DE102022115651A1

DE102022115651A1 - Optoelektronischer sensor

Info

Publication number: DE102022115651A1
Application number: DE102022115651.6A
Authority: DE
Inventors: Zeljko Pajkic; Michael Müller; Johann Ramchen; Stephan Haslbeck
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-06-23
Filing date: 2022-06-23
Publication date: 2023-12-28

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (1) angegeben, aufweisend:- eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2), die im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung (3) erzeugt,- einen Detektor (4), der einen optischen Resonator (5) und einen darin angeordneten Halbleiterschichtenstapel (6) mit einer aktiven Schicht (7) umfasst, die im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung (3) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) detektiert, wobei- die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) und der Detektor (4) lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche (8) eines Trägers (9) angeordnet sind, so dass die elektromagnetische Laserstrahlung (3) senkrecht zur Hauptfläche (8) emittiert wird und eine optische Achse (10) des optischen Resonators (5) des Detektors (4) senkrecht zur Hauptfläche (8) angeordnet ist.

Description

Es wird ein optoelektronischer Sensor angegeben.
Es soll ein optoelektronischer Sensor angegeben werden, der ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Sensors sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist der optoelektronische Sensor eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode auf, die im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung erzeugt. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode umfasst insbesondere einen Halbleiterschichtenstapel mit einer aktiven Schicht, die im Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die aktive Schicht weist beispielsweise einen pn-Übergang auf, an dem ein elektrischer Betriebsstrom in die elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird.
Die aktive Schicht ist insbesondere als ein Lasermedium ausgebildet, in dem während des Betriebs in Verbindung mit einem optischen Resonator eine Besetzungsinversion erzeugt wird. Aufgrund der Besetzungsinversion wird die elektromagnetische Strahlung in der aktiven Schicht durch stimulierte Emission erzeugt, die zur Ausbildung der elektromagnetischen Laserstrahlung führt.
Im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission entsteht, weist die elektromagnetische Laserstrahlung eine größere Kohärenzlänge, eine geringere spektrale Linienbreite und/oder einen höheren Polarisationsgrad auf. Zum Beispiel erzeugt die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode elektromagnetische Laserstrahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht.
Die elektromagnetische Laserstrahlung wird insbesondere in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene von Halbleiterschichten des Halbleiterschichtenstapels emittiert und über eine Hauptfläche des Halbleiterschichtenstapels ausgekoppelt. In anderen Worten wird die elektromagnetische Laserstrahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode in einer Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten des Halbleiterschichtenstapels emittiert.
Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode weist beispielsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf. Das 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. Beispiele dafür sind Arsenidverbindungshalbleitermaterialen aus dem Materialsystem Al_xIn_yGa_1-x-yAs, Phosphidverbindungshalbleitermaterialen aus dem Materialsystem Al_xIn_yGa_1-x-yP, sowie Nitridverbindungshalbleitermaterialien aus dem Materialsystem Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y < 1. Solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der optoelektronische Sensor einen Detektor auf, der einen optischen Resonator und einen darin angeordneten Halbleiterschichtenstapel mit einer aktiven Schicht umfasst, die im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode detektiert. Der Detektor wandelt die elektromagnetische Laserstrahlung im Betrieb insbesondere in ein elektrisches Ausgangssignal um, beispielsweise in einen Fotostrom. Zum Beispiel ist der Halbleiterschichtenstapel des Detektors als Fototransistor oder als Fotodiode ausgebildet.
Die aktive Schicht des Detektors weist beispielsweise einen pn-Übergang auf, der als Quantentopfstruktur oder als Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet sein kann. Im Rahmen dieser Anmeldung umfasst die Bezeichnung Quantentopfstruktur insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch räumlichen Einschluss eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Der Einschluss der Ladungsträger kann dabei in einer, zwei, oder drei Dimensionen erfolgen. Zum Beispiel umfasst die aktive Schicht eine Mehrzahl von Quantentopfschichten mit dazwischen angeordneten Barriereschichten.
Bevorzugt weist der Halbleiterschichtenstapel des Detektors das gleiche Halbleitermaterial oder ein Halbleitermaterial aus demselben Materialsystem auf, wie die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode. Dadurch kann ein Absorptionswellenlängenbereich des Detektors insbesondere an eine Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung, die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode im Betrieb erzeugt wird, angepasst werden. Somit wird vorteilhaft eine Effizienz und/oder eine Sensitivität des Detektors verbessert.
Der optische Resonator des Detektors ist insbesondere ein schmalbandiger Bandpassfilter für die elektromagnetische Laserstrahlung, die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode im Betrieb erzeugt wird. Der Detektor weist insbesondere eine Resonanz bei einer Resonanzfrequenz auf. Auf den optischen Resonator des Detektors einfallende elektromagnetische Strahlung wird bei der Resonanzfrequenz beispielsweise weniger stark reflektiert. Bevorzugt entspricht die Resonanzfrequenz einer Frequenz der elektromagnetischen Laserstrahlung, die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode im Betrieb erzeugt wird.
Die Resonanz des Detektors weist bevorzugt eine Bandbreite auf, die einer spektralen Halbwertsbreite der elektromagnetischen Laserstrahlung entspricht. Beispielsweise weist die Resonanz eine Bandbreite von höchstens 10 Nanometer, bevorzugt von höchstens 5 Nanometer und besonders bevorzugt von höchstens 2 Nanometer bei einer Wellenlänge von zum Beispiel 940 Nanometer auf. Dabei bezeichnet die Bandbreite insbesondere eine Halbwertsbreite der Resonanz. Die Bandbreite des Detektors ist zum Beispiel höchstens um einen Faktor fünf größer, bevorzugt höchstens um einen Faktor 2 größer, als die spektrale Linienbreite der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode.
Durch eine resonante Erhöhung der Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung im optischen Resonator des Detektors (inverser Purcell-Effekt) werden insbesondere die Effizienz und/oder die Sensitivität des Detektors erhöht. Die Sensitivität hängt des Weiteren beispielsweise von einer Größe einer Strahlungseinkoppelfläche des Detektors ab. Durch den inversen Purcell-Effekt kann der hier beschriebene Detektor bei einer vorgegebenen Sensitivität beispielsweise eine kleinere Strahlungseinkoppelfläche aufweisen, als ein Detektor ohne optischen Resonator. Somit kann der hier beschriebene optoelektronische Sensor vorteilhaft eine kompaktere Bauform aufweisen.
Elektromagnetische Hintergrundstrahlung, zum Beispiel Sonnenlicht oder Licht einer künstlichen Hintergrundbeleuchtung, deren Wellenlänge außerhalb der Bandbreite des optischen Resonators des Detektors liegt, wird beispielsweise vom optischen Resonator reflektiert. Dadurch trifft die elektromagnetische Hintergrundstrahlung insbesondere nicht auf die im Inneren des optischen Resonators angeordnete aktive Schicht des Detektors. Somit kann vorteilhaft ein Hintergrundrauschen im Detektor des optoelektronischen Sensors verringert werden.
Der optische Resonator des Detektors umfasst insbesondere zwei reflektierende Elemente, die zumindest teilweise reflektierend für die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung sind. Beispielsweise beträgt ein Reflexionsgrad des reflektierenden Elements auf einer Strahlungseinkoppelseite des Detektors zumindest 98 %, bevorzugt zumindest 99,5 %, für die darauf einfallende elektromagnetische Laserstrahlung. Ein Reflexionsgrad des reflektierenden Elements auf einer Rückseite des Detektors, über die insbesondere keine elektromagnetische Strahlung in den Detektor eingekoppelt, beträgt beispielsweise zumindest 99,9% für die darauf einfallende elektromagnetische Laserstrahlung. Das reflektierende Element weist beispielsweise einen Spiegel, eine reflektierende Schicht und/oder eine reflektierende Schichtenfolge auf.
Die reflektierende Schicht umfasst beispielsweise ein Metall. Die reflektierende Schichtenfolge umfasst beispielsweise eine Vielzahl von alternierend angeordneten dielektrischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex für die elektromagnetische Laserstrahlung. Der Reflexionsgrad der reflektierenden Schichtenfolge kann insbesondere durch die Anzahl der dielektrischen Schichten und/oder durch einen Brechungsindexunterschied zwischen den alternierenden dielektrischen Schichten eingestellt werden. Beispielsweise ist die reflektierende Schichtenfolge als dielektrischer Bragg-Reflektor ausgebildet.
Die reflektierenden Elemente des optischen Resonators des Detektors sind insbesondere so zueinander ausgerichtet, dass die in den optischen Resonator eingekoppelte elektromagnetische Laserstrahlung mehrmals zwischen den beiden reflektierenden Elementen hin und her laufen kann. Der Halbleiterschichtenstapel des Detektors ist bevorzugt zwischen den beiden reflektierenden Elementen des optischen Resonators des Detektors angeordnet.
Zum Beispiel ist der Halbleiterschichtenstapel des Detektors derart im optischen Resonator angeordnet, dass die Haupterstreckungsebene von Halbleiterschichten senkrecht auf die Propagationsrichtung der elektromagnetischen Laserstrahlung im optischen Resonator des Detektors steht. Beispielsweise sind Schichten der reflektierenden Schichtenfolge des reflektierenden Elements parallel zu Halbleiterschichten des Halbleiterschichtenstapels angeordnet. Bevorzugt sind die reflektierenden Elemente des optischen Resonators des Detektors direkt auf gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterschichtenstapels angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors sind die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und der Detektor lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche eines Trägers angeordnet. Hier und im Folgenden bezeichnet lateral eine Richtung parallel zur Hauptfläche des Trägers.
Insbesondere stabilisiert der Träger den optoelektronischen Sensor mechanisch. Des Weiteren können auf dem Träger Kontaktflächen und/oder Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und/oder des Detektors aufgebracht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors wird die elektromagnetische Laserstrahlung senkrecht zur Hauptfläche des Trägers emittiert und eine optische Achse des optischen Resonators des Detektors ist senkrecht zur Hauptfläche des Trägers angeordnet. Hier und im Folgenden bezeichnet die optische Achse insbesondere eine Symmetrieachse des optischen Resonators des Detektors. Die elektromagnetische Laserstrahlung propagiert innerhalb des optischen Resonators bevorzugt parallel zur optischen Achse.
Die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung kann insbesondere nur unter einem kleinen Einfallswinkel in den optischen Resonator des Detektors einkoppeln. Der Einfallswinkel beschreibt hier und im Folgenden einen Winkel zwischen einer Propagationsrichtung der auf den optischen Resonator des Detektors einfallenden elektromagnetischen Laserstrahlung und der optischen Achse des optischen Resonators des Detektors. Beispielsweise wird nur elektromagnetische Laserstrahlung mit einem Einfallswinkel von höchstens 10°, bevorzugt von höchstens 5°, resonant in den Detektor eingekoppelt. Elektromagnetische Laserstrahlung mit größeren Einfallswinkeln wird beispielsweise vom optischen Resonator des Detektors reflektiert und/oder weist eine kleinere Kopplung mit elektromagnetischen Moden im optischen Resonator auf.
Somit wird vorteilhaft weniger unerwünschtes Streulicht von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode in den Detektor eingekoppelt. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und der Detektor können dadurch vorteilhaft in einem kleinen lateralen Abstand voneinander auf dem Träger angeordnet werden, wodurch der optoelektronische Sensor eine besonders kompakte Bauform aufweist. Streulicht umfasst insbesondere von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung, die beim Auskoppeln aus dem optoelektronischen Sensor beispielsweise innerhalb eines Gehäuses des optoelektronischen Sensors teilweise gestreut und/oder umgelenkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der optoelektronische Sensor:

- die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode, die im Betrieb elektromagnetischer Laserstrahlung erzeugt,
- den Detektor, der den optischen Resonator und den darin angeordneten Halbleiterschichtenstapel mit der aktiven Schicht umfasst, die im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode detektiert, wobei
- die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und der Detektor lateral nebeneinander auf der Hauptfläche des Trägers angeordnet sind, so dass die elektromagnetische Laserstrahlung senkrecht zur Hauptfläche des Trägers emittiert wird und die optische Achse des optischen Resonators des Detektors senkrecht zur Hauptfläche des Trägers angeordnet ist.

Dem hier beschriebenen optoelektronischen Sensor liegt insbesondere die Idee zugrunde, das Signal-zu-Rauschverhältnis zu verbessern. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Detektor einen optischen Resonator aufweist, der unter anderem ein schmalbandiger Bandpassfilter für die im Betrieb erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung ist. Elektromagnetische Hintergrundstrahlung kann somit nicht oder nur erschwert in den Detektor einkoppeln, wodurch der Detektor beispielsweise ein geringeres Hintergrundrauschen aufweist.
Des Weiteren wird die Intensität der in den Detektor eingekoppelten elektromagnetischen Laserstrahlung durch den optischen Resonator des Detektors erhöht. Dadurch werden insbesondere die Effizienz und/oder die Sensitivität des Detektors verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors weisen die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und der Halbleiterschichtenstapel des Detektors identische Halbleiterschichtenfolgen auf. Die identischen Halbleiterschichtenfolgen weisen insbesondere gleiche Schichtdicken, gleiche Abfolgen unterschiedlicher Halbleiterschichten, sowie eine gleiche Materialzusammensetzung auf. Dabei können die identischen Halbleiterschichtenfolgen im Rahmen von Herstellungstoleranzen voneinander abweichen. Beispielsweise weichen Schichtdicken und/oder Materialzusammensetzungen in den verschiedenen Halbleiterschichtenfolgen um höchstens 5 %, bevorzugt um höchstens 1 % voneinander ab.
Durch die Verwendung von identischen Halbleiterschichtenfolgen kann die Absorptionswellenlänge des Detektors genau auf die Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung, die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode im Betrieb erzeugt wird, abgestimmt werden. Dadurch werden insbesondere die Effizienz und/oder die Sensitivität des optoelektronischen Sensors erhöht.
Des Weiteren wird dadurch ein Herstellungsprozess vereinfacht. Zum Beispiel können der Detektor und die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode auf einem gemeinsamen Wachstumssubstrat in einem gemeinsamen Wachstumsprozess epitaktisch aufgewachsen werden. Somit werden insbesondere durch Herstellungstoleranzen bedingte Abweichungen zwischen den identischen Halbleiterschichtenfolgen verringert. Das gemeinsame Wachstumssubstrat kann auch der Träger des optoelektronischen Sensors sein.
Der Halbleiterschichtenstapel des Detektors kann mit einem Halbleiterschichtenstapel der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode identisch sein, oder sich davon unterscheiden. Beispielsweise sind die Halbleiterschichtenfolgen im Detektor und in der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode identisch, aber die Halbleiterschichtenstapel sind unterschiedlich strukturiert, weisen unterschiedliche laterale Ausdehnungen auf, und/oder weisen unterschiedlich aufgebrachte elektrische Kontakte auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist der optische Resonator des Detektors identisch zu dem optischen Resonator der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgebildet. Dabei können die identischen optischen Resonatoren des Detektors und der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode innerhalb von Herstellungstoleranzen voneinander abweichen. Beispielsweise unterscheiden sich die Resonanzfrequenz und/oder die Bandbreite der optischen Resonatoren um höchstens 5 %, besonders bevorzugt um höchstens 1 % voneinander.
Durch die Verwendung identischer optischer Resonatoren stimmen insbesondere die Resonanzfrequenz und die Bandbreite des optischen Resonators im Detektor innerhalb von Herstellungstoleranzen genau mit der Frequenz und der spektralen Linienbreite der elektromagnetischen Laserstrahlung überein, die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode im Betrieb erzeugt wird. Der optische Resonator des Detektors wirkt somit als schmalbandiger Wellenlängenfilter, der genau auf die Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung abgestimmt ist. Somit weist der optoelektronische Sensor vorteilhaft ein besonders großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors weist der Detektor eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode auf, die als Fotodetektor betrieben wird. In anderen Worten erzeugt die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode des Detektors im Betrieb keine elektromagnetische Laserstrahlung, sondern absorbiert elektromagnetische Laserstrahlung und wandelt diese in einen Fotostrom um. Bevorzugt ist die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode des Detektors innerhalb von Herstellungstoleranzen identisch mit der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode, die im optoelektronischen Sensor als Emitter eingesetzt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist der Träger flexibel. Beispielsweise ist der Träger eine flexible Folie. Der Träger stabilisiert den optoelektronischen Sensor insbesondere mechanisch. Die flexible Folie weist beispielsweise einen Kunststoff auf oder besteht aus einem Kunststoff. Durch den als flexible Folie ausgebildeten Träger ist der optoelektronische Sensor zum Beispiel zur Verwendung in tragbaren Geräten geeignet und kann bei externer Krafteinwirkung zerstörungsfrei mechanisch verformt werden.
Des Weiteren kann der optoelektronische Sensor mit der flexiblen Folie beispielsweise einfach auf gekrümmte Flächen aufgebracht werden. Somit kann der optoelektronische Sensor zum Beispiel auf Oberflächen von tragbaren Geräten mit einer komplexen Form, zum Beispiel auf Ohrhörern, angeordnet werden.
Der Träger kann auch ein flexibles Laminat oder einen flexiblen Verbundwerkstoff umfassen. Beispielsweise weist der Träger eine Metallfolie, eine Polymerfolie, ein Gewebe und/oder ein Textil auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors weisen die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und/oder der Detektor eine laterale Ausdehnung von höchstens 100 Mikrometern, bevorzugt eine laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 20 Mikrometern und einschließlich 50 Mikrometern auf. Hier und im Folgenden bezeichnet die laterale Ausdehnung insbesondere einen maximalen Durchmesser der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode oder des Detektors in Draufsicht auf die Hauptfläche des Trägers. Beispielsweise entspricht die laterale Ausdehnung einer Kantenlänge der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode beziehungsweise des Detektors. Durch die geringe laterale Ausdehnung weist der optoelektronische Sensor vorteilhaft eine kompakte Bauform auf.
Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und/oder der Detektor können auch mehrere Aperturen aufweisen. Die Apertur bezeichnet hier insbesondere einen zusammenhängenden Bereich der Hauptfläche des Halbleiterschichtenstapels, über den die elektromagnetische Laserstrahlung von der oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode ausgekoppelt beziehungsweise in den Detektor eingekoppelt wird. Für oberflächenemittierende Halbleiterlaserdioden und/oder Detektoren mit mehreren Aperturen beträgt eine laterale Ausdehnung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und/oder des Detektors bevorzugt höchstens 250 Mikrometer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist ein lichtabsorbierendes Material, das die elektromagnetische Laserstrahlung zumindest teilweise absorbiert, derart auf der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und auf dem Detektor angeordnet, dass eine Strahlungsauskoppelfläche der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und eine Strahlungseinkoppelfläche des Detektors frei vom lichtabsorbierenden Material sind. Das lichtabsorbierende Material absorbiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung in einem breitbandigen Spektralbereich. Beispielsweise absorbiert das lichtabsorbierende Material zumindest 50 %, bevorzugt zumindest 80 % der Intensität von darauf einfallender elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen in einem Bereich zwischen infrarotem und ultraviolettem Licht. Insbesondere absorbiert das lichtabsorbierende Material elektromagnetische Hintergrundstrahlung und Streulicht.
Das lichtabsorbierende Material weist zum Beispiel ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten lichtabsorbierenden Partikeln auf, beispielsweise Rußpartikel. Durch das lichtabsorbierende Material wird insbesondere ein Hintergrundrauschen im Detektor verringert und somit ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des optoelektronischen Sensors erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist ein Zwischenraum zwischen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und dem Detektor mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt, wobei das strahlungsabsorbierende Material als Schicht auf das elektrisch isolierende Material aufgebracht ist und das lichtabsorbierende Material die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und/oder den Detektor in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Trägers um höchstens 10 Mikrometer überragt. Das lichtabsorbierende Material weist beispielsweise einen Fotolack auf oder besteht aus einem Fotolack.
Das elektrisch isolierende Material weist beispielsweise ein Dielektrikum, insbesondere ein Silikon, ein Epoxid oder ein Glas auf, oder besteht aus einem dieser Materialien. Insbesondere ist das elektrisch isolierende Material auf der Hauptfläche des Trägers zwischen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und dem Detektor aufgebracht. Zum Beispiel schließt das elektrisch isolierende Material in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Trägers mit der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und/oder dem Detektor plan ab, oder überragt diese.
Auf einer dem Träger gegenüberliegenden Hauptfläche der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode und/oder des Detektors sind beispielsweise elektrische Kontakte angeordnet. Die elektrischen Kontakte weisen zum Beispiel ein transparentes leitendes Oxid auf. Die Schicht des lichtabsorbierenden Materials bedeckt die elektrischen Kontakte insbesondere teilweise.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Sensors bildet die elektromagnetische Laserstrahlung im optischen Resonator des Detektors eine stehende elektromagnetische Welle. Die aktive Schicht des Detektors ist in einem Bereich eines Intensitätsmaximums der stehenden elektromagnetischen Welle angeordnet. Hier und im Folgenden ist die aktive Schicht des Detektors in dem Bereich des Intensitätsmaximums angeordnet, wenn ein geometrischer Mittelpunkt der aktiven Schicht des Detektors im Intensitätsmaximum angeordnet ist oder um höchstens 10 %, bevorzugt um höchstens 1 % der Wellenlänge der elektromagnetischen Laserstrahlung von einer Position des Intensitätsmaximums abweicht.
Durch Anordnung der aktiven Schicht in dem Bereich des Intensitätsmaximums wird insbesondere die Kopplung der aktiven Schicht des Detektors an die elektromagnetische Laserstrahlung erhöht. Somit kann die Effizienz und/oder die Sensitivität des Detektors verbessert werden.
Des Weiteren wird ein Biomonitoring Sensor angegeben. Der Biomonitoring Sensor weist insbesondere einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor auf. Alle Merkmale des optoelektronischen Sensors sind auch für den Biomonitoring Sensor offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Biomonitoring Sensor zumindest einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor auf, wobei der Detektor im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode detektiert, die von einem externen biologischen Material reflektiert wird. Der Biomonitoring Sensor bestimmt im Betrieb eine Herzfrequenz und/oder eine Sauerstoffsättigung aus der reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung.
Beispielsweise ist der Biomonitoring Sensor im Betrieb auf einem Körperteil eines Menschen aufgebracht, dessen Herzfrequenz und/oder Sauerstoffsättigung im Blut bestimmt werden soll. Das externe biologische Material umfasst somit insbesondere Haut, Gewebe und/oder darin angeordnete Blutgefäße. Dabei wird die von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode emittierte elektromagnetische Laserstrahlung beispielsweise an oder innerhalb der Haut gestreut und/oder von Blutgefäßen zumindest teilweise reflektiert. Die reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung wird in den Detektor eingekoppelt und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Biomonitoring Sensor einen ersten optoelektronischen Sensor, einen zweiten optoelektronischen Sensor und einen dritten optoelektronischen Sensor auf. Der erste optoelektronische Sensor emittiert und detektiert elektromagnetische Laserstrahlung in einem infraroten Spektralbereich, beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 750 Nanometer und einschließlich 2000 Nanometer. Der zweite optoelektronische Sensor emittiert und detektiert elektromagnetische Laserstrahlung in einem grünen Spektralbereich, beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 500 Nanometer und einschließlich 560 Nanometer. Der dritte optoelektronische Sensor emittiert und detektiert elektromagnetische Laserstrahlung in einem roten Spektralbereich, beispielsweise mit einer Wellenlänge zwischen einschließlich 600 Nanometer und einschließlich 650 Nanometer. Durch relative Intensitätsunterschiede der reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung in den unterschiedlichen Spektralbereichen kann beispielsweise die Sauerstoffsättigung im Blut bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Biomonitoring Sensors weisen der erste optoelektronische Sensor, der zweite optoelektronische Sensor und der dritte optoelektronische Sensor einen gemeinsamen Träger auf. Insbesondere sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden sowie die Detektoren des ersten, zweiten und dritten optoelektronischen Sensors auf dem gemeinsamen Träger angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Biomonitoring Sensor eine laterale Ausdehnung mit einer Fläche von höchstens 500000 µm², bevorzugt höchstens 320000 µm² auf. Beispielsweise weist der erste, der zweite und der dritte optoelektronische Sensor jeweils eine laterale Ausdehnung mit einer Länge von 300 Mikrometer und einer Breite von 150 Mikrometer auf.
Des Weiteren wird ein Abstandssensor angegeben. Der Abstandssensor weist insbesondere einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor auf. Alle Merkmale des optoelektronischen Sensors sind auch für den Abstandssensor offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Abstandssensor einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor auf, wobei der Detektor im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode detektiert, die von einem externen Objekt reflektiert wird. Der Abstandssensor ermittelt aus einer Laufzeit der elektromagnetischen Laserstrahlung zwischen einer Emission und der Detektion und/oder aus der Intensität der detektierten elektromagnetischen Laserstrahlung einen Abstand zwischen dem optoelektronischen Sensor und dem externen Objekt.
Beispielsweise emittiert die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode im Betrieb einen Lichtpuls, der zumindest teilweise vom externen Objekt reflektiert wird. Durch Bestimmung der Laufzeit des Lichtpulses vom optoelektronischen Sensor zum externen Objekt und wieder zurück kann insbesondere der Abstand errechnet werden.
Des Weiteren nimmt die Intensität der vom externen Objekt reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung ab, wenn der Abstand zum externen Objekt zunimmt. Somit kann der Abstand zum externen Objekt beispielsweise auch aus der detektierten Intensität der reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abstandssensors weist der optoelektronische Sensor eine Vielzahl von individuell adressierbaren Detektoren auf, die ein Detektorarray bilden. Beispielsweise sind die Detektoren in Form eines regelmäßigen eindimensionalen oder zweidimensionalen Gitters angeordnet. Zum Beispiel wird mit dem Detektorarray in Verbindung mit einer Abbildungsoptik eine Richtung der vom externen Objekt reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung im Betrieb bestimmt. Somit kann der Abstandssensor vorteilhaft den Abstand und eine Richtung des externen Objektes relativ zum Abstandssensor ermitteln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Abstandssensors weist der Träger ein im sichtbaren Spektralbereich transparentes Material auf. Beispielsweise weist der Träger eine Kunststofffolie oder ein Glas auf. Zum Beispiel kann der Abstandssensor in einem Fenster oder in einer Windschutzscheibe eines Fahrzeuges integriert sein. Aufgrund der kleinen lateralen Ausdehnung des optoelektronischen Sensors wird eine Transparenz des Fensters oder der Windschutzscheibe insbesondere nicht oder nur kaum beeinträchtigt.
Des Weiteren wird eine Anzeigevorrichtung angegeben. Die Anzeigevorrichtung weist einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor auf. Alle Merkmale des optoelektronischen Sensors sind auch für die Anzeigevorrichtung offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anzeigevorrichtung einen hier beschriebenen optoelektronischen Sensor und eine Vielzahl von Leuchtdioden auf. Die Anzeigevorrichtung kann auch mehrere optoelektronische Sensoren aufweisen. Die Leuchtdioden emittieren im Betrieb elektromagnetische Strahlung und bilden Bildpunkte der Anzeigevorrichtung, wobei zumindest eine der Leuchtdioden eine gleiche Emissionsrichtung aufweist wie die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode des optoelektronischen Sensors.
Jeder Bildpunkt der Anzeigevorrichtung kann eine oder mehrere Leuchtdioden aufweisen. Beispielsweise umfasst jeder Bildpunkt drei unabhängig ansteuerbare Leuchtdioden, die elektromagnetische Strahlung in einem roten, grünen und blauen Spektralbereich emittieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anzeigevorrichtung ist zumindest eine Leuchtdiode als Mikro-LED ausgebildet. Bevorzugt sind alle Leuchtdioden als Mikro-LED ausgebildet. Hier und im Folgenden bezeichnet „Mikro-LED“ eine lichtemittierende Halbleiterdiode, die eine laterale Ausdehnung von höchstens 200 Mikrometer, bevorzugt von höchstens 100 Mikrometer aufweist. Die laterale Ausdehnung bezeichnet insbesondere einen maximalen Durchmesser der Leuchtdiode in Draufsicht auf eine Strahlungsauskoppelfläche der Leuchtdiode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anzeigevorrichtung sind die Leuchtdioden auf der Hauptfläche des Trägers des optoelektronischen Sensors angeordnet. In anderen Worten weist die Anzeigevorrichtung einen Träger auf, der die Anzeigevorrichtung mechanisch stabilisiert und auf dessen Hauptfläche die Leuchtdioden sowie die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und der Detektor des optoelektronischen Sensors angeordnet sind. Auf dem Träger sind insbesondere Leiterbahnen und/oder elektrische Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Leuchtdioden und/oder des optoelektronischen Sensors angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anzeigevorrichtung sind die Leuchtdioden in Form eines regelmäßigen zweidimensionalen Arrays angeordnet und der optoelektronische Sensor ersetzt einen Bildpunkt, mehrere Bildpunkte, oder einen Teil eines Bildpunktes im zweidimensionalen Array. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode, der Detektor und/oder der optoelektronische Sensor kann auch eine einzelne Leuchtdiode als Teil eines Bildpunktes ersetzen.
Beispielsweise weist ein Bildpunkt vier Leuchtdioden auf, wobei zwei Leuchtdioden elektromagnetische Strahlung im grünen Spektralbereich emittieren, während jeweils eine Leuchtdiode elektromagnetische Strahlung im roten beziehungsweise im blauen Spektralbereich emittiert. Der optoelektronische Sensor ersetzt beispielsweise eine grüne Leuchtdiode eines Bildpunktes. Somit ist jeder Bildpunkt der Anzeigevorrichtung vorteilhaft zu einer Vollfarbwiedergabe eingerichtet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Sensors, des Biomonitoring Sensors, des Abstandssensors sowie der Anzeigevorrichtung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die 1 und 2 zeigen schematische Schnittdarstellungen von optoelektronischen Sensoren gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Biomonitoring Sensors gemäß eines Ausführungsbeispiels.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Biomonitoring Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 5 und 6 zeigen schematische Draufsichten auf Abstandssensoren gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anzeigevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Detektors eines optoelektronischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 zeigt schematisch einen Reflexionsgrad eines optischen Resonators eines Detektors, sowie eine Intensität der elektromagnetischen Laserstrahlung innerhalb des optischen Resonators des Detektors als Funktion einer Wellenlänge, gemäß einem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende 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, beispielsweise Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Der optoelektronische Sensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 weist eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und einen Detektor 4 auf, die lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche 8 eines Trägers 9 angeordnet sind. Dabei emittiert die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung 3 in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche 8 des Trägers 9.
Der Detektor 4 detektiert insbesondere die von einem externen Objekt (nicht gezeigt) zumindest teilweise reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung 3 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und wandelt die elektromagnetische Laserstrahlung 3 im Betrieb in ein elektrisches Ausgangssignal um. Der Detektor 4 weist einen optischen Resonator 5 auf, in dem ein Halbleiterschichtenstapel 6 mit einer aktiven Schicht 7 zur Detektion der elektromagnetischen Laserstrahlung 3 angeordnet ist.
Der optische Resonator 5 des Detektors 4 umfasst insbesondere zwei dielektrische Bragg-Reflektoren, die direkt auf gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterschichtenstapels 6 angeordnet sind, so dass Schichten des dielektrischen Bragg-Reflektors parallel zur aktiven Schicht 7 angeordnet sind. Eine optische Achse 10 des optischen Resonators 5 des Detektors 4 steht senkrecht auf der Hauptfläche 8 des Trägers 9. Elektromagnetische Laserstrahlung 3 kann nur unter einem kleinen Einfallswinkel α von beispielsweise höchstens 10° in den optischen Resonator 5 des Detektors 4 einkoppeln, während die elektromagnetische Laserstrahlung bei größeren Einfallswinkeln α insbesondere vom optischen Resonator 5 reflektiert wird.
Der optische Resonator 5 und der Halbleiterschichtenstapel 6 des Detektors 4 sind identisch zu einem optischen Resonator 5 und einem Halbleiterschichtenstapel 6 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 ausgebildet. Beispielsweise ist der Detektor 4 eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode, die als Fotodetektor betrieben wird. Vorteilhaft sind die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und der Detektor 4 identisch ausgebildet. Somit ist der Detektor 4 vorteilhaft auf eine Wellenlänge und eine spektrale Linienbreite der elektromagnetischen Laserstrahlung 3 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 abgestimmt, während elektromagnetische Hintergrundstrahlung und Streulicht nicht oder nur teilweise in den optischen Resonator 5 des Detektors 4 einkoppeln. Der optoelektronische Sensor 1 weist somit ein großes Signal-zu-Rauschverhältnis auf. Beispielsweise ist das Signal-zu-Rauschverhältnis um zumindest einen Faktor 10 größer als bei einem optoelektronischen Sensor, bei dem der Detektor und die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode unterschiedlich ausgebildet sind.
Der Träger 9 ist beispielsweise eine flexible Folie, ein mechanisch starrer Träger, oder ein gemeinsames Wachstumssubstrat, auf dem Halbleiterschichtenfolgen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und des Detektors 4 gemeinsam epitaktisch aufgewachsen sind. Der Träger 9 weist beispielsweise einen Kunststoff, ein Glas oder ein Halbleitermaterial auf, oder besteht aus einem dieser Materialien.
Der optoelektronische Sensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 weist eine Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 und eine Mehrzahl von Detektoren 4 auf, die lateral nebeneinander auf der Hauptfläche 8 eines Trägers 9 angeordnet sind. Insbesondere sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 und die Detektoren 4 wie im Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 emittieren elektromagnetische Laserstrahlung 3 in einem identischen Spektralbereich oder in unterschiedlichen Spektralbereichen. Dabei ist insbesondere jeweils ein Detektor 4 einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 zugeordnet und detektiert die entsprechende elektromagnetische Laserstrahlung 3 im Betrieb.
Die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 sowie die Detektoren 4 sind über transparente elektrische Kontakte 25 elektrisch kontaktiert. Die transparenten elektrischen Kontakte 25 sind auf gegenüberliegenden Hauptflächen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und der Detektoren 4 angeordnet. Dabei können die elektrischen Kontakte 25 so strukturiert sein, dass jede oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und jeder Detektor 4 individuell ansteuerbar ist. Die transparenten elektrischen Kontakte 25 weisen beispielsweise ein transparentes leitendes Oxid auf, insbesondere Indiumzinnoxid (ITO), oder bestehen aus einem dieser Materialien.
Der Träger 8 ist insbesondere transparent für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich. Beispielsweise weist der Träger 8 ein Glas, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid auf oder besteht aus einem dieser Materialien. Zwischenräume 24 zwischen den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 und/oder den Detektoren 4 sind mit einem transparenten elektrisch isolierenden Material 26 gefüllt. Das elektrisch isolierende Material 26 weist beispielsweise ein Spin-on-Glas, ein Epoxid, ein Silikon oder ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt auf, oder besteht aus einem dieser Materialien. Daher ist der optoelektronische Sensor 1 vorteilhaft zumindest teilweise transparent für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich, während nur ein kleiner lateraler Bereich von den oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2 und den Detektoren 4 abgeschattet wird. Somit kann der optoelektronische Sensor 1 beispielsweise in einem Fenster oder einer Windschutzscheibe angeordnet werden, ohne ein Sichtfeld stark zu beeinträchtigen.
Der Biomonitoring Sensor 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 weist einen optoelektronischen Sensor 1 gemäß dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel auf. Zusätzlich ist über einer Strahlungsauskoppelfläche 13 der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und über einer Strahlungseinkoppelfläche 14 des Detektors 4 ein transparentes Fenster 27 angeordnet. Das transparente Fenster 27 schützt den optoelektronischen Sensor 1 insbesondere vor Feuchtigkeit und/oder vor mechanischen Krafteinwirkungen.
Des Weiteren ist ein elektrisch isolierendes Material 26 zwischen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und dem Detektor 4 angeordnet. Auf dem elektrisch isolierenden Material 26 sowie auf elektrischen Kontakten 25 ist eine Schicht eines lichtabsorbierenden Materials 11 derart aufgebracht, dass die Strahlungsauskoppelfläche 13 und die Strahlungseinkoppelfläche 14 frei vom lichtabsorbierenden Material 11 sind.
Das lichtabsorbierende Material 11 absorbiert Streulicht 28 zumindest teilweise. Das Streulicht 28 umfasst insbesondere einen Teil der elektromagnetischen Laserstrahlung 3, die beispielsweise beim Auskoppeln vom optoelektronischen Sensor 1 am oder im Fenster 27 gestreut und/oder reflektiert wird. Dadurch wird vorteilhaft ein Hintergrundrauschen des Detektors 4 verringert.
Die im Betrieb von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 erzeugte elektromagnetische Laserstrahlung 3 trifft auf ein externes biologisches Material 16, in dem beispielsweise ein Blutgefäß 29 angeordnet ist. Im biologischen Material 16 wird die elektromagnetische Laserstrahlung 3 insbesondere innerhalb eines Lichtstreukegels 30 gestreut und dort vom Blutgefäß 29 zumindest teilweise reflektiert. Die reflektierte elektromagnetische Laserstrahlung 3 koppelt in den Detektor 4 ein und wird dort in einen Fotostrom umgewandelt. Daraus kann beispielsweise eine Herzfrequenz oder eine Sauerstoffsättigung im Blut ermittelt werden.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 8 des Trägers 9 eines Biomonitoring Sensors 15 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Biomonitoring Sensor 15 umfasst einen ersten optoelektronischen Sensor 21, einen zweiten optoelektronischen Sensor 22 und einen dritten optoelektronischen Sensor 23, die jeweils eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und einen Detektor 4 umfassen.
Der erste optoelektronische Sensor 21 emittiert und detektiert elektromagnetische Laserstrahlung 3 im infraroten Spektralbereich, während der zweite optoelektronische Sensor 22 elektromagnetische Laserstrahlung 3 im grünen Spektralbereich und der dritte optoelektronische Sensor 23 elektromagnetische Laserstrahlung 3 im roten Spektralbereich emittiert und detektiert.
Der Biomonitoring Sensor weist vorteilhaft eine besonders kompakte Bauform auf, wobei jeder der drei optoelektronischen Sensoren 21, 22, 23 eine laterale Ausdehnung mit einer Fläche von ungefähr 300 × 150 Quadratmikrometer aufweist.
5 zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 8 des Trägers 9 eines Abstandssensors 17 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Abstandssensor 17 umfasst einen optoelektronischen Sensor 1 mit einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 sowie mit sechs Detektoren 4, die auf der Hauptfläche 8 des Trägers 9 ringförmig um die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 angeordnet sind. Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und die Detektoren 4 sind insbesondere wie in dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Elektrische Kontakte 25 in der Form von Leiterbahnen sind auf der Hauptfläche 8 des Trägers 9 angeordnet und kontaktieren die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 und die Detektoren 4 elektrisch. Die elektrischen Kontakte 25 sind derart ausgebildet, dass die Detektoren 4 entweder individuell oder gemeinsam elektrisch adressierbar sind. Der Träger 9 ist bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich.
Während des Betriebs des Abstandssensors 17 wird insbesondere ein Lichtpuls von der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 emittiert. Der Lichtpuls wird von einem externen Objekt (nicht gezeigt) zumindest teilweise reflektiert und anschließend in den Detektor 4 eingekoppelt. Aus einer Laufzeit des Lichtpulses kann insbesondere ein Abstand zwischen dem Abstandssensor 17 und dem externen Objekt ermittelt werden.
Im Gegensatz zu 5 weist der Abstandssensor 17 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 6 ein Detektorarray auf, wobei eine Vielzahl von Detektoren 4 in Form eines regelmäßigen zweidimensionalen Quadratgitters um eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 auf einer Hauptfläche 8 eines Trägers 9 angeordnet sind. Der Träger 9 ist mechanisch starr oder als flexible Folie ausgebildet. Mit dem Detektorarray wird im Betrieb insbesondere eine Richtung der reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung 3 (nicht gezeigt) bestimmt, die auf das Detektorarray einfällt.
Eine laterale Ausdehnung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und/oder der Detektoren 4 beträgt zwischen einschließlich 5 Mikrometer und einschließlich 20 Mikrometer. Ein lateraler Abstand A zwischen benachbarten Detektoren 4 und/oder ein lateraler Abstand A zwischen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode 2 und einem benachbarten Detektor 4 beträgt zwischen einschließlich 1 Millimeter und einschließlich 10 Millimeter.
Die Anzeigevorrichtung 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 7 weist eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Bildpunkten 20 auf, die zur Darstellung von Information, beispielsweise in Form eines Farbbildes, eingerichtet sind. Jeder Bildpunkt 20 weist vier Leuchtdioden 19 auf, wobei eine Leuchtdiode 19 elektromagnetische Strahlung im roten Spektralbereich, eine Leuchtdiode 19 elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich, und zwei Leuchtdioden 19 elektromagnetische Strahlung im grünen Spektralbereich emittieren. Die Leuchtdioden 19 sind insbesondere als Mikro-LEDs ausgebildet, wobei eine Mikro-LED eine laterale Ausdehnung von weniger als 100 Mikrometer aufweist.
Des Weiteren weist die Anzeigevorrichtung 20 zwei optoelektronische Sensoren 1 auf, die wie in dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Dabei sind die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden 2, die Detektoren 4 und die Leuchtdioden 19 derart auf der Hauptfläche 8 eines gemeinsamen Trägers 9 angeordnet, dass die elektromagnetische Strahlung der Leuchtdioden 19 und die elektromagnetische Laserstrahlung 3 des optoelektronischen Sensors 1 in eine gleiche Richtung senkrecht zur Hauptfläche 8 emittiert werden.
Einer der optoelektronischen Sensoren 1 ersetzt eine grüne Leuchtdiode 19 eines Bildpunktes 20. In anderen Worten ist in einem Bildpunkt 20 der optoelektronische Sensor 1 anstatt einer der zwei grünen Leuchtdioden 19 angeordnet. Somit ist dieser Bildpunkt 20 vorteilhaft weiterhin zu einer Vollfarbwiedergabe durch die drei verbliebenen Leuchtdioden 19 eingerichtet.
Ein zweiter optoelektronischer Sensor 1 ist derart angeordnet, dass die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode 2 eine grüne Leuchtdiode 19 eines Bildpunktes 20 ersetzt, während der Detektor 4 eine grüne Leuchtdiode 19 in einem benachbarten Bildpunkt 20 ersetzt. Somit sind wiederum vorteilhaft alle Bildpunkte 20 zu einer Vollfarbwidergabe eingerichtet.
Die optoelektronischen Sensoren 1 bestimmen im Betrieb beispielsweise einen Abstandes zwischen der Anzeigevorrichtung 18 und einem Betrachter. Somit kann die auf der Anzeigevorrichtung 18 dargestellte Information beispielsweise an den Abstand angepasst werden. Durch den optischen Resonator 5 im Detektor 4 wird insbesondere Streulicht der Vielzahl von Leuchtdioden 19 blockiert und somit das Hintergrundrauschen im Detektor 4 verringert.
Bei dem Detektor 4 eines optoelektronischen Sensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 8 bildet die in den Detektor 4 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung 3 eine stehende elektromagnetische Welle S innerhalb des optischen Resonators 5 des Detektors 4. Insbesondere sind in 8 zwei Beispiele für die Intensität I der stehenden elektromagnetischen Welle S entlang der optischen Achse 10 des optischen Resonators 5 des Detektors 4 gezeigt. Dabei ist die aktive Schicht 7 des Detektors 4 an einer Position innerhalb des Halbleiterschichtenstapels 6 angeordnet, an der ein Intensitätsmaximum 14 der stehenden elektromagnetischen Welle S ausgebildet ist. Dadurch wird die Kopplung der elektromagnetischen Strahlung 3 an die aktive Schicht 7 des Detektors 4 verbessert und somit vorteilhaft die Effizienz und/oder die Sensitivität des Detektors 4 erhöht.
Der Reflexionsgrad R des optischen Resonators 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Sensors 1 in 9 weist eine scharfe Resonanz bei einer Resonanzwellenlänge λ_R auf. Insbesondere zeigt 9 den Reflexionsgrad R als Funktion der Wellenlänge A der einfallenden elektromagnetischen Strahlung. Abseits der Resonanzwellenlänge λ_R beträgt der Reflexionsgrad annähernd 1. In anderen Worten wird auf den Detektor 4 einfallende elektromagnetische Strahlung 3 mit Wellenlängen abseits der Resonanzwellenlänge λ_R annähernd vollständig vom optischen Resonator 5 reflektiert.
Bei der Resonanzwellenlänge λ_R beträgt der Reflexionsgrad R nur ungefähr 0,2. In anderen Worten werden ungefähr 80 % der auf den optischen Resonator 5 einfallenden elektromagnetischen Strahlung bei der Resonanzwellenlänge λ_R in den optischen Resonator 5 eingekoppelt und nur 20 % reflektiert. Der optische Resonator 5 wirkt somit als schmalbandiger Bandpassfilter mit einer Bandbreite von ungefähr 5 Nanometern.
Des Weiteren zeigt 9 die Intensität I der in den optischen Resonator 5 eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Wellenlänge λ. Insbesondere weist die Intensität I ein ausgeprägtes Maximum bei der Resonanzwellenlänge λ_R auf.
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: optoelektronischer Sensor
2: oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode
3: elektromagnetische Laserstrahlung
4: Detektor
5: optischer Resonator
6: Halbleiterschichtenstapel
7: aktive Schicht
8: Hauptfläche
9: Träger
10: optische Achse
11: lichtabsorbierendes Material
12: Strahlungsauskoppelfläche
13: Strahlungseinkoppelfläche
14: Intensitätsmaximum
15: Biomonitoring Sensor
16: biologisches Material
17: Abstandssensor
18: Anzeigevorrichtung
19: Leuchtdiode
20: Bildpunkt
21: erster optoelektronischer Sensor
22: zweiter optoelektronischer Sensor
23: dritter optoelektronischer Sensor
24: Zwischenraum
25: elektrischer Kontakt
26: elektrisch isolierendes Material
27: Fenster
28: Streulicht
29: Blutgefäß
30: Lichtstreukegel
α: Einfallswinkel
A: Abstand
I: Intensität
R: Reflexionsgrad
S: stehende elektromagnetische Welle
λ: Wellenlänge
λR: Resonanzwellenlänge

Claims

Optoelektronischer Sensor (1), aufweisend: - eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2), die im Betrieb elektromagnetische Laserstrahlung (3) erzeugt, - einen Detektor (4), der einen optischen Resonator (5) und einen darin angeordneten Halbleiterschichtenstapel (6) mit einer aktiven Schicht (7) umfasst, die im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung (3) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) detektiert, wobei - die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) und der Detektor (4) lateral nebeneinander auf einer Hauptfläche (8) eines Trägers (9) angeordnet sind, so dass die elektromagnetische Laserstrahlung (3) senkrecht zur Hauptfläche (8) des Trägers (9) emittiert wird und eine optische Achse (10) des optischen Resonators (5) des Detektors (4) senkrecht zur Hauptfläche (8) des Trägers (9) angeordnet ist.
Optoelektronischer Sensor (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) und der Halbleiterschichtenstapel (6) des Detektors (4) identische Halbleiterschichtenfolgen aufweisen.
Optoelektronischer Sensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der optische Resonator (5) des Detektors (4) identisch zu einem optischen Resonator (5) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) ausgebildet ist.
Optoelektronischer Sensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Träger (9) flexibel ist.
Optoelektronischer Sensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) und/oder der Detektor (4) eine laterale Ausdehnung von höchstens 100 Mikrometern aufweisen.
Optoelektronischer Sensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein lichtabsorbierendes Material (11), das die elektromagnetische Laserstrahlung (3) zumindest teilweise absorbiert, derart auf der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) und auf dem Detektor (4) aufgebracht ist, dass eine Strahlungsauskoppelfläche (12) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) und eine Strahlungseinkoppelfläche (13) des Detektors (4) frei vom lichtabsorbierenden Material (11) sind.
Optoelektronischer Sensor (1) nach dem vorherigen Anspruch, wobei - ein Zwischenraum (24) zwischen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) und dem Detektor (4) mit einem elektrisch isolierenden Material (26) gefüllt ist, - das strahlungsabsorbierende Material (11) als Schicht auf das elektrisch isolierende Material (26) aufgebracht ist, und - das lichtabsorbierende Material (11) die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) und/oder den Detektor (4) in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche (8) des Trägers (9) um höchstens 10 Mikrometer überragt.
Optoelektronischer Sensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektromagnetische Laserstrahlung (3) im optischen Resonator (5) des Detektors (4) eine stehende elektromagnetische Welle (S) bildet und die aktive Schicht (7) des Detektors (4) in einem Bereich eines Intensitätsmaximums (14) der stehenden elektromagnetischen Welle (S) angeordnet ist.
Biomonitoring Sensor (15) mit zumindest einem optoelektronischen Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei - der Detektor (4) im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung (3) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) detektiert, die von einem externen biologischen Material (16) reflektiert wird, und - der Biomonitoring Sensor im Betrieb (15) eine Herzfrequenz und/oder eine Sauerstoffsättigung aus der reflektierten elektromagnetischen Laserstrahlung (3) bestimmt.
Biomonitoring Sensor (15) nach dem vorhergehenden Anspruch, aufweisend: - einen ersten optoelektronischen Sensor (21), einen zweiten optoelektronischen Sensor (22) und einen dritten optoelektronischen Sensor (23), wobei - der erste optoelektronische Sensor (21) elektromagnetische Laserstrahlung (3) in einem infraroten Spektralbereich emittiert und detektiert, - der zweite optoelektronische Sensor (22) elektromagnetische Laserstrahlung (3) in einem grünen Spektralbereich emittiert und detektiert, und - der dritte optoelektronische Sensor (23) elektromagnetische Laserstrahlung (3) in einem roten Spektralbereich emittiert und detektiert.
Biomonitoring Sensor (15) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste optoelektronische Sensor (21), der zweite optoelektronische Sensor (22) und der dritte optoelektronische Sensor (23) einen gemeinsamen Träger (9) aufweisen.
Biomonitoring Sensor (15) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Biomonitoring Sensor (15) eine laterale Ausdehnung mit einer Fläche von höchstens 500000 Quadratmikrometern aufweist.
Abstandssensor (17) mit einem optoelektronischen Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei - der Detektor (4) im Betrieb die elektromagnetische Laserstrahlung (3) der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode (2) detektiert, die von einem externen Objekt reflektiert wird, und - der Abstandssensor(17) aus einer Laufzeit der elektromagnetischen Laserstrahlung (3) zwischen einer Emission und der Detektion und/oder aus der Intensität der detektierten elektromagnetischen Laserstrahlung (3) einen Abstand zwischen dem optoelektronischen Sensor (1) und dem externen Objekt ermittelt.
Abstandssensor (17) nach dem vorherigen Anspruch, wobei der optoelektronische Sensor (1) eine Vielzahl von individuell adressierbaren Detektoren (3) aufweist, die ein Detektorarray bilden.
Abstandssensor (17) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei der Träger (9) ein im sichtbaren Spektralbereich transparentes Material aufweist.
Anzeigevorrichtung (18), aufweisend: - einen optoelektronischen Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, - eine Vielzahl von Leuchtdioden (19), die im Betrieb elektromagnetische Strahlung emittieren und Bildpunkte (20) der Anzeigevorrichtung (18) bilden, wobei - zumindest eine der Leuchtdioden (19) eine gleiche Emissionsrichtung aufweist, wie die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode (2) des optoelektronischen Sensors (1).
Anzeigevorrichtung (18) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Leuchtdioden (19) auf der Hauptfläche (8) des Trägers (9) des optoelektronischen Sensors (1) angeordnet sind.
Anzeigevorrichtung (18) nach dem einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei - die Leuchtdioden (19) in Form eines regelmäßigen zweidimensionalen Arrays angeordnet sind, und - der optoelektronische Sensor (1) einen Bildpunkt (20), mehrere Bildpunkte (20), oder einen Teil eines Bildpunktes (20) im zweidimensionalen Array ersetzt.