CN118176593A - 光电器件 - Google Patents

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Abstract

详细说明了一种光电器件，所述器件包括：‑发射器(1)，其被配置成发射具有两个或更多个峰值波长(21，22，23)的电磁辐射(2)并且利用输入电压(UI)进行操作，‑接收器(3)，其被配置成接收电磁辐射(2)并且提供输出电压(UO)。

Description

光电器件
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。在光电器件包括两个或更多个发射器的情况下，发射器彼此并联连接。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，发射器被配置成发射具有两个或更多个峰值波长的电磁辐射。峰值波长是电磁辐射的辐射测量发射光谱具有最大值的波长。如果电磁辐射具有两个或更多个峰值波长，则辐射测量发射光谱具有两个或更多个局部最大值，其中每个最大值对应于峰值波长之一。为此，发射器例如具有两个或更多个有源区域，其中每个有源区域被配置成发射电磁辐射的一部分，其中每个峰值波长被分配给发射器的单个有源区域。
这样，每个有源区域被配置成发射具有峰值波长之一的电磁辐射。由发射器发射的电磁辐射是由有源区域发射的辐射的组合。
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至少一部分。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，光电器件包括：
-发射器，发射器被配置成发射具有两个或更多个峰值波长的电磁辐射，并且被配置成利用输入电压进行操作，以及
-接收器，接收器被配置成接收电磁辐射并且被配置成提供输出电压。
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组合(即包括光电二极管或光伏电池)，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，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。
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说明在本文中描述的光电器件。
根据光电器件的至少一个方面，有源区域彼此单片集成。也就是说，发射器例如包括外延生长的半导体本体。半导体本体包括有源区域，例如作为层序列或其他结构，例如纳米棒或纳米线。例如，有源区域在同一生长工艺期间一起生长，并且因此彼此单片集成。
根据光电器件的至少一个方面，峰值波长通过量子阱混合来设置。也就是说，例如在发射器和发射器的有源区域生长之后，量子阱混合用于获得不同的带隙，并且因此获得不同有源区域中的不同峰值波长。例如，可以通过由另一层(例如由介电层或金属层)进行的扩散、注入或施加应变来进行混合。
因此，不同组成的层(例如介电层)产生不同水平的应变，并且因此在有源区域中产生不同的波长。
通过量子阱混合来设置峰值波长具有这样的优点：产生包括简单的外延工艺，但是在同一晶片上产生多个峰值波长。此外，多个峰值波长不会使由发射器本身吸收，并且因此提高了发射效率。多个峰值波长还会导致在接收器侧的更高电流和更高电压。
根据光电器件的至少一个方面，有源区域在横向方向上彼此间隔开地布置。横向方向是例如平行于发射器的主延伸平面进行的方向。例如，有源区域沿着横向方向一个接一个地布置。此外，有可能有源区域布置在公共平面中的规则晶格的节点处。在这种情况下，有源区域在两个横向方向上彼此间隔开地布置。
根据光电器件的至少一个方面，每个有源区域由纳米线或纳米棒构成。也就是说，发射具有单一峰值波长的发射器的电磁辐射的一部分的有源区域由纳米线或纳米棒构成。
例如，纳米线或纳米棒可以在共同的生长表面上横向彼此间隔开地生长。这样，许多有源区域，例如1000个或更多个有源区域可以并入至一个发射器中。
根据光电器件的这个方面，多组有源区域可以发射具有相同峰值波长的电磁辐射，使得光电器件例如发射具有两个、三个或更多个峰值波长的电磁辐射，其中峰值波长的数量低于有源区域的数量。
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器件，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，边缘发射器件被理解为是辐射发射部件，其横向于、特别是垂直于器件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被发射。
特别地，边缘发射器件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。
边缘发射器件可以是例如发光二极管或激光二极管。
因此，发射器也有可能从两侧发射电磁辐射，例如通过在边缘发射器件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，发射器包括边缘发射器件，并且被配置成从两个相对侧发射电磁辐射，并且从每个侧照射接收器的另一部分。在这种情况下，接收器被分为至少两个部分。这两个部分可以彼此电连接，并且例如彼此串联连接。每个部分在发射器的不同侧布置在发射方向上的下游。由此，在光电器件的输出侧更高的电流和更高的电压是可能的。
根据光电器件的至少一个方面，发射器包括两个或更多个转换器，并且每个转换器被配置成发射具有不同峰值波长的电磁辐射。根据这一方面，由发射器发射的电磁辐射的不同峰值波长是由于转换器引起的。
这些转换器可以是例如量子点转换器、陶瓷转换器或者特别是纳米线或纳米棒。
在转换器是纳米线或纳米棒的情况下，这些纳米线或纳米棒可以例如接合或外延生长至发射器的发射表面上。在每种情况下，发射器包括产生初级辐射的有源区域，并且转换器将大部分或全部初级辐射转换成次级辐射。因此，不同类型的转换器转换成具有不同峰值波长的次级辐射。
根据光电器件的至少一个方面，接收器包括多个光电二极管。也就是说，接收器例如是光电二极管阵列，其可以在横向方向上彼此间隔开地布置。
在接收器包括两个或更多个部分的情况下，接收器的每个部分可以以使得其包括多个光电二极管的方式来形成。例如，接收器的各部分以相同的方式来形成，并且接收器的每个部分包括相同数量和相同种类的光电二极管。
根据这一方面，可以将不同的光电二极管调谐到由发射器发射的电磁辐射的不同峰值波长。也就是说，电磁辐射的吸收在相应的峰值波长处比在其他波长处更高。接收器包括不同类型的光电二极管，其中每个光电二极管的吸收对峰值波长之一最高。
根据光电器件的至少一个方面，所有光电二极管彼此串联连接。也就是说，接收器的所有光电二极管或接收器的一部分的所有光电二极管彼此串联连接。以这种方式，可以实现特别高的输出电压。
根据光电器件的至少一个方面，每个光电二极管包括两个或更多个有源区，其中每个有源区被调谐到峰值波长之一。每个光电二极管的有源区是电磁辐射被吸收并变换为电能的检测区。
每个光电二极管可能包括两个或更多个有源区，这些有源区例如在电磁辐射穿过光电二极管的方向上一个接一个地布置。至少一些或每个光电二极管的至少一些或所有有源区彼此串联电连接。当这样的光电二极管在电磁辐射首先照射的光电二极管的第一有源区中用电磁辐射照射时，峰值波长较小的电磁辐射被吸收。在随后的一个或多个有源区中，其他更高峰值波长的电磁辐射被吸收。因此，至少一些或每个光电二极管的有源区通过隧道结或通过透明导电氧化物(TCO)例如铟锡氧化物(ITO)彼此串联电连接。
这样，由发射器发射的电磁辐射可以由光电二极管有效地吸收并变换为电能。
根据光电器件的至少一个方面，器件的输入电压低于器件的输出电压。例如，输入电压在1V至5V的范围内，并且输出电压在500V、1000V或更高的范围内。
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说明在本文中描述的光电器件。
关于图1、图2、图3A、图3B、图3C、图4A、图4B、图5A、图5B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。
在这些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1以示意顶视图示出了在此描述的光电器件的实施方式。光电器件包括发射器1。发射器1被配置成发射具有两个峰值波长21、22的电磁辐射2。
发射器1包括有源区域13a、13b。发射器的每个有源区域13a、13b被配置成发射具有峰值波长21、22之一的电磁辐射。例如，第一有源区13a发射具有峰值波长21的电磁辐射，并且发射器的第二有源区域13b发射具有峰值波长22的电磁辐射。例如，由第二有源区域13b发射的峰值波长22低于由发射器1的第一有源区域13a发射的峰值波长21。发射器1可以包括发射具有其他峰值波长的电磁辐射的其他有源区域。
发射器1利用输入电压UI进行操作。
该器件还包括接收器3。接收器3适于接收电磁辐射并且提供输出电压UO。
发射器3包括彼此串联连接的多个光电二极管30。接收器3的每个光电二极管30包括两个有源区31、32。光电二极管30可以被设计成具有不同的有源区，使得在所有光电二极管中对光的吸收大致相等。
例如，有源区的面积从接收器3的中心到边缘增加。这样，接收器3的边缘处的光电二极管30比接收器3的中心附近的光电二极管30具有更大的有源区。这使得每个光电二极管的电流能够大致相等，即使对于不同光电二极管，到发射器的距离和入射光的角度不同。这改善了整个器件的效率。
第一有源区31被调谐以吸收具有峰值波长22的电磁辐射2，具有峰值波长22的电磁辐射2具有比具有峰值波长21的电磁辐射2更高的能量。每个光电二极管30的第二有源区32被调谐成吸收具有较低能量峰值波长21的电磁辐射2。
每个光电二极管30的有源区31、32彼此串联连接，并且所有光电二极管30彼此串联连接。
因此，如结合图1说明的光电器件具有多波长发射器1，其照射多结光电二极管阵列，该阵列在每个光电二极管30中生成更高的电压和更高的电流，如同单结光电二极管的情况一样。
结合图2的示意截面图，更详细地描述了在此描述的光电器件的另一实施方式。除了关于图1描述的实施方式之外，根据该实施方式，发射器从两个相对侧1a、1b发射电磁辐射2。
在每个侧，接收器3的一部分3a、3b布置在发射器1的发射方向的下游。为此，发射器1从两个侧1a、1b发射电磁辐射2。
接收器3的部分3a、3b各自包括多个多结光电二极管30。接收器3的两个部分3a、3b的所有光电二极管30彼此串联连接。由此，与图1中的实施方式相比，甚至更高的输出电压UO和更高的电流是可能的。
结合图3A和图3B的示意图示，更详细地描述在此描述的光电器件的另一实施方式。
图3A示出了实施方式的示意截面图，图3B示出了该实施方式的发射器1的示意顶视图。
在该实施方式中，发射器1包括有源区域13a、13b、13c，这些有源区域13a、13b、13c在横向方向L上彼此间隔开地布置。每个有源区域13a、13b、13c包括表面发射器件，例如，诸如VCSEL、LED、SLED(超发光LED)或另一表面发射器件。
有源区域13a、13b、13c布置在某一区域中，例如在规则晶格的节点处。
有源区域13a、13b、13c被配置成发射具有峰值波长21、22、23之一的电磁辐射。
接收器3由多个光电二极管30构成，其中每个光电二极管30包括有源区31、32、33，电磁辐射相应地在有源区31、32、33中被吸收。每个有源区被调谐到电磁辐射2的峰值波长之一。
图3C的图解说明示出了这种发射器1的具有电磁辐射2的峰值波长21、22、23的发射光谱。
如图1至图3的实施方式中所示的发射器1的有源区域可以彼此单片集成，例如通过在公共晶片中生长有源区域。有源区域的峰值波长可以通过量子阱混合来设置。为此，在有源区域生长之后，使用量子阱混合来获得不同的带隙，并且因此获得有源区域的彼此横向间隔开的峰值波长。
结合图4A和图4B，参照示意图示描述了在此描述的光电器件的另一实施方式。
图4A示出了实施方式的示意侧视图。图4B示出了实施方式的发射器1的示意顶视图。
在该实施方式中，有源纳米线或纳米棒(例如核壳纳米棒)用于形成发射器1的有源区域13a、13b。每个纳米线或纳米棒用作有源区域，其中例如每个有源区域的峰值波长由有源区域中的量子阱的厚度和/或例如铟的并入来设置。这些又取决于核的直径。
例如，通过用于限定外延生长区域的介电掩模中的成不同尺寸的开口，可以使不同线的直径不同。这允许有源区域的单片生长，其中在相同的生长工艺中建立不同的峰值波长。
同样，接收器3布置在发射方向的下游。例如，接收器3具有多个光电二极管30，每个光电二极管30包括被调谐到电磁辐射2的峰值波长21、22的有源区31、32。
如图4B中所示，纳米线或纳米棒可以布置在规则晶格的节点处。
结合图5A和图5B的示意图示，更详细地描述了在此描述的光电器件的另一实施方式。
图5A示出了实施方式的示意截面图。图5B示出了实施方式的发射器1的示意顶视图。
在该实施方式中，发射器1具有产生初级辐射的有源区域13，初级辐射由转换器14a至14c转换成具有峰值波长21、22、23的电磁辐射2。
例如，转换器由无源纳米线形成。然而，陶瓷或量子点转换器也是可行的。
经由转换器14a、14b、14c的光泵浦和激励，产生电磁辐射2。因此，发射器1包括LED、VCSEL或其他器件作为主光源。例如，转换器具有核壳组合物，并且包括诸如GaAs、GaN/AlGaAs、AlGaN的材料。纳米线材料之间的晶格失配导致每个转换器14a、14b、14c中的取决于直径的应变，并且因此导致允许不同峰值波长21、22、23的带隙偏移。这种取决于直径的峰值波长可以在一个生长工艺中设置。接收器包括多个光电二极管30，多个光电二极管30包括被调谐到峰值波长21、22、23之一的有源区31、32、33。
例如，如图5B中所示，转换器14a、14b、14c可以布置在规则晶格的节点处。
本专利申请要求德国专利申请102021126740.4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
1a、1b发射器侧
13、13a、13b、13c发射器的有源区域
14a、14b、14c转换器
2电磁辐射
21、22、23峰值波长
3接收器
3a、3b接收器的一部分
30光电二极管
31、32、33光电二极管的有源区
4载体
UI输入电压
UO输出电压
L横向方向

Claims (18)

1.一种光电器件，包括：
-发射器(1)，其被配置成发射具有两个或更多个峰值波长(21，22，23)的电磁辐射(2)并且利用输入电压(UI)进行操作，
-接收器(3)，其被配置成接收所述电磁辐射(2)并且提供输出电压(UO)。
2.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，所述发射器(1)包括两个或更多个有源区域(13，13a，13b，13c)，并且每个有源区域(13，13a，13b，13c)被配置成发射具有所述峰值波长(21，22，23)之一的电磁辐射。
3.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，所述有源区域(13，13a，13b，13c)彼此单片集成。
4.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述峰值波长(21，22，23)通过量子阱混合来设置。
5.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，每个有源区域(13，13a，13b，13c)包括纳米线或纳米棒。
6.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述有源区域(13a，13b，13c)在横向方向(L)上彼此间隔开地布置。
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(1)包括边缘发射器件，并且被配置成从两个相对侧(1a，1b)发射所述电磁辐射(2)，并且从每个侧(1a，1b)照射所述接收器(3)的另一部分(3a，3b)。
8.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)包括两个或更多个转换器(14a，14b，14c)，并且每个转换器(14a，14b，14c)被配置成发射具有所述峰值波长(21，22，23)之一的电磁辐射。
9.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，每个转换器(14a，14b，14c)包括纳米线或纳米棒。
10.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述接收器(3)包括多个光电二极管(30)。
11.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，所述接收器的每个部分(3a，3b)包括多个光电二极管(30)。
12.根据前面两个权利要求之一所述的光电器件，其中，所有光电二极管(30)彼此串联连接。
13.根据前面三个权利要求之一所述的光电器件，其中，每个光电二极管(30)包括两个或更多个有源区(31，32，33)，每个有源区(31，32，33)被调谐到所述峰值波长(21，22，23)之一。
14.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)。
15.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，所述有源区(31，32，33)的面积从所述接收器(3)的中心到边缘增加。
16.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，每个光电二极管(30)包括两个或更多个有源区(31，32，33)，所述两个或更多个有源区(31，32，33)在所述电磁辐射穿过所述光电二极管(30)的方向上一个接一个地布置。
17.根据前述权利要求之一所述的光电器件，其中，每个光电二极管(30)包括两个或更多个有源区(31，32，33)，每个光电二极管(30)的所述有源区(31，32，33)彼此串联电连接，并且每个有源区(31，32，33)被调谐到所述峰值波长(21，22，23)之一，其中，在第一有源区(31)中吸收峰值波长较小的电磁辐射。
18.根据前述权利要求所述的光电器件，其中，每个光电二极管(30)的所述有源区(31，32，33)通过隧道结或透明导电氧化物(TCO)彼此串联电连接。
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