DE112021002589T5

DE112021002589T5 - Manipulation elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE112021002589T5
Application number: DE112021002589.9T
Authority: DE
Inventors: Anderson Pires Singulani; Gernot Fasching; Lijian Mai; Jozef PULKO
Original assignee: Ams Osram AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2023-02-16
Also published as: EP3907536A1; US20230161075A1; KR20230003217A; WO2021224108A1; CN115485589A; JP2023523158A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement zur Manipulation elektromagnetischer Strahlung. Nachteile herkömmlicher Systeme wie Materialbeschränkungen, Systemkomplexität und Abstimmgeschwindigkeit werden durch das optoelektronische Bauelement (1) überwunden, das ein Substrat (2) mit mindestens einer Abstimmstruktur (4) umfasst, die auf dem Substrat (2) angeordnet ist, wobei die Abstimmstruktur (4) ein elektrooptisches Material umfasst. Die Abstimmstruktur (4) umfasst einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt (7, 8). Eine Deckschicht (10) bedeckt die mindestens eine Abstimmstruktur (4). Auf der Abdeckschicht (10) ist eine optische Struktur (12) angeordnet. Eine Spannungsquelle (15) ist elektrisch mit dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt (7, 8) verbunden und zur Erzeugung elektrischer Felder innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur (4) vorgesehen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein optoelektronisches Bauelement zur Manipulation elektromagnetischer Strahlung und ein elektronisches System mit einem optoelektronischen Bauelement.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ingenieure haben die Abstimmbarkeit optischer Elemente auf viele Arten erreicht. Die Technologien lassen sich grob in zwei große Gruppen einteilen: Mechanisch angetriebene und elektrisch angetriebene. Zur ersten Gruppe gehören MEMS-Bauteile. Bei diesen Ansätzen wird versucht, bekannte makroskopische Lösungen auf mikroskopischer Ebene nachzubilden, z. B. um die Brennweite eines Linsensystems durch Änderung der relativen Position von Linsen und/oder Phasenplatten einzustellen. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass bewährte Konzepte sofort zur Verfügung stehen und weniger Komplexität in die optischen Elemente eingebettet ist, aber solche Geräte sind nachteilig langsam (im kHz-Bereich) und die Aktuatoren sowie die Herstellungsverfahren sind recht komplex.
Elektrisch betriebene Lösungen können weiter in zwei Untergruppen unterteilt werden, nämlich in die elektrische Ansteuerung, bei der das optische Element selbst gesteuert wird, und die Medienmodulation, bei der das Medium, in das das optische Element eingebettet ist, gesteuert wird. Flüssigkristalle sind ein spezifisches Beispiel für Letzteres. Wenn eine Linse in einen Flüssigkristall eingetaucht ist, kann man die Brennweite der Linse einstellen, indem man ein Potential über das Medium in einer vordefinierten Weise anlegt. Der größte Vorteil dieser Strategie ist die geringere Prozesskomplexität. Allerdings mangelt es ihr an Geschwindigkeit (Flüssigkristalle reagieren im Hz-Bereich) und betrieblicher Flexibilität - einige Flüssigkristalle können nicht bei Temperaturen über 60° C arbeiten.
Bei der elektrischen Ansteuerung wird ein elektrisches Feld angelegt, um die optischen Eigenschaften eines Materials (z. B. den Brechungsindex) lokal zu verändern, und bei entsprechendem Design kann ein optisches Element realisiert werden. Elektrisches Gating wird häufig in Kombination mit Meta-Oberflächen realisiert, indem man eine Meta-Oberfläche mit einem elektro-optischen Material gestaltet und dieses über elektrische Verbindungen, die auf der Meta-Oberfläche in geeigneter Weise angeordnet sind, elektrisch anregt. Die Vorteile dieses Ansatzes sind hohe Integration, reduzierte Prozesskomplexität, hohe Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Die Nachteile dieses modernen Ansatzes, bei dem die optische Funktionalität mit der Abstimmfunktion in einem einzigen Element kombiniert wird, sind jedoch die höhere optische Komplexität und die Materialbeschränkungen bei der Herstellung von Metaoberflächen. Diese Designkomplexität erhöht nicht nur die Kosten, sondern behindert auch die Einführung dieser Technologie, wenn sie nicht sogar ganz verhindert wird.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement zur Manipulation elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, das effizient betrieben werden kann.
Dieses Ziel wird mit dem optoelektronischen Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch erreicht. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement ein Substrat mit einer Haupterstreckungsebene. Das Substrat hat eine Hauptfläche und eine Rückfläche. Die Rückfläche ist von der Hauptfläche abgewandt. Das Substrat ist für die interessierende elektromagnetische Strahlung transparent. Hier und im Folgenden bezieht sich „transparent“ auf eine Transparenz von mindestens 80 % oder mindestens 90 %. In einer Ausführungsform umfasst das Substrat ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium (Si), Siliziumoxid (SiO₂) oder Galliumarsenid (GaAs). In einer anderen Ausführungsform umfasst das Substrat Glas.
Mindestens eine Abstimmstruktur ist auf der Hauptfläche des Substrats angeordnet. Das bedeutet, dass eine Rückseite der Abstimmstruktur der Hauptoberfläche des Substrats zugewandt ist. Die Abstimmstruktur umfasst ein elektro-optisches Material. In einigen Ausführungsformen umfasst die Abstimmstruktur ein anorganisches Festkörpermaterial. Beispielsweise umfasst die Abstimmstruktur ein ferroelektrisches Material. Vorteilhafterweise ist die Verwendung von Flüssigkristallen, Polymeren oder ähnlichen Materialien nicht erforderlich. Anorganische Festkörpermaterialien, wie z. B. ferroelektrische Materialien, können leicht hergestellt und in CMOS-Technologie integriert werden und sind zuverlässiger als z. B. Flüssigkristalle.
Die Abstimmstruktur ist für die gewünschte elektromagnetische Strahlung transparent. Die Abstimmstruktur ist elektrisch isolierend. Die Abstimmstruktur umfasst zum Beispiel Bariumtitanat (BaTiO₃), Lithiumniobat (LiNbO₃), Bleizirkonattitanat (Pb[Zr_x Ti_1-x]O₃) oder Lithiumtantalat (LiTaO₃). Die mindestens eine Abstimmstruktur erstreckt sich in lateralen Richtungen, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. In einer Querrichtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft, weist die Abstimmstruktur eine Dicke auf. Die Dicke der Abstimmstruktur beträgt zum Beispiel mindestens 200 nm und höchstens 2 um. In einer anderen Ausführungsform beträgt die Dicke der Abstimmstruktur mindestens 300 nm und höchstens 1 um.
Die mindestens eine Abstimmstruktur umfasst einen ersten elektrischen Kontakt an einer ersten Seite der Abstimmstruktur und einen zweiten elektrischen Kontakt an einer zweiten Seite der Abstimmstruktur. Die erste Seite und die zweite Seite der Abstimmstruktur sind nicht miteinander verbunden. Das bedeutet, dass die erste Seite und die zweite Seite nicht in direktem physischen Kontakt zueinander stehen. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt weisen ein anderes Material auf als die übrige Abstimmstruktur. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt weisen ein elektrisch leitendes Material auf. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt weisen zum Beispiel Indium-Zinn-Oxid (ITO), dotiertes Polysilizium oder ein Metall auf. Die Bereiche der ersten Seite bzw. der zweiten Seite der Abstimmstruktur, in denen das Material der elektrischen Kontakte in direktem physischen Kontakt mit dem Material der übrigen Abstimmstruktur steht, bilden Kontaktbereiche.
Eine Deckschicht bedeckt die mindestens eine Abstimmstruktur. Dies bedeutet, dass die Abstimmstruktur durch das Substrat und die Deckschicht eingebettet ist. Die Deckschicht bedeckt eine Oberseite der Abstimmstruktur, die der dem Substrat zugewandten Rückseite der Abstimmstruktur gegenüber liegt. Die Deckschicht kann auch Seitenflächen der Abstimmstruktur bedecken, die senkrecht oder quer zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt der Abstimmstruktur können jedoch weiterhin zugänglich sein. In einer Ausführungsform umfasst die Deckschicht ein Material, das sich vom Material des Substrats unterscheidet. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Deckschicht jedoch dasselbe Material wie das Substrat. Die Deckschicht umfasst zum Beispiel SiO₂.
Auf der Deckschicht ist eine optische Struktur angeordnet. In Querrichtung ist die optische Struktur oberhalb der mindestens einen Abstimmstruktur angeordnet. Das bedeutet, dass die Deckschicht zwischen der optischen Struktur und der mindestens einen Abstimmstruktur angeordnet ist. Die optische Struktur wird durch eine Schicht gebildet, die sich in lateralen Richtungen erstreckt. In der Querrichtung weist die optische Struktur eine Dicke auf. Zum Beispiel beträgt die Dicke der optischen Struktur mindestens 200 nm und höchstens 2 um. In einer anderen Ausführungsform beträgt die Dicke der optischen Struktur mindestens 300 nm und höchstens 1 um.
In einer Ausführungsform hat die optische Struktur eine ebene Oberfläche, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft. In einer anderen Ausführungsform hat die optische Struktur jedoch eine gekrümmte Oberfläche. Die optische Struktur kann auch eine strukturierte Oberfläche haben, die ein Muster bildet. Dies bedeutet, dass eine der Deckschicht abgewandte Seite der optischen Struktur Aussparungen aufweisen kann. In einer Ausführungsform erstrecken sich die Aussparungen über die gesamte Dicke der optischen Struktur, so dass Teile der Deckschicht freiliegen. Dies bedeutet, dass Teile der optischen Struktur voneinander getrennt sein können. Die optische Struktur umfasst zum Beispiel kristallines Silizium (Si), amorphes Silizium (aSi), Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (SiN₄), Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs).
Das optoelektronische Bauelement umfasst ferner eine Spannungsquelle, die elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt verbunden ist. Es kann jede herkömmliche Spannungsquelle verwendet werden. In einer Ausführungsform ist die Spannungsquelle in das Substrat integriert. In einer anderen Ausführungsform ist die Spannungsquelle eine externe Spannungsquelle. Die Spannungsquelle kann direkt mit dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt verbunden sein. Es ist aber auch eine Verbindung über elektrisch leitende Drähte möglich. Die Spannungsquelle ist zur Erzeugung elektrischer Felder innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur vorgesehen. Dies geschieht durch die Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt. Da die Abstimmstruktur elektrisch isolierend ist, wird ein elektrisches Feld über die Abstimmstruktur aufgebaut. Das elektrische Feld innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur kann zeitlich variabel sein. Falls mehr als eine Abstimmstruktur vorhanden ist, kann das elektrische Feld in mindestens zwei der Abstimmstrukturen unterschiedlich sein. Dies kann durch Anlegen unterschiedlicher Potentialdifferenzen an die Abstimmstrukturen erreicht werden.
Bei einem konventionellen Ansatz leidet die Abstimmbarkeit des elektrischen Gatings unter den engen optischen Designvorgaben, die sich aus der Verfügbarkeit elektrooptischer Materialien ergeben. Es wird angenommen, dass dieser Nachteil aus dem Versuch resultiert, die optische Funktionalität (z. B. Linsen) mit einem Abstimmmechanismus in einem einzigen Element zu kombinieren.
Der Vorschlag in dieser Offenlegung besteht darin, beide Funktionen vorteilhaft zu entkoppeln und dennoch eine hohe Integration zu erreichen. Dies wird durch das oben beschriebene schichtbasierte System erreicht, wobei die erste Schicht in Richtung der Lichtausbreitung die Abstimmstruktur ist, die für die Abstimmbarkeit durch elektrische Ansteuerung ausgelegt ist. Der Begriff Licht kann sich auf elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen beziehen, einschließlich Infrarotstrahlung, Nahinfrarotstrahlung und sichtbares Licht. Über der Abstimmstruktur befindet sich eine Schicht mit optischer Funktion - die optische Struktur. Die optische Struktur ist ein eigenständiges Element und funktioniert auch ohne die Abstimmstruktur.
Die Abstimmstruktur ist vollständig für die Abstimmung bestimmt, wodurch die optischen Funktionen und die Abstimmbarkeit entkoppelt werden. Die Abstimmstruktur hat die Aufgabe, das Licht, das sie durchläuft, lokal zu verzögern; diese lokale Verzögerung kann für eine bestimmte optische Struktur entwickelt werden. Damit ist die optische Struktur nicht wie beim herkömmlichen Ansatz durch die für die Abstimmbarkeit geeigneten Materialien eingeschränkt.
Stattdessen wird die Abstimmstruktur als spezielles Element für die Abstimmung eingeführt, für das andere Materialien verwendet werden können als für die optische Struktur.
Darüber hinaus verringert sich der Designaufwand für die Einführung der Abstimmbarkeit beträchtlich, da die optische Struktur ein vorgegebener Input ist und nicht gleichzeitig mit der Abstimmstruktur entworfen werden muss, wie es bei den derzeitigen Technologien der Fall ist. Im Gegensatz dazu kann jedes bereits vorhandene Design der optischen Struktur verwendet werden, was die Implementierungskosten und -zeit reduziert. Die Abstimmstruktur modifiziert die Eingangswellenfront der elektromagnetischen Strahlung, so dass beim Durchgang dieser modifizierten Wellenfront durch die optische Struktur eine kontrollierte Abweichung von den ursprünglichen Zielen der optischen Struktur entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements wird mindestens eine optische Eigenschaft der Abstimmstruktur durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Feldes verändert. Das elektrische Feld wird durch eine elektrische Potentialdifferenz aufgebaut, die von der Spannungsquelle erzeugt und über die elektrischen Kontakte an die Abstimmstruktur angelegt wird. Optische Eigenschaften, die verändert werden sollen, sind z.B. der Brechungsindex oder die optische Absorption des für die Abstimmstruktur verwendeten Materials. Insbesondere wird die optische Eigenschaft mit Hilfe des Pockels-Effekts verändert. Mit Hilfe des Pockels-Effekts ändert sich der Brechungsindex des für die Abstimmstruktur verwendeten Materials linear proportional zu einem angelegten elektrischen Feld. In einer Ausführungsform und für den Fall, dass die Abstimmstruktur ein ferroelektrisches Material mit einem elektrischen Dipolmoment umfasst, führt das Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer Änderung der Richtung der spontanen Polarisation des ferroelektrischen Materials. Dies wiederum führt auch zu einer Änderung der Permittivität des Materials, die mit der Phasengeschwindigkeit der sich durch das Material ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung gekoppelt ist.
Die Änderung der optischen Eigenschaften des für die Abstimmstruktur verwendeten Materials durch bloßes Anlegen einer elektrischen Spannung bedeutet, dass die elektromagnetische Strahlung, die die Abstimmstruktur durchläuft, gesteuert werden kann. Vorteilhafterweise können optisch aktive Vorrichtungen wie abstimmbare Linsen oder Prismen geschaffen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst die optische Struktur Strukturelemente, die jeweils kleiner sind als die Wellenlänge der zu manipulierenden elektromagnetischen Strahlung. Die Strukturelemente bilden eine strukturierte Oberfläche der optischen Struktur. So bilden die Strukturelemente beispielsweise ein Muster auf der Oberfläche der optischen Struktur. Die Größe der Strukturelemente kann in jeder Richtung kleiner sein als die Wellenlänge der zu beeinflussenden elektromagnetischen Strahlung. Insbesondere in den lateralen Richtungen ist die Größe der Strukturelemente kleiner als die Wellenlänge. Das heißt, wenn die zu beeinflussende elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich liegt, können die Strukturelemente der optischen Struktur kleiner als 50 µm sein. Liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im Nahinfrarotbereich, können die Strukturelemente der optischen Struktur kleiner als 780 nm sein. Die Strukturelemente der optischen Struktur können sogar noch kleiner sein, wenn die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektrum liegt.
In der Draufsicht ist die Form der Strukturelemente frei wählbar und hängt von der Anwendung ab. Die Draufsicht bezieht sich auf die Sicht auf das optoelektronische Bauelement von der vom Substrat abgewandten Seite der optischen Struktur in transversaler Richtung. Die Formen der Strukturelemente in der Draufsicht sind so gestaltet, dass die elektromagnetische Strahlung mit der optischen Struktur in der gewünschten Weise wechselwirkt. Die Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung kann durch Beugung, Brechung, Phasenverzögerung oder ähnliches erfolgen.
Vorteilhafterweise ermöglicht eine optische Struktur mit Strukturelementen, die kleiner sind als die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die vollständige Kontrolle der Lichteigenschaften in Bezug auf Amplitude, Phase, Dispersion, Impuls und Polarisation. Die genaue Form der Strukturelemente, ihre Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung verleiht ihnen die Eigenschaft, elektromagnetische Wellen auf verschiedene Weise zu manipulieren: durch Blockieren, Absorbieren, Verstärken oder Beugen von Wellen. Mit solchen optischen Strukturen kann eine Vielzahl von optischen Elementen hergestellt werden, z. B. Sub-Wellenlängen-Gitter, Polarisatoren, binäre Linsen oder Ähnliches.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst die optische Struktur ein Metamaterial. Metamaterialien sind Materialien, die so konstruiert sind, dass sie eine Eigenschaft aufweisen, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden ist. Dies kann durch Materialien erreicht werden, bei denen die Ausbreitungseigenschaften einer elektromagnetischen Welle hauptsächlich durch die Struktur dieser Materialien bestimmt werden, deren Strukturgrößen weit unter der Betriebswellenlänge liegen. Dies bedeutet, dass Metamaterialien ihre Eigenschaften nicht von den Eigenschaften ihrer Bestandteile ableiten, sondern von ihren konstruierten Strukturen und Formen. In einer anderen Ausführungsform umfasst die optische Struktur eine Meta-Oberfläche. Meta-Oberflächen sind zweidimensionale Äquivalente von Metamaterialien und bestehen aus diskreten Sub-Wellenlängen-Strukturen in einer sehr dünnen Schicht.
Vorteilhafterweise können Metamaterialien und Meta-Oberflächen Wellen elektromagnetischer Strahlung in einer Weise beeinflussen, die bei größeren Körpern von Materialien nicht zu beobachten ist. Beispielsweise können Metamaterialien einen negativen Realteil des komplexen Brechungsindexes aufweisen. Optische Strukturen, die MetaMaterialien oder Meta-Oberflächen umfassen, ermöglichen die vollständige Kontrolle über die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung innerhalb des optoelektronischen Bauelements.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements bildet die optische Struktur ein Mitglied einer Gruppe, die eine Linse, ein Beugungsgitter, eine Zonenplatte, eine Phasenplatte, eine holographische Platte und einen Diffusor umfasst. Wenn die optische Struktur eine Linse bildet, kann es sich um eine beliebige herkömmliche Linse handeln, z. B. eine brechende Linse, eine Fresnellinse oder eine Mikrolinse. Dies bedeutet, dass die optische Struktur, die die Linse bildet, eine gekrümmte Oberfläche haben kann. In einer anderen Ausführungsform ist die Linse jedoch eine Binärlinse. Dies bedeutet, dass die optische Struktur eine strukturierte Oberfläche hat, die ein Muster bildet. Dies bedeutet, dass eine der Deckschicht abgewandte Seite der optischen Struktur Vertiefungen aufweisen kann. In anderen Ausführungsformen bildet die optische Struktur ein Beugungsgitter, eine Zonenplatte oder eine holografische Platte. Das bedeutet, dass die optische Struktur durch eine Schicht mit strukturierter Oberfläche gebildet wird. Eine von der Deckschicht abgewandte Seite der optischen Struktur kann Vertiefungen aufweisen. Diese Vertiefungen können ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Muster bilden. Wenn die optische Struktur eine Phasenplatte oder einen Diffusor bildet, kann die Oberfläche der optischen Struktur parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufen.
Vorteilhaft ist, dass die optische Struktur jedes beliebige optische Element bilden kann. Auf diese Weise kann das optoelektronische Bauelement für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. für die Strahlformung, Strahlsteuerung oder Holographie.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst die optische Struktur eine Zielspezifikation, die zu einer Gruppe gehört, die eine Brennweite, einen Ablenkwinkel, eine Phasenverzögerung, eine Lichtpolarisation und eine Musterprojektion umfasst. Die Zielspezifikation der optischen Struktur wird durch Steuerung der elektrischen Felder innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur verändert. Die optische Struktur ist ein eigenständiges optisches Element. Das bedeutet, dass die optische Struktur unabhängig von der Abstimmstruktur oder einem an die Abstimmstruktur angelegten elektrischen Feld eine Zielspezifikation aufweist. Die optische Struktur dient beispielsweise dazu, einfallende elektromagnetische Strahlung zu fokussieren, abzulenken oder zu streuen. In anderen Ausführungsformen dient die optische Struktur dazu, eintreffende elektromagnetische Strahlung zu verzögern oder zu polarisieren. In wieder anderen Ausführungsformen dient die optische Struktur dazu, eintreffende elektromagnetische Strahlung zur Projektion eines Lichtmusters auf zu analysierende Objekte zu verwenden, d. h. strukturiertes Licht zu erzeugen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Abstimmstruktur wird jedoch die Zielspezifikation der optischen Struktur verändert. Dies liegt daran, dass die Abstimmstruktur die Eingangswellenfront der elektromagnetischen Strahlung modifiziert, so dass beim Durchgang dieser modifizierten Wellenfront durch die optische Struktur eine kontrollierte Abweichung von den ursprünglichen Zielspezifikationen der optischen Struktur entsteht. Beispielsweise verzögert die Abstimmstruktur das Licht, das sie durchläuft, lokal; diese lokale Verzögerung kann für eine bestimmte optische Struktur entwickelt werden. Das Anlegen und/oder Ändern des elektrischen Feldes kann auch mehr als eine Zielspezifikation der optischen Struktur beeinflussen.
Vorteilhaft ist, dass die Zielvorgabe der optischen Struktur dynamisch geändert werden kann. Dies ist z.B. bei Kameraanwendungen sinnvoll, bei denen sich das zu erfassende Objekt im Betrieb bewegt. Daher ist eine Änderung des Fokus möglich. Dies ist auch für lichtemittierende Systeme nützlich, bei denen das emittierte Licht in verschiedene Richtungen gelenkt wird, wie z. B. bei Rasteranwendungen. Außerdem kann das optoelektronische Bauelement aufgrund der Abstimmbarkeit der Zielspezifikation der optischen Struktur kalibriert werden, und Fertigungsschwankungen können kompensiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst die Abstimmstruktur in der Draufsicht einen Umfangsabschnitt. Dies bedeutet, dass der Umfangsabschnitt der Abstimmstruktur als Ring oder als Rahmen oder als Teil eines Rings oder eines Rahmens ausgebildet sein kann. In der Draufsicht umgibt der Umfangsabschnitt einen inneren Bereich, der frei von der Abstimmstruktur ist. Der Umfangsbereich kann durchgehend oder unterbrochen sein. Im letzteren Fall kann der Umfangsbereich eine Lücke aufweisen. Dies bedeutet, dass der Umfangsbereich einen geteilten Ring bilden kann. Vorteilhafterweise ermöglicht die Form des Umfangsbereichs der Abstimmstruktur eine lokale Beeinflussung der elektromagnetischen Strahlung, die ihn durchläuft.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst mindestens eine weitere Abstimmstruktur mindestens einen weiteren Umfangsabschnitt in Draufsicht, wobei der mindestens eine weitere Umfangsabschnitt den Umfangsabschnitt in seitlichen Richtungen umgibt. Dies bedeutet, dass der mindestens eine weitere Umfangsabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der Umfangsabschnitt. Die weitere Abstimmstruktur kann mit Ausnahme ihrer Größe den gleichen Aufbau oder die gleichen Eigenschaften wie die Abstimmstruktur haben. In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl von Abstimmstrukturen. Eine Vielzahl von Abstimmstrukturen umfasst jeweils mindestens einen weiteren Umfangsabschnitt. Eine Vielzahl von Abstimmstrukturen kann jedoch auch jeweils mehr als einen weiteren Umfangsabschnitt umfassen. Die Durchmesser aufeinander folgender weiterer Umfangsabschnitte verschiedener Abstimmstrukturen können sich vergrößern. Das bedeutet, dass nachfolgende weitere Umfangsabschnitte vorangehende weitere Umfangsabschnitte in lateralen Richtungen umgeben können. Es können aber auch weitere Umfangsabschnitte nebeneinander angeordnet sein, so dass sie jeweils innere Bereiche umgeben, die frei von einem anderen weiteren Umfangsabschnitt sind. Der mindestens eine weitere Umfangsabschnitt kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Im letzteren Fall kann in dem weiteren Umfangsabschnitt eine Lücke vorhanden sein. Dies bedeutet, dass der weitere Umfangsabschnitt einen geteilten Ring bilden kann. Die Anzahl der weiteren Umfangsabschnitte und ihre genaue Anordnung zueinander hängen von dem gewünschten Abstimmbereich ab.
Vorteilhafterweise können die Abstimmstrukturen oder Teile der Abstimmstrukturen als Ringe oder Rahmen angeordnet sein, so dass räumlich lokalisierte Abstimmstrukturen individuell abgestimmt werden können. Dies ermöglicht den Einsatz des optoelektronischen Bauelements in verschiedenen Anwendungsszenarien, zum Beispiel als abstimmbare Linse.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl von Abstimmstrukturen, die ein Array von Abstimmstrukturen bilden. Die Anordnung von Abstimmstrukturen kann ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Gitter bilden. In der Draufsicht kann jede Abstimmstruktur, die ein Element des Arrays von Abstimmstrukturen ist, eine rechteckige Form haben. Es sind jedoch auch vieleckige oder runde Formen der jeweiligen Abstimmstrukturen möglich. Die Anzahl der Abstimmstrukturen und ihre genaue Anordnung zueinander hängen von dem gewünschten Abstimmbereich ab.
Vorteilhafterweise können die Abstimmstrukturen als Array oder als Matrix angeordnet werden, so dass räumlich lokalisierte Abstimmstrukturen individuell abgestimmt werden können. Dies ermöglicht den Einsatz des optoelektronischen Bauelements in verschiedenen Anwendungsszenarien, z. B. in der Strahlführung und Holographie.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt auf jeweiligen Seitenflächen der Abstimmstruktur angeordnet. Die Seitenflächen der Abstimmstrukturen verlaufen senkrecht oder quer zur Haupterstreckungsebene des Substrats. Die Bereiche der Seitenflächen, in denen das Material der elektrischen Kontakte in direktem physikalischen Kontakt mit dem Material der übrigen Abstimmstruktur steht, bilden Kontaktflächen. Das bedeutet, dass die Kontaktbereiche auf den jeweiligen Seitenflächen der Abstimmstruktur angeordnet sind. Eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt führt zu einem elektrischen Feld innerhalb der Abstimmstruktur, dessen Richtung von der genauen Lage der Kontaktflächen und dem Vorzeichen der Potentialdifferenz abhängt.
Durch diese Anordnung ist es vorteilhaft möglich, das elektrische Feld innerhalb der Abstimmstruktur parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats auszurichten. Sowohl die Stärke als auch die Ausrichtung des elektrischen Feldes beeinflussen die optischen Eigenschaften der Abstimmstruktur.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements sind der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt auf einer oberen Fläche bzw. einer hinteren Fläche der Abstimmstruktur angeordnet. Die obere Fläche und die hintere Fläche erstrecken sich parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats. Die obere Fläche und die hintere Fläche sind an gegenüberliegenden Seiten der Abstimmstruktur angeordnet.
Durch diese Anordnung ist es vorteilhaft möglich, das elektrische Feld innerhalb der Abstimmstruktur in Querrichtung zur Haupterstreckungsebene des Substrats auszurichten. Sowohl die Stärke als auch die Ausrichtung des elektrischen Feldes beeinflussen die optischen Eigenschaften der Abstimmstruktur.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl von Abstimmstrukturen. Das von der Spannungsquelle erzeugte elektrische Feld ist in mindestens zwei der Abstimmstrukturen im Betrieb unterschiedlich. Dies bedeutet, dass unterschiedliche elektrische Felder gleichzeitig an unterschiedliche Abstimmstrukturen angelegt werden können bzw. unterschiedliche Abstimmstrukturen nicht notwendigerweise das gleiche elektrische Feld aufweisen. Die elektrischen Felder können sich in ihrer Stärke und/oder in ihrer Richtung unterscheiden. Vorteilhaft ist, dass durch das Anlegen unterschiedlicher elektrischer Felder an unterschiedliche Abstimmstrukturen die optischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements lokal variieren können. Dadurch kann die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich gesteuert werden.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist das von der Spannungsquelle erzeugte elektrische Feld in der mindestens einen Abstimmstruktur während des Betriebs zeitlich veränderlich. Dies bedeutet, dass das elektrische Feld innerhalb der Abstimmstruktur während des Betriebs dynamisch verändert werden kann. Die Änderung des elektrischen Feldes kann innerhalb einer sehr kleinen Zeitskala erfolgen. Beispielsweise kann die Änderung des elektrischen Feldes innerhalb der Abstimmstruktur innerhalb einiger Pikosekunden (ps) oder sogar noch schneller erfolgen. Wie bereits erwähnt, werden durch die Änderung des elektrischen Feldes auch die optischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements verändert. Vorteilhaft ist, dass die optischen Zielspezifikationen des optoelektronischen Bauelements dynamisch verändert werden können. Dies ist z. B. bei Kameraanwendungen nützlich, bei denen sich das zu erfassende Objekt während des Betriebs bewegt. Darüber hinaus ermöglicht die Änderung des elektrischen Feldes innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine ultraschnelle Modulation der elektromagnetischen Strahlung, die das Bauelement durchläuft.
In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Wellenlängenbereich. In einer anderen Ausführungsform liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im Nahinfrarot-Wellenlängenbereich. In einer weiteren Ausführungsform liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich. In einer weiteren Ausführungsform liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung in einem Bereich, der sich mit mindestens zwei der oben genannten Wellenlängenbereiche überschneidet. Die für das Substrat, die Abstimmstruktur, die Deckschicht und die optische Struktur verwendeten Materialien sind für die elektromagnetische Strahlung des jeweiligen Wellenlängenbereichs transparent. Liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung beispielsweise im infraroten Wellenlängenbereich, können die Komponenten des optoelektronischen Bauelements Materialien aufweisen, die für infrarote Strahlung transparent sind. Liegt die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich, können die Komponenten des optoelektronischen Bauelements Materialien aufweisen, die für sichtbares Licht transparent sind. Die elektrischen Kontakte der Abstimmstruktur können ebenfalls aus Materialien bestehen, die für die jeweilige elektromagnetische Strahlung transparent sind. Da jedoch in der Draufsicht Bereiche der elektrischen Kontakte vergleichsweise klein sein können, können die elektrischen Kontakte für die elektromagnetische Strahlung auch undurchlässig sein. Dies ist der Fall, wenn die elektrischen Kontakte beispielsweise ein Metall aufweisen. Vorteilhafterweise kann das optoelektronische Bauelement so gestaltet werden, dass es für verschiedene Wellenlängenbereiche geeignet ist. Dies ermöglicht den Einsatz in verschiedenen Anwendungen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein elektronisches System das optoelektronische Bauelement. Das elektronische System ist insbesondere ein optoelektronisches System, das zum Aussenden und/oder Erfassen von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist. In einer Ausführungsform umfasst das elektronische System Beleuchtungen oder Lichtquellen. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Photodiode oder ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) bzw. eine Anordnung von Photodioden oder VCSELs sein. Mit Hilfe des optoelektronischen Bauelements des elektronischen Systems kann die von der Lichtquelle ausgesandte elektromagnetische Strahlung manipuliert werden.
So kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise verstärkt, verzögert, gerichtet, polarisiert oder ähnliches werden. In einer anderen Ausführungsform umfasst das elektronische System einen Sensor oder Detektor für elektromagnetische Strahlung. Der Detektor kann eine Photodiode, ein Photomultiplier (PMT) oder ein Thermopile bzw. ein Array davon sein. Mit Hilfe des optoelektronischen Bauelements kann elektromagnetische Strahlung, die das elektronische System erreicht, manipuliert werden. So kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise verstärkt, verzögert, gerichtet, polarisiert oder ähnliches werden.
Aufgrund dieser Eigenschaften kann ein solches elektronisches System für Strahlformungs- und Strahlsteuerungsanwendungen verwendet werden. In einer Ausführungsform ist das elektronische System ein Kamerasystem. Das elektronische System ist z. B. eine 3D-Kamera, die strukturiertes Licht verwendet, um Tiefeninformationen über ein zu erfassendes Objekt zu erhalten. Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen System um ein Lichtdetektions- und Entfernungsmesssystem (Lidar). In einer anderen Ausführungsform ist das elektronische Bauteil ein Hologrammgenerator. In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem elektronischen Bauteil um ein intelligentes Gerät, z. B. ein Mobiltelefon, bei dem das optoelektronische Bauelement als integrierte Optik verwendet wird. Da das optoelektronische Bauelement mit einer Technologie für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hergestellt werden kann, kann das elektronische System kleine Abmessungen haben.
Die folgende Beschreibung der Figuren kann beispielhafte Ausführungsformen weiter veranschaulichen und erläutern. Komponenten, die funktionell identisch sind oder eine identische Wirkung haben, sind durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet. Identische oder praktisch identische Bauteile werden möglicherweise nur in Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen sie zuerst vorkommen. Ihre Beschreibung wird in den nachfolgenden Figuren nicht unbedingt wiederholt.
Figurenliste

zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.
Die bis zeigen Draufsichten von Ausführungsformen eines optoelektronischen Bauelements.
zeigt eine weitere Draufsicht auf eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.
zeigt eine weitere Draufsicht auf eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.
zeigt einen weiteren Querschnitt durch eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.
zeigt einen weiteren Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement.
zeigt einen weiteren Querschnitt durch ein optoelektronisches Bauelement.
zeigt ein Simulationsergebnis für eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelements 1 dargestellt. Die Ausführungsform gemäß umfasst ein Substrat 2 mit einer Hauptfläche 3. Das Substrat 2 hat eine Haupterstreckungsebene. Laterale Richtungen x, y verlaufen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2. Auf der Hauptoberfläche 3 des Substrats 2 ist mindestens eine Abstimmstruktur 4 angeordnet. In dem in dargestellten Beispiel sind vier Abstimmstrukturen 4 auf der Hauptfläche des Substrats 2 angeordnet. In den lateralen Richtungen x, y haben die Abstimmstrukturen 4 einen Abstand zueinander. Das heißt, die Abstimmstrukturen 4 sind voneinander beabstandet. Die Abstimmstrukturen 4 haben jeweils eine obere Fläche 5 und eine hintere Fläche 6, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verlaufen. Die obere Fläche 5 und die hintere Fläche 6 sind an gegenüberliegenden Seiten jeder Abstimmstruktur 4 angeordnet. Die hintere Fläche 6 jeder Abstimmstruktur 4 ist dem Substrat 2 zugewandt. Die obere Fläche 5 ist vom Substrat 2 abgewandt.
Jede Abstimmstruktur 4 umfasst einen ersten elektrischen Kontakt 7 und einen zweiten elektrischen Kontakt 8. Die elektrischen Kontakte 7, 8 umfassen ein anderes Material als die übrige Abstimmstruktur 4. Bei der in gezeigten Ausführungsform ist der erste elektrische Kontakt 7 auf der Oberseite 5 der Abstimmstruktur 4 angeordnet. Der zweite elektrische Kontakt 8 ist auf der Rückfläche 6 der Abstimmstruktur 4 angeordnet. Die elektrischen Kontakte 7, 8 bedecken die gesamte obere Fläche 5 bzw. die gesamte hintere Fläche 6 der Abstimmvorrichtung 4. In anderen Ausführungsformen bedecken die elektrischen Kontakte 7, 8 jedoch nur Teile der jeweiligen Oberflächen 5, 6 der Abstimmstruktur 4. Bei der in gezeigten Ausführungsform sind die Seitenflächen 9 der Abstimmstruktur 4 frei von einem elektrischen Kontakt 7, 8. Dies bedeutet, dass der erste elektrische Kontakt 7 und der zweite elektrische Kontakt 8 nicht physisch oder elektrisch miteinander verbunden sind.
Das optoelektronische Bauelement 1 gemäß 1 umfasst außerdem eine Deckschicht 10. Die Deckschicht 10 kann aus demselben Material bestehen wie das Substrat 2. Die Deckschicht 10 kann aber auch aus einem anderen Material bestehen. Die Deckschicht 10 bedeckt die mindestens eine Abstimmstruktur 4 an all ihren Seiten, mit Ausnahme der Rückseite 6, die dem Substrat 2 zugewandt ist. Die elektrischen Kontakte 7, 8 sind jedoch weiterhin zugänglich. An Bereichen, die frei von der mindestens einen Abstimmstruktur 4 sind, steht die Deckschicht 10 in direktem Kontakt mit dem Substrat 2. Die Deckschicht 10 weist eine Oberseite 11 auf. Die Oberseite 11 kann parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verlaufen.
Auf der Oberseite 11 der Deckschicht 10 ist eine optische Struktur 12 angeordnet. In einer Querrichtung z, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verläuft, befindet sich die optische Struktur 12 oberhalb der Abstimmstruktur 4. Die Deckschicht 10 ist zwischen der Abstimmstruktur 4 und der optischen Struktur 12 angeordnet. In der in dargestellten Ausführungsform umfasst die optische Struktur 12 eine Vielzahl von Strukturelementen 13. Das bedeutet, dass die optische Struktur 12 eine strukturierte Oberfläche 21 aufweist, die ein Muster bildet.
Das Muster wird auf der einen Seite durch Aussparungen 14 und auf der anderen Seite durch die Strukturelemente 13 gebildet. In der Querrichtung z weist die optische Struktur 12 eine Dicke auf. Wie in dargestellt, erstrecken sich die Aussparungen 14 über die gesamte Dicke der optischen Struktur 12, so dass Teile der Oberseite 11 der Deckschicht 10 freiliegen. Dies bedeutet, dass die Strukturelemente 13 der optischen Struktur 12 nicht miteinander verbunden sind. Die 6 bis 8 zeigen jedoch unterschiedliche Konzepte der optischen Struktur, die im Folgenden erörtert werden.
Wie in dargestellt, umfasst das optoelektronische Bauelement 1 außerdem eine Spannungsquelle 15. Bei der Spannungsquelle 15 kann es sich, wie dargestellt, um eine externe Spannungsquelle 15 handeln. Die Spannungsquelle 15 kann jedoch auch in das Substrat 2 integriert sein. Die Spannungsquelle 15 ist elektrisch mit dem ersten elektrischen Kontakt 7 und dem zweiten elektrischen Kontakt 8 der mindestens einen Abstimmstruktur 4 verbunden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in nur eine der Abstimmstrukturen 4 mit der Spannungsquelle 15 verbunden. Jede Abstimmstruktur 4 kann jedoch an dieselbe Spannungsquelle 15 oder an weitere Spannungsquellen 15 angeschlossen sein. Die Spannungsquelle 15 dient dazu, eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 7 und dem zweiten elektrischen Kontakt 8 zu erzeugen. Dies wiederum erzeugt ein elektrisches Feld innerhalb des mindestens einen Abstimmelements 4. Die elektrische Verbindung von der Spannungsquelle 15 zu dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontakt 7, 8 wird durch elektrisch leitende Drähte 16 hergestellt. Die elektrisch leitenden Drähte 16 können aus dem gleichen oder einem anderen Material bestehen wie die elektrischen Kontakte. Die elektrisch leitenden Drähte 16 können, wie in 1 gezeigt, in das Substrat 2 und die Deckschicht 10 integriert sein. Die elektrischen Kontakte 7, 8 können über die elektrisch leitenden Drähte zugänglich sein.
Während des Betriebs erreicht die elektromagnetische Strahlung eine hintere Fläche 17 des Substrats 2, wie durch die drei Pfeile angedeutet. Anschließend durchdringt die elektromagnetische Strahlung das Substrat 2, die Abstimmstrukturen 4 und die Deckschicht 10 und erreicht die optische Struktur 12. Die optische Struktur 12 manipuliert die elektromagnetische Strahlung in einer vordefinierten Weise. Die optische Struktur 12 hat eine Zielvorgabe, mit der die elektromagnetische Strahlung manipuliert wird, zum Beispiel durch eine Brennweite, einen Ablenkungswinkel oder Ähnliches. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Abstimmstruktur 4 wird die Eingangswellenfront der elektromagnetischen Strahlung modifiziert, z. B. durch eine Phasenverzögerung, so dass, wenn die modifizierte Wellenfront die optische Struktur 12 durchläuft, eine kontrollierte Abweichung von den ursprünglichen Zielvorgaben der optischen Struktur 12 entsteht.
Die bis zeigen verschiedene Ausführungsformen von Strukturelementen 13 der optischen Struktur 12 in einer Draufsicht. Die Draufsicht bezieht sich auf eine Ansicht des optoelektronischen Bauelements 1 von einer Seite der Deckschicht 10, die vom Substrat 2 abgewandt ist. Die 2a bis 2d zeigen nur Details eines jeweiligen Strukturelements 13, das auf der Oberseite 11 der Deckschicht 10 angeordnet ist. Die Länge, Breite und der Abstand zu anderen Strukturelementen kann insbesondere kleiner sein als die Wellenlänge der zu manipulierenden elektromagnetischen Strahlung.
zeigt ein Strukturelement 13, das eine rechteckige Form hat, wobei die Länge, die sich auf die Abmessung des Strukturelements in y-Richtung bezieht, größer ist als seine Breite, die sich auf die Abmessung des Strukturelements in x-Richtung bezieht. Die Proportionen des Strukturelements 13 können jedoch auch gleich sein oder vertauscht sein. Darüber hinaus kann ein solches Strukturelement 13 in den lateralen Richtungen x, y gedreht sein. Die Ausrichtung des Strukturelements 13 in den Querrichtungen x, y kann in Bezug auf die Ausrichtung der benachbarten Strukturelemente 13 gleich oder unterschiedlich sein.
zeigt ein Strukturelement 13 auf der Deckschicht 10, das eine Plusform hat. Wie in der vorherigen Ausführungsform kann ein solches Strukturelement 13 in den lateralen Richtungen x, y gedreht sein. Die Ausrichtung des Strukturelements 13 in den lateralen Richtungen x, y kann in Bezug auf die Ausrichtung der benachbarten Strukturelemente 13 gleich oder unterschiedlich sein.
zeigt ein Strukturelement 13 auf der Deckschicht 10, das eine L-Form hat. Wie in der vorherigen Ausführungsform kann ein solches Strukturelement 13 in den lateralen Richtungen x, y gedreht sein. Die Ausrichtung des Strukturelements 13 in den Querrichtungen x, y kann in Bezug auf die Ausrichtung der benachbarten Strukturelemente 13 gleich oder unterschiedlich sein.
zeigt ein Strukturelement 13 auf der Deckschicht 10, das in der Draufsicht eine gekrümmte Form aufweist. In dieser Ausführungsform bildet das Strukturelement 13 ein Oval. Es ist jedoch auch jede andere gekrümmte Form möglich, z. B. ein Kreis.
Es ist zu beachten, dass alle gezeigten Ausführungsformen der Strukturelemente 13 auch miteinander kombiniert werden können, so dass mindestens zwei der Strukturelemente 13 unterschiedliche Formen aufweisen.
In ist die Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements 1 dargestellt. In diesem Fall umfasst das optoelektronische Bauelement 1 ein Substrat 2 und eine Deckschicht 10, die in der Draufsicht eine runde Form haben. Die Abstimmstruktur 4 des optoelektronischen Bauelements 1 umfasst einen umlaufenden Abschnitt 18. In diesem Fall bildet der umlaufende Abschnitt 18 einen Ring auf dem Substrat 2. Der durch den Umfangsabschnitt 18 gebildete Ring hat einen Durchmesser und umgibt einen Bereich, der frei von der Abstimmstruktur 4 ist. Eine weitere Abstimmstruktur 4' umfasst einen weiteren umlaufenden Abschnitt 19. Der weitere Umfangsabschnitt 19 hat einen größeren Durchmesser als der Umfangsabschnitt 18 und umgibt den Umfangsabschnitt 18 in den lateralen Richtungen x, y. An einer Seite weist der weitere Umfangsabschnitt einen Spalt auf. Dies bedeutet, dass der weitere Umfangsabschnitt 19 einen Spaltring bildet.
Die Abstimmstruktur 4 und die weitere Abstimmstruktur 4' weisen ebenfalls einen ersten elektrischen Kontakt 7 auf. Wie bereits erwähnt, ist der erste elektrische Kontakt 7 auf der Oberseite 5 der jeweiligen Abstimmstruktur 4, 4' angeordnet, also auf der Seite der Abstimmstruktur 4, 4', die dem Betrachter von 3 zugewandt ist. Die Abstimmstruktur 4 und die weitere Abstimmstruktur 4' umfassen auch einen zweiten elektrischen Kontakt 8, der auf der hinteren Fläche 6 der jeweiligen Abstimmstruktur 4, 4', also auf einer dem Betrachter der 3 abgewandten Seite der Abstimmstruktur 4, 4', angeordnet ist. In 3 ist der zweite elektrische Kontakt 8 durch gestrichelte Linien eingezeichnet, um anzudeuten, dass er in Querrichtung z genau unter dem ersten elektrischen Kontakt 7 angeordnet sein kann, so dass er aus der Sicht des Betrachters nicht sichtbar ist.
Der erste und der zweite elektrische Kontakt 7, 8 der den Umfangsabschnitt 18 aufweisenden Abstimmstruktur 4 sind so angeordnet, dass sie vom Umfangsabschnitt 18 in einer lateralen Richtung y durch den Spalt im weiteren Umfangsabschnitt 19 in einen Randbereich des optoelektronischen Bauelements 1 reichen. Mit dem Randbereich des optoelektronischen Bauelements 1 ist ein Bereich gemeint, in dem oberhalb der Abstimmstruktur keine optische Struktur vorhanden ist und der daher optisch inaktiv ist. Der erste und der zweite elektrische Kontakt 7, 8 der weiteren Abstimmstruktur 4', die den weiteren Umfangsabschnitt 19 umfasst, reichen von dem weiteren Umfangsabschnitt 19 in einer beliebigen lateralen Richtung x, y bis in den Randbereich. Durch diese Anordnung sind der erste und der zweite elektrische Kontakt 7, 8 jeder Abstimmstruktur 4, 4' zugänglich und können mit der Spannungsquelle 15 (nicht dargestellt) am Randbereich des optoelektronischen Bauelements 1 verbunden werden.
Die in gezeigte Ausführungsform umfasst eine optische Struktur 12 mit Strukturelementen 13, die in der Draufsicht eine runde Form aufweisen. In der Draufsicht entspricht die von der optischen Struktur 12 abgedeckte Gesamtfläche ungefähr der Fläche, die in den lateralen Richtungen x, y von dem Umfangsabschnitt 18 und dem weiteren Umfangsabschnitt 19 eingeschlossen wird. Dieser Bereich kann als optisch aktiver Bereich bezeichnet werden.
In der in gezeigten Ausführungsform kann die optische Struktur 12 eine abstimmbare Meta-Linse bilden, d. h. eine Linse, die ein Meta-Material umfasst. Die Meta-Linse hat einen Durchmesser, der der optisch aktiven Fläche entspricht. Die Abstimmstruktur 4 und die weitere Abstimmstruktur 4' führen Korrekturen an der bereits durch die Meta-Linse realisierten Phasenfunktion ein. Die elektrischen Kontakte 7, 8 jeder Abstimmstruktur 4, 4' sind getrennt angeordnet, so dass die jeweiligen Abstimmstrukturen 4, 4' unabhängig voneinander durch ein elektrisches Feld gesteuert werden können. Auf diese Weise können je nach Bedarf unterschiedliche Phasenverzögerungen entlang des Linsendurchmessers erreicht werden.
Die in gezeigte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst ein Substrat 2 und eine Deckschicht 10, die in der Draufsicht rechteckig sind. Sie unterscheidet sich ferner von der Ausführungsform der 3 dadurch, dass sie eine Vielzahl von Abstimmstrukturen 4 umfasst, die als Array angeordnet sind. In diesem Fall umfasst das Array sechs Abstimmstrukturen 4. In ist nur der erste elektrische Kontakt 7 jeder Abstimmstruktur 4 dargestellt. Der zweite elektrische Kontakt 8 (nicht dargestellt) kann jedoch direkt unter dem ersten elektrischen Kontakt 7 angeordnet sein, so dass er aus Sicht des Betrachters nicht sichtbar ist. Die elektrischen Kontakte 7, 8 erstrecken sich von der jeweiligen Abstimmstruktur 4 in lateralen Richtungen x, y zu unterschiedlichen Randbereichen des optoelektronischen Bauelements 1. Auf diese Weise können sie separat an eine oder mehrere Spannungsquellen 15 (nicht dargestellt) angeschlossen werden. Dies wiederum ermöglicht es, das elektrische Feld in jeder Abstimmstruktur 4 unabhängig zu steuern.
Die optische Struktur 12 ist in der Querrichtung z oberhalb des Arrays von Abstimmstrukturen 4 angeordnet. Die Fläche, die von der optischen Struktur 12 mit den Strukturelementen 13 in den Querrichtungen x, y abgedeckt wird, kann ungefähr so groß sein wie die Fläche, die von der Anordnung der Abstimmstrukturen 4 abgedeckt wird. Wie in gezeigt, kann die Gesamtfläche, die von der Anordnung der Abstimmstrukturen 4 abgedeckt wird, jedoch etwas größer sein als die Fläche, die von der optischen Struktur 12 abgedeckt wird. Der Bereich, in dem sich die beiden Bereiche überschneiden, kann als optisch aktiver Bereich bezeichnet werden.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements 1 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass sie eine andere optische Struktur 12 aufweist. Die optische Struktur 12 der 5 weist ebenfalls eine strukturierte Oberfläche 21 auf, die von der Deckschicht 10 abgewandt ist. Die Strukturelemente 13 sind jedoch physisch miteinander verbunden, da sich die Aussparungen 14 nicht über die gesamte Dicke der optischen Struktur 12 erstrecken. Daher liegen Teile der Oberseite 11 der Deckschicht 10 in dem Bereich, in dem die optische Struktur 12 vorhanden ist, nicht frei. Dies bedeutet, dass die Deckschicht 10 vollständig von der optischen Struktur 12 bedeckt ist. Die strukturierte Oberfläche 21 bildet ein Muster, das regelmäßig oder unregelmäßig sein kann. Die Strukturelemente 13 können die in den 2a-d dargestellten Formen aufweisen. In einer anderen Ausführungsform bilden die Strukturelemente 13 konzentrische Ringe über der optisch aktiven Fläche. In diesem Fall bildet die optische Struktur 12 eine Zonenplatte oder eine binäre Linse.
5 unterscheidet sich weiter von 1, indem sie ein anderes Konzept zur elektrischen Kontaktierung der mindestens einen Abstimmstruktur 4 zeigt. In diesem Fall weist jede Abstimmstruktur 4 den ersten elektrischen Kontakt 7 und den zweiten elektrischen Kontakt 8 auf, die an einer Seitenfläche 9 bzw. an einer weiteren Seitenfläche 9' der Abstimmstruktur 4 angeordnet sind. Die Seitenfläche 9 und die weitere Seitenfläche 9' verlaufen senkrecht oder quer zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2. Die Seitenfläche 9, auf der der erste elektrische Kontakt 7 angeordnet ist, ist von der weiteren Seitenfläche 9', auf der der zweite elektrische Kontakt angeordnet ist, getrennt. Auf diese Weise sind der erste und der zweite elektrische Kontakt 7, 8 elektrisch voneinander isoliert. Wie in dargestellt, können der erste und der zweite elektrische Kontakt 7, 8 die gesamte jeweilige Seitenfläche 9, 9' der Abstimmvorrichtung 4 bedecken.
Die in 6 gezeigte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements 1 unterscheidet sich von der in 5 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass sie eine andere Variante der optischen Struktur 12 zeigt. In diesem Fall bildet die optische Struktur 12 eine Schicht mit einer ebenen Oberfläche 21. Das bedeutet, dass die Oberfläche 21 der optischen Struktur 12, die der Deckschicht 10 abgewandt ist, parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats 2 verläuft. Diese Ausführungsform der optischen Struktur 12 kann verwendet werden, wenn die optische Struktur 12 eine Phasenplatte oder einen Diffusor bildet.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements 1 unterscheidet sich von der in 6 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass sie eine andere Variante der optischen Struktur 12 zeigt. In diesem Fall hat die optische Struktur 12 eine gekrümmte Oberfläche 21. Das bedeutet, dass die Oberfläche 21 der optischen Struktur 12, die von der Deckschicht 10 abgewandt ist, eine Krümmung in Bezug auf die Haupterstreckungsebene des Substrats 2 aufweist. Diese Ausführungsform der optischen Struktur 12 kann verwendet werden, wenn die optische Struktur 12 eine brechende Linse bildet.
zeigt ein Diagramm durch Simulation erhaltener Funktionen. Hier ist eine Intensität I der elektromagnetischen Strahlung gegen einen Abstand d zwischen der optischen Struktur 12 und einer Position in Querrichtung z über der optischen Struktur 12 aufgetragen. Die Intensität I wird in Einheiten von W/m² angegeben. Der Abstand d wird in Einheiten von µm angegeben.
In diesem Fall bildet die optische Struktur 12 eine Linse, wie zum Beispiel in Verbindung mit beschrieben. Das Ergebnis der Simulation kann zur Bestimmung der Brennweite der optischen Struktur 12, die die Linse bildet, verwendet werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass jede andere Zielspezifikation der optischen Struktur 12 auf ähnliche Weise analysiert werden kann.
Die Intensitätskennlinien sind für drei verschiedene Szenarien dargestellt: Das erste Szenario (Kurve 22) zeigt die Intensität I der elektromagnetischen Strahlung, während kein elektrisches Feld an die Abstimmstruktur 4 angelegt ist. Das zweite und dritte Szenario (Kurven 23 und 24) zeigen die Intensität I der elektromagnetischen Strahlung, während ein entsprechendes elektrisches Feld auf die Abstimmstruktur 4 einwirkt. Die Kurve 22 zeigt ein deutliches Maximum bei etwa 35 µm. Dies bedeutet, dass die Brennweite der optischen Struktur 12 mit diesem Abstand identifiziert werden kann. Das Simulationsergebnis zeigt auch, dass das optoelektronische Bauelement 1 über die optische Struktur 12 eine Zielvorgabe auch ohne Abstimmung, d.h. in einem Betriebsmodus, der kein Abstimmmodus durch Anlegen eines elektrischen Feldes ist, aufweist. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes einer bestimmten Stärke und Richtung wird das Intensitätsmaximum jedoch in Richtung eines Abstandes d von etwa 45 µm verschoben (Kurve 23). Durch Anlegen eines anderen elektrischen Feldes, wie in Kurve 24 dargestellt, kann das Intensitätsmaximum in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden, d. h. in einen Abstand d von etwa 25 um. Dies bedeutet, dass die optischen Eigenschaften des optoelektronischen Bauelements 1 durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Feldes dynamisch in beide Richtungen verändert werden können.
Die hier offengelegten Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelements 1 wurden erörtert, um den Leser mit den neuen Aspekten der Idee vertraut zu machen. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können viele Änderungen, Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offengelegten Konzepte von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne unnötig vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.
Es wird deutlich, dass die Offenbarung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen und auf das, was hier besonders gezeigt und beschrieben wurde, beschränkt ist. Vielmehr können Merkmale, die in einzelnen abhängigen Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt sind, vorteilhaft kombiniert werden. Darüber hinaus schließt der Umfang der Offenbarung jene Variationen und Modifikationen ein, die für den Fachmann offensichtlich sind und in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Der Begriff „umfassend“, soweit er in den Ansprüchen oder in der Beschreibung verwendet wurde, schließt andere Elemente oder Schritte eines entsprechenden Merkmals oder Verfahrens nicht aus. Falls die Begriffe „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit Merkmalen verwendet wurden, schließen sie eine Vielzahl solcher Merkmale nicht aus. Darüber hinaus sind alle Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs zu verstehen.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung 20172735.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Bauelement
2: Substrat
3: Hauptoberfläche des Substrats
4: Abstimmstruktur
4': weitere Abstimmstruktur
5: Oberseite der Abstimmstruktur
6: Hintere Seite der Abstimmstruktur
7: erster elektrischer Kontakt
8: zweiter elektrischer Kontakt
9: Seitenfläche der Abstimmstruktur
9': weitere Seitenfläche der Abstimmstruktur
10: Deckschicht
11: Oberseite der Deckschicht
12: optische Struktur
13: Strukturelemente der optischen Struktur
14: Aussparung der optischen Struktur
15: Spannungsquelle
16: elektrisch leitfähiger Draht
17: hintere Seite des Substrats
18: Umfangsabschnitt der Abstimmstruktur
19: weiterer Umfangsabschnitt
20: Lücke im weiteren Umfangsabschnitt
21: Oberfläche der optischen Struktur
22: erste Kurve des Funktionsgraphen
23: zweite Kurve des Funktionsgraphen
24: dritte Kurve des Funktionsgraphen
x,y: laterale Richtungen
z: Querrichtung
d: Entfernung zur optischen Struktur

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1) zur Manipulation elektromagnetischer Strahlung, das optoelektronische Bauelement (1) umfassend: - ein Substrat (2) mit einer Haupterstreckungsebene, - mindestens eine Abstimmstruktur (4), die auf einer Hauptoberfläche (3) des Substrats (2) angeordnet ist, wobei die Abstimmstruktur (4) ein elektro-optisches Material umfasst, wobei die mindestens eine Abstimmstruktur (4) einen ersten elektrischen Kontakt (7) an einer ersten Seite der Abstimmstruktur (4) und einen zweiten elektrischen Kontakt (8) an einer zweiten Seite der Abstimmstruktur (4) umfasst, - eine Deckschicht (10), die die mindestens eine Abstimmstruktur (4) bedeckt, - eine optische Struktur (12), die auf der Deckschicht (10) angeordnet ist, so dass die Deckschicht (10) zwischen der optischen Struktur (12) und der mindestens einen Abstimmstruktur (4) angeordnet ist, - eine Spannungsquelle (15), die mit dem ersten elektrischen Kontakt (7) und dem zweiten elektrischen Kontakt (8) elektrisch verbunden ist, wobei die Spannungsquelle (15) zur Erzeugung elektrischer Felder innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur (4) vorgesehen ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine optische Eigenschaft der Abstimmstruktur (4) durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Feldes verändert wird.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Struktur (12) Strukturelemente (13) umfasst, die jeweils kleiner sind als eine Wellenlänge der zu manipulierenden elektromagnetischen Strahlung.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Struktur (12) ein Metamaterial umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Struktur (12) ein Mitglied einer Gruppe bildet, die eine Linse, ein Beugungsgitter, eine Zonenplatte, eine Phasenplatte, eine holographische Platte und einen Diffusor umfasst.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Struktur (12) eine Zielspezifikation aufweist, die ein Mitglied einer Gruppe ist, die eine Brennweite, einen Ablenkwinkel, eine Phasenverzögerung, eine Lichtpolarisation und eine Musterprojektion umfasst, wobei die Zielspezifikation der optischen Struktur (12) durch Steuern der elektrischen Felder innerhalb der mindestens einen Abstimmstruktur (4) geändert wird.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstimmstruktur (4) in einer Draufsicht einen Umfangsabschnitt (18) aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in der Draufsicht mindestens eine weitere Abstimmstruktur (4') mindestens einen weiteren Umfangsabschnitt (19) aufweist, wobei der mindestens eine weitere Umfangsabschnitt (19) den Umfangsabschnitt (18) in lateralen Richtungen (x, y), die parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats (2) verlaufen, umgibt.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner eine Vielzahl von Abstimmstrukturen (4) umfasst, die ein Array von Abstimmstrukturen (4) bilden.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste elektrische Kontakt (7) und der zweite elektrische Kontakt (8) auf jeweiligen Seitenflächen (9, 9') der Abstimmstruktur (4) angeordnet sind, wobei die Seitenflächen (9, 9') senkrecht oder quer zur Haupterstreckungsebene des Substrats (2) verlaufen.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste elektrische Kontakt (7) und der zweite elektrische Kontakt (8) auf einer oberen Fläche (5) bzw. einer hinteren Fläche (6) der Abstimmstruktur (4) angeordnet sind, wobei die obere Fläche (5) und die hintere Fläche (6) parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats (2) verlaufen und die obere Fläche (5) und die hintere Fläche (6) an gegenüberliegenden Seiten der Abstimmstruktur (4) angeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Vielzahl von Abstimmstrukturen (4'), wobei das von der Spannungsquelle (15) erzeugte elektrische Feld in mindestens zwei der Abstimmstrukturen (4') im Betrieb unterschiedlich ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der mindestens einen Abstimmstruktur (4) das von der Spannungsquelle (15) erzeugte elektrische Feld im Betrieb zeitlich variabel ist.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu manipulierende elektromagnetische Strahlung im infraroten, im nahen infraroten oder im sichtbaren Wellenlängenbereich oder in einem Bereich liegt, der mindestens zwei dieser Wellenlängenbereiche überlappt.
Optoelektronisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstimmstruktur (4) ein anorganisches Festkörpermaterial umfasst.
Elektronisches System umfassend das optoelektronische Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische System insbesondere ein optoelektronisches System ist, das zum Aussenden und/oder Erfassen von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen ist.