DE102021210618A1 - OPTOELECTRONIC DEVICE - Google Patents
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Abstract
Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben mit- einem Sender (1), der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung (2) zu emittieren und mit einer Eingangsspannung (UI) betrieben zu werden,- einem Empfänger (3), der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung (2) zu empfangen und eine Ausgangsspannung (UO) zu liefern, wobei- der Sender (1) einen Kantenemitter (10) umfasst, und- der Empfänger (3) zumindest eine Fotodiode (30) umfasst.An optoelectronic device is specified with a transmitter (1) which is set up to emit electromagnetic radiation (2) and to be operated with an input voltage (UI), - a receiver (3) which is set up to receiving electromagnetic radiation (2) and supplying an output voltage (UO), wherein- the transmitter (1) comprises an edge emitter (10), and- the receiver (3) comprises at least one photodiode (30).
Description
Es wird eine optoelektronische Vorrichtung angegeben.An optoelectronic device is specified.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optoelektronische Vorrichtung anzugeben, die besonders kompakt ausgeführt werden kann.One problem to be solved is to specify an optoelectronic device that can be made particularly compact.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender. Der Sender ist dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Ferner ist der Sender dazu eingerichtet, mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden. Bei dem Sender kann es sich beispielsweise um ein Bauteil handeln, das elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarotstrahlung und UV-Strahlung erzeugt. Insbesondere kann der Sender dazu eingerichtet sein, im Betrieb elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von wenigstens 350 nm bis höchstens 1100 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von wenigstens 800 nm bis höchstens 950 nm zu erzeugen.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic device comprises a transmitter. The transmitter is set up to emit electromagnetic radiation. Furthermore, the transmitter is set up to be operated with an input voltage. The transmitter can, for example, be a component that generates electromagnetic radiation in the wavelength range between infrared radiation and UV radiation. In particular, the transmitter can be set up to generate electromagnetic radiation in the wavelength range from at least 350 nm to at most 1100 nm, in particular in the wavelength range from at least 800 nm to at most 950 nm, during operation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu liefern. Der Empfänger ist insbesondere dazu eingerichtet, die vom Sender im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen und zumindest zum Teil in elektrische Energie umzuwandeln. Der Empfänger kann dabei insbesondere derart auf den Sender abgestimmt sein, dass der Empfänger für die vom Sender erzeugte elektromagnetische Strahlung eine besonders hohe Absorption aufweist.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the optoelectronic device comprises a receiver which is set up to receive the electromagnetic radiation and to supply an output voltage. The receiver is set up in particular to receive the electromagnetic radiation emitted by the transmitter during operation and to convert it at least partially into electrical energy. In particular, the receiver can be matched to the transmitter in such a way that the receiver has a particularly high level of absorption for the electromagnetic radiation generated by the transmitter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst der Sender einen Kantenemitter. Unter einem Kantenemitter wird vorliegend ein strahlungsemittierendes Bauelement verstanden, welches die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung quer, insbesondere senkrecht zu einer Seitenfläche oder Facette abstrahlt. Die Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt dann zum Beispiel durch die Seitenfläche oder Facette hindurch. Insbesondere kann es sich bei dem Kantenemitter um ein Halbleiterbauelement handeln, welches einen epitaktisch gewachsenen Halbleiterkörper aufweist. Die Richtung, in der die elektromagnetische Strahlung dann im Betrieb abgestrahlt wird, kann insbesondere schräg oder senkrecht zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers sein. Der Halbleiterkörper kann zum Beispiel auf Halbleitermaterialien wie In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs basieren.According to at least one embodiment of the optoelectronic device, the transmitter comprises an edge emitter. In the present case, an edge emitter is understood to mean a radiation-emitting component which emits the electromagnetic radiation generated during operation transversely, in particular perpendicularly, to a side face or facet. The electromagnetic radiation is then emitted, for example, through the side surface or facet. In particular, the edge emitter can be a semiconductor component which has an epitaxially grown semiconductor body. The direction in which the electromagnetic radiation is then emitted during operation can in particular be oblique or perpendicular to a growth direction of the semiconductor body. For example, the semiconductor body can be based on semiconductor materials such as In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs.
Bei dem Kantenemitter kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder um eine Laserdiode, insbesondere um eine Superlumineszenzdiode oder einen kantenemittierenden Halbleiterlaser handeln. Der Sender kann dabei insbesondere auch einen einzigen Kantenemitter enthalten, der mit der Eingangsspannung betrieben wird. Umfasst der Sender zwei oder mehr Kantenemitter, die zum Beispiel parallel oder in Reihe verschaltet sind, dann berechnet sich die Eingangsspannung des Senders entsprechend aus den Spannungen, mit denen die einzelnen Kantenemitter betrieben werden.The edge emitter can be, for example, a light-emitting diode or a laser diode, in particular a superluminescent diode or an edge-emitting semiconductor laser. In this case, the transmitter can in particular also contain a single edge emitter which is operated with the input voltage. If the transmitter includes two or more edge emitters, which are connected in parallel or in series, for example, then the input voltage of the transmitter is calculated accordingly from the voltages with which the individual edge emitters are operated.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger, der zumindest eine Fotodiode umfasst. Die Fotodiode kann einen Halbleiterkörper mit zumindest einer detektierenden Schicht umfassen, die dazu eingerichtet ist, die von dem Kantenemitter im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Fotodiode kann zum Beispiel im gleichen Materialsystem wie der Kantenemitter gebildet sein. Der Empfänger kann insbesondere eine Vielzahl von Fotodioden umfassen, die miteinander in Reihe oder parallel verschaltet sein können. Die Ausgangsspannung des Empfängers berechnet sich dann entsprechend aus der Spannung, die an den einzelnen Fotodioden abfällt.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the optoelectronic device comprises a receiver which comprises at least one photodiode. The photodiode can comprise a semiconductor body with at least one detecting layer which is set up to absorb the electromagnetic radiation generated by the edge emitter during operation and to convert it into electrical energy. The at least one photodiode can be formed in the same material system as the edge emitter, for example. In particular, the receiver can comprise a large number of photodiodes which can be connected to one another in series or in parallel. The output voltage of the receiver is then calculated accordingly from the voltage that drops across the individual photodiodes.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Sender, der dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren und mit einer Eingangsspannung betrieben zu werden, und einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung zu empfangen und eine Ausgangsspannung zu liefern, wobei der Sender einen Kantenemitter umfasst und der Empfänger zumindest eine Fotodiode umfasst.According to at least one embodiment of the optoelectronic device, the optoelectronic device comprises a transmitter that is set up to emit electromagnetic radiation and to be operated with an input voltage, and a receiver that is set up to receive the electromagnetic radiation and to supply an output voltage , wherein the transmitter comprises an edge emitter and the receiver comprises at least one photodiode.
Der hier beschriebenen optoelektronischen Vorrichtung liegen dabei unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde.The optoelectronic device described here is based, inter alia, on the following considerations.
Viele Anwendungen, wie zum Beispiel in der Akustik, bei Strahlsteuerungstechnologien wie etwa MEMS, Aktoren, Detektoren wie Avalanche-Fotodioden, Ein-Photonen-Avalanche-Dioden oder Fotomultiplier, erfordern Hochspannungsversorgungen mit relativ geringem Stromverbrauch. Solche Anwendungen können Spannungen von mehr als 50 V, 100 V, 500 V, 1000 V, 2000 V, 10000 V und mehr erfordern, während gleichzeitig ein kleiner Footprint des Geräts in Bezug auf Größe, Gewicht, Kosten und Energieverbrauch beibehalten werden soll. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für mobile Geräte wie etwa AR-VR-Brillen, tragbare In-Ear-Kopfhörer und Automobilanwendungen.Many applications, such as in acoustics, in beam steering technologies such as MEMS, actuators, detectors such as avalanche photodiodes, single-photon avalanche diodes or photomultipliers, require high-voltage power supplies with relatively low power consumption. Such applications may require voltages in excess of 50V, 100V, 500V, 1000V, 2000V, 10000V and more while maintaining a small device footprint in terms of size, weight, cost and power consumption. These properties are particularly important for mobile Devices such as AR VR glasses, wearable earphones and automotive applications.
Ein weiteres Problem, das bei Hochspannungsgeneratoren mit kleinem Platzbedarf zu lösen ist, ist die Verbindung von Nieder- und Hochspannungspfaden, die galvanisch getrennt sein sollten, um die Funktionssicherheit und Langzeitstabilität eines Geräts unter wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Staub zu gewährleisten.Another problem that needs to be solved for high-voltage generators with a small space requirement is the connection of low and high-voltage paths, which should be galvanically isolated in order to ensure the functional reliability and long-term stability of a device under changing environmental conditions such as temperature, humidity, dust.
Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann dabei mit Vorteil als optischer Spannungswandler zum Einsatz kommen. Die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung kann also beispielsweise einen Transformator bilden, der ohne induktive Elemente auskommt, insbesondere ohne Spulen. Dadurch wird einerseits der Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren besonders klein, andererseits entstehen bei der Transformation keine starken magnetischen Felder. Dadurch ist auch eine Beeinflussung durch äußere magnetische und/oder elektrische Felder ausgeschlossen. Somit kann die optoelektronische Vorrichtung in Bereichen eingesetzt werden, für die eine magnetische Beeinflussung kritisch wäre oder die mit hohen äußeren magnetischen Feldern versehen sind. Zugleich ist durch die optische Leistungsübertragung in der optoelektronischen Vorrichtung für eine galvanische Trennung von der Hochvoltseite und der Niedervoltseite gesorgt.The optoelectronic device described here can advantageously be used as an optical voltage converter. The optoelectronic device described here can thus form, for example, a transformer that does not require inductive elements, in particular without coils. On the one hand, this means that the installation space is particularly small compared to conventional transformers, and on the other hand, no strong magnetic fields are generated during the transformation. This also rules out any influence from external magnetic and/or electric fields. The optoelectronic device can thus be used in areas for which magnetic influence would be critical or which are provided with high external magnetic fields. At the same time, the optical power transmission in the optoelectronic device ensures galvanic isolation of the high-voltage side and the low-voltage side.
Durch den Wegfall der Notwendigkeit, geschaltete Elemente zu verwenden, wie es zum Beispiel in Boost- oder Buck-Konvertern der Fall ist, oder auch bei einem induktiven Transformator notwendig wäre, kann die erzeugte Ausgangsspannung frei von Störungen sein. Dies kann insbesondere beim Einsatz in Messsystemen und/oder Monitoring-Systemen auf kleinstem Raum der Fall sein, welche empfindlich auf Störungen der Versorgungsspannung reagieren.By eliminating the need to use switched elements, as is the case in boost or buck converters, for example, or even as would be necessary with an inductive transformer, the output voltage generated can be free of interference. This can be the case in particular when used in measuring systems and/or monitoring systems in the smallest of spaces, which react sensitively to disturbances in the supply voltage.
Eine weitere Idee der hier beschriebenen Vorrichtung ist es, Halbleiter-Lichtemitter und Fotodioden, also Fotovoltaik-Zellen, zu kombinieren, um eine Umwandlung von niedriger in hohe Spannung zu erreichen. Auf dem Niederspannungspfad emittieren dazu zum Beispiel ein oder mehrere parallel zueinander geschaltete oberflächenemittierende Halbleiterlaser, Leuchtdioden oder Superlumineszenzdioden Licht. Die Wellenlänge des emittierten Lichts kann zwischen 350 nm und 1100 nm liegen, abhängig von den verwendeten Halbleitermaterialien, zum Beispiel: In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs. Typische Eingangsspannungen sind 1 V, 3 V, 5 V, 8 V, 10 V oder dazwischen.Another idea of the device described here is to combine semiconductor light emitters and photodiodes, i.e. photovoltaic cells, in order to achieve a conversion from low to high voltage. For this purpose, for example, one or more surface-emitting semiconductor lasers, light-emitting diodes or superluminescent diodes connected in parallel with one another emit light on the low-voltage path. The wavelength of the emitted light can be between 350 nm and 1100 nm depending on the semiconductor materials used, for example: In(Ga)N, In(Ga)AlP, (Al)GaAs, (In)GaAs. Typical input voltages are 1V, 3V, 5V, 8V, 10V or in between.
Auf der Hochspannungsseite, die galvanisch von der Niederspannungsseite getrennt ist, sammelt ein Array von in Reihe geschalteten Fotodioden, die im fotovoltaischen Modus arbeiten, das emittierte Licht. Je nach verwendetem Material, zum Beispiel Si, InGaAs, GaAs, InGaN oder Perowskit, erzeugt jede einzelne Fotodiode eine Spannung in der Größenordnung von 0,5-3 V und einen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts. Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Fotodioden, die alle auf einer sehr kleinen Wafer-Skala in Reihe geschaltet sein können, summieren sich diese Einzelspannungen zu einer hohen Gesamtspannung, die 10, 50, 100, 500, 1000, 10000 V überschreiten kann.On the high-voltage side, which is galvanically isolated from the low-voltage side, an array of series-connected photodiodes operating in photovoltaic mode collects the emitted light. Depending on the material used, for example Si, InGaAs, GaAs, InGaN or perovskite, each individual photodiode generates a voltage of the order of 0.5-3 V and a current depending on the intensity of the incident light. By using a large number of photodiodes, all of which can be connected in series on a very small wafer scale, these individual voltages add up to a high total voltage that can exceed 10, 50, 100, 500, 1000, 10000 V.
Aufgrund der hohen Ausgangsleistung und des hohen Wirkungsgrads, von über 60 %, insbesondere von kantenemittierenden Halbleiterlasern, ist es möglich, nur einen einzigen oder eine geringe Anzahl von Kantenemittern zur Beleuchtung der Fotodioden zu verwenden, was Größe und Kosten der Vorrichtung auf der Senderseite reduziert.Due to the high output power and high efficiency, above 60%, especially of edge-emitting semiconductor lasers, it is possible to use only a single or a small number of edge emitters to illuminate the photodiodes, which reduces the size and cost of the device on the transmitter side.
Aufgrund des fokussierten Lichtkegels von kantenemittierenden Halbleiterlasern im Vergleich zu anderen Diodenemittern können auch der Abstand und die Fläche des Empfängers auf ein kleines Maß komprimiert werden. Die wichtigsten Grenzen der Verkleinerung des Empfängers sind die materialabhängigen Durchbruchsspannungen innerhalb des Empfängers und die Verringerung des Füllfaktors aufgrund der Schaltung.Also, due to the focused light cone of edge-emitting semiconductor lasers compared to other diode emitters, the distance and area of the receiver can be compressed to a small extent. The main limitations of miniaturizing the receiver are the material-dependent breakdown voltages within the receiver and the reduction in fill factor due to the circuitry.
Insgesamt sind mit der vorliegenden Vorrichtung die drahtlose Übertragung von Energie und/oder die Wandlung von Spannung in einem besonders kompakten Bauteil möglich. Die optoelektronische Vorrichtung ist dabei unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise elektromagnetischen Feldern.Overall, with the present device, the wireless transmission of energy and/or the conversion of voltage is possible in a particularly compact component. The optoelectronic device is insensitive to external influences such as electromagnetic fields.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung und der Empfänger umfasst eine Vielzahl von Fotodioden, die in Reihe miteinander verschaltet sind. in diesem Fall ist es beispielsweise möglich, dass der Sender ebenfalls eine Vielzahl von Kantenemittern umfasst, die dann beispielsweise parallel zueinander verschaltet sind. Insbesondere ist die Eingangsspannung des Senders kleiner als die Ausgangsspannung des Empfängers. Die Vorrichtung ist daher dazu eingerichtet, eine niedrige Eingangsspannung in eine hohe Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Empfänger kann dazu eine Vielzahl von Fotodioden, beispielsweise mindestens 10 Fotodioden, insbesondere mindestens 50 oder mindestens 100 einzelne Fotodioden umfassen. Über die Anzahl der Fotodioden, die zueinander in Reihe geschaltet werden, kann die Ausgangsspannung auf einfache Weise eingestellt werden.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the input voltage is lower than the output voltage and the receiver comprises a multiplicity of photodiodes which are connected to one another in series. In this case, it is possible, for example, for the transmitter to also include a multiplicity of edge emitters, which are then connected up in parallel with one another, for example. In particular, the input voltage of the transmitter is smaller than the output voltage of the receiver. The device is therefore set up to convert a low input voltage into a high output voltage. For this purpose, the receiver can comprise a large number of photodiodes, for example at least 10 photodiodes, in particular at least 50 or at least 100 individual photodiodes. About the number of photodiodes that are connected in series with each other den, the output voltage can be easily adjusted.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Sender genau einen Kantenemitter. Der Sender umfasst dabei insbesondere genau einen kantenemittierenden Halbleiterlaserchip. Aufgrund der hohen Effizienz von Kantenemittern, insbesondere von kantenemittierenden Halbleiterlaserchips, ist es möglich, dass der Sender genau einen Kantenemitter umfasst. Dadurch kann die Vorrichtung besonders kompakt ausgebildet werden.According to at least one embodiment, the transmitter includes precisely one edge emitter. In this case, the transmitter comprises in particular precisely one edge-emitting semiconductor laser chip. Due to the high efficiency of edge emitters, in particular of edge-emitting semiconductor laser chips, it is possible for the transmitter to include exactly one edge emitter. As a result, the device can be made particularly compact.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optoelektronische Vorrichtung ein optisches Element, welches die elektromagnetische Strahlung in eine Vielzahl von Strahlen aufteilt und/oder bündelt.In accordance with at least one embodiment, the optoelectronic device comprises an optical element which splits and/or bundles the electromagnetic radiation into a multiplicity of beams.
Beispielsweise wird die optoelektronische Strahlung vom Sender, also zum Beispiel vom Kantenemitter, in einem einzigen Strahl emittiert. Das optische Element kann dann dazu eingerichtet sein, die optoelektronische Strahlung in eine Vielzahl von Strahlen aufzuteilen, wobei die Vielzahl von Strahlen der Anzahl von Fotodioden im Empfänger entsprechen kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass jede Fotodiode mit genau einem Strahl bestrahlt wird. Insbesondere kann auf diese Weise auch ermöglicht werden, dass empfängerseitig Bereiche zwischen den Fotodioden nicht mit der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt werden. Dadurch ist die Vorrichtung besonders effizient.For example, the optoelectronic radiation is emitted in a single beam by the transmitter, for example by the edge emitter. The optical element can then be set up to split the optoelectronic radiation into a multiplicity of beams, it being possible for the multiplicity of beams to correspond to the number of photodiodes in the receiver. This ensures that each photodiode is irradiated with exactly one beam. In particular, it can also be made possible in this way for regions between the photodiodes on the receiver side not to be irradiated with the electromagnetic radiation. This makes the device particularly efficient.
Alternativ oder zusätzlich kann das optische Element dazu vorgesehen sein, die elektromagnetische Strahlung zu bündeln. Insbesondere wird die Strahlung derart gebündelt, dass einzelne Fotodioden des Empfängers bestrahlt werden und Bereiche zwischen den Fotodioden nicht bestrahlt werden. Weiter ist es möglich, dass die optoelektronische Vorrichtung zwei oder mehr solcher optische Elemente umfasst, die dazu eingerichtet sind, die elektromagnetische Strahlung in eine Vielzahl von Strahlen aufzuteilen und/oder zu bündeln.Alternatively or additionally, the optical element can be provided to focus the electromagnetic radiation. In particular, the radiation is bundled in such a way that individual photodiodes of the receiver are irradiated and areas between the photodiodes are not irradiated. It is also possible for the optoelectronic device to comprise two or more such optical elements which are set up to split and/or bundle the electromagnetic radiation into a large number of beams.
Das optische Element kann insbesondere auch einen zweiten Träger für den Empfänger bilden. Zum Beispiel sind die Fotodioden auf den zweiten Träger aufgebracht. Bei dem zweiten Träger kann es sich dann insbesondere auch um ein Aufwachssubstrat für die Fotodioden des Empfängers handeln.In particular, the optical element can also form a second carrier for the receiver. For example, the photodiodes are applied to the second carrier. The second carrier can then in particular also be a growth substrate for the photodiodes of the receiver.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist jeder Fotodiode ein optisches Element eineindeutig zugeordnet. Das heißt, für jede Fotodiode gibt es genau ein optisches Element, das dazu vorgesehen ist, die elektromagnetische Strahlung aufzuteilen und/oder zu bündeln.According to at least one embodiment of the optoelectronic device, each photodiode is uniquely assigned an optical element. This means that for each photodiode there is exactly one optical element that is intended to split and/or bundle the electromagnetic radiation.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die optoelektronische Vorrichtung eine Optik, die die elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger lenkt und/oder leitet. Beispielsweise kann die Optik dazu strahlungsbrechende und/oder strahlungsreflektierende Elemente umfassen, die dazu eingerichtet sind, zum Beispiel die Richtung der elektromagnetischen Strahlung zu ändern, um diese vom Sender zum Empfänger zu lenken und/oder zu leiten. Auf diese Weise ist es möglich, Sender und Empfänger in einer Orientierung zu montieren, die hinsichtlich beispielsweise einer Verschaltung und/oder einer Wärmeabfuhr optimiert ist.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the optoelectronic device comprises optics that deflect and/or direct the electromagnetic radiation from the transmitter to the receiver. For example, the optics can include radiation-refracting and/or radiation-reflecting elements that are set up to change the direction of the electromagnetic radiation, for example, in order to direct and/or guide it from the transmitter to the receiver. In this way, it is possible to mount the transmitter and receiver in an orientation that is optimized with regard to interconnection and/or heat dissipation, for example.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen zwei benachbarten Fotodioden zumindest ein optisches Element angeordnet. Dieses optische Element kann dazu vorgesehen sein, elektromagnetische Strahlung auf die angrenzenden Fotodioden zu lenken und/oder zu leiten. Insbesondere kann mit einem solchen optischen Element sichergestellt sein, dass elektromagnetische Strahlung, die in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Fotodioden auftrifft, noch zur Energieerzeugung genutzt werden kann, indem sie auf die Fotodioden umgelenkt wird. Darüber hinaus kann das optische Element oder ein Träger für das optische Element elektrisch isolierend ausgebildet sein. Auf diese Weise ist eine verbesserte galvanische Trennung der Fotodioden des Empfängers untereinander ermöglicht.According to at least one embodiment of the device, at least one optical element is arranged between two adjacent photodiodes. This optical element can be provided for directing and/or conducting electromagnetic radiation onto the adjacent photodiodes. In particular, with such an optical element it can be ensured that electromagnetic radiation that impinges in a region between two adjacent photodiodes can still be used to generate energy by being deflected onto the photodiodes. In addition, the optical element or a carrier for the optical element can be designed to be electrically insulating. In this way, improved galvanic isolation of the receiver's photodiodes from one another is made possible.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen Träger, der eine Deckfläche aufweist, wobei der Sender und der Empfänger an der Deckfläche angeordnet sind und eine Strahlungseintrittsseite des Empfängers von der Deckfläche weg gerichtet ist.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the device comprises a carrier which has a cover surface, the transmitter and the receiver being arranged on the cover surface and a radiation entry side of the receiver being directed away from the cover surface.
Mit einer solchen Ausgestaltung der Vorrichtung ist es möglich, Sender und Empfänger besonders kompakt nebeneinander an der Deckfläche eines gemeinsamen Trägers anzuordnen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung mit einem besonders kleinen Footprint ausgebildet werden, beispielsweise ist es dabei auch möglich, dass die Vorrichtung oberflächenmontierbar ausgebildet ist.With such a configuration of the device, it is possible to arrange the transmitter and receiver next to one another in a particularly compact manner on the top surface of a common carrier. In this way, the device can be designed with a particularly small footprint, for example it is also possible for the device to be designed to be surface mountable.
Bei dem Träger kann es sich insbesondere um einen Anschlussträger handeln, auf dem der Sender und der Empfänger mechanisch befestigt und über dem der Sender und der Empfänger elektrisch kontaktierbar sind. Dabei ist es möglich, dass auch eine Verschaltung der Fotodioden und gegebenenfalls der Kantenemitter untereinander über den Träger erfolgt. Der Träger kann Durchkontaktierungen aufweisen, die es möglichen, dass die Vorrichtung oberflächenmontierbar ausgeführt ist. Ferner ist es bei dieser Ausführungsform möglich, dass die Fläche, mit der der Empfänger mit dem Träger in Kontakt steht, besonders groß ausgebildet ist. Dadurch ist eine Wärmeabfuhr vom Empfänger zum Träger verbessert.The carrier can in particular be a connection carrier on which the transmitter and the receiver are mechanically fastened and via which the transmitter and the receiver can be electrically contacted. It is possible that an interconnection of the photodiodes and possibly the edge emitter with each other via the carrier is done. The carrier may have vias that allow the device to be surface mountable. Furthermore, it is possible in this embodiment that the surface with which the receiver is in contact with the carrier is designed to be particularly large. This improves heat dissipation from the receiver to the carrier.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist der Träger eine Deckfläche auf, wobei der Sender und der Empfänger an der Deckfläche angeordnet sind und eine Strahlungsseite des Empfängers einer Strahlungsaustrittsseite des Senders zugewandt ist. In dieser Ausführungsform können die Fotodioden des Empfängers also direkt vom Sender mit der elektromagnetischen Strahlung bestrahlt werden. Auf eine Optik, die dazu eingerichtet ist, die elektromagnetische Strahlung vom Sender zum Empfänger zu lenken und/oder zu leiten, kann daher verzichtet werden.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the carrier has a cover surface, the transmitter and the receiver being arranged on the cover surface and a radiation side of the receiver facing a radiation exit side of the transmitter. In this embodiment, the photodiodes of the receiver can therefore be irradiated directly by the transmitter with the electromagnetic radiation. There is therefore no need for optics that are set up to direct and/or guide the electromagnetic radiation from the transmitter to the receiver.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung umfasst die Vorrichtung einen ersten Träger, auf dem der Sender angeordnet ist, und einen zweiten Träger, auf dem der Empfänger angeordnet ist, wobei der erste Träger und der zweite Träger einander gegenüberliegend angeordnet sind. In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the device comprises a first carrier, on which the transmitter is arranged, and a second carrier, on which the receiver is arranged, the first carrier and the second carrier being arranged opposite one another.
Dadurch ist es beispielsweise auf einfache Weise möglich, Sender und Empfänger derart zueinander auszurichten, dass eine Strahlungseintrittsseite des Empfängers einer Strahlungsaustrittsseite des Senders zugewandt ist.This makes it possible, for example, to align the transmitter and receiver with one another in a simple manner in such a way that a radiation entry side of the receiver faces a radiation exit side of the transmitter.
Bei dem ersten Träger kann es sich insbesondere auch um ein Aufwachssubstrat für den Katenemitter des Senders handeln. Bei dem zweiten Träger kann es sich insbesondere auch um ein Aufwachssubstrat für die Fotodioden des Empfängers handeln.The first carrier can in particular also be a growth substrate for the edge emitter of the transmitter. The second carrier can in particular also be a growth substrate for the photodiodes of the receiver.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weitet sich die elektromagnetische Strahlung vom Kantenemitter in einen Strahlkegel auf, der in einer vertikalen Richtung einen größeren Öffnungswinkel aufweist als in einer horizontalen Richtung, wobei die vertikale Richtung quer oder senkrecht zur Deckfläche des Trägers verläuft. Das heißt, der Kantenemitter des Senders ist derart montiert, dass die fast axis der elektromagnetischen Strahlung senkrecht zur Deckfläche des Trägers verläuft. Auf diese Weise kann bei einer Ausrichtung des Empfängers, bei der die Strahlungseintrittsseite des Empfängers der Strahlungsaustrittsseite des Senders zugewandt ist, eine besonders große Fläche des Empfängers direkt ausgeleuchtet werden.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, the electromagnetic radiation expands from the edge emitter into a beam cone which has a larger opening angle in a vertical direction than in a horizontal direction, the vertical direction running transversely or perpendicularly to the top surface of the carrier. That is, the edge emitter of the transmitter is mounted in such a way that the fast axis of the electromagnetic radiation is perpendicular to the top surface of the carrier. In this way, when the receiver is aligned such that the radiation entry side of the receiver faces the radiation exit side of the transmitter, a particularly large area of the receiver can be illuminated directly.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist ein elektrisch isolierendes Füllmaterial zwischen den Fotodioden angeordnet. Das elektrisch isolierende Füllmaterial kann dabei Teil eines optischen Elements sein oder als Träger für ein optisches Element dienen, das zwischen den Fotodioden angeordnet ist, um elektromagnetische Strahlung auf diese zu lenken und/oder zu leiten. Insbesondere kann der Bereich oder können die Bereiche zwischen den Fotodioden des Empfängers mit dem elektrisch isolierenden Füllmaterial befüllt sein. Das Füllmaterial kann seitlich direkt an die Fotodioden grenzen. Mit dem Füllmaterial ist es insbesondere möglich, einen Hochspannungsdurchbruch zwischen den Fotodioden zu verhindern. Ferner kann das Füllmaterial als Feuchtigkeitsbarriere zwischen den Fotodioden und als Schutz für den Träger wirken.According to at least one embodiment of the optoelectronic device, an electrically insulating filling material is arranged between the photodiodes. In this case, the electrically insulating filling material can be part of an optical element or serve as a carrier for an optical element which is arranged between the photodiodes in order to deflect and/or direct electromagnetic radiation onto them. In particular, the area or areas between the photodiodes of the receiver can be filled with the electrically insulating filling material. The filling material can border directly on the side of the photodiodes. In particular, the filling material makes it possible to prevent a high-voltage breakdown between the photodiodes. Furthermore, the filler material can act as a moisture barrier between the photodiodes and as protection for the wearer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung weist der Sender eine weitere Strahlungsaustrittsseite auf, die der Strahlungsaustrittsseite gegenüberliegt. Mit anderen Worten weist der Sender zwei gegenüberliegende Strahlungsaustrittsseiten auf, durch die jeweils die elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird. Beispielsweise umfasst der Sender dazu einen Kantenemitter, der die elektromagnetische Strahlung aus zwei gegenüberliegenden Seitenflächen oder Facetten abgibt. Ferner ist es möglich, dass der Sender zwei Kantenemitter umfasst, die derart montiert sind, dass die Strahlungsaustrittsseiten der einzelnen Kantenemitter abgewandt voneinander liegen.According to at least one embodiment of the optoelectronic device, the transmitter has a further radiation exit side, which is opposite the radiation exit side. In other words, the transmitter has two opposite radiation exit sides through which the electromagnetic radiation is emitted in each case. For example, the transmitter includes an edge emitter for this purpose, which emits the electromagnetic radiation from two opposite side surfaces or facets. Furthermore, it is possible for the transmitter to include two edge emitters which are mounted in such a way that the radiation exit sides of the individual edge emitters face away from one another.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung ist ein weiterer Empfänger mit einer weiteren Strahlungseintrittsseite dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung, die an der weiteren Strahlungsaustrittsseite austritt, zu empfangen. Das heißt, der weiteren Strahlungsaustrittsseite ist ebenfalls ein Empfänger nachgeordnet, der die an der weiteren Strahlungsaustrittsseite austretende elektromagnetische Strahlung empfängt. Der weitere Empfänger kann dabei zum Beispiel baugleich mit dem Empfänger sein. Der weitere Empfänger kann also auch eine Vielzahl von Fotodioden umfassen. Dabei ist es möglich, dass die Fotodioden des Empfängers und des weiteren Empfängers miteinander in Reihe verschaltet sind und sich die Ausgangsspannungen der beiden Empfänger entsprechend addieren.In accordance with at least one embodiment of the optoelectronic device, a further receiver with a further radiation entry side is set up to receive electromagnetic radiation which exits at the further radiation exit side. This means that the further radiation exit side is also followed by a receiver which receives the electromagnetic radiation exiting at the further radiation exit side. The additional receiver can, for example, be structurally identical to the receiver. The additional receiver can therefore also include a large number of photodiodes. It is possible that the photodiodes of the receiver and the further receiver are connected to one another in series and the output voltages of the two receivers add up accordingly.
Im Folgenden wird die hier beschriebene optoelektronische Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.The optoelectronic device described here is explained in more detail below using exemplary embodiments and the associated figures.
Anhand der schematischen Darstellungen der
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.Elements that are the same, of the same type or have the same effect are provided with the same reference symbols in the figures. The figures and the relative sizes of the elements shown in the figures are not to be regarded as being to scale. Rather, individual elements can be shown in an exaggerated size for better representation and/or for better comprehensibility.
Anhand der schematischen Schnittdarstellung der
Die optoelektronische Vorrichtung umfasst einen Sender 1, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung 2 emittiert. Der Sender 1 umfasst dazu einen Kantenemitter 10, bei dem es sich vorliegend um einen kantenemittierenden Halbleiterlaser handelt. Der Kantenemitter 10 strahlt die elektromagnetische Strahlung 2 durch eine Facette an seiner Strahlungsaustrittsseite 11 ab. Der Sender 1 und damit der Kantenemitter 10 ist dabei auf einem ersten Träger 8 befestigt. Der Sender 1 wird mit der Eingangsspannung UI betrieben.The optoelectronic device comprises a
Dem Sender 1 gegenüberliegend umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen Empfänger 3, der die elektromagnetische Strahlung empfängt und dabei eine Ausgangsspannung UO liefert. Der Empfänger umfasst eine Vielzahl von Fotodioden 30, welche die elektromagnetische Strahlung an der Strahlungseintrittsseite 31 des Empfängers 3 aufnehmen. Der Empfänger 3 und damit die Fotodioden 30 sind an einem zweiten Träger 9 befestigt.Opposite the
Die optoelektronische Vorrichtung umfasst weiter einen Träger 7, der eine Deckfläche 71 aufweist. Der Sender 1 und der Empfänger 3 sind an der Deckfläche 71 des Trägers 7 angeordnet. Sender 1 und Empfänger 3 sind derart auf dem Träger 7 aufgebracht, dass die Strahlungseintrittsseite 31 des Empfängers 3 der Strahlungsaustrittsseite 11 des Senders 1 zugewandt ist. Der Träger 7 kann beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet sein und ist dazu zum Beispiel mit einem keramischen Material gebildet.The optoelectronic device further comprises a
Die elektromagnetische Strahlung des Senders 1, also beispielsweise des Kantenemitters 10, weitet sich in einem Strahlkegel auf, der in einer vertikalen Richtung V einen größeren Öffnungswinkel aufweist als in einer horizontalen Richtung H. Die vertikale Richtung V verläuft dabei senkrecht zur Deckfläche 71 des Trägers 7. Der Öffnungswinkel des Strahlkegels beträgt beispielsweise zwischen wenigstens 25 und höchstens 50 Grad in der Richtung V. In der horizontalen Richtung H beträgt der Öffnungswinkel beispielsweise wenigstens 5 und höchstens 20 Grad.The electromagnetic radiation from the
Der erste Träger 8 für den Sender 1 ist so hoch ausgebildet, dass sämtliche Fotodioden 30 des Empfängers 3 ausgeleuchtet werden.The
Der Kantenemitter 10 des Senders 1 und die Fotodioden 30 des Empfängers 3 können beispielsweise im gleichen Materialsystem gebildet sein. Beispielsweise sind sie jeweils in einem der folgenden Materialsysteme gebildet: (In)GaAs, (In)GaN, InGaAlP.The
Es ist aber auch möglich, dass auf der Seite des Empfängers 3 für die Fotodioden andere Materialien wie etwa Silizium zum Einsatz kommen. Fotodioden in diesem Materialsystem können besonders kostengünstig sein, die Effizienz des Systems ist jedoch für gleiche Materialsysteme auf der Seite des Senders 1 und der Seite des Empfängers 3 größer.However, it is also possible for other materials, such as silicon, to be used on the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem GaAs gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 13 %, wenn man einen Füllfaktur des Empfängers 3 mit Fotodioden 30 von 25 % annimmt. Das heißt, 13 % der elektrischen Energie, die senderseitig eingespeist wird, kann empfängerseitig wieder entnommen werden. Berücksichtigt man hierbei noch den Bandgap-to-Voc-Offset, also die Thermalisierung der Ladungsträger, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 1eV/1,4eV=71 % und eine entsprechend reduzierte Effizienz der Vorrichtung von 9,3 %. Beispielsweise umfasst der Empfänger 3 dabei Fotodioden 30 mit einer Kantenlänge von 10 µm und einem Abstand von 20 µm, an denen jeweils eine Spannung von 1 V abfällt. Bei 18 × 30 Fotodioden 30 ergibt das eine Größe des Empfängers 3 von zirka 0,36 mm × 1,08 mm. Der Sender 1 weist zum Beispiel eine Länge von 1 mm auf und der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 ist 2,01 mm. Damit ergibt sich eine Mindestgröße der Vorrichtung von 3,4 × 1,1 × 0,4 mm2= 1,5 mm3 .If the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem InGaAlP gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 9 %, wenn man einen Füllfaktor des Empfängers 3 mit Fotodioden 30 von 34 % annimmt. Das heißt, 9 % der elektrischen Energie, die senderseitig eingespeist wird, kann empfängerseitig wieder entnommen werden. Berücksichtigt man hierbei noch den Bandgap-to-Voc-Offset, also die Thermalisierung der Ladungsträger, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 1,5eV/2,0eV=75 % und eine entsprechend reduzierte Effizienz der Vorrichtung von 6,75 %. Beispielsweise umfasst der Empfänger 3 dabei Fotodioden 30 mit einer Kantenlänge von 14 µm und einem Abstand von 20 µm, an denen jeweils eine Spannung von 1,5 V abfällt. Bei 14 × 45 Fotodioden 30 ergibt das eine Größe des Empfängers 3 von zirka 0,30 mm × 0,9 mm. Der Sender 1 weist zum Beispiel eine Länge von 1 mm auf und der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 ist 1,7 mm. Damit ergibt sich eine Mindestgröße der Vorrichtung von 3,0 × 0,9 × 0,3 mm2 = 0,8 mm3.If the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem InGaN gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 2 %, wenn man einen Füllfaktor des Empfängers 3 mit Fotodioden 30 von 41 % annimmt. Das heißt, 2 % der elektrischen Energie, die senderseitig eingespeist wird, kann empfängerseitig wieder entnommen werden. Berücksichtigt man hierbei noch den Bandgap-to-Voc-Offset, also die Thermalisierung der Ladungsträger, so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 2,5eV/3,0eV=83 % und eine entsprechend reduzierte Effizienz der Vorrichtung von 1,66 %. Beispielsweise umfasst der Empfänger 3 dabei Fotodioden 30 mit einer Kantenlänge von 20 µm und einem Abstand von 20 µm, an denen jeweils eine Spannung von 2,5 V abfällt. Bei 12 × 36 Fotodioden 30 ergibt das eine Größe des Empfängers 3 von zirka 0,24 mm × 0,69 mm. Der Sender 1 weist zum Beispiel eine Länge von 1 mm auf und der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 ist 1,3 mm. Damit ergibt sich eine Mindestgröße der Vorrichtung von 2,6 × 0,7 × 0,3 mm2= 0,6 mm3.If the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 im Materialsystem GaAs gebildet und die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem Si gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 5,5 %, wenn man einen Füllfaktor des Empfängers 3 mit Fotodioden 30 von 25 % annimmt. Das heißt, 5,5 % der elektrischen Energie, die senderseitig eingespeist wird, kann empfängerseitig wieder entnommen werden.If the
Dabei wird angenommen, dass der Si-basierte Empfänger 3 Fotodioden 30 mit einer Kantenlänge von 10 µm und einem Abstand von 20 µm, an denen jeweils eine Spannung von 0,6 V abfällt, umfasst. Bei 24 × 72 Fotodioden 30 ergibt das eine Größe des Empfängers 3 von zirka 0,48 mm × 1,44 mm. Der Sender 1 weist zum Beispiel eine Länge von 1 mm auf und der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 ist 2,69 mm. Damit ergibt sich eine Mindestgröße der Vorrichtung von 4,1 × 1,5 × 0,5 mm2 =3,1 mm3. Nimmt man nun weiter an, dass der Sender 1 eine Effizienz von 60 % aufweist, die Fotodioden 30 einen Effizienz von 85 % aufweisen, die Thermalisierung 0,6eV/1,4eV=43 % beträgt und der Füllfaktor 25 % ist, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von 5,5 %. It is assumed here that the Si-based receiver comprises 3
Insgesamt zeichnet sich die beschriebene Vorrichtung durch eine kleine und kompakte Größe aus. Ferner ergibt sich als vorteilhaft, dass Sender 1 und Empfänger 3 auf demselben Träger 7 montiert werden können. Durch den Einsatz von Kantenemittern 10 in Sender 1 ergibt sich eine hohe Effizienz. Das Bauteil kann besonders dünn ausgebildet sein, wobei Bauteilhöhen von höchstens 0,4 mm möglich sind. Hinsichtlich der Effizienz der Vorrichtung ist die Verwendung von GaAs-basierten Kantenemittern und Fotodioden am vorteilhaftesten. Im Hinblick auf die Größe des Bauteils ist die Verwendung von Kantenemittern 10 und Fotodioden 30 am vorteilhaftesten, die auf InGaAlP basieren, ohne dass dabei die Effizienz der Vorrichtung zu stark absinkt.Overall, the device described is characterized by a small and compact size. It is also advantageous that
Der Träger 7 sollte dabei elektrisch isolierend ausgebildet sein. Dies kann zum Beispiel durch eine elektrisch isolierende Schicht unterhalb von Sender 1 und Empfänger 3 erreicht sein. Zum Beispiel eignet sich hierfür eine Schicht aus AlGaAs mit einem Aluminiumanteil von 98 % oder SiN. Die Dicke der Schicht sollte 2,5 µm pro 1000 V Potentialdifferenz betragen. Zur galvanischen Trennung zwischen Sender 1 und Empfänger 3 ist bei einer Potentialdifferenz von 1000 V ferner ein Abstand von zirka 330 µm notwendig, falls zwischen den beiden Komponenten Luft angeordnet ist.The
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
Das optische Element erzeugt Strahlen 21, wobei jeder Strahl 21 auf genau eine Fotodiode 30 des Empfängers 3 gerichtet sein kann. Auf diese Weise wird die vom Sender 1 emittierte elektromagnetische Strahlung 2 ausschließlich über die aktiven Bereiche des Empfängers 3, das heißt die Fotodioden 30 verteilt, während der Bereich zwischen den Fotodioden nicht beleuchtet wird. Dadurch erhöht sich die Geräteeffizienz, die beim Ausführungsbeispiel der
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem GaAs gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 52 %If the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem InGaAlP gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 26 %If the
Sind die Kantenemitter 10 des Senders 1 sowie die Fotodioden 30 des Empfängers 3 im Materialsystem InGaN gebildet, so ergibt sich eine Effizienz der Vorrichtung von zirka 5 %If the
Das optische Element 41 kann sich dabei in direktem Kontakt mit dem Kantenemitter 10 des Empfängers 1 befinden. Ferner ist es möglich, dass das optische Element 41 mechanisch auch am ersten Träger 8 befestigt ist, wodurch sich die mechanische Stabilität der Vorrichtung verbessert.In this case, the
Mit Vorteil ergibt sich für diese Ausführungsform eine sehr hohe Effizienz der Vorrichtung sowie eine Reduzierung der Größe. Es ist jedoch ein erhöhter Justageaufwand mit der Befestigung des optischen Elements 41 am Sender 1 verbunden.This embodiment advantageously results in a very high efficiency of the device and a reduction in size. However, the adjustment effort associated with the attachment of the
In Verbindung mit der
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Sender 1 eine weitere Strahlungsaustrittsseite 12, die der Strahlungsaustrittsseite 11 gegenüberliegt. Ferner umfasst die optoelektronische Vorrichtung einen weiteren Empfänger 5 mit einer weiteren Strahlungseintrittsseite 51, welche die elektromagnetische Strahlung 2, die an der weiteren Strahlungsaustrittsseite 12 austritt, empfängt. Die weitere Strahlungseintrittsseite 51 ist der Strahlungseintrittsseite 31 des Empfängers gegenüberliegend angeordnet.In this exemplary embodiment, the
Die weiteren Dioden 50 des weiteren Empfängers 5 sind auf dem weiteren zweiten Träger 52 angeordnet. Der Aufbau kann insbesondere, wie in der
Zwischen dem Sender 1 und den Empfängern 3, 5 kann jeweils ein optisches Element 41, 42 angeordnet sein, das die Strahlung 2 in eine Vielzahl von Strahlen 21 aufteilt, sodass jede Fotodiode 30, 50 durch genau einen Strahl ausgeleuchtet wird. Mit der in der
Der Sender 1 kann beispielsweise einen Kantenemitter 10 umfassen, der an beiden Strahlungsaustrittsseiten 11, 12 jeweils einen niedrig-reflektierenden Spiegel aufweist. Für den Fall, dass die optischen Elemente 41, 42 im Ausführungsbeispiel der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
Dazu sind zum Beispiel diskrete Mikrolinsen auf jede Fotodiode 30 aufgebracht. Ferner ist es möglich, dass in einem Waferprozess zum Beispiel Spin-On-Glas auf die Fotodioden 30 aufgebracht und nachfolgend strukturiert wird. Ferner kann in einem Waferprozess zunächst ein Aufschleudern von Glas zur Abflachung und Isolierung der Fotodioden erfolgen. Anschließend können diskrete Mikrolinsen aus dem gleichen Material aufgebracht werden. Dadurch ergeben sich besonders geringe Reflexionsverluste. Insgesamt ist es dadurch möglich, dass jeder Fotodiode 30 ein optisches Element 41 eineindeutig zugeordnet ist.For this purpose, discrete microlenses are applied to each
Vorteilhaft ergibt sich bei dieser Ausführungsform, dass im Vergleich zur flächigen Beleuchtung, wie sie zum Beispiel in Verbindung mit der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
Die optischen Elemente 41 können dabei auf Waferebene aufgebracht werden. Zum Beispiel können dazu elektrisch isolierende Strukturen zwischen die Fotodioden eingebracht und geformt oder aufgeschleudert werden, auf die nachfolgend die optischen Elemente 41 als Metallbeschichtung aufgebracht werden.In this case, the
Ferner ist es möglich, einen vorstrukturierten Rahmen auf das Feld von Fotodioden 30 aufzubringen und zu befestigen. Der Rahmen kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial wie Polydimethylsiloxan umfassen, das mit einem Metall bedruckt ist.It is also possible to apply and attach a pre-structured frame to the array of
Ferner ist es möglich, zum Beispiel ein Kunststoffmaterial als Füllmaterial 6 durch eine Schablone in die Bereiche zwischen die Fotodioden 30 aufzubringen und nachfolgend die optischen Elemente 41 ebenfalls mit Hilfe der Schablone auf das Füllmaterial 6 aufzubringen. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich dann beispielsweise um ein Silikon handeln.It is also possible, for example, to apply a plastic material as filling
Das Füllmaterial 6 zwischen den Fotodioden 30 kann diese elektrisch voneinander isolieren. Ferner stellt es einen mechanischen und chemischen Schutz der Fotodioden 30, beispielsweise vor Feuchtigkeit, dar. Auch Leiterbahnen und Kontaktstellen auf dem Träger 9 für den Empfänger 3 können dadurch mechanisch und chemisch geschützt werden.The filling
Sind die Fotodioden 30 matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet und dabei zum Beispiel entlang der Spalten in Reihe verschaltet, so ist der Abstand zwischen zwei Spalten durch die Durchbruchspannung begrenzt. Falls der Bereich zwischen den Fotodioden 30 des Empfängers 3 mit Luft gefüllt ist, ergibt sich für Fotodioden im Materialsystem GaAs ein Minimalabstand von zirka 12 µm, für Fotodioden im Materialsystem InGaAlP ein Minimalabstand von zirka 15 µm und Fotodioden im Materialsystem InGaN ein Minimalabstand von zirka 20 µm. Ist der Bereich zwischen den Fotodioden 6 mit einem Füllmaterial 6 befüllt, das mit SiN gebildet ist oder aus diesem besteht, so ergibt sich für Fotodioden im Materialsystem GaAs ein Minimalabstand von zirka 90 nm, für Fotodioden im Materialsystem InGaAlP ein Minimalabstand von zirka 113 nm und Fotodioden im Materialsystem InGaN ein Minimalabstand von zirka 150 nm. Mit einem dielektrischen Füllmaterial 6 zwischen den Fotodioden 30 können diese also wesentlich näher aneinander angeordnet werden, wodurch sich der Füllfaktor verbessert.If the
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
An der den Fotodioden 30 abgewandten Seite der Optik 4 kann ein optisches Element 42 optional angeordnet sein, bei dem es sich beispielsweise um einen insbesondere metallischen Spiegel handeln kann.On the side of the
Das optische Element 41, also das Prisma der Optik 4, ist derart geformt, dass die elektromagnetische Strahlung 2 besonders gleichmäßig über alle Fotodioden 30 des Empfängers 3 verteilt wird. Dabei muss auch der Abstand d zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3, die Höhe h des Empfängers 3, das heißt die Höhe der dem Träger 7 abgewandten Außenfläche der Fotodioden 30 über den Träger 7, sowie der Winkel α des optischen Elements 41, also des Prismas, entsprechend eingestellt sein, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fotodioden 30 zu erreichen.The
Beispielsweise umfasst der Empfänger 3 Fotodioden 30 mit einer Kantenlänge von 10 µm und einem Abstand von 20 µm, an denen jeweils eine Spannung von 1 V abfällt. Bei 32 × 32 Fotodioden ergibt das eine Größe des Empfängers von zirka 0,64 mm × 0,64 mm. Der Sender 1 weist zum Beispiel eine Länge von 1 mm auf und der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 ist d = 1 mm. Die Höhe h ist 0,6 mm. Damit ergibt sich eine Mindestgröße der Vorrichtung von 2,7 × 0,7 × 0,6 mm2 .For example, the receiver includes 3
Vorteilhaft ergibt sich für die Vorrichtung der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein reduzierter Justageaufwand, da lediglich das Prisma auf die Anordnung der Fotodioden 30 des Empfängers 3 ausgerichtet werden muss. Ferner können sich verringerte Kosten ergeben, da kein separates optisches Element 43 gefertigt werden muss. Nachteilig muss die Optik 4 von verschiedenen Seiten bearbeitet werden, insbesondere wenn ein optisches Element 42 an der den Fotodioden 30 abgewandten Seite der Optik 4 aufgebracht ist.This advantageously results in a reduced adjustment effort, since only the prism has to be aligned with the arrangement of the
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
Die Fotodioden 30 sind bei diesem Ausführungsbeispiel dem Träger 7 zugewandt und beispielsweise auf diesen aufgeklebt. Zusätzlich können elektrisch isolierende Materialien zwischen den Fotodioden 30 und zwischen den Fotodioden 30 und dem Träger 7 angeordnet sein. Dazu kann beispielsweise ein hier beschriebenes Füllmaterial 6 zum Einsatz kommen. Beispielhafte Materialkombinationen zur Bildung des Kantenemitters 10 sowie des zweiten Trägers 9 sind zum Beispiel:
- -
Kantenemitter 10 basierend auf GaAs mit einem GaAs-Aufwachssubstrat, oder Saphir oder Glasträger als zweiten Träger 9 mit InGaAs-basierten Fotodioden 30, - -
Kantenemitter 10 basierend auf InGaN mit einem GaN-Aufwachssubstrat oder einem Saphir-Aufwachssubstrat als zweiten Träger 9 mit InGaN-basierten Fotodioden 30, - -
Kantenemitter 10 basierend auf InGaAlP mit einem zweiten Träger 3 aus Saphir oder Glas mit InGaAlP-basierten Fotodioden 30.
- -
Edge emitter 10 based on GaAs with a GaAs growth substrate, or sapphire or glass substrate as thesecond substrate 9 with InGaAs-basedphotodiodes 30, - -
Edge emitter 10 based on InGaN with a GaN growth substrate or a sapphire growth substrate as thesecond carrier 9 with InGaN-basedphotodiodes 30, - -
Edge emitter 10 based on InGaAlP with asecond carrier 3 made of sapphire or glass with InGaAlP-basedphotodiodes 30.
Bei einem elektrisch leitenden zweiten Träger 9, der beispielsweise aus GaAs besteht oder mit diesem gebildet ist, kann beispielsweise durch eine Oxidationsschicht aus AlGaAs mit einem hohen Aluminiumanteil von zum Beispiel 98 % oder mehr eine elektrische Isolierung zwischen den Fotodioden 30 realisiert sein. Die Oxidationsschicht kann epitaktisch unterhalb den Fotodioden 30 integriert sein. Mit Vorteil ergibt sich auf diese Weise ein monolithisch in den zweiten Träger 2 integriertes optisches Element 4 und damit eine geringere Komplexität im Vergleich mit diskreten Komponenten. Ferner ergibt sich aufgrund der geringeren Anzahl reflektierender Schnittstellen eine erhöhte Effizienz. Nachteilig kann sich eine Lichtstreuung des zweiten Trägers 2 aufgrund von Defekten ergeben. Auch die Verschaltung der Fotodioden 30 auf dem zweiten Träger 2 sowie eine Isolierung der Fotodioden 30 kann aufwendiger sein.With an electrically conductive
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der
In Verbindung mit der
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.The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- SenderChannel
- 22
- elektromagnetische Strahlungelectromagnetic radiation
- 33
- EmpfängerRecipient
- 44
- Optikoptics
- 55
- weiterer Empfängeradditional recipient
- 66
- Füllmaterialfilling material
- 77
- Trägercarrier
- 88th
- erster Trägerfirst carrier
- 99
- zweiter Träger second carrier
- 1010
- Kantenemitteredge emitter
- 1111
- Strahlungsaustrittsseiteradiation exit side
- 1212
- weitere Strahlungsaustrittsseite further radiation exit side
- 2121
- Strahlen rays
- 3030
- Fotodiodephotodiode
- 3131
- Strahlungseintrittsseiteradiation entry side
- 3333
- detektierende Schicht detecting layer
- 4141
- optisches Elementoptical element
- 4242
- optisches Elementoptical element
- 4343
- optisches Element optical element
- 5050
- weitere Fotodiodeanother photodiode
- 5151
- weitere Strahlungseintrittsseitefurther radiation entry side
- 5252
- weiterer zweiter Träger another second carrier
- 7171
- Deckfläche top surface
- UIUI
- Eingangsspannunginput voltage
- UOUO
- Ausgangsspannungoutput voltage
- VV
- vertikale Richtungvertical direction
- HH
- horizontale Richtunghorizontal direction
- αa
- Prismawinkelprism angle
- hH
- HöheHeight
- di.e
- AbstandDistance
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- 2021-09-23 DE DE102021210618.8A patent/DE102021210618A1/en active Pending
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- 2022-08-19 WO PCT/EP2022/073184 patent/WO2023046382A1/en unknown
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Also Published As
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