DE102021127038A1

DE102021127038A1 - Detektorelement, lidar modul und verfahren zum betrieb eines lidar moduls

Info

Publication number: DE102021127038A1
Application number: DE102021127038.3A
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch; Hubert Halbritter; Simon Lankes
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023066620A1; DE112022003693A5

Abstract

Es wird ein Detektorelement (1) angegeben, das folgende Merkmale aufweist:- eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (2) mit zumindest zwei aktiven Schichten (3, 4), die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (2) eine erste Hauptfläche (5) und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche (6) aufweist, die jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, und- zumindest drei elektrische Anschlusskontakte (7, 8, 9), die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten (3, 4) eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt (8) zwischen zwei aktiven Schichten (3, 4) angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Lidar Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben.

Description

Es werden ein Detektorelement, ein Lidar Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein verbessertes Detektorelement zur differentiellen Detektion von frequenzmodulierten Dauerstrich-Lidar Signalen (FMCW-Lidar) anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Detektorelement eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest zwei aktiven Schichten auf.
Die epitaktische Halbleiterschichtenfolge umfasst zum Beispiel ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial. Ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff „III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial“ die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge ein Arsenid-Verbindungs-Halbleitermaterial auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, besonders bevorzugt zumindest die aktive Schicht, vorzugsweise Al_nGa_mIn_1-n-mAs umfasst, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1 ist. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al bzw. As, Ga, In), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements sind die zumindest zwei aktiven Schichten zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet. Bevorzugt liegt die Wellenlänge L1 der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im infraroten Spektralbereich, beispielsweise zwischen einschließlich 800 Nanometer und einschließlich 1800 Nanometer.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche auf, die jeweils zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung und zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit der Wellenlänge L1, eingerichtet sind.
Hier und im Folgenden sind Hauptflächen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge normal zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. In anderen Worten sind Hauptflächen der Halbleiterschichtenfolge parallel zur Haupterstreckungsebene von Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge ausgerichtet. Die Hauptflächen begrenzen die Halbleiterschichtenfolge. Epitaktische Halbleiterschichten sind insbesondere zwischen den beiden Hauptflächen angeordnet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Träger angeordnet. Der Träger kann beispielsweise das Wachstumssubstrat umfassen oder aus dem Wachstumssubstrat gebildet sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen ist. Alternativ ist der Träger kein Wachstumssubstrat. Zum Beispiel umfasst der Träger Galliumarsenid, Silizium, oder Saphir oder besteht aus Galliumarsenid, Silizium, oder Saphir. Insbesondere ist der Träger transparent für elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge L1, die von den zumindest zwei aktiven Schichten der Halbleiterschichtenfolge zumindest teilweise absorbiert wird. Transparent bedeutet hier und im Folgenden, dass zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, der auf den Träger einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit der Wellenlänge L1 durch den Träger transmittiert wird.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Detektorelement zumindest drei elektrische Anschlusskontakte auf, die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt zwischen zwei aktiven Schichten angeordnet ist.
Beispielsweise umfasst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge genau zwei aktive Schichten und genau drei elektrische Anschlusskontakte, wobei jeweils ein elektrischer Anschlusskontakt auf einer der beiden Hauptflächen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist, während ein dritter elektrischer Anschlusskontakt zwischen den zwei aktiven Schichten angeordnet ist. Somit können die zwei aktiven Schichten unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Detektorelement:

- eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest zwei aktiven Schichten, die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche aufweist, die jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, und
- zumindest drei elektrische Anschlusskontakte, die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt zwischen zwei aktiven Schichten angeordnet ist.

Ein hier beschriebenes Detektorelement ist insbesondere zur differentiellen Detektion von FMCW-Lidar Signalen geeignet. Dabei werden ein Sendesignal, das insbesondere frequenzmoduliertes Laserlicht mit einer Wellenlänge L1 im infraroten Spektralbereich umfasst, und ein Empfangssignal gegenläufig im Detektorelement überlagert. Das Empfangssignal umfasst dabei das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal. Gegenläufig bedeutet hier und im Folgenden, dass das Sendesignal über die erste Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt wird, während das Empfangssignal über die zweite Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt wird, oder umgekehrt.
Durch die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals bildet sich im Detektorelement zum Beispiel eine stehende elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge L1/n, wobei n einen mittleren Brechungsindex des Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge im Detektorelement bezeichnet. Beispielsweise ist bei gegenläufiger Überlagerung von zwei linear polarisierten, ebenen elektromagnetischen Wellen des Sendesignals und des Empfangssignals mit elektrischen Feldstärken der Form E_1,2 = E_1,2 e^{i (k1,2x-ω1,2t)}, wobei E_1,2 Amplituden, ω_1,2 Frequenzen, x eine Ausbreitungsrichtung und t eine Zeit bezeichnet, und für die Wellenzahlen k_1,2 der gegenläufigen Wellen $k_{1} = - k_{2} = k - \frac{2 π n}{L 1}$
gilt, eine Intensität eines elektrischen Feldes im Detektorelement gegeben durch: ${| E_{1} + E_{2} |}^{2} = E_{1}^{2} + E_{2}^{2} + 2 E_{1} E_{2} cos (2 k x - (ω_{1} - ω_{2}) t) .$
Insbesondere ist eine Phase der stehenden Welle proportional zu einer Differenzfrequenz ω₁ - ω₂.
Bei einer Abstandsmessung mittels FMCW-Lidar wird eine Frequenz ω₁ des Sendesignals linear als Funktion der Zeit erhöht oder erniedrigt. Die Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals im Detektorelement führt zu einer Schwebung, wobei die Differenzfrequenz ω₁- ω₂ zwischen der Frequenz ω₁ des Sendesignals und der Frequenz ω₂ des Empfangssignals proportional zu einem Abstand zum externen Objekt ist.
Das Detektorelement ist dazu eingerichtet, die Differenzfrequenz ω₁- ω₂ zwischen Sendesignal und Empfangssignal zu messen. Insbesondere erfolgt die Detektion differentiell, wobei ein störender, zeitlich unabhängiger Anteil $E_{1}^{2} + E_{2}^{2}$
der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert wird. Die differentielle Detektion erfolgt durch Bestimmung der Intensität des elektrischen Feldes im Detektorelement an zwei unterschiedlichen Orten, die beispielsweise in einem Abstand von einem Viertel der Wellenlänge, also L1/(4*n), angeordnet sind. Insbesondere sind von den aktiven Schichten erzeugte Fotoströme proportional zur Intensität des elektrischen Feldes. Durch Subtraktion der Fotoströme der beiden aktiven Schichten im Abstand L1/(4*n), wobei der Abstand auch um Vielfache der halben Wellenlänge L1/(2*n) größer sein kann, wird der zeitlich unabhängige Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert, während der mit der Differenzfrequenz zeitlich oszillierende Anteil addiert wird. Ein Messsignal, welches durch Subtraktion der beiden Fotoströme der zwei aktiven Schichten entsteht, weist somit eine zeitliche Oszillation mit der Differenzfrequenz ω₁- ω₂ auf.
Lidar-Detektoren mit gleichläufiger Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals benötigen insbesondere einen optischen Zirkulator oder getrennte Optiken für einen Sender und einen Empfänger. Mit dem hier beschriebenen Detektorelement kann eine einzelne Optik für den Sender und den Empfänger verwendet werden, wobei kein optischer Zirkulator notwendig ist. Dadurch vereinfacht sich ein Aufbau des Lidar-Detektors. Des Weiteren verbessert die differentielle Detektion der Differenzfrequenz ein Signal-zu-Rausch Verhältnis. Insbesondere werden störende Intensitätsschwankungen eliminiert, die bei der Frequenzmodulation des Sendesignals entstehen können. Mit dem hier beschriebenen Detektorelement ist insbesondere eine differenzielle Detektion mit einem einzelnen Halbleiterbauteil möglich. Somit müssen nicht zwei separate Fotodetektoren angeordnet und justiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist jede aktive Schicht zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und zumindest ein n-dotierte Halbleiterschicht auf, die eine Fotodiode bilden. Die Fotodiode ist insbesondere zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen elektrischen Fotostrom eingerichtet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist zumindest eine aktive Schicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur auf.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst hier und im Folgenden insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weisen die aktiven Schichten Dicken auf, die kleiner als ein Viertel der Wellenlänge L1/n in der Halbleiterschichtenfolge sind, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist.
Das Detektorelement ist insbesondere zur differentiellen Detektion einer Schwebungsfrequenz eingerichtet, die durch gegenläufige Überlagerung eines Sendesignals mit einem Empfangssignal im Detektorelement entsteht. Durch Absorption der elektromagnetischen Strahlung in der aktiven Schicht wird das elektrische Feld der stehenden elektromagnetischen Welle über die Dicke der aktiven Schicht gemittelt. Eine Dicke der aktiven Schicht, die größer als ein Viertel der Wellenlänge L1/n in der Halbleiterschichtenfolge ist, führt somit zu keiner erhöhten Empfindlichkeit des Detektorelements bezüglich des räumlich oszillierenden Anteils der stehenden elektromagnetischen Welle.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements beträgt ein mittlerer Abstand A1 zwischen zwei aktiven Schichten, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, A1 = L1*(2*m-1)/(4*n), wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge und m eine positive ganze Zahl ist.
Der mittlere Abstand A1 wird bevorzugt vom Mittelpunkt einer aktiven Schicht zum Mittelpunkt einer benachbarten aktiven Schicht gemessen. Der mittlere Abstand A1 kann im Rahmen einer Toleranz von höchstens ±0,25*L1/(4*n) vom oben angegebenen Abstand A1 abweichen.
Das Detektorelement ist insbesondere zur differentiellen Detektion einer Schwebungsfrequenz des räumlich oszillierenden Anteils der stehenden elektromagnetischen Welle eingerichtet. Zur Maximierung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses ist es somit vorteilhaft, wenn ein mittlerer Abstand zwischen zwei aktiven Schichten beispielsweise ein Viertel, drei Viertel oder fünf Viertel der Wellenlänge L1/n in der Halbleiterschichtenfolge beträgt. In anderen Worten befindet sich zu einem Zeitpunkt die erste aktive Schicht beispielsweise an einem Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle, während sich die zweite aktive Schicht beispielsweise an einem Intensitätsmaximum der stehenden elektromagnetischen Welle befindet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements sind zwei aktive Schichten, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, als Fotodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung ausgebildet.
Die beiden Fotodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung des Detektorelements sind beispielsweise Teil einer Differenzverstärkerschaltung, die nur den räumlich oszillierenden Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle innerhalb des Detektorelements misst. Dadurch kann insbesondere der störende Gleichanteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert werden. Dadurch verringert sich beispielsweise ein Rauschen in der Intensität bei der Überlagerung des Sendesignals mit dem Empfangssignal, wodurch ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements sind die zwei aktiven Schichten, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, als Fotodioden mit gleicher Durchlassrichtung ausgebildet, wobei zwischen den aktiven Schichten eine Tunneldiode angeordnet ist.
Die zwei Fotodioden mit gleicher Durchlassrichtung des Detektorelements sind beispielsweise Teil einer elektrischen Schaltung eines symmetrischen Fotodetektors. Damit können kleine Unterschiede in den Fotoströmen der beiden Fotodioden mit Hilfe eines Transimpedanzverstärkers genau gemessen werden. Insbesondere ist ein Ausgangssignal eines symmetrischen Fotodetektors proportional zur Differenz der Fotoströme der beiden Fotodioden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements nehmen Dicken der aktiven Schichten in Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge zu oder ab.
Elektromagnetische Wellen, beispielsweise eines Sendesignals, werden beim Durchgang durch das Detektorelement zumindest teilweise absorbiert. Dadurch fällt eine Intensität der elektromagnetischen Strahlung im Detektorelement in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle ab. Daraus ergibt sich ein systematisch unterschiedliches Detektorsignal in den zumindest zwei Fotodioden des Detektorelements. Um solche systematischen Unterschiede in den Detektorsignalen zu kompensieren, können Dicken der aktiven Schichten in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung zunehmen. Insbesondere dominiert das Sendesignal die Gesamtintensität der elektromagnetischen Strahlung im Detektorelement. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, dass Dicken der aktiven Schichten in Ausbreitungsrichtung des Sendesignals zunehmen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine Dicke auf, derart, dass eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge L1 entspricht.
Durch obige Wahl der Dicke der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge weist eine elektromagnetische Welle der Wellenlängen L1 nach dem Durchgang durch das Detektorelement dieselbe Phase auf, als eine elektromagnetische Welle mit derselben Wellenlänge, die das Detektorelement nicht durchläuft. Sind beispielsweise mehrere Detektorelemente nebeneinander in einer Richtung normal zur Ausbreitungsrichtung des Sendersignals angeordnet, wird durch eine entsprechende Wahl der Dicken der epitaktischen Halbleiterschichtenfolgen erreicht, dass eine Wellenfront des Sendesignals beim Durchgang durch die nebeneinander angeordneten Detektorelemente weniger stark oder nicht verzerrt wird.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Detektorelement eine Halbleiterschichtenfolge mit zumindest drei aktiven Schichten auf, wobei ein mittlerer Abstand A2 zwischen zwei benachbarten aktiven Schichten, zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, A2 = L1*m/(2*n) beträgt, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge m eine positive ganze Zahl ist.
Zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses kann es vorteilhaft sein, mehrere aktive Schichten der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge in Serie anzuordnen die zusammen eine Fotodiode des Detektorelements bilden. Dabei ist ein mittlerer Abstand zwischen zwei benachbarten aktiven Schichten, die eine Fotodiode bilden, bevorzugt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge L1/n in der Halbleiterschichtenfolge, wobei n der mittlere Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist. Durch diese Wahl des Abstandes weist die Intensität der stehenden Welle im Detektorelement an den Orten der beiden aktiven Schichten die gleiche Phase auf. Somit addieren sich die Fotoströme der beiden aktiven Schichten, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erhöht wird.
Es wird weiterhin ein Lidar Modul angegeben. Sämtliche für das Detektorelement offenbarten Merkmale sind auch für das Lidar Modul offenbart, und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Lidar Modul zumindest ein Detektorelement auf. Insbesondere entspricht das Detektorelement zumindest einer der hier beschriebenen Ausführungsformen und ist zur differenziellen Detektion einer Schwebungsfrequenz zwischen einem Sendesignal und einem gegenläufigen Empfangssignal eingerichtet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Lidar Modul eine Laserlichtquelle auf, die zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung bei der Wellenlänge L1 eingerichtet ist.
Laserlicht entsteht durch stimulierte Emission und weist im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission erzeugt wird, in der Regel eine sehr hohe Kohärenzlänge, eine sehr schmale spektrale Linienbreite und/oder einen hohen Polarisationsgrad auf. Bevorzugt ist die Kohärenzlänge der Laserlichtquelle größer als ein doppelter maximaler Abstand zwischen dem Lidar Modul und einem externen Objekt, der noch detektierbar sein soll. Die Laserlichtquelle umfasst beispielsweise eine oberflächenemittierende Laserdiode, eine kantenemittierende Laserdiode, einen Faserlaser, einen faserverstärkten Laser, einen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser), oder beliebige Varianten davon.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Lidar Moduls wird die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle über die erste Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt und über die zweite Hauptfläche ausgekoppelt.
Insbesondere durchläuft ein von der Laserlichtquelle erzeugtes Sendesignal das Detektorelement zumindest teilweise, bevor es vom Lidar Modul ausgesandt wird und anschließend zumindest teilweise von einem externen Objekt zurückreflektiert wird.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Lidar Moduls umfasst die Laserlichtquelle eine oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge, wobei die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Detektorelements einen monolithischen Halbleiterschichtenstapel bilden.
Insbesondere können die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge der Laserlichtquelle und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Detektorelements Teile einer gemeinsamen epitaktischen Halbleiterschichtenfolge sein, die im Rahmen eines epitaktischen Wachstumsverfahrens aufeinander epitaktisch aufgewachsen werden. Der monolithische Halbleiterschichtenstapel umfasst beispielsweise zwei dielektrische Spiegel, zwischen denen eine aktive Schicht zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung angeordnet ist. Auf einer dieser dielektrischen Spiegel ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Detektorelements angeordnet. Die dielektrischen Spiegel umfassen beispielsweise eine Folge von dielektrischen Schichten, die einen Bragg-Spiegel bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist bei dem Lidar Modul eine Vielzahl von Detektorelementen auf einem transparenten Träger angeordnet, die ein zweidimensionales Detektorarray bilden.
Durch Anordnung einer Vielzahl von Detektorelementen in einem zweidimensionalen Detektorarray, kann in Verbindung mit einer Abbildungsoptik insbesondere eine Richtung des Empfangssignals bestimmt werden. Somit eignet sich ein hier beschriebenes Lidar Modul mit einem zweidimensionalen Detektorarray zur gleichzeitigen Entfernungsbestimmung und Richtungsbestimmung eines externen Objekts. Des Weiteren kann eine radiale Geschwindigkeit des externen Objekts über eine Dopplerverschiebung der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal bestimmt werden. Alternativ kann die Vielzahl von Detektorelementen auch als eindimensionales Detektorarray angeordnet sein oder ein eindimensionales Detektorarray bilden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben. Alle Merkmale des Lidar Moduls sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls das Aussenden eines Sendesignals, wobei das Sendesignal eine von der Laserlichtquelle erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst, die das Detektorelement durchläuft und anschließend von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektiert wird.
Insbesondere entspricht das Lidar Modul zumindest einer der hier beschriebenen Ausführungsformen. Das von der Laserlichtquelle erzeugte Sendesignal wird somit bevorzugt über die erste Hauptfläche in das Detektorelement des Lidar Moduls eingekoppelt und über die zweite Hauptfläche des Detektorelements ausgekoppelt. Es ist auch möglich, dass nur ein Teil des Sendesignals das Detektorelement durchläuft.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls wird ein Empfangssignal empfangen, welches das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal umfasst. Dabei wird das Empfangssignal über die zweite Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt und dort mit dem gegenläufigen Sendesignal überlagert, wobei sich eine stehende elektromagnetische Welle bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls erfolgt eine differenzielle Messung einer Schwebungsfrequenz der stehenden Welle durch Messung der Fotoströme der aktiven Schichten mit einem Differenzverstärker.
Ein Differenzverstärker eignet sich insbesondere zur differentiellen Messung der Fotoströme eines Detektorelements, in welchem die aktiven Schichten zwei Fotodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung bilden. Bei einem Differenzverstärker ist die Verstärkung der Fotoströme der beiden Fotodioden separat einstellbar. Dadurch kann insbesondere ein systematischer Intensitätsunterschied des elektromagnetischen Feldes in den zwei Fotodioden ausgeglichen werden.
Alternativ kann ein Transimpedanzverstärker zur symmetrischen Fotodetektion mit einem Detektorelement verwendet werden, in dem die aktiven Schichten zwei Fotodioden mit gleicher Durchlassrichtung bilden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls erfolgt eine Bestimmung eines Abstandes zum externen Objekt aus der gemessenen Schwebungsfrequenz.
Bei Dauerstrich-Lidar Systemen wird eine Frequenz des Sendesignals beispielsweise periodisch linear als Funktion der Zeit erhöht und/oder verringert. Die Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal zum Zeitpunkt der Detektion des Empfangssignals ist somit proportional zu einer Laufzeit des Sendesignals zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zumindest teilweise von einem externen Objekt reflektierten Sendesignals. Aus der Laufzeit kann der Abstand zum externen Objekt ermittelt werden. Die Differenzfrequenz kann beispielsweise über eine schnelle Fourier-Transformation des Ausgangssignals des Differenzverstärkers bestimmt werden. Des Weiteren kann eine Dopplerverschiebung der Frequenz des Empfangssignals zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeit des externen Objekts verwendet werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls wird ein systematischer Intensitätsunterschied der elektromagnetischen Strahlungen in den aktiven Schichten durch einen dynamischen Schaltkreis kompensiert.
Sowohl das Sendesignal als auch das Empfangssignal wird beim Durchlaufen des Detektorelements zumindest teilweise absorbiert. Eine Gesamtintensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Detektorelements wird dabei insbesondere durch das stärkere Sendesignal dominiert. Somit nimmt die Gesamtintensität des elektromagnetischen Feldes im Detektorelement in Durchlaufrichtung des Sendesignals ab. Bei gleicher Dicke der aktiven Schichten im Detektorelement ergibt sich dadurch ein systematischer Unterschied in den von den aktiven Schichten erzeugten Fotoströmen. Dieser systematische Unterschied kann insbesondere durch einen dynamischen Schaltkreis kompensiert werden. Beispielsweise kann die Verstärkung der einzelnen Fotoströme in einer Differenzverstärkerschaltung separat eingestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Detektorelements, des Lidar Moduls sowie des Verfahrens zum Betrieb des Lidar Moduls ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild eines Detektorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine schematische elektrische Schaltung eines Differenzverstärkers mit einem Detektorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 4, 5 und 6 zeigen schematische Bandstrukturen von Detektorelementen, sowie schematische geometrische Anordnungen der aktiven Schichten in den Detektorelementen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Detektorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
8 zeigt eine schematische elektrische Schaltung zur symmetrischen Fotodetektion mit einem Detektorelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
9 zeigt eine schematische geometrische Anordnung von aktiven Schichten in einer schematischen Schnittdarstellung eines Detektorelements.
10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die 11 und 12 zeigen Lidar Module gemäß verschiedener Ausführungsformen.
Die 13 und 14 zeigen Detektorarrays gemäß verschiedener Ausführungsformen.
Die 15, 16, 17, 18 und 19 zeigen Lidar Module gemäß verschiedener Ausführungsformen.

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektorelements 1, das eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Träger 10 umfasst. Der Träger 10 ist insbesondere ein Wachstumssubstrat, das beispielsweise aus InP oder GaAs besteht, auf dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 2 epitaktisch aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 2 umfasst zwei aktive Schichten 3, 4, die einen mittleren Abstand A1 aufweisen und zur Absorption elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind. Der mittlere Abstand A1 beträgt L1/(4*n), wobei n der mittlere Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge L1 ist. In anderen Worten beträgt der mittlere Abstand A1 ein Viertel der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1. Alternativ kann der Abstand A1 auch um ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge im Medium L1/(2*n) größer sein, also beispielsweise 3/4, 5/4, 7/4 der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1 betragen.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 ist so strukturiert, dass auch ein Bereich zwischen den beiden aktiven Schichten 3, 4 elektrisch kontaktiert ist. Insbesondere weist das Detektorelement drei elektrische Anschlusskontakte 7, 8, 9 auf, wobei ein Anschlusskontakt 8 zwischen den beiden aktiven Schichten 3, 4 angeordnet ist.
Elektromagnetische Strahlung des Sendesignals 11 wird über die erste Hauptfläche 5 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 2 eingekoppelt, und nach dem Durchgang durch die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 2 über die zweite Hauptfläche 6 ausgekoppelt. Das Empfangssignal 12, welches das zumindest teilweise von einem externen Objekt reflektierte Sendesignal 11 umfasst, wird über die zweite Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 2 in das Detektorelement 1 eingekoppelt.
Durch die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals 11 und des Empfangssignals 12 im Detektorelement 1 bildet sich eine stehende elektromagnetische Welle 15, deren Schwebungsfrequenz der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal 11 und dem Empfangssignal 12 entspricht. Durch die oben beschriebene Wahl des Abstandes A1 befindet sich die erste aktive Schicht 3 zu einem gegebenen Zeitpunkt beispielsweise an einem Knoten, also an einem Punkt verschwindender Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle 15, während sich die zweite aktive Schicht 4 an einem Bauch, also an einem Punkt maximaler Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle 15 befindet. Durch eine differentielle Messung, bei der die Fotoströme der beiden aktiven Schichten 3, 4 subtrahiert werden, kann somit ein störender, zeitunabhängiger Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle 15 eliminiert werden.
Mittlere Dicken D der aktiven Schichten 3, 4 sind kleiner als L1/(4*n), das heißt kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1. Dabei werden Dicken D der aktiven Schichten 3, 4 in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge 2 angegeben, das heißt normal zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Schichten 3, 4. Aktive Schichten 3, 4 mit größeren Dicken D würden zwar mehr elektromagnetische Strahlung absorbieren, allerdings wird dadurch das Signal-zu-Rausch Verhältnis nicht verbessert, denn die aktiven Schichten 3, 4 mitteln das elektromagnetische Feld der stehende elektromagnetische Welle 15 im Detektorelement 1 über die Dicken D der aktiven Schichten 3, 4. Insbesondere beträgt eine Dicke D der aktiven Schichten 3, 4 nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge L1/n im Medium, da in diesem Fall die Schwebung bei der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal 11 und dem Empfangssignal 12 weggemittelt werden würde und somit nicht messbar wäre.
2 zeigt ein schematisches Ersatzschaltbild des Detektorelements 1 aus 1, wobei die beiden aktiven Schichten 3, 4 des Detektorelements 1 zwei Fotodioden 17, 18 bilden, die mit entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordnet sind. Eine Fotodiode 17, 18 im Ersatzschaltbild kann auch mehrere aktive Schichten 3 und 3', oder 4 und 4', umfassen, zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist.
3 zeigt eine schematische Differenzverstärkerschaltung, wobei das Detektorelement 1 durch das Ersatzschaltbild aus 2 dargestellt ist. Der Differenzverstärker ist insbesondere dazu eingerichtet, die Fotoströme der beiden Fotodioden zu subtrahieren, und dadurch den störenden Gleichanteil der stehenden elektromagnetischen Welle 15 zu eliminieren. Der Ausgang des Differenzverstärkers liefert somit eine elektrische Spannung, die mit der Schwebungsfrequenz, das heißt mit der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal 11 und dem Empfangssignal 12, zeitlich oszilliert. Die Verstärkung der Fotoströme der beiden Fotodioden kann separat eingestellt werden, wodurch ein systematischer Intensitätsunterschied des elektromagnetischen Feldes an den beiden Fotodioden ausgeglichen werden kann.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Bandstruktur eines Detektorelements 1 als Funktion der Ausbreitungsrichtung x des Sendesignals 11. Insbesondere ist eine Energie En des Valenzbandes 13 und des Leitungsbandes 14 in Verbindung mit der geometrischen Anordnung der aktiven Schichten 3, 4 im Detektorelement 1 gezeigt. Des Weiteren zeigt 4 eine Momentaufnahme des elektrischen Feldes E der stehenden elektromagnetischen Welle 15 im Detektorelement 1. Der mittlere Abstand A1 zwischen den aktiven Schichten 3, 4 beträgt dabei 3*L1/(4*n), also Dreiviertel der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1. Die Phase der stehenden elektromagnetischen Welle 15 nimmt linear als Funktion der Zeit zu oder ab, wobei die Steigung der linearen Funktion proportional zur Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal 11 und dem Empfangssignal 12 ist. Der von den aktiven Schichten 3, 4 erzeugte Fotostrom weist somit eine Komponente auf, die zeitlich mit der Differenzfrequenz oszilliert.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Detektorelements 1 ist ein n-dotierter Halbleiterbereich zwischen zwei p-dotierten Halbleiterbereichen angeordnet. Alternativ dazu kann auch ein p-dotierter Halbleiterbereich zwischen zwei n-dotierten Halbleiterbereichen angeordnet sein. Somit sind die zwei Fotodioden, die durch die beiden aktiven Schichten 3, 4 gebildet werden, in entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordnet.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektorelements 1 mit einer schematischen Darstellung der Energielücke zwischen dem Valenzband 13 und dem Leitungsband 14 als Funktion der Ausbreitungsrichtung x des Sendesignals 11. Darüber hinaus ist eine Momentaufnahme der stehenden elektromagnetischen Welle 15 im Detektorelement 1 gezeigt.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 4 weist das Detektorelement 1 in 5 jeweils zwei aktive Schichten 3, 3' und 4, 4' zwischen zwei Anschlusskontakten 7, 8 bzw. 8 und 9 auf. Ein mittlerer Abstand A2 zwischen zwei aktiven Schichten 3, 3' bzw. 4, 4' zwischen denen kein Anschlusskontakt angeordnet ist, beträgt dabei ein ganzzahliges Vielfaches von L1/(2*n), also der Hälfte der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Detektorelement 1. Somit weist die Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle 15 an den Positionen der zwei aktiven Schichten 3, 3` bzw. 4, 4', zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, dieselbe Phase auf. Dadurch kann ein effektiver Absorptionsbereich vergrößert werden und ein Signal-zu-Rauschverhältnis des Detektorelements 1 verbessert werden. Aktive Schichten 3, 3` bzw. 4, 4', zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, wirken dabei als eine gemeinsame Fotodiode des Detektorelements 1. Die Dicken D der aktiven Schichten sind insbesondere kleiner als L1/(4*n), also kleiner ein Viertel der Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle im Detektorelement 1. Alternativ können auch mehr als zwei aktive Schichten im Abstand A2 angeordnet sein, die eine Fotodiode des Detektorelements 1 bilden.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektorelements 1 mit einer schematischen Darstellung der Energielücke zwischen dem Valenzband 13 und dem Leitungsband 14 als Funktion der Ausbreitungsrichtung x des Sendesignals 11. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 5 weisen hier die zwei Fotodioden 17, 18, die jeweils durch die aktiven Schichten 3 und 3' bzw. 4 und 4' gebildet werden, die gleiche Durchlassrichtung auf. Aus diesem Grund ist eine Tunneldiode 16 zwischen den beiden aktiven Schichtenpaaren 3, 3' und 4, 4' angeordnet. Das in 5 gezeigte Detektorelement 1 ist insbesondere zur symmetrischen Fotodetektion mit einem Transimpedanzverstärker geeignet.
7 zeigt ein Ersatzschaltbild des Detektorelements 1 aus 6, wobei die zwei Fotodioden 17, 18 die gleiche Durchlassrichtung aufweisen.
8 zeigt eine schematische elektrische Schaltung zur symmetrischen Fotodetektion mit einem Detektorelement gemäß 6. Dabei wird die Differenz der Fotoströme der beiden Fotodioden durch einen Transimpedanzverstärker in eine messbare Ausgangsspannung umgewandelt.
9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektorelements 1, wobei die geometrische Anordnung der aktiven Schichten 3, 3', 4, 4' dargestellt ist. Die aktiven Schichten 3, 4, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt 8 angeordnet ist, weisen einen Abstand A1 von L1*(2*m-1)/(4*n) auf, wobei m eine positive ganze Zahl und n der mittlere Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 ist. In anderen Worten beträgt der Abstand A1 ein ungerades ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1. Der Abstand A2 zwischen aktiven Schichten 3, 3' bzw. 4, 4', zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, beträgt m*L1/(2*n), also ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements 1. Die Dicken D der aktiven Schichten 3, 3', 4, 4' sind kleiner als L1/(4*n).
Für ein Detektorelement 1, welches Indiumgalliumarsenid umfasst, liegt der mittlere Brechungsindex n ungefähr im Bereich zwischen einschließlich 3,4 und einschließlich 3,5. Bei einer Wellenlänge L1 von 1550 Nanometern beträgt die Wellenlänge im Detektorelement somit ungefähr 455 Nanometer. Die Dicke D einer aktiven Schicht 3, 3', 4, 4' ist daher kleiner als ungefähr 114 Nanometer, während der Abstand A1 zwischen zwei aktiven Schichten 3, 4, zwischen denen ein Anschlusskontakt 8 angeordnet ist, (2*m-1)*114 Nanometer beträgt, mit m einer positiven ganzen Zahl. Der Abstand A2 zwischen zwei aktiven Schichten 3, 3` bzw. 4, 4', zwischen denen kein Anschlusskontakt angeordnet ist beträgt ein ganzzahliges Vielfaches von ungefähr 228 Nanometern.
Bei einer Wellenlänge L1 von 900 Nanometern ist entsprechend D <= 64 Nanometer, A1 = (2*m-1)*64 Nanometer und A2 = m*128 Nanometer.
10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektorelements 1 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei die Dicken D, D' der aktiven Schichten 3, 3', 4, 4' in Ausbreitungsrichtung x des Sendesignals 11 zunehmen. Die Intensität I der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere des Sendesignals 11, nimmt durch Absorption in den aktiven Schichten 3, 3', 4, 4' ab. Dadurch ergibt sich ein systematischer Intensitätsunterschied an den beiden Fotodioden 17, 18. Dieser systematische Intensitätsunterschied kann durch eine größere Dicke der aktiven Schichten 4, 4' der Fotodiode 18, die in Ausbreitungsrichtung x nachgeordnet ist, ausgeglichen oder kompensiert werden. Alternativ kann die in Ausbreitungsrichtung x nachgeordnete Fotodiode 18 auch mehrere aktive Schichten als die davor angeordnete Fotodiode 17 aufweisen.
11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Lidar Moduls, wobei das Detektorelement 1 und die Laserlichtquelle 19 einen monolithischen Halbleiterschichtenstapel 20 bilden. Die Laserlichtquelle 19 ist eine oberflächenemittierende Laserdiode und weist eine aktive Schicht 22 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge L1, beispielsweise von 1550 Nanometer oder 900 Nanometer, auf. Diese aktive Schicht 22 ist zwischen zwei dielektrischen Spiegeln 21 angeordnet, die einen optischen Resonator bilden. Die dielektrischen Spiegel 21 weisen eine Vielzahl dielektrischer Schichten mit alternierenden Brechungsindizes auf, die einen Bragg Reflektor bilden. Dabei ist ein dielektrischer Spiegel 21, auf dem das Detektorelement 1 angeordnet ist, zumindest teilweise für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig. Das von der aktiven Schicht 22 erzeugte Sendesignal 11 wird über die erste Hauptfläche 5 in das Detektorelement eingekoppelt und über die zweite Hauptfläche 6 aus dem Lidar Modul ausgekoppelt. Das Empfangssignal 12 wird über die zweite Hauptfläche 6 des Detektorelements 1 eingekoppelt.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 11 weist das Ausführungsbeispiel in 12 eine Laserlichtquelle 19 mit einem externen Spiegel 23 auf, der nicht in den monolithischen Halbleiterschichtenstapel 20 integriert ist. Mit dem externen Spiegel 23 kann beispielsweise die spektrale Linienbreite der Laserlichtquelle 19 reduziert und/oder die Kohärenzlänge der Laserlichtquelle 19 vergrößert werden.
Eine Vielzahl von monolithischen Lidar Modulen gemäß den Ausführungsbeispielen der 11 und/oder 12 kann auch als eindimensionales Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sein.
Die 13 und 14 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Detektorarrays 24, wobei eine Vielzahl von Detektorelementen 1 auf einem gemeinsamen Träger 10 angeordnet ist. Der Träger ist transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge L1, die von den aktiven Schichten 3, 4 der Detektorelemente 1 absorbiert wird. Das heißt zumindest 80% der auf den Träger auftreffenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge L1 wird durch den Träger 10 transmittiert. Zumindest ein Teil des Sendesignals 11 wird in die Detektorelemente 1 eingekoppelt. Um eine Verzerrung von Wellenfronten des Sendesignals zu vermeiden, ist eine Dicke der Detektorelemente 1 so gewählt, dass eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 zwischen der ersten Hauptfläche 5 und der zweiten Hauptfläche 6 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 2 einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge L1 entspricht. Somit weist das Sendesignal 11 nach dem Durchgang durch ein Detektorelement 1 die gleiche Phase auf wie der Teil des Sendesignals, der zwischen den Detektorelementen 1 durch das Detektorarray 24 läuft. Die Ausführungsbeispiele der 13 und 14 unterscheiden sich nur durch die Anordnung des Trägers 10 in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Sendesignals 11.
Das Detektorarray 24 kann insbesondere mit einer externen Laserlichtquelle 19, beispielsweise einer oberflächenemittierenden Laserdiode, einer kantenemittierenden Laserdiode, einem Faserlaser, einem faserverstärkten Laser, einem Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser), oder beliebigen Varianten davon, als Lidar Modul betrieben werden. Bevorzugt ist die Laserlichtquelle 19 ein großflächig oberflächenemittierender Laser mit einem Reflektor, der einen photonischen Kristall umfasst (PCSEL).
Die 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Lidar Moduls, die eine Laserlichtquelle 19 und ein Detektorarray 24 umfasst. Die Laserlichtquelle 19 ist hier als Faserlaser oder Laser mit einem Faserverstärker ausgebildet. Das Detektorarray 24 kann als eindimensionales oder zweidimensionales Array ausgebildet sein. Ein optischer Isolator 27 verhindert, dass das Empfangssignal 12 in die Laserlichtquelle 19 eingekoppelt wird. Eine Linse 26 oder eine entsprechende optische Anordnung kollimiert das Sendesignal 11 so, dass ein paralleles Strahlenbündel in das Detektorarray 24 eingekoppelt wird. Eine Projektionsoptik 25 ist zur Auskopplung des Sendesignals 11 und zur Einkopplung des Empfangssignals 12 eingerichtet. Mit diesem Lidar Modul kann beispielsweise eine Richtung des Empfangssignals 12 bestimmt werden.
16 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Lidar Moduls. Im Gegensatz zu 15 wird hier das Sendesignal 11 über optische Wellenleiter 28, beispielsweise über Glasfasern, in das Detektorarray 24 eingekoppelt. Die Detektorelemente 1 sind auf der Stirnseite der Faserenden der Wellenleiter 28 aufgebracht, wobei ein Durchmesser der Detektorelemente 1 nicht wesentlich größer als ein Faserdurchmesser eines Wellenleiters 28 ist. Dadurch kann eine auf der gesamten Fläche des Detektorarrays 24 im Wesentlichen ebene Wellenfront des Sendesignals 11 erzielt werden. Besonders vorteilhaft kann ein eindimensionales Detektorarray 24 auf einem eindimensionalen Wellenleiterarray 28 als integrierter optischer Schaltkreis (PIC) hergestellt sein. Alternativ kann auch ein zweidimensionales Faserbündel mit einem zweidimensionalen Detektorarray 24 kombiniert werden.
Die 17, 18 und 19 zeigen Lidar Module mit Laserlichtquellen 19, wobei Detektorelemente 1 innerhalb oder zwischen Wellenleitern 28 angeordnet sind. In 17 ist ein Detektorelement 1 zwischen zwei optischen Wellenleitern 28 integriert. Im Gegensatz dazu weist das Lidar Modul in 18 eine zusätzliche Kollimationsoptik 29 auf, wobei das Detektorelement 1 in einer Strahltaille angeordnet ist. 19 zeigt ein eindimensionales oder zweidimensionales Array aus Detektorelementen 1, die zwischen zwei Faserbündeln aus Wellenleitern 28 angeordnet sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Detektorelement
2: Halbleiterschichtenfolge
3: erste aktive Schicht
3': dritte aktive Schicht
4: zweite aktive Schicht
4': vierte aktive Schicht
5: erste Hauptfläche
6: zweite Hauptfläche
7: erster Anschlusskontakt
8: zweiter Anschlusskontakt
9: dritter Anschlusskontakt
10: Träger
11: Sendesignal
12: Empfangssignal
13: Valenzband
14: Leitungsband
15: stehende elektromagnetische Welle
16: Tunneldiode
17: erste Fotodiode
18: zweite Fotodiode
19: Laserlichtquelle
20: Halbleiterschichtenstapel
21: dielektrischer Spiegel
22: Emissionsschicht
23: externer Spiegel
24: Detektorarray
25: Projektionsoptik
26: Linse
27: optischer Isolator
28: Wellenleiter
29: Kollimationsoptik

Claims

Detektorelement (1) aufweisend: - eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (2) mit zumindest zwei aktiven Schichten (3, 4), die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (2) eine erste Hauptfläche (5) und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche (6) aufweist, die jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, und - zumindest drei elektrische Anschlusskontakte (7, 8, 9), die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten (3, 4) eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt (8) zwischen zwei aktiven Schichten (3, 4) angeordnet ist.
Detektorelement (1) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem jede aktive Schicht (3, 4) zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und zumindest ein n-dotierte Halbleiterschicht aufweist, die eine Fotodiode (17, 18) bilden.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest eine aktive Schicht (3, 4) eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweist.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die aktiven Schichten (3, 4) Dicken (D) aufweisen, die kleiner als ein Viertel der Wellenlänge L1/n in der Halbleiterschichtenfolge (2) sind, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein mittlerer Abstand A1 zwischen zwei aktiven Schichten (3, 4), zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt (8) angeordnet ist, A1 = L1*(2*m-1)/(4*n) beträgt, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) und m eine positive ganze Zahl ist.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zwei aktive Schichten (3, 4), zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt (8) angeordnet ist, als Fotodioden (17, 18) mit entgegengesetzter Durchlassrichtung ausgebildet sind.
Detektorelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwei aktive Schichten (3, 4), zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt (8) angeordnet ist, als Fotodioden (17, 18) mit gleicher Durchlassrichtung ausgebildet sind und eine Tunneldiode (16) zwischen den zwei aktiven Schichten (3, 4) angeordnet ist.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Dicken (D) der aktiven Schichten (3, 4) in Wachstumsrichtung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (2) zunehmen oder abnehmen.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (2) eine Dicke aufweist, derart dass eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 zwischen der ersten Hauptfläche (5) und der zweiten Hauptfläche (6) der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge (2) einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge L1 entspricht.
Detektorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) zumindest drei aktive Schichten (3, 4, 3') aufweist, und ein mittlerer Abstand A2 zwischen zwei benachbarten aktiven Schichten (3, 3'), zwischen denen kein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, A2 = L1*m/(2*n) beträgt, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) und m eine positive ganze Zahl ist.
Lidar Modul aufweisend: - zumindest ein Detektorelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8. - eine Laserlichtquelle (19), die zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung bei der Wellenlänge L1 eingerichtet ist, wobei im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung der Laserlichtquelle (19) über die erste Hauptfläche (5) in das Detektorelement (1) eingekoppelt wird und über die zweite Hauptfläche (6) ausgekoppelt wird.
Lidar Modul nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Laserlichtquelle (19) eine oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge umfasst, wobei die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge und die epitaktische Halbleiterschichtenfolge des Detektorelements (1) einen monolithischen Halbleiterschichtenstapel (20) bilden.
Lidar Modul nach Anspruch 11, bei dem eine Vielzahl von Detektorelementen (1) auf einem transparenten Träger (10) angeordnet sind und ein zweidimensionales Detektorarray (24) bilden.
Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls nach einem der Ansprüche 11 bis 13 mit den folgenden Schritten: - Aussenden eines Sendesignals (11), wobei das Sendesignal (11) eine von der Laserlichtquelle (19) erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst, die das Detektorelement (1) durchläuft und anschließend von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektiert wird, - Empfangen eines Empfangssignals (12), welches das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal (11) umfasst, wobei das Empfangssignal über die zweite Hauptfläche (6) in das Detektorelement (1) eingekoppelt wird und dort mit dem gegenläufigen Sendesignal (11) überlagert wird, wobei sich eine stehende elektromagnetische Welle (15) bildet, - Differentielle Messung einer Schwebungsfrequenz der stehenden elektromagnetischen Welle (15) durch Messung der Fotoströme der aktiven Schichten (3, 4) mit einem Differenzverstärker, -Bestimmung eines Abstandes zum externen Objekt aus der Schwebungsfrequenz.
Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls nach dem vorherigen Anspruch, wobei ein systematischer Intensitätsunterschied der elektromagnetischen Strahlung in den aktiven Schichten (3, 4)durch einen dynamischen Schaltkreis kompensiert wird.