DE102020123559B4 - Optoelektronisches halbleiterbauelement, optoelektronische halbleitervorrichtung, verfahren zum betreiben eines optoelektronischen halbleiterbauelements und biosensor - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement, optoelektronische halbleitervorrichtung, verfahren zum betreiben eines optoelektronischen halbleiterbauelements und biosensor Download PDF

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Abstract

Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit:einem Halbleiterschichtstapel (109), in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) sowie ein Fotodetektor (105) vertikal übereinander angeordnet sind, undeiner Stromquelle (149), die geeignet ist, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (142), die geeignet ist, aus einem Detektionssignal des Fotodetektors (105) Informationen über eine Abstandsänderung zwischen dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (10) und einem Objekt (15), welches die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) elektromagnetische Strahlung (16) reflektiert hat, zu ermitteln.

Description

  • LIDAR-(„Light Detection and Ranging“-)Systeme, insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme („frequency modulated continous wave“modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt. Beispielsweise werden sie eingesetzt, um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen. Um Objekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind LaserLichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich.
  • Generell wird versucht, bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern.
  • Des Weiteren werden weithin Anstrengungen unternommen, neuartige optische Sensoren zu entwickeln.
  • Weitere optoelektronische Halbleiterbauelemente sind aus den Druckschriften DE 198 07 783 A1 und US 2002 / 0 186 726 A1 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie eine verbesserte optoelektronische Halbleitervorrichtung zur Anwendung in einem LIDAR-System zur Verfügung zu stellen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Biosensor zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterschichtstapel, in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode sowie ein Fotodetektor vertikal übereinander angeordnet sind.
  • Beispielsweise können mindestens eine Halbleiterschicht einer aktiven Zone der oberflächenemittierenden Laserdiode und mindestens eine Halbleiterschicht des Fotodetektors demselben Materialsystem entstammen. Beispielsweise können die aktive Zone und mindestens eine Halbleiterschicht des Fotodetektors eine Verbindungshalbleiterschicht mit übereinstimmenden Elementen aufweisen. Beispielsweise können sowohl die aktive Zone als auch mindestens eine Halbleiterschicht des Fotodetektors GaAs oder eine GaAs-haltige Verbindungshalbleiterschicht aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können sowohl die aktive Zone als auch mindestens eine Halbleiterschicht des Fotodetektors InP, GaN oder eine InP-haltige oder GaN-halteige Verbindungshalbleiterschicht aufweisen.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann ferner einen Wellenleiter aufweisen, der geeignet ist, von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung dem Fotodetektor zuzuführen. Beispielsweise kann der Wellenleiter ein single-mode Wellenleiter sein. Auf diese Weise können die Wellenfronten der von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittierten elektromagnetischen Strahlung sowie der von dem Objekt reflektierten Strahlung besonders gut ausgerichtet werden. Bei Ausrichtung der jeweiligen Wellenfronten werden eine Überlagerung der elektromagnetischen Strahlung und somit eine Mischung begünstigt.
  • Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann ferner eine Einkapselung aufweisen, wobei die oberflächenemittierende Laserdiode geeignet ist, elektromagnetische Strahlung über die Einkapselung zu emittieren und der Fotodetektor geeignet ist, die reflektierte elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
  • Gemäß Ausführungsformen weist die oberflächenemittierende Laserdiode eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen auf.
  • Gemäß Ausführungsformen weist das optoelektronisches Halbleiterbauelement darüber hinaus eine Stromquelle auf, die geeignet ist, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist.
  • Das optoelektronisches Halbleiterbauelement weist zusätzlich eine Auswerteeinrichtung auf, die geeignet ist, aus einem Detektionssignal des Fotodetektors Informationen über eine Abstandsänderung zwischen dem optoelektronischen Halbleiterbauelement und einem Objekt, welches die von der vertikal emittierenden Laserdiode emittierte elektromagnetische Strahlung reflektiert hat, zu ermitteln.
  • Beispielsweise ist das Detektionssignal ein periodisches Signal, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung, die von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Objekt reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst eine optoelektronische Halbleitervorrichtung ein Substrat sowie eine Vielzahl von über dem Substrat angeordneten Bildelementen, die jeweils einen Halbleiterschichtstapel umfassen. Der Halbleiterschichtstapel weist jeweils eine oberflächenemittierende Laserdiode sowie einen Fotodetektor auf, die vertikal übereinander angeordnet sind.
  • Die optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ferner eine Anordnung von Wellenleitern, die geeignet sind, von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung jeweils einem der Fotodetektoren zuzuführen. Beispielsweise können die Wellenleiter single-mode Wellenleiter sein.
  • Beispielsweise weisen die oberflächenemittierenden Laserdioden jeweils eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen auf.
  • Die optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ferner eine Stromquelle, die geeignet ist, eine in mindestens eine der oberflächenemittierenden Laserdioden eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist. Beispielsweise kann die Stromquelle geeignet sein, zwei unterschiedlichen oberflächenemittierenden Laserdioden jeweils unterschiedliche Stromstärken einzuprägen. Gemäß Ausführungsformen kann die Stromquelle geeignet sein, die oberflächenemittierenden Laserdioden der Vielzahl von Bildelementen gleichzeitig anzusteuern.
  • Die optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, die geeignet ist, aus einem Detektionssignal des Fotodetektors Informationen über einen Abstand oder eine relative Geschwindigkeit zwischen der optoelektronischen Halbleitervorrichtung und einem Objekt, welches die von der vertikal emittierenden Laserdiode emittierte elektromagnetische Strahlung reflektiert hat, zu ermitteln.
  • Gemäß Ausführungsformen ist das Detektionssignal ein periodisches Signal, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung, die von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Objekt reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst die optoelektronische Halbleitervorrichtung ferner ein optisches Element, welches geeignet ist, die Richtung von einigen der Bildelemente emittierter elektromagnetischer Strahlung umzulenken.
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst das Einprägen eines sich zeitlich verändernden Stroms in die oberflächenemittierende Laserdiode, wodurch elektromagnetische Strahlung mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen eines Fotostroms durch den Fotodetektor und das Ermitteln einer Veränderung eines Abstands zwischen einem Objekt, welches die elektromagnetische Strahlung reflektiert, und dem optoelektronischen Halbleiterbauelement, wodurch ein Detektionssignal ermittelt wird.
  • Ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung umfasst das gleichzeitige Einprägen eines sich zeitlich verändernden Stroms in eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserdioden der Bildelemente, wodurch durch die Bildelemente jeweils elektromagnetische Strahlung mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen eines Fotostroms durch die Fotodetektoren der Bildelemente und das Ermitteln einer Lagebeziehung oder einer Veränderung der Lagebeziehung zwischen einem Objekt, welches die elektromagnetische Strahlung reflektiert, und der optoelektronischen Halbleitervorrichtung, wodurch ein Detektionssignal ermittelt wird.
  • Beispielsweise ist das Detektionssignal ein periodisches Signal, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung, die von der oberflächenemittierenden Laserdiode emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Objekt reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  • Beispielsweise kann in mindestens zwei der oberflächenemittierenden Laserdioden ein jeweils unterschiedlicher Strom eingeprägt werden.
  • Weitere Ausführungsformen betreffen einen Biosensor mit dem vorstehend beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelement.
  • Weitere Ausführungsformen betreffen ein LIDAR-System mit der vorstehend beschriebenen optoelektronischen Halbleitervorrichtung.
  • Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
    • 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 2A veranschaulicht eine Anordnung des optoelektronischen Halbleiterbauelements im Betrieb gemäß Ausführungsformen.
    • 2B veranschaulicht eine Messanordnung unter Verwendung des optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
    • Die 3A und 3B veranschaulichen weitere Modifikationen des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
    • Die 4A und 4B zeigen weitere Ausführungsformen des optoelektronischen Halbleiterbauelements.
    • 5A veranschaulicht den Betrieb einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
    • 5B veranschaulicht weitere Elemente der optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
    • 5C veranschaulicht weitere Elemente der optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
    • Die 6A und 6B veranschaulichen den Verlauf von Wellenfronten beim Betrieb der optoelektronischen Halbleitervorrichtung.
    • 7A zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
    • 7B zeigt eine schematische Querschnittsansicht der optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 7C zeigt eine schematische Querschnittsansicht der optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 8 zeigt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 9A fasst ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen zusammen.
    • 9B fasst ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen zusammen.
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
  • Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
  • Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
  • Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
  • Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
  • Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
  • Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 umfasst einen Halbleiterschichtstapel 109, in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 sowie ein Fotodetektor 105 vertikal übereinander angeordnet sind.
  • Generell bezeichnet gemäß allen hier beschriebenen Ausführungsformen der Begriff „Fotodetektor“ eine allgemeine Nachweisvorrichtung für elektromagnetische Strahlung. Die Nachweisvorrichtung kann beispielsweise Halbleitermaterialen enthalten. Gemäß Ausführungsformen kann der Fotodetektor Halbleitermaterialien enthalten. Beispielsweise kann der Fotodetektor eine Fotodiode mit einem pn-Übergang, eine Metall-Isolator-Metall-Struktur, eine Metall-Halbleiter-Metall-Struktur, einen Tunnelübergang, Schottky-Strukturen oder photoleitende Vorrichtungen umfassen. Beispielsweise kann der Fotodetektor bei geeignet ausgewählter Polarität eine nichtlineare Strom-Spannungskennlinie haben.
  • Die oberflächenemittierende Laserdiode stellt einen VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) dar. Dieser umfasst einen ersten Resonatorspiegel 110, einen zweiten Resonatorspiegel 120 und eine aktive Zone 125 zur Strahlerzeugung. Die oberflächenemittierende Laserdiode weist einen optischen Resonator auf, der zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 110, 120 ausgebildet ist. Der optische Resonator erstreckt sich in einer vertikalen Richtung.
  • Der erste und der zweite Resonatorspiegel 110, 120 können jeweils als DBR-Schichtstapel („distributed bragg reflector“) ausgebildet sein und eine Vielzahl alternierende dünne Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweisen. Die dünnen Schichten können jeweils aus einem Halbleitermaterial oder auch aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 3,1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n > 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 3,1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n < 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) haben. Beispielweise kann die Schichtdicke λ/4 oder ein Mehrfaches von λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel kann beispielweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielweise 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
  • Der erste Resonatorspiegel 110 kann Halbleiterschichten vom ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ enthalten. Der zweite Resonatorspiegel 120 kann Halbleiterschichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen können der erste und/oder der zweite Resonatorspiegel 110, 120 aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein. In diesem Fall können zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und der aktiven Zone 125 Halbleiterschichten vom ersten Leitfähigkeitstyp angeordnet sein. Weiterhin können Halbleiterschichten vom zweiten Leitfähigkeitstyp zwischen dem zweiten Resonatorspiegel 120 und der aktiven Zone 125 angeordnet sein.
  • Die aktive Zone 125 kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten. Beispielsweise können die Materialien der aktiven Zone 125 GaAs enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen können Materialien der aktiven Zone GaN oder InP enthalten.
  • Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 kann weiterhin eine Aperturblende 115, die in dem Halbleiterschichtstapel 109 angeordnet ist, aufweisen. Die Aperturblende 115 kann beispielsweise angrenzend an die aktive Zone 125 angeordnet sein. Die Aperturblende 115 ist beispielsweise isolierend und begrenzt den Stromfluss und damit die Injektion von Ladungsträgern auf den Bereich zwischen den Umrandungsteilen der Aperturblende 115.
  • Der erste Resonatorspiegel 110 ist beispielsweise über einem Substrat 100 ausgebildet. Der erste Resonatorspiegel 110 kann beispielsweise über ein erstes Kontaktelement 130 und gegebenenfalls über das Substrat 100 kontaktiert werden. Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 130 auf der von dem ersten Resonatorspiegel 110 abgewandten Seite des Substrats 100 angeordnet sein. Durch Einprägen eines Stroms über das erste Kontaktelement 130 und ein zweites Kontaktelement 135, kann eine Laseremission bewirkt werden. Das zweite Kontaktelement kann in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Resonatorspiegel 120 ausgebildet sein.
  • Durch eine Modulation der eingeprägten Stromstärke kann die Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung moduliert werden. Beispielsweise kann eine Modulationseinrichtung 140 eine Stromquelle 149 enthalten. Die Modulationseinrichtung 140 kann geeignet sein, den eingeprägten Strom zu modulieren, beispielsweise im Bereich von einigen µA. Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte, was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt. Als Folge wird die Wellenlänge verschoben. Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturerhöhung verursacht, welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt. Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden.
  • Der Halbleiterschichtstapel 109 weist weiterhin Schichten eines Fotodetektors 105 auf. Beispielsweise kann der Fotodetektor 105 als Diode realisiert sein und eine erste Halbleiterschicht 112 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ, und eine zweite Halbleiterschicht 111 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Fotodetektor 105 durch jede andere geeignete Vorrichtung wie vorstehend diskutiert realisiert sein. Die erste Halbleiterschicht 112 kann mit einer ersten Kontaktschicht 114 verbunden sein. Die zweite Halbleiterschicht 111 kann mit einer zweiten Kontaktschicht 116 verbunden sein. Eine Messeinrichtung 141 ist geeignet, über ein erstes Detektorkontaktelement 118 und ein zweites Detektorkontaktelement 117 einen Fotostrom zu ermitteln. Das erste Detektorkontaktelement 118 ist mit der ersten Kontaktschicht 114 verbunden. Das zweite Detektorkontaktelement 117 ist mit der zweiten Kontaktschicht 116 verbunden. Gemäß Ausführungsformen wird ein Signal der Modulationseinrichtung 140 und der Messeinrichtung 141 einer Auswerteeinrichtung 142 zugeführt. Diese ist geeignet, aus einem Signal gewünschte Informationen abzuleiten. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2A und 2B noch genauer erläutert werden.
  • Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 und der Fotodetektor 105 sind vertikal übereinandergestapelt. Das heißt, die Laserdiode 103 kann beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Fotodetektors 105 angeordnet sein, wobei sich die Begriffe „oberhalb“ und „unterhalb“ auf eine Schichtwachstumsrichtung beziehen.
  • Aufgrund der relativ dünnen Schichtdicke der ersten und der zweiten Halbleiterschichten 112, 111 des Fotodetektors 105 wird nur ein Teil der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung durch den Fotodetektor 105 absorbiert. Beispielsweise können die erste und die zweite Halbleiterschicht insgesamt eine Schichtdicke kleiner als 1 um, beispielsweise etwa 200 nm haben. Umfasst der Fotodetektor eine Tunneldiode oder einen Schottkykontakt, so kann dieser insgesamt eine Schichtdicke haben, die kleiner als etwa 200 nm, beispielsweise 50 bis 100 nm ist.
  • 1A zeigt einen von der Oberflächenlaserdiode emittierten Strahl 16. Ein Teil des emittierten Strahls 16 wird intern reflektiert und stellt einen intern reflektierten Strahl 18 dar. 1A veranschaulicht weiterhin einen von einem Objekt (nicht dargestellt in 1A) reflektierten Strahl 17. Ein Teil des emittierten Strahls 16, der von einem Objekt (nicht dargestellt) reflektiert worden ist, kehrt als reflektierter Strahl 17 in das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zurück.
  • 1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode 103 eine Vielzahl von Laserelementen 122 umfasst.
  • Zwischen einem ersten Resonatorspiegel 110 und einem zweiten Resonatorspiegel 120 ist eine Vielzahl von einzelnen Laserelementen 122 angeordnet. Die einzelnen Laserelemente 122 sind über Tunnelübergänge miteinander verbunden.
  • Der Halbleiterschichtstapel 109 weist somit eine Vielzahl aktiver Zonen 125 auf, die beispielsweise über Tunnelübergänge 127 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann der Halbleiterschichtstapel 109 mehr als drei, beispielsweise etwa sechs oder mehr als sechs Laserelemente 122 aufweisen. Die Laserelemente 122 können weiterhin geeignete Halbleiterschichten vom ersten und zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, die jeweils an die aktive Zone 125 angrenzen und mit dieser verbunden sind.
  • Die Tunnelübergänge 127 können jeweils Abfolgen von p++dotierten Schichten sowie n++-dotierten Schichten aufweisen, über die jeweils die einzelnen Laserelemente 122 miteinander verbunden werden können. Die p++- und n++-dotierten Schichten sind in Sperrrichtung mit den zugehörigen Laserelementen 122 verbunden. Gemäß Ausführungsformen sind die Schichtdicken der einzelnen Halbleiterschichten der Laserelemente 122 derart bemessen, dass die Tunnelübergänge 127 beispielsweise an Knoten der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Emissionswellenlänge der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 stabilisiert werden. Durch Stapelung mehrerer Laserelemente 122 übereinander können höhere Leistungsdichten und weiterhin geringere Linienbreiten des emittierten Laserstrahls erreicht werden. Die Abfolge von sehr hoch dotierten Schichten des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps sowie optional von Zwischenschichten stellt eine Tunneldiode dar. Unter Verwendung dieser Tunneldioden können die jeweiligen Laserelemente 122 in Reihe geschaltet werden.
  • 2A zeigt eine schematische Messanordnung unter Verwendung des beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements 10.
  • Der von dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 emittierte Laserstrahl 16 wird auf ein Objekt 15 eingestrahlt. Der von dem Objekt 15 reflektierte Strahl 17 wird, beispielsweise über ein geeignetes optisches Element 148, wieder dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 10 zugeführt. Je nach Ausgestaltung des optoelektronischen Halbleiterbauelements kann jedoch auch auf das optische Element 148 verzichtet werden. Bei einer geeigneten Einkopplung in das optoelektronische Halbleiterbauelement wird der reflektierte Strahl 17 mit intern reflektierten Strahlen, die innerhalb des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 reflektiert worden sind, überlagert und somit gemischt. Das überlagerte Signal kann dann durch den Fotodetektor 105 detektiert werden. Hieraus lässt sich, wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird, die Differenzfrequenz der beiden überlagerten Signale ermitteln. Wie in 1A dargestellt ist, kann ein Teil des von dem oberflächenemittierenden Laser 103 emittierten Laserstrahls an Schichten innerhalb des Halbleiterschichtstapels 109 reflektiert werden und somit den reflektierten Strahl 18 ausbilden. Eine Überlagerung des intern reflektierten Strahls 18 mit einem reflektierten Strahl 17 kann beispielsweise erfolgen, wenn die jeweiligen Wellenfronten der Strahlen genau überlagert sind. Weiterhin kann die Kohärenzbedingung erfüllt sein. Dadurch, dass die oberflächenemittierende Laserdiode eine Single-Mode-Laserdiode ist und in einer einzigen Lasermode betreibbar ist, kann eine Überlagerung auch stattfinden, ohne dass die Kohärenzbedingung erfüllt ist. Beispielsweise kann, da die oberflächenemittierende Laserdiode eine Single-Mode-Laserdiode ist, eine bestmögliche Überlagerung der ausgesandten und empfangenen Wellenfronten erreicht werden. Beispielsweise kann eine Linienbreite der oberflächenemittierenden Laserdiode im MHz-Bereich liegen. Beispielsweise kann eine Ausgangsleistung der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 kleiner als 10 mW sein.
  • Sind mehrere Laserelemente 122 übereinander gestapelt, kann die Linienbreite kleiner als 1 MHz sein. Die Leistung kann - in Abhängigkeit von der Anzahl übereinander gestapelter Laserelemente 122 - in einem Bereich zwischen 50 und 100 mW liegen.
  • Die Modulationseinrichtung 140 kann eine Stromquelle 149 enthalten. Die Modulationseinrichtung ist vorgesehen, um die Wellenlänge des emittierten Lichts zu modulieren. Beispielsweise kann eine Frequenzverschiebung durch eine Amplitudenmodulation, d.h. eine Modulation der Stromstärke, erfolgen.
  • Das Objekt 15 kann beispielsweise ein Mensch oder anderes Lebewesen sein. Unter Verwendung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 lässt sich beispielsweise der Puls der Person ermitteln. Gemäß weiteren Ausführungsformen können auch die Fließgeschwindigkeit oder weitere Fließeigenschaften des Blutes ermittelt werden. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 stellt somit gemäß Ausführungsformen einen Biosensor dar. Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 in eine Armbanduhr integriert sein.
  • 2B veranschaulicht schematisch das Ausführungsformen der Erfindung zugrundeliegende Messprinzip. Das Messprinzip entspricht dem eines FMCW-LIDAR-Systems. Wie beschrieben worden ist, wird der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierte Laserstrahl 16 durch ein Objekt 15 reflektiert und tritt als reflektierter Strahl 17 in den Fotodetektor 105 ein. Der reflektierte Strahl 17 wird mit dem intern reflektierten Strahl 18 überlagert. Der Strahl 17 ist beispielsweise kohärent zum Strahl 18 und kann mit diesem phasengenau überlagert werden. Der intern reflektierte Strahl 18 stellt eine LO-(„Lokaler Oszillator“)-Frequenz fLO dar. Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich bei Reflexion an dem Objekt ergibt, verzögert und entspricht der Frequenz fa. Die Differenz zwischen fa und fLO ist ein Maß für die Bewegung und die Entfernung des Objekts 15. Beispielsweise kann aus dieser Differenz der Puls einer Person ermittelt werden. Das heißt, durch den Messaufbau ist die Differenz zwischen fa und fLO zu ermitteln. Der reflektierte Strahl 17 wird mit dem intern reflektierten Strahl 18 kohärent überlagert. Der überlagerte Strahl wird durch den Fotodetektor 105 nachgewiesen. Dabei wird die Differenzfrequenz des intern reflektierten Strahls 18 und des reflektierten Strahls 17 ermittelt. Der Fotodetektor 105 ist eine mögliche Implementierung eines Mischers. Das Mischsignal kann wie folgt dargestellt werden: i s i g = i a + i L O + 2 i a i L O cos [ 2 π ( f a − f L O ) t + ( φ a − φ L O ) ]
    Figure DE102020123559B4_0001
  • Das von dem Fotodetektor 105 detektierte Signal ist somit ein periodisches Signal, dessen Frequenz der Differenz aus fa und fLO entspricht. Das von dem Fotodetektor 105 detektierte Signal wird durch eine Messeinrichtung 141 erfasst und sodann einer Auswerteeinrichtung 142 zugeführt. Gegebenenfalls kann ein Signal der Modulationseinrichtung 140 der Auswerteeinreichtung 142 zugeführt werden. Das Signal der Modulationseinrichtung 140 gibt den zeitlichen Verlauf der Modulation der durch die Stromquelle 149 eingeprägten Stromstärke wieder und damit den zeitlichen Verlauf der Modulation der Frequenz der von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierten elektromagnetischen Strahlung.
  • Die Frequenz des Signals und damit die Differenz aus fa und fLO werden ermittelt. Die Differenz aus fa und fLO kann beispielsweise im MHz-Bereich liegen.
  • Unter der Annahme, dass der reflektierte Strahl 17 mit einem in gleicher Richtung laufenden Strahl zu überlagern ist, kann eine phasengenaue Überlagerung stattfinden, weil immer Signalanteile des ausgesendeten Lichts innerhalb des Schichtstapels reflektiert werden. Da das beschriebene Messverfahren sehr empfindlich ist, kann eine Messung auch stattfinden, wenn nur ein kleiner Anteil der emittierten Strahlung intern reflektiert wird. Das in 1A dargestellte optoelektronische Halbleiterbauelement ist damit in der Lage, sehr kleine Abstandsveränderungen des Objekts 15 nachzuweisen. Als Ergebnis kann beispielsweise der Puls eines Lebewesens gemessen werden. Das von der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 emittierte Lichtsignal ist bei einer Leistung von wenigen mW und einer Linienbreite im MHz-Bereich in der Lage, Distanzen in der Größenordnung von einigen 10 m zu überwinden und eine Auflösung im um-Bereich zu bewirken. Beispielsweise kann ein Durchmesser der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 kleiner als 10 µm sein.
  • 3A zeigt eine Anordnung des beschriebenen optoelektronischen Bauelements 10 unter Verwendung einer zusätzlichen Kollimatorlinse 108. 3A veranschaulicht zusätzlich eine Darstellung der Wellenfronten, wobei 106 die Wellenfront des emittierten Strahls 16 darstellt und 107 die Wellenfront des reflektierten Strahls 17 darstellt. Prinzipiell kann davon ausgegangen werden, dass die Wellenfront 106 des emittierten Strahls zunächst planar ist. Weiterhin kann davon ausgegangen werden, dass die Wellenfront des reflektierten Strahls 17 im Fotomischer oder Detektor planar ist.
  • 3B veranschaulicht die Anordnung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse 108. Generell kann man davon ausgehen, dass insbesondere bei kurzen Abständen (<10 m) zum nachzuweisenden Objekt 15 auf die Kollimatorlinse 108 verzichtet werden kann.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zusätzlich einen Wellenleiter 104, beispielsweise eine Glasfaser aufweisen. Der Wellenleiter ist zwischen der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 und dem Objekt 15 angeordnet. Aufgrund des Wellenleiters kann eine bessere Einkopplung und somit Überlagerung des reflektierten Strahls 17 mit dem intern reflektierten Strahl 18 sichergestellt werden.
  • Der Fotodetektor 105 muss im Übrigen nicht notwendigerweise zwischen der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 und dem Objekt 15 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die oberflächenemittierende Laserdiode 103 auch zwischen dem Fotodetektor 105 und dem Objekt 15 angeordnet sein.
  • Aufgrund der Tatsache, dass eine Frequenzmischung stattfindet, wenn der reflektierte Strahl 17 mit dem intern reflektierten Strahl 18 kohärent überlagert wird, kann ausgeschlossen werden, dass von anderen Personen oder aus einem größeren Winkel reflektierte Signale mit dem intern reflektierten Signal 18 überlagert werden. Insbesondere passen die Wellenfronten nicht zueinander. Auf diese Weise kann eine automatische räumliche Filterung stattfinden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 zusätzlich eine Einkapselung 102 aufweisen. Dies ist beispielsweise in 4B veranschaulicht. 4B zeigt die oberflächenemittierende Laserdiode 103 und der Fotodetektor 105, die übereinander angeordnet sind. Beispielsweise kann der Fotodetektor 105 von der Emissionsoberfläche der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 abgewandt sein oder aber auf der Emissionsoberfläche der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 angeordnet sein. Ein Material der Einkapselung 102 umgibt die Anordnung aus Fotodetektor 105 und oberflächenemittierenden Laserdiode 103 vollständig. Das Material der Einkapselung 102 kann beispielsweise folgende Materialien umfassen: Silikon, Epoxidharz oder Spin-on-Glass (SoG). Beispielsweise kann ein Teil der emittierten Strahlung 17 an der Oberseite der Einkapselung 102 reflektiert werden und für die Mischung verwendet werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann dieses Signal auch herausgefiltert werden oder als absolute Referenz verwendet werden.
  • Generell können gemäß weiteren Ausführungsformen auch zwei Fotodetektorstrukturen übereinander angeordnet sein. Beispielsweise kann, wie in 4B dargestellt, der Fotodetektor 105 sowohl über als auch unter der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die beiden Fotodetektorstrukturen auch direkt übereinander gestapelt sein. Auf diese Weise können Gleichstromanteile aus Gleichung (1) eliminiert werden. Insbesondere kann der (ia + iLO)- Term aus Gleichung (1) eliminiert werden. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn die Phasenfronten zwischen den Fotodetektoren um 180° verschoben sind.
  • Das beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement 10 stellt somit einen kompakten Biosensor dar, der einfach aufgebaut ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Der Biosensor kann beispielsweise zur Pulsmessung eingesetzt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Biosensor mit Haut einer Person in Kontakt gerät. Vielmehr kann der Puls oder andere Vitaldaten einer Person bei hoher Genauigkeit aus einiger Distanz ermittelt werden. Insbesondere können aufgrund des empfindlichen Nachweisverfahrens unter Verwendung des beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements sehr kleine (< 10 µm) Veränderungen des Abstands ermittelt werden.
  • Bei LIDAR-Anwendungen werden, anders als bei Ausführungsformen, die in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben worden sind, großflächige Objekte mit einem Laserstrahl bestrahlt. Dies kann beispielsweise bei Verwendung einer einzelnen Laserquelle durch Verwendung einer Scan-Einheit erfolgen. Gemäß Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, kann dies aber auch dadurch erfolgen, dass ein Emitter-Array verwendet wird, durch die das Objekt großflächig beleuchtet werden kann.
  • 5A zeigt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung 12 mit einem Substrat 100 sowie einer Vielzahl von Bildelementen 11, die jeweils einen Halbleiterschichtstapel 109 umfassen. Der Halbleiterschichtstapel 109 weist jeweils eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 sowie ein Fotodetektor 105, die vertikal übereinander angeordnet sind, auf.
  • 5A veranschaulicht weiterhin einen Messaufbau unter Verwendung der optoelektronischen Halbleitervorrichtung 12. Wie in 5A dargestellt ist, ist eine Vielzahl von Bildelementen 11 über einem Substrat 100 angeordnet. Das Substrat 100 kann beispielsweise ein GaAs- oder InP-Substrat sein. Jedes einzelne Bildelement 11 kann beispielsweise den im unteren Teil der 5A dargestellten Aufbau haben. Genauer gesagt, weist jedes der Bildelemente einen Halbleiterschichtstapel 109 auf, in dem ein oberflächenemittierende Laserdiode 103 und ein Fotodetektor 105 vertikal übereinander angeordnet sind. Jedes der Bildelemente kann somit einen Aufbau haben, wie er vorstehend unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben worden ist. Jedem der einzelnen Bildelemente 11 kann zusätzlich ein Wellenleiter 104 zugeordnet sein. Beispielsweise kann ein Bildelement (11) einen Durchmesser kleiner als 20 um, beispielsweise kleiner als 15 oder 11 um haben. Der Abstand zwischen benachbarten Bildelementen kann beispielsweise kleiner als 20 um, beispielsweise kleiner als 10 um sein. Generell kann die Anzahl an Bildelementen mehr als 10 x 10 Bildelemente, beispielsweise bis zu etwa 1000 x 1000 Bildelemente betragen. Je nach gewünschter Auflösung kann die Anzahl aber auch größer sein. Die Wellenleiter 104 können auch weggelassen werden.
  • Jedes der Bildelemente 11 emittiert einen einzelnen Lichtstrahl, wie beispielsweise unter Bezugnahme auf 1A oder 2A erläutert worden ist. Die Vielzahl emittierter Lichtstrahlen wird durch ein optisches Element 119 aufgeweitet, um ein spezielles Gesichtsfeld 20 zu beleuchten. Die Lichtstrahlen werden auf das Objekt 15 in entsprechender Weise wie unter Bezugnahme auf 2A dargestellt, eingestrahlt, und es wird ein reflektierter Strahl 17 erzeugt. Der reflektierte Strahl 17 hat eine gegenüber dem emittierten Strahl verschobene Frequenz. Dieser Strahl wird unter Verwendung des optischen Elements 119 auf die Anordnung von Bildelementen 11 zurück projiziert. Aufgrund der Anwesenheit der Vielzahl von Wellenleitern 104, die jeweils den einzelnen Bildelementen 11 zugeordnet sind, wird jeder der von den einzelnen Bildelementen 11 emittierte und nachfolgend reflektierte Lichtstrahl 17 wieder dem zugehörigen Bildelement 11 zugeführt. Auf diese Weise kann eine kohärente Überlagerung des reflektierten Strahls 17 mit einem intern reflektierten Strahl 18 erfolgen.
  • Gemäß Ausführungsformen können die oberflächenemittierenden Laserdioden 103 single-mode Laser sein. Weiterhin können die Wellenleiter 104 jeweils single-mode Wellenleiter sein.
  • Jedes Bildelement 11 umfasst somit eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 und ein Fotodetektor 105. Die ausgesandte Welle (lokaler Oszillator) mischt sich dabei mit dem empfangenen Signal in dem Fotodetektor 105 wie unter Bezugnahme auf 2B diskutiert worden ist. Beispielsweise können die einzelnen Bildelemente 11 einzeln angesteuert werden. Als Folge kann beispielsweise jeder der einzelnen oberflächenemittierenden Laserdioden 103 bei einer leicht unterschiedlichen Wellenlänge emittieren. Weiterhin sind die einzelnen oberflächenemittierenden Laserdioden 103 nicht zueinander kohärent. Auf diese Weise und auch gegebenenfalls aufgrund der leicht unterschiedlichen Emissionswellenlänge benachbarter Laserdioden 103 kann ein Nebensprechen vermieden werden. Beispielsweise kann verhindert werden, dass der Fotodetektor 105 eines Bildelements ein Mischsignal, das unter Verwendung eines von einem benachbarten Bildelement emittierten Laserstrahls erzeugt worden ist, nachweist.
  • In ähnlicher Weise wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1A und 2A erläutert worden ist, kann die Frequenz der einzelnen oberflächenemittierenden Laserdioden 103 durch eine Veränderung der Stromstärke moduliert werden.
  • 5A zeigt weiterhin eine Ansteuereinrichtung 143, die geeignet ist, jede der oberflächenemittierenden Laserdioden 103 der Anordnung von Bildelementen 11 anzusteuern. Die Ansteuereinrichtung 143 kann eine Modulationseinrichtung 140 aufweisen, die wiederum eine Stromquelle 149 enthält. Beispielsweise kann unter Verwendung der Ansteuereinrichtung 143 die in jede der oberflächenemittierenden Laserdioden 103 eingeprägte Stromstärke individuell eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Ansteuereinrichtung 143 geeignet sein, mindestens zwei, beispielsweise sämtliche der oberflächenemittierenden Laserdioden 103 der Anordnung von Bildelemente 11 gleichzeitig anzusteuern. Auf diese Weise wird ein größeres Gesichtsfeld 20 gleichzeitig beleuchtet, und der Messvorgang kann ohne Verwendung einer Scan- oder Ablenkeinheit vorgenommen werden.
  • 5A zeigt weiterhin eine Messeinrichtung 141 sowie eine Auswerteeinrichtung 142, die eine Funktionalität haben, wie unter Bezugnahme auf 2A und 2B erläutert worden ist. Die Messeinrichtung 141 kann das von dem zugehörigen Fotodetektor 105 empfangene Mischsignal detektieren. Weiterhin ist die Auswerteeinrichtung 142 geeignet, aus den empfangenen Signalen und einem Signal der Modulationseinrichtung 140 jeweils die Differenz fLO-fa zu ermitteln, woraus beispielsweise Geschwindigkeit und Abstand des Objekts 15 ermittelt werden können.
  • Durch die Modulationseinrichtung 140, die Messeinrichtung 141 sowie die Auswerteeinrichtung 142 kann jedes einzelne Bildelement angesteuert werden und die von jedem einzelnen Bildelement 11 empfangenen Signale ausgewertet werden. Die Modulationseinrichtung 140 kann so ausgestaltet sein, dass mehrere Bildelemente 11 gleichzeitig angesteuert werden.
  • Beispielsweise können die Modulationseinrichtung 140, die Messeinrichtung 141 sowie die Auswerteeinrichtung 142 oder Teile davon in dem Substrat 100 ausgebildet sein. Weiterhin können die Komponenten oder Teile davon in einem separaten Halbleiterchip, der mit dem Substrat 100 verbunden ist, angeordnet sein.
  • Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 kann beispielsweise wie in 1A oder 1B gezeigt aufgebaut sein. Umfasst die oberflächenemittierende Laserdiode 103 mehrere vertikal übereinander gestapelte Laserelemente, so lassen sich aufgrund der vergrößerten Länge des optischen Resonators niedrigere Linienbreiten und als Folge bessere oder längere Kohärenzlängen erreichen. Beispielsweise können mindestens 3, beispielsweise 5 oder mehr Laserelemente 122 übereinander gestapelt sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen können zusätzliche optische Elemente, beispielsweise Mikrolinsenanordnungen oder kugelförmige Linsen zwischen der Anordnung von Bildelementen 11 und der Anordnung von Wellenleitern 104 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann den einzelnen Bildelementen 11 eine Optik, beispielsweise eine Anordnung von keilförmigen optischen Elementen oder optischen Mikroelementen 123 vorgeschaltet sein. Beispielsweise können die keilförmigen optischen Elemente oder optischen Mikroelemente 123 vorgesehen sein, um eine Korrektur der Ausrichtung der optischen Wellenfronten vorzunehmen. Generell können optische Elemente auf Wafer-Level vorgesehen sein. Die Optik kann beispielsweise beugend sein. Die optischen Elemente können auch als sogenannte Array-Optik, beispielsweise ein Anordnung von Mikrolinsen ausgestaltet sein.
  • Ausführungsformen mit keilförmigen optischen Elementen oder optischen Mikroelementen 123 sind beispielsweise in 5B veranschaulicht. Wie in 5B weiterhin veranschaulicht ist, sind die achsennahen Bildelemente in der Mitte der Anordnung nicht mit keilförmigen optischen Elementen 123 ausgestattet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im zentralen Bereich der Bildelementanordnung 121 keine zusätzliche Strahlkorrektur durch ein keilförmiges optisches Element oder optisches Mikroelement 123 erforderlich ist, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6A und 6B erläutert werden wird.
  • 5C zeigt eine Messanordnung unter Verwendung einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 12 gemäß weiteren Ausführungsformen. Wie in 5C dargestellt ist, sind die einzelnen Bildelemente nicht exakt parallel zu einer optischen Achse 101 ausgerichtet, sondern am Rand der Bildelementanordnung 121 verkippt ausgerichtet. Der Begriff „optische Achse“ bezieht sich dabei auf die optische Achse 101, die durch den Mittelpunkt des optischen Elements 122, beispielsweise einer Linse, vorgegeben ist.
  • Die Bildelemente 11 können beispielsweise dadurch gegenüber der optischen Achse 101 verkippt sein, dass der zugehörige Halbleiterschichtstapel 109 jeweils verkippt aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Aufwachssubstrat verbogen ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die einzelnen Bildelemente 11 auch auf einem gebogenen Substrat 100 ausgebildet sein, wodurch sich eine Krümmung ergibt, so dass beispielsweise insbesondere im Randbereich der Bildelementanordnung die Hauptoberfläche der einzelnen Schichten nicht senkrecht zur optischen Achse 101 verlaufen.
  • Bei einer derartigen Anordnung der einzelnen Bildelemente kann auch eine optische Korrektur der Wellenfronten verzichtet werden. Die zum Objekt hinlaufenden Wellenfronten sind symmetrisch zu den reflektierten Wellenfronten.
  • Die 6A und 6B veranschaulichen den Effekt eines keilförmigen optischen Elements oder optischen Mikroelements 123 zur Ausrichtung der Wellenfronten von achsenfernen Strahlen. 6A veranschaulicht den Verlauf von Wellenfronten 144 eines Lichtstrahls, der von einem achsennahen Bildelement 11 emittiert worden ist. Wie zu sehen ist, ist die Wellenfront 144 des emittierten Lichtstrahls planar. Durch Abbildung durch die Linse 146 ergeben sich jeweils sphärische Wellenfronten 145. Der emittierte Lichtstrahl wird im Brennpunkt 147 fokussiert.
  • 6B veranschaulicht den Verlauf von Wellenfronten 144, die von achsenfernen Bildelementen emittiert worden sind. Anders als in 6A dargestellt, fallen diese Lichtstrahlen schräg auf die Linse 146 ein. Nach Abbildung durch die Linse 146 ergeben sich sphärische Wellenfronten 145. Der Lichtstrahl wird ebenfalls im Brennpunkt 147 fokussiert. Allerdings verlaufen die in dem Brennpunkt 147 auftreffenden Wellenfronten jeweils schräg zur optischen Achse 111. Wird ein keilförmiges optisches Element oder optisches Mikroelement 123 beispielsweise vor dem zugehörigen Bildelement 11 eingeführt, so wird die sphärische Wellenfront 145 ausgerichtet, so dass sie parallel zur optischen Achse 111 verläuft. Die achsenfernen Strahlen werden somit durch das keilförmige optische Element oder optische Mikroelement 123 ausgerichtet.
  • Es findet somit eine optische Korrektur der Wellenfronten statt. Die sich zum Objekt 15 bewegenden Wellenfronten 106 verlaufen symmetrisch zu den vom Objekt reflektierten Wellenfronten 107.
  • 7A veranschaulicht den Aufbau einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 12 gemäß Ausführungsformen. Über einem gemeinsamen Substrat 100 sind mehrere Bildelemente 11 angeordnet. Beispielsweise können die Bildelemente 11 jeweils durch Strukturieren eines Halbleiterschichtstapels 109 hergestellt werden. Jedes der Bildelemente weist eine oberflächenemittierende Laserdiode 103 sowie einen Fotodetektor 105 auf. Beispielsweise kann jedes der Bildelemente 11 einen ersten Resonatorspiegel 110, einen zweiten Resonatorspiegel 120 sowie eines oder mehrere Laserelemente 122, die jeweils eine aktive Zone 125 aufweisen, umfassen. Die oberflächenemittierende Laserdiode 103 kann wie beispielsweise in 1A oder 1B dargestellt aufgebaut sein. Die emittierende Laserdiode 103 kann beispielsweise über ein erstes Kontaktelement 130 und ein zweites Kontaktelement 135 kontaktierbar sein. Zusätzlich können beispielsweise zwei Fotodetektoren 105 über einer Lichtemissionsoberfläche der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Fotodetektor 105 eine erste Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp und eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wie beispielsweise auch unter Bezugnahme auf 1A beschrieben worden ist, aufweisen. Der erste Fotodetektor 105 kann über eine erste Kontaktschicht 114 und eine zweite Kontaktschicht 116 kontaktierbar sein. Zusätzlich kann der zweite Fotodetektor 105 denselben Aufbau haben. Der zweite Fotodetektor kann über eine erste Kontaktschicht 124 des zweiten Fotodetektors und eine zweite Kontaktschicht 126 des zweiten Fotodetektors verbunden sein. Beispielsweise kann die erste Kontaktschicht des zweiten Fotodetektors 124 mit der zweiten Kontaktschicht des ersten Fotodetektors verbunden sein. Auf diese Weise ergibt sich eine sogenannte „Balanced Receiver Structure“. Beispielsweise können in diesem Fall die Phasenfronten zwischen den Fotodetektoren um 180° verschoben sein. Auf diese Weise können beispielsweise Gleichstromanteile aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) eliminiert werden. Insbesondere kann der (ia + iLO)- Term aus Gleichung (1) eliminiert werden.
  • 7B zeigt eine Querschnittsansicht einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung 12, bei der jeweils nur ein Fotodetektor 105 vorgesehen ist.
  • 7C zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Fotodetektor 105 zwischen dem Substrat 100 und der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Fotodetektor 105 auf der von der Emissionsoberfläche der oberflächenemittierenden Laserdiode 103 abgewandten Seite angeordnet.
  • 8 veranschaulicht einen Messaufbau gemäß weiteren Ausführungsformen, bei dem eine zusätzliche Strahlaufweitung dadurch erzeugt werden kann, dass eine Strahlablenkungsvorrichtung 128 verwendet wird. Genauer gesagt wird zusätzlich zu den in beispielsweise 5B veranschaulichten Komponenten eine Strahlablenkungsvorrichtung 128 in den Strahlengang eingebracht. Die Strahlablenkungsvorrichtung 128 kann beispielsweise ein LCPG („Liquid Crystal Polarization Grating“) sein. Die Strahlablenkungsvorrichtung 128 kann schaltbar sein. Entsprechend kann je nach Schaltzustand der Teilstrahl in einen anderen Winkelbereich abgestrahlt werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Pixel bzw. Bildelemente 11 reduziert werden und dennoch Auflösung und die Framerate erhalten bleiben. Als Ergebnis lassen sich die Kosten und die Komplexität weiter reduzieren.
  • Wie beschrieben worden ist, lässt sich durch die optoelektronische Halbleitervorrichtung oder das optoelektronische Halbleiterbauelement ein kostengünstiges einfaches System realisieren, welches in einem LIDAR-System verwendet werden kann. Dadurch, dass gemäß Ausführungsformen oberflächenemittierende Laserdiode und Fotodetektor in einem Halbleiterschichtstapel angeordnet sind, kann die oberflächenemittierenden Laserdiode in dem Wellenlängenbereich, der von dem Fotodetektor detektierbar ist, betrieben werden. Beispielsweise kann die Wellenlänge größer als 1000 nm sein, so dass beispielsweise eine Gefährdung von Augen verringert werden kann.
  • 9A fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements wie vorstehend beschrieben umfasst das Einprägen (S100) eines sich zeitlich verändernden Stroms in die oberflächenemittierende Laserdiode, wodurch elektromagnetische Strahlung mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen (S110) eines Fotostroms durch den Fotodetektor, wodurch ein Detektionssignal erhalten wird, und das Ermitteln (S120) einer Veränderung eines Abstands zwischen einem Objekt, welches die elektromagnetische Strahlung reflektiert, und dem optoelektronischen Halbleiterbauelement aus dem Detektionssignal.
  • 9B fasst ein Verfahren gemäß weiteren Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung wie vorstehend beschrieben umfasst das gleichzeitige Einprägen (S200) eines sich zeitlich verändernden Stroms in eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserdioden der Bildelemente, wodurch durch die Bildelemente jeweils elektromagnetische Strahlung mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Nachweisen (S210) eines Fotostroms durch die Fotodetektoren der Bildelemente, wodurch ein Detektionssignal erhalten wird, und das Ermitteln (S220) einer Lagebeziehung oder einer Veränderung der Lagebeziehung zwischen einem Objekt, welches die elektromagnetische Strahlung reflektiert, und der optoelektronischen Halbleitervorrichtung, aus dem Detektionssignal.
  • Beispielsweise kann der Strom in die oberflächenemittierenden Laserdioden sämtlicher Bildelemente gleichzeitig eingeprägt werden. Auf diese Weise wird ein großes Gesichtsfeld gleichzeitig ausgeleuchtet. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Strom auch nur in einen Teil der oberflächenemittierenden Laserdioden gleichzeitig eingeprägt werden. Auf diese Weise können jeweils Gruppen von Bildelementen 11 betrieben werden. Beispielsweise kann der Strom jeweils nur in jedes zweite, dritte, vierte oder fünfte Bildelement 11 eingeprägt werden. Auf diese Weise kann ein Nebensprechen weiter unterdrückt werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann in mindestens zwei der oberflächenemittierenden Laserdioden ein jeweils unterschiedlicher Strom eingeprägt werden. Auf diese Weise kann ein Nebensprechen zwischen benachbarten Bildelementen vermieden werden.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Optoelektronisches Halbleiterbauelement
    11
    Bildelement
    12
    Optoelektronische Halbleitervorrichtung
    15
    Objekt
    16
    emittierter Strahl
    17
    reflektierter Strahl
    18
    intern reflektierter Strahl
    19
    zu detektierender Strahl
    20
    Gesichtsfeld
    100
    Substrat
    101
    Optische Achse
    102
    Einkapselung
    103
    oberflächenemittierende Laserdiode
    104
    Wellenleiter
    105
    Fotodetektor
    106
    Wellenfront (emittierter Strahl)
    107
    Wellenfront (reflektierter Strahl)
    108
    Kollimatorlinse
    109
    Halbleiterschichtstapel
    110
    erster Resonatorspiegel
    111
    zweite Halbleiterschicht
    112
    erste Halbleiterschicht
    113
    Isolationsschicht
    114
    erste Kontaktschicht
    115
    Aperturblende
    116
    zweite Kontaktschicht
    117
    zweites Detektorkontaktelement
    118
    erstes Detektorkontaktelement
    119
    optisches Element
    120
    zweiter Resonatorspiegel
    121
    Bildelementanordnung
    122
    Laserelement
    123
    optisches Mikroelement
    124
    erste Kontaktschicht des zweiten Fotodetektors
    125
    aktive Zone
    126
    zweite Kontaktschicht des ersten Fotodetektors
    127
    Tunnelübergang
    128
    Strahlablenkungsvorrichtung
    129
    Teilstrahl
    130
    erstes Kontaktelement
    135
    zweites Kontaktelement
    140
    Modulationseinrichtung
    141
    Messeinrichtung
    142
    Auswerteinrichtung
    143
    Ansteuereinrichtung
    144
    ebene Wellenfront
    145
    sphärische Wellenfront
    146
    Linse
    147
    Brennpunkt
    148
    Spiegel
    149
    Stromquelle

Claims (20)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit: einem Halbleiterschichtstapel (109), in dem eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) sowie ein Fotodetektor (105) vertikal übereinander angeordnet sind, und einer Stromquelle (149), die geeignet ist, eine in die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (142), die geeignet ist, aus einem Detektionssignal des Fotodetektors (105) Informationen über eine Abstandsänderung zwischen dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (10) und einem Objekt (15), welches die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) elektromagnetische Strahlung (16) reflektiert hat, zu ermitteln.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine Halbleiterschicht einer aktiven Zone (125) der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) und mindestens eine Halbleiterschicht des Fotodetektors (105) demselben Materialsystem entstammen.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Wellenleiter (104), der geeignet ist, von einem Objekt (15) reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) dem Fotodetektor (105) zuzuführen.
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Einkapselung (102), wobei die oberflächenemittierende Laserdiode (103) geeignet ist, elektromagnetische Strahlung (16) über die Einkapselung (102) zu emittieren.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die oberflächenemittierende Laserdiode (103) eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen (122) aufweist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Detektionssignal ein periodisches Signal ist, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung (16), die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (17), die von dem Objekt reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  7. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) mit: einem Substrat (100), einer Vielzahl von über dem Substrat (100) angeordneten Bildelementen (11), die jeweils einen Halbleiterschichtstapel (109) umfassen, sowie einer Stromquelle (149), wobei der Halbleiterschichtstapel (109) jeweils eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) sowie einen Fotodetektor (105), die vertikal übereinander angeordnet sind, aufweist und die Stromquelle (149) geeignet ist, eine in mindestens eine der oberflächenemittierenden Laserdioden (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wodurch eine Emissionswellenlänge veränderbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (142), die geeignet ist, aus einem Detektionssignal der Fotodetektoren (105) Informationen über einen Abstand oder eine relative Geschwindigkeit zwischen der optoelektronischen Halbleitervorrichtung (12) und einem Objekt (15), welches die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittierte elektromagnetische Strahlung (16) reflektiert hat, zu ermitteln.
  8. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach Anspruch 7, ferner mit einer Anordnung von Wellenleitern (104), die geeignet sind, von einem Objekt (15) reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) jeweils einem der Fotodetektoren (105) zuzuführen.
  9. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die oberflächenemittierenden Laserdioden (103) jeweils eine Vielzahl von vertikal übereinander gestapelten Laserelementen (122) aufweisen.
  10. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Stromquelle (149) geeignet ist, zwei unterschiedlichen oberflächenemittierenden Laserdioden (103) jeweils unterschiedliche Stromstärken einzuprägen.
  11. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Stromquelle (149) geeignet ist, mehrere oberflächenemittierende Laserdioden (103) der Vielzahl von Bildelementen (11) gleichzeitig anzusteuern.
  12. Optoelektronische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Detektionssignal ein periodisches Signal ist, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung (16), die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (17), die von dem Objekt reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  13. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner mit einem optischen Element (119), welches geeignet ist, die Richtung von einigen der Bildelemente (11) emittierter elektromagnetischer Strahlung (16) umzulenken.
  14. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner mit einer Anordnung von optischen Mikroelementen (123), die geeignet sind, von einem Objekt (15) reflektierte elektromagnetische Strahlung (17) jeweils einem der Fotodetektoren (105) zuzuführen.
  15. Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den Schritten: Einprägen (S100) eines sich zeitlich verändernden Stroms in die oberflächenemittierende Laserdiode (103), wodurch elektromagnetische Strahlung (16) mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird; Nachweisen (S110) eines Fotostroms durch den Fotodetektor (105), wodurch ein Detektionssignal erhalten wird; und Ermitteln (S120) einer Veränderung eines Abstands zwischen einem Objekt (15), welches die elektromagnetische Strahlung (17) reflektiert, und dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (10) aus dem Detektionssignal.
  16. Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 14 mit den Schritten: gleichzeitiges Einprägen (S200) eines sich zeitlich verändernden Stroms in eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Laserdioden (103) der Bildelemente (11), wodurch durch die Bildelemente (11) jeweils elektromagnetische Strahlung (16) mit sich zeitlich verändernder Frequenz emittiert wird; Nachweisen (S210) eines Fotostroms durch die Fotodetektoren (105) der Bildelemente (11), wodurch ein Detektionssignal ermittelt wird; und Ermitteln (S220) einer Lagebeziehung oder einer Veränderung der Lagebeziehung zwischen einem Objekt (15), welches die elektromagnetische Strahlung (17) reflektiert, und der optoelektronischen Halbleitervorrichtung (12) aus dem Detektionssignal.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem das Detektionssignal ein periodisches Signal ist, aus dem eine Differenz zwischen einer Frequenz von elektromagnetischer Strahlung (16), die von der oberflächenemittierenden Laserdiode (103) emittiert worden ist, und der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung (17), die von dem Objekt (15) reflektiert worden ist, ermittelbar ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem in mindestens zwei der oberflächenemittierenden Laserdioden (103) ein jeweils unterschiedlicher Strom eingeprägt wird.
  19. Biosensor mit dem optoelektronischen Halbleiterbauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  20. LIDAR-System mit der optoelektronischen Halbleitervorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 14.
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