性。因此，根据实施方式，光电子半导体器件10是生物传感器。例如，光电子半导体器件10可以集成到手表中。
图2B示意地图解说明本发明所基于的测量原理的实施方式。测量原理对应于FMCW-LIDAR系统。如所描述的那样，由表面发射激光二极管103发射的激光束16通过物体15反射并且作为反射的射束17进入到光电探测器105中。反射的射束17与内部反射的射束18叠加。射束17例如与射束18是相干的并且可以与所述射束相位准确地叠加。内部反射的射束18是LO(“局部振荡器”)频率fLO。反射的射束17的频率由于在物体处反射时得出的渡越时间差而延迟并且对应于频率fa。在fa和fLO之间的差是用于物体15的距离和运动的量值。例如，从所述差可以确定人的脉搏。也就是说，通过测量构造可确定在fa和fLO之间的差。反射的射束17与内部反射的射束18相干地叠加。叠加的射束通过光电探测器105探测。在此，确定内部反射的射束18和反射的射束17的频率差。光电探测器105是混合器的可能的实现方案。混合信号可以如下示出：
Figure BDA0004111878050000091
因此，由光电探测器105探测的信号是周期性信号，其频率对应于fa和fLO的差。由光电探测器105探测的信号通过测量装置141检测并且随后输送给评估装置142。必要时，可以将调制装置140的信号输送给评估装置142。调制装置140的信号描绘通过电流源149注入的电流强度的调制的时间变化曲线进而描绘由表面发射激光二极管103发射的电磁辐射的频率的调制的时间变化曲线。
确定信号的频率从而fa和fLO的差。fa和fLO例如可以处于MHz范围中。
假设反射的射束17与沿相同方向伸展的射束叠加，可以发生相位准确的叠加，因为发出的光的信号部分总是在层堆之内反射。因为所描述的测量方法是非常灵敏的，所以当发射的辐射的仅一小部分被内部反射时，也可以进行测量。在图1A中示出的光电子半导体器件因此能够探测物体15的非常小的间距改变。作为结果例如可以测量生物的脉搏。由表面发射激光二极管103发射的光信号在几mW的功率和处于MHz范围中的线宽的情况下能克服数十m的量级的距离并且引起在μm范围中的分辨率。例如，表面发射激光二极管103的直径可以小于10μm。
图3A示出在使用附加的准直透镜108的情况下的所描述的光电子器件10的布置。图3A附加地图解说明波前的视图，其中106示出发射的射束16的波前并且107示出反射的射束17的波前。原则上可以假设，发射的射束的波前106首先是平坦的。此外，可以假设，反射的射束17的波前在光电混合器或探测器中是平坦的。
图3B图解说明在不使用准直透镜108的情况下的光电子半导体器件10的布置。一般可以假设，尤其在距要探测的物体15的间距短(＜10m)的情况下，可以弃用准直透镜108。
根据其他实施方式，光电子半导体器件10可以附加地具有波导104，例如玻璃纤维。波导设置在表面发射激光二极管103和物体15之间。由于波导，可以确保反射的射束17的更好的耦合输入和与内部反射的射束18的更好的叠加。
此外，光电探测器105不一定必须设置在表面发射激光二极管103和物体15之间。根据其他实施方式，表面发射激光二极管103也可以设置在光电探测器105和物体15之间。
由于发生频率混合的事实，当反射的射束17与内部反射的射束18相干地叠加时，可以排除，由其他人或从更大角度反射的信号与内部反射的信号18叠加。尤其，波前不彼此经过。以这种方式可以发生自动的空间滤波。
根据其他实施方式，光电子半导体器件10可以附加地具有封装部102。这例如在图4B中图解说明。图4B示出表面发射激光二极管103和光电探测器105，其上下相叠地设置。例如，光电探测器105可以背离表面发射激光二极管103的发射表面，然而或者设置在表面发射激光二极管103的发射表面上。封装部102的材料完全地包围由光电探测器105和表面发射激光二极管103构成的布置。封装部102的材料例如可以包括以下材料：硅树脂、环氧树脂或旋涂玻璃(SoG)。例如，发射的辐射17的一部分可以在封装部102的上侧反射并且用于混合。根据其他实施方式，所述信号也可以滤除或用作为绝对参考。
一般地，根据其他实施方式，两个光电探测器结构也可以上下相叠地设置。例如，如在图4B中所示出的，光电探测器105可以在表面发射激光二极管103之上以及之下设置。根据其他实施方式，两个光电探测器结构也可以直接上下相叠地堆叠。以这种方式可以将方程(1)中的直流电流分量消除。尤其，方程(1)中的(ia+iLO)项可以消除。如果光电探测器之间的相位波前(Phasenfronten)移动时，尤其可以进行所述内容。
因此，所描述的光电子半导体器件10是紧凑的生物传感器，其简单地构造并且具有高的灵敏度。生物传感器例如可以用于脉搏测量。在此不需要的是，生物传感器与人的皮肤接触。更确切地说，能够以高的精度在一些距离外确定人的脉搏或其他生命数据。尤其地，由于灵敏的探测方法，在使用所描述的光电子半导体器件的情况下可以确定间距的非常小(＜10μm)的改变。
在LIDAR应用中，与在参照图1至4所描述的实施方式中不同地，借助激光射束照射大面积的物体。这例如在使用各个激光源的情况下可以通过使用扫描单元进行。根据在下文中描述的实施方式，这然而也可以通过使用发射器阵列进行，通过所述发射器阵列可以大面积地照亮物体。
图5A示出光电子半导体设备12，其具有衬底100以及多个图像元件11，所述图像元件分别包括半导体层堆109。半导体层堆109分别具有表面发射激光二极管103以及光电探测器105，其竖直地上下相叠地设置。
图5A还图解说明在使用光电子半导体设备12的情况下的测量构造。如在图5A中所示出的，多个图像元件11在衬底100之上设置。衬底100例如可以是GaAs或InP衬底。每个单个的图像元件11例如可以具有在图5A的下部示出的构造。更准确地说，每个图像元件具有半导体层堆109，在所述半导体层堆中，表面发射激光二极管103和光电探测器105竖直地上下相叠地设置。因此，每个图像元件可以具有如上文参照图1A和1B所描述的构造。与每个单个的图像元件11可以附加地关联有波导104。例如，图像元件(11)可以具有小于20μm，例如小于15μm或11μm的直径。在相邻的图像元件之间的间距例如可以小于20μm，例如小于10μm。一般地，图像元件的数量可以为大于10×10个图像元件，例如直至大约1000×1000个图像元件。根据期望的分辨率，然而数量也可以是更大的。波导104也可以省去。
每个图像元件11发射单个光束，例如参照图1A或2A所阐述。多个发射的光束通过光学元件119扩展，以便照亮特定的视野20。光束以与参照图2A所示出的对应的方式射入到物体15上，并且产生反射的射束17。反射的射束17具有相对于发射的射束移动的频率。所述射束在使用光学元件119的情况下向回投射到图像元件11的布置上。由于存在分别与单个的图像元件11相关联的多个波导104，每个由单个的图像元件11发射的并且随后反射的光束17再次引向相关的图像元件11。以这种方式可以将反射的射束17与内部反射的射束18相干地叠加。
根据实施方式，表面发射激光二极管103可以是单模激光。此外，波导104分别可以是单模波导。
因此，每个图像元件11包括表面发射激光二极管103和光电探测器105。发出的波(局部振荡器)在此与在光电探测器105中接收的信号混合，如参照图2B所讨论的那样。例如，单个的图像元件11可以被单独地操控。作为结果，每个单个的表面发射激光二极管103例如能够在略微不同的波长处发射。此外，单个的表面发射激光二极管103不是彼此相干的。以这种方式并且必要时也由于相邻的激光二极管103的略微不同的发射波长，可以避免串扰。例如可以防止，图像元件的光电探测器105探测混合信号，所述混合信号在使用由相邻的图像元件发射的激光束的情况下产生。
以与在上文中参照图1A和2A所阐述的类似的方式，单个的表面发射激光二极管103的频率可以通过改变电流强度来调制。
图5A还示出操控装置143，所述操控装置适合于操控图像元件11的布置的每个表面发射激光二极管103。操控装置143可以具有调制装置140，所述调制装置又包含电流源149。例如，在使用操控装置143的情况下可以个体地设定注入到每个表面发射激光二极管103中的电流强度。此外，操控装置143可以适合于同时操控图像元件11的布置的至少两个、例如所有表面发射激光二极管103。以这种方式，同时照亮更大的视场20，并且可以在不使用扫描和偏转单元的情况下执行测量过程。
图5A还示出测量装置141以及评估装置142，其具有如参照图2A和2B所阐述的功能。测量装置141可以探测由相关的光电探测器105接收的混合信号。此外，评估装置142适合于从接收的信号和调制装置140的信号分别确定差fLO-fa，从中例如可以确定物体15的速度和间距。
通过调制装置140、测量装置141以及评估装置142可以操控每个单个的图像元件，并且评估由每个单个的图像元件11接收的信号。调制装置140可以构成为，使得同时操控多个图像元件11。
例如，调制装置140、测量装置141以及评估装置142或其部分可以在衬底100中构成。此外，其组件或部分可以在单独的半导体芯片中设置，所述半导体芯片与衬底100连接。
表面发射激光二极管103例如可以如在图1A或1B中示出的那样构造。如果表面发射激光二极管103包括多个竖直地上下相叠地堆叠的激光元件，则由于光学谐振器的增大的长度能够实现较小的线宽并且作为结果实现更好的或更长的相干长度。例如，至少3个，例如5个或更多个激光元件122可以上下相叠地堆叠。
根据其他实施方式，可以在图像元件11的布置和波导104的布置之间设置有附加的光学元件，例如微透镜装置或球形透镜。根据其他实施方式，可以在单个的图像元件11上游连接光学装置，例如楔形的光学元件或光学微型元件123的布置。例如，可以设有楔形的光学元件或光学微型元件123，以便对光学波前的定向进行修正。一般地，光学元件可以在晶片级设置。光学装置例如可以是弯曲的。光学元件也可以构成为所谓的阵列光学装置，例如微透镜的布置。
具有楔形的光学元件或光学微型元件123的实施方式例如在图5B中图解说明。如在图5B中还图解说明的那样，在布置的中部的近轴的图像元件不配设有楔形的光学元件123。这归因于，在图像元件布置121的中央区域中不需要通过楔形的光学元件或光学微型元件123的附加的射束修正，如下面参照图6A和6B所阐述的。
图5C示出根据其他实施方式的在使用光电子半导体设备12的情况下的测量布置。如在图5C中所示出的，单个的图像元件不精确地平行于光学轴线101定向，而是在图像元件布置121的边缘处倾斜地定向。表述“光学轴线”在此涉及通过光学元件122、例如透镜的中点预设的光学轴线101。
图像元件11例如可以通过如下方式相对于光学轴线101倾斜，即相关的半导体层堆109分别倾斜地施加。这例如可以通过生长衬底弯曲的方式进行。根据其他实施方式，单个的图像元件11也可以在弯曲的衬底100上构成，由此得出弯曲部，使得例如尤其在图像元件布置的边缘区域中，各个层的主表面不垂直于光学轴线101伸展。
在单个的图像元件的这种布置中，也可以放弃波前的光学修正。朝向物体伸展的波前关于反射的波前是对称的。
图6A和6B图解说明楔形的光学元件或光学微型元件123用于离轴射束的波前的定向的效应。图6A图解说明由近轴的图像元件11发射的光束的波前144的走向。如可见的那样，发射的光束的波前144是平坦的。通过由透镜146成像分别得出球状的波前145。发射的光束在焦点147中聚焦。
图6B图解说明由离轴的图像元件发射的波前144的走向。与在图6A中所示出的不同地，这些光束倾斜地射到透镜146上。在由透镜146成像之后得出球状的波前145。光束同样在焦点147中聚焦。然而，射在焦点147中的波前分别倾斜于光学轴线111伸展。如果楔形的光学元件或光学微型元件123例如引入相关的图像元件11之前，则球状的波前145定向为，使得其平行于光学轴线111伸展。离轴射束因此通过楔形的光学元件或光学微型元件123定向。
因此，发生对波前的光学修正。朝向物体15运动的波前106关于由物体反射的波前107对称地伸展。
图7A图解说明根据实施方式的光电子半导体设备12的构造。在共同的衬底100之上设置有多个图像元件11。例如，图像元件11可以分别通过半导体层堆109的结构化来制造。每个图像元件具有表面发射激光二极管103以及光电探测器105。例如，每个图像元件11可以包括第一谐振镜110、第二谐振镜120以及一个或多个激光元件122，所述激光元件分别具有有源区125。表面发射激光二极管103可以如同例如在图1A或1B中所示出的那样构造。进行发射的激光二极管103例如能够是可经由第一接触元件130和第二接触元件135接触的。附加地，例如两个光电探测器105可以设置在表面发射激光二极管103的光发射表面之上。例如，第一光电探测器105可以具有第一导电类型的第一半导体层和第二导电类型的第二半导体层，如例如也参照图1A描述的。第一光电探测器105能够是可经由第一接触层114和第二接触层116接触的。附加地，第二光电探测器105可以具有相同的构造。第二光电探测器可以经由第二光电探测器的第一接触层124和第二光电探测器的第二接触层126连接。例如，第二光电探测器124的第一接触层可以与第一光电探测器的第二接触层连接。以这种方式，得出所谓的“Balanced Receiver Structure(平衡接收器结构)”。例如，在此情况下，在光电探测器之间的相位波前可以移动180°。以这种方式，例如可以从前述方程(1)中消除直流分量。尤其，可以从方程(1)中消除(ia+iLO)项。
图7B示出光电子半导体设备12的横截面视图，其中分别设有仅一个光电探测器105。
图7C示出另一实施方式，其中光电探测器105设置在衬底100和表面发射激光二极管103之间。在此情况下，光电探测器105设置在背离表面发射激光二极管103的发射表面的侧上。
图8图解说明根据其他实施方式的测量构造，其中通过如下方式可以产生附加的射束扩展，即使用射束偏转设备128。更准确地说，对于在例如图5B中图解说明的组件附加地，将射束偏转设备128引入到光路中。射束偏转设备128例如可以是LCPG(“LiquidCrystal Polarization Grating(液晶偏振光栅)”)。射束偏转设备128可以是可切换的。相应地，根据切换状态可以将部分射束放射到另一角区域中。以这种方式可以减少像素或图像元件11的数量并且仍然保持分辨率和帧速率。作为结果能进一步降低成本和复杂度。
如已描述的那样，通过光电子半导体设备或光电子半导体器件能实现成本适宜的简单的系统，所述系统可以在LIDAR系统中使用。由于根据实施方式表面发射激光二极管和光电探测器设置在半导体层堆中，表面发射激光二极管可以在可由光电探测器探测的波长范围内运行。例如，波长可以大于1000nm，使得例如可以减小对眼睛的危害。
图9A概括了根据实施方式的方法。用于运行如在上文中描述的光电子半导体器件的方法包括：将随时间改变的电流注入(S100)到表面发射激光二极管中，由此可以发射频率随时间改变的电磁辐射。所述方法还包括通过光电探测器探测(S110)光电流，由此得到探测信号，并且从探测信号确定(S120)在反射电磁辐射的物体和光电子半导体器件之间的间距的改变。
图9B概括了根据其他实施方式的方法。用于运行如在上文中描述的光电子半导体设备的方法包括将随时间改变的电流同时注入(S200)到图像元件的多个表面发射激光二极管中，由此通过图像元件分别发射频率随时间改变的电磁辐射。所述方法还包括通过图像元件的光电探测器探测(S210)光电流，由此得到探测信号，并且从探测信号确定(S220)在反射电磁辐射的物体和光电子半导体设备之间的方位关系或方位关系的改变。
例如，可以将电流同时注入到所有图像元件的表面发射激光二极管中。以这种方式同时照亮大的视野。根据其他实施方式，可以将电流也仅同时注入到表面发射激光二极管的一部分中。以这种方式，可以分别运行图像元件11的组。例如，可以将电流分别仅注入到每第二、第三、第四或第五个图像元件11中。以这种方式可以进一步抑制串扰。
根据实施方式，在至少两个表面发射激光二极管中可以注入分别不同的电流。以这种方式可以避免在相邻的图像元件之间的串扰。
尽管在本文中图解说明和描述了特定的实施方式，本领域技术人员认识到，示出的和描述的特定的实施方式可以通过多个替选的和/或等效的设计方案取代，而不偏离本发明的保护范围。本申请应当覆盖在本文中所讨论的特定的实施方式的所有调整或变型。因此，本发明仅通过权利要求及其等效方案限制。
附图标记列表
10光电子半导体器件
11图像元件
12光电子半导体设备
15物体
16发射的射束
17反射的射束
18内部反射的射束
19要探测的射束
20视野
100衬底
101光学轴线
102封装部
103表面发射激光二极管
104波导
105光电探测器
106波前(发射的射束)
107波前(反射的射束)
108准直透镜
109半导体层堆
110第一谐振镜
111第二半导体层
112第一半导体层
113绝缘层
114第一接触层
115孔径光圈
116第二接触层
117第二探测器接触元件
118第一探测器接触元件
119光学元件
120第二谐振镜
121图像元件布置
122激光元件
123光学微型元件
124第二光电探测器的第一接触层
125有源区
126第一光电探测器的第二接触层
127隧道结
128射束偏转设备
129部分射束
130第一接触元件
135第二接触元件
140调制装置
141测量装置
142评估装置
143操控装置
144平面的波前
145球形的波前
146透镜
147焦点
148镜
149电流源

Claims (22)

1.一种光电子半导体器件(10)，具有：
半导体层堆(109)，在所述半导体层堆中，表面发射激光二极管(103)以及光电探测器(105)竖直地上下相叠地设置，和
电流源(149)，所述电流源适合于改变注入到所述表面发射激光二极管(103)中的电流强度，由此能够改变发射波长。
2.根据权利要求1所述的光电子半导体器件(10)，
其中所述表面发射激光二极管(103)的有源区(125)的至少一个半导体层和所述光电探测器(105)的至少一个半导体层源于相同的材料体系。
3.根据权利要求1或2所述的光电子半导体器件(10)，还具有波导(104)，所述波导适合于将由物体(15)反射的电磁辐射(17)引向所述光电探测器(105)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光电子半导体器件(10)，还具有封装部(102)，其中所述表面发射激光二极管(103)适合于将电磁辐射(16)经由所述封装部(102)发射。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光电子半导体器件(10)，其中所述表面发射激光二极管(103)具有多个竖直地上下相叠地堆叠的激光元件(122)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光电子半导体器件(10)，还具有评估装置(142)，所述评估装置适合于从所述光电探测器(105)的探测信号确定关于在所述光电子半导体器件(10)和物体(15)之间的间距改变的信息，所述物体反射了由所述表面发射激光二极管(103)发射的电磁辐射(16)。
7.根据权利要求6所述的光电子半导体器件，
其中所述探测信号是周期性信号，从所述周期性信号能够确定在由所述表面发射激光二极管(103)发射的电磁辐射(16)的频率和由所述物体反射的电磁辐射(17)的频率之间的差。
8.一种光电子半导体设备(12)，具有：
衬底(100)，
多个在所述衬底(100)之上设置的图像元件(11)，所述图像元件分别包括半导体层堆(109)，以及
电流源(149)，
其中所述半导体层堆(109)分别具有表面发射激光二极管(103)以及光电探测器(105)，所述表面发射激光二极管和光电探测器竖直地上下相叠地设置，并且所述电流源(149)适合于改变注入到所述表面发射激光二极管(103)中的至少一个表面发射激光二极管中的电流强度，由此能够改变发射波长。
9.根据权利要求8所述的光电子半导体设备(12)，还具有波导(104)的布置，所述波导适合于将由物体(15)反射的电磁辐射(17)分别引向所述光电探测器(105)中的一个光电探测器。
10.根据权利要求8或9所述的光电子半导体设备(12)，
其中所述表面发射激光二极管(103)分别具有多个竖直地上下相叠地堆叠的激光元件(122)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的光电子半导体设备(12)，
其中所述电流源(149)适合于为两个不同的表面发射激光二极管(103)分别注入不同的电流强度。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的光电子半导体设备(12)，
其中所述电流源(149)适合于同时操控大量图像元件(11)的多个表面发射激光二极管(103)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的光电子半导体设备(12)，还具有评估装置(142)，所述评估装置适合于从所述光电探测器(105)的探测信号确定关于在所述光电子半导体设备(12)和物体(15)之间的间距或相对速度的信息，所述物体反射了由所述表面发射激光二极管(103)发射的电磁辐射(16)。
14.根据权利要求13所述的光电子半导体设备，
其中所述探测信号是周期性信号，从所述周期性信号能够确定在由所述表面发射激光二极管(103)发射的电磁辐射(16)的频率和由所述物体反射的电磁辐射(17)的频率之间的差。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的光电子半导体设备(12)，还具有光学元件(119)，所述光学元件适合于将由所述图像元件(11)中的一些图像元件发射的电磁辐射(16)的方向转向。
16.根据权利要求8至14中任一项所述的光电子半导体设备(12)，还具有光学微型元件(123)的布置，所述光学微型元件适合于将由物体(15)反射的电磁辐射(17)分别引向所述光电探测器(105)中的一个光电探测器。
17.一种用于运行根据权利要求1至7中任一项所述的光电子半导体器件(10)的方法，具有以下步骤：
将随时间改变的电流注入(S100)到所述表面发射激光二极管(103)中，由此发射频率随时间改变的电磁辐射(16)；
通过所述光电探测器(105)探测(S110)光电流，由此得到探测信号；以及
从所述探测信号确定(S120)在反射所述电磁辐射(17)的物体(15)和所述光电子半导体器件(10)之间的间距的改变。
18.一种用于运行根据权利要求8至16中任一项所述的光电子半导体设备(12)的方法，具有以下步骤：
将随时间改变的电流同时注入(S200)到所述图像元件(11)的多个表面发射激光二极管(103)中，由此通过所述图像元件(11)分别发射频率随时间改变的电磁辐射(16)；
通过所述图像元件(11)的所述光电探测器(105)探测(S210)光电流，由此确定探测信号；以及
从所述探测信号确定(S220)在反射所述电磁辐射(17)的物体(15)和所述光电子半导体设备(12)之间的方位关系或所述方位关系的改变。
19.根据权利要求17或18所述的方法，
其中所述探测信号是周期性信号，从所述周期性信号能够确定在由所述表面发射激光二极管(103)发射的电磁辐射(16)的频率和由所述物体(15)反射的电磁辐射(17)的频率之间的差。
20.根据权利要求18或19所述的方法，
其中将各自不同的电流注入到所述表面发射激光二极管(103)中的至少两个表面发射激光二极管中。
21.一种生物传感器，具有根据权利要求1至7中任一项所述的光电子半导体器件(10)。
22.一种LIDAR系统，具有根据权利要求8至16中任一项所述的光电子半导体设备(12)。
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