DE102022101149A1

DE102022101149A1 - Detektor, lidar modul und verfahren zum betrieb eines lidar moduls

Info

Publication number: DE102022101149A1
Application number: DE102022101149.6A
Authority: DE
Inventors: Reiner Windisch; Hubert Halbritter; Simon Lankes
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138862A1

Abstract

Es wird ein Detektor (17) angegeben, der zumindest folgende Merkmale aufweist:- ein Substrat (3), und- zumindest ein erstes Detektorelement (1) und ein zweites Detektorelement (2), die lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche (4) des Substrats (3) angeordnet sind, wobei- jedes der Detektorelemente (1, 2) eine aktive Halbleiterschicht (5) umfasst, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge λ in ein elektrisches Signal eingerichtet ist,- jedes der Detektorelemente (1, 2) eine erste Hauptfläche (6) und eine der ersten Hauptfläche (6) gegenüberliegende zweite Hauptfläche (7) aufweist, und- die erste Hauptfläche (6) und die zweite Hauptfläche (7) jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ eingerichtet sind.Des Weiteren wird ein Lidar Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben.

Description

Es werden ein Detektor, ein Lidar Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben.
Aufgabe von zumindest bestimmten Ausführungsformen ist es, einen Detektor zu einer verbesserten differentiellen Detektion von frequenzmodulierten Dauerstrich-Lidar Signalen (FMCW-Lidar) anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Detektor ein Substrat auf. Das Substrat umfasst beispielsweise ein Halbleitermaterial, bevorzugt Silizium. Insbesondere ist das Substrat zu einer mechanischen Stabilisierung des Detektors eingerichtet. Das heißt, bei dem Substrat kann es sich um eine oder die mechanisch tragende Komponente des Detektors handeln. Des Weiteren kann das Substrat integrierte elektronische Schaltkreise aufweisen. Beispielsweise ist eine Auswerteeinheit oder ein Teil einer Auswerteeinheit des Detektors als elektronischer Schaltkreis in das Substrat integriert.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Detektor zumindest ein erstes Detektorelement und ein zweites Detektorelement auf, die lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche des Substrats angeordnet sind. Die Hauptfläche des Substrats entspricht bevorzugt einer Haupterstreckungsebene des Substrats, oder kann zumindest stellenweise parallel zu dieser verlaufen. Hier und im Folgenden bezeichnet lateral eine Richtung parallel zur Hauptfläche des Substrats.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors umfasst jedes der Detektorelemente eine aktive Halbleiterschicht, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in ein elektrisches Signal eingerichtet ist. Insbesondere ist die aktive Halbleiterschicht dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der darauf eintreffenden elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge λ zu absorbieren und in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Beispielsweise weist die aktive Halbleiterschicht zumindest einen pn-Übergang auf oder ist Teil eines Schottky-Kontaktes.
Bevorzugt liegt die Wellenlänge λ der elektromagnetischen Strahlung im infraroten Spektralbereich, beispielsweise zwischen einschließlich 800 Nanometer und einschließlich 1800 Nanometer. Eine Linienbreite der elektromagnetischen Strahlung beträgt beispielsweise höchstens 10 Megahertz, bevorzugt höchstens 100 Kilohertz.
Die aktive Halbleiterschicht ist zum Beispiel als Quantentopfstruktur oder als Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im hier insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die aktive Halbleiterschicht weist beispielsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial oder ein IV-IV-Verbindungshalbleitermaterial auf.
Ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial 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-Verbindungshalbleitermaterial“ 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 ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial. Arsenid-Verbindungshalbleitermaterialien umfassen vorzugsweise Al_xGa_yIn_1-x-yAs, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1 ist. Beispielsweise ist Indiumgalliumarsenid ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial mit x=0.
Ein IV/IV-Verbindungshalbleitermaterial weist wenigstens zwei Elemente aus der vierten Hauptgruppe, wie beispielsweise Si, Ge, oder Sn auf. Beispielsweise ist Siliziumgermanium Si_1-xGe_x mit 0 ≤ x ≤ 1 ein IV/IV-Verbindungshalbleitermaterial.
Solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Bevorzugt weist die aktive Halbleiterschicht Siliziumgermanium oder Indiumgalliumarsenid auf, oder besteht aus einem dieser Materialien.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors weist jedes der Detektorelemente eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche auf, wobei die erste Hauptfläche und die zweite Hauptfläche jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ eingerichtet sind. Die erste Hauptfläche und die zweite Hauptfläche weisen beispielsweise eine Antireflexbeschichtung für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ auf. Die Antireflexbeschichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Anteil elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ, der bei der Einkopplung in die Detektorelemente reflektiert werden kann, zu minimieren.
Insbesondere sind die Detektorelemente so eingerichtet, dass im Betrieb des Detektors ein Sendesignal und ein Empfangssignal im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement gegenläufig überlagert werden. Das Sendesignal und das Empfangssignal weisen insbesondere elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ auf. Beispielsweise wird ein Sendesignal über die erste Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt, teilweise von der aktiven Halbleiterschicht absorbiert, und über die zweite Hauptfläche ausgekoppelt. Das Empfangssignal wird in diesem Fall über die der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche eingekoppelt und zumindest teilweise von der aktiven Halbleiterschicht absorbiert. Alternativ kann das Sendesignal über die zweite Hauptfläche eingekoppelt werden, während das Empfangssignal über die erste Hauptfläche eingekoppelt wird. Insbesondere werden das Sendesignal und das Empfangssignal derart gegenläufig überlagert, dass sich eine stehende elektromagnetische Welle in den Detektorelementen ausbildet.
Das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement sind insbesondere nicht identisch ausgebildet. Beispielsweise ist die aktive Halbleiterschicht im ersten Detektorelement an einer unterschiedlichen Position zwischen der ersten Hauptfläche und der zweiten Hauptfläche angeordnet, als im zweiten Detektorelement. Bevorzugt sind die aktiven Halbleiterschichten in den beiden Detektorelementen so angeordnet, dass sich die aktive Halbleiterschicht im ersten Detektorelement beispielsweise an einem Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle befindet, während sich die aktive Halbleiterschicht im zweiten Detektorelement an einem Bauch der stehenden Welle befindet, oder umgekehrt. In anderen Worten beträgt ein Phasenunterschied der stehenden elektromagnetischen Welle zwischen den Positionen der aktiven Halbleiterschichten des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements bevorzugt ein ungeradzahliges Vielfaches von n/2, beispielsweise n/2, 3*n/2, oder 5*n/2.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Detektor:

- ein Substrat, und
- zumindest ein erstes Detektorelement und ein zweites Detektorelement, die lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche des Substrats angeordnet sind, wobei
- jedes der Detektorelemente eine aktive Halbleiterschicht umfasst, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge λ in ein elektrisches Signal eingerichtet ist,
- jedes der Detektorelemente eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche aufweist, und
- die erste Hauptfläche und die zweite Hauptfläche jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ eingerichtet sind.

Ein hier beschriebener Detektor ist insbesondere zur differentiellen Detektion von FMCW-Lidar Signalen geeignet. Dabei werden das Sendesignal, das bevorzugt frequenzmoduliertes Laserlicht der Wellenlänge λ im infraroten Spektralbereich umfasst, und das Empfangssignal im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement gegenläufig überlagert. Das Empfangssignal umfasst dabei das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal.
Durch die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals bildet sich in den Detektorelementen insbesondere die stehende elektromagnetische Welle. Die stehende elektromagnetische Welle weist eine Wellenlänge λ/n auf, wobei hier und im Folgenden n einen mittleren Brechungsindex eines Materials bezeichnet, aus dem das erste Detektorelement und/oder das zweite Detektorelement gebildet ist.
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 wobei für die Wellenzahlen k_1,2 der gegenläufigen elektromagnetischen Wellen $k_{1} = - k_{2} = k = \frac{2 π n}{λ}$
gilt, eine Intensität eines elektrischen Feldes in einem 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 oszilliert eine Phase der stehenden elektromagnetischen Welle mit einer Differenzfrequenz ω₁ - ω₂ zwischen der Frequenz ω₁ des Sendesignals und der Frequenz ω₂ des Empfangssignals als Funktion der Zeit.
Bei einer Abstandsmessung mittels FMCW-Lidar wird die Frequenz ω₁ des Sendesignals insbesondere linear als Funktion der Zeit erhöht und/oder erniedrigt. Die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals in den Detektorelementen 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 zwischen dem Detektor und dem externen Objekt ist.
Der Detektor ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Differenzfrequenz ω₁- ω₂ zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal zu messen. Insbesondere erfolgt die Detektion differentiell, wobei ein störender, zeitlich unabhängiger Anteil $E_{1}^{2} + E_{2}^{2}$
der Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert wird. Die differentielle Detektion erfolgt insbesondere durch Bestimmung der Intensität des elektromagnetischen Feldes an zwei unterschiedlichen Positionen der stehenden elektromagnetischen Welle, insbesondere an einer Position im ersten Detektorelement und an einer anderen Position im zweiten Detektorelement.
Bevorzugt sind die aktiven Halbleiterschichten im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement in einem Abstand von einem Viertel der Wellenlänge im Material der Detektorelemente, also A/(4*n), in Ausbreitungsrichtung der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet. Die von den aktiven Halbleiterschichten erzeugten Fotoströme sind insbesondere proportional zur Intensität des elektrischen Feldes. Durch Subtraktion der Fotoströme der beiden aktiven Halbleiterschichten des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements im Abstand λ/(4*n), wobei der Abstand auch um Vielfache der halben Wellenlänge λ/(2*n) größer sein kann, wird der zeitlich unabhängige Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert, während der mit der Differenzfrequenz ω₁- ω₂ zeitlich oszillierende Anteil addiert wird. Dadurch wird vorteilhaft ein Signal-zu-Rausch Verhältnis des Detektors erhöht. Ein Messsignal, welches durch Subtraktion der beiden Fotoströme der zwei aktiven Halbleiterschichten entsteht, weist somit eine zeitliche Oszillation mit der Differenzfrequenz ω₁ - ω₂ auf.
Im Gegensatz zu dem hier beschriebenen Detektor benötigen Lidar-Detektoren mit einer gleichläufigen Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals insbesondere einen optischen Zirkulator oder getrennte Optiken für einen Sender und einen Empfänger. Mit dem hier beschriebenen Detektor kann eine einzelne Optik für den Sender und den Empfänger verwendet werden, wobei kein optischer Zirkulator notwendig ist. Dadurch vereinfacht sich ein Aufbau des Detektors. Des Weiteren verbessert die differentielle Detektion der Differenzfrequenz das Signal-zu-Rausch Verhältnis. Insbesondere werden störende Intensitätsschwankungen eliminiert, die bei der Frequenzmodulation des Sendesignals entstehen können. Mit dem hier beschriebenen Detektor ist eine differenzielle Detektion mit einem kompakten Halbleiterbauteil möglich, das insbesondere integriert und somit kostengünstig hergestellt werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist der Detektor eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, ein Differenzsignal zwischen dem elektrischen Signal des ersten Detektorelements und dem elektrischen Signal des zweiten Detektorelements zu bilden. Die Auswerteeinheit umfasst beispielsweise einen Differenzverstärker, und/oder eine elektronische Schaltung mit einem Transimpedanzverstärker, der zu einer symmetrischen Fotodetektion der elektrischen Signale der beiden Detektorelemente eingerichtet ist. Durch Bildung des Differenzsignals kann insbesondere der störende konstante Anteil der Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert werden.
Des Weiteren weist die Auswerteeinheit beispielsweise einen Analog-Digital-Konverter und/oder einen Prozessor zur Signalauswertung auf. Zum Beispiel umfasst die Signalauswertung eine Fourier-Transformation des Differenzsignals zur Bestimmung der Differenzfrequenz und somit des Abstandes zum externen Objekt. Zumindest ein Teil der Auswerteeinheit kann als elektronische Schaltung in das Substrat integriert sein.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist ein elektronischer Schaltkreis der Auswerteeinheit in das Substrat integriert. Beispielsweise sind die Detektorelemente und der elektronische Schaltkreis unter Verwendung eines CMOS Herstellungsverfahrens (Englisch für „complementary metaloxide-semiconductor“) monolithisch integriert hergestellt. Somit umfasst der Detektor beispielsweise eine Abfolge von Halbleiterschichten, Oxidschichten und metallischen Schichten auf oder im Substrat, welche den integrierten elektronischen Schaltkreis zumindest eines Teils der Auswerteeinheit, sowie das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement bilden. Zum Beispiel besteht das Substrat aus Silizium, während die aktiven Halbleiterschichten Germanium, Siliziumgermanium oder Indiumgalliumarsenid aufweisen. Des Weiteren weisen die Detektorelemente beispielsweise Schichten aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Silizium und/oder transparenten, elektrisch leitenden Oxiden auf, die insbesondere transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ sind.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist das Substrat transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ und die ersten Hauptflächen des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements sind parallel zur Hauptfläche des Substrats angeordnet. Elektromagnetische Strahlung, die in die Detektorelemente eingekoppelt und/oder ausgekoppelt wird, durchläuft somit das Substrat. Insbesondere wird ein Großteil elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ, beispielsweise zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, besonders bevorzugt zumindest 99%, durch das Substrat transmittiert.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors weist die aktive Halbleiterschicht eine Dicke auf, die ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge λ/n beträgt, wobei n der mittlere Brechungsindex des Detektorelements ist. In anderen Worten beträgt die Dicke der aktiven Halbleiterschicht ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge λ im Material des ersten Detektorelements und/oder des zweiten Detektorelements. Beispielsweise beträgt die Dicke der aktiven Halbleiterschicht λ/(4*n), 3*λ/(4*n) oder 5*λ/(4*n). Insbesondere unterscheidet sich die Dicke der aktiven Halbleiterschicht deutlich von einem Vielfachen der halben Wellenlänge λ/(2*n) im Detektorelement. Beispielsweise weicht die Dicke der aktiven Halbleiterschicht im Rahmen einer Toleranz höchstens um ±0,25*λ/(4*n) von den angegebenen Dicken ab.
Bei gegenläufiger Überlagerung von Sendesignal und Empfangssignal ist der von der aktiven Halbleiterschicht erzeugte Fotostrom näherungsweise proportional zur Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle in der aktiven Halbleiterschicht. Dabei wird die Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle insbesondere über die Dicke der aktiven Halbleiterschicht gemittelt. Eine aktive Halbleiterschicht mit einer Dicke, die einem Vielfachen der halben Wellenlänge im Material des Detektorelements entspricht, mittelt die Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle somit über eine volle Periode und ist daher nicht dazu geeignet, die Differenzfrequenz zu bestimmen. Ein verbessertes Signal-zu-Rausch Verhältnis ergibt sich insbesondere bei einer Dicke der aktiven Halbleiterschicht, die dem ungeradzahligen Vielfachen des Viertels der Wellenlänge λ/n im Material des Detektorelements entspricht. Eine Dicke der aktiven Halbleiterschicht, die größer als ein Viertel der Wellenlänge λ/n im Detektorelement ist, führt insbesondere zu keiner erhöhten Empfindlichkeit des Detektors.
Ein Detektorelement kann auch zwei oder mehrere aktive Halbleiterschichten aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall sind die aktiven Halbleiterschichten im Detektorelement bevorzugt in einem Abstand von λ/(2*n), also der halben Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle, oder Vielfachen davon angeordnet. Dadurch kann insbesondere das Signal-zu-Rausch Verhältnis verbessert werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors sind die aktiven Halbleiterschichten im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement parallel zueinander angeordnet und ein Abstand zwischen der aktiven Halbleiterschicht im ersten Detektorelement und der aktiven Halbleiterschicht im zweiten Detektorelement in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichten beträgt ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge λ/n, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Detektorelemente ist. λ/n ist insbesondere die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Material der Detektorelemente. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen den aktiven Halbleiterschichten λ/(4*n), 3*λ/(4*n) , oder 5*λ/(4*n).
Somit ist die aktive Halbleiterschicht des ersten Detektorelements zum Beispiel an einem Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet, während die aktive Halbleiterschicht des zweiten Detektorelements an einem Bauch der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet ist, oder umgekehrt. Dadurch wird das Signal-zu-Rausch Verhältnis bei der differentiellen Messung der Fotoströme vorteilhaft erhöht.
Falls die aktiven Halbleiterschichten als pn-Übergänge ausgebildet sind, wird der Abstand zwischen den aktiven Halbleiterschichten beispielsweise in Bezug auf eine Grenzfläche zwischen einer p-dotierten Halbleiterschicht und einer n-dotierten Halbleiterschicht des pn-Übergangs angegeben. Ansonsten bezeichnet der Abstand beispielsweise eine Distanz zwischen Mittelpunkten der aktiven Halbleiterschichten in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichten. Der Abstand kann im Rahmen einer Toleranz von höchstens ±0,25*λ/(4*n) von den angegebenen Abständen abweichen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist das Substrat aus einem Halbleitermaterial gebildet und die aktive Halbleiterschicht umfasst einen dotierten Bereich der Hauptfläche des Substrats. Insbesondere ist die aktive Halbleiterschicht des ersten Detektorelements und/oder des zweiten Detektorelements in das Substrat integriert.
Die Detektorelemente umfassen beispielsweise eine transparente Schicht oder transparente Schichten, die ein dielektrisches Material, ein transparentes leitendes Oxid, und/oder ein epitaktisches Halbleitermaterial aufweisen. Die transparente Schicht ist bevorzugt auf der aktiven Halbleiterschicht, beispielsweise auf der Hauptfläche des Substrats, angeordnet. Die transparente Schicht ist insbesondere transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ und weist beispielsweise einen Transmissionsgrad von zumindest 99% auf.
Die transparenten Schichten des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements weisen bevorzugt unterschiedliche Dicken auf. Somit kann eine unterschiedliche Phasenverschiebung der stehenden elektromagnetischen Welle an der Position der aktiven Halbleiterschicht im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement eingestellt werden. Insbesondere sind die Dicken und/oder ein Brechungsindex der transparenten Schichten vorteilhaft so eingestellt, dass die aktive Halbleiterschicht des ersten Detektorelements beispielsweise an einem Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet ist, während die aktive Halbleiterschicht des zweiten Detektorelements an einem Bauch der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet ist, oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist die aktive Halbleiterschicht Teil eines Schottky-Kontaktes. Insbesondere bildet die aktive Halbleiterschicht mit darauf aufgebrachten metallischen Kontakten einen Schottky-Kontakt. Dabei ist die aktive Halbleiterschicht bevorzugt ein dotierter Bereich des Substrats, wobei das Substrat ein Halbleitermaterial umfasst oder aus einem Halbleitermaterial besteht. Beispielsweise sind die Detektorelemente als MSM-Fotodioden (Englisch für „metalsemiconductor-metal“) ausgebildet, wobei die aktive Halbleiterschicht der MSM-Fotodiode bevorzugt in das Substrat integriert ist. Detektorelemente, die MSM-Fotodioden umfassen, lassen sich insbesondere mit dem CMOS Herstellungsverfahren in das Substrat integrieren.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weisen die aktiven Halbleiterschichten im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement eine gleiche Flächenausdehnung in der Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichten auf. Insbesondere sind Absorptionsbereiche für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ in den aktiven Halbleiterschichten des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements gleich groß. Durch Bildung des Differenzsignals zwischen dem elektrischen Signal des ersten Detektorelements und dem elektrischen Signal des zweiten Detektorelements wird somit der störende konstante Anteil der Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle vorteilhaft vollständig oder nahezu vollständig eliminiert.
Unterschiedliche Größen der Absorptionsbereiche in den aktiven Halbleiterschichten des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements führen zu einem systematischen Unterschied in den von den aktiven Halbleiterschichten erzeugten Fotoströmen. Somit wird der störende konstante Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle durch Bildung des Differenzsignals nicht vollständig eliminiert. Der systematische Unterschied in den Fotoströmen des ersten Detektorelements und des zweiten Detektorelements kann auch durch eine elektronische Schaltung, beispielsweise in der Auswerteeinheit, kompensiert werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors umschließt das zweite Detektorelement das erste Detektorelement in einer lateralen Richtung teilweise oder vollständig. Beispielsweise weist das erste Detektorelement in einer Draufsicht auf die Hauptfläche des Substrats eine rechteckige oder kreisförmige Querschnittsfläche auf. Das zweite Detektorelement weist beispielsweise eine ringförmige oder ringsegmentförmige Querschnittsfläche auf, wobei das erste Detektorelement innerhalb des ringförmigen oder ringsegmentförmigen zweiten Detektorelements angeordnet ist.
Die Querschnittsflächen der Detektorelemente können beliebige Formen aufweisen. Zum Beispiel können die Querschnittsflächen der Detektorelemente fingerartig ineinandergreifen. Flächen zwischen den Detektorelementen können zumindest teilweise als Transmissionsfenster, insbesondere für das Sendesignal, eingerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich können integrierte elektronische Schaltkreise, beispielsweise der Auswerteeinheit, zwischen den Detektorelementen angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors sind eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des ersten Detektorelements und eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des zweiten Detektorelements gleich, oder unterscheiden sich um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ. Eine ebene elektromagnetische Welle, die den Detektor durchläuft, wird somit aus den beiden Detektorelementen mit der gleichen Phase ausgekoppelt. Insbesondere wird eine Wellenfront des Sendesignals beim Durchgang durch die Detektorelemente des Detektors somit nicht verzerrt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist eine der Hauptfläche gegenüberliegende Rückseite des Substrats strukturiert, sodass ein Unterschied zwischen einer optischen Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des ersten Detektorelements und einer optischen Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des zweiten Detektorelements ausgeglichen wird. Beispielsweise weist das Substrat an Stellen, wo das erste Detektorelement und das zweite Detektorelement angeordnet sind, unterschiedliche Dicken auf. Dadurch kann der Unterschied zwischen den optischen Weglängen der elektromagnetischen Strahlung in den Detektorelementen beim Durchgang durch das Substrat ausgeglichen werden. Somit wird beispielsweise eine Verzerrung der Wellenfront des Sendesignals, die beim Durchgang durch die Detektorelemente entsteht, beim Durchgang durch das Substrat ausgeglichen, verringert oder vermieden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektors ist eine Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen paarweise als zweidimensionales Detektorarray auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Beispielsweise ist eine Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen paarweise in Form eines regulären zweidimensionalen Gitters angeordnet. Alternativ kann die Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen auch als eindimensionales Detektorarray angeordnet sein oder ein eindimensionales Detektorarray bilden.
Durch Anordnung einer Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen in einem zweidimensionalen Detektorarray kann in Verbindung mit einer Abbildungsoptik insbesondere eine Richtung des Empfangssignals bestimmt werden. Somit eignet sich ein zweidimensionales Detektorarray zur gleichzeitigen Entfernungsbestimmung und Richtungsbestimmung des externen Objekts. Des Weiteren kann eine radiale Geschwindigkeit des externen Objekts beispielsweise über eine Dopplerverschiebung der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal bestimmt werden.
Des Weiteren wird ein Lidar Modul angegeben. Das Lidar Modul weist insbesondere einen hier beschriebenen Detektor auf. Sämtliche für den Detektor offenbarten Merkmale sind auch für das Lidar Modul offenbart, und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Lidar Modul einen hier beschriebenen Detektor auf. Der Detektor ist insbesondere zur differentiellen Detektion der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem gegenläufigen Empfangssignal eingerichtet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Lidar Modul eine Laserlichtquelle auf, die zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung mit der Wellenlänge λ eingerichtet ist. Die Laserlichtquelle umfasst beispielsweise eine kantenemittierende Laserdiode, eine oberflächenemittierende Laserdiode, einen Faserlaser, einen faserverstärkten Laser, einen DFB-Laser (Englisch für „distributed feedback Laser“), oder beliebige Varianten davon.
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 zumindest gleich groß oder größer als ein doppelter maximaler Abstand zwischen dem Lidar Modul und dem externen Objekt, der noch detektierbar sein soll.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Lidar Moduls wird zumindest ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung in den Detektor eingekoppelt. Die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung umfasst insbesondere das Sendesignal, das beispielsweise zumindest teilweise über die erste Hauptfläche in das erste und zweite Detektorelement eingekoppelt wird. Das Sendesignal kann über die zweite Hauptfläche wieder ausgekoppelt werden.
Beispielsweise durchläuft das von der Laserlichtquelle erzeugte Sendesignal den Detektor zumindest teilweise, bevor es vom Lidar Modul ausgesandt wird und anschließend zumindest teilweise von dem externen Objekt zurückreflektiert wird. Das Empfangssignal umfasst das vom externen Objekt zumindest teilweise zurückreflektierte Sendesignal und wird gegenläufig zum Sendesignal in die Detektorelemente eingekoppelt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Lidar Modul eine Abbildungsoptik auf. Die Abbildungsoptik ist beispielsweise zu einer Kollimation des Sendesignals eingerichtet. Des Weiteren kann die Abbildungsoptik dazu eingerichtet sein, gemeinsam mit dem Detektorarray die Richtung des Empfangssignals zu bestimmen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Lidar Moduls weist die Laserlichtquelle eine erste Strahlungsauskoppelfläche und eine der ersten Strahlungsauskoppelfläche gegenüberliegende zweite Strahlungsauskoppelfläche auf, wobei aus der zweiten Strahlungsauskoppelfläche im Betrieb ausgekoppelte Laserstrahlung in den Detektor eingekoppelt wird. Die Laserlichtquelle ist beispielsweise eine kantenemittierende Laserdiode.
Insbesondere wird ein Großteil der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung, beispielsweise zumindest 90%, über die erste Strahlungsauskoppelfläche ausgekoppelt und als Sendesignal vom Lidar Modul abgestrahlt. Der über die zweite Strahlungsauskoppelfläche ausgekoppelte, kleinere Anteil der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung wird als Sendesignal in den Detektor eingekoppelt und dort mit dem Empfangssignal gegenläufig überlagert. Insbesondere durchläuft das vom Lidar Modul ausgekoppelte Sendesignal den Detektor nicht. Somit wird das ausgekoppelte Sendesignal vorteilhaft nicht vom Detektor verzerrt.
Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls angegeben. Das Verfahren ist insbesondere zum Betrieb eines hier beschriebenen Lidar Moduls eingerichtet. 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, das eine von der Laserlichtquelle erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst. Die Frequenz der elektromagnetischen Welle wird dabei bevorzugt periodisch und linear als Funktion der Zeit erhöht und/oder erniedrigt.
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. Das Empfangssignal wird beispielsweise über eine Abbildungsoptik in den Detektor eingekoppelt.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls werden das Empfangssignal und zumindest ein Teil des Sendesignals gegenläufig in den Detektor eingekoppelt und im Detektor überlagert, so dass sich im Detektor die stehende elektromagnetische Welle bildet. Insbesondere bildet sich die stehende elektromagnetische Welle im ersten Detektorelement und im zweiten Detektorelement des Detektors.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls wird die Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal in der stehenden elektromagnetischen Welle aus einem Differenzsignal des Detektors bestimmt. Die stehende elektromagnetische Welle weist insbesondere eine zeitliche Oszillation bei der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des Sendesignals und der Frequenz des Empfangssignals auf. Das Differenzsignal des Detektors oszilliert daher mit der gleichen Differenzfrequenz, die beispielsweise durch eine Fourier-Transformation des Differenzsignals bestimmt werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines Lidar Moduls wird ein Abstand zum externen Objekt aus der Differenzfrequenz bestimmt. Durch eine Laufzeit des Sendesignals vom Lidar Modul zum externen Objekt und wieder zurück weist das Empfangssignal zum Zeitpunkt der gegenläufigen Überlagerung mit dem Sendesignal im Detektor eine im Vergleich zum Sendesignal höhere oder niedrigere Frequenz auf. Bei einer linearen Modulation der Frequenz des Sendesignals ist die Differenzfrequenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal im Detektor somit proportional zur Laufzeit und damit proportional zum Abstand zwischen dem Lidar Modul und dem externen Objekt. Durch Bestimmung der Differenzfrequenz, beispielsweise über eine schnelle Fourier-Transformation in der Auswerteeinheit, kann somit der Abstand zum externen Objekt ermittelt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Detektors, des Lidar Moduls sowie des Verfahrens zum Betrieb des Lidar Moduls ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die 1 bis 4 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Detektoren gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.
Die 5 und 6 zeigen schematische elektronische Schaltungen von Auswerteeinheiten eines Detektors gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.
Die 7 bis 9 zeigen schematische Anordnungen von Detektorelementen gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.
Die 10 und 11 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Detektorarrays gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.
Die 12 und 13 zeigen schematische Darstellungen von Lidar Modulen gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele.
Die 14 bis 16 zeigen schematische Darstellungen von Detektoren gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
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 ein Ausführungsbeispiel eines Detektors 17, der ein Substrat 3, ein erstes Detektorelement 1 und ein zweites Detektorelement 2 aufweist. Das Substrat 3 besteht aus Silizium und ist transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ. Das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 sind lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche 4 des Substrats 3 angeordnet und weisen gleiche geometrische Abmessungen auf. Insbesondere sind sowohl laterale Ausdehnungen, als auch eine Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 des Substrats 3 der beiden Detektorelemente 1, 2 innerhalb von Herstellungstoleranzen gleich.
Die beiden Detektorelemente 1, 2 weisen eine erste Hauptfläche 6 und eine der ersten Hauptfläche 6 gegenüberliegende zweite Hauptfläche 7 auf, die jeweils zur Einkopplung und Auskopplung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ eingerichtet sind. Die ersten Hauptflächen 6 der beiden Detektorelemente 1, 2 sind der Hauptfläche 4 des Substrats 3 zugewandt und parallel dazu ausgerichtet. Die beiden Detektorelemente 1, 2 sind aus Materialien gebildet oder weisen Materialien auf, die transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ sind. Insbesondere weisen die Materialien eine Transmissivität von zumindest 90% auf. Beispielsweise weisen die Detektorelemente 1, 2 Silizium, Siliziumnitrid, und/oder Siliziumoxid auf.
Im Betrieb des Detektors 17 wird ein Sendesignal 8, das elektromagnetische Laserstrahlung der Wellenlänge λ aufweist, über eine der Hauptfläche 4 gegenüberliegende Rückseite 28 des Substrats 3 in den Detektor 17 eingekoppelt und weiter über die ersten Hauptflächen 6 in das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 eingekoppelt. Das Sendesignal 8 wird nach einem Durchgang durch die beiden Detektorelemente 1, 2 insbesondere über die zweiten Hautflächen 7 ausgekoppelt und in Richtung eines externen Objekts 21 abgestrahlt. Ein Empfangssignal 9, das zumindest einen Teil des vom externen Objekt 21 zurückreflektierten Sendesignals 8 umfasst, wird über die zweiten Hauptflächen 7 in die beiden Detektorelemente 1, 2 eingekoppelt und dort gegenläufig mit dem Sendesignal 8 überlagert. Dabei bildet sich insbesondere eine stehende elektromagnetische Welle 10 in den beiden Detektorelementen 1, 2. Alternativ kann das Sendesignal 8 auch über die zweiten Hauptflächen 7 eingekoppelt werden, während das Empfangssignal 9 über die Rückseite 28 des Substrats 3 in den Detektor 17 eingekoppelt wird.
Das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 weisen jeweils eine aktive Halbleiterschicht 5 auf, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ in ein elektrisches Signal eingerichtet ist. Die aktive Halbleiterschicht 5 ist zwischen der ersten Hauptfläche 6 und der zweiten Hauptfläche 7 des Detektorelements 1, 2 angeordnet. Eine Dicke 11 der aktiven Halbleiterschicht 5 beträgt bevorzugt ein Viertel der Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle 10 in einem Material der Detektorelemente 1, 2, also A/(4*n), wobei n einen mittleren Brechungsindex des Materials der Detektorelemente 1, 2 bezeichnet. Insbesondere unterscheidet sich die Dicke 11 der aktiven Halbleiterschicht 5 deutlich von Vielfachen der halben Wellenlänge λ/(2*n).
Die aktiven Halbleiterschichten 5 sind insbesondere so angeordnet, dass sich die aktive Halbleiterschicht 5 im ersten Detektorelement 1 beispielsweise an einem Bauch der stehenden elektromagnetischen Welle 10 befindet, während die aktive Halbleiterschicht 5 im zweiten Detektorelement 2 an einem Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle 10 angeordnet ist, oder umgekehrt. Ein Abstand 12 zwischen den aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 beträgt somit ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge der stehenden elektromagnetischen Welle 10 im Material der Detektorelemente 1, 2. Für Detektorelemente 1, 2 mit einem mittleren Brechungsindex n beträgt der Abstand 12 somit ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/(4*n), beispielsweise λ/(4*n), 3*λ/(4*n), oder 5*λ/(4*n).
Der Detektor 17 ist zu einer differentiellen Detektion einer Differenzfrequenz zwischen einer Frequenz des Sendesignals 8 und einer Frequenz des Empfangssignals 9 eingerichtet, aus der insbesondere ein Abstand 29 zum externen Objekt 21 bestimmt werden kann. Die stehende elektromagnetische Welle 10 weist eine zeitliche Oszillation mit der Differenzfrequenz auf, die durch die oben beschriebene Anordnung der aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch Verhältnis bestimmt werden kann. Durch Bildung eines Differenzsignals zwischen dem elektrischen Signal des ersten Detektorelements 1 und dem elektrischen Signal des zweiten Detektorelements 2 kann insbesondere ein störendes konstantes Hintergrundsignal reduziert oder eliminiert werden, das durch einen störenden konstanten Anteil einer Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle 10 hervorgerufen wird.
Das das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 weisen die gleiche räumliche Ausdehnung zwischen der ersten Hauptfläche 6 und der zweiten Hauptfläche 7 auf. Somit wird eine Wellenfront des Sendesignals 8 beim Durchgang durch die Detektorelemente 1, 2 vorteilhaft nicht oder nur gering verzerrt. Bevorzugt weisen die Detektorelemente 1, 2 eine optische Weglänge zwischen der ersten Hauptfläche 6 und der zweiten Hauptfläche 7 auf, die einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ entspricht.
Dadurch weist das Sendesignal 8 nach dem Durchgang durch die Detektorelemente 1, 2 die gleiche Phase auf, wie ein Teil des Sendesignals 8, der die Detektorelemente 1, 2 nicht durchläuft. Somit wird eine Wellenfront des Sendesignals 8 beim Durchgang durch den Detektor 17 vorteilhaft nicht oder nur gering verzerrt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors 17. Im Gegensatz zum Detektor 17 in 1 grenzen die aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 direkt an den zweiten Hauptflächen 7 an. Die Dicken 11 der aktiven Halbleiterschichten 5 und ein Abstand 12 zwischen den aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 sind analog zum Ausführungsbeispiel in 1 ausgebildet. Somit weisen das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 eine unterschiedliche räumliche Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Hauptfläche 4 des Substrats 3 auf.
Durch die unterschiedliche räumliche Ausdehnung der beiden Detektorelemente 1, 2 unterscheidet sich die optische Weglänge des Sendesignals 8 im ersten Detektorelement 1 von der optischen Weglänge des Sendesignals 8 im zweiten Detektorelement 2. In 2 weist das erste Detektorelement 1 eine größere räumliche Ausdehnung und somit eine größere optische Weglänge des Sendesignals 8 auf. Um diesen Unterschied auszugleichen, ist die Rückseite 28 des Substrats 3 strukturiert. Insbesondere weist das Substrat 3 an einer Stelle, wo das erste Detektorelement 1 angeordnet ist, eine geringere Dicke auf. Somit werden die unterschiedlichen optischen Weglängen des Sendesignals 8 in den beiden Detektorelementen 1, 2 beim Durchgang des Sendesignals 8 durch das Substrat 3 ausgeglichen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Detektors 17, der strukturell gleich wie der Detektor 17 in 1 ausgebildet ist. Die aktiven Halbleiterschichten 5 des Detektors 17 in 3 sind als Fotodioden ausgebildet und umfassen insbesondere einen pn-Übergang aus einer n-dotierten Halbleiterschicht 13 und einer p-dotierten Halbleiterschicht 14. Die n-dotierte Halbleiterschicht 13 des pn-Überganges ist hier dem Substrat 3 zugewandt. Alternativ kann auch die p-dotierte Halbleiterschicht 14 des pn-Übergangs dem Substrat 3 zugewandt sein. Der Detektor 17 ist bevorzugt mit einem CMOS Verfahren in Siliziumtechnologie hergestellt, wobei die aktiven Halbleiterschichten 5 dotiertes Siliziumgermanium oder dotiertes Germanium aufweisen. Das Substrat 3 kann zusätzlich eine elektronische Schaltung eines Teils einer Auswerteeinheit 26 aufweisen. Der Detektor 17 mit den optoelektronischen Detektorelementen 1, 2 und der elektronischen Schaltung ist somit integriert mit einem CMOS Verfahren kostengünstig hergestellt.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors 17. Im Gegensatz zu 3 sind hier die pn-Übergänge im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 gleich angeordnet, weisen jedoch ein unterschiedliches Dotierprofil auf. Insbesondere weist das erste Detektorelement 1 eine dickere n-dotierte Halbleiterschicht 13 auf, während das zweite Detektorelement 2 eine dickere p-dotierte Halbleiterschicht 14 aufweist. Die aktiven Halbleiterschichten 5 sind insbesondere Raumladungszonen an einer Grenzfläche zwischen der n-dotierten Halbleiterschicht 13 und der p-dotierten Halbleiterschicht 14. Der Abstand 12 zwischen den aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 ist gleich, wie bei den Detektoren 17 der 1 und 3.
Die unterschiedlichen Dotierprofile im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 werden beispielsweise mittels Ionenimplantation hergestellt. Eine ausreichend geringe Dicke der Raumladungszone und somit der aktiven Halbleiterschicht 5 in den Detektorelementen 1, 2 wird durch eine hohe Dotierung und eine geringe Diffusionslänge eines Dotierstoffs außerhalb der Raumladungszone erreicht. Der in 4 gezeigte Detektor 17 kann im Vergleich zum Detektor in 3 vorteilhaft mit einer geringeren Anzahl von Prozessschritten hergestellt werden.
5 zeigt eine schematische elektronische Schaltung eines Differenzverstärkers, der zumindest einen Teil einer Auswerteeinheit 26 des Detektors 17 bildet. Der Differenzverstärker ist insbesondere dazu eingerichtet, Fotoströme der aktiven Halbleiterschichten 5 des ersten Detektorelements 1 und des zweiten Detektorelements 2 zu subtrahieren, und dadurch den störenden konstanten Anteil der Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle 10 zumindest teilweise zu eliminieren. Der Ausgang des Differenzverstärkers liefert somit eine elektrische Spannung, die mit der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des Sendesignals 8 und der Frequenz des Empfangssignals 9 zeitlich oszilliert. Die Verstärkung der Fotoströme der beiden Detektorelemente 1, 2 kann separat eingestellt werden, wodurch ein systematischer Intensitätsunterschied der stehenden elektromagnetischen Welle 10 in den beiden Detektorelementen 1, 2 ausgeglichen werden kann. Die elektronische Schaltung ist bevorzugt mit einem CMOS Herstellungsverfahren in Siliziumtechnologie in das Substrat 3 integriert.
6 zeigt eine schematische elektronische Schaltung zur symmetrischen Fotodetektion als Teil einer Auswerteeinheit 26 eines Detektors 17. Die hier gezeigte elektronische Schaltung wandelt eine Differenz der Fotoströme der beiden Detektorelemente 1, 2 mit einem Transimpedanzverstärker in eine elektrische Ausgangsspannung um, die insbesondere mit der Differenzfrequenz zwischen Sendesignal 8 und Empfangssignal 9 zeitlich oszilliert.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel Detektor 17 in Draufsicht auf die Hauptfläche 4 des Substrats 3. Das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelemente 2 weisen eine gleiche Querschnittsfläche auf und sind lateral nebeneinander angeordnet. Insbesondere entspricht die Anordnung der Detektorelemente 1, 2 den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors 17 in Draufsicht auf die Hauptfläche 4 des Substrats 3. Im Gegensatz zu 7 weist hier das zweite Detektorelement 2 eine ringförmige Querschnittsfläche auf und umschließt das erste Detektorelement 1 in lateraler Richtung vollständig.
9 zeigt eine schematische Anordnung einer Vielzahl von Detektorelementen 1, 2 in einem Detektorarray 15 in Draufsicht auf die Hauptfläche 4 des Substrats 3. Insbesondere sind erste Detektorelemente 1 und zweite Detektorelemente 2 paarweise nebeneinander in Form eines regelmäßigen rechteckigen Gitters als zweidimensionales Detektorarray 15 angeordnet. Bevorzugt wird im Betrieb jeweils die Differenz der elektrischen Signale von direkt nebeneinander angeordneten ersten und zweiten Detektorelementen 1, 2 gebildet. Das Detektorarray 15 ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Entfernung 29 zu einem externen Objekt 21 und in Verbindung mit einer Abbildungsoptik gleichzeitig eine Richtung des externen Objekts 21 zu detektieren.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Detektors 17, der insbesondere als Detektorarray 15 mit einer Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen 1, 2 ausgebildet ist. Dabei wird das Sendesignal 8 über die Rückseite 28 des Substrats 3 in das Detektorarray 15 und insbesondere in die Detektorelemente 1, 2 eingekoppelt. Ein Teil des Sendesignals 8 wird an den Detektorelementen 1, 2 vorbei in Richtung des externen Objekts 21 abgestrahlt. Somit wird eine Beleuchtungsintensität am externen Objekt vorteilhaft erhöht. Dies kann insbesondere vorteilhaft gegenüber einer größeren Detektionsfläche des Detektorarrays 15 sein, da ansonsten hohe Anforderungen an eine Parallelität der Strahlengänge des Empfangssignals 9 bestehen. Insbesondere sollte das Empfangssignal 9 auf der gesamten Fläche des Detektorarrays 15 kohärent mit dem Sendesignal 8 überlagern. Falls der durch die Detektorelemente 1, 2 transmittierte Anteil des Sendesignals 8 groß ist, dann ist die Dicke der Detektorelemente 1, 2 vorteilhaft so angepasst, dass der durch die Detektorelemente 1, 2 transmittierte Anteil des Sendesignals 8 gleichphasig mit dem Teil des Sendesignals 8 ist, der an den Detektorelementen 1, 2 vorbei abgestrahlt wird.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektorarrays 15 mit einer Vielzahl von ersten und zweiten Detektorelementen 1, 2. Im Gegensatz zu 10 wird hier das Sendesignal 8 über die Rückseite 28 des Substrats 3 aus dem Detektorarray 15 ausgekoppelt, während das Empfangssignal 9 über die Rückseite 28 des Substrats 3 in das Detektorarray 15 eingekoppelt wird.
12 zeigt einen schematischen Aufbau eines Lidar Moduls 30, das eine Laserlichtquelle 16 und einen Detektor 17 aufweist. Im Betrieb wird das Sendesignal 8 von der Laserlichtquelle 16 erzeugt und über einen optischen Isolator 19 und eine Abbildungsoptik 18 in den Detektor 17 eingekoppelt. Nach Durchlaufen des Detektors 17 wird das Sendesignal 8 über eine weitere Abbildungsoptik 18 und ein Strahlablenkelement 20 vom Lidar Modul 20 ausgekoppelt und in Richtung eines externen Objekts 21 ausgesandt. Das externe Objekt 21 weist einen zu bestimmenden Abstand 29 vom Lidar Modul 30 auf. Ein Teil des Sendesignals 8 wird vom externen Objekt 21 reflektiert und als Empfangssignal 9 wieder in das Lidar Modul 30 eingekoppelt, wo es im Detektor 17 gegenläufig mit dem Sendesignal 8 überlagert wird. Der optische Isolator 19 verhindert insbesondere, dass das Empfangssignal 9 zurück in die Laserlichtquelle 16 eingekoppelt wird und dort störende Interferenzen bildet.
Die Frequenz des Sendesignals 8 wird beispielsweise linear als Funktion der Zeit erhöht. Somit weist das Sendesignal 8 zum Zeitpunkt der Überlagerung mit dem Empfangssignal 9 im Detektor 17 aufgrund einer Laufzeit des Sendesignals 8 vom Lidar Modul 30 zum externen Objekt 21 und zurück beispielsweise eine höhere Frequenz als das Empfangssignal 9 auf. Aus der Differenzfrequenz zwischen Sendesignal 8 und Empfangssignal 9 kann insbesondere der Abstand 29 zum externen Objekt 21 bestimmt werden.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lidar Moduls 30, wobei die Laserlichtquelle 16 eine erste Strahlungsauskoppelfläche 22 und eine der ersten Strahlungsauskoppelfläche 22 gegenüberliegende zweite Strahlungsauskoppelfläche 23 aufweist. Die Laserlichtquelle 16 ist beispielsweise eine kantenemittierende Laserdiode. Insbesondere wird ein Großteil der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung, beispielsweise zumindest 90%, über die erste Strahlungsauskoppelfläche 22 und ein Strahlablenkelement 20 vom Lidar Modul 30 ausgekoppelt und als Sendesignal 8 in Richtung des externen Objekts 21 ausgesandt.
Das Empfangssignal 9 wird mit einem Teil des Sendesignals 8 gegenläufig im Detektor 17 überlagert, wobei dieser Teil des Sendesignals 8 über die zweite Strahlungsauskoppelfläche 23 aus der Laserlichtquelle 16 ausgekoppelt und direkt in den Detektor 17 eingekoppelt wird. Somit durchläuft das vom Lidar Modul 30 ausgekoppelte Sendesignal 8 den Detektor 17 nicht und wird daher vorteilhaft auch nicht verzerrt.
Der Detektor 17 weist vorteilhaft Detektorelemente 1, 2 auf, die fingerartig ineinandergreifen und somit einen durch den Detektor 17 transmittierten Anteil des Sendesignals 8 und/oder des Empfangssignals 9 beugen. Dadurch kann insbesondere eine Rückkopplung des Empfangssignals 9 in die Laserlichtquelle 16 und somit störende Interferenzen in der Laserlichtquelle 16 vermieden werden.
14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Detektors 17, bei dem das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 im Gegensatz zum Detektor 17 in 3 als MSM-Fotodioden ausgebildet sind. Die MSM-Fotodioden umfassen Schottky-Kontakte 27 zwischen metallischen Kontakten 24 auf dem Substrat 3 und aktiven Halbleiterschichten 5 im Substrat 3. Die aktiven Halbleiterschichten 5 der beiden Detektorelemente 1, 2 sind insbesondere als dotierte Bereiche der Hauptfläche 4 des Substrats 3 ausgebildet. Die aktiven Halbleiterschichten 5 umfassen insbesondere Siliziumgermanium und weisen eine Dicke auf, die kleiner als die halbe Wellenlänge im Detektormaterial λ/(2*n) ist. Bevorzugt beträgt die Dicke der aktiven Halbleiterschichten 5 ein Viertel der Wellenlänge im Detektormaterial λ/(4*n) und kann beispielsweise durch eine Implantationstiefe eines Dotierstoffs im Substrat 3 eingestellt werden.
Um einen Phasenunterschied der stehenden elektromagnetischen Welle 10 an den Positionen der aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 zu erzielen, weisen die Detektorelemente 1, 2 eine transparente Schicht 25 auf, die auf der Hauptfläche 4 des Substrats 3 aufgebracht ist. Insbesondere ist die transparente Schicht auf der aktiven Halbleiterschicht 5 und auf den metallischen Kontakten 24 des jeweiligen Detektorelements 1, 2 angeordnet. Die transparente Schicht 25 weist im ersten Detektorelement 1 eine größere Dicke 11 auf als im zweiten Detektorelement 2, oder umgekehrt. Die transparente Schicht 25 umfasst beispielsweise ein dielektrisches Material, ein transparentes leitendes Oxid, und/oder ein epitaktisches Halbleitermaterial oder besteht aus einem dieser Materialien.
Die Dicken 11 der transparenten Schichten 25 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 sind so eingestellt, dass ein Phasenunterschied der stehenden elektromagnetischen Welle 10 an den Positionen der aktiven Halbleiterschichten 5 der beiden Detektorelemente 1, 2 ein ungeradzahliges Vielfaches von π/2 beträgt. Beispielsweise ist ein Bauch der stehenden elektromagnetischen Welle 10 in der aktiven Halbleiterschicht 5 des ersten Detektorelements 1 angeordnet, während ein Knoten der stehenden elektromagnetischen Welle 10 in der aktiven Halbleiterschicht 5 des zweiten Detektorelements 2 angeordnet ist, oder umgekehrt.
Es ist auch möglich, dass nur ein Detektorelement eine transparente Schicht 25 aufweist. Analog zum Ausführungsbeispiel in 2 kann die Rückseite 28 des Substrats 3 strukturiert werden, um eine unterschiedliche optische Weglänge des Sendesignals 8 in transparenten Schichten 25 der beiden Detektorelemente 1, 2 auszugleichen.
15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Detektors 17, bei dem das erste Detektorelement 1 und das zweite Detektorelement 2 als MSM-Fotodioden ausgebildet sind. Im Gegensatz zum Detektor in 14 ist keine transparente Schicht 25 auf das Substrat 3 aufgebracht, um einen Phasenunterschied der stehenden elektromagnetischen Welle 10 in den beiden Detektorelementen 1, 2 zu erzeugen. Stattdessen ist die Hauptfläche 4 des Substrats strukturiert, so dass ein Abstand 12 zwischen den aktiven Halbleiterschichten 5 im ersten Detektorelement 1 und im zweiten Detektorelement 2 ein ungeradzahliges Vielfaches von einem Viertel der Wellenlänge λ im Material des Substrats beträgt. Beispielsweise ist die Strukturierung des Substrats 3 durch ein Ätzen der Hauptfläche 4 erzeugt.
16 zeigt eine schematische Darstellung eines Detektors 17 gemäß der Ausführungsbeispiele in den 14 und 15 in einer Draufsicht auf die Hauptfläche 4 des Substrats 3. Insbesondere ist eine beispielhafte Struktur der metallischen Kontakte 24 der MSM-Fotodioden gezeigt, wobei jeweils zwei metallische Kontakte 24 fingerartig ineinander greifen. Alternativ können die metallischen Kontakte 24 beispielsweise als konzentrische Strukturen ausgebildet sein.
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: erstes Detektorelement
2: zweites Detektorelement
3: Substrat
4: Hauptfläche
5: aktive Halbleiterschicht
6: erste Hauptfläche
7: zweite Hauptfläche
8: Sendesignal
9: Empfangssignal
10: stehende elektromagnetische Welle
11: Dicke
12: Abstand
13: n-dotierte Halbleiterschicht
14: p-dotierte Halbleiterschicht
15: Detektorarray
16: Laserlichtquelle
17: Detektor
18: Abbildungsoptik
19: optischer Isolator
20: Strahlablenkelement
21: externes Objekt
22: erste Strahlungsauskoppelfläche
23: zweite Strahlungsauskoppelfläche
24: metallischer Kontakt
25: transparente Schicht
26: Auswerteeinheit
27: Schottky-Kontakt
28: Rückseite
29: Abstand
30: Lidar Modul

Claims

Detektor (17) aufweisend: - ein Substrat (3), und - zumindest ein erstes Detektorelement (1) und ein zweites Detektorelement (2), die lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche (4) des Substrats (3) angeordnet sind, wobei - jedes der Detektorelemente (1, 2) eine aktive Halbleiterschicht (5) umfasst, die zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge λ in ein elektrisches Signal eingerichtet ist, - jedes der Detektorelemente (1, 2) eine erste Hauptfläche (6) und eine der ersten Hauptfläche (6) gegenüberliegende zweite Hauptfläche (7) aufweist, und - die erste Hauptfläche (6) und die zweite Hauptfläche (7) jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ eingerichtet sind.
Detektor (17) nach dem vorherigen Anspruch, zusätzlich aufweisend: - eine Auswerteeinheit (26), wobei - die Auswerteeinheit (26) dazu eingerichtet ist, ein Differenzsignal zwischen dem elektrischen Signal des ersten Detektorelements (1) und dem elektrischen Signal des zweiten Detektorelements (2) zu bilden.
Detektor (17) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem ein elektronischer Schaltkreis der Auswerteeinheit (26) in das Substrat (3) integriert ist.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat (3) transparent für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge λ ist, und die ersten Hauptflächen (6) des ersten Detektorelements (1) und des zweiten Detektorelements (2) parallel zur Hauptfläche (4) des Substrats (3) angeordnet sind.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die aktive Halbleiterschicht (5) eine Dicke (11) aufweist, die ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge λ/n beträgt, wobei n ein mittlerer Brechungsindex des Detektorelements (1, 2) ist.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - die aktiven Halbleiterschichten (5) im ersten Detektorelement (1) und im zweiten Detektorelement (2) parallel zueinander angeordnet sind und, - ein Abstand (12) zwischen der aktiven Halbleiterschicht (5) im ersten Detektorelement (1) und der aktiven Halbleiterschicht (5) im zweiten Detektorelement (2) in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichten (5) ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge λ/n beträgt, wobei n ein mittlerer Brechungsindex der Detektorelemente (1, 2) ist.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat (3) aus einem Halbleitermaterial gebildet ist und die aktive Halbleiterschicht (5) einen dotierten Bereich der Hauptfläche (4) des Substrats (3) umfasst.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die aktive Halbleiterschicht (5) Teil eines Schottky-Kontaktes (27)ist.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die aktiven Halbleiterschichten (5) im ersten Detektorelement (1) und im zweiten Detektorelement (2) eine gleiche Flächenausdehnung in einer Haupterstreckungsebene der aktiven Halbleiterschichten (5) aufweisen.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das zweite Detektorelement (2) das erste Detektorelement (1) in einer lateralen Richtung teilweise oder vollständig umschließt.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des ersten Detektorelements (1) und eine optische Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des zweiten Detektorelements (2) gleich sind, oder sich um ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ unterscheiden.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine der Hauptfläche (4) gegenüberliegende Rückseite (28) des Substrats (3) strukturiert ist, so dass ein Unterschied zwischen einer optischen Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des ersten Detektorelements (1) und einer optischen Weglänge von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ innerhalb des zweiten Detektorelements (2) ausgeglichen wird.
Detektor (17) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von ersten Detektorelementen (1) und zweiten Detektorelementen (2) paarweise als zweidimensionales Detektorarray (15) auf der Hauptfläche (4) des Substrats (3) angeordnet ist.
Lidar Modul (30) aufweisend: - zumindest einen Detektor (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, - eine Laserlichtquelle (16), die zur Erzeugung elektromagnetischer Laserstrahlung mit der Wellenlänge λ eingerichtet ist, wobei zumindest ein Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Laserstrahlung in den Detektor (17) eingekoppelt wird.
Lidar Modul (30) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Laserlichtquelle (16) eine erste Strahlungsauskoppelfläche (22) und eine der ersten Strahlungsauskoppelfläche (22) gegenüberliegende zweite Strahlungsauskoppelfläche (23) aufweist, wobei aus der zweiten Strahlungsauskoppelfläche (23) im Betrieb ausgekoppelte Laserstrahlung in den Detektor (17) eingekoppelt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Lidar Moduls (30) nach einem der Ansprüche 14 bis 15 mit den folgenden Schritten: - Aussenden eines Sendesignals (8), das eine von der Laserlichtquelle (16) erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst, - Empfangen eines Empfangssignals (9), welches das von einem externen Objekt (21) zumindest teilweise reflektierte Sendesignal (8) umfasst, wobei - das Empfangssignal (9) und zumindest ein Teil des Sendesignals (8) gegenläufig in den Detektor (17) eingekoppelt und im Detektor (17) überlagert werden, so dass sich im Detektor (17) eine stehende elektromagnetische Welle (10) ausbildet, - Bestimmen einer Differenzfrequenz zwischen Sendesignal (8) und Empfangssignal (9) in der stehenden elektromagnetischen Welle (10) aus einem Differenzsignal des Detektors (17). - Bestimmen eines Abstandes (29) zum externen Objekt (21) aus der Differenzfrequenz.