DE102006040790A1

DE102006040790A1 - Reflexkoppler mit integriertem organischen Lichtemitter

Info

Publication number: DE102006040790A1
Application number: DE102006040790A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Vogel; Jörg AMELUNG; Gerd Bunk
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: US7897961B2; US20080054276A1; JP2008098617A; DE102006040790B4; JP5093844B2

Abstract

Ein Reflexkoppler weist einen organischen Lichtemitter zum Erzeugen eines Lichtsignals und einen anorganischen Photodetektor mit einer Detektorfläche auf. Der organische Lichtemitter und die Detektorfläche sind in Folge einer von einem Objekt, auf das das Lichtsignal trifft, zurückgegebenen Strahlung optisch gekoppelt und der organische Lichtemitter und der anorganische Photodetektor sind in einem Bauelement integriert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reflexkoppler mit einem integrierten organischen Lichtemitter und insbesondere auf einen monolithisch integrierten CMOS-Reflexkoppler mit OLED-Lichtquelle.
Lichtschranken haben als berührungsfreies technisches Mittel zur Gewinnung von Status-, Geometrie-, Positions- oder Zustandsinformation eine weite Verbreitung gefunden. Dazu zählen Anwendungen in der Industrie wie beispielsweise in der Automobilindustrie, Konsumelektronik, Medizin- und Messtechnik. Eine Ausführungsform der Lichtschranken sind Reflexlichtschranken, bei denen Sender und Empfänger nicht gegenüber, sondern nebeneinander angeordnet sind. Eine derartige Kombination spricht für eine integrierte Anordnung von Sender und Empfänger nahe, möglichst monolithisch auf einem gemeinsamen Substrat, wobei ihr Sichtfeld möglichst in eine gleiche Richtung weist.
9 zeigt einen Prinzipaufbau einer monolithisch integrierten Reflexlichtschranke. Sowohl ein Empfänger 900 als auch ein Sender 905 sind dabei in einem Substrat 910 integriert. Im Betrieb emittiert der Sender 905 ein Lichtsignal 940, welches von einem Objekt 950 reflektiert und anschließend durch den Empfänger 900 detektiert wird. Im Gegensatz zur herkömmlichen Lichtschranke wird nur bei Anwesenheit des Objektes 950 bzw. bei Reflexion durch das Objekt 950 ein Signal erzeugt.
Herkömmliche integrierte Reflexlichtschranken basieren auf einem CMOS-Empfangs- und Auswertechip (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) sowie einem Emitter aus konventionellen (anorganischen) Leuchtdioden. Beide Technologien nutzen voneinander verschiedene Materialien und Prozesse. Die CMOS-Technologie basiert meist auf einkristallinem Silizium, während konventionelle Leuchtdioden zumeist einkristalline III-V-Halbleiter nutzen. Somit sind entsprechende Bauelemente nicht monolithisch, sondern ausschließlich hybrid miteinander integrierbar.
Reflexkoppler arbeiten nach einem gleichen Prinzip wie die Reflexlichtschranken, d. h. der Sender 905 und der Empfänger 900 sind über eine Reflexion des Lichtsignals 940 optisch miteinander gekoppelt. In Abwesenheit der Reflexion liegt dabei keine Kopplung zwischen dem Sender 905 und dem Empfänger 900 vor. Reflexkoppler können somit auch als Schalter dienen, d.h. bei Anwesenheit der Reflexion werden elektrische Signale von einem Bauelement an ein anderes Bauelement weitergegeben, wobei gleichzeitig eine galvanische Trennung von Schaltkreisen vollzogen wird.
Als Lichtsender 905 in einem Reflexkoppler werden oft Leuchtdioden (LED) verwendet, die Infrarotlicht oder rotes Licht abstrahlen und als Lichtempfänger bzw. Photodetektor 900 werden beispielsweise Photodioden, Phototransistoren, Photothyristoren, Phototriacs, Photo-Schmitt-Trigger und Photodarlingtontransistoren verwendet, d. h. der Lichtempfänger 900 weist im allgemeinen eine oder mehrere pn-Übergänge auf. Der Lichtsender 905 und der Lichtempfänger 900 sind elektrisch voneinander isoliert. Übertragen wird Gleich- oder Wechsellicht und das reflektierte Licht wird in, ggf. zeitabhängiger, Intensität, Frequenz, Phase oder Wellenlänge bewertet.
Photodioden als mögliche Photodetektoren 900 lassen sich in einem Standard-CMOS-Prozess an verschiedenen pn-Grenzflächen implementieren und 10 zeigt ein in einem n-Wannen-CMOS-Prozess implementiertes Beispiel gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist in einem p-dotierten Substrat (p-Substrat) 910 eine n-dotierte Wanne (n-Wanne) 920 gebildet, die an der dem p-Substrat 910 abgewandten Seite eine p⁺-dotierte Schicht 930 aufweist. Als eine Abschlussschicht weist das p-Substrat 910 eine Oxidschicht 940 auf und darauf ist eine ILD-Schicht 950 (ILD = Inter-Layer-Dielectricum) gefolgt von einer IMD-Schicht 960 (IMD = Inter-Metal-Dielectricum) abgeschieden. Die Oxidschicht 940, die ILD-Schicht 950 und die IMD-Schicht 960 weisen beispielsweise ein dielektrisches Material auf und sind lichtdurchlässig. Verschiedene pn-Übergänge sind durch Dioden 962, 964 und 975 gekennzeichnet.
Einfallende Lichtstrahlen 990 erzeugen in der n-Wanne 920 ein Ladungsträgerpaar 985 entgegengesetzter Polarität, welches entsprechend der Polarität getrennt wird und ein elektrisches Signal erzeugt. Der Photodetektor 900 wird somit von dem p-Substrat 910, der n-Wanne 920, der p⁺-dotierten Schicht 930 als auch durch die Oxidschicht 940 gebildet. Erforderliche Kontakte zum Erfassen des Photodetektorsignals sind in 10 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. 10 zeigt außerdem eine weitere Photodiode 975, die aus einem pn-Übergang von dem p-Substrat 910 und einer n⁺-dotierten Oberflächenschicht 970 gebildet wird. Die Lichtsignale 980 stellen an der Oberflächenschicht 970 reflektiertes Licht dar.
Voll integrierte herkömmliche Reflexkoppler basieren ähnlich wie Reflexlichtschranken auf einem CMOS-Empfangs-Chip als Photodetektor 900 und einem CMOS-Auswertechip sowie einem Emitter 905 aus konventionellen (anorganischen) Leuchtdioden. Auch bei herkömmlichen Reflexkopplern nutzen beide Technologien voneinander verschiedene Materialien und Prozesse (CMOS: meist Silizium, LED: meist III-V-Halbleiter) und sind somit nicht monolithisch, sondern nur hybrid miteinander integrierbar.
Konventionelle Leuchtdioden aus anorganischen Halbleitern wie beispielsweise GaAs und verwandte III-V-Halbleiter sind seit Jahrzehnten bekannt. Ein Grundprinzip solcher Leuchtdioden ist stets, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung Elektronen und Löcher in einem Halbleiter injiziert werden und in einer Rekombinationszone unter Lichtaussendung strahlend kombinieren. Dennoch haben Leuchtdioden auf der Basis anorganischer Halbleiter für viele Anwendungen auch empfindliche Nachteile. Ein wesentlicher Nachteil ist wie bereits gesagt, dass sie meist nur auf III-V Halbleiteruntergründen aufgebracht werden.
Als Alternative zu anorganischen Leuchtdioden haben Leuchtdioden auf Basis organischer Hableiter in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. Beispielsweise erfährt eine organische Elektro-Lumineszenz gegenwärtig eine große Aufmerksamkeit als ein Medium, das für Displays geeignet ist. Organische Leuchtdioden weisen eine organische Schichtfolge mit einer Dicke von typischerweise um 100 nm auf, die zwischen einer Anode und einer Katode eingebracht ist. Oft wird Glas als Substrat verwendet, auf das ein transparentes elektrisch-leitendes Oxid wie beispielsweise Indium-Zinnoxid (ITO = Indium-Tin-Oxid) aufgebracht ist. Darauf folgt die organische Schichtfolge, welche Löcher-transportierendes Material, emittierendes Material und Elektronen-transportierendes Material aufweist. Anschließend folgt meist eine metallische Katode.
Im Allgemeinen wird zwischen organischen Licht-emittierenden Dioden (OLEDs) als Top-Emitter und OLEDs als Bottom-Emitter unterschieden. Typischerweise strahlen Bottom-Emitter das Lichtsignal 940 hauptsächlich durch das Substrat währenddessen Top-Emitter in eine Richtung von dem Substrat weg strahlen.
11 zeigt eine organische Licht-emittierende Diode (OLED) 905, die als ein Top-Emitter ausgelegt ist. Hierbei ist auf einem Substrat 915 eine Elektrode 925, eine organischen Schichtfolge 935 und eine transparenten Elektrode 945 aufgebracht. Die Kontaktierung erfolgt über einen Anschluss 955 an die Elektrode 925 sowie über einen Anschluss 965 an die transparente Elektrode 945. Das Substrat 915 weist meist ein nicht-transparentes Material und die Elektrode 925 beispielsweise ein Metall auf. Das hat zur Folge, dass bei Anlegen einer entsprechenden Spannung an den Anschlüssen 955 und 965 ein, in der organischen Schichtfolge 935 erzeugtes Lichtsignal 940, in der gezeigten Darstellungsweise durch die transparente Elektrode 945 (beispielsweise aus ITO) nach oben emittiert wird.
Das Lichtsignal 940 in 11 zeigt eine Hauptabstrahlrichtung an. Licht, welches in der organischen Schichtfolge 945 erzeugt wird, breitet sich jedoch auch entlang der organischen Schichtfolge 935 oder entlang der transparenten Elektrode 945 aus und wird, sofern keine seitliche Abschirmung vorhanden ist, teilweise auch seitlich abgestrahlt.
Reflexkoppler mit anorganischem Emitter 905 (und Detektor 900) sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bekannt sind ebenfalls organische Leuchtdiodenanzeigen, die mit einem optischen Näherungsschalter kombiniert sind und auf einem organischen Emitter basieren. In DE 10244452 B4 ist ein solcher optoelektronischer Schalter beschrieben, welcher für ein berührungsempfindliches (OLED-)Display verwendet wird.
Da wie gesagt herkömmliche LEDs vornehmlich III-V-Halbleiter nutzen und die Detektorschaltung (d.h. der Photodetektor 900 und Ansteuerschaltung) meist auf Silizium basiert, können beide Bauelemente nicht auf demselben Substrat hergestellt werden und eine Integration erweist sich folglich als schwierig. Eine mögliche hybride Integration in Reflexkopplern wie beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt, erfordert prinzipiell einen höheren Fertigungsaufwand und erlaubt gerade bei hohen Stückzahlen keine generelle Preisregression. Weiterhin lässt sich aufgrund der hybriden Aufbauweise die für automobile Anwendungen notwendige Zuverlässigkeit nur mit einem extrem hohen Kostenaufwand erzielen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Reflexkoppler in einem integrierten Bauelement bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Reflexkoppler gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Integration eines OLED-Emitters als Top-Emitter auf ein weitgehend strukturiertes CMOS-Substrat eine monolithische Integration einer Lichtquelle und eines Photodetektors auf einem CMOS-Chip möglich wird. Diese Integration kann in einem Abschlussprozess oder mittels eines sogenannten „Post-Processing" (Nachverarbeitung) geschehen. Strukturen des CMOS-Aufbaus können dabei gleichzeitig als elektrischer Isolator und Lichtleiter wirken. Als Photodetektor kommen an pn-Sperrschichten sich ausbildende, somit CMOS-inhärente Photodioden, Phototransistoren oder ähnliche Elemente zur Anwendung. Der organische Lichtemitter und der anorganische Photodetektor an sich können einen bekannten Aufbau aufweisen.
OLEDs sind vorteilhaft, da sie eine hohe Integration bei einer Herstellung von Reflexkopplern erlauben und außerdem auf nahezu beliebige Substrate abgeschieden und somit insbesondere auch direkt auf ein Silizium-Substrat integriert werden können. Darüber hinaus kann eine Abscheidung bei relativ niedrigen Temperaturen (beispielsweise unter 100°C) erfolgen. Somit können OLEDs auf eine normale CMOS/BiCMOS-Schaltung (BiCMOS = Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) abgeschieden werden, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung besteht. Ein vorhandenes Isolationsoxid bzw. eine Isolationsschicht auf einer integrierten Schaltung (CMOS-Struktur) kann gleichzeitig eine optische Verbindung herstellen, wobei über eine Schichtdicke der Isolationsschicht ein erwünschter elektrischer Isolationswert eingestellt werden kann. Dadurch wird diese Technologie sehr einfach und kostengünstig.
Die Integration einer OLED in der CMOS-Struktur kann wie folgt geschehen. Eine OLED als Top-Emitter kann beispielsweise eine übliche CMOS-Metallschicht als Elektrode nutzen, auf die die organische Schichtfolge abgeschieden und eine transparente Elektrode aufgebracht wird. Eine weitere CMOS-Oxidschicht kann beispielsweise als Substrat dienen, auf das die Elektrode abgeschieden ist. In der Reflexkoppleranordnung strahlt die OLED ein erzeugtes Lichtsignal nach oben ab (Top-Emitter), d.h. von der als Substrat dienenden Schicht weg und somit meist in Richtung einer Passivierung. In Abhängigkeit vom einem Objekt bzw. vom Vorliegen eines Objekts wird das Lichtsignal auf den Photodetektor reflektiert.
Die Abscheidung der OLED ist somit technologisch vollständig kompatibel mit der CMOS/BiCMOS-Technologie und erlaubt somit die Herstellung von integrierten OLED-Reflexkopplern. Eine Fertigung ist selbst auf großen Substraten (beispielsweise bis zu 200 × 200 mm) problemlos und kostengünstig möglich.
Damit eröffnet sich die Möglichkeit, einen Reflexkoppler in einer monolithisch integrierten Form zu realisieren. Der Photodetektor kann als beliebiges in CMOS-Strukturen auftretendes lichtempfindliches Bauelement ausgelegt sein. Als Photodetektor kommen nicht nur die bereits erwähnten Photodioden in Betracht (wie beispielsweise in 11 gezeigt), sondern können auch Phototransistoren oder ähnliche pn-Schichten aufweisende Strukturen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann neben dem Emitter oder Lichtsender oder detektierenden Elementen, wie dem Photodetektor, eine Ansteuer- und Auswerteelektronik in dem CMOS-Chip integriert sein. Eine solche Anordnung kann wiederum Teil einer komplexen integrierten Schaltung sein, welche als Mikrosystem zusätzlich eine Reflexkopplerfunktionalität aufweist.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die geometrische Anordnung des Lichtsenders und des Photodetektors Erfordernissen einer Messaufgabe angepasst werden. Hier kommt der Vorteil einer möglichen großflächigen Abscheidung und Strukturierbarkeit von OLEDs zum Tragen. Dazu kommt, dass die von der OLED beanspruchte Fläche im Untergrund durch eine aktive Schaltung genutzt werden kann, die nicht zwingend mit der OLED-Ansteuerung verknüpft sein muss. D.h. der unterhalb der OLED bzw. der entgegengesetzt zur Ausbreitung des emittierten Lichtsignals befindliche verfügbare Teil der CMOS-Struktur kann für andere Schaltungselemente genutzt werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind Sensorgeometrien realisierbar, die für spezifische Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise kann das Reflexkoppler-Prinzip für Fluoreszenzsensorik oder auch als Regensensor zur Anwendung kommen. Hierbei kommen gegebenenfalls weitere OLED-Emitter mit verschiedenen Wellenlängen zur Anwendung, die eine Fluoreszenz von Stoffen angeregen und die entsprechende Fluoreszenz-Strahlung, die meist in eine andere Wellenlänge abgestrahlt wird, kann anschließend detektiert und deren zeitliches Abklingverhalten (d.h. die schwächer werdende Intensität) gemessen werden. Ebenso ist über die Auswahl weiterer Photodetektoren eine Anpassung der spektralen Empfindlichkeit der weiteren Photodetektoren an die/den Lichtemitter möglich.
Mit einer Verwendung von OLEDs als Lichtemitter bietet sich die Möglichkeit einer monolithisch integrierten Lösung für Reflexkoppler, d.h. einer Lichterzeugung und -detektierung auf einem einzigen Substrat (z.B. auf einem Silizium-Substrat). Es existieren somit Vorteile hinsichtlich einer Größe der Bauelemente als auch in bezug auf die Möglichkeit der Integration neuer Funktionen. OLEDs sind leicht und hoch integrierbar. Außerdem weisen sie eine hohe Effizienz und einen geringen Stromverbrauch auf.
Weitere Vorteile der organischen Elektrolumineszenz sind, dass durch die chemische Variabilität OLEDs in praktisch allen Farben hergestellt werden können und dass aufgrund der Abscheidung bei niedrigen Temperaturen OLEDs auf verschiedenste Substrate aufgebracht werden können. Damit lassen sich vielkanalige Lösungen, beispielsweise durch eine Verwendung von OLEDs, die Licht verschiedener Farbe bzw. Wellenlänge emittieren, auf einem Chip integrieren.
Die Vorteile der Reflexkoppler mit integrierter OLED im Vergleich zu bekannten hybriden Lösungen können wie folgt zusammengefasst werden. Bei der monolithischen Integration von Lichtquelle und Photodetektor auf einem CMOS-Chip kann eine Emitterfläche nahezu beliebig geometrisch strukturiert und verschiedene Emitterwellenlängen können nebeneinander integriert werden. Es ist ebenso vorteilhaft, dass die Emitter- oder Senderfläche für eine darunter liegende aktive Schaltung verwertet werden kann. Die darunter liegende aktive Schaltung kann entweder die Ansteuer- und Auswerteelektronik des CMOS-Chips sein bzw. auch eine Ansteuerelektronik für die OLED umfassen. Das führt wiederum zu einer deutlichen Reduzierung der Chipfläche. Damit wird der Aufwand an Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für die Integration einer hybriden Lösung reduziert und Kosten verringert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Reflexkopplers mit einer OLED und einer Photodiode;
2 ein Prinzipschaltbild mit Ansteuer- und Auslese-Schaltungsblöcken;
3 eine Draufsicht mit einem OLED-Emitter und einem Photodetektor auf einem Chip;
4 eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung als Fluoreszenzsensor;
5 eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung als Flowmetrie-Sensor;
6 eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung für einen Spektral- oder Farbsensor;
7a, 7b, 7c eine Draufsicht auf drei mögliche Anordnungen für eine optische Funktionsdiagnostik;
8 eine Draufsicht auf eine mögliche Sensoranordnung für eine sogenannte Lab-on-Chip-Anwendung;
9 eine Prinzipdarstellung für einen Reflexkoppler;
10 eine Querschnittsansicht durch eine Photodiode im Standard-n-Wannen-CMOS-Prozess gemäß dem Stand der Technik; und
11 eine Querschnittsansicht durch eine organische Leuchtdiode als Top-Emitter gemäß dem Stand der Technik.
Bevor im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass gleiche Elemente in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen CMOS-integrierten Reflexkoppleraufbau mit einer OLED 100 als Top-Emitter mit einer Licht-emittierenden Oberfläche 110 und einer Photodiode als Photodetektor 115. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist ein p-Substrat 117 eine n-Wanne 115 auf, die über einen Anschlusskontakt 130 kontaktiert ist. Auf dem p- Substrat 117 mit der n-Wanne 115 ist eine Schichtfolge mit einer ILD-Schicht 140 gefolgt von einer ersten IMD-Schicht 150, in die eine erste Kontaktschicht 145 eingebettet ist, abgeschieden. Der Anschlusskontakt 130 ist über eine Brücke bzw. Durchkontaktierung 155 mit der ersten Kontaktschicht 145 verbunden. Die Photodiode als Photodetektor 115 kann beispielsweise an einem pn-Übergang der n-Wanne zum p-Substrat 117 oder zu einer p⁺-dotierten Oberfläche ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass ein pn-Übergang des p-Substrats zu einer n⁺-dotierten Oberfläche oder ein weiterer vorhandener pn-Übergang als Photodetektor 115 verwendet wird.
Auf der Schichtfolge ist eine zweite Kontaktschicht 160 abgeschieden, die ebenso wie die ILD-Schicht 140, die IMD-Schicht 150 und die erste Kontaktschicht 145, die z.B. als eine Metallschicht ausgebildet sein kann, vorzugsweise Teil einer Standard-CMOS-Struktur ist. Erfindungsgemäß ist die zweite Kontaktschicht 160 lichtundurchlässig, weist beispielsweise ein Metall auf und bedeckt die IMD-Schicht 150 nur teilweise. Auf die zweite Kontaktschicht 160, die als Elektrode der OLED 100 dient, sind eine organische Schichtfolge 170 und ein transparenter Leiter 180 derart abgeschieden, dass der transparente Leiter 180 und die zweite Kontaktschicht 160 voneinander getrennt sind. Der transparente Leiter 180 dient als transparente Elektrode der OLED und die erste IMD-Schicht 150 als Substrat für die OLED 100. Die OLED 100 umfasst somit die zweite Kontaktschicht 160, die organischen Schichtfolge 170 und den transparenten Leiter 180. Eine transparenten Passivierungsschicht 190 ist zum Schutz vorgesehen, und eine seitliche Passivierung 195 isoliert die zweite Kontaktschicht 160 von dem transparenten Leiter 180.
Durch ein Anlegen einer Spannung an die OLED 100 (eine entsprechende Schaltung ist in der Figur nicht gezeigt), wird in der organischen Schichtfolge 170 ein Lichtsignal 105 erzeugt, welches durch ein Objekt 125 reflektiert werden kann und als reflektiertes Lichtsignal 105r die Passivierungsschicht 190, den transparenten Leiter 180, die erste IMD-Schicht 150 und die ILD-Schicht 140 passieren kann. Das Objekt 125 stellt in der Regel keinen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, sondern ein externes Objekt 125. Das reflektierte Lichtsignal 105r erzeugt schließlich in der n-Wanne 115 Ladungsträgerpaare entgegengesetzter Polarität (siehe 11), welche schließlich ein elektrisches Ausgangssignal liefern. Von den zum Abgreifen des Ausgangssignals notwendigen Signalen ist in 1 der Übersichtlichkeit halber nur die Kontaktschicht 145 gezeigt.
Bei einer Ausgestaltung ist darauf zu achten, dass der Photodetektor 115 möglichst nicht von der zweiten Metallschicht 160 verdeckt wird, so dass ein möglichst großer Teil des reflektierten Lichtsignals 105r den Photodetektor 115 erreicht. Um Fehlinterpretationen zu vermeiden, weist die Passivierungsschicht 190 bzw. der transparente Leiter 180 möglichst eine nichtspiegelnde Oberfläche auf, so dass das reflektierte Lichtsignal 105r von dem Objekt 125 stammt und nicht von einer Schichtgrenze in dem Reflexkoppler.
2 zeigt ein Prinzipschaltbild mit möglichen Ansteuer- bzw. Ausleseschaltblöcken als Teil einer integrierten Schaltung für eine Reflexlichtschranke. Dabei wird die OLED 100 über einen Stromquelle 210, der durch einen OLED-Treiber 220 an eine Ladungspumpe 230 angeschlossen ist, gesteuert. Der CMOS-Photodetektor 115 ist mit einem Widerstand 233 und einem Eingangsverstärker 240 verbunden. Außerdem ist eine Auswerte- und Steuereinheit 250 mit dem OLED-Treiber 220, dem Eingangsverstärker 240 und über eine Schnittstelle 260 mit einem Ausgang 265 gekoppelt. Schließlich weist die integrierte Schaltung eine Stromversorgung 270 auf.
Basierend auf einem Signal von dem OLED-Treiber 220 erzeugt die OLED 100 ein Lichtsignal 105, welches von dem Objekt 125 reflektiert wird, so dass das reflektierte Lichtsignal 105r auf den CMOS-Photodetektor 115 trifft und dort ein Ausgangs signal 235 generiert. Das Ausgangssignal 235 wird beispielsweise in Form eines Spannungsabfalls an dem Widerstand 233 erfasst und an den Eingangsverstärker 240 ausgegeben. Die Auswerte- und Steuereinheit 250 erhält zum einen das vom Eingangsverstärker 240 verstärkte Ausgangssignal 235 und steuert gleichzeitig den OLED-Treiber 220. Somit kann die Auswerte- und Steuereinheit 250 im Falle einer Detektierung des Objektes 125 eine Veränderung in der Ansteuerung des OLEDs 100 vornehmen. Das kann beispielsweise eine Erhöhung der Intensität oder einer Veränderung einer Pulsrate des Lichtsignals 105 umfassen. Die Auswerte- und Steuereinheit 250 ist im weiteren über die Schnittstelle 260 mit dem Ausgang 265 verbunden, so dass die Detektierung des Objektes 125 in Form eines Signals angezeigt werden kann. Die gesamte Schaltung wird von der Stromversorgung 270 mit einer elektrischen Spannung versorgt.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine mögliche Anordnung 300 für den OLED oder OLED-Emitter 100 und den Photodetektor 115 auf einem Chip. Der Photodetektor 115 ist eingebettet in eine CMOS-Schaltung 310, die ebenfalls die OLED 100 aufweist und die über eine Bondinsel 320 kontaktiert wird. Die Anordnung wird durch einen Kleberand (Deckel) 330 begrenzt und weist eine Höhe 340 von beispielsweise 4 Millimeter und eine Breite 350 von beispielsweise 2 Millimeter auf.
Die gezeigte Form und Größe ist nur exemplarisch und werden im Allgemeinen an eine konkrete Aufgabe angepasst. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass OLEDs problemlos großflächig abgeschieden und strukturiert werden können. Außerdem kann der Untergrund, d.h. der Teil unterhalb des OLED 100, für eine Schaltung genutzt werden. Abgesehen von einem einfachen Detektieren des Objektes 125, kann man aus einer Intensität bzw. einer Veränderung der Intensität die Entfernung bzw. eine Veränderung der Entfernung des Objektes 125 von dem Photodetektor 115 bestimmen. Beispielsweise kann aus einer Erhöhung der Intensität auf eine Verringerung der Entfernung und umgekehrt aus einer Verringerung der Intensi tät auf wachsende Entfernung geschlossen werden. In Abhängigkeit von weiteren Aufgaben können ebenso OLEDs verschiedener Farbe zum Einsatz kommen. Im folgendem werden einige weitere konkrete Beispiele angegeben.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine mögliche Sensoranordnung 400, die insbesondere als ein Fluoreszenzsensor geeignet ist. Die Sensoranordnung 400 weist zwei grüne OLEDs 410₁ und 410₂ sowie zwei blaue OLEDs 420₁ und 420₂ auf, die Teil einer Schaltung 430 sind. In dieser Draufsicht sind zwei Photodetektoren 115₁ und 115₂ zwischen den grünen OLEDs 410₁ und 410₂ sowie den blauen OLEDs 420₁ und 420₂ angeordnet, so dass sich die grünen OLEDs 410₁ und 410₂ sowie die blauen OLEDs 420₁ und 420₂ im Idealfall in gleicher Entfernung von den Photodetektoren 115₁ und 115₂ befinden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können noch weitere OLEDs und/oder Photodetektoren vorgesehen sein. Ebenso sind Kombinationen mit weiteren Farben bzw. eine Verwendung von OLEDs anderer Farbe möglich. Dabei erweist es sich jedoch als vorteilhaft, dass bei weiteren Varianten die verschiedenen OLEDs eine möglichst gleiche Entfernung zu den Photodetektoren 115₁ und 115₂ aufweisen. Durch verschiedene Farben kann eine Fluoreszenz von Stoffen angeregt werden und die entsprechende Fluoreszenz-Strahlung, die meist in eine andere Wellenlänge abgestrahlt wird, kann detektiert und deren zeitliches Abklingverhalten (d.h. die schwächer werdende Intensität) gemessen werden. Somit können die in Frage kommenden Stoffe anhand der Fluoreszenz nachgewiesen werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Photodetektoren 115₁ und 115₂ eine Erhöhte Sensitivität für die entsprechende durch Fluoreszenz verursachte Strahlung aufweisen.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung 500, die insbesondere als ein Flowmetriesensor geeignet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwischen zwei balkenförmig angeordneten OLED-Emittern 100₁ und 100₂ eine Reihe von Photodetektoren 510₁ , 510₂ , 510₃ ... und 520₁ , 520₂ , 520₃ ... angeordnet, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlich keit aufweisen können. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel sind die Photodetektoren 510₁ , 510₂ , 510₃ , ... alle parallel geschaltet und bilden somit elektrische eine Einheit. In der gleichen Weise sind auch die Photodetektoren 520₁ , 520₂ , 520₃ , ... elektrisch parallel geschaltet und bilden ebenfalls elektrisch eine Einheit. Optisch bilden die jeweiligen Photodetektoren jedoch keine Einheit, und ein sich bewegendes Objekt 125 wird ein Pulssignal mit einer Frequenz erzeugen, die proportional einer Geschwindigkeit des Objektes 125 ist.
Durch Auswertung der Zeitpunkte, an denen die Photodetektoren reflektierte Signale erfassen, können beispielsweise eine Bewegung von einem Objekt 125 bzw. von verschiedenen Objekten erfasst werden. Photodetektoren mit verschiedener spektralen Empfindlichkeit, d.h. die Photodetektoren 510₁ , 510₂ , 510₃ ... und 520₁ , 520₂ , 520₃ ... in 5, können sich als vorteilhaft erweisen, um zwischen verschiedenen Objekten (die beispielsweise ein unterschiedliches Reflektionsspektrum aufweisen) zu unterscheiden und deren Bewegung erfassen. Andererseits kann eine Sensitivität in einem weiteren Kanal oder einer weiteren Farbe als eine Kontrollmessung herangezogen werden und somit die Zuverlässigkeit des Sensors erhöhen.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung 600, die insbesondere als möglicher Spektral-/Farb-Sensor geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel weist vier verschiedene OLEDs auf. Eine blaue OLED 610, eine grüne OLED 620, eine rote OLED 630 und eine (nahe) infrarote OLED 640 sind zusammen mit Photodetektoren 115₁ , 115₂ , 115₃ , ... auf einem Chip 650, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine viereckige Form aufweist, angeordnet. Dabei sind die Photodetektoren 115₁, 115₂ , 115₃ , ... symmetrisch auf dem Chip 650 angeordnet, nämlich an jeder Ecke und in der Mitte befindet sich je ein Photodetektor. Die verschiedenfarbigen OLEDs sind entlang der vier Seitenlängen des Chips 650 angeordnet, wobei bei der hier gezeigten Draufsicht, die blaue OLED 610 links, die grüne OLED 620 unten, die rote OLED 630 rechts und die (nahe) infrarote OLED 640 oben angeordnet ist.
Die Wahl der Anordnung der OLEDs sowie die Farbgebung ist frei getroffen und die OLEDs können bei weiteren Ausführungsbeispielen entsprechend ausgetauscht werden. Ebenso ist die Anzahl der OLEDs und deren Farbe sowie die viereckige Form des Chips 650 nur beispielhaft und können bei weiteren Ausführungsbeispielen variieren. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die Photodetektoren 115₁ , 115₂ , 115₃ , ... möglichst nahe den verschiedenen OLEDs angeordnet sind, um eine ähnliche spektrale Empfindlichkeit für alle Farben zu erhalten. Dabei sollte jedoch eine gegenseitige Störung infolge einer zu geringen Entfernung ausgeschlossen werden. Dieses Ausführungsbeispiel kann als Farbsensor genutzt werden, d.h. verschiedene Reflexionseigenschaften von farbigen Objekten bzw. Stoffen hinsichtlich farbigen Lichtes können gezielt detektiert und somit Objekte bzw. Stoffe nach deren Farbe unterschieden werden. Für diese Anwendung ist es insbesondere vorteilhaft, dass OLEDs in vielen Farben verfügbar sind.
7a, 7b und 7c zeigen mögliche Sensoranordnungen 700 für eine optische Funktionsdiagnostik wie beispielsweise Photoplethysmographie. Dabei sind die gestrichelten Regionen Photodetektoren 115₁ , 115₂ , 115₃ und die dunklen Regionen sind OLEDs 100₁ , 100₂ , 100₃ , die aufgrund ihrer Anordnungen verschiedene Funktionen messen können. Dazu zählen beispielsweise Messungen von Flusseigenschaften bzgl. Menge und Flussgeschwindigkeit von Flüssigkeiten bzw. Frequenzen von pulsierenden Flüssigkeiten (beispielsweise Blut). Unter Benutzung verschiedener Farben, ist es auch möglich, bestimmte Anteile einer Flüssigkeit (beispielsweise einen mit einer bestimmten Farbe fluoreszierenden Anteil) gezielt festzustellen und deren Bewegung zu erfassen. Die Intensität der detektierten Strahlung kann somit auch Aufschluss über eine Konzentration dieses Anteils geben. 7b zeigt eine runde Reflexkoppleranordnung und bei der Anordnung in 7a (und ähnlich in 7c) detektieren mehrere Photodioden in wachsendem Abstand Licht von einem Objekt 125 in verschiedener Entfernung.
8 zeigt eine Draufsicht für eine mögliche Sensoranordnung 800, die für eine Lab-on-Chip-Anwendung geeignet ist. Auf einem Chip 810 befindet sich dabei eine gitterförmig ausgestaltete OLED 100 und Photodetektoren (gestrichelte Bereiche) 115 in den jeweiligen Zwischenräumen. Wiederum ist es möglich, unter Benutzung verschiedener Farben bestimmte Anteile einer Flüssigkeit (beispielsweise einen mit einer bestimmten Farbe fluoreszierenden Anteil) gezielt festzustellen bzw. deren Bewegung oder Veränderung zu erfassen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die gitterförmig angeordnete OLED aus einer Vielzahl von balken- oder zeilenförmig ausgestalteten OLEDs aufgebaut. Dadurch kann bei dieser Sensoranordnung auch eine Position bestimmter Stoffe oder Objekte auf dem Chip bestimmt werden. Durch geeignete OLEDs, die bestimmte Stoffe oder Bestandteile von Flüssigkeiten anregen, können mit dieser Sensoranordnung auch Konzentrationen des bestimmten Stoffes in Abhängigkeit von der Position auf dem Chip festgestellt werden. Ebenso ist eine Erfassung von zeitlichen Veränderungen (z.B. der Konzentration eines fluoreszierenden Stoffes) möglich.
Die Bezug nehmend auf die Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich auch kombiniert bzw. auch erweitert werden. Beispielsweise kann bei dem Reflexkoppler eine Fokussierung des Lichtsignals 105 über eine Optik erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine Linse oder ein Spiegelsystem erreicht werden und wäre dahingehend vorteilhaft, dass die Detektorfläche 120 des Photodetektors 115 entsprechend kleiner gewählt werden kann und trotzdem noch eine ausreichende Lichtmenge erhalten wird.
Der Reflexkoppler kann im Betrieb sowohl analoge als auch digitalisierte Signale nutzen. Um äußere Störeffekte beispielsweise von Fremdlicht effektiv unterdrücken zu können, kann es dabei vorteilhaft sein, eine fixierte Taktung bzw. eine Modulation zu verwenden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele für Reflexkoppler mit integrierter OLED bieten die bereits vorher genannten Vorteile. Diese Vorteile umfassten insbesondere eine Reduktion des Aufwands an Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für die Integration und der Kosten. Außerdem ist die monolithische Integration von Lichtquelle, elektrischem Isolator, Lichtleiter und Photodetektor auf einem Chip einfach zu realisieren. Im Weiteren können Standard-CMOS-Schichten/Strukturen als elektrischer Isolator und Lichtleiter genutzt werden. Damit ergibt sich eine Verbesserung der Isolationsfestigkeit bei Verwendung eines SOI-CMOS-Substrates als auch eine Reduzierung der Chipfläche. Schließlich bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit einer komplexen Integration einer Ansteuerschaltung für den Lichtemitter und einer Ausleseelektronik für den Photodetektor.
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung können somit abschließend wie folgt dargelegt werden:

– eine räumliche Kointegration von organischem Emitter und CMOS-Photodetektor auf einem CMOS-Silizium-Chip in einer Anordnung als Reflexkoppler;
– eine Nutzung von CMOS-pn-Übergängen (z. B. Wanne-Substrat, Wanne-Kontakt, und Ähnlichem) als Photodetektoren;
– eine Anordnung des OLED-Emitters als indirekt auf den Photodetektor strahlenden Top-Emitter;
– eine Modulation der Lichtquelle zur Stör- und Fremdlichtunterdrückung;
– eine monolithische Implementierung in einem komplexen integrierten Schaltkreis zur – gegebenenfalls mehrkanaligen oder ein- bzw. mehrdimensionalen Arrayform – Anordnung von Reflexkopplern, z. B. mit dem Ziel der Objekterkennung, Störentkopplung oder Ähnlichem;
– eine in die Verkapselung der OLED eingebautes optisches Element (Linsen oder diffraktive Elemente) um eine Lichtlenkung zu ermöglichen;
– eine Verwendung von OLED-Emittern mit verschiedener Wellenlänge;
– eine Anwendung als Reflexlichtschranke;
– eine Anwendung in der Fluoreszenzsensorik;
– eine Anwendung in der Flowmetrie durch eine Anordnung;
– eine Anwendung in der optischen Funktionsdiagnostik (z. B. Photoplethysmographie) durch eine Anordnung;
– eine Anwendung als spektraler Sensor (z. B. Oberflächenfarbsensor) durch eine Anordnung;
– eine Anwendung als Lab-on-Chip-Sensor durch eine Anordnung;
– eine Anwendung als Regensensor.

Claims

Reflexkoppler mit folgenden Merkmalen: einem organischen Lichtemitter (100) zum Emittieren eines Lichtsignals (105); und einem anorganischen Photodetektor (115), der eine Detektorfläche (120) aufweist, wobei der Lichtemitter (100) und die Detektorfläche (120) in Folge einer von einem Objekt (125), auf das das Lichtsignal trifft, zurückgegebenen Strahlung optisch koppelbar sind, und wobei der organische Lichtemitter (100) und der anorganische Photodetektor (115) in einem Bauelement integriert sind.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 1, bei der der anorganische Photodetektor (115) dotiertes Halbleitermaterial mit zumindest einem pn-Übergang aufweist.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der organische Lichtemitter (100) eine organische Licht-emittierende Diode aufweist.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der ferner eine dielektrische transparente Schichtfolge (140, 150) auf der dem Objekt (125) zugewandten Seite der Detektorfläche (120) aufweist und in und/oder unter der dielektrischen transparenten Schichtfolge (140, 150) zumindest Teile einer Ansteuerelektronik (250₁ ) für den organischen Lichtemitter (100) und/oder einer Ansteuer- bzw. Auswerteelektronik (250₂ ) für den anorganischen Photodetektor (115) angeordnet ist.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der eine Ansteuerelektronik (250) aufweist, die den organische Lichtemitter (100) derart steuert, dass das Lichtsignal (105) eine Modulation aufweist, um mögliche Fremdlichteinflüsse zu unterdrücken.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der weitere organische Lichtemitter und/oder weitere anorganischen Photodetektoren aufweist.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 6, bei dem die weiteren organischen Lichtemitter weitere Lichtsignale erzeugen und die weiteren Lichtsignale eine andere Frequenz als das Lichtsignal (105) aufweisen und/oder die weiteren Photodetektoren eine andere Wellenlängensensitivität als der Photodetektor (115) aufweisen.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor (115) ausgelegt ist, um von dem Objekt (125) reflektiertes Licht (105r) oder Licht infolge einer Fluoreszenz eines Stoffes nachzuweisen.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 8, bei dem eine Ansteuerelektronik des Photodetektors (115) ausgelegt ist, um ein zeitliches Abklingverhalten des Lichtes infolge der Fluoreszenz zu erfassen.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die weiteren organischen Lichtemitter und/oder die weiteren Photodetektoren über eine Fläche oder entlang einer Richtung verteilt sind und bei dem die weiteren Photodetektoren ausgebildet sind, um Reflexionen an dem Objekt (125) oder an weiteren Objekten unabhängig erfassen werden können.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 10, der mehrere anorganische Photodetektoren (510), die in zumindest einer Richtung angeordnet sind, und eine Auswerteeinheit (250) aufweist, die so konfiguriert ist, dass eine relative Bewegung von dem Objekt (125) zu den mehreren anorganischen Photodetektoren (510) in der zumindest einen Richtung festgestellt und eine Geschwindigkeit des Objektes (125) aus einer Pulsfrequenz eines Ausgangssignals bestimmt werden kann.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 11, bei dem der anorganische Photodetektor (115) ausgebildet ist, um eine Veränderung einer einfallenden Lichtintensität zu erfassen und die Auswerteeinheit (250) so konfiguriert ist, dass die relative Bewegung aus der Veränderung der einfallenden Lichtintensität bestimmt wird.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem die Auswerteeinheit (250) so konfiguriert ist, dass eine Formerkennung und/oder Formveränderung des Objektes (125) festgestellt werden kann.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, der ein optisches Element zur Lenkung und/oder Fokussierung des Lichtsignals (105) aufweist.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 14, bei der das optische Element eine Linse und/oder ein diffraktives Element aufweist.
Reflexkoppler gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15, bei der der organische Lichtemitter (100) eine Verkapselung aufweist und die Verkapselung das optische Element aufweist.
Reflexkoppler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem Komponenten des anorganischen Photodetektors (115) und/oder Komponenten zum Betreiben des organischen Lichtemitters (100) in CMOS, BiCMOS oder Bipolar-Technologie implementiert sind.
Verwendung eines Reflexkopplers nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Reflexlichtschranke, als Fluoreszenzsensor, als Flowmetriesensor, als Sensor für eine op tische Funktionsdiagnostik, als spektraler Sensor, als Lab-on-Chip-Sensor oder als Regensensor.