DE102021104673A1

DE102021104673A1 - Pixelierte lichtquelle, verfahren und verwendung

Info

Publication number: DE102021104673A1
Application number: DE102021104673.4A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Engeter; Moritz Laubscher; Andreas Rausch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-01
Also published as: WO2022180171A1

Abstract

Eine pixelierte Lichtquelle umfasst ein erstes ansteuerbares Pixel (1) mit einer ersten aktiven Zone sowie ein benachbartes zweites ansteuerbares Pixel (2) mit einer zweiten aktiven Zone. Dieses ist von dem ersten ansteuerbaren Pixel (1) durch ein Trennelement (5) separiert. Die aktive Zone (41, 42) eines jeden Pixels ist zwischen einem n-dotierten ersten Bereich (71) und einem p-dotierten zweiten Bereich (8) angeordnet. Weiterhin ist eine Ansteuerschaltung (100) vorgesehen, die mit dem ersten und zweiten ansteuerbaren Pixel verbunden und ausgeführt ist, bei einer Ansteuerung eines Pixels (1) des ersten und zweiten Pixels (1,2) zur Erzeugung von Licht, das jeweils andere Pixel (2) derart zu verschalten, dass ein gegenüber einem durch die Ansteuerung erzeugten elektrischen Feld im angesteuerten Pixel entgegengesetztes elektrisches Feld gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine pixelierte Lichtquelle, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer pixelierten Lichtquelle.
HINTERGRUND
Unter einer pixelierten Lichtquelle wird ein monolithisches Bauelement verstanden, bei dem ein oder mehrere optoelektronische Strukturen nebeneinander auf einem Trägersubstrat angeordnet sind. Die optoelektronischen Strukturen sind dabei durch eine Ansteuerschaltung einzeln ansteuerbar. Derartige pixelierte Lichtquellen werden unter anderem in Frontscheinwerfern bzw. Projektoren eingesetzt. Dabei ist es in einigen Anwendungen erforderlich, Formen oder Strukturen mittels dieser pixelierten Lichtquelle auszuleuchten oder darzustellen. Dies bedeutet, dass einzelne Pixel der pixelierten Lichtquelle individuell angesteuert und beispielsweise abgeschaltet werden müssen.
Dabei ist es wünschenswert, derartige pixelierte Lichtquellen mit einem möglichst hohen Kontrast vorzusehen, damit man beispielsweise die oben genannten Visualisierungsapplikationen mit schärferen Bildern erzeugen kann. Diese Kontrastanforderungen sind bei kleiner werdenden Pixeln immer schwieriger zu erfüllen. Ursächlich hierfür ist bei monolithischen pixelierten Lichtquellen primär die Wellenleitung des erzeugten Lichtes innerhalb des monolithischen Bauteils selbst. Dabei wird ein Teil des in einem Pixel erzeugten Lichtes in einen Bereich angrenzender Pixel transferiert. Dieses Licht kann nun einerseits mit derselben Wellenlänge einfach im Nachbarpixel ausgekoppelt werden, es kann jedoch auch von der aktiven Zone des benachbarten Pixels absorbiert werden. Dadurch wird ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, das anschließend wieder kombiniert und so Licht eventuell mit höherer Wellenlänge wieder emittiert. Diese beiden genannten Effekte wirken sich negativ auf den Kontrast aus.
Es ist somit wünschenswert, eine pixelierte Lichtquelle vorzusehen, bei der der Kontrast auf Chipebene gesteigert werden kann. Dabei soll die pixelierte Lichtquelle vorzugsweise mittels eines monolithischen Halbleiterbauelements gefertigt sein und gegebenenfalls je nach Zielanwendung zusätzliche Linsen, Konverterelemente oder andere Lichtformen der Strukturen aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Neben der Möglichkeit generell auf ein monolithisches Hableiterbauelement zu verzichten und anstatt dessen einzelne Pixel separat auf einem Träger anzuordnen und Maßnahmen zur Trennung der Pixel in der Epi-Schicht und Auffüllung der Gräben mit reflektierendem Material, schlagen die Erfinder vor, eine Rekombination von Elektron-Loch-Paaren, die durch Streulicht in einem benachbarten Pixel erzeugt wurden auf elektronischem Wege zu reduzieren oder zu verhindern.
Dazu ist in einem Aspekt eine pixelierte Lichtquelle vorgesehen, die ein erstes ansteuerbares Pixel mit einer ersten aktiven Zone und ein benachbartes zweites ansteuerbares Pixel mit einer zweiten aktiven Zone umfasst. Die beiden Pixel sind durch ein Trennelement voneinander separiert. Zudem ist die jeweilige aktive Zone eines jeden Pixels zwischen einem n-dotierten ersten Bereich und einem p-dotierten zweiten Bereich angeordnet. Die beiden Bereiche dienen zur Zuführung von Ladungsträgern, so dass im Betrieb der Pixel in der aktiven Zone Licht erzeugt wird.
Dabei können die Bereiche jeweils wiederum in verschieden dotierte Bereiche unterteilt oder anderweitig strukturiert sein, um so eine gute Stromaufweitung in die aktive Zone zu gewährleisten.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist nun eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die mit dem ersten und zweiten ansteuerbaren Pixel verbunden und ausgeführt ist, bei einer Ansteuerung eines Pixels des ersten und zweiten Pixels zur Erzeugung von Licht, das jeweils andere Pixel derart zu verschalten, dass ein gegenüber einem durch die Ansteuerung erzeugten elektrischen Feld im angesteuerten Pixel entgegengesetztes elektrisches Feld gebildet ist.
Mit anderen Worten wird das jeweils andere Pixel so verschaltet bzw. angesteuert, dass durch Lichtabsorption erzeugte Elektron-Loch-Paare durch das in dem jeweils anderen Pixel vorhandene elektrische Feld effektiv getrennt werden und so nicht mehr rekombinieren können. Dadurch wird eine Lichterzeugung in dem angrenzenden „abgeschalteten“ Pixel, d.h. nicht zur Erzeugung von Licht angesteuerten Pixel effektiv vermieden. In diesem Zusammenhang soll ein abgeschaltetes Pixel bzw. ein nicht zur Lichterzeugung vorgesehenes Pixel ein Pixel sein, dass während eines Zeitpunkt oder auch eines Zeitraums nicht von Strom durchflossen wird, während ein dazu benachbartes Pixel noch von Strom durchflossen wird und somit Licht erzeugt. Diese Definition kann auch für Ansteuerungen vorgesehen sein, die mit Pulsbreitenmodulation arbeiten. Während des „Off-Zustandes“ eines derartigen Modulationssignals ist das Pixel nicht zu einer Lichterzeugung vorgesehen.
In einem Aspekt umfasst eine pixelierte Lichtquelle somit eine Vielzahl benachbarter Pixel mit jeweils einer zur Lichterzeugung ausgeführten aktiven Zone, die zwischen jeweils einen ersten dotieren und einen zweiten dotierten Kontaktbereich angeordnet sind. Es ist eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die mit den Kontaktbereichen zur Ansteuerung der Pixel für eine Lichterzeugung elektrisch gekoppelt ist. Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist die Ansteuerschaltung ausgeführt, bei einer Ansteuerung eines Pixels, dieses in Flussrichtung und wenigstens ein benachbartes Pixel in Sperrrichtung zu schalten.
Dadurch wird der Kontrast erhöht, da in den entsprechend geschalteten Pixeln, die nicht zur Erzeugung von Licht vorgesehen sind, eine Re-Emission von Licht aufgrund von Absorption und Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren vermieden wird. Mit anderen Worten, werden im Gegensatz zu herkömmlichen Ansteuerungen, Pixel, die nicht leuchten sollen, nicht nur einfach abgeschaltet (und damit auf ein floatendes Potential gelegt), sondern in einigen Aspekten entweder kurzgeschlossen oder sogar in Sperrrichtung verschaltet. Unter dem Begriff in „Sperrrichtung schalten“ wird das Anlegen einer Spannung an das Pixel verstanden, derart, dass eine Raumladungszone vergrößert bzw. ein elektrisches Feld in dem Pixel erzeugt wird, so dass ein durch Lichtabsorption erzeugten Elektron-Loch-Paar räumlich getrennt wird. Ein solch nicht zur Lichterzeugung vorgesehenes Pixel wirkt somit als Photozelle.
In einem Aspekt ist vorgesehen, das jeweils andere bzw. nicht zur Lichterzeugung vorgesehene Pixel mit einem Kurzschluss zu verschalten. In einem derartigen Fall, ist das im Pixel vorhandene elektrische Feld im Wesentlichen durch die sich in der aktiven Zone ausgebildete Raumladungszone gebildet. In einem anderen Aspekt, umfasst das sogenannte entgegengesetzte Feld einen Feldvektor der vom n-dotierten ersten Bereich in Richtung des p-dotierten Bereichs zeigt. Das entgegengesetzte elektrische Feld verläuft damit vom n-dotierten ersten Bereich in Richtung des p-dotierten Bereich. Unter dem Begriff „entgegengesetztes Feld“ sei in diesem Zusammenhang ein elektrisches Feld verstanden, dass sich zum einen deutlich von dem elektrischen Feld unterscheidet, welches in dem für die Lichterzeugung vorgesehen Pixel in einem Betrieb vorhanden ist. Es kann, muss aber nicht antiparallel zu dem in dem für die Lichterzeugung vorgesehenen Pixel in einem Betrieb vorhanden elektrischen Feld sein. In einigen Aspekten mag es in die gleiche Richtung zeigen, aber deutlich kleiner sein. In allen Fällen jedoch unterstützt das in dem nicht für die Lichterzeugung vorgesehen Pixel vorhandene „entgegengesetztes elektrische Feld“ eine räumliche Ladungstrennung und verhindert so eine Rekombination und damit eine Re-emission.
Einige andere Aspekte betreffen den geometrischen Aufbau und die Struktur einer pixelierten Lichtquelle. In einigen Aspekten ist das Trennelement derart ausgestaltet, dass es zumindest die jeweilige aktive Zone des ersten und zweiten Pixels und wenigstens einen aus dem ersten und zweiten Bereich voneinander trennt. Dadurch kann die pixelierte Lichtquelle in einigen Ausführungen eine monolithische aktive Zone aufweisen, wobei die einzelnen Pixel durch eine Trennung der aktiven Zone gebildet sind.
Einige Ausführungen bilden in diesem Zusammenhang das Trennelement weiter. So kann vorgesehen sein, dass das Trennelement ein elektrisch isolierendes und lichtabsorbierendes Material oder Materialkombination aufweist. Damit wird ein elektrisches und auch optisches Übersprechen reduziert. In einem anderen Aspekt ist ein Bereich der ersten und zweiten Bereiche, insbesondere der p-dotierte Bereich durch einen gemeinsamen elektrisch leitenden Bereich gebildet, wobei das Trennelement diesen gemeinsamen Bereich zumindest nicht vollständig trennt.
Dadurch wird ein gemeinsamer elektrisch leitender Bereich geschaffen, der in einem Betrieb auf einem gemeinsamen Potential liegt. Die Pixel können so je nach Ausgestaltung als sogenannte „Common Anode“ oder „Common Kathode“ betrieben werden.
In einem anderen Aspekt umfasst die pixelierte Lichtquelle eine insbesondere gemeinsame Auskoppelstruktur, die auf einer Lichtaustrittsseite eines jeden Pixels angeordnet ist. Optional kann die Lichtaustrittsseite durch einen der der ersten und zweiten Bereiche, und insbesondere durch einen gemeinsamen p-dotierten Bereich gebildet sein. Die Auskoppelstruktur soll die Reflexion an der Grenzfläche zurück in die Pixel reduzieren, da es bis auf hohe Einfallswinkel es zu einer internen Totalreflexion an der Grenzfläche kommt. Die Auskoppelstruktur unterdrückt diesen Effekt, indem neue Einfallswinkel an der Grenzfläche erzeugt werden.
In einem weiteren Aspekt umfasst die pixelierte Lichtquelle eine Reflexionsschicht auf einer der Lichtaustrittsseite abgewandten Seite des jeweiligen Pixels. Diese Reflexionsschicht kann an das Trennelement angrenzen. In einem Aspekt ist die Reflexionsschicht eine flächige Reflexionsschicht, die durch das Trennelement zur Bildung des ersten und zweiten Pixels separiert ist. Die Reflexionsschichten können elektrisch leitend ausgeführt sein und an Kontaktstrukturen führen oder diese auch selbst bilden. In einigen Gesichtspunkten umfasst die Reflexionsschicht einen Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector, im nachfolgend DBR), in anderen bzw. weiteren Aspekten kann diese ein reflektierendes Material wie beispielsweise Silber umfassen.
In einigen weiteren Aspekten kann die aktive Zone einen Quantengraben umfassen. Alternativ ist auch ein Mehrfach-Quantengraben möglich, in dem eine Rekombination zur Erzeugung von Licht erfolgt. Alternativ kann die aktive Zone auch mit mehreren Quantendots, oder Quantentöpfen ausgebildet sein.
Ein anderer Aspekt betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer pixelierten Lichtquelle mit wenigstens zwei ansteuerbaren Pixeln. Bei dem Verfahren wird ein Pixel zur Erzeugung von Licht angesteuert. Ein weiteres nicht zur Erzeugung von Licht vorgesehenes Pixel wird so verschaltet, dass es ein elektrisches Feld aufweist, welches durch Lichtabsorption erzeugte Ladungen räumlich trennt.
Somit wird bei dem Verfahren zur Ansteuerung einer pixelierten Lichtquelle mit wenigstens zwei ansteuerbaren Pixeln, die zueinander benachbart sind, eine erste Spannung an ein erstes Pixel der wenigstens zwei Pixel angelegt, so dass in dem ersten Pixel elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Das zweite der wenigstens zwei Pixel wird mit einer zweiten Spannung beaufschlagt, derart, dass in dem Pixel durch Lichtabsorption erzeugte Ladungen räumlich voneinander getrennt werden. In einem Aspekt wird somit ein erstes der wenigstens zwei Pixel in Durchlassrichtung und ein benachbartes zweites Pixel in der pixelierten Lichtquelle in Sperrrichtung betrieben.
In einigen Aspekten bewirkt die zweite Spannung ein elektrisches Feld in dem zweiten Pixel, welches einem elektrischen Feld im ersten Pixel, das durch die erste Spannung erzeugt wird, entgegengesetzt ist. Alternativ kann der Schritt des Beaufschlagens des zweiten der wenigstens zwei Pixel ein Kurzschließen des zweiten Pixels umfassen.
Die vorgeschlagene pixelierte Lichtquelle kann in einem Scheinwerfer insbesondere in Kraftfahrzeugen oder in einer Projektionseinrichtung verwendet werden.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer pixelierten Lichtquelle mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer pixelierten Lichtquelle mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
3 stellt ein Schaltbild einer pixelierten Lichtquelle mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips dar;
4 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zur Ansteuerung einer pixelierten Lichtquelle.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
1 zeigt eine Ausgestaltungsform einer pixelierten Lichtquelle zur Veranschaulichung einiger Aspekte des vorgeschlagenen Prinzips. Die pixelierte Lichtquelle umfasst eine monolithisch aufgebaute Pixelmatrix auf einem Trägersubstrat 15, auf das wie im Folgenden erläutert, eine Vielzahl von Pixeln aufgebracht und ausgebildet ist. Zur Veranschaulichung sind hier drei in Reihe angeordnete Pixel 1, 2 und 3 dargestellt. Diese Pixel sind durch ein jeweiliges Element 5 räumlich voneinander getrennt, wobei die Trennelemente 5 zur elektrischen und optischen Trennung dienen. Im Einzelnen reichen die Trennelemente 5 von dem Trägersubstrat ausgehend durch dieses hindurch und in die verschiedenen monolithischen Halbleiterschichten, welche die Pixel 1, 2 und 3 bilden. Die Trennelemente 5 durchbrechen die Halbleiterschichten nicht vollständig, sondern lediglich bis in eine Schicht kurz unter der Lichtaustrittseite der einzelnen Pixel 1, 2 und 3. Dieser Anordnung bewirkt, dass die Pixel in der zu der Lichtauskoppelseite benachbarten Schicht einen gemeinsamen Bereich ausbilden. Der gemeinsame Bereich bzw. die gemeinsame Schicht dient als gemeinsamer Kontakt und ist seinerseits an einen Anschlusskontakt 20 geführt.
Jedes einzelne Pixel umfasst eine aktive Zone, die zwischen zwei unterschiedlich dotierten Bereichen angeordnet ist. Einer dieser dotierten Bereiche bildet den gemeinsamen Bereich, der andere ist elektrisch durch das Trennelement von korrespondierenden Bereichen benachbarter Pixel getrennt. Der Aufbau der einzelnen Schichten, sowie die entsprechenden Materialsysteme werden dabei durch die gewünschte Anwendung vorgegeben.
In dieser Ausführung umfasst jedes Pixel zudem eine Mikrolinse 161, 162 und 163, die auf der Oberfläche der jeweiligen Pixelstruktur ausgebildet sind. Schließlich ist ein zweiter Kontakt 21, 22 und 23 auf der Unterseite, d.h. der dem Pixel abgewandten Seite des Trägersubstrats aufgebracht und kontaktiert elektrisch durch einen Durchbruch oder einen Via durch das Trägersubstrat die einzelnen Pixel 1, 2 und 3. Des Weiteren umfasst die pixelierte Lichtquelle eine Ansteuerschaltung 10 mit einer Reihe von Ansteueranschlüssen 101, 102 und 103, die an die jeweiligen Kontaktbereiche 21, 22 und 23 angeschlossen sind. Ein weiterer Anschluss 104 ist an den gemeinsamen Kontaktanschluss 20 geführt.
In einem Betrieb der erfindungsgemäßen pixelierten Lichtquelle steuert die Ansteuerschaltung die einzelnen Pixel je nach gewünschtem Anwendungsfall in ihrer Helligkeit an. Dazu umfasst die Ansteuerschaltung mehrere hier nicht gezeigte Stromquellen, sodass durch die jeweiligen Pixel 1, 2 bzw. 3 in einem Betriebsfall der gewünschte Strom fließt. Die Stromstärke bestimmt dabei im Wesentlichen die Leuchtstärke des jeweiligen Pixels. Innerhalb des Pixels kommt es durch den Stromfluss zu einer strahlenden Rekombination von Ladungsträgern in der aktiven Zone der jeweiligen Pixel, so dass in dieser Licht erzeugt wird. Das Licht wird generell in alle Richtungen abgestrahlt. Licht, welches in Richtung auf das Trägersubstrat hinweg abgestrahlt wird, wird von diesem an einer Reflexionsschicht reflektiert und in Richtung der Linsen umgelenkt. Das so erzeugte Licht gelangt so in die Mikrolinse 161, 162 bzw. 163, wird dort gebündelt und abgestrahlt.
In bestimmten Betriebsmodi kann vorgesehen sein, dass eines oder mehrere dieser Pixel eingeschaltet sind, während benachbarte Pixel vollständig ausgeschaltet bleiben. In einem solchen Fall kommt es zu einem maximalen Kontrast zwischen diesen benachbarten Pixeln. Beispielsweise ist das Pixel 2 zu einem definierten Zeitpunkt vollständig eingeschaltet, während die benachbarten Pixel 1 und 3 jeweils vollständig ausgeschaltet sind. Auf diese Weise wird ein einzelner Lichtpunkt durch die pixelierte Lichtquelle erzeugt.
In diesem Betriebszustand können jedoch Photonen, die in Richtung auf die Mikrolinsen 162 abgestrahlt werden, an der Grenzfläche zwischen der Mikrolinse und dem Halbleitermaterial total reflektiert und über das Trennelement hinweg in ein benachbartes ausgeschaltetes Pixel 1 bzw. 3 gelangen. Diese Photonen können nun wiederum in der dortigen aktiven Zone absorbiert werden. In einem solchen Fall wird ein Elektron-Loch-Paar in der aktiven Zone erzeugt, welches nach einiger Zeit wiederum nicht strahlend bzw. strahlend rekombiniert. Im ersten Fall wird Wärme erzeugt, im letzteren Fall wird erneut ein Photon erzeugt. Dieses besitzt eine längere Wellenlänge bzw. die gleiche Wellenlänge wie das vorangegangene absorbierte Photon und kann nun über die benachbarten Mikrolinsen abgestrahlt werden. In der Praxis führt dies zu einem verringerten Kontrast, da ein Teil des Lichts in die benachbarten Pixel 1 und 3 gelangt, dort zu einer erneuten Elektron-Loch-Paar Bildung führt, die anschließend unter Erzeugung von Photonen wieder rekombinieren. Daneben ist auch die durch nichtstrahlende Rekombination erzeugte Wärme von Nachteil, da diese zum einen abgeführt werden muss, zum anderen aber auch zu Farbverschiebungen oder einer veränderten Effizienz des Bauteils führen kann.
Die Erfinder schlagen nun vor, diesen Anteil durch zusätzliche elektrische Maßnahmen zu reduzieren. Zu diesem Zweck werden die benachbarten und nicht zur Lichterzeugung vorgesehenen Pixell und 3 durch die Ansteuerschaltung mit einer zusätzlichen Spannung beaufschlagt, welche Elektron-Loch-Paare, die in den jeweiligen aktiven Zonen der ausgeschalteten Pixel 1 und 3 erzeugt werden, räumlich voneinander trennt. Durch die räumliche Trennung wird somit eine erneute Rekombination und Erzeugung von Licht vermieden. Mit anderen Worten schaltet die Ansteuerschaltung, die nicht zur Lichterzeugung vorgesehenen Pixel 1 und 3 in einen Betriebsmodus, in dem diese Pixel als Fotozelle oder Solarzelle wirken. Dadurch wird der Kontrast zwischen zur Lichterzeugung vorgesehenen und zur Lichterzeugung nicht vorgesehenen Pixeln erhöht.
3 zeigt diesbezüglich schematisch eine Schaltungsanordnung, mit der dieser gewünschte Effekt erzielt werden kann. In dieser Darstellung sind wiederum zwei Pixel 1 und 2 gezeigt, die schematisch mit ihrem Schaltungssymbol als Leuchtdioden dargestellt sind. Die beiden Pixel 1 und 2 sind als monolithische Bauelemente Teil einer pixelierten Lichtquelle.
Jede dieser Leuchtdioden, korrespondierend zu den Pixeln 1 und 2, ist zwischen einen Versorgungspotenzialanschluss VDD und eine Stromquelle 100b geschaltet. Jede Stromquelle ist wiederum mit einem Schalter 100c verbunden. Die Schalter 100c werden von einer Steuerschaltung 100a bedient. Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist vorgesehen, dass ein jeder Schalter 100c in dem jeweiligen Pfad des Pixels zwischen zwei Zuständen wechseln kann. In einem ersten Zustand ist der Schalter wie im linken Teilbereich für das Pixel 1 gezeigt so geschaltet, dass er die Stromquelle mit einem Massepotenzialanschluss verbindet. In diesem Fall liefert in einem Betrieb die Stromquelle 100b für das Pixel 1 den für die Lichterzeugung notwendigen Strom. Ein weiterer Schaltzustand ist für das Pixel 2 dargestellt, bei dem der Schalter in seiner Schalterstellung die Stromquelle 100b mit einem zweiten Potenzial V_DD2 koppelt. Dieses zweite Potenzial V_DD2 ist größer als das erste Versorgungspotenzial V_DD. Dadurch wird das Pixel 2 mit einer Spannung beaufschlagt, die in Sperrrichtung der dargestellten Leuchtdiode zeigt. Die Leuchtdiode bzw. das Pixel 2 wird somit in Sperrrichtung betrieben. Dieser Betriebszustand ist ähnlich einer Fotodiode bzw. einer Fotozelle, bei der das innerhalb der Raumladungszone des Pixels existierende elektrische Feld bei einer Absorption und einer Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares dieses räumlich voneinander trennt.
Mit anderen Worten steuert die Ansteuerschaltung 100a die jeweiligen Schalter 100c und die Stromquellen 100b derart an, dass die jeweiligen Pixel, die während eines Zeitraums für die Erzeugung von Licht vorgesehen sind, in Durchlassrichtung betrieben werden. Hingegen werden die Pixel, die nicht für die Lichterzeugung während dieses Zeitraums vorgesehen sind, in Sperrrichtung betrieben. Dadurch wirken die in Sperrrichtung betriebenen Pixel als Fotozellen bzw. Solarzelle und trennen die durch Photonabsorption erzeugten Elektron-Loch Paare, die innerhalb des jeweiligen betriebenen Pixels erzeugt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung, ist es ebenso möglich, das Potenzial V_DD2 so groß wie das erste Versorgungspotenzial VDD zu wählen. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass das Pixel 2 in der dargestellten Ausführungsform der 3 in einem ausgeschalteten Zustand praktisch kurzgeschlossen wird. Entsprechend bildet sich innerhalb des Pixels lediglich eine Raumladungszone in der aktiven Zone aus, die ebenfalls zu einer räumlichen Ladungstrennung bei der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren führen kann.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass ein „ausgeschaltetes Pixel“ mit dem Zustand identisch ist, welches das Pixel bei einer PWM Ansteuerung im „Off Zustand“ aufweist. Eine derartige Pulsbreiten-modulierte Ansteuerung regelt die Helligkeit eines Pixels durch das On-Off Verhältnis während einer vorgegebenen Periode. Ein ausgeschaltetes Pixel im Sinne des vorgestellten Prinzips wäre bei dieser Ansteuerung ein Pixel, dass entweder vollständig während des gesamten Zeitraums einer PWM Periode ausgeschaltet verbleibt. Ebenso stellt ein Pixel ein ausgeschaltetes Pixel im Sinne dieser Anmeldung ein Pixel dar, dass im Gegensatz zu einem benachbarten Pixel einen deutlich verkürzten On-Zustand hat. Auch in einem solchen Fall kann es nämlich zu dem beschriebenen Übersprechen und der ungewünschten Re-emission von absorbierten Photonen kommen, nämlich dann, wenn sich das Pixel bereits im „Off-Zustand“ (bezüglich des ansteuernden PWM Signals) befindet, während das benachbarte Pixel noch im „On-Zustand“ ist. Durch das vorgeschlagene Prinzip, ein Pixel während des Off-Zustandes entweder kurzzuschließen, oder in Sperrrichtung zu schalten, wird die Re-Emission deutlich reduziert bzw. vollständig vermieden.
2 zeigt eine detaillierte Ausgestaltung einer pixelierten Lichtquelle mit zwei benachbarten Pixeln 1 und 2 mit ihrer jeweiligen Halbleiterstruktur. Die Pixelzellen 1 und 2 sind in ähnlicher Weise aufgebaut und durch ein Trägerelement 5 voneinander elektrisch und zumindest teilweise auch optisch separiert. Das Trennelement 5 umfasst eine leicht schräg angeordnete Oberfläche, die durch den Herstellungsprozess bedingt ist. Entlang der Oberfläche ist eine isolierende Schicht 51 aufgebracht, sodass ein elektrisches Übersprechen und ein elektrischer Stromfluss in das Trennelement oder auch zwischen den beiden Pixeln 1 und 2 vermieden wird. Das Material des Trennelementes 5 umfasst weiterhin ein reflektierendes bzw. optisch absorbierendes Material, so dass Photonen, die in das Trennelement 5 gelangen, von diesem absorbiert bzw. wieder reflektiert werden.
Jedes Pixel umfasst eine aktive Zone 41 bzw. 42, die zwischen einem n-dotierten Bereich 71 bzw. 72 und einem gemeinsam verwendeten p-dotierten Gebiet 8 angeordnet sind. In vereinfachter Darstellung sind die jeweiligen n- bzw. p-dotierten Bereiche ohne weiteren Dotiergradienten dargestellt. In der Praxis können die jeweiligen Bereiche jedoch eine Vielzahl unterschiedlich dotierter Teilbereiche umfassen, die zur Stromaufweitung und Stromführung in geeigneter Weise dienlich sind. Das gemeinsam genutzte Gebiet 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel p-dotiert und erstreckt sich über die jeweiligen Pixel 1 und 2 sowie das die Pixel separierende Trennelement 5. Auf der Lichtauskopplungsseite des gemeinsamen Gebietes 8 ist eine Auskoppelstruktur 81 aufgebracht, durch das eine Totalreflexion von dem gemeinsamen Gebiet 8 zurück in das Halbleitermaterial der Pixel reduziert wird. Die Auskoppelstruktur kann auch ein spezielles Material umfassen, welches einen Brechungsindexübergang bildet oder die verschiedenen Brechungsindizes einander anpasst. Über der Auskoppelstruktur 81 ist in diesem Beispiel ein Konversionsmaterial 9 zur Umwandlung von abgestrahltem Licht in eine zweite Wellenlänge angeordnet.
Auf dem der aktiven Zone abgewandten Seite der n-dotierten Bereiche 71 und 72 ist ein reflektierendes Element 61 bzw. 62 angeordnet. Dieses reflektierende Element ist beispielsweise als DBR ausgeführt. Der DBR kann auf einen Silberspiegel aufgebracht sein um die Reflektivität der Spiegelkombination weiter zu erhöhen.
Die aktive Zone 41 und 42 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise kann in einem Ausführungsbeispiel ein Quantengraben oder auch ein Mehrfach-Quantengraben vorgesehen sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die aktive Zone eine Vielzahl von Quantentöpfen, wobei die Anzahl und die Dichte dieser Quantentöpfe durch die beiden dotierten Bereiche sowie das reflektierende Element 61 bzw. 62 vorgegeben ist. Durch die Verwendung eines DBR) sind neue Freiheiten hinsichtlich des Designs der n-dotierten und der p-dotierten Schicht sowie der Anzahl und Größe der Quantentöpfe möglich. Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Prinzips eine Kontrasterhöhung bei der Erzeugung von Licht vorgenommen werden, da eine neue Re-Emission von Licht in benachbarten Zellen durch das vorgeschlagene Prinzip vermieden wird.
4 zeigt schließlich eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Betreiben einer pixelierten Lichtquelle mit wenigstens zwei ansteuerbaren Pixeln, die zueinander benachbart sind. Dabei sollen die Pixel individuell ansteuerbar sein, in diesem Beispiel mittels einer Pulsweitenmodulation. Ein derartiges Signal schaltet das jeweilige Pixel während einer Periode der Pulsweitenmodulation zwischen einem On-Zustand, in dem das Pixel mit Strom beaufschlagt wird und einem Off-Zustand, in dem das Pixel nicht leuchten soll. Das Verhältnis aus den Zuständen On/Off ergibt dann eine gesamte Helligkeit, die sich für einen Betrachter über die gesamte Periode einstellt.
Wenn beide Pixel die gleiche gesamte Helligkeit haben, dann ist auch deren On/Off Verhältnis das gleiche. Bei unterschiedlichen Helligkeiten, im Extremfall, ist ein Pixel während eines langen Zeitraums dieser Periode eingeschaltet, das andere Pixel durchwegs „ausgeschaltet“. Dadurch ist der Kontrast zwischen zwei Pixeln am größten. Um diesen Kontrast nicht wie eingangs beschrieben durch Photonen Re-Emission zu verschlechtern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, im Off-Zustand das Pixel anders zu verschalten.
In Schritt S1 des Verfahrens wird somit die pixelierte Lichtquelle mit einer Ansteuerschaltung bereitgestellt, die geeignet ist, die einzelnen Pixeln mit verschiedenen Spannungen zu beaufschlagen oder auch optional bzw. zusätzlich kurzzuschließen. In Schritt S2 wird nun während einer Zeitdauer eine erste Spannung an ein erstes der zwei Pixel angelegt. Diese Spannung führt zu einem Stromfluss durch das Pixel, so dass dort elektromagnetische Strahlung erzeugt und aus dem Pixel ausgekoppelt wird.
Wie oben beschrieben, können einige der erzeugten Photonen in das benachbarte „ausgeschaltete“ Pixel gelangen und dort zu einer erneuten Re-Emission durch Absorption und anschließende Rekombination führen. In Schritt S3 wird das zweite, d.h. das „ausgeschaltete“ Pixel nun mit einer zweiten Spannung beaufschlagt. Die zweite Spannung ist derart gewählt, dass in dem Pixel durch Lichtabsorption erzeugte Ladungen räumlich voneinander getrennt werden. Mit anderen Worten wird in Schritt S3 das zweite „ausgeschaltete Pixel“ in einigen Aspekten in Sperrrichtung betrieben. Die zweite Spannung in dem zweiten Pixel bewirkt ein elektrisches Feld, welches einem elektrischen Feld im ersten Pixel, das durch die erste Spannung erzeugt wird entgegengesetzt ist. Alternativ kann das zweite Pixel auch kurzgeschlossen werden. Durch den Kurzschluss verbleibt in einigen Aspekten lediglich eine Raumladungszone in der aktiven Zone. Auch diese kann je nach Design der Pixel zu einer räumlichen Trennung der Ladungsträger führen.
Bezugszeichenliste

1, 2, 3: Pixel
5: Trennelement
8: zweiter Bereich
9: Konversionsmaterial
15: Trägersubstrat
20: gemeinsamer Anschluss
21, 22, 23: Kontaktanschlüsse
41, 42: aktive Zone
61, 62: Reflexionselement
71, 72: erster Bereich
81: Auskoppelstruktur
100: Ansteuerschaltung
101, 102, 103: Anschlüsse
104: Anschluss
161, 162, 163: Mikrolinsen

Claims

Pixelierte Lichtquelle, umfassend: - ein erstes ansteuerbares Pixel (1) mit einer ersten aktiven Zone (41); - ein benachbartes zweites ansteuerbares Pixel (2) mit einer zweiten aktiven Zone (42), dass von dem ersten ansteuerbaren Pixel durch ein Trennelement (5) separiert ist; wobei die jeweilige aktive Zone (41, 42) eines jeden Pixels zwischen einem n-dotierten ersten Bereich (71, 72) und einem p-dotierten zweiten Bereich (8) angeordnet ist; - eine Ansteuerschaltung (100), die mit dem ersten und zweiten ansteuerbaren Pixel (1, 2) verbunden ist und ausgeführt ist, bei einer Ansteuerung eines Pixels (1) des ersten und zweiten Pixels (1, 2) zur Erzeugung von Licht, das jeweils andere Pixel (2) derart zu verschalten, dass ein gegenüber einem durch die Ansteuerung erzeugten elektrischen Feld im angesteuerten Pixel (1) entgegengesetztes elektrisches Feld gebildet ist.
Pixelierte Lichtquelle nach Anspruch 1, bei der das jeweils andere Pixel mit einem Kurzschluss verschaltet ist, so dass das entgegengesetzte elektrische Feld im Wesentlichen ein durch die aktive Zone gebildetes elektrisches Feld ist.
Pixelierte Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der das entgegengesetzte Feld vom n-dotierten ersten Bereich in Richtung des p-dotierten Bereichs verläuft
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der zu einer Ansteuerung eines Pixels (1) des ersten und zweiten Pixels (1, 2) zur Erzeugung von Licht das Pixel in Flussrichtung, und das andere Pixel in Sperrrichtung verschaltet ist.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Trennelement derart ausgestaltet ist, dass es zumindest die jeweilige aktive Zone des ersten und zweiten Pixels und wenigstens einen aus dem n-dotierten ersten und p-dotierten zweiten Bereich voneinander trennt.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Trennelement ein elektrisch isolierendes und lichtabsorbierendes oder lichtreflektierendes Material oder Materialkombination aufweist.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein Bereich der ersten und zweiten Bereiche, insbesondere der p-dotierte Bereich durch einen gemeinsamen Bereich gebildet ist, wobei das Trennelement diesen gemeinsamen Bereich zumindest nicht vollständig trennt.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: - eine insbesondere gemeinsame Auskoppelstruktur, die auf einer Lichtaustrittsseite eines jeden Pixels angeordnet ist, wobei die Lichtaustrittsseite optional durch einen der ersten und zweiten Bereiche, und insbesondere durch einen gemeinsamen p-dotierten Bereich gebildet ist.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend: - eine Reflexionsschicht auf einer der Lichtaustrittsseite abgewandten Seite des jeweiligen Pixels, wobei optional die Reflexionsschichten des ersten und zweiten Pixels durch das Trennelement separiert sind und/oder optional die Reflexionsschichten elektrisch leitend ausgeführt sind.
Pixelierte Lichtquelle nach Anspruch 9, bei der die Reflexionsschicht einen DBR umfasst.
Pixelierte Lichtquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die aktive Zone wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: - einen Quantengraben - einen Quantentopf; - einen mehrfachen Quantengraben; - eine Vielzahl von Quantentöpfen.
Verfahren zur Ansteuerung einer pixelierten Lichtquelle mit wenigstens zwei ansteuerbaren Pixeln, die zueinander benachbart sind, umfassend: - Anlegen einer ersten Spannung an ein erstes Pixel der wenigstens zwei Pixel, so dass in dem ersten Pixel elektromagnetische Strahlung erzeugt wird; - Beaufschlagen eines zweiten der wenigstens zwei Pixel mit einer zweiten Spannung, derart, dass in dem Pixel durch Lichtabsorption erzeugte Ladungen räumlich voneinander getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die zweite Spannung ein elektrisches Feld in dem zweiten Pixel bewirkt, welches einem elektrischen Feld im ersten Pixel, das durch die erste Spannung erzeugt wird, entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Beaufschlagens des zweiten der wenigstens zwei Pixel ein Kurzschließen des zweiten Pixels umfasst.
Verwendung einer pixelierten Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Scheinwerfer oder einer Projektionseinrichtung.