CN118103986A - 光电器件 - Google Patents
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Abstract
详细说明了一种光电器件，该光电器件包括：‑发射器(1)，其被布置成发射电磁辐射(2)并且被配置成利用输入电压(UI)进行操作，‑接收器(3)，其被布置成接收电磁辐射(2)并且被配置成提供输出电压(UO)的至少一部分，其中，‑发射器(1)和接收器(3)彼此横向相邻地生长。
Description
在本文中详细说明了一种光电器件。
要解决的问题是详细说明一种可以被设计成特别紧凑的光电器件。
根据至少一个方面，光电器件包括发射器。发射器被配置成发射电磁辐射。例如，发射器可以是生成在红外辐射与紫外辐射之间的波长范围内的电磁辐射的器件。特别地，发射器可以被配置成在操作期间生成在从至少350nm到最多1600nm的波长范围内的电磁辐射。此外，发射器适于利用输入电压进行操作。例如，光电器件包括两个或更多个彼此并联连接的发射器。一个或多个发射器被配置成利用输入电压进行操作。
根据光电器件的至少一个方面，光电器件包括接收器。
接收器被配置成接收发射器的电磁辐射并提供光电器件的输出电压的一部分。具体而言，接收器被配置成接收由发射器在操作期间发射的电磁辐射，并且将其至少部分地转换成电能。特别地，可以以使得接收器对由发射器生成的电磁辐射具有特别高的吸收的方式将接收器调谐到发射器。
根据光电器件的至少一个方面，发射器和接收器彼此横向相邻地生长。特别是，发射器和接收器同时生长。也就是说，在横向方向上，两个元件例如并排布置。横向方向例如平行于发射器的有源区域和/或接收器的有源区的主延伸区域。具体地说，发射器和接收器是沿着生长方向外延生长至公共生长衬底上的半导体器件，该公共生长衬底用作发射器和接收器的载体。那么，横向方向例如垂直于生长方向，而生长方向平行于竖直方向。
生长衬底可以存在于器件中，或者生长衬底被移除并且例如被不同种类的载体替换。例如，发射器和接收器经由载体彼此物理连接。例如，发射器和接收器可能彼此直接物理接触，并且例如通过公共层或层序列结合。
根据光电器件的至少一个方面，光电器件包括：
-发射器，其被配置成发射电磁辐射并被配置成利用输入电压进行操作，
-接收器，其被配置成接收电磁辐射并被配置成提供输出电压的至少一部分，其中
-发射器和接收器彼此横向相邻地生长。
根据光电器件的至少一个方面，接收器包括至少一个光电二极管。光电二极管可以包括半导体本体，该半导体本体具有至少一个有源或检测区，至少一个有源或检测区被配置成吸收在操作期间由发射器生成的电磁辐射并将其转换成电能。光电二极管可以例如以与发射器相同的材料系统来形成。特别地，接收器可以包括可以串联或并联连接在一起的多个光电二极管。
在本文中描述的光电器件尤其基于以下考虑。
许多应用，例如在声学、波束控制技术例如MEMS、致动器、检测器例如雪崩光电二极管、单光子雪崩二极管或光电倍增器中的应用都需要功耗相对低的高压供应。这样的应用可能需要超过50V、100V、500V、1000V、2000V、10000V以及更多的电压，同时在尺寸、重量、成本和功耗方面保持小的器件占用。这些特性对于诸如AR/VR眼镜、可穿戴入耳式耳机和汽车应用的移动设备尤为重要。
对于占用小的高压发生器要解决的另一个问题是低压路径和高压路径的连接，这两个路径应电分离，以确保器件在诸如温度、湿度、灰尘的变化的环境条件下的功能可靠性和长期稳定性。
在此描述的光电器件可以有利地用作光学电压转换器。此外，通过本文中描述的光电器件，还可以将发射器侧的高电压转换成接收器侧的低电压。此外，通过本器件，可以将AC电压变换成DC电压，反之亦然。最后，本器件还可以在不改变电压的情况下将电隔离的功率从发射器侧传输至接收器侧。
因此，在此描述的光电器件可以形成例如变压器，该变压器可以在没有电感元件的情况下，特别是在没有线圈的情况下行动。一方面，与传统变压器相比，这使安装空间特别小，并且另一方面，在变换期间不生成磁场或仅生成小的磁场。这也排除了来自外部磁场和/或电场的任何影响。因此，光电器件可以用于磁干扰将至关重要或经受强外部磁场的区域中。同时，光电器件中的光功率传输确保了高压侧和低压侧的电隔离。
在此描述的器件的另一构思是将半导体光发射器和接收器(即光电二极管或光伏电池)组合，以实现从低电压到高电压的转换。为此，在器件的低压侧，一个或更多个并联连接的发射器发射光。发射的光的波长可以在350nm与1600nm之间，这取决于所使用的半导体材料，例如：In(Ga)N、In(Ga)AlP、(Al)GaAs、(In)GaAs。典型输入电压是1V、3V、5V、8V、10V或在其之间。
在与低压侧电隔离的高压侧上，串联连接的接收器(例如在光伏模式下操作的光电二极管)收集发射的光。取决于所使用的材料，例如Si、InGaAs、GaAs、InGaN或钙钛矿，光电二极管生成大约0.5V至3V的电压和取决于入射光的强度的电流。通过使用多结光电二极管，可以增加单个光电二极管堆的输出。通过使用大量的光电二极管，所有这些光电二极管都可以在非常小的晶片规模上串联连接，这些各个电压合计为高的总电压，该总电压可以超过10V、50V、100V、500V、1000V或10000V。
总的来说，本器件能够在特别紧凑的部件中传输能量和/或转换电压。因此，光电器件对诸如温度波动或电磁场的外部影响不敏感。
作为另一个优点，由于发射器和接收器彼此横向相邻地生长的事实，因此在器件的发射器侧与器件的接收器侧之间不存在光学对准问题。此外，由于接收器和发射器可以已经通过公共载体连接，因此可以轻松完成器件的封装。
根据光电器件的至少一个方面，发射器包括被配置成产生电磁辐射的有源区域，并且接收器包括被配置成接收电磁辐射的有源区，其中有源区域和有源区具有相同的组成。有源区和有源区域可以具有相同的组成的事实可能是由于发射器和接收器彼此横向相邻地生长的事实。因此，有可能在相同的生长条件下同时生长发射器和接收器。
因此，彼此横向相邻地生长的发射器的有源区域和接收器的有源区也可能具有相似的组成。例如，发射器的有源区的组成和/或接收器的有源区域的组成可以在生长之后通过注入材料或其他技术来改变，这例如导致有源区域或有源区中的量子阱混合。因此，在这种情况下，有源区域和有源区不再具有相同的组成，而是具有相似的组成。
此外，可以通过“选择性区域生长”来生长有源区和有源区域。在这种情况下，有源区域和有源区生长在不同的介电掩蔽区域中。利用这种技术，可以设置有源区和有源区域的不同带隙和/或厚度。
根据光电器件的至少一个方面，该器件包括载体，其中发射器和接收器横向间隔开地布置在载体上。如上面所解释的，载体可以至少部分地由用于发射器和接收器的生长衬底形成。然而，载体也可能是不同的元件，例如电路板，例如，诸如印刷电路板。利用这样的载体，可以电连接发射器和接收器并相应地操作它们。为此目的，载体还可以包括用于驱动发射器和接收器的开关和/或控制器。
发射器和接收器例如以使得有源区域和有源区布置在公共平面中的方式横向间隔开地布置在载体上。即使发射器和接收器彼此横向间隔开地布置，它们也可能不仅通过载体，而且还通过器件的其他元件彼此机械互连。
根据光电器件的至少一个方面，发射器是被配置成在横向方向上发射电磁辐射的边缘发射半导体芯片，并且接收器被配置成从横向方向接收电磁辐射。横向方向与上面说明的横向方向在同一平面内。
在本上下文中，边缘发射半导体芯片被理解为是辐射发射部件，其横向于、特别是垂直于芯片的侧表面或侧面发射在操作期间生成的电磁辐射。然后，电磁辐射例如通过侧表面或侧面发射。特别地，边缘发射半导体芯片可以是包括外延生长的半导体本体的半导体器件。特别地，那么在操作期间发射电磁辐射的方向可以倾斜于或垂直于半导体本体的生长方向。例如，半导体本体可以基于半导体材料，例如In(Ga)N、In(Ga)AlP、(Al)GaAs、(In)GaAs。
边缘发射半导体芯片可以是例如发光二极管或激光二极管，特别是超发光二极管或边缘发射半导体激光器。
因此，发射器也可以从两侧例如通过在边缘发射半导体芯片中彼此相对布置的两个侧面或侧表面发射电磁辐射。
根据光电器件的至少一个方面，发射器的有源区域和接收器的有源区彼此相邻，并且发射器的有源区域和接收器的有源区互连。
在这种情况下，彼此横向相邻地生长的发射器和接收器在生长期间和之后并不完全彼此分离，而是它们至少在它们各自的有源区域或有源区处保持互连。这样，有可能电磁辐射可以通过将它们互连的元件从有源区域引导至有源区。这样，有源区域和有源区形成针对电磁辐射的波导。由此，有可能例如电磁辐射可以非常有效地从发射器耦合至接收器中。因此，也有可能一个以上的接收器通过有源区域和有源区光学耦合至同一发射器。
在发射器与接收器之间的连接是由于在生长期间或之后没有被移除的发射器和接收器的元件的情况下，有源区和有源区域可以彼此单片集成。也就是说，它们在相同的生长工艺中一起生长，并且不是在它们制造之后而是在它们制造期间彼此互连。
根据光电器件的至少一个方面，发射器是被配置成在竖直方向上发射电磁辐射的表面发射半导体芯片，并且接收器被配置成从竖直方向接收电磁辐射。
在本上下文中，表面发射半导体芯片被理解为是指辐射发射部件，该辐射发射部件横向于、特别是垂直于在其上安装有辐射发射部件的安装表面发射在操作期间生成的电磁辐射。特别地，表面发射半导体芯片可以是包括外延生长的半导体本体的半导体器件。特别地，那么在操作期间发射电磁辐射的方向可以平行于半导体本体的生长方向。例如，半导体本体可以基于半导体材料，例如In(Ga)N、In(Ga)AlP、(Al)GaAs、(In)GaAs。
表面发射半导体芯片可以是例如发光二极管或激光二极管，特别是超发光二极管或VCSEL。
根据光电器件的至少一个方面，存在光学系统，该光学系统将电磁辐射从发射器定向或引导至接收器。例如，光学系统包括一个或更多个光学元件，例如反射和/或漫射和/或衍射光学器件。光学系统在竖直方向上布置在发射器的下游。例如，从发射器发射的电磁辐射沿着发射器的顶表面被引导并引导至接收器的顶表面中，在接收器的顶表面电磁辐射被吸收。
根据光电器件的至少一个方面，光学系统集成到用于发射器和接收器的灌封体中，或者光学系统是灌封体的一部分。根据该方面，发射器和接收器例如在未被载体覆盖、被用电绝缘材料形成的灌封体覆盖的表面处。这种电绝缘材料对于电磁辐射是透明的。例如，灌封体包括硅树脂材料、环氧树脂材料或玻璃材料，例如旋涂玻璃。灌封材料为发射器和接收器形成了机械和化学保护，防止外部影响。例如，光学系统包括光学元件，这些光学元件由灌封体的镜像外表面形成，或者灌封体的外表面被配置成用于电磁辐射的全内反射。
根据光电器件的至少一个方面，该器件包括彼此串联连接的多个接收器和/或彼此并联连接的多个发射器。也就是说，例如相同组成的多个接收器和/或例如相同组成的多个发射器彼此横向相邻地生长，并且例如布置在公共载体上。因此，例如有可能将一个发射器分配给多个接收器，其中“被分配”意味着由该发射器产生的电磁辐射被耦合至分配的接收器中并被分配的接收器吸收。
利用这种器件，有可能例如器件的输入电压低于输出电压。然后，光学器件可以用于将较低的电压变换成较高的电压。
根据光电器件的至少一个方面，该器件还包括用于接收器的旁路二极管，其中该旁路二极管反向并联连接至接收器。例如，这种旁路二极管可以用于分流未被照射的接收器。这样，不工作或不操作的接收器不会因变成反向偏置而损坏，而是电流可以流过反向并联连接的旁路二极管。
根据光电器件的至少一个方面，旁路二极管和接收器彼此物理连接。因此，例如，有可能旁路二极管和接收器可以彼此单片集成或彼此接合。在此，单片集成意味着旁路二极管可以外延生长至接收器上。此外，有可能旁路二极管和接收器彼此横向相邻地生长。这样，两个元件例如在横向方向上并排布置。
在这种情况下，旁路二极管和接收器是沿着生长方向外延生长至公共生长衬底上的半导体器件，该公共生长衬底用作发射器和接收器的载体。
在下文中，借助于示例性实施方式和相关联的附图更详细地解释在本文中描述的光电器件。
关于图1A、图1B、图1C、图2、图3、图4、图5A、图5B、图6A和图6B的示意图，更详细地说明了在本文中描述的光电器件的实施方式。
在示例性实施方式和附图中，相似或作用相似的组成部分被设置有相同的附图标记。附图中示出的元件及其彼此之间的尺寸关系不应被认为是真实的比例。相反，为了更好的可表示性和/或为了更好的理解，可以用夸大的尺寸来表示各个元件。
图1A示出了在此描述的器件的实施方式的示意顶视图。图1B和图1C示出了相应的截面图。
在图1A至图1C的实施方式中，光电器件包括发射器1，发射器1被布置成发射电磁辐射2并被配置成利用输入电压UI进行操作。为此，该器件例如包括彼此并联连接的三个发射器1。
光电器件还包括接收器3，接收器3被布置成接收电磁辐射2并被配置成提供输出电压的至少一部分。为此，该器件例如包括彼此串联连接的三个接收器3。
例如，每个发射器1包括用于电连接发射器的第一接触件11、第二接触件12和产生电磁辐射2的有源区域13。发射器还包括第一掺杂区域15和第二掺杂区域16，在它们之间布置有有源区域。图1A至图1C的实施方式的发射器1例如是边缘发射激光芯片。
与发射器1相邻布置并与发射器1横向间隔开的接收器3包括例如第一接触件31、第二接触件32和用于吸收电磁辐射2的有源区33，有源区33布置在第一掺杂区35与第二掺杂区36之间。
发射器1和接收器3布置在载体4上，该载体4可以是例如电路板，光电器件的部件通过该电路板可以电接触和被控制。
发射器1和接收器3例如可以至少部分地被电绝缘灌封体6围绕，该灌封体6形成对发射器1和接收器3的化学和机械保护。在该实施方式中，彼此分配的发射器1和接收器3彼此相邻，并且发射器1的有源区域13和接收器3的有源区33互连。为此，例如，在发射器1与接收器3之间至少部分移除掺杂区和掺杂区域。
如例如从图1C中变得清楚的是，接收器通过电连接7串联连接，该电连接7将接收器3的第二接触件32与邻近接收器3的第一接触件31连接。电连接7可以嵌入在灌封体6中，并且由该灌封体进行电保护和化学保护以免受外部影响。
在图1A至图1C的实施方式中，发射器1和分配的接收器3通过它们的有源区域和有源区连接。然而，也可以在发射器1与接收器3之间的整个材料上蚀刻凹槽，并且因此将这两个器件彼此分离。在每种情况下，发射器1与接收器3之间的至少部分分离减小了接收器3处的高输入电压对发射器的影响。例如，发射器1可以是分布式反馈激光器或分布式布拉格反射器激光器，这些激光器用于调整电磁辐射2的发射波长以实现接收器3中的最佳吸收。
图2的示意截面图示出了在此描述的光电器件的实施方式，其中与图1A至图1C的实施方式相比，附加的一行接收器布置在第一行接收器之后，并且其他行接收器3布置在发射器1的背离第一行接收器3的一侧。在这种情况下，每个发射器例如将其辐射耦合至四个接收器中，这四个接收器可以全部彼此串联连接。利用这种布置，可以达到更高的输出电压。此外，以同样的方式为每个发射器添加其他接收器也是可行的。
在所有实施方式中，发射器1和接收器3两者都可以是多结和可选的多波长器件，这允许更高的电压和/或更高的电流。
图3示出了在此描述的器件的示意截面图。该器件包括发射器1，发射器1包括表面发射半导体芯片。此外，该器件包括接收器3，该接收器3至少包括光电二极管。发射器1和接收器3布置在载体4的顶表面上。
发射器1包括远离载体4的顶表面定向的辐射出射表面。接收器3包括远离载体4定向的辐射入射面。
发射器1和接收器3被公共灌封体6围绕。灌封体6由透明材料形成，该透明材料对于发射器1中生成的电磁辐射2的波长是透明的。例如，电磁辐射2在至少350nm至最多1600nm的波长范围内。例如，灌封体6可以由环氧基材料或硅树脂基材料或玻璃基材料形成。灌封体6形成在发射器1和接收器3上，并且覆盖这些部件的未被载体4覆盖的表面。
灌封体6形成用于定向、引导和/或聚焦电磁辐射2的光学系统5。
在图3的实施方式中，光学系统5包括形成为反射表面的光学元件51。由发射器1发射的电磁辐射2首先被光学元件51反射，使得它平行于载体4的主延伸平面或覆盖表面。在另一光学元件51处的其他反射之后，电磁辐射2垂直于载体4的主延伸平面或覆盖表面行进，并且在接收器3的辐射入射侧照射在接收器3上。
输入电压UI被施加至发射器1。从接收器3获得输出电压UO。输入电压和输出电压可以相同或不同。因此，光电器件可以被设置成传输能量和/或转换电压。
电磁辐射2在光学元件51处的重定向可以例如通过全内反射来执行，或者灌封体6的外表面可以涂覆有反射材料，该反射材料被布置成反射电磁辐射2，例如来自红外范围的电磁辐射2。例如，光学元件51可以包括金或银的涂层。
结合图4的示意截面图，更详细地说明在此描述的器件的另一实施方式。
在图4的实施方式中，该器件包括多个接收器3，多个接收器3布置在载体4的顶表面上，例如围绕发射器1点对称地布置，发射器1包括例如单个表面发射半导体芯片。发射器1和接收器3被灌封体6围绕，灌封体6形成光学系统5，光学系统5具有辐射反射的光学元件51。光学元件51将发射器1中生成的电磁辐射2重定向至接收器3的辐射入射侧。在这种情况下，光学元件51例如形成为灌封体6中的锥形凹部，锥形的侧表面是反射性的。
结合图6A和图6B的示意图，讨论在此描述的光电器件的另一实施方式。在此，旁路二极管8被分配给器件的每个接收器3。旁路二极管8可以例如与接收器3单片集成或者其接合至接收器3。旁路二极管8包括由第一掺杂区85和第二掺杂区86形成的pn结，该pn结反向并联连接至接收器3的pn结，参见图6B。在接收器3没有被发射器1照射或者接收器3有缺陷的情况下，旁路二极管8可以将接收器3分流。例如，以这种方式，接收器3不会因变成反向偏置而损坏。
旁路二极管8与接收器3之间的连接可以例如由接收器3的接触件31和32建立，如图6B中所示。
对于在此描述的光电器件，还可能的是，所有发射器1被配置成可彼此独立地操作。也就是说，例如所有发射器1可以彼此独立地切换，使得每个发射器1可以操作或不操作。以这种方式，例如可以断开有缺陷发射器或控制光电器件的输出电压。
此外，所有接收器3可以被配置成可彼此独立地操作。也就是说，每个接收器3可以独立地切换成操作或不操作。因此，例如可以接通和断开成对的发射器1和接收器3，并且因此控制输入电压UI和输出电压UO。
本专利申请要求德国专利申请102021126769.2的优先权，其公开内容通过引用并入于此。
通过基于所述示例性实施方式的描述，本发明不限于示例性实施方式。相反，本发明包括任何新特征并且还包括特征的任何组合，其特别是包括专利权利要求中的特征的任何组合和示例性实施方式中的特征的任何组合，即使该特征或该组合本身没有在专利权利要求或示例性实施方式中明确说明。
附图标记
1发射器
11发射器的第一接触件
12发射器的第二接触件
13发射器的有源区域
15发射器的第一掺杂区域
16发射器的第二掺杂区域
2电磁辐射
3接收器
31接收器的第一接触件
32接收器的第二接触件
33接收器的有源区
35接收器的第一掺杂区
36接收器的第二掺杂区
4载体
5光学系统
51...56光学元件
6灌封体
7电连接
8旁路二极管
81旁路二极管的第一接触件
82旁路二极管的第二接触件
85旁路二极管的第一掺杂区
86旁路二极管的第二掺杂区
UI输入电压
UO输出电压
L横向方向
V竖直方向
Claims (13)
1.一种光电器件，包括：
-发射器(1)，其被配置成发射电磁辐射(2)并且被配置成利用输入电压(UI)进行操作，
-接收器(3)，其被配置成接收所述电磁辐射(2)并且被配置成提供输出电压(UO)的至少一部分，其中
-所述发射器(1)和所述接收器(3)彼此横向相邻地生长，
-所述发射器(1)的有源区域(13)和所述接收器(3)的有源区(33)彼此相邻，并且所述发射器(1)的有源区域(13)和所述接收器(3)的有源区(33)互连，并且所述有源区域(13)和所述有源区(33)形成针对所述电磁辐射(2)的波导，
和/或
-光学系统(5)，其将所述电磁辐射(2)从所述发射器(1)定向或引导至所述接收器(3)。
2.根据前述权利要求所述的光电器件，
其中，所述发射器(1)和所述接收器(3)同时生长。
3.根据前述权利要求之一所述的光电器件，
其中，所述发射器(1)包括被配置成产生所述电磁辐射(2)的有源区域(13)，并且所述接收器(3)包括被配置成接收所述电磁辐射(2)的有源区(33)，其中，所述有源区域(13)和所述有源区(33)具有相同的组成。
4.根据前述权利要求之一所述的光电器件，还包括载体(4)，其中，所述发射器(1)和所述接收器(3)横向间隔开地布置在所述载体(4)上。
5.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述发射器是被配置成在横向方向(L)上发射所述电磁辐射(2)的边缘发射半导体芯片，并且所述接收器(3)被配置成从所述横向方向(L)接收所述电磁辐射(2)。
6.根据前述权利要求所述的光电器件，
其中，所述有源区域(13)和所述有源区(33)彼此单片集成。
7.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述发射器是被配置成在竖直方向(V)上发射所述电磁辐射(2)的表面发射半导体芯片，并且所述接收器(3)被配置成从所述竖直方向(V)接收所述电磁辐射(2)。
8.根据前述权利要求所述的光电器件，
其中，所述光学系统(5)集成到用于所述发射器(1)和所述接收器(3)的灌封体(6)中，或者所述光学系统(5)是所述灌封体(6)的一部分。
9.根据前述权利要求之一所述的光电器件，还包括用于所述接收器(3)的旁路二极管(8)，其中，所述旁路二极管(8)反向并联连接至所述接收器(3)。
10.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，所述旁路二极管(8)和所述接收器(3)彼此物理连接。
11.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，所述旁路二极管(8)和所述接收器(3)彼此单片集成或彼此接合。
12.根据前述权利要求之一所述的光电器件，具有彼此串联连接的多个接收器(3)和/或彼此并联连接的多个发射器(3)。
13.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述输入电压(UI)低于所述输出电压(UO)。
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