DE102020133504A1

DE102020133504A1 - Optoelektronische vorrichtung

Info

Publication number: DE102020133504A1
Application number: DE102020133504.0A
Authority: DE
Inventors: Fabian Knorr
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2022128496A1; DE112021004666A5; US20240039245A1; KR20230098890A

Abstract

Es wird eine optoelektronische Vorrichtung (1) mit zumindest zwei Emissionsbereichen (2) und mit einer Strahlungsaustrittsfläche (3) angegeben, wobei die Emissionsbereiche (2) jeweils einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweisen, wobei die aktiven Bereiche (20) der Emissionsbereiche (2) in einer gemeinsamen Emitterebene (7) angeordnet sind. Den Emissionsbereichen (2) ist jeweils ein Teilbereich (31, 32) der Strahlungsaustrittsfläche (3) zugeordnet, durch den die von dem jeweiligen Emissionsbereich (2) abgestrahlte Strahlung austritt, wobei die Strahlungsaustrittsfläche (3) zumindest stellenweise durch einen strahlungsdurchlässigen Körper (4), der auf mindestens einem der Emissionsbereiche (2) angeordnet ist, gebildet ist, und wobei die Teilbereiche (31, 32) der Strahlungsaustrittsfläche (3) in voneinander verschiedenen Abständen (d1, d2) zur gemeinsamen Emitterebene (7) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung.
Für verschiedene Anwendungen sind optoelektronische Vorrichtungen gewünscht, bei denen mehrere Emissionsbereiche bereitgestellt werden, die voneinander verschiedene virtuelle Brennpunkte aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass verschiedene Oberflächenemitter auf verschiedenen Niveaus in einem Gehäuse platziert werden, beispielsweise durch Verwendung von Zwischenträgern.
Dies erhöht jedoch den Aufwand bei der Herstellung und ist nur mit einer vergleichsweise geringen Präzision realisierbar.
Eine Aufgabe ist es, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die einfach und zuverlässig herstellbar ist und sich durch Emissionsbereiche mit verschiedenen Brennpunkten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine optoelektronische Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Es wird eine optoelektronische Vorrichtung mit zumindest zwei Emissionsbereichen und mit einer Strahlungsaustrittsfläche angegeben. Die optoelektronische Vorrichtung kann genau zwei Emissionsbereiche oder auch mehr als zwei Emissionsbereiche aufweisen. Die Strahlungsaustrittsfläche bildet insbesondere einen Übergang zu einem umgebenden Medium, beispielsweise einem Gas, etwa Luft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weisen die Emissionsbereiche jeweils einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehen aktiven Bereich auf. Der aktive Bereich ist beispielsweise zur Erzeugung von Strahlung im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich vorgesehen. Die aktiven Bereiche können insbesondere nominell gleichartig ausgebildet sein. Die Emissionsbereiche emittieren also Strahlung mit einer Wellenlänge maximaler Emission, die sich unter den aktiven Bereichen nicht oder nur geringfügig voneinander unterscheiden. Beispielsweise unterscheiden sich die Wellenlängen maximaler Emission zwischen den Emissionsbereichen um höchstens 20 nm oder höchstens 10 nm oder höchstens 5 nm voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die aktiven Bereiche der Emissionsbereiche in einer gemeinsamen Emitterebene angeordnet. Die gemeinsame Emitterebene gibt insbesondere die vertikale Position der aktiven Bereiche an. Die aktiven Bereiche der Emissionsbereiche sind also in einer vertikalen Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Bereiche, nicht oder zumindest allenfalls im Rahmen von Fertigungstoleranzen bei der Platzierung der Emissionsbereiche zueinander versetzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist den Emissionsbereichen jeweils ein Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche zugeordnet, durch den die von dem jeweiligen Emissionsbereich abgestrahlte Strahlung austritt. Die Teilbereiche verlaufen beispielsweise jeweils parallel zu der gemeinsamen Emitterebene.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Strahlungsaustrittsfläche zumindest stellenweise durch einen strahlungsdurchlässigen Körper gebildet. Strahlungsdurchlässig bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass der strahlungsdurchlässige Körper die im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung erzeugte Strahlung mit der Wellenlänge maximaler Emission durchlässt. Beispielsweise weist der strahlungsdurchlässige Körper für diese Wellenlänge eine Transmission von mindestens 80 % oder mindestens 90 % oder mindestens 95 % auf.
Der strahlungsdurchlässige Körper ist auf mindestens einem der Emissionsbereiche angeordnet und insbesondere an diesem befestigt. Zwischen dem strahlungsdurchlässigen Körper und der dem strahlungsdurchlässigen Körper zugewandten Vorderseite des Emissionsbereichs befindet sich vorzugsweise höchstens eine Verbindungsschicht zur Befestigung des strahlungsdurchlässigen Körpers an dem Emissionsbereich. Insbesondere besteht zwischen dem strahlungsdurchlässigen Körper und dem Emissionsbereich kein Spalt, etwa in Form eines Luftspalts.
Beispielsweise enthält der strahlungsdurchlässige Körper ein Glas, einen Kunststoff oder ein Halbleitermaterial, das für die Strahlung mit der Wellenlänge maximaler Emission durchlässig ist. Ein Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Körpers unterscheidet sich beispielsweise um mindestens 0,1 von einem Brechungsindex des umgebenden Mediums. Beispielsweise liegt der Brechungsindex des strahlungsdurchlässigen Körpers zwischen einschließlich 1,1 und einschließlich dem mittleren Brechungsindex der aktiven Bereiche. Im Zweifel bezieht sich der Brechungsindex auf den Brechungsindex bei der Wellenlänge maximaler Emission bei Raumtemperatur.
Beispielsweise weist der strahlungsdurchlässige Körper eine die Strahlungsaustrittsfläche bildende Vorderseite und eine parallel dazu verlaufende gegenüberliegende Rückseite auf. Im einfachsten Fall ist der strahlungsdurchlässige Körper einstückig ausgebildet. Davon abweichend kann der strahlungsdurchlässige Körper auch mit einer Beschichtung versehen sein, beispielsweise einer Antireflexbeschichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche in voneinander verschiedenen Abständen zur gemeinsamen Emitterebene angeordnet. Über die verschiedenen Abstände kann erzielt werden, dass sich die optischen Weglängen der in den Emissionsbereichen erzeugten Strahlung von den Emissionsbereichen zu einer parallel zur Emitterebene verlaufenden Ebene außerhalb der optoelektronischen Vorrichtung voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind die Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche in vertikaler Richtung versetzt zueinander angeordnete Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche, die jeweils parallel zur gemeinsamen Emitterebene verlaufen.
In mindestens einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist die optoelektronische Vorrichtung zumindest zwei Emissionsbereiche und eine Strahlungsaustrittsfläche auf, wobei die Emissionsbereiche jeweils einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich aufweisen. Die aktiven Bereiche der Emissionsbereiche sind in einer gemeinsamen Emitterebene angeordnet, wobei den Emissionsbereichen jeweils ein Teilbereich als Strahlungsaustrittsfläche zugeordnet ist, durch den die von dem jeweiligen Emissionsbereich abgestrahlte Strahlung austritt. Die Strahlungsaustrittsfläche ist zumindest stellenweise durch einen strahlungsdurchlässigen Körper, der auf mindestens einem der Emissionsbereiche angeordnet und insbesondere an diesem befestigt ist, gebildet. Die Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche sind in voneinander verschiedenen Abständen zur gemeinsamen Emitterebene angeordnet.
Mittels des strahlungsdurchlässigen Körpers kann erzielt werden, dass sich die virtuellen Brennpunkte für die beiden Emissionsbereiche voneinander unterscheiden, auch wenn die Emissionsbereiche in einer gemeinsamen Emitterebene angeordnet sind und dieselbe räumliche Abstrahlcharakteristik aufweisen. Der Abstand der virtuellen Brennpunkte der Emissionsbereiche kann über die optische Weglänge durch den strahlungsdurchlässigen Körper mit hoher Präzision eingestellt und insbesondere an eine vorgegebene Anwendung der optoelektronischen Vorrichtung angepasst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung unterscheiden sich die virtuellen Brennpunkte der Emissionsbereiche in ihrem Abstand von den zugehörigen aktiven Bereichen voneinander. Insbesondere können die virtuellen Brennpunkte der Emissionsbereiche auch voneinander verschieden sein, obwohl die Emissionsbereiche an sich dieselbe räumliche Abstrahlcharakteristik und dieselbe Position der aktiven Bereiche in vertikaler Richtung aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung überlappen sich im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung aus den Teilbereichen der Strahlungsaustrittsfläche austretende Strahlungskegel der emittierten Strahlung. Beispielsweise überlappen die Strahlungskegel in einem Abstand von 20 cm zur gemeinsamen Emitterebene zu mindestens 80 % oder zu mindestens 90 % oder zu mindestens 95 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung tritt im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung die von einem Emissionsbereich emittierte Strahlung jeweils aus nur genau einem Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche aus. Ein Emissionsbereich beleuchtet also jeweils nur einen Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist der strahlungsdurchlässige Körper eine Vorderseite, die den Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche bildet, auf und eine Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers senkrecht zur Vorderseite ist höchstens so groß, dass der aus dem zugeordneten Emissionsbereich austretende Strahlungskegel vollständig aus der Vorderseite des strahlungsdurchlässigen Körpers austritt. Der vollständige Strahlungsaustritt bezieht sich hierbei auf einen direkten Strahlenverlauf des Strahlungskegels unter Anwendung geometrischer Optik. Durch Seitenflächen des strahlungsdurchlässigen Körpers, die die Vorderseite und die Rückseite des strahlungsdurchlässigen Körpers miteinander verbinden, tritt also keine Strahlung oder allenfalls Strahlung, die nach einer Streuung oder einer Rückreflexion an der Strahlungsaustrittsfläche auf die Seitenflächen auftrifft, aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist einer der Emissionsbereiche frei von dem strahlungsdurchlässigen Körper. In diesem Bereich kann die Strahlungsaustrittsfläche durch eine Vorderseite des Emissionsbereichs gebildet sein, beispielsweise durch eine Fläche eines Halbleiterbauelements, das den Emissionsbereich bildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist der strahlungsdurchlässige Körper auf einem der Emissionsbereiche angeordnet und ein weiterer strahlungsdurchlässiger Körper ist auf dem anderen Emissionsbereich angeordnet. Hierbei unterscheiden sich der strahlungsdurchlässige Körper und der weitere strahlungsdurchlässige Körper in ihrer optischen Weglänge voneinander.
Dadurch kann erreicht werden, dass die Strahlungsauskopplung aus beiden Emissionsbereichen nicht direkt zum umgebenden Medium, sondern über die strahlungsdurchlässigen Körper erfolgt. Der Abstand der virtuellen Brennpunkte der Emissionsbereiche ist über die unterschiedlichen optischen Weglängen durch den strahlungsdurchlässigen Körper und den weiteren strahlungsdurchlässigen Körper einstellbar. Beispielsweise sind der strahlungsdurchlässige Körper und der weitere strahlungsdurchlässige Körper aus demselben Material gebildet, so dass der Abstand der virtuellen Brennpunkte über die Dickendifferenz der beiden strahlungsdurchlässigen Körper einstellbar ist. Alternativ oder ergänzend können sich die strahlungsdurchlässigen Körper im Brechungsindex voneinander unterscheiden, etwa durch Verwendung verschiedener Materialien.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist der strahlungsdurchlässige Körper ein vorgefertigtes Element, das an dem zugehörigen Emissionsbereich befestigt ist. Beispielsweise ist der strahlungsdurchlässige Körper mittels einer Verbindungsschicht, etwa einer Klebeschicht, an dem zugehörigen Emissionsbereich befestigt. Alternativ kann der strahlungsdurchlässige Körper auch direkt ohne eine Verbindungsschicht an dem zugehörigen Emissionsbereich befestigt sein, beispielsweise durch direktes Bonden oder anodisches Bonden.
Dies kann gegebenenfalls analog für den weiteren strahlungsdurchlässigen Körper gelten.
Alternativ zu einem weiteren strahlungsdurchlässigen Körper können die Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche auch durch einen gemeinsamen strahlungsdurchlässigen Körper gebildet sein, bei dem beispielsweise die Vorderseite stufenförmig ausgebildet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist der aktive Bereich von zumindest einem Emissionsbereich in eine Mehrzahl von Einzelemittern unterteilt. Insbesondere können auch beide Emissionsbereiche jeweils in eine Mehrzahl von Einzelemittern unterteilt sein. Beispielsweise sind die Einzelemitter zeilenförmig oder matrixförmig nebeneinander angeordnet. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Einzelemitter pro Emissionsbereich zwischen einschließlich 10 und einschließlich 1000. Zum Beispiel sind die Einzelemitter mit einer Dichte zwischen einschließlich 50/mm² und einschließlich 1000/mm² angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung unterscheidet sich die Anzahl an Einzelemittern in einem Emissionsbereich zwischen den Emissionsbereichen um höchstens 10 % voneinander. Insbesondere kann die Anzahl an Einzelemittern für die Emissionsbereiche auch gleich sein. Davon abweichend kann sich die Anzahl an Einzelemittern aber auch um mehr als 10% voneinander unterscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die Einzelemitter eines Emissionsbereichs in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert. Insbesondere können die Einzelemitter eines Emissionsbereichs bei der Herstellung aus einer gemeinsamen Halbleiterschichtenfolge hervorgehen. Die Einzelemitter unterscheiden sich hinsichtlich des Schichtaufbaus des aktiven Bereichs also nicht oder höchstens im Rahmen von fertigungsbedingten Schwankungen voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die Emissionsbereiche in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert. Die Emissionsbereiche können so besonders nah zueinander angeordnet werden. In diesem Fall überlappen also zumindest zwei Teilbereiche der Strahlungsaustrittsfläche entlang der vertikalen Richtung gesehen mit dem gemeinsamen Halbleiterkörper. Zum Beispiel weist die optoelektronische Vorrichtung genau einen Halbleiterkörper auf, der alle Emissionsbereiche bildet, insbesondere mit jeweils mehreren Einzelemittern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die Emissionsbereiche jeweils durch Oberflächenemitter gebildet. Im Unterschied zu einem Volumenemitter tritt die Strahlung bei einem Oberflächenemitter überwiegend, beispielsweise zu mindestens 60 %, mindestens 80 % oder mindestens 90 %, durch eine parallel zum aktiven Bereich verlaufende Oberfläche aus. Eine Strahlungsauskopplung durch schräg oder senkrecht dazu verlaufende Seitenflächen ist im Unterschied hierzu minimiert.
Beispielsweise sind die Oberflächenemitter oberflächenemittierende Leuchtdioden oder oberflächenemittierende Halbleiterlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung sind die Emissionsbereiche jeweils durch eine Matrix von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit vertikaler Kavität (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) gebildet. Durch solche oberflächenemittierende Halbleiterlaser kann Strahlung mit hoher Intensität und Leuchtdichte gerichtet abgestrahlt werden.
Die beschriebene optoelektronische Vorrichtung eignet sich beispielsweise als Strahlungsquelle für dreidimensionale Sensorik-Anwendungen, Laufzeit (time of flight, TOF)-Messungen, Beleuchtungsanwendungen oder Projektionsanwendungen und Kombinationen hiervon.
Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:

1A ein Ausführungsbeispiel für eine optoelektronische Vorrichtung in schematischer Schnittansicht;
1B und 1C schematische Darstellungen zur Veranschaulichung von Kriterien für einen Strahlungsaustritt durch einen strahlungsdurchlässigen Körper;
2 ein Ausführungsbeispiel für einen Emissionsbereich für eine optoelektronische Vorrichtung in schematischer Schnittansicht; und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine optoelektronische Vorrichtung in schematischer Schnittansicht.

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur verbesserten Darstellung und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel weist zwei Emissionsbereiche 2 und eine Strahlungsaustrittsfläche 3 auf. Die Emissionsbereiche 2 weisen jeweils einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 20 auf (vergleiche 2). Die aktiven Bereiche 20 sind in einer gemeinsamen Emitterebene 7 angeordnet. Den Emissionsbereichen 2 ist ein erster Teilbereich 31 beziehungsweise ein zweiter Teilbereich 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3 zugeordnet. Im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung 1 tritt durch diese Teilbereiche 31, 32 jeweils die von dem jeweils zugeordneten Emissionsbereich 2 abgestrahlte Strahlung aus der optoelektronischen Vorrichtung 1 in das umgebende Medium aus. Das umgebende Medium ist beispielsweise ein Gas, etwa Luft. Alternativ kann das umgebende Medium aber auch beispielsweise ein Verkapselungsmaterial sein.
Der erste Teilbereich 31 der Strahlungsaustrittsfläche 3 ist durch einen strahlungsdurchlässigen Körper 4 gebildet. Der strahlungsdurchlässige Körper 4 erstreckt sich in vertikaler Richtung zwischen einer dem zugehörigen Emissionsbereich 2 zugewandten Rückseite 42 und einer gegenüberliegenden Vorderseite 41, die einen Teilbereich, beispielsweise den ersten Teilbereich 31, der Strahlungsaustrittsfläche 3 bildet.
Der erste Teilbereich 31 und der zweite Teilbereich 32 verlaufen jeweils parallel zur gemeinsamen Emitterebene 7, wobei ein Abstand d1 des ersten Teilbereichs 31 von der gemeinsamen Emitterebene 7 verschieden ist von einem zweiten Abstand d2 zwischen dem zweiten Teilbereich 32 und der gemeinsamen Emitterebene 7. Aus den unterschiedlichen Abständen der Teilbereiche 31, 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3 von der gemeinsamen Emitterebene 7 resultieren virtuelle Brennpunkte 65 der Emissionsbereiche 2, die sich von ihrem Abstand zu ihren zugehörigen aktiven Bereichen 20 unterscheiden, so dass zwischen den virtuellen Brennpunkten 65 in vertikaler Richtung ein vertikaler Abstand f1 zwischen den virtuellen Brennpunkte 65 besteht. Die optoelektronische Vorrichtung 1 stellt also zwei Emissionsbereiche 2 zur Verfügung, wobei sich die Emissionsbereiche 2 hinsichtlich des vertikalen Abstands der virtuellen Brennpunkte 65 von der gemeinsamen Emitterebene 7 voneinander unterscheiden. Die Emissionsbereiche 2 können hierfür gleichartig ausgebildet sein und müssen sich hinsichtlich ihrer räumlichen Abstrahlcharakteristik nicht voneinander unterscheiden. Weiterhin können die Emissionsbereiche 2 nebeneinander auf einem Träger 5 angeordnet werden, ohne dass für einen der Emissionsbereiche 2 der Abstand des aktiven Bereichs 20 von dem Träger 5 vergrößert werden muss, beispielsweise durch Verwendung eines Zwischenträgers. Der Träger kann beispielsweise eine Leiterplatte oder ein Teil eines Gehäuses sein.
Im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung 1 überlappen sich die aus dem ersten Teilbereich 31 und dem zweiten Teilbereich 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3 austretenden Strahlungskegel 6 der emittierten Strahlung. Insbesondere können die Strahlungskegel zu mindestens 70 %, mindestens 80 % oder mindestens 90 % überlappen. Die von einem Emissionsbereich 2 emittierte Strahlung tritt hierbei jeweils aus genau einem Teilbereich 31, 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3 aus. Insbesondere tritt die Strahlung nur aus Teilbereichen der Strahlungsaustrittsfläche 3 aus, die parallel zu der gemeinsamen Emitterebene 7 verlaufen.
Vorzugsweise ist die Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 senkrecht zur Vorderseite 41 höchstens so groß, dass der aus dem zugeordneten Emissionsbereich 2 austretende Strahlungskegel 6 vollständig aus der Vorderseite des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 austritt.
Die maximale Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 gemäß diesem Kriterium lässt sich anhand geometrischer Überlegungen in Verbindung mit Strahlungsparametern der Emissionsbereiche ableiten. Dies ist in den 1B und 1C veranschaulicht. Die Überlegungen gehen von einer Strahlungsemission mit einem maximalen Divergenzwinkel zur Normalen auf die Vorderseite von ϑ₁ aus, wobei sich die spektrale Emission zwischen einer unteren Emissionswellenlänge λ₁ und einer oberen Emissionswellenlänge λ₂ erstreckt. Der Brechungsindex für die untere Emissionswellenlänge λ₁ des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 wird als n₁ bezeichnet.
An der Vorderseite 29 der Emissionsbereiche 2 bilden Schnittpunkte dieser Randstrahlen mit der Vorderseite 29 eine geschlossen umrandete Fläche A. Hieraus resultiert in einer parallel dazu nachgeordneten Ebene A' eine geschlossen umrandete Fläche A', deren Form mathematisch ähnlich zur Umrandung A mit einem Skalierungsfaktor s > 0 ist.
Für einen durch den geometrischen Mittelpunkt C der Fläche A verlaufenden Strahl, der nach einer projizierten Länge a auf die Umrandung der Fläche A trifft, ergibt sich eine entsprechende projizierte Länge a' für die Umrandung der Fläche A' mit a' = r*a, wobei r ein Faktor > 1 ist.
Betrachtet man die Vorderseite 41 des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 als Fläche A', muss die längste projizierte Länge a' innerhalb der Vorderseite liegen. Daraus ergibt sich für die maximale Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers die Bedingung $h \leq (a' - a) /tan (ϑ_{1} / (2 * n_{1}))$
Der maximale vertikale Abstand f1 der virtuellen Brennpunkte 65 ergibt sich dann aus der Höhe h des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 multipliziert mit dessen Brechungsindex für die emittierte Strahlung.
Der strahlungsdurchlässige Körper 4 weist beispielsweise eine Dicke von mindestens 100 µm auf. Ein strahlungsdurchlässiger Körper 4 mit einer solchen Dicke ist bei der Herstellung der optoelektronischen Vorrichtung 1 vereinfacht auf den entsprechenden Emissionsbereich 2 transferierbar.
Für den strahlungsdurchlässigen Körper 4 eignet sich beispielsweise ein Glas, etwa ein Quarzglas oder ein Kunststoff. Alternativ kann auch ein Halbleitermaterial Anwendung finden, dessen Bandlücke größer ist als die Energie der emittierten Strahlung mit der Wellenlänge maximaler Emission der von der optoelektronischen Vorrichtung abgestrahlten Strahlung.
Der strahlungsdurchlässige Körper 4 ist ein vorgefertigtes Element, das an dem zugehörigen Emissionsbereich 2 befestigt ist. Beispielsweise kann der strahlungsdurchlässige Körper 4 mit einer Verbindungsschicht, etwa einer Klebeschicht an dem Emissionsbereich 2 befestigt sein. Beispielsweise eignet sich eine Verbindungsschicht auf der Basis von einem Polymermaterial, etwa einem Silikon oder einem Epoxid.
Alternativ kann die Befestigung des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 an dem zugehörigen Emissionsbereich 2 auch ohne eine Verbindungsschicht erfolgen, beispielsweise durch direktes Bonden oder anodisches Bonden.
Ein Abstand zwischen der Vorderseite 29 des Emissionsbereichs 2 und dem strahlungsdurchlässigen Körper 4 ist durch die Dicke der gegebenenfalls vorhandenen Klebeschicht bestimmt und beträgt beispielsweise höchstens 50µm oder höchstens 20µm. Bei einer Verbindung ohne Verbindungsschicht kann der Abstand auch 0 betragen.
In dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist einer der Emissionsbereiche 2 frei von dem strahlungsdurchlässigen Körper 4. Für diesen Emissionsbereich 2 bildet eine Vorderseite 29 des Emissionsbereichs 2 den zweiten Teilbereich 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Emissionsbereich 2 ist in 2 schematisch in Schnittansicht gezeigt. Der Emissionsbereich 2 weist eine Mehrzahl von Einzelemittern 25 auf, welche in lateraler Richtung nebeneinander angeordnet sind.
In vertikaler Richtung ist der aktive Bereich 20 zwischen einer ersten Halbleiterschicht 21 eines ersten Leitungstyps und einer zweiten Halbleiterschicht 22 eines vom ersten Leitungstyp verschiedenen zweiten Leitungstyps angeordnet, so dass sich der aktive Bereich 20 in einem pn-Übergang befindet. Beispielsweise ist die erste Halbleiterschicht 21 n-leitend und die zweite Halbleiterschicht 22 p-leitend oder umgekehrt. Die Einzelemitter 25 sind jeweils Teilbereiche eines durch die Halbleiterschichten 20, 21, 22 gebildeten Halbleiterkörpers, welcher auf einem Substrat 23 angeordnet ist. Bei dem Substrat 23 kann es sich um das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge oder um ein von dem Aufwachssubstrat verschiedenes Substrat handeln.
Die erste Halbleiterschicht 21, der aktive Bereich 20 und die zweite Halbleiterschicht 22 können jeweils mehrschichtig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der aktive Bereich eine Quantenstruktur mit einer Mehrzahl von Quantentöpfen aufweisen. Vorzugsweise sind zumindest die Einzelemitter 25 eines Emissionsbereichs 2 in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert. Dadurch können besonders kleine Abstände zwischen den Einzelemittern 25 erreicht werden. Weiterhin können die aktiven Bereiche 20 auch in vertikaler Richtung zwischen zwei Resonatorspiegeln angeordnet sein. Die Resonatorspiegel können zumindest zum Teil durch Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers oder durch außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnete Schichten gebildet sein. Dies ist zur vereinfachten Darstellung nicht explizit gezeigt.
Weiterhin können auch beide Emissionsbereiche 2 oder mehr als zwei Emissionsbereiche 2 in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sein. Dadurch können die Abstände zwischen benachbarten Emissionsbereichen 2 minimiert werden, etwa im Vergleich zu zwei Emissionsbereichen 2, die jeweils durch voneinander getrennte Halbleiterkörper gebildet sind und bei der Montage auf den Träger 5 nebeneinander platziert werden müssen.
Bei den Emissionsbereichen 2 kann es sich jeweils um Oberflächenemitter handeln, etwa durch Oberflächenemitter in Form von Leuchtdioden oder in Form von Laserdioden, insbesondere in ungehäuster Form. Beispielsweise sind die Emissionsbereiche 2 jeweils durch eine Matrix von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit vertikaler Kavität gebildet.
Die aktiven Bereiche 20 basieren beispielsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
III-V-Verbindungshalbleitermaterialien sind zur Strahlungserzeugung im ultravioletten (Al_x In_y Ga_1-x-y N) über den sichtbaren (Al_x In_y Ga_1-x-y N, insbesondere für blaue bis grüne Strahlung, oder Al_x In_y Ga_1-x-y P, insbesondere für gelbe bis rote Strahlung) bis in den infraroten (Al_x In_y Ga_1-x-y As) Spektralbereich besonders geeignet. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0. Mit III-V-VerbindungsHalbleitermaterialien, insbesondere aus den genannten Materialsystemen, können weiterhin bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden.
Insbesondere können die aktiven Bereiche 20 nominell gleichartig ausgebildet sein, so dass sich die Wellenlängen maximaler Emission für die Emissionsbereiche 2 nicht oder höchstens im Rahmen von Fertigungstoleranzen voneinander unterscheiden.
Beispielsweise beträgt die Anzahl der Einzelemitter 25 eines Emissionsbereichs 2 zwischen einschließlich 10 und einschließlich 1000. Die Anzahl der Einzelemitter kann in weiten Grenzen variiert werden und auch entsprechend geringer oder größer sein. Beispielsweise beträgt eine Dichte der Einzelemitter zwischen einschließlich 50 und einschließlich 1000 pro mm².
Die Anzahl an Einzelemittern 25 pro Emissionsbereich 2 kann beispielsweise gleich sein oder sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Dadurch kann die optoelektronische Vorrichtung 1 zwei Emissionsbereiche 2 aufweisen, die dieselbe optische Ausgangsleistung zur Verfügung stellen und sich lediglich in der vertikalen Position des virtuellen Brennpunkts 65 voneinander unterscheiden. Grundsätzlich kann die Anzahl an Einzelemittern in den Emissionsbereichen 2 jedoch auch verschieden sein. Weiterhin kann die optoelektronische Vorrichtung 1 selbstverständlich auch mehr als zwei Emissionsbereiche 2 aufweisen, wobei sich zwei oder mehr Emissionsbereiche 2 bezüglich der Abstände ihrer virtuellen Brennpunkte 65 von den jeweils zugehörigen aktiven Bereichen voneinander unterscheiden.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1A beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied hierzu ist auf einem der Emissionsbereiche 2 der strahlungsdurchlässige Körper 4 angeordnet und ein weiterer strahlungsdurchlässiger Körper 45 ist auf dem anderen Emissionsbereich 2 angeordnet. Der strahlungsdurchlässige Körper 4 und der weitere strahlungsdurchlässige Körper 45 unterscheiden sich in ihrer Dicke, also in ihrer Ausdehnung in vertikaler Richtung voneinander. Über den Unterschied der Dicken und/oder über unterschiedliche Brechungsindizes kann der vertikale Abstand f1 zwischen den virtuellen Brennpunkten 65 eingestellt werden (vergleiche 1A).
Eine Vorderseite 46 des weiteren strahlungsdurchlässigen Körpers 45 bildet also den zweiten Teilbereich 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Strahlungsauskopplung aus beiden Emissionsbereichen 2 nicht direkt in das umgebende Medium, sondern jeweils über einen strahlungsdurchlässigen Körper, nämlich den strahlungsdurchlässigen Körper 4 einerseits und den weiteren strahlungsdurchlässigen Körper 45 andererseits. Eine effiziente Strahlungsauskopplung für beide Emissionsbereiche 2 wird dadurch vereinfacht.
Von dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichend können der erste Teilbereich 31 und der zweite Teilbereich 32 der Strahlungsaustrittsfläche 3 auch durch einen gemeinsamen strahlungsdurchlässigen Körper 4 gebildet sein, der die beiden Emissionsbereiche 2 überdeckt. Hierfür kann der strahlungsdurchlässige Körper 4 beispielsweise eine stufenförmig ausgebildete Vorderseite 41 aufweisen. Dadurch kann die Anzahl der zu platzierenden strahlungsdurchlässigen Körper 4 pro optoelektronischer Vorrichtung 1 verringert werden. Andererseits erhöht sich der Aufwand für die Herstellung des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 aufgrund der erforderlichen Ausbildung unterschiedlich dicker Teilbereiche.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der optoelektronischen Vorrichtung 1 mit mindestens einem strahlungsdurchlässigen Körper 4 kann auf einfache und zuverlässige Weise eine optoelektronische Vorrichtung 1 mit mindestens zwei Emissionsbereichen 2 zur Verfügung gestellt werden, wobei sich die Emissionsbereiche 2 insbesondere nur hinsichtlich des Abstands ihrer virtuellen Brennpunkts von der gemeinsamen Emitterebene 7 voneinander unterscheiden. Die erforderliche Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers 4 kann durch einfache Verfahren, beispielsweise ein mechanisches Verfahren wie Schleifen, Läppen oder Polieren, zuverlässig eingestellt und an die gewünschte Anwendung angepasst werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronische Vorrichtung
2: Emissionsbereich
20: aktiver Bereich
21: erste Halbleiterschicht
22: zweite Halbleiterschicht
23: Substrat
25: Einzelemitter
29: Vorderseite
3: Strahlungsaustrittsfläche
31: erster Teilbereich
32: zweiter Teilbereich
4: strahlungsdurchlässiger Körper
41: Vorderseite
42: Rückseite
45: weiterer strahlungsdurchlässiger Körper
46: Vorderseite
5: Träger
6: Strahlungskegel
65: virtueller Brennpunkt
7: gemeinsame Emitterebene
d1: erster Abstand
d2: zweiter Abstand
h: Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers
f1: vertikaler Abstand
A: Fläche
A': Fläche
C: geometrischer Mittelpunkt

Claims

Optoelektronische Vorrichtung (1) mit zumindest zwei Emissionsbereichen (2) und mit einer Strahlungsaustrittsfläche (3), wobei - die Emissionsbereiche (2) jeweils einen zur Erzeugung von Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich (20) aufweisen, - die aktiven Bereiche (20) der Emissionsbereiche (2) in einer gemeinsamen Emitterebene (7) angeordnet sind, - den Emissionsbereichen (2) jeweils ein Teilbereich (31, 32) der Strahlungsaustrittsfläche (3) zugeordnet ist, durch den die von dem jeweiligen Emissionsbereich (2) abgestrahlte Strahlung austritt, - die Strahlungsaustrittsfläche (3) zumindest stellenweise durch einen strahlungsdurchlässigen Körper (4), der auf mindestens einem der Emissionsbereiche (2) angeordnet ist, gebildet ist, und - die Teilbereiche (31, 32) der Strahlungsaustrittsfläche (3) in voneinander verschiedenen Abständen (d1, d2) zur gemeinsamen Emitterebene (7) angeordnet sind.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei sich die virtuellen Brennpunkte (65) der Emissionsbereiche (2) in ihrem Abstand von den zugehörigen aktiven Bereichen (20) voneinander unterscheiden.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung (1) aus den Teilbereichen (31, 32) der Strahlungsaustrittsfläche (3) austretende Strahlungskegel (6) der emittierten Strahlung überlappen.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Betrieb der optoelektronischen Vorrichtung (1) die von einem Emissionsbereich (2) emittierte Strahlung jeweils aus nur genau einem Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche (3) austritt.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der strahlungsdurchlässige Körper (4) eine Vorderseite (41), die den Teilbereich der Strahlungsaustrittsfläche (3) bildet, aufweist und eine Dicke des strahlungsdurchlässigen Körpers (4) senkrecht zur Vorderseite (41) höchstens so groß ist, dass der aus dem zugeordneten Emissionsbereich (2) austretende Strahlungskegel (6) vollständig aus der Vorderseite (41) des strahlungsdurchlässigen Körpers (4) austritt.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei einer der Emissionsbereiche (2) frei von dem strahlungsdurchlässigen Körper (4) ist.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der strahlungsdurchlässige Körper (4) auf einem der Emissionsbereiche (2) und ein weiterer strahlungsdurchlässiger Körper (45) auf dem anderen Emissionsbereich (2) angeordnet ist, wobei sich der strahlungsdurchlässige Körper (4) und der weitere strahlungsdurchlässige Körper (45) in ihrer Dicke voneinander unterscheiden.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der strahlungsdurchlässige Körper (4) ein vorgefertigtes Element ist, das an dem zugehörigen Emissionsbereich (2) befestigt ist.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der aktive Bereich (20) von zumindest einem Emissionsbereich (2) in eine Mehrzahl von Einzelemittern (25) unterteilt ist.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei sich die Anzahl an Einzelemittern (25) in einem Emissionsbereich (2) zwischen den Emissionsbereichen (2) um höchstens 10 % voneinander unterscheiden.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Einzelemitter (25) eines Emissionsbereichs (2) in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Emissionsbereiche (2) in einen gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Emissionsbereiche (2) jeweils durch Oberflächenemitter gebildet sind.
Optoelektronische Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Emissionsbereiche (2) jeweils durch eine Matrix von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit vertikaler Kavität gebildet sind.